فلزات با حرارت دیدن انبساط می‌یابند و وقتی سرد می‌شوند منقبض می‌شوند، فلزات در حین جوشکاری گرم و سرد می‌شوند که موجب تنشهای بالای ناگهانی واعوجاج می‌شوند. اگر این تنشهای زیاد از محدوده الاستیک بگذرند و از نقطه تسلیم نیزرد شوند، برخی پیچیدگیهای دائمی در فلز پدید می‌آید، تنش فلز در دمای بالا کاهش می‌یابد. اعوجاج اثر ناخواسته انبساط و انقباض فلز حرارت دیده است.
انواع پیچیدگی
سه نوع اصلی پیچیدگی وجود دارد:
1. زاویه‌ای
- طولی
- عرضی
کنترل پیچیدگی می‌تواند در سه مرحله انجام گیرد:
قبل از جوشکاری
- حین جوشکاری
- بعد از جوشکاری
کنترل پیچیدگی قبل از جوشکاری توسط روشهای زیر انجام می‌شود:
- خال جوش زدن
- گیره ، بست و نگهدارنده
- پیشگرم کامل و سرتاسری
- مونتاژ اولیه مناسب
کنترل اعوجاج پس از جوشکاری:
- سرد کردن آرام
- صافکاری شعله‌ای (حرارت دهی معکوس)
- آنیل کردن
- تنش زدایی
- نرمال کردن
- صافکاری مکانیکی
در سازه‌های فلزی ساختمان معمولا روشهای 1و2 بیشتراعمال می‌گردد و سایر روشها در کارهای صنعتی بیشتر کاربرد دارند.
تعریف جوشکاری
در جوشکاری و اتصالات جوشی علاوه بر ذوب فلز پایه، معمولاً از یک ماده به عنوان پرکننده نقطه اتصال (Filler) استفاده می‌شود تا حوضچه ای از مواد مذاب ایجاد گردد که پس از خنک شدن و ایجاد اتصال می‌تواند از فلز یا ماده پایه نیز قوی تر باشد. همچنین ممکن است از فشار در کنار گرما یا به تنهایی برای تولید جوش استفاده گردد. ضمناً در جوشکاری به نوعی محافظ برای حفاظت از فلزات پرکننده یا فلزات ذوب شده در برابر اکسید شدن یا آلودگی نیاز است.
برای ایجاد حرارت مورد نیاز جوشکاری از منابع انرژی متعددی می‌توان استفاده کرد، از قبیل: شعله گاز، قوس الکتریکی، لیزر، پرتوی الکترون، اصطکاک، و امواج مافوق صوت. همچنین جوشکاری در محیط‌های صنعتی مختلفی قابل اجراست از قبیل: هوای آزاد، جوشکاری زیر آب، و خارج از اتمسفر زمین. جوشکاری یک کار خطرناک است و برای جلوگیری از سوختگی، شوک الکتریکی، آسیب چشمی و دید، استنشاق گازهای سمی و دود و قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش شدید، نیاز به احتیاط می‌باشد.
تعریف: اتصال و یکدست کردن مصالح به یکدیگر با استفاده از حرارت و یا بدون کمک فشار و یا مواد پرکننده اضافی را جوشکاری می‌گویند. همچنین مصالحی که باید اتصال یابند را فلز مبنا و ماده‌ای که این اتصال را ایجاد می‌کند، فلز پرکننده یا فلز جوش می‌نامند.
به منظور ذوب فلز مبنا و فلز جوش، از حرارت استفاده می‌گردد تا مواد به شکل سیال تبدیل شده و تداخل آنها میسر باشد.
در جوشکاری فولادهای ساختمانی متداول‌ترین روش، بهره‌گیری از انرژی برق به عنوان منبع حرارت است. به همین دلیل غالباً از قوس الکتریکی استفاده می‌گردد. قوس الکتریکی را می‌توان تخلیه‌ی جریان بزرگ، بین فلز جوش (الکترود یا سیم جوش) و فلز مبنا که میان ستونی از مواد یونیزه معروف به پلاسما صورت می‌گیرد، تعریف کرد. در این روش جوشکاری فرایند ذوب و اتصال با جریان مواد، در حین قوس و بدون وارد کردن فشار انجام می‌پذیرد.
هندسه
روشهای متداول آماده‌سازی اتصال‌های جوشی: (۱) جوش لب به لب صاف، (۲) جوش لب به لب V-شکل (۳) اتصال روی هم (۴) اتصال T-شکل
اتصال‌های جوشی را از لحاظ هندسی می‌توان به شکل‌های گوناگونی آماده کرد. ۵ گونه اصلی اتصال‌های جوشی از لحاظ هندسی عبارتند از:
- جوش لب به لب (butt joint)
- جوش روی هم (lap joint)
- جوش گوشه ای (corner joint)
- جوش لبه ای (edge joint)
- جوش T شکل (T-joint)
روشهای دیگری برای آماده‌سازی لبه قطعات قبل از جوشکاری وجود دارد. از قبیل: V شکل، U شکل، J شکل.
اثرات گرما
متالورژی جوشکاری
گرمایش و سرمایش از مولفه‌های اصلی اکثر فرایندهای جوشکاری است. این گرمایش و سرمایش معمولاً اثرات نامطلوبی بر روی متالورژی مواد دارد. در جوشکاری ذوبی، گرما به حدی است که می‌تواند مقداری از فلز پایه را ذوب کرده (ماده ای که در حال جوشکاری است)، و در ادامه معمولاً یک خنک کاری سریع اتفاق می‌افتد. اثرات حرارتی برای این نوع جوشکاری بسیار بارز است، اما در فرایندهایی که گرمایش-سرمایش با سرعت و شیب کمتری اتفاق می‌افتد کمتر است. اگر به اثرات حرارتی به حد کافی توجه شود، معمولاً می‌توان این اثرات نامطلوب را کاملاً از بین برده یا آن را به حداقل رساند، و به جوشی با کارایی فوق‌العاده دست پیدا کرد.
از آنجایی که حوضچه مذاب معمولاً نسبت به قطعه اصلی کوچک است، جوشکاری ذوبی را می‌توان به عنوان “یک قطعه ریختگی کوچک در داخل یک قالب بزرگ” در نظر گرفت. خواص و ترکیب ماده نهایی حوضچه جوش، مخلوطی است از ماده مادر و الکترود یا سیم جوش. نسبت این مواد بستگی به عواملی از قبیل نوع فرایند جوشکاری، شکل اتصال، و آماده‌سازی لبه قطعات دارد.
حوضچه فلز مذاب ایجاد شده در اثر جوشکاری ذوبی مستعد همه مشکلات و نقایص مربوط به ریخته‌گری فلزات، مانند تخلخل گاز، ناخالصی‌ها، حفره گاز، ترک و انقباض است. از آنجا که معمولاً مقدار فلز مذاب در مقایسه با جرم کل قطعه کار کم است و فلز اطراف آن رسانش گرمایی خوبی دارد، انجماد و خنک سازی سریع فلز نیز کاملاً رایج است. از نقایص مرتبط با این شرایط نیز می‌توان به دام انداختن گازهای محلول (تخلخل گازی)، تفکیک شیمیایی، تغییر اندازه دانه، مشکلات شکل دانه و اثرات جهت‌گیری اشاره کرد.
منطقه متأثر از گرما
معمولاً اگر خواص ایجاد شده پس از جوشکاری مطلوب نباشد، خواص و ساختار کل سازه جوشکاری شده توسط عملیات حرارتی اصلاح می‌گردد.
پیش گرم کردن
تنشهای القایی توسط گرما
یکی دیگر از اثرات گرمایش و خنک کاری، ایجاد تنشهای پسماند است. در جوشکاری این پدیده می‌تواند دو گونه باشد و بیشتر در جوشکاری ذوبی که از گرمای زیادی در آن استفاده می‌شود، اتفاق می‌افتد. اثرات آنها را می‌توان به صورت تغییرات ابعادی، اعوجاج و ترک خوردگی مشاهده کرد. تنشهای پسماند جوشکاری به دلیل جلوگیری از انبساط و انقباض حرارتی اتفاق می‌افتند. تنشهای واکنشی، تنشهای پسماندی هستند که معمولاً در قطعات نیمه تمام یا تعمیرات جوشکاری ایجاد می‌شوند و می‌توانند باعث ترک برداشتن جوش گرم یا ایرادی در سایر مراحل استفاده گردند.
