lý thuyết chuyên môn Hàn

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí lý thuyết chuyên môn Hàn

Chơng 1

Cơ sở lý thuyết hàn điện nóng chảy

1.1 Khái quát chung về hàn.

b) Đặc điểm và ứng dụng:

+ Liên kết hàn là một liên kết ‘’cứng’’ không tháo rời đợc

+ So với đinh tán tiết kiệm (10 ữ 20)% khối lợng kim loại, so với đúc tiết kiệm khoảng 50%

+ Hàn chế tạo đợc 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 có độ bền và độ kín cao, đáp ứng yêu cầu làm việc quan trọng của các kết cấu quan trọng (vỏ tàu, bồn chứa, nồi hơi, v.v ).…

+ Có thể cơ khí hóa và tự động hóa quá trình hàn

+ Giá thành chế tạo kết cấu rẻ

Tuy vậy, hàn còn có một số nhợc điểm : sau khi hàn tồn tại ứng suất và biến dạng d, xuất hiện vùng ảnh hởng nhiệt làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu

1.1.3 Phân loại các phơng pháp hàn.

a) Căn cứ dạng năng lợng sử dụng, hàn đợc phân ra các phơng pháp hàn sau

* Các phơng pháp hàn điện : dùng điện năng biến thành nhiệt năng (hàn điện hồ

quang, hàn điện tiếp xúc, v.v ).…

* Các phơng pháp hàn cơ học : sử dụng cơ năng làm biến dạng kim loại tại khu vực

hàn (hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm, v.v ).…

* Các phơng pháp hàn hóa học : sử dụng năng lợng do các phản ứng hóa học tạo ra để

nung nóng kim loại mối hàn (hàn khí, hàn hóa nhiệt, v.v ).…

* Các phơng pháp hàn kết hợp : sử dụng kết hợp các dạng năng lợng nêu trên (hàn các

vật liệu có tính hàn khó)

b) Căn cứ vào trạng thái kim loại mối hàn tại thời điểm hàn.

* Hàn nóng chảy : bao gồm các phơng pháp hàn : hàn khí, hàn điện xỉ, hàn hồ

quang, v.v Kim loại mối hàn ở trạng thái lỏng trong quá trình hàn.…

* Hàn áp lực : bao gồm các phơng pháp hàn : hàn siêu âm, hàn nổ, hàn khuếch tán, hàn

điện trở tiếp xúc, v.v trong quá trình hàn, kim loại mối hàn ở trạng thái chảy dẻo.…

1.2 Sự tạo thành mối hàn và tổ chức kim loại mối hàn

Các yếu tố ảnh hởng tới sự chuyển dịch KL lỏng từ điện cực vào vũng hàn

1 Tác dụng của trọng lực giọt kim loại lỏng.

Kim loại lỏng dới tác dụng của trọng lực luôn có xu hớng đi về vũng hàn (có tác dụng lớn đối với hàn bằng)

2 Sức căng bề mặt

Sức căng bề mặt đợc tạo nên do tác dụng của lực phân tử Lực phân tử luôn có xu hớng làm cho bề mặt chất lỏng thu nhỏ lại, tạo cho bề mặt kim loại lỏng có một năng lợng tự do bé nhất

Sức căng bề mặt làm cho các giọt kim loại lỏng có dạng hình cầu và giữ ở trạng thái này trên suốt đoạn đờng chuyển vào vũng hàn, khi vào vũng hàn sẽ bị sức căng bề mặt kéo vào để tạo thành một khối thống nhất (có tác dụng lớn đối với mối hàn trong không gian)

3 Lực từ trờng.

Lực từ trờng sinh ra xung quanh điện cực khi có dòng điện chạy qua que hàn và vật hàn Lực này tác dụng lên kim loại lỏng điện cực làm giảm tiết diện ngang, trong khi đó Ih = const, nên tại chỗ thắt mật độ dòng điện J tăng lên nhanh chóng làm kim loại lỏng đạt đến nhiệt độ sôi, cắt đứt phần kim loại lỏng khỏi điện cực Mặt khác, vì diện tích vũng hàn lớn nên cờng độ từ trờng trên bề mặt vũng hàn rất nhỏ và mật độ dòng điện J nhỏ, do đó kim loại lỏng luôn có xu hớng đi về vũng hàn với mọi vị trí hàn

4 áp lực khí.

Do nhiệt độ hồ quang cao, các phản ứng hóa học xảy ra rất mạnh, thuốc bọc que hàn (thuốc hàn) nóng chảy sẽ sinh ra nhiều khí tạo nên áp lực đẩy kim loại lỏng từ điện cực vào vũng hàn (có tác dụng lớn đối với mối hàn trong không gian)

1.7 Quá trình luyện kim khi hàn điện nóng chảy.

1.7.1 Khái niệm về vũng hàn, mối hàn và liên kết hàn.

a) Khái niệm vũng hàn.

Vũng hàn là phần kim loại lỏng đợc tạo ra trong quá trình hàn dới tác dụng của nguồn nhiệt hàn

Vũng hàn gồm hai phần :

+ Phần đầu (A) : xảy ra quá trình nóng chảy kim loại cơ bản và kim loại bổ sung

+ Phần đuôi (B): xảy ra quá trình kết tinh và hình thành mối hàn (hình vẽ)

Hình dạng và kích thớc vũng hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: công suất của nguồn nhiệt, phơng pháp và chế độ hàn, tính chất lý nhiệt của kim loại vật hàn,.v.v

c) Liên kết hàn

Liên kết hàn đợc hiểu bao gồm mối hàn, vùng ảnh hởng nhiệt và kim loại cơ bản Các dạng liên kết hàn : liên kết hàn góc, liên kết hàn chồng nối, liên kết hàn giáp mối (hình vẽ)

Các dạng liên kết hàn cơ bản khi hàn hồ quang tay.

1.7.2 Quá trình luyện kim khi hàn nóng chảy.

+ Thể tích kim loại lỏng rất nhỏ và thời gian kim loại tồn tại ở trạng thái lỏng ngắn, do

đó các phản ứng hóa học xảy ra trong vũng hàn không đi đến trạng thái cân bằng

+ Nhiệt độ vũng hàn cao nên tạo điều kiện cho nhiều phản ứng hóa học xảy ra nh : sự tơng tác giữa kim loại lỏng với xỉ, với khí ; sự ôxy hóa hay hoàn nguyên kim loại, sự phân ly của các hợp chất khí (H2 → 2H ; CO2 → CO + O2 ; v v ).…

Để nhận đợc mối hàn có chất lợng theo yêu cầu cần phải tạo ra xung quanh vũng hàn môi trờng bảo vệ để bảo vệ kim loại lỏng khỏi tác dụng xấu của không khí, bằng cách hàn bằng que thuốc bọc dầy, hàn trong môi trờng khí bảo vệ, hàn dới lớp thuốc, v.v …

2 Xỉ hàn.

Xỉ hàn đợc tạo ra từ que hàn, thuốc hàn nóng chảy, nó mang tính phi kim Trong xỉ hàn có chứa các ôxit axit : SiO2, TiO2, P2O5, (xỉ hàn axit), hoặc ôxit bazơ : CaO, MnO, BaO,… (xỉ hàn bazơ)

…

Xỉ tạo nên trong quá trình hàn không chỉ bảo vệ kim loại mối hàn khỏi tác dụng xấu của không khí mà còn tác dụng với các nguyên tố trong vũng hàn tạo điều kiện điều chỉnh thành phần hóa học của mối hàn Do vậy tính chất của xỉ có ảnh hởng lớn đến chất lợng mối hàn sau khi hàn

Thực tế cho thấy, chất lợng mối hàn nhận đợc tốt nhất khi xỉ có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 11000C ữ 12000C Xỉ càng loãng, độ nhớt càng nhỏ thì hoạt tính của nó càng mạnh, tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học và các quá trình vật lý xảy ra càng nhanh Tuy

nhiên, để đảm bảo phủ kín và đều bề mặt mối hàn thì yêu cầu xỉ không đợc có tính chảy loãng quá cao, điều này đặc biệt quan trọng khi hàn ở vị trí hàn đứng và hàn trần.

3 Môi tr ờng khí bảo vệ.

Xung quanh hồ quang và vũng hàn có nhiều loại khí gây ảnh hởng xấu đến chất lợng mối hàn nh : O2, N2, Vì vậy, để nhận đ… ợc mối hàn có chất lợng đảm bảo theo yêu cầu cần phải có các biện pháp bảo vệ kim loại lỏng vũng hàn khỏi tác dụng xấu của môi trờng không khí bằng cách :

+ Hàn trong môi trờng chân không

+ Hàn bằng que thuốc bọc dầy, dây hàn có lõi thuốc hoặc hàn dới lớp thuốc Thuốc hàn và thuốc bọc que hàn nóng chảy sẽ tạo ra lớp xỉ và khí bảo vệ vũng hàn, đồng thời cũng

là chất trợ dung tốt cho quá trình luyện kim của mối hàn

+ Hàn trong môi trờng khí bảo vệ : Ar, He, CO2 , và hỗn hợp của chúng để đẩy không khí ra khỏi vũng hàn, ngăn chặn tác hại của nó

4 Ôxy hóa kim loại vũng hàn.

Mặc dù đã có nhiều biện pháp công nghệ nêu trên nhng không thể ngăn ngừa triệt để tác dụng của O2 tới kim loại vũng hàn, kết quả là xảy ra sự hòa tan của ôxy vào sắt tạo ra các

ôxit sắt:

2Fe + O2 = 2FeO + Q

4 Fe + 3O2 = 2Fe2O3 + Q

3Fe + 2O2 = Fe3O4 + Q

Trong đó, ôxit sắt II (FeO) hòa tan vào kim loại lỏng (còn lại vào xỉ), nồng độ có thể

đạt 0,5%, ôxy hòa tan vào sắt nồng độ có thể đạt tới 0,22%

Ngoài sắt ra, trong vũng hàn còn xảy ra sự ôxy hóa các nguyên tố khác, chủ yếu là C,

Si, Mn và xảy ra trong các giọt kim loại lỏng trên đờng tới vũng hàn ; phản ứng xảy ra chủ yếu với ôxy nguyên tử :

Để khử ôxy có thể thực hiện bằng hai cách sau :

- Khử ôxy bằng xỉ hàn : khi xỉ hàn mang tính axit, sự khử ôxy sẽ xảy ra theo các phản ứng sau :

FeO + SiO2 = FeO.SiO22FeO + SiO2 = 2FeO.SiO2Các silicat đợc tạo thành sẽ không hòa tan vào kim loại lỏng mà đi vào xỉ, do vậy hàm lợng FeO trong kim loại mối hàn sẽ giảm đáng kể

- Dùng nguyên tố có ái lực với ôxy mạnh hơn sắt để hoàn nguyên sắt từ ôxit hòa tan của nó Các chất khử ôxy thờng là các nguyên tố : C, Si, Mn, Ti, v.v…

+ Các bon : các bon đi vào vũng hàn từ kim loại cơ bản, dây hàn, thuốc hàn và thuốc bọc que hàn ở nhiệt độ hàn, các bon là chất khử ôxy mạnh hơn silic, mangan.

FeO + C = Fe + {CO}

Ôxit các bon (CO) không hòa tan vào thép nhng nếu hàm lợng quá lớn thì một phần

CO sẽ nằm lại trong vũng hàn gây rỗ khí

+ Mangan : là chất khử ôxy mạnh, đợc đa vào vũng hàn qua thuốc bọc, thuốc hàn, kim loại cơ bản và dây hàn

Mn + FeO → Fe + (MnO)

Mangan ôxit thực tế không hòa tan vào kim loại mà liên kết với các ôxit axit tạo thành các hợp chất nhẹ nổi lên thành xỉ Ngoài việc khử ôxy, mangan còn có tác dụng khử lu huỳnh

và làm tăng độ bền mối hàn khi hàm lợng của nó dới 1%

+ Silic : là chất khử ôxy mạnh, đợc đa vào vũng hàn tơng tự nh mangan:

Ti + 2FeO = TiO2 + 2Fe

Thực tế ôxit titan không hàn tan vào sắt, khi kết hợp với nitơ tạo thành nirit titan (cũng không hòa tan vào sắt), có tác dụng làm nhỏ hạt kim loại, do đó làm tăng cơ tính của kim loại mối hàn

Ngoài các nguyên tố trên, nhôm cũng là chất khử ôxy mạnh nhng ít đợc sử dụng vì

ôxit nhôm có nhiệt độ nóng chảy khoảng 20500C không tan vào thép mà chuyển vào xỉ với tốc độ rất chậm, tạo điều kiện cho sự ôxy hóa các bon, dễ dẫn đến hiện tợng rỗ khí trong mối hàn

5 Hợp kim hóa kim loại mối hàn

Để đạt đợc độ bền mối hàn tơng đơng kim loại cơ bản, trong quá trình hàn phải hợp kim hóa kim loại mối hàn nhằm bù đắp các nguyên tố hợp kim bị mất do tham gia các phản ứng hóa học hoặc đa vào kim loại mối hàn các nguyên tố mới không có trong thành phần kim loại cơ bản để nâng cao độ bền mối hàn

Ngời ta thờng đa các nguyên tố nh Cr, Mo, W, V, Ti, v.v vào mối hàn thông qua…dây hàn, thuốc bọc que hàn và thuốc hàn; trong đó việc hợp kim hóa kim loại mối hàn bằng dây hàn là có hiệu quả nhất

6 Tạp chất xỉ trong mối hàn.

Thành phần tạp chất xỉ bao gồm các hợp chất hóa học của ôxy và nitơ với các nguyên

tố kim loại khác nhau, các ferô hợp kim, có ảnh h… ởng xấu đến chất lợng mối hàn, làm cho kim loại mối hàn không đồng nhất Các ôxit : SiO2 , Al2O3 có trong thuốc bọc que hàn và thuốc hàn bị kẹt lại tác dụng với các ôxit sẵn có trong mối hàn (MnO , FeO, ) tạo thành các…tạp chất phức hợp dễ nóng chảy có kích thớc khác nhau Đặc biệt khi hàn thép, trong kim loại mối hàn chứa một lợng không nhỏ lu huỳnh từ vật liệu hàn tạo thành FeS làm tăng khả năng nứt nóng của kim loại mối hàn

Tạp chất xỉ là các nitrit (đặc biệt là Fe2N) làm tăng độ cứng nhng lại làm giảm mạnh tính dẻo của kim loại mối hàn Tạp chất xỉ không những làm giảm cơ tính của kim loại mối hàn mà còn có tác dụng thúc đẩy quá trình ăn mòn Vì vậy, khi hàn phải ngăn ngừa sự xuất hiện các tạp chất xỉ bằng cách :

+ Làm sạch bẩn gỉ, dầu mỡ ở khu vực cần hàn.

+ Hàn nhiều lớp phải vệ sinh sạch xỉ hàn lớp trớc

+ Giảm tốc độ nguội của kim loại đắp (hàn dới lớp thuốc, chế độ hàn hợp lý, )

+ Đa vào vỏ bọc que hàn thành phần có khả năng giảm nhiệt độ nóng chảy của các

ôxit và tạo ra các hợp chất dễ bong khỏi mối hàn sau khi nguội

7 Rỗ khí trong mối hàn

Rỗ khí là sự xuất hiện trong kim loại mối hàn và trên bề mặt mối hàn các lỗ trống và bọt khí, đó là sự thoát khí không triệt để khỏi kim loại mối hàn Rỗ khí có thể tồn tại ở dạng cầu đơn lẻ hoặc dạng chuỗi kéo dài, do một số nguyên nhân sau :

+ Sự thoát khí ồ ạt khi kim loại mối hàn kết tinh

+ Vật liệu hàn (dây hàn, que hàn, thuốc hàn, ) bị ẩm.…

+ Bề mặt chi tiết không đợc làm sạch trớc khi hàn

+ Mức độ khử ôxy cha triệt để

+ Hàm lợng FeO trong kim loại mối hàn cao

Rỗ khí trong mối hàn gây nên hiện tợng tập trung ứng suất và có ảnh hởng lớn đến sự phá hủy liên kết hàn, làm tăng độ cứng, độ giòn và giảm tính dẻo của kim loại đắp

8 Sự kết tinh kim loại mối hàn :

Sự kết tinh của kim loại mối hàn rất khác với sự kết tinh của kim loại vật đúc ở các điểm sau:

+ Quá trình kết tinh xảy ra khi có nguồn nhiệt di động Tốc độ kết tinh trung bình của mối hàn bằng tốc độ dịch chuyển vũng hàn

+ Thể tích vũng hàn nhỏ đợc bao bọc bởi đờng đẳng nhiệt và kim loại cơ bản ở trạng thái rắn xung quanh nên nguội rất nhanh Với vật đúc, sự kết tinh của kim loại xảy ra một cách liên tục cùng với sự giảm nhiệt độ, còn với kim loại vũng hàn xảy ra một cách chu kỳ

+ Tổ chức kim loại mối hàn sau khi kết tinh gần giống tổ chức của kim loại đúc (gồm

có 3 lớp), nhng chất lợng mối hàn cao do đợc thực hiện bằng que hàn thuốc bọc dầy, dới lớp thuốc hoặc trong môi trờng khí bảo vệ

+ Khi kết tinh, vùng nằm sát với kim loại cơ bản (lớp ngoài) do nguội nhanh, tổ chức kim loại nhỏ mịn, lớp tiếp theo vì hớng tỏa nhiệt thẳng góc với bề mặt ngoài và nguội chậm nên tổ chức kim loại có dạng hình trụ, còn ở lớp trung tâm do hớng tỏa nhiệt không rõ ràng, lại nguội chậm hơn nên tổ chức hạt thô to, đồng thời lẫn một số tạp chất phi kim (hình vẽ)

1.7.3 Tổ chức kim loại mối hàn vùng ảnh h – ởng nhiệt

1 Tổ chức kim loại mối hàn.

Khi hàn điện nóng chảy, mối hàn tạo nên có thể chỉ do kim loại cơ bản nóng chảy nếu hàn bằng điện cực không nóng chảy và không dùng que hàn phụ hoặc do cả kim loại điện cực

và kim loại vật hàn tạo nên nếu dùng que hàn nóng chảy hay điện cực không nóng chảy có dùng que hàn phụ Vì vậy thành phần và tổ chức kim loại mối hàn đều khác với thành phần và

tổ chức của kim loại cơ bản và kim loại điện cực

Quá trình kết tinh của kim loại lỏng vũng hàn diễn ra qua hai giai đoạn :

+ Kết tinh lần một : kim loại chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái đặc

+ Kết tinh lần hai : kim loại ở trạng thái đặc nhng vẫn có chuyển biến tổ chức

Nghiên cứu tổ chức thứ hai là tổ chức thực của mối hàn, nó có ý nghĩa rất lớn trong việc xác định mối quan hệ phụ thuộc giữa cơ tính với thành phần hóa học của mối hàn và kim loại cơ bản, sự tác dụng nhiệt trong quá trình hàn

- Với thép các bon thấp và thép hợp kim thấp là vật liệu có tính hàn tốt, có thể hàn bằng mọi phơng pháp mà vẫn nhận đợc mối hàn có chất lợng tốt, song chất lợng có khác nhau tùy thuộc vào điều kiện hàn

- Hàn bằng que thuốc bọc mỏng, tổ chức kim loại mối hàn xấu vì cácbon của nó cháy nhiều và các hạt kim loại có dạng hình trụ, tổ chức của nó là (α +p) phân bố không đều trong mối hàn.

- Hàn bằng que thuốc bọc dầy, tổ chức trong trờng hợp này tơng đối tốt Các hạt có dạng hình trụ, song lại nhỏ và peclit phân bố đều, cơ tính tốt

- Hàn dới lớp thuốc, tổ chức kim loại trờng hợp này rất tốt, các hạt peclit có dạng hình trụ nằm sâu trong tiết diện mối hàn, tổ chức tơng đối đồng đều, cơ tính tốt

Vùng ảnh hởng nhiệt là vùng kim loại cơ bản nằm sát kim loại mối hàn, thay đổi tổ chức và tính chất do tác dụng của nguồn nhiệt hàn

Có thể chia vùng ảnh hởng nhiệt thành sáu vùng sau :

a) Vùng nóng chảy không hoàn toàn (viền chảy) : có kích thớc rất nhỏ, là vùng chuyển

tiếp giữa kim loại vũng hàn và kim loại cơ bản, đợc giới hạn bởi đờng đẳng nhiệt lỏng và đặc Vùng này có tổ chức là ôstenit và pha lỏng, kích thớc hạt kim loại sau khi hàn khá mịn và có cơ tính rất cao

b) Vùng quá nhiệt : kim loại cơ bản bị nung nóng từ 11000C đến xấp xỉ nhiệt độ nóng chảy Vùng này xảy ra quá trình kết tinh lại (biến đổi thù hình) Tổ chức hạt ôstenit thô to, cơ tính kém (độ dai va đập và độ dẻo thấp, dễ bị gẫy) Có thể nói đây là vùng yếu nhất của liên kết hàn

c) Vùng thờng hóa : Kim loại bị nung nóng từ 9000C đến 11000C Tổ chức gồm những hạt ferit nhỏ và peclit, vì thế vùng này có cơ tính tổng hợp cao (đôi khi cao hơn kim loại cơ bản)

d) Vùng kết tinh lại không hoàn toàn : kim loại bị nung nóng từ 7200C ữ 9000C

Kim loại có sự kết tinh lại từng phần, tổ chức là ôstenit và ferit Hai dạng hạt này không đồng

đều, ferit hạt to còn ôstenit hạt nhỏ vì thế cơ tính vùng này kém hơn

e) Vùng kết tinh lại hoàn toàn (vùng hóa già) : kim loại bị nung nóng từ 5000Cữ7000C Kim loại qua biến dạng dẻo đợc kết tinh lại hoàn toàn, tổ chức kim loại đồng đều, cơ tính tốt

f) Vùng giòn xanh : kim loại bị nung nóng từ 1000C ữ 5000C Tính chất kim loại vùng này nói chung không có gì thay đổi, nhng ở nhiệt độ 4000C ữ 5000C ôxy và nitơ có khả năng khuếch tán vào, do vậy độ dẻo giảm đi một ít

Kích thớc vùng ảnh hởng nhiệt phụ thuộc vào phơng pháp hàn, chế độ hàn, thành phần hóa học cũng nh tính chất lý nhiệt của kim loại Công suất của hồ quang hoặc ngọn lửa hàn khí càng lớn thì kích thớc vùng ảnh hởng nhiệt càng tăng Ngợc lại, tăng vận tốc hàn (giữ nguyên công suất nhiệt) thì kích thớc vùng ảnh hởng nhiệt sẽ giảm Vật liệu có tính dẫn nhiệt thấp, nhiệt dung càng cao thì kích thớc vùng ảnh hởng nhiệt càng giảm (nhiệt dung là lợng nhiệt cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 1 0 C).

1.7.4 Tính hàn của kim loại và hợp kim.

a Khái niệm :

Tính hàn dùng để chỉ mức độ dễ hàn hay khó hàn đối với một vật liệu cơ bản nào đó,

nó là tổ hợp các tính chất của kim loại hay hợp kim cho phép nhận đợc liên kết hàn có chất ợng thỏa mãn theo yêu cầu

l-b Phân loại tính hàn.

- Vật liệu có tính hàn tốt : bao gồm các loại vật liệu cho phép hàn đợc bằng nhiều

ph-ơng pháp hàn khác nhau, chế độ hàn điều chỉnh đợc trong phạm vi rộng, không cần sử dụng các biện pháp công nghệ phức tạp (nh nung nóng sơ bộ, nhiệt luyện sau khi hàn, ) mà vẫn…

đảm bảo nhận đợc mối hàn có chất lợng theo yêu cầu Thép các bon thấp và phần lớn thép hợp kim thấp đều thuộc nhóm này.

- Vật liệu có tính hàn thỏa mãn : gồm các loại vật liệu chỉ thích hợp với một số phơng pháp hàn nhất định, các thông số của chế độ hàn chỉ có thể dao động trong phạm vi hẹp, yêu cầu về vật liệu hàn chặt chẽ hơn Khi hàn có thể phải sử dụng một số biện pháp công nghệ nh- : nung nóng sơ bộ, xử lý nhiệt sau khi hàn,.v.v để nâng cao chất l… ợng mối hàn Một số mác thép hợp kim thấp, thép các bon và hợp kim trung bình thuộc nhóm này

- Vật liệu có tính hàn hạn chế : Yêu cầu về công nghệ và vật liệu hàn chặt chẽ hơn Phải sử dụng các biện pháp xử lý nhiệt, hàn trong môi trờng khí bảo vệ đặc biệt (khí trơ, chân không, ), chế độ hàn nằm trong phạm vi rất hẹp Liên kết hàn có khuynh h… ớng bị nứt và dễ xuất hiện các loại khuyết tật làm giảm chất lợng kết cấu hàn Thép các bon cao và thép hợp kim cao thuộc nhóm này

- Vật liệu có tính hàn xấu : phải hàn bằng các công nghệ phức tạp, tốn kém Tổ chức kim loại mối hàn xấu, dễ bị nứt nóng và nứt nguội, do đó cơ tính và khả năng làm việc thấp hơn kim loại cơ bản Phần lớn các loại gang và hợp kim đặc biệt thuộc nhóm này

c Đánh giá tính hàn của kim loại và hợp kim

Các chỉ tiêu đánh giá :

- Hàm lợng cácbon tơng đơng CE : đặc trng cho tính chất của vật liệu, biểu hiện tính hàn của nó Đối với thép cácbon thấp và thép hợp kim thấp :

.213154556

P Cu Ni Mo V Cr Mn C

Trong đó C, Mn, Cr,.v v là hàm l… ợng các nguyên tố hợp kim trong thép (%)

Trong công thức trên, Cu và P chỉ tính khi Cu > 0,5% và P > 0,05%

Nếu CE < 0,45% : thép không cần nung nóng sơ bộ trớc khi hàn

Nếu CE ≥ 0,45% : phải nung nóng sơ bộ trớc khi hàn Hàm lợng CE càng lớn thì nhiệt

độ nung nóng sơ bộ càng cao Với thép có chiều dầy S = (6-8)mm thì chỉ cần nung nóng sơ

bộ trớc khi CE > 0,55%

- Thông số đánh giá nứt nóng Hcs : với thép cácbon trung bình và hợp kim trung bình

có thể xác định bằng công thức :

V Mo Cr Mn

Ni Si S P C Hcs

+++ 



 + + +

=3

1010025

K S

H P

Đối với thép hợp kim thấp :

15

5106020

30

Mo B V Ni Cu Cr Mn Si

Trong đó K : hệ số

HD : hàm lợng hiđrô có trong kim loại (ml/100g)

Khi PL ≥ 0,286 thì thép có khuynh hớng tạo nứt nguội

- Xác định nhiệt độ nung nóng sơ bộ TP : Khi thép phải nung nóng sơ bộ, có thể tính nhiệt độ nung nóng sơ bộ theo hàm lợng các bon tơng đơng toàn phần :

P X

350

)

005,01(

005,0

.2820

4040

360360

++

=

E P

X E

X P

X

C T

S C

C

C S C

Mo Ni

Cr Mn

C C

Chơng 2

Hàn hồ quang tay 2.1 Thực chất, đặc điểm của hàn hồ quang tay.

a) Thực chất Hàn hồ quang tay là một trong những phơng pháp hàn nóng chẩy,

dùng năng lợng của hồ quang điện nung nóng lim loại chỗ cần nối đến trạng thái chảy để sau khi kết tinh sẽ tạo thành mối hàn nối các chi tiết lại thành một khối bền vững.

a) Đặc điểm Cho đến nay hàn hồ quang tay vẫn đợc sử dụng rất phổ biến ở tất cả các

n-ớc kể cả ở nghững nn-ớc có nền công nghiệp phát triển bởi tính ling động, tiện lợi và đa năng của nó Phơng pháp này cho phép thực hiện các mối hàn ở mọi vị trí trong không gian Thiết bị hàn hồ quang tay dễ vận hành, sửa chữa, bảo dỡng và mức đầu t thấp nhất Vì mọi chuyển động cơ bản đều đợc thực hiện bằng tay, nên chất lợng và năng suất hàn phụ thuộc hoàn toàn vào trình độ tay nghề và kinh nghiệm của ngời thợ hàn

2.2 Hồ quang hàn và tính chất của nó.

2.2.1 Khái niệm, đặc điểm, cấu tạo hồ quang hàn.

* Cấu tạo của hồ quang.

UK UC UA

- Vùng cột hồ quang có điện áp UC Nhiệt độ ở tâm khoảng 60000C, chiếm 20% tổng nhiệt lợng hồ quang Nhiệt lợng của cột hồ quang làm nhiệm vụ nung nóng chảy que hàn và vật hàn ; cung cấp nhiệt lợng để phát xạ điện tử

Cấu tạo của hồ quang gồm 3

ra các điện tử Vùng này có điện áp UK,

chiều dài khoảng 10-5cm Nhiệt độ

vùng này khoảng 32000C, chiếm 38%

tổng nhiệt lợng hồ quang

- Vùng anốt : có điện áp UA, thể

tích lớn hơn vùng catốt nhng điện áp

rơi nhỏ hơn, bằng (2-4)V (hàn dới lớp

thuốc) Vùng này có nhiệt độ 34000C,

chiếm 42% tổng nhiệt lợng hồ quang Hình I-2

Nhiệt ở A cao hơn ở K, do động năng của các điện tử electron lớn (vận tốc ≈ vận tốc

ánh sáng) va đập mạnh vào bề mặt A sinh ra nhiệt lớn Khi hàn vật mỏng đấu cực âm vào vật hàn, cực dơng vào que hàn

Sau khi hồ quang hình thành, muốn duy trì hồ quang cháy ổn định thì phải đảm bảo chiều dài hồ quang không đổi

2.2.2 Các phơng pháp tạo hồ quang và sự cháy của hồ quang.

b) Sự cháy của hồ quang hàn.

Nh trên ta đã nói, sau khi cho que hàn chạm rất nhanh vào vật hàn rồi đa lên độ cao 2-4mm thì phát sinh ra hồ quang

Sự cháy của hồ quang phụ thuộc vào : Điện thế giữa hai điện cực lúc máy cha làm việc, cờng độ dòng điện và khoảng cách giữa hai điện cực (chiều dài hồ quang) Quan hệ giữa

điện thế và cờng độ dòng điện giọ là đặc tính tĩnh của hồ quang ỉng với một chiều dài hồ quang ta có đặc tính nhất định Điện thế của hồ quang chủ yếu phụ thuộc vào cờng độ và chiều dài hồ quang, ngoài ra còn phụ thuộc vào nhiều tếu tố khác, ví dụ nh vật liệu điện cực, các loại khí chứa trong khoảng không gian của hồ quang cháy và loại dòng điện v.v

Khi hàn hồ quang tay, điện thế chủ yếu phụ thuộc vào chiều dài hồ quang Qua thực nghiện đã vẽ đợc đờng đặc tính tĩnh của hồ quang

Trên giảng đồ Uh = f(I), Uh thay đổi theo ba khoảng dòng điện, tức là hình dáng đờng cong đặc tính thay đổi cùng với sự thay đổi dòng điện

Phương pháp gây hồ quang và duy trì hồ quang

Uh = I.R = ρ I h

F l

Nếu tăng dòng điện lên trên 1000A thì mật độ dòng điện trong que hàn rất cao Vết cực và mặt cắt hồ quang không tăng đợc nữa, mặc dầu mật độ dòng điện tỷ lệ với cờng độ dòng điện, vết cực không tăng mà chỉ mật độ dòng điện tăng Bởi thế điện thế tăng và đờng cong đặc tính dốc lên Loại đờng đặc tính này dùng trong hàn tự động dới lớp thuốc và hàn khí bảo vệ

Hình I-3

Khoảng dòng điện I < 80A, điện thế hồ

quang giảmkhi dòng điện tăng lên

Nguyên nhân là lúc này công suất hồ

quang còn bé, tăng dòng điện thì sẽ

tăng mặt cắt hồ quang và đồng thời

tăng tính dẫn điện của nó Đờng đặc

tính tĩnh trong khoảng dòng điện này là

giảm dần liên tục

Do điện tăng trong khoảng 80

đến 1000 A thì điện thế hồ quang trở

lên không đổi Lúc này điện thế hồ

quang chỉ thay đổi phụ thuộc vào chiều

dài hồ quang Đờng đặc tính tĩnh của

hồ quang hầu nh song song với trục của

dòng điện và đợc gọi là đờng đặc tính

cứng, loại đờng này đợc dùng nhiều

trong hàn hồ quang tay vì hồ quang rất

ổn định

- Giai đoạn d : Tại chỗ thắt, mật độ dòng điện tăng cao làm kim loại đạt đến nhiệt độ sôi và cắt đứt phần kim loại lỏng đi vào vũng hàn, hồ quang đợc hình thành.

Sau khi hồ quang hình thành, do ảnh hởng của nhiệt hồ quang sẽ xảy ra hiện tợng phát xạ nhiệt điện tử trên bề mặt catốt, kèm theo sự tăng đáng kể của điện áp làm cho hiện tợng tự phát xạ tăng lên và hồ quang đợc duy trì

2.2.3 Hiện tợng thổi lệch hồ quang và biệm pháp khắc phục.

Hồ quang hàn đợc hình thành trong môi trờng khí giữa hai điện cực (Một điện cực có thể là vật hàn), cho nên coi nó nh là một dây dẫn mền và dới tác dụng của một số yếu tố khác

nó có thể bị kéo dài và dịch chuyển khỏi vị trí bình thờng ta gọi là hiện tợng thổi lệch hồ quang và gây hậu quả xấu cho quá trình hàn Hiện tợng này thờng xảy ra với dòng một chiều, còn với dòng xoay chiều do chiều dòng điện thay đổi liên tục nên hồ quang ít bị thổi lệch

2.2.3.1 Một số yếu tố ảnh hởng đến hiện tợng thổ lệch hồ quang

a) ảnh hởng của từ trờng riêng.

Khi hàn, xung quanh cột hô quang, điện cực hàn, vật hàn sẽ sinh ra từ trờng Nếu từ trờng xung quanh cột hồ quang phân bố đối xứng, thì nó sẽ không bị thổi lệch (hình b) Nếu

từ trờng phân bố không đối xứng thì nó sẽ bị thổi lệch về phía có từ trờng yếu hơn (hình a,c) cột hồ quang thổi lệch ngợc với phía nối dây

b) ảnh hởng củavật liệu sắt từ.

Khi đặt gần hồ quang một

vật sắt từ giữa chúng sẽ sinh ra một

lực điện từ có tác dụng kéo hồ

quang về phía sắt từ đó Điều này

khó khăn khi hàn góc hay khi hàn

gần cuối đờng hàn.

c) ảnh hởng của góc nghiêng que hàn.

Góc nghiêng que hàn cũng ảnh hởng đến sự phân bố đờng sức từ xung quanh hồ quang Bởi vậy chọn góc nghiêng que hàn thích hợp có thể thay đổi đueoẹc tính chất phân bố

đờng sức từ và có thể tạo ra từ trờng đồng đều, khắc phục hiện tợng thổi lệch hồ quang khi hàn

vh vh

2.2.3.2 Các biệm pháp khắc phục.

Để khắc phục và hạn chế ảnh hởnh của hiện tợng thổi lệch hồ quang chúng ta có thể sử dụng một trong những biệm pháp sau đây:

- Thay đổi cách nối dây với vật hàn để tạo ra từ trờng đối xứng

- Chọn góc nghiêng que hàn nghiêng một cách thích hợp

- Giảm chiều dài hồ quang đến mức có thể (bằng cách hàn hồ quang gắn)

- Thay dòng điện hàn một chiều bằng dòng xoay chiều

- Đặt thêm vật sắt từ ở gần cuối đờng hàn

2.2.4 Phân loại hàn hồ quang hàn

a) Phân loại theo dòng điện.

Phân loại theo dòng điện, hàn hồ quang tay đợc chia ra :

1/ Hàn bằng dòng điện xoay chiều AC (Alternating Current).

+ Ưu điểm : thiết bị đơn giản, dễ chế tạo, dễ bảo quản sửa chữa, giá thành thấp, thuận tiện ở nơi gần lới điện và hồ quang ít bị thổi lệch

+ Nhợc điểm : Khó gây hồ quang và hồ quang cháy không ổn định, do đó chất lợng mối hàn không đạt đợc yêu cầu cao, không dùng đợc với tất cả các loại que hàn

2/ Hàn bằng dòng điện một chiều DC (Direct Current).

+ Ưu điểm : dễ gây hồ quang và hồ quang cháy ổn định, tiện lợi ở nơi xa lới điện, chất lợng mối hàn đạt đợc cao

+ Nhợc điểm : tổn hao nhiều năng lợng (do dùng máy phát, chỉnh lu), hồ quang hay bị thổi lệch

Do có những u nhợc điểm trên mà hiện nay cả hai phơng pháp này cùng tồn tại và bổ trợ cho nhau

b) Phân loại theo cách nối dây.

1/ Nối trực tiếp

Nối trực tiếp là nối một cực của nguồn điện hàn với que hàn, còn cực kia nối với vật hàn Khi hàn bằng dòng một chiều, nối trực tiếp đợc phân ra : nối thuận và nối nghịch

+ Nối thuận: là nối cực dơng của nguồn với vật hàn, cực âm với que hàn.

+ Nối nghịch: là nối cực dơng của nguồn với que hàn, cực âm với vật hàn Khi hàn vật mỏng

dùng phơng pháp nối nghịch và hàn vật dầy nối thuận

a) Nối trực tiếp b) Nối gián tiếp c) Nối hỗn hợp

2/ Nối gián tiếp : là nối hai cực của nguồn điện với que hàn còn vật hàn không nối cực Hồ

quang cháy giữa hai que hàn, do vậy có thể điều chỉnh đợc lợng nhiệt của vũng hàn khi hàn bằng cách thay đổi chiều dài cột hồ quang (hình vẽ) Cách nối dây này dùng khi hàn các vật mỏng, hàn thép có nhiệt độ nóng chảy thấp bằng điện cực không nóng chảy

3/ Nối hỗn hợp

Dùng khi hàn hồ quang tay bằng dòng ba pha Hai cực của nguồn điện nối với que hàn còn cực kia nối với vật hàn Ưu điểm là nhiệt tập trung cao, năng suất hàn cao Thờng áp dụng khi hàn vật dầy, các kim loại và hợp kim nóng chảy cao

c) Phân loại theo điện cực

1/ Hàn bằng điện cực nóng chảy (que hàn, dây hàn……) : mối hàn do kim loại điện cực và kim loại vật hàn tạo nên

2/ Hàn bằng điện cực không nóng chảy (Vonfram, điện cực than).

Mối hàn tạo nên có thể chỉ do kim loại vật hàn nóng chảy (nếu không dùng que hàn phụ), hoặc do cả kim loại que hàn và vật hàn tạo nên khi hàn bằng điện cực nóng chảy hoặc không nóng chảy có dùng que hàn phụ Hồ quang có thể cháy trực tiếp giữa que hàn và vật hàn hoặc cháy gián tiếp giữa que hàn và que hàn bằmg nguồn điện hai pha hoặc ba pha

2.3 Chuẩn bị phôi và khĩ thuật khai triển một số mặt hình học cơ bản.

Công việc chuẩn bị phôi trớc khi hàn bao ngồm:

- Khai triển phôi

- Cắt và tạo hình

- Chuẩn bị mép hàn

- Hàn đính và gá lắp

- Làm sạch

2.3.1 Kỹ thuật khai triển một số hình học cơ bảN

Khai triển phôi là"trải" chi tiết từ dạng hình không gian ra hình phẳng, sau đó tính toán, xác địng các yếu tố công nghệ nh: lợng d gia công, dung sai rồi cắt ra phôi có kích th… -

ớc cần thiết là các phôi hàn

t - chiÒu dÇy vËt liÖu.

H - ChiÒu cao h×nh trô

c) Khai triển hình nón cụt đều.

Biết:

* Dựa vào 3 thông số R,e và β Dựng hình khai triển nh hình

4 Khai triển khuỷu vuông góc.

Biết đờng kính hai ống khuỷu bằng nhau và bằng d

Chiều dài khai triển bằng Πd đợc chia thành 12 phần bằng nhau đánh số từ giữa ra.Từ các

điểm 1o –7o chiếu xuống hình khai triển ,đợc các điểm 1’ – 7’

hiện chiều cao H

- Kéo dài hai đờng sinh

tìm tâm quay hình khai triển

Chơng II : Vật liệu hàn.

2.1 Vật liệu hàn hồ quang tay.

2.1.1 Cấu tạo và yêu cầu của que hàn.

- Đối với vỏ thuốc bọc :

+ Tạo ra môi trờng ion hóa tốt để dễ gây hồ quang và hồ quang cháy ổn định (dùng các nguyên tố kim loại kiềm và kiềm thổ)

+ Tạo khí bảo vệ tốt vũng hàn (thành phần có: tinh bột xenlulô, đá cẩm thạch, )

+ Tạo lớp xỉ bảo vệ trên toàn bộ bề mặt mối hàn và dễ bong khi nguội (thờng dùng các

ôxit : TiO2, MnO, SiO2, huỳnh thạch CaF2, )…

+ Có tác dụng khử ôxy và hợp kim hóa kim loại mối hàn (thuốc bọc chứa các nguyên

tố : C, Si, Mn, )

+ Đảm bảo thuốc bọc bám chắc lên lõi que (thờng dùng nớc thủy tinh, đextrin)

+Nhiệt độ nóng chảy của thuốc phải lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của lõi que để khi hàn

nó tạo thành phễu đỡ kim loại lỏng

- Xét tổng thể, que hàn phải đạt các yêu cầu sau :

+ Đảm bảo yêu cầu về cơ tính của kim loại mối hàn

+ Có tính công nghệ tốt : dễ gây hồ quang và hồ quang cháy ổn định ; nóng chảy đều, không vón cục; kim loại mối hàn ít bị khuyết tật ; v.v …

2.1.2 Thành phần lõi que hàn :

- Cácbon : khử ôxy tơng đối tốt tạo thành CO2 , hàm lợng C ≤ 0,18%

- Mangan : là chất khử ôxy rất tốt, khử đợc tác dụng của lu huỳnh, làm giảm khả năng nứt nóng và hợp kim hóa nâng cao độ bền mối hàn Trong lõi que hàn Mn = (0,4-0,6)% , có trờng hợp lên tới 0,8% hoặc 1,1%

- Silic : Khử ôxy mạnh hơn Mn, song tạo thành SiO2 (có nhiệt độ nóng chảy cao), làm xỉ quánh hơn; do đó dễ gây ra rỗ xỉ Mặt khác nó còn làm cho cácbon không bị ôxy hóa ở nhiệt

độ cao và khi đông đặc cácbon mới bị ôxy hóa tạo thành khí CO khó thoát ra ngoài gây rỗ khí, ngoài ra nó còn làm tăng sự bắn tóe kim loại vũng hàn Hàm lợng Si ≤ 0,03%

- Crôm : khi hàn, Cr bị ôxy hóa tạo thành Cr2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao nên nằm lại trong vũng hàn gây rỗ xỉ Hàm lợng Cr ≤ 0,3%

- Niken : không gây ảnh hởng đến quá trình hàn (bị lẫn trong kim loại que hàn), hàm lợng Ni

≤ 0,3%

- S, P : có hại đến quá trình hàn, hàm lợng nhỏ hơn 0,03%

2.1.3 Thành phần thuốc bọc que hàn.

Que hàn gồm hai phần chính :

- Lõi que : là những đoạn dây kim loại

có đờng kính từ 1,6 ữ6mm, chiều dài L =

(250 ữ 450)mm Đờng kính que hàn quy

ớc gọi theo đờng kính của lõi que

(TCVN – 89)

Thành phần thuốc bọc que hàn gồm nhiều nhóm vật liệu khác nhau, có thể chia thành các nhóm sau :

c Nhóm vật liệu khử ôxy :

Gồm các ferô hợp kim (FeO.Si ,FeO.Mn , FeO.Ti , FeO.Al , ) Những nguyên tố hợp…kim của các ferô này có ái lực với ôxy mạnh hơn sắt (hoàn nguyên sắt) tạo thành các ôxit không hòa tan vào sắt mà đi vào xỉ

d Nhóm vật liệu hợp kim hóa :

Bổ sung các nguyên tố hợp kim để điều chỉnh thành phần hóa học mối hàn Nhóm vật liệu thờng dùng là các ferô hợp kim hoặc các kim loại : Cr, Ni, Mn, …

e Nhóm vật liệu ổn định hồ quang :

Dùng các nguyên tố có điện thế ion hóa thấp (kim loại kiềm và kiềm thổ : Ca, Na, K ) hoặc các chất khác : đá phấn, K2CO3, nớc thủy tinh, …

f Nhóm vật liệu xêmentit hóa :

Có tác dụng bảo đảm độ bền thuốc bọc sau khi khô, thờng dùng nhất là nớc thủy tinh,

a) Theo công dụng, que hàn đợc chia thành các nhóm sau :

- Que hàn để hàn thép các bon và thép hợp kim kết cấu

- Que hàn để hàn thép hợp kim chịu nhiệt

- Que hàn thép hợp kim cao và có tính chất đặc biệt