جوشکاری یکی از حیاتی‌ترین فرایندها در صنایع مختلف به‌شمار می‌رود که بسته به نوع کاربرد، روش‌های متفاوتی را می‌طلبد. در میان این روش‌ها، جوشکاری زیرپودری (Submerged Arc Welding یا SAW) به‌دلیل کیفیت بالا، سرعت زیاد و کاربرد گسترده در صنایع سنگین، جایگاه ویژه‌ای دارد. در این مقاله، با اصول، مزایا، کاربردها و محدودیت‌های این روش آشنا می‌شویم.

جوشکاری زیرپودری (SAW) چیست؟

جوشکاری زیرپودری یک فرآیند جوشکاری قوسی است که در آن قوس الکتریکی بین یک الکترود مصرف‌شونده و قطعه‌کار در زیر لایه‌ای از پودر جوشکاری ایجاد می‌شود. این پودر نه تنها از قوس و حوضچه مذاب در برابر آلودگی‌های محیطی محافظت می‌کند، بلکه بخشی از آن نیز در فرایند ذوب شده و به بهبود کیفیت جوش کمک می‌کند.

این فرآیند به‌طور معمول به‌صورت نیمه‌اتوماتیک یا تمام‌اتوماتیک انجام می‌شود و به همین دلیل در تولیدات انبوه و پروژه‌های سنگین کاربرد زیادی دارد.

اجزای اصلی فرآیند SAW

1. منبع تغذیه جوشکاری: معمولاً از جریان مستقیم (DC) یا متناوب (AC) استفاده می‌شود.

2. الکترود فلزی: به‌شکل سیم پیوسته و مصرفی است که همزمان با جوشکاری تغذیه می‌شود.

3. پودر جوشکاری (Flux): پودری سرامیکی با ترکیباتی خاص که محافظت از حوضچه مذاب را برعهده دارد.

4. سیستم تغذیه سیم و حرکت مکانیزه: برای پیش‌برد خودکار فرآیند و افزایش دقت و سرعت جوشکاری.

اصول عملیات جوش زیر پودری

در جوشکاری زیرپودری جریان الکتریکی از قوس و حوضچه مذاب جوش که ترکیبی از فلاکس ( فلاکس از اکسید شدن حوضچه مذاب جلوگیری می کند ) مذاب و فلز جوش مذاب است میگذرد. فلاکس مذاب معمولا هادی خوب جریان الکتریسته است، در حالی که فلاکس سرد هادی نیست. پودر جوش می تواند اکسید زداها و ناخالصی زداهایی که با فلز جوش واکنش شیمیایی می دهند را نیز تامین کند علاوه بر اینکه یک لایه محافظ ایجاد می کند.

فلاکس های جوشکاری زیرپودری ( SAW ) فولادهای آلیاژی همچنین می توانند حاوی عناصر آلیاژی برای بهبود ترکیب شیمیایی فلز جوش باشند. جریان الکتریکی که از یک ژنراتور (ترانسفورماتور یا رکتیفایر) تامین شده و از اتصالات عبور می کند تا قوسی را بین الکترود و فلز پایه برقرار کند را ذوب می کند تا حوضچه مذاب را برای پرکردن اتصال تشکیل دهند.

در کلیه انواع تجهیزات، غلطک های هدایت با نیروی مکانیکی بطور پیوسته سیم الکترودمصرفی فلزی را از میان لوله تماس (نازل) و توده فلاکس به اتصالی که باید جوش شود می راند. سیم الکترود عموما یک فولاد کم کربن با ترکیب شیمیایی دقیق است که در یک قرقره یا بشکه پیچیده شده است. سیم الکترود در منطقه جوش ذوب شده و در طول اتصال رسوب میکند. فلاکس دانه ای در جلوی قوس ریخته شده و پس از انجماد فلز جوش، فلاکس ذوب نشده توسط سیستم مکش جمع کننده برای استفاده مجدد جمع آوری می شود.

فلزات مناسب جوشکاری زیرپودری SAW

جوش زیر پودری برای همه فلزات و آلیاژها مناسب نیست. برای سهولت ، فلزات و آلیاژها را می توان با توجه به مناسب بودن آنها برای جوشکاری زیرپودری ،به سه دسته تقسیم کرد:

• فلزات بسیارمناسب

• فلزات اندکی مناسب

• فلزات غیرمناسب 

فلزات بسیار مناسب

 جوشکاری زیرپودری بیشترین استفاده را در جوش فولادهای غیرآلیاژی فولاد ساده کم کربن دارد. اغلب مثال های این مقاله به این فولادها مربوط است، که محدوده تنش تسلیم آنها حدود۴۵۰۰۰  تا ۸۵۰۰۰ Psi است و معمولا با فلاکس و الکترود  AWS ۱۵.۱۷ – ۶۹ (مشخصات فنی فلاکس ها و الکترودهای فولادهای آرام ساده برای جوش قوس زیر پودری) جوش می شوند.فولادهای کربن متوسط و کم آلیاژِ ساختمانی در رده فولادهای مناسب جوش زیرپودری هستند اگرچه اغلب به پیشگرم،پس گرم و استفاده از فلاکس و سیم الکترودهای ویژه نیاز دارند. فولاد ضد زنگ، فولادکربنی ،آلیاژی قابل سخت شدن، و فولاد ساختمانی پراستحکام نیز با روش جوشکاری زیرپودری SAW جوش می شوند. جوش زیر پودری همچنین برای ایجاد پوشش های مقاوم به سایش برای موقعیت هایی که تحت سایش هستند بکار می رود.

 فلزات اندکی مناسب

 برخی فلزات و آلیاژهایی را که می شود به روش جوشکاری زیرپودری جوش داد، بیشتر با روش هایی جوش می دهند که منطقه حرارت داده شده باریک تر باشد. برخی فولادهای ساختمانی پراستحکام کم کربن جزء این گروه هستند زیرا استحکام ضربه و کشش مورد نیاز در روش جوشکاری زیرپودری ( SAW )به سختی بدست می آیند.فولادهای پرکربن، فولادهای مار تنزیتی، مس و آلیاژهای مس نیز جزء این گروه هستند. 

فلزات نامناسب

 چدن را معمولا نمی توان به روش جوشکاری زیرپودری جوش داد، زیرا نمی تواند تنش های حرارتی ناشی از گرمای ورودی را تحمل کند. مسائلی که در جوش فولاد آستنیته منگنزی و فولاد ابزار پرکربن رخ می دهند جوشکاری آنها را با هر روش معمولی دشوار می سازد.آلیاژهای آلومینیوم و آلیاژهای منیزیوم را نمیتوان به روش زیر پودری جوش داد زیرا فلاکس مناسب برای آن پیدا نمی شود. سرب و روی بخاطر نقطه ذوب پایین ، مناسب جوشکاری زیرپودری SAW نیستند. تیتانیوم در کاربردهای آزمایشگاهی به روش زیر پودری جوشکاری شده ولی فلاکس مناسب برای جوش آن تاکنون ارائه نشده است.

پودرهای جوشکاری زیرپودری

تجهیزات حمل فلاکس و سازه نگهدارنده مخزن پودر، اتصالات دیگر و همچنین صفحه نوار یاحلقه پشت بند نیز مورد نیاز می باشد. پودرهای جوش زیر پودری به سه شکل وجوددارند:

• پودرهای ترکیب شده

• پودرهای چسبیده شده

• پودرهای آگلومره

پودرهای ترکیب شده:

 برای تولید پودرهای ترکیب شده ابتدا اجزاءبصورت خشک مخلوط سپس در یک کوره الکتریکی ذوب و با پاشش آب سرد یا ریختن روی صفحه سردمنجمد می شود. مزایای این نوع پودر عبارت است از :

• کاملاتوزیع ترکیب شیمیائی یکنواخت دارند.

• میتوان خاک آن را بدون تغییر در ترکیب شیمیایی جدا کرد.

• محصول رطوبت گیر نیست و مسائل ذخیره سازی و نگهداری ساده تردارد.

• پودرهای ذوب نشده را می توان چندین دور مورد استفاده قرار داد(بدون تغییر قابل توجه).

• مناسب برای جوشکاری با بیشترین سرعت

 محدودیت مهم این پودر ها عدم امکان افزودن اکسیدزداها و فرو آلیاژها بخاطر دمای حلالیت بالای آنها است.

پودرهای چسبیده شده: 

برای تولید پودرهای چسبیده شده مواد خامت ااندازه  D * ۱۰۰ آسیاب می شوند. بصورت خشک با هم مخلوط شده و با افزودن سیلیکات پتاسیم یا سیلیکات سدیم به هم چسبیده می شوند.مخلوط حاصل به شکل گلوله درآمده و در دمای پایین خشک میشوند و بصورت مکانیکی خردشده و دانه بندی می شوند. 

پودرهای آگلومره : 

روش تولید مشابه پودرهای چسبیده شده است غیر از اینکه از یک الک سرامیکی استفاده می شود. در این نوع پودر نیز برای استفاده از اکسید زداها و فرو آلیاژها بخاطر دمای  Curing بالای الک (oc ۱۴۰۰)مانند پودرهای ترکیب شده محدودیت وجود دارد.

دانه بندی: اندازه دانه های پودر جوش بخاطر تاثیر برمصرف بهینه پودرجوش در جریان های جوش مختلف حائز اهمیت است. در جریان های بیشتر از ۱۵۰۰ آمپرباید از درصد ذرات ریز بیشتر و ذرات درشت کمتر استفاده کرد. پودرهای چسبیده شده که درجریان های کمتر استفاده می شوند بستگی کمتری به اندازه ذرات دارند و عمدتا دریک سایز تولید می شوند. حداکثر جریان مناسب برای این نوع پودر ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ آمپراست.در حالی که برخی انواع پودر ترکیب شده (انواع سیلیکات کلیسم اصلاح شده ) راتا ۲۰۰۰ آمپر نیز می توان بکار برد.

ترکیب پودرهای جوش

در زمان پیشرفت فرایند جوش زیر پودری در اواسط دهه ۱۹۳۰ پودرهای ترکیب شده حاوی ترکیبات سیلیکاتی استفاده می شدند که عمدتا حاوی آلومینا سیلیکات منیزیم،کلسیم و منگنز بودند. برای تنظیم محدوده ذوب و ساختار آن از دیاگرام MnO – SiO۲ استفاده میشد. نتیجه جوشکاری با پودرهای چسبیده شده تقویت شده، پس از ذوب و انجماد جوش درفلزجوش مشابه پودر ترکیب شده است. فروسیلیم و اکسید منگنز و سیلسیم فلاکس ترکیب میشوند. لذا مقدار MnO نسبت به SiO۲ که برای جوش زیر پودری مناسب است در قسمت جوش باقی می ماند.

انواع پودرهایی که توضیح داده شده برای دستیابی به خواص پیشرفته تر و هزینه اقتصادی تر و ظاهر مناسب ترگرده جوش در مقادیر کمتر منگنز اصلاح شده اند. برخی ترکیبات پودرها با بازیسیته بیشتر (که مقادیر CaF۲، CaO دارند)خواص مکانیکی بهتری در فلز جوش ارائه می دهند و افزودن تیتانیوم پایداری قوس بیشتر و اکسید فلزات خاص ظاهر جوش را درفولادهای آلیاژی بهبود می دهند. برای رسیدن به ظاهر جوش مناسب در جوشکاری پر سرعت ورق ها خواص دمایی گرانروی فلاکس را باید تنظیم کرد. فلاکس های کاربردهای خاص برای منظورهای خاص طراحی می شوند

مزایای جوشکاری زیرپودری

• کیفیت جوش بالا: به دلیل محافظت کامل پودر از ناحیه جوش، احتمال ورود ناخالصی‌ها کاهش می‌یابد.
• سرعت و نرخ رسوب بالا: مناسب برای پروژه‌هایی با حجم جوش زیاد.
•  ایمنی بیشتر: نبود جرقه، دود و نور مرئی مضر به‌دلیل حضور لایه پودر.
•  کاهش پاشش جوش: باعث کاهش نیاز به تمیزکاری پس از جوشکاری.
•  عمق نفوذ بالا: مخصوصاً در جوش‌های چندپاسه با ضخامت زیاد.
• کاربردهای جوشکاری SAW
• این روش در صنایع مختلفی به‌کار می‌رود، از جمله:
• صنایع نفت و گاز (لوله‌های انتقال)
• ساخت مخازن تحت فشار
• پل‌سازی و سازه‌های سنگین فلزی
• کشتی‌سازی و صنایع دریایی
• تولید تیرآهن، ورق‌های ضخیم و قطعات فلزی بزرگ

محدودیت‌ها و چالش‌ها

• با وجود مزایای فراوان، جوشکاری زیرپودری دارای برخی محدودیت‌ها نیز هست:
• محدود به وضعیت افقی یا صاف: برای جوشکاری در موقعیت‌های عمودی یا سقفی مناسب نیست.
• عدم کاربرد در فلزات غیرآهنی: بیشتر برای فولادهای کربنی و کم‌آلیاژ مناسب است.
• ️ نیاز به تجهیزات بزرگ: برای نصب و راه‌اندازی به فضای کاری مناسب و سیستم‌های تغذیه مکانیزه نیاز دارد.
•  مناسب نبودن برای کارهای ظریف: به دلیل ماهیت فرآیند، برای قطعات نازک یا کارهای دقیق توصیه نمی‌شود.

نتیجه‌گیری

جوشکاری زیرپودری (SAW) به‌عنوان یکی از روش‌های کارآمد و صنعتی جوشکاری، نقش مهمی در ساخت و تولید قطعات بزرگ و سازه‌های سنگین ایفا می‌کند. سرعت بالا، کیفیت جوش مناسب و قابلیت مکانیزه شدن از جمله عواملی هستند که این روش را به گزینه‌ای ایده‌آل برای پروژه‌های عظیم صنعتی تبدیل کرده‌اند. البته انتخاب این روش باید با در نظر گرفتن محدودیت‌های آن انجام گیرد تا نتیجه‌ی مطلوب حاصل شود.