برش اکسیژن و سوخت گاز ،برش هوا-گاز

جوش اکسیژن- سوخت گاز و برش اکسیژن- سوخت گاز یا برش هواگاز روش هایی هستند که در آنها سوخت گاز به همراه اکسیژن برای جوش دادن و برش فلزات استفاده می شود. مهندسان فرانسوی Edmond Fouché و Charles Picard نخستین کسانی بودند که در سال 1903 برای اولین بار از این روش برای جوش دادن استفاده کردند. برای بالا بردن دمای شعله برای ذوب منطقه ای قطعه ی مورد نظر (مثل فولاد) در شرایط هوای اتاق از اکسیژن خالص به جای هوا (20% اکسیژن، 80% نیتروژن) استفاده می شود. شعله ی حاصل از پروپان و هوا با دمایC° 2.000، شعله ی حاصل از پروپان و اکسیژن با دمای در حدود C° 2.500، و شعله ی حاصل از اکسیژن و استیلن با دمای C° 3.500 می سوزند.
روش اکسیژن- سوخت گاز برای جوش دادن قطعات روشی قدیمی است که امروزه برای کاربردهای صنعتی کمتر استفاده می شود اما هنوز برای جوش دادن لوله ها و استفاده جهت تعمیرات به صورت گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین این روش خیلی اوقات برای ساخت کارهای هنری که بیشتر ساختار تشکیل دهنده ی آنها از فلزات باشد، استفاده می شود.
در جوش دادن اکسیژن- سوخت گاز از یک مشعل جوش برای جوش دادن فلزات استفاده می شود. در اثر رسیدن دمای دو نقطه به دمای ذوب و ایجاد مواد مذابی که هر دو قطعه در آن سهیم هستند (حوزچه جوش) جوش شکل می گیرد. به این مواد مذاب معمولا فلز دیگر که فیلر نامیده می شود نیز اضافه می شود. جنس مواد فیلر با توجه به نوع فلزی که جوش داده می شود، انتخاب می گردد.
در برش اکسیژن- سوخت گاز از یک مشعل برش برای حرارت دادن فلز تا دمای برافروختگی استفاده می شود. سپس یک جریان اکسیژن به روی فلز دمیده می شود و فلز در این اکسیژن سوخته و سپس فلز به صورت گل اکسیدشده فلز به بیرون از محل برش جاری می گردد.

نقطه ذوب اکسید آهن در حدود نصف نقطه ذوب آهن است. زمانی که آهن شروع به اشتعال می کند، بلافاصله به اکسید آهن مایع تبدیل می شود و به تدریج به خارج از ناحیه برش جریان پیدا می کند. اما مقداری از اکسید آهن بر روی قطعه کار باقی می ماند و تبدیل به گل (خاکستر) سخت روی کار می شود که با ضربه ی آرام یا سوهان کاری از قطعه جدا می شود.
اگر آهن یا فولاد تا دمای برافروختگی حرارت داده شوند (یعنی بیشتر از °C 871) و در مقابل اکسیژن قرار گیرند، بسیار سریع فرآیند اکسیدشدن یا سوختن صورت می گیرد. واکنش بین اکسیژن و آهن یا فولاد تولید اکسید آهن (Fe3O4) می کند و گرمای زیاد بوجود می آورد. این حرارت برای ذوب کردن اکسید و قسمتی از کل فلز کافی است. بعد از رسیدن فلز به دمای برافروختگی جریان اکسیژن به طور ثابت بر سطح فلز دمیده می شود. فلز داغ با اکسیژن واکنش داده و دما و مواد مذاب بیشتری ایجاد می کند. فلز ذوب شده و اکسید به وسیله جریان سریع اکسیژن به خارج هدایت می شوند. واکنش اکسیداسیون ادامه پیدا کرده و حرارت لازم را برای ذوب لایه ای دیگر از فلز فراهم می کند و فرآیند برش از این طریق انجام می گردد. اصول فرآیند برش هوا-گاز در شکل نمایش داده شده است.

از نظر تئوری حرارت ایجادشده در اثر سوختن آهن برای حرارت دادن باقیمانده قطعه تا رسیدن به برافروختگی کافی است. بنابراین با شروع برش، تنها با دمیدن اکسیژن فرآیند برش باید به صورت پیوسته ادامه یابد اما در عمل به دلیل جذب حرارت اضافه در سطح فلز که در اثر وجود کثیفی ها و خاک بر روی قطعه به وجود می آید، وجود شعله مشعل برای از پیش گرم کردن فلز برای ادامه برش لازم است.
فولادهایی که در آنها مقدار کربن از 25% فراتر نرود نیاز به اقدام خاصی ندارند مگر در شرایطی که به برش با کیفیت خوب نیاز باشد. آلیاژهای خاص فولادی در برابر برش با اکسیژن مقاومت بالایی از خود نشان می دهند و ادامه دادن برش مداوم بدون استفاده از روش های خاص را مشکل یا غیرممکن می کنند.
 
 
برش فولادهای با کربن بالا
مشعل برش در این گونه فلزات مشابه روش سخت کردن فلز از طریق شعله (flame hardening procedure) عمل می کند که در آن ناحیه ی مجاور برش در اثر حرارت دادن به دمایی بالاتر از درجه حرارت بحرانی به وسیله ترچ و خنک شدن به وسیله ی قسمت سرد فلز، سخت می شود. این شرایط می تواند با پیش گرم کردن تا دمای°C 316-260 قبل از آغاز برش به حداقل رسیده یا کلا از بین برود.
 
ورق مصرفی برای برش فولاد آلیاژی
برش فولاد آلیاژی که کاری مشکل است با اتصال یک تکه فولاد نرم یا ورق مصرفی (waster plate) بهبود می یابد. این فولاد نرم روی سطح فوقانی فولاد آلیاژی به صورت محکم متصل شده و عمل برش در راستای ضخامت هر دو فلز صورت می گیرد. در روش مصرفی، به دلیل اینکه فولاد ذوب شده تاثیر آلیاژ موجود در فلز اصلی را کاهش می دهد فرآیند برش به مقدار قابل توجهی بهبود می یابد.
 
برش کروم و فولاد ضدزنگ
این فلزات و دیگر فولادهای آلیاژی که در گذشته تنها با عمل ذوب کردن قابل بریدن بودند، در حال حاضر با اکسیداسیون سریع از طریق معمول شدن استفاده از پودر آهن (iron powder) یا اضافه کردن جریان مخصوص پودر غیرفلزی (nonmetallic powdered flux) به اکسیژن قابل بریده شدن هستند. این پودر آهن به سرعت اکسید می شود و حرارت زیادی از این واکنش آزاد می شود. این حرارت بالا اکسیدهای نسوز را که در حالت عادی مانع واکنش اکسیژن با فولاد آلیاژی می شوند را ذوب می کند. این اکسیدهای مذاب با جریان اکسیژن در جهت برش سرخ می شوند. اکسیژن امکان ادامه دادن واکنش با پودر آهن و بریدن ورق های فولادی را پبدا می کند. جریان غیرفلزی وارد جریان اکسیژن می شود، به صورت شیمیایی با اکسیدهای نسوز ترکیب شده و خاکستری را به وجود می آورد که دمای ذوب کمتری دارد که این خاکستر از محل برش خورده و سائیده شده و فولاد را در معرض واکنش با اکسیژن قرار می دهد.
 
برش چدن
چدن با دمایی پایین تر از دمای ذوب اکسید چدن، ذوب می شود. بنابراین در عملیات برش آهن بیشتر تمایل به ذوب شدن تا اکسیدشدن دارد. به همین دلیل از جت اکسیژن برای بیرون راندن فلز مذاب در هنگام برش چدن استفاده می شود. برای موثر کردن این کار، چدن بایداز قبل تا دمای بالا گرم شود.
 
انواع شعله دستگاه هوا-برش
معمولا در تمام فرآیندهای برش اکسیژن- گاز سه نوع شعله مورد استفاده قرار می گیرند. این شعله ها عبارتند از: 1- شعله ای که گاز مورد نظر در آن از اکسیژن بیشتر است (carburizing) 2- شعله ی خنثی (neutral) 3- و شعله ای که در آن اکسیژن بیشتری وجود دارد (oxidizing) که به آن شعله اکساینده می گویند. برای اطمینان از تنظیم صحیح شعله، خواص هر یک از انواع شعله های فوق را باید شناخت.
 
شعله ای که تنها از گاز مورد نظر تشکیل شده باشد بلند و به رنگ زرد است. این شعله اکسیژن مورد نیاز برای احتراق خود را از هوای اطراف تامین می کند. این مقدار اکسیژن برای سوختن گاز به طور کامل کافی نیست. بنابراین شعله دود کرده و تولید دوده می کند و برای استفاده مناسب نیست. برای افزایش اکسیژن باید شیر سوزنی اکسیژن را باز کرده تا شعله رنگ آبی- سفید پیدا کند به نحوی که مخروط داخلی به رنگ روشن و شعله ی احاطه کننده مخروط، تیره تر باشد. در واقع دمای لازم برای انجام برش در مخروط داخلی ایجاد می شود.
 
1- شعله با مقدار گاز بیشتر (carburizing flame)
این نوع شعله در حالتی که مقدار استیلن بیشتر از مقدار اکسیژن باشد ایجاد می شود و سه ناحیه به رنگ های مجزا دارد. یک مخروط داخلی به رنگ آبی- سفید، یک مخروط سفیدرنگ میانی و یک شعله خارجی به رنگ آبی کم رنگ. نوک مخروط داخلی می تواند به صورت پرشکل باشد. درجه carburizing به وسیله طول قسمت پرشکل تشخیص داده می شود. دمای شعله ای که مقدار گاز استیلن در آن بیشتر است در حدود °C 3.300 است.
 
 
2- شعله خنثی (Neutral Flame)
هرگاه مخلوط حجمی خارج شده از ترچ برای اکسیژن و استیلن برابر باشد، شعله ی خنثی ایجاد می گردد. شعله ی خنثی ترکیب اصلی فلز را زیاد تغییر نمی دهد، بنابراین برای اکثر فلزات مناسب ترین شعله است. شعله ی خنثی با دمایی در حدود C° 3.230 می سوزد. این نوع شعله به دو بخش مجزا تقسیم می شود. منطقه ی داخلی یک مخروط سفید رنگ با نوک گرد و صاف دارد که به طور واضح قابل تشخیص است. منطقه خارجی که در آن اکسیژن واستیلن به طور کامل می سوزند، آبی رنگ بوده و نوک و گوشه های شعله به رنگ ارغوانی کم رنگ می باشد. شعله ی خنثی فلز را بدون تغییردادن خواص ذوب می کند و سطح فلز را تمیز باقی می گذارد.
 

3- شعله اکساینده (Oxidizing Flame)
زمانی که مقدار اکسیژن از مقدار گاز مورد مصرف بیشتر باشد شعله ی اکساینده به وجود می آید. این شعله در حالت کلی شبیه به شعله ی خنثی است اما مخروط داخلی آن کوتاه تر و کمی نوک تیزتر است و رنگ مایل به ارغوانی کم رنگ دارد. این شعله با یک صدای خاص “sss” می سوزد.
 
 
تنظیم شعله در دستگاه هوا- برش
برای تنظیم شعله با بازکردن شیر استیلن به مقدار یک چهارم تا نیم دور، ترچ را روشن کنید. حالا شیر اکسیژن را به آرامی باز کنید. رنگ شعله به تدریج تغییر کرده و از زرد به آبی می گراید. در این حالت شعله خواص شعله ی Carburizing را دارد. حال اگر شیر استیلن را به آرامی ببندید، خواهید دید که مخروط میانی شروع به کوچک شدن می کند تا هنگامی که به طور کامل ناپدید گردد. درست در هنگامی که مخروط میانی کاملا ناپدید می شود، شعله ی خنثی شکل می گیرد. برای دیدن تاثیر مقدار اضافه اکسیژن، شیر استیلن را بیشتر ببندید. یک تغییر قابل مشاهده اتفاق خواهد افتاد اما این تغییر به روشنی اختلاف بین استیلن اضافه و شعله ی خنثی نیست. تمام شعله از نظر اندازه کوچک تر می شود و تشخیص مخروط داخلی به راحتی ممکن نیست.
با توجه به اینکه تشخیص شعله ی خنثی از شعله ی اکساینده کار مشکلی است، برای ایجاد شعله ی خنثی و تنظیم شیرها همیشه از حالت استیلن اضافه شروع کرده و به تدریج مقدار اکسیژن را زیاد می کنیم. این کار را تا زمانی که مخروط دوم ناپدید شود ادامه می دهیم.
 
موارد ایمنی در استفاده و تنظیم دستگاه هوا- برش
دستگاه برش استیلن- اکسیژن مقدار حرارت بسیار بالایی را در حین کار ایجاد می کند. توجه داشته باشید که هر شیئی که در برابر شعله قرار بگیرد بسیار داغ خواهد شد. استفاده از فندک معمولی یا کبریت برای روشن کردن مشعل، موجب می شود تا دست شما بسیار نزدیک به شعله قرار گرفته و بسوزد.
فندک جوشکاری: راه صحیح روشن کردن مشعل، استفاده از فندک جرقه زن یا فندک جوشکاری است. این فندک را می توان با یک دست به کار انداخت و در دست دیگر مشعل را نگه داشت. جرقه به وسیله سنگ فندک تعبیه شده در بازوی متحرک فندک، در نتیجه اصطکاک با صفحه زبر، ایجاد می شود.
 
روش استفاده و تظیم ترچ یا مشعل اکسیژن- استیلن آموزش داده می شود.
قسمت اول: آماده سازی و موارد ایمنی
موارد ایمنی شخصی
هرگاه قصد استفاده از دستگاه را دارید از لباس های مخصوص محافظ و تجهیزاتی که مخصوص این کار است و مطابق قوانین ایمنی موجود در کشور می باشد، استفاده نمایید. از جمله این قوانین موارد زیر هستند:
- لباس کار مناسب و یکسره
باید شلوار بلند و پیراهن آستین بلند پوشیده شود و ترجیحا  بهتر است که از لباس کار یکسره برای این کار استفاده شود. آستین پیراهن یا پائین شلوار را بالا نزنید چون ممکن است جرقه های آتش باعث سوختن آستین جمع شده شوند.
- کفش ایمنی با نوک فولادی
پوتین ها باید دارای نوک فلزی باشند چون خطر سقوط اشیاء بر روی پا وجود دارد. نباید از کفش های کتانی و ورزشی استفاده کرد چون این گونه کفش ها به محض افتادن جرقه آتش دچار آتش سوزی می شوند و باعث سوختگی و صدمه دیدن پای افراد می شوند.
- عینک محافظ و ماسک محافظ صورت
شدت نورهای حاصل از اکسیژن و استیلن بقدری است که به هنگام مدت طولانی جوشکاری پوست صورت کاملا خشک می شود و حالت بسیار ناراحت کننده ای ایجاد می کند و بیشترین آسیب را چشم ها می بینند که شدت آن در شب بیشتر کاملا مشخص می شود و دیدن را مختل می کند.
- دستکش ایمنی
پوشیدن دستکش های چرمی کمک می کند تا از دست های شما در برابر سوختگی محافظت شود. لازم است که از دستکش های چرمی با سر آستین بلند استفاده شود ( ترجیحا نوک انگشتان آن فلزی باشد).
بازبینی ایمنی
کپسول های اکسیژن و استیلن باید به صورت قائم و در جایی ایمن نگهداری گردند. از محکم قرارگرفتن کپسول ها به منظور اجتناب از افتادن آنها اطمینان حاصل کنید. افتادن کپسول ها می تواند صدمات جبران ناپذیری را ایجاد نماید.
* ترچ اکسیژن- استیلن حرارت بسیار زیادی را ایجاد می کند. با توجه به اینکه قرارگرفتن اشیاء در برابر این شعله موجب داغ شدن زیاد و آتش سوزی می گردد، در نتیجه قراردادن مشعل در برابر اشیاء مختلف اجتناب کنید.
* همیشه یک کپسول آتش نشانی مناسب و سالم برای محیط کار آماده داشته باشید. آب نمی تواند در فرو نشاندن آتش های ناشی از روغن و گریس موثر باشد اما وجود یک سطل آب می توتاند در فرونشاندن آتش های کوچک ناشی از سوختن چوب و سرد کردن بخش های آتش گرقته موثر باشد. از پارچه مرطوب هم می توان برای فرونشاندن آتش شعله که  بر روی شلینگ یا اتصالات ایجاد شده است استفاده کرد. ماسه هم می تواند برای فرونشاندن آتش موثر باشد. همچنین وجود یک گاز انبرقوی درکنار شما لازم است چون با استفاده از آن می توان در صورت نیاز برای جابجایی اشیاء داغ  استفاده کرد.
* هیچ گاه مشعل را در مجاورت مواد آتش زا (مانند گریس، روغن، رنگ، خاک اره و ...) به کار نبرید.
 
به موارد زیر در محیط کار حتما توجه نمایید:
- چنانچه یکی از سیلندرها بیفتد و شیر اصلی بشکند، کپسول آسیب دیده بسیار خطرناک شده و امکان بروز خسارات جدی وجود خواهد داشت.
- حتما از لباس کار مناسب استفاده نمایید لباس های نایلونی، پلی استری و لباس هایی که از مخلوط الیاف مصنوعی بافته شده اند، هرگز برای حفظ ایمنی شما در کار کافی نیستند. جرقه های داغ فلزی به راحتی از چنین پوشش هایی عبور کرده و سبب سوختگی می شوند.
- همیشه از عینک محافظ استفاده کنید. از عینک های آفتابی استفاده نکنید. این عینک ها نمی توانند نور ماوراء بنفش ایجاد شده در هنگام کار را به خوبی فیلتر کنند.
- هیچ گاه شعله را به سمت شخص دیگر یا مواد آتش زا نگیرید.
- فلزاتی که حرارت دیده و داغ هستند را با استفاده از گچ علامت بزنید تا دیگران از دست زدن به آنها خودداری کنند.
 
قسمت دوم: دستورالعمل مرحله به مرحله
1- تجهیزات را بررسی کنید.
ابتدا از بسته بودن کامل شیرهای اکسیژن و استیلن اطمینان حاصل کنید. کپسول ها باید کاملا قائم باشند.
2- خالی کردن گاز درون سیستم
برای خالی کردن گاز موجود، ابتدا از بسته بودن شیر اصلی کپسول گاز اطمینان حاصل کنید. ترچ را بردارید. رگولاتور اکسیژن را در جهت گردش عقربه های ساعت باز کنید. شیر اکسیژن ترچ را نیز باز کنید. این کار تمام گازی که درون سیستم باقی مانده باشد را خالی می کند.
3- فشار گازها را تنظیم کنید.
4- بازرسی محیط
قبل از روشن کردن ترچ، محیط کار را برای اطمینان از عدم وجود مواد اشتعال زا بررسی کنید. شعله ی مشعل نه فقط بسیار داغ است بلکه اشعه ی ماوراء بنفش بسیار خطرناکی نیز تولید می کند که ممکن است به چشم های شما آسیب بزند. لازم است که حتما لباس مناسب، دستکش و ماسک محافظ صورت تیره رنگ استفاده کنید.
5- روشن کردن مشعل
سر ترچ در هنگام روشن کردن باید به سمت پایین و دور از بدن و کپسول های گاز گرفته شود. شیر استیلن را به آرامی باز کنید. شما در این حالت صدای خارج شدن گاز را می شنوید. فندک جرقه زن را مقابل مشعل قرار دهید. با جرقه ی حاصل از فندک، گاز استیلن در نوک مشعل شروع به سوختن می کند. شیر استیلن را به آرامی بیشتر باز کنید تا دود سیاه خارج شده از مشعل ناپدید شود، سپس شیر اکسیژن روی دسته ی ترچ را به آرامی باز کنید.
6- شعله را تنظیم کنید
وقتی شیر اکسیژن را باز می کنید، رنگ شعله تغییر پیدا می کند. استیلن خالص به رنگ زرد می سوزد و با اضافه کردن اکیسژن رنگ شعله به آبی تغییر پیدا می کند.
7- خاموش کردن مشعل
ابتدا  شیر گاز استیلن یا هر گازدیگری را که برای سوختن استفاده می کنید ببندید سپس شیر گاز اکسیژن را ببندید. توجه کنید که اگر ابتدا گاز اکسیژن را ببندید این امر می تواند سبب "پاپ" (یعنی انفجار خیلی کوچک در سرشعله ) می شود که علتش آن است که هنوزدر سر شعله مقداری گاز استیلن باقی مانده است که می تواند با هوای اطرافی که وارد نازل شده است ترکیب شود و همان حالت انفجار را تولید کرده و دوده را نیز به بیرون پرتاب کرده و بخشی از مسیر گاز را نیز مسدود کند .
 
نکات ایمنی و پیشگیری از حوادث در هنگام کار:
1) کپسولهای اکسیژن و استیلن بایستی از منابع حرارتی دور بوده و از محل کار حداقل 3 متر فاصله داشته باشند .
2) هواکشهای محل کار باید به خوبی کار کنند .
3) کلیه اتصالات مربوط به گازهای مورد مصرف بایستی کاملاً آب بندی شوند. آب بندی آنها را می توان با استفاده از کف صابون و با کمک یک قلم مو کنترل نمود .
4) کپسولهای استیلن را در مقابل ضربه، افتادن، حرارت دیدن و یا یخ زدن محافظت نمائید. در صورت یخ زدن محتویات مخزن از آب گرم به ترتیبی استفاده کنید که از گرم شدن بیش از حد کپسول جلوگیری گردد .
5) کپسول استیلن را در مقابل حرارت و تابش نور خورشید محافظت نمائید.
6) برای محافظت چشم در مقابل درخشندگی شدید محل جوشکاری و جهیدن در هنگام کار از عینک های محافظی که شیشه های تیره ای که دارند استفاده نمود .
7) در موقع جوشکاری حتماً از لباس کار یقه بسته استفاده کرده و حتی الامکان از پیشبند و کلاه محافظ و دستکش چرمی استفاده نمایید .
8) کاغذ و پارچه و چوب  و مواد قابل اشتعال زای دیگر را از محل جوشکاری دور نگه دارید .
9) در صورتی که شعله در یک جوشکاری یا یک برش پس بزند بایستی بلافاصله شیر اکسیژن و سیلندر را ببندید.
10) اگر احیاناً شیلنگ استیلن آتش گرفت فوراً شیر اصلی را بسته و سپس اقدام به خاموش کردن آتش نماید.
11) با توجه به اینکه کارگر حین انجام کار با دستگاه برش اکسی- استیلن با اکسیژن خالص سر و کار دارد، استفاده از لباس کار روغنی و گریسی می تواند سبب آتش سوزی و ایجاد خطرات جانی و یا سوختگی شدید شود. هیچگاه از فشار گاز اکسیژن برای تمیز کردن لباس کار استفاده نکنید . چون اکسیژن می توان باعث اشباع مواد قابل اشتعال شده و قابلیت اشتعال آن را 8 برابر نماید.
12) هیچگاه رگولاتور اکسیژن را چرب و روغنکاری نکنید این کار می تواند باعث آتش سوزی و انفجار شود.
 
نشت استیلن
جریان سوخت و نیز میله هایی که برای جوشکاری استفاده می شوند همگی بخارات سمی را از خود بیرون می دهند ضمن اینکه گاز استیلن فوق العاده انفجاری است و به همین جهت باید اطمینان حاصل شود که قبل از شروع جوشکاری  تهویه محل جوشکاری بخوبی صورت می گیرد .
استیلن عموما بویی شبیه به سیر شیرین دارد اگر بوی آن را استشمام کردید و ندانستید که این بو از کجا می آید فورا باید محل را ترک کنید و سپس با اداره اتش نشانی تماس بگیرید. از تلفن بیرون برای این کار استفاده کنید چون خود تلفن زدن می تواند باعث انفجار بخارات و آتش سوزی شود. البته آشکار نبودن بوی گاز نمی تواند دلیلی بر نبودن گاز در محل باشد چون ممکن است که گاز در محل باشد ولی بوی آن به مشام شما نرسیده باشد یا اینکه شما دچار سرماخوردگی و عفونت بینی باشید و یا سیگاری باشید و نتوانید بوی گاز را بخوبی حس کنید. در محلهای محدود و بسته باید به هنگام کار از ماسک های مخصوصی که برای این کار طراحی شده اند استفاده کنید.