برش پلاسما،معایب بسیار اما کارآمد

در این مقاله از بهکات لیزر در زمینه تکنولوژی و دستگاه های برش پلاسما اطلاعاتی اجمالی و مفید در اختیار بازدیدکنندگان محترم قرار داده ایم. در ادامه با هم نگاهی به آن می اندازیم.

برش پلاسما پروسه‌ای است که در آن فولاد و سایر فلزات در قطرهای مختلف به وسیلهٔ یک مشعل (torch) برش داده می‌شود. در این برش یک گاز نجیب و گاها" هوای فشرده با سرعت بالا از نازل دمیده شده و در همان لحظه یک قوس الکتریکی در سر نازل،بین گاز با سطح برش ایجاد می‌گردد وگاز به حالت پلاسمایی می‌رود.حرارت پلاسما به حدی است که فلزات در ضخامت های بالا را ذوب کند و عملیات برش صورت پذیرد. هوای فشرده نیز به اندازه‌ای فشار دارد که فلز ذوب شده را از روی مسیر برش دور کند.
برش پلاسما در سال ۱۹۶۰ از جوش پلاسما منتج گردید و در سال ۱۹۸۰ به عنوان یک راه کار بسیار سازنده برای برش ورق و صفحات فلزی معرفی گردید.

تاریخچه دستگاه های پلاسما

برش دهنده‌های پلاسما خیلی سریع توسعه یافتند اما سرعت برش با آن‌ها تا حدودی کند و هزینه و قیمت بالایی دارند. بنابراین بشتر به کاربردهایی که نیاز به تکرار الگوی برش (در کاربردهای تولید انبوه و سری کاری) بود اختصاص یافتند.
همچون سایر ماشین‌های ابزار از سال ۱۹۸۰ تکنولوژی CNC برای ماشین‌های برش پلاسما نیز استفاده گردید و از این طریق انعطاف‌پذیری بیشتری در برابر طرحها و عملکردهای مختلف مورد تقاضا از طریق برنامه‌نویسی CNC از خود نشان داد؛ ولی باز هم با وجود کنترلرهای CNC ،برش پلاسما محدود به برش طرح‌ها والگوها در صفحات و ورقه‌های تخت بوده و فقط دارای دو محور(X,Y) هستند.

نحوه عملکرد دستگاه های برش پلاسما

برش دهنده‌های پلاسما از دو روش برای استارت قوس و شروع فرآیند، بهره می‌گیرند؛
1.ایجاد قوس از طریق گذاشتن مشعل(Torch) روی قطعه کار وتماس با آن
2. استفاده از یک مدار ولتاژ بالا- فرکانس بالا برای ایجاد قوس الکتریکی
البته  روش دوم دارای معایبی چون: احتمال و خطر برق گرفتگی و لزوم حفظ فاصله اسپارک و نیز حجم بالای تشعشعات فرکانس‌های رادیویی می‌باشد.
برش دهنده‌های پلاسما نزدیک تجهیزات حساس الکترونیکی نظیر سخت‌افزار CNC یا رایانه کار می‌کنند بنابراین برای جلوگیری از نویزپذیری این تجهیزات وآسیب رسیدن به آن‌ها از تجهیزات دیگری برای استارت قوس هادی استفاده می‌شود. این تجهیزات معمولاً روی سیستم جداگانه‌ای که دوراز سیستم‌های الکترونیکی حساس بوده و مجموعه کنترل پلاسما نامیده می‌شود قرار می‌گیرند.

در برش پلاسمای نوع HF یا (High Frequency) به کمک یک جرقه فرکانس و ولتاژ بالا، هوای موجود در سر مشعل یونیزه شده و قوس الکتریکی ایجاد می‌گردد.در این روش هنگام شزوع، لزومی به تماس قطعه کار با مشعل(Torch) نیست و این روش برای کاربردهای کنترل عددی (CNC) مناسب می‌باشد.
در ماشین‌های پیشرفته تر جهت تنظیم ارتفاع مشعل از سطح قطعه کار لازم است قبل از استارت نوک(Tip) تورچ به قطعه کار خورده سپس یک فاصله (Gap) مناسب (مطابق تنظیم اپراتور) ایجاد گردد(مانند الکترود جوشکاری). این نوع دستگاه‌های برش پلاسما، حساس به تماس نوک مشعل به قطعه کار بوده و بمحض تماس، از سطح کار فاصله می‌گیرد. البته علاوه بر این ،مشعل، مجهز به یک سپر یا کلاهک ضد ضربه می‌باشد. کنترل‌کننده جرقه از دو سیستم نزدیک بهم برای تولید پلاسما بهره می‌گیرد. ابتدا یک مدار ولتاژ بالا- جریان پایین با فرکانس زیاد استفاده شده تا در یک لحظه آنی یک جرقه با شدت بالا داخل بدنه تورچ ایجاد شده و مقدارکمی(small pocket) گاز پلاسما ایجاد گردد. از این قوس به عنوان قوس هادی نام برده می‌شود. قوس هادی یک مسیر برگشتی به سر مشعل ایجاد می‌کند وخودش را تا نزدیکی قطعه کار یعنی جایی که قوس اصلی پلاسما زده می‌شود نگه می‌دارد. قوس‌های پلاسما بسیار داغ بوده ودمای آنها در حدود °c25000 می‌باشد.

موارد ضروری ایمنی در هنگام استفاده از دستگاه های برش پلاسما

برای جلوگیری از صدمات چشمی  محافظت مناسب چشم (مانند جوشکاری) با استفاده از عینک محافظ مناسب ضروری بوده و محافظ صورت نیز لازم است. توصیه می شود برای محافظت در هنگام برش از عینک مات شماره 6 یا تیره تر استفاده کنید تا از سوختگی و آسیب شبکیه چشم شما جلوگیری شود. از دستکش های چرمی ، پیش بند و ژاکت نیز برای جلوگیری از سوختگی ناشی از جرقه  استفاده می شود.

برش پلاسما اینورتر

دستگاه های برش پلاسمای آنالوگ ، به طور معمول توانی بیش از 2 کیلووات دارند که در آنها از مبدل فرکانس استفاده می شود. برش پلاسما اینورتر جریان اصلی را به DC تبدیل می کند ، که در اینورتر ترانزیستوری با فرکانس بالا بین 10 کیلوهرتز تا حدود 200 کیلوهرتز تغذیه می شود. فرکانس های سوئیچینگ بالاتر راندمان بیشتری را در ترانسفورماتور ایجاد می کنند و باعث می شوند اندازه و وزن آن کاهش یابد.
ترانزیستورهای مورد استفاده در ابتدا MOSFET بودند ، اما اکنون به طور فزاینده ای از IGBT استفاده می کنند. با موازی کردن MOSFET ها ، اگر یکی از ترانزیستورها زودتر فعال شود ، می تواند منجر به خرابی یک چهارم اینورتر شود. اما  با استفاده از IGBT ،همچین حالتی دیگر بوجود نیامد . IGBT ها معمولاً در دستگاههای دارای جریان بالا یافت می شوند که امکان موازی کردن ترانزیستورهای MOSFET کافی وجود ندارد.

برخی از تولید کنندگان برش پلاسما جداول برش CNC را طراحی کرده اند. جداول CNC به رایانه اجازه می دهد تا تورچ تولید شعله ،برشی  تیز و تمیز را کنترل کند. تجهیزات پلاسما CNC مدرن قادر به برش چند محوره بر روی مواد ضخیم هستند . در مورد مواد نازک تر ، برش پلاسما به تدریج با برش لیزر جایگزین می شود ، که بیشتر به دلیل توانایی های برتر برش لیزر است.
استفاده تخصصی از برش پلاسما CNC در صنعت، در محدوده ولتاژ بالای AC بوده است. نرم افزار اطلاعات مربوط را پردازش می کند و الگوهای مسطح ایجاد می کند که توسط مشعل پلاسما بر روی میز برش اعمال می شود. این فناوری از زمان معرفی آن در اوایل دهه 1980 ، به طور چشمگیری بهره وری را در صنعت افزایش داده است.
در سالهای اخیر پیشرفت های بیشتری نیز صورت گرفته است. به طور ناحیه کاری برش پلاسما بر روی دو محور محدود بودند ، اما اکنون دستگاه های برش پلاسمای CNC در دسترس هستند که باعث می شود دقتی بالاتر ، افزایش انعطاف پذیری ، ایمنی بهینه و عملکرد سریع تر فراهم شود.
در دهه گذشته تولید کنندگان مشعل پلاسما ، مدل های جدیدی را با نازل کوچکتر و قوس پلاسمای باریک تر طراحی کرده اند که این امر باعث نزدیک شدن کیفیت و دقت برش پلاسما به کیفیت برش لیزر شده است. چندین تولید کننده ،کنترلر CNC دقیق را با این مشعلها ترکیب کرده اند تا به سازندگان امکان تولید قطعاتی را بدهد که نیاز به  مقدار کم و یا حتی بدون نیاز به عملیات پرداخت داشته باشند.

دستگاه پلاسما در ابتدا بسیار گران بود، به همین دلیل آنها معمولاً فقط در صنایع جوشکاری حرفه ای و کارگاه های خصوصی بسیار پر درآمد یافت می شدند. با این حال ، مشعل های پلاسما مدرن ارزان تر می شوند و اکنون در محدوده قیمت بسیاری از علاقمندان قرار دارند. دستگاه های قدیمی ممکن است بسیار سنگین باشند ، اما هنوز هم قابل حمل هستند ، در حالی که برخی از جدیدترها با فناوری اینورتر ، بسیار سبکتر و کم حجم تر هستند.

معایب اصلی و اساسی برش پلاسما

1.تعمیر و نگهداری و تعویض دوره ای قطعات، پر هزینه و نه چندان ساده
2.آلایندگی بالا؛ شامل گازهای خطرناک متساعد شده در هنگام برش و همچنین مضر بودن امواج صوتی غیر شنیدنی و خارج از محدوده شنوایی انسان
3.نسبت به سایر فن آوری های موجود برش فلزات، هزینه بسیار بیشتری برای دستیابی به توان های بالاتر برش نیاز است

درمورد مزایای این نوع برش ، مورد خاص و متمایزی نسبت به سایر راه کارهای برش امروزی نمیتوان نام برد و تنها از قابلیتهای منحصر به فرد آن میتوان به توانایی انجام فرآیند جوش و برش در زیر آب و در اعماق تاسیسات دریایی اشاره نمود.

امروزه از برش پلاسما هر چند بصورت محدود و در نیازهای خاص، اما روی هر نوع فلز رسانا، فولاد نرم، مس ،آلومینیوم، استیل استنلس و ... می‌تواند استفاده شود. این تکنولوژی برای برش فولاد بسیار ایده‌آل می‌باشد. در مورد فلزات غیر آهنی، حد اکثر عمق برش با این فن آوری حداکثر دو اینچ می‌باشد.