Biờn độ dao động là khoảng cỏch từ
trục đường hàn sang hai bờn mộp hàn. Với cựng một chế độ hàn nếu biờn độ dao động lớn sẽ làm tăng bề rộng mối hàn. Đồng thời giảm chiều sõu ngấu, mối hàn cú thể bị thiếu hụt kim loại.
- Biờn độ dao động trỏi (Left amplitude; Left radius)
- Biờn độ dao động phải (Right amplitude; Right radius)
Left radius Right radius Left amplitude Right amplitude Hỡnh 1.17. Biờn độ dao động
Luận văn Thạc sỹ Bộ mụn hàn & Cụng nghệ kim loại 1.2.4.3. Gúc nghiờng mỏ hàn (α) Gúc nghiờng của mỏ hàn sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hỡnh dỏng, kớch thước mối hàn cũng như sự chuyển tiếp kim loại của mối hàn gúc. Nếu gúc nghiờng mỏ hàn nhỏ thỡ mối hàn sẽ lồi hơn, chiều sõu ngấu ớt hơn. Ngược lại nếu gúc nghiờng mỏ hàn lớn mối hàn sẽ thấp hơn và chiều sõu núng chảy sẽ tốt hơn.
- Gúc kộo (Drag angle) - Gúc đẩy (Push angle)
1.2.4.4. Thời gian dừng (t)
Thời gian dừng ở hai bờn mộp hàn cũng rất quan trọng nú sẽ quyết định tới chất lượng mối hàn. Nếu thời gian dừng hai bờn mộp hàn nhỏ mối hàn sẽ dễ bị
khuyết hay chỏy cạnh. Ngược lại nếu thời gian dừng tại hai mộp hàn hay ở tõm lõu quỏ mối hàn sẽ dễ bị lồi do lượng kim loại núng chảy nhiều hay làm tăng kớch thước chiều rộng mối hàn và mối hàn dễ bị chảy xệ.
Hỡnh 1.19. Thời gian dừng
3/4 period stop time
Center stop time
1/4 period stop time Right amplitude
Left amplitude dvance direction Main path
Luận văn Thạc sỹ Bộ mụn hàn & Cụng nghệ kim loại
CHƯƠNG 2
NGHIấN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THễNG SỐ CHẾĐỘ HÀN ĐẾN HèNH DẠNG, KÍCH THƯỚC MỐI HÀN GểC
2.1. Cơ sở của việc tớnh toỏn, thiết kế mối hàn gúc
2.1.1. Cỏc yờu cầu và tiờu chuẩn đỏnh giỏ
Theo tiờu chuẩn xõy dựng Việt Nam (TCXDVN) 338 : 2005 "Kết cấu thộp - Tiờu chuẩn thiết kế" ban hành theo quyết định số 17/2005/QĐ-BXD ngày 31 thỏng 5 năm 2005. Thỡ liờn kết hàn gúc được tớnh toỏn căn cứ như sau :
- Liờn kết hàn dựng đường hàn gúc, chịu tỏc dụng của lực dọc và lực cắt
được kiểm tra bền (cắt qui ước) theo hai tiết diện:
2 1
Hỡnh 2.1 - Sơđồ tiết diện tớnh toỏn của đường hàn gúc
1 – Tiết diện theo kim loại đường hàn
2 – Tiết diện theo kim loại ở biờn núng chảy
+. Theo kim loại đường hàn (tiết diện 1 trờn hỡnh 2.1):
N /(βf hf lw) ≤ fwfgc
+. Theo kim loại ở biờn núng chảy (tiết diện 2 trờn hỡnh 2.1):
N / (βshflw) ≤ fwsgc
Trong đú:
lw - chiều dài tớnh toỏn của đường hàn, bằng chiều dài thực của nú trừ đi 10mm;
hf - chiều cao của đường hàn gúc; βf và βs - cỏc hệ số lấy như sau: khi cỏc cấu kiện được hàn là thộp cú giới hạn chảy fy≤ 530 N/mm2, lấy theo bảng 2.1; khi fy
Luận văn Thạc sỹ Bộ mụn hàn & Cụng nghệ kim loại
> 530 N/mm2 khụng phụ thuộc vào phương phỏp hàn, vị trớ đường hàn và đường kớnh que hàn lấy βf = 0,7 và βs = 1.
Bảng 2.1. Hệ sốβf và βs
Giỏ trị βf và βs của khi chiều cao
đường hàn hf, mm Phương phỏp hàn, đường kớnh que (dõy) hàn d, mm Vị trớ đường hàn Hệ số 3 ữ 8 9 ữ 12 14 ữ 16 ≥ 18 βf 1,1 0,7 PA βs 1,15 1,0 βf 1,1 0,9 0,7 Hàn tựđộng khi d = 3 ữ 5 PB βs 1,15 1,05 1,0 βf 0,9 0,8 0,7 PA βs 1,05 1,0 βf 0,9 0,8 0,7 Hàn tựđộng, bỏn tựđộng khi d = 1,4 ữ 2 PC, PF βs 1,05 1,0 βf 0,7 Hàn tay, bỏn tự động với dõy hàn đặc d <1,4 hoặc dõy hàn cú lừi thuốc PA, PC, PF, PG, PD βs 1,0
Giỏ trị của cỏc hệ sốứng với chếđộ hàn tiờu chuẩn.
- Liờn kết hàn dựng đường hàn gúc chịu mụmen:
+. Khi mụmen tỏc dụng nằm trong mặt phẳng vuụng gúc với mặt phẳng bố
trớ đường hàn, độ bền của đường hàn được tớnh theo cụng thức: Theo kim loại đường hàn:
c wf f f W M ≤ γ
Luận văn Thạc sỹ Bộ mụn hàn & Cụng nghệ kim loại
Theo kim loại ở biờn núng chảy:
c ws s f W M ≤ γ Trong đú: Wf , Ws - mụ đun chống uốn của tiết diện tớnh toỏn theo kim loại đường hàn và theo biờn núng chảy của thộp cơ bản.
+. Khi mụmen tỏc dụng nằm trong mặt phẳng bố trớ đường hàn, độ bền của
đường hàn được tớnh theo cụng thức:
Theo kim loại đường hàn:
c wf yw xw f y x I I M + ≤ γ + 2 2
Theo kim loại ở biờn núng chảy:
c ws ys xs f y x I I M + ≤ γ + 2 2 Trong đú:
Ixw ,Iyw - cỏc mụmen quỏn tớnh của tiết diện tớnh toỏn theo kim loại đường hàn đối với cỏc trục chớnh x-x, y-y của nú;
Ixs , Iys - cũng như trờn nhưng theo kim loại ở biờn núng chảy của thộp cơ
bản;
x, y - cỏc toạ độ của những điểm xa nhất so với gốc tọa độ trọng tõm theo cỏc trục chớnh x-x, y-y (Hỡnh 2.2).
- Đường hàn gúc chịu đồng thời tỏc dụng của lực dọc, lực cắt và mụmen
được kiểm tra bền theo cỏc cụng thức:
τwf ≤ fwfgc và τws ≤ fwsgc Trong đú: y y x x M Hỡnh 2.2 - Đường hàn gúc chịu mụ men tỏc dụng trong mặt phẳng bổ trợđường hàn
Luận văn Thạc sỹ Bộ mụn hàn & Cụng nghệ kim loại
τwf và τws - cỏc ứng suất trong tiết diện tớnh toỏn theo kim loại đường hàn và kim loại ở biờn núng chảy, bằng tổng hỡnh học cỏc ứng suất gõy bởi lực dọc, lực cắt và mụmen.
2.1.2. Ảnh hưởng của sự chuyển tiếp kim loại đến hỡnh dạng, kớch thước mối hàn
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