جوشکاری الکترواسلگ چیست؟ مزایا، کاربردها و تکنیک‌ها

اسلگ چیست

در صنایع سنگین مانند کشتی‌سازی، پل‌سازی، ساخت دیگ‌های بخار و تجهیزات نیروگاهی، اتصال ورق‌های ضخیم فولادی چالشی بزرگ است. ورق‌های ضخیم به دلیل ابعاد و سختی بالا، نیازمند جوشکاری بسیار قوی و با کیفیت هستند. روش جوشکاری الکترواسلگ (Electroslag Welding) به دلیل توانایی بالا در اتصال این ورق‌ها با کیفیت، سرعت و استحکام زیاد، به صورت گسترده به کار می‌رود. این روش مخصوصاً در اتصال‌های عمودی کاربرد دارد و می‌تواند ورق‌هایی با ضخامت بسیار بالا (تا حدود 45 سانتی‌متر) را در یک پاس به‌طور کامل جوش دهد که در سایر روش‌ها به چندین پاس و صرف زمان بیشتر نیاز است.

تعریف جوشکاری الکترواسلگ

جوشکاری الکترواسلگ فرآیندی است که در آن با عبور جریان الکتریکی از میان سرباره‌ای که یک رسانای الکتریکی است، حرارت لازم برای ذوب فلزات ایجاد می‌شود. برخلاف جوشکاری‌های معمولی که قوس الکتریکی به‌صورت دائم وجود دارد، در ESW قوس فقط در ابتدای کار برقرار می‌شود تا سرباره ذوب شود و پس از آن انرژی حرارتی از طریق مقاومت الکتریکی سرباره مذاب تولید می‌شود. این حرارت باعث ذوب الکترود و فلز پایه شده و اتصال پایدار و قوی‌ای به وجود می‌آید.

تاریخچه و توسعه فرآیند

در دهه 1940 میلادی، “رابرت کی” این فرآیند را در آمریکا ثبت کرد. ابتدا در صنایع خودروسازی و ساخت کشتی‌های بزرگ به کار رفت و سپس در دهه 1950 شوروی این روش را توسعه داد. با پیشرفت فناوری و نیاز صنایع سنگین به جوشکاری دقیق و سریع، دستگاه جوشکاری الکترواسلگ در کشورهای مختلف دنیا مورد توجه قرار گرفت و در پروژه‌های بزرگ انرژی، پتروشیمی، ساخت‌وساز و صنایع دفاعی استفاده شد.

انواع روش‌های جوشکاری الکترواسلگ

• نازل غیرمصرفی: در این روش نازل ثابت است و فقط الکترود ذوب می‌شود. هد جوشکاری به‌صورت مکانیزه و عمودی بالا می‌رود. این روش رایج‌تر است و در مواردی که دقت و سرعت مهم است، کاربرد دارد.
• نازل مصرفی: در این حالت، نازل همراه با الکترود ذوب می‌شود و برای ضخامت‌های بسیار بالا کاربرد دارد که حجم زیادی فلز باید جوش داده شود.

تجهیزات جوشکاری الکترو اسلگ

• الکترود: معمولاً از فولاد تسمه‌ای ساخته شده که به طور پیوسته وارد درز می‌شود و ذوب می‌گردد.
• پودر جوش (فلاکس): پودرهایی بر پایه سیلیکات یا اکسیدهای فلزی که در عملیات ذوب می‌شوند و از حوضچه جوش محافظت می‌کنند و عیوب سطحی را کاهش می‌دهند.
• نازل: ممکن است مصرفی یا غیرمصرفی باشد و هدایت‌کننده فلز مذاب است.
• هد جوشکاری: یک دستگاه مکانیزه که حرکت عمودی الکترود و نازل را کنترل می‌کند و سرعت بالا آمدن را تنظیم می‌کند.
• منبع تغذیه: دستگاهی با توان و جریان بالا برای تأمین جریان الکتریکی قوی لازم.
• سیستم خنک‌کن: مخصوصاً برای پروژه‌های بلندمدت که جوشکاری‌های پیوسته انجام می‌شود، برای جلوگیری از داغ شدن بیش از حد تجهیزات.

مراحل جوشکاری الکترواسلگ

فرآیند ESW مراحل دقیق و خاصی دارد که شامل موارد زیر می‌باشد:

• آماده‌سازی و جانمایی قطعات: قطعات به صورت عمودی قرار می‌گیرند و فاصله درز بین آنها به دقت تنظیم می‌شود.
• وارد کردن مواد جوش: الکترود (سیم یا تسمه فولادی) و پودر فلاکس در درز قرار می‌گیرند.
• ایجاد قوس اولیه: قوس کوتاه و محدود در ابتدا برای ذوب سریع پودر فلاکس و تشکیل سرباره انجام می‌شود.
• قطع قوس و انتقال جریان: قوس قطع شده و جریان الکتریکی از طریق سرباره مذاب عبور می‌کند که حرارت لازم را تأمین می‌کند.
• ذوب فلزات: حرارت تولید شده باعث ذوب فلز پایه و الکترود شده و حوضچه مذاب جوش تشکیل می‌شود.
• بالا آمدن حوضچه جوش: حوضچه جوش به آرامی در امتداد درز بالا می‌رود و اتصال شکل می‌گیرد.
• خنک شدن و جامد شدن: پس از اتمام عملیات، جوش خنک شده و جامد می‌شود و یک اتصال مستحکم و یکنواخت به وجود می‌آید.

مزایای جوشکاری الکترواسلگ

• رسوب فلز بالا: این روش می‌تواند تا 20 کیلوگرم فلز را در ساعت جوش دهد که نسبت به جوشکاری‌های دستی یا زیرپودری بسیار بیشتر است، بنابراین زمان پروژه را به شدت کاهش می‌دهد.
• صرفه‌جویی در زمان و هزینه: به دلیل انجام جوشکاری در یک پاس و حذف لایه‌های متعدد، هزینه‌های نیروی انسانی، مواد مصرفی و زمان کاهش می‌یابد.
• مناسب برای ضخامت‌های بالا: این روش توانایی جوشکاری ورق‌های بسیار ضخیم را دارد که در روش‌های دیگر نیاز به چند پاس است.
• جوش بدون پاشش: چون قوس فقط در ابتدا فعال است، در حین جوش پاشش مذاب یا جرقه بسیار کم است که کیفیت محیط کار و جوش را افزایش می‌دهد.
• کیفیت بالای جوش: جوش‌های ایجاد شده یکنواخت، فاقد تخلخل و با ساختار میکروسکوپی بهینه هستند که باعث افزایش استحکام و دوام می‌شوند.
• کاهش اعوجاج: سرعت انجماد پایین و جوشکاری به صورت عمودی، اعوجاج و تغییر شکل قطعات را کاهش می‌دهد که برای پروژه‌های حساس اهمیت بالایی دارد.

محدودیت های جوشکاری الکترواسلگ

• محدودیت موقعیت: فقط در موقعیت‌های عمودی قابل اجرا است و نمی‌توان در حالت‌های افقی یا زاویه‌دار از آن استفاده کرد.
• هزینه تجهیزات: تجهیزات مکانیزه، کنترلرها و منابع تغذیه با توان بالا گران‌قیمت هستند که هزینه سرمایه‌گذاری اولیه را افزایش می‌دهد.
• تشکیل ساختار دانه درشت: اگر سرعت سرد شدن کنترل نشود، ساختار جوش دانه درشت شده و استحکام آن کاهش می‌یابد.
• محدودیت نوع فلز: بیشتر برای فولادهای کربنی و کم‌آلیاژ مناسب است و در جوشکاری فلزات خاص دیگر کمتر کاربرد دارد.
• خطر ترک گرم: انتخاب نامناسب پارامترهای جوشکاری ممکن است باعث ایجاد ترک‌های گرم شود که خطر شکست اتصال را افزایش می‌دهد.

کاربردهای صنعتی جوشکاری الکترواسلگ

• کشتی‌سازی
  تکنسین‌ها ورق‌های ضخیم بدنه کشتی‌ها و اسکلت‌های فلزی را به صورت عمودی جوش می‌دهند. آنها قطعاتی با ضخامت زیاد را که باید مقاومت بسیار بالا در برابر فشار آب و تنش‌های مکانیکی داشته باشند، به هم متصل می‌کنند. به دلیل سرعت بالا و کیفیت جوش، شرکت‌ها از ESW برای ساخت کشتی‌های بزرگ و نفتکش‌ها استفاده می‌کنند.
• صنایع نفت و گاز
  متخصصان سکوهای نفتی دریایی و زمینی را که از ورق‌های ضخیم فولادی ساخته شده‌اند، با این روش می‌سازند. آنها مخازن تحت فشار و خطوط لوله ضخیم را جوشکاری می‌کنند که به جوش‌های بسیار مقاوم نیاز دارند. همچنین در شرایط سخت و محیط‌های خطرناک با دقت بالا جوشکاری انجام می‌دهند.
• برج‌سازی و ساختمان‌های بلند
  مهندسان تیرها، ستون‌ها و مقاطع سنگین فولادی را در سازه‌های بلند و مقاوم به هم وصل می‌کنند. آنها جوش‌های حجیم را سریع اجرا می‌کنند تا استحکام مکانیکی بالا داشته باشند و زمان ساخت را کاهش دهند. این کار باعث کاهش وزن و افزایش ایمنی سازه به دلیل کیفیت بالای اتصال می‌شود.
• پل‌سازی
  جوشکاران درزهای ضخیم و حساس پل‌های فولادی را که تحت بارهای دینامیکی و استاتیکی زیاد قرار دارند، سریع و دقیق جوش می‌دهند تا دوام و ایمنی پل افزایش یابد.
• تجهیزات نیروگاهی
  تکنسین‌ها بویلرهای فشار بالا، مبدل‌های حرارتی و محفظه‌های تحت فشار را که نیاز به مقاومت حرارتی و مکانیکی بالایی دارند، می‌سازند. آنها ورق‌های ضخیم فولادی را با کیفیت بسیار بالا و بدون نقص جوشکاری می‌کنند.
• ساخت ماشین‌آلات سنگین
  کارگران قطعات فولادی سنگین را برای معادن، راه‌سازی و صنایع نظامی تولید می‌کنند. آنها به جوش‌های قوی و مقاوم در برابر ضربه و فشار بالا نیاز دارند. سرعت بالای جوشکاری باعث افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه‌ها می‌شود.

پارامترهای کلیدی در فرایند جوشکاری

• جریان جوشکاری: جریان بالاتر باعث افزایش حرارت و سرعت رسوب فلز می‌شود ولی اگر زیاد باشد، احتمال عیوب افزایش می‌یابد.
• ولتاژ: ولتاژ باید طوری تنظیم شود که عمق نفوذ و شکل حوضچه مذاب کنترل شود تا جوش یکنواخت باشد.
• فاصله درز: اندازه درز باید دقیق باشد و با ضخامت قطعات و نازل هماهنگ باشد، در غیر اینصورت جوش ناقص خواهد شد.
• سرعت حرکت هد: سرعت بالا باعث سرد شدن سریع و ایجاد ترک می‌شود، سرعت پایین باعث افزایش اعوجاج و کاهش بهره‌وری می‌گردد.

عیب اسلگ در جوش

• ترک طولی و عرضی: ناشی از سرد شدن ناهمگون و تنش‌های حرارتی در حین جوشکاری.
• عدم جوش خوردگی کامل: زمانی رخ می‌دهد که سطح فلز آلوده باشد یا ولتاژ و جریان مناسب نباشد.
• تخلخل: حضور رطوبت در پودر یا آلودگی باعث تشکیل حفره‌های کوچک هوا در جوش می‌شود.
• بریدگی کناره‌ها: تنظیم نادرست ولتاژ یا فاصله نازل باعث عدم تشکیل کامل جوش در کناره‌ها می‌شود.

 

نکات مهم اجرایی و ایمنی در جوشکاری الکترواسلگ

در این بخش به مهم‌ترین نکات اجرایی پرداخته می‌شود که رعایت آن‌ها برای دستیابی به جوشی با کیفیت و ایمن ضروری است:

استفاده از پودر فلاکس خشک و تمیز

پودر فلاکس نقش بسیار مهمی در جوشکاری ESW دارد، زیرا حرارت از طریق مقاومت الکتریکی در این پودر ایجاد می‌شود و همچنین به عنوان یک پوشش محافظ روی حوضچه مذاب عمل می‌کند. اگر پودر رطوبت داشته باشد یا آلوده باشد، باعث ایجاد عیوبی مثل تخلخل، عدم جوش خوردگی کامل و ترک در جوش می‌شود. بنابراین:

• پودر باید کاملاً خشک باشد و در محیط خشک نگهداری شود.
• استفاده از پودر تازه و استاندارد برای هر پروژه ضروری است.
• پیش از شروع جوشکاری، فلاکس باید به دقت بررسی شود تا هیچ گونه ناخالصی یا رطوبتی نداشته باشد.

پیش‌گرم کردن قطعه کار

قطعات ضخیم معمولاً در اثر اختلاف دما و شوک حرارتی هنگام جوشکاری دچار ترک‌های حرارتی می‌شوند. پیش‌گرم کردن قطعات قبل از شروع جوشکاری باعث کاهش این مشکلات می‌شود:

• گرم کردن قطعه تا دمای مشخص (معمولاً بین 100 تا 300 درجه سانتی‌گراد) بسته به جنس فلز.
• این کار تنش‌های داخلی و اختلاف دمای ناگهانی را کاهش می‌دهد و از ترک گرم جلوگیری می‌کند.
• برای ضخامت‌های خیلی بالا، پیش‌گرم مکرر و حتی نگهداری در دمای بالا تا پایان خنک‌کاری نیز توصیه می‌شود.

انتخاب الکترود و پودر مناسب

مواد مصرفی باید متناسب با نوع فولاد پایه و شرایط کاری انتخاب شوند:

• الکترود باید از جنس فولاد کربنی یا کم‌آلیاژ و با ترکیب شیمیایی همسان با فلز پایه باشد.
• پودر فلاکس باید ترکیبات اکسیدی داشته باشد که ضمن محافظت، حرارت و خواص مکانیکی جوش را بهینه کنند.
• استفاده از فلاکس‌های تخصصی برای محیط‌های خاص (مثل دماهای بالا یا محیط‌های خورنده) می‌تواند کیفیت نهایی را به شدت بهبود دهد.

رعایت فاصله و هندسه درز

• فاصله بین ورق‌ها باید دقیق تنظیم شود و معمولاً بین 10 تا 15 میلی‌متر بسته به ضخامت ورق و نوع نازل متغیر است.
• اگر فاصله زیاد باشد، جریان به‌خوبی عبور نمی‌کند و جوش ناقص خواهد شد. اگر فاصله کم باشد، احتمال پر شدن بیش از حد و ناپیوستگی وجود دارد.
• زاویه‌های نازل و نحوه قرارگیری قطعات باید به گونه‌ای باشد که مذاب به طور کامل و یکنواخت پخش شود.

کنترل حرکت هد جوشکاری

• حرکت هد به صورت مکانیزه انجام می‌شود و سرعت آن باید دقیق تنظیم شود.
• سرعت بالا ممکن است باعث سرد شدن سریع حوضچه جوش و ایجاد ترک شود.
• سرعت پایین منجر به اعوجاج، افزایش زمان جوشکاری و تولید ساختار دانه درشت می‌شود.
• بهترین سرعت باید با توجه به ضخامت، جنس و شرایط محیطی تعیین شود و در حین عملیات به دقت پایش گردد.

استفاده از کفشک‌ها یا صفحات مسی هدایت‌گر

• برای کنترل شکل و حرکت حوضچه مذاب از کفشک‌ها یا صفحات مسی استفاده می‌شود که به صورت هدایت‌کننده عمل کرده و از بیرون ریختن مذاب جلوگیری می‌کنند.
• این صفحات باید به طور مستمر خنک شوند تا دچار آسیب نشوند.
• استفاده درست از این تجهیزات باعث افزایش کیفیت سطح جوش و کاهش نقص‌های کناره‌ای می‌شود.

سیستم خنک‌سازی مناسب

• تجهیزات جوشکاری ESW به دلیل جریان و حرارت بسیار زیاد، به سیستم خنک‌کن مداوم نیاز دارند.
• عدم وجود خنک‌کاری کافی باعث داغ شدن بیش از حد تجهیزات و کاهش عمر مفید آنها می‌شود.
• خنک‌سازی آب یا مایع سردکننده باید به صورت پیوسته انجام شود و دمای تجهیزات پایش گردد.

انجام آزمون‌های غیرمخرب (NDT)

• پس از انجام جوشکاری باید با روش‌های NDT مثل رادیوگرافی، التراسونیک، مایعات نافذ و ذرات مغناطیسی کیفیت جوش بررسی شود.
• این آزمون‌ها عیوبی مثل ترک، تخلخل و عدم اتصال را شناسایی می‌کنند.
• کیفیت جوش باید مطابق استانداردهای صنعتی تایید شده و گزارش‌های دقیقی از آن تهیه شود.

ایمنی پرسنل

• به دلیل جریان‌های بالا و دمای زیاد، استفاده از لباس‌های محافظ و تجهیزات ایمنی الزامی است.
• استفاده از عینک ایمنی و محافظ صورت برای جلوگیری از برخورد جرقه‌ها و پاشش سرباره‌های داغ ضروری است.
• سیستم‌های تهویه برای خارج کردن گازهای ناشی از جوشکاری باید فعال باشد.
• آموزش کامل اپراتورها درباره نحوه عملکرد و شرایط اضطراری باید انجام شود.

 

آینده جوشکاری الکترواسلگ

با پیشرفت در حوزه رباتیک و کنترل اتوماتیک، جوشکاری الکترواسلگ به سمت استفاده از سیستم‌های CNC و هوشمند حرکت می‌کند. استفاده از فلاکس‌های پیشرفته و الکترودهای با ترکیب شیمیایی بهینه، باعث افزایش کیفیت و بازدهی می‌شود. انتظار می‌رود که این روش با دیجیتال‌سازی و خودکارسازی، به یکی از اصلی‌ترین روش‌های جوشکاری در صنایع سنگین تبدیل شود.

نتیجه‌گیری

جوشکاری الکترواسلگ به عنوان روشی کارآمد و پیشرفته برای اتصال ورق‌های ضخیم فولادی در صنایع بزرگ شناخته می‌شود. با وجود محدودیت‌هایی مثل اجرای فقط در حالت عمودی و نیاز به تجهیزات تخصصی، مزایای زیادی از جمله سرعت بالا، کیفیت عالی و کاهش هزینه‌ها را فراهم می‌کند. اجرای صحیح این فرآیند می‌تواند موجب افزایش دوام، ایمنی و صرفه‌جویی اقتصادی در پروژه‌های صنعتی شود.