جوشكاري فركانس بالا (HFW)
جوشكاري فركانس بالا يكي از روشهايي است كه يك منبع گرم كننده با توليد يك جريان متناوب فركانس بالا (HF ) به صورت مقاومتي جهت ذوب كردن سطوح اتصال استفاده مي شود .جريان فركانس بالا داراي مشخصات معيني مي باشد كه آنرا براي جوشكاري قابل استفاده مي سازد . همانند جريان مستقيم يا جريان فركانس پايين متناوب جريان فركانس بالا نيز تمايل به جاري شدن در سطوح پردانسيته (Skin effect ) و جهت برگشت سطوح موازي و مجاور يكديگر را جستجو مي كند ( Proximity effect ) يعني گرم كردن و در پي آن ذوب كردن مي تواند در جايي كه مورد نياز است متمركز شود و يا اصطلاحا در نقطه مزبور فوكاس شود .
در كليه فرايندهاي جوشكاري فركانس بالا پس از ايجاد ذوب ، اتصال سطوح به يكديگر توسط فشردن مكانيكي داخل يكديگر انجام مي شود . ( Upseting ) اين گونه فشردن كمك به خروج اكسيدها از مذاب و توليد يك خط جوش يكپارچه و همگن مي كند . خروج ناخالصي ها ، سرباره ها و اكسيدها و ... از مذاب داراي فوائدي است كه از جمله آنها مي توان به كاهش پتانسيل عيوبي نظير پايين بودن چقرمگي شكست و مقاومت خوردگي فلز جوش اشاره كرد . در اين مرحله پيوندهاي ساده و مواد زير سطحي به مقدار زيادي گرم مي شوند كه اين امر در بهبود خواص موثر است .
در ساخت لوله ورق اوليه با شكل گيري مرحله به مرحله و توليد سطح مقطع u شكل و نزديك كردن لبه هاي ورق به يكديگر در مراحل بعدي و توليد لبه v شكل با استفاده از روشهاي ساده كنترل جريان فركانس بالا به دو زير مجموعه تقسيم مي شود .
جوشكاري القايي فركانس بالا ( HFIW ) و جوشكاري مقاومتي فركانس بالا ( HFRW ) بدليل تاثيرات مجاورتي و پو سته اي جريان جاري شده در لوله از عمق مشخصي از لبه V عبور مي كند. عمق جريان نفوذي بواسطه كنترل مقدار جريان قابل كنترل است . و اين پارامتر به ذوب سطحي و نتيجتا به كيفيت جوشكاري وابسته است . موادي كه در تهيه لوله مي توان از انها بصورت موفقيت اميز در جوشكاري فركانس بالا استفاده نمود شامل فولادهاي كربني ، فولادهاي زنگ نزن ، آلومينيوم ، مس ، برنج و تيتانيم است . استثنائات شامل موادي كه در درجه حرارت جوشكاري پايدار نمي باشند ، موادي كه قابليت كار گرم اندكي دارند يا با اعمال خواص تخريبي قابليت بازيافت ندارند . در جاهايي كه لازم باشد مي توان از يك گاز محافظ جهت از بين بردن فعاليت فلزات ( Reactive ) استفاده نمود . اندازه لوله هاي توليدي بوسيله جوشكاري فركانس بالا از قطر 13mm تا 1220 mm ( 48in- 1/2 in ) مي باشد .
فوائد جوشكاري فركانس بالا:
1. تناسب بسيار بالايي با جوشكاري سرعت بالا دارد .
2 مي تواند طيف گسترده اي از مواد را تحت پوشش قرار دهد .
3 كيفيت جوش كوچكترين حساسيتي به حضور هوا ندارد و معمولا نيازي به اتمسفر هاي مخصوص ندارد .
4 كيفيت جوش نسبتا (نه بطور كامل ) به اكسيدهاي سطحي و ناخالصي ها مقاوم است.
معايب جوشكاري فركانس بالا :
1- براي جوشكاري هايي در اشل كوچك مناسب نيست .
2- يك جوشكاري پيوسته است و در جوشكاري پيوسته نمي توان نقطه شروع و پايان داشت اعمال چنين كاري يك ناپيوستگي در جوش بوجود مي اورد .
3- امكان جوشكاري دستي وجود ندارد .
كابردها :
در اتصال مواد جوشكاري فركانس بالا بيشترين تناسب را از نظر يك جوش لب به لب (butt ) دارا مي باشد. بيشترين كاربرد استفاده از جوشكاري فركانس بالا ساخت لوله و جوشكاري لب به لب مقاطع است . ساخت انواع لوله هاي مبدل حرارتي كه لبه مستطيل شكل ورق به صورت پيوسته روي قطر بيروني يك لوله به عنوان پره خنك كننده ، جوش داده مي شود . بواسطه اين نوع جوشكاري انجام مي شود . پره جوش داده شده در اطراف لوله مي تواند به شكل مارپيچي يا به موازي محور لوله باشد . فولادهاي كم كربن هم براي لوله و هم براي پره اين نوع مبدلها بيشترين حجم را اتخاذ نموده ولي آلياژهاي تركيبي ديگري نيز نظير پره هاي فولادي كم كربن روي لوله هايي با آلياژ فولادي زنگ نزن كرم – موليبدني يا پره هاي فولاد زنگ نزن روي لوله هاي فولادي كم كربن فولادي زنگ نزن و حتي پره هاي آلومينيومي روي لوله هاي كوپرونيكل در استفاده از اين صنعت به بهره برداري رسيده اند . جوشكاري فركانس بالا در ساخت اشكال ساختماني مثل مقاطع T شكل ، I شكل ، بيم هاي آهني H شكل ، اشكال مخصوص كه قابل طراحي بوسيله جوشكاري ورقهاي ممتد باشند نظير گرم كننده هاي V شكل كه از جوشكاري ورقهاي مستطيل شكل تحت زاويه خاصي استفاده مي شود .
جوشكاري نوك به نوك يا انتها به انتها ورقها يكي ديگر از كاربرد هاي جوشكاري فركانس بالا است . طولهاي مجزاي ورق بصورت حلقه اي جوش داده مي شود و به دنبال آن به شكل زهوارهاي دايره اي توليد مي شود . همچنين در جاهايي كه نياز به طول ورق هايي بزرگتر از طول تجاري آن است يك سري از ورق هاي كوتاه به ورق هايي با طول هاي پيوسته و بلند تبديل مي شود .
تجهيزات :
واحد توليد انرژي جوشكاري فركانس بالا شامل نوسان نگاره هاي ( Vacum tube oscillators ) لوله خلا ء و مبدل هاي حالت جامد ( solid stute inverters ) مي باشد . وابسته به كاربرد فركانس مي تواند از 100 تا 700 كيلوهرتز تغيير كند ، در جايي كه انرژي مورد نياز از 3تا 1000 كيلووات متغيير است . مبدل حالت جامد فركانسي بين 100 تا 400 كيلو هرتز را مهيا مي كند .و نوسان نگاره هاي لوله خلاء در فركانس هاي بالاتر تا 700 كيلو هرتز مورد استفاده قرار مي گيرند . لوله هاي خلاء جهت بهبود ضريب توليد فركانس واحد هاي حالت جامد بكار مي روند .
جهت انتقال انرژي الكتريكي از كويلهايي كه با آب خنك مي شوند يا تماس دهند گان استفاده مي شود . اين كنداكتورها بايد كمترين طول را دارا باشند و به گونه اي جايگيري شوند كه تلفات امپدانس را به كمترين مقدار خود كاهش دهند . جهت انتقال انرژي فركانس بالا به قطعه كار استفاده از كويلهاي القايي يا تماس دهندگان امتيازات و نقاط ضعفي وجود دارد كه در زير به آنها اشاره مي شود .
كويلهاي القايي با حداقل ضريب كارايي مي باشند كه فقط مي توانند با هندسه كار تطبيق داشته باشند و به صورت يك مدار بسته براي انتقال انرژي القايي به قطعه كار براي مثال به لوله موردجوشكاري استفاده شوند . از امتيازات يك كويل القايي مي توان به راحتي استفاده و نياز كمتر به نگهداري نسبت به تماس دهندگان الكتريكي اشاره كرد . به دليل عدم تماس اين كويلها با قطعه كار عموما كاري از اثر قطعه كار يا خراش مي باشن. 90% لوله ها با استفاده از اين كويلها توليد مي شوند . اين كويلها معمولا از لوله هاي مسي كه 1 تا 3 دور پيچيده شده اند و با آب خنك مي شوند ساخته مي شوند . انتقال جريان از تماس دهندگان الكتريكي بهره وري بيشتري نسبت به كويلهاي القايي دارند . زيرا جريان الكتريكي را با ضريب توزيع بيشتري و جهت گيري بهتري به قطعه كار (سطح مورد جوشكاري ) انتقال مي دهند . از نقاط ضعف تماس دهندگان الكتريكي ، سايش مكرر آنها و نياز به جايگزيني براي آنها بصورت دوده اي ، خراش برداشتن و از دست دادن شكل اوليه را مي توان نام برد . در مواردي ديگر شده كه اين تماس دهندگان با به جا گذاشتن پس مانه روي قطعه كار باعث خرابي محصول توليدي شده اند .
در ساخت لوله هايي با قطر كمتر از 305 ميليمتر (12in ) عموما از كويلهاي القايي استفاده مي شود زيرا امتيازات آن نسبت به كاهش راندمان بيشتر است ولي براي اتكا بزرگتر از تماس دهندگان الكتريكي استفاده مي زيرا به خوبي جريان را تا انتها ي خط جوشكاري انتقال مي دهد . ولي در كويلهاي القايي چگالي جريان القايي نمي تواند در تمام مقاطع القاء شود .
امپيدرها جهت افزايش ضريب جوشكاري استفاده مي شوند . امپيدر از يك يا چند هسته فريتي استوانه اي كه قابليت آبگردي دارند تهيه مي شوند . و در زير سطح جوشكاري موازي يا خط جوش بكار مي روند . به دليل اينكه جريان انتقال داده شده به لوله از مسير كناره هاي لوله نيز مي گذرد مقداري از اين جريان هدر رفته و صرف گرم كردن لبه مورد جوشكاري نمي شود . وظيفه امپيدر در اينجا افزايش امپدانس القايي اين مسير و عبور جريان الكتريكي به صورت مسير فرعي ( by pass ) از لبه مورد جوشكاري است .
گازهاي خنثي در جوشكاري فركانس بالا استفاده نمي شود مگر در جايي كه فلزات ( reactive ) مورد جوشكاري باشد . آرگون براي جوشكاري فولادهاي زنگ نزن و خصوصا براي تيتانيم استفاده مي شود . با اين وجود تميز كاري خط جوش براي فلزاتي كه به سادگي جوش داده مي شوند الزامي نيست ولي در مورد فلزات فوق حساس عدم تميز كاري مي تواند مشكلاتي بوجود آورد .
عيوب جوشكاري:
عيوبي كه در جوش لوله هاي فولادي توليد شده به روش ERW ايجاد ميشود عمدتا شامل موارد زير ميشود:
1-COLD WELDS
CONTACT MARKS 2-
3-CRACKS
4-PIN HOLES
5-STITCHING
1-تركهاي سرد:اين اصطلاح زماني بيشتر استفاده ميشود كه يك پيوند ناقص يا شكنندهاي بدون نا پيوستگي ظاهري در شكست مشخص ميشود .
تست غير مخرب روش مناسب و قابل اطميناني براي تشخيص اين عيوب نيست.
2-اثرات تماسي(سوختگيهاي الكترود):اينها ناخالصيهاي مياني نزديك خط جوش ميباشند كه درنتيجه قوسهاي ظريف بين الكترود و سطح لوله ايجاد ميشوند.
3-تركهاي قلابي:نتيجه جدايش در فلز در اثر ناخاصيهاي لبه ورق بموازات سطح ايجاد ميشود و هنگامي كه لبه ها در يكديگر امتزاج مييابند به طرف داخل يا خارج ضخامت لوله كشيده ميشوند.
4-تركهاي سطح جوش: تركهايي به غير از هوك ترك هستند.
5-سوراخهاي ميله اي:سوراخهايي كه دقيقا بر روي خط جوش متمركز شده اند.(PIN HOLES)
6-عيوب بخيه مانند : شامل سطوح منظم سايه روشن هستند در منطقه شكست جوش.فركانس يا تناوب تشكيل اين عيوب متناسب با فركانس جوش است.
افزايش فركانس جوش باعث حداقل شدن ايجاد اين عيب ميشود.
پرسنلي :
همانند مواردي كه پرسنل و فرايندهاي نوردي آموزش مي بينند ، پرسنلي هم كه در جوشكاري فركانس بالا مشغول به كار مي شوند نياز به يك آموزش گسترده در حين كار دارند . جوشكاري فركانس بالا يك فرايند با سرعت زياد است كه اغلب، اتصال مواد با شكل گيري دقيق و تجهيزات انتقال محصول از ملزومات آن است. سرعت در اين فرايند از 30 تا 240 متر به دقيقه ( fr/min 800 تا 100 ) متغيير است . يك لوله قبل از جوشكاري بايد دقيقا شكل داده شده باشند . بنابراين اپراتور بايد با هر دو دانش ، تجهيزات جوشكاري و تجهيزات مكانيكي آشنا باشد . بنابراين ، لازم است كه از جانب كارخانه آموزشهاي پرسنلي جهت تعمير يا عيب يابي تجهيزات به پرسنل داده شود . ارتقاء سيستم ها جهت سرعت ، قدرت و كنترل درجه حرارت جوش وابستگي اپراتور به فرايند را كاهش مي دهد .
ايمني:
ايمني وسلامت اپراتورها بايد دقيقا مد نظر گرفته شود . در طراحي ساخت ، نصب ، عملكرد و نگهداري تجهيزات، كنترلها ، انرژيهاي اعمالي و استفاده از ابزار به جهت مطابقت با كمپاني است . و منظم كردن ايمني به درستي آنچه كه كمپاني ساخت تجهيزات در استفاده از آن مقرر نمود . به دليل اينكه در جوشكاري فركانس بالا منبع توليد انرژي دستگاههاي الكتريكي هستند لازم است هنگام تعمير با جابجا كردن تجهيزات دقت فراواني مبذول گردد . ولتاژ ها در محدوده 400تا 25000 ولت در هر دو فركانس كم يا زياد مي تواند موجود باشد و ممكن است . مهلك باشد . جهت جلوگيري از صدمه ديدن به اپراتورها توجه زياد و ايمني دقيق هنگام استفاده از ژنراتورها وسيستم هاي فركانس بالا لازم است . قفلهاي ايمني در واحدهاي مدرن جهت دستيابي به عملكرد تجهيزات طراحيشده كه در استفاده اپراتور از تجهيزات هنگام اعمال غير ايمني به صورت اتوماتيك دستگاه قفل مي شود با تجهيزات هنگامي كه تابلوها يا پو ششهاي ولتاژ بالا باز شده اند و يا هنگامي كه قفلهاي ايمني و سيستم هاي زميني عمل نمي كنند نبايد كار كرد . جهت كاهش تشعشع الكترو مغناطيس كابلهاي فركانس بالا ولتاژ بالا بايد داخل تونلهاي برق در زير زمين پوشانده شوند . اتصال به زمين براي كويلهاي القايي و تماس د هند گان جهت حفاظت از اپراتور ها ضروريي است خطوط اتصال به زمين بايد حتي المقدور كوتاه باشد تا القاء مغناطيسي به حداقل برسد . انرژي فركانس بالا خصوصا آنچه در جوشكاري استفاده مي شود صدمات جدي و موضعي به بافتهاي سطحي مي زند . در ميدانهاي مغناطيسي خروجي سيستم خصوصا ميدان ترانسفورماتور بايد توجه شود كه القا كننده نبايد مقاطع فلزي همجوار را گرم كند همواره بخارات پوششها و فلزات بايد به بيرون هدايت شود و جهت روئيت فلز در حالت ذوب يا تابشهاي شديد از عينكهاي ايمني استفاده شود .
بازرسي و كنترل كيفيت :
تعداد زيادي آزمايشات مخرب و غير مخرب جهت تاييد كيفيت جوش انجام مي پذيرد . براي مثال كيفيت جوش در آزمايشات غير مخرب بوسيله آزمايشات جريان گردابي ( eddy current testing ) ( ASTM A 426 & ASTM E 309 ) آزمايشات فراصوتي ( Ultrasonic testing ) و ( ASTM E 213 & ASTM A 273 ) و آزمايشات نفوذ پوششي ( Flux leakage examination ) و ( ASTM E 570 ) و آزمايشات فشار هيدرو استاتيك ( ASTM 450 & Hydroststic pressure testing ) .
يك تعداد از تستهاي مخرب كه بر روي نمونه هاي كوچك محصولات انجام مي شود مشخص شده در ( ASTM A 450 ) اين آزمايشات شامل تست تخت (90درجه ) ( Crush test or flattening test ) يا آزمايشات تخت معكوس (180 درجه ) و آزمون خمش ( Flare test ) مي باشد . آزمايشات متالوگرافي و ميكرو سختي در مشخص نمودن كيفيت جوش و منطقه HAZ استفاده مي شوند .
: References
1.ASM Handbook(1997), Vol :6, "Welding,Brazing, and Soldering."
2.ASM Handbook(1997) ,Vol: 17 ,"Nondestructive Inspection of Specific Products."
