9. Nghiên cứu phương pháp cắt hồ quang: Nêu nguyên lý, cấu tạo máy. Ứng dụng trong lĩnh vực nào?

Trong phương pháp này khí trơ hoặc khơng khí nén được thổi qua vịi phun với áp suất ccao, cung thời điểm dịng hồ quang điện cũng truyền qua dịng khí này từ vịi phun đến bề mặt vật cắt,

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP VIỆT-HUNG

KHOA CƠ KHÍ

BÀI TIỂU LUẬN

Đề tài: Nghiên cứu phương pháp cắt hồ quang: Nêu nguyên lý, cấu

tạo máy Ứng dụng trong lĩnh vực nào?Lấy ví dụ minh họa (hình ảnh, clip_ nộp bản mềm ghi trên CD)

Giáo viên: Phí Tuấn Sơn

Sinh viên: Dương Đắc Thắng

Lớp: K37_ĐHCK 1

MSV: 1300360

Hà Nội: 4-2016

PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG

CẮT HỒ QUANG

(Plasma Arc Cutting - PAC)

Mục tiêu : Sau khi học nghiên cứu xong chương này, người

nghiên cứu có khả năng sau

- Hiểu khái niệm gia công bằng cắt hồ quang

- Hiểu, biết nguyên lý gia công bằng cắt hồ quang

- Tường minh về dụng cụ và thiết bị

- Biết tường tận các thông số công nghệ

- Tường minh về phạm vi ứng dụng và hướng phát triển

I: Khái niệm cơ bản

- 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 (W) của các phần tử hạt lớn hơn thế năng ion hóa (U) (bắt

đầu) có sự phân hủy nguyên tử, điện tử tách ra từ hạt của

nguyên tử, ion được cấu thành, nhưng nhỏ hơn 106 eV Plasma

là một trạng thái vật chất thứ tư, là hỗn hợp có n 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 cháy giữa catod và anod (vật gia công đầu

phun) hoặc bằng tia hồ quang Plasma

Cắt Plasma – Plasma cutting là một quá trình trong đĩ để cắt thép và các kim loại khác ở các độ dày cắt khác nhau sử dụng mỏ cắt plasma Trong phương pháp này khí trơ ( hoặc khơng khí nén ) được thổi qua vịi phun với áp suất ccao, cung thời điểm dịng hồ quang điện cũng truyền qua dịng khí này từ vịi phun đến bề mặt vật cắt, chuyển một phần khí sang thành Plasma Plasma cĩ nhiệt độ cao làm nĩng

chảy kim loại vật cắt, khí thổi với áp suất cao đủ để thổi kim loại nóng chảy ra khỏi mặt cắt

- Plasma là tập hợp các hạt tích điện bao gồm số lượng tương đương các ion

dương và các điện tử Chúng có vài đặc tính của khí nhưng khác với 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

Một ví dụ của plasma được thấy trong tự nhiên là hiện tượng tia chớp thường hay xảy ra khi bầu trời có mưa giông Giống như tia plasma phát ra từ mỏ plasma, tia chớp phóng từ vị trí này sang vị trí khác, giữa hai đám mây tích điện Trong không gian hình thành tia chớp, các loại khí trong không trung là khí ion hóa, trở nên dẫn điện

II Nguyên Lí gia cơng :

- Là phương pháp gia công dùng dòng plasma có nhiệt độ từ 10.000 – 14.0000 C để cắt kim loại bằng cách làm cho nó nóng chảy cục bộ tại vị trí và vùng áp lực của dòng khí đẩy phần kim loại nóng chảy ra khỏi vị trí đó Quá trình cắc plasma được chia làm 2 phần :

+ Đầu tiên dòng khí nóng làm nóng chảy và xuyên thủng

vật liệu

+ Sau đó dòng plasma được dịch chuyển theo đường dẫn

đã được vạch sẵn để cắt vât liệu

- Dòng plasma là một hỗn hợp khí của các electron tự do,

các ion dương, nguyên tử và phân tử Các loại khí thường dùng để tạo plasma là nitrogen, Argon, Hidrogen hay hỗn hợp các khí này Dòng plasma được phát sinh giữa điện cực (Catod)

bên trong vòi phun (thường là tungsten) và chi tiết gia công

(Anod)

- Dòng plasma đi qua dòng nước làm nguội ở đầu vòi phun

và nó được thu hẹp lại thành tia để tác động trực tiếp vào vị trí

yêu cầu Tia plasma đến chi tiết gia công có vận tốc cao và

nhiệt độ cực nóng tại tâm của nó, nhiệt độ này đủ để cắt đứt

miếng kim loại dày 155,4mm

Cắt Plasma là quy trình sử dụng miệng đầu phun thích hợp để làm thắt lại luồng khí ion hĩa cĩ nhiệt độ rất cao, sao cho cĩ thể sử dụng để làm nĩng chảy và cắt đứt các kim loại dẫn điện

Khí dẫn điện (plasma) được sử dụng để chuyển năng lượng âm (-) cung cấp bởi một nguồn điện từ mỏ plasma đến vật liệu cắt Mỏ plasma đĩng vai trị như là cơng

cụ lắp các phụ tùng tiêu hao và cĩ vai trị cung cấp chất làm mát (khí hoặc nước) cho các phụ tùng này Đầu phun và điện cực duy trì tia plasma

Một tín hiệu khởi động được gửi tới nguồn công suất DC Khi đó, đồng thời xuất hiện điện áp mạch hở (OCV) và khí phun ra mỏ

Sau khi có luồng khí ổn định, mạch tần số cao (HF) được kích hoạt HF phóng hồ quang giữa điện cực và đầu phun bên trong mỏ và hồ quang làm cho khí thổi qua

đó bị ion hóa

Khí dẫn điện tạo nên dòng điện giữa điện cực và đầu phun và kết quả là hình thành

hồ quang mồi (pilot arc)

Khi hồ quang mồi tiếp xúc với vật cắt, hồ quang plasma hình thành giữa điện cực

và vật cắt Hồ quang plasma làm nóng chảy kim loại, và luồng khí tốc độ cao thổi

đi kim loại nóng chảy

Chọn khí sử dụng trong cắt Plasma

- Các loại khí được sử dụng trong cắt plasma đều có ưu điểm và nhược điểm của nó trong quá trình thực hiện cắt cho thép, thép không gỉ và nhôm.

Các loại khí được sử dụng trong cắt Plasma: Không khí được làm sạch, Oxy, khí

ni tơ, hỗn hợp khí Argon – Hidro.

Cắt plasma sử dụng không khí

Khí được sử dụng phổ biến nhất trong cắt plasma, nó cung cấp tốc độ cắt, và chất lượng cắt tốt với thép cacbon, thép không gỉ và nhôm Giá thành thấp là một lợi thế khi sử dụng không khí Tuy nhiên trước khi được sử dụng không khí phải được làm sạch, loại bỏ bụi bẩn, hơi nước Khi sử dụng không khí cần phải chọn hệ thống khí nén, lọc thích hợp với yêu cầu cắt

Một trong các vấn đề của cắt plasma sử dụng không khí là ảnh hưởng của nó lên mối hàn đường cắt plasma Đường cắt thường có các vùng bị ni tơ hóa, oxy hóa Điều này ảnh hưởng đến mối hàn Nó được giải quyết tốt khi sử dụng dây hàn có chứa chất khử nito, oxy Với các ưu điểm tốc độ cắt tốt, xỉ ít, tuổi thọ của các thiết

bị tiêu hao trung bình Khơng khí là một lựa chọn tốt nhất cho cắt plasma trong các xưởng nhỏ

Cắt plasma sử dụng khí Oxy

Đây là lựa chọn hàng đầu trong các nhà máy khi cắt các tấm thép Carbon vì chúng mang lại chất lượng mối cắt tốt nhât, tốc độ cắt nhanh nhất Oxy sẽ tương tác với thép carbon giảm nhiệt độ nĩng chảy do tạo ra oxit tạo đường cắt min hơn do kích thước hạt nĩng chảy nhỏ Nhược điểm của cắt plasma sử dụng oxy đĩ là giá thành của khí sử dụng cao, cũng như tuổi thọ thiết bị tiêu hao thấp Tuy nhiên thực tế người ta thường sử dụng khí nito khi bắt đầu hồ quang plasma do đĩ sẽ cải thiện được tuổi thọ của thiết bị tiêu hao ngang bằng với cắt plasma sử dụng khơng khí Chi phí cho khí oxy và thiết bị tiêu hao cao, nhưng cắt plasma sử dụng khí oxy bù lại với năng xuất cao và chất lượng mối cắt tốt

Cắt plasma sử dụng khí ni tơ

Phương pháp được sử dụng phổ biến trong quá khứ và nĩ vẫn là lựa chọn tốt nhất khi cắt nhơm hoặc thép khơng gỉ do chất lượng đường cắt và tuổi thọ thiết bị tiêu hao Tuy nhiên với tấm nhơm hoặc thép khơng gỉ dày trên 0.5 inch thì nên chuyển sang sử dụng hỗn hợp khí argon + hidro

Bình thường khơng khí được sử dụng làm khí bảo vệ Nếu sử dụng CO2 cĩ thể cải thiện phẩn nào chất lượng cũng như tốc độ cắt Nước cũng được sử dụng với cắt plasma nito Nước đảm bảm đường cắt nhẵn bĩng khi cắt nhơm, thép khơng gỉ Khi sử dụng với nước cắt plasma nito thường sử dụng bàn cắt nước

Cắt plasma sử dụng Argon- Hidro

Khi cắt nhơm và thép khơng gỉ dày trên 0.5inch hỗn hợp khí 35% Hidro,65% argon thường được sử dụng Hỗn hợp khí cung cấp nhiệt độ cắt plasma cao nhất (với hệ thống plasma 1000Amp cĩ kèm phun nước sử dụng khí argon-hidro cĩ thể cắt thép khơng gỉ dày đến 15cm) Cắt plasma sử dụng argon-hidro cung cấp đường cắt cực kì min với thép khơng rỉ, Nito thường được chọn là khí bảo vệ trong trường hợp này Yếu điểm của hệ thống như này đĩ là chi phí cho thiết bị và chi phí vận hành

III Dụng cụ và thiết bị gia cơng :

- Hồ quang Plasma được dùng trong nhiều thiết bị như hàn,

cắt, tiện: trong phần này xin giới thiệu thiết bị tiên bằng

- Quá trình xảy ra khi tiện bằng plasma không phải là quá

trình toả nhiệt, tức là không nung nóng vật liệu cần lấy đi mà

dùng tia plasma cực mạnh và mật độ tập trung cao làm nóng

chày bề mặt gia công, bằng động năng nó đẩy kim loại đã

nóng chảy

- Tia Plasma cực mạnh và mật độ tập trung cao làm nóng

chảy bề mặt gia công, bằng động năng nó đẩy đi lim loại kim

loại đã nóng chảy Dùng chất khí mà động năng của nó

( W k = 1 / 2.m.v2) là lớn ở một nhiệt độ nhất định Hỗn hợp khí argon-hidrogen có thể thỏa mãn yêu cầu này Quá trình động lực

trong tiện bằng tia Plasma cũng giống như tiện trên bàn tiện

thông thường, chỉ có điều khác là thay vì dùng dao tiện, ở đây

chúng ta dùng đầu phun Plasma

- Để tiện thì nên dùng đầu phun có hồ quang trọng, vì trong

trường hợp này điện cực được làm mát bằng nước nối với cực

âm của nguồn phát điện một chiều và từ điện cực đó nó qua

điện cực của vòi phun vơí cực dương của nguồn phát

- Để cho quá trình được ổn định thì phải giữa góc nghiêng

giữa vòi phun plasma với mặt phẳng thẳng góc với mặt gia

công khoảng 600

Các quá trình hồ quang plasma sử dụng mỏ hồ quang đặc biệt được cải tiến từ mỏ hàn TIG, trong đó hồ quang wolfram được định hướng qua một ống dẫn khí trơ Ống dẫn này được bố trí giữa điện cực wolfram và kim loại nền giúp tránh được sự khuyếch tán hồ quang, do đó cho phép tập trung dòng hồ quang vào phạm vi hẹp, làm tăng rõ rệt sự cấp nhiệt hồ quang, tăng nhiệt độ và điện áp hồ quang Hệ thống này tạo thành dòng plasma

Electrode: Điện cực wonlfram được lắp bên trong ống dẫn không chạm vào chi tiết

gia công Điện cực được phân cực âm, nếu bị phân cực dương sẽ nhanh chóng bị

hư hại

Collet: Kẹp kim dùng để giữ và cố định điện cực.

Electrode cap: Chuôi hàn dùng để giữ kín khí, thay thế kim hàn khi cần.

Welding tip: Đầu phun nơi tập trung khí tạo hồ quang plasma.

Nozzle: Vòi phun khí bảo vệ cung cấp qua ống ngoài tương tự quá trình hàn TIG,

bảo vệ vũng hàn xung quanh dòng plasma

Handle: Tay cầm cách điện chứa các ống dẫn khí, cáp cấp điện, nước làm mát Plasma Gas: Ống dẫn khí cho plasma.

Shielding gas: Ống dẫn khí bảo vệ.

Water in: Ống dẫn nước vào.

Water out: Ống dẫn nước ra.

Curent (+)(-): Cáp điện đưa vào đầu mỏ súng hàn.

IV Các thơng số cơng nghệ :

- Các thông số công nghệ tiện bằng tia Plasma :

+ Tốc độ (Vk)

+ Tốc độ tiến của vòi phun (e)

+ Cường độ dòng điện (I)

+ Điện áp (V)

+ Tốc độ chảy của gaz (Vg)

+ Góc đặt của vòi phun

- Việc điều chỉnh khoảng cách giữa đầu phun và chi tiết gia công là quan trọng Kích thước của một điện cực có thể được dùng để gia công vật liệu có bề rộng hay bề dày băng cách điều chỉng thích hợp các thông số như mức năng lượng, loại khí, tốc độ phun khí, tốc độ di chuyển của đầu phun và góc cắt

- Bằng thực nghiệm người ta tìm ra những trị số tối ưu với nhiều vật liệu khác nhau Bảng 5.11 cho ta các trị số cụ thể

- Để các biến dạng đã vạch sẵn có thể điều khiển vòi phun plasma bằng tay , tuy nhiên độ chính xác không cao Để cải thiện điều này người ta cho gắn đầu phun plasma vào một tay máy được điều khiển bằng chương trình số như vậy không nhưng tăng độ chính xác mà tốc độ cắt cũng được tăng lên Phương pháp gia công bằng hồ quang plasma có thể cắt được bất cứ kim loại dẫn điện nào, các vật liệu thường cắt bằng hồ quang plasma là thép cacbon, thép không rỉ và nhôm

- Ưu điểm của cắt hồ quang plasma điều khiển bằng chương trình số là tốc độ cao.Tốc độ cắt dọc theo một đường dẫn nào có thể lên đến 0,182 m/s cho miếng nhôm dày 6,35 mm; 0,085 m/s cho miếng thép dày 6,35 mm Tốc độ cắt này giảm dần với tấm vật liệu dày hơn Ví dụ tốc độ tối đa khi cắt một miếng

nhôm dày 100 mm là 0,0085 m/s.

- Khi sử dụng tia Plasma, ngoài các biện pháp an toàn lao

động đối với công nhân còn cần thêm những qui định nghiêm

ngặt để đề phòng tai nạn Điện áp không tải của nguồn là

100-400 V, điện áp làm việc là 80-120 V, có nguy cơ điện giật, cần

chú ý nối đất và cách điện tốt, đồng thời tăng cường các biện

pháp chống nóng và chống bức xạ (tia rơngen, tia hồng ngoại,

tia cực tím )

- Cần đặc biệt chú ý chống ngộ độc, chống nổ gaz Trong

quá trình làm việc có những chất nóng và hơi độc sinh ra, nên

chỗ sản xuất cần chú ý lắp hệ thống thông hơi mạnh Cũng

cần lo việc chống tác dụng của tiếng ồn 400 V, điện áp làm việc là 80-120 V, có nguy cơ điện giật, cần

chú ý nối đất và cách điện tốt, đồng thời tăng cường các biện

pháp chống nóng và chống bức xạ (tia rơngen, tia hồng ngoại,

tia cực tím )

- Cần đặc biệt chú ý chống ngộ độc, chống nổ gaz Trong

quá trình làm việc có những chất nóng và hơi độc sinh ra, nên

chỗ sản xuất cần chú ý lắp hệ thống thông hơi mạnh Cũng

cần lo việc chống tác dụng của tiếng ồn

V Phạm vi ứng dụng :

- Hầu hết ứng dụng của gia công bằng plasma là gia công cắt tấm kim loại

- Đột lỗ hay gia công cắt dọc theo những đường dẫn xác định

- Có thể gia công được bằng tay hoặc bằng điều khiển CNC

- Có thể gia công bất cứ kim loại nào Như : thép cacbon, nhôm, thép không gỉ

VI Ứng dụng cắt Plasma trong các máy gia cơng kim loại

- Cắt plasma hiện nay rất được ưa chuộng bởi nó mang lại hiệu suất cao trong công việc và vết cắt đẹp Chúng ta có thể tìm hiểu một số loại máy cắt plasma dưới đây được được ứng dụng phổ biến trong thực tế hiện nay.

Ứng dụng cắt plasma bằng máy cắt tay

Các máy cắt này có kích thước tương đối nhỏ gọn, do đó dễ dàng di chuyển để cắt tại hiện trường

Ứng dụng cắt plasma bằng máy cắt CNC

Được gắn lên máy cắt CNC, mỏ cắt plasma thực hiện cắt các hình bất kỳ theo bản

vẽ AutoCAD Ứng dụng này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo thiết bị, chế tạo kết cấu thép…

Sử dụng mỏ cắt plasma trên máy đột dập

Kết hợp tính năng của máy đột dập với mỏ cắt plasma tạo nên thiết bị có tính năng kép Thông thường, mũi đột hoạt động tạo thành các lỗ chính xác, trong khi đó mỏ cắt plasma được dùng để cắt các lỗ kích thước lớn, các đường cắt đa hình và các đường bao của chi tiết

Sử dụng mỏ cắt plasma với robot

Các robot là các tay máy đa trục có thể chuyển động theo 3 chiều không gian Một

mỏ cắt plasma được gắn trên tay robot cho phép cắt các vật liệu có hình dạng bất

kỳ Vì vậy, nó đảm bảo tính chính xác cao trong từng thao tác cắt

Sơ đồ nguyên lý phun bằng hồ quang plasma

Để tạo nên dòng các ion người ta sử dụng sự phóng điện với khoảng cách lớn giữa hai điện cực Hồ quang sẽ cháy

trong một rãnhtrụ kín cách điện với điện cực và đầu mỏ phun , đồng thời nó được làm nguội mãnh liệt và bị ép bởi

áp lực của dòng khí nén (khí trơ) Nhờ có hệ thống như vậy mà nhiệt độ có thể tăng lên

Sơ đồ nguyên lý phun đắp bằng plasma a/ Sơ đồ nguyên lý máy phun đắp bằng plasma

1- Van nước làm mát, 2 - Bình chứa khí để vận chuyển bột kim loại, 3,6 - van giảm áp, 4 - Thiết bị chuyển tải bột kim loại đắp, 5- Bình chứa khí

ổn định , 7- Van, Thiết bị kích thích hồ quang, 9- Đầu cắt hoặc đầu phun,

10, 11, 12 các công tắc, 13 nguồn điện

Phạm vi ứng dụng

- Gia công bằng hồ quang Plasma chủ yếu dùng để cắt tấm kim loại

- Đột lỗ hay gia công cắt dọc theo những đường dẫn xác định

- Có thể gia công bằng tay hoặc bằng điều khiển CNC (khả năng TĐH cao)

Đầu phun plasma:

Đầu vòi phun dòng Plasma (Nozzel) được làm từ Vonfram (tungsten) (bên trong vòi) có thể kết hợp với các nguyên tố khác như Cacbon… để tăng tính chịu nhiệt của nó, BKMetalx cùng một số biện pháp xử lý tăng khả năng chịu nhiêt, kết hợp với chế độ làm nguội bằng nước ở đầu vòi phun khi Plasma được sinh ra Đầu vòi phun ở đây đóng vai trò là Catot còn chi tiết gia công là Anot Như vậy Plasma