القطع بالبلازما

القطع بالبلازما عمليةٌ تُستخدم لقطع المواد الموصلة للكهرباء بواسطة تيارٍ متسارع من البلازما الساخنة ( قوس كهربائي ). تشمل المواد الشائعة التي تُقطع باستخدام شعلة البلازما الفولاذ ، والفولاذ المقاوم للصدأ ، والألومنيوم ، والنحاس الأصفر ، والنحاس ، مع إمكانية قطع معادن موصلة أخرى أيضًا. يُستخدم القطع بالبلازما بكثرة في ورش التصنيع ، وإصلاح السيارات وترميمها ، والإنشاءات الصناعية ، وعمليات الإنقاذ والتفكيك . وبفضل سرعته العالية ودقة القطع ، إلى جانب تكلفته المنخفضة، يُستخدم القطع بالبلازما على نطاق واسع، بدءًا من تطبيقات التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) الصناعية واسعة النطاق، وصولًا إلى ورش الهواة الصغيرة.

تتضمن عملية القطع بالبلازما الأساسية إنشاء قناة كهربائية من غاز البلازما فائق التسخين والمتأين كهربائيًا، وذلك من خلال قاطع البلازما نفسه، مرورًا بقطعة العمل المراد قطعها، مما يُشكل دائرة كهربائية كاملة تعود إلى قاطع البلازما عبر مشبك تأريض . ويتم ذلك بواسطة غاز مضغوط (الأكسجين، الهواء، الغازات الخاملة، وغيرها حسب نوع المادة المراد قطعها) يُضخ عبر فوهة مركزة بسرعة عالية باتجاه قطعة العمل. ثم يتشكل قوس كهربائي داخل الغاز، بين قطب كهربائي قريب من فوهة الغاز أو مُدمج فيها وبين قطعة العمل نفسها. يُؤين هذا القوس الكهربائي جزءًا من الغاز، مما يُنشئ قناة بلازما موصلة للكهرباء. وعندما تنتقل الكهرباء من شعلة القطع عبر هذه البلازما، فإنها تُولد حرارة كافية لإذابة قطعة العمل. وفي الوقت نفسه، يدفع جزء كبير من البلازما عالية السرعة والغاز المضغوط المعدن المنصهر الساخن بعيدًا، مما يؤدي إلى فصل قطعة العمل، أي قطعها.

يُعدّ القطع بالبلازما طريقة فعّالة لقطع المواد الرقيقة والسميكة على حدّ سواء. تستطيع الشعلات اليدوية عادةً قطع صفائح فولاذية بسماكة تصل إلى 38 مم (1.5 بوصة) ، بينما تستطيع الشعلات الأقوى التي يتم التحكم بها بواسطة الحاسوب قطع الفولاذ بسماكة تصل إلى 150 مم (6 بوصات) . ^{[ 1 ]} ونظرًا لأنّ قواطع البلازما تُنتج مخروطًا شديد الحرارة ومركّزًا جدًا للقطع، فهي مفيدة للغاية لقطع الصفائح المعدنية بأشكال منحنية أو زاوية.    

تتولد الأقواس الكهربائية في عملية ثلاثية المراحل. في المرحلة الأولى، تُؤيّن شرارة عالية الجهد الهواء داخل رأس الشعلة لفترة وجيزة، مما يجعله موصلاً للكهرباء ويسمح بتكوّن "قوس تجريبي". يتكوّن هذا القوس داخل رأس الشعلة، حيث يتدفق التيار من القطب الكهربائي إلى الفوهة الداخلية. خلال هذه المرحلة، يبدأ القوس التجريبي بحرق الفوهة، وهي جزء قابل للاستهلاك. بعد ذلك، يدفع الهواء البلازما خارج الفوهة باتجاه قطعة العمل، موفراً مساراً للتيار من القطب الكهربائي إلى قطعة العمل. عندما يستشعر نظام التحكم تدفق التيار من القطب الكهربائي إلى قطعة العمل، يقطع الاتصال الكهربائي بالفوهة. عندها، يتدفق التيار من القطب الكهربائي إلى قطعة العمل، ويتكوّن القوس خارج الفوهة. يمكن بعد ذلك استكمال عملية القطع دون احتراق الفوهة. يُذكر أن عمر الفوهة محدود بعدد مرات بدء القوس، وليس بمدة القطع.

تطورت تقنية القطع بالبلازما من لحام البلازما في ستينيات القرن العشرين، وبرزت كطريقة فعّالة للغاية لقطع الصفائح المعدنية في ثمانينيات القرن نفسه. ^{[ 2 ]} وتميزت هذه التقنية عن القطع التقليدي "معدن على معدن" بعدم إنتاجها أي رقائق معدنية، ودقة القطع، وحوافها النظيفة مقارنةً بالقطع بالأكسجين والوقود . كانت قواطع البلازما الأولى كبيرة الحجم، وبطيئة نوعًا ما، ومكلفة، ولذلك، كان استخدامها مقتصرًا على تكرار أنماط القطع في نمط "الإنتاج الضخم".

كما هو الحال مع أدوات الآلات الأخرى، طُبقت تقنية التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC) على آلات قطع البلازما في أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينيات، مما منحها مرونة أكبر في قطع أشكال متنوعة "حسب الطلب" بناءً على مجموعة من التعليمات المبرمجة في وحدة التحكم الرقمي للآلة. ^{[ 3 ]} ومع ذلك، كانت آلات قطع البلازما CNC هذه محدودة عمومًا بقطع الأنماط والأجزاء في الصفائح الفولاذية المسطحة، باستخدام محورين فقط للحركة (يُشار إليهما بالقطع XY).

يُعدّ استخدام واقيات العين والوجه المناسبة ضروريًا للوقاية من تلف العين المعروف باسم " عين القوس الكهربائي "، بالإضافة إلى الوقاية من أضرار الشظايا. يُنصح باستخدام عدسات خضراء بدرجة تعتيم رقم 5. وتوصي إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA) بدرجة تعتيم رقم 8 لتيار القوس الكهربائي الأقل من 300 أمبير، مع الإشارة إلى أن "هذه القيم تنطبق عندما يكون القوس الكهربائي مرئيًا بوضوح. وقد أظهرت التجارب أنه يمكن استخدام مرشحات أفتح عندما يكون القوس مخفيًا خلف قطعة العمل." ^{[ 4 ]} وتقول شركة لينكولن إلكتريك، وهي شركة مصنعة لمعدات قطع البلازما: "عادةً ما تكون درجة التعتيم من 7 إلى 9 مقبولة." وتقدم شركة لونجيفيتي جلوبال، وهي شركة مصنعة أخرى، هذا الجدول الأكثر تحديدًا لحماية العين عند استخدام قطع قوس البلازما بتيارات منخفضة:

كما يُنصح بارتداء قفازات جلدية ومئزر وسترة للوقاية من الحروق الناتجة عن الشرر والمعادن الساخنة. ^{[ 5 ]}

يُعدّ العمل في منطقة نظيفة خالية من السوائل والمواد والغازات القابلة للاشتعال أمرًا بالغ الأهمية. فالشرارات والمعادن الساخنة المتطايرة من قاطع البلازما قد تتسبب في نشوب حرائق بسرعة إذا لم يتم عزلها عن المواد القابلة للاشتعال. وفي بعض الحالات، قد تُطلق قواطع البلازما شرارات ساخنة لمسافة تصل إلى 1.5 متر (5 أقدام). وعادةً ما يكون مشغلو الآلات غير قادرين على رؤية أي حريق قد يندلع لأنهم خلف واقيات الوجه. ^{[ 6 ]}

تستخدم قواطع البلازما عدة طرق لبدء القوس الكهربائي. في بعض الوحدات، يُنشأ القوس بوضع الشعلة على قطعة العمل. بينما تستخدم قواطع أخرى دائرة كهربائية عالية الجهد والتردد لبدء القوس. لهذه الطريقة عدة عيوب، منها خطر الصعق الكهربائي، وصعوبة الإصلاح، وصيانة فجوة الشرارة، وانبعاث كميات كبيرة من الترددات الراديوية . ^{[ 7 ]} أما قواطع البلازما التي تعمل بالقرب من أجهزة إلكترونية حساسة، مثل أجهزة التحكم الرقمي الحاسوبي أو الحواسيب، فتبدأ القوس التجريبي بوسائل أخرى. حيث يكون الفوهة والقطب الكهربائي على اتصال. الفوهة هي المهبط ، والقطب الكهربائي هو المصعد . وعندما يبدأ غاز البلازما بالتدفق، تُدفع الفوهة للأمام. وهناك طريقة ثالثة، أقل شيوعًا، وهي التفريغ السعوي في الدائرة الأولية عبر مقوم سيليكوني مُتحكم به .

تستخدم قواطع البلازما التناظرية، التي تتطلب عادةً أكثر من 2 كيلوواط، محولًا ثقيلًا بتردد التيار الكهربائي الرئيسي. أما قواطع البلازما العاكسة، فتقوم بتقويم التيار الكهربائي الرئيسي إلى تيار مستمر، والذي يُغذى إلى عاكس ترانزستور عالي التردد يتراوح بين 10  كيلوهرتز و200  كيلوهرتز تقريبًا. تسمح ترددات التبديل الأعلى باستخدام محولات أصغر حجمًا، مما يؤدي إلى تقليل الحجم والوزن الإجماليين.

كانت الترانزستورات المستخدمة في البداية من نوع MOSFET ، ولكن يتم الآن استخدام ترانزستورات IGBT بشكل متزايد . في حالة توصيل ترانزستورات MOSFET على التوازي، إذا تم تنشيط أحد الترانزستورات قبل الأوان، فقد يؤدي ذلك إلى عطل متسلسل لربع العاكس. أما ترانزستورات IGBT، وهي اختراع لاحق، فهي أقل عرضة لهذا النوع من الأعطال. تُستخدم ترانزستورات IGBT عادةً في الأجهزة ذات التيار العالي حيث لا يمكن توصيل عدد كافٍ من ترانزستورات MOSFET على التوازي.

يُشار إلى تصميم وضع التبديل باسم محول أمامي ثنائي الترانزستور غير متصل بالشبكة. على الرغم من أن بعض قواطع البلازما العاكسة أخف وزنًا وأكثر قوة، إلا أنها، وخاصة تلك التي لا تحتوي على تصحيح معامل القدرة ، لا يمكن تشغيلها بواسطة مولد كهربائي (أي أن الشركة المصنعة لوحدة العاكس تمنع ذلك؛ وهذا ينطبق فقط على المولدات المحمولة الصغيرة والخفيفة). مع ذلك، تحتوي الطرازات الأحدث على دوائر داخلية تسمح بتشغيل الوحدات التي لا تحتوي على تصحيح معامل القدرة على مولدات كهربائية خفيفة.

تقوم بعض شركات تصنيع قواطع البلازما بتصميم طاولات قطع CNC ، بينما تقوم شركات أخرى بدمج القاطع في الطاولة نفسها. تتيح طاولات CNC للحاسوب التحكم برأس الشعلة، مما ينتج عنه قطع دقيقة ونظيفة. تتميز معدات البلازما CNC الحديثة بقدرتها على القطع متعدد المحاور للمواد السميكة، مما يتيح إمكانية الحصول على وصلات لحام معقدة غير ممكنة بطرق أخرى. أما بالنسبة للمواد الرقيقة، فيتم استبدال قطع البلازما تدريجيًا بقطع الليزر ، ويعود ذلك بشكل أساسي إلى قدرات قطع الليزر الفائقة في حفر الثقوب.

يُستخدم قاطع البلازما CNC بشكل متخصص في صناعة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC). يقوم برنامج حاسوبي بمعالجة معلومات مجاري الهواء وإنشاء أنماط مسطحة ليتم قطعها على طاولة القطع بواسطة شعلة البلازما. وقد ساهمت هذه التقنية بشكل كبير في زيادة الإنتاجية في هذه الصناعة منذ ظهورها في أوائل ثمانينيات القرن الماضي.

تُستخدم قواطع البلازما CNC أيضًا في العديد من ورش العمل لإنشاء أعمال معدنية زخرفية. على سبيل المثال، اللافتات التجارية والسكنية، واللوحات الجدارية، ولوحات العناوين، وفنون الحدائق الخارجية.

شهدت السنوات الأخيرة تطوراً أكبر. ففي السابق، كانت طاولات القطع في هذه الآلات أفقية، أما الآن فتتوفر آلات قطع البلازما CNC العمودية، مما يوفر مساحة أصغر، ومرونة أكبر، ومستوى أمان مثالي، وتشغيلاً أسرع.

هناك ثلاثة تكوينات رئيسية لقطع البلازما باستخدام الحاسوب، وهي تختلف إلى حد كبير بأشكال المواد قبل المعالجة، ومرونة رأس القطع.

يتآكل القطب الكهربائي داخل الشعلة (الذي يعمل ككاثود ) أثناء عملية القطع. ويعود هذا التآكل إلى الظروف القاسية القريبة من سطحه، ^{[ 8 ]} بالإضافة إلى انبعاث الإلكترونات التي تُبقي تيار القوس الكهربائي مشتعلاً، وكلاهما يُلحق الضرر بسلامته الهيكلية.

لزيادة عمرها الافتراضي، تتكون أقطاب قطع البلازما عادةً من معدنين: غلاف نحاسي وحشوة من الهافنيوم . الهافنيوم مادة حرارية تساعد على تقليل التآكل، ولكنها لا تمنعه ​​تمامًا.

ونتيجة لذلك، تُعتبر الأقطاب الكهربائية مكونات استهلاكية في مشاعل قطع البلازما. فبعد فترة معينة من الاستخدام، تتلف بشدة وتتلف فورًا. ولا يستطيع القطب التالف بدء أو الحفاظ على قوس القطع، وبالتالي يجب استبداله.

لا يمكن التنبؤ بعمر القطب الكهربائي بشكل كامل. تشير إحدى الدراسات ^{[ 9 ]} إلى أن هذا التباين قد يكون مرتبطًا بأبعاد حشوة الهافنيوم.

ينتج عن القطع بالبلازما شقوق، لكنها ليست مثالية الشكل. من الناحية المثالية، ينتج عن القطع بالبلازما شق مستقيم تماماً وضيق للغاية.

لكن عملياً، تكون الشقوق المقطوعة بالبلازما أعرض عند السطح العلوي للصفيحة المعدنية مقارنة بالسطح السفلي.

بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تكون الحواف اليسرى واليمنى للقطع (بالنسبة لاتجاه القطع) غير متناظرة. ولا يزال أصل هذه الاختلافات غير واضح. ^{[ 10 ]}

تؤثر عدة عوامل في عملية القطع - بما في ذلك سرعة القطع، وشدة تيار القوس الكهربائي، والمسافة الفاصلة بين الشعلة وقطعة العمل، وضغوط حقن الغاز - بشكل كبير على جودة القطع. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

خلال العقد الماضي، طوّر مصنّعو مشاعل البلازما نماذج جديدة بفوهة أصغر وقوس بلازما أرقّ، مما يتيح دقةً تقارب دقة الليزر في حواف القطع بالبلازما. وقد دمج العديد من المصنّعين أنظمة التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) الدقيقة مع هذه المشاعل لتمكين المصنّعين من إنتاج قطع لا تتطلب سوى القليل من التشطيب أو لا تتطلبه على الإطلاق.

كانت مشاعل البلازما باهظة الثمن في البداية، ولذلك كانت تُوجد عادةً في ورش اللحام الاحترافية والمرائب والمتاجر الخاصة المجهزة تجهيزًا جيدًا. مع ذلك، أصبحت مشاعل البلازما الحديثة أرخص، وفي متناول العديد من الهواة، بأقل من 300 دولار. قد تكون الوحدات القديمة ثقيلة، لكنها لا تزال سهلة الحمل، بينما تتميز بعض الوحدات الأحدث بتقنية العاكس بوزن أخف، مع قدرات تُعادل أو تتجاوز قدرات الوحدات القديمة.

• قطع القوس الكربوني الهوائي
• القطع بالليزر
• لحام القوس البلازمي
• قاطع نفاث مائي
• اللحام

• موقع HowStuffWorks يتحدث عن قطع البلازما
• بيان طريقة العمل الآمنة لقاطع البلازما