Công nghệ cắt bằng tia plasma là một phương pháp gia công dùng dòng plasma có nhiệt độ từ 5000 – 300000K[5] để cắt kim loại bằng cách làm cho nóng chảy ngay tại vị trí điểm cắt và dùng áp lực của dòng khí để đẩy phần kim loại nóng chảy ra khỏi vị trí đó. Vùng giữa catod và anod trong hồ quang, mật độ năng lượng lên đến 106W/cm2. Đây thực chất là vùng hồ quang nén với tốc độ chảy của khí plasma đạt tới tốc độ âm thanh. Phân bố nhiệt độ và tốc độ trong dòng khí plasma gần giống với phân bố chuẩn Gaus. Cột hồ quang và dòng plasma có đặc điểm của nguồn nhiệt đường.
Mỏ cắt PAC (Plasma arc cutting) cắt bằng hồ quang plasma được thiết kế tương tự mỏ hàn hồ quang plasma. Nguồn DC được sử dụng với điện cực Volfram nối vào cực âm. Hồ quang được duy trì giữa điện cực trong mỏ cắt và chi tiết gia công, được tạo ra bằng máy phát tần số cao. Khí dẫn được cấp nhiệt trước miệng lỗ bằng dòng plasma, hồ quang sẽ giảm nổ và phun qua tiết lưu với tốc độ cao. Kim loại nóng chảy bị thổi ra xa bằng động năng của dòng khí.
Cắt plasma là quy trình sử dụng miệng đầu phun thích hợp để làm thắt lại dòng khí ion hóa có nhiệt độ rất cao sao cho có thể sử dụng để làm nóng chảy và cắt đứt các kim loại dẫn điện.
Tia plasma được sử dụng để chuyển năng lượng từ cực âm cung cấp bởi một nguồn điện từ mỏ cắt plasma đến vật liệu. Dòng plasma được duy trì và ổn định giữa điện cực bên trong vòi phun và bề mặt tấm.
Một tín hiệu được kích hoạt truyền tới nguồn điện áp DC. Tín hiệu n ày đồng thời kích hoạt điện áp mạch hở (OCV) và dòng khí tới mỏ cắt(hình 2.2 a).
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý cắt plasma
Sau khi dòng khí ổn định, mạch tần số cao (HF) được kích hoạt. HF phóng hồ quang giữa điện cực và lỗ vòi phun bên trong mỏ cắt, dòng hồ quang làm cho dòng khíđi qua đó bị ion hóa (hình 2.2 b). Dòng khí dẫn điện này tạo ra một đường dẫn giữa điện cực và vòi phun, kết quả là hình thành một dòng hồ quang mồi (hình
2.2 c).
Khi dòng hồ quang mồi tiếp xúc với chi tiết gia công, hồ quang plasma hình thành giữa điện cực và chi tiết gia công. Hồ quang plasma làm tan chảy kim loại và một dòng khí với vận tốc cao sẽ đẩy phần kim loại nóng chảy ra khỏi rãnh cắt
(hình 2.2 d).
Quá trình cắt có thể điều khiển bằng tay, nh ưng thông thường được thực hiện trên máy tự động hoặc kết hợp với bộ điều khiển số NC, chất l ượng bề mặt cắt và đạt năng suất cao. Nguồn điện cung cấp là dòng điện một chiều có xu hướng giảm hoặc đặc trưng dòng điện thấp. Để chuyển đổi khí nén thành khí plasma yêu cầu điện áp không tải khoảng từ 200V400V, điện áp khi có tải vào khoảng 100V180V.
(d)
(a) (b)
(c) (c)
Để hồ quang plasma ổn định và nâng cao nguồn nhiệt, khí được dùng phải có khả năng làm mát tốt, các khí thường được dùng là Nitơ, Ôxy hoặc không khí, có thể dùng khí Argon, khí Hyđro và Nitơ dùng riêng ho ặc hỗn hợp với hai khí H2 và N2. Bất kỳ khí nào cũng có thể dùng được để cắt kim loại; tuy nhiên thông thường nên chọn theo loại vật liệu và chiều dày tấm vật liệu.
Vật liệu dùng làm điện cực thường là Vonfram, Hafnium, Zircon, Hafnium, hoặc Zircon được dùng cắt kim loại nguyên chất, còn Vonfram được dùng thêm với 2% Thorium, Lantan hoặc ôxít Litium. Khi dùng khí nén là Ôxy hoặc không khí thì dùng điện cực có điểm nóng chảy cao là Hafnium hoặc Zircon, nhưng khi sử dụng khí có chứa Ôxy thì nên dùng điện cực Vonfram. Điện cực Hafnium có tuổi thọ cao hơn so với điện cực Zircon.
Khí nén được cung cấp dọc theo xung quanh điện cực hoặc tạo thành dòng xoáy hình xoắn ốc. Dòng khí dọc theo xung quanh điện cực thì dùng loại điện cực Vonfram, hồ quang được sinh ra ở đầu điện cực. Khi dòng khí có dạng hình xoáy thì sử dụng điện cực Hafnium hoặc Zircon đầu dẹt. Trong trường hợp này điện cực phải được đặt tại điểm phát sinh hồ quang.Với dòng khí dạng xoáy thì phải điều chỉnh sao cho hồ quang được phát ra từ tâm điện cực, ở đó dòng khí phun chậm nhất để duy trì dòng khí dạng xoáy ở đầu mỏ cắt và giữ đúng tâm trục của cột hồ quang plasma. Về kết cấu cho phép điện cực đ ược làm mát tốt và điện cực phải được thay thế dễ dàng khi hư hỏng.
Phương pháp cắt bằng hồ quang plasma không khí, chủ yếu áp dụng cho cắt thép cácbon thấp, sự ôxy hóa sắt do Ôxy có trong không khí tạo ra gỉ sắt, ngoài ra lớp oxít Nitơ sinh ra trên bề mặt cắt do sự xâm nhập của khí Nit ơ trong không khí sẽ gây rỗ hơi trong quá trình hàn tiếp theo nếu vật liệu trước khi hàn không qua xử lý. Điều này có thể loại bỏ được bằng cách mài sạch bề mặt cắt.
Cắt hồ quang plasma dùng khí nén là Ôxy có thể loại trừ được vấn đề này, dùng điện cực Hafnium và khí nén là Ôxy nguyên chất sẽ ngăn ngừa được lớp ôxít Nitơ trên bề mặt cắt, tuy nhiên việc thực hiện phải được tự động hóa, bởi do tính chất tăng cường sự cháy của Ôxy.
Cắt hồ quang plasma dùng khí nén là hỗn hợp khí Ar - H2 yêu cầu dùng khí Argon bổ xung thêm một lượng nhỏ Hyđrô hoặc Nitơ. Phương pháp này thích h ợp
cho cắt thép không gỉ và nhôm, hợp kim nhôm. Khi cắt kim loại nguyên chất bề mặt cắt rất tốt. Tuy nhiên việc dùng khí Argon làm cho bề mặt cắt bị tăng cứng, phương pháp này không thích h ợp cho cắt thép cácbon thấp.
Cắt hồ quang plasma dùng khí nén là khí Nitơ được dùng từ lâu, tuy nhiên do xảy ra hiện tượng Nitơ hoá bề mặt và làm thay đổi màu sắc bề mặt cho nên không dùng để cắt bề mặt yêu cầu chất lượng cao. Phương pháp này sử dụng cho tuổi thọ của điện cực và đầu mỏ cao hơn các phương pháp khác.
Cắt hồ quang plasma dùng nước bơm mới được xuất hiện gần đây. Phương pháp này dùng khí Nitơ, Ôxy làm khí nén và dùng dòng nước xoáy xung quanh cột hồ quang để làm mát đầu mỏ cắt và tránh cho mỏ cắt bị nóng chảy do dòng điện lớn. Dùng dòng nước cho cột hồ quang cho phép thực hiện cắt ngầm và cũng giải quyết vấn đề tiếng ồn, tia sáng và khói, biến dạng sau khi cắt rất nhỏ, đảm bảo chất lượng cao khi cắt thép không gỉ và thép cácbon thấp.
Khi nói đến chất lượng cắt, yếu tố quan trọng nhất là bề mặt rãnh cắt phải thẳng góc. Bề rộng rãnh cắt phía trên rộng hơn phía dưới, nguyên nhân do nguồn nhiệt hồ quang plasma bị nén nhỏ dần làm cho hình dạng rãnh cắt bị vát. Độ vát lớn khi khoảng cách giữa đầu mỏ cắt và bề mặt vật cắt lớn, độ vát nhỏ khi đ ường kính plasma nhỏ và cường độ dòng điện thấp, nhiệt độ bị giảm mạnh khi dòng khí xoáy mạnh. Khi hồ quang plasma đi sâu vào vật liệu cắt, nó sẽ bị nén mạnh h ơn và làm hẹp dần rãnh cắt. Trong trường hợp dùng hồ quang plasma Argon – Hyđrô thường áp dụng dòng khí dọc theo xung quanh điện cực thì hiện tượng vát rãnh cắt không xảy ra. Tuy nhiên trong trường hợp dùng plasma Ôxy thì sự ôxy hóa sẽ làm cho độ vát rãnh cắt lớn hơn. Độ vát sẽ đối xứng về hai bên nếu dùng dòng khí dọc theo xung quanh điện cực và sẽ không đối xứng khi dùng dòng khí xoáy. Bằng cách nghiêng mỏ cắt ngược với chiều vát của rãnh cắt có thể loại bỏ được hiện tượng này.
Tuy nhiên với máy cắt có độ phức tạp h ơn, dùng đầu cắt kép sẽ giải quyết được vấn đề này. Phương pháp này dùng thêm m ột ống thứ hai lắp bên ngoài mỏ cắt để cấp khí nén tạo thành dòng khí xoáy mạnh hơn để rãnh cắt thẳng góc. Nếu lựa chọn phương pháp cắt phù hợp với vật liệu cắt thì kết quả sẽ tốt hơn cắt bằng khí cháy.