Phương phỏp hàn cao tầ n

Cho tới năm 1956 cỏc cỡ ống núi trờn phần lớn được chế tạo bằng phương phỏp hàn điện trở. Từ năm 1956 trở đi phương phỏp hàn điện cao tần tới 400kHz

chiếm ưu thế và dần thay thế phương phỏp hàn điện trở.

Phương phỏp hàn điện cao tần lần đầu tiờn, vào năm 1946, được cỏc nhà

Luận văn thạc sỹ Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

Hàn cao tần là quỏ trỡnh hàn điện mà nhiệt nung núng mộp hàn do cảm ứng

của dũng điện cao tần (đến 400kHz) sinh ra. Ứng dụng điển hỡnh là hàn giỏp mối theo đường sinh của ống được tạo thành từ cỏc cặp quả cỏn qua hai tấm trượt tiếp xỳc hoặc qua vũng cảm ứng cao tần.

Hỡnh 3.3. Vũng cảm ứng và con lăn ộp khi hàn ống thộp trũn Cỏc ưu điểm chủ yếu của phương phỏp hàn điện cao tần là:

+ Mở rộng khả năng sản xuất ống nguyờn vật liệu khỏc nhau (thộp C, thộp hợp kim, nhụm, đồng và hợp kim của chung,… )

+ Khả năng nõng cao vận tốc hàn (cú thểđạt tới 100m/phỳt và cú thể hơn) + Sản xuất ống thộp C chất lượng mối hàn cao mà khụng cần thiết giai đoạn gia cụng bề mặt.

+ Vựng núng chảy nhỏ.

+ Tạo bavia nhỏ.

+ Vật mang năng lượng khụng bị cào xước.

Phương phỏp hàn điện cao tần dựa trờn nguyờn lý: Dũng điện ở tần số đú khụng chuyển động theo hướng điện trở nhỏ nhất mà theo hướng cảm ứng từ nhỏ

Luận văn thạc sỹ Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

Phương phỏp hàn điện cao tần được sử dụng hiệu ứng gần và hiệu ứng bề

mặt để nung núng mộp biờn băng kim loại. Hiệu ứng gần xuất hiện khi cú dũng điện từ vài chục, vài trăm kHz chạy qua dõy dẫn, xung quanh dõy dẫn dũng điện xoay chiều cao tần đú nếu ta đặt một vật thể kim loại gần thỡ dưới tỏc dụng của từ trường xoay chiều trờn vật thể kim loại đú xuất hiện dũng điện xoỏy. Cỏc đường dẫn điện trong những vựng gần nhau của dõy dẫn và vật thể kim loại, ở bất kỳ thời điểm nào cũng trỏi ngược nhau về hướng và tỏc dụng lờn nhau một lực hỳt. Chớnh vỡ vậy mà

điện từ trường tập trung cao nhất ở cỏc vựng tiếp giỏp đú. Hiện tượng đú gọi là hiệu

ứng gần.

Hiệu ứng bề mặt là hiện tượng điện tớch tập trung chủ yếu trờn bề mặt vật thể. Thớ nghiệm chứng tỏ: khi dũng điện cao tần chạy qua một dõy dẫn thỡ do hiện tượng tự cảm, dũng điện ấy hầu như khụng chạy ở trong lũng dõy dẫn mà chỉ chạy ở

mặt ngoài của nú. Tần số dũng điện càng cao (tức dũng điện biến đổi càng nhanh), tỏc dụng của dũng điện tự cảm trong dõy càng mạnh, phần dũng điện chạy trong ruột của dõy càng giảm mạnh. Khi tần số của dũng điện khỏ cao, phần dũng điện chạy trong ruột của dõy hầu như bị triệt tiờu: dũng điện cao tần chỉ chạy ở lớp bề

mặt rất mỏng của dõy dẫn. Chiều sõu của dũng điện được xỏc định theo cụng thức:

T f

à

ρ

δ

trong đú: δ: chiều sõu của dũng điện, mm;

ρ: điện trở suất, Ω.mm;

f: tần số dũng điện, Hz;

àT: độ từ thẩm.

Thực vậy, lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ rằng: với tần số f = 1000Hz (1 hộc = 1 dao động toàn phần trong một dõy), dũng điện chỉ chạy ở một lớp bề mặt dày 2mm của dõy dẫn; cũn với tần số f = 100.000Hz dũng điện chỉ chạy ở một lớp bề mặt dày 0,2mm; với tần số f = 400.000Hz dũng điện chỉ chạy ở lớp bề mặt dày 0,1mm. Chớnh vỡ lớ do đú, khi dựng dũng điện cao tần, người ta làm cỏc dõy dẫn

Luận văn thạc sỹ Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

rỗng để tiết kiệm kim loại. Trong hàn cao tần dõy dẫn dũng cao tần thường được làm rỗng vừa để tiết kiệm kim loại, đồng thời vừa để dẫn nước làm mỏt.

Mức độ tập trung dũng cao tần của cỏc lớp trong dõy đẫn tỷ lệ nghịch với e^x (e ≈ 2,718281). Ở lớp bề mặt: mức độ tập trung dũng: 0δ = 1/e⁰ = 100%; Ở lớp cú chiều sõu 1δ: mức độ tập trung dũng: 1δ = 1/e¹≈ 37%; Ở lớp cú chiều sõu 2δ: mức

độ tập trung dũng: 2δ = 1/e²≈ 14%; Ở lớp cú chiều sõu 3δ: mức độ tập trung dũng: 3δ = 1/e3 ≈ 5%; Ở lớp cú chiều sõu 4δ: mức độ tập trung dũng: 4δ = 1/e4≈ 1,8%; Ở

lớp cú chiều sõu 5δ: mức độ tập trung dũng: 5δ = 1/e⁵ ≈ 0,7%. Như vậy dũng cao tần chủ yếu tập trung ở lớp bề mặt.

Hai hiện tượng đú là cơ sở lý luận để xõy dựng phương phỏp hàn điện cao tần.

Trong hàn cao tần cú 2 phương phỏp tiếp điện: tiếp điện tiếp xỳc (hỡnh 3.4) và tiếp điện cảm ứng từ (hỡnh 3.5):

1

3

2

Luận văn thạc sỹ Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ 2 4 1 3 V Hỡnh 3.5- Sơđồ nguyờn lý hàn cao tần tiếp điện cảm ứng từ. 1. Cuộn cảm vũng. 3. Con lăn ộp hàn.

2. Con lăn dẫn hướng. 4. Thanh sắt từ ferit.

1

3

2

4 5

i

i

1. Ống hàn. 4. Lừi thộp non (ferit).

2. Nguồn điện cao tần. 5. Điểm tiếp xỳc.

3. Thanh quột.

Trong biện phỏp tiếp điện tiếp xỳc dũng điện dẫn đến phụi ống chuyển động theo hai hướng (hỡnh 3.6): Dũng điện i₁ chuyển động theo hướng mộp biờn phụi ống từđiểm thanh quột thứ nhất tiếp xỳc với phụi ống qua điểm tiếp xỳc của 2 mộp biờn

Luận văn thạc sỹ Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

phụi ống tới điểm thanh quột thứ 2 tiếp xỳc với phụi ống. Dũng điện i₂ chuyển động theo đường trũn bề mặt ống phụi, đi qua cỏc tiếp điểm tiếp xỳc của hai thanh quột với phụi ống.

Giỏ trị điện trở cảm khỏng của chu vi ống phụi tỉ lệ thuận với đường kớnh

ống phụi. Chớnh vỡ vậy tăng đường kớnh sẽ làm tăng điện trở chu vi tức là cường độ

dũng điện i₂ nhỏ và dũng tập trung theo mộp nhiều hơn, nờn hiệu suất hàn tăng lờn.

Độ ổn định của tiếp xỳc quay lớn hơn nhiều độổn định tiếp xỳc trượt. Tại chỗ tiếp xỳc trượt khả năng bỏm dớnh của kim loại giảm và xuất hiện khe hở dọc mộp.

Khi đưa dũng cảm ứng vào sự nung núng được thực hiện nhờ dũng cảm ứng

thứ cấp xuất hiện tại mộp phụi do từ trường của vũng cảm ứng thay đổi. Khi đú dũng điện ụm lấy phần bổ sung của đường kớnh phụi nằm trong vũng cảm ứng. Điều này làm tăng tiờu hao năng lượng điện vào. Phương phỏp tiếp điện cảm ứng cú hiệu quả đối với ống cú đường kớnh đến 200mm, cũn phương phỏp tiếp điện tiếp xỳc -

đường kớnh lớn hơn 200mm.

Để hạn chế dũng điện chu vi i₂ trong thực tế sản xuất cú sử dụng thanh sắt từ

ferit bờn trong lũng ống phụi (trờn hỡnh 6 biểu diễn vị trớ của thanh ferit). Khe hở

giữa thanh sắt từ ferit và bề mặt trong của ống phụi nhỏ hơn 2ữ3mm. Nếu tỉ lệ giữa

đường kớnh của thanh ferit và đường kớnh trong của ống phụi khụng thớch hợp thỡ

thanh sắt từ ferit đặt gần mộp biờn phụi ống khụng phõn biệt biện phỏp dẫn điện. Nhờ vậy mà dũng i2 giảm và hệ số sử dụng hữu ớch của mỏy hàn tăng lờn. Khi sử

dụng thanh ferit cú tỏc dụng làm tăng mật độ năng lượng trờn mộp biờn ống và làm giảm chiều rộng vựng nung núng.

Mỗi một phần tửống được nung núng tới nhiệt độ hàn theo 2 giai đoạn: 1, Từ nhiệt độ ban đầu của ống phụi đến điểm Curie;

2, Từđiểm Curie tới nhiệt độ hàn (lỳc này vật liệu hết từ tớnh). Đối với thộp

điểm Curie là 768⁰C.

Sau khi đạt tới nhiệt độ ứng với điểm Curie chiều sõu xuất hiện dũng điện trong thành ống sẽ tăng. Đối với thộp cacbon chiều rộng vựng nung núng khụng quỏ

Luận văn thạc sỹ Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

0,1mm trong khoảng nhiệt độ thấp hơn điểm Curie và khụng quỏ 0,8mm trong

khoảng nhiệt độ cao hơn điểm Curie.

Hàn điện cao tần được đặc trưng bằng mức độ tập trung năng lượng cao trờn mộp biờn phụi ống trong quỏ trỡnh làm việc. Tần số dũng điện hàn càng lớn hiệu

ứng gần và hiệu ứng bề mặt càng tỏc dụng mạnh và mật độ điện tớch càng lớn trờn

mộp biờn phụi ống, mức độ tập trung năng lượng càng cao. Quỏ trỡnh nung được

thực hiện chỉ trong vài phần 10 hoặc vài phần trăm giõy. Vớ dụ khi hàn ống thộp cacbon chiều dày thành ống 1,5 ữ 2,0mm vận tốc hàn lý tưởng là 60m/phỳt.

Trong thời gian nung nhiệt năng toả ra khụng đều: càng dần tới điểm hàn

cường độ nung mộp biờn phụi ống càng tăng. Cường độ nung tăng do điện trở riờng của kim loại tăng theo sự tăng nhiệt độ của nú và do sự xuất hiện mạnh mẽ của hiệu

ứng gần khi khoảng cỏch giữa cỏc mộp biờn phụi ống giảm theo chuyển động của chỳng tới điểm hàn. Cường độ toả năng lượng mạnh nhất tại điểm 2 mộp biờn phụi

ống tiếp xỳc với nhau. Đặc điểm đú cho phộp tiến hành hàn ống bằng điện cao tần với vận tốc lớn. Quỏ trỡnh hàn ống cú thể tiến hành một trong ba chế nung mộp biờn phụi ống đặc trưng sau đõy:

1. Cỏc mộp biờn của ống phụi khi tiến tới trục hàn được nung tới nhiệt độ

1300⁰- 1400⁰C. Tại điểm tiếp xỳc chỳng được nung thờm song chưa đạt tới trạng

thỏi núng chảy. Quỏ trỡnh hàn tiến hành trong trạng thỏi dẻo. Áp lực trờn cỏc mộp

biờn phụi ống cần vừa đủ để làm biến dạng mạnh cỏc mộp biờn phụi ống và khử bỏ

ụxit kim loại ở nhiệt độ cao. Áp lực riờng trờn cỏc mộp biờn phụi ống gần bằng 49,1N/mm²(5kG/mm²)

2. Cỏc mộp biờn phụi ống khi tiến tới điểm tiếp xỳc được nung núng tới nhiệt

độ gần bằng nhiệt độ núng chảy của kim loại cơ bản và tại điểm tiếp xỳc đạt tới nhiệt độ núng chảy. Tại chỗ kớn của mộp biờn ống phụi kim loại núng chảy cựng với cỏc ụxit vừa được tạo thành dễ dàng chảy ra khỏi mối hàn. Áp lực riờng trờn cỏc mộp biờn phụi ống gần bằng 19,6 ữ 29,2N/mm²(2 ữ 3kG/mm²)

Luận văn thạc sỹ Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

3. Cỏc mộp biờn phụi ống khi tiến tới điểm tiếp xỳc được nung núng tới nhiệt

độ núng chảy. Tại điểm tiếp xỳc chỳng cũn được nung núng thờm. Trong chế độ

hàn này kim loại núng chảy phun ra từ vựng hàn.

→ Chế độ nung mộp biờn phụi ống thứ 2 và thứ 3 rất tiờu hao điện năng và chỳng chỉ sử dụng để hàn ống hợp kim đặc biệt, thộp hợp kim cao.

Trong hàn điện cao tần những yếu tố sau đõy ảnh hưởng lớn đến mức độ tiờu hao năng lượng riờng: Vị trớ, cơ cấu và kớch thước của thanh sắt từ ferit trong ống phụi. Trong hàn tiếp điện cảm ứng từ mức độ tiờu hao năng lượng cũn phụ thuộc vào khe hở giữa cuộn cảm vũng và ống phụi. Để hàn ống kớch thước vừa và nhỏ

khoảng cỏch L tối ưu trong hàn tiếp điện tiếp xỳc là 47 ữ 70mm, cũn trong hàn tiếp

điện cảm ứng từ L = 50 ữ 120mm. Xuất phỏt từđiều kiện khử sự phỏ huỷ giữa cuộn cảm vũng và phụi ống trong thực tế sản xuất khe hở giữa cuộn cảm vũng và phụi

ống cần khụng quỏ 3,0 ữ 5,5mm.

Cuộn cảm vũng cú 2 hoặc 3 vũng xoắn được sử dụng rộng rói hơn cả. Đối với ống đường kớnh từ 12 ữ 28mm người ta thường sử dụng cuộn cảm 3 vũng xoắn, cũn đối với ống đường kớnh lớn hơn 28mm thường sử dụng cuộn cảm 2 vũng xoắn

3.2. Cụng nghệ hàn cao tần.

3.2.1 - Vật liệu cơ bản.

Theo hướng nghiờn cứu vật liệu dựng để sản xuất ống là thộp CT38.

Theo bảng 2 TCVN 1765 : 1975[2] cơ tớnh của mỏc thộp CT38 được thể hiện trong

bảng 3.1: Bảng 3.1- Cơ tớnh của mỏc thộp CT38. Mỏc thộp Độ bền kộo Rm, MPa Giới hạn chảy Rch, MPa cho độ dày đến 20 mm

Độ gión dài δ, % cho

độ dày đến 20 mm

CT38 380 - 490 250 26

Luận văn thạc sỹ Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

Trờn hỡnh 3.6a, là hỡnh dạng liờn kết của ống trước khi qua con lăn ộp hàn. Hỡnh 3.6b, là hỡnh dạng liờn kết của ống sau khi được hàn.

Hỡnh 3.7- Dạng liờn kết

3.2.3 - Chếđộ hàn.

Chọn tần số dũng điện để hàn ống cần phải xỏc định khụng chỉ suất tiờu hao năng lượng, mà cũn một loạt cỏc yếu tố cụng nghệ phụ thuộc vào chiều dày ống, chất lượng phụi…. Cỏc thụng số xỏc định chếđộ hàn: + Tần số. + Hiệu điện thế. + Vận tốc hàn. + Cụng suất.

Từ cỏc thụng số ban đầu: cụng suất mỏy hàn, chiều dày ống thành phẩm ta cú thể xỏc định được dải vận tốc hàn dựa vào đồ thị mối quan hệ giữa chiều dày và cụng suất mỏy với vận tốc hàn, sau đú xỏc định hệ số hiệu chỉnh dựa vào đồ thị giỏ trị hiệu chỉnh theo đường kớnh ống. Từ đú ta nhõn dải vận tốc vừa xỏc định được với giỏ trị hiệu chỉnh ta sẽ xỏc định được dải vận tốc hàn :

Luận văn thạc sỹ Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

Hỡnh 3.8- Mối quan hệ giữa vận tốc với chiều dày ống và cụng suất.

Luận văn thạc sỹ Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

Với cỏc số liệu:

a, Dõy truyền CD100: + Đường kớnh ống: ∅40 ữ∅113,5mm

+ Chiều dày: 1 ữ 3mm

+ Vật liệu: Thộp CT38

+ Thụng sốđiện: 200kW - 400kHz, hiệu suất η = 60%. * Với loại ống cú chiều dày 1mm, đường kớnh ∅40 ữ∅113,5mm: từđồ thị hỡnh 3.8 ta cú: + với chiều dày 1mm→ dải vận tốc hàn: 47 ữ 55m/phỳt; + với đường kớnh ∅40 ữ∅113,5mm→ dải vận tốc hàn: - với ống ∅42 mm, theo biểu đồ hỡnh 3.9 ta cú hệ số hiệu chỉnh k ≈ 0,85 → dải vận tốc hàn: 0,60x0,85x( 47 ữ 55)m/phỳt = (22,5 ữ 27)m/phỳt. - với ống ∅113,5mm, theo đồ thị hỡnh 4.8 ta cú hệ số hiệu chỉnh k ≈ 0,48 → dải vận tốc hàn: 0,60x0,48x(147 ữ 155)m/phỳt≈ (13,5 ữ 16)m/phỳt.

* Với loại ống cú chiều dày 3mm, đường kớnh ∅50 ữ∅113,5mm: từđồ thị hỡnh 3.8 ta cú: + với chiều dày 3mm→ dải vận tốc hàn: 24 ữ 42m/phỳt; + với đường kớnh ∅50 ữ∅113,5mm→ dải vận tốc hàn: - với ống ∅42mm, theo đồ thị hỡnh 3.9 ta cú hệ số hiệu chỉnh k ≈ 0,85 → dải vận tốc hàn: 0,60x0,85x( 24 ữ 42)m/phỳt≈ (12 ữ 21)m/phỳt. - với ống ∅113,5mm, theo đồ thị hỡnh 3.9 ta cú hệ số hiệu chỉnh k ≈ 0,48 → dải vận tốc hàn: 0,60x0,48x(124 ữ 142)m/phỳt≈ (12 ữ 16)m/phỳt.

Luận văn thạc sỹ Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Văn Nghệ

b, Dõy truyền CD50: + Đường kớnh ống: ∅21 ữ∅48mm

+ Chiều dày: 1 ữ 3mm

+ Vật liệu: Thộp CT38

+ Thụng sốđiện: 150kW - 400kHz, hiệu suất η = 60%. * Với loại ống cú chiều dày 1mm, đường kớnh ∅21 ữ∅48mm: từ đồ thị hỡnh 3.7 ta cú: + với chiều dày 1mm → dải vận tốc hàn: 31 ữ38m/phỳt; + với đường kớnh ∅21 ữ∅48mm→ dải vận tốc hàn: - với ống ∅21mm, theo biểu đồ hỡnh 3.9 ta cú hệ số hiệu chỉnh k ≈ 0,86 → dải vận tốc hàn: 0,60x0,86x(31 ữ 38)m/phỳt = (22 ữ 28)m/phỳt. - với ống ∅48mm, theo đồ thị hỡnh 3.9 ta cú hệ số hiệu chỉnh k ≈ 0,8 → dải vận tốc hàn: 0,60x0,8x(31 ữ 38)m/phỳt≈ (12 ữ 14)m/phỳt.

* Với loại ống cú chiều dày 3mm, đường kớnh ∅21 ữ ∅48mm: từ đồ thị hỡnh 3.8 ta cú: + với chiều dày 3mm→ dải vận tốc hàn: 56 ữ 68m/phỳt; + với đường kớnh ∅21 ữ∅48mm→ dải vận tốc hàn: