آشنایی با جوشکاری پلاسما

آشنایی با جوشکاری پلاسما

جوشکاری پلاسما یکی از روش‌های جوشکاری است که در آن با کاربرد گازهای خنثی درجه حرارت به بالای ۲۰۰۰۰ هزار درجه سانتیگراد می‌رسد و و انرژی قوس بسیار متمرکز تر و پایدار تر از روش جوشکاری با گاز محافظ و الکترود تنگستنی TIG است.

پلاسما به معنی گاز یونیزه شده می‌باشد. به دلیل اینکه این گاز در این درجه حرارت و حالت از قانون گازها پیروی نمی‌کند، حالت چهارم وجود ماده به آن گفته می‌شود (جامد، مایع، گاز، پلاسما) چنانچه هوا یا گاز در قوس الکتریکی شرایط گذار به حالت پلاسما را بیابد قوس مربوط دارای انرژی حرارتی بسیار زیادی خواهد شد.

جوشکاری پلاسما برای اولین بار در سال ۱۹۵۳ توسط رابرت ام.گیج (Robert M. Gage) اختراع شد و در سال ۱۹۵۷ به ثبت رسید. از همان ابتدای کار این روش بدلیل دقت بسیار بالا در جوش کاری و یا برش کاری ورقه های نازک و حتی ضخیم مورد توجه بسیاری قرار گرفت.
Plusma cutting.jpg

اصول و نحوه ی عملکرد

در ابتدا باید یادآوری کنیم که پروسه برش و جوش پلاسما تنها در مواد هادی جریان الکتریسیته قابل اجرا است . در واقع در این روش با عبور پلاسما از میان تورچ و خوردن آن به ماده شکلی از انرژی از یک چشمه انرژی به ماده انتقال پیدا می کند و ماده بریده می شود . پروسه برش پلاسما بر خلاف پروسه برش هوا گاز بیشتر بر گرمای زیاد برای ذوب و سرعت بالای گاز تکیه دارد نه بر اکسید شدن ماده . به این ترتیب از این روش می توان هم برای فلزات آهنی و هم برای فلزات غیر آهنی مانند آلومینیوم استفاده کرد . با این روش دیگر مشکل اکسید مقاوم بعضی از فلزات وجود ندارد .

فرآیند جوشکاری پلاسما به صورت اتوماتیک و دستی قابل دسترس است . این دو روش در عملیات مختلف اعم از جوشکاری در حجمهای بالا ( مثل ورقها ی فولادی ) تا جوشکاری دقیق مثل ابزارهای جراحی استفاده می شود . به عنوان مثال در جوشکاری ماشینی می توان از تعمیر پره های موتور ها جهت نام برد و برای جوش دستی می توان به جوشکاری تجهیزات آشپزخانه و مواد غذایی و لبنی اشاره کرد

اساسا دستگاه برش و جوش پلاسما از یک تولید کننده جریان الکتریکی و یک ژنراتور فرکانس بالا، یک ریز پردازنده ، کمپروسور ( درهوا ) وتورچ تشکیل شده است . اجزاء سیستم انرژی مورد نیاز را تولید می کنند و قابلیت یونیزاسیون را به وجود می آورند . همچنین پروسه یونیزاسیون را کنترل می کنند . کنترل پروسه برای تولید با کیفیت بالا یک امر ضروری است . در این روش مواد مختلف با کیفیت بسیار بالا بریده می شود.

دارای حرارت بسیار بالایی است در حدود ۵۰۰۰ درجه. این گاز در این حالت یونیزه شده و مثل فلزات دارای الکترون آزاد است . بنابراین می توان هادی جریان الکتریسیته نیز باشد . این همان حالت چهارم ماده است . عمل جوشکاری دقیقا” مثل جوشکاری با GTAW یا TIG است . با این تفاوت که به جای قوس الکتریکی از قوس پلاسما استفاده می شود . مثل جوش TIG الکترود و فلز با قوس پلاسما داغ شده و ذوب می شوند و روی هم روان می گردند

در تورچ جوشکاری پلاسما ، یک الکترود تنگستن در داخل نازل مسی که دهانه کوچکی در نوک آن مستقر شده قرار دارد . اولین قوس بین الکترود و نازل تورچ زده می شود و به کمک جریان مثبت منفی که به قطعه کار متصل است به طرف آن هدایت می شود . با خروج قوس و گاز پلاسما از میان دهانه مشعل تمرکز زیادی از انرژی گرمایی را روی فضایی کوچک آزاد می کند . با تجهیزات مناسب جوشکاری فرآیند پلاسما جوش فوق العاده و استثنایی را از نظر کیفیت ارائه خواهد کرد .

گاز اصلی پلاسما به طور معمول در جوشکاری آرگون است . گاز دیگری که به عنوان گاز محافظ استفاده می شود . می تواند آرگون ، هیدروژن و یا هلیم باشد تا حوضچه مذاب در مقابل جو محافظت شود.
تجهیزات مورد نیاز در جوشکاری پلاسما

۱- منبع تغذیه پلاسما ۲- کنسول پلاسما ( می تواند داخلی یا خارجی باشد )

۳- پخش کننده آب ( می تواند داخلی یا خارجی باشد )

۴- مشعل برشکاری پلاسما

۵- جعبه متعلقات ( الکترود ، کلت ، سرامیک ، سر پیچ )

مزایا
الکترود محافظت شده

الکترود محافظت شده و پوشیده این عمل آلودگی در اثر الکترود ها را کاهش می دهد . این یک مزیت ویژه برای فلزاتی است که در هنگام جوشکاری تولید گاز سمی می کنند . در زمان جوشکاری با Tig ( الکترود محافظت نشده موجب آلودگی می شود )
مزیت طول قوس به علت شکل قوس و حتی حرارت ایجاد شده

فاصله طول قوس به اندازه Tig یا GTAW بحرانی نیست و جوشکاری کاملا” مستحکم خواهد بود .
ایجاد قوس به صورت کاملا ملایم و سازگار

امکان جوشکاری ورقهای نازک ، سیمهای نازک و تجهیزات مینیاتوری زمانیکه قوس خشن Tig موجب خسارت به قطعه کار می شود وجود دارد .
قوسی استوار و پایدار در جوشکاری

کاهش اعتراف قوس زمانیکه از این جوشکاری استفاده می شود ، قوس ساخته شده در تقریب بسیار نزدیکی با درز جوشکاری برای بهینه سازی گرماگیری و شکل دهی استفاده می شود .
حد اقل نویز در فرکانسهای بالا

حد اقل نویز در فرکانسهای بالا برای قوس هدایت شده می باشد . بدین ترتیب پلاسما می تواند با کنترل NC استفاده شود . مزیت دیگری که از کاربردهای این جوشکاری می باشد آب بندی تجهیزات الکترونیک آن بصورت فوق العاده می باشد . در جایی که قوس Tig استفاده می شود باعث می شود تا تجهیزات الکترونیکی داخلی دچار آسیب شود و یا دچار پارازیت می گردند .
چگالی انرژی ( تمرکز ) حاصل شده حدود ۳ برابر Tig است

این مزیت باعث کمترین تاب برداشتگی و کوتاه تر شدن جوشکاری می شود و سرعت جوشکاری را بالا می برد .
کاهش زمان جوشکاری تا ۰.۰۰۵ ثانیه

دقت بالا و کوتاهی زمان جوشکاری ایجاد نقطه جوش روی سیمهای نازک را فراهم می کند . زمان جوشکاری دقیق با حرکتهای صحیح و دقیق ابزار ترکیب می شوند و جوشکاری تکرار پذیر را فراهم می کند .
عرضه کردن تجهیزات با فرکانس Hz 10000

انتخاب پالسهای گوناگون برای جوشکاری را فراهم می کند .
آمپر پایین برای جوشکاری هنری تا اندازه ۰.۰۵ آمپر

انجام جوشکاری وسایل مینیاتوری با کنترل خوب در شیبها
تغییر قوس از طریق تعویض دهانه نازل

این ویژگی توسط دستگاه قبلا” پیش بینی شده

کلیات بالا دلایلی برای استفاده از جوشکاری پلاسما در موارد نیاز می باشد . اما بطور خلاصه ۳ ویژگی اصلی موجب شده است استفاده کننده از پلاسما این روش را ترجیح دهد به شرح ذیل می باشد .

A ) فرآیند پلاسما معمولا” از Tig دقیق تر است

بخاطر بسپارید که پاور ساپلای توسعه یافته در پلاسما قوس متفاوتی از Tig بوجود می آورد )

مزیت های فرایند پلاسما نسبت به فرایند تیگ (Tig) عبارتند از:

۱- قوس متمرکز و پایدار

۲- ایجاد طول قوسهای متعدد ( Tig + 5 % و پلاسما ۵ + % )

۳- پایداری در آمپرهای پایین

۴- انتقال ملایم و آرام بدون هیچ نویز فرکانسی

۵- امکان جوشهایی با زمان کوتاه مثل نقطه جوش ، سیم راهنما و …
مزیت های فرایند جوشکاری پلاسما (PAW)[۱]

مزیت های فرایند جوشکاری پلاسما (PAW) به طور خلاصه عبارتند از:

حفاظت بهتر و عمر بیشتر الکترود غیرمصرفی
قابلیت جوشکاری با شدت جریان پایین
قوسی متمرکز، پایدار و یکنواخت با دامنه وسیع تغییرات طول
افزایش چگالی انرژی قوس در مقایسه با فرایند GTAW
افزایش سرعت جوشکاری در مقایسه با فرایند GTAW
افزایش کارآیی جوشکاری در مقایسه با فرایند GTAW
بهبود کیفیت فلز جوش و منطقه متاثر از حرارت

معایب

از معایب جوشکاری پلاسما اشعه آن می‌باشد که اگر جوشکار از لباس و عینک مخصوص ضد اشعه استفاده نکند بیماریهایی مثل کوری ریزش مو دچار میشود مواردی چون سرطان پوست نیز با احتمال خیلی ضعیف گزارش شده‌است.
روش ها

هوا

در پروسه پلاسمای دستی معمولا از یک گاز استفاده می شود ( هوا یا نیتروژن ) . چرا که هر دو خنک و در دسترس هستند . بیشتر سیستمهای دستی مجاز به استفاده از شدت جریان زیر صدآمپر هستند . این سیستم ها توانایی برش تا ضخامت ۵/۸ اینچ را دارند.
گاز دوگانه

در پروسه استفاده از گاز دوگانه از دو گاز استفاده می شود . یکی برای تولید پلاسما و دیگری برای محافظت ناحیه برش در برابر اتمسفر ( مثل جوشهای TIG , MIG و… ) در این روش لبه بریده شده بسیار تمیز تر است . همچنین برای برش بر روی مواد گوناگون می توان از ترکیبات گازهای گوناگون بهره برد تا کیفیت بهتری حاصل شود.
پوشش آب

فرق این روش با روش استفاده از گاز دو گانه در این است که آب جایگزین گاز محافظ شده است . در این روش باید نازل مناسب انتخاب شود تا عبور آب به آسانی صورت گیرد . در این روش قطعه کار همواره خنک می شود و طول عمر نازل افزایش پیدا می کند . جوشکاری و برش فولاد ضد زنگ با این روش کیفیت بهتری پیدا می کند . این پروسه فقط در کاربرد ماشینی مورد استفاده قرار می گیرد .
تزریق آب

در این روش هم برای محافظت و هم برای تولید پلاسما از آب استفاده می شود .در این روش آب مستقیما به درون قوس تزریق می شود پس از بخار شدن به حالت پلاسما در می آید . برای اجرای این روش باید تغییرات زیادی در مشعل انجام شود . تراکم قوس و درجه حرارت در این روش بسیار بالاتر است . رنج آمپر در حدود ۲۶۰ تا ۷۵۰ آمپر است . در بسیاری مواد و ضخامت ها می توان از این روش بهره جست .
گاز های پوششی

انواع مختلفی از گازهای پلاسما و محافظ در دسترس است . این گازها بر روی قطعات و مواد مختلف تاثیرات متفاوتی دارند . که مختصرا به بررسی آن ها می پردازیم.
هوا

در بیشتر موارد هوا به عنوان گاز پلاسما مورد استفاده قرار می گیرد . شاید دلیل آن این باشد که فشرده کردن هوا در هر موقعیتی ممکن است و این گاز بسهولت قابل دسترسی است . این گاز در هر دو جریان زیر ۲۰۰ آمپر پاسخ مناسب می دهد . قسمتهای مصرفی دارای عمر قابل قبولی هستند . ( حدود ۱۰۰ تا ۲۰۰ استارت ) با استفاده از این گاز کیفیت بر روی اکثر مواد قابل قبول است هر چند که بعضی سطوح نیتروژنه می شوند ، این عمل روی فولاد کربن دار و برخی مواد رخ می دهد ولی روی آلومینیوم و فولاد ضد زنگ رخ می دهد .
نیتروژن

این گاز که همواره با تزریق آب استفاده می شود بهترین کیفیت را روی آلومینیوم و فولاد ضد زنگ ایجاد می کند . می توان با گاز دو گانه نیز کیفیت خوبی روی فولاد ضد زنگ بدست آورد .کیفیت برش روی بیشتر فولادهای کربن دار به نیتروژن دهی سطح و شکل سطح مذاب بستگی دارد . عمر مواد مصرفی عالی است . این گاز در ۲۰ تا ۷۵۰ آمپر برای برش تا ضخامت ۴ اینچ مورد استفاده قرار می گیرد .
آرگون – هیدروژن

این گاز شامل ۳۵ % هیدروژن و ۶۵ % آرگون است . در گازهای دو گانه سیستم با کیفیت خوب فولاد ضد زنگ و آلومینیوم را در ضخامت ۸/۳ اینچ تا ۲ اینچ می برد . این گاز همچنین در سیستم های فشار قوی از ۷۵۰ تا ۱۰۰۰ آمپر برای بریدن فولاد ضد زنگ و آلومینیوم تا ضخامت ۶ اینچ استفاده می شود . عمر مواد مصرفی عالی است .
اکسیژن

استفاده از این گاز برای بهترین کیفیت در فولاد های کربن داراست در لبه برش نیتریت آزاد قابلیت جوشکاری ، فرم کاری و ورق کاری را افزایش می دهد . این گاز در ۱۵ تا ۲۶۰ آمپر برای برش تا ضخامت ۱ اینچ فولاد به کار می رود . عمر مواد مصرفی تا کنون به صورت حاشیه ای قابل قبول است . با ظهور طول عمرهای جدید در سیستم پلاسما ( برش دقیق ، گاز دو گانه ، تزریق آب ) حالا عمر مواد مصرفی عالی کرده است .