جوشکاری آرگون

فرآیند جوشکاری آرگون

جوشکاری آرگون به طور گسترده ای برای اتصال دهی فولادهای زنگ نزن، آلومینیوم ، منیزیم ، مس و فلزات فعالی مثل تیتانیوم استفاده می شود. این فرآیند برای اتصال دهی فولادهای کربنی و آلیاژی نیز استفاده می شود. جوشکاری تیگ در اتصال دهی فولادهای کربنی بیشتر برای جوشکاری پاس ریشه استفاده می شود. ضخامت ماده اتصال دهی شده به وسیله جوشکاری تیگ از چند دهم میلیمتر تا چند سانتی متر متغیر است. با این وجود جوشکاری تیگ به دلیل نرخ رسوب دهی پایین سرعت بسیار کمی نیز دارد.

گاز محافظ در فرآیند جوشکاری تیگ تا زمان انجماد حوضچه مذاب بر روی آن دمیده می شود. به وسیله رد شدن جریان از گاز محافظ یونیزه شده، قوسی بین نوک الکترود و قطعه کار ایجاد می شود. گرمای ناشی از قوس فلز پایه را ذوب کرده و با ایجاد حوضچه مذاب جوشکاری تنگستن را شروع می کند. الکترود جوشکاری تیگ در راستای خط اتصال حرکت می کند و سطح اتصال را ذوب می کند. در صورت لزوم، سیم جوش که معمولا به شکل سیم است، به لبه حوضچه مذاب اضافه شده تا به اتصال افزوده شود.

در جوشکاری آرگون ، جریان مستقیم و بار منفی روی الکترود به دلیل ایجاد حرارت کمتر و احتمال پایین تر ذوب شدن الکترود ترجیح داده می شود. در صورت استفاده کردن از بار مثبت احتمال ذوب الکترود و اضافه شدن ناخالصی تنگستنی به مذاب فلز جوش زیاد می شود. حتی در صورت منفی بودن قطب الکترود، در هنگام نصب در شعله با لوله مسی آبگرد تماس داده می شود تا احتمال خرابی از بین برود.

تجهیزات جوشکاری آرگون

در جوشکاری تیگ از تجهیزات متنوعی استفاده می شود که در ادامه شرح داده می شوند.

منبع قدرت یا مولد نیرو

منبع قدرت در جوشکاری آرگون از جنس ترانسفورماتور های یکسوکننده است که جریان های AC یا DC را تامین کنند. آمپر وارد شده به دستگاه جوشکاری تنگستن از 5 تا 800 آمپر متغیر است. برای جوشکاری ورقهای بسیار نازک از سطوح آمپر پایین و برای جوشکاری ورق هایی از جنس فلزات رسانا با ضخامت های بالا از آمپر بالا استفاده می شود.

سیستم های کنترل کننده

سیستم های کنترل کننده متنوعی در جوشکاری آرگون وجود دارند که بین دستگاه های مختلف متغیر هستند. دستگاه های جوشکاری تیگ خودکار سیستم هایی برای تنظیم سرعت پیشروی و کنترل مسیر جوشکاری تعبیه شده اند. در جوشکاری آرگون دستی وظیفه کنترل این فرآیندها با جوشکار است. مدار های جرقه فرکانس بالا در بعضی دستگاه ها تعبیه شده اند تا شروع قوس از نوع تماس الکترود نباشد. چنانچه قوس به روش تماسی ایجاد شود احتمال ورود ناخالصی تنگستن به قطعه کار بالا می رود. سیستم های قطع و وصل جریان گاز و قطع و وصل جریان آب نیز در مشعل های آبگرد جوشکاری تیگ تعبیه شده اند.

در بعضی دستگاه های جوشکاری تیگ علاوه بر جریان های مستقیم خطی، سیستم هایی برای جوشکاری تیگ پالسی نیز در نظر گرفته شده است تا جریان به صورت ضربانی اعمال شود. در این سیستم ها حداقل و حداکثر جریان و زمان های مربوط به هر کدام قابل تنظیم است.

تامین گاز محافظ

سیستم های تامین کننده گاز محافظ در جوشکاری آرگون شامل کپسول گاز، رگولاتور، دبی سنج و شیلنگ گاز می شود. این سیستم مستقیما به مشعل وصل بوده و به صورت دستی یا خودکار تنظیم می شوند.

مشعل جوشکاری آرگون

مشعل های جوشکاری آرگون انواع گوناگونی دارند که تفاوت های جزئی به هم دارند. برای مثال برخی مشعل ها دستی و برخی دیگر اتوماتیک کار می کنند.

مشعل ها از اجزایی تشکیل شده اند که بین انواع مختلف مشعل ثابت است. در ادامه اجزای مشعل جوشکاری تنگستن شرح داده شده اند.

بدنه مشعل

بدنه مشعل جوشکاری آرگون شامل دو لایه است لایه بیرونی از عایق های پلیمری تشکیل شده است. ورود گاز محافظ، کابل های جریان و سیستم های آبگرد به مشعل متصل هستند. کلاهکی برای مشعل در نظر گرفته شده که با چرخاندن آن جداسازی الکترود تنگستنی از مشعل امکان پذیر می شود.

لوله های مسی

در جوشکاری تیگ لوله های مسی نگه دارنده الکترود دارای یک قطر بیرونی ثابت و قطر داخلی متغیر با توجه به قطر الکترود تنگستن هستند. لوله های مسی به گونه ای ساخته می شوند که الکترود داخل آن محکم نگه داشته شود.

نازل جوشکاری آرگون

نازل های جوشکاري تیگ می توانند از جنس سرامیک یا فلزی باشند. نازل های سرامیکی از موادی مثل آلومینا ، کوارتز و باقی سرامیک ها ساخته می شوند. نازل های سرامیکی ترد هستند و بنابراین هنگام کار با این نازل بایستی از ضربه خوردن به آن ها جلوگیری شود. نازل های فلزی دارای مبرد دوام بیشتری دارند و در سیستمهای اتوماتیک و مکانیزه استفاده می شوند. استفاده از این نازل ها موجب افزایش قیمت جوشکاری آرگون می شود.

نازل جوشکاری تنگستن با توجه به قطر الکترود تنگستنی و طرح اتصال انتخاب می شود. نازل های با قطر کم برای جوشکاری تنگستن در مکان های با دسترسی محدود مناسب تر هستند و موجب افزایش دید جوشکار نسبت به محل جوش می شوند. با این وجود در نازل های جوشکاری نازک احتمال تلاطم گاز و ذوب شدن نوک نازل بالا می رود. نازل های بزرگ تر محافظت بهتری ارائه می کنند. به طور کلی در انتخاب سایز نازل باید تا حد ممکن از نازل های بزرگتری استفاده کرد.

سیستم های خنک کننده

خنک کنندگی مشعل در جوشکاری ارگون به وسیله خروج گاز محافظ یا جریان مداوم آب انجام می شود. مشعل هایی که با گاز خنک می شوند توان تحمل تا 300 آمپر را دارند. مشعل هایی که دارای سیستم های خنک کننده با جریان آب هستند، در جریان های بالاتر و مدت زمان بیشتری نسبت به مشعل های عادی کار می کنند. جریان معمول در این مشعل ها 300 تا 500 آمپر است. هر چند ممکن است در شرایط خاص بالا تر برود. تامین آب در سیستمهای خنک کننده از جریان های معمول آب لوله کشی یا سیستم های شامل پمپ و منبع و چیلر انجام می شود. به آب موجود در این سیستمها افزودنی هایی از جمله ضدیخ افزوده می شود تا از یخ زدن جلوگیری شود و خوردگی ناشی از آب کاهش یابد.

الکترود تنگستنی جوشکاری آرگون

در جوشکاری آرگون کارکرد اصلی الکترود تنگستنی تشکیل قوس و تامین گرمای لازم برای انجام جوشکاری است. نقطه ذوب تنگستن حدود 3140 درجه سانتیگراد است. در دماهای کمی پایین تر از دمای ذوب، تنگستن دارای خاصیت گرمایونی می شود در نتیجه الکترون گسیل می کند.

 الکترود های تنگستنی جوشکاری تنگستن به صورت تنگستن خالص یا آلیاژهای تنگستن با اکسید توریم ، لانتانیوم یا زیرکونیم به کار می روند. الکترودهای آلیاژی مقاومت بیشتری در مقابل ذوب و اکسید شدن دارند و قوس پایدارتری را تشکیل می دهند. به طور کلی استفاده از الکترودهای تنگستنی خالص موجب پایین آمدن قیمت جوشکاری آرگون می شود.

 قطر الکترود های تنگستنی جوشکاری GTAW از چند دهم میلیمتر تا 8 میلی متر متغیر است. الکترودهای نازک برای کارهای ظریف و جریانهای ضعیف و الکترود های ضخیم برای جریان های بیشتر استفاده می شوند. زاویه نوک الکترود نیز بر عمق نفوذ جوش و تمرکز حرارت تاثیر دارد.

مواد مصرفی جوشکاری آرگون

سیم جوش و گاز محافظ جزو مهم ترین مواد مصرفی جوشکاری آرگون محسوب می شوند.

سیم جوش جوشکاری آرگون

سیم جوش در جوشکاری آرگون معمولا به شکل سیم هایی است که به وسیله دست یا به طور مکانیکی درون ناحیه اتصال تغذیه می شوند. سیم های جوشکاری دستی جوشکاری تیگ به شکل میله های یک متری عرضه می شوند. ترکیب این سیم ها معمولا باید همان ترکیب شیمیایی فلز پایه باشد. عناصر اکسیژن زدا نیز به این سیم ها اضافه می شوند تا احتمال ایجاد حفره گازی در جوش کاهش یابد.

در جوشکاری آرگون فولادهای کم کربن اغلب اوقات با سیم انجام می شود تا احتمال ایجاد حفره کم شود.

گاز محافظ جوشکاری آرگون

گاز محافظ در جوشکاری تنگستن وظیفه مراقبت از حوضچه جوش و نوک الکترود را دارد. در فرآیند جوشکاری تیگ از گاز آرگون و هلیوم استفاده می شود. برای مقایسه عملکرد این دو گاز در جوشکاری تیگ پارامترهای زیادی وجود دارد. گاز آرگون نسبت به هلیم چگالی بسیار بیشتری دارد. بنابراین گاز آرگون روی منطقه جوش باقی می ماند و گاز هلیم سبک تر به سمت بالا می رود و محافظت خوبی ارائه نمی کند. هلیم نسبت به آرگون گرمای بیشتری تولید می کند. به این دلیل هلیم در جوشکاری مواد ضخیم و با هدایت حرارتی بالا بهتر عمل می کند.

هلیم در ضمن این توانایی را به جوشکار می دهد که در سرعت های بیشتر جوشکاری تیگ از آندرکات جلوگیری کند. به طور کلی در انتخاب بین این دو گاز اجباری وجود ندارد. به استثنای جوشکاری دستی روی مواد نازک که استفاده از آرگون ضروری است. اما به دلیل هزینه زیاد، هلیم استفاده چندانی در جوشکاری تیگ ندارد.

خلوص گاز محافظ در جوشکاری تنگستن مواد فعال اهمیت زیادی دارد. وجود ناخالصی هایی ازجمله اکسیژن ، نیتروژن و رطوبت حتی در مقادیر کم نیز موجب تخلخل یا تردی هیدروژنی می شود. فشار گاز نیز باید مقدار بهینه ای باشد. فشار کم گاز موجب محافظت ناکافی از جوش شده و فشار بیش از حد منجر به پاشش مذاب و افزایش هزینه و هدر رفت گاز می شود که مطلوب نیست.

متغیر های فرآیند جوشکاری آرگون

شناخت متغیر های فرآیند جوشکاری آرگون و تاثیرات آنها روی جوش برای دستیابی به جوش مطلوب لازم است. متغیرهای فرآیند جوشکاری تیگ عبارت از موارد زیر هستند.

شدت جریان

در جوشکاری آرگون از جریان مستقیم و الکترود مثبت به ندرت استفاده می شود. استفاده از این نوع جریان، موجب بالا رفتن حرارت الکترود و ذوب آن حتی در جریان های پایین در حد 100 آمپر می شود. اگر الکترود قطب منفی باشد این اتفاق در جریان های بسیار بالاتری رخ می دهد. الکترود منفی تنها یک سوم حرارت ایجاد شده را در خود نگه می دارد و باقی جریان روی قطعه کار متمرکز می شود.

اصلی ترین کاربرد جریان مستقیم و الکترود مثبت تمیزکاری سطح قطعه کار است. دلیل اصلی این فرآیند، بمباران یون ها به سمت سطح قطعه کار و پراکنده شدن اکسید روی حوضچه جوش است. به منظور انجام این فرآیند باید از الکترود ضخیم و جریان پایین استفاده نمود. قطبیت مثبت الکترود برای جوشکاری تنگستن ورق های نازک مواد اکسید شونده مثل آلومینیوم و منیزیم هم استفاده می شود.

جریان متناوب در جوشکاری تیک هر دو این فرآیندها را انجام می دهد و مزایا و معایب هر دو را به طور همزمان دارد. جریان متناوب در یک نیم سیکل عمل اکسید زدایی را انجام می دهد و در نیم سیکل بعد الکترود فرصت سرد شدن پیدا می کند. میزان جریان نیز اهمیت زیادی دارد. شدت جریان اگر خیلی زیاد باشد موجب ذوب اضافی و ریزش آن از درز اتصال و همچنین افزایش حرارت ورودی و تاثیر منفی روی ریزساختار و خواص مکانیکی جوش می شود. شدت جریان های بسیار پایین در جوشکاری آرگون نیز موجب ناپایداری قوس و ذوب ناقص می شود.

سرعت پیشروی جوشکاری

سرعت اتصال دهی در جوشکاری ارگون دستی بستگی به سرعت دست جوشکار و در فرآیندهای اتوماتیک بستگی به سرعت حرکت گاری یا فلز می کند. سرعت جوشکاری روی حوضچه مذاب، سرعت سرد شدن و خواص مکانیکی تاثیر می گذارد.

جوشکاری استیل با آرگون

کیفیت جوشکاری آرگون در فولادهای کربنی و آلیاژی بیشتر از جوشکاری زیرپودری یا جوشکاری الکترود دستی تحت تاثیر ناخالصی های فلز پایه (گوگرد ، فسفر و اکسیژن) است. دلیل این مسئله این است که جوشکاری تیگ برای حذف یا بی اثر کردن این ناخالصی ها راهکاری ندارد. جوشکاری فولادهای HSLA اغلب با جوشکاری آرگون انجام می شود.

با این وجود باید به این نکته توجه داشت که جوشکاری فلزاتی با ترکیب درصد گوگرد و فسفر بالای 0.03 درصد باعث ترک در منطقه ذوب شده و متاثر از حرارت می شود. در صورت وجود رطوبت نیز این آلیاژ ها دچار تردی هیدروژنی می شوند. در جوشکاری استیل با آرگون عملیات حرارتی بعد از جوشکاری اهمیت زیادی دارد.

جوشکاری آرگون آلومینیوم

آلومینیوم پر استفاده ترین آلیاژ در فرآیند جوشکاری تیگ است. آلومینیوم در تمامی ضخامت ها قابلیت اتصال دهی با جوشکاری تیگ را دارد.

آلیاژ های آلومینیوم در هنگام جوشکاری پوشش اکسیدی نسوز ایجاد می کنند که اتصال را مشکل تر می سازد. به این دلیل جوشکاری آرگون آلومینیوم در اغلب موارد با جریان های متناوب انجام می شود. برخی اوقات نیز الکترود مثبت برای جوشکاری ورق های نازک آلومینیوم استفاده می شود. در جوشکاری آرگون آلومینیوم از الکترود های تنگستن خالص و تنگستن دارای اکسید توریم و زیرکونیم استفاده می شود. در جوشکاری آلومینیوم با جریان مستقیم تنها از الکترود با اکسید توریم استفاده می شود.

جوشکاری مس با آرگون

جوشکاری مس با آرگون فرآیند مناسبی برای اتصال دهی آلیاژهای مس است. به این دلیل که حرارت ورودی زیاد وارد شده به منطقه جوش اجازه ذوب بدون نفوذ حرارت به اطراف جوش را می دهد. در کل این خاصیت جوشکاری ارگون این فرآیند را برای جوشکاری فلزات رسانا جذاب می سازد. بیشتر آلیاژ های مس با الکترود منفی اتصال داده می شوند. اتصال دادن مس با جوشکاری تیگ گاز هلیم نیز به دلیل حرارت ورودی بالاتر هلیم معمول است.

جوشکاری چدن با آرگون

جوشکاری چدن با آرگون نیز به دلیل قابلیت تنظیم درجه رقت با استفاده از سیم فیلر و تنظیم حرارت ورودی امکان پذیر است. تنظیم همزمان درجه رقت و ایجاد جوشی با عمق نفوذ کافی فرآیندی دشوار است و مهارتی زیاد می طلبد.

جوشکاری چدن با آرگون اغلب محدود به جوشکاری تعمیراتی است. در این فرآیند از سیم جوش با جنس فولاد زنگ نزن آستنیتی استفاده می شود. این سیم جوش به دلیل چقرمگی بالا و مقاومت در برابر تردی هیدروژنی ترک را کاهش می دهد. لزوم عملیات حرارتی بعد و قبل از جوشکاری و جوشکاری با الکترود منفی از نکات مهم جوشکاری چدن با آرگون است.

جوشکاری تیگ پالسی

جوشکاری تیگ پالسی به وسیله تغییر متناوب جریان انجام می شود و معمولا در جریان الکترود منفی به کار می رود. منابع قدرت جوشکاری تیگ پالسی قابلیت تنظیم زمان جریان و حداقل و حداکثر جریان را دارند تا به جریانی مناسب برای فرآیند جوشکاری برسند. در جوشکاری تیگ پالسی زمان اختصاص یافته به جریان حداکثر، 2 تا 10 برابر زمان اختصاص یافته به جریان حداقل است. این شکل تنظیم جریان پالسی در عین تنظیم عمق نفوذ و ذوب مناسب، به کمک جریان حداقل پایداری قوس جلوگیری از افزایش حرارت ورودی را تامین میکنند. به دلیل کاهش حرارت ورودی از اعوجاج ورق جوشکاری شده هم جلوگیری می شود. ضمنا جوشکاری تیگ پالسی برای جوشکاری ورق های با ضخامت یا جنس متفاوت یا ورق های بسیار نازک نیز مناسب است.

قیمت جوشکاری آرگون

به طور کلی قیمت جوشکاری آرگون در مقایسه با بسیاری از فرآیندهای سنتی تر جوشکاری بیشتر است. فرآیندهای جوشکاری زیرپودری یا جوشکاری میگ هزینه کمتری نسبت به جوشکاری تیگ دارند. همچنین به دلیل سرعت پایینتر این فرآیند جوشکاری نسبت به فرآیند های یاد شده، قیمت جوشکاری آرگون در نهایت بالاتر می رود.

قیمت جوشکاری آرگون بستگی به پارامترهای بسیاری دارد. فلز پایه جوشکاری شده و مقدار سیم جوش ، وضعیت جوشکاری (افقی ، عمودی ، بالای سر) و ضخامت جوش مد نظر جزو مهمترین پارامترهای تعیین کننده قیمت جوشکاری آرگون هستند. در کنار این عوامل خالص یا آلیاژی بودن الکترود ، خلوص گاز، توانایی ایجاد پالس در منبع قدرت و جنس نازل جزو عوامل موثر روی قیمت جوشکاری آرگون است.