جوشکاری پلاسما

تاریخچه

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 به دلیل دقت بسیار بالا در جوش کاری و یا برش کاری ورقه‌های نازک و حتی ضخیم مورد توجه بسیاری قرار گرفت.

اصول و نحوه ی عملکرد

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 . پروسه 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 . 
فرآيند جوشكاري پلاسما به صورت اتوماتيك و دستي قابل دسترس است . اين دو روش در عمليات مختلف اعم از جوشكاري در حجمهاي بالا ( مثل ورقها ي فولادي ) تا جوشكاري دقيق مثل ابزارهاي جراحي استفاده مي شود . به عنوان مثال در جوشكاري ماشيني مي توان از تعمير پره هاي موتورها جهت نام برد و براي جوش دستي مي توان به جوشكاري تجهيزات آشپزخانه و مواد غذايي و لبني اشاره كرد
اساسا دستگاه برش و جوش پلاسما از يك توليد كننده جريان الكتريكي و يك ژنراتور فركانس بالا، يك ريز پردازنده، كمپروسور  ( درهوا )  وتورچ تشكيل شده‌است . 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.
داراي حرارت بسيار بالايي است در حدود ۵۰۰۰ درجه. اين گاز در اين حالت يونيزه شده و مثل فلزات داراي الكترون آزاد است . بنابراين مي توان هادي جريان الكتريسيته نيز باشد . اين همان حالت چهارم ماده است . عمل جوشكاري دقيقا" مثل جوشكاري با GTAW يا TIG است . با اين تفاوت كه به جاي قوس الكتريكي از قوس پلاسما استفاده مي شود . مثل جوش TIG الكترود و فلز با قوس پلاسما داغ شده و ذوب مي شوند و روي هم روان مي گردند
در تورچ جوشكاري پلاسما، يك الكترود تنگستن در داخل نازل مسي كه دهانه كوچكي در نوك آن مستقر شده قرار دارد . اولين قوس بين الكترود و نازل تورچ زده مي شود و به كمك جريان  مثبت منفي كه به قطعه كار متصل است به طرف آن هدايت مي شود . با خروج قوس و گاز پلاسما از ميان دهانه مشعل تمركز زيادي از انرژي گرمايي را روي فضايي كوچك آزاد مي كند . با تجهيزات مناسب جوشكاري فرآيند پلاسما جوش فوق العاده و استثنايي را از نظر كيفيت ارائه خواهد كرد .
گاز اصلي پلاسما به‌طور معمول در جوشكاري آرگون است . گاز ديگري كه به عنوان گاز محافظ استفاده مي شود . مي تواند آرگون، هيدروژن و يا هليم باشد تا حوضچه مذاب در مقابل جو محافظت شود.

تجهيزات مورد نياز در جوشكاري پلاسما

۱- منبع تغذيه پلاسما 
۲-  كنسول پلاسما ( مي تواند داخلي يا خارجي باشد )
۳- پخش كننده آب ( مي تواند داخلي يا خارجي باشد )
۴- مشعل برشكاري پلاسما
۵- جعبه متعلقات  ( الكترود، كلت، سراميك، سر پيچ )

الكترود محافظت شده

الكترود محافظت شده و پوشيده اين عمل آلودگي در اثر الكترودها را كاهش مي دهد . اين يك مزيت ويژه براي فلزاتي است كه در هنگام جوشكاري توليد گاز سمي مي كنند . در زمان جوشكاري با Tig ( الكترود محافظت نشده موجب آلودگي مي شود )

مزيت طول قوس به علت شكل قوس و حتي حرارت ايجاد شده

فاصله طول قوس به اندازه Tig يا GTAW بحراني نيست و جوشكاري كاملا" مستحكم خواهد بود .

ايجاد قوس به صورت كاملا ملايم و سازگار

امكان جوشكاري ورقهاي نازك، سيمهاي نازك و تجهيزات مينياتوري زمانيكه قوس خشن Tig موجب خسارت به قطعه كار مي شود وجود دارد .

قوسي استوار و پايدار در جوشكاري

كاهش اعتراف قوس زمانيكه از اين جوشكاري استفاده مي شود، قوس ساخته شده در تقريب بسيار نزديكي با درز جوشكاري براي بهينه سازي گرماگيري و شكل دهي استفاده مي شود .

حد اقل نويز در فركانسهاي بالا

حد اقل نويز در فركانسهاي بالا براي قوس هدايت شده مي باشد . بدين ترتيب پلاسما مي تواند با كنترل NC استفاده شود . مزيت ديگري كه از كاربردهاي اين جوشكاري مي باشد آب بندي تجهيزات الكترونيك آن به صورت فوق العاده مي باشد . در جايي كه قوس Tig استفاده مي شود باعث مي شود تا تجهيزات الكترونيكي داخلي دچار آسيب شود و يا دچار پارازيت مي گردند .

چگالي انرژي ( تمركز ) حاصل شده حدود ۳ برابر Tig است

اين مزيت باعث كمترين تاب برداشتگي و كوتاه تر شدن جوشكاري مي شود و سرعت جوشكاري را بالا مي برد .

كاهش زمان جوشكاري تا ۰.۰۰۵ ثانيه

دقت بالا و كوتاهي زمان جوشكاري ايجاد نقطه جوش روي سيمهاي نازك را فراهم مي كند . زمان جوشكاري دقيق با حركتهاي صحيح و دقيق ابزار تركيب مي شوند و جوشكاري تكرار پذير را فراهم مي كند .

عرضه كردن تجهيزات با فركانس Hz 10000

انتخاب پالسهاي گوناگون براي جوشكاري را فراهم مي كند .

آمپر پايين براي جوشكاري هنري تا اندازه ۰.۰۵ آمپر

انجام جوشكاري وسايل مينياتوري با كنترل خوب در شيبها

تغيير قوس از طريق تعويض دهانه نازل

اين ويژگي توسط دستگاه قبلا" پيش بيني شده
كليات بالا دلايلي براي استفاده از جوشكاري پلاسما در موارد  نياز مي باشد . اما به‌طور خلاصه 3 ويژگي اصلي موجب شده‌است استفاده كننده از پلاسما اين روش را ترجيح دهد به شرح ذيل مي باشد .
A ) فرآيند پلاسما معمولا" از Tig دقيق تر است.
بخاطر بسپاريد كه پاور ساپلاي توسعه يافته در پلاسما قوس متفاوتي از Tig  بوجود مي آورد )

پلاسما مزاياي زير را بيش از Tig معمولي دارد

۱-   قوس متمركز و پايدار
۲-   ايجاد طول قوسهاي متعدد ( Tig + 5 % و پلاسما 5 + % )
۳-    پايداري در آمپرهاي پايين
۴-    انتقال ملايم و آرام بدون هيچ نويز فركانسي
۵-    امكان جوشهايي با زمان كوتاه مثل نقطه جوش، سيم راهنما و ...

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 می‌باشد.
مواردی چون سرطان پوست نیز با احتمال خیلی ضعیف گزارش شده‌است.

هوا

 در پروسه پلاسماي دستي معمولاً از يك گاز استفاده مي شود ( هوا يا نيتروژن ) . چرا كه هر دو خنك و در دسترس هستند . بيشتر سيستمهاي دستي مجاز به استفاده از شدت جريان زير صدآمپر هستند . اين سيستم‌ها توانايي برش تا ضخامت  5/8 اینچ را دارند.

گاز دوگانه

 در پروسه استفاده از گاز دوگانه از دو گاز استفاده مي شود . يكي براي توليد پلاسما و ديگري براي محافظت ناحيه برش در برابر اتمسفر ( مثل جوشهاي TIG , MIG  و... ) در اين روش لبه بريده شده بسيار تميز تر است . همچنين براي برش بر روي مواد گوناگون مي توان از تركيبات گازهاي گوناگون بهره برد تا كيفيت بهتري حاصل شود.

پوشش آب

فرق اين روش با روش استفاده از گاز دو گانه در اين است كه آب جايگزين گاز محافظ شده‌است . در اين روش بايد نازل مناسب انتخاب شود تا عبور آب به آساني صورت گيرد . در اين روش قطعه كار همواره خنك مي شود و طول عمر نازل افزايش پيدا می كند . جوشکاری و برش فولاد ضد زنگ با اين روش كيفيت بهتري پيدا مي كند . اين پروسه فقط در كاربرد ماشيني مورد استفاده قرار مي گيرد .

تزریق آب

 در اين روش هم براي محافظت و هم براي توليد پلاسما از آب استفاده مي شود .در اين روش آب مستقيما به درون قوس تزريق مي شود پس از بخار شدن به حالت پلاسما در مي آيد . براي اجراي اين روش بايد تغييرات زيادي در مشعل انجام شود . تراكم قوس و درجه حرارت در اين روش بسيار بالاتر است . رنج آمپر در حدود 260 تا 750 آمپر است . در بسياري مواد و ضخامت‌ها مي توان از اين روش بهره جست .

گاز های پوششی

انواع مختلفي از گازهاي پلاسما و محافظ در دسترس است . اين گازها بر روي قطعات و مواد مختلف تاثيرات متفاوتي دارند . که مختصرا به بررسی آن‌ها می پردازیم.

هوا

در بيشتر موارد هوا به عنوان گاز پلاسما مورد استفاده قرار مي گيرد . شايد دليل آن اين باشد كه فشرده كردن هوا در هر موقعيتي ممكن است و اين گاز بسهولت قابل دسترسي است . اين گاز در هر  دو جريان زير 200 آمپر پاسخ مناسب مي دهد . قسمت‌هاي مصرفي داراي عمر قابل قبولي هستند . ( حدود 100 تا 200 استارت ) با استفاده از اين گاز كيفيت بر روي اكثر مواد قابل قبول است هر چند كه بعضي سطوح نيتروژنه مي شوند، اين عمل روي فولاد كربن دار و برخي مواد رخ مي دهد ولي روي آلومينيوم و فولاد ضد زنگ رخ مي دهد .   

نیتروژن

اين گاز كه همواره با تزريق آب استفاده مي شود بهترين كيفيت را روي آلومينيوم و فولاد ضد زنگ ايجاد مي كند . مي توان با گاز دو گانه نيز كيفيت خوبي روي فولاد ضد زنگ بدست آورد .كيفيت برش روي بيشتر فولادهاي كربن دار به نيتروژن دهي سطح و شكل سطح مذاب بستگي دارد . عمر مواد مصرفي عالي است . اين گاز در 20 تا 750 آمپر براي برش تا ضخامت 4 اينچ مورد استفاده قرار مي گيرد .

آرگون - هیدروژن

اين گاز شامل 35 % هيدروژن و 65 % آرگون است . در گازهاي دو گانه سيستم با كيفيت خوب فولاد ضد زنگ و آلومينيوم را در ضخامت 8/3 اينچ تا 2 اينچ مي برد . اين گاز همچنين در سيستم هاي فشار قوي از 750 تا 1000 آمپر براي بريدن فولاد ضد زنگ و آلومينيوم تا ضخامت 6 اينچ استفاده مي شود . عمر مواد مصرفي عالي است .   

اکسیژن

استفاده از اين گاز براي بهترين كيفيت در فولاد هاي كربن داراست در لبه برش نيتريت آزاد قابليت جوشكاري، فرم كاري و ورق كاري را افزايش مي دهد . اين گاز در 15 تا 260 آمپر براي برش تا ضخامت 1 اينچ فولاد به كار مي رود . عمر مواد مصرفي تا كنون به صورت حاشيه اي قابل قبول است . با ظهور طول عمرهاي جديد در سيستم پلاسما ( برش دقيق، گاز دو گانه، تزريق آب ) حالا عمر مواد مصرفي عالي كرده است .