جوشکاری یا قوس الکتریکی چیست؟

آیا می‌دانید «جوشکاری چیست؟» اگر این جمله را از هرکدام مردم ایران بپرسید، قطعا می‌گویند «بله!» اما اگر بخواهید که کمی توضیح دهند، متوجه می‌شوید آن‌ها با کلیت جوشکاری آشنا نیستند، بلکه تنها یک روش جوشکاری را می‌شناسند. روشی که در علم جوشکاری با نام «قوس الکتریکی» شناخته می‌شود.

درواقع قوس الکتریکی یک زیرشاخه از انواع روش‌های جوشکاری محسوب می‌شود. اما در ایران ازبس که همه این روش را دیده‌اند، کلا جوشکاری را مصادف با همین روشِ قوس الکتریکی می‌دانند. اما جوشکاری انحصاری در قوس الکتریکی ندارد و روش‌های دیگری نیز برای این عمل موجود بوده و هست. روش‌هایی که به دلیل فهم عامه از جوشکاری، امروزه دیگر غالبا نه با نام جوشکاری، بلکه با نام کامل روش‌شان معرفی می‌شوند.
در مطلب حاضر می‌خواهیم به صورت علمی جلو برویم. به این ترتیب که اول ببینیم تعریف جوشکاری یا قوس الکتریکی چیست؟ سپس انواع قوس الکتریکی را بشناسیم. تعریف هرکدام از روش‌ها و انواع جوشکاری را بدانیم. کاربرد این روش‌های متنوع را بشناسیم و نهایتا هم با هرکدام از فرآیند تولید جوش‌های مختلف آشنا شویم. پس اگر از جوشکاری یا همان قوس الکتریکی خوشتان می‌آید، حتما تا انتهای این مطلب با ما همراه باشید.

تعریف جوشکاری یا قوس الکتریکی

از نظر علمی، قوس الکتریکی چیست؟ باید گفت که به حالتی از تخلیه الکتریکی در هوا یا محیط نارسانا، قوس الکتریکی گفته می‌شود. (به زبان انگلیسی : electric arc). درواقع قوس الکتریکی، منتقل شدن جریان الکتریکی، بین دو عنصر رسانا توسط هوا محسوب می‌شود.

دانشمندی روسی به نام واسیلی ولادیمیروویچ، کسی بود که برای اولین بار در سال 1802 میلادی، روش قوس الکتریکی را کشف کرد. کشف قوس الکتریکی با وسایل ساده آن زمان اتفاق افتاد. ولادیمیروویچ دو تکه ذغال چوب را به قطب‌های یک باتری بزرگ زد و بعد از این اتصال، شعله‌ای روشن و سفیدرنگ مشاهده کرد.

اما چند دهه وقت نیاز بود تا در سال 1895، دانشمندی دیگر به نام هرتا مارکس آیرتون، اتفاقی که برای ولادیمیروویچ افتاده بود را تشریح کند. او دلیل آن اتفاق را ناشی از تماس اکسیژن با میله‌های کربن دانست و اسم قوس الکتریکی را روی فرآیند گذاشت. پس هم اینکه قوس الکتریکی چیست؟ و هم اینکه قوس الکتریکی چگونه به وجود می‌آید؟ سوالاتی هستند که توسط هرتا مارکس آِیرتون پاسخ داده شده‌اند.

جوش قوس الکتریکی چیست و چگونه انجام می‌شود؟

از اتفاقی که برای ولادیمیروویچ و مارکس آیرتون افتاد بگذریم. زیرا امروزه جوش قوس الکتریکی با ماده‌ای به نام الکترود انجام می‌شود. الکترودها دمایی درحدود 4000 درجه سانتی گراد درست می‌کنند که باعث تشکیل قوس الکتریکی و ذوب فلزات خواهد شد.

پس همان‌طور که فهمیدید، هدف جوش قوس الکتریکی هم معمولا چیزی نیست جز ذوب کردن فلزات. از این ذوب لحظه‌ای برای متصل کردن دو فلز به همدیگر استفاده می‌شود. به این صورت که ابتدا به وسیله الکتریسیته، دمای لازم ذوب فلز درست شده و پس از اتصال، با سرد شدن دو فلز، آن‌ها به همدیگر خواهند چسبید.

درواقع جوشکاری به ترانس قوس الکتریکی وابسته است. چیزی که با اتصال بین الکترود و فلز، باعث ذوب فلز و چسبیدن فلزها خواهد شد. پس جواب به سوال «قوس الکتریکی چیست؟» با نگاه کردن به شعله سفیدرنگ بین سطح فلز و الکترود، امکان‌پذیر خواهد بود.

فرآیند ساده این نوع جوشکاری، به این نحو است که ابتدا یک سیم اتصال از ترانس به بدنه کار متصل می‌شود. سپس با اتصال و جدا کردن الکترود از فلز، جوش قوس الکتریکی اتفاق می‌افتد. شدت جوش قوس الکتریکی نیز قابل تنظیم است. کافی است که برای این کار با کم و زیاد کردن آمپر از ترانس اقدام کنید.
اگر که اشتباهی از آمپر خیلی بالایی استفاده کنید که شدت قوس را خیلی بالا ببرد، به جای جوش قوس الکتریکی، شاهد برش قوس الکتریکی خواهیم بود. چیزی که باعث انفصال (جدا شدن) دو تکه فلز، به جای اتصال آن‌ها خواهد شد. البته که برش قوس الکتریکی، دیگر کاربرد قوس الکتریکی محسوب می‌شود.

اما یکی دیگر از کاربردهای قوس الکتریکی، مربوط به زمانی است که جای جوش یا برش، بخواهیم صرفا فلز را به طور کامل ذوب کنیم. به چنین حالتی، کوره قوس الکتریکی گفته می‌شود. کوره‌هایی که از آن‌ها برای تهیه فولاد مذاب، علی‌الخصوص فولاد مذاب کربنی استفاده شود، کوره قوس الکتریکی می‌گوییم. (به زبان انگلیسی: Electric Arc Furnace) که به اختصار EAF. نیز نامیده شده است. کوره قوس الکتریکی، پلی است برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی حرارتی و تامین دمای مورد نیاز ذوب.

کوره قوس الکتریکی چگونه کار می‌کند؟

برای تشکیل کوره قوس الکتریکی، کافی است تا حوضچه‌ای را با قراضه‌های آهن پر کنیم. موادی مانند کُک و سنگ آهن را هم برای جبران جریان سرباره به آن اضافه می‌کنیم. حالا آهک و فلوئورین را به عنوان سرباره به کوره اضافه کرده و در آخر با نصب الکترودهایی در بالای کوره، قوس الکتریکی را درست می‌کنیم. دقت کنید که طول قوس الکتریکی در این روش به طول الکترودها وابسته است. پس قابلیت کم و زیاد شدن و تنظیم را به خوبی داراست.

انواع قوس الکتریکی

انواع قوس الکتریکی و انواع جوشکاری با قوس الکتریکی، می‌تواند به دو دسته کلی تقسیم‌بندی شود. یکی ازنظر انواع روش جوشکاری و یکی از نظر انواع الکترود مصرفی.

انواع الکترود مصرفی عبارت است از الکترود غیرمصرفی (غیرقابل ذوب) و الکترود مصرفی (گدازپذیر) و انواع روش جوشکاری عبارت است از: جوشکاری TIG، جوش قوس پلاسما، جوشکاری SMAW، جوشکاری MIG و جوش MAG که در ادامه به هرکدام از این روش‌های قوس الکتریکی به اختصار خواهیم پرداخت.

جوش قوس الکتریکی با الکترود روکش‌دار

جوش قوس الکتریکی با الکترود روکش‌دار یا همان جوش smaw یکی از جوش‌های پرکاربرد برای تولید قطعات مختلف است. روش کار با این جوش معمولا به صورت دستی است. بخش‌هایی از سازه یا کار مورد نظر که قابلیت دسترسی دارند، می‌توانند با این روش جوشکاری شوند. بنابراین جوش یادشده با نام جوش قوس الکتریکی دستی نیز شناخته شده است.
از این روش برای جوش ضخامت‌های بالای 2 میلی متر استفاده می‌گردد. Smaw روش ارزانی محسوب می‌شود. در این نوع جوشکاری، حرارت بالای ایجادشده بین سطح کار و الکترود باعث ذوب فلز می‌شود و سرد شدن تدریجی باعث چسبیدن فلز خواهد شد.

جوش قوس الکتریکی با پودر مغزی SAW

جوش قوس الکتریکی با پودر مغزی saw خودش مشتمل بر سه نوع است. یکی از این انواع، خودکار، دیگری نیمه خودکار و آخری ماشینی است. جوشکاری saw یعنی قوسی بین یک الکترود با یک سیم مصرفی که دائما تغذیه شده و قطعه کار پدید بیاوریم. این فرآیند پوشش باعث یک شار قابل ذوب خواهد شد. حاصل این کار، یک گاز محافظ سطح کار است. این پوشش در حین ذوب شدن مانند یک رسانا عمل کرده و جریانی الکتریکی بین الکترود و قطعه کار ایجاد می‌کند. از فواید دیگر این شار الکتریکی می‌توان به جلوگیری آن از پاشش قوس الکتریکی و جرقه و همچنین خاموش کردن اشعه فرابنفش اشاره داشت.

جوش قوس الکتریکی با گاز محافظ (MIG یا MAG)

فرآیند جوش قوس الکتریکی با گاز محافظ، جریانی مستقیم (DC) را بین الکترود مصرفی بدون پوشش و قطعه کار قرار خواهد داد. سپس این دو را با هم ذوب کرده و باعث چسبیده شدن آن‌ها به همدیگر خواهد شد.

گاز محافظی که در این روش استفاده می‌شود، از طریق مشعل جوش تغذیه می‌شود. وظیفه این گاز همان‌طور که از اسمش پیداست، محافظت از قوس خواهد بود. تفاوت جوشکاری میگ با مگ در استفاده از گاز است. در روش میگ از گازهایی خنثی همچون هلیوم یا آرگون استفاده می‌شود. اما در روش جوشکاری مگ از گازهای فعال فلزی استفاده خواهد شد.

کاربرد قوس الکتریکی با روش‌های میگ و مگ ابتدا برای فلزات غیرآهنی، همچون آلومینیوم بود. اما بعدها پای فلزات دیگر نیز به میان آورده شد. به دلیل سرعت بالای تولید، اقتصادی بودن و هزینه تولید پایین، امروزه از این روش‌ها برای تولید و جوشکاری ورق‌های نازک از اغلب فلزها استفاده می‌شود.

جوش قوسی با هسته شار

روش جوشی قوسی با هسته شار خیلی شبیه به روش MIG است. با این تفاوت که در این روش به جای گاز محافظ از الکترود توخالی پر از شار استفاده خواهد شد.

ضمنا دو نوع جوش قوسی با هسته شار داریم. در نوع اول که خودمحافظ نامیده می‌شود، برای محافظت کردن از فلز مذاب، بایستی به محافظت گازی از الکترود هسته شار و سیستم سرباره متکی باشیم. در نوع دوم که محافظ گاز نامیده می‌شود، دوباره از گاز محافظ خارجی و سیستم سرباره جهت محافظت از قوس جلوی اکسیداسیون استفاده می‌شود.

این روش برای استفاده جهت فلزات و اتصالات بسیار ضخیم استفاده می‌شود. زیرا نفوذ جوش در جوش قوسی با هسته شار بسیار قوی است. از سوی دیگر، منبع تغذیه جوش با ولتاژ ثابت هم کار را ایده‌آل خواهد کرد.

کار کاربران در این روش به دلیل وجود مشعلی که انعطاف‌پذیر است و دارای حرکت و جهت‌گیری است، خیلی ساده‌تر است. این روش نسبت به روش‌های دیگر روشی گران محسوب می‌شود و ضمنا جوش در روش قوسی با هسته شار، معمولا از نظر بصری زیبا نیست.

جوشکاری با الکترود تنگستن (جوشکاری قوس الکتریکی TIG)

حالا ببینیم قوس الکتریکی یا جوشکاری حاضر چیست؟ این روش با نام دیگری موسوم به جوشکاری قوسی تنگستن گازی (GTAW) نیز شناخته شده است. در روش تیگ از الکترودی تنگستنی و غیرمصرفی استفاده می‌شود. کاربرد اصلی قوس الکتریکی حاضر، بیشتر برای جوش دادن انواع قطعات آلومینیومی است.

جوشکاری قوس پلاسما

جوشکاری قوس پلاسما یک روش گازی است. در روش قوس پلاسما با گازها و الکترودهای یونیزه شده، تشکیل پلاسمای داغ می‌دهند. این روش هم شبیه به روش جوشکاری TIG خواهد بود. با این تغییر که به جای قرار گرفتن قوس پلاسما در پوشش گاز محافظ، در بدنه مشعل جوش قرار خواهد گرفت. کاربرد جوشکاری قوس پلاسما، برای جوش باریک و عمیق است. ضمنا این روش از دقت بسیار بالایی برخوردار است.

جوشکاری قوس کربن

در روش جوشکاری قوس کربن بین الکترود کربن غیرمصرفی و قطعه کار قوس الکتریکی درست خواهد شد. اولین نوع روش جوشکاری در دنیا، طبق چیزی که در ابتدای مطلب هم مطالعه کردید، همین روش بوده است. امروزه به دلیل ایمنی پایین و راحتی کم دیگر از این روش خیلی استفاده نمی‌شود.

جوشکاری هیدروژن اتمی

جوشکاری هیدروژن اتمی نیز یک روش تولید قوس الکتریکی است. در این روش بین دو الکترود تنگستن که با گاز محافظ هیدروژن پوشانده شده قوس الکتریکی تولید خواهد شد. این روش به یک جوشکار بسیار ماهر نیاز دارد و جزو روش‌های سخت جوشکاری به حساب می‌آید.
مزیت اصلی این روش، سرعت بسیار بالای آن است. اما معمولا روش MIG به دلیل ارزان بودن به روش جوشکاری هیدروژن اتمی ترجیح داده می‌شود.

کاربرد قوس الکتریکی

اگر در طول متن دقت کرده باشید، دیدید که تقریبا کاربرد هرکدام از قوس‌های الکتریکی را برایتان توضیح دادیم. اما اگر بخواهیم دوباره و به صورت موردی از کاربردهای قوس الکتریکی یا همان کاربرد جوشکاری بگوییم، انواع و اقسام کاربرد وجود دارند. در فهرست زیر به چندی از آن‌ها اشاره خواهیم کرد که جالب هستند:

• متصل کردن دائمی فلزات به همدیگر
• بازسازی کردن مشکلات قطعات در ریخته‌گری
• قوی‌تر کردن موضعی قطعه‌ها
• تعمیر ماشین‌آلات کشاورزی
• تعمیر اجسام زیر آب
•  و...

کلام آخر

همان‌طور که دیدید، قوس الکتریکی برخلاف نام عُجب‌انگیزش، خیلی هم چیز سختی نیست. حداقل این کار در تئوری که خیلی آسان است. اما همیشه مواظب خطرات نیز باشید. مذاب، اشعه الکترود و خود قطعه کار و ترانس، همگی چیزهایی خطرناک هستند. سعی کنید بعد از حرفه‌ای شدن سراغ جوشکاری بروید و همیشه هم موارد ایمنی، مانند به همراه داشتن لباس و دستکش ایمنی، لباس آستین‌بلند و کفش پنجه‌بسته، همچنین عینک محافظ را فراموش نکنید.

سوالات متداول:

1-مزایای استفاده از روش قوس الکتریکی چیست؟ چرا باید از روش قوس الکتریکی استفاده کنیم؟

یکی از مهم‌ترین مزایایی که جوشکاری به روش قوس الکتریکی دارد، کم‌هزینه بودن آن و دردسترسی آن است. مزیت دیگر، پرکاربرد بودن این روش است. زیرا از آن می‌توانید تقریبا برای تمام فلزات متعارف استفاده کنید. ضمنا در هر محیطی می‌شود با رعایت موارد ایمنی، کار تولید قوس الکتریکی را تا حدی انجام داد.

2-معایب جوش قوس الکتریکی چیست؟

مهم‌ترین عیبی که روش جوش قوس الکتریکی دارد، ضایعات زیادی است که از خود به جای می‌گذارد. این ضایعات در حجم پایین دیده نمی‌شوند؛ اما در تولید صنعتی با حجم بالا، قوز بالا قوز هستند. ضمنا قوس الکتریکی روی بعضی از فلزات با ضخامت پایین خیلی خوب کار نمی‌کند.