برشکاري با قوس

علاوه بر روش هاي برشكاري شعله اي، روش هاي ديگري برمبناي انرژي حاصل از قوس الكتريكي وجود دارد. پيش گرم كردن اوليه براي شروع برشكاري توسط قوس الكتريكي بين الكترود و سطح كار تأمين مي شود.

به علت تمركز به علت تمركز و شدت حرارت قوس زمان پيش گرم كردن تقليل يافته و سرعت بريدن نيز افزايش مي­يابد. پس از پيش گرم كردن اوليه در برخي از روش هاي برشكاري در اين گروه اكسيژن، هوا يا مخلوط گازهاي ديگر دميده مي شود، اما در بعضي ديگر فشار پلاسما جت و نيروي ثقل باعث خارج شدن مذاب از درز برش مي شود.

چندين روش برشكاري در اين گروه ابداع شده است كه اهم آن عبارت است از:

1) برشكاري با قوس پلاسما: اين روش قبلا توضيح داده شد

2) برشكاري قوس-فلز metal arc cutting :

در اين روش برشكاري همان الكترود جوشكاري استفاده مي شود. يكي از مشكلات جوشكاري ورق ها اين بود كه با بالا رفتن بيش از حد آمپر جوشكاري ذوب از پشت كار به بيرون مي ريخت. در اين روش جوشكاري از اين حالت استفاده مي كنيم. با بالا بردن آمپر به خاطر افزايش حرارت توليد شده و نيروي پلاسما جت ذوب به بيرون مي ريزد. اين نوع برشكاري بيشتر در حالت تخت راحت تر است چرا كه نيروي ثقلي نيز به بيرون ريختن ذوب كمك مي كند اما در شرايطي مي توان آن را به صورت افقي نيز به كار برد.

3) برشكاري قوس- اكسيژن Oxy-arc cutting :

حرارت پيشگرم كردن اوليه براي شروع برشكاري توسط قوس الكتريكي بين الكترود و سطح كار تامين مي شود. پس از پيشگرم اوليه، اكسيژن به سطح كار دميده مي شود و پس از سوختن آهن فشار جت اكسيژن سرباره را به بيرون مي ريزد. اين فرآيند مخصوصا براي بريدن چدن ها و فولاد هاي زنگ نزن داراي مزيت هايي است. بعنوان مثال تمركز شدت حرارتي و سرعت برشكاري بالا باعث مي شود كه منطقه متاثر از حرارت كوچكتر باشد. بر اساس اين فرآيند الكترود مي تواند لوله اي فولادي با 3 تا 10 ميليمتر قطر و 6 متر طول باشد كه به منبع تامين اكسيژن از طريق دريچه هاي كنترل و تنظيم وصل بوده و اكسيژن با فشار در آن دميده مي شود. واضح است كه الكترود ذوب و مصرف مي شود ولي سوختن آهن در الكترود نيز به تشديد حرارت ايجاد شده كمك مي كند.

4) برشكاري قوس- كربن با هوا Air carbon-arc cutting :

اساس كار شبيه فرايند قبلي است با اين تفاوت كه در اينجا الكترود از جنس گرافيت و كربن مي باشد.

جت هوا از كنار الكترود با فشار زياد آهن مذاب را به خارج از درز برش مي پاشد. از اين فرآيند براي برداشتن قسمتي از فلز از روي قطعه كار نيز استفاده مي شود.

جريان DC يا AC با آمپر نسبتاً بالا براي اين فرايند لازم است. بديهي است كه در اين روش الكترود ذوب نمي شود بلكه فقط كربن با سرعت كم مي سوزد. لازم به ذكر است كه در اين روش لازم نيست آهن اكسيد شود و سپس سرباره حاصله به اطراف پاشيده شود، بلكه آهن مذاب نيز مي تواند تحت فشار جت هوا به خارج از درز برش دميده شود.

تجهيزات اين فرايند از اجزاء زير تشكيل شده است:

منبع قدرت

اغلب منافع قدرت، براي جوشكاري در اين روش نيز قابل استفاده اند. ولتاژ مدار باز بايد نسبتاً بالا باشد. (بالاي 60 ولت) ميزان دقيق ولتاژ تا حدودي بستگي به اندازه الكترود دارد.

منبع تأمين هواي فشرده

كمپرسورهاي هوا كه بتوانند هوايي با فشار حدود kg/cm2 70ـ56 توليد كند براي اين فرايند در شرايط معمولي كافي است. ميزان هواي لازم براي ايجاد اين چنين مواردي حدود 12ـ85 ليتر در دقيقه است. حجم و سرعت جريان هوا بايد به اندازه اي باشد كه بتواند فلز و سربارة مذاب را از درز برش بيرون براند.

براي الكترود و كارهاي سبك قطر داخل لوله هاي انتقال هواي فشرده نبايد از 4/6 ميلي­متر كمتر باشد.

نگهدارنده يا انبر الكترود كربني

نگهدارنده الكترود شبيه انبر قلم جوش در جوشكاري هاي معمولي (جوش برق) است و عمل اتصال جريان الكتريكي و هدايت هواي فشرده به الكترود و درز جوش را انجام مي دهد. معمولاً شير يا دكمه اي نيز براي قطع و وصل جريان هواي فشرده بر روي آن تعبيه شده است.

الكترود

الكترود از مخلوط گرافيت، كربن و چسب مخصوص و غالباً با لاية نازک مسي پوشيده شده است. مقطع الکترود معمولاً گرد است ولي در شرايط خاص براي کارهاي ويژه از مقاطع نيم گرده مثلث و چهارگوش نيز استفاده مي شود. الکترودهاي ساخته شده براي جريان هاي AC و DC کمي با هم فرق دارند.

در الکترودهاي AC براي پايداري قوس بعضي ترکيبات نظير فلزات کمياب به ترکيب الکترود اضافه مي کنند. در اين فرآيند نيز انبر الکترود مي تواند به طور دستي و يا ماشيني در مسير مورد نظر هدايت شود.

اين روش براي بريدن و برداشتن منطقه اي از قطعه کار از نوع فلزات نظير فولادهاي کم کربن، فولادهاي کم آلياژي، فولادهاي آلياژي، چدن ها، آلومينيم، منگنز، مس، نيکل و آلياژهاي آنها به کار برده مي شود.

عوامل متغير در اين فرآيند عبارتند از:

1ـ شدت جريان و نوع آن و تناسب آن با نوع و اندازه الکترود و جنس قطعه کار

2ـ نوع برش

3ـ سرعت برشکاري

4ـ وضعيت برش

5ـ ميزان کيفيت و تميزي مقطع برش

زاوية الکترود نسبت به سطح کار بايد چنان باشد که در وضعيت هاي مختلف فلز و سربارة مذاب بتواند سهل تر و راحت تر از درز برش به خارج رانده شود و جت هوا در پشت نوک الکترود باشد. سرعت پيشرفت برشکاري به اندازة الکترود نوع فلز، ميزان شدت جريان و فشار هوا بستگي دارد.

يکي از مسائل متالوژيکي ناشي از برشکاري با اين روش جذب کربن در لبة برش به ويژه در حاليکه الکترود کربن به قطب مثبت وصل شده باشد مي باشد. البته زاوية غلط الکترود، فشار کم هوا و سرعت غيريکنواخت برشکاري عوامل ديگري براي وقوع و تشديد اين عيب خواهند بود.

يکي از مشکلات وقوع جذب کربن در لبة برش کاهش خاصيت ماشين کاري و ايجاد ترک هاي مويي در اين منطقه مي باشد.

برشکاري زير آب

طبقه بندي برشکاري زير آب

در رابطه با برش زير آب، بايستي دو روش اساسي را همانند جوشکاري در زير آب از يکديگر تفکيک نمود:

الف) برشکاري مرطوب زير آب

ب) برشکاري خشک زير آب

در رابطه با برش مرطوب که به شکل برش حرارتي در آب انجام مي شود، از سال1950 به بعد در اشکال برش شعله اي، برش قوس الکتريکي با الکترودهاي ميله اي توپُر روپوش دار، و برش قوس الکتريکي اکسيژن با الکترود ميله اي تو خالي انجام گرفته است. در سالها بعد روش قوس پلاسما که بيشتر در تکنولوژي نيروگاههاي هسته اي مورد استفاده قرار مي گيرد، گسترش يافت.

مطالعه و تحقيق روي برش قوس الکتريکي - جت آب نشان داد که اين روش از لحاظ کارآيي و توان در حد روش پلاسما مي باشد. از سال 1965 به بعد برشکاري خشک در زير آب در محيط گاز، کارآيي بهتري را نسبت به روشهاي قبلي ارائه نمود.

برشکاري مرطوب

روش شعله اي

اولين بار برشکاري شعله اي در زير آب در سال 1908 در آلمان انجام گرفت. در سالهاي 1913 و 1914 مشعلهايي طراحي و ساخته شد که در آنها به کمک پوشش محافظ هواي فشرده، از تأثير مستقيم آب روي شعله جلوگيري به عمل آمده بود. علي رغم اينکه درجه حرارت شعله در ترکيب استيلن و اکسيژن خيلي بالا مي باشد، ولي در جوشکاري شعله اي زير آب پس از مدتي، از گاز هيدروژن به جاي استيلن استفاده شد.

علت اين مسئله آن بود که استيلن فقط قادر است تا 5/1 اتمسفر فشار را تحمل کند و در فشار بالاتر خطر منفجر شدن اين گاز وجود دارد. لذا برش با استيلن و اکسيژن، حداکثر تا عمق 7 متر مي تواند کاملاً ايمن باشد. در عمق هاي بالاتر، از مخلوط اکسيژن و استيلن به منظور برشکاري نمي توان استفاده نمود. با روش هيدروژن-اکسيژن تا به حال، تا عمق 40 متر برشکاري شده است.

از سال 1930 به بعد در آلمان روشي ابداع شد که در آن به جاي استفاده از هيدروژن يا استيلن، بنزين جايگزين شد، و علت آن اين است که براي توليد 1500000 کيلو کالري انرژي يک ظرف 145 کيلو گرمي بنزين لازم است، در حالي که براي توليد همين مقدار انرژي 7350 کيلوگرم هيدروژن لازم است. علاوه بر آن خطر انفجار مخلوط گازي بنزين يا بنزول با هوا به مراتب کمتر از خطر انفجار مخلوط هيدروژن با هواست. (نسبت مخلوط بنزين با هوا 2.5% و نسبت مخلوط بنزول 3.9% است، ولي نسبت مخلوط هيدروژن 57% مي باشد.)

برش قوس الکتريکي با الکترودهاي ميله اي توپُر

به موازات روش برش بنزين-اکسيژن شعله اي، در آلمان از سال 1930 روش برش قوس الکتريکي با الکترود ميله اي توپُر گسترش پيدا کرده است. علتي که از روش شعله اي بنزين-اکسيژن به روش قوس الکتريکي گرايش بيشتري پيدا شد دلايل زير بود:

حمل کپسول هاي حاوي اکسيژن و بنزين در زير آب براي غواص مشکل است و گران تمام مي شود. همچنين سر و صداي زيادي که از مصرف اکسيژن ايجاد مي شود، موجب ناراحتي غواص مي شود. لرزش هاي ناشي از تأثير آب و عدم ديد صحيح غواص، از ديگر معايب اين روش است.

علاوه بر آن براي بستن سوراخهاي کشتي در زير آب، جوش دادن ورق هاي فولادي روي شکافهاي بزرگ بدنه ي کشتي و همچنين سوراخهاي بزرگ يا شکافهايي که در بدنه ي سازه هاي دريايي پيش مي آيد، روش شعله اي امکان پذير نبوده و در اين موارد جوش قوس الکتريکي تنها راه براي تعمير اين قسمت ها مي باشد.

مزاياي اين روش نسبت به روش برش شعله اي:

راحتي در گرفتن تفنگ برشکاري، ايجاد راحت جرقه قبل از رسيدن به محل برش، تراکم انرژي و درجه حرارت بالا که به همين علت مي توان فولادهاي آلياژِي و چدن و حتي فلزات غير آهني را با اين روش برشکاري نمود. مزيت ديگر آن نسبت به روش قوس الکتريکي-اکسيژن با الکترود ميله اي توخالي عبارت است از عدم وابستگي به جريان اکسيژن و ساده تر بودن سيستم برشکاري که در نتيجه بهتر قابل کنترل است و لذا برشکاري را مي توان براي ورق هاي به ضخامت 6 ميليمتر انجام داده و کنترل نمود.

تجربيات انجام شده تا کنون، تا عمق 60 متر موفق بوده است. با شناختي که از جوش خشک و مرطوب در دسترس مي باشد، مي توان به اين نتيجه رسيد که برش با الکترود توپُر مي تواند در اعماق بيشتري نيز انجام گيرد.

برش قوس الکتريکي-اکسيژن با الکترود ميله اي توخالي

اولين تجربه ي اين روش در سال 1915 انجام گرفت، ولي عملاً در زمان جنگ جهاني دوم در امريکا و تجربيات با برش قوس الکتريکي با الکترودهاي توپر، نوعي الکترود توخالي که از يک لوله ي فولادي با روپوش خاص تشکيل مي شد، ساخته شد و مورد آزمايش براي برش از نوع فوق قرار گرفت.

پس از روشن نمودن قوس الکتريکي، جريان اکسيژن که با شلنگ برشکاري متصل است، توسط يک اهرم باز مي شود و از قسمت داخلي الکترود که به شکل لوله است، به قطعه کار دميده مي شود. الکترود را با گيره ي مخصوص به صورت عمودي روي قطعه تنظيم مي کنند. براي فولادهاي غير آلياژِي و فولادهاي با درصد عناصر آلياژي کم، الکترود را به همين شکل روي خطي که بايد بريده شود مي کشند.

روپوش الکترودهايي که در اين فرآيند برشکاري به کار مي رود، مخلوطي است از و و است. اين روپوش زير يک لايه ي رنگ است که روي الکترود زده شده است. براي برش چدن، فولادهاي آلياژي و فلزات غير آهني که با حرکت ارّه مانند الکترود بريده مي شوند، شدت جريان بايستي حدود 30 تا 70 % بيش از شدت جرياني که براي برش فولاد معمولي لازم است، باشد؛ ولي گاز اکسيژن نسبت به فولاد غير آلياژي نصف مي شود.

از نظر ايمني وجود محافظ در مقابل اشعه، لازم است. از لحاظ اقتصادي، مزاياي اين روش در آن است که چندين ورق روي هم قرارگرفته رامي توان با يک خط برش بريد بدون آنکه برش را قطع نمود.

به عنوان يك مثال از سرعت برشكاري مي توان گفت: زمان برش زبانه ها از روي قسمت داخل آب پايه هاي فولادي در آب با برش شعله اي بنزين-اکسيژن، 4 دقيقه و با روش استفاده از الکترود توخالي، 8/0 دقيقه طول کشيده است. براي ايجاد سوراخهايي در ديواره هاي سازه هاي دريايي که جهت پيچ نمودن قلّاب به آنها استفاده مي شود، يا محل عبور طناب در بدنه ي کشتي ها زير آب براي ورق با ضخامت 10 ميليمتر با روش الکترود توخالي يک ثانيه و براي ورق 50 ميليمتر مدّت 2 ثانيه زمان لازم است.

حال آنکه با روش برش شعله اي ورق 50 ميليمتر را اساساً به سختي مي توان سوراخ نمود. براي ورق 150 ميليمتر نيز سوراخ- کاري با روش شعله اي، امکان پذير نيست؛ درحالي که با روش الکترود توخالي، به راحتي مي توان آن را سوراخ نمود. در روش مذکور به جاي جريان اکسيژن، مي توان از هواي فشرده استفاده کرد و درنتيجه نياز پروسه را به جريان اکسيژن، برطرف نمود. در آن صورت توان برش نسبت به جريان اکسيژن حدود 30% افت مي کند ولي نسبت به روش باالکترود توپُر، 50% بالاتر است.

براي برش ورق هاي با ضخامت 6 ميليمتر با جريان اکسيژن و الکترود توخالي، بهتر است الکترود را با زاويه ي °45 نسبت به سطح کار نگه داشت. براي صرفه جويي در مصرف الکترود، به جاي استفاده از الکترودهاي معمولي، از نوعي الکترود با روپوش سراميکي استفاده مي شود.

تا به حال ورق هاي تا ضخامت 100 ميليمتر با اين روش بريده شده است. براي برش چنين ورق هاي ضخيمي، بايستي نقطه ي برش را به صورت قيف مانند به سمت جلو باز نمود تا هيدروژن توليد شده در محيط سريعاً از اطراف محل دور شود. در آلمان با اين روش در عمق 180 متري عمليات برشکاري انجام شده است.

برش با قوس پلاسما

چون آب، محافظتي در مقابل جريان اشعه هاي راديواکتيو ايجاد مي کند و جريان گاز پلاسما در رابطه با موادي که در تأسيسات هسته اي به کار گرفته مي شود و ضخامت زياد آنها برنده ي بسيار خوبي مي باشد، لذا روش برش با پلاسما از سال 1950 در امريکا براي ورق هاي ضخيم با ضخامت 25 ميليمتر به بالاي بخش زيرآبي تأسيسات هسته اي، مورد استفاده قرار گرفت و نتايج بسيار خوبي براي فولاد غير آلياژِي دربر داشت.

پس از اين تجربيات، حفاظ حرارتي يک رآکتور اتمي قديمي که قرار بود اسقاط شود، از جنس فولاد کروم-نيکل آوستنيتي نوع 304 به ضخامت 4/25 ميليمتر با برش پلاسما بريده شد.

اين عمليات برش به کمک سيستم کنترل از راه دور عمق 7/3 متر زير آب و با شدّت جريان 710 آمپر و ولتاژ 155 ولت با جريان ازُت 241 ليتر بر دقيقه و سرعت برش 127 سانتيمتر بر دقيقه، انجام گرفت. در عمليات برش بعدي رآکتور که در محيط خارج از آب انجام گرفت، از روش قوس پلاسما استفاده شد که توسط جتِ آب، جريان پلاسما را محافظت مي کردند. از ابتداي دهه ي 70 در اروپا در بخش نيروگاه هاي اتمي از روش برش پلاسما استفاده گرديد.

يک حفاظ حرارتي ديگر متعلق به يک رآکتور هسته اي که قطر آن 3 متر و ضخامت ديواره ي آن 76 ميليمتر بود، در عمق 7 متري آب با جريان برق 980 آمپر و ولتاژ 210 ولت با سرعت 25 سانتيمتر بر دقيقه برشکاري شد. در آلمان شرقي، روش پلاسما براي بريدن بدنه ي کشتي هاي باري از سال 1960 شروع شد. با شدّت جريان 370 آمپر و تحت جريان گاز آرگون با دبي 15 ليتر بر دقيقه، برش ورق با ضخامت 20 ميليمتر از فولاد غير آلياژي با سرعت برش 13.8 متر بر ساعت انجام گرفت. براي آنکه مواد مذاب را، از مقطع بريده شده خارج کرد، از يک جريان جتِ آب سرد استفاده مي شود که فشارش 2 اتمسفر بيش از فشار آب محيط بوده و از طريق يک نازل که به شلنگ و به تفنگ برشکاري وصل شده است، به محل برش هدايت مي شود.

روش استفاده از جت آب از درون يک نازل حلقه اي شکل در برش پلاسما در هوا نيز مي تواند مورد استفاده قرار گيرد، زيرا جريان جت آب اولاً سر و صداي برش را تا حد زيادي مي گيرد و ثانياً دود اضافي ناشي از برش را با خود مي برد. در تکنولوژي برش در تأسيسات هسته اي، روش قوس پلاسما با جت آب نسبت به روش قوس پلاسما بدون جت آب مناسب تر است زيرا جريان جت آب خارج شده از نازل حلقه اي شکل دور جريان پلاسما را گرفته، آن را باريک تر نموده درنتيجه تأثير برشي آن را شديد تر مي کند. براي نمونه يک عمل برشکاري زير آب در شوروي سابق با مشخصات زير انجام گرفته است:

ضخامت ورق: 20 ميليمتر

عمق آب: 10 متر

شدّت جريان برش: 480 آمپر

ولتاژ: 120 ولت

جريان گاز آرگون: 42 ليتر در دقيقه

سرعت برش: 9 متر در ساعت.

در مقايسه با روش معمولي برش قوس الکتريکي-اکسيژن، برش پلاسما علاوه بر سرعت برش بالاتر، سطح بريده شده را خيلي تميز و صاف تر در مي آورد. چنانچه از گاز ازت به جاي گاز آرگون به عنوان گاز برشي استفاده شود، توان برش بالا خواهد رفت و چنانچه هواي فشرده به عنوان گاز پلاسما مورد استفاده قرار گيرد سرعت برش فوق العاده بيشتر خواهد شد. در يک آزمايش که در آن از هواي فشرده به عنوان گاز پلاسما استفاده شده، از تفنگ برشکاري مکانيزه اي استفاده شد که مجهز به کاتد زيرکونيوم بود و آزمايش در يک مخزن آب با عمق 1.2 متر يک بار در آب شيرين و بار ديگر در آب شور انجام گرفت که در حالت دوّم، درصد نمک از 0.9 تا 3.5 درصد متغير بود و مقطع برش، بسيار تميز و يکدست بود. براي بررسي کارآيي بيشتر برش پلاسما آزمايش هايي در شرايط مشابه با عمق زياد در يک اتاق فشار زميني در سال 1975 در انگلستان انجام گرفت.

در اين اتاق فشار که شرايط به دو صورت مرطوب و خشک مشابه با فشار در عمق آب ساخته شده بود، موفق شدند که تحت شرايط معادل 370 متر زير آب هم به صورت خشک و هم به صورت مرطوب برشکاري نمايند.

برش خشک در زير آب

برش در زير آب، براي آماده سازي سر لوله ها و پخ زدن آنها، براي جوشکاري هاي داخل اتاق فشار جوشکاري خشک، در گذشته اکثراً با ماشين هاي فرز انجام مي گرفت.

با توجه به اينکه سيستم محرّک و برق اين نوع ماشين ها بايستي از بالاي آب تغذيه گردد و نياز به يک سيستم هيدروليک پيشرفته دارد، عمل فرزکاري مربوط به پخ زدن لوله ها و براده برداري تا عمق 45 متر ميسّر بود.

البته با گسترش سيستم هاي متحرّک الکتريکي، اين کار تا عمق بيش از چندصد متر نيز ميسّر شد، ولي به دليل آنکه برش با فرز دراتاق هاي عملياتي زير آب داراي سرعت حدّاکثر 8/4 متر بر دقيقه در برش عمودي و 4/2 متر بر دقيقه در برش مايل لوله هاي جدار ضخيم مي باشد، به منظور بالا بردن سرعت و توان برش در اين اتاق ها برش پلاسما جايگزين ماشين هاي فرز گرديد.

روش هايي که تا کنون در مورد برش شعله اي در زير آب تجربه شده، کارآيي اين نوع برش را تا عمق 60 متر محدود مي کند. در مقابل با روش قوس الکتريکي جت آب و الکترود رولي، تا عمق 100 متر با روش قوس الکتريکي-اکسيژن و الکترود ميله اي توخالي تا عمق 180 متر و با روش قوس پلاسما تا عمق 370 متر را مي توان به راحتي برشکاري نمود.

امّا مشابه با آنچه که در جوشکاري زير آب مطرح است، به نظر مي رسد که با استفاده از روش ها و امکانات جديدتر بتوان تا عمق بيشتري در آب عمليات برشکاري را انجام داد.

همچنين در زير آب مي توانيد تا عمق 635 متر با روش برش پلاسما برشکاري نماييد. در آلمان، در مؤسّسه ي تحقيقاتي، ارزيابي استفاده از انرژي هسته اي در کشتي سازي (GKSS) روي سيستمي تحقيق مي شود که در آن مي توان در اتاق عملياتي هم فشار با عمق 1200 متري در آب، عمليات جوشکاري و برشکاري را به راحتي انجام داد.

در يک نمونه ي ديگر که يک اتاق تحقيقاتي مرطوب در داخل يک اتاق عملياتي تحت فشار نصب شده است، آزمايش هايي براي کار در عمق 2400 متري نيز انجام گرفته است.