جوشکاری پلاسما چیست؛ بررسی مزایا، کاربردها و ویژگی‌ها

جوشکاری پلاسما چیست | جوشکاری پلاسما یک فرایند پیشرفته جوشکاری است که از یک قوس الکتریکی و گاز پلاسما برای ذوب و اتصال فلزات استفاده می‌کند. این روش جوشکاری فلزات مانند استیل، آلومینیوم و مس کاربرد دارد.

پلاسما به حالتی از ماده گفته می‌شود که در آن اتم‌ها به یون‌ها یا الکترون‌ها تجزیه شده‌اند. در جوشکاری پلاسما، یک قوس الکتریکی موجب گرم شدن گاز تا به حالت پلاسما درآید. این پلاسما با دمای بسیار بالا باعث ذوب شدن فلزات و ایجاد اتصال جوش می‌شود.

مزایای جوشکاری پلاسما نسبت به سایر روش‌های جوشکاری شامل دقت بالا، سرعت بالا، کنترل پارامترها و امکان جوشکاری فلزات مختلف است. این روش در صنایع مختلفی مانند هوافضا، خودرو و تجهیزات پزشکی کاربرد دارد.

در این مطلب از شرکت روتک، قصد داریم تا شما را با روش جوشکاری پلاسما، ویژگی‌های روش پلاسما و چگونگی انجام آن آشنا کنیم و در ادامه به طور تفصیلی به بررسی مراحل انجام جوشکاری پلاسما و پارامترهای موثر بر آن را بپردازیم.

پلاسما چیست؟

در واقع، پلاسما یک حالت ویژه از ماده است که به دلیل یونیزه شدن و تغییر قوانین حاکم بر آن، خواص منحصر به فردی پیدا می‌کند. این ویژگی‌های خاص سبب شده است که پلاسما در صنایع مختلفی مانند برش و جوشکاری کاربرد داشته باشد. پلاسما دارای ویژگی‌های خاص زیر است:

پلاسما حاوی تعداد یکسانی ذرات باردار مثبت و منفی است.

گازها در حالت پلاسما، از قانون‌های حاکم بر گازهای معمولی تبعیت نمی‌کنند و به همین دلیل، پلاسما را حالت چهارم ماده می‌نامند.

گاز یونیزه شده در پلاسما، خاصیت رسانایی بسیار بالایی دارد. معرفی 8 نوع گاز جوشکاری

Plasma Arc Welding یا جوشکاری پلاسما چیست؟

جوشکاری پلاسما (Plasma Arc Welding – PAW) یک روش جوشکاری قوس الکتریکی است که دارای ویژگی‌های منحصر به فرد است. در این روش از یک قوس پلاسما بین الکترود و قطعه کاری استفاده می‌شود. روش پلاسما به طور کلی روش گران قیمتی است اما اگرچه هزینه این روش بالا است، اما هزینه راه‌ اندازی آن پایین بوده و یکی از بهترین روش‌ها برای جوشکاری اتوماتیک محسوب می‌شود. در این فرایند ویژگی‌های زیر دیده می‌شود:

• تمرکز حرارتی زیادی ایجاد می‌شود.
• خط جوش نازک با عمق زیاد و پهنای کم به وجود می‌آید.
• قابلیت هدایت قوس الکتریکی بسیار بالا است.
• نفوذ در قطعه بسیار بهتر رخ می‌دهد.
• پاشیدگی کمتری اتفاق می‌افتد.
• مصرف الکترود به مقدار کم است، افزایش دقت و امکان استفاده طولانی‌مدت را فراهم می‌کند.

به طور کلی روش جوشکاری پلاسما؛ یک الکترود سرامیکی درون یک نازل قرار دارد که توسط گاز محافظ احاطه شده و با برقراری قوس الکتریکی بین الکترود و قطعه کار، گاز محافظ یونیزه شده و به حالت پلاسما درمی‌آید.

پلاسمای حاصل، دارای دمای بسیار بالا (حدود 30,000 درجه سانتیگراد) و قدرت حرارتی بالایی است و این پلاسما با تمرکز زیاد بر روی قطعه کار متمرکز شده و منجر به ذوب موضعی و ایجاد یک خط جوش باریک و عمیق می‌شود. در این روش، امکان کنترل دقیق پارامترهای جوشکاری مانند عمق نفوذ، پرکردگی درز و تولید جوش با کیفیت بالا را فراهم می‌کند.

مطالعه مقاله: آشنایی با اصطلاحات جوشکاری

چگونگی نحوه انجام جوشکاری پلاسما

برای داشتن جوشکاری با کیفیت و دقیق، توجه به روند و نحوه انجام جوشکاری بسیار حائز اهمیت است. این فرایند با دقت و کنترل پارامترها امکان ایجاد جوش‌های با کیفیت بالا را فراهم می‌کند. تاثیر قطر و کیفیت پرتو لیزر بر عمق جوشکاری

در ادامه به بررسی مرحله به مرحله چگونگی انجام جوشکاری پلاسما می‌پردازیم:

در ابتدا برق به دستگاه وارد شده و دستگاه روشن می‌شود. هنگام روشن شدن دستگاه جوش لیزر، برق وارد الکترود می‌شود و جریان قوس الکتریکی بین الکترود و قطعه کاری، و همچنین الکترود و نازل خروجی ایجاد می‌شود.

این جریان قوس الکتریکی موجب یونیزه شدن گاز آرگون اطراف الکترود و تشکیل یون‌های مثبت و منفی شده و در نتیجه یک جریان پلاسما ایجاد می‌شود.

همزمان، گازهای محافظ (ترکیبی از آرگون و هیدروژن) برای حفاظت از چشمه جوش تزریق می‌شود و از آب برای خنک کردن نواحی داخل سرپیک استفاده می‌گردد.

این جوشکاری شباهت زیادی به جوشکاری تنگستنی دارد، چرا که در هر دو از جریان قوس الکتریکی برآمده از الکترود تنگستنی غیر مصرفی برای ایجاد حرارت و ذوب قطعه کاری استفاده می‌شود.

منبع تغذیه در حالت کلی جریان مستقیم است، اما برای آلومینیم و آلیاژهای آن می‌تواند جریان متناوب باشد.

برای داشتن کنترل بهتر بر فرایند، استفاده از سیستم‌های کنترل ولتاژ و جریان توصیه می‌شود.

تقسیم بندی روش‌های جوشکاری پلاسما چیست؟

براساس نوع جریان

میکروپلاسما (Micro plasma) 

جریان جوشکاری بسیار کم (0.1 تا 15 آمپر)

قوس ستونی و پایدار، حتی با طول قوس تا 20 میلی‌متر

جریان متوسط  (Medium current)

جریان جوشکاری 15 تا 200 آمپر

ویژگی‌های قوس مشابه TIG، اما پلاسما متمرکزتر است

نرخ جریان گاز پلاسما می‌تواند برای بهبود نفوذ افزایش یابد، اما ریسک از بین رفتن اثر محافظتی گاز وجود دارد

پلاسمای کی هول  (Keyhole plasma)

جریان جوشکاری بالای 100 آمپر

ایجاد باریکه پلاسمای بسیار قدرتمند که می‌تواند به نفوذ کامل در مواد (مانند جوشکاری لیزر یا پرتو الکترونی) منجر شود

امکان جوشکاری مواد ضخیم‌تر (تا 10 میلی متر فولاد ضد زنگ) در یک پالس (جوشکاری پالسی چیست)

براساس نوع قوس

[Non-Transferred arc process]

در این روش، قوس بین الکترود با قطب منفی و قطب مثبت ایجاد می‌شود که باعث خروج پلاسما از نازل به صورت شعله مانند می‌شود. قوس الکتریکی از قطعه جوش مستقل است و قطعه جوش بخشی از مدار الکتریکی نیست و شعله قوس پلاسما به راحتی کنترل و از یک نقطه به نقطه دیگر انتقال می‌یابد.

[Transferred Arc Process]

در این روش جریان از الکترود تنگستنی با قطب منفی و با اُریفیس (Orifice) به فلز پایه منتقل شده و جریان را مجددا به منبع برق بازمی‌گردد.

قوس انتقالی در این روش از شدت انرژی بالایی برخوردار است و این فرایند به منظور برش و ذوب فلزات نیز کاربرد دارد.

گازهای کاربردی در جوشکاری قوس پلاسما

انتخاب و ترکیب گاز روزنه و گاز محافظ مکمل در جوشکاری قوس پلاسما برای اطمینان از تشکیل مناسب پلاسما و محافظت موثر حوضچه جوش بسیار مهم است. به طور کلی گازهای کاربردی و مورد استفاده در جوشکاری قوس پلاسما به صورت زیر است:

دو نوع گاز محافظ

در جوشکاری قوس پلاسما از دو نوع گاز محافظ بی اثر استفاده می‌شود.

از ترکیب این دو گاز می‌توان برای محافظت نیز استفاده کرد.

گاز اوریفیس

گاز اوریفیس یکی از گازهای محافظ مورد استفاده است که در شرایط فشار و دمای پایین پلاسما را ایجاد می‌کند.

فشار کم گاز روزنه برای ایجاد حفاظ کافی برای حوضچه جوش کافی نیست.

گاز محافظ تکمیلی

یک گاز محافظ خنثی اضافی با سرعت جریان بالاتر برای ایجاد محافظ مناسب برای حوضچه جوش مورد نیاز است.

این گاز محافظ به سمت خارج قوس پلاسما هدایت می‌شود.

گزینه‌های رایج گاز محافظ

متریال را می‌توان با استفاده از هلیوم، آرگون یا مخلوط‌هایی مانند آرگون-هیدروژن یا آرگون-هلیوم جوش داد.

جوشکاری CO2 یکی دیگر از تکنیک‌های رایج است که می‌تواند همراه با جوش پلاسما استفاده شود.

انتخاب گاز محافظ

آرگون متداول‌ترین گاز محافظ است.

هلیوم زمانی استفاده می شود که حرارت ورودی بیشتری مورد نیاز باشد.

مخلوط‌های آرگون-هیدروژن در مقایسه با استفاده از آرگون فقط ورودی گرمای بیشتری را ارائه می‌دهند.

مخلوط آرگون-هیدروژن برای جوشکاری آلیاژهای مختلف مانند نیکل، مس و فولاد ضد زنگ استفاده می‌شود.

تجهیزات مناسب برای جوشکاری با قوس پلاسما 

به طور کلی مهم‌ترین تجهیزات مورد نیاز برای جوشکاری قوس پلاسما عبارت‌اند از:

کنترل گاز و جریان

جریان گاز برای حفظ پارامترهای جوشکاری مورد نظر   

فیکسچر

برای محکم نگه داشتن قطعه کار در حین جوشکاری  

متریال‌های پایه

متریال‌های مختلفی مانند فولاد ضد زنگ، آلومینیوم و … را می‌توان جوشکاری کرد.

ژنراتور فرکانس بالا و مقاومت محدود کننده جریان

یک ژنراتور فرکانس بالا و مقاومت محدود کننده جریان بخشی از منبع برق جوشکاری است.

مشعل پلاسما

مشعل پلاسما می‌تواند دستی یا مکانیزه باشد.

گاز محافظ

برای محافظت از حوضچه جوش از گاز محافظ بی اثر استفاده کرد.

منبع انرژی

برای تامین جریان جوشکاری لازم به منبع برق نیاز است.

کنترل ولتاژ

کنترل ولتاژ برای کاربردهای جوشکاری کانتور استفاده می‌شود.

تفاوت‌ جوشکاری آرگون با جوشکاری پلاسما چیست؟

به طور کلی روش جوشکاری پلاسما، نسبت به TIG دمای جوش بالاتر، نفوذ بیشتر و سرعت جوشکاری سریع‌تر است که آن را برای بسیاری از کاربردهای صنعتی مناسب می‌کند. ورودی‌های گاز دوگانه و پیکربندی الکترود داخلی نیز از ویژگی‌های منحصر به فرد فرایند جوشکاری قوس پلاسما هستند. از مهم‌ترین تفاوت‌های کلیدی بین جوشکاری قوس پلاسما (PAW) و جوشکاری آرگون می‌توان به:

موقعیت الکترود

در جوشکاری TIG، نوک الکترود تنگستن خارج از مشعل جوش است.

در PAW، الکترود تنگستن در داخل بدنه مشعل جوش قرار دارد.

گاز پلاسما در مقابل گاز محافظ

PAW از دو ورودی گاز استفاده می‌کند؛ یکی برای ایجاد پلاسما، دیگری به عنوان گاز محافظ.

TIG از یک گاز محافظ واحد (معمولا آرگون) برای محافظت از حوضچه جوش استفاده می‌کند.

درجه حرارت

گاز پلاسما در PAW می‌تواند به دمای 50000 درجه سانتیگراد برسد.

دمای قوس در جوشکاری TIG حدود 5000 درجه سانتیگراد است.

ویژگی‌های جوش

دمای بالاتر در PAW منجر به سرعت جوش بیشتر و نفوذ عمیق‌تر و باریک‌تر جوش می‌شود.

جوش‌های PAW در مقایسه با جوش‌های TIG عمیق‌تر و نافذتر، اما باریک‌تر هستند.

نیازهای خنک کننده

به دلیل گرمای بسیار زیاد در PAW، خنک کردن آب مشعل حتی در آمپرهای کم الزامی است.

جوشکاری TIG ممکن است بسته به آمپر مورد استفاده نیازی به خنک کننده آب نداشته باشد.

پیکربندی الکترود

در جوشکاری TIG، الکترود تنگستن از نازل گاز بیرون زده است.

در جوشکاری قوس پلاسما، الکترود در داخل بدنه نازل فرو رفته است.

یونیزاسیون گاز

طراحی الکترود فرورفته در جوشکاری پلاسما امکان تعامل بیشتر بین قوس الکتریکی و گازهای محافظ را فراهم می‌کند.

این افزایش فعل و انفعال منجر به یونیزه‌شدن گازهای محافظ می‌شود و قوس پلاسما را تشکیل می‌دهد.

نازل پلاسما

جوشکاری قوس پلاسما به یک نازل تخصصی در خروجی مشعل برای تثبیت و هدایت جت پلاسما نیاز دارد.

این نازل در جوشکاری TIG که در آن قوس مستقیما بین الکترود تنگستن و قطعه کار تشکیل می‌شود، مورد نیاز نیست.

شباهت در اصول

با وجود این تفاوت‌های کلیدی در تجهیزات، اصول اساسی جوش قوس پلاسما و جوشکاری TIG بسیار مشابه هستند.

کاربرد روش جوشکاری پلاسما چیست؟

کاربردهای کلیدی جوشکاری قوس پلاسما (PAW) عبارت‌اند از:

جوشکاری با عمق کم و نازک

PAW را می‌توان برای جوشکاری مواد نازک و کاربردهای با عمق کم استفاده کرد.

تولید لوله‌های فولادی ضد زنگ و آلیاژ تیتانیوم

PAW به طور گسترده در ساخت لوله‌های فولادی و آلیاژ تیتانیوم مقاوم در برابر خوردگی کاربرد دارد. این لوله‌ها در صنایعی مانند نفت، مواد شیمیایی و هوافضا کاربرد دارند.

جوشکاری تیغه توربین

قابلیت‌های PAW آن را برای جوشکاری تیغه‌های توربین مناسب می‌کند.

جوشکاری دقیق قطعات کوچک

ماهیت کنترل شده PAW به آن اجازه می‌دهد تا برای جوشکاری اجزای کوچک و پیچیده؛ مانند اتصالات لبه‌ای که به دقت بالایی نیاز دارند، استفاده شود.

مطالعه مقاله: کاربرد دستگاه جوش لیزری

متریال‌های قابل جوشکاری با روش جوشکاری پلاسما چیست؟

از مناسب‌ترین متریال‌ها برای انجام جوشکاری پلاسما می‌توان به:

• فولاد ضد زنگ
• آلیاژ فولادی
• نیکل
• تیتانیوم
• فلزات گران قیمت و ارزشمند
• آلومینیوم

منبع برق جوشکاری با قوس پلاسما چیست؟

منابع مختلفی برای تامین منبع برق جوشکاری با قوس پلاسما وجود دارد. برای تامین برق مورد نیاز جوشکاری پلاسما، باید:

از منابع برق جریان مستقیم (DC) استفاده شود.

ژنراتور و رکتی فایر بهترین گزینه‌ها هستند که رکتی‌ فایر عملکرد بهتری دارد.

ولتاژ مورد نیاز برای جوشکاری پلاسما معمولا 70 ولت است، اما در صورت استفاده از هلیوم به عنوان گاز محافظ، ولتاژ مورد نیاز بیشتر از 70 ولت خواهد بود.

مزایای جوشکاری پلاسما چیست؟

روش جوشکاری پلاسما یکی از بهترین روش‌های جوشکاری است که دارای مزایای زیادی مثل، کیفیت بالا، نفوذ عمیق، پاشیدگی کم و مصرف الکترود کم است. کاربردهای آن در صنایع هوافضا، خودروسازی و ساخت فلزات است.

غلظت انرژی بالاتر

PAW دارای دمای قوس بالاتر (تا 50000 درجه سانتیگراد) در مقایسه با TIG (حدود 5000 درجه سانتیگراد) است.

این اجازه می‌دهد تا سرعت جوشکاری سریع‌تر و نفوذ جوش عمیق‌تر و باریک‌تر صورت گیرد.

پایداری پلاسما

قوس پلاسما در PAW در مقایسه با قوس TIG پایدارتر و کمتر مستعد سرگردانی یا ضربه قوس است؛ این موضوع منجر به کیفیت و دقت جوش بالاتر می‌شود.

فاصله مشعل تا محل کار بیشتر

شکاف بزرگ‌تر بین الکترود و قطعه کار در PAW به جوشکار دید، کنترل و انعطاف بهتری در طول فرایند جوشکاری می‌دهد.

موارد دیگر

مواردی از قبیل سادگی روش، نفوذ بالا، جوشکاری متمرکز، توانایی جوش بسیاری از فلزات صنعتی به دلیل پایداری قوس پلاسما و مصرف کمتر از پرکننده‌ها اشاره کرد.

معایب جوشکاری پلاسما چیست؟

از معایب مهم این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

هزینه‌های بالاتر تجهیزات

مشعل پلاسما تخصصی با مجموعه نازل و روزنه گران‌تر از راه اندازی TIG است.

سیستم خنک کننده آب مورد نیاز برای تولید گرمای بالا نیز به هزینه کلی تجهیزات می‌افزاید.

مهارت مورد نیاز اپراتور

جوشکاران برای مدیریت و کنترل صحیح انرژی ورودی قوس پلاسما به مهارت بیشتری نیاز دارند.

مشخصات مهره جوش باریک

پروفیل جوش باریک و عمیق PAW ممکن است برای کاربردهایی که به جوش‌های عریض و کم عمق نیاز دارند مناسب نباشد.

موارد دیگر

مواردی مانند استفاده از تجهیزات ایمنی فردی، هزینه بالا برای تجهیزات، تعویض نازل محیط الکترود، آلودگی صوتی، خطر برق گرفتگی و محدودیت ضخامت در جوش سر به سر اشاره کرد.

جمع بندی موضوع جوشکاری پلاسما چگونه انجام می‌شود؟

PAW یا جوشکاری پلاسما، یک تکنیک جوشکاری است که می‌تواند برای جوش دادن هر متریال‌های قابل جوش، توسط جوش گاز بی اثر تنگستن (TIG) استفاده شود و به طور کلی، دقت و کیفیت جوش بالاتری را در مقایسه با جوشکاری TIG ارائه دهد.

به طور کلی، PAW یک تکنیک جوشکاری همه کاره است که از نظر کیفیت، بهره وری و مناسب بودن برای طیف وسیعی از مواد و ضخامت، مزایایی را ارائه می‌دهد و هنگام انتخاب بین جوشکاری روش پلاسما و روش آرگون یا روش تنگستن باید هزینه‌ها و الزامات مهارت اپراتور نیز در نظر گرفته شود.

در این مطلب از شرکت روتک، به بررسی معرفی موضوع  چگونگی جوشکاری پلاسما پرداختیم.

شما می‌توانید با دریافت مشاوره از کارشناسان مجرب ما، مناسب‌ترین دستگاه را تهیه کنید. برای کسب اطلاعات بیشتر درباره راهنمای انتخاب دستگاه جوش لیزری و آشنایی با دستگاه‌های مختلف به سایت روتک سر بزنید یا با شماره 02148000090 تماس حاصل کنید.