Welding Technology

I.(2) Khái niệm Hồ quang hàn
06/03/2020, 09:28
Hiện tượng phóng điện trong hỗn hợp các thành phần khí khác nhau đã bị ion hoá kèm theo sự phát quang gọi là hồ quang. Hiện tượng này được đặc trưng bởi nhiệt độ cao cùng với động học của quá trình diễn ra trong đó. Điều kiện để cháy và duy trì hồ quang là sự tồn tại giữa các điện cực (với hình dạng khác nhau) một điện áp đảm bảo cho dòng điện truyền qua.
I.(1) Khái niệm cơ bản về hàn
04/03/2020, 11:28

I.(1) Khái niệm cơ bản về hàn

maxresdefault 

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HÀN

 

 

1. KHÁI NIỆM HÀN KIM LOẠI:

Cuộc sống của con người từ nhiều nghìn năm trước đã sử dụng đến kim loại. Ngày nay chúng ta sử dụng kim loại dưới dạng các kết cấu , từ cái bàn, cái ghế, nhà, cửa đến máy móc, xe cộ, tàu thuyền… Hầu hết các loại kết cấu kim loại được chế tạo ra bằng các phương pháp hàn khác nhau. Do đó, hàn kim loại có vai trò rất quan trọng trong sản xuất công nghiệp. 

Quá trình công nghệ chế tạo mối liên kết bền vững (không tháo rời) của hai hoặc nhiều phần tử kim loại riêng lẻ bằng sự nung nóng tức thời và cục bộ tại vùng kết nối gọi là hàn kim loại.

Nếu tạo liên kết hàn bằng sự nung nóng đến chảy lỏng thì quá trình  đó gọi là hàn nóng chảy. Trên thực tế, hiện nay nguồn năng lượng để chế tạo mối hàn căn bản là sử dụng điện năng. Khi đó người ta gọi là hàn điện 

 

2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA LĨNH VỰC HÀN ĐIỆN:

BenardoHàn điện được Nikolay Bernados, một kỹ sư người Nga, phát minh từ năm 1886. Ban đầu, ông dùng que thép nối vào cực âm của nguồn điện, còn vật hàn nối vào cực dương (H.1). Năng lượng hồ quang làm nóng chảy que thép và nóng chảy vật hàn bằng thép, sau khi kết tinh tạo thành mối hàn. Do không có vật chất bảo vệ quá trình luyện kim mối hàn (QTLKMH) nên kim loại mối hàn (KLMH) bị oxy hóa, khiến chất lượng liên kết hàn (LKH) rất kém. Để tạo được vùng vật chất bảo vệ mối hàn các nhà khoa học đã phát minh ra thuốc hàn bao bọc que hàn. Từ đấy ra đời cụm từ: “Que hàn bọc thuốc”.

Vai trò cơ bản của thuốc bọc là tạo được lớp vật chất bảo vệ QTLKMH. Dưới tác dụng của nhiệt hồ quang hàn, lớp thuốc cháy tạo khí CO2 và các ion kim loại. Chính khí CO2 ngăn oxy và các tạp khí khác ngoài môi trường xung quanh xâm nhập vào vùng hàn.

Ngày nay đã có  nhiều phương pháp hàn điện được áp dụng vào sản xuất công nghiệp, cho phép tạo được chất lượng mối hàn cao hơn và tăng năng suất lao động của quá trình hàn. 

CNH2

BẢN CHẤT VÀ ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH HÀN: 

- Quá trình công nghệ chế tạo mối liên kết bền vững (không tháo rời) của hai hoặc nhiều phần tử riêng lẻ bằng sự nung nóng tức thời và cục bộ tại vùng kết nối, gọi là hàn.

- Quá trình này thực chất là dùng năng lượng làm nóng chảy cục bộ (ở vùng liên kết) của 2 hoặc nhiều chi tiết riêng lẻ, và sau khi kết tinh thì tạo được mối LKH bền vững, không tháo rời. Cũng có thể dùng thêm lực để ép các chi tiết đó lại với nhau (trong trường hợp vật liệu tại vùng hàn của các chi tiết chỉ được nung nóng đến trạng thái dẻo). Ta gọi đó là hàn áp lực.

 

 

3. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH HÀN KIM LOẠI:

Do nhu cầu thực tế mà ngành Hàn rất được thế giới quan tâm, nhờ vậy ngành hàn là một trong ít ngành có tốc độ phát triển rất nhanh. Ngày nay đã có hàng trăm phương pháp công nghệ hàn khác nhau, hàng trăm loại que hàn, dây hàn khác nhau đang được khai thác vào thực tế sản xuất trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp.  Các kết cấu của đa số kim loại và hợp kim của chúng đều có thể được chế tạo bằng các phương pháp hàn kim loại. 

Công nghệ hàn được phát triển theo mọi phương diện:

- Hàn được hầu hết các kim loại và hơp kim của chúng.

- Kích thước vật liệu cơ bản không hạn chế (từ 50 µm đến 500 mm)

- Phương thưc: từ hàn thủ công đến bán tự động, Tự đông, Robot hàn công nghiêp…

Môi trường hàn: hàn được trong khí quyển, trong chân không, trong môi trường khí bảo vệ, trên cạn và dưới nước ngọt, nước mặn

- Đặc biệt nhờ tiến bộ các ngành khoa học vật lý, điện tử, người ta đã đưa trí tuệ nhân tạo vào việc chế tạo nhiều loại thiết bị hàn, loại bớt nhiều nhược điểm và mang lại nhiều ưu điểm trong các quá trình hàn kim loại. 

- Cũng nhờ tiến bộ các ngành khoa học vật ly mà người ta đã hàn được các tấm kim loại khác nhau (thép- đồng, thép nhôm, niken-thép…) bằng cơ năng mà không cần điện năng hoặc nhiệt năng.

Thực sự ngành hàn kim loại đã góp phần rất đáng kể vào sự phát triển cùa nhiều ngành công nghiệp khác.

 

 

4. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN

 

4.1. Phân loại theo điện cực 

– Hàn bằng điện cực nóng chảy.

– Hàn bằng điện cực không nóng chảy (điện cực grafit, vonfram,…).

 

4.2.  Phân loại theo phương thức bảo vệ QTLKMH.

- Hàn dưới lớp thuốc trợ dung (SAW)

- Hàn bằng que hàn bọc thuốc.

- Hàn bằng dây hàn lõi bột.

- Hàn trong môi trường khí bảo vệ.

- Hàn dưới nước.

 

4.3. Phân loại theo trình độ cơ khí hoá:

- Hàn thủ công (HTC).

- Hàn bán tự động (HBTĐ).

- Hàn tự động (HTĐ)…

- Rôbôt hàn.

 

4.4. Theo trạng thái hàn:

Hàn nóng chảy, hàn vẩy, hàn áp lực (xem H.2)

Trong H.2:

– n.1: Hàn laser.

– n.2: Hàn hồ quang plasma.

– n.3: Hàn hồ quang:

  • n.3.1: Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ.

+ n.3.1.1: Hàn trong khí trơ (TIG, MIG).

+ n.3.1.2: Hàn trong CO2 (hoặc MAG).

+ n.3.1.3: Hàn trong hỗn hợp khí (MAG).

  • n.3.2: Hàn TĐ và hàn BTĐ dưới lớp thuốc trợ dung (SAW).
  • n.3.3: Hàn hồ quang tay (HHQT):

+ n.3.3.1: HHQT bằng điện  cực nóng chảy.

+ n.3.3.2: HHQT bằng điện cực không nóng chảy.

– n.4: Hàn chùm điện tử.

– n.5: Hàn điện xỉ.

– n.6: Hàn nguyên tử.

– n.7: Hàn nhiệt nhôm.

– n.8: Hàn hơi (hàn khí, hàn gió đá)

 

  HHB

 

– a.1: Hàn siêu âm.

 

– a.2: Hàn nổ.

 

– a.3: Hàn nguội

 

– a.4: Hàn điện trở (hàn tiếp xúc).

     + a.4.1: Hàn giáp mối.

     + a.4.2: Hàn điểm.

     + a.4.3: Hàn điểm bằng tụ.

     + a.4.4: Hàn đường.

     + a.4.5: Hàn bằng điện cực giả.

– a.5: Hàn ma sát.

 

– a.6: Hàn khuyếch tán trong chân không.

 

– a.7: Hàn cao tần.

 

– a.8: Hàn rèn (một biến thể của  hàn áp lực).

 

 

H.2. Phân loại các phương pháp công nghệ hàn

 

 

5. BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH HÀN NÓNG CHẢY:

Trong quá trình hàn nóng chảy, kim loại hàn và kim loại cơ bản đều được nung nóng chảy cục bộ (chảy loãng lẫn vào nhau thành kim loại mối hàn, sau khi kết tinh tạo liên kết hàn).

Trên thực tế, hàn nóng chảy cơ bản là hàn hồ quang (chúng ta sẽ đề  cập chi tiết trong các phần sau).

 

 6.  KHÁI NIỆM HÀN ÁP LỰC: 

Hàn áp lực là nhóm các phương pháp công nghệ hàn kết hợp năng lượng nhiệt và cơ năng để tạo liên kết hàn. Trong quá trình hàn áp lực, các phần tử kim loại cơ bản được nung nóng đến trạng thái dẻo sau đó được ép hoặc dập để tăng khả năng  thẩm thấu, khuếch tán vào nhau.

Ví dụ: hàn khuyếch tán, hàn điện trở các loại, hàn ma sát, hàn đinh, hàn nổ. Ưu điểm của hàn nổ là hàn được toàn bộ phần bề mặt của các tấm khác nhau về bản chất vật liệu như nhôm-thép, đồng-thép hoặc thép không rỉ-kền-thép thường,…. tạo liên kết hàn chính là các tấm bimetal hoặc trimetal…

Các phần tử kim loại tại vùng hàn (vùng liên kết) liên kết lại với nhau ở trạng thái 

liên kết nguyên tử, ví dụ Hàn nổ.

Theo cách nung nóng, hàn áp lực có thể chia làm 3 loại:

 

a) Phương pháp hàn rèn.

Phương pháp này thợ thủ công hay dùng để hàn những chi tiết đơn giản. Vật hàn nung trong lò khoảng 1200°C ÷ 1300°C sau đó đặt lên đe dùng búa đập.

 

b) Phương pháp hàn nhiệt nhôm.

Nhiệt phát ra do sự cháy của bột nhôm với ôxít sắt:

8Al + 3Fe304 = 4 Al203 + 9 Fe + Q.

Phản ứng này phát ra nhiệt lượng 3000°C.

 

c) Hàn nổ

Hàn bằng năng lượng động có được nhờ sự cháy của thuốc nổ. 

Thường là dynamite hoặc TNT…, 

Liên kết hàn nổ thường là các tấm kim loại đồng nhất hoặc khác nhau về bản chất kim loại. 

 VD:   Cu-Al;  Cu-Thép; Al-Thép;  Ni-Thép…. 

 

Có thể hàn đồng thời 2 tấm, 3 hay là 4 tấm liền  một lúc với nhau.  

VD: Thép-A00-A091 ; 

 Thép không gỉ – thép cácbon; Thép không gỉ-kền-thép cácbon.

Liên kết hàn nổ là liên kết nguyên tử và có dạng sóng. 

Cũng có khi bằng phương pháp hàn nổ người ta hàn các tấm thép cùng loại để tạo tạo ra các tấm dày nhiều lớp có sức bền đặc biệt ứng dụng trong xe tăng, cổng cửa hầm đặc chủng, ... Sản phẩm thông dụng nhất của hàn nổ là các tấm bimetal,  trimetal sử dụng trong quốc phòng, trong GTVT, trong ngành hàng không , công nghiệp vũ trụ.

 

Ở Việt Nam năm 1984-1986 đã có ĐT cấp bộ GTVT do TS Phan Miêng làm chủ nhiệm. ĐT này đã chế tạo ra hàng trăm kg các tấm bimetal và trimetal. Đó là các tấm phôi hợp kim nhôm, hợp kim đồng được hàn với thép sôi 08KII bằng PP hàn nổ. Các tấm đó sau khi cán nguội đến độ dày yêu cầu thì được xử lý nhiệt. Sau đó chế tạo ra hàng loạt máng đệm (còn gọi là cosene, bạc lót) để lắp vào trục khủy cho các loại động cơ Ô tô, tàu thủy. Vào thời kỳ cấm vận, vận chuyển những sản phẩm này là vô cùng khó khăn. 

Sản phẩm được trưng bày tại Triển lãm Quốc gia – 30 năm thành tựu KHKT tại Giảng Võ, Hà Nội. ĐT đã được Bộ trưởng Bộ GTVT và Chủ nhiệm UBKHKT nhà nước, UBND TP. Hà Nội cấp bằng khen.

 

7. CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN HỒ QUANG 
 

ỨNG DỤNG  RỘNG RÃI  NHẤT

 

a. SMAW (Stick Manual Arc Welding):

Hàn hồ quang tay bằng que hàn thuốc bọc. 

 

b.  SAW ( Submerged Arc Welding ) – Hàn dưới lớp thuốc trợ dung:

 Các quy trình cải tiến bao gồm:  

1. SAW hai dây với hai phiên bản 

2. SAW nhiều dây nhiều nguồn điện 

3. SAW một dây với sự nạp dây phụ không có nguồn điện 

4. SAW một dây với sự nạp dây nóng 

5. SAW một dây với sự bổ sung kim loại 

6. Tráng phủ SA với một hoặc nhiều dây hoặc tấm mỏng

 

c. GMAW (Gas metal Arc Welding): Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường  khí bảo vệ. Trường hợp này không nói rõ khí bảo vệ là khí trơ hay hoạt khí.

 

d. MIG (Metal Inert Gas): Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường  khí trơ.

 

e.  MAG (Metal Active Gas): Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường hoạt khí.

 

f. GTAW ( Gas Tungsten Arc Welding): Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ.

 

g. TIG (Tungsten Inert Gas) hoặc WIG (Wonfram Inert Gas): Hàn hồ quang điện cực Vonfram  trong môi trường khí trơ bảo vệ. Là quá trình trong đó nguồn nhiệt là hồ quang được tạo thành giữa điện cực không nóng chảy và kim loại cơ bản, hồ quang và vùng kim loại hàn được bảo vệ khỏi không khí xung quanh bởi khí trơ. Khí trơ bảo vệ thường là khí Argon, Hêli. Kim loại điền đầy thường được đưa vào hồ quang từ bên ngoài ở dạng dây trần.
 

Ưu điểm của Hàn TIG:

- Điện cực không nóng chảy.

- Nguồn điện tập trung có nhiệt độ cao

- Không tạo xỉ do không có thuốc hàn.

- Dễ dàng quan sát và kiểm soát được hồ quang và bể hàn

TIG thường dược áp dụng để chế tạo các kết cấu hàn:

+ Có yêu cầu chất lượng cao.

+ Mỏng và kỹ thuật hàn tương đối khó.

Về kỹ thuật hàn:  Để hàn đẹp thì ngồi kỹ thuật hàn còn phải chú ý nhiều yếu tố liên quan khác như: Chuẩn bị điện cực (kim hàn), chỉnh khí hàn, dòng điện hàn…

Áp dụng TIG cho phép hàn được hầu hết các kim loại (màu, đen…).

Trên thực tế, TIG thường được áp dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, đặc biệt rất thích hợp trong hàn thép hợp kim cao, kim loại màu và hợp kim của chúng (trong lĩnh vực hàng không, công nghiệp vũ trụ, trong sản xuất khung xe hơi cao cấp, ống thành mỏng trong ngành công nghiệp xe đạp, đặc biệt là các chi tiết làm bằng nhôm và magie) 

Công nghệ hàn TIG: thông thường được thao tác bằng tay và có thể tự động hóa hai khâu: di chuyển hồ quang và cấp dây hàn phụ.

 

h. Hàn hồ quang plasma PAW (Plasma Arc Welding): 

Plasma, trạng thái thứ 4 của vật chất, là khí bị ion hóa chỉ gồm điện tử và ion và có khả năng dẫn điện.  Sử dụng hồ quang plasma hàn hồ quang plasma, cắt hồ quang plasma, phun và gia công bề mặt.

 

i. Hàn GMAW (Gas Metal Arc Welding): 

 -  MAG-  MAG (Metal Active Gas)

 -  MIG  (Metal Inert Gas) 

 

k.  FCAW (Flux Cored Arc Welding): hàn dây có lõi thuốc. 

 

8. THUẬT NGỮ VIẾT TẮT LIÊN QUAN ĐẾN HÀN:
 

8.1. CÁC TỔ CHỨC QUỐC TẾ

 

AWS- American Welding Society: Hiệp hội hàn Mỹ. Áp dụng cho hn kết cấu thp. 

ASME : American Society Mechanical Engineers: Hiệp hội kỹ sư cơ khí Mỹ. Áp dụng cho chế tạo nồi hơi và bình, bồn áp lực. 

ASTM : American Society for Testing and Meterials: Hiệp hội Mỹ về vấn đề kiểm tra và vật liệu. Áp dụng cho vật liệu và kiểm tra. 

API : American Petrolium Institute: Quốc gia Viện dầu mỏ Mỹ. Áp dụng cho chế tạo Stéc chứa, bồn chứa. 

 

 QUỐC GIA

KS : Korean Industrial Standard - Tiêu chuẩn công nghiệp Nam Triều Tiên. 

JIS : Japanese Industrial Standard - Tiêu chuẩn cơng nghiệp Nhật Bản.

ANSI : American National Standard Institute - Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ. 

DIN : Deutschs Institute for Normung - Quy phạm của viện quốc gia Đức

 

QUỐC TẾ 

ISO : International Organization of Standardization - Tổ chức Tiêu chuẩn hoá tiêu chuẩn Quốc tế Thuật ngữ và ký hiệu mối hàn 

 

8.2. THUẬT NGỮ VỀ PHƯƠNG PHÁP HÀN. 

 

- Shielded Metal Arc Welding – SMAW: Hàn hồ quang tay (Hàn hồ quang bằng que hàn có vỏ bọc) là phương pháp hàn hồ quang tạo ra sự liên kết của các kim loại bằng cách sử dụng nhiệt lượng của hồ quang giữa que hàn có thuốc bọc và vật hàn. Sự bảo vệ kim loại vũng hàn là do khí phân hủy khi thuốc bọc que hàn cháy. Kim loại điền đầy bổ sung từ que hàn. 

- Gas Metal Arc Welding – GMAW: Hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ là phương pháp hàn hồ quang tạo nng chảy, tạo ra liên kết của các kim loại bằng cách sử dụng nhiệt lượng của hồ quang giữa kim loại điền đầy nóng chảy liên tục (dây hàn nóng chảy) và vật hàn. Khí bảo vệ được cung cấp từ nguồn khí bên ngoài để bảo vệ hồ quang hàn và kim loại vũng hàn. Khí bảo vệ là khí trơ, khí hoạt tính hoặc hỗn hợp khí. Một vài dạng biến đổi của phương pháp này có tên gọi là hàn MIG, MAG và hàn CO2. 

-  FCAW- Flux Cored Arc Welding: Hàn hồ quang bằng dây hàn có lõi thuốc là phương pháp hàn hồ quang nóng chảy , tạo ra liên kết của các kim loại bằng cách sử dụng nhiệt lượng của hồ quang giữa kim loại điền đầy nóng chảy liên tục (dây hàn nóng chảy) và vật hàn. Việc bảo vệ hồ quang và kim loại vũng hàn nhờ khí (do thuốc hàn trong lõi dây hàn cháy tạo ra và khí được cung cấp từ nguồn khí bên ngoài). Phưong pháp này có thể không dùng đến khí bảo vệ ngoài. PP này có nhiều ưu điểm, nhất là có thể bổ sung vào KLMH một số thành phần hợp kim cần thiết, tạo ra KLMH có chất lượng cao. Do đó PP này thường được áp dụng để  hàn đắp phục hồi và chế tạo chi tiết máy đặc chủng. 

- Gas Tungsten Arc Welding – GTAW: Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy tungsten trong môi trường khí trơ là phương pháp hàn hồ quang tạo ra sự liên kết của các kim loại bằng cách sử dụng nhiệt lượng của hồ quang giữa điện cực Vonfram (W) không nóng chảy và vật hàn. Việc bảo vệ hồ quang và kim loại vũng hàn nhờ khí trơ (Ar, He,...) được cung cấp từ nguồn khí bên ngoài. Vì vậy, phương pháp này thường được gọi là hàn TIG. Trong khi hàn có thể sử dụng hoặc không sử dụng dây, que hàn phụ. Trong trường hợp không sử dụng dây, que hàn phụ, mối hàn được hình thnh do kim loại cơ bản nóng chảy tạo ra. 

- Submerged Arc Welding – SAW: Hàn hồ quang dưới lớp thuốc là phương pháp hàn hồ quang tạo ra sự liên kết của các kim loại bằng cách sử dụng nhiệt lượng của hồ quang giữa điện cực kim loại trần và vật hàn. Hồ quang và kim loại nóng chảy được bảo vệ bằng khí bảo vệ và lớp xỉ do thuốc hàn nóng chảy tạo ra. Kim loại điền đầy thu được bổ sung từ điện cực dây hàn hoặc từ kim loại bổ sung dạng hạt. Thuật ngữ và ký hiệu mối hàn.

 

8.3. FROM HAND BOOK  OF WELDING

SMAW = shielded metal arc welding; 

SAW = submerged arc welding; 

GMAW = gas metal arc welding; 

FCAW = flux cored arc welding; 

GTAW = gas tungsten arc welding; 

PAW = plasma arc welding; 

ESW = electroslag welding; 

EGW = electrogas welding; 

RW = resistance welding; 

FW = flash welding; 

OFW = oxyfuel gas welding; 

DFW = diffusion welding; 

FRW = friction welding; 

EBW = electron beam welding; 

LBW = laser beam welding; 

TB = torch brazing; 

FB = furnace brazing;

 RB = resistance brazing; 

IB = induction brazing; 

DB = dip brazing; 

IRB = infrared brazing; 

DB = diffusion brazing; 

S = soldering. 

 

 

 

Người viết : Lê Quốc Việt

There are 0 products in the basket
Your cart is empty