در روش جوشکاری اکسیاستیلن، از شعله بهعنوان منبع حرارتی استفاده میشود. گاهی در صنعت به این روش جوشکاری، جوش گاز نیز گفته میشود که یک اصطلاح غلط است.
درواقع برای ایجاد شعله نیاز به گاز سوختنی داریم و بههمین دلیل به این روش، جوشکاری گاز گفته میشود. این در حالی است که در بسیاری از فرآیندهای جوشکاری که کاملا هم با هم متفاوت هستند از گاز استفاده میشود و بنابراین جوشکاری گاز نمیتواند نامی منحصر بهفرد برای یک روش جوشکاری خاص باشد.
گازهای سوختنی مورد استفاده در جوشکاری با گاز شامل هیدورژن و استیلن است که بهترتیب با نامهای اکسیهیدروژن و اکسیاستیلن شناخته میشوند.
مفهوم شعله
شعله در واقع همان محصول احتراقی است که در عین آن که دمای زیادی دارد نورانی نیز هست.
بهمنظور آن که محصول احتراق یا همان شعله با دمای بالا داشته باشیم باید سراغ یک واکنش بهشدت گرمازا برویم. واکنشهای سوختن و یا اکسیداسیون معمولا چنین ویژگی را دارا هستند. اما نباید فراموش کرد که هر واکنش اکسیداسیونی همراه با تولید حرارت فراوان نیست. برای مثال سوختن آهن از طریق واکنش Fe+1/2 O2−> FeO انجام میشود. ولی آهن جامد وقتی اکسید میشود حرارت فراوانی تولید نمیکند. پس آهن جامد نمیتواند بهعنوان یک سوخت مناسب برای تولید حرارت مورد استفاده قرار بگیرد.
اما وقتی گاز استیلن میسوزد محصول احتراقی ایجاد میکند که دمای آن در برخی قسمتها به 3200 درجه سانتی گراد میرسد (در شعله خنثی). این دما برای ذوب بسیاری از فلزات و آلیاژها دمای مناسبی است و بههمین دلیل است که استیلن بهعنوان گاز سوختنی در جوشکاری استفاده میشود. البته شرط آن که شعله بتواند برای جوشکاری استفاده شود داشتن دمای بالا، حرارت کافی و تمرکز حرارتی است.
ارکان شعله
برای آنکه یک شعله پایدار شکل بگیرد 4 جز باید تامین شود:
اکسیژن
ماده سوختنی
انرژی فعال سازی
نسبت اکسیژن به استیلن
اکسیژن: برای آنکه واکنش سوختن اتفاق بیافتد و شعله تشکیل شود باید اکسیژن حضور داشته باشد. برای درک این موضوع در نظر بگیرید که قسمتی از یک انبار آتش گرفته است. با ریختن خاک بر روی آن آتش خاموش میشود. دلیل خاموش شدن شعله در اینجا جلوگیری از ورود اکسیژن برای ادامه احتراق است. ماده سوختنی: گاز سوختنی رکن دیگر واکنش احتراق است. از واکنش گاز سوختنی با اکسیژن شعله حاصل میشود. برای درک ضرورت حضور گاز سوختنی بهمنظور بقای شعله در نظر بگیرید که یک جنگل آتش گرفته است. در این حالت نمیتوان جلوی ورود اکسیژن را گرفت، بنابراین درختان اطراف آن ناحیهی آتش گرفته را قطع میکنند. در این حالت ماده سوختنی برای بقای شعله حذف میشود و آتش خاموش میگردد.
در جوشکاری اکسی استیلن ماده ی سوختنی گاز اکسی استیلن است.
انرژی فعالسازی: در صورتی که اکسیژن و ماده سوختنی را کنار هم قرار دهیم خودبهخود احتراق آغاز نمیشود. درواقع برای هر مخلوط گازی یک دمای احتراق قابل تعریف است. تا زمانی که دمای مخلوط به دمای احتراق نرسد، سوختن اتفاق نمیافتد.
لازم نیست که دمای کل مخلوط گازی به دمای احتراق برسد و حتی اگر یک ناحیه بسیار کوچک در حد چند مولکول نیز به این دما برسند احتراق اتفاق میافتد.
در واقع انرژی فعال سازی وظیفه رساندن بخش کوچکی از مخلوط گازی به دمای احتراق را دارد.
زمانی که یک فندک به مخلوط گازی میزنیم، در بخش کوچکی از مخلوط گازی، سوختن آن بخش از مخلوط گازی، دمای گاز اطراف آن نیز بالا رفته و گاز کناری نیز به دمای اشتعال میرسد. این سلسله مراتب به همین ترتیب ادامه مییابد تا در نهایت کل مخلوط گازی تبدیل به شعله میشود. نسبت اکسیژن به استیلن: میتوان یک حد بالایی و یک حد پایینی برای این نسبت تعریف کرد. در صورتی که نسبت اکسیژن به استیلن از حد بالایی فراتر رود یا از حد پایین کمتر شود شعله از بین میرود. درصورتی که این نسبت بسیار کم باشد اتفاقی که میافتد آن است که احتراق به صورت ناقص رخ میدهد.
احتراق ناقص همراه با تولید حرارت بسیار کمی است که نمیتواند دمای مخلوط گازی اطراف را به دمای اشتعال برساند بنابراین احتراق متوقف میشود.
برای درک بهتر این موضوع یک شمع را در نظر بگیرید که روی آن یک لیوان قرار دهیم، در این حالت اکسیژن در دسترس تمام نمیشود بلکه بسیار کم میشود و بهدلیل احتراق ناقص، شعله خاموش میشود. درصورتی که این نسبت از یک حدی بیشتر شود باز هم شعله خاموش میگردد.
فرض کنید یک جریان اکسیژن بسیار زیاد به یک شعله وارد شود. در این حالت احتراق کامل انجام میشود، اما به دلیل جریان شدید گاز اکسیژن دما مخلوط گازی در مجاور جایی که شعله ور شده نمیتواند به دمای احتراق برسد. درواقع مشابه آن است که داریم با یک جریان شدید اکسیژن شعله را فوت میکنیم. به عبارت بهتر زمانی که میزان اکسیژن زیادی وارد میشود مدام مولکول های اکسیژن جای یک دیگر را میگیرند و دمای مخلوط گازی مجاور شعله در هیچ قسمتی به دمای اشتعال نمیرسد. با توجه به آنچه گفته شد برای آن که در جوشکاری اکسیاستیلن شعله مناسب داشته باشیم، باید اکسیژن و گاز سوختنی هر دو با نسبتهای خاص حضور داشته باشند و انرژی فعالسازی نیز فراهم شود.
تجهیزات جوشکاری اکسی استیلن
تجهیزات جوشکاری اکسیاستیلن عبارت هستند از: کپسول گاز اکسیژن، سیستم تامین گاز استیلن، شلنگ، فشار سنج، رگوالتور، مشعل جوشکاری و نازل. اکسیژن و استیلن در داخل دو کپسول مجزا قرار دارند. بر روی هر کپسول یک فشار سنج وجود دارد که فشار داخل کپسول را مشخص میکند. از طرفی هر کپسول یک رگولاتور نیز دارد که به وسیلهی آن میتوان فشار خروجی گاز را تنظیم کرد.
گازهای اکسیژن و استیلن با فشار تنظیم شده وارد شلنگ میشوند و این شلنگها وارد مشعل جوشکاری میشوند. در داخل مشعل یک محفظهی اختلاط وجود دارد که دو گاز در داخل آن با هم ترکیب میشوند. سپس از طریق نازل از نوک مشعل خارج میشوند. با یک فندک گاز روشن شده و سپس شعله تنظیم میشود تا عملیات جوشکاری انجام شود. سیستم تامین گاز اکسیژن و استیلن: معمولاً از کپسولهای حاوی گاز اکسیژن و استیلن برای تامین سوخت در جوشکاری اکسیاستیلن استفاده میشود. استیلن گازی است که نمیتوان تحت فشار زیاد در سیلندر نگهداری کرد و اگر فشار از یک حدی بیشتر شود انفجار رخ میدهد. برای آنکه بتوانیم حجم مشخصی از گاز استیلن را درون سیلندر نگهداری کنیم مواد اسفنجی شکلی را در بدنه سیلندر قرار دادهاند و سپس استون را داخل سیلندر تزریق میکنند. در ادامه گاز استیلن به داخل کپسول تزریق میشود. استیلن و استون با هر نسبتی در هم قابلیت انحلال دارند.
با افزایش فشار، حد اشباع استیلن در استون بیشتر میشود و به این ترتیب حجم قابل قبولی استیلن داخل سیلندر قرار میگیرد.
مشعل: در جوشکاری اکسیاستیلن مشعل نقش بسیار کلیدی دارد. درواقع قبل از آنکه گاز سوختنی و اکسیژن از نوک نازل خارج شوند باید بهخوبی با هم مخلوط شوند .
عمل مخلوط شدن در داخل محفظهای که درون مشعل جوشکاری است انجام میشود. اگر عمل اختلاط بهخوبی انجام نشود گاز خروجی بهخوبی نمیسوزد و حرارت کافی برای احتراق فراهم نمیشود.
بدنه بیرونی مشعل معمولا از جنس برنج است و دارای دو شیر ظریف اکسیژن و استیلن میباشد. با چرخاندن این شیرها نسبت اکسیژن به استیلن تنظیم میشود ولی فشار اصلا تنظیم نمیشود و از طریق رگولاتور تنظیم فشار امکانپذیر است. نازل (سر مشعل-افشانک): اکثراً از جنس مس است و یک سوراخ در نوک آن وجود دارد. گاهی سر مشعل از طریق قطر سوراخ و گاهی از طریق یک عدد بدون واحد معرفی میشود. سرمشعلهای مختلف برای ضخامتهای مختلف بکار میروند. اگر ضخامت فلز پایه زیاد باشد، باید سراغ سرمشعلهای بزرگتر برویم. وظیفه اصلی نازل متمرکز کردن شعله بهمیزان دلخواه است.
اگر حرارت شعله در یک قسمت کوچک روی سطح نمونه متمرکز نشود، یا اصلا نمونه ذوب نمیشود و یا ناحیهی وسیعی تحت تاثیر حرارت شعله قرار میگیرد که مطلوب جوشکاری نیست. رگولاتور: از این وسیله برای تنظیم فشار خروجی استفاده میشود. در واقع فشار داخلی سیلندر همان فشار مورد نیاز برای جوشکاری نیست و بهمرور زمان نیز افت میکند. بنابراین به یک وسیله برای تنظیم فشار نیازمند هستیم.
گاز درون سیلندر از طریق دریچه ورودی (inlet) وارد فضای رگوالتور میشود. زمانی که وارد شد، از طریق روزنهای که در قسمت پایینی وجود دارد وارد قسمت باالایی رگولاتور میشود و بهزیر دیافراگم فشار وارد میکند. ناشی از این فشار دیافراگم (diaphragm) به بالا حرکت میکند و به فنر بالایی خود نیرو وارد میکند.
زمانی که فشار خروجی را بر روی رگولاتور تنظیم میکنیم، در واقع فشار فنر بالایی بر دیافراگم تنظیم میشود. حال پاپت (poppet) و دیافراگم به هم متصل هستند. با بالا رفتن دیافراگم، پاپت هم به بالا کشیده میشود و به تدریج روزنهی ورود گاز به قسمت بالایی محفظه رگولاتور بسته میشود. در این زمان فشار گاز زیر دیافراگم نیز با فشار فنر به حالت تعادل رسیده و دریچه خروجی باز میشود. گاز خروجی دارای فشار تنظیم شده بر روی رگولاتور است. حال با خروج گاز دوباره دیافراگم و در نتیجه پاپت به پایین برمیگردد و دوباره گاز وارد میشود و تعادل بین فشار گاز و فشار فنر مدام تنظیم میگردد. رگولاتورهایی که برای اکسیژن و استیلن به کار میروند باهم متفاوت هستند.
مواد مصرفی
در جوشکاری اکسیاستیلن گاز استیلن و گاز اکسیژن همیشه مورد استفاده قرار میگیرد در صورتی که استفاده از فلز پرکننده و فالکس (روان ساز) در برخی موارد الزامی است. برای مثال بهمنظور جوشکاری فلزاتی که واکنشپذیری بالا دارند، مانند آلومینیوم، باید از فالکس استفاده شود تا با ایجاد یک لایهی لعاب مانند بر روی مذاب از اکسیداسیون آن جلوگیری کند. همچنین در مواردی که ضخامت قطعه زیاد است و درز اتصال باریک نیست، باید از فلز پرکننده برای پر کردن درز اتصال استفاده شود. فلز پرکننده: در فرآیند جوشکاری قوس با الکترود روکش دار، ضمن جوشکاری علاوه بر آن که فلز پایه ذوب شود، الکترود نیز ذوب میشود و به پر کردن درز اتصال کمک میکند؛ اما در فرآیند جوشکاری اکسیاستیلن به دلیل استفاده از شعله، صرفا فلز پایه ذوب شده و الکترودی وجود ندارد که به حوضچه مذاب بپیوندد. حال در مواردی که درز اتصال نسبتاً پهن داریم ذوب فلز پایه برای پر کردن درز اتصال کافی نیست و باید از یک فلز پرکننده استفاده شود. برای این منظور از سیم جوش یا مفتول عمدتاً هم جنس با فلز پایه استفاده میشود. با قرار دادن شعله روی قطعه کار و ایجاد حوضچهی مذاب بر روی آن، مفتول نیز بهطور متناوب به حوضچهی مذاب نوک زده میشود تا ذوب شود و به حوضچه مذاب اضافه گردد.
مراحل کار برای جوشکاری اکسی استیلن
-ابتدا فشار گاز اکسیژن و استیلن را تنظیم کنید. ابتدا باید شیر اکسیژن یا استیلن را روی مشعل باز کنید و بعد فشار را تنظیم کنید. در صورتی که ابتدا فشار را تنظیم کنید و بعد شیر را باز کنید فشار تغییر میکند.
-روشن کردن مشعل مرحله ی بعدی است. بهنظر میرسد شیر اکسیژن و استیلن را باز کرده و یک فندک هم میزنید تا روشن شود درصورتی که ابتدا باید شیر اکسیژن را 1/4 دور و شیراستیلن را 1/2 دور باز کنید. دراین حالت شعلهای که با فندک روشن میشود به اندازه یک شعله کبریت است. سپس به تدریج شیر اکسیژن و استیلن را زیاد میکنید تا شعله تنظیم شود، یا میتوان صرفا گاز استیلن را باز کرد و شعله را روشن کرد.
-تنظیم شعله مرحله بعدی است. برای شعله احیایی باید سه ناحیهی متمایز ببینید و برای شعله خنثی و اکسیدی دو ناحیه مجزا داریم. فرق شعله اکسیدی با خنثی در صدای آن و کشیدگی شعله است.
-انتخاب فلز پرکننده و روان ساز متناسب با جوش
-شعله را در مسیر جوشکاری حرکت میدهید. سرعت جوشکاری بهصورت تجربی توسط جوشکار تعیین میشود. زاویه جوشکاری معمولا بین 42 تا 63 درجه است. باید قسمت هسته داخلی در تماس با نمونه جوشکاری قرار گیرد.
-اضافه کردن مفتول و روانساز حین جوشکاری
-هنگام خاموش کردن شعله اگر شیر اکسیژن را سریع ببندید، تا زمانی که شیر استیلن را ببندید شعله دودزا محیط را آلوده میکند. اگر شیر استیلن را ببندید همراه با صدای مهیبی شعله خاموش میشود. درنتیجه باید به تدریج میزان اکسیژن و استیلن را کم کنید تا به یک شعله خیلی کم برسید. حال دیگر فرقی ندارد اکسیژن را اول ببندید یا استیلن را
نکات تکنیکی و ایمن
-اطمینان حاصل کنید که نوک مشعل تمیز است. درصورتی که نوک مشعل تمیز نباشد از تجهیزات ویژه برای تمیز کردن آن استفاده کنید.
-برای استفاده از فالکس باید نوک مفتول را که گرم شده درون پودر بزنید و این کار را مدام تکرار کنید.
-از عینک و لوازم ایمنی متناسب با فرآیند جوشکاری استفاده کنید.
-جهت جوشکاری برای افراد راست دست از راست به چپ و برای افراد چپ دست از چپ به راست است.
صفر تا صد مراحل جوشکاری اکسیاستیلن
مراحل کار از آمادهسازی تجهیزات تا کنترل نهایی جوش به شکل زیر است:
آمادهسازی و بررسی تجهیزات کپسولهای اکسیژن و استیلن، رگلاتورها، مشعل، نازل و تجهیزات ایمنی را بررسی کنید. تجهیزات باید استاندارد و فاقد نشتی یا آسیب باشند.
آمادهسازی قطعات فلزی محل اتصال را از روغن، چربی، زنگزدگی، رنگ و آلودگی پاک کنید.
اتصالات و تجهیزات مناسب هر کپسول نصب و شیلنگهای مربوط به اکسیژن و استیلن به مشعل متصل میگردد. فشار گازها باید مطابق مشخصات سازنده تجهیزات و دستورالعمل ایمنی تنظیم شود.
بررسی نشتی تمام اتصالات و مسیرهای گاز باید از نظر نشتی بررسی شوند. برای این کار از روش و محلول مخصوص تشخیص نشتی استفاده میشود و هرگز نباید برای پیدا کردن نشتی از شعله استفاده کرد.
انتخاب نازل مناسب اندازه نازل بر اساس نوع فلز، ضخامت قطعه و مقدار حرارت موردنیاز انتخاب میشود.
تنظیم شعله پس از آمادهسازی، شعله مشعل تنظیم میشود. برای بسیاری از جوشکاریهای فولاد، شعله خنثی مورد استفاده قرار میگیرد. نوع شعله باید متناسب با جنس فلز و کاربرد انتخاب شود.
گرم کردن محل اتصال: شعله بهصورت کنترلشده روی محل اتصال حرکت داده میشود تا فلز به دمای مناسب برسد.
ایجاد حوضچه مذاب و انجام جوش مشعل با حرکت یکنواخت در امتداد درز حرکت میکند. در صورت نیاز، سیم جوش به حوضچه مذاب اضافه میشود تا اتصال کامل شود.
کنترل حرکت مشعل و سیم جوش سرعت حرکت، زاویه مشعل و مقدار سیم جوش باید متناسب با ضخامت و جنس قطعه تنظیم شود. حرکت نامناسب میتواند باعث ایجاد عیوبی مانند نفوذ ناکافی، تخلخل یا سوختگی لبهها شود.
سرد شدن و بررسی جوش پس از پایان کار، اجازه دهید قطعه بهصورت مناسب سرد شود و سپس ظاهر، یکنواختی و کیفیت محل جوش بررسی شود.
در پایان، مشعل خاموش و شیر کپسولها بسته و فشار باقیمانده از مسیر تجهیزات به روش صحیح تخلیه شود.