جوشکاری GTAW/TIG
جوشکاری GTAW/TIG که به عنوان جوشکاری قوس تنگستن گازی (Gas Tungsten Arc Welding) یا جوشکاری با گاز بی‌اثر تنگستن (Tungsten Inert Gas) نیز شناخته می‌شود، یک روش جوشکاری دقیق و پیشرفته است که از الکترود تنگستن غیرمصرفی برای ایجاد قوس الکتریکی و ذوب فلز پایه استفاده می‌کند. در این روش، گاز محافظ (معمولاً آرگون یا مخلوطی از آرگون و هلیم) برای محافظت از حوضچه مذاب و الکترود در برابر آلودگی اتمسفر به کار می‌رود.
جوشکاری TIG که در اصطلاح با نام جوشکاری آرگون هم شناخته می‌شود، به دلیل تنوع عملکرد و ظاهر خوبی که برای فلز جوش به وجود می‌آورد، توانسته به خوبی جای خود را باز کند.
از جوشکاری تیگ در صنعت با نام های «جوش آلومینیوم»، «هلی آرک» و «هلی ولد» نیز یاد می‌شود. در روش جوشکاری آرگون یک قطب جریان الکتریکی، به فلز پایه (قطعۀ کار) و قطب دیگر به الکترود مصرف نشدنی متصل می شود که همان تنگستن است. تنگستن یک فلز بسیار سخت با دمای ذوب ۳۸۰۰ درجۀ سلسیوس است؛ از این رو خیلی دیر ذوب می شود. پس از ایجاد قوس الکتریکی بین الکترود تنگستن و قطعۀ کار، فضای قوس و الکترود سرخ شده و حوضچه‌ی مذابی از فلز پایه تشکیل می گردد. این حوضچه توسط گاز خنثی در برابر عوامل اتمسفریک (مخصوصا اکسیژن) محافظت می شود.
با توجه به نوع کاربرد، در جوشکاری تیگ از یک فلز پرکننده نیز می توان استفاده کرد. فلز پرکننده با ترکیب مشخص، در ناحیۀ تشکیل مذاب قرار می گیرد و ناحیۀ اتصال را پر می کند. جوشکاری TIG با حالت های دستی، ماشینی و یا اتوماتیک قابل اجرا است.
فرآیند جوشکاری GTAW/TIG:
- منبع جوشکاری TIG
در جوشکاری GTAW برای ایجاد جریان و قوس الکتریکی به دستگاه جوش (منبع نیرو) نیاز است. جریان های الکتریکی مورد نیاز در جوش TIG، ممکن است توسط موتور ژنراتورهای AC یا DC و یا ترانسفورماتورهای AC و یکسو کننده های DC و یا توسط ژنراتورهای دیزلی و بنزینی تأمین گردد.
جوشکاری TIG وابستگی بسیار زیادی به نیروی الکتریکی و ماشین جوش دارد. نیروی الکتریکی که برحسب وات ( آمپر × ولت ) توسط منبع نیرو تولید می شود، با یونیزه شدن گاز محافظ قوس الکتریکی، به حرارت تبدیل می گردد.
در اجرای جوشکاری تیگ، پس از تعیین گاز محافظ، شدت جریان قوس الکتریکی و طول قوس است که مقدار حرارت مورد نیاز را کنترل می کند. شدت جریان جوشکاری TIG را اپراتور روی منبع نیرو تنظیم می کند. اما ولتاژ قوس الکتریکی با تغییرات طول قوس بین نوک الکترود تنگستن و قطعه کار تغییر می کند.
- الکترود تنگستن:
یک الکترود تنگستن غیرمصرفی، جریان الکتریکی را به قطعه کار منتقل می‌کند و قوس الکتریکی ایجاد می‌کند. در فرایند جوشکاری آرگون، انتخاب قطر الکترود، به شدت و نوع قطبیت جریان بستگی دارد. الکترود های تنگستنی عمدتا با قطرهای 0.25 تا 6.35 میلی متر و طول 76 تا 610 میلی متر عرضه می‌شوند. این الکترود ها ممکن است ترکیب ها و خواص متفاوتی داشته باشند.
گاز محافظ:
گاز محافظ، از حوضچه مذاب و الکترود در برابر آلودگی اتمسفر محافظت می‌کند. در جوشکاری تیگ ، گاز محافظ توسط نازلی که روی مشعل بسته می‌شود، بر روی منطقۀ جوش متمرکز می‌گردد. گازهای محافظ معمولا در کپسول های مخصوص ذخیره می‌شوند. این گازها می‌توانند گاز خالص (تک گاز)، مخلوطی از دو گاز (مخلوط های دوتایی) یا مخلوطی از سه گاز (مخلوط های سه تایی) باشند. مهم ترین گازهای بی‌اثر که در جوشکاری تیگ ممکن است به صورت تک فاز یا مخلوط به کار روند عبارتند از: آرگون، هلیوم، نیتروژن، دی اکسید کربن و…
- فلز پرکننده (اختیاری):
در صورت نیاز، از یک فلز پرکننده (سیم جوش) برای پر کردن فضای خالی بین دو قطعه کار استفاده می‌شود.
- تورچ جوشکاری:
تورچ جوشکاری، الکترود و گاز محافظ را در خود جای می‌دهد و به اپراتور امکان کنترل دقیق قوس و حوضچه مذاب را می‌دهد. مشعل های جوشکاری آرگون، وظیفۀ نگهداری الکترود تنگستنی و رساندن گاز محافظ به منطقه قوس و حوضچه مذاب را دارند. کیفیت این مشعل ها با توجه به معیارهایی مانند ظرفیت حمل ماکزیمم جریان جوشکاری بدون گرمایش زیاد ارزیابی می شود. مشعل های جوش GTAW با توجه به تطابق آن ها با درجه و سایز الکترود در مدل ها سایز های مختلفی طراحی می شوند.
اکثر مشعل هایی که به طور دستی کار می کنند، دارای زاویه بین الکترود و دستۀ مشعل ۱۲۰ درجه هستند. همچنین مشعل هایی با زاویه سر قابل تنظیم و مشعل های مستقیم (مدادی) و با زاویه سر ۹۰ نیز در صنعت به کار می روند. اغلب این مشعل ها دارای کلید یا شیر خروجی گاز بر روی دسته مشعل هستند.
مزایای جوشکاری GTAW/TIG
- کیفیت بالای جوش:
این روش جوشکاری به دلیل کنترل دقیق قوس و حوضچه مذاب، جوش‌هایی با کیفیت بالا، تمیز و با استحکام بالا تولید می‌کند.
- قابلیت جوشکاری فلزات مختلف:
GTAW/TIG برای جوشکاری انواع فلزات آهنی و غیرآهنی از جمله آلومینیوم، فولاد ضد زنگ، مس و غیره مناسب است.
- مناسب برای جوشکاری قطعات نازک:
به دلیل کنترل دقیق و حرارت کم، برای جوشکاری قطعات نازک نیز مناسب است.
- بدون جرقه و دود:
این روش جوشکاری به دلیل استفاده از گاز محافظ، بدون جرقه و دود است و محیط کار تمیزتری ایجاد می‌کند.
- کنترل دقیق:
اپراتور می‌تواند با دقت بالایی جریان، ولتاژ و سرعت جوشکاری را کنترل کند.
کاربردهای جوشکاری GTAW/TIG:
- صنایع هوافضا
- خودروسازی
- ساخت تجهیزات پزشکی
- صنایع لوله سازی
- ساخت مخازن تحت فشار
- جوشکاری آلومینیوم
نکات مهم در جوشکاری GTAW/TIG
- انتخاب صحیح گاز محافظ با توجه به نوع فلز و ضخامت قطعه کار.
- انتخاب الکترود تنگستن مناسب با توجه به نوع جریان و فلز جوشکاری.
- تنظیم صحیح پارامترهای جوشکاری از جمله جریان، ولتاژ و سرعت جوشکاری.
- آماده‌سازی صحیح سطح قطعات کار قبل از جوشکاری.
- رعایت نکات ایمنی از جمله استفاده از تجهیزات حفاظت فردی مناسب.
عوامل تاثیرگذار بر کیفیت جوشکاری تیگ
چهار عامل اصلی وجود دارد که بیش از بقیۀ عوامل در نتیجۀ جوشکاری TIG اثرگذارند.
- سرعت پیشروی در جوش آرگون
- ولتاژ قوس در جوشکاری آرگون
- انواع قطبیت در جوشکاری تیگ
- تغذیۀ سیم جوش در جوش تیگ
سرعت پیشروی در جوش آرگون
سرعت پیشروی عملیات جوشکاری بر روی نفوذ و عرض گُردۀ جوش اثرگذار است. همچنین بر هزینۀ جوشکاری نیز تاثیر دارد. مطمئنا در هر کاربردی اگر افزایش سرعت جوش بر کیفیت جوش اثر نگذارد، ترجیح اپراتور بر افزایش سرعت و به دنبال آن نرخ تولید خواهد بود. لازم به ذکر است هنگامی که دیگر متغیرها مانند جریان یا ولتاژ برای کنترل جوش تغییر می کنند، سرعت پیشروی در جوشکاری TIG مکانیزه، ثابت است.
ولتاژ قوس در جوشکاری آرگون
میزان اختلاف پتانسیلی که میان سطح قطعۀ کار و الکترود تنگستنی به وجود می آید، ولتاژ قوس نامیده می شود. این ولتاژ خود تحت تاثیر سه عامل زیر است:
- شکل نوک الکترود تنگستنی
- فاصلۀ نوک الکترود تا قطعه کار
- جریان قوس
زمانی که از ولتاژ قوس در جوشکاری تیگ برای کنترل طول قوس استفاده شود، باید به متغیرهای دیگری که بر روی ولتاژ تأثیر می گذارند نیز توجه داشته باشیم. در رأس همه عیوب آلودگی توسط الکترود و گاز محافظ، تغذیه نامناسب سیم جوش و تغییر دمای الکترود و فرسایش و ساییدگی الکترود است
انواع قطبیت در جوشکاری تیگ
- جریان مستقیم ـ الکترود قطب منفی (DCEN)
- جریان مستقیم ـ الکترود قطب مثبت (DCEP)
- جریان متناوب
در کشور ما معمولا از جریان مستقیم با الکترود قطب منفی استفاده می شود. در این حالت یعنی DCEN حرارت بیشتری به قطعه کار اعمال می شود و در نتیجه نرخ ذوب بیشتر می شود. به طور کلی در هر دو حالت جریان DCEP یا DCEN ، یک حوضچۀ مذاب باریک با نفوذ عمیق ایجاد می شود.علت این امر، انتقال الکترون های منفی از الکترود تنگستن داغ و نفوذ در فلز پایه است و در نتیجه ناحیه حرارت دیده در قطعه کار، متمرکز شده و پیچیدگی کمتر و جوشکاری سریع تری را به ارمغان می آورد.
در حالت جریان متناوب پلاریته بین قطعه کار و الکترود تغییر می کند. این تغییر سریع در پولاریته باعث می شود که یک نوع فرآیند کاتدی ایجاد شود که در حذف لایه های اکسیدی در سطح فلزات به خصوص برای فلزات آلومینیوم و منیزیم و سایر فلزاتی که اکسید آن ها دیرگداز هستند، بسیار مفید است.
تغذیۀ سیم جوش در جوش تیگ
در جوشکاری TIG دستی، نحوه اضافه کردن سیم جوش (فلز پرکننده) به حوضچۀ مذاب، بر تعداد پاس های جوش مورد نیاز و ظاهر نهایی جوش اثر گذار است. در دستگاه های اتوماتیک جوشکاری مانند ربات جوشکاری، سرعت تغذیه سیم جوش، تعیین کنندۀ مقدار رسوب فلز جوش به ازای طول جوش است.
کاهش سرعت تغذیه سیم جوش، مقدار نفوذ را افزایش می دهد. لازم به ذکر است تغذیه آرام سیم جوش، می تواند باعث ایجاد خوردگی کناره جوش (Under cut)، ترک در خط مرکزی جوش و عدم پر شدن اتصال شود. بالا بودن سرعت تغذیه سیم، نفوذ را کاهش داده و گرده جوش را محدب‌‌تر می‌کند.
مزایا و معایب جوشکاری تیگ
- کیفیت جوشکاری گاز آرگون در حد عالی و معمولا بدون هرگونه نقصی است.
- در این فرآیند، هیچگونه پاششی که معمولاً در سایر فرآیندهای قوسی مشاهده می شود، وجود ندارد .
- این فرآیند، بسته به روش کار، می‌تواند با سیم جوش مصرف شدنی یا بدون آن اجرا شود .
- در روش تیگ، امکان کنترل پاس ریشه در حد عالی وجود دارد.
- در جوشکاری آرگون قابلیت جوشکاری دو جسم با فشردن لبه‌های آن‌ها به هم و ذوب و اتصال آن‌ها وجود دارد. این بدین معنا است که این روش بدون استفاده از سیم‌جوش نیز قابل اجراست.
- برای جوشکاری GTAW از منابع تغذیه نسبتا ارزانی استفاده می‌شود.
- در روش GTAW قابلیت کنترل روی متغیرهای جوشکاری وجود دارد.
- تقریبا هر نوع فلزی، حتى اتصالاتی با فلزات ناهمگون را می‌توان توسط جوش TIG اعمال کرد.
مهم ترین معایب جوش GTAW نیز عبارتند از:
- اگر الکترود تنگستنی با حوضچه مذاب تماس داشته باشد، آخال‌های تنگستن وارد فلز جوش می‌شوند.
- در مقایسه با فرآیندهای جوشکاری قوسی که از الکترود مصرفی استفاده می‌کنند، نرخ رسوب در این فرآیند پایین است .
- در مقایسه با فرآیند GMAW (جوشکاری قوسی فلزی تحت پوشش گاز محافظ) یا فرآیند SMAW (جوشکاری قوسی با الکترود روکش دار)، در جوشکاری دستی TIG جوشکار باید مهارت و هماهنگی بیشتری با فرآیند داشته باشد. در مورد قطعات ضخیم، با ضخامت بیش از ۵ اینچ این فرآیند نسبت به سایر فرآیندهای قوسی با الکترود مصرفی، توجیه اقتصادی کمتری دارد.
- در محیط‌هایی که جریان هوا در آن جریان دارد، حفاظت از منطقه کار دستگاه جوش آرگون بسیار مشکل است.
- معمولا عیب آلودگی یا حفره در مذاب، تحت تاثیر نشتی آب از مشعل‌های سرد شونده با آب به وجود می‌آید.
