گاز محافظ به چه گازهایی گفته میشود و کاربرد آن چیست؟

گاز محافظ به چه گازهایی گفته میشود و کاربرد آن چیست ؟

گاز محافظ به گاز یا مخلوطی از گازها گفته می‌شود که در فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی، برشکاری و برخی عملیات متالورژیکی به کار می‌رود. هدف اصلی این گازها، ایزوله کردن منطقه جوش و فلز مذاب از اتمسفر محیط است. جلوگیری از واکنش فلز مذاب با اکسیژن، نیتروژن و رطوبت موجود در هوا برای حفظ خواص مکانیکی، جلوگیری از تخلخل و تشکیل ناخالصی‌ها در جوش نهایی کاملاً ضروری است.

گازهای محافظ به طور کلی به دو دسته بی‌اثر (Inert) و فعال (Active) تقسیم می‌شوند:

۱. گازهای بی‌اثر

این گازها با فلز مذاب هیچ‌گونه واکنش شیمیایی نمی‌دهند و تنها نقش پوشش محافظ فیزیکی را ایفا می‌کنند.

آرگون (Ar): آرگون رایج‌ترین گاز محافظ بی‌اثر است. این گاز سنگین‌تر از هوا بوده، شروع قوس الکتریکی را آسان می‌کند و باعث ایجاد یک قوس پایدار و کنترل شده می‌شود. آرگون تقریباً برای جوشکاری TIG (GTAW) تمامی فلزات، از جمله فولادها، آلومینیوم، تیتانیوم و استیل‌های زنگ نزن، و همچنین برای جوشکاری MIG (GMAW) فلزات غیرآهنی مانند آلومینیوم و مس، انتخاب اصلی محسوب می‌شود.

هلیوم (He): هلیوم سبک‌تر از آرگون است و برای ایجاد قوس به ولتاژ بالاتری نیاز دارد. مزیت اصلی هلیوم در این است که گرمای بیشتری تولید کرده و نفوذ عمیق‌تری در جوش ایجاد می‌کند. به همین دلیل، اغلب برای جوشکاری قطعات ضخیم یا فلزاتی که رسانایی گرمایی بالایی دارند (مانند آلومینیوم و مس)، معمولاً به صورت مخلوط با آرگون، استفاده می‌شود.

۲. گازهای فعال

این گازها با فلز مذاب یک واکنش شیمیایی ضعیف انجام می‌دهند که برای بهبود پایداری قوس، کاهش پاشش و بهبود شکل ظاهری جوش، به‌ویژه در جوشکاری فولادها، مورد نیاز است.

دی‌اکسید کربن (CO2​): این گاز ارزان‌ترین گاز فعال است و به‌تنهایی یا در ترکیب با آرگون برای جوشکاری MIG فولادهای کربنی استفاده می‌شود. استفاده از CO2​ به تنهایی باعث نفوذ عمیق‌تری می‌شود، اما متأسفانه منجر به پاشش بیشتر فلز و ایجاد یک قوس نسبتاً ناپایدار می‌گردد.

اکسیژن (O2): اکسیژن معمولاً در غلظت‌های بسیار پایین (حدود ۱ تا ۵ درصد) به مخلوط‌های آرگون اضافه می‌شود. این افزودنی کوچک به پایداری قوس کمک کرده و جریان قطرات مذاب فلز را بهبود می‌بخشد که نتیجه آن جوشی با ظاهر بهتر و یکنواخت‌تر است. این مخلوط برای جوشکاری MIG فولادهای کربنی و آلیاژی کاربرد دارد.

هیدروژن (H2​): هیدروژن نیز در مقادیر کم (۱ تا ۵ درصد) به آرگون اضافه می‌شود تا گرمای قوس را افزایش دهد و سرعت جوشکاری فولادهای زنگ نزن (استنلس استیل) را بالا ببرد. با این حال، استفاده از آن برای جوشکاری فولادهای کربنی یا آلومینیوم می‌تواند منجر به شکنندگی فلز شود و باید از آن اجتناب کرد.

مخلوط‌های متداول در عمل

در صنعت، به ندرت از یک گاز به تنهایی استفاده می‌شود (به جز آرگون در TIG). رایج‌ترین مخلوط‌ها شامل:

آرگون + CO2​: متداول‌ترین مخلوط برای جوشکاری MIG فولادهای کربنی است که اغلب با نسبت‌هایی مانند ۸۰ درصد آرگون و ۲۰ درصد CO2​ به کار می‌رود تا پایداری، نفوذ و کنترل پاشش بهینه‌ای حاصل شود.

آرگون + O2​: این ترکیب معمولاً برای جوشکاری MIG فولادهای زنگ نزن و برخی فولادهای کم‌آلیاژ به منظور دستیابی به یک جوش صاف و بدون ناخالصی‌های سطحی زیاد استفاده می‌شود.

برای کسب اطلاعات بیشتر کلیک کنید

عملکرد اصلی: ممانعت از آلودگی اتمسفری

وقتی قوس الکتریکی برقرار می‌شود، دمای حوضچه مذاب فلز به هزاران درجه سانتی‌گراد می‌رسد. در این شرایط شدید، گازهای موجود در هوا فعال می‌شوند:

اکسیژن (O2​): اکسیژن به سرعت با فلز مذاب ترکیب شده و اکسیدهای فلزی (مانند اکسید آهن در فولاد) تشکیل می‌دهد. این اکسیدها معمولاً سبک‌تر از فلز پایه هستند و به سطح جوش شناور می‌شوند و یک لایه نازک روی آن ایجاد می‌کنند (تشکیل سرباره یا فلاکس). اگر این لایه به خوبی حذف نشود، جوش ضعیف و مستعد ترک خواهد بود.

نیتروژن (N2​): نیتروژن در دماهای بالا با فلزاتی مانند فولاد و آلومینیوم واکنش داده و نیترید تشکیل می‌دهد. تشکیل نیتریدها می‌تواند منجر به سختی بیش از حد، شکنندگی و کاهش شدید خواص انعطاف‌پذیری جوش شود.

رطوبت (H2​O): رطوبت موجود در هوا (یا حتی در سیلندر گاز) هنگام تجزیه شدن، منابعی از هیدروژن و اکسیژن را فراهم می‌کند. هیدروژن آزاد شده یکی از عوامل اصلی ایجاد تخلخل (حفره‌های کوچک گاز در داخل جوش) در فولادهای با استحکام بالا است.

گاز محافظ با ایجاد یک “حباب” یا “پوشش” اطراف قوس و حوضچه مذاب، از تماس مستقیم فلز با این عناصر مهاجم جلوگیری می‌کند.

اهمیت انتخاب گاز بر اساس نوع فلز

انتخاب نوع گاز محافظ به جنس فلزی که جوش داده می‌شود و نوع فرآیند جوشکاری بستگی دارد:

۱. جوشکاری آلومینیوم و مس (فلزات غیرآهنی)

این فلزات رسانایی گرمایی بالایی دارند و به سرعت حرارت را پخش می‌کنند، همچنین به راحتی اکسید می‌شوند.

انتخاب: در این موارد، آرگون خالص یا هلیوم خالص/مخلوط با آرگون استفاده می‌شود. آرگون به دلیل یونی شدن آسان‌تر، قوس پایدارتری را ایجاد می‌کند. هلیوم به دلیل گرمای بیشتر، به گرم کردن بهتر لبه‌های قطعه آلومینیومی ضخیم کمک می‌کند. از گازهای فعال مانند CO2​ اکیداً پرهیز می‌شود زیرا باعث تشکیل اکسیدهای ناخواسته و جوش بسیار بد می‌شود.

۲. جوشکاری فولادهای کربنی و کم‌آلیاژ

این فولادها نیازمند نفوذ و مقاومت بالا هستند.

انتخاب: مخلوط آرگون و CO2​ (معمولاً با درصد CO2​ حدود ۲۰ تا ۲۵ درصد) استاندارد است. CO2​ به عنوان یک عامل فعال، قوس را قوی‌تر می‌کند و باعث نفوذ عمیق‌تر می‌شود، در حالی که آرگون از پاشش بیش از حد جلوگیری می‌کند.

۳. جوشکاری فولادهای زنگ نزن (استنلس استیل)

این فولادها دارای عناصر آلیاژی مانند کروم هستند که برای حفظ خاصیت ضد زنگ بودن، باید از اکسیداسیون در دماهای بالا محافظت شوند.

انتخاب: آرگون خالص یا مخلوط آرگون/هیدروژن برای جوشکاری TIG استفاده می‌شود. در جوشکاری MIG، معمولاً از آرگون با درصد کمی CO2​ (حدود ۲ تا ۵ درصد) استفاده می‌شود. افزودن CO2​ به میزان کم، به اکتیو شدن سطح کمک می‌کند اما نباید آنقدر زیاد باشد که باعث کاهش مقاومت به خوردگی شود.

کاربرد فراتر از جوشکاری

اگرچه جوشکاری اصلی‌ترین کاربرد است، گازهای محافظ در دیگر فرآیندهای صنعتی نیز حیاتی هستند:

برشکاری لیزری و پلاسما: در این فرآیندها، گاز محافظ (مانند نیتروژن یا آرگون) علاوه بر حفاظت از نازل و لنزهای لیزر، به عنوان گاز کمکی برای خارج کردن مواد ذوب شده از ناحیه برش نیز عمل می‌کند و کیفیت لبه برش را بهبود می‌بخشد.

ریخته‌گری و متالورژی پودر: در فرآیندهایی که نیاز به ذوب یا عملیات حرارتی فلزات حساس به اکسیژن (مانند تیتانیوم، نیکل) در کوره‌های خاص وجود دارد، گازهایی مانند آرگون یا هلیوم به عنوان محیطی کاملاً خنثی برای جلوگیری از آلودگی حرارتی استفاده می‌شوند.