مواد مصرفی جوشکاری

در اغلب فرآیندهای جوشکاری نظیر قوس الکتریکی، حرارتی، بریزینگ و…، نیاز به یک یا چند ماده مصرفی برای برقراری بهتر اتصال و محافظت ازحوضچه مذاب ایجاد شده، می­باشد. بر این اساس الکترودهای جوشکاری به لحاظ مصرف به دو دسته اصلی تقسیم بندی می­شوند.

الف- الکترودهای ذوبی یا مصرفی: این الکترودها در حین جوشکاری ذوب شده و همراه با ذوب موضعی فلز پایه، فلز جوش را تشکیل می­دهند. از الکترودهای ذوبی در فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی دستی، قوس زیر پودری و قوس با گاز محافظ (MIG/MAG) استفاده می­شود.

ب- الکترودهای غیر مصرفی: این الکترودها تنها قوس الکتریکی ایجاد کرده و ذوب نمی شوند. درجه حرارت ذوب آنها بسیار بالا است وعمدتاً از جنس آلیازهای تنگستن می­باشند. از الکترودهای غیر مصرفی در فرآیندهای جوشکاری با گاز محافظ TIG و جوشکاری قوسی پلاسما استفاده می­شود.

۱-  تقسیم بندی الکترودها از نظر ضخامت پوشش

سازندگان الکترود براساس استانداردهای مختلف وسفارش مشتریان، الکترودهای مختلفی با ضخامت­های گوناگون تولید می­کنند. اگر قطر خارجی پوشش الکترود را D و قطر مفتول فلزی آن را d در نظر بگیریم، تقسیم بندی الکترود براساس ضخامت پوشش آن به شرح زیر خواهد بود:

• الکترود با پوشش نازک
• الکترود با پوشش متوسط
• الکترود با پوشش ضخیم
• الکترود با پوشش بسیار ضخیم

هرچه پوشش الکترود ضخیم­تر باشد، جوش از کیفیت بالاتری برخوردار بوده و هزینه تولید آن نیز بیشتر می­باشد.

۲-  جنس مفتول فلزی الکترود(مغزی الکترود)

 برای دستیابی به یک جوش مناسب، نزدیک بودن ترکیب شیمیایی الکترود به ترکیب شیمیایی فلز پایه از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. این در حالیست که وجود پوشش­های متنوع و فراوان سبب شده است تا سازندگان الکترود، از تعداد معدودی مغزی الکترود برای تولید صدها نوع الکترود استفاده نمایند. مفتول­های مورد استفاده برای تولید الکترود­های پوشش­دار در زیر آمده است.

۱- فولاد ساده کربنی کم کربن

۲- فولاد ساده کربنی پرکن

۳- فولادآلیاژی کم آلیاژ نیکل دار

۴- فولاد کم آلیاز کرم- نیکل دار

۵- فولاد آلیاژی کم آلیاژکرم- مولیبدن

۶- فولاد آلیاژی کم آلیاژ نیکل- مولیبدن- وانادیم دار

۷- فولاد آلیاژی کم آلیاژو پرآلیاژ منگنزدار

۸- چدن خاکستری

۹- چدن نشکن

۱۰- نیکل خالص

۱۱- آلیاژ نیکل-کروم-آهن

۱۲- آلیاژنیکل-کرم-مولیبدن

۱۳- آلومینیم خالص

۱۴- آلیاژ آلومینیم-سیلیسیم

۱۵- آلیاژ آلومینیم-منیزیم

۱۶- آلیاژ مس- قلع

۱۷- مس خالص

۱۸- آلیاژ مس- روی

۱۹- آلیاژمس- آلومینیم وغیره

a.اندازه الکترودها

براساس استانداردهای موجود، اغلب سازندگان الکترود، تولیدات خود را از نظر طول و قطر الکترودها، بر اساس جدول ۱ عرضه می­کنند.

                    جدول ۱: طول و قطر مغزی الکترودها

b. پوشش الکترود

پوشش الکترود، دارای وظایف اسـاسی نسبت به میله الکترود، قبل و بعد از جوشـکاری می­باشد، که مهم­ترین آنها عبارتند از:

– جلوگیری از زنگ زدن و آلودگی میله الکترود، در زمان انبارداری وجوشکاری

– پایدارسازی قوس الکتریکی

– محافظت از حوضچه در مقابل نفوذ ناخالصی­های اتمسفری

– کنترل واکنش­های متالوژیکی از قبیل اکسیژن زدایی، تصفیه یا اضافه کردن عناصرآلیاژی

– تصفیه و کنترل ترکیب شیمیایی مذاب حوضچه جوش

– جلوگیری از سریع سرد شدن مذاب حوضچه جوش

c. تقسیم بندی الکترودهای مصرفی با توجه به ترکیب شیمیایی پوشش آنها

پوشش الکـترودها از مـواد مختلف فلـزی و معدنی تشکیل شده­اند که خواص مورد نیاز را به الکترود می­دهند. عمدتاً پوشش الکترود از نظر الکتریکی عایق بوده و باعث پایداری قوس الکتریکی و تنظیم فرآیند متالوژیکی مذاب در حوضچه جوش می­شود.

پوشش الکترودها از مینرال­هایی نظیر اکسید تیتانیم، اکسید آهن، کربنات­ها، مواد اکسیژن زدا، سیلیکات و پودرآهن تشکیل شده­اند و بر اساس جنس پوشش تقسیم بندی آنها عبارتنداز:

–  کلاس اول : سلولزی

– کلاس دوم وسوم: رتیلی

– کلاس چهارم: اسیدی

– کلاس پنجم: اکسیدی

– کلاس ششم: قلیایی یا بازی

– کلاس هفتم: قلیایی+ پودر آهن

کلاس اول: پوشش سلولزی

از مشخصات پوشش­های سلولزی می­توان به امکان استفاده از آنها در وضعیت­های مختلف، دود زیاد، قوس بسیار قـوی، نفوذ عـالی وپایدار و پاشش جـرقه­ای نسبتاً زیاد، اشـاره نمود. مهم­ترین مـواد تشکیل­دهنده پوشش عبارتند از: ۴۰ درصد سلولز، حدود ۲۵ درصد روتیا یا اکسید تیتانیوم، ۱۲ درصد فرومنگنز، ۱۵ درصد اکسید منیزیم و ۱۰ درصد انواع سیلیکات­ها وسایر افزودنی­های لازم. مهم­ترین الکترودهای این کلاس، الکترودهای AWS، E6010، E7010 و E8010 می باشند، که بیشتر در جوشکاری پاس ریشه کاربرد دارند.

کلاس دوم وسوم : پوشش های رتیلی یا اکسید تیتانیوم

ترکیب اصلی این پوشش ها اکسید تیتانیوم طبیعی، مواد یونیزه کننده و میکا می­باشد. کلاس دوم برای جوشکاری در حالت­های افقی، عمودی و گوشه مناسب بوده و کلاس سوم برای کلیه وضعیت ها و به ویژه برای جوش­های کوتاه، گوشه و جوشکاری ورق­ها توصیه شده­اند. از مهم­ترین الکترودهای رتیلی در استانداردAWS، می­توان به E7024، E7014، E6013،  E309L، E308L و E316L اشاره کرد.

کلاس چهارم : پوشش های اسیدی

پوشش این نوع الکترودها اغلب شامل اکسیدها، کربنات­های منگنز، آهن و مقادیری سیلیسیم می­باشد. این الکترودها را درکلیه وضعیت­های جوشکاری می­توان به­کار برد. مهمترین نوع الکترودهای اسیدی E7027 می­باشد.

کلاس پنجم: پوشش های اکسیدی

پوشش این نوع الکترودها اغلب از اکسید آهن، اکسید منگنز، کربنات آهن وکربنات منگنز تشکیل شده است. این نوع الکترودها بیشتر برای جوش­های گوشه در وضعیت­های افقی و تخت کاربرد دارند.

کلاس ششم: پوشش بازی یا قلیایی

پوشش این نوع الکترودها شامل مقادیر قابل ملاحظه­ای کربنات کلسیم، فلوراید، آهک، وفلوراسپار است. به دلیل کم بودن میزان رطوبت در این پوشش­ها، جوش بوجود آمده، مقدار هیدروژن بسیار کمی در ترکیب خود داشته و به الکترود­های کم هیدروژن معروف می­باشند. این الکترودها را درجای خشک و خنک نگهداری می­کنند. از مهم­ترین الکترودها با روکش قلیایی در استاندارد AWS می­توان به E7016، E8016 و E9016 اشاره کرد.

کلاس هفتم: پوشش قلیایی+پودر آهن

پوشش این نوع الکترودها شامل الکترودهای قلیایی به علاوه پودر آهن هستند. افزودن پودر آهن به پوشش الکترودها، دارای مزایایی زیر می باشد:

الف- افزایش نرخ رسوب و پایداری قوس

ب- بزرگ­تر شدن حوضچه جوش نسبت به سایر الکترودها

پ- کاهش خطر بروز نقص بریدگی کناره­ا

ت- صاف­تر بودن سطح گرده جوش

از مهم­ترین الکترودها با این پوشش در استانداردAWS می­توان به E9018، E8018، E7018 و E11018 اشاره کرد.

d.طبقه بندی الکترودهای روپوش دار براساس استاندارد آمریکایی

انجمن جوشکاری آمریکا (AWS)، بزرگترین و معتبرترین استانداردها، طبقه­بندی­ها و مشخصات فنی را در زمینه­های مختلف جوشکاری ارائه نموده است. این انجمن، قواعدی را نیز در مورد شناسایی و طبقه­بندی الکترودها وضع کرده که مورد تأیید اغلب انجمن­های مهندسی و فنی آمریکا و دیگر کشورهای صنعتی جهان از جمله انجمن آمریکایی آزمایش مواد (ASTM) یا انجمن مهندسین مکانیک آمریکا(ASME) وغیره قرار گرفته است.

استاندارد ASME Sec II Part C رایج­ترین استاندارد در طبقه بندی مواد مصرفی جوشکاری می باشد که توسط AWS تهیه وتنظیم شده است. در طبقه بندیAWS، مواد مصرفی جوشکاری به ۳۱ خانواده تقسیم شده­اند که در جدول ۲ آورده شده است.

جدول ۲:  شماره مشخصات خانواده­های مختلف سیم جوش

i.  خلاصه نامگذاری الکترودهای خانواده SFA- 5.1 در استاندارد AWS

استانداردهای گوناگونی برای نام گذاری الکترودها وجود دارد مانند ISO، AWS، JIS، BS وDIN.  استاندارد مورد استفاده در صنعت نفت و گاز ایران، استاندارد AWS بوده که مشخصات الکترود را با یک سری اعداد مشخص می­نماید. به­عنوان نمونه، نامگذاری الکترودهای روکش دار ­E6010، به روش AWS با قوس الکتریکی  به شرح زیر می باشد:

الف- حرف E به معنای الکترود می­باشد.

ب- دو عدد اول پس از E نشان دهنده استحکام کششی فلزجوش الکترود، بر حسبksi می­باشد.

ج- اولین عددی که پس از دو رقم استحکام می­آید نشان­دهنده وضعیت جوشکاری است.

EXX1X: جوشکاری در چهار وضعیت (OH،H،V،F) امکان پذیر است.

EXX2X: جوشکاری در وضعیت­های تخت واقعی (H،F) امکان پذیر است.

EXX3X: جوشکاری فقط در حالت تخت (F) امکان پذیر است.

د- آخرین عددی که در نامگذاری الکترود به روش AWS می آید و از ۸-۰ متغیر است، نشان دهنده کلاس روپوش الکترود، نوع برق و سایر خصوصیات گروه جوش است.

به منظور فراگیری نحوه نامگذاری سایر کلاسهای الکترودهای فرآیندFCAW ، GMAW و SAW، به استاندارد ASME Sec II Part C مراجعه شود.

e. بسته بندی و نگهداری الکترود

با توجـه به حساسیت پوشش الکـترودها به رطـوبت محـیط و تأثیر آن در کیفیت جـوش، باید آن­ها را  در جای خشک نگهداری کرده و یا قبل از مصرف خشک نمود. کلیه الکترودها بهتر است به محض باز شدن بسته بندی و قبل از مصرف، در خشک کن با حداقل دمای ۱۲۰ درجه سانتیگراد نگهداری شوند. پس از باز شدن درب بسته بندی یا خروج الکترودها از خشک کن، الکترودها نباید بیش از زمان مندرج در ستون A از جدول۲، در معرض اتمسفر قرار گیرند. در صورتی­که الکترودی در محدوده زمانی ستون B از جدول ۲ در تماس با اتمسفر قرار گیرد، لازم است از نظر جوشکاری، بازبینی ظاهری و خواص دیگری که در استانداردAWSA5.5 آمده است، آزمایش شود.

الکترودی که با شرایط جدول ۳ سازگار باشد لازم نیست بیش از یک بار خشک شود. الکترودهای خیس شده به هیچ وجه قابل استفاده نیستند. تولید کنندگان الکترود موظفند تا در صورت تمایل خریدار، برگه تأئیدیه محصولشان را در اختیار ایشان قرار دهند. (AWS/A5.5)

  جدول۳: زمان مجاز در اتمسفر قرار گرفتن الکترودهای کم هیدروژن