|
TRƯỜNG CAO ĐẲNG VIỆT - ĐỨC NGHỆ AN
KHOA CƠ KHÍ
ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG
HÀN VÀ CẮT BẰNG HỒ QUANG PLASMA
|
ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG
HÀN VÀ CẮT BẰNG HỒ QUANG PLASMA
MỞ ĐẦU
Nghiên cứu và ứng dụng thiết bị, công nghệ mới là công việc quan trọng trong sự nghiệp phát triển ngành chế tạo máy. Thiết bị và công nghệ là những yếu tố quyết định năng suất chất lượng của sản phẩm. Trong ngành chế tạo máy cắt và hàn kim loại là yếu tố quyết định cho quá trình gia công. Tương ứng với các phương pháp cắt cho ta thời gian gia công, giá thành sản phẩm sẽ khác nhau và các loại sản phẩm có chất lượng khác nhau. Khoa học ngày càng phát triển các công nghệ mới được phát minh và ứng dụng vào thực tiển, trên lĩnh vực cắt và hàn kim loại cũng vậy, hiện nay nhiều công trình nghiên cứu về cắt và hàn kim loại với mục đích tìm ra các phương pháp tối ưu nhất. Một trong các phương pháp cắt đem lại chất lượng và hiệu quả cao là cắt và hàn bằng tia Plasma.
Bài 1: Hàn hồ quang Plasma
Hàn hồ quang plasma ( Plasma Arc Welding -PAW ) là một quá trình nóng chảy trong đó nguồn nhiệt được cung cấp bởi năng lượng tia plasma tạo ra từ mỏ hàn hồ quang plasma và kim loại nóng chảy được bảo vệ bằng khí trơ. Khi hàn hồ quang plasma, điện cực không nóng chảy và một phần cột hồ quang nằm bên trong một buồng khí bao quanh bằng kim loại và được làm mát bằng nước. Buồng này kết thúc bằng một lỗ phun hình trụ đồng trục với điện cực.
Sự khác nhau giữa hàn TIG và Hàn Plasma
1.2. Phân loại các phương pháp hàn hồ quang plasma: Có 2 phương pháp hàn
- Hàn plasma hồ quang trực tiếp:
Hồ quang được hình thành giữa điện cực (anot) và vật hàn (catot). Hồ quang trực tiếp được ứng dụng rộng rãi vì hiệu suất cao, hàn vật liệu dày.
- Hàn plasma hồ quang gián tiếp:
Hồ quang được hình thành giữa điện cực (anot) và ống phun (catot). Hồ quang trực tiếp được ứng dụng ít vì hiệu suất cao, hàn vật liệu mỏng, dẫn điện kém.
1.3. Đặc điểm
1.3. Đặc điểm
So sánh với quá trình hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ, khi mà nhiệt độ của cột hồ quang đạt tới nhiệt độ 5000 -6000 °K và hồ quang có dạng hình nón, nhiệt độ của hồ quang plasma cao hơn nhiều. Khi hàn plasma, cột hồ quang có hình trụ, vết anod trên vật hàn mang tính ổn định, dòng nhiệt mang tính tập trung rất cao. Điều này làm tăng chiều sâu chảy và giảm chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt.
Ưu điểm của hàn hồ quang plasma so với hàn TIG
Sự tập trung năng lượng cao hơn
Tính ổn định hồ quang tốt hơn
Lượng nhiệt cao
Tốc độ plasma lớn hơn
Ít nhạy hơn đối với các biến thiên chiều dài hồ quang
Không làm nhiễm bẩn điện cực wolfram
Không đòi hỏi thợ có tay nghề cao
Không cần tấm lót ở dưới vật liệu hàn.
Các nhược điểm của hồ quang plasma
Thiết bị có giá thành cao
Đầu phun có tuổi thọ ngắn
Tiêu thụ khí trơ tương đối cao
1.4. Ứng dụng
Thiết bị và kỳ thuật hàn hồ quang plasma hiện nay, đặc biệt là các hệ thông hàn plasma chính xác cho phép hàn những kết cấu mà trước kia chỉ có thể hàn bằng những quá trình đắt tiền như hàn laser, hàn tia điện tử. Điêu này cho phép giảm chi phí mua sắm và vận hành thiết bị cũng như chi phí dịch vụ kèm theo so với các quá trình hàn laser và hàn tia điện tử.
Hàn plasma cho phép hàn tay lẫn hàn cơ giới, hàn tự động và có thế hàn liên tục lẫn hàn gián đoạn. Hàn plasma đã được ứng dụng trong các trường hợp đòi hỏi chất lượng cao như hàn một lượt bình nhiên liệu tàu con thoi, vỏ tàu cánh ngầm và tàu ngầm, bể chứa hóa chât, thiết bị hóa thực phẩm, thiết bị điều chế dược phẩm, dây chuyền hàn ông v.v. Việc úng dụng hàn plasma vào dây chuyền hàn ống cho phép tăng tôc độ hàn 100%, đặc biệt khi hàn các ống có thành dày 6-12 mm, khi mà hàn hô quang băng điện cực không nóng chảy không có hiệu quả
Có thể dùng hồ quang plasma đề gây hồ quang trên đầu dây hoặc các chi tiết nhỏ khác trong thời gian ngắn và với kết quả nhất quán: các loại kim loại, dây kim loại, dây tóc bóng đèn, cặp nhiệt, đầu dò và một sô loại dụng cụ phẫu thuật
Các chi tiết y học và điện tử đôi khi cần hàn kín. Do đó dùng hô quang hàn plasma có thể giảm năng lượng đưa vào chi tiết, hàn ngay bên cạnh các chi tiết gioăng chặn, gây hồ quang nhưng không gây nhiễu các thiết bị điện và điện tử. Các ứng dụng hàn tiêu biểu là cảm biến điện và cảm biến áp suất, ống thổi, hộp, vòng kín, công tắc tế vi, van, chi tiết điện tử, động cơ, pin, các phụ tùng lắp ráp cỡ nhỏ, thiết bị chế biến thực phẩm và sữa, sửa chữa khuôn
2. Hồ quang plasma
Hồ quang plasma trực tiếp (sử dụng dòng một chiều cực thuận) có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp do khả năng điều chỉnh các đặc trưng nhiệt, điện, cơ học và hình học của hồ quang. Lượng nhiệt đưa vào vật hàn trong một đơn vị thời gian (công suất nhiệt hiệu dụng) và hiệu suất của quá trình nung vật hàn bàng hồ quang nén là những đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi nhiệt giữa nguồn nhiệt và vật hàn. Chúng cũng đồng thời là những thông số quan trọng dùng trong tính toán quá trình nung chảy vật hàn.
2.1. Các đặc trưng nhiệt của hồ quang plasma
Có thể chia cột hồ quang plasma thành một số đoạn theo chiều dài.
Đoạn thứ nhất nằm ở kênh dẫn của vòi phun. Tại đây xảy ra tác động nén và ổn định hóa hồ quang
Đoạn thứ hai nằm giữa đầu mặt ngoài của vòi phun và vật hàn. Đoạn này nằm trong vùng tác động của khí bão vệ và sự tồn tại của nó phụ thuộc vào tính chất của môi trường bảo vệ.
Đoạn thứ ba của cột hồ quang đi qua chiều dày của vật hàn (có tác dụng cung cấp nhiệt để nung chảy kim loại)
Năng lượng của cột hồ quang phụ thuộc vào cường độ dòng điện hàn và điện áp hồ quang và có thể biểu thị bằng công thức:
q = U.I
2.2. Các đặc trưng điện của hồ quang plasma
Các đặc trưng điện của hồ quang plasma là những đại lượng như cường độ dòng điện hàn I, điện áp U, tổng công suất điện của hồ quang N, cường độ điện trường E trên từng đoạn của hồ quang: Ec trên vòi phun, Eo giữa miệng vòi phun và vật hàn, mức độ giảm điện áp trên catod và anod Uka, đặc trưng V - A của hồ quang
Cường độ dòng điện hàn là thông số chính của hồ quang cũng như của quá trình hàn. Nó có ảnh hưởng đến các đặc trưng hình học và đặc trưng nhiệt của hồ quang, khả năng hàn ngấu, áp lực và độ ổn định của hồ quang, v.v.
Một trong những nhược điếm của hàn hồ quang plasma là với các thông số cố định của vòi phun (đường kính lỗ vòi phun và chiều dài vòi phun), không thể tăng cường độ dòng điện hàn vượt quá một giá trị tới hạn nhất định.
2.3. Các đặc trưng lực của hồ quang plasma
Chiều sâu chảy khi hàn phụ thuộc đáng kể vào áp lực của hồ quang nén plasma, khi mà hồ quang đẩy kim loại vũng hàn và làm tăng cường độ nung chảy kim loại. Các yếu tố tạo nên áp lực hồ quang bao gồm va chạm đàn hồi của các hạt tích điện vào bề mặt vũng hàn, phản lực của dòng hơi kim loại bay hơi từ bề mặt vũng hàn, động lực của dòng khí và hơi kim loại định hướng dưới tác động của lực điện trường và lực từ trường, áp lực điện từ lên anod. Lực tác động p của hồ quang lên vũng hàn tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện hàn theo công thức:
p = k.I2
Trong công thức trên, hệ số k phụ thuộc chủ yếu vào chiều dài hồ quang
2.4. Kích thước của hồ quang plasma
2.5. Các loại hồ quang plasma
Hàn plasma có được các tính chất đặc biệt chủ yếu do thiết kế mỏ hàn. Theo đường kính lỗ vòi phun, cường độ dòng điện hàn và lưu lượng khí tạo plasma, có thế phân biệt ba loại hồ quang plasma:
- Microplasma (0,1-15A): so với hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ ở dải cường độ thấp, chiều dài hồ quang microplasma dài hơn nhiều. Hồ quang ổn định ở mức dòng thấp tạo ra tia plasma ‘hình chiếc bút chì”, rất thích hợp cho hàn các tấm có chiều dày nhỏ, thậm chí khi chiều dài hồ quang microplasma thay đôi đến 20mm. Hàn microplasma dùng cho các tấm mỏng (đến 0,1 mm), dây, lưới mỏng.
- Plasma dòng trưng bình (15-100A); tương tự như hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy bình thường, nhưng hồ quang này có đặc tính cúng hơn. Tuy có thể tăng lưu lượng khí tạo plasma để tăng chiều sâu chảy nhưng không khí và khí bảo vệ có thể lẫn vào hồ quang do dòng chảy rối của khí bảo vệ. Nó cũng được dùng cho những ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và chất lượng mối hàn cao
- Plasma lỗ khóa (trên 100A) hình thành do tăng cường độ dòng điện hàn và lưu lượng khí tạo plasma. Hồ quang plasma này có công suất rất lớn, tương tự như của tia laser. Khi hàn, hồ quang plasma xuyên thủng vật liệu, tạo ra một lỗ khóa với kim loại nóng chảy của vũng hàn bao quanh lỗ khóa để tạo ra kim loại mối hàn. Với dạng vận hành này, có thể đạt được chiều sâu chảy lớn và tốc độ hàn cao
3. Thực hành, thảo luận
..................................................
Bài 2: Thiết bị và vật liệu hàn plasma
1. Nguồn điện hàn và thiết bị hàn hồ quang plasma
Thiết bị hàn plasma bao gồm: nguồn điện hàn biến tần, bộ điều khiển (có thể liền khối hoặc tách rời khởi bộ nguồn hàn), bộ làm mát bằng nước lưu thông (có thể liền khối hoặc tách rời khỏi bộ nguồn hàn), mỏ hàn plasma, dây dẫn và thiết bị cấp khí.
sơ đồ nguyên lý một bộ thiết bị hàn plasma
1.1. Nguồn điện hàn hồ quang plasma
Trong hầu hết trường hợp, nguồn điện hàn hồ quang plasma là nguồn một chiều, và cũng như với hàn TIG, là nguồn có đường đặc tính đốc
Nguồn hàn thích hợp cho cả hàn tự động và hàn tay (dòng điện hàn không đổi theo chiêu dài hồ quang). Để giảm thiểu lượng nhiệt trên điện cực, dòng điện hàn thường là dòng một chiều cực thuận. Khi dùng dòng một chiều cực nghịch (dùng cho hàn nhôm), phải sử dụng mỏ hàn có câu tạo đặc biệt có khả năng làm mát tốt
Dòng xoay chiều thường không được sử dụng trong hàn hồ quang plasma vì khó có thể giữ cho hồ quang được ổn định. Khi gây lại hồ quang thường xuất hiện các vấn đề liên quan đến lỗ vòi phun. Tuy nhiên, khi sử dụng nguồn xoay chiều dạng sóng vuông và mỏ hàn được làm mát tốt, có thể hàn được băng dòng xoay chiều, với dòng hàn được đảo chiều nhanh nên dễ gây lại hồ quang
1.2. Mỏ hàn hồ quang plasma
Mỏ hàn hô quang plasma (hình vẽ) có cấu tạo phức tạp hơn nhiều so với mỏ hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ và cân được chú ý đặc biệt khi đặt chế độ ban đầu, kiểm tra và bảo trì.
Trong mỏ hàn plasma thông dụng, điện cực nằm lùi phía sau lỗ vòi phun bằng đồng được làm mát. Vì công suất của hồ quang plasma được xac đinh bới mức độ nén của lỗ vòi phun, đường kính lỗ vòi phun được chọn theo cường độ dòng điện hàn và lưu lượng khí tạo plasma. Với plasma “mềm”, thường dùng cho hàn microplasma và hàn plasma dòng trung bình, đường kính lỗ vòi phun thường tương đối rộng nhằm giảm thiểu mức độ xói mòn lỗ vòi phun. Khi hàn plasma lỗ khóa ở cường độ dòng hàn cao, đường kính lỗ vòi phun, lưu lượng khí tạo plasma và cường độ dòng điện hàn được chọn để tạo ra hồ, quang có mức độ nén cao và đủ công suất xuyên thủng vật liệu. Lưu lượng khí tạo plasma mang tính quyết định trong việc tạo ra hồ quang plasma có khả năng xuyên mạnh và trong việc ngăn khoét rộng lỗ vòi phun.
Lưu lượng khí thấp quá (đôi với đường kính lỗ vòi phun và cường độ dòng điện hàn cụ thê) sẽ gây nên hồ quang kép và nung chảy vòi phun
Cấu tạo mỏ hàn plasma
1. Thân mỏ hàn
2. Chụp khí
3. Đầu vòi phun
4. Chụp sau;
5. Vòng hình đệm chụp sau
6. Thân ống kẹp điện cực
7. Vòng đệm ống kẹp điện cực
8. Lò xo
9. Ống kẹp điện cực
10. Điện cực
11. Ống hội tụ khí
12. Ống lót định tâm bàng gốm 13: Ống tay cầm
14: Tay cầm.
2. Vật liệu hàn
2.1. Điện cực hàn và dây hàn phụ
Điện cực:
Để dễ gây hồ quang, điện cực thường là loại vonfram chứa 24-5% ThƠ2. Thông thường đế hàn microplasma, đầu điện cực được mài nhọn 15°. Cường độ dòng điện hàn tăng đòi hỏi tăng góc mài đầu điện cực, và đạt tới giá trị 60-90° khi hàn ở chế độ lồ khóa. Với cường độ dòng điện hàn cao, cũng có thể sử dụng điện cực có đầu tù với đường kính Imm. Góc mài đầu điện cực không quan trọng lam khi hàn tay, nhưng khi hàn cơ giới, tình trạng đầu điện cực và vòi phun có ảnh hưởng lớn đến hình dạng hồ quang và biên dạng ngấu của vũng hàn
Việc kiểm tra thường kỳ tình trạng đầu điện cực và vòi phun là điều cần thiết, đặc biệt với các ứng dụng quan trọng (cần kiểm tra trước mỗi lần hàn). Để bảo đảm tính nhất quán, điều quan trọng là phải duy trì vị trí không đổi của điện cực phía sau vòi phun (khoáng lùi điện cực). Thông thường các hãng chế tạo đều có hướng dẫn và cung cấp dụng cụ để điều chỉnh khoảng lùi điện cực. Cường độ dòng điện hàn tối đa được xác định cho mỗi vòi phun và vị trí khoảng lùi tối đa của điện cực và lưu lượng khí tạo plasma tôi đa. Khi đó có thê dùng lưu lượng khí thấp hơn để “mềm hóa” hồ quang plasma bằng cường độ dòng tối đa đối với vòi phun nhưng phải giảm khoảng lùi điện cực.
2.2. Khí tạo plasma và khí bảo vệ
Thông thường, khí tạo plasma là argon và khí bảo vệ là hỗn hợp argon với 24-8% hydro. Với mọi kim loại cơ bản, khi khí tạo plasma là argon thì điện cực và vòi phun bị xói mòn ít nhất. Hỗn hợp khí bảo vệ argon - hydro có tác dụng hoàn nguyên nhẹ và tạo ra môi hàn sạch hơn. Helium cho hồ quang nóng hơn nhưng việc sử dụng loại khí này làm khí tạo plasma sẽ giảm khả năng chịu dòng của vòi phun và càn trở việc hình thành lỗ khóa khi hàn. Có thể sử dụng hỗn hợp 75% He với 25% Ar làm khí bảo vệ khi hàn những vật liệu như đồng.
Lưu lượng khí tạo plasma phải được đặt chính xác vì nó kiếm soát chiều sâu chảy. Tuy nhiên lưu lượng khí bào vệ không có tầm quan trọng như vậy
Kim loại phụ được quy định như khi hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ.
3. Thực hành, thảo luận
Bài 3: Công nghệ hàn plasma
- Kim loại cơ bản
Cho phép hàn được hầu hết thép các bon, thép hợp kim và kim loại màu (tương tự kim loại hàn Tig)
- Hệ thống lót đáy
Khi hàn microplasma và hàn plasma ở chế độ dòng trung bình, có thể sử dụng kỹ thuật lót đáy bằng các thanh lót đáy dùng cho hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ. Khi dùng chế độ hàn lỗ khóa, cần sử dụng thanh lót đáy có rãnh, có kết hợp hoặc không kết hợp khí bảo vệ từ phía bên kia mối hàn. Vì dòng plasma thường xuyên tới 10 mm qua mặt dưới của liên kết, rãnh này phải đủ sâu để tránh cản trở dòng hồ quang. Nếu dòng plasma chạm vào thanh lót đáy, hồ quang sẽ trở nên mất ôn định và ảnh hưởng đến vũng hàn, gây rỗ khí.
- Trang bị bảo vệ
Vì hồ quang plasma có cường độ rất cao, nên trang bị bảo vệ mắt chủ yếu là kính lọc. Thông thường độ tối của kính tương đương như khi hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ. Với hàn microplasma, có thế chọn độ tối của kính hàn theo bảng 2-2 (chương 2). Với hàn plasma, độ tối 11 dùng cho dòng hàn nhỏ hơn 150A; độ tối 12 dùng cho dòng hàn 15-250A; và độ tối 13 dùng cho dòng hàn lớn hơn 250 A
4. Các công nghệ hàn hồ quang plasma
4.1. Công nghệ hàn hồ quang microplasma
Hàn hồ quang microplasma thường được dùng để hàn các chi tiết có chiều dày 0,025-0,8 mm từ thép cacbon, thép không gỉ, đồng, inconel, hasteloy, kovar, titan, tantan, molipden, vonfram, v.v. Hàn microplasma được ứng dụng rộng rãi trong ngành kỹ thuật điện tử và chế tạo khí cụ để hàn các màng và tấm mỏng. So với hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ, sự thay đổi chiều dài hồ quang không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng mối hàn (cho phép có mức độ thay đối chiều dài hồ quang gấp 10 lần so với hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ). Ngoài ra, đặc tính tĩnh V - A của hồ quang plasma rất thuận lợi cho việc tự động hóa quá trình hàn. Thay đổi điện thế lớn trong cột hồ quang (0,79-7,9 v/mm, tùy theo cường độ dòng điện hàn và loại khí) cho phép đạt được sự thay đổi đáng kể điện áp mà vẫn thay đổi rất ít chiều dài hồ quang (đến 10 V khi thay đổi chiều dài hồ quang ±1,27 mm). Điều này đặc biệt quan trọng trong việc tự động giữ chiều dài hồ quang khi hàn cơ giới. Hơn nữa còn có thế thay đối nhanh hướng hàn ở tốc độ hàn lớn (ví dụ, đến 45° ở tốc độ hàn 75 cm/phút
4.2. Công nghệ hàn hồ quang plasma ở chế độ nung chảy với cường độ dòng điện hàn đến 100 A
So với hàn bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ, nhiệt độ hồ quang và mức độ tập trung nhiệt khi hàn plasma cao hơn nhiều. Vì vậy vũng hàn hình thành nhanh hơn và sử dụng dòng nhỏ hơn đến 50^-60%. Dạng hàn plasma này thường được gọi là plasma nung chảy, khi mà hồ quang không xuyên suốt chiều dày tấm và hàn chân mối hàn được tạo dáng bằng trọng lực của kim loại vũng hàn nóng chảy. Với cường độ dòng điện hàn dưới 100A, hàn hồ quang plasma có nhiều điểm chung với hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ về mặt sử dụng khí bảo vệ, tạo dáng mối hàn và kỹ thuật hàn. Quá trình hàn như vậy thường được thực hiện trên tấm mỏng (có chiều dày tới 3 mm). Hàn hô quang plasma chỉ đứng sau hàn laser và hàn tia điện tử về mặt độ sạch và tính đồng nhất của mối hàn. Tuy nhiên hàn hồ quang plasma đòi hỏi khá cao đối với độ chính xác mép hàn và chuẩn bị trước khi hàn, cũng như chế độ hàn và hoạt động của thiết bị.
Khi hàn plasma có thể sử dụng hoặc không sử dụng kim loại phụ. Khi chỉ nung chảy mép hàn mà không sử dụng kim loại phụ, mối hàn hình thành mà không có hoặc có rất ít chiều cao phần lồi mối hàn cũng như chiều sâu chảy. Khi sử dụng kim loại phụ, tùy
4.3. Công nghệ hàn hồ quang plasma ở chế độ lỗ khóa với cường độ đòng điện hàn 100-400A
Khi hàn ở chế độ lỗ khóa, hồ quang xuyên suốt toàn bộ 
chiều dày tấm kim loại cơ bản
Kim loại do hồ quang nung chảy sẽ chảy trên thành của mép hàn được giữ lại do tác động của sức căng bề mặt. Việc giữ kim loại vũng hàn ở chế độ lỗ khóa khó hơn so với hàn ở chế độ nung chảy do áp lực của hồ 
quang và trọng lực của kim loại nóng chảy lớn hơn (chế độ hàn lỗ khóa thường được sử dụng để hàn các tấm dày). Nói cách khác, khi tăng chiều dày tấm cần hàn, thế tích vũng hàn tăng do cần phải giảm tốc độ hàn, tăng cường độ dòng điện hàn, tăng lượng khí tạo plasma yà khí bảo vệ. Thông thường, quá trình hàn chỉ có thể thực hiện được trong một phạm 
vi hẹp chế độ hàn. Việc tạo dáng mối hàn dễ dàng hơn khi sức căng bề mặt của vũng hàn lớn. Do đó các kim loại có sức căng bề mặt lớn ở trạng thái nóng chảy như thép không gỉ austenit và hợp kim titan dễ hàn hơn so với thép cacbon.
Khi hàn thép không gỉ bằng dòng một chiều cực thuận, khí tạo plasma và khí bảo vệ thường là argon, helium, hỗn hợp argon với 54-10% hydro. Tùy theo mức độ kết hợp các loại khí này, các thông số hàn như tốc độ hàn, chiều rộng mối hàn, hình dạng vũng hàn có thể thay đổi đáng kể. Khi sử dụng argon đồng thời làm khí tạo plasma và khí bảo vệ hồ quang nén có tiết diện nhỏ, cho phép hàn được các mối hàn hẹp. Khí tạo plasma là argon kết hợp với hỗn hợp khí bảo vệ Ar + 5% H2 làm tăng điện áp hồ quang, tăng chiều rộng mối hàn và tăng tốc độ hàn. Hồn hợp khí tạo plasma Ar + 5% H2 và hỗn hợp khí bão vệ Ar + 10% H2 còn có tác dụng tăng các xu hướng nói trên hơn nữa. Hỗn hợp khí tạo plasma Ar + 5% H2 và khí bảo vệ Ar làm tăng đáng kể tiết diện cột hồ quang, tăng chiều rộng mối hàn ở tốc độ hàn thấp.
Khi sử dụng helium làm khí tạo plasma và argon làm khí bảo vệ, cả tiết diện cột hồ quang và chiều sâu cháy đều tăng
5. Thực hành, thảo luận (Lựa chọn công nghệ hàn plasma phù hợp, độ tối của kính hàn và hệ thống lót đáy phù hợp cho mối hàn cụ thể; Tính toán các thông số chế độ hàn plasma cho
Bài 4: CẮT BẰNG HỒ QUANG PLASMA
- Nguyên lý, đặc điểm và phạm vi ứng dụng
1.1. Nguyên lý: Là phương pháp cắt sử dụng hồ quang Plasma làm nóng chảy kim loại và nhờ áp suất của khí nén đẩy phần kim loại nóng chảy tạo thành rãnh cắt. Hồ quang Plasma được tạo ra giữa hai điện cực catốt và anốt và có nhiệt độ rất cao (5000 – 200000c) và tập trung
Sơ đồ nguyên lý cắt Plasma
1.Vật liệu cắt; 2.Cột Plasma; 3.Khí tạo Plasma; 4.Điện cực; 5.Nguồn tạo Plasma
Phương pháp tạo Plasma: Có thể tạo nên bằng 2 phương pháp:
- Hồ quang trực tiếp: Chi tiết catốt và chụp trung tính làm nhiện vụ ổn định và thắt cột Hồ quang (Hình 2.1a)
- Hồ quang gián tiếp: Chụp plasma là anot chi tiết là trung tính (Hình 2.1b)
Hình 2.2. Nguyên lý tạo Plasma Plasma.
- Nguồn cắt; 2.Nguồn tần số cao; 3.Biến trở hồ quang; 4.Chi tiết cắt;
5. Đện cực vônfram; 6.Khí tạo Plasma; 7.Cột Plasma.
1.2. Đặc điểm
Nhiệt độ của tia plasma cao, do vậy có thể dùng để cắt tất cả các kim loại và hợp kim với vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ. Tuy nhiên do khả năng xuyên sâu của hồ quang bị hạn chế nên cắt hồ quang Plasma thường chỉ dùng để cắt các kim loại và hợp kim có chiều dày nhỏ và trung bình.
1.3. Ứng dụng của cắt bằng hồ quang plasma
Phương pháp cắt hồ quang Plasma được dùng để cắt các kim loại không thể cắt hoặc khó cắt nếu sử dụng phương pháp cắt khác như thép không gỉ, nhôm, magiê, titan, gang, đồng.
Vấn đề an toàn lao động khi cắt bằng plasma:
Có một số yếu tố độc hại và nguy hiểm khi cắt kim loại bang plasma như sau:
- Tiếng ồn tần số cao.
- Khí thài, hơi thoát ra từ quá trình cắt (oxit kim loại, ozon, oxit nitơ...).
- Bức xạ hồ quang, bức xạ nhiệt.
- Điện áp cao.
Đe giảm tác hại của các yếu tố trên, các biện pháp an toàn lao động đối với hàn và cắt nói chung đều được áp dụng. Ngoài ra, người ta còn sử dụng nước để tăng độ an toàn và cải thiện điều kiện làm việc khi cắt
2. Thiết bị cắt bằng hồ quang plasma
2.1. Máy cắt Plasma cầm tay
2.2. Máy cắt plasma CNC
Mỏ cắt CNC
1. Shield: Chụp khí bảo vệ vòi phun. Tác dụng chính của nó là tạo khoảng cách an toàn cho vòi phun khỏi tiếp xúc tấm cắt, kéo dài tuổi thọ vòi phun.
2. Retaining cap: Chụp sứ, cố định điện cực, tạo khoang kín khí quang điện cực.
3. Nozzle: Vòi phun có lỗ thoát khí là nơi thoát khí plasma từ mỏ cắt
4. Swirl ring: Sứ chia khí, giúp tạo ra dòng khí cuộn quanh điện cực.
5. Electrode: Điện cực bép cắt cùng với vòi phun chuyển dòng không khí thành dòng cắt plasma.
6. Torch body: Thân mỏ cắt cung cấp dòng điện, khí plasma, khí và nước bảo vệ
2.3. Khí tạo plasma
Môi trường khí tạo plasma phải bảo đảm: tạo dáng hữu hiệu cho hô quang căt; tạo bề mặt cắt chất lượng cao; truyền nhiệt hữu hiệu vào kim loại vật căt; tuổi thọ cao cho các chi tiết của mỏ cắt; bổ sung thêm nhiệt căt thông qua phản ứng tỏa nhiệt và có tính kinh tế vả an toàn.
Các khí tạo plasma hay dùng là nitơ, argon, hydro, oxi, không khí nén. Khí trơ cho bề mặt cắt sạch nhất, thích hợp cho kim loại màu. Khí 2 nguyên tử có tác dụng cải thiện việc truyền năng lượng vào hồ quang cho vật căt thông qua cơ chế phân ly - tái hợp. Khí chứa oxi có hiệu quả năng lượng cao khi cắt, tạo phản ứng tỏa nhiệt của oxi với vật liệu căt, cho năng suất cao. Khí được sử dụng nhiều nhất là không khí nén. Có thể bố sung nước vào mỏ cắt để cải thiện chất lượng bề mặt căt thép và tăng tôc độ cắt. Cũng có thể bổ sung khí cháy để tăng tôc độ căt đông và hợp kim đồng và cải thiện chất lượng bề mặt cắt
Thực tế phổ biến là sử dụng không khí (N, O2, H) nén vào bình để tạo plasma đồng thời áp suất khí dùng để đẩy phần kim loại nóng chảy (xỉ cắt)
3. Chế độ và kỹ thuật cắt bằng hồ quang plasma
Vật liệu |
Chiều dày
(m m) |
Tốc độ cắt
(mm/ph) |
K/cách từ đầu cắt đến KLCB
(mm) |
Cường độ dòng điện
(A) |
Đường kính ống phun(mm) |
Thép C
và thép
không gỉ
|
3,2
4,5
6
9
12
16
25 |
600 - 1200
600 - 1200
600 - 1200
500 - 1000
400 - 800
300 - 500
150 - 250 |
2
2
2
2
2-3
3-4
3-4 |
200-260A
250 - 290A
250 - 325
270 - 325 |
2,5 - 2,8
2,8 - 3 |
Nhôm
|
4
8
12
20
25 |
600 - 1200
300 - 500
dưới 200 |
2
2-3
2-3
3-4
3-4 |
200 - 260A
250 - 290
270 - 325
270 - 325 |
 2,5 - 2,8
2,8 - 3 |
Đồng và
đồng thau |
5
8
12 |
600 - 100
300 - 400
dưới 200 |
2
2-3
2-3 |
200 - 260A
250 - 290 |
2,5 - 2,8
|
4. Kỹ thuật cắt trên máy cắt CNC
Bảng điều khiển
| 1 |
 |
Khởi động đến điểm tham chiếu 1 |
| 2 |
Khởi động đến điểm tham chiếu 2 |
| 3 |
Khởi động đến điểm tham chiếu 3 |
| 4 |
 |
Khởi động đến điểm tham chiếu 4 |
| 5 |
Chuyển động theo chiều âm trục X |
| 6 |
Báo lỗi |
| 7 |
Chuyển động theo chiều dương trụcY |
| 8 |
Thiết lập tốc độ chuyển động |
| 9 |
Chuyển động theo chiều âm của trục Y |
| 10 |
Chuyển động đảo ngược |
| 11 |
Điều khiển độ cao của đầu cắt 1 |
| 12 |
Điều khiển theo chiều dương của trục X |
| 13 |
Chuyển động tới điểm |
14. Điều khiển độ cao thích nghi của đầu cắt 1
15. Chuyển động theo chiều dương của trục Z1
16. Chuyển động theo chiều âm của trục Z1
17. Chuyển động tới điểm bắt đầu
18. Điều khiển độ cao của đầu cắt 2
19. Giảm tốc độ
20. Điều khiển độ cao thích nghi của đầu 2
21. Chuyển động theo chiều dương của Z2
22. Thay đổi tốc độ chuyển động
23. Chuyển động theo chiều âm của Z2
24. Chuyển động tới đường cong
25. Chạy thử chương trình
26. Đóng các vòi
27. Tăng tốc độ
28. Khởi động lại chương trình
29. Bật, tắt khí oxy, khí cháy
30. Gia nhiệt trước khi cắt
31. Bật Plasma
32. Hoàn thiện nối tiếp
33. Xả khí
34. Khởi động chương trình
35. Dừng chương trình
Lập trình để cắt trên máy cắt Plasma Microstep 500
Các lệnh thực hiện chương trình cắt:
Các lệnh G:
G0: Chạy nhanh, không nội suy
G1: Nội suy đường thẳng (cắt đường thẳng)
G2: Nội suy vòng tròn theo chiều kim đồng hồ
G3: Nội suy vòng tròn theo chiều ngược kim đồng hồ
G40: Xoá lượng chỉnh sửa biên dạng
G41: Gọi lượng chỉnh sửa biên dạng, mạch cắt ở bên trái biên dạng
G42: Gọi lượng chỉnh sửa biên dạng, mạch cắt ở bên phải biên dạng
G90: Đo tuyệt đối
G91: Đo tương đối
Các lệnh M:
M3: Mở nguồn Plasma
M5: Tắt nguồn Plasma
M20: Chuyển động mỏ cắt đi xuống
M21: Chuyển động mỏ cắt đi lên
M30: Tắt chương trình
Các lệnh khác:
%123: Số liệu chương trình
N: Số câu lệnh
I: Toạ độ tâm cung tròn trên trục X
J: Toạ độ tâm cung tròn trên trục Y
- Thực hành cắt các đường cơ bản
* Lập trình để cắt đường thẳng:
% 1
N1: G90
N2: G0 X50 Y70
N3: M20
N4: M3
N5: G1 X250
N6: M5
N7: M21
N8: G0 X0 Y0
N9: M30
* Lập trình để cắt đường xiên:
% 2
N1: G90
N2: G0 X30 Y70
N3: M20
N4: M3
N5: G1 X200 Y250
N6: M5 N8: G0 X0 Y0
N7: M21 N9: M30
* Lập trình để cắt đường tròn:
% 3
N1: G90
N2: G0 X75 Y200
N3: G42 (Bù mạch cắt bên phải)
N4: M20
N5: M3
N6: G3 X75 Y20 I150 J200
N7: M5
N8: M21
N9: G40
N10: G0 X0 Y0
N11: G30
* Lập trình để cắt các biên dạng phức tạp
- Chi tiết số 1
| % 4 |
N12: M20 |
| N1: G90 |
N13: M3 |
| N2: G0 X107,5 Y142,5 |
N14 G1 X100 Y185 |
| N3: G41 |
N15: G1 X185 Y185 |
| N4: M20 |
N16: G1 X185 Y185 |
| N5: M3 |
N17: G1 X185 Y100 |
| N6: G3 X107,5 Y142,5 I142,5 J142,5 |
N18: G1 X100 Y100 |
| N7: M5 |
N19: M5 |
| N8: M21 |
N20: M21 |
| N9: G40 |
N21: G40; |
| N10: G0 X100 Y100 |
N22: G0 X0 Y0 |
| N11: G41 |
N23: M30 |
|
|
- Chi tiết số 2
% 5
N1: G90
N2: G0 X175 Y100
N3: G41 (Bù đường cắt bên trái)
N4: M20
N4: M3
N5: G1 X115
N6: G1 X100 Y115
N8: G1 Y180
N9: G1 X125,
N10: G1 X175 Y120,
N11: G1 Y100
N12: M5,
N13: M21,
N14: G40,
N15: G0 X0 Y0,
N16: M30
- Chi tiết số 3
% 6
N1: G90
N2: G0 X152,5 Y150
N3: G41
N4: M20
N5: M3
N6: G3 X127,5 Y150 I140 J150 N19: G1 X115
N7: G1 X127,5 Y130 N20: G1 Y165
N8: G3 X152,5 Y130 I140 J130 N21: G1 X115
N9: G1 Y150 N22: G1 Y180
N10: M5 N23: G1 X165
N11: M21 N24: G1 Y165
N12: G40 N25: G1 X180
N13: G0 X180 Y115 N26: G1 Y115
N14: G41 N27: M5
N15: M20 N28: M21
N16: M3 N29: G40
N17: G1 X165 N30: G0 X0 MY0
N18: G1 Y100 N31: M30
- Chi tiết số 4
% 7
N1: G90
N2: G0 X130 Y165
N3: G41
N4: M20
N5: M3
N6: G3 X130 Y165 I150 J165
N7: M5
N8: M21
N9: G40
N10: G0 X100 Y100
N11: G41
N12: M20
N13: M3
N14: G1 X100 Y120
N15: G1 X116,2 Y174,3
N16: G1 X183,7 Y174,3
N17: G1 X200 Y115
N18: G1 Y100
N19: G1 X100 Y100
N20: M5
N21: M21
N22: G40
N23: G0 X0 Y0
N24: M30
6. Độ chính xác và chất lượng bề mặt cắt
Yêu cầu với chất lượng mặt cắt Plasma (Theo tiêu chuẩn Nga Gost-14792-80)
| Thông số |
Cấp chính xác |
Dung sai với chiều dày vật liệu |
| 5¸12 |
13¸30 |
31¸36 |
Sai lệch độ vuông góc |
1
2
3 |
0,4
1
2,3 |
0,5
1,2
3,0 |
0,7
1,6
4,0 |
| Độ nhám bề mặt |
1
2
3 |
0,5
0,1
0,2 |
0,06
0,2
0,32 |
0,07
0,32
0,63 |
| Chiều rộng và vùng ảnh hưởng |
1
2
3 |
0,1
0,4
0,8 |
0,2
0,8
1,6 |
0,4
1,6
3,2 |
Qua thí nghiệm thực tế xác định độ sai lệch không vuông góc của mép cắt
Đối với thép C dày 8mm cắt với v = 700mm/ph và lc = 1,7mm đạt giá trị sai lệch vuông góc nhỏ nhất (0,35mm).
Hình 4.6. Thí nghiệm thép CT3 dày 8mm
Đối với thép dày 10mm cắt với v = 640mm/ph và lc = 2,2mm đạt giá trị sai lệch vuông góc nhỏ nhất (0,40mm).
Hình 4.5. Thí nghiệm thép CT3 dày 10mm
Đối với thép C dày 12mm cắt với v = 540mm/ph và lc = 2,4mm đạt giá trị sai lệch vuông góc nhỏ nhất (0,42mm).
Hình 4.5. Thí nghiệm thép CT3 dày 12mm
5. Thực hành, thảo luận (Tính toán, lựa chọn các thông số chế độ cắt plasma cho các đường cắt của vật liệu cho trước; Vận hành máy cắt plasma; Điều chỉnh các thông số của máy cắt plasma; Thực hiện các đường cắt bằng plasma của vật liệu cho trước đảm bảo hình dạng và kích thước yêu cầu, đạt thẩm mỹ, an toàn và hiệu quả).
PHỤ LỤC
Bảng 1. Chế độ hàn hồ quang plasma dòng một chiều các mối ghép giáp nối của các vật liệu khác nhau.
| Vật liệu |
Chiều dày
(mm) |
In
(A) |
Uno
(V) |
Vh
(m/h) |
Đường kính chụp plasma
(mm) |
Lượng khí tiêu thụ
(l/ph) |
Thành phần khí |
| Tạo plasma |
Bảo vệ |
Tạo plasma |
Bảo vệ |
| Thép không gỉ |
2,0 |
160-220* |
18-22 |
35-60 |
3,0 |
0,8-1,3 |
3-4 |
Ar |
Ar |
| Đồng thau với 30% Zn |
2,0 |
140 |
25 |
30 |
2,8 |
3,8 |
28,5 |
Ar |
He |
| Thép không gỉ |
2,3 |
115 |
30 |
36 |
2,8 |
2,8 |
16,5 |
Ar + 5% H2 |
| Đồng |
2,5 |
180 |
28 |
15 |
2,8 |
4,7 |
28,5 |
Ar |
Ar |
| Đồng |
3,2 |
300* |
33 |
15 |
3,4 |
3,8 |
28,5 |
He |
Ar |
| Titan |
3,2 |
185 |
21 |
30 |
2,8 |
3,8 |
28,5 |
Ar |
Ar |
| Thép không gỉ |
3,2 |
145 |
32 |
45 |
2,8 |
4,7 |
16,5 |
Ar + 5% H2 |
| Thép cacbon thấp |
3,2 |
185 |
28 |
18 |
2,8 |
6,2 |
28,5 |
Ar |
Ar |
| Niken |
3,2 |
200 |
30 |
41 |
2,8 |
7,1 |
28,5 |
Ar + 5% H2 |
| Thép không gỉ |
3,5 |
130-150 |
22-23 |
15-16 |
2,5 |
2,3 |
6 |
Ar |
Ar |
| Thép cacbon thấp |
4,3 |
200 |
9 |
15 |
2,8 |
5,7 |
28,5 |
Ar |
Ar |
| Thép không gỉ |
4,7 |
165 |
36 |
24 |
3,4 |
6,2 |
21,5 |
Ar + 5% H2 |
| Titan |
4,7 |
175 |
25 |
20 |
3,4 |
8,5 |
28,5 |
Ar |
Ar |
| Niken |
6,0 |
245 |
31,5 |
22 |
3,4 |
4,7 |
- |
Ar + 5% H2 |
| Thép không gỉ |
6,3 |
240 |
38 |
21 |
3,4 |
8,5 |
24 |
Ar + 5% H2 |
| Đồng |
6,3 |
670* |
46 |
30 |
9,5 |
2,4 |
28,5 |
He |
Ar |
| Thép không gỉ |
8,0 |
230-240 |
28 |
10 |
3,0 |
3,2 |
10,0 |
Ar |
Ar |
| Titan |
10 |
225 |
38 |
15 |
3,4 |
15,1 |
28,5 |
He+25%Ar |
He+25%Ar |
| Titan |
12,1 |
270 |
36 |
15 |
3,4 |
12,8 |
28,5 |
Ar + 5% H2 |
| Titan |
15 |
260 |
39 |
11 |
3,4 |
14,2 |
28,5 |
Ar |
He |
| Đồng |
20 |
850-900* |
44-46 |
3,2-4 |
- |
5 |
20 |
Ar |
He |
| Đồng |
30 |
1000-1150* |
50-52 |
2,2-2,4 |
- |
5 |
22 |
Ar |
He |
| Đồng |
40 |
1150-1200* |
50-54 |
2,0-2,5 |
- |
6,6 |
24 |
Ar |
He |
| Đồng (hàn hai lớp) |
40 |
1150* |
48-52 |
2,8-3,0 |
- |
5 |
22 |
Ar |
He |
| 60 |
1250-1300* |
50-54 |
1,8-2,0 |
- |
6,6 |
24 |
Ar |
He |
| 80 |
1350* |
52-56 |
1,2-1,4 |
- |
10 |
27 |
Ar |
He |
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Hoàng Tùng (2001), Sổ tay định thức tiêu hao vật liệu và năng lượng trong hàn điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội.
- Ngô Lê Thông (2004), Công nghệ hàn điện nóng chảy tập 1: Cơ sở lý thuyết NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội.
- Nguyễn Thúc Hà, Bùi văn Hạnh, Võ Văn Phong (2002), Giáo trình công nghệ hàn,NXB Giáo dục, Hà nội.
- Nguyễn Văn Thông (1998), Vật liệu và công nghệ hàn, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà nội.
- Nguyễn Tiến Dũng (2002), Hàn đại cương, NXB Lao động - xã hội, Hà nội.
- Trần Văn Địch (2003), Nghiên cứu độ chính xác gia công bằng thực nghiệm, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà nội.
- Tạ Duy Liêm (2005), Kỹ thuật điều khiển, điều chỉnh và lập trình khai thác máy công cụ CNC, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội.
- Hướng dẫn sử dụng máy cắt Plasma Microstep500
- NXB Lê nin grát (1972), Cắt hồ quang Plasma - Thiết bị và năng lượng
(Bản tiếng Nga).