آشنایی با برشکاری پلاسما و چگونگی انجام آن

 خدمات برش پلاسما یکی از اموری است که در هنگام کار باید با دقت بالایی انجام شود. در زمان برشکاری باید برخی از فرایندهای ساخت را در نظر داشت تا فلزات به یک اندازه برش داده شوند و لبه‏ ها‎ی قطعات را شکل داده و پخ زده و آنها را برای جوشکاری آماده نمود. رویه برداری یکی از عملیاتی که در زمان برشکاری صورت می‎گیرد در این روش بدون آنکه نیازی به برشکاری کامل آن باشد، لایه ای از فلز را برداشته و شیاری در آن ایجاد می‎شود. رویه برداری برای برداشتن بخش معیوب فلز استفاده می شود تا از این طریق بتوان آن را دوباره جوشکاری نمود

برشکاری با گاز چیست؟

در برشکاری با گاز، فلز را گداخته و سرخ می‎شود و سپس جریان پر فشار اکسیژن را به آن تابیده می‎شود. برای انجام این کار، باید از سوختهایی استفاده کرد که دمایی کمتر از استیلن تولید می کنند. در جدول زیر می‎توان دمای تقریبی شعله‏ها‎ی مختلف را مشاهده نمود.

نقش اکسیژن در برشکاری

اکسیژن گازی بی رنگ، بی بو و بی طعم که برشکاری آن را داخل کپسول‏ها‎ی فولادی آبی رنگ ذخیره می کنند. پایه کپسول‎های اکسیژن را به صورت چهار گوش می سازند و روی آنها کلاهکی قرار می‎دهند تا از آلوده شدن دهانه خروجی اکسیژن محافظت نماید. نکته ای که باید به آن متذکر شد، اینکه هیچگاه کلاهک کپسول اکسیژن را جز در مواقع مصرف گاز باز نکنید.

نقش گاز استیلن در برشکاری

استیلن یک گاز بی رنگ که بویی شبیه به سیر گندیده دارد و در نتیجه تماس کاربید با آب در دستگاهی به نام مولد استیلن تولید می گردد. کپسول‏ها‎ی استیلن به شکل استوانه تو خالی بوده که جنس آنها از فولاد می‎باشد و در  آنها از ماده ای اسفنجی مانند چوب پنبه هندی یا مواد متخلخل دیگر پر شده است. هنگام کار با کپسول‏ها‎ی گاز باید نکات ایمنی رعایت شود.

جداره خارجی کپسول‏ها‎ را برای شناختن گاز داخل آنها به رنگ‏ها‎ی گوناگون رنگ آمیزی می نمایند. در ایران رنگ کپسول استیلن ارغوانی، رنگ کپسول اکسیژن آبی و رنگ کپسول‏ها‎ی هیدروژن و گاز زغال قرمز می‎باشد. پیچ اتصال کپسول‏ها‎ی گاز سوختنی چپ گرد و پیچ اتصال کپسولهای گازی، راست گرد است تا در زمان نصب دستگاه تنظیم فشار (رگلاتور) روی کپسولها اشتباهی صورت نگیرد.

انواع روش‏ها‎ی برشکاری

ویژگی‏ها‎ی ماشین‏ها‎ی فرز و تراش CNC

 قابلیت برش و حکاکی مواد فلزی و غیر فلزی

قابلیت حکاکی سه بعدی

هزینه مقرون به صرفه

 هزینه پایین نگهداری

با کاربردهای بسیار متنوع

دستگاه‏ فرزکاری CNC 

دستگاه ‏ها‎ی فرزکاری CNC، کار برش و سطح برداری یا حکاکی توسط تیغه‏ها‎ی دواری را بر عهده دارد. کنترل این دستگاه ‏ها‎ بوسیله کامپیوتر و طرح برش یا حکاکی در یک فایل کامپیوتری به دستگاه صورت می‎‎گیرد. دستگاه‏ ها‎ی فرزکاری CNC می‎توانند برای کارهای مختلف و مواد مختلف، از تیغه‏ ها‎ی دوار متفاوتی استفاده نمایند. همچنین می‎‎توانند بر روی طیف وسیعی از مواد، اعم از فلزی یا غیر فلزی، برش یا حکاکی را ایجاد نمایند. دستگاه ها‎ی فرزکاری CNC از میان دستگاه ‏ها‎ی برش و حکاکی که با کامپیوتر کنترل می‎شوند، قیمت نازلتری دارند و کارایی آنها بیشتر است.

 یکی از مشخصات اصلی این دستگاه، حرکت سه بعدی است که موجب افزایش انعطاف پذیری دستگاه می‎‎شود. دستگاه‏ها‎ی فرزکاری CNC می‎توانند فایل‏ها‎ی خروجی نرم افزارهای طراحی متعددی را برای انجام برش و حکاکی مورد استفاده قرار دهند و در طیف وسیعی از مشاغل به کار برده شوند. از جمله کارخانجات و کارگاه‏ها‎یی که از دستگاه‏ها‎ی فرزکاری CNC  استفاده می‎‎کنند:

 کارگاه ‏ها‎ی ماکت سازی

کارگاه‏ ها‎ی منبت کاری

کارگاه ‏ها‎ی خدمات صنعتی

کارگاه ‏ها‎ی صنعتی قالب سازی

کارگاه‏ ها‎ی تولید مصنوعات تزیینی فلزی

کارگاه ‏ها‎ی صنعتی ساخت قطعات صنعتی

کارگاه ‏ها‎ی موسسات یا شرکت‏ها‎ی تبلیغاتی

کارخانجات یا کارگاه‏ها‎ی تولید مصنوعات چوبی

صنایع دستی در حکاکی دقیق قطعات فلزی یا غیرفلزی

ماشین‏ برشکاری پلاسما 

همواره برای ماده سه حالت وجود دارد که عبارتند از مایع، جامد و گاز، اما حالت چهارمی نیز وجود دارد که به آن پلاسما گفته می‎‎شود. سه حالت آب نیز همان جامد (یخ)، مایع (آب) و گاز (بخار) وجود دارد و در صورتی که در حالت عادی به آب گرما داده شود، به گاز و اگر در دمای پایین قرار داده شود به یخ تبدیل می‎‎شود. زمانی که به بخار یا گاز، گرما وارد می‎‎شود، به پلاسما تبدیل می‎‎شود که همان چهارمین حالت ماده می‎‎باشد.

ویژگی ماشین‏ها‎ی برشکاری پلاسما

قیمت پایین

عمق برش بالا

قابلیت برش فلزات

برشکاری با قوس پلاسما

مناسب برای برش در مواقعی که دقت بالایی مورد نیاز نیست.

یونیزاسیون چیست؟

در صورتی که انرژی گرمایی بالایی به آب اعمال گردد به بخار مبدل می‎‎شود که حاوی دو گاز اکسیژن و هیدروژن می‎‎باشد. و چنانچه انرژی گرمایی بیشتری بر آن وارد شود، ذاتاً خصوصیات دمایی و الکتریکی بخار تغییر میکند که به این پروسه، یونیزاسیون گفته می شود. در یونیزاسیون، الکترون و یون‌های آزاد در میان اتم‌های گاز ایجاد می‎‎گردد. در این هنگام، گازی که به پلاسما تبدیل شده، رسانای الکتریسیته است چرا که الکترون‌های آزاد، برای انتقال جریان برق در دسترس خواهند بود. همان اصول رسانایی که برای فلزات وجود دارد، در مورد رسانایی پلاسما نیز صدق می‎‎کند. برای مثال زمانی که شدت جریانی که از یک مقطع عبور می‌کند کاهش پیدا کند، مقاومت افزایش می‎‎یابد. برای رسیدن به ولتاژ بالاتر، باید همین مقدار الکترون از مقطع عرضی عبور نماید و دمای فلز افزایش پیدا کند. جهت تولید گاز به همین مقدار پلاسما نیاز است. در صورتی که مقطع عرضی کاهش پیدا کند، گاز پلاسمای داغ‌تری بوجود می‎‎آید.

برشکاری پلاسما چگونه انجام می‎‎شود؟

در حدود ۴۵ سال پیش، برشکاری با قوس پلاسما توسعه پیدا کرد و برای برشکاری پلاسما  فولادهای زنگ نزن و آلومینیم مورد استفاده قرار گرفت به این دلیل که از لحاظ اقتصادی توجیه چندانی برای برشکاری فولادهای معمولی نداشت. برای برشکاری پلاسما محدودیتهایی از جمله قابلیت اطمینان تجهیزات، پایین بودن کیفیت سطح برش ایجاد شده و ناتوانی و سرعت پایین ماشین‌های قدیمی در برشکاری وجود دارد که موجب شده تا برش پلاسما رشد زیادی نداشته باشد.

 در دهه ۱۹۷۰، روش برش پلاسما توسط تزریق آب به وجود آمد که رشد چشمگیری پیدا کرد که در آن، آب اطراف قوس الکتریکی برشکاری پلاسما خشک، تزریق می‌شد که موجب بهبودی چشمگیر کیفیت سطوح برش روی همه فلزات حتی فولادهای معمولی گردید. در حال حاضر به علت پیشرفت‌هایی که روی طراحی تجهیزات و بهبود در کیفیت برش صورت گرفته، تقاضاهای بی سابقه قبلی نظیر مشعل چندتایی برش فولاد معمولی، فراگیر شده است.

در زمان برشکاری، شدت جارش گاز پلاسما بالا می‎‎رود به گونه ای که جت پلاسما از میان قطعه کار عبور کرده و مواد ذوب شده حاصل از برشکاری پلاسما را جابه‌جا کرده و به خارج انتقال می‎‎دهد. پروسهبرشکاری پلاسما بواسطه اکسیژن انجام می‌شود. این فرایند با برش اکسیژن متفاوت دارد زیرا در برش پلاسما، استفاده از قوس موجب ذوب فلز می‌شود، اما در برش بواسطه اکسیژن، فلز اکسید شده و حرارت حاصل از فرایند گرمازا، موجب ذوب فلز می‌گردد. از این برخلاف برش توسط اکسیژن، برشکاری پلاسما برای فلزاتی مانند فولاد زنگ نزن، آلومینیم، چدن و آلیاژهای غیرآهنی قابل استفاده می‎‎باشد.

انقباض قوس الکتریکی

مشخصات قوس الکتریکی که از میان یک نازل مسی که توسط آب خنک می‌شود و بین قطعه کار (آند) و یک الکترود (کاتد) قرار می‎‎گیرد، در جوشکاری آرگون تغییر می‌یابد. به جای پخش شدن قوس، نازل قوس را داخل مقطع عرضی کوچکی منقبض می‎‎نماید. این عمل، مقاومت گرمایی قوس را بالا می‎‎برد، به گونه ای که ولتاژ و دما قوس افزایش پیدا می‎‎کند. سپس قوس الکتریکی با سرعت بالا و کاملاً موازی که بشکل جت پلاسما بسیار داغ است، از نازل خارج می‌گردد.

در هر دو صورت، هر دو دیسشارژ با گاز آرگون بوده و ولتاژ به شکل یکسان می‎‎باشد و میزان جریانAM200 اعمال می‎‎گردد. تفاوتی که در دو شکل وجود دارد اینکه در TIG جت پلاسما توسط نازل و به آرامی، به قطر ۱۶/۳ اینچ منقبض می‎‎شود و پلاسمای داغ‌تری از قوس متناظر آن تولید می‌گردد.

 انواع جت پلاسما

زمانی که منبع تغذیه میان قطعه کار و الکترود قرار می‎‎گیرد، جت پلاسما می‌تواند بشکل انتقال‌یافته عمل کند و زمانی که منبع تغذیه بین الکترود و نازل قرار می‎گیرد، جت پلاسما بصورت غیرانتقال‌ یافته عمل می‌نماید. با وجودی که در هر دو حالت، یک جریان پلاسمای داغ از نازل خارج می‎‎شود، اما برای فرایند برشکاری، حالت انتقال‌ یافته همیشه کاربرد دارد زیرا هنگامی که قوس با قطعه کار در تماس الکتریکی است، گرمای قابل استفاده وارد شده به طور موثرتری استفاده می‎‎شود. ویژگی‏ها‎ی منحصر به فرد جت پلاسما موجب می‎‎شود توسط نرخ جارش گاز، تغییر نوع گاز، شدت جریان قوس و اندازه قطر نازل تغییر پیدا می‎‎کند به عنوان مثال در صورتی که از نرخ پایین جارش گاز استفاده گردد، جت پلاسما منبع گرمای متمرکز بسیار بالایی خواهد داشت که برای جوشکاری کاربردی تر می‎‎باشد.

چنانچه نرخ جارش گاز به حد کافی بالا باشد، جت پلاسما از قطعه کار عبور کرده و آن را خواهد برید. در این حالت، سرعت جت پلاسما برای دور کردن مواد مذاب ایجاد شده در حد کافی بالا خواهد بود. در فرایند برشکاری، دمای قوس پلاسما افزایش می‎‎یابد به این دلیل که جارش بالای گاز، لایه مرزی نسبتا خنکی از گاز یونیزه، داخل سوراخ نازل را شکل می‎‎دهد و موجب می‎‎شود تا قوس پلاسما انقباض پیدا کند. ضخامت این لایه مرزی می‌تواند بواسطه حرکت چرخشی گاز برش، افزایش پیدا کند. عمل چرخش، سرما و گاز یونیزه را  صورت شعاعی به سمت بیرون هدایت می‎‎کند و لایه مرزی ضخیم‌تری را ایجاد می‎‎نماید. در بیشتر مشعل‌های برشکاری پلاسما، از مکانیزم حرکت چرخشی گاز به منظور ایجاد انقباض قوس بیشتر استفاده می‎‎شود.

منبع قدرت

ویژگی و شرایط قوس الکتریکی یک دستگاه، به منحنی ولتاژ و آمپراژ آن بستگی دارد. منبع قدرت مورد نیاز در فرایند پلاسما، باید از نوع ولت ـ آمپر سراشیبی تند باشد و دارای ولتاژ بالایی باشد. اگر چه هنگام فرایند برشکاری، ولتاژ مورد نیاز باید بین ۵۰ تا ۶۰ ولت باشد، اما ولتاژ مدار باز برای شروع به ایجاد قوس باید بیشتر از vDC400 باشد. در بیشتر کاترهای امروزی، یک قوس راهنما داخل بدنه مشعل بین نازل و الکترود، موجب یونیزه شدن گاز می‎‎شود و برای اولین بار، انتقال پلاسمای اولیه به قوس را شکل می‎‎دهد. از آنجا که این قوس باید به داخل قطعه کار منتقل می‎‎شود، نام «قوس انتقال‌یافته» به خود گرفته است. در شیوه‏ها‎ی دیگر، ایجاد قوس توسط لمس نوک مشعل با قطعه کار انجام می‎‎شود که جرقه نیز ایجاد می‎‎کند. استفاده از مدار فرکانس بالا برای انجام این کار ضرورت دارد. از آنجا که از اکثر انرژی قوس (تقریباً دو سوم) برای برشکاری استفاده می‌شود، لذا باید الکترود به قطب منفی و قطعه کار به قطب مثبت متصل گردد.

ترکیب گازها

در سیستم‌های پلاسمای معمولی الکترود تنگستنی، گاز پلاسمای خنثی که می‌تواند آرگون یا آرگون ـ هیدروژن یا نیتروژن باشد، کاربرد زیادی دارد. در پروسه‏ها‎ی مختلف، می‌توان از گازهای اکسیدکننده از قبیل هوا یا اکسیژن نیز استفاده نمود که در این صورت، باید الکترود از جنس مس یا «هف نیوم» باشد. ضمن اینکه مقدار فلوی جریان گاز پلاسما مهم است و بر حسب سطح شدت جریان و قطر سوراخ نازل تنظیم می‎‎شود. در صورتی که مقدار فلوی جریان گاز برای سطح شدت جریان کم باشد و یا سطح شدت جریان برای قطر سوراخ نازل بسیار زیاد باشد، قوس شکسته شده و به دو قوس تبدیل می‎‎شود که یک قوس و بین نازل و قطعه کار و دیگری میان الکترود و نازل ایجاد می‌شود. به این حالت پدیده «دو قوسی» گفته می‎‎شود که به صورت ذوب نازل بروز می‎‎کند.