دستگاه برش هوا گاز براي برش هر فلزي با سرعت برشي نسبتاً بالا، جت پلاسمايي است که توسط تکنيک‌هاي انقباض قوس خشک معمولي توليد مي‌شوند، استفاده نمود. ضخامت‌هاي عمليات برشکاري، از 8/1 اينچ شروع شده و حداکثر آن به ظرفيت شدت جريان مشعل و خصوصيات فيزيکي فلز بستگي دارد. برای مثال در صورتی که يک مشعل با مکانيزم خوب و ظرفيت شدت جريان هزار Amp باشد، میتواند آلومينيم را تا ضخامت 6 اينچ و فولاد زنگ نزن را تا ضخامت 5 اينچ برش دهد. در اکثر کاربردهاي صنعتي، ضخامت ورق‌ها کمتر یا مساوی با 1 تا 2/1 میباشد. در اين رنج، پلاسماهاي معمولي سطوح برش را شيب‌دار و لبه فوقاني را گرد مي‌نمایند.
برشکاری پلاسما، از نظر کیفیت شباهت زیادی به فرايند برشکاري اکسيژنی دارند. عمليات برشکاری پلاسما بواسطه ذوب انجام میشود، بنابراین یکی از ویژگی های بارز آن، توزيع گرماي غيرمتعادل بر سطوح برش میباشد و مقدار بيشتري از ذوب به سمت فوقاني سطح فلز حرکت میکند. این امر موجب میشود تا لبه‌هاي بالايي گرد شده و سطوح برش شيب‌دار گردند. از ديگر ویژگی های اين نوع برش، ايجاد تفاله زيرسطح تحتاني فلز است که به دلیل جاری شدن مذاب ایجاد میشود.
در صورتی که گرماي اعمال شده به بالاي سطح برش، بيشتر از گرماي اعمال شده به پايين آن باشد، زاويه برش مثبت ايجاد میشود. به منظور کاهش اين زاويه باید تا حد امکان قوس پلاسما را منقبض نمود. با انقباض پلاسما میتوان پروفيل دماي جت پلاسما را يکنواخت‌تر کرد تا سطح برش قائمه شود. نازل‌هاي معمولي تمایل زیاد برای برقراري ايجاد دو قوس دارند که این امر موجب صدمه زدن به الکترود و نازل مي‌شود.
زمانی که به منظور برشکاري انواع مختلف فلزات با ضخامت‌هاي مختلف، از دستگاه‌هاي برشکاری پلاسمای معمولي استفاده میشود، ممکن است باعث بروز پاره ای مشکلات شود. برای مثال در صورتی که اين دستگاه‌ها براي برش فولادهاي زنگ نزن، فولادهاي معمولي و يا آلومينيوم استفاده شود، باید همزمان سه نوع گاز متفاوت مورد نياز براي برش اين فلزات، روي دسته مشعل نصب گردد تا حالت بهينه کيفيت برش ایجاد شود. اين تجهيزات موجب پیچیده شدن فرآیند برشکاری شده و از سوی دیگر به ذخيره گازهاي گران قيمت نظير آرگون و هيدروژن نياز خواهد بود. بنابراین توصیه میشود در موارد خاص از این دستگاه ها استفاده شود.
جهت بهبود کيفيت برش، پايداري قوس، بخار و افزايش سرعت برش، کاهش سروصدا، دود، فرآیندهای زیادی وجود دارد که در زیر به شرح هر یک میپردازیم:
- برش پلاسما توسط تزريق آب
در روش برشکاری پلاسما توسط تزریق آب، به جای گاز پلاسما، از نيتروژن استفاده مي‌شود و به منظور ايجاد انقباض بيشتر، آب بصورت شعاعي و يکنواخت، به داخل قوس تزريق مي‌گردد تا کيفيت سطح برش ارتقا پیدا کند. اصابت شعاعي آب به اطراف قوس موجب انقباض بيشتر قوس میشود که شاهد افزایش دما تا حدود 30 هزار درجه سلسيوس خواهیم بود.
روش دیگر انقباض قوس توسط آب، ايجاد حلقه‌هاي چرخشي آب در اطراف قوس است اما به مانند تزريق شعاعي نتیجه مطلوبی را به دنبال ندارد. زيرا مقدار انقباض قوس توسط سرعت‌هاي چرخشي زياد مورد نياز براي توليد حلقه ثابت آب، محدود مي‌گردد. سرعت‌هاي چرخشي بالا، نيروي گريز از مرکز ايجاد میکند که این امر موجب پهن شدن فيلم آب (برخلاف سوراخ داخلي نازل) مي‌شود.
اگر چه نقاطي از قوس با آب تماس دارد اما به دليل دماي بسيار بالا عمل تبخیر کمتر از 10 درصد آب میباشد و 90 درصد مابقی به شکل مخروطي از نازل خارج میگردد و سطح فوقاني قطعه کار را خنک مي‌کند. اين امر از اکسيد شدن روي سطح برش جلوگيري مي‌نماید.
مقدار کمي از آب در قوس تبخیر میشود زیرا لايه مرزي ايزوله شده‌اي از بخار«Linden frost Layer» ، بين پلاسما و آب تزريق شده، ایجاد میشود. در اين فرايند، عمر نازل افزايش پیدا میکند چرا که لايه مرزي بخار، نازل را در مقابل گرماي شديد قوس محافظت و آب، نازل را در نقاط حداکثر انقباض قوس، خنک مي نماید. قسمت پايين‌تر نازل مي‌تواند از جنیس سراميک باشد که در اینصورت، پديده دو قوسي (عامل اصلي تخريب نازل) حذف میشود.
در روش برشکاری پلاسما توسط تزريق آب، زمانی بهترین کيفيت برش تمامي فلزات صورت میگیرد که بجای گاز پلاسما، از نيتروژن استفاده شود. چرا که نيتروژن براي انتقال گرما از قوس به قطعه کار، توانایی بیشتر دارد که از لحاظ فيزيکي نيز ايده‌آل میباشد. اختلاف در زاويه برش به دلیل شيب زياد و گردي بالاي سطح برش، امر بدیهی نیست و در برشکاري قطعات کاربردي، باید لبه برش قطعات قائمه باشد.
زاويه برش طرف باکيفيت بالا، معمولاً 2 درجه با زاويه قائمه اختلاف دارد و به ماشين‌كاري براي عمليات نهايي نیاز نیست. به منظور برش ورق‌هاي ضخيم مي‌توان به جاي نيتروژن، از 65% آرگون و 35% هيدروژن استفاده نمود. به این دلیل که عمق نفوذ جت پلاسما را بيشتر مي نماید. اين حالت براي برش فولادهاي ضخيم و ساخت مجراهاي هسته‌اي، قابل استفاده میباشد.
- مزایای برش پلاسما توسط تزريق آب
- افزايش سرعت برش
- گونيا بودن سطح برش
- بهبود کيفيت سطح (سطح تميز و نرم)
- عدم ايجاد تفاله زير سطح برش در اکثر قطعات فولادي
- قابليت استفاده از يک نوع گاز (نيتروژن) براي برش تمامي فلزات
- کاهش ريسک پديده دو قوسي و در نتيجه کاهش در فرسايش نازل
- جارش گاز دوتايي
جارش گاز دوتایی در سال 1965 ایجاد شد که به فرايندهاي معمولي برشکاری پلاسما شباهت زیادی دارد با این تفاوت که تغییرات جزئی در آن صورت گرفته است. گاز ثانويه پوششي، اطراف نازل را پوشش داده که موجب انقباض قوس و کاهش تفاله‌ها زيرسطح برش مي‌شود. در اين حالت، گاز ثانويه با توجه به نوع فلز مورد نظر مشخص میشود و گاز پلاسما شامل آرگون، آرگون ـ هيدروژن و يا نيتروژن میباشد. به منظور برش فولادها، از هوا، اکسيژن و يا نيتروژن به عنوان گاز ثانويه استفاده مي‌شود. جهت برش فولاد زنگ نزن و آلومينيوم، آرگون- هيدروژن، نيتروژن و دي اکسيدکربن کاربرد دارد.
چنانچه برای گاز ثانویه از هوا استفاده شود، اکسيژن داخل هوا، براي واکنش‌هاي گرمازا با فولاد ذوب شده، انرژي اضافي ايجاد مي شود که این امر سرعت برش را تا حدود 25 درصد افزايش مي‌دهد. فرايند عموماً براي برش فولاد زنگ نزن و آلومينيم استفاده مي‌شود، اما سطح برش بسيار اکسيد شده و استفاده زیادی ندارد. در اين روش بايد از الکترودهاي «زيرکونيم» و «هف نيوم» نیز استفاده نمود چرا که اگر گاز ثانويه اکسيژن باشد، باعث فرسايش الکترود تنگستني میشود. چنانچه از الکترودهاي تنگستني مورد استفاده قرار بگیرند، دوره سرويس باید از حالت روش پلاسماي معمولي کوتاه‌تر باشد. در اين شیوه، سرعت برشي براي برش فولادها از روش معمول بهتر بوده اما کيفيت سطح برش پايين‌تر است. سرعت برشي و کيفيت براي برش فولاد زنگ نزن و آلومينيم با روش‌هاي معمولي شباهت زیادی دارد.
در روش جارش گاز دوتایی، نازل داخل يک محفظه سراميکي قرار گرفته که گاز پوششي (ثانويه) از آن عبور میکند و نازل را از پديده دو قوسي محافظت مي نماید. اگر گاز پوششي وجود نداشته باشد، بواسطه جت پلاسما بار شعاعي بسيار داغي تولید میشود که موجب آسیب محفظه سراميکي مي‌شود. از جمله مزاياي اين روش در مقايسه با روش‌هاي معمولي، میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
- سرعت بيشتر برش
- کاهش گردي در لبه برش
- کاهش ريسک پديده دوقوسي
- برش پلاسما توسط پوشش آبي
برشکاری پلاسما توسط پوشش آبي به شیوه برش گاز دوتايي شباهت زیادی دارد. با این تفاوت که تنها در این روش از آب به عنوان پوشش قوس استفاده مي‌شود. اگر چه به خاطر اثر خنک‌کنندگي آب، ظاهر عمر نازل و سطوح برش بهبود يافته است، اما قائم بودن سطح برش، سرعت برش و کاهش تفاله‌هاي زيرسطح برش، به همان حالت باقی میماند چرا که آب نمي‌تواند موجب انقباض اضافي قوس شود. اين روش را مي‌توان حتي زماني که قطعه کار تا حدود 50 تا 75 ميليمتر زير سطح آب باشد نيز قابل استفاده میباشد. در مقايسه با پلاسماي معمولي،آب مانع از گاز و دود، سروصدا شده و به افزایش عمر نازل کمک میکند. به عنوان مثال سطوح صدا در سطوح جريان بالا در پلاسماي معمولي dB115 است، اما در اين روش تا dB96 و در برش زير آب تا dB85-52 تنزل یافته است.
- روش پلاسماي هوايي
در روش پلاسمای هوایی، هوا مي‌تواند با گازهاي خنثي پلاسما از قبیل آرگون و نيتروژن جايگزين شود. نکته ای که ذکر آن اهمیت دارد؛ الکترود مورد استفاده باید«هف نيوم» يا «زيرکونيم» و روي نازل مسي سوار شده باشد. علاوه بر این، هوا بعنوان جايگزين آب براي خنك‌كاري مشعل مورد استفاده قرار میگیرد. از جمله امتیازات روش پلاسماي هوايي، استفاده از هواي ارزان قيمت به جاي گازهاي گران قيمت میباشد. اگر چه در این روش، تنها الکترود و نازل قابل استفاده است اما نوک الکترود «هف نيوم» در مقايسه با الکترود تنگستني، قیمت بالاتری دارد.
- روش پلاسماي با تلرانس بالا
براي بهبود کيفيت سطح و رقابت با کيفيت برش بالاتر از برش ليزري، سيستم‌هاي برش پلاسما با تلرانس بالا در دسترس بوده و با پلاسماي بسيار منقبض شده، کار مي‌کنند. شکل 13، پلاسماي با تلرانس بالا را نشان مي‌دهد. تمرکز پلاسما توسط نيروي اکسيژن توليدي براي پيچش، عملي شده است به‌طوري که اکسيژن وارد لوله پلاسما شده و جريان گاز ثانويه از قسمت پايين نازل پلاسما تزريق شده است.
برخی سيستم‌ها ازميدان مغناطيسي جداکننده برخورد دارند که قوس را احاطه کرده و جت پلاسما را توسط نگهداري چرخش القا شده توسط گاز پيچشي، متعادل مینماید. اين روش تکنيکي مکانيزه به شمار میرود که به دقت و تجهيزات بالایی نیاز دارد. مزاياي روش پلاسماي با تلرانس بالا عبارت است از:
- باريک بودن پهناي شکاف
- به علت کوچک بودن منطقه HAZ، کمترين اعوجاج
- افزايش کيفيت برش بين پلاسماهاي معمولي و برش توسط ليزر
از معایب این روش اینکه میتوان قطعات تا حداکثر ضخامت 6 ميليمتر را برش دهد و سرعت برشي آن کمتر از فرايندهاي پلاسماي معمولي میباشد که تقريباً معادل 60 تا 80 درصد از سرعت برش ليزري است.
- برش پلاسما توسط تزريق اکسيژن
برش پلاسما توسط تزریق اکسیژن، موجب بروز مشکلاتی از قبیل کاهش طول عمر الکترود در زمان استفاده از گاز نيتروژن و استفاده از گاز اکسيژن عبوري بصورت جريان پايين از سوراخ نازل را حل نموده است. اين روش جهت فولادها قابل استفاده میباشد که در صورت استفاده از 80% نيتروژن و 20% اکسيژن، سرعت برش تا 25% افزايش پیدا میکند. در عین حال نباید معایب روش برش پلاسما با تزریق اکسیژن غافل شد زیرا به دلیل عدم عمود بودن سطح برش، عمر نازل کوتاه و تنها براي برش فولاد) قابل استفاده میباشد. البته این روش برای برخی مواقع کاربرد دارد اما فرايند تزريق توسط آب تقريباً جايگزين آن شده است.
- عمق برش بسيار بالا تا 15 سانتیمتر
- توانایی برش بدون نیاز به تنش حرارتی
- قابليت برش آلیاژ های مختلف فلزی و غیرفلزی
- قابليت برش مواد شکننده از قبیل سنگ و سراميک
- سرعت بالای برش نسبت به ساير روش های برش کاری
دستگاه برش واتر جت، ابتدا در حدود سال 198 مورد استفاده قرار گرفته که برای برش با جريان بسيار پر فشار آب، کار میکرد. در این دستگاه سرعت آب به حدی است که میتواند حتی فلزات و سنگ را نيز برش دهد. بطوری که فشار آب در آن تا 30 برابر فشار آب کارواشی های شستشوی خودرو می باشد. علت توانایی این دستگاه در برش فلزات يا سنگ، عدم پخش آب میباشد که به شکل خط مستقیم بر روی نقطه مورد نظر پاشیده میشود. در واقع، آب خروجی در يک نازل بسيار باريک ساخته شده از سنگ قيمتی با فشار بسيار بالايی هدايت میشود. این دستگاه برای برش در سطوحی همچون سنگ مرمر، سنگ گرانيت و ساير سنگ ها؛ انواع فلزات مانند تيتانيوم و آلياژهای فلزی مانند استينلس استيل؛ پلاستيک؛ پلکسی؛ لاستيک و چوب قابل استفاده میباشد.
فشار آب در دستگاه واتر جت بين 20000 تا 55000 PSI است که از روزنه ای به اندازه 0.26 تا 0.28 ميلیمتر در يک سنگ قيمتی عبور میکند. این دستگاه توانایی برش چندين لايه از ورق که روی هم قرار گرفته اند را نیز داراست. از جمله مزایای دستگاه واتر جت میتوان به فرآیند برش بصورت بی بو، بدون غبار و تقريبا بدون حرارت، علاوه بر امکان برش تا ضخامت های بسيار بالا، امکان برش ورقه های تا ضخامت 0.1 ميلیمتر اشاره کرد. واتر جت ها به دو روش کار میکنند:
- برش با آب خالی که برای برش مواد نرم و روش دوم برای برش مواد سخت کاربرد دارد.
- برش با آب و مواد ساينده مخلوط شده با آب