I.(2) Khái niệm Hồ quang hàn

KHÁI NIỆM HỒ QUANG HÀN    

1. KHÁI NIỆM:

- 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.

- Quá trình hình thành của hồ quang hàn được trình bày trong H.1.

- Ở thời điểm đầu mút điện cực tiếp xúc với vật hàn (ngắn mạch) mật độ dòng điện tăng lên đột ngột và rất lớn, một lượng kim loại lỏng (do nóng chảy tức thời từ que hàn và vật hàn) được xuất hiện. Khi que hàn nhấc lên khỏi vật hàn, cầu kim loại lỏng đó được kéo dài ra và tiết diện ngang của nó giảm xuống, nhiệt độ tăng lên và nhanh chóng bị cắt đứt ra, phần khoảng không này xuất hiện ion và khí nguyên tử có nhiệt độ cao, lập tức xuất hiện sự phóng điện qua vùng vật chất này (trạng thái Plasma), ta gọi là hồ quang hàn.

- Như vậy, có thể hiểu hồ quang hàn được đặc trưng bởi mật độ dòng điện lớn trong kênh khí dẫn điện với điện áp thấp và nhiệt độ cao. Trong hồ quang hàn, khi áp suất môi trường xung quanh bằng 1 atm thì nhiệt độ có thể nằm trong khoảng 5000 – 8000K, áp suất giảm thì nhiệt độ giảm. Sự dẫn điện của khí hồ quang được các phần tử tích điện, điện tử và ion thực hiện. Các điện tích này là sản phẩm của quá trình ion hoá – nhiệt toả ra. Vậy quá trình ion hoá trong hồ quang hàn là quá trình ion hoá – nhiệt – bức xạ. Quá trình này tạo ra hỗn hợp gồm các nguyên tử trung tính, các điện tử và ion luôn chuyển động và có nhiệt độ cao. Hỗn hợp này được gọi là Plasma. Trong quá trình hàn (QTH), điện cực thứ nhất là que hàn (dây hàn hoặc điện cực không nóng chảy như Wolfram, Cacbon,... với kích thước dạng que hàn), điện cực thứ hai là vật hàn với kích thước lớn hơn và đa dạng hơn nhiều so với điện cực thứ nhất. QTH trong môi trường CO₂ nói riêng và quá trình hàn trong khí bảo vệ nói chung, khi có sự tiếp xúc của điện cực đến vật hàn đủ để có dòng điện dẫn qua (về tiết diện, khoảng cách tiếp xúc, điện áp và cường độ) sẽ xuất hiện hồ quang hàn.

- Trong ngành hàn, hồ quang hàn được phân loại theo nhiều cách :

- Theo môi trường hồ quang cháy: hồ quang hở (cháy trong không khí), hồ quang kín (cháy dưới lớp thuốc trợ dung) và hồ quang cháy trong môi trường khí bảo vệ.

- Theo loại dòng điện: hồ quang dòng một chiều; hồ quang dòng điện xoay chiều.

- Theo điện cực: hồ quang điện cực nóng chảy, hồ quang điện cực không nóng chảy.

- Theo thời gian: hồ quang liên tục, hồ quang xung.

- Theo nguyên tắc làm việc: hồ quang trực tiếp, hồ quang gián tiếp.

Khi hàn các kim loại phổ biến nhất là dùng hồ quang trực tiếp, tức một cực của nguồn điện được nối với điện cực hàn còn cực kia nối với chi tiết hàn và dòng điện có thể là dòng một chiều hoặc xoay chiều.

2. PHÂN BỐ ĐIỆN ÁP TRONG CỘT HỒ QUANG HÀN:

- Với sự phóng hồ quang hàn và hàng loạt hiện tương vật lý phức tạp diễn ra trong đó, ta có thể khái quát bằng tiến trình sau đây: vì diện tiếp xúc rất nhỏ nên mật độ dòng rất lớn, tạo ra sự nung nóng cục bộ và tức thời đủ làm cho các điện tử phát xạ từ bề mặt katốt. Hình thành khi đó giữa hai điện cực (katốt và anốt) là một cột khí đã bị ion hoá. Tại katốt, dòng điện tử phóng xạ với vận tốc lớn bắn phá vào anốt (dây hàn nóng chảy) và giải phóng năng lượng của chúng tại đây. Kết quả, đầu mút điện cực anốt bị nóng chảy. Quá trình phát xạ và giải phóng năng lượng đến phát quang ta gọi là hồ quang cháy. Dòng ion dương chuyển động về hướng katốt cùng với luồng plasma nóng chảy về đó làm cho kim loại katốt nóng lên mãnh liệt ở các diện va đập vết điện cực, các điện tử ở đây nhận được năng lượng, phản xạ, bắn phá về anốt. Cứ tiếp tục làm cho cột khí bị ion hoá, kết quả giữa hai điện cực trở thành cầu chất lỏng và khí dẫn điện, nghĩa là hồ quang hàn tiếp tục duy trì.

Trong quá trình hàn bằng điện cực nóng chảy CO₂ , cột khí bị ion hoá có một phần đáng kể là khí CO₂ và sản phẩm của nó. Trên đường đi đến anốt, các điện tử đã làm cho các phân tử  khí CO₂ bị ion hoá, và đương nhiên sản phẩm của sự ion hoá này cũng tham gia tải điện về katốt, tức là tham gia quá trình duy trì sự cháy hồ quang hàn. Đây chính là lý do mà người ta nói rằng: môi trường bảo vệ (nhất là môi trường hoạt khí) có ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định và quá trình hàn. Sự bắn phá của các điện tử và điện tích nói chung về phía điện cực nóng chảy anốt (dây hàn) cùng với các hiện tương vật lý đặt trưng cho hồ quang hàn CO₂ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Chế độ năng lượng nguồn, thông số công nghệ hàn, khí bảo vệ và môi trường khí quyển xung quanh.

       Hồ quang hàn  có thể xuất hiện với cường độ từ 10 – 2000A và điện áp thấp vào khoảng 10-50 V. Sự phân bố điện áp trong hồ quang hàn rất không đồng đều, có thể được trình bày như trong H.2. Chiều dài hồ quang hàn bao gồm các đoạn:

                                  l_HQ = l_a + l_c + l_k                                                                        (1)

Trong đó:

l_HQ – chiều dài HQ;  

l_c – chiều dài cột HQ;  

l_a (l_k) –chiều dài hồ quang vùng cận anốt (vùng cận katốt).

Điện áp HQH gồm 3 thành phần cơ bản:

U_HQ = U_a + U_c + U_k                                                                          (2)

Trong đó:                  

U_HQ – điện áp hồ quang hàn;

U_a - điện áp hồ quang rơi trên vùng cận anốt;

U_c   - điện áp hồ quang roi trên cột hồ quang hàn;

U_k   - điện áp hồ quang roi trên vùng cận katốt.

H.2. Mối quan hệ giữa điện áp và chiều dài hồ quang hàn:

Chiều dài hồ quang vùng cận anốt và katốt rất ngắn. Theo [39], trong điều kiện bình thường của quá trình hàn với d_e = 1,2 mm thì l_a =10^-4 – 10^-3 cm; l_k = 10^-6 – 10^-5cm. Như vậy, chiều dài hồ quang hàn căn bản là chiều dài cột hồ quang l_c còn l_a và l­_k chiếm một phần không đáng kể.

     Điện áp hồ quang hàn thì phân bố ngược lại, căn bản rơi trên vùng cận anốt và vùng cận katốt (2). Về độ dài cũng như điện áp hồ quang hàn rơi trên các vùng chúng ta nhận thấy khá rõ trên H.2. Điện áp vùng cận katốt U_k = 10-20V, trong lúc cường độ điện trường ở đó đạt tới giá trị E_k = 2.10⁶ v/cm. Tương ứng tại vùng anốt E_a = 10⁴ v/cm. Điều này chứng tỏ rằng, các hiện tượng và quá trình vật lý diễn ra trong các vùng cận điện cực đóng vai trò quan trọng nhất trong cơ chế biến đổi điện năng thành nhiệt năng và chuyển năng lượng tới các điện cực hàn. Mật độ dòng điện tại đây cũng cao hơn nhiều so với cột hồ quang hàn. Do đó quá trình ion hoá tại các vùng cận điện cực diễn ra mãnh liệt hơn ở trong cột hồ quang.

3. CÔNG SUẤT CỦA HỒ QUANG HÀN:

- Công suất điện: P  = U_HQH .I_h       [W]                                                                          (3)

Trong đó:       U_HQH [V    – điện áp hồ quang.

                        I_h  [A]       – cường độ dòng điện hàn.

- Công suất nhiệt toàn phần:           q₀ = 0,24.U_HQH . I_h                                       (4)

- Công suất nhiệt hiệu dụng:          q = 0,24.U_HQH . I_h . h                                   (5)      

Trong đó: h - hệ số hữu ích của hồ quang.

Khi hàn hồ quang hở                                            :           h = 0,5 – 0,65.
Khi hàn hồ quang tay bằng que hàn bọc thuốc    :           h = 0,7 – 0,85.
Khi hàn hồ quang dưới lớp thuốc trợ dung          :           h = 0,8 – 0,92.
Khi hàn hồ quang trong CO2                                :           h = 0,65 – 0,7.

4. HIỆN TƯỢNG VẬT LÝ CƠ BẢN DIỄN RA TRONG CỘT HỒ QUANG HÀN:

- Để khảo sát và xác định các đại lượng vật lý của các hiện tượng diễn ra trong cột hồ quang hàn, lý thuyết hiện đại đã sử dụng các phương trình cân bằng năng lượng trên một đơn vị chiều dài hồ quang hàn và phương trình ion hoá nhiệt khí. Trên cơ sở đó đã xác định được cường độ điện trường của cột hồ quang hàn:

                                        U²_ef .G_e^0.3
            E_HQH = 2.10⁸ .  _____________                                                                           (6)

                                         I^0.3_HQ

Trong đó: G_e – thiết diện tương tác của các điện tử với các nguyên tử U_ef như trong (4). Đại lượng U_ef phụ thuộc vào thế ion hoá của các khí hơi. Khí ion hoá nhiệt hỗn hợp này tạo nên một hỗn hợp đồng nhất theo quy ước của thế ion hoá U_ef  và nồng độ tương đối của chúng N_­I / N, được xác định:

              T_HQ                                    5800Ui
U_ef =    ______   ln(Σ Ni )1/2  exp (_________)                                                  (7)
              5800                                      T_H

- Đến đây ta có thể kết luận rằng: loại khí thành phần có khí ion hoá thấp nhất thì sẽ gây ảnh hưởng mạnh nhất đối với thế ion hoá hiệu dụng của hỗn hợp khí hồ quang hàn.

- Sự có mặt của thành phần khí có thể ion hoá thấy sẽ tạo được ảnh hưởng mạnh đối với các đại lượng vật lý trong cột hồ quang hàn. Kết quả cuối cùng sẽ làm cho đường kính cột hồ quang hàn và U_ef [xem trong các công thức (4), (6) và (7)]. Còn U_ef với mật độ dòng điện trong cột hồ quang hàn:

                                                        U_ef^3,2
                            J_HQ = 550.10⁶  _________                                                                         (8)

                                                G_e^0,7 I^0.3_HQ          

- Sự phụ thuộc giữa cường độ điện trường và kích thước hồ quang hàn, cũng như sự phụ thuộc của các đại lượng khác của cột hồ quang hàn vào U_ef nói chung vẫn tuân theo quy luật: Khi U_ef giảm thì nhiệt độ, cường độ điện trường giảm và đường kính HQH tăng lên. Công suất tiêu thụ của hồ quang hàn được xác định:

                      P_c = E_C I_HQ l_C                                                                       (9)

Trong đó: E_c – cường độ điện trường của cột hồ quang hàn.

     Công suất P_c không hoàn toàn được dẫn vào các tiếp cận điện cực mà một phần đáng kể bức xạ sẽ tiêu hao vào môi trường xung quanh.