جوشکاری GMAW
جوشکاری GMAW کاربردهای زیادی در صنعت دارد. جوشکاری GMAW مخفف Gas Metal Arc Welding که با نام جوشکاری MIG/MAG نیز شناخته می‌شود، یک فرایند جوشکاری قوسی با قابلیت اتوماتیک شدن است که از یک الکترود سیمی مصرفی و گاز محافظ برای ایجاد جوش استفاده می‌کند.
در این روش، سیم جوش به طور مداوم از تفنگ جوش تغذیه می‌شود و قوس الکتریکی بین سیم و قطعه کار ایجاد می‌شود و جوشکار صرفاً بر سرعت انتقال الکترود و محل قرارگیری انبر جوشکاری نظارت دارد.
گاز محافظ، که می‌تواند خنثی (مانند آرگون یا هلیوم) یا فعال (مانند دی‌اکسید کربن) باشد، برای محافظت از حوضچه جوش در برابر آلودگی جوی استفاده می‌شود.
جوش GMAW از الکترود جامد فلزی استفاده می کند و مقدار بسیار کمی سرباره باقی می گذارد. در این فرایند سیم جوش روی یک قرقره قرار دارد و توسط منبع تغذیه سیم از طریق یک فنر توخالی به سمت تورچ جوشکاری هدایت می شود. انرژی قوس نیز توسط یک منبع تغذیه جوشکاری تأمین می شود.
جوشکاری GMAW در دهه‌های پنجاه و شصت میلادی به وجود آمد و امروزه یکی از پرطرفدارترین و رایج‌ترین روش‌های جوشکاری صنعتی است. تطبیق‌پذیری بالا، سرعت زیاد، آسانی و نیمه‌خودکار بودن این شیوه باعث فراگیر شدن آن شده است. در برخی موارد حتی می‌توان جوشکاری GMAW را کاملاً به صورت خودکار درآورد که با استفاده از تکنولوژی‌های جدید رباتی، می‌توان این روش جوشکاری را به فرآیند جوشکاری رباتیک تبدیل کرد.
توضیح نام های اختصاری
GMAW: Gas Metal Arc Welding
این نام رسمی برای این نوع فرآیند جوشکاری است و به جوشکاری قوسی با استفاده از گاز محافظ اشاره دارد.
MIG: Metal Inert Gas
این نام غیررسمی است و بیشتر در ایران برای این نوع فرآیند جوشکاری استفاده می‌شود. در جوشکاری میگ از گازهای بی‌اثر آرگون، هلیوم یا مخلوطی از آنها برای جوش دادن قطعات فلزات غیرآهنی، فولادهای ضدزنگ و آلیاژ فولادی استفاده می‌شود.
عیب این نوع جوشکاری آن است که گاز هلیوم در هنگام جوش دادن قطعات فلزی آهنی پاشیده می‌شود. همچنین گاز آرگون باعث می‌شود در خط جوش بریدگی ایجاد شود.
MAG: Metal Active Gas
این نام غیررسمی دیگری است که در این حالت، از گاز محافظ فعال مانند دی‌اکسید کربن یا اکسیژن استفاده می‌شود. این روش معمولاً برای جوشکاری فولادهای کربنی استفاده می‌شود.
در جوش مگ مشکلات جوش میگ برطرف شده است زیرا در این روش از گازهای فعال اکسیژن و دی‌اکسید کربن استفاده شده‌اند. به همین دلیل است که فولادهای کربنی اغلب با گاز دی‌اکسید کربن جوش داده می‌شوند. بر این اساس مزیت جوشکاری GMAW سرعت بالاتر، نفوذ بیشتر و هزینه کمتر آن است.
معمولاً برای جلوگیری از تغییرات ناگهانی درجه حرارت در قطعات ضخیم پیش از جوشکاری، آنها را پیش گرم می کنند. دمای پیش گرم تابع عوامل زیادی مانند ترکیب شیمیایی، ضخامت فلز پایه، طرح اتصال و قطر سیم جوش است و معمولاً توسط شعله انجام می گردد.
اجزای جوشکاری:
منبع تغذیه
اکثر دستگاه های جوشکاری میگ مگ ، از منبع جریان با ولتاژ ثابت استفاده می کنند. طول قوس به طور مستقیم با ولتاژ رابطه دارد. بنابراین هر تغییری که در طول قوس اتفاق بیفتد، سبب تغییر در حرارت و جریان ورودی از منبع می شود. هر چه طول قوس کمتر باشد درجه حرارت بیشتر شده و باعث می شود الکترود فلزی مصرفی سریع‌تر ذوب شود. این ویژگی به اپراتور کمک می کند در هنگام جوشکاری دستی، بتوانند طول قوس را کنترل کنند.
اگر منبع قدرت در حالت جریان ثابت باشد، تغییر در طول قوس باعث می شود تا میزان تغذیه‌ی سیم جوش تنظیم شود. این تنظیم طوری است که طول قوس همواره ثابت بماند.
دستگاه تغذیۀ الکترود
در بعضی سیستم های جدید، این سرعت با توجه به طول قوس و میزان ولتاژ قابل تغییر است. بعضی از این سیستم ها می‌توانند الکترود را تا ۳۰ متر بر دقیقه تامین کنند. اکثر دستگاه های جوش GMAW حالت نیمه اتوماتیک دارند که نرخ تغذیۀ الکترود آن ها معمولا بین ۲ تا ۱۰ متر بر دقیقه است.
تفنگ (تورچ) جوشکاری
وظیفه تورچ جوشکاری انتقال سیم، گاز و جریان از منبع تغذیه به محل جوشکاری است. تورچ جوشکاری میگ مگ برحسب مقدار آمپر و سیکل کاری به دو نوع هوا خنک و آب خنک تقسیم می‌شود. تورچ هوا خنک برای جریان های بیشتر از ۳۵۰ آمپر و با سیکل کاری بیشتر از ۴۰ % به کار می رود. تورچ آب خنک نیز برای جریان هایی در حدود ۳۵۰ آمپر و با سیکل کاری کمتر از ۴۰ % کاربرد دارد.
الکترود جوشکاری GMAW
سیم جوش در این فرایند به طور مداوم از تفنگ جوش تغذیه می‌شود و به عنوان فلز پرکننده عمل می‌کند. در فرایند جوشکاری قوسی با گاز محافظ، انتخاب الکترود بر اساس ترکیب فلز جوش، کاربرد، طراحی و شرایط سطحی انجام می‌شود.
انتخاب الکترود جوشکاری GMAW مناسب، اثر زیادی بر خواص مکانیکی جوش نهایی می گذارد و یک عامل کلیدی برای کیفیت جوش است. در جوشکاری میگ و مگ بر حسب موقعیت و فلز پایه، می‌توان از فلزات دی اکسید کننده مانند سیلیکون، منگنز، تیتانیوم و آلومینیوم استفاده کرد. این فلزات دی اکسید کننده هستند و برای جلوگیری از تخریب ناشی از اکسیژن استفاده می‌شوند.
بعضی از سیم جوش های فلزی GMAW حاوی فلزات ضعیفی مانند تیتانیوم و زیرکونیم هستند که برای جلوگیری از ایجاد تخلخل توسط نیتروژن به فلز جوش اضافه می‌شوند. بسته به نوع فلز پایه، قطر الکترود مورد استفاده می‌تواند بین ۰.۷ تا ۴ میلیمتر متغیر باشد.
گاز محافظ:
وظیفه این گاز محافظت از حوضچه جوش در برابر آلودگی هوا و اکسیداسیون است. بسته به نوع گاز، می‌تواند خنثی (MIG) یا فعال (MAG) باشد. در روش GMAW الکترود روکش ندارد و همانند جوش TIG ناچار به استفاده از گاز محافظ هستیم.
در این میان گازهای غیر فعال مانند آرگون و هلیوم، معمولا برای جوشکاری فلزات غیر آهنی استفاده می شوند. این گازها تاثیری بر خواص فلز پایه و جوش نمی‌گذارند. به این فرایند جوشکاری، میگ (MIG) گفته می‌شود.
اما در سمت مقابل برای جوشکاری فلزات آهنی معمولا از گاز CO2 استفاده می‌شود. این گاز گرچه ارزان‌تر است، اما به دلیل خاصیت اکسیدکنندگی خواص جوش را تحت تاثیر قرار می‌دهد. به این فرایند جوشکاری، مگ (MAG) گفته می‌شود. در عمل معمولا ترکیبی از این گازها برای جوشکاری استغاده می‌شود.
مزایای جوش GMAW
این روش جوشکاری دارای مزایایی مانند سرعت بالا، کیفیت جوش خوب، سهولت استفاده و قابلیت جوشکاری انواع فلزات است.
کاربردهای جوش GMAW
جوشکاری GMAW/MIG/MAG در صنایع مختلفی از جمله خودروسازی، ساخت و ساز، صنایع دریایی و هوافضا کاربرد دارد.
فرایند جوشکاری GMAW
در جوشکاری GMAW مهمترین کار این است که فلز میانی یا پرکننده به حوضچه مذاب جوش آورده شود. این کار به سه طریق انجام می‌شود:
- اتصال کوتاه (Short Circuiting)
- پاشش (Spray)
- قطره ای (Globular)
- پالسی (Pulse)
در مرحله انتقال فلز پرکننده، شناخت انواع این فلزها بسیار مهم است. اگر فلز پرکننده از لحاظ شکل و ضخامت به‌درستی انتخاب نشود، جوش معیوبی ایجاد خواهد شد و باید فرایند جوشکاری دوباره انجام شود.
در روش اتصال کوتاه:
در قوس کوتاه، قطره مذاب قبل از این که به طور کامل از نوک الکترود جدا شود، سطح حوضچۀ مذاب را لمس می کند. انتقال فلز پرکننده به‌صورت یکنواخت انجام می‌شود. برای این کار باید شدت جریان ولتاژ را بسیار پایین‌تر از حد معمول انتخاب کرد. در این روش وقتی الکترود با حوضچه مذاب تماس پیدا می‌کند، برای لحظه‌ای اتصال کوتاه ایجاد می‌شود. درنتیجه شدت جریان به حداکثر می‌رسد و این باعث عقب رفتن بخش ذوب‌شده می‌شود تا اتصال قطع شود.
در روش جوشکاری GMAW با اتصال کوتاه، گرمای ورودی کمی وارد می‌شود و در نتیجه این روش برای جوش دادن قطعات نازک با فاصله کم مناسب‌تر است. این روش برای جوشکاری قطعات باریک با فواصل زیاد حاصل از عملیات مونتاژ نامناسب است. مخصوصاً اگر جوشکار مهارت کافی نداشته باشد، جوش ناقص و معیوب خواهد شد.
در روش پاششی یا اسپری:
اندازه قطرات مذاب از قطر الکترود کمتر است و به حالت بخار در می‌آید. در این روش جوشکاری GMAW پاشیده شدن کمتر است و باید شدت جریان ولتاژ بیشتر از حد معمول باشد. همچنین در این روش به گاز محافظ بیشتری نیاز است.
قوس پاششی بیشترین حرارت ورودی را در جوشکاری میگ و مگ ایجاد می کند. پس از آن قوس پالسی، قوس قطره ای و در نهایت قوس کوتاه از نظر حرارت تولیدی قرار می‌گیرند. از این رو انتخاب مدل انتقال پاششی جهت جوشکاری مقاطع ضخیم با سرعت بالا مناسب ترین انتخاب است. توجه داشته باشید که با این قوس، امکان جوشکاری فقط در وضعیت تخت امکان پذیر است.
این روش برای جوش دادن قطعات نازک مناسب نیست زیرا انرژی جوش آن بالاست و به قطعات آسیب می‌زند و حتی ممکن است باعث بریدگی آنها شود.
روش پالسی:
برای رفع این مشکل از روش اسپری ضربانی استفاده می‌شود که در آن شدن جریان به صورت مربعی است و دارای مقدار حداقل و حداکثر جریان است.
امکان دستیابی به مدل انتقالی پالسی، تنها در دستگاه هایی که مجهز به تولید جریان خروجی ضربانی باشند، میسر است. در این حالت انرژی قوس الکتریکی بین دو سطح با شدت جریان پایین و بالا تغییر می کند. مقادیر این جریان ها از روی دستگاه قابل تنظیم است. همین موضوع سبب کنترل حرارت ورودی نیز می شود
در زمان حداقل جریان، یک میدان نوسانی بالا اسپری را منتقل می‌کند و انرژی قوس با فرکانس و میدان نوسان هر ضربان کنترل می‌شود. با روش جوشکاری GMAW با اسپری ضربانی می‌توان قطعات نازک و ورقه‌ها را نیز جوشکاری کرد.
از جوشکاری GMAW برای جوشکاری انواع فولاد ضدزنگ، فولاد نرم و آلومینیوم استفاده می‌شود. از خواص جوشکاری GMAW قابلیت جوشکاری طولانی‌مدت و بدون وقفه است و به همین دلیل در صنایع کشتی‌سازی از آن بسیار استفاده می‌شود؛ همچنین جوشکاری GMAW روشی عالی برای خال‌بندی و جوش نقطه‌ای است.
از این نوع جوشکاری در جوش اکثر فلزات مغناطیسی نیز می‌توان استفاده کرد و از آن جهت که تمرکز حرارت قوس آن زیاد است، می‌توان جوشکاری ورق‌های نازک بدون خطر پیچ خوردن و تابیدگی را انجام داد.
روش قطره ای:
جوشکاری GMAW قطر قطرات مذاب دو یا سه برابر قطر الکترود است و این قطرات همزمان با حوضچه مذاب و نوک الکترود تماس دارند. این امر باعث اتصال کوتاه متناوب می‌شود و در نتیجه ماده مذاب پاشیده می‌شود که جرقه و پاشش آن زیاد است. این روش پیشتر به دلیل بازدهی آن، روشی متداول بود، اما در مقایسه با مدل های انتقالی دیگر، قوس قطره ای ثبات کمتری دارد، از این رو درصد استفاده از آن در جوشکاری GMAW کمتر از دیگر مدل هاست.
مزایا، معایب و خطرات جوشکاری GMAW
کاربردهای جوشکاری میگ مگ
- جوشکاری قوسی با گاز محافظ ، روشی بسیار مناسب برای جوشکاری فولاد ضدزنگ، فولاد نرم و انواع آلومینیوم است.
- این روش به دلیل قابلیت جوشکاری طولانی مدت و بدون توقفی که دارد، کاربردهای زیادی در صنایع کشتی سازی دارد.
- روش GMAW گزینه‌ای عالی برای خال بندی و جوش نقطه ای به شمار می رود.
- از جوشکاری میگ و مگ می‌توان برای جوشکاری اکثر فلزات مغناطیسی استفاده کرد.
- در جوش GMAW، تمرکز حرارت قوس به دلیل نسبت بالای توان به سطح، زیاد است. بنابراین امکان جوشکاری ورق های نازک بدون پیچیدگی و تابیدگی وجود دارد.
از آنجایی که در جوشکاری GMAW به روش میگ از گاز خنثی استفاده می‌شود، این روش بسیار تمیزتر از سایر روش‌هاست. در این روش میزان رسوب‌گذاری بالاست و به کمک آن می‌توان سطوح مقطع ضخیم را با سرعت بیشتری جوشکاری کرد. حتی می‌توان به کمک روش‌های دوسیمی و دو مشعلی میزان رسوب‌گذاری را در آن افزایش داد. از مهمترین مزایای روش جوشکاری GMAW این است که به مهارت بالای جوشکار نیاز ندارد.
اما نکته منفی در مورد این روش آن است که مشعل‌های جوشکاری GMAW در هر دو روش مگ و میگ به دلیل ضخامت زیاد، دسترسی به سطوح کوچک و گوشه‌ها را دشوار می‌کنند. یکی از رایج‌ترین مشکلات در کار به روش جوشکاری GMAW ایجاد شدن حفره‌ها و تخلخل‌هاست. این مشکل اگر برطرف نشود، باعث جوش‌های ضعیف و ناقص می‌شود.
مشکل دیگری که در جوشکاری GMAW به وجود می‌آید، مشکل تفاله‌هایی است که روی سطح الکترود یا فلز پایه باقی می‌مانند و اغلب از ذرات اکسید آلومینیوم یا نیترید آلومینیوم تشکیل شده‌اند. برای رفع این مشکل باید الکترودها و قطعات را به‌طور مرتب با برس مسی سابیده شوند یا با مواد شیمیایی تمیز شده تا اکسیدها از روی سطح آن برداشته شود.
نکته دیگر آنکه تماس اکسیژن با حوضچه مذاب باعث افت خواص مکانیکی فلز جوش می‌شود و به همین دلیل باید گاز محافظ کافی وجود داشته باشد؛ همچنین نباید در جاهایی که جریان هوای شدید وجود دارد جوشکاری GMAW انجام شود.
علت اصلی تخلخل در جوشکاری GMAW حبس شدن گاز در حوضچه مذاب است. ناخالصی موجود در گاز محافظ یا روی قطعه و همچنین حرارت بسیار زیاد باعث ایجاد این تخلخل‌ها می‌شود و در جوش‌های آلومینیومی که حرارت بالاتری دارد، ایجاد آنها بیشتر اتفاق می افتد.
خلاصه مزایا و معایب جوشکاری GMA:
مهم ترین مزایای جوشکاری GMAW عبارتست از:
- نرخ رسوب بالا
- عدم لزوم پاک کردن سرباره
- سرعت بالا
- آلودگی کم
- عمق نفوذ مناسب
از محدودیت‌های این روش نیز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- هزینه زیاد ماشین آلات، گاز محافظ، تعمیر و نگهداری
- نیاز به وجود فضای مناسب به جهت وجود دستگاه و تجهیزات جوش
- حساسیت گاز محافظ به وزش باد
- محدودیت طول قوس
