آشنایی با برش هواگاز یا پلاسما

برشکاری با قوس پلاسما

برای برش هر فلزی با سرعت برشی نسبتاً بالا، می‎توان از جت پلاسمایی که توسط تکنیک‌های انقباض قوس خشک معمولی تولید می‌شوند، استفاده نمود. ضخامت‌های عملیات برشکاری، از ۸/۱ اینچ شروع شده و حداکثر آن به ظرفیت شدت جریان مشعل و خصوصیات فیزیکی فلز بستگی دارد. برای مثال در صورتی که یک مشعل با مکانیزم خوب و ظرفیت شدت جریان هزار Amp باشد، می‎تواند آلومینیم را تا ضخامت ۶ اینچ و فولاد زنگ نزن را تا ضخامت ۵ اینچ برش دهد. در اکثر کاربردهای صنعتی، ضخامت ورق‌ها کمتر یا مساوی با ۱ تا ۲/۱ می‎باشد. در این رنج، پلاسماهای معمولی سطوح برش را شیب‌دار و لبه فوقانی را گرد می‌نمایند.

کیفیت برش

برشکاری پلاسما، از نظر کیفیت شباهت زیادی به فرایند برشکاری اکسیژنی دارند. عملیات برشکاری پلاسما بواسطه ذوب انجام می‎شود، بنابراین یکی از ویژگی های بارز آن، توزیع گرمای غیرمتعادل بر سطوح برش می‎باشد و مقدار بیشتری از ذوب به سمت فوقانی سطح فلز حرکت می‎کند. این امر موجب می‎شود تا لبه‌های بالایی گرد شده و سطوح برش شیب‎دار گردند. از دیگر ویژگی های این نوع برش، ایجاد تفاله زیرسطح تحتانی فلز است که به دلیل جاری شدن مذاب ایجاد می‎شود.

در صورتی که گرمای اعمال شده به بالای سطح برش، بیشتر از گرمای اعمال شده به پایین آن باشد، زاویه برش مثبت ایجاد می‎شود. به منظور کاهش این زاویه باید تا حد امکان قوس پلاسما را منقبض نمود. با انقباض پلاسما می‎توان پروفیل دمای جت پلاسما را یکنواخت‌تر کرد تا سطح برش قائمه شود. نازل‌های معمولی تمایل زیاد برای برقراری ایجاد دو قوس دارند که این امر موجب صدمه زدن به الکترود و نازل می‌شود.

زمانی که به منظور برشکاری انواع مختلف فلزات با ضخامت‌های مختلف، از دستگاه‌های برشکاری پلاسمایمعمولی استفاده می‎شود، ممکن است باعث بروز پاره ای مشکلات شود. برای مثال در صورتی که این دستگاه‌ها برای برش فولادهای زنگ نزن، فولادهای معمولی و یا آلومینیوم استفاده شود، باید همزمان سه نوع گاز متفاوت مورد نیاز برای برش این فلزات، روی دسته مشعل نصب گردد تا حالت بهینه کیفیت برش ایجاد شود. این تجهیزات موجب پیچیده شدن فرآیند برشکاری شده و از سوی دیگر به ذخیره گازهای گران ‌قیمت نظیر آرگون و هیدروژن نیاز خواهد بود. بنابراین توصیه می‎شود در موارد خاص از این دستگاه ها استفاده شود.

فرایند برش پلاسما

جهت بهبود کیفیت برش، پایداری قوس، بخار و افزایش سرعت برش، کاهش سروصدا، دود، فرآیندهای زیادی وجود دارد که در زیر به شرح هر یک می‎پردازیم:

برش پلاسما توسط تزریق آب

در روش برشکاری پلاسما توسط تزریق آب، به جای گاز پلاسما، از نیتروژن استفاده می‌شود و به منظور ایجاد انقباض بیشتر، آب بصورت شعاعی و یکنواخت، به داخل قوس تزریق می‌گردد تا کیفیت سطح برش ارتقا پیدا کند. اصابت شعاعی آب به اطراف قوس موجب انقباض بیشتر قوس می‎شود که شاهد افزایش دما تا حدود ۳۰ هزار درجه سلسیوس خواهیم بود.

روش دیگر انقباض قوس توسط آب، ایجاد حلقه‌های چرخشی آب در اطراف قوس است اما به مانند تزریق شعاعی نتیجه مطلوبی را به دنبال ندارد. زیرا مقدار انقباض قوس توسط سرعت‌های چرخشی زیاد مورد نیاز برای تولید حلقه ثابت آب، محدود می‌گردد. سرعت‌های چرخشی بالا، نیروی گریز از مرکز ایجاد می‎کند که این امر موجب پهن شدن فیلم آب (برخلاف سوراخ داخلی نازل) می‌شود.

اگر چه نقاطی از قوس با آب تماس دارد اما به دلیل دمای بسیار بالا عمل تبخیر کمتر از ۱۰ درصد آب می‎باشد و ۹۰ درصد مابقی به شکل مخروطی از نازل خارج می‎گردد و سطح فوقانی قطعه کار را خنک می‌کند. این امر از اکسید شدن روی سطح برش جلوگیری می‌نماید.

مقدار کمی از آب در قوس تبخیر می‎شود زیرا لایه مرزی ایزوله شده‌ای از بخار«Linden frost Layer» ، بین پلاسما و آب تزریق شده، ایجاد می‎شود. در این فرایند، عمر نازل افزایش پیدا می‎کند چرا که لایه مرزی بخار، نازل را در مقابل گرمای شدید قوس محافظت و آب، نازل را در نقاط حداکثر انقباض قوس، خنک می‌ نماید. قسمت پایین‌تر نازل می‌تواند از جنیس سرامیک باشد که در اینصورت، پدیده دو قوسی (عامل اصلی تخریب نازل) حذف می‎شود.

در روش برشکاری پلاسما توسط تزریق آب، زمانی بهترین کیفیت برش تمامی فلزات صورت می‎گیرد که بجای گاز پلاسما، از نیتروژن استفاده شود. چرا که نیتروژن برای انتقال گرما از قوس به قطعه کار، توانایی بیشتر دارد که از لحاظ فیزیکی نیز ایده‌آل می‎باشد. اختلاف در زاویه برش به‌ دلیل شیب زیاد و گردی بالای سطح برش، امر بدیهی نیست و در برشکاری قطعات کاربردی، باید لبه برش قطعات قائمه باشد.

زاویه برش طرف باکیفیت بالا، معمولاً ۲ درجه با زاویه قائمه اختلاف دارد و به ماشین‌کاری برای عملیات نهایی نیاز نیست. به منظور برش ورق‌های ضخیم می‌توان به جای نیتروژن، از ۶۵% آرگون و ۳۵% هیدروژن استفاده نمود. به این دلیل که عمق نفوذ جت پلاسما را بیشتر می‌ نماید. این حالت برای برش فولادهای ضخیم و ساخت مجراهای هسته‌ای، قابل استفاده می‎باشد.

مزایای برش پلاسما توسط تزریق آب

1. افزایش سرعت برش
2. گونیا بودن سطح برش
3. بهبود کیفیت سطح (سطح تمیز و نرم)
4. عدم ایجاد تفاله زیر سطح برش در اکثر قطعات فولادی
5. قابلیت استفاده از یک نوع گاز (نیتروژن) برای برش تمامی فلزات
6. کاهش ریسک پدیده دو قوسی و در نتیجه کاهش در فرسایش نازل

جارش گاز دوتایی

جارش گاز دوتایی در سال ۱۹۶۵ ایجاد شد که به فرایندهای معمولی برشکاری پلاسما شباهت زیادی دارد با این تفاوت که تغییرات جزئی در آن صورت گرفته است. گاز ثانویه پوششی، اطراف نازل را پوشش داده که موجب انقباض قوس و کاهش تفاله‌ها زیرسطح برش می‌شود. در این حالت، گاز ثانویه با توجه به نوع فلز مورد نظر مشخص می‎شود و گاز پلاسما شامل آرگون، آرگون ـ هیدروژن و یا نیتروژن می‎باشد. به منظور برش فولادها، از هوا، اکسیژن و یا نیتروژن به عنوان گاز ثانویه استفاده می‌شود. جهت برش فولاد زنگ نزن و آلومینیوم، آرگون- هیدروژن، نیتروژن و دی اکسیدکربن کاربرد دارد.

چنانچه برای گاز ثانویه از هوا استفاده شود، اکسیژن داخل هوا، برای واکنش‌های گرمازا با فولاد ذوب شده، انرژی اضافی ایجاد می شود که این امر سرعت برش را تا حدود ۲۵ درصد افزایش می‌دهد. فرایند عموماً برای برش فولاد زنگ نزن و آلومینیم استفاده می‌شود، اما سطح برش بسیار اکسید شده و استفاده زیادی ندارد. در این روش باید از الکترودهای «زیرکونیم» و «هف نیوم» نیز استفاده نمود چرا که اگر گاز ثانویه اکسیژن باشد، باعث فرسایش الکترود تنگستنی می‎شود. چنانچه از الکترودهای تنگستنی مورد استفاده قرار بگیرند، دوره سرویس باید از حالت روش پلاسمای معمولی کوتاه‌تر باشد. در این شیوه، سرعت برشی برای برش فولادها از روش معمول بهتر بوده اما کیفیت سطح برش پایین‌تر است. سرعت برشی و کیفیت برای برش فولاد زنگ نزن و آلومینیم با روش‌های معمولی شباهت زیادی دارد.

در روش جارش گاز دوتایی، نازل داخل یک محفظه سرامیکی قرار گرفته که گاز پوششی (ثانویه) از آن عبور می‎کند و نازل را از پدیده دو قوسی محافظت می نماید. اگر گاز پوششی وجود نداشته باشد، بواسطه جت پلاسما بار شعاعی بسیار داغی تولید می‎شود که موجب آسیب محفظه سرامیکی می‌شود. از جمله مزایای این روش در مقایسه با روش‌های معمولی، می‎توان به موارد زیر اشاره نمود:

• سرعت بیشتر برش
• کاهش گردی در لبه برش
• کاهش ریسک پدیده دوقوسی

برش پلاسما توسط پوشش آبی

برشکاری پلاسما توسط پوشش آبی به شیوه برش گاز دوتایی شباهت زیادی دارد. با این تفاوت که تنها در این روش از آب به عنوان پوشش قوس استفاده می‌شود. اگر چه به‌ خاطر اثر خنک‌کنندگی آب، ظاهر عمر نازل و سطوح برش بهبود یافته است، اما قائم بودن سطح برش، سرعت برش و کاهش تفاله‌های زیرسطح برش، به همان حالت باقی می‎ماند چرا که آب نمی‌تواند موجب انقباض اضافی قوس شود. این روش را می‌توان حتی زمانی که قطعه کار تا حدود ۵۰ تا ۷۵ میلیمتر زیر سطح آب باشد نیز قابل استفاده می‎باشد. در مقایسه با پلاسمای معمولی،آب مانع از گاز و دود، سروصدا شده و به افزایش عمر نازل کمک می‎کند. به عنوان مثال سطوح صدا در سطوح جریان بالا در پلاسمای معمولی dB115 است، اما در این روش تاdB96 و در برش زیر آب تا dB85-52 تنزل یافته است.

روش پلاسمای هوایی

در روش پلاسمای هوایی، هوا می‌تواند با گازهای خنثی پلاسما از قبیل آرگون و نیتروژن جایگزین شود. نکته ای که ذکر آن اهمیت دارد؛ الکترود مورد استفاده باید«هف نیوم» یا «زیرکونیم» و روی نازل مسی سوار شده باشد. علاوه بر این، هوا بعنوان جایگزین آب برای خنک‌کاری مشعل مورد استفاده قرار می‎گیرد. از جمله امتیازات روش پلاسمای هوایی، استفاده از هوای ارزان‌ قیمت به جای گازهای گران‌ قیمت می‎باشد. اگر چه در این روش، تنها الکترود و نازل قابل استفاده است اما نوک الکترود «هف نیوم» در مقایسه با الکترود تنگستنی، قیمت بالاتری دارد.

روش پلاسمای با تلرانس بالا

برای بهبود کیفیت سطح و رقابت با کیفیت برش بالاتر از برش لیزری، سیستم‌های برش پلاسما با تلرانس بالا در دسترس بوده و با پلاسمای بسیار منقبض شده، کار می‌کنند. شکل ۱۳، پلاسمای با تلرانس بالا را نشان می‌دهد. تمرکز پلاسما توسط نیروی اکسیژن تولیدی برای پیچش، عملی شده است به‌طوری که اکسیژن وارد لوله پلاسما شده و جریان گاز ثانویه از قسمت پایین نازل پلاسما تزریق شده است.

برخی سیستم‌ها ازمیدان مغناطیسی جداکننده‌ برخورد دارند که قوس را احاطه کرده و جت پلاسما را توسط نگهداری چرخش القا شده توسط گاز پیچشی، متعادل می‎نماید. این روش تکنیکی مکانیزه به شمار می‎رود که به دقت و تجهیزات بالایی نیاز دارد. مزایای روش پلاسمای با تلرانس بالا عبارت است از:

• باریک بودن پهنای شکاف
• به علت کوچک بودن منطقه HAZ، کمترین اعوجاج
• افزایش کیفیت برش بین پلاسماهای معمولی و برش توسط لیزر

از معایب این روش اینکه می‎توان قطعات تا حداکثر ضخامت ۶ میلی‌متر را برش دهد و سرعت برشی آن کمتر از فرایندهای پلاسمای معمولی می‎باشد که تقریباً معادل ۶۰ تا ۸۰ درصد از سرعت برش لیزری است.

برش پلاسما توسط تزریق اکسیژن

برش پلاسما توسط تزریق اکسیژن، موجب بروز مشکلاتی از قبیل کاهش طول عمر الکترود در زمان استفاده از گاز نیتروژن و استفاده از گاز اکسیژن عبوری بصورت جریان پایین از سوراخ نازل را حل نموده است. این روش جهت فولادها قابل استفاده می‎باشد که در صورت استفاده از ۸۰% نیتروژن و ۲۰% اکسیژن، سرعت برش تا ۲۵% افزایش 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 برای برش فولاد) قابل استفاده می‎باشد. البته این روش برای برخی مواقع کاربرد دارد اما فرایند تزریق توسط آب تقریباً جایگزین آن شده است.

دستگاه واتر جت

1. عمق برش بسیار بالا تا ۱۵ سانتیمتر
2. توانایی برش بدون نیاز به تنش حرارتی
3. قابلیت برش آلیاژ های مختلف فلزی و غیرفلزی
4. قابلیت برش مواد شکننده از قبیل سنگ و سرامیک
5. سرعت بالای برش نسبت به سایر روش های برش کاری

دستگاه برش واتر جت، ابتدا در حدود سال ۱۹۸ مورد استفاده قرار گرفته که برای برش با جریان بسیار پر فشار آب، کار می‎کرد. در این دستگاه سرعت آب به حدی است که می‎تواند حتی فلزات و سنگ را نیز برش دهد. بطوری که فشار آب در آن تا ۳۰ برابر فشار آب کارواشی های شستشوی خودرو می ‎باشد. علت توانایی این دستگاه در برش فلزات یا سنگ، عدم پخش آب می‎باشد که به شکل خط مستقیم بر روی نقطه مورد نظر پاشیده می‎شود. در واقع، آب خروجی در یک نازل بسیار باریک ساخته شده از سنگ قیمتی با فشار بسیار بالایی هدایت می‎شود. این دستگاه برای برش در سطوحی همچون سنگ مرمر، سنگ گرانیت و سایر سنگ ها؛ انواع فلزات مانند تیتانیوم و آلیاژهای فلزی مانند استینلس استیل؛ پلاستیک؛ پلکسی؛ لاستیک و چوب قابل استفاده می‎باشد.

فشار آب در دستگاه واتر جت بین ۲۰۰۰۰ تا ۵۵۰۰۰ PSI است که از روزنه ای به اندازه ۰٫۲۶ تا ۰٫۲۸ میلیمتر در یک سنگ قیمتی عبور می‎کند. این دستگاه توانایی برش چندین لایه 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 تقریبا بدون حرارت، علاوه بر امکان برش تا ضخامت های بسیار بالا، امکان برش ورقه های تا ضخامت ۰٫۱ میلیمتر اشاره کرد.

واتر جت ها به دو روش کار می‎کنند:

1. برش با آب خالی که برای برش مواد نرم و روش دوم برای برش مواد سخت کاربرد دارد.
2. برش با آب و مواد ساینده مخلوط شده با آب