3. Cơ sở lý thuyết
3.2.1. Một số vấn đề chung về hàn trong môi tr−ờng khí bảo vệ [9]
1. Các ph−ơng pháp hàn trong môi tr−ờng khí bảo vệ
Nh− đ1 nghiên cứu hiện nay có rất nhiều ph−ơng pháp hàn khác nhau, trong đó ph−ơng pháp hàn trong môi tr−ờng khí bảo vệ là một trong những ph−ơng pháp thích ứng với nhiều kết cấu hàn cho năng suất và chất l−ợng cao. Ph−ơng pháp công nghệ này có thể phân loại theo hình 3.10.
Hình 3.10 Sơ đồ phân loại hàn trong môi tr−ờng khí bảo vệ
2. Quá trình hàn d−ới lớp khí bảo vệ
Khi hàn, đầu tiên cho đầu que hàn hoặc dây hàn tiếp xúc với vật hàn để sinh ra chập mạch (tr−ờng hợp điện cực nóng chảy). Do điện trở tiếp xúc và dòng điện chập mạch sinh ra nhiệt độ cao. Khoảng không khí giữa đầu điện cực và vật hàn thành thể khí dẫn điện sinh ra nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh. Hiện t−ợng này gọi là hồ quang điện.
Nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh là hai đặc tính cơ bản của hồ quang điện. Tại tâm hồ quang nhiệt độ đạt tới 6000 - 70000C. Trong công nghiệp lợi dụng sức nóng của hồ quang để luyện thép, hàn kim loại, chiếu sáng…
Trong quá trình hàn, dây hoặc que hàn và vật hàn đ−ợc coi là hai cực điện. Lợi dụng nhiệt l−ợng hồ quang sinh ra giữa hai cực điện để cho kim loại chảy ra làm cho hai phần kim loại hợp thành một khối. Que hoặc dây hàn nóng chảy nhỏ giọt kim loại gọi là kim loại hàn vào mối hàn. Kim loại hàn và kim loại vật hàn nóng chảy tạo thành mối hàn gọi là kim loại mối hàn. Chiều sâu của kim loại vật hàn bị nóng chảy gọi là độ sâu nóng chảy của mối hàn. Vùng kim loại vật hàn nóng chảy gọi là vùng nóng chảy (hình 3.11).
Hàn bằng tay
Hàn trong môi tr−ờng khí bảo vệ
Hàn điện cực không
nóng chảy Hàn điện cực nóng chảy (que hoặc dây hàn)
Hàn tự động Hàn MIG
(Ar; He)
Hàn MAG (CO2;
Hỗn hợp CO2 + Ar)
Có hai kiểu điện cực khi hàn là điện cực nóng chảy và điện cực không nóng chảy. Kiểu điện cực nóng chảy (dây, que hàn) khi phát hồ quang thì kim loại của chính bản thân chúng nóng chảy nhỏ giọt vào mối hàn, bù đắp kim loại cho mối hàn. Kiểu điện cực không nóng chảy chỉ có nhiệm vụ gây hồ quang làm nóng chảy kim loại vật hàn, kim loại bù đắp mối hàn phải dùng que riêng.
3. Đặc điểm cơ bản của các ph−ơng pháp hàn trong môi tr−ờng khí bảo vệ
Hàn MIG; MAG là ph−ơng pháp hàn trong môi tr−ờng khí bảo vệ mà hồ quang điện đ−ợc sinh ra giữa chi tiết hàn và điện cực bằng dây hàn nóng chảy. Nó tạo ra sự nóng chảy kim loại dây hàn và kim loại vật hàn trong một lớp khí bảo vệ vùng nóng chảy.
Ph−ơng pháp hàn đ−ợc gọi tắt là MIG hoặc MAG phụ thuộc vào loại khí bảo vệ mối hàn.
MIG đ−ợc viết tắt từ: Metal Inerte Gaz MAG đ−ợc viết tắt từ: Metal Actif Gaz
TIC viết tắt từ: Tungste (Wolfram) Inerte Gaz
MIG: là ph−ơng pháp hàn hồ quang điện trong lớp khí bảo vệ là khí trơ Hình 3.11. Quá trình hàn
d−ới lớp khí bảo vệ
1. Điện cực; 2. Cột hồ quang; 3. L:uồng khí bảo vệ; 4. Vùng nóng chảy; 5. Kim loại mối hàn; 6. Kim loại cơ bản; 7. Độ sâu nóng chảy; 8. H−ớng hàn
nh: argon, heli…
MAG: là ph−ơng pháp hàn hồ quang điện trong lớp khí hoạt tính bảo vệ nh− khí cacbonic (CO2), hoặc hỗn hợp khí cacbonic với heli hoặc (argon..).
TIG: là ph−ơng pháp hàn hồ quang điện trong lớp khí trơ bảo vệ bằng điện cực wolfram là loại điện cực không nóng chảy.
Khi hàn, thể khí thông qua miệng phun hình ống phun ra tạo thành một cột khí thẳng đứng (dây hàn hoặc điện cực nằm ở giữa). Cột khí này đẩy không khí ở bốn chung quang rộng ra bảo vệ cho lớp kim loại nóng chảy. Nguyên lý hàn đ−ợc minh hoạ trên (hình 3.11) và (hình 3.12).
Hình 3.12. Nguyên lý hàn trong khí bảo vệ điện cực nóng chảy
Hình 3.13. Nguyên lý hàn trong khí bảo vệ điện cực không nóng chảy 1. Cột hồ quang
2. Luồng khí bảo vệ 3. Điện cực (dây hàn)
4. Miệng phun khí 5. Cơ cấu đẩy dây hàn 6. ống tiếp xúc
1. Vật liệu cơ bản
2. Điện cực không nóng chảy 3. Cột hồ quang
4. Dây hoặc que hàn; 5.Miệng phun khí 6. Luồng khí bảo vệ 3.2.2. Các yếu tố công nghệ ảnh h−ởng tới chất l−ợng lớp đắp trong môi tr−ờng khí bảo vệ [20]
Trong công nghệ hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi tr−ờng khí bảo vệ có nhiều yếu tố với sự ảnh h−ởng khác nhau tới chất l−ợng mối hàn nói chung cũng nh− chất l−ợng lớp đắp nói riêng. Tuy nhiên các yếu tố công nghệ
sau có ảnh h−ởng lớn và mang tính quyết định tới chất l−ợng lớp đắp: - Vật liệu hàn. - Thiết bị hàn. - Chế độ và kỹ thuật hàn. 1. Vật liệu hàn a. Khí bảo vệ:
Chức năng cơ bản của khí bảo vệ là loại trừ không khí không cho nó tiếp xúc với kim loại nóng chảy tại vũng hàn, vì ở nhiệt độ nóng chảy trong môi tr−ờng không khí các kim loại th−ờng có xu h−ớng tạo ra các oxit thậm chí cả các nitrit.
Ngoài chức năng chính trên thì khí bảo vệ còn có tác động nhất định tới một trong các yếu tố sau thuộc quá trình hàn:
- Đặc tính hồ quang.
- Dạng chuyển kim loại vào vũng hàn.
- Chiều sâu và hình dáng mặt ngoài mối hàn. - Tốc độ hàn.
- Xu h−ớng lõm bề mặt hay cháy cạnh ở mối hàn. - Sự làm sạch tạp chất.
- Cơ tính của kim loại mố hàn.
Các khí bảo vệ dùng cho hàn hồ quang bao gồm khí trơ (Inert Gas), khí hoạt tính (Active Gas), và hỗn hợp của chúng. Ngoài ra việc dùng khí Nitơ khi hàn các vật liệu bằng đồng là tr−ờng hợp ngoại lệ.
• Khí Argon (Ar):
Khí Ar là loại khí trơ, không cháy và không nổ. Ar đậm đặc hơn không khí 1,4 lần, do nặng hơn không khí nên ở vị trí hàn bằng nó bảo vệ rất hiệu quả hồ quang và vũng hàn. Hồ quang hàn đ−ợc bảo vệ bởi khí Ar tạo ra mối hàn có dạng nh− hình 3-14a. Ar tinh khiết đ−ợc sử dụng tốt nhất khi hàn Nhôm, Magiê, Titan. Với các vật liệu khác thì Ar phải sử dụng d−ới dạng các
hỗn hợp khí.
• Khí Hêli (He):
He là loại khí trơ, nhẹ hơn không khí vì vậy việc bảo vệ vũng hàn bằng khí He là khó khăn, đòi hỏi phải có l−u l−ợng khí tiêu thụ lớn. So với Ar thì He có khả năng ion hoá cao hơn. Hồ quang đ−ợc bảo vệ bởi khí He có mức độ bắn toé của kim loại lỏng nhiều hơn, do vậy bề mặt mối hàn thô ráp hơn so với hồ quang bảo vệ bởi khí Ar. Hình dáng mặt cắt mối hàn khi hàn tong môi tr−ờng khí He nh− hình 3-14b, nó có dạng parabol. Trong thực tế He tinh khiết không đ−ợc dùng để bảo vệ hồ quang, nó đ−ợc sử dụng d−ới dạng các hỗn hợp, đặc biệt là kết hợp với Ar.
• Hỗn hợp khí Ar và He:
Tận dụng các −u điểm lớn của hai loại khí này, trong hàn hồ quang khí bảo vệ ng−ời ta sử dụng chúng d−ới dạng hỗn hợp. Với hỗn hợp khí Ar + He sẽ cho mối hàn hình dáng đ−ợc cải thiện (hình 3-14c) và quá trình hàn sẽ có đ−ợc ph−ơng thức chuyển kim loại dạng bụi dọc trục.
Với 50 – 75% là He sẽ làm tăng điện áp hồ quang vì vậy nhiệt l−ợng đầu vào cao nên nó chỉ thích hợp khi hàn các vật liệu có tính dẫn nhiệt cao nh− Nhôm, Đồng, Magiê...
• Khí CO2 (Dioxit Cacbon):
CO2 là loại khí hoạt tính hoá học đ−ợc dùng rộng r1i d−ới dạng nguyên chất khi hàn trong môi tr−ờng khí bảo vệ, đặc biệt nó thích hợp khi hàn thép cacbon và thép hợp kim thấp. Khi hồ quang đ−ợc bảo vệ bởi khí CO2 sẽ cho tốc độ hàn cao, chiều sâu nóng chảy lớn hơn (hình 3-14d).
Do hoạt tính hoá học mạnh nên khí CO2 chỉ đ−ợc dùng khi hàn bằng điện cực nóng chảy. Với sự bảo vệ của CO2 ph−ơng thức chuyển kim loại là dạng đoản mạch hoặc chuyển giọt dạng cầu. Với các ph−ơng thức chuyển giọt này thì hồ quang phát ra âm thanh lớn, gây bắn toé nhiều. Khi mối hàn đông đặc nếu l−ợng khí bảo vệ d− sẽ xuất hiện sự thoát oxit cacbon (CO) gây các vết rỗ khí.
Nhìn chung so sánh với các loại khí bảo vệ khác thì việc sử dụng CO2 sẽ cho mối hàn có chiều sâu lớn hơn với bề mặt thô hơn. Sự điền đầy vào mối hàn là tốt nh−ng cơ tính có thể bị ảnh h−ởng bởi hồ quang có tính oxi hoá.
• Hỗn hợp khí Ar + CO2:
Nếu sử dụng Ar nguyên chất để hàn kim loại đen rất dễ dẫn đến hiện t−ợng kim loại bị khoét nghách và hồ quang không ổn định. Để cải thiện, ng−ời ta đ−a thêm vào từ 3 – 25% khí CO2. Khi đó tính ổn định của hồ quang rõ rệt, mối hàn tránh đ−ợc khả năng bị khoét nghách, hình dáng bên ngoài mối hàn đ−ợc cải thiện, bề mặt phẳng hơn, chiều sâu nóng chảy lớn và mặt cắt mối hàn có biên dạng parabol.
Tuy nhiên với hỗn hợp khí này khi l−ợng CO2 cao tới 25% thì c−ờng độ dòng điện tăng, là tăng sự bắn toé, tăng chiều sâu nóng chảy và giảm tính ổn định của hồ quang.
Trong thực tế hỗn hợp khí Ar + CO2 đ−ợc sử dụng chủ yếu khi hàn thép cacbon thấp, thép hợp kim thấp với ph−ơng thức chuyển kim loại dạng đoản mạch và sử dụng hồ quang xung, dây hàn là thép cacbon đặc.
Hình 3.14. Hình dạng mối hàn khi hàn bằng các khí bảo vệ khác nhau Ngoài các loại khí với các đặc điểm nêu trên, còn sử dụng nhiều loại khí (d−ới dạng các hỗn hợp) để bảo vệ hồ quang. Các ứng dụng cụ thể với các −u điểm của một số loại khí bảo vệ đ−ợc nêu trong bảng sau:
Bảng 3.1. Các khí bảo vệ trong ph−ơng thức chuyển kim loại dạng bụi. Kim
loại Khí bảo vệ Chiều dày Ưu điểm
100% agôn 0 – 1 inch Ph−ơng thức chuyển kim loại tốt nhất và hồ quang ổn định nhất, ít bắn toé nhất. 35% agôn
+ 75% hêli 1- 3 inch
Nhiệt l−ợng đầu vào cao hơn so với khí bảo vệ agôn thuần tuý; đặc tính chảy lo1ng đ−ợc cải thiện với hợp kim Al – Mg Nhôm
25% agôn
+ 75% hêli Trên 3 inch
Nhiệt l−ợng đầu vào cao nhất; giảm thiểu sự rỗ khí.
Magiê 100% agôn - Hoạt động làm sạch tạp chất suất sắc
95% agôn + 0,5% ô xy
-
Cải thiện đặc tính hồ quang, sản sinh ra vũng hàn chảy lo1ng hơn và dễ điều khiển; Liên kết kim loại tốt và hình dạng mối hàn tốt; giảm thiểu hiện t−ợng khoét ngách; cho phép hàn với tốc độ cao hơn so với hàn trong khí agôn thuần tuý.
Thép cácbon
90% agôn
+ (8-
10)%CO2
- Hàn tự động tốc độ cao; hàn tay với chi phí thấp. Thép hợp kim thấp 98% agôn + 2% ô xy -
Giảm thiểu hiện t−ợng khoét ngách, tạo cho mối hàn độ dẻo dai
99% agôn +1% ô xy -
Cải thiện đặc tính hồ quang, sản sinh ra vũng hàn chảy lo1ng hơn và dễ điều khiển; liên kết mối hàn và hình dạng mối hàn tốt; giảm thiểu hiện t−ợng khoét ngách khi hàn thép không gỉ. Thép không gỉ 98% agôn + 2% ô xy -
Cung cấp đặc tính hồ quang ổn định sự liên kết tốt và tốc độ hàn cao hơn là hỗn hợp 99% A r + 1% O2, đối vật liệu thép không gỉ với chiều dày nhỏ.
100% agôn
Nhỏ hơn hoặc bằng 1/8 inch
Tạo sự bảo vệ tốt, giảm tính chảy lo1ng của kim loại mối hàn.
Niken, đồng và các hợp kim của chúng Agôn + Hêli -
Nhiệt l−ợng đầu vào cao hơn với hỗn hợp 50% và 75% hêli, tuy nhiên l−ợng khí tiêu hao lớn
Bảng 3.2. Các khí bảo vệ đối với ph−ơng thức chuyển kim loại dạng đoản mạch
Kim loại Khí bảo vệ Chiều
dày Ưu điểm
75% agôn + 25% CO2
Nhỏ hơn 1/8 inch
Tốc độ hàn cao; giảm thiểu sự biến dạng và bắn toé
75% agôn + 25% CO2
Lớn hơn 1/ 8 inch
Giảm thiểu sự bắn toé; bề mặt mối hàn sạch; kiểm soát vũng hàn tốt ở t− thế hàn đứng và hàn trần.
Thép các bon
Agôn với 5- 10% CO2 -
Chiều sâu mối hàn lớn; tốc độ hàn cao hơn.
Thép không gỉ 9% hêli + 7,5% agôn + 2,5% CO2 -
Không gây hiệu ứng tới tính chịu ăn mòn; vùng ảnh h−ởng nhiệt nhỏ; mối hàn không bị khoét ngách; biến dạng là nhỏ nhất. 60 – 70% hêli + 25 – 35% agôn +4,5% CO2 -
Hoạt tính hoá học nhỏ nhất; mối hàn rất dẻo dai; hồ quang rất ổn định; đặc tính bảo vệ tốt; hình dáng mối hàn đẹp; ít bị bắn toé. Thép hợp kim thấp 75% agôn +25% CO2 -
Mối hàn khá dẻo dai; hồ quang rất ổn định; đặc tính bảo vệ tốt; mối hàn đẹp; ít bắn toé. Đồng, nhôm, magiê, và các hợp kim của chúng. Agôn và hỗn hợp agôn – hêli Lớn hơn 1/ 8 inch
Khí agôn là kim loại thích hợp với kim loại dạng tấm; hỗn hợp A r – He hay đ−ợc dùng hơn với vật liệu cơ bản.
b. Dây hàn.
Dây hàn sử dụng trong ph−ơng pháp hàn hồ quang khí bảo vệ đóng vai trò là kim loại điền đầy, với hàn MIG/MAG thì nó còn làm nhiệm vụ là điện cực nên còn có tên gọi là dây điện cực.
Dây hàn cần phải đáp ứng đ−ợc các yêu cầu nhất định của quá trình hàn liên quan đến sự ổn định của hồ quang, ph−ơng thức chuyển kim loại vào mối hàn và sự đông đặc ở vũng hàn. Và yêu cầu cơ bản nhất của dây hàn là nó phải cung cấp để có kim loại mối hàn t−ơng thích với kim loại cơ bản về một hay nhiều mặt sau:
- Hóa tính (thành phần hoá học). - Độ bền.
- Độ dai.
- Một số tính chất khác nh−: tính chịu ăn mòn, khả năng nhiệt luyện, chịu mài mòn hay sự t−ơng thích về mầu sắc.
Trong tất cả các chỉ tiêu trên thì sự t−ơng thích về thành phần hoá học là chủ yếu. Ngoài ra với các mối hàn đắp thì các chỉ tiêu về độ bền, độ cứng cũng đ−ợc quan tâm.
Dây hàn sử dụng để hàn trong môi tr−ờng khí bảo vệ có hai loại: dây hàn đặc và dây hàn bột. Các nghiên cứu đều cho thấy khi hàn bằng dây hàn đặc th−ờng cho năng suất cao, có thể thực hiện đ−ợc ở mọi vị trí trong không gian, tính chất cơ học của mối hàn tốt. Tuy nhiên dây hàn đặc lại có nh−ợc điểm là sự bắn toé cao, tác dụng bảo vệ kém và độ dẻo mối hàn không cao. Khi dùng dây hàn bột có thể khắc phục đ−ợc những nh−ợc điểm trên, chất l−ợng mối hàn nhìn chung cao hơn vì hồ quang và kim loại nóng chảy đ−ợc bảo vệ bổ xung bởi một lớp xỉ hoạt tính. Điều này là hiển nhiên vì thuốc hàn khi cháy tạo thành các xỉ, các xỉ có tính bazơ giúp khử photpho, l−u huỳnh và các tạp chất của kim loại mối hàn tốt hơn, Ngoài ra các xỉ còn có tác dụng tạo dáng mối hàn đẹp.
ảnh h−ởng lớn nhất đến chất l−ợng mối hàn đối với yếu tố dây hàn chính là thành phần hoá học chứa trong nó. Riêng với dây hàn dùng đề hàn thép cacbon và thép hợp kim thấp thì sự khác nhau về thành phần mangan, photpho và l−u huỳnh sẽ tạo ra các mối hàn có chất l−ợng thực sự khác nhau. Các loại dây hàn với thành phần hoá học, kích cỡ đ−ợc tiêu chuẩn hoá.
Riêng đối với mối hàn đắp do phải sử dụng nhiều đ−ờng, lớp hàn nên kích cỡ dây hàn cũng ảnh h−ởng tới chất l−ợng mối hàn. Nếu sử dụng dây hàn có đ−ờng kính lớn tốc độ hàn sẽ nhanh, các đ−ờng hàn có hình dạng lớn hơn và tốc độ nguội nhanh hơn vì vậy sự kết tinh của kim loại mối hàn kém hơn so với việc sử dụng dây hàn có đ−ờng kính nhỏ.
2. Thiết bị hàn