CHƯƠNG 8 hàn và cắt BẰNG KHÍ

Hàn khí là quá trình nung nóng vật hàn và que hàn đến trạng thái hàn: kim loại nóng chảy bằng ngọn lửa của khí cháy C2H2; CH4 ; C6H6 … với O2.. Sơ đồ chung của một trạm hàn khí Các thiết

CHƯƠNG 8:

HÀN VÀ CẮT BẰNG KHÍ.

8.1 THỰC CHẤT, ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA HÀN KHÍ

8.1.1.Thực chất.

Hàn khí là quá trình nung nóng vật hàn và que hàn đến trạng thái hàn: kim loại nóng chảy bằng ngọn lửa của khí cháy (C2H2; CH4 ; C6H6 …) với O2

8.1.2.Đặc điểm của hàn khí:

- Hàn khí có các đặc điểm sau:

+ Thiết bị hàn đơn giản và rẻ tiền

+ Có thể hàn được nhiều vật liệu khác nhau như thép, gang, đồng, nhôm…

+ Hàn những vật liệu nhiệt độ chảy thấp, các kết cấu mỏng

+ Nhược điểm lớn nhất của hàn khí là vật hàn dễ bị biến dạng, cong vênh, năng suất hàn thấp hơn

8.1.3.Ứng dụng của hàn khí:

- Hàn khí có các công dụng sau:

+ Hàn khí được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy xí nghiệp và công trường

+ Đối với một số thép thường, kim loại màu, sữa chữa các chi tiết đúc bằng gang, hàn nối các ống có đường kính nhỏ và trung bình… hàn khí đóng vai trò khá quan trọng

8.2 VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ HÀN KHÍ

8.2.1 Vật liệu hàn khí

8.2.1.1 Khí oxy (O2): Để hàn và cắt ta dùng O2 có độ tinh khiết cao gọi là Oxy kỹ thuật(nồng

độ gần như nguyên chất 99.2%) duy trì sự cháy rất tốt Oxy càng tinh khiết thì tốc độ cắt càng cao, mép cắt càng gọn sạch và tiêu phí Oxy càng ít

- Để sản xuất Oxy có thể dùng 3 phương pháp:

+ Phương pháp hóa học:

Dùng các phản ứng hóa học để giải phóng O2

+ Phương pháp điện phân:

Điện phân nước để nhận được O2

+ Phương pháp phân giải không khí:

Oxy được điều chế từ phương pháp hóa lỏng không khí, nén không khí dưới áp suất cao sau đó cho bay hơi phân cấp dựa vào điểm sôi của N2 = -196 oC, Ar = -186oC, O2 =

-183oC để thu được khí oxy(gọi là Oxy kỹ thuật)

Oxy được nén ở áp suất 150 at trong bình thép có dung tích 40 lít (bình có thể chứa 6m3 O2 ).Khí Oxy được điều chế như vậy có độ nguyên chất có thể đạt từ 98  99.5%

8.2.1.2.Khí Axetylen:

- Khí Axetylen là gì ?

Là khí cháy, mùi hắc sản xuất bằng cách cho đất đèn (CaC2) tác dụng với nước H2O:

CaC2 +H2O =Ca(OH) 2 + C2H2 + Q

Sự nổ của khí C2H2 ( Axetylen) có thể xảy ra khi áp suất cao, nhiệt độ cao

- Hiện tượng cháy nổ C2H2:

+ Nếu áp suất p >1.5 at và to>5000C thì C2H2 dễ nổ

+ Nếu áp suất p < 3 at và to< 5400C sẽ xảy ra quá trình trùng hợp

+ Ở các áp suất, nhiệt độ và thời gian xác định, C2H2 tác dụng với Cu, Ag tạo thành các hợp chất axêtenlua Cu,Ag, dễ nổ khi va đập mạnh hay nhiệt độ tăng cao

+ Hỗn hợp của C2H2 với các chất có chứa Oxy sẽ tạo nên khả năng nổ: C2H2 hóa hợp với không khí ở áp suất khí trời với to = (305  4700C) hoặc với Oxy nguyên chất ở áp suất khí trời và to = (297  3060C) sẽ nổ

8.2.1.3 Que hàn -thuốc hàn:

81

* Que hàn: Dây hàn có Ф =(0.3 12)mm.

- Que hàn phụ dùng để bổ sung kim loại cho mối hàn

- Que hàn để hàn khí cần phải:

+ tonc của kim loại que hàn < tonc của kim loại cơ bản

+ Đường kính que hàn phải tương đương chiều dày vật hàn

+ Bề mặt của que hàn phải sạch

+ Không gây hiện tượng sôi làm bắn kim loại ra khỏi vũng hàn

+ Không tạo các bọt khí trong vũng hàn và không đưa vào vũng hàn các tạp chất phi kim

* Thuốc hàn:

- Tác dụng của thuốc hàn là tránh sự oxy hóa kim loại của mối hàn và loại bỏ các ôxit kim loại tạo thành trong quá trình hàn

- Trong quá trình hàn, thuốc hàn đưa vào bể hàn sẽ nóng chảy ra và kết hợp với các Oxít

để tạo ra một lớp xỉ dễ nóng chảy nổi lên trên bề mặt bể hàn

- Thuốc hàn có nhiệm vụ hoàn nguyên kim loại

- Tùy theo tính chất của kim loại hàn mà dùng thuốc hàn có tính axit hay bazơ

8.2.2 Thiết bị hàn khí

1 Sơ đồ chung của một trạm hàn khí

Các thiết bị chính của một trạm hàn hoặc cắt bằng khí gồm có các bộ phận chính sau: Bình chứa ôxy, bình chứa hoặc thùng điều chế axêtylen, khóa bảo hiểm, van giảm áp, dây dẫn khí, mỏ hàn

Hình 8.1 Sơ đồ một trạm hàn và cắt bằng khí

1 Bình chứa ôxy; 2 Bình chứa axêtylen; 3 Van gảm áp; 4 Đồng hồ đo áp

5 Khoá bảo hiểm; 6 Dây dẫn khí; 7 Mỏ hàn hoặc mỏ cắt; 8 Ngọn lửa hàn

8.2.2.1.Bình chứa:

- Bình chứa dùng để chứa khí nén Để hàn và cắt khí dùng bình chứa có dung tích 40 lít,

áp suất có thể đến 200 at

- Bình chứa O2có thể chứa được 6 m3 O2, (V = 40l, p = 150 at)

- Bình chứa C2H2 có dung tích 40 lít và áp suất p < 19 at+ than hoạt tính và axêton

82

4 5

3 6

7

8

2 1

4 5

3 6

2 1

4

6

5 3

8.2.2.2.Bình điều chế Axetylen:Dùng khi không có bình chứa sẵn, xa chỗ sản xuất C2H2

* Phân loại:

- Theo năng suất:có các loại 0.8; 1.25; 3.2; 5; 10; 20; 40; 80 m3/h

- Theo cách lắp đặt có loại di động và loại cố định

- Theo hệ thống điều chỉnh và theo sự tác dụng giữa CaC2 với nước

* Các loại thùng điều chế Axêtylen :

- Loại đá rơi vào nước:

Đất đèn chứa trong phễu 1, rơi xuống thùng 4 qua cửa 2 Sau khi tác dụng với nước khí C2H2 theo ống 3 đi ra mỏ hàn Bã vôi tôi Ca(OH) 2 lọt qua sàng 6 xuống đáy thùng 4 và được tháo

ra ngoài bàng nút 5

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

• Hình 8-2: 1.Phễu chứa đất đèn; 2.Cửa; 3.Ống dẫn; 4.Đáy thùng; 5.Nút

- Loại nước rơi vào đá:

• Đất đèn chứa trong hộp 1 được đặt trong buồng 2 Nước chứa trong bể 3 rơi xuống hộp 1 nhờ khóa 4 Khí C2H2 được làm nguội gián tiếp bởi nước chứa trong thùng 6 rồi theo ống 5 đi ra mỏ hàn

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

• Hình 8-3: 1.Hộp chứa đất đèn; 2.Buồng; 3.Phễu chứa nước; 4.Van khóa; 5.Ống; 6.Buồng chứa khí

•

83

2 1

3

• - Loại đá và nước tiếp xúc nhau :

• Đất đèn đặt trên mặt sàng 1 ở ngăn phía bên phải, nước ở ngăn bên trái, dưới tác dụng của áp suất khí quyển sẽ chuyển qua ngăn bên phải chui qua các lỗ sàng tiếp xúc với đá (CaC2) Khí C2H2 sinh ra theo ống 3 đi ra mỏ hàn

Hình 8-4: 1.Mặt sàng; 2.Ngăn trái; Hình 8-5: Bình điều chế Axetylen loại hỗn hợp

3.Ống dẫn

- Loại hỗn hợp:

Đây là hỗn hợp của loại nước tưới vào đất đèn và loại đất đèn tiếp xúc với nước Nĩ cĩ

ưu điểm của 2 loại và hạn chế được khuyết điểm của 2 loại Loại này thường dùng khi cần năng suất nhỏ hơn 3,5m3/giờ

8.2.2.3 Khĩa bảo hiểm:

Là thiết bị bảo vệ cho bình điều chế khí C2H2 và dây dẫn khơng bị cháy nổ khi cĩ ngọn lửa quặt ngược từ mỏ hàn, mỏ cắt truyền đến Hiện tượng này xảy ra khi tốc độ cháy của hỗn hợp O2 + C2H2 lớn hơn tốc độ khí cung cấp

C 2 H 2

Nước

8 4

3 2

1

7

84

Hình 8-6: Thiết bị ngăn lửa tạt lại kiểu hở

1 Vỏ bình; 2.Ống kiểm tra; 3.Khóa; 4 Ống dẫn; 5.Van; 6 Màng bảo hiểm; 7.Phễu; 8.Ống

- Yêu cầu của khóa bảo hiểm:

+ Ngăn cản ngọn lửa cháy trở vào và xả hỗn hợp cháy ra ngoài

+ Có độ bền ở áp suất cao khi khí cháy

+ Giảm khả năng cản thủy lực dòng khí

+Tiêu hao nước ít khi dòng khí chạy qua

+ Dễ kiểm tra, rửa, sửa chữa

- Có thể phân loại khóa bảo hiểm như sau:

+ Theo kết cấu có:

 Khóa bảo hiểm kiểu hở

 Khóa bảo hiểm kiểu kín

+ Theo khả năng khí tiêu hao có:

 Loại đơn giản: lượng khí C2H2 tiêu hao dưới 3,2m 3/h

 Loại lớn với lượng khí tiêu hao 5 10; 20  35; 50  75 m3/h

8.2.2.4.Van giảm áp:

- Van giảm áp gắn ở trên bình chứa khí dùng để giảm áp suất và điều chỉnh lượng tiêu hao khí nén chứa trong bình từ áp suất cao tới áp suất cần dùng

- O2ở bình chứa là 150 at,ở mỏ hàn chỉ cần (35)at nên khi hàn phải qua van giảm áp

- C2H2 ở bình chứa là 16at, ở mỏ hàn chỉ cần (0.30.5)at nên khi hàn phải nhờ van giảm áp

85

10

8 5

9 1

7

4

3 2

11

Hình 8-7: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý vận hành của van giảm áp loại đơn cấp

1.Buồng áp lực cao; 2.Nắp van; 3.Nắp an toàn; 4.Áp kế; 5.Buồng áp lực thấp; 6.Lò xo; 7.Vít điều chỉnh; 8.Màng; 9.Cần; 10.Áp kế; 11.Lò xo

8.2.2.5 Mỏ hàn

Đây là dụng cụ dùng để pha trộn khí cháy và ôxy, tạo thành hỗn hợp cháy có tỉ lệ thành phần thích hợp để nhận được ngọn lửa hàn hoặc cắt theo yêu cầu Mỏ hàn có 2 loại là

mỏ hàn kiểu hút và mỏ hàn đẳng áp

86

O2 1

2 3

4 5

6

O2

C2H2

C2H2

a/

b/

Hình 8-8 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của mỏ hàn khí a/ Mỏ hàn kiểu hút; b/ Mỏ hàn đẳng áp

1 Dây dẫn khí C2H2 2 Dây dẫn khí oxy 3 Van điều chỉnh C2H2

4 Van điều chỉnh oxy 5 Buồng hút 6 Đầu mỏ hàn

Mỏ hàn kiểu tự hút (H.4.5a) sử dụng khi hàn với áp suất khí C2H2 thấp và trung bình Khí C2H2 (áp suất 0,01  1,2 at) được dẫn vào qua ống (1), còn khí ôxy (áp suất 1 

4 at) được dẫn vào qua ống (2) Khi dòng ôxy phun ra đầu miệng phun (5) với tốc độ lớn tạo nên một vùng chân không hút khí C2H2 theo ra mỏ hàn Hỗn hợp tiếp tục đựợc hoà trộn trong buồng (6), sau đó theo ống dẫn (7) ra miệng mỏ hàn và đuợc đốt cháy tạo thành ngọn lửa hàn Điều chỉnh lượng khí ôxy và C2H2 nhờ các van (3) và (4) Nhược điểm của

mỏ hàn tự hút là thành phần hỗn hợp cháy không ổn định

Mỏ hàn đẳng áp dùng khi hàn với áp lực khí C2H2 trung bình Khí ôxy và C2H2 được phun vào buồng trộn với áp suất bằng nhau (0,5  1 at) và tiếp tục được hòa trộn trong ống dẫn của mỏ hàn, đi ra miệng mỏ hàn để đốt cháy tạo thành ngọn lửa

• - Phân loại mỏ hàn có nhiều cách:

• + Theo số ngọn lửa có:loại một ngọn lửa và loại nhiều ngọn lửa

+ Theo kích thước và khối lượng có:loại bình thường và loại nhẹ

• + Theo loại khí dùng:axêtylen, hyđrô, benzen…

• + Theo phương pháp sử dụng:bằng tay và bằng máy

• + Theo nguyên lý truyền khí cháy trong buồng hỗn hợp có: mỏ hút và mỏ đẳng áp

•

8.3 CÔNG NGHỆ HÀN KHÍ

8.3.1 Điều chỉnh ngọn lửa hàn:

 Ngọn lửa hàn có thể chia làm ba loại:

Sự cháy của hỗn hợp Oxy – Axêtylen xẩy ra ở một nhiệt độ nhất định Vì vậy để có ngọn lửa hàn ta phải cung cấp cho nó một nhiệt lượng nào đó, tức là phải châm mồi Nhờ có hiệu ứng nhiệt của phản ứng cháy đủ nung nóng phần lớn hỗn hợp khí chưa cháy và bù vào sự mất nhiệt ra môi trường xung quanh mà quá trình cháy được duy trì liên tục và ổn định

Cấu tạo của ngọn lửa hàn có thể chia làm 3 vùng: nhân ngọn lửa có màu sáng trắng, vùng trung tâm có màu sáng vàng, vùng đuôi (ôxy hoá) màu vàng sẫm có khói

Khi hàn khí, tuỳ thuộc vào tỉ lệ thành phần của hỗn hợp cháy có thể nhận được ba loại ngọn lửa hàn khác nhau: Ngọn lửa bình thường, ngọn lửa ôxy hóa, ngọn lửa cácbon hóa

87

H8.9 Sơ đồ cấu trúc ngọn lửa hàn

I Nhân ngọn lửa

II Vùng cháy chưa hoàn toàn III Vùng cháy hoàn toàn

Kích thước, hình dạng, màu sắc của các vùng này phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ về thể tích giữa khí Oxy và khí Axêtylen

Các loại ngọn lửa hàn:

1 Ngọn lửa bình thường

Ngọn lửa bình thường nhận được khi tỉ lệ 1.1 1.2

2 2

2





H C O

Ngọn lửa này chia làm 3 vùng:

a Vùng nhân ngọn lửa

Trong vùng này xảy ra phản ứng phân hủy C2H2: C2H2 →2C + H2

Ngọn lửa có màu sáng trắng, nhiệt độ thấp và thành phần có giàu

Cacbon nên không dùng để hàn vì làm cho mối hàn dễ thấm Cacon trở nên giòn

b Vùng cháy không hoàn toàn

Trong vùng này xảy ra phản ứng cháy không hoàn toàn của cacbon

C2H2 + O2 = 2CO + H2 + Q↑

Ngọn lửa này có màu sáng xanh, nhiệt độ cao nhất (32000C) Khí chứa

nhiều CO và H2 là những chất hoàn nguyên Những chất này không tham gia

vào phản ứng cácbon hóa và Oxy hóa nên gọi là vùng hoàn nguyên

c Vùng cháy hoàn toàn

Trong vùng này xảy ra phản ứng cháy hoàn toàn, sản phẩm của vùng trên cháy với

88

H8.10 Ngọn lửa hàn

Ngọn lửa Cacbon hoá

Ngọn lửa bình thường

Ngọn lửa Oxy hoá

Thể tích khí

O2

Thể tích khí

C2H2

Hệ số  =

ôxy của không của không khí :

2CO + H2 + 1,5O2kk = 2CO2 + H2O + Q↑

Ngọn lửa vùng này có màu sẫm, chứa nhiều CO2 và H2O là những chất ôxy hoá (khi tiếp xúc với kim loại nóng chảy sẽ Oxy hóa kim loại) và nhiệt độ thấp hơn vùng giữa

Ngọn lửa bình thường có tác dụng tốt, vùng cách nút nhân ngọn lửa 2-3mm có nhiệt

độ cao nhất và có thành phần của khí hoàn nguyên ( CO và H2 ) nên dùng để hàn

2 Ngọn lửa ôxy hóa

Ngọn lửa Oxy hóa nhận được tỉ lệ : 1.2

2 2

2



H C O

Quá trình cháy chia làm 3 vùng và vùng cháy không hoàn toàn xảy ra theo phản ứng sau: C2H2 + 1,5O2 = 2CO + H2 + 0,5O2 + Q↑

Sau đó chúng lại cháy tiếp Oxy của không khí

2CO + H2 + 0,5O2 + O2kk = 2CO2 + H2O + Q↑

Chúng ta nhận thấy nhân của ngọn lửa ngắn lại, vùng giữa dư O2 và chứa cả CO2

nên có tính ôxy hóa mạnh và giữa 2 vùng không phân biệt rõ ranh giới, ngọn lửa có màu từ vàng nhạt đến vàng sẫm

Ngọn lửa ôxy hóa chỉ dùng khi hàn đồng thau, cắt và đốt sạch bề mặt các chi tiết máy hoặc kết cấu máy

3 Ngọn lửa cácbon hóa

Ngọn lửa Oxy hóa nhận được tỉ lệ : 1.1

2 2

2



H C O

89

H8.11 Sự phân bố nhiệt theo chiều dài ngọn lửa bình thường

T(oC)

L (mm)

10000C

20000C

31500C

3-5mm

Quá trình cháy như sau: C2H2 + 0,5O2 = CO + H2 + C + Q↑

Sau đó chúng lại cháy tiếp Oxy của không khí

CO + H2 + C + 2O2kk = 2CO2 + H2O +Q↑

Nhân của ngọn lửa kéo dài, vùng giữa có một nguyên tử cacbon tự do nên ngọn lửa mang tính cácbon hoá và có nâu sẫm

Ngọn lửa cácbon hóa được dùng khi hàn gang, thép gió và thép hợp kim, hoặc để tôi

bề mặt các chi tiết máy

8.3.2 Phương pháp hàn phải và hàn trái.

Tùy thuộc vật liệu hàn, chiều dày vật hàn có thể sử dụng hai phương pháp hàn khác nhau: hàn trái và hàn phải

H8.12 Sơ đồ các phương pháp hàn khí a) Hàn phải b) Hàn trái

1 Mỏ hàn 2 Que hàn phụ 3 Mối hàn 4 Vật hàn

a Phương pháp hàn phải: Khi hàn phải (H8.12a), trong quá trình hàn ngọn lửa hàn

hướng về phía mối hàn, mỏ hàn luôn đi trước que hàn

* Ưu điểm:

- Nhiệt chủ yếu tập trung vào vũng hàn nên độ ngấu của mối hàn sâu

- Vùng hoàn nguyên hướng vào mép hàn, mối hàn nguội chậm và được bảo vệ tốt

- Lượng tiêu hao khí giảm

* Nhược điểm:

- Bề mặt mối hàn thường có vẩy, có độ nhấp nhô khó kiểm soát

Phương pháp này được ứng dụng khi hàn các tấm dày hoặc kim loại vật hàn dẫn nhiệt nhanh Thường dùng khi S > 5mm

b Phương pháp hàn trái (H8.12b):

Trong quá trình hàn ngọn lửa hàn hướng về phía chưa hàn, que hàn đi trước mỏ hàn

90

4

1 2

3

đi sau

* Ưu điểm:

- Mép hàn được nung nóng sơ bộ nên kim loại vũng hàn được trộn đều hơn

- Quan sát mối hàn dễ, mặt ngoài mối hàn đẹp

* Nhược điểm:

- Tổn thất nhiệt nhiều, sự kiểm soát độ ngấu mối hàn kém

- Tác dụng bảo vệ của ngọn lửa kém

Phương pháp này được dùng khi hàn các tấm mỏng (S < 3mm) hoặc kim loại vật

hàn dễ chảy

8.3.3 Chuẩn bị chi tiết hàn

* Các loại mối hàn:

- Mối hàn giáp mối:

+ Với vật hàn có bề dày S 2mm dùng mối hàn gấp mép (hình a) hoặc không gấp

mép(hình b)

+ Với vật hàn có chiều dày S = (25)mm có thể không cần vát mép nhưng phải có khe

hở(hình c)

- Mối hàn chữ T(hình h)

- Mối hàn góc(hình l, i )

- Mối hàn mặt đầu(hình k)

60 -70

2 - 4

e)

0

60 -70

d)

2 - 4

45 - 60

2 - 4

2 - 4

1 - 4

1 - 4

S =(1 - 5) mm

k) l)

i)

S <2 mm

g)

h)

S <3 mm

S =(2 - 5) mm

a)

c)

b)

S >15 mm 0

1 - 3

1 - 3

S =(5 - 15) mm 0

Hình 8-13 :Các loại mối nối hàn

* Chuẩn bị chi tiết hàn.

- Trước khi hàn, nếu cần phải váp mép, phải làm sạch mép hàn và khu vực quanh mối hàn rộng 2030 mm mỗi phía

- Mép hàn phải làm sạch xỉ, oxyt, dầu mỡ…

91

(7 -

10 )m

m ,

= 50

đ ộ

- Vật hàn trước khi hàn khí cần chọn gá lắp hợp lý và hàn dính một số điểm để bảo đảm

vị trí tương đương của kế cấu trong quá trình hàn

8.3.4 Chế độ hàn khí.

- Gĩc nghiêng của mỏ hàn:

+ Gĩc nghiêng của mỏ hàn:tùy thuộc vào kim loại vật hàn như: tính chất dẫn nhiệt, chiều dày của vật hàn

+ Gĩc nghiêng cịn phụ thuộc vào lúc bắt đầu hàn, lúc hàn và kết thúc đường hàn

Hình 8-14 :Gĩc nghiêng của mỏ hàn

- Cơng suất của ngọn lửa hàn:

Là lượng tiêu hao khí cháy (C2H2) trong một giờ phụ thuộc vào:

+ Chiều dày vật hàn

+ Tính chất nhiệt lý của vật hàn

+ Phương pháp hàn:hàn phải hoặc hàn trái

 Hàn đồng:VC2H2 =(150  200)S (l/h)

 Hàn thép:Vkhi hàn phải :VC2H2 =(120  150)S

Vkhi hàn trái : VC2H2 =(100 120)S (l/h)

- Đường kính que hàn:

+ Hàn trái :dq= S/2+1 (mm)

+ Hàn phải :dq= S/2(mm)

8.3.5 Chuyển động của mỏ hàn và que hàn:

Căn cứ vào vị trí mối hàn, kiểu mối hàn, chiều dày vật hàn để chọn chuyển động của que hàn và mỏ hàn cho hợp lý Khi hàn sấp và hàn gĩc cĩ thể tiến hành theo phương pháp hàn phải hoặc hàn trái

Khi hàn sấp, dịch chuyển que hàn và mỏ hàn thường theo đường dích dắc (H8.15.a) Khi hàn gĩc, tại các điểm biên đảo chiều chuyển động, que hàn và mỏ hàn cĩ thời gian dừng thích hợp để nung nĩng mép hàn tốt, để kim loại trộn đều và mối hàn liên kết tốt (H8.15b)

92