قطبیت الکترود در جوشکاری قوسی

جوشکاری قوسی نوعی از جوشکاری ذوبی است که در آن عملیات ذوب فلز پایه به وسیله ایجاد قوس الکتریکی و با استفاده از منبع تغذیه مناسب انجام می شود. بدین منظور انتخاب نوع منبع تغذیه و نحوه اتصال الکترود یا فلز پایه به قطب های مختلف منبع تغذیه می تواند منجر به حالت های مختلف قطبیت الکترود در جوشکاری قوس الکتریکی شود.

نحوه اتصال منبع تغذیه را می توان به صورت یک مدار در نظر گرفت که الکترون ها همواره از ترمینال منفی به سمت ترمینال مثبت آن در حرکت هستند. بنابراین دو حالت قطبیت مذکور در منابع تغذیه جریان مستقیم (DC) به صورت زیر می باشد:

1. الکترود جوشکاری به ترمینال یا قطب منفی منبع تغذیه متصل گردد و فلز پایه به ترمینال یا قطب مثبت آن.
2. الکترود جوشکاری به ترمینال یا قطب مثبت منبع تغذیه متصل گردد و فلز پایه به ترمینال یا قطب منفی آن.

همچنین در صورتی که از منبع تغذیه جریان متناوب (AC) استفاده شود، این قطبیت ها در هر سیکل تکرار می شوند به صورتی که در نیمه سیکل قطبیت منفی و در نیمه دیگر آن قطبیت مثبت، خواهد بود.

بر این اساس، منابع تغذیه در جوشکاری قوس الکتریکی می توانند از بین منابع تغذیه جریان مستقیم و یا متناوب انتخاب شوند. گرچه امروزه منابعی که همزمان بتوانند هر دو نوع جریان را ایجاد کنند نیز قابل دسترس هستند. با توجه به این موضوع سه نوع قطبیت زیر در جوشکاری قوس الکتریکی تعریف می شود:

1. قطبیت معکوس (DCRP or DCEP) : زمانی که قطب مثبت منبع تغذیه به الکترود متصل شود به صورتی که جریان الکترون ها به سمت الکترود باشد.
2. قطبیت مستقیم (DCSP or DCEN) : زمانی که قطب منفی منبع تغذیه به الکترود متصل شود به صورتی که جریان الکترون ها به سمت فلز پایه باشد.
3. قطبیت متناوب (AC Polarity) : استفاده از منبع تغذیه جریان متناوب که در هر نیم سیکل آن مسیر انتقال الکترون تغییر می کند. تعداد این سیکل ها نیز بر مبنای فرکانس منبع تغذیه تعیین می شود. ( منبع تغذیه 60 هرتزی در هر ثانیه 60 سیکل خواهد داشت.)

قطبیت معکوس (DCEP)

در این نوع قطبیت با اتصال قطب منفی منبع تغذیه جریان مستقیم به فلز پایه و اتصال قطب مثبت آن به الکترود و ایجاد جریان الکترون از فلز پایه به سمت الکترود، قوس الکتریکی ایجاد می گردد.

به واسطه اختلاف پتانسیل بین فلز پایه و الکترود، الکترون ها با سرعت بسیار زیاد به الکترود جوشکاری برخورد می کنند و در نتیجه انرژی جنبشی آنها تبدیل به انرژی گرمایی خواهد شد و این اتفاق باعث ایجاد گرمای بیشتر در نزدیکی نوک الکترود جوشکاری می شود. در واقع در نتیجه این نوع حرکت الکترون ها، 66 درصد گرمای تولیدی به واسطه قوس الکتریکی، در نزدیک نوک الکترود جوشکاری و باقیمانده آن در فلز پایه ایجاد می شود. این بدان معنی است که، ذوب الکترود جوشکاری در انواع جوشکاری با الکترود مصرفی، سریع تر است. از سوی دیگر، با کمتر شدن میزان گرمای نزدیک فلز پایه، به دلیل ذوب کمتر آن، برخی عیوب جوش مانند ذوب ناکافی، نفوذ ناقص و غیره، در جوشکاری بیشتر رخ خواهد داد. با این وجود این نوع قطبیت به دلیل ماهیت آن برای تمیز کاری سطوح فلز پایه می تواند بسیار مفید باشد. لذا با توجه به تمام این نکات مزایا و معایب این نوع قطبیت به صورت زیر می باشد:

مزایای DCEP:

1. پاک کنندگی سطوح با قوس بهتر و در نتیجه کاهش امکان عیوب ناخالصی (Inclusion defects)
2. به دلیل بالاتر بودن ذوب الکترود های مصرفی جوشکاری، سرعت جوشکاری بالاتری خواهیم داشت.
3. عملکرد بهتر در جوشکاری فلزات نازک. این نوع قطبیت میزان تغییر شکل، تنش پسماند، برش کامل و غیره را کاهش خواهد داد.
4. مناسب برای جوشکاری فلزات با نقطه ذوب نسبتا پایین تر مانند مس و آلومینیوم.

معایب DCEP:

1. عمر کمتر الکترود های مصرفی
2. در صورت کنترل نکردن سرعت جوشکاری، برآمدگی ها (نوعی عیب جوشکاری) بیشتری خواهیم داشت.
3. امکان ایجاد عیوبی مانند ذوب ناکافی و نفوذ ناقص
4. در فلزات ضخیم یا دارای نقطه ذوب بیشتر، امکان ذوب مناسب را ندارد.

قطبیت مستقیم (DCEN)

برخلاف قطبیت معکوس، در این نوع قطبیت، الکترود به قطب منفی منبع تغذیه جریان مستقیم و فلز پایه به قطب مثبت آن متصل می شوند و بنابراین، جریان الکترون از الکترود جوشکاری به فلز پایه خواهد بود.

این بدین معنی است که، بیشتر گرمای تولیدی توسط قوس الکتریکی در فلز پایه متمرکز می شود و ذوب و نفوذ بیشتر در آن را به همراه خواهد داشت و در نتیجه بسیاری از عیوبی که به دلیل ذوب ناکافی ایجاد می شدند، با انتخاب این نوع قطبیت کمتر رخ می دهند. البته باید به این نکته توجه کرد که در صورت تمیز نکردن مناسب سطوح، می تواند عیوبی مانند ناخالصی در جوشکاری نیز بیشتر دیده شود. مزایا و معایب این نوع قطبیت در ادامه بیان می گردد:

مزایای DCEN:

1. ذوب کافی در فلز پایه و در نتیجه نفوذ بهتر در جوشکاری را خواهیم داشت.
2. کاهش امکان ایجاد عیوبی مانند ناخالصی تنگستن در جوشکاری TIG و برآمدگی کم.
3. در جوشکاری فلزات با دمای ذوب بالاتر مانند تیتانیوم، فولاد مقاوم در برابر خوردگی و ...، انتخاب مناسب تری است.
4. در جوشکاری فلزات ضخیم تر، کاربردی تر می باشد.

معایب DCEN:

1. به دلیل تمیز نکردن سطح کار با قوس الکتریکی، امکان ایجاد عیوب ناخالصی بیشتر خواهد بود.
2. سطح بالاتر تغییر شکل بعد از جوشکاری.
3. تنش پسماند بالاتر در قطعات جوشکاری شده.
4. منطقه HAZ عریض تر.
5. سرعت تولید پایین تر به دلیل کاهش میزان ورود فلز پرکننده به منطقه مذاب.
6. برای جوشکاری فلزات نازک مناسب نیست.

قطبیت جریان متناوب:

این نوع قطبیت، مزایای مشروح هر دو مورد قطبیت عنوان شده در منابع تغذیه DC را دارد. در منبع تغذیه جریان متناوب، در هر سیکل هر دو نوع قطبیت مستقیم و معکوس را خواهیم داشت و با توجه به فرکانس منبع تغذیه می توان دفعات این سیکل ها را متناسب با شرایط اصلاح کرد. مزایای این نوع قطبیت به صورت زیر است:

1. تمیز کاری قوس الکتریکی متوسط.
2. متناسب با بسیاری از الکترود ها و نه تمام آنها.
3. ذوب و نفوذ بهتر.
4. مناسب برای جوشکاری بازه زیادی از ضخامت های فلزات پایه.