در فرآیندهای جوشکاری قوسی به‌ویژه در روش‌های MIG و MAG، یکی از عوامل اصلی در دستیابی به کیفیت بالای جوش، انتخاب نوع گاز محافظ است. گازهای محافظ، محیطی بی‌اثر یا کنترل‌شده در اطراف قوس و حوضچه مذاب ایجاد می‌کنند تا از ورود اکسیژن، نیتروژن و سایر گازهای مضر به فلز جلوگیری شود. در میان انواع گازهای محافظ، ترکیب آرگون و دی‌اکسید کربن (Ar+CO₂) به‌دلیل عملکرد متعادل میان پایداری قوس، نفوذ مناسب و قیمت اقتصادی، یکی از پرکاربردترین ترکیب‌ها در جوشکاری فولادهای کربنی و آلیاژی محسوب می‌شود.
این ترکیب گازی توانسته است بین دو ویژگی مهم — پایداری قوس الکتریکی آرگون و نفوذ عمیق حاصل از CO₂ — تعادلی دقیق برقرار کند. نتیجه آن، جوش‌هایی با ظاهری تمیز، پاشش کم و استحکام بالا است که در صنایع خودروسازی، سازه‌های فلزی و خطوط لوله به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ترکیب و ویژگی‌های فیزیکی گاز Ar+CO₂
ترکیب گاز آرگون و دی‌اکسید کربن معمولاً در درصدهای مختلف تهیه می‌شود که رایج‌ترین آن‌ها ۹۰٪ آرگون و ۱۰٪ CO₂ یا ۸۰٪ آرگون و ۲۰٪ CO₂ است. انتخاب درصد ترکیب به نوع فرآیند جوشکاری، ضخامت قطعه و خواص مکانیکی مورد انتظار بستگی دارد.
آرگون (Ar) یک گاز نجیب، بی‌اثر و بدون واکنش شیمیایی است. این گاز با وزن مخصوص بالا، به‌خوبی سطح حوضچه جوش را می‌پوشاند و از نفوذ هوا و اکسیژن جلوگیری می‌کند. از طرف دیگر، دی‌اکسید کربن (CO₂) گازی فعال است که در دمای قوس تجزیه می‌شود و اکسیژن آزاد می‌کند؛ این اکسیژن موجب افزایش انرژی قوس و عمق نفوذ جوش می‌شود.
ترکیب این دو گاز باعث می‌شود تا ضمن حفظ پایداری قوس و ظاهر مناسب جوش، نفوذ مذاب در فلز پایه نیز به‌صورت بهینه انجام گیرد. همچنین این ترکیب توانایی انتقال فلز از الکترود به حوضچه مذاب را به روش اسپری (Spray Transfer) یا پاششی فراهم می‌کند که موجب تولید جوش‌های یکنواخت و بدون تخلخل می‌شود.
رفتار قوس و انتقال فلز در محیط Ar+CO₂
قوس الکتریکی در محیط ترکیبی Ar+CO₂ نسبت به استفاده‌ی خالص از یکی از این گازها، رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهد. آرگون، قوس را متمرکز و پایدار نگه می‌دارد، در حالی‌که دی‌اکسید کربن با افزایش هدایت حرارتی و انرژی قوس، نفوذ جوش را افزایش می‌دهد. این تعادل حرارتی سبب می‌شود حوضچه جوش کنترل‌پذیرتر بوده و پاشش فلز به حداقل برسد.
در این محیط، انتقال فلز از الکترود به حوضچه معمولاً به‌صورت پاششی (Spray Transfer) یا انتقال گلوله‌ای (Globular Transfer) انجام می‌شود که بسته به ترکیب دقیق گاز و جریان قوس متفاوت است. افزایش درصد CO₂ تمایل به انتقال گلوله‌ای را افزایش داده و پاشش بیشتر ایجاد می‌کند، در حالی‌که درصد بالاتر آرگون موجب انتقال پاششی یکنواخت‌تر و سطح جوش صاف‌تر می‌شود.
تأثیر ترکیب گاز بر خواص مکانیکی جوش
یکی از مهم‌ترین مزایای استفاده از ترکیب Ar+CO₂، بهبود هم‌زمان مقاومت مکانیکی و ظاهر سطحی جوش است. وجود مقدار کنترل‌شده‌ای از دی‌اکسید کربن باعث افزایش عمق نفوذ و بهبود اتصال بین فلز پایه و فلز پرکننده می‌شود. از سوی دیگر، حضور آرگون از اکسیداسیون بیش از حد جلوگیری می‌کند و مانع از تشکیل حفره‌های گازی و تخلخل در جوش می‌شود.
نتایج آزمایش‌های متالوگرافی نشان داده است که جوش‌های انجام‌شده در محیط Ar+CO₂ دارای ریزساختار همگن‌تری نسبت به جوش‌های انجام‌شده در گاز CO₂ خالص هستند. همچنین استحکام کششی این جوش‌ها معمولاً بین ۴۰۰ تا ۵۰۰ مگاپاسکال متغیر است که بسته به نوع سیم جوش و پارامترهای فرآیند قابل تغییر است.
تأثیر گاز Ar+CO₂ بر کیفیت سطحی و پاشش فلز
پاشش یا اسپاتر یکی از مشکلات رایج در جوشکاری قوسی است که موجب زبری سطح و کاهش زیبایی جوش می‌شود. حضور مقدار کمی CO₂ در ترکیب با آرگون باعث می‌شود قوس الکتریکی پایدارتر بوده و ذرات فلز به‌صورت یکنواخت منتقل شوند. این ویژگی، پاشش را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد و سطح نهایی جوش تمیزتر و صیقلی‌تر خواهد بود.
به‌طور کلی هرچه درصد CO₂ افزایش یابد، شدت پاشش نیز بیشتر می‌شود؛ بنابراین در کاربردهایی که ظاهر سطح اهمیت بالایی دارد، مانند صنایع خودروسازی یا سازه‌های ظریف، ترکیب ۹۵٪ Ar و ۵٪ CO₂ گزینه‌ی بهتری محسوب می‌شود. در مقابل، در سازه‌های سنگین و قطعات ضخیم، ترکیب ۸۰٪ Ar و ۲۰٪ CO₂ نفوذ بیشتری ایجاد کرده و استحکام جوش را افزایش می‌دهد.
تأثیر ترکیب گاز بر نفوذ و شکل حوضچه جوش
نفوذ یا عمق ذوب در فرآیند جوشکاری یکی از شاخص‌های مهم کیفیت است. گاز دی‌اکسید کربن با آزادسازی اکسیژن در اثر حرارت قوس، باعث افزایش دمای موضعی در حوضچه جوش می‌شود و در نتیجه عمق نفوذ افزایش می‌یابد. در مقابل، آرگون با خاصیت بی‌اثری خود از بیش‌گرم شدن حوضچه جلوگیری کرده و تعادل حرارتی را برقرار می‌سازد.
این ترکیب در نسبت‌های متناسب، نفوذ را در حد بهینه حفظ می‌کند؛ به‌گونه‌ای که ذوب کافی در مرز اتصال وجود داشته باشد، اما در عین حال از سوختگی یا نفوذ بیش از حد جلوگیری شود. در فولادهای کربنی معمولی، ترکیب ۸۰/۲۰ (Ar/CO₂) معمولاً بهترین توازن بین نفوذ و ظاهر جوش را ارائه می‌دهد.
نقش Ar+CO₂ در جلوگیری از عیوب جوش
یکی از مهم‌ترین مزایای استفاده از ترکیب آرگون و دی‌اکسید کربن، کاهش عیوب متداول مانند تخلخل، اکسیداسیون و ترک‌های حرارتی است. در جوشکاری با CO₂ خالص، احتمال اکسید شدن فلز پرکننده زیاد است زیرا اکسیژن آزاد حاصل از تجزیه CO₂ با آهن واکنش داده و اکسید آهن تشکیل می‌دهد. در ترکیب Ar+CO₂، این اثر کاهش می‌یابد زیرا آرگون با ایجاد پوشش بی‌اثر در اطراف حوضچه از تماس مستقیم فلز مذاب با اکسیژن جلوگیری می‌کند.
همچنین دمای قوس در ترکیب Ar+CO₂ نسبت به CO₂ خالص پایین‌تر است و این موضوع از بروز ترک‌های ناشی از انجماد سریع جلوگیری می‌کند. در نتیجه، ساختار جوش نهایی متراکم‌تر، مستحکم‌تر و بدون عیب‌های سطحی است.
تأثیر ترکیب گاز بر جوشکاری انواع فولاد
نوع فولاد مورد استفاده تأثیر زیادی بر انتخاب ترکیب گاز دارد. برای فولادهای کم‌کربن و فولادهای سازه‌ای معمولی، ترکیب Ar+CO₂ در نسبت‌های ۸۰/۲۰ یا ۹۰/۱۰ بهترین نتایج را دارد. در فولادهای پرکربن یا آلیاژی، لازم است درصد CO₂ کاهش یابد تا از اکسیداسیون و کربوره شدن بیش از حد جلوگیری شود.
در جوشکاری فولادهای زنگ‌نزن، ترکیب Ar+CO₂ معمولاً به‌کار نمی‌رود، زیرا CO₂ موجب اکسیداسیون کروم و کاهش مقاومت به خوردگی می‌شود. در این موارد، ترکیب آرگون با هلیوم یا اکسیژن در مقادیر بسیار کم استفاده می‌گردد. بنابراین انتخاب ترکیب گازی باید با توجه به نوع آلیاژ و ویژگی‌های متالورژیکی فلز پایه انجام گیرد.
مقایسه Ar+CO₂ با سایر گازهای محافظ
در مقایسه با گازهای خالص مانند آرگون، ترکیب Ar+CO₂ از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه‌تر است، زیرا دی‌اکسید کربن هزینه‌ی کمتری دارد. از نظر فنی نیز این ترکیب عملکرد بهتری نسبت به CO₂ خالص دارد، چون پایداری قوس بیشتر و پاشش کمتر ارائه می‌دهد.
در مقابل، ترکیبات دیگری مانند Ar+O₂ (با اکسیژن ۲ تا ۵ درصد) برای جوشکاری فولادهای ضدزنگ کاربرد دارند که هدف آن‌ها افزایش روانی مذاب و بهبود ترشوندگی است. اما در جوشکاری فولادهای کربنی، Ar+CO₂ بهترین گزینه برای تعادل بین نفوذ، پایداری و کیفیت سطح محسوب می‌شود.
تأثیر شرایط فرآیندی و تنظیمات دستگاه
کارایی گاز Ar+CO₂ به تنظیم صحیح پارامترهای فرآیند نیز بستگی دارد. عواملی مانند شدت جریان، ولتاژ قوس، فاصله نازل از قطعه، سرعت سیم جوش و دبی گاز محافظ تأثیر مستقیمی بر کیفیت نهایی جوش دارند. اگر دبی گاز کم باشد، احتمال نفوذ اکسیژن از محیط افزایش یافته و تخلخل ایجاد می‌شود. اگر بیش از حد زیاد باشد، جریان آشفته ایجاد کرده و گاز به‌درستی اطراف حوضچه را نمی‌پوشاند.
در بیشتر کاربردهای صنعتی، دبی گاز بین ۱۰ تا ۲۰ لیتر در دقیقه تنظیم می‌شود و فشار گاز در محدوده‌ی ۰.۵ تا ۱ بار قرار می‌گیرد. انتخاب سیم جوش با ترکیب شیمیایی سازگار با گاز نیز اهمیت زیادی دارد تا از واکنش‌های ناخواسته بین فلز پرکننده و CO₂ جلوگیری شود.
کاربرد صنعتی ترکیب Ar+CO₂
گاز ترکیبی آرگون و دی‌اکسید کربن در صنایع مختلف به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در صنعت خودروسازی، این ترکیب برای جوشکاری قطعات نازک فولادی مانند شاسی و بدنه خودرو به‌کار می‌رود. در صنایع سنگین و سازه‌های فولادی نیز برای اتصال ورق‌ها و مقاطع ضخیم فولاد کربنی، ترکیب ۸۰/۲۰ بهترین عملکرد را ارائه می‌دهد.
علاوه‌براین، در خطوط لوله و مخازن تحت فشار نیز این ترکیب به‌دلیل پایداری قوس و کیفیت یکنواخت جوش انتخاب می‌شود. در این کاربردها، نفوذ عمیق و کاهش عیوب ساختاری از اهمیت زیادی برخوردار است که با گاز Ar+CO₂ به‌خوبی حاصل می‌شود.
بدون دیدگاه