لحام قوسي بالمعدن والغاز
غاز التدريع

تعتبر غازات التدريع ضرورية في اللحام بالقوس المعدني الغازي لحماية منطقة اللحام من الغازات الجوية مثل النيتروجين والأكسجين، والتي يمكن أن تسبب عيوب الاندماج والمسامية وتقصف معدن اللحام إذا لامست القطب أو القوس أو معدن اللحام. هذه المشكلة شائعة في جميع عمليات اللحام القوسي؛ على سبيل المثال، في عملية اللحام بالقوس المعدني المحمي القديم (SMAW)، يتم طلاء القطب الكهربائي بتدفق صلب يطور سحابة واقية من ثاني أكسيد الكربون عند صهره بواسطة القوس. أما في عملية اللحام بالقوس الكهربائي GMAW، لا يحتوي سلك القطب الكهربائي على طلاء تدفق، ويتم استخدام غاز تدريع منفصل لحماية اللحام. هذا يزيل الخبث، وهي البقايا الصلبة من التدفق التي تتراكم بعد اللحام ويجب أن يتم تقطيعها للكشف عن اللحام المكتمل.
يعتمد اختيار غاز التدريع على عدة عوامل، أهمها نوع المادة التي يتم لحامها وتنوع العملية المستخدمة. لا تُستخدم الغازات الخاملة النقية مثل الأرغون والهيليوم إلا في اللحام غير الحديدي؛ فمع الفولاذ لا توفر اختراقًا كافيًا للحام (الأرغون) أو تسبب قوسًا غير منتظم وتشجع على الترشيش (مع الهيليوم). ومن ناحية أخرى، يسمح ثاني أكسيد الكربون النقي باللحامات ذات الاختراق العميق ولكنه يشجع على تكوين الأكسيد، مما يؤثر سلبًا على الخواص الميكانيكية للحام. وتكلفته المنخفضة تجعله خيارًا جذابًا، ولكن بسبب تفاعلية بلازما القوس، لا يمكن تجنب الترشيش، كما أن لحام المواد الرقيقة أمر صعب. ونتيجة لذلك، غالبًا ما يتم خلط الأرغون وثاني أكسيد الكربون في خليط بنسبة 75%/25% إلى 90%/10%. وبوجه عام، في لحام GMAW قصير الدائرة، يزيد محتوى ثاني أكسيد الكربون الأعلى من حرارة اللحام والطاقة عندما تكون جميع معلمات اللحام الأخرى (الفولت والتيار ونوع القطب الكهربائي وقطره) كما هي. وكلما زاد محتوى ثاني أكسيد الكربون عن 20%، تصبح عملية اللحام بالرش GMAW ذات نقل الرذاذ مشكلة متزايدة، خاصة مع أقطار الأقطاب الكهربائية الأصغر.
كما يتم خلط الأرغون عادةً مع غازات أخرى، الأكسجين والهيليوم والهيدروجين والنيتروجين. يمكن أن تكون إضافة ما يصل إلى 5% من الأكسجين (مثل التركيزات الأعلى من ثاني أكسيد الكربون المذكورة أعلاه) مفيدة في لحام الفولاذ المقاوم للصدأ، ومع ذلك، في معظم التطبيقات، يُفضل استخدام ثاني أكسيد الكربون.[23] زيادة الأكسجين تجعل غاز التدريع يؤكسد القطب، مما قد يؤدي إلى مسامية في الترسبات إذا لم يحتوي القطب على مزيلات أكسدة كافية. يمكن أن يؤدي الأكسجين الزائد، خاصةً عند استخدامه في التطبيقات غير الموصوفة له، إلى هشاشة في المنطقة المتأثرة بالحرارة. مخاليط الأرغون والهيليوم خاملة للغاية، ويمكن استخدامها على المواد غير الحديدية. يزيد تركيز الهيليوم بنسبة 50-75% من الجهد المطلوب ويزيد من الحرارة في القوس، بسبب ارتفاع درجة حرارة تأين الهيليوم. يُضاف الهيدروجين أحيانًا إلى الأرغون بتركيزات صغيرة (حتى 5% تقريبًا) للحام النيكل وقطع العمل السميكة من الفولاذ المقاوم للصدأ. وفي التركيزات الأعلى (حتى 25% هيدروجين)، يمكن استخدامه في لحام المواد الموصلة مثل النحاس. ومع ذلك، لا ينبغي استخدامه على الفولاذ أو الألومنيوم أو المغنيسيوم لأنه يمكن أن يسبب مسامية وتقصف هيدروجيني.
تتوفر أيضًا مخاليط غازات التدريع المكونة من ثلاثة غازات أو أكثر. يتم تسويق مخاليط من الأرغون وثاني أكسيد الكربون والأكسجين للحام الفولاذ. وتضيف خلائط أخرى كمية صغيرة من الهيليوم إلى تركيبات الأرغون والأكسجين. ويُزعم أن هذه الخلائط تسمح بجهد قوسي أعلى وسرعة لحام أعلى. كما يُستخدم الهيليوم أحياناً كغاز أساسي، مع إضافة كميات صغيرة من الأرغون وثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، نظرًا لأنه أقل كثافة من الهواء، فإن الهيليوم أقل فعالية في حماية اللحام من الأرغون - وهو أكثر كثافة من الهواء. ويمكن أن يؤدي أيضًا إلى مشاكل في ثبات القوس واختراقه، وزيادة الترشيش، بسبب بلازما القوس الأكثر نشاطًا. كما أن الهيليوم أغلى بكثير من غازات التدريع الأخرى. وتزعم خلائط غازات أخرى متخصصة وغالبًا ما تكون مملوكة ملكية خاصة فوائد أكبر لتطبيقات محددة.
وعلى الرغم من كونه سامًا، إلا أنه يمكن استخدام كميات ضئيلة من أحادي أكسيد النيتروجين لمنع تكوّن الأوزون الأكثر إزعاجًا في القوس الكهربائي.
يعتمد المعدل المرغوب لتدفق غاز التدريع في المقام الأول على هندسة اللحام والسرعة والتيار ونوع الغاز ووضع نقل المعدن. يتطلب لحام الأسطح المسطحة تدفقًا أعلى من لحام المواد المحزوزة، لأن الغاز يتشتت بسرعة أكبر. تعني سرعات اللحام الأسرع، بشكل عام، أنه يجب توفير المزيد من الغاز لتوفير تغطية كافية. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب التيار الأعلى تدفقًا أكبر، وعمومًا، يلزم توفير المزيد من الهيليوم لتوفير تغطية كافية أكثر مما لو تم استخدام الأرغون. ولعل الأهم من ذلك هو أن الاختلافات الأربعة الأساسية في GMAW لها متطلبات مختلفة لتدفق غاز التدريع - بالنسبة لأحواض اللحام الصغيرة في أوضاع الرش القصير والرش النبضي فإن حوالي 10 لتر/الدقيقة (20 قدم3/ساعة) مناسبة بشكل عام، بينما يفضل حوالي 15 لتر/الدقيقة (30 قدم3/ساعة) للنقل الكروي. عادةً ما يتطلب اختلاف نقل الرذاذ عادةً المزيد من تدفق غاز التدريع بسبب ارتفاع مدخلات الحرارة وبالتالي حوض اللحام الأكبر. وتبلغ كميات تدفق الغاز النموذجية حوالي 20-25 لتر/دقيقة (40-50 قدم3/ساعة).