برش هواگاز

نقطه ذوب اکسید آهن کمتر از  نقطه ذوب آهن است و ترکیب دمای مشعل و دمای ناشی از اکسیداسیون موجب ذوب فلز اکسید شده می شود. بنابراین اکسید ایجاد شده در دمای بالا به صورت مایع به خارج از ناحیه برش جریان پیدا می کند. البته بخشی از این اکسید همواره روی سطح باقی می ماند و تبدیل به گل سخت روی قطعه کار می شود که به وسیله ضربه آرام یا سوهان کاری از بین می رود.

در میان فرآیندهای برش، فرآیند برش پلاسما شباهت زیادی به برش هواگاز دارد. هر دو به صورت دستی قابل انجام هستند و قابلیت تنظیم برای انجام برش مکانیکی یا نصب بر روی دستگاه هوابرش CNC را هم دارند. برش هوا گاز بیشتر برای برش فولادهای کربنی به کار می رود در حالی که پلاسما را برای اغلب فلزات رسانا می توان به کار برد. کیفیت سطح برش هواگاز بستگی زیادی به مهارت اپراتور دارد. فرآیند هوابرش به طور کلی کیفیت برش سطح و سرعت پایینتری نسبت به برش پلاسما دارد. در کل قیمت هوابرش ارزان تر از برش پلاسما است هرچند ممکن است هزینه نهایی برش هواگاز بیشتر از پلاسما باشد.

فلز مورد استفاده در فرآیند برش هواگاز

فلزی که برای برش هواگاز استفاده می شود، بایستی چهار شرط اصلی داشته باشد. یعنی دمای احتراق (یا اکسیداسیون) فلز، پایین تر از نقطه ذوب آن باشد تا مواد قبل از شروع فرآیند هوابرش ذوب نشوند. نقطه ذوب اکسید باید کمتر از ماده اصلی باشد تا بتوان به وسیله افزایش شدت جریان اکسید ذوب شده را از محل برش هواگاز خارج کرد.

گرمای ناشی از واکنش اکسیداسیون باید برای ادامه احتراق کافی باشد و این واکنش، تولید گاز دیگری ننماید تا گاز هوابرش رقیق نشود. موادی مثل فلزات غیرآهنی، چدن های آلیاژی و فولادهای زنگ نزن اکسید های نسوز را تشکیل می دهند و برای ایجاد سرباره مایع با نقطه ذوب پایین نیاز به تزریق مواد دیگری به منطقه برش دارند.

اکسیژن مورد استفاده در برش هواگاز

خلوص اکسیژن دمیده شده در دستگاه هوابرش باید حداقل 99.5 درصد باشد و طراحی فرآیند هوابرش باید به گونه ای باشد که این خلوص حفظ شود. کاهش 1 درصدی خلوص اکسیژن به طور معمول سرعت برش هوا گاز را 25 درصد کاهش و مصرف گاز را 25 درصد افزایش می دهد.

سوخت مورد استفاده در برش هواگاز

فرآیند احتراق سوخت در برش هواگاز در دو مرحله مجزا رخ می دهد. در مخروط داخلی شعله، گاز با اکسیژن ترکیب می شود تا مونو اکسید کربن و هیدروژن ایجاد شود. واکنش مورد نظر برای گاز استیلن به شیوه زیر رخ می دهد.

2C2H2 + 2O2 → 4CO + 2H2

سپس در قسمت بیرونی شعله با اکسیژن ترکیب شده و واکنش ادامه می یابد.

4CO + 2H2 + 3O2 → 4CO2 + 2H2O

گازهایی که اغلب در فرآیند برش هواگاز به عنوان سوخت استفاده می شوند شامل استیلن، پروپان، گازولین، هیدروژن و پروپیلن هستند. عملکرد نسبی این گازها در برش هواگاز در رابطه با سرعت برش با کیفیت سطح برش توسط پارامترهای دمای شعله و توزیع گرما در داخل دو مخروط شعله معین می شود.

استیلن

گازی بسیار قابل اشتعال، بی رنگ و غیر سمی است. این گاز به طور کلی بیشترین استفاده و  بالاترین دمای شعله را بین گازهای مورد استفاده برای سوخت برش هوا گاز دارد اما توزیع حرارت بالایی در دو مخروط شعله ندارد. دمای سوختن استیلن بین 3200 تا 3500 درجه سانتی گراد قابل تنظیم است. بزرگترین مشکل استیلن گران بودن آن نسبت به باقی انواع سوخت است. سرعت بالاتر شعله استیلن و گرمای متمرکز تر آن پهنای منطقه متاثر از حرارت برش را کم کرده و موجب حداقل اعوجاج می شود.

 پروپان

در فرآیند برش هواگاز دمای شعله کمتری نسبت به استیلن دارد اما در مخروط بیرونی گرمای احتراق بیشتری را تولید می کند. به دلیل بالا بودن گرمای مخروط بیرونی، هوابرش سریع تر و تمیزتر از استیلن را فراهم می کند.

گازولین

معمولا سوخت در دسترس تری است و در مواردی که رساندن کپسول استلین یا پروپان به محل انجام هوابرش سخت تر است، گزینه خوبی به حساب می آید. گازولین در اغلب ضخامت های برش هواگاز سریع تر از استیلن عمل می کند. هزینه برش هوا گاز با گازولین کمتر از پروپان یا استیلن است.

هیدروژن

شعله بسیار تمیزی دارد. هیدروژن از آنجایی که قابلیت استفاده در فشارهای بالا را دارد، در برش هواگاز زیر آب قابل استفاده است. دمای شعله هیدروژنی خالص 2000 درجه سانتی گراد است و اگر با اکسیژن خالص مخلوط شود تا 2800 درجه سانتی گراد می رسد. از هیدروژن برای برش هوا گاز مواد آهنی استفاده نمی شود چون سطح برش را مستعد به ترک هیدروژنی می کند

تجهیزات برش هواگاز

تجهیزات برش هواگاز شامل یک منبع اکسیژن، یک منبع سوخت گاز (معمولا به شکل سیلندر)، دو رگولاتور فشار، دو شیلنگ انعطاف پذیر و یک مشعل (شامل نازل و سیستم های بازدارنده) است.

رگولاتور

رگولاتورهای گاز در برش هواگاز به جهت کنترل و تنظیم فشار گاز وارد شده از داخل مخزن به فشار مورد نیاز درون شیلنگ ها استفاده می شوند. اپراتور دستگاه با استفاده از شیر های سوزنی یا needle valves عمل کنترل جریان خروجی گاز را در دستگاه هوابرش انجام می دهد.

در صورت نبود رگولاتور و عدم تنظیم و کاهش فشار بالای درون مخزن فرآیند هوابرش با مشکل مواجه می شود. دو گیج فشار در سیستم رگولاتور وجود دارد که یکی از آن ها فشار مخزن و دیگری فشار شیلنگ را به نمایش می گذارد.

شیلنگ های انتقال گاز برش هواگاز

شیلنگ های دستگاه هوابرش به منظور انتقال سیالاتی مثل گاز استفاده می شود و نسبت به شیلنگ های عادی ضخیم تر و مستحکم تر هستند تا صدمه نبینند و گاز یا سوخت دچار نشتی نشوند.

معمولا برای شیلنگ های سوخت و اکسیژن برش هوا گاز از دو رنگ متفاوت و اتصالات متفاوتی استفاده می شود تا تشخیص آن ها برای اپراتور دستگاه راحت باشد. برای انتخاب این رنگ ها در کشورهای مختلف استاندارد های متفاوتی وجود دارد.

شیر یک طرفه در دستگاه برش هواگاز

از شیر یک طرفه یا چک ولو (check valve) به این دلیل در برش هواگاز استفاده می شود که سیال فقط در یک جهت در آنها جریان می یابد. گاز های مورد استفاده به عنوان سوخت در برش هوا گاز اغلب طی فرآیند مشتعل می شوند و در صورت بازگشت سوخت به داخل مخزن مستعد انفجار هستند.

شیرهای یک طرفه بر خلاف شیرهای معمولی اجازه برگشت سیال را به منبع نمی­دهند و از رخ دادن انفجار جلوگیری می کنند. بازدارنده ها به این صورت طراحی شده اند که مانع از انتقال موج انفجار از شیلنگ به منبع تغذیه شوند. بازدارنده ها اغلب بین رگولاتور و شیلنگ قرار می گیرند. هر چند بهتر است در برخی از موارد بین مشعل و شیلنگ نیز نصب شوند. این وسیله بایستی در شیلنگ های سوخت و اکسیژن به کار گیری شود تا امنیت برش هواگاز افزایش یابد.

مشعل برش هواگاز

مشعل در دستگاه هوابرش وظیفه ترکیب سوخت و اکسیژن با نسبت های معین و تبدیل انرژی سوخت به انرژی گرمایی را دارد. این انرژی توسط فرآیند های جابجایی و تشعشع به قطعه کار منتقل می شوند. مشعل استفاده های گوناگونی در صنایع دارد و در برش هواگاز برای گرمایش قطعه کار به منظور ذوب  و برش آن استفاده می شود. در مشعل دستگاه هوابرش دستگیره ای تعبیه شده است که پس از پایان گرمایش و افزایش دمای قطعه عمل دمش اکسیژن را انجام می دهد.

شعله هوابرش به سه شکل ایجاد می شود. کاهنده که میزان سوخت آن بیشتر از اکسیژن است. خنثی  و اکساینده که اکسیژن بیشتری دارد. دلیل اصلی ترکیب اکسیژن با سوخت در مشعل ناکافی بودن اکسیژن موجود در بیشتر اتمسفرهایی است که عمل جوشکاری یا برش هواگاز در آن ها انجام می شود. اکسیژن ناکافی موجب دود کردن شعله و ایجاد دوده می شود و برای انجام هوابرش مناسب نیست. شعله سوخت خالص به رنگ زرد است و پس از افزایش اکسیژن شعله دارای دو مخروط شده و به رنگ آبی – سفید در می آید.

سه شکل مختلف شعله برش هواگاز در ادامه به اختصار توضیح داده شده اند.

شعله کاهنده

شعله ای که در آن مقدار سوخت از اکسیژن بیشتر است. این شعله می تواند باعث افزایش کربن در محل احتراق شود و به دلیل تاثیر گذاری روی منطقه برش برای انجام برش هواگاز مناسب نیست.

شعله خنثی

شعله ای که در آن نسبت حجمی اکسیژن و سوخت خارج شده از مشعل برابر باشد. این شعله کمترین تاثیر را روی قطعه کار دارد و برای برش هواگاز اغلب فلزات مناسب است.

شعله اکساینده

شعله ای که اکسیژن آن بیشتر از سوخت است. این شعله نیز می تواند تاثیر منفی رو سطح قطعه کار داشته باشد و موجب اکسایش و تخریب سطح برش هوا گاز بیشتر فلزات می شود.

برش هواگاز ورق فولاد پر کربن

در این فولادها احتمال دارد در اثر گرمادهی تا دمای بالا توسط شعله برش هواگاز و سرمایش متعاقب فولاد فرآیندی همچون سخت کاری شعله رخ دهد و مقطع برش سخت و ترد شود. برای کم کردن یا از بین بردن این اثر بایستی فولاد در حال هوابرش را تا دمای 260-316 درجه سانتی گراد پیش گرم کرد.

برش هواگاز ورق فولاد زنگ نزن و آلیاژی

برش این فولاد ها و فولاد های آلیاژی دیگر از طریق برش هواگاز با مشکلات متعددی مواجه است. تشکیل اکسید های نسوز موجب ممانعت از واکنش دادن اکسیژن با فولاد آلیاژی می شود. در برش هوا گاز فولادهای آلیاژی می توان برای رفع این مشکل از وارد کردن پودر آهن یا پودر غیرفلزی به جریان اکسیژن استفاده کرد. ذوب شدن پودر آهن گرمای زیادی تولید می کند که می تواند اکسیدهای نسوز را نیز ذوب کند. گرمای بالاتر به اکسیژن این توان را می دهد که بریدن فولاد را ادامه دهد. پودرهای غیر فلزی نیز با ترکیب با عناصر آلیاژی تشکیل ترکیبی را می دهند که دمای ذوب کمتری دارد و فولاد را در معرض واکنش مستقیم با اکسیژن قرار می دهد.

راهکار دیگری در مواجهه با فولاد های آلیاژی استفاده از ورق های فولاد مصرفی در دو سمت سطح برش است. این ورق ها بعد از ذوب شدن تاثیر عناصر آلیاژی را کاهش داده و فرآیند برش هواگاز را بهبود می دهند.

برش هواگاز چدن ها

دمای ذوب چدن ها کمتر از اکسید آهن است. بنابراین در عملیات برش هواگاز ، چدن ها در مرحله احتراق پیش از اکسید شدن ذوب می شوند. وظیفه اکسیژن در برش هواگاز چدن ها فقط خارج کردن ماده ذوب شده از ناحیه برش است.

مزایا و معایب برش هواگاز

برش هواگاز به دلیل عدم نیاز به تجهیزات تامین برق فرآیندی قابل حمل است. اجزای دستگاه برش هواگاز به دلیل سبکی به منظور انجام فرآیند هوابرش در محیط کار مناسب هستند. بزرگترین نقطه ضعف برش هواگاز محدودیت طیف مواد قابل برش است. این فرآیند اغلب برای برش فولادهای پر کربن و آلیاژی و چدن ها استفاده می شود. برش باقی فلزات توسط فرآیند هوابرش با موانع بسیاری مواجه است و سطح برش تمیزی به دست نمی دهد.

به دلیل گرمای بالای برش هوا گاز در سطح برش لایه ای نازک و شکننده تشکیل می شود که به آن لایه دکربوره گفته می شود. این لایه بعد از اتمام فرآیند برش نیاز به سوهان کشی و تمیز کاری دارد. همچنین گرما تاثیرات منفی از قبیل ترد و سخت شدن در نواحی خارج از منطقه برش می گذارد که در صورت انجام ندادن عملیات حرارتی مستعد به شکست می شوند. همچنین به دلیل گرمای ورودی بالای هوابرش ، قطعات بسیار نازک احتمال اعوجاج زیادی دارند و دقت ابعادی فرآیند به شدت پایین می آید. به همین دلیل برش قطعات زیر 6 میلی متر فقط به وسیله برش پلاسما انجام می شود.