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.

 

برشکاري پلاسما[2]

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.

شكل1: فرايند برشكاري پلاسما

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 [5] 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[6]

در جوشکاري آرگون[7]، 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.

 

شكل2: پروفيل دماي پلاسما و TIG

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[8] مي‌تواند عمل کندو هنگامي که منبع تغذيه بين الکترود و نازل قرار گيرد جت پلاسما به صورت غيرانتقال‌يافته [9] عمل مي‌کند. دو حالت فوق در شكل3 نشان داده شده است.

 

شكل3: انواع جت پلاسما

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[10]

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[11] 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 v_DC400 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[12]

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»[13] معروف بوده و معمولاً اثر فاجعه انگيز آن به شکل ذوب نازل بروز مي‌کند.

 

برشکاري معمولي توسط قوس پلاسما[14]

از جت پلاسمايي که توسط تکنيک‌هاي انقباض قوس خشک معمولي توليد مي‌شود، مي‌توان براي برش هر فلزي با سرعت برشي نسبتاً بالا استفاده کرد. همچنين رنج ضخامت‌هايي که مي‌توان عمليات برشکاري را در مورد آنها انجام داد، از 8/1 اينچ شروع شده و حداکثر آن به ظرفيت شدت جريان مشعل و خصوصيات فيزيکي فلز بستگي خواهد داشت. مثلاً، يک مشعل با مکانيزم خوب و ظرفيت شدت جريان هزار Amp مي‌تواند فولاد زنگ نزن را تا ضخامت 5 اينچ و آلومينيم را تا ضخامت 6 اينچ، برش دهد. در اکثر کاربردهاي صنعتي، ضخامت ورق‌ها به ندرت از 1 تا 2/1 اينچ تجاوز مي‌کند. در اين رنج، پلاسماهاي معمولي سطوح برش را شيب‌دار و لبه فوقاني را گرد مي‌کنند.

 

کيفيت برش[15]

همان‌طور که در شکل 4 مشاهده مي‌شود، کيفيت لبه‌هاي برش پلاسما، مشابه فرايند برشکاري توسط اکسيژن است. با توجه به اينکه عمليات برشکاري در فرايند پلاسما توسط ذوب صورت مي‌گيرد، يکي از مشخصه‌هاي ويژه آن، توزيع گرماي غيرمتعادل بر سطوح برش است. لذا مقدار بيشتري از ذوب به سمت فوقاني سطح فلز رفته و باعث مي‌شود لبه‌هاي بالايي گرد شده و سطوح برش شيب دار شوند. از ديگر خصوصيات اين نوع برش، ايجاد تفاله [16] زيرسطح تحتاني فلز است که دليل آن جارش مذاب مي‌باشد.

شكل4: كيفيت لبه‌هاي برش پلاسما

همانطور که در شکل 5 مشاهده مي‌شود، اگر گرماي اعمال شده به بالاي سطح برش، بيشتر از گرماي اعمال شده به پايين آن باشد، زاويه برش مثبت ايجاد خواهد شد. براي کاهش اين زاويه مي‌بايستي تا حد امکان قوس پلاسما را منقبض کرد. افزايش انقباض پلاسما باعث مي‌شود پروفيل دماي جت پلاسما يکنواخت‌تر شده و متناظر با آن، سطح برش قائمه شود. متاسفانه نازل‌هاي معمولي به برقراري ايجاد دو قوس (يک قوس بين الکترود و نازل و ديگري بين نازل و قطعه کار) دارند که باعث صدمه زدن به الکترود و نازل مي‌شود.

در صورت استفاده از دستگاه‌هاي برشکاري پلاسماي معمولي براي برشکاري انواع مختلف فلزات با ضخامت‌هاي مختلف، مشکل ايجاد خواهد شد. مثلاً، اگر از اين دستگاه‌ها براي برش فولادهاي زنگ نزن، فولادهاي معمولي و يا آلومينيم استفاده شود، مي‌بايستي سه نوع گاز متفاوت موردنياز براي برش اين فلزات، روي دسته مشعل نصب شود تا حالت بهينه کيفيت برش تحقق يابد. اين تجهيزات نه تنها فرايند را پيچيده مي‌کند بلکه به ذخيره گازهاي گران‌قيمت نظير آرگون و هيدروژن نياز دارند. به همين دليل، از چنين دستگاه‌هايي صرفاً براي کاربردهاي خاص استفاده مي‌شود.

 

شكل5: توزيع حرارت روي سطح برش

فرايندهاي گوناگون برش پلاسما

اصولاً فرايندهاي گوناگوني براي بهبود کيفيت برش، پايداري قوس، کاهش سروصدا، دود، بخار و افزايش سرعت برش طراحي شده‌اند که در ادامه به‌طور مختصر به هر يک از آنها اشاره مي‌شود.

 

1. جارش گاز دوتايي[17]

اين تکنيک در 1965 توسعه يافته و به طور کلي مشابه فرايندهاي معمولي پلاسما عمل مي‌کند، اما تغييري بسيار کوچک در آن ايجاد شده است. همان‌طور که در شکل 6 مشاهده مي‌شود. گاز ثانويه پوششي، اطراف نازل را مي‌پوشاند. اثرات سودمند اين گاز ثانويه آن است که باعث انقباض قوس و کاهش تفاله‌ها زيرسطح برش مي‌شود. در اين حالت، گاز پلاسما معمولاً آرگون، آرگون- هيدروژن يا نيتروژن است و گاز ثانويه با توجه به نوع فلز موردنظر تعيين مي‌شود. براي برش فولادها، از هوا، اکسيژن و يا نيتروژن به عنوان گاز ثانويه استفاده مي‌شود. براي برش فولاد زنگ نزن و آلومينيم، از نيتروژن، آرگون- هيدروژن و دي اکسيدکربن استفاده مي‌شود.

 

شكل6: فرايند برش توسط جارش دو نوع گاز

در صورتي که از هوا به عنوان گاز ثانويه استفاده شود، اکسيژن داخل هوا، انرژي اضافي را براي واکنش‌هاي گرمازا با فولاد ذوب شده ايجاد مي‌کند که اين انرژي اضافي، سرعت برش را تا حدود 25 درصد افزايش مي‌دهد. اگرچه از اين فرايند براي برش فولاد زنگ نزن و آلومينيم استفاده مي‌شود، اما سطح برش بسيار اکسيد شده و براي اکثر کاربردها قابل قبول نخواهد بود. در اين روش بايد از الکترودهاي «زيرکونيم» و «هف نيوم» استفاده کرد. زيرا در صورتي که گاز ثانويه اکسيژن باشد، باعث فرسايش الکترود تنگستني خواهد شد. در صورتي که از الکترودهاي تنگستني استفاده مي‌شود، دوره سرويس مي‌بايستي کوتاه‌تر از حالت روش پلاسماي معمولي باشد. در اين روش، سرعت برشي براي برش فولادها کمي بهتر از روش معمول است، اما کيفيت سطح برش پايين‌تر است. سرعت برشي و کيفيت براي برش فولاد زنگ نزن و آلومينيم تقريباً مشابه روش‌هاي معمولي است.

همان‌طورکه در شکل 7 مشاهده مي‌شود، در اين روش نازل داخل يک محفظه سراميکي قرار دارد که گاز پوششي (ثانويه) از آن عبور کرده و به اين وسيله، نازل را از پديده دو قوسي محافظت مي‌کند. در صورتي که گاز پوششي وجود نداشته باشد، بار شعاعي بسيار داغي توسط جت پلاسما ايجاد شده و باعث صدمه ديدن محفظه سراميکي مي‌شود. مزاياي اين روش در مقايسه با روش‌هاي معمولي، عبارتند از:

1. کاهش ريسک پديده دوقوسي

2. سرعت بيشتر برش

3. کاهش گردي در لبه برش

 

شكل7: استفاده از محفظه سراميكي در برشكاري پلاسما

 

2. برش پلاسما توسط تزريق آب[18]

در اين روش، از نيتروژن به عنوان گاز پلاسما استفاده مي‌شود. همان‌طور که در شکل 8 مشاهده مي‌شود، براي ايجاد انقباض بيشتر، آب به صورت شعاعي و يکنواخت، به داخل قوس تزريق مي‌شود تا کيفيت سطح برش افزايش يابد. اصابت شعاعي آب به اطراف قوس باعث انقباض بيشتر قوس نسبت به حالتي است که از ابزار معمولي براي انقباض قوس استفاده مي‌شود. همچنين، دما به طور نسبتاً زياد افزايش مي‌يابد و به حدود 30 هزار درجه سلسيوس مي‌رسد.

راه ديگر انقباض قوس توسط آب، ايجاد حلقه‌هاي چرخشي آب در اطراف قوس است. اين تکنيک بخوبي شيوه تزريق شعاعي نيست. زيرا در اين حالت، مقدار انقباض قوس توسط سرعت‌هاي چرخشي زياد موردنياز براي توليد حلقه ثابت آب، محدود مي‌شود. نيروي گريز از مرکز ايجاد شده توسط سرعت‌هاي چرخشي بالا باعث پهن شدن فيلم آب (برخلاف سوراخ داخلي نازل) مي‌شود.

 

شكل8: برش پلاسما توسط تزريق آب

همان‌طور که در شکل 9 ملاحظه مي‌شود، گرچه نقاطي از قوس با آب برخورد مي‌کند، اما به دليل دماي بسيار بالايي که توليد خواهد شد، کمتر از 10 درصد از آب تبخير مي‌شود و 90 درصد بقيه به شکل مخروطي از نازل خارج شده و سطح فوقاني قطعه کار را خنک مي‌کند. اين خنك‌كاري اضافي، از اکسيد شدن روي سطح برش جلوگيري مي‌کند.

 

شكل9: انقباض قوس پلاسما توسط ايجاد حلقه‌هاي چرخشي آب

علت تبخير مقدار کمي از آب در قوس اين است که لايه مرزي ايزوله شده‌اي از بخار، بين پلاسما و آب تزريق شده شکل مي‌گيرد. نام اين لايه مرزي بخار، «Linden frost Layer» بوده و به طور کلي شبيه ريزش آب از سطح خارجي اطراف کتري داغ به جاي تبخير فوري آن است. عمر نازل در اين فرايند، بسيار افزايش مي‌يابد زيرا اين لايه مرزي بخار، نازل را از گرماي شديد قوس محافظت مي‌کند و آب، نازل را در نقاط حداکثر انقباض قوس، خنک مي‌کند. قسمت پايين‌تر نازل را مي‌توان سراميکي انتخاب کرد. در اين حالت، پديده دو قوسي (عامل اصلي تخريب نازل) واقعاً حذف خواهد شد.

برخلاف فرايندهاي معمولي، بهينه‌ترين حالت کيفيت برش تمامي فلزات، زماني است که از نيتروژن به عنوان گاز پلاسما استفاده شود، زيرا قابليت نيتروژن براي انتقال گرما از قوس به قطعه کار، بالاست و از لحاظ فيزيکي نيز ايده‌آل به نظر مي‌رسد. نيتروژن باعث مي‌شود تا فرايندها اقتصادي‌تر و آسان‌تر شوند. همان‌طور که در شکل 10 مشاهده مي‌شود، يکي از ويژگي‌هاي اين گونه برش‌ها، آن است که وقتي براي برش مستقيماً نگاه کنيم، سمت راست شکاف قائمه بوده و سمت چپ کمي شيب دار خواهد بود. اين حالت به دليل تزريق آب نيست بلکه نتيجه جهت چرخش گاز برش بوده و ناشي از اين نکته است که بيشتر انرژي قوس، روي سمت راست شکاف توسعه يافته است. اختلاف در زاويه برش به‌خاطر شيب زياد و گردي بالاي سطح برش، چندان بديهي نيست. لذا در برشکاري قطعات کاربردي، جهت حرکت مي‌بايستي به گونه‌اي انتخاب شود که لبه برش قطعات قائمه باشد.

 

شكل10: جهت سطوح شيبدار در برش پلاسما

زاويه برش طرف با کيفيت بالا، معمولاً 2 درجه با زاويه قائمه اختلاف داشته و به ندرت نياز به ماشين‌كاري براي عمليات نهايي دارد. براي برش ورق‌هاي ضخيم مي‌توان از 65 درصد آرگون و 35 درصد هيدروژن به جاي نيتروژن استفاده کرد، زيرا عمق نفوذ جت پلاسما را بيشتر مي‌کند. اين حالت براي برش فولادهاي ضخيم و ساخت مجراهاي هسته‌اي، کاربرد دارد.

مزاياي اين روش در مقايسه با روش‌هاي معمولي عبارتند از:

1. بهبود کيفيت سطح (سطح تميز و نرم)

2. گونيا بودن سطح برش

3. افزايش سرعت برش

4. کاهش ريسک پديده دو قوسي و در نتيجه کاهش در فرسايش نازل

5. عدم ايجاد تفاله زير سطح برش در اکثر قطعات فولادي

6. قابليت استفاده از يک نوع گاز (نيتروژن) براي برش تمامي فلزات

 

3. برش پلاسما توسط پوشش آبي[19]

همان‌طور که در شکل 11 مشاهده مي‌شود، اين فرايند مشابه برش گاز دوتايي بوده و تنها در اين فرايند از آب به عنوان پوشش قوس استفاده مي‌شود. ظاهر سطوح برش و عمر نازل به‌خاطر اثر خنک‌کنندگي آب بهبود يافته است، اما قائم بودن سطح برش، سرعت برش و کاهش تفاله‌هاي زيرسطح برش، به‌طوري قابل ملاحظه افزايش نيافته‌اند زيرا آب نمي‌تواند باعث انقباض اضافي قوس شود. اين فرايند را مي‌توان حتي زماني که قطعه کار تا حدود 50 تا 75 ميلي متر زير سطح آب باشد نيز به کار برد. آب در مقايسه با پلاسماي معمولي، به عنوان مانعي براي تحقق مزاياي ذيل عمل مي‌کند:

1. کاهش گاز و دود

2. کاهش سروصدا

3. بهبود عمر نازل

مثلاً، سطوح صدا در سطوح جريان بالا در پلاسماي معمولي dB115 است، اما در اين روش تا dB96 و در برش زير آب تا dB85-52 کاهش يافته است.

 

شكل11: برش پلاسما توسط پوشش آبي

 

4. پلاسماي هوايي[20]

همان‌طور که در شکل 12 ملاحظه مي‌شود، در اين فرايند، هوا مي‌تواند با گازهاي خنثي پلاسما مانند آرگون و نيتروژن جايگزين شود، اما مي‌بايستي الکترود مورداستفاده «هف نيوم» يا «زيرکونيم» بوده و روي نازل مسي سوار شده باشد. همچنين هوا به عنوان جايگزين آب براي خنك‌كاري مشعل به کار مي‌رود. مزيت مشعل پلاسماي هوايي آن است که در آن، از هواي ارزان‌قيمت به جاي گازهاي گران‌قيمت استفاده مي‌شود. به اين نکته مي‌بايستي توجه داشت که گرچه الکترود و نازل فقط قابل مصرف مي‌باشند، ولي نوک الکترود «هف نيوم» در مقايسه با الکترود تنگستني، گران‌قيمت است.

 

شكل12: پلاسماي هوايي

 

5. پلاسماي با تلرانس بالا[21]

براي بهبود کيفيت سطح و رقابت با کيفيت برش بالاتر از برش ليزري، سيستم‌هاي برش پلاسما با تلرانس بالا در دسترس بوده و با پلاسماي بسيار منقبض شده، کار مي‌کنند. شکل 13، پلاسماي با تلرانس بالا را نشان مي‌دهد. تمرکز پلاسما توسط نيروي اکسيژن توليدي براي پيچش، عملي شده است به‌طوري که اکسيژن وارد لوله پلاسما شده و جريان گاز ثانويه از قسمت پايين نازل پلاسما تزريق شده است.

 

شكل13: پلاسماي با تلرانس بالا

بعضي سيستم‌ها داراي ميدان مغناطيسي جداکننده‌اي هستند که قوس را احاطه مي‌کند. اين ميدان، جت پلاسما را توسط نگهداري چرخش القا شده توسط گاز پيچشي، بالانس مي‌کند. اين روش تکنيکي مکانيزه است که نياز به دقت و تجهيزات سرعت بالا دارد. مزاياي اين روش عبارتند از:

1. افزايش کيفيت برش بين پلاسماهاي معمولي و برش توسط ليزر

2. باريک بودن پهناي شکاف

3. کمترين اعوجاج به علت کوچک بودن منطقه HAZ

عيب عمده اين روش آن است که مي‌تواند قطعات تا حداکثر ضخامت 6 ميلي‌متر را برش دهد و سرعت برشي آن کمتر از فرايندهاي پلاسماي معمولي بوده و تقريباً معادل 60 تا 80 درصد از سرعت برش ليزري است.

 

6. برش پلاسما توسط تزريق اکسيژن[22]

اين فرايند، مسئله عمر الکترود مربوط به برش هوا توسط استفاده از گاز نيتروژن به عنوان گاز پلاسما و استفاده از گاز اکسيژن عبوري به صورت جريان پايين از سوراخ نازل را حل کرده است. اين فرايند منحصراً براي فولادها به کار برده مي‌شود. در صورت استفاده از 80 درصد نيتروژن و 20 درصد اکسيژن، سرعت برش تا 25 درصد افزايش مي‌يابد. از جمله معايب اين روش، عدم عمود بودن سطح برش، عمر کوتاه نازل و محدوديت همه‌کاره بودن (فقط براي برش فولاد) آن است. گرچه اين فرايند هنوز در بعضي از موقعيت‌ها به کار مي‌رود، اما فرايند تزريق توسط آب تقريباً جايگزين آن شده است. شکل 14 اين فرايند را نشان مي‌دهد.

 

شكل14: برش پلاسما توسط تزريق اكسيژن

---

.[1] کارشناس ارشد ساخت و توليد

[2].Plasma arc cutting

[3]. Water-injection plasma cutting

[4]. Dry plasma cutting

[5]. Oxy-fuel

[6]. Arc Constriction

[7]. TIG

[8]. Tansferred

[9]. Non- transferred

[10]. Power source

[11]. Drooping

[12]. Gas composition

[13]. Double arcing

[14]. Conventional Plasma Arc Cutting

[15]. Cut quality

[16]. Dross

[17]. Dual Flow Plasma Cutting

[18]. Water-injection Plasma Cutting

[19]. Water Shield Plasma Cutting

[20]. Air Plasma cuttings

[21]. High Tolerance plasma

[22]. Oxygen Injection Plasma C

به نقل از: انجمن علمی متالورژی دانشگاه آزاد کرج