2.6. Trang bị điện - điện tử nhóm máy hàn
2.6.1. Khái niệm chung và phân loại
1. Phân loại
Hiện nay hàn điện là một phương pháp ghép nối các chi tiết được dùng rộng rãi trong công nghiệp, trong xây dựng, trong ngành chế tạo và sửa chữa máy.
Hàn điện có những ưu điểm nổi bật với phương pháp ghép nối khác như tán đinh, rivê, bulông, êcu là do:
- Tiết kiệm nguyên vật liệu so với các phương pháp hàn gắn kết khác (5 10)% so với phương pháp tán đinh, 40% so với phương pháp đúc).
- Độ bền cơ học mối ghép nối cao.
- Dễ dàng thực hiện cơ khí hoá và tự động hoá quá trình công nghệ ở mức cao.
- Cải thiện được điều kiện làm việc cho công nhân ghép nối kim loại.
Về tổng thể, hàn điện có thể chia thành hai loại lớn là hàn nóng chảy và hàn áp lực.
Hàn nóng chảy phải tạo nhiệt làm nóng chảy các kim loại tại chỗ hàn để chúng liên kết với nhau. Nhiệt có thể tạo ra nhờ hồ quang điện (hàn hồ quang), nhờ dòng điện qua xỉ nóng chảy (hàn xỉ điện), nhờ nhiệt tạo ra khi bắn phá kim loại nhờ chùm điện tử trong chân không (hàn bằng tia điện tử), nhờ xung hồ quang (hàn xung hồ quang), nhờ ngọn lửa hồ quang plasma (hàn hồ quang plasma), nhờ năng lượng quang điện tử của tia la-ze (hàn la-ze)...
Hàn áp lực là nhờ ép mạnh hai vật cần kết dính rồi nhờ tác dụng nhiệt hoặc tác dụng khác để hai vật kết dính với nhau, chẳng hạn nhờ nhiệt của dòng điện chảy qua chỗ tiếp xúc (hàn tiếp xúc), nhờ năng lượng của sóng siêu âm (hàm siêu âm), nhờ nhiệt ma sát ở chỗ nối (hàn ma sát), nhờ nhiệt dòng cao tần (hàn dòng cao tần)...
Phân loại các phương pháp hàn điện được biểu diễn trên hình 2.30.
2. Các yêu cầu chung đối với nguồn hàn hồ quang
Để đảm bảo chất lượng của mối hàn, nâng cao năng suất của máy hàn, nguồn hàn của các máy hàn phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật sau:
a. Điện áp không tải
Đối với công nghệ hàn điện yêu cầu điện áp thấp và dòng hàn lớn, cho nên nguồn hàn nhất thiết phải có biến áp hàn để hạ điện áp. Điện áp không tải ở đây chính là điện áp thứ cấp không tải của biến áp hàn (BAH).
Đối với công nghệ hàn hồ quang, điện áp không tải phải lớn hơn điện áp mồi hồ quang.
- U20min= (50 ÷ 60) V đối với nguồn hàn xoay chiều.
- U20min= (45 ÷ 55) V đối với nguồn hàn một chiều.
Đối với công nghệ hàn tiếp xúc U0 = (0,5 ÷ 10)V.
b. Bội số dòng dòng ngắn mạch không được quá lớn λi
1,2
I2
Inm
(2.27)
trong đó: λi - bội số dòng ngắn mạch;
Inm- trị số dòng điện ngắn mạch (A);
I2 - trị số dòng điện hàn định mức, A.
c. Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh được dòng hàn d. Đặc tính ngoài của nguồn hàn
Đặc tính ngoài của nguồn hàn hay còn gọi là đặc tính Vôn – ampe của nguồn hàn biều diễn sự phụ thuộc của điện áp hàn vào dòng hàn U2= f(I2). Khi mạch hàn hở (I2 =0), điện áp hàn chính là điện áp không tải của nguồn hàn (U20 - điện áp thứ cấp không tải của biến áp hàn).
Dạng đặc tính ngoài của máy hàn có hai loại (hình 2.31):
- Dạng đặc tính ngoài cứng.
- Dạng đặc tính ngoài mềm.
Khi chọn dạng đặc tính ngoài của nguồn hàn phải dựa vào các đặc điểm đặc trưng của quá trình hàn như:
- Loại que hàn: que hàn nóng chảy, không nóng chảy.
- Tính chất của môi trường xảy ra quá trình hàn (hàn hở hồ quang, hàn dưới lớp trợ dung, hàn trong khí bảo vệ).
- Mức độ cơ khí hoá của quá trình hàn (hàn bằng tay, tự động, bán tự động).
* Dạng đặc tính ngoài mềm dùng cho các phương pháp hàn sau:
- Hàn hồ quang bằng tay với que hàn rời.
- Hàn hồ quang trong khí bảo vệ (khí argon Ar) với que hàn vonfram (W).
- Hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung.
- Khi tốc độ cấp dây hàn vào vùng hàn phụ thuộc vào điện áp hồ quang.
Nguồn hàn có dạng đặc tính ngoài mềm là bộ nguồn dòng. Dòng điện hàn có I2
I21 I22 U201
U202
a)
I2
I21 I22
U21 U22
U2 U2
b) Hình 2.31. Đặc tính ngoài của nguồn hàn
a. dạng đặc tính ngoài mềm; b. dạng đặc tính ngoài cứng
thể điều chỉnh trong phạm vi từ I21 đến I22.
Điều chỉnh dòng hàn trong nguồn hàn có dạng đặc tính ngoài mềm có thể thực hiện vô cấp và có cấp. Trong quá trình điều chỉnh dòng hàn, trị số của điện áp không tải U20 = const. Trong trường hợp cần dòng hàn bé, phải tăng trị số điện áp không tải (U’20 > U20).
Điện áp được tính theo biểu thức sau: U2 = 20 + 0,04.I2
Độ dốc của đường đặc tính ngoài được chọn tuỳ thuộc vào phương pháp hàn. Phương pháp hàn hồ quang trong khí bảo vệ dùng đường đặc tính ngoài có độ dốc lớn nhất, kế đến là phương pháp hàn hồ quang bằng tay và sau đó là công nghệ hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung.
Điều chỉnh độ dài cung lửa hồ quang hàn trong quá trình hàn với họ đặc tính ngoài mềm do người thợ hàn (hàn bằng tay) hoặc do hệ thống điều chỉnh độ dài cung lửa hồ quang (hàn tự động).
* Dạng đặc tính ngoài cứng, dùng cho phương pháp hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung khi tốc độ cấp dây hàn vào vùng hàn không đổi và không phụ thuộc vào điện áp hàn.
Bộ nguồn hàn hồ quang có dạng đặc tính ngoài cứng là bộ nguồn áp. Điện hàn được điều chỉnh trong phạm vi từ trị số thấp nhất U21 đến trị số lớn nhất U22. Phạm vi điều chỉnh điện áp hàn phải phù hợp với phạm vi điều chỉnh dòng hàn từ dòng hàn thấp nhất I21 đến dòng hàn lớn nhất I22.
Điều chỉnh điện áp hàn có thể thực hiện vô cấp và có cấp. Trị số dòng điện hàn được chọn phụ thuộc vào tốc độ cấp dây hàn vào vùng hàn.
Điện áp hàn được tính theo biểu thức sau:
- Với dòng hàn tới 1000 A:
U2 = 19 + 0,037I2 (2.28)
- Với dòng hàn tới 2000 A:
U2 = 13 + 0,0135I2 (2.29)
3. Hệ số tiếp điện của nguồn hàn
Máy hàn là một thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Thời gian làm việc dài nhất của máy hàn là thời gian hàn hết một que hàn (τ1), thời gian ngắn nhất là thời gian để thay que hàn và mồi được hồ quang (τ2).
Nguồn hàn hồ quang có tuổi thọ cao khi thoả mãn điều kiện:
Q1 = Q2 (2.30) trong đó: Q1 = 0,239. 2 1
2.R.
I là nhiệt lượng toả ra khi hàn với thời gian 1. )
( k
Q2 12 là nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh trong một chu kì làm việc CK 1 2.
k là hệ đặc trưng cho chế độ toả ra nhiệt của nguồn hàn tính một cách gần đúng, có thể coi hệ số k = const. Từ biểu thức 2.24 ta có:
) (
k R I.
239 ,
0 2 1 1 2
2 (2.31)
R 239 , 0 k .
I
2 1 2 1
2
trong đó: tỉ số
2 1
1
được gọi là hệ số tiếp điện tương đối TĐ% của nguồn hồ quang.
% 100 .
§%
T
2 1
1
(2.32)
4. Các loại nguồn hàn a. Nguồn hàn xoay chiều
Nguồn hàn xoay chiều được sử dụng phổ biến đối với công nghệ hàn hồ quang bằng tay, hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung, hàn hồ quang trong khí argon máy hàn tiếp xúc.
Phần tử quan trọng trong nguồn hàn là biến áp đặc biệt gọi là biến áp hàn.
Biến áp hàn phổ biến nhất là biến áp hàn một pha, biến áp hàn ba pha thường dùng cho nhiều đầu hàn.
Về cấu tạo, biến áp hàn thường chế tạo theo hai kiểu:
- Máy biến áp hàn với từ thông tản bình thường: nó có hai thiết bị riêng rẽ, lắp ráp trong một vỏ hộp chung gồm một biến áp hàn và một cuộn kháng.
- Máy biến áp hàn với từ thông tản tăng cường có các loại sau:
+ Có cuộn thứ cấp di động.
+ Có shunt từ động.
Theo phương pháp điều chỉnh, dòng điện hàn được phân thành ba nhóm máy hàn sau:
- Điều chỉnh dòng hàn dùng cuộn dây và shunt từ động.
- Điều chỉnh dòng hàn bằng phương pháp từ hoá mạch từ bằng dòng một chiều.
- Điều chỉnh dòng hàn bằng bộ điều áp xoay chiều.
* Máy biến áp hàn có cuộn dây động
Máy biến áp hàn với từ thông tản tăng cường có cuộn dây động được biểu diễn như trên hình 2.32.
Cấu tạo của nó gồm có: mạch từ 3, cuộn dây cố định - cuộn dây sơ cấp của biến áp hàn 1 và cuộn dây động- cuộn dây thứ cấp của biến áp hàn. Cuộn dây thứ cấp có thể di chuyển dọc theo trụ giữa của mạch từ lồng vào trong lòng cuộn sơ cấp bằng trục vít vô tận.
Thay đổi khoảng cách giữa hai cuộn dây, sẽ thay đổi điện kháng của biến áp chính là thay đổi được dòng hàn (I2). Dòng hàn tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai cuộn dây, và tỉ lệ đó là phi tuyến. Với khoảng cách giữa hai cuộn dây càng lớn hiệu quả điều chỉnh dòng càng thấp. Để mở rộng phạm vi điều chỉnh dòng hàn, dùng hai phương pháp điều chỉnh kết hợp.
- Điều chỉnh có cấp bằng cách thay đổi sơ đồ đấu dây cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp từ song song sang nối tiếp. Giữ tỉ số biến áp và điện áp thứ cấp không tải không đổi.
Trên hình 2.32a và 2.32b là sơ đồ đấu dây của biến áp hàn và đặc tính điều chỉnh dòng hàn I2 = f(a) (với a là khoảng cách giữa hai cuộn dây, khoảng cách a thay đổi).
* Máy biến áp hàn có shunt từ động
Máy biến áp hàn với từ thông tản tăng cường có shunt từ động được biểu diễn dưới trên hình 2.33.
3
2
1
a)
I2
a b)
Hình 2.32. Máy biến áp hàn có cuộn dây động a. Cấu tạo; b. đặc tính điều chỉnh dòng hàn
Cấu tạo của nó gồm: hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp 1 và 2 của máy được phân bố đối xứng trên mạch từ 3 của biến áp hàn. Shunt từ động 4 nằm giữa hai cuộn dây. Shunt từ chuyển động di sâu vào của biến áp bằng tay quay hoặc trục vít vô tận.
Khe hở không khí là khe hở giữa mạch từ của máy biến áp hàn và shunt từ động.
Điều chỉnh dòng hàn thực hiện bằng cách di chuyển shunt từ đi sâu vào mạch từ với hành trình Z. Khi hành trình Z càng giảm, điện kháng của biến áp hàn x của biến áp càng tăng và dòng hàn I2 càng giảm. Sự phụ thuộc của điện kháng x của biến áp phụ thuộc vào vị trí của shunt từ (hành trình Z) được biểu diễn trên hình 2.32c.
* Máy biến áp hàn có cuộn kháng ngoài
Biến áp hàn (hình 2.34a) như một biến áp bình thường: Cuộn sơ cấp W1 nối vào lưới điện, cuộn thứ cấp W2 tạo điện áp không tải đủ mồi hồ quang. Để điều chỉnh dòng hàn và tạo ra đường đặc tính ngoài mềm, biến áp hàn có thêm cuộn kháng CK gọi là cuộn kháng ngoài vì không liên quan gì tới biến áp về mặt kết cấu
Z
xmin
Z x
a) b) c)
1 2
3
4
Hình 2.33. Biến áp hàn có shunt từ động
a. cấu tạo; b.hành trình của shunt từ; đặc tính điều chỉnh dòng hàn
W1 W2
CK
HQ
U
I Inm3
Inm2 Inm1
0
1 2 3
1 < 2 < 2
Hình 2.34b. Họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn có cuộn kháng ngoài U0
Nếu U2là điện áp cuộn thứ cấp thì điện áp không tải là:
2
0 U
U
Khi hàn (có dòng tải I) thì ngoài điện áp hồ quang là U hqcòn có điện áp trên cuộn kháng UCK nên:
20 hq CK
U U U
Vì điện trở của cuộn kháng CK rất bé, có thể bỏ qua nên tổng trở của cuộn kháng coi như chỉ có thành phần điện kháng XL = 2fL và sụt áp là:
CK 2
U fLI Từ đó ta có điện áp hồ quang:
2 2 2
hq CK
U U U U fLI (2.33)
Vậy dòng hàn hồ quang tăng thì Uhqgiảm. Lúc mồi hồ quang I I nmthì 0
U hq và theo (2.27) ta có:
fL 2U I
I nm 2
(2.34)
Từ trở của cuộn kháng CK tỉ lệ nghịch với điện càm L nên khi độ rộng khe hở không khí tăng thì từ trở tăng, điện kháng L giảm và Inm tăng. máy biến áp hàn có cuộn kháng ngoài có họ đặc tính ngoài như trên hình 2.34b.
Điều chỉnh dòng điện hàn theo khe hở không khí đảm bảo điều chỉnh trong liên tục và chính xác. Nếu cuộn kháng CK có nhiếu đầu ra thì không cần điều chỉnh
W1
W2 RV
U +
-
1
2
1 2
CM F khe hở không khí. Lúc đó ta điều chỉnh dòng hàn từng cấp.
b. Nguồn hàn một chiều
Nguồn hàn một chiều dùng cho công nghệ hàn hồ quang bằng tay, hàn hồ quang tự động, bán tự động và hàn hồ quang trong khí bảo vệ. Nguồn hàn hồ quang một chiều có hai loại:
- Bộ biến đổi quay (máy phát hàn một chiều).
- Bộ biến đổi tĩnh (bộ chỉnh lưu dùng điôt hoặc tiristor ).
* Máy phát hàn một chiều có cuộn kích từ KT độc lập và cuộn khử từ (KhT) nối tiếp.
Máy phát có hai cuộn kích từ (hình 2.35a).
Cuộn W1 là cuộn tạo ra từ thông kích từ chính t và được cấp điện từ một nguồn một chiều độc lập có điều chỉnh dòng kích từ nhờ biến trở RV.
Cuộn khử từ W2 đấu nối tiếp với phần ứng máy phát và có dòng hàn chảy qua. Từ thông do cuộn W2 sinh ra là 2 sẽ ngược chiều với từ thông chính 1.
Như vậy từ thông tổng kích từ của máy phát là:
= 1 + 2
Khi không tải Ihq = 0 và 2 = 0. Điện áp máy phát lúc không tải do 1 quyết định:
U0 = E0 = ke1
trong đó: ke là hệ số phụ thuộc kết cấu máy phát;
là tốc độ quay phần ứng máy phát (rad/s).
Hình 2.35a. Sơ đồ nguyên lý máy phát điện có cuộn KT độc lập và cuộn KhT nối tiếp
Khi có tải Ihq 0 và cuộn W2 có dòng điện hồ quang chảy qua, sinh ra từ thông 2 tỉ lệ với Ihq và ngược chiều 1, nên:
F 2
1 e F hq 0
hq E I R k ( ) IR
U (2.35)
Đặc tính ngoài của máy phát có dạng hình 2.35b.
* Máy phát hàn một chiều có cuộn kích từ song song và cuộn khử từ nối tiếp
Máy phát hàn có cuộn kích từ độc lập cần phải có một nguồn một chiều độc lập riêng. Để tiện sử dụng máy loại này dùng ngay nguồn một chiều của nó để tự kích từ. Sơ đồ mạch như trên hình 2.36.
Cuộn kích từ chính W1 được cấp một phần điện áp phát ra từ phần ứng máy phát và được điều chỉnh dòng kích từ qua chiết áp RV. Họ đặc tính ngoài tương tự như hình 2.35b.
* Máy phát hàn điện một chiều có cực từ rẽ
Máy phát hàn điện một chiều có cực từ rẽ (hình 2.36) tạo ra đặc tính ngoài dốc do tác dụng khử từ của từ thông sinh ra trong cuộn dây phần ứng máy phát (do phản ứng phần ứng). Máy phát có hai cuộn kích từ: cuộn kích từ chính W1 và phụ W2.
Khi hàn, dòng hàn chảy qua phần ứng sẽ tạo ra một luồng từ thông ư hướng ngược lại với từ thông n. Từ thông n càng giảm khi dòng hàn càng tăng và làm giảm điện áp cảm ứng giữa hai chổi than a và b. Như vậy đặc tính ngoài của máy phát mềm là do tác dụng của từ thông phản ứng phần ứng.
Khi ngắn mạch, dòng phần ứng lớn nhất và từ thông tổng bị giảm về 0, sức điện động máy phát cũng giảm về 0.
U
Inm2 I Inm1
0
Hình2.35b. Họ đặc tính ngoài của máy phát điện khi thay đổi số vòng dây U0
W21 > W22
W21 W22
Khi không tải, dòng phần ứng không có, ư = 0, từ thông tổng lớn nhất, máy phát điện áp lớn nhất.
Điều chỉnh dòng hàn nhờ chỉnh định biến trở RV đấu trong mạch cực từ phụ (điều chỉnh tinh). Điều chỉnh thô nhờ điều chỉnh chổi than c. Nếu dịch theo chiều quay máy phát thì dòng hàn giảm vì khi đó tác dụng của từ thông phần ứng ư tăng.
Khi dịch chổi than c theo hướng ngược chiều quay của máy phát thì dòng hàn tăng.
* Chỉnh lưu hàn
Kỹ thuật bán dẫn chế tạo được các linh kiện điện tử công suất lớn đã giúp cho nguồn chỉnh lưu có một vai trò quan trọng. Ưu điểm của nó so với máy phát hàn điện một chiều là:
- Chỉ tiêu năng lượng cao.
- Không có phần quay.
- Hiệu suất cao.
Nguồn hàn chỉnh lưu có hai phần: máy biến áp và khối chỉnh lưu. Chỉnh lưu có thể có điều khiển hoặc không điều khiển.
Hình 2.38 là sơ đồ tổng thể của bộ chỉnh lưu hàn có điều khiển W1
W2 RV
1 +2 CM F
Hình 2.36. Sơ đồ nguyên lý máy phát điện hàn một chiều có cuộn KT song
song và cuộn KhT nối tiếp
- F
+ -
W1
W2
a b
c RV
Hình 2.37. Sơ đồ nguyên lý máy phát điện có cực từ rẽ
Biến áp BA để tạo một điện áp hàn thích hợp. Điện áp này sẽ được chỉnh lưu thành nguồn hàn một chiều và được san bằng bởi cuộn kháng CK. Để có đặc tính ngoài phù hợp với công nghệ hàn bằng tay, bán tự động, tự động, sơ đồ có các mạch vòng phản hồi âm dòng (khi hàn tay) và phản hồi âm áp (khi hàn tự động, bán tự động). Dùng phản hồi nào là nhờ chuyển mạch CM.
Chỉnh lưu hàn được phân ra làm ba loại theo đặc tính ngoài:
- Chỉnh lưu hàn có đặc tính ngoài dốc đứng.
- Chỉnh lưu hàn có đặc tính ngoài cứng (hay dốc thoải).
- Chỉnh lưu hàn vạn năng có thể cho đặc tính ngoài dốc hay cứng.
2.6.2. Phân tích mạch điện các m áy hàn điển hình
1. Máy hàn hồ quang tự động dùng que hàn không nóng chảy (hàn TIG)
Máy hàn TIG dùng đểhàn thép không gỉ, hợp kim đồng, thép mềm, thép có hàm lượng cacbon thấp, Titan và lá thép kỹ thuật điện.
Nguồn hàn trong các máy hàn TIG có thể là nguồn hàn một chiều hoặc xoay chiều với họ đặc tính ngoài dốc để đảm bảo dòng điện hàn ổn định. Khi độ dài ngọn lửa hàn thay đổi, đảm bảo cho hồ quang cháy ổn định trong quá trình hàn. Bởi vậy điện áp không tải của nguồn hàn yêu cầu cao hơn điện áp hàn hồ quang khá lớn (U20 = (4 ÷ 6)U2).
Máy hàn TIG V200-TIG (hãng LINCOLN sản xuất) là loại máy hàn đa chức năng có thể thực hiện các chễ độ hàn khác nhau: hàn TIG 2 bước, hàn TIG 4 bước, hàn dính….
* Thông số kỹ thuật của máy hàn:
- Điện áp nguồn cấp: một pha xoay chiều : 220 V.
-Tần số 50 Hz.
- Dòng điện sơ cấp cực đại : 33A.
- Công suất cực đại : 7,6 kVA.
- Hệ số công suất Cos = 0,9.
- Hiệu suất : 0,75.
BA CL
I CM II U1 U
+ - CK Rsh
Hình 2.38. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu hàn có điều khiển