گاز های خنثی و واکنش پذیردر جوشکاری:
گاز های خنثی و واکنش پذیر هر دو در جوشکاری مورد استفاده قرا می گیرند. گاز های خنثی مانند هلیوم و آرگون و گاز های واکنش پذیر مانند کربن دی اکسید، اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن. در جوشکاری معمولا یک گاز خنثی با یک یا دو گاز واکنش پذیر با غلظت های بسیار پایین ترکیب می شود. گاز خنثی جوشکاری را کنترل و از جوش در برابر سایر عناصر مزاحم و ایجاد واکنش های شیمیایی ناخواسته محافظت می کند. گاز های واکنش پذیر تغییرات کوچکی مانند افزایش دما یا تغییر جزیی ساختار فلز را صورت می دهند. در کل درک تفاوت گاز های خنثی و واکنش پذیر بسیار حایز اهمیت است.
دلیل استفاده از گاز در فرآیند جوشکاری چیست؟
به چهار دلیل اساسی از گاز ها در جوشکاری استفاده می شود:
- محافظت
- تمیز کاری و پرژ
- پوشش دهی
- گرمادهی
در فرآیند جوشکاری گاز تولید می شود ولی گاز های مورد استفاده برای جوشکاری با این گاز ها متفاوت هستند. گاز های مورد استفاده در جوشکاری به صورت فعال در فرآیند جوش تاثیر اگذارند. این گاز ها برای ایجاد یک جوش تمیز و مقاوم بسیار ضروری هستند.
گرمای ایجاد شده در محفظه ی یا استخر جوش در مجاورت هوا ایجاد هر نوع واکنش شیمیایی با هوا را امکان پذیر می کند. اگر محوطه ی جوش کبه درستی کنترل نشود، ممکن است دو فلز به درستی جوش نخورند یا یک واکنش ناخواسته در محفظه اتفاق افتد. بهتر است هر یک ازدلایل کاربرد گاز را جداگانه بررسی کنیم:
- گاز محافظ
محافظت یکی از رایج ترین موارد استفاده از گاز در جوشکاری است. گاز های محافظ دقیقا مانند اسمشان از جوش در برابر موارد ناخواسته محافظت می کنند. گاز یک محفظه ی چادر مانند را دور استخر یا چاله ی جوش ایجاد می کند، دقیقا جایی که دو فلز در کنار یکدیگر ذوب می شوند. گاز محافظ را می توان با استفاده از یک منبع خارجی یا از سوختن الکترود تزریق کرد. برخی الکترود های در دمای بالا گاز آزاد کرده که موجب محافظت از جوش در محفظه می شوند.
منظور از موارد ناخواسته در بالا اجزایی است که ممکن است در محفظه ی جوش وارد واکنش شیمیایی شوند یا با فلز واکنش نشان دهند. بسته به نوع جوش این موارد می توانند اکسیژن، نیتروژن، بخار آب، یا مواد شیمیایی و یا سایر عناصر موجود در محیط جوشکاری باشند. هر کدام از این موارد می توانند جوش را دستخوش خرابی کنند. به دعنوان مثال زمانی که جوش استیل کار می کنیدحضور اکسیژن سبب واکنش با کربن و تشکیل کربن مونوکسید می شود. کربن مونوکسید در فرآیند جوش به آرمی تشکیل حباب می کند و در نهایت جوش ایجاد شده متخلل و ضعیف خواهد بود.اکسیژن همچنین می تواند با سایر فلزات واکنش داده و آن ها را اکسید کرده و لایه نازک یا خرده های گیر افتاده در محفظه ی جوش ایجاد می کند. وجود هر گونه مواد مزاحم خطر خراب شدن و ضعف جوش را بالا می برد. گاز محافظ هوا را اطراف ناحیه ی جوشکاری زدوده و سایر مواد را از محل دور نگه می دارد و در صورت استفاده از گاز های واکنش زا جوش به مراتب بهتری را ارائه خواهد کرد.
- گاز پرژ
گارژ پرژ مانند گاز محافظ عمل می کند با این تفاوت که گاز پرژ از زیر به فرآیند جوش تزریق شده ولی گاز تزریق گاز محافط از بالا صورت می پذیرد. بر خلاف گاز محافظ، گاز پرژ تنهاد موارد ناخواسته از از محل جوش دور می کند. این نوع جوش در فرآیند جوشکاری استیل مورد استفاده قرار می گیرد برای این کار دو قطعه در کنار هم قرار می گیرد و سپس گاز پرژ برای تمیز کاری دو سطح فلز از زیر با ان دمیده می شود.
- گاز پوشش دهی
این گاز از فلز بعد از پایان جوشکاری محافظت کرده و ان را خنک می کند.باید توجه داشت استفاده از گاز ها برای دور کردن موارد ناخواسته و عدم واکنش ناخواسته در زمان جوش است در حالی که بعد از پایان جوشکاری دمای سطح به میزانی بالاست که امحتمال ایجاد واکنش هنوز وجود دارد. گاز پوشش دهی فضای جوش را تا زمان خنک شدن محل محافظت می کند.
- گاز گرماده
این نوع گاز محل جوش را قبل از جوشکاری گرم می کند. بسته به نوع فلز مورد استفاده ترک ها می توانند در طی فرآیند خنک سازی توسعه یافته و بزرگتر شوند در صورتی که به سریعا خنک شوند). گرم کردن پیش از جوش به ما این اظمینان را می دهد کخ فلز به مراتب کندتر خنک خواهد شد و ساختار آن حفظ می گردد. فرآیند گرما دهی فرآیندی رایج در جوش استیل است زیرا احتمال ایجاد ترک دذر این نوع فلز بسیار بالاست.
انواع گاز جوشکاری:
دلایل استفاده از گاز در جوشکاری بررسی شد، حال به انواع مختلف گاز و نوع کاربری گاز ها می پردازیم. گاز ها را می توان به دو دسته مخلوط های گاز و گاز های خالص تقسیم کرد.
گاز های خالص:
- آرگون:
آرگون یکی از شش گاز نجیب در جدول تناوبی عناصر است. به عنوان یک گاز نجیب آرگون تمایلی برای واکنش نداشته و یک گاز خنثی در نظر گرفته می شود. این خاصیت آرگون را به گزینه ی بسیار مناسبی برای استفاده در جوشکاری فلزات واکنش زا تبدیل می کند. نکته ی جداب دیگر آرگون رسانش حرارتی پایین این گاز است که با وجود آرگون عملیات انتقال حرارت کند خواهد شد. در جوشکاری با آرگون حرارت به صورت متمرکز اعمال شده و خط جوش را به ظریف و پر در خواهد آورد. آرگون همچنین به عملیات انتقال پاششی کمک می کند. این عملیات زمانی رخ می دهد که سیم جوش مه گونه ای از ذرات ریز را در طول خط جوش رها می کند. این عمل به پر کردن متمرکز حفره ی جوش و عدم پاشش و ارائه یک جوشکاری تمیز کمک می کند.
در کل ازمانی از آرگون استفاده می شود که نیاز به جوشکاری تمیز داشته باشیم.
- هلیوم
هلیوم نیز مانند آرگون یک گاز نجیب با خاصیت عدم واکنش زایی است ولی بر خلاف آرگون رسانش حرارتی بالایی دارد. به دلیل رسانش حرارتی بالا ناحیه ی اطراف خط جوش با نقطه ی اتصال هم دما خواهند بود. برخلاف آرگون در هلیوم انتقال کروی را داریم. گوی های ذوب شده از الکترود با اعمال جاذبه در محل جوش ریخته و آن را پر می کنند. انتقال کروی نرخ ورقه ای شدن را افزایش می دهد و این به معنای افزایش نرخ اضافه شدن فلز فیلر به فلز پایه است. افزایش نرخ ورقه ای شدن سبب بازدهی بیشتر جوش می شود.
- کربن دی اکسید
کربن دی اکسید از یک اتم کربن ودو اتم اکسیژن تشکیل شده است. در حالت کلی این مولکول خنثی است ولی با اعمال حرارت بالا به این مولکول، واکنشش پذیری ان بسیار بالا خواهد رفت.
بسیار از گاز های واکنش زا معمولا با گاز های خنثی ترکیب شده و در جوشکاری مورد استفاده قرار میگیرند ولی از کربن دی اکسید می توان در حالت خالص آن نیز استفاده کرد. این گاز جوشی با عمق بالا و سطح مقطع قابل قبول ارائه می دهد. با این وجود که کربن دی اکسید جوشی با دقت آرگون به ما ارائه نمی دهد باز از این گاز برای جوش مواد بسیار نازک استفاده می شود. کربن دی اکسید انتقال کروی را در خط جوش ارائه می دهد. کربن دی اکسید ارزان ترین گاز مورد جوشکاری است که بیشتر از سایر گاز ها در مورد استفاده قرار می گیرد.
مخلوط های گازی جوشکاری:
برخی از گاز ها زمانی برای جوشکاری مفید هستند که با دیگر گاز ها مخلوط شوند. به بررسی مخلوط های گازی در زیر می پردازیم:
مخلوط اکسیژن
پیش تر به اثرات اکسیژن در جوش و این مورد که غلظت اکسیژن زیاد سبب ایجاد اکسیداسیون در سطح فلط شده و باعث ضعیف شدن جوش می گردد. با این وجود می توان از غلظت های کمتر از 10 درصد اکسیژن در مخلوط با سایر گاز ها به عنوان گاز فعال برای بالابردن دمای محل جوش استفاده کرد.. اکسیژن در جوش دمای نقطه ی جوش را بالا برده که این دما فقط در سطح جوش دردسترس است و انرژی آزاد می کند ولی سبب پاشش خط جوش میشود.
مخلوط نیتروژن
استفاده از نیتروژن به عنوان یکی از گاز های محافظ در مخلوط های گازی جوشکاری رایج نیست. معمولا از این گاز در کنار آرگون برای جوشکاری استیل استفاده می شود و آن هم به دلیل تاثیر این مخلوط در افزایش مقاومت جوش در برابر خوردگی می باشد.
مخلوط هیدروژن
هیدروژن نیز مانند اکسیژن در صورت استفاده در مخلوط های جوشکاری باید غلظتی کمتر از 10 درصد داشته باشد. این گاز دمای محیط جوش را بالا برده و باعث پاشش سطح جوش( خط جوش وسیع تر)می شود. هیدروژن معمولا در جوشکاری فولاد ضد زنگ آستنیتی مورد استفاده قرار می گیرد.
مخلوط های گازی رایج:
بسته به نوع جوش و فلز مورد جوشکاری مخلوط گازی مناسب انتخاب می شود. باید توجخ داشت که گاز ها تاثیر متفاوتی روی فرآیند جوش دارند پس باید در انتخاب آن ها دقت لازم صورت پذیرد.
مخلوط گازی آرگون/ کربن دی اکسید یا کورگون
آرگون و کربن دی اکسید در غلظت های مختلفی با یکدیگر ترکیب می شوند. معمولا دراین مخلوط های گازی کربن دی اکسید از غلظت 5 تا 25 درصد در بالانس آرگون ساخته می شود. این مخلوط ها غالبا برای جوش کربن استیل یا استیل با درصد آلیاژ پایین مورد استفاده قرار می گیرند. این مخلوط رایج ترین مخلوط مورد استفاده در جوشکاری با گاز است.
مخلوط آرگون اکسیژن و کربن دی اکسید:
این مخلوط گازی قابلیت استفاده برای دامنه ی وسیعی از فلزات با ضخامت های مخالف را دارد. در مخلوط اکسیژن وظیفه ی افزایش حرارت و کربن دی اکسید وظیفه ی پرکردن خط جوش را دارد و این مهم در ولتاژ پایین تری نسبت به جوش با مخلوط کورگون یا گاز خالص آرگون روی می دهد. برخی به این مخلوط نام مخلوط جهانی را داده اند زیرا تمامی حالات انتقال مانند پاشش و کروی را دارد.
مخلوط آرگون هلیوم و کربن دی اکسید:
با حضور هلیوم در این مخلوط میزان انتقال حرارت بیشتر از آرگون خالص می شود که نتیجه ی بهتری را برای دانه های ذوب شده به ما ارائه می دهد. نیتجهی بدست آمده از مخلوط مانند مخلوط سه جزیی با حضور اکسیژن است با این تفاوت که در این مخلوط احتمال اکسید شدن فلز وجود ندارد ولی قیمت آن نسبت به مخلوط قبلی بسیار بالاتر خواهد بود.
مخلوط آرگون هلیوم:
این مخلوط برای فلزات واکنش پذیر و غیر آهنی مانند مس، آلیاژ های نیکل یا آلومینیوم استفاده می شود. غلظت های بالای هلیوم برای فلزات سنگین مورد استفاده قرار می گیرد. هلیوم میزان حرارت را در سطح افزایش می دهد و این موضوع سبب بیشتر شدن مایع مذاب در محل جوش می شود. ایجا ماده ی مذاب و ماندگاری آن در سطح به حباب های هوا و ناخالصی ها ی موجود اجازه ی آمادن به سطح و خروج از محل را می دهد این عمل به کاهش تخلخل جوش و استحکام ان کمک می کند.
مخلوط آرگون، هلیوم و اکسیژن:
یک مخلوط حاوی این سه گاز انرژی قوس الکتریکی ایجاد را بالا برده و دمای سطح مواد آهنی را هنگام جوش بالا می برد. این مخلوط برای فلزات دارای آهن کاربرد دارد در صورتی که مخلوط دو جزیی هلیوم آرگون برای مواد غیر آهنی استفاده می شود. این مخلوط نیز در محل جوش حالت مذاب به وجود آورده و میزان تخلخل جوش را به شدت پایین می آورد در نتیجه استحکام جوش بالا خواهد رفت.
مخلوط آرگون کربن دی اکسید و هیدروژن
میزان کمی از کربن دی اکسید و هیدروژن با اضافه شدن به آرگون می تواند سبب پایداری قوس الکتریک، کمتر شدن ورود کربن به جوش و … می شود. به دلیل ایجاد ترک هیدروژنی از این مخلوط در آلیاژ های دارای میزان استیل کم نباید استفاده کرد.
