جوشکاری زیرپودری (SAW)؛ فناوری قدرتمند برای اتصالات صنعتی

جوشکاری زیر پودری submerged چیست؟

جوشکاری زیر پودری یا SAW که مخفف کلمه انگلیسی Submerged arc welding یکی از پیشرفته‌ترین، دقیق‌ترین و ایمن‌ترین روش‌های جوشکاری در دنیای مهندسی است. این تکنیک که بر پایه استفاده از قوس الکتریکی در زیر لایه‌ای از پودر محافظ انجام می‌شود، به دلیل کیفیت بسیار بالا، نرخ رسوب قابل توجه و تولید حداقل آلودگی، به روشی ایده‌آل در بسیاری از صنایع کلان تبدیل شده است. در این مقاله، به‌صورت گام‌به‌گام به بررسی کامل این روش جوشکاری خواهیم پرداخت.

روش جوشکاری زیر پودری (SAW)

جوشکاری زیر پودری نوعی جوشکاری قوسی است که در آن، قوس الکتریکی بین سیم جوش (الکترود فلزی) و قطعه کار، در زیر لایه‌ای از پودر معدنی شکل می‌گیرد. این لایه از پودر، نه تنها نقش حفاظتی دارد، بلکه موجب تثبیت قوس، کنترل انتقال حرارت، و افزایش کیفیت نهایی جوش می‌شود.

در این فرآیند، سیم جوش به‌صورت مداوم و مکانیزه تغذیه می‌شود و قوس در زیر فلاکس شکل می‌گیرد. پودر فلاکس، از اکسایش حوضچه مذاب جلوگیری کرده و سرباره‌ای ایجاد می‌کند که پس از جوش قابل حذف است. به دلیل پوشش کامل قوس توسط فلاکس، آلودگی‌های بصری و محیطی به حداقل می‌رسد.

تاریخچه‌ای مختصر از SAW

اولین بار این روش در سال 1935 در مؤسسه E.O. Paton در اوکراین توسعه یافت. جوشکاری زیر پودری در جریان جنگ جهانی دوم در ساخت تانک‌های T-34 شوروی به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفت. از آن زمان تاکنون، این تکنولوژی به‌طور مداوم تکامل یافته و به یکی از اصلی‌ترین ابزارهای اتصال فلزات در صنایع عظیم تبدیل شده است. دستگاه جوشکاری زیرپودری در حال حاضر به‌عنوان یکی از تجهیزات حرفه‌ای در مجموعه کاراسازه تولید و عرضه می‌شود.

اجزای اصلی فرآیند جوشکاری زیر پودری

سیم جوش (الکترود مصرفی): بدون روکش بوده و از فولادهای کم‌کربن یا کم‌آلیاژ ساخته می‌شود. انتخاب قطر مناسب سیم جوش تأثیر مستقیمی بر سرعت رسوب و عمق نفوذ دارد.

پودر فلاکس: ترکیبی از مواد معدنی مانند سیلیکات‌ها، آلومینات‌ها و اکسیدهای فلزی است که قوس را پوشش داده، از آن محافظت می‌کند، خواص جوش را بهبود می‌دهد و سرباره تشکیل می‌دهد.

منبع انرژی: دستگاه جوش که جریان مستقیم یا متناوب تولید می‌کند. انتخاب نوع جریان (DCEN یا DCEP) بر میزان نفوذ و پایداری قوس تأثیر می‌گذارد.

مشعل جوشکاری: وسیله‌ای برای هدایت سیم جوش و پودر فلاکس به ناحیه اتصال.

سیستم تغذیه سیم و پودر: تجهیزات مکانیکی که به صورت دقیق سیم و پودر را به محل جوش می‌رسانند و در خطوط تولید خودکار نقش مهمی دارند.

سیستم بازیابی فلاکس: پودری که در فرآیند جوش ذوب نشده است توسط سیستم مکش جمع‌آوری و غربال می‌شود تا دوباره مورد استفاده قرار گیرد.

نحوه عملکرد جوش زیر پودری

فرآیند با آماده‌سازی سطح فلز و پاک‌سازی آن از زنگ، چربی و آلودگی آغاز می‌شود. سپس لایه‌ای از پودر فلاکس بر مسیر جوش پخش می‌گردد. سیم جوش به صورت پیوسته از یک قرقره تغذیه شده و با ایجاد قوس الکتریکی، فلز پایه و الکترود را ذوب می‌کند. فلاکس بر اثر حرارت قوس، ذوب شده و نقش محافظ، آلیاژدهی و ایجاد سرباره را ایفا می‌کند. پس از پایان جوش، سرباره به راحتی از سطح برداشته شده و پودر ذوب‌نشده بازیافت می‌شود.

انواع پودرهای جوشکاری

پودر ذوب شده (Fused Flux): مواد به‌طور کامل در کوره ذوب شده و پس از سرد شدن به ذرات یکنواخت تبدیل می‌شوند. این نوع فلاکس ثبات قوس بالایی دارد و برای جوش‌های با کیفیت بالا استفاده می‌شود.

پودر چسبی (Bonded Flux): مواد معدنی با استفاده از چسب‌های سیلیکاتی به هم متصل می‌شوند. این نوع فلاکس امکان افزودن عناصر آلیاژی به ترکیب را فراهم می‌کند و برای کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پودر گرانولی (Granular Flux): ساده‌ترین و اقتصادی‌ترین نوع فلاکس که برای مصارف عمومی و جوشکاری معمولی به کار می‌رود. ترکیب آن از مواد معدنی پایه تشکیل شده است.

مزایای جوشکاری زیر پودری

بهره‌وری بالا: به دلیل حفاظت کامل از قوس، اتلاف حرارتی به حداقل می‌رسد و راندمان حرارتی این روش تا ۶۰ درصد می‌رسد.

کیفیت عالی جوش: قوس پایدار، انتقال یکنواخت فلز، و محافظت کامل از ناحیه مذاب موجب تولید جوشی یکنواخت، بدون ترک و با مقاومت بالا می‌شود.

سرعت بالا در خطوط تولید: فرآیند مکانیزه باعث افزایش نرخ تولید و کاهش زمان جوشکاری می‌شود.

کاهش هزینه نیروی انسانی: اتوماسیون این روش نیاز به اپراتورهای متعدد و ماهر را کاهش می‌دهد.

حذف پاشش جوش: به دلیل پوشش کامل فلاکس، هیچ‌گونه جرقه یا پاشش وجود ندارد.

ایمنی محیط کار: نبود نور شدید قوس، دود یا گازهای مضر، محیطی ایمن برای کارگر فراهم می‌آورد.

بازیافت فلاکس: فلاکس ذوب‌نشده قابلیت بازیافت و استفاده مجدد دارد که منجر به کاهش هزینه‌ها می‌شود.

امکان جوشکاری پوششی: این روش برای فرآیندهای Hardfacing یا ایجاد پوشش‌های مقاوم در برابر سایش نیز مناسب است.

معایب جوش زیر پودری

محدودیت موقعیت جوش: این روش فقط در موقعیت‌های افقی و تخت قابل اجراست و در جوشکاری‌های عمودی یا سقفی نیاز به تجهیزات خاص دارد.

مناسب نبودن برای ورق‌های نازک: در ضخامت‌های کمتر از ۵ میلی‌متر خطر سوختن فلز پایه افزایش می‌یابد.

تجهیزات حجیم و پرهزینه: دستگاه‌های مورد استفاده فضای زیادی اشغال می‌کنند و قیمت بالایی دارند.

نیاز به آماده‌سازی دقیق سطح: برای تضمین کیفیت جوش، سطح فلز باید کاملاً تمیز و یکنواخت باشد.

لزوم حذف سرباره بین پاس‌ها: در جوش‌های چندلایه، برداشتن کامل سرباره بین لایه‌ها ضروری است تا از ایجاد عیوب جوش جلوگیری شود.

عوامل تأثیرگذار در کیفیت جوش

قطبیت جریان: قطبیت مستقیم یا معکوس می‌تواند بر عمق نفوذ و میزان پاشش قوس تأثیر بگذارد.

ولتاژ و جریان: تنظیم دقیق ولتاژ و آمپر برای ایجاد قوس پایدار و حوضچه مناسب حیاتی است.

نوع و قطر سیم جوش: انتخاب مناسب بر نرخ رسوب و کنترل قوس تأثیر می‌گذارد.

سرعت حرکت مشعل: سرعت بالا باعث جوش سطحی و کم‌نفوذ می‌شود، درحالی‌که سرعت پایین عمق جوش را افزایش می‌دهد.

ترکیب شیمیایی پودر: انتخاب فلاکس نامناسب می‌تواند باعث تخلخل یا کاهش مقاومت جوش شود.

طول مؤثر الکترود: فاصله بین نازل و قطعه باید به‌درستی تنظیم شود تا قوس پایداری ایجاد شود.

تجهیزات مکمل و جانبی

سیستم خنک‌کننده: برای جلوگیری از داغ شدن بیش از حد تجهیزات و افزایش عمر مفید آن‌ها در طول عملیات جوشکاری استفاده می‌شود.

سیستم پیش‌گرمایش: قطعات را قبل از جوش تا دمای مشخصی گرم می‌کند تا از بروز ترک یا تنش حرارتی جلوگیری شود.

سیستم پس‌گرمایش: بعد از جوش، با حرارت‌دهی کنترل‌شده، از تمرکز تنش و ایجاد ترک در ناحیه جوش جلوگیری می‌کند.

واحد مکش فلاکس: پودر استفاده‌نشده را جمع‌آوری کرده و پس از غربال مجدد، آماده استفاده دوباره می‌سازد.

کنترلرهای CNC یا PLC: کنترل دقیق و خودکار پارامترهای جوش مانند جریان، ولتاژ و مسیر حرکت نازل را فراهم می‌کنند.

کاربردهای صنعتی SAW

ساخت سازه‌های سنگین: مانند ساخت اسکلت‌های فلزی ساختمان‌های بلند و برج‌ها، سوله‌های صنعتی وسیع، پل‌های بزرگ و دکل‌های مخابراتی که نیاز به جوشکاری دقیق و مقاوم دارند تا استحکام و پایداری سازه تضمین شود.

خطوط لوله و انتقال سیالات: انجام جوشکاری در مسیرهای انتقال نفت، گاز طبیعی و مواد شیمیایی حساس که به دلیل فشار بالا و شرایط محیطی خاص، نیازمند جوش‌هایی با کیفیت بسیار بالا و دوام طولانی هستند.

ساخت مخازن تحت فشار: تولید دیگ‌های بخار، تانکرهای حمل مواد خطرناک و مخازن صنعتی که به جوشکاری‌های دقیق و استاندارد جهت مقاومت در برابر فشارهای داخلی و شرایط عملیاتی سخت نیاز دارند.

صنایع ریلی: اتصال و جوشکاری قطعات مختلف واگن‌ها، ریل‌ها و تجهیزات راه‌آهن که به منظور حفظ ایمنی و عملکرد مطلوب سیستم حمل و نقل ریلی انجام می‌شود.

کشتی‌سازی: جوشکاری بدنه کشتی‌ها، اسکلت فلزی و تجهیزات داخلی آنها به گونه‌ای که علاوه بر تحمل فشارهای ناشی از دریا، مقاومت بالایی در برابر خوردگی و ضربات مکانیکی داشته باشند.

تعمیرات و سخت‌کاری: تکنسین‌ها با انجام عملیات جوشکاری و سخت‌کاری روی قطعات صنعتی فرسوده و آسیب‌دیده، لایه‌های مقاوم به سایش و خوردگی را ایجاد می‌کنند تا طول عمر قطعات افزایش یافته و عملکرد آنها در شرایط کاری دشوار بهبود یابد.

 

پودر جوش زیر پودری

پودر جوش زیر پودری نقش بسیار مهمی در فرآیند جوشکاری زیر پودری دارد و وظیفه اصلی آن محافظت از قوس الکتریکی و فلز مذاب در برابر آلودگی‌های محیطی مانند اکسیژن و نیتروژن است. این پودر معمولاً از ترکیبی از مواد معدنی مانند سیلیکات‌ها، کربنات‌ها و اکسیدهای فلزی تشکیل شده که علاوه بر ایجاد یک لایه محافظ، به کنترل دمای جوش و کاهش پاشش کمک می‌کنند. نوع و ترکیب پودر جوش تأثیر مستقیم بر کیفیت و خواص مکانیکی جوش نهایی دارد و انتخاب درست آن بسته به نوع فلز پایه و شرایط کاری اهمیت زیادی دارد. استفاده از پودرهای با کیفیت بالا باعث افزایش نفوذ جوش، کاهش عیوب و بهبود استحکام و دوام سازه‌های جوش‌خورده می‌شود.

نتیجه‌گیری نهایی

جوشکاری زیر پودری (Submerged Arc Welding) ترکیبی از فناوری، دقت، سرعت و ایمنی را ارائه می‌دهد که در جوشکاری‌های سنگین و حساس جایگزین‌ناپذیر است. با وجود محدودیت‌هایی در موقعیت اجرا، مزایای بی‌نظیر آن در صنایع کلان به‌مراتب بیشتر است. این روش، به‌ویژه در پروژه‌هایی که استحکام، دوام و کیفیت جوش از اهمیت بالایی برخوردار است، انتخابی هوشمندانه خواهد بود.