تقنية نظام القطع بالبلازما

 

الجمع بين جودة القطع والإنتاجية وتكلفة التشغيل والتنوع يجعل القطع بقوس البلازما عملية القطع الصناعية الأكثر رواجًا اليوم.

ما هي البلازما؟

البلازما هي الحالة الرابعة للمادة. عادةً ما نعرف ثلاث حالات للمادة: الصلبة والسائلة والغازية. وبالنسبة لعنصر شائع مثل الماء، هذه الحالات الثلاث هي الثلج والماء والبخار.

والفرق بين هذه الحالات يتمثل في مستويات الطاقة النسبية. عندما تضيف طاقة على شكل حرارة إلى الجليد، يذوب الثلج ويتحول إلى ماء؛ وإذا أضفت المزيد من الطاقة، يتبخر الماء ويتحول إلى بخار. إذا أضفت طاقة أكبر إلى البخار - أي سخّنته إلى حوالي 11,700° م (40,000° ف) - فسيتحلل البخار إلى عدة غازات يتكون منها وسيصبح موصلًا للكهرباء أو مؤينًا. ويُشار إلى هذا الغاز المؤين عالي الطاقة باسم البلازما.

خلال خمسينيات القرن الماضي، بدأ الاعتراف بتقنيات البلازما بوصفها عملية قطع حرارية. لطالما كانت استخدامات القطع بالبلازما الأولية محدودة وكانت نتائج القطع غير مهمة. وفي عام 1968، قدم "ديك كوتش" تقنية حقن المياه الشعاعي.  تقنية الفوهة الحاصلة على براءة اختراع هذه تعمل على تضييق قوس البلازما، ما يزيد من كثافة طاقته مع تحسين التبريد، ما يسمح بسرعات قطع أسرع، وقطع أعلى جودة، والقدرة على قطع الفولاذ الكربوني بسرعة أكبر بمقدار خمس أضعاف مقارنةً بعملية القطع بالوقود الأكسجيني. وبفضل التطبيقات الموسعة وسرعات القطع الأعلى ودورات التشغيل المحسنة، بدأت البلازما سريعًا في اكتساب حصة متزايدة من السوق بعيدًا عن تقنيات قطع المعادن الراسخة، وهي الوقود الأكسجيني. 

واستمر تحسين عملية القطع بالبلازما على مدى العقود الخمسة الماضية، واليوم يُفضل المصنعون وعمال المعادن في جميع أنحاء العالم البلازما عن الوقود الأكسجيني للأسباب التالية:

1. يمكن للبلازما قطع جميع المواد الموصلة للكهرباء بما في ذلك الفولاذ الكربوني والمعادن غير الحديدية، بينما يقتصر القطع بالوقود الأكسجيني على الصلب الكربوني. 

2. يمكن للبلازما قطع كل من المعادن السميكة والرقيقة. على الرغم من أن كلتا العمليتين يمكنهما تقنيًا قطع مجموعة واسعة من قيم السمك، إلا أنه ليس من العملي قطع المعادن الرقيقة، أو الصفائح المعدنية، باستخدام الوقود الأكسجيني لأن ذلك يكون أقل دقة، وينتج عنه منطقة كبيرة متأثرة بالحرارة يمكن أن تشوه المادة، وهي عملية أبطأ بكثير. ولهذا السبب، يُستخدم الوقود الأكسجيني عادةً مع المعادن التي يزيد سمكها عن 50 مم (2 بوصة).

3. البلازما أكثر أمانًا مقارنةً بالوقود الأكسجيني والذي يتطلب استخدام غاز قابل للاشتعال. 

4. البلازما أسرع. على مواد القياس، تكون سرعات القطع بالبلازما أعلى بمقدار 12 ضعفًا من سرعات القطع بالوقود الأكسجيني، وعلى المواد التي تصل إلى بوصة واحدة، تكون سرعات القطع بالبلازما أكبر بمقدار ضعفيّ سرعة القطع بالوقود الأكسجيني. كما توفر البلازما أوقات ثقب أسرع بكثير ما يمكن أن يؤثر بشكل كبير على إنتاجية عملية القطع المؤتمتة. 

5. عادةً ما تكون البلازما أقل تكلفة في التشغيل. بخلاف الوقود الأكسجيني، لا تتطلب البلازما الحاجة إلى إعادة ملء الأسطوانات بنفس التكرار. على سبيل المثال، عند قطع الفولاذ المطاوع السميك، تستخدم البلازما كمية أقل من الأكسجين وتكون العملية أسرع كذلك. 

6. توفر البلازما عمليات قطع أكثر دقة. يمكن تحقيق جودة قطع مميزة للغاية في كلتا العمليتين بشرط أن يكون عامل مشغل الوقود الأكسجيني يتمتع بالخبرة اللازمة. ومع ذلك، فإن نظام القطع بالبلازما ينتج قطعًا أكثر دقة ونظافة مع زاوية أفضل، وشق أرق، ومع تأثر منطقة أصغر بالحرارة، ومع عدم وجود نفايات.

7. البلازما أسهل في الاستخدام. القدرة على تحقيق نتيجة جيدة باستخدام مشعل القطع بالوقود الأكسجيني تعتمد بشكل كبير على المشغل. القطع بالوقود الأكسجيني يعد شكلًا فنيًا يتطلب الممارسة حتى يصبح مثاليًا لأن المشغلين يحتاجون إلى ضبط الطبيعة الكيميائية للهب والحفاظ عليها مع الحفاظ على مسافة ثابتة من السطح الذي يتم قطعه. من ناحية أخرى، فالبلازما أكثر سهولةً ويمكن إتقان العمل عليها بسرعة. تُعد الأنظمة، مثل سلسلة Powermax SYNC® من أنظمة القطع بالبلازما الهوائية من Hypertherm المزودة بالمواد الاستهلاكية في خرطوشة واحدة أسهل في الاستخدام.

ما المقصود بالقطع بالبلازما؟

 

 

يستخدم نظام القطع بالبلازما، أو ماكينة القطع بالبلازما، تيار البلازما لتحويل الطاقة إلى مادة عمل موصلة. يتكون تيار البلازما عادةً عن طريق دفع غاز، مثل النيتروجين أو الأكسجين أو الأرجون أو حتى الهواء، عبر فوهة ضيقة. يضيف التيار الكهربائي الذي تنتجه وحدة الإمداد بالطاقة الخارجية قدرًا كافيًا من الطاقة إلى تدفق الغاز لتأينه، ما يحوله إلى قوس بلازما. ولهذا السبب غالبًا ما تسمى هذه العملية بعملية القطع بقوس البلازما. يقطع قوس البلازما قطعة الشغل عن طريق إذابتها أولًا، ثم ينفخ المعدن المنصهر بعيدًا.

ما مدى سخونة نظام القطع بالبلازما؟

ينتج قوس البلازما الذي ينتجه نظام القطع بالبلازما درجات حرارة تقترب من 40,000° ف، لذلك نعم، درجة حرارة نظام القطع بالبلازما مرتفعة للغاية. وبالمقارنة، تبلغ درجة حرارة سطح الشمس حوالي 10000 ̊ ف.

أنواع القطع بالبلازما

أدوات القطع بالبلازما المحمولة

نظرًا إلى سهولة نقلها وإنتاجيتها وأدائها وسهولة استخدامها، تعتبر أدوات القطع بالبلازما المحمولة تقنية القطع المفضلة للتعامل مع الفولاذ المطاوع والفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم في مجموعة كبيرة من الصناعات والاستخدامات (بما في ذلك إصلاح المعدات الثقيلة، والفولاذ الهيكلي، وبناء السفن، والتقنيات التي يمكنك تنفيذها بنفسك، وما إلى ذلك). تتكون معظم أنظمة البلازما المحمولة من وحدة إمداد بالطاقة تعتمد على محول (مثل معظم أجهزة اللحام) يدمج بين الكهرباء والهواء المضغوط (الهواء بوصفه غاز البلازما) لإنتاج قوس بلازما يتم إنشاؤه في نهاية المشعل اليدوي. أنظمة البلازما المحمولة تحتاج إلى الكهرباء، إما من خط تيار مباشر أو مولد وهواء مضغوط إما من ضاغط هواء أو أسطوانة هواء.  

أنظمة القطع الآلية بالبلازما المدعومة بأنظمة التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC)

 

 

نظام القطع الآلي بالبلازما هو طريقة مؤتمتة لقطع الصلب الكربوني ومجموعة متنوعة من المعادن غير الحديدية في البيئات القائمة على الإنتاج. يشمل نظام القطع الآلي بالبلازما عادةً ما يلي: 

• طاولة بلازما (للتدفق السفلي للماء) تعمل كتركيبة تتسع لقطعة الشغل والتبديد الأولي للدخان

• وحدة إمداد الطاقة لمشعل البلازما التي تنتج التيار الكهربائي المطلوب

• خلاط غاز مؤتمت ومنظمات للتحكم في تدفق الغاز والضغط

• وحدة تحكم في أنظمة التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC) لتوفير إشارات البدء/الإيقاف وسرعات الحركة والاتجاه بناءً على قراءة ملف التصنيع بمساعدة الكمبيوتر (CAM)

• وحدة تحكم في ارتفاع المشعل بالماكينة لضبط المشعل على ارتفاعات القطع والثقب المناسبة

• هيكل مؤقت ونظام قضبان عالي الطاقة مع سلسلة من المحركات لإنشاء حركة القطع

القطع بالبلازما ثلاثي الأبعاد وبمساعدة الروبوت

المنتجات التي تتطور بسرعة تتطلب معدات تصنيع متقدمة بنفس السرعة لحساب الأشكال المعقدة والتفاصيل والجودة التي تتطلبها الأسواق اليوم بكميات غير مسبوقة. ولحساب مستوى التعقيد المتزايد والطلب غير المسبوق، تتحول شركات التصنيع عبر الصناعات إلى استخدام البلازما ثلاثية الأبعاد أو الروبوتية بوصفها حل لقطع بعض منتجاتها الأكثر تعقيدًا وذات الطلب المرتفع والتي تحتاج إلى عمليات قطع عالية الجودة. ومن خلال الدمج بين الذراع الروبوتي الصناعي أو المساعدة الروبوتية ونظام القطع الآلي بالبلازما، يمكن للشركات المصنعة إجراء عمليات قطع تعتني بالتفصيل بدقة لقطع الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم في الأماكن التي يصعب الوصول إليها، ما يُجبنك الحاجة والوقت المطلوبين لتحريك قطعة الشغل كما هو الحال مع أنظمة القطع بالبلازما 2D أو XY. ومقارنةً بنظام القطع بالبلازما ثنائي الأبعاد 2D أو نظام XY القياسي، يحتوي نظام القطع بالبلازما ثلاثي الأبعاد أو بمساعدة الروبوت عادةً على مشعل أقصر وأضيق وأكثر مرونة وقوة لحساب الحركات ثلاثية الأبعاد السريعة. تتطلب تطبيقات القطع بالبلازما ثلاثية الأبعاد 3D أو بمساعدة الروبوت أيضًا حواجز أمان إضافية. 

برنامج نظام القطع بالبلازما

بالنسبة لتطبيقات القطع الآلي، يُستخدم برنامج نظام القطع بالبلازما لبرمجة ماكينة القطع. في بعض الحالات، يمكن استخدام برنامج CNC (أنظمة التحكم الرقمي بالكمبيوتر) لبرمجة أجزاء فردية أو عمليات تشغيل صغيرة، ولكن معظم المصنعين والشركات المصنعة يعتمدون على برنامج يُشار إليه عادةً باسم CAD/CAM nesting software (برنامج التضمين CAD/CAM) الذي يوفر ميزات وإمكانات أكثر بكثير.

يمكن لبعض أنواع برامج التضمين CAD/CAM الخاصة بالقطع بالبلازما التحكم في كل جانب من جوانب عملية القطع بالبلازما وإعدادها تلقائيًا. على سبيل المثال، يدعم برنامج ProNest® من Hypertherm معلمات مثل تيار القوس والجهد والتدفق المسبق للغاز وإعدادات تدفق القطع وسرعات القطع وارتفاعات القطع وأنواع الثقب وارتفاعاتها وغير ذلك الكثير. كل هذا يعمل على تبسيط عمل مشغل الماكينة وزيادة الإنتاجية.

تشمل المزايا الشائعة الأخرى في برنامج القطع بالبلازما ما يلي:

• تجنب الاصطدام

• القطع بطريقة السلسلة

• قطع التجسير

• قطع الخط المشترك

• القطع متعدد الرؤوس

• قطع الهياكل المتبقي

في بعض الحالات، قد يساعد البرنامج في توفير نتائج محسنة، مثل:

• تحسين جودة الثقوب

• إعداد الشطف بسهولة أكبر

• وقت دورة العمل الأسرع

التطبيقات والصناعات النموذجية

تُستخدم تقنية القطع بقوس البلازما في كل من الأنظمة المحمولة والآلية لقطع مجموعة كبيرة من المواد الموصلة، بما في ذلك الفولاذ المطاوع والفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم والنحاس والنحاس الأصفر وغيرها من المعادن.

القطع المشطوف بالبلازما

 

القطع المشطوف بالبلازما هو عملية قطع لجزء بحيث تكون الحافة مائلة وليست عمودية على السطح العلوي للجزء. يمكن شطف حواف الأجزاء المعدنية والأنابيب باستخدام البلازما في إطار التحضير للحام أو عملية التركيب. يمكن تنفيذ الشطف بالبلازما بزوايا وتهيئات مختلفة، وذلك حسب الغرض من الشطف. 

التجريف بالبلازما

مثل القطع بالبلازما، يزيل التجريف بالبلازما المعدن باستخدام قوس بلازما بين المشعل وقطعة الشغل. حيث يُذاب المعدن السطحي، ويعمل نفث الغاز على إزالة المعدن المنصهر من قطعة الشغل دون ثقبها أو قطعها. ومع ذلك، ففي عملية التجريف، تنتج المواد الاستهلاكية المصممة خصيصًا قوسًا أوسع إلى حد ما، ويتم تثبيت المشعل بزاوية، ويتم نفخ بعض المواد فحسب. يمكن استخدام التجريف بالبلازما لإصلاح اللحام، وتحضير اللحام، وإزالة الجانب الصلب، وإصلاح المعدات الثقيلة. يعد التجريف بالبلازما بديلًا قابلًا للتطبيق للمصنعين والشركات المصنعة التي تتطلع إلى استبدال طريقة التجريف بقوس الكربون. 

قطع الثقوب بالبلازما

منذ طرح تقنية True Hole® من Hypertherm، أصبحت ركيزة أساسية لمن يطلبون ثقوبًا جاهزة للمسامير تكون عالية الجودة. فيما مضى، كان مشغلو الماكينات يواجهون صعوبة في الحصول على جودة ثقوب عالية من طاولة القطع بالبلازما مباشرةً، حيث كان يلزم إجراء الحفر في الأغلب كعملية ثانوية. تنتج تقنية True Hole - وهي عملية حاصلة على براءة اختراع للفولاذ المطاوع تجعلك تتجنب تقريبًا ميل الثقب وتحسّن استدارته - جودة ثقب أفضل بكثير ما كان متاحًا من قبل باستخدام البلازما.

القطع المتساطح بالبلازما

القطع المتساطح بالبلازما هو إجراء يُستخدم عادةً لإزالة الملحقات أو البروزات أو التركيبات من سطح مادة لها قاعدة مستوية، دون قطع السطح الكامل أو إتلافه. يتم القطع المتساطح باستخدام ماكينة البلازما المحمولة بكفاءة باستخدام مواد استهلاكية خاصة توجه قوس البلازما بزاوية 45° من رأس المشعل.

قطع التفاصيل الدقيقة بالبلازما

عند قطع الأجزاء ذات التفاصيل الدقيقة للغاية أو الأشكال المعقدة، فإنك ستحتاج إلى عمليات قادرة على إنتاج فجوات رقيقة للغاية. يُتاح قطع التفاصيل الدقيقة بالبلازما باستخدام تقنيات المواد الاستهلاكية والبرامج وأدوات التحكم في الأتمتة والتي تتيح حركات يمكن التحكم فيها بشكلٍ كبير، وكذلك التحكم في قوس البلازما، واستخدام قوس بلازما ضيق ولكن كثيف يؤدي إلى أدنى شق ممكن. تنتج المواد الاستهلاكية لتقنية FineCut® في Powermax شقًا أضيق باستخدام قوس أكثر صلابة، وبالتالي تُعد مثالية لقطع المواد الأقل سمكًا (4 مم أو 3/16 بوصة وأقل) بشدة تيار 40 أمبير وأقل، ما يجعلها مثالية للاستخدام مع الصفائح المعدنية. 

قطع الخردة والهياكل المتبقية بالبلازما

عادةً ما يكون قطع وإزالة بقايا الصفائح المعدنية، أو "الهيكل المتبقي"، بعد القطع الآلي عملية بطيئة وتتطلب الكثير من العمل. ويمكن أن يتعرض المشغل أيضًا للعديد من المخاطر المرتبطة بالسلامة، بما في ذلك التعامل مع القطع الثقيلة المجهدة ذات الحواف الحادة. أي عملية قطع على طاولات CNC بالبلازما أو الوقود الأكسجيني تقريبًا يمكن أن تستفيد من خاصية إزالة الهيكل بالبلازما. وتشمل مزايا قطع الهيكل بالبلازما ما يلي: 

• زيادة الإنتاجية بقدرٍ يصل إلى 75% أو أكثر (تعتمد الحسابات على السُمك البالغ 12 مم (1/2 بوصة) من الفولاذ المطاوع والبيانات القياسية للصناعة).

• عمليات القطع والتفريغ الأسرع للهيكل تساهم في زيادة استخدام طاولة CNC وزيادة الإنتاجية.

• تقليل وقت التدريب: تأهيل المشغل في غضون 4 ساعات مقارنةً بمدة تصل إلى 40 ساعة في حالة الوقود الأكسجيني.

• المشاعل الطويلة Duramax وDuramax Hyamp من Hypertherm تتيح للمشغلين الوقوف بجانب طاولة البلازما في وضع طبيعي، ما يمنع المشاكل المتعلقة بالراحة ويقلل من احتمالية وقوع حوادث.

اختيار البلازما بدلًا من الوقود الأكسجيني يجعل مكان العمل أكثر أمانًا من خلال التخلص من أسطوانات الغاز التي قد يصعب التعامل معها وقد تكون خطرة.

وضع العلامات باستخدام البلازما

يقوم المصنّعون والشركات المصنعة بوضع علامات على المعادن بشكل روتيني للإشارة إلى خطوط الانحناء أو بعض النقاط أو إضافة معلومات فنية دقيقة على الأجزاء، مثل أرقام الأجزاء والأكواد الشريطية. في المعتاد، يتم تنفيذ هذا العمل يدويًا باستخدام مطرقة وختم، أو مسحوق أو حبر، أو صبغة، أو ماكينات نقش محمولة باليد، أو كخطوة مدمجة في طاولة القطع بالبلازما أو الوقود الأكسجيني الآلي. ومن خلال تقليل شدة التيار واختيار الهواء المضغوط أو الأرجون أو F5 بوصفه غاز البلازما، يمكن لأصحاب ماكينات البلازما وضع مجموعة متنوعة من العلامات باستخدام نظام القطع الحالي.  

 

صناعات البلازما وأسواقها:

الزراعة ورعاية الماشية

تشمل استخدامات البلازما في مجال الزراعة ورعاية الماشية ما يلي:

• تصنيع المعدات الزراعية

• إصلاح المعدات الزراعية

• إصلاح السياج المعدني

صناعة السفن

تشمل استخدامات البلازما في مجال صناعة السفن ما يلي:

• معالجة الألواح الثقيلة

• التجريف الخلفي لإعداد اللحام

• إزالة حلقة التثبيت مع قطع متساطح

التعدين

تشمل استخدامات البلازما في مجال التعدين ما يلي:

• تصنيع معدات التعدين

• إصلاح معدات التعدين

• تجريف الأسطح الصلبة

الطاقة

تشمل استخدامات البلازما في مجال الطاقة ما يلي:

• إنشاء خطوط الأنابيب وصيانتها

• إصلاح المصفاة وصيانتها

• تصنيع معدات البترول

• تصنيع أوعية الضغط

تكييف الهواء والتصنيع الميكانيكي

استخدامات البلازما في مجال تكييف الهواء والتصنيع الميكانيكي تشمل ما يلي:

• تصنيع الصفائح المعدنية

• التركيب والتشذيب

مراكز خدمة الصلب

استخدامات البلازما في مراكز خدمة الصلب تشمل ما يلي:

• قطع الألواح السميكة

• قطع الألواح الرقيقة

• تنوع المواد ومرونة الاستخدام

• استخدامات إنتاجية لتقنية SureCut

معدات البناء

استخدامات البلازما في مجال معدات البناء تشمل ما يلي:

• صناعة مركبات البناء

• إصلاح مركبات البناء

• إصلاح القادوس والأدوات

• إزالة اللحام والإصلاح

تجديد السيارات

استخدامات البلازما في مجال تجديد السيارات تشمل ما يلي:

• تصنيع الأجزاء حسب الطلب

• إزالة نقاط اللحام

• إزالة البراغي

• الاستخدامات المتعلقة بالعادم والهيكل السفلي

الأعمال الفنية واللافتات والزخارف

استخدامات البلازما في مجال الأعمال الفنية واللافتات والزخارف تشمل ما يلي:

• طاولات البلازما المدعومة بأنظمة التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC) الصغيرة

• المواد الاستهلاكية من FineCut للحصول على شق أضيق

الأنابيب وخطوط الأنابيب

استخدامات البلازما في مجال الأنابيب وخطوط الأنابيب تشمل ما يلي:

• إصلاح وبناء خطوط الأنابيب

• التجهيزات

• شطف الأنابيب

• قطع الأنابيب

• مشعل المسار

الإنشاءات العامة

استخدامات البلازما في مجال الإنشاءات العامة تشمل ما يلي:

• الهياكل الفولاذية

• الإطارات الهيكلية من الصلب

• إزالة البراغي

التصنيع العام ومتاجر العمل

استخدامات البلازما في مجال التصنيع ومتاجر العمل تشمل ما يلي:

• إمكانيات CAD/CAM من ProNest

• القطع المؤتمت باستخدام تقنية Powermax

• القطع المؤتمت باستخدام تقنية XPR

• القطع عالي الدقة