Trong đó:
𝑆- Chiều dày tấm cần hàn
L- Chiều dài vũng hàn b – Chiều rộng mối hàn
H - Chiều cao toàn bộ mối hàn e - Chiều cao phần chân mối hàn
𝑏,- Chiều rộng phần chân mối hàn
Hình 2.22 Các kích thước cơ bản của vũng hàn và mối hàn (nguồn [2])
Có thể khắc phục hiện tượng này bằng cách sử dụng chế độ hàn có xung. Trong trường hợp chung, để ngăn ngừa cháy thủng tấm hàn và bảo đảm nung chảy chiều dày tấm với hình dạng cần thiết người ta sử dụng biện pháp lót đáy như Hình 2.24 . Các tấm lót đáy có thể để lại cố định trên liên kết sau khi hàn hoặc có thể tháo lắp. Trong thực tế, loại lót đáy bằng tấm kim kim loại tháo lắp, được sử dụng phổ biến hơn cả. Nguyên nhân nữa dẫn đến cháy thủng khi hàn hồ quang plasma là biến dạng mép tấm và biện pháp khắc phục thường là sử dụng các đồ gá kẹp điểm để ép mép hàn vào tấm đồng cứng vững.
Hình dạng và kích thước lỡ khóa
Các thông số cơ bản của lỗ khóa khi hàn tấm thép Cacbon với quá trình hàn PAW lỡ khóa được xác định như Hình 2.25 .
Trong đó:
a – Lót đáy bằng kim loại tháo lắp b – Lót đáy bằng kim loại tháo lắp có biên dạng cho trước kèm khí bảo vệ
c – Lót đáy bằng thuốc hàn tháo lắp
d – Lót đáy bằng tấm kim loại cố định
Hình 2.24 Các kỹ thuật lót đáy mối hàn PAW (nguồn [2])
Mỏ hàn Plasma
Mối hàn
Vũng hàn
Vùng lỗ khóa Trục mỏ hàn
Phía sau mối hàn
Phần lỗ khóa thoát Độ lệch trục
Chiều rộng lỗ khóa
Chiều dài lỗ khóa
Lỗ khóa
Vũng hàn
Qua Hình 2.26 cho thấy sự hình thành lỡ khóa và mối quan hệ giữa kích thước của lỡ khóa và dịng hàn PAW ở chế độ hàn xung. Các hình ảnh quá trình hình thành lỡ khóa trong hàn PAW được ghi lại bằng camera tốc độ cao (HSVC). Các giá trị chiều dài và chiều rộng lỗ khóa khi hàn thép tấm chiều dày thay đổi theo cường độ dòng điện hàn PAW, khi cường độ dòng điện tăng, cả chiều dài và chiều rộng lỗ khóa có xu hướng tăng lên và đạt giá trị lớn nhất tạo thành lỡ khóa phía dưới chân mối hàn khi cường độ dòng Plasma ở giá trị đỉnh xung. Có thể thấy kích thước lớn nhất của lỡ khóa khi lỡ khóa hình thành ổn định khoảng 2,5mm.
(a) Quá trình hình thành lỗ khóa
(b) Mối quan hệ kích thước lỗ khóa theo dòng hàn Plasma
Hình 2.26 Sự hình thành và biến đổi kích thước lỡ khóa theo dịng hàn Plasma ở chế độ hàn xung (nguồn [30], [31])
Xác định chiều dày lớn nhất của tấm thép cacbon khi hàn giáp mối một phía, không vát mép với một lượt hàn bằng quá trình hàn PAW riêng lẻ.
Khi hàn PAW cho thép tấm dày, chiều sâu ngấu lớn nhất đạt được với chế độ hàn PAW lỗ khóa. Tuy nhiên theo các tài liệu, các tiêu chuẩn đã nghiên cứu (minh họa ở Hình 1.3 , Bảng 1.2 và Bảng 2.4 ) chưa đưa ra được giới hạn về chiều sâu ngấu khi hàn một lượt, một phía với tấm thép Cacbon, và thép khơng gỉ. Chính vì vậy, đề tài sẽ nghiên cứu nhằm xác định giới hạn về mặt lý thuyết chiều dày của tấm kim loại cơ bản khi hàn một lượt, một phía, khơng vát mép bằng quá trình hàn PAW lỡ khóa cho thép Cacbon thấp và thép khơng gỉ. Trên cơ sở các tính toán này, có thể được áp dụng với khi hàn PAW lỗ khóa cho các loại vật liệu kim loại và hợp kim cơ bản khác.
Theo công thức (2.13), điều kiện cân bằng để giữ được vũng hàn ở phần chân mối hàn khi hàn PAW lỗ khóa là sức căng bề mặt phải cân bằng với áp lực P do hồ quang nén gây nên và với áp suất thủy tĩnh Pm của kim loại nóng chảy (P + Pm = Ps) Theo tài liệu [32] áp lực cột hồ quang Plasma (P) thay đổi dọc theo chiều dày lỗ khóa chuyển động. Theo đó P sẽ giảm dần từ đỉnh đến đáy theo chiều dày của kim loại cơ bản. Tuy nhiên, theo nghiên cứu của tác giả Xu ([33] quá trình hình thành lỡ khóa khi hàn PAW lỗ khóa chịu ảnh hưởng rất lớn của áp lực hồ quang nén, áp lực này trước tiên sẽ giảm đi và sau đó sẽ tăng lên dưới tác dụng nén của hồ quang lỗ khóa. Để đơn giản hóa, áp lực P do hồ quang Plasma sinh ra có thể được tính theo cơng thức (nguồn [34]): P(x,y,z)= (1+𝐾𝑝. 𝑍𝑘). 1 𝐴𝑝.3𝑟𝑛𝑜𝑧2 .𝜌𝑃𝑙𝑎𝑠.√2.𝜂𝑣..𝑈.𝐼.𝐹𝑙𝑙𝑘 𝜌𝑃𝑙𝑎𝑠.𝑆𝑛𝑜𝑧2 + 𝐹𝑙𝑙𝑘 4 𝑆𝑛𝑜𝑧4 2 . 𝜇0.𝐼 2 4.𝜋2.𝑟𝑝2.exp{−3(𝑥2+𝑦2) 𝑟𝑝2 } (2.14)
Đơn giản hóa công thức trên thành:
P(x,y,z)=(1+𝐾𝑝. 𝑍𝑘).𝑃𝑚𝑎𝑥.exp{−3(𝑥2+𝑦2)
𝑟𝑝2 } (2.15)
Trong đó:
Kp: hệ số tính đến sự thay đổi áp lực hồ quang theo chiều dày tấm
Zk: Khoảng cách giữa điểm đầu mỏ hàn hồ quang Plasma và mặt trên kim loại cơ bản
Ap: hệ số tinh chỉnh áp lực hồ quang Plasma rnoz: Bán kính lỡ vịi phun
ρPlas: Khối lượng riêng khí tạo Plasma
𝜂𝑣: Hệ số hữu ích của nguồn nhiệt U, I: Điện áp và cường độ dòng Plasma Fllk: Lưu lượng khí Plasma
Snoz: Tiết diện lỡ thoát vịi phun plasma
rp: Bán kính tương đương của cột hồ quang Plasma được xác định nhờ tính toán, mơ phỏng số.
Pmax: Áp suất lớn nhất cột hồ quang Plasma được xác định nhờ tính toán, mơ phỏng số.
Từ cơng thức (2.14) và (2.15) trên có thể thấy áp suất cột hồ quang Plasma phụ thuộc vào một số yếu tố như chế độ hàn Plasma lỗ khóa (Uh, Ih, vh), vị trí điểm đo áp lực trong cột hồ quang, loại khí Plasma, lưu lượng khí tạo Plasma,... và khơng phụ thuộc vào vật liệu kim loại cơ bản. Do vậy, trên cơ sở sự phân bố áp suất cột hồ quang Plasma khi đi qua tấm kim loại cơ bản trên Hình 2.27 có thể lấy giá trị nhỏ nhất của áp suất hồ quang Plasma (P) tạo ra dọc theo trục vòi phun ở khu vực tạo ra lỡ khóa (cách miệng vịi phun khoảng 12÷20mm) là khoảng 800Pa.
Với các kính thước lỡ khóa r1, r2 theo công thức (2.12) có thể lấy theo giá trị lớn nhất tương đương với kích thước lớn nhất của lỡ khóa khi lỡ khóa ổn định kích thước, do vậy có thể tính r1= 2,5mm; r2 = 1,5mm Trong luận án này, giả sử rằng sức căng bề mặt của thép Cacbon thay đổi rất ít theo nhiệt độ, do vậy có thể lấy σl−g = 1,2N/m; khối lượng riêng thép Cacbon thấp ở trạng thái lỏng ρlỏng = 7,2g/cm3 (nguồn [35]). Thay các số liệu vào công thức (2.13) có được:
ℎ𝑚𝑎𝑥. 𝜌 + 800 = 1200.(1/1,5+ 1/2,5) = 1280 (2.16) Với 𝜌 = ρlỏng . g = 7,2*9,81, thay vào công thức (2.16) thu được:
ℎ𝑚𝑎𝑥 = (1280−800)
7,2∗9,81 = 6,8 (mm) (2.17)
Như vậy với hmax = 6,8mm có thể thấy chiều dày lớn nhất theo lý thuyết của tấm thép Cacbon khi hàn giáp mối một lượt, một phía khơng vát mép bằng q trình hàn PAW lỡ khóa là 6,8mm. Trong quá trình hàn, để tăng chiều sâu ngấu khi hàn một lượt có thể thơng qua việc tăng cường độ dịng hàn plasma, tăng lưu lượng khí, tăng đường kính lỡ vịi phun tuy nhiên điều này làm tăng đường kính lỡ khóa dẫn đến kim loại cơ bản sẽ bị cháy thủng.
Hoàn toàn tương tự, với thép khơng gỉ có thể tính được chiều dày tấm thép khơng gỉ lớn nhất khi hàn PAW lỗ khóa một lượt có thể đạt được là hmax = 10mm. Điều này được giải thích là do với thép khơng gỉ có sức căng bề mặt 𝜎l-g= 1,8 N/m (nguồn [34]) lớn hơn sức căng bề mặt thép Cacbon. Giá trị tới hạn về chiều sâu ngấu khi hàn thép tấm Cacbon và thép khơng gỉ bằng quá trình hàn PAW lỡ khóa này phù hợp với các
Hình 2.27 Sự phân bố áp suất hồ quang Plasma khi hình thành lỗ khóa (Ih= 140A; Fllk = 2l/phút; rnoz = 1,6mm ) (nguồn [33])
Vùng hồ quang nén phụ tạo lỡ khóa Vùng hồ quang nén chính
tiêu ch̉n và khuyến cáo về yêu cầu chuẩn bị phôi hàn và thông số chế độ hàn Plasma lỗ khóa cho thép Cacbon và thép khơng gỉ. (Hình 1.3 , Bảng 1.2 và Bảng 2.4 ).
Quá trình hàn lai ghép PAW-GMAW
Q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW trong mợt mỏ hàn đồng trục- Hình thái 1.
Trên Hình 2.28 mơ tả hệ thống thiết bị cơ bản và nguyên lý hoạt động của quá trình hàn lai ghép với hình thái một mỏ hàn đồng trục duy nhất. Quá trình hàn này còn có tên gọi đặc trưng là “Hồ quang trong hồ quang“. Trong quá trình hàn này, hồ quang PAW như một vịng xuyến bao bọc bên ngồi, bên trong là điện cực GMAW được đặt dọc theo trục mỏ hàn và được cấp dây tự động thông qua bộ cấp dây. Ưu điểm của quá trình hàn này đã kết hợp được các đặc điểm quan trọng của hai quá trình hàn GMAW và PAW là hệ số đắp cao, hồ quang ổn định và khả năng kiểm soát tốt hình dạng mối hàn. Trong quá trình hàn này, do dây hàn GMAW được cấp dọc theo trục mỏ hàn và nằm trung vùng hồ quang Plasma nên dây hàn được nung nóng sơ bộ dẫn đến tốc độ đắp tăng lên. Ngoài ra một ưu điểm nổi bật khác nữa là mối quan hệ độc lập giữa năng lượng đầu vào và lớp kim loại đắp từ điện cực kim loại nóng chảy dẫn đến có thể khống chế và nâng cao chất lượng bề mặt mối hàn, tổ chức tế vi mối hàn có cấu trúc nhỏ mịn, giảm lượng kim loại bắn tóe, giảm lượng khí cháy, do đó đây là quá trình hàn “sạch”.
Quá trình khởi động và hình thành hồ quang lai ghép Plasma-GMAW
Chế độ “ khởi động mềm” được Essers phát minh ra vào khoảng năm 1980, với nguyên lý sẽ sử dụng một điện cực dây hàn để tạo ra để tạo ra hồ quang có cường độ thấp mà qua đó Hình thành được hồ quang Plasma. Quá tình khởi động này về mặt lý thuyết sẽ loại bỏ được sự bắn tóe đảm bảo độ an toàn cho các thiết bị ở đầu mỏ hàn. Quá trình hình thành hồ quang của quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW này được chia làm 6 giai đoạn (Hình 2.29 ) như sau:
Hình 2.28 Sơ đồ hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình thái một mỏ hàn đồng
Giai đoạn 1: Cả hai nguồn hàn Plasma và GMAW đều có điện và dây hàn GMAW chuyển động dọc theo trục mỏ hàn về phía phơi hàn.
Giai đoạn 2: Khi dây hàn chạm vào phôi hàn, dây hàn sẽ ngừng chuyển động và
Hình thành một hồ quang có cường độ dịng hàn thấp (khoảng 35A) nhưng vẫn chưa làm dây hàn GMAW nóng chảy.
Giai đoạn 3: Bộ cấp dây hàn GMAW sẽ quay ngược chiều kéo dây hàn đi lên
dần dần đưa hồ quang đi vào phía trong mỏ hàn đến khi nó chạm đến điện cực Plasma.
Giai đoạn 4: Khi nguồn hàn Plasma đã có sẵn điện áp hàn nhưng chưa có hồ
quang, dưới tác dụng của môi trường đã được ion hóa do hồ quang GMAW năng lượng thấp tạo thành, hồ quang Plasma sẽ được hình thành ngay sau đó.
Giai đoạn 5: Sau khi hồ quang Plasma được hình thành, nguồn hàn GMAW sẽ
được tắt với mục đích ngăn chặn kim loại dây hàn ảnh hưởng đến và cũng để cho hồ quang Plasma tác dụng nung nóng sơ bộ mối hàn.
Giai đoạn 6: Dây hàn GMAW lại được di chuyển dọc trục về phía phơi hàn trong
khi nguồn hàn GMAW đang có nhưng chưa có hồ quang GMAW, môi trường xung quang đang bị ion hóa do hồ quang Plasma, dẫn đến hồ quang GMAW được hình thành mà khơng phải theo chế độ khởi động ngắn mạch thơng thường của quá trình hàn GMAW (điều này đảm bảo hạn chế bắn tóe kim loại từ dây hàn GMAW)
Sự tương tác hồ quang trong hàn lai ghép Plasma-GMAW
Sự hình thành, tương tác hồ quang của hai quá trình hàn GMAW thơng thường và Plasma-GMAW này được phân tích thơng qua sử dụng HSVC để quan sát, (Hình 2.30). Để dễ dàng so sánh đặc điểm hồ quang của hai quá trình hàn, một số thơng số được đặt giống nhau cho cả hai quá trình hàn GMAW và lai ghép Plasma-GMAW như tốc độ cấp dây 10 m/phút, tốc độ hàn 60 cm/phút, lưu lượng khí bảo vệ 15 L/phút,
Thời gian [s] Giai đoạn
Tốc độ cấp dây
Điện áp hàn GMAW
Dòng hàn GMAW Điện áp hàn PAW
Dòng hàn PAW
kim loại cơ bản là thép tấm Cacbon thấp dày 4,5mm, dây hàn (YGW15) có đường kính dây 1,2mm [20]. Ngoài ra khoảng cách từ mỏ hàn đến bề mặt kim loại cơ bản là 10mm. Nhìn trên Hình 2.30 có thể thấy Ih của quá trình hàn GMAW là 284 A (ở chế độ hàn xung) trong khi quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW là có Ih của GMAW, PAW lần lượt là 190 A và 125A, qua đó cho thấy quá trình hàn lai ghép Plasma- GMAW cho tốc độ đắp cao hơn so với hàn GMAW thông thường. Điều này được lí giải do có sự tác động nhiệt từ hồ quang Plasma làm nung nóng dây hàn trước khi nóng chảy trong hồ quang GMAW dẫn đến ta chỉ cần dịng điện hàn của quá trình GMAW nhỏ hơn so với hàn GMAW thông thường khi cần tốc độ đắp như nhau. Trên Hình 2.30 (a) cho thấy hồ quang hàn của GMAW tăng nhanh và trở nên khơng ổn định khi dịng hàn GMAW ở chế độ hàn xung đang ở giá trị đáy xung. Khi dòng hàn GMAW tăng tới giá trị đỉnh xung, hồ quang hàn không ổn định và bắt đầu làm cho dây hàn có sự bắn tóe ở đầu dây. Có thể thấy trên Hình 2.30 (a) áp suất hồ quang ở đầu dây rất cao do quầng sáng rất rõ của hồ quang hàn GMAW khi dòng hàn đạt giá trị lớn nhất Hình 2.26(a). Và do áp suất hồ quang hàn làm cản trở sự hình thành và di chuyển của giọt kim loại lỏng nên làm cho quá trình hàn GMAW thơng thường có sự bắn tóe kim loại ở dây hàn. Mặt khác, với quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW trên Hình 2.30 (b) độ sáng ban đầu của hồ quang GMAW thấp khi dòng hàn GMAW cịn chưa có, và hồ quang hồn tồn sinh ra từ mỏ hàn. Có thể thấy sự thay đổi hồ quang (độ sáng) diễn ra rất mượt khi dòng hàn thay đổi từ giá trị đáy lên dòng đỉnh ở chế độ hàn xung diễn và sự thay đổi này không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng hồ quang. Ngồi ra, trên Hình 2.30 (b) cho thấy các cạnh hồ quang có được mở rộng độ sáng vùng hồ quang cũng không rõ như của hồ quang GMAW thông thường ngay cả khi dòng hàn ở giá trị đỉnh. Có thể kết luận rằng sẽ có ít kim loại bị bay hơi và sự hình thành và dịch chuyển giọt kim loại lỏng sẽ mượt hơn rất nhiều khi so sánh với hàn GMAW bởi vì hồ quang Plasma bao phủ toàn bộ giọt kim loại lỏng ở đầu dây hàn và và giọt kim loại lỏng dưới sẽ được tách ra khỏi đầu dây hàn trong áp suất ổn định của hồ quang Plasma. Đây chính là lý do hàn lai ghép Plasma-GMAW giảm lượng bắn tóe kim loại so với hàn GMAW thông thường. Với sự tương tác hồ quang này, tác giả Sarizam Bin Mamat [21] đã đo và so sánh trường nhiệt Plasma bao quanh dây hàn GMAW (Hình 2.31 ). Các kết quả so sánh cho thấy nhiệt độ hồ quang Plasma xung quang dây hàn GMAW đạt được giá trị lớn nhất là 13 0000K trong khu vực gần giọt kim loại lỏng nhưng vẫn nhỏ hơn 10000K khi so sánh với hồ quang GMAW thông thường. Điều này được lý giải do cột hồ quang Plasma trong hàn lai ghép được mở rộng ra hơn so với hàn GMAW thông thường nên nhiệt độ giảm đi. Ngoài ra, nhiệt độ giọt kim loại lỏng cũng được chụp và đo nhiệt độ bằng HSVC (Hình 2.28 ). Qua Hình 2.32 cho thấy nhiệt độ giọt kim loại lỏng trong hàn lai ghép Plasma-GMAW nhỏ hơn so với khi hàn GMAW thông thường, điều này ưu điểm nổi trội của quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình thái 1 khơng phải là nâng cao chiều sâu ngấu so với hàn GMAW thông thường mà là nâng cao khả năng kiểm soát hình dạng, kích