GIÁO TRÌNH CÔNG NGHỆ KIM LOẠI - PHẦN III CÔNG NGHỆ HÀN - CHƯƠNG 2 pdf

Nhờ sự phóng điện của dòng điện cao tần với điện áp cao giữa hai điện cực mà trong thời gian rất ngắn hình thành hồ quang hàn.. Tính chất điện của hồ quang được đặc trưng bằng sự phụ thu

Trang 1

Chương 2 HÀN HỒ QUANG TAY 2.1 Khái niệm

2.1.1 Thực chất

Hàn hồ quang tay thực chất là phương pháp hàn nóng chảy mà nguồn nhiệt khi hàn là hồ quang điện cháy giữa hai điện cực Sự cháy và duy trì ổn định của hồ quang trong quá trình hàn được thực hiện bằng tay (hình 3-4a)

2.1.2 Đặc điểm

- Có thể hàn được mối hàn ở các vị trí không gian

- Thực hiện hàn được trên các chi tiết to, nhỏ, đơn giản, phức tạp khác nhau

- Có thể thực hiện hàn trong các môi trường khác nhau (Khí bảo vệ, hàn dưới nước, hàn trong chân không )

- Thiết bị hàn và trang bị gá lắp hàn đơn giản, dễ thao tác

- Năng suất hàn thấp, chất lượng mối hàn không cao, phụ thuộc vào trình độ công nhân

- Được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp

như chế tạo máy, giao thông

vận tải, xây dựng

2.2 Hồ quang hàn

2.2.1 Khái niệm về hồ quang hàn

Hồ quang hàn là sự phóng điện ổn định qua môi trường khí

đã được ion hóa Dòng điện

truyền qua khí nằm giữa hai

cực: cực âm gọi là katod, cực

dương gọi là Anod

Hồ quang phát ra một nguồn sáng và nhiệt cao Nguồn

nhiệt có nhiệt độ tập trung rất

cao, dùng làm nóng chảy kim

loại Ánh sáng của hồ quang

chia ra hai loại: một loại nhìn

a)

b)

Hình 3-4 Hàn hồ quang tay

a) Mạch điện hàn

b) Hồ quang hàn

Trang 2

thấy được và một loại không nhìn thấy được, thường gây ra viêm mắt và hỏng da Bởi vậy để bảo vệ mắt và da, khi hàn người thợ phải đeo mặt nạvà quần áo bảo vệ

2.2.2 Cách gây hồ quang và sự cháy của hồ quang

a Phương pháp gây hồ quang khi hàn

Cho que hàn chạm nhanh vào vật hàn theo phương thẳng

góc (hình 3-5a) hoặc cho que hàn

vạch lên vật hàn như cách đánh

diêm (hình 3-5b) khoảng 1/10s,

lúc này mạch điện hàn ngắn

mạch, cường độ dòng điện tăng lên, mặt đầu que hàn và bề mặt vật hàn không nhẵn, do đó que hàn và vật hàn chỉ tiếp xúc tại những điểm

nhấp nhô, dẫn đến mật độ dòng điện ở đây rất cao

Dưới tác dụng của dòng điện có mật độ lớn sinh ra

một nhiệt năng lớn, chỗ tiếp xúc tạo nên những

vùng nóng chảy riêng biệt, chúng phát triển và liên

kết lại với nhau tạo nên một lớp kim loại nóng chảy

mỏng giữa đầu que hàn và vật hàn (hình 3-6a, b)

Khi nhấc que hàn lên khoảng 25mm khỏi vật hàn

(hình 3-6c,d) thì cột kim loại lỏng bị kéo dài ra,

phần kim loại nóng chảy đầu que hàn bị thắt lại và

tiết diện ngang giảm dần, mật độ dòng điện tại đây

tăng lên và nhiệt độ cũng tăng nhanh làm kim loại lỏng tách khỏi que hàn và rơi vào vũng hàn

Trong khoảng cách giữa 2 điện cực “l” tương ứng với điện thế xác định U Các electron và ion âm sẽ chuyển động từ âm cực sang dương cực, còn các ion dương chuyển từ dương cực sang âm cực Với tốc độ rất lớn, chúng va chạm mạnh với các phần tử khí, làm ion hóa môi trường khí phát nhiệt và ánh sáng Như vậy hồ quang được hình thành giữa hai cực (tức giữa que hàn và vật hàn)

Hiện nay cũng có thể gây hồ quang hàn bằng nguồn xoay chiều cao tần Trong trường hợp này không cần phải làm ngắn mạch điện cực Nhờ sự phóng điện của dòng điện cao tần với điện áp cao giữa hai điện cực mà trong thời gian rất ngắn hình thành hồ quang hàn Phương pháp này sử dụng để gây hồ quang khi hàn bằng điện cực không nóng chảy

Hình 3-5 Cách gây hồ quang khi hàn

a) Phương pháp mổ thẳng b) Phương pháp ma sát

Hình 3-6 Quá trình hình

thành hồ quang hàn

Trang 3

b Đường đặc tính tĩnh của hồ quang hàn

Tính chất điện của hồ quang được đặc trưng bằng sự phụ thuộc giữa điện áp và dòng

điện trong hồ quang gọi là đặc tính tĩnh Volt-Amper của hồ quang (hình 3-7)

- Đặc tính này có thể chia làm 3 khu vực: khu vực I là đặc tính giảm, khu vực II là đặc tính cứng, khu vực III là đặc tính tăng

- Đối với hồ quang điện để hàn, thông thường là đặc tính cứng, tức là điện áp thực

tế không phụ thuộc vào dòng điện hàn (trong khoảng dòng điện 80 800A hồ quang cháy ổn định nhất, và chỉ có chiều dài hồ quang thay đổi thì điện thế mới thay đổi) Đặc tính

này thường dùng cho hàn hồ quang tay, hàn tự động dưới lớp thuốc hàn với dòng hàn nhỏ,

hàn trong môi trường khí bảo vệ với điện cực không nóng chảy

- Hồ quang với đặc tính tăng sử dụng cho hàn trong môi trường bảo vệ với điện cực nóng chảy và hàn tự động dưới lớp thuốc với mật độ dòng điện hàn lớn Hồ quang với đặc tính giảm ít ổn định nên ít sử dụng trong thực tế

- Khi hồ quang cháy điện thế ở hai đầu điện cực giảm xuống

Theo G.Airơtôn điện thế của cột hồ quang được xác định như sau:

h

hq hq

h

I

dl c bl a

Uh: Điện thế của hồ quang (V)

lhq: Chiều dài cột hồ quang (cm)

Ih: Dòng điện hàn (A)

a: Điện thế rơi trên 2 cực a = Uk + Ua, nó phụ thuộc vào điện cực, khi là que hàn a= 15 20V, khi là điện cực không nóng chảy a = 30 35V

Hình 3-7 Đặc tính tĩnh của hồ quang hàn

a) Cấu tạo đường đặc tính b) Các loại đường đặc tính

Trang 4

b: Điện thế rơi trên một đơn vị chiều dài hồ quang (V/cm) khi hàn thép cacbon

b = 15 v/cm

c,d: Là các hệ số Khi que hàn thép c=9,4W, d=2,5W/cm

Vì Ih khá lớn nên điện thế hồ quang có thể tính gần đúng như sau:

Uh = a + blhq (V)

Vậy để giữ cho hồ quang cháy ổn định khi hàn thì phải giữ sự ổn định chiều dài hồ quang Có nghĩa là người công nhân hàn phải đảm bảo sự dịch chuyển que hàn đều đặn, hoặc nối mạch điện hàn với bộ ổn áp

2.2.3 Hiện tượng thổi lệch hồ quang

Cột hồ quang có thể xem gần như dây dẫn mềm, do vậy khi hàn, lực điện trường tác dụng lên hồ quang gồm có lực điện trường tĩnh của mạch hàn và lực điện trường sinh ra bởi Fe từ làm hồ quang bị lệch đi rất nhiều, do đó có ảnh hưởng xấu đến quá trình hàn

a Ảnh hưởng của điện trường tĩnh

Khi hàn với dòng một chiều, xung quanh hồ quang phát sinh điện trường tĩnh, trong đó thành phần nằm hướng pháp tuyến: tùy thuộc vị trí đấu điện mà ảnh hưởng này có khác nhau (hình 3-8)

- Hình 3-8b điện trường đối xứng xung quanh hồ

quang Tác dụng đối xứng của

điện trường lên cột hồ quang

nên hồ quang không bị thổi

lệch

- Hình 3-8a,c Hồ quang

bị lệch do tác dụng của điện

trường không đối xứng Từ

phía dòng điện đi vào mật độ đường sức dày hơn, thế điện trường mạnh hơn, do đó hồ quang bị thổi lệch về phía điện trường yếu Khi hồ quang ngắn thì sự thổi lệch này yếu

hơn so với hồ quang dài

b Ảnh hưởng của sắt từ

Vật liệu sắt từ đặt gần hồ quang sẽ làm tăng độ từ thấm của nó, do vậy sẽ làm hồ

quang bị hút về phía vật sắt từ đó Điều này

thấy rõ khi hàn hồ quang với mối hàn mép

vật hàn hoặc khi hàn giáp mối ở thời điểm

bắt đầu và kết thúc mối hàn, hồ quang đều bị

lệch về phía vật hàn có khối lượng lớn

Hình 3-8 Tác dụng của điện trường lên hồ quang

Hình 3-9 Ảnh hưởng của sắt từ đến hồ

quang

a) Khi hàn mối hàn góc

b) Khi hàn mối hàn giáp mối

Trang 5

c Aûnh hưởng của góc nghiêng điện cực hàn

Góc nghiêng của điện cực hàn cũng ảnh hưởng đến sự phân bố đường sức từ xung quanh hồ quang

Bởi vậy chọn góc nghiêng điện cực hàn (que hàn) thích hợp có thể thay đổi được tính

chất phân bố đường sức từ và có thể tạo ra

điện trường đồng đều, khắc phục hiện tượng

thổi lệch hồ quang khi hàn

Hiện tượng thổi lệch hồ quang cũng có thể do một số nguyên nhân khác gây nên: tác

dụng trực tiếp của các luồng khí, gió mạnh hoặc do lõi que hàn và thuốc bọc không đồng tâm, nhưng chủ yếu là do điện trường phân bố không đồng đều xung quanh cột hồ quang Khi có hiện tượng thổi lệch hồ quang thì người thợ hàn khó điều khiển hồ quang vào đúng

vị trí cần hàn để tập trung nhiệt năng lớn nhất cho quá trình hàn, bảo vệ vũng hàn cũng như chất lượng mối hàn nói chung

d Các biện pháp khắc phục:

- Thay đổi vị trí nối dây với vật hàn để tạo ra điện trường đối xứng (hình 3-8b)

- Nghiêng que hàn về phía hồ quang bị thổi lệch Nếu nghiêng que hàn không đúng sẽ làm hồ quang lệch càng nhiều

- Giảm chiều dài hồ quang tới mức có thể (hàn bằng hồ quang ngắn)

- Thay nguồn hàn một chiều bằng nguồn hàn xoay chiều

- Đặt thêm vật liệu sắt từ (pherit) gần hồ quang để kéo hồ quang lệch về phía đó, tạo nên từ trường đối xứng

- Có biện pháp che chắn gió hoặc các dòng khí tác động lên hồ quang khi hàn ngoài trời

2.3 Phân loại hàn hồ quang

2.3.1 Phân loại theo điện cực hàn Có hai loại

a Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy

Điện cực ở đây là các thanh graphit, than và vonfram Điện cực có tác dụng gây và duy trì sự cháy hồ quang để nung nóng Sự hình thành mối hàn là do kim loại vật hàn

nóng chảy (hình 3-11b,c) hoặc do cả kim loại que hàn phụ (hình 3-11d) bổ sung

Hình 3-10 Aûnh hưởng góc nghiêng

điện cực hàn đến sự lệch của hồ quang

Hình 3-11:

Các hình thức hàn hồ quang điện cực không nóng chảy

Trang 6

b Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy

Tiếng Anh gọi là Shielded Metal Arc Welding viết tắt là SMAW

Điện cực ở đây là que hàn bằng kim loại Que hàn vừa có tác dụng gây và duy trì hồ quang, nung nóng chảy mép hàn đồng thời bổ sung kim loại để hình thành mối hàn

(hình 3-11a)

2.3.2 Phân loại theo dòng điện: chia làm 2 loại

a Hàn hồ quang bằng dòng điện xoay chiều AC(Alternating Current)

Dùng dòng điện công nghiệp, tần số 50HZ hồ quang cháy không ổn định, nên chất lượng mối hàn không cao Tuy nhiên hàn hồ quang dòng xoay chiều vẫn được sử dụng nhiều vì thiết bị đơn giản, dễ thao tác, giá thành rẻ

b Hàn hồ quang bằng dòng điện một chiều DC (Direct Current)

Hồ quang cháy ổn định, chất lượng mối hàn cao, dễ hàn Tuy nhiên thiết bị hàn phức tạp, đắt tiền Khi hàn bằng dòng một chiều, có hai phương pháp nối dây:

* Nối thuận (hình 3-12a):

Nối cực âm của nguồn điện với que hàn, còn cực dương nối với vật hàn

Trường hợp này nhiệt độ hồ quang phần vật hàn cao hơn ở que hàn Vì vậy thường dùng để hàn vật có chiều dày lớn Khi hàn điện cực than thì nối thuận sẽ làm tăng tuổi thọ của nó, đồng thời tránh sự xâm nhập các bon vào mối hàn Đối với hàn điện cực Volfram trong môi trường bảo vệ, thì nối thuận sẽ bảo vệ điện cực khỏi bị ôxyhóa

* Nối nghịch: Là nối cực dương của nguồn với que hàn, còn cực âm nối với vật

hàn (hình 3-12b) Thích hợp hàn các tấm mỏng, các kim loại có nhiệt độ chảy thấp (đồng, nhôm)

2.3.3 Phân loại theo phương pháp nối dây

a Nối trực tiếp

Que hàn (điện cực) nối với một cực của nguồn, còn vật hàn được nối với cực khác của nguồn Hồ quang cháy giữa que hàn và vật hàn (hình 3-11a)

Thường dùng khi hàn bằng điện cực nóng chảy (que hàn)

Hình 3-12 Phương pháp nối thuận (a) và nối nghịch (b)

1 Nguồn điện hàn 2 Cáp hàn 3 Vật hàn

Trang 7

b Nối gián tiếp

Hai cực của nguồn điện nối vào hai điện cực, hồ quang cháy giữa hai điện cực (hình 3-11b) Khi hàn người ta có thể điều chỉnh nguồn nhiệt của hồ quang vào vũng hàn bằng cách điều chỉnh khoảng cách từ hồ quang đến bề mặt mối hàn Phương pháp nối gián tiếp thường dùng khi hàn bằng điện cực không nóng chảy và hàn các tấm mỏng

c Nối dây hỗn hợp

Khi hàn trên máy hàn ba pha (còn gọi là hàn hồ quang ba pha) người ta nối 2 pha với hai điện cực, còn pha thứ 3 nối với vật

hàn Như vậy trong cùng một lúc có 3 hồ

quang cháy đồng thời (hình 3-11c)

Ưu điểm của phương pháp này là năng suất cao, tiết kiệm năng lượng điện

(khoảng 20 25%) Nhược điểm là phải

chế tạo que hàn đặc biệt: que hàn 2 lõi

(hình 3-13)

2.4 Thiết bị hàn hồ quang

2.4.1 Yêu cầu của nguồn điện hàn và máy hàn

Nguồn điện để cung cấp cho hồ quang gồm có nguồn xoay chiều và nguồn một chiều

- Nguồn xoay chiều khó gây hồ quang và tính ổn định của hồ quang kém, song thiết

bị đơn giản, dễ chế tạo nên giá thành hạ

- Nguồn một chiều dễ gây hồ quang, hồ quang cháy ổn định nên chất lượng mối hàn tốt hơn, nhưng thiết bị hàn kết cấu phức tạp, khó chế tạo, tiêu hao nhiều năng lượng nên giá thành cao

- Người ta không thể sử dụng trực tiếp nguồn điện lưới để hàn mà phải đưa qua máy hàn nhằm bảo đảm các yêu cầu sau:

+ Muốn gây được hồà quang nguồn điện phải có điện thế đủ lớn để gây được hồ quang và duy trì hồ quang cháy ổn định mà không gây nguy hiểm đến người sử dụng

Đối với nguồn xoay chiều Điện thế không tải Uo = 55 80V, điện thế khi hàn

Uh = 25 45V Đối với nguồn một chiều Uo = 30 55V, Uh = 16  35V

+ Quan hệ điện áp trên hai đầu ra của nguồn điện hàn và cường độ dòng điện hàn được gọi là đặc tính ngoài của máy (hay là đường đặc tính động) Một số đường đặc tính ngoài của nguồn hàn và đặc tính tĩnh của hồ quang trên hình 3-14 Tùy theo phương pháp hàn cụ thể để chọn loại nguồn hàn có đặc tính phù hợp Khi hàn hồ quang tay nên sử dụng loại máy hàn có đường đặc tính dốc (đường 1 hình 3-14) thường được gọi máy hàn kiểu dòng điện không đổi (CC) với ý nghĩa là nếu có biến thiên điện áp nhỏ xảy ra do sự thay

Hình 3-13 Que hàn ba pha

Trang 8

đổi chiều dài hồ quang trong khi hàn

thì dòng điện hàn thay đổi không

đáng kể Đường đặc tính động càng

dốc thì càng thỏa mãn với yêu cầu

trên

+ Khi hàn hồ quang tay, hiện tượng ngắn mạch xảy ra thường

xuyên, lúc này cường độ dòng hàn

rất lớn có thể làm hỏng máy Do đó

máy hàn phải có dòng điện ngắn

mạch Iđ không quá lớn, thường

Iđ  (1,3 1,4)Ih

+ Máy hàn hồ quang tay phải điều chỉnh được với nhiều loại chế

độ hàn khác nhau

+ Đối với máy hàn dùng dòng điện xoay chiều, để cho quá trình hàn ổn định thì giữa điện áp và dòng điện hàn phải có sự lệch pha nhau, tức là chúng không có cùng trị số 0 tại cùng một thời điểm

+ Máy hàn phải có khối lượng, kích thước nhỏ, hệ số hữu ích cao, dễ dàng thao tác, sửa chữa và giá thành hạ

2.4.2 Máy hàn xoay chiều

Máy hàn xoay chiều để hàn hồ quang tay thực chất là một biến áp hàn dùng dòng điện một pha hoặc ba pha, gồm có các bộ phận chủ yếu sau đây:

- Bộ biến áp chính

- Khung

- Cơ cấu điều khiển dòng

- Hệ thống làm mát (tự nhiên, cưỡng bức…) Cấu tạo và phương pháp điều khiển dòng điện ở một số loại máy hàn hồ quang xoay chiều thông dụng (hình 3-15):

1 Biến áp có bộ tự cảm riêng (hình 3-15a): Bộ tự cảm lắp nối tiếp ở mạch thứ cấp

mục đích để tạo ra sự lệch pha của dòng điện và điện áp Tạo ra đường đặc tính dốc liên tục và thay đổi cường độ dòng điện hàn Loại máy này thường cồng kềnh vì có 2 bộ phận riêng rẽ

2 Biến áp có các cuộn dây di động (hình 3-15b): Dựa trên nguyên lý thay đổi vị trí

tương đối của các cuộn dây với nhau sẽõ làm thay đổi khoảng hở từ thông giữa chúng, tức là sẽ làm thay đổi trở kháng giữa các cuộn dây và làm thay đổi dòng điện hàn theo ý

Hình 3-14 Các đường đặc tính ngoài

củanguồn (1,2,3,4) và đặc tính tĩnh của hồ quang với các chiều dài hồ quang khác nhau ( lhq2> lhq> lhq1)

Trang 9

muốn Sự thay đổi vị trí giữa các cuộn dây được thực hiện bằng cơ cấu vít dẫn cho phép điều chỉnh vô cấp dòng hàn

3 Biến áp có lõi từ di động (hình 3-15c): Giữa khoảng 2 cuộn dây sơ cấp và thứ

cấp đặt một lõi từ di động để tạo ra sự phân nhánh từ thông sinh ra trong lõi của máy Nếu điều chỉnh lõi A đi sâu vào khung lõi biến áp thì trị số từ thông rẽ qua A càng lớn, phần từ thông đi qua lõi cuộn thứ cấp càng nhỏ và dòng điện sinh ra trong mạch hàn càng nhỏ Ngược lại, nếu điều chỉnh lõi A chạy ra và tạo nên khoảng trống không khí lớn thì từ thông rẽ qua mạch A càng bé và dòng điện trong mạch hàn sẽ lớn Vì vậy loại biến áp này có thể điều chỉnh vô cấp dòng điện hàn và có khả năng dđiều chỉnh rất chính xác

4 Biến áp có lõi từ di động trong cuộn cảm (hình 3-15d): Là sự kết hợp của hai

phương pháp điều khiển dòng hàn ở trên Lõi từ di động trong cuộn cảm làm thay đổi khe hở không khí và trở kháng của mạch hàn Khe hở không khí càng lớn, cảm kháng càng nhỏ thì dòng điện hàn càng cao

Hình 3-15 Các loại biến áp hàn và phương pháp điều khiển dòng điện hàn

a) Biến áp có bộ tự cảm riêng b) Biến áp có các cuộn dây di động c) Biến áp có lõi từ di động d) Biến áp có lõi từ di động trong cuộn cảm e) Biến áp có bộ tự cảm bão hòa

Trang 10

5 Biến áp có bộ tự cảm bão hòa (hình 3-15e): Sử dụng cầu chỉnh lưu và biến trở

để điều khiển dòng điện một chiều trong phần điều khiển Khi không có dòng điện một chiều đi qua cuộn dây điều khiển, cảm kháng là cực đại và dòng điện hàn càng bé Ngược lại, khi có dòng điện một chiều cực đại đi qua dòng điện hàn sẽ đạt giá trị cực đại Máy làm việc êm vì không có các cơ cấu chuyển động và có thể dễ dàng điều khiển từ xa

2.4.3 Máy hàn hồ quang một chiều:

Gồm 2 loại chủ yếu là máy phát điện hàn và máy chỉnh lưu hàn

1 Máy phát điện hàn: Máy được truyền động bằng một động cơ điện hay động cơ

đốt trong (xăng hay diesel) Nguyên lý máy phát điện một chiều kiểu các cực từ lắp rời

2 Máy chỉnh lưu hàn Gồm một máy biến áp hàn (có cơ cấu điều chỉnh) và một

mạch chỉnh lưu dòng xoay chiều thành dòng một chiều (hình 3-17)

Hình 3-16

Hình 3-17 Sơ đồ nguyên lý máy hàn chỉnh lưu một pha và ba pha

Định dạng
Số trang	21
Dung lượng	1,09 MB