bài giảng Các phương pháp hàn

Phương pháp hàn dưới nước được sử dụng trong tất cả các quá trình từ xây dựng sửa chữa, lắp đặt cũng như bảo trì.. Ưu nhược điểm của hàn hồ quang dưới nước Ưu điểm Ưu điểm lớn nhất của p

Công nghệ hàn dưới nước – Underwater welding

Hàn dưới nước là gì?

Hàn dưới nước là phương pháp hàn hồ quang điện đặc biệt được tiến hành dưới nước Que hàn có hai lớp thuốc bọc: 1 lớp bên trong có tính năng như thuốc bọc que hàn thông thường, 1 lớp bên ngoài có tính năng cách nước Một đặc điểm của hàn dưới nước là thường có chiều dài mối hàn ngắn Phương pháp hàn dưới nước được sử dụng trong tất cả các quá trình từ xây dựng sửa chữa, lắp đặt cũng như bảo trì

Hàn dưới nước trong khai thác dầu khíNguyên lý của hàn dưới nước

Phương pháp hàn dưới nước dựa vào khả năng cháy ổn định hồ quang trong bong bóng khí dưới sự làm mát cực của môi trường nước xung quanh Nhiệt của hồ quang được tạo ra giữa que hàn và vật được hàn làm nóng chảy vật liệu cơ bản

Sự nóng chảy Lõi của que hàn, các hạt kim loại có trong thuốc bọc và một phần của vật liệu cơ bản tạo nên vũng hàn và đông đặc thành mối hàn

Ưu nhược điểm của hàn hồ quang dưới nước

Ưu điểm

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là có thể thao tác trong môi trường nước

☺ Có khả năng linh hoạt dưới nước, có tính linh động cao

☺ Có thể hàn ở nhiều vị trí, tư thế

☺ Vùng ảnh hưởng nhiệt của phương pháp này nhỏ

Nhược điểm

☹ Công tác chuẩn bị trước khi hàn phức tạp

☹ Việc thi công hàn dưới nước gặp nhiều khó khăn, trở ngại

☹ Chất lượng mối hàn chủ yếu phụ thuộc vào trình độ tay nghề của thợ hàn

☹ Thiết bị phục vụ cho công tác hàn rất nhiều và tốn kém.

☹ Độc hại cho môi trường, đặc biệt là nguồn nước

☹ Khó quan sát khi hàn

Hàn hồ quang dưới nước là phương pháp hiệu quả sử dụng phương pháp làm nóng chảy tại điểm hàn sau đó hóa cứng mối hàn bằng cách sử dụng dòng hồ quang có mật độ năng lượng cao Tuy nhiên sự tan chảy và đông cứng nhanh chóng gây ra các ảnh hưởng đến cơ tính kim loại của mối hàn Do đó khi sử dụng phương pháp hàn dưới nước cần phải chú ý đến tốc độ làm mát cực nhanh gây ra bởi môi trường nước xung quanh và ảnh hưởng của môi trường giàu khí hidro gây

ra bởi dòng hồ quang Áp suất cao cũng gây ra các ảnh hưởng đến dòng hồ quang Đây là các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng của mối hàn trong phương pháp hàn dưới nước

Phân loại hàn dưới nước

Có một số phương pháp để phân loại hàn dưới nước một trong các phương pháp đó là phân loại theo môi trường hàn Chúng ta có thể phân loại thành các loại sau:

Phân loại hàn dưới nướcHàn trong giếng kín (Cofferdam)

Phương pháp này là dùng buồng khô để chứa toàn bộ vùng hàn và có lỗ mở trên mực nước biển, do đó áp lực môi trường xung quanh bên trong giống như áp lực bề mặt Chúng ta có thể thấy phương pháp này được áp dụng dễ dàng với các mối hàn gần bề mặt nước Phương pháp hàn ở đây tương tự như các phương pháp hàn trong không khí bình thường.Hàn trong buồng kín (Atmospheric pressure)

Giống như phương pháp trên tuy nhiên buồng đóng được sử dụng Nước được đẩy ra nhờ áp suất khí Lúc này áp suất khí bên trong sẽ giảm xuống bằng với mức áp suất khí quyển Phương pháp hàn ở đây tương tự như các phương pháp hàn trong không khí bình thường

Phương pháp hàn trong buồng kín với áp suất cao (Hyperbaric)

Áp lực bên trong buồng giữ áp suất hơi cao hơn so với áp lực môi trường xung quanh Phương pháp hàn phù hợp với áp lực cao cần được sử dụng trong trường hợp này Phương pháp này cũng đòi hỏi chi phí cao và thời gian để thiết lập điều kiện hàn tốt dưới độ sâu lớn.

Phương pháp hàn khô tại điểm hàn (Local dry)

Phương pháp này sử dụng thiết bị đặc biệt để tạo ra tình trạng khô tại khoảng hàn Tất cả khu vực bao quanh mối hàn đều nằm trong môi trường nước Phương pháp này tiết kiệm chi phí hơn so với các phương pháp hàn buồng kín, tuy nhiên chúng ta phải quan tâm đến khả năng làm khô, cũng như đảm bảo cơ tính của mối hàn

Hàn ướt đơn thuần

Đây là phương pháp hàn đơn giản nhất, nhưng nó có các khó khăn trong việc đảm bảo chất lượng mối hàn

Các rủi ro khi hàn dưới nước:

Có thể xảy ra rủi ro bị điện giật cho thợ hàn/thợ lặn Cần đưa ra các biện pháp đề phòng bao gồm tiêu chuẩn cách điện thích hợp cho thiết bị hàn, thiết bị đóng ngắt, cắt nguồn điện ngay khi tắt hồ quang và giới hạn điện áp mạch hở thích hợp cho máy hàn Rủi ro thứ hai là hydro và oxy được tạo ra bởi hồ quang khi hàn ướt Cần phòng ngừa khả năng hình thành các túi khí, tạo ra nguy cơ gây nổ

Rủi ro khác ảnh hưởng tới thợ hàn/thợ lặn từ nitơ thâm nhập vào máu khi tiếp xúc với không khí tại áp suất gia tăng Biện pháp phòng ngừa là cung cấp nguồn khí dự phòng và buồng giảm áp để tránh nguy cơ rơi vào trạng thái mê man do nitơ gây nên khi lên bờ nhanh

Với những kết cấu được hàn dưới nước bằng phương pháp hàn ướt, việc kiểm tra mối hàn có thể khó khăn hơn Việc đảm bảo chất lượng mối hàn đồng bộ cũng không dễ dàng và mối hàn có thể có khuyết tật nhưng không phát hiện được

Hàn ma sát

Định nghĩa hàn ma sát

Hàn ma sát là quá trình hàn áp lực ,sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giửa hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo ,sau đó dùng lực ép để ép hai chi tiết lại với nhau làm cho kim loại mép hàn khuếch tán sang nhau tạo thành mối hàn.Hàn ma sát

✪ Tiếng anh:Friction welding/Friction Stir Welding

✪ Pháp:Soudage par friction

✪ Ít hao phí vật liệu ,tiết kiệm kim loại

✪ Thời gian hàn cực nhanh ,năng suất cao

✪ Không phát xạ độc hại(khói độc, bắn tóe,bức xạ điện tử ngoại, )

✪ Khả năng chế tạo lại và điều khiển các thông số quá trình hàn tốt

✪ Không cần bổ sung kim loại phụ

✪ Dễ dàng tích hợp quá trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động

✪ Độ chính xác của các chi tiết hàn cao (kể cả khi hàn tiết diện đặc biệt )

✪ Hàn được các kim loại khác loại với nhau

✪ Cơ tính mối hàn rất tốt

✪ Hàn được các loại tiết diện khác nhau

✪ Môi trường sản xuất sạch

✪ Không yêu cầu cao về tay nghề của công nhân

✪ Khuyết tật mối hàn hầu như không có

✪ Không cần yêu cầu tiết diện của 2 chi tiết phải giống nhau

Nhược điểm hàn ma sát:

✪ Mối hàn lồi bavia nên mất công cắt bỏ

✪ Chiều dài của chi tiết hàn bị giảm

✪ Thiết bị hàn đắt tiền

✪ Kích thước của chi tiết hàn bị hạn chế

✪ Kông hàn được kết cấu quá phức tạp

✪ Từ năm 1956, kỹ thuật này đã được đưa vào nghiên cứu tại Sở nghiên cứu kỹ thuật hàn Soviet (VNIESO) và được coi

là kỹ thuật bí mật của Nga

✪ Năm 1960, thông tin về kỹ thuật này lọt vào tay của Kỹ thuật Điều tra Đoàn của Nhật bản trong khi đoàn điều tra này đang ở Nga, (trong những năm ở thập kỷ (19)70, chính phủ Nhật hỗ trợ thành lập các đoàn điều tra kỹ thuật, cử các kỹ sư giỏi đi tham quan các xí nghiệp ngoại quốc để học tập, thực ra là một dạng điệp viên kinh tế), lập tức các thông tin kỹ thuật được chuyển về Tokyo và Hiệp hội nghiên cứu kỹ thuật hàn của Anh Quốc (BWRA)

✪ Năm 1961 người Nhật công bố kỹ thuật hàn ma sát xoay và bắt đầu ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật chế tạo phụ tùng

xe hơi

✪ Năm 1962, hãng chế tạo máy dệt Toyota bắt đầu đưa vào chế tạo máy hàn ma sát xoay hàng loạt dạng Brake

✪ Năm 1964, thiết lập Hội nghiên cứu hàn ma sát, bắt đầu nghiên cứu hàn ma sát trên nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo

cơ sở lý thuyết cho ra đời các quy chuẩn về hàn ma sát JIS 3607

✪ Năm 1998 hãng Izumi được ủy thác chế tạo toàn bộ từ kỹ thuật bàn giao của Toyota đã chế tạo thành công máy hàn

ma sát NC Máy hàn ma sát có khả năng hàn 2 loại vật liệu khác nhau với đường kính nhỏ nhất là 1.6mm

Có thể nói kỹ thuật này do người Nga khởi đầu và người Nhật đã cải tiến và ứng dụng thành công

Hàn ma sát quay

Hàn ma sát quay là loại hàn phổ biến nhất của hàn ma sát và trở thành tiêu chuẩn công nghiệp trong hàn các ống khoan, cần khoan, trục bánh xe, trục quay, cần piston Hàn ma sát xoay bao gồm việc giữ một bộ phận trong khi quay bộ phận khác và đưa chúng lại gần nhau

Thứ tự của phương pháp hàn này như sau:

Khâu chuẩn bị

Khâu chuẩn bị hàn ma sát xoay Một bộ phận được giữ cố định, một bộ phận khác được giữ trên mâm cặp xoayBước quay 1

Bước quay 1 trong hàn ma sát quay Mâm cặp tăng tốc độ xoay và bắt đầu tiếp xúc với bộ phận cố định.Bước quay 2

Bước quay 2 trong hàn ma sát quay Lực ép tiếp tục được tăng cho đến khi kim loại dẻo bắt đầu bị đẩy ra khỏi bề mặt

tiếp hàn tiếp xúc Bước này tiếp tục cho đến lúc một lượng kim loại dẻo vừa đủ được đẩy ra

Bước rèn

Bước rèn trong hàn ma sát quay Mâm cặp ngừng xoay, lực nén tăng, hai phần kim loại bắt đầu được rèn với nhau.Kết thúc

Kết thúc hàn quay Quá trình hàn kết thúc, toàn bộ mối hàn trở thành đồng nhất.

Hàn ma sát xoay là một phương pháp linh động, có thể khả dụng với các loại kim loại khác nhau Các tham số ảnh hưởng đến mối hàn bao gồm: tốc độ xoay, lực nén, thời gian xoay tùy từng chất liệu kích cỡ của mối hàn mà người ta điều chỉnh cho thích hợp

Hàn nhiệt nhômĐặc điểm

✪ Thể tích hàn lớn

✪ Thời gian kết tinh của vũng hàn cực kỳ lâu và thu được tổ chức đúc, đảm bảo cơ tính mối hàn

✪ Hàn nhiệt nhôm có thể được điều khiển từ xa giảm thiểu các rủi ro cho người thực hiện

✪ Tuy nhiên phương pháp này đỏi hỏi phải thay thế khuôn đúc, cũng như gặp bất lợi khi gặp điều kiện thời tiết xấu nếu làm việc ngoài trời

Phạm vi ứng dụng

✪ Ngày nay thì ứng dụng chính của phương pháp này là hàn các đường ray xe lửa

Lịch sử phát triển

✪ Nó được phát triển bởi Hans Goldschmidt khoảng năm 1895

✪ Kim loại màu đầu tiên ứng dụng cho hàn nhiệt nhôm được phát triển vào năm 1938 bởi Tiến sĩ Charles Cadwell, một chuyên gia ở viện khoa học ứng dụng (Trường Đại học Case Western Reserve), ở Cleveland, Ohio Việc sử dụng đầu tiên

là quá trình hàn đường ray xe lửa

✪ John H Deppeler Jr là người được cấp bằng sáng chế của Mỹ số1671412

Các bước trong hàn nhiệt nhôm

Hàn nhiệt nhôm là một phương pháp hiệu quả, có tính di động cao, là phương pháp được áp dụng cho hàn các chi tiết thép kết cấu như là các ray đường sắt Bản chất của hàn nhiệt nhôm là một quá trình đúc Nhiệt độ đầu vào cao và các đặc điểm quá trình luyện kim của hàn nhiệt nhôm làm cho phương pháp này phù hợp với hàn thép độ cứng cao Hàn nhiệt nhôm thường được ứng dụng trong làm hệ thống đường ray tàu hỏa

Hàn nhiệt nhôm là một quá trình yêu cầu người thực hiện phải có kỹ năng Phương pháp hàn chỉ được vận hành bởi những công nhân đã có chứng chỉ về phương pháp hàn này

Tùy từng loại mối hàn mà chi tiết quá trình là khác nhau, nhưng quá trình hàn nói chung có thể chia thành 6 công đoạn như sau:

1

Chuẩn bị cẩn thận khe hở giữa hai thanh ray

Khe hở cần được đo bằng thước thẳng, eke để đảm bảo mối hàn phẳng, thẳng

2

Khuôn mẫu bằng vật liệu chịu nhiệt được sản xuất khớp với từng loại ray Nó được kẹp cố định tại khoảng nối giữa hai ray Giá lắp cho buồng đốt nhiệt nhôm được gắn vào

Khoang hàn bên trong khuôn được làm nóng bằng ngọn lửa gas-oxy với áp lực và thời gian làm nóng được quy định theo từng loại thép

Chất lượng mối hàn sẽ hoàn toàn phụ thuộc vào quá trình nung nóng sơ bộ này

4

Thành phần thuốc nhiệt nhôm được sản xuất để dung cấp thép lỏng có tính chất kim loại phù hợp với tính chất của kim loại đường ray được hàn Sau khi hoàn tất quá trình gia nhiệt mối hàn, khay chứa thuốc nhiệt nhôm được lắp lên trên miệng khuôn Quá trình phản ứng nhiệt nhôm xảy ra sau khi được mồi giúp tạo ra thép nóng chảy Thép nóng chảy có nhiệt độ cao khoảng 2500 độ C được tạo ra và chảy xuống khoang mối hàn

5

Liên kết hàn được để làm mát tự nhiên trong một khoảng thời gian quy đinh, sau đó khuôn mẫu được lấy ra, các phần thép thừa được cắt bởi thiết bị cắt thủy lực

6

Khi khớp nối nguội được làm sạch, loại bỏ các phần dư thừa đảm bảo mặt mối hàn bằng với mặt đường ray, hình dạng khớp với đường ray

Các mối hàn này sẽ được kiểm tra trước khi được đưa vào sử dụng

Sau khi mối hàn được kiểm tra về chất lượng, đảm bảo yêu cầu thì tuổi thọ của nó tương đương với tuổi thọ của đường ray, và không phải bảo dưỡng khi sử dụng

Phương pháp hàn nhiệt nhôm này có thể được thực hiện quanh năm, không cần các thiết bị hạng nặng Nó có thể được đưa đến nới cần hàn bởi chỉ một đội hai người Tất cả các thiết bị kể cả gas, khuôn mẫu, máy cắt thủy lực có thể được mang tới địa điểm làm việc bằng một xe bán tải bình thường

Hàn tia điện tử

Định nghĩa hàn chùm tia điện tử

Hàn chùm tia điện tử (Electron beam welding (EBW) là quá trình hàn nóng chảy,sử dụng năng lượng siêu cao của chùm tia điện tử hội tụ ở mật độ lớn để làm nóng chảy mép hàn ,sau khi đông đặc ta thu được liên kết hàn.Sơ đồ nguyên lý của hàn chùm tia điện tử

Nguyên lý hàn chùm tia điện tửNguyên lý tạo chùm tia điện tử

✪ Khi hai điện cực chịu một điện áp đủ lớn ,sẽ sinh ra một chùm tia điện tử phóng từ cực âm sang cực dương

✪ Điện áp giữa hai điện cực càng lớn thì tốc độ của chùm tia điện tử càng cao

✪ Tia điện tử không bị tổn hao năng lượng do chuyển đi trong môi trường chân không do đó hội tụ ở mật độ lớn thì năng lượng của chúng sẽ rất cao, khả năng xuyên thấu của chúng sẽ lớn hơn

Ưu điểm

✪ Hàn được chiều dày tấm mỏng khoảng:0,01mm

✪ Chiều sâu ngấu đạt được: 200mm

✪ Tỷ lệ chiều rộng mối hàn/chiều sâu ngấu đến 1/40

✪ Sự phát xạ của tia X trong quá trình hàn gây nguy hại cho công nhân

✪ Làm sạch bề mặt ,và phải chuẩn bị mép hàn không có khe hở

✪ Tốc độ nguội nhanh cũng là một yếu điểm của phương pháp hàn này

✪ Hàn chùm tia điện tử không thể hàn được với các kim loại áp xuất hóa hơi cao ở nhiệt độ nóng chảy như hợp kim của kẽm, cadimi, magie và đa số các chất liệu không phải kiem loại.

✪ Thường hàn không cần vật liệu bổ xung

✪ Có thể hàn liên tục hoặc hàn xung, tốc độ hàn nhanh mà cẫn đảm bảo chất lượng mối hàn

✪ Hàn được nhiều loại vật liệu kim loại cũng nhu phi kim như chất dẻo ,gốm…

✪ Liên kết hàn có biến dạng cực nhỏ do năng lượng được tập trung, tổn hao năng lượng thấp

✪ Vùng ảnh hưởng nhiệt, bề rộng mối hàn cực nhỏ do năng lượng tập trung cao (tỷ lệ chiều sâu ngấu và bề rộng mối hàn đến 10:1)

✪ Tốc độ hàn rất cao và dễ cơ khí hóa ,tự động hóa (CNC)

✪ Có thể hàn 1 lượt với chiều dày vật liệu đến 30 mm

✪ Có thể hàn tấm rất mỏng đến tấm rất dày trên cùng một thiết bị nhờ điều chỉnh tiêu cự của hệ thống laser

✪ Có thể hàn các tấm vật liệu kim loại, hợp kim khác nhau

✪ Có thể hàn trong các điều kiện có từ trường cao

Nhược điểm

✪ Vật liệu có khả năng phản xạ ánh sáng cao sẽ làm lệch chùn tia laser và làm giảm hiệu quả hàn

✪ Tốc độ nguội nhanh làm mối hàn có nguy cơ rổ khí và bị dòn

✪ Bức xạ nhiệt ,bức xạ tử ngoại , lớn gây nguy hiểm cho người đứng gần thiết bị

✪ Thiết bị đắt tiền

✪ Đầu tư đào tạo thợ vận hành, cũng như người bao dưỡng thiết bị cao, chi phí sửa chữa là cao do đó cũng hạn chế việc công nghệ này được phổ biến rộng

Ứng dụng của hàn laser:

✪ Là phương pháp hàn tiến ,rất có triển vọng ,ứng dụng đa dạng

✪ Được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo yêu cầu chất lượng cao ,độ chính xác cao như công nghiệp vũ trụ, quân sự, y tế…

✪ Hàn các chi tiết phức tạp: vành bánh răng với thân bánh răng, đồ trang sức, trục bậc, thiết bị chính xác, giáp mối ống,linh kiện điện tử, kim loại màu

Nguồn laser CO2

Laser CO2 là nguồn phát laser sử dụng hỗn hợp khí chủ yếu là CO2 ( CO2 + He + N2 có thể thêm một ít H2, hơi nước

có hoặc không có Xenon ) làm môi trường kích hoạt laser Trong đó nguồn năng lượng kích thích các điện tử trong hỗn hợp khí ở đây có thể là nguồn DC hoặc AC có tần số biến thiên nằm trong dải sóng radio Các phân tử Nito trong hỗn hợp khí sẽ nhận các kích thích của điện trường dao động và chuyền các dao động này sang các phân tử CO2 khi chúng

va chạm với nhau Các phân tử CO2 khi nhận được năng lượng dao động tích luy đến một mức nào đó sẽ phát ra các bức xạ

Heli trong hỗn hợp giúp làm nghèo hóa mức laser thấp và đảm nhiệm chức năng truyền nhiệt ra thành ống vì Heli có hệ

số truyền nhiệt lớn Điều này sẽ giúp kéo dài tuổi thọ của ống phóng

Trong quá trình phóng điện CO2 thường bị phân rã thành Khí CO và O2 điều này làm cho thiết bị giảm dâng tuổi thọ do

đó người ta cho thêm hydro hoặc hơi nước để giúp chuyển khi CO sinh ra về dạng khí CO2