جوشکاری با گاز محافظ؛ راهکاری برای جوش‌های دقیق، قوی و ایمن

معرفی جوشکاری با گاز محافظ (GMAW)

جوشکاری قوسی با گاز محافظ که به اختصار GMAW (Gas Metal Arc Welding) نامیده می‌شود، یکی از روش‌های مهم و پرکاربرد جوشکاری در صنایع مختلف است. در این روش، قوس الکتریکی بین سیم جوش مصرف‌شونده (الکترود) و قطعه کار برقرار می‌شود و فلز پرکننده ذوب شده، اتصال بین قطعات را ایجاد می‌کند. به منظور جلوگیری از آلودگی جوش و اکسید شدن حوضچه مذاب، از گاز محافظ استفاده می‌شود که می‌تواند بی‌اثر (مانند آرگون و هلیوم) یا نیمه فعال (مانند دی‌اکسید کربن یا مخلوط‌های آن) باشد.

زمانی که گاز محافظ بی‌اثر به کار رود، این فرآیند معمولاً تحت عنوان MIG (Metal Inert Gas) و زمانی که گاز نیمه‌فعال استفاده شود، MAG (Metal Active Gas) نامیده می‌شود.

تاریخچه پیدایش گاز محافظ در جوشکاری

در دهه ۱۹۲۰، تحقیقات گسترده‌ای برای محافظت از منطقه جوش در برابر تأثیرات مخرب گازهای محیطی مانند اکسیژن و نیتروژن انجام شد، چرا که این گازها در تماس با فلز مذاب باعث ایجاد جوش‌هایی شکننده و متخلخل می‌شدند. در این راستا، از گاز هیدروژن به‌عنوان گاز محافظ استفاده شد و مشخص گردید که در اثر قوس الکتریکی، هیدروژن به حالت اتمی تبدیل شده و با بازگشت به حالت مولکولی، گرمای زیادی آزاد می‌کند. این روش، که به جوشکاری هیدروژن اتمی شناخته شد، توانایی تولید نیمی از حرارت شعله اکسی‌استیلن را داشت.

اگرچه این فرآیند به‌طور گسترده رایج نشد، اما نقش مهمی در شکل‌گیری ایده استفاده از گاز محافظ ایفا کرد. با آغاز جنگ جهانی دوم، کاربرد گازهای محافظ از یک روش محدود آزمایشگاهی به یک استاندارد صنعتی تبدیل شد و زمینه‌ساز توسعه روش‌های مدرن جوشکاری با گاز محافظ گردید. در کنار این روش‌ها، جوشکاری زیر پودری نیز به عنوان یکی از فرآیندهای پیشرفته جوشکاری بدون نیاز به گاز محافظ خارجی، بهبود کیفیت و افزایش سرعت جوشکاری را ممکن ساخت که در بسیاری از صنایع کاربرد فراوانی دارد.

تجهیزات اصلی در جوشکاری با گاز محافظ

• منبع تغذیه: اغلب منبع تغذیه با ولتاژ ثابت است که جریان و ولتاژ قوس به طول قوس بستگی دارد. این منبع باید طوری طراحی شود که طول قوس در حد ممکن ثابت بماند تا جوش یکنواختی تولید شود.
• دستگاه تغذیه سیم جوش: سیم جوش به صورت پیوسته روی قرقره قرار گرفته و به کمک دستگاه تغذیه با سرعت کنترل شده به سمت تورچ هدایت می‌شود. سرعت تغذیه سیم بسته به نوع دستگاه و شرایط می‌تواند از ۲ تا بیش از ۳۰ متر در دقیقه متغیر باشد.
• تورچ جوشکاری: تورچ مسئول انتقال سیم، جریان الکتریکی و گاز محافظ به محل جوش است. تورچ‌ها دو نوع اصلی دارند: هواخنک و آب‌خنک که هر کدام مناسب جریان و شرایط خاصی هستند.
• الکترود (سیم جوش): سیم جوش فلزی مصرف‌شونده است که قطر آن معمولاً بین 0.7 تا 4 میلی‌متر متغیر است. ترکیب شیمیایی سیم جوش بسته به فلز پایه و کاربرد، انتخاب می‌شود و ممکن است افزودنی‌هایی مثل تیتانیوم یا زیرکونیوم برای بهبود خواص مکانیکی و کاهش تخلخل به آن اضافه شود.
• گاز محافظ: نقش بسیار مهمی در محافظت از حوضچه مذاب و کیفیت جوش دارد. گازهای بی‌اثر مانند آرگون و هلیوم و همچنین گازهای نیمه فعال مانند دی‌اکسید کربن و مخلوط‌های آن، بسته به نوع فلز و خواص جوش انتخاب می‌شوند.

مدل‌های انتقال فلز در جوشکاری GMAW

انتقال فلز به چگونگی جدا شدن ذرات فلز از نوک الکترود و ورود آن به حوضچه مذاب گفته می‌شود. چهار مدل اصلی وجود دارد:

• انتقال اتصال کوتاه (Short Circuiting): در این حالت، قطره مذاب قبل از جدا شدن کامل به حوضچه جوش متصل می‌شود. این نوع انتقال برای قطعات نازک و شرایطی که اتصال نامناسب است، مناسب بوده و گرمای کمتری تولید می‌کند که از سوختگی یا تاب برداشتن جلوگیری می‌کند.
• انتقال پاششی (Spray): ذرات بسیار ریز فلز با شدت و سرعت بالا به داخل حوضچه جوش پرتاب می‌شوند. این مدل برای قطعات ضخیم و کارهایی که سرعت بالا مهم است، ایده‌آل است. اما معمولاً فقط در حالت تخت کاربرد دارد.
• انتقال قطره‌ای (Globular): قطرات بزرگ‌تر و نامنظمی از فلز به حوضچه جوش می‌ریزند که پاشش بیشتری دارند و ممکن است باعث جرقه و آلودگی شود، بنابراین کمتر مورد استفاده است.
• انتقال پالسی (Pulse): جریان الکتریکی به صورت ضربانی کنترل شده است و باعث کنترل بهتر حرارت ورودی و کیفیت جوش می‌شود. این مدل به ویژه برای فلزات حساس و جوش‌های دقیق مناسب است.

مزایای جوشکاری قوسی با گاز محافظ (GMAW)

• نرخ رسوب بالا: این روش امکان جوشکاری سریع و تولید حجم زیادی جوش در واحد زمان را فراهم می‌کند که باعث افزایش بهره‌وری در تولید می‌شود.
• عدم نیاز به پاک‌سازی سرباره: برخلاف روش‌هایی مانند SMAW، در GMAW سرباره کمی تولید می‌شود که نیاز به تمیزکاری پس از جوشکاری را کاهش می‌دهد.
• سرعت جوشکاری بالا: با توجه به تغذیه مداوم سیم جوش و قوس پایدار، سرعت اجرای جوش بسیار بالا است.
• آلودگی کم: استفاده از گاز محافظ، محیط جوش را از اکسیژن و آلودگی‌های جوی دور نگه می‌دارد و کیفیت جوش را افزایش می‌دهد.
• عمق نفوذ مناسب: امکان نفوذ خوب به فلز پایه و اتصال مستحکم بین قطعات وجود دارد.
• قابلیت جوشکاری در وضعیت‌های مختلف: این فرآیند امکان جوشکاری دستی، نیمه‌اتوماتیک و اتوماتیک را دارد و قابلیت کنترل دقیق طول قوس را فراهم می‌کند.
• مناسب برای انواع فلزات: از فولاد نرم و ضدزنگ گرفته تا آلومینیوم، این روش به خوبی قابل استفاده است.
• قابلیت کنترل حرارت ورودی: به ویژه در روش انتقال پالسی، حرارت ورودی کنترل شده و از عیوب حرارتی جلوگیری می‌شود.

معایب جوشکاری قوسی با گاز محافظ (GMAW)

• هزینه بالای تجهیزات: دستگاه‌های جوش، سیستم تغذیه سیم و گاز محافظ هزینه‌بر بوده و نیازمند نگهداری منظم هستند.
• نیاز به فضای کاری مناسب: تجهیزات معمولاً حجیم هستند و برای عملکرد بهتر نیاز به محیط محافظت شده و فضای استاندارد دارند.
• حساسیت گاز محافظ به وزش باد: جریان گاز محافظ در مقابل باد و جریان هوا حساس است و در فضای باز ممکن است حفاظت کافی انجام نشود.
• محدودیت طول قوس: طول قوس باید به دقت کنترل شود تا کیفیت جوش حفظ شود، که ممکن است محدودیت‌های عملیاتی ایجاد کند.
• نیاز به مهارت اپراتور: تنظیم دقیق ولتاژ، جریان و تغذیه سیم نیازمند دانش و تجربه کافی است.
• حساسیت به آلودگی محیط: وجود گرد و غبار، رطوبت یا آلودگی سطحی باعث بروز عیوبی مانند تخلخل در جوش می‌شود.
• نیاز به گاز محافظ: عدم استفاده یا استفاده از گاز محافظ با کیفیت پایین به شدت کیفیت جوش را کاهش می‌دهد.

کاربردهای جوشکاری GMAW

• جوشکاری فولاد نرم، فولاد ضدزنگ و آلومینیوم: این فرآیند به دلیل قابلیت کنترل بالا و استفاده از گاز محافظ، جوش‌های تمیز و با کیفیت ایجاد می‌کند. در فولاد نرم، جوشکاری سریع و اقتصادی است. در فولاد ضدزنگ، استفاده از گازهای بی‌اثر مقاومت به خوردگی را افزایش می‌دهد و در آلومینیوم به دلیل حساسیت به حرارت، تنظیمات دقیق لازم است.
• کشتی‌سازی، خودروسازی و ساخت مخازن فشار: در کشتی‌سازی، این روش برای جوش‌های پیوسته و عمیق ورق‌های ضخیم کاربرد دارد. در خودروسازی، سرعت و دقت بالای جوشکاری مهم است و GMAW برای قطعات نازک ایده‌آل است. در ساخت مخازن فشار، جوش‌های مستحکم و بدون تخلخل این فرآیند اهمیت زیادی دارند.
• جوشکاری قطعات نازک: کنترل دقیق حرارت ورودی باعث می‌شود که قطعات نازک آسیب نبینند و دچار تاب‌برداشتن یا سوختگی نشوند.
• جوشکاری‌های طولانی و بدون وقفه: استفاده از سیم جوش پیوسته امکان انجام جوش‌های طولانی و با سرعت بالا را فراهم می‌کند که در خطوط تولید صنعتی اهمیت ویژه دارد.

اهمیت گاز محافظ در جوشکاری با گاز محافظ

گاز محافظ در جوشکاری GMAW اهمیت بسیار بالایی دارد زیرا محیط اطراف قوس و حوضچه مذاب را از تماس با هوای آزاد محافظت می‌کند. این حفاظت باعث می‌شود اکسیژن، نیتروژن و رطوبت که می‌توانند باعث ایجاد عیوبی مانند تخلخل (حباب‌های گازی در جوش)، ترک‌های داخلی و اکسیداسیون فلز جوش شوند، وارد حوضچه مذاب نشوند. در نتیجه، استفاده از گاز محافظ موجب افزایش کیفیت، استحکام و دوام جوش می‌شود.

همچنین گاز محافظ به پایداری قوس الکتریکی کمک کرده و باعث می‌شود قوس یکنواخت و کنترل‌شده باقی بماند که این موضوع در تولید جوش‌های تمیز و دقیق بسیار مؤثر است. بدون گاز محافظ مناسب، جوشکاری با کیفیت بالا عملاً غیرممکن خواهد بود و احتمال بروز عیوب و کاهش عمر مفید قطعات جوشکاری شده به شدت افزایش می‌یابد.

نقش‌های گاز محافظ:

• جلوگیری از ورود اکسیژن، نیتروژن و بخار آب به حوضچه مذاب که باعث اکسیداسیون و ضعف جوش می‌شوند.
• استفاده از گاز محافظ باعث کاهش اکسیداسیون و افزایش تمیزی سطح جوش می‌شود.
• این فرآیند خواص مکانیکی و استحکام اتصال را بهبود می‌بخشد.
• کنترل بهتر شکل قوس و افزایش سرعت جوشکاری را امکان‌پذیر می‌کند.

انواع گازهای محافظ در جوشکاری GMAW

• گازهای بی‌اثر (Inert Gases):

1. آرگون (Argon): پرکاربردترین گاز محافظ، به ویژه برای فلزات غیرآهنی مانند آلومینیوم و فولاد ضدزنگ. این گاز به دلیل بی‌اثر بودن، قوس پایدار، نرم و متمرکز ایجاد می‌کند و جوش‌های تمیز با پاشش کم تولید می‌کند.
2. هلیوم (Helium): برای جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم، منیزیم و مس استفاده می‌شود. قوس گرم‌تری نسبت به آرگون ایجاد کرده و نفوذ جوش را افزایش می‌دهد اما هزینه بالاتری دارد.

• گازهای نیمه‌ بی اثر (Active Gases):

1. دی‌اکسید کربن (CO₂): پرکاربرد در جوشکاری فولادهای کربنی است. ارزان و در دسترس است اما به دلیل واکنش‌پذیری، ممکن است باعث اکسیداسیون و افزایش پاشش شود.
2. مخلوط آرگون و CO₂: رایج‌ترین ترکیب برای فولادهای کربنی و کم‌کربن است که مزایای هر دو گاز را دارد؛ قوس نرم آرگون و نفوذ بالای CO₂ را با هم ترکیب می‌کند.
3. اکسیژن و هیدروژن (O₂ و H₂): در درصدهای بسیار کم به مخلوط اضافه می‌شوند تا انرژی قوس افزایش یافته و نفوذ بهتر شود اما باید دقت شود تا باعث عیوب جوش نشوند.

فرایندهای دیگر جوشکاری با گاز محافظ و بدون گاز محافظ

برخی روش‌های جوشکاری قوس الکتریکی بدون گاز محافظ انجام می‌شوند، که در آن‌ها لایه‌ای از سرباره یا گازهای حاصل از واکنش‌ها از حوضچه جوش محافظت می‌کند. مانند:

• SMAW (جوشکاری با الکترود روکش‌دار)
• FCAW-S (جوشکاری سیم توخالی بدون گاز محافظ)
• SAW (جوش زیرپودری)

در مقابل، فرآیندهایی مانند TIG، MIG، GMAW-C و FCAW-G نیاز به گاز محافظ دارند تا از جوش در برابر آلودگی‌های محیطی محافظت کنند و کیفیت جوش بهتری ارائه دهند.

نکات ایمنی و استانداردهای مربوطه

• استفاده از ماسک جوشکاری با فیلتر UV و IR برای محافظت از چشم و صورت الزامی است.
• پوشیدن دستکش مقاوم به حرارت و لباس نسوز جهت جلوگیری از سوختگی مهم است.
• تهویه مناسب در محیط جوشکاری ضروری است تا از استنشاق گازهای مضر و دودهای جوش جلوگیری شود.
• برای جلوگیری از برق‌گرفتگی، باید از سالم بودن تجهیزات و کابل‌ها اطمینان حاصل کرد.
• رعایت استانداردهای ملی و بین‌المللی مانند AWS و ISO، کیفیت جوش و ایمنی کار را تضمین می‌کند.

جمع‌بندی

جوشکاری قوسی با گاز محافظ (GMAW) یکی از پرکاربردترین و کارآمدترین روش‌های جوشکاری صنعتی است که به دلیل سرعت بالا، کیفیت جوش خوب، و قابلیت اتوماسیون، جایگاه ویژه‌ای در صنایع مختلف دارد. این روش، با استفاده از سیم جوش مصرف‌شونده و گاز محافظ، امکان ایجاد اتصال‌های مقاوم و تمیز را فراهم می‌کند اما نیازمند تجهیزات پیشرفته، دانش فنی و محیط کنترل شده است.