Bài 5 : Hàn vẩy đồng bằng ngọn lửa hàn khí
5.1. Đặc điểm khó khăn khi hàn đồng, hợp kim đồng, vật liệu hàn đồng
5.1.1. Đặc điểm
- Độ bền hóa học cao trong một số môi trường (nước biển...), giữ đưọc cơ tính ở nhiệt độ thấp, tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt.
134
- Đồng thau chống ăn mòn tốt, có độ bền cao hơn đồng nguyên chất.
- Đồng thanh chống ăn mòn tốt, ổn định trong môi trường hơi nước, nước biển, v.v. Cũng là vật liệu kết cấu và dùng dưới dạng đường ống.
- Hợp kim monel là vật liệu kết cấu dưới dạng các bể chứa và đường ống làm việc trong môi trường hóa chất ăn mòn (nước biển, dung dịch muối, axit hữu cơ).
5.1.2. Tính hàn
- Tính dẫn nhiệt cao, nguồn nhiệt hàn có công suất lớn; nguồn nhiệt xung. Tăng kích thước hạt ở nhiệt độ cao rèn mỗi lớp sau khi hàn trong 550÷800 oC để làm mịn hạt.
- Dễ bị oxi hóa ở nhiệt độ cao lẫn xỉ khi hàn. Giảm nhiệt độ nóng chảy của CuO qua thuốc hàn (95% Na2B4O7 (borax) + 5% Mg) : CuO + Na2B4O7 = 2NaBO2.CuO.B2O3 (đi vào xỉ hàn).
- Tạp chất € các cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp (của Bi O , Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5 nóng chảy 270 oC). Yêu cầu hàm lượng: < 0,002% Bi, < 0,005% Pb) hoặc biến tính mối hàn bằng Ce, Zr để liên kết thành các chất có nhiệt độ nóng chảy cao.
- Khi hàn đồng thanh thuộc hệ Cu –Al có thể hình thành Al2O3 gây lẫn xỉ. Có thể dùng thuốc hàn (muối của F, Cl và các kim loại kiềm).
Khả năng hòa tan của
hydro trong đồng [cm3 /100g] Độ bền và tính dẻo của đồng theo nhiệt độ
135
- Khi hàn đồng thau, kẽm dễ bị bay hơi do có nhiệt độ bay hơi thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của đồng, làm rỗ mối hàn. Hơi ZnO: độc hại cho sức khỏe. Có thể nung nóng sơ bộ đến 200÷300 oC, tăng tốc độ hàn để giảm thể tích kim loại nóng chảy.
- Hệ số dãn dài cao (= 1,5 lần thép) có thể gây nên ứng suất và biến dạng (nhiệt và dư) cao khi hàn. Sự kết hợp ứng suất nhiệt cao với cơ tính thấp ( , ,
B) tại khoảng nhiệt độ 400÷600 oC có thể gây nứt khi hàn
- Cu lỏng hòa tan nhiều H. Khi kết tinh nhanh, H không kịp thoát ra khỏi vũng hàn. Độ hòa tan của H trong Cu giảm theo nhiệt độ, xu hướng: Cu2O + 2H = 2Cu + H2O, làm rỗ khí và nứt tế vi (trong KLMH và vùng AHN khi H nguyên tử khuyếch tán vào vùng ảnh hưởng nhiệt). Cần giảm lượng H đưa vào mối hàn (vật liệu hàn khô) hoặc dùng CO để hoàn nguyên đồng: Cu2O + CO = 2Cu + CO2 tuy nhiên có thể gây rỗ khí. N hầu như trung hòa đối với đồng nên có thể được dùng như khí bảo vệ cho hàn đồng.
- Độ chảy loãng của đồng và đặc biệt đồng thau rất cao, do đó khó hàn ở các tư thế khác hàn sấp.
5.2. Thiết bị, dụng cụ hàn khí 5.2.1. Khái niệm về hàn khí
- Hàn khí là phương pháp hàn nóng chảy, quá trình nung nóng vật hàn đến trạng thái chảy bằng ngọn lửa của khí cháy như Axêtylen, mêtan ,benzen...với ôxy
5.2.2. Dụng cụ hàn khí
136
Hình 5.1: Thiết bị hàn khí
1. Bình chứa ôxy 2. Bình chứa axêtylen 3. Van giảm á 4.Khóa bảo hiểm 5. Ống dẫn khí 6. Mỏ hàn
- Mỏ hàn
Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo mỏ hàn khí
a/ Mỏ hàn kiểu hút b/ Mỏ hàn đẳng áp.
1. Dây dẫn khí C2H2 2. Dây dẫn khí ôxy3. Van điều chỉnh C2H2 4. Van điều chỉnh ôxy 5. Buồng hút6. Đầu mỏ hàn
Mỏ hàn kiểu tự hút (H.3.2a) sử dụng khi hàn với áp suất khí C2H2 thấp và trung bình. Khí C2H2 (áp suất 0,01÷1,2at) được dẫn vào qua ống (1), còn khí ôxy (áp suất 1÷4at) được dẫn vào qua ống (2). Khi dòng ôxy phun ra đầu miệng phun (5) với tốc độ lớn tạo nên một vùng chân không hút khí C2H2 theo ra mỏ hàn. Hỗn hợp tiếp tục được hòa trộn trong buồng (5), sau đó theo ống dẫn (6) ra miệng mỏ hàn và được đốt cháy tạo thành ngọn lửa hàn. Điều chỉnh lượng khí
137
ôxy và C2H2 nhờ các van (3) và (4). Nhược điểm của mỏ hàn tự hút là thành phần hỗn hợp khí cháy không ổn định.
Mỏ hàn đẳng áp (H.3.2b) dùng khi hàn với áp lực khí C2H2 trung bình. Khí ôxy và C2H2 được phun vaò buồng trộn với áp suất bằng nhau (0,5÷1at) hòa trộn trong ống dẫn của mỏ hàn, đi ra miệng mỏ hàn để đốt cháy tạo thành ngọn lửa.
- Van giảm áp:
Van giảm áp lắp ngay sau nguồn khí (chai khí) và có tác dụng: + Làm giảm áp suất của chất khí đến mức quy định.
+ Giữ cho áp suất đó không thay đổi trong suốt quá trình làm việc. + Đều chỉnh áp suất khí ra.
+ Van giảm áp cho khí O2 có thể điều chỉnh áp suất khí O2 từ 150at xuống khoảng 1 ÷ 1,5at.
+ Van giảm áp cho khí C2H2 có thể điều chỉnh áp suất khí C2H2 150at xuống khoảng 0,05 ÷ 1,5at.
Hình 5.3: Van giảm áp
- Dụng cụ phụ trợ
138
Hình 5.5: Dụng cụ hàn khí
Hình 5.6: Dụng cụ làm sạch mỏ hàn khí
5.2.3. Làm sạch mỏ hàn
Trong quá trình hàn mỏ hàn thường bị tắc do xỉ bắn vào đầu mỏ hàn làm cho ngọn lửa hàn bị thay đổi ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn do đó ta cần làm sạch mỏ hànbằng dụng cụ làm sạch mỏ hàn sau đó mới tiếp tục hàn.
5.2.4. Vật liệu hàn khí
139
a. Ôxy
Ôxy là loại khí không màu, không mùi, không vị, không độc không thể tự bốc cháy. Hầu hết các phản ứng cháy toả nhiệt đều có sự tham gia của ôxy, do đó cần đặc biệt chú ý đến các tính chất sau đây:
- Trong không khí có khoảng 21% khí ôxy và 69% khí Nitơ (tính theo thể tích) - Nếu lượng ôxy tăng lên sẽ làm tăng khả năng bắt cháy, tốc độ bắt cháy và làm giảm nhiệt độ cháy.
Trong công nghiệp khí ôxy nguyên chất được điều chế từ không khí (phương pháp điều chế là biến khí ôxy thành thể lỏng). Người ta lợi dụng điểm sôi khác nhau của Ôxy và Nitơ để chưng cất lấy ôxy, điểm sôi của Nitơ (- 1960C), của ôxy (-1830C). Sau đó khí nén ôxy ở áp suất cao rồi chứa trong các bình vỏ thép có dung tích 40 lít, áp suất 150at (Chứa khoảng 6000 - 10000 lít O2). Khi điều chế ôxy như vậy sẽ có độ nguyên chất đạt 98 ÷ 99,5% .
* Chú ý: Để đảm bảo cho người và trang thiết bị, ôxy phải được dùng đúng mục đích, không được phép dùng ôxy để: cải thiện chất lượng không khí trong phòng và bồn chứa, thổi sạch bụi bẩn ở quần áo bảo hộ lao động và làm mát cơ thể khi nóng.
Các phần nối và làm kín của thiết bị ôxy các ống dẫn ôxy không dính dầu, mỡ, bụi bẩn, sơn các chất béo,... Do các chất này có thể kết hợp với ôxy rò rỉ tạo thành hỗn hợp dễ cháy nổ.
Khí hàn gồm O2 kỹ thuật và các loại khí cháy. Khí cháy dùng làm nhiên liệu lựa chọn dựa trên hai tính chất chính: là tốc độ bắt cháy và công suất ngọn lửa.
b. Khí Axêtylen
Trong công nghiệp dùng khí (C2H2) làm nhiên liệu hàn và cắt kim loại. C2H2 là chất khí không màu, có mùi đặc biệt, nếu hít phải nhiều hơi (C2H2) sẽ bị váng đầu buồn nôn và có thể trúng độc. C2H2 nhẹ hơn không khí và rất dễ hoà tan trong các chất lỏng nhất là Axêtôn. Ngọn lửa khí C2H2 kết hợp với O2 nguyên chất có từ 30500C 31500C. Axêtylen là một chất khí nổ nguy hiểm. Trong những trường hợp sau đây khí (C2H2) có thể nổ:
1- Khi nhiệt độ 450 5000C và áp suất cao quá 1,5at.
2- Khí C2H2 hỗn hợp với O2 ở nhiệt độ từ 3000c trở lên và dưới áp suất khí quyển. Hỗn hợp nổ trong phạm vi tỷ lệ từ 2,3 93% khí C2H2 và nổ mạnh nhất khi khoảng 30% khí C2H2..
140
3- Khí C2H2 hỗn hợp với không khí theo tỷ lệ 2,3 ÷ 81% khí C2H2 (cùng với nhiệt độ và áp suất nhưtrên). Khí C2H2 chiếm 7 - 13% trong hỗn hợp là nổ mạnh nhất .
4- Khi cho khí C2H2 tiếp xúc lâu ngày với đồng đỏ và bạc. Vì chất này tác dụng với nhau sẽ tạo ra Axêtylua-đồng Axêtylua-bạc dễ nổ khi va đập mạnh hoặc nhiệt độ tăng cao.
5- Khi nhiệt độ của bã đất đèn ở khu vực phản ứng quá 800c hoặc nhiệt độ của C2H2 cao quá 900c.
c.Thuốc hàn
Thuốc hàn là những chất dùng để khử ôxy cho kim loại, tạo ra các hợp chất dễ chảy, dễ tách khỏi vũng hàn và tạo màng xỉ để che phủ mối hàn. Thuốc hàn chủ yếu dùng khi hàn một số thép hợp kim, gang và kim loạimàu. Yêu cầu đối với thuốc hàn:
- Nhiệt độ chảy phải thấp hơn nhiệt độ chảy của kim loại vật hàn. - Thuốc hàn phải nhẹ và có tính chảy loãng tốt, không gây ăn mòn kim loại. - Không sinh khí độc, dễ làm sạch mối hàn.
Khi hàn gang thường dùng hỗn hợp K2O và Na2O; Khi hàn đồng đỏ, đồng thau thường dùng borăc (Na2B4O7), axit boric (H3BO3); Khi hàn nhôm thường dùng muối florua.
5.3. Điều chỉnh áp suất hàn khí
Bảng 5.1: Bảng điều điều chỉnh áp suất hàn khí
Thông số Thép tấm Áp suất khí Số pép hàn Chiều dài nhân ngọn lửa Que hàn Mối hàn Ôxy (Kg/cm3) Axêtylen (Kg/cm3) đường kính (mm) Chiều dài làm việc (mm) Chiều rộng (mm) Chiều cao (mm) 1,6 1,0 0,1 75 7 1,6 250÷275 5 0,7 2,3 1,5 0,1 100 8 2,0 210÷225 8 1,0 3,2 1,8 0,1 150 9 2,6 180190 10 1,3 5.4. Ngọn lửa hàn khí
Quá trình cháy của O2 và C2H2 hoặc các khí khác (mê tan , ben zen...) sẽ sinh ra nhiệt và ánh sáng, nhiệt này nung nóng vật hàn và môi trường xung quanh.
141
Căn cứ vào tỉ lệ hỗn hợp khí hàn, ngọn lửa hàn có thể chia làm ba loại:
5.4.1. Ngọn lửa bình thường
Ngọn lửa bình thường nhận được khi tỷ lệ: 2 2 1,1 1,2 2 H C O Hình 5.7: Ngọn lửa bình thường
Ngọn lửa này chia ra làm ba vùng:
- Vùng hạt nhân: Có màu sáng trắng, nhiệt lượng thấp và trong đó có các bon tự do nên không dùng để hàn vì làm mối hàn thấm các bon trở nên giòn.
Trong vùng này xẩy ra phản ứng phân huỷ C2H2 C2H2→ 2C+H2
- Vùng cháy không hoàn toàn: Có màu sáng xanh, nhiệt độ cao (32000C) có CO và H2 là hai chất khử ôxy nên gọi là vùng hoàn nguyên hoặc vùng cháy chưa hoàn toàn.
C2H2 + O2 = 2CO +H2+Q↑
- Vùng cháy hoàn toàn: Có màu nâu sẫm nhiệt độ thấp, có C2 và nước là những chất khí sẽ ôxy hoá kim loại vì thế còn gọi là vùng ôxy hoá ở đuôi ngọn lửa, cácbon bị cháy hoàn toàn nên gọi là vùng cháy hoàn toàn.
2CO +H2 +1,5O2kk = 2CO2 +H2O +Q↑
5.4.2. Ngọn lửa ôxy hoá
Ngọn lửa ôxy hoá nhận được khi tỷ lệ: 2 2 1,2 2
H C
O
Hình 5.8: Ngọn lửa ôxy hoá
Tính chất hoàn nguyên của ngọn lửa bị mất, khí cháy sẽ mang tính chất ôxy hoá nên gọi là ngọn lửa ôxy hoá, lúc này nhân ngọn lửa ngắn lại, vùng giữa và vùng đặc biệt không rõ ràng ngọn lửa này có màu sáng trắng.
Công dụng của ngọn lửa ôxy hóa chỉ dùng khi hàn đồng thau, cắt và đốt sạch bề mặt các chi tiết máy hoặc kết cấu máy.
142
5.4.3. Ngọn lửa các bon hoá
Ngọn lửa này nhận được khi tỷ lệ: 2 2 1,1 2
H C
O
Hình 5.9: Ngọn lửa bon hoá
Vùng ngọn lửa thừa các bon tự do và mang các bon hoá lúc nào nhân ngọn lửa kéo dài và nhập vào vùng giữa có màu nâu sẫm.
Qua sự phân bố về thành phần về nhiệt độ của ngọn lửa hàn, áp dụng ngọn lửa để hàn như sau:
Ngọn lửa bình thường có tác dụng tốt vùng cách nhân ngọn lửa từ 2÷3mm có nhiệt cao nhất thành phần của khí hoàn nguyên (CO và H2 nên dùng để hàn).
Ngọn lửa cácbon hoá dùng khi hàn gang (bổ sung cácbon khi hàn bị cháy). Tôi bề mặt, hàn đắp thép cao tốc, và hợp kim đồng thau, cắt hơi, đốt sạch bề mặt.