ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז

ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, המכונה לעיתים בשמות תתי הסוגים שלו ריתוך CO2, ריתוך MIG, ריתוך חצי אוטומטי וריתוך תחת גז פעיל (metal active gas או בקיצור ריתוך MAG), הוא תהליך ריתוך שבו נוצרת קשת חשמלית בין מתכות העבודה לבין אלקטרודת תיל "מתכת גז אדיש" (metal inert gas או בקיצור MIG) מתכלה, המלהיטה את מתכות העבודה וגורמת להן להיתוך  וחיבור. יחד עם אלקטרודת התיל, מוזרם גז מגן דרך ידית הריתוך, שמגן על התהליך מפני זיהומים מהאוויר.

התהליך יכול להתבצע באופן חצי אוטומטי או אוטומטי. ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז מתבצע באמצעות מקור מתח קבוע ולרוב בזרם ישר משתנה, אך ניתן להשתמש במערכות זרם קבוע, כמו גם בזרם חילופין. ישנן ארבע שיטות עיקריות ליישום ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז: טיפות, קצר חשמלי, ריסוס וריסוס פולסי. לכל אחת מהן תכונות מובחנות ויתרונות וחסרונות אופייניים.

ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז פותח במקור בשנות הארבעים של המאה העשרים לריתוך אלומיניום ומתכות אל ברזליות  אחרות. ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז יושם במהרה על פלדות מכיוון שסיפק זמן ריתוך מהיר יותר בהשוואה לתהליכי ריתוך אחרים. תחילה, הגבילה העלות של גזים אדישים את השימוש בו בריתוך פלדות. מספר שנים לאחר מכן, הפך תהליך הריתוך לנפוץ עת נכנס השימוש בגזים אדישים למחצה כמו פחמן דו-חמצני. התפתחויות נוספות במהלך שנות החמישים והשישים של המאה העשרים העניקו לתהליך גמישות רבה יותר וכתוצאה מכך, הפך לתהליך תעשייתי בשימוש נרחב. כיום, ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז הוא תהליך הריתוך התעשייתי הנפוץ ביותר, המועדף בשל הרבגוניות שלו, המהירות והקלות היחסית של התאמת התהליך לאוטומציה רובוטית. שלא כמו תהליכי ריתוך שאינם משתמשים בגז מגן מוזרם, כמו ריתוך באלקטרודה מצופה, הוא מבוצע רק לעיתים רחוקות בתנאי חוץ או באזורים באוויר הפתוח. ריתוך בקשת מתכת באלקטרודה לבובה הוא תהליך קשור ולרוב אינו מבוצע עם גז מגן, אלא עם אלקטרודת תיל חלולה ומלאה בתלחים.

התפתחות
עקרונות של ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז החלו להיות מובנים בתחילת המאה ה-19, לאחר שהאמפרי דייווי גילה את הקשת החשמלית הפולסית הקצרה בשנת 1801. וסילי פטרוב  ייצר באופן עצמאי את הקשת החשמלית הרציפה בשנת 1802 (דייווי אחריו, רק לאחר שנת 1808). רק בשנות ה-80 של המאה ה-19 הפכה הטכנולוגיה למפותחת דיה לשימוש תעשייתי. בתחילה נעשה שימוש באלקטרודות פחמן לריתוך בקשת פחם. עד 1890, הומצאו אלקטרודות מתכת על ידי ניקולאי סלביאנוב  וצ'ארלס קופין. בשנת 1920, הומצא הריתוך האוטומטי, אב-קדמון של ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, על ידי פר אוסקר נובל (Per Oscar Nobel) מג'נרל אלקטריק. הוא השתמש בזרם ישר עם אלקטרודת תיל חשוף תחת מתח קשת כדי לווסת את קצב ההזנה. הוא לא השתמש בגז מגן כדי להגן על הריתוך, שכן פיתוחים לריתוכים באוויר הפתוח לא התרחשו עד מאוחר יותר באותו עשור. בשנת 1926 פותחה שיטה נוספת של ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, אך היא לא התאימה לשימוש מעשי.

בשנת 1948, פותחה שיטת ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז על ידי המכון על-שם באטל . השיטה כללה שימוש באלקטרודה בקוטר קטן יותר ובמקור מתח קבוע, שפותח על ידי הארי אדוארד קנדי (Harry Edward Kennedy). השיטה הגדילה את קצב העבודה, אך העלות הגבוהה של גזים אדישים הייתה החסם לחיסכון כולל בעלויות ולכן הוגבל השימוש בה לחומרים אל-ברזליים. בשנת 1953 פותח השימוש בפחמן דו-חמצני כגז מגן לריתוך, וזכה לאימוץ מהיר ופופולרי בשיטת הריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז מכיוון שהפך את ריתוך הפלדה לחסכוני יותר. בשנים 1958 ו-1959 הופצה גרסת הקשת הקצרה של שיטת הריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, שהגדילה את גיוון הריתוך ואפשרה ריתוך של חומרים דקים תוך הסתמכות על אלקטרודות תיל קטנות יותר וספקי כוח מתקדמים יותר. שיטה זו הפכה במהירות לגרסה הפופולרית ביותר של ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז.

גרסה של העברת ריסוס בקשת פותחה בתחילת שנות השישים של המאה העשרים, כאשר הנסיינים הוסיפו כמויות קטנות של חמצן לגזים אדישים. לאחרונה, הופעל זרם פולס, מה שהוליד גרסה חדשה לשיטה הנקראת ריסוס בקשת פולס.

ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז היא אחת משיטות הריתוך הפופולריות ביותר, במיוחד בסביבות תעשייתיות. השיטה נמצאת בשימוש נרחב בתעשיית לוחות המתכת (פחים) ותעשיית הרכב. בתעשיות אלה, השיטה הנבחרת לעיתים קרובות היא ריתוך נקודות בקשת, המחליפה את המסמרות או ריתוך בהתנגדות חשמלית. השיטה פופולרית גם עבור ריתוך אוטומטי, שבו רובוטים מטפלים בחלקי העבודה ובידית הריתוך כדי להאיץ את הייצור. ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז יכול להיות קשה לביצוע איכותי בתנאי חוץ, שכן משבי רוח עלולים לפזר את גז המגן ולאפשר למזהמים להיכנס לריתוך. ריתוך בקשת מתכת באלקטרודה לבובה מתאים יותר לשימוש באוויר הפתוח וישים יותר בעולם הבנייה למשל. כמו כן, השימוש של שיטת הריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז בגז מגן אינו מתאים לריתוך תת-ימי. ריתוך זה מבוצע בדרך כלל באמצעות ריתוך באלקטרודה מצופה, ריתוך בקשת מתכת באלקטרודה לבובה או ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז.

פעולה
ממוזער|שמאל|220px|אזור ריתוך GMAW:1. כיוון תנועת הריתוך2. צינורית מגע3. אלקטרודה4. גז מגן5. מתכת ריתוך מותכת6. מתכת ריתוך מוצקה7. מתכת העבודה
רוב יישומי הריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז הם פשוטים באופן יחסי ללמידה ולביצוע בהשוואה לשאר שיטות הריתוך הקיימות, ודורשים ימים עד שבועות בודדים כדי לשלוט בטכניקת הריתוך הבסיסית של התהליך. איכות הריתוך יכולה להשתנות, אף כאשר מבוצע על ידי מפעילים מיומנים מאוד, מכיוון שתלוי במספר גורמים חיצוניים. בכל תהליך של ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז קיימים סיכונים, אם כי אולי פחות משיטות ריתוך אחרות, כגון ריתוך באלקטרודה מצופה.

טכניקה
ממוזער|שמאל|220px|תהליך ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, שצולם דרך עדשה מוצללת
הטכניקות הנדרשות לריתוך מוצלח בתהליך ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז אינן כה מסובכות, כאשר רוב האנשים מסוגלים להגיע למיומנות סבירה תוך מספר שבועות, בהנחה שעברו הכשרה מתאימה והזדמנות מספקת לביצוע ריתוכים מתקדמים. ניסיון ותרגול, כמו במקרה של מיומנויות ידניות רבות אחרות, יובילו לכך שהרתך (מפעיל) יפתח רמת מיומנות גבוהה. מכיוון שחלק גדול מהתהליך הוא אוטומטי, ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז מקל על הרתך את נטל השמירה על אורך קשת מדויק, כמו גם הזנת מתכת מילוי לתוך גומת הריתוך (אזור ההיתוך) בקצב הנכון. אלו הן פעולות מתואמות הנדרשות בתהליכי ריתוך ידניים אחרים, כגון ריתוך באלקטרודה מצופה ("ריתוך סטיק").

יצירת ריתוך מוצלח בתהליך ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז דורשת מהרתך לשמור על כיוון נכון של אקדח הריתוך ביחס למחבר המרותך (המכלול המרותך), וכן לשמור על קצב אחיד של תנועה לאורך החיבור כדי לייצר חדירה נאותה והצטברות של זחל הריתוך. תנועה לאורך החיבור עשויה גם לדרוש רכיב "טוויה" על מנת לייצר ריתוך תקין, במיוחד בעת תנוחת ריתוך אנכית או מעל הראש. במהלך האימון, מומלץ לרתכים מתלמדים לצפות בקצה האחורי של גומת הריתוך, ולא בקשת, כדי לוודא שהם מתקדמים במורד החיבור בקצב אופטימלי.

כיוון אקדח הריתוך ביחס למכלול הריתוך הוא גורם חשוב, מכיוון שמשפיע על האופן שבו אנרגיית הקשת מופנית אל החלקים המרכיבים אותו. בריתוך אידיאלי, תושג חדירה של 100 אחוז, אשר בשילוב עם הצטברות של זחל הריתוך, תייצר ריתוך שהוא תאורטית חזק יותר מהחלקים המרכיבים אותו. בפועל, חדירה מלאה אינה מושגת. עם זאת, החדירה העמוקה ביותר תושג כאשר אלקטרודת התיל ניצבת בדיוק למשטח המרותך. יתר על כן, שקיעת מתכת המילוי, הנובעת מהתכת אלקטרודת התיל, נוטה להיות אחידה עם ניצבות התיל.

בפועל, ניצבות אינה תמיד אידיאלית או אפשרית, אלא אם כן הריתוך מבוצע על מחבר השקה. לכן, אקדח הריתוך מכוון, בדרך כלל, כך שהתיל חוצה את הזווית בין שני המשטחים המחוברים. לדוגמה, אם מבצעים מחבר מילאת של 90 מעלות, זווית תיל של 45 מעלות אמורה לייצר את עומק ההתכה והנחת המילוי הטובים ביותר של חומר המילוי. לעומת זאת, מחבר חפייה ישיג תוצאה נאותה בזווית פחות חדה. זאת בזכות כיוון יותר אנרגיית קשת לחלק התחתון ופחות אנרגיה לקצה החלק העליון, בעיקר כדי למנוע התכה של הקצה.

זווית התנועה, או זווית ההובלה, היא זווית אקדח הריתוך ביחס לכיוון התנועה לאורך המחבר, והיא צריכה להישאר בדרך כלל אנכית בקירוב. רוב אקדחי הריתוך מתוכננים כך שכאשר ידית האחיזה מקבילה למשטח העבודה, תתקבל זווית תנועה מתאימה. עם זאת, הזווית הטובה ביותר תשתנה לפי סוגי גז מגן שונים ולאופן שבו הם מתפזרים. תחתית המבער עם גזים אדישים טהורים, למשל, ארגון טהור (Straight argon), נמצאת לעיתים קרובות מעט לפני החלק העליון, בעוד שההפך הוא הנכון כאשר גז המגן הוא פחמן דו-חמצני.

שמירה על מרחק מגע יציב יחסית בין קצה אקדח הריתוך לחומר העבודה (מרחק הבליטה) חשובה. מרחק בליטה גדול מדי עלול לגרום לאלקטרודת התיל להיתוך רחוק מדי ממכלול הריתוך, ולגרום להתזת קשת, עומק התכה רדוד ושיקוע לקוי. בליטה גדולה מדי עלולה גם לגרום לגז המגן לא לכסות כראוי את אזור ההיתוך, מה שיוביל לזיהום אטמוספירי ולריתוך נקבובי ולא יציב.

לעומת זאת, בליטה קטנה מדי עלולה להגביר את קצב הצטברות ההתזות בתוך פיית אקדח הריתוך, ובמקרים קיצוניים, עלולה לגרום נזק לקצה המגע של האקדח עקב "שריפה חוזרת" של החוט לתוך הקצה. שריפה חוזרת, בתורה, עלולה לגרום לחוט להיתקע בקצה ולהפסיק לנוע, וכתוצאה מכך להצטברות תיל ("קינון ציפור") במנגנון הזנת התיל ברתכת. מרחק הבליטה הנכון משתנה בהתאם לתהליכים וליישומים שונים של ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, כאשר מרחק בליטה קצר יותר משמש לעיתים קרובות בתנוחות ריתוך אנכי ומעל הראש.

תנוחת ריתוך, כלומר, מחבר ריתוך אנכי או מעל הראש, עשוי לדרוש שימוש בטכניקת טוויה כדי להבטיח שקיעת ריתוך ועומק התכה נאותים. תנוחת הריתוך מסתבכת עקב נטייתה של המתכת המותכת לזרום החוצה מהגומה ("טפטוף ריתוך"), ובמיוחד בריתוכים מעל הראש. טפטוף הריתוך גורם להיווצרות מכתשים וחיתוך מתחת לנקודת החיבור במקום בו הזחל אמור להשתלב עם מתכות הבסיס, וכתוצאה מכך לריתוך חלש ולסיכון בהתפתחות סדיקה בקצה הזחל. טוויה מזיזה ללא הרף את אזור ההיתוך כדי להגביל את כמות המתכת המונחת בכל נקודה. מתח פנים מסייע לאחר מכן לשמור על המתכת המותכת בגומה עד להתמצקותה. במקרים מסוימים, ייתכן שיידרש קצב זרימת גז מגן גבוה מהרגיל כדי להשיג ריתוך משביע רצון. פיתוח מיומנות בתנוחות ריתוך דורש ניסיון, אך בדרך כלל רוב חניכי הריתוך שולטים בהן לפני שהם מגיעים למעמד של בעל מקצוע  מן המניין.

ריתוך אנכי עשוי להתחיל בתחתית החיבור ולהמשיך כלפי מעלה, או להתחיל מלמעלה ולהמשיך כלפי מטה. טכניקת "מלמטה למעלה" נוטה לייצר חדירה עמוקה יותר ולריתוך חזק יותר תאורטית. עם זאת, ישנה נטייה מוגברת לטפטוף ריתוך, שמוביל להיווצרות מכתשים וקעקוע מתחת לריתוך, שניתן למנוע באמצעות טכניקת טוויה נכונה. עלייה מסוימת בהתזות עשויה גם היא להוות בעיה. מצד שני, טכניקת "מלמעלה למטה" נוטה לייצר חדירה פחות עמוקה, פחות טפטוף ריתוך ובדרך כלל מייצרת ריתוכים חלקים ואסתטיים יותר. ריתוך מלמטה למעלה נחשב בדרך כלל לטכניקה המועדפת לריתוך חתכים עבים, אם כי שימוש בפחמן דו-חמצני טהור בעת ריתוך פלדות בעלות רמת פחמן נמוכה ובינונית בטכניקת מלמעלה למטה יכול להגביר את החדירה ללא פגיעה גדולה מדי במראה.

בנוסף למיומנויות טובות בטיפול באקדח הריתוך, הרתך חייב לדעת כיצד להגדיר נכון את הרתכת כך שתתאים למאפייני הריתוך, לסוג התיל ולגז המגן בהם נעשה שימוש, ובמקרים מסוימים, לכיוון החיבור המיועד לריתוך. תצורה כזו כוללת הגדרת מתח, מהירות הזנת התיל וקצב זרימת הגז, וכן שימוש בפיית האקדח הנכונה כדי להשיג פיזור גז מגן נכון.

עם הזמן, ריתוך יגרום להצטברות של התזות בתוך הפיה, אשר בכמות מספקת תשפיע על פיזור הגז, מה שעלול להוביל לריתוכים לא יציבים. לכן, הרתך נדרש לנקות מעת לעת את הפיה והקצה כדי להסיר התזות. שימוש בחומר נגד התזות על הפיה והקצה יכול לעיתים קרובות להאט את קצב ההצטברות. חומר נגד התזות נמכר הן בצנצנת כמשחה (המכונה לעיתים קרובות במסחר "טיפ-דיפ"), והן במכל תרסיס כתרסיס. רתכים עשויים להשתמש במוצר האחרון כדי למנוע הצטברות התזות על הריתוך עצמו, כמו גם על המַקְבֵּעַ המחזיק את רכיבי הריתוך.

איכות
שתיים מבעיות האיכות הנפוצות ביותר בתהליך ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז הן פסולת ונקבוביות. אם לא מטפלים בהן, הן עלולות להוביל לריתוכים חלשים ופחות גמישים. פסולת היא בעיה נפוצה במיוחד בריתוכי אלומיניום המבוצעים בתהליך ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, שמקורה בדרך כלל בחלקיקים של תחמוצת אלומיניום או אלומיניום ניטריד הנמצאים באלקטרודה או בחומרי הבסיס. יש להבריש אלקטרודות וחומרי עבודה בעזרת מברשת תיל או לטפל בהם כימית כדי להסיר תחמוצות על פני השטח. כל חמצן במגע עם אמבט הריתוך, בין אם מהאטמוספירה או מגז המגן, גורם גם לפסולת. כתוצאה מכך, יש צורך בזרימה מספקת של גזי מגן אדישים, ויש להימנע מריתוך באוויר נע.

הסיבה העיקרית להיווצרות נקבוביות בתהליך הריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז היא גז שנלכד באמבט הריתוך, שמתרחש כאשר המתכת מתמצקת לפני שהגז יוצא. הגז יכול לנבוע מזיהומים בגז המגן או על חומר העבודה, כמו גם מפריצת קשת או קשת ארוכה מדי. באופן כללי, כמות הגז הלכודה קשורה ישירות לקצב הקירור של אמבט הריתוך. ריתוכים מאלומיניום רגישים במיוחד לקצבי קירור גבוהים יותר, בשל מוליכותם התרמית הגבוהה יותר, ולכן מתאפיינים בסיכון להיווצרות נקבוביות רבה יותר. כדי להפחית זאת, חומר העבודה והאלקטרודה צריכים להיות נקיים, מהירות הריתוך צריכה להיות נמוכה יותר וזרם החשמל צריך להיות גבוה מספיק כדי לספק קלט חום מספק והעברת מתכת יציבה אך נמוך מספיק כדי שהקשת תישאר יציבה. חימום מוקדם יכול גם לסייע בהפחתת קצב הקירור במקרים מסוימים על ידי הפחתת מפל הטמפרטורה בין אזור הריתוך למתכת הבסיס.

בטיחות
ריתוך בקשת חשמלית בכל צורה שהיא עלול להיות מסוכן אם לא ננקטים אמצעי זהירות מתאימים. מכיוון שריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז משתמש בקשת חשמלית, רתכים חייבים ללבוש ביגוד וציוד מגן אישי מתאים, כולל כפפות עבות ומעילים ארוכים, כדי למזער את החשיפה לקשת עצמה, כמו גם לחום עז, ניצוצות ומתכת חמה. הקרינה האולטרה סגולה העזה של הקשת עלולה לגרום נזק דמוי כוויות שמש לעור חשוף, כמו גם למצב המכונה פוטוקרטיטיס, דלקת בקרנית, או במקרים של חשיפה ממושכת, נזק בלתי הפיך לרשתית העין. קסדות ריתוך  קונבנציונליות מכילות לוחות פנים כהים כדי למנוע חשיפה זו. עיצובים חדשים יותר של קסדות כוללים לוח פנים מסוג גביש נוזלי שמתכהה מעצמה עם חשיפה לקשת. וילונות ריתוך שקופים, העשויים מסרטי פלסטיק פוליוויניל כלוריד, משמשים לעיתים קרובות כדי להגן על עובדים סמוכים ועוברי אורח מפני חשיפה לקשת.

רתכים נחשפים לעיתים קרובות לגזים מסוכנים ולחלקיקים הנישאים באוויר. ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז מייצר עשן המכיל חלקיקים מסוגים שונים של תחמוצות, וגודל החלקיקים נוטה להשפיע על רעילות האדים. חלקיקים קטנים יותר מהווים סכנה גדולה יותר. ריכוזים של פחמן דו-חמצני ואוזון עלולים להיות מסוכנים אם אוורור חלל העבודה אינו מספק. אמצעי זהירות נוספים כוללים הרחקת חומרים דליקים ממקום העבודה, והחזקת מטפה כיבוי אש תקין בקרבת מקום.

ציוד
הציוד הבסיסי הנדרש לביצוע ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז הוא אקדח ריתוך, יחידת הזנת תיל, ספק כוח לריתוך, אלקטרודת תיל לריתוך ואספקת גז מגן.

אקדח ריתוך ויחידת הזנת תיל
ממוזער|שמאל|220px|תמונה של פתח פיה של מבער ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז:1. ידית המבער2. דיאלקטרי פנולי יצוק (מוצג בלבן) ואום מתכתי מושחל (צהוב)3. מפזר גז מגן4. צינורית מגע5. פיית יציאה של המבער
ממוזער|שמאל|220px|יישום תהליך הריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז על פלדת אל-חלד
ממוזער|שמאל|220px|עמדת עבודה לריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז
אקדח ריתוך טיפוסי המתאים לתהליך ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז כולל מספר חלקים מרכזיים - מתג בקרה, צינורית מגע, כבל חשמל, פיית גז, צינור וציפוי אלקטרודה, וצינור גז. מתג הבקרה, או ההדק, נלחץ בידי הרתך ומפעיל את הזנת התיל, החשמל וזרימת גז המגן, וגורם להיווצרות קשת חשמלית. צינורית המגע, העשויה בדרך כלל מנחושת ולעיתים מטופלת באופן כימי כדי להפחית התזות, מחוברת למקור כוח הריתוך דרך כבל החשמל ומעבירה את האנרגיה החשמלית לאלקטרודה תוך שהיא מכוונת אותה לאזור הריתוך. יש לאבטח אותה היטב ולקבל את הגודל המתאים, מכיוון שהיא חייבת לאפשר לאלקטרודה לעבור תוך שמירה על מגע חשמלי. בדרך לצינורית המגע, התיל מוגן ומונחה על ידי צינור וציפוי האלקטרודה, המסייעים במניעת כיפוף ושומרים על הזנת חוט ללא הפרעה. פיית הגז מכוונת את גז המגן באופן שווה לאזור הריתוך. זרימה לא עקבית עלולה להגן שלא כראוי על אזור הריתוך. פיות גדולות יותר מספקות זרימת גז מגן גדולה יותר, דבר שימושי לפעולות ריתוך בזרם גבוה המפתחות אמבט ריתוך מותכת גדולה יותר. צינור גז ממכלי גז המגן מספק את הגז לזרבובית. לעיתים, מובנה גם צינור מים באקדח הריתוך, ומקרר את אקדח הריתוך בפעולות בחום גבוה.

יחידת הזנת התיל מספקת את האלקטרודה לחומר העבודה, דוחפת אותה דרך הצינור ועד לצינורית המגע. רוב הדגמים מספקים את התיל בקצב הזנה קבוע, אך מכונות מתקדמות יותר יכולות לשנות את קצב ההזנה בתגובה לאורך הקשת ולמתח. חלק ממזיני התיל יכולים להגיע לקצבי הזנה של עד 30 מטרים לדקה, אך קצבי ההזנה עבור ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז חצי אוטומטי נעים בדרך כלל בין 2 ל-10 מטרים לדקה.

מחזיק אלקטרודה
מחזיק האלקטרודות הנפוץ ביותר הוא מחזיק מקורר על ידי אוויר חצי אוטומטי. אוויר דחוס זורם דרכו כדי לשמור על טמפרטורות מתונות. הוא משתמש ברמות זרם נמוכות יותר לריתוך מחברי  חפייה או מחברי השקה. הסוג השני הנפוץ ביותר של מחזיק אלקטרודות הוא מקורר על ידי מים חצי אוטומטי, כאשר ההבדל היחיד הוא שמים תופסים את מקומו של האוויר. הוא משתמש ברמות זרם גבוהות יותר לריתוך מחברי T או פינה. סוג המחזיק הטיפוסי השלישי הוא מחזיק אלקטרודות אוטומטי מקורר על ידי מים - המשמש בדרך כלל עם ציוד אוטומטי.

ספק כוח
רוב היישומים של ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז משתמשים באספקת חשמל במתח קבוע. כתוצאה מכך, כל שינוי באורך הקשת (הקשור ישירות למתח) גורם לשינוי גדול בזרם ובכניסת החום. אורך קשת קצר יותר גורם לכניסת חום גדולה יותר, וגורם לאלקטרודת התיל להיתוך מהיר יותר ובכך לשיחזור אורך הקשת המקורי. זה עוזר למפעילים לשמור על אורך קשת עקבי גם בעת ריתוך ידני עם אקדחי ריתוך ידניים. כדי להשיג אפקט דומה, לעיתים משתמשים במקור חשמל זרם קבוע בשילוב עם יחידת הזנת תיל הנשלטת על ידי מתח קשת. במקרה זה, שינוי באורך הקשת גורם לקצב הזנת החוט להתאים את עצמו לשמירה על אורך קשת קבוע יחסית. בנסיבות נדירות, ניתן לשלב מקור חשמל עם זרם קבוע ויחידת הזנת חוט קבוע, במיוחד עבור ריתוך מתכות בעלות מוליכות תרמית גבוהה, כגון אלומיניום. שילוב זה מעניק למפעיל שליטה נוספת על כניסת החום לריתוך, אך דורש מיומנות משמעותית לביצוע מוצלח.

ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז מבוצע רק לעיתים רחוקות עם זרם חילופין. במקום זאת, משתמשים בזרם ישר ובדרך כלל האלקטרודה טעונה באופן חיובי. מכיוון שהאנודה נוטה להיות בעלת ריכוז חום גבוה יותר, הדבר גורם להתכה מהירה יותר של התיל המוזן, ומגביר את חדירת ומהירות הריתוך. ניתן להפוך את הקוטביות רק כאשר משתמשים בתילי אלקטרודה מצופה פולטת מיוחדים, אך מכיוון שאלה אינם פופולריים, אלקטרודה טעונה באופן שלילי נמצאת בשימוש רק לעיתים רחוקות.

אלקטרודה
האלקטרודה היא תיל מסגסוגת מתכתית, הנקרא תיל מתכת גז אדיש, שבחירתו, סגסוגתו וגודלו מבוססים בעיקר על הרכב המתכת המרותכת, וריאציית התהליך בה נעשה שימוש, תכנון המחבר ותנאי פני השטח של מתכות הבסיס. בחירת האלקטרודה משפיעה רבות על התכונות המכניות של הריתוך והיא גורם מפתח באיכות הריתוך. באופן כללי, מתכת הריתוך המוגמרת צריכה להיות בעלת תכונות מכניות דומות לאלו של חומר הבסיס, ללא פגמים כגון אי-רציפות, מזהמים כלואים או נקבוביות בתוך הריתוך. כדי להשיג מטרות אלה, קיים מגוון רחב של אלקטרודות. כל האלקטרודות הזמינות מסחרית מכילות מתכות מחמצנות כגון צורן, מנגן, טיטניום ואלומיניום באחוזים קטנים כדי לסייע במניעת נקבוביות חמצן. חלקן מכילות מתכות דניטרידיות (Denitriding metals) כגון טיטניום וזירקוניום כדי למנוע נקבוביות חנקן. קוטר האלקטרודות המשמשות לתהליך הריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז נע בדרך כלל בין 0.7 ל-2.4 מילימטרים אך יכול לעלות עד 4 מילימטרים וזאת בהתאם לווריאציית התהליך ולחומר הבסיס המרותך. האלקטרודות הקטנות ביותר, בדרך כלל עד 1.14 מילימטרים, קשורות לתהליך העברת מתכת בקצר חשמלי, בעוד שאלקטרודות בתהליך העברת מתכת בהתזה הנפוצות ביותר הן בדרך כלל בקוטר של לפחות 0.9 מילימטרים.

גז מגן

ממוזער|שמאל|220px|תרשים ציוד ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז:מבער ריתוךחומר עבודהמקור כוחיחידת הזנת תילמקור אלקטרודהאספקת גז מגן
גזי מגן נחוצים לתהליך הריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז כדי להגן על אזור הריתוך מפני גזים אטמוספיריים כמו חנקן וחמצן, אשר עלולים לגרום לפגמי היתוך, נקבוביות ושבירות מתכת הריתוך אם הם באים במגע עם האלקטרודה, הקשת או מתכת הריתוך. בעיה זו נפוצה בכל תהליכי הריתוך בקשת. לדוגמה, בתהליך ריתוך באלקטרודה מצופה הוותיק יותר, האלקטרודה מצופה בתלחים מוצק שניתך על ידי הקשת ויוצר ענן מגן של פחמן דו-חמצני. לעומת זאת, בריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, לתיל האלקטרודה אין ציפוי תלחים וגז מגן מוזרם בנפרד ומשמש להגנה על הריתוך. בעקבות כך לא נוצרים סיגים - השאריות הקשות מהתלחים שמצטברות לאחר הריתוך ויש להסיר אותן כדי לחשוף את פני הריתוך המבוצע.

בחירת גז מגן תלויה במספר גורמים, ובראשם סוג החומר המרותך ווריאציית התהליך בו נעשה שימוש. לריתוך מתכות אל-ברזליות משתמשים בגזים אדישים טהורים כמו ארגון והליום. בריתוך פלדה, גזים אדישים טהורים אלו אינם מספקים חדירה נאותה לריתוך (ארגון) או גורמים לקשת לא יציבה ומעודדים התזות (עם הליום). לעומת זאת, פחמן דו-חמצני טהור, מאפשר ריתוכים בהם נדרשת חדירה עמוקה אך מעודד היווצרות תחמוצת ומשפיע לרעה על התכונות המכניות של הריתוך. עלותו הנמוכה הופכת אותו לבחירה אטרקטיבית, אך בגלל התגובתיות של פלזמת הקשת, התזות הן בלתי נמנעות וקיים קושי בריתוך חומרים דקי-דופן. כתוצאה מכך, ארגון ופחמן דו-חמצני מעורבבים לעיתים קרובות בתערובת של 75%/25% עד 90%/10%. באופן כללי, בריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז על ידי קצר חשמלי, תכולת פחמן דו-חמצני גבוהה יותר מגבירה את חום הריתוך ואת האנרגיה כאשר כל פרמטרי הריתוך האחרים (מתח, זרם, סוג אלקטרודה וקוטרה) נשמרים זהים. ככל שתכולת הפחמן הדו-חמצני עולה מעל 20%, ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז באמצעות העברת ריסוס הופך לבעייתי יותר ויותר, במיוחד עם קוטרי אלקטרודה קטנים יותר.

ארגון מעורבב בדרך כלל גם עם גזים אחרים, חמצן, הליום, מימן וחנקן. תוספת של עד 5% חמצן (כמו הריכוזים הגבוהים יותר של פחמן דו-חמצני שהוזכרו לעיל) יכולה להיות מועילה בריתוך פלדת אל-חלד, אולם ברוב היישומים עדיף פחמן דו-חמצני. ריכוז מוגבר של חמצן גורם לגז המגן לחמצן את האלקטרודה ועלול להוביל לנקבוביות במשקע אם האלקטרודה אינה מכילה מספיק חומרים מחמצנים. עודף חמצן, במיוחד כאשר משתמשים בו ביישומים שאינם מיועדים, עלול להוביל לשבירות באזור המושפע מחום. תערובות ארגון-הליום הן אדישות ביותר, וניתן להשתמש בהן על חומרים אל-ברזליים. ריכוז הליום של 50%-75% מעלה את המתח הנדרש ומגביר את החום בקשת, עקב טמפרטורת היינון הגבוהה יותר של ההליום. מימן מתווסף לעיתים לארגון בריכוזים קטנים (עד כ-5%) לריתוך ניקל וחומרי עבודה עבי דופן מפלדת אל-חלד. בריכוזים גבוהים יותר (עד 25% מימן), ניתן להשתמש בו לריתוך חומרים מוליכים כמו נחושת. עם זאת, אין להשתמש בו על פלדה, אלומיניום או מגנזיום מכיוון שהוא עלול לגרום לנקבוביות ולשבירות מימנית .

קיימות גם תערובות גז מגן של שלושה גזים או יותר. תערובות של ארגון, פחמן דו-חמצני וחמצן משווקות לריתוך פלדות. בתערובות אחרות קיימת כמות קטנה של הליום בשילובי ארגון-חמצן. נטען כי תערובות אלו מאפשרות מתחי קשת ומהירות ריתוך גבוהים יותר. הליום משמש לעיתים גם כגז בסיס, עם כמויות קטנות של ארגון ופחמן דו-חמצני. עם זאת, מכיוון שהליום פחות צפוף מאוויר הוא פחות יעיל בהגנה על הריתוך מאשר ארגון - שצפוף יותר מאוויר. הליום יכול גם להוביל לבעיות יציבות וחדירה של הקשת, ולהתזה מוגברת, בשל פלזמת הקשת האנרגטית הרבה יותר שלו. הליום גם יקר משמעותית מגזי מגן אחרים. תערובות גז מיוחדות ולעיתים קרובות קנייניות אחרות טוענות ליתרונות גדולים אף יותר עבור יישומים ספציפיים.

ניתן להשתמש בכמויות זעירות של תחמוצת חנקן, למרות היותו רעיל, כדי למנוע היווצרות של אוזון בעייתי עוד יותר בקשת.

קצב זרימת גז המגן הרצוי תלוי בעיקר בגאומטריית הריתוך, במהירות הריתוך, בזרם, בסוג הגז ובמצב העברת המתכת. ריתוך משטחים שטוחים דורש זרימה גבוהה יותר מאשר ריתוך חומרים מחורצים, מכיוון שהגז מתפזר מהר יותר. מהירויות ריתוך גבוהות יותר, באופן כללי, משמעותן שיש לספק יותר גז כדי לספק כיסוי הולם. בנוסף, זרם גבוה יותר דורש זרימה גדולה יותר, ובאופן כללי, נדרש יותר הליום כדי לספק כיסוי הולם מאשר אם משתמשים בארגון. לארבע הווריאציות העיקריות של ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז יש דרישות זרימת גז מגן שונות - עבור אמבטיות ריתוך קטנות של מצבי קצר חשמלי וריסוס פולסי, כ-10 ליטרים לדקה מתאימים בדרך כלל, ואילו עבור העברת גז כדורית, עדיפים כ-15 ליטרים לדקה. וריאציית העברת הריסוס דורשת בדרך כלל זרימת גז מגן רבה יותר בגלל קלט החום הגבוה יותר שלה ולכן אמבט ריתוך גדולה יותר. כמויות זרימת גז אופייניות הן כ-20–25 ליטרים לדקה.

ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז מבוסס הדפסה תלת-ממדית
ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז משמש גם כשיטה זולה להדפסה תלת-ממדית של חפצי מתכת. מגוון מדפסות תלת-ממד בקוד פתוח פותחו לשימוש בריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז. רכיבים כאלה המיוצרים מאלומיניום מתחרים ברכיבים המיוצרים באופן מסורתי יותר מבחינת חוזק מכני. על ידי יצירת ריתוך גרוע בשכבה הראשונה, ניתן להסיר חלקים מודפסים תלת-ממדיים של ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז מהמצע בעזרת פטיש.

מצבי העברת מתכת
בתהליך ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז ישנם שלושה מצבי העברת מתכת: העברה בטיפות, העברה בקצר חשמלי והעברה בריסוס. ישנן מספר גרסאות מוכרות של שלושת מצבי ההעברה הללו, כולל קצר חשמלי מתואם וריסוס פולסי.

טיפות
מבין שלוש הגרסאות העיקריות של התהליך נחשבת שיטת ההעברה בטיפות לפחות רצויה וזאת, בשל נטייתה לייצר חום גבוה, משטח גרוע לאחר ריתוך ונתזים. השיטה פותחה במקור כדרך חסכונית לריתוך פלדה באמצעות ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, מכיוון שגרסה זו מבוצעת עם גז מגן פחמן דו-חמצני, שזול יותר מארגון. ליתרונה הכלכלי הוסיף קצב השקיעה הגבוה שלה, המאפשר מהירויות ריתוך של עד 110 מילימטרים לשנייה. בתהליך הריתוך קיימת נטייה להצטברות חומר מתכתי היוצר טיפה בקצה האלקטרודה, לעיתים קרובות בצורות לא סדירות ובקוטר גדול יותר מהאלקטרודה עצמה. כאשר הטיפה מתנתקת לבסוף, בין אם על ידי כוח הכבידה או קצר חשמלי, היא נופלת על חומר העבודה, משאירה משטח לא אחיד ולעיתים קרובות גורמת לנתזים. כתוצאה מהנטייה להצטברות טיפות מותכות גדולות, התהליך מוגבל בדרך כלל לתנוחות ריתוך שטוחות ואופקיות, מתאים למתכות בסיס עבות יותר ויוצר אמבט ריתוך גדול יותר. בשיטה זו ניתן להשתמש אך ורק על מתכות ברזליות.

קצר חשמלי
פיתוחים נוספים בריתוך פלדה באמצעות תהליך ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז הובילו לגרסה המכונה העברה בקצר חשמלי (SCT) או ריתוך בקשת מתכת מתקצרת מוגנת בגז (GMAW-S), שבה הזרם נמוך יותר מאשר בשיטת העברה בטיפות. כתוצאה מהזרם הנמוך יותר, קלט החום עבור גרסת הקצר החשמלי מצטמצם משמעותית ומאפשר לרתך מתכות בסיס דקות יותר תוך הפחתת המעוות והמאמץ השיורי באזור הריתוך. כמו בהעברה בטיפות, גם בשיטת הקצר החשמלי נוצרות טיפות מותכות בקצה האלקטרודה, אך במקום ליפול לאמבט הריתוך, הן מגשרות על הפער בין האלקטרודה לאמבט הריתוך כתוצאה מקצב הזנת החוט הנמוך יותר. תהליך זה גורם לקצר חשמלי ומכבה את הקשת, אך היא נדלקת מחדש במהירות לאחר שמתח הפנים של אמבט הריתוך מושך את זחל המתכת המותכת מקצה האלקטרודה. תהליך זה חוזר על עצמו כ-100 פעמים בשנייה וגורם לקשת להיראות כקבועה לעין האנושית. סוג זה של העברת מתכת גורם לפחות התזות ואיכות ריתוך טובה יותר בהשוואה לגרסת הטיפות, ומאפשר ריתוך בכל התנוחות, אם כי שקיעת חומר הריתוך איטית יותר. קביעת פרמטרי תהליך הריתוך (מתח, זרם וקצב הזנת תיל) בתוך טווח צר יחסית היא קריטית לשמירה על קשת יציבה: בדרך כלל בין 100 ל-200 אמפר במתח של 17 עד 22 וולט עבור רוב היישומים. כמו כן, שימוש בהעברה בקצר חשמלי עלול לגרום לחוסר היתוך וחדירה לא מספקת בעת ריתוך חומרים עבים יותר, עקב אנרגיית הקשת הנמוכה יותר והתקררות מהירה של אמבט הריתוך. בדומה לגרסת העברה בטיפות, ניתן להשתמש בשיטת הקצר החשמלי רק על מתכות ברזליות.

מתכת קרה
עבור חומרים דקים, נעשה שימוש בהעברת מתכת קרה (CMT)  על ידי הפחתת הזרם ויצירת קצר חשמלי, הגורם להיווצרות טיפות רבות בשנייה. ניתן להשתמש בשיטה זו בריתוך אלומיניום.

ריסוס
העברה בריסוס היא שיטת העברת המתכת הראשונה ששימשה בתהליך הריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, ומתאימה מאוד לריתוך אלומיניום ופלדת אל-חלד תוך שימוש בגז מגן אדיש. בתהליך הריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, עוברת מתכת האלקטרודה לריתוך במהירות לאורך קשת חשמלית יציבה מהאלקטרודה לחומר העבודה, ובכך מבטלת למעשה את תופעת ההתזות ומביאה לריתוך אסתטי וגימור באיכות גבוהה. ככל שהזרם והמתח עולים מעבר לטווח של שיטת העברה בקצר חשמלי, העברת המתכת מהאלקטרודה לריתוך משתנה מטיפות גדולות לטיפות קטנות ולזרם אידוי באנרגיות הגבוהות ביותר. מכיוון וגרסת העברה בריסוס אידוי בתהליך ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז דורשת מתח וזרם גבוהים יותר בהשוואה לגרסת הקצר החשמלי, וכתוצאה מכניסת החום הגבוהה יותר ושטח אמבט ריתוך גדול יותר (עבור קוטר אלקטרודת ריתוך נתון), היא משמשת בדרך כלל רק על מתכות בסיס בעובי של יותר מ-6.4 מילימטרים (0.25 אינץ').

כמו כן, בעקבות אמבט הריתוך הגדול, גרסה זו מוגבלת לעיתים קרובות לתנוחות ריתוך שטוחות ואופקיות ולפעמים משמשת גם לריתוכים אנכיים בכיוון מלמעלה למטה. שיטה זו בדרך כלל לא מעשית לריתוכים במעבר שורש. כאשר משתמשים באלקטרודה קטנת קוטר בשילוב עם קלט חום נמוך יותר, גדלה הרבגוניות שלה. קצב השיקוע המרבי בשיטת העברה בריסוס גבוה יחסית - כ-600 מילימטרים בשנייה.

ריסוס פולסי
העברה בריסוס פולסי, גרסה של העברה בריסוס, מבוססת על עקרונות העברה בריסוס אך מבוצעת בזרם פולסי כדי להתיך את תיל המילוי ולאפשר לטיפה מותכת קטנה אחת ליפול עם כל פולס. הפולסים מאפשרים לזרם הממוצע להיות נמוך יותר, ובזכות כך קלט החום הכולל קטן וגודל אמבט הריתוך והאזור המושפע מחום קטנים גם הם. בזכות כך נוצרת האפשרות לרתך חומרי עבודה בעובי דק. מכיוון שלא מתרחש קצר חשמלי בתהליך, הפולס מספק קשת יציבה וללא התזות. עובדה זו הופכת את התהליך למתאים כמעט לכל המתכות, וניתן להשתמש גם בתיל אלקטרודה עבה יותר. אמבט הריתוך הקטן יותר מעניק לגרסה גמישות תפעולית רבה יותר, ומאפשר לרתך בכל תנוחות הריתוך המוכרות. בהשוואה לריתוך בקשת מתכת מתקצרת מוגנת בגז, לשיטה זו מהירות מקסימלית איטית במקצת (85 מילימטרים לשנייה) והתהליך גם דורש גז המגן המורכב בעיקר מארגון עם ריכוז פחמן דו-חמצני נמוך. בנוסף, הוא דורש מקור כוח מיוחד המסוגל לספק פולסי זרם בתדירות שבין 30 ל-400 פעימות לשנייה. עם זאת, השיטה צברה פופולריות, מכיוון שהיא דורשת קלט חום נמוך יותר וניתן להשתמש בה לריתוך חומרי עבודה דקים, כמו גם חומרים לא ברזליים.

השוואה לריתוך בקשת מתכת באלקטרודה לבובה

תהליכי ריתוך עם אלקטרודה לבובה, מגן עצמי או ריתוך תיל מוזן ללא גז מגן פותחו לצורך פשטות וניידות רבה. מנגד, מערכת גז קונבנציונלית של ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז מקשה ולפעמים אף מונעת ניידות. ריתוך בקשת מתכת באלקטרודה לבובה מבוצע בעזרת תיל עם ליבה חלולה המכיל תלחים מוצק. תלחים זה מתאדה במהלך הריתוך ומייצר פלומת גז מגן. אף על פי שמתואר כ"גז מגן", לתרכובת זו יש פעילות מועטה והיא פועלת בעיקר כמגן אינרטי. התיל בקוטר מעט גדול יותר בהשוואה לריתוך דומה המוגן בגז, כדי לאפשר מקום לתלחים בליבה. הקוטר הקטן ביותר הזמין הוא 0.8 מילימטרים, בהשוואה ל-0.6 מילימטרים עבור תיל מוצק. אדי המגן פעילים מעט, ולא אינרטיים, כך שהתהליך הוא תמיד תחת גז פעיל (MAG) ולא תחת מגן גז אינרטי (MIG). עקב כך, התהליך מוגבל לריתוך פלדה ולא מתאים לריתוך אלומיניום.

מכונות ללא גז מגן כדוגמת אלה פועלות כאלקטרודה טעונה באופן שלילי (DCEN) ולא כאלקטרודה טעונה באופן חיובי (DCEP), המשמשים בדרך כלל בתהליך הריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז עם תיל מוצק. זרם ישר עם אלקטרודה טעונה באופן חיובי הופך את תיל הריתוך לאנודה טעונה חיובית, שהיא הצד החם יותר של הקשת. בתנאי שניתן להחליף מזרם ישר עם אלקטרודה טעונה באופן שלילי (DCEN) לזרם ישר עם אלקטרודה טעונה באופן חיובי (DCEP), ניתן להשתמש גם במכונת הזנת תיל מוגנת בגז עבור תיל עם ליבת תלחים.

תיל עם ליבת תלחים נחשב כבעל יתרונות מסוימים לריתוך בתנאי חוץ, מכיוון שפלומת גז המגן פחות מושפעת מהרוח בהשוואה לגז מגן היוצא מפיה קונבנציונלית. חיסרון קל הוא שבדומה לריתוך באלקטרודה מצופה (סטיק), ייתכן שחלק מהגז מושקע מעל זחל הריתוך ומצריך תהליך ניקוי רב יותר בין המעברים.

מכונות ריתוך בקשת מתכת באלקטרודה לבובה הן הפופולריות ביותר לרמת חובבים, מכיוון שהמכונות פשוטות מעט יותר, אך בעיקר משום שהן חוסכות את עלות גז המגן, בין אם באמצעות מכל שכור ובין אם בעלות הגבוהה של מכלים חד פעמיים.

ראו גם
 ריתוך בקשת מתכת באלקטרודה לבובה

לקריאה נוספת
 נוימן יצחק, "ריתוך בשיטת MIG" - מאה, המחלקה לפיתוח פדגוגי טכנולוגי. משרד העבודה, הרווחה והשירותים החברתיים, האגף להכשרה מקצועית ולפיתוח כוח אדם, תחום פדגוגיה.

קישורים חיצוניים

ביאורים

הערות שוליים

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