جوشكاري با گاز محافظ
مقدمه
در فرايند جوشكاري با گاز محافظ، الكترود، قوس و حوشچه مذاب بوسيله گازها محافظت ميشوند. پس حوضچه مذاب به طور كامل سه برابر هوا (نيتروژن و اكسيژن) محافظت ميشوند.
GTAW جوشكاري قوس الكتريك با گاز محافظ و الكترود مصرف نشدني (تنگستن)
اين فرآيند را اغلب با نام T.I.G ميشناسند. و معمولاً به ان جوش آرگون هم گفته ميشود.
قوس الكتريكي گرماي لازم را براي جوشكاري فر اهم ميكند و عمل محافظت توسط گازهاي آرگون و هليوم فراهم ميشود. آرگون اغلب در اروپا استفاده ميشود و هليوم بيشتر در آمريكا زيرا گازهاي طبيعي آنها شامل مقدار زيادي هليوم ميباشد.
در روش دستي فلز پركننده بوسيله دست اضافه ميشود ولي در فرايند ماشيني توسط ابزار اتوماتيك اضافه ميشود. (شكل 1)
هنگامي كه از يك منبع تغذيه D.C استفاده مي شود اگر الكترود به قطب منفي متصل شود، گرماي بيشتر به قطعه كار رسيده و الكترود گرماي كمتري دريافت ميكند پس الكترود خنك خواهد ماند كه سبب كاهش مصرف الكترود تنگستني ميشود و نيز خطر آخال تنگستني در فلز جوش كاهش مييابد.
فلزاتي مثل آلومينيوم و منيزيم كه اكسيدهاي بهم پيوسته و نسبتاً محكم دارند توسط فرايند جوشكاري با جريان متناوب (A.C) جوشكاري ميشوند.
GTAW جوشكاري گاز محافظ با الكترود مصرف نشدني
اين فرآيند اغلب M.I.G گفته ميشود. در اين فرايند الكترود مصرفشدني توسط قوس الكتريكي ذوب شده و سبب پركردن درز جوش ميشود در اين فرايند ميتوان از جريانهاي بالا بهره گرفت كه سبب افزايش سرعغت جوشكاري ميشود.
وجود گاز محافظ سبب ميشود كه نياز به فلاكس براي محافظت از جوش نباشد پس كيفيت فلز جوش بهتر خواهد شد و مشكلات سرباره و آخال را نخواهيم داشت.
- گاز آرگون و مخلوطهاي گاز آرگون
استفاده از گازها و مخلوط آنها بستگي به فلز جوش دارد. گاز خالص آرگون اغلب در اروپا براي فلزات غيرآهني مورد استفاده قرار ميگيرد. ارگون همراه با اكسيژن و دياكسيد كرين در حين جوشكاري فولادها خواص قوس بهتري توليد ميكنند ولي سرعت رسوبگذاري را كاهش ميدهند. دو نوع از گازهاي مخلوط را در زير ميبينيد:
براي فولادهاي كربني 2Co %18+Ar
(شكل 2) براي فولادهاي ضد زنگ 2Co %2.5+Ar
- گاز دياكسيد كربن (2Co)
قيمت گران گاز آرگون سبب شد تا استفاده از گاز دياكسيدكربن گسترش يابد. اين گاز براي جوشكاري فولادها مورد استفاده قرار ميگيرد. از سيمجوشهاي مخصوص براي اين گاز بهره گرفتند تا بر مشكل اكسيدكنندگي طبيعي اين گاز غلبه كنند. خواص گاز دياكسيد كربن كاملاً با گاز ارگون متفاوت است.
2. فيزيك قوس الكتريكي
نكات مهم در جوشكاري قوس الكتريكي
- قوس الكتريكي منبع گرماست، سبب شكلدهي حوضچة مذاب و اغلب سبب ذوب الكترود ميشود.
- دماي بالاي قوس و سرعت بالاي پلاسماي قوس سبب ميشود تا واكنشهاي شيميايي بدون حوضچه شدت يابد و حوضچة جوش را بخوبي مخلوط و همگن ميكند.
- نيروي قوس سبب انتقال مذاب از الكترود به قطعه كار ميشود.
- نوع طراحي منبع تغذيه و گاز محافظ خواص پايداري قوس را مشخص مي كند.
- گاز He به دليل درجه يونيزاسيون بالا حدود 23 كيلو الكترون ولت توليد حرارت بيشتر نسبت به A.r كه حدود 15 كيلو الكترون ولت درجه يونيزاسيون آن ميباشد ميكند.
الكترونهاي به سمت آند و يونهاي مثبت به سمت كاتد حركت ميكنند. قوس شامل ستوني است كه گازهاي يونيزهشده هادي جريان الكتريستهاند.
ستون قوس بين دو قطب به سه ناحيه تقسيم ميشود كه از نظر خواص فيزيكي متفاوتند شكل (4و3) منطقة اطراف كاتد كه حدود cm6-10 است و فضاي آن مثبت است و منطقة اطراف آند كه فضاي اطراف آن منفي است و ناحية بين اين دو كه شامل ستون قوس ميباشد و بيشتر فضاي بين قطب مثبت و منفي را اشغال ميكند.
- مكانيزم قوس
براي سادگي كار جريان مستقيم را در الكترود تنگستني در نظر بگيريد. الكترونها از تنگستن گرم شده ساطع ميشوند و در فضاي بين دو قطب سرعت ميگيرد اين الكترونها به مولكولهاي گاز در ستون قوس برخورد كرده و دماي آنها را بالا ميبرد و گازهاي يونيزه شده و هادي جريان ميشوند.
- دماي قوس
(شكل 12) نقشه ايزوترم يك قوس را نشان ميدهد. دما نزديكي كاتد در يك نقطه حدود ok20000 ميباشد و آمپر حدود A400 ميباشد.
دماي قوس درون ستون قوس از بالا به پايين و از مركز ستون قوس به كنارهها كاهش مييابد.
انرژي قوس = يونيزه شدن هوا + يونيزه شدن گاز محافظ
- روشن كردن قوس
شروع يك قوس ممكن است به چندين روش متفاوت صورت گيرد:
· روش كردن تماسي Touch Striking
· ولتاژ بالاي DC High voltage DC
· ولتاژ بالا و فركانس بالا High voltage , High frequency
· افزايش ناگهاني ولتاژ High voltage
روشن كردن قوس تماسي
اگر الكترود با قطعة كر تماس پيدا كند، اتصال كوتاه رخ خواهد داد، سپس با كشيدن سريع الكترود تنگستن گرم شده و قوس به پايداري ميرسد.
شكل عمده روش تماسي آنست كه گاهي اوقات سبب توليد اخال تنگستني ميشود و سبب عيوب در جوش ميشود.
براي TIG روش تماسي روش مناسبي نيست ولي براي GMAW يك روش نرمال و كارآمد ميباشد.
ولتاژ بالاي DC
اگر يك منبع تغذيه با ولتاژ بالا فراهم شود، اين اختلاف پتانسيل دو سر قطب مثبت و منفي سبب يونيزه شدن فضاي دو قطب شده و قوس برقرار ميشود، براي گاز آرگون ولتاژ مورد نياز حدود KV 10-5 ميباشد اين ميزان ولتاژ بسيار خطرنك است.
فركانس بالا- ولتاژ بالا
خطرناك بودن ولتاژ بالا را با ايجاد فركانس جريان بالا حل كردهاند (بعنوان مثال MHZ5 و kv3) چون جريان فركانس بالا و ولتاژ بالا از لايه بيروني پوست حركت كرده و خطري براي انسان ندارد.
اين روش در TIG بيشتر استفاده ميشود. شكل اين روش توليد Radio noise نويزهاي راديويي است كه سبب اختلال در سيستمهاي كامپيوتري و كنترل از راه دور دستگاهها و ... ميشوند.
تجهيزات جوشكاري با گاز محافظ
- GTWA
شكل 6 اين تجهيزات را كه با سيستم آب گرد خنك ميشود نشان ميدهد.
اين تجهيزات شامل سه قسمت اصلي است.
- منبع تغذيه
- تفنگجوش
- سيلندر گاز
- GMAW
شكل (7) تجهيزات GMAW را كه با سيستم آب گرد خنك ميشود نشان ميدهد.
تجهيزات GMAW شامل
- سيلندر گاز محافظ
- ابزار تغذيه سيم
- تفنگ جوش
- خصوصيات الكتريكي منبع تغذيه
منحني مشخصة دستگاههاي تغذيه نشاندهنده مشخصات ولتاژ و آمپر و طول قوس در هر نقطه از شرايط كاري است.
نوع دستگاهها براي آمپرهاي مختلف
آمپرهاي پايين حدود A150
دستگاه هواخنك
آمپرهاي بالا بالاتر از A150 دستگاه آبخنك
- منبع تغذيه جريان ثابت
منحني مشخصة جريان ثابت (شكل 8 و 9) داراي اين خصوصيت ميباشد كه با تغييرات كوچك ولتاژ تقريباً ميزان جريان ثابت ميماند، از اين منحنيها در دستگاههاي دستي (MMAW) و TIG بهره ميگيرند.
- منبع تغذيه ولتاژ ثابت
منحني مشخصة ولتاژ ثابت (شكل22) داراي اين خصوصيت ميباشد كه با تغييرات كوچك جريان ولتاژ تقريباً ثابت ميماند، از اين منحنيمشخصه در دستگاه (GMAW) استفاده ميشود.
- گاز محافظ
نوع گاز محافظ اثرات زيادي بر فرايند جوشكاري دارد. گاز محافظ از الكترود و حوضچة جوش در مقابل هوا محافظت ميكند.
گاز محافظ به دو دسته گازهاي فعال و گازهاي خنثي تقسيم ميشوند.
- گازهاي خنثي Inert Gases
گاز خنثي گازي است كه اثر متالوژيكي بر حوضچة مذاب نداشته باشد.
گاز خنثي نميسوزد، تركيب نميشود و سبب سوختن نميشود.
-گازهاي خنثي مورد استفاده
- ارگون
گاز غير قابل اشتعال، بيبو، از هوا سنگينتر ميباشد. آرگون از هوا تهيه ميشود، حدوداً %9/0 هوا ارگون ميباشد.
- هليوم
گاز غير قابل اشتعال، بيبو، سبكتر از هواست. هليوم معمولاً از گازهاي طبيعي بدست ميآيد.
مزاياي هليوم
براي جوشكاري مس با TIG بسيار مناسب است و سبب بالا رفتن دما در قوس ميشود.
معايب هليوم
قيمت گران و نيز هليوم سبكتر از هواست و براي محافظت به حجم بيشتر و سرعت بيشتري از گاز هليوم نياز است.
- گازهاي فعال
گازهايي كه از نظر شيميايي فعال هستند، مثل2co و 2 o. اين گازها با حوضچة مذاب واكنش شيميايي ميدهند.
انتخاب گاز محافظ
براي انتخاب گاز محافظ موارد زير را بايد در نظر داشت:
- فلز پايه
- نوع فرايند جوشكاري
- خواص مورد نياز در جوش (شكل 11)
براي فرايند TIG فقط از گازهاي خنثي استفاده ميكنند.
بري فرايند MIG/MAG هم از گاز خنثي و هم گاز فعال بهره ميگيرند.
گازهاي پشتي Forming gas (Backing gas)
گاز پشتي براي محافظت از پاس ريشه بسيار ضروري است. بعنوان مثال براي فولادهاي ضدزنگ، اين گازها از تشكيل اكسيد در ريشة جوش جلوگيري ميكنند.
يك نوع از گاز محافظ پشتي
در مثال فوق براي گاز پشتي دست كم بايد ميزان هيدروژن %10 باشد تا سبب انفجار نشود.
تجهيزات گاز محافظ
1. رگولاتور
وظيفه رگولاتور كاهش فشار گاز داخل سيلندر به فشار كاري است و نيز ثابت نگهداشتن فشار گاز در حين كار ميباشد(شكل 12)
2. فلومتر
فلومتر براي كنترل سرعت جريان گاز در تفنگ جوش ستفاده ميشود فلومتر برحسب ليتر بر دقيقه كاليبره ميشود. فشار گاز با شيري كه روي فلومتر نصب شده است كنترل ميشود. (شكل 13)
3. سيلندر
گازها درون سيلندرهايي با فشار بالا نگهداري ميشوند و يا بصورت مايع ذخيره ميشوند.
رگولاتورها و فلومترها بايد فقط براي گازي كه طراحي شدهاند مصرف شوند.
الكترود
فلز پركننده معمولاً از نظر شيميايي شبيه فلز پايه است اما هميشه اينگونه نيست. معمولاً تركيب مغز پركننده مطابق با شرايط جوشكاري و خواص فلز پايه انتخاب ميشود. براي اين منظور براي توليد فلز پركننده از نظر شيميايي، خلوص و كيفيت نسبت به فلز پايه كنترل دقيقتري صورت مي گيرد.
سيمجوش جامد Solid wire
سيم جوش جامد توسط نورد گرم توليد ميشود پس از نورد و كشش يك پوشش از مس براي جلوگيري از زنگزدن روي آن ميكشند (به جز سيمهاي زنگنزن)
سيم جوش توپودري Flux cored wire
حدود سال 1927 شركت بوهم سيمجوشي را طراحي كرد كه آن را سيم جوش هستهاي ناميد اين سيمجوش براي مقاصد خاصي مثل افزايش سرعت جوشكاري و محافظت بيشتر از حوضچه مذاب طراحي شد (شكل 14)
براي ساخت سيمجوش توپودري يك سيم از فولاد را (شكل 15) به شكل u درآورده و داخل آن از پودر جوش كه شامل كربناتها و اكسيدزداها ميباشند پرميكنند و سپس سيم به صورت لوله درآمده و ان را ميكشند و به قطرها و اندازههاي مناسب عرضه ميكنند.
برخي مزاياي سيمجوش توپودري نسبت به سيمجوش جامد شامل افزايش سرعت جوشكاري، محافظت بهتر، عيوب كمتر، حمل و نقل راحتتر، جوشكاري آسانتر، خواص مكانيكي مطلوبتر است و از نظر اقتصادي مقرون به صرفه مي باشد.
