Giáo trình: công nghệ hàn Hàn và cắt kim loại Khái niệm chung Ch−ơng 1: 1.1. Thực chất và đặc điểm của quá trình hàn 1.1.1. Thực chất của quá trình hàn Hàn là ph−ơng pháp nối hai hay nhiều chi tiết kim loại thành một mà không thể tháo rời đ−ợc bằng cách nung nóng chúng tại vùng tiếp xúc đến trạng thái nóng chảy hay dẻo, sau đó không dùng áp lực hoặc dùng áp lực để ép chi tiết hàn dính chặt với nhau. Khi hàn nóng chảy, kim loại bị nóng chảy, sau đó kết tinh hoàn toàn tạo thành mối hàn. Khi hàn áp lực, kim loại đ−ợc nung đến trạng thái dẻo, sau đó đ−ợc ép để tạo nên mối liên kết kim loại và tăng khả năng thẩm thấu, khếch tán của các phần tử vật chất giữa hai mặt chi tiết cần hàn làm cho các chi tiết liên kết chặt với nhau tạo thành mối hàn. 1.1.2. Đặc điểm của quá trình hàn - Tiết kiệm kim loại: so với tán ri vê tiết kiệm từ 10ữ20 %, so với ph−ơng pháp đúc có thể tiết kiệm đ−ợc từ 30ữ50 % l−ợng kim loại ... - Giảm đ−ợc thời gian và giá thành chế tạo kết cấu nh− dầm, giàn, khung v.v... - Có thể tạo đ−ợc các kết cấu nhẹ nh−ng khả năng chịu lực cao. - Độ bền và độ kín của mối hàn lớn. - Có thể hàn đ−ợc hai kim loại có tính chất khác nhau. - Thiết bị hàn đơn giản, vốn đầu t− không cao. - Trong kết cấu hàn tồn tại ứng suất nhiệt lớn, nên vật hàn dễ bị biến dạng và cong vênh. - Tổ chức kim loại gần mối hàn bị dòn nên kết cấu hàn chịu xung lực kém. Hàn đ−ợc sử dụng rộng rãi để tạo phôi trong tất cã các ngành kinh tế quốc dân, đặc biệt trong ngành chế tạo máy, chế tạo các kết cấu dạng khung, giàn trong xây dựng, cầu đ−ờng, các bình chứa trong công nghiệp. 1.2. Phân loại các ph−ơng pháp hàn 1.2.1.Theo trạng thái hàn a. Hàn nóng chảy: Hàn hồ quang, hàn khí, hàn điện xỉ, hàn bằng tia điện tử, hàn bằng tia laze, hàn plasma ... Khi hàn nóng chảy, kim loại mép hàn đ−ợc nung đến trạng thái nóng chảy kết hợp với kim loại bổ sung từ ngoài vào điền đầy khe hở giữa hai chi tiết hàn, sau đó đông đặc tạo ra mối hàn. b. Hàn áp lực 1 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Hàn tiếp xúc, hàn ma sát, hàn nổ, hàn siêu âm, hàn khí ép, hàn cao tần, hàn khuếch tán ... Khi hàn bằng áp lực kim loại ở vùng mép hàn đ−ợc nung nóng đến trạng thái dẻo sau đó hai chi tiết đ−ợc ép lại với lực ép đủ lớn, tạo ra mối hàn. c. Hàn nhiệt Hàn nhiệt là sử dụng nhiệt của các phản ứng hóa học phát nhiệt để nung kim loại mép hàn đến trạng thái nóng chảy đồng thời kết hợp với lực ép để tạo ra mối hàn 1.2.2. Theo năng l−ợng sử dụng a. Điện năng: Hàn hồ quang, hàn điện tiếp xúc ... b. Hoá năng: Hàn khí, hàn nhiệt ... c. Cơ năng: Hàn ma sát, hàn nguội ... 1.2.3. Theo mức độ tự động hoá a. Hàn bằng tay. b. Hàn bán tự động. c. Hàn tự động. 1.3. Tổ chức kim loại mối hàn và vùng phụ cận Sau khi hàn, kim loại lỏng ở vũng hàn sẽ nguội và kết tinh tạo thành mối hàn. Do ảnh h−ởng của tác dụng nhiệt nên có sự thay đổi tổ chức và tính chất của vùng mối hàn. Quan sát tổ chức kim loại vùng mối hàn hình chữ V có thể phân biệt ba vùng khác nhau: vùng vũng hàn (1), vùng viền chảy (2) và vùng ảnh h−ởng nhiệt (3). 1.3.1. Vùng mối hàn Phần phi kim Viền chảy Trong vùng này, kim loại nóng chảy hoàn toàn, thành phần bao gồm cả kim loại vật hàn và kim loại bổ sung từ ngoài vào, ở lớp biên có hạt nhỏ mịn, lớp tiếp Vùng KL kết tinh Vùng KL kết tinh theo có hạt hình nhánh cây kéo dài Vùng KL chảy có độ hạt lớn có độ hạt nhỏ không hoàn toàn và vùng tâm có hạt lớn và có lẫn chất phi kim (xĩ v.v...). H.1.1. Vùng kim loại mối hàn 1.3.2. Vùng viền chảy Trong vùng này kim loại nóng chảy không hoàn toàn, do sự thẩm thấu qua lại của kim loại vùng vũng hàn và kim loại vật hàn nên vùng này có thành phần trung gian giữa kim loại vũng hàn và kim loại vật hàn. Chiều dày của vùng này rất hẹp. Vùng chảy 1.3.3. Vùng ảnh h−ởng nhiệt 00C Vùng chảy không ho n 1 1500 Tr−ờng đại học bách khoa Vùng quá nhiệt 2 2 - 2006 1100 Vùng th−ờng hóa 3 Giáo trình: công nghệ hàn Kim loại vật hàn trong vùng này bị nung nóng sau đó nguội cùng mối hàn. Do ảnh h−ởng của nung nóng và làm nguội, tổ chức kim loại trong vùng này thay đổi, dẫn đến cơ lý tính thay đổi theo. Tuỳ thuộc vật liệu hàn, nhiệt độ nung nóng, trong vùng này có thể nhận đ−ợc nhiều tổ chức khác nhau. Xét tr−ờng hợp khi hàn thép các bon, tổ chức của vùng ảnh h−ởng nhiệt có thể chia thành năm miền (từ lớp giáp với viền chảy) : a. Miền quá nhiệt 2: sát với viền chảy, có nhiệt độ trên 11000C kim loại bị quá nhiệt mạnh, các hạt ôstenit bắt đầu phát triển mạnh, vùng này có hạt rất lớn có độ dai va chạm và tính dẻo kém, độ bền thấp và tính dòn cao là miền yếu nhất của vật hàn. b. Miền th−ờng hóa 3: là miền có nhiệt độ 9000 ữ 11000C, kim loại có tổ chức có các hạt ferit nhỏ và một số hạt peclit, nó có cơ tính rất cao. c. Miền kết tinh lại không hoàn toàn 4: là miền có nhiệt độ 7200 ữ 9000C có tổ chức hạt lớn của pherit lẫn với hạt ôstenit nhỏ, vì thế cơ tính không đều. d. Miền kết tinh lại 5: là miền có nhiệt độ 5000 ữ 7000C. Miền này tổ chức giống tổ chức kim loại vật hàn, nh−ng ở nhiệt độ này là nhiệt độ biến mềm làm mất hiện t−ợng biến cứng, các sai lệch mạng đ−ợc khắc phục, độ dẻo kim loại phục hồi. đ. Miền dòn xanh 6: là miền có nhiệt độ < 5000C tổ chức kim loại trong vùng này hoàn toàn giống với tổ chức ban đầu nh−ng do ảnh h−ởng nhiệt nên tồn tại ứng suất d− nên khi thử mẫu hàn, miền này th−ờng bị đứt. Vùng ảnh h−ởng nhiệt có chiều rộng thay đổi tuỳ thuộc rất lớn vào chiều dày vật hàn, nguồn nhiệt hàn, điều kiện thoát nhiệt khỏi vùng hàn. Ch−ơng 2: Hàn hồ quang tay 2.1. Khái niệm về hồ quang hàn 2.1.1. Thực chất của hồ quang hàn Hàn hồ quang là ph−ơng pháp hàn nóng chảy dùng nhiệt của ngọn lửa hồ quang sinh ra giữa các điện cực hàn. Hồ quang hàn là dòng chuyển động của các điện tử và ion về hai điện cực, kèm theo sự phát nhiệt lớn và phát sáng mạnh. Trong các điều kiện bình th−ờng, không khí không dẫn điện, giữa 2 điện cực của các loại máy hàn hồ quang có điện áp không tải nhỏ thua 80 vôn, vì vậy không có sự phóng điện giữa chúng. Để gây hồ quang, ng−ời ta gây ra hiện t−ợng đoản mạch lúc đó mật độ dòng điện tại chổ tiếp xúc của 2 điện cực rất lớn, theo định luật Jun-lenc thì 3 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Q = 0,24 RI2t, nhiệt l−ợng này đ−ợc các điện tử tự do ở mặt đầu catốt hấp thụ. Sau khi nhận đ−ợc năng l−ợng d−ới dạng nhiệt các điện tử này có thế năng lớn và bứt ra khỏi quỹ đạo của mình và phóng về anốt, trên đ−ờng đi chúng sẽ bắn phá lên các nguyên và phân tử chất khí bảo hoà để cho hoặc lấy đi của chúng một vài điện tử (tuỳ theo hoá trị của chúng) và biến chúng thành những ion. Môi tr−ờng ion là môi tr−ờng dẫn điện rất tốt cho nên quá trình gây hồ quang chỉ xảy ra ở giai đoạn ban đầu. Nh− vậy hồ quang hàn là dòng chuyển dịch của các ion d−ơng về catốt; ion âm và các điện tử về anốt. Các hạt này sẽ bắn phá lên các vết cực, cơ năng sẽ biến thành nhiệt năng để làm nóng chảy hoặc hao mòn các điện cực. Quá trình gây hồ quang khi hàn xảy ra ba giai đoạn: - - - + + + H.2.1. Quá trình gây hồ quang khi hàn a. Giai đoạn chạm mạch ngắn (a): cho hai điện cực chạm vào nhau, do diện tích tiết diện ngang của mạch điện bé và điện trở vùng tiếp xúc giữa các điện cực lớn vì vậy trong mạch xuất hiện một dòng điện c−ờng độ lớn, hai mép điện cực bị nung nóng mạnh. b. Giai đoạn ion hoá (b): Khi nâng một điện cực lên khỏi điện cực thứ hai một khoảng từ 2ữ5 mm. Các điện tử bứt ra khỏ quỹ đạo của mình và chuyển động nhanh về phía anôt (cực d−ơng), trên đ−ờng chuyển động chúng va chạm vào các phân tử khí trung hoà làm chúng bị ion hóa. Sự ion hoá các phân tử khí kèm theo sự phát nhiệt lớn và phát sáng mạnh. c. Giai đoạn hồ quang cháy ổn định (c): Khi mức độ ion hoá đạt tới mức bão hòa, cột hồ quang ngừng phát triển, nếu giữ cho khoảng cách giữa hai điện cực không đổi, cột hồ quang đ−ợc duy trì ở mức ổn định. Khi hàn, điện áp cần thiết để gây hồ quang khoảng từ 35ữ55 V đối với dòng điện một chiều, từ 55ữ80 V đối với dòng điện xoay chiều. Điện áp để duy trì hồ quang cháy ổn định khoảng 16ữ35 V khi dùng dòng điện một chiều và từ 25ữ45 V khi dùng dòng điện xoay chiều. 2.1.2. Sự cháy của hồ quang Sự cháy của hồ quang phụ thuộc vào: điện thế giữa 2 điện cực khi máy ch−a làm việc, c−ờng độ dòng điện và khoảng cách giữa chúng. Quan hệ giữa điện thế với c−ờng độ dòng điện gọi là đ−ờng đặc tính tĩnh của hồ quang. Khi hồ quang cháy ổn định, nhiệt độ trong cột hồ quang đạt tới 6000oC, ở ca-tốt khoảng 2400oC và ở a-nốt khoảng 2600oC. 4 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Đặc tính tĩnh V-A của hồ quang hàn Uhq(V) có ba vùng đặc tr−ng: vùng điện áp giảm (I), vùng điện áp không đổi (II), và vùng điện áp tăng (III). Điện áp không đổi của cột hồ Uh quang có thể xác định theo công thức: III I II U hq = a + b. Lhq Ihq(A) Trong đó: a - là tổng điện thế rơi trên 2 H.2.2. Đ−ờng đặc tính tĩnh cực, đối với que hàn nóng chảy a = 15ữ20 v; của hồ quang hàn với que hàn không nóng chảy a = 30ữ35 V b - điện thế rơi trên 1 đơn vị chiều dài hồ quang lấy b = 15,7 v/cm. Lhq - là chiều dài cột hồ quang. 2.1.2. Tác dụng của điện tr−ờng đối với hồ quang hàn Cột hồ quang có thể xem nh− là một dây dẫn mềm và d−ới tác dụng của điện tr−ờng cột hồ quang cũng bị chuyển dịch, hình dáng bị thay đổi. Khi hàn, lực điện tr−ờng tác dụng lên hồ quang gồm có lực điện tr−ờng tĩnh của mạch hàn và lực điện tr−ờng sinh ra bởi sắt từ làm hồ quang bị lệch đi rất nhiều do đó làm ảnh h−ởng xấu đến quá trình hàn. Đối với dòng xoay chiều do cực thay đổi, do đó chiều của điện tr−ờng cũng thay đổi theo và hiện t−ợng lệch hồ quang không đáng kể. Chúng ta chỉ quan tâm đến ảnh h−ởng của dòng một chiều đến hồ quang hàn. a. ảnh h−ởng của điện tr−ờng tĩnh Điện tr−ờng tĩnh phát sinh khi có dòng điện chạy qua dây dẫn, que hàn và cột hồ quang. Chúng làm cho hồ quang bị thổi lệch đi phá hoại quá trình hàn bình th−ờng. Có 3 tr−ờng hợp có thể xảy ra khi nối mạch hàn: - - - + + + c/ a/ b/ H.2.3. ảnh h−ởng của điện tr−ờng tĩnh đến hồ quang hàn - Hồ quang bị lệch do tác dụng của điện tr−ờng không đối xứng (a): từ phía dòng điện đi vào mật độ đ−ờng sức dày hơn, thế điện tr−ờng mạnh hơn. Do đó hồ quang bị xô đẩy về phía điện tr−ờng yếu hơn. - Điện tr−ờng đối xứng xung quanh hồ quang (b): hồ quang cân bằng không bị thổi lệch. - Độ nghiêng của que hàn (c): Chọn góc nghiêng que hàn thích hợp có thể thay đổi tính chất phân bố đ−ờng sức và có thể tạo ra ddiện tr−ờng đồng đều khắc phục đ−ợc hiện t−ợng thổi lệch hồ quang. 5 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn b. ảnh h−ởng của sắt từ Vật liệu sắt từ đặt gần hồ quang thì tăng độ từ thẩm lên hàng ngàn lần so với không khí. Từ thông đi qua sắt từ có độ trở kháng nhỏ sẽ làm cho hồ quang bị thổi lệch về h−ớng đó. Vì vậy khi hàn góc, hàn đến đoạn cuối cần H.2.4. ảnh h−ởng của chú ý đến vị trí của que hàn cho phù hợp. sắt từ đến hồ quang 2.1.3. Tác dụng nhiệt của hồ quang a. Nhiệt và nhiệt độ của hồ quang hàn Hồ quang hàn là một nguồi nhiệt tập trung rất lớn, điện năng đã biến thành nhiệt năng. Năng l−ợng này phát ra từ cực d−ơng, cực âm và trong cột hồ quang dùng để nung nóng chảy que hàn, vật hàn ở gần cột hồ quang. Nhiệt độ ở vùng cực d−ơng, cực âm xấp xỉ bằng nhiệt độ sôi và nhiệt độ bốc hơi của vật liệu điện cực. Nhiệt độ cao nhất là ở trung tâm cột hồ quang do sự ion hoá các chất khí; còn nhiệt độ ở các vết cực là do sự bắn phá của các điện tử và ion tạo nên, còn ở vùng lân cận nhiệt độ thấp hơn và kim loại bị quá nhiệt. Nhiệt do hồ quang sinh ra sẽ phân bố qua môi tr−ờng, vật hàn, que hàn, kim loại mối hàn. b. Quá trình chuyển dịch kim loại lỏng từ que hàn vào vũng hàn Kim loại từ que hàn vào vũng hàn ở dạng những giọt nhỏ có kích th−ớc khác nhau. Khi hàn, ở bất cứ vị trí nào trong không gian kim loại lỏng bao giờ cũng chuyển từ que hàn vào vũng hàn nhờ các lực sau đây: - Trọng lực của giọt kim loại lỏng: lực này có khả năng chuyển dịch kim loại lỏng vào vũng hàn khi hàn sấp và có tác dụng ng−ợc lại khi hàn trần. - Sức căng bề mặt: lực này sinh ra do tác dụng của lực phân tử. Lực phân tử luôn luôn có khuyênh h−ớng tạo cho bề mặt chất lỏng một năng l−ợng nhỏ nhất, nên các giọt kim loại có dạng hình cầu. Những giọt này chỉ mất đi khi rơi vào vũng hàn và bị sức căng bề mặt của vũng hàn kéo vào thành dạng chung của vũng hàn. Sức căng bề mặt giữ cho kim loại lỏng của vũng hàn khi hàn trần không bị rơi và để hình thành mối hàn. - C−ờng độ điện tr−ờng: dòng điện đi qua que hàn sinh ra xung quanh nó một điện tr−ờng ép lên que hàn, lực này cắt kim loại lỏng ở đầu que hàn P P thành những giọt. Do sức căng bề mặt và c−ờng độ + 6 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn điện tr−ờng, ở ranh giới nóng chảy của que hàn bị thắt lại, tiết diện ngang giảm xuống, mật độ dòng điện tăng lên. Mặt khác ở đây điện trở cao nên nhiệt sinh ra khá lớn và kim loại lỏng đạt đến trạng thái sôi tạo áp lực đẩy giọt kim loại chạy vào vũng hàn. Mật độ dòng điện giảm dần từ que hàn đến vật hàn, nên không bao giờ có hiện t−ợng kim loại lỏng chuyển dịch từ vật hàn vào que hàn đ−ợc. - áp lực trong: kim loại ở đầu mút que hàn bị quá nhiệt rất lớn, nhiều phản ứng hoá học xảy ra ở đó và sinh ra các chất khí. ở nhiệt độ cao thể tích của cac chất khí tăng lên khá lớn và gây nên một áp lực mạnh đẩy các giọt kim loại lỏng tách khỏi que hàn. Ví dụ khi có phản ứng hoàn nguyên ôxyt sắt sẽ tạo ra khí ôxyt cácbon (CO). 2.2. Phân loại hàn hồ quang tay 2.2.1. Phân loại theo dòng điện hàn a/ Hàn bằng dòng điện xoay chiều Hàn bằng dòng điện cho ta mối hàn có chất l−ợng không cao, khó gây hồ quang và khó hàn song thiết bị hàn dòng xoay chiều đơn giản và rẻ tiền nên trên thực tế hiện có khoảng 80% là máy hàn xoay chiều. b/ Hàn bằng dòng điện một chiều Hàn bằng dòng điện một chiều tuy máy hàn đắt tiền nh−ng dể gây hồ quang, dể hàn và chất l−ợng mối hàn cao. Hàn bằng dòng điện một chiều có 2 cách nối dây: - Nối thuận: là nối que hàn với cực âm của nguồn điện, còn vật hàn nối với cực d−ơng của nguồn. Do nhiệt độ ở vật hàn lớn nên dùng để hàn thép có chiều dày lớn. Khi dùng điện cực không nóng chảy thì nên dùng cách nối này để điện cực đỡ bị mòn. - Nối nghịch: que hàn nối với cực d−ơng, vật hàn nối với cực âm của nguồn điện. Cách này th−ờng dùng khi hàn vật mỏng, kim loại màu hoặc gang bằng que hàn thép. 2.2.2. Phân loại theo điện cực a. Điện cực hàn không nóng chảy Điện cực hàn không nóng chảy đ−ợc chế tạo từ các vật liệu có khả năng chịu nhiệt cao nh− grafit, vonfram. Đ−ờng kính que hàn dq = 1ữ5 mm đối với que hàn vonfram và dq = 6ữ12 mm đối với que hàn grafit, chiều dài que hàn th−ờng là 250 mm, đầu vát côn. Que hàn không nóng chảy cho hồ quang hàn ổn định, để bổ sung kim loại cho mối hàn phải sử dụng thêm que hàn phụ. b. Điện cực hàn nóng chảy 7 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Điện cực hàn nóng chảy (que hàn) đ−ợc chế tạo từ kim loại hoặc hợp kim có thành phần gần với thành phần kim loại vật hàn. Lõi que hàn có đ−ờng kính theo lý thuyết dq = 6ữ12 mm. Trong thực tế th−ờng dùng dq = 1ữ6 mm. Chiều dài của que hàn L = 250ữ450 mm; chiều dài phần kẹp l1 = 30±5 mm; l2 < 15mm; l3 = 1ữ2 mm. 2 1 Que hàn nóng chảy l3 1- lõi kim loại l1 l2 2- thuốc bọc L H.2.6. Kết cấu của que hàn điện Lớp thuốc bọc đ−ợc chế tạo từ hỗn hợp gồm nhiều loại vật liệu dùng ở dạng bột, sau đó trộn đều với chất dính và bọc ngoài lõi có chiều dày từ 1-2 mm. Tác dụng của lớp thuốc bọc que hàn: • Tăng khả năng ion hóa để dễ gây hồ quang và duy trì hồ quang cháy ổn định. Thông th−ờng ng−ời ta đ−a vào các hợp chất của kim loại kiềm. • Bảo vệ đ−ợc mối hàn, tránh sự ôxy hoá hoà tan khí từ môi tr−ờng. • Tạo xỉ lỏng và đều, che phủ kim loại tốt để giảm tốc độ nguội của mối hàn tránh nứt. • Khử ôxy trong quá trình hàn. Ng−ời ta đ−a vào trong thầnh phần thuốc bọc các loại phe-rô hợp kim hoặc kim loại sạch có ái lực mạnh với ôxy có khả năng tạo ôxyt dễ tách khỏi kim loại lỏng. 2.2.3. Phân loại theo cách đấu dây các điện cực khi hàn a- đấu dây trực tiếp b- đấu dây gián tiếp c- đấu dây 3 pha H.2.7. Các cách đấu dây điện cực hàn 2.3. Nguồn điện và máy hàn 2.3.1. Yêu cầu chung đối với nguồn điện và máy hàn 8 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Nguồn điện hàn trong hàn hồ quang tay có thể là nguồn điện xoay chiều hoặc một chiều. Nhìn chung nguồn điện hàn và máy hàn phải đảm bảo các yêu cầu chung sau: • Điện áp không tải phải Hh < U0 < 80 v. u (V) - Đối với máy hàn xoay chiều: 1 U0 = 55ữ80 V, Hh = 30ữ55 V. A 2 - Đối với máy hàn một chiều: U0 = 25ữ45 V, Hh = 16ữ35 V. B I (A) • Đ−ờng đặc tính động V-A của máy hàn phải là đ−ờng dốc liên tục. • Có khả năng chịu quá tải khi ngắn H.2.8.1- đ−ờng đặc tính tĩnh của hồ quang 2- đ−ờng đặc tính động của máy hàn mạch Iđ = (1,3ữ1,4)Ih. • Có khả năng điều chỉnh dòng điện hàn trong phạm vi rộng. • Máy hàn phải có khối l−ợng nhỏ, hệ số hữu ích lớn, giá thành rẻ, dễ sử dụng và dễ sửa chữa. 2.3.2. Máy hàn hồ quang điện xoay chiều Máy hàn hồ quang dùng dòng điện xoay chiều đ−ợc sử dụng rộng rãi trong hàn hồ quang tay vì chúng có kết cấu đơn giản, giá thành chế tạo thấp, dễ vận hành và sửa chữa. Tuy nhiên chất l−ợng mối hàn không cao vì hồ quang cháy không ổn định so với hồ quang dùng dòng điện một chiều. Máy hàn một chiều có nhiều loại, mỗi loại có tính năng và những đặc điểm riêng, sau đây giới thiệu một số máy hàn xoay chiều đ−ợc sử dụng nhiều nhất trong thực tế công nghiệp. a. Máy biến áp hàn xoay chiều: Loại máy hàn này điều chỉnh c−ờng độ dòng điện hàn bằng cách thay đổi điện áp hàn nhờ vào sự thay đổi số vòng dây của cuộn thứ cấp. Máy hàn loại này đơn giản, dể chế tạo, giá thành rẻ tuy nhiên chỉ thay đổi dòng vài đ−ợc một vài cấp gọi là điều chỉnh thô. P = U.I = U1.I1 = U2.I2 Φ A u1 u2 uh W2 W1 H.2.9. Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp hàn xoay chiều b. Máy hàn xoay chiều với lõi từ di động 9 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Loại máy hàn này có thể điều chỉnh tinh c−ờng độ hàn (Ih) bằng cách thay đổi từ thông móc vòng vào cuộn W2 nhờ vào sự thay đổi vị trí của lõi từ trong khung từ. Φ1 = Φr + Φ2 Φr Φ2 B Φ1 A u2 u1 uh W2 W1 H.2.10. Sơ đồ nguyên lý của máy hàn xoay chiều với lõi từ di động c. Máy hàn tổ hợp Máy hàn tổ hợp là loại máy thông dụng nhất hiện nay vì có thể điều chỉnh Ih bằng tổ hợp vừa thô vừa tinh của 2 ph−ơng pháp trên đ−ợc trình bày nh− hình vẽ sau: Φr Φ2 B Φ1 A u1 u2 uh W2 W1 H.2.11. Sơ đồ nguyên lý của máy hàn xoay chiều tổ hợp Máy hàn kiểu này có một lõi từ di động (A) nằm trong gông từ (B) của máy biến áp. Khi lõi từ (A) nằm hoàn toàn trong mặt phẳng của gông từ (B) thì từ thông do cuộn sơ cấp sinh ra có một phần rẽ nhánh qua lõi từ làm cho từ thông đi qua cuộn thứ cấp giảm, do đó điện áp trên cuộn thứ cấp (u2) iảm. Khi di động lõi từ (A) ra ngoài (theo ph−ơng vuông góc với mặt phẳng của gông từ B), khe hở giữa lõi từ và gông từ tăng, từ thông rẽ nhánh giảm làm cho từ thông qua cuộn thứ cấp tăng và điện áp trên cuộn thứ cấp tăng. Máy hàn này có thể điều chỉnh c−ờng độ dòng điện hàn bằng 2 cách: • Thay đổi điện áp của mạch thứ cấp bằng cách thay đổi số vòng dây W2. Cách này chỉ thay đổi đ−ợc c−ờng độ dòng điện hàn phân cấp. • Thay đổi vị trí lõi từ trong khung từ có thể điều chỉnh dòng điện hàn vô cấp. 2.3.3. Máy hàn hồ quang điện một chiều a/ Máy phát hàn hồ quang Hình sau trình bày sơ đồ nguyên lý của một máy hàn một chiều dùng máy phát có cuộn kích từ riêng và cuộn khử từ mắc nối tiếp. 10 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Máy hàn gồm máy phát điện một chiều (M) có cuộn dây kích từ riêng (2) đ−ợc cấp điện riêng từ nguồn điện xoay chiều qua bộ chỉnh l−u (1). Trên mạch ra của máy phát đặt cuộn khử từ (3). Ng−ời ta bố trí sao cho từ thông (φc) sinh ra trên cuộn khử từ luôn luôn ng−ợc h−ớng với từ thông (φkt) sinh ra trong cuộn kích từ. ở chế độ không tải, dòng điện hàn Ih = 0 nên từ thông φc = 0, máy phát đ−ợc kích từ bởi từ thông (φkt) do cuộn dây kích từ (2) sinh ra: W 1 φ kt = I kt . 2 φkt Rk Trong đó Ikt là dòng điện kích từ, W và Rk là số vòng dây và từ trở của cuộn M kích từ. Khi đó điện áp không tải xác định ổn áp theo công thức: φc 3 ukt = C.φkt ở chế độ làm việc, dòng điện hàn Ih ≠ K 0 nên từ thông φc ≠ 0, máy phát đ−ợc kích từ bởi từ thông tổng hợp (φ) do cuộn dây kích từ (2) và cuộn khử từ (3) sinh ra: H.2.12. Máy phát hàn hồ quang φ = φkt − φc Sức điện động sinh ra trong phần cảm của máy phụ thuộc vào từ thông kích từ: E = C.φ = C.(φkt − φc ) . Trong đó C là hệ số phụ thuộc vào máy. b/ Máy hàn dùng dòng điện chỉnh l−u Máy hàn dùng dòng điện chỉnh l−u có hai bộ phận chính: Biến áp hàn (1) và bộ chỉnh l−u (2), bộ biến trở R (3) dùng để điều chỉnh c−ờng độ dòng điện hàn. 1 2 3 Ih(A) R t(s) Uh 0 2π a/ Ih(A) R t(s) 0 2π b/ H.2.13. a/ Sơ đồ nguyên lý máy hàn chỉnh l−u ba pha b/ Sơ đồ nguyên lý máy hàn chỉnh l−u một pha Máy hàn dùng dòng điện chỉnh l−u có hồ quang cháy ổn định hơn máy hàn xoay chiều, phạm vi điều chỉnh dòng điện hàn rộng, hệ số công suất hữu ích cao, công suất 11 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn không tải nhỏ, kết cấu đơn giản hơn. Nh−ợc điểm của máy hàn chỉnh l−u là công suất bị hạn chế, các đi-ôt dễ bị hỏng khi ngắn mạch lâu và dòng điện hàn phụ thuộc lớn vào điện áp nguồn. Ngoài ra còn một số loại máy hàn một chiều: máy phát hàn một chiều Diezen, máy phát hàn một chiều động cơ điện v.v... 2.4. Công nghệ hàn hồ quang tay 60-1200 2.4.1. Vị trí, phân loại và chuẩn bị mép hàn II 120-1800 0-600 a/ Vị trí mối hàn trong không gian I III Công nghệ hàn hồ quang tay phụ thuộc rất lớn vào vị trí mối hàn trong không gian và kết cấu mối hàn. Theo vị trí mối hàn trong không H.2.14. Vị trí mối hàn trong không gian I- Vị trí hàn sấp; II- Vị trí hàn đứng; III- gian, ng−ời ta phân ra các dạng hàn sau: Hàn Vị trí hàn trần sấp, hàn ngang, hàn đứng và hàn ngửa. • Hàn sấp: mặt phẳng hàn tạo với mặt phẳng ngang một góc từ 0ữ60o. • Hàn ngang: ph−ơng hàn song song với mặt phẳng ngang và nằm trong mặt phẳng hàn tạo với mặt phẳng ngang một góc từ 60ữ120o. • Hàn đứng: mặt phẳng hàn tạo với mặt phẳng ngang một góc từ 60ữ120o trừ ph−ơng song song với mặt phẳng ngang. • Hàn trần: mặt phẳng hàn tạo với mặt phẳng ngang một góc từ 120ữ180o. b/ Các loại mối hàn - Mối hàn giáp mối (a): có thể không cần vát mép khi s ≤ 4 mm và vát mép khi s > 4 mm. a/ - Mối hàn gấp mép (b): dùng khi s ≤ 2 mm. b/ - Mối hàn chồng (c): dùng khi sửa chửa các kết cấu c/ hàn. - Mối hàn có tấm đệm (d): dùng khi sửa chửa các kết d/ cấu hàn. - Mối hàn góc (đ): có thể vát mép hoặc không vát e/ đ/ mép. - Mối hàn chữ T (e): dùng trong các kết cấu chịu uốn. - Mối hàn mặt đầu (g): dùng khi lắp ghép 2 tấm có bề mặt tiếp xúc nhau. g/ h/ - Mối hàn viền mép (h): dùng trong tr−ờng hợp chi tiết hàn không cho phép tăng kích th−ớc. i/ - Mối hàn kiểu chốt (i): khoan lỗ lên 2 chi tiết chồng lên nhau, sau đó hàn theo từng lỗ một. H.2.15. Các loại mối hàn c/ Chuẩn bị mép hàn 12 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Chất l−ợng mối hàn phụ thuộc rất lớn vào việc làm sạch và chuẩn bị mép hàn. Tuỳ thuộc kiểu mối hàn, chiều dày vật hàn... có thể tiến hành chuẩn bị mép hàn trên máy bào hay bằng mỏ cắt khí theo các cách sau: Kiểu chuẩn bị mép Dạng vát mép mối hàn Kích th−ớc S=5ữ8 Không vát mép a S a=1ữ2 S=1ữ3 Gấp mép a b S a=0ữ1 b=S+2 S = 4 ữ 26 Vát mép chữ V và nửa α a=2±2 chữ V S b b=2±1 a α = 600±50 α/2 S b a S = 20 ữ 60 Vát mép chữ U và nửa R a=2±2 chữ U S b=2±1 b a R = 5±1 S b a H.2.16. Các kiểu chuẩn bị mép hàn 2.4.2. Chế độ hàn hồ quang tay a/ Đ−ờng kính que hàn Đ−ờng kính que hàn phụ thuộc vào vật liệu hàn, chiều dày vật hàn, vị trí mối hàn trong không gian, kiểu mối hàn... để chọn có thể tra theo sổ tay công nghệ hàn hoặc xác định theo các công thức kinh nghiệm. Đối với hàn thép, đ−ờng kính que hàn đ−ợc xác định nh− sau: S S dq = +1 - Hàn giáp mối: [mm] 2 K dq = + 2 - Hàn góc, hàn chữ T: [mm] 2 Trong đó S là chiều dày vật hàn, K là cạnh của mối hàn. b/ C−ờng độ dòng điện hàn (Ih) K C−ờng độ dòng điện hàn chọn phụ thuộc vào vật liệu hàn, đ−ờng kính que hàn, vị trí mối hàn trong không gian, kiểu mối hàn...có thể tra theo sổ tay công nghệ hoặc xác định theo các công thức kinh nghiệm sau đối với khi hàn sấp: I h = (β + αd q )d q 13 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Trong đó: α và β là các hệ số phụ thuộc vào vật liệu vật hàn, đối với thép α = 6; β = 20; dq - đ−ờng kính que hàn lấy theo mm. Chú ý: - Khi chiều dày chi tiết S > 3dq thì nên tăng c−ờng độ dòng điện khoảng 15% còn S < 1,5dq thì nên giảm 15% so với trị số tính toán. - C−ờng độ dòng điện hàn khi hàn đứng nên giảm 10ữ15% và khi hàn trần nên giảm 15ữ20% so với hàn sấp. c/ Điện áp hàn: điện áp hàn th−ờng ít thay đổi khi hàn hồ quang tay. d/ Số l−ợt cần phải hàn Để hoàn thành một mối hàn có thể tiến hành trong một lần hàn hoặc một số lần hàn. Khi tiết diện mối hàn lớn, th−ờng tiến hành qua một số lần hàn. Số l−ợt hàn có thể tính theo công thức sau: F − F0 n= d +1 Fn Trong đó Fd - là diện tích mặt cắt ngang của kim loại đắp. F0 - diện tích mặt cắt ngang của đ−ờng hàn đầu tiên: F0 = (6 ữ 8)dq (mm2). Fn - diện tích mặt cắt ngang của những đ−ờng hàn tiếp theo: Fn = (8 ữ 12)dq (mm2). e/ Tốc độ hàn (Vh): Tốc độ hàn đ−ợc xác định bởi chiều dài mối hàn trong một đơn vị thời gian. L Vh = [cm/s] t L - Chiều dài mối hàn (cm). t - thời gian hàn (giây). Tốc độ hàn phụ thuộc vào c−ờng độ dòng điện hàn và tiết diện mối hàn, có thể tính theo công thức kinh nghiệm sau: αd .Ih Vh = [cm/s] 3600 ⋅ γ ⋅ Fd Trong đó: αd là hệ số đắp, αd = 7 ữ 11 [g/A.h] γ - khối l−ợng riêng kim loại que hàn [g/cm3] Ih - c−ờng độ dòng điện hàn [A] Fd - tiết diện đắp của mối hàn [cm2] f/ Thời gian hàn Thời gian hàn bao gồm thời gian máy (thời gian hồ quang cháy) và thời gian phụ: th = tm + tp . tm Gd = α d . I d . 3600 Mặt khác Gđ = Fđ L.γ cho nên: 14 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Fd . L t m = 3600.γ . (s). αd . I h Thời gian phụ tính toán rất khó khăn vì vậy khi tính toán dựa vào hệ số điều chỉnh K nh− sau: tm th = K - Nừu tổ chức sản xuất khá thì lấy K = 0,5ữ0,6. - Nừu tổ chức sản xuất trung bình thì lấy K = 0,3ữ0,4. - Nếu tổ chức sản xuất kém thì lấy K < 0,3. 2.4.3. Thao tác hàn Khi hàn hồ quang tay, góc nghiêng que hàn so với mặt vật hàn th−ờng từ 75ữ85o, que hàn đ−ợc dịch chuyển dọc trục để duy trì chiều dài cột hồ quang, đồng thời chuyển động ngang mối hàn để tạo bề rộng mối hàn và chuyển động dọc đ−ờng hàn theo tốc độ hàn cần thiết. Khi hàn sấp, nếu mối hàn có bề rộng bé, que hàn đ−ợc dịch chuyển dọc đ−ờng hàn, không có chuyển động ngang. Khi mối hàn có bề rộng lớn, chuyển dịch que hàn có thể thực hiện theo nhiều cách để đảm bảo chiều rộng mối hàn B = (3ữ5).dq. Thông th−ờng chuyển động que hàn theo đ−ờng dích dắc (1, 2, 3). Khi hàn các mối hàn góc, chữ T nếu cần nung nóng phần giữa nhiều thì dịch chuyển que hàn theo sơ đồ (4) và khi cần nung nóng nhiều hai bên mép hàn nh− theo sơ đồ (5). 5 4 3 2 1 H.2.17. Các ph−ơng pháp chuyển động que hàn Ph−ơng pháp hoàn thành mối hàn phụ thuộc vào chiều dày và chiều dài của chi tiết hàn : L < 250 L = 250ữ1000 L > 1000 L > 1000 H.2.18. Các ph−ơng pháp hoàn thành mối hàn 2.5.4. Hàn các vị trí khác hàn sấp 15 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn a/ hàn đứng (H.2.15a) Hàn đứng rất phức tạp và khó khăn vì kim loại lỏng dể chảy ra khỏi vũng hàn, có thể hàn từ trên xuống hoặc d−ới lên. Khi hàn phải nghiêng que hàn một góc: α = 10ữ150, chiều dài hồ quang phải ngắn, Ih phải giảm đi so với hàn sấp 15ữ20%; B = (1,5ữ2)dq; dq < 5 mm. α a/ b/ H.2.15. Kỹ thuật hàn đứng và hàn ngang b/ Hàn ngang (H.2.15b) Khi hàn ngang kim loại lỏng th−ờng bị chảy nhiều xuống mép d−ới. Yêu cầu trình độ thợ hàn phải cao, khi hàn nên vát mép trên để que hàn dể chuyển động. Các thông số kỹ thuật lấy giống hàn đứng, khi gây hồ quang nên từ mép d−ới chuyển lên. c/ Hàn trần (H.2.16c) Kim loại lỏng đ−ợc chuyển từ que hàn vào vũng hàn là nhờ sức căng bề mặt, c−ờng độ điện tr−ờng và áp lực khí. Khi hàn trần nên chọn: dq < 4 mm; Ih giảm từ 15ữ20%; chiều dài hồ quang ngắn. Dùng que hàn có thuốc bọc dày và có nhiệt độ nóng chảy cao hơn lõi que hàn để tạo ra hình phễu đỡ lấy kim loại lỏng ở vũng hàn. d/ Hàn góc (d) Khi hàn góc, kim loại bao giờ cũng có khuynh h−ớng chảy xuống mép d−ới, nên nếu vật hàn nhẹ thì nghiêng đi 450 để thực hiện mối hàn sấp. Nếu vật nặng thì khi hàn que hàn nên nằm trong mặt phẳng phân giác của kết cấu hàn. 45o c/ d/ H.2.16. Kỹ thuật hàn trần (c) và hàn góc (d) Ch−ơng 3: Hàn hồ quang tự động và bán tự động 16 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn 3.1. Thực chất và đặc điểm 3.1.1. Thực chất Hàn hồ quang tự động là quá trình hàn trong đó các khâu của quá trình đ−ợc tiến hành tự động bởi máy hàn, bao gồm: Gây hồ quang, chuyển dịch điện cực hàn xuống vũng hàn để duy trì hồ quang cháy ổn định, dịch chuyển điểm hàn dọc mối hàn, cấp thuốc hàn hoặc khí bảo vệ. Khi chỉ một số khâu trong quá trình hàn đ−ợc tự động hóa ng−ời ta gọi là hàn bán tự động. Th−ờng khi hàn bán tự động ng−ời ta chỉ tự động hóa khâu cấp điện cực hàn vào vũng hàn còn di chuyển điện cực thực hiện bằng tay. 3.1.2. Đặc điểm • Năng suất hàn cao (th−ờng gấp 5 - 10 so với hàn hồ quang tay) nhờ sử dụng dòng điện hàn cao. • Chất l−ợng mối hàn tốt và ổn định. • Tiết kiệm kim loại nhờ hệ số đắp cao. • Tiết kiệm năng l−ợng vì sử dụng triệt để nguồn nhiệt. • Cải thiện điều kiện lao động. • Thiết bị hàn tự động và bán tự động đắt, không hàn đ−ợc các kết cấu hàn và vị trí hàn phức tạp. 3.2- hàn hồ quang d−ới lớp thuốc bảo vệ 3.2.1. Thực chất, đặc điểm và phạm vi ứng dụng a. Thực chất Hàn hồ quang d−ới lớp thuốc bảo vệ còn gọi là hàn hồ quang chìm, tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding), là qúa trình hàn nóng chảy mà hồ quang cháy giữa dây hàn (điện cực hàn) và vật hàn d−ới một lớp thuốc bảo vệ. D−ới tác dụng nhiệt của hồ quang, mép hàn, dây hàn và một phần thuốc hàn sát hồ quang bị nóng chảy tạo thành vũng hàn. Dây hàn đ−ợc đẩy vào vũng hàn bằng một cơ cấu đặc biệt với tốc độ phù hợp với tốc độ cháy của nó (hình 1.1a). Theo độ chuyển dịch của nguồn nhiệt (hồ quang) mà kim loại vũng hàn sẽ nguội và kết tinh tạo thành mối hàn (hình 1.1b). Trên mặt vũng hàn và phần mối hàn đã đông đặc hình thành một lớp xỉ có tác dụng tham gia vào các qúa trình luyện kim khi hàn, bảo vệ và giữ nhiệt cho mối hàn, và sẽ tách khỏi mối hàn sau khi hàn. Phần thuốc hàn ch−a bị nóng chảy có thể sử dụng lại. Hàn hồ quang d−ới lớp thuốc bảo vệ có thể đ−ợc tự động cả hai khâu cấp dây vào vùng hồ quang và chuyển động hồ quang theo trục mối hàn. Tr−ờng hợp này đ−ợc gọi là "hàn hồ quang tự động d−ới lớp thuốc bảo vệ". Nếu chỉ tự động hoá khâu cấp dây hàn vào vùng hồ quang còn khâu chuyển động hồ quang dọc theo trục mối hàn đ−ợc thao tác bằng tay thì gọi là "hàn hồ quang bán tự động d−ới lớp thuốc bảo vệ". 17 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Hình 3.1. Sơ đồ hàn d−ới lớp thuốc bảo vệ a. Sơ đồ nguyên lý; b. Cắt dọc theo trục mối hàn Hàn hồ quang d−ới lớp thuốc bảo vệ có các đặc điểm sau: - Nhiệt l−ợng hồ quang rất tập trung và nhiệt độ rất cao, cho phép hàn tốc độ lớn. Vì vậy ph−ơng pháp hàn này có thể hàn những chi tiết có chiều dày lớn mà không cần phải vát mép. - Chất l−ợng liên kết hàn cao do bảo vệ tốt kim loại mối hàn khỏi tác dụng của ôxy và nitơ trong không khí xung quanh. Kim loại mối hàn đồng nhất về hành phần hoá học. Lớp thuốc và xỉ hàn làm liên kết nguội chậm nên ít bị thiên tích. Mối hàn có hình dạng tốt, đều đặn, ít bị khuyết tật nh− không ngấu, rỗ khí, nứt và bắn toé. - Giảm tiêu hao vật liệu hàn (dây hàn). - Hồ quang đ−ợc bao bọc kín bởi thuốc hàn nên không làm hại mắt và da của thợ hàn. L−ợng khói (khí độc) sinh ra trong qúa trình hàn rất ít so với hàn hồ quang tay. - Dễ cơ khí hoá và tự động hoá qúa trình hàn. b. Phạm vi ứng dụng Hàn hồ quang d−ới lớp thuốc bảo vệ có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cơ khí chế tạo, nh− trong sản xuất: các kết cấu thép dạng tấm vỏ kích th−ớc lớn, các dầm thép có khẩu độ và chiều cao, các ống thép có đ−ờng kính lớn, các bồn, bể chứa, bình chịu áp lực và trong công nghiệp đóng tàu... Tuy nhiên, ph−ơng pháp này chủ yếu đ−ợc ứng dụng để hàn các mối hàn ở vị trí hàn bằng, các mối hàn có chiều dài lớn và có quỹ đạo không phức tạp. 18 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Ph−ơng pháp hàn hồ quang d−ới lớp thuốc bảo vệ có thể hàn đ−ợc các chi tiết có chiều dày từ vài mm cho đến hàng trăm mm. Bảng 3-1 chỉ ra các chiều dày chi tiết hàn t−ơng ứng với hàn một lớp và nhiều lớp, có vát mép và không vát mép bằng ph−ơng pháp hàn tự động d−ới lớp thuốc bảo vệ. Chiều dày chi tiết hàn t−ơng ứng với các loại mối hàn Bảng 3-1 Chiều dày chi tiết (mm) Loại mối hàn 1,3 1,4 1,6 3,2 4,8 6,4 10 12,7 19 25 51 102 ← -- -- -- → Hàn một lớp không vát mép ← -- -- → Hàn một lớp có vát mép ← -- -- -- → Hàn nhiều lớp 3.2.2. Vật liệu, thiết bị hàn hồ quang tự động và bán tự động d−ới lớp thuốc bảo vệ a. Vật liệu hàn Chất l−ợng của liên kết hàn d−ới lớp thuốc bảo vệ đ−ợc xác định bằng tác động tổng hợp của dây hàn (điện cực hàn) và thuốc hàn. Dây hàn và thuốc hàn đ−ợc lựa chọn theo loại vật liệu cơ bản, các yêu cầu về cơ lý tính đối với liên kết hàn, cũng nh− điều kiện làm việc của nó. - Dây hàn: Trong hàn hồ quang tự động và bán tự động d−ới lớp thuốc bảo vệ, dây hàn là phần kim loại bổ sung vào mối hàn, đồng thời đóng vai trò điện cực dẫn điện, gây hồ quang và duy trì sự cháy hồ quang. Dây hàn th−ờng có hàm l−ợng C không quá 0,12%. Nếu hàm l−ợng C cao dễ làm giảm tính dẻo và tăng khả năng xuất hiện nứt trong mối hàn. Đ−ờng kính dây hàn hồ quang tự động d−ới lớp thuốc từ 1,6 ữ 6 mm, còn đối với hàn hồ quang bán tự động là từ 0,8 ữ 2 mm. - Thuốc hàn: có tác dụng bảo vệ vũng hàn, ổn định hồ quang, khử ôxy, hợp kim hoá kim loại mối hàn và đảm bảo liên kết hàn có hình dạng tốt, xỉ dễ bong. b. Thiết bị hàn hồ quang d−ới lớp thuốc bảo vệ Thiết bị hàn hồ quang d−ới lớp thuốc bảo vệ rất đa dạng, song hầu hết chúng lại rất giống nhau về nguyên lý và cấu tạo một số bộ phận chính. - Cơ cấu cấp dây hàn và bộ điều khiển để gây hồ quang và ổn định hồ quang (đầu hàn). - Cơ cấu dịch chuyển đầu hàn dọc theo trục mối hàn hay tạo ra các chuyển động t−ơng đối của chi tiết hàn so với đầu hàn. - Bộ phận cấp và thu thuốc hàn. - Nguồn điện hàn và các thiết bị điều khiển quá trình hàn. 19 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Tùy theo từng loại thiết bị cụ thể, các cơ cấu này có thể bố trí thành một khối hoặc thành các khối độc lập. Ví dụ trong các loại xe hàn hình 3.2 thì đầu hàn, cơ cấu dịch chuyển đầu hàn, cuộn dây hàn, cơ cấu cung cấp thuốc hàn và cả hệ thống điều khiển qúa trình hàn đ−ợc bố trí thành một khối. Nhờ vậy xe hàn có thể chuyển động trực tiếp theo mép rất linh động, nó có thể chuyển động theo các quỹ đạo khác nhau trên kết cấu dạng tấm, thậm chí có thể thực hiện đ−ợc các mối hàn vòng trên các mặt tròn và đ−ờng ống có đ−ờng kính lớn. Đối với máy hàn bán tự động d−ới lớp thuốc bảo vệ thì đầu hàn đ−ợc thay bằng mỏ hàn hay súng hàn nhỏ gọn, dễ điều khiển bằng tay. Cơ cấu cấp dây hàn có thể bố trí rời hoặc cùng khối trong nguồn hàn với các cơ cấu khác. Nguồn điện hàn hồ quang d−ới lớp thuốc bảo vệ phải có hệ số làm việc liên tục 100% và có phạm vi điều khiển dòng điện rộng từ vài trăm đến vài ngàn ampe. Máy hàn bán tự động d−ới lớp thuốc Dây hàn đ−ợc cấp tự động từ cơ cấu cấp dây (3), qua ống mềm (4) tới tay cầm (5). Thuốc hàn đ−ợc cấp qua phễu (6). 5 1 6 2 3 4 MPH 8 7 H.3.3. Sơ đồ thiết bị hàn bán tự động d−ới lớp thuốc hàn 1/ Máy phát dòng điện hàn, 2/ Tủ điều khiển điện, 3/ Thiết bị cấp dây hàn 4/ ống dẫn dây hàn, 5/ Tay cầm, 6/ Phễu chứa thuốc hàn, 7/ Công tắc, 8/ Vật hàn Trên tay cầm có công tắc đóng cắt dòng điện hàn và cơ cấu cấp dây. Máy phát hoặc biến áp hàn (1) cấp dòng điện hàn, còn tủ điện (2) điều khiển việc cấp dây và kiểm tra chế độ hàn. 20 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn 3.2.3. Công nghệ hàn hồ quang d−ới lớp thuốc bảo vệ a. Chuẩn bị liên kết tr−ớc khi hàn Chuẩn bị vát mép và gá lắp vật hàn cho hàn hồ quang d−ới lớp thuốc bảo vệ yêu cầu cẩn thận hơn nhiều so với hàn hồ quang bằng tay. Mép hàn phải bằng phẳng, khe hở hàn đều để cho mối hàn đều đặn, không bị cong vênh, rỗ... Với hàn hồ quang d−ới lớp thuốc bảo vệ, những liên kết hàn có chiều dày nhỏ hơn 20 mm không phải vát mép khi hàn hai phía. Những liên kết hàn có chiều dày lớn có thể vát mép bằng mỏ cắt khí, máy cắt plasma hoặc gia công trên máy cắt kim loại. Tr−ớc khi hàn phải làm sạch mép trên một chiều rộng 50 ữ 60 mm về cả hai phía của mối hàn, sau đó hàn đính bằng que hàn chất l−ợng cao. b. Chế độ hàn Dòng điện hàn: Chiều sâu ngấu của liên kết hàn tỷ lệ thuận với dòng điện hàn. Tuy nhiên khi tăng dòng điện, l−ợng dây hàn nóng chảy tăng theo, hồ quang chìm sâu vào kim loại cơ bản nên chiều rộng của mối hàn không tăng rõ rệt mà chỉ tăng chiều cao phần nhô của mối hàn, tạo ra sự tập trung ứng suất, giảm chất l−ợng bề mặt mối hàn, xỉ khó tách. Nếu dòng điện quá nhỏ thì chiều sâu ngấu sẽ giảm, không đáp ứng yêu cầu (hình 3.3). Th−ờng chọn 100 A/mm. B B B e e e Dòng điện quá nhỏ Dòng điện hợp lý Dòng điện quá lớn chiều cao không đủ ngấu mối hàn tăng Hình.3.3. ảnh h−ởng của dòng điện hàn tới hình dáng mối hàn. Điện thế hồ quang: Hồ quang dài thì điện thế hồ quang cao, áp lực của nó lên kim loại lỏng giảm, do đó chiều sâu ngấu giảm và tăng chiều rộng mối hàn. Điều chỉnh tốc độ cấp dây thì điện thế cột hồ quang sẽ thấp và ng−ợc lại. Tốc độ hàn: Tốc độ hàn tăng, nhiệt l−ợng hồ quang trên đơn vị chiều dài của mối hàn sẽ giảm, do đó độ sâu ngấu giảm, đồng thời chiều rộng mối hàn giảm. Theo công thức kinh nghiệm, khi hàn thép với chiều dày vật hàn s = 8ữ14 mm đ−ợc xác định theo công thức sau: 25.000 Vh = (m/h) Ih Đ−ờng kính dây hàn: Khi đ−ờng kính dây hàn tăng mà dòng điện không đổi thì chiều sâu ngấu giảm t−ơng ứng. Đ−ờng kính dây hàn giảm thì hồ quang ăn sâu hơn vào kim loại cơ bản, do đó mối hàn sẽ hẹp và chiều sâu ngấu lớn. 21 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Các yếu tố công nghệ khác (độ dài phần nhô của dây hàn, loại và cực tính dòng điện hàn...): Độ dài phần nhô của dây hàn tăng lên thì tác dụng nung nóng của kim loại điện cực tr−ớc khi vào vùng hồ quang tăng lên. Vận tốc cấp dây hàn (Vd): 4. Vh . F Vd = (m/h) π. d 2 Trong đó F là tiết diện ngang mối hàn, d là đ−ờng kính dây hàn. Với các loại hàn đang dùng hiện nay, khi đổi từ nối thuận sang nối nghịch, chiều sâu ngấu sẽ tăng lên. Hàn bằng dòng xoay chiều có chiều sâu ngấu ở mức trung bình so với khi hàn bằng dòng một chiều nối thuận và nối nghịch. Cỡ của hạt thuốc hàn có ảnh h−ởng nhất định đến độ ngấu của mối hàn. Thuốc hàn có cỡ hạt nhỏ sẽ làm giảm bớt tính hoạt động của hồ quang và làm tăng chiều sâu ngấu. c. Kỹ thuật hàn Khi hàn giáp mối một lớp, để tránh cháy thủng, để có độ ngấu hoàn toàn và có sự tạo hình tốt ở mặt trái của mối hàn ta có thể áp dụng các biện pháp nh−: hàn lót phía d−ới, dùng đệm thép, đệm thuốc, dùng khoá chân hoặc tấm đệm. 2 1 δ δn 3 4 bn a) b) δ δn δ 5 6 c) d) e) Hình 3.5. Biện pháp chống kim loại chảy khỏi khe hở hàn δn = (0,3 ữ0,5)δ; bn = 4δ + 5 1. Chi tiết hàn; 2. mối hàn; 3 mối hàn lót; 4. Đệm thép; 5. Đệm đồng; 6. Đệm đồng + thuốc hàn Nếu chiều dày vật hàn t−ơng đối lớn, có thể hàn lót bằng ph−ơng pháp thủ công, rồi sau đó mới hàn chính thức (hình 3.5a). Trong tr−ờng hợp không thể hàn lớp lót đ−ợc, có thể dùng đệm thép cố định để có thể hàn ngấu hoàn toàn (hình 3.5b). Khoá chân (hình 3.5c) t−ơng tự nh− hàn với đệm thép. Khoá chân hay dùng cho mối hàn của các vật hình trụ nh− ống, bồn chứa, nồi hơi... Có thể dùng tấm đệm rời bằng đồng hoặc đệm đồng kết hợp với thuốc nh− ở hình 3.5e. Khi hàn hồ quang tự động hoặc bán tự động d−ới lớp thuốc bảo vệ, tốt nhất nên dùng đệm thuốc để ngăn kim loại lỏng chảy khỏi khe hở hàn. 3.3. hàn hồ quang nóng chảy trong môi tr−ờng khí bảo vệ 3.3.1. Thực chất, đặc điểm và phạm vi ứng dụng 22 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn a. Thực chất và đặc điểm Hàn hồ quang nóng chảy trong môi tr−ờng khí bảo vệ là quá trình hàn nóng chảy trong đó nguồn nhiệt hàn đ−ợc cung cấp bởi hồ quang tạo ra giữa điện cực nóng chảy (dây hàn) và vật hàn; hồ quang và kim loại nóng chảy đ−ợc bảo vệ khỏi tác dụng của ôxy và nitơ trong môi tr−ờng xung quanh bởi một loại khí hoặc một hỗn hợp khí. Tiếng Anh ph−ơng pháp này gọi là GMAW (Gas Metal Arc Welding). Hình 3.6. Sơ đồ hàn hồ quang nóng chảy trong môi tr−ờng khí bảo vệ a. Sơ đồ nguyên lý; b. Sơ đồ thiết bị Khí bảo vệ có thể là khí trơ (Ar; He hoặc hỗn hợp Ar+He) không tác dụng với kim loại lỏng trong khi hàn hoặc là các loại khí hoạt tính (CO2; CO2+O2; CO2+Ar...) có tác dụng đẩy không khí ra khỏi vùng hàn và hạn chế tác dụng xấu của nó. Khi điện cực hàn hay dây hàn đ−ợc cấp tự động vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây, còn sự dịch chuyển hồ quang dọc theo mối hàn đ−ợc thao tác bằng tay thì gọi là hàn hồ quang bán tự động trong môi tr−ờng khí bảo vệ. Nếu tất cả chuyển động cơ bản đ−ợc cơ khí hoá thì đ−ợc gọi là hàn hồ quang tự động trong môi tr−ờng khí bảo vệ. Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi tr−ờng khí trơ (Ar; He) tiếng Anh gọi là ph−ơng pháp hàn MIG (Metal Inert Gas). Vì các loại khí trơ có giá thành cao nên không đ−ợc ứng dụng rộng rãi, chỉ dùng để hàn kim loại màu và thép hợp kim. Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi tr−ờng khí hoạt tính (CO2; CO2+O2...) tiếng Anh gọi là ph−ơng pháp hàn MAG (Metal Active Gas). Ph−ơng pháp hàn MAG sử dụng khí bảo vệ CO2 đ−ợc phát triển rộng rãi do có rất nhiều −u điểm: 23 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn - CO2 là loại khí dễ kiếm, dễ sản xuất và giá thành thấp. - Năng suất hàn trong CO2 cao, gấp hơn 2,5 lần so với hàn hồ quang tay. - Tính công nghệ của hàn CO2 cao hơn so với hàn hồ quang d−ới lớp thuốc vì có thể tiến hành ở mọi vị trí không gian khác nhau. - Chất l−ợng hàn cao, sản phẩm hàn ít bị cong vênh do tốc độ hàn cao, nguồn nhiệt tập trung, hiệu suất sử dụng nhiệt lớn, vùng ảnh h−ởng nhiệt hẹp. - Điều kiện lao động tốt hơn so với với hàn hồ quang tay và trong qúa trình hàn không phát sinh khí độc. b. Phạm vi ứng dụng Trong nền công nghiệp hiện đại, hàn hồ quang nóng chảy trong môi tr−ờng khí bảo vệ chiếm một vị trí rất quan trọng. Nó không những có thể hàn các loại thép kết cấu thông th−ờng mà còn có thể hàn các loại thép không gỉ, thép chịu nhiệt, thép bền nóng, các hợp kim đặc biệt, các hợp kim nhôm, magiê, niken, đồng, các hợp kim có ái lực hoá học mạnh với ôxy. Ph−ơng pháp này có thể sử dụng đ−ợc ở mọi vị trí trong không gian, chiều dày vật hàn từ 0,4 ữ 4,8 mm thì chỉ cần hàn một lớp mà không phải vát mép; từ 1,6 ữ 10 mm hàn một lớp có vát mép; còn từ 3,2 ữ 25 mm thì hàn nhiều lớp. 1.2.2- Vật liệu, thiết bị hàn hồ quang nóng chảy trong môi tr−ờng khí bảo vệ a. Vật liệu hàn Dây hàn Khi hàn trong môi tr−ờng khí bảo vệ, sự hợp kim hoá kim loại mối hàn cũng nh− các tính chất yêu cầu của mối hàn đ−ợc thực hiện chủ yếu thông qua dây hàn. Do vậy, những đặc tính của qúa trình công nghệ hàn phụ thuộc rất nhiều vào tình trạng và chất l−ợng dây hàn. Khi hàn MAG, đ−ờng kính dây hàn từ 0,8 ữ 2,4 mm. Sự ổn định của qúa trình hàn cũng nh− chất l−ợng của liên kết hàn phụ thuộc nhiều vào tình trạng bề mặt dây hàn. Cần chú ý đến ph−ơng pháp bảo quản, cất giữ và biện pháp làm sạch dây hàn nếu dây bị gỉ hoặc bẩn. Một trong những cách để giải quyết là sử dụng dây có bọc lớp mạ đồng. Dây mạ đồng sẽ nâng cao chất l−ợng bề mặt và khả năng chống gỉ, đồng thời nâng cao tính ổn định của qúa trình hàn. Theo hệ thống tiêu chuẩn AWS, ký hiệu dùng cho dây hàn thép C nh− sau: ER 70 S- X trong đó, ER: ký hiệu điện cực hàn hoặc que hàn phụ. 70: độ bền kéo nhỏ nhất (ksi). S: dây hàn đặc. X: thành phần hoá học và khí bảo vệ. Một số loại dây hàn thép C thông dụng Bảng 1-2 Điều kiện hàn Cơ tính 24 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Ký hiệu theo Độ bền kéo Giới hạn chảy Độ dãn AWS Cực tính Khí bảo vệ của liên kết của mối hàn dài % (min-psi) (min-psi) (min) E70S-2 DCEP CO2 72000 60000 22 E70S-3 DCEP CO2 72000 60000 22 E70S-4 DCEP CO2 72000 60000 22 E70S-5 DCEP CO2 72000 60000 22 E70S-6 DCEP CO2 72000 60000 22 E70S-7 DCEP CO2 72000 60000 22 DCEP là dây hàn nối với cực d−ơng của nguồn điện (đấu nghịch) Ký hiệu theo Thành phần hoá học (%) AWS C Mn Si Các nguyên tố khác Ti: 0,05ữ0,15; Zi: 0,02 ữ E70S-2 0,6 0,40ữ0,70 0,12; Al: 0,05ữ0,15 E70S-3 0,06ữ0,15 0,90ữ1,40 0,45ữ0,70 E70S-4 0,07ữ0,15 0,65ữ0,85 E70S-5 0,07ữ0,19 Al: 0,50ữ0,90 0,30ữ0,60 E70S-6 0,07ữ0,15 1,40ữ1,85 0,80ữ1,15 E70S-7 0,07ữ0,15 1,50ữ2,00 0,50ữ0,80 Khí bảo vệ Khí Ar tinh khiết (~ 100%) th−ờng dùng để hàn các vật liệu thép. Khí He tinh khiết (~ 100%) th−ờng đ−ợc dùng để hàn các liên kết có kích th−ớc lớn, các vật liệu có tính giãn nở nhiệt cao nh− Al, Mg. Cu... Argon là khí trơ th−ờng chứa trong bình thép với áp suất 150 at, dung tích 40 lít. argon không cháy, không nổ và khi làm việc phải đ−ợc giảm áp suất từ 150 đến 0,5 at và duy trì không đổi nhờ van giảm áp tự điều chỉnh. Khí CO2 dùng để hàn phải có độ sạch đến trên 99,5%, áp suất trong bình khoảng (50 - 60) at. Đây là khí hoạt tính khi ở nhiệt độ cao nó phân ly ra CO và ôxy nguyên tử, cho nên CO2 có tác dụng bảo vệ tốt vì CO ít hoà tan trong kim loại lỏng và có tác dụng khử ôxy. CO2 đ−ợc dùng rộng rãi để hàn thép C trung bình do giá thành thấp, mối hàn ổn định, cơ tính của liên kết hàn đạt yêu cầu, tốc độ hàn cao và độ ngấu sâu. Nh−ợc điểm của hàn trong khí bào vệ CO2 là gây bắn toé kim loại lỏng. Một số loại khí bảo vệ t−ơng ứng với kim loại cơ bản Bảng 3-3 Khí bảo vệ Kim loại cơ bản 25 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Ar (He) Kim loại và hợp kim không có sắt. Ar + 1% O2 Thép austenit Ar + 2% O2 Thép ferit (hàn đứng từ trên xuống) Ar + 5% O2 Thép ferit (hàn tấm mỏng, hàn đứng từ trên xuống) Ar + 20% CO2 Thép ferit và austenit (hàn ở mọi vị trí) Ar + 15% CO2 + 5% O2 Thép ferit và austenit (hàn ở mọi vị trí) CO2 Thép ferit (hàn ở mọi vị trí) Thiết bị hàn Hình (H.3.6) trình bày sơ đồ một thiết bị hàn hồ quang trong môi tr−ờng khí Acgông với điện cực nóng chảy. 23 4 5 6 x 7 8 ĐC MP 1 9 MPH 10 12 11 H.3.7. Sơ đồ máy hàn tự động trong môi tr−ờng khí bảo vệ 1. Bình khí acgông 2. Van giảm áp 3. Đồng hồ đo áp 4. Van tiết l−u 5. Máy phát một chiều 6. Động cơ quay cơ cấu cấp dây 7. Dây hàn 8. Cơ cấu cấp dây 9. Đ−ờng dẫn khí 10. Màng khí bảo vệ 11).Vật hàn 12) Biến trở Trong quá trình hàn, khí Acgông từ bình chứa (1) qua van giảm áp (2) và van tiết l−u (4) đ−ợc cấp vào vùng vũng hàn tạo thành màng khí ngăn cách vũng hàn với môi tr−ờng khí quyển. Khi hàn hồ quang tự động trong môi tr−ờng khí Acgông, dòng điện hàn từ (30 - 400) A, l−ợng tiêu thụ khí khoảng (300 - 900) lít/h. Ưu điểm của hàn khí Acgon là mối hàn đẹp không rỗ, không có xỉ, chất l−ợng mối hàn tốt, đặc biệt chuyên dùng để hàn thép hợp kim có chiều dày S < 5 mm. Hệ thống thiết bị cần thiết dùng cho hàn hồ quang nóng chảy trong môi tr−ờng khí bảo vệ bao gồm: nguồn điện hàn, cơ cấu cấp dây hàn tự động, mỏ hàn hay súng hàn đi cùng các đ−ờng ống dẫn khí, dẫn dây hàn và cáp điện, chai chứa khí bảo vệ kèm theo bộ đồng hồ, l−u l−ợng kế và van khí. Hình sau trình bày sơ đồ thiết bị hàn bán tự động trong môi tr−ờng khí CO2 bằng điện cực nóng chảy. Khi hàn, khí CO2 đ−ợc phun vào vùng mối hàn, d−ới tác dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang khí bị phân huỷ theo phản ứng: CO2 = 2CO +O2 26 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Khí CO không hoà tan vào thép, hình thành môi tr−ờng bảo vệ khi hàn, để tránh sự ôxy hóa của ôxy ng−ời ta sử dụng que hàn phụ có hàm l−ợng Mn và Si cao. 45 2 3 6 9 x 7 1 10 8 11 H.3.8. Sơ đồ thiết bị hàn bán tự động trong môi tr−ờng khí CO2 1/ Bình khí; 2/ Thiết bị nung khí; 3/ Van giảm áp; 4/ áp kế; 5)Van tiết l−u; 6/ ống dẫn khí; 7/ Thiết bị cấp dây hàn; 8/ Máy phát điện 9/ ống dẫn dây hàn; 10/ Tay cầm; 11/ Vật hàn Mỏ hàn (súng hàn) bao gồm bép tiết diện để chuyển dòng điện hàn đến dây hàn, đ−ờng dẫn khí và chụp khí để h−ớng dòng khí bảo vệ bao quanh vùng hồ quang, bộ phận làm nguội có thể bằng khí hoặc n−ớc tuần hoàn, công tắc đóng ngắt đồng bộ dòng điện hàn, dây hàn và dòng khí bảo vệ. Nguồn điện hàn thông th−ờng là nguồn điện một chiều DC. Nguồn điện xoay chiều AC không thích hợp do hồ quang bị tắt nửa chu kỳ và sự chỉnh l−u chu kỳ phân cực nguội làm cho hồ quang không ổn định. Hình 3.9. Mỏ hàn cổ cong, làm nguội bằng khí Đặc tính ngoài của nguồn điện hàn thông th−ờng là đặc tính cứng (điện áp không đổi). Điều này đ−ợc dùng với tốc độ cấp dây hàn không đổi, cho phép điều chỉnh tự động chiều dài hồ quang. 1.2.3. Công nghệ hàn hồ quang nóng chảy trong môi tr−ờng khí bảo vệ 27 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn a. Chuẩn bị liên kết tr−ớc khi hàn Các yêu cầu về hình dáng, kích th−ớc, bề mặt liên kết trong ph−ơng pháp hàn hồ quang nóng chảy trong môi tr−ờng khí bảo vệ t−ơng tự nh− ở các ph−ơng pháp hàn khác. Tuy nhiên, do đ−ờng kính của dây hàn nhỏ hơn so với hàn d−ới lớp thuốc bảo vệ nên góc vát mép sẽ nhỏ hơn (th−ờng khoảng 45 ữ 600) do dây hàn có khả năng ăn sâu vào trong rãnh hàn. b. Các dạng truyền kim loại lỏng vào vũng hàn Truyền kim loại dạng cầu Giọt kim loại hình thành chậm trên điện cực và l−u lại ở đây lâu. Nếu kích th−ớc giọt kim loại lỏng đủ lớn, giọt kim loại lỏng sẽ chuyển vào vũng hàn theo các h−ớng khác nhau (đồng trục hoặc lệch trục dây hàn) do trọng lực hoặc do sự đoản mạch. Kích th−ớc giọt kim loại lỏng dạng cầu phụ thuộc vào loại khí sử dụng, vào vật liệu và kích th−ớc điện cực, điện áp hồ quang, c−ờng độ dòng điện và cực tính. Khi điện áp hồ quang và kích th−ớc điện cực tăng thì đ−ờng kính giọt tăng. C−ờng độ dòng điện tăng sẽ làm giảm đ−ờng kính giọt. Quá trình hàn với sự truyền kim loại dạng cầu đ−ợc ứng dụng chủ yếu cho các liên kết hàn bằng. Truyền kim loại dạng phun ở dạng này, kim loại đi qua hồ quang ở dạng giọt rất nhỏ đ−ợc định h−ớng đồng trục. Đ−ờng kính giọt kim loại bằng hoặc nhỏ hơn đ−ờng kính điện cực. Hàn hồ quang kiểu phun rất thích hợp để hàn các chi tiết t−ơng đối dày với dòng điện cao và hàn ở vị trí hàn đứng từ trên xuống. Truyền kim loại dạng ngắn mạch hoặc nhỏ giọt Kỹ thuật hàn hồ quang ngắn mạch hoặc nhỏ giọt thích hợp khi hàn các tấm mỏng ở các vị trí hàn khác nhau. Kỹ thuật hàn truyền kim loại dạng nhỏ giọt sử dụng dây hàn đ−ờng kính nhỏ (0,8 ữ 1,6mm), điện áp hồ quang thấp (16 ữ 22V), dòng điện thấp (60 ữ 180A). Kỹ thuật hàn này ít gây ra bắn toé giọt kim loại lỏng. c. Chế độ hàn Dòng điện hàn Dòng điện hàn đ−ợc chọn phụ thuộc vào kích th−ớc điện cực (dây hàn), dạng truyền kim loại và chiều dày của liên kết hàn. Khi dòng điện quá thấp sẽ không đảm bảo ngấu hết chiều dày liên kết, giảm độ bền của mối hàn. Khi dòng điện quá cao sẽ làm tăng sự bắn toé kim loại, gây ra rỗ xốp, biến dạng, mối hàn không ổn định. Với loại nguồn điện có đặc tính ngoài cứng (điện áp không đổi) dòng điện hàn 28 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn tăng khi tăng tốc độ cấp dây và ng−ợc lại. Điện áp hàn Đây là thông số rất quan trọng trong hàn GMAW, quyết định dạng truyền kim loại lỏng. Điện áp hàn sử dụng phụ thuộc vào chiều dày chi tiết hàn, kiểu liên kết, kích cỡ và thành phần điện cực, thành phần khí bảo vệ, vị trí hàn... Để có đ−ợc giá trị điện áp hàn hợp lý, có thể phải hàn thử vài lần, bắt đầu bằng giá trị điện áp hồ quang theo tính toán hay tra bảng, sau đó tăng hoặc giảm theo quan sát đ−ờng hàn để chọn giá trị điện áp thích hợp. Tốc độ hàn Tốc độ hàn phụ thuộc rất nhiều vào trình độ tay nghề của thợ hàn. Tốc độ hàn quyết định chiều sâu ngấu của mối hàn. Nếu tốc độ hàn thấp, kích th−ớc vũng hàn sẽ lớn và ngấu sâu. Khi tăng tốc độ àn, tốc độ cấp nhiệt của hồ quang sẽ giảm, làm giảm độ ngấu và thu hẹp đ−ờng hàn. Phần nhô của điện cực hàn Đó là khoảng cách giữa đầu điện cực và mép bét tiết diện (hình 1.9). Khi tăng chiều dài phần nhô, nhiệt nung nóng đoạn dây hàn này sẽ tăng, dẫn tới l;àm giảm c−ờng độ dòng điện hàn cần thiết để nóng chảy điện cực theo tốc độ cấp dây nhất định. Khoảng cách này rất quan trọng khi hàn thép không gỉ, sự biến thiên nhỏ cũng có thể làm tăng sự biến thiên dòng điện một cách rõ rệt. Chiều dài phần nhô quá lớn sẽ làm d− kim loại nóng chảy ở mối hàn, làm giảm độ ngấu và lãng phí kim loại hàn. Tính ổn định của hồ quang cũng bị ảnh h−ởng. Nếu chiều dài phần nhô quá nhỏ sẽ gây ra sự bắn toe, kim loại lỏng dính vào mỏ hàn, chụp khí làm cản trở dòng khí bảo vệ, gây ra rỗ xốp trong mối hàn. Dòng điện hàn (A) 250 Dây hàn đ−ờng Chụp khí Bép tiết diện 200 kính 1,2 mm Khoảng cách 150 Phần nhô điện cực hàn chụp khí- chi tiết Dây hàn đ−ờng Khoảng cách bép 100 kính 0,8mm tiết diện- chi tiết 50 0 Chiều dài hồ quang 3,15 6,4 9,5 12,7 15,9 19 22,2 Phần nhô điện cực (mm) a) b) Hình 3.10. Chiều dài điện cực phía ngoài mỏ hàn (a) và quan hệ dòng điện - phần nhô điện cực (b) d. Kỹ thuật hàn Khi hàn một phía, cần phải có đệm lót thích hợp ở d−ới đ−ờng hàn. Đôi khi có thể thực hiện đ−ờng hàn chân (hàn lót) bằng kỹ thuật ngắn mạch để có độ ngấu đồng đều, sau đó các lớp tiếp theo đ−ợc thực hiện bằng kỹ thuật truyền kiểu phun với dòng 29 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn điện cao. Cũng nh− với mọi ph−ơng pháp hàn hồ quang khác, góc độ và vị trí mỏ hàn và điện cực với đ−ờng hàn có ảnh h−ởng rõ rết tới độ ngấu và hình dạng mối hàn. Góc mỏ hàn th−ờng nghiêng khoảng 10 ữ 200 so với chiều thẳng đứng. 1.3- hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi tr−ờng khí trơ 1.3.1- Thực chất, đặc điểm và phạm vi ứng dụng Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi tr−ờng khí trơ (GTAW) là qúa trình hàn nóng chảy, trong đó nguồn nhiệt cung cấp bởi hồ quang đ−ợc tạo thành giữa điện cực không nóng chảy và vũng hàn (hình 3.13). Vùng hồ quang đ−ợc bảo vệ bằng môi tr−ờng khí trơ (Ar, He hoặc Ar+He) để ngăn cản những tác động có hại của ôxy và nitơ trong không khí. Điện cực không nóng chảy th−ờng dùng là Volfram nên ph−ơng pháp hàn này tiếng Anh gọi là TIG (Tungsten Inert Gas). Vũng hồ quang đ−ợc chỉ ra trên hình 3.14. Hồ quang trong àn TIG có nhiệt độ rất cao, có thể đạt tới hơn 61000C. Kim loại mối hàn có thể tạo thành chỉ từ kim loại cơ bản khi hàn những chi tiết mỏng với liên kết gấp mép, hoặc đ−ợc bổ sung từ que hàn phụ. Toàn bộ vũng hàn đ−ợc bao bọc bởi khí trơ thổi ra từ chụp khí. Ph−ơng pháp này có một số −u điểm đáng chú ý: - Tạo mối hàn có chất l−ợng cao đối với hầu hết kim loại và hợp kim. - Mối hàn không phải làm sạch sau khi hàn. - Hồ quang và vũng hàn có thể quan sát đ−ợc trong khi hàn. - Không có kim loại bắn toé. - Có thể hàn ở mọi vị trí trong không gian. - Nhiệt tập trung cho phép tăng tốc độ hàn, giảm biến dạng liên kết hàn. Hình 3.11- Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang nóng chảy trong môi tr−ờng khí trơ. Ph−ơng pháp hàn TIG đ−ợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, đặc biệt rất 30 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn thích hợp trong hàn thép hợp kim cao, kim loại màu và hợp kim của chúng... Ph−ơng pháp hàn này thông th−ờng đ−ợc thao tác bằng tay và có thể tự động hoá hai khâu di chuyển hồ quang cũng nh− cấp dây hàn phụ. Hình 3.12. Vùng hồ quang và vũng hàn. 1.3.2- Vật liệu và thiết bị hàn TIG a. Vật liệu Vật liệu sử dụng trong ph−ơng pháp hàn TIG bao gồm: khí bảo vệ, điện cực Wolfram và que hàn phụ. Khí bảo vệ (khí trơ) Ar là khí đ−ợc điều chế từ khí quyển bằng ph−ơng pháp hoá lỏng không khí và tinh chế đến độ tinh khiết 99,99%. Khí này đ−ợc cung cấp trong các bình d−ới áp suất cao hoặc ở dạng lỏng với nhiệt độ d−ới -1840C trong các thùng chứa lớn. He có trọng l−ợng riêng bằng hoảng 1/10 so với Ar đ−ợc lấy từ khí tự nhiên, th−ờng đ−ợc chứa trong các bình d−ới áp suất cao. Sau khi ra khỏi chụp khí ở mỏ hàn, Ar tạo thành lớp bảo vệ phía trên vùng hàn. Do nhẹ hơn, He có xu h−ớng dâng lên tạo thành cuộn xoáy xung quanh hồ quang. Để bảo vệ hiệu quả, l−u l−ợng He phải gấp 2 ữ 3 lần so với Ar. Đặc tính quan trọng khác của He là đòi hỏi điện áp hồ quang cao hơn với cùng chiều dài hồ quang và dòng điện so với Ar. Hồ quang He nóng hơn so với Ar; He th−ờng dùng để hàn các vật liệu có chiều dày lớn, có độ dẫn nhiệt cao (nh− Cu) hoặc nhiệt độ nóng chảy cao. Điểm khác biệt nữa là Ar cho tính ổn định hồ quang nh− nhau đối với dòng điện xoay chiều (AC) và một chiều (DC) và có tác dụng làm sạch tốt với dòng AC. Trong lúc đó, He tạo hồ quang ổn định với dòng điện DC nh−ng tính ổn định hồ quang và tác dụng làm sạch với dòng AC t−ơng đối thấp. Do đó khi cần hàn Al, Mg bằng dòng AC thì nên dùng Ar. Các hỗn hợp Ar và He với hàm l−ợng He đến 75% đ−ợc sử dụng khi cần sự cân bằng giữa các đặc tính của hai loại khí này. 31 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Có thể bổ sung H2 vào Ar khi hàn cáchk Ni, Ni-Cu, thép không gỉ. Điện cực Wolfram Wolfram đ−ợc dùng làm điện cực do có tính chịu nhiệt cao (nhiệt độ nóng chảy là 34100C), phát xạ điện tử t−ơng đối tốt, làm iôn hoá hồ quang và duy trì tính ổn định hồ quang. Wolfram có tính chống ôxy hoá rất cao. Bảng 3-4 Thành phần hoá học của một số loại điện cực Volfram Tiêu chuẩn AWS W (min) Th Zr Tổng tạp chất % % % (max) % EWP 99,5 - - 0,5 0,8 ữ 1,2 EWTh-1 98,5 - 0,5 1,7 ữ 2,2 EWTh-2 97,5 - 0,5 EWTh-3 98,95 - 0,5 0,35 ữ 0,55 0,15 ữ 0,40 EWZr 99,2 0,5 - Các điện cực Wolfram có đ−ờng kính 0,25 ữ 6,4 mm với chiều dài 76 ữ 610 mm. Các điện cực Wolfram có thêm Thori (Th) có tính phát xạ điện tử, dẫn điện và chống nhiễm bẩn tốt, mồi hồ quang tốt hơn và hồ quang ổn định hơn. Các điện cực Wolfram có thêm Zircon (Zr) có các tính chất trung gian giữa điện cực W và điện cực W-Th. Màu nhận diện một số loại điện cực thông dụng Bảng 3-5 Ký hiệu Thành phần Màu nhận diện EWP Wolfram tinh khiết Xanh lá cây EWCe-2 97,3% W, 2% oxit ceri Da cam EWLa-1 98,3% W, 1% oxit lantan Đen EWTh-1 98,3% W, 1% oxit thori Vàng EWTh-2 97,3% W, 2% oxit thori Đỏ EWZa-1 99,1% W, 0,25% oxit zircon Nâu EWG 94,5% W Xám Một số yêu cầu khi sử dụng điện cực Wolfram: - Cần chọn dòng điện thích hợp với kích cỡ điện cực đ−ợc sử dụng. Dòng điện quá cao sẽ làm hỏng đầu điện cực, dòng điện quá thấp sẽ gây ra sự ăn mòn, nhiệt độ thấp và hồ quang không ổn định. - Đầu điện cực phải đ−ợc mài hợp lý theo h−ớng dẫn kèm theo điện cực. - Điện cực phải đ−ợc sử dụng và bảo quản cẩn thận, tránh nhiễm bẩn. - Dòng khí bảo vệ phải đ−ợc duy trì không chỉ tr−ớc và trong khi hàn mà cả sau khi ngắt hồ quang cho đến khi điện cực nguội. - Phần nhô điện cực ở phía ngoài mỏ hàn (chụp khí) phải đ−ợc giữ ở mức ngắn nhất, tùy theo ứng dụng và thiết bị để dảm bảo đ−ợc bảo vệ tốt bằng dòng khí trơ. 32 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn - Cần tránh sự nhiễm bẩn điện cực, sự tiếp xúc giữa điện cực nóng với kim loại mối hàn. - Thiế bị, đặc biệt là chụp khí phải đ−ợc bảo vệ và làm sạch. Đầu chụp khí bị bẩn sẽ ảnh h−ởng tới khí bảo vệ, ảnh h−ởng tới hồ quang hàn; do đó làm giảm chất l−ợng mối hàn. Que hàn phụ Que hàn phụ có các kích th−ớc tiêu chuẩn theo ISO/R564 nh− sau: chiều dài từ 500 ữ 1000 mm với đ−ờng kính 1,2; 1,6; 2; 2,4; 3,2 mm. Các loại que hàn phụ gồm có: đồng và hợp kim đồng, thép không gỉ Cr cao và Cr-Ni, nhôm và hợp kim nhôm, thép C thấp, thép hợp kim thấp... b. Thiết bị dùng cho hàn TIG Thiết bị dùng cho hàn TIG có các bộ phận chính sau (hình 1.13): - Nguồn điện hàn, bao gồm cả hệ thống điều khiển khí bảo vệ, n−ớc làm mát, dòng điện và điện áp hàn. - Mỏ hàn; - Chai chứa khí trơ và van điều khiển l−u l−ợng khí. Mỏ hàn TIG Chức năng của mỏ hàn TIG là dẫn dòng điện và khí trơ vào vùng hàn. Điện cực Wolfram dẫn điện đ−ợc giữ chắc chắn trong mỏ hàn bằng đai giữ với các vít lắp bên trong thân mỏ hàn. Hình 3.13. Cấu tạo mỏ hàn TIG. a) Mỏ hàn TIG làm mát bằng n−ớc; b) Mỏ hàn TIG có ống hội tụ khí. Các đai này có kích th−ớc phù hợp với đ−ờng kính điện cực. Khí đ−ợc cung cấp vào vùng hàn qua chụp khí. Chụp khí có ren đ−ợc lắp vào đầu mỏ hàn để h−ớng và phân phối dòng khí bảo vệ. Mỏ hàn có các kích th−ớc và hình dáng khác nhau phù hợp với từng công việc hàn cụ thể. Mỏ hàn TIG đ−ợc phân làm 2 loại theo cơ cấu làm mát: - Mỏ hàn làm mát bằng khí - t−ơng ứng với c−ờng độ dòng điện hàn < 120A. - Mỏ hàn làm mát bằng n−ớc - t−ơng ứng với c−ờng độ dòng điện hàn > 120A. Nguồn điện hàn 33 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006 Giáo trình: công nghệ hàn Nguồn điện hàn cung cấp dòng hàn một chiều hoặc xoay chiều, hoặc cả hai. Tùy ứng dụng, nó có thể là biến áp, chỉnh l−u, máy phát điện hàn. Nguồn điện hàn cần có đ−ờng đặc tính ngoài dốc (giống nh− cho hàn hồ quang tay). Để tăng tốc độ ổn định hồ quang, điện áp không tải khoảng 70 ữ 80V. Bộ phận điều khiển th−ờng đ−ợc bố trí chung với nguồn điện hàn và bao gồm bộ contactơ đóng ngắt dòng hàn, bộ gây hồ quang tần số cao, bộ điều khiển tuần hoàn n−ớc làm mát (nếu có) với hệ thống cánh tản nhiệt và quạt làm mát, bộ khống chế thành phần dòng một chiều (với máy hàn xoay chiều, một chiều). * Nguồn điện hàn xoay chiều: thích hợp cho hàn nhôm, magiê và hợp kim của chúng. Khi hàn, nửa chu kỳ d−ơng (của điện cực) có tác dụng bắn phá lớp màng ôxit trên bề mặt và làm sạch bề mặt đó. Nửa chu kỳ âm nung kim loại cơ bản. Hiện nay có hai loại nguồn xoay chiều chính dùng cho hàn bằng điện cực không nóng chảy trong môi tr−ờng khí bảo vệ. * Nguồn điện hàn một chiều: không gây ra vấn đề lẫn W vào mối hàn hay hiện t−ợng tự nắn dòng (nh− khi hàn nhôm bằng nguồn hàn xoay chiều). Tuy nhiên, điều quan trọng cần l−u ý khi sử dụng nó là việc gây hồ quang và khả năng cho dòng hàn sẽ tối thiểu. Hầu hết máy một chiều đều sử dụng ph−ơng pháp nối thuận (nên 2/3 l−ợng nhiệt của hồ quang đi vào vật hàn). Điện cực W tinh khiết nh− trong tr−ờng hợp máy xoay chiều ít đ−ợc dùng để hàn một chiều cực thuận vì khó gây hồ quang. Thay vào đó là điện cực W + 1,5 ữ 2%ThO2 hoặc ZrO2 hoặc oxít đất hiếm LaO... Các nguồn điện hàn TIG thông dụng ởViệt Nam là máy hàn TG 160 của hãng WIM (Malaysia), máy hàn KEPMI 2500 của hãng Kempi (Phần Lan). 34 Tr−ờng đại học bách khoa - 2006

[close]