فیزیک جوش

"فیزیک جوش"

جوشکاری هنر باستانی است و از زمانی که انسان آهن را شناخت، بوده است. در این اوایل قرن حاضر نیز از جوشکاری مشابه زمان رنسانس استفاده شده است. یکی از آنها شرکت فورج بلک ایست می باشد، دو تکه فلز حرارت داده می شوند و به یکدیگر متصل می شوند و با چکش یا دستگاه پرس آنچنان که سرباره و اکسید و آلیاژها در یکدیگر ادغام و فشرده شوند و اتصال دائم بوجود آید. به این روش جوشکاری فورج یاجوش مرحله جامد نیز می گویند.

روش دیگر جوشکاری ذوبی می باشد. در این روش لبه های دو تکه فلز ذوب شده ودر یکدیگر ادغام می شوند. در این روس برای ذوب نواحی حاشیه ای فلز از یک منبع گرمایی قوی استفاده می شود که موضوع تامین انرژی و پیامد آن خواص فیزیکی آن است که موجب شده نیاز به امکانات گسترده ای داشته باشد.

در مبحث منابع حرارتی سطحی حداقل انرژی آزاد شده به واحد سطح (Q) حوضچه مذابی با شعاع تقریبی (R) را نیاز دارد.

Q= AKT m/r

در فرمول فوق K ضریب گرمای حرارتی و Tm دمای ذوب و a فاکتوری است که به سرعت جوشکاری ، اندازه جوش و انتشار گرما بستگی دارد. اندازه حوضچه مذاب خوب باید دارای شرایط ذیل باشد:

اولا انقدر بزرگ باشد تا بتواند لبه ها را ذوب نماید و از طرف دیگر قابل کنترل باشد توان مورد نیاز برای جوشکاری دستی در فلزات با ضخامت10-20mm در حدود107 wm-2 می باشد.

یکی از متداولترین منابع گرمایی برای جوشکاری ذوبی قوس الکتریکی است که قادر به ایجاد اندازه توان بالا می باشد. در شکل 1 توان مورد نیاز برای انواع روشهای جوشکاری نمایش داده شده است.

(شکل 1)چگالی قدرت برای روش های مختلف جوشکاری (از لنکستر1984)

نسبت انتشار حرارت در یک نقطه از یک منبع قدرت q با سرعت جنبش v بر روی سطح محدود با جهت k برابر است با:

T=(q/2Пkr)exp[-v(r-x)12x]

که در آن آلفا و r2=k2+y2+z2 توضیح گرمایی می باشند. موقعیکه T=Tm , z=0 باشد اسن برابری محدوده حوضچه مذاب تئوریکی را نشان می دهد. برای اندازه گیری حلول و عرض حوضچه مذاب، دمای ورودی، فرایندها و مواد گوناگون می بایست در حوزه های گسترده تری وارد شد(christensent et al 1965) .

اگر فرض کنیم که خواص حرارتی فلز مایع با جامد برابر است محاسبه حلول و عرض حوضچه مذاب تقریبا در تمام مباحث کوچکتر از مقادیر اندازه گیری شده است. این مقادیر با تاثیر بالای هوایت گرمایی در فلز مایع سازگار می باشد و اثبات می کند که (همانطور که انتظار می رفت جابجایی حرارت در حوضچه جوش تا حدودی قراردادی است) در مجموع فرمول بدست آمده برای توضیح حرارت طبق فرضیه تعریف شده یا منشا نقطه ای دارد یا منشاء خطی و گذشته از خواص مختلف حرارت با درجه حرارت توافقات و نتایج بدست آمده توسط تجربه بوده است.

انتقال حرارت در حوضچه جوش بستگی به ویژگی فرایند جوش دارد. اکثر جوشهای جوش با الکترودهای مصرف شدنی انجام می گیرند، بنابراین گرمای ایجاد شده در دو قطب قوس توسط قطعه کار جذب می شود. وقتی که از الکترودهای مصرف نشدنی استفاده می شود قطعه کار نقش قطب مقبت در قوس را ایفا می کند، گرما از تقطیر الکترونها، هدایت و تابش بر اثر قوس پلاسما در سطح فلز تولید می شود.

در صورتی که قطعه کار قطب منفی باشد قطب منفی بدون بار الکتریکی ایجاد می شود. این مکانیزم بدون بار الکتریکی که شرح آن بعدا خواهد آمد، اشاره بر این دارد که در بین لایه های باریک(µm1تا 1nm) در سطح قدرت معمولی وجود دارد. قسمتی از این نیرو در تبخیر الکترونها و تجزیه شدن به یون جذب می شود، اما بخشی نیز به فلز انتقال می یابد. به هر حال متوسط گرمای داده شده نسبت به آمپر جریان قوس در الکترود مثبت، جایی که الکترونها گرمای تقطیرشان را از دست می دهند بزرگتر است، بنابراین در الکترود منفی حرارت توسط الکترونهای آزاد شده جذب می شود.

قوس الکتریکی در جوش (قطب منفی):

در فرایند جوش TIG از الکترودهای غیر مصرفی از جنس تنگستن زیر کرنیم یا توریم استفاده می شود و گاز محافظ در این فرایند آرگون و گاهی هلیم می باشد. به جز جوشکاری آلومینیوم، در قوس ایجاد شده الکترود قطب منفی می باشد. قبلا با حالتهای مختلف قطب منفی آشنا شدیم، اما در اکثر موارد عملیات جوشکاری با الکترود به عنوان قطب منفی بار دار صورت می گیرد. شدت جریان قطب منفی به جنس الکترود بستگی ندارد (برای مثال زیر کونییم بجای تنگستن) و احتمالا از شرایط ستون قوس فرمان میگیرد. در الکترودهای به جنس تنگستن خالص در نوک الکترود عمل ذوب صورت می گیرد که میدان کوچکی را تشکیل داده و در جریانهای کم در مرکز قطب منفی باعث پراکندگی بر روی سطح میدان می شود، که این عمل ستون قوی الکتریکی را ایجاد کرده و جوشکار را سر درگم می کند.

با افزودن مقدار کمی زیر کونیم و توریم در تنگستن از ایجاد عمل فوق جلوگیری شده و در شدت جریان مورد نیاز در دمای پایین خروج بار الکتریکی حادث می شود.

این دما برای مواد زیر کونیم و توریم کمتر از دمای ذوب آنها می باشد و شکل هندسی نوک الکترود باعث ایجاد چنین قوسی می شود.

دیگر فلزات از قبیل استیل و آلومینیوم که در معرض چنین الکترودهایی قرار می گیرند در دمای پایین ذوب می شوند و نیاز به جریان با بار الکتریکی زیاد و کافی دارند. قطب منفی شکل گرفته در این فلزات دارای وضعیت ثابتی نمی باشد، اما به سرعت با حالتی غیر پیش بینی بر روی سطح حرکت می کند.یکی از اشخاصی که بطور جدی در مورد مکانیزم و رفتار قطب های منفی فاقه بار الکتریکی وجود دارند:

1- نوع بخار که به صورت لایه نازکی بر روی فلز شکل می گیرد.

2- نوع تونل(حفره) که در فلزاتی که لایه نازکی از اکسید بر روی آنها وجود دارد. رخ می دهد. (کمتر از 10ņm)

3- نوع نوسانی که در لایه های اکسیدی ضخیم تر اتفاق می افتد. به گفته آقای گویل مثبت گرایی از تقطیر قوس پلاسما بر روی سطح اکسید شروع می شود و میدان الکتریکی بالایی را ایجاد میکند. در مقوله لایه های باریک الکترونها احتمال ایجاد حفره در میان لایه ها و تشکیل ناحیه ای برای خروج می باشد.

برای لایه های ضخیم تر پدیده شناخته شده ای وجود دارد که با شروع آن عمل هدایت محلی اتفاق می افتد. این مکانیزم بطور و نسبی اجازه می دهد تا جریانهای زیادی در تارهای حفره درون اکسید جریان یابند. مواد تجزیه ناپذیر دارای قطری برابر با 1nm تا1μm ) دارند. در شکل شماره 2 میدان قطب منفی رامشاهده می کنید که با میکروسکوپ الکتریکی برای مدت کوتاهی برابر با 1µs بعداز انجام قوس اسکن شده است.

(شکل 2)

بنابراین حفره های کوچکی برای خروج ایجاد شده و لایه های اکسید را از منطقه قطب منفی برطرف می سازد. این ویژگی مزایای زیادی در روش جوشکاری TIG و آلومینیوم دارد زیرا اکسید آلومینیم بعد از ذوب شدن فلز به صورت جسم جامد باقی می ماند و باعث عدم یکپارچگی جوش می شود.

زمانی که در عملیات جوشکاری قطب منفی قطعه کار می باشد این قطب باعث ایجاد نواری از اکسید می شود که در اینصورت جوش عاری از لایه اکسید می شود. در شرایط عملی برای اینکه به الکترود دمای زیاد وارد نشود از جریان متناوب استفاده می کنند.

به عبارت دیگر لایه ضخیم اکسید شکل می گیرد تا تغییر حرکت مرکز قطب منفی را کنترل نماید.

در جوشکاری (TIG) که در ان الکترود مصرفی بدون پوشش با گاز محافظ خنثی بکار برده شود، الکترود می بایست که بار مثبت داشته باشد. در صورتی که الکترود قطب منفی باشد قطب منفی باعث آشفتگی قوس می شود و قوس را به طرف پایین می کشد که فرایند غیر قابل کنترلی را ایجاد میکند. برای یکنواخت سازی و قابل کنترل کردن قوس الکترود را با لایه نسبتا ضخیمی از اکسید پوشش می دهند. در جوشکاری استیل که الکترود قطب مثبت باشد و در فرآیند بصورت مشابه از گاز محافظ خالص ارگون استفاده شود امکان اشفتگی در قطب منفی زیاد می باشد که این عمل باعث بی ثباتی فرایند خواهد شد.

برای کنترل قطب منفی مقدار کمی اکسیژن به گاز آرگون اضافه می کنند تا لایه ضخیمتری از اکسید روی سطح فلز تشکیل شود.

ستون قوس:

ستون قوس یا قسمت شبه گازی قوس الکترکی دارای دو ویژگی می باشد:

1- دمای بالا،چنان که گاز به اندازه کافی تجزیه شده و هدایت شود.

2- سرعت جریان بالا، که بسته به شرایط جوشکاری جهت آن از الکترود به قطعه کار می باشد.

در جوشکاری به روش TIG قسمتی از انرژی توسط تابش هدر می رود که اگر جریان 100 A باشد اتلاف انرژی در کل ستون قوس تقریبا 20% خواهد بود.

اندازه نسبی هدایت و رسانایی با فرمول "پیلکت" به شرح ذیل می باشد. Pe=ρυlСp/k که در آن ρ غلظت و υ سرعت و L نوع اندازه و CP گرمای ویژه و K ضریب هدایت گرمایی می باشد. در فشار اتمسفر برای روش جوشکاری TIG “Pe” در حدود 10 می باشد که این شرایط در محدوده انتقال رسانایی اندازه گیری شده است.

در فشار پایین تر از اتمسفر امکان دارد که Pe کمتر از 1 شود که در اینصورت جریان گرمایی بر اثر هدایت شروع به انتقال می کند و ستون قوس را به شکل کروی تغییر می دهد. پس چنین نتیجه می گیریم که در فشار بالا “pe” از اندازه فشار اتمسفر بالاتر می رود.

بیشترین مقادیر توضح گرمایی برای گاز محافظ TIG در شکل 3 شرح داده شده اند در انجا مرز دما ثابتی که حدودا .1;104K. می باشد نمایش داده شده است.

(شکل 3)

به وضوح مشخص است که سطح دمای اندازه گیری شده از یک جاذب نسبت به دیگری متفاوت می باشد، در گذشته محققین در نزدیکی قطب منفی به دمایی در حدود ;104K 2 رسیده بودند، جایی که دیگران فقط تا دمایی برابر با1;104K رسیده اند.

در الکترودهای از جنس آهن دمای ستون قوس حدود 6;103K می باشد، که علت اصلی آن هدایت بالای بخار اهن در دماهای پایین می باشد.

جریان جرم در ستون قوس:

قوس پلاسما جریان جرم بر اثر واکنشهای شیمیایی می باشد، درست مانند فرو ریختن پوشش الکترود و گاهی می تواند بر اثر عوامل خارجی صورت پذیرد، مانند جریان جرم در جوشکاری پلاسما. تورج مورد استفاده در جوش پلاسما درست شبیه توریجی می باشد که در جوش TIG مورد استفاده قرار می گیرد، اما نازل ان باریکتر می باشد چرا که مستقیما قادر باشد تا جریانی از پلاسمای داغ را روی سطح فلز هدایت کند. نکته قابل توجه این است که جریانهای سریع الکترومغناطیس توس فرایندهای جوشکاری TIG و MIG جذب می شوند.

بطور کلی می توان گفت که تمام انواع قوسهای الکتریکی شرایطی مشابه به یکدیگر دارند یعنی قوس بین یک الکترود و یک صفحه مسطح صورت می پذیرد. جریان از الکترود بطور یکنواخت به اطراف پخش می شود، بدین ترتیب بین جریان و میدان مغناطیسی بوجود آمده اثر متقابل رخ می دهد که نیروی منتج باعث سوق جریان از الکترود به طرف صفحه می شود.

نوع جریان جهت مانند است و سرعت ان به صدها متر بر ثانیه می رسد. افزایش محدوده فشار(آنچنان که در جوش زیر اب اتفاق می افتد) باعث تشدید سرعت جریان می شود و بالعکس محاسبات جرم و جریان گرمایی در روش جوشکاری TIG و روشهای ساده دیگر انجام پذیرفته است.

برای تجزیه و تحلیل جرم، انرژی ، مقدار حرکت می بایست راه حل های مشابهی را پیدا کرد انچنان که بار الکتریکی را با "اهم" و میدان مغناطیسی را با "مکسولگ اندازه گیری می کنند.

این تجزیه و تجلیل ها به روشهای مختلف انجام شده اند و نتایج رضایت بخش نیز حاصل شده است (Lancaster 1984) .

جریان مرکزی در ستون قوس الکتریکی در دو روش ذیل مورد استفاده قرار می گیردک

نحوه عملکرد در الکترودهای روکش دار بدین صورت است که جریان گاز از ذوب و فروپاشی پوشش الکترود تولید می شود و باعث جلوگیری از نفوذ اکسیژن و نیتروژن هوا به منطقه ذوب می شود. در جوشکاری TIG و Mig نیروی الکترومغناطیس باعث پایداری جریان قوس شده و کمک می کند تا راستای جریان حفظ شود و از نفوذ نیروهای خارجی که باعث انحرافات قوس می شوند مانند نیروهای مغناطیسی اطراف جلوگیری می کند.

اگر حوضچه مذاب از جدی بزرگتر شود در شرایط فشار ثابت جریان معکوس می شود. آن فشار باعث تولید نیروی قوس می شود و برای نفوذ و جذب جوش در قطعه کار موثر و مفید می باشد. به عبارت دیگر اگر جریان و نیروی قوس ایجاد شده بیشتر باشد باعث بی ثباتی شده وممکن است تا فلز مذاب سر ریزکند.

انتقال فلز:

در جوشکاری با الکترود مصرفی، نقش هدایت را برای جریان قوس الکترود ایفا می کند بنابراین برای اتصال جوشکاری یک منبع گرمایی و یک منبع فلز مایع پر کننده نیاز است. یک جوش خوب انست که اکثر مواد مذاب درون حوضچه قرار گیرد نه اینکه بخشی از آن بصورت اسپاتر به اطراف پخش شوند.

در دو حالت ذیل انتقال ارام صورت نمی پذیرد و تحت تاثیر عوامل خارجی قرار می گیرد:

1- زمانی که مسیر پرتاب ذوب جوشها از نوک الکترود غیر قابل پیش بینی باشد، مانند جوشکاری با گاز محافظ (GMA) CO2

2- موقعیکه قوس خیلی کوتاه است که قطرات قبل از جدا شدن تحت تاثیر نیروهای کشش و الکترو مغناطیس دچار چرخش شده و با حوضچه برخورد می کنند، گاهی پرتاب این قطرات کوچک در راستای یک خط مستقیم و در امتداد محور الکترود می باشد و یا پرتاب بصورت آزاد بدون پیش بینی مسیر مشخص می باشد. این مقوله در جوشکاری با گاز محافظ ارگون دیده می شود و پس از این به انتقال پرتاب از فلز خواهیم پرداخت.

با عکاسی سرعت بالا جزئیات بیشتری از فرایند انتقال قوس را می توان ثبت نمود، و بادستگاه اسیدگراف، جریان قوس و ولتاژ را ثبت می کنند. انتقال از الکترودهای پوشش دار را با رادیوگرافی اندازه گیری می کنند که با این روش انتقال فلز از سرباره نیز قابل تمایز می باشد. و قتی که اکسیژن به طور کامل از الکترود جدا شد د رریشه قوس انقباض صورت می گیرد، قطرات در نوک الکترود دچار اشفتگی می شوند و نهایتا توسط چرخشهای کوتاه یا موج فشاری قطرات در هم می پیچیدند. در الکترودهایی که اکسیژن آنها بطور کامل آزاد نمی شود درون قطرات حبابهایی از “CO” ظاهر می شود.

نهایتا حبابها می ترکند و قطرات به شکل اسپری به طرف الکترود پاشیده می شوند. انتقال از الکترودهای استیل در فرایندهای جوشکاری با گاز محافظ ارگون ، آرگون، آرگون اکسیژن یا آرگن CO2 بصورت ادغامی، شایع تر و دارای ویژگی های بهتری می باشد. در جریانهای کم (زیر 200A با قطر سیم برابر با (a 1.2 mm شکل قطرات به صورت کروی دو پهن و کشیده در طول با امتداد مرکز الکترود می شوند. این جدایی با سرعت اولیه و شتابی تقریبا با تناوب منظم صورت می گیرد. در جریان بالای 200 A نوک مخروطی در انتهای الکترود ظاهر می شود، و قطرات کوچک از نظر شکل و عمل جدا شدن به صورتی جدید و منظم در نوک مخروط تشکیل می شوند. در جریانهای مداوم بالای (250 A)نوک مخروطی تغییر شکل پیدا می کند و به شکل استوانه ای بلند از فلز مذاب که از انتهای آن قطرات بصورت یکنواخت شروع به انتقال می کنند در می آید( انتقال یکپارچه) افزایش بیشتر جریان باعث می شود تا استوانه به صورت حلزونی دوار شود (انتقال چرخشی) میدان مغناطیسی اطراف انتقال یکپارچه را به چرخش حلزونی در جریان آهسته تبدیل می کند(Lancaster 1984)

فلزات با هدایت گرمایی بالا و رسانای الکتریسیته، مانند آلومینیوم و مس، انتقال مانند انتقال استیل را نشان نمی دهند. در آمپر زیر 200 فلزات دیگر نیز مانند استیل مذاب را بصورت قطره از خود جدا می کنند.

جدا شدن قطرات در جریات 200 A برای فلزات مختلف به شرح ذیل می باشد:

مس 20قطره بر ثانیه، استیل 10 قطره بر ثانیه و آبومینیم 170 قطره بر ثانیه، رفتار منظم انتقال قطرات در روش جوشکاری با گاز محافظ سبب شده است تا محققین زیادی مشتاق بررسی و تجزیه و تحلیل این پدیده شوند و تجارب زیادی کسب کنند.

یکی از تحقیقات انها در مورد عوامل ایجاد نیرو به قطرات در نوک الکترود می باشد.

یکی از ان عوامل نیروی جاذبه زمین می باشد که قطرات را به سمت پایین می کشد. (جوشکاری به سمت پایین) دوم نیروی کشش ناشی از جریان گاز محافظ می باشد، و همچنین نیروی الکترو مغناطیس، هنگامی که عمل تمایل سطحی به سمت مخالف احساس می شود این نیروها برای اسنیل در رنج 0-220A اندازه گیری شده اند. نیروی الکترومغناطیس بر روی قطره در نوک استوانه ای شکل الکترود با فرض اینکه جریان داخلی وجود ندارد محاسبه شده است. بزرگی و جهت نیروی محاسبه شده به رابطه بین قطر الکترود و محل قطب مثبت بستگی دارد. در صورتیکه قطر محدوده قطب مثبت کوچکتر از قطب مثبت الکترود باشد، در نتیجه نیرو در راستای با نیروی الکترود عمل می کند. و زماینکه بزرگتر باشد نیرو بصورت معکوس عمل می کند. در اینجا معلوم می شود که در جریان کم بر طبق اندازه کوچک بودن محدوده قطب مثبت، در اصل نیروی الکترو مغناطیس در برابر الکترود عمل می کند، و در اندازه بالای100A رابطه بین حجم محاسبه شده و حجم اندازه گیری شده انطباق قابل قبولی وجود داشته است. ( وازنیک وگیرات1983)

همچنین پویایی انتقال فلز بصورت مشابه توسط لوردرپلایت (1879) مورد تحقیق قرار گرفته است که ثابت گر استوانه مایع یا سرعت پاشش آن می باشد. این تحقیقات در مقوله انتقال استوانه در یک جریان الکتریکی توسط موریتی در سال 1961 انجام شده است( به آلفن و فالتامار1963 مراجعه شود)

مدلهای متفاوتی برای نشان داده بی ثباتی استوانه حامل جریان وجود دارد زمانیکه سطح استوانه تغییر شکل می دهد ساده ترین مثالهایی که برای ان می توان زد آن است که ان شبیه به رگ گشاد شده یا نوعی سوسیس ناهمگن می شود آنچنان که بخش ملولی آن به شکل سینوسی در می آید .نهایتا فرم سینوسی باعث پراکندگی در قطرات می شود.

تجزیه و تحلیل الکترود مغناطیس، کشش های سطحی و نیروهای درونی همراه با این روش تغییر شکل، نشان می دهد که طول موج بحرانی وجود دارد و بی ثباتی سیستم معلوم می کند. فرضیه ای وجود دارد که قطره در نوک الکترود درروش جوشکاری با گاز محافظ تا وقتی که طول موجش مساوی طول موج بحرانی است زیاد می شود، البته موضوع بالا بعد از بی ثباتی و انقباض صورت می گیرد.(لانسر1984).

دیر زمانی است که تحلیل هایی بر روی سرعت اولیه شروع شده است. زمان شتاب گرفتن وجدا شدن قطرات ممکن است مانند عملکرد جریان برای قطره های مختلف الکترود وموادها تخمین زده شود. مقادیر بدست آمده مساوی نتایج تجربی هستند (Laneaster 1984) .

همانطور که قبلا اشاره شد حوزه طولی مغناطیس به شکل بلند و ناپایدار ظاهر می شود. این یک ناپایداری در چرخش است، وقتی که مایع مذاب درون استوانه فرو می ریزد که این فروریزی مانند تو ضیح مارپیچی می باشد. در تصویر شماره4 انتقال مذاب در جوش پلاسما – mig در جریان بالا را مشاهده می کنید. در این فرایند قوس بین یک الکترود تنگستن کمکی و قطعه کار والکترود مصرف نشدنی به نحوی که باعث عبور جریان از میان پلاسما می شود. در این فاصله چرخش پایداری در ابتدا گسترش می یابد، ولی شکل دوران را در انتهای الکترود می توان رویت کرد، که چگونه در پایان جذب قطرات می شود. در فرآیندهای معمول mic و mag شیوه انتقال چرخش مشابه با تصویری است که در شکل شماره 4 امده است.

(شکل4)

درحالت دیگر یک اعمال نفوذ حوزه مغناطیسی وجود دارد که البته از خود حوزه طولی شکل مارپیچی ایجاد خواهد شد. بنابراین ویژگی انتقال مذاب در روش(gmaw) در حداقل کیفیت و از بعد تئوری با جایگزین از مایع استوانه ای شکل پایدار است.

در جوش زیر پودری قطرات با روش متفاوتی مستقیما وارد حوضچه مذاب می شوند. در این روش از یک سیم بدون روکش، قوس و حوضچه مذاب استفاده می شود که حوضچه مذاب به وسیله پودر(فلاکس) محافظت می شود. پودر (فلاکس) دراطراف قوس ذوب می شود و حبابهای بصورت تصادفی تشکیل شده که با ترکیدن آنها در دوره زمانی تغییر شکل می دهند. قطرات به شکل نامنظم از نوک الکترود مستقیما وارد حوضچه مذاب می شوند و آنهایی که به اطراف پرتاب می شوند پس از برخورد به حبابهایی که از ذوب پودر تشکیل شده اند به حوضچه مذاب با می گردند.

جریان در حوضچه مذاب:

اگر جریان با حالتی منظم از سطحی صاف وارد منطقه ای از مایع( مذاب) شود، جریان مغناطیسی القایی باید به شکل مارپیچی باشد. اینچنین جریان های مارپیچ بندرت اتفاق می افتند اگرچه درون حوضچه مذاب جذب شوند. موقعیکه حوضچه مذاب منطقه ای است نزدیکترین دیدگاه به یک شکل هندسی ایده آل در جوش TIG در جریان پایین می باشد.

این نوع از حوضچه جوش محافظت می کند در برابر چرخش، این چرخش ممکن است بصورت دو برابر یا بیشتر اتفاق افتد، حوضچه مانند یک سوراخ بدور خود می چرخد.

جهت چرخش ممکن است تغییر کند با تغییرات وضعی زمین و معلوم می شود که حوزه مغناطیسی وابسته به جریان نامتقارن در قطعه کار برای علت چرخش کافی می باشد.

در جریان پایین در جوش TIG سطح و حوضچه مذاب صاف است و یا کمی مقعر می باشد. اما در خیلی از حالتهای عملیات جوشکاری حالتی از فشار در مایع مذاب زیر الکترود ایجاد شده که وابسته به فشار ثابت می باشد که بر اثر جریان گاز یا پرتاب قطرات مذاب یا هر دو بوجود می آید. فلزی که مذاب است در جلوی حوضچه مذاب همراه با محدودیت صلیبی شکل اطراف تو رفتگی شتابش افزوده می شود. بنابراین در امتداد پایین حوضچه مذاب چرخش وجود دارد که از جلو به سمت عقب می باشد و در امتداد سطح از عقب به جلو (تصویر شماره5) .

(شکل 5)

این چرخش هدایتی گرما در امتداد محور جوش به عقب باز می گردد، و بدین دلیل حوضچه مذاب طولش ازدیاد پیدا می کند که به صورت تخمین با خواص حرارتی مشابه محاسبه خواهد شد.

برای حوضچه مذاب عموما عدد "پگلت" قرار می گیرد بین رنج 103×5-10، بنابراین جریان حرارت غالبا هدایتی می باشد.

تعدادی از محققین پیشنهادهایی دارند دال بر این که ممکن است جریان بر اثر کشش طیحی افت پیدا کند. همانند این جریانهای مارپیچ قبلا در مورد حوضچه های مایعاتی چون واکس، پارافین و دیگر اجسام ارگانیکی شرحهایی امده است.

تلاشهایی برای ایجاد جریان درجیوه توسط کشش سطحی افت حرارت صورت گرتفه است که ناموفق بوده است، ولی این کوشش ها در خلاء بالا امکان پذیر می باشند.

این بدین معنی است با در معرض اتمسفر قرار گرفتن ناخالصی ها به سطح فلز می ایند و با افت حر ارت تنش ایجاد می شود که با گشترش دوباره عوامل فعال کننده سطحی بی اثر می شوند.

چگالی بلای انرژی جوش:

روشهای جوشکاری الکترون سیم و جوش لیزر هر دو دارای قابلیت ایجاد جوش با نفوذ باریک و عمیق هستند، همانطور که در تصویر شماره 6 می بینید.

( شکل 6)

این قابلیتی ویژه برای جوشکاری اجزای ماشین مانند چرخ دنده ها و اجزای موتور هواپیما می باشد، از زمانیکه حجم کارهای انجام شده توسط جوش از جوش ذوبی کوچکتر شده اند، پیچیدگی های مربوط نیز کاهش یافته اند.

هر عمق نفوذی از جوشها بوسیله یک حفره بوجود می آید که به آن حفره (Key hole) می گویند ، که مسیر عبور ان در طول اتصال می باشد، در جوشکاری لیزر و الکترون بیم این حفره با بخاری از فلز بوجود می آید. نهایتا فشار داخلی ایجاد می شود و توسط تنش بر اثر کش سطحی “γ” د رلایه ای از فلز مذاب که محصور می کند سوراخ را به تعادل در می آید. P= γ/r

که در این معادله r شعاع “key hole” است تمایل به ایجاد یک حفره استوانه ای از نوعی که از درون متلاشی می شود بوسیله کاهش بخار در نقطه متلاشی شدن خنثی می شود بنابراین شکل ثابتی ایجاد خواهد شد.

در روشهای جوش مرسوم پهنای کامل جوش در شرایط عملی مشخص می شود، برای انجام یک جوش با پهنای کم می بایست که کارهای اضافی برای اماده سازی و وضعیت اتصال انجام داده شود. و در صورتی که جوش دارای پهنای زیاد باشد بوجود آمدن برآمدگی در پاس ریشه و گودی در سحط اجتناب ناپذیر خواهد بود.

انواع شاخص پهنای جوش در رنج های بین 0.75-3mm قرار می گیرند. اکنون در جریان حرارتی که بوسیله منبع خطی ایجاد می شود مانند جوشکاری با نفوذ بالای الکترون بیم حداقل نیمی از حرارت با فلز جامد انتقال می یابد، و الباقی برای ذوب فلز جوش استفاده می شود.

با فرض حداقل اندازه، کل توان منبع خطی می شود q=2wdvpcptm که در فرمول بالا “w” عرض جوش و “d” عمق جوش،v سرعت و p چگالی وcp گرمای ویژه می باشند. این حرارت می بایست در درون “key hole” ایجاد شده باشد، که بطور منطقی انتظار می رود که شعاعی در حدود نصف حوضچه مذاب را داشته باشد. یعنی w/4 .

پس چگالی توان سطحی باید حداقل q”=16q/Пw2 باشد.

اگرچه حداقل نیرو برای یک پاس جوش 5mm برابر 1010w-2×10 می باشد که این در واقع اخرین طیف برای جوش نفوذی عمیق الکترون بیم می باشد.

جوش پلاسما گاها به روش key hole انجام می شود، اما نیروی چگالی آن از جوش الکترون بیم کمتر است، و بوسیله فشاری از پاشش پلاسما حفره ایجاد می شود.

عمل بخار شدن فلز در جوش پلاسما به اندازه چشمگیری اتفاق نمی افتد.

تورچهای جوش پلاسما و الکترون بیم همانند جوش قوس الکتریکی ممکن است که نقش منابع گرمایی سطحی را ایفا کنند. و برای کاربردهای خاص این موضوع یک مزیت محسوب می شود. اما شکل key hole بسیار مهم است ، آنچنان که شکل ان در ایجاد طرح اتصال های جدید، کاهش و یا کم کردن پیچیدگی در جوش و جوشکاری بعضی از فلزات و آلیاژها که به سختی انجام می شود موثر است.

پیشرفتهای آتی:

امروزه تاکید در کارهای پیشرفته بر روی مسائل توسعه یافته و کنترل فرآیندهای موجود نبست به روشهای جدید می باشد، بیشترین مورد استفاده جوش الکتریکی ذوبی در فرآیندهای ساختی زیر بنایی ، پلها، اسکلت فلزی ساختمانها، کشش ها، اسکلت ماشینها و چیزهایی از این قبیل می باشد، و فرآیندهای جوشکاری که در اینجا مورد استفاده قرار می گیرند، جوش دستی با الکترودهای روکش دار، جوش زیرپودری ، و جوشکاری با گاز محافظ فلز جوش، جوش tig یا gta برای بخشهای با ضخامت کم و مواد خاص و ویژه می باشند.

نیازهایی به بالابردن کیفیت کارها و همزمان افزایش تولید و استفاده از ماشینهای اتوماتیک و رباط احساس می شود. برای خانمه دادن به مسائل فوق محققان با استفاده از تکنولوژی های سودمند با هدف بدست اوردن بازخورهای کنترل و بهبود ثبات جوشکاری مشغول فعالیت می باشند.

کاربرد جوش لیزر و الکترون بیم تا جایی ادامه دارد که مسئله هزینه و سرمایه مد نظر می باشد، و در جوشکاری الکترون بیم بر حسب ضرورت در بیشتر موارد از انجام آن صرف نظر می شود. با تمام این موارد با توجه به مزایای نفوذ عمیق جوش key hole تلاش به سمت استفاده از جوش الکترون بیم برای جوشکاری قطعات ضخیم سوق یافته است. موقعیت در چنین فعالیتهایی می تواند دستاوردهای بزرگی در تولید را بدنیال داشته باشد، همیشه بنظر می رسد که می توان بر معقوله خلاء غالب شد.

فیزیک جوش

مطالب مشابه :

زندگی نامه استاد محمدرضا شجريان همراه با دانلود البوم بیداد

زن وهنر 1

لیست مقالات

لیست عناوین صنایع،صنعت و نساجی

زندگی نامه فرح دیبا

دانلود آهنگ استاد شجریان

فیزیک جوش

ابر کامپیوترها