BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

LÊ ĐÌNH SEN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN
CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM KHI CẮT THÉP KHÔNG RỈ
BẰNG TIA PLASMA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Đồng Nai, 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

LÊ ĐÌNH SEN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN
CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM KHI CẮT THÉP KHÔNG RỈ
BẰNG TIA PLASMA

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: ..................

trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này.
Sau hết Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động
viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua.
Xin trân trọng cảm ơn!
Kính chúc Quý thầy, cô dồi dào sức khỏe.

Học Viên Thực Hiện

Lê Đình Sen


iii
MỤC LỤC
NỘI DUNG

TT
MỞ ĐẦU

TRANG

1

Lý do chọn đề tài

1

2

Mục đích nghiên cứu



Cắt bằng ô-xy:

4

1.1.2.

Cắt hồ quang ô-xy:

4

1.1.3

Cắt hồ quang, kim loại bằng tay:

5

1.1.4

Cắt bằng điện cực Các bon khí nén:

6

1.1.5

Cắt bằng hồ quang Plasma:

6

1.1.6


12

1.2.3

Nguyên lý gia công b ằng hồ quang plasma

13

Lịch sử phát triển công nghệ cắt Plasma

16

1.3.1

Thuyết qui ước về hồ quang cắt plasma (1957):

17

1.3.2

Dòng hồ quang plasma kép (1962):

18

1.3.3

Cắt plasma bằng không khí (1963):

19


23

1.3.8.

Cắt plasma với ôxy (1983)

23

1.3.9

Cắt plasma với sự phun khí ôxy (1985)

24

1.3.10

Cắt plasma cường độ cao (1990)

25

Tổng quan về cắt Plasma thép không rỉ

26

2.4.1

Vật liệu

26


Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng quá trình cắt
2.4.2.3 plasma thép không rỉ
CHƯƠNG 2

MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

28
30
32

2.1

Mục tiêu nghiên cứu

32

2.2

Nội dung nghiên cứu

32

2.2.1

Nghiên cứu lý thuyết:

32


2.3

2.4
2.4.1


v
2.4.2

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 3

37
36

Nghiên cứu chế độ cắt

36

3.1.1

Cường độ dòng điện khi cắt

36

3.1.2

Vận tốc cắt

42
44

Nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ khi cắt thép tấm
bằng Plasma

46

3.6.1

Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn nhiệt khi cắt
plasma thép không rỉ

46

3.6.2

Phân bố nhiệt độ với nhữ ng phương trình cơ bản

47

3.6

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

52

4.1

Chiều rộng trung bình của rãnh cắt khi cắt bằng

4.3.2.1

Dụng cụ đo nhiệt

59

4.3.2.2

Thước lá

59

CHƯƠNG 4


vi
4.3.3
4.3.3.1

Bố trí thực nghiệm
Thực nghiệm đo bề rộng rãnh cắt

4.3.3.2 Thực nghiệm đo nhiệt độ vùng (AHN)
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
CHƯƠNG 5

63
60
63
71

I
Lf
lb
lh
Ml
Mt
ltb
P
q2
Q
Qc
Qe
Qnc
Qtt1
Qtt2
T
T0
Tnc
t
U
v
λ
ρ
HAZ

Năng lượng cần thiết làm tan chảy kim loại/mét cắt
Cơ số hàm logarit
Chiều dày tấm thép
Cường độ dòng điện
Ẩn nhiệt nóng chảy của thép

(mm)
(mm)
(g.m-1)
(g.s-1)
(mm)
(at)
(J.m-2.s-1):
(W)
(W)
(W)
(W)
(W)
(W)
(0K)
(0K)
(0K)
(s)
(V)
(m.s-1)
(J.m-1.s-1.K-1)
(kg.m-3)


viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng

Tên bảng

Trang

Năng lượng cần thiết làm tan chảy thép khi cắt bằng

46

plasma
3.4
4.1

Cân bằng năng lượng điện khi cắt bằng tia plasma P = 5at
Chiều rộng trung bình rãnh cắt khi cắt bằng tia plasma

47
56

4.2

Kết quả tính phân bố nhiệt độ theo h ướng ngang

58

4.3

Kết quả đo bề rộng rãnh cắt

64

4.4

Kết quả đo bề rộng trung bình của rãnh cắt



Nguyên lý cắt lazer

10

1.3

Các trạng thái vật chất trong tự nhi ên

12

1.4

Sơ đồ nguyên lý cắt plasma

14

1.5

Cắt bằng dòng hồ quang kép

19

1.6

Cắt plasma bằng không khí

20

1.7


Sơ đồ cắt plasma – rãnh cắt, góc cắt

38

3.2

Các dạng năng lượng trong trong qu á trình cắt

41

3.3

Khu vự phản ứng ôxy hóa khi cắt plasma

44

3.4

Chiều rộng rãnh cắt

45

3.5

Ảnh hưởng của nguồn nhiệt đến thép không rỉ 304

49

3.6

60


x
4.5

Thay đổi nhiệt độ trên đường vuông góc rãnh cắt khi v =

61

1,4m/min
4.6

Máy đo nhiệt độ bằng hồng ngoại: TFI 650 M

63

4.7

Thước lá

63

4.8

Chuẩn bị mẫu cắt thử

63

4.9


4.14

Kết quả tính nhiệt độ khi V=1.2 m/min

69

4.15

Kết quả tính nhiệt độ và kết quả đo được khi V=1.2 m/min

70


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: 0.10.4 %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...

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
-

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

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
`


`

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

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
`



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