كيف تبدو عملية اللحام التي تجمع بين الحرارة الشديدة والدقة والكفاءة؟ اللحام بقوس البلازما، وهي تقنية متقدمة، تقوم بذلك بالضبط. تستخدم هذه الطريقة قوس البلازما لإنشاء لحامات عالية الطاقة ودرجة الحرارة العالية، وهي مناسبة لكل من المواد الرقيقة والسميكة. من خلال فهم مبادئها وتطبيقاتها، سترى كيف يمكن لهذه التقنية أن تحدث ثورة في اللحام الصناعي، مما يوفر وصلات قوية وعالية الجودة في مجموعة واسعة من المعادن. اكتشف تعقيدات اللحام بقوس البلازما وقدرته على تحسين مشاريع اللحام الخاصة بك.
قوس البلازما عبارة عن قوس أرغون قطب كهربائي مضغوط من التنغستن مع كثافة طاقة ودرجة حرارة وقوة قوس عالية. يتم الحصول على قوس البلازما من خلال ثلاثة تأثيرات ضغط:
1) الضغط الميكانيكي: ويُعرف التمدد المقيد لمساحة المقطع العرضي لعمود القوس، الناجم عن فتحة الفوهة النحاسية المبردة بالماء، باسم الضغط الميكانيكي.
2) الضغط الحراري: ويشكل ماء التبريد في الفوهة طبقة من الغاز البارد بالقرب من الجدار الداخلي للفوهة، مما يقلل من مساحة التوصيل الفعالة لعمود القوس. وهذا يزيد من كثافة الطاقة ودرجة حرارة عمود القوس. ويُعرف هذا التأثير، الذي يتحقق من خلال تبريد الماء لزيادة درجة الحرارة وكثافة الطاقة في عمود القوس، بالضغط الحراري.
3) الضغط الكهرومغناطيسي: وبسبب تأثيرات الضغط المذكورة أعلاه، تزداد كثافة تيار القوس، وتصبح قوة الانكماش الكهرومغناطيسي الناتجة عن المجال المغناطيسي للتيار القوسي نفسه أقوى. وينتج عن ذلك مزيد من الانضغاط للقوس، وهو ما يُعرف بالضغط الكهرومغناطيسي.
(1) القوس غير المنقول
يحترق القوس غير المنقول بين قطب التنغستن والفوهة. أثناء اللحام، يتم توصيل القطب الموجب لمصدر الطاقة بالفوهة النحاسية المبردة بالماء، بينما يتم توصيل القطب السالب بقطب التنغستن. لا يتم توصيل قطعة العمل بدائرة اللحام. يتم تنفيذ القوس عن طريق طرد غاز البلازما عالي السرعة. هذا النوع من القوس مناسب للحام أو قطع المعادن الرقيقة وغير المعدنية.
(2) القوس المنقول
يحترق القوس المنقول مباشرة بين قطب التنغستن وقطعة العمل. أثناء اللحام، يتم إشعال القوس غير المنقول بين قطب التنغستن والفوهة أولاً، ثم يتم نقل القوس إلى قطب التنغستن وقطعة العمل. لا يتم توصيل الفوهة بدائرة اللحام أثناء التشغيل. يستخدم هذا النوع من القوس في لحام المعادن السميكة.
(3) القوس المدمج
يشير القوس المختلط إلى القوس الذي يتعايش فيه كل من القوس المنقول والقوس غير المنقول. يمكن للقوس المختلط أن يحافظ على الثبات عند التيارات المنخفضة جدًا، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص للحام الألواح الرقيقة والرقيقة جدًا.
(1) منحنى الخصائص الثابتة القوسية لـ قوس البلازما يختلف اختلافًا كبيرًا عن قوس TIG:
(2) درجة حرارة القوس عالية، تتراوح من 24000 كلفن إلى 50000 كلفن مع كثافة طاقة عالية وكثافة طاقة تتراوح بين 105-106 واط/سم2. وفي المقابل، تتراوح درجة حرارة قوس TIG بين 10000-24000 كلفن وكثافة طاقة أقل من 104 وات/سم2.
(3) الصلابة عالية، مع عامل تركيز قوس كبير.
(4) الحرارة المتولدة من عمود القوس لها تأثير كبير على تسخين قطعة العمل.
(ط) الخصائص
نظرًا لكثافة الطاقة العالية ودرجة الحرارة والصلابة العالية، يتميز قوس البلازما بالمزايا التالية مقارنةً بالتقليدية اللحام بالقوس الكهربائي:
1) قدرة اختراق قوية، قادرة على اللحام من خلال ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ بسماكة 8-10 مم دون الحاجة إلى شطف أو سلك حشو.
2) جودة درز اللحام ليست حساسة للتغيرات في طول القوس. ويرجع ذلك إلى أن شكل القوس قريب من الشكل الأسطواني وله شكل جيد الاستقامة. إن التباين في طول القوس له تأثير ضئيل على منطقة بقعة التسخين، مما يجعل من السهل الحصول على أشكال لحام موحدة.
3) يتم تجويف قطب التنغستن داخل فوهة نحاسية مبردة بالماء، مما يجنب التلامس مع قطعة العمل ويمنع حدوث تضمين التنغستن في معدن اللحام.
4) يتميز قوس البلازما بدرجة تأين عالية، مما يجعله مستقرًا حتى في التيارات المنخفضة، مما يسمح بلحام الأجزاء الدقيقة المصغرة.
تتمثل عيوب اللحام بقوس البلازما فيما يلي:
1) محدودة سُمك اللحامأقل من 25 مم بشكل عام.
2) إن مسدس اللحام ودوائر التحكم معقدة، كما أن فوهة اللحام ذات عمر خدمة منخفض.
3) هناك العديد من معلمات اللحامتتطلب مستوى عالٍ من الكفاءة الفنية من مشغل اللحام.
(2) التطبيقات
يمكن استخدام اللحام بقوس البلازما في لحام مختلف المعادن التي يمكن لحامها باللحام بغاز التنغستن الخامل (TIG)، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم و سبائك الألومنيوموالتيتانيوم وسبائك التيتانيوم والنيكل والنحاس وسبائك المونيل. يمكن تطبيق طريقة اللحام هذه في مجالات الفضاء والطيران والطاقة النووية والإلكترونيات وبناء السفن والقطاعات الصناعية الأخرى.
1. التصنيف: مسدس اللحام بقوس البلازما، مسدس القطع، مسدس الرش.
2. المكونات
تشمل المكونات الرئيسية القطب الكهربائي، وحامل القطب الكهربائي، والفوهة المضغوطة، والعازل الوسيط، وجسم المسدس العلوي، وجسم المسدس السفلي، وجراب التبريد. المكونات الأكثر أهمية هي الفوهة والقطب الكهربائي.
1. فوهة
التصنيف: استنادًا إلى عدد فتحات الفوهة، هناك نوعان: أحادي الفتحة ومتعدد الفتحات.
في الفوهات متعددة الثقوب، بالإضافة إلى الفتحة المركزية الرئيسية، هناك العديد من الثقوب الصغيرة على الجانبين الأيسر والأيمن من الفتحة الرئيسية. يكون لغاز البلازما المنبعث من هذه الثقوب الصغيرة تأثير انضغاطي إضافي على قوس البلازما، مما يتسبب في أن يصبح المقطع العرضي لقوس البلازما بيضاوي الشكل. عندما يكون المحور الطويل للقطع الناقص موازيًا لاتجاه اللحام، يمكن أن يزيد بشكل كبير من سرعة اللحام وتقليل عرض المنطقة المتأثرة بالحرارة.
أهم معلمات شكل الفوهة هي فتحة الضغط وطول قناة الضغط.
1) فتحة الفوهة (dn):
يحدد dn القطر وكثافة الطاقة لقوس البلازما. يؤدي القطر الأصغر إلى ضغط أكبر للقوس، ولكن إذا كان صغيرًا جدًا، فقد يؤدي ذلك إلى انخفاض استقرار قوس البلازما، حتى أنه قد يتسبب في حدوث انضغاط مزدوج وتلف الفوهة. يجب أن يعتمد اختيار dn على تيار اللحام ونوع غاز البلازما ومعدل التدفق.
2) طول قناة الفوهة (l0):
تحت فتحة ضغط معينة، يوفر l0 الأطول ضغطًا أقوى لقوس البلازما. ومع ذلك، إذا كان l0 كبيرًا جدًا، يصبح قوس البلازما غير مستقر. وعادة ما يكون مطلوبًا أن تقع النسبة l0/dn ضمن نطاق معين. بالنسبة لقوس النقل، تكون النسبة عمومًا 1.0-1.2، وبالنسبة للقوس المختلط، تكون النسبة 2-6.
3) الزاوية المخروطية (α):
إن الزاوية المخروطية لها تأثير ضئيل على ضغط قوس البلازما ويمكن أن تتراوح من 30 درجة إلى 180 درجة. ومع ذلك، من الأفضل أن تتطابق مع شكل طرف القطب الكهربائي لضمان ثبات بقعة الأنود عند طرف القطب الكهربائي. أثناء اللحام، تكون الزاوية بشكل عام من 60 درجة إلى 90 درجة.
مادة الفوهة:
عادةً ما تكون الفوهة مصنوعة من النحاس ويتم تبريدها بالماء مباشرةً.
القطب الكهربائي:
1) المادة:
يستخدم اللحام بقوس البلازما عادةً أقطاب التنغستن الثوري أو أقطاب التنغستن المتصلب. في بعض الحالات، يمكن استخدام أقطاب التنجستن المخروطية أو أقطاب التنجستن المخروطية أو أقطاب الزركونيوم. تتطلب أقطاب التنجستن بشكل عام تبريدًا مائيًا. بالنسبة لتطبيقات التيار المنخفض، يتم استخدام التبريد غير المباشر بالماء، ويكون قطب التنجستن على شكل قضيب. وبالنسبة لتطبيقات التيار العالي، يتم استخدام التبريد المباشر بالماء، ويكون قطب التنغستن على شكل هيكل مدمج.
2) الشكل:
عادةً ما يتم طحن طرف القطب على شكل قضيب إلى شكل مخروطي حاد أو شكل منصة مخروطية. بالنسبة للتطبيقات ذات التيار الأعلى، يمكن أيضًا أن يتم طحنه إلى شكل كروي لتقليل الاحتراق.
3) طول الانكماش الداخلي والتركيز:
على عكس اللحام بالتيغ (TIG)في اللحام بالبلازما، ينكمش قطب التنغستن بشكل عام داخل الفوهة المضغوطة. تُعرف المسافة من السطح الخارجي للفوهة إلى طرف قطب التنغستن الكهربائي بطول الانكماش الداخلي (lg).
لضمان ثبات القوس ومنع الانحناء المزدوج، يجب أن يكون قطب التنغستن متحدة المركز مع الفوهة، ويجب أن يكون طول الانكماش الداخلي (lg) لقطب التنغستن مناسبًا (lg = l0 ± 0.2 مم).
3. طرق توصيل الغاز:
أ) التماسي: توفر هذه الطريقة ضغطًا عاليًا، مع ضغط منخفض في المركز وضغط مرتفع في الأطراف. وتساعد على استقرار القوس في المركز.
ب) شعاعي: توفر هذه الطريقة ضغطًا أقل مقارنة بالطريقة العرضية.
1. القوس المزدوج
في ظل الظروف العادية، يتم تشكيل قوس منقول بين قطب التنغستن وقطعة الشغل.
ومع ذلك، في بعض الحالات غير الطبيعية، قد يحدث قوس متوازي، يُعرف باسم القوس المزدوج، والذي يحترق بين قطب التنغستن والفوهة، وكذلك بين الفوهة وقطعة الشغل.
2. آلية توليد القوس المزدوج
نظرية انهيار غشاء الغاز البارد
3. أسباب توليد القوس المزدوج وتدابير الوقاية منه
1. في ظل ظروف حالية معينة، تكون فتحة ضغط الفوهة صغيرة جداً أو يكون طول قناة الضغط طويلة جداً، مما يؤدي إلى طول انكماش داخلي مفرط.
2. عدم كفاية تدفق غاز البلازما.
3. انحراف مفرط بين محور قطب التنغستن ومحور الفوهة.
4. انسداد الفوهة بسبب تناثر المعادن.
5. خصائص خارجية غير صحيحة لمصدر الطاقة.
6. مسافة غير صحيحة بين الفوهة وقطعة العمل.
هناك ثلاث طرق: نوع التثقيب، ونوع الانصهار، واللحام بقوس البلازما بالحزمة الدقيقة.
(1) اللحام بقوس البلازما من نوع التثقيب
وباستخدام تيار لحام أكبر وتدفق بلازما أكبر، يتمتع قوس البلازما بكثافة طاقة أعلى وقوة تدفق بلازما أعلى. يتم صهر قطعة العمل بالكامل وتشكل ثقبًا صغيرًا يخترق قطعة العمل تحت تأثير قوة تدفق البلازما، بينما يتم طرد المعدن المنصهر حول الثقب الصغير.
بينما يتحرك قوس البلازما في اتجاه اللحام، يتحرك المعدن المنصهر على طول جدران القوس ويتبلور في خط لحام خلف حوض اللحام، بينما يتحرك الثقب الصغير للأمام مع قوس البلازما.
إنه مناسب للحام أحادي الجانب والتشكيل مزدوج الجانب، ويمكن استخدامه فقط للحام أحادي الجانب والتشكيل مزدوج الجانب.
عند لحام قطع العمل الرقيقة، يمكن تحقيق ذلك دون شطف أو تبطين الألواح أو حشو المعدن، مما يحقق تشكيلًا مزدوجًا من الجانبين في مسار واحد.
يعتمد توليد الثقوب الصغيرة على كثافة طاقة قوس البلازما. كلما كانت اللوحة أكثر سمكًا، زادت كثافة الطاقة المطلوبة. بالنسبة للألواح الأكثر سمكًا، لا يمكن استخدام اللحام بقوس البلازما من النوع المثقوب إلا في خط اللحام الأول.
الجدول 6-1: السُمك القابل للتطبيق في اللحام بقوس البلازما من النوع المثقب
المواد | الفولاذ المقاوم للصدأ | تيتانيوم وسبائك التيتانيوم | النيكل وسبائك النيكل | منخفضة سبائك الصلب | فولاذ منخفض الكربون |
حد سُمك اللحام /مم | 8 | 12 | 6 | 7 | 8 |
(2) اللحام بقوس البلازما من النوع الاندماجي
وباستخدام معدل تدفق غاز بلازما أقل، تكون قوة تدفق البلازما أصغر، وتكون قدرة اختراق القوس منخفضة.
الميزات:
(3) اللحام بقوس البلازما الميكروبيم
انصهار تيار منخفض (عادةً أقل من 30 أمبير) عملية اللحام.
ميزات المعدات:
ميزات العملية:
(4) اللحام بقوس البلازما النبضي
يستخدم تيار نابض أقل من 15 هرتز بدلاً من التيار المباشر المستقر. يكون القوس أكثر استقرارًا، مما يؤدي إلى منطقة متأثرة بالحرارة أصغر (HAZ) وتشويه أقل.
(5) لحام البلازما بالتيار المتردد
يستخدم بشكل عام مصدر طاقة بموجة مربعة للحام سبائك الألومنيوم.
(6) قوس البلازما المنقولة
في الواقع، إنه مزيج من القوس المنقول وقوس البلازما، وهناك شكلان:
(1) شكل المفصل والشطبة
يتم اختيار شكل الوصلة بناءً على سُمك اللوحة:
(2) تيار اللحام وفتحة الفوهة
يتم اختيار تيار اللحام دائمًا بناءً على سمك اللوحة أو متطلبات الاختراق. إذا كان التيار منخفضًا جدًا، فقد لا يخترق اللحام ولن يتم تشكيل ثقب صغير. إذا كان تيار اللحام مرتفعًا جدًا، فقد يتدلى المعدن المنصهر بسبب قطر الثقب الكبير.
يتم اختيار فتحة الفوهة بناءً على تيار اللحام، ويجب أن تكون متطابقة بشكل مناسب. كما أنها ترتبط أيضًا بمعدل تدفق غاز البلازما.
(3) غاز البلازما
غاز البلازما و غاز التدريع يتم اختيارها عادةً بناءً على المعدن الذي يتم لحامه وحجم التيار. عند استخدام تيارات لحام عالية في اللحام بقوس البلازما، يُنصح عموماً باستخدام نفس الغاز لغاز البلازما وغاز التدريع، حيث أن استخدام غازات مختلفة قد يؤدي إلى ضعف استقرار القوس.
يسرد الجدول 6-5 الغازات النموذجية المستخدمة في اللحام بقوس البلازما عالي التيار لمختلف المعادن. بالنسبة للحام بقوس البلازما منخفض التيار، يشيع استخدام غاز الأرجون النقي كغاز بلازما. وذلك لأن غاز الأرغون له جهد تأين أقل، مما يضمن سهولة اشتعال القوس بسهولة.
معدن | السُمك/ملم | تقنية اللحام | |
طريقة التثقيب | طريقة الاندماج | ||
الفولاذ الكربوني (الفولاذ المضروب بالألومنيوم) | <3.2 | ع | ع |
>3.2 | ع | 25%Ar+75%He | |
فولاذ منخفض السبائك | <3.2 | ع | ع |
>3.2 | ع | 25%Ar+75%He | |
الفولاذ المقاوم للصدأ | <3.2 | Ar أو 92.5% Ar + 7.5% H2 | ع |
>3.2 | Ar أو 95% Ar + 5% H2 | 25%Ar+75%He | |
>3.2 | Ar أو 95% Ar + 5% H2 | 25%Ar+75%He | |
المعادن التفاعلية | <6.4 | ع | ع |
>6.4 | Ar+(50%-70%)He | 25%Ar+75%He |
يحدد معدل تدفق غاز البلازما مباشرةً قوة تدفق البلازما والقدرة على الاختراق. كلما زاد معدل تدفق غاز البلازما، زادت قدرة الاختراق. ومع ذلك، إذا كان معدل تدفق غاز البلازما مرتفعًا جدًا، فقد يصبح قطر الثقب الصغير كبيرًا جدًا، مما قد يؤثر على تشكيل اللحام.
لذلك، من الضروري تحديد معدل تدفق مناسب لغاز البلازما بناءً على قطر الفوهة ونوع غاز البلازما وتيار اللحام وسرعة اللحام.
عند استخدام طريقة الانصهار، من الضروري تقليل معدل تدفق غاز البلازما بشكل مناسب لتقليل قوة تدفق البلازما.
(4) سرعة اللحام
يجب اختيار سرعة اللحام بناءً على معدل تدفق غاز البلازما وتيار اللحام، مع التأكد من مطابقة المعلمات الثلاثة بشكل مناسب. عندما تكون الشروط الأخرى ثابتة، فإن زيادة سرعة اللحام تقلل من مدخلات الحرارة وتقلل من قطر الثقب الصغير حتى يختفي.
ومع ذلك، قد تؤدي الزيادة المفرطة في سرعة اللحام إلى حدوث تقصير أو مسامية.
ومن ناحية أخرى، إذا كانت سرعة اللحام منخفضة جدًا، فقد يصبح المعدن الأساسي محمومًا للغاية وقد يتدلى المعدن المنصهر. ولذلك، يجب أن تكون سرعة اللحام ومعدل تدفق غاز البلازما وتيار اللحام متطابقة بشكل جيد.
(5) المسافة من الفوهة إلى قطعة العمل
إذا كانت المسافة كبيرة جدًا، تقل قدرة الاختراق. إذا كانت المسافة صغيرة للغاية، فقد يتسبب ذلك في انسداد الفوهة. بشكل عام، يتم ضبط المسافة بين 3 إلى 8 مم. بالمقارنة مع اللحام بغاز التنغستن الخامل (TIG)، فإن التباين في مسافة الفوهة له تأثير أقل على جودة اللحام.
(6) معدل تدفق غاز التدريع
يجب اختيار معدل تدفق غاز التدريع بناءً على معدل تدفق تيار اللحام وغاز البلازما. في ظل معدل تدفق غاز البلازما المحدد، يمكن أن يؤدي معدل التدفق المفرط لغاز التدريع إلى تعطيل تدفق الغاز، مما يؤثر على استقرار القوس وفعالية الحماية.
ومن ناحية أخرى، قد يؤدي معدل التدفق المنخفض للغاية لغاز التدريع إلى حماية غير كافية. لذلك، يجب أن يكون معدل تدفق غاز التدريع متناسبًا مع معدل تدفق غاز البلازما.
بالنسبة للحام من نوع التثقيب، يتراوح معدل تدفق غاز التدريع بشكل عام بين 15 إلى 30 لتر/الدقيقة.
(7) بدء القوس وإنهاء القوس
عند استخدام طريقة التثقيب في لحام الألواح السميكة، تكون العيوب مثل المسامية والقطع السفلي عرضة للحدوث عند نقاط بدء القوس ونقاط الإنهاء.
بالنسبة للوصلات التناكبيّة، يتم استخدام لوح بدء القوس ولوح الإنهاء. يبدأ القوس أولاً على لوحة البدء، ثم ينتقل إلى قطعة العمل، وينتهي أخيرًا على لوحة الإنهاء، مما يؤدي إلى إغلاق الفتحة الصغيرة.
ومع ذلك، بالنسبة للوصلات المحيطية، لا يمكن استخدام ألواح بدء وإنهاء القوس في الوصلات المحيطية. وبدلاً من ذلك، يتم استخدام طريقة الزيادة التدريجية لتيار اللحام ومعدل تدفق غاز البلازما لبدء القوس على قطعة العمل، ويتم إغلاق القوس عن طريق تقليل التيار ومعدل تدفق غاز البلازما تدريجيًا لإغلاق الفتحة الصغيرة.
1. مبدأ القطع
مبدأ الذوبان والنفخ: يقوم قوس البلازما بإذابة قطعة العمل تمامًا، وتقوم قوة التدفق الميكانيكي عالي السرعة لتيار البلازما بنفخ المعدن المنصهر أو غير المعدني بعيدًا، مما يشكل قطعًا ضيقًا.
قطع الغاز: يستخدم الاحتراق والنفخ.
المزايا:
العيوب:
2. تقنيات التقطيع
1. غاز البلازما
1) الأنواع
2) معدل التدفق
يكون معدل تدفق غاز البلازما أعلى بكثير من ذلك المستخدم في اللحام، حيث يتطلب قوس البلازما قوسًا أكثر صلابة.
2. معلمات العملية
1) جهد عدم التحميل:
فهو لا يؤثر فقط على أداء اشتعال القوس الكهربائي ولكنه يؤثر أيضًا على صلابة القوس الكهربائي. يؤدي ارتفاع جهد عدم التحميل إلى الحصول على قوس أقوى وقوة تدفق أكبر، مما يسمح بسرعة قطع وسماكة أعلى.
2) تيار القوس والجهد:
يمكن أن تؤدي زيادة تيار القوس والجهد إلى زيادة سمك القطع وسرعته، حيث يكون للجهد تأثير أكبر. ومع ذلك، فإن زيادة التيار قد يؤدي إلى تكوين قوس مزدوج وأكبر كرف.
3) سرعة القطع:
يوصى بزيادة السرعة إلى أقصى حد مع ضمان الاختراق الكامل. تعمل زيادة سرعة القطع على تحسين الإنتاجية وتقليل التشوه والمنطقة المتأثرة بالحرارة. التقطيع البطيء تؤدي السرعات إلى انخفاض الإنتاجية، وزيادة خطر تكوّن الخبث، وزيادة المنطقة المتأثرة بالحرارة.
4) المسافة من الفوهة إلى قطعة العمل:
بشكل عام، يفضل أن تكون المسافة من 8-10 مم. تؤدي زيادة المسافة إلى زيادة قوة القوس ولكنها تؤدي أيضًا إلى زيادة تبديد الحرارة، وانخفاض كفاءة القوس، وانخفاض قوة التدفق، وزيادة خطر تكوين الخبث. كما أنها أكثر عرضة لتكوين أقواس مزدوجة. وعلى العكس من ذلك، قد تؤدي المسافة المنخفضة جدًا إلى انسداد الفوهة.