Đ1. Hồ quang và những đặc tớnh của hồ quang điện
1. Hồ quang điện
Đú là hiện tượng phúng điện ổn định trong mụi trường hơi tấm loại hoặc trong khớ, nú được đặc trưng bởi mật độ cao của dũng điện.
2. Bản chất của hồ quang
Hồ quang đú là sự chuyển động của dũng điện trong mụi trường bị ion hoỏ khụng kốm thưo sự phõn cực, cũng bởi vậy hồ quang được tạo ra bằng dũng một chiều và dũng xoay chiều.
Dũng điện hồ quang được đặc trưng bằng mật độ cao của năng lượng nhiệt truyền cho vật được nung núng nhờ sự tăng tốc của cỏc ion trong trường điện và sự bức xạ hồng ngoại rất lớn của cột hồ quang.
Cột hồ quang cú nhiệt độ rất cao, cú thể đạt từ 5000 0C đến 12000 0C. Bởi vậy hồ quang cú thể nung chảy cả những kim loại, hợp kim cứng nhất.
Sự kớch thớch tạo hồ quang bắt đầu ngay ở tiếp xỳc khi cỏc điện cực ngắn mạch. Tai nơi tiếp xỳc của điện cực và vật ( chi tiết ) sẽ sinh ra năng lượng nhiệt rất lớn làm cho kim loại tại đú bắt đầu cú sự núng chảy. Khi đưa điện cực tỏch ra khỏi chi tiết cỏc liờn kết kim loại núng chảy bị kộo theo, lỳc đú tiết diện của chỳng giảm xuống nhiệt độ tăng lờn. Tiếp tục kộo điện cực ra thờm nữa thỡ sẽ xẩy ra sự bay hơi của kim loại và cỏc phần tử khớ.
Cỏc ion dương chuyển động về katốt cũn cỏc điện tử và ion õm chuyển động về anốt, chớnh ở thời điểm này hồ quang xuất hiện. Dũng cỏc điện tớch được gia tốc trong trường điện chỳng được truyền động năng và khi bắn phỏ vào cỏc điện cực chỳng nung núng cỏc điện cực. Katụt được truyền năng lượng nhỏ hơn anụt bởi vậy nhiệt độ ở Katụt thấp hơn anụt. Vớ dụ điện cực bằng than katụt cú nhiệt độ khoảng 2500 – 3500 0C, với điện cực kim loại katụt cú nhiệt độ 2300 – 2400 0C. Sau khi đó tạo được hồ quang, hồ quang được ổn định là nhờ sự ion hoỏ, phỏt xạ điện tử ở cỏc điện cực và cỏc va chạm tạo động năng lớn tạo phỏt xạ thứ cấp tăng cường cỏc hạt mang điện, ion, điện tử… Năng lượng tạo ra trong quỏ trỡnh đú làm tăng nhiệt độ và bức xạ dưới dạng hồng ngoại, cực tớm và những tia khụng nhỡn thấy.
Đ 2. Ứng dụng và phõn loại hồ quang
1. Ứng dụng của hồ quang
Với sự toả nhiệt lớn trờn cột hồ quang, điện cực, tớnh chất này được dựng để hàn và nấu chảy kim loại trong lũ hồ quang trực tiếp .
Với bức xạ tia hồng ngoại rất lớn, dựng tớnh chất này trong lũ hồ quang giỏn tiếp.
Với việc tạo ra bức xạ nhỡn thấy, dựng để thắp sỏng dựng trong đốn pha, đốn hải đăng.
Với tớnh chất bức xạ cực tớm mạnh, dựng như mỏy phỏt phỏt ra tia cực tớm.
Song thực tế khụng dựng hồ quang làm mỏy phỏt tia cực tớm vỡ hiệu suất thấp.
2. Phõn loại hồ quang
Phõn loại hồ quang được thực hiện theo một số cỏch như sau: a. Hồ quang dạng hở: hồ quang loại này diễn ra trong khụng khớ b. Hồ quang dạng kớn: hồ quang tồn tại trong lớp bảo vệ
c. Hồ quang trong mụi trường khớ bảo vệ
Phõn loại theo tớnh chất dũng điện gồm cú: a. Hồ quang dũng một chiều
b. Hồ quang dũng xoay chiều một pha c. Hồ quang dũng xoay chiều ba pha
Ưu điểm của hồ quang dũng một chiều là ổn định, chất lượng hồ quang tốt hơn dũng xoay chiều.
Khi hàn bằng dũng một chiều thường phõn thành cực thuận và cực ngược.
Cực thuận là đưa cực õm của nguồn vào que hàn. Vật hàn được nối với cực dương của nguồn. Do anụt toả ra nhiệt lượng lớn hơn katụt do vậy cần thiết cho núng chảy phần kim loại bề mặt vật hàn.
Cực ngược là đưa cực õm của nguồn vào vật hàn, cực dương của nguồn nối với que hàn.
Sau đõy núi tới một số ứng dụng của phương phỏp hồ quang trong luyện kim và hàn điện.
Đ 3. Cỏc loại lũ hồ quang điện sử dụng trong luyện kim
1. Lũ điện hồ quang trực tiếp
Ở hỡnh 1 hồ quang được tạo ra giữa điện cực nối với ỏp ba pha và trực tiếp với quặng hoặc kim loại.
Điện cực bằng than, đặt thẳng đứng. Do hồ quang trực tiếp giữa điện cực và quặng cho nờn tạo được nhiệt độ rất cao.
Ưu điểm của loại lũ điện trực tiếp là tạo được nhiệt độ cao, năng suất cao.
Nhược điểm là tạo xỉ nhiều do mũn cỏc điện cực gõy nờn, nhiệt độ cao làm chỏy kim loại nhiều.
1 2 2 3 4 Hỡnh 1 1. Điện cực 2. Vỏ lũ 3. Hồ quang 4. Quặng
2. Lũ điện hồ quang giỏn tiếp
Lũ này điện cực đặt nằm ngang như hỡnh 2 , cỏch quặng một khoảng. Hồ quang tạo ra giữa điện cực với nhiệt lượng lớn truyền cho quặng chủ yếu bằng bức xạ. Nhờ đú nhiệt độ đối với quặng khụng quỏ cao so với lũ trực tiếp, nhờ đú trỏnh được chỏy kim loại và tạo xỉ ớt. Nhược điểm là do điện cực đặt ngang nờn dựng loại điện cực kớch thước nhỏ. Bởi vậy cụng suất của loại lũ này khụng lớn.
24 4 1 3 Hỡnh 2 1. Điện cực 2. Vỏ lũ 3. Hồ quang 4. Quặng
3.Lũ điện hồ quang điện trở
Loại này cú ba điện cực nối vào nguồn ba pha được nhỳng ngập vào quặng. Hồ quang được tạo thành trong lũng quặng, ngoài ra năng lượng cũn được tạo ra khi dũng điện chảy giữa cỏc điện cực.
Loại lũ này cú hiệu suất và năng suất cao.
Cỏc loại lũ điện hồ quang chủ yếu được dựng trong lũ nấu luyện quặng. C B A 4 3 2 1 Hỡnh 3. 1. Điện cực 2. Vỏ lũ 3. Hồ quang 4. Quặng kim loại
1. Ứng dụng hồ quang để hàn, rất phổ biến trong sản xuất, xõy dựng, sửa chữa…Bởi vậy ưu điểm về thiết bị khụng phức tạp, tiết kiệm nguyờn vật liệu so với cỏc phương phỏp gia cụng khỏc, cú độ bền cơ học cao, giỏ thành hạ, năng suất cao…
2. Yờu cầu đối với nguồn hàn hồ quang
Để tạo được hồ quang trong hàn điện nguồn hàn cú ý nghĩa quyết định, sau đõy đưa ra một số yờu cầu chớnh đối với nguồn hàn như sau: a. Yờu cầu trước tiờn là nguồn hàn phải đảm bảo được ổn định hồ quang. Muốn vậy điện ỏp khụng tải phải đủ lớn để tạo hồ quang. Sau đõy là trị số điện ỏp tạo hồ quang của nguồn một chiều và xoay chiều:
+) Với nguồn một chiều: ỏp tạo hồ quang U0 min = ( 30 – 55 ) V Trong đú cũn phụ thuộc vào vật liệu của điện cực.
- Với điện cực kim loại: U0 min = ( 30 – 40 ) V - Với điện cực than: U0 min = ( 45 – 55 ) V
+ )Với nguồn điện xoay chiều: ỏp tạo hồ quang U0 min = ( 50 – 60 ) V. TRị số giới hạn trờn của ỏp tạo hồ quang xỏc định dựa vào độ an toàn, thường dao động trong khoảng ( 60 – 70 ) V. Khi mỏy biến ỏp hàn, với dũng hàn từ 2000 A trở lờn ỏp cũng khụng vượt quỏ 90 V.
b.Để đảm bảo an toàn cho thợ hàn, thiết bị hàn ở chế độ làm việc cũng như ngắn mạch. Bội số dũng ngắn mạch phải thoả món:
đm 1,2 1,4 n I I λ= = ữ λ- bộ số dũng ngắn mạch I – dũng ngắn mạch (A ) Iđm – dũng hàn định mức (A) c. Nguồn hàn phải cố cụng suất đủ lớn
d. Nguồn hàn phải cú khả năng điều chỉnh điện ỏp. Khi thực hiện hàn với cỏc đối tượng vật hàn cú độ dày, mỏng khỏc nhau, cần điều chỉnh dũng hàn, que hàn. Dũng hàn phụ thuộc đường kớnh que hàn theo biểu thức kinh nghiệm sau:
Ih = ( 40 – 60 ) d Ih – dũng hàn (A);
d- đường kớnh que hàn ( mm)
Việc điều chỉnh dũng hàn thực hiện bằng điều chỉnh điện ỏp nguồn. e. Đặc tớnh hàn (đặc tớnh vụn – ampe ) của thiết bị hàn phải đảm bảo sự ổn định của hồ quang.
Đặc tớnh hàn đú là đường biểu diễn quan hệ giữa điện ỏp trờn đầu ra U của nguồn hàn và dũng điện hàn I:
U = f ( I) – quan hệ này cũn gọi là đặc tớnh ngoài.
Để đảm bảo ổn định của hồ quang hàn, đặc tớnh hàn phải dốc. Vớ dụ cú đặc tớnh ngoài của nguồn hàn như hỡng 1. Đú là đường đặc tớnh dốc.
U = f(I) U I U c b a Iđm In I Hỡnh 1
Giả sử tại thời điểm a hỡnh q, chạm que hàn (điện cực ) vào vật hàn, sẽ xẩy ra ngắn mạch, dũng ngắn mạch In xuất hiện tương ứng điểm a- dũng lớn làm tại tiếp xỳc núng chảy. Đưa que hàn ra khỏi vật hàn, sẽ xuất hiện hồ quang và điện ỏp giữa que hàn và vật hàn tăng lờn theo đường U = f( I) tại điểm b cú hồ quang ổn định. Và dũng điện xỏc định là định mức Iđm. Khi cú sự thay đổi cột hồ quang, do quỏ trỡnh hàn tạo ra làm cú thay đổi ỏp hồ quang ΔU lớn, song nhờ đặc tớnh dốc nờn dũng hàn với sự thay đổi ΔI nhỏ đảm bảo hồ quang vẫn duy trỡ ổn định hỡnh 1.
Mặt khỏc khi đặc tớnh ngoài dốc, bội số dũng điện
đm
n
I I
λ = khụng lớn đảm bảo được qui định
đm 1,2 1,4 n I I λ = = ữ an toàn cho thợ hàn. Khi khụng thực hiện được yờu cầu λ =1,2 1,4ữ nguồn hàn phải chịu quỏ tải lớn, chất lượng hàn kộm và khụng an toàn cho thợ hàn do kim loại chỏy nổ.
Ngoài đường đặc tớnh ngoài dốc, cũn cú đặc tớnh ngoài cứng và tăng, được dựng để hàn cú bảo vệ và trong mụi trường cú khớ bảo vệ, trong hàn tự động.
Đ 5. Điều chỉnh dũng điện hàn
Vật hàn cú độ dày khỏc nhau, với độ dày, mỏng khỏc nhau dũng điện hàn cần được điều chỉnh hợp lý. Muốn vậy nguồn hàn phải trang bị cơ cấu điều chỉnh theo cấp hoặc điều chỉnh trơn ( vụ cấp ) dũng hàn.
Như đó núi ở trờn để tạo được đặc tớnh hàn (đặc tớnh ngoài ) dốc, cần cú độ rơi điện ỏp.
Việc tạo điện ỏp rơi cú thể thực hiện ngay trong khi chế tạo nguồn ỏp, vớ dụ với nguồn ỏp là mỏy biến ỏp,thỡ cần chế tạo tăng điện ỏp ngắn mạch hoặc bằng cỏch mắc thờm điện khỏng ( cuộn dõy) nối tiếp với
nguồn. Trong mọi trường hợp phương trỡnh đặc tớnh hàn (đặc tớnh ngoài ) cú dạng:
. . .0 . tđ 0 . tđ
U =U −I Z (1)
U0- điện ỏp lỳc khụng tải của nguồn Un - điện ỏp nguồn khi cú dũng hàn I – dũng điện hàn
Ztđ - tổng trở tương đương, bao gồm tổng trở nguồn và tổng trở của cuộn khỏng nối thờm.
Hỡnh 1 biểu diễn đặc tớnh hàn khi điều chỉnh dũng hàn bằng cỏch thay đổi điện ỏp nguồn khụng tải U01, U02 , U03 tương ứng với điện ỏp hàn khi làm việc là U cú dũng điều chỉnh I1, I2, I3
UU03 U03 U02 U01 I3 I2 I1 I U U I I1 I2 I3 U0 U Hỡnh 1 Hỡnh 2
Hỡnh 2 điều chỉnh dũng hàn bằng cỏch thay đổi tổng trở của cuộn khỏng nối tiếp với nguồn. Trong tổng trở Ztđ cựng với mỗi thay đổi của Ztđ cú đường đặc tớnh hàn khỏc nhau và khi ứng với điện ỏp làm việc U cú dũng điện hàn I1, I2, I3.
Đ 6. Chế độ làm việc của nguồn hàn và hệ số tiếp điện
Thiết bị hàn làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại: thời gian làm việc dài nhất của mỏy hàn là thời gian hàn hết một que hàn ký hiệu là τlv,thời gian nghỉ ngắn nhất là thời gian đủ thay que hàn và mồ hồ quang kớ hiệu là τn. Với mỏy hàn tự động thời gian làm việc dài nhất là hàn hết một lụ que hàn.
Mỏy hàn làm việc ổn định khi thoả món điều kiện năng lượng, khi làm việc toả ra Q1 bằng năng lượng toả ra mụi trường xung quanh Q2 trong một chu kỡ làm việc, viết được:
Q1 = Q2
Với 2
1 lv
Q =I Rτ - nhiệt lượng toả ra trong thời gian hàn τlv
( )
2 lv n
Q =K τ +τ - nhiệt lượng toả ra mụi trường trong chu kỡ làm việc τlv+τn;
lv
τ - thời gian làm việc
n
τ - thời gian nghỉ
K- hệ số đặc trưng cho chế độ toả nhiệt của nguồn hàn Coi gần đỳng K = const viết được biểu thức sau:
( )
2
lv lv n
I Rτ =K τ +τ (1) Chia biểu thức (1) cho R(τlv+τn) cú:
2 onst onst lv lv n K I c R τ τ +τ = = (2) Đặt : lv Đ lv n T τ
τ +τ = gọi là hệ số tiếp điện của nguồn hàn hồ quang Thường tớnh vào phần trăm:
Đ %= lv .100%
lv n
T τ
τ +τ (3)
TĐ% là thụng số ghi trong tài liệu hướng dẫn sử dụng cỏc mỏy hàn hồ quang.
Quan hệ giữa dũng điện hàn I và hệ số tiếp điện TĐ% . Từ biểu thức (2) ta suy ra quan hệ giữa dũng điện hàn và hệ số tiếp điện là:
2 2
đm . Đ %đm Đ %
I T =I T (4)
Trong đú:
Iđm – là dũng hàn định mức
TĐ% đmlà hệ số tiếp điện định mức ứng với Iđm I- là dũng điện hàn khỏc định mức
TĐ% - là hệ số tiếp điện ứng với dũng hàn I
Khi mỏy làm việc dài hạn tức khi giỏ trị TĐ%v= 100%. Từ biểu thức (4) khi mỏy hàn làm việc khỏc định mức với hệ số tiếp điện là TĐ% thỡ dũng hàn phải chọn theo: đ đ Đ % Đ % m m T I I T = (5)
Và ngược lại khi đưa mỏy hàn làm việc với dũng điện I khỏc định mức thỡ hệ số tiếp điện TĐ% chọn theo :
2đ đ đ đ 2 Đ Đ % I Tm m T I = (6) Đ7. Một số nguồn điện hàn
Về hàn bằng hồ quang trong thực tế phổ biến một số nguồn hàn như sau:
1. Mỏy biến ỏp hàn
2. Tổ động cơ – mỏy phỏt một chiều 3. Mạch điện tử cụng suất
Mỏy biến ỏp hàn hồ quang dựng dũng xoay chiều một pha và ba pha. Với loại mỏy biến ỏp hàn một pha là thiết bị hàn dũng xoay chiều, đơn giản, rẻ tiền và rất phổ biến, thụng dụng trong sản xuất khi yờu cầu về chất lượng mối hàn khụng cao lắm.
Vớ dụ hỡnh 1 là sơ đồ mỏy biến ỏp hàn một pha đơn giản và phổ biến.
1 3 3 5 4 2 U 0 U0 U = f(I) I U Hỡnh 1 Hỡnh 2 1. Mỏy biến ỏp với sơ cấp W1, thứ cấp W2 nhiều tần
2. Cuộn khỏng CK để điều chỉnh 3. Cơ cấu điều chỉnh
4. Que hàn 5. Hồ quang 6. Vật hàn
Cuộn thứ cấp của mỏy biến ỏp hàn cú nhiều đầu ra với cỏc điện ỏp khỏc nhau tạo nờn điều chỉnh điện ỏp nhiều cấp cho nguồn hàn. Nối thờm cuộn khỏng với cơ cấu điều chỉnh 3 để điều chỉnh điện khỏng của nú, cho phộp thay đổi điện ỏp hàn, đồng thời tăng tổng trở cú thể viết đựoc điện ỏp thứ cấp theo biểu thức:
. . .
0 CK 2
Với : U0 – ỏp thứ cấp I – dũng hàn
Zck - tổng trở cuộn khỏng Z2 - tổng trở cuộn thứ cấp
Tạo nờn được đặc tớnh dốc cần thiết cho chế độ hàn như hỡnh 2
Tổ động cơ – mỏy phỏt một chiều hàn hồ quàn một chiều cho chất lượng tốt, song hiện nay ớt phổ biến do mỏy hàn hồ quang mạch điện tử cụng suất phỏt triển.
Loại mỏy hàn dựng mạch điện tử cụng suất là sự kết hợp giữa mỏy biến ỏp và mạch điện tử cụng suất cho phộp cú thể hàn bằng dũng một chiều và dũng xoay chiều. Hiện nay rất phổ biến trong kỹ thuật hàn hồ quang, cho chất lượng hàn tốt, năng suất cao, dể sử dụng….Trong hàn MiG, MAG, TiG, dựng trong cơ khớ, đúng tàu biển…