Tài liệu Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng sản phẩm khi cắt thép không rỉ bằng tia plasma

LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM KHI CẮT THÉP KHÔNG RỈ BẰNG TIA PLASMA 1 ` MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong nhưng năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các ngành công nghiệp phát triển. Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy các sản phẩm cơ khí cũng yêu cầu chất lượng ngày càng cao. Để nâng cao chất lượng sản phẩm một mặt người ta sử dụng ngày càng nhiều các loại vật liệu có cơ tính tốt, thép không gỉ hoặc thép chậm gỉ là một trong những loại vật liệu đó. Với thành phần các bon và hợp kim chủ yếu: 0.1- 0.4 %C , >13%Cr, thì đây là loại thép rất dẻo, dễ uốn, dễ hàn, bền, chống ăn mòn tốt trong khoảng nhiệt độ rộng. Nên loại vật liệu này được sử dụng khá rộng rãi và rất thích hợp trong các ngành hoá chất, dụng cụ mổ trong ngành y học, khuôn mẫu, đồ trang sức, các loại ốc vít không gỉ, ổ bi chống ăn mòn, đồ gia dụng, bình chứa, ống công nghiệp, tàu thuyền công nghiệp, vỏ ngoài các công trình xây dựng... Mặt khác bên cạnh chọn vật liệu tốt người ta phải nâng cao độ chính xác và chất lượng bề mặt khi gia công để nâng cao chất lượng của sản phẩm. Đối với thép tấm không rỉ, để hoàn thiện một sản phẩm cần qua nhiều công đoạn .Trong đó công đoạn cắt là khá quan trọng để tạo nên một sản phẩm chất lượng. Phương pháp cắt bằng hồ quang plasma chủ yếu được sử dụng để gia công vật liệu này. Cắt plasma là công nghệ khá phức tạp đòi hỏi người thực hiện phải có kiến thức lý thuyết về vật lý, hóa học, cơ khí, luyện kim, điện, điện tử, tự động hóa…, đồng thời cũng yêu cầu cao về tính sáng tạo và kỹ năng nghề nghiệp. Hiện nay, công nghệ cắt plasma đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau làm cho năng suất và chất lượng sản phẩm tăng lên rất nhiều.. Tuy nhiên, việc lựa chọn chế độ cắt cho phù hợp nhằm nâng cao năng su ất và đảm bảo chất lượng sản phẩm còn gặp nhiều bất cập vì chưa được 2 ` nghiên cứu kỹ lưỡng; Mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lượng sản phẩm cắt chưa được đánh giá đầy đủ; việc chọn chế độ cắt hiện nay vẫn dựa vào kinh nghiệm thể hiện trong các bảng tra…Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng sản phẩm khi cắt thép không rỉ bằng tia plasma” là rất cần thiết; nó tạo tiền đề cho việc nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo nhằm mục đích xác định chế độ cắt hợp lý và tiến tới tối ưu hoá chế độ cắt khi cắt thép không rỉ bằng hồ quang plasma góp phần nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy cắt bằng plasma trong sản xuất cơ khí và là cơ sở để nghiên cứu cho các vật liệu khác, trên cơ sở nghiên cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm tạo ra một chế độ cắt cụ thể ứng với bề dày vật cắt khi cắt thép không rỉ. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu chế độ cắt plasma khi cắt thép không rỉ có bề dày h = 8 mm và ảnh hưởng của nó đến vùng ảnh hưởng nhiệt phân phối bên trong thép. Từ đó có những khuyến cáo khi sử dụng công nghệ cắt thép không rỉ bằng plasma với các tấm thép có chiều dày khác nhau. Đồng thời đề xuất một chế độ cắt phù hợp với thép không rỉ khi áp dụng phương pháp cắt bằng plasma. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Trong phạm vi và thời gian thực hiện đề tài này, thép không rỉ có bề dày 8mm được lựa chọn để nghiên cứu chế độ cắt plasma không khí với qui trình cắt tự động. Phạm vi ứng dụng khi cắt các thép không rỉ được mở rộng đến các chiều dày khác nhau (6 - 12) mm sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Các đối tượng được quan tâm đến gồm: - Các dạng năng lượng tham gia vào quá trình cắt. - Bề rộng mạch cắt và vùng ảnh hưởng nhiệt. 4. Phƣơng pháp nghiên c ứu đề tài - Nghiên cứu lý thuyết để có được kết quả phân tích, tính toán dựa vào lý 3 ` thuyết truyền nhiệt - Nghiên cứu thực nghiệm đo nhiệt độ và xác định vùng ảnh hưởng nhiệt. - Thực nghiệm đo bề rộng rãnh cắt - So sánh kết quả đo và kết quả tính để khẳng định độ tin cậy của kết quả tính theo lý thuyết truyền nhiệt. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Xác định được ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm khi cắt thép không gỉ bằng plasma - Xác định được bề rộng và kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt của thép sau khi cắt. - Cho phép hạn chế công đoạn cắt thử nhiều lần trong thực tiễn làm tăng chi phí gia công. - Cung cấp các khuyến cáo, hướng dẫn khi sử dụng công nghệ cắt bằng plasma để đạt hiệu quả cao trong thực tiễn sản xuất, chế tạo. 4 ` Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Các quy trình cắt kim loại bằng nhiệt khí 1.1.1 Cắt bằng ô-xy Quá trình cắt bắt đầu bằng sự đốt nóng kim loại đến nhiệt độ cháy (ô-xy hóa 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 được 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 hóa kim loại 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 kết 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 ngành luyện kim đen, đóng tàu, chế tạo lò hơi, chế tạo đầu máy toa xe, xây dựng …Việt Nam. 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 xuất cao, độ chính xác lớn, mép cắt phẳng nhất là cắt ô-xy, axê-ty-len thực hiện trên máy cát CNC. 1.1.2. Cắt hồ quang ô-xy Phương pháp này dùng để cắt, khoét rãnh hoặc cắt 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 cát 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. 5 ` Với phương pháp này, hồ quang được đun 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 hóa, hòa tan, tạo xỉ và phun cơ học. Trong trường hợp vật liệu có tính chống ô-xy hóa cao, chẳng hạn như thép không rỉ, nhôm và hợp kim nhôm,…. Quá trình cắt chủ yếu do sự nóng chảy. Trong tường 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, a-xê-ty-len. 1.1.3. Cắt hồ quang, kim loại bằng tay Đây là phương pháp cắt thô sử dụng điện hàn cực thông dụng hoặc điện cực được thiết kế đặc biệt có đường kính từ 4mm 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 dùng dòng điện 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 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 lõi 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 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. 6 ` 1.1.4. Cắt bằng điện cực các bon khí nén Phương pháp này dùng trong không khí nén để loại bỏ không khí 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 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 nguyên liệu khí ô-xy dựa trên sự ô-xy hóa và loại bỏ xỉ nóng chảy thấp, cắt bằng hồ quang không khí chỉ làm nóng chảy mà không ô xy hóa. 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. 1.1.5. Cắt bằng hồ quang Plasma Plasma là khí dẫn nhiệu bao gồm các điện tử, ion, phân tử trung hòa. Plasma cắt kim loại có nhiệt độ từ 50÷30.000K, hình thành khi 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. 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 hóa. Nguồn điện một chiều với điện áp hở mạch trong khoảng 120-140V và dòng điện 70-1000A. Để cá 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 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 dày cắt được so với thép Các bon 12.5mm đối với hợp kim không chứa sắt đến 25mm. 7 ` 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 thế 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 tiết kế theo hệ thống cắt Plasma được sử dụng và vật liệu được cắt. Để đạt chất liệu cao, các đầu phun nhiều cổng được sử dụng, có cổng phụ sắp xếp vòng tròn bao quang lỗ chính. Trong thiết bị cơ khí hóa, các mỏ cắt bằng hồ quang plasma được lắp lên trên máy cắt định hình tương tự thiết bị cơ khí hóa 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 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 tóe, khói và ồn do đó càn 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 dưới. Dòng Plasma tạo ra khói với tốc độ cao, va đập với nước gây ra cuộn xoáy, giữ các hạt khói trong nước. 1.1.6. Cắt bằng ăn mòn tia lửa điện Dựa 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 điện cực thỏi. - Máy EDM dùng điện cực dây. 8 ` Với ứng dụng gia công cho những vật liệu dẫn điện khó gia công như thép tôi, thép hợp kim khó gia công. Tạo hình những chi tiết hệ lỗ có Profile 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 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 tháp hơn nhiều so với điện cực phôi (chi tiết gia công) lấy mềm cắt cứng. - Điện và cực phôi 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 đến hàng ngàn độ làm nóng chảy lỏng, đốt cháy phần kim loại trên bề mặt gia công (cực dương) và tạo nên hình dạng cần thiết tùy theo hình dạng của điện cực dụng cụ (cực âm). Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện điển hình được trình bày ở hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện. 9 ` 1.1.7. Cắt bằng chùm tia điện tử Trong các nguồn điện nhiệt hiện đang được sử dụng trong công nghiệp 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 lơn nhất trên một diện tích nhỏ nhất. Chùm tia điện tử là dòng các điện tử răng 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 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 hợp tĩnh điện và điện từ đối xứng dọc theo 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. Tùy thuộc vào áp suất tăng tốc và tính chất của kim loại các điện tử có thể thấm sâu vào hàng chục micromet. Sau khi va chạm nhiều lần điện tử mất năng lượng, thay đổi hướng và tốc độ chuyển động. Tốc độ của điện tử sau khi va chạm tăng, tốc độ giảm, kết quả tại giai đoạn cuối hành trình điện tử tiêu tốn phần chủ yếu năng lượng của nó. Như vậy sự đốt nóng điện tử xảy ra trong vật tử khác với các nguồn điện khác được ứng dụng trong hàn. Sự tỏa 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 10 ` điện tử, cũng như dùng laser, có thể cắt được vật liệu 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 khác thì phương pháp dùng chùm tia điện tử phải sử dụng thiết bị phức tạp không tiện lợi cho khai thác. Chẳng hạn phải đưa chi tiết gia công vào buồng chân không để có thể thực hiện quy trình đồng thời phải có thiết bị bảo vệ đặc biệt để ngăn ngừa bức xạ rơnghen cho người thao tác. 1.1.8. Cắt bằng laser Laser là nguồn phát ra chùm tia cực mạnh ở bước sóng nhất định, và được hội tụ lại một khoảng cách nào đó. Nó có khả năng tạo ra trên bề mặt gia công mật độ luồng ánh sáng rất cao. Vai trò của laser như một nguồn sáng làm việc liên tục hoặc xung, là đảm bảo trên bề mặt của vật liệu gia công một mật độ công suất cao, đủ để đun nóng, làm nóng chảy, hoặc làm bay hơi vật liệu- đó là những cơ sở của công nghệ laser. Hình 1.2 Trình bày một sơ đồ cắt laser kèm theo khí thổi vào vùng tương tác. 1-Nguồn phát tia laser 4-Cửa sổ 2-Gương phẳng 5-Tiêu điểm 3-Thấu kính 6-Chi tiết. 11 ` Hình 1.2 Nguyên lý cắt laser 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 lên vật liệu gia công bởi vậy mà có thể cắt tấm mỏng, các chi tiết nhỏ, việc giá 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 hóa quá trình cắt dễ dàng tạo chuyển động tương đối giữa chùm laser và phôi, có thể cắt các biến dạng phức tạp, đạt được vận tốc cắt cao. Những phương pháp này của phương pháp cắt laser mở ra một triển vọng lớn lao trong ngành 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 những kết 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. Trong nghề chế tạo máy, laser được ứng 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 máy tách, làm nóng chảy, đốt cháy hoặc làm bay hơi tại chỗ bằng chùm tia hội tụ của bức xạ laser. Cắt laser được thực hiện trong giải 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 cứ vật liệu nào, thép Các bon, thép hợp kim, các hợp kim nhôm, titan thủy tinh, composite, gỗ dán, cao su, vải, bê tông,..vv. 12 ` Bằng laser ta có thể đạt được những vết cắt rất mảnh và 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. Gia công bằng hồ quang plasma 1.2.1. Khái niệm Plasma cũng là một trong những dạng tồn tại của vật chất; ba trạng thái đầu tiên của vật chất mà ta đã biết là: chất rắn, chất lỏng và chất khí. Khi năng lượng nhiệt tác động vào chất rắn cho đến khi chuyển sang trạng thái lỏng, tiếp tục cung cấp nhiệt chất lỏng chuyển sang trạng thái khí và tiếp tục cung cấp nhiệt vào khí, khí bị ion hóa. Sự ion hóa khí là sự biến đổi trạng thái cuối cùng, khí ở trạng thái dẫn điện được gọi là plasma Hình 1.3. Các trạng thái vật chất trong tự nhiên Plasma là tập hợp các hạt tích điện bao gồm số lượng tương đương các ion dương và các điện tử và có vài đặc tính của khí nhưng khác v ới khí là có tính dẫn điện tốt. Sự ion hóa khí tạo ra các điện tử tự do và các ion dương giữa các nguyên tử khí. Khi điều này xảy ra, khí trở thành dẫn điện với khả năng mang dòng điện. Như vậy, plasma hình thành đó là hình thái phong phú nhất của vật chất trong vũ trụ 13 ` 1.2.2. Đặc điểm Về phương diện vật lý, plasma là chất khí đã phân hủy và ion hóa mạnh, tức là hỗn hợp của phân tử, nguyên tử, ion và điện tử theo một tỉ lệ nhất định. Một vật chất có trạng thái plasma nếu động năng trung bình của các phần tử hạt lớn hơn thế năng ion hóa (bắt đầu) có sự phân hủy nguyên tử, điện tử tách ra từ hạt của nguyên tử, ion được cấu thành, nhưng nhỏ hơn 10 6 eV. Plasma là một trạng thái vật chất thứ tư, là hỗn hợp có nhiều thành phần (ion, điện tử và phần tử trung tính). Gia công bằng tia plasma là công nghệ dùng tia plasma sinh ra từ hồ quang giữa catod và anod (vật gia công và đầu phun) hoặc bằng tia hồ quang plasma. 1.2.3. Nguyên lý gia công bằng hồ quang plasma Công nghệ cắt bằng tia plasma là một phương pháp gia công dùng d òng 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 14 ` 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 b ề mặt tấm. Một tín hiệu được kích hoạt truyền tới nguồn điện áp DC. Tín hiệu này đồng thời kích hoạt điện áp mạch hở (OCV) và dòng khí tới mỏ cắt (hình a) Hình 1.4. 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 khí đi qua đó bị ion hóa (hình 2.4b). 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 (hình2.4c). 15 ` 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 2.4d). Quá trình cắt có thể điều khiển bằng tay, nhưng thông thường được thực hiện trên máy tự động hoặc kết hợp với bộ điều khiển số NC, chất lượng 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 200V - 400V, điện áp khi có tải vào khoảng 100V- 180V. 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 ho ặc 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 Hafniu m hoặc Zircon đầu dẹt. Trong tr ường 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 16 ` 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 được 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 Nitơ 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 th ể 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 Nit ơ. Phương pháp này thích hợp 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 hợp 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 17 ` khi cắt rất nhỏ, đảm bảo chất lượng cao khi cắt thép không gỉ và thép cácbon thấp. 1.3. Các công trình đã nghiên cứu về công nghệ cắt plasma 1.3.1. Thuyết qui ước về hồ quang cắt plasma (1957) Tia plasma được phát minh bởi thuyết quy ước "Dry", là qui trình kỹ thuật co thắt hồ quang được đưa ra bởi hội Carbide Linde vào năm 1957. Trong cùng năm, tiến sỹ Robert Gage giành được bằng sáng chế, thay cho việc độc quyền một cách có chủ ý của hội Linde. Qui trình kỹ thuật này có thể được sử dụng để cắt bất kỳ kim loại nào với tốc độ cắt nhanh vừa phải. Bề dày của tấm kim loại có thể bất kỳ, từ những tấm kim loại mỏng đến tấm kim loại dày đến 10 inch (250mm). Cuối cùng thì quá trình cắt tấm kim loại dày hay mỏng tùy thuộc vào quá trình chuyển đổi điện dung của ngọn lửa và tính chất vật lý của tấm kim loại. Đầu cắt được cơ khí hóa với công suất lớn và dòng điện có thể lên đến 1000 A, có thể cắt xuyên tấm thép hoặc nhôm một cách dễ dàng và sạch sẽ mà không bị tích tụ lớp xỉ bám dưới đường cắt. Tuy nhiên, trong hầu hết các ứng dụng trong công nghiệp cắt tấm kim loại dày hiếm khi vượt quá 2 inch. Trong quá trình cắt kim loại dày, qui trình cắt tự động bằng hồ quang plasma thường thì đường cắt bị xiên và bị lõm ngay tại điểm đầu của đường cắt. Cắt xiên là kết quả của sự thiếu cân bằng khi đưa nhiệt vào trong mặt cắt và do đầu cắt không vuông góc với tấm kim loại. Kết quả của góc cắt thể hiện rất rõ trên chi tiết vì lượng nhiệt ở ngay tại điểm đầu tiên của quá trình cắt bị tiêu hao do tia lửa hồ quang xuyên qua tấm kim loại. Sự không cân bằng nhiệt này được làm giảm bớt ngay ở vị trí của ngọn đuốc mà dòng hồ quang có thể tập trung trên tấm kim loại bằng việc ứng dụng nguyên lý co thắt hồ quang. Việc làm tăng sự co thắt cột hồ quang là do nhiệt độ của tia lửa điện được mở rộng và duy trì. Do đó, việc cắt kim loại tấm trở nên vuông hơn nhược điểm là sự co thắt của vòi phun theo quy ước Dry, nó 18 ` có khuynh hư ớng làm gia tăng sự co thắt để phát triển thành hai dòng tia hồ quang trong dãy hồ quang, dòng hồ quang thứ nhất nằm giữa điện cực và vòi, dòng hồ quang thứ hai nằm giữa vòi và tấm kim loại. Hiện tượng này được gọi là “Double Arcing” nhằm bảo vệ điện cực và vòi. Dòng hồ quang kép này yêu cầu cần phải có một phạm vi giới hạn nhằm cải thiện được chất lượng cắt plasma. Từ lúc quá trình cắt này được đưa vào giữa thập niên 50, các nhà nghiên cứu tập trung vào cải thiện vòi phun hồ quang mà không cần tạo ra hồ quang kép. Việc cắt bằng hồ quang plasma được thực hiện từ đó, cho đến bây giờ được coi như là phương pháp gia công “Cắt plasma truyền thống”. Quá trình trở nên phức tạp trong việc ứng dụng nếu người dùng cắt những tấm kim loại lớn và có độ dày khác nhau. Ví dụ, nếu quá trình cắt plasma truyền thống được sử dụng để cắt Inox, thép mềm và nhôm, nó cần đến những dạng khí khác nhau và dòng khí cho chất lượng cắt tối ưu, thường yêu cầu pha trộn các loại khí đắt tiền như: Argon, Hydro,… 1.3.2. Dòng hồ quang plasma kép (1962) Kỹ thuật ứng dụng dòng plasma kép được nghiên cứu phát triển, cấp bằng sáng chế bởi tập đoàn Thermal Dynamics va James Browning, chủ tịch TDC năm Năm 1963, liên quan đến việc thay đổi một số kỹ thuật cắt của quá trình cắt plasma truyền thống đã được đề cập. Về bản chất, nó kết hợp các tính năng như phương pháp cắt truyền thống, ngoại trừ một lá chắn thứ cấp được phân bố xung quanh ống plasma. Thông thường, trong công nghệ ứng dụng dòng plasma kép cho quá trình cắt khí Nitơ và tấm chắn thứ cấp được lựa chọn theo tấm kim loại cần cắt. Các tấm chắn khí điển hình được dùng như: không khí hoặc ôxi cho thép mềm, Cacbonic cho Inox và hỗn hợp argon/hydro cho nhôm. 19 ` Hình 1.5. Cắt bằng dòng hồ quang ké Tốc độ cắt bằng hồ quang plasma kép vẫn tốt hơn so với cắt thông thường trên thép mềm, tuy nhiên chất lượng cắt không đáp ứng cho nhiều ứng dụng. Tốc độ cắt và chất lượng trên tấm Inox, Nhôm thực chất cũng giống như quá trình cắt truyền thống. Những thuận lợi đối với việc ứng dụng công nghệ mới này là vòi phun có thể được truyền bên trong đầu chụp bằng gốm hay còn gọi là lá chắn khí. Nó dùng để ngăn dòng hồ quang trong vòi phun và giảm bớt lượng hồ quang so với tấm kim loại, có xu hướng giảm dòng hồ quang kép. Tấm chắn khí bao quanh vùng cắt, cải thiện chất lượng cũng như tốc độ làm mát vòi phun cho n ắp chắn. 1.3.3.Cắt plasma bằng không khí (1963) Cắt bằng không khí được giới thiệu lần đầu tiên vào đầu những năm 1960 để cắt thép cácbon thấp. Ôxy trong không khí cung cấp năng lượng bổ xung từ phản ứng tỏa nhiệt mà nó làm cho thép nóng chảy. Năng lượng bổ xung này cải thiện tốc độ cắt khoảng 25% so với cắt plasma dùng khí Nitơ. Quá trình này có thể được dùng để cắt inox, nhôm. Bề mặt cắt trên các vật liệu này thường bị ôxy hóa và không được dùng cho nhiều ứng dụng.