BÀI TẬP CÔNG NGHỆ KIM LOẠI HÀN KIM LOẠI Hàn TIG

BÀI TẬP CÔNG NGHỆ KIM LOẠI HÀN KIM LOẠI Hàn TIG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA MÔI TRƯỜNG



BÀI TẬP CÔNG NGHỆ KIM LOẠI

HÀN KIM LOẠI

Hàn TIG

Giáo viên: Đinh Minh Diệm

Tên sinh viên: Lê Thị Diệu Thiện

Lớp: 13QLMT

HÀN KIM LOẠI

Trong công nghệ chế tạo cơ khí, hàn là danh từ chỉ một quá trình dùng để liên kết các chi tiết (kết cấu) hoặc đắp phủ lên bề mặt vật liệu(kim loại hoặc phi kim) để tạo nên một lớp bề mặt có tính năng đáp ứng yêu cầu sử dụng

Hàn là quá trình công nghệ để nối các chi tiết với nhau thành liên kết không tháo rời được mang tính liên tục ở phạm vi nguyên tử hoặc phân tử, bằng cách đưa chỗ nối tới trạng thái nóng chảy, thông qua việc sử dụng một trong hai yếu tố là nhiệt và áp lực, hoặc kết hợp cả hai yếu tố đó Khi hàn, có thể sử dụng hoặc không sử dụng vật liệu phụ bổ sung

- Ưu điểm

+ Tiết kiệm kim loại

+ Nối được kim loại có các tính chất khác nhau

+ Tạo được các chi tiết, kết cấu máy phức tạp mà các phương pháp khác không làm được hoặc gặp nhiều khó khăn

+ Độ bền mối hàn cao, mối hàn kín

- Nhược điểm: Tồn tại ứng suất dư làm sản phẩm bị cong vênh khi nguội

Hiện nay, có các phương pháp hàn chính sau đây:

Hàn TIG

Định nghĩa hàn TIG:

Nguyên lý hàn TIG Hàn TIG (Tungsten inert gas) hay hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ (Gas tungsten arc welding -GTAW) là quá trình hàn nóng chảy, trong đó nguồn nhiệt điện cung cấp bởi hồ quang được tạo thành giữa điện cực không nóng chảy

và vũng hàn (Hình vẽ) Vùng hồ quang được bảo vệ bằng môi trường khí trơ (Ar, He hoặc Ar + He) để ngăn cản những tác động có hại của oxi và nitơ trong không khí Điện cực không nóng chảy thường dùng là volfram, nên phương pháp hàn này tiếng Anh gọi

là hàn TIG (Tungsten Inert Gas).Nguyên lý hàn TIG

Hồ quang trong hàn TIG có nhiệt độ rất cao có thể đạt tới hơn 6100 độ C Kim loại mối hàn có thể tạo thành chỉ từ kim loại cơ bản khi hàn những chi tiết mỏng với liên kết gấp mép, hoặc được bổ sung từ que hàn phụ Toàn bộ vũng hàn được bao bọc bởi khí trơ thổi ra từ chụp khí

Đặc điểm phương pháp hàn TIG:

Một số ưu điểm đáng chú ý:

◉ Tạo mối hàn có chất lượng cao đối với hầu hết kim loại và hợp kim

◉ Mối hàn không phải làm sạch sau khi hàn

◉ Hồ quang và vũng hàn có thể quan sát được trong khi hàn

◉ Không có kim loại bắn tóe

◉ Có thể hàn ở mọi vị trí trong không gian

◉ Nhiệt tập trung cho phép tăng tốc độ hàn, giảm biến dạng của liên kết hàn

Phạm vi ứng dụng của phương pháp hàn TIG:

◉ Phương pháp hàn TIG được áp dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, đặc biệt rất thích hợp trong hàn thép hợp kim cao, kim loại màu và hợp kim của chúng…

◉ Phương pháp hàn này thông thường được thao tác bằng tay và có thể tự động hóa hai khâu

di chuyển hồ quang cũng như cấp dây hàn phụ

◉ Thường được sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ,trong sản xuất xe không gian…

◉ Sử dụng hàn các tấm mỏng,ống thành mỏng trong ngành công nghiệp xe đạp

◉ Thường được sử dụng trong quá trình phục chế sửa chữa các chi tiết bị hỏng,đặc biệt là các chi tiết làm bằng nhôm và magie

Lịch sử phát triển hàn TIG:

Coffin đã có ý tưởng của hàn trong môi trường khí trơ vào năm 1890, nhưng ngay cả trong những năm đầu thế kỷ 20, hàn vật liệu kim loại màu như nhôm và magiê vẫn còn khó khăn, bởi vì các kim loại phản ứng nhanh chóng với không khí, tạo khuyết tật mối hàn

◉ Năm 1930,đã sử dụng bình khí trơ vào quá trình hàn,một vài năm sau dòng điện một chiều được đưa vào để hàn nhôm trong công nghiệp hàng không

◉ Năm 1941,quá trình hàn GTAW được hàn thiện,và phát triển mỏ hàn được làm mát bằng nước

◉ Năm 1953,một quá trình mới dựa vào quá trình hàn GTAW được phát triển,được gọi là hàn

hồ quang plasma.Nó có đủ khả năng kiểm soát ,cải thiện chất lượng mối hàn tốt hơn.Ngày nay GTAW phổ biến sử dụng xung điện

Hàn TIG tự động bộ nạp kiểu nóng

Hàn TIG tự động với bộ nạp kiểu nóng (Hot wire GTAW) có tiềm năng để trở thành một phương pháp hàn chủ đạo được sử dụng trong các ngành công nghiệp yêu cầu chất lượng và năng suất mối hàn Mặc dù công nghệ hàn TIG có tốc độ đắp nhỏ hơn nhiều so với hàn MIG, nhưng chất lượng mối hàn thì lại vượt trội hơn rất nhiều Khi sử dụng bộ nạp kiểu nóng vào hàn TIG tự động đặc biệt với các vị trí hàn trên mặt phẳng hoặc ống lớn thì tốc độ đắp của hàn TIG tự động gần tương đương với hàn MIG Hàn TIG tự động với bộ nạp kiểu nóng với các rãnh hẹp được sử dụng rộng rãi khi hàn các hợp kim Nikel, các thép hợp kim cũng như là với các kim loại hoạt tính như là Titanium Thiết bị hàn TIG

bộ nạp kiểu nóng đang ngày càng được sử dụng nhiều trong các ngành sản xuất hệ thống chứa khí, dầu, các thiết bị trong ngành năng lượng hạt nhân

Giới thiệu Hàn Tig tự động với bộ nạp kiểu nóng

Mặc dù hàn TIG tự động với bộ nạp kiểu nóng đã được giới thiệu từ những năm 1966 nhưng việc phát triển và ứng dụng diễn ra rất chậm Tuy nhiên gần đây mọi người bắt đầu quan tâm lại công nghệ này với đặc điểm nổi trội là hàn với tốc độ của MIG và chất lượng của TIG Măc dù vẫn còn một vài giới hạn, công nghệ này đang được sử dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực xây dựng Sự phát triển của công nghệ hàn tự động, đặc biệt là các thiết bị cấp dây kiểu nóng đã thúc đẩy ứng dụng của chúng trong các ngành công nghiệp như điện hạt nhân, phát điện, bể áp lực, dầu khí ngoài khơi, tại những nơi yêu cầu năng suất hàn cao và chất lượng hàn đặc biêt

Định nghĩa hàn TIG tự động với bộ cấp dây nóng

Hàn TIG tự động với bộ nạp kiểu nóng là một bước phát triển của Hàn TIG Hàn TIG được Russell Meredith làm việc tại công ty máy bay Northrop Aircraft sáng chế ra vào năm 1939-1941 Hàn TIG ban đầu được gọi là hồ quang Heli, sử dụng hồ quang tạo ra bởi điện cực làm nóng chảy kim loại nền và bảo vệ bởi khí Heli Bằng sáng chế đã được bán cho công ty Union Carbide, công ty này đã phát triển các dòng sản phẩm và bán ra dưới tên Heliarc Sau đó Union Carbide đã cải tiến thiết bị sang sử dụng khí Argon – loại khí phổ biến và rẻ hơn Heli Công nghệ hàn TIG tự động với bộ nạp nóng được phát minh ra vào năm 1964 bởi A.F Manz và phát triển bởi Linde Division của Union Carbide

Trong hàn TIG kim loại bù dưới dạng dây được đưa vào vũng hàn khi hàn các chi tiết dày Trong hàn TIG truyền thống kim loại bù được cung cấp dưới dạng nguội, do đó hồ quang hàn sinh ra phải cung cấp nhiệt để làm nóng chảy kim loại bù này khiến cho hiệu quả của quá trình hàn, giảm tốc độ đắp Trong quá trình hàn TIG tự động với bộ nạp nóng, dây điện trở nung nóng liên tục cho dây kim loại bù được đưa vào vũng chảy Quá trình nạp có thể thực hiện thông qua mỏ hàn với khí trơ bảo vệ để tránh sự oxy hóa Sự nung nóng chỉ bắt đầu sau khi kim loại hàn tiếp xúc với vũng chảy Dòng điện được điều chỉnh sao cho kim loại hàn đạt được nhiệt độ nóng chảy khi tiếp xúc với vũng hàn Do

đó, kim loại hàn sẽ nóng chảy độc lập với nhiệt độ hồ quang Điều này sẽ giúp cho hồ quang hàn được tập trung và không phải cấp nhiệt làm nóng chảy kim loại bù, nên tốc

độ hàn sẽ nhanh gấp nhiều lần so với hàn TIG thông thường Tốc độ đắp của phương pháp hàn TIG tự động với bộ nạp nóng cao tương tự như hàn MIG, chất lượng hàn đạt được như hàn TIG thậm chí trong một số trường hợp còn nhỉnh hơn

Hàn TIG tự động với bộ nạp kiểu nóng Hình trên là sơ đồ nguyên lý của hệ thống hàn TIG tự động với bộ nạp nóng Hệ thống này sử dụng một lúc 2 nguồn cấp khác nhau Một nguồn cấp cho đầu hàn TIG, một nguồn cấp cho bộ nạp nóng

Ưu điểm của phương pháp hàn TIG với bộ nạp nóng

Các ưu điểm của phương pháp hàn TIG tự động với bộ nạp dây nóng dễ dàng được nhận thấy trong quá trình hàn Phương pháp này dễ dàng được cơ giới hóa, tự động hóa và tăng tốc độ đắp Việc điều chỉnh độc lập hồ quang, tốc độ cấp dây cho phép linh hoạt điều chỉnh các thông số Các kỹ năng yêu cầu đối với người thợ vận hành gần như giống với hàn TIG do đó giảm thiểu được chi phí đào tạo

Phương pháp hàn tig tự động với bộ nạp nóng cũng áp dụng được đối với gần như tất cả các kim loại Tương tự như hàn TIG đặc tính kim loại mỗi hàn hoàn toàn có thể được điều chỉnh phụ thuộc vào đặc điểm của kim loại bù Quá trình hàn TIG tự động bộ nạp nóng thường đem lại kết quả của mối hàn rất sạch làm giảm hoặc loại bỏ khả năng hình thành rỗ xốp trong mối hàn Phương pháp hàn này có thể đáp ứng hàn hơn 300 loại thép không gỉ khác nhau, các hợp kim nickel, titan, thép gia công…

Giới hạn của phương pháp hàn TIG tự động với bộ nạp nóng

Phương pháp hàn này thường không thao tác bằng tay Phương pháp cũng đòi hỏi phải đầu tư thêm các thiết bị như là bộ nạp dây nóng Bộ thiết bị hàn không có tính cơ động

do đó chỉ được sử dụng cố định tại xưởng sản xuất Các rãnh hàn cũng phải được gia công lại cho phù hợp Phương pháp này cũng đòi hỏi thêm các chi phí thay thế bép hàn, bép cấp dây nóng Lượng khí cấp thường là nhiều hơn hàn TIG thông thường Phương pháp cũng đòi hỏi một chi phí đào tạo

Cấu tạo mỏ hàn TIG

Chức năng của mỏ hàn TIG là dẫn dòng điện và khí trơ vào vùng hàn Các mỏ hàn TIG bằng tay và mỏ hàn TIG tự động có cấu tạo tương tự nhau, mỏ hàn TIG bằng tay có cán cầm với các nút điều khiển, còn mỏ hàn tự động không có cán, được thiết kế để kẹp chặt vào giá hàn

Cấu tạo súng mỏ hàn TIG Cấu tạo mỏ súng hàn TIG

☀  Cap: Chuôi hàn TIG chống thoát khí bảo vệ và cố định kim hàn.

☀  Collet: Kẹp kim cấu tạo bằng đồng, giúp giữ điện cực khớp theo cỡ khi văn chặt

chuôi hàn sẽ cố định kẹp kim, giúp giữ chặt điện cực

☀  Gas orifice: Đường dẫn khí cho phép thoát khí ra ngoài.

☀  Gas nozzle: Chụp khí giúp định hướng dòng khí lên vũng hàn thường là hai loại tùy

theo cường độ hàn một loại cấu tạo bằng sứ cho việc hàn TIG cường độ nhỏ, một loại cấu tạo bằng đồng có làm mát bằng nước

☀  Hoses: Các ống dẫn chất dẻo kết nối với tay cầm súng hàn cung cấp khí, nước, và

chứa cáp điện cung cấp cho mỏ súng hàn

Vật liệu hàn TIG

Hàn TIG hay hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ ( hàn GTAW) cần các loại vật liệu sau: Khí trơ (argon Ar, heli He), điện cực không nóng chảy (hay kim hàn), dây hàn phụ (hay que b ). Công nghệ hàn sẽ giới thiệu sơ qua về các loại vật liệu trên trong bài viết này

Khí bảo vệ

Khí bảo vệ phổ biến trong hàn TIG là khí Argon Khí argon phải đáp ứng các yêu cầu về

độ tinh khiết đến 99.967% tỷ lệ hơi nước thấp dưới 0.005mg/l. Khí Heli cũng có thể sử dụng làm khí bảo vệ trong hàn TIG thường được sử dụng trrong hỗn hợp với Argon và tỷ

lệ khí Heli có thể chiếm đến 75% hỗn hợp khí Ngoài ra còn có hỗn hợp khí của Argon với Hidro như các hỗn hợp 5% hidro, 15% hidro, 35% hidro cho hàn thép không gỉ Các hỗn hợp Argon với nito cũng được sử dụng khi dùng cho hàn đồng

Điện cực volfram

Điện cực Vofram trong hàn TIG Điện cực hàn TIGVolfram được sử dụng làm điện cực vì nó có tính chịu nhiệt cao, nhiệt

độ nóng chảy cao đến 3410 độ C, với nhiệt độ như  vậy điện cực vonfram sẽ không bị nóng chảy do nhiệt độ của hồ quang hàn Điện cực vonfram còn có khả năng phát xạ điện tử tốt do đó có thể tạo ion hóa hồ quang và duy trì hồ quang, mặt khác vonfram có tính chống oxi hóa cao, không bị gỉ, ăn mòn bởi oxy hóa.Theo tiêu chuẩn hiệp hội hàn

Điện cực volfram  đường kính tiêu chuẩn từ 0.25 đến 6.4mm với chiều dài từ 76 đến 610mm

Các loại điện cực được kí hiệu và mã màu như bảng sau:

cực m Thori Zicon tố khác chất đầu que

Do được cấu tạo từ volfram cùng các nguyên tố kim loại hiếm, nên điện cực hàn TIG khá đắt và khi sử dụng cần được chú ý để tránh, bị hỏng, hao phí vô ích

Que hàn TIG (Que hàn bù)

Do hàn TIG có thể sử dụng để hàn tất cả các kim loại có thể hàn được nên nựa chọn que hàn phụ (bù) là rất rộng Dưới đây là bảng danh sách tiêu chuẩn tham chiếu khi hàn một

số kim loại phổ biến

Que hàn TIG

A5.7A5.9A5.10A5.14A5.15A5.16

A5.18

A5.19

A5.24

A5.28

Hợp kim đồngThép không gỉHợp kim nhômHợp kim nickelGangHợp kim titanThép cacbon

Hợp kim magie Hợp kim  Zicron Thép hợp kim thấp

Que bù thường có đường kính 1.2; 1.6; 2.0; 2.5; 3.2; 4.0; 5.0 chiều dài thường là 610mm hoặc 915mm

Hàn MIG-MAG

Định nghĩa hàn MIG/MAG

Nguyên lý hàn MIG Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ ( Gas metal arc welding – GMAW) phân thành 2 loại MAG (Metal active gas welding) và MIG (metal inert gas welding) là quá trình hàn nóng chảy trong đó nguồn nhiệt hàn được cung cấp bởi hồ quang tạo ra giữa điện cực nóng chảy (dây hàn) và vật hàn: hồ quang và kim loại nóng chảy được bảo vệ khỏi tác dụng của oxi và nitơ trong môi trường xung quanh bởi một loại khí hoặc một hỗn hợp khí.Nguyên Lý Hàn MIG

Khí bảo vệ có thể là khí trơ (Ar, He hoặc hỗn hợp Ar + He) không tác dụng với kim loại lỏng trong khi hàn hoặc là các loại khí hoạt tính (CO2; CO2 + O2; CO2 + Ar, …) có tác dụng chiếm chỗ và đẩy không khí ra khỏi vùng hàn để hạn chế tác dụng xấu của nó

Khi điện cực hàn hay dây hàn được cấp tự động vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây, còn sự dịch chuyển hồ quang dọc theo mối hàn được thao tác bằng tay thì gọi

là hồ quang bán tự động trong môi trường khí bảo vệ

Có 4 phương pháp dịch chuyển kim loại vào xũng hàn:hình cầu,ngắn mạch,phun và xung phun,mỗi dạng có đặc tính khác biệt riêng

Phân loại và đặc điểm:

Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ (Ar, He) tiếng Anh gọi

là phương pháp hàn MIG (Metal Inert Gas) Vì các loại khí trơ có giá thành cao nên không được ứng dụng rộng rãi, chỉ dùng để hàn kim loại mầu và thép hợp kim

Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí hoạt tính (CO2, CO2 + O2,

…) tiếng Anh gọi là phương pháp hàn MAG (Metal Active Gas) Phương pháp hàn MAG sử dụng khí bảo vệ CO2 được ứng dụng rộng rãi do có rất nhiều ưu điểm:

  ◉ CO2 là loại khí dễ kiếm, dễ sản xuất và giá thành thấp;

  ◉ Năng suất hàn trong CO2 cao, gấp hơn 2,5 lần so với hàn hồ quang tay;

  ◉ Tính công nghệ của hàn trong CO2 cao hơn so với hàn hồ quang dưới lớp thuốc vì có thể tiến hành ở mọi vị trí không gian khác nhau;

  ◉ Chất lượng hàn cao Sản phẩm hàn ít bị cong vênh do tốc độ hàn cao, nguồn nhiệt tập trung, hiệu suất sử dụng nhiệt lớn, vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp;

  ◉ Điều kiện lao động tốt hơn so với hàn hồ quang tay và trong quá trình hàn không phát sinh khí độc

Phạm vi ứng dụng:

  ◉ Nó không những có thể hàn các loại thép kết cấu thông thường, mà còn có thể hàn các loại thép không gỉ, thép chịu nhiệt, thép bền nóng, các hợp kim đặc biệt, các hợp kim nhôm, magiê, niken, đồng, các hợp kim có ái lực hóa học mạnh với ôxi

  ◉ Phương pháp hàn này có thể sử dụng được ở mọi vị trí trong không gian

  ◉ Chiều dày vật hàn từ 0,4 ¸ 4,8 mm thì chỉ cần hàn một lớp mà không phải vát mép, từ 1,6

¸ 10mm thì hàn một lớp có vát mép, còn từ 3,2 ¸ 25mm thì hàn nhiều lớp

  ◉ Không thích hợp cho hàn ngoài trời ,bởi vì sự chuyển động của không khí xung quanh

có thể làm ảnh hưởng tới khí bảo vệ và mối hàn Nên sử dụng trong trong ngành xây dựng khá hạn chế

  ◉ Được dùng phổ biến trong hàn tự động và bán tự động

Lịch sử phát triển:

  ◉ Năm 1920 tiên phong cho GMAW được phát minh bởi P.O.Nobel

  ◉ Năm 1948 cuối cùng đã được phát triển bởi Viện Battelle Memorial,nhưng nó có chi phí cao do sử dụng lượng lớn khí trơ

  ◉ Năm 1953,sử dụng khí các bon làm cho hàn GMAW ngày càng sử dụng rộng rãi

  ◉ Năm 1958-1959,hồ quang ngắn mạch trong GMAW tăng tính linh hoạt và hàn các vật liệu mỏng

  ◉ Năm 1960 ,đã thêm vào khí bảo vệ một lượng nhỏ OXY

Gần đây hồ quang xung được áp dụng và ngày càng phát triển