800x600

جوشكاري تيك TIG

Tungsten inert Gas welding

Gas Tungsten Arc welding (GTAW)

جوشكاري با الكترود تنگستني و گاز محافظ GTAW يك فرايند جوشكاري ذوبي بوده و حرارت لازم براي ذوب فلز پايه و سيم‌جوش مصرفي از طريق تشكيل قوس الكتريكي بين الكترود تنگستني (غيرمصرفي) و سطح كار ايجاد مي‌گردد. در اين فرايند براي محافظت قوس الكتريكي، حوضچه جوش و مناطق حرارت ديده اطراف از يك گاز خنثي استفاده مي‌گردد. اين فرايند مي‌تواند با اضافه كردن و يا دون فلز پركننده (سيم‌جوش) مورد استفاده قرار گيرد.(شكل 1)

فرايند جوشكاري GTAW به عنوان يك روش مناسب براي بسياري از صنايع ضروري شده است. زيرا جوشي با كيفيت بالا ايجاد مي‌كند و تجهيزت كمي نياز دارد. هدف اين درس بحث و بررسي اساس فرآيند، تجهيزات، موارد استفاده و نكات ايمني آن است در ابتداي دهه‌1920 امكان استفاده از گاز هليوم براي محافظت از قوس الكتريكي و حوضچة جوش مطرح شد.  در آن زمان هيچ پيشرفتي در اين روش انجام نشد. در جنگ جهاني دوم وقتي كه نياز زيادي به توسعه صنعت هواپيمايي احساس شد بجاي پرچ كردن اتصالات فلزاتي نظير آلومينيوم و منيزيم از جوشكاري تيگ استفاده شد. با استفاده از الكترود تنگستني و ايجاد قوس با جريان مستقيم الكترودمنفي، يك منبع گرمايي مؤثر و باثبات ايجاد شد كه با آن جوشهاي عالي مي‌توانست، ايجاد شود. گاز هليوم براي عمل محافظت انتخال شد چون در آن زمان تنها گاز خنثي‌اي بود كه به آساني در دسترس بود. فرآيند جوشكاري با الكترود تنگستني و گاز محافظ به جوشكاري تيگ TIG معروف شده است. اگرچه اصطلاحات فني انجمن جوشكاري آمريكا (AWS) براي اين فرايند (GTAW) مي‌باشد. زيرا براي محافظت مي‌توان تركيب از گازهايي كه خنثي نيست، را براي كاربردهاي معيني استفاده نمود. براي مثال مي‌توان از گاز فعال 2H+Ar براي جوشكاري فولادهاي رنگ‌نزن آستنتي استفاده نمود از روزهاي نخستين اختراع اين فرآيند در تجهيزات آن پيشرفت‌هاي زيادي حاصل شده است. مخصوصاً منابع نيرو جريان، براي اين فرآيند توسعه يافته‌اند. مشعل‌هاي هوا خنك و آب خنك نيز پيشرفته‌ شده‌اند. براي بالارفتن قابليت انتشار و پخش الكترونها از سطح الكترود تنگستني، درصد كمي از عناصر فعال بصورت آلياژ به الكترود تنگستني اضافه شده است. كه اين امر باعث بهبود بخشيدن به شروع قوس، پايداري قوس و طول عمر الكترود شده است. گازهاي محافظ مخلوط براي بهتر شدن خصوصيات قوس معرفي شده است. محققان در حال حاضر در تلاش براي بهبود بخشيدن بيشتر به كنترل‌هاي اتوماتيك سنسورهاي كنترل قوس و نفوذ و ... مي‌باشند.

 

توضيح و تعريف فرايند

در اين فرايند از يك الكترود تنگستني (يا آلياژ تنگستن) مصرف نشدني كه در داخل مشعل قرار گرفته است، استفاده مي‌گردد. از گاز محافظ كه از سر نازل خارج مي‌شود براي محافظت از الكترود، حوضچة جوش مذاب و جلوگيري از تأثير مخرب بعضي عناصر موجود در هوا استفاده مي‌گردد. در اثر عبور جريان از گاز محافظ يونيزه و رسانا شده و قوس الكتريكي ايجاد مي‌گردد. قوس بين نوك الكترود و سطح قطعه كار ايجاد مي‌گردد. فلز پايه بوسيله گرماي قوس ذوب شده و حوضچة مذاب در يك لحظه كوتاه ايجاد مي‌گردد. مشعل در راستاي مسير اتصال بحركت درآمده و باعث ذوب لبه‌هاي اتصال به صورت مداوم مي‌گردد.

اگر از فلز پركننده‌اي براي پرنمودن درز اتصال استفاده شود به داخل حوضچه جوش اضافه مي‌شود. براي انجام جوسكاري (GTAW) چهار جزء تشكيل‌دهنده زير امري اساسي مي‌باشد.

1.      منبع نيرو

2.      مشعل

3.      الكترود

4.      گاز محافظ

 

مزاياي جوشكاري تيگ

1.      حاصل اين فرايند، جوش با كيفيت بالا و بدون عيب مي‌باشد.

2.      اين فرايند بدون پاشش جرقه مي‌باشد در صورتي كه فرايندهاي ديگر با پاشش جرقه همراه مي‌باشند.

3.      در اين فرايند قطعات را مي‌توان با استفاده از سيم‌جوش و يا بدون آن جوشكاري نمود.

4.      اين فرايند، كنترل عالي در نفوذ جوش پاس ريشه را امكان‌‌پذير مي‌سازد.

5.      جوشكاري ورق‌هاي نازك را مي‌توان با سرعت بالا انجام داد.

6.      اين فرايند اجازه كنترل دقيق بر روي شكل گرده جوش را مي‌دهد.

7.      اين فرايند مي‌تواند براي جوشكاري اكثر فلزات و همچنين جوشكاري فلزات غيرمشابه استفاده شود.

8.      در اين فرايند منبع گرما و افزودن فلز پركننده بصورت مستقل كنترل مي‌شود.

9.      اين فرايند در همه حالات قابل استفاده مي‌باشد.

10.   دود بسيار كمي از فرآيند ايجاد مي‌شود.

 

محدوديت‌هاي فرايند تيگ

موارد ذيل برخي از محدوديتهاي فرآيند جوشكاري تيگ مي‌باشد

1.      نرخ رسوب در اين فرايند كمتر از روشهاي جوشكاري با الكترود مصرف شدني است.

2.      اين روش نياز به مهارت بالاي جوشكاري نسبت به ديگر فرايندهاي ديگر دارد.

3.      اين روش براي جوشكاري ورقهاي ضخيم‌تر از 10 ميليمتر مقرون بصرفه نمي‌باشد.

4.      در اين روش محافظت مناسب از حوضچه جوش در محيطي كه باد مي‌وزد، مشكل است.

 

عيوب حاصل از اين فرايند عبارتند از:

1.      اگر الكترود با حوضچه جوش تماس پيدا نمايد، باعث ايجاد عيب آلودگي تنگستني مي‌گردد.

2.      اگر حفاظت مناسب از نوك فلز پركننده (سيم‌جوش) توسط گاز محافظ صورت نگيرد باعث آلودگي فلز جوش مي‌شود.

3.      اين فرايند به آلودگي و كثيف‌بودن فلز پايه و فلز پركننده حساس است.

4.      نشت آب از مشعلهاي آب خنك باعث اكسيدشدن و تخلخل در فلز جوش مي‌گردد.

5.      در اين فرايند همانند فرايندهاي ديگر استفاده از جريان DC مي‌تواند باعث ايجاد وزش قوس شود.

6.  در فرايندهاي جوشكاري افزايش ولتاژ باعث مي‌شود تمركز جوش كمتر و پهناي حرارتي بيشتر شود و در نتيجه منطقه H.A.Z هم افزايش مي‌يابد.

 

متغيرهاي فرايند جوشكاري تيگ

متغيرهاي جوشكاري تيگ عبارتند از : ولتاژ قوس (طول قوس)، شدت جريان، سرعت جوشكاري و گاز محافظ مي‌باشد. مقدار انرژي حرارتي توليد شده توسط قوس الكتريكي به ولتاژ و شدت جريان بستگي دارد ‌ مقدار رسوب فلز جوش در واحد طول با سرعت جوشكاري نسبت عكس دارد. قوس الكتريكي با استفاده از گاز هليوم نفوذ بيشتري نسبت به گاز آرگون ايجاد مي‌نمايد.(بخاطر ولتاژ يونيزاسيون بالاتر گاز هليوم)

 حرارت ورودي به قطعه كار براي همه فرايندها

 

شدت جريان الكتريكي

بطور كلي شدت جريان در قوس الكتريكي نفوذ جوش را كنترل مي‌نمايد. همچنين مقدار جريان بر روي ولتاژ قوس نيز تأثير مي‌گذارد . اين فرايند مي‌تواند با جريان مستقيم و جريان متناوب مورد استفاده قرار گيرد، البته انتخاب نوع جريان به فلزي كه جوئشكاري مي‌شود بستگي دارد. جريان مستقيم با الكترود منفي، براي نفوذ زياد و سرعت جوشكاري بالا استفاده مي‌شود. مخصوصاً هنگامي كه از گاز هليوم به عنوان گاز محافظ استفاده مي‌شود. هليوم گزينه مناسبي براي جوشكاري مكانيزه و جوشكاري فلزاتي كه داراي قابليت هدايت حرارتي بالايي هستند،مي‌باشد جريان متناوب عمل تميزكاري كاتدي را فراهم مي‌كند اگر اكسيدهاي مقاوم و سخت بر روي فلزات مورد جوشكاري (نظير اكسيد آلومينيوم يا اكسيد منيزيم) وجود داشته باشد، توسط تميزكاري كاتدي برداشته مي‌شود و باعث ايجاد جوش سالم و مناسب مي‌شود. در اين گونه موارد بايد از گاز محافظ آرگون استفاده شود. زيرا گاز هليوم باعق عمل تميزكاري لايه اكسيدي نمي‌شود. گاز آرگون گزينه مناسبي براي جوشكاري دستي با جريان مستقيم و جريان متناوب مي‌باشد. اگر ولتاژ آمپري بالا رود باعق مي‌شود كه تنگستن سريعتر اكسيد شود.

سومين گزينه در منبع نيرو براي جوشكاري، استفاده از جريان مستقيم با الكترود مثبت مي‌باشد اين قطبيت به ندرت استفاده مي‌شود. زيرا باعث ايجاد گرماي بسيار زيادي در نوك الكترود و ذوب آن مي‌گردد. جزئيات بيشتر در مود تأثير قطبيت در بخش‌هاي بعدي توضيح داده مي‌شود.

ولتاژ قوس

مقدار ولتاژ بين الكترود تنگستني و سطح كار، ولتاژ قوس ناميده مي‌شود. ولتاژ قوس متغيري مي‌باشد، كه تحت تأثير موارد زير مي‌باشد:

1. جريان قوس               

2. شكل و حالت نوك الكترود تنگستني

3. فاصله بين نوك الكترود و سطح كار (طول قوس)

4. نوع گاز محافظ ولتاژ قوس توسط متغيرهاي ديگر نيز تغيير مي‌نمايد.

طول قوس در اين فرايند بسيار مهم است زيرا بر روي پهنا و عرض حوضچه جوش تأثير مي‌گذارد. پهناي حوضچه جوش به طول قوس بستگي دارد  به همين خاطر در بيشتر موارد استفاده (بغير از بعضي از ورق‌هاي خاص) طول قوس مورد نظر بايد كوتاه‌ترين حد ممكن باشد. البته اگر طول قوس بسيار كوتاه باشد، احتمال برخورد الكترود و سيم‌جوش باهم و يا با حوضچه مذاب وجود دارد. يك مورد استثنا وجود دارد و آن در جوشكاري مكانيزه با استفاده از گاز محافظ هليوم و جريان DCEN و شدت جريان زياد، امكان فرو بردن نوك الكترود در مذاب و مخفي شدن آن جهت توليد نفوذ عميق امكان‌پذير مي‌باشد. اما بايد بصورت جوشي با عرض باريك و سرعت زياد انجام شود كه اين تكنيك قوس مخفي ناميده مي‌شود. وقتي كه از ولتاژ قوس براي كنترل طول قوس در كاربردهاي حساس استفاده مي‌شود، بايد به متغيرهاي ديگر كه بر روي ولتاژ تأثير مي‌گذارند توجه داشته باشيم. در رأس همه عيوب آلودگي توسط الكترود و گاز محافظ، تغذيه نامناسب سيم‌جوش و تغيير دماي الكترود و فرسايش و سائيدگي الكترود مي‌باشد.

سرعت پيشروي

سرعت پيشروي برروي نفوذ و عرض گرده جوش در جوشكاري تيگ تأثير مي‌گذارد. اگر چه تأثير آن بيشتر بر روي پهناي جوش بيشتر ديده مي‌شود تا در نفوذ جوش، سرعت پيشروي به خاطر تأثيري كه بر قيمت و هزينه دارد بيشتر مورد اهميت مي‌باشد. در بعضي موارد و كاربردها، سرعت پيشروي به عنوان يك هدف با متغيرهاي انتخاب شده ديگر، براي بدست آوردن ظاهر جوش مورد نظر در همان سرعت، تعريف شده است. در موارد ديگر پيشروي، ممكن است يك متغير وابسته باشد كه براي بدست آوردن كيفيت جوش و تناسب مورد نياز، تحت بهترين حالت ممكن با ديگر متغيرها انتخاب شود.

صرف نظر از موارد ديگر هنگامي كه ديگر متغيرها نظير جريان يا ولتاژ براي كنترل جوش تغيير مي‌كند، سرعت پيشروي عموماً در جوشكاري‌هاي مكانيزه ثابت است.

 

تغذيه سيم‌جوش

در جوشكاري دستي، نحوه اضافه كردن فلز پركننده به حوضچه مذاب بر تعداد پاسهاي مورد نياز و ظاهر تمام شده جوش تأثير مي‌گذارد.

در ماشينها و دستگاه‌هاي جوشكاري اتوماتيك سرعت تغذيه سيم مقدار رسوب فلز جوش را به ازاي طول جوش تعيين مي‌كند. كم كردن سرعت تغذيه سيم مقدار نفوذ را بالا مي برد و حدفاصل مهره‌ها را پهن و مسطح مي‌كند. تغذيه كردن بسيار كند  و ارام سيم جوش مي‌تواند باعث ايجاد خوردگي كناره جوش (under cut) ترك در خط مركزي جوش و عدم پرشدن اتصال مي‌شود. بالا بودن سرعت تغذيه سيم، نفوذ را كم نموده و گرده جوش را محدب مي‌كند.

 

تجهيزات مورد نياز

تجهيزات مورد نياز GTAW شامل منبع نيرو، مشعل، الكترود و گاز محافظ مي‌باشد. سيستم‌هاي مكانيزه ممكن است داراي كنترل‌هاي ولتاژ قوس، نوسان‌دهنده عرضي قوس و سيستم تغذيه سيم باشد.

 

شعله‌هاي جوشكاري

مشعل‌هاي تيگ، الكترود تنگستني را كه رساناي جريان الكتريكي به قوس است را در خود نگه مي‌دارد همچنين عامل رساندن گاز محافظ به منطقه قوس و حوضچه مذاب مي‌باشد.

مشعلها با توجه به ظرفيت حمل حداكثر جريان جوشكاري بدون گرم شدن زياد، سنجيده مي‌شوند و تقسيم‌بندي ظرفيت حمل جريان مشعلها در جدول آمده است.

بيشتر مشعلها با توجه به تطابق آنها با درجه و سايز الكترود در مدلها و اندازه و سايز مختلفي طراحي شده است.

بيشتر مشعلهايي كه كاربرد دستي دارند داراي زاويه سرمشعل 120 درجه (زاويه بين الكترود و دسته مشعل) مي‌باشند. همچنين مشعل‌هايي با زاويه سر قابل تنظيم و مشعل‌هاي مستقيم (مدادي) و با زاويه سر 90 نيز وجود دارند.

اغلب مشعلهاي تيگ دستي داراي كليد يا شير خروجي گاز بر روي دسته مشعل بوده و براي كنترل جريان الكتريكي و جريان گاز محافظ بكار مي‌رود.

مشعلهايي كه براي جوشكاري تيگ ماشيني يا اتوماتيك هستند معمولاً بر روي دستگاه يا ربات نصب مي‌شوند. و در مسير اتصال به مشعل حركت سولي و عرضي مي‌دهد و در بعضي موارد فاصله مشعل با سطح كار را نيز تغيير مي‌دهد.

 

مشعلهاي با گاز خنك شونده (هوا خنك)

حرارت توليد شده در مشعل در هنگام جوشكاري توسط سيستمهاي آب خنك يا هوا خنك دفع مي‌شود. در مشعلهاي گاز خنك (هوا خنك)، عمل خنك شدن توسط گاز محافظ خنكي كه از ميان مشعل عبور مي‌نمايد، انجام مي‌شود. ظرفيت حمل جريان الكتريكي مشعل‌هاي گازخنك پائين بوده و حداكثر تا 200 آمپر مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

 

مشعل‌هاي آب خنك

مشعل‌هاي آب خنك توسط جريان ابي كه از داخل سر مشعل جريان دارد، خنك مي‌شوند. همانطور كه در شكل نشان داده شده آب خنك‌كننده از ميان شيلنگ ورودي وارد مشعل مي‌شود. و در ميان مشعل به گردش درمي‌آيد. و از شيلنگ خروجي، خارج مي‌شود كابل جريان الكتريكي از منبع نيرو تا مشعل معمولاً از ميان شيلنگ خروجي آب خنك‌كننده مي‌گذردو مشعل‌هاي آب خنك براي استفاده با جريان‌هاي جوشكاري بالاتري نسبت به مشعلهاي هواخنك و در يك سيكل كاري مداوم طراحي شده است. بطور معمول مي‌توان از شدت جرياني تا 500 آمپر استفاده نمود. هرچند در بعضي مشعلها تا 1000 آمپر ظرفيت حمل جريان دارند. در بيشتر جوشكاري‌هاي ماشيني و اتوماتيك از مشعل‌هاي آب خنك استفاده مي‌گردد. مشعل‌هاي آب خنك، گرماي خود را به آبي كه از ميان انها جريان دارد منتقل نموده و خنك مي‌شود.

آب در يك سيستم بسته كه شامل پمپ و يك رادياتور خنك‌كننده و مخزن مي‌باشد جريان دارد و گرماي جذب شده مشعل را به محيط منتقل مي‌نمايد. ظرفيت اين سيستم تا پنجاه گالن مي‌باشد. با اضافه كردن ضديخ مي توان از يخ‌زدن و خوردگي سيستم جلوگيري نمود. ضديخ عمل روغن‌كاري پمپ را نيز فراهم مي‌كند.

 

قطعات مشعل

الكترود گير (Collet)

الكترود تنگستني توسط الكترودگير در مشعل نگه داشته مي‌شود. قطر الكترودگير بايد به قطر الكترود مصرفي برابر باشد. جنس كلتها معمولاً از الياژ مس مي‌باشد. وقتي كه دنباله (cap) مشعل در جاي خود محكم مي‌شود بر روي الكترودگير فشار وارد نموده و الكترود را محكم نگه مي‌دارد. به منظور انتقال مناسب جريان الكتريكي و خنك شدن الكترود تنگستني، اتصال خوب بين الكترود و قطر خارجي الكترودگير ضروري است.

 

 

نازل گاز

گاظ محافظ توسط نازل كه بر روي مشعل بسته مي‌شود، بر روي منطقه جوش متمركز مي‌شود. نازل گاز از مواد مختلف ضد حرارت ، در شكل‌هاي مختلف، قطر و طول‌هاي مختلف ساخته مي‌شوند. نازلها به مشعل پيچيده شده يا به روش اصطكاكي جا زده مي‌شود.

 

جنس مواد نازلها

نازلها از سراميك ، فلز، سراميك با روكش فلزي و كوارتز ساخته مي‌شوند. نازلهاي سراميكي ارزان‌ترين و پركاربردترين نازلها هستند، اما شكننده بوده و اغلب بعد از مدتي كاركردن، بايد تعويض شوند. نازلهاي كوارتزي شفاف و شيشه‌اي بوده و اجازه ديد بهتري از قوس و حوضچة مذاب را مي‌دهد. اگرچه بخاطر فلزات كه از حوضچة جوش بلند مي‌شود، مي‌تواند باعث مات شدن نازل شود. نازل‌هاي كوارتزي نيز بسيار شكننده مي باشد.

نازل‌هاي آب خنك فلزي طول عمر بيشتري دارند و بيشتر براي جوشكاري ماشيني و اتوماتيك و جائيكه جريان جوشكاري از 250 آمپر تجاوز مي‌كند، استفاده مي‌شود.

نازل‌هاي سراميكي كه داراي يك حلقه الومينيومي در انتهاي سطح بيروني مي‌باشند حرارت را سريعتر به محيط منتقل نموده و نسبت به نازل‌هاي سراميكي معمولي داراي طول عمر بيشتري مي‌باشند. قطر نازل با توجه به حجم گاز و پوشش گازي نياز انتخاب مي‌شود. يك رابطه بين قطر نازل و مقدار جريان گاز وجود دارد.

اگر مقدار جريان نسبت به قطر نازل مصرفي بيشتر باشد، باعث اغتشاش و تلاطم در گاز خروجي شده و راندمان محافظت كم مي‌شود. مقدار جريان گاز بالا بدون اغتشاش و تلاطم به نازل با قطر بزرگتري نياز دارد. مقدار گاز خروجي زياد براي شدت جريان‌هاي بالا و وضعيت‌هاي غير از حالت تحت ضروري مي‌باشد.

انتخاب سايز و اندازه نازل، به قطر الكترود، شكل اتصال، جنس فلز پايه، نوع گاز مصرفي و آمپر مصرفي دارد. اندازه قطر نازل مناسب با توجه به قطر الكترود در جدول نشان داده شده است. استفاده از نازل كوچك‌تر براي اتصالات شيار باريك، ديد بهتري از حوضچه جوش را مهيا مي‌نمايد. اگر چه استفاده از نازلهاي خيلي كوچك ممكن است باعث تلاطم و آشفتگي و فشار گاز خروجي شود. همچنين استفاده از نازل‌هاي خيلي كوچك، در اثر حرارت قوس الكتريكي مي‌تواند باعث ذوب و خوردگي لبه نازل شود. نازل‌هاي بزرگ حفاظت و پوشش گاز محافظ بهتري را نتيجه مي‌دهد. مخصوصاً براي جوشكاري فلزات فعال نظير تيتانيم بايستي از نازلهاي بزرگتر استفاده شود.

نازلها از نظر طول به شكل هندسي اتصال جوش و فاصله مورد نياز بين نازل و جوش بستگي داشته و در اندازه‌هاي مختلفي در دسترس مي‌باشند. نازلهاي بلندتر عموماً جريان گاز محافظ خروجي بهتري بدون تلاطم و متمركزي ايجاد مي‌نمايد. اكثر نازلهاي گاز، بشكل استوانه‌اي بوده و در بعضي از نازلها در مقطع انتهايي بصورت مخروطي مي‌باشد. براي به حداقل رساندن آشفتگي و تلاطم گاز محافظ، نازلهايي كه در قسمت مياني بصورت كروي مي‌باشد، وجود دارد. همچنين نازل‌هايي وجود دارد كه دهانه انتهايي آن به صورت صاف و كشيده بوده كه براي جوشكاري تيتانيم مناسب مي‌باشد.

 

الكترودها

در فرايند GTAW واژه تنگستن دلالت دارد بر عنصر خالص تنگستن و انواع آلياژهاي آن كه بعنوان الكترود مورد مصرف قرار مي‌گيرند. از آنجا كه اين نوع الكترودها در روند كار ذوب نمي‌شوند يا انتقال پيدا نمي‌كنندف چنانچه فرايند بنحو احسن اجرا گرددف الكترود در طول كار مصرف نمي‌شود. در ساير فرايندهاي جوشكاري مانند SMAW، GMAW و SAW الكترود، فلز پركننده است.

وظيفة الكترود تنگستن، تأمين گرماي مورد نياز جوشكاري بعنوان يكي از ترمينال‌هاي الكتريكي قوس است. نقطه ذوب الكترود تنگستن 6170 درجه فارنهايت (3410 درجة سانتيگراد) مي‌باشد. با رسيدن به اين درجه حرارت بالا، تنگستن حالت ترمويونيك(يون حرارتي) پيدا كرده و تبديل به منبع غني الكترون مي‌شود. مقاومت حرارتي ، عامل بالارفتن دما تا اين حد است. نوك الكترود سريعاً ذوب مي‌شود. در واقع نوك الكترود از بخشي كه بين نوك الكترود و قسمت بيروني و خنك الكترودگير قرار دارد، خنك‌تر مي‌باشد.