Hồ quang điện trong kỹ thuật

Hiện tượng hồ quang điện 1.1 Tiếp xúc điện là gì? 1.1.1 Khái niệm Tiếp xúc điện là nơi mà dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác. Bề mặt tiếp xúc của hai vật dẫn được gọi là tiếp xúc điện. Các yêu cầu cơ bản của tiếp xúc điện: Nơi tiếp xúc điện phải chắc chắn, đảm bảo Mối nơi tiếp xúc phải có độ bền cơ khí cao. Mối nối không được phát nóng quá gía trị cho phép. Ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng điện cực đại đi qua. Chịu được tác đông của môi trường (nhiệt độ, chất hoá học…) Để đảm bảo các yêu cầu trên, vật liều dùng làm tiếp điểm có các yêu cầu: Điện dẫn và nhiệt dẫn cao. Độ bền chổng rỉ trong không khí và trong các khí khác. Độ bền chống tạo lớp màng có điện trở suất cao. Độ cứng bé để giảm lực nén. Độ cứng cao để giảm hao mòn ở các bộ phận đóng ngắt. Độ bền chịu hồ quang cao (nhiệt độ nóng chảy). Đơn giản gia công, giá thành hạ.Một số vật liều dùng làm tiếp điểm: Đồng, Bạc, Nhôm,

Hồ quang điện trong kỹ thuật

1/ Hiện tượng hồ quang điện

1.1/ Tiếp xúc điện là gì?

1.1.1/ Khái niệm

Tiếp xúc điện là nơi mà dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác Bề mặt tiếp xúc của hai vật dẫn được gọi là tiếp xúc điện Các yêu cầu cơ bản của tiếp xúc điện:

• Nơi tiếp xúc điện phải chắc chắn, đảm bảo

• Mối nơi tiếp xúc phải có độ bền cơ khí cao

• Mối nối không được phát nóng quá gía trị cho phép

• Ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng điện cực đại đi qua

• Chịu được tác đông của môi trường (nhiệt độ, chất hoá học…)

Để đảm bảo các yêu cầu trên, vật liều dùng làm tiếp điểm có các yêu cầu:

• Điện dẫn và nhiệt dẫn cao

• Độ bền chổng rỉ trong không khí và trong các khí khác

• Độ bền chống tạo lớp màng có điện trở suất cao

• Độ cứng bé để giảm lực nén

• Độ cứng cao để giảm hao mòn ở các bộ phận đóng ngắt

• Độ bền chịu hồ quang cao (nhiệt độ nóng chảy)

• Đơn giản gia công, giá thành hạ.Một số vật liều dùng làm tiếp điểm: Đồng, Bạc, Nhôm, Vonfram…

1.1.2/ Phân loại tiếp xúc điện

Dựa vào kết cấu tiếp điểm, có các loại tiếp xúc điện sau:

Tiếp xúc cố định: Các tiếp điể được nối cố định với các chi tiết dẫn dòng điện như là: thanh cái, cáp điện, chỗ nối khí cụ vào mạch Trong quá trình

sử dụng, cả hai tiếp điểm được gắn chặt vào nhau nhờ các bu – lông, hàn nóng hay nguội

Tiếp xúc đóng mở: Là tiếp xúc để đóng ngắt mạch điện Trong trườnghợp này ơhát sinh hồ quang điện, cần xác định khoảng cách giữa tiếp điểm tĩnh và động dựa vào dòng điện định mức, điện áp định mức và chế độ làm việc của khí cụ điện

Tiếp xúc trượt: Là tiếp xúc ở cổ góp và vành trượt, tiếp xúc này cũng dễ sinh ra hồ quang điện

Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc

• Vật liệu làm tiếp điểm (Vật liệu mềm tiếp xúc tốt)

• Kim loại làm tiếp điểm không bị ôxy hóa

• Lực ép tiếp điểm càng lớn thì sẽ tạo nên nhiều tiếp điểm tiếp xúc

• Nhiệt độ tiếp điểm càng cao thì điện trở tiếp xúc càng lớn

• Diện tích tiếp xúc

• Thông thường dùng hợp kim để làm tiếp điểm

1.2/ Hồ quang điện là gì?

1.2.1/ Khái niệm

Trong các khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện (cầu dao, contactor, rơle…) khi chuyển mạch sẽ phát sinh hiện tượng phóng điện Nếu dòng điện ngắt dưới 0,1A và điện áp tại các tiếp điểm khoảng 250 – 300V thì các tiếp điểm sẽ phóng điện âm ỉ Trường hợp dòng điện và điện áp cao hơn trị số trong bảng sau sẽ sinh ra hồ quang điện

1.2.2/ Tính chất cơ bản của phóng điện hồ quang

• Phóng điện hồ quang chỉ xảy ra khi các dòng điện có trị số lớn

• Nhiệt độ trung tâm hồ quang rất lớn và trong các khí cụ có thể đến 6000÷80000K

• Mật độ dòng điện tại Catốt lớn (104 ÷ 105)A/cm2

• Sụt áp ở Catốt bằng 10 ÷ 20V và thực tế không phụ thuộc vào dòng điện

1.2.3/Quá trình phát sinh và dập hồ quang

Quá trình phát sinh hồ quang điện

Đối với tiếp điểm có dòng điện bé, ban đầu khoảng cách giữa chúng nhỏ tỏng khi điện áp đặt có trị số nhất định, vì vậy trong khoảng không gian này sẽ sinh ra điện trường có cường độ rất lớn (3.107V/cm) có thể làm bật điện tử từ Catôt gọi là phát xạ tự động điện tử (gọi là phát xạ nguội điện tử) Số điện tử càng nhiều, chuyển động dưới tác dụng của điện trường

điện

Đối với tiếp điểm có dòng điện lớn, quá trình phát sinh hồ quang phức tạp hơn Lúc đầu mở tiếp điểm, lực ép giữa chúng có trị số nhỏ nên số tiếp điểm tiếp xúc để dòng điện di qua ít Mật độ dòng điện tăng đáng kể đến hàng chục nghìn A/cm2, do đó tại các tiếp điểm sự phát nóng sẽ tăng đến mức làm cho ở nhau, giọt kim loại được kéo căng ra trở thành cầu chất lỏng và nối liền hai tiếp điểm này, nhiệt độ của cầu chất lỏng tiếp tục tăng, lúc đó cầu chất lỏng bôc hới và trong không gian giữa hai tiếp điểm xuất hiện hồ quang điện Vì quá trình phát nóng của cầu thực hiện rất nhanh nên sự bốc hới mang tính chất nổ Khi cầu chất lỏng cắt kéo theo

sự mài mòn tiếp điểm, điều này rất quan trọng khi ngắt dòng điện quá lớn hay quá trình đóng mở xảy ra thường xuyên

Quá trình dập tắt hồ quang điện

Điều kiện dập tắt hồ quang là quá trình ngượi lại với quá trình phát sinh

hồ quang:

• Hạ nhiệt độ hồ quang

• Kéo dài hồ quang

• Chia hồ quang thành nhiều đoạn nhỏ

• Dùng năng lượng bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang

• Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang Thiết bị để dập tắt hồ quang

• Hạ nhiệt độ hồ quang bằng cách dùng hơi khí hoặc dầu làm nguội, dùng vách ngăn để hồ quang cọ xát

• Chia hồ quang thành nhiều cột nhỏ và kéo dài hồ quang bằng cách dùng vách ngăn chia thành nhiều phần nhỏ và thổi khí dập tắt

• Dùng năng lương bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang, năng lượng của nó tạo áp suất để thổi tắt hồ quang

• Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang (dùng điện trởmắc song song với hai tiếp điểm sinh hồ quang)

2/ Tác hại của hồ quang điện

Phát sinh hồ quang khi đóng cắt có những tác hại chính sau đây:

Kéo dài thời gian đóng cắt: Do có hồ quang, nên ngay khi các đầu tiếp xúc

đã rời nhau ra, dòng điện vẫn bắc cầu qua dòng hồ quang để tồn tại, làm thời gian dòng cắt kéo dài Thời gian này phụ thuộc vào tốc độ dập hồ quang Chỉ khi hồ quang bị dập tắt hẳn mạch điện mới được cắt hẳn

Khi đóng mạch, thì ngược lại, lúc hai đầu tiếp xúc với nhau, hồ quang phát sinh làm xuất hiện dòng điện trong mạch Do đó, thời gian đóng mạch bị kéo dài

1. Làm hỏng mặt tiếp xúc: Hồ quang là dạng phóng điện nhiệt độ cao, nên dễ làm rỗ, làm cháy mặt tiếp xúc Do đó, sau một số lần đóng cắt, tiếp xúc ở mặt tiếp điểm xấu đi, làm tăng điện trỏ tiếp xúc

2. Gây ra ngắn mạnh giữa các pha: Hồ quang tỏa ra từ các pha cạnh nhau sẽ bắc cầu, gây ra phóng điện giữa các pha, tạo ra ngắn mạch giữa các pha Đây là trường hợp rất nguy hiểm, ta thường gặp khi thao tác sai, chẳng hạn dùng dao cách ly để cắt mạch dòng điện, lúc này hồ quang rất khó dập tắt, hồ quang lan rộng

3. Gây hỏa hoạn và tai nạn: Hồ quang mạnh ở môi trường có chất dễ cháy sẽ dễ dàng gây ra hỏa hoạn Nhiều trường hợp hồ quan phóng cả vào người thao tác, gây ra bỏng nặng, rất nguy hiểm

Khi hồ quang phóng chập chờn, dễ xảy ra hiện tượng cảm ứng, làm điện

áp cục bộ trên các thiết bị tăng cao, dẫn tới quá điện áp

Chính vì thế, việc dập hồ quang là vấn đề rất lớn đốì với các thiết bị đóng cắt điện áp cao, dòng điện lớn, nhất là khi phải cắt dòng điện ngắn mạch Người ta đã nghiên cứu ra nhiều kiểu máy cắt khác nhau để thỏa mãn yêu cầu này

Hàn hồ quang điện và những lưu ý

1/ Hàn hồ quang điện là gì?

Hàn hồ quang là hiện tượng phóng điện mạnh, liên tục trong môi trường

không khí giữa các điện cực trái dấu, làm không khí bị nung nóng, hiện tượng này phát ra ánh sáng mạnh và nhiệt độ cao

Hồ quang được đánh lửa qua chạm ngấn chi tiết với que hàn Qua việc kéo lại vài milimét, que hàn nhận được chiều dài đúng cho hàn Động năng của điện tử va chạm vào cực dương làm tăng nhiệt độ ở cực âm phát sinh một nhiệt độ khoảng 3600°c, ở cực dương nơi thường đặt ở chi tiết, nhiệt độ vào khoảng 4200°c

Sự dập hồ quang (Tác dụng thổi).Trong hàn hồ quang hồ quang bị lệch do ảnh hưởng của trường điện từ, tự hình thành chung quanh dây dẫn điện mỗi lẩn dòng điện chạy qua Que hàn đứng thẳng trên chi tiết, đường lực

ở trong vòng cong hướng vể phía cực bị đẩy vào nhau và nới lỏng ở phía đối diện Trong phạm vi nới lỏng này hồ quang sẽ chệch hướng

Sự tác dụng dập hổ quang chủ yếu xảy ra trong khi hàn với dòng điện một chiều, đặc biệt là trong hàn thép Nó có thể mạnh đến mức không thể hàn được Việc giảm bớt tác dụng thổi có thể đạt được qua cách đặt kẹp cực ở chi tiết, thay đổi chiều hàn, sử dụng que hàn có vỏ bọc dày, độ dốc của que hàn so với hướng thổi hay qua hàn với dòng điện xoay chiều

1.1/ Khi hàn hồ quang

Loại và đường kính của que hàn được xác định bởi bể dày nguyên liệu, vật liệu của chi tiết và loại hàn (hàn kết nối hay hàn đắp) Khi hàn, que hàn nóng chảy phải được bổ sung liên tục để chiều dài hổ quang không thay đổi Bằng cách dẫn hướng tương ứng của que hàn, người ta có thể ảnh hưởng đến hướng và áp lực của hồ quang để bể kim loại nóng chảy tiếp tục chảy không theo hướng hàn Tránh xỉ tạp và lỗi kết nối hàn Đoạn còn

dư của que hàn nóng chảy đạt nhiệt độ nung đỏ có nghĩa là dòng điện hàn

bị chỉnh quá lớn Nếu dòng điện hàn này quá nhỏ, hồ quang có thể được đánh lửa kém và được giữ (kềm lại) và xỉ lỏng làm cản trở sự kết nối của một mối hàn bình thường

ở hàn hổ quang tay, chiều dài hổ quang nên tương đương với đường kính lõi của que hàn

Khoảng hở mối hàn lớn được hàn nhiều lớp (Hình 2) Xỉ của đường hàn trước phải được loại bỏ hoàn toàn Lớp hàn phủ được hàn với chuyển động dao động ngang

1.2/ Dụng cụ và thiết bị

Năng lượng của hồ quang mang tính tập trung và được dùng để nung

chảy kim loại khi hàn

Có thể tải dòng điện hàn từ 5A đến 2000A và điện áp có thể thấp đến 10V

Có dạng hình chuông, phần loe luôn hướng về phía vật hàn Chiều dài hồ quang tỉ lệ với điện áp hàn, khi chiều dài hồ quang vượt quá giới hạn nào

đó nó sẽ tự tắt Dòng điện càng lớn thì khả năng kéo dài hồ quang càng

lớn

1. Vật hàn: phải được làm sạch trước khi hàn.

2. Kìm kẹp mát: nối với vật hàn càng gần với vị trí hàn nhất có thể.

3. Điện cực: trước khi mồi hồ quang, gắn que hàn vào kìm hàn Que

hàn đường kính nhỏ thì cần cường độ dòng điện thấp hơn so với que hàn đường kính lớn

4. Kìm hàn

5. Vị trí cầm kìm hàn

6. Chiều dài hồ quang: là khoảng cách từ đầu que hàn đến vật

hàn Hồ quang ngắn với cường độ dòng điện phù hợp sẽ cho ra

âm thanh giòn, kim loại ít văn tóe Chiều dài hồ quang tùy thuộc vào đường kính que hàn (luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng đường kính que hàn) Ví dụ, chiều dài hồ quang hàn đối với que hàn đường kính 1,6 và 2,5 mm là khoảng 1,6 mm; chiều dài hồ quang của que hàn ø3,2mm và ø4mm là 3mm

7. Xỉ hàn: sử dụng búa gõ xỉ (có đầu nhọn) và bàn chải sắt để làm

sạch mối hàn Sau khi gõ xỉ, kiểm tra và quan sát mối hàn trước khi hàn đường hàn khác

Sự phân bố nhiệt độ của hồ quang cực Cacbon:

1. Cực âm t = 3200°C

2. Cực dương t = 3400°C

3. Trung tâm cột hồ quang có t°max = 6000°C

1.3/ Phân loại hồ quang hàn

Phân loại theo cách đấu dây

• Đấu dây trực tiếp: sử dụng que hàn thiêu hủy

• Đấu dây gián tiếp: sử dụng que hàn không thiêu hủy

• Đấu dây vừa trực tiếp vừa gián tiếp: sử dụng que hàn không thiêu hủy

Phân loại theo điện cực

• Điện cực không nóng chảy: than, graphit, Wonfram

• Điện cực nóng chảy: que hàn bằng kim loại

Phân loại theo dòng điện

• Hàn hồ quang bằng dòng điện xoay chiều (AC: Alternative Current)

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

2/ Những yêu cầu đối với dòng điện hàn hô quang

Điện áp không tải

• AC từ 40 ÷ 80V

• DC từ 60 ÷ 90V

Dòng ngắn mạch: Icc/I h = 1,1 ÷ 1,5 (đôi khi đến 2 cho các thiết bị

nặng)

Sự thay đổi điện áp hàn không làm thay đổi dòng điện quá lớn (đối với

thiết bị cung cấp)

Điện áp quy ước của hồ quang hàn (Conventional Voltage): Điện áp

của hồ quang hàn phụ thuộc vào vật liệu và môi trường khí bảo vệ đồng thời cũng phụ thuộc vào các đặc tính điện của máy hàn (độ dốc dòng ngắn mạch, đáp ứng quá độ…) Do vậy, để bảo đảm que hàn có thể hoạt động như nhau trên tất cả các chủng loại máy hàn, người ta tiêu chuẩn hóa quan hệ V-I của hồ quang hàn

Hàn que:

1. Uh = 25 Volts khi I h : 0 ÷ 100A

2. Uh = 40 Volts khi I h > 600A

3. Uh = 25 + 0,03I h Volts khi I h : 100A ÷ 600A

4. Hàn TIG U h = 10 + 0,04I h Volts khi I h : 0 ÷ 600A

5. Uh = 34 Volts khi I h > 600A

6. Hàn MIG – MAG U h = 14 + 0,05I h Volts khi I h : 0 ÷ 600A

7. Uh = 44 Volts khi I h > 600A

Các máy hàn có yêu cầu và đặc điểm sau

Điện áp bảo đảm an toàn vận hành và mồi hồ quang dễ dàng AC ≤ 80V,

DC ≤ 90V

• Cường độ: điều chỉnh có cấp hoặc vô cấp từ 30 ÷ 600A

• Chu kỳ tải (Duty cycle) là hệ số đặc trưng cho khả năng tải của thiết bị, nó được định nghĩa là thời gian hàn liên tục ở dòng điện xác lập tính trong thời gian 10 phút

Hệ số này đồng thời cũng cho biết khả năng quá tải và cỡ của thiết bị hàn Thông thường chu kỳ tải co giá trị từ 20% ÷ 100%

Ví dụ: máy có Imax 150 A, chu kỳ tải 40% có nghĩa là máy có khả năng hàn liên tục trong 4 phút khi dòng điện hàn là 150 Sau đó phải nghỉ 6 phút để phục hồi các đặc tính điện Chu kỳ tải là thông số đặc trưng cho cấu trúc, vật liệu nguồn điện và khả năng làm mát của thiết bị Nói cách khác qua đó ta có thể đánh giá được năng lực và tính thích hợp của nguồn điện hàn khi ứng dụng

3/ An toàn khi hàn hồ quang

Trong hàn MIG /MAG (theo ISO 857-1 Hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ), một hổ quang dòng điện một chiều cháy giữa cực dương của dây điện cực và chi tiết (Hình 1) Dây hàn nóng chảy được dẫn từmột cuộn dây trên một thiết bị dẫn tiến qua bộ cáp dây đến đẩu hàn (đẩu súng hàn) Bước dẫn tiến của dây hàn (Tốc độ cấp dây) tùy thuộc vào tốc độ nóng chảy Trong đầu hàn, dòng điện hàn được truyền ngay trước hó quang qua béc điện tiếp xúc vào dây điện cực Tại đoạn ngắn ở cuối dây nhô ra ngoài, mật độ dòng điện cao vì tiết diện dây của điện cực nhỏ Qua đó hàn đạt được công suất nóng chảy cao và độ thâm nhập sâu Dây điện cực đặc hay dây điện cực nhồi (lõi) sử dụng làm vật liệu bổ sung Lõi (nhân) chứa chất khoáng của dây điện cực nhồi tạo ra một lớp xỉ trên mối hàn để bảo vệ trước sựoxy hóa và tôi (biến) cứng bề mặt

Sự điều chỉnh Dòng điện hàn và bước dẫn tiến dây (tốc độ cấp dây) được điểu chinh trước khi hàn Nó tùy thuộc vào vật liệu, khí bảo vệ, bề dày của chi tiết và đường kính của dây ở những thiết bị hàn hiện đại, các thông số khác nhau thí dụ nhưdòng điện cơ bản và dòng điện cao hoặc tần số xung điểu chỉnh được cũng nhưcácchương trình hàn đặc biệt, trong đó vật liệu

và độ dày nguyên liệu hàn được lập trình sẵn, chỉ cẩn gọi ra để áp dụng Phương pháp hàn MIG/MAG rất phù hợp cho hàn tự động

Các phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ quan trọng là hàn MIG, hàn MAG, hàn WIG (TIG) và hàn hổ quang plasma.Tất cả các phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ, hố quang và bể kim loại nóng chảy (vũng hàn) được ngăn che chống không khí bằng khí bảo vệ Qua đó có thể sử dụng các dây hàn (thường có đường kính từ 0,8 mm đến 2 mm) làm vật liệu hàn bổ sung Người ta phân biệt phương pháp hàn bằng điện cực nóng chảy và phương pháp hàn điện cực không nóng chảy voníram (Bảng 1)

Việc sử dụng khí bảo vệ tùy thuộc vào vật liệu và phương pháp hàn Khí bảo vệ sử dụng như là các khí trơ (phản ứng chậm) (Ar, He), các loại khí khử (H2), các loại khí oxy hóa (C02) và các loại khí hỗn hợp (Bảng 2)

Các khí trơ ứng dụng để hàn đặc biệt cho hàn kim loại không chứa sắt và thép chống mài mòn Cr-Ni, khí kích hoạt chủ yếu cho thép carbon Khí kích hoạt là khí dễ phản ứng thí dụ như C02 và khí hỗn hơp hoặc khí kích hoạt”corgon 18″ (khí argon +18% C02) được sử dụng thường xuyên