- 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: - T
KHÁI NI Ệ M CHUNG V Ề HÀN
Th ự c ch ất, đặc điể m và phân lo ại các phương pháp hàn
2.1.1 Thực chất và đặc điểm
Hàn là một quá trình công nghệ quan trọng trong ngành cơ khí, dùng nhiệt để nung nóng các chi tiết cần nối đến trạng thái hàn, giúp liên kết chúng thành một khối bền vững Khi kim loại đạt trạng thái lỏng, nó sẽ tự kết tinh hoặc được ép bằng ngoại lực trong trạng thái nguội, dẻo để tạo ra mối hàn chắc chắn.
- Trạng thái hàn có thể ỉà trạng thái lỏng, dẻo và thâm chí là nguội bình thường
Trong quá trình hàn, khi kim loại đạt đến trạng thái lỏng, mối hàn thường tự hình thành mà không cần lực ép Để tạo ra mối hàn có hình dáng và kích thước như mong muốn, có thể cần hoặc không cần bổ sung kim loại thông qua vật liệu hàn, tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật cụ thể.
Khi tiến hành hàn, nếu kim loại tại vị trí cần nối có nhiệt độ thấp hoặc chỉ đạt đến trạng thái dẻo, thì việc tạo ra mối hàn bền vững đòi hỏi phải có sự tác động của ngoại lực Điều này giúp đảm bảo liên kết chắc chắn giữa các bề mặt kim loại, nâng cao chất lượng mối hàn và độ bền của sản phẩm sau gia công.
Về bản chất, các phương pháp như hàn đắp, hàn vảy và dán kim loại đều có nguyên lý hoạt động tương tự như kỹ thuật hàn truyền thống Do đó, trong lĩnh vực kỹ thuật, chúng được phân loại là những nhánh chuyên biệt của công nghệ hàn, đóng vai trò quan trọng trong gia công và sửa chữa kim loại.
- Liên kết hàn được đặc trưng bởi tính liên tục và nguyên khối Đó là liên kết
"cứng" và không tháo rời được
So với các phương pháp nối ghép truyền thống như bulông hay đinh tán, kết cấu hàn nổi bật với khả năng tiết kiệm từ 10 đến 20% khối lượng kim loại mà vẫn đảm bảo hiệu quả làm việc tương đương, giúp tối ưu hóa chi phí và nâng cao hiệu suất trong xây dựng công trình.
- So với đúc, hàn có thể tiết kiệm được tới 50% khối lượng kim loại
Hàn là phương pháp gia công hiệu quả, cho phép chế tạo các kết cấu phức tạp, siêu trường siêu trọng từ vật liệu đồng nhất hoặc vật liệu có tính chất khác biệt, đáp ứng đa dạng điều kiện và môi trường làm việc.
Hàn là phương pháp tạo liên kết có độ bền và độ kín vượt trội, đáp ứng hiệu quả các yêu cầu kỹ thuật khắt khe của những kết cấu quan trọng như vỏ tàu, bồn chứa, nồi hơi và thiết bị áp lực Nhờ khả năng chịu lực và chống rò rỉ cao, hàn trở thành giải pháp tối ưu trong ngành công nghiệp chế tạo và xây dựng các hệ thống áp suất lớn.
- Hàn có tính linh động và năng suất cao so với các công nghệ khác, dễ cơ khí hóa, tựđộng hóa quá trình sản xuất
- Mức đô đầu tư cho sản xuất hàn không cao
Trong quá trình hàn, vật liệu phải chịu tác động của nguồn nhiệt có công suất lớn, tập trung và diễn ra trong thời gian ngắn, dẫn đến kết cấu hàn thường tồn tại một số nhược điểm như biến dạng nhiệt, ứng suất dư và giảm chất lượng cơ học của mối hàn.
Tổ chức và tính chất của kim loại tại vùng mối hàn và khu vực lân cận có thể bị biến đổi theo chiều hướng tiêu cực, đặc biệt đối với các vật liệu khó hàn Sự thay đổi này làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu, gây ảnh hưởng nghiêm trọng khi kết cấu phải làm việc dưới tác động của tải trọng động hoặc tải trọng biến đổi theo chu kỳ Đây là yếu tố quan trọng cần được xem xét trong quá trình thiết kế và thi công hàn để đảm bảo độ bền và an toàn của công trình.
Ứng suất và biến dạng dư trong kết cấu hàn là hiện tượng phổ biến, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hình dáng, kích thước, độ thẩm mỹ và hiệu suất làm việc của sản phẩm Việc kiểm soát và giảm thiểu các yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong quá trình gia công cơ khí, đảm bảo chất lượng và độ bền của kết cấu hàn trong thực tế sản xuất.
Công nghệ hàn, với ưu điểm vượt trội về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật, ngày càng được chú trọng nghiên cứu và hoàn thiện, đồng thời được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp của nền kinh tế quốc dân, bất chấp những hạn chế nhất định còn tồn tại.
2.1.2 Phân loại các phương pháp hàn
Phương pháp hàn được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, tuy nhiên phổ biến nhất là dựa trên dạng năng lượng sử dụng và trạng thái kim loại tại mối hàn trong thời điểm thực hiện hàn.
- Căn cứ vào dạng năng lượng sử dung, cố cấc nhóm phương pháp hàn như sau:
Các phương pháp hàn điện là kỹ thuật sử dụng điện năng chuyển hóa thành nhiệt năng để thực hiện quá trình hàn, đảm bảo mối nối kim loại chắc chắn và bền vững Một số phương pháp phổ biến bao gồm hàn điện hồ quang và hàn điện tiếp xúc, được ứng dụng rộng rãi trong ngành cơ khí và xây dựng nhờ hiệu quả cao và khả năng tự động hóa.
Các phương pháp hàn cơ học là kỹ thuật hàn không sử dụng nhiệt mà dựa vào lực cơ học để làm biến dạng kim loại tại vị trí cần hàn, từ đó tạo ra liên kết chắc chắn giữa các vật liệu Những phương pháp phổ biến trong nhóm này bao gồm hàn nguội, hàn ma sát và hàn siêu âm, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và độ bền liên kết.
Các phương pháp hàn hóa học là kỹ thuật hàn sử dụng năng lượng sinh ra từ các phản ứng hóa học để thực hiện quá trình kết nối vật liệu Những phương pháp phổ biến trong nhóm này bao gồm hàn khí và hàn hóa nhiệt, thường được ứng dụng trong các ngành công nghiệp yêu cầu độ chính xác và độ bền cao Việc lựa chọn phương pháp hàn hóa học phù hợp giúp tối ưu hiệu quả sản xuất và đảm bảo chất lượng mối hàn.
- 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.l-1)
Hình ỉ-ỉ Phân loại các phương pháp hàn theo trạng thái hán
Các quá trình v ậ t lý và luy ệ n kim khi hàn nóng ch ả y
2.2.1 Khái niệm vể vũng hàn và mối hàn
Trong quá trình hàn nóng chảy, dưới tác động của nguồn nhiệt, một phần kim loại cơ bản tại mép hàn cùng với kim loại bổ sung từ vật liệu hàn như que hàn, dây hàn hoặc thuốc hàn sẽ bị nóng chảy, tạo thành một vùng kim loại lỏng gọi là vũng hàn Vũng hàn đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành mối hàn chắc chắn và đảm bảo độ bền kết cấu sau khi nguội.
Theo quy ước kỹ thuật hàn, vũng hàn được chia thành hai phần rõ rệt: phần đầu A là nơi diễn ra quá trình nóng chảy của kim loại cơ bản và kim loại bổ sung, trong khi phần đuôi B đảm nhận vai trò kết tinh và hình thành mối hàn hoàn chỉnh.
Trong quá trình hàn, kim loại lỏng trong vũng hàn luôn ở trạng thái chuyển động liên tục và xáo trộn mạnh mẽ Dưới tác động của áp suất dòng khí lên bề mặt kim loại, phần kim loại lỏng phía trên bị đẩy tuần hoàn về phía dưới Kết quả là bề mặt mối hàn sau khi hình thành không phẳng mà có dạng gợn sóng đặc trưng, giống như vảy cá xếp chồng lên nhau, tạo nên đặc điểm nhận diện rõ rệt của mối hàn chất lượng.
Hình dạng và kích thước của vũng hàn chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố quan trọng như công suất nguồn nhiệt, phương pháp và chế độ hàn, loại dòng điện sử dụng, kiểu nối dây, cùng với tính chất lý nhiệt của vật liệu Việc kiểm soát các thông số này đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo chất lượng mối hàn và hiệu quả quá trình gia công.
- 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 (hình 1-3)
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
Hinh ỉ—3 Mối hàn giáp mối (a) và mối hàn góc
Mối hàn giáp mối (H l-3a) được xác định bởi các thông số kỹ thuật gồm chiều rộng b, chiều cao h (trong trường hợp hàn một lượt thì h là chiều sâu ngấu của mối hàn), và chiều cao phần nhô c Để đảm bảo chất lượng và hình dạng hợp lý, hệ số ngấu nên nằm trong khoảng từ 0,8 đến 4, trong khi hệ số hình dạng dao động từ 7 đến 10.
Mối hàn góc (H.l-3b) là loại mối hàn phổ biến với tiết diện ngang có dạng tam giác vuông cân, cạnh bằng K Tùy thuộc vào yếu tố công nghệ và kỹ thuật thi công, mối hàn góc có thể xuất hiện với nhiều dạng bề mặt khác nhau (H.1-4), ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và tính thẩm mỹ của sản phẩm hàn.
Các loại mối hàn góc phổ biến bao gồm: mối hàn góc bình thường với bề mặt phẳng, mối hàn góc bình thường có bề mặt lồi, mối hàn góc bình thường với bề mặt lõm, và mối hàn góc không đều cạnh trên bề mặt phẳng Việc lựa chọn loại mối hàn phù hợp đóng vai trò quan trọng trong đảm bảo độ bền và tính thẩm mỹ của kết cấu hàn.
Các mời hàn nóng chảy có thể gồm một lớp hay nhiều lớp, liên tục hay gián đoạn, một phía hay hai phía (H.l-5)
Các loại mối hàn phổ biến trong kỹ thuật hàn bao gồm: mối hàn một phía với cấu trúc một lớp, một lượt; mối hàn hai phía nhiều lớp như 4 lớp hoặc 6 lượt, giúp tăng độ bền và khả năng chịu lực; mối hàn liên tục đảm bảo độ kín và độ chắc chắn cao; và mối hàn gián đoạn theo bước L, thường được sử dụng trong các kết cấu không yêu cầu hàn toàn bộ Việc lựa chọn loại mối hàn phù hợp đóng vai trò quan trọng trong chất lượng và hiệu quả của quá trình gia công kim loại.
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.l-6)
Liên kết hàn là một kỹ thuật quan trọng trong ngành cơ khí, bao gồm các dạng điển hình như liên kết hàn giáp mối, liên kết hàn góc, liên kết hàn chữ T, liên kết hàn chồng và liên kết hàn chốt Mỗi loại liên kết đều có đặc điểm riêng, phù hợp với từng yêu cầu kỹ thuật và kết cấu sản phẩm Mối hàn là phần chịu lực chính, cần đảm bảo độ bền và tính thẩm mỹ Ngoài ra, vùng ảnh hưởng nhiệt quanh mối hàn cũng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát biến dạng và chất lượng tổng thể của sản phẩm hàn.
- 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)
Việc phân biệt rõ ràng giữa khái niệm mối hàn và liên kết hàn giúp hiểu sâu hơn về tổ chức kim loại, tính chất của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt Đây là cơ sở quan trọng để lựa chọn giải pháp công nghệ hàn tối ưu, nhằm nâng cao chất lượng và độ tin cậy của kết cấu hàn trong quá trình làm việc.
2.2.2 Quá trình luyện kim khi hàn nóng chảy
Trong quá trình hàn nóng chảy, vũng hàn đạt nhiệt độ cao vượt trội so với nhiệt độ chảy của kim loại cơ bản và kim loại bổ sung, tạo điều kiện cho các phản ứng hóa lý như ôxi hóa - khử và hợp kim hóa diễn ra tương tự như trong luyện kim Tuy nhiên, do kích thước nhỏ, thời gian tồn tại của kim loại lỏng ngắn, nhiệt độ phân bố không đều và tốc độ nguội nhanh, các quá trình này thường không hoàn toàn, ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Thành phần hóa học của kim loại tại mối hàn cũng thay đổi so với kim loại cơ bản và vật liệu bổ sung, do sự tương tác phức tạp giữa các pha khí, kim loại và xỉ trong suốt quá trình hình thành mối hàn.
- Trong vũng hàn, ở những giai đoạn nhất định có thể xẩy ra các quá trình lý hóa sau đây
- Sựtương tác giữa kim loại lỏng và xỉ lỏng
- Tác động bảo vê của môi trường khí và xỉ
- Quá trình ôxi hóa - khử và hợp kim hóa kim loại mối hàn
- Quá trình hòa tan khí,
- Sự kết tinh và hình thành mối hàn
Trong quá trình hàn hồ quang, sự nóng chảy của kim loại cơ bản và vật liệu hàn như que hàn, thuốc hàn tạo ra một pha lỏng phi kim gọi là xỉ hàn, chứa các oxit axit (SiO₂, TiO₂, P₂O₅) và bazơ (CaO, MnO, FeO, BaO, ) Xỉ hàn bao bọc giọt kim loại lỏng khi di chuyển từ điện cực qua cột hồ quang vào vũng hàn, tạo lớp vỏ bảo vệ kim loại khỏi tác động của không khí Sự tương tác giữa xỉ và kim loại lỏng giúp hợp kim hóa mối hàn, loại bỏ hợp chất có hại, giữ nhiệt và giảm tốc độ nguội, từ đó cải thiện tổ chức và tính chất kim loại mối hàn Để đảm bảo chất lượng, xỉ cần dễ nổi lên bề mặt vũng hàn và dễ bong khỏi mối hàn sau khi nguội.
* Môi trường khí bảo vệ
Môi trường không khí xung quanh hồ quang và vũng hàn chứa nhiều loại khí khác nhau, trong đó oxi và nitơ là hai yếu tố gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng mối hàn Việc kiểm soát sự xâm nhập của các khí này là yếu tố then chốt để đảm bảo độ bền và tính ổn định của mối hàn trong quá trình gia công kim loại.
Khi oxy (O₂) xâm nhập vào vùng hàn, nó sẽ hình thành các oxit như FeO, CuO, Al₂O₃, phân bố quanh biên tinh thể hoặc hòa tan dưới dạng hỗn hợp cơ học Sự xuất hiện của các oxit này làm suy giảm đáng kể các đặc tính cơ học của kim loại tại mối hàn như độ bền, độ dẻo, độ dai va đập, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ tin cậy của mối hàn trong quá trình sử dụng.
Trong quá trình hàn, nitơ (N2) từ không khí có thể hòa tan vào kim loại lỏng, hình thành các hợp chất nirit gây suy giảm đáng kể độ dẻo và làm tăng độ giòn nguội của kim loại tại vùng mối hàn.
Tính hàn c ủ a kim lo ạ i và h ợ p kim
2.3.1 Khái niệm vể tính hàn của kim loại và họp kim
Tính hàn là khái niệm dùng để đánh giá mức độ dễ hay khó hàn của một vật liệu cơ bản, phản ánh tổ hợp các đặc tính của kim loại hoặc hợp kim nhằm đảm bảo tạo ra mối hàn đạt yêu cầu kỹ thuật và chất lượng cần thiết.
Theo truyền thống tính hàn của vật liệu được quy ước chia thành 4 nhóm như sau:
Vật liệu có tính hàn tốt là những loại cho phép hàn bằng nhiều phương pháp khác nhau với chế độ hàn điều chỉnh linh hoạt trong phạm vi rộng Những vật liệu này không cần sử dụng các biện pháp công nghệ phức tạp như nung nóng sơ bộ, nung nóng kèm theo hay nhiệt luyện sau khi hàn, nhưng vẫn đảm bảo được liên kết hàn với chất lượng mong muốn Thép cacbon thấp và phần lớn thép hợp kim thấp thuộc nhóm vật liệu có tính hàn tốt này.
Vật liệu có tính hàn trung bình chỉ phù hợp với một số phương pháp hàn nhất định, đòi hỏi thông số chế độ hàn phải nằm trong phạm vi hẹp và yêu cầu nghiêm ngặt về loại vật liệu hàn Để đảm bảo chất lượng mối hàn, các biện pháp công nghệ như nung nóng sơ bộ, giảm tốc độ nguội và xử lý nhiệt sau khi hàn thường được áp dụng.
Một số mác thép hợp kim thấp, thép cácbon và hợp kim trung bình thuộc nhóm này
Vật liệu có tính hàn hạn chế là những loại vật liệu chỉ tạo được liên kết hàn đạt chất lượng trong điều kiện công nghệ và vật liệu hàn nghiêm ngặt Quá trình hàn thường yêu cầu xử lý nhiệt hoặc thực hiện trong môi trường bảo vệ đặc biệt như khí trơ hoặc chân không, với chế độ hàn giới hạn trong phạm vi rất hẹp Mặc dù vậy, liên kết hàn vẫn dễ bị nứt và phát sinh các khuyết tật khác, ảnh hưởng đến độ bền và chất lượng của kết cấu hàn.
Phần lớn các loại thép cácbon cao, thép hợp kim cao thuộc nhóm này
Vật liệu có tính hàn kém thường đòi hỏi sử dụng các công nghệ hàn đặc biệt, phức tạp và chi phí cao Mối hàn dễ gặp các vấn đề như nứt nóng, nứt nguội do tổ chức kim loại không ổn định, dẫn đến cơ tính và khả năng làm việc của liên kết hàn thấp hơn so với vật liệu gốc Điển hình là phần lớn các loại gang và một số hợp kim đặc biệt.
Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ hàn, chúng ta có thể khẳng định rằng mọi vật liệu đều có khả năng hàn, mặc dù chất lượng mối hàn có thể khác nhau đáng kể Quan niệm cũ cho rằng một số vật liệu không thể hàn đã không còn phù hợp Sự ra đời của các loại vật liệu mới và phương pháp liên kết hàn hiện đại đòi hỏi người làm nghề phải liên tục cập nhật kiến thức, nghiên cứu chuyên sâu và hoàn thiện công nghệ để đảm bảo tạo ra các kết cấu hàn đạt chất lượng cao.
2.3.2 Đánh giá tính hàn của kim loại và hợp kim
Tính hàn của kim loại và hợp kim được đánh giá th'ông qua các chi tiêu như là :
- Cơ tính và thành phần hóa học của kim loại mối hàn, của vùng ảnh hưởng nhiệt và của liên kết nói chung
- Khả nãng chống nứt nống, nứt nguội và ăn mòn tinh giới hạt
Để đánh giá tính hàn của thép một cách hiệu quả, cần xác định các chỉ tiêu kỹ thuật thông qua các mẫu thử được chuẩn bị, chế tạo và tiến hành thử nghiệm trên thiết bị chuyên dụng, đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn và quy phạm hiện hành Việc đánh giá sơ bộ tính hàn có thể dựa vào thành phần hóa học của thép, thông qua một số thông số kỹ thuật quan trọng nhằm đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy trong quá trình kiểm tra.
- Thông số vềhàm lượng cácbon tương đương CE :
Hàm lượng cácbon tương đương (Ceq) trong thép được xác định dựa trên hàm lượng các bon và các nguyên tố hợp kim khác như mangan (Mn), crom (Cr), molypden (Mo), có trong thành phần hóa học của thép Đối với thép cácbon và thép hợp kim thấp, việc tính toán Ceq giúp đánh giá khả năng hàn và độ cứng của vật liệu, từ đó hỗ trợ lựa chọn quy trình gia công phù hợp trong ngành cơ khí và xây dựng.
„ ,Mn Cr + Mo + V Ni + Cu c- = c + 6* 5 *15
- Thông qua giá trị CE có thểđánh giá tính hàn của thép thuộc loại nào
Dựa trên kinh nghiệm sản xuất, tính hàn của thép có thể được ước lượng gần đúng thông qua thành phần hóa học, bằng cách so sánh tổng lượng các nguyên tố hợp kim EH.K(%) với hàm lượng cácbon C(%) trong thép, như minh họa trong bảng 1-1 Phương pháp này giúp đánh giá khả năng hàn của thép một cách hiệu quả, hỗ trợ lựa chọn vật liệu phù hợp trong quá trình gia công và chế tạo.
SH.K(%) (Mn, Si, Cr, Ni, )
Tính hàn của thép theo %c Tốt Thỏa mãn Hạn chế Xấu
Thông sô' đánh giá nứt nóng H cs :
C[P: S + ^>^ cs 3Mn + Cr + Mo + V Khi Hcs> 4, thép có thiên hướng nứt nóng khi hàn
Lưu huỳnh được xem là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nứt nóng trong quá trình luyện kim Sự kết hợp của các nguyên tố như cácbon và phốtpho với lưu huỳnh càng làm gia tăng nguy cơ nứt nóng nghiêm trọng Ngược lại, các nguyên tố như mangan, crôm, molipđen và vanađi có khả năng làm giảm và ngăn chặn hiện tượng này, góp phần cải thiện chất lượng vật liệu kim loại.
+ Thông sô' đánh giá nút nguội PL : p =P_+ôD , 5
Trong đó : PCM - thông số biểu thị sự biến giòn của vùng ành hưởng nhiệt Đối với thép hợp kim thấp ô - chiều dày vật liệu (mm);
H - hàm lượng hỵđrô (H2) có trong kim loại mối hàn (ml/100g)
Khi chỉ số PL vượt quá 0,286, thép có xu hướng bị nứt nguội, gây ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Để giảm thiểu hiện tượng này, cần kiểm soát hàm lượng carbon và hydrogen trong kim loại mối hàn bằng cách sử dụng que hàn và thuốc hàn khô, không ẩm, có hàm lượng tạp chất thấp Việc lựa chọn vật liệu hàn phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ bền và tính ổn định của kết cấu thép sau khi hàn.
- Nhiệt độnung nóng sơ bộ Tp : Đối với thép các bon trung bình và cao, cũng như các loại thép hợp kim thường phải nung nống sơ bô trước khi hàn Nhiệt đô nung nóng sơ bộ Tp có thể xác định theo cổng thức sau :
Trong đó, CE - hàm lượng cácbon tương đương của thép
1 Nêu thực chấf và đặc điểm của hàn kim loại và hợp kim
2 Phân loại các phương pháp hàn theo dạng năng lượng cung cấp cho quá trình hàn
3 Phân loại các phương pháp hàn theo trạng thái kim loại mối hàn tại thời điểm hàn
4 Nêu định nghĩa và vẽsơ đổ biểu diễn vũng hàn, mối hàn và liên ỉ kết hàn
5 Vai trò của pha xỉ trong quá trình hàn nóng chảy
6 Ành hưởng của môi trường không khí tới chất lượng mối hàn và các biện pháp ngăn ngừa ?
HÀN HỒ QUANG TAY
- Hiểu được nguyên lý, đặc điểm của hàn hồ quang tay
- Biết được cấu tạo cơ bản của thiết bị hàn hồ quang tay, vật liệu hàn hồ quang tay
- Hiểu được cấu tạo, nhiệm vụ que hàn, những yêu cầu đối với thuốc bọc que hàn
2.1 Thực chất, đặc điểm của hàn hồ quang tay
Hàn hồ quang tay là phương pháp hàn nóng chảy phổ biến, sử dụng năng lượng từ hồ quang điện để nung nóng kim loại tại vị trí cần hàn đến trạng thái nóng chảy Sau khi kim loại kết tinh, mối hàn được hình thành, tạo nên liên kết chắc chắn giữa các chi tiết Quá trình này được minh họa rõ ràng qua sơ đồ nguyên lý trong hình 2-1.
Hình 2 - 1 Sơ đổ nguyền lỷ của quá trình hán hồ quang tay
1 nguồn điện hàn ; 2 cáp hàn ; 3 kim hàn ; 4 que hàn
5 vật liêu cơ bản (chi tiết hàn); 6 hồ quang hàn ; 7.môi trường khi; 8 vũng hàn ;
Hàn hồ quang tay là phương pháp hàn trong đó mọi thao tác như gây hồ quang, điều chỉnh que hàn để duy trì chiều dài hồ quang ổn định, dao động nhằm tạo chiều rộng phù hợp cho mối hàn, và di chuyển dọc để hoàn thiện chiều dài mối hàn đều được thực hiện hoàn toàn bằng tay bởi người thợ hàn Chính vì tính thủ công này, phương pháp được gọi một cách giản dị là hàn hồ quang tay.
Hàn hồ quang tay vẫn được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, kể cả ở các quốc gia có nền công nghiệp phát triển, nhờ tính linh hoạt, tiện lợi và khả năng ứng dụng đa dạng Phương pháp này cho phép thực hiện mối hàn ở mọi vị trí không gian, với thiết bị dễ vận hành, bảo dưỡng và chi phí đầu tư thấp Tuy nhiên, do các thao tác đều thực hiện bằng tay, chất lượng và năng suất hàn phụ thuộc hoàn toàn vào tay nghề và kinh nghiệm của người thợ Nếu thao tác không hợp lý, như thay đổi góc nghiêng que hàn hoặc chiều dài hồ quang, sẽ dẫn đến mối hàn không đồng đều, tăng nguy cơ khuyết tật và giảm chất lượng sản phẩm Ngoài ra, năng suất hàn thấp do dòng hàn bị hạn chế, cùng với điều kiện làm việc không thuận lợi khi thợ hàn phải tiếp xúc trực tiếp với khói, ánh sáng và nhiệt độ cao từ hồ quang.
2.2 Hổ quang hàn và tính chất của nó
* Hồquang và các phuơng pháp gây hổ quang
Hồ quang hàn là hiện tượng phóng điện mạnh và liên tục qua môi trường khí đã bị ion hóa giữa các điện cực, tạo ra nguồn ánh sáng và nhiệt lượng lớn Nhiệt độ cao tập trung giúp làm nóng chảy vật liệu hàn và kim loại cơ bản, phục vụ quá trình hàn hiệu quả Tuy nhiên, ánh sáng mạnh từ hồ quang có thể gây viêm mắt và bỏng da, vì vậy thợ hàn cần sử dụng mặt nạ, găng tay và quần áo bảo hộ, đồng thời thực hiện các biện pháp che chắn hoặc cảnh báo để bảo vệ người xung quanh.
Các phương pháp tạo hồ quang Để gáy hổquang người thợ hàn có thể thực hiên bằng hai cách sau đây.
Phương pháp mổ thẳng là kỹ thuật hàn cơ bản, trong đó que hàn được đặt vuông góc với bề mặt vật hàn để tạo sự tiếp xúc ban đầu Khi nhấc que hàn lên khỏi vật hàn khoảng 3–5 mm, hồ quang sẽ hình thành và bắt đầu cháy Để đảm bảo chất lượng mối hàn, cần duy trì khoảng cách ổn định giữa que hàn và vật hàn, giúp hồ quang cháy đều và hiệu quả trong suốt quá trình hàn.
Hình 2—2 Các phương pháp gáy hồ quang hán a) Phương pháp mổ thẳng : b)
Phương pháp ma sát trong hàn điện được thực hiện bằng cách đặt nghiêng que hàn so với bề mặt vật hàn, sau đó quẹt nhẹ đầu que lên bề mặt để tạo hồ quang và giữ ổn định ở khoảng cách phù hợp Tuy dễ thực hiện với người mới học nghề, phương pháp này có thể gây hư hại bề mặt chi tiết và khó thao tác trong không gian hẹp Ngược lại, phương pháp mổ thẳng tạo hồ quang gọn và êm nhưng dễ bị tắt hoặc chập mạch, đòi hỏi người thợ phải có kỹ năng cổ tay chính xác Để duy trì sự cháy ổn định của hồ quang trong suốt quá trình hàn, cần kiểm soát các yếu tố như điện áp, cường độ dòng điện, loại que hàn và chiều dài cột hồ quang, trong đó tay nghề của người thợ đóng vai trò quyết định.
* Hiện tượng thổi lệch hồ quang và bỉện pháp khắc phục
Hồ quang hàn hình thành trong môi trường khí giữa các điện cực, có thể xem như một dây dẫn mềm Dưới tác động của các yếu tố ngoại lực, hồ quang có thể bị kéo dài và dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu, gây ra hiện tượng thổi lệch hồ quang Hiện tượng này ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng và hiệu quả của quá trình hàn.
* Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng thổi lệch hồ quang
Khi thực hiện quá trình hàn, từ trường sẽ hình thành xung quanh cột hồ quang, điện cực hàn và vật hàn Nếu từ trường này phân bố đối xứng, cột hồ quang sẽ ổn định và không bị thổi lệch Tuy nhiên, khi từ trường phân bố không đối xứng, hồ quang sẽ bị thổi lệch về phía có lực từ trường yếu hơn, gây ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Hiện tượng này phụ thuộc vào vị trí nối dây vào vật hàn, như minh họa ở hình 2-3a và 2-3c.
Tác dụng của từ trường lên hồ quang điện thể hiện rõ khi có sự xuất hiện của vật liệu sắt từ gần vùng hồ quang Lực điện từ sinh ra sẽ kéo lệch cột hồ quang về phía vật liệu sắt từ, gây ảnh hưởng đến quá trình hàn, đặc biệt là khi thực hiện mối hàn góc hoặc khi hàn đến gần cuối mối hàn Hiện tượng này làm giảm độ chính xác và chất lượng mối hàn, đòi hỏi người thợ hàn phải điều chỉnh kỹ thuật để đảm bảo hiệu quả công việc.
Góc nghiêng của điện cực hàn đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự phân bố đường sức từ xung quanh hồ quang Việc lựa chọn góc nghiêng phù hợp không chỉ giúp điều chỉnh đặc tính phân bố từ trường mà còn tạo ra điện trường đồng đều, góp phần khắc phục hiện tượng thổi lệch hồ quang trong quá trình hàn.
Hiện tượng thổi lệch hồ quang có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân như tác động trực tiếp của luồng khí, gió mạnh hoặc do lõi que hàn và lớp thuốc bọc không đồng tâm Tuy nhiên, nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này vẫn là sự phân bố không đồng đều của từ trường xung quanh cột hồ quang, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hàn và chất lượng mối hàn.
Hiện tượng thổi lệch hồ quang gây khó khăn cho người thợ hàn trong việc điều khiển hồ quang vào đúng vị trí cần hàn, làm giảm khả năng tập trung nhiệt năng tối đa cho quá trình hàn, ảnh hưởng đến việc bảo vệ vùng hàn và chất lượng mối hàn tổng thể.
Để giảm thiểu tác động của hiện tượng thổi lệch hồ quang trong quá trình hàn, người thợ có thể áp dụng một số biện pháp khắc phục hiệu quả như điều chỉnh dòng điện hàn phù hợp, sử dụng cực hàn có độ dài thích hợp, thay đổi vị trí tiếp đất để ổn định hướng hồ quang, và lựa chọn loại điện cực phù hợp với vật liệu hàn Việc áp dụng đúng kỹ thuật không chỉ giúp nâng cao chất lượng mối hàn mà còn hạn chế tối đa sai sót trong quá trình thi công.
- Thay đổi vị trí nối dây với vật hàn để tạo ra từtrường đối xứng (H 2- 3b);
- Chọn góc nghiêng điện cực hàn một cách hợp lý ;
- Giảm chiều dài hồ quang tới mức có thể (hàn bằng hồ quang ngắn) ;
Để nâng cao hiệu quả quá trình hàn và giảm thiểu hiện tượng thổi lệch hồ quang, nên ưu tiên sử dụng nguồn hàn xoay chiều thay cho nguồn hàn một chiều Việc chuyển đổi này giúp ổn định hồ quang hơn, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, đồng thời cải thiện chất lượng mối hàn và giảm thiểu sai sót kỹ thuật.
- Đặt thêm vật liệu sắt từ (sắt, thép) gần hỗquang để kéo hồ quang lệch về phía đó,
Hình 2-4 minh họa ảnh hưởng của sắt từ đến hồ quang hàn trong các trường hợp: khi hàn mối hàn góc, khi hàn mối hàn giáp mối và khi hàn đến cuối mối hàn Việc nhận biết và kiểm soát hiện tượng thổi lệch hồ quang do sắt từ giúp hạn chế các sai sót trong quá trình hàn, đảm bảo chất lượng mối hàn và tăng hiệu quả sản xuất.
- Có biện pháp che chắn gió hoặc các dòng khí tác động lên hồ quang khi hàn ngoài trời
* Phân loại hàn hổquang tay và đặc điểm của chúng
Có 3 cách phân loại hàn hồ quang tay như sau
* Phân loạỉ theo điện cực hàn
- Hàn hổ quang tay bằng điện cực nóng chảy ;
- Hàn hổ quang tay bằng điện cực không -nóng chảy
HÀN HỒ QUANG DƯỚ I L Ớ P THU Ố C VÀ TRONG MÔI TRƯỜ NG KHÍ B Ả O V Ệ
- Nêu được thực chất, đặc điểm và các phạm vi ứng dụng của hàn dưới lớp thuốc và hàn trong môi trương khí bảo vệ
- Biết được vật liệu sử dụng của hàn dưới lớp thuốc và hàn trong môi trương khí bảo vệ
- Hiểu được nguyên lý hình thành và duy trì hồ quang, đặc điểm của thiết bị
2.1 Hàn hồquang dưới lớp thuốc bảo vệ
2.1.1 Thực chất, đặc điểm và phạm vi ứng dụng
* Thực chất và đặc điểm
Hàn hồ quang chìm (Submerged Arc Welding - SAW) là phương pháp hàn nóng chảy hiện đại, trong đó hồ quang điện được tạo ra giữa dây hàn và vật liệu hàn, diễn ra hoàn toàn dưới lớp thuốc bảo vệ chuyên dụng Kỹ thuật này giúp tăng hiệu suất hàn, đảm bảo chất lượng mối hàn cao và giảm thiểu tác động môi trường, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp yêu cầu độ chính xác và độ bền vượt trội.
Dưới tác động nhiệt của hồ quang, mép hàn, dây hàn và phần thuốc hàn gần hồ quang bị nóng chảy, tạo thành vũng hàn Quá trình này được hỗ trợ bởi một cơ cấu đặc biệt, giúp đẩy dây hàn vào vũng hàn với tốc độ phù hợp với tốc độ cháy của dây, đảm bảo hiệu quả và chất lượng mối hàn.
Dưới tác động của sự chuyển dịch nguồn nhiệt từ hồ quang, kim loại trong vũng hàn sẽ nguội dần và kết tinh tạo thành mối hàn chắc chắn Trên bề mặt vũng hàn và phần mối hàn đã đông đặc sẽ hình thành một lớp xỉ, đóng vai trò quan trọng trong quá trình luyện kim khi hàn, giúp bảo vệ mối hàn khỏi tác động bên ngoài, giữ nhiệt ổn định và sẽ tự tách ra sau khi quá trình hàn hoàn tất.
Phần thuốc hàn chưa bị nống chảy có thể sử dụng lại
Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ là phương pháp hàn hiện đại, trong đó cả hai khâu cấp dây vào vùng hồ quang và chuyển động hồ quang theo trục mối hàn đều được tự động hóa, gọi là "hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ" Nếu chỉ khâu cấp dây được tự động hóa còn chuyển động hồ quang vẫn do con người điều khiển thì được gọi là "hàn hồ quang bán tự động dưới lớp thuốc bảo vệ".
- Hàn hồquang dưới lớp thuốc bảo vê có các đặc điểm sau :
Phương pháp hàn hồ quang nổi bật với nhiệt lượng tập trung và nhiệt độ cực cao, giúp tăng tốc độ hàn đáng kể Nhờ đó, kỹ thuật này có thể áp dụng hiệu quả cho các chi tiết kim loại có chiều dày lớn mà không cần vát mép, tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu suất gia công.
Hình 3-1 Sơ đố hàn dưới lớp thuốc bào vệ a) Sơ đồ nguyên, lý ; b) cắt dọc theo trục mối hàn
Mối hàn đạt chất lượng cao nhờ khả năng bảo vệ hiệu quả kim loại khỏi tác động của oxy và nitơ trong không khí, giúp duy trì sự đồng nhất về thành phần hóa học Quá trình nguội chậm do lớp thuốc và xỉ hàn hỗ trợ làm giảm nguy cơ thiên tích, đồng thời tạo ra mối hàn có hình dạng đều đặn, ít khuyết tật như không ngấu, rỗ khí, nứt hay bắn tóe, đảm bảo độ bền và tính thẩm mỹ cho sản phẩm.
- Giảm tiêu hao vật liêu hàn (dây hàn)
Hàn hổ quang sử dụng thiết bị được bao bọc kín bằng thuốc hàn, giúp bảo vệ mắt và da của thợ hàn khỏi tác động có hại Đồng thời, phương pháp này tạo ra lượng khói và khí độc rất thấp so với kỹ thuật hàn hổ quang thủ công, góp phần đảm bảo an toàn lao động và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Dễcơ khí hóa và tựđộng hóa quá trình hàn
- Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vê có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cơ khí chê' tạo, như trong sản xuất :
Các kết cấu thép dạng tấm vỏ kích thước lớn, dầm thép khẩu độ rộng và chiều cao lớn, ống thép đường kính lớn, cùng với các bồn chứa, bể chứa và bình chịu áp lực là những thành phần quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo và đóng tàu Những sản phẩm này đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo độ bền, khả năng chịu lực và hiệu suất vận hành của các công trình công nghiệp quy mô lớn.
Phương pháp này thường được áp dụng hiệu quả trong việc hàn các mối hàn ở vị trí bằng phẳng, đặc biệt là những mối hàn có chiều dài lớn và quỹ đạo đơn giản, giúp tối ưu hóa quy trình hàn và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ là kỹ thuật hàn hiệu quả, cho phép thực hiện trên các chi tiết có chiều dày từ vài milimet đến hàng trăm milimet Theo bảng 3-1, phương pháp này có thể áp dụng cho hàn một lớp hoặc nhiều lớp, với chi tiết có vát mép hoặc không vát mép, đặc biệt phù hợp với quy trình hàn tự động dưới lớp thuốc, giúp nâng cao chất lượng mối hàn và hiệu suất sản xuất.
2.1.2 Vật liệu, thiết bị hàn hổ quang tựđộng và bán tựđộng duới lớp thuốc bảo vệ
Chất lượng mối hàn dưới lớp thuốc phụ thuộc vào sự kết hợp tối ưu giữa dây hàn (điện cực hàn) và thuốc hàn, được lựa chọn dựa trên loại vật liệu cơ bản, yêu cầu cơ lý tính của liên kết hàn và điều kiện làm việc cụ thể.
Dây hàn là thành phần kim loại bổ sung quan trọng trong quá trình hàn hồ quang tự động và bán tự động dưới lớp thuốc bảo vệ, vừa đóng vai trò điện cực dẫn điện, vừa duy trì sự cháy của hồ quang Để đảm bảo chất lượng mối hàn, dây hàn thường có hàm lượng cácbon không vượt quá 0,12%, vì nếu vượt quá sẽ làm giảm tính dẻo và tăng nguy cơ nứt Đường kính dây hàn trong hàn hồ quang tự động dao động từ 1,6 đến 6 mm, trong khi hàn bán tự động sử dụng dây có đường kính từ 0,8 đến 2 mm.
Thuốc hàn đóng vai trò quan trọng trong quá trình hàn, giúp bảo vệ vùng hàn khỏi tác động môi trường, ổn định hồ quang, khử oxy hiệu quả và thúc đẩy quá trình hợp kim hóa kim loại tại mối hàn Ngoài ra, thuốc hàn còn đảm bảo liên kết hàn có hình dạng đẹp, đồng đều và giúp xỉ hàn dễ bong, nâng cao chất lượng mối hàn và hiệu suất làm việc.
* Thiếtbị hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vê
Thiết bị hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ tuy có nhiều chủng loại khác nhau, nhưng phần lớn đều có nguyên lý cấu tạo tương đồng và sở hữu một số cơ cấu bộ phận chính giống nhau Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc, đảm bảo độ ổn định trong quá trình hàn và dễ dàng bảo trì, sửa chữa.
- Cơ cấu cấp dây hàn và bô điều khiển để gây hồ quang và ổn định hồ quang (đầu hàn)
- Cơ cấu dịch chuyển đầu hàn dọc theo trục mối hàn hay tạo ra các chuyển đông tương đối của chi tiết hàn so với đầu hàn
- Bộ phận cấp và thu thuốc hàn
- Nguồn điện hàn và các thiết bịđiều khiển quá trình hàn
Tuỳ theo loại thiết bị, các cơ cấu hàn có thể được bố trí thành một khối tích hợp hoặc thành các khối độc lập Trong xe hàn dạng 3-2, đầu hàn, cơ cấu dịch chuyển, cuộn dây, hệ thống cung cấp thuốc hàn và điều khiển quá trình đều được tích hợp thành một khối, giúp xe hàn di chuyển linh hoạt theo mép hàn Nhờ thiết kế này, xe có thể hoạt động theo nhiều quỹ đạo khác nhau trên bề mặt dạng tấm, thậm chí thực hiện các mối hàn vòng trên mặt tròn và ống có đường kính lớn.
HÀN ĐIỆ N TI Ế P XÚC
- Nêu được thực chất, đặc điểm và các phương pháp hàn điện tiếp xúc
- Hiểu được nguyên lý máy biến áp hàn dùng trong hàn tiếp xúc điểm
- Hiểu được nguyên lý thiết bị hàn tiếp xúc điểm, tiếp xúc đường
2.1 Thực chất, đặc điểm và các phương pháp hàn điện tiếp xúc
Hàn điện tiếp xúc là phương pháp hàn áp lực, sử dụng dòng điện cường độ lớn qua điểm tiếp xúc giữa các chi tiết để tạo nhiệt lượng làm nóng chảy hoặc làm dẻo vùng hàn, sau đó áp dụng lực ép thích hợp để kết nối các bề mặt tiếp xúc, tạo thành mối hàn bền chắc.
Khi dòng điện lớn đi qua, bề mặt tiếp xúc giữa các chi tiết bị nung nóng nhanh chóng do điện trở tiếp xúc cao hơn điện trở của vật liệu Theo định luật Jun - Lenxơ, lượng nhiệt sinh ra tại điểm tiếp xúc tỷ lệ thuận với điện trở tiếp xúc, bình phương cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua, gây ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của thiết bị điện.
Khi các bề mặt kim loại được nung nóng và chịu lực ép, các nguyên tử tại vùng tiếp xúc sẽ khuếch tán và liên kết với nhau, tạo thành mối hàn chắc chắn Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật hàn, đảm bảo độ bền và tính đồng nhất của sản phẩm.
Hàn điện tiếp xúc là phương pháp hàn hiện đại sử dụng dòng điện có cường độ rất lớn trong thời gian ngắn, giúp tạo mối hàn chất lượng cao mà không cần que hàn phụ, thuốc hàn hay khí bảo vệ Mối hàn sau khi hình thành không có xỉ, đảm bảo độ sạch sẽ và thẩm mỹ, đồng thời chi tiết hàn ít bị biến dạng, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật cao trong sản xuất công nghiệp.
Hàn điện tiếp xúc là phương pháp hàn hiện đại, dễ dàng cơ khí hóa và tự động hóa, giúp nâng cao năng suất lao động vượt trội Nhờ tính hiệu quả và độ chính xác cao, kỹ thuật này được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như chế tạo xe máy, ô tô, máy bay, sản xuất dụng cụ đo lường và lĩnh vực điện tử.
* Các phương pháp hàn điện tiếp xúc
Có thể phân loại các phương pháp hàn điên tiếp xúc theo các đặc điểm sau đây:
- Theo phương pháp công nghê tạo nên liên kết hàn phân ra hàn điểm, hàn đường (hàn lăn).
- Theo kết cấu liên kết hàn phân ra hàn chồng, hàn giáp mối
- Theo trạng thái kim loại vùng hàn phân ra hàn tiếp xúc chảy, hàn tiếp xúc không chảy
- Theo phương pháp cấp điện phân ra hàn một phía, hàn hai phía
* Hàn tiếp xúc giáp mối
Hàn tiếp xúc giáp mối là kỹ thuật hàn hiện đại, trong đó mối hàn được hình thành trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc giữa các chi tiết kim loại, đảm bảo độ bền cao và tính đồng nhất của liên kết Phương pháp này thường được ứng dụng trong các ngành công nghiệp yêu cầu độ chính xác và hiệu suất hàn tối ưu.
Các cực được nối với đầu ra, củạ cuộn thứ cấp ở biến áp hàn 3 Điều khiển độ lớn và thời
- Sơ đồ nguyên lý hàn tiếp xúc giáp mối được trình bày trên hình 4-1
- Các chi tiết hàn được kẹp trong cực 2 của máy hàn tiếp xúc
Hàn tiếp xúc giáp mối bao gồm hai phương pháp chính: hàn điện trở và hàn chảy Trong hàn điện trở, bề mặt tiếp xúc được nung đến gần nhiệt độ nóng chảy của kim loại, sau đó ngắt dòng điện và tăng lực ép để tạo mối hàn Tuy nhiên, phương pháp này ít được sử dụng do khó kiểm soát độ đồng đều khi nung nóng bề mặt Để đạt hiệu quả, cần làm sạch kỹ bề mặt hàn và chỉ áp dụng cho các chi tiết kim loại nhỏ như dây hoặc thanh thép carbon thấp và một số vật liệu khác.
Phương pháp hàn chảy là kỹ thuật nung chảy bề mặt kim loại tại điểm tiếp xúc, dưới tác dụng của lực ép, kim loại lỏng bị đẩy ra ngoài tạo thành mối hàn Với cường độ dòng điện và lực ép thấp hơn so với hàn điện trở, phương pháp này giúp giảm chi phí và rút ngắn thời gian hàn, đồng thời không yêu cầu làm sạch kỹ bề mặt Hàn chảy đặc biệt hiệu quả khi hàn các chi tiết dạng ống, ray tàu hỏa, phôi dài từ thép, hợp kim và kim loại màu Ngoài ra, phương pháp này còn được ứng dụng trong chế tạo dụng cụ cắt, giúp tiết kiệm vật liệu làm lưỡi cắt và giảm giá thành sản phẩm, ví dụ như phần lưỡi cắt của mũi khoan bằng thép dụng cụ được hàn với phần thân bằng thép thường.
Hàn tiếp xúc điểm là phương pháp hàn điện trong đó các chi tiết được ghép chồng và ép sơ bộ bằng điện cực, sau đó dòng điện được truyền qua để nung nóng vùng tiếp xúc đến trạng thái chảy, tạo mối hàn dưới tác dụng của lực ép Thiết bị điều khiển tự động đóng ngắt dòng điện và lực ép, đảm bảo quá trình hàn diễn ra chính xác Điện cực sử dụng vật liệu dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có độ bền cao như đồng điện phân, đồng pha crôm hoặc cadimi, đồng thời được làm nguội bằng nước Tùy theo cách bố trí điện cực, phương pháp này được chia thành hàn tiếp xúc điểm một phía hoặc hai phía, phù hợp với nhiều ứng dụng kỹ thuật hiện đại.
Hàn tiếp xúc điểm một phía là phương pháp sử dụng hai điện cực đặt cùng phía của chi tiết hàn, kết hợp với tấm đỡ bằng đồng để tăng mật độ dòng điện tại điểm tiếp xúc Mỗi lần hàn tạo được hai điểm, tuy nhiên phương pháp này ít được sử dụng do mạch điện rẽ lớn, chủ yếu áp dụng khi hàn các tấm kim loại mỏng.
Hàn tiếp xức điểm hai phía (H 4-2 a) là hai điên cực được bố trí vể 2 phía của các chì tiết hàn Mỗi lần ép chỉhàn được một điểm Khi hàn điểm 2 phía có thể hàn hai hay nhiều tấm với nhau
Hàn tiếp xúc điểm là phương pháp chiếm gần 80% tổng số liên kết hàn trong công nghiệp, được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo xe máy, ôtô, toa xe, xây dựng và kỹ thuật điện tử Với khả năng hàn các tấm kim loại có chiều dày từ vài micromet đến 30mm, hàn điểm trở thành giải pháp hiệu quả, linh hoạt và tiết kiệm chi phí trong sản xuất hiện đại.
Hàn tiếp xúc đường là kỹ thuật hàn hiện đại, sử dụng dòng điện và lực ép để tạo ra chuỗi điểm hàn liên tục trên bề mặt vật liệu Quá trình này được thực hiện thông qua các điện cực hình đĩa quay, giúp đảm bảo độ bền và tính đồng đều của mối hàn, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật cao trong sản xuất công nghiệp.
Các điên cực có thể bố trí về 1 phía hay 2 phía so với chi
Quá trình hàn đường sử dụng hai điện cực hình đĩa quay ngược chiều nhau, được điều khiển bằng động cơ có thể thay đổi tốc độ nhằm tạo ra mối hàn kín Khi có dòng điện chạy qua, chuyển động của điện cực giúp thực hiện hàn tương tự như hàn điểm Dựa vào đặc điểm chuyển động và phương pháp hàn, hàn đường được phân thành ba loại chính.
Hàn đường liên tục là phương pháp hàn hiệu quả cao, trong đó điện cực quay liên tục và dòng điện luôn chạy qua chi tiết hàn, tạo thành đường hàn kín suốt chiều dài mối hàn Tuy nhiên, do điện cực bị nung nóng liên tục nên dễ bị mòn nhanh Kỹ thuật này thường được áp dụng để hàn các tấm kim loại mỏng yêu cầu độ kín cao như bể nước treo và bình xăng xe máy.
- Hán đường gián đoạn Điện cực quay liên tục, nhưng dòng điên chạy qua theo chu kỳ ngắn và mối hàn hình thành tại thời điểm đó.
- Hàn bước Điên cực quay gián đoạn theo chu kỳ, khi điện cực ngừng quay dòng điện được cấp và tạo thành điểm hàn
- Điện cực hình đĩa trong hàn đường làm bầng vật liêu giống như trong hàn điểm
HÀN KHÍ
- Hiểu được khái niệm về hàn
- Biết được sơ đồ chung của một trạm hàn khí
- Hiểu được chai chứa khí Ô xy, chai Axêtilen
- Hiểu được sơ đồ cấu tạo, nguyên lý làm việc của các bình sinh khí Axêtilen
- Biếtđược cấu tạo, yêu cầu, cách sử dụng của mỏ hàn, mỏ cắt.
- Biết được cấu tao, nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động của van giảm áp, bình ngăn lửa tạt lại.
Trình bày được các công tác an toàn, phòng chống cháy nổ và cứu nạn cứu hộ
2.1 Thực chất, đặc điểm và úng dụng của hàn khí
Hàn khí là phương pháp sử dụng ngọn lửa từ hỗn hợp khí cháy và ôxi để nung nóng kim loại tại vị trí cần nối cùng với que hàn đến trạng thái nóng chảy Quá trình này tạo ra một vũng hàn, nơi kim loại và que hàn phụ hòa quyện, giúp kết nối các chi tiết lại với nhau Sơ đồ minh họa cho thấy ngọn lửa hàn đi từ mỏ hàn ra, tác động trực tiếp lên vùng nối để tạo liên kết chắc chắn.
Ngoài chức năng chính, ngọn lửa hàn còn đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ vùng hàn khỏi các tác động tiêu cực từ môi trường bên ngoài như gió, bụi và độ ẩm, giúp nâng cao chất lượng mối hàn và đảm bảo độ bền của sản phẩm sau khi gia công.
Hàn khí là phương pháp hàn có phạm vi sử dụng hẹp hơn so với hàn hồ quang tay do năng suất lao động thấp, tuy nhiên vẫn được ứng dụng phổ biến nhờ thiết bị đơn giản, giá thành rẻ và khả năng sử dụng ở những khu vực xa nguồn điện Phương pháp này đặc biệt phù hợp để hàn các chi tiết kim loại mỏng, đáp ứng hiệu quả trong các công trình nhỏ lẻ hoặc sửa chữa tại chỗ.
2.2 Vật liệu và thiết bị dùng trong hàn khí
* Khí dùng trong hàn khí
Trong quá trình hàn khí, hỗn hợp khí sử dụng bao gồm ôxi và các loại khí cháy như axêtylen, mêtan, prôpan, butan, xăng, dầu hỏa hoặc hyđrô Trong đó, khí axêtylen được sử dụng phổ biến nhất nhờ khả năng tạo ngọn lửa có nhiệt độ cao lên tới 3150°C khi kết hợp với ôxi, giúp hàn và cắt kim loại hiệu quả Tuy nhiên, đối với các chi tiết kim loại mỏng dưới 4mm hoặc kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp, các loại khí cháy khác như hyđrô, mêtan, prôpan, butan, xăng và dầu hỏa cũng là lựa chọn phù hợp để đảm bảo chất lượng mối hàn.
Ôxi kỹ thuật là loại khí có độ tinh khiết cao từ 98,5% đến 99,5%, thường được sử dụng trong kỹ thuật hàn nhờ khả năng sinh nhiệt lớn khi phản ứng với các chất hữu cơ Đây là khí không màu, không mùi và trong suốt Tuy nhiên, khí ôxi ở trạng thái bị nén có thể gây cháy khi tiếp xúc với dầu mỡ khoáng vật hoặc các chất dễ bắt lửa như bụi than Do đó, việc sử dụng ôxi nén đòi hỏi phải kiểm tra kỹ lưỡng, tránh tiếp xúc với dầu mỡ và các tạp chất dễ cháy để đảm bảo an toàn.
Axêtylen (C2H2) là một loại khí dễ cháy, thường được sử dụng trong công nghiệp hàn cắt kim loại nhờ khả năng tạo nhiệt cao Khí này chủ yếu được điều chế thông qua phản ứng hóa học giữa đất đèn (CaC2) và nước, tạo ra axêtylen và canxi hydroxit Phương pháp điều chế này phổ biến nhờ hiệu quả và tính ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống.
Đất đèn là hợp chất hóa học gồm canxi và cacbon, có màu nâu xám ở mặt gãy Trong công nghiệp, đất đèn thường chứa từ 65–80% CaC2, 10–25% CaO và một số tạp chất như SiO2, CO2, Quá trình sản xuất đất đèn diễn ra bằng cách nấu chảy đá vôi với than cốc hoặc ăngtraxit trong lò điện ở nhiệt độ từ 1900°C đến 2300°C Khi đất đèn phản ứng với nước theo phương trình CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2 + Q, sẽ sinh ra khí axetilen (C2H2) và một lượng nhiệt lớn Đất đèn dễ bị phân hủy trong môi trường khí ẩm, đặc biệt khi hạt càng mịn và độ ẩm càng cao thì tốc độ phân hủy càng mạnh.
Theo lý thuyết, mỗi kilogram CaC₂ phản ứng với nước sẽ tạo ra khoảng 372,5 lít khí axetilen (C₂H₂) Tuy nhiên, trong thực tế, lượng khí thu được chỉ dao động từ 230 đến 265 lít, do ảnh hưởng bởi độ tinh khiết của đất đèn và điều kiện phản ứng.
Axêtylen (C2H2) là một loại khí không màu, nhẹ hơn không khí và có mùi hắc đặc trưng ở dạng nguyên chất Tuy nhiên, khí này rất dễ phát nổ khi ở điều kiện áp suất và nhiệt độ cao, cụ thể có thể nổ ở áp suất 1,5 at và nhiệt độ trên 580°C Vì lý do an toàn, các bình chứa khí axêtylen cần được duy trì ở áp suất dưới 1,5 at để tránh nguy cơ phát nổ do phản ứng giữa đất đèn và nước sinh ra khí C2H2 ở nhiệt độ cao.
Hỗn hợp khí axetilen (C2H2) với các chất chứa oxy có khả năng gây nổ cao Khi C2H2 kết hợp với không khí ở áp suất khí quyển trong khoảng nhiệt độ từ 305°C đến 470°C, hoặc với oxy nguyên chất ở nhiệt độ từ 297°C đến 306°C, phản ứng nổ có thể xảy ra Quá trình nổ diễn ra với tốc độ cháy rất nhanh, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn nếu không được kiểm soát đúng cách.
C2H2 rất cao (đạt tới 3000m/s và áp suất lớn - từ 350 đến 600at)
Sơ đồ trạm hàn khí trong hình 5-2 minh họa đầy đủ các thiết bị cần thiết cho quá trình hàn bằng khí Trạm này thường được trang bị thùng điều chế hoặc bình chứa khí axêtylen, bình chứa khí ôxi, van giảm áp, khóa bảo hiểm, ống dẫn khí, mỏ hàn và các dụng cụ đồ nghề chuyên dụng khác Đây là cấu hình tiêu chuẩn giúp đảm bảo hiệu quả và an toàn trong công việc hàn khí.
Bình chứa khí là thiết bị quan trọng dùng để bảo quản và vận chuyển các loại khí với dung tích đa dạng Trong ngành hàn và cắt kim loại, phổ biến nhất là bình thép dung tích 40 lít, chịu áp suất lên đến 200at Mỗi loại khí được nhận diện qua màu sơn bên ngoài: bình khí ôxy có màu xanh, bình chứa khí axêtylen có màu trắng, và bình chứa khí hyđrô được sơn màu vàng, giúp phân biệt dễ dàng và đảm bảo an toàn khi sử dụng.
Bình chứa dung tích 40 lít có kích thước như sau : Đường kính ngoài : 219mm
Chiều dài phần vỏ bình : 1390mm
Chiều dày thành bình (đối với loại 200at) : 9,3mm
Khí ôxi thường được nén vào bình chứa với áp suất tối đa lên đến 150at, trong khi khí axétylen chỉ được nạp ở mức tối đa 16at để đảm bảo an toàn Để ngăn ngừa nguy cơ cháy nổ do khí axétylen gây ra, các bình chứa loại khí này thường được nhồi đầy chất bọt xốp có tẩm axêton – một dung môi hiệu quả giúp hòa tan axétylen, góp phần ổn định và an toàn trong quá trình sử dụng.
* Thùng điều chế khí axêtylen
Thùng điều chế khí axêtylen là thiết bị dừng để sản xuất khí axêtylen từ phản ứng của đất đèn với nước
Thùng điều chế khí axêtylen đa dạng về kiểu dáng, bao gồm loại cố định và di động, với năng suất dao động từ 0,8 m³/giờ đến 80 m³/giờ Bài viết sẽ giới thiệu cấu tạo của một số loại thùng điều chế phổ biến nhất tại Việt Nam.
Thùng điều chế khí axêtylen loại nước rơi vào đá Mr-55 (FL5-3) được thiết kế với cấu trúc vỏ chia làm hai phần: phần dưới chứa khí và phần trên chứa nước, ngăn cách bởi vách ngăn và liên thông qua ống dẫn Phía dưới thùng có hai buồng sinh khí, bên trong đặt ngăn đựng đất đèn, được đậy kín bằng nắp và nối với ống cao su Nước từ phễu dẫn qua hệ thống ống và xiphông chảy vào buồng sinh khí, được điều chỉnh tự động theo áp lực bên trong Khí axêtylen sinh ra sẽ đi qua nước để lọc, sau đó vào buồng chứa khí và theo ống dẫn qua khóa bảo hiểm để đến mỏ hàn, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sử dụng.
2 Thùng điều chế khí axêtylen loại hỗn hợp Trân hình 5-4 giới thiệu loại thùng di động kiểu THB - 1,25
Thùng được thiết kế dựa trên nguyên lý hỗn hợp "nước rơi vào đá và đá tiếp xúc với nước"
Thùng gổm có vỏ s và buồng sinh khí
HÀN LASER
- Nêu được thực chất, đặc điểm và các phương pháp hàn Laser
- Hiểu được nguyên lý làm việc của mỏ hàn Laser
- Hiểu được nguyên lý thiết bị , công nghệ hàn Laser
II Nội dung chương: Hàn Laser
2.1 Thực chất, đặc điểm và ứng dụng của hàn Laser
Hàn laser là kỹ thuật sử dụng chùm tia laser cường độ cao để kết nối kim loại hoặc nhựa nhiệt dẻo, tạo mối hàn chính xác và bền vững Quá trình này diễn ra nhanh chóng trong thời gian chỉ tính bằng mili giây nhờ nhiệt độ cao từ ánh sáng laser, giúp vật liệu nóng chảy và liên kết hiệu quả.
Công nghệ hàn laser là giải pháp tiên tiến mang lại khả năng hàn chính xác tại các vị trí nhỏ, khó tiếp cận, đồng thời đảm bảo chất lượng mối nối vượt trội với độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh, tính linh hoạt tối ưu và mức độ biến dạng thấp, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu kỹ thuật cao.
Hàn laser có thể được thực hiện bằng chùm tia laser liên tục hoặc xung.
Hàn laser là công nghệ tiên tiến được chia thành hai nguyên lý chính: hàn dẫn nhiệt và hàn xuyên sâu (hay còn gọi là hàn lỗ khóa) Phương pháp này có thể tích hợp linh hoạt với các quy trình hàn truyền thống, mang lại hiệu quả cao trong ứng dụng công nghiệp hiện đại.
Khi mật độ công suất thấp hơn 10⁴ đến 10⁵ W/cm², quá trình hàn diễn ra theo cơ chế dẫn nhiệt với chiều sâu hàn nông, thường dưới 2,5mm Phương pháp này lý tưởng để nối các chi tiết mỏng và các cạnh dễ quan sát, đảm bảo độ chính xác cao Tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng (D/W) tối đa đạt đến 3, giúp tối ưu hóa hiệu quả hàn trong các ứng dụng yêu cầu độ tinh xảo.
Khi mật độ công suất vượt ngưỡng 105 ~ 107 W/cm², quá trình nung nóng khiến bề mặt kim loại bị lõm vào, hình thành vùng hàn xuyên sâu Kỹ thuật hàn này nổi bật với tốc độ hàn nhanh và tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng (D/W) rất lớn, có thể đạt tới 12:1 Hiện nay, chiều sâu hàn tối đa có thể lên đến 51mm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cao trong các ứng dụng công nghiệp hiện đại.
2.1.2 Đặc điểm a Ưu điểm o Độ chính xác cao o Tự do xoắn o Tốc độ tham gia cao o Không hình thành đường viền o Chất lượng phù hợp o Dung sai vật liệu rộng Độ chính xác cao nhất quán của hàn laser là đặc điểm nổi bật của nó Ngoài đường may đặc biệt tốt, nhiệt độ đầu vào thấp là điểm cộng quan trọng nhất Trái ngược với hàn bằng khí, nơi làm việc chậmvà nhiều nhiệt được áp dụng, hàn laser cực kỳ nhanh chóng và xâm lấn tối thiểu Điều này tránh làm nóng hoàn toàn vật liệu nền Do đó không xảy ra hiện tượng giãn nở nhiệt có chọn lọc, điều này cũng tránh được sự biến dạng của phôi sau khi làm mát Do đó, việc hoàn thiện kết cấu hàn trên máy nắn thẳng là không cần thiết sau khi hàn bằng tia laze.
Công nghệ hàn laser xung đồng nhất mang lại đường hàn sạch sẽ, loại bỏ hoàn toàn các khuyết điểm như hạt hàn hoặc gờ thường gặp trong hàn điện hoặc hàn khí Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là khả năng xử lý đa dạng vật liệu, bao gồm cả thủy tinh và nhựa—những chất liệu không thể kết hợp bằng các phương pháp hàn truyền thống Đây là giải pháp tối ưu trong các quy trình gia công hiện đại, đảm bảo chất lượng và tính linh hoạt cao.
Hàn chùm tia laser là công nghệ tiên tiến nhưng đi kèm với chi phí thiết bị cao, đòi hỏi doanh nghiệp phải cân nhắc kỹ lưỡng trước khi đầu tư để đảm bảo tỷ suất lợi nhuận (ROI) hợp lý Nếu các nhà cung cấp dịch vụ theo hợp đồng muốn tích hợp hệ thống hàn laser vào dây chuyền sản xuất, họ cần triển khai chiến dịch tiếp thị mạnh mẽ để tối ưu hóa hiệu quả kinh doanh Trong bối cảnh yêu cầu về độ chính xác và dung sai trong sản xuất ngày càng tăng, hàn laser trở thành lựa chọn thay thế cho các phương pháp hàn truyền thống vốn không còn đáp ứng được nhu cầu Mặc dù đầu tư vào công nghệ này vẫn tiềm ẩn rủi ro, nhưng mức độ rủi ro đang dần trở nên dễ kiểm soát hơn.
Một trong những hạn chế của công nghệ hàn laser là phạm vi ứng dụng, do yêu cầu kỹ thuật cao tương tự như vận hành máy phay CNC Mặc dù sai sót trong quá trình hàn laser không gây hậu quả nghiêm trọng như lỗi lập trình máy cắt, nhưng để vận hành hiệu quả hệ thống hàn laser, người dùng cần có nền tảng giáo dục vững chắc, kiến thức toán học và kỹ thuật cơ bản, cùng với sự am hiểu sâu sắc về thiết bị.
Hàn laser là một phương pháp hiện đại với rủi ro sức khỏe rất thấp nếu tuân thủ đúng các quy tắc an toàn Quá trình hàn nhôm bằng laser yêu cầu hệ thống khai thác mạnh mẽ và cần giữ khoảng cách an toàn với các chuyển động cơ học do động cơ điều khiển Người vận hành phải tránh xa khu vực hoạt động của cánh tay rô bốt để đảm bảo an toàn Việc đeo kính bảo hộ laser là bắt buộc nhằm ngăn ngừa tai nạn khi tiếp xúc với ánh sáng laser Khi các biện pháp bảo vệ được thực hiện đầy đủ, hàn laser không gây ra nguy hiểm đặc biệt nào trong môi trường sản xuất tự động.
Hàn laser đang trở thành công nghệ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như chế tạo công cụ, công nghiệp ô tô, thép xây dựng và đóng tàu Với độ chính xác vượt trội, hàn laser đặc biệt phổ biến trong sản xuất dụng cụ kỹ thuật, đồng thời cạnh tranh trực tiếp với các phương pháp truyền thống như xói mòn Việc sử dụng hàn laser cộng hoặc trừ để chế tạo các công cụ đục lỗ, ép và đúc chính xác chính là giải pháp tối ưu đáp ứng yêu cầu của nền công nghiệp 4.0.
Hàn laser đang trở thành công nghệ ưu việt trong ngành công nghiệp ô tô nhờ khả năng hoạt động không cần dụng cụ và không yêu cầu làm sạch hay thay thế đầu hàn liên tục như hàn điện Công nghệ này mang lại độ chính xác và năng suất vượt trội cho kết cấu thép, đặc biệt trong việc xử lý nhanh các tấm dày với dung sai cao Trong ngành đóng tàu, hàn laser được ứng dụng để chế tạo các bộ phận như bánh lái, vít điều khiển và ổ đĩa với độ chính xác cao, giúp tăng tốc độ vận hành và giảm tiêu thụ nhiên liệu.
2.2 Vật liệu và thiết bị dùng trong hàn Laser
Thành phần cấu tạo của máy hàn laser cầm tay
Máy hàn laser cầm tay có cấu tạo tương đối giống với các dòng máy hàn laser khác, tuy nhiên tùy theo từng loại máy mà các bộ phận bên trong sẽ có sự khác biệt nhất định Để hiểu rõ hơn về thiết kế và chức năng, ta có thể phân loại các thành phần của máy hàn laser cầm tay thành từng bộ phận cụ thể, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn và sử dụng phù hợp với nhu cầu.
Bộ điều khiển và các bộ phận kèm theo a Bộ phần nguồn của máy laser cầm tay
Nguồn laser là yếu tố then chốt quyết định đến 80% chất lượng của máy hàn laser cầm tay, với chức năng phát ra tia laser mạnh để làm nóng chảy kim loại Hiệu suất và độ ổn định của máy phụ thuộc vào công suất và chất lượng của nguồn laser, đồng thời tốc độ hàn cũng bị ảnh hưởng bởi độ dày vật liệu Do đó, việc lựa chọn nguồn laser từ các thương hiệu uy tín như IPG, Raycus hay Max là điều cần thiết để đảm bảo hiệu quả sử dụng và độ bền của thiết bị.
Bộ làm lạnh đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất hoạt động của máy hàn laser cầm tay, giúp tản nhiệt hiệu quả và bảo vệ các linh kiện khỏi hư hỏng do nhiệt độ cao Thiết kế tích hợp giữa nguồn laser và bộ làm lạnh không chỉ tối ưu hóa khả năng làm mát mà còn mang lại sự gọn nhẹ, linh hoạt khi di chuyển Mỏ hàn của máy được thiết kế như một khẩu súng nhỏ gọn, chắc chắn, giúp thợ hàn thao tác dễ dàng và thoải mái trong quá trình sử dụng Bộ điều khiển máy hàn cầm tay là trung tâm vận hành, cho phép người dùng điều chỉnh các thông số kỹ thuật một cách chính xác, nâng cao hiệu quả và độ an toàn khi làm việc.
Ứ NG SU Ấ T VÀ BI Ế N D Ạ NG
- Hiểu được nguyên nhân gây ra ứng suất, biến dạng và tác hại của ứng suất dư và biến dạng sản phẩm sau khi hàn
- Hiểu được phương pháp hạn chế ứng suất dư
- Biết được một số phương pháp hạn chế biến dạng sản phẩm sau hàn
- Nhận biết và điều chỉnh được thứ tự hàn để giảm ứng suất, biến dạng
2.1 Nguyên nhân phát sinh, phát triển và tổn tại của ứng suất và biến dạng hàn
2.1.1 Khải niệm cơ bản vềứng suất và biến dạng hàn
Trong quá trình vận hành, các thiết bị và bộ phận máy móc đều chịu ảnh hưởng của tải trọng, hay còn gọi là ngoại lực Chẳng hạn, dây cáp treo vật nặng phải chịu lực kéo do trọng lực, bình chứa khí nén chịu áp lực từ khí tác động lên thành bình, khung cầu chịu tải từ các phương tiện qua lại, và vỏ tàu thủy phải chống chịu tác động của sóng gió Những ngoại lực này đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và kiểm tra độ bền của các cấu kiện kỹ thuật.
Khi vật thể chịu tác động của ngoại lực, nó sẽ xuất hiện trạng thái ứng suất và đồng thời bị biến đổi về hình dạng và kích thước so với trạng thái không có tải trọng Nếu mức ứng suất và biến dạng vượt quá giới hạn cho phép, vật thể có thể bị phá hủy hoặc mất khả năng hoạt động, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất và độ bền của kết cấu.
Trong quá trình làm việc trong miền đàn hồi, khi loại bỏ ngoại lực tác dụng lên vật thể, trạng thái ứng suất và biến dạng thường sẽ biến mất Tuy nhiên, vẫn có những trường hợp vật thể tồn tại trạng thái ứng suất và biến dạng dù không còn nguyên nhân gây ra chúng, gọi là ứng suất và biến dạng dư Hiện tượng này được thể hiện rõ ràng qua liên kết đinh tán minh họa ở hình 7.
Trong quá trình chế tạo, để liên kết hai tấm thép với nhau, đinh tán được nung nóng nhằm tận dụng quy luật "nóng giãn ra, lạnh co vào" của vật liệu Khi nguội, đinh tán co lại, tạo lực ép chặt giữa các tấm thép Tuy nhiên, sự co lại bị hạn chế bởi hai tấm thép, khiến thân đinh tán chịu lực kéo và mép lỗ trên tấm thép chịu lực nén Trạng thái ứng suất này vẫn tồn tại sau khi không còn tác dụng nhiệt và lực tán, được gọi là ứng suất dư trong liên kết.
Khi nung nóng đều một thanh thép trong các điều kiện liên kết khác nhau, sự giãn nở nhiệt sẽ tạo ra các trạng thái ứng suất khác biệt Trong trường hợp một đầu thanh thép được ngàm chặt và đầu kia tự do (Hình 7-2a), thanh sẽ giãn dài theo quy luật giãn nở nhiệt và không xuất hiện ứng suất dư khi nhiệt độ trở về ban đầu Ngược lại, nếu thanh bị chặn cả hai đầu bởi một vách cứng (Hình 7-2b), sự giãn nở bị cản trở khiến thanh bị nén cưỡng bức, dẫn đến xuất hiện ứng suất nén tương đương với việc chịu tác động của một ngoại lực R trong quá trình nung nóng.
Sau quá trình nung nóng và làm nguội, thanh thép nguội dần và co lại, dẫn đến sự mất dần của ứng suất nén Kết quả là chiều dài của thanh thép bị rút ngắn một đoạn nhất định, phản ánh sự thay đổi vật lý do tác động nhiệt.
Trong trường hợp thứ ba (H 7-2d), thanh được ngàm chặt ở cả hai đầu nên khi nung nóng, nó bị co nén tương tự như trường hợp thứ hai Tuy nhiên, do không thể co lại tự do vì bị cố định ở hai đầu, khi nguội thanh sẽ bị ngắn đi và chịu tác động của lực kéo Nói cách khác, quá trình nguội khiến thanh bị kéo bởi ngoại lực, làm phát sinh ứng suất nhiệt trong vật liệu.
R và xuất hiện ứng suất dư kéo (H 7-2e)
Trong quá trình phân tích vật liệu, trường hợp thứ hai cho thấy sự xuất hiện của trạng thái biến dạng dư, trong khi trường hợp thứ ba ghi nhận trạng thái ứng suất dư hình thành sau khi trải qua quá trình nung nóng và làm nguội Đây là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất cơ học và độ bền của vật liệu trong các ứng dụng kỹ thuật.
Biến dạng và ứng suất dư nếu đủ lớn có thể làm đứt thanh thép hoặc làm nó không còn đảm bảo kích thước sử dụng nữa
Bây giờxét trường hợp hàn đắp lên một mép của tấm thép hình chữ nhật và khảo
Trước khi hàn, tấm thép có dạng hình chữ nhật, nhưng sau khi nguội hoàn toàn, nó bị võng xuống từ phía có mối hàn do sự chênh lệch ứng suất dư Quá trình hàn tạo ra hai vùng nhiệt khác nhau: vùng A (chứa mối hàn) bị nung nóng đến nhiệt độ rất cao và giãn nở mạnh, trong khi vùng B chỉ bị truyền nhiệt nhẹ và giãn nở không đáng kể, gây cản trở sự giãn dài tự do của vùng A Sự cản trở này dẫn đến trạng thái ứng suất nén ở vùng A và ứng suất kéo ở vùng B, khiến tấm thép bị uốn về phía mối hàn Khi nguội, vùng A co lại nhiều hơn nhưng vẫn bị vùng B cản trở, tạo ra ứng suất kéo ở vùng A và nén ở vùng B Điều này cho thấy trạng thái ứng suất và biến dạng trong giai đoạn nung nóng và nguội là hoàn toàn trái ngược nhau Biểu đồ ứng suất dọc sau khi hàn cho thấy ứng suất dư trong vùng A có thể đạt tới giới hạn chảy của vật liệu.
Hình 7-4 mô tả sự biến dạng trong quá trình hàn đắp mép tấm chữ nhật có chiều dài tương đối lớn
Ứng suất và biến dạng hàn là hiện tượng xảy ra trong kết cấu sau quá trình hàn, phản ánh sự thay đổi vật lý do nhiệt độ và lực tác động trong quá trình này gây ra Đây là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền và chất lượng của mối hàn, cần được kiểm soát và phân tích kỹ lưỡng trong thiết kế và thi công kết cấu kim loại.
Ứng suất và biến dạng hàn có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ bền của kết cấu hàn, thậm chí có thể gây ra những sự cố nghiêm trọng như tàu biển gãy đôi giữa đại dương hay cầu thép sụp đổ dù không có tải trọng Do đó, việc nghiên cứu nguyên nhân gây ra ứng suất và biến dạng hàn, cũng như áp dụng các biện pháp phòng ngừa và giảm thiểu tác động của chúng, là yếu tố then chốt trong quá trình chế tạo kết cấu hàn, đặc biệt đối với người thợ hàn chuyên nghiệp.
2.1.2 Nguyên nhân gây ra ứng suất và biến dạng hàn
Quá trình hàn là phương pháp nung nóng cục bộ vùng cần hàn trong thời gian ngắn đến nhiệt độ rất cao, gây ra sự biến đổi nhiệt và thể tích không đồng đều giữa các khu vực xung quanh mối hàn Sự chênh lệch nhiệt độ này dẫn đến co giãn khác nhau giữa các vùng, tạo ra nội lực, ứng suất và biến dạng hàn, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn và độ bền kết cấu kim loại.
Có thể kể ra 3 nguyên nhân chính sau đây gây ra sự xuất hiện ứng suất và biến dạng hàn:
1 Nung nống khổng đồng đều kim loại ở vật hàn
2 Độ co ngót cửa kìm loạỉ nóng chảy ỏ mối hàn sau khỉ kết tinh
3 Sự thay đổi tổ chức của vùng kim loại lãn cân mối hàn
Quá trình nung nóng không đồng đều trong hàn kim loại khiến các vùng xa nguồn nhiệt ít bị biến dạng, từ đó cản trở sự biến dạng tại khu vực gần mối hàn và gây ra ứng suất dư trong mối hàn cũng như vùng kim loại lân cận Trường ứng suất này vẫn tồn tại ngay cả khi quá trình hàn kết thúc và vật hàn đã nguội hoàn toàn Ngoài ra, kim loại lỏng tại mối hàn bị giảm thể tích do quá trình đông đặc tương tự như vật đúc, dẫn đến sự co ngót và tạo ra lực nén theo cả phương dọc và phương ngang so với trục mối hàn, hình thành trường ứng suất dư trong khu vực này.
Trong quá trình hàn, tổ chức kim loại ở vùng lân cận mối hàn có sự thay đổi về kích thước, vị trí sắp xếp của các tinh thể và thể tích do ảnh hưởng nhiệt, dẫn đến hình thành nội ứng suất Đặc biệt, khi hàn thép hợp kim và thép cacbon cao có khuynh hướng tôi, ứng suất này có thể đạt mức rất cao, gây ra ứng suất dư kết hợp với ứng suất do ngoại lực khi làm việc Điều này làm giảm độ bền kết cấu, dễ xuất hiện vết nứt, gãy Biến dạng hàn còn làm sai lệch hình dáng, kích thước của vật hàn, khiến quá trình sửa chữa sau hàn trở nên phức tạp và tốn kém.
2.1.3 Các loại úng suất và biến dạng hàn ứng suất dọc là ứng suất tác dụng song song vởi trục mối hàn và xuất hiện do sự co dọc của mói hàn (H 7-5a) Như đã nói ở trên, kim loại ò khu vực lân cận mối han có ứng suit dọc là ứng suất kéo Giá trị ứng suất kéo rất lớn, có thể là đạt tới giói hạn chảy ơch của vật liệu Ở các vùng còn lại ứng suất dọc là ứng suất nén úng suất dọc giống nhau trên mọi mặt cắt ngang của mối hàn (trừ phần đầu và cuối của liên kết) Sau khi hàn, tấm bị ngắn đi một đoạn (co dọc) và giảm chiều rộng một lượng Aỉ a (co ngang)