Về thực chất hàn là phương pháp cơng nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử thành ṃt liên kết vững khơng tháo rời. Việc nối này được thực hiện bằng nguồn nhiệt (hoặc nhiệt và áp lực) để nung nĩng chỗ nối đến trạng thái hàn (trạng thái lỏng hoặc dẻo). Sau đĩ kim loại kết tinh (ứng với trạng thái lỏng) hoặc dùng áp lực ép (ứng với trạng thái dẻo) để các phần tử liên kết với nhau cho ta mối hàn.
Cơng nghê ̣ han co những ưu điểm sau:
- Tiết kiệm kim loại: Với cùng loại kết cấu kim loại, nếu so sánh với các phương pháp ghép nối khác, hàn tiết kiệm 10 ÷ β0% khối lượng kim loại.
- Cĩ thể hàn các kim loại khác nhau để tiết kiệmkim loại quí hoặc tạo các kết cấu đặc biệt.
- Mối hàn cĩ đ̣ bền cao và bảo đảm đ̣ kín khít. Thơng thường mối hàn kim loại được hợp kim hĩa tốt hơn kim loại vật hàn.
- Hàn cĩ năng suất cao, vì cĩ thể giảm được số lượng nguyên cơng, giảm cường đ̣ lao đ̣ng, ngồi ra cơng nghệ hàn cịn dễ tự đ̣ng hĩa, cơ khí hĩa. Tuy nhiên hàn cịn cĩ nhược điểm. Do nguồn nhiệt nung nĩng cục ḅ, dễ tạo
ứng suất dư lớn. Tổ chức kim loại vùng gần mối hàn bị thay đổi theo chiều hướng xấu đi làm giảm khả năng chịu tải trọng đ̣ng của mối hàn; mặt khác cũng dễ gây biến dạng các kết cấu hàn. Trong mối hàn cũng dễ bị khuyết tật rỗ khí, nứt, ngậm xỉ,…
2.1.2. Phân loại hàn
Ngày nay hàn đã cĩ hàng trăm phương pháp khác nhau. Theo trạng thái hàn cĩ thể chia làm 2 nhĩm:
Trang 9
H̀nh 2.1: Phân loại hàn
1. Hàn laser 2. Hàn hồ quang plasma 3. Hàn chùm tia điện tử 4.Hàn hồquang điện
5. Hàn điện xỉ 6. Hàn khí
7. Hàn nhiệt nhơm 8. Hàn hồ quang tay 9. Hàn tựđộng và bán tựđộng dưới lớp
thuốc
10. Hàn hồ quang trong mơi trường khí bảo vệ;
11. Hàn hồ quang tay điện cực nĩng chảy
12. Hàn hồquang tay điện cực khơng nĩng chảy;
13. Hàn trong mơi trường khí argon 14. Hàn trong mơi trường khí hêli 15. Hàn trong mơi trường khí nitơ 16. Hàn trong mơi trường khí CO2
17. Hàn siêu âm 18. Hàn nổ
19. Hàn nguội 20. Hàn điện tiếp xúc
21. Hàn ma sát 22. Hàn khuếch tán trong chân khơng
23. Hàn cao tần 24. Hàn rèn
25. Hàn giáp mối 26. Hàn điểm
27. Hàn đường 28. Hàn bằng điện cực giả
29. Hàn điểm bằng tụ
Trong ngành cơng nghiệp đĩng tàu chỉ sử dụng phương pháp hàn nĩng chảy.
Đối với phương pháp hàn nĩng chảy yêu cầu nguồn nhiệt cĩ cơng suất đủ lớn (ngọn lửa oxy – axetylen, hồquang điện, ngọn lửa plasma, …) đảm bảo nung nĩng
Trang 10
cục ḅ phần kim loại ở mép hàn của vật liệu cơ bản và que hàn (vật kiệu hàn) tới nhiệt đ̣ chảy.
Khi hàn nĩng chảy, các khí xung quanh nguồn nhiệt cĩ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình luyện kim và hình thành mối hàn. Do đĩ để điều chỉnh quá trình hàn theo chiều hướng tốt thì phải dùng các biện pháp cơng nghệ nhất định: dùng thuốc bảo vệ, khí bảo vệ, hàn trong chân khơng,…
Trong nhĩm hàn này, ta thường gặp các phương pháp hàn khí, hàn hồ quang tay, hàn tựđ̣ng và bán tựđ̣ng dưới lớp thuốc, hàn hồquang trong mơi trường khí bảo vệ, hàn điện xỉ, hàn plasma,…
2.1.3. Ḷch s̉ phát tri n của lĩnh vực han điê ̣n
Hàn điện được kỹ sư người Nga Bernardo phát minh từ những năm 1886. Buổi ban đầu dùng que thép nối vào cực âm, cịn vật hàn nối cực dương của nguồn điện
(H.1) Năng lượng hồ quang làm nĩng chảy que thép và nĩng chảy vật hàn bằng thép,
sau khi kết tinh tạo thành mối hàn. Do khơng cĩ vật chất bảo vệ quá trình luyện kim mối hàn (QTLKMH) nên kim loại mối hàn (KLMH) bị oxy hĩa, vì vậy chất lượng liên kết hàn (LKH) rất kém. Để tạo được vùng vật chất bảo vệ mối hàn các nhà khoa học đã phát minh ra thuốc hàn bao bọc que hàn. Từ đấy ra đời cụm từ: “Que hàn bọc thuốc”.
Trang 11
Vai trị cơ bản của thuốc bọc là tạo được lớp vật chất bảo vệ QTLKMH. Dưới tác dụng của nhiệt hồ quang hàn, lớp thuốc cháy tạo khí CO2 và các ion kim loại. Chính khí CO2 ngăn oxy và các tạp khí khác ngồi mơi trường xung quanh xâm nhập vào vùng hàn. Ngày nay đã cĩ nhiều phương pháp hàn điện được áp dụng vào sản xuất cơng nghiệp, cho phép tạo được chất lượng cao hơn và tăng năng suất lao
đ̣ng của quá trình hàn. Trong đĩ CNH CO2 là ṃt trong những PP CNH cĩ tốc đ̣
phát triển mạnh nhất và cĩ phạm vi ứng dụng ṛng rãi nhất.
2.1.4. S h̀nh thành mối hàn trong khơng gian 2.1.4.1. S hình thành mối hàn
2.1.4.1.1. Khái niệm v liên k t hàn, mối hàn
Mối nối được thực hiện bằng phương pháp hàn gọi là liên kết hàn. Liên kết hàn là mối nối liền khơng tháo được.
Vị trí nối các chi tiết rời để tạo liên kết hàn gọi là mối hàn
Hình 2.3: Mối nối hàn Trong hàn nĩng chảy mối nối hàn gồm:
+ Mối hàn:
Mối hàn gồm: kim loại cơ bản và kim loại điện cực (que hàn) sau khi nĩng chảy kết tinh tạo thành
+ Vùng tiệm cận mối hàn
Vùng kim loại cơ bản được nung nĩng từ nhiệt đ̣ 1000C đến nhiệt đ̣ gần nhiệt đ̣ nĩng chảy.
+ Kim loại cơ bản
Trang 12
2.1.4.1.2. S tạo thành b hàn
Khi hàn nĩng chảy, dưới tác dụng của nguồn nhiệt làm cạnh hàn và kim loại phụ nĩng chảy tạo nên bể kim loại lỏng. Bể kim loại đĩ gọi là bểhàn hay vũng hàn.
Trong quá trình hàn, nguồn nhiệt dịch chuyển theo bể hàn, đồng thời bể hàn
cũng dịch chuyển theo. Bểhàn được chia làm hai phần: phần đầu và phần đuơi.
Hình 2.4: Bể hàn + Phần đầu bể hàn
phần này xảy ra quá trình nĩng chảy của kim loại cơ bản và kim loại điện cực. Theo sự dịch chuyển của nguồn nhiệt, tất cả các kim loại ở phía trước bị nĩng chảy.
+ Phần đuơi bể hàn
phần này xảy ra quá trình kết tinh của kim loại lỏng trong bểhàn để tạo nên mối hàn.Trong quá trình hàn, kim loại lỏng trong bể hàn luơn chuyển đ̣ng và xáo tṛn khơng ngừng. Sự chuyển đ̣ng của kim loại lỏng trong bể hàn là do tác dụng của áp lực dịng khí lên bề mặt kim loại lỏng và do tác dụng của lực điện từ, làm cho kim loại lỏng trong bể hàn bị đẩy về phía ngược với hướng chuyển dịch của nguồn nhiệt và tạo nên chỗ lõm trong bể hàn.
Hình dạng và kích thước của bể hàn phụ thục vào:
Cơng suất của nguồn nhiệt Chế đ̣ hàn
Trang 13
Hình dạng của bểhàn được đặc trưng bởi các đại lượng: b- chiều ṛng bể hàn
h- Chiều sâu nĩng chảy l- Chiều dài bể hàn
Tỷ số giữa chiều ṛng và chiều dài bể hàn gọi là hệ số hình dạng của bể hàn: = b/ l
Hệ số hình dạng của bể hàn cĩ ảnh hưởng lớn đến quá trình kết tinh, do đĩ ảnh
hưởng đến chất lượng mối hàn. Nếu b/l lớn (bể hàn ṛng) thì điều kiện kết tinh tốt, sau khi kết tinh nhận được mối hàn cĩ chất lượng cao. Ngược lai, nếu b/l nhỏ thì sau khi kết tinh cĩ thể gây ra nứt ở trục mối hàn.
Hình 2.5: Hình dạng và kích thước của bể hàn
2.1.4.1.3. S ḍch chuy n của kim loại lỏng từđiện c c vào b hàn
Sự dịch chuyển của kim loại lỏng từ điện cực và bể hàn khơng những ảnh
hưởng đến sự tạo thành mối hàn, mà cịn ảnh hưởng đến thành phần và chất lượng mối hàn.
Khi hàn hồ quang tay, dù hàn bằng phương pháp nào và hàn ở bất kỳ vị trí nào thì kim loại lỏng cũng đều chuyển dịch từ que hàn vào bểhàn dưới dạng những giọt kim loại cĩ kích thước khác nhau. Sự chuyển dịch của kim loại lỏng từ que hàn vào bể hàn là do các yếu tố sau:
+ Trọng lực của giọt kim loại lỏng
Những giọt kim loại được hình thành ở mặt đầu que hàn, dưới tác dụng của trọng lực sẽ dịch chuyển từ trên xuống dưới theo phương thẳng đứng vào bể hàn
Trang 14
Lực trọng trường chỉ cĩ tác dụng làm chuyển dịch các giọt kim loại lỏng vào bể hàn khi ở vị trí sấp, cịn khi hàn ngửa yếu tố này hồn tồn khơng thuận lợi.
+ Sức căng bề mặt
Sức căng bề mặt sinh ra do tác dụng của lực phân tử. Lực phân tử luơn cĩ
khuynh hướng tạo cho bề mặt kim loại lỏng cĩ ṃt năng lượng nhỏ nhất, tức là làm cho bề mặt kim loại lỏng thu nhỏ lại. Muốn vậy thì những giọt kim loại lỏng phải cĩ dạng hình cầu. Những giọt kim loại lỏng hình cầu chỉ mất đi khi chúng rơi vào bể
hàn và bị sức căng bề mặt của bể hàn kéo vào thành dạng chung của nĩ. + Lực từtrường
Dịng điện khi đi qua điện cực sẽ sinh ra ṃt từtrường. Lực của từtrường này ép lên dây hàn làm cho ranh giới giữa phần rắn và phần lỏng của dây hàn bị thắt lại.
Hình 2.6: Tác dụng của lực từtrường ép lên đầu mút điện cực. Do bị thắt lại nên diện tích tiết diện ngang tại chỗ đĩ giảm, làm mật đ̣ và
cường đ̣ của lực từtrường mạnh lên. Mặt khác, tại chỗ thắt do cĩ điện trở cao nên nhiệt sinh ra lớn, làm kim loại nhanh chĩng đạt đến trạng thái sơi và tạo ra áp lực lớn đẩy các giọt kim loại lỏng vào bể hàn.
Lực từtrường cĩ khảnăng làm chuyển dịch các giọt kim loại lỏng từđầu que hàn vào bể hàn ở mọi vị trí
+ Áp lực khí
Khi hàn, kim loại lỏng ở đầu que hàn bị quá nhiệt mạnh và sinh ra khí. nhiệt
Trang 15
2.1.4.2. Cấu trúc của kim loại mối hàn
Sau khi hàn, kim loại lỏng trong bể hàn kết tinh để tạo thành mối hàn. Vùng kim loại xung quanh mối hàn do bị ảnh hưởng của nhiệt nên cĩ sự thay đổi về tổ
chức và tính chất. Vùng đĩ gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt.
Nghiên cứu tổ chức mối hàn của thép cácbon thấp thấy chúng cĩ các phần riêng với tổ chức khác nhau.
2.1.4.2.1. Vùng mối hàn
Trong vùng mối hàn kim loại nĩng chảy hồn tồn, khi kết tinh cĩ tổ chức
tương tự như tổ chức thỏi đúc. Thành phần và tổ chức kim loại mối hàn khác với kim loại cơ bản và kim loại điện cực.
Hình 2.7. Tổ chức kim loại của mối hàn + Vùng ngồi cùng
vùng này do tản nhiệt nhanh nên kim loại lỏng trong vũng hàn kết tinh với tốc đ̣ ngụi lớn. Do vậy, sau kết tinh nhận được tổ chức kim loại với những hạt tinh thể nhỏ mịn.
+ Vùng trung gian
Kim loại lỏng ở vùng trung gian khơng thể kết tinh với tốc đ̣ ngụi lớn như
vùng ngồi cùng. Các tinh thể kết tinh theo phương tản nhiệt nhưng cĩ chiều
ngược lại. Do tốc đ̣ ngụi tương đối chậm nên sau khi kết tinh nhận được các hạt tinh thể dài cĩ trục vuơng gĩc với mặt tản nhiệt…
+ Vùng trung tâm
Kim loại lỏng ở vùng trung tâm kết tinh với tốc đ̣ ngụi chậm và trong vùng này kim loại lỏng cĩ nhiệt đ̣ hầu như giống nhau, do vậy chúng kết tinh gần
Trang 16
tinh nhận được các tổ chức kim loại gồm cac hạt đều trục. Trong vùng trung tâm cĩ thể cĩ các tạp chất phi kim loại – xỉ…
Tùy thục vào tốc đ̣ ngụi mà trong tổ chức của kim loại mối hàn cĩ thể cĩ hoặc khơng cĩ vùng trung gian hoặc vùng trung tâm.
Nếu tốc đ̣ ngụi lớn thì các tinh thể hạt dài cĩ thể phát triển sâu vào trung tâm bểhàn, khi đĩ kim loại mối hàn chỉ cĩ 2 vùng: vùng ngồi cùng với các hạt nhỏ
mịn và vùng trung gian với các hạt tinh thể dài.
Nếu tốc đ̣ ngụi rất chậm thì vùng tinh thể hạt dài (vùng trung gian) cĩ thể
khơng cĩ.
2.1.4.2.2. Vùng ảnh hưởng nhiệt và các y u tố ảnh hưởng đ n kích thước của khu v c ảnh hưởng nhiệt
2.1.4.2.2.1. Vùng ảnh hưởng nhiệt
Khi hàn nĩng chảy, việc tạo thành vùng ảnh hưởng nhiệt luơn xảy ra. Kích
thước vùng ảnh hưởng nhiệt phụ thục vào: - Phương pháp và chế đ̣ hàn.
- Thành phần và chiều dày của kim loại vật hàn. Tổ chức kim loại của kim loại ảnh hưởng nhiệt
Hình 2.8: Tổ chức kim loại của khu vực ảnh hưởng nhiệt
γ+L
F+P P+Xe2 γ+Xe2 γ+Fe
Trang 17
Vùng vi n chảy
Trong vùng này kim loại cơ bản bị nung nĩng đến nhiệt gần nhiệt đ̣ nĩng chảy (kim loại ở trạnh thái R-L). Thực chất ở đây quá trình hàn đã xảy ra. Chiều ṛng của vùng viền chảy tương đối nhỏ khoảng (0,1 - 0,5) mm.
Vùng quá nhiệt
Vùng kim loại cơ bản bị nung nĩng từ nhiệt đ̣ khoảng 11000C đến gần nhiệt
đ̣ nĩng chảy. Trong vùng này kim loại cĩ thể chuyển biến tổ chức, đồng thời do bị
quá nhiệt nên hạt autennit phát triển rất mạnh, vì vậy sau khi ngụi nhận được các hạt tinh thể lớn cĩ đ̣ dẻo, đ̣ dai thấp. Chiều ṛng của vùng quá nhiệt cĩ thể đạt (3 ÷ 4) mm.
Vùng thường hĩa
Vùng kim loại cơ bản bị nung nĩng đến nhiệt đ̣ khoảng (900 ÷ 1100)0 C. nhiệt đ̣ này kim loại cĩ tổ chức hồn tồn là autennit, sau khi ngụi nhận được tổ
chức P + F hạt nhỏ cĩ cơ tính cao. Chiều ṛng của vùng thường hĩa khoảng 0,25 mm.
Vùng k t tinh lại khơng hồn tồn
Vùng kim loại bị nung nĩng đến nhiệt đ̣ khoảng (727 ÷ 900)0C. Trong khoảng nhiệt đ̣ này tổ chức của kim loại là autennit + ferit. Sau khi ngụi nhận được tổ chức peclic và ferit hạt lớn. Tổ chức này cĩ cơ tính tương đối thấp. Chiều ṛng của vùng kết tinh lại khoảng (0,1 ÷ 5) mm.
Vùng k t tinh lại
Vùng kim loại bịnung nĩng đến nhiệt đ̣ (500 ÷ 700)0C. Trong vùng này xảy ra quá trình sáp nhập của các hạt tinh thể nhỏ lại với nhau để tạo ra các hạt tinh thể
mới. Quá trình này chỉ xảy ra với những kim loại và hợp kim cĩ biến dạng dẻo, cịn những kim loại và hợp kim khơng cĩ biến dạng dẻo thì khơng xảy ra quá trình này. Kim loại ở vùng kết tinh lại cĩ đ̣ cứng thấp, đ̣ dẻo cao. Chiều ṛng của vùng kết tinh lại khoảng (0,1 ÷ 5) mm.
Trang 18
Vùng giịn xanh
Vùng kim loại bị nung nĩng đến nhiệt đ̣ (200 ÷ 400)0C, trong vùng này kim loại khơng thay đổi về tổ chức nhưng do ảnh hưởng của nhiệt nên tồn tại ứng suất
dư.
2.1.4.2.2.2. Các y u tốảnh hưởng đ n kích thước của khu v c ảnh hưởng nhiệt
Kích thước của khu vực ảnh hưởng nhiệt được xác định trên đường cong thay đổi tổ chức của vùng ảnh hưởng nhiệt.
Khu vực ảnh hưởng nhiệt cĩ ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính và chất lượng của mối hàn.
Khu vực ảnh hưởng nhiệt càng nhỏ thì ṇi ứng suất sinh ra khi hàn lớn và dễ
cĩ khảnăng phát sinh vết nứt. Khu vực ảnh hưởng nhiệt càng lớn thì khảnăng biến dạng lớn.
Cơ tính kim loại của khu vực ảnh hưởng nhiệt (trừvùng thường hĩa) thấp hơn
kim loại cơ bản. Do vậy, khi hàn phải hạn chế kích thước của vùng ảnh hưởng nhiệt.
Kích thước của khu v c ảnh hưởng nhiệt ph thuộc vào:
Phương pháp hàn
Hàn bằng các phương pháp khác nhau thì kích thước của khu vực ảnh hưởng nhiệt khác nhau.
Bảng 2.1 cho biết sự phụ thục của kích thước các vùng và chiều dài khu vực
ảnh hưởng nhiệt vào các phương pháp hàn khác nhau.
Bảng 2.1: Sự phụ thục của kích thước các vùng và chiều dài khu vực ảnh
hưởng nhiệt vào các phương pháp hàn khác nhau. Phương pháp
hàn
Kích thước trung bình của các vùng Chiều dài của khu vực
ảnh hưởng nhiệt (mm) Quá nhiệt Thường
hĩa Kết tinh lại