I.(3) Đặc tính Hồ quang hàn

Đặc tính Hồ quang hàn

1. Đặc tính tĩnh của hồ quang hàn:

- Hai đại lượng vật lý trực tiếp ảnh hưởng đến sự bắt đầu phóng và duy trì quá trình cháy HQH là cường độ dòng điện và điện áp. Tìm hiểu đặc tính HQH chính là khảo sát mối quan hệ Von – Ampe của HQH. Để hình thành HQH, cần thiết phải tồn tại điện áp giữa hai điện cực cao hơn điện áp hàn, trong điều kiện tính đến sự sụt áp cho quá trình ion hoá HQH giữa hai điện cực. Để tiếp cận vấn đề ta có thể lưu ý đến khái niệm đặc tính dốc (xem H.3)
- Điện áp bắt buộc đủ mức bảo đảm cho việc thiết lập điều kiện phóng HQH giữa các điện cực chính là điện áp không tải của nguồn hàn, tồn tại ở hai đầu ra của mạng điện hàn khi mạng hở. Trong quá trình hàn bằng điện cực nóng chảy trong CO₂ điện áp này thường là 30 – 45 V.
- Sau khi hồ quang cháy, điện áp giữa các đầu ra của nguồn giảm xuống 15 – 30 V. Đó là giá trị điện áp tồn tại trong quá trình hàn.  
- Khi đầu  mút que hàn bắt đầu tiếp cận với bề mặt vật hàn hiện tượng ngắn mạch xuất hiện, tại thời điểm khởi đầu này (tại điểm Z, H.3), điện áp trên bề mặt tiếp xúc của các điện cực rất lớn, mặt khác cường độ dòng truyền qua khe hở không khí là I_z còn chưa đủ lớn. Khi hồ quang cháy thì cột hỗn hợp khí dẫn điện cũng được hình thành, điện áp giảm nhanh và cường độ lại tăng mãnh liệt (đoạn Z_K trên H.3). Sau khi dòng đã tăng qua dưới hạn I_k = 30 – 40 A (phụ thuộc vào kích thước điện cực) điện áp bắt đầu thôi giảm xuống và duy trì ở một giá trị tương đối như không đổi ở mức đó. Mức điện áp này tương ứng với chiều dài hồ quang và không phụ thuộc vào cường độ dòng điện bởi sự thay đổi điện trở trong hồ quang không thay đổi đến điện áp, đảm bảo cho sự duy trì quá trình cháy hồ quang.

H.3. Đặc tính hồ quang hàn

                           c + d.l_HQ
U = a + b.l_HQ +    ________ 

                                 I

Trong đó:

Z – Điểm bắt đầu cháy hồ quang;

U_Z – Điện áp cường độ bắt đầu cháy hồ quang;

KX– Đoạn hồ quang cháy ổn định với Uc không đổi;

a– Tổng giá trị sụt áp trên anốt và katốt [V]

b – giá trị sụt áp trung bình trên một đơn vị độ dài [V/mm]

l – Chiều dài hồ quang [mm]

c – Công suất sử dụng cho luồng điện tử tại vết ka tốt [W]

d – Công thoát trên một đơn vị chiều dài hồ quang [W/mm]

I – Cường độ dòng điện hàn [A]

H.4. Đặc tính tĩnh của hồ quang hàn

Trong H.5 có các vùng sau:

Vùng 1 - vùng cường độ dòng hàn điện có mật độ dòng thấp;

Vùng 2 - vùng có mật độ dòng trung bình;

Vùng 3 - vùng có mật độ dòng cao (hay còn gọi là vùng hồ quang nén).

H.5.  Đặc tính tĩnh của HQH đối với phương phàp hàn khác nhau

1- Hàn dưới lớp thuốc;
2- Hàn tay bằng qua hàn bọc thuốc;
3- Hàn nhôm bằng MIG;
4- Hàn TIG.

- Sự phụ thuộc qua lại của điện áp HQH và cường độ dòng điện hàn trong quá trình HQH cháy ổn định được gọi là đặc tính tĩnh của HQH. Như vậy quan hệ phụ thuộc giữa dòng điện và điện áp HQH không thể dựa trên cơ sở định luật Ohm để giải thích trường hợp độ dài HQH không đổi, HQH cháy trong điều kiện môi trường xung quanh đó không đổi, sẽ biến thiên theo đường cong.

- Hình dáng đặc tính của HQH phụ thuộc căn bản vào các đại lượng vật lý của các hiện tượng diễn ra trong cột HQH. Nghĩa là với sự tăng trưởng của cường độ dòng điện thì tiết diện mặt cắt của cột HQH tăng lên nếu không có tác nhân nào kìm hãm lại. Những nguyên nhân đó có thể là: ảnh hưởng của dòng khí bảo vệ (do có sự che chắn và tác dụng bức xạ nhiệt), sự hiện diện của KLL và xỉ lỏng trong HQH, các phản ứng hoá học diễn ra trong quá trình liên kết mối hàn. Ngoài ra, đường kính cột HQH còn phụ thuộc vào chiều dài  l_a , l_c , l_k (xem H.2). Ngoài những đại lượng kể trên, giá trị sụt áp trên vùng cận katốt phụ thuộc vào bản chất vật liệu, kích thước và trạng thái bề mặt của bản thân điện cực katốt, còn sự sụt áp trong cột HQH lại phụ thuộc vào thế ion hoá và nhiệt độ của hỗn hợp khí HQ. Do đó đặc tính tĩnh của hồ quang phụ thuộc vào tất cả các yếu tố thành phần đã nêu trên. Ở một mức độ chính xác nhất định, sự phụ thuộc phức tạp đó có thể được biểu diễn bằng công thức sau:

                                          E_1a + e₁ . l_HQ
  U_HQ = a_k+a + b_t . l_HQ +  _____________                                              (21)

                                                 I_h

Trong đó:

U_HQ – điện áp hồ quang [V];

a_k+a – tổng giá trị sụt áp trên katốt và anốt [V];

b_t – giá trị sụt áp trung bình trên một đơn vị chiều dài của cột HQH [V/mm];

l_HQ – [mm];

E_1a – công suất sử dụng cho luồng điện tử tại lưỡng katốt [W];

e₁ – công suất thoát của luồng điện tử trên một đơn vị chiều dài hồ quang [w/mm];

I_h – cường độ dòng điện hàn [A].

Ø Các đại lượng a_k+a , b_t , E_1a , e₁ phụ thuộc vào yếu tố vật liệu, trạng thái bề mặt của điện cực và thành phẩm của hổn hợp khí hồ quang. Giá trị các đại lượng này đối trường hợp HQH cháy ổn định trong không khí được trình bày trong bảng B.2.

B.2. Giá trị các đại lượng vật lý khi hồ quang cháy ổn định

Theo [1], khi cường độ dòng điện tăng lên khoảng 50A, điện áp chỉ phụ thuộc vào chiều dài HQH và khi đó:

                      U_HQ = a_k+a + b_t . l_HQ                        (21’)

Công thức T_a = T_HQ – T_sa chỉ có ý nghĩa đối với trường hợp mà quá trình HQH cháy phù hợp với các hiện tượng tương ứng theo đoạn KX trên H.3 và trong vùng 2 của H.4.

- Đặc tính tĩnh của HQH bao gồm các đoạn dốc (cùng chiều tăng của cường độ thì điện áp giảm), gần phẳng (cùng chiều tăng của cường độ thì điện áp cũng tăng lên). Điều này dễ dàng quan sát thấy trên H.4, tương ứng với 1,2,3. Tuỳ thuộc vào phương pháp hàn mà HQH cháy ở vùng đặc tính nào. Ví dụ khi hàn bằng điện cực không nóng chảy , hàn bằng que hàn bọc thuốc, hàn bằng điện cực nóng chảy dưới lớp thuốc với mật độ dòng không lớn lắm thì đặc tính của HQH hơi dốc hoặc đoạn đầu của vùng đặc tính phẳng (xem H.4).

- Đối với HQH CO₂, do mật độ dòng lớn nên đặc tính tĩnh HQH nằm vào vùng 3 của H.5 nhưng cũng có khi nằm ở đoạn cuối phẳng đầu dốc lên, tức trong miền 3 hoặc đầu miền 3 và cuối miền 2 ở cận vùng 3 của H.5. Ở giới hạn đặc tính tĩnh ấy mật độ dòng điện cao nên được gọi là vùng HQ nén.

- Tóm lại sự ổn định của quá trình cháy HQH khi độ dài không đổi phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố khác nhau, trong đó một số yếu tố cơ bản có quan hệ mật thiết với các quá trình điện, nhiệt, trường diễn ra trong HQH. Các yếu tố còn lại phụ thuộc vào đặc tính của nguồn hàn và các cấu kiện phụ tải trong mạch điện hàn.

2. Sự ổn định của HQH và tốc độ nóng chảy điện cực:
 

- Quá trình phóng HQH quan hệ mật thiết với quá trình nóng chảy của điện cực kim loại. Sự ổn định của quá trình cháy HQH quyết định tốc độ nóng chảy anốt (điện cưc nóng chảy). Ngược lai nếu sự nóng chảy của điện cực anốt không bình thường (thí dụ do trục trặc khi cấp dây, hay hiện tượng điện của hệ thống cấp dây…..gây ra tốc độ cấp dây có biến thiên đột ngột …) sẽ gây mất ổn định của HQH thậm chí làm tắt ngay HQH. Tốc độ nóng chảy điện cực có quan hệ chặt chẽ với đặc tính nguồn hàn. Trong trường hợp nguồn có đặc tính tĩnh cứng thì một sự thay đổi điện áp nhỏ đã dẫn đến sự biến thiên lớn của cường độ dòng. Theo đó tốc độ nóng chảy anốt cũng gia tăng đáng kể. Sự phụ thuộc này trước hết liên quan đến cơ chế ion hoá và sự sụt áp tại vùng cận katốt. Kết quả nghiên cứu gần đây nhất tại viện hàn điện Paton [46,47,52] đã khẳng định rằng: các đại lượng này gây ảnh hưởng đáng kể đến giá trị năng lượng được giải phóng tại anốt. Cùng với sự sụt thế ion hoá, điện áp vùng cận katốt cũng bị giảm, kết quả là năng lượng các điện tử giải phóng tại anốt cũng bị giảm, và cũng có nghĩa là lượng kim loại được nung nóng chảy của anốt giảm xuống. Kết luận này đã được chứng minh bằng thực tế:

+ Khi dẫn vào HQH các thành phần có thể ion hoá thấp, HQH cháy giữa các điện cực thép làm giảm tốc độ đáng kể nóng chảy kim loại điện cực. Để tăng tốc độ nóng chảy điện cực, ta có thể tiếp thêm năng lượng cho điện cực ở đoạn tầm với điện cực. Ví dụ cách giải phù hợp với định luật Jun-Lenxơ (I² Rt). Kết quả nghiên cứu cũng đã cho thấy: tốc độ nóng chảy điện cực phụ thuộc đáng kể vào các TSCNH còn lại khác. Giải thích hiện tượng này cũng không khó khăn lắm. Dòng điện trên anốt bao gồm căn bản từ dòng điện tử và thực tế số lượng không lớn. Các điện tử đã cung cấp năng lượng (động năng) của mình  cho anốt. Giá trị năng lượng này bằng giá trị năng lượng sụt thế tại anốt (Ua) và năng lượng ở dạng thế năng bằng công thoát của các điện tử trên bề mặt katốt. Năng lượng này làm nóng chảy anốt. Từ lý do này cho thấy rằng năng lượng căn bản trên anốt mà trực tiếp là năng lượng của các điện tử được coi như là thế năng phụ thuộc vào vật liệu anốt, và không phụ thuộc vào thế ion hoá hỗn hợp khí HQH.

- Mối quan hệ giữa sự ổn định của quá trình cháy HQH và sự nóng chảy điện cực phụ thuộc vào thế ion hoá hiệu dụng hỗn hợp khí HQH. Thế ion hoá hiệu dụng hỗn hợp khí HQH phụ thuộc vào thế ion hoá các khí thành phần, các hơi kim loại có mặt trong vùng hồ quang hàn xem (6), (9), và (10).

Thí dụ đối với QTH bằng điện cực than, U_ef = 7 – 8V, với QTH bằng que hàn bọc thuốc U_ef = 5-6V

- Người ta cũng đã khẳng định rằng: cùng với sự gia tăng của cường độ dòng điện, nhiệt độ hồ quang hàn cũng tăng lên (xem H.8). Nhiệt độ hồ quang hàn cũng phụ thuộc đáng kể vào mội trường HQH. Với quá trình hàn bằng điện cực than trong CO2 bằng điện cực than nhiệt độ hồ quang vào khoảng 3800K. Cường độ dòng Plasma mạnh cũng là yếu tố gây ảnh hưởng đến sự ổn định HQH. Vầng sáng quanh điện cực chính là hiệu ứng của dòng Plasma và nó bảo đảm dẫn điện tốt cho mật độ dòng điện cao.

- Nhiệt Plasma cũng như sự liên hệ của nó với mức độ ion hoá khí phụ thuộc vào năng lượng điện trường. Khi có sự biến thiên cực nhanh của cường độ điện trường thì năng lượng Plasma giảm và kết quả là làm thay đổi khả năng dẫn nhiệt và mức độ ion hoá. Nếu sau sự biến thiên đó cường độ trường tăng đáng kể thì có thể khả năng xuất hiện hai khả năng:

1) Những điện tử và ion tồn tại trong Plasma sau lần ion hoá tiếp tục làm cho nhiệt độ tăng đủ duy trì sự cháy tiếp tục HQH.
2) Trong Plasma đã có quá trình ion hoá, lượng ion và điện tử không đủ bồi hoàn những mất mát thiệt hại trong HQH, plasma ở đó không đủ duy trì và gây cháy HQH tiếp được.
QTH CO₂ dùng xung điện sẽ loại trừ được biến thiên đột ngột dạng thô của cường độ điện trường.

► Đường đặc tính của nguồn hàn

Ở trên ta đã tìm hiểu các hiện tượng cùng với các đại lượng vật lý cơ bản gây ảnh hưởng đến quá trình cháy HQH, sau đây ta sẽ khảo sát vai trò của nguồn hàn đối với quá trình cháy HQH.

Quan hệ giữa điện áp (UHQ) và cường độ HQH ( I_HQ ) của nguồn hàn gọi là đường đặc tính ngoài, còn quan hệ giữa U_HQ và I_h [U_h = f(I_h)] được gọi là đường đặc tính tĩnh của HQ: ứng với mỗi chiều dài HQH ta có 1 đường đặc tính tĩnh nhất định (xem H.6.)      

Khi hàn tay bằng que hàn bọc thuốc phải dùng nguồn hàn có đường đặc tính tĩnh dốc. Còn khi hàn bán tự đông hay tự động thì dùng nguồn hàn có đường đặc tính tĩnh phẳng (vấn đề này ta sẽ nghiên cứu ở chuyên đề khác).