Cho tới năm 1956 các cỡ ống nói trên phần lớn đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp hàn điện trở. Từ năm 1956 trở đi ph−ơng pháp hàn điện cao tần tới 400kHz
Sv: Hoàng Văn C−ờng 51 Lớp: Công nghệ Hàn - K47
Ph−ơng pháp hàn điện cao tần lần đầu tiên, vào năm 1946, đ−ợc các nhà khoa học Xô-viết A.V.Ulitovki, C.D.Bôgôxlavxki, B.D.Xtarackiev và P.G.Xtepanôv đ−a ra. Hàn tiếp xúc cao tần là quá trình hàn điện tiếp xúc mà nhiệt do cảm ứng của dòng điện cao tần (đến 450kHz) sinh ra. ứng dụng điển hình là hàn giáp mối theo đ−ờng sinh của ống đ−ợc tạo thành từ các cặp quả cán qua hai tấm tr−ợt tiếp xúc hoặc qua vòng cảm ứng cao tần.
Các −u điểm chủ yếu của ph−ơng pháp hàn điện cao tần là:
+ Mở rộng khả năng sản xuất ống nguyên vật liệu khác nhau (thép C, thép hợp kim, nhôm, đồng và hợp kim của chung,… )
+ Khả năng nâng cao vận tốc hàn (có thể đạt tới 120m/phút và có thể hơn) + Sản xuất ống thép C chất l−ợng mối hàn cao mà không cần thiết giai đoạn gia công bề mặt.
+ Vùng nóng chảy nhỏ. + Tạo bavia nhỏ.
+ Vật mang năng l−ợng không bị cào x−ớc.
Ph−ơng pháp hàn điện cao tần 400 ữ 500kHz dựa trên nguyên lý: Dòng điện ở tần số đó không chuyển động theo h−ớng điện trở nhỏ nhất mà theo h−ớng cảm ứng từ nhỏ nhất.
Ph−ơng pháp hàn điện cao tần đ−ợc sử dụng hiệu ứng gần và hiệu ứng bề mặt để nung nóng mép biên băng kim loại. Hiệu ứng gần xuất hiện khi có dòng điện từ vài chục, vài trăm đến vài nghìn kHz chạy qua dây dẫn, xung quanh dây dẫn dòng điện xoay chiều cao tần đó nếu ta đặt một vật thể kim loại gần thì d−ới tác dụng của từ tr−ờng xoay chiều trên vật thể kim loại đó xuất hiện dòng điện xoáy vicre. Các đ−ờng dẫn điện trong những vùng gần nhau của dây dẫn và vật thể kim loại, ở bất kỳ thời điểm nào cũng trái ng−ợc nhau về h−ớng và tác dụng lên nhau một lực hút. Chính vì vậy mà điện từ tr−ờng tập trung cao nhất ở các vùng tiếp giáp đó. Hiện t−ợng đó gọi là hiệu ứng gần.
Hiệu ứng bề mặt là hiện t−ợng điện tích tập trung chủ yếu trên bề mặt vật thể. Thí nghiệm chứng tỏ: khi dòng điện cao tần chạy qua một dây dẫn thì do hiện t−ợng tự cảm, dòng điện ấy hầu nh− không chạy ở trong lòng dây dẫn mà chỉ chạy ở mặt
Sv: Hoàng Văn C−ờng 52 Lớp: Công nghệ Hàn - K47
ngoài của nó. Tần số dòng điện càng cao (tức dòng điện biến đổi càng nhanh), tác dụng của dòng điện tự cảm trong dây càng mạnh, phần dòng điện chạy trong ruột của dây càng giảm mạnh. Khi tần số của dòng điện khá cao, phần dòng điện chạy trong ruột của dây hầu nh− bị triệt tiêu: dòng điện cao tần chỉ chạy ở lớp bề mặt rất mỏng của dây dẫn. Chiều sâu của dòng điện đ−ợc xác định theo công thức:
T f à ρ δ . 25 =
trong đó: δ: chiều sâu của dòng điện, mm; ρ: điện trở suất, Ω.mm;
f: tần số dòng điện, Hz; àT: độ từ thẩm.
Thực vậy, lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ rằng: với tần số f = 1000Hz (1 héc = 1 dao động toàn phần trong một dây), dòng điện chỉ chạy ở một lớp bề mặt dày 2mm của dây dẫn; còn với tần số f = 100.000Hz dòng điện chỉ chạy ở một lớp bề mặt dày 0,2mm; với tần số f = 400.000Hz dòng điện chỉ chạy ở lớp bề mặt dày 0,1mm. Chính vì lí do đó, khi dùng dòng điện cao tần, ng−ời ta làm các dây dẫn rỗng để tiết kiệm kim loại. Trong hàn cao tần dây dẫn dòng cao tần th−ờng đ−ợc làm rỗng vừa để tiết kiệm kim loại, đồng thời vừa để dẫn n−ớc làm mát.
Mức độ tập trung dòng cao tần của các lớp trong dây đẫn tỷ lệ nghịch với ex (e ≈ 2,718281). ở lớp bề mặt: mức độ tập trung dòng: 0δ = 1/e0 = 100%; ở lớp có chiều sâu 1δ: mức độ tập trung dòng: 1δ = 1/e1 ≈ 37%; ở lớp có chiều sâu 2δ: mức độ tập trung dòng: 2δ = 1/e2 ≈ 14%; ở lớp có chiều sâu 3δ: mức độ tập trung dòng: 3δ = 1/e3 ≈ 5%; ở lớp có chiều sâu 4δ: mức độ tập trung dòng: 4δ = 1/e4≈ 1,8%; ở lớp có chiều sâu 5δ: mức độ tập trung dòng: 5δ = 1/e5 ≈ 0,7%. Nh− vậy dòng cao tần chủ yếu tập trung ở lớp bề mặt.
Hai hiện t−ợng đó là cơ sở lý luận để xây dựng ph−ơng pháp hàn điện cao tần. Trong hàn cao tần có 2 ph−ơng pháp tiếp điện: tiếp điện tiếp xúc (hình 3.3) và tiếp điện cảm ứng từ (hình 3.4):
Sv: Hoàng Văn C−ờng 53 Lớp: Công nghệ Hàn - K47
1 3 2
Hình 3.3- Sơ đồ nguyên lý hàn cao tần tiếp điện tiếp xúc 1.ống hàn. 3. Con lăn ép hàn. 2.Thanh quét.
2 4 1 3
V
Hình 3.4- Sơ đồ nguyên lý hàn cao tần tiếp điện cảm ứng từ. 1. Cuộn cảm vòng. 3. Con lăn ép hàn. 2. Con lăn dẫn h−ớng. 4. Thanh sắt từ ferit.
Sv: Hoàng Văn C−ờng 54 Lớp: Công nghệ Hàn - K47 1 3 2 4 5 i2 1 i
Hình 3.5- Sơ đồ tiếp điện bằng ph−ơng pháp tiếp xúc 1. ống hàn. 4. Lõi thép non (ferit). 2. Nguồn điện cao tần. 5. Điểm tiếp xúc. 3. Thanh quét.
Trong biện pháp tiếp điện tiếp xúc dòng điện dẫn đến phôi ống chuyển động theo hai h−ớng (hình 3.5): Dòng điện i1 chuyển động theo h−ớng mép biên phôi ống từ điểm thanh quét thứ nhất tiếp xúc với phôi ống qua điểm tiếp xúc của 2 mép biên phôi ống tới điểm thanh quét thứ 2 tiếp xúc với phôi ống. Dòng điện i2 chuyển động theo đ−ờng tròn bề mặt ống phôi, đi qua các tiếp điểm tiếp xúc của hai thanh quét với phôi ống.
Giá trị điện trở cảm kháng của chu vi ống phôi tỉ lệ thuận với đ−ờng kính ống phôi. Chính vì vậy tăng đ−ờng kính sẽ làm tăng điện trở chu vi tức là c−ờng độ dòng điện i2 nhỏ và dòng tập trung theo mép nhiều hơn, nên hiệu suất hàn tăng lên. Độ ổn định của tiếp xúc quay lớn hơn nhiều độ ổn định tiếp xúc tr−ợt. Tại chỗ tiếp xúc tr−ợt khả năng bám dính của kim loại giảm và xuất hiện khe hở dọc mép.
Sv: Hoàng Văn C−ờng 55 Lớp: Công nghệ Hàn - K47
Khi đ−a dòng cảm ứng vào sự nung nóng đ−ợc thực hiện nhờ dòng cảm ứng thứ cấp xuất hiện tại mép phôi do từ tr−ờng của vòng cảm ứng thay đổi. Khi đó dòng điện ôm lấy phần bổ sung của đ−ờng kính phôi nằm trong vòng cảm ứng. Điều này làm tăng tiêu hao năng l−ợng điện vào. Ph−ơng pháp tiếp điện cảm ứng có hiệu quả đối với ống có đ−ờng kính đến 200mm, còn ph−ơng pháp tiếp điện tiếp xúc - đ−ờng kính lớn hơn 200mm.
Để hạn chế dòng điện chu vi i2 trong thực tế sản xuất có sử dụng thanh sắt từ ferit bên trong lòng ống phôi (trên hình 6 biểu diễn vị trí của thanh ferit). Khe hở giữa thanh sắt từ ferit và bề mặt trong của ống phôi nhỏ hơn 2ữ3mm. Nếu tỉ lệ giữa đ−ờng kính của thanh ferit và đ−ờng kính trong của ống phôi không thích hợp thì thanh sắt từ ferit đặt gần mép biên phôi ống không phân biệt biện pháp dẫn điện. Nhờ vậy mà dòng i2 giảm và hệ số sử dụng hữu ích của máy hàn tăng lên. Khi sử dụng thanh ferit có tác dụng làm tăng mật độ năng l−ợng trên mép biên ống và làm giảm chiều rộng vùng nung nóng.
Mỗi một phần tử ống đ−ợc nung nóng tới nhiệt độ hàn theo 2 giai đoạn: 1, Từ nhiệt độ ban đầu của ống phôi đến điểm Curie;
2, Từ điểm Curie tới nhiệt độ hàn (lúc này vật liệu hết từ tính). Đối với thép điểm Curie là 7680C.
Sau khi đạt tới nhiệt độ ứng với điểm Curie chiều sâu xuất hiện dòng điện trong thành ống sẽ tăng. Đối với thép cacbon chiều rộng vùng nung nóng không quá 0,1mm trong khoảng nhiệt độ thấp hơn điểm Curie và không quá 0,8mm trong khoảng nhiệt độ cao hơn điểm Curie.
Hàn điện cao tần đ−ợc đặc tr−ng bằng mức độ tập trung năng l−ợng cao trên mép biên phôi ống trong quá trình làm việc. Tần số dòng điện hàn càng lớn hiệu ứng gần và hiệu ứng bề mặt càng tác dụng mạnh và mật độ điện tích càng lớn trên mép biên phôi ống, mức độ tập trung năng l−ợng càng cao. Quá trình nung đ−ợc thực hiện chỉ trong vài phần 10 hoặc vài phần trăm giây. Ví dụ khi hàn ống thép cacbon chiều dày thành ống 1,5 ữ 2,0mm vận tốc hàn lý t−ởng là 60m/phút.
Trong thời gian nung nhiệt năng toả ra không đều: càng dần tới điểm hàn c−ờng độ nung mép biên phôi ống càng tăng. C−ờng độ nung tăng do điện trở riêng của kim
Sv: Hoàng Văn C−ờng 56 Lớp: Công nghệ Hàn - K47
loại tăng theo sự tăng nhiệt độ của nó và do sự xuất hiện mạnh mẽ của hiệu ứng gần khi khoảng cách giữa các mép biên phôi ống giảm theo chuyển động của chúng tới điểm hàn. C−ờng độ toả năng l−ợng mạnh nhất tại điểm 2 mép biên phôi ống tiếp xúc với nhau. Đặc điểm đó cho phép tiến hành hàn ống bằng điện cao tần với vận tốc lớn. Quá trình hàn ống có thể tiến hành một trong ba chế nung mép biên phôi ống đặc tr−ng sau đây:
1. Các mép biên của ống phôi khi tiến tới trục hàn đ−ợc nung tới nhiệt độ 13000- 14000C. Tại điểm tiếp xúc chúng đ−ợc nung thêm song ch−a đạt tới trạng thái nóng chảy. Quá trình hàn tiến hành trong trạng thái dẻo. áp lực trên các mép biên phôi ống cần vừa đủ để làm biến dạng mạnh các mép biên phôi ống và khử bỏ ôxit kim loại ở nhiệt độ cao. áp lực riêng trên các mép biên phôi ống gần bằng 49,1N/mm2(5kG/mm2)
2. Các mép biên phôi ống khi tiến tới điểm tiếp xúc đ−ợc nung nóng tới nhiệt độ gần bằng nhiệt độ nóng chảy của kim loại cơ bản và tại điểm tiếp xúc đạt tới nhiệt độ nóng chảy. Tại chỗ kín của mép biên ống phôi kim loại nóng chảy cùng với các ôxit vừa đ−ợc tạo thành dễ dàng chảy ra khỏi mối hàn. áp lực riêng trên các mép biên phôi ống gần bằng 19,6 ữ 29,2N/mm2(2 ữ 3kG/mm2)
3. Các mép biên phôi ống khi tiến tới điểm tiếp xúc đ−ợc nung nóng tới nhiệt độ nóng chảy. Tại điểm tiếp xúc chúng còn đ−ợc nung nóng thêm. Trong chế độ hàn này kim loại nóng chảy phun ra từ vùng hàn.
→ Chế độ nung mép biên phôi ống thứ 2 và thứ 3 rất tiêu hao điện năng và chúng chỉ sử dụng để hàn ống hợp kim đặc biệt, thép hợp kim cao.
Trong hàn điện cao tần những yếu tố sau đây ảnh h−ởng lớn đến mức độ tiêu hao năng l−ợng riêng: Vị trí, cơ cấu và kích th−ớc của thanh sắt từ ferit trong ống phôi. Trong hàn tiếp điện cảm ứng từ mức độ tiêu hao năng l−ợng còn phụ thuộc vào khe hở giữa cuộn cảm vòng và ống phôi. Để hàn ống kích th−ớc vừa và nhỏ khoảng cách L tối −u trong hàn tiếp điện tiếp xúc là 47 ữ 70mm, còn trong hàn tiếp điện cảm ứng từ L = 50 ữ 120mm. Xuất phát từ điều kiện khử sự phá huỷ giữa cuộn cảm
Sv: Hoàng Văn C−ờng 57 Lớp: Công nghệ Hàn - K47
vòng và phôi ống trong thực tế sản xuất khe hở giữa cuộn cảm vòng và phôi ống cần không quá 3,0 ữ 5,5mm.
Cuộn cảm vòng có 2 hoặc 3 vòng xoắn đ−ợc sử dụng rộng rãi hơn cả. Đối với ống đ−ờng kính từ 12 ữ 28mm ng−ời ta th−ờng sử dụng cuộn cảm 3 vòng xoắn, còn đối với ống đ−ờng kính lớn hơn 28mm th−ờng sử dụng cuộn cảm 2 vòng xoắn