جوشکاری با گاز محافظ GMAW و GTAW

۱- جوشکاری با گاز محافظ (GMAW)

فرآیند GMAW یک فرآیند قوسی است که در آن از قوس ایجاد شده مابین الکترود سیمی پیوسته و حوضچه جوش استفاده شده و محافظت جوش از طریق منبع گاز خارجی نظیر گاز خنثی یا گاز CO_۲ و یا مخلوط آنها انجام می­شود. این روش دارای نام­های متفـاوتی نظیر MIG، MAG و جوش CO_۲می­باشد که نشان دهنده اهمیت این فرآیند است.

این فرآیند جهت جوشکاری، از گرمای قوس استفاده می­کند. گرمای قوس سطح فلز پایه و انتهای الکترود را ذوب کرده و  فلز ذوب شده از طریق قوس به قطعه کار منتقل می­شود. گاز محافظ ناحیه قوس را احاطه می­کند تا از نفوذ اتمسفر جلوگیری شود. الکترود معمولاً به طور اتوماتیک از یک قرقره تغذیه می­شود و نگهداری قوس ممکن است دستی یا ماشینی باشد. با توجه به جنس قطعه کار، ترکیب آلیاژی الکترود و نوع گاز محافظ متغیر است. فرآیند GMAW یکی از معمول­ترین فرآیندهای قوسی به شمار می­رود. توسعه اولیه این فرآیند برای جوشکاری آلومینیوم با استفاده از گاز خنثی بوده و از این روی نام MIG برای آن استفاده می­شود. برای جوشکاری فولادها، به علت پرهزینه بودن گازهای خنثی، از گاز CO_۲ استفاده شده است. به همین خاطر به این فرآیند جوش CO_۲ نیز گفته می شود. جـوش CO_۲ برای جوشـکاری فولادهـایی با ضخامت ۱-۶ میلی­متر در حالت مسطح، بسیار مناسب است. نام­های دیگری که به این فرآیند داده می­شود مربوط به نحوه انتقال فلز مذاب از الکترود به سطح کار می­باشد. نوع قوس قابل دسترسی در GMAW به­وسیله روش­های انتقال فلز از الکترود به حوضچه جوش مشخص می­شود. هر یک از روشهای انتقال، مربوط به فلز یا گروه آلیاژی خاصی هستند. این روش­های انتقال عموماً چهار نوع می باشند:

۱- انتقال پاششی

۲- انتقال کروی

۳- انتقال مدار کوتاه

۴- انتقال جریان ضربانی

در ادامه هر یک روش­های انتقال فوق به طور خلاصه توضیح داده می­شوند.

انتقال پاششی: در این روش فلز از انتهای سیم الکترود، طی یک جریان محوری از ذرات ریز منتقل می­شود. این ذرات ریز از انتهای باریک شده الکترود یکی پس از دیگری جاری می­شوند اما به هم متصل نیستند. ممکن است اندازه ذرات تغییر کند، اما در یک قوس پاششی بیشترین قطر ذرات کمتر از قطر الکترود می­باشد. قوس پاششی در جریان­های با چگالی بالا، عموماً با آرگون یا یک گاز غنی از آرگون روی می­دهد. گاز محافظی که ۱۰ تا ۱۵ درصد CO_۲ داشته باشد، نمی­تواند یک قوس پاششی واقعی ایجاد کند. این روش مزیت­هایی چون نفوذ زیاد، گرمای ورودی زیاد، نرخ رسوب بالا و کمترین میزان دود را داشته و در حالت­های افقی و مسطح برای جوشکاری فولادها به کار می­رود.

روش انتقال کروی: این روش در جریان­های با چگالی پایین روی می­دهد. وقتی انتهای الکترود ذوب می­شود، فلز مذاب به صورت قطره­ای در انتهای آن قرار می­گیرد تا نیروی جاذبه، به کشش سطحی قطره مذاب غلبه کند. دراین لحظه قطره به درون حوضچه جوش سقوط می­کند. انتقال کروی با همه انواع گازهای محافظ روی می­دهد. این روش برای موقعیت جوشکاری سقفی مناسب نیست و نسبت به سایر روش­های انتقال کمتر مورد توجه قرار می­گیرد.

انتقال مدار کوتاه: این روش در اکثر کاربردهای GMAW استفاده می­شود. مخصوصا برای اتصال مقاطع نازک، به خاطر کم بودن گرمای ورودی، روش مناسبی است. این روش امکان جوشکاری در هر موقعیتی را فراهم می­کند و با گازهای محافظ CO_۲، مخلوط آرگون و CO_۲، هلیم و مخلوط­های هلیم انجام می­شود. در شروع سیکل، انتهای الکترود به یک کره کوچک از فلز مایع تبدیل شده و سپس فلز مایع به طرف قطعه کار حرکت می­کند. در ادامه فلز مایع با قطعه کار تماس پیدا کرده و یک مدار کوتاه ایجاد می­نماید. در این مرحله از سیکل، انتقال فلز بوسیله جاذبه و کشش سطحی انجام شده و قوس خاموش می­شود. در نهایت پل مذاب، گسیخته شده و سیکل مجددا شروع می­شود. میزان و زمان روی دادن جدایش بوسیله منبع قدرت کنترل می­گردد. قطر و فرکانس قطرات مذاب به شدت جریان ولتاژ، قطر، جنس سیم و نوع گاز محافظ وابسته است.

انتقال جریان ضربانی: انتقال قطرات در این روش به صورت پاششی و با سطح شدت جریانی پایین­تر از آنچه که برای پاشش مداوم مورد نیاز است، می­باشد. بدین ترتیب که شدت جریان به صورت ضربانی بوده و میزان آن در قله سیکل، در سطح شدت جریان لازم برای انتقال پاششی و در مینیمم سیکل، مطابق با شدت جریان لازم برای انتقال کروی است. عمل ضربان با ترکیب خروجی هر دو منبع قدرت، که در دو سطح جریان کار می­کنند، به دست می­آید.

یکی از محدودیت­ها در شدت جریان بالا، عدم کنترل حوضچه مذاب در وضعیت­های غیر مسطح و یا سوراخ شدن موضع جوش بر روی ورق نازک است. اما نتجیه سیکل شدت جریان ضربانی، امکان عملیات جوشکاری در وضعیت­های غیر مسطح بر روی ورق­های نازک را فراهم می­سازد و کلیه مزایای انتقال پاششی با کمترین شدت جریان را نیز حفظ می­کند.

این فرآیند جوشکاری شامل دو روش MIG و MAG می­باشد. تفاوت این دو روش در نوع گاز مصرفی است. در روش MIG گاز محافظ گاز آرگون یا هلیوم بوده و در روش MAG گاز محافظ گازفعال است (Co2 یا ترکیبی از آن با گاز آرگون).

الف) منبع تغذیه GMAW

در منبع تغذیه این فرآیند، جریان الکتریکی از نوع مستقیم و یا معکوس می­باشد، که در اغلب کاربردهای GMAW از جریان DCEP استفاده می­شود. این نوع جریان دارای قوس پایدار، انتقال فلز یکنواخت، پاشش نسبتاً کم، خواص مناسب مهره جوش و بیشترین عمق نفوذ، برای محدوده وسیعی از جریان­های جوشکاری است.

DCEP: الکترود یا تفنگ جوشکاری، به قطب مثبت منبع الکتریکی وصل می­شود و قطب معکوس نام دارد.

DCEN: الکترود یا تفنگ جوشکاری به قطب منفی منبع الکتریکی وصل می­شود و قطب مستقیم نام دارد.

ب) کاربردهای فرآیند  GMAW

یکی از کاربردهای قدیمی GMAW، جوشکاری فلزات غیر آهنی با ضخامت بالا می­باشد. از این فرآیند بیشتر در صنایع ورقکاری استفاده می­شود. در صنایع لوله­سازی نیز از این فرآیند استفاده شده و جایگزین مناسبی برای جوشکاری­های قوس زیر پودری و SMAW می­باشد.

این فـرآیند برای جوشـکاری اکثر فلـزات استفـاده شـده و با اسـتفاده از روش­های انتقال، فرآیند­های آماده­سازی، استفاده از سیم­هایی با جنس و اندازه مختلف و همچنین با استفاده از گاز­های محافظ گوناگون، از قابلیت­های بالایی برخوردار است.

متغیرهای مدارکوتاه و قوس ضربانی برای جوشکاری مواد ضخیم­تر در موقعیت­های مختلف استفاده می­شوند. در ضخامت­های بالا از الکترودهای ضخیم­تر و گاز CO_۲ استفاده می­شود و همچنین فلزاتی با ضخامت ۱۳/۰ میلی­متر می­توانند با این فرآیند جوش داده شوند.

فـرآیند MAG عمـدتاً برای فولادهای غیر آلیاژی و MIG برای جوشکاری انواع فولاد­های زنگ­نزن وفلزات آهنی کاربرد دارد.

پ) مزایای فرآیند GMAW

از مزایای این فرآیند می توان به موارد زیر اشاره نمود:

– محدودیت طول الکترود موجود در روش SMAW، دراین فرآیند حل شده است.

– عملیات جوشکاری در تمام موقعیت­ها امکان پذیر است.

– سرعت جوشکاری بالا می­باشد.

– نسبت به روش SMAW نرخ رسوب بالایی دارد.

– عدم ایجاد سرباره

– امکان اتوماتیک شدن فرآیند

ت‌) محدودیت های فرآیند GMAW

محدودیت­های فرآیند GMAW عبارتند از:

– محدودیت جوشکاری در فضای روباز به خاطر امکان کاهش محافظت گاز محافظ از حوضچه جوش

– مشکل انتقال سیم­های نازک

– داشتن هزینه تعمیر نگهداری بالا نسبت به SMAW و همچنین هزینه بالای تجهیزات اولیه

– به علت عدم وجود سرباره، سرعت سرد شدن بالا بوده و این امر خواص متالوژیکی و مکانیکی جوش را تغییر می­دهد. احتمال تردی فلز جوش در فلزات سختی پذیر بیشتر می باشد.

ث‌) الکترود  GMAW

الکترود مصرفی در جوشکاریGMAW، دارای قطر ۴/۲-۶/۰ میلیمتر است. این الکترود معمولاً دارای پوشش مسی بوده و به­صورت کویل و قرقره در بازار موجود می­باشد.

۲- فرآیندجوشکاری GTAW

فرآیند GTAW یک فرآیند جوشـکاری قوسی است و گرمـای مورد نیاز آن جهـت جوشکاری، به­وسیله قوسی که مابین الکترود غیرمصرفی و قطعه کار ایجاد می­شود، تأمین می­گردد. محافظت حوضچه جوش از طریق یک گاز و یا مخلوط چندین گاز صورت می­ پذیرد. این فرآیند گاهی اوقات، جوشکاری TIG نامیده می­شود. در اروپا این فرآیند به نام Wig شناخته می­شود زیرا کلمه آلمانی معادل برای تنگستن،Wolf Gram  می باشد. در فرآیند جوشکاری GTAW، گرمای تولیدی قوس، سطح قطعه کار را ذوب کرده و حوضچه مذاب تشکیل می­دهد. برای مواد نازک و اتصالات لبه­ای از سیم جوش استفاده نمی­شود و این روش اصطلاحا به  Auto genusمعروف است. برای مواد ضخیم­تر، معمولا سیم­جوش میله­ای از خارج از حوضچه تغذیه می­شود. منطقه قوس به­وسیله گاز خنثی به عنوان محافظ، هوا را جابجا می­کند به­طوریکه اکسیژن و نیتروژن هوا، نمی­توانند با فلز مذاب و الکترود تنگستن تماس یابند. زمانی­که فلز مذاب خنک می­شود، تبلور روی داده و قطعات بهم متصل می­شوند. در این فرآیند چون الکترود مصرفی وجود ندارد، پاشش مذاب جزئی یا صفر است. در این فرآیند، دود بسیار کم بوده و یا اصلا وجود ندارد که در نیتجه جوشی صاف و یک نواخت حاصل می­شود و به حداقل ماشینکاری نیاز دارد. این فرآیند اغلب به روش دستی انجام شده، اما روزبروز بر کاربرد روش­های ماشینی و اتوماتیک آن نیز افزوده می­شود. همچنین برای جوشکاری نیمه اتوماتیک، تفنگـی­های مجهز شده به سیستم­های تغذیه سیم جوش نیز در دسترس می­باشند.

جوشکاری GTAW فرآیندی مناسب برای همه موقعیت­ها است. هرچند در موقعیت­های مختلف به عواملی چون نوع فلز، مهارت جوشکار وجریان جوشکاری وابسته است. این فرآیند اصولا برای فلزاتی که جوشکاری آن­ها مشکل است بوجود آمده و قابلیت جوشکاری انواع مختلف فلزات را دارد.

جوشکاری GTAW می تواند فلزات خیلی نازک را عموماً با روش اتوماتیک و بدون افزودن سیم جوش، جوشکاری نماید. برای ضخامت­های بالای ۲/۳ میلی­متر، معمولا نیاز به آماده کردن اتصال است. هرچند این مورد نیز به موقعیت جوشکاری و جنس قطعه کار بستگی دارد و در ضخامت­های بالاتر باید از چند پاس جوشکاری استفاده نمود.

الف) منابع تغذیه فرآیند GTAW

در فرآیندGTAW، از منابع تغذیه جریان ثابت استفاده می­شود. جریان AC یا DC  توسط منابع تغذیه ترانسفورماتور-رکتی­فایر یا ژنراتورهای AC یا DC چرخشی تأمین می­گردد.

با استفاده از جریان مستقیم (DC)، الکترود تنگستنی را می توان به قطب مثبت و یا قطب منفی منبع تغذیه متصل کرد. انتخاب الکترود منفی (کاتد) مرسوم­تر است. در این قطبیت، الکترون ها از الکـترود به سمت قطعه کار حرکت می­کنند و یون­های مثبت از قطـعه کار به سمت الکترون انتقـال می­یابند. این حالت رابرای DCEN، قطبیت مستقیم می­نامند و زمانی­که الکترود به قطب مثبت وصل است(آند)، جهت حرکت الکترون­ها و یون­های مثبت معکوس شده و این حالت را برای DCEP، قطبیت معکوس می­نامند.

هنگامی که قطبیت مستقیم است و از یک الکترود تنگستن استفاده می شود،تقریباً۷۰% از گرمای حاصله درآند و۳۰%درکاتد، توزیع می شود از آنجا که بیشترین مقدار گرما در قطعه کار تولید می شود، در یک جریان جوشکاری ثابت، عمق نفوذ جوشکاری در DCEN بیشتر از DCEP می باشد.

جریان DCEN رایج ترین حالت مورد استفاده درGTAW می­باشد و درآن می توان از آرگون، هلیم یا ترکیبی از هر دو برای جوشکاری بیشتر فلزات استفاده کرد.

ب‌) کاربرد فرآیند جوشکاری GTAW

کاربردهای جوشکاری GTAW بسیار گسترده است. این فرآیند برای جوشکاری فولادهای زنگ­نزن و آلیاژهای غیر آهنی نظیر آلومینیم، نیکل، تیتانیوم و مس و در مواقعی که نیاز به کیفیت جوش بالا باشد، نظیر اتصالات جوشی درصنایع شیمیایی و پتروشیمی به کار می­رود. صنایع هواپیمایی یکی از مهم­ترین مصرف کنندگان این فرآیند است. همچنین لوله­های با قطر کم و جدار نازک منحصراً با این فرآیند جوش داده می­شوند. تقریباً همه صنایع این فرآیند را برای جوشکاری مواد نازک به خصوص فلزات غیرآهنی استفاده می­کنند و صنایع تعمیر و نگهداری نیز یکی از عمده­ترین مصرف­کنندگان این فرآیند می­باشند.

پ) مزایای فرآیند جوشکاری GTAW

از مزایای این فرآیند می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

– توانایی ایجاد جوش­هایی با کیفیت بالا دراغلب فلزات و آلیاژ ها، به جز فلزات با نقطه ذوب پایین نظیر سرب و قلع

– جوشکار قادر به دیدن قوس و حوضچه مذاب می­باشد.

– پاشش مذاب کم یا نزدیک به صفر است.

– جوشکاری در همه موقعیت­ها قابل انجام است.

– هیچ سرباره­ای تولید نمی­شود و در نتیجه احتمال باقیماندن سرباره در مذاب وجود ندارد.

– قابلیت اتصال فلزاتی نظیر آلومینیوم و منیزیم که با سرعت اکسید می­شوند، وجود دارد.

ت‌) محدودیت های فرآیند جوشکاری GTAW

محدودیت­های این فرآیند عبارتند از:

– امکان ورود ذرات تنگستن به حوضچه جوش وجود داشته که این امر بر کیفیت جوش تأثیر می­گذارد.

– جوشکاری فلزات ضخیم­تر از ۶ میلی­متر وقتگیر و پرهزینه است.

– در صورت وجود باد، محافظت از حوضچه کاهش می­یابد.

– کثیف شدن الکترود تنگستن در حین جوشکاری

– گرانی تجهیزات

– چون حرارت منتقل شده در الکترود غیر مصرفی مفید نیست، در نتیجه این فرآیند دارای راندمان حرارت کم­تری نسبت به سـایر روش­هـای قوس فلز با محـافظت گـاز خنثی است و روش کندتر­ی محسوب می­­شود (بهره­وری فرآیند پایین است).

ث‌) الکترودهای به کار رفته در جوشکاری GTAW

در این روش از الکترود غیر مصرفی از جنس تنگستن و گاز محافظ برای محافظت قوس و فلز مذاب استفاده می­شود. قوس الکتریک آرام و پایدار و ایجاد جوش با کیفیت بالا از ویژگی های این روش است . شروع قوس الکتریکی از ایجاد جرقه توسط یک دستگاه فرکانس بالا، صورت می­گیرد.

 الکترود مورد استفاده باید دارای شرایط زیر باشد:

– هادی خوب جریان الکتریکی وحرارت

– نقطه ذوب بالا و مقاومت الکتریکی کم

– قابلیت بالا برای ساطع کردن الکترون

الکترودهای تنگستنی برپایه ترکیب شیمیایی، طبقه بندی شده­اند. سیستم شناسایی کد رنگ، برای دسته­های مختلف الکترودهای تنگستنی معرفی شده که در جدول قابل مشاهده است. همچنین در این جدول اطلاعاتی راجع به انواع الکترودهای تنگستن آورده شده است.

شکل نوک الکترود تنگستن یک متغیر مهم در فرآیند GTAW است. در جوشکاری با جریان AC از الکترودهای تنگستنی خالص زیرکونیم دار، که نوک آن به شکل گلوله نیم کره (گرد) است، استفاده می­شود.

برای جریانDC، معمولاً از الکترودهای تنگستنی توریم دار، سریم دار و لانتانیم دار استفاده    می شوند. نوک این الکترودها برای رسیدن به یک زاویه مشخص، سنگ زده می­شود. بطور کلی وقتی که زاویه زیاد می­شود، نفوذ جوش افزایش یافته وعرض مهره جوش کم می­شود. بنابراین نوک الکترود یک متغیر جوشکاری بوده که بایستی در هنگام نوشتن دستورالعمل جوشکاری مورد توجه قرارگیرد.

جوشکاری TIG برای اکثر فلزات با جریان مستقیم انجام شده و الکترود هم به قطب منفی (در بیشتر مواقع اوقات) و هم به قطب مثبت وصل می­شود. در اتصال الکترود به قطب منفی، نیاز به الکترود نازکتر است. در جوشکاری آلومینیم، الکترود به قطب مثبت وصل می­شود که این امر باعث شکسته شدن اکسید آلومینیم روی قطعه است. در برخی موارد از جریان متناوب نیز استفاده می­شود.

ج‌) گازهای محافظ

گازهای محافظ توسط نازل به قوس و حوضچه مذاب هدایت می­شود تا الکترود و حوضچه مذاب را از آلودگی اتمسفری محافظت کند. می­توان از گاز پشتی نیز برای محافظت در برابر اکسید شدن سطح پشتی جوش و سطح مجاور فلز پایه، استفاده کرد.

یکنواختی خط جوش در ریشه، عدم وجود بریدگی کناره جوش و مقدار مناسب گرده اضافی جوش در ریشه با استفاده از گاز محافظ پشتی حاصل می­شوند و دربعضی فلزات، گازمحافظ پشتی، ترک­های ریشه و حفره­های گازی را نیز کاهش می­دهد.

آرگون، هلیم و مخلوط این دو، مرسوم­ترین گازهای مورد استفاده می­باشند. مخلوط آرگون و هیدروژن برای بعضی از کاربردهای ویژه، نظیر جوشکاری لوله­هایی از جنس فولاد زنگ­نزن مورد استفاده قرارمی­گیرد. هیدروژن مانع ایجاد اثرات مخرب از جمله حفره­های گازی وترک­های هیدروژنی می­شود.

چ) انتخاب گاز محافظ

گازهای اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن، دی­اکسیدکربن، آرگون، هلیم و یا مخلوط آرگون-هلیم برای بیشتر کاربردها مورد استفاده قرارمی­گیرند. در جوشکاری قطعات بسیار نازک، لازم است از گاز آرگون به دلیل دارا بودن قوسی ملایم وآرام و عمق نفوذ کمتر نسبت به هلیم، استفاده شود. جداول ۱ و ۲  راهنمای مناسبی درباره انواع گازهای محافظ و کاربردشان در صنعت می­باشد.

جدول ۱: خصوصیات و انواع گاز محافظ

خصوصیات و انواع گاز محافظ

جدول ۲: راهنمای انتخاب گازهای محافظ

ح‌) گاز محافظ پشتی

در هنگام جوشکاری پاس­های ریشه، وجود هوا در پشت جوش می­تواند باعث آلوده شدن آن شود. برای جلوگیری از این مشکل، باید هوا را از این منطقه خارج کرد. آرگون و هلیم به­عنوان گاز محافظ پشتی در جوشکاری مناسب هستند. از نیتروژن در جوشکاری فولادهای زنگ­نزن، مس وآلیاژهای آن استفاده می­شود. سرعت جریان گاز با توجه به حجم پاکسازی در محدوده ۴۲-۵/۰ لیتر بر دقیقه قرار دارد. جریان گاز محافظ، اتمسفری خنثی معادل چهار برابر حجمی که قرار است از هوا تخلیه شود، بوجود می­ آورد.

وقتی تخلیه هوا کامل شد، جریان گاز پشتی بایستی در طول جوشکاری کاهش یافته تا فشار مثبت کمی در منطقه تخلیه شده بوجود آید. پس از تکمیل جوشکاری پاس ریشه، می توان گاز محافظ پشتی را قطع کرد. در جوشکاری فلزات فعال نظیر تیتانیم، فولادهای زنگ نزن وسوپر آلیاژها بهتر است جریان گاز محافظ پشتی تا تکمیل پاس دوم ادامه داشته باشد.

جوشکاری با گاز محافظ (GMAW)