Tài liệu Lý thuyết hàn potx

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. a, Đặc điểm - Liên kết hàn được đặc trưng với tính liên tục và nguyên khối . Đó là liên kết “ cứng” không tháo rời được. - Với cùng khả năng làm việc so với các phương pháp nối ghép khác( bằng bu lông, đinh tán,…) kết cấu hàn cho phép tiết kiệm 15 – 20% khối luượng kim loại - 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 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) : Hàn TIG (Gas tungsten Arc Welding).GTAW; 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 welding ) 2 - Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chẩy trong môi trường khí bảo vệ hoạt tính (thường CO 2 ): GMAW (Gas metal Arc Welding); MAG: (Metal Active Gas welding) +Hàn bằng dây có lõi thuốc (Self shielded welding) + Hàn dưới lớp thuốc (Submerged arc welding) 2, Hàn áp lực (Pressure welding) + Hàn siêu âm ( Utrasonic welding) +Hàn nổ (Explosion welding) + Hàn nguội (Cold welding) + Hàn ma sát (Priction 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 (Presswure 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 3 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) T 0 nung chảy > T 0 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. - Hàn áp lực: (Pressure welding) Tại bề mặt tiếp xúc hàn: T m ≤T nc . + h = h 1 +h 2 + d: đường kính điện cực. h = δ 1 + δ 2 d ≠ D T d <T m <T nc . T d : 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 4 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: Q hữu ích < Q toàn phần = Q n n m tp hi Q Q Q Q == η (hệ số hữu ích) Q m = C m .m m .T m C m : 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 µ (J/Kmol. K 0 ) - Quan hệ giữa 3 loại nhiệt dung: C = C ’ = C µ / µ T m :Nguồn nhiệt m m: Khối lượng kim loại được nung Q n = C n .m n .T n nmn mm .T.mC .T.C m n m m Q Q == η . Q m < Q n  T m < T n nn n n m Q Q Q QQ Q Q 00 1 −= − == η no QQ <  1 < η ; 1 = η 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 70 0 C -100 0 C . T vh = T nc + (70 0 C -100 0 C) 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 T nc từ 300 - 400 0 C T m = T nc +{(70 0 C -100 0 C ) ÷ (300 - 400 0 C )} +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 H 2 cháy với O 2 H 2 + O 2 → H 2 O +Q H2O Điện phân H 2 O  H 2 +O 2 (mỏ hàn) - C cháy với O 2 5 C + O 2 → CO +2900 cal/mol. CO + 2 1 O 2 → CO 2 +2900 cal/mol. Q n = C n .m n .T n  ∑ ∑ = nm n n mC Q T . C MC Q T nm n OH 0 2 5300 . ≈= ∑ ∑ Nhiệt độ cao xẩy ra phản ứng nghịch H 2 O → H 2 + 2 1 O 2 - Q H2O Gọi x: mức độ phân ly của H 2 O Gọi y: mức độ phân ly của O 2 Gọi z: mức độ phân ly của H 2 Nhiệt độ cháy của O 2 với H 2 là : TT O TTT O OO n yCCy x zzxx x T 0HHH HH 2) 2 (C2C)(C)1( yQ- Q z-Q)1( 222 222 +−+−−+− − = 2 H Q Hiệu ứng nhiệt tạo ra phần tử H 2 ≈ 103 800cal 2 Q O Hiệu ứng nhiệt tạo ra phần tử O 2 ≈111 700cal = 544,3 KJ (1-x) khối lượng hơi nước sau khi được phân ly x phần (x-z) khối lượng phân tử H 2 không phân ly. (x/2 –y) khối lượng phân tử O 2 không phân ly. 2y : Khối lượng nguyên tử O 2z : Khối lượng nguyên tử H T O 2 H C , T 2 H C , T O C 2 , T 2 H C , T C 0 là nhiệt dung của nước, phân tử hidro, phân tử oxy, nguyên tử hidro, nguyên tử oxy - Kết quả tính toán trên cho T n = 5300 0 C đó là kết quả tính toán lý thuyết. Thực tế nhiệt độ chỉ đạt: 2300 0 C - C 2 H 2 phân ly điều kiện không có O 2 C 2 H 2  CH 4 +3C + Q 1 (Sự phân ly của C 2 H 2 ) 6 CH 4 + 3C  + Q 2 Tổng nhiệt lượng sinh ra: 2 21 QQ Q + = - C 2 H 2 phân hủy có O 2 : C 2 H 2 + O  C 2 H 2 O C 2 H 2 O + O  C 2 H 2 O 2 + Q CO + HCOH 2CO + H 2 + Q CO +H 2 - C 2 H 2 cháy đủ O 2 Cháy hoàn toàn, ngọn lửa gồm ba vùng phân biệt 1: Vùng sáng trắng (nhân) 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. - Căn cứ vào tỷ số 22 2 HC O V V = β Chia ngọn lửa cháy C 2 H 2 với oxy thành các loại sao: + β < 1 thừa C 2 H 2 , 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 7 + Nếu 2,11,1 ÷= β 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. +Nếu 2,1 > β . Thừa O 2 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. - Phương trình cháy trong các ngọn lửa: + Dư C 2 H 2 2,8C 2 H 2 + 0,8O 2 → 1,6CO + 4C + 2,8H 2 + Q =101140 cal/mol = 422,3KJ/mol 1,6CO +4C +2,8H 2 + 6,2O 2 → 5,6CO 2 +2,8H 2 O + 205960 cal 8 + Đủ O 2 C 2 H 2 + O 2 → CO + H 2 + 112800 cal/mol = ( 471,5 KJ/mol) Cháy tiếp với O 2 của không khí CO + H 2 + 3/2O 2 → 2CO 2 + H 2 O + 200 000 cal/mol + Thừa O 2 . C 2 H 2 + 1,5O 2 → 1,65CO + 0,35CO 2 + 0,35 H 2 + 0,65H 2 O +172240 cal/mol 1,65CO + 0,35H 2 + 0,35CO 2 +0,65H 2 O + O 2 → 2CO 2 + H 2 O +Đồ thị phân bố nhiệt độ của các loại ngọn lửa. 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 C 2 H 2 , O 2 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 2 . max kr r eqq − = (cal/cm 2 .s) k: Hệ số tập trung của nguồn nhiệt lấy theo số hiệu mỏ hàn (bảng dưới) 9 N 0 1 2 3 4 5 6 7 k 0,39 0,35 0,31 0,2 8 0,23 0,2 0 0,17 Nhiệt độ cực đại tại tâm của vũng hàn, giảm dần ra mép vũng hàn (hình vẽ dưới) 10 [...]... 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... 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... 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 Λ) +Que hàn thép hợp kim cao có tính chất đặc biệt (ký hiệu B) +Que hàn dùng để hàn đắp (ký hiệu H) - Các thông số công nghệ hàn hồ quang tay: Được xác định bằng thực nghiệm gồm + Đường kính que hàn : d (mm) 13 +Cường độ dòng điện hàn : Ih (A) + Điện áp hàn : Uh (V) + Số lớp hàn : (n) hàn. .. + Đường kính dây hàn : d (mm) +Cường độ dòng điện hàn : Ih (A) + Điện áp hàn : Uh (V) + Số lớp hàn : (n) hàn các chi tiết có chiều dày lớn + Tốc độ hàn : Vh (m/h) + Tốc độ dây : Vd (m/h) + 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... + Tốc độ hàn : Vh (m/h) + 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... thành mối hàn cao + Chỉ cho phép hàn các mối hàn ở vị hàn sấp có độ nghiêng so với mặt phẳng ngang α ≤ 70 - Vật liệu dùng trong hàn tự động: +Dây hàn Đây hàn có chức năng dẫn điện tạo hồ quang, nóng chẩy bổ xung kim loại đắp cho mối hàn Chất lượng liên kết hàn dưới lớp thuốc được xác định bằng tổng hợp sự cân bằng giữa dây và thuốc, dây và thuốc được chọn trên cơ sở kim loại cơ bản Các dây hàn gồm:... và quá trình hàn  Đảm bảo các tính chất và thành phần hóa học của mối hàn  Tạo dáng mối hàn đẹp  Mối hàn không nứt chứa ít tạp chất  Xỉ dễ bong Các biện pháp giải quyết các yêu cầu đặt ra liên quan với thành phần kim loại cơ bản và dây điện cực, vì vậy thuốc hàn dùng cho hàn tự động, bán tự động rất đa dạng và có thành phần tương đối phức tạp Để có được các mối hàn chất lượng khi hàn thép các bon... trong hàn khí 2.3 Nguồn nhiệt của hồ quang hàn 11 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. .. kim loại + Hàn đến cuối vật hàn nên đặt thêm mảnh sắt từ để tạo nên từ trường đối xứng + 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... 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 29 + Nối . 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. 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: Nguyên lý hàn hồ quang