Luận văn Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị di chuyển đầu hàn để hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc

rường khí hoạt tính (CO2, CO2+ O2, ...) tiếng Anh gọi là phương pháp hàn MAG (Metal Active Gas). Phương pháp hàn MAG sử dụng khí bảo vệ CO2 được ứng dụng rộng rãi do có rất nhiều ưu điểm: 2.1.2. Đặc điểm, ứng dụng của hàn MAG a) Đặc điểm Hàn MAG có những đặc điểm sau: - Khí hoạt tính CO2, là loại khí dễ kiếm, dễ sản xuất và giá thành thấp. - Năng suất hàn MAG cao gấp hơn 2,5 làn so với hàn hồ quang tay (không phải thay que hàn, ít phải gõ sỉ hàn). - Tính công nghệ của hàn MAG cao hơn so với hàn hồ quang dưới thuốc vì có thể tiến hành hàn ở mọi vị trí không gian khác nhau. - Chất lượng hàn cao, sản phẩm hàn ít bị cong vênh do tốc độ hàn cao, nguồn nhiệt tập trung, hiệu suất sử dụng nhiệt lớn, vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp. - Điều kiện lao động tốt hơn so với hàn hồ quang tay Tuy nhiên hàn MAG cũng có những hạn chế như đã nêu ở chương 1. b) Ứng dụng của hàn MAG Hàn MAG được ứng dụng nhiều khi hàn thép các bon, phương pháp hàn này có thể sử dụng được ở mọi vị trí trong không gian. Công nghệ hàn MAG ngày càng được ứng dụng rộng rãi, do hàn MAG có rất nhiều ưu điểm so với các phương pháp hàn khác, đồng thời do yêu cầu, quy mô sản xuất, do yêu cầu đỏi hỏi ngày càng cao về chất lượng mối hàn và tính kinh tế trong sản xuất. Trong mười lăm năm về trước ở nước ta ngoài công nghệ hàn hồ quang tay với que hàn thuốc bọc ra, các phương pháp hàn bán tự động, tự động trong môi trường khí bảo vệ được ứng dụng trong phạm vi quy mô còn rất nhỏ, Gần đây do tốc độ phát triển kinh tế nhanh, sản xuất công nghiệp được thúc đẩy mạnh, các loại hình công nghệ hàn tiên tiến từng bước được áp dụng vào sản xuất, trong đó công nghệ hàn MAG thực sự đã được quan tâm ở mọi lĩnh vực và khắp các ngành công nghiệp trong nước. Như ngành đóng tàu đã và đang áp dụng công nghệ hàn MAG vào hàn vỏ tàu, ngành chế tạo kết cấu thép, chế tạo thiết bị phi tiêu chuẩn cho nhà máy điện, nhà máy xi măng, ngành giao thông vận tải ứng dụng nhiều công nghệ hàn MAG để hàn các dầm cầu, ngành sản xuất ô - tô, tàu hoả đã và đang ứng dụng hàn MAG để hàn khung sắt xi và vỏ xe, toa xe .... Ngoài ra hàn MAG còn đang được ứng dụng trong hàn đắp, phục hồi sửa chữa các chi tiết máy. Tóm lại công nghệ hàn MAG đang được 21 ứng dụng rất rộng rãi trong khắp các ngành công nghiệp và đóng vai trò quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. 2.1.3. Thiết bị, vật liệu a) Thiết bị Hệ thống thiết bị cần thiết dùng cho hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ bao gồm nguồn điện hàn, cơ cấu cấp dây hàn tự động, mỏ hàn hay súng hàn đi cùng các đường ống dẫn khí, dẫn dây hàn và cáp điện, chai chứa khí bảo vệ kèm theo bộ đồng hồ, lưu lượng kế và van khí. Hình 2 – 2: Hệ thống thiết bị hàn. - Nguồn điện hàn thông thường là nguồn điện một chiều DC. Nguồn điện xoay chiều AC không thích hợp do hồ quang bị tắt ở từng nửa chu kỳ và sự chỉnh lưu chu kỳ phân cực nghịch làm cho hồ quang không ổn định. Đặc tính ngoài của nguồn điện hàn thông thường là đặc tính cứng (điện áp không đổi). Điều này được dùng với tốc độ cấp dây hàn không đổi, cho phép điều chỉnh tự động chiều dài hồ quang. Hình 2 – 3: Bộ cấp dây hàn MAG. - Mỏ hàn (súng hàn) bao gồm bép tiếp điện để dẫn dòng điện hàn đến dây hàn, đường dẫn khí và chụp khí để hướng dòng khí bảo vệ bao quanh vùng hồ quang, bộ phận làm 22 nguội có thể bằng khí hoặc nước tuần hoàn, công tắc đóng ngắt đồng bộ dòng điện hàn, dây hàn và dòng khí bảo vệ Hình 2 – 4: Mỏ hàn MAG. - Đồng hồ, van giảm áp và bộ sấy khí CO2. Đồng hồ, vam giảm áp về cơ bản cấu tạo và nguyên lý hoạt động giống các loại đồng hồ và van giảm áp khác, chỉ khác ở đây có thêm ống chỉ lưu lượng khí ra được tính bằng lit/phút (l/min), bộ phận sấy khí được lắp vào phía sau van giảm áp, và được nối với nguồn điện thường là 36 vôn, ở ngay sau của máy. Đồng hồ, van giảm áp và hệ thống sấy khí CO2. Có nhiệm vụ để điều chỉnh lưu lượng khí ra theo yêu cầu sử dụng, hiển thị lượng khí ra lít/phút, đồng thời hệ thống sấy khí có nhiệm vụ cung cấp nhiệt để sấy khí trước khi phun vào vùng hàn, bởi vì khí CO2 ở trong bình là trạng thái lỏng khi hoá hơi để ra sử dụng thì bị mất nhiệt, nếu không có hệ thống sấy khí khi hàn thời gian dài sẽ làm cho đồng hồ đóng băng dẫn đến hư hỏng, hoặc khí CO2 ở nhiệt độ thấp phun vào vùng hàn sẽ làm ảnh hưởng không tốt đến chất lượng mối hàn như rỗ, nứt ... Hình 2 – 5: Đồng hồ, van giảm áp và bộ sấy khí CO2. b) Vật liệu - Dây hàn Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ, sự hợp kim hóa kim loại mối hàn nhằm đảm bảo các tính chất yêu cầu của mối hàn được thực hiện chủ yếu thông qua dây hàn. Do vậy, những đặc tính của quá trình công nghệ hàn phụ thuộc rất nhiều vào tình trạng và chất lượng dây hàn. Khi hàn MAG, thường sử dụng dây hàn có đường kính từ 0,8 đến 2,4(mm), Dây hàn được đóng thành cuộn có trọng lượng từ 15(kg) đến 25 (kg). 23 Hình 2 – 6: Dây hàn MAG. Sự ổn định của quá trình hàn cũng như chất lượng của liên kết hàn phụ thuộc nhiều vào tình trạng bề mặt dây hàn. Cần chú ý đến phương pháp bảo quản, cất giữ và biện pháp làm sạch dây hàn nếu dây bị gỉ hoặc bẩn. Một trong những cách để giải quyết là sử dụng dây có lớp mạ đồng. Dây mạ đồng sẽ nâng cao chất lượng bề mặt và khả năng chống gỉ, đồng thời nâng cao tính ổn định của quá trình hàn. Theo hệ thống tiêu chuẩn AWS, ký hiệu dây hàn thép cac bon thông dụng như sau: Bảng 2 – 1: Giới thiệu một số loại dây hàn thép các bon thông dụng theo AWS. Ký hiệu Theo AWS Diều kiện hàn Cơ tính Cực tính Khí bảo vệ Giới hạn bền của liên kết min (pis) Giới hạn chảy của kim loại mối hàn min (pis) Độ giản dài % (min) E70S - 2 DCEP CO2 70000 62000 22 E70S – 3 DCEP CO2 70000 62000 22 E70S – 4 DCEP CO2 70000 62000 22 E70S – 5 DCEP CO2 70000 62000 22 E70S – 6 DCEP CO2 70000 62000 22 E70S - 7 DCEP CO2 70000 62000 22 24 Bảng 2 – 2: Thành phần hoá học của một số loại dây hàn thông dụng theo AWS. AWS Thành phần hóa học C Mn Si Các nguyên tố khác E70S – 2 0.06 0.40 – 0.70 Ti: 0.05 – 0.15 Zi:0.2 – 0.12 E70S – 3 0.06 – 0.15 0.90 – 1.40 0.45 – 0.70 E70S – 4 0.07 – 0.15 0.65 – 0.70 E70S – 5 0.07 – 0.19 0.30 – 0.60 Al 0.5 – 0.9 AWS Thành phần hóa học C Mn Si Các nguyên tố khác E70S – 6 0.06 1.40 – 1.85 0.80 – 1.15 E70S – 6 0.06 – 0.15 1.40 – 2.0 0.50 – 0.80 Đối với thép hợp kim thấp thường sử dụng dây hàn có ký hiệu ER - 80S - 02 với khí bảo vệ là CO2, OCEP. - Khí bảo vệ. Khí Ar tinh khiết (~ 100%) thường được dùng để hàn kim loại mầu. Khí He tinh khiết (~ 100%) thường được dùng để hàn các liên kết có kích thước lớn với các vật liệu có tính dẫn nhiệt cao A1, Mg, Cu,... Khi dùng khí He tinh khiết bề rộng mối hàn sẽ lớn so với dùng loại khí khác, vì vậy có thể dùng hỗn hợp Ar + (50 ÷80%) He. Do khí He có trọng lượng riêng nhỏ hơn khí Ar nên lưu lượng khí He cần dùng cao hơn 2 đến 3 lần so với khí Ar. Khi hàn các hợp kim chứa Fe có thể bổ sung thêm O2 hoặc CO2 vào Ar để khắc phục các khuyết tật như lõm khuyết, bắn tóe và hình dạng mối hàn không đồng đều. Khí CO2 được dùng rộng rãi để hàn thép cac bon và thép hợp kim thấp, do giá thành thấp, mối hàn ổn định, cơ tính của liên kết hàn đạt yêu cầu, tốc độ hàn cao và độ ngấu sâu. Nhược điểm của hàn trong khí bảo vệ CO2 là gây bắn tóe kim loại lỏng. Hình 2 – 7: Khí bảo vệ hàn MAG. Bảng 2 – 3: Giới thiệu ứng dụng một số loại khí và hỗn hợp khí bảo vệ. 25 Ar (He) Ar + 1% O2 Ar + 2% O2 Ar + 5% O2 Ar + 20% CO2 Ar + 15% CO2+ 5% O2 CO2 Kim loại và hợp kim không có sắt Thép austenit Thép ferit (Hàn đứng từ trên xuống) Thép ferit (Hàn tấm mỏng, hàn đứng từ trên xuống) Thép ferit và austenit (Hàn ởmọi vịtrí) Thép ferit và austenit (Hàn ởmọi vịtrí) Thép ferit (Hàn ở mọi vịtrí) 2.1.4. Công nghệ hàn MAG a) Chuẩn bị liên kết trước khi hàn Các yêu cầu về hình dáng, kích thước, bề mặt liên kết trong phương pháp hàn MAG tương tự như ở các phương pháp hàn khác. Tuy nhiên khi hàn MAG do đường kính của dây hàn nhỏ hơn so với đường kính que hàn khi hàn bằng que hàn điện và hàn tự động dưới lớp thuốc nên góc vát mép sẽ nhỏ hơn (thường khoảng 450÷600), do dây hàn có khả năng đưa sâu vào trong rãnh hàn. Điều này giúp cho công nghệ hàn MAG ít có sự biến dạng hơn so với các công nghệ hàn khác, đồng thời do góc vát nhỏ nên lượng kim loại đắp ít hơn nên tiết kiệm được dây hàn, đảm bảo tính kinh tế. (a) (b) Hình 2-8 Liên kết trước khi hàn. a. Liên kết khi hàn bằng que hàn điện b. Liên kết khi hàn MAG b) Chế độ hàn - Dòng điện hàn Dòng điện hàn được chọn phụ thuộc vào kích thước điện cực (dây hàn) dạng chuyền dịch kim loại lỏng và chiều dày của liên kết hàn. Khi dòng điện quá thấp sẽ không đảm bảo ngấu hết chiều dày liên kết, giảm độ bền của mối hàn. Khi dòng điện quá cao, sẽ làm tăng sự bắn tóe kim loại, gây ra rỗ xốp, biến dạng, mối hàn không đồng đều. Với loại nguồn điện có đặc tính ngoài cứng (điện áp không đổi) dòng điện hàn tăng sẽ làm tăng tốc độ cấp dây, và ngược lại. - Điện áp hàn 26 Đây là thông số rất quan trọng trong hàn MAG, quyết định dạng truyền kim loại lỏng. Điện áp hàn sử dụng phụ thuộc vào chiều dày chi tiết hàn, kiểu liên kết, kích cỡ và thành phần điện cực, thành phần khí bảo vệ, vị trí hàn v.v Để có được giá trị điện áp hàn hợp lý, có thể phải hàn thử vài lần, bắt đầu bằng giá trị điện áp hồ quang theo tính toán hay tra bảng, sau đó tăng hoặc giảm theo quan sát đường hàn để chọn giá trị điện áp thích hợp. - Tốc độ hàn Tốc độ hàn phụ thuộc rất nhiều vào trình độ tay nghề của thợ hàn. Tốc độ hàn quyết định chiều sâu ngấu của mối hàn. Nếu tốc độ hàn thấp, kích thước vũng hàn sẽ lớn và ngấu sâu. Khi tăng tốc độ hàn, tốc độ cấp nhiệt của hồ quang sẽ giảm, làm giảm độ ngấu và thu hẹp đường hàn. d) Phần nhô của điện cực hàn (tầm với điện cực) Le. Đó là khoảng cách giữa đầu điện cực và mép bép tiếp điện. Khi tăng chiều dài phần nhô, nhiệt nung nóng đoạn dây hàn này sẽ tăng, dẫn tới làm giảm cường độ dòng điện hàn cần thiết để nóng chảy điện cực theo tốc độ cấp dây nhất định. Khoảng cách này rất quan trọng khi hàn thép không gỉ, sự biến thiên nhỏ cũng có làm tăng sự biến thiên dòng điện một cách rõ rệt. Chiều dài phần nhô quá lớn sẽ làm dư kim loại nóng chảy ở mối hàn, làm giảm độ ngấu và lãng phí kim loại hàn. Tính ổn định của hồ quang cũng bị ảnh hưởng. Nếu chiều dài phần nhô quá nhỏ, sẽ gây ra sự bắn tóe, kim loại lỏng dính vào mỏ hàn, chụp khí, làm cản trở dòng khí bảo vệ, gây ra rỗ xốp trong mối hàn. a) b) Hình 2 – 9:a) Tầm với điện cự; b) quan hệ giữa tầm với điện cực và dòng điện. - Lưu lượng khí hàn Là lượng khí tiêu hao trong 1phút khi hàn (l/min), thường được hiển thị trên ống thuỷ tinh hình trụ của Đồng hồ khí CO2 như hình dưới đây: 27 Hình 2-10: Lưu lượng khí CO2 Có thể tra theo bảng bảng 2 – 4. Bảng 2 – 4: Bảng tra chế độ hàn thép cac bon và hợp kim thấp - kiểu hàn sấp. Chiều dầy tấm (mm) 0,9 1,5 1,9 2,6 3,4 4,8 6,4 Đường kính dây hàn (mm) 0,6 0,8 0,8 0,9 0,8 0,9 0,8 0,9 0,8 0,9 0,8 0,9 1,1 1,1 1,1 Tốc độ cấp dây (m/min) 2.5 1.9 3.2 2.5 4.4 3.8 5.7 4.4 7.0 5.7 7.6 6.4 3.2 3.8 5.0 Cường độ (A) 35 35 55 80 80 120 100 130 11 5 16 0 130 175 145 165 200 Tốc độ hàn (m/min) 0.25 0.25 0.35 0.33 0.33 0.50 0.45 0.45 0.5 0 0.5 0 0.43 0.50 0.45 0.38 0.33 Điện áp (V) 17 17 18 18 19 19 20 20 21 21 22 22 18- 20 19- 20 20- 22 Lưu lượng khí (l/min ) 12-17 Tầm với điện cực (mm) 6-12 Điện áp giảm 2V với hỗn hợp khí Ar/CO2 28 2.2. Quá trình hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc bảo vệ (SAW) 2.2.1. Bản chất Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ còn gọi là hàn hồ quang chìm, tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding), là qúa trình hàn nóng chảy mà hồ quang cháy giữa dây hàn (điện cực hàn) và vật hàn dưới một lớp thuốc bảo vệ. Dưới tác dụng nhiệt của hồ quang, mép hàn, dây hàn và một phần thuốc hàn một cơ cấu đặc biệt với tốc độ phù hợp với tốc độ cháy của nó theo độ chuyển dịch của nguồn nhiệt (hồ quang) mà kim loại vũng hàn sẽ nguội và kết tinh tạo thành mối hàn. Trên mặt vũng hàn và phần mối hàn đã đông đặc hình thành một lớp xỉ có tác dụng tham gia vào các qúa trình luyện kim khi hàn, bảo vệ thể được tự động cả hai khâu cấp dây vào vùng hồ quang và chuyển động hồ quang theo trục mối hàn. Trường hợp này được gọi là “hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ”. Nếu chỉ tự động hoá khâu cấp dây hàn vào vùng hồ quang còn khâu chuyển động hồ quang dọc theo trục mối hàn được thao tác bằng tay thì gọi là “hàn hồ quang bán tự động dưới lớp thuốc bảo vệ”. Hình 2 -11: Phương pháp hàn dưới lớp thuốc SAW. Hàn SAW là quá trình hàn hồ quang kín trong đó hồ quang cháy giữa đầu dây điện cực và kim loại cơ bản được bảo vệ nhờ lớp thuốc hàn. Thuốc hàn nóng chảy tạo thành xỉ lỏng bảo vệ vùng hồ quang và kim loại lỏng. Kim loại cơ bản và kim loại dây hàn nóng chảy tạo thành mối hàn. Hình 2 – 12: Mặt cắt dọc thể hiện nguyên lý phương pháp hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc (SAW). 29 2.2.2. Khả năng ứng dụng. Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cơ khí chế tạo, như trong sản xuất: các kết cấu thép dạng tấm vỏ kích thước lớn, các dầm thép có khẩu độ và chiều cao, các ống thép có đường kính lớn, các bồn, bể chứa, bình chịu áp lực và trong công nghiệp đóng tàu... Tuy nhiên, phương pháp này chủ yếu được ứng dụng để hàn các mối hàn ở vị trí hàn bằng, các mối hàn có chiều dài lớn và có quỹ đạo không phức tạp. Phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có thể hàn được các chi tiết có chiều dày từ vài mm cho đến hàng trăm mm a) Ưu điểm. - Tốc độ đắp cao, dây hàn được tận dụng cao, - Độ ngấu sâu cao - Chất lượng mối hàn cao, đồng đều, mối hàn mịn, không bắn toé kim loại - Hồ quang hàn bị che phủ bởi thuốc hàn nên không ảnh hưởng đên môi trường và sức khỏe công nhân, ít khói nên ít ảnh hưưởng tới sức khỏe của người công nhân, không yêu cầu cao đối với thợ vận hành. - Có thể tạo ra mối hàn có tính chất cơ lý hoá mong muốn b) Nhược điểm. - Thiết bị hàn phức tạp, đắt tiền - Không phù hợp cho những mối hàn ngắn hoặc cong, hoặc trong vị trí hàn leo và hàn trần - Yêu cầu gá lắp mối hàn phải chính xác - Chất lượng của kim loại mối hàn phụ thuộc rất lớn vào thành phần hoá học của kim loại cơ bản và điều kiện hàn. c) Phạm vi áp dụng Phù hợp cho hàn các mối hàn dày, đường hàn dài, tốc độ đắp cao, yêu cầu chất lượng mối hàn cao như chế tạo bình, bồn, bể chứa, nghành công nghiệp đóng tàu v.v 2.2.3. Các thông số công nghệ hàn Trước khi tiến hành hàn các thông số công nghệ phải đưuợc tính toán lựa chọn trước và thành lập một quy trình hàn hợp lý. a) Kích thước điện cực (dây hàn): Dd Kích thước điện cực ảnh hưởng tới hình dáng mối hàn và chiều sâu ngấu ở một cường độ dòng nhất định.Ih = 300(A),Vh = 350(mm/p),Uh = 30(V) 30 Hình 2 – 13: Thể hiện sự ảnh hưởng của đường kính điện cực tới hình dáng và kích thước mối. Cùng một chế độ như trên, với Dd nhỏ sẽ cho mối hàn ngấu sâu, bề rộng mối hàn quá hẹp tạo cho mối hàn nguội không không đồng đều gây nứt trong mối hàn, ngược lại Dd quá lớn sẽ cho mối hàn quá rộng gây nứt trên bề mặt mối hàn. Hợp lý nhất phải lựa chọn Dd sao cho tỉ số b/h gần bằng 1,3. Dd nhỏ được sử dụng với cường độ dòng điện thấp, thích hợp cho hàn bán tự động do đặc tính cơ động trong di chuyển của nó, nó được sử dụng hàn những mối hàn nhỏ, thép tấm mỏng. Dd lớn có khả năng lấp đầy khe hở hàn tốt hơn Dd nhỏ do lỗi gá nắp của mối hàn gây ra. Nếu cùng cường độ dòng điện mật độ dòng điện ở Dd lớn sẽ thấp hơn so với de nhỏ do đó tốc độ đắp thấp hơn, tuy nhiên với Dd lớn có thể hàn ở cường độ dòng điện cao do đó tốc độ đắp sẽ cao hơn nhiều. Với loại que Dd lớn cho ta mối hàn rộng ngấu sâu nên nó thích hợp với hàn thép tấm dầy. Nếu tốc độ cấp dây mong muốn cao hơn tốc độ động cơ cấp dây có thể cấp được ta có thể thay bằng dây hàn có Dd lớn hơn. b) Điện áp hàn. Điện áp hàn ảnh hưởng tới chiều dài hồ quang giữa đầu mút điện cực và vũng kim loại nóng chảy, nếu điện áp cao thì chiều dài hồ quang sẽ lớn và ngược lại điện áp thấp thì chiều dài hồ quang ngắn. Điện áp hàn ít ảnh hưởng tới tốc độ đắp của điện cực mà nó ảnh hưởng chủ yếu tới hình dáng tiết diện ngang của mối hàn và hình dáng bề mặt mối hàn. Hình 2 – 14: Hình vẽ mô tả ảnh hưởng của điện áp đến hình dáng, tiết diện và bề mặt mối hàn 31 Ta thấy khi tăng điện áp hồ quang khi cường độ dòng điện không đổi sẽ cho kết quả: - Bề mặt mối hàn phẳng và rộng hơn. - Mức tiêu thụ thuốc hàn tăng - Có khả năng giảm khuyết tật rỗ do chất bẩn và dầu mỡ trên kim loại cơ bản gây ra. - Hàn được liên kết hàn có khe hở chân mối hàn lớn do quá trình gá ghép gây lên. - Tăng khả năng luyện kim của mối hàn do thời gian đồng đều hoá lâu và giúp cho các nguyên tố hợp kim từ thuốc hàn đi vào kim loại mối hàn với tỷ lệ cao hơn. +Tuy nhiên nó có nhược điểm sau: - Nó tạo ra mối hàn rộng nên nhạy cảm với khuyết tật nứt do tỷ lệ giữa về chiều rộng và chiều sâu ngấu lớn. Hình 2 – 15: Hình vẽ mô tả các vết nứt khi tăng điện áp hàn - Xỉ hàn khó làm sạch khi hàn giáp mối. - Tạo mối hàn lõm dễ nứt khi hàn mối hàn góc. - Tăng khả năng gây khuyết cạnh mối hàn khi hàn mối hàn góc - Gây khuyết tật không ngấu khi hàn liên kết vát mép với,góc vát nhỏ Điện áp hồ quang thấp sẽ tạo hồ quang mạnh, tăng độ ngấu và ngăn hiện tượng thổi lệch hồ quang, tuy nhiên nếu điện áp quá thấp sẽ tạo ra mối hàn hẹp, cao và khó làm sạch xỉ. c) Dòng điện hàn. Dòng điện hàn là thông số quan trọng nhất bởi nó điều khiển tốc độ nóng chảy của dây hàn do đó điều khiển được tốc độ đắp, điều khiển chiều sâu ngấu và lượng chảy của kim loại cơ bản. Khi dòng điện quá cao thì chiều sâu ngấu quá lớn do đó mối hàn có khuynh hướng cháy thủng, nó cũng dẫn tới lãng phí kim loại hàn do hình thành phần lồi của mối hàn, điều này cũng dẫn tới tăng sự co ngót gây ứng suất và biến dạng hàn.Dòng điện quá thấp mối hàn sẽ không đủ ngấu, không chảy do đó gây khuyết tật hàn. Khi hàn với chế độ hàn Dd = 2 (mm), Uh = 32(V), Vh = 350(mm/p), cường độ dòng điện hàn thay đổi. 32 Hình 2 - 16: Thể hiện cường độ dòng điện hàn ảnh hưởng tới hình dáng và kích thước mối Từ hình vẽ ta nhận thấy: - Cường độ dòng điện tăng thì chiều sâu ngấu tăng và tốc độ chảy tăng tạo cho mối hàn có tiết diện lớn. - Cường độ quá cao gây khuyết cạnh mối hàn, mối hàn cao và hẹp. - Cường độ dòng điện qúa thấp sẽ tạo hồ quang không ổn định gây hiện tượng bắn toé kim loại hàn và vón cục. d) Tốc độ hàn. Với sự kết hợp của cường độ dòng điện và điện áp hàn, sự thay đổi của tốc độ hàn sẽ ảnh hưởng tới hình dạng của mối hàn. Nếu tốc độ hàn tăng thì nhiệt cấp trên 1 đơn vị dài của mối hàn sẽ giảm đồng thời kim loại điền đầy trên một đơn vị dài của giảm sẽ làm cho mối hàn nhỏ không đủ độ chắc. Hình 2- 17: Thể hiện sự ảnh hưởng của vận tốc hàn đến hình dáng kích thước của mối hàn. Hàn tự động với Dd = 2 (mm), Uh = 30 (V), Ih = 250 (A) Độ ngấu chịu ảnh hưởng bởi tốc độ hàn nhiều hơn bất cứ yếu tố nào, tốc độ thấp sẽ cho mối hàn có chiều sâu ngấu cao hơn tuy nhiên nếu tốc độ quá thấp thì vùng kim loại cơ bản sẽ bị bao phủ bởi kim loại nóng chảy của vũng hàn, do đó hồ quang sẽ không làm 33 nóng chảy kim loại cơ bản nên chiều sâu ngấu lúc này giảm. Tốc độ hàn quá cao sẽ gây khuyết cạnh mối hàn, mối hàn nhỏ và hẹp. Hình 2- 18: Thể hiện sự ảnh hưởng của vận tốc đến mức độ khuyết cạnh của mối hàn. Trong một giới hạn nhất định tốc độ hàn có thể điều khiển kích thước và độ ngấu của mối hàn, tốc độ hàn cao sẽ gây khuyết chân, thổi lệch hồ quang, rỗ trong khi tốc độ hàn thấp sẽ tạo một khoảng thời gian cho khí thoát khỏi kim loại mối hàn do đó giảm rỗ khí. e) Tầm với điện cực (le). Với mật độ dòng điện trên Le = 125 (A/mm2) thì tầm với điện cực là một thông số quan trọng. Hình 2- 19: Thể hiện tầm với của điện cực. Ở mật độ dòng điện cao thì nhiệt điện trở của điện cực giữa bép hàn và đầu mút điện cực tăng do đó tốc độ nóng chảy của điện cực cũng tăng. Với quy trình hàn thì tầm với điện cực bằng 8-10 lần đường kính điện cực là hợp lý, trong việc lập quy trình hàn cần điều chỉnh tầm với điện cực hợp lý để đạt tốc độ chảy hợp lý nhất với từng trị số của dòng điện. Khi hàn với tầm với điện cực lớn dẫn tới điện áp hàn sẽ giảm do sự sụt áp sẽ làm cho mối hàn gồ cao, chiều sâu ngấu thấp do đó để bù sự sụt áp này thì cần phải đặt điện áp hàn cao để đạt được tốc độ dắp cao đồng thời có chiều dài hồ quang 34 hợp lý. Điều kiện tiếp xúc của bép hàn cũng ảnh hưởng tới tầm với điện cực do vậy bép hàn cần phải được kiểm tra và có thể thay thế trước khi tiến hành hàn nhằm đảm bảo cho quá trình hàn liên tục. Với việc sử dụng tầm với điện cực lớn thì tốc độ đắp có thể tăng từ 25% - 50%, tuy nhiên việc tăng tốc độ đắp đồng thời với việc giảm độ ngấu cho nên việc này chỉ ứng dụng cho hàn không cần độ ngấu. Khi hàn loại kim loại mỏng dễ cháy thủng thì việc lựa chọn tầm với điện cực dài là hợp lý tuy nhiên sẽ gây khó găn cho việc duy trì dây hàn ở cị trí mong muốn. 2.3.4. Kích thước lớp thuốc phủ Với lớp thuốc qúa nhiều hồ quang sẽ bị cô lập, chèn ép nên hình dáng bề mặt mối hàn sẽ bị sần sùi, khí hàn sẽ không thể thoát ra khỏi lớp thuốc do đó bề mặt mối hàn bị biến dạng. Với lớp thuốc quá mỏng hồ quang hàn sẽ không được phủ hoàn toàn, tia hồ quang và sự bắn téo xuất hiện nên bề mặt mối hàn xấu và bị rỗ. Để đạt được lượng thuốc hợp lý cần cho thuốc chảy từ từ tới khi hồ quang không xuất hiện là được. Chú ý xỉ hàn không nên làm sạch khi nhiệt độ mối hàn lớn hơn 6000C chỉ có thể được làm sạch một đoạn nhỏ khi cần kiểm tra mối hàn. 2.3.5. Loại dòng và cực tính. Với nguồn DC cực tính dương thường được sử dụng khi hàn tốc độ nhanh, ngấu sâu là điều quan trọng. Với nguồn DC cực tính âm giúp tốc độ nóng chảy của điện cực lớn hơn 1/3 so với nguồn cực tính dương nhưng chiều sâu ngấu nhỏ hơn. Hình 2 – 20: Cực tính dương DC+đựơc sử dụng. - Hàn mối hàn góc, liên kết hàn phải được làm sạch trước khi hàn. - Hàn đắp khi tốc độ nóng chảy là cần thiết. - Hàn thực hiện đối với thép dễ nứt, khó hàn nhằm giảm lượng kim loại cơ bản khuếch tán vào mối hàn. - Khi cần tốc độ đắp cao, ngấu thấp để hạn chế khuynh hướng nứt ở lớp thứ nhất với liên kết hàn giáp mối có vát mép. 35 Khi thay đổi cực tính từ dương sang âm mà giữ nguyên cường độ dòng hàn thì điện áp hàn nên tăng 4V để đạt được hình dáng mối hàn đạt yêu cầu. Với nguồn AC được sử dụng chủ yếu khi hàn yêu cầu tốc độ đắp lớn với việc sử dụng hàn hai dây, cường độ hàn cao. 2.2.6. Vật liệu hàn hồ quang dưới lớp thuốc Với hàn dưới lớp thuốc, vật liệu hàn (bao gồm dây hàn và thuốc hàn) có ảnh hưởng quyết định đến tính chất kim loại mối hàn. Khác với hàn hồ quang tay, có thể phối hợp thuốc hàn và dây hàn để có được kim loại mối hàn với thành phần hóa học mong muốn. a) Nguyên tắc chọn vật liệu hàn hồ quang dưới lớp thuốc Loại dây hàn ảnh hưởng đáng kể đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn. Thuốc hàn cũng ảnh hưởng đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn tùy theo mức độ tham gia của nó vào quá trình luyện kim khi hàn. Thuốc hàn còn ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn (chiều rộng, chiều cao, độ nhẵn bề mặt, bề ngoài) và đây là điều quan trọng đối với các kết cấu chịu tải trọng động. b) Ảnh hưởng của thuốc hàn đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn Khi hàn dưới lớp thuốc, trong vũng hàn xảy ra các phản ứng hóa học, mà bản chất của chúng là tương tác về mặt hóa lý giữa xỉ nóng chảy, kim loại nóng chảy và môi trường khí của hồ quang hàn. Trong các phản ứng đó, quan trọng nhất là các phản ứng oxi hóa và hoàn nguyên mangan và silic, cacbon, crôm, titan cùng các nguyên tố khác khi hàn thép hợp kim. Từ khía cạnh chất lượng mối hàn, việc khử lưu huỳnh và photpho cùng các chất khí cũng đóng vai trò quan trọng. Các phản ứng nói trên xảy ra trong thời gian rất ngắn (vài giây) và rất mảnh liệt, do diện tích giữa các pha nói trên lớn vì có sự xáo trộn mạnh giữa kim loại nóng chảy và xỉ nóng chảy. Điều này gắn liền với tính chảy loãng cao (độ nhớt thấp) của xỉ trong khoảng nhiệt độ xảy ra các phản ứng giữa kim loại nóng chảy và xỉ nóng chảy (đặc biệt rõ rệt với các loại thuốc hàn bazơ). Khi hàn dưới lớp thuốc, nhiệt độ cao của các giọt kim loại nóng chảy dịch chuyển từ dây hàn sang vũng hàn (khoảng 2300oC) và nhiệt độ trung bình của vũng hàn tương đối cao (1770  100oC) tạo thuận lợi cho các phản ứng tỏa nhiệt. Để đơn giản hóa khi lựa chọn, trên thực tế, các kỹ sư công nghệ có thể chọn thuốc hàn thích hợp với từng loại dây hàn cho các ứng dụng hàn cụ thể theo catalo của các hãng sản xuất vật liệu hàn. c) Thuốc hàn. - Vai trò của th