Sổ Tay Công Nghệ Hàn - Ts. Nguyen Van Thong.pdf

Cách sử d ụ n g sách Sách gidi thiệu những thành tựu khoa học công nghệ về ngành hàn trong dỏ có dầy đủ các cơ sỏ lý thuyết về các quá trinh luyện kim khi hàn, tinh toán nhiệt hàn, cơ sỏ

TS NGUYEN VĂN TH N G

SỔ tay

^

_

_

_

TS NGUYỄN VĂN THÔNG

SỔTRV

CÔ N G NGHỆ HÀN

T Ậ P 1 (Trọn bộ 3 tập)

In lần thứ nhất

tm ĩRAN 6 Ị

؛HỌC f ؟H

؛J6 Í

؛ơ

؛Rt

■ THƯ VÉrJ

؛

_

_

1 0 0 2 3 1 7 6

HÀ NÔI

CÔNG NGHệ HÀN

T Ậ P l Tác giả: TS NGUYỄN VẢN THÔNG

Chịu trách nhiệm xuất bản■

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội

In 300 cuốn, khổ 19 X 27cm, lại Cóng ty TNHH In Thanh Bình

Sô' ĐKKHXB: 149 - 2011/CXB/199 - 11/KHKT - 14/2/2011

Quyết định xuất bản số: 227/QĐXB - NXBKHKT - 09/12/2011

In xong và nộp lưu chiểu tháng 01 năm 2012.

n n i i d ttlt

Hcin là linh \١ifc khoa 1 г؟ с cong nghệ rộng lớn Những thhnh اأ.ﺀاا klroa học mà ngà^ na'ÿ chíing ta dang dược thừa hưởng về thiết bi, YỘt hệu, công ngltệ, tinli todn thiết kế la kè't ٩ أ ا ة cha việc nghìên cíat bdn chdt của nỏ tỉf tti’fa ddtt thếk؛ triíớc của cdc nhố kltoa hc^c trên thế giới thttộc nhlềư hnlt \)i؛ c kltou Itọt k؟ i tlưtột kltdc nhatt, nhif todn học, vột 1 ؤ ا

hod học, lư^ện klm, diện, d.lện tií, cơ khi

Việc د ؤ ﻻ drtng một cưốn sdch bao hdnt nhiển linh vifc kltoa học như \ ١ 0 ﻻ dòl hỏl SI.،

đOng góp nhlềư site l'،؛ c của cdc nhd kltoa học 1ﺎﺟ اأ quan Cống việc dó da dtíợc tlê'n hdnlt

vd cO thể nól, dd dược liodn thiện trong nhhttg tliộp niên 60,70 cila th ế k ؛ trước ở những nước tlén tiến, như Liên ì (cũ>, Phdp, MỸ, Nliột Nếu nltif ngà ﻻ na ﻻ biên soạn cưổn sdclt đ ể sít dqng ١ 'ộng 1 ا-ة ỏ nước ta, trên cơ sở nltlmg thdnh Iifu dạt dược của lodl người, thi đó tó việc làm có ích và bức xúc, bởi vì cho tcỳi nay vần rất khan hiem các tài liệu tham khảo cho các cán bộ giản dạy, cán bộ kỹ timcit, công nhăn lcình nghê' vá học nghe, và nhữttg cdn bộ quan tdm đến Rnh vtíc hàn.

Quả la "ổm d.ồm" khl cỗn.g việc lớn lat) nliư\)ةال lạl do một người hoặc vdl người ddm nhộn! Tuv nhiên, thiíc tê' clto tlاa ال, việc tập h، ?p một It.íc lượng cdn bộ khoa học dồng ddo tỉf cdc hnh vite khoa h.ọc - công nghi؛ ll، ١n quan ttong glal doqn hiện na^ gặp phdl khố khdn VI \ ل 0 ﻻ ا bằng mọl khd ndng clia ntlnh, tdc gld biên soqn cuốn “Sổ ta ٥

công nghệ hàn ", với hy vọng góp phẩn V’à<9 vìệc gidì quyết tinh trạng thiếu tài liệu tham kltdo hiện naال.

Cuốn sdch dược biên soạn chủ ال 6 أأ dư، t trên những sdcli xuâ't bdn сйа ede nưốc SNG, MỸ, Pltdp, ٨ nh, Ba Lan vd một s ố cuốn clta tdc gld vd ciia cdc ban dồng nghiệp Тйп glớl thlệư VỜI bạn dọc cuốn sdclt vd mong muốn nhận dược những lờl ddnh gld, phê binh VỚI lòng blê.t ơn sdu sắc NhPtng dóng góp phê blttlt xln gítl về N ha xudt bdn

Tác gld cuốn sdch xln tỏ lờl cdm ơit cltdn thành dốl vdlTS HodngVdn Chdu,

TS Ngu^ễn Cdnh Thanh, ThS Ngu^ễn Hu١ 'Tlê'n và cdc bạn dồng nghiệp dd glUp dỡ nhiệt tinh trong việc siat tầm và cung cấp nhiều tài liệu quý giá đ ể biên soạn cuốn sách na.^, kliOng có họ chắc ch.ắn cuốn sá.ch kltOng thể ra dờl sơm \'à có kê.t qud mong dợl.

TS N guyễn V ản T h ô n g

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG s ổ TAY

1 Cấu tạ o củ a sách

Sách gồm ba tập, mỗi tập khoảng 1000 trang khể 19 X 27 cm

Tập I gồm ba phần với 14 chương, dược phân bố như sau:

Phần I “Cơ sở lý th u yết của các quá trinh h àn ”, gồm 5 chương;

1 Các quá trin h vật lý khi hàn

2 Tinh toán các quá trinh nhiệt hàn

3 Các quá trin h luyện kim hàn

4 Sự kết tin h khi hàn và các tiêu chuẩn chọn công nghệ và chế độ hàn

5 Tinh h àn và cấu trUc kim loại của mối hàn

Phần II ĩ ậ t liệu cơ bản, vật liệu hàn và c ắ t”, gồm 5 chương:

10 Vật liệu dể gia công kim loại bằng ngọn lửa khi

Phần III “ C ác ph ư ơ n g p h á p hàn và cắt kim loại')) gồm 4 chương:

11 Hàn nóng chảy

12 Hàn tiếp xúc

13 Các phương pháp hàn dặc biệt

14 Hàn ngọn lửa khi và cắt kim loại

Tập II gồm hai phần với 20 chương, dược phân bố như sau:

Phần IV ^Cong nghê hàn kim loai và á kim.)), gồm 14 chương;

15 Công nghệ hàn các thép kết cấu cacbon thấp và hỢp kim thấp

16 Công nghệ hàn các thép kết cấu cacbon trung binh và hỢp kim

17 Công nghệ hàn thép chịu nhiệt

18 Công nghệ hàn các thép crom cao mactenxit, mactenxit - ferit và ferit

19 Công nghệ hàn thép và hỢp kim austenit

20 Công nghệ hàn nhOm, các hỢp kim nhôm và magie

21 Công nghệ hàn berili, chi, bạc, đồng và các hỢp kim của chúng

22 Công nghệ hàn niken vồ hỢp kim niken

23 Công nghệ hàn kim loại và hỢp kim khó chảy

24 Công nghệ hàn thép, kim loại và hợp kim không đồng nhất

25 Công nghệ hàn gang

26 Công nghệ hàn và hàn vẩy các vật liệu dụng cụ

27 Công nghệ hàn các vật liệu á kim

28 Công nghệ hàn và hàn dắp phục hồi các chi tiết máy

Phần V iíThiet bi ưà dụ ng cụ đê h àn và c ắ t kim loaV \ gồm 6 chương:

29 Nguồn cấp diện hàn

30 Thiết bị dể hàn hồ quang tự dộng và bán tự dộng

31 Thiết bị dể hàn diện xỉ

32 Thiết bị dể hàn diện tiếp xúc

33 Thiết bị dể hàn bằng các phương pháp khác Nơi làm việc và dụng f؛ụ của thợ hàn diện Dụng cụ dể do các thông số chế độ hàn tiếp xUc

Tập III gồm ba phần vổi 26 chương, dưỢc phân bố như sau

Phần VI “ ΓίηΛ ch at сйа các Hên k ết h àn ’% gồm 8 chương:

35 Tinh chất cơ học của liên kết hàn

36 Độ bển của các liên kết hàn

37 Tinh chịu lạnh của các liên kết hàn

38 Độ bền nhiệt của các liên kết hàn

39 Độ bền ăn mòn của các liên kết hàn

40 ٠ộ bền công nghệ của kim loại khi hàn

41 ứ n g suất, biến dạng và chuyển vị khi hàn hồ quang

42 ứ n g suất, biến dạng và chuyển vị khi hàn diện xỉ

Phần VII “Tinh toán mối hàn", gồm 9 chương:

43 Tinh toán và thiết kế các phần tử của kết cấu hàn

44 Cơ sỏ tinh toán mô'i hàn theo tải trọng giới hạn

45 Những trương hỢp dặc biệt khi tinh toán mốỉ hàn theo tải trọng ^ớ i hạr

46 Tinh dầm chịu uôn với hên kết hàn phức tạp theo tải trọng gidi hạn

47 Tinh giá dỡ theo tải trọng gidi hạn

48 Tinh liên kết dầm và cột theo tải trọng gidi hạn

49 Tinh hên kêt thanh có kết câ'u kết hợp theo tải trọng gidi hạn

50 Tinh hên kết dầm gô'i tựa theo tải trọng giới hạn

51 Những ví dụ tinh toán các liên kết hàn theo tải trọng giới hạn

52 Sự phân bôlực và ứng suất trong các kết cấu hàn

53 Công nghệ sản xuất các kết cấu bằng hàn tay và hàn tự dộng

54 Thiết bị dể sản xuất các kết cấu bằng hàn hồ quang

55 Công nghệ sản xuất các kê't cấu bằng hàn diện xỉ

56 Cơ khi hoá và tự dộng hoá sản xuất hàn

57 Những vấn dề chọn lọc về công nghệ sản xuất hàn tàu biển vỏ thép

58 Kiểm tra chất lượng các liên kết hàn

59 Bảo hộ lao dộng

60 Vài vấn dề tổ chức sản xuất hàn

Các phụ lục dược phân bố trong ba tập, gồm những nội dung sau:

٠ Vật liệu hàn cập nh ật của các nước và dô'i chiếu các vật liệu dó;

٠ Định mức tiêu hao vật liệu kim và năng lượng hàn;

٠ Phụ kiện của thiết bị hàn, thiết hị hàn của các nước;

٠ Lắp ráp, khai thác và sửa chữa thiết bị hàn;

٠ Kiểm tra hàn t-rong dóng t.àu biển vỏ thép

Cuôl các tập là tài liệu tham khảo và mục lục

2 Cách sử d ụ n g sách

Sách gidi thiệu những thành tựu khoa học công nghệ về ngành hàn trong

dỏ có dầy đủ các cơ sỏ lý thuyết về các quá trinh luyện kim khi hàn, tinh toán nhiệt hàn, cơ sỏ vật liệu hàn, các phương pháp hàn và công nghệ thực hiện các liên kết hàn, thiết bị, các tinh toán thiết kế mối hàn, tinh toán biến dạng, sản xuất h àn và các vấn dề khác, dặc biệt các kết quả nghiên cứu tinh toán các liên kết hàn theo tải trọng gidi hạn

Sách được biên soạn dưới dạng sách tra cứu nên trong những trường hợp cần thiết có chú trọng diễn giải các cO sỏ lý thuyết dể những người có trìn l١độ

cao (như tiến sĩ, thạc sĩ, kỹ sư) tham khảo Các công nhân chuyên ngành có thể hiểu những vấn dề cơ bản về lý thuyết, dặc biệt các công nghệ hàn, các q\iá trinh sản xuất các kết cấu hàn

Có lẽ mọi vấn dề trong cuốn sổ tay các tiến sĩ khoa học kỹ th u ậ t chuyên ngành dều có thể tự tim cho minh cách tham khảo tô't nhất, vì vậy xin khÔJاg giới thiệu cách sử dụng sách Dưổi dây giới thiệu chỉ cho các dô'i tượng khác

Đổỉ với các kỹ sư th iế t k ế

Bạn dọc có thể tham khảo toàn bộ phần VII của cuô'n sách, trong dó nên

chú trọng chương 44: “Cơ sở tin h to á n mối h àn theo tả i tro n g g iớ i Л ап”

Trong chương này trin h bày khá dầy đủ các công thức tinh toán và các cơ sỏ xảc lập các công thức dó So sánh phương pháp tinh toán này với phương pháp tinh toán thông thương dể rú t ra kết luận về hiệu quả ứng dụng của phương phap tinh toán theo tải trọng giới hạn

Chương 45 trin h bày những trường hỢp dặc biệt khi tinh toán mối hàn theo tải trọng giối hạn, trong dó có nêu những ví dụ tinh toán cụ thế cho những trương hỢp dó

Các chương 46 - 50 trin h bày cách tinh toán dầm chịu uốn với liên kết hàn phức tạp, giá dỡ, liên kết dầm với cột, liên kết th an h có kết cấu kết hỢp, liên kết dầm vối gối tựa

Chương 51 giới thiệu những ví dụ tinh toán theo tải trọng gidi hạn

Các số liệu về vật liệu dùng cho các kết cấu bạn dọc có thể tham khảo ỏ chương 6 và phụ lục cuô'1 tập I

Khi thiết k ế thiết bị hàn trong sách không giới thiệu dầy dU các cơ sỏ thiết

kế thiết bị Bạn dọc có thể tham khảo [61, 62, 64, 65] (tập II) Nhưng nếu mong muốn thiết kế những phụ kiện của thiết bị thi bạn dọc nên tham khảo phụ lục 1 cuô'i tập II, trong dó trin h bày dưới dạng nguyên lý kết cấu rấ t dễ hiểu, đó là những phụ kiện của thiết bị hàn hồ quang tự dộng, bán tự dộng và hàn diện xỉ

Đối vớí các kỹ sư công nghê và cán bộ kỹ th u ậ t

Phần lớn nội dung cuô'n sách dược biên soạn cho các bạn- dọc thuộc linh vực công nghệ hàn Dó là những kỹ sư hàn, kỹ sư cơ khi và cán bộ kỹ th u ậ t làm công tác hàn, kể cả các cán bộ giảng dạy và giáo viên ỏ các trương dại học kỹ thuật, cao dẳng công nghiệp và công nhân kỹ th u ật hàn

Dể hiểu rõ và hệ thô'ng công nghệ hàn, làm cơ sỏ cho việc giải quyết những vấn dề sản xuất, dược giới thiệu trong các chương 53 - 57, nên tiến hành nghiên cứu theo tu ần tự dưối dây

Trưốc hết nghiên cứu các cơ sở lý thuj^ết hàn trình bày trong các chương:

1, 3, 4, 5, 11, 12, 14, 41, 42

Tiếp đó nghiên cứu các phương pháp hàn, đặc biệt chú trọng những phương pháp phổ biến nhất hiện nay trong các chương: 11, 12, 14 Các công nghệ hàn để thực hiện các liên kết hàn từ các thép kết cấu được trình bày trong các chương; 15 - 24 Chú trọng các chương: 15 - 20 và 22 - 24 Trong các chương này, ngoài lý thuyết cơ bản, giới thiệu khá đầy đủ các chế độ hàn đã qua kiểm định

Kết quả cuối cùng của công nghệ là sản phẩm hoàn thiện Vì vậy cần nghiên cứu các kết quả đó dưới dạng các tính chất của các liên kết hàn trình bày trong các chương 35 - 42, trong đó nên tham khảo kỹ các chương 35, 36, 39,

Các kỹ su công nghệ thông thường chịu trách nhiệm thiết kế công nghệ để thực hiện các kết cấu hàn quan trọng Trong trường hỢp này nên tham khảo chương 4 và các chương 4 0 - 4 2

Những cán bộ và kỹ sư phụ trách công nghệ phục hồi các chi tiết máy có thể tham khảo những vấn đề công nghệ hàn và hàn đắp được trìn h bày khá đầy

đủ trong chương 28 Chương này giối thiệu có hệ thống các phương pháp hàn và hàu đắp hồ quang bằng tay và tự động để phục hồi các chi tiết gãy và mài mòn.Các kỹ sư công nghệ, công tác trong ngành đóng tàu biển, có thể tham khảo thôm chương 57

Đối với thợ hàn chuyên nghiệp các chương sau đây giúp ích nhiều: 3, 5 - 8,

3 V ài ý k iế n ch u n g

• Khi nghiên cứu lý thuyết tính toán các quá trình nhiệt hàn, ngoài các chương 2, 42 và 43, bạn đọc nên tham khảo thêm “Cieplno - mechaniczne podstawy spawalnictwa” [16] (tập I), trong đó tác giả quyển sách trình bày khá đầy đủ những vấn đề về lý thuyết các quá trình nhiệt và ứng dụng của chúng để

tinh toán các thông số hàn hồ quang khi hàn thép cacbon thấp, thép hợp kim thấp và thép tôi được, thép austenit và các thông số hàn diện xỉ Những vấn dể ứng suất và biến dạng trong các kết cấu hàn và ứng dụng cUa chUng trong t ؛nh toán dược dề cập cụ thể.

٠ Các kỹ sư công nghệ công tác trong chuyên ngành dóng tàu biển vỏ thép, ngoài chương 57 của sách này, nên tham khảo “Spawalnictwo okreto١ve" [28) (tập II)

٠ Các ký hiệu quy ước dược sử dụng chung cho cả ba tập

Tác giả cuốn “S ổ ta y công nghê h à n ” dã cố gắng phân phô'i hỢp lý ؟ác

phần, chương, mục trong ba tập Tuy nhiên sự sắp xếp dó chỉ là tương dô'i, r.iột

m ặt do sự cân đối số lượng trang trong mỗi tập, m ặt khác, do sự liên quan g.ữa các vấn dề dược biểu thị trong các chương (thậm chi các phần) khác nhau Hy vọng rằng bạn dọc thông cảm và tim cách tham khảo hiệu quả cuốh sách

T ác giả

10

٧ - thê' ion hoá (1.3), (1.5)

ﻢﻤﻫ - chiều dài anot (1.8)

E - cường độ diện trường (1.2)

- hiệu suất (hệ sô'hiệu dụng) hồ quang (1.18)

η٧ - hiệu suất (hệ sỗ' hiệu dụng) dốt nóng vật- h-àn (1.17)

p - lực căng bề mặt

q - hiệu suất nhiệt của hồ quang (2.1)

Cg - đương lượng cacbon (11.8)

CỦA CÁC QUÁ TRỈNH HÀN

Môl ghép hàn dặc trưng bỏi sự liên kết liên tục và nguyên khô'i vể kết cấu và tổ chức nhờ các liên kết nguyên - phân tử giữa các h ạt cơ bản của vật hàn Để xảy ra sự h àn cần dịch chuyển các phần tử hàn tới khoảng cách cấp bán kinh nguyên tử (10.8 cm) Lúc ấy giữa các nguyên tử bề m ặt của các chất rắn có thể xảy ra sự tương tác nguyên tử và tiếp theo sự tương tác hoá học bằng khuếch tán.

Mô'i ghép nguyên khôi không thấo dược gọi là hên kết hàn Khi hàn nóng chảy liên kết h àn là một bộ phận của kết cấu, bao gồm mô١ hàn, kim loại vùng ảnh hưỏng nhiệt (VAN) và kim loại cơ bản (vật liệu nển - VLN) không bị thay dổi tổ chức dưới tác dụng của sự hàn Mô'i hàn là chất hỢp kim nóng chảy của VLH và kim loại bổ sung (vật liệu hàn - VLH), còn VAN là phần kim loại cơ bản với các tinh chất thay dổi do hàn (hìnhl.1)

kim loại nền (hình 1.2a) hoặc nung

chảy cả vật liệu nền và vật liệu bổ

sung (hình 1.2b) Trong thực tế hầu

hết ứng dụng phương án thứ hai

Kim loại nền hoặc kim loại nền và

kim loại bổ sung nóng chảy tự rót

vào bể hàn và tẩm ướt bề m ặt rắn

của các phần tử ghép, ở đấy các

nguyên tử kim loại bể hàn và kim loại nền dịch gần tới khoảng cách xuất hiện các liên kết nguyên - phân tử Trong quá trình nóng chảy của kim loại, sự nhấp nhô bề mặt, các màng mỏng hữu cơ, các chất khí h ú t bẩn, các oxit và chất bẩn khác gây trỏ ngại cho sự dịch gần của các nguyên tử bị loại trừ

Khi tắ t nguồn nhiệt đô١ nóng, kim loại lỏng nguội và đông đặc - kết tinh

Sự kết tinh bắt đầu từ các h ạt nóng chảy từng phần của kim loại nền và tiếp đến bể hàn Sau khi bể hàn kết tinh hình th àn h môi hàn nguyên khôi với cấu trúc đúc liên kết hai chi tiết th àn h một

Trong quá trìn h hàn xảy ra sự bay hơi và oxy hoá một sô nguyên tố, sự hấp thụ và hoà tan các chất khí của kim loại cũng như những thay đổi tại VAN Kết quả thành phần và cấu trúc của môi hàn khác với VLN Các biến dạng của kết cấu gây bởi ứng suất dư có

thể làm sai lệch kích thước và

hình dáng của chi tiết hàn và

ảnh hưỏng tối độ bền của liên

kết hàn

Hàn là quá trìn h công

nghệ đưỢc ứng dụng rộng rãi

để chế tạo và phục hồi các kết

cấu và chi tiết Tính ưu việt

của các kết cấu hàn so với đúc,

tán đmh và rèn đã được công nhận, bao gồm giảm tiêu hao kim loại, giảm chi

phí lao động, đơn giản thiết bị, rú t ngắn thòi gian sản xuất và tăng sô" lượng sản

phẩm mà không cần mở rộng mặt bằng sản xuất Đồng thời khả năng cơ khí

hoá các thao tác công nghệ chính cũng được mở rộng đáng kể Tuy nhiên tâ"t cả

các tính ưu việt của hàn chỉ có thể thực hiện khi đảm bảo được chất lượng cần

thiết của các môi hàn để kết cấu có thế làm việc đưỢc lâu dài và tin cậy Điều

này có đưỢc trên cơ sở nghiên cứu sâu sắc công nghệ hàn và xác định môi quan

hệ của nó với các dạng kết cấu và các đặc điểm của sản phẩm được sản xuất

1.1.2 P h à n lo a i c á c p h ư ơ n g p h á p hàn

Có thể phân loại các phương pháp hàn theo trạng thái kim loại tại vùng

hàn và theo dạng năng lượng được ứng dụng để đôt nóng kim loại

Theo cách phân loại thứ n hất có hai nhóm: a) hàn áp lực và b) hàn nóng

chảv (hình 1.3)

Hình 1.3. P h ân loại c á c p h ư ơ n g pháp hàn th e o trạng th á i kim lo ại tạ i v ù n g hàn.

Hàn áp lực có thể được phân thành ba phương pháp:

1 Hàn lạnh là phương pháp hàn không đốt nóng hoặc đốt nóng nhẹ tới nhiệt độ không làm thay đổi lớn các tính chất cơ học của kim loại Do không đôt

nóng hoặc đô"t nóng nhẹ nên cần áp lực riêng lớn để thực hiện sự hàn Áp lực đó

thông thường lớn hơn nhiều lần so vối giới hạn chảy, thậm chí giới hạn bền của

kim loại ở nhiệt độ phòng

2 Hàn có đốt nóng và không chảy dược tiến hành ỏ nhiệt độ cao, gây mềm kim loạJ và chuyển nó sang trạn g thái dẻo, hầu như làm m ất hoàn toàn tinh giòn, giảm giới hạn chảy và độ bền Trong trường hỢp này chỉ cần sử dụng áp lực riêng nhỏ hơn gidi h ạn chảy mấy lần cũng có thể n h ận dược sự biến dạng cần thiết cho hàn.

3 H àn với sự dôt nóng và làm chảy dặc trưng bỏi sự dô't nóng rấ t nhanh trong dó kim loại m ặt nền nOng chảy và chuyển thành một màng mỏng ỏ trạng thái lỏng Lớp kim loại nóng chảy không lớn và duy tri dược trên rtiặt nền là nhồ sức căng bề mặt Khi dông dặc toàn bộ kim loại lỏng bị dẩy ra khỏi vùng hàn chuyển th àn h ria xờm, còn mối hàn có dược là nhờ các lớp kim loại bị dốt nóng nhưng không chảy ỏ phía dưới

Áp lực'riêng trong trưồng hỢp này có giá trị xấp xỉ trương hỢp 2

Hàn với sự dôt nóng và làm chảy là sự chuyển tiếp của hàn nóng chảy؛ nó khác phương pháp sau ỏ sự ứng dụng áp lực khi hàn

Sự hàn áp lực làm thay dổi ít thành phần hoá học, cấu trUc và các tinh chất của kim loại, vì vậy trong nhiểu trương hỢp có thể nhận dược mô'i hàn có dầy đủ các tinh chất như kim loại nền mà không cần gia công bổ sung sau khi hần.

Trước khi hàn phải gia công sơ bộ và làm sạch bề m ặt vật hàn, bối khi hàn

áp lực rấ t khó có thể loại trừ dược các oxit và bám bẩn khác

Hần nóng chảy dược phân thành hai phương pháp (hìnhl.3):

1 Dặc trưng bỏi sự làm nóng chảy vật liệu nền, dược gọi riêng là hàn nOngchảy

2. Không làm nóng chảy vật liệu nền, gọi là hàn vẩy; nó dược coi như một dạng khác của hần nóng chảy Khi hàn vẩy kim loại nền không nóng chảy mà chỉ có vật liệu phụ (thanh hàn) nóng chảy Kim loại lỏng của th an h hần tẩm ướt

bề m ặt kim loại nền, khuếch tá n lẫn nhau làm tàng độ bền liên kết

Khi hàn nóng chảy th àn h phần hoá học và cấu trúc kim loại mô'i hần thay dổi dáng kể; vật liệu bổ sung thương khác với vật liệu nền Vì vậy nói chung mối hàn khác với kim loại nền bỏi th àn h phần, cấu trúc và các tin h chất cơ học Sự khác nhau dó có thể dược giảm bớt nhờ gia công cơ nhiệt sau khi hàn

Sự hàn nóng chảy ít nhạy cảm hơn với bề m ặt bám bẩn của kim loại nển, bối khi nóng chảy cùng với kim loại, các bám bẩn nổi trê n bể hàn và di vầo xỉ khi dông dặc

18

Sự phân loại trin h bày trên là dựíi vào các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trin h hàn NhưỢc điểm cha nó là khó chi tiết hoá áược tinh đa dạng của các phương pháp hàn hiện dang dược ứng dụng rộng rãi trong kỹ

th u ậ t h àn hiện dại

Sự phân loại dựa vào các dạng năng lượng sử dụng dể dôt nóng kim loại khi hàn là thực tế và chi tiết hơn Sơ dồ phân loại mô tả trên hình 1.4

Hinh 1.4. Phân !oạl các phương pháp hản theo dạng nãng !ượng sử dụng.

Hàn nguội dược tiến hhnh khOng đô't nOng hoặc dôt nóng nhẹ nhơ hiến dạng dẻo tạo hỏi áp lực riêng lớn

H àn cơ học dặc trưng bỏi sự ứng dụng gia công cơ khi dể tạo nguồn nhiệt cho hàn Nguồn nhiệt dó có dưỢc là nhơ ma sát giữa chi tiết quay và chi tiết khấc ty lên nó

Hàn "helio" dựa trên sự ứng dụng năng lượng M ặt Trơi dể dôt nóng các chi tiết hàn Dó là dòng ánh nắng tập trung hỏi hệ thống các kinh hội tụ ỏ một vUng nhỏ làm nóng chảy các kim loại hàn

Trong kỹ th u ậ t hàn hiện dại có hai dạng hàn dược ứng dụng rộng rẵi nhất, dó là hàn hoá học và hàn diện

Khi hàn hoá học, nhiệt để đô"t nóng vùng hàn nhận được từ các phản ứng cháy hoá học tỏa nhiệt.

Khi hàn lò, kim loại trong lò được đốt nóng tới trạng thái "cháy hàn" (không nóng chảy) để giảm độ cứng và độ giòn, sau đó tác dụng áp lực bằng rèn (hàn rèn)

Sự hàn khí giữ vị trí quan trọng trong các phương pháp hàn hoá học Sự đôt nóng kim loại khi hàn khí được thực hiện bằng ngọn lửa khi đốt trong các

mỏ hàn đặc biệt Các khí đốt được ứng dụng là hydro, metan, axetylen, hỗn hỢp propan-butan, khí th an V V ) Các chất lỏng cũng được sử dụng để hàn khí (như benzen, xăng, dầu hỏa )

Khi hàn nhiệt nhôm (thecmit - therm ite), người ta sử dụng hỗn hỢp bột hoặc hỗn hỢp h ạt cháy để đốt nóng

Thecmit gồm những hạt kim loại và oxit với các lượng nhiệt lớn nhỏ khác nhau khi bị oxy hoá Thông dụng n h ất là thecm it nhôm, gồm những hạt nhôm kim loại và oxit sắt Fe304· Trong kỹ thuật, hàn thecmit được ứng dụng để hàn ray, đường dây điện thoại, điện báo

Hàn điện là phương pháp phổ biến nhất Khi hàn dòng điện được dùng để đốt nóng Trong số rấ t nhiều phương pháp hàn điện, trưốc hết kể đến hàn hồ quang, trong đó nguồn nhiệt có được là do sự phóng hồ quang Để hàn điện có thể sử dụng các điện cực nóng chảy và không nóng chảy, hồ quang hở và kín, nguồn điện một chiều hoặc xoay chiều

Dạng khác của hàn hồ quang là hàn điện khí Khí bảo vệ được cấp vào vùng hồ quang để bảo vệ kim loại lỏng khỏi tác dụng của môi trường

Hàn điện xỉ là phương pháp hàn trong xỉ lỏng (bể xỉ); bể xỉ cung cấp nguồn nhiệt đô١ nóng nhờ dòng điện chạy từ điện cực tới vật hàn Bằng hàn điện xỉ có thể hàn các tấm kim loại chiều dày rấ t lớn với một đường hàn

Hàn tiếp xúc hay hàn điện trở là phương pháp hàn trong đó kim loại được đốt nóng nhờ dòng điện chạy qua m ặt tiếp xúc của các vật hàn Điện trở tiếp xiic giữa các chi tiết có ảnh hưởng đến quá trình hàn Trong hàn điện trở luôn sử dụng lực ép các vật hàn Nhiều trường hỢp mối hàn được hình thành do tác dụng của lực ép trên bề m ặt nóng chảy hoàn toàn của kim loại nền, còn vùng hàn có cấu trúc kim loại đúc, chẳng hạn khi hàn tiếp xúc điểm

Có nhiều phương pháp hàn điện trở; tiếp xúc, điểm, hàn mối Dạng khác của hàn điện trở là hàn bằng năng lượng điện tích tụ

20

Đặc trưng cho hàn tiếp xúc là quá trình hàn nhanh, mức độ cơ khí hoá và

tự động hoá cao

Khi hàn cảm ứng chi tiết được đặt trong từ trường của cuộn cảm đưỢc cấp bởi dòng điện xoay chiều tần sô" cao, Các dòng điện thứ cấp với cùng tần sô" đó được tạo ra trong kim loại hàn, đô"t nóng các mặt nền Tần sô" càng cao thì lớp kim loại mặt nền được đô"t nóng càng dày Sự đô"t nóng có thể dẫn đến hiện tượng "cháy hàn" và tiếp đó là sự chồn ép các kim loại hoặc nóng chảy Sự đốt nóng cảm ứng được ứng dụng để hàn vẩy hoặc hàn đắp kim loại bằng các hỢp kim cứng

Ngoài những phương pháp hàn trình bày ở trên, còn một sô" phương pháp chưa được nhắc đến, như hàn hồ quang plasma, hàn chùm điện tử, hàn laze, hàn khuếch tán Những phương pháp này tương đốì mới và có những ứng dụng

n h ất định Chúng sẽ được giới thiệu trong những chương mục có liên quan của cuốn sách

1.2 CÁC QUÁ TRÌNH VẬT LÝ KHI HÀN

Các quá trìn h xảy ra khi hàn khá phức tạp nhưng có ý nghĩa thực tiễn bởi chúng xác định chất lượng mô"i hàn Khi hàn nóng chảy người ta ứng dụng nhiều nguồn nhiệt khác nhau với những tính chất đặc thù riêng Các nguồn này tác dụng nhiệt và hoá đốì với kim loại nền và kim loại bổ sung; thành phần hoá học và các tính chất của mốì hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt do đó thay đổi Do bị đốt nóng, kim loại nóng chảy tạo thành bể hàn, sau đó đông đặc tạo thành mối hàn Tại vùng hàn xảy ra sự tương tác của kim loại vâi xỉ và khí Tất cả các quá trìn h kể trên đặc trưng cho tấ t cả các phương pháp hàn nóng chảy

1.2,1 H ồ q u a n g h à n

Hồ quang hàn là sự phóng điện trong các khí áp suất khá cao Nó đặc trưng bỏi m ật độ dòng điện lốn trong kênh khí dẫn điện và điện áp thấp giữa các điện cực Sự dẫn điện của khí hồ quang tạo bởi các phần tử tích điện - các điện tử và ion, sản phẩm của sự ion hoá nhiệt Hỗn hỢp tạo thành từ các nguyên

tử trung tính, các điện tử và ion mang tên "plasma"

Trong hồ quang điện, năng lượng của nguồn cung cấp cho nó chuyển thành động năng và th ế năng của các phần tử plasma Plasma chuyển năng lượng này cho các điện cực và một phần chuyển thành sự bức xạ điện từ

Kênh khi dẫn diện giữa các diện cực có dạng hình nốn cụt hoặc hình trụ Các t.ính chất của nd khôn.g g؛ống nhau tại cốc khoảng cách khác nhau từ cếc diện cực Các lớp khi gần các diện cực có nhiệt độ tương dôi thấp Tùy thuộc vào cực tinh các lớp khi này dược gọi là vUng hồ quang âm (catot) hoặc dương (anot Chiều dài vùng catot Zca bằng mấy lần chiều dài hành trinh tự do cUa các nguyên tử trung tinh,

Zca = 10"4 ب 10 ﺀ لcm Vùng

anot có chiều dài gần bằng

chiều dài hành trin h tự

độ lớn của trường diện tại các

vUng này Chẳng hạn trong

3 cột hổ quang: 4 vUng anot; 5 anot.

VI vậy các quá trin h

xảy ra tại các vùng kề diện

cực dóng vai trò quan trọng

nhất trong cơ chế biến dổi

năng lượng diện th àn h

nhiệt và chuyển nó hỏi các

diện cực

Cột hồ quang Trong

cột hồ quang sự sụt áp

không lớn lắm, và cương độ

Hình 1.6. Sự phụ thuộc của diện thế tại các vùng

kề diện cực dối với thế nâng lon hoá của khi hồ quang.

22

trưdng điện ỏ đây bằng 10 -í- 50 v/cm, Khi sự phát triển của cột hồ quang không

bị hạn chế thì đường kính của nó, cũng như nhiệt độ và cường độ trường điện được xác định bằng các quá trình bên trong Đe xác định các đại lưỢng của cột

hồ quang, lỶ thuyết hiện đại sử dụng phương trình cân bằng năng lượng của một đơn vị chiều dài hồ quang và phương trình ion hoá nhiệt khí Ngoài ra sử dụng "nguyên lý tôl thiểu" với giả thiết rằng trong tấ t cả các trạn g thái có thể của cột hồ quang, ổn định n h ất là trạng thái có cường độ trường điện nhỏ nhất

Từ các phương trình và giả th iết trên ta có:

ỏ đây: Uị - th ế ion hoá; Gg - tiết diện va chạm của các nguyên tử vói các điện tử.

Biết cường độ dòng / ١ ؛ q và m ật độ của nó i؛, dễ dàng tính được m ặt cắt ١ >s và

đưòng kính cột hồ quang d, nghĩa là:

ìb

(1.4)

Từ các biểu thức (1.1) ■ 1.3) -؛) ta thấv các thông số của cột hồ quang phụ

thuộc nhiều n h ất vào th ế ion hoá của khí hồ quang mà khi tăng nó thì nhiệt độ cột hồ quang, cường độ trường và mật độ dòng tăng

Trong nhiều trưòng hợo các hồ quang hàn cháy trong các hỗn hỢp của nhiều khí và hơi, bao gồm các hơi điện cực, vỏ và thuốc hàn, không khí, các khí bảo vệ Khi ion nhiệt các hỗn hỢp này tạo thành một thể khí đồng n h ất vối "thế ion hoá hiệu dụng" phụ thuộc vào th ế ion hoá các th àn h phần hỗn hỢp Uị và nồng độ tương đỐì của chúng riị/n, tức là:

5800 ^ [ n J

expV

5800 ơ

(1.5)

Từ biểu thức (1.5) rú t ra kết luận rằng, th àn h phần có thê ion hoá thấp nhất gây ảnh hưởng lớn n h ất đối với thê ion hoá hiệu dụng của hỗn hỢp Trong nhiều trường hỢp, sự đưa vào khí của cột hồ quang 5 - 8% chất phụ với thê ion hoá thấp làm giảm đáng kể của hỗn hỢp và theo các biểu thức (1.1) - 1 3 ) -؛) gây ảnh hưởng m ạnh đôi với các thông sô" cột hồ quang: nhiệt độ và cường độ trường giảm, đường kính cột tăng.

Khi hàn các kim loại bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ, nồng độ các th àn h phần khác nhau của hỗn hỢp phân bô" không đồng đều theo chiều dài hồ quang Chẳng hạn khi hàn nhôm trong môi trường argon điện cực voníram, nồng độ cao nhất của các hơi nhôm quan sát thấy ở mặt chi tiết và thấp nh ất ở điện cực voníram Nhiệt độ, m ật độ dòng và cường độ trường không bằng nhau tại các tiết diện khác nhau của cột Điều này dẫn tới sự xuất hiện các dòng plasm a cực mạnh

Công suất tiêu th ụ của cột hồ quang:

AT trong vùng anot trong các trường hợp như vậy có thể tín h với độ chính xác tương đốì theo công thức:

ỏ đây Tga - nhiệt độ sôi của vật liệu anot

Khi chiều dài vùng anot là 10"'؛ cm và AT = 3.10'؛K građien nhiệt độ ỏ đây

có giá trị A T / / 3 1 0؛،= ٢ K/cm Điều này gây dòng nhiệt cực m ạnh về phía anot:

Q ٣ - = ٥ lk

AT

ở đây r|j، - hệ sô" dẫn nhiệt của khí; - diện tích vết anot hoạt tính,

Trạng thái tĩnh của vùng anot có thể tồn tại khi bù đắp được dòng nhiệt này nhò công suất của dòng điện tách ra từ vùng này - ỉ7 ،،T ' ١ ؛ q, ỏ đây - điện

áp sụt vùng anot Từ đây biểu cân bằng năng lượng của vùng anot được biểu diễn theo công thức:

24

и Д ц ! ﺉﺁ P

ا? ا ﺀ

7

N h iệ t độ t r u n g b in h tư drig CỈỎI ũìắp c ủ a v ù n g a n a t n ó i l ê n x á c s u ấ t io n h o á

n l)iệ t r ấ t t h ấ p c ủ a k h i t ạ i v tin g n à y Vì v ậ y c á c p h ẳ n tử p h ó n g d iệ n c h ủ y ế u

n ằ m tr o n g v U n g n à y c h in h là cá c đ ؛ệ n tư m a n g d ò n g d iệ n t ừ c ộ t tớ i a n o t ở d â y

c á c d iệ n tử tạ o n ê n d iệ n t íc h â m v à đ iệ n tích khO ng g ia n v ớ i m ậ t đ ộ Pe x á c đ ịn h

t íu h c h ấ t t h a y d ổ i cu.ơng độ truO ng tạ i v ù n g anot L ư u ý tớ i s ự t íc h d iệ n n à y

v à dOng d iệ n d o n ó d i c h u y ể n có t h ể tin h d iệ n áp s ụ t t ạ i v ù n g a n o t t ừ b iể u

th ứ c (1.8):

ﻉﺩ ١ ﺝﺓ.

١ ﺭﺀﺙ ٧

Л ф 0 б ٠ ٩ ٥ ١ б

2 Α Ί η (

0 2 ﺀل

T h e o s ố l iệ u do d ạ c n h i ề u l ầ n d ạ i lư ợ n g ٧ a n ằ m tr o n g k h o ả n g 4 - 6 V.

C ô n g s u ấ t UJhq p h á t s i n h tr o n g vU ng a n o t dược c h u y ể n c h o a n o t v à tiêu,

t h ụ v à o sự d ô t n ó n g v à là m c h ả y n ó N g o à i r a k h i tư ơ n g g ia o c ủ a r a n h g iớ i k h i -

k im lo ạ i h ỏ i c á c d iệ n tử , t h ê ' n â n g c ủ a ch U n g g iả m tới d ạ i lư ợ n g c ô n g t h o á t k im

lo ạ i φ v à c ũ n g t r u y ề n c h o a n o t K h i cư ơng độ dOng là Iị)q v à c ô n g t h o á t b ằ n g ٧ t,

h iộ u s ố n à y s ẽ b ằ n g ơ / h q Kê't q u ả c ô n g s u ấ t t ổ n g tr u y ề n c h o a n o t b ằ n g :

T r o n g h ồ q u a n g v ớ i a n o t t h é p ٧ n = 4 ,2 V, ٧ t = 4 ,3 6 V , d o v ậ y m ỗ i a m p e dOiig c ấ p c h o a n o t cO c ô n g s u ấ t (4 ,2 + 4 ,3 6 ) X 1 = 8 ,5 6 w C ô n g s u ấ t n à y đ ủ d ể

t r o n g k h o ả n g 2 0 ^ 5 0 A /c m ؛؛ M ậ t độ d ò n g đ iệ n đo b ằ n g th ự c n g h iệ m t ạ i c á c v ế t

đ iề u k iệ n tư ơ n g t ự T u y n h i ê n g iả t h i ế t n à y v ẫ n c h ư a h o à n t h i ệ n đ ể có t h ể g i ả i

th íc h đư ợc c á c t h ô n g sô' cơ b ả n c ủ a v ù n g c a t o t v à c á c y ế u tô' x á c đ ịn h c h ú n g

G iả t h i ế t n h i ệ t c h o r ằ n g t ạ i c a t o t t ồ n t ạ i m ộ t v ù n g k h ô n g lớ n c h ấ t k h í -

k h ô n g g ia n io n h o á , đ ư ợ c đô't n ó n g tớ i n h i ệ t đ ộ c a o h ơ n n h i ệ t c ộ t h ồ q u a n g , ở

v ù n g n à y d o io n h o á m ạ n h , h ì n h t h à n h m ộ t lư ợ n g c ầ n t h i ế t c á c đ iệ n tử v à io n

c h u y ể n đ ộ n g v à o c ộ t (c á c đ iệ n tử ) v à c a t o t (cá c io n ) K h i t á i hỢp ở m ặ t c a to t , c á c

io n g â y d ò n g c h ả y c ủ a c á c đ iệ n t ử t ừ c a to t T r ê n cơ sở g iả t h i ế t n h i ệ t n g ư ờ i t a đ ã

r ú t r a đưỢc m ộ t sô' q u y l u ậ t b ằ n g th ự c n g h iệ m m ô t ả v ù n g c a t o t c ủ a h ồ q u a n g

C ũ ng n h ư ỏ v ù n g anot, trạ n g th á i tĩnh của k h í ở ca to t tồ n tạ i th eo biểu cân bằng n ă n g lượng của nó:

Đặc tíìih tĩnh von-ampe của hồ quang. C á c v ậ t d ẫ n d i ệ n g iố n g h ồ q u a n g ,

n h i ệ t đ ộ t ạ i c á c v ù n g k ề d iệ n cự c v à d iệ n t h ế c ộ t h ồ q u a n g g iả m K ế t q u ả là k h i

t ă n g d ò n g d iệ n , d iệ n t h ế c h u n g c ủ a h ồ q u a n g g iả m v à d ặ c t in h v o n - a m p e tr ỏ

n ê n dô'c T u y n h iê n , ỏ g iá t r ị c ư ơ n g đ ộ n à o d ó v ế t c a t o t c ủ a h ồ q u a n g c h iế m t o à n

28

m ặ t đ iệ n c ự c v à k h ô n g t h ể t iế p tụ c tă n g c ư ờ n g độ n ữ a S ự t ă n g c ư ờ n g đ ộ h ồ

q u a n g s a u đ ó x ả y r a k h ô n g p h ả i do sự tă n g d iệ n t íc h k ê n h d ẫ n đ iệ n ở c a t o t m à

do s i i t ă n g n ồ n g đ ộ đ i ệ n t íc h t r o n g nó S ự t ă n g s a u x ả y r a k h i t ă n g n h i ệ t độ c ủ a

k ê n h v à d o đ ó , t ă n g đ ộ c h ê n h lệ c h n h iệ t độ ở v ù n g c a t o t K ế t q u ả đ iệ n t h ế c a to t

t ă n g v à đ ặ c t í n h h ồ q u a n g lú c đ ầ u k h ô n g t h a y đổi, s a u có t ă n g Đ ư ờ n g k í n h đ iệ n

cự c c à n g n h ỏ t h ì k h i d ò n g đ iệ n t h ấ p , đặc t ín h dôc c ủ a h ồ q u a n g c à n g t ă n g (h ìn h 1.7) C ác t h í n g h i ệ m t i ế n h à n h k h i h à n tr o n g k h ô n g k h í v ớ i / 5 = ؛, m m đ iệ n cự c ٠

C á c d ò n g k h í c ũ n g g â y t á c d ụ n g lực tr ê n c á c đ iệ n cự c, đ ồ n g t h ò i x á c đ ịn h

c h iề u s â u n g ấ u v à c h i ề u c a o c ủ d ĩn ô ì h à n C h ú n g là m “cứ n g" h ồ q u a n g ở g ầ n cá c

đ iệ n cự c, g iữ h ư ớ n g c ộ t h ồ q u a n g v u ô n g góc với m ặ t v ế t h o ạ t t í n h N g u y ê n n h â n

x u ấ t h iệ n c á c d ò n g k h í là do p la s m a b ị n é n bở i t ừ tr ư ờ n g r iê n g v à c á c đ iệ n cự c

b a y h ơ i.

T r o n g c ộ t h ồ q u a n g t ừ tr ư ờ n g tá c d ụ n g v ớ i cá c đ ư ờ n g c ả m ứ n g t ậ p t r u n g

x u n g q u a n h đ ư ờ n g d ẫ n đ iệ n ( h ìn h 1 8 ) D o d ò n g đ iệ n d i t r o n g c á c p h ầ n t ử k h á c

n h a u c ủ a c ộ t h ầ u n h ư c h ạ y v u ô n g g ó c v ó i c ả m ứ n g t ừ tr ư ờ n g B n ê n lự c a m p e df

b iệ t, t h i h ồ q u a n g có n h ữ n g t i n h c h ấ t m ớ i g ọ i là "hồ q u a n g n é n " S ự n é n cộ t hổ

q u a n g b ằ n g v ò i ph'un là m g iả m d iệ n t íc h v ế t a n o t v à v U n g p h â n t á n c ủ a n ó , ơẫỉ

tớ i sự tậ p t r u n g n ă n g lư ợ n g t r ê n a n o t v à t ă n g c h iề u s â u n g ấ u cU a n ó '.Pia

Hình 1.10. B!ểu dồ d a o d ộ n g dOng d!ện v à diện áp hồ g u a n g

khl hàn n hô m bằng đ iệ n cực v o n fra m

K h á c v ớ i đ iệ n t íc h h ồ q u a n g , t r o n g c á c q u á t r in h d iệ n x ỉ k h ô n g có c á c vung

k ề d iệ n cự c rõ n é t D ò n g d iệ n c h u y ể n từ d iệ n c ự c v à o b ể x ỉ n g a y s a u k h i c á c .x i t

t r ê n b ề m ặ t c ủ a n ó h o à t a n T h ô n g t h ư ò n g d iề u n à y x ả y r a ỏ đ ộ s â u 2 0 - 3 0 ,nm

t ù y th u ộ c v à o tô'c đ ộ c ấ p d iệ n cự c M ú t d iệ n cự c lu ô n có d ạ n g h ì n h cô n , c h in h xác

h ơ n là p a r a b o lo it t r ò n x o a y ( h ìn h 1 1 1 ).

K im lo ạ i d iệ n c ự c d i c h u y ể n v à o b ể t h e o c á c g iọ t T ầ n s ô 'd i c h u y ể n c ủ a các

g iọ t t ă n g t h e o tô'c đ ộ c ấ p d iệ n cự c K h i tố c độ c ấ p d iệ n cự c lớ n , d iệ n á p t h ấ Ị v à

c h iể u s â u b ể x ỉ n h ỏ , c á c g iọ t k im lo ạ i có t h ể liê n k ế t v ớ i b ể k im lo ạ i sớ m h ơ t so với k h i c h U n g t á c h k h ỏ i d iệ n cự c Mô'i liê n k ế t k im lo ạ i n à y t ồ n t ạ i t r o n g '.hời

g ia n r ấ t n g ắ n ; n ó h ầ u n h ư b ị p h á h ủ y n g a y d ư ố i t á c d ụ n g c ủ a c á c lự c d iệ n đ Ịn g

x u ấ t h iệ n t r o n g v ậ t d ẫ n d iệ n v à t ă n g n h a n h c U n g v ớ i m ậ t đ ộ dOng d iệ n , ؟ u y

32

Iihiên, do t.ần số đoản mạch lớn (hàng trăm lần trong một giây), thòi gian trung hìrih của dOng diện chuyển vào kim loại có thể chiếm một phần thdi gian chung củ؛i sự hàn Hiện tríỢng này không mang tinh chất của sự đoản mạch Độ dẫn diện chung cUa bể hàn vào thòi điểm đoản mạch tang 1,5 dến 1,7 lần Công suất thíiy dổi nhiều hay ít tùy thuộc vào dặc tinh của nguồn diện hàn.

Khác với hồ quang hàn dưới thuOc, khi hàn diện xỉ hầu như toàn bộ công suht diện dược chuyển vào bể xỉ rồi từ đó cấp cho diện cực và kim loại cơ bản Hiểu kiện ổn định của quá trinh là nhiệt độ bể xỉ không dổi, nói cách khác, sự cân bằng của nhiệt tách ra và nhiệt ra Hình 1.12 biểu diễn sự phụ thuộc của công suất tách ra và công suất ra của xỉ vào nhiệt độ trung binh của bể xỉ ở những nhiệt độ thấp, dương cong công suất ra luôn nằm trên dương cong công suất tách ra, vì sự cấp nhiệt xảy ra ỏ mọi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trương bao bọc, còn sự tách ra thực sự của công suất trong xỉ bắt dầu ỏ nhiệt độ gần 1ОО0.С

Dặc tinh của dương cong công suất ra phụ thuộc vào các kích thước hình học của hôC hàn, chiều sâu bể xỉ, hệ số truyền nhiệt từ xỉ vào kim loại cơ bản và các cơ cấu làm lạnh, tinh chất nOng chảy cUa kim loại cơ bản, lượng kim loại bổ sung vào vùng hàn và các yếu tố khác.

Dặc tinh của dường cong công suất tách ra chịu ảnh hưỏng bỏi sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ dẫn diện của xỉ, dặc tinh ngoài của nguồn diện hàn và

chiều sâu chim của diện cực trong xỉ Khi các dường cong công suất tách ra và công suất ra không giao nhau thi không thể có quá trinh hàn (dương a) Nếu các dương cong giao nhau tại một điểm (dương ò) thi quá trin h hàn không ổn định: phía trái điểm giao nhau (điểm A) nhiệt độ và công suất giảm liên tục, còn phía

phải - tdng Khi có điểm giao nhau thứ hai (điểm B trên dương c) quá trinh sẽ

ổn định

Dương cong ố có dược khi nguồn cấp có dặc tinh cứng và các kích t.hước khoảng không gian giữa các diện cực thay dổi ít hoặc chậm cùng với nhiệt độ bể Diều này xảy ra khi tiết diện diện cực nóng chảy lớn Dể có dược dương cong c cần giảm độ cứng của dặc tinh nguồn hoặc thay dổi tinh phụ thuộc vào nhiệt, độ của độ dẫn diện của bể

Độ dẫn diện riêng của xỉ tăng cUng với nhiệt độ, song chiều sâu chim của diện cực giảm làm giảm độ dẫn diện của bể, yếu tố này càng tác dụng mạnh khi tiết diện diện cực nóng chảy nhỏ, hỏi khi tiết diện diện cực nhỏ các kích thưốc dài và lượng diện cực nóng chảy thay dổi lớn hơn Khi tiết diện diện cực nhỏ, những thay dổi về hình dáng của khoảng không giữa các diện cực đủ dể ổn định nhiệt độ bể Quá trin h diễn ra ổn định kể cả khi nguồn có dặc tinh cứng và bể xỉ

có thành phần khác nhau

Do hàn ỏ vị tri dứng, m ặt bể kim loại nằm thấp hơn các điểm nóng chảy

của các mép (hình 1.13) Kim loại lỏng chảy xuô'ng phía dưới, các mếp 2 dưỢc

rửa bỏi xỉ nOng 5 và chảy mạnh Nhơ sự di chuyển mạnh của xỉ, sự nóng chảy

của các mép xảy ra cách diện cực 1 với khoảng cách lổn hơn khi hàn hồ quang Các mép hàn cũng chảy lỏ nhiều bỏi sự dẫn nhiệt mạnh từ bể kim loại 4 theo

hương các mũi tên (hình 1.13) Kê't quả kim loại cơ bản cách xa mép chảy sớm hơn mép

Hệ quả thực tế của các dặc điểm trên

là lượng thuOC tiêu thụ ít, chiếm khoảng

5% khối lượng kim loại dắp, và năng lượng

diện tiêu thụ ít hơn 1,5 dến 2 lần so với khi

hàn hồ quang Điểu quan trọng hơn là khả

ndng thực hiện các mốỉ hàn với một dương

hàn các thép chiều dày không hạn chế

Hinh 1.13. H ỉnh d á n g b ể xỉ.

Khi hàn một dây, một phần nhiệt

dưỢc tách ra bỏi diện trỏ ôm của đoạn diện

cực tinh từ m út diện cực tới điểm dẫn diện vào Khi hàn với tẩu nOng chảy hoặc diện cực tấm phần nhiệt này nhỏ hơn Phần nhiệt chủ yếu dưỢc tách ra là nhơ diện trỏ của bể xỉ Khi tôC độ cấp dây hàn lớn, nhiệt có thể dược tách ra nhiều qua các giọt kim loại lỏng khi diện cực đoản mạch tức thơi với bể

34

Các điều kiện tốt nhất để có dược bể xỉ sâu dược dảm bảo khi hàn ỏ vị tri dứng Vì vậy khi hàn diện xỉ ngudi ta thương ứng dụng sự tạo hình cuSng bức Nguyên lý cUa sự tạo hình cưổng bức là làm lạnh nhân tạo m ặt tự do của bể kim loại Sự làm lạnh thông thường dược thực hiện bằng các tấm dồng có nước lưu thông làm nguội Các tấm dồng di chuyển dọc theo mô'i hàn giữ bể xỉ khỏi chảy Cơ cấu làm lạn h như vậy gọi là các con trượt.

Các yêu cầu quan trọng nhất dô'i với các xỉ khi hàn diện xỉ là nhiệt độ sôi cao và không có sự tạo khi khi dốt nóng tới nhiệt độ cao Nhiều loại xỉ sôi ổn định, không thoát khi mạnh Nếu sự sôi này không quá m ạnh thi quá trinh hàn không bị ảnh hưỏng, ngược lại nó còn giUp diều chỉnh tôt nhiệt độ bể và hấp thụ năng lượng dư khi tăng nhiệt độ Khi dOng diện chạy qua xỉ không có hiện tưỢng thoát khi m ạnh và bắn tóe kim loại như khi hàn hồ quang hỏ

Khi quá trin h xỉ diện ổn định, hoàn toàn không có sự bắn tóe Diều này cho phép hàn với bể xỉ hỏ mặt Sự cấp thuôC hàn vào bể dược hạn chế với khô'i

lượng rấ t nhỏ, nhờ vậy năng lượng diện dược tận dụng tô'i da.

Vì vai trò chủ yê'u của các xỉ trong hàn diện xỉ là biến dổi diện năng thành nhiệt năng, nên tin h dẫn diện và sự phụ thuộc của nó đôi với nhiệt độ là dặc tinh cơ bản của xỉ Độ dẫn diện của xỉ lỏng tảng nhanh cùng với nhiệt độ Các xỉ không còn là những vật dẫn diện khi nhiệt độ thấp (hình 1.14) Diều này gây phức tạp cho sự ổn định của quá trinh hàn

1,2.3 T ia đ iệ n tử

Λ " ' cm"'

Tia diện tử là dòng các diện tử tăng tôC hình đỉnh nhọn DOng diện tử do catot phát tăng tôC trong chân không sau dó được chiếu tiêu thành một vết kích thưốc nhỏ (dương kinh chỉ bằng mấy phần trăm milimet dến vài milimet)

Khi các diện tử tăng tốc bị

hãm gần mặt vật kim loại, dộng

năng của chúng chuyển thành

nl-hệt năng M ật độ công suất tại

chỗ hãm càng lớn, sự dôt nóng cục

bộ càng mạnh

Sự phát hiện ra quá trinh

phóng nhiệt - diện tử, sự ứng dụng

các trương diện tinh và diện từ dối

xứng dọc trục dể chiếu tiêu các tia

diện tử, sự phát triển kỹ thuật chân

٠ ﻮﻫ

; 200

;

5 0 , 000 ИОО

Hinb 1.14: S ự p h ụ th u ộ c v à o n h iệ t độ của độ dẫn d iệ n c ủ a th u ố c А Н - 8.

không - tất cả là những mốc cơ bản trên con đường phát triển của sự hàn bằng ti ؛ ١

điện tử Sự ứng dụng công nghiệp của hàn tia diện tử bắt dầu từ những năm sơ của thế kỷ trước.

Tùy thuộc vào áp suất tăng tốc và tinh chất của kim loại, các diện tử có thể thấm sâu vào vật hàng chục micromet Sau khi va chạm nhiều lần diện tử mất năng lượng, thay dổi hướng và tôC độ chuyển dộng, góc lệch của diện tử sau khi va chạm tăng, tôC độ giảm, kết quả tại đoạn cuô'i của hành trinh diện tử t,iêu tốn phần chủ yếu năng lượng của nó Như vậy sự dô't nóng diện tử xảy ra trong vật thể khác với các nguồn nhiệt khác dưỢc ứng dụng khi hàn Sự tỏa nhiệt mạnh nhất quan sát dược ỏ cuối hành trinh của diện tử.

Bể hàn chịu tác dụng của kim loại bay hơi, sự bức xạ rơnghen và nhiệt và

cả áp lực của các diện tử thứ cấp và nhiệt Lực nén của kim loại bay hơi là phần chinh của lực chung tác dụng lên bể, giá trị của nó dạt tới vài gam.

Tia diện tử với các tinh chất yêu cầu dược tạo thành trong sUng phun diện

tử Để chiếu tiêu tia diện tử công suất lớn thành vết tiê't diện nhỏ nhất có thể, ngươi ta hạn chế tới mức thấp nhất ảnh hưỏng của sai số quang diện, của sức đẩy lẫn nhau của các diện tử trong sUng phun, tô'c độ nhiệt của diện tử, sự tán xạ cUa các diện tử trên các phân tử dư và tách ra của khi và hơi trong quá trinh hàn Công suất riêng lớn nhất của tia diện tử có dược ỗ khoảng cách lớn từ sUng phun Trong mỗi súng phun diện tử, các diều kiện tạo các tia diện tử hàn dưỢc dảm bảo với mức độ khác nhau tùy thuộc vào các yêu cầu dặt ra đối với chUng Trong một số súng, tia diện tử chỉ dược tạo bỏi diện cực catot mà không ứng dụng các hệ thông chiếu tiêu bổ sung (hình l.lSa), ỏ dây anot là vật hàn Hệ thô'ng chiếu tiêu diện tĩnh một bậc như vậy không thể dảm bảo sự tạo thành tia diện tử mạnh với mật độ năng lượng cao VI vậy sUng phun loại này chỉ hàn dưỢc các kim loại mỏng ( 1 - 2 mm) Các tinh chất công nghệ và diện quang của súng chiếu tiêu một bậc diện tinh dược nâng cao khi dưa vào kết cấu diện cực

tăng tốc có thế nàng của vật (hình I.13b) Khác với sUng kiểu trước, sUng kiểu này giảm dưỢc hiện tượng đánh thủng và phóng diện, dồng thdi có thể sử dụng

diện thế tàng tô'c không nắn dòng dể làm nguồn cấp.

Để tạo tia diện tử hàn, phổ biến nhất là ứng dụng hệ chiêu tiêu kết hợp diện tĩnh và diện trương Trong các sUng với tia chiếu tiêu kết hỢp, dèn chiếu gồm catot, diện cực gần catot và diện cực anot tăng tôC tạo tia diện tử hội tụ Tiết diện nhỏ nhất của tia dược thiết kế trên vật hàn với công suất diện từ cUa

hệ thô'ng chiếu tiêu (hình 1.15).

Các yêu cầu cơ bản đôi với tia diện tử là m ật độ năng lượng lớn của vết dôt

nóng và góc hội tụ Uj nhỏ Các yêu cầu này dưỢc thỏa mãn khi năng lượng diện

tử cao:

36

CỐ. ■٤t l 1 / 4t t^ tt7/4

٧ tl

ỏ đây /، - dòng của tia điện tử; - điện áp tăng tốc

Điện áp tăng tốc trong các súng hàn đưỢc chia thành ba cấp cơ bản: 1 - thấp

{٠ ٧٧a = 5 -í- 30 kV); 2 - trung bình ([/،، = 40 60 kV) và 3 - cao (ơ، = 80 -í- 200 kV).،، = ٥ - í- ơu KVt; z - trung Dinn (,ư،، = 4٧ I b٧

(

.Cóng suất tia nằm trong khoảng 0,3 - 100 kW

chiếu tiê u k ế t h ợ p ; 1 c a to t; 2, đ iệ n cực

kề catot; 3 c á c q u ỹ đ ạ o b iê n c ủ a điệp,

tử; 4 v ậ t; 5 a n o t; 6 b u ồ n g p h ố i dòng;

7 thấu kin h c h iế u tiê u từ; 8 h ệ thống

làm lệ ch tia; 9 v ế t tiê u đ iể m ;

Sơ đồ nguyên lý thiết bị hàn laze xem ở hình 1.16 Lõi bằng vật liệu hoạt

tính 1 và đèn bơm dùng xung 2 được bố trí trong buồng gương của thiết bị chiếu sáng 4 Điện năng tích tụ trong các bộ pin chuyến th àn h năng lượng ánh sáng nhờ đèn 2 Để tăng độ dài của các xung hoặc tạo ra chúng người ta mắc các điện

cảm vào bộ pin Dưới tác dụng của ánh sáng đèn bơm, vật liệu hoạt tính chuyển sang trạng thái có khả năng tăng cường độ và phát ánh sáng với chiều dài xác định của sóng

Để cải thiện điều kiện phát, lõi vật liệu hoạt tính được đặt đồng trục vối

các gương 3 Lõi và gương tạo nên hốc cộng hưởng Tia ánh sáng từ hốc cộng hưởng được hội tụ bỏi th ấu kính 5 Vật hàn được đặt tại m ặt cắt nhỏ nhất của

tia, là chỗ có m ật độ công suất cao nhất Thông thường vật hàn có kích thước

nhỏ nên máy hàn laze được trang bị thêm kính hiển vi 6.

Hinh 1.16. S ơ đ ồ q u a n g h ọ c của m á y h à n la ze

Các đặc tính cơ bản của bức xạ laze dùng cho hàn gồm: độ phân tán bức xạ xác định các kích thước vết sau khi chiếu tiêu, công su ất và sự phụ thuộc thòi gian của nó, và độ dài xung Nhò sự phân tán bức xạ nhỏ nên có thể thu được vết đường kính bằng vài phần trăm milimet Trong các máy hàn, người ta thường dùng các máy phát bức xạ ánh sárìg với năng lượng tói 10 - 20 J và chiều dài xung tới 10 pm M ật độ công suất của vết trong trường hỢp này đạt giá trị 10® W/cm^

Nhò công suất nhiệt cao nên chỉ cần cấp lượng nhiệt tối thiểu vào vùng hàn để hàn các chi tiết Điều này cho phép hàn cục bộ với vùng đốt nóng nhỏ.Công suất dòng ánh sáng cho vùng phát sáng phải đủ để hàn các chi tiết, nhưng không đưỢc quá lớn để lượng kim loại bay hơi từ vùng đốt nóng nằm

38

trong giới hạn các giá trị cho phép Đ íịì lượng chiểu dài xung phải dảm bảo chiều sâu ngấu và sự diễn biến tôl ưu của các quá trinh íuyện kim nhằm nhận dưỢc mô'i hàn chất lượng cao Khi hàn các tấm dày tới 0,3 mm, chiều dài tối ưu của xung là 1 - 8 pm Công suất dOng ánh sáng và chiều dài xung liên quan với nhau Nêu các yêu cầu dối với các kích thước vUng dốt nóng không nghiêm ngặt thi nên tăng chiều dài và giảm bót công sưất xung.

Đe tăng chiều sâu ngấu cần có xung ánh sáng giảm theo cấp số mũ Tốc

độ giảm xung phải dảm bảo duy tri dược nhiệt độ cho phép tối da của mặt phát sáng Tuy nhiên do khó khăn kỹ thuật nên trong dại bộ phận các máy hàn laze thường ứng dụng xung gần vuông góc.

13 CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT KHI HÀN

Thuật ngữ “các quá trinh nhiệt khi hàn" dược hiểu là sự tăng nhiệt độ của vật hàn (kim loại cơ bản), và vật liệu hàn (vật liệu bổ sung) dưối ảnh hưỏng của

sự dô't nóng do hàn, sự truyền nhiệt vào vật và sự thoát nhiệt vào môi trường bao bọc Sự thay dổi nhiệt độ xác định một loạt các quá trinh xảy ra dồng thdi trong kim loại cơ bản: biến dổi tổ chức, thay dổi thể tích, biến dạng dàn hồi - dẻo

Ѵ.Ѵ Các quá trinh này ảnh hưỏng lớn dến chất lượng mô'i hàn v à toàn kết cấu nói chung.

Nhiệt dẫn vào vật hàn (hay vật liệu hàn) dặc trưng bỏi dại lượng công suất nhiệt và định luật phân phô'i nó trong không gian và thồi gian Các dặc tinh này phần lớn phụ thuộc vào phương pháp và diều kiện hàn, dạng kết cấu và cốc yếu

tố khác ChUng ta hãy khảo sát các vấn dề này dô'i với các phương pháp hàn nóng chảy điển hình.

1.3.1 Hàn, ìxồ q u a n g

Năng lượng diện dẫn vào hồ quang hàn một phần cung cấp cho các quá trinh xảy ra trong hồ quang, một phần tiêu phi cho môi trương bao bọc Vì phần nãng lượng dạng không nhiệt trong biểư cân bằng của hồ quang không lớn, nên

có thể coi năng lượng diện dẫn vào hổ quang dược biến dổi thành năng lượng nhiệt Công suất nhiệt của hồ quang có thể coi tỉ lệ thuận với dương lượng nhiệt của năng lượng diện, nghĩa là:

q : ٧ 1ﺍﻭ

dòng điện trong mạch; (p - hệ số công suất hay hệ số dạng Các giá trị của hệ số

dạng (p thường nằm trong khoảng 0,8 - 0,95

Một phần nhiệt của hồ quang hàn bị tổn th ấ t vào môi trường bao bọc, còn phần lớn đốt nóng và làm chảy kim loại bổ sung và kim loại cơ bản, vỏ bọc que hàn hay thuốc hàn và cung cấp cho các phản ứng hoá học trong vùng hàn Đại lượng công suất nhiệt của hồ quang tổn hao vào môi trường bao bọc, cũng như đại lượng (p, phụ thuộc vào rấ t nhiều thông sô" của chế độ hàn Vì vậy người ta dùng khái niệm “hệ sô" hiệu dụng" của hồ quang T|j١q, chẳng hạn hệ sô hiệu dụng đốt nóng vật của hồ quang riy, hệ sô" hiệu dụng đốt nóng dây của hồ quang !٦٥, hệ sô" hiệu dụng đô"t nóng thuốc của hồ quang r|،

Các hệ sô" hiệu dụng thông thường đưỢc xác định bằng thực nghiệm và là

tỉ sô" giữa công suất nhiệt của biểu cân bằng nhiệt và đương lượng nhiệt của năng lượng điện của hồ quang Các kết quả thí nghiệm đo nhiệt lượng cho thấy

hệ sô" hiệu dụng của quá trìn h đốt nóng vật bằng hồ quang hàn r|١, phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện cháy của nó (bảng 1.1)

B ả n g 1 1 Trị sô t|„ đối với các hồ quang khác nhau

hồ quang vào bể hàn cho phép cải thiện sự trao đổi nhiệt giữa hồ quang và vật, đồng thời giảm sự tổn th ấ t nhiệt do kim loại bắn tóe

Thực nghiệm cho thấy, trong các hồ quang chìm ít trong kim loại vật hàn, tô"c độ nóng chảy của điện cực không phụ thuộc vào chiều dài hồ quang Điều đó chứng tỏ sự nóng chảy chủ yếu xảy ra do năng lượng được cấp bởi các điện cực

và thê" của các ion Trong các trường hỢp này hệ sô" T|١, có thể tính gần đúng theo

40