2.1.2.1. Sự tạo thành mối hàn và cỏc nhõn tốảnh hưởng đến sự tạo thành mối hàn
Khi hàn bằng điện cực núng chảy trong mụi trường khớ bảo vệ thỡ nhiệt lượng sinh ra của hồ quang được phõn bố theo bảng 2.2
Bảng 2.2. Sự phõn bố nhiệt khi hàn bằng điện cực núng chảy trong mụi trường khớ bảo vệ
20% mụi trường (+ 0,5% bắn túe) 26% giọt kim loại (- 0,5% bắn túe) 24% kim loại dõy hàn 30,5% kim loại cơ bản = 80% cụng suất nhiệt hiệu dụng của hồ quang = 100% cụng suất nhiệt của hồ quang Kim loại hỡnh thành mối hàn chủ yếu là do kim loại ở điện cực núng chảy dịch chuyển vào vũng hàn.
Việc hiểu qui luật dịch chuyển của kim loại điện cực qua hồ quang vào vũng hàn cú ý nghĩa thực tiễn lớn vỡ đặc trưng dịch chuyển kim loại quyết định cỏc đặc trưng cụng nghệ của hồ quang, như độ ổn định, cõn bằng nhiệt và cỏc phản ứng luyện kim trong vựng hàn. Những yếu tố đú quyết định kớch thước và hỡnh dạng mối hàn. Dịch chuyển của kim loại điện cực vào vũng hàn xảy ra dưới dạng cỏc giọt kim loại và hơi kim loại. Sự hỡnh thành cỏc giọt kim loại khi hàn chịu tỏc động của những lực: trọng lực, sức căng bề mặt, động năng của dũng khớ, lực điện từ, phản lực của hơi kim loại và ỏp lực phõn ly. Dạng dịch chuyển phụ thuộc vào mối tương quan giữa cỏc đại lượng đú và quyết định khả năng hàn ở cỏc tư thế khỏc nhau. Cỏc yếu tốđảm bảo cho sự dịch chuyển kim loại từ dõy hàn vào vũng hàn là:
a. Lực điện từ
Lực điện từ xuất hiện do cú từ trường xung quanh dõy dẫn khi dũng điện chạy qua dõy. Cỏc lực này cú tỏc dụng ộp lờn dõy dẫn, cũng như lờn giọt kim loại hỡnh thành
Luận văn Thạc sỹ Bộ mụn hàn & Cụng nghệ kim loại
đầu điện cực. Sự ộp này của từ trường tạo thành một cổ nối ở đầu điện cực và cú xu hướng bứt giọt kim loại khỏi điện cực để di chuyển vào vũng hàn. Cựng với sức căng bề mặt, lực điện từ tạo nờn thành phần lực hướng trục, quyết định sự tạo thành hỡnh dỏng giọt kim loại điện cực và dịch chuyển nú vào vũng hàn.
Khi mức độ nung chảy điện cực đủ lớn, giọt kim loại ở đầu điện cực đủ lớn
đạt tới thể tớch cho phộp cõn bằng trọng lượng với sức căng bề mặt của nú, khiến nú rời khỏi điện cực, đi vào vũng hàn.
b. Trọng lực của giọt kim loại
Trọng lực của giọt hướng nú theo chiều thẳng đứng xuống phớa dưới. Nú làm cho giọt kim loại dịch chuyển qua hồ quang khi hàn sấp, nhưng cản lại dịch chuyển của giọt khi hàn ở cỏc tư thế khỏc. Đối với đường kớnh dõy hàn cụ thể, trọng lực chỉ
cú ý nghĩa thực tế khi dũng hàn tương đối nhỏ. Dũng hàn tăng làm giảm vai trũ của trọng lực đối với sự hỡnh thành cỏc giọt kim loại lỏng, nhưng tỏc dụng của lực điện từ lại tăng. Vỡ vậy, theo mức độ tăng của dũng hàn kớch thước giọt kim loại giảm và
đặc trưng dịch chuyển kim loại chuyển từ giọt lớn sang giọt nhỏ và tia.
c. Ảnh hưởng của sức căng bề mặt
Sức căng bề mặt hỡnh thành do lực kộo giữa cỏc phõn tử. Nú cú xu hướng làm cho giọt kim loại núng chảy ở đầu điện cực cú dạng hỡnh cầu. Kớch thước của giọt càng lớn thỡ sức căng bề mặt của nú càng lớn. Giọt kim loại này khi đến vũng hàn sẽ
bị sức căng bề mặt của vũng hàn kộo vào. Sức căng bề mặt của cỏc kim loại khỏc nhau được thể hiện theo hệ số sức căng bề mặt σ như bảng 2.3:
Bảng 2.3. Hệ số sức căng bề mặt của cỏc kim loại khỏc nhau Kim loại Mg Al Zn Cu Fe Ti Mo W Thộp 0,02%N2 Thộp 0,23%N2 σ [N/m] 0,65 0,90 0,77 1,15 1,22 1,51 2,25 2,68 1,10 2,50
Luận văn Thạc sỹ Bộ mụn hàn & Cụng nghệ kim loại
Sức căng bề mặt giảm khi nhiệt độ tăng. Khi tỏc động với khớ, sức căng bề
mặt của kim loại cũng thay đổi. Nitơ làm tăng và Oxi làm giảm giỏ trị sức căng bề mặt. Cú thể giảm kớch thước cỏc giọt kim loại lỏng bằng cỏch đưa vào khụng gian hồ quang cỏc nguyờn tố cú tỏc dụng làm giảm sức căng bề mặt của kim loại. Sức căng bề mặt cũng giữ cho kim loại lỏng của vũng hàn khụng chảy ra ngoài khi hàn ở
cỏc tư thế khỏc nhau với hàn sấp.
d. Sự phõn bố khụng đều cường độđiện trường
Do mật độ dũng điện trong điện cực lớn hơn nhiều so với trong vật hàn, cường
độđiện trường tại vựng điện cực lớn hơn nhiều so với tại vựng vũng hàn. Do đú hỡnh thành một lực dọc hướng từ phớa cú cường độđiện trường cao đến phớa thấp. Lực này làm cho giọt kim loại dịch chuyển về phớa vật hàn.
e. Áp lực bờn trong và phản lực của khớ phõn li
Khi hàn trong mụi trường khớ bảo vệ, cỏc phản ứng phõn ly tạo thành khớ CO, N cú thể tớch lớn hơn nhiều so với thể tớch giọt kim loại núng chảy. Tỏc động tức thời này của khớ, kim loại núng chảy bị bứt khỏi điện cực, bị chia nhỏ thành cỏc giọt và di chuyển vào vũng hàn.
Chếđộ dịch chuyển kim loại vào vũng hàn được chia làm bốn loại: +. Dịch chuyển ngắn mạch:
Dịch chuyển ngắn mạch xảy ra ở chế độ hàn cú mức năng lượng thấp. Kim loại dịch chuyển hoàn toàn từ điện cực vào vũng hàn khi điện cực (dõy hàn) tiếp xỳc với bề mặt vũng hàn, tạo ra sự ngắn mạch tức thời (hỡnh 2.3 a và b). Sau đú mật
độ dũng điện hàn tăng làm cho hồ quang hỡnh thành. Chu kỳ này lặp lại với tần số 50 ữ 250Hz. Với chế độ dịch chuyển này, đặc tớnh của nguồn điện hàn sẽ điều chỉnh mối quan hệ giữa việc hỡnh thành giỏn đoạn hồ quang và sự ngắn mạch. Do năng lượng nhiệt thấp, chiều sõu chảy nhỏ, cần chỳ ý bảo đảm hàn đủ ngấu khi hàn cỏc tấm dày. Tuy nhiờn, với chếđộ dịch chuyển này, cú thể hàn ở mọi tư thế. Dạng dịch chuyển này đặc biệt thớch hợp cho hàn cỏc tấm mỏng. Khi chiều dày tấm vượt quỏ giỏ trị 3 mm. Cú thể xảy ra hiện tượng hàn khụng ngấu hết chiều dày tấm.
Luận văn Thạc sỹ Bộ mụn hàn & Cụng nghệ kim loại
Đặc điểm của dịch chuyển ngắn mạch là sự nung núng kim loại cơ bản mang tớnh tập trung, diện tớch bề mặt kim loại núng chảy tương đối nhỏ và kim loại vũng hàn chịu được tỏc động của cỏc xung lực của hồ quang nhờ cú sức căng bề mặt.
Trong dịch chuyển ngắn mạch, do cường độ dũng hàn và khoảng cỏch giữa
đầu điện cực và vật hàn đều khụng lớn nờn giọt kim loại khụng kịp lớn tới kớch thước đầy đủ và bị dớnh vào vũng hàn. Giọt kim loại tỏch hoàn toàn khỏi đầu điện cực nhờ vào lực điện từ tại phần tiết diện điện cực giữa pha lỏng và pha rắn. Dưới tỏc
động của hiệu ứng Pinch sẽ hỡnh thành "cổ nối" mà sau đú bị nổđứt ra khỏi đầu điện cực. Khi đú sẽ cú xung lực và xung nhiệt tỏc động lờn vũng hàn.
Tớnh ổn định của quỏ trỡnh tạo dỏng mối hàn phụ thuộc nhiều vào tần suất và cụng suất của cỏc xung nhiệt. Khi cỏc điều kiện khỏc khụng đổi, cụng suất này phụ thuộc vào đường kớnh dõy hàn, đặc tớnh tĩnh và đặc tớnh động của nguồn điện hàn.
Khi tăng đường kớnh điện cực, hồ quang sẽ trở nờn "cứng" hơn, tức là dịch chuyển kim loại gắn liền với cỏc xung lực và xung nhiệt lớn và bắn túe mạnh. Vỡ vậy mà khi hàn tấm mỏng ở chếđộ ngắn mạch, người ta thường dựng cỏc dõy hàn cú
đường kớnh nhỏ từ 0,5 ữ 1 ,2mm.
Luận văn Thạc sỹ Bộ mụn hàn & Cụng nghệ kim loại
+. Dịch chuyển giọt lớn
Đõy là trường hợp đặc trưng cho hàn trong CO2 và helium thuần tỳy. Kim loại dịch chuyển trong hồ quang dưới dạng cỏc giọt lớn, cú kớch thước khụng đều (lớn hơn đường kớnh điện cực 2 ữ 4 lần) và khụng theo một trật tự nào (hỡnh 2.4).
Điều này gõy nờn bắn túe đỏng kể. Trong trường hợp hàn trong mụi trường CO2, cú thể giảm thiểu bắn toộ khi hàn bằng kỹ thuật hồ quang nhỳng (cho đầu điện cực núng chảy nằm bờn dưới bề mặt kim loại núng chảy của vũng hàn, bờn trong một vết lừm do lực của hồ quang tạo nờn). Về bản chất, hồ quang của CO2 thường khụng ổn định và gõy tiếng kờu. So với dạng dịch chuyển tia dọc trục, bề mặt mối hàn thụ hơn và cú dạng gợn súng. Vỡ phần lớn năng lượng của hồ quang hướng xuống phớa dưới, chiều sõu chảy lớn hơn so với dạng dịch chuyển tia dọc trục. Khớ hàn bằng dũng điện lớn và sử dụng kỹ thuật hồ quang nhỳng, hồ quang cú độổn
định tương đối cao.
Dịch chuyển tia dọc trục và dịch chuyển giọt lớn thường đi liền với cụng suất cao của hồ quang (trừ trường hợp dịch chuyển tia dọc trục cú sử dụng đường kớnh dõy hàn rất nhỏ) và thường chỉ dựng cho hàn sấp và hàn ngang khi chiều dày tấm từ
3mm trở lờn.
Hỡnh 2.4. Sơđồ dịch chuyển giọt lớn
+. Dịch chuyển tia dọc trục:
Việc tăng cường độ dũng điện hàn sẽ làm tăng lực điện từ và làm giảm kớch thước giọt kim loại. Tại trị số nhất định của dũng điện hàn, gọi là dũng tới hạn, đặc trưng dịch chuyển của kim loại điện cực vào vũng hàn chuyển từ giọt sang tia (cũn gọi là dịch chuyển phun). Cơ chế dịch chuyển tia dọc trục cú thể được giải thớch như
Luận văn Thạc sỹ Bộ mụn hàn & Cụng nghệ kim loại
sau. Do hiệu ứng Pinch, trong kim loại núng chảy ở đầu điện cực hỡnh thành ỏp lực hướng tõm tăng dần từ ngoài vào trong. Ở trị số cường độ dũng lớn, kim loại núng chảy bị ộp vào vũng hồ quang, đồng thời bị kộo dài ra và cú dạng hỡnh cụn (hỡnh 2.5). Tiết diện ngang của cột kim loại lỏng này giảm dần tới giỏ trị khi mà ỏp lực do sức căng bề mặt tạo ra cõn bằng với ỏp lực thủy tĩnh do hiệu ứng Pinch tạo ra.Cựng với tỏc
động của lượng kim loại núng chảy tiếp tục hỡnh thành và tỏch khỏi đầu điện cực. Cường độ dũng tới hạn Ik (cũn gọi là dũng ngưỡng) được coi là trị số mà tại đú tỷ lệ đường kớnh tối thiểu của tia và đường kớnh của điện cực bằng giỏ trị 0,7 trờn cơ sở cõn bằng ỏp lực tại điểm A (hỡnh 2.5), cú thể bịểu diễn trị số của dũng tới hạn theo cụng thức: Ik =32,7 σ d , Trong đú σ là hệ số sức căng bề mặt của kim loại điện cực dyn/cm], và d là đường kớnh điện cực [cm].
Ngoài ra, khi dũng điện hàn đi qua tầm với điện cực, nhiệt sinh ra làm thay
đồi gradient nhiệt độ vũng núng chảy của điện cực. Vỡ vậy khi thay đổi tầm với điện cực, trị số dũng tới hạn cũng thay đổi, tuy khụng nhiều. Dịch chuyển tia dọc trục là trường hợp tiờu bịểu cho khớ bảo vệ giàu argon (tối thiểu 80% Ar). Với loại dịch chuyển này (hỡnh 2.5), kim loại điện cực đi vào vũng hàn dưới dạng cỏc giọt cú
đường kớnh nhỏ hơn hoặc bằng đường kớnh điện cực. Cỏc giọt nhỏ này đi thẳng theo hướng trục điện cực vào vũng hàn. Hồ quang rất ờm và ổn định. Độ bắn túe nhỏ và hệ số chảy cao. Năng lượng của hồ quang được phõn bố theo hỡnh nún. Chiều sõu chảy lớn hơn so với hàn hồ quang tay, nhưng nhỏ hơn so với loại dịch chuyển giọt lớn.
Hỡnh 2.5. Sơđồ hỡnh thành giọt kim loại ởđầu điện cực với dịch chuyển tia dọc trục
Luận văn Thạc sỹ Bộ mụn hàn & Cụng nghệ kim loại
+. Dịch chuyến dạng xung
Cú hai cơ chế dịch chuyển của loại điện cực vào vũng hàn dưới dạng xung là dịch chuyển dạng xung tia dọc trục và dịch chuyển dạng xung ngắn mạch. Dịch chuyển dạng xung tia dọc trục (gọi tắt là dịch chuyển dạng xung tia) là một dạng dịch chuyển cho phộp hàn ở mọi tư thế mà vẫn dựng năng lượng đường cao hơn so với dạng dịch chuyển ngắn mạch. Khi hàn, mạch điện hàn luụn ở chế độ cung cấp dũng cơ bản (khụng đủ để tạo nờn dịch chuyển kim loại, nhưng đủ duy trỡ hồ quang) và tại cỏc khoảng thời gian đều nhất định (vài mili giõy), nguồn điện hàn được thiết kếđặc biệt sẽ tạo xung bổ sung vào, để tạo dịch chuyển kim loại cú khống chế vào vũng hàn dưới dạng tia. Cỏc giọt kim loại dịch chuyển cũng nhỏ tương tự nhưở chếđộ dịch chuyển dạng tia. Lý tưởng nhất là mỗi xung tạo ra một giọt kim loại. Quỏ trỡnh này cú
ưu điểm của dịch chuyển dạng tia, nhưng vũng hàn khụng hoàn toàn cú tớnh chảy loóng cao, tạo điều kiện khống chế vũng hàn khi hàn cỏc vật dày.
Dịch chuyển dạng xung cải thiện việc khống chế và hỡnh thành vũng hàn, giảm tiờu thụ năng lượng và tăng tốc độ hàn. Khi hàn xung, người ta thường sử dụng cỏc tần số 25; 33,3; 50 và 100 Hz. Tỷ lệ dũng xung với dũng cơ bản là 3:1 với tần số 50 Hz. Khớ bảo vệ thường là hỗn hợp Ar với 10% CO2. Hàn xung thớch hợp cho hàn cỏc kết cấu tấm mỏng ở mọi tư thế hàn khỏc nhau, hoặc cỏc kim loại cú tớnh dẫn nhiệt cao.
Sau đõy là một sốưu điểm của hàn xung: - Cú thể hàn ở mọi tư thế khi hàn bằng xung tia,
- So với hàn bằng dạng dịch chuyển ngắn mạch, tốc độ hàn tăng hơn 35%. - Cú thể tinh chỉnh dạng súng của hồ quang,
- Lượng bắn túe giảm đỏng kể so với hàn ở chếđộ ngắn mạch,
- Biến dạng được giảm thiểu sovới hànở chế độ dịch chuyển tia khụng cú xung.
- Hỡnh dạng mối hàn tốt hơn so với khi khụng dựng xung, - Khi đặt đỳng chếđộ, ớt cú khúi hàn.
Luận văn Thạc sỹ Bộ mụn hàn & Cụng nghệ kim loại
xung dạng ngắn mạch (hồ quang ngắn), xem hỡnh 2.6.
Hỡnh 2.6. Sơđồ dịch chuyển xung tia và xung ngắn mạch
Khi hàn bằng xung, khả năng điều chỉnh dạng súng hồ quang cho phộp thợ hàn cải thiện hệ số ngấu (tỷ lệ giữa chiều rộng và chiều sõu ngấu) của mối hàn. Vớ dụ, cú thể dựng hàn xung tia để hàn cỏc đường hàn điền đầy (hoặc cả đường hàn chõn) khi hàn ống vỡ chế độ hàn xung này cho phộp đạt được chiều sõu ngấu cần thiết. Cũng cú thể hàn ở chế độ xung khi hàn đắp (niken hoặc hợp kim niken) do cú thể tạo ra cỏc đường hàn rộng, phẳng, cú mức độ pha trộn tối thiểu với kim loại cơ bản.
So với dạng dịch chuyển tia thụng thường, dịch chuyển theo chếđộ xung cho phộp giảm cường độ dũng điện hàn từ 20 ữ 80 A, do đú cú ớt biến dạng hơn và vũng
ảnh hưởng nhiệt nhỏ hơn. Như vậy, ta cú thể dựng chế độ này để đạt được dịch chuyển dạng tia dọc trục ở cường độ dũng điện hàn trung bỡnh cú trị số thấp hơn là giỏ trị dũng tới hạn (dũng ngưỡng) của cỡ dõy hàn đú, xem hỡnh 2.7.
Luận văn Thạc sỹ Bộ mụn hàn & Cụng nghệ kim loại
Về thực chất dịch chuyển kim loại được điều khiển bằng tần số xung và chiều cao xung (cường độ dũng xung). Đú là sự dịch chuyển tia dọc trục giỏn đoạn (khụng liờn tục) hay cũn cú thể gọi là dịch chuyển tia dọc trục cú điều khiển.
Dũng điện trung bỡnh cũng như cụng suất nhiệt thấp ở chế độ dịch chuyển này cho phộp tận dụng ưu thế của chế độ hàn tia dọc trục thụng thường xuống tận dải chiều dày nhỏ cỡ 0,8mm đối với nhụm. So với chế độ dịch chuyển tia dọc trục, nú cũn cú ưu thế nữa là cho phộp sử dụng cỏc dõy hàn cú đường kớnh lớn hơn (loại dõy này rẻ tiền hơn là dõy đường kớnh nhỏ) cộng với khả năng cấp dõy tốt hơn, cú ớt vấn đề hơn về mặt dũng chuyển tiếp ởống tiếp xỳc, và ớt nhạy cảm hơn với rỗ khớ