Một số khái niệm.Hàn hồ quangHàn hồ quang là phương pháp nối hai miếng kim loại bằng cách làm nóng chảy chúnghoặc một dây kim loại trung gian, nhiệt sinh ra từ một hồ quang điện giữa các vật hàn vàđầu que hàn. Qúa trình hàn có thể cần hoặc không cần kim loại điền đầy. Điện cực có thểlà dây kim loại tự tiêu hoặc que các-bon hay que tăng-xtan không tự tiêu. Khi dùng điệncực không tự tiêu, kim loại điền đầy có thể lấy từ một dây kim loại phụ. Còn điện cực tựtiêu vừa mang dòng điện hàn, vừa nóng chảy và điền đầy kim loại vào mối hàn.Che chắn hồ quangMột trong những vấn đề chính trong quá trình hàn là khi kim loại nóng lên, chúng sẽtương tác hóa học với không khí. Có nhiều phương pháp cách ly vật hàn khỏi không khíxung quanh. Nếu dùng khí trơ thì quá trình hàn gọi là hàn hồ quang khí trơ. Hàn hồquang lõi thuốc giống như hàn hồ quang khí trơ, chỉ khác ở điện cực. Kỹ thuật hàn nàydùng để nối các miếng kim loại dày, như ở các bình cao áp, ống cống, ống gas. Hàn hồquang tăng-xtan khí trơ và hàn hồ quang plasma cũng là những kỹ thuật hàn được dùngphổ biến.Mạch hàn cơ bản Hồ quang được tạo ra giữa khe hở khi chạm điện cực vào vật hàn rồi nhấc ra nhưng vẫngiữ tiếp xúc gần. Hồ quang sinh ra nhiệt độ khoảng 3600oC tại đầu que hàn. Nhiệt nàylàm nóng chảy cả kim loại nền và điện cực, tạo ra một vũng kim loại nóng chảy, nó đôngcứng sau khi điện cực di chuyển tới vị trí tiếp theo dọc mối hàn.MạchhàncơbảnCác tham số của quá trình hàn hồ quang khí trơTrong các quá trình hàn hồ quang, có một số tham số ảnh hưởng tới kích thước, hìnhdạng, chất lượng và độ bền của mối hàn.Các tham số chính gồm:Dòng điện hànĐiện áp hồ quangTốc độ di chuyển điện cựcCác tham số phụ gồm:Góc giữa điện cực và vật hànGóc giữa các vật hànĐộ dày của lớp thuốcĐộ dài của hồ quang.Kích thước và kiểu điện cực trong hàn hồ quang kim loại có cách ly xác định các yêu cầuvề điện áp hồ quang và cường độ dòng điện. Dòng điện có thể là một chiều hoặc xoaychiều, nhưng nguồn điện phải có thể thay đổi điện áp, cường độ để phản ứng với các biếnphức tạp của chính quá trình hàn. Ở cường độ thấp, dòng một chiều hiệu quả hơn nêndùng để hàn các tấm kim loại mỏng. Hầu hết các điện cực có lớp thuốc hoạt động tốtnhất với dương cực (phân cực ngược), cho khả năng xuyên sâu nhất. Trong khi đó âm cực lại tạo ra tốc độ nóng chảy cao hơn.Cường độ dòng điệnCách xác định cường độ hợp lý cho một điệ n cực nhất định tùy thuộc vào kích thước vàkiểu điện cực đó. Thậm chí còn phải tính đến kiểu nối và vị trí mối hàn. Qúa trình đòi hỏicường độ dòng điện đủ lớn để làm chảy cả điện cực và một lượng vừa đủ lớp kim loạinền. Cường độ càng lớn, thì độ xuyên thấu càng sâu. Cường độ cao có thể dẫn tới cácvấn đề như quá nhiều vẩy hàn, quá nhiệt hoặc nứt gãy điện cực.Điện áp hồ quangĐiện áp hồ quang thay đổi ít hơn so với dòng điện hàn. Nó ảnh hưởng tới hình dạng vàđộ rộng của ngọn lửa hồ quang. Điện áp càng cao thì ngọn lửa hồ quang càng rộng vàdẹt. Phải tránh điện áp quá cao vì nó gây ra nứt gãy. Điện áp thấp sinh ra hồ quang hẹphơn, xuyên sâu hơn.Tốc độ di chuyểnTốc độ di chuyển điện cực dọc mối hàn có ảnh hưởng trực tiếp tới hình dạng ngọn lửa hồquang, độ sâu nóng chảy, tính thẩm mỹ (bề mặt), và sức nóng truyền vào kim loại nền.Tốc độ di chuyển nhanh tạo ra đường hàn hẹp hơn nhưng ít sâu hơn. Cách này thích hợpđể hàn các tấm kim loại. Tốc độ di chuyển cũng ảnh hưởng tới sức nóng, do vậy ảnhhưởng tới cấu trúc luyện kim của kim loại. Tốc độ làm nguội tăng hay giảm phải tỷ lệ vớitốc độ di chuyển. Ngoài ra, vùng chịu nhiệt sẽ tăng kích thước trong khi tốc độ nguộigiảm. Tốc độ di chuyển và làm nguội quá nhanh dẫn tới xu hướng làm xốp vì mối hànđông cứng nhanh hơn.Độ dài hồ quangĐộ dài hồ quang là khoảng cách từ đầu nóng chảy của lõi điện cực tới vũng hàn nóngchảy. Nói chung, độ dài này tăng khi kích thước điện cực và cường độ dòng điện hàntăng. Độ dài hồ quang thường được giới hạn bằng đường kính lõi điện cực.Hàn điểmHàn điểm là một trong những phương pháp hàn lâu đời nhất. Nó được dùng ở nhiềungành công nghiệp, điển hình là trong các dây chuyền lắp ráp xe hơi. Đây là một kiểuhàn đối kháng, mối hàn điểm được tạo ra giữa các tấm kim loại xếp chồng. Hàn điểm chủyếu để hàn các tấm dày khoảng 3mm. Độ dày của các vật hàn bằng nhau hoặc khôngvượt quá tỷ lệ 3:1. Lực tác dụng vào mối hàn phụ thuộc vào số lượng và kích thước điểm hàn. Đường kính điểm hàn khoảng từ 3 mm tới 12.5 mm.Hàn điểm thực hiện như thế nào ?Hàn điểm là một kiểu hàn đối kháng, ở đó hai hay nhiều tấm kim loại được hàn với nhaumà không cần kim loại điền đầy. Mỗi hàn tạo ra nhờ lực và sức nóng tác dụng vào vùnghàn. Hàn điểm dùng để nối các tấm kim loại và dùng các điện cực bằng đồng hình trụ đểnén và truyền dòng điện hàn qua các vật hàn. Trong tất cả các kiểu hàn đối kháng, vậthàn chỉ bị nung nóng cục bộ. Vật liệu giữa các điện cực dính vào nhau, nóng chảy và pháhủy ranh giới giữa các vật hàn.Để tạo ra nhiệt, các điện cực đồng truyền một dòng điện qua các vật hàn. Nhiệt sinh raphụ thuộc vào cường độ dòng điện, điện trở của kim loại, và thời gian tác dụng của dòngđiện:E = I^2.R.tĐiện cực được làm bằng đồng do nó có trở kháng nhỏ, độ dẫn nhiệt cao so với hầu hếtkim loại khác. Điều này đảm bảo nhiệt được sinh ra trong các vật hàn, chứ không phải ởcác điện cực.Vật liệu nào thích hợp cho hàn điểm? Thép có trở kháng cao, độ dẫn nhiệt thấp hơn đồng nên hàn điểm khá dễ dàng. Thép cácbon thấp thích hợp nhất cho hàn điểm. Thép các-bon cao hơn hoặc thép hợp kim khó tạora các mối hàn vững chắc. Nhôm có trở kháng và độ dẫn nhiệt gần bằng đồng. Tuynhiên, điểm nóng chảy của nhôm lại thấp hơn đồng rất nhiều, vì thế hàn điểm cho nhômcũng thích hợp. Cường độ dòng hàn cho nhôm cần lớn hơn do trở kháng của nó thấp.Thép mạ (thí dụ mã kẽm để chống ăn mòn) cần hàn theo cách khác với thép không mạ.Lớp mạ kẽm phải được làm nóng chảy, bong ra trước khi thép dính vào nhau. Kẽm cóđiểm nóng chảy thấp hơn, nên có thể làm tan lớp mạ kẽm với một nhịp thăng giáng củadòng hàn. Trong qúa trình hàn, mạ kẽm có thể tan vào thép và hạ thấp trở kháng. Vì thế,cần cường độ dòng hàn cao để hàn thép mạ.Các tham số hàn điểm gồm:Lực điện cựcĐường kính tiếp diện của điện cựcThời gian nén (squeeze time)Thời gian hàn (weld time)Thời gian giữ (hold time)Dòng điện hànViệc xác định các tham số thích hợp cho hàn điểm là một vấn đề rất phức tạp. Thay đổinhỏ ở một tham số cũng ảnh hưởng tới tất cả các tham số khác. Điều này, cộng thêm vớithực tế là tiếp diện điện cực dần dần tăng lên, khiến rất khó xây dựng bảng tham số tốiưu cho hàn điểm.Lực điện cựcTác dụng của lực điện cực là ép các tấm kim loại vào nhau. Việc này đòi hỏi một lực tácdụng lớn nếu không chất lượng mối hàn sẽ không tốt. Tuy nhiên, lực quá lớn cũng gây ranhững vấn đề khác. Khi lực điện cực tăng, nhiệt lượng sẽ giảm. Điều này nghĩa là lựcđiện cực cao thì cần dòng hàn lớn hơn. Khi dòng hàn quá cao, sẽ sinh ra vẩy hàn giữađiện cực và các tấm kim loại, làm điện cực dính vào chúng.Giá trị trung bình của lực điện cực là 90 N/m2. Một vấn đề là trong quá trình hàn, mặttiếp xúc sẽ rộng ra. Để đảm bảo ổn định điều kiện trong suốt quá trình hàn, phải tươngứng tăng dần lực điện cực. Do khó thay đổi lực điện cực theo cùng tốc độ biến dạng của nó, nên người ta thường chọn một giá trị trung bình.Đường kính tiếp diện của điện cựcMột tiêu chuẩn chung của hàn điểm đối kháng là mối hàn có đường kính gấp 5 lần cănbậc hai của độ dày tấm hàn. Do vậy, một mối hàn giữa 2 tấm dày 1 mm phải có đườngkính 5mm theo luật trên. Đường kính tiếp diện của điện cực phải nhỉnh hơn chút ít so vớiđường kính điểm hàn. Thí dụ, khi hàn điểm hai tấm dày 1mm như trên thì đường kínhtiếp diện của điện cực dài khoảng 6mm. Trên thực tế, 6 mm là đường kính tiếp diện theochuẩn ISO cho các tấm kim loại dày từ 0.5 tới 1.25 mm.Thời gian nénThời gian nén tính từ lúc bắt đầu tác dụng lực điện cực lên các vật hàn tới lúc bắt đầu ápdụng dòng hàn. Thời gian nén là cần thiết để làm trễ dòng hàn cho tới khi lực điện cựcđạt được độ lớn mong muốn.Thời gian hànThời gian hàn là thời gian dòng điện hàn tác dụng tới các tấm kim loại. Thời gian hànđược đo và điều chỉnh theo số chu kỳ điện áp tuyến tính (cũng như tất cả các hàm thờigian khác). Một chu kỳ là 1/50 giây trong một hệ thống điện 50 Hz. Do thời gian hàn ítnhiều liên quan tới những yêu cầu về điểm hàn, nên rất khó xác định được giá trị tối ưu.Một số tiêu chí là:Thời gian hàn càng ngắn càng tốt để điện cực chịu tác động ít nhất.Khi hàn các tấm dày, nếu thời gian hàn càng dài thì đường kính điểm hàn càng lớn.Trong trường hợp thiết bị hàn không đáp ứng được những yêu cầu về dòng điện và lựcđiện cực thì cần thời gian hàn dài hơn.Thời gian hàn cần phải điều chỉnh tương ứng với chế độ bọc đầu tự động, ở đó kíchthước tiếp diện điện cực luôn được duy trì không đổi (tức là thời gian hàn ngắn hơn).Khi hàn các tấm dày hơn 2mm có thể phải chia thời gian hàn thành một số pha lên xuốngđể tránh tăng nhiệt lượng. Phương pháp này cho mối hàn đẹp mắt song độ bền có thểkém hơn.Thời gian hàn tối ưu có thể tính bằng 10 lần độ dày tấm hàn. Thí dụ hai tấm dày 1 mmthì thời gian hàn là 10 chu kỳ (50 Hz).Thời gian giữ (thời gian làm nguội) Thời gian giữ là thời gian, sau khi hàn, khi các điện cực vẫn tác dụng vào tấm hàn để làmnóng mối hàn. Xét về khía cạnh kỹ thuật, thời gian giữ là tham số đáng quan tâm nhất.Thời gian giữ cần thiết để cho phép mối hàn đóng cứng trước khi nhả các vật hàn ra,nhưng phải không quá dài vì nếu không nhiệt sẽ lan ra điện cực và làm nóng nó lên. Điệncực sau đó sẽ phải bọc lại nhiều hơn. Ngoài ra, nếu thời gian giữ quá dài thì hàm lượngcarbon của vật liệu sẽ tăng cao (hơn 0.1 %), có nguy cơ mối hàn bị giòn. Khi hàn thépcarbon mạ kẽm, thời gian giữ phải dài hơn.Dòng hànCường độ dòng hàn nói chung càng thấp càng tốt. Người ta từ từ tăng dòng hàn cho tớikhi vẩy hàn xuất hiện giữa các tấm kim loại. Ngoài ra còn phụ thuộc vào tỷ lệ dùng chođiều khiển.•Plasma•- Trong trạng thái bình thường chất khí cách điện tốt. Khi có nguồn phát sinh làm cácchất khí tích điện đó là hiện tượng ion hoá chất khí. Nếu chất khí được đốt nóng tớinhiệt độ cao thì tất c các quà trình ion hoá xảy ra đồng thời trong khí. Chất khí ion hoáxy ra dẫn điện như vậy gọi là plasma.Thyritto•- Dùng để dòng bằng tần số- Biến đổi dòng xoay chiều thành một chiềuInveter- Tác dụng giống như thryrito, là đời sau- Biến đổi dòng dòng bằng tần số- Biến đổi dòng xoay chiều thành một chiều- Hàn nhôm : có c 2 chế độ AC, DCCác phương pháp hànHiện nay, có các phương pháp hàn chính sau đây:1. Hàn gió đá (còn gọi là Hàn khí): Hàn gió (Oxy) đá (Acetylen hay gas)(gas welding).Phương pháp này sử dụng các khí trên để gia nhiệt cho chi tiết hàn đạt tới trạng tháinóng chảy và liên kết với nhau. Khi hàn có thể dùng vật liệu để điền thêm (filler rod)vào vị trí hàn hoặc không. 2. Hàn hồ quang điện (arc welding), gọi tắt là Hàn điện hay Hàn que. Phương pháp nàydùng hồ quang điện được tao ra bởi que hàn để làm nóng chảy kim loại hàn và ngay cảque hàn để điền vào vị trí hàn.3. Hàn hồ quang dưới khí bảo vệ T. I. G: Tungsten inert gas. Phuơng pháp này dùng hồquang được tạo ra bởi điện cực Tungsten và dùng khí trơ ( khí Argon) để bảo vệ mốihàn.4. Hàn hồ quang dưới khí bảo vệ M. I. G: metal inert gas. Thay vì dùng que hàn, nguời tadùng 01 cuôn dây kim loại có kích thước từ 0.6 mm - 1.6 mm hoặc lớn hơn làm điệncực hàn và điện cực này cũng là dạng điện cực nóng chảy nhưng đuợc cung cấp mộtcách liên tục nhưng vẫn được người thợ hàn điều khiển nên còn gọi là hàn bán tự động.Trong phương pháp này, người ta dùng khí hoạt tính (CO2) hay khí trơ (Argon) để làmkhí bảo vệ mối hàn.Kết cấu hàn dùng lượng kim loại thấp hơn (khoảng 20 - 25% so với kết cấu đinh tán), giá thànhchế tạo giảm, độ bền liên kết vững, liền khối nhưng phát sinh ứng suất và biến dạng hàn. Hiệnnay tới 95% kết cấu thép được chế tạo dưới dạng Kết cấu hàn.Phân loạiHàn trong khí bảo vệĐể nhận đựoc mối hàn chất lượng cao hồ quang hàn và vùng kim loại nóng chy phi được bo vệchống nh hưởng có hại của không khí, trong hàn hồ quang khí bo vệ, hồ quang và km loại nóngchy được bo vệ bởi khí tr (Ar, He, Ar+He), khôngtác dụng với kim loại lỏnh khi hàn, và khíhoạt(CO2, CO2+O2, CO2+Ar... )có tác dụng với kim loại lỏng.-Khi hàn với điện cực không nóng chy, hồ quang cháy giữa vật và điện cực không nóng chy,điẹn cực không nóng chy trong quá trình hàn và không đi vào mối hàn. Hồ quang di chuyểndịch dọc theo các mép hàn làm nóng chy chúng, khi dịch chuyển hồ quang ra kim loại nóngchy đông đặc tạo thành mối hàn liên kết các mép vật hàn.(Hàn TIC)- Khi hàn với điện cực nóng chy hồ quang cháy giữa giây điện cực liên tục được cấp và vậthàn. Hồ quang làm nóng chy dây và các mép hàn. Kim loại điện cực chuyển vào vật và tạothành bể hàn. Khi hồ quang di chuyển đi, bể hàn đông đặc tạo thành mối hàn liên kết các mépvật hàn. Dây điện cực nóng chy có thểđặc, hoặc ống chứa bột hợp kim, thuốc tạo xỉ và khí. Dây hàn loại này gọi là dây hàn lõi thuốchoặc dây bột (Hàn MIG/MAG)- Để tiếp kiệm khí bo vệ, sự hàn được thực hiện trong 2 luồng khí tách biệt cung cấp tập trungvào vùng hồ quang. Nhiệt độ hồ quang trong hàn điẹn cực nóng chy tưng đối thấp cỡ 5000- 6500K. Nhiệt độ hồ quang trong hàn điện cực không nóng chy cao hn nhiều. Nó thấp hn vì thếnăng của khí hồ quangkém hiệu qu, một mặt vì cột hồ quang lớn, mặt khác kim loại dây điệncực liên tục chuyển vào bể làm nguội cột hồ quang.1. Hàn TIC:- Là công nghệ hàn trong khí bo vệ, sử dụng khí Ar, và điện cực không nóng chy Vonfan.- Đặc điểm nguyên lý: Đốt nóng chy kim loại c bn tại các mép hàn, khi nguội sẽ đông đặc –kếttinh2. Hàn MIG/MAG:- Hàn trong điện cực nóng chy- Dùng khí bo vệ Ar + CO2,- sử dụng bộ cấp dây- Nguyên lý: Được bổ xung thêm bộ cấp dây hàn, để cùng với kim loại c bn nóng chy đông đặckết tinh tạo mối hàn3. Hàn CO2:- Hàn trong điện cực nóng chy- Dùng khí bo vệ là CO2- sử dụng bộ cấp dây hàn dây bộtCông nghệ hàn plasma1. Hàn plasma:- Nhiệt độ hồ quang trong hàn plasma cao lên tới 15000-200000C , không như hồ quang tronghàn tự do có dạng hình côn tri rộng trên chi tiết, hồ quang trong hàn plasma có dạng hình trụ,do đó nó có kh năng xuyên sâu vào bể hàn, nên các mép hàn vật dày không cần vát mép lớn - Bằng hàn hồ quang plasma có thể kết nối các kim loại đen và mầu khác nhau: Nhôm và hợpkim titan, thép cacbon thấp và thép không gỉ, đồng, đồng thau, niken và các vật liệu khôngđồng dạng với chúng.2. Cắt plasma- Các phưng pháp cắt thông thường(cắt oxy, cắt hồ quang điện) chỉ cho phép cắt thép cacbonthấp và thếp hợp kim thấp không thể cắt dược gang, thép hợp kim cao, nhôm đồng và các hợpkim của chúng.- Nguyên lý cắt plasma dựa trên sự tận dụng nhiệt độ rất cao và tốc độ truyển động lớn của khítừ miệng phun của đầu plasmatron để làm nóng chy và thổi kim loại khỏi rãnh cắt.- Thông thường sử dụng hỗn hợp khí 65% Ar+ 35%H2; 80%N2+20%H2. Khi ứng dụng chế độ thích hợp mép cắt phẳng không sần sùi, đểtạo mép cắt vuông góc cần gim tốc độ cắt.- Chất lượng cắt pasma phụ thuộc vào cường độ dòng điện , khí sử dụng , tốc độ cắt và khongcách từ vật tới plasmatron.- Do tốc độ của plasma lớn khó khống chế khá chính xác khong cách cắt nên ít khi dùng tay đểcắt plasma. Khi cắt tự động phi gá plasmatron lên xe với tốc độ di chuyển của xe bằng tốc độcắt plasma- Nhược điểm của cắt plasma là mối cắt lMáy hàn điện xỉ áp lực hàn nối đối đầu cốt thépTrong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ và thiết kế chế tạo thiết bị hànđiện hàn đối đầu cốt thép trong bê tông nhà cao tầng”, vừa qua Sở KH&CN Hà Nội đã tiếnhành thẩm định thiết bị “Máy hàn điện xỉ áp lực hàn nối đối đầu cốt thép EPW – 630”. Thiết bịđược ứng dụng để hàn nối cốt thép trong bê tông tại công trình xây dựng Khu nhà ở và vănphòng số 300 Quang Trung, Hà Đông, Hà Nội.Máy hoạt động theo mô hình như sau : hai đoạn cột thép cần nối được định vị thẳng tâm vàđối đầu nhau thông qua má kẹp trên và dưới của một bộ đồ gá hàn. Đồ gá hàn được thiết kế đặcbiệt để có thể điều chỉnh được khoảng cách giữa 2 cây thép đồng thời tại ra lực ép khi kết thúcquá trình hàn. Cây thép phía dưới được nối với cực (-) của máy hàn thông qua 01 kìm hàn, cây thép phía trên cũng được nối với cực (+) của máy hàn thông qua 01 kìm hàn khác. Xung quanhmối nối được bao bọc bằng thuốc hàn nhờ một phễu thuốc.Với mô hình như vậy, cây thép phía dưới sẽ là vật hàn, cây thép phía trên là l điện cực hànđiện xỉ. Thuốc hàn lúc này có hai vai trò chính, dưới tác dụng của hồ quang thuốc hàn sẽ bịnóng chảy và tạo thành xỉ lỏng, đồng thời lượng thuốc hàn xung quanh không bị nóng chảy sẽđóng vai trò như các má trượt bao bọc xung quanh để tạo bể xỉ.Ở vị trí ban đầu, hai đầu cây thép tiếp xúc với nhau, sau đó nhờ cam điều chỉnh vị trí củađồ gá hàn, hai đầu cây thép tách nhau ra. Lúc này dưới tác dụng của điện áp hàn 40-42V, giữahai đầu cây thép xây ra hiện tượng phóng hồ quang ở nhiệt độ rất cao sẽ làng nóng chảy toànbộ bề mặt tiết điện ngang của hai đầu cây thép đồng thời cũng lám nóng chảy thuốc hàn xungquanh. Khi lượng thuốc hàn nóng chảy đủ lớn để tạo thành bể xỉ, đồ gá hàn sẽ đẩy cây thépphía trên về phía bể xỉ. Lúc này hồ quang sẽ tắt, điện áp máy hàn giảm xuống 22 - 25V, dòngđiện sẽ truyền từ cây thép phía trên xuống cây thép phía dưới thông qua bể xỉ, dòng điện này sẽđốt nóng bể xỉ, duy trì nó ở nhiệt độ cao và có tính dẫn điện cao. Nhiệt độ bể xỉ cao hơn nhiệtđộ nóng chảy của cây thép. Do vậy, các cây thép sẽ tiếp tục bị nung chảy ở nhiệt độ cao của bểxỉ.Khi lượng kim loại nóng chảy đủ để liên kết tạo thành mối hàn, ngay lập tức, đồ gá hàn sẽthực hiện chu trình ép hai đầu cây thép đã nóng chảy với nhau đề tạo thành mới hàn có tiết diệnngang lớn hơn tiết diện của cây thép. Tuy nhiên mối hàn lúc này được bao bọc bởi bể xỉ cónhiệt độ cao, lại không có quá trình làm mát của các má trượt, do vậy sau khi hàn cần giữ mốihàn nguyên trạng trong một thời gian nhất định để làm nguội và đóng cứng bể xỉ nhằm làmđông đặc và bảo vệ kim loại hàn. |
