غاز واقٍ

تُستخدم غازات الحماية، وهي غازات خاملة أو شبه خاملة، بشكل شائع في العديد من عمليات اللحام، وأبرزها لحام القوس المعدني بالغاز ولحام القوس التنغستني بالغاز (GMAW وGTAW، والمعروفان اختصارًا بـ MIG (الغاز الخامل المعدني) وTIG (الغاز الخامل التنغستني)، على التوالي). وتتمثل وظيفتها في حماية منطقة اللحام من الأكسجين وبخار الماء . وبحسب نوع المواد المراد لحامها، قد تُقلل هذه الغازات الجوية من جودة اللحام أو تُصعّب عملية اللحام. وتستخدم عمليات لحام القوس الأخرى طرقًا بديلة لحماية اللحام من الغلاف الجوي أيضًا؛ فمثلاً، يستخدم لحام القوس المعدني المحمي قطبًا كهربائيًا مغطى بمادة صهر تُنتج ثاني أكسيد الكربون عند استهلاكها، وهو غاز شبه خامل يُعد غاز حماية مناسبًا للحام الفولاذ.

قد يؤدي الاختيار غير المناسب لغاز اللحام إلى لحام مسامي وضعيف، أو إلى تناثر مفرط؛ وهذا الأخير، على الرغم من أنه لا يؤثر على اللحام نفسه، إلا أنه يتسبب في فقدان الإنتاجية بسبب العمل اللازم لإزالة القطرات المتناثرة.

في حال استخدامها بإهمال، يمكن أن تحل الغازات الواقية محل الأكسجين، مما يسبب نقص الأكسجة وربما الموت. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تنقسم غازات الحماية إلى فئتين: خاملة وشبه خاملة. اثنان فقط من الغازات النبيلة ، وهما الهيليوم والأرجون ، يُعتبران اقتصاديين بما يكفي لاستخدامهما في اللحام. تُستخدم هذه الغازات الخاملة في لحام القوس الكهربائي بالتنغستن ، وكذلك في لحام القوس المعدني بالغاز للحام المعادن غير الحديدية . أما غازات الحماية شبه الخاملة، أو غازات الحماية النشطة، فتشمل ثاني أكسيد الكربون والأكسجين والنيتروجين والهيدروجين . تُستخدم هذه الغازات النشطة مع لحام القوس المعدني بالغاز على المعادن الحديدية . معظم هذه الغازات، بكميات كبيرة، قد تُلحق الضرر باللحام، ولكن عند استخدامها بكميات صغيرة ومُتحكم بها، يُمكنها تحسين خصائص اللحام.

تتمثل الخصائص المهمة لغازات الحماية في موصليتها الحرارية وخصائص نقل الحرارة، وكثافتها بالنسبة للهواء، وسهولة تأينها. فالغازات الأثقل من الهواء (مثل الأرجون) تغطي منطقة اللحام وتتطلب معدلات تدفق أقل من الغازات الأخف من الهواء (مثل الهيليوم). يُعد نقل الحرارة مهمًا لتسخين منطقة اللحام حول القوس الكهربائي. وتؤثر قابلية التأين على سهولة بدء القوس الكهربائي، وعلى الجهد العالي المطلوب. يمكن استخدام غازات الحماية نقية، أو كمزيج من غازين أو ثلاثة. ^{[ 3 ] [ 4 ]} في لحام الليزر، يؤدي غاز الحماية دورًا إضافيًا، وهو منع تكوّن سحابة من البلازما فوق منطقة اللحام، حيث يمتص جزءًا كبيرًا من طاقة الليزر. وهذا مهم بالنسبة لليزر _ثاني أكسيد الكربون ؛ إذ تُظهر ليزرات Nd:YAG ميلًا أقل لتكوين مثل هذه البلازما. ويؤدي الهيليوم هذا الدور على أفضل وجه نظرًا لقدرته العالية على التأين؛ إذ يمكن للغاز امتصاص كمية كبيرة من الطاقة قبل أن يتأين.

يُعد الأرجون أكثر غازات الحماية شيوعاً، ويُستخدم على نطاق واسع كأساس لخلطات الغاز الأكثر تخصصاً. ^{[ 5 ]}

يُعدّ ثاني أكسيد الكربون أقل غازات الحماية تكلفةً، ويُوفّر اختراقًا عميقًا، إلا أنه يُؤثّر سلبًا على استقرار القوس الكهربائي ويُعزّز ميل المعدن المنصهر إلى تكوين قطرات (تناثر). ^{[ 6 ]} يُستخدم ثاني أكسيد الكربون بتركيز 1-2% عادةً في مزيج مع الأرجون لتقليل التوتر السطحي للمعدن المنصهر. ومن الخلطات الشائعة الأخرى 25% ثاني أكسيد الكربون و75% أرجون في لحام القوس المعدني بالغاز (GMAW). ^{[ 7 ]}

الهيليوم أخف من الهواء، لذا يتطلب معدلات تدفق أعلى. وهو غاز خامل لا يتفاعل مع المعادن المنصهرة، ويتميز بموصلية حرارية عالية. يصعب تأينه، مما يستلزم جهدًا كهربائيًا أعلى لبدء القوس الكهربائي. وبفضل جهد تأينه العالي، ينتج قوسًا كهربائيًا أكثر سخونة عند الجهد العالي، ويُوفر خرزة لحام عريضة وعميقة، ما يُعد ميزةً لسبائك الألومنيوم والمغنيسيوم والنحاس. غالبًا ما تُضاف غازات أخرى. يمكن استخدام مزيج من الهيليوم مع إضافة 5-10% من الأرجون و2-5% من ثاني أكسيد الكربون ("المزيج الثلاثي") في لحام الفولاذ المقاوم للصدأ. كما يُستخدم أيضًا للألومنيوم والمعادن غير الحديدية الأخرى، خاصةً في اللحامات السميكة. بالمقارنة مع الأرجون، يُوفر الهيليوم قوسًا كهربائيًا أغنى بالطاقة ولكنه أقل استقرارًا. كان الهيليوم وثاني أكسيد الكربون أول غازات واقية استُخدمت منذ بداية الحرب العالمية الثانية. ويُستخدم الهيليوم كغاز واقٍ في لحام الليزر باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون . ^{[ ٨ ]} يُعدّ الهيليوم أغلى ثمناً من الأرجون ويتطلب معدلات تدفق أعلى، لذا فرغم مزاياه، قد لا يكون خياراً مُجدياً اقتصادياً للإنتاج بكميات كبيرة. ^{[ ٩ ]} لا يُستخدم الهيليوم النقي في لحام الفولاذ، لأنه يُسبب قوساً كهربائياً غير منتظم ويُشجع على تناثر الشرر.

يُستخدم الأكسجين بكميات صغيرة كمُضاف إلى الغازات الأخرى، عادةً بنسبة 2-5% إلى الأرجون. يُحسّن الأكسجين استقرار القوس الكهربائي ويُقلل التوتر السطحي للمعدن المنصهر، مما يزيد من ترطيب المعدن الصلب. يُستخدم في لحام نقل الرش للفولاذ الكربوني الخفيف ، والفولاذ منخفض السبائك ، والفولاذ المقاوم للصدأ . يزيد وجوده من كمية الخبث. غالبًا ما يتم استبدال مخاليط الأرجون والأكسجين ( Ar-O₂ ₎ بمخاليط الأرجون وثاني أكسيد الكربون. كما تُستخدم أيضًا مخاليط الأرجون وثاني أكسيد الكربون والأكسجين. يُسبب الأكسجين أكسدة اللحام، لذا فهو غير مناسب للحام الألومنيوم والمغنيسيوم والنحاس وبعض المعادن النادرة. يؤدي ازدياد الأكسجين إلى أكسدة القطب الكهربائي بواسطة غاز الحماية، مما قد يُسبب مسامية في الطبقة المُرسبة إذا لم يحتوي القطب على كمية كافية من مُزيلات الأكسدة . قد يؤدي الإفراط في استخدام الأكسجين، خاصةً عند استخدامه في تطبيقات غير مُوصى بها، إلى هشاشة في المنطقة المُتأثرة بالحرارة. تُستخدم مخاليط الأرجون والأكسجين بنسبة 1-2% من الأكسجين للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي حيث لا يمكن استخدام الأرجون وثاني أكسيد الكربون _بسبب انخفاض محتوى الكربون المطلوب في اللحام؛ يحتوي اللحام على طبقة أكسيد متينة وقد يتطلب التنظيف.

يُستخدم الهيدروجين في لحام النيكل وبعض أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ، وخاصة القطع السميكة. فهو يُحسّن سيولة المعدن المنصهر، ويعزز نظافة السطح. يُضاف الهيدروجين إلى الأرجون بنسب تقل عادةً عن 10%. كما يُمكن إضافته إلى مزيج الأرجون وثاني أكسيد الكربون لموازنة تأثيرات الأكسدة الناتجة عن ثاني أكسيد الكربون. تُؤدي إضافته إلى تضييق القوس الكهربائي وزيادة درجة حرارته، مما يُحسّن اختراق اللحام. عند تركيزات أعلى (تصل إلى 25% هيدروجين)، يُمكن استخدامه في لحام المواد الموصلة مثل النحاس. مع ذلك، لا يُنصح باستخدامه مع الفولاذ أو الألومنيوم أو المغنيسيوم لأنه قد يُسبب المسامية وهشاشة الهيدروجين ؛ وعادةً ما يقتصر استخدامه على بعض أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ.

تساهم إضافة أكسيد النيتريك في تقليل إنتاج الأوزون . كما أنها تساعد على تثبيت القوس الكهربائي عند لحام الألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ عالي السبائك.

يمكن استخدام غازات أخرى لتطبيقات خاصة، نقية أو كمضافات مخلوطة؛ على سبيل المثال سداسي فلوريد الكبريت أو ثنائي كلورو ثنائي فلورو الميثان . ^{[ 10 ]}

يمكن إضافة سداسي فلوريد الكبريت إلى غاز الحماية المستخدم في لحام الألومنيوم لربط الهيدروجين في منطقة اللحام لتقليل مسامية اللحام. ^{[ 11 ]}

يمكن استخدام ثنائي كلورو ثنائي فلورو الميثان مع الأرجون كجو واقٍ لصهر سبائك الألومنيوم والليثيوم. ^{[ 12 ]} فهو يقلل من محتوى الهيدروجين في لحام الألومنيوم، مما يمنع المسامية المصاحبة له. ومع ذلك، فإن استخدام هذا الغاز يتناقص نظرًا لقدرته العالية على استنفاد طبقة الأوزون .

تُحدّ من استخدامات غازات الحماية تكلفة الغاز والمعدات وموقع اللحام. فبعض غازات الحماية، كالأرجون، باهظة الثمن، مما يحدّ من استخدامها. كما تُشكّل معدات توصيل الغاز تكلفة إضافية، ولذلك قد تُفضّل في بعض الحالات عمليات أخرى، مثل لحام القوس المعدني المحمي، التي تتطلب معدات أقل تكلفة. وأخيرًا، نظرًا لأن حركة الهواء قد تُؤدي إلى تشتت غاز الحماية حول منطقة اللحام، فإن عمليات اللحام التي تتطلب غازات الحماية غالبًا ما تُجرى في أماكن مغلقة، حيث يكون الجو مستقرًا ويمكن منع دخول غازات الغلاف الجوي إلى منطقة اللحام بفعالية.

يعتمد معدل تدفق الغاز الأمثل بشكل أساسي على هندسة اللحام، والسرعة، والتيار، ونوع الغاز، ونمط نقل المعدن المستخدم. يتطلب لحام الأسطح المستوية تدفقًا أعلى من لحام المواد المحززة، نظرًا لتشتت الغاز بسرعة أكبر. وبشكل عام، تعني سرعات اللحام الأعلى الحاجة إلى كمية أكبر من الغاز لتوفير تغطية كافية. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب التيار الأعلى تدفقًا أكبر، وعمومًا، يلزم استخدام كمية أكبر من الهيليوم لتوفير تغطية كافية مقارنةً بالأرجون. ولعل الأهم من ذلك، أن الأنواع الأربعة الرئيسية من لحام القوس المعدني بالغاز (GMAW) لها متطلبات تدفق غاز حماية مختلفة؛ فبالنسبة لأحواض اللحام الصغيرة في نمطي الدائرة القصيرة والرش النبضي، يُعد حوالي 10 لتر /دقيقة (20 قدم ^مكعب / ساعة ) مناسبًا بشكل عام، بينما يُفضل حوالي 15 لتر/دقيقة (30 قدم ^مكعب /ساعة) لنقل الغاز الكروي. ويتطلب نمط نقل الغاز بالرش عادةً كمية أكبر نظرًا لارتفاع مدخلات الحرارة وبالتالي كبر حوض اللحام؛ حوالي 20-25 لتر/دقيقة (40-50 قدم ^مكعب /ساعة). ^{[ 16 ]}      

• غاز التشكيل

• دليل الغازات الواقية