فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW)

 جوشکاری با گاز آرگون – جوشکاری با گاز کربن دی اکسید – جوشکاری میگ – Gas Metal Arc Welding

فرآیند جوشکاری با گاز محافظ (  GMAW)  ، فرآیندی است که گرما توسط قوس بین الکترود و قطعه کار بوجود می آید. الکترود یک سیم جوش توپر است که پیوسته به محل جوش تغذیه شده و مصرف می شود. حفاظت الکترود، ستون و حوضچه مذاب جوش وحتی قسمتی از فلز مبنا که نزدیک محل ذوب است با کامل توسط یک گاز یا ترکیب گاز انجام می گیرد.

 در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ گاز محافظ باید یک حفاظت کامل و خوب را انجام دهد زیرا اندک ذره مضر از طرف آتمسفر محیط به راحتی وارد مذاب شده و باعث آلوده شدن فلز جوش ته نشین شده میشود.

فرآیند جوشکاری با گاز محافظ (جوشکاری CO2) شامل دو نوع اتوماتیک و نیمه اتوماتیک است که در هر دو اندازه طول قوس و سرعت تغذیه الکترود ثابت بوده و در نوع اتوماتیک آن علاوه بر این، سرعت حرکت تورچ و حالت قرار گرفتن تورچ نسبت به درز جوش نیز ثابت است و در نوع نیمه اتوماتیک آن سرعت حرکت تورچ و حالت آن بسته به مهارت جوشکار دارد .

فرآیند جوشکاری با گاز محافظ در سال ۱۹۴۸ در USA بوجود آمد و در آن زمان این فرایند تحت نام میگ (MIG) یا Metal Inertgas فرآیند جوشکاری میگ یعنی جوشکاری با الکترود مصرفی شدنی فلزی و گاز محافظ خنثی نامیده میشد و توسط گازهای خنثی هلیم و آرگون برای جوشکاری آلومینیوم به کار می رفت و سپس این فرآیند برای جوشکاری فولاد نیز توسط گاز CO۲ به کار رفت و در سال ۱۹۵۳ نام جوشکاری CO2 یا جوشکاری مَگ   Metal Active Gas ) MAG ) به معنای گاز محافظ فعال را به خود اختصاص داد و در نهایت در سال ۱۹۷۳ از ترکیب دو نوع و فرآیند MIG و MAG نام جوشکاری قوسی فلزی با گاز محافظ  (GMAW ) را برای کل فرآیند نام گذاری شد .

جوشکاری CO2

روش های انتقال فلز پرکننده به حوضچه مذاب جوش در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW)

روش های انتقال فلز پرکننده به حوضچه مذاب جوش در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW) که از این به بعد به طور اختصار تحت نام انتقال فلز گفته میشود به سه طریق انجام میگیرد :

١- انتقال فلز به صورت اتصال کوتاه

 ۲- انتقال فلز به صورت گلبولی یا گلبولی یا گلوله ایی

 ۳- انتقال فلز به صورت اسپری

انتقال فلز به صورت اتصال کوتاه در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ (GMAW) 

 این نوع انتقال فلز در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW)  وقتی به وجود می آید که مقدار شدت جریان و ولتاژ را از معمول خود خیلی پائین تر انتخاب کنند در این حالت وقتی الکترود با حوضچه مذاب برخورد می کند این پدیده رخ می دهد یعنی وقتی الکترود با حوضچه مذاب تماس پیدا کرد یا در آن غوطه ور شد برای لحظه ای یک اتصال کوتاه بوجود می آید و در این زمان مقدار شدت جریان به خاطر اتصال کوتاه به حداکثر مقدار خود خواهد رسید و باعث میشود که فشار آن باعث عقب رفتن مذاب شده و اتصال کوتاه از بین برود و مجددا قطره مذاب بعدی از نوع الکترود به سمت حوضچه مذاب جوش ته نشین شود  به این روش انتقال فلز غوطه وری یا قوس کوتاه نیز می گویند.

انتقال فلز به صورت گلبولی (گلوله ای) در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ (GMAW) 

 انتقال گلبولی روش متداولی  در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW) نیست ، جرقه و مذاب، قوس ناپایدار شده و گرمای ورودی نیز کاهش می یابد به خاطر پاشش جرقه و مذاب ، قوس ناپایدار شده و گرمای ورودی نیز کاهش می یابد ، ولی می توان با ترکیب گازهای مناسب و پارامترهای مخصوص جوشکاری تای مشکل را حل نمود. برای ایجاد انتقال فلز به صورت گلبولی ، باید مقدارشدت جریان و ولتاژ را به اندازه متوسط بازه آن در نظر گرفت تا قطرات بزرگ مذاب از الکترود به  حوضچه مذاب جوش از طریق ستون قوس انتقال یابد.

اندازه قطر این قطرات بزرگ  مساوی ۲ الی ۳ برابر قطر الكترود مصرفی است. هم چنین قطرات بزرگ می توانند د یک لحظه هم  با حوضچه مذاب جوش و هم با نوک الکترود در تماس باشد و اتصال کوتاه به وجود آید که این اتصالات کوتاه تناوبی خود باعث پاشش مذاب می شوند.

انتقال فلز به صورت اسپری در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW) 

 چنانچه اندازه قطرات مذاب از قطر الكترود مصرفی کوچک شود و به صورت بخار درآید، انتقال اسپری در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW)  رخ میدهد. در این نوع پاشش خیلی کمتر بوده و مقدارشدت جریان و ولتاژ باید از بازه معمول خود بیشتر باشد. چون در این روش، پاشش جرقه و مذاب کم و قوس پایداراست ، برای اکثر کاربردهای فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  پیشنهاد میشود. برای ایجاد این روش احتياج حفاظتی خنثی آرگون به اندازه زیاد می باشد.

با افزایش شدت جریان ، انتقال گلبولی به انتقال اسپری تبدیل میشود و بنابراین نوع انتقال هماند نمودار زیر تابع مقدار شدت جریان است ، و در بالاترین مقدار بازه انتقال قبلی انجام می گیرد .

چه زمانی نباید از انتقال فلز به صورت اسپری استفاده کرد ؟

برای جوشکاری مواد خیلی نازک روش انتقال اسپری مناسب نیست ، زیرا در این روش باید از شدت جریان های بالا استفاده کرد و برای مواد خیلی نازک مضر بوده و حتی باعث برش آن می شود. این مشکل را می توان توسط استفاده ازروش انتقال اسپری ضربانی برطرف نمود.

در روش انتقال اسپری ضربانی در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW) ، منبع قدرت باعث ایجاد شدت جریان به صورت مربعی شده که دارای یک مقدار حداقل و یک مقدار حداکثر جریان است. در این روش با حداقل جریان یک میدان نوسانی بالا، انتقال لازم برای انتقال اسپری فراهم می شود. در هر حال یک قطره تولید و انتقال می یابد.

 سطح انرژی قوس توسط فرکانس و میدان نوسان پالس ها کنترل می شود و توسط تغییر این دو پارامتر می توان به یک کیفیت مناسب برای انتقال اسپری برای جوشکاری مواد خیلی نازک و ورقه ای رسید.

فرآیند جوشکاری با گاز محافظ

تجهیزات فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (  GMAW  )

منبع قدرت در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ

منبع قدرت در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ که می تواند شامل منبع قدرت با ولتاژ ثابت  ( CV) و نیز جریان ثابت  ( CC ) باشد. 

دستگاه تغذیه در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ

دستگاه تغذیه الکترود که می تواند شامل منبع قدرت با ولتاژ ثابت  ( CV)  و نیز جریان ثابت  (CC) باشد

تورچ دستگاه در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ

 الكترود یا سیم جوش توپر حاوی برق 

 منبع تغذیه گاز محافظ

کابل های جوشکاریدر فرآیند جوشکاری با گاز محافظ

کابل های جوشکاری شامل کابل اتصال که به فلز مبنا وصل شد  و کابل جوشکاری که به انبر جوشکاری (الکترودگیر) و الکترود وصل می شود

منبع قدرت اصلی و سیم تغذیه کننده در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (  GMAW  )

 در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (  GMAW  ) بیشتر از جریان مستقیم با قطب معکوس (الکترود مثبت) استفاده میشود. نوع منبع قدرت می تواند هم ژنراتور وهم ترانسفورماتور و رکتی فایر باشد.

منبع قدرت از نوع ترانسفورماتور و رکتی فایر بهتر است زیرا پاسخ آن دو یا سه برابر سریع تر از موتور ژنراتور به خاطر اینرسی آن می باشد.

 برای جوشکاری نیاز به منبع قدرت با ولتاژ ثابت و یک سرعت تغذیه شونده سیم جوش یا الکترود نیاز است . هم چنین باید بتوان از الکترود با قطرهای مختلف استفاده نمود و مقدار شدت جریان برای هر قطر مخصوص الكترود توسط شرکت سازنده مشخص میشود.

انواع منبع قدرت در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ (  GMAW  )

منبع قدرت ولتاژ ثابت با پالس ثابت

 الکترود با یک سرعت ثابت تغذیه می شود که تنظیم و تغییر آن توسط صفحه کنترل شماره گیر و نیز پتانسیومتر نصب شده روی دستگاه انجام می گیرد. در در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ طول قوس به صورت اتوماتیک تنظیم می شود، بدین صورت که جوشکار اندازه طول قوس را از حد معمول کمتر کند باعث کاهش ولتاژ میشود .

 و با توجه به ثابت بودن سرعت تغذیه الکترود منبع قدرت به طور سریع یک جریان بالاتر ارسال می کند تا نرخ ذوب الكترود بیشتر شده و مجددا طول قوس و ولتاژ به اندازه قبلی خود برگردد.

 در منبع قدرت با ولتاژ ثابت، یک تغییر کوچک در ولتاژ باعث یک تغییر بزرگ در شدت جریان می شود.

منبع قدرت جریان ثابت با ولتاژ قوس ثابت

 در این روش در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ چنانچه طول قوس و ولتاژ هم مانند یک اتصال کوتاه کاهش یابد در این هنگام منبع قدرت کمی شدت جریان را افزایش میدهد. هم چنین یک تغییر کوچک در ولتاژ، باعث یک تغییر کوچک در شدت جریان میشود که این توسط دستگاه اتوماتیک تنظیم می شود.

سیستم تغذیه الکترود در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ (  GMAW  )

 اجزاء اصلی یک سیستم تغذیه الکترود در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ (  GMAW  ) شامل قرقره الكترود، چرخهای راننده، راهنماهای ورودی و خروجی، شلنگها، تورچ جوشکاری و موتور تغذیه کننده الکترود است.

موتور تغذیه الکترود در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ (  GMAW  ) به چرخ راننده وصل شده است که این چرخهای راننده، الکترود را از قرقره الکترود دریافت کرده و توسط فشار به طرف راهنما خروجی، کابل و تورچ ارسال می نماید. اندازه راهنماها و شیار آنها باید با قطر الکترود عبوری همخوانی داشته باشد و نیز باید از کمانه کردن الکترود جلوگیری کنند. تعداد این چرخها می تواند یک، دو یا چهار چرخ باشد.

سیکل تناوب، زمان کار کرد در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ (  GMAW  )

زمان کار کرد خروجی منابع قدرت جوشکاری مخصوصا از نوع دستی ۱۰۰٪  نمی باشد زیرا باعث گرم شدن زیاد دستگاه می شود. زمان کلی که در نرخ خروجی دستگاه، می توان دستگاه کار کند را سیکل تناوب گویند. برای مثال یک دستگاه با سیکل نامتناوب ۶۰٪ که معمولا در صنعت کاربرد دارد بدین معنی است که در هر ده دقیقه تنها ۶ دقیقه از دستگاه بار گرفته شده است و لذا در ۴ دقیقه دیگر فن دستگاه به خنک شدنش کمک می کند.

همچنین در یک دستگاه با سیکل تناوبی ۶۰٪  نمی توان در یک ساعت ۳۶ دقیقه از آن بار کشید. چنانچه یک دستگاه به پیوسته کار کند دارای یک سیکل تناوبی ۱۰۰٪ می باشد.

چنانچه دستگاه در یک شدت جریان پائین تر از شدت جریان خروجی اش کار کند می توان سیکل تناوبی اش را افزایش داد و چنانچه بالاتر از شدت جریان خروجی اش باشد می توان سیکل تناوبی را کاهش داد. سیکل تناوب در منابع قدرت با ولتاژ ثابت ٪۱۰۰ و در منابع قدرت با جریان ثابت ۶۰٪ می باشد.

فلزات پرکننده در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  ( GMAW)

  طبقه بندی الکترودهای فولاد نرم در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ (  GMAW  ) در  AWS ) American Welding Society )  انجمن جوشکاری آمریکا آمده است.  

الكترودی که بیشترین کاربرد را دارند عبارتند از  ER480 S-3 , ER480 S-6 , ER480 S-3    پرمصرف ترین الکترود برای فولاد نرم بوده و با گاز محافظ CO2 و یا مخلوطی از آرگون انجام می گیرد.

مقدار سیلسیم زیاد در نوع ۶-S  در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ (  GMAW  ) باعث افزایش سیالیت حوضچه جوش شده و شکل گرده جوش بهتر و پوسته اکسیدی و مقدار زنگ روی فلز مبنا بهتر از بین می رود. همچنین مقدار سیلسیم و منگنز بالا در ۶-S باعث افزایش استحکام میشود.

گازهای محافظ در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW) 

یک کاربرد وسیعی از گاز محافظ برایدر فرآیند جوشکاری با گاز محافظ (  GMAW  ) موجود هست. در این فرآیند انتخاب نوع گاز و اثر آن بر فرآیند با توجه به خواص فیزیکی گاز می باشد. همچنین می توان از ترکیب گازها نیز استفاده نمود بنابراین برای انتخاب گاز محافظ باید اثرات قابل توجه ترکیبات گاز را در نظر گرفت .

این اثرات عبارتند از:

 اثر روی مشخصات انتقال فلز (مثلا مدار کوتاه یا گلبولی یا اسپری)

 اثر روی خواص مکانیکی – اثر روی مشخصات ذوب (نفوذ) در فلز مبنا

جوشکاری با گاز محافظ

اثرات گازهای مختلف در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW) 

استفاده از گاز آرگون در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW)  : آرگون یک گاز خنثی بطور کامل است بنابراین آن برای یک بازه وسیع مواد به عنوان یک گاز محافظ مناسب هست زیرا آن با هر فلز مذابی واکنش نمیدهد. آرگون هم چنین جدا سازی قطراتی روی آلومینیوم را بالا می برد و نیز انتقال فلز را به صورت یک انتقال محوری صاف در یک شرایط قوسی اسپری تولید می کند. بنابراین آرگون با فولاد، یک قوس ناپایدار تولید می کند و نیز یک بریدگی کنار جوش و یک گرده جوش بی شکل بوجود می آید و گرده جوش لاغر میشود و دارای یک ظاهر بد ناشی از کشش سطحی بالا می باشد.

 استفاده از گاز دی اکسید کربن در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW) : دی اکسید کربن یک گاز فعال هست که بطور شیمیایی با مواد مذاب واکنش میدهد لذا برای فلزات واکنش دهنده هم چون آلومینیوم مناسب نیست زیرا در گرمای قوس، CO2 به منواکسید کربن تجزیه میشود و بخارات CO باعث بوجود آمدن تخلخل    ( Porosity) می شوند که حذف کردن Porosity مشکل است ، بنابراین کافی است مقداری منگنز وسیلیکون به فلز پرکننده اضافه شود  تا با اکسیژن CO ترکیب شده و هم کربن گرفته شده را آزاد کند و هم گاز CO تولید نشود. از طرفی اکسید منگنز یا سیلسیوم بوجود می آید که هم مانند سرباره به سطح حوضچه مذاب می آیند.

 استفاده از گاز هلیوم در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW) : هلیوم یک گاز خنثی است. آن نسبتا سبک تر از آرگون است و لذا جریان گاز بیشتری برای اطمینان از حفاظت کافی احتیاج است و چون مقاومت آن  بیشتر است به یک ولتاژی بالاتر از آرگون نیاز دارد و یک قوسی تا اندازهای بافت از آرگون تولید می کند. جریان های خیلی بالا برای بدست آوردن انتقال اسپری (حدود ۵۶۰ آمپر برای ۲ میلی متر الکترود) احتیاج است. در بازه های جریان معمولی انتقال فلز گلبولی و یک تمایل به پاشش جرقه وجود دارد. معمولا هلیوم به صورت مخلوط با آرگون به کار میرود و هلیوم گران است وقتی که آن را نتوانند از هوا تولید کنند.

استفاده از گاز اکسیژن در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW)  : اکسیژن به طور زیادی با فلزات فعال است و نمی تواند به تنهایی به عنوان یک گاز محافظ مورد استفاده قرار گیرد اما در توسعه پایداری قوسی و کاهش تنش سطحی نقش مهمی دارد و آن بطور وسیعی در بهبود ظاهر گرده جوش موثر است و دارای اثر کمی در مشخصات ذوب است.

استفاده از مخلوط های گاز محافظ در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  (GMAW)  : خواص یک مخلوط گازی متأثر از خواص تک تک اجزاء تشکیل دهنده آن است.

استفاده از مخلوط گاز Ar-O2 در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ: اضافه نمودن ۵-۱ درصد اکسیژن باعث پایداری قوس می شود و نیز ته نشین شدن سرباره افزایش می یابد.

استفاده از مخلوط  گاز Ar-CO در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ اضافه نمودن ۲۰-۵ درصد  CO2      باعث پایداری قوس می شود و بر مقدار ته نشین شدن سرباره افزایش می یابد. البته اگر مقدار CO2از ۲۲ درصد بیشتر شود انتقال اسپری بوجود نمی آید. مثلا مخلوط گازی با  ۲۵%  CO2  و ۷۵% Ar انتقال اسپری بوجود نمی آید اما انتقال گلبولی مناسب وجود دارد بنابراین از این مخلوط گازی میتوان برای اتصال کوتاه برای مواد نازک استفاده نمود.

استفاده از مخلوط  گاز Ar-CO2-O2 در فرآیند جوشکاری با گاز محافظ  اضافه نمودن هر دو  CO2 و O2به آرگون، شکل گرده جوش را خوب میکند  و مشخصات ذوب را بهبود می بخشد.