Kim loại thiết bị nhiệt - Chương 3

Kim loại màu và hợp kim màu là kim loại mà hầu như không có chứa sắt. Kim loại màu thường có các tính chất đặc biệt và ưu việt hơn kim loại đen : tính dẻo cao, cơ tính khá cao, có khả năng chống ăn

Chơng Hàn cắt kim loại 3.1 Khái niệm chung 3.1.1 Khái niệm Hàn trình nối liền chi tiết lại với thành khối tháo rời đợc cách : ã Nung chúng đến trạng thái nóng chảy (nhiệt độ lớn nhiệt độ nóng chảy kim loại đó) sau kết tinh lại tạo thành mối hàn gọi hàn nóng chảy ã Có thể nung đến trạng thái dẻo (nhiệt độ nung nhỏ nhiệt độ nóng chảy) không nung kim loại có tính dẻo cao) dùng áp lực lớn ép chúng dính vào tạo nen mối hàn gọi hàn áp lực ã Có thể dùng kim loại trung gian nóng chảy nhờ hoà tan, khuyết tán kim loại hàn vào vật hàn mà tạo nên mối ghép gọi hàn vảy Hiện dùng keo để dán chi tiết lại với để tạo nên mối nối ghép ứng dụng : Hàn đóng vai trò quan trọng chế tạo sửa chữa laọi máy móc kết cấu từ loại vật liệu khác 3.1.2 Đặc điểm hàn kim loại (u nhợc điểm) : Tiết kiệm kim loại: ã So với tán ri vê: Tiết kiệm khoảng từ 10 - 15 % kim loại (do phần đầu đinh tan, không cần kim loại lổ khoan, phần kim loại bị chông lên nhau) Hình 3-1 So sánh mối ghép nối hàn tán rivê ã So với đúc kim loại tiết kiệm khoảng từ 30 - 50 % hệ thống đậu hơi, đậu ngót hệ thống rót; chiều dày vật đúc thờng lớn hơn, ã Tiết kiệm kim lo¹i hiÕm : vÝ dơ chÕ t¹o dao tiện ta cần dùng thép hợp kim làm mũi dao hàn vào thân dao đợc chế tạo từ thép bon thông thờng Hợp kim cứng Hình 3- Cấu tạo dạng mũi dao tiện ã Chế tạo đợc thiết bị có độ bền cao, kín, chịu áp lực, ã Giảm thời gian chế tạo, giảm giá thành chế tạo ã Thiết bị hàn nói chung đơn giản vận hành, giá rẻ, Nhợc điểm :Tổ chức kim loại vùng mối hàn gần mối hàn không đồng nhất, chứa nhiều khuyết tật, dễ sinh ứng suất nhiệt gây nên ứg suất biến dạng cho kết cấu hàn 3.1.3 - Phân loại phơng pháp hàn Dựa vào trạng thái nhiệt độ kim loại vùng mối hàn , ngời ta phân loại hàn nhóm sau : 97 Nhóm phơng pháp hàn nóng chảy Nhóm phơng pháp hàn áp lực Hàn vảy, dán kim loại Hiện có khoảng 100 phơng pháp hàn Sơ đồ phân loại phơng pháp hàn chính: Hàn nóng chảy Hàn hồ quang điện Hàn hồ quang tay Hàn hồ quang tự động Hàn h.quang bán t động Hàn kim loại Hàn khí Hàn nguồn lợng tập trung cao Chùm tia điện tử Chùm tia Laser Hồ quang plasma Hàn điện xỷ Hàn áp lực Hàn tiếp xúc Hàn điện tiếp xúc giáp mối Hàn điện tiếp xúc điểm Hàn điện tiếp xúc đờng Hàn nổ Hàn siêu âm Hàn ma sát Hàn khuyếch tán Hàn vảy dán kim loại Hình 3-3 Sơ đồ phân loại phơng pháp hàn 3.1.3 Tổ chức kim loại mối hàn vùng phụ cận Sau hàn, kim loại lỏng vũng hàn nguội kết tinh tạo thành mối hàn Do ảnh hởng tác dụng nhiệt nên có thay đổi tỉ chøc vµ tÝnh chÊt cđa vïng mèi hµn Quan sát tổ chức kim loại vùng mối hàn hình chữ V phân biệt ba vùng khác nhau: vùng vũng hàn (1), vùng viền chảy (2) vùng ảnh h−ëng nhiƯt (3) a/ Vïng mèi hµn Trong vïng nµy, kim loại nóng chảy hoàn toàn, thành phần bao gồm kim loại vật hàn kim loại bổ sung từ vào, lớp biên có hạt nhỏ mịn, lớp có hạt hình nhánh kéo dài vùng tâm có hạt lớn có lẫn chất phi kim (xÜ v.v ) 98 PhÇn phi kim Vïng KL kết tinh có độ hạt lớn Viền chảy Vùng KL chảy không hoàn toàn Vùng KL kết tinh có độ hạt nhỏ Hình -4 Sơ đồ cấu tạo tổ chứcvùng mối hàn b/ Vùng viền chảy Trong vùng kim loại nóng chảy không hoàn toàn, sù thÈm thÊu qua l¹i cđa kim lo¹i vïng vịng hàn kim loại vật hàn nên vùng có thành phần trung gian kim loại vũng hàn kim loại vật hàn Chiều dày vùng hĐp c/ Vïng ¶nh h−ëng nhiƯt Vïng ch¶y Vïng ch¶y kh«ng ho n to n 0C 1500 Vùng nhiệt Vùng thờng hóa Vùng kết lại không hoµn toµn 11003 800 Vïng kÕt tinh 700 lại hoàn toàn Vùng500 dòn xanh Hình 3- Tổ chức kim loại vùng cận mối hàn %C Kim loại vật hàn vùng bị nung nóng sau nguội mối hàn Do ảnh hởng nung nóng làm nguội, tổ chức kim loại vùng thay đổi, dẫn đến lý tính thay đổi theo Tuỳ thuộc vật liệu hàn, nhiệt độ nung nóng, vùng nhận đợc nhiều tổ chức khác Xét trờng hợp hàn thép bon, tổ chức vùng ảnh hởng nhiệt chia thành năm miền (từ lớp giáp với viền chảy) : Miền nhiệt sát với viền chảy, có nhiệt độ 11000C kim loại bị nhiệt mạnh, hạt ôstenit bắt đầu phát triển mạnh, vùng có hạt lớn có độ dai va chạm tính dẻo kém, độ bền thấp tính dòn cao miền u nhÊt cđa vËt hµn MiỊn th−êng hãa lµ miền có nhiệt độ 9000 ữ 11000C, kim loại có tổ chức có hạt ferit nhỏ số hạt peclit, có tính cao 99 Miền kết tinh lại không hoàn toàn miền có nhiệt độ 7200 ữ 9000C có tổ chức hạt lớn pherit lẫn với hạt ôstenit nhỏ, tính không Miền kết tinh lại miền có nhiệt độ 5000 ữ 7000C Miền tổ chức giống tổ chức kim loại vật hàn, nhng nhiệt ®é nµy lµ nhiƯt ®é biÕn mỊm lµm mÊt hiƯn tợng biến cứng, sai lệch mạng đợc khắc phục, độ dẻo kim loại phục hồi e Miền dòn xanh 6: miền có nhiệt độ < 5000C tổ chức kim loại vùng hoàn toàn giống với tổ chức ban đầu nhng ảnh hởng nhiệt nên tồn ứng suất d nên thử mẫu hàn, miền thờng bị đứt Vùng ảnh hởng nhiệt có chiều rộng thay đổi tuỳ thuộc lớn vào chiều dày vật hàn, nguồn nhiệt hàn, điều kiện thoát nhiệt khỏi vïng hµn 3.2 Hµn hå quang 3.2.1 Hå quang hµn 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 3.2.2 Sơ đồ tạo thành hồ quang hàn: a/ b/ c/ Hình 3- 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- Cột hồ quang Hình 3-5 Sơ đồ cấu tạo cột hồ quang hàn 100 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 3.3.3 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 điện tử có vai trò quan trọng Trong điều 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 Nguyên tố K Na Ba Ca Công thoát electron 2.26 eV 2.33 2.55 2.96 Bảng 3-1 Nguyên tố Công tho¸t electron Mn 3.76 eV Ti 3.92 Fe 4.18 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 m«i tr−êng kh«ng khÝ) Nh− vËy muèn cã hå 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 3.3.4 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 - ) 101 a Cho chuyển động thẳng đứng 1- Que hàn 2- Vật hàn Hình 3- Sơ đồ trình gây hồ quang hàn b Đặt nghiêng que hàn cho chuyển động tiếp xúc với vật hàn Que hàn Vật hàn Hình 3- Sơ đồ trình gây hồ quang cách cho que hàn tiếp xúc vật hàn 3.3.5 Đặc điểm hồ quang hàn : ã Mật độ dòng điện lớn (J - A/mm2); ã Nhiệt độ cao khoảng 3000oC 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 36% Nhiệt độ catôt khoảng 2100 oC Nguồn nhiệt toả chiếm khoảng A nôt 2300 /-43% Cét hå quang 5000-7000oC /-21% • Sự 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 a Đờng đặc tính tÜnh cđa hå quang hµn Uhq d1 < d2 d1 d2 I, (A) Hình 3- Đờng đặc tĩnh hồ quang hàn phụ thuộc đờng kính điện cực 102 Lhq Uhq L1 < L2 L I, (A) 100 H×nh 3- 10 Đờng đặc tĩnh hồ quang hàn phụ thuộc chiều dài hồ quang Lhq ã Trong khoảng I < 100A (J,12A/mm2) U giảm I tăng Điều giải thích nh sau: I tăng, diện tích tiết diện cột hồ quang tăng mật độ dòng giảm (J = I/F giảm F diện tích tiết diẹn cét hå quang) U = IR = I (ρ L)/F = J .L ; mà .L = const nên J giảm U giảm, ã Trong khoảng I = 100- 1000 A, diện tích cột hồ quang tăng đà đà gần bảo hoà, nên độ dẫn điện bị thay đổi, mật độ dòng J gần nh không đổi Đoạn đợc sử dụng rộng rÃi hàn hồ quang 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 lớn, nhng tiết diện cột hồ quang hầu nh không tăng; nên J tăng để đảm bảo cho I tăng U phải tăng) ã Đồ thị ứng với đờng đặc tÝnh tÜnh cđa hå quang chiỊu dµi cét hå quang không đổi Khi thay đổi Lhq, ta nhận đợc nhiều đợng đặc tính tĩnh tơng tự nh 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 nguồn > U mồi hồ quang Hå quang sÏ t¾tkhi U nguån < U måi hå quang Khi hµn hå quang tay U måi hå quang = (1,8 - 2,5)U hµn U måi hå quang = (60-80V) U T Tt Um Hình 3- 11 Sơ đồ đờng biến thiên điện áp dòng điện nguồn hồ quang dòng xoay chiều Tt - Thời gian hồ quang tắt 103 Chú 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 hồ quang nguồn xoay chiều ngời ta mắc thệm cuộn 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 3.3.6 ảnh hởng điện trờng hồ quang hàn Cột hồ quang đợc coi nh dây dẫn mềm nên chịu tác dụng hởng điện từ trờng a/ Tõ tr−êng cña cét hå quang Trong cé hå 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 hình 3- H F F H Ve Hình 3- 12 Sơ đồ biẻu 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 cột hồ quang gồm có : + Lùc ®iƯn tr−êng tÜnh; + Lùc ®iƯn tr−êng sinh sắt từ vật liệu hàn Lực làm cho hồ quang bị thổi lệch ảnh hởng đến chất lợng mối hàn (xem hình 3-11) b/ ảnh hởng lực điện trờng Hình 3- 13 Sơ đồ biẻu diễn hồ quang hàn bị thổi lệch lực ®iƯn tr−êng a/ b/ c/ 104 Khi nèi d©y 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 c/ ảnh hởng góc nghiêng que hàn Độ nghiêng que hàn ảnh hởng ®Õn sù ph©n bè ®−êng søc xung quanh quanh hå quang, thay đổi hớng que hàn cho phù hợp với phơng hồ quang nh hình 3-12b Hình 3- 14 Sơ đồ biẻu diễn ảnh hởng góc nghiêng que hàn d/ ảnh hởng vật liệu sắt từ Vật liệu sắt 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- 15 Sơ đồ biểu diễn ảnh hởng sắt từ hồ quang hµn 1- Que hµn ; - VËt hµn HiƯn t−ỵng lƯch hå quang cã thĨ xt hiƯn ë 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- 16 Một số biện pháp khắc phục tợng hồ quang bị thổi lệch 105 - Vật hàn - Que hàn 3.3.7 Phân loại hàn hồ quang Các phơng pháp hàn hồ quang đợc phân loại theo dấu hiệu sau : Phân loại theo điện cực ã Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy : nh điện cực than, grafit, W , hợp chất 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, Phân loại theo phơng pháp đấu dây Dấu dây trùc tiÕp : Ngn ®iƯn pha Hình 3- 17 Sơ đồ đấu dây trực tiếp - Điện cực hàn ( que hàn)2-Hồ quang hàn - Vật hàn Khi hàn dòng chiều có hai phơng pháp nối dây : nôí thuận nối nghịch Nối thuận Hình - 18 Sơ đồ nối thuận - Điện cực hàn ( que hµn)2 - Hå quang hµn; 3- VËt hµn Nối nghịch Hình 3- 19 Sơ đồ nối nghịch 106 Hình 3- 44 Sơ đồ nguyên lý phơng pháp hàn trái - Que hàn; -Đầu má hµn ; 3- Ngän lưa hµn; - Vïng mối hàn; - Kim loại bản; Chế độ hàn khí a - Góc nghiêng que hàn khoảng 45 độ Đờng kính que hàn : S = 15 mm d = mm b - Gãc nghiªng má hµn phơ thc chiÌu dµy vËt hµn vµ tÝnh chÊt cđa vËt hµn 80o, S> = 15 mm 60o, S< =7-10 mm 50o, S< =5-7mm Que hµn 40o, S< =3-5mm 30o, S