Giáo trình công nghệ hàn cắt kim loại - Chương 3

Hàn kim loại là một phương pháp nối liền các chi tiết lại với nhau thành một khối không thể tháo rời được bằng cách: Nung kim loại vùng hàn đến độ nóng chảy sau khi đông đặc ta được mối liên k

Chơng : Hàn hồ quang 3.1 Hồ quang hàn đặc tính 3.1.1 Hồ quang hàn Hiện tợng hồ quang điện đợc phát minh từ năm 1802, nhng mÃi tới năm 1882 đợc đua vào ứng dụng để nung chảy kim loại Nguồn nhiệt hồ quang điện đợc ứng dụng để hàn kim loại phơng pháp nối ghép đợc gọi hàn hồ quang Hồ quang phóng điện điện cực có điện áp môi trờng khí Hồ quang điện đợc ứng dụng để hàn gọi hồ quang hàn 3.1.2 Sơ đồ tạo thành hồ quang hàn: a/ b/ c/ Hình 3-1 Sơ đồ tạo thành hồ quang loại dòng điện a- Nối với nguồn điện b- Nối nghịch ( Cực dơng nối với que hàn, âm nối với vật hàn) c- Nối thuận (Cực âm nối với que hàn, cực dơng nối với vật hàn) Khoảng hồ quang nằm điện cực gọi cột hồ quang chiều dài đợc gọi chiều dài cột hồ quang (Lhq) Cấu tạo hồ quang điện có dạng nh hình 3-2 Lhq 1- Vïng cËn anèt 2- Vïng cËn ka tèt 3- Cét hồ quang Hình 3-2 Sơ đồ cấu tạo cột hồ quang hàn Điện cực hàn đợc chế tạo từ loại vật liệu khác nhau: Loại điện cực không nóng chảy : Vônfram (W), Grafit, than, Điện cực nóng chảy : Chế tạo từ thép, gang, loại kim loại màu, Nguồn điện hàn : Xoay chiều (tần số công nghiệp, tần số cao, chỉnh lu, chiều 3.1.3 Điều kiện để xuất hồ quang hàn Thực chất hồ quang dòng chuyển động có hớng phần tử mang điện (ion âm, ion dơng, điện tử) môi trờng khí; dó ®iƯn tư cã vai trß rÊt quan träng Trong ®iỊu kiện bình thờng, không khí hai điện cực trạng thái trung hoà nên không dẫn điện Khi chúng xuất phần tử mang điện có dòng điện qua Vì để tạo hồ quang ta cần tạo môi trờng có phần tử mang điện Quá trình gọi trình ion hoá Môi trờng có chứa phần tử ion hoá gọi môi trờng ion hoá Quá trình điện tử thoát từ bề mặt điện cực để vào môi trờng khí gọi trình phát xạ điện tử hay phát xạ electron Năng lợng để làm thoát điện tử khỏi bề mặt chất rắn gọi công thoát electron Công thoát electron số chất đợc thể bảng 3-1 Bảng 3-1 Nguyên tố Công thoát Nguyên tố Công thoát electron electron K 2.26 eV Mn 3.76 eV Na 2.33 Ti 3.92 Ba 2.55 Fe 4.18 Ca 2.96 Al 4.25 Khi có điện áp, dới tác dụng điện trờng, điện tử môi trờng chuyển động từ ca tốt (-) đến anôt (+) phát triển với vận tốc lớn Với chuyển động điện tử se va chạm vào phân tử, nguyên tử trung hoà truyền lợng cho chúng kết làm tách điện tử khỏi nguyên tử phân tử tạo nên ion Nh thực chất trình ion hoá không khí điện cực va chạm điện tử đợc tách từ điện cực với phân tử trung hoà không khí Kết trình ion hoá xuất hiệncác phần tử mang điện điện cực hồ quang xuất (nói cách khác có phòng điện điện cực qua môi trờng không khí) Nh muốn có hồ quang phải tạo lợng cần thiết để làm thoát điện tử Nguồn lợng thực biện pháp : Tăng điện áp điện cực nhờ khuyếch đại Tăng cờng độ dòng điện để tăng nguồn nhiệt cách cho ngắn mạch 3.1.4 Các phơng pháp gây hồ quang hàn Tăng điện áp : Phơng pháp dễ gây nguy hiểm cho ngời sử dụng nên ngời ta phải sử dụng khuyếch đại điện áp Phơng pháp cho ngắn mạch : Cho que hàn tiếp xúc vật hàn nhấc lên khoảng cách 1-3 mm giữ cho hồ quang cháy ôn định (xem hình 3-3) a Cho chuyển động thẳng đứng 10 1- Que hàn 2- Vật hàn Hình 3-3 Sơ đồ trình gây hồ quang hàn b Đặt nghiêng que hàn cho chuyển động tiếp xúc với vật hàn 1- Que hàn 2- Vật hàn Hình 3-4 Sơ đồ trình gây hồ quang cách cho que hàn tiếp xúc vật hàn 3.1.5 Đặc điểm hồ quang hàn : ã Mật độ dòng điện lớn (J - A/mm ); o ã Nhiệt độ cao khoảng 3000 C tập trung ã Hồ quang dòng điện chiều cháy ổn định ã Hồ quang dòng xoay chiều không ổn định nên chất lợng mối hàn Nhiệt độ catôt khoảng 2100 oC Nguồn nhiệt toả chiếm khoảng 36% A nôt 2300 /-43% Cét hå quang 5000-7000oC /-21% • Sù cháy hồ quang phụ thuộc: Điện áp nguồ, Cờng độ dòng điện; Tần số f=150-450 có hồ quang cháy ổn định); Vật liệu làm điện cực, Đồ thị biểu diễn phụ thuộc điện hồ quang dòng điện hồ quang gọi đờng đặc tính tĩnh hồ quang Đờng đặc tĩnh hồ quang hàn có dạng : Uhq d1 < d2 d1 d2 I Hình 3-5 Đờng đặc tĩnh hồ quang hàn phụ thuộc đờng kính điện cực 11 Lhq2 L1 < L2 Uhq L hq1 100 1000 I, (A) Hình 3-6 Đờng đặc tĩnh hồ quang hàn phụ thuộc chiều dài hồ quang Lhq ã Trong khoảng I < 100A (J,12A/mm ) U giảm I tăng Điều giải thích nh sau: I tăng, diện tích tiét diện cột hồ quang tăng mật độ dòng giảm (J = I/F giảm F diện tích tiết diĐn cđa cét hå quang) U = IR = I (ρ L)/F = J ρ.L ; mµ ρ.L = const nên J giảm U giảm, ã Trong khoảng I = 100- 1000 A, diÖn tÝch cét hå quang tăng đà đà gần bảo hoà, nên độ dẫn điện bị thay đổi, mật độ dòng J gần nh không đổi Đoạn đợc sư dơng rÊt réng r·i hµn hå quang d =2 mm d =4 mm d =10 mm Víi L hq1 =10 mm Víi L hq2 =2 mm J80 (A/mm ) 1000, I (A) Hình 3-7 Đờng đặc tính tĩnh hồ quang hàn phơ thc dh vµ Lhq 1- Lhq1 = mmm Lhq2 = mm ã Trong khoảng J>80A/mm2 Khoảng có mật độ dòng J lớn nên thờng sử dụng để hàn tự động Khoảng có U tăng I lín, nh−ng tiÕt diƯn cét hå quang hÇu nh− không tăng; nên J tăng để đảm bảo cho I tăng U phải tăng) ã Đồ thị ứng với đờng đặc tính tĩnh hồ quang chiều dài cột hồ quang không đổi Khi thay đổi Lhq, ta nhận đợc nhiều đợng đặc tính tĩnh tơng tự nh 12 b Hồ quang dòng điện xoay chiều Khi sử dụng nguồn xoay chièu, dòng điện hiệu điện thay đổi theo chu kỳ Với tần số công nghiệp f = 50 Hz, ta có 100 lần thay đổi cực nên có 100 lần hồ quang bị tắt I = Khi nhiệt độ giảm, mức độ ion hoá cột hồ quang giảm làm cho cho hồ quang cháy không ổn định Muốn xuất hồ quang yêu cầu điện áp nguồn phải đạt lớn hơngiá trị tối thiểu gọi điện áp mồi hồ quang Hồ quang cháy ổn định U nguån > U måi hå quang Hå quang sÏ t¾tkhi U nguån < U måi hå quang U måi hå quang = (1,8 - 2,5)U hµn U måi hå quang = (60-80V) Khi hµn hå quang tay T Tt U m hq Hình 3-8 Sơ đồ đờng biến thiên điện áp dòng điện nguồn hồ quang dòng xoay chiỊu Tt - Thêi gian hå quang t¾t Chó ý : ã Thời gian hồ quang tắt Tt phụ thuộc điện áp không tải (Ukt); tần số (f) f tăng Tt nhỏ ã Ukt lớn thi Tt nhỏ nhng tăng Ukt kích thớc máy lớn, lợi ã Tăng tần số phải mắc thêm khuyếch đại tần nhng làm phức tạp thêm mạch điện ã Trong thực tế để làm ổn định hå quang ngn xoay chiỊu ng−êi ta m¾c thƯm cn cảm để làm lệch pha dòng điện điện áp Dòng điện xuất cuộn cảm có tác dụng trì cháy hồ quang Tại thời điểm I = điện áp nguồn đạt giá trị U mồi hồ quang nên có hồ quang xuất 3.2 ảnh hởng điện trờng hồ quang hàn Cột hồ quang đợc coi nh dây dẫn mềm nên chịu tác dụng hởng cđa ®iƯn tõ tr−êng 3.2.1 Tõ tr−êng cđa cét hå quang Trong cộ hồ quang có loại dòng chuyển động phần tử mang điện Đó dòng chuyển động ion âm điện tử; dòng chuyển động ion dơng Sơ đồ biểu diễn lực điện trờng tác dụng lên cột hồ quang nh h×nh 3-10 13 Vi H F F H Vi H×nh 3-10 Sơ đồ biểu diễn lực điện trờng tác dụng lên cột hồ quang hàn ã Lực F tất phần tử mang điện hớng vào tâm cột hồ quang Khi hàn, lực tác dụng lên cét hå quang gåm cã : + Lùc ®iƯn tr−êng tĩnh; + Lực điện trờng sinh sắt từ cđa vËt liƯu hµn Lùc nµy lµm cho hå quang bị thổi lệch ảnh hởng đến chất lợng mối hàn (xem hình 3-11) 3.2.2 ảnh hởng lực điện trờng a/ b/ c/ Hình 3-11 Sơ đồ biẻu diễn hồ quang hàn bị thổi lệch lực điện trờng Khi nối dây nh hình b/ hồ quang bị tác dụng điện trờng đối xứng nên không bị thổi lệch; nối dây nh hình a/ hình c/ điện trờng tác dụng lên cột hồ quang không đối xứng nên hồ quang bị thổi lệch Từ phía dòng điện vào có điện trờng mạnh, mật độ đờng sức dày hời phía đối diện nên hồ quang bị thổi lệch phía điện trờng yếu 3.2.3 ảnh hởng góc nghiêng que hàn Độ nghiêng que hàn ảnh hởng đến phân bố đờng sức xung quanh quanh hå quang, v× thÕ cã thĨ thay đổi hớng que hàn cho phù hợp với phơng hồ quang nh hình 3-12b 14 Hình 3-12 Sơ đồ biẻu diễn ảnh hởng góc nghiêng que hàn 3.2.4 ¶nh h−ëng cđa vËt liƯu s¾t tõ VËt liƯu s¾t từ đặt gần hồ quang làm tăng độ từ thẩm lên hàng ngàn lần so với không khí xung quanh (à = 1000 10.000 lần) Từ thông qua sắt từ có độ trở khánh nhỏ, lực từ trờng từ phía sắt từ giảm xuống làm cho hồ quang bị thổi lệch phía sắt từ Fe Hình 3-13 Sơ đồ biểu diễn ảnh hởng sắt từ ®èi víi hå quang hµn 1- Que hµn ; - Vật hàn Hiện tợng lệch hồ quang xuất cuối đờng hàn Vì lúc có độ từ thẩm phía vật hàn lớn nhiều so với không khí nên hồ quang bị thổi lệch phía bên mối hàn Khi hàn giáp mối ta phải nối cực nguồn điệ với vật hàn phía để mối hàn không bị thổi lệch hồ quang Hình 3-14 Một số biện pháp khắc phục tợng hồ quang bị thổi lệch - Vật hàn - Que hàn 15 3.3 Phân loại hàn hồ quang 3.3.1 Phân loại theo điện cực ã Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy : nh ®iƯn cùc than, grafit, W , hỵp chÊt cđa mét số nguyên tố có khả phát xạ ion nh La, Th, ã Hàn que hàn nóng chảy : có loại que hàn thép ( que hàn thép bon thấp, que hàn thép bon cao, que hàn thép hợp kim, ) que hàn nhôm, que hàn đồng, Các loại que hàn có lõi lớp thuốc bọc Chúng có bổ sung kim loại cho mối hàn tác dụng khác nh kích thích hồ quang, bảo vệ mối hàn, hợp kim hoá mối hàn, 3.3.2 Phân loại theo phơng pháp đấu dây Dấu dây trực tiếp : Nguồn điện pha Hình - Sơ đồ đấu dây trực tiếp -Điện cực hàn ( que hµn) 2-Hå quang hµn - VËt hµn Khi hàn dòng chiều có hai phơng pháp nối dây : nôí thuận nối nghịch Nối thuận Hình - 16 Sơ đồ nối thuận - Điện cực hàn ( que hàn)2 - Hå quang hµn; 3- VËt hµn Nối nghịch Hình 3-17 Sơ đồ nối nghịch - §iƯn cùc hµn ( que hµn) - Hå quang hàn - Vật hàn 16 Đấu dây gián tiếp : Nguån mét pha 1 H×nh - 17 Sơ đồ đấu dây gián tiếp - §iƯn cùc hµn ( que hµn) - Hå quang hàn - Vật hàn Đấu dây hổn hợp (Hồ quang pha): Nguån ba pha H×nh - 19 Sơ đồ đấu dây hổn hợp - Điện cực hàn - Điện cực hàn - Vật hàn ( điện cực hàn 3) Có lữa hồ quang điện cực: hồ quang 1-3 1-2 - 3.4 Nguồn điện hàn máy hàn 3.4.1 Nguồn ®iƯn hµn Ngn ®iƯn hµn cã thĨ mét chiỊu, xoay chiều Máy hàn dòng điện chiều hay chỉnh lu cho chất lợng mối hàn cao, ổn định nhng giá thành đắt nên sử dụng có yêu cầu cao chất lợng Hiện máy hàn dòng xoay chiều chủ yếu Ơ Nhật gần 80% máy hàn dòng xoay chiều, 95,6% máy hàn xoay chiều hàn hồ quang tay 3.4.2 Yêu cầu nguồn điện hàn Dể gây hồ quang không gây nguy hiểm cho ngời sử dụng Khi nghiên cứu hồ quang dòng xoay chiều ta thấy để dể dang mồi hồ quang điện áp không tải máy hàn phải cao lúc hồ quang cháy ổn định Để đảm bảo an toàn điện điện áp không tải thờng nhỏ 100 vôn ã Ukt 55 - 80 V ( dòng xoay chiều) 17 • Ukt ≈ 30 - 55 V , Uh = 16 - 35 V, ( dòng chiều) Phải có dòng điện ngắn mạch hạn chế để khỏi làm h hỏng máy Ing.m = (1,3 - 1,4) Ih Khi lµm viƯc hå quang phải cháy ổn định Máy hàn phải điều chỉnh đợc cờng độ dòng điện hàn phù hợp với loại chiều dày, đờng kính vị trí tơng đối mối hàn không gian Khi hàn ngời ta thờng mắc thêm cuộn cản để tạo lệch pha dòng điện hiệu điện nên chế độ hàn ổn định Quan hệ hiệu điện nguồn điện dòng điện hàn đợc gọi đờng đặc tính động máy hàn Ta có loại đờng đặc tính động nh sau: Ukt1 Ukt2 Ing.m Ing.m.1 Ih Hình - 20 Đờng đặc tính động máy hàn U Ukt I Hình - 21 Các dạng đờng đặc tính động máy hàn Đờng cong - Dạng u tăng dùng cho hàn tự động môi trờng khí bảo vệ Đờng cong - Dạng U không thay đổi (hầu nh không tăng I tăng) dùng cho hàn điện xỷ, hàn tự động môi trờng khí bảo vệ Bởi hàn môi trờng khí bảo vệ, kim loại dây hàn chảy thành dòng tạo nên dòng ngắn mạch liên tục, dòng điện hàn tăng nhanh làm nóng chảy day hàn nhanh liên tục Chế độ phù hợp với laọi dây có dh = 0,5 - 1,2 mm Đờng cong - Dạng cong dốc thoai thoải dùng cho hàn tự động bán tự động dới lớp thuốc có tốc độ cấp dây hàn không đổi Việc cấp lõi dây hàn theo nguyên lý tự 18 Theo lớp thuốc bảo vệ c VËt liƯu hµn : Thc hµn ( cho hµn hå quang cho hàn khí), dây hàn hồ quang điện hàn khí), khí bảo vệ Thuốc hàn Tác dụng : tạo xỷ lỏng bảo vệ kim loại mối hàn khỏi tác dụng oxy, ni tơ không khí Thuốc hàn có dạng hạt hay bột Thuốc hàn điện đợc phân : Thuốc hàn nóng chảy; thuốc hàn bột ( không nóng chảy : gốm keramit, bột thiêu kết, bao gồm chất khoáng thiên nhiên với hợp kim ferro thuỷ tinh nớc Theo chức sư dơng ng−êi ta chia : • Thc cho hàn thép bon hợp kim thấp; ã Thuốc hàn thép hợp kim; ã Thuốc hàn hợp kim màu; Theo thành phần chất ngời ta chia : • • • • • • • Lo¹i cã SiO2 cao ( 40 - 50 % SiO2 ) Lo¹i SiO2 thấp ( < 35 % SiO2 ) Loại SiO2 Loại không chứa oxy Xỷ có tính bazơ : CaO, MgO, FeO, Xû cã tÝnh axit TiO2, SiO2, Xỷ trung tính chứa Cl2 , F2 Yêu cầu thuốc hàn : ã Nhiệt độ nóng chảy thuốc hàn nhỏ nhiệt độ nóng chảy cuat kim loại khoảng 200 - 300 oC ã Thuốc hàn phải có độ ẩm thấp độ bền học định ã Thuốc hàn phải tạo điều kiện cho hồ quang dễ cháy cháy ổn định ã Thuốc hàn phải tạo điều kiện cho trình hình thành mối hàn tốt, đặc chắc, rổ khí, ngậm xỷ, ã Đảm bảo khử tạp chất thoát khí tốt; loại trừ khuyết tật nh rổ khí, ngậm xỉ, nứt vùng mối hàn ã Hợp kim hoá mối hàn, đảm bảo tính tốt ã Tạo mảng mỏng bảo vệ dể dàng tách khỏi bề mặt mối hàn ã Không sinh bụi khí độc hại ã Giá thành hạ Khí bảo vệ mối hàn Khí trơ ( Inert gas ) : Ar, He KhÝ ho¹t tÝnh ( active gas ) : CO2, N2, H2, Hơi nớc ( H2O ) Dây hàn có loại : ã Dây hàn thép bon hợp kim thấp, dây hàn thép hợp kim, dây hàn hợp kim cao ã Dây hàn đấp; ã Dây hàn bột ; ã DÃi kim loại Đờng kính dây hàn : 0,3; 0,5; 0,8; 1; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 6,5; mm Khèi l−ỵng mét cn : 1,5 - 30 kg cã thĨ ®Õn 80 kg ( khung dây ) 39 3.8.2 Hàn hồ quang tự động bán tự động dới lớp thuốc bảo vệ a Khái niệm Hồ quang hở hồ quang tiếp xúc với không khí, nămg suất cao hàn hồ quang tay nhng chất lợng mối hàn thấp Hồ quang kín - hồ quang cháy dới lớp thuốc môi trờng khí bảo vệ khác b Sơ đồ nguyên lý hàn tự động d−íi líp thc b¶o Hình - 46 Sơ đồ nguyên lý hàn tự động dới lớp thuốc bảo vệ 1- Con lăn cấp dây hàn; 2- Dây hàn; 3- Thuốc hàn; 4- Lớp xỷ đà đông đặc; 5- Lớp kim loại lỏng; 6- Lớp kim loại kết tinh Đặc tính hàn hồ quang tự động dới lớp thuốc ã ã • • • • • Ýt hao tèn kim lo¹i, hệ số hàn đấp cao , tiết kiệm đợc kim loại que hàn Hệ số mát nhiệt thấp thuốc hàn không dẫn nhiệt dẫn điện, Cho phép hàn với dòng điện cao nên tốc độ hàn lớn, suất hàn cao Vùng ảnh hởng nhiệt nhỏ thể tích nóng chảy(Vh) nhỏ Chất lợng mối hàn cao; tính tốt Điều kiện lao động tốt hồ quang kín Cho phép khí hoá tự động hoá trình hàn Nhợc điểm : ã Khó thực mối hàn có hình dạng quỹ đạo hàn phức tạp ã Giá thành thiết bị đắt ã Yêu cầu gá lắp chuẩn bị hàn công phu c Công nghệ hàn tự động dới lớp thuốc Chuẩn bị vật hàn ( tơng tự hàn hồ quang tay ) Các loại mối hàn : ã Hàn phía ã Hàn phía ã Hàn có lót thép hay lót đồng ã Hàn có đệm thuốc 40 ã Hàn theo quỹ đạo thẳng cong Các thông số mối hàn Hình dáng mối hàn hệ số ng = Hệ sè ngÊu : B h B C B - chiÒu rộng mối hàn mm C - Chiều cao mm Hình - 47 Một số kích thớc bảnhcủa mối hàn ối h Chiề â h S ng = 0,8 - ( Tèt nhÊt lµ 1,2 - ) [ 14 ] Sebeko-1975-page 171) DƠ bÞ nøt nãng Ψng < 0,8 Tăng biến dạng nguồn nhiệt không ®−ỵc cung cÊp hỵp lý Ψng > HƯ sè hình dáng mối hàn : hd hd hd = - 12 > 12 < ψ hd = B C ( th−êng lÊy b»ng - 12 ) Mèi hàn bị lõm Mối hàn bị tập trung ứng suất Hệ số điền đầy ngấu mối hàn : àdd = F ng B h F dl ≈ 0,73 B C L = ≈ const B µddng = HƯ sè điền đầy lồi mối hàn : Hệ số hình dáng vịng hµn ( bĨ hµn ) : ψ vh ( hệ số không đổi thông số chế độ hàn không đổi.tính chất vật liệu đồng nhÊt ) L= U I Q = K h h 2.π λ Tnc λ Tnc Q = 0,24.Uh.Ih.hq ( cal ) Uh - Điện áp hàn(V); Ih.- Cờng độ dòng điện hàn hq - Hệ số hữu Ých cđa ngn nhiƯt ( hå quang hµn ) ηhq ≈ 0,98 K - hÖ sè K = 2,8 - 3,6 mm/(KVA) hàn thép bon thấp (Page 107Hàn èng 1962) K = 1,7 - 2,3 mm/(KVA) hµn que hàn có thuốc bọc dày Giả sử tiết diện ngấu mối hàn hình tròn B = r (*); Tmax = q dv Q = π e C.γ Vh r π e cγ r (**) 41 Tõ ( **) ta cã r = Trong ®ã : c - nhiệt dung riêng - Khối lợng riêng cđa vËt liƯu - HƯ sè trun nhiƯt - NhiƯt dung riªng thĨ tÝch γ λ C γ a= 2q dv π e c.γ Tnc λ (***)a- ®é dÉn nhiƯt ®é C γ Tõ (**) (***) ta cã r= ( cal/oC) ( g/cm3) ( cal/(cm.s) ( cal/ ( cm3.oC ) ( cm2/s) Q 2q = Vh π e c.γ Tnc π e c.γ Tnc Ta cã : q=Q/Vh L Q = = A.U h I hVh = Const B π λ Tnc B Sự phụ thuộc hình dạng mối hàn vào chế độ hàn àvh = Hình dáng kích thớc mối hàn phụ thuộc cờng độ dòng điện hàn ( Ih), mật độ cờng độ dòng điện J = I/F ( A/cm2 ), điện áp hàn ( Uh ) , Vận tốc hàn ( Vh ), loại dòng điện cực nó, điện cực, kích thơng dây hàn, I1 I2 I > I Hình - 49 phơ thc kÝch th−íc mèi hµn vao cờng độ dòng điện Sự U1 U2 U2 > H×nh - 50 Sù phơ thc kÝch th−íc mèi hàn vào điện áp hàn Vh1 Vh2 Vh2 >Vh1 Hình 3-51 Kích thớc mối hàn phụ thuộc chế độ hàn a/ Dòng điện tăng chiều sâu mối hàn tăng b/ Điện áp tăng làm cho chiều rộng tăng c/ Vận tốc tăng làm cho tiết diện giảm không Để đơn giản hoá cho trình tính toán ta đa đờng đẳng nhiệt ứng với chế độ hàn khác có độ ngấu tăng dần từ dạng nửa ellip ngang đến nửa đờng tròn dạng nửa ellíp đứng ( xem hình 3-52 ) 42 B1 B2 B3 h1 h2 h3 H×nh - 52 Sơ đồ mô hình để tính toán kích thớc mối hàn Dạng : hình ellíp ngang cã diÖn tÝch tiÕt diÖn : B1 h1 π B1 h1 h2 F1ng = π h1 = π ψ ng1 = 2 h1 Dạng : Nữa hình tròn : Fng = π B2 = π h2 Dạng : hình ellíp đứng : F31ng B3 h3 π B3 h3 h3 = π = h = π ψ ng 2 h3 Sơ đồ dạng hợp lý nên viết nh sau : Từ công thức hàn thép bon thép hợp kim thấp chiều sâu ngấu tính gần theo công thức : h1 = h = 0,0156 q dv ψ ng1 (mm) Khi hµn môi trờng khí bảo vệ chiều sâu ngấu đợc tính theo c«ng thøc : h1 = h = 0,0165 q dv ψ ng1 (mm) ( 15 ) HÖ sè ngÊu xác định theo công thức thực nghiệm : ψ ng = k (19 − 0,01I h ) d h U h Ih ( 16 ) K - hÖ số phụ thuộc loại dòng điện K = k1 = Dßng xoay chiỊu NÕu J >= 120 A/mm2 Dßng mét chiỊu nèi thn K = k2 = 1,12 Dßng mét chiỊu nèi nghÞch K = k3 = 0,92 NÕu J < 120 A/mm2 K = k2 = 2,82 J 0,1925 K = k3 = 0,367 J 0,1925 X¸c định chiều rộng mối hàn : Dòng chiều nối thuận Dòng chiều nối nghịch B = ng h 43 Xác định chiều cao mối hàn : C= Fd 0,73 B αd I h 3600.γ Vh (cm / s) αd I h F®= 3600.γ Vh (m / h) Khi hàn tự động dới lớp thuốc Khi hàn môi trờng khí bảo vệ Khi hàn dòng xoay chiỊu ( cm2) F®= α® = + ( mm2) α® = αch α® = α’ch + ∆αch 70,2.10 −3 I h d 1,035 g/(A.h) 70,2.10 −3 I h d 1,035 Khi hàn dòng chiều nối thuận α® = 6,3 + α® = 11,6 ± 0,4 Khi hàn dòng chiều nối nghịch Tính toán chế độ hàn tự động dới lớp thuốc k = ( ) mm h1 = S/2 + k = ( 80 - 100 ) h1 ( A ) h1 tÝnh b»ng mm Ih = h1/kh Ih B¶ng - dh mm Xoay chiÒu 1,3 1,15 1,05 0,95 0,90 π d h2 J = Ih dh J mm A/mm 2 65-200 Kh chiÒu ( thuËn) 1,15 0,95 0,85 0,75 - 45-90 chiỊu ( nghÞch) 1,45 1,30 1,15 1,10 - B¶ng - 35-60 30-50 25-45 Xuất phát từ điều kiện B = 2r ta có : µvh = A.Uh.Ih.Vh = Const Uh ≈ Const A' Vh = Ih Vh.Ih =A’ B¶ng - dh A’ mm 1,2 (2-6).103 (5-8).103 (12-16).103 Kinh nghiÖm cã thÓ nhËn : Vh = 2500 / Ih (16-20).103 (20-25).103 (25-30).103 ( Sebeko-page 174-1975) 44 TÝnh hiệu điện hàn : Uh = Uo + B I h ±1 d hn GÝa trÞ (+ 1) Khi hàn giáp mối Giá trị (- 1) hàn góc Uo = 20 V nÕu dh = ( - 6) mm Tính vận tốc cấp dây hàn : Vận tốc cấp dây hàn đợc tính toán dựa theo điều kiện cân khối lợng kim loại cần đắp với thể tích dây hàn KL Vd = dh Vdh γ dh Fd L = Fdh Ldh γ dh γ dh Fd L.t = Fdh Ldh γ dh t Fd Vh = Fdh Vdh Vdh = Đơn vị tính : Vdh Vh F® Fdh γdh γKL Fd Vh Fdh - Vận tốc dây hàn cm/s - Vận tốc hàn cm/s - Diện tích cần đắp cm2 - Diện tích tiết diện dây hàn cm2 - Khối lợng riêng dây hàn g/cm3 - Khối lợng riêng KL vật hàn g/cm3 3.8.3 Hàn môi trờng khí bảo vệ a- Giới thiệu : Hàn tự động bán tự động môi trờng khí bảo vệ đợc ứng dụng rộng rÃi thực tế từ năm 1950-1952 Chỉ riêng ngàh đóng tàu ngời ta thấy có khoảng 30 % kết cấu hàn tay, 42 % hàn tự động bán tự động dới lớp thuốc, 25% hàn tự động bán tự động môI trờng khí bảo vệ [ ] Sơ đồ nguyên lý hàn môi trờng khí bảo vệ Hình 3-52 Sơ đồ nguyên lý hàn môi trờng khí bảo vệ 45 Con lăn cấp lõi; - Khí bảo vệ - Dây hàn; - Đầu mỏ hàn; - Vật hàn c - Phân loại phơng pháp hàn môi trờng khí bảo vệ Hàn môi trờng khí bảo vệ Khí hoạt tính ( active gas )MAG Điện cc nóng chảy không nóng chảy Hàn CO2 Hàn hổn hợp loại khí Hơi nớc Khí trơ (Inert gas) Điện cc nóng chảy không nóng chảy (MIG, TIG ) Nit¬ N2 Heli He Argon Ar Hỉn hợp loại khí Hình 3-53 Sơ đồ phân loại phơng pháp hàn môi trờng khí bảo vệ d - Đặc điểm hàn tự động môi trờng khí bảo vệ Khí hoạt tính : CO2, N2, H2, Khí trơ : Ar, He, Khi hàn ngời ta sử dụng loại khí trơ , khí hoạt riêng biệt hợp chất chúng nh loại khí trơ với khí trơ, khí hoạt tính với khí hoạt tính khác hay khí trơ với khí hoạt tính Hàn môi trờng khí hoạt tính dùng cho thép bon, thép hợp kim thấp Hàn Hàn môi trờng khí trơ dùng cho loại thép hợp kim, kim loại màu nh nhôm, Ti, Nitơ dùng cho hàn hợp kim đồng Nguồn điện chiều nối nghịch, nối thuận, xoay chiều Hồ quang trực tiếp hồ quang gián tiếp Cã thĨ sư dơng hå quang pha Hå quang pha th−êng dïng dßng xoay chiỊu Cã thể dùng điện cực không nóng chảy (Thanh, grafit, vônphram -W), thờng dùng điện cực vônfram nối trực tiếp , dòng chiều nối thuận ( cực âm nối với que hàn, cực dơng nối với vật hàn); hàn dây hàn nối nghịch ( cực dơng nối với dây hàn) Có thể dùng điện cực nóng chảy (dây hàn nóng chảy) Khi hàn dòng chiều day hàn nóng chảy thờng đợc nối nghịch ( cực dơng nối với dây hàn, cực âm nối với vật hàn) Tốc độ cấp dây ổn định thay đổi tuỳ theo điện áp Phơng pháp hàn môi trờng khí bảo vệ đa Có thể hàn vị trí không gian; đảm bảo khí hoá, tự động hoá trình hàn; chất lợng mối hàn đợc nâng cao; Hàn môi trờng khí đợc ứng dụng nhiều ngành đóng tàu 46 e - Hàn môi trờng khí CO2 CO2 th−êng dïng : lo¹i (99,5%CO2) Lo¹i (99%), Lo¹i thùc phÈm (98,5%) CO2 th−êng dïng ë tr¹ng thái lỏng cho vào bình có dung tích 40 lít có khối lợng khoảng 25 kg Trong ngành đóng tàu thờng dùng dòng chiều nối nghịch (P.7 Golochenko) Cho vào dây hàn số chất (kim loại kiềm, kiềm thổ) làm tăng tính ổn định cho hồ quang hàn cho phép hàn có dịch chuyển dây hàn nóng chảy theo dòng nên làm giảm bắn toé Dòng xoay chiều thờng làm cho hồ quang không ổn định tăng bắn toé Chính mà hàn điện cực nóng chảy môi trờng khí CO2 thờng dùng dòng chiều nối nghịch Dây hàn có loại theo tiêu chuẩn : 0,3 ; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0 mm ( trang d = 0,5 - 1,2 mm Dây hàn lớn d = 1,2 - 3,0 mm KÝch th−íc giät 25- 1962) D©y hàn nhỏ kim loại lỏng hàn có ngắn mạch ( dgiọt > 1,5 dh ) không ngắn mạch ( dgiọt > 0,8 dh ) chảy thành dòng ( d giọt < 0,8 dh ) Đặc tính dịch chuyển kim loại lỏng vào vũng hàn phụ thuộc : loại khí bảo vệ; chế độ hàn (cực nguồn điện, dòng điện hàn Ih, Hiệu điện hàn : Uh, Vận tốc hàn : Vh, Đờng kính dây hàn : dh, Lợng khí tiêu hao :Qh chiều dài lõi dây hàn tính từ đầu mút đầu mỏ hàn : Ld.) Hàn CO2 dùng dòng chiều nối nghịch, nối thuận hay hàn dòng chiều Trong thực tế hàn CO2 thờng dùng dòng chiều nối nghịch (cực dơng nối với mỏ hàn, cực âm nối với vật hàn) Vì nối nghịch hồ quang cháy ổn định, tạo nên mối hàn có hình dáng hợp lý đảm bảo tính chất cần thiết mối hàn Khi hàn với điện cực nối thuận hồ quang cháy ổn định có xu hớng tạo rổ khí giảm ngấu vào kim loại Khi hàn dòng xoay chiều làm cho hồ quang cháy ổn định lợng bắn toé nhiều Để điều chỉnh dịch chuyển kim loại lỏng sử dụng dòng điện xung tần số 50 - 100Hz Từ phân tích ng−êi ta th−êng sư dơng dßng mét chiỊu nèi nghịch ( cực dơng que hàn, cực âm vật hàn) để hàn CO2 Dòng hàn phụ thuộc S, dh J mật độ dồng điện hàn Th−êng nhËn J = 60 - 150 A/mm2 10 ChÊt lợng mối hàn thoả mản đợc hàn dới nớc 11 Hàn môi trờng khí bảo vệ CO2 cho phép tự động hoá dể dàng Tác dụng CO2 Bảo vệ kim loại mối hàn khỏi tác dụng không khí , ni tơ oxy xung quanh vùng hồ quang hàn 2CO2 CO + O2 => khó bảo vệ khỏi tác dơng cđa oxy CO2 + [Fe] [FeO] + CO [FeO] + [ C ] [ Fe ] + CO KhÝ CO không hoà tan vào kim loại nóng chảy mà bay hơi, dể dàng sinh rổ khí mối hàn Các biện pháp chống CO : oxy hoá CO : Si, Mn Cho vào vùng mối hàn chất khử Chất lợng bảo vệ phụ thuộc độ cứng dòng khí bảo vệ mà đợc đặc trng lợng khí tiêu hao Ví dụ : Lợng khí tiêu hao Q = 900 lít/giờ có độ cứng gấp 1,5 lần so với dòng khí mµ cã Q = 600 lÝt/giê ( trang 23-1962) Cho vào vùng hàn dây hàn nguyên tố nhãm kim lo¹i kiỊm hay kim lo¹i kiỊm thỉ sÏ có tác dụng làm hồ quang cháy ổn định tạo nên dịch chuyển kim loại lỏng chảy thành dòng làm giảm bắn toé hàn Nhợc điểm hàn môi trờng khí bảo vệ CO2 47 Lợng kim loại bắn toé hàn môi trờng khí trơ nhỏ hàn CO2 đặc biệt hàn với chế độ dịch chuyển kim loại lỏng dạng giọt lớn Để giảm bắn toé sử dụng hàn môi trờng hổn hợp loại khí : 95-99% Ar + 5-1 %O2; 75%Ar + 20% CO2 + 5% O2 ; 60-80 % CO2 + 20% O2 (Trang Máy hàn TĐ+BTĐ) Nhợc điểm khí bảo vệ CO2 kim loại mối hàn bị oxy hoá Cho nên chất lợng mối hàn phụ thuộc lợng nguyên tố chất khử nh Mn, Si thành phần nguyên tố dây hàn Lợng Mn >= 0,9 % so víi 0,35 % Mn hàn hồ quang tay; lợng Si >=0,60% so với 0,3 % ( trang 24 - 1962) Chịu ảnh hởng môi trờng xung quanh nh gió, bÃo, Khi hàn vị trí ngoàI trời, chất lợng mối hàn bị ¶nh h−ëng cđa m«I tr−êng xung quanh: giã , m−a, nhiệt độ môI trờng, độ ẩm, thời gian lao động ngoàI trờng, môI trờng ăn mòn, [ ] Lực tác dụng gió cs ảnh hởng lớn đến trình hàn đợc xác định theo công ⎛ ρ.Vg ⎞ ⎟ kg/(m.s2) thøc: ⎜ D = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Vg - VËn tèc cña gió (m/s) - khối lợng riêng không khí ( kg/m3 ) Đặc tính gió dao ®éng dang xung nh− h×nh 3-54 Vgio m/s 1 t ( phuït ) Hình 3-54 Dạng xung động gió N% 0,03 0,02 0,01 Vgió, m/s Hỗnh 3-55 ảnh hởng củagió đến thành phần Nitơ mối hàn Hàm lợng CO2.đối với dây hàn:1 - dây hàn Cb-082C; - dây hàn -IO8C [ ]ầnHnf tron môI trờng khí bảo vệ hạn chế hàm lợng nitơ có mối hàn (xem bảng 3-7) 48 Bảng 3-7 Phơng pháp hàn ầnHnf que hàn có thuốc bọc Hàn bán tự động không bảo vệ Hàn bán tự động có bảo vệ dh( mm ) 4,0 1,2 1,2 [9] Lợng nitơ tính theo khối lợng (%) 0,029 0,140 0,007 Chiều sâu chiều rộng mối hàn phụ thuộc cờng độ dòng đIện hàn có dạng nh− h×nh 3-55[ ] hh (mm) 100 200 300 400 500 Ih, (A) H×nh 3-55 Sự phụ thuộc chiềếuâu mối hàn vào Ih.[ ] [11] ( C¸c chØ sè 1, 2, 3,4, đờng kính dây hàn) Sự phụ thuộc chiều rộng mối hàn môI trờng CO2[4] NGhiên cứu ảnh hởng để ta xác định đợc chế độ hàn hợp lý Các đại lợg chế độ hàn : dh, Ih, Uh, Vh, hh, f - ChÕ ®é hàn nhân tố ảnh hởng lớn đến thông ố mối hàn Chế độ hàn tối u phải thoả mản : Đảm bảo cho hồ quang cháy ổn định Năng suất cao Đảm bảo mối hàn ngấu tốt; Mối hàn có hình dáng kích thớc đạt yêu cầu bắn toé; Chất lợng mối hàn cao Có thể xác định chế độ hàn nhièu phơng pháp: theo công thức thực nghiệm, đồ thị, Cờng độ dòng đIện hàn có thẻ xác định theo đồ thị sau :[ 11 ] ( page 105) Víi dh=0,5-3 mm Uh (V) Vùng hàn 30 20 100 200 300 400 Hình3-56 Vùng chế độ hàn tối u[9], [11] I (A) 49 Khi hàn CO2, đờng kính chọn khoảng (0,5 - mm) øng víi mtõng loai chiỊu dµy cđa vËt hµn (Th−êng lµ 0,5 - mm) dh = 0,8 - mm Khi chiỊu dµy S = - mm ; dh = < mm Khi chiỊu dµy S = - 12mm ; dh = - mm Khi chiỊu dµy S = 14 - 30mm ; Để chọn chế độ hàn ta sử dụng công thức tính chiều sâu mối hàn kiểm tra thông số đạt đợc sâu hàn B C S Hình 3-57 Các thông số chÝnh cđa mèi hµn H x100 [A] Kh H - Chiều sâu mối hàn cần thiết, mm; Kh - Hệ sè, mm/(A/100) Ih = mm dh Kh 1,2 2,1 1,6 1,75 2,0 1,55 B¶ng 3-8 3,0 4,0 1,45 1,35 B¶ng 3-9 Đặc tính dh Ih Đờng kính dây hàn mm A 0,5 25-70 0,8 50-130 Vh = 1,2 21 mm m/h dh Vh A Ih 1,6 17,5 [m/h] 2,0 15,5 Fd mm J Ih Ih max B¶ng 3-10 3,0 4,0 14,5 13,5 Bảng 3-11 (trang 108-62) Đờng kính dây hàn Đặc tính 1,0 1,2 1,6 2,0 2,5 100-180 100-240 150-400 200-500 350-700 mm A/mm2 A A 0,5 0,2 150 30 60 0,8 0,5 100 50 100 1,0 0,8 85 70 120 1,2 1,1 80 90 150 1,6 2,0 70 140 300 2,0 3,1 65 200 500 2,5 4,9 60 300 700 L−u ý : I hµn tăng lợng bắn toé giảm J tăng cho dạng dịch chuyển kim loại lỏng chuyển từ giọt sang chảy theo dòng (trang 108-1962) Ví dụ Khi Ih = 200 A Lợng bắn toé 10 % 50 Khi Ih = 500 A Lợng bắn toé % Bảng 3-12 Hàn bán tự động Đặc tính S dh Vị trí mối hàn mm mm mm dh Ph¹m vi øng dơng Ih 0,8 - 0,5-1,2 BÊt kỳ >=3 1,2 - 1,6 Trừ hàn trần 0,5 Bán tự động 25-70 A 0,8 50130 70180 dh mm 0,5-0,8 1-1,2 mm 5-15 8-18 15-25 150400 2-4 SÊp 2,5 Hàn tự động 200500 350600 350700 Bảng 3-14 1,6-2,0 Lh max >=4 1,6 - 2,0 SÊp B¶ng 3-13 1,2 1,6 100180 Hàn tự động 20-30 30-40 Chọn cờng độ dòng điện hàn theo công thức kinh nghiÖm sau: h I = h 100 (A); Kh Chiều sâu mối hàn tính : hh = 0,0165 hh = 0,0165 Q Vh ψ ng 0,24 I h U h η ( cm ) Ψng Kh phô thuéc dh; Ψng - HÖ sè ngÊu; Ih - c−êng độ dòng đIện hàn (A); Uh - ĐIện áp hàn (V); - Hệ số hữu ích nguồn đIện Qđv - Năng lợng đơn vị ( Qđv = Q/Vh) Vh - Vân tốc hàn - Hiệu suất nguồn nhiÖt η CO2 = 0,65 - 0,75 ψ ng = K '(19 − 0,01 I h ) Vh = dh A mm A ( m/h) Ih d h U h ; Ih [Cal/cm] [Cm/s] K’ - HÖ sè thùc nghiÖm A - hệ số phụ thuộc đờng kính que hàn dh; 0,8 1,0 1,2 1,6 (2-4).103 (4-6).103 (6-8).103 (8-10).103 B¶ng 3-15 (10-12).103 (12-16).103 51 ChiỊu réng mèi hµn Chièu cao mối hàn Trong B = ng hh ; (cm); αâ I h Fâ C= = ( cm) 0,73 B 3600.γ Vh d U ψ ngÊu = K (19 − 0,01I h ) h h Ih K = 0,367 J 0,1925 K = 0,92 NÕu J < 120 A/mm2 NÕu J >= 120 A/mm2 g - Hàn môi trờng khí trơ : argon (Ar) hêli (He) Hàn dây hàn nóng chảy gọi hàn MIG Hàn điện cực vônfram gọi hµn TIG ( Metal Inert Gas) (Tungsten Inert Gas) øng dụng : Hàn nhôm, đồng , hợp kim chúng, thép inox, loại vật liệu khác mà có lực hoá học mạnh với ôxy Đặc điểm : N2= (-196oC) Nhiệt độ sôi Ar = (-186 oC) O2 = (-183oC) Điểm hoá sơng Ar = (-50oC) Khí argon ứng dụng để hàn có độ tinh khiết cao Ar N2 ã Mác A 99,99 % 0,01 % ã Mác B 99,96% 0,04 ã Mác C 99,90 % 0,10 ã A rgon có chứa độ ẩm làm tăng ôxy hoá bắn toé kim loại nóng chảy ã Tạp chất ôxy Ar làm tăng ôxy hoá, làm nguyên tố hợp kim tạo nên ôxyt kim loại dể làm cho mối hàn bị ngậm xỷ ã Khí Ar nặng không khí nên thuận lợi cho việc bảo vệ mối hàn ã Hồ quang cháy môi trờng bảo vệ Ar có tính ổn định cao ã Điện áp hàn He cao Ar 1,5 - lần nhiệt lợng toả hàn He lớn nhiều so với hàn Ar ã Giá thành He cao khả bảo vệ He Ar nên hàn Ar đợc ứng dụng rộng rÃi thực tế Hàn khí trơ dùng dùng que hàn nóng chảy không nóng chảy Hàn điện cực W dùng dòng chiều xoay chiều Khi hàn nhôm thờng dùng dòng xoay chiều vật hàn đổi thành âm cực bề mặt bị phá huỷ tợng phá huỷ katốt Bảo vệ mối hàn tốt khỏi bị môi trờng xung quanh nh không khí, nớc, tác dụng Chất lợng mối hàn tốt Không sử dụng môi trờng Ar He để hàn thép bon thấp thép hợp kim thấp dể bị sinh rỗ khí mà nguyên nhân CO + FeO, N2 H2 có argon tác dụng với kim loại mối hàn sinh rổ khí dòng khí bảo vệ không bảo đảm nên N2, ẩm khí bảo vệ xâm nhập vào vùng hàn Khi hàn thép hợp kim thấp dùng Cr số nguyên tố khác để khử ôxy giảm khả rổ khí Khi hàn thép bon dây hàn có thành phần gần nh kim loại rổ khí tăng mật độ dòng hàn ( J ) tăng 10 Khi dòng hàn đạt giá trị định xảy chảy dây hàn thành dòng Giá trị gọi dòng tới hạn (xem hình ).trang 20 52 11 Sự bắn toé kim loại phụ thuộc vào thành phàn chất khí (xem hình ) trang 21 12 I h = (50 - 60) dh (A) Hàn môi trờng ni tơ N2 Ni tơ sản phẩm thu đợc trình sản xuất ôxy từ không khí Độ tinh khiết hàn đồng : Loại : 99,5 % N2, tạp chất ôxy