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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 influence 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 Trong lĩnh vực cơ khí hiện nay, việc ứng dụng công nghệ cắt plasma khá phổ biến. Trên thế giới có nhiều nghiên cứu về công nghệ này như: nghiên cứu sự tương tác hồ quang plasma và vật liệu, tính chất của hồ quang plasma đến kim loại [5], [4]; nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần khí đến quá trình cắt plasma [3], mô phỏng cắt hồ quang plasma [1]… Những nghiên cứu trên được thực hiện nhằm xác định việc tiêu hao năng lượng, các yếu tố ảnh hưởng, chất lượng rãnh cắt và mô phỏng ảo quá trình cắt nhằm giảm chi phí thực nghiệm lựa chọn những chế độ cắt hợp lý nhất. Hiện ngành công nghiệp đóng tàu đã ứng dụng công nghệ cắt plasma vào trong sản xuất nhằm tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, trong thực tế, việc tính toán thông số chế độ cắt cũng gặp nhiều bất cập do phải chọn các thông số cắt 1 2 theo kinh nghiệm, tra bảng… Điều này dẫn đến việc khó kiểm soát chất lượng vết cắt. Vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng các thông số chế độ cắt đến trường nhiệt độ khi cắt thép tấm làm tôn bao vỏ tàu bằng hồ quang plasma là rất cần thiết. Trong nghiên cứu này, sự phân phối nhiệt độ trong tấm thép khi cắt bằng hồ quang plasma ôxy được tính toán dựa trên mô hình tính toán theo lý thuyết. Ngoài ra, để kiểm tra độ tin cậy của mô hình tính, việc thực nghiệm đo nhiệt độ cũng được tiến hành ở một số chế độ cắt nhất định. II. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Xét trường hợp khi cắt tấm thép dày h = 10mm, nhiệt độ môi trường T0 = 3030K, nhiệt dung riêng Lê Thanh Tạo: Cao học Kỹ thuật tàu thủy 2008 - Trường Đại học Nha Trang 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, e = 2.72, π = 3.14. Quá trình cắt theo chế độ bán tự động bằng máy cắt Cutmaster 151, khí tạo plasma là ôxy, biên dạng cắt là đường thẳng có chiều dài 500mm, đường kính lỗ vòi phun là 1,5mm. Các thông số khi cắt như sau: - Cường độ dòng điện và điện áp tương ứng thiết bị nghiên cứu: 50A-100V, 60A-104V, 70A-108V, 80A-112V. - Vận tốc cắt khi cắt v = (0,8÷1,4m/ph). - Áp suất khí thổi ôxy: 5at. - Khoảng cách từ vòi phun đến chi tiết gia công 3mm. 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Nghiên cứu theo mô hình lý thuyết của các giả định này là không nên có sự biến thiên nhiệt độ dọc theo trục Oz. Phương trình (2) được viết lại: (3) Sự phân bố nhiệt độ trong tấm xung quanh rãnh cắt được đưa ra bởi Girard Laurence [5] dựa trên lý thuyết của Rosenthal và được xác đinh như sau: (4) Trong đó: T0: nhiệt độ môi trường ; Qtn: năng lượng cung cấp bởi hồ quang truyền bên trong tấm dưới tác dụng của dẫn nhiệt kim loại ước tính khoảng 35% 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 cách tâm ngọn lửa bán kính r, vị trí đo cách tâm rãnh cắt 5mm và mỗi điểm đo cách nhau 5mm. Phương trình trường độ dẫn nhiệt kết hợp không gian, thời gian và phụ thuộc vào sự phân bố nhiệt theo [2]. (1) Trong đó: là hệ số khuếch tán nhiệt, Nhiệt dung riêng c = 636 [J kg-1 K-1]. Khối lượng riêng của vật liệu: ρ = 7850 [kg.m-3]. λ: là hệ số dẫn nhiệt [J m-1 s-1 K-1]. Các hệ số tham gia vào phương trình truyền nhiệt: ρ, c và λ, được giả định là độc lập với nhiệt độ. Trong quá trình cắt nguồn nhiệt chuyển động theo chiều dài rãnh cắt, do đó phương trình trường độ dẫn nhiệt (1) được viết lại như sau: Khi : x1 = x – vt t; y1 = y; z1 = z (2) Nhiệt độ được giả định không đổi thông qua độ dày của tấm. Ngoài ra, chúng tôi cho rằng việc trao đổi nhiệt giữa các tấm có chiều dày 10mm với không khí xung quanh là không đáng kể. Kết quả (5) Nhiệt độ theo hướng ngang (vuông góc với rãnh cắt) và dọc theo rãnh cắt tại các điểm P (hình 1) sẽ được đo nhằm xác định sự phân bố nhiệt. Khoảng cách giữa hai điểm liền kề là 5mm, điểm bắt đầu cách đường tâm rãnh cắt là 5mm, xa nhất là 20mm. Với giả định nhiệt độ không thay đổi theo chiều dày của tấm, quá trình trao đổi nhiệt giữa tấm và không khí là không đáng kể. Do ...