مقدمه

در حین انجام بسیاری از فرایندهای ساخت ، غالباً ضروری است که فلزات را به اندازه ای برش دهیم یا لبه های قطعات را شکل دهیم و پخ بزنیم تا برای جوشکاری آماده شوند . 

رویه برداری فرایندی است که به کمک آن میتوان لایه ای از فلز را برداشت و شیاری ایجاد کرد بدون آنکه نیازی به برشکاری کامل آن باشد . از این فرایند غالباً برای برداشتن بخش معیوب استفاده می کنند تا بتوان آن را دوباره جوشکاری کرد. 

برشکاری با گاز 

برای برشکاری ورویه برداری فقط کافی است که فلز را گداخته وسرخ کنیم وسپس جریان پر فشار اکسیژن را به سوی آن متوجه کنیم . بنابراین در این فرایند ها میتوان از سوختهایی استفاده کرد که دمایی کمتر از استیلن تولید میکنند . 

دماهای تقریبی شعله های مختلف 

اکسی استیلن                                               3250 درجه سانتیگراد 

اکسی بوتان ( اکسیژن – بوتان )                                  2815 درجه سانتیگراد 

اکسی متان ( اکسیژن – گاز طبیعی )                              2770 درجه سانتیگراد 

اکسی هیدروژن (اکسیژن – گاز هیدروژن )                       2820 درجه سانتیگراد 

هوا – استیلن                                              2320 درجه سانتیگراد 

هوا – متان                                                 1850 درجه سانتیگراد 

هوا – پروپان                                               1900 درجه سانتیگراد

هوا – بوتان                                                 1800 درجه سانتیگراد

اکسیژن                                                                                                                                     

اکسیژن گازی است بی رنگ ، بی بو و بی طعم .در صنعت اکسیژن را داخل کپسول های فولادی آبی رنگ ذخیره می کنند. پایه کپسول های اکسیژن را چهار گوش می سازند . روی سر کپسول های اکسیژن کلاهکی قرار دارد که برای حفاظت آلوده نشدن دهانه خروجی اکسیژن بکار می رود . هرگز کلاهک کپسول اکسیژن را به جز در موقع مصرف گاز باز نکنید .

گاز استیلن

استیلن گازی است بی رنگ که بوی سیر گندیده می دهد . گاز استیلن در نتیجه تماس کاربید با آب در دستگاهی به نام مولد استیلن تولید می شود . کپسول های استیلن به شکل استوانه تو خالی است که از فولاد ساخته شده است . داخل کپسول از ماده ای اسفنجی مانند چوب پنبه هندی یا مواد متخلخل دیگر پر شده که داخل کپسول و ماده اسفنجی استون ریخته شده است . دستورات ایمنی کپسول های گاز

جداره خارجی کپسول ها را برای شناختتن گاز داخل آنها به رنگ های گوناگون رنگ آمیزی می کنند. در ایران رنگ کپسول اکسیژن آبی ، رنگ کپسول استیلن ارغوانی و رنگ کپسول های هیدروژن و گاز زغال قرمز است. پیچ اتصال کپسول های گاز سوختنی چپ گرد و پیچ اتصال کپسولهای گازی که نمی سوزد راست گرد انتخاب می شود تا در نصب دستگاه تنظیم فشار ( رگلاتور ) روی کپسولها اشتباهی رخ ندهد .

صنایع چوب ، دستگاه جوش ،

انواع روش های برشکاری

1-       برشکاری با ماشین های فرز و تراش CNC

مشخصات کلی ماشین های فرز و تراش CNC

?       قابلیت برش و حکاکی  مواد فلزی و غیر فلزی

?       قابلیت حکاکی سه بعدی

?       قیمت پایین

?       هزینه پایین نگهداری

?       با کاربردهای بسیار متنوع

دستگاه های فرزکاری CNC

دستگاه های فرزکاری CNC، دستگاه هایی هستند که کارهای برش و سطح برداری یا حکاکی را توسط تیغه های دواری انجام می دهند. کنترل این دستگاه ها توسط کامپیوتر انجام می شود و طرح برش یا حکاکی در یک فایل کامپیوتری به دستگاه داده می شود. این دستگاه ها می توانند برای کارهای مختلف و مواد مختلف، از تیغه های دوار متفاوتی استفاده کنند.

دستگاه های فرزکاری CNC می توانند روی طیف وسیعی از مواد، اعم از فلزی یا غیر فلزی، برش یا حکاکی را انجام دهند. این دستگاه ها در میان دستگاه های برش و حکاکی که با کامپیوتر کنترل می شوند، پایین ترین قیمت را دارند و در عین حال، بیشترین تنوع کاری را دارا هستند.

یکی از مهم ترین ویژگی های این دستگاه ها ، امکان حرکت سه بعدی این دستگاه هاست. این ویژگی، انعطاف پذیری این دستگاه ها را به مقدار زیادی افزایش می دهد. دستگاه های فرزکاری سی ان سی می توانند فایل های خروجی نرم افزارهای طراحی متعددی را برای انجام برش و حکاکی استفاده کنند.

این نوع دستگاه ها در طیف وسیعی از مشاغل به کار می آیند. برخی از این کارگاه ها یا کارخانجاتی که می توانند کاربران این دستگاه ها باشند عبارتند از :

          کارگاه های صنعتی قالب سازی

          کارگاه های صنعتی ساخت قطعات صنعتی

          کارگاه های خدمات صنعتی

          کارخانجات یا کارگاه های تولید مصنوعات چوبی

          کارگاه های تولید مصنوعات تزیینی فلزی

          کارگاه های ماکت سازی

          کارگاه های منبت کاری

          کارگاه های موسسات یا شرکت های تبلیغاتی

          سایر کسانی که برش یا حکاکی دقیق قطعات فلزی یا غیرفلزی ، بخش مهمی از کارشان را تشکیل می دهد.

2-برشکاری با ماشین های برش پلاسما

       مشخصات کلی ماشین های برش پلاسما

?       مناسب برای برش در مواقعی که دقت بالایی مورد نیاز نیست.

?       قابلیت برش فلزات

?       عمق برش بالا

?       قیمت پایین

برشکاری با قوس پلاسما

تعریف پلاسما

معمولاً سه حالت ماده، یعنی جامد، مایع و گاز را در نظر می‌گیرند، ولی حالت چهارمی از ماده وجود دارد که پلاسما نامیده می‌شود. برای ماده شناخته شده خیلی معروف یعنی آب، سه حالت یخ، آب و گاز (بخار) وجود دارد که اگر به آن انرژی گرمایی اعمال شود، یخ از حالت جامد به مایع تبدیل شده و اگر انرژی گرمایی بیشتری اعمال شود، تبدیل به حالت گاز می‏شود. زمانی که انرژی گرمایی قابل توجهی به گاز وارد شود، گاز به پلاسما تبدیل می‌شود که چهارمین حالت ماده است.

یونیزاسیون

اگر انرژی گرمایی بسیار زیادی به آب وارد شود، به بخار تبدیل می‌شود که شامل دو گاز اکسیژن و هیدروژن خواهد بود. اگر انرژی بیشتری اعمال شود، ذاتاً خصوصیات دمایی و الکتریکی بخار تغییر خواهد کرد که به این فرایند، یونیزاسیون گفته می‌شود و در آن، الکترون و یون‌های آزاد در میان اتم‌های گاز ایجاد می‌شود. زمانی که این اتفاق می‌افتد، گازی که تبدیل به پلاسما شده، رسانای الکتریسیته خواهد شد زیرا الکترون‌های آزاد، برای انتقال جریان برق در دسترس خواهند بود. اصول رسانایی فلزات، در مورد رسانایی پلاسما نیز وجود خواهند داشت. مثلاً هر گاه شدت جریانی که از یک مقطع عبور می‌کند کاهش یابد. مقاومت افزایش خواهد یافت. برای رسیدن به ولتاژ بالاتر، می‌بایستی همین مقدار الکترون از مقطع عرضی عبور کند و دمای فلز افزایش یابد. برای تولید گاز به همین مقدار پلاسما نیاز است. اگر مقطع عرضی کاهش یابد گاز پلاسمای داغ‌تری به‌دست خواهد آمد.

 ماشین آلات صنعتی ، ابزار یراق

برشکاری پلاسما

برشکاری با قوس پلاسما از حدود 45 سال پیش توسعه یافته و اصولاً برای برشکاری فولادهای زنگ نزن و آلومینیم به کار برده می‌شد زیرا از لحاظ اقتصادی توجیه چندانی برای برشکاری فولادهای معمولی نداشت.در این زمینه سه محدودیت وجوددارد که عبارتند از:

1. کیفیت سطح برش ایجاد شده نسبتاً پایین بود

2. قابلیت اطمینان تجهیزات

3. ناتوانی ماشین‌های برش قدیمی که سرعت کمی در برشکاری دستی داشتند

به دلیل محدودیت‌های فوق، برش پلاسما با رشدی سریع مواجه نشد تا این که روش برش پلاسما توسط تزریق آب[3] در 1970 اختراع شد و رشد چشمگیری پیدا کرد. این فرایند نسبتاً جدید با فرایندهای معمولی متفاوت بود. در این فرایند، آب اطراف قوس الکتریکی برشکاری پلاسمای خشک[4]، تزریق می‌شد که نتیجه اصلی آن بهبود چشمگیر کیفیت سطوح برش روی همه فلزات حتی فولادهای معمولی بود. امروزه به‌خاطر پیشرفت‌های روی طراحی تجهیزات و بهبود در کیفیت برش، تقاضاهای بی سابقه قبلی نظیر مشعل چندتایی برش فولاد معمولی، فراگیر شده است.

شکل 1، فرایند برشکاری پلاسما را نشان می‌دهد. قاعده اصلی آن است که قوس شکل گرفته بین الکترود و قطعه کار توسط سوراخ دقیق کوچکی منقبض می‌شود که خود باعث افزایش سرعت و دمای پلاسمای خارج شده از نازل مسی می‌شود. دمای پلاسما خارج شده بیشتر از 20 هزار درجه سلسیوس و سرعت آن تقریباً به اندازه سرعت صوت است.

هنگام برشکاری، شدت جارش گاز پلاسما افزایش می‌یابد به‌طوری که جت پلاسما از میان قطعه کار عبور کرده و مواد ذوب شده حاصل از برشکاری را جابه‌جا کرده و به خارج منتقل می‌سازد.

فرایند برشکاری پلاسما فرایندی آلترناتیو برای فرایند برشکاری توسط اکسیژن تلقی می‌شود. این فرایند از این جهت با برش اکسیژن متفاوت است که در برش پلاسما، استفاده از قوس باعث ذوب فلز می‌شود، اما در برش توسط اکسیژن، اکسیژن فلز را اکسید کرده و حرارت حاصل از فرایند گرمازا، باعث ذوب فلز می‌شود. بنابراین، برخلاف برش توسط اکسیژن، برشکاری پلاسما برای فلزاتی مانند فولاد زنگ نزن، آلومینیم، چدن و آلیاژهای غیرآهنی به کار می‌رود.

انقباض قوس الکتریکی

در جوشکاری آرگون، خصوصیات قوس الکتریکی که از میان یک نازل مسی که توسط آب خنک می‌شود و بین یک الکترود (کاتد) و قطعه کار (آند) قرار دارد، به شدت تغییر می‌کند. به جای پخش شدن قوس، نازل قوس را داخل مقطع عرضی کوچکی منقبض می‌کند. این عمل، مقاومت گرمایی قوس را بشدت افزایش می‌دهد به‌طوری که دما و ولتاژ قوس افزایش می‌یابد. همان‌طور که در شکل 2 مشاهده می‌شود، قوس الکتریکی با سرعت بسیار زیاد و به‌طور کاملاً موازی که به صورت جت پلاسمای بسیار داغ بود، از نازل خارج می‌شود.

 در هر دو صورت فوق، هر دو دیسشارژ با گاز آرگون بوده و ولتاژ یکسان می‌باشد و شدت جریان AM200 اعمال شده است. تنها تفاوت آن است که در TIG جت پلاسما به آرامی توسط نازل به قطر 16/3 اینچ منقبض شده است و پلاسمای داغ‌تری از قوس متناظر آن تولید می‌کند.

  انواع جت پلاسما

هنگامی که منبع تغذیه بین الکترود و قطعه کار قرار می‌گیرد، جت پلاسما به صورت انتقال‌یافته می‌تواند عمل کندو هنگامی که منبع تغذیه بین الکترود و نازل قرار گیرد جت پلاسما به صورت غیرانتقال‌یافته  عمل می‌کند. دو حالت فوق در شکل3 نشان داده شده است.

 گرچه در هر دو حالت، یک جریان پلاسمای داغ از نازل خارج شده اما حالت انتقال‌یافته همیشه برای فرایند برشکاری به کار می‌رود، زیرا زمانی که قوس در تماس الکتریکی با قطعه کار قرار می‌گیرد، گرمای قابل استفاده وارد شده به طور موثرتری به کار برده می‌شود. خصوصیات جت پلاسما می‌تواند به شدت توسط تغییر نوع گاز، نرخ جارش گاز، شدت جریان قوس و اندازه قطر نازل تغییر یابد. مثلاً، اگر از نرخ پایین جارش گاز استفاده شود، جت پلاسما منبع گرمای متمرکز بسیار بالایی خواهد داشت که برای جوشکاری ایده‌آل است. اگر نرخ جارش گاز به حد کافی بالا باشد، جت پلاسما از قطعه کار عبور کرده و آن را خواهد برید. در این حالت، سرعت جت پلاسما برای دور کردن مواد مذاب ایجاد شده در حد کافی بالا خواهد بود. در فرایند برشکاری، دمای قوس پلاسما بیشتر از آنچه که در شکل 2 ارائه شده است، می‌باشد زیرا جارش بالای گاز، لایه مرزی نسبتاً خنکی از گاز یونیزه، داخل سوراخ نازل را فرم می‌دهد و باعث انقباض بیشتر قوس پلاسما می‌شود. ضخامت این لایه مرزی می‌تواند توسط حرکت چرخشی گاز برش، افزایش بیشتری یابد. عمل چرخش، سرما را بیرون رانده و گاز یونیزه را به صورت شعاعی بیرون می‌راند و لایه مرزی ضخیم‌تری ایجاد می‌کند. در اکثر مشعل‌های برشکاری پلاسما، از مکانیزم حرکت چرخشی گاز استفاده می‌شود تا حداکثر انقباض قوس ایجاد گردد.

منبع قدرت

خصوصیات قوس الکتریکی یک دستگاه، بستگی زیادی به منحنی ولتاژ و آمپراژ آن دارد. منبع قدرت موردنیاز در فرایند پلاسما، بایستی از نوع ولت- آمپر سراشیبی تند بوده و ولتاژ بالایی داشته باشد. گرچه ولتاژ موردنیاز هنگام فرایند برشکاری بین 50 تا 60 ولت است، ولی ولتاژ مدار باز برای شروع به ایجاد قوس بایستی بیشتر از vDC400 باشد. در اکثر کاترهای امروزی، یک قوس راهنما داخل بدنه مشعل بین الکترود و نازل باعث یونیزه شدن گاز شده و برای اولین بار، انتقال پلاسمای اولیه به قوس را ایجاد می‌کنند. چون این قوس باید به داخل قطعه کار منتقل شود، «قوس انتقال‌یافته» نامیده می‌شود. در روش‌های دیگر، ایجاد قوس توسط لمس نوک مشعل با قطعه کار صورت می‌گیرد که باعث ایجاد جرقه می‌شود. برای این کار استفاده از مدار فرکانس بالا لازم است. از آنجا که از اکثر انرژی قوس (تقریباً دوسوم) برای برشکاری استفاده می‌شود، می‌بایستی الکترود به قطب منفی و قطعه کار به قطب مثبت متصل شود.  

ترکیب گازها

در سیستم‌های پلاسمای معمولی از الکترود تنگستنی، گاز پلاسمای خنثی که می‌تواند آرگون یا آرگون-هیدروژن یا نیتروژن باشد، استفاده می‌شود. در فرایندهای گوناگون، می‌توان از گازهای اکسیدکننده مانند هوا یا اکسیژن نیز استفاده کرد. در این حالت، الکترود می‌بایستی از جنس مس یا «هف نیوم» باشد. در ضمن، مقدار فلوی جریان گاز پلاسما مهم بوده و می‌بایستی برحسب سطح شدت جریان و قطر سوراخ نازل تنظیم شود. اگر مقدار فلوی جریان گاز برای سطح شدت جریان کم باشد یا سطح شدت جریان برای قطر سوراخ نازل بسیار زیاد باشد، قوس شکسته شده و به دو قوس تبدیل می‌شود که یکی بین الکترود و نازل و دیگری نازل و قطعه کار ایجاد می‌شود. این حالت به پدیده «دوقوسی» معروف بوده و معمولاً اثر فاجعه انگیز آن به شکل ذوب نازل بروز می‌کند.

 منابع:

1-کتاب نمونه‌سازی و ابزارسازی سریع، دکتر عبدالرضا سیم‌چی، مهندس امیرحسین توکلی

2-کتاب فناوری نمونه‌سازی سریع، دکتر صادق رحمتی، مهندس مجتبی سلیمی

3- سایت دانشکده ی مهندسی صنایع دانشگاه علم و صنعت

4- پایگاه اطلاع‌رسانی مهندسی ساخت و تولید ایران