Chương II: Các loại máy hàn trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô
4. Máy hàn điện tiếp xúc
a. Giới thiệu công nghệ hàn điện tiếp xúc.
Hàn điện tiếp xúc (còn gọi là hàn hàn điện trở) là dạng hàn áp lực, sử dụng nhiệt do biến đổi điện năng thành nhiệt năng bằng cách cho dòng điện có cường độ lớn đi qua mặt tiếp xúc của hai chi tiết hàn để nung nóng kim loại.
Sơ đồ nguyên lý của phương pháp hàn điện tiếp xúc như sau: Khi hàn, hai mép hàn được ép sát vào nhau nhờ cơ cấu ép, sau đó cho dòng điện chạy qua mặt tiếp xúc, theo định luật Jun-Lenxơ nhiệt lượng sinh ra trong mạch điện hàn xác định theo công thức:
Q= I2Rt
Trong đó: - Q: nhiệt lượng phát sinh trong quá trình hàn;
- I: dòng điện hàn hiệu dụng;
- R: điện trở mối hàn;
- t: thời gian tồn tại dòng điện.
Trong công thức trên, dòng điện và thời gian có thể dễ dàng xác định được, còn đo điện trở mối hàn R là công việc phức tạp và khó khăn. Điện trở hàn là vấn đề quan trọng trong hàn tiếp xúc, nó phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Sự tiếp xúc giữa điện cực với vật cần hàn;
- Sự tiếp xúc giữa các vật (hoặc lớp) kim loại cần hàn;
- Điện trở suất và điện trở của kim loại cần hàn;
- Điện trở suất và điện trở của điện cực.
Hình 2.3: Công nghệ hàn điểm tiếp xúc
Điện trở tiếp xúc phụ thuộc rất nhiều vào tình trạng bề mặt, chẳng hạn độ sạch, mức độ ô-xi hóa, các hợp chất khác phủ trên bề mặt (dầu, mỡ...) và độ nhẵn của bề mặt. Hơn nữa, điện trở tiếp xúc tỷ lệ thuận với điện trở suất của vật liệu và tỷ lệ nghịch với áp lực nén lên diện tích tiếp xúc. Khi vật cần hàn có tình trạng bề mặt đồng nhất thì áp lực nén là yếu tố quyết định đến điện trở
tiếp xúc. Khi bề mặt hàn không đồng nhất về điều kiện ô-xi hóa bề mặt như thép cán thì năng lượng hàn sẽ không đồng đều giữa các mối hàn. Do đó cần làm sạch và ổn định bề mặt bằng các phương pháp cơ khí và hóa học trước khi hàn.
Điện trở tỷ lệ thuận với điện trở suất và chiều dài, tỷ lệ nghịch với diện tích của vật liệu cần hàn (nơi dòng điện đi qua). Đối với vật liệu có điện trở suất cao và điện trở lớn thì điện trở của bản thân vật liệu hàn quan trọng hơn điện trở tiếp xúc. Đối với vật liệu có độ dẫn điện tốt thì ngược lại, điện trở tiếp xúc đóng vai trò rất quan trọng trong công nghệ hàn tiếp xúc. Sự khác biệt lớn nhất của phương pháp hàn tiếp xúc so với các phương pháp hàn khác là mối hàn với cùng một diện tích, nhưng dòng điện hàn lại khác nhau rất nhiều giữa các loại vật liệu khác nhau.
Nhiệt năng cần cung cấp cho một mối hàn tiếp xúc được xác định bởi nhiều yếu tố. Tuy nhiên, những yếu tố quan trọng nhất là diện tích hàn (quyết định thể tích cần gia nhiệt), nhiệt độ tối đa của mối hàn, nhiệt dung riêng của vật liệu cần hàn, và tổn thất nhiệt (quanh mối hàn và điện cực hàn). Sự gia tăng bất kỳ yếu tố nào nói trên đều làm tăng năng lượng cho quá trình hàn.
Thông thường, điện trở tiếp xúc của mối hàn thép đã được làm sạch xấp xỉ 100 , nhiệt lượng cung cấp cho mối hàn 2 tấm thép có độ dày 1mm với dòng điện 10.000A trong khoảng thời gian 0,1 giây là: Q=(10.000)2(0,0001) (0,1)=1000J. Khoảng 10,5J làm đủ để nóng cháy 1 mm3 thép. Giả thiết rằng, đường kính mối hàn là 5mm và chiều dày mối hàn là 1,5mm, khi đó thể tích mối hàn là 29mm3 và yêu cầu khoảng 305J để làm nóng chảy. Như vậy phần nhiệt năng dư thừa (1000J - 305J = 695J) sẽ tản ra xung quanh, có nghĩa là hiệu suất hàn trong điều kiện giả thiết này là 31%. Cũng từ giả thiết trên ta
tính được công suất hàn là P=Q/t=1000J/0,1s=10.000W và mật độ của công suất mối hàn là 10.000W/ [ (5mm/2)2] 500 W/mm2.
Chiều dày chi
tiết (mm)
Đường kính điện cực
(mm)
Dòng điện (KA)
Lực ép P (KG)
Thời gian hàn
(s)
Khoảng cách hàn
(mm)
Lực phá hủy của một điểm (lực
cắt)(KG)
0,5 5 5 125 0,5 6 60
0,6 6,0 6,0 160 0,6 10 150
0,8 8,0 8,0 180 0,8 12 250
1,0 8,0 8,5 200 1,0 19 800
1,2 10 9,0 210 1,2 25 1200
1,6 10 10 250 1,6 30 1600
2,0 12 11 300 2,0 35 1800
2,5 12 12,5 350 2,5 40 2000
3,0 14 13,5 500 3,0 45 2200
Từ ví dụ tính toán ở trên cho thấy chất lượng mối hàn tiếp xúc phụ thuộc chủ yếu vào mật độ năng lượng làm nóng chảy mối hàn (J/mm3), mật độ năng lượng này được xác định dựa trên bản chất vật liệu (điện trở xuất), điện trở tiếp xúc, độ dày và đường kính mối hàn.
Hình 2.4: Các thông số hàn tiếp xúc cho thép lá Cacbon đồng nhất.
b. Quy trình công nghệ hàn tiếp xúc.
Quy trình công nghệ hàn tiếp xúc cơ bản được chia ra làm 4 bước chính:
- Giai đoạn ép (squeeze time): giai đoạn này các điện cực tạo một lực ép tăng dần lên vị trí mối hàn, lực ép này được tạo ra từ các kết cấu cơ khí, khí nén, thủy lực...;
- Giai đoạn hàn (weld time): giai đoạn này dòng điện hàng kA được cấp đến mối hàn thông qua hai điện cực với thời gian được tính toán sao cho mối hàn nhận được vừa đủ nhiệt năng làm nóng chảy mối hàn;
- Giai đoạn định hình (hold time): giai đoạn này dòng điện không còn đi qua mối hàn trong khi lực nén trên các điện cực tiếp tục được duy trì đến khi nhiệt độ mối hàn giảm xuống đảm bảo kết cấu của mối hàn không bị biến dạng;
- Giai đoạn kết thúc (off time): giai đoạn này các điện cực được tách rời nhau trở về vị trí sẵn sàng cho mối hàn tiếp theo.
Trong hình 2.7 trình bày một chu kỳ hàn mở rộng với nhiều công đoạn con trong mỗi giai đoạn chính nói trên. Đáng chú ý là có các công đoạn tiền gia nhiệt, tăng nhiệt và giảm nhiệt yêu cầu một dòng điện có cường độ được nhỏ hơn so với giai đoạn hàn.
Hình 2.5: Quy trình công nghệ hàn tiếp xúc.
Hình 2.6: Đồ thị theo thời gian của dòng điện hàn trong một chu kì.
Hình 2.7: Chu kỳ hàn tiếp xúc mở rộng với các giai đoạn: tiền tăng nhiệt, tăng nhiệt, giảm nhiệt, làm mát, tôi và định hình.
Trong hình 2.7 trình bày một chu kỳ hàn mở rộng với nhiều công đoạn con trong mỗi gai đoạn chính nói trên. Đáng chú ý là có các công đoạn tiền gia nhiệt, tăng nhiệt và giảm nhiệt yêu cầu một dòng điện có cường độ được nhỏ hơn so với giai đoạn hàn.