Phương pháp gia công đặc biệt: Gia công bằng hồ quang plasma

Bản chất : • Dựa trên đặc điểm của hồ quang thắt • Có khả năng xuyên sâu vào kim loại và làm nóng chảy nó theo mép cắt • Dùng dòng Plasma có nhiệt độ từ 10.000 - 14.000 độ C làm kim loạ

3.4 Gia công bằng hồ quang plasma

Sơ lược Plasma

3.4.1 Bản chất và phân loại

3.4.2 Thiết bị tạo plasma

3.4.3 Gia công bằng hồ quang plasma

 Sơ lược plasma

• Lịch sử phát triển

 Cắt plasma được phát triển vào năm 1960

 Năm 1980 nổi lên như một phương pháp hữu hiệu cho cắt các tấm thép lá và

thép tấm

 Tạo ít phôi vụn và bề mặt chế tạo chính xác hơn, sạch hơn

 Với sự phát triển của máy công cụ, công nghệ CNC được áp dụng vào cắt

plasma trong những năm sau 1980 đến năm 1990

 Sơ lược plasma

• Khái niệm plasma

Plasma “dạng vật chất thứ 4”Vd: H2O

• Khái niệm plasma

Khi năng lượng ở dạng nhiệt tác động vào nước đá ( băng ), nước đá tan chảy thành nước

• Khái niệm plasma

Khi nhiều nhiệt lượng hơn chuyển vào nước, nước bốc hơi thành hơi nước (trạng thái khí)

• Khái niệm plasma

Cuối cùng khi bổ sung nhiệt lượng vào khí, khí bị ion hóa.Khí ở trạng thái dẫn điện gọi là plasma

3.4 Gia công bằng hồ quang plasma

3.4.1 Bản chất và phân loại

a. Bản chất : Sử dụng nhiệt độ cao làm nóng chảy kim loại vật cắt, khí thổi với áp

suất cao đủ để thổi kim loại nóng chảy ra khỏi mặt cắt

Một vài chất khí tạo plasma :

•. Argon(Ar)

•. Nitơ(N2)

•. Hêli(He)

•. Hiđrô(H2)

3.4 Gia công bằng hồ quang plasma

3.4 Gia công bằng hồ quang plasma 3.4.1 Bản chất và phân loại

c Phân loại :

- Theo các biện pháp thu nhận plasma

• Gây nổ dây dẫn điện trong mạch điện

• Tia lửa điện

• Sự phóng điện vầng quang cao tần

• Sự phóng điện ăn mòn

• Sự phóng điện hồ quang

3.4 Gia công bằng hồ quang plasma

3.4.2 Thiết bị tạo plasma(plasmatron)

-Thiết bị tạo plasma là thiết bị kỹ thuật điện gồm

+ Điện cực

+ Buồng phóng điện

+ Bộ phận tạo ra luồng plasma

+ Hệ thống đầu phun ngọn lửa plasma

+ Hệ thống điều khiển sự phóng điện hồ quang

3.4 Gia công bằng hồ quang plasma 3.4.2 Thiết bị tạo plasma(plasmatron)

-Thiết bị tạo plasma là thiết bị kỹ thuật điện

3.4 Gia công bằng hồ quang plasma 3.4.2 Thiết bị tạo plasma(plasmatron)

-Thiết bị tạo plasma là thiết bị kỹ thuật điện

3.4 Gia công bằng hồ quang plasma 3.4.2 Thiết bị tạo plasma(plasmatron)

Thiết bị tạo plasma nhiệt độ thấp

3.4 Gia công bằng hồ quang plasma 3.4.2 Thiết bị tạo plasma(plasmatron)

Các kiểu hồ quang plasma

1 Khái Niệm

Tập hợp các hạt tích điện bao gồm số lượng tương đương các ion dương và các điện tử

Có đặc tính của khí nhưng dẫn điện tốt hơn

Ion hóa khí tạo ra các điện tử tự do và các ion dương giữa các nguyên tử khí

Khí trở thành dẫn điện với khả năng mang dòng điện

Ví dụ : Một dạng của Plasma trong tự nhiên là hiện tượng tia chớp trong mưa giông

2 Bản chất :

• Dựa trên đặc điểm của hồ quang thắt

• Có khả năng xuyên sâu vào kim loại và làm nóng chảy nó theo mép cắt

• Dùng dòng Plasma có nhiệt độ từ 10.000 - 14.000 độ C làm kim loại nóng chảy cục bộ tại vị trí cắt và dùng áp lực của dòng khí đẩy phần kim loại nóng chảy ra khỏi vị trí đó

• Quá trình cắt plasma có 2 giai đoạn là :

- Dòng khí làm nóng chảy và xuyên thủng vật liệu

Quá trình cắt plasma có 2 giai đoạn là :

- Dòng khí làm nóng chảy và xuyên thủng vật liệu

-Dòng Plasma di chuyển theo đường đã vạch sẵn để cắt vật liệu

2 Nguyên lý gia công :

 Sử dụng miệng đầu phun thích hợp để làm thắt lại luồng khí ion hóa có nhiệt

độ rất cao

 Sử dụng để làm nóng chảy và cắt đứt các kim loại dẫn điện

 Plasma được sử dụng để chuyển năng lượng âm (-) cung cấp bởi một nguồn điện từ mỏ plasma đến vật liệu cắt

 Mỏ plasma là công cụ lắp các phụ tùng tiêu hao và có vai trò cung cấp chất làm mát (khí hoặc nước) cho các phụ tùng này

Cắt bằng hồ quang Plasma được chia làm 2 loại là cắt trực tiếp và gián tiếp

• Cắt hồ quang bằng phương pháp trực tiếp

- Dưới tác dụng của nhiệt độ cao trong hồ quang nén,khí đi qua vùng tích điện hồ quang sẽ bị ion hóa rất mạnh, tạo thành luồng Plasma làm nóng chảy kim loại mép cắt Hồ quang tạo thành giữa kim loại nóng chảy và diện cực Vonfram không nóng chảy phân bố bên trong đầu cắt

• Cắt hồ quang bằng phương pháp gián tiếp

- Vật cắt không tham gia vào mạch tạo hồ quang

- Hồ quang cháy giữa điện cực vonfram và thành trong của đầu cắt

- Điện cực được nối với cực âm của nguồn điện,cực dương được nối với đầu cắt

- Khí tạo Plasma chủ yếu dùng argon và hỗn hợp argon- nitor

- Phương pháp này dùng để cắt kim loại có độ dày bé và vật liệu phi kim loại

• Khác nhau cơ bản giữa cắt hồ quang Plasma và cắt bằng ngọn lửa khí là khi cắt bằng hồ quang kim loại là mép cắt được nung chảy bởi hồ quang Plasma có nhiệt độ rất cao từ (5000 tới

200.000 độ C ) và tập trung

• Có thể cắt được tất cả các kim loại và hợp ki với vùng ảnh

hường nhiệt có kích thước rất bé.

• Chiều dài của hồ quang Plasma bị hạn chế

• Chỉ cắt được các các tấm kim loại và hợp kim có độ dài nhỏ

và trung bình.

Hồ quang Plasma dùng để cắt những vật liệu khó cắt hoặc không thể cắt nếu sử dụng phương pháp cắt khác

VD : Thép hợp kim chống ăn mòn, nhôm, magie, titan, đồng và gang

3 Dụng cụ và thiết bị gia công :

3.1 Nguyên lý hoạt động :

Một tín hiệu khởi động được gửi tới nguồn công suất DC Khi đó, đồng thời xuất hiện điện áp mạch hở (OCV) và khí phun ra mỏ

Mạch tần số cao (HF) được kích hoạt HF phóng hồ quang giữa điện cực

và đầu phun bên trong mỏ và hồ quang làm cho khí thổi qua đó bị ion hóa.

Khí dẫn điện tạo nên dòng điện giữa điện cực và đầu phun và kết quả là hình thành hồ quang mồi (pilot arc).

Khi hồ quang mồi tiếp xúc với vật cắt, hồ quang plasma hình thành giữa điện cực và vật cắt Hồ quang plasma làm nóng chảy kim loại, và luồng khí tốc độ cao thổi đi kim loại nóng chảy.

3.2 Cấu tạo của mỏ cắt

 Hồ quang wolfram được định hướng qua một ống dẫn khí trơ

 Ống dẫn này được bố trí giữa điện cực wolfram và kim loại nền giúp tránh được sự khuyếch tán hồ quang

 Tập trung dòng hồ quang vào phạm vi hẹp

 Tăng rõ rệt sự cấp nhiệt hồ quang, tăng nhiệt độ và điện áp hồ quang

Hệ thống này tạo thành dòng plasma.

Hồ quang wolfram được định hướng qua một ống dẫn khí trơ

 Ống dẫn này được bố trí giữa điện cực wolfram và kim loại nền giúp tránh được

sự khuyếch tán hồ quang

 Tập trung dòng hồ quang vào phạm vi hẹp

 Tăng rõ rệt sự cấp nhiệt hồ quang, tăng nhiệt độ và điện áp hồ quang

Mỏ cắt có 2 loại :

• Loại cong dùng cho cắt bằng tay

• Loại thẳng dùng cho cắt bằng máy

Ngoài ra mỏ cắt còn được phân loại theo tính chất của hồ quang :

 Plasmatron hồ quang trong : Công suất thấp, dùng cắt các vật không dẫn điện,tôn mỏng,phun kim loại,hàn đắp…

Plasmatron hồ quang ngoài : Dùng phổ biến để cắt thép hợp kim và kim loại màu, có tốc độ cắt nhanh do lượng nhiệt phát ra trực tiếp trên vật cắt

4 Thông số công nghệ và khả năng công nghệ

4.1 Điện áp hồ quang :

• Điện áp hồ quang luôn luôn thấp hơn điện áp nguồn điện chạy không tải

• Điện áp khi cắt các tấm mỏng là từ 120-200V và 400V đối với tấm dày

• Khi cắt đứt kim loại, hiệu điện thế không tải lên đến 500V, đồng thời kim loại dùng để cắt đứt có thể dày tới 200mm

4.2 Cường độ dòng điện nguồn :

• Là yếu tố quyết định hiệu quả kinh tế trong quá trình gia công, chọn đúng cường

độ dòng điện giúp làm giảm được hao phí làm điện cực

• Dựa vào kích thước sơ bộ của cực âm hay đường kính miệng vòi phun của đầu phát ra tia Plasma dể chọn cường độ dòng điện

4.4 Khoảng cách từ đầu phun đến chi tiết gia công :

• Việc điều chỉnh khoảng cách từ đầu phun đến chi tiết gia công rất quan trọng

• Khoảng cách từ 2- 5mm đối với các hỗn hợp khí và lơn hơn đối với không khí

• Khoảng cách này quá lớn làm giảm chất lượng cắt và tăng lượng khí sử dụng

• Chất lượng vết cắt phụ thuộc vào cường độ dòng điện, khí sử dụng, tốc độ cắt và khoảng cách giữa Plasmatron đến chi tiết gia công

5 Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng :

5.1 Ưu điểm :

• Có tính vạn năng, cắt được ki loại bất ky

• Tốc độ cắt lớn, vết nứt nhỏ, năng suất cao, đường rãnh cắt nhỏ

• Dễ dàng kết hợp với máy tự động

• Sử dụng nguyên liệu để cắt gọt

• Có tính kinh tế cao

• Làm mềm vật liệu và có thể gia công bằng phương pháp khác

• Năng lượng khí không hạn chế trong phương pháp này

• Sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp chế tạo hạng nặng

• Cắt kim loại chịu nhiệt cao theo kích thước yêu cầu

Hồ quang này tỏa ra một phần nhỏ bên cạnh hồ quang tập trung tại trung tâm của đầu phun

b Nguyên lý gia công

Khả năng xuyên sâu lớn của hồ quang plasma là kết quả của sự tập trung cao dòng nhiệt và ảnh hưởng lớn của dòng plasma đối với kim loại nóng chảy của bề mặt hàn Sức nén của hồ quang plasma mạnh hơn (6÷10) lần so với hồ quang tự do với cùng cường độ dòng điện, và khi cường

độ dòng điện tăng sức nén tăng theo quan hệ bình phương.

Sơ đồ nguyên lý

c Dụng cụ và thiết bị

Một hệ thống thiết bị hàn plasma bao gồm các bộ phận:

- Nguồn cung cấp và chuyển đổi điện

- Bô điều khiển plasma

- Thiết bị tuần hoàn nước làm mát

- Mỏ hàn

- Phụ tùng mỏ hàn

Nguồn điện hàn tương tự như hàn TIG, với bộ chỉnh lưu, dòng điện (100÷400)A , khoảng điện

áp hở mạch (65÷80)V

Sơ đồ thiết bị hàn plasma

Bộ phận quan trọng của thiết bị hàn plasma là mỏ hàn Mỏ hàn phải đảm bảo các nhiệm vụ:

- Dẫn điện cho điện cực

- Dẫn khí bảo vệ, khí tạo plasma

- Hình thành hồ quang plasma

- Hướng hồ quang plasma đến vị trí hàn

- Đảm bảo vị trí chính xác của các điện cực

Mỏ hàn phải được làm mát bằng nước và cực catot phải được cách điện khỏi các bộ phận cảu

mỏ hàn.

Cấu tạo cơ bản súng mỏ hàn plasma

d Thông số công nghệ và khả năng công nghệ

- Khi hàn các mối hàn vòng cần tăng cường độ hàn lúc mới bắt đầu và giảm lúc kết thúc Các mối hàn nhiều lớp được thực hiện như hàn hồ quang bình thường.

- Vì khả năng xuyên sâu khi hàn lớn nên không cần vát mép các vật hàn dày như hàn argon thông thường.

Quan hệ giữa dòng điện và điện áp khi hàn plasma

So sánh vùng ảnh hưởng nhiệt khi :

1 Hàn chùm tia điện tử

2 Hàn hồ quang plasma

3 Hàn TIG

e Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng

* Ưu điểm

- Sự tập trung năng lượng cao hơn

- Tính ổn định của hồ quang tốt hơn

- Lượng nhiệt cao hơn

- Tốc độ plasma lớn hơn

- Ít nhạy hơn đối với sự biến thiên chiều dài hồ quang

- Không làm nhiễm bẩn điện cưc vonfram

- Không đòi hỏi thợ tay nghề cao

- Không cần dùng tấm lót dưới vật liệu hàn

* Nhược điểm

- Thiết bị có giá thành cao

- Đầu phun có tuổi thọ ngắn

- Thợ hàn phải hiểu biết sâu về quá trình hàn plasma

- Tiêu thụ khí trơ tương đối cao

* Phạm vi sử dụng

Được sử dụng nhiều trong đóng tàu, kỹ thuật hạt nhân, điện tử, không gian và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác.

- Hàn ống thép không gỉ và ống titan (đường hàn dọc)

- Hệ thống ống chịu nhiệt và chịu áp lực cao

- Các bộ phận của động cơ tuabin

- Dàn ống làm việc ở nhiệt độ thấp và chịu áp lực cao

3.4.5 Tiện bằng tia plasma

b Nguyên lý gia công

-Giống như tiện truyền thống, chỉ khác là thay vì dùng dao tiện thì dùng đầu phun plasma.

- Khi tiện plasma thì nên dùng đầu phun có hồ quang trong, vì trong trường hợp này điện cực được làm mát bằng nước nối với cực âm của nguồn phát điện một chiều và từ điện cục đó nối qua điện cực của vòi phun với cực dương cảu nguồn phát.

Nguyên lý tiện plasma

Để quá trình ổn định thì phải giữa góc nghiêng giữa vòi phun plasma và mặt phẳng góc với mặt gia công khoảng 60˚

Chuyển động tương đối của vòi phun plasma so với chi tiết gia công

c Thông số công nghệ và khả năng công nghệ

Các thông số công nghệ tiện bằng hồ quang plasma gồm:

- Tốc độ cắt

- Tốc độ tiến cảu vòi phun

- Cường độ dòng điện

- Điện áp

- Tốc độ chảy của gas

- Góc đặt của vòi phun

Các thông số thực nghiệm khi tiện bằng hồ quang plasma

d Ứng dụng

- Tiện plasma có thể dùng để tiện thô, còn tiện tinh nên áp dụng tiện thông thường.

- Lớp trên của bề mặt thép chịu nhiệt khi tiện bằng tia plasma bị hóa mềm (từ 35HRC xuống còn 23HRC) Quá trình này rất thuận lợi để cho tiện tinh bằng phương pháp truyền thống.

- Trường hợp tiện các kim loại niken và thép chịu nhiệt, năng suất cao gấp 5÷10 lần tiện truyền thống