جوشکاری قوس تنگستن با گاز محافظ GTAW

جوشکاری قوس تنگستن با گاز محافظ (GTAW)  یا جوشکاری گاز بی اثر تنگستن (TIG) ، یک فرآیند جوش قوس الکتریکی است که در آن از الکترود تنگستن غیرمصرفی برای جوشکاری استفاده می شود. ناحیه جوش و الکترود از اکسیداسیون یا آلودگی جوی توسط  گازهای خنثی مانند آرگون و هلیوم محافظت می شوند. به طور معمول در جوشکاری تیگ از یک فلز پرکننده (فیلر) استفاده می شود، اگرچه بعضی از جوش ها، که به جوش های اتوژن معروف هستند، نیازی به فیلر ندارند. منبع تغذیه جوشکاری با جریان ثابت، انرژی الکتریکی تولید می کند. این انرژی الکتریکی به وسیله ستونی از بخارات  گاز و فلز یونیزه شده و پلاسما را تشکیل می دهد. جوشکاری تیگ بیشتر برای جوشکاری مقاطع نازک فولادهای ضد زنگ و فلزات غیر آهنی مانند آلومینیوم ، منیزیم و آلیاژهای مس استفاده می شود. در این فرآیند نسبت به فرآیندهای دیگر مانند جوشکاری میگ به اپراتور با مهارت بالاتر نیاز است و جوش از کیفیت بالاتری برخوردار می باشد. جوشکاری تیگ نسبتاً پیچیده و دشوار است، و به طور قابل توجهی کندتر از سایر تکنیک های جوشکاری است. GTAW یک فرآیند مرتبط با جوش قوس پلاسما است که از یک تورچ جوشکاری متفاوت برای ایجاد یک قوس متمرکز استفاده می کند. GTAW به طور معمول به دو دست نیاز دارد، زیرا در اکثر مواقع جوشکار به طور دستی فیلر را با یک دست به منطقه جوش اضافه می کند در حالی که دستگیره تورچ را دردست دیگر دارد. حفظ طول قوس کوتاه، ضمن جلوگیری از تماس الکترود و قطعه کار، نیز مهم است. برای استارت اولیه و ایجاد قوس، یک مولد فرکانس بالا (شبیه به کویل تسلا) جرقه الکتریکی را ایجاد می کند. این جرقه یک مسیر رسانا برای جریان جوش از طریق گاز محافظ است و اجازه می دهد تا قوس در حالی که الکترود و قطعه کار از هم جدا می شوند، آغاز شود. فاصله بین تنگستن و سطح قطعه کار به طور معمول در حدود 1.5-3 میلی متر است. پس از ایجاد قوس، جوشکار تورچ را در یک دایره کوچک برای ایجاد حوضچه مذاب حرکت می دهد. اندازه حوضچه مذاب به اندازه الکترود و میزان جریان بستگی دارد. در حالی که جوشکار یک فاصله مداوم بین الکترود و قطعه کار را حفظ می کند، سپس تورچ را کمی به عقب می کشد و آن را در حدود 10-15 درجه از حالت عمودی کج میکند. فیلر نیز
به جلوی حوضچه مذاب اضافه می شود.

جوشکاران معمولاً یک روش تکرار متناوب بین حرکت تورچ به جلو (برای پیشبرد حوضچه مذاب) و افزودن فیلر ایجاد می کنند. فیلر هر بار که الکترود پیشرفت کند از حوضچه مذاب خارج می شود، اما همیشه در داخل سپر گازی نگه داشته می شود تا از اکسیداسیون و آلودگی آن جلوگیری شود. برای فیلرهای متشکل از فلزات با درجه حرارت ذوب کم مانند آلومینیوم لازم است که جوشکار در حالی که آنها را در داخل سپر گازی نگه می دارد، فاصله فیلر را از قوس حفظ کند. اگر فیلر خیلی نزدیک به قوس نگه داشته شود، فیلر قبل از برقراری ارتباط ذوب می شود.

تجهیزات

تجهیزا لازم برای جوشکاری تیگ شامل تورچ دارای الکترود غیرمصرفی تنگستن، فیلر پرکننده، کمپسول گاز محافظ، رگولاتور فلومتر و دستگاه جوشکاری تیگ می باشد.

تورچ جوشکاری

تورچ های جوشکاری GTAW برای کار اتوماتیک یا دستی طراحی شده اند و مجهز به سیستم های خنک کننده هوا یا آب هستند. تورچ های اتوماتیک و دستی مشابهند، اما تورچ دستی دارای یک دسته است در حالی که تورچ اتوماتیک به طور معمول دارای یک گیره نصب است. زاویه بین خط وسط دسته و خط الکترود تنگستن معروف به زاویه سر، با توجه به اولویت عملکرد می تواند در برخی از تورچ های دستی متغیر باشد. سیستم های خنک کننده هوا بیشتر برای کارهایی با جریان کم، حداکثر حدود 200 آمپر استفاده می شود، در حالی که برای جوشکاری با جریان زیاد تا حدود 600 آمپر نیاز به خنک کننده آب است. تورچ ها با کابل به منبع تغذیه و شیلنگ به کپسول گاز محافظ وصل می شوند.

قطعات فلزی داخلی تورچ از آلیاژهای سخت مس یا برنج ساخته شده است بنابراین می تواند جریان و حرارت را به طور مؤثر منتقل کند. الکترود تنگستن باید با یک کلت یا الکترودگیر به اندازه مناسب در مرکز مشعل محکم نگه داشته شود و درگاههای اطراف الکترودگیر جریان ثابت گاز محافظ را فراهم می کند. اندازه کلت ها مطابق قطر الکترود تنگستن می باشد. بدنه تورچ از پلاستیک های عایق مقاوم در برابر حرارت ساخته شده است که اجزای فلزی را پوشش می دهد و عایق حرارت و برق را برای محافظت از جوشکار فراهم می کند.

اندازه نازل سرامیکی تورچ جوش به میزان منطقه محافظ مورد نظر بستگی دارد. قطر داخلی نازل سرامیکی ترجیحا حداقل سه برابر قطر الکترود است. نازل باید از نظر گرما مقاوم باشد، بنابراین به طور معمول از آلومینا یا ماده سرامیکی دیگر ساخته می شود. هدف از استفاده از این نازل های سرامیکی کنترل جریان محافظ گاز و کم کردن تلاطم و جلوگیری از ورود هوای آلوده به داخل ناحیه جوشکاری شود. سوئیچ های دستی را برای کنترل جریان جوش می توان به مشعل های GTAW دستی اضافه کرد.

الکترود تنگستن

الکترود مورد استفاده در GTAW از تنگستن یا آلیاژ تنگستن ساخته شده است، زیرا تنگستن بالاترین درجه دمای ذوب را در بین فلزات خالص، حدود 3422 درجه سانتیگراد (6192 درجه فارنهایت) را دارد. در نتیجه، الکترود حین جوشکاری مصرف نمی شود. اگرچه ممکن است مقداری فرسایش (سوختگی) ایجاد شود. قطر الکترود می تواند بین 0.5 تا 6.4 میلی متر متغیر باشد و طول آنها می تواند از 75 تا 610 میلی متر باشد.

تقسیم بندی از آلیاژ تنگستن توسط سازمان بین المللی استاندارد سازی و انجمن جوشکاری آمریکا به ترتیب در استانداردهای ISO 6848 و AWS A5.12 به منظور استفاده در الکترودهای GTAW بکار گرفته شده است که در جدول زیر خلاصه شده است.

ISO Class	ISO Color	AWS Class	AWS Color	Alloy[25]
WP	Green	EWP	Green	None
WC20	Gray	EWCe-2	Orange	~2% CeO2
WL10	Black	EWLa-1	Black	~1% La2O3
WL15	Gold	EWLa-1.5	Gold	~1.5% La2O3
WL20	Sky-blue	EWLa-2	Blue	~2% La2O3
WT10	Yellow	EWTh-1	Yellow	~1% ThO2
WT20	Red	EWTh-2	Red	~2% ThO2
WT30	Violet			~3% ThO2
WT40	Orange			~4% ThO2
WY20	Blue			~2% Y2O3
WZ3	Brown	EWZr-1	Brown	~0.3% ZrO2
WZ8	White			~0.8% ZrO2

• الکترودهای تنگستن خالص (طبقه بندی شده به عنوان WP یا EWP الکترودهای عمومی و کم هزینه هستند. این الکترودها مقاومت در برابر گرما و انتشار الکترون کمی دارند. این الکترودها به عنوان مثال در جوشکاری با جریان AC استفاده محدود دارند(منیزیم و آلومینیوم).

• اکسید سریم (یا سریا) به عنوان یک عنصر آلیاژی باعث افزایش پایداری قوس و سهولت شروع قوی هنگام کاهش حرارت می شود. افزودن سریم به اندازه توریم مؤثر نیست اما خوب عمل می کند.

• آلیاژ اکسید لانتانیم (یا لانتانا) اثر مشابهی با سریم دارد و همچنین رادیواکتیو نیست.

• الکترودهای آلیاژی اکسید توریوم (یا تریا) عملکرد قوس بسیار خوبی را ارائه می دهند که این الکترودها را محبوب می کند. با این حال، توریم نوعی فلز رادیواکتیو است و استنشاق بخارات و گرد و غبار آن برای سلامتی خطرناک است و خطر محیط زیستی دارد.

• الکترودهای حاوی اکسید زیرکونیوم (یا زیرکونیا) ظرفیت های فعلی را در حالی که پایداری قوس را افزایش می دهد و با افزایش عمر الکترود، افزایش می دهد.

فیلرهای پرکننده

فلزات پرکننده تقریباً در تمام کاربردهای GTAW مورد استفاده قرار می گیرد که عمده ترین آنها جوشکاری مواد نازک است. فیلرها با قطرهای مختلف در دسترس هستند و از انواع متنوعی ساخته شده اند. در بیشتر موارد، فیلرها به شکل سیم به صورت دستی به حوضچه مذاب اضافه می شود، اما در برخی از موار فیلر به صورت خودکار اضافه می شود، که اغلب در قرقره ها یا کویل ها قرار می گیرد.

گاز محافظ در جوشکاری تیگ

مانند سایر فرآیندهای جوشکاری، گازهای محافظ در جوشکاری تیگ نیز وظیفه محافظت از محل جوشکاری در برابر گازهای جوی مانند نیتروژن و اکسیژن را دارند که در صورت تماس با آنها می تواند باعث عدم نفوذ کافی و تخلخل در فلز جوش شود. این گاز همچنین گرما را از الکترود تنگستن به قطعه کار منتقل می کند، و به شروع و حفظ قوس پایدار کمک می کند. انتخاب گاز محافظ به عوامل مختلفی بستگی دارد از جمله نوع فلز قطعه کار، طراحی اتصالات و ظاهر نهایی جوش. آرگون رایج ترین گاز محافظ برای GTAW است، زیرا به دلیل طول قوس با کیفیت از نقص در جوشکاری جلوگیری می کند. در صورت استفاده از جریان متناوب، با استفاده از گاز آرگون، کیفیت جوش بالا و ظاهر خوب حاصل می شود. یکی دیگر از گازهای محافظ رایج، هلیوم است که اغلب برای افزایش نفوذ جوش، افزایش سرعت جوشکاری و جوشکاری فلزات با هدایت گرمای بالا مانند مس و آلومینیوم استفاده می شود. ولی نقطه ضعف مهم این گاز دشواری در ایجاد قوس و کاهش کیفیت جوش همراه با طول قوس متغیر است.

مخلوط آرگون و هلیوم نیز اغلب در GTAW مورد استفاده قرار می گیرد، زیرا می تواند ضمن حفظ مزایای استفاده از آرگون، ورودی حرارت را افزایش دهد. به طور معمول، این مخلوط ها سرعت و کیفیت جوشکاری AC آلومینیوم را افزایش می دهند و شروع قوس را آسان تر می کنند. مخلوط دیگر گاز محافظ، آرگون و هیدروژن است که در جوشکاری فولاد زنگ نزن استفاده می شود، اما به دلیل اینکه هیدروژن می تواند باعث ایجاد تخلخل شود، کاربردهای آن محدود است. به طور مشابه، گاهی اوقات نیتروژن می تواند به آرگون اضافه شود تا به تثبیت آستنیت در فولادهای زنگ نزن آستنیتی کمک کند و نفوذ را افزایش دهد. با این حال به دلیل مشکلات تخلخل در فولادهای فریتی و فواید محدود، این گاز افزودنی محبوبی نیست.

منبع تغذیه

در جوشکاری تیگ از یک منبع تغذیه با جریان ثابت استفاده می شود و این به آن معنی است که جریان (و بنابراین گرما) حتی اگر فاصله قوس و ولتاژ تغییر کند، نسبتاً ثابت باقی می ماند. این خصوصیت مهم است زیرا اکثر جوشهای GTAW به صورت دستی یا نیمه اتوماتیک هستند، و نیازمند این است که اپراتور تورچ را کنترل کند. در صورت استفاده از منبع ولتاژ ثابت، حفظ فاصله قوس مناسب دشوار است زیرا این امر می تواند باعث تغییرات شدید در حرارت ورودی شود و جوشکاری را مشکل تر کند. قطب ترجیحی سیستم GTAW تا حد زیادی به نوع فلز جوش بستگی دارد. جریان مستقیم با الکترود با بار منفی  (DCEN) اغلب هنگام جوشکاری فولادها، نیکل ، تیتانیوم و سایر فلزات به کار می رود. از این جریان همچنین می تواند در GTAW اتوماتیک آلومینیوم یا منیزیم در هنگام استفاده از هلیوم به عنوان گاز محافظ استفاده کرد. الکترود با بار منفی با انتشار الکترون هایی که در طول قوس حرکت می کنند، گرما ایجاد می کند و باعث یونیزاسیون گاز محافظ و افزایش دمای فلز پایه می شود. گاز محافظ یونیزه شده به سمت الکترود حرکت می کند و این موضوع سبب می شود تا اکسیدها روی سطح جوش ساخته شوند. جریان مستقیم با الکترود با بار مثبت (DCEP)  کمتر متداول است و در درجه اول برای جوش های کم نفوذ استفاده می شود زیرا گرمای کمتری در قلز پایه ایجاد می شود. برای کمک به حفظ شکل الکترود و جلوگیری از نرم شدن آن، از الکترودهای با سایز بزرگتر استفاده می شود. با حرکت الکترون ها به سمت الکترود، گاز محافظ یونیزه به سمت فلز پایه برگشت می یابد و جوش را با از بین بردن اکسیدها و سایر ناخالصی ها پاک می کند و بدین ترتیب کیفیت و ظاهر جوش بهبود می یابد.

جریان متناوب، معمولاً در جوشکاری آلومینیوم و منیزیم به صورت دستی یا نیمه اتوماتیک، استفاده می شود و با این روش الکترود و فلز پایه به طور متناوب بار مثبت و منفی پیدا می کنند. این امر باعث می شود که جریان الکترون به طور مداوم جهتش را تغییر دهد و از گرم شدن الکترود تنگستن جلوگیری شود، اکسیدها از سطح برداشته شده و فلز پایه عمیقا گرم شود.

رگولاتور فلومتر

فلومتر صرفا یک تنظیم کننده جریان گاز است که در سیستم منیفولد  ( manifold) استفاده می شود و ترکیبی از تنظیم کننده فشار و جریان گاز می باشد. جریان گاز با باز کردن شیر در پایه فلومتر تنظیم می شود. واحد سرعت جریان فوت بر متر مکعب یا لیتر بر دقیقه می باشد. خواندن شدت جریان توسط گلوله کوچکی انجام می شود که در یک استوانه مدرج قرار گرفته است. افزایش اندازه لوله اجازه می دهد که گاز در فضای بیشتری حرکت کند. اگر لوله در حالت عمودی قرار نگیرد خواندن آن صحیح نمی باشد. همچنین گازهای سبک مثل هلیوم و هیدروژن نمی توانند به اندازه گازهای سنگین مثل آرگون گلوله را بالا برده و نگه دارند.

مزایا و معایب جوشکاری تیگ

جوشکاری تیگ برای جوشکاری مقاطع نازک بسیار مناسب است، چرا که میزان حرارت ورودی محدود می باشد. در این روش نرخ تزریق فلز پرکننده تا حدودی مستقل از جریان جوشکاری بوده و بنابراین امکان تغییر در میزان نسبی ذوب شدن فلز پایه و ذوب شدن فلز پرکننده وجود دارد. همچنین می توان ورق های نازک را بدون فیلر و به صورت سربه سر به یکدیگر جوش داد. نظر به اینکه این روش از روش های جوشکاری بسیار تمیز است می توان از ان در جوشکاری فلزات فعال نظیر تیتانیوم، زیرکونیم، آلومینیم و منیزیم استفاده کرد.

اما نرخ رسوبگذاری در این روش پایین است. جریان زیاد جوشکاری نیز می تواند باعث ذوب شدن الکترود تنگستن و در نتیجه ایجاد ناخالصی تردی تنگستنی در حوضچه مذاب شود. با این وجود با پیشگرم کردن فلز پایه می توان نرخ رسوبگذاری را افزایش داد.

ایمنی

جوشکارها از لباس محافظ، از جمله دستکش های چرمی سبک و نازک و پیراهن آستین بلند محافظ با یقه های بلند استفاده می کنند تا از قرار گرفتن در معرض نور ماوراء بنفش قوی جلوگیری کنند. به دلیل عدم وجود دود در GTAW، قوس الکتریکی بسیار روشن تر است وجوشکارها را در معرض نور ماوراء بنفش قویتری قرار می دهد. جوشکار به منبع نور بسیار نزدیک است و شدت نور بسیار قوی است. آسیب احتمالی نور قوس شامل برخورد نور شدید قوس به چشم یا پوست می باشد که شبیه آفتاب سوختگی قوی است. برای جلوگیری از قرار گرفتن در معرض نور ماوراء بنفش، جوشکار باید از کلاه های مات با لنزهای تیره و پوشش کامل سر و گردن استفاده می کنند. کلاه های ایمنی مدرن معمولاً دارای صفحه پوشاننده کل صورت و جنس شیشه چشمی از جنس کریستال مایع است که در اثر قرار گرفتن در معرض نور قوس به صورت اتوماتیک تیره می شوند.

جوشکاران غالباً در معرض گازهای خطرناک و ذرات قرار می گیرند. در حالی که این فرآیند دودی ایجاد نمی کند. گرمای ناشی از قوس می تواند باعث تبخیر مواد مسموم بکار رفته در مواد تمیز کننده و چربی های موجود در محیط  شود. به این دلیل است که عملیات تمیز کردن با استفاده از مواد شیمیایی نباید در نزدیکی محل جوشکاری انجام شود و تهویه مناسب برای محافظت از جوشکار ضروری است.