CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Công nghệ hàn: 1. Đặc điểm TS Nguyễn Thúc Hà và nhóm tác giả cho rằng: “Thực chất của hàn là quá trình công nghệ nối (2 hoặc nhiều chi tiết, bộ phận) thành một khối thống nhất bằng cách dùng nguồn nhiệt nung nóng chỗ cần nối đến trạng thái lỏng (hoặc dẻo), sau đó kim loại tự kết tinh (hoặc dùng lực ép) tạo thành mối hàn.” Trạng thái hàn: có thể ở dạng lỏng, dẻo và còn có thể là nguội bình thường. Nếu hàn đến trạng thái lỏng thì không cần lực ép mà mối hàn vẫn có thể hình thành.
Liên kết khi hàn được tính là liên kết liên tục và nguyên khối. Đó là liên kết khối và không tháo rời như liên kết bulong được. Liên kết hàn thì tiết kiệm từ 10 – 20% vật liệu so với liên kết bulong. Bên cạnh đó liên kết hàn có độ bền và độ kín cao có thể đảm bảo yêu cầu làm việc của các kết cấu quan trọng như vỏ tàu, nồi hơi,… 1.
Phân loại các phương pháp hàn TS Nguyễn Thúc Hà và nhóm tác giả cho rằng: Căn cứ vào dạng năng lượng sử dụng có các nhóm phương pháp hàn sau: Các phương pháp hàn điện: hàn hồ quang, điện tiếp xúc Các phương pháp hàn cơ học: hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm Các phương pháp hàn hóa học: hàn khí, hàn hóa nhiệt Các phương pháp kết hợp: kết hợp các phương pháp trên 13 Luan van Căn cứ theo trạng thái của mối hàn tại thời điểm hàn: Hình 1. Phân loại các phương pháp hàn theo trạng thái. Sự tạo thành mối hàn và tổ chức kim loại Các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển dịch kim loại lỏng từ điện cực vào vũng hàn: Tác dụng của trọng lực giọt kim loại lỏng luôn có xu hướng đi về phía vũng hàn. Sức căng bề mặt được tạo nên do tác dụng của lực phân tử và lun có xu hướng làm cho bề mặt chất lỏng thu nhỏ lại.
Bên cạnh còn làm cho các giọt kim loại lỏng có dạng hình cầu và giữ trạng tháng này trong suốt quá trình chuyển vào vũng hàn và khi vào sẽ tạo thành một khối thống nhất. Lực từ trường sinh ra xung quanh điện cực khi có dòng điện chạy qua que hàn và vật hàn. Lực này tác dụng lên kim loại lỏng điện cực làm giảm tiết diện ngang. Trong khi đó Ih = const, nên tại chỗ thắt mật độ dòng điện J tăng lên nhanh chóng làm kim loại lỏng đạt đến nhiệt độ sôi, cắt đứt phần kim loại lỏng khỏi điện cực.
Mặt khác vì diện tích vũng hàn lớn nên cường độ từ trường trên bề mặt vũng hàn rất nhỏ và mật độ dòng điện J nhỏ, do đó kim loại lỏng luôn có xu hướng đi vào vũng hàn ở mọi vị trí hàn. 14 Luan van Áp lực khí do nhiệt độ hồ quang cao, các phản ứng xảy ra rất mạnh, thuốc bọc que hàn (thuốc hàn) nóng chảy sẽ sinh ra nhiều khí, tạo nên áp lực đẩy kim loại lỏng từ điện cực vào vũng hàn (có tác dụng lớn đối với mối hàn trong không gian). Vật liệu hàn Nhóm vật liệu tham gia trực tiếp vào quá trình hàn: Que hàn Dây hàn, các điện cực nóng chảy khi hàn trong khí trơ, lớp thuốc hàn và hàn điện xỉ.Dây hàn phụ và các vật liệu kim loại khác trong các phương pháp hàn nóng chảy. Que hàn là dạng điện cực kim loại, thường có 2 loại là que hàn trần và que hàn thuốc bộc.
Que hàn trần dùng để bổ sung kim loại cho vũng hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực không nóng chảy. Que hàn thuốc bộc chứa các chất tạo khí, tạo xỉ, ổn định hồ quang,… Dây hàn là dạng điện cực kim loại có tiết diện tròn và đặc, được tạo bằng phương pháp cán hoặc kéo. Dùng để hàn trong môi trường khí bảo vệ và hàn dưới lớp thuốc. Dây hàn Lincoln.
Điện cực Vonfram thường được chế tạo từ phương pháp luyện kim bột từ oxit vonfram hoàn nguyên. Trong lúc chế tạo còn được bổ sung 1,5 đến 2% các chất như ZnO2, ThO2, vào vật liệu điện cực và được sử dụng cho hàn trong môi trường khí trơ. 15 Luan van Hình 1. Điện cực hàn Tungsten Electrodes.
Nhóm vật liệu không tham gia trực tiếp: Các loại điện cực không nóng chảy (điện cực vonfram, điện cực cacbon,.) Các loại khí trơ (khí bảo vệ): Argon, Heli Trong hàn có nhiều loại khí trơ có tác dụng bảo vệ nhưng khí Ar và He được sử dụng nhiều nhất vì chúng có trữ lượng dồi dào và giá thành tương đối thấp. So sánh đặc điểm của khí argon và heli. Argon Heli - Dễ mồi hồ quang do năng - Khó mồi hồ quang do năng lượng ion thấp. lượng ion hóa cao.
- Nhiệt độ hồ quang thấp hơn. - Nhiệt độ hồ quang cao hơn. - Bảo vệ tốt hơn do nặng hơn. - Bảo vệ kém hơn do nhẹ hơn.
- Lưu lượng cần thiết thấp hơn. - Lưu lượng sử dụng cao hơn. - Điện áp hồ quang thấp hơn nên - Điện áp hồ quang cao hơn nên năng lượng hàn thấp hơn. năng lượng hàn lớn hơn.
- Giá thành rẻ hơn. 16 Luan van - Chiều dài hồ quang ngắn, mối - Chiều dài hồ quang dài, mối hàn hẹp. - Có thể hàn chi tiết mỏng. - Thường hàn chi tiết dày, dẫn nhiệt tốt.
Sự trộn hai khí Ar và He có ý nghĩa thực tiển rất lớn. nó cho phép kiểm soát chặt chẽ năng lượng hàn cũng như hình dạng của tiết diện mối hàn. Khi hàn chi tiết dày, hoặc tản nhiệt nhanh, sự trộn He vào Ar cải thiện đáng kể quá trình hàn. 17 Luan van Hình 1.
Màu của bình chứa khí. Lựa chọn khí bảo vệ Không có một quy tắc nào khống chế sự lựa chọn khí bảo vệ đối với một công việc cụ thể. Ar, He hoặc hổn hợp của chúng đều có thể sử dụng một cách thành công đối với đa số các công việc hàn, với sự ngoại lệ là khi hàn trên những vật cực mỏng thì phải sử sụng khí Ar. Ar thường cung cấp hồ quang êm hơn là He.
Thêm vào đó, chi phí đơn vị thấp và những yêu cầu về lưu lượng thấp của Ar đã làm cho Ar được ưa chuộng hơn từ quan điểm kinh tế. Chiều dài hồ quang 18 Luan van Hình 1. Khoảng cách chiều dài hồ quang. Chiều dài hồ quang là khoảng cách từ vũng hàn đến đầu điện cực.
Phụ thuộc vào cường độ hàn và sự ổn định hồ quang. Trong quá trình hàn ta cố gắng giữ chiều dài hồ quang không đổi. Qui tắc là khi hàn ta chọn chiều dài hồ quang cở 0,5 ÷ 3mm. Tốc độ hàn Tốc độ hàn là tốc độ di chuyển điện cực nó sẽ phụ thuộc vào tốc độ điền đầy vũng chảy và bề dày chi tiết hàn.
Thông thường thì tốc độ hàn sẽ từ 100 đến 250mm/ phút. Tốc độ hàn phụ còn thuộc nhiều yếu tố như: nếu là hàn thủ công thì trình độ tay nghề của thợ hàn đóng vai trò quan trọng, còn hàn tự động thì phụ thuộc vào vật liệu hàn và người lập trình. Tốc độ hàn sẽ quyết định chiều sâu ngấu, bề rộng của mối hàn. Khi tốc độ hàn cao cũng làm độ sâu ngấu giảm và chiều cao mối hàn sẽ tăng.
Khi tốc độ hàn thấp làm bể nóng chảy quá lớn và sẽ hình thành nguy cơ bể hàn chạy trước hồ quang, trong trường hợp này cũng xuất hiện nguy cơ ngấu ít và mối hàn sẽ bị lỗi. Dòng điện hàn Dòng điện hàn được quyết định bởi loại vật liệu và bề dày chi tiết hàn, tốc độ hàn và thành phân khí bảo vệ. Thực nghiệm cho thấy cường độ hàn tốt nhất là 1A cho 0,0001 in bề dày (khoảng 40A/mm) ứng với tốc độ hàn 250mm/ phút. Đối với hàn thủ công rất khó đạt được tốc độ hàn như thế và khi giảm tốc độ hàn thì giảm dòng điện tương ứng.
Ví dụ: để hàn với tốc độ 100mm/ phút thì nên chọn cường độ Ih = 40x100/250 = 16A/mm bề dày. Nếu dòng hàn nhỏ trong khi điện cực lớn sẽ làm điện cực không đủ nóng dẫn đến độ bức xạ electron kém làm hồ quang khó ổn định, mặt khác kích cở vũng chảy (phụ thuộc vào kích thước điện cực và chiều dài hồ quang) tăng lên làm giảm mật độ nhiệt dẫn đến độ ngấu giảm và tốc độ nguội của vũng chảy tăng cao làm cho mối hàn bị lỗi. 19 Luan van Hình 1. Chế độ hàn thép hợp kim thấp (Inox).
Chế độ hàn Thép. Điện cực hàn Điện cực hàn có tác dụng gây và duy trì hồ quang cháy ổn định trong quá trình hàn. Hiện nay có thể chia làm 2 loại là điện cực hàn không nóng chảy và điện cực hàn 20 Luan van nóng chảy. Điện cực không nóng chảy được ứng dụng nhiều trong hàn Tig và thường được tạo thành từ vật liệu chiệu nhiệt độ cao như vonfram, graphit.
Điện cực hàn Vonfram thorium có đầu màu đỏ được sử dụng nhiều nhất do có tính ổn định nhất và hàn được nhiều loại vật liệu như thép cacbon, thép không gỉ, đồng silic và áp dụng cho dòng hàn 1 chiều DC. Loại có đầu màu xanh là vonfram tinh khiết được sử dụng nhiều trong hàn nhôm, hợp kim nhôm, magiê và hợp kim magiê. Mã màu điện cực. Loại điện cực Màu nhận biết EWP Xanh lá cây Green EWCe-2 Da cam Orange EWLa-1 Đen Black EWLa-1.5 Vàng Gold EWLa-2 Xanh da trời Blue EWTh-1 Vàng chanh Yellow EWTh-2 Đỏ Red EWZr-1 Nâu Brown EWG Xám Grey Kích thước điện cực: Các điện cực tungsten thường được cung cấp với đường kính 0,25 ÷ 6,35 mm, dài từ 70 ÷ 610 mm, có bề mặt đã được làm sạch hoặc được mài.
Bề mặt đã được làm sạch có nghĩa là sau khi kéo dây hoặc thanh, các tạp chất bề mặt được loại bỏ bằng các dung dịch thích hợp. Bề mặt được mài có nghĩa là các tạp chất được loại bỏ bằng phương pháp mài. Tùy thuộc vào ứng dụng, vật liệu, bề dày, loại mối nối mà ta có các dạng mài khác nhau. Khi hàn với dòng AC ta chọn điện cực lớn hơn và mài vê tròn thay vì mài nhọn như khi hàn với dòng DCEN.
Các hệ thống hàn tự động Ngày nay, giải pháp hàn tự động đã được phát minh và sử dụng nhiều trong công nghiệp thay thế cho hàn truyền thống. Trong nên công nghiệp 4.0 hiện nay thì toàn bộ quá trình hàn gần như được hàn tự động bằng cách lập trình sẳn người thợ hàn chỉ tham gia rất nhỏ trong quá trình hàn. Các thiết bị hàn tự động hiện nay có thể kể đến như các loại rùa hàn, robot, xe hàn tự động hoặc bàn máy hàn CNC.