2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hàn
2.2.1. Ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn
C thông s hế ộ hàn ó nh hƣởng r t lớn ến m i hàn. Chi phí và thời gian hàn ƣ gi m xu ng ng kể khi kiểm so t ƣ mứ ộ nh hƣởng ủa thông s hế ộ hàn ến kí h thƣớ m i hàn, u trú kim loại m i hàn, sự tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn, vùng nh hƣởng nhi t, hi n tƣ ng nứt [2]. Khi hàn PTA, sự ứng x ủa ề m t m i hàn hủ yếu phụ thuộ vào thông s hế ộ hàn [54].
Trong qu tr nh hàn PTA, ó r t nhiều yếu t nh hƣởng ến h nh ạng, kí h thƣớ và h t lƣ ng m i hàn. Tùy th o mứ ộ, thông s này ó thể nh hƣởng ít hay nhiều ến m i hàn. C thông s hế ộ hàn quan trọng, nh hƣởng trự tiếp ến mứ ộ tham
Ngô Hữu Mạnh 19 gia ủa kim loại nền vào m i hàn khi hàn PTA ao g m ƣờng ộ ng hàn, t ộ hàn, lƣu lƣ ng ột, ao ộng m hàn và hiều ài h quang [50].
Th o tài li u [54] và [87], thông s hế ộ hàn ao g m ƣờng ộ ng hàn, ao ộng m hàn, t ộ hàn, lƣu lƣ ng ột, kho ng h từ m hàn ến vật hàn, loại khí o v và khí mang ột.
Th o tài li u [50], thông s hế ộ hàn PTA ơ n ao g m ƣờng ộ ng hàn, lƣu lƣ ng ột, ao ộng m hàn, t ộ hàn và kho ng h từ u hàn ến vật hàn.
Nhƣ vậy, ƣờng ộ ng hàn, t ộ hàn, lƣu lƣ ng ột, kho ng h từ m hàn ến vật hàn ( hiều ài h quang), loại khí o v , ao ộng m hàn là thông s hế ộ hàn ơ n ó nh hƣởng r t lớn ến qu tr nh hàn PTA. Ngoài ra n một s thông s hế ộ hàn kh ũng ó nh hƣởng ến qu tr nh hàn nhƣ i n p hàn, gó nghi ng m hàn, loại i n ự ,... T t thông s hế ộ hàn PTA sẽ ƣ t gi ph n tí h một h ụ thể ằng l thuyết và thự nghi m ể nh gi mứ ộ nh hƣởng ủa húng, từ ó iều hỉnh và x ịnh ƣ miền gi trị ận t i ƣu.
2.2.1.1. Điện cực hàn
Đi n ự ùng trong qu tr nh hàn PTA là i n ự không nóng h y. Đi n ự hàn không nóng h y g m nhiều loại kh nhau nhƣ Vônfram (W), Vônfram-Thôri (W-Th), Vônfram-Zirconi (W-Zr), Vônfram-Lantan (W-La), Vônfram-Ceri (W-Ce). Khi hàn thép on thƣờng s ụng i n ự W-Th (màu ). So với i n ự W, i n ự W-Th ó kh năng ph t xạ i n t ao hơn, hàn ƣ với ng lớn hơn, tuổi thọ i n ự ao hơn, ễ m i h quang hơn, h quang h y ổn ịnh hơn. Đi n ự W-Th ó hai loại là EWTh-1 (màu vàng) và EWTh-2 (màu ). Hàm lƣ ng oxyt Thôri (ThO2) trong hai loại i n ự này l n lƣ t hiếm kho ng 1% và 2% [21].
H nh 2.18. Đi n ự EWTh-2 th o ti u huẩn AWS/SFA A5.12
Đƣờng kính và loại i n ự ó nh hƣởng r t lớn ến ƣờng ộ ng hàn, ông su t nhi t và sự ổn ịnh ủa h quang plasma. V vậy n lựa họn ƣờng kính i n ự , loại i n ự , ạng mài u i n ự phù h p với qu tr nh hàn h quang plasma. Nó phụ thuộ vào loại vật li u, hiều ày t m nền, ạng ng hàn (DC hay AC, ó xung hay không ó xung ao t n).
Đ u i n ự ƣ mài phù h p với ƣờng kính và loại ng hàn. Gó mài và hƣớng mài u i n ự ó nh hƣởng r t lớn ến qu tr nh tạo h quang, sự tập trung ủa h quang, sự ổn ịnh ủa h quang và tuổi thọ ủa i n ự . Với vật li u nền là thép on trung nh C45, hiều ày 12mm, ƣờng kính i n ự ƣ họn là 2.4mm, hiều ài i n ự từ 50-120mm ể phù h p với ạng m hàn m tay ủa thiết ị hàn. Với u hàn tự ộng, ƣờng kính i n ự ƣ họn là 4.0mm.
Ngô Hữu Mạnh 20 H nh 2.19. Đi n ự EWTh-2 và gó mài u i n ự [98]
B ng 2.2. C thông s ủa i n ự hàn EWTh-2
Dạng m hàn Đƣờng kính i n ự (mm) Gó v t u i n ự (0) Chiều ài oạn mài u i n ự (mm) Chiều ài i n ự (mm) Cự tính ng hàn Cƣờng ộ ng hàn max (A) M hàn m tay 2.4 30 - 45 5 50-120 DCEN 250 Đ u hàn tự ộng 4.0 30 - 45 8 450 2.2.1.2. Cƣờng độ dòng hàn
Khi hàn thép on và thép không gỉ ằng qu tr nh hàn GTA, PA, PTA thƣờng s ụng ng i n một hiều u ự thuận (DC- ho DCEN – Direct current electrode n gativ ). Với phƣơng ph p u ự thuận DCEN, nhi t sẽ không tập trung qu lớn ở i n ự , mà hủ yếu tập trung vào vũng hàn. Nhƣ vậy sẽ tr nh ƣ hi n tƣ ng qu nhi t, gi m hi n tƣ ng m n và tăng tuổi thọ ho i n ự .
Cƣờng ộ ng hàn (Ih) ó nh hƣởng trự tiếp ến ông su t nhi t ủa h quang, kí h thƣớ vũng hàn, hiều ao m i hàn, t ộ h y ủa h p kim ột, hiều s u ng u ủa m i hàn,... M t kh , ộ s u ng u ủa m i hàn thƣờng tỉ l thuận với mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn. V vậy, ể gi m mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn, n hạn hế hiều s u ng u ủa m i hàn. Đó là y u u t ra khi hàn PTA nhằm hạn hế sự thay ổi tính ủa kim loại lớp ắp nhƣ ộ ứng và kh năng hịu mài m n. V vậy, ƣờng ộ ng hàn ph i phù h p với ƣờng kính i n ự , loại ng hàn, vật li u nền, vật li u hàn, t ộ hàn,...
Theo tài li u [31], khi s ụng ng xung (Ip), ộ ứng ủa kim loại lớp ắp ó xu hƣớng gi m xu ng th p hơn so với khi s ụng ng hàn một hiều ự thuận (DC-).
H nh 2.20. nh hƣởng ủa tính ng hàn ến ộ ứng ủa lớp ắp khi hàn PTA [31]
Khi tăng ƣờng ộ ng hàn sẽ làm tăng hiều s u ng u, tiết i n ngang m i hàn và mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn [51], [62].
Ngô Hữu Mạnh 21 H nh 2.21. nh hƣởng ủa ƣờng ộ ng hàn ến h nh ạng m i hàn [62]
H nh 2.22. nh hƣởng ủa ƣờng ộ ng hàn ến h nh ạng m i hàn [51]
Ph n tí h H nh 2.21 và H nh 2.22 th y rằng, ƣờng ộ ng hàn ó nh hƣởng ến thông s kí h thƣớ m i hàn và mứ ộ tham gia ủa kim loại ơ n vào m i hàn. Mứ ộ nh hƣởng ủa ƣờng ộ ng hàn ến hiều rộng, hiều ao, ộ s u ng u ủa m i hàn và mứ ộ tham gia ủa kim loại ơ n vào m i hàn là kh nhau. Nhƣng sự nh hƣởng này ó hung một xu hƣớng ó là tỉ l thuận với nhau.
Khi tăng cƣờng ộ ng hàn (Ih), ó thể tăng t ộ hàn ể tăng năng su t hàn. Tuy nhi n, nó sẽ làm tăng ông su t nhi t h quang, p lự h quang plasma, sự h y lo ng ủa kim loại l ng trong vũng hàn, năng lƣ ng ƣờng, sự x o trộn kim loại l ng trong vũng hàn, hiều s u ng u, sự tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn, sự h a tan ủa nguy n t h p kim và sự ay hơi ủa kim loại l ng trong vũng hàn. M t kh , ƣờng ộ ng hàn tăng sẽ làm gi m tuổi thọ i n ự . V vậy, tăng Ih không ph i là sự lựa họn t t nh t trong qu tr nh hàn PTA.
Khi gi m ƣờng ộ ng hàn, t ộ và năng su t hàn sẽ gi m xu ng. Tuy nhi n, khi gi m ƣờng ộ ng hàn sẽ n ng ao ƣ tuổi thọ i n ự , gi m năng lƣ ng ƣờng, ông su t nhi t h quang, sự x o trộn kim loại l ng trong vũng hàn, ộ s u ng u, sự tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn, sự h a tan ủa nguy n t h p kim và sự ay hơi kim loại l ng trong vũng hàn. Mứ ộ gi m ủa ƣờng ộ ng hàn trong một phạm vi ho phép phù h p với ƣờng kính i n ự , loại vật li u nền, vật li u hàn mà không g y nh hƣởng qu lớn ến h nh ạng, kí h thƣớ , h t lƣ ng m i hàn là ó thể h p nhận ƣ . Tuy nhi n, khi ƣờng ộ ng hàn gi m xu ng qu th p ẫn ến ông su t nhi t h quang qu nh sẽ nh hƣởng ti u ự ến h nh ạng m i hàn ũng nhƣ h t lƣ ng ề m t ắp.
Ngô Hữu Mạnh 22 Gi trị ủa ƣờng ộ ng hàn ó thể ƣ x ịnh ởi nhà s n xu t thiết ị và vật li u hàn. Đ y là ơ sở ể giới hạn phạm vi ƣờng ộ ng hàn. Ngoài ra, ó thể kết h p với thự nghi m ể x ịnh và lựa họn ƣ gi trị ƣờng ộ ng hàn phù h p.
2.2.1.3. Tốc độ hàn
T ộ hàn là một thông s quan trọng ủa hế ộ hàn. Nó nh hƣởng ến h nh ạng, kí h thƣớ và hiều s u ng u ủa m i hàn, mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn, sự h a tan ủa nguy n t h p kim vào kim loại nền.
Theo Siva, Srimath và Murugan, khi tăng t ộ hàn sẽ làm gi m hiều s u ng u, tiết i n ngang ủa m i hàn, hiều rộng m i hàn, hiều ao m i hàn, mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn [51], [62].
H nh 2.23. nh hƣởng ủa t ộ hàn ến h nh ạng m i hàn [62]
H nh 2.24. nh hƣởng ủa t ộ hàn ến h nh ạng m i hàn [51]
Ph n tí h H nh 2.23 và H nh 2.24 th y rằng, t ộ hàn ó nh hƣởng ến h u hết thông s kí h thƣớ m i hàn và mứ ộ tham gia ủa kim loại ơ n vào m i hàn. Mứ ộ nh hƣởng ủa t ộ hàn ến hiều rộng, hiều ao, ộ s u ng u ủa m i hàn và mứ ộ tham gia ủa kim loại ơ n vào m i hàn là kh nhau. Và sự nh hƣởng này ó hung một xu hƣớng ó là tỉ l nghị h với nhau.
Th o l thuyết hàn, t ộ hàn tỉ l nghị h với năng lƣ ng ƣờng. V vậy, khi gi m t ộ hàn sẽ làm năng lƣ ng ƣờng tăng l n, ng thời làm tăng hiều rộng m i hàn, thời gian hàn, hiều s u ng u ủa m i hàn và mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn. Nguy n nh n hính là o thời gian truyền nhi t vào vũng hàn và vật hàn tăng l n. Điều này sẽ làm tăng mứ ộ iến ạng ủa hi tiết sau khi hàn. Ngƣ lại, khi tăng t ộ hàn sẽ làm gi m hiều rộng và hiều ao m i hàn, thời gian hàn và hiều s u ng u ủa m i hàn ó xu hƣớng gi m xu ng, t ộ kết tinh tăng l n. Điều này sẽ hạn hế sự tham gia ủa kim
Ngô Hữu Mạnh 23 loại nền vào m i hàn. Tuy nhi n, nếu vận t hàn qu lớn, sự kết tinh kim loại vũng hàn x y ra qu nhanh, vũng hàn và m i hàn không ƣ o v t t ó thể g y ra khuyết tật hàn không mong mu n nhƣ rỗ khí, x p, nứt ho t h lớp. V vậy, không n n tăng t ộ hàn qu lớn. Điều này sẽ nh hƣởng r t lớn ến qu tr nh hàn và sự kết tinh ủa kim loại m i hàn.
Nhƣ vậy, t ộ hàn ó nh hƣởng trự tiếp ến h nh ạng, kí h thƣớ và h t lƣ ng m i hàn. Nó tỉ l nghị h với ộ s u ng u, tiết i n ngang m i hàn và mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn. V vậy, n tính to n và x ịnh t ộ hàn phù h p ể m i hàn m o hỉ ti u về kỹ thuật.
2.2.1.4. Lƣu lƣợng bột
Qu tr nh hàn PTA ƣ s ụng phổ iến trong kỹ thuật hàn ắp ề m t; i t là ề m t ứng, làm vi trong iều ki n hịu mài m n, h ng ăn m n, hịu nhi t, hịu ứng su t. Trong su t qu tr nh hàn PTA, ột h p kim li n tụ ƣ p ến u hàn, i qua ột h quang plasma vào vũng hàn [84].
H nh 2.25. Sơ hóa qu tr nh p ột khi hàn PTA [94]
Ph n tí h tài li u [51] và [62] th y rằng, khi tăng lƣu lƣ ng p ột h p kim hỉ ó thể làm tăng hiều ao ủa m i hàn và tiết i n ngang ủa m i hàn. Trong ó, mứ ộ tăng hiều ao m i hàn lớn hơn hiều rộng ủa m i hàn. M t kh , hiều s u ng u và mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn ó xu hƣớng gi m xu ng.
Th o tài li u [83], ể gi m sự tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn, thƣờng ổ sung một lƣ ng nh Boron (B) vào h p kim ột. Sự ó m t ủa Boron sẽ làm tăng t ộ kết tinh ủa kim loại m i hàn và hạn hế sự tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn.
Th o tài li u [26], [46] và [83], khi tăng t ộ p ột kết h p với tăng ông su t nhi t h quang plasma, th tiết i n m i hàn và kh i lƣ ng kim loại kết tinh sẽ tăng l n.
Ngô Hữu Mạnh 24 H nh 2.27. nh hƣởng ủa Vb ến h nh ạng m i hàn [62]
Ph n tí h H nh 2.26 và H nh 2.27 th y rằng, lƣu lƣ ng ột p ó nh hƣởng ến hiều rộng, hiều ao, ộ s u ng u ủa m i hàn và mứ ộ tham gia ủa kim loại ơ n vào m i hàn. Mứ ộ nh hƣởng này là kh nhau và ó xu hƣớng tỉ l nghị h với nhau.
Lƣu lƣ ng ột p ƣ x ịnh trong một ơn vị thời gian. Khi lƣu lƣ ng p ột tăng l n sẽ làm tăng hiều ao và hiều rộng m i hàn. C n hiều s u ng u ủa m i hàn ó xu hƣớng gi m xu ng. Nguy n nh n hính là o lƣu lƣ ng ột h p kim ƣ p tăng l n trong khi ông su t ngu n nhi t plasma không thay ổi. Khi ó, nhi t h quang plasma sẽ tập trung hủ yếu làm nóng h y h p kim ột và một ph n ề m t ủa kim loại nền. V vậy, nhi t truyền vào vũng hàn và vật hàn gi m xu ng, mứ ộ tham gia kim loại nền vào m i hàn ó xu hƣớng gi m xu ng. M t kh , khi tăng lƣu lƣ ng p ột, kết h p tăng ƣờng ộ h quang plasma, tăng lƣu lƣ ng khí tạo plasma và khí mang ột sẽ làm tăng ông su t nhi t và tiết i n ngang ủa ột h quang plasma. Điều này sẽ làm tăng kí h thƣớ vũng hàn, t ộ h y ủa h p kim, hiều s u ng u và mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn. Đ y là iều không mong mu n khi hàn PTA. Ngƣ lại, khi ông su t nhi t h quang plasma không thay ổi, nếu lƣu lƣ ng p ột gi m xu ng th kh i lƣ ng ột h p kim p sẽ gi m th o, nhi t truyền vào vũng hàn và vật hàn sẽ tăng l n, làm gia tăng hiều s u ng u và sự tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn. V vậy, n tính to n kết h p với thự nghi m ể x ịnh lƣu lƣ ng p ột phù h p ể không nh hƣởng ti u ự ến h nh ạng và h t lƣ ng m i hàn.
2.2.1.5. Dao động mỏ hàn
Dao ộng m hàn nhằm mụ í h làm tăng hiều rộng m i hàn. Điều này ho phép hàn ƣ ề m t lớn hơn. Ngoài ra, ao ộng m hàn giúp ph n t n ngu n nhi t, không ể ngu n nhi t tập trung qu lớn tại một vị trí hàn. Tuy nhi n, khi tăng i n ộ và t n s ao ộng m hàn sẽ làm kim loại l ng trong vũng hàn ị x o trộn li n tụ , làm gi m kh năng o v kim loại vũng hàn và vùng l n ận. Khi ó, kh năng x y ra khuyết tật nhƣ rỗ khí trong m i hàn sẽ gia tăng.
Ngô Hữu Mạnh 25 Th o tài li u [51], khi iều hỉnh i n ộ ao ộng m hàn sẽ ẫn ến sự thay ổi hiều rộng, hiều ao và hiều s u ng u ủa m i hàn; ũng nhƣ mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào m i hàn. Ph n tí h H nh 2.28 th y rằng, ao ộng m hàn ó nh hƣởng ến hiều rộng, hiều ao, ộ s u ng u ủa m i hàn và mứ ộ tham gia ủa kim loại nền vào