دانلود تحقیق قابلیت جوش پذیری و جوشکاری مس و آلیاژهای آن

قابلیت جوش پذیری و جوشکاری مس و آلیاژهای آن
مس، اولین فلزی است که توسط انسان مورد استفاده قرار گرفت.

پنج هزار سال پیش، یونانی ها و رومیان باستان، آن را از جزیره قبرس کنونی استخراج می کردند.

یونانیان آن را به نام کالکو (Chalco) و رومیان به نام آیس (Aes) می شناختند و چون از جزیره قبرس استخراج می شد آن را آیس سیپریم (Cypirum) نامیدند.

بعداً در زبان های مختلف اروپایی ، به دلیل تلفظ های متفاوت کلمه، سپیریم شکل های متفاوتی به خود گرفت، به طوری که امروز در انگلیسی آن را کوپر (Copper) و درآلمانی (Kupfer) و در فرانسه (‍Cuivre) می نامند.

این فلز، به دلیل سختی توأم با انعطاف پذیری، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا، قبول عملیات مکانیکی گوناگون، شکل پذیری فوق العاده ، مقاومت در برابر خوردگی، رنگ های زیبا، غیرمغناطیسی بودن، قابلیت ریخته گری مناسب، لحیم کاری نرم و سخت، جوش پذیری، غیر سمی بودن، ....

و نیز امکان تهیه آلیاژهای گوناگون در کنار سایر فلزات، به یک عنصر بسیار مفید و غیر قابل چشم پوشی در صنایع بشری آمده است.

مس با جرم اتمی 54/63 و ساختار (FCC) در 0c1083 ذوب می شود.

این عنصر، به دلایل متالورژیکی، به عنوان حلال ترین فلز شناخته شده و به غیر از سرب، تقریباً کلیه عناصر با آن، قابلیت انحلال دارند.

از نظر شیمیایی، مس از فلزات نجیب به شمار آمده و در جدول تانسیون، پس از نقره قرار دارد.

مس در مجاورت هوا و رطوبت، از یک قشر نازک اکسید مس که مخلوطی از CuO و Cu2O است پوشیده می شود.

این قشر نازک، بقیه فلز را از اکسیده شدن محافظت می کند.

اگر این اکسیدها مدت زیادی در مجاورت هوا قرار گیرند و یا سطح مس به شدت اکسیده شود، رنگ مایل به سیاه، آن ، به تدریج به رنگ سبز که مخلوطی از سولفات و یا کلرورهای قلیایی است تبدیل می شود که آن را زنگار (Patina) می گویند.

هوای محیط، در تشکیل این ترکیبات بسیار مؤثر است.

به طوری که اکثراً در نواحی صنعتی، ترکیبات سولفات به فرمول 3Cu(OH)2 و CuSo4 و در مجاورت دریاها ترکیبات کلروری مثل 3Cu(OH)2 و CuCl2 به وجود می آید.

مس مذاب، قابلیت انحلال شدیدی برای گازهای مختلف دارد و این پدیده، هنگام انجماد به سرعت کاهش می یابد.

مقدار حل شدن گازها در مس، به درجه حرارت و فشار جزیی گازها در محیط خارج بستگی دارد.

گازها در مس بیشتر به صورت بیشتر به صورت اتمی حل می شوند.

مقدار حلالیت گازها را می توان به صورت رابطه نمایش داد که در آن C مقدار گاز حل شده بر حسب سانتی متر مکعب در هر 100 گرم فلز مس بوده، P فشار جزئی گاز در محیط خارج و K ضریب ثابتی است که به درجه حرارت بستگی دارد.

با توجه به رابطه بالا می توان نتیجه گرفت که افزایش دما با افزایش K و در نتیجه افزایش مقدار گاز حل شده مذاب رابطه مستقیم دارد.

بررسی حلالیت گازها در مس و آلیاژهای آن
گازهایی مثل اکسیژن، هیدروژن و ...

در مس قابل حل بوده و تأثیراتی بر آن می گذارد و که بدین قرار است :
- حلالیت اکسیژن
اکسیژن، به صورت اتمی در درجه حرارت اوتکتیک 1065 درجه سانیتگراد حدود 009/0 درصد و درجه حرارت محیط حدود 002/0 درصد در مس قابل حل است.

در صورتی که مقدار اکسیژن، این حدود باشد، با مس وارد ترکیب شده و اتکتیکی به صورت Cu-Cu2O با حدود 39/0 درصد اکسیژن تشکیل می دهد.

Cu-Cu2O شکل (1) دیاگرام تعادلی







شکل (2) حلالیت اکسیژن در مس
همانگونه که از منحنی های شکل (1) و (2) مشخص است، ترکیب اکسید فلزی Cu2O در درجه حرارت 1000 تا 1050 درجه سانتی گراد پایدار است.

در درجه حرارت های پایین تر، این ترکیب به CuO تبدیل می شود.

بنابراین پس از جوشکاری، براساس یکی از واکنش های زیر، CuO در اثر سرد شدن تشکیل خواهد شد.

2Cu2O + O2 4 Cu2O
Cu2O CuO +Cu
در اثر جوشکاری و در درجه حرارت های بالاتر از 1050 درجه سانتیگراد، Cu2O تجزیه شده و اکسیژن آزاد می کند که در اثر فعل و انفعالات شیمیایی جانشینی با سایر عناسر موجود، ترکیب شده و بخار آب و سایر اکسیدهای فلزی، تولید می کند.

همچنین در هنگام پیشگرم کردن و شروع جوشکاری در حرات های حدود 700 درجه سانتی گراد، مس با یک شعله سبز رنگ با اکسیژن محیط ترکیب شده و CuO تولید می کند : که در درجه حرارت های بالاتر CuO حاصله بهCu2O تبدیل خواهد شد.

با توجه به این نتایج و بررسی انجام شده می توان گفت که مقدار جذب اکسیژن در مس مذاب به زمان بستگی دارد و از این رو، برای محافظت مس مذاب از ورود اکسیژن، بهترین روش استفاده از جوشکاری با سرعت بالا و وجود گازهای محافظ حوضچه است.

حلالیت هیدروژن هیدروژن در مس مذاب، در 1083 درجه سانتیگراد به میزان 6 سانتی متر مکعب در هر 100 گرم از فلز حل می شود ولی در حضور عناصر آلیاژی مثل قلع، روی یا آلومینیوم این حلالیت به شدت کاهش می یابد.

به طور مثال ، در آْلیاژ مس با 10 درصد آلومینیوم، حلالیت هیدروژن تا 50 درصد کاهش می یابد.

جذب هیدروژن توسط حوضچه مذاب از منابع مختلف مثل هوای محیط، مواد مصرفی، رطوبت و چربی و غیره انجام می گیرد.

با انجماد مس نیز، میزان حلالیت آن تا حدود کاهش می یابد.

در صنعت مس، تأثیر هیدروژن چه در حالت مذاب و چه در حالت جامد، یکی از فاکتورهای مهم به حساب می آید.

در حالت جامد، اگر مس در درجه حرارت های بالا با هیدروژن در تماس باشد، هیدروژن به دلیل دارا بودن شعاع اتمی بسیار کوچکتر نسبت به مس می تواند در مس نفوذ کرده و سپس تشکیل ملکول H2 بدهد و اگر در مس اکسیژن وجود داشته باشد، واکنش زیر حاصل خواهد شد : بخار آب تولید شده بر خلاف هیدروژن، در مس نامحلول است و بنابراین در اطراف مرزدانه ها جمع و به علت تراکم و فشار زیادی که ایجاد می کند، مرزدانه ها را سست، ضعیف و شکننده می کند.

(3).

این خاصیت خطرناک به هیدروژن تردی شهرت پیدا کرده، بنابراین در زمان جوشکاری باید از قطعات مسی و پر کننده هایی استفاده کرد که قبلاً اکسیژن زدایی شده باشند.

شکل (3) هیدروژن تردی در مس شکل (4) حلالیت هیدروژن در درجه حرارت های مختلف در مس بر اساس آنچه گفته شد، نتیجه گرفته می شود که معمولاً هیدروژن مازاد بر حلالیت، به دو صورت در مس بروز می نماید: - هیدروژن ملکولی که تحت تأثیر فشار داخلی و در جه حرارت مس مذاب انبساط یافته، و تخلخل های درشت در وسط جوش ایجاد می کند - هیدروژن اتمی آزاد شده که در اثر فعل و انفعلاتی تولید بخار آب می کند و در واقع تأثیر مشترک هیدروژن و اکسیژن را به قطعه مسی به صورت تخلخل های ریز و پراکنده، تحمیل می کند.

نکته آخر این که در هر درجه حرارت، افزایش مقدار اکسیژن به تقلیل حلالیت هیدروژن و بالعکس منجر می شود.

در نمودار شکل (5) نسبت حلالیت اکسیژن و هیدروژن در مس مذاب در دمای حدود 1200 درجه سانتی گراد، نشان داده شده است.

شکل (5) حلالیت توأم اکسیژن و هیدروژن در مس مذاب - حلالیت سایر گازها در جوشکاری مس، گازهایی مثل نیتروژن و Co2 کلاً بی تأثیر بوده و حتی می توانند حوضچه مذاب را از گازهای ناخالص دیگر حفاظت نمایند.

اما حضور گازهای گوگردی مثل SO2 ، علاوه بر ایجاد حباب های گازی و در نهایت تخلخل، با ایجاد سولفور مس Cu2S تأثیر زیادی در کاهش خواص مکانیکی مس خواهند داشت.

تأثیرات عناصر آلیاژی بر خواص جوش پذیری مس عناثر آلیاژی مختلف، بر حسب خواص و شرایط خاص خود، تأثیرات گوناگونی بر خواص فیزیکی و مکانیکی مس به ویژه در حالت جوشکاری اعمال می کنند.

عناصر افزودنی برای بهبود قابلیت ماشینکاری مثل سرب، گوگرد و تلوریم سرب مایع در داخل آلیاژهای مس، یکی از عیوبی است که ناشی ازخروج سرب از شبکه کریستالی در آخرین مراحل انجماد است.

در حقیقت وجود عناصری مثل سیلیسیم، آلومینیوم و گازهای محلول در مایع، باعث راندن سرب از داخل شبکه خواهد شد.

وجود گوگرد، تلوریم و حتی عناصری مثل سلینم و تیتانیوم، هرچند خواص ماشینکاری را افزایش می دهند، اما علاوه بر افزایش مقاومت الکتریکی، سبب سرخ شکنندگی (Redshortness) مس نیز می گردند و از این رو، در کاهش خواص جوش پذیری مس مؤثرند.

روی روی یکی از عناصر آلیاژ کننده اصلی مس به شمار می آید.

آنچه در این بحث قابل ذکر است، تأثیر شدید روی، بر افزایش قابلیت جوش پذیری مس است.

نکته قابل توجه دیگر بخارات سمی است که در حین جوشکاری ترکیبات مس و روی متصاعد می شوند که باید کاملاً مد نظر قرار گیرند.

قلع به طور کلی قلع، در حدود 1 تا 10 درصد با افزایش حساسیت مس به بروز ترک های گرم، قابلیت جوش پذیری را کاهش می دهد.

علاوه بر این، اکسید قلعی که در جریان جوشکاری حاصل شده و به صورت پودر سفیدی در کناره های جوش دیده می شود، بسیار شکننده بوده و استحکام جوش را تا حد زیادی از بین می برد.

تنها حسن وجود مقادیر ناچیز قلع، کاهش بخارات سمی در جریان جوشکاری مس محتوی روی است.

بریلیوم، آلومینیوم و نیکل وجود مقدار کمی از بریلیوم در مس، باعث می شود که خواص مکانیکی فلز حاصل با مس کاملاً متفاوت باشد.

مقدار بریلیوم اضافه شده به مس، همواره از 2 درصد بیشتر و از 5/2 درصد کمتر است.

زیرا اگر مقدار آن از 2 درصد کمتر باشد عملاً اثری روی خواص مکانیکی مس نداشته و اگر مقدار آن از 5/2 درصد تجاوز کند، آلیاژی شکننده به وجود می آید.

خواص مکانیکی آلیاژ به عملیات حرارتی روی آن بستگی دارد.

در هنگام جوشکاری باید با انتخاب صحیح نوع جریان و شدت قوس، لایه سخت اکسید برلیوم را از سطح آلیاژ زدود.

مورد استعمال آلیاژ در مواقعی است که به فلزی احتیاج باشد که در هنگام ساختن جسم مورد نظر نرم و چکش خوار بوده و پس از ساختن جسم با انجام عملیات معینی بتوان آن را سخت کرد و جسم ساخته شده، خواص عالی مکانیکی داشته باشد.

از مشخصات دیگر این آلیاژ، مقاومت عالی آن به خوردگی در مقابل هوا است.

نیکل در مس حل شده و باعث ریز شدن دانه ها می گردد.

به طور کلی، نیکل سبب بالا رفتن استحکام کششی خواهد شد، بدون آن که از مقدار فاز بکاهد.

این عنصر مقاومت به خوردگی آلیاژ را به خصوص در مقابل آب دریا بالا می برد.

آلیاژ را به خصوص در مقابل آب دریا بالا می برد.

مقدار نیکل در این آلیاژها در حدود 2 تا 7 درصد است.

آلیاژهای مس- نیکل را می توان مورد عملیات حرارتی قرار داد.

مهمترین خاصیتی که این آلیاژ پیدا می کند، حفظ کردن سختی در حرارت های نسبتاً بالا تا حدود 500 درجه سانتیگراد و تغییر در انبساط حرارتی آن است.

در هنگام جوشکاری این آلیاژها نیز برداشتن لایه اکسید نیکل سطح آلیاژ ضروری است که البته زحمت بسیار کمتری نسبت به لایه اکسید برلیوم و آلومینیوم دارد.

آلیاژهای مس- برلیوم- نیکل دار، دارای خواص مکانیکی و هدایت الکتریکی بالاتری نسبت به آلیاژ دوتایی هرکدام است.

زیرا در این حالت، ترکیب بین فلزی بین بریلیوم و نیکل به وجود آمده در نتیجه، عملیات حرارتی در توزیع این ترکیب بین فلزی و افزایش بعضی خواص مکانیکی آلیاژ کاملاً مؤثر بوده و مورد لزوم است.

این آلیاژها، در ساعت سازی دقیق برای ساختن رقاصک ساعت و فنرها به کار می روند و چون خاصیت مغناطیسی ندارند به فولادهای مشابه ترجیح داده می شوند.

آلومینیوم و مس دارای یک اتکتیک و یک اتکتوئید می باشند.

فاز در سرما و گرما چکش خوار بوده و آلیاژ تا 4/9 درصد آلومینیوم در سرما به صورت فاز است.

شبکه در گرما چکش خوار بودهولی تا حرارت 565 درجه سانتیگراد پایدار است و پس از آن تجزیه می شود.

بدین ترتیب، شبکه در حالت تعادل در درجه حرارتی کمتر از 565 درجه نمی تواند وجود داشته باشد.

وجود اتکوئید در دیاگرام تعادل دو فلز، امکان آب دادن آلیاژ را نشان می دهد و با آب دادن می توان شبکه را خارج از دامنه پایدار بودن خود در سرما نیز به دست آورد.

در حالت عادی، فاز در درجه حرارت 565 درجه سانتیگراد تجزیه شده و تولید می کند که شبکه کاملاً سخت و شکننده است.

آلیاژهای مس- آلومینیوم، محتوی تا 5 درصد آلومینیوم، دارای جوش پذیری خوبی هستند اما وقتی درصد آلومینیوم تا 10 درصد افزایش پیدا می کند، آلیاژها ترد و سخت می شوند.

آلیاژهای مس- آلومینیوم اغلب به صورت چندتایی بوده و با خود مقادیری آهن، نیکل یا منگنز دارند.

هر سه عنصر گفته شده تأثیرات تقریباً نزدیکی روی آلیاژ مذکور دارند.

خواص مکانیکی این آلیاژها، تقریباً شبیه فولادهاست اما از مقاومت به خوردگی بسیار بالاتری برخوردارند.

برای جوشکاری این آلیاژها، برداشتن لایه اکسید آلومینیوم سطحی از اهمیت ویژه ای برخوردار است، پس برای این منظور، استفاده از تمهیداتی که در بخش جوشکاری آلومینیوم ذکر شد، توصیه شده است.

فاصله حرارتی انجماد آلیاژهای مس و آلومینیوم عملاً بسیار کم بوده و در نتیجه انقباض متمرکز حاصل در قطعه جوشکاری شده، نسبتاً عمیق خواهد بود و باید تدابیر لازم را در این مورد پیش بینی شود.

سیلیسیم افزایش سیلسیم به مس باعث می شود که مقاومت به خوردگی آلیاژ بالا برود.

مقدار سیلسیم در حدود 4 درصد توصیه شده است.

این آلیاژ، در مقابل اسیدها و آمونیاک کاملاً مقاوم است و دارای خواص مشابه با برنزهاست ولی قیمت آن خیلی ارزان تر و سیالیت و خواص جوش پذیری بالاتری دارد.

به طور کلی، اگر مقدار سیلیسیم در آلیاژ کم باشد (حدود 1/0 تا 5/0 درصد) روی خواص الکتریکی مس اثر نکرده ولی باعث افزایش خواص مکانیکی خواهد شد.

سیلیسیم با نیکل، ترکیب بین فلزی به فرمول Ni2Si می دهد که به طور یکنواخت در مس پخش شده و سختی آلیاژ را به حدود 200 برینل می رساند در حالی که استحکام کششی آن 60 تا 70 کیلوگرم بر میلی مترمربع خواهد بود.

وجود مقادیری آهن نیز با ایجاد ترکیب بین فلزی Fe2Si باعث بهبود خواص مکانیکی فلزی خواهد شد.

سیلسیم علاوه بر این، یک اکسیژن زدای موفق است.

فسفر این عنصر، خواص مکانیکی مس را تقویت کرده ولی از مقدار هدایت الکتریکی آن می کاهد.

فسفر در اغلب آلیاژهای مس به عنوان اکسیژن زدا به کار می رود و به دلیل افزایش شدید سیالیت، باعث ایجاد سطوح غیر یکنواخت می شود، به خصوص در مورد آلیاژهای محتوی، سرب، عملاً قادر به انجام اکسیژن زدایی نیست.

مقدار فسفر مورد لزوم، معمولاً 02/0 تا 05/0 درصد است و جز در مورد آلومینیوم برنز، در سایر آلیاژها کم و بیش مورد استفاده قرار می گیرد.

محصول فعل و انفعال فسفر (P2O5) به صورت گاز، علاوه بر اکسیژن زدایی، در خروج گازهای محلول نیز مؤثر است ولی از طرف دیگر، حذف شرایط اکسیدی در مذاب، باعث افزایش جذب هیدروژن خواهد شد.

پس از القاء فسفر به آلیاژهای مس، همواره باید با افزایش سرعت جوشکاری و حفاظت کامل حوضچه جوش همراه باشد، تا از نفوذ مجدد هیدروژن جلوگیری شود.

لیتیم لیتیم عنصر دیگری است که خاصیت اکسیژن زدایی آن تقریباً 10 برابر فسفر می باشد و علاوه بر احیاء اکسیدها، عمل اخراج گازهای محلول (هیدروژن) را نیز با تشکیل (هیدرورلیتیم) (LiH) تشدید می نماید.

اشکال عمده فقط در نقطه ذوب LiO2 است که در شرایط جوشکاری به صورت بخار در می آیند.

کادمیم کادمیم تأثیر چندانی بر هدایت الکتریکی مس ندارد ولی خواص مکانیکی آن را افزایش می دهد.

آلیاژهای مس محتوی بیش از 25/1 درصد کادمیم به دلیل تشکیل اکسید کادمیم و افزایش نقطه ذوب آلیاژ، مشکلات کوچکی را برای جوشکاری قوس الکتریکی پدید می آورند که البته به سادگی مرتفع می شوند.

کرم کرم عملاً بر خواص مقاومت الکتریکی مس تأثیری نداشته ولی خواص مکانیکی آن را افزایش می دهد.

این عنصر، مانند برلیوم و آلومینیوم تولید اکسید مقاومی در سطح مس مذاب می کند.

پس برای جوشکاری آلیاژهای مسی که محتوی کرم هستند، استفاده از گازهای محافظ حوضچه توصیه می شود.

به طور کلی، خاصیت هدایت الکتریکی و خواص مکانیکی، دو عامل متضاد بوده و عناصر اضافه شده به مس، باعث تقویت یکی و کاهش دیگری خواهد شد.

باید در نظر داشت که هدایت الکتریکی مس خالص ماکزیمم بوده و اضافه کردن هیچ عنصری باعث بالا رفتن مقدار هدایت الکتریکی نمی شود.

آهن و منگنز آهن اغلب به عنوان عنصر کمکی در آلیاژهای مس- آلومینیوم، مس- نیکل، برنج ها و برنزهای آلومینیوم به میزان 4/1 تا 5/3 درصد وجود دارد.

آلیاژهای آهن دار، مس، نیازی به عملیات حرارتی بعدی ندارند زیرا وجود آهن سبب ریزدانه شدن آلیاژ شده و با تغییر در ساختار، تأثیر سرعت سرد شدن مذاب بر خواص مکانیکی را تقلیل می دهد.

بنابراین وجود آهن به این مقدار تأثیری بر خواص جوش پذیری فلز ندارد.

منگنز در مس اثراتی مشابه اثرات نیکل دارد اما مقدار این تأثیرات، به مراتب کمتر است، بنابراین وجود منگنز در مقادیر 2 تا 3 درصد بر خواص جوش پذیری آلیاژهای مس تأثیری ندارد.

بیسموت این فلز مقاومت الکتریکی را بالا بردن و باعث شکنندگی آن نیز می شود.

مقدار حلالیت بیسموت در مس، بسیار کم است ولی همان مقادیر کم نیز، بر خواص مکانیکی و هدایت الکتریکی اثرات مهمی باقی می گذارد.

اگر بیسموت به صورت اکسید باشد، اثر مضر آن کمتر خواهد بود.

مقدار مجاز این عنصر در فلز مس در حدود 007/0 درصد است و در هر صورت، خواص جوشکاری آلیاژ را کاهش داده و نیاز به عملیات پیشگرمایی و پسگرمایی را افزایش می دهد.

ارسنیک ارسنیک خالص، خاصیت چکشخواری مس در سرما را زیاد می کند.

همچنین خواص مکانیکی و سختی فلز را افزیش و هدایت الکتریکی آن را به شدت کاهش می دهد.

اگر ارسینک و بیسموت تواماً وجود داشته باشند، چون با یکدیگر وارد ترکیب می شوند اثر مضر کمتری بر خواص الکتریکی مس خواهند داشت.

حد مجاز وجود ارسنیک در مس، حدود 001/0 درصد است.

طلا و پلاتین این عناصر روی مقاومت الکتریکی و همچنین خواص مکانیکی، اثر چندانی ندارند بنابراین بر خواص جوش پذیری مس نیز تأثیر به خصوصی ندارند.

عوامل مؤثر بر جوش پذیری مس و آلیاژهای آن هدایت حرارتی (Thermal Conductivity) جوش پذیری مس و آلیاژهای آن، به شدت تحت تأثیر خواص هدایت حرارتی آنها قرار دارد.

جدول خواص جوش پذیری آلیاژهای گوناگون مس را توسط فرآیندهای مختلف جوشکاری و براساس خواص هدایت حرارتی هر یک، بررسی و با یکدیگر مقایسه می کنند.

تقسیم بندی آلیاژهای گوناگون مس در این جدول، براساس استاندارد UNS انجام شده است.

بررسی بعضی خواص شیمیایی و جوش مس و آلیاژهای گوناگون آن ادامه جدول همانگونه که از جدول مشخص شد، تقریباً کلیه آلیاژهای اصلی مس (به غیر از آلیاژهای برنج با روی زیاد)، برنج های دریایی و ورشو را می توان با تماس روش های جوشکاری به هم متصل کرد.

در این بین، بهترین روش جوشکاری برای آلیاژهای مس، روش های TIG و MIG است.

آلیاژهای مس- نیکل، برنز سیلیسیم دار، برنز آلومینیوم دار، فسفر- برنز و مس اکسیژن زدایی شده، از قابلیت های جوش پذیری بهتری نسبت به سایر انواع آلیاژهای مس برخوردارند.

آنچه در ستون هدایت حرارتی مشاهده گردید، اعدادی است که براساس یک استاندارد، به هر یک از آلیاژهای منسوب شده است.

در این استاندارد، هدایت حرارتی مس بدون اکسیژن (Oxygen – Free copper = OFC) که در مقیاس معادل 133 و در مقیاس معادل 226 است، با عدد 100 نشان داده می شود.

بنابراین سایر آلیاژهای موجود در جدول نیز، با همین مقیاس و به نسبت، با یک عدد مشخص شده اند.

در جوشکاری مس های تجاری و آلیاژهای مس که محتوی مواد آلیاژی کمتری هستند و در نتیجه از هدایت حرارتی بالاتری برخوردارند، نوع جریان و گاز محافظ باید به گونه ای انتخاب شود که با حداکثر حرارت ورودی، توزیع حرارت و پراکندگی آن در سطح قطعه خنثی و جبران شود.

علاوه بر آن، حتی آلیاژهایی که از هدایت حرارتی خیلی بالایی نیز برخوردار نیستند، به پیشگرمایی نیاز دارند و میزان پیشگرم کردن آنها، علاوه بر عدد هدایت حرارتی به ضخامت فلز نیز بستگی دارد.

حرارت بین پاسی نیز، باید همواره به اندازه دمای پیشگرمایی نگه داشته شود.

آلیاژهای مس جوشکاری شده ، نیازی به پسگرمایی ندارند اما برای جلوگیری از بروز عیوبی مثل ترک های طولی و سرخ شکنندگی، باید سرعت سرد شدن را کنترل نمود.

گاز محافظ (Shielding gas) در فرآیند جوشکاری قوس الکتریکی با گاز محافظ در جوشکاری مس و آلیاژهای آن، استفاده از گاز آرگون خالص یا مخلوطی از آرگون و 25 تا 75 درصد هلیوم توصیه شده است.

به دلیل گرانتر بودن هلیوم، نسبت به آرگون، به کارگیری آرگون یا مخلوط پرآرگون همواره اقتصادی تر است.

البته نباید فراموش کرد که گاز هلیوم قوس پایداری در جوشکاری آلیاژهای مس پدید آورده و از ایجاد جرقه جوش نیز جلوگیری می کند.

همچنین در فرآیندهایی که به حرارت ورودی بالاتری نیاز باشد، استفاده از گاز هلیوم یا مخلوط پر هلیوم همواره ترجیح داده می شود؛ به طور مثال، در جوشکاری مس خالص و آلیاژهای مس با هدایت حرارتی بالا مثل آلومینیوم- برنز، این امر توصیه شده است، زیرا در جریان جوشکاری با شرایط و پارامترهای مساوی، گاز هلیوم حدوداً بیشتر از آرگون، حرارت ورودی را از دست می دهد.

طرح اتصال (Joint design) طراحی اتصال برای جوشکاری قوس الکتریکی مس و آلیاژهای آن با طراحی اتصال برای فولادهای تفاوت های زیادی نمی کند.

برای قطعات مختلف و براساس ضخامت آنها، طرح اتصال مناسب را می توان انتخاب نمود : - برای قطعات تا ضخامت mm3 طرح اتصال I شکل استفاده می شود.

- برای قطعات ضخیم تر از mm3 طرح اتصال V شکل یا X استفاده می شود.

اما در هر حال، پاشنه پخ (Root face) نباید بزرگتر از mm3 باشد.

چون ضریب انبساط حرارتی مس تقریباً 5/1 برابر آهن است، پس احتمال پیچیدگی و تاب برداشتن آن در اثر جوشکاری به مراتب بیشتر از آهن است.

بنابراین در هنگام جوشکاری مس و آلیاژهای آن، استفاده از نگه دارنده و فیکسچرها توصیه شده است.

در این خصوص، توجه به نکات زیر ضروری است : - در قطعاتی که قرار است در یک طول زیاد از جوشکاری استفاده شود، به کارگیری فرآیند MIG و ترجیحاً به صورت اتوماتیک یا نیمه اتوماتیک توصیه شده است.

- در جوش های طویل، استفاده از خال جوش با فواصل مساوی و معین لازم است.

- استفاده از پشت بندهای مسی، گرافیتی یا سرامیکی و یا میله های پشت بند از همین جنس مرسوم است.

- برای دستیابی به عمق نفوذ کامل، استفاده از دو جوشکار که به طور همزمان از دو طرف در وضعیت عمودی روی قطعه، کار می کنند توصیه شده است.

- در صورتی که از روش TIG برای پاس اول استفاه می شود، به کار بردن تکنیک سوراخ کلیدی (Keyhile) با فاصله ریشه (Root gap) به اندازه mm3 توصیه شده است.

نمونه هایی از طراحی اتصال برای فرآیند TIG در جوشکاری مس و آلیاژهای آن پیشگرم کردن انتخاب درجه حرارت برای پیشگرم کردن قطعات مسی و آلیاژهای آن، بستگی زیادی به ضخامت، اندازه هدایت حرارتی و خواص مکانیکی مورد انتظار دارد.

شکل زیر رابطه بین ضخامت قطعه کار و دمای پیشگرمایی انتخابی را نشان می دهد.

رابطه درجه حرارت پیشگرم و ضخامت ورق مسی در مجاورت گازهای محافظ افزایش دمای پیشگرم تا حدود 500 درجه سانتیگراد، همواره سبب افزایش عمق نفوذ جوش در هنگام استفاده از گار آرگون به عنوان گاز محافظ می شود.

در حالی که در زمان استفاده از گاز هلیوم، اصولاً نیازی به پیشگرمایی نیست.

وضعیت جوشکاری به دلیل سیالیت بالای مذاب مس و اغلب آلیاژهای آن، استفاده از وضعیت تخت برای جوشکاری این مواد در اکثر موارد توصیه شده است.

در جوشکاری های گوشه و اتصالات T نیز، استفاده از وضعیت افقی (Horizontal) پیشنهاد می شود.

وضعیت عمودی (Vertical) ، سقفی (Over head) و افقی در جوشکاری اتصالات لب به لب، و در صورت لزوم قابل استفاده است اما باید سعی نمود تا جای ممکن تمهیداتی به کار رود که از این وضعیت ها پرهیز شود.

وضعیت های خاص، بیشتر برای جوشکاری TIG و MIG آلیاژهای آلومینیوم- برنز، فسفر- برنز و نیز آلیاژهای مس و نیکل در شرایط غیر ممکن استفاده می شوند.

در این وضعیت ها استفاده از الکترود تنگستن و مفتول جوشکاری با حداقل قطر، جریان جوشکاری حداقل و به صورت پالسی، برای کنترل حوضچه مذاب توصیه شده است.

ضخامت قطعه کار (Thikness) ضخامت قطعه کار، علاوه بر تأثیرگذاری روی انتخاب دمای پیشگرم ، قطر الکترود تنگستن، قطر مفتول جوشکاری و سایر پاارامترهای دیگر، تأثیر به سزایی در گزینش طرح اتصال به جا می گذارد که در بخش مربوطه توضیح داده شد.

ضخامت قطعه کار همچنین در انتخاب فرآیند جوشکاری نقش مهمی ایفا می کند.

ضخامت های بسیار نازک تا mm6 را می توان به راحتی با روش TIG و ضخامت بیش از آن را با روش MIG جوشکاری نمود.

آلیاژهای سخت و رسوب ناخالصی ها یا عناثر آلیاژی سخت کننده (Precipition – Handenable Alloys) برلیم، کرم، بور، نیکل، کبالت، سیلیسیم و زیرکونیم با رسوب در ساختار مس و پدیده رسوب سختی، سختی آلیاژ را تا حد قابل ملاحظه های افزایش می دهند.

به همین دلیل، در هنگام جوشکاری این آلیاژها باید تا جای ممکن از تشکیل اکسیدهای فلزی و غیرفلزی جلوگیری نمود.

همچنین انجام عملیات حرارتی پسگرمایی مثل آنیل یا نرمال کردن پس از جوشکاری در این شرایط بی فایده نخواهد بود.

ترک های داغ وسعت محدوده خمیری رد استحاله مایع به جامد حرارتی مذکور به ویژه آلیاژهای مس- قلع و مس- نیکل را در هنگام انجماد نسبت به ترک های گرم حساس نموده است.

مقدار مذاب بین دندریتی در این آلیاژها در هنگام انجماد، سبب می شود تا فضاهای خالی مستعدی برای بروز ترک در بین دندریت ها پدید آید.

تنش های انقباضی نیز در جریان انجماد نیز در جریان انجماد فضاهای خالی بین دندریتی را تشدید می کند.

برای کاهش ترک های گرم در جوشکاری و آلیاژهای آن، توجه به تذکرات زیر و رعایت آنها ضرورت است : 1- پیشگرم کردن 2- کنترل سرعت سرد شدن 3- کاهش اندازه درز اتصال (Root opening)، و 4- افزایش اندازه و بزرگی پاس ریشه.

خلل و فرج (Porosity) ناخالصی هایی مثل روی، کادمیم و فسفر که نقطه جوش های پایین دارند، در طی جوشکاری بخار شده و تولید خلل و فرج می نمایند.

برای کاهش دادن احتمال برزو خلل و فرج ها در محل جوش مس و آلیاژهای آن، باید سرعت جوشکاری را تا حد امکان بالا برده و از فلز پر کننده های استفاده شود که مقدار روی، کادمیم و فسفر آن تا حداقل ممکن باشد.

شرایط و وضعیت سطحی قطعه کار (Surface Condition) وجود گریس، چربی، روغن، اکسیدها و سایر کثافات در سطح قطعه کار، مانند سایر فلزات، موجب آلودگی و افت کیفی جوش می شود.

بنابراین باید قبل از شروع جوشکاری، عملیات کاملی برای چربی و اکسید زدایی سطح قطعه صورت پذیرد.

در آلیاژهای آلومینیوم- برنز و سیلیسیم- برنز، علاوه بر اعمال روش های شیمیایی و مکانیکی معمول باید در فاصله حدود mm150-10 در اطراف منطقه مورد جوشکاری با ماشینکاری، اقدام به تمیزکاری سطح نمود.

علاوه بر مواردی که در بالا شرح داده شد، در پروژه های گوناگون و بسته به نیازهای فنی از اتصالات طراحی شده، مباحث خوردگی و خواص فیزیکی، عوامل دیگری نیز در هنگام جوشکاری مس و آلیاژهای آن مد نظر قرار خواهند گرفت.

جوشکاری قوسی دستی به طور کلی در جوشکاری قوسی دستی مس معمولاً از الکترودهایی از جنس برنز سیلیسیم یا برنز قلع استفاده می شود.

زیرا در صورت استفاده از الکترود مسی، جوش متخلخل (کرمو) خواهد شد.

بنابراین اگر می خواهید مشخصه های فلز جوش، مثلاً از لحاظ رسانندگی الکتریکی، همانند مشخصه های فلز پایه باشد، باید از فرآیندهای تیگ یا میگ استفاده کنید.

اگر از فرآیند جوشکاری قوسی دستی استفاده می کنید، الکترود را به قطب مثبت منبع برق dc متصل کنید.

پس از پیشگرم کردن قطعه، جوشکاری را با قوس کوتاه انجام دهید و الکترود را تقریباً به حالت عمودی نگه دارید و آن را طبق الگویی هلالی به چپ و راست ببرید و در هر رویه ذوب اندکی مکث کنید.

جوشکاری تیگ به طور کلی برای جوشکاری تیگ مس از جریان مستقیم با الکترود منفی و گاز محافظ آرگون استفاده کنید (در مورد مقاطع خیلی ضخیم می توانید از هلیم استفاده کنید).

در هنگام جوشکاری می توانید پشت بندی از جنس فولاد زنگ نزن یا فولاد کم کربن به کار ببرید، اما این پشت بندها را باید با ترکیبات ضد پاشش پوششکاری کنید تا به خط جوش نچسبند.

جوشکاری میگ به طور کلی در جوشکاری میگ می توان از گازهای محافظ مختلف استفاده کرد.

استفاده از گازهای زیر امکانپذیر است: آرگون، نتیروژن، هلیم، مخلوطهای آرگون- نیتروژن و آرگون- هلیم.

نیتروژن و هلیم سبب ایجاد مقدار زیادی ترشح می شوند، اما آهنگ گرمادهی بالایی دارند؛ در صورت استفاده از این گازها، دمای پیشگرم را می توان پایینتر گرفت.

با استفاده از مخلوطهای آرگون- هلیم درزهایی با بهترین جلوه ظاهری جوش داده می شود.

پیشگرم کردن سبب اکسایش نواحی اطراف درز می شود.

برای جلوگیری از این پدیده می توان بیش از پیشگرم کردن قطعات، درزها را با مخلوط براکس و الکل پوشش داد.

پس از جوشکاری باید پسمانده تنکار را پاک کرد تا سبب خوردگی نشود.

جوش پذیری و جوشکاری مس بدون اکسیژن و مس خالص چقرمه الکترولیتی (Oxygen – Free and Tough pitch Coppers weldability , OFC & ETP) مس بدون اکسیژن با 95/99 درصد مس و مس چقرمه الکترولیتی با 90/99 درصد مس و 04/0 اکسیژن به عنوان مس خالص محسوب می گردند (برخی مشخصات آنها را می توانید در جدول ملاحظه نمایید).

برای جوشکاری این خانواده از فلزات توجه به نکات زیر ضروری است : 1- به طور کلی ، جوشکاری این فلزات با روش فرآیند MMA و الکترود دستی مرسوم نیست، زیرا امکان نفوذ اکسیژن در حوضچه افزایش یافته و در عین حال، امکان تمرکز حرارت را به اندازه کافی فراهم نمی آورد.

از این فرآیند، فقط در مواردی که تعمیر یک قطعه شکسته یا خورده شده ضخیم مورد نظر است، استفاده خواهد شد.

فرآیند MMA، برای جوشکاری مس با ضخامت حداقل mm6 توصیه شده و در ضخامت های کمتر از آن به هیچ وجه توصیه نمی گردد.

2- در فرآیند MMA، پیشگرم کردن قطعه کار به ضخامت mm6 تا 250 درجه سانتیگراد و بالاتر از آن به ازای افزایش هر میلی متر ضخامت، 15 درجه سانتیگراد بیشتر تا حداکثر 350 درجه سانتیگراد توصیه می شود.

3- در فرآیند MMA، استفاده از چهار نوع الکترود جوشکاری امکان پذیر است (الکترودهای قلیایی) : الف) الکترود ECU : AWS SFA – 5.6 با عدد استاندارد UNS : W60189 با استحکام کشش ksi 25 و انعطاف پذیری 20 درصد و سختی 20 تا 40 برینل، با جریان 250-50 آمپر برای قطرهای 5/2 تا 5 میلی متر به صورت DC مثبت در کلیه وضعیت ها به غیر از سقفی و عمودی سرازیر.