Tập bài giảng Hàn đắp và phun phủ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tập bài giảng “Hàn đắp và phun phủ” được biên soạn dựa theo chương trình môn học “Hàn đắp và phun phủ” dùng cho đào tạo bậc kỹ sư, cao đẳng công nghệ hàn thuộc bộ môn Hàn - Khoa Cơ khí - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Nội dung tập bài giảng gồm có 2 chương, chương 1 tổng quan về công nghệ phun phủ & hàn đắp, chương 2 phục hồi và bảo vệ bề mặt kim loại bằng phun phủ và hàn đắp. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tập bài giảng Hàn đắp và phun phủ

LỜI NÓI ĐẦU Để thực hiện thành công sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước , ngành Công nghệ Hàn ở Việt Nam có những bước phát triển mạnh mẽ đặt ra yêu cầu về đào tạo nguồn nhân lực nghề Hàn có kỹ thuật cao. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam đ ịnh là một trong những nơi đào tạo ra đội ngũ Kỹ sư và Công nhân kỹ thuật lành nghề đặc biệt là đội ngũ Kỹ sư, công nhân ngành công nghệ hàn phục vụ cho các lĩnh vực cơ khí, xây dựng…trong cả nước. Để đáp ứng nhu cầu trong thời đại mới, trường Đại học S ư phạm Kỹ thuật Nam Định luôn chú ý tới chương trình đào tạo, đổi mới phương pháp dạy và học. Trong đó công tác biên soạn tập bài giảng, tài liệu để sử dụng cho dạy và học là một mục tiêu quan trọng hàng đầu. Tập bài giảng “Hàn đắp và phun phủ ” được biên soạn dựa theo chương trình môn học “Hàn đắp và phun phủ ” dùng cho đào tạo bậc kỹ sư, cao đẳng công nghệ hàn thuộc bộ môn Hàn - Khoa Cơ khí - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam định. Tập bài giảng dùng để làm tài liệu tham khảo, giảng dạy cho giáo viên, tài liệu học tập cho sinh viên ngành công nghệ hàn. Để tập bài giảng được hoàn thiện hơn, chúng tôi rất mong được sự đóng góp ý kiến và xây dựng của các đồng nghiệp và các độc giả. Xin trân trọng cảm ơn! Nhóm tác giả i
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................i MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ & HÀN ĐẮP ............1 1.1 Thực chất, đặc điểm của phun phủ và hàn đắp ....................................................1 1.1.1 Thực chất, đặc điểm của phun phủ ................................................................1 1.1.1.1 Thực chất ....................................................................................................1 1.1.1.2 Đặc điểm .....................................................................................................3 1.1.2 Thực chất, đặc điểm của hàn đắp ...................................................................4 1.1.2.1 Thất chất .....................................................................................................4 1.1.2.2 Đặc điểm .....................................................................................................4 1.2. Trang thiết bị dùng t rong hàn đắp và phun phủ ..................................................5 1.2.1. Trang thiết bị dùng trong hàn đắp .................................................................5 1.2.1.1 Thiết bị hàn điện hồ quang tay ...................................................................5 1.2.1.2 Thiết bị hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ ...7 1.2.2 Trang thiết bị dùng trong phun phủ ...............................................................8 1.2.2.1 Máy nén khí ................................................................................................8 1.2.2.2 Bình chứa khí............................................................................................10 1.2.2.3 Nguồn điện để phun phủ ...........................................................................10 1.2.2.4 Hệ thống điện và tủ điện điều khiển .........................................................11 1.2.2.5 Đầu phun ...................................................................................................12 1.2.2.6 Các thiết bị phụ .........................................................................................19 1.3 Sự hình thành lớp phủ và cấu trúc kim loại lớp phủ ..........................................24 1.3.1 Các quan điểm về sự hình thành lớp phủ .....................................................24 1.3.1.1 Lý thuyết của Pospisil-Sehyl ....................................................................24 1.3.1.2 Lý thuyết của Schoop ...............................................................................25 1.3.1.3 Lý thuyết của Karg, Katsch và Reininger .................................................25 1.3.1.4 Lý thuyết của Schenk ................................................................................25 1.3.2 Cơ cấu hình thành lớp phủ ...........................................................................25 1.3.2.1 Quá trình chảy, phân tán kim loại phun....................................................25 1.3.2.2 Quá trình bay của các hạt ..........................................................................26 1.3.2.3 Sự hình thành lớp phủ bằng kim loại ........................................................27 1.3.2.4 Cấu trúc của lớp phủ kim loại ...................................................................28 1.4 Độ bám dính của lớp phủ kim loại .....................................................................29 1.4.1. Lực bám dính của các hạt kim loại .............................................................29 1.4.1.1 Lực dính bám của hạt kim loại lỏng lên bề mặt các chất rắn ...................29 1.4.1.2 Lực Vandervan .........................................................................................31 1.4.1.3 Lực liên kết do ảnh hưởng của lớp điện tích kép .....................................31 1.4.1.4 Liên kết kim loại .......................................................................................32 1.4.2 Những nhân tố ảnh hưởng đến độ bám dính ...............................................33 1.4.2.1 Ảnh hưởng của lực co rút kim loại. ..........................................................33 1.4.2.2 Ảnh hưởng của trạng thái bề mặt cơ sở (nền) ...........................................34 ii
1.4.2.3 Ảnh hưởng của chuẩn bị bề mặt ...............................................................36 1.5. Công nghệ phun phủ và hàn đắp .......................................................................40 1.5.1 Công nghệ phun phủ ....................................................................................40 1.5.1.1 Kiểm tra vật liệu .......................................................................................40 1.5.1.2 Công nghệ chuẩn bị bề mặt chi tiết trước khi phun phủ...........................45 1.6. Gia công cơ khí sau khi phun phủ, hàn đắp ......................................................75 1.6.1. Tiện .............................................................................................................75 1.6.2. Bào ..............................................................................................................76 1.6.3. Phay ............................................................................................................77 1.6.4 Mài ...............................................................................................................77 1.7. Tính chất và phương pháp kiểm tra lớp phủ .....................................................78 1.7.1. Tính chất của lớp phủ .................................................................................78 1.7.1.1 Tính chất cơ học của lớp phun kim loại ...................................................78 1.7.1.2 Tính chất chống mài mòn của lớp phun ...................................................79 1.7.1.3 Khả năng chống gỉ ....................................................................................80 1.7.1.4 Khả năng chịu nhiệt ..................................................................................81 1.7.2 Phương pháp kiểm tra lớp phủ.....................................................................82 1.7.2.2 Kiểm tra độ bám lớp phủ ..........................................................................82 1.7.2.3 Xác định độ xốp của lớp phun ..................................................................85 1.7.2.4 Đo ứng suất dư của lớp phun ....................................................................87 1.7.2.5 Xác định độ chịu mài mòn của lớp phun. .................................................87 1.8 Câu hỏi ôn tập ....................................................................................................88 CHƯƠNG 2 PHỤC HỒI VÀ BẢO VỆ BỀ MẶT KIM LOẠI BẰNG PHUN PHỦ VÀ HÀN ĐẮP ..............................................................................................................89 2.1 Khoa học về bề mặt và phương pháp xử lý chung .............................................89 2.1.1 Khái niệm và sự phát triển của xử lý bề mặt kim loại .................................89 2.1.2. Định nghĩa về phân loại bề mặt ..................................................................90 2.1.3 Sự mòn bề mặt và đặc trưng cửa chúng .......................................................92 2.1.4 Mục đích và phương pháp xử lý bề mặt ......................................................94 2.2 Sự gỉ của kim loại ...............................................................................................97 2.2.1 Gỉ hóa học ....................................................................................................97 2.2.2 Gỉ điện hóa ...................................................................................................98 2.2.3 Gỉ trong môi trường khí quyển ..................................................................104 2.2.6 Gỉ do dòng điện rò .....................................................................................106 2.2.7 Gỉ cấu trúc ..................................................................................................107 2.3 Bảo vệ chống gỉ................................................................................................107 2.4 Bảo vệ bằng lớp phun kim loại ........................................................................112 2.4.1 Lớp phủ từ vật liệu vô cơ ...........................................................................112 2.4.2 Phun phủ kim loại và hàn đắp ....................................................................123 2.5 Câu hỏi ôn tập ..................................................................................................128 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................130 iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Phun dây bằng ngọn lửa khí cháy …………………………………..1 Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý làm việc của đầu phun bằng hồ quang điện………..2 Hình 1.3. Ống nối bị đứt ………………………………………………………..4 Hình 1.4. Bạc lót trong máy ép trục khuỷu cần sửa chữa phục hồi…………….4 Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp hàn xoay chiều ……………………6 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý máy hàn một chiều …………………………………6 Hình 1.7 Sơ đồ khối máy hàn trong môi trường khí bảo vệ điện cực nóng chảy 7 Hình 1.8 Sơ đồ khối máy hàn TIG……………………………………………..8 Hình 1.9. Bình chứa khí …………………………………………………….…10 Hình 1.10. Các đặc tính ngoài máy hàn ……………………………………….11 Hình 1.11. Quá trình phát triển phun kim loại………………………………...12 Hình 1.12. Phân loại các đầu phun…………………………………………….12 Hình 1.13. Đầu phun điện trở ………………………………………………….13 Hình 1.14. Đầu phun hồ quang điện …………………………………………...13 Hình 1.15. Thiết bị phun hồ quang điện……………………………………….14 Hình 1.17. Thiết bị phun khí cháy……………………………………………..15 Hình 1.18. Sơ đồ súng phun khí-bột kim loại ROTOTEC-80 (Thuỵ Sỹ)………15 Hình 1.19. Nguyên lý phun phủ plasma………………………………………17 Hình 1.20. Kết cấu một số đầu phun plasma …………………………………..17 Hình 1.21. Nguyên lý công nghệ phun nổ……………………………………..18 Hình 1.22. Thiết bị phun nổ……………………………………………………19 Hình 1.24. Nguyên lý thùng lọc thô không khí………………………………..20 Hình 1.25. Bình chuyển cát (hạt phun)………………………………………..21 Hình 1.26. Súng phun cát cầm tay……………………………………………22 Hình 1.27. Sơ đồ nguyên lý máy nắn dây phun……………………………….22 Hình 1.28. Cấu trúc của lớp phủ kim loại ……………………………………..28 Hình 1. 29. Sự bám dính của giọt lỏng trên vật rắn ……………………………29 Hình 1.30. Hình dáng giọt lỏng………………………………………………..31 Hình 1.31. Ứng suất trong lớp phủ…………………………………………….33 Hình 1.32 Mô hình phần tử phun……………………………………………..34 Hình 1.33 Sự bố trí nguyên tử trong mạng …………………………………...35 Hình 1.34. Quan hệ giữa độ bám và độ nhấp nhô bề mặt……………………..37 Hình 1.35. Ảnh hưởng của khoảng cách phun hạt kim loại đến độ dính bám và độ nhấp nhô……………………………………………………………………………..38 Hình 1.36. Sơ đồ chùm tia phun ……………………………………………….39 i
Hình 1.37. Sự hình thành cấu trúc lớp ………………………………………..…39 Hình 1.38. Sơ đồ công nghệ phun phủ kim loại…………………………………40 Hình 1.39. Các dạng tia phun phụ thuộc thành phần cacbon ……………………42 Hình 1.40. Công nghệ chuẩn bị bề mặt ………………………………………….45 Hình 1.41. Yêu cầu về hình dáng bề mặt với lớp phun phủ ……………………..47 Hình 1.42. Nguyên lý phun cát………………………………………………….48 Hình 1.43. Độ nhấp nhô phụ thuộc áp suất khí nén……………………………..49 Hình 1.44. Độ nhấp nhô phụ thuộc khoảng cách phun cát , kích thước hạt cát …50 Hình1.45. Bề mặt mẫu trước và sau khi phun tạo nhám…………………………52 Hình 1.46. Nguyên lý phun bi……………………………………………………53 Hình 1.47. Dạng trăng tròn………………………………………………………53 Hình 1.48. Độ cứng phụ thuộc khoảng cách phun………………………………56 Hình 1.49. Độ bám dính phụ thuộc vào khoảng cách phun ……………………..56 Hình 1.50. Độ chịu mài mòn phụ thuộc vào khoảng cách phun …………………57 Hình 1.51. Độ chịu mòn phụ t huộc theo điện áp hồ quang của thép 0,8%C……58 Hình 1.52. Các loại ngọn lửa khí cháy…………………………………………...59 Hình 1.53. Hướng và góc phun………………………………………………….62 Hình 1.54. Phương pháp làm tăng độ bám lớp phủ phần đầu tiên ………………63 Hình 1.55. Vát cạnh lớp phun trước khi bào …………………………………….77 Hình 1.56. Phay lớp phun phủ …………………………………………………...77 Hình 1.57. Đo độ cứng tế vi lớp phủ…………………………………………….79 Hình 1.58. Mẫu thử độ bền dính bám của lớp phủ ………………………………83 Hình 1.59. Chiều dày lớp phun phủ ảnh hưởng đến lực dính bám………………83 Hình 1.60. Mẫu thử kéo xác định chiều dài lớp phun ……………………………84 Hình1.61. Sơ đồ đo tỷ trọng lớp phủ …………………………………………….86 Hình 1.62. Sơ đồ nguyên lý máy đo mòn AMSLER ……………………………88 Hình 2.1. Sự mài mòn theo thời gian của bề mặt ………………………………...93 Hình 2.2. Các dạng gỉ bề mặt…………………………………………………….96 Hình 2.3. Sự gỉ theo thời gian……………………………………………………98 Hình 2.4. Tốc độ gỉ của Zn trong H2SO4………………………………………..98 Hình 2.5. Lớp điện tích kép ………………………………………………………98 Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý làm việc của pin……………………………………..100 Hình 2.7. Quá trình gỉ pin sắt – đồng……………………………………………101 Hình 2.8. Pin gỉ điện hóa ………………………………………………………...101 Hình 2.9. Đường cong phân cực………………………………………………...103 ii
Hình 2.10. Chống gỉ ống dẫn bằng thiết bị bảo vệ…………………….……..110 Hình 2.12. Tráng kẽm bằng tay………………………………………….……116 Hình 2.11. Phân loại lớp phủ………………………………………….………117 Hình 2.13. Sự bố trí cực anôt và catôt trong bể mạ …………………….…….118 Hình 2.14 Mạ trong chân không……………………………………….……..122 Hình 2.15.Phục hồi trục mòn bằng phun kim loại……………………….……125 Hình 2.16.Trục được phục hồi bằng hun kim loại ……………………….……125 Hình 2.17.Trục khuỷu được phục hồi bằng phun (kích thước Ф 85f8) ….……125 Hình 2.18.Trục lệch tâm được phun đắp kich thước Ф65k6 …………….……126 Hình 2.19. Phục hồi bề mặt ma sát piston máy búa bằng phun………….……126 Hình 2.20 .Phục hồi thân máy khoan cần bằng phun …………………….……127 Hình 2.21 .Phun bề mặt của cánh tuabin khí…………………………….…….127 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Đặc tính kỹ thuật máy nén khí dùng cho phun kim loại …….…..……9 Bảng 1.2. Đường kính ống dẫn khí nén cho phun kim loại …………………..….9 Bảng 1.3. Kích thước các bình chứa khí áp lực 6 – 8 kG/cm2……………..…..10 Bảng 1.4. Một số loại đầu phun kim loại………………………………….……16 Bảng 1.5. Đặc tính kỹ thuật của súng phun cát …………………………….…..21 Bảng 1.6. Trang thiết bị cần thiết cho phân xưởng phun kim loại ………….…..23 Bảng 1.7. Các kim loại dùng làm vật liệu phun ………………………….……..41 Bảng 1.8. Thành phần hóa học các loại dây thép………………………….……41 Bảng 1 .9. Nhiệt độ chảy của một số kim loại dùng để phun …………….……..43 Bảng 1.10a. Kích thước của các nhóm bột phun ………………………….……44 Bảng 1.11a. Kích thước hạt cát và hạt thép ……………………………….……51 Bảng 1.12 . Chế độ phun cát ……………………………………………….……51 Bảng 1.13. Chiều dày tối thiểu của lớp phun sau khi gia công …………….…...55 Bảng 1.14. Lượ ng dư cho tiện mài ………………………………………….….55 Bảng 1.15. Cường độ dòng điện phun ……………………………………….…58 Bảng 1.16. Tốc độ quay của chi tiết và di động của đầu phun …………….……59 Bảng 1.17 Chế độ phun với đầu phun зM6 với dòng xoay chiều………… .……60 Bảng 1.18 Chế độ phun của đầ u phun khí cháy MГИ –1………………….……61 Bảng 1.19 Ảnh hưởng của áp lực khí nén đến sự mất mát kim loại………… .…64 Bảng 1.20. Ảnh hưởng của góc phun đến sự mất mát kim loại …………………64 Bảng 1.21 Ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt ……………………………………..65 Bảng 1.22 Thành phần hóa học của kim loại lớp đắp dưới thuốc ҖCH -5, %.....72 iii
Bảng 1.23 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đối với thành phần hóa học của kim loại hàn đắp………………………………………………………………………………74 Bảng 1.24 Ảnh hưởng của cường độ và điện áp đến thành phần hóa học lớp đắp (thành phần thuốc hàn : 65%AH - 348A + 25% Fe_Cr)……………………………………74 Bảng 1.25. Chế độ cắt khi tiện………………………………………………………76 .Bảng 1.26. Chế độ khi bào lớp phun ………………………………………………76 Bảng 1.27. Độ bền kéo của lớp phủ kim loại……………………………………….78 Bảng 1.28. Độ cứng vật liệu ban đầu và lớp phủ ……………………………………79 Bảng 1.29. Hệ số ma sát của các ổ bi hợp kim phun kim loại………………………80 Bảng 1.30. Các lớp phủ kim loại chống gỉ…………………………………………..81 Bảng 2.1. Điện thế chuẩn của một số kim loại……………………………………..99 iv
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ & HÀN ĐẮP 1.1 Thực chất, đặc điểm của phun phủ và hàn đắp 1.1.1 Thực chất, đặc điểm của phun phủ 1.1.1.1 Thực chất Phun kim loại đôi khi còn gọi là kim loại hoá (Metallization) hoặc là Schoop (theo tên một kỹ sư cơ khí người Thuỵ Sỹ là U. M. Schoop ông đã tìm ra phương pháp này năm 1910). Thực chất của phun phủ là phương pháp công nghệ đưa các vật liệu rắn (dạng bột, dạng dây, dạng thanh cứng hoặc mềm) vào dòng vật chất có năng lượng cao (dòng khí cháy, hồ quang, dòng plasma,…) nhằm nung nóng chảy một phần hay toàn bộ vật liệu, phân tán vật liệu thành các hạt dưới dạng sương mù rất nhỏ, tăng tốc độ hạt và đẩy hạt đến bề mặt chi tiết cần phủ đã được chuẩn bị sạch, như vậy sẽ tạo ra một lớp kim loại phủ dày, trong đó các phần tử kim loại đè lên nhau theo từng lớp. Ví dụ 1: Trên hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý làm việc của đầu phun kim loại dây (đốt chảy kim loại bằng ngọn khí cháy). Hình 1.1. Phun dây bằng ngọn lửa khí cháy 1. Dây phun; 2. Ngọn lửa khí cháy; 3. Đầu dây nóng chảy; 4. Dòng không khí nén 5. Hạt kim loại; 6. Lớp phủ; 7. Kim loại nền; 8 Đầu bép Ở đây kim loại được đưa vào trong đầu phun dưới dạng dây có đường kính khoảng 1,2 ÷ 3 mm. Các ống dẫn khí oxy, axêtylen và không khí nén có áp suất khoảng 5 -6atm. Ôxy và axêtylen cháy cho ta ngọn lửa hàn khí. Dưới tác dụng của ngọn lửa đầu dây bị đốt nóng chảy. Đồng thời không khí nén thổi giọt kim loại lỏng làm bắn ra những hạt kim loại nhỏ bay theo dòng khí nén với tốc độ rất nhanh (khoảng 100 ÷ 200m/s) đập lên bề mặt vật đắp. Ở đây sự dịch chuyển của dây được thực hiện bằng cơ cấu dịch chuyển cơ khí. Lớp kim loại phủ trên bề mặt vật sẽ có độ cứng và dòn hơn là kim loại dây và có sức bền kéo không lớn lắm. Sức bền liên kết với vật liệu cơ sở cũng nhỏ. Nhưng tính chất của lớp p hủ sẽ có nhiều 1
tác dụng khác như tính chịu mài mòn trong ma sát ướt, có khả năng giữ dầu. Để nâng cao độ bám dính của lớp phủ, bề mặt cơ sở phải hoàn toàn sạch và được chuẩn bị trước bằng các phương pháp thích hợp như gia công cơ khí, phun bi, gại điện, vv…Sau khi làm sạch và tạo nhấp nhô, khoảng 2 giờ sau phải được tiến hành phun. Nếu để lâu bề mặt làm sạch lại bị ôxyt hoá bởi không khí Kim loại hoặc hợp kim, trong trường hợp không thể tạo được dưới dạng dây, thì có thể đưa vào các đầu phun dưới dạng bột - gọi là đầu phun bột kim loại. Trên hình 1.2 là sơ đồ nguyên lý làm việc của đầu phun bằng hồ quang điện Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý làm việc của đầu phun bằng hồ quang điện 1. Đầu kẹp cáp điện; 2. Ống dẫn dây phun Sơ đồ nguyên lý máy phun hồ quang điện được giới thiệu trên hình 1.2. Dây phun được cấp qua hai ống dẫn dây 2. Các đây phun đồng thời là dây dẫn điện. Khi hai đầu dây chạm nhau thì hổ quang xuất hiện. Ống dẫn không khí nén được đặt giữa hai ống dẫn dây. Luồng không khí nén thổi tách các giọt kim loại khỏi các điện cực tạo thành các phần tử kim loại nóng chảy bám vào bề mặt vật phun. Máy phun hồ quang điện có thể làm việc với dòng điện một chiều hoặc xoay chiều. Khi sử dụng dòng điện xoay chiều, h ồ quang cháy không ổn định và tạo tiếng nổ lớn. Qu á trình phun với dòng điện một chiều ổn định, lớp phun có cấu trúc hạt mịn, năng suất phun cao. Vì vậy hiện nay các nguồn điện một chiều được dùng để phun hồ quang. Sự ổn định của hồ quang được đảm bảo bởi điện thế tần số cao. Dây phun có đường kính 0,8; 1 ,0; 1,6 và 2,0 mm. Ưu điểm cùa phương pháp phun hồ quang điện là năng suất cao và có khả năng rút ngắn thòi gian phun. Chẳng hạn, khi sử dụng dòng điện 750 A có thể phun (lược 36 kg/h lớp phun dây, cao hơn nhiều lần so với khi phun ngọn lửa khí; độ bám cùa lớp phun hồ quang điện cũng tốt hơn độ bám của lớp phun ngọn lửa khí. Khi sử dụng hai dây phun kim 2
loại khác nhau có thể nhận được lớp phun hợp kim. Chi phí vận hành máy phun không lớn. Cần lưu ý khi phun với hai dây kim loại lớp phun khác nhau (không đồn g nhất). Nhược điểm của phựơng pháp nói trên là sự quá nhiệt và oxi hoá vật liệu phun khi tốc độ cấp dây phun bé. Ngoài ra, lượng nhiệt lớn phát ra từ hồ quang làm cháy đáng kể các nguyên tố hợp kim tham gia vào lớp phủ (chằng hạn, hàm lượng cacbon trong l ớp phủ giảm 40 ÷ 60%; còn silic và mangan giảm 10 ÷ 15%). Do vậy cần phải sử dụng các dây phun chứa hàm lượng lớn các nguyên tố hợp kim. Tuy nhiên, giá thành dây hợp kim như vậy cao hơn khoảng 3 lần. Ngày nay người ta còn dùng các đầu phun với ngọn lửa pla zma để phun các kim loại có điểm nóng chảy cao như volfram, môlipđen, crôm…Phương pháp này rất có ý nghĩa trong việc phủ các lớp trong nghành kỹ thuật tên lửa, kỹ thuật điện (phủ vật liệu không dẫn điện) và trong gia công các cơ cấu chịu nhiệt độ cao. 1.1.1.2 Đặc điểm Phun kim loại có thể phủ được các kim loại nguyên chất, các hợp kim của chúng hoặc các vật liệu phi kim lên bề mặt kim loại hoặc bề mặt vật cứng khác. Có thể tạo ra những lớp dẫn điện trên những bề mặt các chất không dẫn điện, tạo ra các lớp chịu nhiệt. Các công dụng này rất có ý nghĩa trong kỹ thuật. Nguồn năng lượng cách ly với bề mặt chi tiết, nhiệt độ bề mặt chi tiết khi phủ có thể giữ ở nhiệt độ C là 80 ÷ 100. Điều này cho phép phủ các loại vật liệu khác lên bề mặt các vật liệu dễ cháy (phun phủ lên gỗ, vải, giấy, polyme...) nhờ lựa chọn vật liệu phủ và công nghệ thích hợp. Lớp phủ có cấu trúc dạng lớp do các phần tử vật liệu dưới dạng hạt nóng chảy hoặc mềm đập lên bề mặt chi tiết với một động năng cao làm chúng biến dạng rất lớn. Các hạt rắn dưới tác dụng vật lý, hoá học của dòng vật chất có năng lượng cao sẽ có thành phần và tính chất thay đổi, do đó lớp phủ nhận được không nhất thiết có thành phần trùng với vật liệu phun ban đầu. Với khả năng cơ động cao (thiết bị phun dễ dàng di chuy ển và có thể xách tay) công nghệ phun phủ có thể thực hiện đối với nhiều loại chi tiết; cũng có thể xử lý tại chỗ, cục bộ đối với các kết cấu lớn. Phun phủ có thể tạo được lớp phủ cho các chi tiết phức tạp nhờ sử dụng các đồ gá điều khiển tự động. Trong sửa chữa và phục hồi các chi tiết người ta thường phủ các lớp có khả năng chống mài mòn như thép ( thép không gỉ), đồng, đồng thau, nhôm, hợp kim của niken, vv…và sửa chữa các khuyết tật của vật đúc. Ngày nay người ta còn dùng các đầu phun với ngọn lửa plazma để phun các kim loại có điểm nóng chảy cao như volfram, môlipđen, crôm…Phương pháp này rất có ý nghĩa 3
trong việc phủ các lớp trong nghành kỹ thuật tên lửa, kỹ thuật điện (phủ vật liệu không dẫn điện) và trong gia công các cơ cấu chịu nhiệt độ cao. Phun kim loại hiện nay dùng cho các mục đích sau: Phục hồi các chi tiết máy mòn Sửa chữa các khuyết tật của vật đúc Sửa chữa các khuyết tật xuất hiện khi gia công cơ khí Bảo vệ chống gỉ ở môi trường khí quyển. Bảo vệ chống gỉ ở nhiệt độ cao Thay thế kim loại mà u bằng kim loai phun, tiết kiệm kim loại quý. Một vài thống kê trên thế giới về sử dụng phun kim loại trong một số lĩnh vực sau: 65% cho việc bảo vệ chống gỉ các thiết bị, cấu trúc… 35% cho việc phục hồi các chi tiết máy mòn, trong đó sử dụng nhiều tính c hất trượt (tính chịu mài mòn) của lớp phun. Phun kim loại còn có những nhược điểm sau: Mối liên kết giữa lớp phủ và kim loại nền còn thấp. Tổn thất kim loại nhiều. Ảnh hưởng đến sức bền của chi tiết (giảm giới hạn mỏi của chi tiết). Bề mặt phun luôn luôn yêu cầu phải làm sạch và tạo nhấp nhô. Đòi hỏi tay nghề công nhân kỹ thuật cao , điều kiện làm việc nặng nhọc. 1.1.2 Thực chất, đặc điểm của hàn đắp 1.1.2.1 Thất chất Hàn đắp là một quá trình đem phủ lên bề mặt chi tiết một lớp kim loại nhằm thay đổi kích thước, hình dáng và tính chất của bề mặt bằng các phương pháp hàn khác nhau 1.1.2.2 Đặc điểm Hàn đắp có thể dùng để phục hồi các chi tiết bị mài mòn, hoặc bị hư hỏng như gãy, vỡ, nứt do đã qua thời gian làm việc như cổ trục khuỷu, bánh xe lửa, khuôn dập , dao cắt nóng ... Sử dụng hàn đắp để phục hồi các chi tiết máy là một phương pháp rẻ tiền mà khả năng làm việc của chi tiết không thua kém chi tiết mới bao nhiêu. Ngoài ra phục hồi bằng hàn đắp còn có thể cải thiện được tính chất cơ lý của chi tiết làm tăng tuổi thọ của nó. Hàn đắp cũng có thể sử dụng để chế tạo chi tiết mới. Dùng hàn đắp để tạo ra một lớp kim loại có những khả năng về chịu mài mòn, tăng ma sát... 4
Hình 1.4. Bạc lót trong máy ép trục Hình 1.3. Ống nối bị đứt khuỷu cần sửa chữa phục hồi Vật liệu hàn đắp có thể là thép các bon, thép chịu mài mòn, thép có tính chất đặc biệt như chịu nhiệt, độ cứng cao, bền nhiệt, chịu axít ... Tiết kiệm kim loại, nó phục hồi được các chi tiết hỏng bề mặt. Có tính cơ động cao, có năng suất cao, dễ tự động hoá Những tồn tại của công nghệ hàn đắp: Phải gia công lại sau khi hàn, tạo ứng suất dư trong lớp hàn (ứng suất nhiệt); chi tiết bị biến dạng, có thể bị nứt (thô đại, tế vi) ; phải chuẩn bị bề mặt trước khi hàn Lớp kim loại đắp: Tính chất lớp bề mặt thay đổi, phụ thuộc vào phương pháp hàn và vật liệu hàn. Lớp đắp đạt độ cứng cao, chống mài mòn, tổ chức kim loại ổn định, thành phần hóa học khác kim loại cơ bản, có thể tồn tại ứng suất dư sau hàn...Cấu trúc và tổ chức mối hàn không đồng nhất, dễ gâ y ra các khuyết tật gần mối hàn. Thông thường hay dùng phương pháp hàn hồ quang điện (xoay chiều, 1 chiều, chỉnh lưu) hàn khí, hàn trong môi trường khí bảo vệ (dưới lớp thuốc, hay CO2 , Ar, He…) Công nghệ này đơn giản, năng suất cao, chất lượng đảm bảo n hưng dễ gây biến dạng, nứt (thô đại tế vi) ứng suất nhiệt và một số khuyết tật khác. Cấu trúc và tổ chức thô đại mối hàn không đồng nhất, dễ gây ra các khuyết tật vùng gần mối hàn. 1.2. Trang thiết bị dùng trong hàn đắp và phun phủ 1.2.1. Trang thiết bị dùng trong hàn đắp 1.2.1.1 Thiết bị hàn điện hồ quang tay a. Yêu cầu chung đối với nguồn điện hàn. Nguồn điện hàn trong hàn hồ quang tay có thể là nguồn điện xoay chiều hoặc một chiều. Nhìn chung nguồn điện hàn và máy hàn phải đảm bảo các yêu cầu chung sa u: - Điện áp không tải phải U h < U0 < 80 V. - Đối với máy hàn xoay chiều: U0 = 5580 V, Uh = 3055 V. 5
- Đối với máy hàn một chiều: U0 = 2545 V, Uh = 1635 V - Có khả năng chịu quá tải khi ngắn mạch - Có khả năng điều chỉnh dòng điện hàn trong phạ m vi rộng. - Máy hàn phải có khối lượng nhỏ, hệ số hữu ích lớn, giá thành rẻ, dễ sử dụng và dễ sửa chữa. b. Phân loại thiết bị hàn điện hồ quang tay. - Thiết bị hàn hồ quang điện xoay chiều: Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của máy biến áp hàn xoay chiều Không có ký hiệu (-), (+) tại đầu thứ cấp. - Thiết bị hàn hồ quang điện một chiều: Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý máy hàn một chiều Có ký hiệu (-), (+) tại đầu thứ cấp 6
1.2.1.2 Thiết bị hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ Hình 1.7 Sơ đồ khối máy hàn trong môi trường khí bảo vệ điện cực nóng chảy (1) Nguồn điện hàn; (2) Núm điều khiển điện áp hàn; (3) Chai đượng khí CO2 hóa lỏng hoặc khí Ar; (4) Van giảm áp khí CO2 hoặc khí Ar; (5) Dây dẫn khí bảo vệ ra hệ hộp điều khiển số (7); (6) Cuộn dây điện cực và giá đỡ cuộn dây; (7) Hộp điều khiển (Hệ thống điều khiển); (8) Núm điều khiển tốc độ cấp dây điện cực; (9) Dây dẫn khí bảo vệ từ hộp điều khiển ra mỏ hàn; (10) Dây điều khiển mỏ hàn (súng hàn); (11) Dây điều khiển Contactor đóng ngắt nguồn hàn; (12) Dây cấp điện nguồn 110 [V] cho hộp điều khiển; (13) Cơ cấu cấp dây điện cực; (14) Mỏ hàn và dây cáp mỏ hàn; (15) Vật hàn. 1.2.1.3 Thiết bị hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ Nguồn hàn dùng trong các máy hàn TIG có thể là nguồn hàn một chiều hoặc xoay chiều với họ đặc tính ngoài dốc (kiểu CC) để đảm bảo dòng điện hàn ổn định. Khi độ dài hồ quang thay đổi, đảm bảo cho hồ quang cháy ổn định trong quá trình hàn. Bởi vậy điện áp không tải của nguồn hàn yêu cầu cao hơn điện áp hồ quang + Mỏ hàn có chức năng: - Kẹp chặt điện cực không nóng chảy, có đường kính từ (0,8  6)mm. - Cấp nguồn khí bảo vệ vùng hàn. - Cấp nguồn nước làm mát cho mỏ hàn. + Bình chứa nước làm mát. + Hộp điều khiển từ xa. 7
Hình 1.8 Sơ đồ khối máy hàn TIG Ngày nay với nhiều loại máy hàn khác nhau trên thị trường, nhưng điều quan trọng là phải chọn đúng loại máy hàn phù hợp với yêu cầu của công việc. Việc lựa chọn đặc tính của dòng điện đầu ra của máy hàn là một điều hết sức quan trọng. Loại điện áp và dòng điện đầu ra cần thiết cho một quá trình hàn xác định. Sau đó phải chọn một máy hàn có nguồn điện đầu ra thích hợp với yêu cầu của công việc cần hàn. Cần phải nhớ rằng đặc tính của nguồn điện đầu ra phải nằm trong chu kỳ tải cho phép của máy hàn. Máy hàn có công suất nhỏ (dòng điện đầu ra yêu cầu của loại máy này bằng 200 A hoặc nhỏ hơn). Thông thường các loại máy hàn này thường làm việc với nguồn điện đầu vào một pha, chu kỳ tải là 60% hoặc nhỏ hơn. Loại máy hàn này đặc biệt phù hợp với các cửa hàng hoặc các Gara sửa chữa, nơi mà chỉ thường dùng với lưới điện 1 pha. Một số loại máy hàn 1 pha nhỏ hơn có khả năng sử dụng với điện áp sơ cấp xoay chiều là 115 V. Các loại máy khác thì có thể sử dụng điện áp đầu vào sơ cấp là 230 V hoặc lớn hơn. Máy hàn TIG với dòng điện đầu ra một chiều lớn hơn được sử dụng để hàn các tấm kim loại có kích thứơc lớn và dày, các kết cấu thép trong xây dựng, chế tạo máy, và các sản phẩm hàn có chất lượng hàn cao thường cần nguồn điện đầu vào sơ cấp xoay chiều 3 pha. Hầu hết các khu công nghiệp đều được cung cấp lưới điện xoay chiều 3 pha và được trang bị nhiều môtơ điện và các thiết bị điện công nghiệp khác. Những loại máy này thường có cương độ dòng điện lớn hơn 200 A v à thường có chu kỳ tải là 100%. 1.2.2 Trang thiết bị dùng trong phun phủ 1.2.2.1 Máy nén khí Các loại máy nén khí phải đảm bảo các yêu cầu sau: 8
Lưu lượng khí tối thiểu 10m3/h (tức 1,7 m3/p) để đảm bảo không những dùng cho phun kim loại mà còn dùng để phun cát làm sạch (lưu lượng phun cát từ 0,8 – 1,2 m3/p). Khi phun thép: 0,8 – 0,9 m3/p. Bảo đảm áp suất ổn định liên tục: khi làm việc từ 6 – 8 kG/cm2. Bảng 1.1 giới thiệu một số loại máy nén khí thực tế đang sử dụng ở Việt Nam. Bảng 1.1. Đặc tính kỹ t huật máy nén khí dùng cho phun kim loại Đối với các nhà máy có hệ thống đường ống dẫn khí nén, cũng dùng cho phun kim loại được; nhưng phải lưu ý đến sự tổn thất khí nén từ trạm nén khí đến vị trí phun kim loại. Cho nên đường kính ống dẫn phải thích hợp để đạt được áp lực khí nén yêu cầu (bảng 1.2). Bảng 1.2. Đường kính ống dẫn khí nén cho phun kim loại 9
1.2.2.2 Bình chứa khí Không khí sau khi được máy nén khí ép lại có sự dao động rất lớn về áp lực, do đó nhất thiết phải có bình chứa khí để tạo ra áp lực không đổi trong quá trình phun kim loại. Thể tích của bình chứa khí tuỳ theo lưu lượng của máy nén khí để đạt được sự cân bằng độ thay đổi của áp suất. Trên hình 1.9 cung cấp kích thước chủ yếu của các bình chứa khí dùng cho phun kim loại. Các loại bì nh này khi đưa vào sử dụng ở phân xưởng, vv…phải được đăng kiểm cấp bộ. Thể tích bình được xác định theo công thức kinh nghiệm sau: Vt  3.V (1.1) Hình 1.9. Bình chứa khí Trong đó: Vt - thể tích của bình chứa khí (m 3) V – lưu lượng máy nén khí (m3/P) Dựa theo công thức (1) đó, người ta đã thiết kế và chế tạo một số bình chứa khí có kích thước theo bảng 1.3. Bảng 1.3. Kích thước các bình chứa khí áp lực 6 – 8 kG/cm2 1.2.2.3 Nguồn điện để phun phủ Nguồn điện dùng cho quá trình phun có thể là nguồn điện một chiều hoặc xoay chiều, máy phat điện hàn một chiều, máy hàn chỉnh lưu… 10
Thực nghiệm đã xác định ảnh hưởng của nguồn đến quá trình làm việc của đầu phun cũng như đến chất lượng của lớp phun. Với nguồn điện một chiều: nếu sử dụng đầu phun có tốc độ đẩy dây không đổi thì quá trình làm việc sẽ ổn định hồ quang khi sử dụng nguồn điện có đặc tính ngoài phẳng hoặc thoải đường 1; 2 (hình 1. 10). Với loại đầu phun này thì điều này cũng đúng cho cả nguồn xoay ch iều. Nếu máy có đặc tuyến dốc (3) sẽ không bảo đảm được sự gia tăng lớn về cường độ dòng điện. Vì thế sự phóng tia lửa điện hồ quang khi chập mạch rất khó khăn, có khi không xẩy ra được. Vì thế quá trình làm việc của súng phun thường bị gián đoạn. Nguyên nhân chủ yếu là do tốc độ đẩy dây không đổi, khi chập mạch hai đầu dây phun tiếp tục chạm vào nhau, tiếp xúc với nhau qua một tiết diện lớn. Vì thế để có thể phóng được tia lửa điện, cần phải có một sự gia tăng cường độ dòng điện lớn. Nguồn điện có đặc tuyến phẳng (1) cho phép khắc phục được vấn đề đó. Hình 1.10. Các đặc tính ngoài máy hàn Đối với loại súng phun mà tốc độ đẩy dây thay đổi theo điện áp hồ quang, thì quá trình phun được ổn định và phù hợp với tất cả các loại nguồn điện. Sự thay đổi độ dài n gọn lửa hồ quang gắn liền với sự thay đổi điện thế của nó. Khi chiều dài hồ quang ngắn lại, điện thế của nó giảm, tốc độ quay của động cơ đẩy dây cũng giảm theo và do đó tốc độ đẩy dây cũng giảm xuống. Khi chập mạch, điện áp hồ quang giảm tới 0 và do đó t ốc độ đẩy dây bằng 0, nên sự phóng tia lửa điện hồ quang được thực hiện dễ dàng. Khi chiều dài hồ quang tăng lên thì điện áp của nó tăng lên do đó tốc độ đẩy dây cũng tăng lên thích ứng và chiều dài hồ quang lại giảm xuống theo yêu cầu. Nhờ việc làm thay đổi tốc độ đẩy dây theo điện áp hồ quang, có thể sử dụng nguồn điện có đặc tính dốc để phun kim loại. Với nguồn điện xoay chiều: sử dụng cho phun kim loại ít hơn, ví dụ: phun dây nhôm, dây đồng hoặc hợp kim của nó. Loại nguồn điện xoay chiều thường là ở máy biến thế hàn có đặc tính phẳng. Tuy nhiên chất lượng hợp kim phun bị ảnh hưởng không có lợi. 1.2.2.4 Hệ thống điện và tủ điện điều khiển Hệ thống điện của máy phun kim loại thông thường gồm 3 bộ phận: Máy nén khí Máy hàn một chiều 11
Tủ điều khiển bao gồm: hệ thống công tắc điều khiển; hệ thống đo lường điện; hệ thống đóng cắt nguồn hàn; hệ thống điều khiển van khí nén; hệ thống điều khiển động cơ đẩy dây của máy phun. 1.2.2.5 Đầu phun Nguyên tắc chung về phun kim loại là kim loại nóng chảy được phun bằng dò ng khí nén để các phần tử kim loại bay đến đập vào bề mặt chi tiết. Vì vậy để tiến hành phun kim loại phải dùng đầu phun. Ngày nay đã có rất nhiều loại đầu phun để phun kim loại Căn cứ theo nguồn nhiệt để làm chảy kim loại ta có thể phân loại các loại đầu phun thành 3 loại chính: Đầu phun dùng năng lượng nhiệt của ngọn lửa khí cháy (khí axêtylen và ôxy). Đầu phun dùng năng lượng điện (hồ quang điện). Các loại đầu phun đặc biệt Quá trình phát triển phun kim loại ứng với các loại đầu phun (hình 1.11) Hình 1.11. Quá trình phát triển phun kim loại Đầu phun đầu tiên dùng khí cháy là của Schoop phát minh. Ông dùng ngọn lửa khí để đốt chảy dây kim loại, dùng không khí nén để thổi kim loại lỏng và dùng tuabin khí làm cơ cấu dịch chuyển dây phun. Các loại đầu ph un phất triển tiếp theo (hình 1.12) Hình 1.12. Phân loại các đầu phun 12
+ Đầu phun bằng điện Hiện nay đầu phun kim loại dùng năng lượng điện để đốt cháy dây phun kim loại là loại được dùng nhiều. Ở các nước kỹ thuật tiên tiến, các đầu phun bằng điện đã phát triển thành rất nhiều loại đa dạng. Sau đây chúng ta sẽ làm quen với một số loại đầu phun: + Đầu phun điện trở Đầu phun đầu tiên theo nguyên Hình 1.13. Đầu phun điện trở lý dùng điện trở được biểu thị trên 1.nồi; 2. lò xo điện trở; 3. miệng phun; 4. kim hình 1.13 Sự chảy của kim loại phun được tiến hành trong nồi (1) của đầu phun. Xung quang nồi (1) được đặt lò xo điện trở (2) để đảm bảo cho kim loại trong nồi luôn ở trạng thái lỏng. Nguồn điện ở đây thường dùng là máy biến thế hàn. Ở phía trước của nồi là miệng phun (3), được điều chỉnh khe hở phun bằng kim (4). Khi mở miệng phun, kim loại sẽ được chảy qua. Kim loại sẽ được phun do dòng khí nén chạy dọc phía thành ngoài của ống. Dây được chuyển trong ống than chì đến miệng phun. Ống điện trở được đặt sát ngay trước miệng phun, như vậy dây phun sẽ được nung nóng và chảy lỏng ở đây. Sự phun sẽ được thực hiện bằng dòng khí nén. + Đầu phun hồ quang điện Đầu phun hồ quang điện được sử dụng rộng rãi và có công suất lớn. Nguyên lý làm việc của nó như hình 1.1 4. Hai dây (1) (điện cực) được chuyển dịch bằng cặp bánh xe (3) đi vào ống dẫn hướng (2) đến vị trí tiếp xúc với nhau. Vòi phun khí nén (4) được bố trí giữa hai điện cực. Hình 1.14. Đầu phun hồ quang điện 13