Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng sản phẩm khi cắt thép không rỉ bằng tia plasma

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP LÊ ĐÌNH SEN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM KHI CẮT THÉP KHÔNG RỈ BẰNG TIA PLASMA LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đồng Nai, 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP LÊ ĐÌNH SEN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM KHI CẮT THÉP KHÔNG RỈ BẰNG TIA PLASMA CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ CHÍ CƯƠNG Đồng Nai, 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày … tháng … năm 2016 Học viên (Ký tên ghi rõ họ tên) Lê Đình Sen ii LỜI CẢM ƠN Với kính trọng lịng biết ơn sâu sắc, Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới PGS TS Lê Chí Cương- người Thầy tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Tiếp theo Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam, Khoa đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí mơn Chế tạo máy tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Sau hết Tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên giúp đỡ suốt thời gian qua Xin trân trọng cảm ơn! Kính chúc Q thầy, dồi sức khỏe Học Viên Thực Hiện Lê Đình Sen iii MỤC LỤC NỘI DUNG TT MỞ ĐẦU TRANG Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Các quy trình cắt kim loại nhiệt 1.1.1 Cắt ô-xy: 1.1.2 Cắt hồ quang ô-xy: 1.1.3 Cắt hồ quang, kim loại tay: 1.1.4 Cắt điện cực Các bon khí nén: 1.1.5 Cắt hồ quang Plasma: 1.1.6 Cắt ăn mòn tia lửa: 1.1.7 Cắt chùm tia điện tử: 1.1.8 Cắt laser: 10 Gia công hồ quang Plasma 11 1.2.1 Khái niệm 11 1.2.2 Đặc điểm 12 1.2.3 Nguyên lý gia công b ằng hồ quang plasma 13 Lịch sử phát triển công nghệ cắt Plasma 16 1.3.1 Thuyết qui ước hồ quang cắt plasma (1957): 17 1.3.2 Dòng hồ quang plasma kép (1962): 18 1.3.3 Cắt plasma khơng khí (1963): 19 1.1 1.2 1.3 iv 1.3.4 Cắt plasma với vách chắn nước (1965): 20 1.3.5 Công nghệ phun nước cắt (1968): 21 1.3.6 Cắt nước (1977): 22 1.3.7 Cắt plasma khơng khí với cường độ thấp (1980) 23 1.3.8 Cắt plasma với ôxy (1983) 23 1.3.9 Cắt plasma với phun khí ơxy (1985) 24 1.3.10 Cắt plasma cường độ cao (1990) 25 Tổng quan cắt Plasma thép không rỉ 26 2.4.1 Vật liệu 26 2.4.1.1 Đặc điểm chủ yếu thép không gỉ 26 2.4.1.2 Phân loại, ký hiệu ứng dụng 27 2.4.2 Q trình cắt cắt plasma thép khơng rỉ 27 2.4.2.1 Lựa chọn phương pháp cắt plasma 27 1.4 2.4.2.2 Công nghệ cắt plasma nước ta Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng trình cắt 2.4.2.3 plasma thép không rỉ CHƯƠNG MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 30 32 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 32 2.2 Nội dung nghiên cứu 32 2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết: 32 2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm: 32 Đối tượng nghiên cứu 33 2.3.1 Thiết bị thí nghiệm 35 2.3.2 Vật liệu thí nghiệm 35 Phương pháp nghiên cứu 35 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 36 2.3 2.4 2.4.1 v 2.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CHƯƠNG 37 36 Nghiên cứu chế độ cắt 36 3.1.1 Cường độ dòng điện cắt 36 3.1.2 Vận tốc cắt 38 3.1.3 Áp suất khí thổi cắt 38 Năng lượng nguồn nhiệt sinh cắt Plasma Năng lượng phản ứng oxy hóa q trình cắt 39 3.1 3.2 3.3 40 Năng lượng cần thiết để làm tan chảy kim loại kim loại trình cắt 3.4 Cân lượng cắt tia Plasma 3.5 42 44 Nghiên cứu thay đổi nhiệt độ cắt thép Plasma 46 3.6.1 Nghiên cứu ảnh hưởng nguồn nhiệt cắt plasma thép không rỉ 46 3.6.2 Phân bố nhiệt độ với nhữ ng phương trình 47 3.6 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 52 4.1 Chiều rộng trung bình rãnh cắt cắt Plasma 52 4.2 Phân phối nhiệt độ theo lý thuyết 54 4.3 Khảo sát thực nghiệm bề rộng rãnh cắt vùng ảnh hưởng nhiệt cắt thép khơng rỉ tia Plasma 58 4.3.1 Mục đích thực nghiệm 58 4.3.2 Dụng cụ đo 59 4.3.2.1 Dụng cụ đo nhiệt 59 4.3.2.2 Thước 59 CHƯƠNG vi 4.3.3 4.3.3.1 Bố trí thực nghiệm Thực nghiệm đo bề rộng rãnh cắt 4.3.3.2 Thực nghiệm đo nhiệt độ vùng (AHN) KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT CHƯƠNG 63 60 63 71 4.1 Kết luận 68 4.2 Đề xuất 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT a Hệ số khuếch tán nhiệt c Nhiệt dung riêng Enc e h I Lf lb lh Ml Mt ltb P q2 Q Qc Qe Qnc Qtt1 Qtt2 T T0 Tnc t U v λ ρ HAZ Năng lượng cần thiết làm tan chảy kim loại/mét cắt Cơ số hàm logarit Chiều dày thép Cường độ dịng điện Ẩn nhiệt nóng chảy thép Bề rộng rãnh cắt mặt Bề rộng rãnh cắt mặt Khối lượng kim loại tan chảy/mét Khối lượng kim loại tan chảy/giây Bề rộng trung bình rãnh cắt Áp suất Mật độ dòng nhiệt Năng lượng điện đầu vào Năng lượng điện cần thiết cho trình cắt Năng lượng cần thiết cho trình cắt Qôxy (W) Năng lượng cần thiết làm tan chảy thép Năng lượng tổn thất mỏ cắt bề mặt phôi Năng lượng tổn thất xuyên qua rãnh cắt Nhiệt độ Nhiệt độ mơi trường Nhiệt độ nóng chảy thép Thời gian Hiệu điện Tốc độ cắt Hệ số dẫn nhiệt Khối lượng riêng vật liệu Vùng ảnh hưởng nhiệt [m2.s-1] [J.kg-1.K-1] (J.m-1) e (mm) (A) ( kJ.kg-1) (mm) (mm) (g.m-1) (g.s-1) (mm) (at) (J.m-2.s-1): (W) (W) (W) (W) (W) (W) (0K) (0K) (0K) (s) (V) (m.s-1) (J.m-1.s-1.K-1) (kg.m-3) viii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 1.1 Độ rộng vết cắt độ sâu vùng AHN cắt bon thấp 31 (bằng phương pháp khác nhau) 2.1 Các thông số kỹ thuật máy cắt plasma D12000 OTC 34 DAIHEN 3.1 Lưu lượng ôxy hóa tương ứng áp suất 43 3.2 Năng lượng sinh q trình ơxy hóa t ương ứng 44 áp suất 3.3 Năng lượng cần thiết làm tan chảy thép cắt 46 plasma 3.4 4.1 Cân lượng điện cắt tia plasma P = 5at Chiều rộng trung bình rãnh cắt cắt tia plasma 47 56 4.2 Kết tính phân bố nhiệt độ theo h ướng ngang 58 4.3 Kết đo bề rộng rãnh cắt 64 4.4 Kết đo bề rộng trung bình rãnh cắt 65 4.5 Kết đo nhiệt độ theo trục y cắt với v=1(m/min) 67 4.6 Kết đo nhiệt độ theo trục y cắt với v=1.2(m/min) 68 68 ` dày hồn tồn khơng hợp lý - Trong q trình tính nguồn nhiệt xem tập trung điểm thực tế sức nóng lửa cắt phân bổ khu vực hữu hạn 69 ` KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Khi cường độ dòng điện tăng cao nhiệt độ bên tấm, bề rộng rãnh cắt tăng theo làm ảnh hưởng đến tính cấu trúc vật liệu biến dạng chi tiết sau cắt Nếu cắt dòng điện cao, điện cực tạo plasma nhanh hỏng, hiệu suất làm việc giảm làm tăng chi phí vận hành Tăng tốc độ cắt tăng hiệu suất làm việc, bề rộng rãnh cắt, nhiệt độ bên giảm cắt tốc độ cao ta phải tăng cường độ dịng điện theo khơng rãnh cắt mặt khơng hình thành, kim loại nóng chảy khơng gây hư hỏng mỏ cắt, điện cực, không an tồn q trình làm vi ệc đặc biệt thép không tách rời sau cắt (mạch cắt khơng đứt rời) Một mơ hình tính dựa lý thuyết tốn học phân phối nhiệt q trình hàn cắt Rosenthal phân tích Martin Birk-Sørensen, Giard Laurence, S Ramakrishnan cộng cho phép xác định khoảng nhiệt độ phân phối vùng ảnh hưởng nhiệt Điều quan trọng gia cơng hàn hay cắt kim loại người ta có xu hướng giảm thiểu đến múc tối đa ảnh hưởng nhiệt độ đến kim loại Tính nhiệt độ dẫn nhiệt, so với nhiệt độ đo thiết bị đo nhiệt hồng ngoại xác giúp cho người vận hành nắm thông tin cần thiết vật liệu sử dụng để có kế hoạch sử lý nhiệt cho cơng đoạn gia công đặc biệt gia nhiệt trước hàn Với kết tính tốn theo lý thuyết thực nghiệm đo trên, cho phép kết luận sau: - Với chế độ cắt I=60(A) ,v=0.8 -1.2 (m/min), vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ , bề rộng mạch cắt nhỏ thực tế lượng không cung cấp đủ cho 70 ` trình cắt nên khơng thề hình thành rãnh cắt - Với chế độ cắt I=90(A) V=0.8 (m/min) , trình cắt chậm so với trình cung cấp nhiệt Vì rãnh cắt rộng , vùng ảnh hưởng nhiệt rộng có nhiệt độ cao Điều bất lợi cho trình cắt sử lý nhiệt sau cắt - Với chế độ cắt I=70(A) ;V=1(m/min) I=80(A) ;v=1.2 (m/min) có tương quan nhiệt độ tốc độ chuyển phù hợp với q trình cắt thép khơng rỉ Vùng ảnh hưởng nhiệt phạm vi cho phép, bề rộng rãnh cắt trung bình Ltb=2.4 -2.7 (mm) - Sự chênh lệch kết theo tính tốn kết đo cao 2,4 % (đối với nhiệt độ) % (đối với Ltb) Sai lệch chấp nhận Nghĩa từ giả định đưa chương để lập biểu thức tính tốn nhiệt độ theo lý thuyết, kết cho phép ta áp dụng cơng thức để tính tốn nhiệt độ cắt thép có chiều dày nhỏ khoảng (6 ≤ h < 12mm) Trong phạm vi thông số chế độ cắt khảo nghiệm, kết cho thấy yếu tố: cường độ dòng điện tốc độ cắt ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm cắt.Tuy nhiên yếu tố mà chúng tơi chủ quan đưa khảo nghiệm, ngồi yếu tố khác như: chiều cao mỏ cắt, cấu tạo mỏ cắt… nên chưa đánh giá hết mức độ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm cắt thép không rỉ tia plasma Đây mặt hạn chế đề tài Trong phạm vi nghiên cứu thực đề tài, xác định bề rộng rãnh cắt khoảng nhiệt độ vùng ảnh hưởng nhiệt cắt thép tia plasma mà chưa đánh giá tác hại dẫn đến Kiến nghị Với kết nghiên cứu luận văn này, số vấn đề hạn 71 ` chế thời gian chưa quan tâm đến để ngỏ sau: - Nghiên cứu khả áp dụng công thức 2.23 để xác định nhiệt độ điểm vùng ảnh hưởng nhiệt kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt cho cắt thép có chiều dày (6 ≤ h < 12mm) Dựa kết tính nhiệt độ ta tiến hành nghiên cứu cơng đoạn như: xác định ứng suất biến dạng thép không rỉ sau cắt, phương pháp nhiệt độ gia nhiệt cho thép không rỉ sau cắt trước hàn Từ đó, so sánh kết lý thuyết thực nghiệm để tính chọn chế độ cắt phù hợp - Cần nghiên cứu ứng suất biến dạng thép cắt tia plasma để có sở chọn nhiệt độ thời gian gia nhiệt cho thép không rỉ cách phù hợp nhằm tăng hiệu trình cắt plasma 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bốn (2001), Các phương pháp truy ền nhiệt, Trường Đại học Đà Nẵng [2].Bùi Văn Nghiệp (4/2011), Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng nhiệt hàn tôn bao vỏ tàu, Luận văn thạc sĩ, Đại học Nha Trang, Khánh Hòa [3] Trần Văn Niên, Tr ần Thế San (2001), Thực hành kỹ thuật hàn- gò, tr.406-411 NXB Đà Nẵng [4] Nguyễn Đức Tài (2010), Khảo sát yếu tố công nghệ nhằm nâng cao độ xác gia cơng thép hồ quang plasma, Luận văn thạc sĩ, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, TP HCM [5] Ngô Lê Thông (2009), Công nghệ hàn điện nóng chảy tập 1, tr.282323, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [6] Artem Pilipenko (2001) , Computer simulation of residual stress and d istortion of thick platesin multi -electrode submerged arc welding Their mitigation techniques [7] Brian Reginald Hendricks (1999), Simulation of plasma arc cutting , Master of Technologyin Mechanicalb Engineering,CapePeninsula University of Technology,pp 9-19 [8] Dong-Yan Xu, Xi Chen, Wenxia Pan (2005), “Eects of natural convection on the characteristics of a long laminar argon plasma jet issuing horizontally into ambient air” International Journal of Heat and Mass Transfer 48 (2005) pp3253–3255 [9] Hai-Xing Wang, Kai Cheng, Xi Chen, Wenxia Pan (2006), “Threedimensional modeling of heat transfer and fluid flowin laminar -plasma material re -melting processing”, International Journal of Heat and Mass 73 Transfer 49 (2006) pp 2254–2264 [10] John Michael Dowden (2001), The Mathematics of Thermal Modeling , Chapman & Hall/CRC [11] K Poorhaydari, B M Patchett, and D G Ivey (2005), “Estimation of Cooling Rate in the Welding of Plates with Intermediate Thi ckness” Supplement to the Welding Journal, October 2005, pp 149-155 [12] Kreith, F.; Boehm, R.F.; et Al (1999), Heat and Mass Transfer , Mechanical Engineering Handbook Ed Frank Kreith , Boca Raton: CRC Press LLC [13] Lindon C Thomas (1992), Heat transfer, Prentice – Hall International, Inc, USA [14] Martin Birk-Sørensen (1999), Simulation of Welding Distortions in Ship Section, Department of Naval Architecture and Offshore Engineering Technical University of Denmark [15] Moran, M.J (1999), Engineering Thermodynamics , Mechanical Engineering Handbook, Ed Frank Kreith, Boca Raton: CRC Press LLC [16] N.T.Nguyen, A.Ohta, K.Matsuoka, N.Suzuki and Y.Maeda (1999), “Analytical solutions for transient temperature of semi-infinite body subjected to -D moving heat sources” Supplement to the Welding Journal, August 1999 , pp265-274 [17] Nemchinsky.VA (1998), “Plasma flow in a nozzle during plasma arc cutting ” J.Phys D: Appl Phys 31 (1998) pp 3102–3107 [18] Rosenthal, Daniel “Mathematical Theory of Heat Distribution during Welding and Cutting” Welding Journal, 20(5):220 -234, 1941 [19] Rosenthal.D (1946), The theory of moving sources of heat and its application to metal treatments Transactions of A.S.M.E., p p 849-866 [20] S Ramakrishnan, V Shrinet, F B Polivka, T N Kearney and P Koltun (2000), “Influence of gas composition on plasma arc cutting of mild steel” J 74 Phys D: Appl Phys 33 (2000) 2288 –2299 [21] S.Ramakrishnan,M.W Rogozinski (1997),"Propertiesofelectricarc plasma for metal cutting", J Phys D: Appl Phys 30 (1997), pp 636-644 [22] Girard Laurence (2004), Caracterisation experimentale d'une torchede decoupe dans l'oxygene : etudedu jet de plasma et de l'interactionarc - materiau, Docteur de l'universite paul Sabatier, L'universite Paul Sabatier, Toulouse III, pp 18; 71-118 [23] L Vignardet, "Découpage au jet de fluide : Oxycoupage, jet de plasma, laser et jet d'eau sous pression", Technique de l'ingénieur, traité Mécanique et Chaleur, B7340, pp1 -20 [24]http://www.northamericanstainless.com/wpcontent/uploads/2010/10/Gra de-304-304L.pdf) BẢNG PHỤ LỤC PHỤ LỤC I: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA THÉP KHÔNG RỈ 304 PHỤ LỤC 2: VÙNG ẢNH HƯỞNG NHIỆT CỦA INOX 304 PHỤ LỤC 3: QUY TRÌNH HÀN THÉP KHƠNG RỈ 304 PHỤ LỤC 4: BẢNG KẾT QUẢ ĐO BỀ RỘNG RÃNH CẮT Lần cắt Max Min Ltb Kết đo (v=0.8 m/min) I(A) I = 60A 2.09 2.10 2.10 2.15 2.12 2.15 2.09 2.11 I = 70A 2.55 2.57 2.56 2.58 2.57 2.58 2.55 2.57 I = 80A 3.00 3.00 3.10 3.10 3.10 3.10 3.00 3.06 I = 90A 3.50 3.52 3.53 3.53 3.54 3.54 3.50 3.52 Lần cắt Kết đo (v=1 m/min) I(A) Max Min Ltb I = 60A 1.95 2.00 1.98 1.88 1.98 2.00 1.88 1.96 I = 70A 2.37 2.40 2.38 2.35 2.39 2.40 2.35 2.38 I = 80A 2.80 2.85 2.85 2.83 2.82 2.85 2.80 2.83 I = 90A 3.32 3.25 3.35 3.24 3.27 3.35 3.29 3.29 Lần cắt Kết đo (v=1.2 m/min) I(A) Max Min Ltb I = 60A 1.80 1.87 1.84 1.82 1.83 1.87 1.80 1.83 I = 70A 2.20 2.25 2.24 2.23 2.25 2.25 2.20 2.23 I = 80A 2.60 2.63 2.64 2.63 2.64 2.64 2.60 2.63 I = 90A 3.15 3.07 3.06 3.07 3.05 3.15 3.05 3.08 Lần cắt Max Min Ltb Kết đo (v=1.4 m/min) I(A) I = 60A 1.74 1.75 1.76 1.74 1.75 1.76 1.74 1.75 I = 70A 2.10 2.09 2.11 2.12 2.12 2.12 2.09 2.11 I = 80A 2.52 2.50 2.51 2.49 2.52 2.52 2.49 2.51 I = 90A 2.90 2.91 2.90 2.92 2.92 2.92 2.90 2.91 PHỤ LỤC 5: KẾT QUẢ ĐO NHIỆT ĐỘ THEO PHƯƠNG NGANG y(mm) I (A) T(0K) (khi: v = 1m/min) I = 60A 1179 756 615 545 502 I = 70A 1614 974 760 653 589 I = 80A 1852 1092 839 713 637 I = 90A 2102 1218 923 775 687 y(mm) I (A) T(0K) (khi: v = 1.2 m/min) I = 60A 1.179 756 615 545 502 I = 70A 1.877 1108 852 723 647 I = 80A 2.164 1253 949 798 706 I = 90A 2.486 1425 1071 894 788 PHỤ LỤC : HÌNH ẢNH MẪU CẮT PHỤ LỤC 7: MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM ... LÂM NGHIỆP LÊ ĐÌNH SEN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM KHI CẮT THÉP KHÔNG RỈ BẰNG TIA PLASMA CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI... chọn chế độ cắt dựa vào kinh nghiệm thể bảng tra…Vì vậy, đề tài ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng sản phẩm cắt thép không rỉ tia plasma? ?? cần thiết; tạo tiền đề cho việc nghiên cứu. .. nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm tạo chế độ cắt cụ thể ứng với bề dày vật cắt cắt thép khơng rỉ Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu chế độ cắt plasma cắt thép khơng rỉ có bề dày h = mm ảnh hưởng đến