Cắt plasma và cắt laser: vì sao cắt tấm thép dày gọn như cắt giấy

Cắt plasma và cắt laser cắt được thép tấm gọn gàng vì chúng dồn một lượng năng lượng cực lớn vào một điểm chỉ rộng cỡ vài phần mười tới vài milimét, làm kim loại chảy hoặc bốc hơi tức thì, rồi dùng luồng khí mạnh thổi phần lỏng ra khỏi rãnh. Plasma dùng hồ quang điện bị ép qua một lỗ béc nhỏ, nóng tới hàng chục nghìn độ; laser dùng chùm sáng hội tụ qua thấu kính. Laser cho mép cắt mảnh và chính xác hơn, còn plasma rẻ hơn và mạnh với tấm dày.

Plasma là gì mà cắt được kim loại?

Plasma thường được gọi là "trạng thái thứ tư của vật chất". Khi một chất khí bị nung tới rất nóng hoặc bị một điện trường mạnh tác động, các electron bứt khỏi nguyên tử, khí trở thành hỗn hợp ion và electron tự do. Hỗn hợp này dẫn điện, phát sáng, và mang rất nhiều nhiệt. Tia sét, ánh sáng đèn huỳnh quang, bề mặt Mặt Trời đều là plasma.

Mỏ cắt plasma tạo ra plasma bằng cách phóng hồ quang giữa một điện cực bên trong mỏ và tấm kim loại cần cắt. Điểm mấu chốt là hồ quang bị ép đi qua một lỗ béc bằng đồng rất nhỏ, kèm luồng khí nén thổi mạnh. Giống như bịt bớt đầu vòi nước làm tia nước bắn xa và mạnh, việc ép hồ quang làm cột plasma hẹp lại, mật độ năng lượng tăng vọt, nhiệt độ ở lõi có thể lên tới khoảng 20.000 °C hoặc hơn. So với ngọn lửa ôxy – axetylen khoảng 3.100 °C, đây là một bước nhảy lớn.

Ở nhiệt độ ấy, mọi kim loại đều chảy. Luồng khí tốc độ cao thổi kim loại lỏng ra khỏi rãnh cắt. Khác với cắt hơi phải đốt cháy sắt, cắt plasma làm chảy kim loại, nên cắt được cả inox, nhôm, đồng, miễn là vật liệu dẫn điện (vì nó là một đầu của mạch hồ quang).

Khí dùng cho plasma tuỳ việc: không khí nén cho máy cầm tay thông dụng; ôxy cho thép cacbon để mép đẹp hơn; nitơ, argon – hydro cho inox và nhôm dày. Máy plasma cầm tay ngày nay khá gọn, xuất hiện ở nhiều xưởng sửa chữa; máy plasma CNC dạng bàn cắt tấm lớn theo bản vẽ.

Laser cắt kim loại bằng cách nào?

Laser là ánh sáng được khuếch đại sao cho mọi photon cùng bước sóng, cùng pha, cùng hướng. Nhờ vậy chùm laser có thể được thấu kính hội tụ xuống một điểm rất nhỏ, đường kính chỉ cỡ một phần mười milimét. Một chùm vài kilowatt dồn vào điểm nhỏ như vậy cho mật độ năng lượng hàng triệu watt trên mỗi centimét vuông, đủ làm chảy hay bốc hơi thép gần như tức thì.

Đầu cắt laser có một vòi phun khí trợ cắt đồng trục với tia:

• Ôxy khi cắt thép cacbon: ngoài nhiệt của laser, sắt còn cháy trong ôxy như cắt hơi, giúp cắt nhanh tấm dày hơn, nhưng mép cắt có lớp ôxít sẫm.
• Nitơ khi cắt inox, nhôm: khí trơ chỉ thổi kim loại lỏng đi, mép cắt sáng sạch, không bị ôxi hoá, có thể hàn hoặc sơn ngay.
• Không khí nén cho tấm mỏng khi muốn giảm chi phí khí.

Có hai loại nguồn laser chính trong công nghiệp cắt kim loại. Laser CO₂ phát bước sóng khoảng 10,6 micromét, từng thống trị nhiều thập kỷ. Laser sợi quang phát bước sóng khoảng 1,06–1,07 micromét, được kim loại hấp thụ tốt hơn, hiệu suất điện cao hơn và dẫn tia bằng sợi quang dễ dàng; trong khoảng mười lăm năm gần đây, laser sợi quang đã chiếm phần lớn thị trường máy cắt tấm kim loại. Đồng và nhôm phản xạ ánh sáng rất mạnh nên từng là "kẻ thù" của laser CO₂; laser sợi quang xử lý chúng tốt hơn nhiều.

Mép cắt plasma và laser khác nhau thế nào?

Khi so sánh hai phương pháp, người ta nhìn vào bề rộng rãnh cắt, độ vuông góc của mép, vùng ảnh hưởng nhiệt và xỉ bám ở mặt dưới. Bảng dưới đây là so sánh mang tính định hướng; số liệu thật phụ thuộc máy, độ dày và vật liệu.

Vì sao mép plasma hay bị vát? Cột plasma có dạng hơi loe, phía trên nóng và rộng hơn phía dưới, lại có chuyển động xoáy của khí. Kết quả là một mép cắt thẳng, mép kia hơi nghiêng vài độ. Máy plasma công nghiệp đời mới dùng khí xoáy và béc độ chính xác cao để giảm vát đáng kể.

Vì sao laser cắt được lỗ nhỏ xíu, chữ, hoa văn phức tạp trên tấm inox mỏng? Vì rãnh cắt chỉ bằng sợi tóc to và vùng nóng rất hẹp, tấm không kịp cong vênh. Những tấm hoa văn trang trí, mặt dựng nhôm đục lỗ, chi tiết máy móc chính xác ngày nay phần lớn được cắt laser.

Vì sao cắt tấm thép dày trông "gọn như cắt giấy"?

Ấn tượng cắt như cắt giấy đến từ ba điều. Thứ nhất, năng lượng tập trung nên phần kim loại bị ảnh hưởng chỉ là một rãnh hẹp; phần còn lại của tấm gần như nguội. Thứ hai, luồng khí tốc độ cao thổi sạch kim loại lỏng trước khi nó kịp dính lại. Thứ ba, máy CNC dắt đầu cắt theo bản vẽ với tốc độ đều, có máy cảm biến giữ khoảng cách đầu cắt luôn ổn định khi tấm hơi gợn.

Tuy vậy, "gọn" không có nghĩa là "không có giới hạn". Laser cắt tấm thép càng dày thì càng chậm; tới một độ dày nhất định, plasma hoặc cắt hơi lại kinh tế hơn. Mặt dưới đường cắt có thể bám một ít xỉ, gọi là "râu", phải mài đi. Và mép cắt nhiệt luôn có một lớp mỏng bị nhiệt làm thay đổi cấu trúc; với chi tiết chịu lực quan trọng, kỹ sư có khi yêu cầu gia công bỏ lớp đó.

Còn cách nào cắt kim loại mà không dùng nhiệt?

Cắt tia nước là phương án "lạnh": nước được nén tới áp suất rất cao, trộn hạt mài garnet, phun qua lỗ nhỏ, mài đứt vật liệu. Không có vùng ảnh hưởng nhiệt, cắt được cả kính, đá, gốm, vật liệu composite. Đổi lại nó chậm hơn và tốn hạt mài. Ngoài ra còn cắt dây tia lửa điện (EDM dây) cho khuôn mẫu cực chính xác, và các cách cắt cơ khí cổ điển: cưa, máy đột dập, máy cắt tấm.

Cắt plasma và laser nguy hiểm ở đâu?

Hồ quang plasma phát tia cực tím và ánh sáng chói như hồ quang hàn; người vận hành máy cầm tay phải đeo kính hoặc mặt nạ có kính lọc phù hợp, găng da, áo chống cháy. Quá trình cắt sinh khói và bụi kim loại mịn, đặc biệt khi cắt inox, tấm mạ kẽm hay tấm sơn; máy CNC thường có bàn nước hoặc hệ hút khói bên dưới. Tiếng ồn của plasma công suất lớn cũng đủ cần nút tai.

Máy cắt laser công nghiệp thuộc nhóm laser công suất cao nhất (cấp 4): tia trực tiếp hay tia phản xạ đều có thể gây tổn thương mắt và bỏng tức thì, kể cả khi không nhìn thấy (bước sóng laser sợi quang nằm ngoài vùng mắt thấy). Vì thế máy được bọc trong buồng kín, cửa có khoá liên động và kính quan sát lọc đúng bước sóng. Người tham quan xưởng chỉ đứng sau vạch và kính bảo vệ.

Muốn xem tận mắt, các hội chợ triển lãm máy công cụ, cơ khí tổ chức hằng năm ở Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh thường có máy laser và plasma chạy trình diễn sau vách kính.