جوشکاری پلاسما

فرایند جوشکاری پلاسما

شبیه ترین فرایند اتصال دهی به جوشکاری پلاسما ، جوشکاری آرگون است. بزرگترین تفاوت این دو فرایند جوشکاری ، مکانیسم متفاوتی است که به منظور ایجاد گرمایش و شروع اتصال اتخاذ می شود. همانند جوشکاري آرگون ، جوشکاري قوس پلاسما نیز از الکترودی غیر مصرفی استفاده می کند. همچنین نازل در مشعل جوشکاري قوس پلاسما گازی متصاعد می کند که الکترود را در بر می گیرد. گاز روزنه ای ایجاد شده به وسیله قوس پایلوت یا قوس بین الکترود و نازل تا دمایی حرارت می بیند که یونیزه شده و الکتریسیته را هدایت می کند. به این گاز یونیزه شده پلاسما می گویند. پلاسما ، که دمایی حدود 16700 درجه سانتیگراد دارد، قوسی متمرکز شده و باریک ایجاد می کند. این قوس دقت جوشکاری بسیار بالایی دارد و جوش حاصل معمولا عمق زیاد و پهنای کمی دارد.

انواع جوشکاری پلاسما

جوشکاری پلاسما معمولا بسته به محدوده جریان مورد استفاده به سه دسته تقسیم می شود.

جوشکاری پلاسمای میکرو

جوشکاری قوس پلاسمای میکرو در محدوده جریان 0.1 تا 15 آمپر انجام می شود. قوس متمرکز و بسیار نازک این فرایند و تمرکز حرارت ورودی بالا، جوشکاری ورق هایی با ضخامت 0.3 میلی متر را ممکن می سازد.

این فرایند در صنایع بسیار دقیق و حساس مثل هوافضا انجام می شود.

جوشکاری پلاسمای متوسط

جوشکاري پلاسما متوسط یا جوشکاري به روش melt-in در محدوده جریان 15 تا 100 آمپر انجام می شود. این فرایند به جوشکاری تیگ یا جوشکاری میگ بسیار نزدیک است. از این روش برای جوشکاری ورق های نازک در صنایعی مثل خودروسازی یا ساخت لوله های نازک استفاده می شود. شکل جوش حاصل از این فرایند نیز شباهت زیادی به فرایند های یاد شده دارد.

جوشکاری پلاسما به روش سوراخ کلیدی

معمولا به جوشی که عمق بسیار زیاد و پهنای بسیار کمی دارد، جوش سوراخ کلیدی می گویند. در این فرایند از جریان های بالای صد آمپر استفاده می شود. این روش، پر کاربرد ترین فرایند در بین روش های جوشکاری پلاسما است و در اتصال مواد ضخیم استفاده می شود.

این روش جوشکاری قوس پلاسما شباهت زیادی به جوشکاری لیزر یا جوشکاری الکترون بیم دارد.

تجهیزات جوشکاری پلاسما

تجهیزات یک سیستم معمول جوشکاری پلاسما شامل یک منبع تغذیه، کنسول کنترل پلاسما، سیستم خنک کننده، مشعل جوشکاري و سیستم تامین گاز برای پلاسما و محافظت از جوش می شود.

منبع تغذیه که وظیفه تامین برق لازم برای فرایند را ایفا می کند، شامل تجهیزات کنترلی متفاوتی است. این تجهیزات کنترلی روی زمان بندی مراحل مختلف فرایند جوشکاری نظارت می کنند. این مراحل شامل جریان یافتن گاز، شروع قوس، کنترل جریان اصلی و پارامترهای حرارتی دیگر جوشکاری هستند. کنسول های کنترل پلاسما نیز در ساده ترین شکل خود، وظیفه کنترل میزان جریان گاز برای پلاسما و محافظت از جوش را ایفا میکنند. همچنین ایجاد جریان فرکانس بالا برای تشکیل قوس پایلوت نیز توسط این سیستم ها انجام می شود. ولتاژ مورد نیاز برای منبع تغذیه معمولا 80 ولت و دوره کار آن، یعنی نسبت زمان کار به زمان خاموشی، 60 درصد می باشد.

در اغلب سیستم های جوشکاري قوس پلاسما گازهای محافظ و پلاسما از دو سیلندر متفاوت تغذیه می شوند. هدایت از سمت منبع گاز معمولا با سیستم های کنترلی انجام می شود تا تنظیم جریان گاز توسط اپراتور امکان پذیر باشد.

مشعل جوشکاری پلاسما

مشعل های جوشکاری پلاسما ، دستی یا مکانیزه هستند و برای جلوگیری از افزایش بیش از حد دمای مشعل با آب خنک می شوند. در این مشعل ها، الکترود تنگستنی توسط طوقه نگه دارنده در بدنه مشعل نگه داشته می شود.

نازل سرامیکی گاز محافظ، نازل تنگ کننده قوس و شلنگ های گاز پلاسما و گاز محافظ همگی به بدنه مشعل متصل هستند.

الکترود جوشکاری پلاسما

الکترود غیر مصرفی استفاده شده در جوشکاری قوس پلاسما معمولا الکترود تنگستنی دارای دو درصد اکسید توریم است. اندازه الکترود با توجه به جریان استفاده شده برای اتصال دهی تعیین می شود. نوک الکترود تنگستنی این فرایند معمولا با زاویه خاصی ماشین کاری شده و مخروطی می شود. زاویه این مخروط هم بستگی به جریان دارد. برای مثال برای جوشکاری پلاسمای میکرو از الکترودهایی با ضخامت 1 میلی متر و نوک 15 درجه و برای جریان بالا از ضخامت 4 میلی متر و 60 درجه استفاده می شود. استفاده از اکسید فلزات نادر خاکی به جای توریم در ساختار الکترود تنگستنی موجب افزایش عمر الکترود می شود، اما قیمت جوشکاری پلاسما را نیز افزایش می دهد.

گازهای مصرفی جوشکاری پلاسما

در جوشکاری پلاسما از گاز پلاسما برای تولید قوس و از گاز محافظ برای محافظت از حوضچه مذاب در طول انجماد و خنک شدن آن استفاده می شود. این محافظت در برابر انواع عوامل آلوده و اکسید کننده انجام می شود. گاز پلاسما معمولا از گاز آرگون خالص تشکیل می شود. خواص گاز پلاسما روی شکل و کیفیت جوش حاصل شده تاثیر گذار است. نرخ جریان گاز پلاسما نیز اهمیت زیادی دارد چون روی تمرکز قوس تاثیر می گذارد. این نرخ جریان از 0.1 لیتر بر دقیقه برای جوشکاری قوس پلاسمای میکرو تا 10 لیتر بر دقیقه برای روش سوراخ کلیدی متغیر است. از آنجایی که تنظیم این پارامتر بسیار حساس است، کنترل نرخ جریان گاز به وسیله دستگاه های خودکار الکتریکی انجام می شود.

آرگون به همراه هلیم و هیدروژن به عنوان گاز محافظ نیز استفاده می شود. آرگون از هوا سنگین تر است و روی حوضچه مذاب شناور می شود و از هلیم نیز ارزان تر است. هلیم در ترکیب گاز محافظ موجب افزایش هدایت حرارتی و پهن تر شدن حوضچه جوش می شود. هیدروژن نیز با اضافه شدن به گاز محافظ نقش تنگ کنندگی قوس را بازی می کند. هیدروژن به دلیل کاهنده بودن، جوش تمیزی نیز ایجاد می کند. استفاده از هلیم خالص یا هلیم بیش از حد، موجب افزایش دمای مشعل و کاهش عمر نازل می شود.

کاربردهای جوشکاري پلاسما

اتصال طیف وسیعی از فلزات به وسیله جوشکاری پلاسما ممکن است. این فرایند برای انواع فولادها، آلیاژهای آلومینیوم ، منیزیم ، مس و نیکل استفاده می شود. فلزات فعالی مثل زیرکونیم و تانتالیم نیز با این فرایند، اتصال داده می شوند. محدوده ضخامتی جوشکاری قوس پلاسما نیز از 0.3 تا بالای 6 میلیمتر را در بر می گیرد. در این محدوده ضخامتی، می توان تنها با یک پاس جوش، اتصال دهی را تکمیل کرد. همه این فلزات به استثنای آلومینیوم و منیزیم با جریان الکترود منفی اتصال داده می شوند. این دو فلز و آلیاژهای آنها اکسید های نسوزی تولید می کنند که به وسیله جریان متناوب حذف می شوند.

تمامی فرایندهای عملیات حرارتی پیش و پس از جوش در این فرایند، مطابق با استانداردهای جوشکاری تیگ انجام می شود. از این فرایند برای جوشکاری غیر همجنس برخی قطعات سرامیکی با قطعات فلزی نیز استفاده می شود. در این نوع جوشکاری تنها از قوس مستقل یا منتقل نشده بین الکترود و نازل استفاده می شود که دمای کمتری دارد.

از جوشکاری پلاسما برای جوشکاری مخازن ساخته شده از فولاد زنگ نزن یا جوشکاری لوله نیز استفاده می شود. معمولا از جوش سوراخ کلیدی برای اتصال دهی دیواره های مخزن استفاده می شود. چنانچه ضخامت ورق دیواره زیاد باشد، از این فرایند برای پاس ریشه و از فرایند های جوشکاری آرگون، میگ یا جوشکاری زیرپودری برای تکمیل اتصال استفاده می شود.

از سوی دیگر تجهیزات جوشكاري قوس پلاسما اغلب برای فرایندهای پوشش دهی از جمله پلاسما اسپری نیز استفاده می شوند. در این فرایند نیز از قوس های منتقل نشده استفاده می شود و پلاسما وظیفه پوشش دهی قطعه با ذوب کردن و پاشش ماده مد نظر را ایفا می کند.

مزایا و معایب جوشکاري قوس پلاسما

در جوشکاري قوس پلاسما ، با وجود تجهیزات متفاوت متمرکز کننده قوس ، کنترل بیشتری روی طول قوس وجود داشته و اپراتور این فرایند نیازی به مهارت بالا ندارد. قوس جوشکاری پلاسما از جوش آرگون بلندتر بوده و بنابراین خطر برخورد الکترود تنگستن با قطعه و ذوب الکترود وجود ندارد. با این وجود، جوشکاری پلاسما تعداد بسیار بیشتری متغیر دارد و بنابراین تنظیم بهینه این فرایند نیاز به دانش بالایی دارد. ابعاد و زاویه نوک الکترود، قطر نازل و سایر اجزای مشعل و نرخ جریان گازهای مصرفی از جمله این متغیرها هستند.

قیمت جوشکاری پلاسما

با وجود بالا بودن قیمت جوشکاری پلاسما ، این فرایند نسبت به جوشکاری تیگ برتری هایی دارد که هزینه کردن برای این فرایند را معقول می کند. سرعت جوشکاری پلاسما نسبت به جوشکاري تیگ بیشتر بوده و افزایش سرعت جوشکاري موجب افزایش تولید و کاهش هزینه های جانبی مربوط به اپراتور و برق خواهد شد. به علاوه، اتصالی که با جوشکاری آرگون به چند پاس نیاز دارد، با جوش پلاسما در یک پاس انجام می شود. بنابراین هزینه های مربوط به پخ کاری و طراحی پاس های جوش نیز کاهش داده خواهد شد. از سوی دیگر اعوجاج و خرابی های متاثر از حرارت در جوش پلاسما به حداقل رسیده بنابراین هزینه های عملیات حرارتی و تعمیرات پس از جوشکاري کاهش می یابد. در نتیجه، بالا بودن قیمت جوشکاری پلاسما موجب کم شدن کاربردهای این روش نخواهد شد.

از سوی دیگر، باید توجه کرد که مسائل دیگری نیز مانع افزایش کاربرد جوشکاری پلاسما هستند. این فرایند نسبت به جوشکاری تیگ تجهیزات بیشتر و گرانتری دارد و مصرف گاز جوش پلاسما نیز تا حدی بیشتر است. بنابراین در صرف کردن هزینه جوشکاری پلاسما بایستی به هزینه های مواد اولیه و تعمیرات نیز توجه کرد. در نهایت، انتخاب بین جوشکاری آرگون و پلاسما انتخابی بین کیفیت و قیمت است.