سیم جوش زیرپودری: راهنمای جامع انتخاب، کاربرد و کنترل کیفیت

جوشکاری زیرپودری (SAW) به عنوان یکی از فرآیندهای جوشکاری قوسی با بهره ‌وری بالا و کیفیت مطلوب شناخته می ‌شود که به طور گسترده برای اتصال قطعات ضخیم و ایجاد جوش‌ های طویل و پیوسته در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می ‌گیرد. پودر نقش حیاتی در محافظت از حوضچه جوش در برابر آلودگی‌ های اتمسفری، پایداری قوس الکتریکی و حتی افزودن عناصر آلیاژی به فلز جوش را ایفا می‌ کند. در این میان، سیم جوش زیرپودری به عنوان قلب تپنده این فرایند، نه تنها وظیفه هدایت جریان الکتریکی را بر عهده دارد، بلکه به عنوان ماده پرکننده، مستقیما بر خواص مکانیکی و شیمیایی نهایی اتصال جوشی تاثیرگذار است. با توجه به اینکه در جوشکاری زیرپودری، بویژه در حالت‌ های اتوماتیک و نیمه ‌اتوماتیک، اپراتور دید مستقیمی به حوضچه جوش ندارد، اهمیت انتخاب صحیح سیم جوش و کاربرد مناسب آن بر اساس اصول فنی و اجرای دقیق مراحل کنترل کیفیت، برای دستیابی به اتصالات بی ‌نقص و قابل اطمینان در صنایع حساس، دو چندان می ‌شود. این مقاله به عنوان یک راهنمای جامع، به بررسی تمامی جنبه‌های کلیدی سیم جوش زیرپودری، از انتخاب و استانداردها گرفته تا کاربردهای صنعتی و روش‌های کنترل کیفیت می‌پردازد.

جوشکاری زیرپودری (SAW) چیست؟ مروری بر فرآیند و اجزاء اصلی

جوشکاری زیرپودری (Submerged Arc Welding - SAW) یک فرآیند جوشکاری قوسی است که در آن حرارت لازم برای ذوب فلز پایه و سیم جوش از طریق قوس الکتریکی ایجاد شده بین نوک سیم جوش مصرفی و قطعه کار تامین می ‌شود. ویژگی متمایز این روش، قرار گرفتن کامل قوس و حوضچه مذاب در زیر لایه ‌ای از پودر جوش گرانولی است. این پودر، که معمولاً فلاکس نامیده می ‌شود، پس از ذوب شدن، سرباره‌ ای را تشکیل می‌دهد که علاوه بر محافظت از مذاب در برابر گازهای مضر اتمسفر مانند اکسیژن و نیتروژن، به شکل ‌دهی گرده جوش و کنترل سرعت سرد شدن آن نیز کمک می‌ کند. به همین دلیل، در فرآیند SAW نیازی به استفاده از گاز محافظ خارجی نیست.

اجزاء کلیدی در فرآیند جوشکاری زیرپودری عبارتند از:

• سیم جوش (الکترود): این سیم فلزی که به صورت پیوسته از قرقره تغذیه می ‌شود، نقش دوگانه‌ای دارد. اولاً به عنوان الکترود، جریان جوشکاری را هدایت می ‌کند و ثانیاً با ذوب شدن، فلز پرکننده لازم برای اتصال را فراهم می‌ آورد. سیم جوش‌ های زیرپودری معمولاً از فولاد های کربنی، کم آلیاژ یا فولادهای ضد زنگ ساخته می‌شوند و اغلب دارای یک پوشش نازک مسی هستند که به بهبود هدایت الکتریکی، محافظت در برابر زنگ ‌زدگی و کاهش سایش در سیستم تغذیه سیم کمک می‌ کند.
• پودر جوش (فلاکس): این ماده گرانولی علاوه بر محافظت از قوس و حوضچه مذاب، می ‌تواند در انتقال عناصر آلیاژی به فلز جوش، کنترل ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی نهایی جوش و همچنین اکسیژن ‌زدایی از حوضچه مذاب نقش داشته باشد. انتخاب پودر مناسب و سازگاری آن با سیم جوش و فلز پایه از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است، زیرا این تعامل سیم و پودر است که خواص نهایی جوش را تعیین می‌کند.
• منبع تغذیه: در جوشکاری زیرپودری از منابع تغذیه با قابلیت تولید جریان بالا استفاده می‌شود. این منابع می‌توانند جریان مستقیم (DC) یا جریان متناوب (AC) تولید کنند و بسته به نوع کاربرد و ضخامت قطعه، از مشخصه ولتاژ ثابت (CV) یا جریان ثابت (CC) برخوردار باشند.

از مزایای اصلی فرآیند SAW می‌توان به نرخ رسوب بسیار بالا، نفوذ عمیق و قابل کنترل، کیفیت جوش عالی و یکنواخت، سرعت جوشکاری بالا، کاهش قابل توجه دود و تشعشعات مضر و قابلیت بالای اتوماسیون اشاره کرد. این ویژگی‌ها، SAW  را به گزینه ‌ای ایده‌ آل برای جوشکاری ورقهای ضخیم و اتصالات طویل در تولیدات انبوه تبدیل کرده است.

راهنمای انتخاب سیم جوش زیرپودری: استانداردها و مشخصات فنی

انتخاب صحیح سیم جوش زیرپودری یکی از مهم‌ ترین مراحل در دستیابی به اتصال جوشی با کیفیت و خواص مطلوب است. این انتخاب باید با در نظر گرفتن عوامل متعددی از جمله جنس فلز پایه، نوع پودر جوش، الزامات استاندارد و خواص مکانیکی مورد نیاز صورت گیرد.

انواع سیم جوش زیرپودری بر اساس جنس:

سیم جوش‌های زیرپودری عمدتاً در سه دسته اصلی طبقه ‌بندی می ‌شوند:

• فولاد کربنی: این نوع سیم جوش برای اتصال فولادهای کربنی ساده و فولادهای کم کربن با استحکام پایین تا متوسط به کار می‌رود.
• فولاد کم آلیاژ: این سیم ‌ها حاوی مقادیر مشخصی از عناصر آلیاژی مانند منگنز، سیلیسیوم، مولیبدن، کروم و نیکل هستند که به منظور افزایش استحکام، چقرمگی، مقاومت به خزش یا بهبود سایر خواص مکانیکی فلز جوش به آن اضافه می‌شوند.
• فولاد ضد زنگ: برای جوشکاری انواع مختلف فولادهای ضد زنگ آستنیتی، فریتی، مارتنزیتی و دوپلکس، از سیم جوش ‌های مخصوص ضد زنگ استفاده می ‌شود که ترکیب شیمیایی آنها با گرید فولاد پایه تطابق دارد.

عوامل موثر در انتخاب سیم جوش:

• تطابق با فلز پایه: ترکیب شیمیایی سیم جوش باید به گونه‌ای انتخاب شود که با فلز پایه سازگاری داشته باشد تا از بروز مشکلاتی مانند ترک خوردگی، کاهش استحکام یا خواص نامطلوب متالورژیکی در ناحیه جوش و منطقه متاثر از حرارت (HAZ) جلوگیری شود.
• انتخاب پودر جوش مناسب و سازگاری آن با سیم: همانطور که پیشتر اشاره شد، خواص نهایی فلز جوش حاصل برهمکنش سیم و پودر است. بنابراین، انتخاب پودر باید همزمان با انتخاب سیم و با در نظر گرفتن توصیه ‌های سازنده و الزامات استاندارد انجام شود.
• ترکیب شیمیایی سیم جوش: میزان عناصر آلیاژی اصلی مانند کربن (C)، منگنز (Mn) و سیلیسیوم (Si) و همچنین عناصر آلیاژی دیگر (Mo, Cr, Ni و غیره) مستقیماً بر استحکام، سختی، چقرمگی، مقاومت به خوردگی و سایر خواص فلز جوش تاثیر می ‌گذارند.
• خواص مکانیکی مورد نیاز: بر اساس الزامات طراحی و کاربرد سازه، باید سیم جوشی انتخاب شود که فلز جوش حاصل از آن، حداقل خواص مکانیکی مشخص شده (مانند استحکام کششی، استحکام تسلیم، درصد ازدیاد طول و چقرمگی ضربه در دماهای معین) را براورده سازد.
• قطر سیم جوش: قطر سیم بر نرخ رسوب، عمق نفوذ، پایداری قوس و قابلیت جوشکاری در ضخامت‌ های مختلف تاثیرگذار است. قطرهای بزرگتر معمولاً برای جوشکاری قطعات ضخیم‌تر و با جریان‌های بالاتر به منظور دستیابی به نرخ رسوب بیشتر استفاده می ‌شوند، اما ممکن است کنترل حوضچه مذاب را دشوارتر کرده و عمق نفوذ را در مقایسه با سیم‌های نازکتر (با جریان مشابه) کاهش دهند.
• پوشش مسی سیم (در صورت وجود): این پوشش نازک علاوه بر بهبود هدایت الکتریکی بین نازل تماس و سیم، به محافظت سیم در برابر زنگ‌زدگی در حین انبارش و کاهش اصطکاک و سایش در سیستم تغذیه سیم کمک می‌کند.

کاربردهای گسترده سیم جوش زیرپودری در صنایع مختلف

فرآیند جوشکاری زیرپودری به دلیل ویژگی ‌های منحصربفرد خود، به یکی از روش ‌های اصلی اتصال در بسیاری از صنایع سنگین و تولیدی تبدیل شده است. قابلیت جوشکاری ورق‌های ضخیم با سرعت بالا، کیفیت و یکنواختی جوش، و امکان اتوماسیون، دلایل اصلی انتخاب SAW در این صنایع هستند.

صنایع کلیدی مورد استفاده از سیم های زیرپودری عبارت اند از: کشتی سازی، ساخت مخازن تحت فشار و مخازن ذخیره، ساخت دیگ های بخار، تولید خط لوله های فولادی، ساخت پل ها و دیگر سازه های سنگین فلزی، ساخت واگن های راه آهن، روکش کاری و سخت کاری سطحی و غیره.

تجهیزات و تنظیمات در جوشکاری زیرپودری

عملکرد موفقیت‌آمیز فرآیند جوشکاری زیرپودری به شدت به کیفیت، قابلیت اطمینان و تنظیم صحیح تجهیزات آن وابسته است. آشنایی با اجزای اصلی دستگاه SAW و متغیرهای کلیدی فرآیند برای هر جوشکار و مهندس جوش ضروری است.

مروری بر تجهیزات اصلی SAW:

• منبع تغذیه (Power Source): قلب سیستم جوشکاری SAW، منبع تغذیه‌ای است که جریان الکتریکی لازم برای ایجاد و پایداری قوس را فراهم می‌کند. این منابع معمولاً از نوع ترانسفورماتور-رکتیفایر یا اینورتر هستند و می‌توانند جریان مستقیم (DC) یا جریان متناوب (AC) تولید کنند. انتخاب بین DC و AC و همچنین قطبیت در جریان DC (الکترود مثبت DCEP یا الکترود منفی DCEN) بر عمق نفوذ، شکل گرده جوش و نرخ رسوب تأثیر می‌گذارد.
• سیستم تغذیه سیم (Wire Feeder): این سیستم وظیفه دارد سیم جوش را با سرعت دقیق و کنترل‌شده از قرقره به سمت هد جوشکاری هدایت کند. سیستم‌های تغذیه سیم می‌توانند از نوع "حساس به ولتاژ" باشند که با منابع تغذیه جریان ثابت (CC) استفاده می‌شوند و سرعت تغذیه سیم را برای حفظ طول قوس ثابت تنظیم می‌کنند، یا از نوع "سرعت ثابت" که با منابع تغذیه ولتاژ ثابت (CV) به کار می‌روند و سرعت تغذیه سیم در آنها ثابت است.
• هد جوشکاری (Welding Head/Torch): این مجموعه شامل نازل تماس برای انتقال جریان الکتریکی به سیم جوش، و همچنین مکانیزم‌هایی برای هدایت دقیق سیم و رساندن پودر جوش به ناحیه اتصال است. در سیستم‌های جوشکاری اتوماتیک، هد جوشکاری بر روی یک کالسکه (tractor)، ستون و بوم یا بازوی ربات نصب می‌شود تا حرکت دقیق و برنامه‌ریزی شده در طول مسیر جوش را انجام دهد.
• سیستم تغذیه و بازیابی پودر (Flux Handling System): این سیستم شامل یک مخزن پودر است که پودر جوش را به صورت پیوسته یا متناوب به محل جوشکاری می‌رساند. همچنین، بسیاری از سیستم‌های SAW مجهز به واحد مکش برای جمع‌آوری پودر جوش استفاده نشده (که هنوز ذوب نشده) و سرباره خرد شده پس از جوشکاری هستند. پودر استفاده نشده پس از تمیزکاری و سرند شدن، می‌تواند مجدداً مورد استفاده قرار گیرد.
• واحد کنترل (Control System): این بخش مغز متفکر دستگاه SAW است و وظیفه تنظیم، نظارت و کنترل دقیق پارامترهای حیاتی جوشکاری مانند شدت جریان، ولتاژ قوس، سرعت تغذیه سیم و سرعت حرکت هد جوشکاری را بر عهده دارد. در سیستم‌های پیشرفته، این واحدها قابلیت برنامه‌ریزی و ذخیره رویه‌های جوشکاری مختلف را نیز دارند.

متغیرهای کلیدی فرآیند و تاثیر آنها:

• جریان جوشکاری (Amperage): اصلی‌ترین عامل موثر بر عمق نفوذ جوش و نرخ رسوب فلز جوش است. افزایش جریان، عمق نفوذ و نرخ رسوب را افزایش می‌دهد.
• ولتاژ قوس (Arc Voltage): عمدتاً بر پهنای گرده جوش و میزان مصرف پودر جوش تأثیر می‌گذارد. ولتاژ بالاتر منجر به گرده پهن‌تر و افزایش مصرف پودر می‌شود.
• سرعت جوشکاری (Travel Speed): بر میزان حرارت ورودی به ازای واحد طول جوش، و در نتیجه بر عمق نفوذ و اندازه گرده جوش تأثیرگذار است. سرعت بالاتر معمولاً نفوذ و اندازه گرده را کاهش می‌دهد.
• طول آزاد الکترود (Electrode Extension / Stick-out): به فاصله بین نوک نازل تماس و سطح قطعه کار گفته می‌شود. افزایش این فاصله باعث پیش‌گرم شدن سیم جوش در اثر مقاومت الکتریکی (اثر ژول) و در نتیجه افزایش نرخ رسوب می‌شود، اما می‌تواند عمق نفوذ را کاهش داده و پایداری قوس را تحت تأثیر قرار دهد.

کیفیت و قابلیت اطمینان تجهیزات SAW، به ویژه دقت سیستم کنترل و پایداری سیستم تغذیه سیم، نقش مستقیمی در یکنواختی و کیفیت نهایی جوش‌های تولیدی دارد. این امر به خصوص در کاربردهای اتوماتیک که تکرارپذیری فرآیند برای تولید قطعات با حجم بالا و کیفیت یکسان حیاتی است، اهمیت پیدا می‌کند.

کنترل کیفیت در جوشکاری زیرپودری: از بازرسی تا پیشگیری از عیوب

کنترل کیفیت در جوشکاری زیرپودری یک فرآیند چند مرحله‌ای است که شامل اقدامات قبل، حین و پس از جوشکاری می‌شود:

• بازرسی قبل از جوشکاری: این مرحله پایه‌گذار کیفیت نهایی جوش است و شامل موارد زیر می‌باشد:

• بررسی و تایید دستورالعمل جوشکاری (WPS) و گزارش کیفیت روش جوشکاری (PQR): WPS سندی است که تمامی متغیرهای ضروری فرآیند جوشکاری (مانند نوع و گرید فلز پایه، سیم جوش، پودر، پارامترهای جوشکاری، پیش‌گرم و عملیات حرارتی پس از جوش) را مشخص می‌کند. PQR نیز نتایج آزمایش‌های انجام شده برای تایید صلاحیت آن WPS را ارائه می‌دهد.

• تایید صلاحیت جوشکاران و اپراتورهای دستگاه SAW (WQT): اطمینان از مهارت و دانش فنی پرسنل برای اجرای جوشکاری مطابق با WPS تایید شده.

• کنترل مواد مصرفی (سیم جوش و پودر جوش): بررسی گواهینامه‌های کیفیت مواد (Material Test Certificates - MTC)، تاریخ انقضا (در صورت وجود)، شرایط صحیح انبارش (خشک و دور از آلودگی)، و بازرسی چشمی برای اطمینان از تمیزی سیم جوش (عدم وجود زنگ‌زدگی، چربی یا آسیب) و دانه‌بندی و خشکی مناسب پودر. پودرهای جوشکاری باید در شرایط خشک نگهداری شوند و در صورت جذب رطوبت، قبل از مصرف مطابق دستورالعمل سازنده خشک گردند.

• آماده‌سازی اتصال (Joint Preparation): کنترل دقیق ابعاد و زوایای پخ مطابق با نقشه و WPS، تمیزی کامل سطوح اتصال از هرگونه زنگ، پوسته اکسیدی، روغن، گریس، رنگ و رطوبت.

• کنترل تجهیزات جوشکاری: اطمینان از صحت عملکرد و کالیبراسیون دستگاه‌های جوشکاری، سیستم تغذیه سیم، سیستم تغذیه و بازیابی پودر و سایر تجهیزات جانبی.

• بازرسی حین جوشکاری: نظارت مستمر بر فرآیند برای اطمینان از رعایت متغیرهای مشخص شده در WPS:

• کنترل پارامترهای جوشکاری: نظارت بر شدت جریان، ولتاژ قوس، سرعت جوشکاری، سرعت تغذیه سیم و قطبیت مطابق با WPS.

• کنترل دمای پیش‌گرم (Preheat Temperature) و دمای بین پاسی (Interpass Temperature): رعایت دماهای مشخص شده برای جلوگیری از ترک خوردگی و دستیابی به ساختار متالورژیکی مطلوب، به ویژه برای فولادهای آلیاژی و قطعات ضخیم.

• تمیزکاری بین پاس‌ها: حذف کامل سرباره از روی پاس قبلی قبل از شروع پاس بعدی برای جلوگیری از آخال سرباره.

• پوشش مناسب پودر بر روی قوس: اطمینان از اینکه قوس و حوضچه مذاب همواره به طور کامل توسط لایه مناسبی از پودر پوشانده شده‌اند.

• بازرسی پس از جوشکاری: ارزیابی کیفیت جوش نهایی از طریق روش‌های مختلف:

• بازرسی چشمی (Visual Testing - VT): اولین و اغلب مهم‌ترین مرحله بازرسی پس از جوشکاری است. بازرس باید سطح جوش را از نظر شکل و اندازه گرده، وجود بریدگی کناره جوش (undercut)، سرریز شدن جوش (overlap)، تخلخل سطحی، ترک‌های سطحی و پر نشدن کامل شیار (underfill) بررسی کند.

• آزمون‌های غیرمخرب (Non-Destructive Testing - NDT): با توجه به اینکه بسیاری از عیوب جوشکاری زیرپودری می‌توانند داخلی باشند و با بازرسی چشمی قابل تشخیص نیستند، استفاده از روش‌های NDT برای ارزیابی سلامت داخلی جوش ضروری است. انتخاب روش NDT مناسب به نوع ماده، ضخامت قطعه، نوع عیوب مورد انتظار و الزامات استاندارد بستگی دارد.

• آزمون مایعات نافذ (Penetrant Testing - PT) و آزمون ذرات مغناطیسی (Magnetic Particle Testing - MT): این روش‌ها برای تشخیص ناپیوستگی‌های سطحی و نزدیک به سطح (مانند ترک‌های بسیار ریز) به کار می‌روند. MT فقط برای مواد فرومغناطیس قابل استفاده است.

• آزمون اولتراسونیک (Ultrasonic Testing - UT): یکی از پرکاربردترین روش‌های NDT برای تشخیص عیوب داخلی مانند ترک‌های داخلی، عدم ذوب (Lack of Fusion)، عدم نفوذ کامل (Lack of Penetration) و آخال‌های سرباره، به ویژه در قطعات ضخیم و جوش‌های با اهمیت بالا است.

• آزمون پرتونگاری (Radiographic Testing - RT): این روش نیز برای شناسایی عیوب داخلی مانند تخلخل، آخال‌های سرباره، عدم نفوذ و ترک‌ها استفاده می‌شود و تصویری از ساختار داخلی جوش ارائه می‌دهد.

عیوب رایج در جوشکاری زیرپودری و دلایل اصلی:

شناسایی و درک علل بروز عیوب، کلید پیشگیری از آنهاست. برخی از عیوب رایج در SAW عبارتند از:

• تخلخل (Porosity): حفره‌های گازی در فلز جوش که می‌تواند ناشی از رطوبت در پودر جوش یا سطح قطعه کار، آلودگی سطح (روغن، گریس، زنگ)، پوشش ناکافی پودر بر روی قوس، یا پارامترهای نامناسب جوشکاری باشد.
• آخال سرباره (Slag Inclusions): به دام افتادن ذرات سرباره در فلز جوش که معمولاً به دلیل تمیزکاری ناقص بین پاس‌های جوشکاری، شکل نامناسب گرده جوش که مانع از خروج سرباره می‌شود، یا ویسکوزیته نامناسب پودر رخ می‌دهد.
• ترک (Cracking): می‌تواند از نوع ترک گرم (حین انجماد)، ترک سرد (پس از انجماد و در دمای محیط) یا ترک خط مرکزی (centerline crack) باشد. دلایل اصلی شامل تنش‌های انقباضی بالا به دلیل گیرداری زیاد قطعه، ترکیب شیمیایی نامناسب سیم جوش، پودر یا فلز پایه (مثلاً میزان بالای گوگرد یا فسفر)، آلودگی هیدروژنی (ناشی از رطوبت)، سرعت سرد شدن بسیار بالا، یا طراحی نامناسب اتصال است.
• عدم ذوب (Lack of Fusion - LOF) و عدم نفوذ کامل (Lack of Penetration - LOP): ناتوانی در ایجاد ذوب کامل بین فلز جوش و فلز پایه، یا بین پاس‌های متوالی جوش (LOF)، یا عدم رسیدن فلز جوش به ریشه اتصال (LOP). دلایل عمده شامل شدت جریان پایین، سرعت جوشکاری بالا، آماده‌سازی نامناسب لبه‌های اتصال (مثلاً زاویه پخ کم یا فاصله ریشه نامناسب)، یا قطر نامناسب سیم جوش است.
• بریدگی کناره جوش (Undercut): ایجاد شیار در لبه جوش بر روی فلز پایه که می‌تواند ناشی از ولتاژ قوس بالا، سرعت جوشکاری زیاد، یا زاویه نامناسب هد جوشکاری باشد.

روش نگهداری صحیح سیم جوش و پودر:

برای حفظ کیفیت مواد مصرفی و جلوگیری از بروز عیوب، سیم جوش باید در محیط خشک، تمیز و دور از مواد شیمیایی خورنده نگهداری شود و از آسیب‌دیدگی قرقره یا کلاف آن جلوگیری گردد. پودر جوش نیز بسیار به رطوبت حساس است و باید در بسته‌بندی اصلی و در محیط خشک نگهداری شود. در صورت جذب رطوبت، بسیاری از پودرها قابلیت خشک شدن مجدد در کوره‌های مخصوص (مطابق دستورالعمل سازنده) را دارند.

کنترل کیفیت در SAW یک فرآیند پیوسته است که از مرحله طراحی و انتخاب مواد آغاز شده و تا بازرسی نهایی محصول ادامه می‌یابد. با توجه به ماهیت فرآیند که امکان مشاهده مستقیم حوضچه جوش وجود ندارد، پیشگیری از بروز عیب از طریق کنترل دقیق متغیرها و استفاده صحیح از روش‌های بازرسی غیرمخرب (NDT) برای اطمینان از سلامت داخلی جوش، از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار است. انتخاب روش NDT مناسب باید بر اساس نوع عیوب محتمل، ضخامت و جنس قطعه، و الزامات استانداردهای مربوطه صورت گیرد.

جمع ‌بندی نهایی:

موفقیت در اجرای جوشکاری زیرپودری و دستیابی به اتصالات با کیفیت بالا، نتیجه انتخاب هوشمندانه ترکیب سیم جوش و پودر جوش، کنترل دقیق پارامترهای فرآیند جوشکاری و رعایت کلیه اصول فنی و کیفی ذکر شده می باشد.