2.6.1. Khỏi niệm chung và phõn loại 1. Phõn loại 1. Phõn loại
Hiện nay hàn điện là một phương phỏp ghộp nối cỏc chi tiết được dựng rộng rói trong cụng nghiệp, trong xõy dựng, trong ngành chế tạo và sửa chữa mỏy. Hàn điện cú những ưu điểm nổi bật với phương phỏp ghộp nối khỏc như tỏn đinh, rivờ, bulụng, ờcu là do:
- Tiết kiệm nguyờn vật liệu so với cỏc phương phỏp hàn gắn kết khỏc (5
10)% so với phương phỏp tỏn đinh, 40% so với phương phỏp đỳc).
- Dễ dàng thực hiện cơ khớ hoỏ và tự động hoỏ quỏ trỡnh cụng nghệ ở mức cao.
- Cải thiện được điều kiện làm việc cho cụng nhõn ghộp nối kim loại. Về tổng thể, hàn điện cú thể chia thành hai loại lớn là hàn núng chảy và hàn ỏp lực. Hàn núng chảy phải tạo nhiệt làm núng chảy cỏc kim loại tại chỗ hàn để chỳng liờn kết với nhau. Nhiệt cú thể tạo ra nhờ hồ quang điện (hàn hồ quang), nhờ dũng điện qua xỉ núng chảy (hàn xỉ điện), nhờ nhiệt tạo ra khi bắn phỏ kim loại nhờ chựm điện tử trong chõn khụng (hàn bằng tia điện tử), nhờ xung hồ quang (hàn xung hồ quang), nhờ ngọn lửa hồ quang plasma (hàn hồ quang plasma), nhờ năng lượng quang điện tử của tia la-ze (hàn la-ze)...
Hàn ỏp lực là nhờ ộp mạnh hai vật cần kết dớnh rồi nhờ tỏc dụng nhiệt hoặc tỏc dụng khỏc để hai vật kết dớnh với nhau, chẳng hạn nhờ nhiệt của dũng điện chảy qua chỗ tiếp xỳc (hàn tiếp xỳc), nhờ năng lượng của súng siờu õm (hàm siờu õm), nhờ nhiệt ma sỏt ở chỗ nối (hàn ma sỏt), nhờ nhiệt dũng cao tần (hàn dũng cao tần)...
Phõn loại cỏc phương phỏp hàn điện được biểu diễn trờn hỡnh 2.30. 2. Cỏc yờu cầu chung đối với nguồn hàn hồ quang
Để đảm bảo chất lượng của mối hàn, nõng cao năng suất của mỏy hàn, nguồn hàn của cỏc mỏy hàn phải đỏp ứng đầy đủ cỏc yờu cầu kỹ thuật sau:
a. Điện ỏp khụng tải
Đối với cụng nghệ hàn điện yờu cầu điện ỏp thấp và dũng hàn lớn, cho nờn nguồn hàn nhất thiết phải cú biến ỏp hàn để hạ điện ỏp. Điện ỏp khụng tải ở đõy chớnh là điện ỏp thứ cấp khụng tải của biến ỏp hàn (BAH).
Đối với cụng nghệ hàn hồ quang, điện ỏp khụng tải phải lớn hơn điện ỏp mồi hồ quang.
- U20min= (50 ữ 60) V đối với nguồn hàn xoay chiều. - U20min= (45 ữ 55) V đối với nguồn hàn một chiều. Đối với cụng nghệ hàn tiếp xỳc U0 = (0,5 ữ 10)V.
b. Bội số dũng dũng ngắn mạch khụng được quỏ lớn λi 1,2 2 I Inm (2.27) trong đú: λi - bội số dũng ngắn mạch; Inm- trị số dũng điện ngắn mạch (A); I2 - trị số dũng điện hàn định mức, A.
c. Nguồn hàn phải cú khả năng điều chỉnh được dũng hàn d. Đặc tớnh ngoài của nguồn hàn
Đặc tớnh ngoài của nguồn hàn hay cũn gọi là đặc tớnh Vụn – ampe của nguồn hàn biều diễn sự phụ thuộc của điện ỏp hàn vào dũng hàn U2= f(I2). Khi mạch hàn hở (I2 =0), điện ỏp hàn chớnh là điện ỏp khụng tải của nguồn hàn (U20 - điện ỏp thứ cấp khụng tải của biến ỏp hàn).
Dạng đặc tớnh ngoài của mỏy hàn cú hai loại (hỡnh 2.31): - Dạng đặc tớnh ngoài cứng.
- Dạng đặc tớnh ngoài mềm.
Khi chọn dạng đặc tớnh ngoài của nguồn hàn phải dựa vào cỏc đặc điểm đặc trưng của quỏ trỡnh hàn như:
- Loại que hàn: que hàn núng chảy, khụng núng chảy.
- Tớnh chất của mụi trường xảy ra quỏ trỡnh hàn (hàn hở hồ quang, hàn dưới lớp trợ dung, hàn trong khớ bảo vệ).
- Mức độ cơ khớ hoỏ của quỏ trỡnh hàn (hàn bằng tay, tự động, bỏn tự động).
* Dạng đặc tớnh ngoài mềm dựng cho cỏc phương phỏp hàn sau: - Hàn hồ quang bằng tay với que hàn rời.
- Hàn hồ quang trong khớ bảo vệ (khớ argon Ar) với que hàn vonfram (W). - Hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung.
- Khi tốc độ cấp dõy hàn vào vựng hàn phụ thuộc vào điện ỏp hồ quang. Nguồn hàn cú dạng đặc tớnh ngoài mềm là bộ nguồn dũng. Dũng điện hàn cú
I2 I21 I22 U201 U202 a) I2 I21 I22 U21 U22 U2 U2 b) Hỡnh 2.31. Đặc tớnh ngoài của nguồn hàn
thể điều chỉnh trong phạm vi từ I21 đến I22.
Điều chỉnh dũng hàn trong nguồn hàn cú dạng đặc tớnh ngoài mềm cú thể thực hiện vụ cấp và cú cấp. Trong quỏ trỡnh điều chỉnh dũng hàn, trị số của điện ỏp khụng tải U20 = const. Trong trường hợp cần dũng hàn bộ, phải tăng trị số điện ỏp khụng tải (U’20 > U20).
Điện ỏp được tớnh theo biểu thức sau: U2 = 20 + 0,04.I2
Độ dốc của đường đặc tớnh ngoài được chọn tuỳ thuộc vào phương phỏp hàn. Phương phỏp hàn hồ quang trong khớ bảo vệ dựng đường đặc tớnh ngoài cú độ dốc lớn nhất, kế đến là phương phỏp hàn hồ quang bằng tay và sau đú là cụng nghệ hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung.
Điều chỉnh độ dài cung lửa hồ quang hàn trong quỏ trỡnh hàn với họ đặc tớnh ngoài mềm do người thợ hàn (hàn bằng tay) hoặc do hệ thống điều chỉnh độ dài cung lửa hồ quang (hàn tự động).
* Dạng đặc tớnh ngoài cứng, dựng cho phương phỏp hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung khi tốc độ cấp dõy hàn vào vựng hàn khụng đổi và khụng phụ thuộc vào điện ỏp hàn.
Bộ nguồn hàn hồ quang cú dạng đặc tớnh ngoài cứng là bộ nguồn ỏp. Điện hàn được điều chỉnh trong phạm vi từ trị số thấp nhất U21 đến trị số lớn nhất U22. Phạm vi điều chỉnh điện ỏp hàn phải phự hợp với phạm vi điều chỉnh dũng hàn từ dũng hàn thấp nhất I21 đến dũng hàn lớn nhất I22.
Điều chỉnh điện ỏp hàn cú thể thực hiện vụ cấp và cú cấp. Trị số dũng điện hàn được chọn phụ thuộc vào tốc độ cấp dõy hàn vào vựng hàn.
Điện ỏp hàn được tớnh theo biểu thức sau: - Với dũng hàn tới 1000 A:
U2 = 19 + 0,037I2 (2.28)
- Với dũng hàn tới 2000 A:
U2 = 13 + 0,0135I2 (2.29)
3. Hệ số tiếp điện của nguồn hàn
Mỏy hàn là một thiết bị 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 (τ1), thời gian ngắn nhất là thời gian để thay que hàn và mồi được hồ quang (τ2).
Q1 = Q2 (2.30) trong đú: Q1 = 0,239.I22.R.1là nhiệt lượng toả ra khi hàn với thời gian 1.
) (
k
Q2 12 là nhiệt lượng toả ra mụi trường xung quanh trong một chu kỡ làm việc CK 1 2.
k là hệ đặc trưng cho chế độ toả ra nhiệt của nguồn hàn tớnh một cỏch gần đỳng, cú thể coi hệ số k = const. Từ biểu thức 2.24 ta cú:
) ( k R I . 239 , 0 2 1 1 2 2 (2.31) R 239 , 0 k . I 2 1 1 2 2 trong đú: tỉ số 2 1 1
được gọi là hệ số tiếp điện tương đối TĐ% của nguồn hồ quang. % 100 . Đ% T 2 1 1 (2.32) 4. Cỏc loại nguồn hàn a. Nguồn hàn xoay chiều
Nguồn hàn xoay chiều được sử dụng phổ biến đối với cụng nghệ hàn hồ quang bằng tay, hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung, hàn hồ quang trong khớ argon mỏy hàn tiếp xỳc.
Phần tử quan trọng trong nguồn hàn là biến ỏp đặc biệt gọi là biến ỏp hàn. Biến ỏp hàn phổ biến nhất là biến ỏp hàn một pha, biến ỏp hàn ba pha thường dựng cho nhiều đầu hàn.
Về cấu tạo, biến ỏp hàn thường chế tạo theo hai kiểu:
- Mỏy biến ỏp hàn với từ thụng tản bỡnh thường: nú cú hai thiết bị riờng rẽ, lắp rỏp trong một vỏ hộp chung gồm một biến ỏp hàn và một cuộn khỏng.
- Mỏy biến ỏp hàn với từ thụng tản tăng cường cú cỏc loại sau: + Cú cuộn thứ cấp di động.
+ Cú shunt từ động.
Theo phương phỏp điều chỉnh, dũng điện hàn được phõn thành ba nhúm mỏy hàn sau:
- Điều chỉnh dũng hàn dựng cuộn dõy và shunt từ động.
- Điều chỉnh dũng hàn bằng bộ điều ỏp xoay chiều. * Mỏy biến ỏp hàn cú cuộn dõy động
Mỏy biến ỏp hàn với từ thụng tản tăng cường cú cuộn dõy động được biểu diễn như trờn hỡnh 2.32.
Cấu tạo của nú gồm cú: mạch từ 3, cuộn dõy cố định - cuộn dõy sơ cấp của biến ỏp hàn 1 và cuộn dõy động- cuộn dõy thứ cấp của biến ỏp hàn. Cuộn dõy thứ cấp cú thể di chuyển dọc theo trụ giữa của mạch từ lồng vào trong lũng cuộn sơ cấp bằng trục vớt vụ tận.
Thay đổi khoảng cỏch giữa hai cuộn dõy, sẽ thay đổi điện khỏng của biến ỏp chớnh là thay đổi được dũng hàn (I2). Dũng hàn tỉ lệ nghịch với khoảng cỏch giữa hai cuộn dõy, và tỉ lệ đú là phi tuyến. Với khoảng cỏch giữa hai cuộn dõy càng lớn hiệu quả điều chỉnh dũng càng thấp. Để mở rộng phạm vi điều chỉnh dũng hàn, dựng hai phương phỏp điều chỉnh kết hợp.
- Điều chỉnh cú cấp bằng cỏch thay đổi sơ đồ đấu dõy cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp từ song song sang nối tiếp. Giữ tỉ số biến ỏp và điện ỏp thứ cấp khụng tải khụng đổi.
Trờn hỡnh 2.32a và 2.32b là sơ đồ đấu dõy của biến ỏp hàn và đặc tớnh điều chỉnh dũng hàn I2 = f(a) (với a là khoảng cỏch giữa hai cuộn dõy, khoảng cỏch a thay đổi).
* Mỏy biến ỏp hàn cú shunt từ động
Mỏy biến ỏp hàn với từ thụng tản tăng cường cú shunt từ động được biểu diễn dưới trờn hỡnh 2.33. 3 2 1 a) I2 a b)
Hỡnh 2.32. Mỏy biến ỏp hàn cú cuộn dõy động
Cấu tạo của nú gồm: hai cuộn dõy sơ cấp và thứ cấp 1 và 2 của mỏy được phõn bố đối xứng trờn mạch từ 3 của biến ỏp hàn. Shunt từ động 4 nằm giữa hai cuộn dõy. Shunt từ chuyển động di sõu vào của biến ỏp bằng tay quay hoặc trục vớt vụ tận. Khe hở khụng khớ là khe hở giữa mạch từ của mỏy biến ỏp hàn và shunt từ động.
Điều chỉnh dũng hàn thực hiện bằng cỏch di chuyển shunt từ đi sõu vào mạch từ với hành trỡnh Z. Khi hành trỡnh Z càng giảm, điện khỏng của biến ỏp hàn x của biến ỏp càng tăng và dũng hàn I2 càng giảm. Sự phụ thuộc của điện khỏng x của biến ỏp phụ thuộc vào vị trớ của shunt từ (hành trỡnh Z) được biểu diễn trờn hỡnh 2.32c.
* Mỏy biến ỏp hàn cú cuộn khỏng ngoài
Biến ỏp hàn (hỡnh 2.34a) như một biến ỏp bỡnh thường: Cuộn sơ cấp W1 nối vào lưới điện, cuộn thứ cấp W2 tạo điện ỏp khụng tải đủ mồi hồ quang. Để điều chỉnh dũng hàn và tạo ra đường đặc tớnh ngoài mềm, biến ỏp hàn cú thờm cuộn khỏng CK gọi là cuộn khỏng ngoài vỡ khụng liờn quan gỡ tới biến ỏp về mặt kết cấu
Z xmin Z x a) b) c) 2 1 3 4 Hỡnh 2.33. Biến ỏp hàn cú shunt từ động
a. cấu tạo; b.hành trỡnh của shunt từ; đặc tớnh điều chỉnh dũng hàn
W1 W2
CK
HQ
U I Inm3 Inm2 Inm1 0 1 2 3 1 < 2 < 2
Hỡnh 2.34b. Họ đặc tớnh ngoài của mỏy biến ỏp hàn cú cuộn khỏng ngoài U0
Nếu U2là điện ỏp cuộn thứ cấp thỡ điện ỏp khụng tải là: 2
0 U
U
Khi hàn (cú dũng tải I) thỡ ngoài điện ỏp hồ quang là U hqcũn cú điện ỏp trờn cuộn khỏng UCK nờn:
20 hq CK
U U U
Vỡ điện trở của cuộn khỏng CK rất bộ, cú thể bỏ qua nờn tổng trở của cuộn khỏng coi như chỉ cú thành phần điện khỏng XL = 2fL và sụt ỏp là:
2 CK U fLI Từ đú ta cú điện ỏp hồ quang: 2 2 2 hq CK U U U U fLI (2.33)
Vậy dũng hàn hồ quang tăng thỡ Uhqgiảm. Lỳc mồi hồ quang I I nmthỡ 0 U hq và theo (2.27) ta cú: fL 2 U I I 2 nm (2.34)
Từ trở của cuộn khỏng CK tỉ lệ nghịch với điện càm L nờn khi độ rộng khe hở khụng khớ tăng thỡ từ trở tăng, điện khỏng L giảm và Inm tăng. mỏy biến ỏp hàn cú cuộn khỏng ngoài cú họ đặc tớnh ngoài như trờn hỡnh 2.34b.
Điều chỉnh dũng điện hàn theo khe hở khụng khớ đảm bảo điều chỉnh trong liờn tục và chớnh xỏc. Nếu cuộn khỏng CK cú nhiếu đầu ra thỡ khụng cần điều chỉnh
W1 W2 RV U + - 1 2 1 2 CM F khe hở khụng khớ. Lỳc đú ta điều chỉnh dũng hàn từng cấp. b. Nguồn hàn một chiều
Nguồn hàn một chiều dựng cho cụng nghệ hàn hồ quang bằng tay, hàn hồ quang tự động, bỏn tự động và hàn hồ quang trong khớ bảo vệ. Nguồn hàn hồ quang một chiều cú hai loại:
- Bộ biến đổi quay (mỏy phỏt hàn một chiều).
- Bộ biến đổi tĩnh (bộ chỉnh lưu dựng điụt hoặc tiristor ).
* Mỏy phỏt hàn một chiều cú cuộn kớch từ KT độc lập và cuộn khử từ (KhT) nối tiếp.
Mỏy phỏt cú hai cuộn kớch từ (hỡnh 2.35a).
Cuộn W1 là cuộn tạo ra từ thụng kớch từ chớnh t và được cấp điện từ một nguồn một chiều độc lập cú điều chỉnh dũng kớch từ nhờ biến trở RV.
Cuộn khử từ W2 đấu nối tiếp với phần ứng mỏy phỏt và cú dũng hàn chảy qua. Từ thụng do cuộn W2 sinh ra là 2 sẽ ngược chiều với từ thụng chớnh 1.
Như vậy từ thụng tổng kớch từ của mỏy phỏt là:
= 1 + 2
Khi khụng tải Ihq = 0 và 2 = 0. Điện ỏp mỏy phỏt lỳc khụng tải do 1 quyết định: U0 = E0 = ke1
trong đú: ke là hệ số phụ thuộc kết cấu mỏy phỏt;
là tốc độ quay phần ứng mỏy phỏt (rad/s). Hỡnh 2.35a. Sơ đồ nguyờn lý mỏy phỏt điện cú cuộn
Khi cú tải Ihq 0 và cuộn W2 cú dũng điện hồ quang chảy qua, sinh ra từ thụng 2 tỉ lệ với Ihq và ngược chiều 1, nờn:
F 2 1 e F hq 0 hq E I R k ( ) IR U (2.35)
Đặc tớnh ngoài của mỏy phỏt cú dạng hỡnh 2.35b.
* Mỏy phỏt hàn một chiều cú cuộn kớch từ song song và cuộn khử từ nối tiếp
Mỏy phỏt hàn cú cuộn kớch từ độc lập cần phải cú một nguồn một chiều độc lập riờng. Để tiện sử dụng mỏy loại này dựng ngay nguồn một chiều của nú để tự kớch từ. Sơ đồ mạch như trờn hỡnh 2.36.
Cuộn kớch từ chớnh W1 được cấp một phần điện ỏp phỏt ra từ phần ứng mỏy phỏt và được điều chỉnh dũng kớch từ qua chiết ỏp RV. Họ đặc tớnh ngoài tương tự như hỡnh 2.35b.
* Mỏy phỏt hàn điện một chiều cú cực từ rẽ
Mỏy phỏt hàn điện một chiều cú cực từ rẽ (hỡnh 2.36) tạo ra đặc tớnh ngoài dốc do tỏc dụng khử từ của từ thụng sinh ra trong cuộn dõy phần ứng mỏy phỏt (do phản ứng phần ứng). Mỏy phỏt cú hai cuộn kớch từ: cuộn kớch từ chớnh W1 và phụ W2.
Khi hàn, dũng hàn chảy qua phần ứng sẽ tạo ra một luồng từ thụng ư hướng ngược lại với từ thụng n. Từ thụng n càng giảm khi dũng hàn càng tăng và làm giảm điện ỏp cảm ứng giữa hai chổi than a và b. Như vậy đặc tớnh ngoài của mỏy phỏt mềm là do tỏc dụng của từ thụng phản ứng phần ứng.
Khi ngắn mạch, dũng phần ứng lớn nhất và từ thụng tổng bị giảm về 0, sức điện động mỏy phỏt cũng giảm về 0.
U
I Inm2
Inm1
0
Hỡnh2.35b. Họ đặc tớnh ngoài của mỏy phỏt điện khi thay đổi số vũng dõy U0
W21 > W22
Khi khụng tải, dũng phần ứng khụng cú, ư = 0, từ thụng tổng lớn nhất, mỏy