مزایای هلیوکس نسبت به آرگون در فرآیندهای جوشکاری چیست؟

سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص مانند هلیوم و آرگون وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778

جوشکاری یکی از حیاتی‌ترین فرآیندهای تولید و ساخت در صنایع مختلف از جمله هوافضا، خودروسازی، صنایع دریایی، پتروشیمی و سازه‌های فلزی است. انتخاب گاز محافظ مناسب برای دستیابی به اتصالات جوشی با کیفیت بالا، استحکام مکانیکی مطلوب و ظاهری زیبا امری ضروری است. در میان گازهای محافظ رایج در فرآیندهای جوشکاری قوسی مانند TIG (GTAW) و MIG/MAG (GMAW)، آرگون به دلیل قیمت مناسب و عملکرد قابل قبول، یکی از پرکاربردترین گازها محسوب می‌شود.

با این حال، در برخی کاربردها و برای فلزات خاص، استفاده از مخلوط‌های گازی مانند هلیوکس (Heliox)، که ترکیبی از هلیوم و آرگون است، مزایای قابل توجهی را نسبت به استفاده از آرگون خالص ارائه می‌دهد. این مقاله به بررسی جامع مزایای هلیوکس نسبت به آرگون در فرآیندهای جوشکاری می‌پردازد.

هلیوکس چیست؟

هلیوکس یک مخلوط گازی است که ازترکیبی هلیوم (He) و آرگون (Ar) تشکیل شده است. نسبت ترکیب این دو گاز می‌تواند بسته به نوع فرآیند جوشکاری، فلز پایه و خواص مورد انتظار از جوش، متغیر باشد. معمولاً مخلوط‌هایی با درصد هلیوم متفاوت (مانند 75% هلیوم / 25% آرگون، 50% هلیوم / 50% آرگون، یا 25% هلیوم / 75% آرگون) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مزایای هلیوکس نسبت به آرگون در فرآیندهای جوشکاری

استفاده از هلیوکس به جای آرگون خالص در جوشکاری، مزایای متعددی را به همراه دارد که در ادامه به تفصیل به آن‌ها پرداخته می‌شود:

۱. افزایش نفوذ جوش (Increased Weld Penetration)

یکی از برجسته‌ترین مزایای هلیوکس، توانایی آن در افزایش نفوذ جوش است. این امر به دلایل فیزیکی متعددی رخ می‌دهد:

هدایت حرارتی بالاتر هلیوم: هلیوم دارای هدایت حرارتی بسیار بالاتری نسبت به آرگون است. این بدان معناست که هلیوم گرما را سریع‌تر از آرگون به فلز پایه منتقل می‌کند. در فرآیند جوشکاری، این انتقال حرارت سریع‌تر به ذوب شدن عمقی‌تر فلز پایه و در نتیجه افزایش نفوذ جوش منجر می‌شود.

انرژی الکتریکی بالاتر در قوس: هلیوم به دلیل خاصیت یونیزاسیون پایین‌تر نسبت به آرگون، به جریان الکتریکی بیشتری نیاز دارد تا قوس الکتریکی پایدار شود. این جریان بالاتر، انرژی بیشتری را به فلز ورودی (فلز پرکننده) و فلز پایه منتقل می‌کند و به ذوب شدن عمیق‌تر کمک می‌نماید.

اثر “شستشو” (Washing Effect): جریان گاز هلیوکس، به ویژه در مخلوط‌های با درصد هلیوم بالا، می‌تواند اثر “شستشو” قوی‌تری بر روی حوضچه مذاب داشته باشد. این اثر به پخش شدن گرما و مذاب در ناحیه جوش کمک کرده و از تجمع گرما در یک نقطه جلوگیری می‌کند، که این خود به نوبه خود امکان نفوذ عمیق‌تر را فراهم می‌آورد.

اهمیت افزایش نفوذ جوش:

افزایش نفوذ جوش به معنای دستیابی به اتصال قوی‌تر و استحکام مکانیکی بیشتر است. این امر به ویژه در مواردی که نیاز به اتصال قطعات ضخیم یا تأکید بر استحکام اتصال وجود دارد، مانند سازه‌های باربر یا قطعات تحت تنش بالا، بسیار حیاتی است. همچنین، نفوذ بیشتر می‌تواند نیاز به پاس‌های جوش اضافی را کاهش داده و در زمان و هزینه صرفه‌جویی کند.

۲. سرعت جوشکاری بالاتر (Higher Welding Speed)

هلیوکس امکان دستیابی به سرعت‌های جوشکاری بالاتر را فراهم می‌کند که این خود به طور مستقیم بر بهره‌وری تاثیر می‌گذارد:

انتقال حرارت سریع‌تر: همانطور که ذکر شد، هدایت حرارتی بالای هلیوم منجر به انتقال حرارت سریع‌تر به فلز می‌شود. این امر اجازه می‌دهد تا با سرعت بیشتری حوضچه مذاب تشکیل شده و فلز پرکننده ذوب شود، که این امکان جوشکاری با سرعت بالاتر را فراهم می‌آورد.

نفوذ عمیق‌تر: با توجه به اینکه نفوذ بیشتر با هلیوکس حاصل می‌شود، می‌توان با سرعت بالاتری نسبت به آرگون، که نیاز به سرعت پایین‌تر برای دستیابی به نفوذ مشابه دارد، حرکت کرد. این بدان معناست که با استفاده از هلیوکس، می‌توان با یک حرکت سریع‌تر، جوشی با نفوذ کافی را ایجاد نمود.

اهمیت سرعت جوشکاری بالاتر:
افزایش سرعت جوشکاری به معنای کاهش زمان صرف شده برای هر اتصال و در نتیجه افزایش تولید و کاهش هزینه‌های نیروی کار و زمان است. این مزیت به خصوص در پروژه‌های بزرگ و خطوط تولید انبوه که سرعت و کارایی در آن‌ها اولویت دارد، بسیار حائز اهمیت است.

۳. کاهش احتمال تخلخل (Reduced Porosity)

تخلخل (حفره‌های گازی) یکی از عیوب رایج در جوشکاری است که می‌تواند استحکام اتصال را به شدت کاهش دهد. هلیوکس در کاهش این عیوب نقش مهمی ایفا می‌کند:

حلالیت کمتر گازهای زائد: هلیوم نسبت به آرگون، حلالیت کمتری برای برخی گازهای نامطلوب مانند نیتروژن و اکسیژن دارد. این گازها می‌توانند از هوا یا آلودگی‌های سطح قطعه کار وارد حوضچه مذاب شوند و هنگام سرد شدن، به صورت حباب‌های گاز در جوش باقی بمانند (تخلخل). هلیوکس با دفع بهتر این گازهای زائد از حوضچه مذاب، به تشکیل جوش پاک‌تر و بدون تخلخل کمک می‌کند.

اثر “پاک‌کنندگی” (Cleaning Effect): مانند اثر شستشو، جریان قوی‌تر هلیوکس می‌تواند به بیرون راندن گازهای محبوس شده و ناخالصی‌ها از حوضچه مذاب کمک کند.

اهمیت کاهش احتمال تخلخل:
تخلخل به شدت بر خواص مکانیکی اتصال جوش، به ویژه استحکام کششی و مقاومت به ضربه، تاثیر منفی می‌گذارد. کاهش تخلخل منجر به ایجاد جوش‌هایی با کیفیت بالاتر، قابل اعتمادتر و با عمر طولانی‌تر می‌شود و نیاز به بازرسی‌های دقیق‌تر و بازکاری را کاهش می‌دهد.

۴. قوس پایدارتر و ظاهر تمیزتر جوش (More Stable Arc and Cleaner Weld Appearance)

ظاهر جوش و پایداری قوس الکتریکی نیز از جمله فاکتورهایی هستند که در کیفیت نهایی جوش تاثیرگذارند:

.پایداری قوس: در فرآیندهای TIG و MIG/MAG، استفاده از هلیوکس (به ویژه با درصد هلیوم بالا) منجر به ایجاد قوسی متمرکزتر، پایدارتر و با انرژی حرارتی بیشتر در نقطه برخورد با فلز می‌شود. این پایداری قوس، کنترل بهتری را بر روی حوضچه مذاب فراهم می‌کند.

ظاهر تمیزتر: به دلیل کاهش پاشش (که در ادامه توضیح داده می‌شود) و همچنین تمایل هلیوم به تمیز نگه داشتن نوک الکترود (در فرآیند MIG/MAG) و حفظ پاکیزگی حوضچه مذاب، جوش‌های حاصل از هلیوکس معمولاً ظاهری تمیزتر، صاف‌تر و با شیارهای کناری (penetration toes) کمتر دارند. همچنین، اکسیداسیون سطحی کمتری در هنگام استفاده از هلیوکس مشاهده می‌شود.

اهمیت پایداری قوس و ظاهر تمیزتر:
قوس پایدارتر به جوشکار اجازه می‌دهد تا کنترل دقیق‌تری بر روی فرآیند داشته باشد و از تمرکز انرژی در نقطه مناسب اطمینان حاصل کند. ظاهر تمیزتر جوش نه تنها از نظر زیبایی‌شناسی مهم است، بلکه نشان‌دهنده کیفیت بالاتر و عدم وجود عیوب سطحی نیز می‌باشد. این امر می‌تواند نیاز به عملیات پس از جوشکاری مانند سنگ‌زنی و پرداخت کاری را کاهش دهد.

۵. کاهش پاشش (Reduced Spatter)

پاشش (Spatter)، ذرات مذاب فلز پرکننده و فلز پایه هستند که از حوضچه جوش خارج شده و به اطراف پخش می‌شوند. این پاشش‌ها نه تنها باعث اتلاف فلز پرکننده می‌شوند، بلکه سطوح قطعه کار و تجهیزات را آلوده کرده و ظاهری نامطلوب به جوش می‌دهند.

ماهیت قوس: هلیوکس، به ویژه در ترکیب با آرگون، تمایل دارد قوسی آرام‌تر و با انرژی کمتر در سطح حوضچه مذاب ایجاد کند. این در مقابل قوس‌های “تند” و پر انرژی که گاهی با آرگون خالص (به خصوص در سرعت‌های بالا یا آمپراژهای پایین) اتفاق می‌افتد، باعث کاهش جهش و پاشش قطرات مذاب می‌شود.

جریان گاز: جریان گاز محافظ در هلیوکس به گونه‌ای است که حوضچه مذاب را به طور مؤثر پوشش داده و از پراکندگی قطرات مذاب جلوگیری می‌کند.

اهمیت کاهش پاشش:
کاهش پاشش به معنای صرفه‌جویی در مصرف فلز پرکننده، کاهش زمان صرف شده برای تمیز کردن پس از جوشکاری و دستیابی به اتصالات جوشی تمیزتر و با کیفیت‌تر است. این امر به ویژه در جوشکاری قطعات ظریف یا حساس به پاشش (مانند قطعات خودرو) اهمیت فراوانی دارد.

انتخاب بین آرگون و هلیوکس: عوامل موثر

با وجود مزایای قابل توجه هلیوکس، انتخاب نهایی بین استفاده از آرگون خالص و هلیوکس به عوامل مختلفی بستگی دارد :

اهمیت فلزات در جوشکاری با هلیوکس :

فلزات غیر آهنی (Non-ferrous metals): هلیوکس به طور گسترده‌ای برای جوشکاری فلزات غیر آهنی مانند آلومینیوم، مس و آلیاژهای آن‌ها استفاده می‌شود. هدایت حرارتی بالای هلیوم به غلبه بر هدایت حرارتی بالای این فلزات کمک کرده و امکان ذوب شدن و نفوذ بهتر را فراهم می‌کند.

فولادهای کم کربن و ضد زنگ: در برخی موارد، به ویژه برای قطعات ضخیم یا زمانی که نفوذ عمیق مورد نیاز است، هلیوکس برای فولادها نیز می‌تواند مفید باشد.

فلزات واکنش‌پذیر: برای جوشکاری فلزات بسیار واکنش‌پذیر مانند تیتانیوم، استفاده از گاز محافظ خالص (اغلب آرگون) برای جلوگیری از هرگونه آلودگی و واکنش ناخواسته ترجیح داده می‌شود.

ضخامت قطعه کار:

قطعات نازک: برای قطعات نازک، آرگون خالص معمولاً کافی است و استفاده از هلیوکس ممکن است منجر به ذوب شدن بیش از حد (burn-through) شود.

قطعات ضخیم: برای قطعات ضخیم که نیاز به نفوذ عمیق دارند، هلیوکس مزیت قابل توجهی ارائه می‌دهد.

فرآیند جوشکاری خاص با هلیوکس :

TIG (GTAW): هلیوکس به طور گسترده‌ای در جوشکاری TIG برای فلزات غیر آهنی و برخی کاربردهای فولادی استفاده می‌شود.

MIG/MAG (GMAW): در فرآیند MIG/MAG، هلیوکس به ویژه در تنظیمات قوس اسپری (spray transfer) برای افزایش سرعت و نفوذ در فلزات مانند فولاد کربن و استنلس استیل کاربرد دارد.

هزینه‌ها:

هلیوم گران‌تر از آرگون است: این مهم‌ترین عامل بازدارنده در استفاده گسترده از هلیوکس است. هلیوم به طور قابل توجهی گران‌تر از آرگون است. بنابراین، در مواردی که مزایای هلیوکس (مانند سرعت بالاتر یا نفوذ عمیق‌تر) برای دستیابی به کیفیت مورد نظر حیاتی نباشد، آرگون خالص به دلیل مقرون به صرفه بودن ترجیح داده می‌شود.

ارزیابی هزینه-فایده: لازم است یک ارزیابی هزینه-فایده دقیق انجام شود. گاهی اوقات، با وجود هزینه اولیه بالاتر گاز هلیوکس، افزایش بهره‌وری (سرعت بالاتر)، کاهش ضایعات (کاهش پاشش و تخلخل)، و کاهش هزینه‌های بازکاری می‌تواند منجر به صرفه‌جویی کلی در هزینه‌ها شود.

محیط جوشکاری:

جوشکاری در فضای باز یا مکان‌های با جریان هوای زیاد: در چنین محیط‌هایی، هر دو گاز (آرگون و هلیوکس) نیاز به محافظت مناسب دارند. با این حال، به دلیل چگالی کمتر هلیوم نسبت به آرگون، ممکن است در شرایط خاص، محافظت از حوضچه مذاب با هلیوکس کمی چالش‌برانگیزتر باشد و نیاز به تنظیمات دقیق‌تر جریان گاز داشته باشد.