در صنعت در موارد گوناگون احتیاج به برش و جوشكاري مواد داریم . به جز روشهای مكانيكي برش روشهای معمول براي جوشكاري ، برشكاري شامل استفاده از برش و جوش هوا گاز و استفاده از قوس الكتريكي است . در حال حاضر علاوه بر موارد فوق روشهاي جديد و موثر ديگري نيز ابداع شده كه از آن جمله مي توان به روشهاي ليزر ، اولتراسنويك ، ارتعاشي و … پلاسما اشاره كرد كه موضوع اين تحقيق استفاده از قوس پلاسما در برش و جوشكاري مواد و ارزيابي نقاط قوت و ضعف اين روش نسبت به روشهاي ديگر است .
يكي از خواص پلاسما وجود گرماي بسيار زياد در اين شكل از ماده است . در واقع اين گرما به حدي است كه اين حالت از ماده را نمي توان به راحتي مهار كرد مگر با استفاده از جريانهاي الكتريكي و ابزار الات مخصوص . به همين دليل براي استفاده از قوس پلاسما از ابزارهاي خاصي استفاده مي شود .
در ابتدا بايد يادآوري كنيم كه پروسه برش و جوش پلاسما تنها در مواد هادي جريان الكتريسيته قابل اجرا است . در واقع در اين روش با عبور پلاسما از ميان تورچ و خوردن آن به ماده شكلي از انرژي از يك چشمه انرژي به ماده انتقال پيدا مي كند و ماده بريده مي شود . پرسه برش پلاسما بر خلاف پروسه برش هوا گاز بيشتر بر گرماي زياد براي ذوب و سرعت بالاي گاز تكيه دارد نه بر اكسيد شدن ماده . به اين ترتيب از اين روش مي توان هم براي فلزات آهني و هم براي فلزات غير آهني مانند آلومينيوم استفاده كرد . با اين روش ديگر مشكل اكسيد مقاوم بعضي از فلزات وجود ندارد .
اساسا” دستگاه برش پلاسما از يك توليد كننده جريان الكتريكي و يك مولد راه انداز) ژنراتور فركانس بالا (، يك ريز پردازنده ، كمپروسور ( درهوا ) وتورچ تشكيل شده است . اجزاء سيستم انرژي مورد نياز را توليد مي كنند و قابليت يونيزاسيون را به وجود مي آورند . همچنين پروسه يونيزاسيون را كنترل مي كنند . كنترل پروسه براي توليد با كيفيت بالا يك امر ضروري است . در اين روش مواد مختلف با كيفيت بسيار بالا بريده مي شود .
در واقع توليد كننده قدرت در ابتدا يك چشمه پايدار جريان D C است بين الكتردونازل براي مثال در مدار باز ولتاژ در رنج 240 تا 400 وات DC است . جريان خروجي ( شدت جريان يا آمپر ) در توليد كننده قدرت ، سرعت و عمق برشي را كه در توان سيستم است را مشخص مي كند . مهمترين وظيفه توليد كننده قدرت توليد انرژي با اندازه درست براي پايدار نگه داشتن قوس پلاسما بعد از يونيزاسيون است . مدار راه انداز يك ژنراتور فركانس بالا است كه ولتاژ متناوب در حدود 5000 تا 10000 Voltage در فركانس بيست ميليون هرتز ( MHZ 2 ) توليد مي كند . از اين ولتاژ براي توليد قوس شديد استفاده مي شود . تا گاز درون مشعل يونيزه شود . بدين ترتيب پلاسما توليد مي شود .
برش پلاسما چیست و چگونه کار می کند؟
اما دستگاه برش پلاسما به عبارت ساده یک قوس الکتریکی اصلی را بین الکترود پلاسما و نازل و در محفظه ای که با گاز پرشده است ایجاد می کند بدین ترتیب گاز پایه تبدیل به پلاسما می شود این گاز می تواند اکسیژن ، آرگون ، نیتروژن ، هوای محیط و … باشد.این فرآیند گاز را تا دمایی که برای تبدیل به پلاسما کافی باشد گرم می کند.
پلاسما به عنوان یک رسانای الکتریکی با قطعه کار یک مدار تشکیل می دهد و قوس پلاسما مواد را برش می دهد.نازل برش پلاسما وظیفه هدایت مسیر باریک گاز را برعهده دارد . این مسیر باریک گاز با دمای بسیار بالا به سمت قطعه کار حرکت می کند و مثل چاقوی تیز قطعه کار را می برد.
در اکثر دستگاه های برش پلاسما ، قوس پایلوت بین نازل و الکترود تشکیل می شود و قبل از شروع انتقال قوس ، گاز را یونیزه می نماید. در برخی از دستگاه های برش پلاسما این امکان وجود دارد که قوس اصلی بین الکترود و قطعه کار ایجاد شود و فرکانس بالا ( های فرکانس ) مانند شمع در موتور خودرو برای شروع قوس استفاده شود.
برش دستی پلاسما
اگر می خواهید بصورت دستی برش پلاسما را انجام دهید باید بدانید که فقط وقتی که تورچ پلاسما خاموش است می توانید به آن دست بزنید. به محض فشردن کلید تورچ پلاسما ، جریان DC از منبع تغذیه تولید می شود در اثر برقراری قوس بین نازل و الکترود ، گاز پلاسما شروع به تولید و حرکت می کند.
سپس در سر تورچ پلاسما ، گاز تبدیل به پلاسمای پرفشار می شود و به سمت قطعه کار حرکت می کند. پس از اینکه پلاسما به سمت قطعه کار حرکت می کند قوس ایجاد شده بین نازل و الکترود پلاسما تغییر مسیر می دهد و بین الکترود و قطعه کار تشکیل می شود . تا زمانی که دست از کلید تورچ پلاسما برندارید و یا دستگاه را خاموش نکنید همین مسیر ادامه پیدا می کند.
تشریح دقیق عملیات برش پلاسما
در یک مشعل برش پلاسمای دقیق همه چیز متفاوت است . الکترود و نازل در این مشعل برش پلاسما بوسیله سوویرل رینگ یا حلقه چرخشی از یکدیگر جدا می شوند . حلقه چرخشی جریان اولیه پلاسما را با سوراخ های ریز درون خود به شکل یک گرداب در می آورد.هنگامی که منبع تغذیه شروع به کار می کند تا 400 ولت جریان DC ایجاد می نماید سپس گاز پلاسما تولید می گردد .
در ابتدا نازل بصورت موقت به پتانسیل مثبت منبع تغذیه متصل می گردد و یک مدار قوس تشکیل می دهد الکترود نیز پتانسیل منفی می شود. در این هنگام یک جرقه با فرکانس بالا تشکیل می شود.این جرقه به گاز پلاسما اجازه یونیزه شدن را می دهد و بنابراین قدرت هدایت الکتریسیته را به دست می آورد که به آن قوس پایلوت یا هدایتگر می گویند .
به محض تماس این قوس با قطعه کار ، مسیر جریان از نازل به قطعه کار منتقل می شود به همین دلیل است که میز کار به زمین متصل است تا از حرکت جریان به مسیر دیگر جلوگیری شود.جریان DC برای تولید آمپراژی که کاربر در تنظیمات دستگاه برش پلاسما انتخاب کرده مورد استفاده قرار می گیرد.
به همین ترتیب و به تناسب جریان و آمپر پیش جریان گاز به مقداری که برای برش فلز قطعه کار لازم است به جریان می افتد . سپس گاز ثانویه که قرار است نقش گاز محافظ را داشته باشد از مسیر نازل وارد محیط می شود . این گاز محافظ باعث حرکت صحیح پلاسما و افزایش دقت برش و کاهش زوایای اریب در سطح برش می شود.
اجزای سیستم برشکاری پلاسما
5 بخش اصلی برای هر سیستم برشکاری پلاسما متصور است :
منبع تغذیه برش پلاسما: منبع تغذیه برش پلاسما وظیفه تبدیل جریان متناوب AC تک فاز و یا سه فاز را به ولتاژ ثابت DC را برعهده دارد . ولتاژ خروجی حداکثر 400 ولت ثابت برای هر منبع تغذیه متصور است . دلیل استفاده از ولتاژ ثابت DC در برشکاری پلاسما ، تضمین قوس پایدار است.
واحد ایجاد جرقه ( جرقه زن پلاسما ): اما برای شروع قوس پلاسما به یک مدار الکتریکی نیاز داریم تا بتواند ولتاژ را در حدود 5000 ولت متناوب در فرکانس 2 مگا هرتز بالا ببرد و در نتیجه جرقه ای ایجاد کند تا قوس اولیه پلاسما ایجاد گردد.
گاز برش پلاسما: عبور جریان گاز در برش پلاسما ضروری است . به دلیل تغییر ماهیت گاز به پلاسما ، تفاوتی در نوع گاز وجود ندارد . اما بهترین انتخاب ها می توانند نیتروژن ، هوای فشرده ، اکسیژن و آرگون باشد.این گاز ها برای دو هدف به جریان برشکاری پلاسما تزریق می شود
سیستم خنک سازی در برشکاری پلاسما: تورچ پلاسما آنچنان داغ می شود که اگر سیستم خنک کننده نداشته باشد این امکان وجود دارد که نازل و یا الکترود آتش بگیرد . بنابراین همیشه از یک سیال همچون باد یا آب برای کنترل دما استفاده می شود. بنابراین دستگاه برش پلاسما که آمپر پایین تر دارد هوا خنک و دستگاههای برش پلاسما با آمپر بالاتر آب خنک هستند.
تورچ برشکاری پلاسما ( مشعل برش پلاسما) : مشعل برشکاری پلاسما به گونه ای طراحی شده که قوس پایدار پلاسما تولید نماید و همچنین سیستم خنک سازی در آن به صورت موثر عمل نماید. اقلام مصرفی تورچ پلاسما عبارتند از نازل برش پلاسما ، الکترود پلاسما و حلقه چرخشی (swirl ring) و ….
با سیستم برش پلاسما فقط اجسامی که رسانای الکتریکی باشند قابل برشکاری هستند چرا که قطعه کار بخشی از فرآیند تشکیل قوس پلاسما است و اگر رسانای الکتریکی نباشد مدار قوس پلاسما تشکیل نمی شود و درنتیجه برش نیز اتفاق نمی افتد.این بدان معناست که اکثر فلزات از جمله موارد زیر قابل برشکاری توسط پلاسما هستند :
فولاد ضد زنگ ، فولاد ساختاری ، فولاد آلیازی و فولاد کم آلیاژ و انواع دیگر فولادها
صفحات فلزی روکش شده
آلومینیوم
البته همانطور که در ابتدا ذکر شد برش پلاسما برای تمام فلزات هادی قابل استفاده است بطور مثال برای مس ، چدن ، برنج و تیتانیوم اما به دلیل دمای ذوب پایین تر این مواد لبه برشکاری از کیفیت لازم برخواردار نخواهد بود.در مورد ضخامت برشکاری با دستگاه برش پلاسما می توان از ضخامت 0.5 الی 180 میلیمتر را برشکاری نمود . البته این به قدرت دستگاه برش پلاسما و آلیاژ مورد برشکاری بستگی دارد.
فرآیند قوس برش پلاسما چگونه است ؟
انواع مختلفی از فرآیند برش پلاسما وجود دارد ، اما اصول اولیه این فرآیندها ثابت است هرچند که برای برش فولاد ، مس ، آلومینیوم یا هر فلز دیگری استفاده شود.این فرآیند دارای پنج مرحله مجزا است .
شروع قوس پایلوت پلاسما
شروع قوس پایلوت در لحظه ای که با فشردن کلید تورچ پلاسما آغاز می شود . گاز شروع به حرکت در مسیر نازل به سمت قطعه کار می کند و قوس اولیه بین نازل و الکترود تشکیل می شود و سپس گاز پلاسما از نازل برش پلاسما به سمت قطعه کار خارج می شود.
ایجاد قوس اصلی برش پلاسما
مرحله بعدی ایجاد قوس اصلی بین الکترود تورچ پلاسما و قطعه کار است . این به معنای شروع کار برش پلاسما است و حرکت گاز پلاسما باعث بریدن قطعه کار و حرکت گاز محافظ باعث ایجاد سطح صاف در قطعه کار می گردد. بنابراین لازم است که همزمان با تشکیل قوس هر دو گاز نیز شروع به حرکت نمایند.
انواع فرآیند برش قوس پلاسما
به عنوان یک قانون کلی تمامی انواع فرآیند برشکاری پلاسما بدون توجه به نحوه استفاده ، یکسان هستند. تغییرات در نحوه اجرا بر اساس نیاز برشکار ، قابلیتهای دیگری را به فرآیند اضافه می کند. بطور مثال این تغییرات می تواند شامل نحوه طراحی نازل و الکترود پلاسما ، نحوه حرکت و شکل گیری گاز جت پلاسما ، انواع مختلف سیستم های خنک کننده باشد.
برخی از گزینه های مختلف در طراحی فرآیند برش پلاسما عبارتند از:
سیستم استاندارد برش پلاسما
عمومی ترین حالت فرآیند برش پلاسما حالت استاندارد آن است که در آن گاز پلاسما از دهانه نازل خارج می شود . در این حالت از سایز نازل پلاسما برای کوچک و بزرگ کردن حجم پلاسما استفاده و افزایش عمق برش بوسیله افزایش قطر سوراخ نازل انجام می شود. خنک کننده در این نوع از برشکاری پلاسما آب یا هوا است.
سیستم دو گاز برش پلاسما
در برخی موارد برای ایجاد جت پلاسما و شکل دهی به پلاسما از گاز دومی که باعث منقبض شدن پلاسما می شود استفاده می نمایند. این ویژگی خاص باعث حرکت مطمئن پلاسما و جلوگیری از دخالت سایر عوامل محیطی در فرآیند برشکاری پلاسما می شود . به عنوان مثال برش پلاسما زیرآب با این سیستم انجام می گردد.