جوشکاری قوس فلز با گاز محافظ (GMAW)

جوشکاری قوسی با گاز محافظ (GMAW) که به جوشکاری CO2 نیز معروف است، بسته به نوع گاز مصرفی در این فرآیند که گاز خنثی باشد، “MIG” و یا در این فرآیند از گازهای فعال استفاده شود، “MAG” نیز نامیده می شود. در این جوشکاری قوس الکتریکی میان الکترود مصرفی و قطعه کار تشکیل می شود. حرارت ناشی از قوس باعث ذوب نوک الکترود و قطعه کار، تشکیل حوضچه مذاب و پس از انجماد جوشکاری صورت می پذیرد. گاز محافظ از طریق تورچ یا گان جوشکاری همواره به همراه الکترود مصرفی به منطقه جوش اضافه می شود تا از ورود آلاینده های موجود در هوا به حوضچه مذاب جلوگیری کند. انتقال قطرات مذاب از نوک الکترود به حوضچه مذاب بسته به نوع گاز مصرفی و میزان جریان مصرفی به سه شکل صورت می گیرد: 1-انتقال کروی  2-انتقال اسپری  3-انتقال اتصال کوتاه         

درجوشکاری میگ گازهای خنثی آرگون یا هلیوم یا مخلوطی از آن ها برای جوشکاری فلزات غیر آهنی، فولادهای زنگ نزن و فولادهای آلیاژی  بکار می رود. ولی در هنگام جوشکاری فلزات آهنی گاز هلیم سبب ایجاد پاشش شده، و گاز آرگون نیز باعث ایجاد بریدگی در خط جوش می شود. جوشکاری مگ با افزودن اکسیژن و یا دی اکسید کربن که گازهای فعالی هستند، باعث کاهش این مشکلات می شود. فولادهای کربنی و کم آلیاژ، اغلب توسط گاز محافظ CO2 جوشکاری می شوند که مزیت آن سرعت جوشکاری بالاتر، نفوذ بیشتر و هزینه کمتر است. تحول این روش طی دهه 50 تا 1960 میلادی صورت پذیرفت و امروزه به پرکاربردترین و رایج ترین فرآیند جوشکاری صنعتی تبدیل شده است. این به دلیل تطبیق پذیری، سرعت و سهولت نسبی و نیمه اتوماتیک یا در صورت لزوم تمام اتوماتیک بودن این فرآیند می باشد.

تجهیزات

تجهیزات لازم برای جوشکاری GMAW عبارتند از: 1. نازل یا تورچ  2. قطعه کار                          3. منبع  تغذیه       4.کنترل کننده نرخ تغذیه سیم جوش    5. حلقه سیم جوش یا الکترود جوشکاری                        6. کپسول گاز محافظ می باشد.

نازل یا تورچ جوشکاری

تورچ در جوشکاری GMAW دارای چندین قسمت اصلی است: سوئیچ کنترلی ، نوک تماس ، کابل برق ، نازل گاز ، مجرای الکترود و بوش و شیلنگ گاز. سوئیچ کنترلی یا ماشه در هنگام فشار آوردن توسط اپراتور باعث شروع جریان برق و گاز محافظ می شود و باعث ایجاد قوس الکتریکی می شود. نوک تماسی که معمولاً از مس ساخته می شود، از طریق کابل برق به منبع برق دستگاه جوشکاری متصل می شود و انرژی الکتریکی را به الکترود منتقل می کند. این قسمت از تورچ باید کاملاً ایمن و با اندازه مناسب باشد. نازل گاز محافظ را به صورت یکنواخت به منطقه جوش هدایت می کند. نازل های بزرگتر جریان گاز محافظ بیشتری را ایجاد می کنند، که برای عملیات جوشکاری در جریان های بالاتر و  ایجاد حوضچه مداب بزرگتر و در نتیجه سرعت جوشکاری بیشتر مفید است. یک شیلنگ گاز از مخازن محافظ گاز ، گاز را به نازل منتقل می کند. بعضی اوقات ، شیلنگ آب نیز درون تورچ جوشکاری قرار می گیرد و تورچ را در عملیات با گرمای زیاد خنک می کند.

رایج ترین نازل جوشکاری GMAW نازل هواخنک است. در این نازل هوای فشرده برای حفظ درجه حرارت متوسط در داخل آن گردش می کند. این نوع نازل برای جوشکاری در جریان های پایین استفاده می شود. نوع دیگر نازل، تورچ های آبخنک هستند که به طور معمول برای جوشکاری در جریان های بالا استفاده می شوند.

منبع تغذیه

در جوشکاری GMAW در اکثر مواقع از منبع تغذیه با ولتاژ ثابت استفاده می شود. همچنین در این نوع جوشکاری عموما الکترود دارای بار مثبت و قطعه کار دارای بار منفی می باشد. از آنجایی که همواره تمرکز حرارت در آند بیشتر است در این جوشکاری حرارت بیشتر بر روی قطعه کار متمرکز می شود واین منجربه ذوب و نفوذ بیشتر ودر نتیجه باعث بالا رفتن سرعت جوشکاری می شود. از سوی دیگر به خاطر ولتاژ ثابت در این فرآیند، هرگونه تغییر کوچک در طول قوس به وسیله اپراتور منجربه تغییر زیادی در حرارت ورودی و آمپر می شود. برای رفع این مشکل از یک منبع تغذیه با آمپر ثابت و یا یک کنترل کننده سرعت تغذیه الکترود استفاده می شود. در این حالت تغییر در طول قوس بوسیله اپراتور به صورت خودکار باعث تغییر در سرعت تغذیه الکترود می شود که این باعث ثابت نگه داشتن طول قوس می شود.

کنترل کننده نرخ تغذیه سیم جوش

واحد تغذیه الکترود را بوسیله مجرای مخصوص سیم جوش از حلقه سیم جوش به نوک تورچ منتقل می کند. در بیشتر مواقع سیم جوش با سرعت ثابت به نوک تورچ منتقل می شود. ولی درحالت پیشرفته- تر میتوان نسبت به تغییر طول قوس سرعت تغذیه را تغییر داد. نرخ خوراک در روش GMAW معمولا بین 2 تا 10 متر در دقیقه می باشد. این در حالیست که صورت لزوم میتوان این سرعت را به 30 متر در دقیقه هم رساند.

حلقه سیم جوش یا الکترود جوشکاری CO2

الکترود در جوشکاری CO2 یک سیم از جنس فلز آلیاژی است که آلیاژ آن به عواملی نظیر ترکیب شیمیایی فلز پایه، نوع فرآیند استفاده شده، طرح اتصال و ترکیب شیمیایی سطحی فلز جوش بستگی دارد. انتخاب الکترود به شدت به خصوصیات مکانیکی فلز جوش تأثیر می گذارد و یک عامل اصلی کیفیت جوش است. بطور کلی فلز جوش پس از اتمام جوشکاری باید دارای خواص مکانیکی مشابه با فلز پایه باشد و نواقصی نظیر ناپیوستگی، آلودگی های حفره ای یا تخلخل درون جوش وجود نداشته باشد. برای دستیابی به این اهداف، الکترودهای متنوعی وجود دارد. تمام الکترودهای تجاری موجود حاوی فلزاتی مانند سیلیکون، منگنز، تیتانیوم و آلومینیوم با درصد کمی هستند تا از ورود اکسیژن به مذاب و تخلخل اکسیژن جلوگیری کنند. بعضی از آنها حاوی فلزاتی مانند تیتانیوم و زیرکونیوم برای جلوگیری از تخلخل نیتروژن هستند. بسته به نوع فرآیند و نوع فلز پایه، قطر الکترودهای مورد استفاده در جوشکاریCO2  به طور معمول بین 0.7 تا 2.4 میلی متر تغییر می کند. الکترودهای باریکتر در فرآیندهای “انتقال اتصال کوتاه” مورد استفاده قرار می گیرند. در حالی که رایج ترین الکترودهای حالت “انتقال اسپری” معمولاً ضخامتی بیش از 0.9 میلی متر دارند.

گاز محافظ

گازهای محافظ برای جوشکاری GMAW برای محافظت از محل جوش در برابر گازهای جوی مانند نیتروژن و اکسیژن ضروری است. گازها موجود در جو در جوشکاری CO2 باعث ایجاد نقص نفوذپذیری و تخلخل می شوند. این مشکل برای کلیه فرآیندهای جوشکاری قوس متداول است. به عنوان مثال، در فرآیند SMAW الکترود با یک روکش جامد پوشانده شده است که هنگام ذوب الکترود ابرمحافظی از دی اکسید کربن را پدید می آورد. در GMAW الکترود دارای پوشش نیست و برای محافظت از جوش، از گاز محافظ استفاده می شود. انتخاب گاز محافظ به عوامل مختلفی بستگی دارد. مهمترین این عوامل نوع فلز در حال جوشکاری، هندسه جوش، سرعت جوشکاری، میزان  جریان جوشکاری و نحوه انتقال فلز می باشند. گازهای بی اثر خالص مانند آرگون و هلیوم فقط برای جوشکاری غیر آهنی استفاده می شوند. درفولادها نفوذ کافی در جوش با گاز آرگون یا هلیوم فراهم نمیشود و یا باعث ایجاد قوس نامنظم و پاشش در هنگام جوشکاری می شود. از طرف دیگر، دی اکسید کربن خالص امکان جوش نفوذ عمیق را فراهم می کند اما اکسید شدن فلز را تشدید می کند و این موضوع بر روی خواص مکانیکی جوش تأثیر منفی می گذارد. هزینه پایین گاز محافظ CO2 آن را به یک انتخاب جذاب تبدیل می کند، اما به دلیل واکنش پذیری CO2  با پلاسما قوس، پاشش مذاب هنگام جوشکاری اجتناب ناپذیر است و همچنین جوشکاری فلزات نازک مشکل است. در نتیجه، آرگون و دی اکسید کربن غالباً در مخلوط 75٪ / 25٪ تا 90٪ / 10٪ مخلوط می شوند. آرگون نیز معمولاً با سایر گازها مانند اکسیژن، هلیوم، هیدروژن و ازت مخلوط می شود. افزودن اکسیژن حداکثر 5٪ (مانند غلظت های بالاتر دی اکسید کربن که در بالا به آن اشاره شد) می تواند در جوشکاری فولاد ضدزنگ مفید باشد، این در حالیست که در اکثر کاربردها دی اکسید کربن ترجیح داده می شود. از طرفی افزایش اکسیژن باعث می شود که گاز محافظ، الکترود را اکسیده کند. همچنین اکسیژن زیاد می تواند منجر به شکنندگی در ناحیه تحت تأثیر گرما (HAZ) شود. از مخلوط آرگون و هلیوم که گازهای بسیار بی اثری هستند میتوان در جوشکاری فلزات غیر آهنی استفاده کرد. غلظت هلیوم 50-75٪ باعث افزایش ولتاژ مورد نیاز شده و گرما را در قوس افزایش می دهد و این به دلیل دمای یونیزاسیون بالاتر هلیوم میباشد. در جوشکاری نیکل و قطعات فولادی ضد زنگ ضخیم نیز گاهی اوقات هیدروژن در غلظت های کم (تا حدود 5٪) به آرگون افزوده می شود. در غلظت های بالاتر (حداکثر 25٪ هیدروژن) ممکن است از این گاز برای جوشکاری مواد رسانا مانند مس استفاده شود. با این وجود نباید از هیدروژن در جوشکاری فولاد،  آلومینیوم یا منیزیم استفاده شود زیرا این امر می تواند باعث ایجاد تخلخل شود. مخلوط سه گاز آرگون، دی اکسید کربن و اکسیژن برای جوشکاری فولادها به بازار عرضه می شود. سایر مخلوط ها مقدار کمی هلیوم را به ترکیب آرگون و اکسیژن اضافه می کنند. ادعا می شود این مخلوط ها باعث افزایش ولتاژ قوس و سرعت جوشکاری می شوند. هلیوم همچنین بعضا بعنوان گاز پایه عمل می کند و مقدار کمی آرگون و دی اکسید کربن به آن افزوده می شود. با این حال، از آنجا که هوای موجود در جو از چگالی کمتری نسبت به هلیوم برخوردار است، هلیوم در محافظت از جوش نسبت به آرگون-که از هوا متراکم تر است- کمتر استفاده می شود. همچنین آرگون می تواند به دلیل داشتن پلاسما قوس بسیار پر انرژی تر منجر به پایداری و نفوذ در قوس شود. هلیوم همچنین نسبت به سایر گازهای محافظ بسیار گران است. سایر مخلوط های گازی تخصصی و غالباً اختصاصی، مزایای بیشتری برای برنامه های خاص دارند.

به طور کلی سرعت جوش سریع تر به این معنی است که برای تأمین پوشش کافی باید گاز بیشتری اضافه شود. علاوه بر این، جریان بالاتر به نرخ گازرسانی بیشتری نیاز دارد. به طور کلی برای استخرهای جوش کوچک با انتقال قطرات مذاب به صورت “اتصال کوتاه” حدود 10 لیتر در دقیقه (20 فوت مکعب در ساعت) مناسب است، در حالی که برای انتقال کروی حدود 15 لیتر در دقیقه (30 فوت مکعب در ساعت) ترجیح داده می شود. انتقال اسپری نیز معمولاً به دلیل ورودی بیشتر حرارت و در نتیجه استخر جوش بزرگتر، نیاز به محافظت بیشتر دارد. مقدار جریان گاز معمولی تقریباً 20-25 لیتر در دقیقه (40-50 فوت مکعب در ساعت) است.

منطقه جوش در جوشکاری CO2

همانطور که در شکل مشاهده می شود در اثر حرارت ایجاد شده توسط قوس بین الکترود جوشکاری و فلز پایه، فلز پایه ذوب شده و اتصال صورت می گیرد. اگر حفاظت حوضچه مذاب توسط گازهای خنثی مانند آرگون یا هلیم صورت گیرد فرآیند جوشکاری را جوشکاری میگ نیزمی گویند. در صورتی که گازهای بکار رفته گازهای فعالی مانند CO2 باشد، فرآیند جوشکاری در اصطلاح مگ یا جوشکاری CO2 نامیده می شود. این در حالیست که موسسه جوشکاری آمریکا برای این فرآیند واژه ترجیحی “جوشکاری قوس فلز با گاز محافظ” یا GMAW را بکار می برد.

حالت های انتقال فلز

انتقال فلز مذاب از نوک الکترود به حوضچه مذاب به یکی از سه حالت کروی(گلوله ای)، اسپری و اتصال کوتاه صورت می گیرد.

انتقال کروی قطرات فلز مذاب با قطری نزدیک به قطر نوک الکترود، تحت تاثیر نیروی جاذبه، در طول ستون قوس حرکت می کنند. حین جوشکاری به روش GMAW، اغلب در جریان های پایین و بدون در نظر گرفتن گاز نوع گاز محافظ، انتقال کروی رخ می دهد. اما هنگام استفاده از گازهای CO2 و He در تمام جریان ها، این نوع انتقال صورت می پذیرد.

انتقال اسپری

در صورتی که جریان جوشکاری از یک حد بحرانی افزایش یابد، قطرات کوچک مذاب، تحت تاثیر نیروی الکترومغناتیسی با سرعت و فرکانس بالاتر از حالت انتقال کروی، در طول ستون قوس حرکت می کنند. در این حالت انتقال فلز مذاب پاییدارتر بوده و عاری از هرگونه پراکنش است.حد بحرانی جریان برای انتقال اسپری، به نوع و اندازه الکترود و ترکیب گاز محافظ بستگی دارد. ولی محدوده جریان بحرانی برای انتقال اسپری میان 280 تا 320 آمپر می باشد.

انتقال اتصال کوتاه

در این حالت در هنگام اتصال نوک الکترود با حوضچه جوش، یعنی در هنگام اتصال کوتاه، فلز مذاب از نوک الکترود به حوضچه مذاب منتقل می شود. در هنگام استفاده از کمترین محدوده جریان و کمترین قطر الکترود، این انتقال صورت می پذیرد. در این حالت حوضچه جوش کوچک و با انجماد سریع تشکیل می شود که برای جوشکاری مقاطع نازک، جوشکاری مناطق دور از دسترس (مانند جوشکاری بالاسری) و پل زدن در ریشه جوش بزرگ مناسب است.

مزایا و محدودیت های روش GMAW

استفاده از گاز محافظ خنثی روش میگ را به یکی از تمیزترین روش ها تبدیل می کند. مزیت اصلی این روش، نرخ رسوب گذاری بالا و امکان جوشکاری مقاطع ضخیم در سرعت های جوشکاری زیادتر را فراهم می آورد. علاوه بر این با استفاده از روش های دو مشعلی و دو سیمی می توان نرخ رسوب گذاری را در این روش بیش از پیش افزایش داد. همچنین این روش نیاز چندانی به مهارت اپراتور ندارد. تورچ های جوشکاری میگ و مگ ضخیم بوده و امکان دسترسی به سطوح کوچک و گوشه ها در این روش مشکل است.

از شایع ترین مشکلات GMAW وجود حفره و تخلخل است. در صورت عدم کنترل، این مشکلات می توانند به جوش های ضعیف تر و کمتری منجر شوند. Dross یک مشکل معمول در جوش های GMAW آلومینیوم است که به طور معمول از ذرات اکسید آلومینیوم یا نیترید آلومینیوم موجود در الکترود یا فلز پایه ناشی می شود. الکترودها و قطعه کار را باید با یک برس مسی سابیده یا به صورت شیمیایی تحت سایش قرار داد تا اکسیدهای موجود در سطح آن برداشته شود. هرگونه اکسیژن در تماس با حوضچه مذاب، باعث افت شدید خواص مکانیکی فلز جوش می شود. در نتیجه، جریان کافی از گازهای محافظ لازم است و از جوشکاری در هوا متلاطم باید جلوگیری می شود. در GMAW علت اصلی تخلخل، گیر افتادن گاز در حوضچه مذاب است، که وقتی فلز قبل از فرار گاز منجمد میشود، رخ می دهد. این گاز می تواند از ناخالصی های موجود در گاز محافظ یا روی قطعه کار و همچنین از قوس های طولانی یا با حرارت خیلی بالا ناشی شود. جوش های آلومینیومی به دلیل هدایت حرارتی بالاتر، به ویژه نسبت به سرعت سرد شدن بیشتر دارای تخلخل بیشتری هستند. برای کاهش این تخلخل، قطعه کار و الکترود باید تمیز باشند، سرعت جوش کاهش یافته و جریان جوشکاری به اندازه کافی بالا باشد تا بتواند گرمای کافی و انتقال فلز پایدار را تأمین کند. اما  از طرفی جریان به اندازه کافی باید کم باشد که قوس ثابت بماند. پیش گرم کردن همچنین می تواند با کاهش شیب دمایی میان ناحیه جوش و فلز پایه، باعث کاهش دمای تحت تبرید شود.

ایمنی

در صورت عدم رعایت نکات ایمنی مناسب، جوش قوس به هر شکلی می تواند خطرناک باشد. از آنجا که در جوشکاری میگ و مگ از قوس الکتریکی استفاده می شود، هنگام  جوشکاری باید از لباس های محافظ مناسب، از جمله دستکش های بلند و روپوش های آستین دار استفاده شود، تا از آسیب های قوس و همچنین گرمای شدید، جرقه ها و فلز داغ جلوگیری شود.

 تابش شدید ماوراء بنفش قوس ممکن است باعث ایجاد آسیب به پوست شود، همچنین شرایطی به نام چشم قوس موجب التهاب قرنیه یا در موارد طولانی مدت موجب آسیب غیرقابل برگشت به شبکیه چشم می شود. کلاه های مخصوص جوشکاری معمولی حاوی صفحات تیره هستند تا از قرار گرفتن در معرض آن نور بسیار زیاد قوس جلوگیری کنند. طرح های جدیدتر کلاه ایمنی دارای ماسک های صورت از جنس کریستال مایع است که با قرار گرفتن در معرض قوس، به صورت اتوماتیک تیره می شوند. جوشکارها اغلب در معرض گازهای خطرناک و ذرات موجود در هوا قرار دارند. جوشکاری GMAW دود حاوی ذراتی از انواع مختلف اکسید را تولید می کند. غلظت دی اکسید کربن و ازن می تواند خطرناک باشد اگر تهویه کافی صورت نگیرد. اقدامات احتیاطی دیگر شامل دور نگه داشتن مواد قابل احتراق از محل کار و داشتن کپسول آتش نشانی از کارهای ضروری دیگر می باشد.