Giáo trình Hàn hồ quang tay cơ bản (Nghề: Hàn - Trung cấp) - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

Chia sẻ: Hayato Gokudera | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:113

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Hàn hồ quang tay cơ bản (Nghề: Hàn - Trung cấp). Sau khi học xong chương trình này, học viên có thể: giải thích được đầy đủ các khái niệm cơ bản về hàn điện hồ quang tay; nhận biết được các loại vật liệu dùng để hàn hồ quang tay; trình bày cấu tạo và cách điều chỉnh dòng điện của một số loại máy hàn hồ quang tay;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Hàn hồ quang tay cơ bản (Nghề: Hàn - Trung cấp) - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: MĐ 15 – HÀN HỒ QUANG TAY CƠ BẢN NGHỀ: HÀN TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: 979/QĐ-CĐVX-ĐT ngày 12/12/2019 của Hiệu trường Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô Ninh Bình, năm 2020 0
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. LỜI GIỚI THIỆU Nhu cầu công nghiệp hoá hiện đại hoá dạy nghề đã có những bước tiến lớn để thực hiện nhiệm vụ đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật chất lượng cao đáp ứng nhu cầu xã hội. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ trên thế giới, lĩnh vực cơ khí chế tạo nói chung và ngành Hàn ở Việt Nam nói riêng có những bước phát triển đáng kể. Chương trình khung quốc gia nghề hàn đã được xây dựng trên cơ sở phân tích nghề, phần kỹ thuật nghề được kết cấu theo các môđun. Để tạo điều kiện thuận lợi cho các cơ sở dạy nghề trong quá trình thực hiện, việc biên soạn giáo trình kỹ thuật nghề theo các môđun đào tạo nghề là cấp thiết hiện nay. Mô đun 15: Hàn hồ quang tay cơ bản là mô đun đào tạo nghề được biên soạn theo hình thức tích hợp lý thuyết và thực hành. Mô đun này giúp người học biết những khái niệm cơ bản về hàn hồ quang tay, cũng là mô đun đào tạo các kỹ năng hàn đầu tiên trong chương trình đào tạo nghề. Mặc dù có rất nhiều cố gắng, nhưng không tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của độc giả để giáo trình được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Ninh Bình, ngày tháng năm 2020 Tác giả Vũ Thị Thanh Ga 1
MỤC LỤC BÀI 1: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN KHI HÀN ĐIỆN HỒ QUANG TAY ..................... 6 1. Khái quát về hàn điện hồ quang tay ............................................................................................6 2. Hồ quang hàn ..............................................................................................................................10 3. Các vùng chịu tác dụng của nhiệt hàn ......................................................................................16 4. Sự dịch chuyển kim loại lỏng vào vùng hàn..............................................................................19 5. Các liên kết hàn cơ bản...............................................................................................................22 6. Ký hiệu, quy ước mối hàn. ..........................................................................................................25 7. Vật liệu hàn hàn hồ quang tay ...................................................................................................36 8. Thiết bị, dụng cụ hàn hồ quang tay ...........................................................................................46 9. Chế độ hàn ...................................................................................................................................60 10. Các khuyết tật của mối hàn ......................................................................................................63 11. An toàn lao động khi hàn hồ quang tay ..................................................................................69 BÀI 2: VẬN HÀNH MÁY HÀN HỒ QUANG TAY ............................................................ 72 1. Lắp đặt, vận hành máy hàn ........................................................................................................73 2. Gây hồ quang và chuyển động que hàn ....................................................................................75 BÀI 3: HÀN GÓC KHÔNG VÁT MÉP Ở VỊ TRÍ BẰNG (1F) ........................................... 79 1. Liên kết hàn góc không vát mép ở vị trí bằng ..........................................................................79 2. Chế độ hàn ...................................................................................................................................81 3. Kỹ thuật hàn ...............................................................................................................................82 4. Bài tập ứng dụng .........................................................................................................................83 BÀI 4: HÀN GIÁP MỐI KHÔNG VÁT MÉP Ở VỊ TRÍ BẰNG (1G) ................................. 86 1. Liên kết hàn giáp mối không vát mép ở vị trí bằng .................................................................86 2. Chế độ hàn ...................................................................................................................................87 3. Kỹ thuật hàn ................................................................................................................................88 4. Bài tập áp dụng ...........................................................................................................................88 BÀI 5: HÀN GIÁP MỐI CÓ VÁT MÉP Ở VỊ TRÍ BẰNG (1G) ......................................... 90 1. Liên kết hàn giáp mối có vát mép ở vị trí bằng ........................................................................91 2. Chế độ hàn ...................................................................................................................................92 3. Kỹ thuật hàn ................................................................................................................................92 4. Bài tập áp dụng ...........................................................................................................................94 BÀI 6: HÀN GÓC KHÔNG VÁT MÉP Ở VỊ TRÍ NGANG (2F) ........................................ 96 1. Đặc điểm hàn góc không vát mép ở vị trí ngang - 2F ..............................................................97 2. Chế độ hàn ...................................................................................................................................97 3. Kỹ thuật hàn ................................................................................................................................97 4. Bài tập áp dụng ...........................................................................................................................99 2
BÀI 7 : HÀN GIÁP MỐI KHÔNG VÁT MÉP Ở VỊ TRÍ NGANG ................................... 101 1. Đặc điểm hàn giáp mối không vát mép ở vị trí ngang – 2G ..................................................101 2. Chế độ hàn .................................................................................................................................102 3. Kỹ thuật hàn ..............................................................................................................................103 4. Bài tập áp dụng .........................................................................................................................104 BÀI 8 : HÀN GIÁP MỐI KHÔNG VÁT MÉP Ở VỊ TRÍ ĐỨNG (3G) ............................. 106 1. Đặc điểm hàn giáp mối không vát mép 3G .............................................................................106 2. Chế độ hàn .................................................................................................................................107 3. Kỹ thuật hàn ..............................................................................................................................107 4. Bài tập áp dụng .........................................................................................................................108 3
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: Hàn hồ quang tay cơ bản Mã mô đun: MĐ 15 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun - Vị trí: Mô đun này được bố trí sau các môn học MH08 đến MH13 và mô đun MĐ14. - Tính chất: Là mô đun chuyên môn. - Ý nghĩa của mô đun: Là mô đun hình thành cho học sinh những kiến thức, kỹ năng đầu tiên về hàn điện hồ quang tay. - Vai trò của mô đun: Là mô đun chuyên môn bắt buộc trong các cấp trình độ của chương trình Hàn tại các trường đào tạo nghề. Mục tiêu của mô đun: - Kiến thức: + Giải thích đầy đủ các khái niệm cơ bản về hàn điện hồ quang tay; + Nhận biết được các loại vật liệu dùng để hàn hồ quang tay; + Trình bày cấu tạo và cách điều chỉnh dòng điện của một số loại máy hàn hồ quang tay; + So sánh được kỹ thuật hàn các liên kết ở các vị trí khác nhau: 1F, 1G, 2F, 2G, 3G; + Tính toán chế độ hàn hồ quang tay phù hợp với chiều dày, vị trí, tính chất của vật liệu và kiểu liên kết hàn; - Kỹ năng: + Vận hành thiết bị thành thạo đúng trình tự; + Hàn được các mối hàn cơ bản 1F, 1G, 2F, 2G , 3G đạt yêu cầu kỹ thuật; - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Có khả năng làm việc độc lập và theo nhóm tốt, tiết kiệm vật liệu, đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. Nội dung của mô đun: Số Thời gian TT Tên các bài trong mô đun Tổng Lý Thực Kiểm số thuyết hành tra Bài 1: Những kiến thức cơ bản khi hàn 1 32 30 0 2 điện hồ quang tay 1. Khái quát về hàn điện hồ quang tay 2 2. Hồ quang hàn 4 3.Các vùng chịu tác dụng của nhiệt hàn 2 4.Sự dịch chuyển kim loại lỏng vào 2 vùng hàn 5. Các liên kết hàn cơ bản 2 6. Ký hiệu mối hàn 4 7. Que hàn 5 8. Thiết bị, dụng cụ hàn hồ quang tay 4 9. Chế độ hàn 2 4
Số Thời gian TT Tên các bài trong mô đun Tổng Lý Thực Kiểm số thuyết hành tra 10. Các khuyết tật của mối hàn 2 11. An toàn lao động khi hàn hồ quang 1 tay 12. Kiểm tra 2 2 Bài 2: Vận hành máy hàn hồ quang tay 8 1 7 0 1. Đấu nối và vận hành máy hàn 0,5 2 2. Gây hồ quang và chuyển động que hàn 0,5 5 Bài 3: Hàn góc không vát mép ở vị trí 3 16 1 13 2 bằng (1F) 1. Liên kết hàn góc không vát mép ở vị trí bằng 0,5 2. Chế độ hàn 3. Kỹ thuật hàn 4. Bài tập ứng dụng 0,5 13 2 Bài 4: Hàn giáp mối không vát mép ở vị 4 24 1 21 2 trí bằng (1G) 1. Liên kết hàn giáp mối không vát mép ở vị trí bằng 0,5 2. Chế độ hàn 3. Kỹ thuật hàn 4. Bài tập ứng dụng 0,5 21 2 Bài 5: Hàn giáp mối có vát mép ở vị trí 5 32 2 28 2 bằng (1G) 1. Liên kết hàn giáp mối có vát mép ở vị trí bằng 1 2. Chế độ hàn 3. Kỹ thuật hàn 4. Bài tập ứng dụng 1 28 2 Bài 6: Hàn góc không vát mép ở vị trí 6 16 1 15 0 ngang (2F) 1. Đặc điểm hàn góc không vát mép ở vị trí ngang 0,5 2. Chế độ hàn 3. Kỹ thuật hàn 4. Bài tập ứng dụng 0,5 15 Bài 7: Hàn giáp mối không vát mép ở vị 7 24 1 21 2 trí ngang (2G) 1. Đặc điểm hàn giáp mối không vát mép ở vị trí ngang 0,5 2. Chế độ hàn 5
Số Thời gian TT Tên các bài trong mô đun Tổng Lý Thực Kiểm số thuyết hành tra 3. Kỹ thuật hàn 4. Bài tập ứng dụng 0,5 21 2 Bài 8: Hàn giáp mối không vát mép ở vị 8 28 1 25 2 trí đứng (3G) 1. Đặc điểm hàn giáp mối không vát mép ở vị trí đứng 0,5 2. Chế độ hàn 3. Kỹ thuật hàn 4. Bài tập ứng dụng 0,5 25 2 Cộng 180 38 130 12 BÀI 1: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN KHI HÀN ĐIỆN HỒ QUANG TAY Mã bài: MĐ15.1 Giới thiệu: Để có tay nghề tốt, sinh viên – học sinh cần nắm vững những kiến thức cơ bản và vận dụng một cách linh hoạt vào thực hành. Bài học này trang bị những kiến thức cơ bản đầu tiên về hàn hồ quang tay, bao gồm các dạng liên kết hàn, vật liệu dùng trong hàn hồ quang tay, thiết bị hàn, dụng cụ hàn…. Mục tiêu của bài - Trình bày được các khái niệm về hồ quang hàn; - Phân biệt chính xác các liên kết hàn cơ bản; - Trình bày được các ký hiệu, quy ước của mối hàn; - Tính toán được các thông số chế độ hàn hồ quang tay; - Phân biệt được một số loại que hàn hồ quang tay; - Bảo quản được thiết bị hàn hồ quang tay đúng cách; - Phân biệt được các loại khuyết tật thường gặp trong mối hàn; - Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh công nghiệp. Nội dung 1. Khái quát về hàn điện hồ quang tay 1.1. Lịch sử phát triển của nghề hàn Khoảng đầu thời đại đồ đồng, đồ sắt loài người đã biết hàn kim loại Năm 1801 Sir Humphrey Davy sáng chế ra hồ quang điện. Năm 1802 nhà bác học Nga Pêtơrôp đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện và chỉ rõ khả năng sử dụng nhiệt năng của nó để làm nóng chảy kim loại 6
Năm 1881, Auguste de Meritens mới thực hiện thành công ý tưởng dùng hồ quang điện của điện cực cacbon để hàn nối các tấm chì lại với nhau. Năm 1882, kỹ sư Bênadơt đã dùng hồ quang cực than để hàn kim loại. Năm 1887, nhà khoa học người Nga, Nikolai Bernados được cấp bằng sáng chế của Anh quốc cho phương pháp sử dụng hồ quang của điện cực cacbon để hàn các chi tiết bằng công nghệ hàn tay. Sau đó khoảng đầu thập kỷ 1890, phương pháp hàn hồ quang bằng điện cực cacbon đã được ứng dụng thương mại tại châu Âu và Mỹ nhưng với phạm vi hạn chế do sử dụng điện áp và cường độ dòng hàn quá cao (100300 V và 6001000A). Năm 1989, độc lập với nhau, N. G. Slavianov (người Nga) và Charles Coffin (người Mỹ) đều được cấp bằng sáng chế cho phương pháp hàn hồ quang tay có sử dụng điện cực kim loại, thay vì điện cực cacbon. Oscar Kjellberg (người Thụy Điển) được coi là người đầu tiên đưa ra ý tưởng hàn hồ quang tay bằng que hàn có vỏ bọc mà chúng ta quen dùng ngày nay. Năm 1907, ông được cấp bằng sáng chế cho phương pháp đó. Năm 1932, ý tưởng đặt một lớp dày thuốc hàn khô lên bề mặt liên kết tại phía trước hồ quang của điện cực cacbon đã biến thành hiện thực. Dưới sự lãnh đạo của Viện sĩ E. O. Paton, năm 1939, hàn dưới lớp thuốc được đưa vào sủ dụng lần đầu tiên tại Liên xô. Cho đến năm 1942, do ứng dụng thành công công nghệ này, ngành công nghiệp quốc phòng của Liên xô đã sản xuất được nhiều xa tăng hơn Đức, góp phần không nhỏ vào chiến thắng chung của nhân loại trước hiểm hoạ phát xít. Năm 1919, Roberts và Van Nuys đã thử nghiệm khả năng dùng khí để bảo vệ hồ quang hàn. Nhưng mãi đến năm 1940, phương pháp hàn sử dụng khí trơ để bảo vệ hồ quang của điện cực vonfram trong hàn tấm mỏng manhê và thép không gỉ mới được ứng dụng thành công (dùng máy hàn một chiều). Năm 1946, nhờ có bộ ion hoá tần số cao kết hợp với các tụ điện có điện dung cao, người ta đã sử dụng dòng điện xoay chiều cho phương pháp hàn này. Năm 1950, hàn Nhôm trong môi trường khí trơ bằng điện cực nóng chảy đã dược áp dụng. Sau đó thay vì khí trơ, người ta còn sử dụng khí CO 2 và hỗn hợp khí Argon và khí Oxi cho các kim loại khác. Năm 1960, người ta cũng đã áp dụng cả hàn xung bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ. Năm 1949, cũng dưới sự lãnh đạo của Viện sĩ E. O. Paton, hàn điện xỉ ra đời, cho phép hàn được các tấm kim loại rất dày. Cuối những năm 1950, hàn bằng tia điện tử xuất hiện, tạo điều kiện cho hàn các kết cấu kim loại có đòi hỏi rất cao, đặc biệt trong ngành hàng không. Ngày nay đã có khoảng 130 phương pháp hàn khác nhau, ứng dụng trong mọi ngành công nghiệp để chế tạo những sản phẩm từ nhỏ nhất như vi mạch điện tử cho đến lớn nhất như tàu biển, cầu đường, v.v. 1.2. Thực chất, đặc điểm của hàn 1.2.1. Thực chất 7
Hàn là một quá trình công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận) thành một khối bền vững bằng cách dùng nguồn nhiệt để nung nóng chỗ cần nối đến trạng thái hàn. Sau đó, kim loại lỏng tự kết tinh (ứng với trạng thái lỏng) hoặc dùng thêm ngoại lực ép chúng lại với nhau (ứng với trạng thái nguội, dẻo) để tạo thành mối hàn. + Trạng thái hàn có thể là trạng thái lỏng, dẻo và thậm chí là nguội bình thường. + Khi hàn nếu kim loại đạt tới trạng thái lỏng , thì trong phần lớn các trường hợp, mối hàn tự hình thành mà không cần lực ép. + Nếu kim loại cần nối khi hàn có nhiệt độ thấp hoặc chỉ đạt tới trạng thái dẻo thì để tạo ra mối hàn cần thiết phải có ngoại lực tác dụng. 1.2.2. Đặc điểm - Với cùng khả năng làm việc, so với các phương pháp nối ghép khác (bằng bulông, đinh tán…) kết cấu hàn cho phép tiết kiệm từ 10  20% khối lượng kim loại. - So với đóc, hàn có thể tiết kiệm được tới 50% khối lượng kim loại. - Giảm được thời gian và giá thành chế tạo kết cấu. Hàn có năng suất cao giảm được cường độ lao động và tăng được độ bền chắc của kết cấu - Hàn cho phép chế tạo các kết cấu phức tạp, từ những vật liệu cùng loại hoặc từ những vật liệu có tính chất rất khác nhau ví dụ hàn được kim loại màu với kim lopại đen phù hợp với các điều kiện và môi trường làm việc khác nhau. - Hàn tạo ra các liên kết có độ bền và độ kín cao đáp ứng các yêu cầu làm việc của các kết cấu quan trọng như: vỏ tàu, bồn chứa, nồi hơi, thiết bị áp lực… - Hàn có tính linh động và năng suất cao với các công nghệ khác, dễ cơ khí hoá, tự động hoá quá trình sản xuất. - Mức độ đầu tư cho sản xuất không cao. - Giảm được tiếng ồn khi sản xuất. Tuy vậy, do trong quá trình hàn, vật liệu chịu tác động của nguồn nhiệt có công suất lớn, tập trung và trong một thời gian ngắn nên kết cấu hàn thường có những nhược điểm sau: - Tổ chức và tính chất của kim loại tại vùng mối hàn và vùng lân cận có thể thay đổi theo chiều hướng xấu (đặc biệt đối với những vật liệu khó hàn), làm giảm khả năngchịu lực của kết cấu, đặc biệt khi làm việc dưới tác dụng của tải trọng động, tải trọng biến đổi theo chu kỳ… - Trong kết cấu hàn thường tồn tại biến dạng và ứng suất dư, ảnh hưởng đáng kể đến hình dáng, kích thước, tính thẩm mỹ và khả năng làm việc của sản phẩm. Mặc dù vẫn còn những hạn chế nhất định, nhưng với tính kinh tế – kỹ thuật cao, công nghệ hàn ngày càng được quan tâm nghiên cứu, phát triển hoàn thiện và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp của nền kinh tế quốc dân. 1.3. Các khái niệm cơ bản về hàn 8
Hàn hồ quang quang que hàn có vỏ bọc (SMAW) là “phương pháp hàn hồ quang sử dụng nhiệt của hồ quang giữa que hàn có vỏ bọc và bể hàn. Phương pháp thường dùng cùng với sự bảo vệ từ việc phân huỷ của vỏ bọc que hàn khi bị đốt cháy trong quá trình hàn, trong phương pháp này không sử dụng áp lực, và kim loại điền đầy thu được từ que hàn”. Hình 1.1: Hàn hồ quang sử dụng que hàn thuốc bọc Trong hàn hồ quang thường sử dụng các khái niệm cơ bản sau: 1.3.1. Liên kết hàn Là một đoạn của kết cấu, trong đó các bộ phận cấu thành được nối với nhau bằng cách hàn. Trên thực tế, đây là một phần của kết cấu. Liên kết hàn bao gồm: mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt, và vùng kim loại cơ bản liền kề. 1.3.2. Bể hàn Khi hàn nóng chảy, dưới tác dụng của nguồn nhiệt một phần kim loại vật hàn tại vị trí mép hàn bị nóng chảy kết hợp với kim loại phụ ( que hàn, dây hàn, thuốc hàn..) nóng chảy tạo ra một khu vực kim loại lỏng thường gọi là bể hàn hay vũng hàn. Bể hàn chung cho cả 2 chi tiết. Theo quy ước chia bể hàn thành 2 phần: Phần đầu I: Bể hàn diễn ra quá trình nung nóng chảy kim loại cơ bản và kim loại phụ. Phần đuôi II: Diễn ra quá trình kết tinh kim loại hình thành mối hàn. Kim loại lỏng trong bể hàn ở trạng thái chuyển động và xáo trộn không ngừng. Sơ đồ chuyển động kim loại lỏng trong bể hàn như hình vẽ. Hình 1.2: Sơ đồ bể hàn I,II- Phần đầu và đuôi của bể hàn h, b và a – Chiều sâu, chiều rộng và chiều dài của vũng hàn S- chiều dày của chi tiết hàn 9
Kim loại lỏng ở trạng thái chuyển động và xáo lộn đó gây nên do áp lực dòng khí lên bề mặt kim loại lỏng (vùng đầu) đồng thời do những yếu tố khác như lực điện trường. Khi hàn với chiều dài hồ quang ngắn dưới tác dụng của áp lực khí, kim loại lỏng bị đẩy từ vùng tác dụng nhiệt về hướng ngược với chuyển động của nó tạo nên chỗ lõm trên bề mặt. Hình dáng bể hàn và hình dáng mối hàn ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Hình dạng kích thước bể hàn phụ thuộc vào công suất nguồn nhiệt, chế độ hàn, tính chất lý nhiệt của vật hàn… Vùng này kim loại nóng chảy hoàn toàn khi nguội có tổ chức tương tự thái đóc, thành phần tổ chức khác với que hàn và vật hàn. * Như vậy, Mối hàn có thể hiểu là phần kim loại lỏng được kết tinh khi nguội 1.3.3. Mối hàn Là sự liên kết mang tính cục bộ của kim loại (hoặc phi kim loại ) được tạo ra bằng cách nung nóng chúng tới nhiệt độ hàn, có sử dụng hoặc không sử dụng áp lực và kim loại phụ. Khi hàn ở trạng thái chảy thì chỗ nối của vật hàn nóng chảy ra cùng với kim loại hàn, sau đó kết tinh và đông đặc lại cho ta mối hàn Ở trạng thái dẻo thì chỗ nối của vật hàn được nung nóng tới trạng thái dẻo, khi đó khả năng để đảm bảo được mối hàn bền chắc chưa được nên phải tác dụng lên chỗ đó một ngoại lực. 1.3.4. Kim loại cơ bản Là kim loại hoặc hợp kim của các phần tử được hàn. 1.3.5. Kim loại phụ Là kim loại hoặc hợp kim được bổ xung vào mối hàn để tạo ra liên kết hàn. 1.3.6. Kim loại mối hàn Là toàn bộ phần kim loại cơ bản và kim loại phụ đó dược nung nóng chảy (hoặc chuyển sang trạng thái dẻo) trong quá trình hàn và được giữ lại trong mối hàn. 2. Hồ quang hàn 2.1. Khái quát về hồ quang hàn 2.1.1. Khái niệm Hồ quang hàn là sự phóng điện mạnh và liên tục qua môi trường khí đã bị ion hóa giữa các điện cực. 2.1.2. Cấu tạo và sự phân bố nhiệt 2.1.2.1. Cấu tạo 10
Hình 1.3: Cấu tạo cột hồ quang Hồ quang được cấu tạo gồm 3 phần: - Khu vực cực âm (catot) - Khu vực cực dương (anot) - Cột hồ quang 2.1.2.2. Sự phân bố nhiệt - Với hồ quang hàn của dòng điện một chiều: + Khu vực cực âm có nhiệt độ 32000C, nhiệt lượng toả ra là 38% của tổng nhiệt lượng hồ quang. + Khu vực cực dương có nhiệt độ 34000C, nhiệt lượng toả ra là 42% của tổng nhiệt lượng hồ quang. + Cột hồ quang có nhiệt độ lên đến 60000C, nhưng nhiệt lượng toả ra là 20% của tổng nhiệt lượng hồ quang. - Với hồ quang hàn của dòng điện xoay chiều: nhiệt độ, nhiệt lượng phân bố trên que hàn và vật hàn đều nhau. 2.1.3. Điều kiện và sự hình thành hồ quang 2.1.3.1. Điều kiện hình thành hồ quang - Giữa 2 điện cực phải có một hiệu điện thế đủ lớn để tạo thành điện trường hút các ion và electron. - Khoảng không khí giữa hai điện cực phải được ion hoá. + Trong cấu trúc của phân tử, bao giờ cũng có điện tử tự do, nếu ta tăng động năng cho nó đủ lớn thì chúng ta sẽ bứt ra khỏi sức hút của hạt nhân và sẽ 11
tách ra ngoài. Nếu như ở phía bên kia điện cực có hiệu điện thế đủ lớn thì điện cực bứt ra sẽ chuyển về phía trái dấu + Năng lượng dùng để bứt điện tử ra khỏi sức hút của hạt nhân gọi là cộng ion hoá trong hồ quang hàn chính là nhiệt năng. Trong quá trình điện tử chuyển về phía dương cực nó sẽ bắn phá các phần tử khi ở giữ hai điện cực và tạo ra các Ion dương mới hay nói cách khác là sẽ xảy ra hiện tợng Ion hoá. - Năng lượng dùng để Ion hoá khoảng không khí này gọi là điện thế Ion hoá và đến một mức độ nào đó sẽ xuất hiện cột hồ quang 2.1.3.2. Sự hình thành hồ quang Sự hình thành hồ quang trải qua 4 giai đoạn: 2.1.4. Hiện tượng lệch hồ quang 2.2. Phân loại hồ quang hàn 2.2.1. Theo loại điện cực 2.2.2. Theo cách nối dây 2.2.3. Theo loại dòng điện hàn Hình 1.4: Các giai đoạn hình thành hồ quang Giai đoạn 1: Do bề mặt đầu que hàn và vật hàn không phẳng nên khi que hàn chạm vào vật hàn sẽ xảy ra hiện tượng ngắn mạch (khi đó dòng điện rất lớn) sẽ sinh ra 1 lượng nhiệt tập trung rất lớn trong khoảng thời gian rất ngắn. Giai đoạn 2: Kim loại nóng chảy nhanh tại chỗ tiếp xúc và điền đầy khoảng trống giữa điện cực và vật hàn. Giai đoạn 3: Khi nhấc điện cực lên, dưới tác dụng của điện trường làm kim loại lỏng bị kéo dài ra và thắt lại. Giai đoạn 4: Dưới tác dụng của trọng lực, giọt kim loại sẽ đứt ra khỏi điện cực và chuyển động xuống dưới vật hàn. Khi đó khoảng không giữa đầu điện cực và vật hàn được ion hóa và luôn duy trì 1 điện áp nên hồ quang được hình thành. 2.1.4. Hiện tượng lệch hồ quang 2.1.4.1 Khái niệm Khi hàn trục tuyến của hồ quang và trục tuyến của que hàn không cùng nằm trên đường thẳng (hồ quang bị lắc sang phải, sang trái, về phía trước, phía sau). Hiện tượng đó gọi là hồ quang bị thổi lệch. Nói đến bản chất của hiện tượng hồ quang bị thổi lệch ta xét tác dụng của từ trường đối với hồ quang hàn: Dòng điện hàn thường rất lớn nên nó sinh ra xung quang nó một từ trường lớn, cột hồ quang chứa các điện tử chuyển động, dưới tác dụng của từ trường các điện tử trong cột hồ quang cũng bị thay đổi đường đi. 12
- Trường hợp bình thường trục tuyến của cột hồ quang cùng đường thẳng với trục tuyến của cực điện. Hình 1.5: Hồ quang không bị lệch - Trường hợp không bình thường trục tuyến cột hồ quang không trùng với trục cực điện chính là hiện tượng lệch hồ quang. Hình 1.6: Hồ quang bị lệch - Trường hợp này hồ quang lắc lệch về xung quanh người thợ hàn khó khống chế cho hồ quang tập trung sức nóng vào vùng nóng chảy, làm cho chất lượng, sự hình thành mối hàn kém, nghiêm trọng hơn là hồ quang bị tắt không hàn được, trong qúa trình hàn cần tránh hiện tượng hồ quang thổi lệch. 2.1.4.2. Nguyên nhân - Do ảnh hưởng của các luồng khí - Do độ dày thuốc bọc que hàn không đều, chỗ que hàn có thuốc bọc dày khi cháy sẽ tạo áp suất lớn hơn đẩy hồ quang lệch về phía kia. - Do sự phân bố từ trường xung quanh cột hồ quang không đều. Khi hàn xung quanh cột hồ quang và điện cực sinh ra từ trường. Nếu từ trường phân bố đối xứng thì hồ quang không bị thổi lệch, còn nếu từ trường phân bố không đối xứng thì hồ quang bị thổi lệch về phía từ trường yếu hơn. Nói cách khác kim loại vật hàn ở giữa vị trí tiếp diện điện và hồ quang của dòng điện hàn thông qua sinh ra từ thông. Nhưng khi kim loại vật hàn một bên khác của hồ quang không có dòng điện hàn thông qua, không sinh ra từ thông, cho nên cột hồ quang phân bố không đều, phát sinh ra hiện tượng thổi lệch. Dòng điện càng lớn thì hiện tượng thổi lệch càng nghiêm trọng. Hình 1.7: Từ trường hai bên không đều gây nên thổi lệch 13
- Do hiện tượng sắt từ: Nếu có một khối sắt từ đặt gần cột hồ quang cũng làm cho sự phân bố từ trường xung quanh cột hồ quang không đều. Kết quả là cho cột hồ quang bị thổi lệch về phía vật mang tính sắt từ. 2.1.4.3. Biện pháp khắc phục - Dùng tấm chắn để giảm bớt luồng khí ảnh hưởng đến cột hồ quang. - Thay đổi thích hợp vị trí tiếp điện của vật hàn. Hình 1.8: Từ trường đều nhau, hồ quang không bị lệch - Hàn với hồ quang ngắn. - Điều chỉnh góc nghiêng que hàn cho thích hợp (nghiêng que hàn về phía hồ quang bị thổi lệch). - Đặt thêm vật sắt từ nối tiếp với vật hàn để kéo dài hồ quang ra phía sau của vật hàn. 2.2. Phân loại hồ quang hàn 2.2.1. Theo loại điện cực Hàn hồ quang bằng cực điện không nóng chảy: Cực điện chế tạo bằng than, grafit, hoặc bằng vomfram. Hồ quang hình thành giữa điện cực không nóng chảy và vật hàn, kim loại bổ sung cho mối hàn phải đưa từ ngoài vào. Hàn hồ quang bằng cực điện nóng chảy: Que hàn vừa là điện cực vừa bổ sung kim loại phụ cho mối hàn, hồ quang cháy trực tiếp giữa que hàn và kim loại cơ bản 2.2.2. Theo cách nối dây Hình 1.9: Phân loại hồ quang theo cách nối dây Nối dây trực tiếp: Que hàn nối với một cực còn vật hàn nối với cực kia, thường dùng khi hàn bằng cực nóng chảy. Nối dây gián tiếp : Hai cực của nguồn điện với que hàn, hồ quang cháy giữa hai que hàn khi muốn hàn phải để hồ quang gần mối hàn truyền nhiệt từ hồ quang vào vật hàn làm nóng chảy mối hàn. Phương pháp này có thể điều chỉnh 14
được nguồn nhiệt hàn do đó cách nối dây này thường để hàn các vật mỏng hay kim loại hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp. Nối dây hỗn hợp: Phương pháp nối dây hỗn hợp chỉ dùng khi hàn hồ quang 3 pha. Phương pháp này thích hợp với hàn vật dày, kim loại, hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao 2.2.3. Theo loại dòng điện hàn - Hàn hồ quang bằng dòng điện một chiều: Khi hàn bằng dòng điện một chiều là hồ quang ổn định, xong hồ quang bị thổi lệch nhiều hơn. Để có dòng một chiều phải có hệ thống động cơ, máy phát hoặc là bộ phận chỉnh lưu. Vì vậy giá thành thiết bị đắt, quá trình chế tạo phức tạp. Khi hàn dòng một chiều có hai phương pháp đấu dây: Đấu thuận và đấu nghịch + Đấu thuận: Nối cực điện (máy hàn) với cực âm của nguồn điện, còn vật hàn với cực dương, nguồn điện cực dương nhiệt lượng cao, cực âm nhiệt lượng thấp. Khi hàn chi tiết dày đòi hỏi độ sâu nóng chảy lớn thì dùng đấu thuận. Đấu thuận ký hiệu là DC - ( Direct Current Straight Polarity) hoặc DCEN (D. C. Electrode Negativi) + Đấu nghịch: Nối cực điện ( máy hàn) với cực dương của nguồn điện, còn vật hàn với cực âm. Khi hàn que hàn có tính kiềm, hàn gang, thép mỏng, thép hợp kim nên dùng cách đấu nghịch. Đấu nghịch ký hiệu là DC + ( Direct Current Reverse Polarity) hoặc DCEP (D. C. Electrode Positive) Hình 1.10: Các loại đấu dây hàn điện một chiều - Hàn hồ quang bằng dòng điện xoay chiều: Cường độ và chiều hướng của dòng điện luôn thay đổi theo thời gian dòng điện đó gọi là dòng điện xoay chiều hay gọi tắt là dòng xoay chiều. Cực tính dòng điện xoay chiều không cố định do đó khi hàn không cần suy tính cách đấu thuận, đấu nghịch có thể đấu tuỳ ý vào kìm hàn hoặc vật hàn đều được. Dòng điện xoay chiều trong thời gian 1s đổi chiều khoảng 100 lần vì vậy cường độ cũng 100 lần trở về số không do đó hồ quang của dòng điện xoay chiều không ổn định bằng dòng điện một chiều. Nhưng hồ quang ít bị thổi lệch hơn. Ưu điểm: Hồ quang hàn dòng xoay chiều là tiện lợi, giá thành rẻ, thiết bị đơn giản, dễ bảo quản 15
2.3. Nguyên lý hàn hồ quang tay Hàn hồ quang tay là quá trình hàn điện nóng chảy sử dụng điện cực dưới dạng que hàn (thường là có vỏ bọc) và không sử dụng khí bảo vệ (mà chỉ có khí bảo vệ do lớp thuốc bọc cháy sinh ra). Trong đó tất cả các thao tác ( gây hồ quang, dịch chuyển que hàn, thay que hàn...) đều do người thợ hàn thực hiện bằng tay, nhiệt lượng do hồ quang điện sinh ra làm nóng chảy mép hàn và kim loại phụ tạo thành bể hàn ở trạng thái lỏng, sau khi kết tinh lại tạo thành bể hàn. Khí bảo vệ từ vỏ bọc Kim loại hàn nóng chảy Hồ quang Xỉ hàn Kim loại mối Giọt cầu hàn đông đặc kim loại Kim loại cơ bản Hình 1.11: Nguyên lý hàn hồ quang tay 3. Các vùng chịu tác dụng của nhiệt hàn 3.1. Vùng mối hàn 3.1.1. Tính chất 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 theo có hạt hình nhánh cấy kéo dài và vùng tâm có hạt lớn và có lẫn chất phi kim (xỉ v.v...) Hình 1.12: Vùng kim loại mối hàn 3.1.2. Các phản ứng cơ bản xảy ra trong vùng mối hàn 3.1.2.1. Các phản ứng oxi hoá Mặc dù dã có những biện pháp công nghệ đã nêu ở mục trên để ngăn ngừa tác động của không khí, nhưng nhiều khi cũng không thể giải quyết được triệt để 16
sự xâm nhập của oxi dưới nhiều hình thức vào kim loại mối hàn. Kết quả là xảy ra sự hoà tan của oxi vào sắt, tạo ra các oxit sắt (FeO, Fe 3O4, Fe2O3) và các oxit kim loại khác. Sự oxi hoá có thể do môi trường khí xung quanh kim loại nóng chảy có chứa nhiều hơi nước, khí ẩm (các yếu tố này đi vào vùng hàn thông qua que hàn, thuốc hàn, khí cháy,…) có thể do xỉ hàn (chứa nhiều FeO, CaCO3,…) hoặc cũng có thể do sự tồn tại của những lớp gỉ chứa không khí ẩm trên bề mặt vật hàn. Nếu các oxit kim loại hoà tan được trong kim loại lỏng, khi đông đặc sẽ tạo ra dung dịch đặc. Những oxit không hoà tan trong kim loại lỏng thì nó được tách ra khỏi kim loại khi đông đặc và tạo thành xỉ. Một phần oxit không hoà tan ở lại trong kim loại mối hàn ở dạng gói xỉ hoặc là phân bố ở biên giới các hạt làm giản khả năng liên kết giữa chúng. Khi Oxi kết hợp với sắt có thể tạo ra 3 loại oxit sau: Tạo ra oxit sắt 2 theo phản ứng: 2Fe + O2 = 2FeO Tạo ra oxit sắt 3 theo phản ứng: 4Fe + 3O2 = 2Fe2O3 Tạo ra oxit sắt kép theo phản ứng: 3Fe + 2O2 = 2Fe3O4 Đầu tiên tạo thành oxit sắt 2, do điều kiện nhiệt độ tỷ lệ giữa oxi và sắt trong vùng hàn nó sẽ chuyển sang oxit sắt 3 hay oxit sắt kép. Trong 3 dạng oxit sắt trên thì chỉ có FeO là hoà tan được trong kim loại lỏng. Do có sự oxi hoá nên các hàm lượng các nguyên tố có trong kim loại mối hàn sẽ bị giảm, nó làm giảm cơ tính của kim loại đắp, giảm độ bền, độ dai va đập và tính chảy loãng. Ngoài ra nó còn làm giảm độ chống ăn mòn, tăng khả năng hoá già của thép làm cho kim loại bị dòn nóng và dòn nguội. 3.1.2.2. Các phản ứng khử Để hạ thấp hàm lượng của Oxi trong kim loại đắp, người ta phải tiến hành các biện pháp khử oxi khi hàn nóng chảy. Người ta đưa vào các nguyên tố hoá học có khả năng kết hợp với oxi mạnh hơn sắt, để tạo ra các oxit kim loại tương ứng ít có khả năng hoà tan trong kim loại mối hàn hơn FeO và dễ nổi lên chuyển thành xỉ bao phủ lên bề mặt mồi hàn. Đây là một quá trình rất quan trọng trong hàn, nhờ nó mà ta thu được kim loại đắp có độ sạch cao và chất lượng tốt. Thông dụng nhất là biện pháp khử oxi bằng xỉ hàn và khử oxi bằng các chất khử mạnh. * Khử bằng xỉ hàn. Khi trong vũng hàn có xỉ mang tính axit, sự khử oxi sẽ xảy ra theo phản ứng sau: FeO + SiO2 = FeO.SiO2 2 FeO + SiO2 = 2FeO.SiO2 Các siliccat được tạo thành sẽ không hoà tan vào kim loại mà đi vào thế hàn lượng FeO trong mối hàn sẽ giảm đáng kể. * Khử oxi bằng các chất khử mạnh - Khử bằng cacbon: FeO + C = Fe + CO CO hầu như không tan trong sắt, nổi lên bề mặt. Tuy nhiên khả năng rỗ khí rất lớn nếu sử dụng cacbon làm chất khử. - Khử bằng Mangan: FeO + Mn = Fe + MnO 17
MnO ít hoà tan trong sắt, nhưng FeO lại có thể hoà tản rất mạnh vào MnO (tới 60%). Vì vậy, MnO sẽ đi vào xỉ và mang theo một lượng đáng kể FeO. - Khử bằng Silic: Đầu tiên: FeO + Si = 2Fe + SiO2 Tiếp theo: FeO + SiO2 = FeO.SiO2 SiO2 và FeO.SiO2 đi vào xỉ. - Khử bằng nhôm thường dẫn tới nứt nóng. Vì vậy phương pháp này rất ít được sử dụng. 3.2. Vùng viền chảy (đường 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. 3.3. Vùng ảnh hưởng nhiệt Kim loại vật hàn trong vùng này bị nung nóng sau đó nguội cùng mối hàn. Do ảnh hưởng 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 đượcnhiều tổ chức khác nhau. Xét trường hợp khi hàn thép các bon, tổ chức của vùng ảnh hưởng nhiệt có thể chia thành năm miền (từ lớp giáp với viền chảy) : * Miền quá nhiệt: Sát với viền chảy, có nhiệt độ trên 11000C kim loại bị quá nhiệt mạnh, các hạt austennit bắt đầu phát triển mạnh, vùng này có hạt rất lớn có độ dai va chạm và tính dẻo kộm, độ bền thấp và tính dòn cao là miền yếu nhất của vật hàn. * Miền thường hóa: Là miền có nhiệt độ 9000  11000C, kim loại có tổ chức có các hạt ferit nhỏ và một số hạt peclit, nó có cơ tính rất cao. * Miền kết tinh lại không hoàn toàn: Là miền có nhiệt độ 7200  9000C có tổ chức hạt lớn của pherit lẫn với hạt austennit nhỏ, vì thế cơ tính không đều. * Miền kết tinh lại ( vùng ủ mềm ): Là miền có nhiệt độ 5000  7000C. Miền này tổ chức giống tổ chức kim loại vật hàn, nhưng ở nhiệt độ này là nhiệt độ biến mềm làm mất hiện tượng biến cứng, các sai lệch mạng được khắc phục, độ dẻo kim loại phục hồi. * Miền dòn xanh: Là miền có nhiệt độ < 5000C tổ chức kim loại trong vùng này hoàn toàn giống với tổ chức ban đầu nhưng do ảnh hưởng nhiệt nên tồn tại ứng suất dư nên khi thử mẫu hàn, miền này thường bị đứt. Vùng ảnh hưởng 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. 18
Hình 1.13: Vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn 4. Sự dịch chuyển kim loại lỏng vào vùng hàn 4.1. Các lực tác dụng lên giọt kim loại lỏng khi dịch chuyển Kim loại từ que hàn vào vũng hàn ở dạng những giọt nhỏ có kích thước 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 - Áp lực do sự bốc hơi - Lực điện từ - Áp lực của cột hồ quang - Sức căng bề mặt Hình 1.14: Sự dịch chuyển kim loại lỏng vào vùng hàn 4.1.1. Trọng lực Ftl = mkl.g.h m: Khối lượng của giọt KL nóng chảy. 19