III.(1) Hàn Plasma

HÀN PLASMA

TS. Phan Miêng

Từ Khóa: Plasma, Hàn Plasma, Khí plasma, hồ quang plasma, plasmatron, chụp tạo plasma.

1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ PLASMA VÀ HÀN PLASMA:

- Trong quá trình hàn hồ quang, hồ quang hình thành và cháy liên tục. Trong cột hồ quang diễn ra các hiện tượng vật lý mà trong đó cơ bản là các quá trình ion hóa, bức xạ nhiệt mãnh liệt. Quá trình ion hóa, va đập của các chất khí, các nguyên tử (hơi kim loại), các hạt: electron, ion, proton,... chuyển động theo dòng có hướng. Lõi của cột hồ quang điện bao gồm các hạt, các phần tử tích điện và đều dẫn điện. Trạng thái vật chất hình thành trong cột hồ quang chính là plasma. Như vậy chất khí ion hóa dẫn điện và bức xạ nhiệt mãnh liệt trong lõi của cột hồ quang là plasma.

► Hàn plasma:

- Hàn Plasma là biến thể của quá là quá trình hàn hồ quang, trong đó kim loại hàn và vật liệu cơ bản được nung nóng chảy bằng plasma. Năng lượng này được sinh ra nhờ một dòng khí đi qua hồ quang. Khi đó khí bị ion hóa và dẫn điện và gọi là plasma. Do vậy có thể nói plasma là trạng thái thứ tư của vật chất. Và cũng có thể coi plasma là một dạng hồ quang đặc biệt mà nhiệt độ của nó được tăng lên rất cao. Đồng hồ plasma sẽ đáp ứng được các mục đích kỹ thuật, đặc biệt là trong kỹ thuật hàn, cắt kim loại. Nhiệt độ hồ quang phụ thuộc vào nguồn khí (khí plasma được dẫn qua hồ quang). Các khí này có tính chất vật lý khác nhau, do đó Plasma của chúng có nhiệt độ khác nhau:

                  1.  Khí hêli – Plasma heli, đạt được nhiệt độ 20.000 K

                  2. Khí Argon – Plasma argon, đạt được nhiệt độ15.000 K

                  3.  Khí Nitơ – Plasma nitơ, đạt được nhiệt độ 7.500 K

                  4.  Khí Hydro – Plasma hydro, đạt được nhiệt độ 8.000 K

- Khi sự ion hóa diễn ra hoàn toàn sẽ đạt được nhiệt độ tới 100.000 K . Mặt khác nếu xảy sự va chạm mạnh của các phần tử (trong trạng thái đó) thì nhiệt độ có thể đạt tới 10.000.000 K , lúc đó là trạng thái phản ứng hạt nhân.

- Trong kỹ nghệ hàn, có 3 cách tạo plasma: Trực tiếp, gián tiếp và hỗn hợp.

♦ Nguyên lý tạo plasma:

- Bộ phận quan trọng của hệ thống trang thiết bị hàn plasma (H.1.) là mỏ hàn. Mỏ hàn plasma đảm bảo các chức năng:

• Dẫn điện tốt;
• Dẫn khí Plasma và khí bảo vệ;
• Tạo hình thái hồ quang plasma;
• Hướng hồ quang plsasma vào vùng hàn;
• Điều chỉnh chính xác vị trí các điện cực.

​- Trong vài năm gần đây, người ta đã dùng không khí bình thường làm khí plasma thay cho khí Hydro, Ar, Heli, Nitơ…

H.1. Súng hàn plasma

- Hàn plasma là một phương pháp hàn hồ quang biến thể. Về bản chất khoa học, phương pháp hàn này cũng như hàn hồ quang, lợi dụng nhiệt của hồ quang (phần lõi) để làm nóng chảy kim loại cần hàn. Ta dùng thiết bị để tập trung dòng vào lõi hồ quang (plasma) vào dòng nhỏ có nhiệt độ cao.

- Plasma chiếm khoảng không giữa các điện cực và là cái kênh để dòng điện hồ quang chạy qua. Khoảng không gian này gọi là cột hồ quang.

- Khi hồ quang cháy tự do, vùng plasma trong cột hồ quang rất bé, nhiệt độ trung bình cột hồ quang là 5000-6000°C tùy thuộc thành phần chất khí. Nếu khả năng hoạt động tự do của hồ quang bị hạn chế, nhiệt độ cột hồ quang có thể lên tới 15.000-20.000°C. Sự thắt của cột hồ quang tạo nên plasma cực mạnh và chuyển sự phóng điện hồ quang thành hồ quang plasma.

H.2. Sự phân bố nhiệt độ của hồ quang bình thường (I)
và hồ quang plasma (II) ở dòng 200A

 

- Ngoài sự tăng nhiệt độ dọc theo trục khi cột hồ quang bị thắt còn xuất hiện sự chuyển dịch tự do của vết hoạt tính trên mặt chi tiết tạo nên dòng nhiệt tập trung hơn ở trong chi tiết. Không giống hồ quang tự do có dạng hình côn với tiết diện trải rộng phía chi tiết, hồ quang plasma có dạng hình trụ.

- Để tạo hồ quang thắt người ta dùng plasmatron với chụp tạo plasma và các chất khí đặc biệt.

- Có 3 kiểu plasmatron:

a) hồ quang trực tiếp.
b) hồ quang gián tiếp.
c) hồ quang kết hợp.

- Trong mọi trường hợp, một trong các điện cực được gắn đầu chịu nhiệt (vônfram). Điện cực này thường là catôt.

H.3. Các kiểu plasmatron

- Trong plasmatron hồ quang trực tiếp, chi tiết là anôt và chụp – trung tính, làm nhiệm vụ ổn định và thắt cột hồ quang.

- Trong plasmatron hồ quang gián tiếp, chụp tạo plasma là anôt, chi tiết – trung tính.

- Trong plasmatron hồ quang kết hợp, có hai anôt riêng và một catôt chung (điện cực). Các anôt đó là chi tiết và chụp tạo plasma.

- Hồ quang có thể bị thắt tới một giới hạn nhất định. Ở giá trị nhất định của cường độ và đường kính chụp tạo plasma, hồ quang kép sẽ xuất hiện. Nó lần lượt cháy giữa điện cực, chụp tạo plasma và chi tiết.

- Sự xuất hiện của hồ quang kép có thể giải thích như sau: khi dòng điện tăng và đường kính chụp tạo plasma giảm thì điện áp trong cột hồ quang tăng, song lớp khí gần thành chụp tạo plasma giảm dần làm tăng tính dẫn điện của khí và tạo điều kiện cho dòng điện chính ngắt. Hồ quang kép là hiện tượng có hại bởi nó phá hoại sự tạo thành mối hàn và làm hỏng chụp tạo plasma. Để ngăn ngừa sự tạo hồ quang kép cần chọn đúng đường kính khe trong chụp tạo plasma và lượng khí tiêu thụ đi qua nó.

H.4. Lưu lượng khí argon tiêu thụ phụ thuộc vào cường độ
dòng điện và đường kính khe chụp, tạo plasma

 

- Các tính chất của plasma phụ thuộc nhiều vào môi trường khí bao bọc. Môi trường khí trong plasmatron phải thực hiện các chức năng sau:

+ Bảo vệ khỏi tương tác hóa học, làm nguội điện cực và chụp tạo plasma;

+ Biến đổi điện năng thành nhiệt năng;

+ Tạo tia plasma ổn định với tốc độ và nhiệt độ yêu cầu;

+ Đảm bảo các tính chất cần thiết của sản phẩm;

+ Phải đơn giản và kinh tế;

+ Điều kiện thao tác an toàn.

- Argon là khí tốt nhất để bảo vệ catôt và chụp khỏi hỏng và quá nhiệt. Tuy nhiên, argon ít hiệu quả khi chuyển điện năng thành nhiệt năng. Có hai nguyên nhân: 1- Cường độ cột hồ quang trong argon thấp hơn trong khí hydro, nitơ và hêli; 2- Lượng nhiệt trong plasma argon ít hơn trong plasma hydro, nitơ và hêli.

- Nitơ, không khí hoặc khí cacbonic là những khí thích hợp cho sự ổn định hồ quang. Song để sử dụng chúng, các bộ phận chịu tải lớn của plasmatron phải được chế tạo từ vật liệu đặc biệt.

- Hêli và hydro ở nhiệt độ cao có độ dẫn nhiệt chỉ bằng ½ đồng và chuyển tốt năng lượng hồ quang thành nhiệt. Tuy nhiên khi sử dụng chúng ở dạng tinh khiết có thể xảy ra hiện tượng quá nhiệt và làm hỏng chụp bảo vệ plasma.

- Các khí bảo vệ được dùng để bảo vệ kim loại lỏng khỏi tác dụng của không khí tự do trong quá trình gia công và làm nguội. Hiệu quả của hồ quang khi hàn phụ thuộc vào thành phần môi trường bảo vệ.

- Các khí bảo vệ được chọn tùy thuộc vào loại vật liệu gia công. Argon, hêli, nitơ, cacbonic và các hỗn hợp của chúng được sử dụng làm khí bảo vệ. Các hỗn hợp khí có thể sử dụng: argon và 0,5%-15% hydro; argon và tới 70% hêli, argon và tới 25% cacbonic, nitơ và tới 15% hydro.

- Các hỗn hợp 3 chất khí cũng được sử dụng, chẳng hạn hỗn hợp của Argon, hydro và nitơ với tỉ lệ 40 : 30 : 30 đến 60 : 20 : 20 dùng để phun, hoặc hỗn hợp của Argon, hêli và hydro với tỉ lệ 60 : 35 : 5 tới 50 : 45 : 5 dùng để hàn.
 

2. ĐẶC TÍNH CỦA PLASMA:

- Chiều dài dòng plasma phụ thuộc vào công suất hồ quang, kích thước mỏ phun và lưu lượng khí plasma. Dòng plasma có tâm điểm phát quang rõ nét nơi vật  liệu cơ bản và kích thước của nó nhỏ hơn kích thước mỏ hàn.

- Nhiệt độ của hồ quang plasma và của dòng plasma phân bố khác nhau theo đường kính và chiều dài. Tại tâm của dòng plasma có nhiệt độ cao nhất, vùng cận catốt nhiệt độ đạt tới 24.000 – 32.000 ^oC.

- Trong thực tế, nhiệt độ trung bình tại tiết diện mỏ phun của dòng plasma được xác định theo entalpi của khí tạo plasma (H):

Trong đó:

q – công suất hữu ích của dòng plasma tại tiết diện mỏ phun [cal/s]

G – lưu lượng khí plasma [g/s].

 

- Nhiệt độ trung bình của dòng plasma T_pl và công suất của dòng plasma q tại mặt cắt của vòi phun được xác định:

Trong đó:

I – cường độ dòng điện      [A];

E – gradient điện thế hồ quang [v/cm];

f_v  – đường kính vòi phun [cm]; 

a_k – hệ số dẫn nhiệt của khí plasma [cal/cm²s^oC];

C_p – nhiệt dung của khí plasma [cal/g^oC]; 

l – chiều dài hồ quang [cm];                                                                 

C_t – lượng tiêu hao khí  [g/s].

 

- Khi dùng loại điện cực không nóng chảy và dùng khí trơ để bảo vệ quá trình luyện kim mối hàn thì ta gọi l2 Plasma TIG. Ngược lại, dùng điện cực nóng chảy và dùng khí trơ để bảo vệ quá trình luyện kim mối hàn thì ta gọi là Plasma MIG. Các phương pháp này chỉ áp dụng khi hàn các kết cấu có yêu cầu kỹ thuật và chất lượng khắt khe, với đủ các loại chiều dày: mỏng, vừa và dày.

- Sự ổn định plasma là yếu tố rất quan trọng trong quá trình hàn, do đó tốc độ và lưu lượng khí plasma phải luôn được đảm bảo thật ổn định.

 

3. SỰ HÌNH THÀNH MỐI HÀN VÀ KỸ THUẬT HÀN PLASMA:

- Khả năng xuyên sâu lớn của hồ quang plasma là kết quả của sự tập trung cao dòng nhiệt và ảnh hưởng lớn của dòng plasma đối với kim loại nóng chảy của bể hàn. Đặc biệt, sức nén của hồ quang plasma mạnh hơn 6-10 lần so với hồ quang tự do với cùng cường độ dòng điện; và khi cường độ dòng diện tăng, sức nén tăng theo quan hệ bình phương.

- Nhờ có sức nén cao, một lỗ dưới dạng “lỗ khóa” tạo thành trong bể hàn và tia plasma xuyên sâu vào toàn bộ chiều dày của vật hàn. Sự ổn định của độ xuyên sâu đạt được ở cường độ và lượng tiêu thụ khí khá lớn, khi sức nén của hồ quang plasma bằng tổng sức nén bề mặt và sức nén tĩnh của kim loại hàn.

- Khả năng xuyên sâu và sự tạo mặt trái (chân) mối hàn phụ thuộc vào sự ổn định của “lỗ khóa” trong bể hàn. Khi hàn các mối hàn giáp nối người ta sử dụng các đệm tản nhiệt có rãnh để tạo mặt trái mối hàn. Kích thước của chúng như sau: chiều rộng bằng 4-12 chiều dày thép hàn và chiều sâu rãnh bằng 1,0-1,5mm.

- Chiều rộng trung bình của mói hàn giáp nối bằng 2-4 lần chiều dày mối hàn. Các mối hàn hẹp hơn được hàn xung.

- Kỹ thuật hàn plasma khá đơn giản và tương tự với kỹ thuật hàn khí do hồ quang có chiều dài lớn. Sự tạo thành mối hàn ổn định. Chỉ khi hàn với độ ngấu suốt mới cần duy trì cẩn thận các thông số hàn và quá trình hàn phải được cơ khí hóa.

- Khi hàn các mối hàn khép kín (hàn vòng) cần tăng cường độ hàn lúc bắt đầu và giảm lúc kết thúc đường hàn.

- Các mối hàn nhiều lớp được thực hiện tương tự như hàn hồ quang bình thường. Lớp đầu tiên cần ngấu suốt. Các lớp tiếp theo hàn không ngấu suốt bằng cách dùng vật liệu bổ sung.

- Vì hồ quang plasma có độ xuyên sâu lớn nên các mép hàn vật dày không cần vát lớn như khi hàn argon bình thường.

- Bằng hàn hồ quang plasma có thể nối các kim loại đen và màu khác nhau: nhôm và hợp kim titan, thép cacbon thấp và thép không rỉ, đồng, đồng thau, niken và các vật liệu không đồng dạng của chúng.

Trong B.1 trình bày chế độ hàn của một số vật liệu với chiều dày 2-80mm. Các mối hàn đồng dày 40-80mm được thực hiện hai lớp với chiều dài hồ quang là 8-20mm. Trong những trường hợp hàn không ngấu suốt chế độ hàn được đánh dấu *.

 

Bảng 1. Chế độ hàn hồ quang plasma dòng một chiều các mối ghép giáp nối của các vật liệu khác nhau.
 

Vật liệu	Chiều dày (mm)	In (A)	Uno (V)	Vh (m/h)	Đường kính chụp plasma (mm)	Lượng khí tiêu thụ (l/ph)		Thành phần khí
						Tạo plasma	Bảo vệ	Tạo plasma	Bảo vệ
Thép không gỉ	2,0	160-220*	18-22	35-60	3,0	0,8-1,3	3-4	Ar	Ar
Đồng thau với 30% Zn	2,0	140	25	30	2,8	3,8	28,5	Ar	He
Thép không gỉ	2,3	115	30	36	2,8	2,8	16,5	Ar + 5% H2
Đồng	2,5	180	28	15	2,8	4,7	28,5	Ar	Ar
Đồng	3,2	300*	33	15	3,4	3,8	28,5	He	Ar
Titan	3,2	185	21	30	2,8	3,8	28,5	Ar	Ar
Thép không gỉ	3,2	145	32	45	2,8	4,7	16,5	Ar + 5% H2
Thép cacbon thấp	3,2	185	28	18	2,8	6,2	28,5	Ar	Ar
Niken	3,2	200	30	41	2,8	7,1	28,5	Ar + 5% H2
Thép không gỉ	3,5	130-150	22-23	15-16	2,5	2,3	6	Ar	Ar
Thép cacbon thấp	4,3	200	9	15	2,8	5,7	28,5	Ar	Ar
Thép không gỉ	4,7	165	36	24	3,4	6,2	21,5	Ar + 5% H2
Titan	4,7	175	25	20	3,4	8,5	28,5	Ar	Ar
Niken	6,0	245	31,5	22	3,4	4,7	-	Ar + 5% H2
Thép không gỉ	6,3	240	38	21	3,4	8,5	24	Ar + 5% H2
Đồng	6,3	670*	46	30	9,5	2,4	28,5	He	Ar
Thép không gỉ	8,0	230-240	28	10	3,0	3,2	10,0	Ar	Ar
Titan	10	225	38	15	3,4	15,1	28,5	He+25%Ar	He+25%Ar
Titan	12,1	270	36	15	3,4	12,8	28,5	Ar + 5% H2
Titan	15	260	39	11	3,4	14,2	28,5	Ar	He
Đồng	20	850-900*	44-46	3,2-4	-	5	20	Ar	He
Đồng	30	1000-1150*	50-52	2,2-2,4	-	5	22	Ar	He
Đồng	40	1150-1200*	50-54	2,0-2,5	-	6,6	24	Ar	He
Đồng (hàn hai lớp)	40	1150*	48-52	2,8-3,0	-	5	22	Ar	He
	60	1250-1300*	50-54	1,8-2,0	-	6,6	24	Ar	He
	80	1350*	52-56	1,2-1,4	-	10	27	Ar	He