Langkah-langkah utama dalam keberhasilan pengoperasian Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) meliputi: 1. Persiapan Elektroda 2. Backing-Up Plates dan Purging 3. Inisiasi Busur 4. Pemeliharaan Busur 5. Perbaikan Arus dengan Pengelasan AC 6. Teknik Pengelasan 7. Penghentian busur.
Langkah # 1. Persiapan Elektroda:
Mempersiapkan elektroda tungsten dengan benar sangat penting jika lasan yang kuat, bersih, dan berkualitas ingin dicapai. Simetri bentuk elektroda menentukan pola aliran gas dan akibatnya tingkat perlindungan yang diberikan pada logam cair di kolam las. Ketika arus terlalu rendah atau diameter elektroda terlalu besar, busur mengembara dari satu titik ke titik lainnya terutama saat DC EN digunakan.
Kondisi ini dapat, bagaimanapun, dikoreksi dengan menggiling elektroda ke suatu titik. Sudut ujung elektroda berhubungan dengan arus pengelasan dan ketebalan material yang akan dilas. Ini berkisar antara 30° hingga 120° tetapi sudut yang paling umum digunakan adalah 60°. Tingkat lancip juga mempengaruhi penetrasi las; semakin kecil sudut semakin dalam penetrasi dan semakin sempit manik.
Elektroda biasanya disiapkan untuk ujung yang digulung dengan diameter yang tidak boleh melebihi 1½ kali diameter ujung elektroda. Meskipun kadang-kadang balled end dibuat khusus pada elektroda dengan bentuk dan ukuran yang ditunjukkan pada Gambar. 9.5 dengan awalnya menghubungkan elektroda di sirkuit las dengan DCEP dan proses dihentikan ketika bola dengan ukuran yang diinginkan dihasilkan, tetapi dalam penggunaan sebenarnya ujung elektroda mengasumsikan bentuk tergantung pada jenis arus dan polaritas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9.6. Ujung setengah bola cair paling diinginkan untuk pengelasan.
Elektroda tungsten toriated tidak mudah membentuk bola dan oleh karena itu perlu diruncingkan terutama untuk pengelasan dengan arus rendah. Mereka juga memberikan inisiasi busur yang lebih andal dan stabilitas busur dengan arus pengelasan yang tinggi.
Penonjolan elektroda di luar nosel gas ditentukan oleh desain sambungan dan posisi pengelasan, misalnya, pada pengelasan bawah, elektroda dapat memanjang hingga 5 mm di luar nosel, las sudut lebih sulit ditangani dari sudut pandang akses sehingga perpanjangan hingga 6 mm mungkin diinginkan, sedangkan untuk las sudut perpanjangan antara 1,5 hingga 3 mm sudah cukup. Perpanjangan elektroda minimum di luar nosel tidak boleh kurang dari 1,5 mm jika tidak, nosel akan menjadi terlalu panas dan kemungkinan besar akan rusak parah.
Langkah # 2. Backing-Up Plate dan Purging:
Setelah obor GTAW dilengkapi dengan elektroda tungsten yang disiapkan dengan benar, tetapi sebelum memulai operasi pengelasan, penting untuk mengatur pekerjaan pembersihan dengan perlindungan yang memadai dari bagian belakang untuk menghindari efek buruk dari gas atmosfer.
Berbagai metode digunakan untuk memberikan dukungan yang memuaskan. Salah satu metode tersebut adalah penggunaan batang pendukung seperti batang karbon hitam yang biasa digunakan untuk tujuan yang sama dalam pengelasan oxy-acetylene. Metode pendukung kedua adalah pengenalan gas pelindung di bagian belakang.
Hal ini sangat cocok untuk pengelasan pipa meskipun dapat digunakan untuk pekerjaan seperti pelat dengan menyediakan perlengkapan pendukung dengan cadangan gas yang melewatinya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9.7. Penggunaan dukungan fluks adalah metode lain untuk melindungi bagian belakang lasan dari kontaminasi atmosfer. Dalam hal fluks disisipkan di sisi belakang itu diaktifkan, untuk menghasilkan gas pelindung, ketika suhu melampaui batas tertentu.
Untuk perlindungan lengkap bagian belakang las biasanya dibersihkan dengan aliran gas di bagian belakang dengan cara yang mirip dengan yang ditunjukkan pada Gambar. 9.7. Gas yang biasa digunakan untuk cadangan adalah gas lembam seperti argon, namun terkadang nitrogen dapat digunakan sebagai gas pembersih untuk pengelasan baja tahan karat. Hidrogen juga dapat digunakan di mana masalah ledakan dilindungi dan penyerapannya oleh logam dasar tidak menjadi masalah. Jika tidak memungkinkan untuk menyediakan perlengkapan pendukung untuk membersihkan atau melindungi gas maka metode alternatifnya adalah dengan menggunakan api oxy-hydrogen di bagian belakang. Ini menjaga bagian bawah aman dari atmosfer dan efek kontaminasinya.
Langkah # 3. Inisiasi Busur:
Reguler aliran elektron diperlukan untuk inisiasi busur terjadi. Emisi elektron dalam tungsten menjadi jenis termionik, sangat penting untuk menaikkan suhu ujung elektroda untuk memulai emisi elektron. Metode ‘sentuh dan tarik’ yang digunakan untuk inisiasi busur listrik pada las busur logam berpelindung tidak diragukan lagi dapat digunakan tetapi menghasilkan kontaminasi pada elektroda tungsten khususnya pada kasus arus pengelasan yang tinggi.
Hal ini menyebabkan penurunan titik leleh ujung elektroda yang dapat menyebabkan inklusi tungsten dalam logam las, konsumsi elektroda yang lebih tinggi, dan pembentukan busur yang tidak stabil, sehingga merupakan praktik yang tidak diinginkan.
Mengingat kendala ini, inisiasi busur di GTAW biasanya dilakukan dengan salah satu dari tiga metode berikut:
(i) Penggunaan blok karbon atau bahan skrap,
(ii) Pasokan tegangan tinggi frekuensi tinggi, dan
(iii) Busur pilot arus rendah.
Ini adalah praktik umum untuk memulai busur dengan metode sentuh dan gambar pada blok karbon. Busur mudah dibuat dan dipertahankan sebentar untuk menghangatkan elektroda tungsten untuk membentuk emisi termionik. Ini biasanya memakan waktu beberapa detik setelah busur dimulai dengan mudah di tempat di mana pengelasan akan dimulai pada benda kerja.
Metode sentuh dan tarik ini tidak selalu tanpa cacat karena Partikel karbon dapat menempel pada elektroda tungsten yang kemudian dapat dipindahkan ke benda kerja yang menyebabkan inklusi yang tidak diinginkan atau pengambilan karbon oleh logam las. Karbida tungsten juga memiliki titik leleh yang lebih rendah dan, oleh karena itu, menghasilkan peningkatan ukuran ujung bola cair.
Hal ini juga mengakibatkan pengembaraan busur dan peningkatan resistansi busur yang mengurangi kerapatan arus. Karena ini adalah kondisi yang tidak diinginkan, sering direkomendasikan untuk memulai busur pada potongan bahan kerja sampai pemanasan elektroda yang diperlukan tercapai dan kemudian busur dipindahkan ke tempat di mana pengelasan akan dimulai.
Tegangan tinggi arus frekuensi tinggi sering digunakan bersama dengan sumber daya AC untuk mencapai inisiasi busur mudah tanpa menyentuh elektroda ke benda kerja. Ketika arus tegangan tinggi frekuensi tinggi ditumpangkan di atas sirkuit pengelasan normal, ia dengan cepat mengionisasi celah udara antara ujung elektroda dan benda kerja sehingga memudahkan emisi elektron terjadi dari elektroda tungsten.
Frekuensi tinggi yang digunakan berkisar antara 100 KHz dan 2 MHz untuk tegangan 3000 sampai 5000 volt. Metode inisiasi busur ini sangat efisien dan bersih serta memberikan umur panjang pada elektroda tungsten. Setelah busur dimulai dan distabilkan, arus HFHV dimatikan dan rangkaian pengelasan normal mulai beroperasi. Gambar 9.3 menunjukkan rangkaian listrik untuk sistem inisiasi busur HFHV dan Gambar 9.8 menggambarkan bentuk gelombang dasar yang diperoleh dengan unit tersebut untuk memulai atau mempertahankan busur.
Sistem busur pilot arus rendah adalah metode inisiasi busur yang sangat andal yang dapat digunakan dengan sistem las dc. Busur pilot dibuat antara elektroda las tungsten dan elektroda lain (biasanya anoda) yang tergabung dalam nosel obor GTAW, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9.9. Busur pilot ditenagai oleh sumber daya tambahan kecil dan menyediakan kondisi untuk memulai busur las dengan cara yang mirip dengan busur pilot yang digunakan untuk menyalakan kompor gas. Busur pilot dapat dimulai dengan teknik gores atau dengan energi frekuensi tinggi.
Langkah #4. Pemeliharaan Busur:
Pemeliharaan busur yang stabil sangat penting untuk mendapatkan lasan yang konsisten dan berkualitas baik. Ini mungkin tidak banyak menjadi masalah dalam busur dc tetapi dalam pengelasan ac tegangan busur dan arus pengelasan mencapai nol besarnya setiap setengah siklus. Jadi, untuk catu listrik normal 50 Hz, busur padam 100 kali setiap detik yang dapat menyebabkan gangguan busur jika tindakan yang memadai tidak dilakukan untuk mempertahankan stabilitasnya.
Ini biasanya dilakukan dengan salah satu dari tiga metode berikut:
(i) Tegangan sirkuit terbuka tinggi dari trafo las,
(ii) Pembebanan tegangan tinggi frekuensi tinggi pada rangkaian las utama, dan
(iii) Injeksi lonjakan tegangan tinggi.
Dengan metode pertama, sebuah transformator dirancang sedemikian rupa untuk memberikan OCV yang cukup tinggi dan inersia listrik yang rendah untuk membantu menyalakan kembali busur segera setelah jeda nol arus. Selama setengah siklus positif elektroda menjadi lebih panas sehingga tidak perlu OCV tinggi pada setengah siklus negatif karena busur menyala kembali segera pada perubahan dari setengah siklus positif ke negatif tetapi pada perubahan setengah siklus negatif ke positif elektroda lebih dingin dan karenanya ada penundaan penyalaan kembali yang menghasilkan jeda nol saat ini dan fenomena ini dikenal sebagai penyearah sebagian.
Selama jeda nol saat ini ada lonjakan tegangan untuk menyalakan kembali busur seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9.10. Dengan demikian, busur menyala kembali dengan memuaskan ketika OCV cukup tinggi; ini menghasilkan busur yang terpelihara dengan baik. Metode pemeliharaan busur las ini juga disebut sebagai penyalaan ulang sendiri.
Self-re-ignition meskipun sederhana memiliki kekurangannya sendiri karena OCV cenderung tinggi, yang biasanya mendekati 100 volt dan menyebabkan faktor daya rendah (yaitu, V arc / OCV). Untuk keandalan yang lebih besar, self-ignition sering dilengkapi dengan menyediakan unit percikan frekuensi tinggi yang dioperasikan dari OCV dan menjadi tidak beroperasi ketika tegangan turun ke tegangan operasi busur normal. Mematikan ini juga membatasi durasi interferensi radio.
Ketika unit HFHV tergabung dalam sirkuit las untuk penggunaan terus menerus, tidak hanya dapat digunakan untuk inisiasi busur tetapi juga untuk pemeliharaan busur. Untuk menyelesaikan penyalaan ulang, percikan api dilepaskan melintasi celah busur dan yang menyediakan jalur terionisasi untuk aliran arus di sirkuit pengelasan utama. Tegangan sirkuit terbuka sedikit lebih rendah diperlukan dengan unit frekuensi tinggi dan itu mengarah pada peningkatan faktor daya yang sesuai.
Unit percikan frekuensi tinggi terdiri dari kapasitor yang diisi oleh transformator tegangan tinggi yang dikeluarkan melalui celah percikan. Dioperasikan sedemikian rupa sehingga rentetan bunga api dihasilkan ketika tegangan catu daya las melebihi tegangan rusaknya celah percikan dan diatur untuk terjadi selama periode ketika arus pengelasan melewati jeda arus nol (lihat Gambar 9.8). Biasanya mencakup dua pertiga dari setiap setengah siklus. Karena sifat siklik dari operasinya, ia tidak dapat memberikan penyalaan kembali busur seketika sehingga menghasilkan perbaikan sebagian.
Metode ketiga penyalaan kembali busur melibatkan penyuntikan lonjakan tegangan ke sirkuit daya untuk memasok tegangan puncak yang diperlukan untuk penyalaan kembali. Ini dicapai dengan melepaskan kapasitor melalui sakelar yang dioperasikan oleh rangkaian daya pada saat yang diinginkan. Jika busur padam pada akhir setengah siklus negatif, puncak penyalaan kembali tegangan mulai berkembang dan itu menyalakan katup pelepasan gas yang pada gilirannya melepaskan kapasitor untuk menyalakan kembali busur. Penyalaan ulang dalam hal ini terjadi seketika dan dengan demikian menghilangkan kemungkinan perbaikan parsial yang ditemui dalam metode HFHV.
Karena transformator tidak harus memasok OCV puncak maka faktor daya sistem dapat ditingkatkan dengan menggunakan transformator OCV rendah. Infact pengapian ulang dapat dilakukan dengan 50 volt rms; sehingga juga dapat meningkatkan keselamatan operasional. Sistem bekerja sebentar dan secara otomatis dimatikan setelah busur dinyalakan kembali.
Lonjakan tegangan waktunya hanya dapat mempertahankan busur, tidak dapat memulainya dari dingin atau selalu setelah kepunahan sesaat. Diagram sirkuit untuk injektor lonjakan dan aksinya digambarkan pada Gambar 9.11.
Langkah #5. Perbaikan Arus dengan Pengelasan AC:
Setelah busur stabil dibuat dengan ac di GTAW, elektroda tungsten akan dipanaskan ke suhu yang jauh lebih tinggi daripada suhu logam yang dilas. Ini menghasilkan perbedaan kemampuan elektroda dan benda kerja untuk memancarkan elektron; elektroda yang lebih panas memancarkan elektron jauh lebih mudah daripada benda kerja. Hal ini mengakibatkan perbedaan hambatan aliran arus yang cenderung menghasilkan arus bolak-balik yang tidak seimbang ditunjukkan pada Gambar 9.12.
Karena tegangan yang lebih tinggi diperlukan ketika elektroda positif, ini menghasilkan aliran arus yang lebih rendah yang menyebabkan perbaikan sebagian. Perbaikan sebagian ini juga dikenal sebagai perbaikan bawaan dan menghasilkan d. c komponen arus yang cenderung menjenuhkan transformator yang mengakibatkan penurunan daya sebesar 30%. Situasi ini semakin ditekankan karena jeda nol saat ini ketika terjadi.
Efek merugikan dari perbaikan bawaan dapat dikoreksi dengan memasukkan kumpulan kapasitor elektrolitik reversibel yang dapat menghasilkan hingga 100 pF/A dalam rangkaian daya, seperti ditunjukkan pada Gambar 9.13. Ini menghasilkan muatan yang tersisa pada kapasitor ini ketika elektroda negatif yang membuat lebih banyak arus mengalir ketika elektroda positif.
Namun, peran bank kapasitor ini dibalik pada saat inisiasi busur ketika busur gagal selama siklus arus negatif. Dengan demikian, ini menghasilkan rektifikasi terbalik yang meninggalkan muatan polaritas terbalik dengan muatan yang dimasukkan ke dalam rangkaian. Oleh karena itu, menentang inisiasi busur. Untuk mencegah hal ini, kapasitor penekan dimatikan selama periode inisiasi busur.
Ketika ac frekuensi tinggi digunakan mudah untuk memulai busur GTAW dan jika unit HF digunakan secara teratur maka perawatan busur juga tidak ada masalah. Dalam kasus seperti itu trafo las dirancang sedemikian rupa untuk menjaga elektroda tungsten tetap dingin dan memberikan keseimbangan panas yang diperlukan dengan memodifikasi setengah siklus positif dan negatif untuk memberikan hasil yang diinginkan. Untuk tujuan ini, setengah siklus positif ke negatif dapat memiliki rasio setinggi 1:20, dan dapat berupa konfigurasi yang diinginkan, seperti ditunjukkan pada Gambar 9.14.
Langkah #6. Teknik Pengelasan:
Mode operasi manual dan mekanis digunakan untuk GTAW. Untuk pengelasan manual, setelah busur dimulai, obor las dipegang pada sudut 70° sampai 80° pada posisi pengelasan forehand. Untuk GTAW mekanis, obor las umumnya dipegang tegak lurus terhadap benda kerja.
Untuk memulai pengelasan manual, busur digerakkan dalam lingkaran kecil untuk membuat kolam las dengan ukuran yang sesuai. Setelah kolam las dengan ukuran yang diinginkan ditetapkan pada titik awal, las dibuat dengan menggerakkan obor di sepanjang sambungan las pada kecepatan las yang diinginkan. Pemadatan logam cair memberikan bentuk manik las yang diinginkan dan las tercapai.
Penambahan atau ketiadaan logam pengisi pada GTAW tergantung pada ketebalan benda kerja dan desain sambungan. Ketika logam pengisi diperlukan untuk ditambahkan selama pengelasan manual, hal itu dilakukan dengan memasukkan batang pengisi secara manual di ujung depan kolam las.
Obor las dan batang pengisi digerakkan dengan mulus di sepanjang tepi sambungan untuk mempertahankan kolam las dengan ukuran yang konsisten. Pastikan bahwa selimut gas pelindung dipertahankan di atas logam cair sampai menjadi padat dan ujung batang pengisi yang panas juga dipertahankan di dalam selubung gas pelindung untuk menghindari kemungkinan oksidasi.
Berbagai metode pengumpanan bahan pengisi ke kolam las diadopsi. Yang paling direkomendasikan untuk bahan tipis adalah batang pengisi ditahan pada 15° ke permukaan benda kerja di depan obor dan ditambahkan berulang kali ke kolam las, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.15. Dalam metode kedua, kawat pengisi ditahan pada benda kerja di sepanjang lapisan las dan dilebur bersama tepi sambungan. Untuk lasan besar, kawat pengisi dimasukkan terus menerus ke dalam kolam las; obor dan kabel pengisi terombang-ambing tetapi berlawanan arah. Dalam GTAW otomatis, kawat pengisi diumpankan secara mekanis melalui pemandu ke dalam kolam las dengan laju yang seragam.
Dari sudut pandang penetrasi yang baik, penguatan yang tepat, kualitas las dan ekonomis, pengelasan downhand atau flat paling cocok untuk GTAW. Namun, penetrasi yang baik juga dapat dicapai pada pengelasan vertikal ke atas. Obor GTAW biasanya dipegang dengan sudut 75° terhadap benda kerja dalam posisi forehand welding baik untuk downhand maupun vertical up welding. Pengelasan vertikal ke bawah biasanya tidak memuaskan; logam dapat terkulai, dan kurangnya penetrasi sering terjadi.
GTAW mekanis sering digunakan dan seringkali sambungannya dirancang sedemikian rupa untuk menghilangkan kebutuhan akan kawat pengisi. Namun, bila diperlukan kawat anakan dengan ukuran yang dibutuhkan dimasukkan ke dalam kolam las dari spul. Unit mekanik sering menggunakan perangkat kontrol panjang busur, yang obor GTAW dijepit pada aktuator linier dan pergerakan obor sepanjang itu didasarkan pada umpan balik yang diperoleh dalam hal perubahan tegangan busur.
Perangkat ini sangat berguna untuk menjaga panjang busur konsisten dan dengan demikian dapat dengan mudah menghilangkan variasi dalam geometri las karena variasi kecil dalam kontur benda kerja. Namun, itu juga digunakan dalam GTAW otomatis dari jalur pipa di mana secara otomatis menyesuaikan panjang busur dengan menggeser posisi obor setiap kali putaran selesai dalam las melingkar multi-lintasan. Hal ini memastikan bahwa tegangan busur dan arus pengelasan akan tetap konsisten dengan konsekuensi konsistensi kualitas las.
Langkah # 7. Menghentikan Arc:
Busur harus dipadamkan pada akhir proses las dan ini perlu dilakukan secara bertahap daripada tiba-tiba. Penghentian pengelasan secara tiba-tiba dapat menyebabkan cacat seperti pipa tengah dan retakan kaki. Cacat ini dapat menyebabkan kebocoran pada sambungan terutama yang dimaksudkan untuk digunakan dalam ruang hampa atau di bawah tekanan.
Oleh karena itu, metode normal untuk menghentikan busur adalah dengan mengurangi kecepatan pengelasan dan menarik obor secara bertahap sampai kawah terisi penuh. Dalam pengelasan dc juga busur dipadamkan dengan memperpanjangnya yang menyebabkan peningkatan tegangan dan pengurangan arus dengan cara yang bergantung pada karakteristik volt-ampere dari sumber daya pengelasan.
Dalam pengelasan mekanis, kawah ujung berkurang dengan meningkatkan kecepatan pengelasan sebelum dimatikan. Pipa kawah juga dapat dihilangkan dengan mengurangi arus secara bertahap sebelum berhenti dengan menggunakan alat yang disebut pengisi kawah.
Dalam semua kasus ini, rangkaian las dirancang sedemikian rupa untuk menyalakan gas pelindung sebelum aliran arus dimulai pada rangkaian las dan pada saat obor dimatikan, aliran arus berhenti dengan segera tetapi aliran gas pelindung dipertahankan selama beberapa detik lagi untuk memastikan perlindungan logam las pemadatan panas. Ini dicapai dengan menyediakan katup solenoid di sirkuit.
