Để cĩ đươc mối hàn đạt chất lượng cao ta cần phải tính tốn được chế độ hàn phù hợp với vật liệu và vị trí hàn trong khơng gian, để nhập thơng số chính xác lên bảng điều khiển. Do vậy trước khi thực hiện các mối hàn ta cần phải tính các thơng số chế độ hàn.
* Chế độ hàn giáp mối hàn một lớp
Trước hết ta nghiên cứu cách xác định chế độ hàn đối với hàn giáp mối một lớp, hàn chỉ một phía, khơng vát mép.
Khi các định chế độ hàn để hàn mối hàn này, cĩ thể tiến hành theo trình tự sau đây:
+ Xác định chiều sâu chảy
Chiều sâu chảy khi hàn phía thứ nhất được tính theo cơng thức:
( )( ) (2-1)
Trong đĩ: h1 – Chiều sâu chảy ở phía thứ nhất (mm). S – Chiều dày của chi tiết (mm).
+ Cường độ dịng điện
Cường độ dịng điện hàn được tính theo cơng thức:
Ih = (80÷100).h1 (2-2)
+ Đường kính dây hàn.
Đường kính dây hàn cĩ thể tính theo cơng thức:
√ (2-3)
Trong đĩ: Ih – Cường độ dịng điện hàn (A).
j – Mật độ dịng điện trong dây hàn (A/mm2)
Bảng 2-4: Mật độ dịng điện
d (mm) 2 3 4 5 6
j (A/mm2) 65-200 45-90 35-60 30-50 25-345
Ngồi ra cung cấp giải tốc độ cấp dây và cường độ dịng điện hàn khi hàn trong mơi trường CO2.
Bảng 2-5:Tốc độ cấp dây, cường độ dịng điện hàn khi hàn trong mơi trường CO2
Φ Dịch chuyển tia (30÷45 V) Dịch chuyển ngắn mạch (16÷22 V) 0,08 mm 5,0÷15m/min (150÷250A) 2,5÷7,5m/min (60÷160A)
1,2 mm 5,0÷15m/min (200÷350A) 2,0÷3,8m/min (100÷175A)
1,6 mm 5,0÷8,8m/min (150÷250A) 1,5÷2,0m/min (120÷180A)
2,4 mm 5,0÷7,5m/min (150÷250A) 1,25÷1,6m/min (150÷200A)
Đây là hai đại lượng liên quan trực tiếp với nhau, khi sử dụng các máy hàn cĩ đặc tuyến thoải và tốc độ cấp dây khơng đổi, tại tầm với điện cực nhất định đạt được tốc độ đắp đ xác định trước đĩ. Trên thực tế, người ta khơng sử dụng cường độ dịng điện hàn mà sử dụng tốc độ cấp dây để đặt, duy trì và đo tốc độ đắp ( vì như vậy chính xác hơn so với sử dụng cường độ dịng điện hàn). Tốc độ cấp dây cũng cĩ thể được tính theo cơng thức:
(2-4)
Trong đĩ: a – Hệ số đắp của dây (g/Ah).
g – Khối lượng 1 mét dây hàn (g/m).
Dịng điện hàn trong giải thích hợp được ch n theo đường kính dây hàn , dạng dịch chuyển kim loại và chiều dày kim loại cơ bản (như bảng trên), dịng điện quá thấp sẽ dẫn tới hàn khơng ngấu, dịng điện quá cao sẽ gây nên bắn tĩe, rỗ khí, hình dạng mối hàn kém. Với nguồn hàn cĩ đặc tính thoải, cường độ dịng điện hàn tỉ lệ thuận với tốc độ cấp dây (như cơng thức 2-4) khi tốc độ cấp dây cho trước và các thơng số khác giữ nguyên. Với đường kính dây hàn cho trước, khi tăng cường độ
dịng điện hàn trong dải cho phép, chiều sâu chảy và chiều rộng mối hàn tăng, tốc độ chảy tăng, kích thước mối hàn tăng.
+Tốc độ hàn
Để giữ cho hình dạng hình h c của vũng hàn luơn luơn khơng thay đổi trong quá trình hàn, tạo điều kiện cho sự kết tinh của kim loại l ng tốt nhất, cần phải bảo đảm hệ số hình dạng vùng hàn φ, hằng số này được xác định theo cơng thức:
√ (2-5) Trong đĩ: M – Hằng số.
q – Cơng suất hữu ích của hồ quang.
Vh – Vận tốc hàn.
Vì cơng suất hữu ích của hồ quang (q) phụ thuộc chủ yếu vào cường độ dịng điện hàn Ih, nên muốn giữ hình dạng hình h c của vùng hàn luơn luơn khơng đổi thì tích giữa cường độ dịng điện hàn và vận tốc hàn phải luơn nằm trong một giới hạn xác định. Tức là tích Ih.vh = N = const. Do đĩ:
Vh = N/Ih (m/h) (2-6)
Thực nghiệm đ chứng t rằng, để nhận được mối hàn cĩ hình dạng yêu cầu và cĩ chất lượng tốt.
Bảng 2-6: Trị số N theo đường kính dây
Đường kính dây hàn d(mm) 1,2 1,6 2 N(A.m/h) (2-5)103 (5-8)103 (8-12)103 Đường kính dây hàn d(mm) 3 4 5 6 N(A.m/h) (12-16)103 (16-20)103 (20-25)103 (25-30)103
+ Điện áp hàn
Trong thực tế, khi ch n giá trị điện áp hàn, cần ch n theo chỉ dẫn của nhà chế tạo thiết bị hàn, sau đĩ điều chỉnh thêm cho chính xác vì các giá trị hướng dẫn đĩ chỉ mang tính định tính. Việc ch n điện áp quá lớn sẽ làm tăng xác suất cháy các nguyên tố hợp kim, rỗ khí và bắn tĩe. Ngồi ra, làm tăng kích thước vũng hàn cũng làm tăng khả năng hàn ở các tư thế hàn trở nên khĩ khăn hơn. Ch n điện áp quá thấp lại làm cho hồ quang kém ổn định, mối hàn hẹp và lồi quá, dẫn đến hàn khơng ngấu các cạnh hàn.
Theo đường kính dây hàn và cường độ dịng điện hàn đ xác định ta cĩ thể tính điện áp hàn như sau:
(2-7)
Trong đĩ: Uh – Điện áp hạn (V)
d – Đường kính dây hàn (mm)
Ih – Cường độ dịng điện hàn (A)
Ngồi ra, để cĩ giá trị chính xác của điện áp khi hàn cụ thể, cần hàn thử vì khơng cĩ giá trị cụ thể nào thích hợp với m i ứng dụng hàn.
+ Tính năng lượng đường
Năng lượng đường là một thơng số quan tr ng của chế độ hàn, vì nĩ cho phép ta đánh giá được hiệu quả nung nĩng của nguồn nhiệt hàn đối với kim loại cơ bản và kim loại đắp tốt hay xấu, mức độ biến dạng của liên kết (hay kết cấu) hàn lớn hay nh , đồng thời nĩ cịn là đại lượng cần thiết để tính tốn các kích thước cơ bản của mối hàn.
Năng lượng đường được tính như sau:
Trong đĩ: qd– Năng lượng đường (j/cm).
vh – Vận tốc hàn (cm/s).
Uh – Điện áp hàn (V).
Ih – Cường độ dịng điện hàn (A).
η – Hệ số hữu ích của hồ quang hàn (hàn MAG η = 0,75).
Kích thước mối hàn phải đảm bảo hai hệ số: Hệ số ngấu “ψn” và hệ số hình dạng mối hàn “ψn-h” cho phép (ψn =0,8 ÷ 4 và ψn-h =7 ÷10).
Hai hệ số trên được tính theo các cơng thức dưới:
Hệ số ngấu: ψn =b’/h. (2-9)
Hệ số hình dạng mối hàn: ψn-h = b’/c’. (2-10)
Trong đĩ: b’, c’ và h – chiều rộng, chiều cao và chiều sâu chảy của mối hàn. Ta cĩ thể tính tốn điều kiện nguội vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn thép, để kiểm tra các thơng số chế độ hàn cĩ bảo đảm hay khơng (phương pháp tính của Viện hàn Quốc tế).
Theo hình 1-1 [9], Ta nhận thấy, với đa số loại quá trình hàn, nhiệt độ tăng theo quan hệ gần như tuyến tính với thời gian, trong khi đĩ sự giảm nhiệt độ theo thời gian lại cĩ đặc trưng hàm mũ. Với hầu hết quá trình hàn hồ quang, tốc độ nung vào khoảng 50÷4000C/s (cĩ thể đạt tới 10000C/s khi hàn laze). Tốc độ nung cao cĩ tác dụng đẩy các nhiệt độ Ac1 va Ac3 lên cao. Với hầu hết các thép kết cấu dùng trong chế tạo kết cấu hàn, quá trình phân hủy austenit xảy ra dưới nhiệt độ Ac1. Đặc biệt, trong d y nhiệt độ chuyển biến 800 ÷ 5000C của austenit rất dễhình thành các tổ chức kim loại cĩ độ cứng cao và nhảy cảm với nứt. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đ đề nghị sử dụng thơng số thời gian nguội (tính bằng giây) trong khoảng nhiệt độ đĩ, g i là Δt8/5 (hoặc Δt(800-5000C), t8-5, t800-500) làm đặc trưng của quy trình nguội ( trong khoảng nhiệt độ này, đường cong nguội thường khơng tuyến tính). Đối với
liên kết hàn thép tấm kết cấu, giá trị tiêu biểu của thời gian nguội như sau (trường hợp khơng nung nĩng sơ bộ khi hàn):
Hồ quang tay: Δt8/5 = 1 ÷ 10s
Hàn trong khí bảo vệ: Δt8/5 = 2 ÷ 50s Hàn dưới lớp thuốc: Δt8/5 = 10 ÷ 100s
Hàn điện xỉ: Δt8/5 = 60 ÷ 1000s
Phương pháp tính của Việt hàn Quốc tế được tình tốn theo hai thơng số chính là thời gian nguội Δt8/5 và tốc độ nguội w300 tại 3000C.
Thời gian nguội được tính theo sơ đồ nguồn nhiệt điểm hoặc sơ đồ nguồn nhiệt đường, cĩ sử dụng hệ số hình dạng liên kết, điều kiện sử dụng. Hai sơ đồ đĩ được xác định thơng qua chiều dài giới hạn hp và chiều dày này phụ thuộc vào năng lượng đường và nhiệt độ nung nĩng sơ bộ.
- Thời gian nguội (s), theo sơ đồ nguội nhiệt điểm:
* +(2-11) - Thời gian nguội (s), theo sơ đồ nguồn nhiệt đường:
( ) [(
) (
) ](2-12) Chiều dày giới hạn (cm):
√
( )(2-13) Với : h – Chiều cao tấm cân hàn [cm]. => h = s
T0 – Nhiệt độ ban đầu của tấm [0C] => T0=200C
pc - nhiệt dung khối của thép [cal/cm3.0C] => pc = 1,25 cal/cm3.0C
qd - Năng lượng đường [J/cm]
p – Khối lượng riêng của kim loại đắp [g/cm3] => p=7,85g/cm3
λ – Hệ số dẫn nhiệt của thép [cal/cm.s. 0C] => λ =0,09 cal/cm.s. 0 C
Nếu:
h=s>hp thì sử dụng sơ đồ nguồn nhiệt điểm cho truyền nhiệt 3 chiều.
h=s<hp thì sử dụng sơ đồ nguồn nhiệt đường cho truyền nhiệt 2 chiều.
Cũng cĩ thể tính thời gian nguội theo cả 2 sơ đồ đối với một chiều dày cụ thể. Chỉ cĩ giá trị tính tốn lớn hơn là cĩ ý nghĩa thực sự, tức là nếu phương trình tình theo nguồn nhiệt điểm cĩ giá trị lớn hơn so với giá trị tính tốn theo sơ đồ nguồn nhiệt đường, trong thực tế đây sẽ là trường hợp truyền nhiệt 3 chiều. Nếu kết quả ngược lại, đĩ sẽ là trường hợp truyền nhiệt 2 chiều.
Đối với những mối hàn giáp mối cĩ vát mép, trình tự tính tốn cũng được tiến hành như trên.
* Chế độ hàn giáp mối hàn nhiều lớp
Khi xác định chế độ hàn giáp mối hàn nhiều lớp, cĩ thể chia làm 3 bước như sau: Bước thứ nhất xác định chế độ hàn lớp đầu tiên, bước thứ hai xác định chế độ hàn các lới tiếp theo, và bước thứ ba xác định chế độ hàn lớp trên cùng.
+ Tính tốn chế độ hàn lớp đầu tiên
Việc tính tốn các thơng số chế độ hàn của lớp đầu tiên cũng được tính tồn theo trình tự như đối với hàn giáp mối hàn 1 lớp như trên. Khi các thơng số hàn được th a m n các điều kiện (các hệ số, thời gian nguội, …) ta tính diện tich ngang của lớp đắp đầu tiên theo cơng thức:
(2-14)
ad – Hệ số đắp (g/Ah) Ih – Cường độ dịng điện hàn (A)
vh – Vận tốc hàn (m/h)
p – Khối lượng riêng của kim loại đắp (g/cm3)
+Tính tốn chế độ hàn cho các lớp tiếp theo
Việc tính tốn các thơng số chế độ hàn của lớp tiếp theo cũng được tính tốn theo trình tự như đối với hàn giáp mối hàn 1 lớp như trên.
Khi các thơng số hàn đ thõa m n các điều kiện (các hệ số, thời gian nguội,…) ta tính diện tích ngang của các lớp đắp này theo ( 2-14).
Giả sử các lớp đắp tiếp theo cĩ cùng diện tích đắp, khi đĩ ta tính được số lớp cần hàn theo cơng thức:
(2-15) Trong đĩ: Fh – Diện tích đắp tồn bộ kim loại mối hàn (mm2)
Fh1 – Diện tích đắp của lớp hàn đầu tiên (mm2)
Fh2 - Diện tích đắp của các lớp hàn tiếp theo (mm2)
Sau khi tính được n, ta ch n số lớp cần thiết để hàn là k.
* Tính tốn chế độ hàn cho lớp hàn trên cùng
Sau khi đ ch n được số lớp hàn, ta cần tiến hành tính tốn chế độ hàn cho lớp trên cùng, sao cho đảm bảo diện tích đắp đ ng với yêu cầu của mối hàn cần hàn. Diện tích lớp đắp trên cùng khi đĩ được tính theo cơng thức:
Fh-t = Fh – [Fh1 + (k-2).Fh2] (2-16)
Fh1 – Diện tích đắp của lớp hàn đầu tiên (mm2)
Fh2 - Diện tích đắp của các lớp hàn tiếp theo (mm2)
Fh-t – Diện tích đắp của lớp trên cùng (mm2)
K – Số lớp cần hàn
Khi đ tính được diện tích đắp của lớp trên cùng, ta cần tính tốn các thơng số của chế độ hàn như sau:
- Ch n sơ bộ cường độ dịng điện hàn ch lớp trên cùng;
- Điện áp hàn, như cơng thức (2-7);
- Vận tốc hàn, từ cơng thức (2-14), ta suy ra được cơng thức tính vận tốc hàn lớp trên cùng là:
(2-17)
Sau khi đ được các thơng số chế độ hàn của lớp hàn trên cùng, ta cũng tiến hành kiểm tra các hệ số, thời gian nguội như trên.
+ Diện tích đắp của mối hàn giáp mối với chiều dày bất kỳ
Diện tích đắp của mối hàn giáp mối với chiều dày S bất kỳ được xác định theo cơng thức:
Fh = s.a +s2tg + 0,75.b.c (2.18)
Trong đĩ: s –chiều dày vật hàn [mm]
a – Khe hở hàn [mm]
α – Gĩc vát mép [ 0 ] b – Bề rộng mối hàn [mm]
* Tính tốn xác định chế độ hàn giáp mối với chiều dày 12mm.
Trong nghành đĩng tàu vật liệu chế tạo võ tàu cĩ chiều dày bao nhiêu là phụ thuộc vào bản thiết kế đĩng tàu . Vật liệu chế tạo võ tàu thường cĩ chiều dày từ 5mm đến 24mm. ở luân văn này tơi chỉ tính tốn cho vật liệu cĩ chiều dày 12mm và vật liệu hàn sử dụng dây hàn gồm 2 loại: Dây hàn l i bột và dây hàn l i đặc.
Theo AWS D1.1-2004 và sổ tay Hàn [9] ta chuẩn bị phơi với dạng vát mép như hình dưới:
Hình 2-3: Mối hàn 1G trên chiều dày vât hàn 12mm
Với các thơng số vát mép như hình trên ta tính được Fh = 120 [mm2].
Ch n đường kính dây hàn d = 1,2mm, phương pháp hàn MAG trong mơi trường khí bảo vệ CO2.
Hệ số đắp của day hàn lõi đặc là αd = 16,2 (g/Ah) Hệ số đắp của day hàn lõi bột là αd = 23 (g/Ah)
* Tính tốn chế độ hàn khi hàn dây lõi bột
+Chế độ hàn cho lớp hàn đầu tiên với cường độ dịng hàn Ih1:
Ch n cường độ dịng hàn: Ih1 = 210 (A).
- Điện áp của dịng hàn được tính theo cơng thức (2.7) =>Uh1 = 30 (V)
- Tính vận tốc hàn theo (2-6):
vh1 = 9,5…23,8 (m/h) = 15,8…39,7 (cm/phút) Ch n vh1 = 26 (cm/phút) =15,6 (m/h)
- Năng lượng đường hàn (4.8): =>qd1 = 2617(J/cm)
- Chiều dày giới hạn(2.13): hp1 = 1,78 (cm) > s =1,2(cm)
Ta sử dụng cơng thức (2.12) =>Δt8/5 =16,3 (s)
Vậy chế độ hàn thỏa mãn thời gian nguội của mối hàn
Tiết diện ngang lớp đắp đầu tiên:
Thay các thơng số vào ta được Fh1=39 (mm2)
+ Chế độ hàn cho lớp hàn tiếp theo với cường độ dịng hàn Ih2:
Giả sử các lớp tiếp theo cĩ cùng tiết diện ngang đắp.
Ch n cường độ dịng hàn: Ih2 = 230 (A)
- Điện áp của dịng hàn (2.7):Uh2 = 30,5
- Tính vận tốc hàn theo cơng thức (4.6):
vh2 =8,7…21,7(m/h) = 14,2…36,2 (cm/ph t)
Ch n vh2 = 28(cm/phút) = 16,8(m/h)
- Năng lượng đường hàn (2.8): => qd2 = 2706 (J/cm).
- Chiều dày giới hạn:
Theo cơng thức (2-13) ta tính được: hp2 = 1,81 (cm) > s=1,2 (cm)
Sử dụng cơng thức (2-12) => Δt8/5 = 17,5 (s)
+Vậy chế độ hàn thỏa mãn thời gian nguội của mối hàn
Tiết diện ngang lớp đắp tiếp theo (2-14):Fh2 = 40 (mm2)
Khi đĩ số lớp cần hàn sẽ là:
Ch n số lớp hàn n=3 (lớp)
Khi đĩ tiết diện lớp trên cùng sẽ là:
Fh-t = 120 – (39 +40) = 41 (mm2)
+ Tính tốn chế độ hàn lớp trên cùng
Ch n cường độ dịng điện hàn lớp trên cùng là Ih-t = 220 (A)
- Điện áp hàn được tính theo cơng thức (4-7): Uh-t =30 (V)
- Vận tốc hàn theo cơng thức (2-14) =>vh-t = 15,7 (m/h) =26,2 (cm/phút)
- Năng lượng đường hàn: qh-t = 2724 (J/cm)
- Chiều dày giới hạn:
Theo cơng thức (2-13) ta tính được: hp-t = 1,82 (cm) > s = 1,2 (cm)
- Khi đĩ tốc độ nguội được tính theo cơng thức (2-12) => Δt8/5 = 25,5 (s)
Vậy chế độ hàn thỏa mãn thời gian nguội của mối hàn
Bảng 2-7: Thơng số hàn cho tư thế 1G, chiều dày 12mm dây lõi bột
Lớp thứ Đường kính dây hàn(mm) Cường độ dịng hàn(A) Điện áp hàn(V) Tốc độ hàn(cm/phút) Dịng khí(l/phút) 1 1,2 210 30 26 10 2 1,2 230 30,5 28 10 3 1,2 220 30 26,2 10
* Tính tốn chế độ hàn khi hàn dây lõi đặc
Thơng số vát mép như tư thế 1G của hàn dây lõi bột, khi đĩ: Fh = 120(mm2)
+ Chế độ hàn cho lớp hàn đầu tiên với cường độ dịng hàn Ih1
Ch n cường độ dịng hàn: Ih1 = 180 (A)
- Điện áp của dịng hàn theo (2-7): Uh1 = 28(V) - Tính vận tĩc hàn theo (2-6):
Vh1 = 11,1...27,8 (m/h) = 18,5...46,3 (cm/phút)
Ch n vh1 = 26 (cm/phút) = 15,6 (m/h)
- Năng lượng đường hàn (2-8): qd1 = 2094(J/cm) - Chiều dài giới hạn được tính theo cơng thức (4-13)
hp1 = 1,56 (cm) > s=1,2 (cm)
Sử dụng cơng thức (4-12) ∆t8,5 = 10,4(s)
Vậy chế độ hàn thỏa mãn thời gian nguội của mối hàn
Tiết diện ngang lớp đắp đầu tiên: