جوشکاری قوسی با گاز محافظ (GMAW)

معرفی فرایند جوشکاری قوسی با گاز محافظ

جوشکاری GMAW ، یکی از روش‌های جوشکاری قوسی محسوب می‌شود. در این روش با استفاده از قوسی که بین فلز پرکننده مصرف شدنی (فیلر) و حوضچه‌ی جوش به وجود می‌آید، فیلر ذوب شده و اتصال قطعات برقرار می‌شود.

GMAW مخفف عبارت Gas Metal Arc Welding است. همان طور که از نام این روش پیداست، از گاز محافظ برای محافظت از حوضچۀ مذاب استفاده می شود. اگر گاز محافظ استفاده شده بی اثر باشد، به این روش میگ (MIG) گفته می شود. اما اگر گاز محافظ فعال یا با اثر باشد به آن مگ (MAG) می‌گویند. جدول زیر کد شناسایی جوشکاری میگ مگ را بر اساس استانداردهای ISO و EN نشان می‌دهد.

کلیات فرایند جوشکاری GMAW

همان طور که ذکر شد، گرمای لازم جهت ذوب فلز پایه و ایجاد اتصال در جوشکاری میگ مگ ، از قوس الکتریکی ایجاد شده میان فلز پایه و سیم جوش تامین می‌شود و حفاظت حوضچه مذاب بر عهده‌ی گاز خارجی است.

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.

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.

برای آشنایی بیشتر شما عزیزان با این روش، در این بخش فیلم کوتاهی از آموزش روش جوشکاری GMAW تهیه کرده ایم که توجه شما را به تماشای آن جلب می کنیم.

تجهیزات لازم برای جوشکاری GMAW

همان طور که در شکل زیر ملاحظه می‌کنید، برای جوشکاری قوسی با گاز محافظ به تجهیزات مختلفی نیاز است. هر کدام از این اجزا برای اجرای صحیح جوشکاری باید از استانداردهای مشخصی تبعیت کنند. در این قسمت ضمن معرفی هر کدام از این اجزاء، به ویژگی‌های هر کدام اشاره خواهیم کرد.

منبع تغذیه

اکثر دستگاه های جوشکاری میگ مگ ، از منبع جریان با ولتاژ ثابت استفاده می کنند. همان طور که می دانید، 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 سریع تر ذوب شود. این ویژگی به اپراتور کمک می کند در هنگام جوشکاری دستی، بتواند طول قوس را کنترل کند.

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. نمودار ولتاژ-جریان دو حالت منبع با جریان ثابت و ولتاژ ثابت در شکل زیر دیده می شود.

نمودار جریان ولتاژ دو منبع : سمت راست ولتاژ ثابت و سمت چپ جریان ثابت

منبع تغذیه در جوشکاری GMAW

دستگاه تغذیۀ الکترود

وظیفه ی دستگاه تغذیۀ الکترود، تامین الکترود (سیم جوش فلزی) به نوک در حال تماس با قوس است. تغذیۀ سیم جوش در اغلب سیستم های تامین الکترود، با سرعت ثابت انجام می شود.

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 ۳۰.۵ 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. شکل زیر اجزای مختلف تورچ جوشکاری میگ مگ را نشان می دهد.

الکترود جوشکاری GMAW

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 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. سیستم نامگذاری الکترودهای GMAW را در جدول زیر ملاحظه می‌کنید.

نام‌گذاری الکترودهای جوشکاری GMAW در استاندارد AWS

الکترودهای پیشنهادی برای فلزات پایه‌ی مختلف

گاز محافظ

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.

مدل های انتقال فلز در جوشکاری GMAW

با توجه به تنظیمات دستگاه، جوشکاری GMAW چهار مدل مختلف انتقال فلز دارد. منظور از مدل انتقال فلز، طریقۀ جدا شدن فلز از نوک الکترود مصرف شدنی و پیوستن به حوضچه‌ی مذاب است. این چهار مدل عبارتند از:

• اتصال کوتاه (Short Circuiting)
• پاشش (Spray)
• قطره ای (Globular)
• پالسی (Pulse)

مدل انتقالی 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. مدل انتقال فلز قوس کوتاه، کمترین میزان گرمای ورودی را در جوش GMAW ایجاد می کند. از این رو بهترین مدل انتقال فلز برای جوشکاری قطعات باریک و فواصل زیاد حاصل از عملیات مونتاژ نامناسب است.

امکان جوشکاری با قوس کوتاه در تمام وضعیت ‌ها میسر است. اما در صورت جوشکاری مقاطع ضخیم، به دلیل کم بودن میزان انرژی قوس کوتاه، احتمال بروز عیب ذوب ناقص (L.O.F) زیاد است.

مدل انتقالی پاششی

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 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.

مدل انتقالی قطره ای

در مقایسه با مدل های انتقالی دیگر، قوس قطره ای ثبات کمتری دارد، اما در مقابل جرقه و پاشش آن زیاد است. از این رو درصد استفاده از آن در جوشکاری GMAW کمتر از دیگر مدل هاست.

مدل انتقالی پالسی

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.

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.

مزایا و معایب جوشکاری GMAW

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

منابع

دفتر تألیف کتاب های درسی فنی و حرفه ای وکاردانش (۱۳۹۷)- جوشکاری و پوشش دهی با گاز محافظ-انتشارات وزارت آموزش و پرورش