Nghiên cứu công nghệ và ứng dụng cắt kim loại bằng phương pháp plasma trên máy cắt CNC

Năm 1900-1902 trong công nghiệp đã sản xuất được các bít can- xi CaC2 và sau đó hàn khí cắt khí ra đời Các phương pháp cắt thông thường cắt ô-xy, cắt hồ quang điện chỉ cho phép cắt thép

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những nghiên cứu và các kết quả đợc trình bày trong luận

văn này là của riêng tôi, không sao chép từ bất kỳ

các nghiên cứu của ngời khác

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu sai

dẫn, các đồng nghiệp ở trong, ngoài trờng đã đóng góp nhiều ý kiến và giúp đỡ tôi

để bản luận văn này đợc hoàn thành

MỞ ĐẦU

Khoảng đầu thời đại đồ đồng, đồ sắt người ta đã biết hàn kim loại, Từ cuối thế kỷ 19, vật lý, hoá học và các môn khoa học khác phát triển rất mạnh Năm 1802 nhà bác học Nga v.v pêtơrốp đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện

và chỉ ra khả năng sử dụng nhiệt của nó để làm nóng chảy kim loại Năm

1882 kỹ sư bê-na-đớt đã dùng hồ quang cực than để hàn, cắt kim loại Năm

1888 Sla-vi-nốp đã áp dụng cực điện nóng chảy- cực kim loại vào hồ quang điện

Năm 1900-1902 trong công nghiệp đã sản xuất được các bít can- xi (CaC2) và sau đó hàn khí cắt khí ra đời

Các phương pháp cắt thông thường (cắt ô-xy, cắt hồ quang điện) chỉ cho phép cắt thép các bon thấp, không thể cắt được gang , thép hợp kim cao(trên 5% Cr), nhôm đồng và các hợp kim của chúng, vì sau khi ô-xy hoá lớp đầu, nhanh chóng trên bề mặt kim loại chỗ bắt đầu cắt tạo nên màng ô-xýt khó chảy hoặc có độ nhớt cao Cr2O3, Al2O3, SiO2 màng ô-xýt này làm cho quá trình ô-xy hoá không tiếp tục được và bị ngắt mà muốn cắt được phải dùng phương pháp cắt bằng ô-xy thuốc Quá trình cắt bằng ô-xy thuốc dữa trên cơ

sở đẩy bột thuốc vào vùng phản ứng để có thể hoà tan hay làm nóng chảy xýt khó chảy và đẩy chúng khỏi rạnh cắt Điều kiện cần thiết là thuốc phải tự cháy trên mặt kim loại cắt đã được nung nóng do đó khoảng cách giữa pép cắt

ô-và mặt kim loại phải tương đối lớn, khoảng cách đó phụ thuộc chiều dày kim loại và phương pháp đẩy thuốc khi cắt thép không rỉ chiều dày dưới 100mm khoảng cách đó khoảng 15-40mm Nhiệt lượng của ngọn lửa nung nóng không những nung nóng kim loại cắt mà còn cả thuốc nữa nếu công suất của ngọn lửa đó không đủ Thuốc đẩy vào rãnh cắt sẽ không cháy hết làm cho quá trình cắt có thể không bắt đầu được, hoặc không ổn định Trên thực tế công

suất ngọn lửa nung nóng, trong phương pháp cắt ô-xy thuốc lớn hơn so với phương pháp ô-xy thường 15-20%, khối lượng xỷ được tạo thành khá nhiều

do đó lượng tiêu hao ô-xy cũng phải nhiều để đẩy xỷ ra khỏi rãnh cắt do đó pép cắt phải dùng lớn hơn một số phương pháp cắt bằng ô xy thường

Cắt bằng hồ quang là lợi dụng sức nóng của cột hồ quang để thổi kim loại nóng chảy và lợi dụng sức thổi của hồ quang để cắt đứt kim loại nong chảy tạo thành đường cắt

Mặt cắt do hồ quang cắt ra sần sùi, đồng thời đường cắt cũng rộng Do

đó cắt hồ quang nói chung thường dùng để cắt kim loại không thể cắt bằng

ô-xy được, ví dụ như gang đồng thép không rỉ v.v

Các phương pháp cắt đặc biệt(cắt ô-xy dùng bột kim loại, cắt điện và điện ô-xy, cắt ô-xy- dây kim loại)cũng không đảm bảo mạch cắt bằng phẳng

và năng suất cao

Vào năm 1923 một khái niệm vật lí về một trạng thái đặc biệt của khí được gọi là Plasma Trong trạng thái này, các khí trở nên dẫn điện do kết quả của sự i-on hoá của các nguyên tử khí Do đó nó được biểu thị tương ứng với trạng thái thứ tư của vật chất

Để đưa đến trạng thái i-on hoá của các khí, cần phải có một nguồn năng lượng thích hợp nhất đó là nhiệt của hồ quang điện Bởi vậy có thể coi plasma

là một dạng hồ quang đặc biệt mà nhiệt độ của nó được nâng cao rất nhiều Trong kỹ thuật người ta còn gọi nó là hồ quang khuyếch đại (tăng cường) Với hồ quang plasma sẽ đáp ứng được các mục đích kỹ thuật, đặc biệt trong hàn, cắt kim loại

Với khả năng tác dụng kỹ thuật đặc biệt của mình công nghệ, thiết bị cắt plasma đã thu hút rất nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất, rất nhiều tài liệu

kỹ thuật , nhiều đề tài nghiên cứu khoa học liên quan đến nó được công bố với số lượng tăng cao hàng năm về cả lý thuyết cũng như vấn đề thực tiễn sản

xuất, phạm vi ứng dụng của plasma ngày càng được mở rộng ở các nước có nền công nghiệp phát triển như: Liên xô,Anh, Pháp, Mỹ, Đức đã ứng dụng công nghệ cắt plasma vào các ngành đóng tàu, gia công đường ống, xây dựng nhà máy điện nguyên tử, chế tạo máy hoá chất, trong ngành luyện kim Và có thể nói mức độ nghiên cứu khoa học về cắt plasma và khối lượng ứng dụng

nó trong công nghiệp thì Liên xô là nước dẫn đầu thế giới,

Tới năm 1955 khó khăn khi cắt thép hợp kim, nhôm, đồng và bất cứ kim loại và hợp kim nào đã được giải quyết nhờ hãng Linder (Mỹ) đưa ra được quá trình cắt Heli-Arc và khi phương pháp này phổ biến thì lấy tên (Cắt bằng tia plasma) hoặc (cắt plasma) Cho đến nay thì việc nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ cắt Plasma, ứng dụng thiết bị năng lượng Plasma và nguồn cung cấp vẫn không ngừng được nghiên cứu cải tiến và phát triển, các thế hệ máy mới liên tục được ra đời nhằm nâng cao chất lượng cắt, tốc độ cắt, nâng cao độ an toàn , giảm độc hại trong quá trình cắt cũng như khả năng ghép nối chúng vào hệ thống sản xuất linh hoạt FMS Máy cắt Plasma điều khiển theo chương trình số ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong gia công kim loại tấm

Trong những năm gần đây máy cắt kim loại NC,CNC đã được nhập nhiều vào Việt nam và hiện nay đang được được hoạt động ở trong một số nhà máy, viện nghiên cứu, các công ty liên doanh, các trường đào tạo cán bộ

kỹ thuật, các trường đào tạo nghề nhưng hiệu quả khai thác các máy này còn hạn chế do đó việc nghiên cứu tìm hiểu khai thác công nghệ trên máy CNC là nội dung của nhiều đề tài nghiên cứu

"Nghiên cứu công nghệ cắt kim loại bằng plasma và khả năng ứng dụng trong thực tế sản xuất"

Là một vấn đề quan trọng trong việc nghiên cứu công nghệ cắt kim loại bằng plasma

Để hoàn thành được luận văn thạc sỹ SPKT đã được sự giúp đỡ tận tình của các giáo sư phó giáo sư, tiến sỹ của trung tâm đào tạo sau đại học, khoa

cơ khí trường ĐHBK Hà nội và đặc biệt là được sự hướng đẫn trực tiếp làm

luận văn của GSTS Trần Văn Địch - chủ nhiệm khoa cơ khí trường đại học

Bách khoa Hà nội

Nhân dịp này tôi bày tỏ lòng biết ơn đối với sự đào tạo, giúp đỡ hiệu quả của các GS, PGS,TS, của trường ĐHBK Hà nội trong thời gian qua

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CẮT KIM LOẠI BẰNG

NHIỆT KHÍ 1.1 Các quy trình cắt kim loại bằng nhiệt khí và khả năng ứng dụng

chúng trong chế tạo cơ khí

Các phương pháp cắt kim loại có thể chia thành hai nhóm chính, cơ học

và nhiệt, các phương pháp cắt kim loại bằng nhiệt được phân theo sơ đồ sau

C¾t b»ng nhiÖt

¤-xy Hå quang «-xy Hå quang ¡n mßn tia löa Chïm ®iÖn tö Laser

Ngän löa Bét t¸c dông ho¸

Hå quang c¸c bon Hå quang kim lo¹i Hå quang kh«ng khÝ Hå quang plasma

Hình 1.1 Sơ đồ cắt bằng nhiệt

1.1.1 Cắt bằng ô-xy: Từ những năm 1900 - 1902 khi công nghiệp sản xuất

được cácbít canxi thì hàn khí, cắt khí cũng ra đời và được ứng dụng rộng rãi Cắt bằng ô-xy dựa trên phản ứng hoá học giữa ô-xy và kim loại ở các nhiệt độ cao tạo nên ô xít kim loại và các ô xít kim loại này bị thổi đi để tạo thành rãnh cắt Nhiệt độ cao cần thiết đạt được từ ngọn lửa khí- nhiên liệu ô-xy, khí nhiên liệu phổ biến là a-xê-ty-len (vì nhiệt độ của ngọn lửa khí ô-xy, a-xê-ty-len có nhiệt độ cao đạt tới 32000C)

Quá trình cắt bắt đầu bằng sự đốt nóng kim loại đến nhiệt độ cháy (ô xy hoá mạnh liệt) nhờ ngọn lửa hàn sau đó cho dòng ô-xy thổi qua, để đốt nóng kim loại đến nhiệt độ cháy, khi đã đạt đến nhiệt độ cháy, cho dòng ô-xy kỹ thuật nguyên chất (98 ÷ 99,7% O2) vào rãnh giữa của mỏ cắt và nó trực tiếp ô

xy hoá kim loại tạo thành ô-xít sắt và thổi xỉ lỏng khỏi rãnh cắt Sự tạo thành nhiệt do quá trình kim loại cháy trong ô-xy đã làm cho quá trình cắt được liên tục cho đến khi kêt thúc đường cắt

Cắt bằng ô-xy được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp luyện kim và gia công kim loại, đặc biệt là trong nghành luyện kim đen, đóng tàu, chế tạo

lò hơi, chế tạo đầu máy toa xe, xây dựng vv Hiện nay cắt bằng phương pháp thủ công vẫn được ứng dụng rộng rãi để cắt thép tấm, mặt tròn, và các chi tiết đơn giản hay phức tạp khác Cắt bằng máy cắt ngày càng phát triển và có năng suất cao, độ chính xác lớn, mép cắt phẳng nhất là cắt ô-xy, a-xê-ty-len thực hiện trên máy cắt CNC

Cắt bằng ô-xy, a-xê-ty-len rất khó khăn khi cắt gang do graphite và cementite cản trở sự ô-xy hoá sắt Nhôm và hợp kim nhôm, thép không rỉ, cũng rất khó cắt do Al2O3, Cr2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiều so với ôxít sắt Các kỹ thuật cắt ô xy đặc biệt sử dụng bột kim loại hoặc chất trợ dung hoá học để dùng để cắt các vật liệu đó Để có đường cắt sạch hiệu quả với tốc độ cao, thường sử dụng quy trình cắt bằng ô-xy, khí cháy

1.1.2 Cắt hồ quang ô-xy: Phương pháp này dùng để cắt, khoét rãnh hoặc

khoét lỗ kim loại bằng điện cực dạng que hàn, có sử dụng ô-xy

Điện cực có vỏ bọc bằng thuốc trợ dung, với chức năng ổn định hồ quang và làm sản phẩm cháy trong quá trình cắt trở nên lỏng hơn Lõi của điện cực là lõi rỗng dạng ống qua đó ô-xy được đưa trực tiếp vào vùng hồ quang nơi kim loại được cắt Kìm cắt được thiết kế đặc biệt để có khả năng dẫn điện đến điện cực và ô-xy đến hồ quang

Với phương pháp này, hồ quang được nung nóng sơ bộ trước, sự cắt kim loại thực tế được thực hiện bằng dòng ô-xy và thuốc trợ dung, nhờ phối hợp nung chảy, ô-xy hoá, hoà tan, tạo xỉ và phun cơ học Trong trường hợp vật liệu có tính chống ô-xy hoá cao, chẳng hạn như thép không rỉ, nhôm và hợp

kim nhôm Quá trình cắt chủ yếu do sự nóng chảy Trong trường hợp này, lớp vỏ bọc điện cực sẽ đẩy kim loại nóng chảy ra xa đường cắt tương tự tác dụng của kim loại bột hoặc chất trợ dung trong quy trình cắt thép không rỉ bằng ô-xy, axêty-len

Thiết bị dùng để cắt bằng phương pháp này là nguồn điện hàn hồ quang tay xoay chiều hoặc một chiều có đủ công suất Để cắt nhanh, người ta thường

sử dụng nguồn hàn một chiều cực nghịch Giá đỡ điện cực phải có lớp cách điện tốt để đảm bảo an toàn Các kích thước điện cực kiểu ống thép phổ biến

có đường kính 6mm, 8mm, chiều dài 450mm, đường kính lỗ 1,6mm, vỏ bọc trợ dung thường là loại vỏ bọc của hàn loại rutil(AWS E6013)

Để khoét lỗ, hồ quang được mồi bằng cách gõ điện cực vào điểm mong muốn ngay khi hồ quang ổn định, van ô-xy được mở ra Khi thao tác cắt lỗ bắt đầu, điện cực được đẩy vào và xuyên qua tấm vật liệu để tạo lỗ Lớp bọc điện cực sẽ ngăn cản sự ngắn mạch giữa điện cực và mặt trong lỗ

Thao tác cắt bắt đầu bằng thao tác cắt lỗ nêu trên điện cực nghiêng theo góc thích hợp và được kéo dọc theo bề mặt tấm với tốc độ hành trình tương ứng tốc độ cắt sử dụng kỹ thuật này, cho phép cắt thép các bon dày đến 75mm và cắt hợp kim không có thép dày đến 12.5mm Trong mọi bước thao tác, từ cắt lỗ, cắt, và kết thúc, lớp tráng phụ được duy trì liên tục tiếp xúc vơí kim loại nền, lớp này ngăn chặn sự phóng hồ quang giữa lõi và chi tiết gia công, đồng thời duy trì chính xác chiều dài hồ quang Gang và thép nhiệt luyện có thể xuất hiện các vết nứt ở bề mặt cắt Các thép không rỉ austenit, dễ

bị mòn liên tinh thể(ăn mòn dọc theo biên giới hạn), Khi được hàn bằng quy trình hồ quang, kim loại có bảo vệ, trở nên nhạy dọc theo đường cắt bằng quy trình hàn hồ quang ô-xy

Các mặt cắt thường nhám hơn đường cắt o-xy, a-xê-ty-len cần phải làm sạch , đục bỏ hoặc mài trước khi gia công tiếp tục Các mặt cắt gang đúc và thép nhiệt luyện không gia công được

Phương pháp này được áp dụng rất hiệu quả ở các xưởng đúc, xưởng phá

vỡ tàu cũ để cắt các vật liệu kim loại, có thể dùng để cắt dưới nước Để cắt dưới nước, giá đỡ cách điện tốt có trang bị bbộ khử tia lửa ngược, cần phải có

áp suất cao tác dụng lên kim loại đang được cắt

1.1.3 Cắt hồ quang, kim loại bằng tay:

Đây là phương pháp cắt thô sử dụng điện cực hàn thông dụng hoặc điện cực được thiết kế đặc biệt có đường kính từ 4 đến 6mm với cường độ dòng điện cao hơn so với hàn hồ quang tay 30-50% so với dòng điện hồ quang tương ứng Mặc dù có thể sử dụng dòng xoay chiều, nhưng dòng một chiều cực thuận được ưu tiên sử dụng Đôi khi có thể làm ẩm điện cực, nước trong lớp bọc điện cực làm giảm sự quá nhiệt điện cực và phân hủy trong hồ quang

để xuyên thấu sâu hơn

Các tấm dày không quá 10mm có thể cắt dễ dàng bằng cách dịch chuyển điện cực dọc theo đường cắt Đối với kim loại tấm dày hơn, cần cắt từ phía dưới tấm để kim loại và xỉ nóng chảy có thể dễ dàng thoát xuống dưới Đường cắt có thể bắt đầu từ mép tấm, hoặc cắt từ lỗ công nghệ xuyên qua tấm Để tạo điều kiện cho kim loại và xỉ nóng thoát ra ngoài, chiều dài hồ quang cần ngắn, trong lúc đồng thời đẩy que hàn vào vũng kim loại nóng chảy và chuyển động que hàn lên xuống theo hình lưỡi liềm Chuyển động lên trên cần nhanh, trong lúc chuyển động xuống dưới cần tạo ra được tác dụng đẩy kim loại và xỉ nóng chảy ra ngoài rãnh cắt Khi không có phương pháp nào tốt hơn, phương pháp này được sử dụng để khoét lỗ trong các ống, tấm,

để hàn các phần nối thêm sau đó

Cắt kim loại bằng hồ qang tay đặc biệt hiệu quả đối với kim loại và kim loại khó gia công, các tấm bọc thép, thép tôi có độ thấm tôi cao hoặc bị tôi trong môi trường không khí, thép không rỉ, trong các xưởng đúc sắt và các loại hợp kim không chứa sắt, điện cực cắt dùng để cắt các đẩu rót, đẩu ngót, cắt các khối lớn để đúc lại

1.1.4 Cắt bằng điện cực các bon khí nén:

Phương pháp này dùng dòng không khí nén để loại bỏ kim loại nóng chảy do hồ quang tạo nên Nó cho phép vát rãnh vật liệu kim loại Dòng khí nén tốc độ cao có hướng song song với điện cực các bon và hướng vào vị trí

hồ quang, có tác dụng thổi kim loại nóng chảy ra khỏi vùng đó

Các ứng dụng chủ yếu của phương pháp này là cắt kim loại, khoét bỏ những đường hàn hoặc vùng hàn bị khuyết tật và vát rãnh để chuẩn bị mép hàn Khác với cắt kim loại bằng nhiên liệu khí ô-xy dựa trên sự ô-xy hoá và loại bỏ xỉ nóng chảy thấp, cắt bằng hồ quang không khí chỉ làm nóng chảy mà không ô-xy hoá Quy trình này về cơ bản có tính vật lý, do đó có thể được dùng cho mọi vật liệu kim loại kể cả loại có màng ô-xít khó nóng chảy

Trong khi cắt, đầu điện cực các bon bị nung nóng đến nhiệt độ cao nhưng không nóng chảy Các bon ở đầu điện cực, bị ô-xy hoá và thăng hoa (chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái khí), do đó điện cực bị tiêu hao dần trong quá trình cắt Quy trình cắt có thể thực hiện bằng tay, bán tự động, hoặc

tự động

Điện cực được chế tạo từ hỗn hợp các-bon và gra-phít Các bon là vô định hình, cứng, chống mài mòn tốt Ngược lại graphít, là tinh thể lục giác, mềm, ôxy hoá ở nhiệt độ cao, tốc độ ô-xy hoá thấp, tính dẫn điện và dẫn nhiệt kém Để có hiệu suất tối ưu, điện cực phải cứng, chống mài mòn tốt, nhiệt độ ô-xy hoá cao, tốc độ ô-xy hoá thấp, dẫn điện tốt nhưng dẫn nhiệt thấp Các tính chất này đạt được bằng cách pha trộn hợp lý các-bon và graphit, chất

dính kết thích hợp được sử dụng Hỗn hợp được thiêu kết ở nhiệt độ cao để tạo ra điện cực graphít đồng nhất có điện trở thấp, và được mạ lớp đồng tinh khiết Lớp mạ đồng dùng để tăng khả năng dẫn điện, tăng thời gian vận hành, giảm bức xạ nhiệt, và tăng chất lượng đường cắt

Điện cực bọc đồng có hai loại, khác nhau ở tỷ lệ cácbon/graphít Loại thứ nhất dùng cho dòng một chiều, phổ biến nhất là dòng một chiều cực nghịch, có năng suất cao nhất Loại dùng cho dòng xoay chiều có chứa chất gây ổn định hồ quang (có thể dùng cho dòng một chiều cực nghịch khi cắt gang và hợp kim Ni Đường kính điện cực 4÷25mm, chiều dài 150 hoặc 300mm

Thiết bị dùng để cắt bằng điện cực các bon khí nén gồm: Máy hàn thông dụng có công suất cao, máy (hệ thống) khí nén, mỏ cắt chuyên dụng (có van đóng mở không khí nén, có thể được làm mát bằng nước)

Thông số cắt: Áp suất cắt 4÷6at (550÷690kpa) được dùng để đường cắt sạch với tốc độ tối ưu, nếu áp suất không đủ đường cắt sẽ rất nhám và chứa nhiều xỉ Các ống dẫn khí và các ống nối phải đủ lớn để lưu lượng khí nén đủ 2,5÷24lít/phút, khi cắt bằng tay, điện cực các bon được kẹp trong mỏ chìa ra ngoài tối đa là 150mm khi cắt hợp kim Fe và 100mm khi cắt hợp kim nhôm, chế độ dòng như bảng sau:

Bảng 1.1 Liên hệ giữa đường kính điện cực và cường độ dòng điện

quang chính xác bằng cách dịch chuyển mỏ cắt đủ nhanh dọc theo đường cắt Tiến độ cắt ổn định là cần thiết để bề cắt sạch và sắc nét

Đường cắt có thể thực hiện ở mọi vị trí Ở vị trí thẳng, cần phải cắt theo chiều đi xuống Ở vị trí ngang, đường cắt có thể từ trái sang phải hoặc phải sang trái với dòng khí nén phía sau điện cực Khi cắt trần, điện cực được kẹp chặt gần như song song với mỏ cắt, còn mỏ cắt phải nghiêng một góc để kim loại nóng chảy không rơi vào găng tay thợ cắt

Chiều sâu, chiều rộng, và biên dạng rãnh cắt được điều bằng các yếu tố kết hợp từ goác đẩy điện cực, tốc độ hành trình hồ quang và kích cỡ điện cực Góc đẩy nhỏ và tốc độ hành trình chậm làm tăng chiều sâu và thu hẹp rãnh, tốc độ cao và góc lớn sẽ làm rỗng rãnh Chiều rộng rãnh thường lớn hơn đường kính điện cực khoảng 3mm Với kích cỡ điện cực cho trước có thể đạt được rãnh rộng hơn bằng cách dao động (lắc điện cực) Tốc độ hành trình hợp

lý tuỳ thuộc kiểu kim loại được cắt, kích cỡ điện cực, cường độ dòng điện và

áp suất khí nén

Các ứng dụng của phương pháp cắt bằng hồ cực các bon khí nén, dùng

để cắt rãnh cho thép các bon, thép không rỉ, thép hợp kim thấp, thép man gan cao, gang, các hợp kim Al, Mg, Cu, và Ni Quy trình này cũng được dùng để loại bỏ lớp vật liệu đắp bề mặt cũ trước khi hàn đắp lớp mới Phương pháp này thích hợp để cắt rãnh mối hàn, trước khi hàn ở phía bên kia, cắt bỏ mối hàn bị khuyết tật để sửa chữa, cắt bằng cực các bon khí nén là phương pháp đơn giản và đa năng, được dùng nhiều để cắt các kết cấu thép tại hiện trường, xưởng đúc, xưởng phá dỡ tàu biển, xưởng lò hơi,

Ưu nhược điểm của phương pháp cắt bằng cực các bon khí nén: Có năng suất cao gấp 5 lần đục, có thể cắt rãnh sâu 9,5mm với tốc độ 600mm/phút Dễ điều khiển, loại bỏ các khuyết tật với độ chính xác cao Chiều sâu cắt dễ điều chỉnh, xỉ không ảnh hưởng đến tác động cắt, chi phí thiết bị thấp không cần

bình chứa khí và các bộ điều hoà trừ khi làm việc ở hiện trường Giảm được giá thành sản phẩm vì không cần dùng O2 hoặc nhiên liệu Dễ vẫn hành thợ hàn có thể vận hành được sau khi nghe hướng dẫn, trở nên thành thạo sau một thời gian ngắn Mỏ kẹp điện cực có thể thay đổi góc kẹp điện cực cho phù hợp công việc, nhẽ không gây mệt mỏi cho người thợ trong khi cắt, có thể vận hành ở nơi chật hẹp, không khó khăn khi điều chỉnh chế độ cắt khi cắt các vật liệu kim loại khác nhau Mặt cắt sạch và láng, sau đó có thể hàn hoặc hàn vẩy

mà không cần mài hoặc làm sạch So với cắt ôxy-khí nhiên liệu thì cắt bằng điện cực các bon khí nén ít tốn năng lượng hơn, chi tiết gia công ít bị biến dạng hơn

Tuy nhiên cắt bằng điện cực các bon khí nén tạo ra nhiều khói và tiếng

ồn cho nên cần phải có biện pháp tránh khói tốt, nếu làm việc trong khu vực kín, cần phải thông gió tốt

1.1.5 Cắt bằng hồ quang Plasma:

Plasma là khí dẫn điện bao gồm các điện tử, ion, phân tử trung hoà Plasma cắt kim loại có nhiệt độ từ 50÷30.000K, hình thành do thổi dòng khí tạo plasma- mà có thể là chất lỏng hoặc hỗn hợp khí và chất lỏng- qua hồ quang điện trong mỏ cắt

Vùng giữa catốt và anốt trong hồ quang, mật độ năng lượng lên đến

106w/cmm2 Đây thực chất là dòng hồ quang nén với tốc độ chảy của khí plasma đạt tới tốc độ âm thanh Theo định nghĩa, cắt plasma là nung chảy liên tục vật liệu cần cắt bằng dòng hồ quang plasma chuyển động dọc đường cắt cho trước, vật liệu bị nung chảy được thổi ra khỏi mặt cắt Trong quá trình cắt chỉ sử dụng khoảng 7÷30% năng lượng của hồ quang Cột hồ quang và dòng Plasma có đặc điểm của nguồn nhiệt đường

Thiết bị cắt plasma bao gồm nguồn điện, bộ điều khiển, một hoặc nhiều loại khí để có khí phun (qua lỗ) và khí bảo vệ, và mỏ cắt, thiết bị có thể vận

hành bằng tay hoặc cơ khí hoá Nguồn điện một chiều với điện áp hở mạch trong khoảng 120-140V và dòng điện 70-1000A Để cắt thép có chiều dày 75mm và nhôm có chiều dày 90mm cần điện áp hở mạch 400v và dòng điện đến 500A Thiết bị cắt bằng tay để đảm bảo an toàn cho người sử dụng có điện áp hở mạch 120-200v, dòng điện 70-100A, tốc độ cắt tương đối thấp, chiều dàycắt được đối với thép các bon 12.5mm đối với các hợp kim không chứa sắt đến 25mm

Bộ điều khiển có các van để điều khiển các khí và nước làm nguội theo yêu cầu, có thể điều khiển lưu lượng khí cắt thông qua các lưu lượng kế, có công tắc lưu lượng nước để dừng hoạt động thiết bị khi không đủ nước làm nguội các máy cắt tự động công suất cao có thể có tính năng điều khiển độ dốc của dòng điện và lưu lượng khí cắt

Các mỏ cắt có nhiều kiểu và đối với mỗi kiểu có nhiều đầu phun với đường kính lỗ phun khác nhau Dòng điện càng cao, lỗ phun phải có đường kính càng lớn Đầu phun được thiết kế theo hệ thống cắt plasma được sử dụng

và vật liệu được cắt Để đạt chất lượng cắt cao, các đầu phun nhiều cổng được

sử dụng, có các cổng phụ sắp xếp vòng tròn bao quanh lỗ chính

Trong thiết bị cơ khí hoá, các mỏ cắt bằng hồ quang plasma được lắp lên trên máy cắt định hình tương tự thiết bị cơ khí hoá thông dụng, quá trình cắt được điều khiển bằng sự theo dõi quang điện, điều khiển số, hoặc điều khiển bằng máy tính Với cắt bằng hồ quang plasma có thể cắt hợp kim nhôm dày 150mm với tốc độ 3mm/s, thép không rỉ dày 100mm với tốc độ 3mm/s, thép các bon dày 50mm với tốc độ 11mm/s

Tuy nhiên cắt bằng hồ quang plasma cần chú ý một số điểm, tạo ra hồ quang rất sáng, văng toé, khói, và ồn do đó cần phải có biện pháp bảo hộ khi làm việc Đặc biệt quan trọng là phải kiểm soát khói và tiếng ồn Một phương pháp kiểm soát khói là đặt vật liệu lên bàn cắt có nước ở mặt dưới Dòng

plasma tạo ra khói với tốc độ cao, va đập với nước gây ra cuộn xoáy, giữ các hạt khói trong nước

Tiếng ồn được kiểm soát bằng cách dùng giảm âm kết hợp với bàn nước nêu trên Bộ tiêu âm có dạng ống, gắn chặt vào thân mỏ cắt và giải phóng màn nước ở phía trước mỏ cắt Nước được bơm từ bàn nước, màn nước bao quanh mỏ cắt và bề mặt nước của bàn tạo thành tấm chắn giảm âm xung quanh hồ quang Bộ tiêu âm bằng nước hoàn toàn khác với lớp nước bảo vệ

và tia nước phun được dùng trong hệ thống cắt hồ quang plasma cải tiến

1.1.6 Cắt bằng ăn mòn tia lửa:

Gia công bằng tia lửa điện (hay còn gọi là xung điện) lần đầu tiên được

áp dụng ở liên xô cũ Cho đến nay công nghệ này đã được phổ biến rỗng rãi ở các nước phát triển Nhiều mô đun máy hoạt động theo công nghệ EDM được sản xuất với nhiều kiểu khác nhau, với cùng một nguyên tắc hoạt động: Dữa trên cơ sở "bắn phá điện cực" (chi tiết) để tách vật liệu chi tiết, có hai loại máy tồn tại với dụng cụ khác nhau:

- Máy EDM dùng cực thỏi

- Máy EDM dùng cực dây

Với ứng dụng cho việc gia công những vật liệu dẫn điện khó gia công: Thép tôi thép hợp kim cứng khó gia công

Tạo hình những chi tiết hệ lỗ có profinle phức tạp ở dạng thông suốt hay có đáy và những khoang hốc phức tạp khác

Nguyên lý gia công tia lửa điện: Gia công kim loại bằng tia lửa điện là một dạng gia công bằng phóng tia lửa điện để ăn mòn vật liệu gia công khi truyền năng lượng qua rãnh dẫn điện

- Điện cực đóng vai trò là dụng cụ cắt có độ cứng thấp hơn nhiều so với điện cực phôi(chi tiết gia công) lấy mềm cắt cứng

- Điện cực và phôi đều phải dẫn điện

-Khi gia công cả điện cực và phôi phải nhúng ngập trong một dung dịch không dẫn điện ở điều kiện nhất định

- Dòng điện một chiều có điện áp 100-125V từ nguồn qua biến trở R nạp vào tụ C Khi hai điện cực tiến lại gần nhau khe hở giữa chúng đủ bé thì tại đó xuất hiện tia lửa điện, chọc thủng lớp cách điện giữa hai điện cực, tạo nên rãnh dẫn điện Nhiệt độ ở vùng này lên tới hàng ngàn độ làm chảy lỏng, đốt cháy phần kim loại trên bề mặt gia công (cực dương) và tạo nên hình dạng cần thiết tuỳ theo hình dạng của điện cực dụng cụ (cực âm)

VD: sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện:

A

V

R C

- Không cần dụng cụ gia công có độ cứng cao hơn vật liệu gia công

- Tiết kiệm được nguyên vật liệu, nâng cao hệ số sử dụng vật liệu

- Công nghệ tương đối đơn giản và có khả năng gia công một bộ phận nhỏ của chi tiết lớn

- Năng suất bóc vật liệu ra khỏi vật gia công không lớn nhưng trong nhiều trường hợp có hiệu quả kinh tế lớn, nhất là khi các phương pháp gia công bằng cắt gọt thông thường không thực hiện được

Các biện pháp công nghệ gia công bằng tia lửa điện:

- Gia công bằng điện cực định hình:

Điện cực có hình dáng kích thước giống hình dáng sản phẩm cần gia công chuyển động khi gia công là chuyển động nhấn xuống lòng khuôn theo một chiều sâu nhất định Ngày nay việc gia công bằng tia lửa điện được kết hợp với điều khiển CNC làm cho năng suất được nâng cao, sử dụng các điện cực đơn giản kết hợp với các chuyển động theo quỹ đạo lập trình có thể gia công được các bề mặt có biên dạng khác nhau

- Gia công bằng điện cực dây:

Dây là điện cực đóng vai trò dụng cụ chuyển động giữa điện cực và phôi tạo nên bề mặt gia công Cả hai phương pháp đều thực hiện trong thùng chứa dung dịch chất lỏng không dẫn điện

1.1.7 Cắt bằng chùm tia điện tử:

Trong các nguồn nhiệt hiện đang được sử dụng trong công nhiệp nói chung và trong công nghệ cắt nói riêng thì chùm tia điện tử có khả năng cạnh tranh được với các nguồn nhiệt khác về mức độ tập trung năng lượng lớn nhất trên một diện tích nhỏ nhất

Chùm tia điện tử là dòng các điện tử tăng tốc có đỉnh nhọn Dòng điện tử

do catốt phát tăng tốc trong chân không sau đó được chiếu tiêu thành một vết kích thước nhỏ(đường kính chỉ bằng mấy phần trăm milimet đến vài milimet) Khi các điện tử tăng tốc bị hãm gần mặt vật kim loại động năng của chúng chuyển thành nhiệt năng Mật độ công suất tại chỗ hãm càng lớn sự đốt nóng kim loại càng mạnh

Sự phát hiện ra quá trình phóng nhiệt điện tử, sự ứng dụng các trường điện tĩnh và điện từ đối xứng dọc trục để chiếu tiêu các tia điện tử, sự phát triển kỹ thuật chân không, tất cả những cái mốc cơ bản của sự phát triển của công nghệ hàn, hàn bằng chùm tia điện tử bắt đầu từ những năm 50 của thế kỷ này

Tuỳ thuộc vào áp suất tăng tốc và tính chất của kim loại các điện tử có thể thấm sâu vào vật hàng chục micromet Sau khi va chạm nhiều lần điện tử mất năng lượng, thay đổi hướng và tốc độ chuyển động Góc lệch của điện tử sau khi va chạm tăng, tốc độ giảm, kết quả tại đoạn cuối của hành trình điện

tử tiêu tốn phần chủ yếu năng lượng của nó Như vậy sự đốt nóng điện tử xảy

ra trong vật thể khác với các nguồn nhiệt khác được ứng dụng trong hàn Sự toả nhiệt mạnh nhất quan sát được ở cuối hành trình của tia điện tử

Bằng phương pháp dùng chùm tia điện tử, phương pháp dựa trên cơ chế bay hơi vật liệu gia công dọc theo đường cắt trong chân không bằng chùm tia điện tử, cũng như dùng laser, có thể cắt được cả kim loại lẫn vật liệu phi kim loại, đảm bảo năng suất, độ rộng vết cắt và vùng ảnh hưởng nhiệt (vùng AHN) nhỏ, chất lượng cắt cao, và có thể gia công đường viền phức tạp nhưng

so với laser và các phương pháp cắt bằng nhiệt khí khác thì phương pháp dùng chùm tia điện tử phải sử dụng thiết bị phức tạp không tiện lợi trong khai thác Chẳng hạn phải đưa chi tiết gia công vào buồng chân không để có thể thực hiện qui trình đồng thời cần phải có thiết bị bảo vệ đặc biệt để ngăn ngừa bức xạ rơnghen cho người thao tác

Những công trình sử dụng laser đầu tiên trong ngành chế tạo máy được

áp dụng ở Thụy sĩ Từ năm 1966, với việc đưa sản xuất thiết bị khoan tự động bằng laser các ổ trục của đồng hồ, gia công laser đã phát triển nhanh chóng

Ngày nay, trong các công nghệ hiện đại như nhiệt luyện, cắt , hàn, khoan, khắc vv đều được sử dụng laser Trong số các phương pháp gia công vật liệu bằng laser thì cắt laser thì cắt bằng laser dùng phổ biến nhất, được ứng dụng

từ đầu những năm 1970 Với sự xuất hiện những laser CO2 có công suất lớn vào đầu những năm 1970 trong lĩnh vực gia công kim loại đã sử dụng rộng rãi một phương pháp bóc tách kim loại năng suất và chất lượng-Cắt laser khí thổi Việc cắt vật liệu diễn ra đồng thời dưới tác dụng của bức xạ laser hội tụ

và luồng khí (ô xy) thổi

VD: Sơ đồ cắt laser kèm theo khí thổi vào vùng tương tác (hình 1.3)

«-xy

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý cắt laser 1- Nguồn phát tia laser, 2- Gương phẳng, 3- Thấu kính, 4- Cửa sổ

5- Tiêu điểm, 6-Chi tiết

Những ưu điểm đặc biệt của phương pháp cắt bằng laser so với phương pháp cắt truyền thống là khi cắt không tồn tại tác dụng cơ học trên vật liệu gia công bởi vậy mà có thể cắt tấm mỏng, các chi tiết nhỏ, việc gá đặt đơn giản khả năng đạt được vết cắt hẹp chất lượng tốt và vùng ảnh hưởng (vùng AHN) nhỏ Hoàn toàn có thể tự động hoá quá trình cắt, dễ dàng tạo chuyển động

tương đối giữa chùm laser và phôi, có thể cắt được các biên dạng phức tạp, đạt được vận tốc cắt cao Những ưu thế này của phương pháp cắt laser mở ra một triển vọng lớn lao ứng dụng trong nghành chế tạo máy, cũng như trong nền sản xuất mềm dẻo linh hoạt ở các nước phát triển, công nghệ laser đã được ứng dụng rộng rãi Đối với nước ta thì công nghệ laser còn rất mới mẻ,

do vậy ứng dụng công nghệ này là một việc phức tạp Mặc dù vậy nhiều cơ sở nghiên cứu của ta vẫn tích cực triển khai và đã thu được các kêt quả đáng khích lệ, nhưng còn bị hạn chế vì cơ sở vật chất nghèo nàn, thông tin ít, nhiều

cơ sở muốn áp dụng nhưng không có vốn

Kỹ thuật laser đã cuốn hút một lực lượng đông đảo các chuyên gia bởi những tính chất đặc biệt của nó Chỉ trong một thời gian ngắn, kỹ thuật laser

đã có những bước nhảy vọt từ những mẫu trong phòng thí nghiệm ra đến sản phẩm hàng loạt Những tính chất đặc thù của laser thể hiện ở chỗ:

- Độ kết hợp và định hướng của laser rất cao

- Có thể tạo ra được những bức xạ kết hợp có cường độ cao ở vùng phổ nhìn thấy, hồng ngoại và tử ngoại

- Mật độ năng lượng cao ở cả chế độ liên tục và chế độ xung

Những tính chất quan trọng này cho phép phương pháp gia công bằng laser có thể cạnh tranh thành công với các công nghệ gia công vật liệu hiện

có Dưới đây là những ưu điểm cơ bản của công nghệ laser so với phương pháp gia công khác:

- Công suất bức xã cao (liên tục: 104-106 w/cm2, đỉnh xung: 108-109w/cm2), mật độ công suất bức xạ cao và có thể thay đổi được trong một giải rộng cho phép thực hiện trong thực tế tất cả các thao tác công nghệ dựa trên quá trình tương tác nhiệt với vật liệu kim loại cũng như vật liệu phi kim loại Trong thực tế, laser có thể cắt bất kỳ vật liệu gì không phụ thuộc vào cơ tính của chúng

- Thời gian nung nóng vật liệu ngắn có thể điều khiển thời gian tương tác của bức xạ trong khoảng từ 10 − 8 ÷ 1 S

- Vùng tương tác và ảnh hưởng nhiệt hẹp, độ rộng vết cắt, hàn tôi vv nhỏ (Khi cắt kim loại có miệng cắt bé khoảng 0,1 đến 1mm) cho phép độ biến dạng chi tiết gia công không đáng kể

- Đơn giản trong việc điều khiển chùm tia, khả năng chia chùm tia ra làm các chùm thành phần có công suất nhỏ hơn để trong cùng một thời gian nó có thể sử dụng cho nhiều quá trình công nghệ khác nhau

- Không có sức ỳ của chùm tia, không có sự mài mòn dụng cụ cắt-ở đây tức là chùm tia laser Gia công chùm tia laser cho phép loại bỏ sự tiếp xúc cơ khí với chi tiết Điều này cực kỳ quan trọng trong khi gia công những sản phẩm mỏng và dòn

- Quá trình nung nóng không phụ thuộc vào tính chất cơ học của vật liệu gia công, có thể gia công được các vật liệu khó gia công bằng những phương pháp truyền thống, có thể thực hiện được các quá trình luyện kim đặc biệt

- Gia công được những chi tiết có vị trí khó tiếp cận, gia công các dạng phức tạp và chính xác của các vết cắt, hàn vv

- Có thể tự động hoá toàn bộ quá trình công nghệ, theo dõi quá trình công nghệ bằng màn hình và không có bức xạ rơn ghen trong quá trình gia công

Như vậy, việc ứng dụng laser công nghệ trong công nghiệp cho phép:

- Tăng đáng kể chất lượng của vật liệu và sản phẩm, tăng năng suất lao động, tạo được các bề mặt của chi tiết và sản phẩm có tính chất định trước

- Giảm chi phí lao động của các quá trình công nghệ

- Tiết kiệm vật liệu gia công

- Phát triển các quy trình sản xuất mới mà chỉ có công nghệ laser mới thực hiện được

- Cải thiện điều kiện lao động và giảm bớt lao động thủ công

Trong nghành chế tạo máy, laser được sử dụng rộng rãi trong các công nghệ cắt, sử lý nhiệt và hàn gia công lỗ, rãnh Mặc dù vậy, người ta chỉ sử dụng vào những trường hợp có lợi thế về mặt kinh tế, kỹ thuật

Trong các phương pháp gia công vật liệu bằng laser thì cắt là phương pháp phổ biến nhất cơ sở của phương pháp này là quá trình bóc tách vật liệu bằng cách tách, làm nóng chảy, đốt cháy hoặc làm bay hơi tại chỗ bằng chùm tia hồi tụ của bức xạ laser Cắt laser được thực hiện trong dải mật độ công suất lớn từ 104 đến 108 w/cm2 Đặc điểm của quá trình này là thay đổi năng lượng và cơ chế cắt Thực tế có thể cắt bất kỳ loại vật liệu nào, thép các bon, thép hợp kim, các hợp kim nhôm, titan thuỷ tinh, composite, gỗ dán, cao su, vải, bê tông vv

Bằng laser ta có thể đạt được những vết cắt rất mảnh mà không nung nóng phần kim loại xung quanh vết, Có thể cắt được kim loại và phi kim loại rắn, giòn và nhạy với tác động nhiệt Các màng và tấm mỏng được cắt bằng bức xạ laser sẽ không có khuyết tật

1.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài:

Trước sự phát triển mạnh mẽ của các nền kinh tế hiện nay, để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của con người các mặt hàng công nghiệp cần phải được liên tục cải tiến và thay đổi không ngừng về kỹ thuật và mỹ thuật Không những thế các công ty, xí nghiệp luôn bị sức ép phải liên tục thay đổi mẫu mã, chủng loại sản phẩm để có thể tồn tại và phát triển trong môi trường cạnh tranh của cơ chế thị trường để làm được điều đó đòi hỏi quá trình sản xuất phải linh hoạt, các thế hệ máy CNC đã ra đời, và thay thế từng phần cho các thế hệ máy chuyên dụng, máy tự động trong các dây chuyền sản xuất cơ khí nhằm linh hoạt hoá dây chuyền sản xuất, giải pháp công nghệ tiên tiến CAD/CAM/CNC đáp ứng quá trình sản xuất linh hoạt đó

Ở nước ta hiện nay cùng với sự phát triển của ngành cơ khí thì công nghiệp đóng tàu biển, đóng toa xe và sản xuất máy nông nghiệp, máy chế biến nông sản thực phẩm cũng đang phát triển, do đó công nghệ cắt kim loại tấm là một vấn đề quan trọng trong việc nâng cao năng suất, nâng cao chất lượng sản phẩm và hạ giá thành sản phẩm Xem xét nghiên cứu các công nghệ cắt kim loại tấm bằng nhiệt khí nói trên, đối chiếu với tình hình thực tế về thiết bị và công nghệ chế tạo cơ khí của nước ta hiện nay ta thấy phương pháp cắt kim loại bằng tia plasma có những đặc điểm có thể ứng dụng phù hợp

+ Vùng giữa ca tốt và Anốt trong hồ quang, mật độ năng lượng cao lên đến

106w/cm2 Đây thực chất là dòng hồ quang nén với tốc độ chảy của khí plasma đạt tới tốc độ âm thanh

+ Kỹ thuật cắt plasma không kéo theo phản ứng hoá học vì vậy có thể cắt được kim loại màu, thép hợp kim mà không thích hợp với cắt ô-xy

+ Có thể thực hiện những đường cắt chất lượng cao đối với các kim loại nhôm (với bề dày đến 150mm với tốc độ 3mm/s) thép không rỉ(cho đến 100mm tốc

độ cắt 3mm/s) mà các phương pháp khác không thể cắt được hoặc rất khó khăn

+ Thời gian nung nóng vật liệu ngắn do đó có thể giảm vùng ảnh hưởng nhiệt

và biến dạng kim loại ít hơn so với cắt bằng ô-xy

+ Tốc độ cắt nhanh nhất là đối với thép các bon có chiều dày bé hơn 13mm

do đó có thể bù trừ cho chi phí của thiết bị plasma

+ Vùng tương tác vùng ảnh hưởng nhiệt, bề rộng mạch cắt nhỏ hơn so với cắt bằng ô-xy

Bảng 1-2: So sánh phương pháp cắt pla sma với các phương pháp cắt khác về

năng suất và chất lượng

Phương pháp

cắt

Tốc độ cắt m/phút

Bề rộng vết cắt mm

Độ sâu vùng ảnh hưởng nhiệt mm

1

5 0,5 0,1-0,3

0,5-0,8 5-10 1-2

3 2-3 2-5

7

0,3-0,5 - 2-4

5 1-2 0,5-1,8 10-12

10-80 15-30 1-2

+ Giảm chi phí lao động của các quá trình công nghệ

+ Cải thiện điều kiện lao động và giảm bớt lao động thủ công

+ Cắt plasma được sử dụng rỗng rãi trong các xưởng chế tạo phôi, gia công các chi tiết máy nhất là gia công phôi tấm

Bảng 1-3: Độ rộng vết cắt và độ sâu vùng AHN khi cắt thép các bon thấp

(bằng các phương pháp khác nhau)

Độ rộng vết cắt mm, ở các

độ dày mm

Độ sâu vùng ảnh hưởng nhiệt,mm ở các độ dày mm Phương pháp cắt

10 6 3 10 6 3 Laser

Ô-xy-a xêtylen

Plasma

0,4

1 3,2

0,3 0,9 3,2

0,3 0,7 3,2

0,075 0,8 0,5

0,05 0,6 0,4

0,05 0,5 0,3

Việc phát triển công nghệ cắt kim loại tấm bằng tia plasma là một đòi hỏi khách quan, trong đó việc nghiên cứu ứng dụng và khai thác công nghệ cắt plasma là rất quan trọng

Cắt kim loại bằng plasma là một quá trình rất phức tạp Chất lượng của

bề mặt cắt, năng suất cắt phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như:

1 Kết cấu của đầu cắt plasma

2 Thiết bị cắt plasma

3 Khí làm môi trường tạo Plasma

4 Chiều dày và tính chất nhiệt lý của kim loại cắt

5 Các yếu tố công nghệ

Trong đó các yếu tố công nghệ đóng vai trò quan trọng Các yếu tố đó chính

là thành phần của khí, hỗn hợp khí làm môi trường kiến tạo plasma, Chế độ cắt , kỹ thật cắt vv

Để nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng cắt kim loại tấm bằng plasma chúng tôi đa thực hiện các vấn đề sau

1 Nghiên cứu các phương pháp cắt kim loại bằng nhiệt khí

2 Cơ sở lý thuyết về cắt kim loại bằng plasma

3 Máy cắt plasma

4 Công nghệ cắt Plasma và nghiên cứu ảnh hưởng của bản chất kim loại cắt, chiều dày tấm cắt đến chế độ và chất lượng cắt plasma

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CẮT KIM LOẠI BẰNG TIA PLASMA

2.1- Nguyên lý của cắt bằng hồ quang Plasma:

Khi nhiệt độ của khí tăng cao, các nguyên tử khí bị i-on hoá và phân ly thành các điện tử (-) và các i-on (+) chuyển sang trạng thái hoạt động mạnh, trạng thái đó được xem là Plasma Như vậy khi ở nhiệt độ cao các nguyên tử trở nên hoạt động mạnh và dễ dàng hơn khi nhiệt độ thấp, nhiệt độ khí do năng lượng tăng cao Khi không khí ở trạng thái plasma do năng lượng điện cung cấp tạo ra hình dạng cột hồ quang và vùng xung quanh được làm mát, việc làm mát vùng xung quanh cũng rất khó khăn do điện trở tăng cao, mật độ dòng điện tập trung ở vùng trung tâm cột hồ quang làm cho nhiệt độ ở vùng này tăng cao Trung tâm cột hồ quang bị nén mạnh, nhiệt độ của hồ quang Plasma lên tới 165000c

Hồ quang plasma bị nén mạnh tại đầu mỏ cắt có nhiệt độ cao và tập trung có thể làm nóng chảy chi tiết dễ dàng, hồ quang plasma có thể dùng cho cắt

Đối với phương pháp cắt bằng khí cháy là dạng cắt dữa vào sự hoạt hoá, dùng phản ứng ô-xy hoá kim loại Còn phương pháp cắt hồ quang plasma là phương pháp cắt vật lý bằng cách dùng hồ quang Plasma có nhiệt độ cao, chi tiết được nung nóng bởi năng lượng nhiệt của cột hồ quang plasma và kim loại sau khi nóng chảy được thổi ra ngoài nhờ dòng khí pla sma có áp lực lớn

loại này dùng để cắt vật không dẫn điện, tôn mỏng, phun kim loại, hàn đắp hoặc cắt dũi bằng tay

Plasma hồ quang ngoài (hình 2-2) dùng phổ biến để cắt tự động thép hợp kim

và kim loại màu Trong mỏ cắt loại này có hồ quang với dòng bé (15-50A) gọi là hồ quang phụ, nó tạo cho hồ quang chính xuất hiện giữa điện cực vônfram (ca tốt) khi hồ quang chính xuất hiện thì hồ quang phụ tắt Mỏ cắt loại này cho phép cắt tốc độ nhanh do nhiệt lượng phát ra trực tiếp trên vật cắt

VD: Sơ đồ nguyên lý cắt plasma hồ quang trong

VD: Sơ đồ nguyên lý cắt plasma hồ quang ngoài

7

2 1

° °

6 Nuíc

5 4

3

Hình 2-2 Sơ đồ nguyên lý Plasma hồ quang ngoài 1- nguồn điện, 2- thiết bị tạo i-on hoá, 3- điện trở, 4- ca tốt

5- miệng đồng, 6- plasma, 7- vật cắt

Hồ quang phụ tạo bởi bộ phận i-on hoá phụ tần số cao Điện trở trong

hồ quang phụ làm giảm dòng hồ quang tới 15-50A Khi dịch plasma gần vật với khoảng cách chừng 10mm thì hồ quang chính xuất hiện tự động , dòng khí chuyển động bình thường và hồ quang phụ tắt Khi mỏ cắt tách khỏi kim loại cắt thì hồ quang chính tắt, hồ quang phụ xuất hiện và dòng khí giảm Mỏ cắt sẵn sàng cho lần cắt tiếp theo Trong thiết bị cắt plasma có cơ cấu khoá không cho mỏ cắt làm việc khi không có đủ nước làm nguội

Việc chọn môi trường tạo plasma có mức độ ảnh hưởng không nhỏ đến đặc tính của thiết bị Điều đầu tiên là thành phần tạo môi trường plasma, nó xác định cấu trúc của mỏ cắt Tuỳ theo thành phần tạo môi trường plasma là hỗn khí trơ hay trung tính, để chọn ca tốt không bị tiêu hao trong môi trường hoá học, cần phải tính đến việc phải thay catốt, thành phần chất lượng của môi trường tạo plasma cho phép thay đổi một cách căn bản các chỉ tiêu kỹ thuật của quá trình và trước tiên là tốc độ cắt và chất lượng cắt Từ đó rút ra

để chọn đúng môi trường tạo Plasma cần phải chứng minh được bản chất sự ảnh hưởng của nó đến công nghệ cắt và sự hoạt động của thiết bị Sự ảnh hưởng của thành phần tạo môi trường plasma đến công nghệ cắt được xác định bằng các đặc tính sau đây

Trong một biên dạng hình học đã cho của vòi phun và một dòng điện

đã cho thành phần của môi trường xác định cường độ trường của cột hồ quang bên trong và bên ngoài vòi phun, vì thế với sự thay đổi thành phần của môi trường có thể điều chỉnh lượng năng lượng nhiệt năng với một dải rộng thoát

ra trong cột plasma Thành phần của môi trường tạo plasma gây ảnh hưởng căn bản nhất đến giá trị cho phép lớn nhất của

Tính dẫn nhiệt của hỗn hợp tạo plasma phụ thuộc vào thành phần của

nó và nó ảnh hưởng căn bản đến hiệu quả truyền nhiệt đến tấm cắt Môi trường tạo Plasma có tác dụng tương hộ với sức nóng chảy của kim loại nó cho khả năng thay đổi độ sệt của kim loại, thay đổi ứng suất bề mặt và thành phần hoá học Nhờ có sự thay đổi thành phần môi trường, có thể tạo ra điều

kiện lý tưởng cho sự tác dụng làm nóng chảy kim loại từ hộc mỏ cắt, Ngăn ngừa tạo ra sự trôi xuống mép dưới của tấm cắt làm cho chúng dễ dàng tách

ra

Các khảo sát nghiên cứu cho thấy, môi trường plasma đơn sử dụng không hợp

lý trong khi cắt plasma

2.2.1 Argon: Việc sử dụng Argon như là một loại ga tạo plasma đơn độc là

không hợp lý được giải thích bởi đặc tính năng lượng của nó rất tồi trong trường hợp này đặc tính năng lượng được hiểu là khả năng của môi trường biến đổi năng lượng điện thành nhiệt và chuyển nó vào việc cắt kim loại

Đặc tính hồ quang Argon là cường độ điện trường thấp nhất, do đó khi cùng một dòng điện như nhau thì lượng nhiệt nó cho là thấp nhất Argon cũng

có tính dẫn nhiệt kém nhất so với tất cả các môi trường tạo plasma khác, do vậy lượng nhiệt được tạo ra của cung Argon được sử dụng với hiệu quả thấp

Về tốc độ cắt và khả năng cắt cũng thấp nhất khi có cùng các thông số

về dòng điện cũng như hình dạng hình học của mỏ cắt plasma Giá trị cho phép lớn nhất của

d

I cũng thấp hơn mhiều so với các trường hợp khác

Với một mức độ nào đó thì các đặc tính xấu về điện và nhiệt vật lý của Argon đã làm tăng đáng kể về tổn hao của nó (đánh giá theo quan điểm môi trường tạo plasma trong cắt plasma) Sự tăng tổn hao ở đây là do việc tăng tối

đa dòng điện cần thiết dùng cho một đường kính đã chọn của ống phun, ngoài

ra còn phải tăng lượng ga để đảm bảo khả năng của cột hồ quang, cả hai yếu

tố này dẫn đến sự tăng chi phí Argon khi tăng tốc độ cắt và chiều dày tấm cắt Trong thực tế thì việc tăng lượng tổn hao của Argon là không cho phép, bởi vì Argon là một trong những loại hơi hiếm và đắt

2.2.2 Nitơ: Là loại ga duy nhất có thể dùng độc lập trong môi trường tạo

plasma khi cắt, điều này được giải thích như sau Khi nhiệt độ tăng cao tính

dẫn nhiệt dung của Nitơ hoàn toàn rất cao, nhờ vậy mà cung Nitơ có thể đạt được hiệu quả cao, biến điện năng thành nhiệt năng và chuyển đến khâu cắt kim loại cuối cùng, kết quả là vận tốc cắt khi sử dụng Nitơ cao hơn mấy lần

so với sử dụng Argon, khi sử dụng hỗn hợp khí tạo plasma gồm hai nguyên tử khí sẽ tạo được khả năng cắt được tấm có chiều dày lớn hơn Trong cột hồ quang Nitơ hệ số hiệu dụng của việc sử dụng công suất nhiệt của hồ quang là rất cao Quá trình nghiên cứu cho thấy Nitơ đảm bảo chất lượng cao khi cắt thép không rỉ đặc biệt là đối với cắt tấm mỏng Chất lượng cắt hợp kim Nhôm

và hợp kim Đồng kém hơn khi cắt bằng hỗn hợp ô-xy nhưng vẫn tốt hơn Argon kỹ thuật Nitơ còn phức tạp khi có 1-2% ô-xy Khi nhiệt độ gần 6000c ô-xy bắt đầu tương tác với Vonfram tạo ra dây ô-xít để bay hơi (wo3, w2o3,

wo5) Do đó trong kỹ thuật Nitơ Catốt vôn fram cháy rất nhanh nếu giá trị dòng điện tăng hơn 500A trong (bảng 2.1) đưa ra tốc độ cháy của Catốt vônfram mà tác giả đã nhận được qua thực nghiệm

Bảng 2.1: Sự thay đổi chiều dài và trọng lượng của điện cực vonfram

Trong một giờ làm việc Cưòng độ I (A) Tổn thất năng lượng

g Giảm chiều dài mm

0,4 0,6 0,7 0,8 1,1

Nếu sử dụng Nitơ tinh khiết thì có thể nâng giá trị cường độ dòng điện lên nhưng Nitơ sạch không rẻ hơn Argon bao nhiêu

Tóm lại Nitơ khác với Argon là có thể tạo ga plasma đơn độc khi cắt Ngoài ra do năng suất thấp và khả năng cắt không cao, lĩnh vực ứng dụng của

nó hầu như chỉ giới hạn ở mức cắt cơ giới hoá các tấm không dày lắm, có ưu việt khi cắt thép không rỉ và cắt tay

2.2.3 Hêli: Việc ứng dụng hêli với tư cách môi trường tạo plasma có ưu thế

hơn Argon nhiều

Trong cột hồ quang hêli cường độ từ trường rất cao, qua đó cho thấy với độ lớn dòng điện như nhau cột hồ quang hêli cung cấp một lượng nhiệt năng rất lớn sự sụt áp Anốt cũng rất lớn để làm tăng một đơn vị thông lượng nhiệt trong lĩnh vực Anốt Hai yếu tố này đã đưa đến vận tốc cắt và khả năng cắt của cột hồ quang hêli rất cao so với Argon và gần tương đương các thông

số của Nitơ Việc nghiên cứu một cách có hệ thống cắt plasma trong khi không được tiến hành trên cơ sở các thí nghiệm riêng biệt có thể thu được khái niệm về các tính chất của cột hồ quang hêli

Ví dụ: Khi cắt đồng với độ dày 50mm với dòng điện 500A trên đầu cắt Plasma kiểu T12 với đường kính lỗ vòi phun 6mm vận tốc cắt đạt được 7m/h Với hồ quang Argon trên cùng một dòng điện và cùng chiều dày tấm đồng 50mm thì không thể cắt được

Với hồ quang Argon-hêli là gồm các thành phần tối ưu, trên cùng một dòng điện và các thông số làm việc của đầu plasma là như nhau thì vận tốc cắt đạt được là 12m/h từ đây có thể rút ra kết luận rằng, với các thông số năng lượng của mình cung hêli đóng vai trò thứ hai sau ô-xy Ngoài ra do sự đặc biệt hiếm và giá thành cao trong thực tế hêli không thể sử dụng được mặc dù

có giá trị cao trong môi trường pla sma độc lập cũng như giá trị bổ sung với Argon

Lĩnh vực có thể ứng dụng của hêli với giá trị tạo ga plasma để cắt các hợp kim, trên quan điểm cắt kim loại cắt kim loại thì ô-xy và Nitơ không cho phép cắt loại này

Trong các trường hợp này, đặc biệt là khi cắt các hợp kim có tính dẫn nhiệt cao hay cắt tấm có chiều dày lớn thì cần phải dùng hêli hay hỗn hợp Argon với hêli còn một mình Argon không thể cắt được

2.2.4 Ô-xy: Khi sử dụng ô-xy tuuyệt đối phải chú ý đến các tương tác hoá

học của môi trường tạo plasma với kim loại đang cắt khi kim loại cháy trong ô-xy nó toả ra một nhiệt lượng rất lớn nó có thể cộng với nhiệt của công suất cột hồ quang Như vậy lượng nhiệt này cần được tính vào trong cắt plasma điều này đã được khẳng định bằng cắt thực nghiệm

Khi cắt thép có thành phần các bon thấp với chiều dày 16mm với dòng điện 200A đã thu được vận tốc cực đại gần 60m/h đối với Nitơ (với đường kính lỗ phun là 3mm) lượng ga tiêu hao là 2,3m3/h khi gia thêm ô-xy và không thay đổi lượng tiêu hao ga thì vận tốc cắt có tăng mức độ nào đó Như vậy các thông số nhiệt vật lý của ô-xy và Nitơ gần như nhau(dung tích và tính dẫn nhiệt)

Như vậy có sự tăng lên của tốc độ cắt chỉ có thể giải thích được bằng

sự tương tác giữa ô-xy với thép Nếu cho rằng để làm chảy 1 gam kim loại có nhiệt độ ban đầu là 150c thì cần gần 300kalo thì khi cắt với tốc độ 60m/h để làm tan chảy kim loại thì công suất tiêu tốn từ bép cắt bằng

Nếu cho rằng tất cả các phản ứng được thực hiện của ô-xy xẩy ra đều tạo nên Fe2O3 thì trong 2,3m3/h ô-xy hao tốn và với hiệu quả nhiệt đốt cháy 196 kkalo/mol Công suất để đốt cháy đúng bằng toàn bộ ô-xy được dùng gần 7,5-

103w Trong khi đốt cháy hoàn toàn 2,1g sắt trong 1g còn làm nóng chảy 20g sắt trong 1g Tóm lại đạt được sự tăng lên của tốc độ không nhờ vào sự nóng chảy trực tiếp của sắt Còn kết quả lượng nhiệt tăng lên là nó được tách ra trong hốc cắt khi sắt cháy đặc biệt là lớp ở dưới Cần chú ý một điểm rằng vận tốc cắt tỷ lệ tuyến tính với sự tăng của lượng ô-xy trong hỗn hợp, điều đó có nghĩa rằng sự hiển diện của Nitơ trong hỗn hợp thực tế không ảnh hưởng đến quá trình cháy của sắt Cũng trong lúc ấy khi cắt ô-xy sự hiển diễn của tạp chất trong ô-xy sẽ làm giảm tốc độ cắt nếu lượng tạp chất chứa trên 30% thì quá trình cắt không thể thực hiện được

Sự phân biệt đó trong ảnh hưởng của tạp chất khi cắt plasma trong ô-xy

và trong cắt ô-xy có thể giải thích rằng, để đảm bảo sự cháy ổn định nhiệt độ trên bề mặt tiếp giáp chúng phải dự ổn định trong cắt plasma phụ thuộc vào nhiệt của hồ quang điện ô-xy chuyển qua cột hồ quang nó đốt cháy đến nhiệt

độ mà ở đó phần lớn ô-xy đã phân ly có nghĩa là ở vào trạng thái hoạt tính (phóng xạ) cả hai yếu tố đốt cháy cắt kim loại và kích hoạt (hoạt hoá) ô-xy trong cột hồ quang đảm bảo cho sự hiệu quả cao khi sử dụng ô-xy trong cắt plasma sự cần thiết của ảnh hưởng hai yếu tố khẳng định rằng Nếu ô-xy trong cắt plasma không cung cấp qua ống mà đi trực tiếp vào hộc cắt thì tốc độ cắt tăng lên hoàn toàn không đáng kể mặc dù kim loại vẫn ở trạng thái nung nóng Sử dụng ô-xy trong cắt plasma đối với thép dị nhiên là hợp lý bởi vì nó cho phép đạt được tốc độ cắt cao với dòng điện nhỏ, khi chiều rộng cắt không lớn, chất lượng cắt lúc này không kém gì chất lượng cắt bằng ô-xy thông thường, cùng lúc ấy với vai trò là tạo môi trường plasma độc lập ô-xy không

thể sử dụng được vì rằng tuổi thọ của catốt là cực kỳ thấp, vận tốc cắt ô-xy sạch thấp hơn khi dùng hỗn hợp Nitơ và ô-xy

2.2.5 Hyđrô: Hyđrô là loại khí tốt nhất để cắt plasma cũng như quá trình đốt

nóng cục bộ của kim loại Những đặc điểm sau đây của cung hyđrô sẽ chứng minh điều đó so với các khí đã nghiên cứu thì độ mòn (hao mòn của cực dương anốt) trong hyđrô là lớn các thí nghiệm của tác giả cho phép đánh giá lượng hao tổn của cực dương trong hyđrô trên cực dương bằng đồng lạnh, theo trình tự dùng điện thế 20-30v thì độ hao mòn điện cực cao hơn 3-4 lần so với argon, điều đó có nghĩa rằng chỉ vì tăng độ hao mòn của cực dương nên đại lượng thông lượng nhiệt riêng trong vùng cực dương tăng lên mấy lần Cường độ từ trường trong cột hồ quang plasma hyđrô cũng cao hơn 2-3 lần

so với argon trong hyđrô sạch với dòng điện vài trăm Ampe khi đường kính lỗ ống phun vài mm thì nghiên cứu đã không thực hiện được Như vậy sự cháy

ổn định của cột hồ quang plasma khí hyđrô với các thông số đã cho thực tế không cho phép Bởi vậy đại lượng cường độ từ trường trong cột hồ quang plasma hyđrô có thể xác định bằng kết quả nghiên cứu các hồ quang plasma khí hyđrô và thu được trên các cơ sở nghiên cứu quang phổ của cột hồ quang plasma argon-hyđrô và đường kính lỗ ống phun 5mm đạt được khoảng 5v/mm, cũng như vậy ở cột hồ quang plasma khí argon cường độ từ trường bằng 2,5v/mm

Nhờ có giá trị cường độ điện trường rất cao nên trong cùng một dòng điện thì ở cung hyđro toả ra một nhiệt lượng cực lớn từ đó rút ra cột hồ quang plasma hyđrô đạt được điều kiện tốt nhất để biến điện năng thành nhiệt năng Tính dẫn nhiệt của hyđrô cũng cao hơn nhiều so với các loại gas khác do đó đạt được tối đa việc sử dụng năng lượng nhiệt sản ra trong cột hồ quang plasma Để so sánh đầu ra các giá trị dẫn nhiệt của các khí ga mà có thể sử

dụng được trong cắt với vai trò là tạo plasma cho các nhiệt độ khác nhau ta có

bảng sau:

Bảng 2.2: Mối quan hệ của sự truyền nhiệt của gas plasma với nhiệt độ

Độ dẫn nhiệt Kkal/m.h đối với p=1at

Như vậy cho thấy lượng hao mòn của anốt cao, cường độ điện trường trong

cột cao và độ dẫn nhiệt rất cao Các yếu tố cơ bản đó cho phép nói rằng Hyđrô

là khí gas tạo plasma tốt nhất trong cắt

Hyđrô không đắt và cũng không hiếm, dù vậy Hyđrô vẫn chưa thấy

được ứng dụng trong công nghệ cắt với vai trò là khí tạo plasma độc lập

Ngoài ra sự làm việc ổn định trong quá trình cắt chỉ đạt được khi tỷ số giữa

đường kính ống phun với giá trị dòng điện ở giá trị tỷ số cao do đó không đạt

được tốc độ cắt cao Ngoài ra cũng như khi cắt trong ô-xy, cho thấy rằng

vận tốc cắt trong điều kiện cân bằng bền vững với một mình Hđrô thấp hơn so

với trong hỗn hợp Argon -Hyđrô Thậm chí khi tốc độ cắt ở giá trị thấp thì sự

ổn định sự cháy của cột plasma Hyđrô sẽ thấp hơn sự cháy của cột plasma

trong hộn hợp có cơ sở là Hyđrô Sự ổn định thấp và không thể làm việc được

khi giá tị tỷ số

d

I cao là nguyên nhân cơ bản không cho phép sử dụng Hyđrô đóng vai trò là một khí ga tạo plasma độc lập khi cắt

Phân tích các môi trường tạo plasma một thành phần khí độc lập cho phép chúng ta kết luận như sau:

- Có thể sử dụng Nitơ làm môi trường tạo plasma độc lập trong trường hợp tốc độ cắt và chất lượng cắt không đóng vai trò quan trọng

- Argon không được dùng bởi vì các tính chất cắt của chúng kém và giá thành rất cao

- Hêli hầu như rất hiếm cũng là loại gas đắt

- Trong ô-xy khó đảm bảo được độ dài thời gian làm việc của catốt

- Trong Hiđrô thì độ bền lâu của ống phun đầu plasma thấp

Như vậy không thể làm việc với môi trường tạo plasma một thành phần khí, dẫn đến sự cần thiết phải nghiên cứu các hỗn hợp nhiều thành phần và đầu tiên đơn giản nhất là hai thành phần

Sử dụng hai thành phần hỗn hợp tạo plasma cơ bản là chọn cho được các thành phần một cách phù hợp, là sự tương quan của chúng trong hỗn hợp, chúng đưa lại các thông số tối ưu nhất cho cột hồ quang plasma về năng lượng cũng như độ ổn định về sự cháy của cột hồ quang Nếu quá trình cắt chỉ giới hạn ở mức nung chảy kim loại cục bộ thì các điểm cơ bản mà các thành phần hỗn hợp phải đạt là:

- Phải đạt được các thông số năng lượng cao cho cột hồ quang plasma

- Các thành phần trong hỗn hợp phải đảm bảo được chức năng ổn định sự cháy của hồ quang plasma Khi cần phải sử dụng các tác dụng hoá học để cắt kim loại với môi trường tạo plasma cơ bản của các thành phần hỗn hợp, gas phải có hoạt tính hoá học đối với kim loại cắt

- Có khả năng giảm được sự ăn mòn catốt

Xuất phát từ các yêu cầu đó tất cả các hỗn hợp được dùng trong cắt có thể chia làm hai nhóm

- Nhóm chứa ô-xy