جوشکاری یکی از فرآیندهای کلیدی در صنعت فلزکاری است که نقش حیاتی در ساخت، تعمیر و اتصال قطعات فلزی دارد. در این فرآیند، قطعات فلزی از طریق حرارت یا فشار (یا ترکیبی از هر دو) به یکدیگر متصل میشوند. ابزار اصلی ایجاد اتصال در جوشکاری، الکترود جوشکاری است؛ وسیلهای که هم هدایتکننده جریان الکتریکی و هم در بسیاری از فرآیندها، تأمینکننده فلز پرکننده است.
از منظر اقتصادی نیز، انتخاب نوع الکترود اهمیت دارد، زیرا قیمت الکترود متناسب با نوع پوشش، جنس مغزی، برند، و تکنولوژی ساخت متفاوت است. بنابراین شناخت علمی و فنی این ابزار، هم از دیدگاه کیفیت جوش و هم از منظر اقتصادی ضروری است.
تعریف جوشکاری و نقش الکترود و سیم جوش
بر اساس تعریف انجمن جوشکاری آمریکا (AWS – American Welding Society)، جوشکاری عبارت است از:
«اتصال فلزات یا غیر فلزات به یکدیگر از طریق اعمال حرارت یا فشار یا هر دو، با استفاده یا بدون استفاده از مواد پرکننده.»
انواع فرآیندهای جوشکاری
فرآیندهای جوشکاری به دو گروه کلی تقسیم میشوند:
- جوشکاری ذوبی (Fusion Welding):
در این روش، لبههای دو قطعه ذوب شده و با ماده پرکننده (Filler Metal) ترکیب میشوند. پس از سرد شدن مذاب، اتصال دائمی شکل میگیرد.
در این حالت، برای ایجاد حرارت لازم، از قوس الکتریکی یا شعله گاز استفاده میشود. - جوشکاری غیرذوبی (Solid-State Welding):
در این روش، اتصال بدون ذوب کامل انجام میشود. فلزات تا دمای زیر نقطه ذوب گرم شده و سپس با اعمال فشار مکانیکی، در سطح تماس به هم جوش میخورند.
فلز پرکننده (Filler Metal)
فلز پرکننده همان مادهای است که فضای بین دو قطعه را پر کرده و اتصال را ایجاد میکند.
بهطور خلاصه:
هر الکترودی یک فلز پرکننده است، ولی هر فلز پرکننده لزوماً الکترود نیست.
فرآیندهای مختلف جوشکاری بر اساس نوع الکترود
| نوع فرآیند | اختصار | نوع فلز پرکننده | ویژگیها |
|---|---|---|---|
| جوشکاری قوس فلزی با الکترود دستی | SMAW | مفتول فلزی روکشدار | متداولترین نوع جوشکاری، مناسب برای سازهها |
| جوشکاری قوس فلزی با گاز محافظ | GMAW (MIG/MAG) | سیم فلزی کلافی بدون روکش | سرعت بالا، مناسب برای خطوط تولید |
| جوشکاری قوس توپودری | FCAW | سیم لولهای پرشده با پودر (فلاکس) | پایداری بالا و نفوذ زیاد |
| جوشکاری زیرپودری | SAW | سیم فلزی بدون روکش در زیر فلاکس پودری | مناسب برای قطعات ضخیم و جوشهای طولانی |
ساختار الکترود جوشکاری
الکترودهای مورد استفاده در فرآیند SMAW از دو بخش اصلی تشکیل شدهاند:
۱. مغزی (Core Wire)
مغزی همان میله فلزی رساناست که جریان الکتریکی را هدایت کرده و در قوس الکتریکی ذوب میشود. این بخش با فلز پایه ترکیب شده و حوضچه مذاب را تشکیل میدهد.
قطر مغزی الکترود معمولاً بین ۲ تا ۸ میلیمتر و طول آن بین ۲۵ تا ۴۰ سانتیمتر است.
۲. پوشش یا روکش الکترود (Flux Coating)
پوشش یا همان "گل الکترود"، ترکیبی از مواد معدنی و آلی است که روی مغزی پرس و سپس خشک میشود.
این روکش سه نقش اساسی دارد:
نقش متالورژیکی
- آلیاژسازی و افزودن عناصر مفید (Mn، Si، Ti)
- محافظت از حوضچه مذاب در برابر اکسیژن و نیتروژن
- تولید گاز محافظ و تشکیل سرباره (Slag)
- کاهش نرخ خنک شدن برای جلوگیری از ترک
نقش الکتریکی
- تسهیل شروع قوس (Arc Striking)
- پایداری و یکنواختی قوس الکتریکی
- کنترل جریان و ولتاژ در حین ذوب
نقش فیزیکی
- حفظ حوضچه مذاب در جوشکاریهای عمودی و بالای سر
- تنظیم ویسکوزیته و کشش سطحی فلز مذاب
- ایجاد سرباره محافظ روی سطح جوش
ترکیبات اصلی پوشش الکترود
- مواد سربارهساز: مانند اکسید تیتانیوم، اکسید منگنز، فلدسپات، آهک، کوارتز و خاک چینی.
- مواد احیاکننده: مانند فرومنگنز، فروسیلیسیم و فروکروم.
- مواد گازساز: مانند سلولز، خاک اره، زغال چوب .
- چسبها: نظیر سیلیکات سدیم یا پتاسیم برای چسبندگی پوشش.
- پودر آهن: برای افزایش راندمان رسوب در الکترودهای قلیایی و روتیلی.
طبقهبندی الکترودها بر اساس نوع روکش
طبق استاندارد AWS A5.1، الکترودهای جوشکاری بر اساس نوع روکش به گروههای زیر تقسیم میشوند:
| نوع روکش | ویژگیها و کاربردها |
|---|---|
| سلولزی (Cellulosic) | نفوذ بالا، قوس قوی، مناسب خطوط لوله (E6010, E6011) |
| روتیلی (Rutile) | قوس نرم، سرباره آسانجدا، ظاهر جوش صاف (E6013) |
| اسیدی (Acidic) | کاربرد محدود، برای سطوح نازک |
| اکسیدی (Oxidizing) | تشکیل سرباره ضخیم، سطح صاف ولی نفوذ کم |
| قلیایی (Basic/Low Hydrogen) | هیدروژن پایین، مقاومت بالا، مناسب سازههای سنگین (E7018) |
| روتیلی با پودر آهن (Iron Powder Rutile) | نرخ رسوب بالا، مناسب کارهای سریع و صنعتی |
سرباره یا گل جوش و نقش آن
سرباره یا شلاکه (Slag) یکی از محصولات جانبی فرآیند جوشکاری با الکترود پوششدار است که پس از انجماد روی جوش تشکیل میشود. وظایف اصلی آن عبارتاند از:
- جلوگیری از تماس اکسیژن هوا با حوضچه مذاب
- کاهش سرعت سرد شدن فلز جوش
- جذب ناخالصیها و جلوگیری از تخلخل
- بهبود ظاهر و صافی سطح جوش
پس از سرد شدن، سرباره باید از سطح جوش جدا شود تا آماده عملیات بعدی یا پاس بعدی گردد.
انتخاب الکترود مناسب
انتخاب نوع صحیح الکترود تأثیر مستقیم بر کیفیت جوش دارد. برخی از مهمترین پارامترهای انتخاب عبارتاند از:
- ترکیب شیمیایی فلز پایه
- ضخامت قطعه و نوع اتصال
- موقعیت جوش (افقی، عمودی، سقفی)
- نوع جریان (AC یا DC)
- شرایط محیطی و دما
- الزامات مکانیکی مانند مقاومت کششی، چقرمگی و انعطافپذیری
بهطور معمول، برای فولادهای کربنی از E6013، برای فولادهای آلیاژی از E7018، و برای فولاد زنگنزن از E308L استفاده میشود.
خواص مکانیکی و متالورژیکی فلز جوش
ترکیب شیمیایی پوشش و مغزی الکترود، ساختار نهایی فلز جوش را تعیین میکند. خواصی مانند مقاومت کششی، چقرمگی، سختی و مقاومت به خوردگی به شدت وابسته به نوع الکترود است.
الکترودهای کمهیدروژن (Low Hydrogen) معمولاً باعث افزایش چقرمگی و کاهش ترکهای سرد میشوند. در مقابل، الکترودهای سلولزی نفوذ بالایی دارند اما سطح زبرتری ایجاد میکنند.
نگهداری و شرایط انبارداری
الکترودهای قلیایی بهدلیل جذب رطوبت، باید در دمای متناسب با نوع الکترود خشک شوند و در محفظه گرم نگهداری گردند.
رطوبت زیاد باعث نفوذ هیدروژن در فلز جوش و ایجاد ترکهای پنهان میشود. الکترودهای روتیلی و سلولزی حساسیت کمتری دارند، اما نگهداری در محیط خشک همچنان ضروری است.
نوآوریهای جدید در تولید الکترود
در سالهای اخیر، تحقیقات گستردهای برای بهبود عملکرد الکترودها انجام شده است، از جمله:
- استفاده از پوششهای نانوساختار برای افزایش پایداری قوس و کاهش پاشش.
- تولید الکترودهای ترکیبی (Hybrid Electrodes) با افزودنیهای سرامیکی برای افزایش طول عمر.
نقش کلیدی الکترودهای جوشکاری در اتصال پایدار و باکیفیت فلزات
الکترود جوشکاری، قلب فرآیند جوشکاری است؛ عنصری که هم انرژی الکتریکی را منتقل میکند و هم ترکیب شیمیایی اتصال را تعیین مینماید. آشنایی با ساختار، نوع پوشش، ترکیبات فلاکس، و طبقهبندی الکترودها بر اساس استانداردهای AWS، شرط لازم برای دستیابی به اتصالات قوی و ایمن است.
از دیدگاه صنعتی، انتخاب صحیح نوع الکترود نهتنها کیفیت اتصال را تضمین میکند، بلکه با در نظر گرفتن قیمت الکترود و هزینههای مرتبط، میتواند صرفهجویی قابلتوجهی در پروژهها ایجاد نماید.
