Bộ nguồn cung cấp và mạch khởi động hồ quang đƣợc nối với đầu cắt qua các ống và dây dẫn bên trong. Các ống và dây dẫn này cung cấp các dòng khí, dòng điện và dòng hồ quang mồi (dòng pilot) thích hợp đến đầu cắt để mồi và duy trì quá trình.
Đầu tiên khi một tín hiệu khởi động đƣợc gửi đến bộ nguồn cung cấp. Điều này đồng thời kích hoạt điện áp 280 VDC và dòng khí đến đầu cắt . Điện áp này có thể đo từ điện cực (electrode) đến vòi phun (Nozzle). Chú ý rằng vòi phun đƣợc nối đến cực dƣơng của bộ nguồn thông qua một điện trở và relay(g i là Pilot arc relay), trong khi vật liệu cần cắt đƣợc nối trực tiếp đến cực dƣơng. Luồng khí đi qua vòi phun và thoát ra ngoài. Không có tia hồ quang ở thời điểm này, cũng nhƣ không có dòng điện chạy qua nguồn DC (Nên mới g i là điện áp hở mạch).
Hình 2.1
Sau khi dòng khí ổn định, mạch khởi động hồ quang bắt đầu làm việc. Với điện áp do mạch này tạo ra khoảng từ 5000 – 10000 VAC ở tần số cao, tia lửa điện sẽ đƣợc phóng qua giữa điện cực và vòi phun bên trong đầu cắt, nơi dòng khí phải đi qua để thoát ra ngoài. Năng lƣợng chuyển từ tia lửa điện với tần số cao qua dòng khí làm cho nó bị ion hóa và trở nên dẫn điện. Dòng khí dẫn điện này tạo thành đƣờng dẫn điện giữa điện cực và vòi phun, và kết quả là hồ quang plasma đƣợc hình thành. Dòng khí này buộc tia hồ quang này đi qua lổ của vòi phun ra ngoài, tạo thành dòng mồi hồ quang (Pilot arc).
Hình 2.2
Khi vòi phun đủ gần với vật liệu cần cắt, dòng hồ quang mồi sẽ đánh vào vật liệu nhƣ là đƣờng dẫn dòng điện đến cực dƣơng (của bộ nguồn) mà không bị giới
14 hạn bởi điện trở nhƣ vòi phun nối đến cực dƣơng. Dòng điện chảy qua vật liệu đƣợc nhận biết bởi bộ nguồn. Khi dòng điện này đƣợc phát hiện bộ khởi động hồ quang ngƣng làm việc và pilot relay sẽ mở ra. Dòng khí ion hóa đƣợc duy trì với năng lƣợng từ hồ quang của nguồn điện một chiều.
Hình 2.3
Nhiệt độ của hồ quang plasma sẽ làm chảy kim loại, đánh thủng qua tấm phôi và dòng khí với tốc độ cao sẽ thổi bay vật liệu nóng chảy từ phía dƣới của đƣờng cắt. Tại thời điểm này đầu cắt bắt đầu di chuyển và qui trình cắt bắn đầu.
Hình 2.4
Trƣờng hợp đầu cắt Plasma đƣợc gắn trên máy CNC (Máy cắt plasma CNC), bộ điều khiển của máy CNC sẽ cảm ứng tín hiệu từ bộ nguồn plasma cho biết dòng hồ quang plasma đã đƣợc thiết lập thành công. Lúc đó máy CNC sẽ bắt đầu di chuyển đầu cắt theo bản vẽ. Đồng thời cho phép bộ điều khiển độ cao đầu cắt plasma (THC – Torch Height Controller) hoạt động, thiết bị này sẽ tự động cảm ứng và điều khiển độ cao đầu cắt lên xuống theo độ cong vênh của vật liệu, để đảm bảo độ cao của vòi phun so với bề mặt liệu luôn ổn định ở độ cao mong muốn
2.4.Plasma lựa chọn phƣơng án tối ƣu để cắt kim loại tấm thép cacbon và Inox
- Plasma nhanh chóng trở thành công nghệ cắt đƣợc lựa ch n rộng rãi trên thế giới. Một ngƣời sử dụng cắt oxyfuel có kinh nghiệm có thể có đƣợc kết quả cắt tốt với các ứng dụng nào đó , ví dụ nhƣ cắt thép cácbon thấp rất dầy. Tuy nhiên, với tốc độ cắt nhanh, chất lƣợng cắt cực cao, và có khả năng cắt nhiều loại vật liệu, plasma là lựa ch n lý tƣởng cho nhiều ứng dụng cắt kim loại.
Cắt bằng plasma với thiết bị cắt của Hypertherm có những ƣu thế hơn hẳn so với cắt bằng ôxy-gas nhƣ sau:
Chất lƣợng cắt tốt hơn Năng suất cắt cao hơn
Chi phí cắt trên mỗi chi tiết cắt thấp hơn Lợi nhuận cao hơn
Dễ sử dụng hơn
Tính linh hoạt cao hơn Sử dụng an toàn hơn - Chất lƣợng cắt tốt hơn
- Xỉ, vùng ảnh hƣởng nhiệt và góc cắt là các yếu tố chính đánh giá chất lƣợng cắt. Với vết cắt plasma, hầu nhƣ không có xỉ và vùng ảnh hƣởng nhiệt rất nhỏ so với cắt bằng ôxy.
Quá trình plasma sử dụng nhiệt độ cao và khí nén áp lực lớn để làm tan chảy kim loại và thổi vật liệu nóng chảy ra từ mạch cắt. Cắt bằng ng n lửa oxy tạo ra một phản ứng hóa h c giữa oxy và thép, tạo xỉ oxit sắt hoặc vảy sắt. Do sự khác biệt trong quá trình này, xỉ sắt hình thành trong quá trình cắt plasma ít hơn, và xỉ này ít bám dính hơn do đó dễ dàng loại bỏ.
Hình dƣới đây cho thấy mạch cắt không có xỉ (chi tiết dày 50mm) khi sử dụng máy cắt HyPerformance HPR400XD.
Hình 2.5 - Xỉ cắt
Quá trình plasma sử dụng nhiệt độ cao và khí nén áp lực lớn để làm tan chảy kim loại và thổi vật liệu nóng chảy ra từ mạch cắt. Cắt bằng ng n lửa Oxy tạo ra một phản ứng hóa h c giữa oxy và thép, tạo xỉ oxit sắt hoặc vảy sắt. Do sự khác biệt trong quá trình này, xỉ sắt hình thành trong quá trình cắt plasma ít hơn, và xỉ này ít bám dính hơn do đó dễ dàng loại bỏ.
Mẫu cắt dầy 30mm bằng máy cắt tay Powermax, mặt cắt khá phẳng và không có xỉ
Hình 2.6
Mẫu cắt dầy 30mm bằng mỏ cắt tay ôxy-gas, mặt cắt thô ráp hơn và có xỉ
16 Một trong các mối quan tâm khi cắt kim loại là kích thƣớc vùng ảnh hƣởng nhiệt. Nhiệt độ cao làm thay đổi cấu trúc kim loại, làm biến dạng chi tiết do nhiệt. Với quy trình cắt nào cũng vậy, khi mỏ cắt di chuyển nhanh hơn thì vùng ảnh hƣởng nhiệt nhỏ hơn. Vì vậy, tốc độ cắt plasma nhanh hơn tạo nên vùng ảnh hƣởng nhiệt nhỏ hơn, do đó cần ít thời gian hơn cho việc xử lý sau khi cắt.
Các màu nóng cũng có thể là một mối quan tâm đối với một số ngƣời sử dụng cắt oxyfuel. Không giống nhƣ vùng ảnh hƣởng nhiệt (Haz) không thể nhìn thấy đƣợc, nhiệt độ màu chỉ ra một sự đổi màu của kim loại. Thêm nữa, tốc độ cắt plasma nhanh hơn tạo nên một khu vực màu nhiệt nhỏ hơn. Những hình ảnh này cho thấy sự khác biệt giữa hai mẫu cắt vật liệu thép cacbon giống hệt nhau – một cắt bằng plasma và mẫu khác với oxyfuel. Cắt ôxyfuel với tốc độ chậm hơn tạo nên khu vực màu nhiệt lớn hơn 5 lần so với kích thƣớc của màu nhiệt trên mảnh cắt với plasma.
Hình 2.8: Màu nhiệt chỉ là 2mm khi cắt bằng plasma
Hình 2.9: Tốc độ cắt với thép cacbon dầy 12mm - NĂNG SUẤT CẮT CAO HƠN
Với khả năng đục lỗ và cắt nhanh hơn đến 8,5 lần so với cắt oxyfuel, plasma cho phép tăng năng suất cắt đáng kể. Bảng dƣới đây so sánh tốc độ cắt giữa các dòng máy cắt của Hypertherm HySpeed, HyPerformance, và Powermax cho thép cacbon thấp có chiều dầy 12 mm. Có thể thấy, ở chiều dầy cắt này, Hypertherm có một dải thiết bị có tốc độ cắt từ nhanh hơn một chút so với cắt ôxy đến cắt nhanh hơn 8,5 lần
Hình 2.10: Tốc độ cắt với thép cacbon dầy 12mm - CHI PHÍ CẮT CHO MỘT CHI TIẾT THẤP HƠN
Khi xem xét về vấn đề chi phí cắt, điều quan tr ng là hiểu sự khác biệt giữa chi phí sản xuất và chi phí sản xuất cho mỗi chi tiết hoặc trên mỗi mét cắt.
Vì vậy, làm thế nào để bạn xác định đƣợc chi phí thực tế khi cắt một chi tiết? Chi phí sản xuất trên mỗi mét cắt là là chi phí của m i yếu tố cần thiết để cắt trong 1 giờ chia cho tổng số mét có thể cắt trong 1 giờ. Các chi phí cắt bao gồm vật liệu tiêu hao, điện, khí, nhân công và chi phí khác.
Tổng số mét cắt trong 1 giờ đƣợc xác định bằng tốc độ cắt nhƣ biểu đồ ở phần “ Năng suất cao hơn” ở trên
Chi phí cắt cho mỗi chi tiết theo đó là tổng chiều dài cắt làm nên chi tiết đó nhân với chi phí mỗi mét cắt.
Chi phí sản xuất /1mét x chiều dài cắt của chi tiết = Chi phí cắt/chi tiết
Dƣới đây là tính toán cơ sở để xác định chi phí cắt một chi tiết hình vuông có cạnh dài 3 feet (0,9m) hoặc tính ra chiều dài cắt là 12 feet (3,66 m), vật liệu thép cacbon có chiều dầy 12 mm, sử dụng hệ thống cắt plasma HPR260 của Hypertherm và mỏ cắt ôxy-gas
HPR260
Plasma Oxyfuel
Chi phí sản xuất trong 1 h $44.65 $33.80
Số mét cắt trong 1h dựa
trên tốc độ cắt 221 m 30.5 m
Chi phí cho mỗi mét cắt $0.20 $1.11
Chi phí cắt cho một chi
tiết (3.66 meter) $0.72 $4.08
Hình 2.11: Bảng so sanh giá thành cắt Plasma va Oxyfuel
Plasma có chi phí cắt một chi tiết thấp hơn nhiều bởi vì tốc độ cắt nhanh hơn cho phép tăng số chi tiết hoàn thiện trong một thời gian nhất định.
18 Với máy cắt tay, chi phí cho một công việc hoặc một thao tác có thể là một cách tốt hơn để đánh giá tiết kiệm. Chi phí sản xuất trong một giờ nhân với độ dài thời gian cần để hoàn thành công việc bằng chi phí của công việc đó.Với cắt bằng ôxy-gas, cần lƣu ý là bao gồm thời gian gia nhiệt và các thao tác phụ trong thời gian đòi hỏi.
- LỢI NHUẬN CAO HƠN
Chi phí cắt plasma trên mỗi chi tiết thấp hơn tác động trực tiếp lên lợi nhuận. Bạn tiết kiệm đƣợc tiền trên mỗi chi tiết cắt, tăng lãi ròng theo từng sản phẩm. Và khi số lƣợng sản phẩm cắt trong mỗi giờ tăng, dĩ nhiên là tăng tổng số lợi nhuận thêm nữa.
Nhƣ đã đề cập ở phần trƣớc, cắt bằng plasma có chi phí là $0.72/mỗi chi tiết so với $4.08 khi cắt bằng oxy-gas.Nhƣ vậy sẽ giảm đƣợc $3.36 trên mỗi chi tiết cắt.
Khi sản xuất với số lƣợng lớn hơn chi tiết trong 1h, sử dụng quy trình cắt plasma làm tăng lợi nhuận tiềm năng. Dựa trên tốc độ cắt, với thiết bị HPR260 có thể cắt đƣợc khoảng 52 chi tiết hình vuông cạnh 0,9 mét trong một giờ với độ dầy tấm là 12 mm, hơn rất nhiều lần số chi tiết mà cắt bằng ôxy-gas có thể thực hiện. Điều này làm tăng sản lƣợng cắt, qua đó tạo ra tiềm năng cho lợi nhuận tăng thêm.
Hình 2.12
Để thực sự hoàn thành bức tranh so sánh chi phí, bạn cũng sẽ muốn xem xét các chi phí mà các hoạt động phụ thêm vào chi tiết. Chi phí cho các hoạt động phụ thƣờng bao gồm chi phí lao động, do vậy số tiền chi tiêu nhân tỷ lệ lao động sẽ thể hiện các khoản tiết kiệm.
- DỄ SỬ DỤNG HƠN
Thiết lập và duy trì chế độ ngon lửa ôxy-gas là kỹ năng cần có thời gian và thực hành để làm chủ quá trình cắt ôxy.Với máy cắt plasma, đơn giản chỉ cần chạy máy nén khí, và điều chỉnh dòng cắt.
Nếu sử dụng máy cắt plasma đƣợc tự động hóa với hệ thống điều khiển CNC và bảng điều chỉnh khí tự động, tất cả các thông số đƣợc cài đặt cho ngƣời sử dụng. Không cần phải điều chỉnh khí bằng tay nữa.
Nói chung sử dụng máy cắt plasma đơn giản và thuận tiện hơn nhiều so với cắt bằng mỏ ôxy-gas
Plasma có thể cắt bất kỳ vật liệu dẫn điện nào bao gồm thép cácbon, thép không gỉ, nhôm, đồng,… Trái lại, cắt ôxy thực hiện đƣợc bởi phản ứng hóa h c giữa ôxy và sắt ở thép cacbon, do đó chỉ có thể đƣợc sử dụng để cắt thép cabon thấp.
Thêm nữa, máy cắt plasma có thể đƣợc dùng để đục lỗ, đánh dấu, cắt đƣợc kim loại gỉ hoặc kim loại đƣợc sơn phủ hoặc kim loại xếp chồng. Ngoài ra, plasma có thể vát mép hoặc cắt kim loại dạng lƣới. Điều này rất khó thực hiện với mỏ ôxy- gas
- SỬ DỤNG AN TOÀN HƠN
Oxyfuel là hỗn hợp khí oxy và khí đốt. Các loại khí đốt phổ biến nhất là acetylene, propane,MAPP , propylene và khí tự nhiên. Trong số đó, acetylene là phổ biến nhất vì nó tạo ra ngon lửa nóng hơn và thời gian đục thủng nhanh hơn các loại khí đốt khác.
Tuy nhiên, acetylene là một loại khí không ổn định và rất dễ bắt lửa, rất nhạy cảm với nhiệt độ và áp lực vƣợt quá (quá áp), cũng nhƣ nhạy cảm với tĩnh điện.Một vụ nổ axetylen có thể gây ra thiệt hại hàng ngàn đô la về tài sản và gây nguy hiểm nghiêm tr ng cho bất cứ ai ở vị trí lân cận.
Các hệ thống plasma, hoạt động với khí nén, không sử dụng khí đốt dễ cháy.Một số hệ thống plasma khác sử dụng những loại khí khác nhau (gồm cả không khí), phổ biến nhất là ôxy và nitơ.Các loại khí này ổn định hơn acetylene và đòi hỏi xử lý đặc biệt ít hơn.
Mặc dù tất cả các phƣơng pháp cắt nhiệt sinh ra khói và tiếng ồn, ngƣời ta có thể xử lý bằng cách sử dụng cắt plasma tự động với bàn cắt dƣới nƣớc, cho phép giảm khói và tiếng ồn đáng kể. Hầu hết các dạng cắt oxyfuel không thể sử dụng cắt dƣới nƣớc vì có thể tạo nên trạng thái dễ gây nổ..
- 7 LÝ DO KHIẾN CHO CÔNG NGHỆ CẮC PLASMA ĐÁNH BẠI CÔNG NGHỆ CẮT OXY
Plasma nhanh chóng đƣợc các nhà sản xuất ƣu tiên lựa ch n bởi công nghệ cắt này có nhiều ƣu điểm: tốc độ cắt nhanh, chất lƣợng cắt cao cấp và dễ dàng sử dụng
Chất lƣợng cắt tốt hơn
Vết cắt plasma có ít xỉ cắt, ít cong vênh và vùng ảnh hƣởng nhiệt nhỏ Năng suất cắt cao hơn
Với tốc độ cắt nhanh hơn đáng kể so với cắt oxy-gas, plasma cho một năng suất cắt cao hơn
20 Chi phí sản xuất trên toàn bộ các chi tiết cắt trong mỗi giờ lớn hơn, do đó chi phí trên mỗi chi tiết cắt nhỏ hơn
Suất lợi nhuân cao hơn
Chi phí sản xuất thấp hơn và năng suất cắt cao hơn đem lại nhiều lợi nhuân hơn Dễ sử dụng hơn
Không sử dụng khí cháy nên không cần điều chỉnh khí để tạo ng n lửa cắt. Cấu tạo đặc biệt của mỏ cắt plasma cho phép thao tác cắt dễ dàng
Tăng tính linh hoạt
Cắt hoặc đục thổi thép cacbon, nhôm, inox đồng và nhiều kim loại khác. Cắt đƣợc nhiều dạng kết cấu dạng lƣới, ống, kim loại xếp chồng, các chi tiết có bề mặt bẩn hoặc sơn phủ
Cải thiện tính an toàn
Phần lớn khí cháy thông thƣờng cho cắt ôxy-gas là acetylene là khí dễ cháy và không ổn định. Với cắt plasma chỉ cần sử dụng khí nén
.
Hình 2.13