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

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…

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

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 tượng 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 Phương pháp nghiên c ứu đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết để có được kết quả phân tích, tính toán dựa vào lý

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

Chương 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, a-xê-ty-len thực hiện trên máy cát CNC

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

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

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

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

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

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 2-Gương phẳng 3-Thấu kính

4-Cửa sổ 5-Tiêu điểm 6-Chi tiết

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

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

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 106 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

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)

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

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

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

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

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

Hình 1.6 Cắt plasma bằng không khí

Vấn đề lớn nhất của quá trình cắt bằng không khí là luôn làm mòn nhanh điện cực của vòi phun plasma Những điện cực đặc biệt làm bằng Zirconi, Hafni hay hợp kim Hafni thì cần thiết vì điện cực Vônfram ăn mòn trong vài giây nếu khí cắt chứa ôxy Thậm chí với những nguyên liệu đặc biệt này, sự tồn tại của điện cực sử dụng plasma không khí ít hơn của điện cực liên quan đến plasma truyền thống

Mặc dù qui trình cắt với không khí không được tiếp tục ứng dụng và phát triển vào cuối những thập niên 60 ở Mỹ và phương Tây, nhưng s ự tiến

bộ và phát triển ổn định đã được ứng dụng rộng rãi ở các nước Đông Âu với

sự ra đời của “Feinstrahl Brenner” và Manfred Van Ardenne Công nghệ này được các ngành công nghiệp ở Nga du nhập vào và cuối cùng là Nhật Bản Mansfeld đã trở thành nhà cung cấp chính của Đông Đức Một số xưởng đóng tàu tại Nhật là những người sử dụng sớm nhất công nghệ cắt plasma không khí Tuy nhiên, tuổi thọ của điện cực thì tương đối ngắn và các nghiên cứu được đưa ra dựa trên bề mặt cắt của tấm kim loại do có tỷ lệ khí Nitơ cao trong dung dịch, đó là nguyên nhân gây ra rỗ khí sau khi hàn

1.3.4 Cắt plasma với vách chắn nước (1965)

Cắt plasma với vách chắn nước tương tự như công nghệ dòng plasma kép, chỉ có điều là dùng nước thay thế cho lá chắn khí Sự tồn tại của mỏ phun

và bề ngoài của miếng cắt được cải thiện vì kỹ thuật làm mát bằng nước Cắt hướng tâm, tốc độ cắt và sự tích tụ lớp xỉ không được cải thiện hơn so với cắt plasma kép vì nước không làm gia tăng thêm sự co thắt hồ quang

1.3.5 Công nghệ phun nước khi cắt (1968)

Trước đó, công nghệ này đã được khẳng định là chìa khóa để cải thiện, nâng cao chất lượng cắt của mức co thắt hồ quang, ngăn dòng hồ quang kép Trong quá trình cắt bằng vòi phun plasma, n ước được phun vào hồ quang theo một dạng nhất định Sự tác động xuyên tâm của tia nước tại nơi hồ quang dẫn ở mức cao hơn khi quá trình cắt chỉ có vòi phun Nhiệt độ của hồ quang ở vùng này ước lượng lên đến 500000K hay khoảng 9 lần nhiệt độ của mặt trời

và hơn 2 lần nhiệt độ của plasma truyền thống Kết quả cuối cùng là cải thiện được độ thẳng góc của vết cắt (cắt vuông), cải thiện tốc độ cắt và loại bỏ lớp

xỉ bám ở dưới vết cắt của thép mềm Quá trình cắt hồ quang với sự phun tia nước xuyên tâm được phát triển và cấp bằng sáng chế vào năm 1968 bởi Richard W.Couch Jr, chủ tịch Hypertherm, Inc Cách tiếp cận khác của quá trình co thắt hồ quang so với sự phun tia nước là tạo xoáy cho tia nước xung quanh hồ quang Với kỹ thuật này, ngọn lửa hồ quang co thắt lại và nó phụ thuộc vào vận tốc xoắn cần thiết để tạo cho vòng xoáy nước được ổn định Các lực ly tâm được tạo ra bởi vận tốc xoáy cao, các vách của vòng nước có

xu hướng chống lại nó, do đó đạt được hiệu quả thấp hơn so với cách bố trí phun nước theo hình tròn Không giống quá trình truyền thống được mô tả trước đó, chất lượng cắt tối ưu so với tia nước

Chính điều này làm cho quá trình cắt kinh tế hơn và dễ dàng sử dụng hơn Theo vật lý, khí Nitơ lý tưởng hóa nhờ khả năng truyền nhiệt của nó từ

hồ quang đến tấm kim loại Nhiệt năng được hấp thụ bởi nitơ nên nó được tách và nhả ra khi nó kết hợp ngay tại vị trí của phôi Nhiệt độ cao tại các điểm, nơi mà nước có thể mở rộng được dòng hồ quang, ít hơn 10% trong số

nước được bốc hơi Lượng nước còn lại đã thoát ra khỏi vòi phun theo kiểu phun hình nón, và làm mát bề mặt trên của phôi Quá trình làm mát được bổ xung, để ngăn ngừa sự hình thành của lớp ôxit trên bề mặt cắt và làm mát hiệu quả hơn bằng các ống thoát khí tại các điểm tỏa nhiệt Lý do cho sự co thắt của cột hồ quang tại chỗ phun nước là sự hình thành một lớp biên ngoài cách

ly giữa tia plasma và vòi phun nước

Độ bền của vòi phun được nâng lên nhờ kỹ thuật phun tia nước vì lớp biên của vòi phun tia nước được cách ly so với nhiệt độ cao của cột hồ quang Việc bảo vệ bởi một lớp biên hơi nước cho phép đổi mới qui trình thiết kế, toàn bộ phần dưới thiết bị của vòi phun được làm bằng gốm Do đó, nguyên nhân phá h ủy vòi phun bởi cột hồ quang kép được loại bỏ

1.3.6 Cắt dưới nước (1977)

Ở Châu Âu người ta đã cố gắng tiếp tục các quá trình thử nghiệm nhằm giảm mức độ tiếng ồn của hồ quang plasma và lượng khói tăng lên của quá trình cắt, từ đó xuất hiện một công nghệ mới là cắt dưới nước Phương pháp này cho quá trình cắt plasma mạnh hơn với cường độ dòng cắt trên 100 ampere và nó ph ổ biến cho đến ngày nay, nhiều hệ thống cắt plasma với dòng cực mạnh được ứng dụng để cắt tấm kim loại dưới nước

Để cắt plasma dưới nước, phôi được đặt trong nước khoảng 2 - 3 inch và ngọn đuốc cắt plasma cũng được đặt trong nước Mức độ khói, tiếng ồn cũng như ánh sáng hồ quang giảm đáng kể Một trong những nhược điểm của phương pháp này là không thể quan sát được phôi trong khi cắt và tốc độ cắt giảm 10 - 20% Hơn nữa, người thợ cắt có thể không còn xác định được âm thanh hồ quang trong suốt quá trình cắt để theo kịp tiến độ, dù quá trình cắt này cho chất lượng cắt tốt

Cuối cùng, khi quá trình cắt được thực hiện dưới nước thì nước xung quanh khu vực cắt được tách ra thành Ôxy và Hydro, ôxy tự do và có xu

hướng kết hợp với kim loại nóng chảy (đặc biệt là nhôm và kim lo ại nhẹ khác) để tạo thành oxit kim loại, khí Hydro thoát khỏi nước Khi đó khí Hydro sẽ tập hợp lại thành một lớp dưới phôi và tạo thành những vụ nổ nhỏ khi bắt lửa với tia plasma Vì vậy, nước cần được tạo xoáy mạnh liên tục trong quá trình cắt kim loại

Dựa trên tính phổ biến của quá trình cắt dưới nước, năm 1986 hãng Hypertherm đã đưa ra một công nghệ mới và được cấp bằng sáng chế cho công nghệ Underwater Muffler, không khí được thêm vào xung quanh ngọn lửa cắt

1.3.7 Cắt plasma không khí với cường độ thấp (1980)

Năm 1980, các nhà s ản xuất thiết bị cắt bằng hồ quang plasma ở tây bán cầu đã giới thiệu thiết bị sử dụng công nghệ cắt dùng không khí để cắt plasma, đặc biệt là hệ thống plasma sử dụng cường độ thấp Đến đầu năm

1983, Thermal Dynamics đưa ra PARK 3 và SAF gi ới thiệu công nghệ ZIP - CUT, và nó đã gặt hái được thành công ở Mỹ và Châu Âu Điều này mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ cắt hồ quang plasma, tăng qui mô thị trường trên thế giới khoảng 50 lần vào những năm 1980 và xuất hiện thêm nhiều nhà sản xuất thiết bị cắt ứng dụng công nghệ plasma Cuối cùng thì cắt hồ quang plasma được chấp nhận như là một phương pháp mới để cắt kim loại tấm và được coi là một công cụ có giá trị trong tất cả các phân khúc thị trường ngành công nghiệp cắt kim loại sử dụng công nghệ hiện đại

Với việc thúc đẩy ứng dụng mới cho các ngành công nghiệp cắt như hồ quang plasma thì tính cạnh tranh trên thị trường ngày càng tăng, nhiều cải tiến mới được giới thiệu trong đó quá trình cắt được thực hiện dễ dàng hơn, thao tác đơn giản hơn Nhiều mẫu mã thiết kế có tính ứng dụng cao và kỹ thuật chuyển đổi thứ cấp để cải thiện đặc tính của hồ quang nhằm giảm bớt kích cỡ, trọng lượng của hệ thống

1.3.8 Cắt plasma với ôxy (1983)

Quá trình cắt thép truyền thống là quá trình cắt ôxyfuel được các kỹ sư phát triển thành quá trình cắt bằng hồ quang plasma với việc sử dụng khí Ôxy

để tạo plasma Tuy nhiên, chính vì nhiệt độ rất cao ở phần đầu của điện cực

và sự có mặt của ôxy nguyên chất là nguyên nhân làm cho các ch ất liệu làm điện cực nhanh chóng bị hỏng, vì vậy hoặc là không thực hiện quá trình cắt hoặc là chỉ cắt trong thời gian ngắn Do đó, ôxy đã không được sử dụng trong những năm đầu phát triển công nghệ cắt plasma Đầu năm 1970, người ta đã tìm ra được hai chất là Hafni và Zirconi trong ngành công nghi ệp hóa chất, hai chất này có khả năng chống lại sự phá hỏng nhanh của điện cực xảy ra trong quá trình cắt hồ quang plasma Khí ôxy lần nữa lại được quan tâm đến Cắt plasma với ôxy cho ra một lượng chất xỉ trong điều kiện cắt nhanh, khi tốc độ cắt tăng lên đến 30% Kết quả là việc cắt theo biên dạng được thực hiện dễ dàng hơn Phần quang trọng để duy trì sự tồn tại của điện cực khi sử dụng vẫn bị hạn chế, tuy nhiên chất lượng cắt thép bằng ôxy là tuyệt vời

1.3.9 Cắt plasma với sự phun khí ôxy (1985)

Cắt Plasma với quá trình phun khí ôxy vào làm phá v ỡ sự tồn tại của điện cực bằng cách sử dụng khí nitơ như là khí plasma và t ừ đó bơm ôxy theo hư ớng ra của vòi phun như hình

Hình 1.7 Cắt plasma với quá tr ình phun khí ôxy

Quá trình cắt này được thực hiện chỉ trên thép mềm và cải thiện chút ít tốc độ cắt Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là không cắt vuông được, loại bỏ quá nhiều đường cắt, vòi tồn tại ngắn và tính linh hoạt bị hạn chế (khi cắt thép mềm) Trong khi quá trình này vẫn đang được sử dụng ở một số nơi, nhiều hạn chế liên quan đến việc không sửa chữa, làm tiêu hao khí nhi ều, phức tạp

và ngọn lửa hồ quang khó điều chỉnh

1.3.10 Cắt plasma cường độ cao (1990)

Cắt lazer đã trở thành đối thủ cạnh tranh quan trọng trong công nghiệp cắt kim loại tấm bởi vì khả năng cắt chính xác cộng với chất lượng vết cắt cao Để có chiếm một vị trí vững chắc trên thị trường cắt kim loại tấm, các nhà sản xuất thiết bị plasma đã tăng cường nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng thiết bị cắt

Đầu thập niên 90, chúng ta th ấy rằng sự cải tiến của công nghệ plasma cường độ cao lên tới 40 - 90 ampere, cho tốc độ cắt nhanh và giảm chiều rộng của đường cắt Một số công ty đã tìm đến các nhà sản xuất máy cắt plasma ở Nhật Bản, từ đó Hypertherm đã giới thiệu công nghệ Hy Difinition để cạnh tranh trên thị trường này Sự kỳ vọng vào công nghệ cắt plasma sẽ sớm đạt được chất lượng vết cắt như công nghệ cắt lazer Hy vọng rằng công nghệ cắt plasma sẽ trở thành đối thủ cạnh tranh chính trên thị trường cắt kim loại tấm [7]

Hình 1.8 Cắt plasma cường độ cao

1.4 Tổng quan về cắt plasma thép không rỉ

1.4.1 Vật liệu

1.4.1.1 Đặc điểm chủ yếu của thép không gỉ

Trong ngành luyện kim, thuật ngữ thép không gỉ được dùng để chỉ một

dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% crôm Tên gọi là "thép không gỉ" nhưng thật ra nó chỉ là hợp kim của sắt không bị biến màu hay bị ăn mòn dễ dàng như là các loại thép thông thường khác Vật liệu này cũng có thể gọi là thép chống ăn mòn

Khả năng chống lại sự oxy hoá từ không khí xung quanh ở nhiệt độ thông thường của thép không gỉ có được nhờ vào tỷ lệ crôm có trong hợp kim (nhỏ nhất là 10.5% và có thể lên đến 26% trong trường hợp làm việc trong môi trường làm việc khắc nghiệt) Trạng thái bị oxy hoá của crôm thường là crôm ôxit(III) Khi crôm trong hợp kim thép tiếp xúc với không khí thì một lớp crôm III oxit rất mỏng xuất hiện trên bề mặt vật liệu; lớp này mỏng đến mức không thể thấy bằng mắt thường, có nghĩa là bề mặt kim loại vẫn sáng bóng Tuy nhiên, chúng lại hoàn toàn không tác dụng với nước và không khí nên bảo vệ được lớp thép bên dưới Hiện tượng này gọi là sự oxi hoá chống gỉ bằng kỹ thuật vật liệu Có thể thấy hiện tượng này đối với một số kim loại khác như ở nhôm và kẽm

Bên cạnh crôm, niken cũng như mô-lip-đen và nitơ cũng có tính năng oxi hoá chống gỉ tương tự Niken (Ni) là thành phần thông dụng để tăng cường độ dẻo, dễ uốn, tính tạo hình của thép không gỉ Mô-lip-đen (Mo) làm cho thép không gỉ có khả năng chịu ăn mòn cao trong môi trường axit Nitơ (N) tạo ra sự ổn định cho thép không gỉ ở nhiệt độ âm (môi trường lạnh) Các đặc tính của nhóm thép không gỉ có thể được nhìn dưới góc độ so sánh với họ thép cacbon thấp Về mặt chung nhất, thép không gỉ có:

- Tốc độ hóa bền rèn cao

- Độ dẻo cao hơn, chịu mài mòn cao

- Độ cứng thấp và độ bền cao

- Độ bền nóng cao

- Chống chịu ăn mòn cao

- Độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt

- Phản ứng từ kém (chỉ với thép austenit)

Là thép chống ăn mòn hóa học cao, chống oxy hóa, chịu mài mòn cao (thép này thường chế tạo bằng cách giảm hàm lượng cacbon và tăng hàm lượng Crôm và Niken, có một số loại thêm thành phần Titan)

1.4.1.2 Phân loại, ký hiệu và ứng dụng

Thực tế có khoảng hơn 150 loại thép không gỉ có thành phần khác nhau, mỗi loại được tạo ra để phục vụ các ứng dụng cụ thể Sự tham gia khác nhau của các thành phần crôm, niken, mô-lip-đen, ni tơ dẫn đến các cấu trúc tinh thể khác nhau tạo ra tính chất cơ lý khác nhau của thép không gỉ

Thép không gỉ có khả năng chống sự oxy hoá và ăn mòn rất cao, tuy nhiên sự lựa chọn đúng chủng loại và các thông số kỹ thuật của chúng để phù hợp vào từng trường hợp cụ thể là rất quan trọng

Thép không gỉ có những loại cơ bản sau:

Austenitic là loại thép không gỉ thông dụng nhất Thuộc dòng này có thể

kể ra các mác thép SUS 301, 304, 304L, 316, 316L, 321, 310s… Loại này có chứa tối thiểu 7% ni ken, 16% crôm, carbon (C) 0.08% max Thành phần như vậy tạo ra cho loại thép này có khả năng chịu ăn mòn cao trong phạm vi nhiệt

độ khá rộng, không bị nhiễm từ, mềm dẻo, dễ uốn, dễ hàn Loai thép này được sử dụng nhiều để làm đồ gia dụng, bình chứa, ống công nghiệp, tàu thuyền công nghiệp, vỏ ngoài kiến trúc, các công trình xây dựng khác…

Ferritic là loại thép không gỉ có tính chất cơ lý tương tự thép mềm,

nhưng có khả năng chịu ăn mòn cao hơn thép mềm (thép carbon thấp) Thuộc

dòng này có thể kể ra các mác thép SUS 430, 410, 409 Loại này có chứa khoảng 12% - 17% crôm Loại này, với 12%Cr thường được ứng dụng nhiều trong kiến trúc Loại có chứa khoảng 17%Cr được sử dụng để làm thiết bị dược phẩm, đồ gia dụng, nồi hơi, máy giặt, các kiến trúc trong nhà

Austenitic-Ferritic (Duplex) Đây là loại thép có tính chất “ở giữa” loại

Ferritic và Austenitic có tên gọi chung là DUPLEX Thuộc dòng này có thể

kể ra LDX 2101, SAF 2304, 2205, 253MA Loại thép duplex có chứa thành phần Ni ít hơn nhiều so với loại Austenitic DUPLEX có đặc tính tiêu biểu là

độ bền chịu lực cao và độ mềm dẻo được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp hoá dầu, thiết bị dược, sản xuất giấy, bột giấy, chế tạo tàu biển Trong tình hình giá thép không gỉ leo thang do ni ken khan hiếm thì dòng DUPLEX đang ngày càng được ứng dụng nhiều hơn để thay thế cho một số mác thép thuộc dòng thép Austenitic như SUS 304, 304L, 316, 316L, 310s…

Martensitic Loại này chứa khoảng 11% đến 13% Cr, có độ bền chịu lực

và độ cứng tốt, chịu ăn mòn ở mức độ tương đối Được sử dụng nhiều để chế tạo cánh tuabin, lưỡi dao

1.4.2 Quá trình cắt cắt plasma thép không rỉ

1.4.2.1 Lựa chọn phương pháp cắt plasma

Cắt plasma không 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 Không khí là một lựa chọn tốt nhất cho cắt plasma trong các xưởng vừa và nhỏ Điện cực sử dụng cắt plasma ôxy mặt dù đã được khắc phục nhưng tuổi thọ của điện cực không được cao, đây là hạn chế mà người sử dụng rất quan tâm để đầu tư thiết bị này; Chiều rộng của rãnh cắt phía trên và dưới của tấm không đồng nhất Khi sử dụng công nghệ cắt plasma, vùng ảnh hưởng nhiệt và biến dạng nhiệt thực tế nhỏ hơn so với khi cắt bằng ôxy gas Nhưng s ự phân bố nhiệt độ

và biến dạng nhiệt như thế nào khi cắt tấm thép bằng tia plasma thì cần được nghiên cứu cụ thể để nâng cao mức độ tin cậy của công nghệ này

Nhược điểm lớn nhất của công nghệ cắt plasma ôxy cho đến nay là vật liệu làm điện cực, đây là vấn đề lớn các nhà sản xuất thiết bị tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện sản phẩm để đưa công nghệ này áp dụng rộng rãi và tin cậy cao

Tất cả các yếu tố về mặt kỹ thuật nêu trên đều phụ thuộc vào chế độ cắt

và bề dày của tấm khi cắt Do đó ta cần lựa chọn công nghệ cắt thép tấm cho hợp lý nhằm hạn chế những khuyết điểm về mặt kỹ thuật khi cắt

1.4.2.2 Công nghệ cắt plasma ở nước ta hiện nay

Cắt plasma được ứng dụng khá phổ biến ở các nhà máy, xí nghi ệp có liên quan gia công kim lo ại, từ thiết bị cắt cầm tay ở các phân xưởng gia công

cơ khí nhỏ đến cắt tự động CNC trong các nhà máy xí nghi ệp công nghiệp, đặc biệt là các nhà máy đóng tàu Với sản phẩm nhập từ các nước có nền công nghiệp phát triển có giá thành cao, điều kiện vận hành và bảo dưỡng thiết bị khá phức tạp

Ưu điểm thiết bị sản xuất trong nước giá thành rẻ hơn hẳn so với thiết bị nhập ngoại, bảo hành bảo dưỡng thiết bị cũng đơn giản hơn nhiều Việc ra đời máy cắt thép tấm gas - plasma đã góp phần giải phóng sức lao động, nâng cao năng suất, chất lượng, hiệu quả và hạ giá thành sản phẩm

Cắt plasma ở Việt Nam hiện nay chủ yếu tập trung vào khai thác s ử dụng, nghiên cứu cải tiến thiết bị, chưa tập trung nghiên cứu sâu vùng ảnh hưởng nhiệt, biến dạng nhiệt…độ bền của điện cực, ảnh hưởng của loại khí tạo plasma đến quá trình cắt

Ở nước ta hiện nay cùng với sự phát triển của ngành cơ khí thì công nghiệp đóng tàu biển, đóng toa xe và sản xuất máy nông nghiệp, máy chế biến nông sản thực phẩm cũng đang phát triển, do đó công nghệ cắt kim loại tấm là một vấn đề quan trọng trong viêc nâng cao sản xuất, nâng cao giá trị sản phẩm và hạ giá thành sản phẩm Xem xét nghiên cứu các công nghệ cắt kim loại tấm bằng nhiệt khí nói trên, đối chiếu về vấn đề thực tế về thiết bị và công nghệ chế tạo cơ khí của nước ta hiện nay thấy phương pháp cắt kim loại bằng tia Plasma có những đặc điểm có thể ứng dụng phù hợp

+ Vùng giữa Anốt và Catốt trong hồ quang, mật độ năng lượng lên đến

106w/cm2 Đây thực chất là dòng hồ quang nén với tốc độ chảy của khí Plasma đạt đến tốc độ âm thanh

+ Kỹ thuật plasma kèm theo phản ứng hóa học vì vậy có thể cắt được kim loại màu, thép hợp kim mà không thíc hợp với cắt ô-xy

+ Có thể thực hiện những đường cắt chất lượng cao đối với kim loại nhôm (với bề dày đến 150mm với tốc độ 3mm/s) thép không rỉ (cho đến 100mm tốc độ cắt 3mm/s) mà các phương pháp khác không thể cắt được hoặc rất khó khăn

+ Thời gian nung nóng vật liệu ngắn do đó có thể giảm vùng ảnh hưởng nhiệt và biến dạng kim loại ít hơn so với cắt bằng ô-xy

+ Tốc độ cắt nhanh nhất là đối với thép Các bon có chiều dày bé hơn 13mm do đó có thể bù trừ cho chi phí của thiết bị plasma

+ Vùng tương tác vùng ảnh hưởng nhiệt, bề rộng mạch cắt nhỏ hơn so với cắt bằng ô-xy

+ Công nghệ gia công tương đối đơn giản, có thể cắt bằng tay, cơ khí hóa Nhưng thông thường được sử dụng trên máy tự động với bộ điều khiển CNC

+ Tăng đáng kể chất lượng của vật liệu và sản phẩm, tăng năng suất lao động, tạo được các bề mặt của chi tiết và sản phẩm có tính chất định trước + Giảm chi phí lao động của các quá trình công nghệ

+ Cải thiện điều kiện lao động và giảm bớt lao động thủ công

+ Cắt plasma đucợ sử dụng rộng rãi trong các xưởng chế tạo phôi, gia công các chi tiết máy nhất là gia công phôi tấm

Bảng 1.1 Độ rộng vết cắt và độ sâu vùng AHN khi cắt các bon thấp (bằng các phương pháp khác nhau)

Phương pháp cắt

Độ rộng vết cắt mm, ở các

độ dày mm

Độ sâu vùng ảnh hưởng nhiệt, mm ở các độ dày mm

1.4.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng cắt plasma thép không rỉ

- Loại béc cắt

- Biên dạng những đường cắt

- Hướng cắt

Khi thực hiện quá trình cắt, chúng tôi nhận thấy các thông số chiều cao

mỏ cắt, hình dạng mỏ cắt, biên dạng đường cắt, hướng cắt là các yếu tố có ảnh hưởng ít đến chất lượng và hiệu quả sản phẩm sau khi cắt Về mặt khoa học thì tất cả các yếu tố này đều ảnh hưởng đến quá trình cắt, tuy nhiên khi sử dụng máy cắt tự động với các đồ gá thích hợp thì nhửng thông số này hầu như không ảnh hưởng đến chất lượng quá trình cắt

- Chất lượng quá trình cắt plasma được đặc trưng bởi

- Độ nhám bề mặt cắt

- Độ vuông góc của rãnh cắt

- Bề rộng rãnh cắt

- Kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt

Khi thực hiện quá trình cắt, chúng tôi nhận thấy các thông số chiều cao

mỏ cắt, hình dạng mỏ cắt, biên dạng đường cắt, hướng cắt là các yếu tố có ảnh hưởng ít đến chất lượng và hiệu quả sản phẩm sau khi cắt Về mặt khoa học thì tất cả các yếu tố này đều ảnh hưởng đến quá trình cắt, tuy nhiên trong

ph ạm vi nghiên cứu chúng tôi không thể khảo sát toàn bộ các yếu tố được vì vậy chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu khảo nghiệm các thông số khi cắt thép

có chiều dày 8mm như sau:

Cường độ dòng điện và điện áp tương ứng thiết bị nghiên cứu:

60A – 104V, 70A – 108V, 80A – 112V 90A – 116V

Tốc độ cắt điều chỉnh: 0,8m/phút, 1m/phút, 1,2m/phút, 1,4m/phút

Chương 2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xuất phát từ lý do chọn đề tài ở trên chúng tôi đề xuất mục tiêu nghiên cứu là:

- Xác định được ảnh hưởng của một số thông số chế độ cắt đến chất lượng sản phẩm khi cắt thép không rỉ bằng hồ quang plasma

- Đề xuất chế độ cắt hợp lý khi cắt thép không rỉ bằng hồ quang plasma

2.2 Nội dung nghiên cứu

Với phạm vi nghiên cứu đã trình bày ở phần trên Để đạt được mục tiêu của đề tài chúng tôi tập trung giải quyết những nội dung sau:

2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết

Nội dung nghiên cứu lý thuyết cần giải quyết các vấn đề sau:

- Nghiên cứu chế độ cắt plasma thép không rỉ

- Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện, vận tốc cắt đến bề rộng của rãnh cắt

- Nghiên cứu hưởng của cường độ dòng điện, vận tốc cắt đến kích thước

và sự phân bố nhiệt độ của vùng ảnh hưởng nhiệt

2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm để xác định qui luật ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm trong quá trình cắt plasma thép không rỉ

Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm so sánh với kết quả nghiên cứu lý thuyết

để kiểm chứng độ tin cậy của phương pháp tính toán và đưa ra kết luận

2.3 Đối tƣợng nghiên cứu

Dựa trên cơ sở thiết bị hiện có trong thị trường và hiện đang sử dụng trong các nhà máy xí nghiệp, chúng tôi sử dụng một thiết bị cắt plasma cụ thể

để nghiên cứu từ đó khuyến cáo chung cho các lo ại máy khác Để thực hiện việc nghiên cứu, chúng tôi sử dụng cụ thể các vật liệu thiết bị sau:

2.3.1 Thiết bị thí nghiệm

Hình 2.1 Máy cắt plasma D12000 OTC DAIHEN

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của máy cắt plasma D12000 OTC DAIHEN

Hình 2.2 Phụ kiện của máy cắt Plasma

Hình 2.3 Đồ gá cắt tự động