Chương 1
HÀN ĐIỆN XỈ ( electroslag welding )
1.1.Nguyên lý và đặc điểm
1.1.1.Nguyên lý hàn điện xỉ
Hàn điện xỉ là quá trình hàn nóng chảy trong đó nhiệt lượng sinh ra do dòng điện chạy
qua thuốc hàn bị nóng chảy ( gọi là bể xỉ hàn nóng chảy ) trong rãnh hàn nằm giữa hai bề mặt
hàn. Rãnh hàn được điền đầy bằng kim loại mối hàn từ dưới nên trên do kim loại nóng chảy
được đưa vào thông qua điện cực nóng chảy ( điện cực dạng dây hàn, dạng tấm hoặc dạng
tấm dây )
- Sơ đồ hàn điện xỉ.
1.Chi tiết cần hàn có chiều dày lớn đặt
thẳng đứng cách nhau 1 khoảng cách
2.Tấm chắn ( má trượt) bằng Cu được
H
2
O làm mát. tấm trượt di động từ dưới
nên đồng bộ với vận tốc hàn
3. Ống dẫn H
2
O làm mát
4. Mối Hàn
5. Bể kim loại lỏng
Hình 1-1. Sơ đồ nguyên lý hàn điện xỉ
6. Bể xỉ nóng chảy do nhiệt hồ quang làm nóng chảy thuốc hàn tạo ra.
7. Điện cực tạo hồ quang với lớp kim loại lỏng ( do thuốc hàn, điện cực và một phần kim
loại cơ bản nóng chảy )
- Khi bể xỉ đủ lớn tiếp xúc với điện cực hồ quang tắt nhưng dòng điện vẫn chạy qua bể xỉ
đó. Do điện trở lớn của bể xỉ nhiệt lượng sinh ra đủ nung chảy thuốc hàn,điện cực, kim loại
cơ bản tạo thành vũng hàn
1.1.2. Đặc điểm của hàn điện xỉ
- Bể xỉ được tạo ra bằng hồ quang giữa điện cực và mép hàn
- Giai đoạn này phải tạo ra được bể xỉ với mức tiêu thụ tối thiểu dây hàn
- Trong giai đoạn hình thành bể xỉ, khi có vũng hàn xuất hiện và phát triển, mép hàn còn chưa
được nung đủ, người ta thường tạo ra túi dẫn kim loại mồi để tránh khuyết tật mối hàn (không
ngấu mép )
2
- Thông số giai đoạn đầu tiên khác với thông số giai đoạn 2 tức là khi có hồ quang thì I
h
nhỏ
hơn và U
h
lớn hơn nhiều so với khi hàn điện xỉ ổn định.
+ Sự ổn định của quá trình hàn điện xỉ
Chịu ảnh hưởng 2 loại yếu tố:
1. Các điều kiện về sự liên tục của các quá trình điện và nhiệt trong bể xỉ.
2. Sự nóng chảy của điện cực (dây hàn )
- Quá trình hàn điện xỉ được coi là ổn định nếu trong thời gian dài nó liên tục được cấp I
h
và
U
h
ở các giá trị xác định.
- Hình vẽ sơ đồ ổn định của quá trình Hàn điện xỉ
(2) Đường đặc tính ( V – A ) cắt đường (1) đặc tính cứng của nguồn điện tại A.
- Tại A ứng với chế độ hàn U
1
và I
1
(2) Đường dốc đặc trưng sự chuyển đổi nhanh độ dẫn điện theo nhiệt độ bể xỉ.
(1) Đặc tính nguồn cứng ( có thể tăng, thoải, dốc )
xuất hiện cần tạo ra bể xỉ đủ sâu, thuốc hàn có đặc tính ổn định hồ quang kém và điện áp
không tải thấp.
+ Biểu diễn các điều kiện đó cho chế độ nhiệt như sau:
P
c
= P
p
3
- P
c
: Công xuất tiêu thụ của bể xỉ khi có dòng điện chạy qua (W)
- P
p
: Lượng nhiệt (W) tiêu thụ vào việc nung chảy và nung nóng 1 phần kim loại cơ bản,
điện cực, má kẹp đồng.
- Đẳng thức cho biết sự cân bằng giữa lượng nhiệt sinh ra và lượng nhiệt tiêu thụ trong
vùng hàn.
- Nếu P
c
> P
p
Bể xỉ bị nung quá nhiệt có thể sôi làm quá trình hàn gián đoạn
- Nếu P
c
< P
p
Bể xỉ nguội và mất tính dẫn điện làm ngừng quá trình hàn
+ Hình vẽ thể hiện sự cơ bản:
4
công suất tiêu thụ P
p
( tổn thất nhiệt từ bể xỉ ) phải cao hơn sự gia tăng công suât nhiệt phát
sinh P
c
( lượng nhiệt tiêu hao tạo bể xỉ) và ngược lại.
1.3. Sự hình thành mối hàn điện xỉ.
1.3.1. Đặc trưng phân bố nhiệt trong hàn điện xỉ.
- Nhiệt hàn trong bể xỉ là nguồn nhiệt chủ yếu cho hình thành mối hàn các nguồn nhiệt khác
coi như không đáng kể.
- Hầu hết công suất điện của nguồn điện hàn chuyển thành nhiệt nung phần xỉ gần kề đầu điện
cực tới trạng thái quá nhiệt
- Sơ đồ cân bằng nhiệt khi hàn điện xỉ.
Hình 1-6. Sơ đồ cân bằng nhiệt khi hàn điện xỉ (tấm dày 90mm)
1. Lượng nhiệt dùng nung nóng điện cực (23,6%) tổng lượng nhiệt phát sinh.
2. Lượng nhiệt do kim loai cơ bản hấp thụ (8,2%)
6
3. Lượng nhiệt bức xạ vào các mép vật hàn (1,3 %)
4. Lượng nhiệt thoát ra từ bể xỉ (2,6 %)
5. Tổn thất do bức xạ vào môi trường (1,2 %)
6. Lượng nhiệt dùng vào nung chảy một phần kim loại cơ bản tạo mối hàn (58,2 %)
7. Lượng nhiệt thoát ra từ vũng hàn vào má trượt bằng Cu (5,2 %)
8. Tổng nhiệt lượng thoát ra từ các mép vật hàn vào má trượt (7,8 %)
9. Lượng nhiệt dùng nung quá nhiệt kim loại vùng hàn (10,5 %)
+ So với hàn hồ quang, hàn xỉ điện mức độ tập trung nguồn nhiệt không cao do đó tốc độ
nung và nguội vật hàn thấp.
1.3.2. Hình dạng và kích thước mối hàn điện xỉ:
- Thông số cơ bản chế độ hàn điện xỉ có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng mối hàn thông
qua hình dạng và kích thước mối hàn.
- Hàn điện xỉ chiều sâu ngấu không còn ý nghĩa mà chiều rông mối hàn (b) là thông số quyết
+Tấm với khô L
vk
: 60 80 mm
- Khi I
h
⇒ V
c
⇒ h
vh
; khi I
h
lớn ⇒ b vì h
vh
⇒ bể xỉ nhận được ít nhiệt hơn.
- V
d
(100÷500 m/h) điện cực được nhúng sâu vào bể xỉ ⇒U, h
vh
, b giảm (hình c,e)
- Ψ
mh
= khi I
h
→ Ψ
mh
1.4. Chế độ hàn điện xỉ
- Chế độ hàn xỉ điện có thể chọn theo bảng hoặc tính toán theo công thức thực nghiệm
- Tính toán chọn chế độ hàn trong trường hợp sử dụng điện cực dây ( thông dụng nhất)
d
= 50÷180 mm khi có dao động ngang.
C) Cường độ dòng điện hàn I (A)
I = A+ B(S/n
d
), S chiều dầy chi tiết; n
d
: Sô dây hàn , A = 220÷280 ; B = 3,2 ÷ 4,0
n
d
=1 ⇒ I = A +B.S
- Ngoài ra cường độ dòng hàn phụ thuộc tốc độ cấp dây hàn theo quan hệ tuyến tính:
I = (1,6÷2,2).V
d
d) Điện áp hàn U(V):
U
h
=12+
0,5
e) Tốc độ dao động ngang của dây hàn V
n
(m/h)
V
n
= 66 - 22.10
-2
x (s/n
d
)
f) Thời gian đảo chiều điện cực t
: Số dây hàn;
+ V
d
: Tốc độ cấp dây hàn;
+ f
d
: Diện tích tiết diện ngang dây hàn
- Hệ số đắp trung bình hàn điện xỉ
+ ( : Khe hở hàn; K = 1,05 ÷1,10 Hệ số chiều dầy khe hở hàn)
+ ;
+ V
d
= ; g: Khối lượng 1m dây hàn (g/m)
+ V = ; khối lượng riêng dây hàn (g/m
3
)
i) Chiều sâu bể xỉ h
x
(mm)
h
x
= I. (375.10
-7
.I + 25.10
-4
) +30
k)Tầm với điện cực : l
v
Khoảng các từ đầu dây hàn tới mép dưới của đầu kẹp điện cực có thể chọn l
v
d
= const và bộ dao động ngang dây hàn bố trí tại đầu hàn
4) Bộ phận ống dẫn dây hàn
5) Má kẹp làm mát bằng đồng (1 cặp)
1.5.2. Vật liệu hàn điện xỉ
+ Hàn thép thông dụng: Dây hàn thép C thấp 0,08%C, thuốc hàn thông dụng loại axit thành
phần chính (AN-8) thành phần: SiO
2
:33÷36% ; MnO:21÷26%; CaO: 4÷7%; MgO: 5÷7,5%;
Al
2
O
3
:11÷15%; CaF
2
: 13÷19%; Fe
2
O
3
: 1,5÷3,5%; S 0,15%; P 0,15%
- Thuốc nung chảy có độ hạt 0,35 4mm; có thể sử dụng thuốc hàn thông thường loại hàn
dưới lớp thuốc
1.6. Các dạng liên kết hàn
1.6.1. Liên kết hàn giáp mối
Hình 1-8. Liên kết hàn điện xỉ giáp mối
1.6.2.Liên kết chữ T góc
11
Hình 1-9. liên kết hàn điện xỉ chữ T và góc
1.6.3. Chuẩn bị liên kết trước khi hàn
+ Các yếu tố quan trọng với công tác chuẩn bị trước khi hàn là
: Góc mở (1 ÷2
0
)
b
t
: Khe hở ở phần cuối mối hàn
b
d
: Khe hở ở phần đầu mối hàn
+ Thực hiện mối hàn
- Đặt chi tiết đã lắp ghép vào vùng hoạt động của thiết bị hàn
- Đặt tầm với điện cực cần thiết, kiểm tra độ song song má trượt làm mát
- Đẩy điện cực vào khe hở, thử dao động ngang
- Hạ đầu hàn xuống phần đầu mối hàn và kẹp chặt má trượt vào vật hàn
- Gây hồ quang tạo bể xỉ thường kéo dài 3÷5 phút.Khi hồ quang tắt quá trình hàn
bắt đầu, má trượt chuyển động lên trên cùng với tốc độ hàn
1.7.2. Kỹ thuật hàn mối hàn vòng
13
+ Phức tạp hơn nhiều so với mối hàn thẳng do phải khớp phần bắt đầu và kết thúc mối hàn do
đó:
Yêu cầu độ lệch mép hàn khắt khe, chênh lệch đường kính chi tiết không vượt quá
Lệch mép tối đa khi lắp ghép là 0,5 ÷1,0mm; Liên kết vòng có đường kính lớn; chiều dày nhỏ
dưới 100mm, Độ lệch chi tiết không vượt quá 3mm
+ Gá kẹp chi tiết: Đảm bảo khe hở hàn
- Vị trí bắt đầu mối hàn tạo túi dẫn bằng cách hàn đính các tấm thép vào bề mặt mép hàn 1
trong 2 chi tiết.
- Các tấm đệm I, II và III được kẹp chặt tại các vị trí cần thiết nhằm tạo khe hở cần thiết tại vị
trí đó.
- Sau đó hàn đính từ 6 ÷ 8 tấm gá kẹp định vị 2 chi tiết cần hàn lại với nhau theo chu vi.
+ Kỹ thuật thực hiện mối hàn vòng gồm 3 giai đoạn.
15
- Giai đoạn này chi tiết quay với tốc độ bằng tốc độ hàn và đầu hàn cố định không nâng( hình
trên bên phải)
- Cần kiểm tra các thông số trong giai đoạn này:
+ Vị trí dây hàn
+ Dòng điện hàn, điện áp hàn, V
h
; h
x
+ Độ ép chặt của má trượt, dao động ngang của dây hàn. Sau khi hàn hết 1/3 chiều dài
đường hàn phần đầu mối hàn đã thực hiện ở giai đoạn đầu sẽ được cắt theo biên dạng cần
thiết (có sử dụng dưỡng đo) bằng phương pháp cắt bằng oxi – khí cháy, sau đps làm sạch
bẳng phương pháp cơ học để loại bỏ khuyết tật.
c) Giai đoạn kết thúc mối hàn
- Giai đoạn khó nhất trong toàn bộ quá trình hàn điện xỉ mối hàn vòng vì phải thực hiện
những biện pháp đặc biệt để điền đầy phần mối hàn có chiều dầy giảm dần.
- Giai đoạn này tốc độ cấp dây và điện áp hàn được tăng dần
- Hình vẽ dưới mô tả giai đoạn kết thúc mối hàn vòng
- Vật hàn ngừng chuyển động quay khi phần cắt thẳng của phần đầu mối hàn đạt vị trí thẳng
đứng. Đồng thời đầu hàn chuyển về chế độ nâng dần theo phương thẳng đứng, má trượt trong
kéo ra khỏi vật hàn ( h.a.b)
- Trong toàn bộ giai đoạn này cần chú ý má trượt không bị tấm dẫn điện vào dây hàn chạm
phải tránh hiện tượng đánh lửa (hồ quang), nhưng cũng phải để nó tiến tới khá gần mép trên
của má trượt (10 -12mm) nhằm đảm bảo chiều sâu ngấu cần thiết
- Hàn xong phần thẳng đứng đoạn kết thúc mối hàn đầu hàn dừng lại vật hàn tiếp tục quay
(h.c), tốc độ hàn
giảm còn (0,3 ÷ 0,35 m/h), điện áp hàn
giảm còn (3÷5 V).
2.1.2. Các phương pháp hàn hồ quang plasma
- Hàn hồ quang Plasma sử dụng trong hàn và cắt chia thành hai loại
+ Hồ quang gián tiếp (còn gọi là hồ quang không chuyển tiếp hoặc hồ quang trong)
+Hồ quang trực tiếp (còn gọi là hồ quang chuyển tiếp hoặc hồ quang ngoài )
-Hồ quang nén gián tiếp: được hình thành giữa điện cực và lỗ phun của vòi phun (h.a) Hồ
quang gián tiếp nhiệt hồ quang truyền vào vật hàn thông qua truyền nhiệt đối lưu và bức xạ áp
dụng hàn các vật liệu không dẫn điện
- Hồ quang nén trực tiếp: có hai hồ quang
+Giữa catot và lỗ phun
+Giữa catot và vật hàn ( h.b)
-Với hồ quang trực tiếp vật hàn nhận thêm nhiệt thông qua năng lượng của các hạt tích điện di
chuyển trong cột hồ quang.
19
Hình 2-2.Sơ đồ nguyên lý hồ quang plasma gián tiếp
-Hồ quang trực tiếp hiệu suất cao hơn gián tiếp (10 – 30 % ). Áp dụng hàn các mối hàn có
chất lượng với chiều sâu ngấu toàn bộ 7 – 10 mm , do áp lực hồ quang tác dụng lên vùng hàn
lớn
-Khi hàn vật dầy, dải điều chỉnh thông số hàn bị thu hẹp đáng kể đặc biệt lưu lượng khí
plasma (nếu tăng lưu lượng quá giá trị tới hạn, quá trình hàn chuyển thành quá trình cắt) .
Thông qua biện pháp thay đổi thông số hình học của buồng khí và vòi phun sẽ tăng dải điều
chỉnh các thông số hàn (I
h
, lưu lượng khí tạo plasma ,V
h
, chiều dày tối đa tấm kim loại có thể
hàn).
- Để tạo dáng tốt hàn tấm có vát mép sử dụng dây hàn phụ như hàn điện cực không nóng chảy
trong khí bảo vệ .
2.1.3. Các đặc điểm và ứng dụng
- So với hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ : 5000 đến
- Đoạn1: Nằm ở kênh dẫn vòi phun,tại đây xẩy ra tác động nén và ổn định hóa hồ quang.
- Đoạn 2: Nằm giữa đầu mặt ngoài của vòi phun và vật hàn, đoạn này nằm trong vùng tác
động của khí bảo vệ, sự tồn tại phụ thuộc vào tính chất môi trường bảo vệ
- Đoạn 3: cột hồ quang đi qua chiều dày vật hàn ( cung cấp nhiệt nung chảy kim loại )
-Năng lượng cột hồ quang: q = U.I; (q
U, I)
+ q tiêu thụ vào: Nung catot (q
k
) ; vòi phun ( q
c
); tỏa ra môi trường xung quanh (q
m
); trao
đổi nhiệt với vật hàn (q
a
) và thoát ra ngoài theo dòng plasma xuyên qua vật hàn (qt)
q = q
k
+ q
c
+ q
m
+ q
a
+ q
t
+ Tổn thất nhiệt vào catot q
tk
:
i
: điện thế ion hóa của các ion (+) đi vào catot ( V )
: công thoát điện tử vật liệu catot (eV)
- Nhiệt Joule – lentz sinh ra tại điện cực được tính theo công thức:
q
j
= . ρ .
ρ : Điện trở riêng W
l
e
: Tầm với điện cực [ mm ]
d
e
: Đường kính điện cực [ mm ]
- q
ck
= 0 vì điện cực có do tiết diện điện cực nhỏ
+Lượng nhiệt đi vào catot q
k
:
q
k
= q
e
+ q
hh
+ q
bx
+ q
g
= α
c
. F
c
( T
g
– T
c
)
α
c
: Hệ số dẫn nhiệt từ cột hồ quang vào vòi phun ( J. )
F
c
: Bề mặt trao đổi nhiệt giữa cột hồ quang và vòi phun )
T
g
: Nhiệt độ trung bình cộ hồ quang theo tiết diện ngang vòi phun ( K )
T
c
: Nhiệt độ trung bình tại bề mặt vòi phun ( K )
+ Lượng nhiệt cột hồ quang tán ra môi trường xung quanh q
m
tính theo công thức:
q
m
: Nhiệt hồ quang tản ra môi trường xung quang
q’
m
: Tổn thất nhiệt thông qua bức xạ ở đoạn hồ quang hở
: Nhiệt dùng vào việc nung anốt
q
abx
:Nhiệt dùng vào bức xạ từ vết anốt
q
abh
: Nhiệt dùng vào bay hơi từ vật liệu anốt
+ Lượng nhiệt nhận được từ dòng điện tử gồm thế năng, động năng và nhiệt năng của dòng
điện tử
q
ae
= I(U
a
+ φ
a
+ )
U
a
: Sụt áp anốt
K: Hằng số boltzman
ϕ
a
: Công thoát của vật liệu anốt
T: Nhiệt độ hồ quang
e: Điện tích điện tử
+ Sự phân bố nhiệt của hồ quang nén giữa điện cực, kênh vòi phun, vật hàn và dòng plasma
thoát ra khỏi “lỗ khoá” tại bề mặt dưới của vũng hàn phụ thuộc vào sự thay đổi các thông số
công nghệ hàn hồ quang plasma
+Hiệu suất nung vật hàn bằng hồ quang (η) tăng khi tăng lưu lượng khí tạo plasma, đường
kính kên vòi phun và giảm các giá trị như I
định thì I
h
≤ I
th
để tránh xẩy ra hiện tượng hồ quang kép (hồ quang bắc cầu), khi mà ngoài hồ
quang làm việc giữa điện cực và vật hàn, còn có thêm một hồ quang giữa vòi phun và vật hàn,
làm tăng mức độ tải nhiết của vòi phun tác động đến tuổi thọ vòi phun
- Nguyên nhân xuất hiện hồ quang kép là I
h
tăng làm cho đường kính cột hồ quang tăng. Khi
tăng I
h
tới giá trị nhất định thi d
hq
tiến tới giá trị đường kính trong của vòi phun (d
c
), khi đó độ
dày lớp “khí lạnh” giữa thành của kênh dẫn khí trong vòi phun và cột hồ quang giảm điều này
làm tăng tính dẫn điện của nó và tạo điều kiện đánh thủng lớp cách điện đó.
- Vì vậy, để ngăn khả năng hình thành hồ quang kép, cần tạo điều kiện ngăn đánh thủng điện
áp qua lớp khí lạnh đó (điều kiện thứ nhất), tức là mức giảm điện áp bên trong vòi phun
U
c
= E
c
.L
c
< U
dt
L
: Mức giảm điện áp trên catốt của hồ quang thứ 2
- Điều kiện thứ nhất là điều kiện xuất phát và cơ bản vì điều kiện này bị phá vỡ thì điều kiện
thứ hai sẽ hình thành, khi thỏa mãn điều kiện thứ nhất thì hồ quang tồn tại ổn định
- Xác suất hình thành hồ quang kép sẽ giảm khi tăng khoảng cách làm việc của hồ quang (H),
tắt hồ quang mồi, giảm chiều dài vòi phun (L
c
), tăng lưu lượng khí tạo plasma, giảm độ lùi
điện cực(L
y
), tăng đường kính lỗ vòi phun (d
c
) và cải thiện điều kiện làm mát vòi phun.v.v
- Hồ quang kép bị loại trừ khi:
- Chiều dài vòi phun không nhỏ hơn đường kính catốt (L
c
≥ d
catot
) và chiều dài vòi phun
không lớn hơn đường kính lỗ vòi phun (d
c
≥ L
c
)
+ Đặc tính V-A của hồ quang
- Hàn hồ quang plasma dòng một chiều cực thuận điện áp phân bố không đều dọc trục. Trị số
phân bố điện áp ở các phân đoạn khác nhau của hồ quang cho phép chọn đúng kích thước
hình học vòi phun và chế độ hàn tối ưu.
24
- Hình vẽ đường đặc tính tĩnh hồ quang plasma có (dc= 4mm) với các khí bảo vệ và đặc trưng
hồ quang khác nhau
Copyright: Tài liệu đại học ©