ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז

ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז, הידוע גם בשם ריתוך בגז טונגסטן אדיש, ריתוך TIG וריתוך בגז טוּנְגְּסְטֶן-אַרְגּוֹן (tungsten argon gas welding או בקיצור ריתוך TAG), הוא תהליך ריתוך שבו נוצרת קשת חשמלית בין אלקטרודת טונגסטן שאינה מתכלה לבין מתכות העבודה. הקשת החשמלית מלהיטה את מתכות העבודה וגורמת להן להיתוך  וחיבור. אזור הריתוך והאלקטרודה מוגנים מפני חמצון או זיהומים אחרים מהאוויר על ידי גז מגן אדיש (אַרְגּוֹן או הֶלְיוּם). בדרך כלל משתמשים במתכת נוספת כחומר מילוי, אם כי ריתוכים מסוימים, הידועים כ"ריתוכים אוטוגניים" , או "ריתוכי התכה"  אינם דורשים זאת. רתכת כמקור זרם מייצרת אנרגיה חשמלית ומוליכה על פני הקשת דרך עמודה של אדי גז מיונן, המכונה פלזמה.

בהשוואה לתהליכים אחרים כגון ריתוך באלקטרודה מצופה וריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, תהליך הריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז מעניק למפעיל שליטה רבה יותר בביצוע ומאפשר קבלת ריתוכים חזקים ואיכותיים יותר. עם זאת, ביצוע ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז נחשב למורכב יותר מבחינה טכנית וקשה יותר להתמחות בו. יתרה מכך, הוא איטי משמעותית מרוב טכניקות הריתוך האחרות.

בתחילת שנות השבעים של המאה העשרים פותחה השיטה לריתוך מוטות של מתכות שהיו בעייתיות לריתוך בעבר והוגדרה באותה עת כמהפכנית. ריתוך בגז טונגסטן-ארגון היה אז בשימוש במכונת ריתוך קשת חשמלית בעלת קצה טונגסטן. הקצה היה ממורכז בכיסוי והוזן בגז ארגון סביב קצה הטונגסטן כדי למנוע מהריתוך להתרכב עם החמצן שבאוויר (התחמצנות) ולהישבר. ריתוך בגז טונגסטן-ארגון מבוצע באמצעות מוטות מתכת המתאימים לחומרים המרותכים לצמיתות. אם קיים הצורך למנוע מהמוט להתחמצן יכולים המוטות להיות עשויים מתכת מצופה בשמן או בריתוך מסובך יותר של מתכות המוטות מצופים ב"מעטפת" שאינה פעילה כימית כשיטה להגנה על מוטות הריתוך מפני חמצון במהלך תקופת אחסונם (הדוגמאות העיקריות לכך היו מוטות לריתוך, אלומיניום טהור, נֶתֶךְ אלומיניום (דּוּרְאָלוּמִין), סגסוגת מגנזיום-אלומיניום ומוטות פלדת אל-חלד, ששימשו לתיקון פלדה עשירה מאוד בפחמן כמו בטנקי שרמן ממלחמת העולם השנייה).

כיום, השימוש הנפוץ ביותר בריתוך בגז טונגסטן-ארגון הוא בייצור אופניים מסגסוגות אלומיניום מתקדמות; ריתוכים אלה נראים בבירור כזחל (אדוות) במפרק המרותך. מלבד ייצור אופניים, ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז משמש לרוב לריתוך חלקים דקים של פלדת אל-חלד ומתכות אל-ברזליות  כגון סגסוגות אלומיניום, מגנזיום ונחושת. בנוסף, התגבר השימוש בריתוך בגז טונגסטן-ארגון בשילוב עם גזים אדישים אחרים. כיום, ישנה היכולת להתאים את סגסוגת המוטות לריתוך בגז טונגסטן-ארגון עבור פרויקטים ספציפיים ביותר.

תהליך קשור, ריתוך בקשת פלזמה , מבוצע בידית ריתוך מעט שונה כדי ליצור קשת ריתוך ממוקדת יותר וכתוצאה מכך מבוצע לרוב באופן אוטומטי.

התפתחות
לאחר גילוי הקשת החשמלית הפולסית הקצרה בשנת 1801 על ידי האמפרי דייווי וגילוי הקשת החשמלית הרציפה בשנת 1802 על ידי וסילי פטרוב  התפתחה שיטת הריתוך בקשת חשמלית באיטיות. עד שבשנת 1890, הבזיק לצ'ארלס קופין הרעיון לריתוך באווירה של גז מגן אדיש. אך אפילו בתחילת המאה ה-20, ריתוך חומרים אל-ברזליים כגון אלומיניום ומגנזיום נותר קשה לביצוע מכיוון שמתכות אלו מגיבות במהירות עם האוויר, וכתוצאה מכך נוצרים ריתוכים נקבוביים ומלאי זיהומים . תהליכים באמצעות אלקטרודות מכוסות מעטפת לא פעילה כימית הגנו בצורה שאינה משביעת רצון על אזור הריתוך מפני זיהום. כדי לפתור את הבעיה, נעשה בתחילת שנות השלושים של המאה העשרים שימוש בגזים אדישים במכלים. מספר שנים לאחר מכן, נוצר בתעשיית המטוסים תהליך ריתוך עם זרם ישר מוגן בגז לריתוך מגנזיום.

בתחילת שנות הארבעים של המאה העשרים פיתחה נורת'רופ (Northrop Aircraft) מטוס ניסיוני ממגנזיום שנקרא XP-56 , ועבורו פיתחו ולדימיר פבלקה , טום פייפר (Tom Piper) וראסל מרדית' (Russell Meredith) תהליך ריתוך בשם "קשת הליום" (הליארק; Heliarc) מכיוון שהוא השתמש בקשת אלקטרודת טונגסטן ובהליום כגז מגן (עיצוב הידית נרשם כפטנט על ידי מרדית' בשנת 1941). כיום הוא מכונה לעיתים קרובות ריתוך גז טונגסטן אדיש (TIG), במיוחד באירופה, אך המונח הרשמי של החברה האמריקאית לריתוך הוא ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז (GTAW). בחברת לינד (Linde Air Products)  פיתחו מגוון רחב של ידיות מקוררות באוויר ובמים, עדשות גז לשיפור המיגון ואביזרים נוספים שהגבירו את השימוש בתהליך. בתחילה, התחממה האלקטרודה יתר על המידה במהירות, זאת למרות טמפרטורת ההיתוך הגבוהה של טונגסטן, וחלקיקי טונגסטן עברו לריתוך. כדי לטפל בבעיה זו, שונתה הקוטביות של האלקטרודה מחיובית לשלילית, אך השינוי הפך אותה לבלתי מתאימה לריתוך חומרים רבים שאינם ברזליים. לבסוף, פיתוח יחידות המשתמשות בזרם חילופין איפשר לייצב את הקשת ולייצר ריתוך אלומיניום ומגנזיום באיכות גבוהה.

ההתפתחויות חלו גם בעשורים הבאים. חברת לינד פיתחה ידיות מקוררות במים שסייעו במניעת התחממות יתר בעת ריתוך עם זרמים גבוהים. במהלך שנות החמישים של המאה העשרים, כשהמשיך התהליך לצבור פופולריות, חלק מהמשתמשים פנו לשימוש בפחמן דו-חמצני כחלופה לגז המגן של הריתוך היקר יותר המורכב מארגון והליום, אך חלופה זו התבררה כבלתי כדאית לריתוך אלומיניום ומגנזיום מכיוון שהפחיתה את איכות הריתוך, ולכן כיום מבוצעת שיטת ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז לעיתים נדירות. השימוש בכל גז מגן המכיל תרכובת חמצן, כגון פחמן דו-חמצני, מזהם במהירות את אלקטרודת הטונגסטן, מה שהופך אותה ללא מתאימה לתהליך ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז. בשנת 1953 פותח תהליך חדש המבוסס על ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז, הנקרא ריתוך בקשת פלזמה . היא מעניקה שליטה רבה יותר ומשפרת את איכות הריתוך על ידי שימוש בזרבובית למיקוד הקשת החשמלית, אך מוגבלת במידה רבה למערכות אוטומטיות, בעוד שריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז נותר בעיקרו כשיטה ידנית. הפיתוח בתוך תהליך ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז נמשך גם כן, וכיום קיימות מספר גרסאות שלו. בין הפופולריות ביותר ניתן למנות את שיטות הריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז עם זרם פולס, מתוכננת ידנית, חוט להט, דאבר (dabber) וחדירה מוגברת.

פעולה
ממוזער|שמאל|300px|אזור הריתוך בתהליך ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז
ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז הנעשה באופן ידני היא שיטת ריתוך קשה יחסית עקב רמת הקואורדינציה הגבוהה הנדרשת מהרתך. בדומה לריתוך במבער גם תהליך הריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז דורש בדרך כלל הפעלה של שתי ידיים, מכיוון שרוב היישומים דורשים שהרתך יזין ידנית מתכת מילוי לאזור הריתוך ביד אחת תוך תפעול של מבער הריתוך ביד השנייה. חשובה גם כן השמירה על אורך קשת קצר תוך מניעת מגע בין אלקטרודת הטונגסטן לחומר העבודה.

מחולל בתדר גבוה (בדומה לסליל טסלה) מספק ניצוץ חשמלי  כדי להדליק את קשת הריתוך. ניצוץ זה הוא נתיב מוליך לזרם הריתוך דרך גז המגן, המאפשר להפעיל את הקשת בזמן שהאלקטרודה וחומר העבודה מופרדים, בדרך כלל במרחק של כ-1.5-3 מילימטרים זה מזה.

לאחר הדלקת הקשת, הרתך מזיז את המבער במעגל קטן כדי ליצור אמבט ריתוך. גודלו של אמבט הריתוך תלוי בגודל האלקטרודה ובכמות הזרם. המפעיל מזיז את המבער מעט לאחור ומטה אותו לאחור בכ-10–15 מעלות מהאנך תוך שמירה על מרחק קבוע בין האלקטרודה לחומר העבודה. מתכת מילוי מוספת ידנית לקצה הקדמי של אמבט הריתוך לפי הצורך.

רתכים מפתחים לעיתים קרובות טכניקה של החלפה מהירה בין הזזת המבער קדימה (כדי לקדם את אמבט הריתוך) לבין הוספת מתכת מילוי. מוט המילוי נמשך מאמבט הריתוך בכל פעם שהאלקטרודה מתקדמת, אך הוא תמיד נשמר בתוך מגן הגז כדי למנוע חמצון של פני השטח שלו וזיהום הריתוך. מוטות מילוי המורכבים ממתכות בעלות טמפרטורת התכה נמוכה, כגון אלומיניום, דורשים מהמפעיל לשמור על מרחק מסוים מהקשת תוך שהייה בתוך מגן הגז. אם הוא מוחזק קרוב מדי לקשת, מוט המילוי יכול לְהִינָּתֵּךְ לפני שהוא בא במגע עם גומת הריתוך. ככל שהריתוך מתקרב לסיומו, זרם הקשת מצטמצם לעיתים קרובות בהדרגה כדי לאפשר לאמבט הריתוך להתמצק ולמנוע היווצרות של סדיקה בסוף הריתוך.

הפיזיקה של ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז כוללת מספר תהליכים מורכבים, כולל תרמודינמיקה, פיזיקת פלזמה ודינמיקת נוזלים. אלקטרודת הטונגסטן שאינה מתכלה יכולה לשמש כקתודה או כאנודה והיא משמשת לייצור קשת חשמלית בין האלקטרודה לחומר העבודה. על מנת להדליק את הקשת, מוצף אזור הריתוך בגז אינרטי ומכונת הריתוך מייצרת מתח רתך גבוה (בדרך כלל 1 קילו-וולט לכל 1 מילימטר) כדי להתגבר על ההתנגדות החשמלית של האטמוספירה המקיפה את אזור הריתוך. לאחר יצירת הקשת, המתח יורד והזרם זורם בין חומר העבודה לאלקטרודה. מנגנון העברת החום העיקרי בתהליך הריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז הוא חימום הג'אול הנובע מזרימת זרם זו וזאת למרות הטמפרטורות הגבוהות של קשת חשמלית זו.

איכות
ממוזער|שמאל|220px|ריתוך מילאת שבוצע בתהליך ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז
תהליך ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז מעניק שליטה רבה יותר על אזור הריתוך בהשוואה לתהליכי ריתוך אחרים ויכול לייצר ריתוכים באיכות גבוהה כאשר הוא מבוצע בידי מפעילים מיומנים. איכות ריתוך מרבית מובטחת על ידי שמירה על ניקיון - כל הציוד והחומרים המשמשים חייבים להיות נקיים משמן, לחות, לכלוך וזיהומים אחרים, מכיוון שהימצאות אלה גורם לנקבוביות בריתוך וכתוצאה מכך לירידה בחוזק ובאיכות הריתוך. כדי להסיר שמן ושומן, ניתן להשתמש באלכוהול או בממסים מסחריים דומים, בעוד שמברשת תיל נירוסטה או תהליך כימי יכולים להסיר תחמוצות מפני השטח של מתכות כמו אלומיניום. ניתן להסיר חלודה מפלדות תחילה, על ידי התזת חול מפני השטח ולאחר מכן שימוש במברשת תיל כדי להסיר כל חול מוטבע. שלבים אלה חשובים במיוחד כאשר משתמשים בזרם ישר בעל קוטביות שלילית, מכיוון שספק כוח כזה אינו מספק ניקוי במהלך תהליך הריתוך, בניגוד לזרם ישר בעל קוטביות חיובית או זרם חילופין. כדי לשמור על אמבט ריתוך נקי במהלך הריתוך, זרימת גז המגן צריכה להיות מספקת ועקבית כך שהגז המכסה את האזור ריתוך ויחסום זיהומים מהאטמוספירה. ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז המבוצע בסביבה חשופה לרוחות מגביר את כמות גז המגן הדרושה להגנה על הריתוך ומגדיל את עלות התהליך והופך אותו ללא כדאי בתנאי חוץ.

איכות הריתוך מושפעת גם מרמת קלט החום. קלט חום נמוך, הנגרם מזרם ריתוך נמוך או מהירות ריתוך גבוהה, עשוי להגביל את החדירה ולגרום לזחל הריתוך להתרומם מהמשטח המרותך. קלט חום גבוה, הנגרם מזרם ריתוך גבוה או מהירות ריתוך איטית, עלול לגרום להתרחבות זחל הריתוך וכך עולה הסבירות לחדירה רבה מדי והתזות (פליטת טיפות קטנות ולא רצויות של מתכת מותכת). בנוסף, אם מבער הריתוך רחוק מדי מחומר העבודה, גז המגן הופך ללא יעיל וגורם לנקבוביות בתוך הריתוך. התוצאה היא ריתוך עם חורים, החלש יותר מריתוך רצוי טיפוסי.

אם הזרם החשמלי גבוה מיכולת האלקטרודה להעביר אותו, עלולות להיווצר מובלעות של טונגסטן בריתוך. ניתן לזהות זאת באמצעות רדיוגרפיה וניתן למנוע זאת על ידי שינוי סוג או הגדלת קוטר האלקטרודה. בנוסף, אם האלקטרודה אינה מוגנת היטב באמצעות גז מגן או שהמפעיל מאפשר לה בשגגה לגעת במתכת המותכת, היא עלולה להתלכלך או להזדהם. עקב כך קשת הריתוך תהפוך לבלתי יציבה והדבר מחייב את ליטוש האלקטרודה בחומר שוחק יהלום כדי להסיר את הזיהום.

בטיחות
ממוזער|שמאל|220px|שני וילונות ריתוך שקופים בצבע אדום להגנה על אנשים בקרבת מקום מחשיפה לקרינת UV במהלך הריתוך
רתכים לובשים ביגוד מגן, הכולל כפפות עור קלות ודקות וחולצות עם שרוולים ארוכים וצווארונים גבוהים, כדי להימנע מחשיפה לאור על-סגול עז. מאחר שבריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז, בשונה מריתוך באלקטרודה מצופה, לא נוצר עשן, האור מהקשת החשמלית אינו מכוסה על ידי אדים וחומר חלקיקי ולכן, הוא בהיר בהרבה וחושף את המפעילים לאור על-סגול עז. לקשת הריתוך יש טווח ועוצמה של אורכי גל על-סגול שונים מאור השמש. הרתך קרוב מאוד למקור ועוצמת האור חזקה מאוד. נזק אפשרי מאור הקשת כולל הבזקים מקריים בעין או פוטוקרטיטיס וכוויות בעור הדומות לאלו הנגרמות משמש חזקה. מפעילים חובשים קסדות אטומות עם עדשות כהות לעיניים וכיסוי מלא לראש ולצוואר כדי למנוע חשיפה זו לאור על-סגול. קסדות מודרניות כוללות לעיתים קרובות לוחית פנים מסוג גביש נוזלי המתכהה מעצמה בחשיפה לאור הבהיר של הקשת הדולקת. וילונות ריתוך שקופים, עשויים מסרטי פלסטיק פוליוויניל כלוריד בצבע חזק, משמשים לעיתים קרובות כדי להגן על עובדים סמוכים ועוברי אורח מחשיפה לאור על-סגול מהקשת החשמלית.

רתכים נחשפים לעיתים קרובות גם לגזים מסוכנים ולחומר חלקיקי. בעוד שריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז אינו מייצר עשן, בהירות הקשת עשויה לפרק את האוויר שמסביב וליצור אוזון ותחמוצות חנקן. האוזון ותחמוצות החנקן מגיבים עם רקמת הריאה והלחות ועלולים ליצור כוויה של חומצה חנקתית ואוזון. רמת האוזון ותחמוצת החנקן הנוצרת בזמן הריתוך היא בינונית ויש לנטר את משך החשיפה אליהן. מניעת חשיפה חוזרת ונשנית תעשה על ידי אוורור נאות והקפדה על חילופי אוויר בחדר. רתכים שאינם עובדים בבטחה עלולים להידבק באמפיזמה ובבצקת בריאות, מה שעלול להוביל למוות בטרם עת. באופן דומה, החום מהקשת עשוי לגרום להיווצרות אדים רעילים מחומרי ניקוי והסרת שומנים. אין לבצע פעולות ניקוי באמצעות חומרים אלה ליד אתר הריתוך, ובכל מקרה נדרש אוורור נאות כדי להגן על הרתך.

יישום
תהליך הריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז משמש במספר תעשיות ותחומים. תעשיית התעופה והחלל היא אחד המשתמשים העיקריים. תעשיות רבות משתמשות בתהליך הריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז לריתוך חלקי עבודה דקים, במיוחד מתכות אל-ברזליות. תהליך ריתוך זה מבוצע באופן נרחב בייצור כלי רכב חלליים ומשמש לעיתים קרובות גם לריתוך צינורות בקוטר קטן ובעלי דופן דקה, כמו בתעשיית האופניים. בנוסף, ריתוך בקשת טונגסטן משמש לעיתים קרובות ליצירת ריתוכי שורש או מעבר ראשון לצנרת בגדלים שונים. בעבודות תחזוקה ותיקון, התהליך משמש בדרך כלל לתיקון כלים ותבניות, במיוחד רכיבים העשויים מאלומיניום ומגנזיום. מכיוון שמתכת הריתוך אינה מועברת ישירות על פני הקשת החשמלית, כמו ברוב תהליכי ריתוך הקשת הפתוחה, נפתח מגוון עצום של מתכות מילוי לתכנון מחברים על ידי מהנדס הריתוך. למעשה, אף תהליך ריתוך אחר אינו מאפשר ריתוך של כל כך הרבה סגסוגות בתצורות מוצר כה רבות. באופן כללי, סגסוגות מתכת מילוי, כגון אלומיניום וכרום, עלולות להתנדף דרך הקשת החשמלית בתהליכי הריתוך השונים. אובדן זה אינו מתרחש בתהליך ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז. לריתוכים המתקבלים בריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז יש את אותה שלמות כימית כמו למתכת הבסיס המקורית או תואמים את מתכות הבסיס בצורה הדוקה יותר ולכן, ריתוכים מסוג זה עמידים מאוד בפני קורוזיה וסדקים לאורך תקופות זמן ארוכות, והופכים אותו להליך הריתוך המועדף עבור פעולות קריטיות כמו סגירת ואטימת מכלי דלק גרעיני משומש  לפני הטמנתם בקרקע.

ציוד
ממוזער|שמאל|220px|מבער ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז עם מגוון אלקטרודות, כוסות, קולטים ומפזרי גז
ממוזער|שמאל|220px|מבער ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז מפורק
הציוד הנדרש לפעולת ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז כולל מבער ריתוך המשתמש באלקטרודת טונגסטן שאינה מתכלה, ספק כוח לריתוך בזרם קבוע ומקור גז מגן.

מבער ריתוך
מבערים לריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז מיועדים לפעולה אוטומטית או ידנית ומצוידים במערכות קירור המבוססות על אוויר או מים. המבערים האוטומטיים והידניים דומים במבניהם, אך למבער הידני יש ידית בעוד שהמבער האוטומטי מגיע בדרך כלל עם מתלה הרכבה. הזווית בין קו המרכז של הידית לקו המרכז של אלקטרודת הטונגסטן, המכונה זווית הראש, ניתנת לשינוי בחלק מהמבערים הידניים בהתאם להעדפת המפעיל. מערכות קירור אוויר משמשות לרוב לפעולות בזרם נמוך (עד כ-200 אמפר), בעוד שקירור מים נדרש לריתוך בזרם גבוה (עד כ-600 אמפר). המבערים מחוברים באמצעות כבלים לאספקת החשמל ובאמצעות צינורות למקור גז המגן, ובמידת הצורך, לאספקת המים.

חלקי המתכת הפנימיים של המבער עשויים מסגסוגות קשות של נחושת או פליז, כך שיוכל להעביר זרם וחום ביעילות. יש להחזיק את אלקטרודת הטונגסטן בחוזקה במרכז המבער בעזרת תפסנית  בגודל מתאים, ופתחים המצויים סביב האלקטרודה מספקים זרימה קבועה של גז מגן. גודל התפסניות נקבע בהתאם לקוטר אלקטרודת הטונגסטן שהן מחזיקות. גוף המבער עשוי מפלסטיק מבודד ועמיד בחום, המכסה את רכיבי המתכת, ומספק בידוד מחום וחשמל כדי להגן על הרתך.

גודל הפיה של מבער הריתוך תלוי בגודל השטח המוגן הרצוי. גודל פיית הגז תלוי בקוטר האלקטרודה, בתצורת החיבור ובזמינות הגישה לחיבור על ידי הרתך. רצוי שהקוטר הפנימי של הפיה יהיה לפחות פי שלושה מקוטר האלקטרודה, אך אין כללים חד משמעיים לכך. הרתך שופט את יעילות המיגון ומגדיל את גודל הפיה כדי להגדיל את השטח המוגן על ידי מגן הגז החיצוני לפי הצורך. הפיה חייבת להיות עמידה בחום ולכן היא עשויה בדרך כלל מאלומינה או מחומר קרמי, אך קוורץ מותך , זכוכית בעלת טוהר גבוה, מציעה ראות טובה יותר. ניתן להכניס מכשירים לפיה עבור יישומים מיוחדים, כגון עדשות גז או שסתומים כדי לשפר את בקרת זרימת גז המגן ולהפחית מערבולות והכנסת אוויר מזוהם לאזור המוגן. ניתן להוסיף מתגים ידניים לשליטה על זרם הריתוך למבערים הידניים של תהליך הריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז.

ספק כוח
ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז משתמש במקור זרם קבוע, כלומר הזרם (וכך שטף החום ) נשאר קבוע יחסית, גם אם מרחק הקשת והמתח משתנים. זה חשוב מכיוון שרוב היישומים של ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז הם ידניים או חצי אוטומטיים, הדורשים מהמפעיל להחזיק את המבער. על מנת לבצע את פעולת הריתוך, ניתן להשתמש גם במקור זרם קבוע בו הזרם משתנה. החסרונות העיקריים בכך הם הקושי הרב של המפעיל בשמירה על מרחק קשת קבוע ומתאים, והשינויים הדרמטיים בחום הנפלט, המקשים על פעולת הריתוך.

ממוזער|ימין|220px|ספק כוח לריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז
הקוטביות המועדפת של מערכת ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז תלויה במידה רבה בסוג המתכת המרותכת. זרם ישר עם אלקטרודה טעונה באופן שלילי (DCEN) משמש לעיתים קרובות בריתוך פלדות, ניקל, טיטניום ומתכות אחרות. ניתן להשתמש בזרם ישר גם בריתוך אוטומטי של אלומיניום או מגנזיום כאשר הליום משמש כגז מגן. האלקטרודה הטעונה במטען השלילי מייצרת חום על ידי פליטת אלקטרונים, אשר עוברים על פני הקשת, וגורמים ליינון תרמי של גז המגן ולהעלאת הטמפרטורה של חומר הבסיס. גז המגן המיונן הוא שזורם לכיוון האלקטרודה, ולא חומר הבסיס, ועשוי לאפשר הצטברות תחמוצות על פני השטח של הריתוך. זרם ישר עם אלקטרודה טעונה באופן חיובי (DCEP) פחות נפוץ, ומשמש בעיקר לריתוכים רדודים, וזאת מכיוון שנוצר פחות חום בחומר הבסיס. במקום לזרום מהאלקטרודה לחומר הבסיס, כמו באלקטרודה טעונה באופן שלילי, האלקטרונים נעים בכיוון השני, וגורמים לאלקטרודה להגיע לטמפרטורות גבוהות מאוד. כדי לעזור לה לשמור על צורתה ולמנוע ריכוך, משתמשים לעיתים קרובות באלקטרודה גדולה יותר. כאשר האלקטרונים זורמים לעבר האלקטרודה, גז מגן מיונן זורם חזרה לעבר חומר הבסיס, מנקה את הריתוך על ידי הסרת תחמוצות וזיהומים אחרים ובכך משפר את איכותו ומראהו.

זרם חילופין, המשמש בדרך כלל בריתוך אלומיניום ומגנזיום באופן ידני או חצי אוטומטי, משלב את שני הזרמים הישרים בכך שהוא גורם למעבר בין מטען חיובי לשלילי לסירוגין בין אלקטרודה ולחומר הבסיס. זה גורם לזרימת האלקטרונים להחליף כיוונים כל הזמן, מונע התחממות יתר של אלקטרודת הטונגסטן תוך שמירה על החום בחומר הבסיס. תחמוצות פני השטח עדיין מוסרות במהלך החלק החיובי של המחזור, ומתכת הבסיס מחוממת עמוק יותר במהלך החלק השלילי של המחזור. ספקי כוח מסוימים מאפשרים למפעילים להשתמש בגל זרם חילופין לא מאוזן על ידי שינוי האחוז המדויק של הזמן שהזרם נשאר בכל מצב קוטביות, מה שנותן להם שליטה רבה יותר על כמות החום ופעולת הניקוי המסופקת על ידי מקור הכוח. בנוסף, על המפעילים להיזהר מיישור, שבו הקשת לא מצליחה להידלק מחדש כשהיא עוברת מקוטביות ישרה (אלקטרודה שלילית) לקוטביות הפוכה (אלקטרודה חיובית). כדי לתקן את הבעיה, ניתן להשתמש באות חשמלי גל מרובע, כמו גם בתדר גבוה כדי לעודד יציבות קשת.

אלקטרודה
 ארגון התקינה  הבין-לאומיסוג ארגון התקינה  הבין-לאומיצבע האגודה  האמריקאית  לריתוך סוג האגודה  האמריקאית  לריתוךצבע סגסוגתISO 6848; AWS A5.12. WP ירוק  EWP ירוק  None WC20 אפור  EWCe-2 כתום  ~2% CeO2 WL10 שחור  EWLa-1 שחור  ~1% La2O3 WL15 זהב  EWLa-1.5 זהב  ~1.5% La2O3 WL20 תכלת  EWLa-2 כחול  ~2% La2O3 WT10 צהוב  EWTh-1 צהוב  ~1% ThO2 WT20 אדום  EWTh-2 אדום  ~2% ThO2 WT30 סגול    ~3% ThO2 WT40 כתום    ~4% ThO2 WY20 כחול    ~2% Y2O3 WZ3 חום  EWZr-1 חום  ~0.3% ZrO2 WZ8 לבן    ~0.8% ZrO2
האלקטרודה המשמשת בריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז עשויה מטונגסטן או מסגסוגת טונגסטן, מכיוון שלטונגסטן יש את טמפרטורת ההיתוך הגבוהה ביותר מבין המתכות הטהורות - 3,422 מעלות צלזיוס. כתוצאה מכך, האלקטרודה אינה מתכלה במהלך הריתוך, אם כי עשויה להתרחש שחיקה מסוימת (הנקראת התכה). אלקטרודות יכולות להיות בעלות גימור נקי או גימור מלוטש - אלקטרודות בגימור נקי נוקו כימית, בעוד שאלקטרודות בגימור מלוטש עברו ליטוש לגודל אחיד ובעלות משטח מלוטש, עובדה שהופכת אותן לאופטימליות להולכת חום. קוטר האלקטרודה יכול לנוע בין 0.5 ל-6.4 מילימטרים (בין 0.02 ל-0.25 אינץ'), ואורכן יכול לנוע בין 75 ל-610 מילימטרים (בין 3.0 ל-24.0 אינץ').

מספר סגסוגות טונגסטן תֻקְנָנו על ידי ארגון התקינה הבין-לאומי והאגודה האמריקאית לריתוך  ב-ISO 6848 ו-AWS A5.12, בהתאמה, לשימוש באלקטרודות לתהליך הריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז (ראה טבלה).
 אלקטרודות טונגסטן טהורות (מסווגות כ-WP או EWP) הן אלקטרודות לשימוש כללי ובעלות נמוכה. יש להן עמידות נמוכה בחום ופליטת אלקטרונים נמוכה. הן נמצאות בשימוש מוגבל בריתוך בזרם חילופין של מגנזיום ואלומיניום למשל.
 אלקטרודות מסגסוגת תחמוצת תוריום (או תוריה ) מציעות ביצועי קשת מצוינים והתנעה מעולים, עובדה ההופכת אותן לאלקטרודות פופולריות לשימוש כללי. עם זאת, תוריום הוא רדיואקטיבי  במידה מסוימת, כך ששאיפת אדים ואבק מהווה סיכון בריאותי, וסילוקו לסיכון סביבתי.
 אלקטרודות מסגסוגת תחמוצת צריום (או צריה ) כסגסוגת משפרת את יציבות הקשת ואת קלות ההתנעה תוך הפחתת ההתכה. הוספת צריום אינה יעילה כמו הוספת תוריום אך עדיין פועלת היטב וצריום אינו רדיואקטיבי.
 אלקטרודות מסגסוגת תחמוצת לנתן (או לנתנה ) יש השפעה דומה לצריום אך, לנתן אינו רדיואקטיבי.
 אלקטרודות המכילות תחמוצת זירקוניום (או זירקוניה) מגדילות את קיבולת הזרם תוך שיפור יציבות הקשת וההפעלה תוך הארכת חיי האלקטרודה.

מתכות מילוי משמשות גם הן כמעט בכל היישומים של ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז. היוצא מן הכלל העיקרי הוא ריתוך של חומרים דקים. מתכות מילוי זמינות בקטרים שונים ועשויות ממגוון חומרים. ברוב המקרים, מתכת המילוי בצורת מוט מתווספת לאמבט הריתוך באופן ידני, אך יישומים מסוימים דורשים הזנת מתכת מילוי אוטומטית, שלעיתים קרובות מאוחסנת על סלילים (coils) או סלילים תחומים (spools).

גז מגן
ממוזער|שמאל|220px|הגדרת מערכת ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז
בדומה לתהליכי ריתוך אחרים כגון ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, גם בריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז נדרשים גזי מגן כדי להגן על אזור הריתוך מפני גזים אטמוספיריים כגון חנקן וחמצן, העלולים לגרום לפגמי היתוך, נקבוביות ופריכות מתכת הריתוך אם הם באים במגע עם האלקטרודה, הקשת או מתכת הריתוך. הגז גם מעביר חום מאלקטרודת הטונגסטן למתכת העבודה ומסייע בהתנעה ובשמירה על קשת יציבה.

בחירת גז המגן תלויה במספר גורמים, כולל סוג החומר המרותך, תכנון החיבור ומראה הריתוך הסופי הרצוי. ארגון הוא גז המגן הנפוץ ביותר עבור ריתוך טונגסטן, מכיוון שהוא מסייע במניעת פגמים עקב אורך קשת משתנה. כאשר משתמשים בו עם זרם חילופין, מיגון באמצעות ארגון מביא לאיכות ריתוך גבוהה ומראה טוב. הליום, גז מגן נפוץ נוסף, משמש לרוב להגדלת שיעור חדירת הריתוך בחיבור, להגברת מהירות הריתוך ולריתוך מתכות בעלות מוליכות חום גבוהה, כגון נחושת ואלומיניום. חיסרון משמעותי הוא הקושי להדליק את הקשת עם גז הליום, וירידה באיכות הריתוך הקשורה באורך קשת משתנה.

תערובות ארגון-הליום משמשות לעיתים קרובות בריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז, מכיוון שהן יכולות להגביר את השליטה בכניסת החום תוך שמירה על היתרונות של שימוש בארגון. בדרך כלל, התערובות עשויות בעיקר מהליום (לעיתים קרובות כ-75% ומעלה) וארגון כמאזן. תערובות אלו מגבירות את המהירות והאיכות של ריתוך אלומיניום בזרם חילופין, וגם מקלות על הדלקת קשת. ארגון-מימן, תערובת גז מגן נוספת, משמשת בריתוך ממוכן של פלדות אל-חלד קלות משקל, אך מכיוון שמימן עלול לגרום לנקבוביות, השימושים בתערובת זו מוגבלים. באופן דומה, לעיתים ניתן להוסיף חנקן לארגון כדי לסייע בייצוב האוסטניט בפלדות אל-חלד אוסטניטיות ולהגביר את החדירה בריתוך נחושת. עם זאת, עקב בעיות נקבוביות בפלדות פריטיות ויתרונות מוגבלים, הוא אינו תוסף גז מגן פופולרי.

חומרים
תהליך ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז משמש לרוב לריתוך פלדת אל-חלד ומתכות אל-ברזליות, כגון אלומיניום ומגנזיום, אך ניתן ליישם אותו כמעט על כל המתכות. יוצא מן הכלל הוא האבץ וסגסוגותיו. ביצוע התהליך מוגבל על פלדות פחמן, לא בגלל מגבלות התהליך עצמו, אלא בגלל קיומן של טכניקות ריתוך פלדה חסכוניות יותר, כמו ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז וריתוך באלקטרודה מצופה. יתר על כן, ניתן לבצע ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז במגוון תנוחות שאינן שטוחות, בהתאם למיומנות הרתך ולחומרים המרותכים.

אלומיניום ומגנזיום
ממוזער|שמאל|220px|צילום אזור חריטה מודגש בריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז בזרם חילופין
ממוזער|שמאל|220px|צילום תקריב של אזור איכול אלומיניום בריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז בזרם חילופין
אלומיניום ומגנזיום מרותכים לרוב באמצעות זרם חילופין, אך ניתן גם להשתמש בזרם ישר, בהתאם לתכונות הרצויות. לפני הריתוך, יש לנקות את אזור העבודה, לחמם אותו מראש ל-175 עד 200 מעלות צלזיוס עבור אלומיניום או 150 מעלות צלזיוס, לכל היותר, עבור חלקי מגנזיום עבים. זאת כדי לשפר את עומק חדירת הריתוך והגדלת מהירות התנועה. זרם חילופין גורם לניקוי עצמי והסרת שכבת תחמוצת האלומיניום הדקה והעקשנית, שנוצרת על אלומיניום תוך דקות מזמן סיום הזרמת הגז המגן והחשיפה לאוויר. יש להסיר את שכבת התחמוצת הזו כדי שהריתוך יתרחש כראוי. כאשר בוחרים להשתמש בזרם חילופין, עדיפות אלקטרודות טונגסטן טהורות או אלקטרודות טונגסטן זירקוניות על פני אלקטרודות תוריות, מכיוון שהאחרונות נוטות "להתיז" יותר חלקיקי אלקטרודה על פני קשת הריתוך לתוך הריתוך. עדיפים קצוות אלקטרודה קהים, ויש להשתמש בארגון טהור כגז מגן עבור חלקי עבודה דקים. הכנסת הליום מאפשרת חדירה גדולה יותר בחלקים עבים יותר, אך יכולה להקשות על התנעת הקשת.

זרם ישר, חיובי או שלילי, יכול לשמש גם כן לריתוך אלומיניום ומגנזיום. ריתוך בזרם ישר עם אלקטרודה טעונה באופן שלילי (DCEN) מאפשר חדירה גבוהה, בעוד ארגון משמש בדרך כלל כגז מגן בתהליך. גזי מגן עם תכולת הליום גבוהה משמשים לעיתים קרובות לחדירה גבוהה יותר בחומרים עבים יותר. אלקטרודות תוריות מתאימות לשימוש בריתוך אלומיניום עם אלקטרודה טעונה באופן שלילי. זרם ישר עם אלקטרודה טעונה חיובית (DCEP) משמש בעיקר לריתוכים רדודים, במיוחד כאלה עם עובי חיבור של פחות מ-1.6 מילימטרים. אלקטרודת טונגסטן-תוריום בדרך כלל משמשת יחד עם גז מגן ארגון טהור.

פלדה
בחירת חומר המילוי לריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז של פלדות פחמן ופלדות אל-חלד חשובה כדי למנוע רמת נקבוביות מוגזמת. יש להסיר תחמוצות מחומר המילוי וחלקי העבודה לפני הריתוך כדי למנוע זיהום, ומיד לפני הריתוך, יש להשתמש באלכוהול או באצטון כדי לנקות את פני השטח. חימום מוקדם בדרך כלל אינו הכרחי עבור פלדות בעלות תכולת פחמן בינונית בעובי של פחות מ-2.5 סנטימטרים, אך פלדות דלות-פחמן עשויות לדרוש חימום מוקדם כדי להאט את תהליך הקירור ולמנוע היווצרות מרטנזיט באזור המושפע מחום. יש גם לחמם מראש פלדות כלים כדי למנוע סדקים באזור המושפע מחום. חימום מוקדם אינו נדרש בפלדות אל-חלד אוסטניטיות אך, נדרש בפלדות אל-חלד כרום מרטנזיטיות ופריטיות. בדרך כלל משתמשים במקור כוח עם אלקטרודה טעונה באופן שלילי ומומלץ להשתמש באלקטרודות תוריאליות מחודדות. גז מגן ארגון טהור משמש עבור חלקי עבודה דקים, אך ניתן להכניס הליום ככל שהעובי עולה.

מתכות שונות
ריתוך מתכות שאינן אלומיניום, מגנזיום או פלדה בתהליך ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז מביא עימו לעיתים קרובות אתגרים, מכיוון שרוב החומרים אינם מתמזגים בקלות לכדי יצירת קשר חזק. עם זאת, לריתוכים מחומרים שונים יש יישומים רבים בייצור, עבודות תיקון ומניעת קורוזיה וחמצון. בחלק מהחיבורים הללו נבחרת מתכת מילוי תואמת כדי לסייע ביצירת הקשר, ומתכת מילוי זו יכולה להיות זהה לאחד מחומרי הבסיס (לדוגמה, שימוש במתכת מילוי מפלדת אל-חלד עם פלדת אל-חלד ופלדת פחמן כחומרי בסיס), או מתכת שונה (כגון שימוש במתכת מילוי ניקל לחיבור פלדה וברזל יצוק). חומרים שונים מאוד עשויים להיות מצופים או "מרוחים" בחומר התואם למתכת מילוי מסוימת, ולאחר מכן מרותכים. בנוסף, ניתן להשתמש בתהליך ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז בחיפוי או בכיסויי חומרים שונים.

בעת ריתוך מתכות שונות, החיבור חייב להיות בעל התאמה מדויקת, עם מידות מרווח וזוויות שיפוע נכונות. יש לנקוט משנה זהירות כדי להימנע מהיתוך חומר בסיס מוגזם. זרם פועם שימושי במיוחד עבור יישומים אלה, מכיוון שהוא מסייע בהגבלת כניסת החום. יש להוסיף את מתכת המילוי במהירות, ויש להימנע מגומה גדולה של ריתוך כדי למנוע דילול של חומרי הבסיס.

גרסאות תהליך
זרם פולסי
במצב זרם פולסי, מתחלף זרם הריתוך במהירות בין שתי רמות. מצב הזרם הגבוה יותר מכונה זרם פולסי, בעוד שרמת הזרם הנמוכה יותר נקראת זרם רקע. בעת זרם הפולס מתחמם אזור הריתוך ומתרחש היתוך. עם הירידה לזרם הרקע, אזור הריתוך מתקרר ומתמצק. לריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז בזרם פולסי יש מספר יתרונות, כולל קלט חום נמוך יותר וכתוצאה מכך הפחתה ברמת החמצון והעיוות בחלקי עבודה דקים. בנוסף, הוא מאפשר שליטה רבה יותר באמבט הריתוך, ויכול להגביר את שיעור חדירת הריתוך, מהירות הריתוך ואיכותו. שיטה דומה, ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז מתוכנן ידני, מאפשר למפעיל לתכנת את הקצב והגודל ספציפיים של שינויי הזרם והופך את השיטה לשימושית עבור יישומים מיוחדים.

דאבר
גרסת הדאבר  משמשת למיקום מדויק של מתכת ריתוך על קצוות דקים. התהליך האוטומטי משכפל את תנועות הריתוך הידני על ידי הזנת תיל מילוי קר או חם לאזור הריתוך וטפיחתו (או תנודתו) לתוך קשת הריתוך. ניתן להשתמש בו בשילוב עם זרם פולסי, והוא משמש לריתוך מגוון סגסוגות, כולל טיטניום, ניקל ופלדות כלים. יישומים נפוצים כוללים שיפוץ אטמים במנועי סילון ובניית להבי מסור, גַּיָּצוֹת וכַּרְסֻמִּים , מקדחים ולהבי מכסחות דשא.

לקריאה נוספת
 נוימן יצחק, "ריתוך בשיטת TIG" - מאה, המחלקה לפיתוח פדגוגי טכנולוגי. משרד העבודה, הרווחה והשירותים החברתיים, האגף להכשרה מקצועית ולפיתוח כוח אדם, תחום פדגוגיה. 2019.
 American Welding Society (2004). Welding handbook, welding processes Part 1. Miami Florida: American Welding Society. .
 Arc-Zone.com (2009). "Tungsten Selection" (PDF). Carlsbad, California: Arc-Zone.com. Retrieved 15 June 2015.
 Cary, Howard B.; Helzer, Scott C. (2005). Modern welding technology. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. .
 Jeffus, Larry F. (1997). Welding: Principles and applications (Fourth ed.). Thomson Delmar. .
 Jeffus, Larry (2002). Welding: Principles and applications (Fifth ed.). Thomson Delmar. .
 Lincoln Electric (1994). The procedure handbook of arc welding. Cleveland: Lincoln Electric. .
 Miller Electric Mfg Co (2013). Guidelines For Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) (PDF). Appleton, Wisconsin: Miller Electric Mfg Co. Archived from the original (PDF) on 2015-12-08.
 Minnick, William H. (1996). Gas tungsten arc welding handbook. Tinley Park, Illinois: Goodheart–Willcox Company. .
 Watkins, Arthur D.; Mizia, Ronald E (2003). Optimizing long-term stainless steel closure weld integrity in DOE standard spent nuclear canisters. Trends in Welding Research 2002: Proceedings of the 6th International Conference. ASM International.
 Weman, Klas (2003). Welding processes handbook. New York: CRC Press LLC. .

קישורים חיצוניים

Guidelines for Gas Tungsten Arc (GTAW) Welding
Selection and Preparation Guide for Tungsten Electrodes
Tungsten Electrode Guidebook: Guidebook for the Proper Selection and Preparation of Tungsten Electrodes for Arc Welding
Nano- and Submicron Particles Emission during Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) of Steel: Differences between Automatic and Manual Process

ביאורים

הערות שוליים

קשת טונגסטן מוגנת בגז
קטגוריה:שיטות חיבור
קטגוריה:מטלורגיה
קטגוריה:הנדסת מכונות
קטגוריה:בנייה