QUÁ TRÌNH LẮP RÁP
9.1 CÁC MỐI LẮP KHƠNG THÁO ĐƯỢC (JOINING PROCESSES) 1 Hàn hồ quang điện (Arc Welding)
9.1.1 Hàn hồ quang điện (Arc Welding)
Hàn hồ quang là phương pháp hàn nĩng chảy, trong đĩ vùng kim loại hàn được làm nĩng bằng hồ quang điện giữa que điện cực và chi tiết hàn. Hình 9.1 mơ tả nguyên lý hàn hồ quang điện.
Hình 9.1 Hàn hồ quang điện
Hồ quang điện được tạo ra từ hiện tượng phĩng điện của dịng điện đi qua khe hở giữa hai điện cực, trong đĩ một điện cực đĩng vai trị là chi tiết. Quá trình này được duy trì bởi sự xuất hiện của cột khí bị ion hĩa nhiệt (gọi là plasma) thơng qua mơi trường khí giữa hai điện cực, kèm theo là sự phát nhiệt lớn và phát ánh sáng mạnh. Để tạo hồ quang, di chuyển điện cực vừa tiếp xúc với chi tiết, sau đĩ nhanh chĩng nhấc lên và duy trì khe hở nhỏ giữa điện cực và chi tiết, từ đĩ xuất hiện hồ quang. Nhiệt độ tại vùng hồ quang đạt 5.500oC hoặc cao hơn làm nĩng chảy hầu hết các loại kim loại khác nhau tạo nên vữa hồ quang. Vữa hồ quang bao gồm kim loại của chi tiết và kim loại của đũa hàn (nếu dùng). Trong hầu hết các trường hợp hàn hồ quang, đũa hàn được dùng để bổ sung vật liệu, làm tăng thể tích và độ bề mối hàn.
Điện cực sử dụng khi hàn hồ quang cĩ thể bị nĩng chảy (Consumable electrodes) hoặc khơng bị nĩng chảy (Nonconsumable electrodes). Với điện cực nĩng chảy, chức năng chính là bổ sung kim loại vào vùng hàn, được chế tạo từ kim loại hoặc hợp kim cĩ thành phần gần tương tự với vật liệu chi tiết hàn. Hình dáng cĩ dạng que hàn hoặc dây hàn. Lõi que hàn cĩ chiều dài từ 225 đến 450 mm, đường kính 9,5 mm hoặc nhỏ hơn. Trên thực tế thường dùng que hàn cĩ đường kính từ 1 đến 6 mm. Nhược điểm của quen hàn là phải dừng và thay đổi que khác khi dùng hết chiều dài que. Khắc phục điều này, cĩ thể sử dụng dây hàn, giúp quá trình cấp dây liên tục và kéo dài. Với điện cực khơng nĩng chảy, vật liệu thường dùng là Tungsten hoặc carbon (hiếm khi dùng) cĩ nhiệt độ nĩng chảy cao. Điện cực khơng nĩng chảy cho hồ quang hàn ổn định, tuy nhiên, cần bổ sung kim loại hàn bằng cách cấp thêm dây hàn.
Nguồn điện sử dụng trong hàn hồ quang cĩ thể là nguồn điện một chiều DC hoặc xoay chiều AC. Máy hàn dịng AC cĩ giá thấp hơn so với máy hàn dịng DC, nhưng chủ yếu hàn cho các loại sắt, thép. Máy hàn dịng DC cĩ thể sử dụng cho hầu hết các loại kim loại, cho chất lượng mối hàn tốt, dễ mồi hồ quang và dễ hàn.
Sau đây là một số phương pháp hàn phổ biến
a) Hàn hồ quang điện bằng đũa hàn (Stick welding). Vật liệu đũa hàn phải phù hợp với kim loại nền và được bọc lớp thuốc hàn bên ngồi, chiều dày lớp thuốc 1 đến 2 mm. Trong quá trình hàn, lớp thuốc bị cháy tạo ra lớp khí bảo vệ, tránh sự oxy hĩa xâm nhập khí từ mơi trường, tăng khả năng ion hĩa để duy trì cột hồ quang ổn định, tạo xỉ lỏng đồng đều che phủ vùng hàn làm giảm tốc độ nguội của mối hàn, khử ứng suất, hạn chế nứt, cong vênh sau hàn.
Hình 9.2 Hàn hồ quang điện bằng đũa hàn
b) Hàn hồ quang điện cĩ lớp khí bảo vệ (Gas metal arc welding). Đây cũng thuộc nhĩm hàn điện cực nĩng chảy, sử dụng dây kim loại (dây trơn) làm điện cực và khí bảo vệ được thổi trực tiếp vào vùng hàn. Đường kính dây hàn từ 0,8 đến 6,5 mm cấp liên tục vào súng hàn. Lựa chọn loại khí bảo vệ phụ thuộc vào kim loại hàn. Ví dụ, khí trơ dùng khi hàn hợp kim nhơm và thép khơng gỉ, điển hình của phương pháp này là hàn hồ quang điện cực nĩng chảy bảo vệ bằng khí trơ - MIG
(Metal Inert Gas); hoặc bảo vệ bằng khí hoạt tính CO2, H2, CO,… dùng cho thép carbon thấp và trung bình, điển hình là phương pháp hàn MAG (Metal Active Gas).
Hình 9.3 Hàn hồ quang điện cĩ lớp khí bảo vệ (MIG/MAG)
c) Hàn hồ quang chìm (Submerged arc welding). Hình 9.4 dùng dây hàn trơ cho phép hàn liên tục. Cấu tạo thiết bị hàn gồm đầu cấp và thu hồi thuốc hàn. Thuốc hàn cấp vào che phủ vùng hàn, trong quá trình hàn bị cháy tạo thành lớp xỉ bảo vệ, phần thuốc đã cháy được hút ra ngồi sau đĩ. Phương pháp ứng dụng chế tạo các loại thép hình kết cấu hàn (dầm chữ I), các ống đường kính lớn, bồn bể,…
Hình 9.4 Hàn hồ quang chìm
d) Hàn điện cực Tungsten (Tungsten Inert Gas - TIG), tên gọi khác của phương pháp này là hàn điện cực Wolfram (Wolfram Inert Gas - WIG). Hình điện cực được làm bằng Tungsten (Wolfram) cĩ nhiệt độ nĩng chảy rất cao 3410oC. Khí bảo vệ cĩ thể là Argon, Helium hoặc trộn các thành phần khí khác nhau. Phương pháp này ứng dụng hàn các cặp kim loại khác nhau, phổ biến nhất là hàn nhơm và thép khơng gỉ.
Hình 9.5 Hàn điện cực Tungsten, TIG
e) Hàn plasma (Plasma arc welding): đây là một dạng đặc biệt của hàn điện cực Tungsten, trong đĩ dịng hồ quang plasma hướng trực tiếp đến vùng hàn. Đầu điện cực Tungsten cĩ thiết kế đặc biệt cho phép tập trung dịng khí trơ tốc độ cao (Argon hay hỗn hợp Argon – Hydrogen) vào vùng hồ quang, tạo thành hồ quang plasma cĩ tốc độ và nhiệt độ cao. Khí bảo vệ thường là Argon, Argon – Hydrogen hay Helium. Nhiệt độ tại vùng hồ quang plasma đạt 17.000oC hoặc cao hơn, đủ làm nĩng chảy bất kỳ kim loại nào, kể cả Tungsten. Tuy nhiên, hạn chế dùng phương pháp này cho các loại vật liệu đồng thiếc, gang, chì và ma-giê.
Hình 9.6 Hàn Plasma