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

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: 0.1- 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

2
`

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 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
-

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.


4
`

Chƣơng 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, 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
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.


6
`

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
`

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.


8
`

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
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


10
`

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
`

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.


12
`

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
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 10 6 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


14
`

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).

15
`

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


16
`

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


17
`

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


18
`

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.


19
`

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.

20
`

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


21
`

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
0

vùng này ước lượng lên đến 50000 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, 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

22
`

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


23
`

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.


24
`

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

25
`

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