به تخلیه بار الکتریکی بین دو قطب از طریق کانال یونیزه‌شده قوس الکتریکی گفته‌می‌شود. یونیزاسیون[۱] فرآیندِ جدا کردن یا اضافه کردن الکترون از یک اتم، مولکول یا ترکیب و تبدیل آن به یون است. برای ایجاد این کانال یونیزه باید دما یا اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) به‌اندازه کافی بالا باشد. نزدیک‌ترین فاصله بین دو قطب را می‌توان طول قوس[۲] در نظر گرفت. هرچه طول قوس کم‌تر باشد، میزان دما و ولتاژ مورد نیاز کم‌تر خواهد بود. همان‌طور که شکل ۱۸ نشان می‌دهد، قوس الکتریکی ظاهری زنگوله‌ای‌شکل یا مخروطی شکل دارد.
شکل ۱۸. شماتیکی از ظاهر قوس الکتریکی در جوشکاری SMAW.
برای شروع قوس (ایجاد گاز یونیزه) از دو روش استفاده می‌شود؛
- تماسی: در این روش نوک الکترود با سطح قطعه کار تماس داده‌می‌شود. با ایجاد اتصال کوتاه، جریان الکتریکی برقرار می‌شود. به‌علتِ آلودگی و فاصله هوایی و در نتیجه مقاومت الکتریکیِ بالای موجود بین الکترود و قطعه کار، حرارت زیادی تولید می‌شود. این حرارت می‌تواند انرژی لازم برای جدا کردن الکترون از اتم (تابع کار[۳]) را تأمین کند و در نتیجه قوس برقرار شود. به‌محض ایجاد قوس، الکترود عقب می‌رود تا جریان الکتریکی از طریق قوس ادامه یابد.
- بسامد بالا: می‌توان از مکانیزم ایجاد رعد و برق یعنی ایجاد اختلاف پتانسیل بسیار بالا استفاده کرد. اما ولتاژ بالا در جوشکاری خطر برق‌گرفتگی را افزایش می‌دهد. بنابراین ولتاژ بالا (حدود V 104) به‌صورت پالسی (لحظه‌ای) اعمال می‌شود. ولتاژ بالا باعث کاهش تابع کار شده و درنتیجه قوس راحت‌تر ایجاد می‌شود. به‌محض ایجاد قوس، ولتاژ کاهش یافته و شدت جریان افزایش می‌یابد. هنگام استفاده از الکترود تنگستنی (در روش TIG)، که تماس آن به سطح قطعه کار مجاز نیست، از این روش استفاده می‌شود.
| مطالعه بیش‌تر
۱- چرا قبل از شروع جوشکاری، الکترود روی مکانی دیگر در اصطلاح «گرم» می‌شود؟ ۲- علت چسبیدن الکترود به سطح قطعه کار حین روشن کردن قوس به‌روش تماسی چیست؟ |
مشابه آن‌چه در سیم حامل جریان الکتریکی اتفاق می‌افتد، جریان الکترون‌ها و یون‌ها به‌طرف قطب ناهمنام در طول قوس نیز تولید حرارت می‌کند. جدا کردن و اضافه کردن الکترون به‌ترتیب گرماگیر[۴] و گرماده[۵] است. انرژی آزادشده در اثر اضافه کردن الکترون به اتم یا تبدیل کاتیون به اتم خنثی معمولاً به‌صورت فوتون‌های پرانرژی است که می‌تواند به بافت زنده آسیب بزند. بنابراین حین کار با قوس، رعایت فاصله و استفاده از ماسک‌های جاذبِ پرتوهای پرانرژی ضروری است. مجموع حرارت‌های ایجادشده به ادامه فرآیند یونیزاسیون کمک می‌کند و قوس برقرار می‌ماند. حرارت تولیدشده دمای قوس را تا چند هزار درجه سانتی‌گراد بالا می‌برد که به‌راحتی می‌تواند هر فلزی را ذوب کند.
شکل ۱۹. مشخصه جریان-ولتاژ یک قوس الکتریکی در یک طول قوس ثابت.
برای آن‌که قوس برقرار بماند، باید ولتاژ و جریان قوس رابطه مشخصی باهم داشته‌باشند. این رابطه به‌عنوان مشخصه ولت-آمپر[۶] ایستای قوس شناخته‌می‌شود و منحنی عمومی آن در شکل ۱۹ نشان داده‌شده‌است. همان‌طورکه در این شکل مشاهده‌می‌شود، با افزایش جریان از صفر تا A 100 ولتاژ قوس کاهش می‌یابد. با افزایش جریان قوس، دما به‌تدریج افزایش می‌یابد و فرآیند یونیزاسیون راحت‌تر انجام می‌شود. به این ترتیب، کاهش مقاومت الکتریکیِ کانال یونیزه‌شده بر «اثر افزایش جریان» غلبه می‌کند و ولتاژ دو سر قوس کاهش می‌یابد (قانون اهم: V = RI). مشخصه ولت-آمپر در محدود A 100 تا A 1000 تقریباً تخت است. در واقع با افزایش جریان در این محدوده، قوس به‌تدریج قطورتر می‌شود و در نتیجه چگالی جریان تقریباً ثابت می‌ماند. اگر قوس الکتریکی به سیم حامل جریان تشبیه شود؛ گویی قطر سیم در حال افزایش است و مقاومت الکتریکی آن کاهش می‌یابد. اما در جریان‌های فراتر از A 1000 انبساط قوس کند می‌شود و چگالی جریان افزایش می‌یابد. بنابراین ولتاژ قوس با افزایش جریان در بالاتر از A 1000 افزایش می‌یابد.
برقرار بودن قوس برای جوشکاری کافی نیست، بلکه قوس ایجادشده باید در اصطلاح «پایدار» باشد. از مهم‌ترین نشانه‌های قوس ناپایدار عبارتند از:
- سوسو زدن قوس: در این حالت به‌نظر می‌رسد قوس به‌صورت نامنظم در حال خاموش و روشن شدن است. طول قوس بسیار زیاد یا بسیار کم باعث می‌شود که در اثر لرزش دست جوشکار، قوس دائم خاموش (ضعیف) شود یا در مذاب فرورفته و خفه گردد. آلوده بودن سطح قطعه کار، شدت جریان یا ولتاژ پایین و یا هر گونه مشکلی در پوشش الکترود می‌تواند عامل این پدیده باشد که در نهایت باعث غیریکنواختی در پهنا، انحنا و عمق جوش می‌شود.
- جابجایی دائم ریشه قوس روی سطح قطعه کار: به‌نحوی که جوشکار نتواند جوش مستقیم و صافی ایجاد کند. عوامل سوسو زدن می‌تواند باعث جابجایی ریشه قوس نیز بشود.
- انتقال نامنظم قطرات مذاب: در روش‌های الکترود مصرفی، نوک الکترود دائم ذوب می‌شود و به‌صورت قطراتی به داخل حوضچه مذاب می‌افتد. بهترین حالت آن است که قطرات ریز با فاصله کم و منظم منتقل شوند. اما گاه قطرات بسیار درشت و با فاصله منتقل می‌شوند که برخورد آن‌ها با حوضچه مذاب پاشش زیادی تولید می‌کند. همچنین قطرات ممکن است به خط راست منتقل نشوند، بلکه بعد از جدا شدن از نوک الکترود به بیرون از حوضچه مذاب پرتاب شوند. علاوه بر عواملی که در دو حالت قبل تأثیر داشتند، شدت جریان و ولتاژ زیاد نیز می‌تواند باعث پاشش[۷] (ترشح) و جرقه شود. پاشش باعث ایجاد ظاهر نامناسب، هدررفت الکترود و غیریکنواختی جوش چه از نظر هندسه و چه ترکیب شیمیایی می‌شود.
قوس الکتریکی نیروهایی دارد که برآیندشان قطرات مذاب را از نوک الکترود دور کرده و به حوضچه مذاب وارد می‌کند. این نیروها آن‌قدر زیاد است که در وضعیت‌های غیرتخت، قطره مذاب را با غلبه بر نیروی کشش سطحی و وزن آن، از نوک الکترود جدا کرده و به حوضچه مذاب وارد می‌کند.
منبع: کتاب کارگاه جوشکاری و ورق‌کاری دکتر مسعود فکوری حسن‌آبادی
توجه: با درج ایمیل معتبر حین خرید، ویرایش‌های بعدی این کتاب را به رایگان دریافت خواهید نمود.
[۱] . Ionization / ionisation
[۲] . Arc length
[۳] . Work function
[۴] . Endothermic
[۵] . Exothermic
[۶] . Volt-ampere characteristic
[۷] . Spatter