CHệễNG 1 KIẾN THỨC TỔNG QUÁT NDT
1.2. CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG VÀ CÁC KHUYẾT TẬT LIÊN QUAN
1.2.2. Các phương pháp hàn và các loại khuyết tật liên quan
Các phương pháp hàn :
Nói chung các phương pháp hàn thường sử dụng để hàn kim loại có thể được phân thành các loại sau :
Hàn hồ quang.
Hàn khí.
Hàn điện trở.
Hàn vảy.
Các phương pháp hàn khác.
Hàn hồ quang (Electric Arc Welding) :
Hàn hồ quang bao gồm các phương pháp hàn trong đó nguồn nhiệt cho quá trình hàn là hồ quang điện. Hồ quang tạo thành khi có một dòng điện tác động bởi điện áp chạy qua khe hở giữa hai điện cực hoặc giữa điện cực và vật hàn (kim loại cơ bản) và như vậy sẽ khép kín mạch điện. Hồ quang sẽ tập trung nhiệt làm nóng chảy các mép của kim loại cơ bản và kim loại hàn (nếu có dùng) sẽ được trộn lẫn trong một bể kim loại nóng chảy, trước lúc đông đặc chúng sẽ hợp nhất lại thành một mối hàn liên tục. Trong phương pháp hàn hồ quang, cường độ nguồn nhiệt càng cao (hồ quang) thì tốc độ cấp nhiệt càng lớn và như vậy hiệu suất hàn càng cao, nếu như ta so sánh với phương pháp hàn bằng ngọn lửa khí. Ngay sau khi hồ quang được bật lên, sẽ tạo ra một bể kim loại lỏng, quá trình hàn được hoàn thành nhờ hồ quang hàn và kim loại hàn (nếu có).
Trong thực tế, có hai loại hồ quang được dùng cho phương pháp này. Một loại là kiểu hồ quang trực tiếp, ở đó hồ quang được duy trì giữa vật hàn và điện cực. Còn loại kia là kiểu hồ quang gián tiếp, hồ quang sẽ được duy trì giữa hai điện cực không tiêu hao bằng carbon hoặc tungsten. Mối hàn trong cả hai trường hợp này đều có thể dùng kim loại hàn hoặc có thể không dùng tới.
Phương pháp hàn hồ quang được sử dụng rộng rãi nhất trong gia công kim loại. Tính chất của nó sẽ được mô tả và trình bày trong các phần sau đây :
Phương pháp hàn hồ quang khí bảo vệ (Shielded Metal Arc Welding - (SMAW) : Phương pháp hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ, thường được gọi là phương pháp hàn bằng que hàn, là một trong các phương pháp hàn cổ điển nhất của các nhóm hồ quang hiện nay (hình 1.15). Tuy nhiên nó lại được ứng dụng rộng rãi nhất. Đây là một quá trình hàn bằng tay, trong đó nhiệt lượng cho quá trình hàn tạo ra nhờ một cột hồ quang giữa vật cần hàn và que điện cực tự hao (gọi là que hàn) và có vỏ bọc là lớp trợ dung (thuốc hàn). Đầu điện cực, sự khuấy trộn bể kim loại hàn, hồ quang, vùng lân cận của chi tiết hàn được bảo vệ khỏi sự nhiễm bẩn của khí quyển nhờ một môi trường khí bảo vệ tạo ra từ sự cháy và phân hủy của lớp thuốc bọc que hàn. Sự hình thành lớp khí bảo vệ cho bể kim loại lỏng trong mối hàn được bao bọc bởi lớp xỉ tạo ra từ sự tác động của các thành phần trong thuốc bọc (trợ dung) với các chất không thể nhiễm bẩn như các ôxit và muối. Vật liệu hàn ( kim loại hàn ) được đưa vào bằng lõi của điện cực tự
hao dạng dây cuộn dài khoảng 14 in. và với một số loại điện cực nào đó thì bởi loại bột kim loại có ngay trong lớp thuốc bọc điện cực.
Phương pháp hàn hồ quang trong lớp khí bảo vệ được sử dụng rộng rãi là do tính đa dạng và thiết bị của nó tương đối đơn giản, rất dễ di chuyển và rẽ hơn các loại thiết bị hàn hồ quang khác. Yêu cầu phải có một bộ cung cấp điện phù hợp, một bộ kẹp điện cực tương đối đơn giản, và một bộ cáp dẫn. Với các thiết bị này quá trình hàn có thể tiến hành trong nhà hay ngoài hiện trường với các loại mối hàn ở bất cứ vị trí nào, mà điện cực nếu có thể tiếp xúc được.
Hình 1.15 – Minh họa căn bản phương pháp hàn SMAW.
Các vị trí hàn như các mối hàn nằm và mối hàn trên đầu (mối hàn ngửa). Với một loại điện cực dạng uốn cong chỉ có thể hàn được các nơi bị bịt kín (nơi bị che chắn) mà với các loại thiết bị khác thì không thể được vì dạng súng hàn rất cồng kềnh và không thể mang tới nơi cần hàn được.
Tính đa dạng của phương pháp này còn có thể mở rộng thêm vì bộ cấp điện bằng chì có thể mở rộng hơn về khoảng cách chiều dài và vì trong phương pháp này không có các loại ống để cấp khí hay nước làm nguội như là với các hệ thiết bị khác. Điều này tạo ra một điều kiện lý tưởng để khi sửa chữa cho các thiết bị cố định tại các vị trí từ xa. Bởi vì điều này rất thích hợp với các quá trình hàn sai vị trí và khó định vị, phương pháp hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ rất đắc dụng cho các mối ghép của các phần tử thuộc một cấu trúc tổ hợp phức tạp đa dạng.
Tuy nhiên phương pháp này cũng có các khuyết điểm của nó. Tốc độ lắng đọng và hiệu suất lắng đọng (tỷ số giữa khối lượng kim loại lắng đọng lại (kết tủa) và khối lượng thực của kim loại hàn đã tiêu hao không kể các chi tiết ngắn) thì thấp hơn so với phương pháp hàn hồ quang khí và phương pháp hàn hồ quang nhúng. Quá trình hàn phải ngừng lại khi que hàn tiêu hao chỉ còn một đoạn ngắn. Một khuyết điểm khác của phươ ng pháp này là phải cạo sạch xỉ sau mỗi đường hàn nhằm loại trừ xỉ phủ lên bề mặt mối hàn.
Sử dụng phương pháp này có thể hàn được nhiều loại kim loại, nhưng phương pháp này thích hợp nhất cho các loại thép carbon thấp và hợp kim thấp, thép không rỉ và thép hợp kim chịu nhiệt. Gang đúc, các loại thép có độ bền cao, thép có thể tôi cứng đều có thể hàn với phương pháp này, nhưng phải gia công nhiệt trước, gia công nhiệt sau khi hàn hoặc cả hai nếu thấy cần thiết. Chọn và lưu ý đến các chế độ hàn rất quan trọng khi hàn
Kim loại hàn nóng chảy Xỉ hàn
Kim loại hàn đã keát raén
Lớp phủ bên ngoài điện cực Dây điện cực
Những giọt kim loại hàn Hoà quang ủieọn
Kim loại cơ bản
CHệễNG 1 32
các loại thép có thể tôi cứng. Hợp kim của Ni và Cu có thể hàn bằng phương pháp SMAW này cho dù các phương pháp khác được ứng dụng rộng rãi hơn để hàn các kim loại này. Các kim loại mềm như kẽm, chì, thiếc có nhiệt độ nóng chảy và sôi thấp thì không thể hàn bằng phương pháp hồ quang trong môi trường khí bảo vệ.
Phương pháp hàn hồ quang có dây hàn lõi trợ dung (Flux Cored Arc Welding –FCAW):
Phương pháp này tương đối mới, bắt đầu phát triển từ những năm sau thập kỷ 50. Nó khắc phục được các khuyết điểm chính của phương pháp hàn hồ quang bằng điện cực có thuốc bọc, cụ thể là quá trình hàn phải ngưng lại để thay thế que hàn, như vậy sẽ làm hao phí vật liệu hàn và tốn thời gian đối với các mối hàn ngắn (hình 1.16). Trong phương pháp này người ta đưa vật liệu điện cực và chất tự dung vào vùng hồ quang từ một thiết bị cuốn dây liên tục. Nhưng như vậy sẽ gặp một trở ngại là vỏ bọc que hàn thường bị bung ra khi nó được cuộn vào ru lô, do đó không cấp điện được vào dây điện cực đã được bọc. Cách giải quyết cho bế tắc này là tạo ra các điện cực có khả năng tự tạo ra các môi trường khí bảo vệ, các chất tự dung và vật liệu tạo môi trường bảo vệ được đặt trong các lõi của dây hàn, kim loại hàn được cuốn thành cuộn liên tục và được đưa vào vùng hồ quang bằng cơ cấu cơ khí. Lợi ích của loại dây điện cực cùng với chất tự dung này đã làm nảy sinh phương pháp hàn bán tự động với các loại mỏ hàn được thao tác bằng tay và một loại nữa là phương pháp hàn tự động hoàn toàn, có các máy móc được thiết lập chuyên dùng để điều khiển đầu hàn được cơ khí hoá hoặc vật liệu cần hàn.
Có hai loại hàn chính của phương pháp FCAW : Phương pháp hàn trong môi trường tự bảo vệ và phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ được cấp từ ngoài vào. Phương pháp hàn trong môi trường tự bảo vệ giống như phương pháp hàn hồ quang trong môi trường bảo vệ. Mà trong đó nó chỉ phụ thuộc duy nhất vào hỗn hợp chất trợ dung để tạo ra môi trường khí bảo vệ. Phương pháp hàn hồ quang dùng môi trường khí bảo vệ phụ trợ (Thường là khí CO2 có thể được phối hợp với khí bảo vệ từ vật liệu dây hàn nhờ thiết bị chuyên dùng cung cấp khí bảo vệ cho đầu đỡ điện cực
Hình 1.16 : Trình bày phương pháp hàn FCAW
Kim loại hàn Xỉ hàn
Khí bảo vệ Điện cực hàn có dây
trợ dung tự hao Mỏ hàn
Hoà quang ủieọn
Bể hàn Kim loại cơ bản
Ứng dụng của hai phương pháp này có nhiều điểm trùng nhau nhưng người ta thường dùng phương pháp hàn hồ quang trong môi trường khí tự bảo vệ vì nó không yêu cầu các thiết bị phụ trợ để tạo môi trường khí bảo vệ, do vậy đầu đỡ điện cực sẽ đơn giản hơn nếu đem so sánh với phương pháp kia. Hàn trong môi trường khí tự bảo vệ chủ yếu dùng cho thép carbon thấp, hay kim loại thấp cũng có hiệu quả tốt. Nó dùng cho công việc hàn với các mối hàn sai vị trí (out of position), nếu đường kính điện cực nhỏ thích ứng với cách lắp ráp đã được chọn. Do vậy, nó thường được dùng tại những nơi có vị trí hàn không tiện lợi.
Phương pháp hàn hồ quang bằng lõi hàn có chất trợ dung dùng khí phụ trợ từ bên ngoài thường hàn thép carbon và hợp kim thấp, thép không rỉ. Nó có khả năng hàn được các loại kim loại mỏng có bề dày từ 1/16 inch.
Hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí (Gas Metal Arc Welding – GMAW):
Hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí, cho đến nay vẫn được gọi là hàn hồ quang trong khí trơ – MIG (Metal Inert – Gas); người ta sử dụng một dây điện cực để trần tự hao liên tục, với môi trường bảo vệ hồ quang được cung cấp toàn bộ nhờ một hỗn hợp khí từ bên ngoài (hình 1.17).
Hình 1.17 – Quá trình hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí.
Môi trường khí bảo vệ bể kim loại nóng chảy không bị tác dụng với các phần tử khí quyển, và các chất khử Oxy có thể lẫn vào như các loại hợp kim trong điện cực. Khí bảo vệ có thể là He, Ar, CO2 và các hỗn hợp của nó.
Các thiết bị cần thiết cũng giống như thiết bị của phương pháp hàn hồ quang với lớp trợ dung (Loại có môi trường khí bảo vệ phụ trợ) ngoại trừ dây kim loại hàn không có lớp vỏ bọc trợ dung.
Các đặc trưng nổi bật của phương pháp hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ : (i) Tạo ra mối hàn có chất lượng cực kỳ tốt đối với hầu hết các loại kim loại thương
mại bao gồm thép carbon, thép hợp kim, thép không rỉ, cũng như Al, Mg, gang, Ti và Zr. Đây là phương pháp thuận lợi nhất cho việc hàn Al, Mg, Cu, và nhiều loại hợp kim khác của các loại kim loại hoạt động này.
Ngăn cản khí xâm nhập
Hướng thực hiện gia công mối mối hàn Điện cực hàn
Kim loại cơ bản
Dây điện cực rắn
Daõy daón ủieọn
Dây hàn và mỏ hàn Vòi khí
Khí bảo vệ
Kim loại hàn
CHệễNG 1 34
(ii) Quá trình hàn không có xỉ; có nghĩa là sự làm sạch sau khi hàn và giữa các đường hàn là tối thiểu và sẽ không có xỉ bị kẹt vào trong mối hàn.
(iii) Có thể hàn ở mọi vị trí khác nhau.
(iv) Đây là một phương pháp hàn có tốc độ tương đối cao bởi vì đường kính dây hàn bé có thể được sử dụng với dòng điện hàn cao do đó tạo nên tốc độ lắng đọng kim loại lớn.
Hàn hồ quang Tungsten trong môi trường khí (Gas Tungsten Arc Welding – GTAW) : Trong phương pháp hàn hồ quang Tungsten trong môi trường khí bảo vệ thường được gọi là phương pháp hàn TIG (Tungsten – Khí trơ), cột hồ quang nung nóng được duy trì giữa một điện cực không hao bằng Tungsten và vật hàn giống như phương pháp GMAW, môi trường khí bảo vệ được tạo ra và được cấp hoàn toàn từ bên ngoài vào bởi hỗn hợp khí được đưa vào vùng hàn nóng chảy qua mỏ hàn (hình 1.18). Kim loại hàn (kim loại điền đầy) có thể được sử dụng hay không phụ thuộc vào yêu cầu của công việc cần hàn.
Hình 1.18 – Phương pháp hàn GTAW.
Phương pháp hàn hồ quang Tungsten trong khí trơ hoàn toàn giống như phương pháp hàn hồ quang kim loại trong khí trơ, ngoại trừ loại điện cực sử dụng giống như dạng một mỏ hàn để tạo ra nhiệt lượng cần thiết cho sự kết dính các kim loại được hàn. Bằng cách này, người ta không cần sử dụng đến dây hàn nữa. Người ta cần sử dụng đến áp lực được liên kết các mối ghép nối khi mà các mép của ghép nối này tiến dần đến trạng thái nóng chảy. Nếu vật hàn quá nặng đến nỗi mà sự nóng chảy thuần túy các mép hàn (tiếp xúc) không xảy ra được, và nếu rãnh của ghép nối và phần gia cường của mối hàn cần phải có kim loại điền đầy thêm vào từng phần, nó sẽ được thực hiện nhờ đưa một que hàn trực tiếp vào bể hàn qua cơ cấu khí hay là bơiû thao tác bằng tay. Đầu của que hàn kim loại và đầu của điện cực Tungsten luôn được giữ trong môi trường bảo vệ trong suốt quá trình hàn.
Các đặc trưng chính của phương pháp hàn hồ quang Tungsten trong môi trường khí bảo veọ :
(i) Tạo được mối hàn chất lượng đặc biệt tốt đối với hầu hết kim loại và hợp kim sử dụng trong công nghiệp, gồm các loại thép carbon khác nhau, cũng như hợp kim và thép không rỉ, nhôm và hầu hết các hợp kim của nó, Magnesium cùng đa số các
Que hàn
Khí bảo vệ Kim loại cơ bản
Điện cực Tungsten không tự hao
Vòi khí
Hoà quang ủieọn
Bể hàn Kim loại hàn
hợp kim của Mg. Đồng và các loại đồng thau và đồng thanh, các hợp kim cứng khác nhau, các hợp kim cứng cùng các loại kim loại khác như Ti, Zr, Au, và Ag.
(ii) Không cần làm sạch mối hàn vì không có tác nhân trợ dung.
(iii) Mối hàn không bị bắn tung tóe bởi vì không có kim loại hàn đi ngang dòng hồ quang.
(iv) Không có xỉ bị kẹp trong vật liệu hàn.
(v) Có thể hàn được mọi vị trí khác nhau.
(vi) Một phạm vi lớn về bề dày kim loại có thể hàn được bằng phương pháp này. Kỹ thuật hàn này đặc biệt phù hợp cho các vật liệu mỏng, mà ở đó các yêu cầu về chất lượng và sự gia công tinh rất chính xác. Lấy thí dụ phương pháp này rất thành công khi hàn các vật thành mỏng và hàn vết trên các lớp transistor, các dụng cụ màn ngăn của ống kính.v.v…
Hàn hồ quang Plasma – PAW – Plasma Arc Welding :
Phương pháp này giống như phương pháp hàn hồ quang tungsten trong môi trường khí bảo vệ ngoại trừ là hồ quang từ điện cực Tungsten được đẩy qua một van tiết lưu trước khi tiến đến vật hàn (hình 1.19). Một vòi phun có một lỗ nhỏ bao quanh điện cực và nạp khí trơ qua vòi phun này. Kết quả là có một tia có nhiệt độ cực lớn và di chuyển rất nhanh được gọi là plasma gây ra bởi sự tập trung cao độ sự ion hoá cột hồ quang. Các mỏ đốt hồ quang có thể tăng nhiệt độ lên cao khoảng 60.0000F.
Hình 1.19 – Phương pháp hàn PAW.
Trong thực tế người ta cấp hai dòng khí riêng biệt vào mỏ hàn. Một dòng khí chạy bao quanh điện cực trong phạm vi các lỗ và chui qua các lỗ ra ngoài tạo thành tia plasma có nhiệt độ cao. Khí này có thể là khí trơ, thường dùng là Ar. Dòng khí kia đi qua giữa thanh các lỗ và đầu ra của vỏ bọc đầu hàn tạo ra môi trường khí bảo vệ cho bể kim loại hàn và vùng lân cận. Khí trơ Ar có thể dùng làm môi trường khí bảo vệ, nhưng không được là các hỗn hợp khí không Oxy hoá. Như hỗn hợp khí Ar với 5% H2, luôn chứng tỏ có ưu điểm. Khi sử dụng phương pháp hàn hồ quang Tungsten có khí bảo vệ thì ngư ời ta có thể dùng kim loại hàn hoặc không, tùy thuộc vào yêu cầu của loại mối hàn đó.
Vòi khí Khí bảo vệ
Kim loại cơ bản
Plasma Lỗ khóa
Điện cực Tungsten không tự hao Nước làm nguội Vòi đồng
Bể hàn Kim loại hàn