برش پلاسما چیست و چگونه کار می کند؟

آخرین به روزرسانی

مقدمه

برش پلاسما به انگلیسی Plasma Cutting فرایندی است که در آن پلاسما (جریانی از ذرات با بار بالا) از طریق یک مشعل برش به سرعت از میان قطعات فلزی می گذرد. نازل پلاسما جریان الکتریکی را به جریان گازی پر سرعت اعمال می کند که این فرایند گاز را یونیزه می کند و پلاسمایی را شکل می دهد که در مسیر خود فلز را ذوب کرده یا بخار می کند و برشی تمیز و دقیق ایجاد می کند.

پلاسما چگونه ایجاد می شود؟

پلاسما از طریق عبور جریان الکتریکی از گاز (معمولا هوای فشرده یا نیتروژن) تشکیل می شود که گاز سپس از یک نازل کوچک عبور می کند. با عبور گاز از نازل، بیش از اندازه گرم می شود، یونیزه شده و پلاسما را تشکیل می دهد. پلاسما در یک جریان باریک به سمت قطعه کار فلزی هدایت می شود. گرمای فوق‌العاده آن فلز را ذوب می کند و بخار می سازد و شیار باریکی به نام “بُرش” ایجاد می کند. ضخامت بیشتر مواد باعث پهن شدن بُرش می شود.

برش پلاسمـا در فلزکاری، تعمیر خودرو و ساخت ماشین آلات سنگین رایج است و برش های دقیقی در فلزات متنوع با ضخامت های 3 میلی متر تا حدود 20 میلی متر ایجاد می کند. این روش می تواند روی فلزات آهنی و غیر آهنی به کار برود. این مقاله شرحی از تکنولوژی برش پلاسمـا، نحوه عملکرد، حوزه های کاربرد، مزایا و معایب ، و موادی که می توانند برش داده شوند را ارائه می کند.

برش پلاسما چیست؟

جریان پلاسما که از دستگاه برش پلاسمـا عبور کرده و توانایی نفوذ در فلز را دارد، حجم بالایی از انرژی را حمل می کند. با تماس با یک ماده هدف رسانای الکتریکی، جریان گاز یونیزه فورا به حالت طبیعی خود باز می گردد و تمام انرژی یونیزه شدن را در یک نقطه بسیار متمرکز روی فلز آزاد می کند. این آزادسازی انرژی، ماده را ذوب یا بخار می کند و جریان گاز همه مواد مذاب را از برش خارج می کند. نقطه برش به سرعت در فلز حرکت می کند و امکان برش های عمیق و سریع را فراهم می کند.

جریان گاز عموما از آرگون، مخلوطی از آرگون و هیدروژن یا نیتروژن ساخته می شود تا فلز جدا شده را از سوختن (اکسید شدن) در طی فرایند بازدارد. فلز سوخته می تواند کیفیت برش را تحت تاثیر قرار دهد و گرمای قابل توجهی در قطعه برش‌خورده ایجاد کند. شکل 1 نمونه ای از برش فلز با پلاسما است.

برش پلاسما با هوا به فلزات با واکنش پذیری پایین مانند فولاد ضد زنگ محدود می شود.اما برای کاهش فرسایش و اکسید شدن الکترود در نقطه تماس با فلز، از الکترودهای ساخته شده از زیرکونیوم یا هافنیوم استفاده می‌شود.

برش پلاسمـا برای اولین بار در سال 1957 میلادی توسط دکتر رابرت گیج در شرکت یونیون کاربید به عنوان جایگزین برش با اکسی استیلن معرفی شد. تحولات بعدی، به خصوص در صنایع نفتی، زمینه ساز برش پلاسمـا در زیر آب شد.

کاربرد برش پلاسما

کشتی سازی، ماشین آلات سنگین، ساختمان سازی و صنایع نظامی همگی از تکنیک برش پلاسما به طور گسترده ای استفاده می کنند. این فناوری امکان پردازش سریع قطعات بزرگ فولادی، فولادی ضد زنگ و فلزی دیگر را با هزینه کم فراهم می کند.

مزایا و معایب برش پلاسما

مزایای برش پلاسما به شرح زیر است:

• سوراخ کاری سریع تر از تکنیک اکسی-سوخت، نیازی به پیش گرمایش مانند سوخت-اکسی ندارد.به فرآیندی اطلاق می شود که در آن از اکسیژن و سوخت (معمولاً گاز استیلن) برای برش فلزات استفاده می شود. این روش یکی از قدیمی ترین و رایج ترین روش های برش فلزات است.
• هزینه بر اساس طول برش از اکسی-سوخت پایین تر است.
• برش هایی باریک تر و دقیق تر از اکسی-سوخت ایجاد می کند.
• امکان ضخامت برش در محدوده قابل قبولی – از 3 میلی متر تا 20 میلی متر در فولاد
• برش های پلاسما نسبت به برش لیزر هزینه و مصرف انرژی کمتری دارند.
• تجهیزات می توانند پرتابل و قابل حمل (جهت استفاده دستی) باشند.
• برش پلاسما با دست توسط افراد ماهر می تواند دقیق باشد، اگرچه کنترل عددی کامپیوتری (CNC) قابل اعتمادتر و دقیق تر است.
• قابلیت اجرا بر روی طیف گسترده ای از مواد و نیاز به راه اندازی و تنظیم کمتر نسبت به برش لیزری.
• ویژگی ایمنی ذاتی: با قطع جریان قوس برق، دستگاه نیز خاموش می شود.

معایب این روش به شرح زیر است:

• محدودیت بیشتر از نظر ضخامت قطعه در مقایسه با برش لیزری. با افزایش عمق، جریان گاز حالت یکپارچه خود را از دست می دهد و در نتیجه بُرش هایی پهن تر نسبت به برش لیزری می سازد.
• حداقل ضخامت برش نیز محدودیت دارد. در ابتدای شروع برش برای جلوگیری از خراب شدن قطعه به وسیله برش بسیار شدید، به یک تکیه گاه نیاز است.
• به علت انبساط جریان گاز، لبه‌های برش با یک زاویه ایجاد می شوند. بدون اعمال فرایندهای تکمیلی مانند برش مجدد با یک جبران زاویه، امکان دستیابی به لبه های برشی عمود وجود ندارد.
• برش پلاسما فرایندی پرآشوب، پر سر و صدا و همراه با تولید گرد و غبار آلوده کننده است.

برش پلاسما قابل اجرا روی چه موادی است؟

هر ماده رسانایی را می توان با پلاسما برش داد، با این حال این تکنیک به ندرت برای موادی غیر از فلزات و ترکیبات آن‌ها به کار می رود. یکی از استثناهای این قاعده، در برش زیرلایه های نیمه رسانا وجود دارد که برش پلاسما به خوبی از عهده آن بر می آید. تعدادی از رایج ترین این مواد قابل برش به شرح زیر است:

• آلومینیوم
• برنج
• فولاد کربنی
• مس
• فولاد ورقه ای
• فولاد کم آلیاژ
• فولاد ضد زنگ

عواملی که بر کیفیت برش پلاسما تأثیر می‌گذارند

کیفیت برش پلاسما به عوامل مختلفی بستگی دارد که کنترل دقیق آن‌ها منجر به نتایج مطلوب می‌شود. در ادامه به بررسی سه عامل مهم گاز مصرفی، سرعت برش و فاصله نازل تا قطعه کار می‌پردازیم.

گاز مصرفی

انتخاب گاز مناسب در فرآیند برش پلاسما نقش بسیار مهمی در کیفیت برش ایفا می‌کند. گاز مصرفی نه تنها بر کیفیت برش بلکه بر عمر مفید الکترود و نازل نیز تاثیرگذار است. گازهای رایج مورد استفاده در برش پلاسما عبارتند از:

• هوا: ارزان‌ترین گاز است و برای برش فلزات کم کربن با ضخامت کم مناسب است. اما به دلیل اکسیداسیون فلز، کیفیت سطح برش پایین‌تر بوده و عمر مفید قطعات مصرفی را کاهش می‌دهد.
• نیتروژن: گازی خنثی است و از اکسید شدن فلز جلوگیری می‌کند. برای برش فولاد ضد زنگ و آلومینیوم مناسب است. نیتروژن باعث ایجاد سطح برش تمیزتر و کاهش زبری می‌شود.
• آرگون: گازی سنگین و خنثی است که برای برش فلزات بسیار واکنش‌پذیر مانند تیتانیوم و آلومینیوم استفاده می‌شود. آرگون به دلیل هدایت حرارتی پایین باعث کاهش ذوب شدن لبه‌های برش می‌شود.
• مخلوط گازها: گاهی اوقات از مخلوطی از گازها مانند آرگون و هیدروژن استفاده می‌شود تا خواص مطلوب‌تری مانند افزایش سرعت برش یا کاهش پاشش مذاب را به دست آورند.

تأثیر گاز بر کیفیت برش:

• نوع فلز: انتخاب گاز به نوع فلز مورد برش بستگی دارد. برای فلزات آهنی، هوا یا نیتروژن مناسب است، در حالی که برای فلزات غیرآهنی مانند آلومینیوم و تیتانیوم، آرگون یا مخلوط گازها بهتر است.
• کیفیت سطح: گازهای خنثی مانند آرگون و نیتروژن باعث ایجاد سطح برش تمیزتر و صاف‌تری می‌شوند.
• سرعت برش: برخی گازها مانند هیدروژن می‌توانند سرعت برش را افزایش دهند.
• عمر قطعات مصرفی: گازهای خورنده مانند هوا باعث کاهش عمر مفید الکترود و نازل می‌شوند.

سرعت برش

سرعت برش یکی دیگر از عوامل مهم در کیفیت برش پلاسما است. سرعت برش به عوامل مختلفی مانند ضخامت فلز، نوع گاز، توان دستگاه و نوع فلز بستگی دارد.

تأثیر سرعت برش بر کیفیت برش:

• عرض برش: با افزایش سرعت برش، عرض برش نیز افزایش می‌یابد. سرعت کم باعث ایجاد برش باریک‌تر و دقت بالاتر می‌شود، اما زمان برش را افزایش می‌دهد.
• کیفیت سطح: سرعت زیاد باعث ایجاد زبری و ناصافی روی سطح برش می‌شود. سرعت کم باعث ایجاد سطح تمیزتر و صاف‌تری می‌شود.
• میزان ذوب شدن فلز: سرعت کم باعث ذوب شدن بیشتر فلز در اطراف برش و ایجاد منطقه تحت تأثیر حرارت (HAZ) بزرگ‌تر می‌شود.

فاصله نازل تا قطعه کار

فاصله بین نازل و قطعه کار (Standoff distance) بر تمرکز قوس پلاسما و در نتیجه کیفیت برش تأثیر می‌گذارد.

• فاصله کم: باعث افزایش چگالی جریان و افزایش حرارت می‌شود که می‌تواند منجر به ذوب شدن بیش از حد فلز و ایجاد حفره در کف برش شود.
• فاصله زیاد: باعث کاهش چگالی جریان و کاهش حرارت می‌شود که می‌تواند باعث ناقص شدن برش و ایجاد لبه‌های ناهموار شود.

تأثیر فاصله نازل بر کیفیت برش:

• تمرکز قوس: فاصله مناسب باعث تمرکز قوس پلاسما و ایجاد برش با کیفیت می‌شود.
• پایداری قوس: فاصله نامناسب می‌تواند باعث ناپایداری قوس و ایجاد برش نامنظم شود.
• طول عمر قطعات مصرفی: فاصله بسیار کم باعث سایش سریع‌تر الکترود و نازل می‌شود.

عوامل دیگری که بر کیفیت برش تأثیر می‌گذارند:

• توان دستگاه: توان دستگاه بر عمق نفوذ و سرعت برش تأثیر می‌گذارد.
• نوع فلز: خواص فیزیکی و شیمیایی فلز بر کیفیت برش تأثیر می‌گذارد.
• تنظیمات دستگاه: تنظیمات دستگاه مانند جریان، ولتاژ و فشار گاز نیز بر کیفیت برش تأثیرگذار هستند.

برای دستیابی به بهترین کیفیت برش پلاسما، باید عوامل مختلفی مانند نوع گاز، سرعت برش، فاصله نازل تا قطعه کار، توان دستگاه، نوع فلز و تنظیمات دستگاه را به دقت در نظر گرفت. انتخاب صحیح پارامترهای برش و استفاده از تجهیزات مناسب، منجر به افزایش عمر مفید قطعات مصرفی و کاهش هزینه‌های تولید می‌شود.

هزینه دستگاه برش پلاسما چقدر است؟

دستگاه های برش پلاسما با امکانات متوسط در حدود 1000 دلار قابل تهیه هستند. سیستم های برش پلاسما CNC با امکانات بالا، از سوی دیگر، حدود 30-50 هزار دلار آمریکا قیمت دارند.

هزینه برش پلاسما در ایران

هزینه برش پلاسما در ایران تحت تأثیر مجموعه‌ای از عوامل قرار دارد که شامل ضخامت و نوع فلز، میزان برش، دقت و ظرافت مورد نیاز برای برش، موقعیت مکانی، نوع دستگاه برش پلاسما، و نوع گاز مصرفی می‌شود.

گازهای مصرفی در فرآیند برش پلاسما نقش مهمی ایفا می‌کنند، زیرا نوع گاز تأثیر مستقیمی بر کیفیت برش، سرعت و هزینه‌های عملیاتی دارد. گازهای رایج شامل هوا، نیتروژن، اکسیژن، و آرگون هستند، و انتخاب هر یک بستگی به نوع متریال و نتیجه مورد نظر برای برش دارد. استفاده از گازهای خاص مانند آرگون یا هلیوم، معمولاً برای برش‌های خاصی که نیازمند کیفیت برتر هستند، توصیه می‌شود و می‌تواند هزینه‌های بیشتری را به دلیل قیمت بالاتر این گازها به همراه داشته باشد.

به طور کلی، هزینه‌های برش پلاسما می‌توانند از چند هزار تومان تا چندین ده هزار تومان به ازای هر متر متغیر باشند، بسته به ضخامت فلز، پیچیدگی طراحی، موقعیت جغرافیایی و نوع گاز مورد استفاده. افزون بر این، ارائه‌دهندگان خدمات ممکن است هزینه‌ها را بر اساس وزن فلز برش‌خورده محاسبه کنند.

برای بهینه‌سازی هزینه‌ها، می‌توان با انتخاب ضخامت مناسب فلز، استفاده از طرح‌های ساده‌تر، افزایش حجم سفارشات، انتخاب نوع گاز مناسب برای کاهش هزینه‌های مرتبط با گاز، و همچنین انتخاب شرکت‌های معتبر که کیفیت و بهره‌وری بالایی را ارائه می‌دهند، به کاهش هزینه‌های کلی کمک کرد.

برش پلاسما چگونه عمل می کند؟

پلاسما توسط قوس الکتریکی ایجاد می شود که از الکترود برش به قطعه کار منتقل می شود. یک جریان گاز (معمولا خنثی) انرژی پلاسما را به یک نقطه با قطر کم روی ماده هدف محدود می کند و بلافاصله آن را ذوب می کند. بخار و مواد مذاب سپس توسط جریان گاز خارج می شوند و قطعه هدف را نیز خنک می کنند. فرایند ذوب و خارج سازی با سرعت در ضخامت قطعه هدف پیش می رود و برشی ایجاد می کند که با افزایش عمق، پهن تر می شود.

وسایل ایمنی مورد نیاز برای برش پلاسما کدامند؟

استفاده از وسایل ایمنی شخصی هنگام کار با پلاسما ضروری است. پاشش مواد داغ و گرد و غبار آلوده کننده به شدت از برش خارج می شوند. این فرایند همچنین بسیار پر سر و صدا است، چرا که جریان گاز و قوس الکتریکی سریع و پرتوان هستند. تجهیزات ایمنی برای برش پلاسما در ادامه آمده است:

• عینک ایمنی
• ماسک تنفسی
• لباس یکسره کار
• دستکش

تجهیزات ایمنی عمومی محل کار معمولا در بیشتر سایت ها ضروری است که برخی مثال های آن به شرح زیر است:

• تابلو برای هشدار به دیگران در مورد فرایند برش
• حصارها یا موانع حفاظتی
• صفحات محافظ نور و پاشش

بهترین جایگزین ها برای برش پلاسما

برای اکثر کاربردها، نزدیک ترین روش جایگزین برای برش پلاسما ،برش لیزری است. این روش ها به هم بسیار شبیه اند به این صورت که از انرژی هدایت شده برای ذوب یا بخار کردن و از جریان گاز یا هوا برای خارج سازی مواد زائد استفاده می کنند. برش پلاسما با هدف مشابه برش اکسی سوخت و برای بهبود آن توسعه داده شده است، البته اکسی سوخت نیز همچنان به عنوان جایگزین ساده تر اما کم دقت تر به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.

مقایسه برش plasma با سایر روش‌های برش

برای انتخاب بهترین روش برش برای یک پروژه خاص، درک تفاوت‌ها و مزایای هر روش بسیار مهم است. در این بخش، به مقایسه دقیق برش پلاسما با دو روش رایج دیگر، یعنی برش لیزر و برش با گاز اکسیژن (هوا برش) می‌پردازیم.

ویژگی	برش پلاسما	برش لیزر	برش با گاز اکسیژن
مزایا	سرعت بالا، هزینه تجهیزات کمتر، قابلیت برش طیف وسیعی از فلزات، برش در ضخامت‌های متوسط	دقت بسیار بالا، لبه‌های برش صاف و تمیز، قابلیت برش طرح‌های پیچیده، برش مواد غیرفلزی	هزینه کم تجهیزات اولیه، سادگی کاربری
معایب	کیفیت سطح برش کمتر از لیزر، پهنای برش بیشتر، نیاز به گاز محافظ	هزینه تجهیزات بالا، سرعت برش کمتر برای ضخامت‌های بالا، حساسیت به آلودگی سطح	محدود به فلزات آهنی، کیفیت سطح پایین، پهنای برش زیاد
کاربردها	برش فلزات آهنی و غیرآهنی با ضخامت متوسط، ساخت قطعات صنعتی، صنایع خودروسازی، کشتی سازی	برش دقیق قطعات الکترونیکی، برش فلزات با ضخامت کم تا متوسط، حکاکی، برش مواد غیرفلزی	برش فلزات آهنی با ضخامت کم تا متوسط، تعمیرات میدانی
هزینه	متوسط	بالا	پایین

آیا برش تیتانیوم با دستگاه برش پلاسما امکان پذیر است؟

بله، برش تیتانیوم با قوس پلاسما امکان پذیر است. با این حال، به دلیل ویژگی های خاص این فلز، به برخی اقدامات احتیاطی اضافی نیاز است:

پاشش تیتانیوم بسیار سبک و پرانرژی است، به همین دلیل می تواند به راحتی مواد قابل اشتعال اطراف را آتش بزند. تمام مواد قابل اشتعال را از محل برش دور کنید و تجهیزات اطفاء حریق را در دسترس نگه دارید. اپراتور را از پاشش محافظت کنید.

برای دستیابی به بهترین کیفیت برش، از جریان گاز آرگون یا مخلوط آرگون و هیدروژن استفاده کنید. استفاده از گاز محافظ نیتروژن باعث افت کیفیت برش می شود. از استفاده از هوا به شدت خودداری کنید زیرا به راحتی می تواند باعث احتراق تیتانیوم شود.

اگرچه برش پلاسما روشی مؤثر برای برش تیتانیوم است، اما ممکن است برای کاربردهایی که نیاز به دقت بسیار بالا یا کیفیت سطح عالی دارند، روش‌های دیگری مانند برش لیزری یا برش با جت آب ترجیح داده شوند. بنابراین، انتخاب روش برش بستگی به مشخصات دقیق پروژه و نیازهای خاص آن دارد.

آیا دستگاه برش پلاسما می تواند مواد بازتابنده را برش دهد؟

بله، دستگاه برش پلاسما می تواند مواد بازتابنده را برش دهد. بازتابش سطح برش بر قوس پلاسما تاثیری ندارد زیرا انرژی توسط اتم های یونیزه شده و نه فوتون ها منتقل می شود.

تفاوت بین برش پلاسما و برش پلاسما CNC چیست؟

تفاوت بین برش پلاسما و برش پلاسما CNC در نوع ابزار مورد استفاده است. برش پلاسما در دهه 1950 و 1960 به عنوان یک فرایند مشعل دستی یا با استفاده از یک سیستم ساده جابجایی قطعه کار توسعه پیدا کرد. ظهور ماشین های CNC در دهه های 1960 و 1970 میلادی منجر به آزمایش هایی برای نصب مشعل برش پلاسما بر روی مکانیزم جابجایی X-Y CNC شد که امکان کنترل دقیق و تکرارپذیری فرایند برش را بدون نیاز به اپراتور ماهر فراهم می کند.

خلاصه

این مقاله به شرح برش پلاسما، توضیح عملکرد آن و بررسی دقیق فرایند تولید آن پرداخت.این مقاله برای اولین بار در سایت بازارگاه ساخت و تولید ایران به نشانی Digimfg.ir منتشر شده است.

منابع

xometry.com/resources/sheet/what-is-plasma-cutting

سلب مسئولیت

محتوای ارائه شده در این صفحه وب صرفا جنبه اطلاع رسانی دارد. DIGIMFG هیچگونه ضمانت یا مسئولیتی، چه به صورت صریح یا ضمنی، در خصوص صحت، کامل بودن یا اعتبار اطلاعات بر عهده نمی گیرد. پارامترهای عملکرد، تلرانس های هندسی، ویژگی‌های طراحی خاص، کیفیت یا نوع مواد، یا فرایندها را نباید نمایانگر آنچه توسط تأمین کنندگان یا تولیدکنندگان شخص ثالث در شبکه DIGIMFG ارائه می‌شود، دانست. خریدارانی که به دنبال دریافت قیمت هستند موظفند تا الزامات فنی ویژه موردنیاز برای قطعات را تعریف کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر، لطفاً به شرایط و ضوابط ما مراجعه کنید.