الکترود جوشکاری چیست و چه مشخصاتی دارد؟

الکترود جوشکاری یکی از اصلی ترین اجزای فرایند اتصال فلزات است که وظیفه انتقال جریان الکتریکی به ناحیه جوش و در بسیاری از روش ها، تامین فلز پرکننده اتصال را بر عهده دارد. کیفیت، ترکیب شیمیایی، نوع پوشش و قطر الکترود مستقیما بر نفوذ جوش، استحکام اتصال، میزان پاشش، شکل گرده و احتمال ایجاد عیوبی مانند تخلخل یا ترک اثر می گذارد. انتخاب نامناسب الکترود جوش می تواند حتی در صورت استفاده از دستگاه استاندارد و اجرای صحیح، باعث کاهش خواص مکانیکی اتصال شود. به همین دلیل، شناخت مشخصات فنی الکترود در پروژه های ساختمانی، صنعتی، مخزن سازی و سازه های فولادی اهمیت زیادی دارد؛ به ویژه آنکه هزینه اجرای اتصالات فلزی با شرایط بازار و نوسان قیمت آهن ارتباط مستقیم دارد. در ادامه این مقاله، ساختار، مشخصات، کاربردها، انواع پوشش و روش تولید الکترودهای جوشکاری را به صورت تخصصی بررسی می کنیم.

الکترود جوشکاری چیست؟

برای پاسخ دقیق به پرسش الکترود جوشکاری چیست، باید آن را یک رسانای الکتریکی تعریف کرد که جریان را از منبع تغذیه به قوس جوش منتقل می کند. در جوشکاری قوسی دستی با الکترود پوشش دار یا Shielded Metal Arc Welding که با علامت اختصاری SMAW شناخته می شود، الکترود از یک مغزی فلزی و لایه ای از مواد پوششی تشکیل شده است. هنگام ایجاد قوس، مغزی الکترود ذوب شده و به عنوان Filler Metal وارد حوضچه مذاب می شود. هم زمان، پوشش نیز تجزیه یا ذوب شده و گاز محافظ، سرباره و ترکیبات پایدارکننده قوس را تولید می کند. بنابراین الکترود دستگاه جوش فقط یک میله فلزی مصرفی نیست، بلکه مجموعه ای مهندسی شده برای کنترل رفتار قوس و کیفیت متالورژیکی اتصال است.

با این توضیح، درک اینکه الکترود چیست به نوع فرایند جوشکاری وابسته است. در برخی روش ها مانند جوشکاری تنگستن با گاز محافظ یا GTAW، الکترود تنگستن غیرمصرفی است و صرفا قوس را ایجاد می کند؛ اما در روش هایی مانند SMAW یا جوشکاری فلزی با گاز محافظ، الکترود مصرف شده و بخشی از فلز جوش را تشکیل می دهد. انواع الکترود جوشکاری بر اساس جنس مغزی، نوع پوشش، وضعیت جوشکاری، میزان هیدروژن، نوع جریان و خواص مکانیکی طبقه بندی می شوند. برای مثال، الکترود مناسب فولاد ساده کربنی با الکترود مورد استفاده برای فولاد زنگ نزن، چدن، آلومینیوم یا آلیاژهای مقاوم به حرارت یکسان نیست.

مشخصات الکترود جوشکاری

مشخصات الکترود جوشکاری مجموعه ای از اطلاعات فنی است که سازگاری الکترود با فلز پایه، دستگاه، وضعیت اجرا و شرایط بهره برداری اتصال را مشخص می کند. این داده ها معمولا روی بسته بندی، برگه فنی و کد استاندارد محصول درج می شوند. یکی از نکات مهم در شناخت مشخصات الکترود، توجه به تفاوت الکترود و سیم جوش است. الکترود پوشش دار معمولا به صورت شاخه ای و در جوشکاری دستی مصرف می شود، در حالی که سیم جوش اغلب به شکل کلاف پیوسته وارد تورچ شده و همراه گاز یا پودر محافظ مورد استفاده قرار می گیرد.

• استاندارد و کد طبقه بندی: کدهایی مانند E6013، E7018 یا E308L-16 اطلاعات مهمی درباره استحکام کششی، وضعیت جوشکاری، نوع پوشش، جنس فلز رسوبی و جریان مناسب ارائه می دهند. حرف E نشان دهنده Electrode و اعداد بعدی معرف ویژگی های فنی محصول هستند.
• استحکام کششی فلز جوش: دو یا سه رقم ابتدایی کد الکترود معمولا حداقل مقاومت کششی فلز رسوب داده شده را بر حسب هزار پوند بر اینچ مربع یا ksi نشان می دهد. برای نمونه، عدد 70 در E7018 بیانگر استحکام کششی حداقل 70 ksi است.
• قطر الکترود: قطر مغزی بر شدت جریان، نرخ رسوب، میزان نفوذ و امکان دسترسی به درز اثر می گذارد. قطرهای 2.5، 3.2، 4 و 5 میلی متر از اندازه های رایج هستند. استفاده از قطر بزرگ در ورق نازک خطر سوختگی لبه و اعوجاج را افزایش می دهد.
• طول الکترود: طول شاخه معمولا متناسب با قطر و استاندارد تولید انتخاب می شود. الکترودهای بلندتر نرخ توقف عملیات را کاهش می دهند، اما کنترل آنها در وضعیت های دشوار می تواند سخت تر باشد.
• نوع جریان و قطبیت: بعضی الکترودها فقط با جریان مستقیم یا Direct Current کار می کنند، در حالی که برخی برای جریان متناوب نیز مناسب هستند. قطبیت DCEP یا DCEN می تواند میزان نفوذ، نرخ ذوب و پایداری قوس را تغییر دهد.
• محدوده آمپراژ: هر قطر الکترود دارای بازه جریان مشخصی است. آمپراژ پایین موجب چسبیدن الکترود و ذوب ناقص می شود و جریان بیش از حد نیز پاشش، سوختگی پوشش و پهن شدن نامناسب گرده را افزایش می دهد.
• وضعیت مجاز جوشکاری: عدد مربوط به موقعیت اجرا نشان می دهد الکترود برای جوشکاری تخت، افقی، عمودی یا بالاسری مناسب است. بعضی محصولات All Position هستند و در تمام وضعیت ها قابل استفاده اند.
• نوع پوشش: پوشش سلولزی، روتیلی، بازی، اسیدی یا اکسیدی رفتار متفاوتی در تولید گاز، تشکیل سرباره، نفوذ و کنترل هیدروژن دارد. نوع پوشش یکی از تعیین کننده ترین مشخصات الکترود جوشکاری آهن محسوب می شود.
• میزان هیدروژن قابل انتشار: در سازه های ضخیم، فولادهای پرمقاومت و اتصالات تحت تنش، استفاده از الکترود Low Hydrogen اهمیت زیادی دارد. جذب رطوبت توسط پوشش می تواند احتمال ترک سرد هیدروژنی را افزایش دهد.
• نرخ رسوب فلز: سرعت انتقال فلز مذاب به اتصال بر بهره وری عملیات اثر می گذارد. الکترودهای حاوی پودر آهن معمولا نرخ رسوب بالاتری نسبت به مدل های معمولی دارند.
• شرایط نگهداری: برخی الکترودها باید در آون مخصوص و دمای کنترل شده نگهداری شوند. الکترود بازی پس از باز شدن بسته بندی، در صورت جذب رطوبت ممکن است نیازمند بازپخت یا Redrying باشد.

کاربرد الکترود جوشکاری

کاربرد الکترود جوشکاری با توجه به جنس فلز پایه، نوع سازه، شرایط محیطی، ضخامت قطعه و خواص مورد انتظار اتصال تعیین می شود. مهم ترین کاربردهای آن عبارتند از:

• اتصال تیر، ستون و بادبند در سازه های فولادی
• جوشکاری لوله های انتقال آب، نفت و گاز
• ساخت مخازن تحت فشار و ذخیره سازی
• اتصال قطعات ماشین آلات صنعتی
• تعمیر ترک، شکستگی و سایش تجهیزات
• ساخت اسکلت سوله و سازه های فلزی
• جوشکاری ورق های فولادی نازک و ضخیم
• اتصال فولادهای زنگ نزن و مقاوم به خوردگی
• تعمیر قطعات چدنی
• روکش کاری سخت سطوح در معرض سایش
• جوشکاری تجهیزات دریایی و سازه های ساحلی
• ساخت تجهیزات معدنی و ماشین آلات سنگین

نقش پوشش الکترود در جوشکاری

پوشش الکترود هنگام تشکیل قوس تحت تاثیر حرارت تجزیه شده و گازهایی تولید می کند که اطراف حوضچه مذاب را از اکسیژن، نیتروژن و رطوبت موجود در هوا جدا می سازند. بدون این محافظت، واکنش فلز مذاب با عناصر اتمسفر می تواند باعث تخلخل، اکسیداسیون، افت چقرمگی و کاهش استحکام جوش شود. برخی ترکیبات پوشش مانند ترکیبات پتاسیم و سدیم نیز یونیزاسیون فضای قوس را تسهیل کرده و موجب روشن شدن آسان تر و پایداری بیشتر قوس می شوند.

بخش دیگری از پوشش به صورت سرباره روی گرده جوش قرار می گیرد. این لایه سرعت سرد شدن فلز مذاب را کنترل کرده، شکل گرده را بهبود می دهد و از سطح جوش تا زمان انجماد محافظت می کند. پوشش همچنین می تواند شامل عناصر آلیاژی، اکسیژن زداها و پودر آهن باشد. این مواد ترکیب شیمیایی فلز جوش، نرخ رسوب، نفوذ، سیالیت حوضچه و خواص مکانیکی اتصال را تنظیم می کنند. به همین دلیل، عملکرد الکترودهای جوشکاری تا حد زیادی تابع فرمولاسیون پوشش آنها است.

انواع پوشش الکترود های جوشکاری

پوشش الکترود بر اساس مواد اولیه و رفتار آن در قوس دسته بندی می شود. هر گروه برای شرایط اجرایی و خواص مکانیکی مشخصی طراحی شده است.

• پوشش روتیلی: ماده اصلی آن دی اکسید تیتانیوم یا Rutile است. این پوشش قوس نرم، پاشش کم، سرباره جداشونده و ظاهر گرده مناسبی ایجاد می کند. الکترود E6013 از نمونه های رایج این گروه است.
• پوشش بازی: ترکیباتی مانند کربنات کلسیم و فلوراید کلسیم در آن استفاده می شود. فلز جوش حاصل چقرمگی بالا و هیدروژن کمی دارد، اما پوشش نسبت به رطوبت حساس است. E7018 نمونه شناخته شده الکترود بازی است.
• پوشش سلولزی: درصد قابل توجهی سلولز دارد که هنگام سوختن حجم زیادی گاز محافظ تولید می کند. این الکترودها نفوذ عمیق و قوس قدرتمندی دارند و برای جوشکاری خطوط لوله، به ویژه پاس ریشه، مناسب هستند.
• پوشش اسیدی: ترکیبات اکسیدی آهن، منگنز و سیلیس در آن غالب است. این پوشش حوضچه ای روان و گرده ای صاف تولید می کند، اما خواص ضربه ای آن معمولا از الکترودهای بازی پایین تر است.
• پوشش اکسیدی: مقدار بالایی اکسید آهن دارد و برای ایجاد ظاهر یکنواخت و جوشکاری در وضعیت تخت مناسب است. نفوذ کم، استفاده از آن را در اتصالات با نیاز نفوذ عمیق محدود می کند.
• پوشش حاوی پودر آهن: افزودن Iron Powder نرخ رسوب و راندمان الکترود را افزایش می دهد. این گروه برای پر کردن سریع درزهای حجیم و افزایش سرعت تولید به کار می رود.

نام انواع الکترود

نام انواع الکترود معمولا بر اساس استاندارد AWS، جنس فلز پایه و ویژگی های عملکردی تعیین می شود. رایج ترین نمونه ها عبارتند از:

• E6010: الکترود سلولزی با نفوذ زیاد، مناسب جریان مستقیم و جوشکاری پاس ریشه لوله.
• E6011: عملکردی شبیه E6010 دارد، اما با جریان متناوب نیز قابل استفاده است و برای سطوح دارای زنگ یا آلودگی محدود مناسب است.
• E6013: الکترود روتیلی عمومی با قوس نرم، ظاهر مناسب و کاربرد گسترده در جوشکاری سبک و نیمه سنگین.
• E7018: الکترود کم هیدروژن با خواص مکانیکی مطلوب برای سازه های فولادی، اتصالات حساس و قطعات تحت بارگذاری دینامیکی.
• E7024: الکترود دارای پودر آهن با نرخ رسوب بالا که عمدتا در وضعیت تخت و افقی استفاده می شود.
• E308L-16: الکترود مخصوص جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی گرید 304 با کربن کم و مقاومت مناسب در برابر خوردگی بین دانه ای.
• E309L-16: مناسب اتصال فولاد زنگ نزن به فولاد کربنی و جوشکاری فلزات غیرهمجنس.
• E316L-16: الکترود استنلس دارای مولیبدن برای محیط های خورنده تر و اتصال فولاد زنگ نزن گرید 316.
• الکترود چدن: دارای پایه نیکل، آهن-نیکل یا آلیاژهای ویژه است و برای تعمیر ترک و شکستگی قطعات چدنی استفاده می شود.
• الکترود سخت کاری: برای Hardfacing و ایجاد لایه مقاوم به سایش، ضربه یا حرارت روی سطح قطعات صنعتی به کار می رود.

انواع روش ساخت الکترود

تولید الکترود شامل آماده سازی مغزی، ساخت ترکیب پوشش، اعمال روکش و کنترل کیفیت است. روش ساخت باید ضخامت یکنواخت پوشش و عملکرد پایدار محصول را تضمین کند.

• روش اکستروژن: خمیر پوشش با فشار از قالب عبور کرده و به صورت یکنواخت پیرامون مغزی قرار می گیرد. این روش رایج ترین شیوه تولید صنعتی الکترود پوشش دار است.
• روش غوطه وری: مغزی فلزی در مخلوط پوشش فرو برده می شود. این روش کنترل کمتری بر ضخامت لایه دارد و بیشتر برای محصولات خاص یا تولید محدود استفاده می شود.
• روش پرس کاری: مواد پوشش تحت فشار مکانیکی اطراف مغزی شکل می گیرند. دقت ابعادی مناسب است، اما تجهیزات و قالب های تخصصی نیاز دارد.
• روش سیم کشی و برش مغزی: مفتول فولادی ابتدا اسیدشویی، کشش و صاف می شود و سپس در طول های استاندارد برش می خورد. ترکیب شیمیایی این مغزی باید با نوع الکترود هماهنگ باشد.
• خشک کردن و پخت پوشش: الکترودهای روکش شده در دما و زمان کنترل شده خشک یا پخته می شوند. این مرحله رطوبت پوشش را کاهش داده و استحکام مکانیکی آن را افزایش می دهد.
• کنترل نهایی: قطر، هم محوری پوشش، مقاومت روکش، ترکیب شیمیایی، قابلیت روشن شدن قوس، نرخ رسوب و خواص مکانیکی فلز جوش بررسی می شوند تا مشخصات الکترود با استاندارد اعلام شده مطابقت داشته باشد.

الکترود جوشکاری تنها یک میله فلزی برای ایجاد قوس نیست، بلکه محصولی مهندسی شده است که نوع مغزی، ترکیب پوشش، قطر، کد استاندارد، قطبیت و شرایط نگهداری آن مستقیما کیفیت اتصال را تعیین می کند. انتخاب صحیح الکترود باید بر اساس جنس و ضخامت فلز پایه، وضعیت جوشکاری، نوع جریان، میزان نفوذ مورد نیاز و خواص مکانیکی اتصال انجام شود. همچنین شناخت مشخصات الکترود جوشکاری و تفاوت عملکرد الکترودهای روتیلی، سلولزی، بازی و آلیاژی از بروز عیوبی مانند تخلخل، ترک هیدروژنی، نفوذ ناقص و پاشش بیش از حد جلوگیری می کند. در نهایت، دستیابی به یک جوش مستحکم و بادوام فقط به مهارت جوشکار وابسته نیست و استفاده از الکترود مناسب، تنظیم صحیح دستگاه و رعایت اصول نگهداری باید به صورت هم زمان مورد توجه قرار گیرند.

سوالات متداول