Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến trường nhiệt độ khi cắt Plasma thép tấm

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2014<br /> <br /> KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC<br /> <br /> ẢNH HƯỞNG CỦA CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN ĐẾN TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ<br /> KHI CẮT PLASMA THÉP TẤM<br /> INFLUENCE OF CURRENT ON THE HEAT DISTRIBUTION IN PLASMA CUTTING<br /> OF SHEET METAL<br /> Lê Thanh Tạo1, Nguyễn Văn Ba2<br /> Ngày nhận bài: 25/7/2014; Ngày phản biện thông qua: 14/8/2014; Ngày duyệt đăng: 01/12/2014<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Trong quá trình cắt bằng nhiệt, kim loại tấm bị tác động bởi nhiều yếu tố đến cấu trúc và chất lượng sản phẩm sau<br /> khi gia công. Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến trường nhiệt độ trong<br /> cắt bán tự động thép tấm bằng hồ quang plasma-ôxy. Việc phân tích, tính toán nhiệt phân bố tại khu vực lân cận rãnh cắt<br /> được thực hiện dựa trên lý thuyết truyền nhiệt. Kết quả tính toán nhiệt được so sánh với kết quả thực nghiệm đo nhiệt độ<br /> của vùng ảnh hưởng nhiệt bằng máy đo hồng ngoại.<br /> Từ khóa: phân phối nhiệt, cắt plasma, plasma ôxy<br /> <br /> ABSTRACT<br /> During thermal cutting, sheet metal is affected by many factors to the structure and product quality after the<br /> process. This paper presents research results about the influence of current on the heat distribution in semi-automatic<br /> cutting of sheet metal by oxygen plasma. The analyze, calculation of heat that distribute at the area surrounding the cutting<br /> slot was performed by theory of heat transfer. The calculating results of heat was compared with the experiment results of<br /> temperature of heat effected area measured by an infrared thermometer.<br /> Keywords: distribution of heat, plasma cutting, oxygen plasma<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trong lĩnh vực cơ khí hiện nay, việc ứng dụng<br /> công nghệ cắt plasma khá phổ biến. Trên thế<br /> giới có nhiều nghiên cứu về công nghệ này như:<br /> nghiên cứu sự tương tác hồ quang plasma và vật liệu,<br /> tính chất của hồ quang plasma đến kim loại [5], [4];<br /> nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần khí đến quá trình<br /> cắt plasma [3], mô phỏng cắt hồ quang plasma [1]…<br /> Những nghiên cứu trên được thực hiện nhằm xác<br /> định việc tiêu hao năng lượng, các yếu tố ảnh<br /> hưởng, chất lượng rãnh cắt và mô phỏng ảo quá<br /> trình cắt nhằm giảm chi phí thực nghiệm lựa chọn<br /> những chế độ cắt hợp lý nhất.<br /> Hiện ngành công nghiệp đóng tàu đã ứng dụng<br /> công nghệ cắt plasma vào trong sản xuất nhằm<br /> tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên,<br /> trong thực tế, việc tính toán thông số chế độ cắt cũng<br /> gặp nhiều bất cập do phải chọn các thông số cắt<br /> <br /> 1<br /> 2<br /> <br /> theo kinh nghiệm, tra bảng… Điều này dẫn đến việc<br /> khó kiểm soát chất lượng vết cắt. Vì vậy, việc nghiên<br /> cứu ảnh hưởng các thông số chế độ cắt đến trường<br /> nhiệt độ khi cắt thép tấm làm tôn bao vỏ tàu bằng hồ<br /> quang plasma là rất cần thiết.<br /> Trong nghiên cứu này, sự phân phối nhiệt độ<br /> trong tấm thép khi cắt bằng hồ quang plasma ôxy<br /> được tính toán dựa trên mô hình tính toán theo lý<br /> thuyết. Ngoài ra, để kiểm tra độ tin cậy của mô hình<br /> tính, việc thực nghiệm đo nhiệt độ cũng được tiến<br /> hành ở một số chế độ cắt nhất định.<br /> II. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP<br /> NGHIÊN CỨU<br /> 1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu<br /> Xét trường hợp khi cắt tấm thép dày h = 10mm,<br /> nhiệt độ môi trường T0 = 3030K, nhiệt dung riêng<br /> <br /> Lê Thanh Tạo: Cao học Kỹ thuật tàu thủy 2008 - Trường Đại học Nha Trang<br /> PGS.TS. Nguyễn Văn Ba: Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> 172 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2014<br /> <br /> c = 636Jkg-1K-1, khối lượng riêng ρ = 7850kgm-3,<br /> e = 2.72, π = 3.14. Quá trình cắt theo chế độ bán<br /> tự động bằng máy cắt Cutmaster 151, khí tạo<br /> plasma là ôxy, biên dạng cắt là đường thẳng có<br /> chiều dài 500mm, đường kính lỗ vòi phun là 1,5mm.<br /> Các thông số khi cắt như sau:<br /> - Cường độ dòng điện và điện áp tương<br /> ứng thiết bị nghiên cứu: 50A-100V, 60A-104V,<br /> 70A-108V, 80A-112V.<br /> - Vận tốc cắt khi cắt v = (0,8÷1,4m/ph).<br /> - Áp suất khí thổi ôxy: 5at.<br /> - Khoảng cách từ vòi phun đến chi tiết gia công<br /> 3mm.<br /> 2. Phương pháp nghiên cứu<br /> 2.1. Nghiên cứu theo mô hình lý thuyết<br /> <br /> của các giả định này là không nên có sự biến thiên<br /> nhiệt độ dọc theo trục Oz. Phương trình (2) được<br /> viết lại:<br /> (3)<br /> Sự phân bố nhiệt độ trong tấm xung quanh rãnh<br /> cắt được đưa ra bởi Girard Laurence [5] dựa trên<br /> lý thuyết của Rosenthal và được xác đinh như sau:<br /> (4)<br /> Trong đó:<br /> T0: nhiệt độ môi trường ; Qtn: năng lượng cung<br /> cấp bởi hồ quang truyền bên trong tấm dưới tác<br /> dụng của dẫn nhiệt kim loại ước tính khoảng 35%<br /> năng lượng điện đầu vào [3].<br /> K0 : là hàm Bessel loại 2 cấp không<br /> Bán kính hồ quang:<br /> Dòng nhiệt của chùm tia plasma truyền vào<br /> phôi tấm thông qua bề mặt phía trước của rãnh cắt.<br /> Nhiệt độ phân bố trong tấm xung quanh rãnh cắt<br /> được tính toán theo Martin Birk-Sorensen [2], công<br /> thức (4) viết lại như sau:<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ xác định phân phối nhiệt<br /> <br /> Xem ngọn lửa cắt tại điểm (x,y), vị trí đo nhiệt<br /> cách tâm ngọn lửa bán kính r, vị trí đo cách tâm rãnh<br /> cắt 5mm và mỗi điểm đo cách nhau 5mm.<br /> Phương trình trường độ dẫn nhiệt kết hợp<br /> không gian, thời gian và phụ thuộc vào sự phân bố<br /> nhiệt theo [2].<br /> (1)<br /> Trong đó:<br /> là hệ số khuếch tán nhiệt,<br /> Nhiệt dung riêng c = 636 [J kg-1 K-1].<br /> Khối lượng riêng của vật liệu:<br /> ρ = 7850 [kg.m-3].<br /> λ: là hệ số dẫn nhiệt [J m-1 s-1 K-1].<br /> Các hệ số tham gia vào phương trình truyền<br /> nhiệt: ρ, c và λ, được giả định là độc lập với nhiệt độ.<br /> Trong quá trình cắt nguồn nhiệt chuyển động<br /> theo chiều dài rãnh cắt, do đó phương trình trường<br /> độ dẫn nhiệt (1) được viết lại như sau:<br /> Khi : x1 = x – vt t; y1 = y; z1 = z<br /> (2)<br /> Nhiệt độ được giả định không đổi thông qua<br /> độ dày của tấm. Ngoài ra, chúng tôi cho rằng việc<br /> trao đổi nhiệt giữa các tấm có chiều dày 10mm với<br /> không khí xung quanh là không đáng kể. Kết quả<br /> <br /> (5)<br /> Nhiệt độ theo hướng ngang (vuông góc với rãnh<br /> cắt) và dọc theo rãnh cắt tại các điểm P (hình 1) sẽ<br /> được đo nhằm xác định sự phân bố nhiệt. Khoảng<br /> cách giữa hai điểm liền kề là 5mm, điểm bắt đầu<br /> cách đường tâm rãnh cắt là 5mm, xa nhất là 20mm.<br /> Với giả định nhiệt độ không thay đổi theo chiều<br /> dày của tấm, quá trình trao đổi nhiệt giữa tấm và<br /> không khí là không đáng kể. Do đó, nghiên cứu này<br /> chủ yếu xác định quá trình truyền nhiệt dọc theo<br /> hướng cắt Ox1 và hướng ngang Oy.<br /> 2.2. Thực nghiệm đo nhiệt độ<br /> Tại mỗi thời điểm t, ở mỗi vị trí nhất định (x,y,z),<br /> tương ứng với tốc độ cắt v = 1m/ph, nhiệt độ<br /> T(x,y,z,t) được đo tại các vị trí đã vạch dấu trên tấm<br /> thép gồm ở vị trí giữa tấm và cách tâm rãnh cắt lần<br /> lượt là 5, 10, 15 và 20mm. Khoảng cách đo từ máy<br /> đo hồng ngoại đến điểm đo là 1m (thiết bị đo TFI<br /> 650M độ chính xác: +2%v.MW/+20C). Nhiệt độ môi<br /> trường được xác định là 3030K.<br /> Nhiệt độ được đo với hai trường hợp như sau:<br /> thứ nhất y = 5mm với vận tốc v = 1m/ph và lần lượt<br /> thay đổi dòng điện; thứ hai cho dòng điện cố định<br /> I = 60A, vận tốc cắt không đổi v = 1m/ph và các<br /> vị trí đo lần lượt thay đổi theo phương Oy: 5, 10,<br /> 15 và 20mm. Nhiệt độ được ghi lại sau mỗi đơn vị<br /> thời gian.<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 173<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2014<br /> <br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Kết quả<br /> 1.1. Kết quả tính theo lý thuyết<br /> - Tính nhiệt độ phân bố theo phương vuông góc với rãnh cắt<br /> Bảng 1. Kết quả phân bố nhiệt độ theo phương vuông góc với rãnh cắt khi v = 1m/ph và thay đổi I<br /> 1<br /> <br /> y(mm)<br /> <br /> I (A)<br /> <br /> 50<br /> 60<br /> 70<br /> 80<br /> <br /> 2<br /> <br /> 3<br /> <br /> 4<br /> <br /> 5<br /> <br /> 10<br /> <br /> 15<br /> <br /> 20<br /> <br /> 369<br /> 386<br /> 402<br /> 421<br /> <br /> 352<br /> 366<br /> 377<br /> 392<br /> <br /> T(0K) (khi: v = 1m/phút)<br /> <br /> 1292<br /> 1553<br /> 1786<br /> 2077<br /> <br /> 797<br /> 928<br /> 1044<br /> 1190<br /> <br /> 633<br /> 720<br /> 797<br /> 894<br /> <br /> 550<br /> 616<br /> 674<br /> 746<br /> <br /> 501<br /> 553<br /> 600<br /> 658<br /> <br /> 402<br /> 428<br /> 451<br /> 480<br /> <br /> Hình 2. Phân bố nhiệt độ theo phương vuông góc với rãnh cắt khi v = 1m/ph và thay đổi I<br /> <br /> - Tính nhiệt độ phân bố dọc theo rãnh cắt<br /> Bảng 2. Kết quả phân bố nhiệt độ dọc theo rãnh cắt khi y = 5mm, v = 1m/ph và thay đổi I<br /> t (s)<br /> <br /> I(A)<br /> <br /> 50<br /> 60<br /> 70<br /> 80<br /> <br /> 10<br /> <br /> 11<br /> <br /> 12<br /> <br /> 13<br /> <br /> 14<br /> <br /> 15<br /> <br /> 16<br /> <br /> 17<br /> <br /> 18<br /> <br /> 19<br /> <br /> 20<br /> <br /> 21<br /> <br /> 341<br /> 350<br /> 359<br /> 370<br /> <br /> 339<br /> 347<br /> 356<br /> 366<br /> <br /> 337<br /> 345<br /> 353<br /> 364<br /> <br /> 336<br /> 344<br /> 352<br /> 362<br /> <br /> T (0K) (khi v = 1m/phút )<br /> <br /> 309<br /> 310<br /> 312<br /> 313<br /> <br /> 310<br /> 312<br /> 314<br /> 316<br /> <br /> 313<br /> 315<br /> 317<br /> 320<br /> <br /> 318<br /> 321<br /> 325<br /> 329<br /> <br /> 331<br /> 338<br /> 345<br /> 353<br /> <br /> 430<br /> 460<br /> 490<br /> 528<br /> <br /> 365<br /> 378<br /> 392<br /> 408<br /> <br /> 346<br /> 356<br /> 366<br /> 379<br /> <br /> Hình 3. Phân bố nhiệt độ dọc theo rãnh cắt khi y = 5mm, v = 1m/ph và thay đổi I<br /> <br /> 174 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2014<br /> <br /> Bảng 3. Kết quả phân bố nhiệt độ dọc theo rãnh cắt khi I = 60A, v = 1m/ph và thay đổi y<br /> 10<br /> <br /> t (s)<br /> <br /> y(mm)<br /> <br /> 11<br /> <br /> 12<br /> <br /> 13<br /> <br /> 14<br /> <br /> 15<br /> <br /> 16<br /> <br /> 17<br /> <br /> 18<br /> <br /> 19<br /> <br /> 20<br /> <br /> 21<br /> <br /> T (0K) (v = 1m/phút )<br /> <br /> 5<br /> <br /> 310<br /> <br /> 312<br /> <br /> 315<br /> <br /> 321<br /> <br /> 338<br /> <br /> 460<br /> <br /> 378<br /> <br /> 356<br /> <br /> 350<br /> <br /> 347<br /> <br /> 345<br /> <br /> 344<br /> <br /> 10<br /> <br /> 310<br /> <br /> 312<br /> <br /> 315<br /> <br /> 321<br /> <br /> 334<br /> <br /> 395<br /> <br /> 366<br /> <br /> 352<br /> <br /> 346<br /> <br /> 343<br /> <br /> 342<br /> <br /> 340<br /> <br /> 15<br /> <br /> 310<br /> <br /> 312<br /> <br /> 315<br /> <br /> 320<br /> <br /> 330<br /> <br /> 371<br /> <br /> 357<br /> <br /> 347<br /> <br /> 342<br /> <br /> 339<br /> <br /> 337<br /> <br /> 336<br /> <br /> 20<br /> <br /> 310<br /> <br /> 312<br /> <br /> 314<br /> <br /> 319<br /> <br /> 326<br /> <br /> 357<br /> <br /> 350<br /> <br /> 342<br /> <br /> 338<br /> <br /> 335<br /> <br /> 334<br /> <br /> 332<br /> <br /> Hình 4. Phân bố nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 60A, v = 1m/ph và thay đổi y<br /> <br /> 1.2. Kết quả đo<br /> Bảng 4. Kết quả phân bố nhiệt độ đo được dọc theo rãnh cắt khi y = 5mm, v = 1m/ph và thay đổi I<br /> t(s)<br /> <br /> I(A)<br /> <br /> 13<br /> <br /> 14<br /> <br /> 15<br /> <br /> 16<br /> <br /> 17<br /> <br /> 18<br /> <br /> 19<br /> <br /> 20<br /> <br /> 21<br /> <br /> 22<br /> <br /> T( K) Nhiệt độ đo được khi y = 5mm, v = 1m/phút<br /> 0<br /> <br /> 80<br /> <br /> 309,7<br /> <br /> 318,2<br /> <br /> 347,9<br /> <br /> 526,8<br /> <br /> 420,8<br /> <br /> 386,1<br /> <br /> 373,5<br /> <br /> 364,6<br /> <br /> 359,3<br /> <br /> 355,7<br /> <br /> 70<br /> <br /> 308,5<br /> <br /> 316,5<br /> <br /> 340,9<br /> <br /> 489,8<br /> <br /> 406,4<br /> <br /> 375,4<br /> <br /> 364,0<br /> <br /> 355,8<br /> <br /> 350,8<br /> <br /> 347,5<br /> <br /> 60<br /> <br /> 308,3<br /> <br /> 314,2<br /> <br /> 334,3<br /> <br /> 460,1<br /> <br /> 393,3<br /> <br /> 365,4<br /> <br /> 355,1<br /> <br /> 347,4<br /> <br /> 342,8<br /> <br /> 339,7<br /> <br /> 50<br /> <br /> 308,2<br /> <br /> 312,7<br /> <br /> 328,1<br /> <br /> 429,7<br /> <br /> 380,9<br /> <br /> 356,2<br /> <br /> 346,7<br /> <br /> 339,6<br /> <br /> 335,3<br /> <br /> 332,4<br /> <br /> Hình 5. Phân bố nhiệt độ đo được dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 60A, v = 1m/ph và thay đổi y<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 175<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2014<br /> <br /> Bảng 5. Kết quả phân bố nhiệt độ đo được dọc theo rãnh cắt khi I = 60A, v = 1m/ph và thay đổi y<br /> t(s)<br /> <br /> 13<br /> <br /> 14<br /> <br /> 5<br /> 10<br /> 15<br /> 20<br /> <br /> 15<br /> <br /> 16<br /> <br /> 17<br /> <br /> 18<br /> <br /> 19<br /> <br /> 20<br /> <br /> 21<br /> <br /> 22<br /> <br /> 347,4<br /> 341,1<br /> 336,2<br /> 331,7<br /> <br /> 342,8<br /> 338,5<br /> 333,7<br /> 330,3<br /> <br /> 339,7<br /> 336,4<br /> 332,7<br /> 329,2<br /> <br /> Nhiệt độ đo được T(0K) khi I = 60A, v =1m/phút<br /> <br /> y(mm)<br /> <br /> 309,1<br /> 308,7<br /> 308,6<br /> 308,4<br /> <br /> 314,2<br /> 313,3<br /> 312,6<br /> 311,9<br /> <br /> 334,3<br /> 331,0<br /> 327,3<br /> 323,9<br /> <br /> 460,1<br /> 394,4<br /> 371,6<br /> 355,1<br /> <br /> 395,3<br /> 371.8<br /> 359.4<br /> 346.7<br /> <br /> 365,4<br /> 356,6<br /> 347,1<br /> 337,9<br /> <br /> 353,1<br /> 346,7<br /> 340,7<br /> 334,0<br /> <br /> Hình 6. Phân bố nhiệt độ đo được dọc theo rãnh cắt khi I = 60A, v = 1m/ph và thay đổi y<br /> <br /> 1.3. Thảo luận<br /> Các hình 4 đến hình 7 mô tả phân phối nhiệt độ<br /> đo được và tính toán theo lý thuyết tại điểm P cách<br /> đường tâm rãnh cắt theo phương Oy: 5 ÷ 20mm ở<br /> tốc độ cắt v = 1m/ph và dòng điện thay đổi 50A ÷ 80A.<br /> Kết quả đo thực tế và theo tính toán lý thuyết ở trên<br /> cho thấy, nhiệt độ đo được theo thực nghiệm và tính<br /> theo lý thuyết ở các vùng ảnh hưởng nhiệt có độ<br /> chênh lệch cao nhất 3,8% và thấp nhất là 0,1%.<br /> Với giả định năng lượng nhiệt được truyền đều<br /> trên toàn bộ chiều cao của tấm và ổn định trong thời<br /> gian cắt, dẫn đến không có sự biến thiên nhiệt độ<br /> theo chiều dày tấm không phải là hoàn toàn hợp<br /> lý. Ngoài ra, các đại lượng c, ρ, λ được giả định<br /> là không thay đổi với nhiệt độ, mà thực tế các đại<br /> lượng này thay đổi theo nhiệt độ nên kết quả thực<br /> nghiệm và lý thuyết có sự khác biệt. Hơn nữa, việc<br /> hình thành rãnh cắt trong thực tế có bề rộng ở phía<br /> trên và dưới của tấm không bằng nhau ảnh hưởng<br /> đến kết quả đo nhiệt.<br /> <br /> Trong quá trình tính xem nguồn nhiệt được tập<br /> trung tại một điểm nhưng thực tế sức nóng từ ngọn<br /> lửa khi cắt được phân phối trên một khu vực hữu<br /> hạn. Do đó, khi thực hiện công việc tính toán với mô<br /> hình truyền nhiệt ở phía trước rãnh cắt không mô tả<br /> đầy đủ thực tế việc truyền năng lượng nguồn nhiệt<br /> vào tấm.<br /> IV. KẾT LUẬN<br /> Nghiên cứu này thực hiện quá trình cắt thép tấm<br /> bằng plasma ôxy với chiều dày tấm thép 10mm bằng<br /> qui trình cắt bán tự động chọn chế độ cắt với dòng<br /> điện khi cắt I = 50A ÷ 80A; tốc độ cắt v = 1 ÷ 1,2m/ph;<br /> áp suất khí thổi P = 5at. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa<br /> tính toán lý thuyết và thực nghiệm từ 0,1 ÷ 3,6%.<br /> Kết quả của nghiên cứu này có thể làm cơ sở<br /> cho việc nghiên cứu về ứng suất và biến dạng tấm<br /> thép khi cắt bằng tia plasma và ứng dụng các phần<br /> mềm để mô phỏng ứng suất và biến dạng khi cắt.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1.<br /> 2.<br /> 3.<br /> 4.<br /> 5.<br /> <br /> Brian Reginald Hendricks, 1999. Simulation of Plasma Arc Cutting, Master of Technology in Mechanical Engineering.<br /> Martin Birk-Sørensen, 1999. Simulation of Welding Distortions in Ship Section, Department of Naval Architecture and<br /> Offshore Engineering Technical University of Denmark.<br /> S. Ramakrishnan, V Shrinet, F B Polivka, T N Kearney and P Koltun, 2000. Influence of gas composition on plasma arc cutting of mild steel, J. Phys. D: Appl. Phys.<br /> S.Ramakrishnan, M.W. Rogozinski, 1997. Properties of electric arc plasma for metal cutting ( pp 636-644), J. Phys. D:<br /> Appl. Phys.<br /> Girard Laurence, 2004. Caracterisation experimentale d’une torche de decoupe dans l’oxygene : etude du jet de plasma et de<br /> l’interaction arc-materiau, Docteur de l’universite paul Sabatier, L’universite Paul Sabatier.<br /> <br /> 176 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br />