جوشکاری قوسی با الکترود تنگستن تحت پوشش گاز محافظ ( GTAW )

جوشکاری قوسی با الکترود تنگستن تحت پوشش گاز محافظ ( GTAW )

جوشکاری قوسی با الکترود تحت پوشش گاز محافظ ( Gas tungsten arc welding ) که به آن جوش تیگ ( TIG ) نیز گفته میشود یک فرآیند جوشکاری است که حرارت توسط قوس الکتریکی بین الکترود های مصرف نشدنی تنگستن و قطعه ی کار ایجاد می شود.

 

 

در این فرآیند حوضچه مذاب توسط گاز بی اثر ( آرگون ، هیلیوم یا نیتروژن ) در برابر آلودگی های هوا محافظت می شود. گرمای ایجاد شده توسط قوس الکتریکی لبه ی قطعات کار را ذوب کرده و باعث ایجاد اتصال بین دو قطعه میشود. در صورت لزوم می شود از میله ی پر کننده استفاده کرد. میله ی پر کننده برای ایجاد اتصال بهتر استفاده می شود. میله پر کننده ( سیم جوش ) به عنوان الکترود جوشکاری مصرف می شود که در اثر ذوب شدن این ماده خارجی، حوضچه مذاب پر می شود. فلز ذوب شده در حوضچه مذاب از نظر شیمیایی فعال است و با محیط اطراف واکنش نشان میدهد به همین دلیل جوش ایجاد شده به نیترید و اکسید آلوده شود و خواص مکانیکی آن کاهش پیدا کند. در این فرآیند فلاکس مصرف نمیشود و به همین دلیل سرباره برای محافظت از جوش وجود ندارد بنابر این برای محافظت از الکترود ، سطح تحت جوشکاری و میله پرکننده در برابر آلودگی های هوا از گاز های بی اثر مانند آرگون و یا هیلیوم به عنوان گاز محافظ استفاده می شود. جوشکاری قوسی با الکترود تنگستن، جوش با کیفیت بالایی برای بسیاری از فلزات ایجاد میکند.

تجهیزات مورد استفاده در فرآیند جوش قوس الکتریکی با الکترود تنگستن تحت پوشش گاز محافظ

  • تورچ جوشکاری
  • منبع تغذیه
  • گاز محافظ و شیلنگ و بست ها
  • کابل اتصال
  • میله پر کننده ( سیم جوش )
  • الکترود تنگستن

تورچ جوشکاری

تورچ های جوشکاری هم برای انجام عملیات خودکار و هم برای انجام عملیات به صورت دستی طراحی شده اند. این تورچ ها مجهز به سیستم های خنک کننده (با استفاده از آب یا هوا) می باشند. اغلب مشعل های دستی دارای کلید یا شیر خروجی گاز بر روی دسته مشعل بوده و برای کنترل جریان الکتریکی و جریان گاز محافظ بکار می‌روند.مشعل هایی که اتوماتیک هستند معمولا بر روی دستگاه یا ربات نصب می‌شوند و در مسیر اتصال به مشعل حرکت طولی و عرضی می‌دهند و در بعضی موارد فاصله مشعل با سطح کار را نیز تغییر می‌دهند. زاویه ی بین خط مرکزی دسته و خط مرکزی الکترود تنگستن ، زاویه ی سر نامیده میشود.این زاویه در تورچ های دستی بنا به تشخیص اپراتور جوش تنظیم می شود. این مشعل ها با توجه به سیستم خنک کننده به دو دسته هواخنک و آب خنک تقسیم می شوند. مشعل های هواخنک اغلب برای جوشکاری های کم آمپر استفاده می شوند ( حدود ۲۰۰ آمپر ). از مشعل های آب خنک برای جوشکاری هایی با جریان های بالا استفاده میشود ( تا حدود ۶۰۰ آمپر ).

تورچ توسط کابل به منبع تغذیه و توسط شینگ به منبع گاز متصل می شود. در صورت استفاده از آب برای سیستم خنک کننده، توسط شیلنگ به منبع آب نیز متصل می شود.  قطعات داخلی تشکیل دهنده تورچ ، ساخته شد از آلیاژ های سخت مس و یا برنج هستند تا جربان و حرارت را به خوبی انتقال دهند. الکترود تنگستن به صورت محکم در مرکز تورچ و توسط الکترودگیر نگه داشته می شود و در اطراف الکترود گاز محافظ با جریان ثابتی برقرار می شود. قطر الکترود گیر برابر با قطر الکترود تنگستن می باشد و معمولا از جنس مس است. جنس بدنه ی مشعل از پلاستیک مقاوم در برابر حرارت ساخته شده است. جنس پلاستیکی این پوشش از جوشکار در برابر گرما و برق محافظت میکند.

اندازه نازل مشعل به موارد زیر وابسته است :

  • وسعت ناحیه تحت جوشکاری
  • قطر الکترود
  • شکل اتصال
  • دسترسی به ناحیه تحت جوشکاری توسط جوشکار
  • نوع گاز مصرفی
  • آمپرمصرفی
  • جنس فلز پایه

قطر داخلی نازل معمولا سه برابر قطر الکترود انتخاب می شود. ممکن است بنابر تشخیص جوشکار اندازه نازل افزایش پیدا کند تا منطقه ی بیشتری توسط گاز ، محافظت شود. استفاده از نازلهای خیلی کوچک ممکن است باعث تلاطم و آشفتگی و فشار گاز خروجی شود و همچنین استفاده از نازلهای خیلی کوچک در اثر حرارت قوس الکتریکی می تواند باعث ذوب و خوردگی لبه نازل شود. نازل های بلندتر عموما جریان گاز محافظ خروجی بهتری بدون تلاطم و متمرکز ایجاد می‌کنند. اکثر نازلهای گاز به شکل استوانه ای بوده و در بعضی ازنازل ها در مقطع انتهایی بصورت مخروطی می‌باشند. برای به حداقل رساندن آشفتگی و تلاطم گاز محافظ نازل هایی که در قسمت میانی بصورت کروی میباشند، وجود دارد. همچنین نازلذهایی وجود دارد که دهانه انتهایی آن بصورت صاف و کشیده بوده که برای جوشکاری تیتانیوم مناسب هستند.جنس نازل به طور معمول از مواد سرامیکی و یا کوارتزی ساخته می باشد. نزازل های سرامیکی ارزان و پرکاربرد هستند ولی شکننده بوده و بعد از مدتی کار کردن باید تعویض شوند. نازل‌های کوارتزی شفاف و شیشه ای بوده و اجازه دید بهتری از قوس و حوضچه مذاب را میدهند. اگرچه بخار فلزات که از حوضچه جوش بلند می شود می تواند باعث مات شدن نازل شود. نازلهای کوارتزی نیز بسیار شکننده می‌باشند.

نازل های آب خنک فلزی طول عمر بیشتری دارند و بیشتر برای جوشکاری ماشینی و اتوماتیک و جائی‌که جریان جوشکاری از ۲۵۰ آمپرتجاوز می‌کند، استفاده می‌شود. نازل‌های سرامیکی که دارای یک حلقه آلومینیومی در انتهای سطح بیرونی می‌باشند حرارت را سریعتر به محیط منتقل نموده و نسبت به نازلهای سرامیکی معمولی دارای طول عمر بیشتری می‌باشند. قطر نازل با توجه به حجم گاز محافظ و پوشش گازی نیاز به انتخاب می‌شود.اگر مقدار جریان نسبت به قطر نازل مصرفی بیشتر باشد باعث اغتشاش و تلاطم در گاز خروجی شده و راندمان محافظت کم می‌شود. مقدار جریان گاز بالا بدون اغتشاش و تلاطم به نازل با قطر بزرگتری نیاز دارد. مقدار گاز خروجی زیاد برای شدت جریان های بالا و وضعیت های غیر از حالت تخت ضروری میباشد.

منبع تغذیه

در این روش هم از جریان متناوب و هماز جریان مستقیم استفاده می شود. بیشتر استفاده از جوش تیگ به صورت دستی و یا نیمه اتوماتیک می باشد و نیاز به اپراتور جوش دارد.برای برقراری یک قوس دائمی باید از منبع ولتاژ ثابت استفاده کرد که استفاده از این منبع تغییرات گرمای قابل توجهی ایجاد میکند و جوشکاری را دشوار میکند بنابراین در این فرآیند از یک منبع تغذیه با جریان ثابت استفاده می شود. حتی اگر طول قوس و ولتاژ تغییر کنند ، جریان ( و گرما ) نسبتا ثایت باقی می مانند. انتخاب قطب تا حد یادی بسته به نوع فلز جوش دارد. استفاده از جریان مستقیم با الکترود با بار منفی اکثرا برای جوشکاری نیکل،تیتانیوم و دیگر فلزات استفاده میشود. در حالت جوشکاری اتوماتیک فلزات آلومینیوم یا منیزیم در حالتی که از گاز هیلیوم به عنوان گاز محافظ استفاده شود ، از جریان مستقیم با الکترود منفی استفاده می شود.

جریان مستقیم با الکترود مثبت کمتر مورد استفاده قرار میگیرد. از این روش در جوش های کم عمق استفاده میشود.از جریان متناوب معمولا برا جوشکاری فلز آلومینیوم ومنیزیم به صورت دستی یا نیمه اتوماتیک استفاده میشود.دستگاه های جوش امروزی علاوه بر اینکه توان ایجاد جریان هم به‌صورت مستقیم و هم به‌صورت متناوب را دارند، قابلیت ایجاد جریان به‌صورت موج مربعی، سینوسی، پالسی و همچنین حالت متوازن شده را نیز دارا می باشند.آنچه که وجه تمایز اصلی یک دستگاه جوش فرآیند تیگ با یک دستگاه جوش قوس دستی است، اضافه شدن بخش­هایی به‌منظور تنظیم خروج گاز محافظ و همچنین کنترل جریان آبگرد مشعل هست. بر این اساس در دستگاه­های جوش تیگ بخشی قرار داده شده است که به کمک آن می­توان تعیین نمود که گاز محافظ چه مقدار پیش و پس از شروع قوس و با چه دبی جریان داشته باشد. حضور پیش گاز و پس گاز سبب می­شود که پیش از شروع قوس محیط اطراف کاملا خالی از هوا شده و پس از پایان قوس نیز تا لحظاتی جوش کمی خنک شده و از واکنش با هوا حفظ گردد. همچنین جریان آبگرد نیز طوری کنترل گردیده تا خنک­کاری لازم برای مشعل را در زمان برقراری قوس فراهم آورد و پس از خنک شدن مشعل جریان آب متوقف گردد.

گاز محافظ

وظیفه گاز محافظ ، محافظت از ناحیه ی تحت جوشکاری در برابر گاز های اتمسفر مانند اکسیژن و نیتروژن می باشد. تماس گاز های اتمسفر با الکترود ، قوس یا قطعه کار باعث ایجاد نقص هایی مانند تخلخل ،  خوردگی و در نهایت بوجود آمدن جوش ضعیف می شود. همچنین گاز محافظ وظیفه انتقال گاز از الکترود تنگستن به فلز جوشکاری را دارد. از دیگر وظایف گاز محافظ ایجاد یک قوس پایدار و کمک به حفظ این قوس می باشد.

عوامل موثر در انتخاب نوع گاز محافظ عبارتند از :

  • جنس قطعه کار
  • شکل اتصال
  • فرم جوش نهایی

گاز آرگون بیشترین مصرف را به عنوان گاز محافظ دارد اولا ارزان‌ترین گاز بیثر است، ثانیا آرگون ۴/۱ برابر سنگین تر از هواست که این خصوصیت به پوشش دهی بهتر حوضچه مذاب کمک میکند. زمانیکه جوشکاری با گا جریان متناوب انجام می شود ، استفاده از گاز محافظتی آرگون باعث به وجود آمدن جوش با کیفیت بالا و ظاهر خوب می شود.یکی دیگر از گاز های محافظ ، گاز هلیوم میباشد . از این گاز برای افزایش نفوذ جوش در اتصال مورد نظر ، افزایش سرعت جوشکاری و انتقال گرمای بالا استفاده میشود اما نکته قابل توجه این است که گاز هلیوم قادر به ایجاد طول قوس موثر نمی باشد و در نتیجه جوش بوجود آمده از کیفیت مطلوبی برخوردار نخواهد بود.

همانطور که گفته شد هر کدام از گازهای هیلیوم و آرگون در عین داشتن مزیت های زیاد ، عیب هایی نیز دارند که باعث بروز ایراداتی در جوش می شود. برای رفع این مشکل از مخلوط گاز آرگون و هلیوم در جوشکاری تیگ استفاده می شود. در این صورت میتوان از مزیت های آرگون و هلیوم همزمان استفاده کرد.در این صورت علاوه بر افزایش سرعت جوشکاری در جوشکاری با جریان متناوب ، باعث ایجاد یک قوس پایدار و موثر میشود. معمولا در ترکیب این گاز ها از ۷۵درصد هیلیوم و ۲۵ در صد آرگون استفاده میشود. از دیگر ترکیبات گاز های محافظ ، ترکیب آرگون با هیدروژن و یا نیتروژن با درصد کم است اما چون استفاده از گاز هیدروژن و نیتروژن باعث ایجاد تخلخل میشود استفاده از آن رایج نیست و در برخی موارد استفاده میشود مثلا علت هدایت حرارتی بالاتر هیدروژن نسبت به آرگون که این امر سبب افزایش عمق نفوذ جوش می شود، برای جوشکاری آلیاژهای نیکل و بعضی از فولادها تا ۵% از آن را در ترکیب گاز محافظ استفاده می کنند.

الکترود تنگستن

الکترود تنگستن از آلیاژ تنگستن ساخته شده است.، به علت بالا بودن دمای ذوب آلیاژ تنگستن(۳۴۲۲ درجه سانتیگراد ) این الکترود در حین جوشکاری استفاده نمی شود و الکترود مصرف نشدنی نامیده میشود.  وظیفه تامین گرمای مورد نیاز جوشکاری به عنوان یکی از پایانه های الکتریکی قوس را برعهده دارد. استفاده از جریان های قویتر از آنچه در مورد سایز الکترود و شکل نوک الکترود توصیه شده است باعث فرسایش و ذوب شدن تنگستن می شود. ممکن است ذرات تنگستن به داخل حوضچه مذاب افتاده و باعث بروز نقص در کار شوند. استفاده از جریان های بسیار ضعیف نیز سبب ناپایداری قوس می شود.

لازم است برای جریان مستقیم الکترود مثبت(  DCEP) از الکترودهایی با قطر بیشتراستفاده شود تا سطح جریان مورد مصرف را پوشش دهد. چراکه نوک الکترود نه تنها بخاطر تبخیر الکترون ها خنک نمی شود بلکه به خاطر ضربات الکترون ها گرم نیز خواهد شد. بطور کلی مقدار جریانی که الکترود مثبت می تواند تحمل نماید تنها ۱۰ % مقدار جریانی است که الکترود منفی ( DCEN ) با آن کار می کند. به همین دلیل استفاده از الکترود منفی مرسوم تر است. هنگام استفاده از جریان متناوب، نوک الکترود در سیکل های منفی الکترود، خنک و در سیکل های مثبت الکترود گرم می شود. بطور کلی جریان الکترود مثبت تا ۵۰% کمتر از مقدار جریان الکترود منفی است.الکترود های تنگستن دارای قطر بین ۰.۵ تا ۶.۴ میلیمتر می باشند و طول آنها از ۷۵ میلیمتر تا ۶۱۰ میلیمتر متغیر است.این الکترود ها توسط سازمان بین المللی استاندارد ( ISO 6848 ) و انجمن جوشکاری آمریکا ( AWS A5.12 ) استاندارد شده اند که به صورت مختصر در جدول زیر آمده است:

الکترود های تنگستن خالص (گروه WP یا EWP )

الکترود های تنگستن  سریم دار (گروه WC )

الکترود های تنگستن  لانتانیوم دار (گروه WL )

الکترود های تنگستن توریم دار (گروه WT )

الکترود های تنگستن زیرکونیوم دار (گروه WZ )

الکترودهای گروه EWG

میله پرکننده

در جوشکاری تیگ در حالت معمولی نیاز به پرکننده ضروری نیست، زیرا در بعضی اتصالات و جنس خود قطعات پس از ذوب به همدیگر جوش خورده و محل را پر میکند. اما چنانچه جوشکاری تیگ برای ورق های ضخیم استفاده شده و یا درز جوش بزرگ باشد به صورتی که ذوب لبه های قطعات کار برای پر کردن حوضچه مذاب کافی نباشد ، از مفتول پرکننده استفاده میشود. همچنین اگر به‌ منظور اتصال دو جنس مختلف از فرآیند تیگ استفاده گردد، به کاربردن یک فلز پرکننده برای ایجاد ترکیب مناسب در محل اتصال می تواند سودمند باشد. یکسان بودن خواص شیمیایی میله پرکننده و قطعه کار مساله ی مهمی است که باید به آن توجه شود.

نظرات بسته شده است، اما بازتاب و پینگ باز است.