ویژگی، مشخصات و کاربرد الکترودهای قلیایی یا کم هیدروژن جوشکاری

الکترودهای جوشکاری

مطابق با تعریف انجمن جوشکاری آمریکا، به اتصال موضعی فلزات یا غیر فلزات به یکدیگر از طریق اعمال حرارت یا اعمال فشار یا هر دو، با و یا بدون استفاده از مواد پر کننده، جوشکاری می گویند. در اکثر فرایندهای جوشکاری، برای ایجاد اتصال بین فلزات پایه و پر کردن درز اتصال، از یک واسطه ی فلزی استفاده می شود که به آن فلز پرکننده (Filler Metal) می‌گویند. فلز پرکننده به دو گروه الکترود (Electrode) و سیم جوش (Rod) تقسیم می شود. در صورتی که فلز پرکننده جزئی از مدار الکتریکی و هادی جریان برق در فرایند جوشکاری باشد به آن الکترود و در غیر این صورت به آن سیم جوش می گویند.

تمام الکترودهای روکش دار مورد استفاده در جوشکاری قوس الکترود دستی از دو قسمت تشکیل شده‌اند: میله فلزی یا مغزی الکترود و پوشش یا روکش الکترود. روکش، پوشش یا فلاکس الکترودها از مواد مختلفی ساخته شده اند که آن ها را طبق فرمولاسیون خود با هم مخلوط می کنند و با روش های مختلف روی مفتول فلزی پوشش می دهند.

به طور کلی مواد اصلی پوشش دهنده الکترودها شامل مواد زیر است:

مواد سرباره ساز که به صورت سنگ های معدنی هستند مانند سنگ تیتان (اکسید تیتانیوم)، اکسید منگنز، فلورین، فلدسپات، آهک، خاک چینی یا کائولین، کوارتز، اکسید آهن، سیلیکات ها و غیره.
مواد احیاکننده و اکسیژن زدا مثل فرومنگنز، فروسیلیسیم، فروکروم، فروتیتانیوم و غیره که برای احیای برخی اکسیدها به کار می روند.
مواد تشکیل دهنده گاز مثل نشاسته، خاک اره، کتان، سلولز، زغال چوب، آرد و یا خمیر چوب.
عناصر آلیاژی که برای رساندن ترکیب نهایی جوش به آنالیز مورد انتظار به پوشش اضافه می شود.
چسب مثل سیلیکات سدیم، سیلیکات پتاسیم و چسب نشاسته که باعث خمیری شدن و چسبیدن پوشش روی مفتول می شود.
در بعضی الکترودها، برای افزایش نرخ رسوب و بازدهی الکترود، مقداری پودر فلز پایه نیز به پوشش اضافه می شود. برای مثال در گروهی از الکترودهای قلیایی و روتیلی مخصوص فولاد، مقداری پودر آهن به پوشش اضافه می شود.

از حدود ۱۹۵۰ میلادی، الکترودها را در انگلستان بر اساس جنس پوشش آن ها طبقه بندی کرده اند. در این طبقه بندی، خود روکش ها به انواع سلولزی، روتیلی، اسیدی، اکسیدی، قلیایی یا کم هیدروژن و روتیلی با پودر آهن دسته بندی شده است. اخیراً انواع دیگری به این شش گروه اضافع شده و روکش الکترود از نظر نوع جنس به نه گروه طبق جدول زیر تقسیم می شود. نوع الکترود نیز با همین نام روکش آن شناخته می شود، مثلاً الکترودهای روتیلی یا الکترودهای قلیایی.

الکترودهای قلیایی یا کم هیدروژن

ماده اصلی روکش یا پوشش های قلیایی، کربنات کلسیم و فلورید کلسیم است. علاوه بر ترکیبات قلیایی، مواد دیگری چون دی اکسید تیتانیوم یا روتیل، سیلیکات های معدنی، منگنز یا ترکیبات آن، پودر آهن و چسب سیلیکاتی هم به آن ها اضافه می شود. سرباره حاصل از این الکترودها دارای واکنش های قلیایی است و اکسیدهای اسیدی را در خود حل می کند.

با توجه به اینکه در ترکیب روکش الکترودهای قلیایی از مواد سلولزی و ترکیبات هیدروژن دار استفاده نمی شود، جوش های حاصل از آن دارای حداقل هیدروژن حل شده در جوش هستند، بنابراین آن ها را الکترودهای کم هیدروژن (Low Hydrogen) هم می گویند.

عدم حضور هیدروژن خاصیت مهمی است زیرا هیدروژن باعث ایجاد ترک در زیر مهره جوش و ناحیه اطراف جوش در فولادهای پر کربن و کم آلیاژ (ترک هیدروژنی و پدیده HIC) می شود. این اتفاق به این صورت رخ می دهد که با کاهش حلالیت هیدروژن در حوضچه مذاب در حین انجماد، اتم های هیدروژن به مرزدانه ها در ناحیه اطراف جوش (HAZ) نفوذ می کنند. حال در صورتی که هیدروژن های اتمی با هم ترکیب شده و هیدروژن مولکولی تشکیل دهند، به دلیل افزایش حجم، فشار داخلی فوق العاده زیادی به وجود می آید. در این شرایط اگر ساختار منطقه زیر و مجاور جوش به اندازه کافی سخت و ترد بوده و قابلیت انعطاف نداشته باشد، ترک هایی در آن ناحیه ایجاد می شود. با حذف منابع ورود هیدروژن به حوضچه مذاب از قبیل استفاده از الکترودهای کم هیدروژن ضمن اینکه از ایجاد ترک در زیر مهره جوش و ناحیه مجاور جوش پیشگیری می شود، می توان فولادهای ضخیم و سخت را هم بدون عملیات پیشگرم یا با پیشگرم کم جوشکاری نمود.

بنابراین در مقایسه با سایر الکترودها، احتمال بروز ترک در جوش حاصل از این الکترودها کمتر است، لذا برای جوشکاری فولادهای کم آلیاژ که حساس به ترک زیر مهره جوش و ناحیه اطراف جوش هستند، کاربرد زیادی پیدا کرده اند. علاوه بر آن برای جوشکاری قطعات ضخیم فولاد پر کربن، فولادهای با گوگرد، فسفر و یا نیتروژن بالا هم مناسب هستند.

الکترودهای قلیایی نسبت به سایر انواع الکترودها دو ویژگی برجسته دارند:

اول اینکه فلز جوش حاصل از آن ها دارای انرژی ضربه (مقاومت به ضربه) بالاتری است، به خصوص در دماهای پایین. این موضوع باعث می شود تا جوش های با استحکام بالاتر انعطاف پذیری مناسبی هم داشته باشند و احتمال شکست ترد از ناحیه جوش به خصوص در دماهای پایین کمتر باشد.
دومین ویژگی برجسته ی این الکترودها، مقاومت بیشتر قطعات جوشکاری شده توسط آن ها در مقابل ترک های سرد و گرم است. مقاومت به ترک گرم که حین انجماد رخ می دهد، از خلوص بالای متالورژیکی فلز جوش حاصل از این الکترودها ناشی می شود و همان طور که توضیح داده شد، احتمال کم ترک سرد ناشی از مقدار پایین هیدروژن در آن ها است.

علیرغم اینکه الکترودهای قلیایی، کم هیدروژن هستند و احتمال ورود هیدروژن به مذاب جوش از طریق آن پایین است ولی جذب رطوبت توسط این الکترودها می تواند منبع ورود هیدروژن به حوضچه مذاب در اثر یونیزاسیون آب در قوس الکتریکی باشد. بنابراین این الکترودها باید از رطوبت دور نگه داشته شده و محافظت کافی از آن ها به منظور عدم جذب رطوبت انجام بگیرد. حداکثر مقدار رطوبت مجاز جذب شده در این الکترودها، ۰٫۶ درصد وزنی الکترود است. برای این منظور الکترودهای کم هیدروژن در بسته بندی های مقاوم به نفوذ رطوبت نگه داری می شوند، قبل از جوشکاری به مدت یک الی دو ساعت در دمای ۲۶۰ تا ۴۲۵ درجه سانتیگراد در داخل خشک کن الکترود، آون یا کوره قرار می گیرند (بازپخت)، سپس به داخل خشک کن با دمای ۱۴۰-۳۰ درجه سانتیگراد بالای دمای محیط منتقل شده و تا لحظه ی مصرف در آن دما نگهداری می شود و تنها در آن هنگام از کوره بیرون آورده می شود.

پس از خارج کردن این الکترودها از بسته بندی اولیه باید در خشک کن نگهداری شوند و بازپخت آن ها نیز تنها یک بار مجاز است. البته لازم به ذکر است که شرایط بازپخت و نگهداری الکترودها باید از دستورالعمل سازنده تبعیت کند.

آون قابل حمل پخت الکترود

هنگام کار با الکترودهای قلیایی، به دلیل سوختن کربنات کلسیم در دمای ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد و تجزیه آن، گاز CO₂ تشکیل می شود که به عنوان گاز محافظ، از حوضچه مذاب محافظت به عمل می آورد. قوس ایجاد شده توسط این الکترودها تند و شدید نبوده و دارای نفوذ متوسطی است. سرباره یا گِل جوش ایجاد شده ضخیم و ترد بوده و به راحتی تمیز می شود. استفاده از این الکترودها، به دلیل سرباره ضخیم آن ها چندان آسان نیست.

جوشکاری با قوس کوتاه جهت افزایش کیفیت فلز جوش و کاهش احتمال مک و تخلخل در این الکترودها ضروری است. جوش حاصل دارای خواص مکانیکی و متالورژیکی مطلوبی است. با استفاده از الکترودهای قلیایی تا قطر ۴ میلی متر، جوشکاری در همه وضعیت ها امکان پذیر است. قطرهای بزرگ تر بیشتر برای وضعیت تخت و افقی در جوش گوشه و وضعیت تخت در جوش شیاری مناسب هستند.

الکترودهای قلیایی را با جریان مستقیم (DC) و قطبیت مثبت (DCEP) به کار می برند، البته انواع پتاسیم دار آن مثل E7028 ،E7018 ،E7016 و E7048 را می توان با جریان متناوب (AC) هم به کار برد.

در الکترودهای E7018 و E7028 به ترکیب روکش، به ترتیب ۴۰-۲۵ و ۵۰ درصد پودر آهن اضافه می شود. پودر آهن باعث می شود که روکش آن ها ضخیم تر باشد و ظرفیت انتقال جریان در آن ها و نرخ رسوب فلز جوش افزایش یابد. این الکترودها در رده ی الکترودهای قلیایی + پودر آهن قرار می گیرند.