در دنیای صنعتی امروز، برش فلزات جزئی جدایی‌ناپذیر از بسیاری از فرایندها محسوب می‌شود. از ساخت‌وساز و خودروسازی گرفته تا هوافضا و ساخت تجهیزات، نیاز به برش دقیق و سریع فلزات همواره وجود دارد. در میان روش‌های مختلف برش فلز، برش پلاسما به‌عنوان یک روش نوین و کارآمد، جایگاه خود را به‌خوبی پیدا کرده است.
برش پلاسما از گرمای پلاسما که گاز یونیزه شده با دمای بسیار بالا است، برای ذوب و جداکردن فلزات استفاده می‌کند. در ادامه به بررسی تخصصی برش پلاسما و مزایا و ویژگی‌های آن خواهیم پرداخت.
پلاسما چیست؟
همان‌طور که احتمالاً می‌دانید، ماده به سه حالت جامد، مایع و گاز وجود دارد. بااین‌حال، پلاسما اغلب به‌عنوان چهارمین حالت ماده شناخته می‌شود که به طور رایج در سراسر کهکشان یافت می‌گردد.
زمانی که انرژی اضافی به گاز وارد شود، پلاسما تشکیل شده و به مولکول‌های آن اجازه می‌دهد تا سریع‌تر حرکت کنند و با نیروی بیشتری برخورد کنند. این برخوردها مولکول‌ها را قادر می‌سازد تا از اتم‌های پایه خود و الکترون‌های پوسته بیرونی جدا شوند و یون‌ها را تشکیل دهند.
در این مرحله، گاز یونیزه شده به پلاسما تبدیل می‌شود.
دستگاه برش پلاسما چیست؟
اگرچه با شنیدن برش پلاسما، بیشتر افراد تصویری از دستگاه سی‌ان‌سی پلاسما به ابعاد 4 در 8 فوت که با استفاده از فایل‌های دیجیتال برش را انجام می‌دهد، در ذهنشان نقش می‌بندد، اما برش پلاسما می‌تواند به صورت دستی و با استفاده از یک مشعل پلاسما دستی نیز انجام شود.
روش برش با مشعل پلاسما، صرف‌نظر از نوع تکنولوژی (نبود آن)، اساساً یکسان است.
برش پلاسما چگونه کار می‌کند؟
برش پلاسما به‌جای بریدن مکانیکی فلز، از گرما (معمولاً بیش از 20000 درجه سانتیگراد) برای ذوب کردن فلز استفاده می‌کند. برش‌دهنده قوس پلاسما، جریان الکتریکی را از طریق گاز برش پلاسما قبل از عبور دادن آن از یک دهانه تنگ شده به نام نازل ارسال می‌کند.
هنگامی که گاز از دهانه محدود نازل عبور می‌کند، سرعت می‌گیرد و دما را افزایش داده و پلاسما را تشکیل می‌دهد. سپس گاز با فشار بسیار بالایی تخلیه می‌شود که باعث ذوب‌شدن مواد قطعه کار و خارج‌شدن آن از برش می‌گردد.
در دنیای پیچیده برش پلاسما، نقش هوای فشرده را نمی‌توان دست‌کم گرفت. با هدایت هوای فشرده از طریق کمپرسور هوا، برش پلاسما به طور مؤثر گرمای لازم را برای برش فلزات بادقت قابل‌توجه ایجاد می‌کند.
این وابستگی به هوای فشرده، همراه با قابلیت‌های کمپرسورهای هوای مدرن، است که امکان دستیابی به مزایای متعدد برش پلاسما را فراهم می‌کند.
بااین‌حال، مانند هر ابزاری، درک نقاط قوت و ضعف آن برای دستیابی به نتایج مطلوب ضروری است و همه دستگاه‌های برش به یک‌شکل کار نمی‌کنند.
سه نوع فرایند برش پلاسما
1. تماس با فرکانس بالا: این روش مقرون‌به‌صرفه است، اما با تجهیزات پلاسما CNC قابل‌استفاده نیست. برش تماس با فرکانس بالا شامل یک جرقه با فرکانس بالا و ولتاژ بالا است که خطر تداخل با کنترل CNC و ایجاد مشکل را دارد. جرقه زمانی ایجاد می‌شود که مشعل پلاسما با فلز تماس پیدا کرده، مدار را کامل کند، جرقه و پلاسما را ایجاد کند.
2. قوس پیشرو: این فرایند جرقه را در داخل مشعل با استفاده از مدار جریان کم و ولتاژ بالا ایجاد می‌کند. جرقه، قوس پیشرو را ایجاد و تماس با قطعه کار، قوس برش را ایجاد می‌کند.
3. سرمشعل پلاسمای فنری: با فشاردادن مشعل بر روی قطعه کار، اتصال کوتاه ایجاد شده و باعث جریان برق می‌شود. سپس اپراتور برای ایجاد قوس پیشرو، فشار را کم می‌کند.
گازهای مورد استفاده در برش پلاسما
نوع گاز مورداستفاده در برش پلاسما به روش برش، نوع ماده و ضخامت آن بستگی دارد. رایج‌ترین گازهای مورداستفاده در برش پلاسما عبارت‌اند از:
• گاز آرگون: آرگون یک گاز بی‌اثر با قوس پلاسمایی پایدار است، به این معنی که در دماهای بالا با اکثر فلزات بسیار کم واکنش نشان می‌دهد. بااین‌حال، گاز آرگون به دلیل قوس پلاسمایی کم و مشکلات سرباره ناشی از کشش سطحی بالاتر، محدودیت‌های برش دارد. این مشکلات باعث می‌شود که آرگون به‌ندرت برای برش پلاسما استفاده شود.
• گاز نیتروژن: نیتروژن نسبت به آرگون از پایداری قوس پلاسما و جت انرژی بالاتری برخوردار است. حتی در هنگام برش فلزات با ویسکوزیته بالا مانند آلیاژ نیکل دار و فولاد ضدزنگ، سرباره کمی تشکیل می‌دهد. این گاز به‌صورت مستقل یا در ترکیب با گازهای دیگر عمل نموده و برش با سرعت بالا در فولاد کربنی را تسهیل می‌کند.
• هوا: هوا دارای 78 درصد نیتروژن و 21 درصد اکسیژن حجمی بوده و برای برش پلاسما مناسب می‌باشد. ترکیب اکسیژن هوا آن را به یکی از سریع‌ترین گازها برای برش فولاد کم‌کربن و ارزان‌ترین گاز تبدیل می‌کند. از طرفی، الکترودها و نازل‌های مورد استفاده با هوا معمولاً عمر مفید کوتاهی دارند و هوا به‌عنوان گاز مستقل باعث آویزان شدن سرباره و اکسیداسیون برش می‌شود.
• گاز اکسیژن: اکسیژن، مانند هوا، سرعت برش را در فولاد کم‌کربن افزایش می‌دهد، اگرچه استفاده از آن با الکترودهای مقاوم به دمای بالا و اکسیداسیون نتایج بهتری را به ارمغان می‌آورد.
• گاز هیدروژن: هیدروژن عمدتاً به‌عنوان گاز کمکی برای مخلوط‌شدن با سایر گازهای برش پلاسما استفاده می‌شود. پرکاربردترین ترکیب، هیدروژن و آرگون است که گاز برش پلاسمای قدرتمندی را تولید می‌کند.
نحوه برش مواد مختلف با پلاسما
همان‌طور که گفته شد، فرایند برش پلاسما روی هر ماده رسانا کار می‌کند و در اینجا رایج‌ترین آنها وجود دارد:
1. برش پلاسما آلومینیوم
آلومینیوم به دلیل رسانایی بالا، ایده‌آل برای برش پلاسما است و این فرایند در مقایسه با سایر روش‌ها، مزایایی را برای برش فلزات ضخیم‌تر ارائه می‌دهد. برش پلاسما می‌تواند ضخامت‌های آلومینیوم تا 160 میلی‌متر (6-3/8 اینچ) را به طور مقرون‌به‌صرفه برش دهد.
2. برش پلاسما فولاد نرم
فولاد نرم به دلیل ارزان‌بودن، تنوع و قابلیت جوشکاری، برای برش پلاسما و ساخت فلزات مناسب است.
3. برش پلاسما فولاد ضدزنگ
فولاد ضدزنگ در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی مقاوم است و برش پلاسما روی صفحات تا ضخامت 30 میلی متر (1-3/16 اینچ) و در گریدهای مختلف کار می کند.
4. برش پلاسما برنج
برنج یکی دیگر از فلزاتی است که به دلیل هدایت الکتریکی بالا به‌راحتی با برش پلاسما ساخته می‌شود. بااین‌حال، به دلیل وجود روی در برنج، این فرایند باید در فضایی با تهویه مناسب انجام شود، زیرا استنشاق بخارات روی در حال سوختن برای سلامتی مضر است.
5. برش پلاسما مس
مس دارای رسانایی الکتریکی عالی و خواص ضروری از جمله مقاومت در برابر خوردگی، چکش‌خواری بالا و قابلیت جوشکاری است. بااین‌حال، مانند برنج، باید در مناطقی با تهویه مناسب برش داده شود.
6. برش پلاسما چدن
چدن به دلیل ارزان‌بودن و قابلیت انعطاف‌پذیری محبوب است. این ماده رسانایی بسیار بالایی دارد، با مقاومت فشاری بالا و دمای ذوب پایین که آن را برای برش پلاسما ایده‌آل می‌کند.
جوشکاری برش پلاسما چیست؟
ممکن است گیج‌کننده به نظر برسد، اما برش پلاسما و جوشکاری پلاسما دو فرایند کاملاً مجزا هستند که از فناوری پلاسما برای شکل‌دادن به فلزات استفاده می‌کنند. همان‌طور که نشان دادیم، سیستم‌های برش پلاسما از جریان‌های پر سرعت گاز داغ – آرگون، نیتروژن یا اکسیژن – برای برش فلز استفاده می‌کنند.
از سوی دیگر، جوشکاری پلاسما شبیه به برش پلاسما است، اما از الکتریسیته تولید شده از یک جوشکار قوس با فرکانس بالا برای اتصال دو قطعه فلز استفاده می‌کند. جوشکاری پلاسما به دلیل اینکه به‌جای برش ساده، دو قطعه را به هم متصل می‌کند، به مهارت و دقت بسیار بیشتری نیاز دارد.
معایب برش پلاسما
اگرچه برش پلاسما نسبت به سایر روش‌های ساخت‌وساز مزایای زیادی دارد، اما معایبی نیز به شرح زیر دارد:
• محدود به مواد رسانا: این روش تنها برای برش مواد رسانا قابل استفاده است.
• محدودیت ضخامت برش: برای برش فلزات با ضخامت بیش از ۱۵۰ میلی‌متر (حدود ۶ اینچ) ایده‌آل نیست.
• ایجاد نور شدید: جرقه‌های درخشان در هنگام برش می‌توانند اثر مخربی بر چشم داشته باشند.
• ایجاد سروصدا: فرایند برش پلاسما پر سروصدا است و استفاده از محافظ گوش ضروری است.
• ایجاد بخار: به طور معمول بخار تولید می‌کند، بنابراین فقط باید در محیطی با تهویه مناسب استفاده شود.
• هزینه بالا: استفاده از برخی لوازم مصرفی با عمر کوتاه مانند نازل و الکترود می‌تواند پرهزینه باشد.
جمع‌بندی
فرایند برش پلاسما شامل استفاده از مرحله چهارم ماده (پلاسما) برای برش فلزات رسانا است. این فرآیند چندین مزیت از جمله تطبیق‌پذیری، دقت، کیفیت سطح، هزینه کمتر تجهیزات و بهره‌وری بالاتر را ارائه می‌دهد.
برای به حداکثر رساندن پتانسیل برش پلاسما و جایگزین‌های آن، ابزار مناسب بسیار مهم است. اطمینان از مجهز بودن به بهترین ابزار به‌اندازه انتخاب روش برش مناسب برای تلاش‌های تولیدی شما ضروری است.
در حوزه تولید فولاد، برش‌های پلاسما روشی را متحول کرده است که ما به فلزکاری برخورد می‌کنیم. این برش‌های پلاسما که برای دقت و کارایی طراحی شده‌اند، مزایای منحصربه‌فردی را نسبت به روش‌های برش سنتی ارائه می‌دهند.
فناوری موجود در دستگاه‌های برش پلاسما، برش‌های تمیزتر را تضمین می‌کند، درحالی‌که تطبیق‌پذیری دستگاه برش پلاسما امکان استفاده بر روی طیف وسیعی از فلزات را فراهم می‌کند. علی‌رغم مزایای آن، هر پروژه‌ای برای برش پلاسما مناسب نیست – برش لیزری، جت آب یا برش با سوخت اکسی – ممکن است بهتر عمل کنند.
درک زمان استفاده از برش پلاسما، و تفاوت‌های ظریف هر مدل برش پلاسما، می‌تواند کلید دستیابی به نتایج دلخواه باشد. مانند هر ابزار دیگری، تسلط بر استفاده از برش‌های پلاسما نیازمند بینش در نقاط قوت و محدودیت‌های آن است.
چه مبتدی باشید و چه متخصص، نمی‌توان از تکامل و پتانسیل دستگاه‌های برش پلاسما در صنعت امروز چشم‌پوشی کرد.
