Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến trường nhiệt độ khi cắt các tấm tôn bao vỏ tàu bằng tia plasma

i
MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1.1. Tổng quan đề tài nghiên cứu 1
1.1.1. Lý do chọn đề tài 1
1.1.2. Mục đích - Ý nghĩa 2
1.2. Tổng quan đóng tàu v ỏ thép 2
1.2.1. Vật liệu đóng tàu vỏ thép 3
1.2.2. Quá trình cắt tôn trong các nhà máy đóng tàu 6
1.3. Tình hình nghiên cứu 7
1.3.1. Lịch sử phát triển hồ quang plasma 7
1.3.2. Những tiến bộ công nghệ cắt plasma 10
1.3.3. Công nghệ cắt plasma ở Việt Nam hiện nay 17
1.3.4. Những vấn đề tồn tại, đang nghiên cứu và hoàn thiện 18
1.4. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên c ứu 19
1.4.1. Mục tiêu . 19
1.4.2. Nội dung . 19
1.4.3. Phương pháp nghiên c ứu đề tài 19
CHƯƠNG 2. NGHIÊN C ỨU TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG KHI CẮT THÉP TẤM
BẰNG TIA PLASMA ÔXY 20
2.1. Khái niệm, đặc điểm, nguyên lý gia công b ằng hồ quang plasma: 20
2.1.1. Khái niệm 20
2.1.2. Đặc điểm 21
2.1.3. Nguyên lý gia công b ằng hồ quang plasma 21
2.2. Thiết bị cắt sử dụng nghiên cứu trong đề tài 25
2.2.1. Máy cắt Cutmaster 151 25
2.2.2. Bình chứa khí Ôxy 26
2.2.3. Xe trượt (xe tự hành) 27
2.3. Nghiên cứu chế độ cắt 27
2.3.1. Cường độ dòng điện khi cắt 29

2.3.2. Vận tốc cắt 30
2.3.3. Áp suất khí thổi khi cắt 32
ii
2.3.4. Năng lượng nguồn nhiệt khi cắt bằng tia plasma ôxy 32
2.3.5. Năng lượng phản ứng ôxy hóa sắt trong quá trình cắt 34
2.3.6. Năng lượng cần thiết để làm tan chảy kim loại trong quá trình cắt 35
2.3.7. Cân bằng năng lượng khi cắt bằng tia plasma ôxy . 37
2.4. Nghiên cứu trường nhiệt độ khi cắt thép tấm bằng tia plasma 39
2.4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn nhiệt khi cắt 40
2.4.2. Trường nhiệt độ với những phương trình cơ bản 40
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 44
3.1. Phân phối nhiệt độ theo lý thuyết 44
3.1.1. Phân bố nhiệt độ hai bên rãnh cắt tính từ tâm nguồn nhiệt 44
3.1.2. Phân bố nhiệt độ dọc theo rãnh cắt 48
3.2. Khảo sát thực nghiệm trường nhiệt độ khi cắt tấm thép tôn bao vỏ tàu bằng tia
plasma ôxy 64
3.2.1. Mục đích thực nghiệm 64
3.2.2. Dụng cụ đo nhiệt 64
3.2.3. Bố trí thực nghiệm 65
3.2.4. Kết quả đo 65
3.3. So sánh kết quả nhiệt độ tính theo lý thuyết và thực nghiệm đo được 67
3.3.1. Kết quả 67
3.3.2. Phân tích sự sai lệch 68
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT . 69
4.1. Kết luận 69
4.2. Đề xuất 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
iii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Tên hình Trang

Hình 1.1 Qui trình chế tạo phân đoạn 3
Hình 1.2. Vùng nhiệt trong qui trình cắt bằng hồ quang plasma 8
Hình 1.3. Hàn TIG 9
Hình1.4. Mô hình truyền và không truyền dẫn 9
Hình 1.5. Cắt bằng dòng hồ quang kép 11
Hình 1.6. Cắt plasma bằng không khí 12
Hình 1.7. Cắt plasma với vách chắn nước 13
Hình 1.8. Công nghệ phun nước trong quá trình cắt 13
Hình 1.9. Cắt plasma với quá trình phun khí ôxy 16
Hình 1.10. Cắt plasma cường độ cao 17
Hình 2.1. Các trạng thái vật chất trong tự nhiên [4] 20
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý cắt plasma 22
Hình 2.3. Máy cắt plasma Cutmaster 151 25
Hình 2.4. Bình chứa ôxy 26
Hình 2.5. Xe trượt 27
Hình 2.6. Sơ đồ cắt plasma – rãnh cắt, góc cắt [20] 27
Hình 2.7. Cấu tạo ngọn đuốc 28
Hình 2.8. Quan hệ giữa dòng điện và chiều rộng rãnh cắt 30
Hình.2.9. Hình dạng rãnh cắt khi cắt bằng tia plasma ôxy với các tốc độ cắt khác nhau 31
Hình 2.10. Quan hệ giữa vận tốc và chiều rộng rãnh cắt 32
Hình 2.11. Các dạng năng lượng trong trong quá trình cắt [22] 33
Hình 2.12. Khu vự phản ứng ôxy hóa khi cắt plasma 35
Hình 2.13. Chiều rộng rãnh cắt 36
Hình 2.14. Quan hệ dòng điện, tốc độ cắt và bề rộng rãnh cắt 39
Hình 2.15. Vị trí mỏ cắt 41
Hình 3.1. Thay đổi nhiệt độ trên đường vuông góc rãnh cắt khi v = 0,8m/min 46
Hình 3.2. Thay đổi nhiệt độ trên đường vuông góc rãnh cắt khi v = 1m/min 46
Hình 3.3. Thay đổi nhiệt độ trên đường vuông góc rãnh cắt khi v = 1,2m/min 47
Hình 3.4. Thay đổi nhiệt độ trên đường vuông góc rãnh cắt khi v = 1,4m/min 47
Hình 3.5. Mô hình xác định quá trình truyền nhiệt khi cắt bằng tia plasma ôxy 48

iv
Hình 3.6. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi v = 0,8m/min 50
Hình 3.7. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi v = 1m/min 50
Hình 3.8. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi v = 1,2m/min 51
Hình 3.9. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi v = 1,4m/min 51
Hình 3.10. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =50A, v =0,8m/min 53
Hình 3.11. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =50A, v =1m/min 53
Hình 3.12. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =50A, v=1,2m/min 54
Hình 3.13. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =50A, v =1,4m/min 54
Hình 3.14. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =60A, v =0,8m/min 56
Hình 3.15. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =60A, v =1m/min 56
Hình 3.16. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =60A, v=1,2m/min 57
Hình 3.17. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =60A, v =1,4m/min 57
Hình 3.18. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =70A, v =0,8m/min 59
Hình 3.19. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =70A, v =1m/min 59
Hình 3.20. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =70A, v =1,2m/min 60
Hình 3.21. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =70A, v =1,4m/min 60
Hình 3.22. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =80A, v =0,8m/min 62
Hình 3.23. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =80A, v =1m/min 62
Hình 3.24. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =70A, v =1,2m/min 63
Hình 3.25. Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I =80A, v =1,4m/min 63
Hình 3.27. Các điểm thực hiện quá trình đo nhiệt độ 65
Hình 3.28. Mô tả sự thay đổi nhiệt độ khi đo với vận tốc v = 1m/min, y = 5mm 66
Hình 3.29. Mô tả sự thay đổi nhiệt độ khi đo với vận tốc v = 1m/min, I = 60A 66
Hình 3.30. Thay đổi nhiệt độ khi tính theo lý thuyết và đo (v = 1m/min, y = 5mm) 67
Hình 3.31. Thay đổi nhiệt độ khi tính theo lý thuyết và đo (v = 1m/min, I = 60A) 67
v
DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng Trang
Bảng 2.1. Chế độ cắt thép cácbon thấp 26

Bảng 2.2. Dung tích – lưu lượng khí ôxy 26
Bảng 2.3. Lưu lượng ôxy hóa tương ứng ở các áp suất 34
Bảng 2.4. Năng lượng sinh ra do quá trình ôxy hóa t ương ứng ở các áp suất 35
Bảng 2.5. Năng lượng cần thiết làm tan chảy thép khi cắt bằng plasma ôxy 36
Bảng 2.6. Chiều rộng trung bình rãnh cắt khi cắt bằng tia plasma ôxy 37
Bảng 2.7. Cân bằng năng lượng điện khi cắt bằng tia plasma ôxy P = 5at 38
Bảng 3.1. Kết quả phân bố nhiệt độ theo hướng ngang 45
Bảng 3.2. Kết quả tính nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi y = 5mm 49
Bảng 3.3. Kết quả tính nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 50A 52
Bảng 3.4. Kết quả tính nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 60A 55
Bảng 3.5. Kết quả tính nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 70A 58
Bảng 3.6. Kết quả tính nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 80A 61
Bảng 3.7. Kết quả đo nhiệt độ khi y = 5mm, v = 1m/min và dòng điện thay đổi 65
Bảng 3.8. Kết quả đo nhiệt độ khi I = 60A, v = 1m/min và thay đổi y 66
vi
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
a: [m
2
.s
-1
] Hệ số khuếch tán nhiệt
c: [J.kg
-1
.K
-1
] Nhiệt dung riêng
E
nc
:(J.m
-1

) Năng lượng cần thiết làm tan chảy kim loại/mét cắt
e Cơ số hàm logarit
h (mm) Chiều dày tấm thép
I: (A) Cường độ dòng điện
L
f
: (270 kJ.kg
-1
) Ẩn nhiệt nóng chảy của thép
l
h
: (mm) Bề rộng rãnh cắt mặt trên
l
b
: (mm) Bề rộng rãnh cắt mặt dưới
l
tb
: (mm) Bề rộng trung bình rãnh cắt
M
l
:(g.m
-1
) Khối lượng kim loại tan chảy/mét
M
t
: (g.s
-1
) Khối lượng kim loại tan chảy/giây
P (at) Áp suất
q

2
(J.m
-2
.s
-1
): Mật độ dòng nhiệt
Q (W) Năng lượng điện đầu vào
Q
c
(W) Năng lượng điện cần thiết cho quá trình cắt
Q
e
(W) Năng lượng cần thiết cho quá trình cắt
Q
ôxy
(W) Năng lượng sinh ra do phản ứng ôxy hóa
Q
tn
(W) Năng lượng truyền bên trong tấm
Q
nc
(W) Năng lượng cần thiết làm tan chảy thép
Q
tt1
(W) Năng lượng tổn thất giữa mỏ cắt và bề mặt phôi
Q
tt2
(W) Năng lượng tổn thất xuyên qua rãnh cắt
T (
0

K) Nhiệt độ
T
0
(
0
K) Nhiệt độ môi trường
T
nc
(
0
K) Nhiệt độ nóng chảy của thép
t (s) Thời gian
U (V) Hiệu điện thế
v (m.s
-1
) Tốc độ cắt
λ (J.m
-1
.s
-1
.K
-1
) Hệ số dẫn nhiệt
ρ (kg.m
-3
) Khối lượng riêng vật liệu
vii
n
T



(K.m
-1
) Gradient nhiệt độ
x
T


(K.m
-1
) Gradient nhiệt độ theo phương x
y
T


(K.m
-1
) Gradient nhiệt độ theo phương y
z
T


(K.m
-1
) Gradient nhiệt độ theo phương z
DC Dòng điện một chiều
HAZ Vùng ảnh hưởng nhiệt
KH&CN Khoa học và công nghệ
1
CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. Tổng quan đề tài nghiên cứu
Phát triển ngành công nghiệp tàu thủy là một định hướng đúng đắn trong
quá trình phát triển kinh tế - xã hội của nước ta hiện nay. Để triển khai định h ướng
đó, không có con đư ờng nào khác là phải đầu tư cho khoa học và công nghệ
(KH&CN) để tạo ra các sản phẩm đạt chất l ượng cao, giá thành hợp lý, qua đó
nâng cao năng lực cạnh tranh, đáp ứng nhu cầu phát triển của ng ành công nghiệp
tàu thủy Việt Nam. Nhận thức được vai trò và tầm quan trọng của KH&CN đối với
sự phát triển của ngành, phải tranh thủ đi nhanh v ào công nghệ hiện đại, đầu tư
phát triển tiềm lực, đổi mới công nghệ, nâng cao khả năng chiếm lĩnh thị tr ường
trong nước, chia sẻ thị phần khu vực v à xuất khẩu được tàu ra nước ngoài
Theo đó, một loạt tiến bộ KH&CN đ ã được đưa vào áp dụng trong quá trình
đóng mới tàu thủy, điển hình như: Thiết kế, thi công vỏ và kết cấu tàu thủy bằng
máy tính, thay thế hoàn toàn việc phóng dạng, triển khai tr ên sàn phóng; cắt tự
động bằng máy cắt CNC, h àn lắp bằng mối hàn lót sứ, năng suất cao, tiết kiệm vật
tư và rút ngắn thời gian thi công; sử dụng công nghệ gia công chính xác các chi tiết
kết cấu không lượng dư lắp ráp. Các phân, tổng đoạn đ ược chế tạo đảm bảo kích
thước hình khối của tổng đoạn theo thiết kế, giúp cho việc đấu đ à chính xác, tiết
kiệm vật tư, nhân công, đồng thời góp phần tăng tính chủ động, nâng cao năng lực
sản xuất, vừa tăng khả năng cạnh tranh của ng ành.
Mặc dù đã đạt được những thành quả nhất định trong quá tr ình phát triển,
nhưng ngành công nghi ệp tàu thủy Việt Nam cũng còn gặp phải những khó khăn
như: trình độ công nghệ của các đơn vị sản xuất chưa đồng đều; KH&CN của
ngành công nghiệp tàu thủy Việt Nam về cơ bản còn lạc hậu so với nhiều n ước
trong khu vực, nhất là so với các nước có nền công nghiệp tàu thủy tiên tiến trên
thế giới.
1.1.1. Lý do chọn đề tài
Trong nhà máy đóng tàu, công đoạn cắt thép chiếm phần lớn thời gian gia
công một con tàu. Có nhiều phương pháp cắt thép tấm như: lực cơ học, sử dụng
nguồn nhiệt có nhiệt độ cao như: cắt bằng khí cháy hoặc cắt bằng hồ quang
plasma, laze… Phần lớn cắt thép tấm sử dụng ph ương pháp cắt bằng nhiệt phương

2
pháp này tồn tại các vấn đề cần quan tâm nh ư: bề rộng rãnh cắt, chất lượng bề mặt,
vùng ảnh hưởng nhiệt, ứng suất và biến dạng tấm thép sau khi cắt.
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 suất 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 nhiệt độ và biến dạng trong 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, việc “nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến trường nhiệt độ khi cắt
các tấm tôn bao vỏ tàu bằng tia plasma” là rất cần thiết; nó tạo tiền đề cho việc
nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo.
1.1.2. Mục đích - Ý nghĩa
Xác định chế độ cắt hợp lý cho các tấm tôn bao vỏ tàu nhằm hạn chế công
đoạn cắt thử nhiều lần làm tăng chi phí gia công. Đ ồng thời xác định được nhiệt độ
và vùng ảnh hưởng nhiệt để biết được sự biến dạng của tấm thép sau khi cắt. Trên
cơ sở đó, khuyến cáo khi sử dụng công nghệ cắt plasma ôxy
1.2. Tổng quan đóng tàu vỏ thép
Hiện nay, các nhà máy đóng tàu đ ều đóng theo phương pháp phân t ổng
đoạn. Theo phương pháp này, thân tàu đư ợc chia thành nhiều phân đoạn phẳng và
phân đoạn khối. Từ những phân đoạn này chia thành các cụm chi tiết lớn và tiếp
tục chia các cụm chi tiết lớn thành các cụm chi tiết nhỏ hơn và cuối cùng là chi tiết
không thể phân chia.
Mục đích của việc phân chia này nhằm tiến hành chế tạo tất cả các chi tiết
kết cấu thân tàu cùng một lúc, rút ngắn thời gian chế tạo tàu. Đồng thời cố gắng
đưa tất cả các cụm chi tiết, kết cấu về vị trí dễ dàng thực hiện, tận dụng các phương
pháp gia công tiên tiến.

Quá trình lắp ráp tàu thì ngược lại của quá trình phân chia. B ắt đầu từ những
chi tiết được lắp ráp thành cụm chi tiết. Từ cụm chi tiết lắp ráp thành các cụm chi
tiết lớn hơn. Từ những cụm chi tiết lớn lắp thành phân đoạn. Từ những phân đoạn
lắp ráp thành các tổng đoạn và cuối cùng là lắp ráp các tổng đoạn thành tàu.
3
Luận văn này, chúng tôi nghiên c ứu ở công đoạn chế tạo phôi theo sơ đồ lắp
ráp được mô tả trên hình 1.1. Có nhiều phương pháp chế tạo phôi (cắt thép tấm),
nội dung luận văn chỉ nghiên cứu phương pháp cắt thép tấm tôn bao vỏ tàu có bề
dày 10mm bằng tia plasma ôxy với qui trình cắt bán tự động.
Hình 1.1 Qui trình chế tạo phân đoạn
1.2.1. Vật liệu đóng tàu vỏ thép
Trong luận văn này, vật liệu nghiên cứu là thép cacbon dùng đ ể đóng tàu vỏ
thép. Thép đóng tàu là thép cacbo n thấp, chứa khoảng (0,15 0.23)%C và lượng
mangan cao, còn hai thành ph ần khác là lưu huỳnh và phốt pho cần ở mức thấp
nhất dưới 0,05%. Đây là loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất do có nhiều ưu
điểm như độ bền cơ học, công nghệ gia công ở trạng thái nguội hay nóng đều
đơn giản và nhất là có khả năng liên kết tấm và các kết cấu định hình với nhau
bằng phương pháp hàn điện (với nhiệt độ nóng chảy từ 1425  1540
0
C).
Các yêu cầu kỹ thuật cho thép đóng tàu cơ bản như sau:
Đảm bảo sức bền cơ lý tính với 
chảy
= 235  390 MPa
Chịu đựng được hiện tượng nứt giòn ở nhiệt độ 0
0
C hoặc thấp hơn đến -40
0
C.
Tính hàn tốt ở mọi nhiệt độ môi trường xung quanh, tính hàn của thép

đóng tàu còn được thực hiện ở chỗ mối hàn giữa các kết cấu thép phải đủ bền,
4
chống được tải trọng va đập tốt và có khả năng cho phép áp dụng các phương
pháp hàn với nhau, nhằm mục đích tạo điều kiện thuận lợi trong công nghệ chế
tạo các kết cấu vỏ tàu.
Có khả năng gia công nguội mà không bị giảm đi nhiều cơ, lý tính của nó sau
khi đã biến dạng dẻo, và không cần phải gia công nhiệt trở lại.
Khả năng chống gỉ trong môi trường nước bẩn cũng như hàng hóa vận
chuyển.
Có sức bền mỏi tốt trong môi trường gỉ, đặc biệt mỏi ở chu kỳ thấp của mối hàn.
Trong công nghiệp đóng tàu để đảm bảo các tính chất ở trên người ta
rất quan tâm đến ba vấn đề sau đây:
Phương pháp chế tạo thép và phương pháp gia công thép tấm, thép hình.
Sức bền (cơ, lý tính) của các loại thép.
1.2.1.1. Thành phần hóa học trong thép.
Thép có độ bền bình thường: theo tiêu chuấn đã được công nhận 1959, thép
cacbon dùng để chế tạo các loại tàu thông dụng được phân thành 5 cấp với ký hiệu
A, B, C, D, E có chất lượng khác nhau.
Cách phân loại và ký hiệu cấp thép đóng tàu nói trên được dùng phổ biến
ở hầu hết các nước. Riêng ở nước ta, tùy theo quy phạm đăng kiểm Việt Nam
ban hành chính thức năm 2003 cấp thép lại được phân loại thành KA, KB, KD, KE
thay thế cho A, B, D, E. Ký hiệu phân loại cấp thép này tương tự ký hiệu phân
loại cấp thép của đăng kiểm Nhật (NK).
Thép có độ bền cao: Thép độ bền cao dùng trong ngành đóng tàu được phân
loại thành ba mức với ký hiệu lần lượt 32, 36, 40.
Mỗi mức bền được chia thành bốn cấp là AH (AH32, AH36, AH40), DH
(DH32, DH36, DH40), EH (EH32, EH36, EH40), riêng cấp FH để ghi các mức
bền cao hơn như 42, 46, 50, 56, 62, 69.
Theo tiêu chuẩn Việt nam TCVN 1659 – 75, thép độ bền cao cũng chia
thành các cấp như của Nhật là KA32, KD32, KE32, KA36, KD36, KE36, KA40,

KD40, KE40, KF32, KF36, KF40.
1.2.1.2. Tính chất chung của vật liệu đóng tàu
Cũng như tất cả các kim loại khác, chất lượng thép đóng tàu được kiểm tra
5
bằng thử nghiệm đối với mẫu thử lấy từ các thép tấm và thép hình được chế tạo
trong điều kiện sản xuất bình thường, nhằm xác định các đại lượng quan trọng đặc
trưng cho tính chất cơ học của thép đóng tàu như sau:
Giới hạn chảy

ch
:
là thông số cơ học chính đặc trưng cho chất lượng của
các loại thép đóng tàu, được tính bằng ứng suất xuất hiệ n do tác dụng của tải
trọng làm vật thể mất tính đàn hồi, nghĩa là trong mẫu thử sẽ sinh ra những biến
dạng còn dư lại ngay cả khi tải trọng ngừng tác dụng. Khi giá trị ứng suất vượt
quá giới hạn chảy của vật liệu, trong kết cấu bắt đầu xuất hiện các biến dạng lớn
không tỷ lệ, một
phần có tính chất dư và hình dạng bắt đầu của kết cấu bị phá hủy.
Giới hạn bền 
b
:
là ứng suất xuất hiện do tác dụng của tải trọng làm vật
thể bắt đầu bị phá hủy.
Giới hạn chảy, giới hạn bền và độ giãn dài tương đối
được xác định từ thử kéo các mẫu thử.
Sức cản tạm thời: Sức cản tạm thời không phải là đại lượng đặc trưng cho
cơ tính của thép đóng tàu, vì sau giới hạn chảy, trạng thái của thép thường sẽ được
xác định bởi độ dai và độ giãn dài của nó. Tuy nhiên, việc quy định giá trị sức cản
tạm thời nhằm đảm bảo tiêu chuẩn công nghệ của quá trình sản xuất thép cán và
giảm nhẹ công việc gia công cơ đối với thép tấm, thép hình trong phân xưởng vỏ.

Độ giãn dài tương đối và độ co thắt tương đối: Độ giãn dài tương đối và độ
co thắt tương đối đặc trưng cho tính dẻo của thép khi bị kéo. Độ giãn dài tương
đối tính bằng phần trăm tỷ số giữa độ giãn dài khi kéo đứt và chiều dài ban đầu
của mẫu, có chiều dài gấp 10 đường kính
(
10)
và mẫu có chiều dài gấp 5 lần
đường kính (
5)
. Tiêu chuẩn độ dài tương đối được xác định tùy thuộc vào đặc
điểm về độ bền của thép.
Độ dai va đập: Độ dai va đập được xác định trong thử nghiệm uốn và va
đập mẫu có rãnh khoét tiêu chu ẩn, đo bằng công tiêu hao để phá hủy các mẫu
nhằm mục đích xác định nhiệt độ giới hạn của độ giòn. Tỷ số giữa công nói trên
với diện tích mặt cắt bị phá hủy được gọi là độ dai va đập (KGm/cm
2
). Độ dai va
đập của thép vỏ tàu thường được kiểm tra ở nhiệt độ bình thường và ở nhiệt độ -
40
0
C. Tiêu chuẩn độ dai va đập được thiết lập dựa trên cơ sở các vết nứt gãy của
mẫu thử, chứng tỏ thép đủ sức chống sự phá hủy giòn và biến dạng dẻo khi chịu
tác dụng của tải trọng động.
6
Khả năng chịu uốn nguội: Khả năng chịu uốn nguội là thông số rất quan
trọng đặc trưng cho cơ tính của thép đóng tàu được kiểm tra bằng cách uốn mẫu
thử quanh một thanh cán tròn có đường kính bằng chiều dài mẫu sau khi uốn, trên
bề mặt của mẫu thử và tại các mẫu thử không được xuất hiện các vết nứt gãy. Thử
uốn nguội được thực hiện để kiểm tra tính dẻo và khả năng biến dạng của thép
đóng tàu khi uốn, xu hướng xuất hiện và phân bố của các vết nứt, độ nhạy của

mẫu với hiện tượng tập trung ứng suất.
Ngoài những thử nghiệm trên còn tiến hành thử độ bền mỏi đối với mẫu
nhẵn có cắt lõi để xác định số chu kỳ thay đổi ứng suất cho đến khi phá hủy mẫu
ở các giá trị ứng suất khác nhau, nằm trong giới hạn từ 0,6 đến 1,0 giới hạn chảy.
Kết cấu vỏ tàu được chế tạo từ thép tấm và thép hình. Ở các nhà máy
đóng tàu hiện nay chủ yếu sử dụng các loại thép với cấp thép A, H, D, AH, DH,
EH, …
1.2.2. Quá trình cắt tôn trong các nhà máy đóng tàu
1.2.2.1. Cắt bằng ôxy khí gas
Phương pháp này hoạt động bằng ngọn lửa khí cháy, nhiệt lượng của ngọn
lửa khí cháy với ôxy để nung nóng vị trí cắt đến nhiệt độ cháy của kim loại dùng
luồng ôxy có lưu lượng lớn để thổi lớp oxít kim loại đã nóng chảy ra khỏi rãnh cắt.
Để bắt đầu và duy trì quá trình c ắt, các phản ứng hóa học của quá trình ôxy hóa s ắt
cần có ngọn lửa nung kim loại đến nhiệt độ khoảng 1300
0
C. Kỹ thuật này được
thiết kế chủ yếu để cắt thép không hợp kim (thép nhẹ) hoặc hợp kim thấp, vì chúng
phải được ôxy hóa. Độ dày các tấm khi cắt khác nhau, từ 3 mm đến 200 mm hoặc
300 mm.
Rãnh cắt sau khi cắt tương đối lớn và các cạnh song song. Tuy nhiên, vùng
ảnh hưởng nhiệt rất rộng và biến dạng sau khi cắt rất lớn đặc biệt là khi cắt các tấm
có chiều dài lớn.
Thời gian khởi động khác nhau, 5 - 60s là cần thiết phụ thuộc vào độ dày
của phôi và các loại nhiên liệu khí cháy (axetylen C
2
H
2
, propan C
3
H

8
hoặc khí tự
nhiên). Thật vậy, chất lượng và tốc độ cắt phụ thuộc vào bề mặt tấm thép khi cắt.
Bề mặt tấm bị gỉ nhiều có thể làm hỏng các đầu cắt, gây ra các khuyết tật hoặc
7
thậm chí bị gián đoạn quá trình cắt. Hiện nay quá trình cắt ôxy khí gas được sử
dụng công nghệ cắt tự động CNC.
1.2.2.2. Cắt plasma
Vật liệu quan trọng nhất của công nghệ plasma chính là chất tạo plasma.
Plasma là những chất khí có chứa các ion (các nguyên t ử mang điện tích) và các
điện tử chuyển động tự do. Trong điều kiện thường, các chất khí đều được tạo
thành từ các phân tử trung hoà về điện (không mang điện). Khi đó trong mỗi
nguyên tử, số hạt proton mang điện dương có trong hạt nhân nguyên tử đúng bằng
số điện tử mang điện âm ở lớp vỏ, quay xung quanh h ạt nhân. Do vậy tổng điện
tích âm và dương của nguyên tử trung hoà với nhau, tức là luôn bằng không. Nếu
cho một dòng điện (dòng các điện tử tự do) chạy qua chất khí thì tình trạng cân
bằng sẽ biến mất. Các điện tử tự do va chạm với nguyên tử khí làm cho các điện tử
ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử đó bắn ra. Khi bị mất một hoặc vài điện tử,
nguyên tử trở thành phần tử mang điện dương (gọi là ion dương) vì số hạt proton
lớn hơn số điện tử còn lại trong nguyên tử. Khi đó chất khí trở thành plasma
Bản chất của khí tạo plasma được chọn theo vật liệu cắt
Đối với cắt thép không gỉ và hợp kim màu thường được sử dụng các loại khí
trơ, đặc biệt là nitơ và argon-hydrogen hỗn hợp.
Để cắt thép không hợp kim hoặc hợp kim thấp, sử dụng khí ôxy hóa giống
như không khí hoặc ôxy, có thể đạt được tốc độ cắt cao.
Chất lượng cắt thường được đo bằng các tiêu chuẩn sau:
Độ vuông góc và độ phẳng của mặt cắt, cạnh trên bị vát tròn.
Độ nhám của bề mặt cắt, có thể có vệt.
Xỉ hình thành cạnh dưới của rãnh cắt.
1.3. Tình hình nghiên cứu

1.3.1. Lịch sử phát triển hồ quang plasma
Năm 1941, ngành công nghi ệp Mỹ nỗ lực nghiên cứu để tìm ra phương pháp
tốt nhất để ghép các tấm kim loại nhẹ với nhau phục vụ cho mục đích chiến tranh
và đặc biệt nhất là cho ngành công nghi ệp chế tạo máy bay. Ngoài nỗ lực này, một
qui trình hàn mới ra đời. Một dòng hồ quang điện được dùng để làm nóng chảy
kim loại và một dòng khí trơ bên trong bao quanh h ồ quang và kim loại nóng chảy
8
được đưa vào vị trí cần hàn. Quá trình này gọi là "TIG" (Tungsten Inert Gas), nó
giống như là một giải pháp hoàn hảo cho yêu cầu rất đặc biệt của mối hàn chất
lượng cao. Từ đó quá trình hàn này được ứng dụng rộng rãi và sử dụng kết hợp với
các loại khí như: argon, hêli… Ngày nay, quá tr ình này được gọi là "GTAW" (Gas
Tungsten Arc Welding).
Vào năm 1950, “ TIG ” đư ợc đưa vào sử dụng rộng rãi như là một phương
pháp hàn mới đối với những qui trình đòi hỏi chất lượng mối hàn cao trên những
vật liệu khác nhau. Trong quá trình nghiên c ứu, các nhà khoa học ở phòng thí
nghiệm về công nghệ hàn của Union Carbide khám phá ra rằng khi giảm dòng khí
ở miệng vòi là để dẫn dòng khí từ điện cực (cathode) đến tấm kim loại (anode).
Những thuộc tính của hàn hồ quang có thể thay đổi. Việc thu nhỏ ở miệng vòi
nhằm giới hạn dòng hồ quang điện với dòng khí và tăng áp suất khí nhằm chống lại
sự tăng nhiệt độ của nó. Nhiệt hồ quang và điện áp hồ quang tăng đột ngột, động
lượng của sự ion hóa và sự không ion hóa làm xáo tr ộn kim loại lỏng nhờ vận tốc
cao hơn. Thay vì hàn, kim loại có thể cắt bằng tia plasma.
Hình 1.2. Vùng nhiệt trong qui trình cắt bằng hồ quang plasma
Cắt bằng hồ quang plasma sinh nhi ệt nhiều hơn do đó nóng hơn hàn h ồ
quang kết hợp với khí trơ (TIG). Nhiệt độ có thể rất cao bởi vì dòng khí cao trong
vòi phun plasma hình thành xung quanh đường biên ngoài để làm mát, dòng hồ
quang không bị ion hóa được cung cấp dọc đường biên theo vách của vòi, hình
thành một quá trình giãn nỡ nhiệt cao hơn. Chiều dày của đường biên này có thể
tăng thêm được nhờ dòng khí cắt được tạo xoáy theo dạng lò xo. Sự xoáy này có
tác dụng tạo lực đẩy mạnh hơn, làm mát nhiều hơn, khí không bị ion hóa là để di

9
chuyển các dòng tia bên ngoài t ừ một lớp biên dày hơn. Đa s ố các mỏ cắt bằng
Plasma được tạo sự xoáy dòng khí cắt để đạt được sự co thắt cực đại của hồ quang.
Hình 1.3. Hàn TIG
Tia plasma có thể hoạt động trong mô hình truyền dẫn, nơi mà các điện tích
xảy ra giữa các vòi điện cực plasma (hay còn gọi là cực âm) với tấm kim loại (cực
dương). Nó cũng có thể thực hiện trong chế độ không truyền dẫn nơi mà các dòng
điện tích xảy ra giữa các điện cực và vòi. Cả hai quá trình được thể hiện như hình
1.4.
Hình1.4. Mô hình truyền và không truyền dẫn
Mặc dù dòng plasma được làm cho nóng lên từ vòi phun với hai chế độ hoạt
động nhưng chế độ truyền dẫn luôn luôn được sử dụng trong quá trình cắt plasma
vì nhờ có sự nung nóng lên bề mặt chi tiết gia công cho nên quá trình này hi ệu quả
hơn khi dòng hồ quang tiếp xúc điện tích với phôi.
Các đặc điểm của tia plasma có thể được thay đổi bằng cách thay đổi từng
loại khí, tỷ lệ dòng khí xảy ra theo hồ quang, kích thước vòi phun và điện cực hồ
quang.
10
Ví dụ: nếu một tỷ lệ dòng khí thấp được sử dụng thì tia plasma trở thành
nguồn nóng tập trung cao độ lý tưởng cho quá trình hàn. Ng ược lại, nếu tỷ lệ dòng
khí gia tăng vừa đủ thì tốc độ của tia plasma rất nhanh, phụt ra làm chảy kim loại
và cắt phôi.
1.3.2. Những tiến bộ công nghệ cắt plasma
1.3.2.1. 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 đư ợc 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). Cu ối

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 ampere, 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 c ắt 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.
11
Hiện tượng này được gọi là “ Double Arcing ” nh ằm bảo vệ điện cực và vòi.
Dòng hồ quang kép này yêu c ầu 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 “ C ắt 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 ch ất lượng

cắt tối ưu, thường yêu cầu pha trộn các loại khí đắt tiền như: Argon, Hydro,…
1.3.2.2. 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, ch ủ tịch TDC năm
1963. Nó liên quan đ ến việc thay đổi một số kỹ thuật cắt của quá trình cắt plasma
truyền thống. Về bản chất, nó kết hợp các tính năng như phương pháp c ắt 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 c ắt 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 ho ặc ôxi cho thép mềm, Cacbonic cho Inox và h ỗn
hợp argon/hydro cho nhôm.
Hình 1.5. Cắt bằng dòng hồ quang kép
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.
12
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 gi ảm 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.
1.3.2.3. 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 c ấp năng lượng bổ xung từ phản
ứng tỏa nhiệt mà nó làm cho thép nóng ch ảy. Năng lượng bổ xung này cải thiện tốc
độ cắt khoảng 25% so với cắt plasma dùng khí Nitơ. Quá tr ình 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 c ủa điện cực liên quan đến plasma truyền thống.
Mặc dù qui trình cắt với không khí không đư ợc 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 ngh ệ 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 r ỗ
khí sau khi hàn.
13
1.3.2.4. 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 s ự co thắt hồ quang.
Hình 1.7. Cắt plasma với vách chắn nước
1.3.2.5. 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
50000

0
K 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, ch ủ tịch Hypertherm, Inc.
Hình 1.8. Công nghệ phun nước
trong quá trình cắt
14
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 gi ống 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 s ố nước được bốc hơi. Lượng
nước còn lại đã thoát ra khỏi vòi phun theo kiểu phun hình nón, và làm mát b ề 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 gi ữa 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.
1.3.2.6. 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
15
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 c ắt 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 loại 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 đư ợc thêm vào xung quanh ng ọn lửa cắt.
1.3.2.7. 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 th ị 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 c ạnh tranh trên thị trường ngày càng tăng, nhi ều 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.
16
1.3.2.8. 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 nhi ệt 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 c ắt 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.
1.3.2.9. 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 1.9.
Hình 1.9. Cắt plasma với quá trình 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
17
việc không sửa chữa, làm tiêu hao khí nhiều, phức tạp và ngọn lửa hồ quang khó
điều chỉnh.
1.3.2.10. 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 thấy 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 1.10. Cắt plasma cường độ cao
1.3.3. Công nghệ cắt plasma ở Việt Nam 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.
Năm 1997, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Nghi ên cứu, thiết kế, chế tạo
máy cắt kim loại tấm khổ nhỏ”, các nh à khoa học thuộc Viện Máy v à Dụng cụ

công nghiệp (IMI) đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy cắt tấm thép model CP
2580 – CNC sử dụng gas - plasma, điều khiển tự động. Ngay sau đó, sản phẩm đ ã
18
được đưa vào sử dụng thử nghiệm ở Nh à máy đóng tàu Bạch Đằng. Nhờ ứng dụng
công nghệ này, thời gian đóng mới 1 chiếc t àu có tải trọng 6.500 tấn của Nh à máy
đóng tàu Bạch Đằng rút ngắn 1/3. Hệ thống máy n ày nhanh chóng được các nhà
máy đóng tàu lớn chấp nhận và đưa vào sử dụng. Chỉ trong một thời gian ngắn, sản
phẩm đã được đưa vào sử dụng tại Nhà máy đóng tàu Hạ Long, Nhà máy đóng tàu
Nam Triệu, Sông Gấm, Nhà máy Chế tạo thép kết cấu Đông Anh… Hiện nay, các
kỹ sư của IMI đang chuyển giao công nghệ n ày cho Đan Mạch, Thái Lan và
Bangladet
Một lần nữa, vấn đề nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cắt plasma CNC cỡ
nhỏ phục vụ công nghiệp đóng tàu được GS. TS Lê Viết Lượng cùng các cộng sự
tiến hành nghiên cứu đề tài khoa học cấp nhà nước năm 2006. Đây là thiết bị cắt
hoàn toàn tự động với năng suất và chất lượng cắt cao, hình dạng vật cắt đa dạng,
có thể kết hợp cắt với đánh dấu tấm thép phục vụ lắp ráp trong quá trình thi công
công nghệ.
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 sử 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.
1.3.4. Những vấn đề tồn tại, đang nghi ên cứu và hoàn thiện
Quá trình sử dụng công nghệ cắt plasma ở các nhà máy công nghi ệp, thực tế
tồn tại các ưu nhược điểm mà công nghệ này để lại. Những mặt ưu điểm cần phát
huy, mặt nhược điểm cần phải khắc phục như: 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 trường nhiệt độ và