Menu Close

Tài liệu kỹ thuật hàn điện: Cơ sở lý thuyết hàn điện nóng chảy

1. Thực chất đặc điểm và công dụng của hàn.

Thực chất của hàn là quá trình công nghệ nối (2 hoặc nhiều chi tiết, bộ phận) thành một khối thống nhất bằng cách dùng nguồn nhiệt nung nóng chỗ cần nối đến trạng thái lỏng (hoặc dẻo), sau đó kim loại tự kết tinh (hoặc dùng lực ép) tạo thành mối hàn.

Đặc điểm và ứng dụng của hàn.

– Liên kết hàn là liên kết cố định không tháo rời được.

– So với đinh tán tiết kiệm 10 đến 20% khối lượng kim loại, so với đúc tiết kiệm 50%.

– Hàn giúp chế tạo các chi tiết có hình dáng phức tạp, liên kết các kim loại có cùng tính chất hoặc khác tính chất với nhau.

– Mối hàn đạt độ bền và độ kín cao, đáp ứng yêu cầu làm việc của các kết cấu quan trọng (vỏ tàu, bồn chứa, nồi hơi, ..vv).

– Quá trình hàn có thể được tự động hóa hoặc cơ khí hóa.

– Giá thành chế tạo kết cấu rất rẻ.

– Tuy nhiên, hàn có một số nhược điểm: Tồn tại ứng suất và biến dạng dư sau khi hàn, xuất hiện vùng ảnh hưởng nhiệt làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu.

2. Phân loại các phương pháp hàn.

* Căn cứ vào năng lượng sử dụng, kỹ thuật hàn được chia làm các phương pháp sau:

– Các phương pháp hàn điện: Dùng điện năng biến thành nhiệt năng (Hàn điện tiếp xúc, Hàn điện hồ quang, .vv..).

– Các phương pháp hàn cơ học: Sử dụng năng lượng làm biến dạng kim loại tại khu vực hàn (Hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm, .vv..)

– Các phương pháp hàn hóa học: Sử dụng năng lượng do các phản ứng hóa học tạo ra để nung nóng kim loại mối hàn (Hàn khí, hàn hóa nhiệt, vv..).

– Các phương pháp hàn kết hợp: Sử dụng kết hợp các dạng năng lượng nêu trên (hàn các vật liệu có tính hàn khó).

* Căn cứ vào trạng thái kim loại mối hàn tại thời điểm hàn.

– Hàn nóng chảy:

Bao gồm các phương pháp hàn: Hàn khí, hàn điện xỉ, hàn hồ quang, .vv.. Kim loại mối hàn ở trạng thái lỏng trong quá trình hàn.

– Hàn áp lực:

Bao gồm các phương pháp hàn: Hàn siêu âm, hàn nổ, hàn khuếch tán, hàn điện trở tiếp xúc, .vvv.. Kim loại mối hàn ở trạng thái chảy dẻo trong quá trình hàn.

3. Sự tạo thành mối hàn và tổ chức kim loại mối hàn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển dịch kim loại lỏng từ điện cực vào vũng hàn.

Tác dụng của trọng lực giọt kim loại lỏng

Kim loại lỏng dưới tác dụng của trọng lực luôn có xu hướng đi về phía vũng hàn (có tác dụng lớn đối với hàn bằng).

Sức căng bề mặt

Sức căng bề mặt được tạo nên do tác dụng của lực phân tử. Lực phân tử luôn có xu hướng làm cho bề mặt chất lỏng thu nhỏ lại, tạo cho bề mặt chất lỏng có một năng lượng tự do bé nhất.

Sức căng bề mặt làm cho các giọt kim loại lỏng có dạng hình cầu và giữ ở trạng thái này trên suốt quá trình chuyển vào vũng hàn, khi vào vũng hàn sẽ bị sức căng bề mặt kéo vào để tạo thành một khối thống nhất (có tác dụng lớn đối với mối hàn trong không gian).

Lực từ trường

Lực từ trường sinh ra xung quanh điện cực khi có dòng điện chạy qua que hàn và vật hàn. Lực này tác dụng lên kim loại lỏng điện cực làm giảm tiết diện ngang. Trong khi đó Ih = const, nên tại chỗ thắt mật độ dòng điện J tăng lên nhanh chóng làm kim loại lỏng đạt đến nhiệt độ sôi, cắt đứt phần kim loại lỏng khỏi điện cực. Mặt khác vì diện tích vũng hàn lớn nên cường độ từ trường trên bề mặt vũng hàn rất nhỏ và mật độ dòng điện J nhỏ, do đó kim loại lỏng luôn có xu hướng đi vào vũng hàn ở mọi vị trí hàn.

Áp lực khí

Do nhiệt độ hồ quang cao, các phản ứng xảy ra rất mạnh, thuốc bọc que hàn (thuốc hàn) nóng chảy sẽ sinh ra nhiều khí, tạo nên áp lực đẩy kim loại lỏng từ điện cực vào vũng hàn (có tác dụng lớn đối với mối hàn trong không gian).

4. Quá trình luyện kim khi hàn điện nóng chảy

Khái niệm về mối hàn, vũng hàn và liên kết hàn.

Vũng hàn làm phần kim loại lỏng được tạo ra trong quá trình hàn dưới tác dụng của nguồn nhiệt hàn.

Vũng hàn gồm 2 phần:

– Phần đầu (A): Xảy ra quá trình nóng chảy kim loại cơ bản và kim loại bổ sung.

– Phần đuôi (B): Xảy ra quá trình kết tinh và hình thành mối hàn.

Hình dạng, kích thước vũng hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: công suất của nguồn nhiệt, phương pháp và chế độ hàn, tính chất lý nhiệt của kim loại vật hàn, .vv..

Mối hàn

Thành phần kim loại chất lỏng được kết tinh trong mối hàn, nó ở trạng thái lỏng. Theo tiết diện ngang, mối hàn phân thành 2 loại: mối  hàn giáp mối và mối hàn góc.

Liên kết hàn

Liên kết hàn được hiểu là mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt và kim loại cơ bản. Các dạng liên kết hàn: Liên kết hàn góc, liên kết hàn chồng mối và liên kết hàn giáp mối.

 

Quá trình luyện kim khi hàn nóng chảy

Đặc điểm

Quá trình luyện kim khi hàn nóng chảy rất phức tạp, nó khác quá trình luyện kim thông thường ở chỗ:

– Nhiệt độ hồ quang cao hơn nhiều so với nhiệt độ các lò luyện kim thông thường và phân bố ở các vùng khác nhau của cột hồ quang.

– Sự tương tác hóa lý xảy ra mạnh giữa kim loại lỏng với xỉ, với khí và với kim loại cơ bản.

– Thể tích kim loại lỏng rất nhỏ và thời gian kim loại tồn tại ở trạng thái lỏng rất ngắn, do đó các phản ứng hóa học xảy ra trong vũng hàn không đi đến trạng thái cân bằng.

– Nhiệt độ vũng hàn cao nên tạo điều kiện cho nhiều phản ứng hóa học xảy ra như: Sự tương tác giữa kim loại lỏng với xỉ, với khí; sự oxy hóa hay hoàn nguyên kim loại; sự phân ly của các hợp chất khí (H2 »» 2H ; CO2 »» CO O2 ; ..v..v….).

Để có được mối hàn chất lượng theo yêu cầu cần phải tạo ra môi trường bảo vệ xung quanh mối hàn để bảo vệ kim loại lỏng khỏi tác động xấu của không khí bằng cách hàn bằng que hàn thuốc bọc dày, hàn bằng khí bảo vệ, hàn dưới lớp thuốc…

Xỉ hàn

Xỉ hàn được tạo ra từ que hàn, thuốc hàn nóng chảy, nó mang tính phi kim. Trong xỉ hàn có chứa các Oxit axit: SiO2, TiO2, P2O5,… (xỉ hàn axit), hoặc oxit bazơ: CaO, MnO, BaO,… (xỉ hàn bazơ).

Xỉ tạo nên trong quá trình hàn không chỉ bảo vệ kim loại mối hàn khỏi tác dụng xấu của không khí mà còn tác dụng với các nguyên tố trong vũng hàn tạo điều kiện điều chỉnh thành phần hóa học của mối hàn. Do vậy tính chất của xỉ có ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn sau khi hàn.

Thực tế cho thấy, chất lượng mối hàn tốt nhất nhiệt độ nóng chảy của xỉ hàn nằm trong khoảng 1100 đến 1200 độ C. Xỉ càng loãng, độ nhớt càng nhỏ thì hoạt tính của nó càng mạnh, tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học và các quá trình vật lý xảy ra càng nhanh. Tuy nhiên để đảm bảo phủ kí và đều bề mặt mối hàn thì xỉ không được chảy loãng quá cao, điều này đặc biệt quan trọng khi hàn ở vị trí hàn đứng và hàn bằng.

Môi trường khí bảo vệ

Có nhiều loại khí tồn tại xung quanh hồ quang và vũng hàn gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng mối hàn như: O2, N2, .vv.. Vì vậy để có được mối hàn chất lượng đúng yêu cầu, cần phải bảo vệ kim loại mối hàn khỏi tác dụng xấu của không khí bằng cách:

– Hàn trong môi trường chân không.

– Hàn bằng que hàn có lớp thuốc bọc dày, dây hàn có lõi thuốc hoặc hàn dưới lớp thuốc. Thuốc bọc và thuốc hàn nóng chảy sẽ tạo ra lớp xỉ và khí bảo vệ vũng hàn, đồng thời cũng là chất trợ dung tốt cho quá trình luyện kim của mối hàn.

– Hàn trong môi trường khí bảo vệ: Ar, He, Co2, và hỗn hợp của chúng để đẩy không khí ra khỏi vũng hàn, ngăn chặn tác hại của nó.

Ôxy hóa kim loại vũng hàn 

Mặc dù có nhiều biện pháp nói trên nhưng cũng không thể ngăn chặn triệt để tác hại của Ôxy tới kim loại vũng hàn, kết quả là xảy ra sự hòa tan Ôxy vào sắt tạo ra các Ôxit sắt.

2Fe O2 = 2FeO   Q

4 Fe 3O2 = 2Fe2O3 Q

3Fe 2O2 = Fe3O4 Q

Trong đó Ôxít sắt II (FeO) hòa tan Ôxy vào kim loại lỏng (còn lại vào xỉ) nồng độ có thể đạt 0.5%, Ôxy hòa tan vào sắt nồng độ có thể đạt 0.22%.

Ngoài ra trong vũng hàn còn xảy ra sự Ôxy hóa các nguyên tố khác, chủ yếu là C, Si, Mn và xảy ra trong các giọt kim loại lỏng trên đường tới vũng hàn; phản ứng xảy ra chủ yếu với Ôxy nguyên tử:

C O    = {CO}.
Mn O = (MnO).
Si O   =  (SiO2).

Trong vũng hàn xảy ra phản ứng với FeO

 

C FeO   = Fe {CO}
Si FeO   = Fe (SiO2)
Mn FeO = Fe (MnO)

Do có sự Oxy hóa các nguyên tố nên hàm lượng các nguyên tố khác giảm: C giảm 50% đến 60%, Mn giảm 40% đến 50%.

Các biện pháp khử Oxy

Để khử Oxy có thể thực hiện bằng 2 cách sau:

– Khử Oxy bằng xỉ hàn: Khi xỉ hàn mang tính Oxít, sự khử Oxy xảy ra theo các phản ứng sau:

 

FeO SiO2 = FeO.SiO2

 

2FeO SiO2 = 2FeO.SiO2

Các Silicac được tạo thành sẽ không hòa tan vào kim loại lỏng mà đi vào xỉ, do vậy hàm lượng FeO trong kim loại mối hàn sẽ giảm đáng kể.

– Dùng nguyên tố có ái lực với Ôxy mạnh hơn sắt để hoàn nguyên sắt từ Ôxít hòa tan của nó. Các chất khử Ôxy thường là các nguyên tố C, Si, Mn, Ti, …

Cacbon: Cacbon đi vào vũng hàn từ kim loại cơ bản, dây hàn, thuốc hàn và thuốc bọc que hàn. Ở nhiệt độ hàn, Cacbon khử Oxy mạnh hơn Si và Mn.

FeO C = Fe {CO}.

Ôxít cacbon (CO) không hòa tan vào thép nhưng hàm lượng quá lớn thì một phần sẽ nằm lại trong vũng hàn gây rỗ khí.

Mangan: Là chất khử Oxy mạnh, được đưa vào vũng hàn qua thuốc bọc, thuốc hàn, kim loại cơ bản và dây hàn.

Mn FeO = Fe (MnO).

Mangan Oxít thực tế không hòa tan vào kim loại mà liên kết với các Ôxít axit tạo thành các hợp chất nhẹ nổi lên thành xỉ. Ngoài việc khử Ôxy, Mangan còn có tác dụng khử lưu huỳnh và làm tăng độ bền mối hàn khi hàm lượng của nó dưới 1%.

Silic là chất khử Oxy mạnh được đưa vào vũng hàn tương tự Mangan:

Si 2 FeO   =  2 Fe (SiO2).

Ôxít Silic không hòa tan vào kim loại lỏng mà đi vào xỉ nổi lên bề mặt vũng hàn. Ngoài tác dụng khử Ôxy, silic còn có tác dụng làm tăng cơ tính của mối hàn khi hàm lượng của nó khoảng 0.2% đến 0.3%.

Titan là chất khử Oxy rất mạnh được đưa vào vũng hàn từ thuốc bọc, thuốc hàn dưới dạng ferotitan

Ti 2FeO = TiO2 2Fe.

Thực tế Oxít Titan không hòa tan vào sắt, khi kết hợp với nito tạo thành nitric titan (cũng không hòa tan vào sắt), có tác dụng làm nhỏ hạt kim loại, do đó làm tăng cơ tính của kim loại mối hàn.

Ngoài các nguyên tố trên, nhôm cũng là chất khử Oxy mạnh nhưng ít được sử dụng vì nhôm Ôxít có nhiệt độ nóng chảy 2050 độ C không tan vào thép mà chuyển với tốc độ rất chậm, tạo điều kiện cho sự Oxy hóa cacbon, dễ dẫn đến hiện tượng rỗ khí trong mối hàn.

Hợp kim hóa kim loại mối hàn.

Để mối hàn đạt được độ bền tương đương kim loại mối hàn, trong quá trình hàn phải hợp kim hóa kim loại mối hàn nhằm bù đắp các nguyên tố hợp kim bị mất do tham gia phản ứng hóa học hoặc đưa vào mối hàn các nguyên tố mới không có trong thành phần kim loại cơ bản để nâng cao độ bền mối hàn.

Người ta thường đưa các nguyên tố Cr, Mo, W, V, Ti,… vào mối hàn thông qua dây hàn, thuốc bọc que hàn và thuốc hàn; trong đó việc hợp kim hóa kim loại mối hàn bằng dây hàn là có hiệu quả nhất.

Tạp chất xỉ trong mối hàn 

Thành phần xỉ bao gồm các hợp chất hóa học của Oxy, Ni tơ với các nguyên tố kim loại khác nhau, các Fero hợp kim,… có ảnh hưởng xấu đến chất lượng mối hàn, làm cho kim loại mối hàn không đồng nhất. Các Ôxít SiO2, Al2O3 có trong thuốc bọc que hàn và thuốc hàn bị kẹt lại tác dụng với các ôxít có sẵn trong mối hàn (MnO, FeO,… ) tạo thành các hợp chất phức tạp, dễ nóng chảy và có kích thước khác nhau. Đặc biệt, khi hàn thép, trong kim loại mối hàn có chứa một lượng nhỏ lưu huỳnh từ vật liệu hàn tạo thành FeS làm tăng khả năng nứt nóng của kim loại mối hàn.

Tạp chất xỉ là các nitric (đặc biệt là Fe2N) làm tăng độ cứng nhưng lại làm giảm mạnh tính dẻo của kim loại mối hàn. Tạp chất xỉ không những làm giảm cơ tính của kim loại mối hàn mà còn có tác dụng thúc đẩy quá trình ăn mòn. Vì vậy, khi hàn phải ngăn ngừa sự xuất hiện của các tạp chất xỉ bằng cách:

Làm sạch bẩn, ghỉ, dầu mỡ ở khu vực cần hàn .

Hàn nhiều lớp phải vệ sinh sạch xỉ hàn lớp trước.

Giảm tốc độ nguội của kim loại đắp (hàn dưới lớp thuốc, chế độ hàn hợp lý,…)

Đưa vào vẻ bọc que hàn thành phần có khả năng giảm nhiệt độ nóng chảy của các ôxít và tạo ra các hợp chất dễ bong khỏi mối hàn sau khi nguội.

Rỗ khí trong mối hàn

Rỗ khí là sự xuất hiện trong kim loại mối hàn và trên bề mặt mối hàn các lỗ trống và bọt khí, đó là sự thoát khí không triệt để khỏi kim loại mối hàn. Rỗ khí có thể tồn tại ở dạng cầu đơn lẽ hoặc dạng chuỗi kéo dài, do một số nguyên nhân sau:

Sự thoát khí ồ ạt khi kim loại mối hàn kết tinh.

Vật liệu hàn (dây hàn, que hàn, thuốc hàn, …) bị ẩm.

Bề mặt chi tiết không được làm sạch trước khi hàn.

Mức độ khử Ôxy chưa triệt để.

Hàm lượng FeO trong kim loại mối hàn cao.

Rỗ khí trong mối hàn gây nên hiện tượng tập trung ứng suất và có ảnh hưởng lớn đến sự phá hủy liên kết hàn, làm tăng độ cứng, độ giòn và giảm tính dẻo của kim loại đắp.

Sự kết tinh kim loại mối hàn

Sự kết tinh của kim loại mối hàn rất khác với sự kết tinh của kim loại vật đúc ở các điểm sau:

Quá trình kết tinh xảy ra khi các nguồn nhiệt di động. Tốc độ kết tinh mối hàn bằng tốc độ di chuyển vũng hàn.

Thể tích vũng hàn nhỏ được bao bọc bởi đường đẳng nhiệt và kim loại cơ bản ở trạng thái rắn xung quanh nên nguội rất nhanh. Với vật đúc, sự kết tinh của kim loại xảy ra một cách liên tục cùng với sự giảm nhiệt độ, còn với kim loại vũng hàn xảy ra một cách chu kỳ.

Tổ chức kim loại mối hàn sau khi kết tinh gần giống tổ chức kim loại đúc (gồm 3 lớp) nhưng chất lượng mối hàn cao do được thực hiện bằng que hàn thuốc bọc dày, dưới lớp thuốc hoặc trong môi trường khí bảo vệ.

Khi kết tinh, vùng nằm sát với kim loại cơ bản (lớp ngoài) do nguội nhanh, tổ chức kim loại nhỏ, mịn. Lớp tiếp theo vì hướng tỏa nhiệt thẳng góc với bề mặt ngoài và nguội chậm nên tổ chức kim loại có dạng hình trụ. Còn ở lớp trung tâm do hướng tỏa nhiệt không rõ ràng, lại nguội chậm hơn nên tổ chức hạt thô to, đồng thời lẫn một số tạp chất phi kim.

Tổ chức kim loại mối hàn

Khi hàn điện nóng chảy, mối hàn tạo nên có thể chỉ do kim loại cơ bản nóng chảy nếu hàn bằng điện cực không nóng chảy và không dùng que hàn phụ hoặc do cả kim loại điện cực và kim loại vật hàn tạo nên nếu dùng que hàn nóng chảy hoặc điện cực không nóng chảy có dùng que hàn phụ. Vì Vậy thành phần và tổ chức kim loại mối hàn đều khác với thành phần và tổ chức kim loại cơ bản và kim loại điện cực.

Quy trình kết tinh của kim loại lỏng vũng hàn diễn ra qua hai giai đoạn:

Kết tinh lần một: Kim loại chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái đặc.

Kết tinh lần 2: Kim loại ở trạng thái đặc nhưng vẫn có chuyển biến tổ chức.

Nghiên cứu tổ chức thứ 2 là tổ chức thực của mối hàn, nó có ý nghĩa rất lớn trong việc xác định mối quan hệ phụ thuộc giữa cơ tính và thành phần hóa học của mối hàn và kim loại cơ bản, sự tác dụng nhiệt trong quá trình hàn.

– Với thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp là vật liệu có tính hàn tốt, có thể hàn bằng mọi phương pháp mà vẫn nhận được mối hàn có chất lượng tốt, song chất lượng có khác nhau tùy thuộc vào điều kiện hàn.

– Hàn bằng que thuốc bọc mỏng, tổ chức kim loại của mối hàn xấu vì cabon của nó cháy nhiều và các hạt kim loại có dạng hình trụ, phân bố không đều trong mối hàn.

– Hàn bằng que thuốc bọc dày, tổ chức trong trường hợp này tương đối tốt. Các dạng có dạng hình trụ song lại nhỏ và peclit phân bố đều, cơ tính tốt.

– Hàn dưới lớp thuốc, tổ chức kim loại trường hợp này rất tốt, các hạt peclit có dạng hình trụ nằm sâu trong tiết diện mối hàn, tổ chức tương đối đồng đều, cơ tính tốt.

Tổ chức vùng ảnh hưởng nhiệt

Vùng ảnh hưởng nhiệt là vùng kim loại cơ bản nằm sát kim loại mối hàn, thay đổi tổ chức và tính chất do tác dụng của nguồn nhiệt hàn.

Có thể chia vùng ảnh hưởng nhiệt thành 6 vùng sau:

Vùng nóng chảy không hoàn toàn (viền chảy): có kích thước rất nhỏ, là vùng chuyển tiếp giữa kim loại vũng hàn và kim loại cơ bản, được giới hạn bởi đường đẳng nhiệt lỏng và đặc. Vùng này có tổ chức là Ôstenit và pha lỏng, kích thước hạt kim loại sau khi hàn khá mịn và có cơ tính rất cao.

Vùng quá nhiệt: Kim loại cơ bản bị nung nóng từ 1100 độ C đến xấp xỉ nhiệt độ nóng chảy. Vùng này xảy ra quá trình kết tinh lại. Tổ chức hạt Ôstenit thô to, cơ tính kém. Có thể nói đây là vùng yếu nhất trong liên kết hàn.

Vùng thường hóa: Kim loại bị nung nóng từ 900 độ C đến 1100 độ C. Tổ chức gồm những hạt ferit nhỏ hoặc peclit, vì thế vùng này có cơ tính tổng hợp cao.

Vùng kết tinh lại không hoàn toàn: Kim loại bị nung nóng từ 720 độ C đến 900 độ C. Kim loại có sự kết tinh lại từng phần, tổ chức là Ôstenit và ferit. Hai dạng này không đồng đều, Ferit hạt to còn Ôstenit hạt nhỏ, vì vậy cơ tính vùng này kém hơn.

Vùng kết tinh lại hoàn toàn: Kim loại bị nung nóng từ 500 độ C đến 700 độ C. Kim loại qua biến dạng dẻo được kết tinh lại hoàn toàn, tổ chức kim loại đồng đều, cơ tính tốt.

Vùng giòn xanh: Kim loại được nung nóng từ 100 độ C đến 500 độ C. Tính chất kim loại vùng này nói chung không có gì thay đổi, nhưng ở nhiệt độ 400 độ C đến 500 độ C ôxy và nitơ có khả năng khuếch tán vào, do vậy độ dẻo giảm đi một ít.

Kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt phụ thuộc vào phương pháp hàn, chế độ hàn, thành phần hóa học cũng như tính chất lý nhiệt của kim loại. Công suất của hồ quang hoặc ngọn lửa hàn khí càng lớn thì kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt càng tăng . Ngược lại, tăng vận tốc hàn (giữ nguyên công suất nhiệt) thì kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ giảm. Vật liệu có tính dẫn nhiệt thấp, nhiệt dung càng cao thì kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt càng giảm (nhiệt dung là lượng nhiệt cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 1 độ C).

Tính hàn của kim loại và hợp kim

Tính hàn dùng để chỉ mức độ dễ hàn hay khó hàn đối với một vật liệu cơ bản nào đó, nó là tổ hợp các tính chất của kim loại hay hợp kim cho phép được nhận liên kết hàn có chất lượng thỏa mãn theo yêu cầu.

Phân loại tính hàn:

– Vật liệu có tính hàn tốt: Bao gồm các loại vật liệu cho phép hàn được bằng nhiều phương pháp hàn khác nhau, chế độ hàn điều chỉnh được trong phạm vi rộng, không cần sử dụng các biện pháp công nghệ phức tạp (như nung nóng sơ bộ, nhiệt luyện sau khi hàn, …) mà vẫn đảm bảo được mối hàn có chất lượng theo yêu cầu. Thép cacbon thấp và phần lớn thép hợp kim đều thuộc nhóm này.

– Vật liệu có tính hàn thỏa mãn: Gồm các loại vật liệu chỉ thích hợp với một số phương pháp hàn nhất định, các thông số của chế độ hàn chỉ có thể giao động trong phạm vi hẹp, yêu cầu về vật liệu hàn chặt chẽ hơn. Khi hàn có thể phải sử dụng một số biện pháp công nghệ như: nung nóng sơ bộ, xử lý nhiệt sau khi hàn,… để nâng cao chất lượng sau khi hàn. Một số mác thép hợp kim thấp, thép cacbon và hợp kim trung bình thuộc nhóm này.

– Vật liệu có tính hàn hạn chế: Yêu cầu về công nghệ và vật liệu hàn chặt chẽ hơn. Phải áp dụng các biện pháp xử lý nhiệt và hàn trong môi trường khí bảo vệ (đặc biệt khí trơ, chân không), chế độ hàn nằm trong phạm vi rất hẹp. Liên kết hàn có khuynh hướng bị nứt và dễ xuất hiện các khuyết tật làm giảm chất lượng kết cấu hàn. Thép cacbon cao và thép hợp kim cao thuộc nhóm này.

Hàn hồ quang tay

1. Bản chất, đặc điểm của hàn hồ quang tay.

Bản chất của hàn hồ quang tay: Hàn hồ quang tay là một trong những phương pháp hàn nóng chảy dùng năng lượng của hồ quang điện để nung nóng kim loại chỗ cần ghép nối đến trạng thái chảy, sau khi kết tinh tạo thành mối hàn nối các chi tiết tạo thành một khối bền vững.

Đặc điểm: Cho đến nay, hàn hồ quang tay vẫn được sử dụng rất phổ biến ở tất cả các nước kể cả các nước có nền công nghiệp và công nghệ hàn phát triển bởi tính linh động, tiện lợi và khả năng ứng dụng đa dạng của nó. Đây là phương pháp cho phép ứng dụng ở mọi vị trí trong không gian. Thiết bị hàn hồ tay dễ vận hành, sửa chữa, chi phí đầu tư thấp hơn so với các phương pháp hàn khác. Vì hầu hết mọi chuyển động đều bằng tay nên chất lượng, thẩm mỹ mối hàn phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của người thợ hàn.

2. Hồ quang hàn và tính chất của hồ quang hàn.

Khái niệm, đặc điểm, cấu tạo của hồ quang hàn.

Khái niệm: Hồ quang là hiện tượng phóng điện mạnh và liên tục qua môi trường khí (đã bị ion hóa giữa hai điện cực).

Đặc điểm: Nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh, có thể làm nóng chảy tất cả các kim loại (nhiệt độ ở tâm cột hồ quang khoảng 6000 độ C.

Trong không gian, hồ quang gồm các phần tử có tích điện e, ion âm và ion dương, trong đó electron đóng vai trò quan trọng nhất vì nó có điện tích âm nhỏ nhất, có khối lượng rất  nhỏ, nhỏ hơn khối lượng nguyên tử Hidro 1840 lần.

Cấu tạo của hồ quang:

Cấu tạo của hồ quang gồm 3 vùng: Vùng anot A (cực ), vùng catot K (cực -) và vùng cột hồ quang

Uh = UA UK UC

Vùng anot: có điện áp U​A, thể tích lớn hơn vùng catot nhưng điện áp rơi nhỏ hơn, bằng (2-4)V.

Vùng catot: là vùng sản sinh ra các điện tử, vùng này có điện áp UK. Nhiệt độ vùng này khoảng 3200 độ C, chiếm 38% tổng nhiệt lượng hồ quang.

Vùng cột hồ quang có điện áp UC. Nhiệt độ ở tâm khoảng 6000 độ C, chiếm 20% tổng nhiệt lượng hồ quang. Nhiệt lượng của cột hồ quang làm nhiệm vụ nung nóng chảy que hàn và vật hàn; cung cấp nhiệt lượng để phát xạ điện tử.

Nhiệt ở A cao hơn ở K do động năng của các điện tử electron lớn (vận tốc xấp xỉ vận tốc ánh sáng) va đập mạnh vào bề mặt vật A sinh ra nhiệt lớn. Khi hàn vật mỏng đấu cực âm vào vật hàn, cực dương vào que hàn.

Sau khi hồ quang hình thành, muốn duy trì hồ quang cháy ổn định thì phải đảm bảo chiều dài hồ quang không đổi.

Các phương pháp tạo hồ quang và sự cháy của hồ quang.

Các phương pháp gây hồ quang

– Phương pháp mổ thẳng (mổ cò).

Que hàn tiếp xúc trực tiếp với vật hàn theo phương thẳng đứng, sau đó nhanh chóng nhấc lên khỏi vật hàn một khoảng cách từ 2-4mm và duy trì ở một khoảng cách cố định để hồ quang cháy ổn định.

Phương pháp ma sát (quẹt diêm)

Nghiêng que hàn một góc và vạch nhẹ lên bề vật hàn sau đó nhanh chóng nhấc que hàn lên một khoảng từ 2-4mm, sau đó giữ ở khoảng cách cố định để hồ quang cháy ổn định.

Trong hai phương pháp trên, phương pháp gây hồ quang ma sát dễ thao tác hơn (thích hợp cho người mới học nghề) lại dễ tạo vết trên bề mặt vật hàn. Phương pháp gây hồ quang thẳng đứng đòi hỏi thao tác phải nhanh bởi vì que hàn rất dễ bị dính vào vật hàn, không hình thành hồ quang được.

Sự cháy của hồ quang

Sau khi que hàn chạm rất nhanh vào vật hàn rồi nhấc lên một khoảng 2-4mm thì phát sinh hồ quang.

Sự cháy của hồ quang phụ thuộc vào: điện thế giữa hai điện cực lúc máy chưa làm việc, cường độ dòng điện và khoảng cách giữa hai điện cực (chiều dài hồ quang). Quan hệ giữa điện thế và cường độ dòng điện là đặc tính tĩnh của hồ quang.Ứng với một chiều dài hồ quang ta có đặc tính nhất định. Điện thế của hồ quang chủ yếu phụ thuộc vào cường độ và chiều dài hồ quang, ngoài ra còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác, ví dụ như vật liệu điện cực, các loại khí chứa trong khoảng không gian của hồ quang cháy và loại dòng điện v.v…

Khi hàn hồ quang tay, điện thế chủ yếu phụ thuộc vào chiều dài hồ quang. Qua thực nghiệm đã vẽ được đường đặc tính tĩnh của chiều dài hồ quang.

Trên giảng đồ U(h) = f(I), Uh thay đổi theo ba khoảng dòng điện, tức là hình dáng đường cong đặc tính thay đổi cùng với sự thay đổi của dòng điện.

Uh = I.R = p(l/F)Ih​

Khoảng dòng điện I < 80A, điện thế hồ quang giảm khi dòng điện tăng lên. Nguyên nhân là do lúc này công suất hồ quang còn bé, tăng dòng điện sẽ tăng mặt cắt hồ quang và đồng thời tăng tính dẫn điện của nó. Đường đặc tính tĩnh trong khoảng dòng điện này là giảm dần liên tục.

Do điện tăng trong khoảng 80 đến 1000A thì điện thế hồ quang trở lên không đổi. Lúc này điện thế hồ quang chỉ thay đổi phụ thuộc vào chiều dài hồ quang. Đường đặc tính tĩnh của hồ quang hầu như song song với trục của dòng điện và được gọi là đường đặc tính cứng. Loại đường này được dùng nhiều trong hàn hồ quang tay vì hồ quang ổn định.

Quá trình hình thành hồ quang.

Quá trình hình thành hồ quang xảy ra rất ngắn (khoảng 1/10 giây), nhưng nó có thể chia làm 4 giai đoạn sau:

 

Giai đoạn a): Que hàn tiếp xúc với vật hàn tại các điểm nhấp nhô, mật độ dòng điện tăng lên rất cao.

Giai đoạn b): Do mật độ tăng lên rất cao, tại chỗ tiếp xúc sinh ra nhiệt lượng lớn làm nóng chảy kim loại và điền đầy khoảng không gian giữa hai điện cực.

Giai đoạn c): Khi nhấc que hàn lên khỏi vật hàn, do tác dụng của lực từ trường, cột hồ quang bị kéo dài ra, tiết diện ngang giảm xuống.

Giai đoạn d): Tại chỗ thắt, mật độ dòng điện tăng cao làm kim loại đạt đến nhiệt độ sôi và cắt đứt phần kim loại lỏng đi vào vũng hàn, hồ quang được hình thành.

Sau khi hồ quang được hình thành, do ảnh hưởng của nhiệt hồ quang sẽ xảy ra hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử trên bề mặt catot, kèm theo sự tăng đáng kể của điện áp làm cho hiện tượng phát xạ tăng lên và hồ quang được duy trì.

Hiện tượng thổi lệch hồ quang và biện pháp khắc phục

Hồ quang được hình thành trong môi trường khí giữa hai điện cực (một điện cực có thể là vật hàn), cho nên coi nó như là một dây dẫn và dưới tác dụng của một số yếu tố khác nó có thể bị kéo dài và dịch chuyển khỏi vị trí bình thường ta gọi là hiện tượng thổi lệch hồ quang và gây hậu quả xấu cho quá trình hàn… Hiện tượng này thường xảy ra với dòng một chiều, còn với dòng xoay chiều do dòng điện thay đổi liên tục nên hồ quang ít bị thổi lệch.

Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng thổi lệch hồ quang

Ảnh hưởng của từ trường riêng

Khi hàn, xung quanh cột hồ quang, điện cực hàn, vật hàn sẽ sinh ra từ trường. Nếu từ trường xung quanh cột hồ quang phân bố đối xứng thì nó sẽ không bị thổi lệch. Nếu từ trường phân bố không đối xứng thì nó sẽ bị thổi lệch về phía từ trường yếu hơn, cột hồ quang thổi lệch ngược với phía nối dây.

 

Ảnh hưởng của vật liệu sắt từ

Khi đặt gần hồ quang một vật sắt từ giữa chúng sẽ sinh ra một lực điện từ có tác dụng kéo hồ quang về phía sắt từ đó. Điều này khó khăn khi hàn góc hoặc khi hàn gần cuối đường hàn.

 

Ảnh hưởng của góc nghiêng que hàn 

Góc nghiêng que hàn cũng ảnh hưởng đến sự phân bố đường sức từ xung quanh hồ quang. Vì vậy chọn góc nghiêng que hàn thích hợp để thay đổi được tính phân bố đường sức từ và có thể tạo ra từ trường đồng đều, khắc phục hiện tượng thổi lệch hồ quang khi hàn.

 

Các biện pháp khắc phục

Để khắc phục và hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng thổi lệch hồ quang chúng ta có thể áp dụng một trong những biện pháp sau đây:

– Thay đổi cách nối dây với vật hàn để tạo ra từ trường đối xứng.

– Chọn góc nghiêng que hàn nghiêng một cách thích hợp.

– Giảm chiều dài hồ quang đến mức có thể (bằng cách hàn hồ quang ngắn).

– Thay dòng điện hàn một chiều bằng dòng xoay chiều.

– Đặt thêm vật sắt ở gần cuối đường hàn.

Phân loại hàn hồ quang hàn

Phân loại theo dòng điện

Phân loại theo dòng điện, hàn hồ quang tay được chia ra.

1. Hàn bằng dòng điện xoay chiều AC 

– Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, dễ chế tạo, dễ bảo quản sửa chữa, giá thành thấp, tiện lợi ở nơi gần lưới điện và hồ quang ít bị thổi lệch.

– Nhược điểm: Khó gây hồ quang và hồ quang cháy không ổn định do đó chất lượng mối hàn không đạt yêu cầu cao, không dùng được với tất cả các loại que hàn.

2. Hàn bằng dòng điện một chiều DC

– Ưu điểm: Dễ gây hồ quang và hồ quang cháy ổn định, tiện lợi ở nơi xa lưới điện, chất lượng mối hàn cao.

– Nhược điểm: Tổn hao nhiều năng lượng (do dùng máy phát, chỉnh lưu), hồ quang hay bị thổi lệch.

Do có những ưu và nhược điểm trên mà hai phương pháp này cùng tồn tại và hỗ trợ lẫn nhau.

Phân loại theo cách nối dây

1. Nối trực tiếp

Nối trực tiếp là nối một cực của nguồn điện vào que hàn, còn cực kia nối với vật hàn. Khi hàn bằng dòng một chiều, nối trực tiếp được phân ra: nối thuận và nối nghịch.

– Nối thuận là nối cực dương của nguồn với vật hàn, cực âm với que hàn.

– Nối nghịch là nối cực âm của nguồn với que hàn và cực dương với vật hàn.

Phương pháp nối nghịch thường áp dụng cho hàn vật mỏng và nối thuận áp dụng cho hàn các vật hàn dày.

 

2. Nối gián tiếp 

Là nối hai cực của nguồn điện với que hàn còn vật hàn không nối cực. Hồ quang cháy giữa hai que hàn, do vậy có thể điều chỉnh được lượng nhiệt của vũng hàn khi hàn khi điều chỉnh chiều dài hồ quang. Cách nối dây này dùng khi hàn các vật hàn mỏng, hàn thép có nhiệt độ nóng chảy thấp bằng điện cực không nóng chảy.

3. Nối hỗn hợp 

Dùng khi hàn hồ quang tay bằng dòng ba pha. Hai cực của nguồn điện nối với que hàn còn cực kia nối với vật hàn. Ưu điểm là nhiệt tập trung cao, năng suất hàn cao. Thường áp dụng khi hàn vật dày, các kim loại và hợp kim nóng chảy cao.

Phân loại theo điện cực

1. Hàn bằng điện cực nóng chảy (que hàn, dây hàn): Mối hàn do kim loại điện cực và kim loại vật hàn tạo nên.

2. Hàn bằng điện cực không nóng chảy (Vonfram, điện cực than):

Mối hàn tạo nên có thể chỉ do kim loại vật hàn nóng chảy (nếu không dùng que hàn phụ), hoặc do cả kim loại que hàn và vật hàn tạo nên khi hàn bằng điện cực nóng chảy hoặc không nóng chảy có dùng que hàn phụ. Hồ quang có thể cháy trực tiếp giữa que hàn và vật hàn hoặc cháy gián tiếp giữa que hàn và que hàn bằng dòng điện hai pha hoặc ba pha.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *