- Dịch chuyển tia dọc trục: Nếu tăng cường độ dịng điện hàn lên trên khoảng từ 250 ÷ 400A kim loại điện cực sẽ dịch chuyển vào vũng hàn dưới dạng tia dọc trục. Sự dịch chuyển ổn định của kim loại cho phép đạt được mối hàn có hình dạng đều khi cường độ dịng hàn cao (năng lượng đường cao) tạo nên mối hàn có bề rộng lớn. - Dịch chuyển xung tia: Đây là dạng dịch chuyển tiên tiến khi tận dụng được mọi ưu điểm của các dạng dịch chuyển khác nhưng giảm thiểu hoặc loại bỏ được những nhược điểm của chúng.
- Dịch chuyển hồ quang xoắn: Dạng dịch chuyển này xuất hiện khi cường độ dòng điện hàn cao hơn 500A. Dạng dịch chuyển này ít được ứng dụng trong thực tế do những địi hỏi rất cao về tối ưu các thơng số và kỹ thuật hàn.
Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ hàn GMAW đến chất lượng liên kết hàn
Các thông số của chế độ hàn là: Cường độ dòng điện hàn, điện áp hàn, tốc độ hàn, mật độ dịng điện hàn, cực tính hàn, tư thế hàn, tầm với điện cực, góc nghiêng điện cực, thành phần khí bảo vệ, hình dạng và kích thước bề mặt rãnh hàn đều có ảnh hưởng đến hình dáng và chất lượng mối hàn.
Ảnh hưởng của dòng điện hàn và mật độ dòng điện
Cường độ dịng điện hàn ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn. Khi tăng cường độ dòng điện hàn sẽ làm tăng mật độ dịng điện, tốc độ chảy, kích thước vũng hàn và hệ số chảy (Hình 2.2 ).
Mật độ dịng điện hàn ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn. Khi mật độ dòng điện hàn lớn làm tăng tốc độ nóng chảy của dây hàn và tăng chiều sâu chảy của mối hàn. Mật độ dòng điện hàn thấp làm giảm chiều sâu ngấu, giảm chiều cao đắp, làm tăng chiều rộng mối hàn (Hình 2.3 ).
Ảnh hưởng của điện áp hàn
Điện áp hàn không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ chảy nhưng ảnh hưởng chủ yếu đến chiều rộng mối hàn (Hình 2.4 ). Điện áp hàn sử dụng phụ thuộc vào chiều dày vật hàn, kiểu liên kết, kích cỡ và thành phần dây hàn, thành phần khí bảo vệ, tư thế hàn,... Điện áp hàn quá lớn làm tăng rỡ khí và bắn tóe, làm tăng kích thước vũng hàn. Nếu điện áp quá thấp làm cho hồ quang kém ổn định, mối hàn hẹp và lồi quá mức, dẫn đến hàn không ngấu các cạnh hàn.
Ảnh hưởng của tốc độ hàn
Tốc độ hàn là một trong những nhân tố quyết định chiều sâu ngấu của mối hàn. Nói chung, khi tốc độ hàn thấp, kích thước vũng hàn sẽ lớn và ngấu sâu. Khi tăng tốc độ hàn, tốc độ cấp nhiệt của hồ quang sẽ giảm, làm giảm độ ngấu và thu hẹp đường hàn (Hình 2.5 ). Nhưng cần chú ý là có một phạm vi của tốc độ hàn mà ở đó chiều sâu ngấu đạt được là lớn nhất (điểm P trên Hình 2.5 ), khi tốc độ hàn nhỏ hơn khoảng này thì tốc độ hàn giảm lại làm giảm chiều sâu chảy. Việc lựa chọn tốc độ hàn tùy thuộc vào hình dạng mối hàn và điều kiện nung nóng và làm nguội vật hàn. Khi tốc độ hàn tăng, làm tăng lượng nhiệt cấp vào vật hàn ở phía trước hồ quang nên cần ít nhiệt để nung nóng trước cạnh hàn.
Hình 2.3 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn (nguồn [2])
Ảnh hưởng của tầm với điện cực và góc nghiêng điện cực
Tầm với điện cực là khoảng cách từ mép bép tiếp điện đến đầu điện cực (Hình 2.6 ). Khi tăng tầm với điện cực, nhiệt lượng nung đoạn dây hàn này tăng, dẫn tới làm giảm cường độ dòng điện hàn cần thiết để nóng chảy điện cực theo tốc độ cấp dây nhất định làm giảm lượng nhiệt hồ quang nên độ sâu ngấu của mối hàn giảm theo. Ngược lại, nếu rút ngắn tầm với điện cực thì làm tăng cường độ dịng điện làm cho cơng suất nhiệt hồ quang lớn nên chiều sâu ngấu và bề rộng mối hàn đều tăng. Nếu tầm với điện cực có độ dài quá lớn sẽ làm giảm độ ngấu và lãng phí kim loại hàn, tính ổn định của hồ quang thấp. Ngược lại, nếu chiều dài phần nhô quá nhỏ, sẽ ra bắn toé, kim loại lỏng dính vào mỏ hàn, chụp khí, cản trở đường ra dịng khí bảo vệ, gây ra rỡ khí trong mối hàn.
Khi hàn trong mơi trường khí bảo vệ CO2, có thể sử dụng cơng thức thức nghiệm sau để xác định tầm với điện cực:
B = 5 + 5.d [mm] (2.1)
Trong đó B là tầm với điệc cực, d là đường kính điện cực [mm].
Khi hàn trong mơi trường khí bảo vệ là hỡn hợp khí trơ, do chiều dài hồ quang lớn hơn nên cần tăng thêm tầm với điện cực từ 23 mm với với tính tốn theo cơng thức trên.
Hình 2.5 Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng mối hàn (nguồn [2])
Hình 2.6 Khái niệm tầm với điện cực: (a) Xác định tầm với điện cực; (b) Quan hệ
Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn có thể tổng hợp được chỉ ra trên Bảng 2.2 và Hình 2.8
Bảng 2.1 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn (nguồn [27])
Trường hợp A, D B, E C, F
Độ ngấu Lớn Trung bình Ít
Công suất hồ quang Lớn Trung bình Nhỏ
Độ bắn tóe Thấp Trung bình Cao
Độ nung điện cực Ít Trung bình Nhiều
Ảnh hưởng của vị trí điện cực (góc nghiêng điện cực) và kỹ thuật hàn đến hình dạng mối hàn được thể hiện trên Bảng 2.2 và Hình 2.9 . Trường hợp hàn thuận cho chiều sâu ngấu lớn nhất, hàn ngược cho chiều sâu ngấu nhỏ nhất nhưng bề rộng mối hàn lớn nhất.
Hình 2.7 Tầm với điện cực khi: (a) - dịch chuyển ngắn mạch;
(b) - dịch chuyển tia dọc trục (nguồn [2])
Hình 2.8 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn (nguồn [27])
Hình 2.9 Ảnh hưởng vị trí điện cực và kỹ thuật hàn đến hình dạng mối hàn (nguồn [3])
Hàn điện cực thẳng đứng (B) Hàn thuận (A)
Bảng 2.2 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn
Trường hợp A B C
Độ ngấu Lớn Trung bình Ít
Điền khe Kém Trung bình Tốt
Hồ quang Ởn định tốt Trung bình Ởn định kém
Độ bắn tóe Thấp Trung bình Cao
Mối hàn Hẹp Trung bình Rộng
Xác định thông số chế độ hàn giáp mối thép cacbon dày 12mm bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ.
Với mục đích đánh giá được ưu điểm nổi trội của quá trình hàn lai ghép Plasma- GMAW so với quá trình hàn riêng lẻ GMAW để hàn giáp mối tấm thép có chiều dày đến 12mm, tác giả tiến hành xác định thông số chế độ hàn GMAW để so sánh với liên kết hàn giáp mối có cùng chiều dày tấm do quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW tạo ra.
Dựa vào tiêu chuẩn hàn Việt Nam TCVN-1:2018 (ISO 9692-1:2013) yêu cầu kỹ thuật đối với liên kết hàn giáp mối có vát mép hai tấm thép SS400 có chiều dày mỡi tấm là 12mm, mối hàn được thiết kế như Hình 2.10 để đảm bảo chiều sâu ngấu và chất lượng mối hàn. Các thông số chế độ hàn được xác định như sau:
a) Xác định dải năng lượng đường tối ưu:
Dải năng lượng đường tối ưu khi hàn giáp mối một phía bằng q trình hàn GMAW được xác định theo công thức ([2]):
𝑞𝑑 = 𝑆.√2.𝜋.𝜆.𝑐𝜌.(𝑇𝑚−𝑇0)3
𝑤 [cal/cm] (2.2)
Trong đó:
1J = 0,24 cal
S- là chiều dày của chi tiết hàn khi hàn một phía [cm]; S=1,2cm λ- là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu kim loại cơbản [cal/cm.s.oC] cρ- là nhiệt dung thể tích của vật liệu kim loại cơ bản [cal/cm3.oC] Tm- là nhiệt độ kém ổn định của Austenite [oC]
T0- là nhiệt độ của môi trường [oC]
w - là dải tốc độ nguội tối ưu của vật liệu kim loại cơ bản [oC/s]
Với thép các bon thấp và thép hợp kim thấp:
w = 1,4 ÷15 [oC/s] Tm= 550oC ; T0= 30oC λ= 0,15 [cal/cm.s.oC] cρ = 1,25 [cal/cm3.oC]
Do vậy dải năng lượng đường tối ưu: [qd] = 3349,27÷ 12299,77 (cal/cm) . Năng lượng đường tính tốn phải nằm trong dải năng lượng đường tối ưu nhằm tránh các khuyết tật trong mối hàn do quá nhiệt hoặc khơng ngấu.
b) Xác định diện tích kim loại mối hàn cần đắp
Với kích thước mối hàn giáp mối như Hình 2.11 ta có thể tính tốn gần đúng diện tích kim loại đắp (Fđ) theo phương pháp hình học như sau:
Fđ = Fđ1+2Fđ2+ Fđ3+Fđ4 ≈ 107 (mm2)
Hình dạng mối hàn với các thơng số cơ bản như chiều sâu ngấu (h), chiều rộng mối hàn (b) có quan hệ với nhau qua hệ số đặc trưng:
- Hệ số ngấu: Ψ𝑛 = 𝑏
ℎ, thường [Ψ𝑛] = 0,8÷4 c) Xác định số đường hàn
- Xác định chế độ hàn GMAW cho đường hàn lót đáy (Đường hàn 1) Chọn đường kính dây hàn d= 1,2mm
Theo khuyến cáo nhà sản xuất Huyndai ([38]), với dây hàn đường kính 1,2mm có thể chọn Ih = 200A; Uh = 25V như Hình 2.12.
Hình 2.12 Thơng số hàn sơ bộ với q trình hàn GMAW (nguồn [38]) Hình 2.11 Kích thước mối hàn giáp mối tấm thép 12mm
Xác định vận tốc hàn: Theo lý thuyết truyền nhiệt để đảm bảo điều kiện kết tinh tốt của vũng hàn ta sẽ có: vh.Ih = A = const. Tương ứng với đường kính dây hàn GMAW là d =1,2mm thì A = (2÷5).103 (A.m/h) ([2]), do vậy chọn A = 2,1.103 A.m/h nên vận tốc hàn sơ bộ được chọn là: vh = A/Ih = 2100/200 = 10,5 m/h = 0,3cm/s
Xác định năng lượng đường ([2]): qd= 𝜂.𝑈ℎ.𝐼ℎ 𝑣ℎ = 0,85.200.25 0,3 = 14166,7 (J/cm) = 3400 (cal/cm) (2.3) Tính hệ số ngấu ([2]): Ψ𝑛 = 𝑘. (19 − 0,01𝐼ℎ).𝑑.𝑈ℎ 𝐼ℎ = 0,92. (19-0,01.200). 1,2.25 200 = 2,35 (2.4) Trong đó:
• k= 0,92 khi hàn với dòng một chiều phân cực nghịch DCEP và mật độ dịng điện lớn hơn 120A/mm2
• d = 1,2mm
• Uh = 25V; Ih = 200A
Như vậy có thể thấy năng lượng đường và hệ số ngấu tính tốn của đường hàn lót đáy (Đường hàn 1) hoàn toàn nằm trong dải năng lượng đường tối ưu và hệ số hình dạng mối hàn cho phép. Do vậy chế độ hàn đã chọn hồn tồn thỏa mãn và có thể tiến hành hàn thực nghiệm.
- Tính chế độ hàn GMAW cho các đường hàn tiếp theo: Thông số các đường hàn tiếp theo cũng sẽ được lấy tương tự như đường hàn lót với d=1,2mm; Uh = 25V; Ih = 200A và vh = 0,3cm/s;
- Xác định diện tích kim loại đắp của đường hàn lót đáy
𝐹1 =𝛼𝑑.𝐼ℎ1
𝜌.𝑣ℎ1 (2.5) Trong đó:
F1 - Diện tích tiết diện ngang đường hàn lót (mm2) d - Hệ số đắp (Chọn d = 14g/Ah)
Ih1 - Cường độ dòng điện hàn đường hàn thứ nhất (A) vh1 - Vận tốc hàn đường hàn thứ nhất; vh1 = 10,5 m/h
- Khối lượng riêng của kim loại đắp (g/cm3) ( = 7,85 g/cm3) Thay các giá trị trên vào công thức 2.5, thu được F1 ≈ 34 mm2 - Xác định diện tích kim loại đắp của đường hàn tiếp theo
Đối với các lớp hàn tiếp theo, bộ thơng số hàn được tính tốn và lựa chọn tương tự như đường hàn lót đáy và ta có được diện tích đắp của các đường hàn tiếp theo Fn được tính như sau:
𝐹n =𝛼𝑑.𝐼ℎ2
𝜌.𝑣ℎ2 (2.6) Trong đó:
Fn - Diện tích tiết diện ngang các đường hàn tiếp theo (mm2) d - Hệ số đắp (g/Ah)
d . Ih2 được lấy theo Catalogue của nhà sản xuất (Hình 2.12); Lựa chọn d . Ih2 =
4,5kg/h nhằm tăng năng suất và giảm tiếu thiểu số đường hàn Vh2 - Vận tốc hàn các đường hàn tiếp theo; Vh2 = 10,5 m/h - Khối lượng riêng của kim loại đắp (g/cm3) ( = 7,85 g/cm3) Thay các giá trị trên vào công thức (2.6), thu được Fn ≈ 54,5 mm2 - Tính số đường hàn
Vậy số đường hàn cần thiết để hàn là:
𝑛 = 𝐹đ−𝐹1
𝐹𝑛 + 1 (2.7)
Do đó: 𝑛 = 107−34
54,5 + 1=2,34 đường hàn. Như vậy số đường hàn cần thiết để hàn
là 3 đường hàn và bộ thông số hàn cơ bản được biểu thị ở Bảng 2.3
Bảng 2.3 Chế độ hàn liên kết giáp mối có vát mép thép tấm Cacbon SS400 dày 12mm bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ.
Đường hàn Ih (A) Uh (V) vh (mm/s) d (mm) Năng lượng đường (J/mm)
Lót (1) 200 25 3,0 1,2 1416,7
Trung gian (2) 200 25 3,0 1,2 1416,7
Phủ (3) 200 25 3,0 1,2 1416,7
Như vậy theo tiêu chuẩn hàn Việt Nam và thế giới để ứng dụng công nghệ hàn GMAW trong liên kết hàn giáp mối một phía thép tấm dày 12mm thì buộc phải vát mép và thực hiện theo chế độ công nghệ phải hàn 3 lượt.
Quá trình hàn PAW
Nguyên lý và đặc điểm.
Plasma là khái niệm vật lý ra đời trong thập niên 1920, là dạng vật chất thứ tư sau ba dạng vật chất thơng thường là rắn, lỏng và khí. Khi hàn hồ quang Plasma (Hình 2.14 ), điện cực kim loại khơng nóng chảy vonfram và một phần cột hồ quang nằm bên trong một buồng khí bao quanh bằng kim loại được làm mát bằng nước. Buồng
2
1 2 3
12
Hình 2.13 Liên kết hàn giáp mối tấm thép SS400 có chiều dày S= 12mm với 3 đường hàn: đường hàn lót (1); đường hàn trung gian (2) đường hàn phủ (3) bằng quá trình
này kết thúc bằng một lỡ phun tại vịi phun hình trụ đồng trục với điện cực. Dịng khí tạo plasma khi đi qua lỗ phun sẽ được ổn định về mặt thể tích, được làm mát và được nén lại. Đồng thời dịng khí đó cũng được cách điện và cách nhiệt đối với bề mặt lỡ vịi phun. Một phần khí này đi qua hồ quang, bị ion hóa và chuyển thành plasma.
Về mặt kết cấu của mỏ hàn PAW, dịng khí tạo Plasma có thể chảy đồng trục, nhưng cũng có thể chảy theo hướng tiếp tuyến với điện cực. Vòi phun có tác dụng nén hồ quang và có các kích thước cơ bản là đường kính lỡ vịi phun (dc), chiều dài vòi phun (lc), khoảng cách tính từ đầu điện cực đến mặt ngồi vịi phun (ly) được gọi là khoảng lùi điện cực và khoảng cách từ đầu mặt ngồi vịi phun đến vật hàn (H) được gọi là khoảng cách làm việc của mỏ hàn PAW (Hình 2.14 (a))
Ngồi dịng khí tạo plasma, hầu hết cơng việc hàn đều đòi hỏi sử dụng thêm một dịng khí bao xung quanh dịng khí tạo plasma với nhiệm vụ bảo vệ vùng tiếp xúc giữa hồ quang và vật hàn và để bảo vệ vùng hàn nóng chảy, như vậy, có thể coi hàn hồ quang plasma là một q trình hàn có hồ quang nén với chiều dài cột hồ quang được kéo dài (Hình 2.14 (b)).
Hồ quang plasma sử dụng trong các ứng dụng hàn và cắt, được chia làm hai loại: hồ quang gián tiếp (còn gọi là hồ quang không chuyển tiếp hoặc hồ quang trong) và hồ quang trực tiếp (còn gọi là hồ quang chuyển tiếp hoặc hồ quang ngồi). Trên Hình 2.19 là sơ đồ nguyên lý hai loại hồ quang đã nêu.
Trong hai loại hồ quang nói trên, hồ quang trực tiếp có ứng dụng rộng rãi hơn cả vì có hiệu suất cao hơn hồ quang gián tiếp 10÷30% (và có thể lên tới giá trị 70÷80%). Phương pháp hàn sử dụng hồ quang gián tiếp được áp dụng chủ yếu cho vật liệu khơng dẫn điện. Nhược điểm chính của phương pháp hàn hồ quang trực tiếp là áp lực gia tăng của hồ quang lên vũng hàn nên chỉ có thể thực hiện được các mối hàn đạt chất lượng với chiều sâu ngấu toàn bộ trong khoảng 7÷10mm. Khi hàn các tấm có chiều dày lớn hơn, dải điều chỉnh các thông số hàn bị thu hẹp đáng kể, nhất là lưu
(a) (b)
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý hàn PAW (a)-Sơ đồ nguyên lý; (b)-Cột hồ quang Plasma
(nguồn [2])
Trong đó: đường kính lỡ vịi phun (dc), chiều dài vòi phun (lc), khoảng lùi điện cực (ly), khoảng cách làm việc của mỏ hàn PAW (H)
lượng khí tạo Plasma (nếu tăng quá giá trị tới hạn, quá trình này chuyển quá trình cắt kim loại). Thông qua việc điều chỉnh thơng số Hình học của buồng khí và vịi phun, có thể tăng dải điều chỉnh các thơng số hàn (cường độ dịng điện hàn và lưu lượng khí bảo vệ), tốc độ hàn cũng như chiều dày tối đa tấm kim loại có thể hàn.
So sánh với quá trình hàn TIG, nơi mà cột hồ quang có dạng hình nón đạt tới nhiệt độ 5000÷60000K, hồ quang nén PAW có dạng trình trụ và nhiệt độ cao hơn nhiều (10000÷160000K) (theo Hình 2.16 ). Khi hàn PAW vết anod trên vật hàn mang tính ổn định, dịng nhiệt mang tính tập trung rất cao. Điều này làm tăng chiều sâu chảy và giảm chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt. So với quá trình hàn TIG, quá trình hàn PAW có ưu và nhược điểm sau: