Cnsc.212
Hàn đắp rung là một dạng hàn cơ khí tự động, nguyên tắc hoạt động cơ bản của nĩ cũng giống như nguyên tắc của hàn tự động duy chỉ cĩ khác là trong quá trình làm việc mỏ hàn luơn luơn rung với tần số và biên độ nhất định.
Sơ đồ nguyên lý thiết bị hàn đắp rung được thể hiện trên hình (hình 4.4).
Hình 4.4. Sơ đồ thiết bị hàn đắp rung
1. Chi tiết cần hàn đắp 7. Các con lăn
2. Dây hàn 8. Rãnh dẫn nước cần làm mát 3. Mỏ hàn rung 9. Nguồn điện
4. Lị xo 10. Bơm bánh răng 5. Bộ gây rung 11. Cảm kháng
6. Hộp cuốn dây 12. Bể chứa nước làm mát Dây hàn 2 (que hàn) từ hộp cuốn dây 6 nhờ các con lăn 7 được đưa qua mỏ hàn rung 3 tới bề mặt cần hàn đắp của chi tiết 1 quay với tốc độ nhất định nào đĩ. Độ rung dọc của dây hàn cùng với mỏ hàn được thực hiện nhờ bộ gây rung 5 và các lị xo 4. Khi chạm vào bề mặt của chi tiết, dây hàn bị nĩng chảy dưới tác dụng phĩng điện xung từ nguồn điện 9 và kim loại nĩng chảy được phủ lên bề mặt của chi tiết.
Để nâng cao độ ổn định và tăng hiệu suất của quá trình hàn đắp người ta mắc nối tiếp cảm kháng 11 vào mạch điện. Từ bể chứa 12, nhờ bơm bánh răng 10 chất lỏng làm mát được đưa theo rãnh 8 qua mỏ hàn 3 tới vị trí kim loại nĩng chảy. Chất lỏng làm mát cĩ tác dụng thúc đẩy việc tạo thành mối hàn một cách nhanh chĩng, cịn hơi nước bốc lên sẽ bảo vệ cho kim loại nĩng chảy khỏi bị tác dụng của ơxy và nitơ trong khơng khí. Chất lỏng làm mát thường là dung dịch 5% nước xơ đa nung hoặc dung dịch 20-30% nước glixêrin kỹ thuật [C3H5(CH)3] và những dung dịch khác. Tiêu chuẩn hao nước làm mát là khoảng 0,2-0,7 lít/phút.
VA A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Cnsc.213 Trong mỗi chu trình rung của điện cực, việc hàn đắp được thực hiện thơng qua các giai đoạn chính sau đây (hình 4.5):
1. Thời kỳ ngắn mạch của điện cực với bề mặt chi tiết; 2. Thời kỳ ngắt mạch;
3. Thời kỳ phĩng hồ quang; 4. Thời kỳ chạy khơng.
Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, trong cả một chu trình rung của dây hàn khoảng 0,01 giây thì hành trình chạy khơng chiếm tới 60-70% tổng số thời gian. Cịn lại thời kỳ ngắn mạch chiếm khoảng 2,5-3,0.10-3 giây, thời kỳ ngắt mạch và phĩng hồ quang là 1.10-3 giây.
Ở thời điểm ngắn mạch điện áp khơng tải của nguồn điện giảm xuống đột ngột cịn dịng điện thì tăng lên nhanh chĩng tới khoảng 1100-1200 A (trong khi đĩ trị số trung bình là 180 A). Mật độ dịng điện lúc này đạt tới 3.10-3 A/mm2. Dưới tác dụng của lượng nhiệt sinh ra các điện cực bị đốt nĩng và đầu dây hàn bị nĩng chảy.
Hình 4.5. Sơ đồ các quá trình trong khi hàn rung a. Thời kì ngắn mạch b. Thời kì ngắt mạch c. Thời kì phĩng hồ quang d. Thời kì chạy khơng
Ở thời điểm ngắt mạch cường độ dịng điện giảm xuống, cịn điện áp giữa các điện cực tăng lên do cĩ suất điện động tự cảm cùng chiều với điện áp của nguồn điện. Khi đĩ xuất hiện hiện tượng phĩng hồ quang và tỏa ra một khối lượng nhiệt lớn (tới 70%). Kim loại ở đầu điện cực bị nĩng chảy và bị bức xạ, một phần được bám chặt vào bề mặt chi tiết cịn một phần bị văng ra. Trong quá trình phĩng hồ quang thì hầu như hiệu điện thế khơng thay đổi. Cuối thời kỳ này, tức là thời kỳ đi ra của điện cực quá xa (d) điện áp hàn lại giảm, nhưng khơng đột ngột vì nĩ vẫn dự trữ một độ cảm ứng nhất định. Khi hành trình chạy khơng càng lớn thì tổn hao kim loại càng lớn và năng suất hàn càng giảm. Độ bền bám của lớp hàn đắp với kim loại cơ bản khơng cao lắm vì bề mặt kim loại bị oxy hĩa. Để khắc phục hiện tượng đĩ cần phải giảm thời kỳ chạy khơng và giảm trị số xung của dịng ngắn mạch. Việc tăng điện cảm nhờ cảm kháng (11) sẽ làm giảm trị số xung của dịng điện ở thời kỳ ngắn mạch, khi đĩ độ tăng giảm của xung sẽ đều hơn, thời gian tồn tại và độ ổn định của hồ quang khi ngắt mạch tăng lên và như vậy hiện tượng khơng tải được khắc phục.
Ngồi ra để khắc phục giai đoạn chạy khơng cần phải chọn chế độ hàn (V và I) cho phù hợp, chọn tần số và biên độ rung cho đúng và cuối cùng là tính tốn, chọn mạch cho phù hợp. a) b) c) d) 2 2
Cnsc.214
Hình 4.6. Sơ đồ bố trí dây hàn với chi tiết 1. Chi tiết; 2. Điện cực; 3. Lớp hàn đắp.
4.5.2. Quá trình cơng nghệ hàn
Hàn rung cĩ thể tiến hành nhờ nguồn điện một chiều hoặc xoay chiều và cũng cĩ thể dùng hỗn hợp cả một chiều và xoay chiều. Khi dùng dịng điện một chiều và hàn ngược cực thì chất lượng lớp hàn đắp sẽ cao hơn. Trong trường hợp này độ bền bám của lớp hàn đắp với kim loại cơ bản cao hơn đáng kể so với trường hợp hàn đắp ở dịng điện xoay chiều hoặc hỗn hợp. Khi hàn bằng dịng xoay chiều hoặc hỗn hợp, cực dịng điện luơn thay đổi do đĩ trên điện cực lượng nhiệt sản sinh ra khơng đồng đều và quá trình hàn khơng ổn định. Từ những nguyên nhân đĩ chất lượng hàn giảm xuống. Hàn đắp ở dịng điện hỗn hợp gây phức tạp vì phải cĩ hai nguồn điện: Máy phát một chiều và biến áp bàn. Bên cạnh những nhược điểm trên nguồn xoay chiều cĩ ưu điểm nổi bật là dễ tạo hơn, mạng điện sẵn hơn giá thành hạ so với ngồn một chiều.
Khi hàn đắp bằng dịng một chiều, nguồn điện cĩ thể là máy phát một chiều, hoặc chỉnh lưu, hoặc máy phát điện áp thấp cĩ mắc nối tiếp một cuộn cảm vào mạch hàn thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số vịng.
Trên các sơ đồ dưới đây giới thiệu phương pháp hàn rung với nguồn điện một chiều và với nguồn điện xoay chiều cĩ lắp cảm ứng bổ sung:
Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị hàn rung với nguồn điện một chiều 1. Động cơ đưa dây; 9. Vịi nước làm mát;
2. Hộp giảm tốc; 10. Thùng chứa nước làm mát; 3. Hộp cuốn dây hàn; 11. Bơm nước;
9 8 11 10 12 13 14 1 7 6 5 2 3 15 16
4. Con lăn đưa dây; 12. Cuộn cảm ứng bổ sung;
5. Bộ rung động; 13. Ampe kế;
6. Lị xo bộ rung động; 14. Vơn kế;
7. Biến áp của bộ rung; 15. Máy phát một chiều;
8. Chi tiết phục hồi; 16. Động cơ (xoay chiều 3 pha). Để tiến hành hàn đắp người ta gá chi tiết lên mâm cặp của máy tiện, cịn mỏ hàn cĩ hộp cuốn dây hàn được gá lên bàn dao của máy tiện. Trục chính máy tiện cĩ thể phải cĩ hộp giảm tốc để giảm số vịng quay theo yêu cầu cơng nghệ (tới 1 vịng/phút).
Số vịng quay của chi tiết cĩ thể xác định theo cơng thức sau đây:
. . . . . 15 2 D s h v d n n , vịng/phút (4.18) trong đĩ:
d- đường kính dây kim loại hàn, mm; vn - vận tốc đưa dây hàn, mm/giây;
- hệ số chuyển kim loại dây hàn vào lớp hàn đắp, (= 0,85 - 0,90); h - chiều dày lớp hàn đắp, mm;
s - bước hàn đắp, mm/vịng; D - đường kính của chi tiết, mm.
Chi tiết cần hàn đắp phải được làm sạch bẩn và gỉ bằng giấy giáp hoặc bàn chải sắt. Các chi tiết lắp lỏng cĩ độ mịn khơng lớn (0,1 - 0,2 mm) hoặc bị cong hoặc cĩ độ ơ van lớn nên mài sơ bộ để sau khi gia cơng cơ lớp kim loại phủ cĩ chất lượng tốt hơn về thành phần hĩa học, cấu trúc và cơ tính.
Hình 4.8. Sơ đồ thiết bị hàn rung nguồn xoay chiều cĩ cảm ứng bổ sung 1. Biến áp hàn; 5. Cuộn từ gây rung; 2. Cuộn dây; 6. Mỏ hàn rung;
3. Động cơ điện đưa dây; 7. Chi tiết;
7 5 5 6 3 2 1 8 4 V A
Cnsc.216
4. Con lăn đưa dây; 8. Cuộn cảm ứng bổ sung. Độ ổn định và chất lượng hàn đắp phụ thuộc vào điện áp, điện cảm và cực của dịng điện; vào thành phần và khối lượng chất lỏng làm mát và trị số khoảng cách giữa các điện cực. Hàn đắp rung cĩ thể tiến hành ở điện áp 4-30 V. Việc phục hồi các chi tiết bằng hàn đắp thường tiến hành ở điện áp 18-22V và dịng điện 80-300 A. Khi tăng điện áp thì năng suất và tác dụng nhiệt của dịng điện đối với kim loại tăng lên. Một số thành phần như cácbon, măngan ... bị đốt cháy nhiều hơn và độ cứng của chi tiết hàn đắp giảm xuống, cịn kim loại bị tổn hao do bị bắn toé tăng lên. Vì vậy, để nhận được lớp phủ cĩ độ chống mịn tốt thì nên hàn đắp ở điện áp thấp.
Sau hàn đắp chi tiết được đem gia cơng cơ bằng cách mài, đầu tiên mài thơ, sau đĩ mài tinh để đạt được kích thước cần thiết.
Trên đây ta vừa xét về hàn đắp điện-hồ quang rung. Trong thực tế cịn cĩ những phương pháp hàn rung như tia lửa tiếp điểm rung và hồ quang tiếp điểm rung. Các phương pháp này khác nhau về quá trình sơ đồ điện và nguồn điện.
Về đầu hàn rung thì ngồi loại đầu hàn được gây rung bằng điện (hình 4.4), người ta cịn dùng các loại đầu hàn cĩ bộ phận gây rung điện tử và cơ học.
4.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng hàn đắp
Ngồi các thơng số về điện, quá trình và chất lượng hàn rung cịn chịu ảnh hưởng của độ rung của mỏ hàn và chất lỏng làm mát. Tần số rung của mỏ hàn (tức là của dây hàn) vào khoảng 50-100 lần/s gây ra bằng ấy lần phĩng hồ quang và như vậy nĩ làm tăng độ ổn định của quá trình hàn và tăng lượng phun kim loại lên bề mặt bằng những suất phun khơng lớn lắm. Trị số biên độ rung của dây hàn và gĩc hợp bởi nĩ với chi tiết đều ảnh hưởng tới trị số khoảng cách giữa các điện cực. Khi khoảng cách đĩ tăng lên thì điện áp tăng lên và cường độ nĩng chảy của kim loại tăng lên. Việc bố trí điện cực so với chi tiết được trình bày trên hình 4.6.71. Gĩc
phải nằm trong khoảng 35 - 450 (0,612 - 0,787 rad), cịn gĩc trong khoảng 70-900 (1,22 - 1,57 rad).
Chất lỏng làm mát làm giảm ảnh hưởng nhiệt của tia hồ quang đối với chi tiết và làm tăng vận tốc làm mát của lớp hàn, như vậy lớp hàn đắp sẽ cĩ cấu trúc tơi và cĩ độ cứng và độ chống mịn cao. Ngồi ra chất lỏng cịn bảo vệ cho lớp hàn đắp khỏi bị tác động của ơxy và nitơ ngồi khơng khí.
4.5.4. Ưu nhược điểm của phương pháp hàn đắp rung
1. Ưu điểm
- Ưu điểm của hàn đắp rung so với các phương pháp hàn đắp khác là chi tiết phục hồi bị đốt nĩng khơng đáng kể, vùng ảnh hưởng nhiệt khơng lớn, do đĩ thành phần hĩa học và tính chất cơ lý của chi tiết hầu như khơng bị thay đổi. Ngoài ra, nếu dùng dây hàn cĩ hàm lượng các bon tương ứng thì cĩ thể nhận được tất cả các dạng cấu trúc tơi của kim loại hàn đắp cĩ độ cứng và chống mịn cao;
- Cơ khí hĩa được quá trình hàn, khơng phụ thuộc vào tay nghề cơng nhân; - Cho phép sửa chữa những chi tiết trịn cĩ đường kính nhỏ cỡ 10-15mm mà khơng thể sửa chữa bằng hàn đắp tự động cĩ bột hàn;
Cnsc.217 - Khi hàn nhờ phương pháp sinh hồ quang bắt buộc nên cĩ thể dùng nước làm nguội, và như vậy chi tiết khơng bị đốt nĩng quá và khơng bị biến dạng (và đĩ cũng là điều rất quan trọng);
- Sau khi hàn coi như chi tiết được tơi ngay do đĩ khơng phải gia cơng nhiệt luyện.
2. Nhược điểm
Nhược điểm của hàn đắp rung là cấu trúc của lớp hàn đắp là khơng đồng nhất cịn độ cứng là khơng đồng đều, trên bề mặt xuất hiện những vết nứt tế vi. Điều đĩ cĩ thể giải thích là khi hàn đắp được một vịng lên chi tiết thì mối hàn đĩ được tơi với độ cứng cao, cịn sau đĩ khi hàn đắp mối tiếp theo thì mối hàn đĩ lại được ram một phần.
Do vậy độ bền mỏi của chi tiết bị giảm đi đáng kể. Vì vậy, khi sử dụng phương pháp hàn rung phải thận trọng xem xét điều kiện làm việc và đặc điểm kết cấu của chi tiết.
Các chi tiết chịu tải trọng đổi dấu như trục khuỷu thì khơng nên sửa chữa bằng phương pháp này.
Cho đến nay toàn bộ quá trình hàn vẫn chưa được nghiên cứu một cách triệt để. Các số liệu cĩ tính chất tiêu chuẩn về tần số dao động chưa được quy định, về mối quan hệ giữa biên độ dao động với chế độ kỹ thuật, về hướng dao động tương đối của các đầu dây đối với chi tiết hiện nay mới chỉ được chọn qua thực tế sản xuất mà thơi.
4.6. Phục hồi chi tiết bằng phương pháp phun kim loại
4.6.1. Nguyên lý phun kim loại điện hồ quang
Phun kim loại là quá trình tạo ra lớp phủ bằng cách phun các hạt kim loại nĩng chảy nhờ luồng khí nén hoặc khí trơ lên bề mặt chi tiết đã được chuẩn bị trước. Việc làm nĩng chảy và phun kim loại được tiến hành nhờ các máy phun kim loại. Tùy thuộc vào phương pháp làm nĩng chảy kim loại, việc phun kim loại được chia ra: phun kim loại điện hồ quang, phun kim loại hơi, phun kim loại cao tần, phun kim loại hồ quang plazma, v.v...
Phun kim loại điện hồ quang dựa trên cơ sở sử dụng nguồn nhiệt của tia hồ quang làm nĩng chảy kim loại cần phun. Trên sơ đồ (hình 4.9) ta thấy các dây kim loại 1 cách ly với nhau và được đẩy đi trong rãnh của vỏ máy phun nhờ các con lăn 5. Trong đầu phun của máy phun, giữa các dây kim loại cĩ chênh lệch điện áp vì vậy xuất hiện tia hồ quang và dưới tác dụng của nĩ chúng bị nĩng chảy. Các phần tử kim
loại nĩng chảy nhờ luồng khí nén 2 được thổi lên bề mặt đã chuẩn bị sẵn của chi tiết 3.
3 4
Cnsc.218
PHVN
Thép,đồng,đồng đỏ, nhôm thiếc , kẽm, đồng thau, nhôm,thiếc đồng đỏ,đồng thau kẽm LÊN CÁC VẬT LIỆU Thép và các Gỗ giấy sứ kim loại khác 75 125 200 50 0 50 100 150 200 250 25 75 100 200 300 400 V [ m/s ] không khí 4 3 2 1
khoảng cách phun kim loại(mm)
Hình 4.9. Sơ đồ làm việc của máy phun kim loại điện hồ quang 6. Dây phun;
7. Luồng khí nén; 8. Chi tiết được phun; 9. Dây dẫn từ nguồn điện; 10. Các con lăn.
Khi phun kim loại cĩ thể phủ một lớp kim loại bất kỳ cĩ chiều dày từ 0,03 mm tới vài milimét lên bất kỳ vật liệu nào như kim loại, gỗ, thủy tinh, thạch cao, giấy, v.v... mà khơng làm những vật liệu đĩ bị nĩng chảy.
Hình 4.10. Sơ đồ quá trình phun kim loại 2. Bề mặt được phun; 2. Dây kim loại phun;
Quá trình phun kim loại cĩ thể chia ra làm 3 giai đoạn: Giai đoạn làm nĩng chảy kim loại dây phun, giai đoạn phun kim loại nĩng chảy đĩ nhờ luồng khí và giai đoạn hình thành lớp phủ. Hình 4.10 miêu tả sơ đồ quá trình phun kim loại.
Theo nghiên cứu A.Ph.Trơ-it-xki, khi đốt chảy dây kim loại trong máy phun xảy ra những chu trình như sau đây:
1. Xuất hiện hồ quang giữa các điện cực và đốt chảy chúng; 2. Ngắt mạch đầu tiên của mạch điện các điện cực;