CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HÀN I. Mục tiêu: - Nắm được những khái niệm cơ bản về hàn - Nêu các quá trình vật lý và luyện kim khi hàn nóng chảy. - Biết được các dụng cụ nghề hàn và cách sử dụng. - Hiểu được tính hàn của kim loại và hợp kim II.
Nội dung chương: 2. Thực chất, đặc điểm và phân loại các phương pháp hàn 2. Thực chất và đặc điểm * Thực chất. - Hàn là quá trình công nghê nối hai hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận) thành một khối bền vững bàng cách dùng nguồn nhiệt để nung nóng chỗ cẩn nối đêh 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. * Chú ý: - Trạng thái hàn có thể ỉà trạng thái lỏng, dẻo và thâm 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 khồng cần lực ép. Việc tạo ra mối hàn có hình dáng và kích thước cho trước có thể cần hoặc khổng cần kim loại bổ sung (thông qua vật liệu hàn).
- Nếu kim loại chỗ 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. - Về bản chất hàn đắp, hàn vảy và dán kim loại cũng tương tự như hàn. Vì thế trong kỹ thuật chúng cũng được coi là những lĩnh vực riêng cùa hàn. * Đặc điếm - Liên kết hàn được đặc trưng bởi tính liên tục và nguyên khối.
Đó là liên kết "cứng" và không tháo rời được. - Với cùng khả nảng 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 đúc, hàn có thể tiết kiệm được tới 50% khối lượng kim loại. - Hàn cho phép chế tạo các kết cấu phức tạp, siêu ưường, siêu trọng, từ những vật liêu cùng loại hoặc từ những vật liệu có tính chất rất khác nhau 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 với các yêu cẩu làm việc của các kết cấu quan trọng như vỏ tàu, bổn bể, nôi hơi, thiết bị áp lực,. - Hàn có tính linh động và năng suất cao so với các công nghệ khác, dễ cơ khí hóa, 6 tự động hóa quá trình sản xuất. - Mức đô đầu tư cho sản xuất hàn không cao. - Tuy vậy, do trong quá trình hàn, vât 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 đây: - Tổ chức và tính chất cùa kim loại tại vùng mối hàn và khu vực lân cận có thể thay đổi theo chiều hướng xấu (đặc biệt đối với những vật liệu "khó hàn"), làm giảm khả nãng chịu 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 ứng suất và biến dạng 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 - kĩ thuật cao, công nghệ hàn ngày càng được quan tâm nghiên cứu, phát triển hoàn thiên và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực cồng nghiệp cùa nền kính tế quốc dân. Phân loại các phương pháp hàn - Có nhiều cách phân loại phương pháp hàn. Tuy nhiôn thông dụng nhất là cách phân loại theo dạng năng lượng sử dụng và theo ưạng thái kim loại mối hàn tại thời điểm hàn.
- Căn cứ vào dạng năng lượng sử dung, cố cấc nhóm phương pháp hàn như sau: - Các phương pháp hàn điện: Bao gồm các phương pháp dùng điện năng biến thành nhiệt năng đổ cung cấp cho quá ưình hàn. Ví dụ: hàn điện hổ quang, hàn điên tiếp xúc,. - Các phương pháp hàn cơ học : Bao gồm các phương pháp sử dụng cơ nàng để làm 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: Bao gồm cấc phương pháp sử dụng năng lượng do các phản ứng hóa học tạo ra để cung cấp cho quá ưình hàn. Ví dụ : hàn khí, hàn hoá nhiệt,. - Các phương pháp kết hợp: Sử dụng kết hợp các dạng nãng lượng nêu trên. - Theo trạng thái của kim loại mối hàn tại thời điểm hán người ta chia các phương pháp hàn thành 2 nhóm: Hàn nóng chảy và hàn áp lực (H.
Phân loại các phương pháp hàn theo trạng thái hán - Đối với các phương pháp hàn nóng chảy, yêu cầu các nguồn nhiệt phải có công suất đủ lớn (hồ quang hàn, ngọn lửa khí cháy, plasma,.) đảm bảo nung nóng cục bộ kim loại cơ bản và vật liêu hàn tới trạng thái nóng chảy. Trong nhóm này, các phương pháp như hàn hồ quang tay, hàn khí, hàn hồ quang dưới lớp thuốc và trong môi trường khí bảo vệ được ứng dụng phổ biến nhất ở nước ta. - Đối với các phương pháp hàn áp lực, đa sô' các quá trình hàn kim loại dược thực hiện ở trạng thái rắn, mặc dù ở một số trường hợp một phần kim loại chỗ cần nối có thể được nung nóng đến trạng thái chảy lỏng nhưng mối hàn được hình thành bằng lực ép là chủ yếu (khi ép như vậy, có thể toàn bộ kim loại lỏng được đẩy ra xung quanh tạo thành bavia và mối hàn được tạo nên trên bề mặt tiếp xúc của các chi tiết ở thể rắn, hoặc phẩn kim loại lỏng đó kết tinh hình thành mổi hàn cùng với lực ép). Các phương pháp hàn áp lực như hàn tiếp xúc giáp mối, hàn tiếp xúc điểm và hàn tiếp xúc đường được ứng dụng rộng rãi trong nhiều linh vực chế tạo thiết bị và máy móc.
Các quá trình vật lý và luyện kim khi hàn nóng chảy 2. Khái niệm vể vũng hàn và mối hàn - Khi hàn nóng chảy, dưới tác dụng của nguồn nhiệt hàn một phần kim loại cơ bản tại vị trí mép hàn cùng với kim loại bổ sung từ vật liệu hàn (que hết dây hàn, thuốc hàn,,.) bị nóng chảy tạo ra một khu vực kim loại lỏng thường gọi là vũng hàn (H. Theo quy ước, vũng hàn có thể chia làm 2 phần: Nếu như ở phần đầu A chủ yếu 8 xảy ra các quá trình nóng chảy của kim loại cơ bi và kim loại bổ sung thì ở phần đuôi B diễn ra quá trình kết tinh và hình thành mối hàn.2 Sơ đổ vũng hàn A, B -phần đầu và phẩn đuôì của vũng hàn ; h. b và a - chiều sâu, chiều rộng và chiều dài của vũng hàn s – chiều dày cùa chi tiết hàn.
- Trong vũng hàn, kim loại lỏng luôn ỏ trong trạng thái chuyển động và xáo trộn khổng ngùmg : Kim loại lỏng ở phần đẩu bị đẩy lùi vẻ phía đuỡi một cách tuần hoàn dưới tác dụng của áp suất dòng khí lên bề mặt kim loại vũng hàn. Vì vậy, bể mặt mối hàn sau khi hình thành không phảng và có dạng sóng hình vảy cá xếp chồng. - Hình dạng và kích thước của vũng hàn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tđ như công suất của nguồn nhiệt, phương pháp và chế độ hàn, loại dòng điện và kiểu nối dây, tính chất lý nhiệt của vật liệu,. - Khi nguổn nhiệt chuyển động dọc theo mép hàn, vũng hàn cũng chuyển động theo để lại phần kim loại phía sau nó, gọi là mối hàn.
- Như vậy; mối hàn nóng chảy có thể hiểu là phần kim loại lỏng được kết tinh trong quá ưình hàn. - Theo hình dạng mặt cắt ngang, người ta phân biệt các mối hàn thành hai loại: mối hàn giáp mối (giáp mép, đối đầu) và mối hàn góc. Mối hàn giáp mối (a) và mối hàn góc - Mối hàn giáp mối (H. l-3a) được đặc trưng bằng các kích thước : chiều rông b, chiều cao h (trong trường hợp hàn một lượt, h chính là chiều sâu ngấu cùa mối hàn), chiều cao phần nhô c.
Hình dạng của mối hàn giáp mối được coi là hợp lý khi tỉ sô’ (hê số ngấu) có giá trị từ 0,8 4- 4, còn tỉ số — (hê số hình h e dạng) dao đông trong khoảng 7 -ỉ- 10.l-3b) thường được coi là mối hàn mà tiết diện ngang có dạng là một tam giác vuông cân cạnh là K. Do nhỉểu yếu tố công nghệ và kỹ thuật thực hiện mà mối hàn góc có thể có các dạng bề mặt khác nhau (H. Các loại mối hàn góc. a) Mối hàn góc bình thường câ bể mặt phđng; b) Mổì hán gổc bình thưởng cổ bể mặt lổi; c) Mối hàn góc bình thưởng có bề mặt lõm ; dị Mối hàn góc không đểu cạnh cá bề mặt phấng.
10 Các mời hàn nóng chảy có thể gồm một lớp hay nhiều lớp, liên tục hay gián đoạn, một phía hay hai phía (H. Các loại mối hàn a) Mối hàn một phía (một lớp, một lượt ị ; b) Mối hàn hai phía nhiều lớp (4 lớp, 6 lượt ị ; c) Mối hàn liên tục ; d) Mối hàn gián đoạn bước L. Trên cơ sở mối hàn giáp mối và mối hàn góc người ta có thể tạo ra các loại liên kết hàn khác nhau (H. Mật sổ lién kết hàn điển hình a) LiỂn kết hàn' giáp mối ; b) Liên kết hàn góc ; c) Liên kết hàn chữ T ; d) Lìện kít hàn chồng ; e) Liêtị kết hàn chốt, 11 ỉ-Mối hàn ; 2 -Vàng ánh hưởng nhiệt.
- Như vậy, liên kết hàn được hiểu là một bộ phận của kết cấu gồm kim loại, mô'i hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (sẽ đề cập ở mục sau). - Sự phân biệt khái niêm mối hàn ỵà lịên kết hàn cho phép hiểu một cách rõ ràng hơn về tổ chức kim loại cũng như tính chất của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt làm cơ sở để có các giải pháp công nghê hợp lý nhất nhằm nâng cao chất lượng và độ tin cậy khi làm việc cho kết cấu hàn. Quá trình luyện kim khi hàn nóng chảy - Trong hàn nóng chảy, vũng hàn có nhiệt độ cao hơn nhiều so với nhiệt độ chảy của kim loại cơ bản và kim loại bổ sung từ vật liệu hàn. Tại đây các quá trình hóa lý xảy ra một cách tương tự như trong luyện kim (quá trình ôxi hóa - khử, hợp kim hóa,.