Lý thuyết hàn

Chia sẻ: Lều Mạnh Hoàng | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:99

Thêm vào BST

Báo xấu

136
lượt xem 32
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hàn là quá trình công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận) thành một khối bền vững, bằng cách dùng nguồn nhiệt 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 dính lại với nhau (ứng với trạng thái nguội, dẻo) để tạo thành mối hàn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Lý thuyết hàn

chương I KHÁI NIỆM VỀ HÀN KIM LOẠI 1.1. bản chất và đặc điểm hàn kim loại a, bản chất: Hàn là quá trình công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận) thành một khối bền vững, bằng cách dùng nguồn nhiệt 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 dính lại với nhau ( ứng v ới trạng thái nguội, dẻo) để tạo thành mối hàn. + Trạng thái hàn có thể là trạng thái lỏng, dẻo và th ậm chí là ngu ội bình thường. + Khi hàn nếu kim loại đạt tới trạng thái lỏng , thì trong ph ần l ớn các trường hợp, mối hàn tự hình thành mà không cần lực ép. Vi ệc t ạo ra m ối hàn có hình dạng và kích thước cho trước có thể cần hoặc không cần kim lo ại b ổ sung (thông qua vật hàn). + Nếu kim loại chỗ cần nối khi hàn có nhiệt độ thấp hoặc ch ỉ đ ạt t ới tr ạng thái dẻo để tạo ra mối hàn cần thiết phải có ngoại lực tác dụng. + Về bản chất hàn đắp, hàn vẩy và dán kim loại cũng tương tự như hàn. Vì thế trong kỹ thuật chúng được coi là lĩnh vực riêng của hàn. a, Đặc điểm - Liên kết hàn được đặc trưng với tính liên t ục và nguyên kh ối . Đó là liên k ết “ cứng” không tháo rời được. - Với cùng khả năng làm việc so với các phương pháp nối ghép khác( b ằng bu lông, đinh tán,…) kết cấu hàn cho phép tiết kiệm 15 – 20% kh ối lu ượng kim loại - So với Đúc, Hàn có thể tiết kiệm được 50% khối lượng kim loại - Hàn cho phép chế tạo các kết cấu phức tạp, siêu trường, siêu trọng từ những vật liệu cùng loại hoặc các vật liệu khác loại, hoặc các vật liệu có tính ch ất rất khác nhau. Phù hợp với điều kiện và môi trường khác nhau. - Hàn tạo ra các liên kết có độ bền và độ kín cao đáp ứng v ới yêu c ầu làm việc của các kết cấu quan trọng (vỏ tàu, bồn bể, nồi hơi, thiết bị áp lực, …). - Hàn có tính linh động và có năng suất cao so với các công ngh ệ khác, đễ cơ khí hóa tự động hóa quá trình sản suất. - Mức độ đầu tư cho sản xuất hàn không cao (thiết bị đơn giản, rẻ tiền). + Nhược điểm: 1
- Tổ chức và tính chất kim loại tại vùng mối hàn và khu vực lân c ận có th ể thay đôi theo chiều hướng xấu ( đặc biệt với vật li ệu khó hàn). Làm gi ảm khả năng chịu lực của kết cấu, đặc biệt là khi làm việc dưới tải trọng động. - Trong kết cấu hàn thường tồn tại trạng thái ứng suất và biến dạng dư, ảnh hưởng đáng kể đến hình dạng và kích thước, thẩm mỹ và khả năng làm việc của sản phẩm. 1.2. Phân loại các phương pháp hàn. - có nhiều cách phân loại phương pháp hàn. Tuy nhiên, thông dụng nhất là cách phân loại theo năng lượng sử dụng và theo trạng thái kim lo ại hàn t ại th ời điểm hàn. a, Theo dạng năng lượng sử dụng : có các nhóm phương pháp hàn như sau: - Các phương pháp hàn điện: Gồm các phương pháp dùng điện năng biến thành nhiệt năng để cung cấp cho quá trình hàn, ví dụ: +Hàn điện hồ quang . +Hàn điện tiếp xúc. +Hàn điện xỉ - Các phương pháp hàn cơ học: Gồm các phương pháp sử dụng cơ năng đ ể biến dạng kim loại tại khu vực cần hàn và tạo ra liên kết hàn. Ví dụ: Hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm… - Các phương pháp hàn hóa học: Gồm các phương pháp sử dụng năng lượng do các phản ứng hóa học tạo ra để nung nóng chẩy kim loại mối hàn. Ví dụ: Hàn khí, hàn hóa nhiệt,…. - Các phương pháp kết hợp: Sử dụng kết hợp các dạng năng lượng nêu trên. b, Theo trạng thái kim loại mối hàn tại thời điểm hàn: Chia tất cả các phương pháp hàn thành hai nhóm. 1, Hàn nóng chảy (Fusion welding) + Hàn khí (Gas Welding) + Hàn điện xỉ (Electroslag Welding) + Hàn nổ ( Exploxsion Welding) + Hàn laze (Laser Welding) + Hàn Plasma ( Plasma Welding) + Hàn hóa nhiệt +Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chẩy (Arc welding using a consumable electrode) +Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy (Arc welding using a non consumable electrode) + Hàn trong môi trường khí bảo vệ ( Gas shielded arc welding) 2
- hàn hồ quang bằng điện cực Vonfram trong môi trường khí bảo vệ(Ar, He, Ar +He) : Hàn TIG (Gas tungsten Arc Welding).GTAW; tungsten Inert Gas (Châu Âu) - Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chẩy trong môi trường khí trơ bảo vệ (Ar, He, Ar+ He) : Hàn MIG (Metal Inert Gas welding ) - Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chẩy trong môi trường khí bảo vệ hoạt tính (thường CO2): GMAW (Gas metal Arc Welding); MAG: (Metal Active Gas welding) +Hàn bằng dây có lõi thuốc (Self shielded welding) + Hàn dưới lớp thuốc (Submerged arc welding) 2, Hàn áp lực (Pressure welding) + Hàn siêu âm ( Utrasonic welding) +Hàn nổ (Explosion welding) + Hàn nguội (Cold welding) + Hàn ma sát (Priction welding) + Hàn khuyếch tán (Diffusion welding) + Hàn cao tần (Induction welding) + Hàn rèn (forge welding) + Hàn điện tiếp xúc bao gồm: (Resistance welding) - Hàn tiếp xúc giáp mối (đối đầu) Resistance butt welding - Hàn tiếp xúc điểm (Spot welding) - Hàn tiếp xúc đường (Resistance seam welding) + hàn khí ép (Presswure gas welding) c, Theo phương pháp hàn: - Hàn hồ quang tay (Manual arc welding.) - Hàn hồ quang tự động (Automatic arc welding) - Hàn hồ quang bán tự động (Semi Automatic arc welding ) - Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (Gas shielded arc welding) Với hàn nóng chảy: Yêu cầu các nguồn nhiệt phải có công suất đủ lớn ( Hồ quang hàn, ngọn lủa khí cháy, Plasma…) đảm bảo nung nóng c ục b ộ kim loại cơ bản và vật liệu hàn tới trạng thái nóng chảy. Với phương pháp hàn áp lực: Đa s ố quá trình hàn kim lo ại đ ược th ực hiện ở trạng thái rắn, một số trường hợp một phần kim loại chỗ cần nối có thể nung tới trạng thái chảy lỏng và mối hàn được hình thành bằng l ực ép ( Khi ép có thể toàn thể kim loại lỏng được đẩy ra xung quanh tạo thành ba via và mối hàn được tạo nên trên bề mặt tiếp xúc của chi tiết ở trạng thái r ắn hoặc phần kim loại lỏng tự kết tinh hình thành mối hàn cung với lực ép). 3
chương II NGUỒN NHIỆT HÀN 2.1 Yêu cầu chung của nguồn nhiệt hàn. - Hàn là nung nóng cục bộ vùng hàn đến nhiệt độ ở trạng thái hàn, nung nóng tới nhiệt độ chảy hoặc nhiệt độ biến dạng dẻo. Trừ một số trường hợp không nung nóng. - Hàn nóng chảy: (Fusion welding) T0 nung chảy > T0 chảy của kim loại. Chỉ có ở vùng biên giáp với kim loại rắn, nhiệt độ tối thiểu bằng nhi ệt độ nóng chảy kim loại hàn. Tại tâm nguồn nhiệt tác dụng, nhiệt độ đạt đ ến tr ạng thái bốc hơi. - Hàn áp lực: (Pressure welding) Tại bề mặt tiếp xúc hàn: Tm≤ Tnc . + h = h1 +h2 + d: đường kính điện cực. h = δ1 + δ2 d≠ D Td
Td : Nhiệt độ biến dạng dẻo kim loại. - Nguồn năng lượng sử dụng trong hàn để nung kim koại vật hàn và điện cực + Hóa năng chuyển thành nhiệt năng thường thông qua các phản ứng hóa học + Cơ năng chuyển thành nhiệt năng + Điện năng chuyển thành nhiệt năng Liên hợp giữa các nguồn năng lượng để tạo ra nhiệt lượng Q nung nóng vùng hàn, nhiệt lượng hữu ích tạo ra mối hàn thường nhỏ hơn lượng nhiệt nguồn cung cấp do sự hao tổn ra môi trường, do kim loại hàn có tính d ẫn nhi ệt, t ừ đó ta có: Qhữu ích < Qtoàn phần = Qn Q Q η = hi = m (hệ số hữu ích) Qtp Qn Qm = Cm.mm.Tm Cm: Nhiệt dung riêng phần kim loại nóng chảy. *Có ba loại nghiệt dung riêng: - Nhiệt dung riêng khối lượng ký hiệu C (J/Kg. K0) - Nhiệt dung riêng thể tích ký hiệu C’ (J/m3. K0) - Nhiệt dung riêng Kilomol ký hiệu Cµ (J/Kmol. K0) - Quan hệ giữa 3 loại nhiệt dung: C = C’ = Cµ / µ Tm:Nguồn nhiệt mm: Khối lượng kim loại được nung Qn = Cn.mn.Tn Qm C m .mm .Tm η= = Qn C n .m m .Tn . Qm< Qn  Tm< Tn Q Q − Q0 Q η= m = n = 1− 0 Qo < Qn Qn Qn Qn  η < 1; η = 1 Khi không mất mát nhiệt Trong tực tế một số phương pháp hàn nhiệt độ trên bề mặt kim lo ại nóng chảy cao hơn nhiệt độ nguồn nhiệt 700C -1000C . Tvh = Tnc + (700C -1000C) Nhiệt độ do nguồn nhiệt cấp mất đi do tiếp xúc với môi trường. Một s ố trường hợp nhiệt độ bề mặt nóng chẩy lớn hơn Tnc từ 300 - 4000C Tm = Tnc +{(700C -1000C ) ÷ (300 - 4000C )} +Yêu cầu đối với nguồn nhiệt hàn - Phải giảm mất mát nhiệt 5
- Công suất nguồn nhiệt phải đủ lớn để giảm mất mát không c ần thi ết đủ đ ể nung nóng bề mặt hàn đến trạng thái hàn . 2.2 . Nguồn nhiệt của ngọn lửa khí cháy với O2 . - Khí H2 cháy với O2 H2 + O2 → H2O +Q H2O Điện phân H2O  H2+O2 (mỏ hàn) - C cháy với O2 C + O2 → CO +2900 cal/mol. 1 CO + O2 → CO2 +2900 cal/mol. 2 ∑ Qn Qn = Cn.mn.Tn  Tn = ∑ C m .mn TH 2O = ∑ Qn ≈ 5300 0 C ∑ Cm .M n Nhiệt độ cao xẩy ra phản ứng nghịch 1 H2O → H2 + O2 - Q H2O 2 Gọi x: mức độ phân ly của H2O Gọi y: mức độ phân ly của O2 Gọi z: mức độ phân ly của H2 Nhiệt độ cháy của O2 với H2 là : (1 − x)Q H 2O - z Q H 2 - yQO2 Tn = x (1 − x)CT 2O + ( x − z )CT 2 − 2 zCT + ( − y )CO2 + 2 yC0 H H H T T 2 Q H 2 Hiệu ứng nhiệt tạo ra phần tử H2 ≈ 103 800cal QO2 Hiệu ứng nhiệt tạo ra phần tử O2 ≈ 111 700cal = 544,3 KJ (1-x) khối lượng hơi nước sau khi được phân ly x phần (x-z) khối lượng phân tử H2 không phân ly. (x/2 –y) khối lượng phân tử O2 không phân ly. 2y : Khối lượng nguyên tử O 2z : Khối lượng nguyên tử H 6
T CT 2O , CT 2 , CO , CT , C0 là nhiệt dung của nước, phân tử hidro, phân tử oxy, H H H T 2 2 nguyên tử hidro, nguyên tử oxy - Kết quả tính toán trên cho Tn = 53000C đó là kết quả tính toán lý thuyết. Thực tế nhiệt độ chỉ đạt: 2300 0C - C2H2 phân ly điều kiện không có O2 C2H2  CH4 +3C + Q1 (Sự phân ly của C2H2 ) CH4 + 3C  + Q2 Tổng nhiệt lượng sinh ra: Q + Q2 Q= 1 2 - C2H2 phân hủy có O2 : C2H2 + O  C2H2O C2H2O + O  C2H2O2 + Q CO + HCOH 2CO + H2 + Q CO +H2 - C2H2 cháy đủ O2 Cháy hoàn toàn, ngọn lửa gồm ba vùng phân biệt 1: Vùng sáng trắng (nhân) 2: Vùng sáng xanh (Vùng hoàn nguyên) 3: Vùng vàng rơm (vùng cháy hoàn toàn) sự phân bố nhiệt trên các vùng của ngọn lửa khác nhau. - Căn cứ vào tỷ số VO2 β= VC2 H 2 Chia ngọn lửa cháy C2H2 với oxy thành các loại sao: 7
+ β < 1 thừa C2H2, dư C gọi là ngọn lửa (các bon hóa) dùng hàn gang, đồng, ngọn lửa gồm có hai vùng do nhân ngọn lửa kéo dài chiếm hết cả vùng hoàn nguyên + Nếu β = 1,1 ÷ 1,2 Gọi là (ngọn lửa trung hòa), gồm có ba vùng phân biệt rõ ràng (Nhân, vùng hoàn nguyên, vùng cháy hoàn toàn). Ngọn lửa này dùng hàn thép, nhôm. +Nếu β > 1,2 . Thừa O2 Gọi là (ngọn lửa oxy hóa) nhân ngọn lửa ngắn lại,vùng hoàn nguyên và vùng cháy hoàn toàn không phân biệt rõ ràng. ngọn lửa này dùng hàn đồng thau để tránh kẽm bị bay h ơi trong quá trình hàn, không dùng ngọn lửa này để hàn thép. - Phương trình cháy trong các ngọn lửa: 8
+ Dư C2H2 2,8C2H2 + 0,8O2 → 1,6CO + 4C + 2,8H2 + Q =101140 cal/mol = 422,3KJ/mol 1,6CO +4C +2,8H2 + 6,2O2 → 5,6CO2 +2,8H2O + 205960 cal + Đủ O 2 C2H2 + O2 → CO + H2 + 112800 cal/mol = ( 471,5 KJ/mol) Cháy tiếp với O2 của không khí CO + H2 + 3/2O2 → 2CO2 + H2O + 200 000 cal/mol + Thừa O2 . C2H2 + 1,5O2 → 1,65CO + 0,35CO2 + 0,35 H2 + 0,65H2O +172240 cal/mol 1,65CO + 0,35H2 + 0,35CO2 +0,65H2O + O2 → 2CO2 + H2O +Đồ thị phân bố nhiệt độ của các loại ngọn lửa. Sự phân bố nhiệt của ngọn lửa hàn khí - Công suất ngọn lửa. Được điều chỉnh bằng số lượng thể tích khí cháy trong một đơn vị thời gian (l/giờ) Mỗi loại mỏ hàn đều có tiết diện dẫn khí C 2H2 , O2 khác nhau, kích thước vành dẫn tạo ra công suất ngọn lửa hàn lớn hay nhỏ. Chia mỏ hàn ra thành các s ố hiệu từ 1 đến 7, công suất ngọn lửa tăng từ (1 – 7) s ố 7 có công su ất ng ọn l ửa lớn nhất - Nhiệt lượng truyền vào lớp nung nóng tính theo công thức 9
2 2 q r = q max .e − kr (cal/cm .s) k: Hệ số tập trung của nguồn nhiệt lấy theo số hiệu mỏ hàn (bảng dưới) N0 1 2 3 4 5 6 7 k 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,2 0,17 9 5 1 8 3 0 Nhiệt độ cực đại tại tâm của vũng hàn, giảm dần ra mép vũng hàn (hình vẽ dưới) 10
• Sơ đồ phân bố nhiệt trong hàn khí 2.3. Nguồn nhiệt của hồ quang hàn. 11
2.3.1.Sự phóng điện của hồ quang. Hồ quang là nguồn nhiệt cơ bản để làm nóng chảy kim lo ại, đi ện c ực trong quá trình hàn. Khi hàn có thể tiến hành hàn hồ quang tay, hàn h ồ quang t ự động và bán tự động trong môi trường thuốc bảo vệ, khí bảo vệ, s ử d ụng nhiều nhất là khí bảo vệ. * Nguyên lý đặc điểm chung hàn hồ quang tay Hàn hồ quang tay là phương pháp hàn nóng chẩy, các thao tác trong quá trình hàn như (Châm và duy chùy hồ quang cháy ổ định, đảm bảo chiều rộng mối hàn cũng như dịch chuyển hồ quang để hàn hết chiều dài đ ường hàn) đ ều thực hiện bằng tay người thợ hàn + Sơ đồ nguyên lý: Nguyên lý hàn hồ quang tay +Đặc điểm: - Có thể hàn được ở mọi vị trí trong không gian - Hàn được các chi tiết to, nhỏ hoặc đơn giản, phức tạp khác nhau - Có thể thực hiện trong các môi trường khác nhau (dưới nước, trong chân không…) - Thiết bị hàn và trang bị gá lắp hàn đơn giản, dễ thao tác - Năng suất thấp do cường dộ dòng hàn bị hạn chế - Hình dạng kích thước mối hàn không đều do V h thay đổi, phụ thuộc vào tay nghề công nhân. - Thành phần hóa học mối hàn không đều do thành ph ần kim lo ại c ơ b ản tham gia vào mối hàn thay đổi - Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt liên kết hàn tương đối lớn do nguồn nhiệt có nhiệt độ cao và tóc độ hàn nhỏ - Điều kiện làm việc của thợ hàn không được tốt vì ảnh hưởng của cường độ sáng và nhiệt của hồ quang 12
Mặc dù còn nhiều nhược điểm nh ưng nh ững chi tiết có chi ều d ầy nhỏ và trung bình cho đến nay hàn hồ quang tay vẫn là ph ương pháp thích h ợp nhất. đồng thời nó cũng là phương pháp chủ yếu nhất trong các phương phán hàn điện nóng chẩy để thực hiện các mối hàn ở vị trí hàn đứng và đặc bi ệt ở vị trí hàn trần. vì vậy mà hầu hết các nước trên thế giới có nền công nghi ệp phát triển hiện đại như Mỹ, Nga, Nhật… tỷ lệ phương pháp hàn h ồ quang tay chiếm trên 50% trong tổng các phương pháp hàn + Nguồn hàn hồ quang tay: Có thể dùng dòng xoay chiều, một chiều có đ ặc tính dốc, thoải. Hàn bằng dòng một chiều hồ quang ổn định hơn do chiều dòng điện không thay đổi nên chất lượng mối hàn tốt hơn thường áp dụng hàn các kim loại có tính hàn khó +Điện cực hàn hồ quang tay: là que hàn nóng chẩy, có kích thước tiêu chu ẩn về đường kính và chiều dài.Que hàn được sản suất theo các tiêu chuẩn khác nhau (TCVN, AWS, JIS….) - Cấu tạo que hàn: Gồm hai phần lõi que và thuốc bọc Lõi que hàn: Dẫn điện tạo hồ quang, quá trình hàn nóng ch ẩy b ổ xung kim loại đắp cho mối hàn, trong lõi que hàn còn có m ột s ố nguyên t ố h ợp kim để khử O2, oxy hóa kim loại mối hàn và hợp kim hóa nâng cao độ bền mối hàn. Đường kính que hàn được gọi theo đường kính lõi que Thuốc bọc que hàn: Trong quá trình hàn nóng ch ẩy t ạo khí, x ỉ b ảo v ệ kim loại mối hàn, khử ôxy, hợp kim hóa nâng cao độ bền mối hàn, giúp vi ệc mồi hồ quang và duy trùy hồ quang cháy ổn định và giúp công việc hàn tiến hành thuận lợi khi hàn các mối hàn trong không gian. Vì vậy trong thuốc b ọc que hàn phải có đủ các thành phần để đảm bảo các chức năng trên. Theo tính chất thuốc bọc que hàn chia que hàn thành b ốn nhóm: Que hàn a xít (A), que hàn ba zơ (B), que hàn ru tin (R), que hàn cellulo (C). M ỗi loại que hàn có tính công nghệ khác nhau và ứng dụng hàn các liên kết vật liệu khác nhau. Theo chiều dày lớp thuốc bọc chia que hàn thành bốn nhóm, que hàn thuốc bọc mỏng (d/D) ≤ 1,2, que hàn thuốc bọc trung bình 1,2 < (d/D) ≤ 1,45, que hàn thuốc bọc dày 1,45< (d/D) ≤ 1,8, que hàn thuốc bọc đặc biệt dày 1,8< (d/D) Theo phạm vi sử dụng chia que hàn ra: +Loại để hàn thép các bon và thép hợp kim thấp (ký hiệu Y) +Loại để hàn thép hợp kim trung bình (ký hiệu Λ ) +Que hàn thép hợp kim cao có tính chất đặc biệt (ký hiệu B) +Que hàn dùng để hàn đắp (ký hiệu H) - Các thông số công nghệ hàn hồ quang tay: Được xác đ ịnh b ằng th ực nghi ệm gồm 13
+ Đường kính que hàn : d (mm) +Cường độ dòng điện hàn : Ih (A) + Điện áp hàn : Uh (V) + Số lớp hàn : (n) hàn các chi tiết có chiều dày lớn + Tốc độ hàn : Vh (m/h) + Năng lượng đường : qđ (Cal/cm) Khi xác định các thông số hàn c ần căn c ứ vào liên k ết hàn đã ch ọn, v ị trí hàn có thể xác định chế độ hàn một lớp hoặc nhiều lớp để hàn liên kết. * Nguyên lý đặc điểm hàn hồ quang tự động, bán tự động dưới lớp thuốc (hàn ngầm) - Hàn tự động : các chuyển động dịch chuyển điện cực theo chiều trục của nó, dịch chuyển điện cực dọc trục mối hàn, dao động ngang đảm bảo chi ều rộng mối hàn, các chuển động này được tự động háo hoàn toàn. Nếu nguyên công dịch chuyển điện cực dọc trục mối hàn, dao động ngang điện cực th ực hiện bằng tay gọi là hàn bán tự động. Sơ đồ nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc - So với hàn hồ quang tay: + Năng suất hàn tăng 5- 10 lần do hàn với cường độ dòng lớn, tốc độ hàn cao (Vhqqt = 6 – 8 m/h; Vhtđ = 18 – 40 m/h ) + Tiết kiệm kim loại do dây hàn sử dụng triệt để, hàn chi tiết có chiều dày ≤ 20mm không cần vát mép, hàn hồ quang tay chiều dày chi tiết ≥ 6mm phải vát mép 14
+ Kim loại bắn té ra xung quanh ít + Kích thước mối hàn đều, hình dạng mối hàn đẹp + Chất lượng mối hàn tốt + Chiều rông vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ do Vh lớn nên biến dạng sau khi hàn nhỏ + Điều kiện lao động tốt vì hồ quang cháy ngầm dưới lớp thuốc + Giá thành thiết bị cao nên giá thành mối hàn cao + Chỉ cho phép hàn các mối hàn ở vị hàn sấp có độ nghiêng so với mặt phẳng ngang α ≤ 70. - Vật liệu dùng trong hàn tự động: +Dây hàn Đây hàn có chức năng dẫn điện tạo hồ quang, nóng chẩy bổ xung kim loại đắp cho mối hàn. Chất lượng liên kết hàn dưới lớp thuốc được xác định bằng tổng hợp sự cân bằng giữa dây và thuốc, dây và thuốc được chọn trên cơ sở kim loại cơ bản Các dây hàn gồm: Dây thép các bon, thép các bon mangan và thép hợp kim thấp, thành phần các bon trong dây không quqa 0,12%. Hàm lương các bon cao làm giảm độ dẻo tăng khả năng gây nứt trong mối hàn. đường kính dây tiêu chuản d = 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0mm; đây được bảo quản chống rỉ và thường cuốn thành cuộn có khối lượng nhất định + Thuốc hàn tự động, bán tự động dùng hàn thép các bon, thép hợp kim thấp Yêu cầu chung:  Đảm bảo tính ổn định của hồ quang và quá trình hàn  Đảm bảo các tính chất và thành phần hóa học của mối hàn  Tạo dáng mối hàn đẹp  Mối hàn không nứt chứa ít tạp chất  Xỉ dễ bong Các biện pháp giải quyết các yêu cầu đặt ra liên quan với thành phần kim loại cơ bản và dây điện cực, vì vậy thuốc hàn dùng cho hàn tự động, bán tự động rất đa dạng và có thành phần tương đối phức tạp. Để có được các mối hàn chất lượng khi hàn thép các bon và thép hợp kim thấp cần có sự kết hợp sử dụng đồng bộ dây và thuốc hàn phù hợp với kim loại vật hàn, những vấn đề này sẽ được dề cập kỹ trong học phần công nghệ hàn. Các loại thuốc hàn tự động, bán tự động:  Thuốc mangan silic cao: Khả năng chống nứt kết tinh cao khi hàn dây thép các bon thấp, mối hàn chứa ít các bon hơn so với hàn dây Mn, các 15
vét nứt nhỏ hơn khi hàn bằng thuốc Mn tự do silic cao. Mốt số mác thuốc (AN348A, AN348 – AM, OSX-45, OSX – 45M, AN – 60….)  Thuốc hàn Mn tự do tự do silic cao: Khi hàn xỉ dễ bong, mối hàn chứa ít P hơn vì khi sản xuất thuốc không chứa quang Mn, thuốc được dùng để hàn thép các bon và một số thép hợp kim thấp với dây Mn cao. Một số mác thuốc (AN-5, FX-1, FX-4, FX-5, FX-7. Nga; UM20, UM30 Mỹ ) Thuốc Silic thấp oxy hóa thấp, Silic thấp oxy hóa cao và silic tự do: Dùng hàn thép hợp kim thấp có độ bền cao. Các mác thuốc AN-22, AN-15, AN- 15M, AV-5, AN-28… dùng rộng rãi hàn thép Austenit Cr-Ni thuộc loại Si thấp oxy hóa thấp. Thuốc Si thấp oxy hóa cao AN-17, AN-17M, AN- 43 so với thuốc Si thấp oxy hóa thấp loại này oxy hóa các nguyên tố hợp kim mạnh hơn tại bể hàn. Vì vậy khi hàn dây chứa lượng nguyên tố hợp kim cao hơn sẽ được độ bền thích hợp.Thuốc Si tự do 48- OF-6, FXK, AN-30, AN-70… - Các thông số công nghệ hàn hồ quang TĐ,BTĐ: Được xác định bằng th ực nghiệm gồm + Đường kính dây hàn : d (mm) +Cường độ dòng điện hàn : Ih (A) + Điện áp hàn : Uh (V) + Số lớp hàn : (n) hàn các chi tiết có chiều dày lớn + Tốc độ hàn : Vh (m/h) + Tốc độ dây : Vd (m/h) + Năng lượng đường : qđ (Cal/cm) Do hàn tự đông, bán tự động thường hàn với ch ế độ hàn cao vì vậy trước khi tính toán chế độ hàn cần nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn d ến hình dạng kích thước mối hàn (b, h, c) và tính các kích thước của mối hàn. Chế độ hàn được coi là hợp lý khi các kích thước mối hàn th ỏa mãn hai h ệ s ố ψn = b/h = (0,8 - 4) ; ψmh = (7 - 10). - Nguồn hàn tự động, bàn tự động dưới lớp thuốc : Dùng nguồn một chiều hoặc xoay chiêu với đường đặc tuyến cứng hoặc tăng và đầu hàn có t ốc độ cấp dây không đổi, thay đổi để đảm bảo sự ổn định của hồ quang trong quá trình hàn. Về nguyên lý làm việc của đầu hàn sẽ được giói thi ệu trong h ọc phần (thiết bị hàn tự động, bá tự động). * Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ : Có thể hàn tự động, bán tự động bằng điện cực nóng chẩy hoặc không nóng chẩy. Hình vẽ dưới mô tả nguyên lý hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chẩy 16
Nguyên lý hàn trong môi trường khí bảo vệ - Khí bảo vệ: Bảo vệ bể kim loại khỏi tác hại của môi trường khí xung quanh. Nó tác động tới các quá trình xẩy ra trong hồ quang, quá trình t ạo giọt và hình dạng của mối hàn. các loại khí bảo vệ không màu, khong mùi, không v ị. chúng không độc nhưng có thể choán mất chỗ của không khí. + Các loại khí bảo vệ trong hàn:  Khí trơ gồm (Ar, He) dùng để hàn kim loại màu, hợp kim màu. Hàn bằng điện cực không nóng chẩy (W, WT) trong môi trường khí bảo vệ (Ar, He) gọi là hàn TIG, khi hàn bằng điện cực nóng ch ẩy gọi là hàn MIG  Khí hoạt tính (100% CO2) thường hàn bằng điện cực nóng chảy gọi là Hàn MAG, sử dụng để hàn thép các bon, thép h ợp kim th ấp. Ở nhiệt độ hồ quang CO2 → CO + O2 vì vậy dây hàn cần có hàm lượng Mn, Si cao để khử oxy trong vũng hàn.  Khí trộn: bao gồm (50%Ar + 50% He) để hàn kim lo ại màu, h ợp kim màu; (Ar + 3% O 2) dùng hàn thép hợp kim cao, thép không rỉ để tăng tính ch ảy loãng của hợp kim; Ar + 18%CO 2; Ar + 10% CO2 +3% O2; Ar + 8% O2 dùng hàn thép các bon, thép hợp kim thấp bằng điện cực nóng chẩy. + Các khí bảo vệ dùng trong hàn được nén vào các chai với áp su ất cao và được phân biệt bởi màu sắc của vỏ chai. Với khí hoạt tính CO 2 nén vào trai ở 17
trạng thái lỏng, áp suất nén 150at và tính theo khối lượng do tỷ trọng của khí thay đổi theo nhiệt độ. Trai 25 Kg hóa hơi để bảo vệ trong hàn được khoảng 12.000 lít. Do được nén trong trai ở trạng thái lỏng lên khi lấy khí ra đ ể hàn thường phải sử dụng bộ nung khí. Các thông số công nghệ trong hàn khí bảo vệ: Ngoài các thông số như các công nghệ hàn đã nêu : Ih (A); Uh (V); d (mm); Vh (m/h); qđ (cal/cm); cần xác định thêm lưu lượng khí bảo vệ (l/phút). Lưu lượng khí bảo vệ xác định phụ thuộc vào tính chất và chiều dày kim loại vật hàn. các thông s ố công ngh ệ hàn khí bảo vệ thường tra bảng trong sổ tay công ngh ệ hàn, do hàn khí b ảo v ệ có hiệu quả cao khi hàn các vật mỏng. - Nguồn hàn sử dụng trong hàn khí bảo vệ: + Hàn MAG, MIG thường hàn bằng nguồn một chiều có đặc tuyến cứng +Hàn tích sử dụng cả nguồn một chiều, xoay chiêu (khi hàn nhôm, h ợp kim nhôm) có đường đặc tuyến dốc hoặc thoải. * Hồ quang hàn là sự phóng điện qua không khí giữa hai điện cực trái dấu.. + Đặc trưng của hồ quang :  Nhiệt độ tập trung, mật độ dòng điện tập trung cao, dòng điện đi qua khoảng không khí nằm giữa hai điện cực có công suất và điện áp đủ lớn làm kim loại nóng chảy.  Dòng xoay chiều, có tần số thay đổi, nên cực tính (anot và catot) thay đ ổi theo.  Dòng điện chạy qua khoảng không khí do điện tử phóng qua kho ảng không khí, iôn hoá chất khí tạo hồ quang → muốn hồ quang cháy được, phải đủ số điện tử phóng ra từ điện cực để ion hoá không khí.  Khi xảy ra hồ quang các phần tử tích điện (+) di chuy ển về phía cat ốt , phần tử điện tích âm di chuyển về anốt. Sự chuyển động của các phần tử và ion ổn định thì dòng hồ quang cháy ổn định. + Các phần tử tích điện trong không gian hồ quang bao gồm điện tử, ion (ion +; ion -), trong đó điện tử đóng vai trò quan trọng, ta xét một số tính chất của điện tử Khối lượng điện tử: me = 9,03.10-27g Điện tích điện tử: e =1,59.10-19 C Tích: eu =1V.1,59.10-19 (A.V.S) → Công thoát điện tử =1,59.10-19 (W.S) = 1,59.10-12 (erg) → Công ion hoá. 2.3.2.Sự ion hóa trong ngọn lửa hồ quang. a, Ion hóa do va chạm + Các điện tử khi thoát ra khỏi điện cực do công ion hóa tạo ra chuy ển động với vận tốc rất lớn trong khoảng không nằm giữa hai điện cực tạo năng lượng 18
1 Eđ = mv 2 2 + Muốn iôn hóa không khí được các điện tử phải va chạm với phân tử khí thỏa mãn điều kiện. 1 (Sự iôn hóa do va chạm) Eđ = mv 2 ≥ eU 2 2eU tốc độ tối thiểu xảy ra iôn hóa do va chạm : v = m VD : Muốn iôn hóa sắt, tốc độ tối thiểu 1 lần va chạm 2.1,59.10 −12.7,7 v= − 27 = 1,66.108 (cm / s ) = 5976000 (km / h) 9,03.10 b, Sự ion hóa do phát sáng. + Muốn ion hóa không khí cần phải có các sóng ánh sáng tần s ố cao tạo ra m ột năng lượng : hν > eU Trong đó : h : Hằng số Plăng: h=6,625.10-27 erg/s ν : Tần số dao động của ánh sáng (1/s). + Điều kiện ion hóa do phát sáng: √ ≥ e.u / h (1/s) Ví dụ: Ion hóa khí nitơ eU 1,59.10 −12.14 ν= = − 27 = 3,53.10 −15 h 6,625.10 + bước sóng ánh sáng: c λ= v c, Ion hóa do nhiệt + Để tạo ra sự ion hóa khí do nhiệt thì phải thỏa mãn biểu thức : 3 KT ≥ eu 2 Trong đó : k: hằng số bôzơman : k = 1,36.10-16 erg/độ T: nhiệt độ 0K 2eu T= 3k 19
Nung nóng ion hóa chất khí phải có nhiệt độ cao, ví dụ : Ion hóa 100% khí N2 cần nhiệt độ nung nóng khí 2eU 2.1,59.10 −12.14,5 T= = −16 ≈ 113000 ( 0 K ) 3k 3.1,36.10 + Như vậy ở nhiệt độ thấp chỉ xảy ra sự ion hóa cục bộ. Ví dụ: Ngọn lửa hồ quang hàn T = 6000 ÷ 7000 o C  không thể ion hóa hoàn toàn các khí có trong vùng hồ quang. Trong ngọn lửa hồ quang hàn, các electron, ion( -), ion (+) và các phần tử trung hòa chưa được ion hóa. d, Mức độ ion hóa các khí: - Quá trình sinh ra các hạt tich điện và sự mất đi của chúng trong khí nóng được cân bằng. Vì vậy với mỗi thể tích khí ở nhiệt độ nh ất đ ịnh, m ức đ ộ ion hóa sẽ trở lên ổn định. - Mức độ ion hóa các khí đặc trưng bởi tỉ số gi ữa s ố l ượng các h ạt tích đi ện tạo thành và số lượng các hạt có trong thể tích khí nào đó trước khi b ị ion hóa, biểu diễn bằng phương trình sau. x2 5000U i lg = 2,5 lg T − − 6,5 1− x 2 T x : Mức độ ion hóa T: Nhiệt độ khí 0K. U i : Điện thê ion hóa hiệu dụng (e -V) - Từ phương trình trên cho ta thấy mức độ ion hóa th ể tích khí trong đi ều ki ện cân bằng khác nhau phụ thuộc vào T0 và điện thê ion hóa hiệu dụng - T0 tăng thì mức độ ion hóa tăng và tiệm cận tới đ ơn v ị, vì trong quá trình ion hóa có xảy ra sự tạo thành các hạt trung hòa từ các h ạt ion trái d ấu ion (+) v ới điện tử. e, Điện thế ion hóa hiệu dụng - Hàn hồ quang sự phóng điện không phải xảy ra trong môi trường khí đồng nhất, mà là trong môi trường hỗn hợp khí và hơi.Cho nên mức độ ion hóa sẽ phụ thuộc vào điện thế ion hóa hiệu dụng + Điện thế ion hóa hiệu dụng của một h ỗn hợp khí là đi ện th ế ion hóa c ủa một loại khí đồng nhất nào đó trong hỗn hợp khí ấy ở cùng một nhiệt độ, áp suất và nồng độ cùng sinh ra số lượng hạt tích điện như sau: 5800 T k − Ui Công thức tính: U hd = . ln(∑ Ci1 / 2 .e T ) 5800 i =1 Ci : Nồng độ khí thứ i. Ui : Điện thế ion hóa của một loại khí thứ i. 20