Đề cương bài giảng lý thuyết hàn

1, Hàn nóng chảy Fusion welding + Hàn khí Gas Welding + Hàn điện xỉ Electroslag Welding + Hàn nổ Exploxsion Welding + Hàn laze Laser Welding + Hàn Plasma Plasma Welding + Hàn hóa

Chương I: Khái niệm về hàn kim loại

1.1 Bản chất và đặc điểm hàn kim loại

a, Bản chất: Hàn là quá trình công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận)

thành một khối bền vững, bằng cách dùng nguồn nhiệt nung nóng chỗ cần nối đến trạng thái hàn Sau đó kim loại lỏng tự kết tinh (ứng với trạng thái lỏng) hoặc dùng thêm ngoại lực ép chúng dính lại với nhau (ứng với trạng thái nguội, dẻo) để tạo thành mối hàn

+ Trạng thái hàn có thể là trạng thái lỏng, dẻo và thậm chí là nguội bình thường

+ Khi hàn nếu kim loại đạt tới trạng thái lỏng , thì trong phần lớn các trường hợp, mối hàn tự hình thành mà không cần lực ép Việc tạo ra mối hàn có hình dạng và kích thước cho trước có thể cần hoặc không cần kim loại bổ sung (thông qua vật hàn)

+ Nếu kim loại chỗ cần nối khi hàn có nhiệt độ thấp hoặc chỉ đạt tới trạng thái dẻo để tạo ra mối hàn cần thiết phải có ngoại lực tác dụng

+ Về bản chất hàn đắp, hàn vẩy và dán kim loại cũng tương tự như hàn Vì thế trong kỹ thuật chúng được coi là lĩnh vực riêng của hàn

- So với Đúc, Hàn có thể tiết kiệm được 50% khối lượng kim loại

- Hàn cho phép chế tạo các kết cấu phức tạp, siêu trường, siêu trọng từ những vật liệu cùng loại hoặc các vật liệu khác loại, hoặc các vật liệu có tính chất rất khác nhau Phù hợp với điều kiện và môi trường khác nhau

- Hàn tạo ra các liên kết có độ bền và độ kín cao đáp ứng với yêu cầu làm việc của các kết cấu quan trọng (vỏ tàu, bồn bể, nồi hơi, thiết bị áp lực,…)

- Hàn có tính linh động và có năng suất cao so với các công nghệ khác, đễ cơ khí hóa tự động hóa quá trình sản suất

- Mức độ đầu tư cho sản xuất hàn không cao (thiết bị đơn giản, rẻ tiền)

+ Nhược điểm:

- Tổ chức và tính chất kim loại tại vùng mối hàn và khu vực lân cận có thể thay đôi theo chiều hướng xấu ( đặc biệt với vật liệu khó hàn) Làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, đặc biệt là khi làm việc dưới tải trọng động

- Trong kết cấu hàn thường tồn tại trạng thái ứng suất và biến dạng dư, ảnh hưởng đáng

kể đến hình dạng và kích thước, thẩm mỹ và khả năng làm việc của sản phẩm

1.2 Phân loại các phương pháp hàn

- có nhiều cách phân loại phương pháp hàn Tuy nhiên, thông dụng nhất là cách phân loại theo năng lượng sử dụng và theo trạng thái kim loại hàn tại thời điểm hàn

a, Theo dạng năng lượng sử dụng: có các nhóm phương pháp hàn như sau

- Các phương pháp hàn điện: Gồm các phương pháp dùng điện năng biến thành nhiệt năng để cung cấp cho quá trình hàn, ví dụ:

+Hàn điện hồ quang +Hàn điện tiếp xúc

+Hàn điện xỉ

- Các phương pháp hàn cơ học: Gồm các phương pháp sử dụng cơ năng để biến dạng kim loại tại khu vực cần hàn và tạo ra liên kết hàn

Ví dụ: Hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm…

- Các phương pháp hàn hóa học: Gồm các phương pháp sử dụng năng lượng do các phản ứng hóa học tạo ra để nung nóng chẩy kim loại mối hàn

Ví dụ: Hàn khí, hàn hóa nhiệt,…

- Các phương pháp kết hợp: Sử dụng kết hợp các dạng năng lượng nêu trên

b, Theo trạng thái kim loại mối hàn tại thời điểm hàn:

Chia tất cả các phương pháp hàn thành hai nhóm

1, Hàn nóng chảy (Fusion welding)

+ Hàn khí (Gas Welding)

+ Hàn điện xỉ (Electroslag Welding)

+ Hàn nổ ( Exploxsion Welding)

+ Hàn laze (Laser Welding)

+ Hàn Plasma ( Plasma Welding)

+ Hàn hóa nhiệt

+Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chẩy (Arc welding using a consumable electrode) +Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy (Arc welding using a non consumable electrode)

+ Hàn trong môi trường khí bảo vệ ( Gas shielded arc welding)

- hàn hồ quang bằng điện cực Vonfram trong môi trường khí bảo vệ(Ar, He, Ar +He) :

GTAW (Gas tungsten Arc Welding); Hàn TIG (tungsten Inert Gas) Châu Âu)

- Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chẩy trong môi trường khí trơ bảo vệ (Ar, He, Ar+

He) : Hàn MIG (Metal Inert Gas ); GMAW (Gas Metal Arc welding )

- Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chẩy trong môi trường khí bảo vệ hoạt tính (thường

CO2): GMAW (Gas metal Arc Welding); MAG: (Metal Active Gas)

+Hàn bằng dây có lõi thuốc (Self shielded welding)

+ Hàn dưới lớp thuốc: SAW (Submerged arc welding)

+ Hàn khuyếch tán (Diffusion welding)

+ Hàn cao tần (Induction welding)

+ Hàn rèn (forge welding)

+ Hàn điện tiếp xúc bao gồm: (Resistance welding)

- Hàn tiếp xúc giáp mối (đối đầu) Resistance butt welding

- Hàn tiếp xúc điểm (Spot welding)

- Hàn tiếp xúc đường (Resistance seam welding)

+ Hàn khí ép (Pressure gas welding)

c, Theo phương pháp hàn:

- Hàn hồ quang tay (Manual arc welding.)

- Hàn hồ quang tự động (Automatic arc welding)

- Hàn hồ quang bán tự động (Semi Automatic arc welding )

- Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (Gas shielded arc welding)

Với hàn nóng chảy: Yêu cầu các nguồn nhiệt phải có công suất đủ lớn

( Hồ quang hàn, ngọn lủa khí cháy, Plasma…) đảm bảo nung nóng cục bộ kim loại cơ bản và vật liệu hàn tới trạng thái nóng chảy

Với phương pháp hàn áp lực: Đa số quá trình hàn kim loại được thực hiện ở trạng thái rắn, một số trường hợp một phần kim loại chỗ cần nối có thể nung tới trạng thái chảy lỏng và mối hàn được hình thành bằng lực ép ( Khi ép có thể toàn thể kim loại lỏng được đẩy ra xung quanh tạo thành ba via và mối hàn được tạo nên trên bề mặt tiếp xúc của chi tiết ở trạng thái rắn hoặc phần kim loại lỏng tự kết tinh hình thành mối hàn cung với lực ép)

chương II: Nguồn nhiệt hàn

2.1 Yêu cầu chung của nguồn nhiệt hàn

- Hàn là nung nóng cục bộ vùng hàn đến nhiệt độ ở trạng thái hàn, nung nóng tới nhiệt

độ chảy hoặc nhiệt độ biến dạng dẻo Trừ một số trường hợp không nung nóng

- Hàn nóng chảy: (Fusion welding)

T0 nung chảy > T0 chảy của kim loại

Chỉ có ở vùng biên giáp với kim loại rắn, nhiệt độ tối thiểu bằng nhiệt độ nóng chảy

kim loại hàn Tại tâm nguồn nhiệt tác dụng, nhiệt độ đạt đến trạng thái bốc hơi

Hình 2.1 Sự phân bố nhiệt trong vũng hàn

Td : Nhiệt độ biến dạng dẻo kim loại

- Nguồn năng lượng sử dụng trong hàn để nung kim koại vật hàn và điện cực

+ Hóa năng chuyển thành nhiệt năng thường thông qua các phản ứng hóa học

+ Cơ năng chuyển thành nhiệt năng

+ Điện năng chuyển thành nhiệt năng

Liên hợp giữa các nguồn năng lượng để tạo ra nhiệt lượng Q nung nóng vùng hàn, nhiệt lượng hữu ích tạo ra mối hàn thường nhỏ hơn lượng nhiệt nguồn cung cấp do sự hao tổn ra môi trường, do kim loại hàn có tính dẫn nhiệt, từ đó ta có:

Qhữu ích < Qtoàn phần = Qn

n

m tp

hi

Q

Q Q

Q 



 (hệ số hữu ích)

Qm = Cm.mm.Tm

Cm: Nhiệt dung riêng phần kim loại nóng chảy

*Có ba loại nghiệt dung riêng:

- Nhiệt dung riêng khối lượng ký hiệu C (J/Kg K 0 )

- Nhiệt dung riêng thể tích ký hiệu C ’ (J/m 3 K 0 )

- Nhiệt dung riêng Kilomol ký hiệu C (J/Kmol K 0 )

- Quan hệ giữa 3 loại nhiệt dung: C = C ’ = C / 

Tm: Nguồn nhiệt

mm: Khốilượng kim loại được nung

Qn = Cn.mn.Tn

n m n

m m

.T m C

.T

n n

m

Q

Q Q

Q Q Q

   1;   1 Khi không mất mát nhiệt

Trong tực tế một số phương pháp hàn nhiệt độ trên bề mặt kim loại nóng chảy cao hơn nhiệt độ nguồn nhiệt 700C -1000C

Tvh = Tnc + (700C -1000C)

Nhiệt độ do nguồn nhiệt cấp mất đi do tiếp xúc với môi trường Một số trường hợp nhiệt độ bề mặt nóng chẩy lớn hơn Tnc từ 300 - 4000C

Tm = Tnc +{(700C -1000C ) ÷ (300 - 4000C )}

+Yêu cầu đối với nguồn nhiệt hàn

- Phải giảm mất mát nhiệt

- Công suất nguồn nhiệt phải đủ lớn để giảm mất mát không cần thiết đủ để nung nóng

bề mặt hàn đến trạng thái hàn

2.2 Nguồn nhiệt của ngọn lửa khí cháy với O 2

- Khí H2 cháy với O2

H2 + O2  H2O +Q H2O Điện phân H2O  H2+O2 (mỏ hàn)

m Cn

Q T

.

C m

C

Q T

n m

n O

H

0

5300

Gọi y: mức độ phân ly của O2

Gọi z: mức độ phân ly của H2

Nhiệt độ cháy của O2 với H2 là:

T T

O T

T T

O

O O

n

yC C

y

x z

z x x

x T

0 H

H H

H H

2)

2(C2C)(C

)

1

(

yQ-Qz-Q)1(

2 2

2

2 2 2

(x-z) khối lượng phân tử H2 không phân ly

(x/2 –y) khối lượng phân tử O2 không phân ly

2y : Khối lượng nguyên tử O

2z : Khối lượng nguyên tử H Hình 2.2 Nhiệt độ lý thuyết và thực tế

- Kết quả tính toán trên cho

Tn = 53000C đó là kết quả tính toán lý thuyết

2: Vùng sáng xanh (Vùng hoàn nguyên)

3: Vùng vàng rơm (vùng cháy hoàn toàn)

- sự phân bố nhiệt trên các vùng của ngọn lửa

khác nhau Hình 2.3 Các vùng cháy của

ngọn lửa đủ O 2

- Căn cứ vào tỷ số

2 2

2

H C

+   1,1 thừa C2H2, dư C gọi là ngọn lửa (các bon hóa) dùng hàn gang, đồng, ngọn lửa gồm có hai vùng do nhân ngọn lửa kéo dài chiếm hết cả vùng hoàn nguyên

Hình 2.4 Các vùng cháy ngọn lửa các bon hóa

+ Nếu   1  , 1 1 , 2 Gọi là (ngọn lửa trung hòa), gồm có ba vùng phân biệt rõ ràng (Nhân, vùng hoàn nguyên, vùng cháy hoàn toàn) Ngọn lửa này dùng hàn thép, nhôm

Hình 2.5 Các vùng cháy ngọn lửa trung hòa

+Nếu   1 , 2 Thừa O2 Gọi là (ngọn lửa oxy hóa) nhân ngọn lửa ngắn lại,vùng hoàn nguyên và vùng cháy hoàn toàn không phân biệt rõ ràng ngọn lửa này dùng hàn đồng thau để tránh kẽm bị bay hơi trong quá trình hàn, không dùng ngọn lửa này để hàn thép

Hình 2.6 Các vùng cháy của ngọn lửa oxy hóa

- Phương trình cháy trong các ngọn lửa:

+ Dư C2H2

2,8C2H2 + 0,8O2 → 1,6CO + 4C + 2,8H2 + Q =101140 cal/mol = 422,3KJ/mol

1,6CO +4C +2,8H2 + 6,2O2 → 5,6CO2 +2,8H2O + 205960 cal/mol

+ Đủ O2

C2H2 + O2 → 2CO+ H2 + Q = 112800 cal/mol = ( 471,5 KJ/mol)

Cháy tiếp với O2 của không khí

CO + H2 + 3/2O2 → 2CO2 + H2O +Q = 200 000 cal/mol

+ Thừa O2

C2H2 +1,5O2 →1,65CO + 0,35CO2+ 0,35 H2+0,65H2O + Q=172240 cal/mol

1,65CO + 0,35H2 + 0,35CO2 +0,65H2O + O2 → 2CO2 + H2O

+Đồ thị phân bố nhiệt độ của các loại ngọn lửa

Hình 2.7 Sự phân bố nhiệt của ngọn lửa hàn khí

- Công suất ngọn lửa

Được điều chỉnh bằng số lượng thể tích khí cháy trong một đơn vị thời gian (l/giờ)

Mỗi loại mỏ hàn đều có tiết diện dẫn khí C2H2 , O2 khác nhau, kích thước vành dẫn tạo

ra công suất ngọn lửa hàn lớn hay nhỏ Chia mỏ hàn ra thành các số hiệu từ 1 đến 7, công suất ngọn lửa tăng từ (1 – 7) số 7 có công suất ngọn lửa lớn nhất

- Nhiệt lượng truyền vào lớp nung nóng tính theo công thức

k 0,39 0,35 0,31 0,28 0,23 0,20 0,17

Nhiệt độ cực đại tại tâm của vũng hàn, giảm dần ra mép vũng hàn (hình vẽ dưới)

Hình 2.9.Sơ đồ phân bố nhiệt trong hàn khí

2.3 Nguồn nhiệt của hồ quang hàn

2.3.1.Sự phóng điện của hồ quang

Hồ quang là nguồn nhiệt cơ bản để làm nóng chảy kim loại, điện cực trong quá trình hàn Khi hàn có thể tiến hành hàn hồ quang tay, hàn hồ quang tự động và bán tự

động trong môi trường thuốc bảo vệ, khí bảo vệ, sử dụng nhiều nhất là khí bảo vệ

* Nguyên lý đặc điểm chung hàn hồ quang tay

Hàn hồ quang tay là phương pháp hàn nóng chẩy, các thao tác trong quá trình hàn như (Châm và duy chùy hồ quang cháy ổ định, đảm bảo chiều rộng mối hàn cũng như dịch chuyển hồ quang để hàn hết chiều dài đường hàn) đều thực hiện bằng tay người thợ hàn

+ Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.10 Nguyên lý hàn hồ quang tay

+Đặc điểm:

- Có thể hàn được ở mọi vị trí trong không gian

- Hàn được các chi tiết to, nhỏ hoặc đơn giản, phức tạp khác nhau

- Có thể thực hiện trong các môi trường khác nhau (dưới nước, trong chân không…)

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

- Năng suất thấp do cường dộ dòng hàn bị hạn chế

- Hình dạng kích thước mối hàn không đều do Vh thay đổi, phụ thuộc vào tay nghề công nhân

- Thành phần hóa học mối hàn không đều do thành phần kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn thay đổi

- Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt liên kết hàn tương đối lớn do nguồn nhiệt có nhiệt độ cao và tóc độ hàn nhỏ

- Điều kiện làm việc của thợ hàn không được tốt vì ảnh hưởng của cường độ sáng

và nhiệt của hồ quang

Mặc dù còn nhiều nhược điểm nhưng những chi tiết có chiều dầy nhỏ và trung bình cho đến nay hàn hồ quang tay vẫn là phương pháp thích hợp nhất đồng thời nó cũng là phương pháp chủ yếu nhất trong các phương phán hàn điện nóng chẩy để thực hiện các mối hàn ở vị trí hàn đứng và đặc biệt ở vị trí hàn trần vì vậy mà hầu hết các nước trên thế giới có nền công nghiệp phát triển hiện đại như Mỹ, Nga, Nhật… tỷ lệ phương pháp hàn hồ quang tay chiếm trên 50% trong tổng các phương pháp hàn

+ Nguồn hàn hồ quang tay: Có thể dùng dòng xoay chiều, một chiều có đặc tính dốc, thoải Hàn bằng dòng một chiều hồ quang ổn định hơn do chiều dòng điện không thay đổi nên chất lượng mối hàn tốt hơn thường áp dụng hàn các kim loại có tính hàn khó +Điện cực hàn hồ quang tay: là que hàn nóng chẩy, có kích thước tiêu chuẩn về đường kính và chiều dài.Que hàn được sản suất theo các tiêu chuẩn khác nhau (TCVN, AWS, JIS….)

- Cấu tạo que hàn: Gồm hai phần lõi que và thuốc bọc

Lõi que hàn: Dẫn điện tạo hồ quang, quá trình hàn nóng chẩy bổ xung kim

loại đắp cho mối hàn, trong lõi que hàn còn có một số nguyên tố hợp kim để khử O2,

oxy hóa kim loại mối hàn và hợp kim hóa nâng cao độ bền mối hàn Đường kính que

hàn được gọi theo đường kính lõi que

Thuốc bọc que hàn: Trong quá trình hàn nóng chẩy tạo khí, xỉ bảo vệ kim loại

mối hàn, khử ôxy, hợp kim hóa nâng cao độ bền mối hàn, giúp việc mồi hồ quang và

duy trùy hồ quang cháy ổn định và giúp công việc hàn tiến hành thuận lợi khi hàn các

mối hàn trong không gian Vì vậy trong thuốc bọc que hàn phải có đủ các thành phần để

đảm bảo các chức năng trên

Theo tính chất thuốc bọc que hàn chia que hàn thành bốn nhóm: Que hàn a xít

(A), que hàn ba zơ (B), que hàn ru tin (R), que hàn cellulo (C) Mỗi loại que hàn có tính

công nghệ khác nhau và ứng dụng hàn các liên kết vật liệu khác nhau Theo chiều dày

lớp thuốc bọc chia que hàn thành bốn nhóm, que hàn thuốc bọc mỏng (d/D)  1,2, que

hàn thuốc bọc trung bình 1,2 (d/D)  1,45, que hàn thuốc bọc dày 1,45 (d/D)  1,8,

que hàn thuốc bọc đặc biệt dày 1,8 (d/D)

Theo phạm vi sử dụng chia que hàn ra:

+Loại để hàn thép các bon và thép hợp kim thấp (ký hiệu Y)

+Loại để hàn thép hợp kim trung bình (ký hiệu )

+Que hàn thép hợp kim cao có tính chất đặc biệt (ký hiệu B)

+ Năng lượng đường : qđ (Cal/cm)

Khi xác định các thông số hàn cần căn cứ vào liên kết hàn đã chọn, vị trí hàn

có thể xác định chế độ hàn một lớp hoặc nhiều lớp để hàn liên kết

* Nguyên lý đặc điểm hàn hồ quang tự động, bán tự động dưới lớp thuốc (hàn ngầm)

- Hàn tự động : các chuyển động dịch chuyển điện cực theo chiều trục của nó, dịch

chuyển điện cực dọc trục mối hàn, dao động ngang đảm bảo chiều rộng mối hàn, các

chuyển động này được tự động háo hoàn toàn Nếu nguyên công dịch chuyển điện cực

dọc trục mối hàn, dao động ngang điện cực thực hiện bằng tay gọi là hàn bán tự động

Hình 1.11.Sơ đồ nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc

- So với hàn hồ quang tay:

+ Năng suất hàn tăng 5- 10 lần do hàn với cường độ dòng lớn, tốc độ hàn cao (Vhqqt

= 6 – 8 m/h; Vhtđ = 18 – 40 m/h )

+ Tiết kiệm kim loại do dây hàn sử dụng triệt để, hàn chi tiết có chiều dày

 20mm không cần vát mép, hàn hồ quang tay chiều dày chi tiết  6mm phải vát mép

+ Kim loại bắn té ra xung quanh ít

+ Kích thước mối hàn đều, hình dạng mối hàn đẹp

+ Chất lượng mối hàn tốt

+ Chiều rông vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ do Vh lớn nên biến dạng sau khi hàn nhỏ + Điều kiện lao động tốt vì hồ quang cháy ngầm dưới lớp thuốc

+ Giá thành thiết bị cao nên giá thành mối hàn cao

+ Chỉ cho phép hàn các mối hàn ở vị hàn sấp có độ nghiêng so với mặt phẳng ngang

Các dây hàn gồm: Dây thép các bon, thép các bon mangan và thép hợp kim thấp, thành phần các bon trong dây không qúa 0,12% Hàm lương các bon cao làm giảm

độ dẻo tăng khả năng gây nứt trong mối hàn đường kính dây tiêu chuản d = 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0mm; đây được bảo quản chống rỉ và thường cuốn thành cuộn có khối lượng nhất định

+ Thuốc hàn tự động, bán tự động dùng hàn thép các bon, thép hợp kim thấp

Yêu cầu chung:

➢ Đảm bảo tính ổn định của hồ quang và quá trình hàn

➢ Đảm bảo các tính chất và thành phần hóa học của mối hàn

+Các loại thuốc hàn tự động, bán tự động:

➢ Thuốc mangan silic cao: Khả năng chống nứt kết tinh cao khi hàn dây thép các bon thấp, mối hàn chứa ít các bon hơn so với hàn dây Mn, các vết nứt nhỏ hơn khi hàn bằng thuốc Mn tự do silic cao Mốt số mác thuốc (AN348A, AN348 –

AM, OSX-45, OSX – 45M, AN – 60….)

➢ Thuốc hàn Mn tự do silic cao: Khi hàn xỉ dễ bong, mối hàn chứa ít P hơn vì khi sản xuất thuốc không chứa quang Mn, thuốc được dùng để hàn thép các bon và một số thép hợp kim thấp với dây Mn cao Một số mác thuốc (AN-5, FX-1, FX-

4, FX-5, FX-7 Nga; UM20, UM30 Mỹ )

Thuốc Silic thấp oxy hóa thấp, Silic thấp oxy hóa cao và silic tự do: Dùng hàn thép hợp kim thấp có độ bền cao Các mác thuốc AN-22, AN-15, AN- 15M, AV-5, AN-28… dùng rộng rãi hàn thép Austenit Cr- Ni thuộc loại Si thấp oxy hóa thấp Thuốc Si thấp oxy hóa cao AN-17, AN-17M, AN- 43 so với thuốc Si thấp oxy hóa thấp loại này oxy hóa các nguyên tố hợp kim mạnh hơn tại bể hàn Vì vậy khi hàn dây chứa lượng nguyên tố hợp kim cao hơn sẽ được độ bền thích hợp.Thuốc Si tự do 48- OF-6, FXK, AN-30, AN-70…

- Các thông số công nghệ hàn hồ quang TĐ,BTĐ: Được xác định bằng thực nghiệm gồm:

+ Năng lượng đường : qđ (Cal/cm)

Do hàn tự đông, bán tự động thường hàn với chế độ hàn cao vì vậy trước khi tính toán chế độ hàn cần nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn dến hình dạng kích thước mối hàn (b, h, c) và tính các kích thước của mối hàn Chế độ hàn được coi là hợp

lý khi các kích thước mối hàn thỏa mãn hai hệ số n = b/h = (0,8 - 4) ; mh = b/c = (7 - 10)

- Nguồn hàn tự động, bàn tự động dưới lớp thuốc : Dùng nguồn một chiều hoặc xoay chiêu với đường đặc tuyến cứng hoặc tăng và đầu hàn có tốc độ cấp dây không đổi, thay đổi để đảm bảo sự ổn định của hồ quang trong quá trình hàn Về nguyên lý làm việc của

đầu hàn sẽ được giói thiệu trong học phần (thiết bị hàn tự động, bán tự động)

* Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ: Có thể hàn tự động, bán tự động bằng

điện cực nóng chẩy hoặc không nóng chẩy Hình vẽ dưới mô tả nguyên lý hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chẩy

Hình 2.12 Nguyên lý hàn trong môi trường khí bảo vệ

- Khí bảo vệ: Bảo vệ bể kim loại khỏi tác hại của môi trường khí xung quanh Nó tác động tới các quá trình xẩy ra trong hồ quang, quá trình tạo giọt và hình dạng của mối hàn các loại khí bảo vệ không màu, khong mùi, không vị chúng không độc nhưng có thể choán mất chỗ của không khí

+ Các loại khí bảo vệ trong hàn:

➢ Khí trơ gồm (Ar, He) dùng để hàn kim loại màu, hợp kim màu Hàn bằng điện cực không nóng chẩy (W, WT) trong môi trường khí bảo vệ (Ar, He) gọi

là hàn TIG, khi hàn bằng điện cực nóng chẩy gọi là hàn MIG

➢ Khí hoạt tính (100% CO2) thường hàn bằng điện cực nóng chảy gọi là Hàn MAG, sử dụng để hàn thép các bon, thép hợp kim thấp Ở nhiệt độ hồ quang

CO2  CO + O2 vì vậy dây hàn cần có hàm lượng Mn, Si cao để khử oxy trong vũng hàn

➢ Khí trộn: bao gồm (50%Ar + 50% He) để hàn kim loại màu, hợp kim màu; (Ar + 3% O2) dùng hàn thép hợp kim cao, thép không rỉ để tăng tính chảy loãng của hợp kim;

Ar + 18%CO2; Ar + 10% CO2 +3% O2; Ar + 8% O2 dùng hàn thép các bon, thép

hợp kim thấp bằng điện cực nóng chẩy

+ Các khí bảo vệ dùng trong hàn được nén vào các chai với áp suất cao và được phân

biệt bởi màu sắc của vỏ chai Với khí hoạt tính CO2 nén vào trai ở trạng thái lỏng, áp

suất nén 150at và tính theo khối lượng do tỷ trọng của khí thay đổi theo nhiệt độ Trai

25 Kg hóa hơi để bảo vệ trong hàn được khoảng 12.000 lít Do được nén trong trai ở

trạng thái lỏng lên khi lấy khí ra để hàn thường phải sử dụng bộ nung khí

Các thông số công nghệ trong hàn khí bảo vệ: Ngoài các thông số như các công

nghệ hàn đã nêu : Ih (A); Uh (V); d (mm); Vh (m/h); qđ (cal/cm); cần xác định thêm lưu

lượng khí bảo vệ (l/phút) Lưu lượng khí bảo vệ xác định phụ thuộc vào tính chất và

chiều dày kim loại vật hàn các thông số công nghệ hàn khí bảo vệ thường tra bảng

trong sổ tay công nghệ hàn, do hàn khí bảo vệ có hiệu quả cao khi hàn các vật mỏng

- Nguồn hàn sử dụng trong hàn khí bảo vệ:

+ Hàn MAG, MIG thường hàn bằng nguồn một chiều có đặc tuyến cứng

+Hàn tích sử dụng cả nguồn một chiều, xoay chiêu (khi hàn nhôm, hợp kim nhôm)

có đường đặc tuyến dốc hoặc thoải

* Hồ quang hàn: là sự phóng điện qua không khí giữa hai điện cực trái dấu

+ Đặc trưng của hồ quang:

➢ Nhiệt độ tập trung, mật độ dòng điện tập trung cao, dòng điện đi qua khoảng

không khí nằm giữa hai điện cực có công suất và điện áp đủ lớn làm kim loại nóng

chảy

➢ Dòng xoay chiều, có tần số thay đổi, nên cực tính (anot và catot) thay đổi theo

➢ Dòng điện chạy qua khoảng không khí do điện tử phóng qua khoảng không khí,

ion hoá chất khí tạo hồ quang → muốn hồ quang cháy được, phải đủ số điện tử

phóng ra từ điện cực để ion hoá không khí

➢ Khi xảy ra hồ quang các phần tử tích điện (+) di chuyển về phía catốt , phần tử

điện tích âm di chuyển về anốt Sự chuyển động của các phần tử và ion ổn định thì

dòng hồ quang cháy ổn định

+ Các phần tử tích điện trong không gian hồ quang bao gồm điện tử, ion (ion +; ion -),

trong đó điện tử đóng vai trò quan trọng, ta xét một số tính chất của điện tử

Khối lượng điện tử: me = 9,03.10-27g

Điện tích điện tử: e =1,59.10-19C

Tích: eu =1V.1,59.10-19(A.V.S) → Công thoát điện tử

=1,59.10-19 (W.S) = 1,59.10-12 (erg) → Công ion hoá

2.3.2 Sự ion hóa trong ngọn lửa hồ quang

a, Ion hóa do va chạm

+ Các điện tử khi thoát ra khỏi điện cực do công ion hóa tạo ra chuyển động với vận

tốc rất lớn trong khoảng không nằm giữa hai điện cực tạo năng lượng

+ Muốn iôn hóa không khí được các điện tử phải va chạm với phân tử khí thỏa mãn

điều kiện:

Wđ ≥ eu

/ ( 10 66 , 1 10

03 , 9

7 , 7 10 59 , 1

27

12

h km s

+ Điều kiện ion hóa do phát sáng:   e.u / h (1/s)

Ví dụ: Ion hóa khí nitơ

15 27

12

10 53 , 3 10

625 , 6

14 10 59 ,

c, Ion hóa do nhiệt

+ Để tạo ra sự ion hóa khí do nhiệt thì phải thỏa mãn biểu thức:

eu

KT 

2 3

5 , 14 10 59 , 1 2 3

16

12

K k

eU

+ Như vậy ở nhiệt độ thấp chỉ xảy ra sự ion hóa cục bộ

Ví dụ: Ngọn lửa hồ quang hàn T  6000  7000oC không thể ion hóa hoàn toàn các khí có trong vùng hồ quang Trong ngọn lửa hồ quang hàn, các electron, ion (-), ion (+) và các phần tử trung hòa chưa được ion hóa

d, Mức độ ion hóa các khí:

- Quá trình sinh ra các hạt tich điện và sự mất đi của chúng trong khí nóng được cân bằng Vì vậy với mỗi thể tích khí ở nhiệt độ nhất định, mức độ ion hóa sẽ trở lên ổn định

- Mức độ ion hóa các khí đặc trưng bởi tỉ số giữa số lượng các hạt tích điện tạo thành và số lượng các hạt có trong thể tích khí nào đó trước khi bị ion hóa, biểu

diễn bằng phương trình sau

5 , 6

5000 lg

5 , 2 1

U : Điện thê ion hóa hiệu dụng (V)

- Từ phương trình trên cho ta thấy mức độ ion hóa thể tích khí trong điều kiện cân bằng khác nhau phụ thuộc vào T0 và điện thê ion hóa hiệu dụng

- T0 tăng thì mức độ ion hóa tăng và tiệm cận tới đơn vị, vì trong quá trình ion hóa có xảy ra sự tạo thành các hạt trung hòa từ các hạt ion trái dấu ion (+) với điện tử

e, Điện thế ion hóa hiệu dụng

- Hàn hồ quang sự phóng điện không phải xảy ra trong môi trường khí đồng nhất, mà là trong môi trường hỗn hợp khí và hơi.Cho nên mức độ ion hóa sẽ phụ thuộc vào điện thế ion hóa hiệu dụng

+ Điện thế ion hóa hiệu dụng của một hỗn hợp khí là điện thế ion hóa của một loại khí đồng nhất nào đó trong hỗn hợp khí ấy ở cùng một nhiệt độ, áp suất và nồng độ cùng sinh ra số lượng hạt tích điện như sau:

Công thức tính: ln( )

5800 1

5800 2 / 1

U

Ci : Nồng độ khí thứ i

Ui : Điện thế ion hóa của một loại khí thứ i

+ điện thế ion hóa hiệu dụng của hơi kali và sắt trong hỗn hợp khí ở nhiệt độ 5800K:

Khối lượng nguyên tử

K(%), (Ui =4,32 e-v) 0 1 2 5 10 20 50 100 Khối lượng nguyên tử

Fe (%), (Ui =7,83 e-v) 100 99 98 95 90 80 50 0 Điện thê ion hóa hiệu

dụng Uhd : e-V 7,83 6,35 6,08 5,40 5,36 5,05 4,61 4,32

- Kết luận: Nếu đưa vào môi trường hồ quang một lượng không lớn lắm, các chất có

điện thế ion hóa thấp thì điện thế ion hóa hiệu dụng của hỗn hợp khí sẽ giảm xuống khá mạnh và hồ quang sẽ cháy ổn định hơn Trong kỹ thuật hàn, thêm vào thuốc hàn 1 lượng các nguyên tố kiềm, kiềm thổ để giảm Uhd giúp hồ quang phóng ổn định, quá trình sinh nhiệt ổn định và lượng kim loại chảy trên A,K ổn định  sự hình thành mối hàn tốt hơn

2.3.3 Năng lượng của hồ quang

- Hồ quang cháy bằng dòng một chiều hay xoay chiều, khoảng cách giữa hai bề mặt điện cực là cột hồ quang hay ngọn lửa hồ quang có chiều dài xác định L

- Với dòng điện 1 chiều trong quá trình hồ quang cháy, phân biệt rõ ràng trên bề mặt hai điện cực vết kim loại bị đốt nóng có thể đạt tới trạng thái chảy trên bề mặt tạo ra hai vết Về phía Katot (-), và Anot (+)

- Với ngọn lửa hồ quang xoay chiều, thì K, A thay đổi phù hợp với tần số

dòng điện

- Vì vậy dòng điện một chiều hồ quang cháy ổn định hơn dòng xoay chiều Dòng kim loại nóng chảy do năng lượng hồ quang sẽ đều đặn và ổn định  sự hình thành mối hàn khi hàn hồ quang dòng một chiều, kích thước đều hình dạng mối hàn sau khi kết tinh đẹp, chất lượng mối hàn tốt

- Dòng xoay chiều hồ quang cháy không ổn định  Lượng kim loại nóng chảy không đều

- Điện áp hàn:

Uh= Ua + Uc+ Uk = a + b.lhq

b : điện áp rơi trên một đơn vị chiều dài

a = Ua + Uk (Điện áp rơi trên anốt và catot)

để hồ quang cháy ổn định phải chọn lhq thích hợp

- Công suất điện hồ quang :

Ii : dòng điện do ion tạo ra

Ie: dòng điện do điện tử tạo ra

Đặt f phần dòng điện do điện tử sinh ra :

f = Ie /I  Ie = f.I; thay vào

f I

I I f I I I f

I   i  ( 1  )  i  i  1 

a, Năng lượng trên catốt:

- Năng lượng do các ion (+) bắn phá catốt (A1)

A1=Ii.Uc =I(1 – f).Uc

- Hiệu điện thế giữa các ion và điện thế thoát của điện tử là :

Ui –  ( với  : công thoát điện tử )  A2 =(1 – f ).I.(U1 – )

A =A1 + A2 =(1– f )I.Uc + (1 – f)I(Ui – )

 A =A1 + A2 = (1– f ).I (Uc + Ui – )

- Năng lượng tiêu hao khi phát nhiệt điện tử trên catốt.A3

A3 = Ie  = I.f 

- Năng lượng trên catốt để làm nóng chảy hoặc bốc hơi catốt Wc

- Năng lượng phát xạ trên catốt Re

Năng lượng sinh ra và tiêu hao cân bằng

A1 + A2 = A3 + We +Re

b, Năng lượng trên cột hồ quang : (Uc)

- Năng lượng do dòng điện hồ quang tạo ra

A4 = I.Uc

- Điện tử đi ra từ catốt tăng tốc độ phát ra năng lượng A5

A5 = Ie.Uc = I.f.Uc

Năng lượng tiêu hao

- Các ion tạo hồ quang tiêu hao một năng lượng A6

A6 = Ii Uc =(1- f) I Uc

- Năng lượng phát xạ hồ quang Rc

Phương trình cân bằng năng lượng: A4 + A5 = A6+ Rc

c) Năng lượng trên Anốt

- Động năng của các e tăng tốc trên anot phát ra năng lượng : I Uc

- Điện tử vào anôt tiêu hao năng lượng : I.

- Năng lượng nung nóng và nóng chảy Anốt : Wa

- Năng lượng phát xạ ra : Ra (bỏ qua)

Wa = I (Ua - )

2.3.4 Đặc tính hồ quang hàn

Là quan hệ giữa dòng điện chạy qua hồ quang hàn và điện áp hồ quang hàn Uh = f (Ih)

+ Đặc tính động của máy (đặc tính ngoài) là

mối quan hệ giữa điện áp và dòng tải

- Đoạn I: Ih < 102.A  Ih  Uh ngoài của nguồn hàn

Đoạn này hồ quang cháy với tiết diện

nhỏ chưa phải trên toàn tiết diện ngang điện cực

mật độ dòng điện tăng, cường độ dòng điện tăng song tiết diện cột hồ quang tăng nhanh

hơn sự tăng của dòng điện, mật độ dòng điện giảm mặt khác Ua, Uk thay đổi ít dẫn đến

Uh giảm

Hình 2.15 Đặc tính tĩnh của hồ quang

- Đoạn II: 102 < I < 103 IhUh = const

Vì lúc này tiết diện ngang hồ quang tăng gần như ti lệ thuận với Ih, mật độ dòng

điện trong hồ quang gần như không đổi

Fhq tăng tỉ lệ thuận với Ih Đoạn này gọi là đặc tính cứng dùng để hàn hồ quang tay

- Đoạn III: Ih > 103 Ih  Uh

Do Lúc này hồ quang cháy trên toạn bộ tiết diện điện cực lên sự tăng tiết diện

hồ quang thì tăng tính dẫn điện  Uh tăng, dùng hàn hồ quang tự động, bán tự động

+ Quan hệ giữa đường đặc tính tĩnh và đặc tính ngoài

- Tại A: Ta có (U1, I1) xong do Ih nhỏ hồ quang cháy không ổn định, A điểm mối hồ

quang

- B: Điểm hồ quang cháy ổn định (I2,U2 ) dùng để hàn

+ Khi thay đổi chiều dài hồ quang  đường đặc tính thay đổi (nâng cao lên) dẫn đến

điện áp hàn thay đổi : dq= const l1 > l2 >l3

a) b)

Hình 2.16 Quan hệ giữa đường đặc tính tĩnh và đặc tính ngoài

a) Quan hệ giữa hai đường đặc tính;

b) Quan giữa đường đặc tính tĩnh với l hq ; d que hàn

+ Khi thay đổi đường kính que hàn

lhq = const  d1 <d2 <d3 <d4 (dq  đường đặc tính thoải hơn, mức độ tăng dòng và

a: điện áp dơi trên A- K ( 15 - 20 v)

b: điện áp rơi trên một đơn vị chiều dài hồ quang b = 15,7 v/cm

c,d : là các hệ số Khi I lớn thì số hạng 3 nhỏ có thể bỏ qua

Uh = a + b.lhq

Hình 2.17 Quan hệ giữa điện áp hàn và chiều dài cột hồ quang

+Dòng xoay chiều: Th = 810.Uhd

Để tăng nhiệt độ hồ quang dùng khí nén để nén hồ quang tiết diện hồ quang giảm, nhiệt độ hồ quang tăng đột ngột Bình thường T0

hq (8000 – 90000K)

hồ quang nén Thq = 20.0000K

2.3.5 Nhiệt của hồ quang hàn: Do điện năng biến thành nhiệt năng

- Công suất điện của hồ quang: q = Uh.Ih (W)

q : Công suất điện của hồ quang

Uh: Điện áp hàn (V)

I : Cường độ dòng điện hàn (A)

- Nếu bỏ qua mất mát và hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học thì công suất nhiệt của hồ quang được tính như sau:

Q = 0,24 Uh.Ih.t (cal)

- Công suất nhiệt hiệu dụng của hồ quang truyền vào kim loại cơ bản trong một đơn vị thời gian

Qhd = 0,24Uh.Ih 

 : Hệ số hữu ích phụ thuộc phương pháp hàn và một số yếu tố khác

Hàn điện cực không nóng chảy trong khí bảo vệ  = 0,45 0,6

Hàn bằng que hàn nóng chảy thuốc bọc  = 0,65 0,75

Hàn bằng que hàn nóng chảy thuốc bọc dày  = 0,75 0,8

Hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ  = 0,85 0,95

- Công suất nhiệt hiệu dụng bao giờ cũng nhỏ hơn công suất nhiệt toàn phần của hồ quang

- Các sơ đồ cân bằng nhiệt của các phương pháp hàn

a) b)

c)

Hình 2.18 Biểu đồ cân bằng nhiệtkhi hàn

a)Hàn tự động dưới lớp thuốc ; b) hàn hồ quang tay ; c) hàn điện xỉ thép dày 100mm

1 nóng chẩy điện cực ; 2 nóng chẩy kim loại cơ bản ; 3 mất mát do bức xạ ;

4 đốt nóng mép bằng bức xạ ;5 quá nhiệt của kim loại bể hàn ; 6.đốt nóng các con

trượt bởi xỉ ; 7 đốt nóng các con trượt bởi kim loại

2.3.6 Sự thổi lệch hồ quang

Hồ quang được xem như một dây dẫn mềm dưới tác dụng của từ trường nó bị

dịch chuyển đi đồng thời còn bị biến dạng và kéo dài nếu từ trường sung quanh cột hồ quang phân bố đối xứng thì nó sẽ không bị thổi lệch, nhưng nếu phân bố không đối xứng nó sẽ bị thổi lệch về phía có từ trường yếu hơn

* Từ trường ngang: làm hồ quang bị thổi lệch về phía có từ trường yếu hơn

Hình 2.20.Ảnh hưởng của từ trường gang đến hồ quang

* Từ trường dọc:

Không làm hồ quang bị thổi lệch, do tác dụng đồng thời của lực từ trường và

điện trường có tác dụng thu nhỏ tiết diện cột hồ quang làm tăng nhiệt độ của hồ quang

Từ trường sinh ra do dòng điện chạy qua que hàn, hồ quang và vật hàn

từ trường riêng làm hồ quang thổi lệch hay không phụ thuộc vào cách nối cực hàn

Hình 2.22 Ảnh hưởng của từ trường riêng a) từ trường bên trái mạnh hơn bên phải; b) từ trường phân bố đối xứng;

c) từ trường bên phải mạnh hơn bên trái

+ Ngoài ra hồ quang bị thổi lệch còn do tác dụng của sắt từ vì độ từ thẩm của sắt lớn

gấp hàng nghìn lần không khí nên hồ quang bị thổi lệch về phía sắt từ

Hình 2.23 Ảnh hưởng của sắt từ đến hồ quang

Vì vậy với các mối hàn vát mép có tiết diện lớn để tránh ảnh hưởng của sắt từ do biên

độ dao động ngang que hàn lớn cần tiến hành hàn nhiều đường nhiều lớp

Góc nhiêng que hàn cùng làm lệch hồ quang quang hàn

+ Thay dòng điên hàn một chiều bằng dòng xoay chiều cũng giảm được sự thổi lệch hồ quang

2.3.7 Phân loại hồ quang hàn

a, Theo phương pháp hàn

- Hàn hồ quang tay: thao tác quá trình hàn bằng tay

- Hàn hồ quang bán tự động: Thường tự động hóa cơ cấu cấp dây hàn, còn các thao tác hàn thực hiện bằng tay

- Hàn hồ quang tự đông: Tự động hóa toàn bộ các thao tác trong quá trình hàn

b, Theo môi trường bảo vệ

- Hàn hồ quang trong môi trường thuốc bảo vệ

- Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ

c, Theo loại điện cực

- Hàn bằng điện cực nóng chảy (que hàn, dây hàn)

- Hàn bằng điện cực không nóng chảy thường dùng điện cực (W, WT, C)

d, Theo loại dòng điện dùng để hàn

- Hàn bằng dòng điện một chiều

- Hàn bằng dòng điện xoay chiều

e, Theo cách nối dây hàn

+ Nối trực tiếp: Một đầu của nguồn nối với cực hàn, đầu kia của nguồn nối với vật hàn

Hồ quang hình thành trực tiếp giữa điện cực và vật hàn

* Với dòng một chiều nối trực tiếp lại chia ra:

Nối thuận cực dương nguồn (+) với vật hàn, cực âm (-) với que hàn

Nối nghịch cực dương nguồn (+) với que hàn, cực âm (-)với vật hàn

+ Nối gián tiếp: Hai cực của nguồn nối với hai điện cực hàn, hồ quang hình thành trực tiếp giữa hai cực hàn khi đó phải thực hiện quá trình hàn bằng hai tay, ít dùng

+ Nối hỗn hợp (dùng nguồn 3 pha) hai cực của nguồn nối với hai cực hàn, một cực nối với vật hàn khi đó hồ quang có thể hình thành giữa hai cực hàn, giữa cực hàn với vật hàn

2.4 Nguồn nhiệt hàn điện tiếp xúc

2.4.1 Thực chất đặc điểm, phân loại

- Thực chất : hàn tiếp xúc là dạng hàn áp lực, dùng dòng điện có cường độ lớn đi qua

chỗ tiếp xúc giữa các chi tiết hàn để sinh nhiệt nung nóng vùng hàn đến trạng thái chảy hoặc dẻo Sau đó dùng lực ép thích hợp ép các bề mặt tiếp xúc lại với nhau

- Đặc điểm: Do dòng điện có cường độ rất lớn thời gian tác dụng ngắn, không cần phải

dùng que hàn phụ, thuốc hàn hay khi bảo vệ mà mối hàn vẫn đảm bảo chất lượng Mối hàn hình thành không có xỉ, chi tiết hàn rất ít bị biến dạng, dễ cơ khí hóa và tự động hóa nên năng suất hàn rất cao

- Phân loại:

+ Hàn giáp mối

Hình 2 25 Sơ đồ hàn điện tiếp xúc giáp mối

- Điện trở của dây dẫn:

+ Khi dòng điện chạy qua một dây dẫn thì sinh ra một nhiệt lượng:

t R I t

I U

- Khi dòng điện chạy qua, điện trở dây dẫn kim loại tăng lên

RT  R0( 1   t )

T

R :Điện trở kim loại ở nhiệt độ T

0

R :Điện trở tiếp xúc ban đầu

 : Hệ số thay đổi nhiệt độ do điện trở tạo ra

- Khi dòng điện chạy qua kim loại mạng tinh thể kim loại bị nung nóng lên từ nhiệt độT0 T thì hệ số α cũng thay đổi theo Điện trở RT tại bề mặt tiếp xúc là (RTX) điện trở RTX tính trong điều kiện có dòng điện chạy qua, RTX biến thiên từ R0max đến

RTXmin= const

- RTX phụ thuộc vàoT0 và áp lực, điện trở tiếp xúc phụ thuộc vào từng phương pháp hàn

Hình 2.26 Sự phụ thuộc của R tx

2.4.2 Mặt tiếp xúc hàn

- Bề mặt tiếp xúc lúc ban đầu không bằng phẳng, và chỉ tiếp xúc trên các đỉnh nhấp nhô, độ nhấp nhô cao thấy tuỳ thuộc vào phương pháp gia công và tính chất của kim loại

- Trên bề mặt tiếp xúc thường có dầu mỡ, các ô xít kim loại, chiều dày lớp ô xít này phụ thuộc vào từng kim loại, mức độ làm sạch sơ bộ và thời gian kể từ lúc bắt đầu làm sạch đến khi hàn Chiều dày lớp ô xít trên các lớp bề mặt khác nhau là khác nhau

- Diện tích tiếp xúc S =  f (f các nhấp nhô)

- Khi dòng điện chạy qua nung nóng tức thời các đỉnh nháp nhô vì cường độ dòng hàn tổng lớn  mật độ dòng điện đi qua các đỉnh nhấp nhô lớn  đỉnh nhấp nhô chảy ra gay lập tức Sau đó do tác dụng ngoại lực dần san phẳng các đỉnh nhấp nhô lấp hết chỗ trống toàn bề mặt tiếp xúc, lúc đó (dòng không đổi nhưng mật độ dòng điện giảm) tổng diện tích tiếp xúc bằng tổng các nhấp nhô: S =  f

- Bề mặt tiếp xúc sẽ là S S làm RTX giảm đi tỷ lệ nghịch với lực ép, khi đó điện trở

RTX cộng với dòng điện tạo nên mối hàn

2.4.3 Sự phát nhiệt trên bề mặt tiếp xúc

Xét sơ đồ hàn điện tiếp xúc thì nhiệt lượng cần cấp cho quá trình hàn

Q = 2Qdc + 2QKL + Qđ

RTX = Rt + Rn

Hình 2 27 Sơ đồ cân bằng nhiệt trong hàn tiếp xúc điểm

- Tổng điện trở tiếp xúc khi hàn điểm thay đổi là rất nhỏ, tổng trở khi có dòng điện là không đổi

- Nhiệt truyền vào chi tiết lớn hơn truyền vào điểm hàn Nếu nhiệt độ tăng gần tới nhiệt

độ tiếp xúc hàn thì kim loại gần bề mặt tiếp xúc nung đến trạng thái gần chảy

- Hàn điểm nhiệt ổn định hơn các phương pháp hàn khác tạo ra điểm hàn có đường kính

d, chiều sâu ngấu h Kích thước điểm hàn được xác định bằng sự thay đổi của sự phát nhiệt và mất nhiệt

- Ngắt dòng điện, kim loại chảy và gần chẩy nguội kết tinh rất nhanh, vì vậy hình thành mối hàn ở trạng thái dẻo với thời gian hàn rất ngắn (1/10 ÷1/100s )

- Trong hàn đường các điểm hàn này nối tiếp nhau liên tục giữa các điểm hàn có phần chồng.( phần chung), còn hàn điểm thì điểm hàn cách nhau khoảng cách là t (gọi là bước hàn) Sự phát nhiệt khi nung nóng bằng điện trở, cường độ dòng điện, và thời gian

* Chú ý: Điện trở hình học rất nhỏ kết thúc quá trình hàn tiến tới không Do đó điện trở

chỉ điều chỉnh trong phạm vi hẹp phụ thuộc vào kết cấu hàn cụ thể Vì vậy trong thực tế

sự nung nóng hàn là việc chọn dòng điện và thời gian dòng điện đi qua Song thời gian hàn rất ngắn, nên sự nung nóng phụ thuộc vào chính cường độ dòng điện Thường khi hàn điện giáp mối cường độ dòng điện tới hang vạn, chục vạn (A) thời gian chỉ khoảng

1/10 s

2.5 Nguồn nhiệt hàn điện xỉ

2.5.1 Nguyên lý hàn điện xỉ

- Hàn hồ quang: Nguồn nhiệt hàn do hồ quang điện phóng quá khoảng không giữa hai

điện cực (chi tiết hàn và điện cực)

- Hàn tiếp xúc: nhiệt sinh ra do dòng điện đi qua bề mặt tiếp xúc của kim loại vật hàn

có điện trở lớn

- Hàn điện xỉ: Nhiệt phát ra do dòng điện đi qua lớp xỉ và kim loại lỏng có điện trở lớn,

Nhiệt lượng sinh ra đủ để nung chẩy thuốc hàn, điện cực và một phần kim loại cơ bản

để tạo nên vũng hàn

- Điện cực nhúng sâu vào vũng xỉ một đoạn (L), bề mặt điện cực cách bề mặt vũng kim loại lỏng một đoạn (a ) Nhiệt lượng sinh ra trong vũng hàn

Q = 0,24.I2..R.t = 0,24 U.I.t

- Hàn điện xỉ có thể dùng điện cực dây hoặc tấm, hoặc kết hợp tấm và dây Dòng điện

đi qua lớp xỉ lỏng và đi qua vũng kim loại lỏng ở giữa tạo ra nhiệt độ cao Làm thuốc hàn, điện cực và mép chi tiết hàn chảy ra

- Quá trình hàn điện cực đi xuống với vận tốc không đổi và nhúng sâu vào xỉ lỏng một đoạn (L) trong suốt quá trình hàn Nếu Vdc = const = tốc độ nóng chảy thì khoảng cách giữa bề mặt điện cực và vũng kim loại lỏng không đổi và lượng kim loại nóng chảy ra của điện cực và mép hàn không đổi

- Dòng điện chạy qua xỉ lỏng sẽ phát nhiệt (tính theo công thức trên) Vdc đi xuống bằng

Vnc của dây Khoảng cách giữa bề mặt điện cực và kim loại lỏng không đổi, độ ngập sâu của điện cực không đổi Trong quá trình hàn mối hàn nằm dưới kim loại lỏng và kết tinh, nhiệt dự trữ của vũng xỉ sẽ cung cấp cho việc nung nóng và nóng chẩy kim loại hàn để tạo vũng xỉ và kim loại lỏng

Hình 2.28 Nguyên lý hàn điện xỉ

- Hai bên mép hàn của khe hở ( b) lắp 2 con trượt bằng vật liệu truyền nhiệt nhanh và được làm nguội bằng nước

- Thuốc hàn ban đầu và bổ sung nóng chảy đảm bảo cho vũng xỉ có độ ngập sâu là (L)

và khoảng cách đó đến vũng kim loại lỏng là (a.)

 : Điện trở riêng của vũng xỉ ở nhiệt độ hàn

L : Chiều dài điện cực nóng chảy ngập sâu trong vũng xỉ : L = H - a (cm)

 : Hệ số   1  e23(HL)

m: Hệ số điều chỉnh tuỳ thuộc độ dài phần điện cực nhúng vào vũng xỉ

- Khi hàn nhiều điện cực, điện trở vũng hàn giảm, khoảng cách giữa các điện cực > L

• Q2 : Giữ cho kim loại vũng hàn ở trạng thái lỏng do mép hàn nóng chẩy

• Q3 : Nhiệt Lượng truyền vào con trượt

• Q4 : Nhiệt lượng truyền ra ngoài vũng xỉ lỏng

- Nguồn tia điện tử

1.nguồn tia điện tử

2.Sợi nung nóng katốt

3.Cơ cấu điều chỉnh kích thước chùm tia điện tử

đó là (thấu kính điện tử)

4.Chi tiết hàn (Anốt)

5.Mối hàn

tỉ số chiều sâu và rộng mối hàn (10:1, có thể 30:1)

6.Van chân không

6÷10-3mmHg), cực katốt phóng chùm tia điện tử

- Anốt là vật hàn nối với mạch điện cao tần, điện áp 10.000 ÷ 100.000V

( Dòng điện từ 5mA đến 1000 mA) giữa (A- K ) tạo ra một chùm tia điện tử, tốc độ chuyển động của điện tử phụ thuộc độ chân không và điện áp nguồn cao tần Tốc độ điện tử 100.000cm/s, khoảng 360000km/h, và phát ra nguồn năng luượng

2

2

mv

Q 

- Dòng tia điện tử bắn pha anot: 1017 ÷ 1018 điện tử/s

- Khi bị chùm tia điện tử bắn nhiệt không chỉ phát ra ở bề mặt, nhiệt còn phát ra ở sâu trong kim loại, chùm tia điện tử điều chỉnh được nên vết rất nhỏ tạo ra mật độ dòng điện lớn so với phương pháp hàn khác Mối hàn sâu nhưng hẹp, tỷ lệ giữa độ sâu và rộng của mối hàn có thể lớn hơn (10:1, có thể tới 30: 1)

- Do hàn trong chân không nên có thể hàn được kim loại khó hàn, khi áp suất xung quanh tăng độ thâm nhập và tỷ số chiều sâu và chiều rộng giảm đi

2.7 Nguồn nhiêt hàn ma sát

- Nguyên lý chung

Hình 2.29 Nguyên lý hàn ma sát

+ Hai bề mặt tiếp xúc cho một chi tiết quay với vân tốc n, vật kia chuyển động tịnh tiến với vận tốc V làm nóng chảy vùng kim loại hàn, ma sát tiếp xúc hai bề mặt sinh nhiệt hình thành mối hàn

q  kp f n R

Trong đó; R: bán kính bề mặt ma sát; kp: hệ số tỷ lệ; f : Hệ số ma sát

Chương III: Sự truyền nhiệt khi hàn

3.1 Khái niệm về truyền nhiệt

- Hầu hết các phương pháp hàn đều dùng nguồn nhiệt tập trung vào vị trí mối hàn đến nhiệt độ nóng chẩy hoặc nhiệt độ biến dạng dẻo Tuỳ thuộc vào tích chất của vật liệu hàn và của kết cấu mà sự truyền nhiệt nhanh hay chậm khác nhau ra vùng xung quanh

- Chế độ nung nóng và làm nguội không đúng sẽ là một trong các nguyên nhân làm xuất hiện các khuyết tật hàn (nứt nóng, nứt nguội mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt, mối hàn không ngấu, liên kết hàn cong vênh, tạo ra ứng suất dư ) làm giảm khả năng làm việc của kết cấu

- Trạng thái nhiệt của kim loại hàn, của xỉ hàn và của các phần tử khác tương tác trong quá trình hình thành mối hàn, những quá trình hoá lý, quá trình luyện kim, làm thay đổi

tổ chức của liên kết hàn Đặc biệt khi hàn nóng chảy quá trình luyện kim xảy ra rất ngắn sẽ ảnh hưởng tới tổ chức và tính chất của liên kết hàn

- Những giả thuyết đặc trưng cho ứng suất biến dạng phát sinh ra trong kết cấu hàn chủ yếu phụ thuộc vào chu trình nung nóng và làm nguội, phụ thuộc sự lan truyền nhiệt trong liên kết và tổ chức kim loại mối hàn

- Kim loại cơ bản gần mối hàn, (Vùng ảnh hưởng nhiệt: ahn) xác định bởi đặc điểm sự phân bố và sự lan truyền nhiệt, trong đó tốc độ nguội và tốc độ lan truyền nhiệt quyết định vùng ảnh hưởng nhiệt

- Nếu không tính toán đến trạng thái nhiệt của kim loại thì không giải thích được sâu sắc và đầy đủ các hiện tượng xuất hiện khi hàn Muốn nghiên cứu các quá trình hàn phải nghiên cứu đầy đủ các quá trình xẩy ra, phải đặt ra các giả thuyết gần đúng về định luật nung nóng trong vật thể, kết cấu và sự lan truyền nhiệt trong kết cấu đó

- Muốn nghiên cứu một cách tỉ mỉ phải hiểu được các đại lượng vật lý của vật liệu kết cấu

+ Số lượng nhiệt của nguồn sinh ra: Q (cal); (J)

+ Nhiệt dung: C (cal /g. 0C)

+ Khối lượng riêng:  (g/cm3), ( kg/m3)

+ Nhiệt dung thể tích: C ( cal /cm3.0C)

- Với chất rắn nhiệt dung thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, muốn nung nóng một vật thể lên 10C mỗi khoảng nhiệt độ mới hỗn hợp tiêu hao 1lượng nhiệt khác nhau Vật thể nhân một khối lượng nhiệt là Q để nung nóng một khối lượng là G từ T1 C lên

T2 C thì có thể xác định giá trị trung bình của nhiệt dung ở khoảng nhiệt độ cho trước

( / )

) (

0 1

2

C g cal T T G

Q C

+ Trường nhiệt độ: là tập hợp nhiệt độ phân bố theo thời gian của tất cả các điểm trong

vật thể hay trên bề mặt mà có nhiệt độ như nhau Trường nhiệt độ đặc trưng bởi đường đẳng nhiệt hoặc mặt đẳng nhiệt

Hình 3.1 Trường nhiệt

+ Đường đẳng nhiệt: là đường trên đó nhiệt độ mọi điểm là như nhau

+ Mặt đẳng nhiệt: là mặt hình học có nhiệt độ mọi điểm trên bề mặt đó là như nhau,

giao giữa mặt đẳng nhiệt và mặt nào đó thuộc vật thể ta có đường đẳng nhiệt

- Biểu diễn trường nhiệt độ bằng hệ phương trình trong hệ tọa độ không gian

( 1 gọi là gradien nhiệt độ theo phương S nào đó :

+ Gradien nhiệt độ theo phương tiếp tuyến với đường đẳng nhiệt = 0, theo phương pháp tuyến có giá trị cực đại

+ Gradien nhiệt độ của một điểm cho trước có véc tơ cùng phương của sự biến đổi nhiệt

độ lớn nhất trùng với pháp tuyến mặt đẳng nhiệt

+ Khi T0 tăng thì gradien > 0 và ngược lại, nguồn nhiệt tác dụng ở tâm t2 < t1  gradien

< 0

- Nếu vật hàn có sự phân bố nhiệt độ không đều thì phần nhiệt độ cao truyền sang phần nhiệt độ tháp đến một lúc nào đó tại điểm đang xét, nhiệt độ truyền qua có sự cân bằng nhiệt

- Trong vật rắn nhiệt độ truyền từ nơi cao đến nơi thấp gọi là truyền nhiệt trong nội bộ vật thể

- Nhiệt truyền từ nội bộ kết cấu hàn ra bên ngoài môi trường lỏng hoặc khí gọi là

truyền nhiệt đối lưu, bức xạ

- Trong quá trình truyền nhiệt có thể xảy ra một trong ba điều kiện biên:

*Quá trình đoạn nhiệt:

+ Nhiệt độ bề mặt vật thể phụ thuộc vào tọa độ bề mặt và thời gian, nhiệt độ chỉ phân

bố trên bề mặt mà không phân bố bên trong vật thể, tức là nhiệt độ bề mặt không thay đổi trong suốt thời gian t

),,,() ( x y z t T

T F  F+ Dòng nhiệt phân bố trên bề mặt vật thể phụ thuộc tọa độ bề mặt và thời gian

),,,() ( x y z t q

q F  F+ Điều kiện biên giới của vật thể không có sự trao đổi nhiệt, trong trường hợp hàn nếu

có sự trao đổi nhiệt của vật thể với môi trường xung quanh không lớn lắm so với nhiệt bên trong ta có thể tạm coi là quá trình đoạn nhiệt

* Quá trình đẳng nhiệt:

Bề mặt kết cấu có nhiệt độ không đổi trong suốt quá trình hàn

* Điều kiện trao đổi nhiệt với môi trường có nhiệt độ cho trước

- Trên mặt phẳng tập hợp tất cả các đường đẳng nhiêt (t1, t2, t3,… tn,) là trường nhiệt độ khi hàn tấm mỏng

+ Nếu tấm dày đẳng hướng: Sự phân bố nhiệt khắp bề mặt vật thể là như nhau, tập hợp tất cả các đường đẳng nhiệt tạo một hình trụ

+ Nếu vật thể không đồng nhất, không đẳng hường, nguồn nhiệt di động thì sự phân bố các đường đẳng nhiệt là đường phức tạp và sự phân bố theo chiều dày  là các mặt cong phức tạp

- Sự phân bố nhiệt theo các phương là khác nhau

0

; cos cos

T

n dS

n

T S

Q q

3.2 Định luật truyền nhiệt Furier

Mật độ dòng nhiệt đi vào phương cho trước tỉ lệ thuận với phương đó (mật độ dòng nhiệt tỉ lệ thuận với Gradien nhiệt độ )

n

T q







  (W/m2)

- Mật độ dòng nhiệt là nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt vuông góc với hướng truyền nhiệt trong một đơn vị thời gian (W/m2)

- Dòng nhiệt là lượng nhiệt truyền qua toàn bộ diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian, ký hiệu là Q (W)

- Dòng nhiệt truyền qua diện tích dF : d Q qdF

Trên toàn bộ diện tích bề mặt Q   q dF

z

q y

q x

q dt dz dy

dx

dt dz dy dx z

q dt dz dy dx y

q dt dz dy dx x

q dQ

dQ dQ

dQ

z y

x

z y

x z

y x

y

T q

;)(

;)(

z

T z

z

q y

T y

y

q x

T x

x

q

z

z y

y x

y

T y

x

T x

dxdydzdt

z y

T y

T x

T

2 2

2 2

m



t

T c z

T y

T x

2 2

2 2

T y

T x

2 2

T y

T x

T a

2 2 2

2 2

2 2

2 2

z

T y

T x

T T

  

Đối với một số trường hợp lan truyền nhiệt độ khi hàn, phương trình truyền nhiệt

có thể đơn giản hơn nhiều

a, Khi hàn tấm mỏng:

Hình 3.2 Trường nhiệt tấm mỏng khi nguồn nhiệt cố định