Đề cương bài giảng lý thuyết hàn

Chương I: Khái niệm hàn kim loại 1.1 Bản chất đặc điểm hàn kim loại a, Bản chất: Hàn trình công nghệ nối hai nhiều phần tử (chi tiết, phận) thành khối bền vững, cách dùng nguồn nhiệt nung nóng chỗ cần nối đến trạng thái hàn Sau kim loại lỏng tự kết tinh (ứng với trạng thái lỏng) dùng thêm ngoại lực ép chúng dính lại với (ứng với trạng thái nguội, dẻo) để tạo thành mối hàn + Trạng thái hàn trạng thái lỏng, dẻo chí nguội bình thường + Khi hàn kim loại đạt tới trạng thái lỏng , phần lớn trường hợp, mối hàn tự hình thành mà không cần lực ép Việc tạo mối hàn có hình dạng kích thước cho trước cần không cần kim loại bổ sung (thông qua vật hàn) + Nếu kim loại chỗ cần nối hàn có nhiệt độ thấp đạt tới trạng thái dẻo để tạo mối hàn cần thiết phải có ngoại lực tác dụng + Về chất hàn đắp, hàn vẩy dán kim loại tương tự hàn Vì kỹ thuật chúng coi lĩnh vực riêng hàn b, Đặc điểm - Liên kết hàn đặc trưng với tính liên tục nguyên khối Đó liên kết “ cứng” không tháo rời - Với khả làm việc so với phương pháp nối ghép khác (bằng bu lông, đinh tán,…) kết cấu hàn cho phép tiết kiệm 15 – 20% khối lượng kim loại - So với Đúc, Hàn tiết kiệm 50% khối lượng kim loại - Hàn cho phép chế tạo kết cấu phức tạp, siêu trường, siêu trọng từ vật liệu loại vật liệu khác loại, vật liệu có tính chất khác Phù hợp với điều kiện môi trường khác - Hàn tạo liên kết có độ bền độ kín cao đáp ứng với yêu cầu làm việc kết cấu quan trọng (vỏ tàu, bồn bể, nồi hơi, thiết bị áp lực,…) - Hàn có tính linh động có suất cao so với công nghệ khác, đễ khí hóa tự động hóa trình sản suất - Mức độ đầu tư cho sản xuất hàn không cao (thiết bị đơn giản, rẻ tiền) + Nhược điểm: - Tổ chức tính chất kim loại vùng mối hàn khu vực lân cận thay đôi theo chiều hướng xấu ( đặc biệt với vật liệu khó hàn) Làm giảm khả chịu lực kết cấu, đặc biệt làm việc tải trọng động - Trong kết cấu hàn thường tồn trạng thái ứng suất biến dạng dư, ảnh hưởng đáng kể đến hình dạng kích thước, thẩm mỹ khả làm việc sản phẩm 1.2 Phân loại phương pháp hàn - có nhiều cách phân loại phương pháp hàn Tuy nhiên, thông dụng cách phân loại theo lượng sử dụng theo trạng thái kim loại hàn thời điểm hàn a, Theo dạng lượng sử dụng: có nhóm phương pháp hàn sau - Các phương pháp hàn điện: Gồm phương pháp dùng điện biến thành nhiệt để cung cấp cho trình hàn, ví dụ: +Hàn điện hồ quang +Hàn điện tiếp xúc +Hàn điện xỉ - Các phương pháp hàn học: Gồm phương pháp sử dụng để biến dạng kim loại khu vực cần hàn tạo liên kết hàn Ví dụ: Hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm… - Các phương pháp hàn hóa học: Gồm phương pháp sử dụng lượng phản ứng hóa học tạo để nung nóng chẩy kim loại mối hàn Ví dụ: Hàn khí, hàn hóa nhiệt,… - Các phương pháp kết hợp: Sử dụng kết hợp dạng lượng nêu b, Theo trạng thái kim loại mối hàn thời điểm hàn: Chia tất 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 điện cực nóng chẩy (Arc welding using a consumable electrode) +Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy (Arc welding using a non consumable electrode) + Hàn môi trường khí bảo vệ ( Gas shielded arc welding) - hàn hồ quang điện cực Vonfram môi trường khí bảo vệ(Ar, He, Ar +He) : GTAW (Gas tungsten Arc Welding); Hàn TIG (tungsten Inert Gas) Châu Âu) - Hàn hồ quang điện cực nóng chẩy môi trường khí trơ bảo vệ (Ar, He, Ar+ He) : Hàn MIG (Metal Inert Gas ); GMAW (Gas Metal Arc welding ) - Hàn hồ quang điện cực nóng chẩy môi trường khí bảo vệ hoạt tính (thường CO2): GMAW (Gas metal Arc Welding); MAG: (Metal Active Gas) +Hàn dây có lõi thuốc (Self shielded welding) + Hàn lớp thuốc: SAW (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 (Pressure 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 môi trường khí bảo vệ (Gas shielded arc welding) Với hàn nóng chảy: Yêu cầu nguồn nhiệt phải có công suất đủ lớn ( Hồ quang hàn, lủa khí cháy, Plasma…) đảm bảo nung nóng cục kim loại vật liệu hàn tới trạng thái nóng chảy Với phương pháp hàn áp lực: Đa số trình hàn kim loại thực trạng thái rắn, số trường hợp phần kim loại chỗ cần nối nung tới trạng thái chảy lỏng mối hàn hình thành lực ép ( Khi ép toàn thể kim loại lỏng đẩy xung quanh tạo thành ba via mối hàn tạo nên bề mặt tiếp xúc chi tiết trạng thái rắn phần kim loại lỏng tự kết tinh hình thành mối hàn cung với lực ép) chương II: Nguồn nhiệt hàn 2.1 Yêu cầu chung nguồn nhiệt hàn - Hàn nung nóng cục vùng hàn đến nhiệt độ trạng thái hàn, nung nóng tới nhiệt độ chảy nhiệt độ biến dạng dẻo Trừ số trường hợp không nung nóng - Hàn nóng chảy: (Fusion welding) T0 nung chảy > T0 chảy kim loại Chỉ có vùng biên giáp với kim loại rắn, nhiệt độ tối thiểu nhiệt độ nóng chảy kim loại hàn Tại tâm nguồn nhiệt tác dụng, nhiệt độ đạt đến trạng thái bốc Hình 2.1 Sự phân bố nhiệt vũng hàn - Hàn áp lực: (Pressure welding) Tại bề mặt tiếp xúc hàn: TmTnc  h = h1 +h2  d: đường kính điện cực H = 1 + 2 dD Td ΔL0 → bị kéo dải ΔL < ΔL0 →sẽ bị nén 2, Do ảnh hưởng ngoại lực 3, Do ảnh hưởng thay đổi pha 5.3.3 Ứng suất, biến dạng liên kết hàn 1)Liên kết hàn giáp mối i) Hàn giáp mối hai rộng Hình 5.4 Biểu đồ nội lực nung nóng Hình.5.5.Biểu đồ nội lực làm nguội - bo vùng ứng suất tác động ứng suất dư đạt đến giới hạn chẩy, nội lực dọc trục gây co dọc L làm liên kết hàn ngắn lại sau hàn 85 L = 2.L/ E E: Mô đun đàn hồi với thép E = 2,1.104KN/cm2, đặc trưng khả chống biến dạng vật liệu 2: ứng suất phản kháng nằm vùng ứng suất tác động, xuất với ứng suất tác động cân với ứng suất tác động - Mô men nội lực sinh liên kết không, nên liên kết không bị cong - Ngoài liên kết bị co ngang không đổi, làm giảm kích thước liên kết theo chiều rộng sau hàn ii)Hàn giáp mối hai có chiều rộng khác - Biểu đồ lý thuyết nội lực hàn hai có chiều rộng khác Hình 5.6 sư phân bố ứng suất làm nguội - Chiều rộng vùng ứng suất tác động bị lệch phía ( bna ≠ bnc) - Sau hàn để nguội liên kết hàn bị cong phía nhỏ nội lực tác động tạo mô men uốn tồn kết cấu - Giá trị M gây cong liên kết tính theo công thức: M = P.ho(a-c)/ 2(ho- bo) P = t bo.; ho= h1+ h2 - Độ cong liên kết hàn giáp mối fmax= M.L2/8ẸJ - Khi thiết kế liên kết hàn nên bố trí mối hàn gần trục trung trùng với trục trung tốt để giảm M gây công tấm, c) Biến dạng góc: Biến dạng góc quay tương đối với góc  mặt phẳng hàn - Biến dạng góc thường xẩy liên kết hàn giáp mối vát mép chữ V, xẩy với liên kết hàn giáp mối không vát mép - Nguyên nhân nung nóng không theo chiều dầy hàn làm lớp kim loại chẩy mối hàn có co ngang thay đổi theo chiều dày, chân mối hàn độ co ngang y = 0, đỉnh mối hàn đạt giá trị ymax Ngoài liên kết hàn có co 86 ngang không đổi ho ỏ vùng ảnh hưởng nhiết (nơi kim loại xẩy biến dạng nén dẻo) không gây biến dạng góc song làm giảm kích thước theo chiều ngang liên kết hàn Hình 5.7 Biến dạng co ngang + Các yếu tố ảnh hưởng đến tạo thành biến dạng đặc điểm phân bố ứng suất co ngang gây - Độ cứng vững liên kết - Sự phân bố nhiệt độ nung nguội - Đặc điểm gá kẹp nung nóng * Trị số biến dạng ngang phụ thuộc chủ yếu vào chiều rộng tiết diện ngang mối hàn * Trị số ứng suất ngang phụ thuộc chủ yếu vào đặc điểm gá kẹp (có tác dụng cản trở tượng co ngang tự mối hàn trình nguội) + Công thức tính: - Biến dạng góc:  = 0,0144tag./2 (Radian) - Độ co ngang không đổi: ho = .q / c.v. : Góc vát liên kết q: Công suất nhiệt hiệu dụng hồ quan, q = 0,24 Uh.Ih. (cal) c.: Nhiệt dung thể tích v: Tốc độ hàn (cm/s) : Chiều dày chi tiết hàn (cm) 2)Liên kết hàn góc: 87 Sử dụng thiết kế, chế tạo liên kết có bề mặt vuông góc với nhau, hàn co dọc làm chi tiết bị biến dạng cong theo chiều dài mối hàn nội lực tạo mô men dư liên kết Ngoài liên kết bị biến dạng góc co ngang thay đổi mối hàn gây Hình 5.8 Biểu đồ nội lực biến dạng liên kết góc 3)Ứng suất, biến dạng liên kết hàn chữ T * Biến dạng co dọc 88 Hình 5.9 Biến dạng co dọc liên kết chữ T * Biến dạng co ngang Hình 5.10 biến dạng góc liên kết chữ T 89 Mục lục Chương I: Khái niệm hàn kim loại 1.1 Bản chất đặc điểm hàn kim loại 1.2 Phân loại phương pháp hàn chương II: Nguồn nhiệt hàn 2.1 Yêu cầu chung nguồn nhiệt hàn 2.2 Nguồn nhiệt lửa khí cháy với O2 2.3 Nguồn nhiệt hồ quang hàn 2.3.1.Sự phóng điện hồ quang 2.3.2 Sự ion hóa lửa hồ quang 15 2.3.3 Năng lượng hồ quang 18 2.3.4 Đặc tính hồ quang hàn 20 2.3.5 Nhiệt hồ quang hàn 22 2.3.6 Sự thổi lệch hồ quang 24 2.3.7 Phân loại hồ quang hàn 26 2.4 Nguồn nhiệt hàn điện tiếp xúc 2.4.1 Thực chất đặc điểm, phân loại 27 2.4.2 Mặt tiếp xúc hàn 30 2.4.3 Sự phát nhiệt bề mặt tiếp xúc 31 2.5 Nguồn nhiệt hàn điện xỉ 2.5.1 Nguyên lý hàn điện xỉ 31 2.5.2 Điện trở hàn điện xỉ 33 2.6 Nguồn nhiệt hàn tia điện tử 33 2.7 Nguồn nhiêt hàn ma sát 34 Chương III: Sự truyền nhiệt hàn 3.1 Khái niệm truyền nhiệt 3.2 Định luật truyền nhiệt Furier 35 38 3.3 Sơ đồ nung nóng, loại nguồn nhiệt nung nóng hàn 3.3.1.Sơ đồ nung nóng 42 3.3.2 Các loại nguồn nhiệt nung nóng hàn 44 3.4 Công thức tính trường nhiệt 45 3.5 Sự truyền nhiệt kết cấu bán vô tận 47 3.6 Chu trình nhiệt điểm hàn 55 90 3.7 Sự nung nóng nóng chảy que hàn 3.7.1 Phương pháp xác định nhiệt độ nóng chảy Tmax 3.7.2 3.7.2.Sự nóng chảy que hàn 59 60 3.7.3 Sự nung nóng nóng chảy kim loại 64 Chương IV: Quá trình hóa lý luyện kim hàn 4.1 Khái niệm chung 64 4.2 Các phản ứng xẩy điều kiện hàn 4.2.1.Tác dụng oxy với kim loại nóng chẩy 65 4.2.2 Kim loại tác dụng với N2 H2 hàn nóng chảy 66 4.3 Kim loại tác dụng với phức chứa O2 hàn nóng chảy 68 4.4 Xỉ hàn 4.4.1.Khái niệm cấu tạo xỉ 69 4.4.2.Tính chất xỉ hàn 69 4.4.2.Tính chất xỉ hàn 70 4.5 Các trình khử hàn 4.5.1 Khử O2 71 4.5.2 Sự khử S, P hàn nóng chảy 72 4.6 Quá trình kết tinh hình thành mối hàn 4.6.1.Sự kết tinh kim loại mối hàn 73 4.6.2.Tổ chức kim loại liên kết hàn 74 4.7 Sự hợp kim hóa kim loại mối hàn 76 Chương V : Độ bền công nghệ liên kết hàn 5.1 Khái niệm độ bền công nghệ 77 5.2 Nứt liên kết hàn 5.2.1.Nứt nóng hàn 77 5.2.2 Nứt nguội 80 5.3 Ứng suất biến dạng nhiệt hàn: 5.3.1 Khái niệm phân loại ứng suất biến dạng hàn 82 5.3.2 Nguyên nhân phát sinh ứng suất biến dạng hàn 84 5.3.3 Ứng suất, biến dạng liên kết hàn 85 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO Kỹ thuật nhiệt – Bùi Hải – NXB Khoa học kỹ thuật 2002 Công nghệ hàn điện nóng chẩy tập 1,2 TS- Ngô Lê Thông- Nhà xuất KHKT- 2004 Vật liệu công nghệ hàn – Nguyễn Văn Thông – NXB Khoa học kỹ thuật 2004 Đề cương giảng ứng suất biến dạng hàn – Bộ môn CNH Đề cương giảng thiết bị hàn – Bộ môn CNH Heat effects of welding temperature field, residual stress, distortion - Dieter Radaj Hưng Yên, ngày 92 tháng năm 93 ... chất 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 công nghệ khác ứng dụng hàn liên kết vật... loại vật hàn thông số công nghệ hàn khí bảo vệ thường tra bảng sổ tay công nghệ hàn, hàn khí bảo vệ có hiệu cao hàn vật mỏng - Nguồn hàn sử dụng hàn khí bảo vệ: + Hàn MAG, MIG thường hàn nguồn... trình hàn Khi hàn tiến hành hàn hồ quang tay, hàn hồ quang tự động bán tự động môi trường thuốc bảo vệ, khí bảo vệ, sử dụng nhiều khí bảo vệ * Nguyên lý đặc điểm chung hàn hồ quang tay Hàn hồ