TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ HÀN HỒ QUANG TAY Mã bài: MCH-13- 04.
Giới thiệu.
Sự tạo thành kim loại mối hàn mối hàn hồ quang tay có thoả mãn các yêu cầu về chất lượng, về mỹ thuật hay không phụ thuộc nhiều vào các yếu tố của chế độ hàn đó là đường kính que hàn, điện áp hàn, cường độ dòng điện hàn.
Mục tiêu thực hiện.
Sau khi học xong bài này người học có khả năng:
- Trình bày được quá trình - Trình bày được
Nội dung.
1 - Tính đường kính điện cựchàn, cách sử dụng que hàn
Đường kính que hàn quyết định nhiều thông số khác. Đường kính que hàn được chọn theo loại mối hàn và ciều dày tấm cần hàn. Với trường hợp hàn một lớp, có thể chọn đường kính d của que hàn khi hàn mối hàn giáp nối theo công thức:
d =s/2+1[mm], trong đó s là chiều dày tấm.
với mối hàn góc, có thể chọn d theo cạnh mối hàn:
d = 3 mm khi cạnh mối hàn k = 3 mm;
d = 4 mm khi k = 4 - 5 mm ; d = 5 mm khi k = 6 - 9 mm.
Cũng có thể dùng công thức: d= k/2 + 2 [mm ]
Trong thực tế, chiều dày tấm hoặc cạnh mối hàn góc có thể lớn tới mức dùng các công thức trên, đường kính sẽ lớn hơn 6.3mm. Khi đó,các mối hàn được thực hiện bằng nhiều lớp.Với các lớp đầu, đường kính que hàn thường là 2.5 hoặc 3 mm.
Hàn hồ quang tay được tiến hành bằng que hàn có vỏ bọc.Que hàn gồm một đoạn thép tròn thẳng, gọi là lừi que hàn,được bọc bằng vỏ bọc chứa thuốc hàn đồng tõm ở bờn ngoài (vỏ bọc que hàn). Một đầu que hàn được để trống một đoạn khoảng 25 đến 40 mm để kẹp que hàn cào kìm hàn. đầu còn lại để hở,mặt, nhằm tạo điều kiện cho hồ quang. Cỡ của que hàn là đường kính của nó.Chọn chiều dài của que hàn phụ thuộc vào mức độ gây hồ quang và thao tác que hàn thuận tiện đối với người thợ hàn và khả năng que hàn chịu được cường độ nhất định mà chiều dài của nó được tiêu chuẩn hoá theo tiêu
chuẩn quốc tế ISO, theo bảng 2- 3. Các cỡ 12,5; 10; 8; 1,25 và 1 ít được dùng và chỉ được chế tạo theo đơn đặt hàng đặc biệt.
Bảng 2-3 kích thước tiêu chuẩn của que hàn thông dụng.
Cỡ(mm) 12.5 10 8 6.3 5 4 3.15 2.5 2 1.6 1.25 1
chiều dài(mm)
350 450
350 450
350 450
350 450
350 450
350 450
350 450
250 300 350
200 250 300 350
200 250
200 200
a- Phân loại và ký hiệu que hàn.
- Về mặt công nghệ, tiêu chuẩn hóa công nghẹ hồ quang tay cũng quan trọng như việc tiêu chuẩn hoá kim loại cơ bản. Thường thì chúng đi liền với nhau. Kim loại được tiêu chuẩn hoá dựa trên vỏ bọc, tính năng thành phần hoá học kim loại mối hàn hoặc cơ tính của nó.
- Ký hiệu que hàn bằng các nhóm chữ cái và số cho phép quy định que hàn trong đơn đặt hàng hoặc trên bản vẻ mà không phải nhắc đến nhãn hiệu của nó. Nó co phép chọn các nhãn hiêụ que hàn tương đương của các nhà sản xuất khác nhau. có thế dựa vào ký hiệu của que hàn để nhận biết được các tính chất của sản phẩm. Các tiêu chuẩn thông dụng nhất trên thế giới đối với ký hiệu que hàn là của ISO ( Tổ chức tiêu chuẩn hoá Quốc Tế). Ngoài ra còn có các tiêu chuẩn khác như BS ( Của Anh) AWS( của Hội Hàn Mỹ), và DIN (của Đức),v.v. Chúng bao gồm một số hoặc toàn bộ nhóm que hàn để hàn thép cac bon thấp, thép hợp kim thấp, thép hợp kim cao( thép không gỉ), lớp đắp gang, đông và hợp kim đồng và hợp kim nhôm, niken và hợp kim niken.
Sau đây là một số ký hiệu của một số chuẩn thông dung của các loại que hàn:
+ Que hàn cacbon thấp:
Các tiêu chuẩn loại này thường quy định que hàn theo nhóm cơ tính, loại vỏ bọc, tư thế hàn, cực hàn và kiểm tra độ bền và độ va đập của kim loại mối hàn sau khi hàn. Một số tiêu chuẩn còn quy định về nồng độ hydro khuyếch tán trong kim loại mối hàn v.v.
ISO 2560- 1973(E): Que hàn có vỏ bọc dùng cho hàn hồ quang tay thép các bon thấp và thép hợp kim thấp - ký hiệu để nhận dạng.
BS 639 - 1976: Que hàn có vỏ bọc dùng cho hồ quang tay thép cácbon và thép cacbon mangan.
DIN 1913 ( tháng 1 năm 1976): Que hàn có vỏ bọc dùng cho hàn hồ quan tay thép các bon và thép hợp kim thấp.
AWS A5.1- 81: Quy cách cho que hàn có vỏ bọc dùng cho hàn hồ tay thép cacbon.
+ Que hàn thép hợp kim thấp:
Quy hàn thép hợp kim thấp cho kim loại mối hàn có độ bền tối thiểu từ 480 đến 830 MPa. Chúng đa số thuộc loại vỏ bọc bazơ chứa ớt hydro. Lừi cỏc que hàn này thường là thộp sụi, cỏ bọc cú chưa cỏc thanh phần hợp kim hoá, cho phép sản xuất hàng loạt khác nhau về thành phần hoá học.
AWS A5.5- 1981: Que hàn hồ quang tay có vỏ bọc dùng cho hợp kim thấp.
+ Que hàn thép không gỉ:
Que hàn thép không gỉ thường được dùng để hàn các tấm, ống và vật đựơc đúc bằng vật chống ăn mòn và chịu nhiệt Cr cao và Cr- Ni cao. Một số que hàn ở nhóm này cũng được dùng để hàn thép austenit mangan cao, thép thuộc hai lớp và thép có các cấu trúc khác nhau.
Que hàn thép austenit cũng được dùng để hàn một số kết cấu quan trọng từ thép các bon và thép hợp kim thấp.
AWS A5.4- 81: Quy cách đối với que hàn có vỏ bọc dùng cho thép Cr và Cr-Ni chống ăn mòn.
BS 2926- 1970: Quy cách cho que hàn thép austenit Cr-Ni và thép Cr.
ISO 3581- 1976(E): Que hàn hồ quang tay dùng cho thép không gỉ và các thép hợp kim cao tương đương- ký hiệu để nhận dạng.
b- Bảo quản que hàn
Cần đặn biệt quan tâm đến việc bảo quản que hàn. Khi cần phải sấy lại que hàn theo đúng sự hướng dẫn của nhà sản xuất trước khi sử dụng. Hơi ẩm và nước có trong vỏ bọc que hàn có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng của mối hàn và thường được nhà sản xuất que hàn khuyến cáo giữ ở mức tối ưu.
Trừ loại que hàn bazơ ít hydro, mọi loại que hàn đều chứa một lượng nước thay đổi trong vỏ bọc. Một phần nước này ở dưới dạng liên kết hoá học với các thành phần vỏ bọc que hàn, ví dụ, trong đất xét mà quy trình sấy thông thường không thể khử được, phần còn lại là dưới dạng hơi ẩm thâm nhập vào các lỗ rỗng từ vỏ bọc từ không khí xung quang, hoặc có trong nước thuỷ tinh( chất kết dính). Phần này có thể loại bỏ được phần lớn thông qua sấy ở 150-4500C trong nữa tiếng đồng hồ, trong khi đó phần nứơc liên kết hoá học trong vỏ bọc chỉ có thể loại bằng cách nung đến 100- 12000C.Phần nước liên kết là phần nước không đổi đối với vỏ bọc, còn phần hơi ẩm thì thay đổi theo độ ẩn tương đối của không khí trong khu vực bảo quản que hàn. Để có được mối hàn đảm bảo về mặt chất lượng, que hàn không được quá khô hoặc quá ẩm.
- Bảo quản que hàn bazơ ít hydro
Đây là loại que hàn không chưa các hợp chất hưu cơ và thành phần chứa nước. Chúng thường được sấy tới nhiệt độ cuối cùng là 350-4250C để loai bỏ hết nước khỏi chất kết dính silicat. Chúng phải được bảo quản trong điều kiện sao cho không hấp thụ hơi ẩm. Nếu không được bảo vệ, khi đưa ra khỏi bao trong vòng 24 giờ đồng hồ, các que hàn có thể hấp thụ một lượng hơi ẩm quá mức quy định trong điều kiện thời tiết ẩm ướt. Để giải quyết vấn đền này, các nhà xản xuất que hàn thường đựng que hàn ít hydro trong các hộp bằn nhựa kín hoàn toàn. Sau khi bỏ ra khỏi hộp kín mà không dùng hết, que hàn phải được sấy lại khi dùng.
- Bảo quản các loại que hàn loại khác
Các loại que hàn không phải loại ít hydro thương được đựng trong hộp cac tông hoặc hộp nhựa nhưng không kiến hoàn toàn. Chúng thường có tuổi thọ bảo quản thông thường là 6 tháng, và có thể được kéo dài đến 2 năm nếu được bảo quản trong điều kiện khô ráo và được chăm sóc đặc biệt. Lượng hơi ẩm cân bằng trong vỏ bọc que hàn thay đổi theo độ ẩm tương đối của không khí. Khi độ ẩm này vượt quá 70%, que hàn sẽ hút ẩm nhanh, lượng hơi ẩm mà không khí có thể chứa tăng lên theo nhiệt độ.Do đó, khi tổng lượng hơi ẩm mà không khí không tăng, hơi ẩm sẽ giảm khi nhiệt độ tăng và tăng khi nhiệt độ giảm. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới điểm mà độ ẩm tương đối đạt 100%, hơi ẩm đã lắng đọng ( Điểm này gọi là điểm sương). Trong nhiều tháng trong năm, độ ẩm tương đối của không khí đạt tới 80%- 90%. Lúc đó phải bảo quản que hàn trong các phòng có sấy nóng liên tục.
Các nhà sản xuất thiết kế cấu hàn có sữ dụng que hàn thương xuyên nên có các phòng chưa que hàn đặc biệt được hút ẩm tới độ ẩm tương đối tối đa 50%, hoặc nhiệt độ cao hơn nhiệt độ không khí bên ngoài từ 5%-10%. Khi nhập kho các que hàn trong các thùng gỗ, chỉ các hộp cactông chứa que hàn trong thùng gỗ mới cần đem bao quản trong kho, còn thùng gỗ thì không(sấy gỗ cần thời gian dài).
Chế độ sấy một số loại que hàn.
Bảng :
Loại nhóm que hàn Nhiệt độ/ thời gian Nhiệt độ lưu giữ
Thép cacbon thấp/ thép hợp kim thấp Vỏ bọc xenlulo hê(E6010/6011)
Loại vỏ bọc hệ rutil-xenlulo(E6012/6013) Loại vỏ bọc hệ axit(E6020)
Loại vỏ hệ bazơ ít hydro(E7016/7018) Để đạt độ ẩm 0,6%
Để đạt đọ ẩm 0,4%
Để đạt độ ẩm 0,2%
Thép không gỉ loại vỏ bọc hê rutil Loại vỏ bọc hệ nữa bazơ Đồng hợp kim Đồng Loại vỏ bọc hệ bazơ Nhôm
Gang
Loại lừi niken hoặc Monel Loại lừi thộp
Niken và hợp kim nike
70...800C/1h 100/1100C/1h 150/1800C/1h 230/2600C/2h
370/4000C/1h hoặc 300/3500C/2h
4250C/1h 120/1500C/2h 180/2000C/2h 100/2500C/2h 175/2000C/1h 150/1800C/1h 150/2000C/1h 200/2500C/2h
- - -
Sau đó chuyển sang lò lưu giữ ở125-1500C
- - - - - -
- Sấy lại que hàn
Các que hàn không phải loại ít hydro chỉ cần sấy khi chúng bị ẩm hoặc ướt trong quá trình vận chuyển hoặc bảo quản. Có thể kiểm tra điều này bằng cách giữ 4-5 que hàn trong hai tay ở vị trí nằm ngang và sát cho chúng va vào nhau. Hơi ẩm có trong que hàn sẽ làm cho chúng phát ra tiếng kêu đục.
Tiếng kêu sẽ trong như tiếng leng keng của kim loại khi que hàn còn khô. Que hàn bị ướt sẽ cho hồ quang yếu và bắn té nhiều hơn bình thường và kim loại sẽ dịch chuyển dưới dạng các giọt lớn. Trừ khi
được chứa trong các hộp hoàn toàn kín, que hàn ít hydro phải được sấy lại theo chỉ dẫn của nhà sản xuất trước khi dùng. Không được sấy que hàn bằng cách cho ngắn mạch trên tấm thép(khó khử hơi ẩm, chỉ cú lừi que hàn bị nung núng quỏ mức).Phương phỏp đỳng là nung hoặc sấy từng lượng nhỏ que hàn trong các lò sấy que hàn chạy điện,Bảng 2-4 cho biết một số chế độ sấy que hàn.
- Một số điểm cần lưu ý khi sấy và bảo đảm que hàn
• Lò sấy que hàn cùng loại thường không dùng chung cho que hàn ít hydro và que hàn khác, do khoảng nhiệt độ sấy khác nhau của chúng.
• Nếu que hàn ít hydro thuộc nhóm độ bền khác nhau được sấy trong cùng một lò sấy, nên chọn nhiệt độ sấy cao nhất có thể được.Tuy nhiên,để thuận tiện và tiết kiệm, nên dùng các lò sấy khác nhau cho que hàn thuộc nhóm độ bền khác nhau để đảm bảo sấy đúng và tránh lẫn lộn.
• Nên tránh sấy quá 2 tiếng đồng hồ ở nhiệt độ trên 350 oC hoặc quá 1 tiếng đồng hồ ở nhiệt độ trên 400 oC,vì fero kim loại trong vỏ bọc có thể bị oxi hoá và vỏ bọc bị giòn quá mức.Ngoài ra, nồng độ oxi trong kim loại mối hàn tăng lên khi lượng silic và mangan bị giảm.
• Không nên vượt quá giới hạn thời gian dành cho việc sấy lại que hàn vì độ bền vỏ bọc có thể bị giảm.Vì vậy mà cần có lò lưu giữ que hàn trong lúc vận chuyển chúng quá giới hạn thời gian.Không có giới hạn thời gian vào cho việc lưu giữ que hàn ở nhiệt độ 150 oC.
• Việc đóng mở lò sấy thường xuyên để lấy que hàn khô ra dùng và đưa que hàn mới sấy vào sấy có thể làm cho que hàn không được sấy đúng cách do đó nên tránh.Do đó, nên sử dụng các lò lưu giữ để thường xuyên lấy que hàn khô đem dùng sau đó đóng lại.
• Tránh sấy ngay lập tức các que hàn bị ẩm ướt ở nhiệt độ cao.Để tránh vỡ vỏ bọc, que hàn phải được sấy khô ở 100 oC trong khoảng nửa giờ đồng hồ trước khi được đưa và lò sấy.
• Không dùng lò sấy que hàn vào việc khác.
Để đảm bảo chất lượng mối hàn, cần khống chế thời gian lưu que hàn ít hydro ở ngoài không khí sau khi đã được sấy trong lò sấy hoặc sau khi được lấy ra khỏi lò lưu giữ cho đến khi chúng được đem đi hàn.Có thể tham khảo các chế độ theo bảng 2-5.
Thời gian lưu que hàn bazơ ở nhiệt độ lưu giữ sau khi sấy, trước khi hàn Nhóm que hàn Độ ẩm tương đối 90%(trời ẩm) Độ ẩm tương đối 50%(trời
khô) E70XX
E80XX E90XX E0XX/110XX
4 h 2h 1h 0,5h
8h 8h 4h 2h 2- Tính cường độ dòng điện hàn và điện áp hàn
a-Cường độ dòng điện hàn
Cường độ dòng điện hàn ảnh hưởng đến hình dạng kích thước và chất lượng mối hàn, cũng như năng suất hàn. Tăng quá mức dòng điện hàn sẽ làm que hàn bị nung nóng quá mức và giảm chất lượng vỏ bọc que hàn. Có thể chọn cường độ dòng điện hàn I cho hàn sấp theo một trong các công thức sau:
I = ( 30- 50 )d I =(20- 25)d2/3.
I =(20+6d)d
Trong đó d tính bằng mm và I tính bằng A.
Với trường hợp hàn khác hàn sấp, nên giảm bớt cường độ dòng điện hàn để khống chế lượng kim loại nóng chảy (lượng nhiệt tạo mối hàn ):
Khi s <1.5d hoặc khi hàn đứng, I giảm 10#15%.
Khi s< 3d hoặc khi hàn liên kết chữ T, I tăng 10#15%.
Khi hàn ngang và hàn trần, I giảm 15# 20%.
Ngoài ra cũng có thể dùng các công thức sau:
Hàn sấp : I =K.d d[mm ] 1- 2 3 - 4 5 - 6 Hàn đứng: I = 0.9.K.d K[A/mm ] 30 - 35 35-40 45-50 Hàn trần : I = 0.8.K.d
a- Điện áp hàn
Điện áp hàn phụ thuộc vào chiều dài cột hồ quang và vật liệu hàn. Nó thay đổi trong phạm vi hẹp.
Nói chung, khi hàn hồ quang tay, trong điều kiện bình thường, điện áp khi gây hồ quang từ 40...60V cho dòng một chiều và 50...70 V cho dòng xoay chiều. Điện áp làm việc khi hàn là:
U = a + blhq [V], Trong đó:
a là hệ số đặc trưng cho sự giảm điện áp trên que hàn và phụ thuộc vào vật liệu que hàn: a= 18-12V đối với que hàn thép, và a=35- 38 V đối với điện cực cacbon vô định hình.
b là hệ số đặc trưng cho sự giảm điện áp trên 1 mm chiều dài hồ quang. Trong không khí, b=2.0- 2.5V/mm.
lhg= (d+2)/2 [mm ] với d là đường kính que hàn.
Do đó khi hàn hồ quang tay U = 16- 28V.
3- Tính tốc độ hàn
Trên thực tế, tốc độ hàn phụ thuộc vào diện tích tiết diện ngang của kim loai đắp và nằm trong một khoảng xác định.
Khối lượng kim loại đắp của một lớp hàn được tính theo công thức sau:
Gd = αd.I.t0/3600 [g]
Trong đó
α d là hệ số đắp [g/Ah]
I là cường độ dòng điện hàn [A]
t0 là thời gian hồ quang cháy [s]
Bởi vì
Gd =ρ.Fd.L
Trong đó
ρ là khối lượng riêng kim loại đắp [g/cm3] Fd là diện tích tiết diện ngang một lớp đắp [cm2] Chiều dài mối hàn:
L= t0.ν Do đó
ν=α d.I /ρ.Fd.3600 [cm/s]
ν= α d.I /ρ.Fd.100 4-Năng lượng đường
Từ công thức: qd= q/ν=U.I.η/ν [J/cm]
Có thể tính năng lượng đường như sau:
qd= q/ν=3600.ρ.U.Fd.η/α d [J/cm]
Khi hàn thép có thể tính:
qd=A.Fd =6417.Fd với Fd =[cm2] [J/cm]
5-Tính số lớp hàn, diện tích đắp
Trên thực tế đường kính que hàn không vượt quá 6mm nên đối với các vật hàn có chiều dày lớn, người ta hàn nhiều lớp. Khi xác định số lớp cần hàn,phải biết diện tích tiết diên ngang của toàn bộ kim loại đắp.Có thể chọn số lớp hàn theo bảng hoặc tính toán.Sau đây là ví dụ để tính số lớp hàn cần thiết:
a-Trường hợp hàn giáp mối:
Trên thực tế, diện tích tiết diện ngang lớn nhất của kim loại đắp của một lớp hàn không vượt quá 30- 40 mm2.Để có được sự tạo dáng tối ưu cho mối hàn, diện tích tiết diện ngang của lớp hàn thứ nhất F1(đường hàn đáy) là:
F1=(6- 8)d trong đó F1=[mm2];đường kính que hàn d=[mm]
Với lớp thứ n,để tính gần đúng, ta coi diện tích tiết diện ngang của các lớp sau Fnlà như nhau:
Fn =(8-12)d trong đó Fn=[mm2]; đương kính que hàn d=[mm].
Số lớp hàn sẽ là:
n= (Fd - F1)Fn+1 trong đó Fd là tổng diện tích tiết diện ngang của kim loại đắp của mối hàn nhiều lớp đang xét tới, hình:
Hình 13 : Diện tích tiết diện ngang kim loại đắp mối hàn nhiều lớp.
Fd =2F1+Fu+Fm[mm2] Fd ≈ h2.tg(α /2)+a.s+0,75b.c
Khi hàn vát mép chữ V với góc rãnh hànα , khe đáy á.
Fd ≈ 0,75b.c+a.s khi hàn không vát mép, khe đáy á
Fd≈ 0,75b.c khi hàn không vát mép, không có khe đáy (α=0).
b-Trường hợp hàn góc:
Khi hàn hồ quang tay, vì lý do công nghệ, độ lớn cạnh mối hàn k của một lơp hàn không bao giờ vượt quá 8- 9 mm.Do đó,khi thiết kế đòi hỏi giá trị lớn hơn, người ta hàn nhiều lớp.Số lớp hàn được tính như sau:
n =.[(Fd-F1)Fn] +1, với
F1=(6-8)d trong đó F1=[mm2];đường kính que hàn d=[mm]
Fn =(8-12)d trong đó Fn=[mm2]; đương kính que hàn d=[mm]
Fd =k2/2 +0,75b.c=k2/2+1,05k.c[mm2], khi có mối hàn góc có bề mặt lồi, với c là chiều cao lồi, c- Chiều sâu ngấu
Khi làm hồ quang tay, trong phần lớn trường hợp,kích thước mối hàn phải được xác định qua kích thước vạt mép. Do đó không cần phải xác định chiều xâu ngấu(còn gọi là chiều xâu chảy).Tuy nhiên, khi hàn giáp mối không vạt mép và khi hàn đắp lên bề mặt tấm,có thể xác định chiều xâu ngấu dựa vào lý thuyết truyền nhiệt. Theo lí thuyết này,nhiệt độ tối đa của các điểm nằm cách tâm nguồn nhiệt điểm một khoảng cách r được tính như sau:
Tmax=2.qd /π.e.c.ρ.r2
Nếu coi nhiệt độ nóng chảy của thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp là Tmax≈ 1500 0c,ta có
r =
1500 . . . .
2 ρ π ec
qd
= 0,047 qd trong đó r = [mm]; qd = [J/cm].
Chiều sâu ngấu thực tế được coi là h=(0,5- 0,7).r. [mm]
6-Tínhthời gian hàn.
Thời gian hàn được xác định theo công thức sau:
h h
h V
T = L trong đó Th là thời gian hàn; Lh là chiều dài đường hàn; Vh là vận tốc hàn.
Việc xác định chiều dài đường hàn, vận tốc hàn như đã trình bày ở trên.