Bạn có thể cắt plasma, nhưng bạn có thể hàn nó không?
Cắt plasma với thiết lập khí và mỏ phù hợp giúp cuộc sống của thợ hàn dễ dàng hơn
Rất nhiều điều xảy ra trong một hồ quang plasma từ quá trình tạo ra nó ở bề mặt điện cực đến phôi. Trong số nhiều yếu tố khác, khí tạo plasma và vật liệu lá chắn bao quanh nó, có thể là khí hoặc chất lỏng, đóng vai trò chính trong chất lượng vết cắt cuối cùng.
Một vết cắt chất lượng cao được đặc trưng bởi góc vát thấp (lý tưởng là từ 0 đến 1 độ), không có cặn đáy, không làm tròn cạnh trên, vùng ảnh hưởng nhiệt tối thiểu (HAZ) và mặt cắt nhẵn. Độ nhẵn của cạnh cắt có thể bị ảnh hưởng bởi độ ổn định của cột hồ quang plasma, một phần do thiết kế mỏ cắt, cũng như độ chính xác của bàn cắt hoặc rô-bốt. Ngoài ra, chất lượng vết cắt tối ưu yêu cầu chiều cao mỏ cắt phù hợp để tạo ra góc vát tối thiểu.
Tất cả các biến thể cắt plasma đều có cửa sổ tốc độ cắt tối ưu để tạo ra các vết cắt không có cặn. Nếu mỏ cắt đi nhanh hơn, góc vát sẽ tăng lên, cuối cùng dẫn đến cặn tốc độ cao dính vào đáy vết cắt, có thể khó mài sạch. Nếu ngọn đuốc di chuyển quá chậm, quá trình này sẽ tạo ra cặn ở tốc độ thấp, dày, xốp và dễ loại bỏ hơn. Nhưng tốc độ chậm cũng truyền nhiều nhiệt vào vật liệu hơn mức cần thiết, dẫn đến HAZ lớn hơn và làm tròn cạnh trên.
Bất kỳ cạnh cắt thô hoặc bị nhiễm hóa chất nào cũng có thể gây ra vấn đề cho thợ hàn. Để đảm bảo tính toàn vẹn của mối hàn, anh ta có thể cần xem xét các quy trình khác, chẳng hạn như mài; kim loại phụ thay thế; hoặc thay đổi tốc độ di chuyển. Mài rộng rãi có thể tạo ra một bề mặt sẵn sàng cho hàn hồ quang kim loại khí ngắn mạch, nhưng nếu không mài như vậy, chế độ truyền có thể gặp vấn đề vì nó cho phép chất lỏng vũng hàn đóng băng nhanh chóng và có thể giữ lại các chất gây ô nhiễm, chẳng hạn như nitơ. Các quy trình hàn tạo ra các vũng hàn đóng băng chậm hơn, chẳng hạn như hàn hồ quang chìm hoặc hàn hồ quang lõi thuốc, cho phép nhiều chất gây ô nhiễm thoát ra ngoài.
Chọn khí cắt tốt nhất
Vào những năm 1970, tấm thép carbon cắt plasma với sự kết hợp nitơ-nước được ưa chuộng hơn so với cắt plasma oxy vì độ tin cậy và tính linh hoạt của nó. Thực tế, phun nước nitơ có thể cắt bất kỳ kim loại nào. Mặt cắt bị nhiễm nitơ, gây bất lợi cho quá trình hàn tiếp theo, đơn giản được coi là sự đánh đổi để tăng tốc độ của quy trình plasma và là giải pháp khả thi tốt nhất vào thời điểm đó.
Tuy nhiên, thời gian dành cho việc chuẩn bị mối hàn rộng rãi dễ dàng có thể loại bỏ mọi lợi ích thu được từ việc cắt plasma nhanh hơn. Nói cách khác, việc cắt plasma nhanh như thế nào không quan trọng nếu bề mặt cắt tạo ra không thể được hàn một cách hiệu quả. Tuy nhiên, đã có những bước đột phá đáng kể trong việc cắt plasma oxy, thực tế quan trọng đến mức ngày nay nó là quy trình được lựa chọn khi gia công với thép carbon.
Thép carbon: Tại sao oxy là tốt nhất
Khi thép carbon được cắt bằng plasma nitơ, nitơ được hấp thụ vào bề mặt cắt của kim loại cơ bản; tương tự như vậy, cắt bằng plasma oxy sẽ để lại oxy. Tuy nhiên, nitơ ít hoạt động hóa học hơn oxy. Oxy sẽ phản ứng dễ dàng hơn với nhiều loại nguyên tố chẳng hạn như silicon, nhôm và mangan, có thể được cung cấp cho vùng hàn thông qua các nguyên tố hợp kim trong vật liệu độn, khí bảo vệ hoặc chất trợ dung. Do đó, nitơ có nhiều khả năng vẫn còn trong vùng hàn. Điều này có thể dẫn đến sự hình thành các đảo nitrua ở ranh giới hạt cũng như độ xốp trong mối hàn, điều này khiến cần phải chuẩn bị thêm các bề mặt cắt bằng phương pháp cơ học như mài hoặc gia công cơ.
Cắt plasma thép carbon bằng không khí tại xưởng thậm chí còn tệ hơn khi hàn. Theo các nghiên cứu, sức mạnh tổng hợp xảy ra trong hồ quang plasma có nhiệt độ cao giữa các phân tử oxy và nitơ trong không khí xung quanh. 1 Người ta phát hiện ra rằng plasma không khí làm tăng sự hấp thụ nitơ vào bề mặt cắt đồng thời làm giảm hàm lượng sắt trong thép trong HAZ, có khả năng khiến bề mặt cắt dễ bị nứt hơn. Số tiền tiết kiệm được khi sử dụng không khí tại cửa hàng có thể trở nên không thích hợp khi xem xét thời gian bổ sung cần thiết để chuẩn bị bề mặt cắt để hàn và khả năng bề mặt không liên tục có thể dẫn đến thay đổi tính chất cơ học của mối hàn.
Cắt thép carbon bằng plasma oxy dẫn đến chất lượng cắt tốt hơn: tốc độ cao hơn, góc vát thấp hơn (độ vuông góc), độ nhám mặt cắt ít hơn, cửa sổ không có cặn lớn hơn, HAZ mỏng hơn và bề mặt cắt thân thiện với mối hàn hơn, có thể giảm lượng của các khuyết tật bất lợi trong một cấu trúc.
Ngoài việc giảm đáng kể nitrua trong bề mặt cắt, oxy còn làm giảm xỉ bám vào vật liệu trong quá trình cắt. Làm việc với thép carbon, oxy phản ứng tỏa nhiệt với sắt trong kim loại lỏng, tạo ra oxit sắt. Phản ứng giải phóng thêm năng lượng làm cho kim loại lỏng thậm chí còn nóng hơn và ít nhớt hơn. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc loại bỏ kim loại lỏng bằng tia plasma, để lại một cạnh cắt sạch sẽ không có cặn ở đáy.
Khi Nitơ hoạt động: Thép không gỉ và Nhôm
Điều này không có nghĩa là khí nitơ plasma không bao giờ hoạt động. Các kim loại không có sắt như nhôm hoặc hợp kim sắt không phản ứng như thép không gỉ không thu được lợi ích gì từ việc cắt plasma oxy. Đối với nhôm, khí oxy có thể tạo ra các oxit nặng trong vết cắt.
Không có phản ứng sắt-oxy, việc cắt plasma những kim loại này chỉ dựa vào sự truyền nhiệt từ hồ quang plasma đến vật liệu. Với những vật liệu này, khí plasma argon-hydro đã hoạt động tốt vì nó có tính dẫn nhiệt cao. Độ dẫn nhiệt tốt hơn có nghĩa là nhiều nhiệt hơn có thể truyền từ hồ quang sang kim loại. Một hỗn hợp thông thường, H35, chứa 35% thể tích hydro. Để hạn chế nhiệt đầu vào trong các vật liệu mỏng, hỗn hợp có thể giảm tới 5% hàm lượng hydro về thể tích.
Do độ dẫn nhiệt của hồ quang argon-hydro cao hơn nên hồ quang mất nhiều nhiệt hơn, điều này khiến hồ quang plasma co lại để nhiệt độ lõi tăng lên nhằm chống lại sự mất mát năng lượng. Tất nhiên, một vòng cung như vậy đòi hỏi sức mạnh cao hơn để được duy trì.
Nhưng argon-hydro không phải là giải pháp thay thế duy nhất để cắt nhôm và thép không gỉ. Với thiết kế mỏ hàn phù hợp, phun nước nitơ, ít tốn kém hơn so với các loại khí khác, có thể hoạt động tốt khi cắt plasma nhôm và vật liệu không gỉ cho các mối hàn tiếp theo.
Quá trình này bao gồm một điện cực được bao quanh bởi nitơ, được đốt nóng bằng hồ quang điện để tạo thành plasma. Hồ quang plasma thu được thoát ra khỏi vòi và một tấm chắn nước xuyên tâm tác động lên nó. Một màn hơi nước hình thành ở giao diện plasma-nước, che chắn plasma khỏi khí quyển và làm mát chu vi của plasma. Điều này thu nhỏ đường kính chùm plasma và tập trung năng lượng vào lõi bên trong của plasma, sử dụng cơ chế tương tự đã giải thích trước đây cho H35. Lõi nóng bên trong hóa lỏng hiệu quả và đẩy kim loại nóng chảy ra khỏi đáy cắt.
Một nghiên cứu gần đây đã thử nghiệm 1/4-in. Inox 304 và nhôm 5052-H2. 2 Nghiên cứu liên quan đến việc cắt plasma từng kim loại này bằng tổ hợp nitơ-nước (N 2 /H 2 O), sau đó tự động (không sử dụng kim loại phụ) hàn chúng bằng quy trình hồ quang vonfram khí (xem
Các thử nghiệm cơ học và luyện kim đã được thực hiện trên các mối hàn, bao gồm cả ứng suất kéo và uốn. Sau khi cắt, hàm lượng nitơ của các bề mặt khi cắt được đo bằng phương pháp vi phân tích máy khoan quét (SAM). Hầu như không tìm thấy tạp chất nitơ trong các mặt cắt.
Hai yếu tố trong quá trình cắt plasma nitơ-nước có thể giúp tạo ra những vết cắt mịn như vậy. Một, quá trình này rất nhanh; hai, cạnh plasma tương đối mát so với các tia plasma thông thường do nước có tác dụng làm nguội dẫn đến HAZ rất hẹp trong kim loại cơ bản.
Mật độ cao hơn, cắt tốt hơn
Mục tiêu trong cắt plasma, giống như cắt laser, là đạt được mật độ năng lượng cao nhất có thể để xuyên qua tấm một cách hiệu quả. Chung cho tất cả các quy trình plasma, sự co lại và ổn định đạt được nhờ đường kính vòi phun nhỏ kết hợp với chuyển động xoáy của khí tạo plasma. Tùy thuộc vào sự thay đổi của quy trình, có thể đạt được sự co thắt hơn nữa bằng cách sử dụng nước làm vật liệu che chắn.
Các cơ chế khác có thể được sử dụng để hạn chế và ổn định hồ quang, chẳng hạn như vật liệu có độ dẫn nhiệt cao cho vòi phun để loại bỏ nhiệt tỏa ra từ hồ quang bị hạn chế hoặc thậm chí là từ trường cường độ cao. Tuy nhiên, hiện tại, chi phí của các hệ thống như vậy sẽ bù đắp bất kỳ lợi ích nào về chất lượng và tốc độ cắt.
Các hệ thống plasma độ nét cao ngày nay đang cho thấy nhiều lợi ích, đặc biệt đối với tấm 1/4 in. và dày hơn. Việc sử dụng công nghệ cắt nào phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng. Nhưng với hỗn hợp khí phù hợp, bổ sung với thiết kế mỏ hàn phù hợp, hệ thống cắt plasma có thể tạo ra vết cắt sạch một cách nhanh chóng và giúp cuộc sống của thợ hàn dễ dàng hơn.
