مقدمه

در حين انجام بسياري از فرايندهاي ساخت ، غالباً ضروري است که فلزات را به اندازه اي برش دهيم يا لبه هاي قطعات را شکل دهيم و پخ بزنيم تا براي جوشکاري آماده شوند .

رويه برداري فرايندي است که به کمک آن ميتوان لايه اي از فلز را برداشت و شياري ايجاد کرد بدون آنکه نيازي به برشکاري کامل آن باشد . از اين فرايند غالباً براي برداشتن بخش معيوب استفاده مي کنند تا بتوان آن را دوباره جوشکاري کرد.

برشکاری با گاز

براي برشکاري ورويه برداري فقط کافي است که فلز را گداخته وسرخ کنيم وسپس جريان پر فشار اکسيژن را به سوي آن متوجه کنيم . بنابراين در اين فرايند ها ميتوان از سوختهايي استفاده کرد که دمايي کمتر از استيلن توليد ميکنند .

دماهاي تقريبي شعله هاي مختلف

اکسي استيلن                                               3250 درجه سانتيگراد

اکسي بوتان ( اکسيژن – بوتان )                                  2815 درجه سانتيگراد

اکسي متان ( اکسيژن – گاز طبيعي )                              2770 درجه سانتيگراد

اکسي هيدروژن (اکسيژن – گاز هيدروژن )                       2820 درجه سانتيگراد

هوا – استيلن                                              2320 درجه سانتيگراد

هوا – متان                                                 1850 درجه سانتيگراد

هوا – پروپان                                               1900 درجه سانتيگراد

هوا – بوتان                                                 1800 درجه سانتيگراد

اکسيژن                                                                                                                                     

اکسيژن گازي است بي رنگ ، بي بو و بي طعم .در صنعت اکسيژن را داخل کپسول هاي فولادي آبي رنگ ذخيره مي کنند. پايه کپسول هاي اکسيژن را چهار گوش مي سازند . روي سر کپسول هاي اکسيژن کلاهکي قرار دارد که براي حفاظت آلوده نشدن دهانه خروجي اکسيژن بکار مي رود . هرگز کلاهک کپسول اکسيژن را به جز در موقع مصرف گاز باز نکنيد .

گاز استيلن

استيلن گازي است بي رنگ که بوي سير گنديده مي دهد . گاز استيلن در نتيجه تماس کاربيد با آب در دستگاهي به نام مولد استيلن توليد مي شود . کپسول هاي استيلن به شکل استوانه تو خالي است که از فولاد ساخته شده است . داخل کپسول از ماده اي اسفنجي مانند چوب پنبه هندي يا مواد متخلخل ديگر پر شده که داخل کپسول و ماده اسفنجي استون ريخته شده است . دستورات ايمني کپسول هاي گاز

جداره خارجي کپسول ها را براي شناختتن گاز داخل آنها به رنگ هاي گوناگون رنگ آميزي مي کنند. در ايران رنگ کپسول اکسيژن آبي ، رنگ کپسول استيلن ارغواني و رنگ کپسول هاي هيدروژن و گاز زغال قرمز است. پيچ اتصال کپسول هاي گاز سوختني چپ گرد و پيچ اتصال کپسولهاي گازي که نمي سوزد راست گرد انتخاب مي شود تا در نصب دستگاه تنظيم فشار ( رگلاتور ) روي کپسولها اشتباهي رخ ندهد .

صنایع چوب ، دستگاه جوش ،

انواع روش های برشکاری

1-       برشکاری با ماشين های فرز و تراش CNC

مشخصات کلي ماشين های فرز و تراش CNC

       قابليت برش و حکاکی  مواد فلزی و غير فلزی

       قابليت حکاکی سه بعدی

       قيمت پايين

       هزينه پايين نگهداری

       با کاربردهای بسيار متنوع

دستگاه های فرزکاری CNC

دستگاه های فرزکاری CNC، دستگاه هايی هستند که کارهای برش و سطح برداری يا حکاکی را توسط تيغه های دواری انجام می دهند. کنترل اين دستگاه ها توسط کامپيوتر انجام می شود و طرح برش يا حکاکی در يک فايل کامپيوتری به دستگاه داده می شود. اين دستگاه ها می توانند برای کارهای مختلف و مواد مختلف، از تيغه های دوار متفاوتی استفاده کنند.

دستگاه های فرزکاری CNC می توانند روی طيف وسيعی از مواد، اعم از فلزی يا غير فلزی، برش يا حکاکی را انجام دهند. اين دستگاه ها در ميان دستگاه های برش و حکاکی که با کامپيوتر کنترل می شوند، پايين ترين قيمت را دارند و در عين حال، بيشترين تنوع کاری را دارا هستند.

يکی از مهم ترين ويژگی های اين دستگاه ها ، امکان حرکت سه بعدی اين دستگاه هاست. اين ويژگی، انعطاف پذيری اين دستگاه ها را به مقدار زيادی افزايش می دهد. دستگاه های فرزکاری سی ان سی می توانند فايل های خروجی نرم افزارهای طراحی متعددی را برای انجام برش و حکاکی استفاده کنند.

اين نوع دستگاه ها در طيف وسيعی از مشاغل به کار می آيند. برخی از اين کارگاه ها يا کارخانجاتی که می توانند کاربران اين دستگاه ها باشند عبارتند از :

          کارگاه های صنعتی قالب سازی

          کارگاه های صنعتی ساخت قطعات صنعتی

          کارگاه های خدمات صنعتی

          کارخانجات يا کارگاه های توليد مصنوعات چوبی

          کارگاه های توليد مصنوعات تزيينی فلزی

          کارگاه های ماکت سازی

          کارگاه های منبت کاری

          کارگاه های موسسات يا شرکت های تبليغاتی

          ساير کسانی که برش يا حکاکی دقيق قطعات فلزی يا غيرفلزی ، بخش مهمی از کارشان را تشکيل می دهد.

2-برشکاری با ماشين های برش پلاسما

       مشخصات کلي ماشين های برش پلاسما

       مناسب برای برش در مواقعی که دقت بالايی مورد نياز نيست.

       قابليت برش فلزات

       عمق برش بالا

       قيمت پايين

برشکاري با قوس پلاسما

تعريف پلاسما

معمولاً سه حالت ماده، يعني جامد، مايع و گاز را در نظر مي‌گيرند، ولي حالت چهارمي از ماده وجود دارد که پلاسما ناميده مي‌شود. براي ماده شناخته شده خيلي معروف يعني آب، سه حالت يخ، آب و گاز (بخار) وجود دارد که اگر به آن انرژي گرمايي اعمال شود، يخ از حالت جامد به مايع تبديل شده و اگر انرژي گرمايي بيشتري اعمال شود، تبديل به حالت گاز مي‏شود. زماني که انرژي گرمايي قابل توجهي به گاز وارد شود، گاز به پلاسما تبديل مي‌شود که چهارمين حالت ماده است.

يونيزاسيون

اگر انرژي گرمايي بسيار زيادي به آب وارد شود، به بخار تبديل مي‌شود که شامل دو گاز اکسيژن و هيدروژن خواهد بود. اگر انرژي بيشتري اعمال شود، ذاتاً خصوصيات دمايي و الکتريکي بخار تغيير خواهد کرد که به اين فرايند، يونيزاسيون گفته مي‌شود و در آن، الکترون و يون‌هاي آزاد در ميان اتم‌هاي گاز ايجاد مي‌شود. زماني که اين اتفاق مي‌افتد، گازي که تبديل به پلاسما شده، رساناي الکتريسيته خواهد شد زيرا الکترون‌هاي آزاد، براي انتقال جريان برق در دسترس خواهند بود. اصول رسانايي فلزات، در مورد رسانايي پلاسما نيز وجود خواهند داشت. مثلاً هر گاه شدت جرياني که از يک مقطع عبور مي‌کند کاهش يابد. مقاومت افزايش خواهد يافت. براي رسيدن به ولتاژ بالاتر، مي‌بايستي همين مقدار الکترون از مقطع عرضي عبور کند و دماي فلز افزايش يابد. براي توليد گاز به همين مقدار پلاسما نياز است. اگر مقطع عرضي کاهش يابد گاز پلاسماي داغ‌تري به‌دست خواهد آمد.

 ماشین آلات صنعتی ، ابزار یراق

برشکاري پلاسما

برشکاري با قوس پلاسما از حدود 45 سال پيش توسعه يافته و اصولاً براي برشکاري فولادهاي زنگ نزن و آلومينيم به کار برده مي‌شد زيرا از لحاظ اقتصادي توجيه چنداني براي برشکاري فولادهاي معمولي نداشت.در اين زمينه سه محدوديت وجوددارد که عبارتند از:

1. کيفيت سطح برش ايجاد شده نسبتاً پايين بود

2. قابليت اطمينان تجهيزات

3. ناتواني ماشين‌هاي برش قديمي که سرعت کمي در برشکاري دستي داشتند

به دليل محدوديت‌هاي فوق، برش پلاسما با رشدي سريع مواجه نشد تا اين که روش برش پلاسما توسط تزريق آب[3] در 1970 اختراع شد و رشد چشمگيري پيدا کرد. اين فرايند نسبتاً جديد با فرايندهاي معمولي متفاوت بود. در اين فرايند، آب اطراف قوس الکتريکي برشکاري پلاسماي خشک[4]، تزريق مي‌شد که نتيجه اصلي آن بهبود چشمگير کيفيت سطوح برش روي همه فلزات حتي فولادهاي معمولي بود. امروزه به‌خاطر پيشرفت‌هاي روي طراحي تجهيزات و بهبود در کيفيت برش، تقاضاهاي بي سابقه قبلي نظير مشعل چندتايي برش فولاد معمولي، فراگير شده است.

شکل 1، فرايند برشکاري پلاسما را نشان مي‌دهد. قاعده اصلي آن است که قوس شکل گرفته بين الکترود و قطعه کار توسط سوراخ دقيق کوچکي منقبض مي‌شود که خود باعث افزايش سرعت و دماي پلاسماي خارج شده از نازل مسي مي‌شود. دماي پلاسما خارج شده بيشتر از 20 هزار درجه سلسيوس و سرعت آن تقريباً به اندازه سرعت صوت است.

هنگام برشکاري، شدت جارش گاز پلاسما افزايش مي‌يابد به‌طوري که جت پلاسما از ميان قطعه کار عبور کرده و مواد ذوب شده حاصل از برشکاري را جابه‌جا کرده و به خارج منتقل مي‌سازد.

فرايند برشکاري پلاسما فرايندي آلترناتيو براي فرايند برشکاري توسط اکسيژن تلقي مي‌شود. اين فرايند از اين جهت با برش اکسيژن متفاوت است که در برش پلاسما، استفاده از قوس باعث ذوب فلز مي‌شود، اما در برش توسط اکسيژن، اکسيژن فلز را اکسيد کرده و حرارت حاصل از فرايند گرمازا، باعث ذوب فلز مي‌شود. بنابراين، برخلاف برش توسط اکسيژن، برشکاري پلاسما براي فلزاتي مانند فولاد زنگ نزن، آلومينيم، چدن و آلياژهاي غيرآهني به کار مي‌رود.

انقباض قوس الکتريکي

در جوشکاري آرگون، خصوصيات قوس الکتريکي که از ميان يک نازل مسي که توسط آب خنک مي‌شود و بين يک الکترود (کاتد) و قطعه کار (آند) قرار دارد، به شدت تغيير مي‌کند. به جاي پخش شدن قوس، نازل قوس را داخل مقطع عرضي کوچکي منقبض مي‌کند. اين عمل، مقاومت گرمايي قوس را بشدت افزايش مي‌دهد به‌طوري که دما و ولتاژ قوس افزايش مي‌يابد. همان‌طور که در شکل 2 مشاهده مي‌شود، قوس الکتريکي با سرعت بسيار زياد و به‌طور کاملاً موازي که به صورت جت پلاسماي بسيار داغ بود، از نازل خارج مي‌شود.

 در هر دو صورت فوق، هر دو ديسشارژ با گاز آرگون بوده و ولتاژ يکسان مي‌باشد و شدت جريان AM200 اعمال شده است. تنها تفاوت آن است که در TIG جت پلاسما به آرامي توسط نازل به قطر 16/3 اينچ منقبض شده است و پلاسماي داغ‌تري از قوس متناظر آن توليد مي‌کند.

  انواع جت پلاسما

هنگامي که منبع تغذيه بين الکترود و قطعه کار قرار مي‌گيرد، جت پلاسما به صورت انتقال‌يافته مي‌تواند عمل کندو هنگامي که منبع تغذيه بين الکترود و نازل قرار گيرد جت پلاسما به صورت غيرانتقال‌يافته  عمل مي‌کند. دو حالت فوق در شكل3 نشان داده شده است.

 گرچه در هر دو حالت، يک جريان پلاسماي داغ از نازل خارج شده اما حالت انتقال‌يافته هميشه براي فرايند برشکاري به کار مي‌رود، زيرا زماني که قوس در تماس الکتريکي با قطعه کار قرار مي‌گيرد، گرماي قابل استفاده وارد شده به طور موثرتري به کار برده مي‌شود. خصوصيات جت پلاسما مي‌تواند به شدت توسط تغيير نوع گاز، نرخ جارش گاز، شدت جريان قوس و اندازه قطر نازل تغيير يابد. مثلاً، اگر از نرخ پايين جارش گاز استفاده شود، جت پلاسما منبع گرماي متمرکز بسيار بالايي خواهد داشت که براي جوشکاري ايده‌آل است. اگر نرخ جارش گاز به حد کافي بالا باشد، جت پلاسما از قطعه کار عبور کرده و آن را خواهد بريد. در اين حالت، سرعت جت پلاسما براي دور کردن مواد مذاب ايجاد شده در حد کافي بالا خواهد بود. در فرايند برشکاري، دماي قوس پلاسما بيشتر از آنچه که در شکل 2 ارائه شده است، مي‌باشد زيرا جارش بالاي گاز، لايه مرزي نسبتاً خنکي از گاز يونيزه، داخل سوراخ نازل را فرم مي‌دهد و باعث انقباض بيشتر قوس پلاسما مي‌شود. ضخامت اين لايه مرزي مي‌تواند توسط حرکت چرخشي گاز برش، افزايش بيشتري يابد. عمل چرخش، سرما را بيرون رانده و گاز يونيزه را به صورت شعاعي بيرون مي‌راند و لايه مرزي ضخيم‌تري ايجاد مي‌کند. در اکثر مشعل‌هاي برشکاري پلاسما، از مکانيزم حرکت چرخشي گاز استفاده مي‌شود تا حداکثر انقباض قوس ايجاد گردد.

منبع قدرت

خصوصيات قوس الکتريکي يک دستگاه، بستگي زيادي به منحني ولتاژ و آمپراژ آن دارد. منبع قدرت موردنياز در فرايند پلاسما، بايستي از نوع ولت- آمپر سراشيبي تند بوده و ولتاژ بالايي داشته باشد. گرچه ولتاژ موردنياز هنگام فرايند برشکاري بين 50 تا 60 ولت است، ولي ولتاژ مدار باز براي شروع به ايجاد قوس بايستي بيشتر از vDC400 باشد. در اکثر کاترهاي امروزي، يک قوس راهنما داخل بدنه مشعل بين الکترود و نازل باعث يونيزه شدن گاز شده و براي اولين بار، انتقال پلاسماي اوليه به قوس را ايجاد مي‌کنند. چون اين قوس بايد به داخل قطعه کار منتقل شود، «قوس انتقال‌يافته» ناميده مي‌شود. در روش‌هاي ديگر، ايجاد قوس توسط لمس نوک مشعل با قطعه کار صورت مي‌گيرد که باعث ايجاد جرقه مي‌شود. براي اين کار استفاده از مدار فرکانس بالا لازم است. از آنجا که از اکثر انرژي قوس (تقريباً دوسوم) براي برشکاري استفاده مي‌شود، مي‌بايستي الکترود به قطب منفي و قطعه کار به قطب مثبت متصل شود.  

ترکيب گازها

در سيستم‌هاي پلاسماي معمولي از الکترود تنگستني، گاز پلاسماي خنثي که مي‌تواند آرگون يا آرگون-هيدروژن يا نيتروژن باشد، استفاده مي‌شود. در فرايندهاي گوناگون، مي‌توان از گازهاي اکسيدکننده مانند هوا يا اکسيژن نيز استفاده کرد. در اين حالت، الکترود مي‌بايستي از جنس مس يا «هف نيوم» باشد. در ضمن، مقدار فلوي جريان گاز پلاسما مهم بوده و مي‌بايستي برحسب سطح شدت جريان و قطر سوراخ نازل تنظيم شود. اگر مقدار فلوي جريان گاز براي سطح شدت جريان کم باشد يا سطح شدت جريان براي قطر سوراخ نازل بسيار زياد باشد، قوس شکسته شده و به دو قوس تبديل مي‌شود که يکي بين الکترود و نازل و ديگري نازل و قطعه کار ايجاد مي‌شود. اين حالت به پديده «دوقوسي» معروف بوده و معمولاً اثر فاجعه انگيز آن به شکل ذوب نازل بروز مي‌کند.

 منابع:

1-كتاب نمونه‌سازي و ابزارسازي سريع، دكتر عبدالرضا سيم‌چي، مهندس اميرحسين توكلي

2-كتاب فناوري نمونه‌سازي سريع، دكتر صادق رحمتي، مهندس مجتبي سليمي

3- سايت دانشکده ی مهندسی صنايع دانشگاه علم و صنعت

4- پايگاه اطلاع‌رسانی مهندسی ساخت و توليد ايران