جوشکاری تیگ  TIG (تنگستن)

جوشکاری تیگ ( Tungsten Inert Gas (TIG  یا (Gas Tungsten Are Welding (GTVW فرآیند جوشکاری با الکترود تنگستنی و گاز محافظ ، یک فرایند جوشکاری ذوبی بوده و حرارت لازم برای ذوب فلز پایه و سیم جوش مصرفی از طریق تشکیل قوس الکتریکی بین الکترود تنگستنی ( غیر مصرفی ) و سطح گاز ایجاد می گردد. در این فرایند برای محافظت قوس الکتریکی، حوضچه جوش و مناطق حرارت دیده اطراف از گاز خنثی استفاده می گردد.

جوشکاری تیگ (TIG) می تواند با اضافه کردن و یا بدون فلز یک پرکننده (سیم جوش) مورد استفاده قرار گیرد. جوشکاری تیگ  TIG   (فرایند جوشکاری  تنگستن ) به عنوان یک روش مناسب برای بسیاری از صنایع ضروری شده است. زیرا جوش با کیفیت بالا ایجاد می کند و تجهیزات کمی نیاز دارد.

هدف بحث و بررسی اساس فرایند، تجهیزات مورد استفاده و نکات ایمنی آن است در ابتدای دهه ۱۹۲۰ امکان استفاده از گاز هلیوم برای محافظت از قوس الکتریکی و حوضچه جوش مطرح شد. در آن زمان هیچ پیشرفتی در این روش انجام نشد. در جنگ جهانی دوم وقتی که نیاز زیادی به توسعه صنعت هواپیمایی احساس شد به جای پرچ کردن اتصالات فلزاتی نظیر آلومینیوم و منیزیم از جوشکاری تیگ (Tungsten Inert Gas (TIG  استفاده شد. با استفاده از الکترود تنگستنی و ایجاد قوس با جریان مستقیم الکترود منفی یک منبع گرمایی مؤثر و با ثبات ایجاد شد که با جوشهای عالی می توانست ایجاد شود گاز هلیوم برای عمل محافظت انتخاب شد چون در آن زمان تنها گاز خنثی بود که به آسانی در دسترس بود فرایند جوشکاری با الکترود تنگستنی و گاز محافظ به جوشکاری تیگ TIG معروف شده است.

جوشکاری تیگ  TIG  طبق استاندارد فنی انجمن جوشکاری آمریکا (AWS) ، این فرآیند را  (GTVW) نام گذاری کرده است . زیرا برای محافظت می توان ترکیبی از گازهایی که خنثی نیست را برای کاربردهای معینی استفاده نمود برای مثال می توان از گاز فعال   CO  برای جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی استفاده نمود از روزهای نخستین اختراع این فرآیند در تجهیزات آن پیشرفتهای زیادی حاصل شده است مخصوصأ منابع نیرو جریان برای این فرایند توسعه یافته اند. منبع های هوا خنک و آب خنک نیز پیشرفته شده اند.

برای بالا رفتن قابلیت انتشار و پختن الکترونها از سطح الكترود تنگستنی جوشکاری تیگ  TIG  درصد کمی از عناصر فعال به صورت آلیاژ به الکترود تنگستنی اضافه شده است که این امر باعث بهبود بخشیدن به شروع قوس پایداری قوس و طول عمر الکترود شده است. گازهای محافظ مخلوط برای بهتر شدن خصوصیات قوس معرفی شده است.

فرایند جوشکاری تیک

معرفی فرآیند جوشکاری تیگ  TIG

در فرآیند جوشکاری تیگ TIG  از یک الکترود تنگستنی ( با آلیاژ تنگستن ) مصرف نشدنی که در داخل مشعل قرار گرفته است، استفاده می گردد. از گاز محافظ که از سر نازل خارج می شود برای حفاظت از الکترود، حوضچه جوش مذاب و جلوگیری از تأثیر مخرب منشی عناصر موجود در هوا استفاده می گردد.

در اثر عبور جریان از گاز محافظ یونیزه رسنا شده و قوس الکتریکی ایجاد می گردد. قوس بین نوک الکترود و سطح قطعه کار ایجاد می گردد. فلز پایه به وسیله گرمای ذوب شده و حوضچه مذاب در یک لحظه کوتاه ایجاد می گردد.

برای انجام جوشکاری تیگ یا جوشکاری تنگستن (GTVW) چهار جز  تشکیل دهنده زیر امری اساسی می باشد

ا- منبع نیرو

۲- مشعل

۳-الكترود

۴- گاز محافظ

مزایای جوشکاری تیگ  TIG

۱) فرآیند جوشکاری تیگ TIG ، جوش با کیفیت بالا و بدون عیب می باشد

۲) فرآیند جوشکاری تیگ TIG بدون پاشش جرقه میباشد در صورتیکه فرآیندهای دیگر با پاشش جرقه همراه می باشند

۳) در این فرآیند قطعات را می توان با استفاده از سیم جوش و یا بدون آن جوشکاری نمود

۴) این فرآیند، کنترل عالی در نفوذ جوش پاس ریشه را امکان پذیر می سازد

۵) جوشکاری ورقهای نازک را می توان با سرعت بالا انجام داد

۶) در فرآیند جوشکاری تیگ TIG اجازه کنترل دقیق بر روی شکل گرده جوش را میدهد

۷) این فرآیند می تواند برای جوشکاری اکثر فلزات و همچنین جوشکاری فلزات غیر مشابه استفاده شود

۸) در این فرایند منبع گرما و افزودن فلز پر کننده به صورت مستقل کنترل  میشود.

۹) این فرایند در همه حالات قابل استفاده می باشد.

۱۰) دود بسیار کمی از فرایند ایجاد میشود.

محدودیتهای جوشکاری تیگ  TIG

برای بررسی برخی از محدودیتهای فرآیند جوشکاری تیگ TIG میتوان به موارد زیر اشاره کرد

۱- نرخ رسوب در این فرایند کمتر از روشهای دیگر جوشکاری با الکترود مصرف شدنی است

۲- این روش نیاز به مهارت بالای جوشکاری نسبت به فرآیندهای دیگر دارد

۳- فرآیند جوشکاری تیگ TIG برای جوشکاری ورقهای ضخیم تر از ۱۰ میلیمتر مقرون به صرفه نمی باشد

۴- در این روش محافظت مناسب از حوضچه جوش در محیطی که باد می وزد مشکل است.

فرآیند جوشکاری تیگ

عیوب فرآیند جوشکاری تیگ TIG

١- اگر در  فرآیند جوشکاری تیگ TIG الكترود با حوضچه جوش تماس پیدا نماید. باعث ایجاد عيب آلودگی تنگستنی می گردد

۲- اگر حفاظت مناسب از نوک فلز پرکننده (سیم جوش) توسط گاز محافظ صورت نگیرد. باعث آلودگی فلز جوش می شود

۳- فرآیند جوشکاری تیگ TIG به آلودگی و کثیف بودن فلز پایه و فلز پرکننده حساس است.

۴- نشت آب از مشعل های آب خنک باعث اکسید شدن و تخلخل در فلز جوش می گردد.

۵- در فرآیند جوشکاری تیگ TIG همانند فرآیندهای دیگر، استفاده از جریان DC می تواند باعث ایجاد وزش قوس شود.

عوامل موثر در فرآیند جوشکاری تیگ TIG

در فرآیند جوشکاری تیگ TIG  عوامل زیر نقش مهمی در نتیجه فرآیند جوشکاری دارند این عوامل عبارت اند از :

ولتاژ قوس (طول قوس)

شدت جریان

سرعت جوشکاری

گاز محافظ

مقدار انرژی حرارتی تولید شده توسط قوس الکتریکی به ولتاژ و شدت جریان بستگی دارد.

شدت جریان الکتریکی در فرآیند جوشکاری تیگ TIG

به طور کلی شدت جریان در قوس الکتریکی ، نفوذ جوش را کنترل مینماید. همچنین مقدار جریان جریان بر روی ولتاژ قوس نیز تأثیر می گذارد.

 ولتاژ در فرآیند جوشکاری تیگ TIG می تواند با جریان مستقیم و جریان متناوب مورد استفاده قرار گیرد البته انتخاب نوع جریان به فلزی که جوشکاری میشود بستگی دارد.

جریان مستقیم با الکترود منفی در فرآیند جوشکاری تیگ TIG برای نفوذ زیاد و سرعت جوشکاری بالا استفاده می شود. مخصوصا هنگامی که از گاز هلیوم به عنوان گاز محافظ استفاده میشود. هلیوم گزینه مناسبی برای جوشکاری مکانیزه و جوشکاری فلزاتی که دارای قابلیت هدایت حرارتی بالایی هستند می باشد.

جریان متناوب در فرآیند جوشکاری تیگ TIG عمل تمیزکاری کاتدی را فراهم می کند. اگر اکسیدهای مقاوم و سخت بر روی فلزات مورد جوشکاری (نظیر اکسید آلومینیوم یا اکسید آلومینیوم یا اکسید منیزیم) وجود داشته باشد. توسط تمیزکاری کاتدی برداشته میشود و باعث ایجاد جوش سالم و مناسب می شود. در این گونه موارد باید از گاز محافظ آرگون استفاده شود. زیرا گاز هلیوم باعث شد تمیز کاری لایه اکسیدی نمی شود. گاز آرگون گزینه مناسبی برای جوشکاری دستی با جریان مستقیم و جریان متناوب می باشد.

سومین گزینه در منبع نیرو برای جوشکاری، استفاده از جریان مستقیم با مثبت می باشد. این قطبیت به ندرت استفاده میشود. زیرا باعث ایجاد کرم زیادی در نوک الکترود و ذوب آن می گردد.

فرآیند جوشگاری tig

ولتاژ قوس در فرآیند جوشکاری تیگ TIG

 مقدار ولتاژ الکترود تنگستنی و سطح کار، ولتاژ قوس نامیده میشود. ولتاژ قوس متغیری می باشد، که تحت تأثیر موارد زیر می باشد:

 ۱) جریان قوس

 ۲) شکل و حالت نوک الکترود تنگستنی

 ۳) فاصله بین نوک الکترود و سطح کار (طول قوس)

 طول قوس در فرآیند جوشکاری تیگ TIG بسیار مهم است زیرا بر روی پهنا و عرض حوضچه جوش تاثیر می گذارد. پهنای حوضچه جوش به طول قوس بستگی دارد به همین خاطر در بیشتر موارد استفاده (به غیر از بعضی از ورقهای خاص) طول قوس مورد نظر باید کوتاهترین حد ممکن باشد.

البته اگر در فرآیند جوشکاری تیگ TIG قوس بسیار کوتاه باشد. احتمال برخورد الکترود و سیم جوش با هم و یا با حوضچه مذاب وجود دارد. یک مورد استثنا وجود دارد و ان در جوشکاری مکانیزه با استفاده از گاز محافظ هلیوم و جریان DCEN و شدت جریان زیاد امکان فرو بردن نوک الکترود در مذاب و مخفی شدن آن جهت تولید نفوذ عمیق امکان پذیر می باشد ، اما به صورت جوشی با عرض باریک و سرعت زیار انجام می گیرد که این تکنیک قوس مخفی نامیده می شود.

وقتی که از ولتاژ قوس در فرآیند جوشکاری تیگ TIG برای کنترل طول قوس در کاربردهای حساس استفاده میشود، باید به متغیرها دیگر که بر روی ولتاژ تأثیر می گذارند توجه داشته باشیم. در رأس همه عیوب آلودگی توسط الکترود و گاز محافظ، تغذیه نامناسب سیم جوش و تغییر دمای الکترود و فرسایش و سائیدگی الکترود می باشد.

سرعت پیشروی در فرآیند جوشکاری تیگ TIG

سرعت پیشروی بر روی نفوذ و عرض گرده جوش در فرآیند جوشکاری تیگ TIG تأثیر می گذارد. اگرچه تأثیر آن بیشتر بر روی پهنای جوش بیشتر دیده میشود تا در نفوذ جوش ، سرعت پیشروی به خاطر تأثیری که بر قیمت و هزینه دارد بیشتر مورد اهمیت می باشد.

 در بعضی موارد و کاربردها، در فرآیند جوشکاری تیگ TIG سرعت پیشروی به عنوان یک هدف با متغییرهای انتخاب شده دیگر، برای به دست آوردن ظاهر جوش مورد نظر در همان سرعت، تعریف شده است. در موارد دیگر پیشروی، ممکن است یک متغییر وابسته باشد که برای به دست آوردن کیفیت جوش و تناسب مورد نیاز، تحت بهترین حالت ممکن با دیگر متغییرها انتخاب شود. صرف نظر از موارد دیگر هنگامی که دیگر متغییرها نظیر جریان یا ولتاژ برای کنترل جوش تغییر می کند. سرعت پیشروی عموما در جوشکاری های مکانیزه ثابت است.

تغذیه سیم جوش فرآیند جوشکاری تیگ TIG

در جوشکاری دستی، نحوه اضافه کردن فلز پرکننده به حوضچه مذاب بر تعداد پاسهای مورد نیاز و ظاهر تمام شده جوش تأثیر می گذارد.

در ماشین ها و دستگاههای جوشکاری اتوماتیک سرعت تغذیه سیم مقدار رسوب فلر جوش را به ازای طول جوش تعیین می کند. کم کردن سرعت تغذیه سیم مقدار نفوذ را بالا می برد و حد فاصل مهره ها را پهن و مسطح می کند. تغذیه کردن بسیار کند و آرام سیم جوش میتواند باعث ایجاد خوردگی کناره جوش( Under cut)  ترک در خط مرکزی جوش و عدم پر شدن اتصال می شود. بالا بودن سرعت تغذیه سیم، نفوذ را کم نموده و گرده جوش را محدب می کند.

تجهیزات مورد نیاز در فرآیند جوشکاری تیگ TIG

تجهیزات مورد نیاز در فرآیند جوشکاری تیگ TIG شامل منبع نیرو، مشعل، الکترود و گاز محافظ میباشد. سیستم های مکانیزه ممکن است دارای کنترلهای ولتاژ قوس، نوسان دهنده عرضی قوس وسیستم تغذیه سیم باشد.

مشعل های جوشکاری در فرآیند جوشکاری تیگ TIG

 مشعل های مورد استفاده در فرآیند جوشکاری تیگ TIG ، الکترود تنگستنی را که رسانای جریان الکتریکی به قوس است را در خود نگه میدارد همچنین عامل رساندن گاز محافظ به منطقه قوس و حوضچه مذاب میباشد.

 مشعل ها با توجه به ظرفیت حمل حداکثر جریان جوشکاری بدون گرم شدن زیاد سنجیده می شوند و تقسیم بندی ظرفیت حمل جریان مشعل ها در جدول آمده است. بیشتر مشعلها با توجه به تطابق آنها با درجه و سایز الکترود در مدلها و اندازه و سایز مختلفی طراحی شده است بیشتر مشعلهایی که کاربرد دستی دارند دارای زاویه سرمشعل ۱۲۰ درجه (زاویه بین الکترود و دسته مشعل) میباشند. همچنین مشعل هایی با زاویه سر قابل تنظیم و مشعلهای مستقیم (مدادی) و با زاویه سر ۹۰ نیز وجود دارند.

 اغلب مشعل های مورد استفاده در فرآیند جوشکاری تیگ TIG دستی دارای کلید یا شیر خروجی گاز بر روی دسته مشعل بوده و برای کنترل جریان الکتریکی و جریان گاز محافظ به کار می رود. . مشعلهایی که برای استفاده در فرآیند جوشکاری تیگ TIG ماشینی یا اتوماتیک هستند معمولا بر روی دستگاه با ربات نصب میشوند و در مسیر اتصال به مشعل حرکت طولی و عرضی می دهد و در بعضی موارد فاصله مشعل با سطح کار را نیز تغییر می دهد.

تقسیم بندی مشعل های فرآیند جوشکاری تیگ به لحاظ نوع خنک شوندگی

مشعلهای با گاز خنک شونده (هوا خنک) مورد استفاده در فرآیند جوشکاری تیگ TIG

حرارت تولید شده در مشعل در هنگام جوشکاری توسط سیستمهای آب خنک یا هوا  خنک می شود. در مشعلهای گاز خنک (هواخنک)، عمل سرد شدن توسط محافظ سردی که از میان مشعل عبور می نماید انجام میشود. ظرفیت حمل جريان الکتریکی مشعلهای گاز خنک پائین بوده و حداکثر تا ۲۰۰ آمپر مورد استفاده قر می گیرند.

مشعل های آب خنک مورد استفاده در فرآیند جوشکاری تیگ TIG

 مشعل های آب خنک توسط جریان آبی از داخل سر مشعل جریان دارد، خنک می شوند. آب خنک کننده از میان شیلنگ ورودی وارد مشعل میشود و در میان مشعل به گردش در می آید و از شیلنگ خروجی، خارج میشود کابل جریان الکتریکی از منبع نیرو تا مشعل معمولا از میان شیلنگ خروجی آب خنک کننده می گذرد.

 مشعل های آب خنک مورد استفاده در فرآیند جوشکاری تیگ TIG برای استفاده با جریانهای جوشکاری بالاتری نسبت به مشعلهای هوا خنک و در یک سیکل کاری مداوم طراحی شده اند. به طور معمول می توان از شدت جریانی تا ۱۰۰۰ آمپر در بعضی مشعل ها استفاده نمود. در بیشتر جوشکاریهای ماشینی و اتوماتیک از مشعلهای آب خنک استفاده می گردد. مشعلهای آب خنک، گرمای خود را به آبی که از میان آنها جریان دارد منتقل نموده و خنک می شوند.

  آب در یک سیستم بسته که شامل پمپ و یک رادیاتور خنک کننده و مخزن میباشد جریان دارد و گرمای جذب شده مشعل را به محیط منتقل می نماید. ظرفیت این سیستم تا پنجاه گالن می باشد. با اضافه کردن ضد یخ می توان از یخ زدن و خوردگی سیستم جلوگیری نمود. ضد یخ عمل روغن کاری پمپ را نیز فرا می کند.

فرآیند جوشکاری تیگ TIG

قطعات مشعل در فرآیند جوشکاری تیگ TIG

الکترود گیر ( Collet) در فرآیند جوشکاری تیگ TIG

الکترود تنگستنی توسط الکترود گیر در مشعل نگه داشته می شود. قطر الكترود گیر باید با قطر الكترود مصرفی برابر باشد، جنس كلتها معمولا از آلیاژ مس میباشد.

وقتی که دنباله ( Cap)  مشعل در جای خود محکم می شود بر روی الکترودگیر فشار وارد نموده و الکترود را محکم نگه می دارد. به منظور انتقال مناسب جریان الکتریکی و خنک شدن الکترود تنگستنی، اتصال خوب الکترود و قطر خارجی و داخل الکترود گیر ضروری است.

نازل گاز در فرآیند جوشکاری تیگ TIG

گاز محافظ توسط نازل که بر روی مشعل بسته می شود، بر روی منطقه جوش متمرکز می شود. نازل گاز از مواد مختلف ضد حرارت، در شکلهای مختلف قطر و طولهای مختلف ساخته میشوند. نازلها به مشعل پیچیده شده یا به روش اصطکاکی جا زده میشود.

جنس مواد نازلهای مورد استفاده در فرآیند جوشکاری تیگ TIG

نازلها از سرامیک، فلز، سرامیک با روکش فلزی و کوارتز ساخته میشوند. نازلهای سرامیکی ارزانترین و پرکاربردترین نازلها هستند. اما شکننده بوده و اغلب بعد از مدتی کار کردن، باید تعویض شوند. نازلهای کوارتزی شفاف و شیشه ای بوده و اجازه دید بهتری از قوس و حوضچه مذاب را میدهد. اگر چه بخار فلزات که از حوضچه جوش بلند می شود می تواند باعث مات شدن نازل شود. نازلهای کوارتزی نیز بسیار شکننده می باشند.

نازلهای آب خنک فلزی مورد استفاده در فرآیند جوشکاری تیگ TIG  طول عمر بیشتری دارند و بیشتر برای کاری ماشینی و اتوماتیک و جائی که جریان جوشکاری از ۲۵۰ آمپر تجاوز می کند، استفاده میشوند.

نازل های سرامیکی مورد استفاده در فرآیند جوشکاری تیگ TIG که دارای یک حلقه آلومینیومی در انتهای سطح بیرونی می باشند حرارت را سریعتر به محیط منتقل نموده و نسبت به نازلهای سرامیکی معمولی طول عمر بیشتری می باشند.

قطر نازل در  فرآیند جوشکاری تیگ TIG با توجه به حجم گاز محافظ و پوشش انتخاب می شود. یک رابط بين قطر نازل و مقدار جریان گاز وجود دارد. اگر مقدار جریان نسبت به قطر نازل مصرفی بیشتر باشد. باعث اغتشاش و تلاطم گاز خروجی شده و راندمان محافظت کم میشود. مقدار جریان گاز بالای اغتشاش و تلاطم به نازل با قطر بزرگتری نیاز دارد. مقدار گاز خروجی زیاد برای شدت جریان های بالا و وضعیتهای خاص ضروری میباشد.

انتخاب سایز و اندازه نازل در فرآیند جوشکاری تیگ TIG به قطر الكترود، شکل اتصال، جنس فلز پایه، نوع گاز مصرفی و آمپر مصرفی بستگی دارد. اندازه قطر نازل مناسب با توجه به قطر الکترود در جدول نشان داده شده است. استفاده از نازل کوچکتر برای اتصالات شیار باریک دید بهتری از حوضچه جوش را مهیا می نماید. اگرچه استفاده از نازلهای خیلی کوچک ممکن است باعث تلاطم و آشفتگی و فشار گاز خروجی شود و همچنین استفاده از نازلهای خیلی کوچک، در اثر حرارت قوس الکتریکی می تواند باعث ذوب و خوردگی لبه نازل شود.

نازلهای بزرگ مورد استفاده در فرآیند جوشکاری تیگ TIG حفاظت و پوشش گاز محافظ بهتری را نتیجه می دهد. مخصوصا برای جوشکاری فلزات فعال نظیر تیتانیم بایستی از نازلهای بزرگتر استفاده شود. نازلها از نظر طول به شکل هندسی اتصال جوش و فاصله مورد نیاز بين نازل و جوش بستگی داشته و در اندازه های مختلفی دردسترس می باشند. نازلهای بلندتر عموما جریان گاز محافظ خروجی بهتری بدون تلاطم و متمرکزی ایجاد می نماید.

اکثر نازلهای گاز مورد استفاده در فرآیند جوشکاری تیگ TIG به شکل استوانه ای بوده و در بعضی از نازلها در مقطع انتهایی به صورت مخروطی می باشد. برای به حداقل رساندن آشفتگی و تلاطم گاز محافظ نازلهایی که در قسمت میانی به صورت کروی می باشد، وجود دارد. همچنین نازلهایی وجود داره که دهانه انتهایی آن به صورت صاف و کشیده بوده که برای جوشکاری تیتانیم مناسب میباشد.

الکترودها مورد استفاده در فرآیند جوشکاری تیگ TIG

فرآیند جوشکاری تیگ TIG ، واژه تنگستن دلالت دارد بر عنصر خالص تنگستن و انواع آلیاژهای آن که به عنوان الكترود مورد مصرف قرار می گیرند. از آنجا که این نوع الکترودها در روند کار ذوب نمی شوند یا انتقال پیدا نمی کنند. چنانچه فرایند به نحو احسن اجرا گردد. الکترود در طول کار مصرف نمی شود.