SL 8 Hàn và cắt bằng khí (Cơ sở lý thuyết hàn)

Thực chất đặc điểm và công dụng của hàn. Thực chất của hàn là quá trình công nghệ nối (2 hoặc nhiều chi tiết, bộ phận) thành một khối thống nhất bằng cách dùng nguồn nhiệt nung nóng chỗ cần nối đến trạng thái lỏng (hoặc dẻo), sau đó kim loại tự kết tinh (hoặc dùng lực ép) tạo thành mối hàn. Đặc điểm và ứng dụng của hàn. Liên kết hàn là liên kết cố định không tháo rời được. So với đinh tán tiết kiệm 10 đến 20% khối lượng kim loại, so với đúc tiết kiệm 50%. Hàn giúp chế tạo các chi tiết có hình dáng phức tạp, liên kết các kim loại có cùng tính chất hoặc khác tính chất với nhau. Mối hàn đạt độ bền và độ kín cao, đáp ứng yêu cầu làm việc của các kết cấu quan trọng (vỏ tàu, bồn chứa, nồi hơi, ..vv). Quá trình hàn có thể được tự động hóa hoặc cơ khí hóa

CƠ SỞ Lí THUYẾT HÀN – BÀI HỌC SỐ 8

3.2 Hàn và cắt bằng khí

3.2.1 Thực chất - Đặc điểm và công dụng của hàn khí:

- Hàn khí là quá trình nung nóng vật hàn và que hàn đến trạng thái hàn bằng ngọn lửa của khí cháy (CH4 , C2H2 , C6H6 ) với ôxi

- Hàn và cắt kim loại bằng khí đ-ợc sử dụng rộng rãi do thiết bị đơn giản, rẻ tiền,

có thể hàn đ-ợc nhiều loại vật liệu khác nhau nh- thép, gang, đồng nhôm đặc biệt thích hợp khi hàn vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp, các kết cấu mỏng

- Hàn khí có nh-ợc điểm lớn là vật hàn dễ bị biến dạng và cong vênh, năng suất hàn thấp

- Lĩnh vực sử dụng hợp lý là khi chiều dày vật hàn mỏng, chế tạo và sửa chữa các chi tiết mỏng, sửa chữa các chi tiết đúc bằng gang, đồng thanh, nhôm, magiê hàn nối các ống có đ-ờng kính nhỏ và trung bình, hàn các chi tiết bằng kim loại màu, hàn vẩy kim loại và hàn hợp kim cứng

3.2.2 Vật liệu hàn khí: Bao gồm ôxi kỹ thuật, các loại khí cháy hoặc hiđrô, thuốc

hàn và que hàn

3.2.2.1 ôxi :

- ở điều kiện bình th-ờng (t0- 200C , áp suất 1 atm) ôxi là khí không màu, không cháy, không mùi, nặng hơn không khí một ít nh-ng duy trì sự cháy rất tốt

- Để hàn và cắt dùng ôxi có độ tinh khiết cao (ôxi kỹ thuật) ôxi kỹ thuật đ-ợc sản xuất theo 3 loại:

+ Loại 1: độ tinh khiết không d-ới 99,7%

+ Loại 2: độ tinh khiết không d-ới 99,5%

+ Loại 3: độ tinh khiết không d-ới 99,2%

Còn lại là tạp chất (nh- N2 , Acgông ) Độ tinh khiết của ôxi có ý nghĩa rất lớn khi hàn,

đặc biệt là khi cắt kim loại ôxi càng tinh khiết thì tốc độ cắt càng cao, mép cắt càng gọn sạch và tiêu phí ôxi càng ít Để sản xuất ôxi có thể dùng 3 ph-ơng pháp:

- Ph-ơng pháp hóa học: dùng các phản ứng hóa học để giải phóng O2

- Ph-ơng pháp điện phân : điện phân n-ớc để nhận đ-ợc O2

- Ph-ơng pháp phân giải không khí: đ-ợc dùng nhiều trong thực tế sản xuất Thực chất của ph-ơng pháp này là làm lạnh không khí đến thể lỏng, sau đó nâng dần nhiệt

độ để cho các chất khí bay hơi ở –198,50C thì N2 bốc hơi,

-185,70C acgông bốc hơi và -182,060C O2 bốc hơi Ph-ơng pháp này có năng suất cao, năng l-ợng điện tiêu tốn ít

Có thể dùng O2 ở trạng thái lỏng (1lít O2 lỏng cho 860 lít khí O2), vì thiết bị chứa nhỏ, vận chuyển dễ dàng nên chất l-ợng O2 tốt, không chứa khí ẩm Cũng có thể cho O2 bốc hơi và nén vào bình chứa có dung tích 49 lít, áp suất 150 atm Loại này đ-ợc dùng nhiều ở n-ớc ta

Chú ý: khí O2 ở trạng thái nén khi tiếp xúc với các chất dầu mỡ, khoáng vật hoặc các chất cháy có hạt nhỏ nh- hạt bụi than, chất hữu cơ có thể tự bốc cháy

Sự cháy ở đây là do nhiệt sinh ra khi nén O2 đột ngột hoặc do ma sát hay va đập của các hạt vật chất rắn với kim loại Vì vậy khi dùng O2, đặc biệt ở dạng nén phải luôn chú

ý tránh không cho nó tiếp xúc với các chất hữu cơ dễ cháy

Thiết bị hàn khí

3.2.2.2 Khí axêtylen (C 2 H 2 )

C2H2 là một trong các loại khí cháy th-ờng đ-ợc dùng trong hàn khí, chúng đ-ợc sản xuất bằng phản ứng sau:

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2 + Q Ngoài ra có thể sản xuất C2H2 từ hơi dầu mỏ, khí thiên nhiên bằng cách đem nhiệt phân các hỗn hợp Cacbua hiđrô

2CH4 C2H2 + H2

a) Cacbua Canxi (CaC 2 )

CaC2 còn gọi là đất đèn, là hợp chất hóa học của Canxi và Cacbon Chế tạo đất đèn bằng cách nấu chảy đá vôi (CaCO3) với than cốc hoặc than Angtraxit trong lò điện ở nhiệt độ 19000C 23000C Phản ứng tạo CaC2 nh- sau:

Cao +3C = CaC2 + CO – Q

Trong công nghiệp Cacbua Canxi kỹ thuật chứa (65 80)% CaC2 , (1025)% CaO, còn lại là các tạp chất nh- C, CO2, SiO2, CaC2 phân hủy trong n-ớc theo phản ứng: CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2 + 30,4kcal/g

Tốc độ phản ứng đặc tr-ng bằng thể tích C2H2 thu đ-ợc khi phân hủy 1 kg CaC2 trong một đơn vị thời gian Hạt CaC2 càng bé thì tốc độ phân hủy cao nh-ng l-ợng C2H2 càng ít Hạt lớn thì tốc độ phân hủy chậm, l-ợng C2H2 càng nhiều, nhiệt độ ban đầu càng cao thì tốc độ phân hủy càng lớn Tốc độ phân hủy càng về sau càng chậm vì các hạt CaC2 bị phủ vôi tôi Nếu trong n-ớc chứa nhiều hơn 20% Ca(OH)2 thì tốc độ phân hủy giảm mạnh đặc biệt khi nhiệt độ cao Vì vậy cần thay đổi n-ớc, xáo trộn CaC2 và lấy Ca(OH)2 ra

b) Axêtylen (C 2 H 2 )

Tính chất của C2H2: C2H2 là loại khí Cácbua hiđrô ch-a bão hòa CnH2n-2, nhẹ hơn không khí, không màu, có mùi hắc ở dạng nguyên chất C2H2 hóa lỏng ở nhiệt độ (-82,40C  -83,60C) với áp suất 1 atm và hóa rắn ở t0  -850C C2H2 lỏng hoặc rắn đều có

thể bị nổ do ma sát hay va đập Sự nổ của C2H2 chủ yếu phụ thuộc vào áp suất và nhiệt

độ

Nếu ở áp suất và nhiệt độ cao C2H2 dễ nổ, ở áp suất và nhiệt độ thấp C2H2 sẽ trùng hợp tạo thành các hợp chất phức tạp nh- C6H6, C8H8, C10H8, C7H8

Muốn nhận đ-ợc C2H2 ở thể khí phải đảm bảo áp suất của khí ở trong thùng điều chế nhỏ hơn 1,5 atm để khi nhiệt độ có thể tăng lên 5800  6000 vẫn không sinh nổ

C2H2 có thể tác dụng với Cu, Ag để thành hợp chất nổ Vì vậy thiết bị điều chế C2H2 không đ-ợc làm bằng hợp kim chứa trên 70% Cu

Hỗn hợp của C2H2 với các chất có chứa O2 sẽ tạo khả năng nổ C2H2 hóa hợp với O2 nguyên chất ở áp suất khí trời với t0 = 3050C  4700C hoặc với O2 nguyên chất ở áp suất khí trời với t0 = 2970C  3060C sẽ nổ Khi nổ cho tốc độ cháy cao (đạt tới 3000 m/s ), áp suất cao ( 350  600 ) atm

c) Các khí cháy khác

- Hiđrô: H2 trong điều kiện bình th-ờng là một khí không màu, không mùi Là khí nhẹ nhất, nhẹ hơn không khí 14,5 lần Với tỷ lệ nhất định H2 có khả năng tạo với không khí và O2 thành hỗn hợp dễ nổ H2 cung cấp cho hàn đ-ợc đựng trong bình thép, nhiệt

độ ngọn lửa khi cháy có thể đạt 24000  26000C có màu xanh lơ Hệ số thay thế so với

C2H2 là 5,2 lần, sử dụng để hàn gang, đồng,nhôm, hàn thép có chiều dày tới 2 mm

- Khí than cốc: Là khí không màu có mùi sunfua hiđrô Khí than cốc đ-ợc lấy khi

luyện than cốc từ than đá Đó là một hỗn hợp của các khí cháy từ sản phẩm H2, CH4 và các chất Cacbua hiđrô không no khác Để hàn và cắt dùng khí than cốc đã làm sạch các hợp chất của sunfua và nhựa đ-ờng Để đốt cháy 1 m3 khí cần dùng 0,9 m3 ôxi , khi cháy cho nhiệt độ 21000 23000C Hệ số thay thế so với C2H2 là 3,2 lần

- Xăng: Là sản phẩm lấy từ dầu thô, nó là một chất lỏng trong suốt, dễ bay hơi, có

mùi đặc tr-ng rất rõ Ngọn lửa của hơi xăng khi cháy với O2 có t0=249025900C Hệ số thay thế so với C2H2 là 1,4 lần Để làm sạch xăng, lọc qua lớp phớt dạ Xăng dùng để cắt bằng O2 và hàn, hàn vảy các kim loại dễ nóng chảy

- Dầu lửa: Cũng là sản phẩm lấy từ dầu thô và là chất lỏng màu vàng nhạt, dễ bay

hơi Khi cháy với O2 cho ngọn lửa có t0 = 24000C Hệ số thay thế C2H2 từ 1  1,3 lần ở dạng lỏng chứa trong các Xitéc hoặc thùng Dùng dầu lửa để cắt thép và hàn, hàn vảy các kim loại màu dễ nóng chảy

3.2.2.3 Que hàn và thuốc hàn khi hàn khí

a) Que hàn:

Hàn khí là một dạng hàn nóng chảy, nguồn nhiệt là ngọn lửa hàn Trong quá trình hàn có thể dùng que hàn phụ để bổ xung kim loại cho mối hàn, hoặc không cần khi hàn những tấm kim loại mỏng có gấp mép

Khi hàn thép, cơ tính mối hàn phụ thuộc chủ yếu vào sự bảo vệ vũng hàn của ngọn lửa, vào chất l-ợng bề mặt vật hàn và thành phần hóa học của que hàn Que hàn khi hàn khí cần thoả mãn những yêu cầu:

- Nhiệt độ nóng chảy của kim loại que hàn không cao hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại cơ bản

- Đ-ờng kính que hàn phải t-ơng ứng chiều dày vật hàn

- Bề mặt que hàn phải sạch (không bị rỉ, không dính dầu mỡ và các chất bẩn khác)

- Không gây hiện t-ợng sôi làm bắn kim loại ra khỏi vũng hàn

- Không tạo bọt khí trong vũng hàn và không đ-a vào vũng hàn các tạp chất phi kim Que hàn dùng trong hàn khí có nhiều loại nh- dây Cacbon thấp, dây hợp kim, dây hợp kim cao, dây hàn để hàn gang

Khi hàn thép th-ờng dùng loại dây có đ-ờng kính từ 0,3  12 mm Loại dây làm bằng thép Cacbon có d = (0,3  2) mm đ-ợc chế tạo thành cuộn Khi hàn thép ít Cacbon dùng loại dây hàn Si-Mn vì đảm bảo cơ tính mối hàn cao nh- khi hàn hồ quang bằng que hàn chất l-ợng tốt Dây hàn để hàn gang th-ờng dùng loại có d = 6; 8; 10; 12 mm

a) Thuốc hàn:

Trong quá trình hàn, tất cả các kim loại và hợp kim của chúng đều kết hợp với O2 của không khí và của ngọn lửa hàn để tạo ra các ôxit có nhiệt độ nóng chảy cao Để tránh không cho kim loại nóng chảy bị ôxi hóa và loại bỏ các ôxit hình thành khi hàn, dùng loại bột hàn gọi là thuốc hàn

Khi hàn thuốc hàn đ-ợc đ-a vào vũng hàn d-ới dạng bột hoặc dạng chất lỏng dễ bay hơi Thuốc hàn đ-ợc bôi vào các mép của kim loại hàn và trên que hàn, hoặc nhúng que hàn vào bình chứa thuốc hàn

Trong quá trình hàn, thuốc đ-a vào sẽ nóng chảy ra và kết hợp với các ôxit để tạo

ra một lớp xỉ dễ nóng chảy nổi lên trên bề mặt vũng hàn Lớp xỉ này bảo vệ cho mối hàn khỏi bị ôxi hóa Ngoài ra còn có nhiệm vụ hoàn nguyên kim loại (tách kim loại ra khỏi

ôxit của nó và các tạp chất phi kim )

Thuốc hàn có nhiều loại và phải thoả măn các yêu cầu sau:

- Dễ chảy, có nhiệt độ chảy nhỏ hơn nhiệt độ chảy của kim loại cơ bàn và que hàn

- Xỉ tạo thành phải bảo vệ tốt kim loại vũng hàn khỏi bị ôxi hóa và dễ tách ra khỏi mối hàn sau khi hàn

- Thuốc hàn nóng chảy không độc hại và gây ảnh h-ởng xấu đến mối hàn

- Xỉ tạo thành phải dễ nổi lên trên bề mặt vũng hàn

- Giữ đ-ợc các tính chất của thuốc trong suốt quá trình hàn, rẻ tiền, dễ kiếm

Tùy theo tính chất của kim loại hàn mà dùng thuốc có tính axit hay bazơ Nếu hình thành ôxit bazơ thì phải dùng thuốc hàn axit, ng-ợc lại nếu hình thành ôxit axit thì dùng thuốc bazơ

Tr-ớc khi hàn, thuốc hàn cần đ-ợc nung nóng tr-ớc để khi hàn nó không sinh ra các bọt khí và tiết ra n-ớc làm giảm chất l-ợng mối hàn, đồng thời tránh hiện t-ợng thuốc bắn ra khỏi vũng hàn

3.2.3 Thiết bị hàn khí

3.2.3.1 Bình nén khí

Bình nén chứa khí o xi hoặc a xê ty len có dung tích th-ờng là 40 lít hay 70 lít Các chất khí nén trong đó với âp xuất cao nh- o xi tới 200 át còn a xê ty len thì th-ờng nén

ở áp xuất 19 at

Bình nén khí th-ờng đ-ợc chế tạo bởi thép các bon trung bình theo phương pháp hàn tự động và bán tự động Mối hàn đ-ợc kiểm tra chặt chẽ bằng siêu âm

Đề thuận tiện trong quá trong quá trình sử dụng ng-ời ta qui -ớc sơn màu khác nhau theo từng loại khí chứa trong bình

Ngoài ra để vận chuyển khí ng-ời ta sản xuất các loại xe téc chuyên chở khí với dung tích tới vài chục mét khối

Sau đây là hình ảnh một số thiết bị bình nén khí vần th-ờng đ-ợc sử dụng trong sản xuất hiện nay

3.2.3.2 Bình điều chế a xê ty len

Đối với những cơ sở sản xuất nhỏ và ở xa các khu công nghiệp th-ờng không có a

xê ty len đóng chai sẵn mà phải điều chế chúng từ các thiết bị điều chế chuyên dùng cho hàn khí Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một số thiết bị điều chế a xê ty len hiện đang

sử dụng phổ biến

 Thiết bị điều chế a xê ty len theo ph-ơng pháp đá rơi vào n-ớc

1: Phễu chứa đất đèn

2: Van gạt

3: ống dẫn khí C2H2

4: Bã đất đèn

5: Van xả cặn

Nguyên lý hoạt động : Đất đèn CaC2 chứa trên phễu liệu 1 với kích th-ớc nhỏ hợp

lý thông th-ờng 20 x 30 mm Khi gạt van gạt 2 đất đèn sẽ rơi xuống H2O chứa ở thùng phía d-ới và phản ứng xảy ra:

CaC2 + H2O = C2H2 + Ca(OH)2 Khí a xe ty len nhẹ nổi lên trên khoang trống của thiết bị và đi theo ống dẫn số 3 ra thiết bị chúa hoặc ra mỏ hàn Cặn là bã vôi Ca(OH)2 sau một thời gian sẽ đ-ợc tháo ra khỏi thiết bị bởi van tháo đáy số 5

 Thiết bị điều chế a xê ty len theo ph-ơng pháp n-ớc rơi vào đá

1: Khay chúa CaC2

5 4

1 2

4

1 2

3

5

6

2: Buồng phản ứng

3: Thùng chúa H2O

4: Van tháo n-ớc

5: ống dẫn khí C2H2

6: Khoang chúa khí

Nguyên lý làm việc: H2O từ thùng chúa 3 theo van 4 chảy vào buồng phản ứng có chúa khay đất đèn 1 Phản ứng xảy ra và C2H2 theo ống dẫn 5 đi ra thiết bị chúa hay đi

ra mỏ hàn Trong ph-ơng pháp này thì khí a xê ty len đã đ-ợc làm nguội hơn so với ph-ơng pháp đá rơi vào n-ớc

 Thiết bị điều chế a xê ty len theo ph-ơng pháp n-ớc tiếp xúc với đá

1: Mặt sàng chứa CaC2

2: N-ớc trên bình bên cao hơn đá

3: ống dẫn và van khóa

Nguyên lý hoạt động: Đất đèn đ-ợc đặt trên mặt sàng 1 n-ớc chúa trong bình 2 có thông với bình 1 Khi n-ớc bình 2 cao hơn mặt sàng thì lúc này CaC2 tiếp xúc với n-ớc xảy ra phản ứng sinh khí a xê ty len Khí a xê ty lên bay lên khoang trống trong bình 1

và theo ống 3 ra ngoài Bã đất đèn sau phản ứng sẽ lọt qua mặt sàng rơi xuống đáy bình

1 để lớp CaC2 tiếp phía trên lại tụt xuống tiếp xúc với n-ớc Nức n-ớc trong bình 2 đủ

để xảy ra phản ứng và cân bằng với áp suất khí sinh ra trong bình 1

 Thiết bị điều chế a xê ty len theo ph-ơng pháp hỗn hợp

2

3

1

Thiết bị kiểu này là sự kết hợp nguyên lý n-ớc rơi vào đá và nguyên lý đá tiếp xúc với n-ớc Ph-ơng pháp điều chế a xê ty len kiểu này khí sẽ nguội hơn và phản ứng xảy

ra triệt để hơn do n-ớc dùng trong phản ứng đ-ợc thay thế th-ờng xuyên

3.2.3.3 Khóa bảo hiểm

Đây là thiết bị dùng để ngăn chặn ngọn lửa cháy ng-ợc từ mỏ hàn về bình nén, bình chúa tránh sự phát nổ của thiết bị chứa Khi nào thì xảy ra hiện t-ợng cháy ng-ợc từ mỏ hàn về bình chứa? Khi mà tốc độ phản ứng cháy giữa chất khí cháy và o xi lớn hơn tốc

độ cấp khí Thiết bị khóa bảo hiểm cần đạt đ-ợc các yêu cầu sau đây:

- Ngăn cản ngọn lửa cháy ng-ợc không cho chạy tới bình chứa

- Xá đ-ợc hỗn hợp khí cháy ra ngoài

- Có độ bền ở áp suất cao khí cháy

- Giảm cản trở khí động học

- Tiêu hao ít n-ớc khi khí chạy qua

- Dễ kiểm tra , súc rửa và sữa chữa

Hình vẽ sau đây là nguyên lý hoạt động khóa bảo hiểm kiểu hở:

3.2.3.4 Van giảm áp

Van giảm áp đ-ợc gắn trên bình chứa khí dùng để giảm áp suất khí từ cao xuống

áp suất làm việc cũng nh- điều chỉnh l-ợng khí tiêu hao trong quá trình làm việc

Đối với o xi áp suất khí làm việc th-ờng ở 3- 5 at còn khí a xê ty len áp suất khí làm việc ở 1,9 at

Sau đây là sơ đồ cấu tạo loại van giảm áp kiểu màng( Loại đơn cấp)

1: Buồng áp suất cao

2: Nắp van

3: Nắp an toàn

4: áp kế

5: Buồng áp lực thấp

7

1 2 3

4

8

6 5

7

1 9 5

8

10

6

11

4

6: Lß so

7: VÝt ®iỊu chØnh

8: Mµng

9: CÇn

10: ¸p kÕ

11: Lß so

3.2.3.5 Má hµn, má c¾t

Má hµn, má c¾t lµ n¬i khÝ ch¸y vµ o xi ®-ỵc trén víi nhau theo tû lƯ phï hỵp víi ph¶n øng ch¸y cđa chĩng T¹i ®Çu má hµn lµ n¬i x¶y ra ph¶n øng ch¸y vµ nhiƯt l-ỵng sinh ra chđ yÕu ë ®Çu má hµn

Má c¾t

Chú ý: Tài liệu đang trong quá trình và hồn thiện và phát triển đề nghị các em sinh viên đăng nhập đầy đủ vào zoom chat để được trả lời các câu hỏi về nội dung bài học

C 2 H 2

CO 2 Mỏ hàn khí kiểu hút Mỏ hàn khí kiểu đẳng áp.

C 2 H 2

O 2