قطبیت
الف)جریان مستقیم با الکترود منفی (DCEN)^[8]
این حالت قطبیت، که معمولاً در روش GTAW به کار برده می شود، قطبیت مستقیم^[۹] نیز نامیده می شود. در این حالت، الکترود به قطبیت منفی منبع تغذیه متصل می شود. الکترون ها از الکترود تنگستنی ساطع شده و در طی حرکت در قوس، شتاب می گیرند. برای ساطع شدن الکترون از الکترود، مقدار مشخصی انرژی لازم است، که به این میزان انرژی، تابع کار^[۱۰] گفته می شود. در هنگام وارد شدن الکترون به قطعه کار، مقداری انرژی معادل با تابع کار آزاد می شود. این امر سبب می شود که در روش GTAW با قطبیت DCEN، توان بیشتری در قطعه کار (در حدود دو سوم توان) متمرکز شود و توان کمتری (در حدود یک سوم توان) در انتهای الکترود آزاد شود. بنابراین در این حالت، حوضچه جوش نسبتاً باریک و عمیقی ایجاد می شود.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

ب)جریان مستقیم با الکترود مثبت (DCEP)^[11]
این حالت قطبیت را قطبیت معکوس^[۱۲] نیز می نامند. در این حالت الکترود به قطب مثبت منبع تغذیه متصل می شود. عمده حرارت در الکترود تنگستنی آزاد می شود و حرارت کمتری در قطعه کار متمرکز می شود. بنابراین یک حوضچه جوش کم عمق حاصل می شود. علاوه بر این، در این حالت، به منظور جلوگیری از ذوب نوک الکترود، باید از الکترودهای تنگستنی با قطر زیاد و با سیستم آبگرد استفاده شود. یون های مثبت گاز محافظ، سطح قطعه را بمباران کرده، باعث برطرف کردن لایه های اکسیدی و ایجاد یک سطح تمیز می گردند. بنابراین از قطبیت DCEP می توان در جوشکاری ورق های نازک مواد شدیداً اکسید شونده، مانند آلومینیوم و منیزیم، در مواردی که عمق نفوذ زیاد مورد نیاز نیست، استفاده کرد.
پ) جریان متناوب (AC)^[13]
عمق نفوذ خوب و توان تمیز کردن سطح از کسیدها، از مشخصه های استفاده از جریان متناوب در جوشکاری است. در این روش بیشتر برای جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم استفاده می شود.

الکترودها
الکترودهای تنگستنی با ۲% سریم^[۱۴] یا توریم^[۱۵] در مقایسه با الکترودهای تنگستنی خالص، نشر الکترونی، ظرفیت حمل جریان^[۱۶] ، و مقاومت به آلودگی^[۱۷] بیشتری دارند. در نتیجه، با بهره گرفتن از این الکترودها، شروع قوس به آسانی صورت گرفته و قوس حاصل پایدارتر خواهد بود. نشر الکترونی، توانایی نوک الکترود برای نشر الکترون است. هر چه میزان نشر الکترونی الکترود کمتر باشد، بنابراین باید دمای نوک الکترود بیشتر باشد، که در این صورت احتمال ذوب شدن نوک الکترود افزایش می یابد.

گازهای محافظ
در این روش هر دو نوع گاز آرگون و هلیم می تواند استفاده شود. پتانسیل یونیزه شدن^[۱۸] آرگون، eV 7/15 و این پتانسیل برای هلیم eV 5/24 است. بنابراین یونیزه کردن آرگون ساده تر از یونیزه کردن هلیم است و بنابراین در هنگام استفاده از آرگون به عنوان گاز محافظ، شروع قوس ساده تر بوده و افت ولتاژ در طول قوس کمتر است. هم چنین به دلیل آن که آرگون سنگین تر از هلیم است بنابراین آرگون حفاظت موثرتر و مقاومت زیادتری در برابر جابه جایی عرضی^[۱۹] نسبت به هلیم دارد. در هنگام استفاده از قطبیت DCEP و یا AC، گاز آرگون وظیفه برطرف کردن لایه های اکسیدی را بهتر از هلیم انجام می دهد. مزایای مذکور علاوه بر هزینه کمتر گاز آرگون، سبب جذابیت بیشتر آرگون در روش GTAW در مقایسه با هلیم شده است.
به دلیل افت ولتاژ بیشتر در طول قوس هلیم در مقایسه با قوس آرگون، در هنگام استفاده از هلیم، ورودی توان بیشتر و حساسیت بیشتری نسبت به تغییرات طول قوس حاصل می شود. بنابراین ورودی توان بیشتر، امکان جوشکاری مقاطع ضخیم تر و سرعت جوشکاری بیشتر را فراهم ساخته و حساسیت زیاد نسبت به تغییرات طول قوس، باعث کنترل بهتر طول قوس در حین جوشکاری GTAW به روش اتوماتیک می شود.

مزایا و محدودیت ها:
جوشکاری قوسی تنگستن-گاز برای جوشکاری مقاطع نازک مناسب است، چرا که میزان حرارت ورودی محدود است. در این روش، نرخ تزریق فلز پرکننده تا حدودی مستقل از جریان جوشکاری بوده و بنابراین امکان تغییر در میزان نسبی ذوب شدن فلز پایه و ذوب شدن فلز پرکننده وجود دارد. بنابراین کنترل میزان رقت^[۲۰] و میزان حرارت ورودی به جوش، بدون تغییر در اندازه جوش، امکان پذیر است. هم چنین می توان ورق های نازک را به صورت سر به سر و بدون نیاز به پرکننده^[۲۱] به یکدیگر اتصال داد. نظر به این که روش GTAW، یکی از فرآیندهای بسیار تمیز جوشکاری است، بنابراین از این روش می توان در جوشکاری فلزات فعال مانند تیتانیم، زیرکنیم، آلومینیوم و منیزیوم استفاده کرد.
اما نرخ رسوب گذاری در GTAW کم است. جریان های زیاد جوشکاری نیز می تواند باعث ذوب شدن الکترود تنگستنی و در نتیجه ایجاد ناخالصی های ترد تنگستنی در حوضچه جوش شود. با این وجود، با پیشگرم کردن فلز پرکننده، نرخ رسوب گذاری را می توان افزایش داد. در فرایند GTAW با سیم گرم^[۲۲]، سیم در تماس با حوضچه جوش به درون آن تغذیه می شود، به نحوی که با عبور جریان الکتریکی از درون سیم، گرم شدن آن به صورت مقاومتی اتفاق بیفتد.

تکنولوژی جوشکاری[۳]
فرایند قوس الکترود با گاز محافظ:
از سال ۱۹۴۰ توجه بر روی استفاده از گازهای خنثی برای محافظت قوس الکتریکی با الکترود تنگستن بیشتر شد. دستگاه ابتدایی شامل الکترود تنگستن و ژنراتور جریان مستقیم بود که قوس الکتریکی توسط مالش الکترود بر روی قطعه کار شروع می شد. اما این عمل سبب ورود ناخالصی تنگستن به داخل مذاب فلز جوش (در نقطه شروع) می گردید، بعدها جرقه فرکانس بالا High-Frequency Spark به مدار ژنراتور اضافه شد تا قوس بدون نیاز به اصطکاک الکترود و کار در لحظه معین آغاز شود.
استفاده از الکترودهای مثبت و یا منفی در بدو پیدایش متداول بود ولی الکترودهای منفی به دلیل ایجاد حرارت کمتر بر روی الکترود ترجیح داده می شدند زیرا برای جوشکاری ورق های ضخیم نیاز به شدت جریان بالاتر از ۱۰۰ آمپر است که با الکترود مثبت، موجب ذوب الکترود و اضافه شدن ناخالصی تنگستن به مذاب فلز جوش می گردد و حتی اگر الکترود منفی نیز به کار رود سیستم سردکنده آبگرد برای الکترود تنگستن لازم می گردد.
از طرف دیگر تا آن تاریخ این فرایند برای جوشکاری ورق منیزیم و بعضی فولادهای زنگ نزن استفاده می شد، استفاده این فرایند برای ورق های آلومینیومی نیازمند فلاکس بود. ضمن کار با الکترود مثبت متوجه شدند که قوس الکتریکی نقش فلاکس را هم انجام داده و لایه اکسیدی را می شکند، بدین ترتیب در سال ۱۹۴۴ نقش بیشتر قطب مثبت (در جریان دائم یا نیم سیکل از جریان متناوب) شناخته شد. البته در جریان متناوب اگر مینی موم یا حداقل «ولتاژ مدار باز» لازم موجود نباشد قوس در هر نیم سیکل خاموش شده و ادامه جوشکاری مشکل می گردد. بعداً توسط تغییراتی در مدار نیرو، پایداری قوس با جریان متناوب نیز تامین شد.
در ادامه پیشرفت و تکامل این فرایند تحقیقات نشان دادند که گاز آرگون نسبت به هلیم برتری دارد چون تغییرات ولتاژ قوس در اثر تغییرات طول قوس کمتر است که از نظر جوشکار نکته قابل توجهی است. همچنین موفق به بالا بردن درجه خلوص گاز آرگون مصرفی شدند که برای جوشکاری فلزات فعال حائز اهمیت است.
در کاربرد این روش با شدت جریان های بالا نازل (افشانک) گرم می شد از این جهت آنرا از نوع سرامیکی ساختند. بعداً متوجه شدند که عمر نازل های سرامیکی محدوده و کوتاه است از این جهت ساخت نازل فلزی با مبردهای آبی و هوائی متداول گردید سبکی و انعطاف پذیری مشعل در هنگام کار نیز همواره مورد توجه بوده و پیشرفت هایی در این زمینه حاصل شده است.

تجهیزات جوشکاری TIG:
در بالا به تاریخچه و اصول این فرایند اشاره شد تجهیزات و قسمت های مختلف سیستم عبارتند از:
الف: نگهدارنده الکترود که خود شامل: عبور دهنده گاز، نازل برای هدایت گاز و مکانیسم گیره ای برای نگاه داشتن الکترود تنگستن می باشد.
ب: منبع تامین کننده گاز محافظ
ج: منبع قدرت یا مولد نیرو
د: فلومتر و تنظمیم کننده فشار گاز
هـ: سیستم سردکننده آبی برای نازل که در بعضی از انواع دستگاه ها بسته و در برخی دیگر به لوله کشی آب متصل می شود.
انواع و اقسام نگهدارنده الکترود در بازار موجود است که هر یک در شرایط خاصی کاربرد دارند ولی بطور کلی سعی براینست که نگهدارنده ها سبک و به راحتی قابل استفاده بوده همچنین تعویض نازل و الکترود و حتی تغییر زاویه الکترود ساده باشد.
ممکن است به نظر برسد که از دیگر مواد نسوز هم بتوان به عنوان الکترود استفاده نمود اما در عمل مناسب نیستند. در موارد استفاده صحیح تلفات تنگستن بسیار کم است ولی هیچگاه به صفر نمی رسد.
گاز محافظ علاوه بر اینکه حوضچه جوش را محافظت می کند باید نوک الکترود را هم از اکسید شدن حفظ کند چون در درجه حرارت های بالا احتمال اکسید شدن الکترود (تنگستن) نیز وجود دارد. گاز محافظ می تواند از مخلوطی از گازهای بی اثر با گازهای دیگری نظیر هیدروژن و یا ازت باشد، اما هیدروژن چون ولتاژ باز مدار را زیاد می کند، و همچنین احتمال جذب در مذاب و ایجاد تردی هیدروژنی و یا خلل و فرج را دارد، کمتر به کار می رود. ازت نیز در همه موارد قابل استفاده نیست. از گازها بی اثر معمولاً آرگون و هلیم بیشتر استفاده می شوند به علت گرمای ویژه (Specific Heat) بیشتر هلیم، حرارت بیشتری صرف گرم کردن آن در ضمن جوشکاری می شود. در نتیجه حرارت موثر کمتری به جوش می رسد که از یک طرف جوش حاصل دارای ساختار میکروسکپی ریزتر و احتمال پیچیدگی کمتری دارد، اما از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست. همینطور چون هلیم سبکتر از آرگون است مقدار بیشتری برای محافظت جوش لازم است و قیمت تجارتی آن نیز گرانتر است. گاز آرگون دارای ولتاژ یونیزاسیون پائین تری است و در نتیجه جریان متناوب برای روشن کردن مجدد قوس در هر نیم سیکل مناسب تر است. با توجه به نکات مذکور در این روش بیشتر از گاز آرگون و یا مخلوطی از آن استفاده می شود.
در فرایند جوشکاری قوس-الکترود تنگستن محفوظ در گاز بی اثر (TIG) کمتر از الکترود مثبت استفاده می شود (حرارت زیادتری در قطب مثبت متمرکز می شود). شدت جریان بیش از A 100 امپر با الکترود مثبت سبب بالا رفتن درجه حرارت نوک الکترود و ذوب شدن انتهای آن و بزرگ شدن نوک و نتیجتاً ناپایدار شدن ذرات تنگستن مذاب می شود. این عمل حتی اگر قطر الکترود ۶ میلیمتر باشد احتمال وقوع آن وجود دارد. وقتی الکترود منفی باشد شدت جریان بحرانی به ۸ برابر حالت قبل می‌رسد. مزیت مهم الکترود مثبت با جریان یک نواخت، عمل تمیز کردن^[۲۳] است. دلیل این امر کاملاً روشن نیست و تئوری های مختلفی برای بیان آن وجود دارد، از جمله: «بمباران یونها سبب تمیز شدن و پراکنده کردن اکسید در روی سطح حوضچه جوش می شود»، یا «جریان الکترون ها از کار به الکترود باعث عقب راندن اکسید در سطح مذاب می گردد». فیلم برداری با سرعت بالا در قوس نشان می دهد که نوسانات و لرزش های شدید و سریع در نقطه کاتد که محل ذرات اکسید و یا ناخالصی است وجود دارد. البته مقداری از ناخالصی ها و اکسیدها بخار شده و قسمت دیگر شکسته و به اطراف لبه های حوضچه جوش پراکنده می شود. این فعالیت به ویژه در مورد آلومینیوم حائز اهمیت است.
جریان متناوب تقریباً قسمتی از مزایا و محدودیت های جریان مستقیم با الکترود مثبت را دارد، بدین معنی که از یک طرف عمل تمیز کردن را در هر نیم سیکل انجام می دهد، از طرف دیگر در هر نیم سیکل بعد الکترود خنک می شود.
بنابر دلایل فوق شدت جریان نباید خیلی زیاد باشد، کاهش شدت جریان به مقدار زیاد نیز موجب ناپایداری قوس می شود. بنابراین شدت جریان در دامنه معینی که تا حدودی به قطر الکترود، طرح مشعل و سیستم سردکنندگی آن و شرایط کار بستگی دارد تعیین می شود.
وجود ۲-۱ درصد توریا یا زیرکونیم مقاومت الکترود تنگستن در مقابل ذوب، اکسید شدن و ناخالص کردن جوش را افزایش می دهد. این نکته لازم به تذکر است که زاویه نوک الکترود تنگستن تراشیده شده بر روی عمق نفوذ جوش تاثیر قابل توجهی دارد. همچنین هنگامیکه از سیستم کنترل اتوماتیک قوس استفاده می‌شود زاویه مخروط نوک الکترود برروی رابطه طول قوس و ولتاژ قوس تاثیر دارد. زاویه مخروط نوک الکترود برای مقاصد مختلف به شرح زیر پیشنهاد شده است:
الف: نفوذ کامل با آمپر ۲۰۰-۵۰۰ زاویه ۶۰-۳۰ درجه
ب: نفوذ کامل با آمپر ۲۰۰-۵۰ (جائیکه نوسان الکترود لازم است)، زاویه مخروط ۱۲۰-۹۰ درجه.
ج: ردیف پر کننده با شدت جریانی کمتر از ۱۲۰ آمپر، زاویه مخروط ۶۰ درجه
د: حالت پرکننده، استفاده جریان بیش از ۲۰۰ آمپر با کمترین «ریز-برش» زاویه مخروط ۱۲۰درجه