• English

♦ ประวัติความเป็นมาและพัฒนาการด้านเทคโนโลยีของการตัดพลาสม่า

♦ ประวัติความเป็นมาและพัฒนาการด้านเทคโนโลยีของการตัดพลาสม่า

พลาสมาคืออะไร?

คำว่า “พลาสมา” สามารถอธิบายโดยการใช้สถานะของสารต่างๆใน 4 สถานะ โดยทั่วไปเราจะรู้จักสสารต่างๆ ใน 3 สถานะคือ ของแข็ง, ของเหลว และแก๊ส ในที่นี้จะขอยกตัวอย่างสสารคือน้ำ  ถ้าเราให้พลังงานความร้อนเข้าไปยังน้ำแข็งจะทำให้น้ำแข็งเปลี่ยนสถานะจากของแข็งกลายเป็นของเหลว ถ้าหากเพิ่มปริมาณความร้อนเข้าไปอีกจะทำให้เปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอน้ำและเมื่อเพิ่มปริมาณความร้อนในจำนวนที่มากแก่ไอน้ำ  จะทำให้เปลี่ยนสถานะกลายเป็นพลาสมา

Ionisation

ถ้าเราให้ความร้อนแก่น้ำจะทำให้เกิดการระเหยกลายเป็นไอน้ำ ซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนและออกซิเจน  ถ้าเราเพิ่มความร้อนต่อไปอีกจะพบว่าคุณสมบัติจะมีการเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากในรูปของอุณหภูมิและคุณสมบัติทางไฟฟ้า กระบวนการนี้ถูกเรียกว่าการทำให้แตกตัว ซึ่งเป็นการสร้างอิเลคตรอนอิสระ และอิออนในอะตอมของแก๊ส เมื่ออยู่ในสภาวะดังกล่าวจะทำให้แก๊สกลายเป็นพลาสมาที่มีการนำไฟฟ้าเนื่องจากอิเลคตรอนอิสระมีความสามารถในการนำไฟฟ้า ซึ่งจะใช้หลักการนี้ในการนำกระแสไฟฟ้าไปยังโลหะโดยการใช้พลาสมา   ถ้าหากพื้นที่ของโลหะที่กระแสไฟฟ้าผ่านมีค่าลดลง จะทำให้มีค่าความต้านทานมากขึ้นซึ่งจำเป็นจะต้องมีการเพิ่มค่าแรงดันไฟฟ้าเพื่อให้มีอิเลคตรอนในปริมาณเท่าเดิมผ่านไปในพื้นที่เพื่อให้ความร้อนแก่โลหะ   ซึ่งความจริงพื้นฐานนี้จะเกิดกับพลาสมาเช่นเดียวกันนั่น คือยิ่งลดพื้นที่หน้าตัดลงก็จะยิ่งได้ความร้อนเพิ่มขึ้น   ในตอนนี้เราจะมาดูประวัติความเป็นมา และวิวัฒนาการของกระบวนการอาร์คโดยใช้พลาสมา (plasma arc process)  โดยใช้แก็สที่มีความเร็วสูง

พัฒนาการของ Plasma Arc Process

ในปี 1941 อุตสาหกรรมผลิตอาวุธของประเทศสหรัฐอเมริกากำลังมองหาวิธีที่ดีกว่าในการเชื่อมโลหะที่มีน้ำหนักเบาเข้าด้วยกันเพื่อใช้ในการทำสงครามโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตของเครื่องบิน  จากความพยายามนี้ทำให้เกิดการเชื่อมแบบใหม่ขึ้นโดยใช้ไฟฟ้าในการอาร์คเพื่อหลอมโลหะและมีก๊าซเฉื่อยปกคลุมอยู่รอบๆบริเวณที่เกิดการอาร์คและโลหะที่หลอม เหลวซึ่งจะใช้ในการไล่อากาศเพื่อป้องกันโลหะที่หลอมเหลวจากการดูดซับออกซิเจนจากอากาศ กระบวนการเชื่อมแบบใหม่คือ “TIG” (Tungsten Inert Gas)  ซึ่งจะเป็นการเชื่อมที่มีคุณภาพสูง เนื่องจากกระบวนการเชื่อมนี้ได้มีการใช้ก๊าซอาร์กอนและฮีเลียมเป็นจำนวนมาก  อุตสาหกรรมที่มีความสนใจมากที่สุดในเทคโนโลยีดังกล่าวเป็นผู้ผลิตก๊าซอุตสาหกรรมดยเฉพาะอย่างยิ่งบริษัทยูเนี่ยนคาร์ไบด์ประสบความสำเร็จกับกระบวนการ TIG  (ที่เรียกว่า “Argonarc” หรือ “Heliarc”)  ในปัจจุบันกระบวนการนี้จะเรียกว่าGTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

โดยปี 1950  TIG ได้ถูกใช้ในฐานะที่เป็นการเชื่อมแบบใหม่ที่มีคุณภาพสูง ในขณะมีการพัฒนากระบวนการ TIG อย่างต่อเนื่อง

นักวิทยาศาสตร์ที่ห้องปฏิบัติการเชื่อมยูเนี่ยนคาร์ไบด์ค้นพบว่าเมื่อพวกเขาลดปริมาณของแก๊สที่ผ่าน nozzle ในหัวตัดจะทำให้คุณสมบัติของการอาร์คเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก  การลดขนาดของ nozzle จะช่วยเพิ่มอาร์คไฟฟ้าและการเพิ่มความเร็วของแก๊ส ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิที่เกิดการอาร์คและแรงดันไฟฟ้ามีค่าเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก  นอกจากนั้นโมเมนตัมของแก๊สพลาสมาที่วิ่งออกมาจาก nozzle ด้วยความเร็วสูงจะช่วยในการไล่โลหะออกไปทำให้เกิดการตัดขึ้น

Transferred and Non-Transferred Modes

หัวตัดแบบพลาสมาสามารถใช้งานได้ในแบบ transfer mode (ซึ่งจะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านระหว่างอิเลคโตรดกับชิ้นงาน ) นอกจากนั้นยังสามารถใช้งานในแบบ  non-transfer mode (ซึ่งจะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านระหว่างอิเลคโตรดกับ nozzle ที่หัวตัด)

ถึงแม้กระแสของพลาสม่าร้อนที่ออกมาจาก nozzle ในการใช้งานทั้ง 2 mode แต่จะนิยมใช้งานในแบบ transferred mode  มากกว่าเนื่องจากความร้อนที่สามารถใช้งานได้กับชิ้นงานถูกนำไปใช้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเมื่อมีการอาร์คอยู่กับชิ้นงาน

การเปลี่ยนแปลงลักษณะของเจ็ทพลาสมา

ลักษณะของเจ็ทพลาสม่าจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากเมื่อมีการเปลี่ยนชนิดของก๊าซ, อัตราการไหลของก๊าซ , กระแสที่ใช้ , แรงดันไฟฟ้า และขนาดของ nozzle  ตัวอย่างเช่นถ้าอัตราการไหลของก๊าซต่ำมีการใช้เจ็ทพลาสม่าจะมีความร้อนที่มีความเข้มข้นสูงเหมาะสำหรับการเชื่อม ในทางกลับกันถ้าอัตราการไหลของก๊าซจะเพิ่มขึ้นอย่างพอเพียง, ความเร็วของเจ็ทพลาสม่าสามารถใช้ในการเป่าโลหะเหลวออกไปจากบริเวณที่ทำการตัดของชิ้นงานได้

Conventional Plasma Arc Cutting (1957)

เจ็ทพลาสมาที่สร้างขึ้นนั้น แบบเดิมจะเป็นชนิด”แห้ง”ซึ่งเป็นการอาร์คในที่จำกัดเป็นที่รู้จักในปี 1957 โดยหน่วยงาน linde ของยูเนี่ยนคาร์ไบด์ ในปีเดียวกันนี้ ดร. Robert Gage ได้รับสิทธิบัตรเทคนิคนี้สามารถใช้ในการตัดโลหะที่ความเร็วตัดที่ค่อนข้างสูง ช่วงความหนาของแผ่นโลหะสามารถใช้ได้จากโลหะแผ่นบางจนกระทั่งหนาเป็นสิบนิ้ว (250 มม.) ค่าความหนาที่สามารถตัดได้ขึ้นอยู่กับปริมาณกระแสไฟฟ้าของหัวตัดและคุณสมบัติทางกายภาพของโลหะ  สำหรับหัวตัดชนิดใช้งานหนักที่สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าได้ถึง 1000 แอมป์ สามารถตัดผ่านเหล็กสแตนเลสและอลูมิเนียมที่มีความหนาถึง 10  นิ้ว  อย่างไรก็ตามการใช้งานในงานอุตสาหกรรมส่วนใหญ่มักมีความหนาไม่เกิน  2  นิ้ว ซึ่งความหนาในช่วงนี้สามารถใช้การตัดพลาสมาแบบเดิม ซึ่งแนวที่ตัดจะมีลักษณะเอียงและมีขอบด้านบนโค้งมน  การเอียงที่เกิดขึ้นเนื่องจากความไม่สมดุลในความร้อนเข้าสู่หน้าตัด โดยที่ผิวด้านบนที่อุณหภูมิสูงกว่าบริเวณด้านล่าง

ความไม่สมดุลของความร้อนนี้สามารถทำให้ลดลงได้โดยการวางหัวตัดให้ใกล้กับชิ้นงานมากที่สุดและการใช้หลักการการอาร์คในพื้นที่จำกัดดังแสดงในรูปที่1. เนื่องจากจะให้การกระจายของอุณหภูมืที่สม่ำเสมอกว่าซึ่งจะทำให้ขอบที่ถูกตัดเป็นสี่เหลี่ยมมากขึ้น แต่น่าเสียดายที่การอาร์คแบบเดิมจะทำให้เกิดการอาร์คใน 2 จุดคือเกิดขึ้นระหว่างอิเลคโตรดกับ nozzle และเกิดขึ้นระหว่างส่วนโค้งที่สองระหว่าง nozzle และชิ้นงานปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการอาร์คคู่ “double arc” ซึ่งจะทำให้เกิดความเสียหายทั้งที่อิเลคโตรดและที่ nozzle  ถ้าสามารถลดการเกิด Double arc จะทำให้ชิ้นงานที่ตัดมีคุณภาพที่ดีขึ้น

ตั้งแต่การแนะนำของกระบวนการอาร์พลาสม่าในช่วงกลางทศวรรษที่ 50  การวิจัยส่วนมากได้มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มการอาร์คในพื้นที่แคบโดยไม่ทำให้เกิด Double arc  การตัดโดยใช้พลาสมานั้นจะหมายถึง “ตัดพลาสมาแบบเดิม” ซึ่งสามารถที่จะตัดโลหะที่หลากหลายและความหนาของแผ่นที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่นถ้ากระบวนการพลาสม่าแบบเดิมในการตัดสแตนเลส, เหล็กอ่อนและอลูมิเนียม มีความจำเป็นต้องใช้ก๊าซที่แตกต่างกันและกระแสก๊าซเพื่อคุณภาพที่ดีที่สุดในการตัดโลหะทั้งสาม การตัดพลาสมานี้มีการใช้กันมากช่วง 1957 – 1970  และมักร่วมกับผสมก๊าซที่ผสมกันระหว่างอาร์คอนและไฮโดรเจนซึ่งมีราคาแพง Dual Flow Plasma Arc (1962)

ได้รับการพัฒนาและจดสิทธิบัตรโดยความร้อน Thermal Dynamics Corporation  และเจมส์บราวนิง , กรรมการผู้จัดการใหญ่ของ TDC, ในปี 1963 โดยการดัดแปลงจากการตัดพลาสมาแบบเดิมเล็กน้อย โดยหลักการทำงานพื้นฐานแล้วจะเหมือนการตัดพลาสม่าแบบเดิม  แต่จะมีช่องเพื่อจ่ายแก๊สชนิดที่สองอยู่รอบๆ หัวฉีดพลาสมา โดยปกติแล้วจะใช้ไนโตรเจนเป็นพลาสมาแก๊สส่วน shild แก๊สนั้นจะเลือกตามชนิดโลหะที่จะตัด โดยทั่วไปจะใช้อากาศหรือออกซิเจนสำหรับเหล็กอ่อน, คาร์บอนได-ออกไซด์สำหรับสแตนเลส, และอาร์กอนผสมไฮโดรเจนสำหรับอลูมิเนียม

สำหรับความเร็วในการตัดเหล็กอ่อนทำได้ดีกว่าแบบเดิม อย่างไรก็ตามคุณภาพตัดไม่ดีพอในการใช้งานหลายลักษณะ ความเร็วและคุณภาพในการตัดสแตนเลสและอลูมิเนียมได้ไม่แตกต่างจากกระบวนการแบบเดิม ข้อดีของวิธีนี้ คือการที่หัว nozzle จะถูกหุ้มด้วยถ้วยเซรามิก จึงป้องกันการลัดวงจรระหว่างหัว nozzle กับชิ้นงานและลดการเกิด Double arc  นอกจากนั้น shild แก๊ส ยังปกคลุมบริเวณที่ได้รับการตัดซึ่งทำให้มีความเร็วในการตัดและคุณภาพของการตัดดีขึ้นนอกจากนั้นยังช่วยหล่อเย็นหัว nozzle ด้วย

Air Plasma Cutting  (Since 1963)

เริ่มใช้ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1960 เพื่อใช้สำหรับการตัดเหล็กอ่อน ออกซิเจนในอากาศให้พลังงานเพิ่มนั้นจะเกิดจากปฏิกิริยาคายความร้อนของเหล็กที่หลอมเหลว พลังงานที่เพิ่มเข้าไปนี้สามารถที่จะเพิ่มความเร็วในการตัดได้ประมาณ 25%  ขึ้นไปเมื่อเทียบกับการตัดพลาสมากับโดยใช้ไนโตรเจน ถึงแม้ว่ากระบวนการนี้อาจจะใช้ในการตัดสแตนเลสและอลูมิเนียม แต่จะเกิดการออกซิไดซ์มากตัดบนพื้นผิววัสดุในบริเวณที่ได้รับการตัดและตุณภาพไม่สามารถยอมรับได้สำหรับการใช้งานหลายประเภท

ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดกับการตัดแบบนี้คือจะเกิดการกัดกร่อนอย่างรวดเร็วของอิเล็กโตรด ซึ่งได้มีการใช้อิเลคโตรดชนิดพิเศษที่ทำจาก zirconium, hafnium หรือ  hafnium alloy โดยจะให้ทังสเตนสึกหรอแทนแก๊สที่ใช้ตัดมีออกซิเจนปนเข้ามา   ถึงแม้จะมีใช้วัสดุพิเศษเหล่านี้ แต่อายุการใช้งานของอิเลคโตรดก็ยังมีค่าน้อยกว่าอิเล็กโตรดที่ใช้ในการตัดพลาสมาแบบเดิม

ถึงแม้ว่าการตัดวิธีนี้ไม่ได้ทำต่อเนื่องในช่วงปลายทศวรรษที่ 1960 ในประเทศสหรัฐอเมริกาและโลกตะวันตก ก็ยังมีความก้าวหน้าเรื่อยๆยุโรปตะวันออกโดย บริษัท “Feinstrahl Brenner” ซึ่งพัฒนาโดย Manfred Van Ardenne เทคโนโลยีนี้ถูกนำมาใช้ในประเทศรัสเซียและญี่ปุ่น ผู้จัดจำหน่ายรายใหญ่กลายเป็น Mansfeld ของเยอรมันตะวันออก  อู่ต่อเรือหลายแห่งในญี่ปุ่นได้เริ่มมีกาใช้งานการตัดแบบนี้ อย่างไรก็ตามอายุการใช้งานของอิเลคโตรดที่สั้น และการศึกษาพบว่าผิวหน้าของชิ้นงานที่ได้รับการตัดมีเปอร์เซ็นต์ของไนโตรเจนสูงซึ่งจะก่อให้เกิดความพรุนหลักการเชื่อม

Water Shield Plasma Cutting (1965)

วิธีนี้มีลักษณะคล้ายกับ Dual flow plasma arc แต่จะใช้น้ำแทน shield แก๊ส  ลักษณะรอยตัดและอายุการใช้งานของ nozzle จะดีขึ้นมีการหล่อเย็นที่ดี ความเป็นเหลี่ยมของบริเวณที่ได้รับการตัด, ความเร็วในการตัดและการสะสมของสะเก็ดไม่ได้ดีขึ้นกว่าแบบ Dual flow plasma cutting เพราะน้ำไม่ได้ทำให้เกิดการอาร์คเพิ่มขึ้น

Water Injection Cutting (1968)

ก่อนหน้านี้ได้กล่าวว่ากุญแจสำคัญในการพัฒนาคุณภาพการตัด คือต้องมีการเพิ่มการอาร์คในพื้นที่แคบๆและในขณะเดียวกันต้องสามารถป้องกันเกิด double arc การฉีดน้ำในกระบวนการตัดแบบพลาสมานั้น    จะฉีดน้ำโดยให้เกิดเป็นส่วนโค้งซึ่งมีลักษณะเหมือนดังแสดงในรูปที่6. จะช่วยให้เกิดการอาร์คมากขึ้นอุณหภูมิที่เกิดจากการอาร์คในบริเวณนี้ประมาณ 50,000 ? K หรือประมาณ 9 เท่า ของอุณหภูมิที่ผิวของดวงอาทิตย์และมากกว่า 2  เท่าของการตัดพลาสมาแบบเดิม ผลดีที่เกิดขึ้นคือจะช่วยปรับปรุงความเป็นเหลี่ยมของบริเวณที่ได้รับการตัด, ความเร็วในการตัดและการสะสมของสะเก็ดให้ดีขึ้นเมื่อตัดเหล็กอ่อน การตัดโดยวิธีนี้ได้รับการพัฒนาและจดสิทธิบัตรในปี 1968 โดย Richard W. Couch Jr, ประธาน Hypertherm, Inc

สำหรับวิธีอื่นที่ช่วยเพิ่มการอาร์คในบริเวณที่แคบๆคือใช้การหมุนของน้ำรอบบริเวณที่เกิดการอาร์ค   ด้วยเทคนิคนี้การอาร์คจะขึ้นอยู่กับความเร็วของการหมุนวนที่จำเป็นต้องเป็นการวนที่คงที่  แรงเหวี่ยงที่สร้างขึ้นโดยการหมุนความเร็วสูงมีแนวโน้มที่จะแผ่เป็นแผ่นฟิล์มวงกลมแบนๆในบริเวณที่เกิดการอาร์ค ซึ่งจะมีผลต่อการอาร์ค

ข้อแตกต่างจากกระบวนการแบบเดิมที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ คุณภาพการตัดที่เหมาะสมสำหรับการตัดแบบ Water injection plasma  สำหรับโลหะชนิดต่างๆโดยใช้แก๊สไนโตรเจนชนิดเดียว  พบว่าประหยัดมากขึ้นและง่ายต่อการใช้งาน สำหรับคุณสมบัติในทางกายภาพนั้นไนโตรเจนมีความสามารถโดดเด่นในการถ่ายโอนความร้อนจากการอาร์คไปยังชิ้นงาน แม้จะมีอุณหภูมิสูงมากที่จุดที่น้ำกระทบบริเวณที่เกิดการอาร์ค ปริมาณน้ำน้อยกว่า 10% จะถูกทำให้ระเหย  และน้ำส่วนที่เหลือจะออกจากหัวฉีดในรูปแบบของสเปรย์รูปกรวยซึ่งจะช่วยมนการระบายความร้อนที่ผิวด้านบนของชิ้นงาน  ซึ่งจะช่วยป้องกันการก่อตัวของออกไซด์บนผิวหน้าที่ถูกตัด และระบายความร้อนที่หัวฉีดในจุดที่ที่เกิดภาระทางความร้อนสูงสุด

เหตุผลสำหรับการทำให้เกิดการอาร์คในบริเวณที่มีการฉีดน้ำเพื่อให้เกิดชั้นขอบเขตซึ่งจะเป็นฉนวนความร้อนของไอน้ำระหว่างเจ็ทพลาสม่าและน้ำที่ฉีดเข้าไป เรียกว่า”Linden Frost Layer” ซึ่งจะมีลักษณะเหมือนกับที่หยดน้ำวิ่งไปมาบนแผ่นโลหะร้อนมากกว่าที่จะเกิดการกลายเป็นไออย่างทันทีทันใด

อายุของ nozzle สามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมากด้วยเทคนิคการฉีดน้ำเพราะ Linden Frost Layer จะเป็นฉนวนป้องกันความร้อนจากการอาร์คและน้ำเย็น และป้องกันหัวฉีดที่จุดของการอาร์อาร์คซึ่งมีความร้อนสูงสุด   สำหรับการออกแบบส่วนล่างทั้งหมดของหัวฉีดอาจเป็นเซรามิก ดังนั้นสามารถแก้ปัญหาการเกิด double  arc ที่เป็นสาเหตุสำคัญของการทำลายหัว nozzle

ลักษณะสำคัญของขอบตัดเป็นที่ด้านขวาของ kerf  จะเป็นเหลี่ยมและด้านซ้ายของ kerf  เอียงเล็กน้อยนี้ไม่ได้เกิดจากการฉีดน้ำ แต่มันเกิดจากการหมุนตามเข็มนาฬิกาของพลาสมาแก๊ส การหมุนนี้จะทำให้เกิดการอาร์คมากขึ้นและกระจายไปทางด้านขวาของ kerf

จากรูปที่ 6. ถ้าต้องการการตัดโลหะในลักษณะวงแหวน จะต้องเคลื่อนที่หัวตัดในทิศทางตามเข็มนาฬิกาซึ่งจะให้ขอบด้านนอกของแผ่นที่ต้องการตรงในทำนองเดียวกันจะต้องเคลื่อนที่หัวตัดในทิศทางทวนเข็มนาฬิกาเพื่อทำให้ขอบที่ตัดด้านในของแผ่นที่ต้องการมีลักษณะตรง

Water Muffler and Water Table (1972)

เนื่องจากกระบวนการตัดแบบพลาสมาอาร์คก่อให้เกิดความร้อนที่มีความเข้มสูงถึง 50,000 K  ซึ่งจะเกิดผลข้างเคียงดังนี้

  •  เมื่อใช้กระแส่ไฟฟ้ามากที่สุด  จะก่อให้เกิดระดับเสียงที่ดังมาก ดังนั้นควรสวมใส่อุปกรณืป้องกันเสียง
  •  ควันและก๊าซพิษที่เกิดขึ้นในบริเวณที่ทำงานต้องมีการระบายอากาศที่ดี
  •  รังสีอัลตราไวโอเลตซึ่งอาจจะนำไปสู่การเผาผิวหนังและตาไหม้จำเป็นที่จะต้องมีการสวมชุดป้องกันและใส่แว่นตาดำ

ในปี 1972, Hypertherm ได้แนะนำและจดสิทธิบัตรระบบควบคุมมลพิษโดยการน้ำลดเสียงและถาดน้ำ (Water Muffler and Water Table) ซึ่งสามารถควบคุมผลกระทบที่เกิดจากการตัดแบบพลาสมาอาร์ค

Water Muffler

ระบบนี้จะทำการป้อนน้ำที่มีอัตราการการไหลมากเข้าไปรอบๆหัวตัดและเมื่อใช้ร่วมกับถาดน้ำ จะมีข้อดีดังต่อไปนี้:

  •  ระดับเสียงดังจากการอาร์คลดลงอย่างมากเนื่องจากม่านน้ำช่วยดูดซับเสียง
  •  ควันและก๊าซพิษถูกกักอยู่ในของม่านน้ำซึ่งทำหน้าที่เป็นเครื่องกรองฝุ่นควันจากการตัด
  •  ลดแสงจ้าที่อันตรายน้อยต่อตาจากการอาร์ค
  •  เมื่อใส่สีที่เหมาะสมในน้ำจะช่วยลดรังสีอัลตราไวโอเลตได้

Water Table

เป็นถาดที่บรรุจุน้ำและจุ่มชิ้นงานลงไปเพื่อดูดซับเสียงความเข้มสูงที่หนีออกด้านล่างและสามารถดูดฝุ่นควัน

Underwater Cutting (1977)

ในยุโรปได้มีความพยายามเพิ่มเติมที่จะทำการลดระดับเสียงของพลาสม่าอาร์คและกำจัดควันให้ได้มากที่สุดนำไปสู่วิธีการตัดใต้น้ำ วิธีการนี้ใช้กระแสในการตัดสูงกว่า 100 แอมป์   และได้รับความนิยมจนถึงวันนี้

ในการตัดใต้ ชิ้นงานจะจมลงไปประมาณ 2 ถึง 3 นิ้วใต้ผิวน้ำ และหัวตัดพลาสมาขณะที่แช่อยู่ในน้ำในขณะตัดเช่นกัน ระดับควันและเสียงตลอดจนแสงจ้าจากการอาร์คจะลดลงอย่างมาก ผลกระทบอย่างหนึ่งของวิธีนี้คือจะไม่สามารถสังเกตชิ้นงานได้ในขณะที่ทำการตัดและความเร็วในการตัดจะลดลง 10-20% นอกจากนี้ผู้ใช้งานไม่สามารถที่จะระบุได้จากเสียงอาร์ค ว่ากระบวนการตัดนั้นดำเนินการต่อไปอย่างถูกต้องแม้ว่าวัสดุสิ้นเปลืองจะมีการใช้งานได้เหมาะสมเพื่อให้เกิดคุณภาพการตัดที่ดี

และเมื่อทำการตัดในน้ำ น้ำบางส่วนรอบๆบริเวณที่ทำการตัดจะแตกตัวออกเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจน และออกซิเจนอิสระมีแนวโน้มที่จะรวมกับโลหะที่หลอมเหลวจากการตัด (โดยเฉพาะอลูมิเนียมและโลหะเบาอื่นๆ) เกิดเป็นออกไซด์ของโลหะซึ่งจะเกิดแก๊สไฮโดรเจนอิสระในน้ำ เมื่อไฮโดรเจนนี้สะสมอยู่บริเวณผิวหน้าใต้ชิ้นงาน และจะเกิดการระเบิดเล็กๆ เมื่อถูกจุดระเบิดกับพลาสมาเจ็ท ดังนั้นน้ำจะต้องอยู่ในสภาพปั่นป่วนอย่างต่อเนื่องในขณะที่ตัดโลหะดังกล่าว

Underwater Muffler

ในปี 1986 Hypertherm ออกแบบและจดสิทธิบัตรการตัดใต้น้ำที่มีการฉีดน้ำเข้าไปรอบๆหัวตัด เพื่อสร้างฟองอากาศให้การตัดสามารถดำเนินการต่อไป ซึ่งกลายเป็นกระบวนการตัดใต้น้ำที่มีการฉีดอากาศเข้าไป (air injected underwater cutting process) ซึ่งจะใช้ส่วนใหญ่มักจะใช้กับการตัดออกซิเจน (oxygen cutting) ได้ถึง 260 แอมป์   เราสามารถใช้เทคนิคนี้เพื่อเพิ่มคุณภาพและความเร็วในการตัดให้สูงกว่าปกติได้โดยฉีดน้ำเข้าไปในการตัดแบบพลาสมาที่ทำการตัดในบรรยากาศปกติ

Low-Amp Air Plasma Cutting (1980)

ในปี 1980 ผู้ผลิตอุปกรณ์การตัดพลาสมาอาร์คในซีกโลกตะวันตกได้เปิดตัวอุปกรณ์ที่ใช้อากาศเป็นพลาสมาแก๊ส โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับระบบพลาสม่ากระแสต่ำ ในช่วงต้นปี 1983  บริษัท Thermal Dynamics ได้เปิดตัว  “PAK3” และ SAF ได้แนะนำ “ZIP – CUT”  ซึ่งทั้งสองรุ่นประสบความสำเร็จอย่างยอดเยี่ยมในประเทศสหรัฐอเมริกาและในยุโรป  ซึ่งเปิดศักราชใหม่ของการตัดพลาสม่าอาร์คที่เพิ่มขึ้นประมาณ 50 เท่าช่วงในทศวรรษที่ 1980 ในตลาดโลกและได้สร้างผู้ผลิตใหม่ๆ การแบบตัดพลาสมาอาร์คได้รับการยอมรับในที่สุด  เป็นวิธีการใหม่สำหรับการตัดโลหะและถูกพิจารณาที่จะใช้การตัดแบบนี้ในอุตสาหกรรมงานโลหะที่ทันสมัย

ด้วยแรงผลักดันใหม่ในอุตสาหกรรมผลิตการตัดพลาสมาอาร์คที่มีการแข่งขันเพิ่มขึ้น โดยการปรับปรุงใหม่ๆ ได้แก่การแนะนำขั้นตอนการใช้งานที่ง่าย กระบวนการที่เชื่อถือได้มากขึ้น และไม่จำเป็นต้องใช้ทักษะมากในการทำงาน แหล่งจ่ายไฟออกแบบโดยใช้ solid state primary และ secondary converter เพื่อปรับปรุงการอาร์คและลดขนาดและน้ำหนักของระบบ Hypertherm  ได้ส่งหัวตัดแบบ blowback (blowback torch) ซึ่งจะแก้ปัญหาการอาร์คเริ่มต้นที่ความถี่และ air-injected shield nozzle ซึ่งจะช่วยป้องกันส่วนปลายด้านหน้าในระหว่างการเจาะโลหะ

Oxygen Plasma Cutting (1983)

เนื่องจากกระบวนการตัดโลหะแบบดั้งเดิมที่นิยมใช้กันคือกระบวนการ oxyfuel วิศวกรที่พัฒนาเครื่องตัดแบบพลาสมาอาร์คจึงได้เริ่มต้นพัฒนาโดยการใช้ออกซิเจนเป็นแก๊ส อย่างไรก็ตามอุณหภูมิที่สูงมากบริเวณปลายของอิเลคโตรดและสัมผัสกับแก๊สออกซิเจนบริสุทธิ์จะทำให้อิเล็กโตรดเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว ในช่วงต้นปี 1970 พบว่ามีธาตุโลหะคือ hafnium  และ  zirconium ที่สามารถต้านทานการเสื่อมสภาพที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อใช้ในการตัดพลาสมาอาร์คที่ใช้ออกซิเจนเป็นพลาสมาแก๊ส

Hypertherm ได้นำเอาความท้าทายนี้และเริ่มทำการวิจัยและพัฒนาอย่างจริงจัง ในปี 1983 บริษัทประสบความสำเร็จกับการออกแบบหัวตัดที่มีเป็นไปได้ที่จะใช้ออกซิเจนเป็นพลาสมาแก๊ส ได้รับสิทธิบัตรสำหรับการตัดออกซิเจนพลาสมาอาร์คโดยใช้น้ำฉีดและการตัดแบบพลาสมาโดยใช้ออกซิเจนกลายเป็นพัฒนาการล่าสุดของพลาสมาอาร์ค การตัดพลาสมาโดยใช้ออกซิเจนถูกนำเสนอจะใช้งานได้ที่ความเร็วต่างๆโดยไม่เกิดสะเก็ด, ความเร็วในการตัดเพิ่มขึ้นได้ถึง 30% ใช้กระแสต่ำกว่าในขณะใช้งาน, บริเวณที่ตัดเป็นเหลี่ยม ซึ่งจะง่ายต่อการดัดหรือเชื่อม  เหล็กทั้งส่วนมากรวมถึงโลหะที่มีความแข็งแรงสูง, เหล็กกล้าโลหะผสมต่ำ จะไม่มีสะเก็ดเกาะเมื่อตัดด้วยวิธีนี้   อายุการใช้งานของอิเลคโตรดก็ยังมีข้อจำกัดอยู่แม้ว่าจะทำด้วย hafnium ก็ตาม แต่คุณภาพการตัดตัวจะดีที่สุดการตัดเหล็กโดยใช้ออกซิเจนเป็นพลาสมาแก๊ส  ดังนั้นควรเปลี่ยนอิเลคโตรดบ่อยๆจะดีกว่าที่จะต้องมาเสียค่าใช้จ่ายในการกำจัดสะเก็ดโลหะออกที่หลังถ้าหากจะใช้ไนโตรเจนเป็นพลาสมาแก๊ส

Oxygen Injection Plasma Cutting (1985)

การตัดพลาสมาโดยการฉีดออกซิเจนเข้าจะแก้ปัญหาเรื่องอายุการใช้งานของอิเลคโตรดที่สั้นโดยการใช้ไนโตรเจนเป็นพลาสมาแก๊สและฉีดออกซิเจนต่อเนื่องที่ทางออกของหัวฉีด

กระบวนการนี้ใช้เฉพาะกับเหล็กอ่อนและความเร็วในการตัดเพิ่มขึ้นเล็กน้อย แต่ข้อเสียหลักคือผิวหน้าที่ถูกตัดจะมีลักษณะเอียง, kerf กว้างเกินไป, อายุการใช้งานของ nozzle สั้น, มีข้อจำกัดในการใช้งาน (ใช้ได้กับเหล็กอ่อน) ในขณะที่ขั้นตอนนี้จะใช้ได้ในบางพื้นที่, มีค่าใช้จ่ายสูง

Deep Water Plasma Cutting

ในปี 1990  อุตสาหกรรมที่เกียวกับนิวเคลียร์ ประสบกับความท้าทายที่สำคัญสองข้อ :

  1. หาวิธีการยืดอายุของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่มีอยู่
  2. หาวิธีการรื้อถอนในส่วนที่ไม่ใช้งานแล้ว

ในขณะที่อุตสาหกรรมผู้ผลิตพลังงานกำลังทำงานอย่างหนักเพื่อที่จะพัฒนาวิธีการในการซ่อมชิ้นส่วนในบ่อปฏิกรณ์  เนื่องจากเป็นข้อตกลงร่วมกันของหลายประเทศที่กำลังหาวิธีการที่จะตัดเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้แล้วและส่วนประกอบอื่นๆ เป็นชิ้นเล็กในกำจัดทิ้ง

เนื่องจากเครื่องปฏิกรณ์และอุปกรณ์ต่างๆจะต้องถูกเก็บไว้ในไว้ในบ่อที่บรรจุน้ำ ดังนั้นการซ่อมแซมและการรื้อถอนทั้งหมดต้องใต้น้ำ เนื่องจากชิ้นส่วนหลักทำมาจากสแตนเลส จำเป็นต้องใช้การตัดพลาสมา เพื่อแก้ปัญหาในการตัดใต้น้ำ Hypertherm ได้ทำงานกับผู้รับเหมาหลายรายในอุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์ในการพัฒนาอุปกรณ์ตัดพลาสมาสำหรับการตัดใต้น้ำ

ในปี 1990 Hypertherm  ประสบความสำเร็จในการใช้ PAC500-1,000  แอมป์  ในการตัดสแตนเลสหนา 4.5″ (114 มม.) ใต้น้ำลึก 15 ฟุต (4.56 เมตร) ที่โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ Connecticut Yankee นอกจากนี้ในปี 1990 MAX100 และ MAX200 ถูกนำมาใช้ในการตัดใต้น้ำที่ระดับความลึก 25 ฟุต (7.62 m) และมีการทำแผนที่จะผลิตเพื่อใช้ตัดที่ความลึกต่ำกว่า 100 ฟุต (30.48 เมตร)

High Density Plasma Cutting (1990)

การตัดด้วยเลเซอร์ได้กลายเป็นคู่แข่งที่สำคัญในอุตสาหกรรมโลหะตัดเนื่องจากความสามารถในการตัดที่มีคุณภาพสูงและความถูกต้องแม่นยำ  เพื่อที่จะทำการวางตลาดในอุตสาหกรรมที่ต้องการความความแม่นยำสูง    ผู้ผลิตอุปกรณ์พลาสมาได้เพิ่มความพยายามในการออกแบบเพื่อปรับปรุงคุณภาพการในการตัดของอุปกรณ์

ในช่วงปี 1990 เราเห็นการติดตั้งเครื่องตัดพลาสมาคุณภาพสูงเครื่องแรกขนาด 40-90 แอมป์  ที่ผลิตตัดลดความเอียงของผิวหน้าที่ตัด  และความกว้างของ kerf มีค่าลดลงนอกจากนั้นยังมีความเร็วในการตัดเพิ่มขึ้น  บางเครื่องมาจากผู้ผลิตในญี่ปุ่น Hypertherm ได้นำเทคโนโลยี HyDefinition เพื่อแข่งขันในตลาดนี้ โดยมีความคาดหวังที่จะให้เครื่องตัดพลาสมามีคุณภาพเดียวกับเครื่องตัดเลเซอร์ เนื่องจากว่าอุปกรณ์เครื่องตัดพลาสมามีค่าใช้จ่ายที่ต่ำกว่าเครื่องตัดเลเซอร์มาก เราคาดหวังว่าเครื่องตัดพลาสมาชนิดนี้จะกลายเป็นคู่แข่งที่สำคัญในตลาดเครื่องตัดเลเซอร์

Laser Lasting Consumable Parts (1990)

เนื่องจากการตัดพลาสมาโดยใช้ของออกซิเจนและอากาศได้กลายเป็นที่นิยมมากขึ้น ปัญหาใหญ่ในการใช้งานคืออายุการใช้งาน ของชิ้นส่วนสิ้นเปลืองต่างๆ สั้น ผู้ผลิตเครื่องตัดพลาสมารายใหญ่กำลังทำงานในเรื่องนี้   เป็นที่คาดหวังในอนาคตอันใกล้ที่อิเลคโตรด อากาศ / ออกซิเจน จะมีอายุการใช้งานของที่ยาวนานขึ้น ซึ่งจะเป็นการลดค่าใช้จ่ายในการตัดพลาสมา โดย Hypertherm ได้นำเทคโนโลยีที่จะช่วยยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์สิ้นเปลืองต่างๆ มาใช้

Conclusion

จากหัวข้อที่ผ่านมา เป็นที่ชัดเจนว่ากระบวนการตัดพลาสมาได้ทำให้มีการพัฒนาไปมากในรอบ 35 ปีหลัง  โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงห้าปี ปัจจุบันมีแนวโน้มที่เด่นชัดดังนี้

  1.  ตลาดสำหรับเครื่องขนาดเบาที่สามารถเคลื่อนย้ายด้วยมือที่มีระดับกระแสต่ำกว่า 200 แอมป์  จะยังคงขยายตัว นี้ตลาดขยายตัวมากขึ้นจะดึงดูดคู่แข่งที่จะผลิตสินค้าที่ดีขึ้นและการขยายตลาดสำหรับเครื่องตัดพลาสม่าชนิดใช้อากาศชนิดกระแสต่ำ
  2.  ตลาดสำหรับเครื่องตัดและหุ่นยนต์จะยังคงแสวงหาการตัดที่มีคุณภาพสูงและ tolerance ต่ำ จากระบบการตัดพลาสมา ราคาที่น่าสนใจของเครื่องตัดพลาสมาชนิดใช้ออกซิเจนที่มีน้ำหนักเบาและใช้กระแสต่ำจะแข่งขันกับเครื่องตัดเลเซอร์ Hypertherm  เป็นผู้นำทางด้านเทคนิค  และของมันจะยังคงมีบทบาทโดดเด่นในกลุ่มตลาดนี้
  3. การวิจัยและพัฒนาในส่วนของอุปกรณ์สิ้นเปลืองและหัวตัด   จะดำเนินการต่อไปอย่างต่อเนื่องเพื่อยืดการใช้งานของอายุการใช้งานของอุปกรณ์สิ้นเปลืองและการปรับปรุงคุณภาพของการตัด

เนื่องจากมีการพัฒนาการตัดโดยใช้พลาสมามามากแล้ว จึงเป็นเรื่องท้าทายที่จะทำการผลิตหัวตัดที่มีความเที่ยงตรงมากขึ้น, ผลิตอุปกรณ์สิ้นเปลืองที่มีคุณภาพดีขึ้น, ใช้เทคโนโลยีขั้นสูงเป็นแหล่งพลังงาน เป็นที่คาดว่าตลาดของการตัดโดยใช้พลาสมามีแนวโน้มการเติบโตสูงอย่างต่อเนื่องในอนาคตอันใกล้

แหล่งที่มาของบทความ

  • Hypertherm Inc.
  • http://www.azom.com