Công nghệ hàn hồ quang

Khái niệm

Hàn hồ quang điện là phương pháp phổ biến nhất hiện nay để nối, không tháo rời các chi tiết với nhau bằng nguồn nhiệt dùng để hàn là hồ quang điện.

Hồ quang là hiện tượng chuyển động không ngừng của dòng điện tử trong môi trường đã được ion hóa giữa hai điện cực, hồ quang tạo ra nguồn nhiệt lớn (đạt được 600^oC và ánh sáng với tia hồng ngoại, tử ngoại). Hàn điện hồ quang là dùng nhiệt lượng đó để nung cho vật hàn nóng chảy.

Hồ quang tập trung trên một điểm của vật hàn, nhiệt lượng tương đối tập trung, vật hàn dễ dàng nóng chảy tức thì, nhiệt năng này không truyền ra rộng nên sự biến dạng của vật hàn không trầm trọng như hàn khí. Tuy thao tác tương đối khó khăn, nhưng đối với nơi có điện thì khá thuận tiện và rẻ. Phương pháp này được phát triển rộng rãi trong những năm gần đây và trong tương lai nó còn được áp dụng rộng rãi hơn phương pháp hàn khí.

Các phương pháp hàn điện hồ quang tay

Có hai phương pháp hàn điện hồ quang: theo loại điện cực được chia thành hai phương pháp là hàn bằng điện cực không chảy (điện cực than, điện cực graphit hoặc vonfram) và phương pháp hàn bằng điện cực kim loại chảy (que hàn).

Hình 11.3 – a là sơ đồ phương pháp hàn bằng điện cực không chảy: điện cực thường dùng là điện cực than. Hàn được tiến hành bằng dòng điện một chiều, điện cực không chảy nối với cực âm, còn vật hàn thì nối với cực dương của máy phát hàn. Hình 11.3 – b là sơ đồ phương pháp hàn bằng điện cực kim loại chảy. Phương pháp này dùng rất phổ biến trong các ngành chế tạo máy, xây dựng cũng như trong các công việc sửa chữa.

Hồ quang điện khi hàn kim loại có thể là hồ quang trực tiếp hay gián tiếp. Hồ quang trực tiếp cháy giữa điện cực và vât hàn. Hồ quang gián tiếp cháy giữa hai điện cực than và để gần chi tiết được hàn, kim loại được đốt nóng dưới tác động gián tiếp của hồ quang.

Môi trường xung quanh có tác động xấu tới chất lượng của mối hàn. Để ngăn chặn tác dụng xấu đó, người ta dùng nhiều phương pháp bảo vệ mối hàn khác nhau.

Có ba loại hồ quang hàn là hồ quang kín, hồ quang được bảo vệ và hồ quang không được bảo vệ.

• Hồ quang kín được tạo ra trong nước hay trong chất trợ dung nhằm bảo vệ kim loại khỏi bị ảnh hưởng của môi trường xung quanh tác động đến.
• Trong thực tế, người ta dùng hồ quang điện hở được bảo vệ khỏi tác động của môi trường xung quanh bằng khí bảo vệ (khí argon, CO₂).
• Đối với những sản phẩm không quang trọng, người ta thường dùng hồ quang hở trong trường hợp khi hàn bằng điện cực than.

Thiết bị và dụng cụ để hàn hồ quang tay

Khi hàn hồ quang có thể dùng dòng điện một chiều hoặc xoay chiều.

Ưu điểm của dòng một chiều là hồ quang có tính ổn định cao và có thể đổi cực để điều chỉnh mức độ đốt nóng vật hàn.

Tuy nhiên trong thực tế, người ta thường hàn hồ quang với dòng điện xoay chiều. Ưu điểm của dòng xoay chiều là thiết bị rẻ hơn, nhỏ, gọn nhẹ, cơ động hơn, vận hành cũng đơn giản, hiệu suất cao, tiêu hao điện năng ít hơn so với thiết bị dòng điện một chiều.

Nguồn điện hàn và máy hàn phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

+  Điện áp không tải U_o phải đủ lớn để gây hồ quang nhưng không gây nguy hiểm khi sử dụng.

Với dòng xoay chiều : U_o = 50 – 80V

Với dòng một chiều : U_o = 35 – 55V

Với các giá trị điện áp không tải trên, khi có tải (hồ quang cháy) điện áp hạ xuống tương ứng 25 – 40V với dòng xoay chiều và 15 – 25V với dòng một chiều.

Điểm a là điểm gây hồ quang và b là điểm hồ quang cháy ổn định.

+  Cường độ dòng ngắn mạch phải nhỏ nhằm nâng cao tuổi bền cho máy hàn:

I_nm = (1,3 – 1,4)I_h                           (11.1)

Ở đây I_h là cường độ dòng điện hàn (A).

+  Điện áp nguồn hàn phải thay đổi nhanh phù hợp với sự thay đổi điện trở hồ quang nhằm ổn định sự cháy của hồ quang. Thông thường nguồn hàn quang hệ giữa U và I (đặc tính ngoài) là ngược nhau. Nghĩa là quan hệ đó có dạng đường cong dốc liên tục.

+  Cường độ dòng điện hàn thay đổi được hai kiểu: vô cấp và phân cấp.

+  Nguồn xoay chiều U và I phải lệch pha nhau (Hình 11.5) tránh cả hai giá trị cùng một lúc đều bằng không để ổn định hồ quang.

+  Thiết bị hàn bảo đảm gọn nhẹ, cấu tạo đơn giản, dể sử dụng, giá thành rẻ.

Máy hàn điện dùng điện một chiều

Máy hàn điện dùng điện một chiều là loại máy phát điện một chiều nhưng tính năng của nó không hoàn toàn giống máy phát điện. Vì khi hàn thường xảy ra hiện tượng ngắn mạch, cho nên nó phải có bộ phận ngăn ngừa cường độ ngắn mạch quá lớn. Muốn dễ tạo tia hồ quang thì điện áp gây tia hồ quang phải đủ lớn (80V), sau khi đã có hồ quang xuất hiện thì lập tức điện áp giảm ngay xuống điện áp hàn (15 – 45V). Mặt khác, do tính chất và điều kiện hàn khác nhau (nguyên liệu, chiều dày vật hàn, que hàn to hay nhỏ) nên cùng một điện áp hàn lại cần có những cường độ dòng điện hàn khác nhau, do đó cường độ hàn nên điều chỉnh trong phạm vi thích hợp. Ưu điểm khi dùng máy hàn điện một chiều so với phương pháp trực tiếp dùng điện một chiều là điện hàn được cung cấp độc lập, không bị hạn chế bởi sự ngừng trệ do những nguyên nhân khác, đồng thời có thể thường xuyên phối hợp với nhu cầu trong công tác hàn. Có thể thiết loại máy hàn có điện áp thấp và cường độ cao, khi đó sẻ phí tổn trong khi sử dụng, máy móc lại gọn nhẹ, có thể vận chuyển dể dàng (Hình 11.6 – a).

Máy hàn điện dùng điện xoay chiều

Máy hàn điện dùng điện xoay chiều là máy biến áp giảm điện áp của nguồn điện xoay chiều xuống (Hình 11.6 – b). Loại máy biến áp này cũng phải phù hợp với yêu câu quang hệ cường độ dòng điện và điện áp trong lúc hàn, nên cấu tạo của nó cũng khác với máy biến áp thông thường. Muốn thỏa mãn điều kiện này, máy biến áp phải dùng các phương pháp dưới đây.

+  Điều chỉnh điện áp để điều chỉnh cường độ hàn.

+  Dùng uộn dây cảm ứng để điều chỉnh cường độ hàn.

Hai phương pháp trên tương đối rẻ tiền. Cấu tạo của máy biến áp hàn điện có rất nhiều loại

Hiệu suất của máy biến áp hàn (80 – 90%) so với máy hàn điện một chiều (50 – 70%), như vậy hiệu suất máy biến áp hàn tốt hơn, tổn thất không tải chừng 2% cho nên dùng điện xoay chiều tương đối thuận lợi (Hình 11.6 – b,c).

Dụng cụ để hàn hồ quang  có những loại chủ yếu sau đây:

• Mặt nạ để bảo vệ da và mắt khỏi tác dụng có hại của tia tử ngoại (làm hại da) tia hồng ngoại (làm hại mắt), đồng thời để chắn các tia lửa từ que hàn và vật hàn bắn ra.
• Găng tay và áo quần được làm bằng da hoặc vải amiang.
• Tấm chắn màu đen để tránh sự phản xạ quang tuyến gây ảnh hưởng tới sức khỏe của những người ở gần nơi hàn.
• Thiết bị thông gió.
• Dây cáp dẫn điện.
• Kìm hàn để cặp điện cực (que hàn)
• Đầu cặp nối với vật hàn để tiếp thông dòng điện với vật hàn (tiếp mass).
• Những phụ tùng khác như thùng đựng que hàn, ghế bàn, bàn chải sắt, đục và dụng cụ gá lắp…

Điện cực

Điện cực dùng để hàn hồ quang được chia làm hai loại:

Điện cực không chảy

Điện cực không chảy gồm điện cực than, điện cực graphit và điện cực vonfram. Điện cực than và điện cực graphit dùng khi hàn với dòng điện một chiều. Điện cực vonfram dùng hàn với dòng điện một chiều hay dòng điện xoay chiều trong môi trường khí bảo vệ argon

Điện cực nóng chảy

Điện cực nóng chảy (hay còn gọi là que hàn) tùy theo công dụng của nó và thành phần hóa học của kim loại được hàn, người ta chế tạo các loại que hàn tương ứng như: que hàn thép; gang; đồng; nhôm;…

Mặt khác que hàn điện còn được chia ra hai loại: que hàn không thuốc (que hàn trần) và que hàn có thuốc bọc.

Lớp thuốc bọc que hàn điện có khối lượng chiếm 1 – 5% khối lượng lõi kim loại (d_q), đường kính ngoài que hàn d_n ≤ 1,2d_q (dq được gọi là đường kính que hàn).

Lớp thuốc bọc mỏng: có tác dụng làm tăng tính ổn định của hồ quang. Thành phần thuốc bọc thường có: đá vôi, fenpat, bột tan… (chiếm 80 – 85% khối lượng) và thủy tinh lỏng (15 – 20% khối lượng). Lớp thuốc bọc loại này thường dùng hàn các kết cấu không quang trọng, vì mối hàn bằng que hàn này có cơ tính kém.

Lớp thuốc bọc loại dày (d_n ≥ 1,55d_q) có tính ổn định hồ quang và tạo xung quanh hồ quang một lớp khí và xỉ bảo vệ kim loại khỏi bị tác dụng của ôxyvà nitơ ở môi trường. Trong trường hợp cần thiết người ta cho thêm lớp thuốc bọc những thành phần hợp kim (các fero hợp kim), những thành phần này sẽ tham gia vào thành phần của mối hàn và nâng cao cơ tính của mối hàn.

Thành phần của lớp bọc này bao gồm các chất ion hóa (phấn), chất tạo xỉ (cao lanh), chất tạo khí (tinh bột), chất khử ôxy (nhôm, fero mangan…), các chất hợp kim và chất dính kết.

Hàn hồ quang tay

Các loại liên kết hàn

Hàn hồ quang tay tuy năng suất thấp, chất lượng không cao, đòi hỏi phải có tay nghề cao, nhưng rất linh hoạt phù hợp với sản xuất nhỏ, với các kết cấu phức tạp. Các kết cấu thường có các loại liên kết như hình 11.8.           

Công nghệ hàn hồ quang tay, được bắt đầu từ việc chuẩn bị mép hàn (bao gồm việc làm sạch và vát mép cạnh hàn). Trên hình 11.8 giới thiệu các loại chuẩn bị mép hàn tùy thuộc vào độ dày vật hàn.

Vị trí mối hàn trong không gian:

Các mối hàn phân bố trong một kết cấu hàn theo vị trí không gian khác nhau. Chúng được chia làm 3 vị trí: sấp, đứng, trần. Xác định đúng vị trí trong không gian sẽ xác định được chế độ và biện pháp kỹ thuật đúng đắn.

Hình 11.9 giới thiệu 3 vị trí đó.

–          Xét trong mặt phẳng ngang các mối hàn phân bố từ 0 – 60^o thuộc vị trí hàn sấp.

–          Những vị trí nằm trong khỏang 60 – 120^o gọi là vị trí đứng và ngang.

–          Từ 120 – 180^o các mối hàn ở vị trí hàn trần (ngửa). Trong các vị trí đó, vị trí hàn sấp là vị trí thuận tiện nhất.

Chế độ hàn hồ quang tay:

Thông số quan trọng cần được xác định khi hàn là đường kính que hàn (d_q), cường độ dòng điện hàn (I_h).

Khi hàn mối hàn giáp mối (Hình 11.10a), để đảm bảo chiều rộng và chiều cao mối hàn, q_d phụ thuộc vào chiều dày vật hàn, người ta tính d_q theo công thức sau:

d_q = s/2 + 1 (mm)                          (11.2)

Còn đối với liên kết hàn góc, chữ T (Hình 11.10b) dq tính theo công thức sau:

d_q = k/2 + 2                                   (11.3)

Ở đây:       s : chiều dày vật hàn (mm)

k : cạnh mối hàn góc hay chữ T (mm).

Cường độ dòng điện hàn hồ quang tay (I_h) phụ thuộc vào đường kính và kim loại vật hàn. Ngoài ra còn phụ thuộc vào vị trí mối hàn trong không gian.

Công thức kinh nghiệm sau đây tính cho vị trí hàn sấp của liên kết hàn thép:

I_h = (20 – 6d_q).d_q   (A)                   (11.4)

Trong đó : d_q – đường kính que hàn (mm)

Hàn hồ quang tự động

Hàn hồ quang tay có năng suất thấp, chất lượng không đồng đều, hao phí kim loại đầu mẫu que hàn cao, hiệu suât nhiệt kém.

Hàn hồ quang tự động sẽ nâng cao năng suất và đảm bảo tính đồng nhất về chất lượng mối hàn. Năng suất được nâng cao chủ yếu là do dùng mật độ dòng điện cao và do que hàn chảy liên tục

Hàn hồ quang tự động không mất thời gian để thay đổi que hàn như hàn tay. Hồ quang khi hàn tự động mạnh và làm cho kim loại chảy sâu hơn, vì thế những mối hàn có chiều dày hàn lớn cũng có thể chỉ hàn một lần. Tất cả những điều đó làm cho năng suất hàn được nâng cao so với hàn tay 5 – 10 lần.

Hàn tự động cũng không cần phải dùng kính bảo vệ mắt cho thợ hàn khi thực hiện hàn tự động hồ quang dưới lớp thuốc hàn.

Phương pháp hàn tự động này được dùng nhiều trong công nghiệp hiện nay. Mặt khác phương pháp này cũng có năng suất cao hơn phương pháp hàn tự động hồ quang hở (hàn tự động hồ quang trong môi trường khí bảo vệ). Kinh nghiệm sản xuất chứng tỏ rằng hàn tự động hồ quang dưới lớp thuốc đặc biệt sẽ rất tốt khi hàn những mối hàn thẳng và vòng. Phương pháp hàn hồ quang tự động được dùng nhiều trong sản xuất hàng loạt, thậm chí trong cả sản xuất đơn chiếc như hàn bể chứa, nồi hơi, bình chứa chất lỏng, vỏ máy điện, ống,… thời gian gần đây hàn tự động dưới lớp trợ dung còn được dùng trong việc xây dựng lò cao, cầu đường, chế tạo tàu thủy, toa xe, ôtô và các ngành chế tạo khác.

Hàn tự động dưới lớp trợ dung là quá trình sử dụng nhiệt độ hồ quang nung chảy dây hàn dưới lớp thuốc. Hình 11.11 biểu thị nguyên lý quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc. Dây hàn (2) cuộn trong giá (3) đi qua tẩu hàn đến chỗ hàn (1) nhờ đầu tự động (4), đầu tự động này di chuyển dọc theo đường hàn nhờ bộ truyền (7). Ở phía trước hồ quang, chất trợ dung từ máng (6) rơi xuống, chảy đều trên đường hàn và khi hàn, thuốc hàn bị chảy phủ trên kim loại nóng chảy để bảo vệ, sau khi đông cứng lại, tạo thành lớp xỉ cứng (9) bọc lấy mối hàn (8). Phần còn lại của chất trợ dung chưa bị nung chảy thì theo ống cao su (10) bị hút trở về máng chứa (5) để dùng lại. Các máy hàn tự động SW – 101 Nhật : máy MCH6; MCH7 của Pháp đang có ở Việt nam.

Kim loại dây hàn và vật hàn được hồ quang nung chảy trong điều kiện không có không khí nhờ lớp trợ dung nóng chảy cách ly nên kim loại hàn không bị oxy hóa.

Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ

Trong phương pháp hàn điện hồ quang, ngoài việc dùng điện cực (que hàn), chất trợ dung còn có cách bảo vệ mối hàn khỏi bị oxy hóa và nitơ hóa bằng cách dùng những dòng khí bảo vệ đẩy không khí ra khỏi môi trường hồ quang và giữ cho kim loại nóng chảy không tiếp xúc với không khí bên ngoài. Các khí bảo vệ dùng để hàn là các khí khử oxy (hyro, cacbon,…), các khí trơ (argon, heli) và khí hoạt tính (cacbonic – CO₂).

Những phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ thường dùng nhất là dùng trong môi trường khí hydrro, hàn trong khí argon và trong khí cacbonic (CO₂). Hàn trong môi trường CO₂ với dây hàn nóng chảy được gọi là hàn MAG (Metal – ActivGas), hàn trong môi trường khí argon với dây hàn nóng chảy được gọi là hàn MIG (Metal – Inter Gas).

Những ưu điểm của phương pháp hàn hồ quang argon:

• Năng suất cao.
• Có thể cơ khí hóa trong khi hàn.
• Có thể hàn một số lớn kim loại mà không cần dùng chất trợ dung, đảm bảo mối hàn sạch, bỏ được nguyên công làm sạch xỉ hàn.
• Có tính linh hoạt hơn
• Nung nóng tập trung nên kim loại hàn được ngấu hơn.

Hàn hồ quang argon có thể tiến hành với điện cực không nóng chảy (gọi là hàn TIG). Khi hàn TIG hồ quang cháy trong môi trường argon, lớp khí này bảo vệ kim loại nóng chảy khỏi bị oxy hóa – hình 11.13.

Hàn hồ quang argon dùng chủ yếu để hàn thép không gỉ các hợp kim nhôm và hợp kim magiê, hợp kim titan.