CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN ÁP DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP TÀU THỦY pptx

14 Hồ quang điện cực không nóng chảy, bảo vệ bằng khí 141 Hàn TIG hồ quang tungsten bảo vệ bằng khí trơ 149 Hồ quang tungsten tăng cường bằng khí hydro Atomic-hydrogen welding 15 H

CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN ÁP DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP TÀU THỦY

KỸ THUẬT H\N T\U THỦY

PHẦN 2

CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN ÁP DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP TÀU THỦY

Nội dung phần này tập trung vào các vấn đề sau:

 Khái quát về hệ thống phân loại các phương pháp hàn

 Các phương pháp hàn hồ quang thông dụng áp dụng trong công nghiệp tàu thủy

 Khái quát về các phương pháp hàn tiên tiến

 Chọn lựa các phương pháp hàn phù hợp với ứng dụng hàn khi thi công kết cấu thân tàu

NỘI DUNG

1 Phân loại các vấn đề cơ bản của phương pháp hàn nóng chảy [-] 4

1.1 Định danh các phương pháp hàn 4

1.2 Ba nguyên lý hình thành mối hàn 8

1.3 Mật độ nguồn nhiệt 11

1.4 Hồ quang hàn 17

2 Phương pháp hàn que (SMAW)[-] 26

2.1 Thực chất đặc điểm 26

2.2 Thiết bị hàn 29

2.3 Thông số hàn[-][-] 29

2.4 Xác định & hiệu chỉnh thông số hàn 32

2.5 Que hàn 34

2.6 Phân nhóm que hàn theo đặc trưng công nghệ 38

2.7 Kỹ thuật hàn 39

2.8 Sấy que hàn 41

2.9 Phân nhóm mối hàn theo các đặc trưng công nghệ 44

2.10 Các chú ý khi chọn que hàn 47

3 Phương pháp hàn dây lỏi thuốc (FCAW) 48

3.1 Tổng quan 48

3.2 Nguyên lý hoạt động 48

3.3 Tác động của thông số hàn 50

3.4 Thiết bị hàn FCAW 54

3.5 Thiết kế chuẩn bị mối hàn 55

3.6 Dây hàn FCAW 55

3.7 Kỹ thuật hàn dây lỏi thuốc 59

4 Phương pháp hàn MIG - MAG 65

4.1 Nguyên lý đặc điểm 66

4.2 Kiểu chuyển dịch kim loại khi hàn MIG - MAG 68

4.3 Thiết bị hàn 72

4.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến công nghệ hàn MIG - MAG 81

4.5 Công nghệ hàn MIG - MAG 90

4.6 Kỹ thuật hàn MIG – MAG 97

Th.s Trần Ngọc D}n – 2005

Danh mục c{c hình ảnh

Bảng - 1 Định danh các phương pháp hàn thông dụng 6

Hình - 1 Sơ đồ phân loại các phương pháp hàn theo AWS 7

Bảng - 2 Các nguyên lý hình thành mối hàn 8

Bảng - 3 Các nguồn năng lượng hàn 9

Bảng - 4Tính năng công nghệ của các phương pháp hàn / lắp: 10

Hình - 2 Mật độ nguồn nhiệt của các phương pháp hàn thông dụng 11

Hình - 3 : Nhiệt lượng hấp thu bởi chi tiết hàn theo mật độ dòng nhiệt 11

Hình - 4 quan hệ giữa công suất nguồn nhiệt và độ bền các mối hàn trên hợp kim nhôm 12

Hình - 5 (a) Tác động của mật độ nguồn nhiệt và mức độ tản nhiệt khi hàn đến biến dạng và năng suất hàn(b) Quan hệ năng suất , chi phí đầu tư và mật độ nguồn nhiệt 12

Hình - 6 Mật độ nguồn nhiệt , thời gian tương tác và đường kính vũng chảy 14

Hình - 7 Tốc độ hàn tối đa , kích thước vũng chảy theo mật độ nguồn nhiệt T.W.Eagar 14

Hình - 8 Phân bố công suấtnhiệt khi hàn 15

Bảng - 5 hiệu suất trao đổi nhiệt khi hàn 15

Hình - 9 Độ rộng của vùng ảnh hưởng nhiệt theo mật độ nguồn nhiệt T.W.Eagar 16 Hình - 10 So sánh chiều dài hồ quang TIG (tự do) & Hồ quang Plasma(nén) 17

Hình - 11 Các vùng sụt áp trên hồ quang hàn 18

Hình - 12 Phân bố nhiệt trong hồ quang TIG 19

Hình - 13 Đặc tính tỉnh hồ quang TIG và hồ quang MIG - MAG 20

Hình - 14 Các dạng đường đặc tính V-I của hồ quang 21

Hình - 15 Cực tính khi hàn TIG và tác động đến độ ngấu 22

Hình - 16 Hiệu ứng tẩy oxýt kim loại của hồ quang phân cực dương 22

Hình - 17 Lực co thắt khi hàn với các phân cực khác nhau 23

Hình - 18(a) hồ quang có xu thế bị đẩy xa khỏi điểm nối mass (b) dòng foucault không đối xứng sẽ làm hồ quang bị thổi lệch (c) lực thổi lệch hồ quang hướng về phía chưa có mối hàn (d) mối hàn bị thổi lệch từ 24

Hình - 19(a) tác động của điểm nối mass (b) Giải pháp kiểm soát thổi lệch từ khi hàn ống 25

Hình - 20 Sơ đồ lắp đặt thiết bị hàn que 26

Hình - 21Sơ đồ mạch hàn SMAW 27

Hình - 22 Các dạng chuyển dịch (a) phun , (b) bay tự do (c) trọng lực 28

Bảng - 6 Tóm tắt các dạng chuyển dịch kim loại khi hàn que 28

Hình - 23 Tốc độ và cường độ tới hạn các cấp que hàn tàu điển hình 31

Bảng - 7 Điện áp giới hạn các cấp que điển hình 31

Hình - 24 Lưu đồ xác định thông số hàn Error! Bookmark not defined Hình - 25 Ảnh hưởng của bề dày thuốc bọc (1) que thuốc bọc mỏng (2) que thuốc bọc trung bình (3) que thuốc bọc dày 34

Bảng - 8 Chức năng của các hợp chất có trong thuốc bọc que hàn 34

Bảng - 9 Thành phần và đặc điểm các nhóm thuốc hàn 37

Bảng - 10 Hướng dẫn sấy que hàn nhóm giảm hydro 41

Bảng - 11 Ký hiệu que hàn theo AWS 42

Bảng - 12 Các nhóm que được đăng kiểm quốc tế phê duyệt 43

Hình - 26 Nguyên lý hàn dây lỏi thuốc (FCAW) 48

Hình - 27 Các chế độ chuyển dịch kim loại và năng suất đắp FCAW 50

Bảng - 13 Hiệu chỉnh thông số hàn FCAW 50

Hình - 28Tốc độ cấp dây và tốc độ chảy (FCAW) 51

Hình - 29 Ảnh hưởng cực tính (FCAW) 51

Hình - 30 Tác động của cực tính và độ ngấu mối hàn (DCEP,AC,DCEN) 52

Hình - 31 Định nghĩa độ nhú 52

Hình - 32 Hàn thuận (drag) và hàn nghịch (push) 52

Hình - 33 Ảnh hưởng khí bảo vệ và góc hàn 53

Hình - 34 Cấu hình mối hàn FCAW 55

Hình - 35 Sơ đồ chế tạo dây lỏi thuốc 56

Hình - 36 các dạng tiết diện dây lỏi thuốc 56

Bảng - 14 Thông tin dây hàn FCAW 58

Bảng - 15 Thông số công nghệ hàn dây thuốc điển hình 59

Bảng - 16Thông số hàn và chuẩn bị mép vát các mối hàn tư thế phẳng điển hình 60

Bảng - 17 Ví dụ thông số công nghệ khi hàn dây lỏi thuốc 61

Bảng - 18 Các nhóm dây thuốc được các tổ chức đăng kiểm quốc tế phê duyệt 62

Hình - 37 Các thông số tiết diện hàn 63

Bảng - 19 Thông số hiệu chỉnh và tác động đến tiết diện hàn 63

Bảng - 20 Khuyết tật và các hiệu chỉnh ngăn ngừa 64

Bảng - 21 Điều chỉnh tiết diện mối hàn 64

Hình - 39 Các phương thức chuyển dịch kim loại GMAW 67

Hình - 40 Đặc trưng chuyển dịch kim loại khi hàn MIG 67

Hình - 41 Dòng tới hạn để có chuyển dịch phun (dây 1.6 – Ar + 1% O2) 68

Hình - 42 Chuyển dịch phun và chuyển dịch cầu 69

Hình - 43 biến thiên dòng điện và điện áp hàn khi chuyển dịch ngắn mạch 69

Hình - 44 Các giai đoạn chuyển dịch xung 70

Hình - 45 Các giai đoạn chuyển dịch sức căng bề mặt 71

Hình - 46 Sơ đồ lắp thiết bị MIG-MAG loại thông thường và synergic 72

Hình - 47 Cấu tạo súng hàn 74

Hình - 48 Bộ cấp dây MIG – MAG điển hình 75

Hình - 49 so sánh dịch chuyển thông số hàn giữa nguồn có đặc tính CC và CV 76

Hình - 50 Minh họa tính tự điều chỉnh chiều dày hồ quang khi hàn MIG – MAG 77

Hình - 51 Độ dốc và tác động co thắt khi chuyển dịch ngắn mạch 77

Hình - 52 Tác động của độ dốc đến giá trị dòng ngắn mạch 78

Hình - 53 Tác động của điện kháng giảm tốc độ tăng dòng điện 79

Bảng - 22 Các nhân tố tác động đến lực co thắt 79

Hình - 54 Thiết bị hàn MIG – MAG bán tự động 80

Hình - 55 Thiết bị hàn MIG – MAG tự động (hệ tọa độ phẳng) 81

Hình - 56 Ảnh hưởng của khí bảo vệ lên tiết diện mối hàn 82

Bảng - 23 Thành phần khí bảo vệ và ứng dụng 83

Bảng - 24 Hướng dẫn chọn khí bảo vệ (hàn MIG) 84

Bảng - 25 Chọn khí bảo vệ khi hàn MAG 86

Bảng - 26 Các dây hàn thông dụng (kim loại màu) 88

Bảng - 27 Các dây hàn thông dụng (thép và thép hợp kim) 89

Hình - 57 Cách xác định các thông số hàn MIG - MAG 91

Hình - 58 Đặc tính chuyển dịch kim loại dây hàn ER70S-2(98%Ar+2%O2 / CO2) 92

Hình - 59 Đặc tính chuyển dịch dây hàn ER70S-3 / ER70S – 4 93

Hình - 60 Đặc tính chuyển dịch kim loại dây ER70S – 6 và dây thép HSLA ER110S 94

Hình - 61 Cách xác định độ nhú (ESO) 95

Hình - 63 Đường cong chảy dây hàn ER70S – x 96

Bảng - 28 Khắc phục các trục trặc khi hàn MIG - MAG 97

Bảng - 29 Hướng dẫn hiệu chỉnh các thông số khi hàn MIG - MAG 100

1 Phân loại các phương

pháp hàn

H|n l| một nguyên công công nghệ quan trọng góp mặt trong hầu hết c{c ng|nh công nghiệp Đối với công nghiệp t|u thủy, vai trò quan trọng của h|n l| hiển nhiên C{c hiễu biết s}u rộng về đặc điểm, x{c định c{c tiêu chí phù hợp để chọn lựa c{c phương ph{p h|n khi thi công sẽ góp phần to lớn n}ng cao chất lượng , năng suất lao động v| hạ gi{ th|nh sản phẩm

Việc định danh v| ph}n loại c{c phương ph{p h|n giúp cho c{n bộ kỹ thuật , c{n bộ quản lý sản xuất, nh| thiết kế thống nhất về mặt thuật ngữ v| có tầm nhìn kh{i qu{t mang tính hệ thống khi thực thi nhiệm vụ

Hai hệ thống định danh v| ph}n loại có gi{ trị to|n cầu l| hệ thống AWS v| hệ thống EN

 Hệ thống AWS do hiệp hội h|n Mỹ đề xuất v| được hầu hết c{c nước chấp nhận Hệ thống n|y ph}n c{c phương ph{p h|n theo nguồn nhiệt v| môi trường bảo vệ nguồn nhiệt v| tên gọi được mã hóa bằng c{c từ tiếng anh viết tắt có tính gợi ý v| hệ thống cao

 Hệ thống EN do c{c tổ chức tiêu chuẩn ho{ của c{c nước thuộc cộng đồng ch}u }u đề xuất Hệ thống n|y định danh c{c phương ph{p h|n bằng tập hợp 2 chữ số dạng XXX Chữ số đầu tiên thể hiện nguồn nhiệt , chữ số thứ hai cho biết môi trường bảo vệ (xỉ , khí) v| chữ số thứ ba l| ký hiệu đặc tả riêng

 TCVN cũng đã ph{t h|nh tiêu chuẩn định danh c{c thuật ngữ h|n, phần lớn l| dịch từ c{c thuật ngữ , định danh được AWS định nghĩa , nên về mặt thực chất nó không kh{c biệt nhiều so với hệ thống AWS ; ngoại trừ một số thuật ngữ được điều chỉnh theo cách gọi phổ biến ở Việt Nam

1.1.1 Định danh các phương pháp hàn theo EN

C{c định danh ký hiệu phương ph{p h|n sau đ}y được thống nhất sử dụng trên c{c bản vẽ kỹ thuật , công nghệ của c{c nước thuộc cộng đồng ch}u }u

1 C{c phương ph{p hồ quang

11 Hồ quang kim loại môi trường bảo vệ bằng xỉ

111 Hàn hồ quang với que có thuốc bọc

112 Hàn bằng bộ gá trọng lực (Gravity arc

welding)

113 Hàn hồ quang kim loại que trần

114 Hàn bằng dây có lõi thuốc (Flux cored wire)

115 Hàn bằng dây có thuốc bao ngoài (Coated

13 Hồ quang được bảo vệ bằng khí

131 Hàn MIG (hồ quang kim loại bảo vệ bằng khí

trơ

135 Hàn MAG (hồ quang kim loại bảo vệ bằng khí

hoạt hóa (oxy hoặc khữ)

136 Hồ quang kim loại bằng dây thuốc có khí

CO2 bảo vệ ngoài

14 Hồ quang điện cực không nóng chảy, bảo vệ

bằng khí

141 Hàn TIG (hồ quang tungsten bảo vệ bằng khí

trơ)

149 Hồ quang tungsten tăng cường bằng khí

hydro (Atomic-hydrogen welding)

15 Hồ quang plasma

18 Các phương pháp hồ quang khác

181 Hàn hồ quang bằng điện cực carbon

185 Hàn hồ quang xoay vòng (Rotating arc

71 Hàn nhiệt hóa (Thermit welding)

72 Hàn điện xỉ (Electro-slag welding)

73 Hàn điện khí (Electro-gas welding)

74 Hàn điện từ (Induction welding)

75 Hàn bằng chùm bức xạ năng lượng cao

78 Hàn cấy goujong (Stud welding)

781 Hàn cấy hồ quang (Arc stud welding)

782 Hàn cấy điện trở (Resistance stud welding)

Trích từ tiêu chuẩn BS EN ISO 4063

Qua danh mục nêu trên ta thấy các phương pháp hàn rất đa dạng Các phương pháp in nghiêng được sử dụng trong công nghiệp đóng và sửa chữa tàu

Bảng - 1 Định danh các phương pháp hàn thông dụng

1.1.2 Định danh theo AWS

Hình - 1 Sơ đồ ph}n loại c{c phương ph{p h|n theo AWS

1.2 Ba nguyên lý hình thành mối hàn

Để có thể hình th|nh nên mối h|n , vùng tiếp gi{p giữa hai mép h|n cần đạt đủ năng lượng v| điều kiện hóa lý để c{c nguyên tử từ hai bề mặt có thể di chuyển (khuếch t{n) v|o nhau hình th|nh nên c{c liên kết nguyên tử mới Nói c{ch kh{c , về bản chất liên kết h|n l| liên kết nguyên

tử

Có nhiều c{ch để cung cấp năng lượng v| trạng th{i bề mặt cũng như c{c điều kiện hóa lý để tạo nên mối h|n

(1) C{ch thông dụng nhất l| nung chảy vùng kim loại ở mép h|n trong điều kiện hóa lý phù hợp

, sau đó vũng chảy (bể h|n – weld pool) sẽ đông rắn lại để tạo nên mối h|n C{c phương ph{p h|n dùng nguyên lý hình th|nh mối h|n từ nguyên lý nóng chảy – đông rắn thường được gọi l| phương ph{p h|n nóng chảy (fusion processes)

(2) Ngo|i phương ph{p nóng chảy nêu trên , mối h|n còn có thể được hình th|nh bằng c{ch đốt

nóng hai bề mặt tiếp gi{p đến trên nhiệt độ t{i kết tinh (recrystallisation), sau đó tạo nên c{c biến dạng dẽo cục bộ tại khu vực h|n Trong tiến trình nguội lại , qu{ trình t{i cấu trúc của mạng tinh thể , tạo hạt sẽ hình th|nh nên mối h|n giữa hai bề mặt tiếp xúc Phương ph{p n|y

có lịch sử rất l}u đời v| thường được gọi với tên d}n gian l| “ch{y” ; thuật ngữ kỹ thuật l|

“h|n rèn – forge welding” hoặc hiện đại hơn “h|n (tiếp xúc) ở trạng th{i rắn – solide state welding“ , “h|n {p lực – pressure welding”

(3) Qu{ trình khuếch t{n c{c nguyên tử từ bề mặt n|y sang bề mặt kh{c cũng có thể diễn ra tại

mặt tiếp xúc giữa hai pha lỏng – rắn Để cho c{c nguyên tử từ pha lỏng có thể khuếch t{n v|o bề mặt rắn , kích thước v| đặc điểm c{c nguyên tử khuếch t{n v| nguyên tử trong bề mặt rắn phải có sự tương đồng về mặt luyện kim Theo thuật ngữ luyện kim , ta nói chúng có thể hình th|nh nên c{c “dung dịch rắn thay thế hoặc xen kẻ - interchange / intermediate solid solution” Phương ph{p h|n có nguyên lý hình th|nh mối h|n theo kiểu n|y thường được gọi l| “h|n vãy” 1 Phương ph{p h|n vảy được ph}n nhóm chi tiết l| h|n vảy mềm

(soldering) h|n vảy cứng (brazing) v| h|n vảy nóng chảy (braze - welding) H|n vảy mềm ,

sở dỉ có tên như thế vì vật liệu đắp (filler metal) thường kh{ mềm , khi nhiệt độ nóng chảy của vảy h|n nhỏ hơn 4500C ; cao hơn sẽ được gọi l| h|n vảy cứng (brazing) H|n vảy nóng chảy (Braze welding) thực tế chẳng có r|ng buộc n|o với “đồng hoặc thau” Thuật ngữ n|y dùng để chỉ c{c phương ph{p h|n vật liệu bẳng hợp kim cùng tinh (eutectic) l| hợp kim có cùng bản chất với kim loại nền (base metal) song có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất Ví dụ h|n nhôm bằng que đắp nhôm silic 5% sẽ được gọi l| “baze welding” 2

2

Hàn Nóng chảy

Th > Tc

Hàn ở trạng thái rắn Tkt < Th < Tc

Hàn nổ Hàn siêu âm Hàn xung từ

Hàn chì / thiếc Hàn vảy thau / bạc …

Hàn đồng / thau bằng que đắp thau

bằng que đắp nickel

ESW

Hàn que Hàn dây thuốc Hàn hồ quang chìm Hàn MIG/MAG Hàn điện khí (EGW) Hàn TIG

Hàn điểm Hàn điện cực

(projection welding) Hàn đường Hàn cụng Hàn cấy (stub welding)

Hàn cấy phóng hồ quang (Flash welding) Hàn cụng phóng hồ quang (Flash upset)

Hàn cảm ứng Hàn xung từ năng lượng cao

Hàn vảy Hàn chì mỏ hàn đồng Hàn chì (mỏ hàn điện) Hàn vảy cảm ứng Hàn vảy

Laser

Bảng - 4 Tính năng công nghệ của các phương pháp hàn / lắp:

bulong

Nguồn TWI – The Welding Institute

3

Theo danh pháp EN - 499

1.3 Đặc điểm nguồn nhiệt hàn

Hình - 2 Mật độ nguồn nhiệt của c{c phương ph{p h|n thông dụng

Khi đưa một thiết bị sấy tóc công suất

1.5-kW gần một tấm thép không gỉ 304

d|y 1.6mm ; chúng ta thấy l| vùng nung

nóng có đường kính đến 50mm , song

không thể hy vọng l| đến lúc n|o đó

tấm thép không gỉ sẽ bị nóng chảy Tr{i

lại với một hồ quang TIG (GTAW) công

suất cở 1.5kW, thì vùng nung nóng chỉ

khoảng 6mm đường kính , song tấm

thép sẽ bị đốt nóng chảy hầu như tức

thì Thí nghiệm n|y cho thấy chính mật

độ nguồn nhiệt , chứ không phải công

suất nguồn nhiệt , l| yếu tố chính khi

xem xét một nguồn năng lượng n|o đó

có thích hợp với công việc h|n hay

không

Hình 3 cho thấy quan hệ giữa mật độ

nguồn nhiệt v| nhiệt lượng chi tiết h|n

hấp thu được Ta thấy nguồn năng lượng có mật độ dòng nhiệt c|ng cao , thì nhiệt lượng hấp thu

bởi chi tiết h|n c|ng giảm Khi mật độ dòng nhiệt qu{ thấp, khu vực nung nóng ph}n t{n rộng

l|m cho việc hình th|nh vũng chảy hoặc không thể hình th|nh hoặc không thể kiểm so{t được

Rõ r|ng l| mật độ dòng nhiệt c|ng cao thì khu vực nóng chảy hình th|nh nên bể h|n (weld pool )

c|ng nhỏ, khu vực ảnh hưởng nhiệt (HAZ) c|ng hẹp Tiết diện mối h|n được thực hiện bởi

phương ph{p h|n Oxy – acetylen sẽ rộng v| nông hơn tiết diện mối h|n được thực hiện bởi

phương ph{p h|n que Đối với c{c nguồn nhiệt có mật độ cao như hồ quang plasma , LASER,

Hình - 3 : Nhiệt lượng hấp thu bởi chi tiết h|n theo mật

độ dòng nhiệt

chùm tia Electron < thì bể h|n hầu như bị đ{nh thủng tức thời , Mối h|n chỉ được hình th|nh khi lượng kim loại đắp được cung cấp đủ nhanh để lấp lại lỗ thủng 5

C{c phương ph{p h|n với mật độ dòng nhiệt cao cho phép thực hiện c{c mối h|n có độ ngấu s}u, tốc độ h|n cao l| c{c giải ph{p phù hợp cho năng suất v| chất lượng h|n

Đối với nhôm v| hợp kim nhôm , do tính chất đặc

trưng của vật liệu như dẫn nhiệt cao , độ bền nhạy

cảm với t{c động nhiệt , nên mật độ nguồn nhiệt

có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền mối hàn (Hình

3); theo đó độ bền suy giảm nhanh khi mật độ

nguồn nhiệt tăng cao C{c nhóm nhôm ho{ bền

(durable aluminium) (6061, 7039) suy giảm độ bền

nhanh hơn c{c nhóm nhôm dẽo (2019,5083)

Ở hình 5a chúng ta thấy t{c động của mật độ

nguồn nhiệt v| bề d|y chi tiết đến góc biến dạng

h|n Mật độ c|ng cao thì ảnh hưởng của bề d|y

chi tiết đến biến dạng h|n c|ng giảm

Hình 5b mô tả mối tương quan giữa mật độ

nguồn nhiệt với tốc độ h|n v| chi phí đầu tư

Ngo|i công suất nguồn nhiệt, hai yếu tố chính

quyết định mật độ nguồn nhiệt l| tiết diện ph}n

bố v| thời gian tương t{c cần thiết để tạo nên

vũng chảy

Hình - 4 quan hệ giữa công suất nguồn

nhiệt v| độ bền c{c mối h|n trên hợp kim nhôm

Hình - 5 (a) T{c động của mật độ nguồn nhiệt v| mức độ tản nhiệt khi

h|n đến biến dạng v| năng suất h|n(b) Quan hệ năng suất , chi phí đầu tư v| mật độ nguồn nhiệt

1.3.1 Tiết diện phân bố nhiệt khi hàn

 Đối với phương ph{p h|n khí : mật độ nguồn nhiệt trải rộng lên một tiết diện rộng v| tăng công suất ngọn lữa cũng đồng thời với việc tăng tiết diện nung nóng , do vậy trong phương ph{p h|n khí việc tăng công suất ngọn lữa đôi khi không mang lại hiệu quả h|n mong muốn Thực tế thì khi h|n khí Oxy – Acetylen trên thép chúng ta thường chọn công suất ngọn lữa theo bề d|y chi tiết h|n 6

 Đối với phương ph{p h|n điểm tiếp xúc : Tiết diện của điểm h|n hầu như ho|n to|n được x{c định dựa trên c{c yếu tố : độ nhấp nhô v| độ sạch của vùng tiếp xúc , đường kính mũi điện cực , {p lực rèn khi h|n Do vậy mật độ nguồn nhiệt nhỏ nhất v| lớn nhất

có thể được x{c định Vấn đề còn lại l| x{c định thời gian h|n cần thiết để điểm h|n được hình th|nh theo đúng yêu cầu 7

Hình - 6 Mật độ nguồn nhiệt , thời gian tương tác và đường kính vũng chảy

 Đối với c{c phương ph{p h|n nóng chảy mật độ năng lượng đường (Công suất / tốc độ h|n) có ý nghĩa thiết thực hơn

6

Công suất ngọn lữa OA được xác định theo lượng Acetylen tiêu thụ trong 1 giờ Đại lượng này phụ thuộc vào cở mỏ hàn được sử dụng , Như vậy , thực chất khi hàn kích cở mỏ hàn cần phải được chọn phù hợp với bề dày chi tiết được hàn

7

Nếu giả định nguồn nhiệt là phẳng và phân bố đều thì có thể ước lượng thời gian cần thiết để vũng chảy hình thành nhờ công thức thực nghiệm sau : ( tm : là thời gian hàn , HI : mật độ nguồn nhiệt )

1.3.2 Thời gian tương tác giữa nguồn nhiệt và

vũng chảy

Theo hình 6 và 7 thì nguồn nhiệt có mật độ c|ng thấp, thời gian cần để hình th|nh vũng chảy c|ng kéo d|i năng lượng tổn thất do nung nóng chi tiết h|n c|ng lớn Đối với c{c phương ph{p h|n nóng chảy thời gian tương t{c phụ thuộc v|o tốc độ h|n ; trong khi tốc độ h|n được quyết định bởi năng suất đắp v| lượng kim loại cần đắp thêm để ho|n tất tiết diện h|n

Hình - 7 Tốc độ h|n tối đa , kích thước vũng chảy theo mật độ nguồn nhiệt T.W.Eagar

Từ hình 7 ta thấy việc tăng mật độ nguồn nhiệt thúc đẩy tốc độ h|n tăng nhanh trong khi tiết diện vũng chảy có xu hướng thu hẹp , do phải di chuyển nhanh tr{nh ch{y thủng nên thời gian tương t{c giảm

Từ c{c ph}n tích trên hình 7 có thể ước lượng mật độ nguồn nhiệt theo công thức sau

Trong đó q : mật độ nguồn nhiệt (W/s 2 )

k : hiệu suất trao đổi nhiệt

Đối với c{c phương ph{p h|n hồ quang nóng chảy thì hiệu suất trao đổi nhiệt phụ thuộc v|o :

 Nhiệt độ plasma hồ

quang

 Hệ số truyền nhiệt của

môi trường bảo vệ

Hình 8 cho thấy ph}n bố tương

đối của công suất nhiệt khi h|n

Khi h|n , năng suất h|n phụ thuộc v|o năng suất đắp của vật liệu h|n (que / d}y h|n) v| phương ph{p h|n Trong khi chất lượng mối h|n, thể hiện qua cơ tính v| độ bền vững của mối hàn khi chịu tải lại phụ thuộc v|o chu trình nhiệt v| cấu trúc luyện kim của khu vực chịu t{c động của nguồn nhiệt h|n

Chu trình nhiệt h|n l| diễn biến nung nóng v| l|m nguội khi h|n phụ thuộc v|o mật độ nguồn nhiệt, c{c tính chất vật lý của kim loại h|n v| kim loại đắp , số lượt đắp v| lượng kim loại đắp cho mỗi lượt

Cấu trúc luyện kim v| độ lớn của vùng chịu tương t{c nhiệt phụ thuộc v|o mật độ nguồn nhiệt, tính chất vật lý , luyện kim của kim loại đắp v| kim loại chi tiết

Hình - 8 Ph}n bố công suất nhiệt khi h|n

Thực tế hiển nhiên l| khi vùng |nh hưởng nhiệt (HAZ) 8 c|ng lớn thì c{c tổn thất chất lượng c|ng cao Tổn thất nhẹ nhất khi h|n trên c{c vật liệu có tính h|n cực tốt l| biến dạng nhiệt Hình 9 cho thấy quan hệ giữa mật độ nguồn nhiệt v| độ rộng của HAZ

Một phương trình quen thuộc với c{c chuyên gia h|n và có tên rất ấn tượng l| phương trình EINSTEIN thể hiện quan hệ giữa độ ngấu v| thời gian t{c động nguồn nhiệt

C{c thực nghiệm để x{c định c{c hệ số ở phương trình (1) v| phương trình (2) có ý nghĩa thực tiển rất lớn đối với c{c nghiên cứu tự động hóa qu{ trình h|n

Hồ quang h|n l| :

 hiện tượng phóng điện duy trì qua chất khí ở khỏang c{ch ngắn (1 -:- 10 mm)

 điện {p thấp (15 -:- 45 V)

 v| dòng điện trung bình (5 -:- 5000 A) 9

1.4.2 Cấu tạo hồ quang

(1) Hồ quang tự do & hồ quang nén :

Hình - 10 So s{nh chiều d|i hồ quang Plasma (nén) & hồ quang TIG (tự do)

Hồ quang tự do có thể nói l| cột plasma bao gồm c{c ion dương v| }m điện tử di chuyển ngược chiều nhau , c{c phần tử n|y liên tục va chạm kết hợp v| ph}n ly để tạo nên bức xạ v| nhiệt năng Hồ quang tự do không chịu t{c động của môi trường khí bao quang nó hoặc từ trường hay c{c nh}n tố vật lý kh{c Phần lớn c{c phương ph{p h|n hồ quang sử dụng hồ quang tự do ngoại trừ phương ph{p h|n Plasma sử dụng hồ quang nén

Hồ quang nén , l| cột plasma 10 chịu t{c động mạnh của từ trường hoặc dòng khí bao quanh l|m cho chúng tập trung v| kéo d|i hơn nhằm mục đích sử dụng

Hồ quang h|n bao gồm c{c hạt mang điện , có nghĩa l| có c{c đặc tính cũng vật dẫn điện , vừa l| dòng khí plasma tốc độ cao Điều n|y cho phép :

 Dùng từ trường g}y ra c{c t{c động lên hồ quang như thổi lệch , nén

 Dùng điện trường để gia tốc , kéo d|i hồ quang

 Dùng c{c hiệu ứng khí động như dòng xóay để nén v| kéo d|i hồ quang (plasma hai dòng khí , plasma dòng nước )

Đối với hồ quang tự do , thì cột hồ quang có dạng hình chuông v| luôn hướng phần loe về phía chi tiết h|n , bất kể l| nó được gắn v|o }m cực hay dương cực Những khảo s{t chi tiết cho thấy l| cột hồ quang có thể chia th|nh ba đọan riêng biệt

Hình - 11 C{c vùng sụt {p trên hồ quang h|n

 Vết }m cực (cathode) nơi c{c electron bị bứt ra thường l| c{c điểm rất nhỏ kích thước từ

10 – 4 đến 10 -1 mm dịch chuyển ngẫu nhiên trên điện cực

 Vùng sụt {p }m cực có độ d|y khoảng 10-4 mm v| độ sụt {p khoảng 8-:-10V

 Vết dương cực (anode) nơi c{c ion dương được tạo th|nh l| một vùng bị bắn ph{ bởi c{c electron v| có kích thước phụ thuộc v|o mật độ dòng điện v| điện {p của hồ quang

 Vùng sụt {p dương cực có bề d|y 0.5 mm với sụt {p từ 6 -:-10 V

 Cột hồ quang , cột plasma có kích thước phụ thuộc v|o mật độ v| đường kính điện cực , l| nơi có nhiệt độ cao nhất với sụt {p tỉ lệ bậc nhất theo chiều d|i hồ quang

Về mặt điện thì c{c khảo s{t cho thấy tồn tại hai vùng sụt {p chủ yếu ở }m cực v| dương cực (từ

10 đến 20 V tùy môi trường khí v| chất liệu điện cực) , còn trên cột hồ quang thì sụt {p tỉ lệ bậc nhất với chiều d|i hồ quang 11 (hệ số tỉ lệ khoảng 15,7 V/cm ) 12

I : Chiều dài hồ quang

Phân bố điện trong

hồ quang hàn

Như vậy với dòng h|n lớn thì có thể bỏ qua ph}n số cuối cùng của công thức G Ayrton v| khi đó

ta có :

h

h a bL

Nói c{ch kh{c , điện {p hồ quang h|n tỉ lệ bậc nhất với chiều d|i hồ quang

Một c}u hỏi tự nhiên l| quan hệ giữa điện {p v| dòng điện trong hồ quang h|n sẽ như thế n|o ?

(2) Ph}n lọai hồ quang h|n

a Hồ quang không nóng chảy (non consumable) : l| hồ quang sinh ra giữa điện cực không

bị nóng chảy v| vũng chảy h|n , ví dụ hồ quang tungsten , hồ quang carbon Trong loại

hồ quang n|y không có c{c chuyển dịch kim loại Gồm hai dạng trực tiếp (Open arc) v| gi{n tiếp nén / không nén (transferred / non – transferred Arc)

Hình - 12 Ph}n bố nhiệt trong hồ quang TIG

b Hồ quang kim loại (metal arc) l| hồ quang ch{y giữa điện cực kim loại v| vũng chảy l|

dạng phổ biến của c{c phương ph{p h|n hồ quang trong đó điện cực cũng chính l| kim loại đắp bổ sung

(3) C{c điều kiện mồi , duy trì hồ quang h|n

Theo thực nghiệm của G Ayrton thì để hồ quang có thể ch{y được thì điện {p giữa hai cực phải đạt một gi{ trị n|o đó tùy thuộc phương ph{p h|n

Điện {p tối thiểu để duy trì hồ quang có chiều d|i L được ước lượng bằng phương trình (3) hoặc chọn bằng điện {p qui chuẩn (convention voltage).13

Điện {p mồi hồ quang thường lớn hơn nhiều điện {p duy trì v| cũng phụ thuộc v|o vật liệu h|n (que / d}y / khí / thuốc h|n)

Trong thực tế sản xuất, c{c nguồn h|n đều có điện {p không tải qui chuẩn v| điện {p n|y thường gọi l| OCV14 có gi{ trị cao hơn điện {p mồi hồ quang Đối với phương ph{p TIG , PAW việc khởi động hồ quang bằng c{ch g}y ngắn mạch giữa điện cực v| chi tiết sẽ l|m hỏng mũi điện cực nên c{c thiết bị n|y thường phải trang bị thêm mạch HF (high frequency) để mồi hồ quang

Hồ quang sẽ được khởi động khi vùng không gian giữa hai cực bị ion hóa v| trở nên dẫn điện Chúng ta có thể ion hóa vùng không gian đó bằng điện {p xoay chiều tần số cao cở 1000V (h|n TIG , PAW) hoặc l|m nóng điện cực nhờ ngắn mạch (H|n que , MIG-MAG, SAW)

Sau khi khởi động hồ quang sẽ duy trì nếu điện {p đủ cao v| vùng khí bảo vệ hồ quang chứa c{c th|nh phần dễ ion hóa (muối gốc Natri, kali, khí argon , helium, phản ứng oxy – hóa khữ giữa môi trường bảo vệ v| kim loại nóng chảy)

1.4.3 Đặc tính điện của hồ quang hàn

Hồ quang h|n có hai đặc trưng điện , cả hai đặc trưng n|y đều thể hiện quang hệ giữa điện {p v| cường độ h|n

 Đặc tính tỉnh hồ quang l| quan hệ V – I được thiết lập với chiều d|i hồ quang không đổi (hình 13)

 Đặc tính động hồ quang (thường được gọi l| đặc tính V – I của thiết bị h|n do có quan hệ chặt chẽ với m{y h|n) thể hiện quan hệ V – I khi chiều d|i hồ quang thay đổi

Quan hệ V-I của thiết bị h|n tùy phương ph{p có thể l| CC (dòng không đổi) hoặc l| CV ({p không đổi ) – Hình 14

Hình - 13 Đặc tính tỉnh hồ quang TIG v| hồ quang MIG - MAG

14

Hình - 14 C{c dạng đường đặc tính V-I của hồ quang

Đứng ở góc độ ổn định hồ quang v| chất lượng h|n , ph}n cực dương (que / d}y h|n hoặc điện cực đấu v|o cực dương của nguồn ) l| phù hợp nhất Vì khi đó t{c động tẩy sạch (clean effect) của hồ quang được ph{t huy tối đa , tốc độ đắp được n}ng cao ổn định dễ kiểm so{t

Đối với c{c phương ph{p h|n dùng điện cực không ch{y hao (non – consumable ) như phương ph{p TIG , Plasma , thì ph}n cực dương sẽ l|m cho điện cực qu{ nóng v| hiệu suất h|n giảm mạnh do ph}n bố nhiệt lượng không đều giữa hai cực Cực dương 70% , cực }m chỉ có 30% Do

đó , đối với c{c phương ph{p n|y ph}n cực }m l| giải ph{p được chọn

Về mặt thực h|nh khi h|n que , ph}n cực }m sẽ l|m cho que h|n chảy chậm hơn , kết quả l| lượng kim loại đắp bổ sung v|o bể h|n ít hơn , kéo theo nhiệt độ bể h|n cao hơn khiến cho độ ngấu của mối h|n s}u hơn Do vậy ph}n cực }m thường được chọn khi h|n lớp ngấu hoặc khi h|n ở tư thế ngang 16

Việc chọn cực tính phù hợp cũng chịu t{c động của môi trường khí bao quanh hồ quang Nhất là đối với hồ quang điện cực nóng chảy có thuốc bọc Nói c{ch kh{c chúng phụ thuộc v|o t{c nh}n ion hóa , ổn định hồ quang 17

Đối với phương ph{p h|n MIG – MAG (GMAW) thì ph}n cực dương l| chọn lựa bắt buộc , vì khi ph}n cực }m bề mặt bể h|n không được tẩy sạch oxýt nên chất lượng h|n rất xấu do nguy cơ ngậm xỉ (inclusion) , thiếu chảy cao (LOF – Lack of fusion)

Đối với c{c phương ph{p có sử dụng thuốc h|n như : phương ph{p h|n d}y thuốc (bột) (FCAW) v| hồ quang chìm (ngầm) (SAW) thì tùy thuộc v|o th|nh phần thuốc m| chọn ph}n cực }m hay dương

Một số kim loại có lớp oxýt bền vững có nhiệt độ chảy cao như nhôm , titan thì khi h|n ph}n cực dương l| chọn lựa phù hợp nhất Tuy vậy , nếu dùng phương ph{p TIG hoặc plasma với ph}n cực dương thì phải có cơ chế giải nhiệt điện cực thật hiệu quả Về mặt thực h|nh , người ta thường chọn nguồn AC không c}n bằng sẽ cho hiệu quả h|n tốt hơn

(4) Ph}n cực }m DCEN – Direct-Current Electrode Negative (DCEN , DC -)

Ph}n cực n|y còn có tên l| “cực

tính thẳng” (straight polarity), vì

chiều ph}n cực trùng với chiều

dòng điện , thường dùng trong

phương pháp hàn TIG (GTAW)

Với ph}n cực n|y , chi tiết sẽ bị

bắn ph{ bởi c{c electron , vốn có

tốc độ cao hơn nhiều so với c{c

ion dương , v| biến động năng

của chúng th|nh năng lượng

nhiệt Do không có kim loại đắp

chuyển sang từ cực }m nên bể

Kiểu ph}n cực n|y có tên kh{c l|

“cực tính ngược” (reverse polarity)

vì chiều ph}n cực ngược với chiều

qui ước của dòng điện Que hàn

đấu v|o cực dương sẽ bị đốt nóng

nhiều hơn kết quả l| khi h|n bằng

c{c điện cực kim loại (nóng chảy)

17

Cực tính có quan hệ chặt chẽ với thành phần thuốc bọc , thuốc hàn Có loại chỉ phù hợp với DCEP hoặc

AC với OCV cao hơn mức xác định nào đó ; do vậy cần tham khảo đặc điểm sử dụng que/dây/ thuốc hàn khi hàn để đạt hiệu quả cao nhất

Hình - 15 Cực tính khi hàn TIG và tác động đến độ ngấu

Hình - 16 Hiệu ứng tẩy oxýt kim loại của hồ quang phân cực dương

lượng kim loại đắp chảy nhanh hơn v| chuyển sang bể h|n , phần năng lượng nung nóng bể h|n

ít hơn (chỉ 30% ) nên bể h|n sẽ có độ ngấu cạn hơn

Lợi ích cơ bản của kiểu ph}n cực n|y l| hiệu ứng tẩy sạch trình b|y ở hình 16 Bản chất của hiệu ứng n|y l| lớp oxýt kim loại bị lấy mất c{c ion liên kết do vậy chúng sẽ ho|n nguyên l|m cho bề mặt sạch hơn Hiệu ứng n|y c|ng mạnh thì kim loại đắp c|ng trải rộng , thế nên khi h|n với ph}n cực dương ta có mối h|n ít ngấu , bề rộng mối h|n trải rộng giãm độ mô cao v| nguy cơ chồng mép , thiếu chảy Với ph}n cực n|y cần chú ý giải nhiệt kẹp điện cực

(6) Hồ quang AC

Hồ quang AC thích hợp nhất khi dòng h|n cao v| h|n c{c kim loại có lớp oxýt bền vững, nhiệt

độ nóng chảy cao như nhôm , Titan bằng phương ph{p TIG

1.4.5 Các phương thức chuyển dịch kim loại trong

hồ quang hàn

C{ch thức m| giọt kim loại nóng chảy di chuyển từ que / d}y điện cực h|n sang vũng chảy được gọi l| phương thức chuyển dịch kim loại Hiểu về phương thức dịch chuyển kim loại giúp x{c định c{c thông số v| kỹ thuật h|n thích hợp Qu{ trình thực hiện c{c "tư thế nghịch" sẽ dễ d|ng hơn khi có phương thức chuyển dịch kim loại thích hợp

Hình - 17 Lực co thắt khi h|n với c{c ph}n cực kh{c nhau Kim loại luôn dịch chuyển từ que h|n sang vũng h|n bất kể hồ quang đang ch{y với loại dòng điện , cực tính n|o C{c lực sau đ}y được tính đến v| tùy thuộc v|o mức độ tương t{c m| giọt kim loại có các kiểu dịch chuyển kh{c nhau

C{c lực hình th|nh v| chuyển dịch giọt kim loại lỏng ở đầu điện cực kim loại

(1) Trọng lực, sẽ có vai trò chủ đạo khi h|n với hồ quang d|i , mật độ dòng h|n (cường độ / tiết

diện que / d}y) thấp , sức căng bề mặt lớn

(2) Lực co thắt điện từ (pinch effect), hình 17, có vai trò chủ đạo khi h|n với đường kính que /

d}y h|n nhỏ (mật độ dòng h|n cao) Lực co thắt cùng với sức căng bề mặt sẽ quyết định kích thước giọt kim loại nóng chảy ở đầu điện cực trước khi nó t{ch ra để chuyển sang vũng chảy

h|n Khi sức căng bề mặt chiếm ưu thế, giọt kim loại tăng nhanh kích thước trước khi bị t{ch v| ngược lại, sức căng bề mặt yếu sẽ l|m kích cở c{c giọt kim loại nhỏ hơn khi bị t{ch ra

(3) {p suất bay hơi, phụ thuộc v|o phản ứng hóa lý giữa th|nh phần d}y h|n v| th|nh phần

thuốc h|n D}y/ lỏi que chứa nhiều lưu huỳnh, phospho, silic kết hợp với thuốc h|n có tính basic (đ{ vôi, cellulose) sẽ phản ứng tạo khí l|m tăng {p suất hồ quang đẩy giọt kim loại t{ch nhanh v| bay sang vũng chảy

(4) sức căng bề mặt, ngược với t{c động t{ch giọt kim loại của lực co thắt v| {p suất bay hơi, có

xu thế trì hoãn qu{ trình hình th|nh v| t{ch giọt kim loại ra khỏi đầu điện cực Sức căng bề mặt phụ thuộc v|o tính chất của môi trường bảo vệ (xỉ , khí) v| {p suất riêng của c{c khí

O2,CO,H2 Nói c{ch kh{c, sức căng bề mặt phụ thuộc v|o môi trường bảo vệ vũng chảy Xỉ sệt có tính dẫn điện kém, {p suất riêng PO2 cao sẽ l|m tăng sức căng bề mặt; trong khi xỉ

loãng , dẫn điện tốt, {p suất riêng PCO, PH2 chiếm ưu thế sẽ l|m giảm sức căng bề mặt

Khi h|n tùy thuộc v|o tương t{c giữa c{c lực m| ta có c{c phương thức chuyển dịch khác nhau

1.4.6 Hiện tƣợng thổi lệch từ

Về phương diện dẫn điện, hồ quang h|n có thể được coi như một d}y dẫn mềm v| khi đó sẽ tồn tại một từ trường bao quanh hồ quang C{c bố trí (luồng dẫn điện, vật liệu nhiểm từ, từ dư) quanh khu vực h|n sẽ l|m mất đối xứng ph}n bố từ trường quanh hồ quang ; kết quả l| hồ quang sẽ bị đẩy lệch do t{c động của lực điện từ

Cường độ v| chiều d|i hồ quang l| hai nh}n tố tăng cường thổi lệch từ Do vậy, khi h|n với cường độ cao (>600A) nên dùng cực tính AC.Bố trí c{c luồng dẫn điện (thông qua điểm tiếp mass) cũng g}y ra hiện tượng thổi lệch từ nghiêm trọng

(a) (b)

Hình - 19(a) tác động của điểm nối mass (b) Giải pháp kiểm soát thổi lệch từ khi hàn ống

Ngo|i c{c khó khăn g}y ra khi h|n , thổi lệch từ còn l| nguyên nh}n c{c khuyết tật nghiêm trông như thiếu chảy (LOF) , thiếu ngấu hoặc chồng mép , chảy xệ

Cần thực hiện c{c biện ph{p thích đ{ng để ngăn ngừa thổi lệch từ , như hình 19(b) chẳng hạn Trong trường hợp khó khăn nên chuyển sang dùng nguồn xoay chiều

Trong phương ph{p h|n que, hồ quang giữa điện cực l| que h|n có thuốc bọc v| chi tiết sẽ đốt chảy hai mép h|n cùng que h|n để tạo th|nh vũng chảy Vũng chảy v| hồ quang được bảo vệ bằng lớp xỉ v| khí sinh ra khi thuốc bọc bị đốt ch{y Trong qu{ trình nguội lại vũng chảy sẽ kết tinh th|nh mối h|n , xỉ lỏng đông rắn tạo th|nh lớp che phủ kiểm so{t tốc độ nguội của vũng chảy

2.1.2 Ƣu / nhƣợc điểm

Phương ph{p h|n que l| phương ph{p h|n có tính cơ động cao có thể h|n hầu hết c{c loại thép , hợp kim nickel, đồng v| nhôm Phương ph{p h|n có thể {p dụng được ở mọi tư thế , thích hợp cho c{c ứng dụng trên công trường v| công t{c phục hồi sửa chữa

Thiết bị h|n que đơn giản chi phí đầu tư thấp , dễ bảo trì chịu được môi trường thời tiết khắc nghiệt (hình 20)

Hình - 20 Sơ đồ lắp đặt thiết bị h|n que

H|n que sử dụng que h|n có thuốc bọc ngo|i (coated) hoặc lỏi thuốc (tubular) hoặc vừa có lỏi thuốc vừa bọc ngo|i (composite) Lớp thuốc n|y chứa c{c nguyên tố hợp kim hóa đa dạng nên h|n que có c{c ứng dụng vượt trội trong lỉnh vực h|n đắp phục hồi v| h|n c{c thép HSLA Tuy nhiên lớp xỉ tạo th|nh v| c{c tia lữa văng tóe khi h|n , phần đuôi kẹp bỏ đi l|m cho hiệu quả

sử dụng vật liệu h|n tương đối thấp (tổn thất đến 44%)

Mặt kh{c h|n que yêu cầu thợ h|n phải được huấn luyện kỹ v| có nhiều kinh nghiệm để loại trừ c{c khuyết tật h|n Rỗ bọt , nứt v| ngậm xỉ l| c{c khuyết tật thường gặp trong c{c mối h|n que với x{c suất kh{ cao

2.1.3 Đặc điểm quá trình hàn

(1) Điện cực (que h|n) có phần lõi được chế tạo từ thép “capped” có h|m lượng carbon thấp,

hoặc bằng c{c hợp kim chứa silicon với h|m lượng thích hợp (Cu-Si, Ni-Si, Al-Si) đóng vai trò dẫn điện v| bổ sung kim loại đắp cho vũng chảy Điện cực được bọc ngo|i một lớp thuốc bọc gồm c{c hợp chất tạo khí bảo vệ v| nguyên tố tăng cường tính luyện kim mối h|n được kết dính bằng silicate khi ch{y sẽ tạo môi trường có điện thế ion hóa thấp giúp hồ quang duy trì ổn định

(2) Hồ quang được bảo vệ vừa bằng c{c khí sinh ra khi ph}n hủy c{c hợp chất có trong thuốc

h|n, vừ bằng lớp xỉ lỏng có tính oxy hoá – khữ cao Th|nh phần thuốc bọc rất đa dạng , cung cấp môi trường bảo vệ phù hợp với kim loại h|n v| tăng cường c{c tính chất cơ lý của mối h|n , đ{p ứng được hầu hết c{c ứng dụng

(3) Hình 21 mô tả sơ đồ mạch h|n que điển hình Mạch h|n gồm một m{y h|n biến nguồn điện

công nghiệp 220V / 1pha hoặc 380V / 3pha th|nh nguồn điện h|n (40 -:- 80V AC/ 60 -:- 90 VDC) , hai d}y dẫn , một gắn v|o kẹp điện cực , một gắn v|o kẹp mass Mạch h|n sẽ khép kín khi que h|n chạm v|o chi tiết lúc mồi hồ quang hay khi hồ quang đã ch{y ổn định Tùy thuộc v|o que h|n đấu v|o nguồn AC hoặc cực dương hoặc cực }m m| hồ quang có cực tính

AC , DCEP , DCEN tương ứng Phần lớn c{c ứng dụng h|n đều có cực tính dương (DCEP)

Hình - 21Sơ đồ mạch h|n SMAW

(4) Khi que h|n chạm v|o chi tiết, mạch h|n bị ngắn mạch với dòng cực đại , c{c điểm tiếp xúc

nhanh chóng bị nóng chảy v| vùng không khí giữa c{c khe hở bị ion hóa Khi nhấc que h|n lên hồ quang sẽ phóng điện l|m nóng chảy thuốc bọc , que h|n v| mép h|n C{c hợp chất trong thuốc bọc (hợp chất carbonate, cellulose, oxýt titan, oxýt sắt) chịu t{c động nhiệt của hồ quang sẽ sinh ra khí CO2 , v| c{c phản ứng oxy hóa – khữ liên tục để bảo vệ vũng chảy khỏi

sự x}n nhập của c{c khí có hại như nitơ , hydro, oxy Mặt kh{c chất kết dính l| c{c silicate cũng ph}n hũy v| oxýt silic kết hợp với c{c oxýt sắt, oxýt titan để hình th|nh nên lớp xỉ lỏng

che phủ bề mặt vũng chảy Xỉ lỏng tương t{c với kim loại lỏng khữ nốt c{c tạp chất , bọt khí trước khi vũng chảy đông rắn th|nh mối hàn

Tùy thuộc v|o tính chất của xỉ v| môi trường khí bảo vệ vũng chảy, c{c giọt kim loại lỏng hình th|nh ở đầu que h|n sẽ chuyển dịch sang bể h|n theo c{c phương thức chuyển dịch kh{c nhau (tham khảo 1.4.5) Nhiệt độ hồ quang khi h|n que cỡ 50000C mật độ nguồn nhiệt cỡ 104 W/ cm2 nên vũng chảy hình th|nh gần như tức thì Khi dịch chuyển

hồ quang với một tốc độ n|o đó (tốc độ h|n) thì tùy thuộc loại v| đường kính que một lượng kim loại nhất định sẽ được đắp v|o mép h|n nóng chảy để tạo nên mối h|n Tốc

độ chậm mép h|n bị nóng chảy s}u v| rộng hơn, tốc độ nhanh độ ngấu cạn

(5) C{c dạng chuyển dịch kim loại khi h|n que

Khi h|n que , v| h|n với c{c phương ph{p bảo vệ bằng hệ xỉ (FCAW, SAW) tùy thuộc v|o tương t{c của c{c lực kim loại sẽ chuyển dịch theo 1 trong ba dạng mô tả ở hình 22

Hình - 22 C{c dạng chuyển dịch (a) phun , (b) bay tự do (c) trọng lực

Bảng - 6 Tóm tắt các dạng chuyển dịch kim loại khi hàn que

Lực Chuyển dịch phun Chuyển dịch bay tự do Chuyển dịch trọng lực

Trọng lực Yếu Hàn leo , hàn khỏi đầu Trung bình Hàn phẳng , hàn ngang Mạnh Hàn ở tư thế phẳng, ngang

Co thắt điện từ Mạnh Mật độ dòng hàn cao Trung bình Mật độ dòng trung bình Yếu Mật độ dòng thấp

Áp suất bay hơi

Thuốc hàn tạo nhiều khí cháy chậm tạo vòm tốt Thành phần dây hàn chứa nhiều silic ,nhôm

Thuốc hàn tạo khí trung bình

Hiệu ứng tạo vòm thấp Thành phần dây hàn giàu silic, nhôm

Trung bình

Xỉ có tính basic Môi trường giàu CO2, H2

Mạnh

Xỉ có tính acid Môi trường giàu oxy

2.2 Thiết bị hàn

Thiết bị quan trọng nhất máy hàn tạo ra nguồn điện h|n xoay chiều hoặc một chiều Máy hàn xoay chiều gồm hai loại biến thế h|n hoặc m{y ph{t h|n xoay chiều chạy bằng động cơ điện hoặc chạy bằng động cơ xăng , diesel Loại thứ nhất chỉ thích hợp ở trong xưởng ph{t dòng h|n có tần

số 50/60 Hz Loại thứ hai thích hợp cho c{c công trường dòng h|n thường có tần số cao (150Hz -:-

250 Hz)

M{y h|n một chiều l| tổ hợp biến {p – nắn điện (rectifier) hoặc động cơ m{y ph{t Để nắn dòng xoay chiều th|nh dòng h|n một chiều m{y h|n có thể l| loại dùng cầu diode hoặc dùng thyristor / transistor Loại thứ nhất có sụt {p trên mạch h|n lớn nên chỉ dùng trong nh| xuởng khoảng c{ch từ nơi đặt m{y đến vị trí h|n không qu{ 6m Loại thứ hai có độ sụt {p rất nhỏ, cho phép kéo d}y h|n xa đến 100 m

Điện {p không tải (OCV)của m{y :

 Xoay chiều gồm c{c trị số 40, 50,70,80 VAC Loại điện {p thấp thường có công suất nhỏ,

cơ động dùng trong c{c công việc h|n ở nơi chật hẹp xoay trở khó Loại 80 VAC dùng trong nh| xưởng sản xuất Ngo|i công trường thường trang bị loại có OCV 50 / 70VAC

 Một chiều gồm hai mức điện {p 60 v| 90VDC Loại 60VDC dùng ở công trường, loại 90V

DC dùng trong nh| xưởng

Cường độ dòng h|n có phạm vi từ 60 đến 600A (max) tùy cở m{y, phổ biến nhất l| loại có phạm

vi điều chỉnh dòng h|n từ 60 đến 300/400A

Cường độ dòng h|n có thể điều chỉnh từng cấp hoặc vô cấp

Một thông số quan trọng của m{y h|n l| hệ số công t{c (duty cycle) Hệ số công t{c l| hệ số phản ảnh cấu trúc v| khả năng tản nhiệt của m{y h|n Hệ số công t{c thay đổi theo cường độ sử dụng v| được định nghĩa như sau:

“Hệ số công t{c = thời gian duy trì ổn định dòng h|n /10 phút”

Ví dụ : hệ số công t{c 60% ở 150A có nghĩa l| m{y có thể duy trì dòng h|n ổn định trong vòng 6 phút sau đó phải chạy không tải 4 phút để l|m c{c cuộn d}y, lỏi từ được l|m nguội

Hệ số công t{c biểu hiện khả năng sinh nhiệt v| tản nhiệt của m{y, nó phụ thuộc v|o lượng sắt

từ, lương d}y đồng v| chất lượng lớp c{ch điện được sử dụng Chúng ta có quan hệ sau:

2.3 Thông số hàn[-][-]

Như đã đề cập ở mục 1.3 , mật độ nguồn nhiệt l| yếu tố chính t{c động đến qu{ trình h|n Theo (1) thì cường độ dòng h|n v| tốc độ h|n (tốc độ dịch chuyển hồ quang l| c{c thông số quan trọng bậc nhất Điện {p hồ quang h|n que sẽ thay đổi khi chiều d|i hồ quang thay đổi , song gía trị điện {p chỉ t{c động ít đến mật độ dòng nhiệt (bảng 7)

Hình 23 l| gi{ giới hạn tốc độ v| cường độ của c{c que h|n điển hình được dùng h|n kết cấu thân tàu

Tốc độ v| cường độ giới hạn của

que h|n cấp E6010

Φ1/8” (3.2mm) Các đường thẳng chỉ giới hạn thấp nhất v| cao nhất

để bảo đảm biên dạng mối h|n đồng đều v| không bị ch{y biên (undercut)

Que hàn cấp E6011 Φ1/8” (3.2mm)

Que hàn E6013 Φ1/8”(3.2mm)

Que hàn E7018 Φ1/8”(3.2mm)

Que hàn E7024 Φ1/8” (3.2mm)

Hình - 23 Tốc độ và cường độ tới hạn các cấp que hàn tàu điển hình

Bảng - 7 Điện áp giới hạn các cấp que điển hình

Que hàn Điện {p giới hạn hồ quang h|n Cực tính

(1) Có thể dùng nguồn AC với OCV > 70V

(2) Que hàn dùng trên thép HSLA

2.4 Xác định & hiệu chỉnh thông số hàn

Thông số cần x{c định (bằng thực nghiệm hoặc bằng c{c số liệu cung cấp bởi nh| cung cấp que hàn):

 Năng suất đắp l| lượng kim loại đắp thực tế trong một đơn vị thời gian (tính từ lượng kim loại đắp được từ 1 que h|n ứng với một cường độ h|n x{c định / thời gian ch{y hết một que h|n)

 Giới hạn cường độ v| tốc độ h|n ứng với kiểu mối ghép v| tư thế h|n thực tế

 Hệ số đắp l| lượng kim loại đắp được trong một đơn vị thời gian ứng với 1 Ampe dòng h|n (năng suất đắp ứng / dòng h|n x{c định)

Giả sử chúng ta đã x{c định được năng suất đắp thực tế của que h|n ứng với kiểu mối ghép v| tư thế h|n thực tế Từ tiết diện h|n ta tính được tốc độ h|n theo công thức:

So s{nh tốc độ tính to{n từ công thức (5) với tốc độ giới hạn của nhóm que tương ứng (hình 23)

để x{c định xem cường độ v| tốc độ h|n có nằm trong mức cho phép Nếu tốc độ qu{ thấp cần chia nhỏ tiết diện h|n v| tính to{n lại; qu{ cao cần giảm cường độ để có tốc độ h|n thích hợp Tính to{n mật độ năng lượng h|n (heat input)19 theo công thức Q=0.5UI/V v| từ công thức (1) hoặc hình7 để ước lượng bề rộng mối h|n có đ{p ứng được kích thước lớp đắp v| hình 9 để ước lượng độ rộng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) Lưu đồ tính to{n như hình 24

19

Thông số qui trình h|n v| nhóm que h|n phụ thuộc v|o ứng dụng v| yêu cầu cơ lý của mối hàn Việc thực hiện v| kết quả , chất lượng qui trình h|n phụ thuộc v|o năng lực thi công h|n (thiết bị, trình độ thợ) Đó l| lý do Qui trình h|n phải được đăng kiểm v| l| minh chứng / t|i sản riêng của từng đơn vị

Năng suất đắp thực nghiệm

hoặc từ số liệu cung cấp

Ước lượng tốc độ hàn theo

Tính toán mật độ năng lượng

2.5 Que hàn

2.5.1 Vai trò của thuốc bọc que hàn

C{c đặc trưng công nghệ v| tính chất cơ lý của mối h|n phụ thuộc chủ yếu v|o thuốc bọc Th|nh phần của lỏi que có t{c dụng rất ít

Thưốc bọc que h|n đảm nhiệm c{c chức năng sau :

 Tạo ra môi trường khí v| xỉ để bảo vệ hồ quang v| vũng chảy h|n

 Cung cấp c{c nguyên tố tạo xỉ nhằm khữ oxýt, l|m mịn hạt, chống nứt nóng v| nứt nguội

 Giúp g}y hồ quang, ổn định hồ quang khi h|n

 Tạo vòm v| môi trường để có c{c phương thức chuyển dịch kim loại thích hợp Che phủ v| bảo vệ vũng chảy khi đông rắn để kiểm so{t tốc độ nguội mối h|n

 Cung cấp c{c nguyên tố hợp kim đ{p ứng yêu cầu riêng về tính chất cơ lý của mối h|n Thuốc bọc được ép đùn b{m chặt v|o lỏi que với bề d|y thích hợp Có ba nhóm que được ph}n cấp theo bề d|y:

 Nhóm thuốc bọc mỏng có tỉ lệ D/d ~ 1.1 – 1.2

 Nhóm thuốc bọc trung bình , tỉ lệ D/d ~ 1.3 – 1.4

 V| nhóm thuốc bọc d|y , tỉ lệ D/d > 1.4

Độ d|y thuốc bọc có quan hệ chặt chẽ với độ d|y lớp xỉ hình th|nh

 Lớp xỉ d|y, vũng chảy đông rắn v| nguội chậm nên mối h|n có xu thế hơi lõm, bề mặt nhẳn v| đẹp

 Lớp xỉ trung bình cho tiết diên hơi mô cao hoặc phẳng c{c vảy h|n hơi thô

 Lớp xỉ mỏng cho tiết diện h|n mô cao , c{c vảy h|n thô

3 2

Bảng - 8 Chức năng của các hợp chất có trong thuốc bọc que hàn

CHỨC NĂNG HỢP CHẤT

Khữ Oxýt

Mangan và silic Aluminium và titanium hoàn thành các tác dụng của Mn và Si tạo ra các hợp chất vô hại cho cơ tính mối hàn

Oxy hóa Thạch anh , ferro-silicates

Hợp chất khữ Ferromanganese, ferrotitanium

Ion hóa Silicate Na2SiO2 hoặc K2SiO2

Khữ hợp chất Nitrua Ferrosilicium, cellulose, bột talc, titanium

Chất trợ dung Rutile (TIO2), silica, fluorspar (Ca2F), cryolite

Mồi và Duy trì hồ

quang Ferro-oxides và titanium oxide

Tăng độ ngấu Cellulose

Làm loãng xỉ Oxýt sắt

Acid (A ) và Rutile Acid (AR)

Que hàn Cellulosic thuốc bọc chủ yếu là các hợp chất cellulose khi cháy sẽ sinh ra khí

CO2 bảo vệ vũng hàn Mối hàn mấp mô , Tốc độ chảy cao

Tính chất:

Ngấu sâu , hàn ở mọi vị thế

Thích hợp khi hàn tuột

Cơ tính tương đối tốt

Hàm lượng Hydrogen trong mối hàn cao Dễ bị nứt ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)

Que hàn Rutile Thành phần chủ yếu là Oxýt Titan giúp cho hồ quang dễ mồi và duy trì

, ít văng tóe.Hàn được với nguồn AC hay DC ở mọi tư thế Đặc biệt thích hợp cho mối hàn góc tư thế ngang hoặc đứng

Tính chất:

Cơ tính trung bình

Mối hàn phẳng đẹp

Khi cho thêm hợp chất Flour có thể hàn tốt ở tư thế ngược

Xỉ rắn dễ tróc

Que hàn Basic Thành phần chủ yếu là Carbonate Calcium (đá vôi) và Calcium

Flouride Xỉ loãng hơn loại rutile Kim loại hàn đông rắn nhanh thích hợp cho các tư thế hàn leo hoặc khỏi Đây là loại que hàn thích hợp để hàn các kết cấu lớn với chất lượng cao Cơ tính mối hàn rất tốt đặc biệt có tính chống nứt nguội cao do hàm lượng khí Hydrogen trong mối hàn rất thấp nên còn gọi là que hàn Hydrogen thấp (Low Hydrogen) Tính chất:

Hàm lượng khí Hydrogen trong mối hàn rất thấp

Dòng hàn và tốc độ hàn khá cao

Bề mặt mối hàn thô hơi mô cao

Xỉ dạng bột mịn khó tẩy

Que hàn Oxydant Thành phần chủ yếu là bột sắt và các kim loại có lợi cho

quá trình luyện kim hàn Có thể hàn được với dòng rất cao , hệ số đắp lớn (130  140 % ) , xỉ dễ tróc Chủ yếu được dùng ở tư thế phẵng hoặc ngang Độ ngấu thấp , thích hợp cho các công việc hàn đắp

Que hàn Acid Thành phần chủ yếu là oxýt sắt và oxýt mangan , khả năng quá dòng cao ,

xỉ dễ tróc , mối hàn đẹp Dễ bị nứt nóng khi hàn thép có C% > 0,24

Xu thế hiện nay là tạo ra các chủng loại que hàn đa thành phần ( ví dụ loại AR ) hoặc thay đổi cấu trúc thuốc bọc (loại RR , que hàn lõi thuốc TUBULAR)

Độ ngấu

Chất lượng mối hàn

Dòng điện Khói

Các tính chất khác

2.6 Phân nhĩm que hàn theo

đặc trưng cơng nghệ

Nhĩm đơng rắn nhanh (Fast-Freeze)

Nhĩm đắp nhanh (Fast-Fill)

Exx27 Khoáng & và khoảng 50% bột sắt AC hoặc DC

Nhĩm đơng và đắp trung bình (Fill-Freeze)

Exx14 Rutile & khoảng 30% bột sắt AC hoặc DC

Nhĩm giảm hydro với đặc tính đông nhanh “Fill-Freeze”

Exx18 Giảm hydro & khoảng 30% bột sắt DC hoặc AC

Nhĩm giảm hydro với đặc tính đắp nhanh “Fast-Fill”

Exx28 Giảm hydro và chứa khoãng 50% bột sắt AC or DC

Nhĩm hàn thép hợp kim đặc tính đơng và đắp trung bình

Exx18 Giảm hy dro và chứa khoảng 30% bột sắt DC or AC

2.7 Kỹ thuật hàn

2.7.1 Que đơng nhanh ―Fast-Freeze‖

Trừ phi có những chú dẫn đặc biệt , ta dùng dòng DCEP ( DC+), que hàn gắn vào cực dương với loại Exx10 và AC với loại Exx11 Loại Exx11 có thể hàn với cực tính DC+ và dòng thấp hơn 10% so với khi hàn AC Cực tính DCEN ( DC-) hoặc AC thích hợp hơn với que E6022.Chú ý luôn hiệu chỉnh dòng sao cho có thể kiểm soát vũng chảy dễ dàng

– Giữ chiều dài hồ quang cở 1/8” (3.2 MM) hoặc ngắn hơn , có thể tỳ nhẹ đầu que vào vật hàn Di chuyển đủ nhanh để đầu que luôn nằm phía duôi vũng chảy Dùng dòng điện cao hơn trị số trung bình của khoảng dòng điện tham khảo

– Dùng que có đường kính nhỏ hơn 3/16” Khi hàn tuột thì dùng kỹ thuật hàn kéo như khi hàn ống lớp lót và hàn tôn mõng Hàn leo được áp dụng khi hàn tấm dày Tạo lớp lót bằng kỹ thuật “whipping” (Nhảy cóc) khi hàn leo mối vát V hoặc mối hàn góc Các lớp kế tiếp dùng cách dịch que kiểu hộp hoặc ZigZag kết hợp với dừng ở hai biên để bảo đảm độ ngấu và tránh ngậm xỉ ở biên mối hàn Dùng dòng điện thấp hơn trung bình của khoảng dòng điện tham khảo

– Dùng que có đường kính nhỏ hơn 3/16”.Các mối hàn này cần được lắp đầy bằng các mối hàn thẳng (Không lắc que) kế tiếp nhau Có thể dùng kỹ thuật như khi hàn lớp lót tư thế leo

– Dùng cực tính DC-, que hàn gắn vào cực âm, giữ chiều dài hồ quang 1/16” hoặc dài hơn Di chuyển nhanh song vẫn bảo đảm sự nóng chảy của mép hàn Chi tiết đặt nghiêng 450 và hàn tuột dùng dòng trung bình của khoảng dòng điện tham khảo

– Cần tiến hành thử nghiệm quy trình hàn để xác định cở que và cực tính thích hợp với bề dày thành ống , chất lượng bền yêu cầu cũng như thành phần hóa học của kim loại hàn

- Giữ que hàn trong mặt phẳng 450 và dùng kỹ thuật hàn phẳng nêu trên Đầu que hàn cần duy trì tiếp xúc với cả hai mặt vách của chi tiết hàn