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

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC ẢNH HƯỞNG CỦA CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN ĐẾN TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ KHI CẮT PLASMA THÉP TẤM INFLUENCE OF CURRENT ON THE HEAT DISTRIBUTION IN PLASMA CUTTING OF SHEET METAL Lê Thanh Tạo1, Nguyễn Văn Ba2 Ngày nhận bài: 25/7/2014; Ngày phản biện thông qua: 14/8/2014; Ngày duyệt đăng: 01/12/2014 TÓM TẮT 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 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 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 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 của vùng ảnh hưởng nhiệt bằng máy đo hồng ngoại. Từ khóa: phân phối nhiệt, cắt plasma, plasma ôxy ABSTRACT During thermal cutting, sheet metal is affected by many factors to the structure and product quality after the process. This paper presents research results about the infl uence of current on the heat distribution in semi-automatic cutting of sheet metal by oxygen plasma. The analyze, calculation of heat that distribute at the area surrounding the cutting slot was performed by theory of heat transfer. The calculating results of heat was compared with the experiment results of temperature of heat effected area measured by an infrared thermometer. Keywords: distribution of heat, plasma cutting, oxygen plasma I. ĐẶT VẤN ĐỀ theo kinh nghiệm, tra bảng Điều này dẫn đến việc Trong lĩnh vực cơ khí hiện nay, việc ứng dụng khó kiểm soát chất lượng vết cắt. Vì vậy, việc nghiên công nghệ cắt plasma khá phổ biến. Trên thế cứu ảnh hưởng các thông số chế độ cắt đến trường giới có nhiều nghiên cứu về công nghệ này như: nhiệt độ khi cắt thép tấm làm tôn bao vỏ tàu bằng hồ nghiên cứu sự tương tác hồ quang plasma và vật liệu, quang plasma là rất cần thiết. tính chất của hồ quang plasma đến kim loại [5], [4]; Trong nghiên cứu này, sự phân phối nhiệt độ nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần khí đến quá trình trong tấm thép khi cắt bằng hồ quang plasma ôxy cắt plasma [3], mô phỏng cắt hồ quang plasma [1] được tính toán dựa trên mô hình tính toán theo lý Những nghiên cứu trên được thực hiện nhằm xác thuyết. Ngoài ra, để kiểm tra độ tin cậy của mô hình định việc tiêu hao năng lượng, các yếu tố ảnh tính, việc thực nghiệm đo nhiệt độ cũng được tiến hưởng, chất lượng rãnh cắt và mô phỏng ảo quá hành ở một số chế độ cắt nhất định. trình cắt nhằm giảm chi phí thực nghiệm lựa chọn những chế độ cắt hợp lý nhất. II. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP Hiện ngành công nghiệp đóng tàu đã ứng dụng NGHIÊN CỨU công nghệ cắt plasma vào trong sản xuất nhằm tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, 1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu trong thực tế, việc tính toán thông số chế độ cắt cũng Xét trường hợp khi cắt tấm thép dày h = 10mm, 0 gặp nhiều bất cập do phải chọn các thông số cắt nhiệt độ môi trường T0 = 303 K, nhiệt dung riêng 1 Lê Thanh Tạo: Cao học Kỹ thuật tàu thủy 2008 - Trường Đại học Nha Trang 2 PGS.TS. Nguyễn Văn Ba: Trường Đại học Nha Trang 172 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 c = 636Jkg-1K-1, khối lượng riêng ρ = 7850kgm-3, của các giả định này là không nên có sự biến thiên e = 2.72, π = 3.14. Quá trình cắt theo chế độ bán nhiệt độ dọc theo trục Oz. Phương trình (2) được tự động bằng máy cắt Cutmaster 151, khí tạo viết lại: plasma là ôxy, biên dạng cắt là đường thẳng có (3) chiều dài 500mm, đường kính lỗ vòi phun là 1,5mm. Các thông số khi cắt như sau: Sự phân bố nhiệt độ trong tấm xung quanh rãnh - Cường độ dòng điện và điện áp tương cắt được đưa ra bởi Girard Laurence [5] dựa trên ứng thiết bị nghiên cứu: 50A-100V, 60A-104V, lý thuyết của Rosenthal và được xác đinh như sau: 70A-108V, 80A-112V. - Vận tốc cắt khi cắt v = (0,8÷1,4m/ph). (4) - Áp suất khí thổi ôxy: 5at. Trong đó: - Khoảng cách từ vòi phun đến chi tiết gia công T0: nhiệt độ môi trường ; Qtn: năng lượng cung 3mm. cấp bởi hồ quang truyền bên trong tấm dưới tác 2. Phương pháp nghiên cứu dụng của dẫn nhiệt kim loại ước tính khoảng 35% 2.1. Nghiên cứu theo mô hình lý thuyết năng lượng điện đầu vào [3]. K0 : là hàm Bessel loại 2 cấp không Bán kính hồ quang: Dòng nhiệt của chùm tia plasma truyền vào phôi tấm thông qua bề mặt phía trước của rãnh cắt. Nhiệt độ phân bố trong tấm xung quanh rãnh cắt được tính toán theo Martin Birk-Sorensen [2], công thức (4) viết lại như sau: Hình 1. Sơ đồ xác định phân phối nhiệt Xem ngọn lửa cắt tại điểm (x,y), vị trí đo nhiệt (5) cách tâm ngọn lửa bán kính r, vị trí đo cách tâm rãnh cắt 5mm và mỗi điểm đo cách nhau 5mm. Nhiệt độ theo hướng ngang (vuông góc với rãnh Phương trình trường độ dẫn nhiệt kết hợp cắt) và dọc theo rãnh cắt tại các điểm P (hình 1) sẽ không gian, thời gian và phụ thuộc vào sự phân bố được đo nhằm xác định sự phân bố nhiệt. Khoảng nhiệt theo [2]. cách giữa hai điểm liền kề là 5mm, điểm bắt đầu cách đường tâm rãnh cắt là 5mm, xa nhất là 20mm. (1) Với giả định nhiệt độ không thay đổi theo chiều dày của tấm, quá trình trao đổi nhiệt giữa tấm và Trong đó: không khí là không đáng kể. Do đó, nghiên cứu này là hệ số khuếch tán nhiệt, chủ yếu xác định quá trình truyền nhiệt dọc theo -1 -1 Nhiệt dung riêng c = 636 [J kg K ]. hướng cắt Ox1 và hướng ngang Oy. Khối lượng riêng của vật liệu: 2.2. Thực nghiệm đo nhiệt độ ρ = 7850 [kg.m-3]. Tại mỗi thời điểm t, ở mỗi vị trí nhất định (x,y,z), λ: là hệ số dẫn nhiệt [J m-1 s-1 K-1]. tương ứng với tốc độ cắt v = 1m/ph, nhiệt độ Các hệ số tham gia vào phương trình truyền T(x,y,z,t) được đo tại các vị trí đã vạch dấu trên tấm nhiệt: ρ, c và λ, được giả định là độc lập với nhiệt độ. thép gồm ở vị trí giữa tấm và cách tâm rãnh cắt lần Trong quá trình cắt nguồn nhiệt chuyển động lượt là 5, 10, 15 và 20mm. Khoảng cách đo từ máy theo chiều dài rãnh cắt, do đó phương trình trường đo hồng ngoại đến điểm đo là 1m (thiết bị đo TFI độ dẫn nhiệt (1) được viết lại như sau: 650M độ chính xác: +2%v.MW/+20C). Nhiệt độ môi trường được xác định là 3030K. Khi : x1 = x – vt t; y1 = y; z1 = z Nhiệt độ được đo với hai trường hợp như sau: (2) thứ nhất y = 5mm với vận tốc v = 1m/ph và lần lượt thay đổi dòng điện; thứ hai cho dòng điện cố định Nhiệt độ được giả định không đổi thông qua I = 60A, vận tốc cắt không đổi v = 1m/ph và các độ dày của tấm. Ngoài ra, chúng tôi cho rằng việc vị trí đo lần lượt thay đổi theo phương Oy: 5, 10, trao đổi nhiệt giữa các tấm có chiều dày 10mm với 15 và 20mm. Nhiệt độ được ghi lại sau mỗi đơn vị không khí xung quanh là không đáng kể. Kết quả thời gian. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 173 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Kết quả 1.1. Kết quả tính theo lý thuyết - Tính nhiệt độ phân bố theo phương vuông góc với rãnh cắt Bảng 1. Kết quả phân bố nhiệt độ theo phương vuông góc với rãnh cắt khi v = 1m/ph và thay đổi I y(mm) 1 2 3 4 5 10 15 20 I (A) T(0K) (khi: v = 1m/phút) 50 1292 797 633 550 501 402 369 352 60 1553 928 720 616 553 428 386 366 70 1786 1044 797 674 600 451 402 377 80 2077 1190 894 746 658 480 421 392 Hình 2. Phân bố nhiệt độ theo phương vuông góc với rãnh cắt khi v = 1m/ph và thay đổi I - Tính nhiệt độ phân bố dọc theo rãnh cắt Bảng 2. Kết quả phân bố nhiệt độ dọc theo rãnh cắt khi y = 5mm, v = 1m/ph và thay đổi I t (s) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 I(A) T (0K) (khi v = 1m/phút ) 50 309 310 313 318 331 430 365 346 341 339 337 336 60 310 312 315 321 338 460 378 356 350 347 345 344 70 312 314 317 325 345 490 392 366 359 356 353 352 80 313 316 320 329 353 528 408 379 370 366 364 362 Hình 3. Phân bố nhiệt độ dọc theo rãnh cắt khi y = 5mm, v = 1m/ph và thay đổi I 174 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 Bảng 3. Kết quả phân bố nhiệt độ dọc theo rãnh cắt khi I = 60A, v = 1m/ph và thay đổi y t (s) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 y(mm) T (0K) (v = 1m/phút ) 5 310 312 315 321 338 460 378 356 350 347 345 344 10 310 312 315 321 334 395 366 352 346 343 342 340 15 310 312 315 320 330 371 357 347 342 339 337 336 20 310 312 314 319 326 357 350 342 338 335 334 332 Hình 4. Phân bố nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 60A, v = 1m/ph và thay đổi y 1.2. Kết quả đo Bảng 4. Kết quả phân bố nhiệt độ đo được dọc theo rãnh cắt khi y = 5mm, v = 1m/ph và thay đổi I 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 t(s) I(A) T(0K) Nhiệt độ đo được khi y = 5mm, v = 1m/phút 80 309,7 318,2 347,9 526,8 420,8 386,1 373,5 364,6 359,3 355,7 70 308,5 316,5 340,9 489,8 406,4 375,4 364,0 355,8 350,8 347,5 60 308,3 314,2 334,3 460,1 393,3 365,4 355,1 347,4 342,8 339,7 50 308,2 312,7 328,1 429,7 380,9 356,2 346,7 339,6 335,3 332,4 Hình 5. Phân bố nhiệt độ đo được dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 60A, v = 1m/ph và thay đổi y TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 175 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2014 Bảng 5. Kết quả phân bố nhiệt độ đo được dọc theo rãnh cắt khi I = 60A, v = 1m/ph và thay đổi y t(s) 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 0 y(mm) Nhiệt độ đo được T( K) khi I = 60A, v =1m/phút 5 309,1 314,2 334,3 460,1 395,3 365,4 353,1 347,4 342,8 339,7 10 308,7 313,3 331,0 394,4 371.8 356,6 346,7 341,1 338,5 336,4 15 308,6 312,6 327,3 371,6 359.4 347,1 340,7 336,2 333,7 332,7 20 308,4 311,9 323,9 355,1 346.7 337,9 334,0 331,7 330,3 329,2 Hình 6. Phân bố nhiệt độ đo được dọc theo rãnh cắt khi I = 60A, v = 1m/ph và thay đổi y 1.3. Thảo luận Các hình 4 đến hình 7 mô tả phân phối nhiệt độ Trong quá trình tính xem nguồn nhiệt được tập đo được và tính toán theo lý thuyết tại điểm P cách trung tại một điểm nhưng thực tế sức nóng từ ngọn đường tâm rãnh cắt theo phương Oy: 5 ÷ 20mm ở lửa khi cắt được phân phối trên một khu vực hữu tốc độ cắt v = 1m/ph và dòng điện thay đổi 50A ÷ 80A. hạn. Do đó, khi thực hiện công việc tính toán với mô Kết quả đo thực tế và theo tính toán lý thuyết ở trên hình truyền nhiệt ở phía trước rãnh cắt không mô tả cho thấy, nhiệt độ đo được theo thực nghiệm và tính đầy đủ thực tế việc truyền năng lượng nguồn nhiệt theo lý thuyết ở các vùng ảnh hưởng nhiệt có độ vào tấm. chênh lệch cao nhất 3,8% và thấp nhất là 0,1%. Với giả định năng lượng nhiệt được truyền đều IV. KẾT LUẬN trên toàn bộ chiều cao của tấm và ổn định trong thời Nghiên cứu này thực hiện quá trình cắt thép tấm gian cắt, dẫn đến không có sự biến thiên nhiệt độ bằng plasma ôxy với chiều dày tấm thép 10mm bằng theo chiều dày tấm không phải là hoàn toàn hợp qui trình cắt bán tự động chọn chế độ cắt với dòng lý. Ngoài ra, các đại lượng c, ρ, λ được giả định điện khi cắt I = 50A ÷ 80A; tốc độ cắt v = 1 ÷ 1,2m/ph; là không thay đổi với nhiệt độ, mà thực tế các đại áp suất khí thổi P = 5at. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa lượng này thay đổi theo nhiệt độ nên kết quả thực tính toán lý thuyết và thực nghiệm từ 0,1 ÷ 3,6%. nghiệm và lý thuyết có sự khác biệt. Hơn nữa, việc Kết quả của nghiên cứu này có thể làm cơ sở hình thành rãnh cắt trong thực tế có bề rộng ở phía cho việc nghiên cứu về ứng suất và biến dạng tấm trên và dưới của tấm không bằng nhau ảnh hưởng thép khi cắt bằng tia plasma và ứng dụng các phần đến kết quả đo nhiệt. mềm để mô phỏng ứng suất và biến dạng khi cắt. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Brian Reginald Hendricks, 1999. Simulation of Plasma Arc Cutting, Master of Technology in Mechanical Engineering. 2. Martin Birk-Sørensen, 1999. Simulation of Welding Distortions in Ship Section, Department of Naval Architecture and Offshore Engineering Technical University of Denmark. 3. S. Ramakrishnan, V Shrinet, F B Polivka, T N Kearney and P Koltun, 2000. Infl uence of gas composition on plasma arc cut- ting of mild steel, J. Phys. D: Appl. Phys. 4. S.Ramakrishnan, M.W. Rogozinski, 1997. Properties of electric arc plasma for metal cutting ( pp 636-644), J. Phys. D: Appl. Phys. 5. Girard Laurence, 2004. Caracterisation experimentale d’une torche de decoupe dans l’oxygene : etude du jet de plasma et de l’interaction arc-materiau, Docteur de l’universite paul Sabatier, L’universite Paul Sabatier. 176 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG