Giáo trình Hàn tàu

93 trang hapham 150

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Hàn tàu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_han_tau.pdf

Nội dung text: Giáo trình Hàn tàu

Giỏo trỡnh Hàn tàu
Ch•ơng 1 Khái niệm chung 1.1. Lịch sử phát triển của ngành hàn Khoảng đầu thời đại đồ đồng, đồ sắt loài ng•ời đã biết hàn kim loại. Từ cuối thế kỷ 19, vật lý, hóa học và các môn khoa học khác phát triển rất mạnh. Năm 1802 nhà bác học Nga petơrop đã tìm ra hiện t•ợng hồ quan điện và chỉ rõ khả năng sử dụng nhiệt năng của nó để làm nóng chảy kim loại. Năm 1882 kỹ s• Benađớt đã dùng hồ quang cực than để hàn kim loại. Năm 1888 Slavianốp đã áp dụng cực điện nóng chảy - cực điện kim loại vào hồ quang điện. Năm 1990 - 1902 trong công nghiệp đã sản xuất đ•ợc các bit canxi và sau đó 1906 hàn khí ra đời. Hàn tiếp xúc xuất hiện và phát triển chậm hơn, năm 1886 Tomson tìm ra ph•ơng pháp hàn tiếp xúc giáp mối. Năm 1887 Benađớt tìm ra ph•ơng pháp hàn điểm, nh•ng mãi đến năm 1903 thì hàn giáp mối mới dùng trong công nghiệp và đặc biệt kể từ sau chiến tranh thế giới thứ hai hàn tiếp xúc mới phát triển mạnh mẽ và xuất hiện nhiều ph•ơng pháp hàn mới. Một đóng góp rất quan trọng cho sự phát triển hàn hồ quang là thành công của kỹ s• Thụy Điển Kenbe năm 1907 về ph•ơng pháp ổn định quá trình phóng hồ quang và bảo vệ vùng hàn khỏi tác dụng của không khí chung quanh bằng cách đắp lên cực kim loại một lớp vỏ thuốc. Việc ứng dụng que hàn bọc thuốc bảo đảm chất l•ợng cao của mối hàn. Thời kỳ phát triển mới của môn hàn đã đ•ợc mở ra vào những năm cuối ba m•ơi và đầu bốn m•ơi với những công trình nổi tiếng của Viện sĩ E.O Paton về hàn d•ới thuốc. Ph•ơng pháp hàn tự động và sau đó hàn nửa tự động d•ới thuốc ra đời và đ•ợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Đó là thành tựu vô cùng to lớn của kỹ thuật hàn hiện đại. Từ khi ra đời cho đến nay hàn d•ới thuốc vẫn là ph•ơng pháp cơ khí hóa cơ bản trong kỹ thuật hàn. Từ những năm cuối bốn m•ơi các ph•ơng pháp hàn trong khi bảo vệ cũng đ•ợc nghiên cứu và đ•a vào sản xuất. Việc khai thác rộng rãi các khí tự 1
nhiên (heli acgông ở Mỹ, khí cacbonic ở Liên Xô ) lúc đó đã làm cho các ph•ơng pháp hàn này phát triển mạnh mẽ. Hàn trong khi bảo vệ làm tăng vọt chất l•ợng mối hàn. Hiện nay hàn trong khí bảo vệ đ•ợc ứng dụng mỗi ngày một nhiều hơn. Một phát minh nổi tiếng nữa của tập thể Viện hàn điện mang tên B.O.Patôn (kiep Liên Xô) là hàn điện xỉ. Quá trình hàn điện xỉ đ•ợc các nhà bác học Xô viết phát hiện năm 1949, nghiên cứu và đ•a vào sản xuất trong những năm m•ơi. Ph•ơng pháp hàn điện xỉ ra đời và phát triển là một cuộc cách mạng kỹ thuật trong ngành chế tạo máy móc hạng nặng nh• lò hơi, tuabin, máy ép cỡ lớn Những năm gần đây loạt ph•ơng pháp hàn mới ra đời nh• hàn bằng tia điện tử, hàn lạnh, hàn masat, hàn nổ, hàn siêu âm, hàn phát ma hồ quang vv Hiện nay có hơn 120 ph•ơng pháp hàn khác nhau. Nói chung, các ph•ơng pháp hàn ngày càng đ•ợc hoàn thiện hơn và đ•ợc sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong kỹ thuật quốc phòng và đặc biệt là trong ngành du hành vũ trụ. Có thể nói hàn là một ph•ơng pháp gia công kim loại tiên tiến và hiện đại. Hàn ở Việt Nam cũng đã xuất hiện từ thời th•ợng cổ, hồi đó ông cha ta dã biết sử dụng hàn để làm ra những dụng cụ cần thiết phục vụ cho đời sống và cải tiến điều kiện lao động. Tr•ớc cách mạng tháng tám, môn hàn rất ít đ•ợc ứng dụng. Sau cách mạng tháng tám và trong thời kỳ kháng chiến, môn hàn đ•ợc phát triển hơn, nó đã đóng góp vào nền công nghiệp quốc phòng mới mẻ của chúng ta. Sau hòa bình chúng ta đã sử dụng hàn rất nhiều trong cuộc cách mạng kỹ thuật và xây dựng nền kinh tế xã hội chủ nghĩa. Nhiều công trình đồ sộ đã mọc lên sử dụng nhiều đến hàn nh• lò cao khu gang thép Thái Nguyên, nhà công nghiệp, tàu bè, nồi hơi vv Tuy vậy việc nghiên cứu áp dụng các ph•ơng pháp hàn tiên tiến còn gặp nhiều khó khăn và ch•a đủ điều kiện để phát triển mạnh mẽ. Với lực l•ợng cán bộ khoa học kỹ thuật hàn, công nhân hàn lành nghề ngày càng đông đảo, chúng ta tin chắc rằng, kỹ thuật hàn ở Việt Nam sẽ ngày càng phát triển và đ•ợc ứng dụng ngày càng nhiều vào sản xuất. 2
1.2. Thực chất, đặc điểm và công dụng của hàn. 1.2.1. Thực chất Hàn là quá trình nối hai đầu của một chi tiết hoặc nhiều chi tiết với nhau bằng cách nung nóng chúng đến trạng thái chảy hay dẻo. Khi hàn ở trạng thái chảy thì ở chỗ nối hàn của vật hàn chảy ra và sau khi đông đặc ta nhận đ•ợc mối hàn. Khi hàn ở trạng thái dẻo thì chỗ nối đ•ợc nung nóng đến trạng thái mềm dẻo, khi ấy khả năng thẩm thấu và chuyển động các phần tử của kim loại hàn tăng lên. Nên chúng nó có thể dính lại với nhau. Th•ờng chỉ nung nóng chỗ nối hàn đến trạng thái dẻo vẫn ch•a bảo đảm đ•ợc mối hàn bền, nên ta phải tác dụng lên chỗ nối hàn một áp lực. 1.2.2. Đặc điểm Hàn có những đặc điểm sau: a. So vói tán rive: Hàn tiết kiệm đ•ợc 10 đến 20% khối l•ợng, hình dáng chi tiết cân đối hơn, giảm đ•ợc khối l•ợng kim loại nh• phần đầu rivê, kim loại mất mát do đột lỗ vv So với đúc hàn tiết kiệm đ•ợc 50% vì không cần hệ thống rót Sử dụng hàn trong xây dựng nhà cao cho phép giảm 15% trọng l•ợng s•ờn, kèo, đồng thời việc chế tạo và lắp ráp chúng cũng đ•ợc giảm nhẹ, độ cứng vững của kết cấu lại tăng. b. Giảm đ•ợc thời gian và giá thành chế tạo kết cấu. Hàn có năng suất cao so với các ph•ơng pháp khác do giảm đ•ợc số l•ợng nguyên công giảm đ•ợc c•ờng độ lao động và tăng đ•ợc độ bền chắc của kết cấu. c. Hàn có thể nối đ•ợc những kim loại có tính chất khác nhau. Ví dụ nh• hàn kim loại đen với kim loại đen, kim loại màu với nhau và cả kim loại đen với kim loại màu. Ngoài ra hàn còn có thể nối các vật liệu không kim loại với nhau. d. Thiết bị hàn t•ơng đối đơn giản và dễ chế tạo. Khi tán đinh rivê ta dùng rất nhiều máy nh• máy khoan, lò nung, máy đột vv còn khi hàn ta có thể chỉ dùng máy hàn xoay chiều gồm một máy giảm thế từ 200 vôn hay 230 vôn xuống nhỏ hơn 80 vôn. 3
e. Độ bền mối hàn cao, mối hàn kín. Do kim loại mối hàn tốt hơn kim loại vật hàn nên mối hàn chịu tải trọng tĩnh tốt. Mối hàn chịu đ•ợc áp suất cao nên hàn là một ph•ơng pháp chủ yếu dùng chế tạo các bình chứa, nồi hơi, ống dẫn vv chịu áp lực cao. g. Giảm đ•ợc tiếng động khi sản xuất vv Tuy nhiên hàn còn nh•ợc điểm là sau khi hàn vẫn tồn tại ứng suất d• tổ chức kim loại gần mối hàn không tốt vv sẽ giảm khả năng chịu tải trọng động của mối hàn, vật hàn cong vênh. 1.2.3. Công dụng Hàn ngày càng đ•ợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại. Về công dụng của hàn có thể chia làm hai mặt: chế tạo và tu sửa. Về chế tạo nh• nồi hơi, ống, ống bình chứa, s•ờn nhà cầu, tàu thuyển, thân máy bay, vỏ máy, tên lửa, toa xe, ôtô và ngay cả đến tàu du hành vũ trụ nữa. Nói chung những bộ phận máy có hình dáng phức tạp, phải chịu lực t•ơng đối lớn, mà lại nóng đều chế tạo bằng ph•ơng pháp hàn, vì nếu đúc bằng gang thì nặng, nếu rèn thì vừa tốn công vừa chế tạo khó khăn, giá thành cao. Những bộ phận hỏng và cũ, ví dụ nh•: xilanh rạn, bánh xe răng bị nứt, mặt đ•ờng ray bị mòn, những vật đúc bị khuyết đều có thể dùng ph•ơng pháp hàn để tu sửa, vừa nhanh, vừa rẻ. Ngoài những chỗ chịu tác dụng của lực chấn động không nên hàn ra, không có chỗ nào không thể hàn đ•ợc. Cho nên công nghệ hàn đóng góp rất nhiều cho sự phát triển của công nghiệp hiện đại. 4
1.3. Phân loại các ph•ơng pháp hàn Hàn có thể chia làm hai nhóm d•ới đây: 1.3.1. Hàn nóng chảy Hàn nóng chảy là nung nóng mép hàn và que hàn đến trạng thái chảy, sau đó kết tinh hoàn toàn tạo thành mối hàn. Ph•ơng pháp này thích hợp với phần lớn kim loại và hợp kim, ví dụ nh• thép, gang, niken, chì, kẽm, bạc, vàng, bạch kim, nhôm, đồng, magiê và những hợp kim khác. Dựa theo nguồn nhiệt năng sử dụng khi hàn ph•ơng pháp hàn nóng chảy chia làm hai loại: 1.3.1.1 Hàn điện hồ quang: Là ph•ơng pháp dùng cực điện bằng kim loại hoặc bằng than tạo ra tia hồ quang để sản ra nhiệt l•ợng đốt nóng chảy mối hàn. Hàn điện hồ quang gồm: hàn hồ quang tay, hàn tự động và nửa tự động (hàn d•ới thuốc, hàn trong môi tr•ờng khí bảo vệ, hàn điện xỉ). 1.3.1.2 Hàn khí (hàn hơi) Là ph•ơng pháp sử dụng nguồn nhiệt năng của khí khi cháy để nung nóng mối hàn đến nóng chảy, làm cho chúng sau khi nguội hàn liền lại với nhau. Đây là hai ph•ơng pháp chủ yếu của hàn nóng chảy hiện nay đang dùng ở n•ớc ta mà chúng ta sẽ đề cập chủ yếu trong tài liệu này. Trong những năm gần đây với sự phát triển của kỹ thuật hàn, đã xuất hiện thêm nhiều ph•ơng pháp hàn mới của hàn nóng chảy nh• hàn bằng tia điện tử, hàn hồ quang plat - ma, hàn bằng tia lade vv 1.3.2. Hàn áp lực Ph•ơng pháp hàn áp lực là đốt nóng vật hàn đến trạng thái dẻo, sau đó đ•ợc ép hoặc đập để tăng khả năng thẩm thấu khuếch tán của các phân tử vật chất làm cho chúng liên kết chặt với nhau tạo thành mối hàn. Ph•ơng pháp hàn này thích hợp với những kim loại biến từ thể rắn sang thể lỏng phải qua thể nhão. Những vật liệu khác (nh• gang) khi đốt tới điểm nóng chảy thì lập tức biến từ thể rắn sáng thể lỏng, không qua thể nhão, thì không thể hàn bằng 5
ph•ơng pháp hàn áp lực. Với thép chứa 0,4%C trở lên dùng ph•ơng pháp hàn áp lực cũng t•ơng đối khó khăn. Theo cách nung nóng, hàn áp lực có 3 loại d•ới đây: 1.3.2.1 Ph•ơng pháp hàn rèn Đây là ph•ơng pháp cũ nhất mà những thợ rèn thủ công hay dùng để hàn những vật rèn. Vật rèn nói chung đ•ợc nung nóng trắng khoảng 12000C - 13000C trong lò rèn, sau lấy ra đặt lên đe, dùng búa đập. Khi đập búa, phải đập ở giữa tr•ớc, sau mới đập bên cạnh và bốn xung quanh, để cho xỉ tạp trong ngàm nối dễ trôi ra ngoài. Nhờ tác dụng đập của búa rèn, xỉ sẽ không bị giữ lại làm ảnh h•ởng đến c•ờng độ của mối hàn. Ph•ơng pháp hàn rèn chỉ dùng để hàn một số vật hình dáng đơn giản. Những vật nh• thùng tròn, bình chứa lớn thì không thể hàn đ•ợc. Hàn bằng khí than •ớt (CO + H2) về nguyên lý cũng giống nh• hàn rèn, chỉ khác là đổi nguồn nhiệt nung bằng cách dùng khí than •ớt, cho nên hàn bằng khí than •ớt là một loại đặc biệt của ph•ơng pháp hàn rèn. Vì khí than •ớt có thể dùng ống phun để đốt, nên vừa nung vừa có thể dùng máy búa hoặc trục ép để hàn liên đầu nối lại. Do tính hoàn nguyên của ngọn lửa khí than •ớt rất mạnh cho nên ở mối hàn không cần dùng thuốc hàn, mà vẫn có thể có đ•ợc mối hàn nhẵn chắc. 1.3.2.2 Ph•ơng pháp hàn nhiệt nhôm Hàn nhiệt nhôm là một ph•ơng pháp hàn dùng nhiệt phát ra do sự cháy của bột nhóm với oxit sắt. 8Al +3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe Phản ứng này phát ra một nhiệt l•ợng rất lớn, đôi khi có nhiệt độ lớn hơn 30000C. Ph•ơng pháp hàn nhiệt nhôm có 3 loại d•ới đây: a. Ph•ơng pháp hàn áp lực bột nhôm sắt: Dùng xỉ và sắt nóng chảy làm nguồn nhiệt để nung vật hàn, sau đó dùng áp lực ép cho chúng liền lại với nhau. 6
b. Ph•ơng pháp hàn nóng chảy bột nhôm sắt: Dùng xi nung nóng vật hàn gần tới điểm nóng chảy, sau đó đồ sắt nóng chảy vào cho nó liền với vật hàn. c. Ph•ơng pháp hàn bột nhôm sắt hỗn hợp áp lực và hàn nóng chảy: Vật hàn một phần đ•ợc lợi dụng nhiệt l•ợng của xi để nung nóng và nhờ áp lực ép mà chúng gắn lại với nhau, phần khác do sắt nóng chảy nên kim loại vật hàn và nguyên liệu hàn đ•ợc kết chặt lại. Ph•ơng pháp này phần nhiều để hàn đ•ờng ray của xe hỏa, xe điện. Sau khi phát minh ra ph•ơng pháp hàn dùng khí axetylen ph•ơng pháp hàn nhiệt nhôm dần dần ít đ•ợc dùng. 1.3.2.3. Ph•ơng pháp hàn tiếp xúc Hàn điện tiếp xúc có rất nhiều ph•ơng pháp khác nhau, thực chất của ph•ơng pháp đó là: Cho dòng điện có c•ờng độ lớn chạy qua chi tiết hàn, chỗ tiếp xúc có điện trở lớn sẽ bị nung nóng đến trạng thái hàn và nhờ tác dụng của lực cơ học, chúng sẽ dính chắc lại với nhau. Đây là ph•ơng pháp chủ yếu của hàn áp lực mà chúng ta sẽ đề cập đến trong tài liệu này. Ngày nay, hàn bằng áp lực cùng xuất hiện thêm nhiều ph•ơng pháp mới nh• hàn bằng ma sát, hàn bằng siêu âm hàn nguội, hàn nổ, hành khuếch tán trong chân không vv Ngoài hai nhóm hàn trên: hàn nóng chảy và hàn áp lực trong thực tế chúng ta có gặp một dạng hàn khác, đó là hàn vẩy. Hàn vẩy còn gọi là hàn khác nguyên liệu, khi hàn chỉ cần đốt nóng mối hàn đến một nhiệt độ nhất định, sau đó cho nhỏ nguyên liệu hàn nóng chảy xuống để nổi vật hàn lại với nhau. Chỗ khác nhau giữa nó với hàn là không cần đốt nóng chảy vật hàn mà chỉ cần đạt tới nhiệt độ có thể hỗn hợp với nguyên liệu hàn đã nóng chảy để thành hợp kim là đ•ợc, còn đối với nguyên liệu hàn thì nhất định phải đốt nóng chảy. Kim loại dùng làm nguyên liệu hàn th•ờng khác hẳn vật hàn, cho nên gọi là hàn khác nguyên liệu. 7
Ch•ơng 2. một số ph•ơng pháp hàn và cắt kim loại 2.1 Hàn hồ quang d•ới lớp thuốc bảo vệ 2.1.1. Thực chất, đặc điểm và phạm vi ứng dụng 2.1.1.1. Thực chất và đặc điểm Hàn hồ quang d•ới lớp thuốc bảo vệ còn gọi là hàn hồ quang chìm, tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding) là quá trình hàn nóng chảy mà hồ quang cháy giữa dây hàn (điện cực hàn) và vật hàn d•ới một lớp thuốc bảo vệ. D•ới tác dụng nhiệt của hồ quang, mép hàn, dây hàn và một phần thuốc hàn sát hồ quang bị nóng chảy tạo thành vũng hàn. Dây hàn đ•ợc đẩy vào vũng hàn bằng một cơ cấu đặc biệt với tốc độ phù hợp với tốc độ cháy của nó (H.2- 1a). Theo độ chuyển dịch của nguồn nhiệt (hồ quang) mà kim loại vũng hàn sẽ nguội và kết tinh tạo thành mối hàn (H.2-1b). Trên mặt vũng hàn và phần mối hàn đông đặc hình thành một lớp xỉ có tác dụng tham gia vào các quá trình luyện kim khi hàn, bảo vệ và giữ nhiệt cho mối hàn, và sẽ tách khỏi mối hàn sau khi hàn. Phần thuốc hàn ch•a bị nóng chảy có thể sử dụng lại. Hàn hồ quang d•ới lớp thuốc bảo vệ có thể đ•ợc tự động cả hai khâu cấp dây vào vùng hồ quang và chuyển động hồ quang theo trục mối hàn. Tr•ờng hợp này đ•ợc gọi là "Hàn hồ quang tự động d•ới lớp thuốc bảo vệ". Nếu chỉ tự động hóa khâu cấp dây hàn vào vùng hồ quang còn khâu chuyển động hồ quang dọc theo trục mối hàn đ•ợc thao tác bằng tay thì gọi là "Hàn hồ quang bán tự động d•ới lớp thuốc bảo vệ". Hàn hồ quang d•ới lớp thuốc bảo vệ có các đặc điểm sau: - Nhiệt l•ợng hồ quang rất tập trung và nhiệt độ rất cao, cho phép hàn với tốc độ lớn. Vì vậy ph•ơng pháp hàn này có thể hàn những chi tiết có chiều dày lớn mà không cần phải vát mép. 8
Dây hàn cơ cấu cấp dây tiếp điện Nguồn điện hàn Thuốc bảo vệ Hồ quang Kim loại cơ bản Kim loại cơ bản a) đ•ờng cấp thuốc hàn Điện cực hàn (dây hàn) Xỉ đặc Xỉ lỏng h•ớng hàn thuốc hàn Kim loại mối hàn vùng hồ quang Kim loại cơ bản Kim loại nóng chảy (vũng hàn) b) Hình 2-1. Sơ đồ hàn d•ới lớp thuốc bảo vệ a) Sơ đồ nguyên lý; b) Cắt dọc theo trục mối hàn - Chất l•ợng liên kết hàn cao do bảo vệ tốt kim loại mối hàn khỏi tác dụng của oxi và nitơ trong không khí xung quanh. Kim loại mối hàn đồng nhất về thành phần hóa học. Lớp thuốc và xỉ hàn làm liên kết nguội chậm nên ít bị thiên tích. Mối hàn có hình dạng tốt, đều đặn, ít bị các khuyết tật nh• không ngấu, rỗ khí, nứt và bắn tóe. - Giảm tiêu hao vật liệu (dây hàn). - Hồ quang đ•ợc bao bọc kín bởi thuốc hàn nên không làm hại mắt và da của thợ hàn. L•ợng khói (khí độc) sinh ra trong quá trình hàn rất ít so với hàn hồ quang tay. - Dễ cơ khí hóa và tự động hóa quá trình hàn. 2.1.1.2. Phạm vi ứng dụng Hàn hồ quang d•ới lớp thuốc bảo vệ có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cơ khí chế tạo nh• trong sản xuất: - Các kết cấu thép dạng tấm vỏ kích th•ớc lớn, các dầm thép có khẩu độ và chiều cao, các ống thép có đ•ờng kính lớn, các bồn, bể chứa, bình chịu áp lực và trong công nghiệp đóng tàu v.v. 9
Tuy nhiên, ph•ơng pháp này chủ yếu đ•ợc 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. Ph•ơng pháp hàn hồ quang d•ới lớp thuốc bảo vệ có thể hàn đ•ợc các chi tiết có chiều dày từ vài mm cho đến hàng trăm mm. Bảng 2-1 chỉ ra các chỉ các chiều dày chi tiết hàn t•ơng ứng với hàn một lớp và nhiều lớp, có vát mép và không vát mép bằng ph•ơng pháp hàn tự động d•ới lớp thuốc. Bảng 2-1 Chiều dày chi tiết hàn t•ơng ứng với các loại mối hàn Chiều dày mm chi tiết 1,3 1,4 1,6 3,2 4,8 6,4 10 12,7 19 25 51 102 203 Loại mối hàn Hàn một lớp không vát mép Hàn một lớp có vát mép Hàn nhiều lớp 2.1.2. Vật liệu, thiết bị hàn hồ quang tự động và bán tự động d•ới lớp thuốc bảo vệ 2.1.2.1. Vật liệu hàn Chất l•ợng của liên kết hàn d•ới lớp thuốc đ•ợc xác định bằng tác động tổng hợp của dây hàn (điện cực hàn) và thuốc hàn. Dây hàn và thuốc hàn đ•ợc lựa chọn theo loại vật liệu cơ bản, các yêu cầu về cơ lý tính đối với liên kết hàn, cũng nh• điều kiện làm việc của nó. Dây hàn, trong hàn hồ quang tự động và bán tự động d•ới lớp thuốc bảo vệ, dây hàn là phần kim loại bổ sung vào mối hàn, đồng thời đóng vai trò điện cực dẫn điện, gây hồ quang và duy trì sự cháy hồ quang. Dây hàn th•ờng có hàm l•ợng cácbon không quá 0,12%. Nếu hàm l•ợng cacbon cao, dễ làm giảm tính dẻo và tăng khả năng xuất hiện nứt trong mối hàn. Đ•ờng kính dây hàn hồ quang tự động d•ới lớp thuốc từ 1,6  6mm, còn đối với hàn hồ quang bán tự động từ 0,8  2mm. Thuốc hàn có tác dụng bảo vệ vũng hàn, ổn định hồ quang, khử ôxi, hợp kim hóa kim loại mối hàn và đảm bảo liên kết hàn có hình dạng tốt, xỉ dễ bong. 10
2.1.2.2. Thiết bị hàn hồ quang d•ới lớp thuốc bảo vệ Thiết bị hàn hồ quang d•ớp lớp thuốc bảo vệ rất đa dạng, song hầu hết chúng lại rất giống nhau về nguyên lý cấu tạo và một số cơ cấu bộ phận chính, cụ thể là: 1. Cơ cấu cấp dây hàn và bộ điều dây hàn khiển để gây hồ quang và ổn thùng thuốc hàn nguồn M định hồ quang (đầu hàn). điện hàn 2. Cơ cấu dịch chuyển đầu hàn xe hàn - + dọc theo trục mối hàn ray hàn 3. Bộ phận cấp và thu thuốc hàn. dây nối mát 4. Nguồn điện hàn và các thiết bị điều khiển quá trình hàn. vật hàn Hình 2-2. Thiết bị hàn hồ quang tự động d•ới lớp thuốc bảo vệ Tùy theo từng loại thiết bị cụ thể, các cơ cấu này có thể bố trí thành một khối hoặc thành các khối độc lập. Ví dụ trong loại xe hàn hình 2-2 thì đầu hàn và cả cơ cấu dịch chuyển đầu hàn, cuộn dây hàn, cơ cấu cung cấp thuốc hàn và cả hệ thống điều khiển quá trình hàn đ•ợc bố trí thành một khối. Nhờ vậy xe hàn có thể chuyển động trực tiếp theo mép rất linh động, nó có thể chuyển động theo các quỹ đạo khác nhau trên kết cấu dạng tấm, thậm chí có thể thực hiện đ•ợc các mối hàn vòng trên các mặt tròn và đ•ờng ống có đ•ờng kính lớn. Đối với máy hàn bán tự động d•ới lớp thuốc bảo vệ thì đầu hàn đ•ợc thay bằng mỏ hàn hay súng hàn nhỏ gọn, dễ điều khiển bằng tay. Cơ cấu cấp dây có thể bố trí rời hoặc cùng khối trong nguồn hàn với các cơ cấu khác. 11
Nguồn điện hàn hồ quang d•ới lớp thuốc bảo vệ phải có hệ số làm việc liên tục 100% và có phạm vi điều khiển dòng điện rộng từ vài trăm đến vài ngàn Ampe. Trên hình 2-3 là hình ảnh của một loại đầu hàn hồ quang tự động d•ới lớp thuóc bảo vệ. Hình 2-3. Đầu hàn tự động 2.1.3. Công nghệ hàn hồ quang d•ớp lớp thuốc bảo vệ 2.1.3.1. Chuẩn bị liên kết tr•ớc khi hàn Chuẩn bị vát mép và gá lắp vật hàn cho hàn hồ quang d•ớp lớp thuốc bảo vệ yêu cầu cẩn thận hơn nhiều so với hàn hồ quang tay. Mép hàn phải bằng phẳng, khe hở hàn đều để cho mối hàn đều đặn, không bị cong vênh, rỗ. Với hàn hồ quang d•ớp lớp thuốc bảo vệ, những liên kết hàn có chiều dày nhỏ hơn 20mm không phải vát mép khi hàn hai phía. Những liên kết hàn có chiều dày lớn có thể vát mép bằng mỏ cắt khí, máy cắt plasma hoặc gia công trên máy cắt gọt. Tr•ớc khi hàn phải làm sạch mép trên một chiều rộng 50  60mm về cả hai phía của mối hàn, sau đó hàn đính bằng que hàn chất l•ợng cao. 2.1.3.2. Chế độ hàn 1. Dòng điện hàn: Chiều sâu ngấu của liên kết hàn tỷ lệ thuận với dòng điện hàn. Tuy nhiên khi tăng dòng điện hàn, l•ợng dây hàn nóng chảy tăng theo, hồ quang chìm sâu vào kim loại cơ bản nên chiều rộng của mối hàn không tăng rõ rệt mà chỉ tăng chiều cao phần nhô của mối hàn, tạo ra sự tập trung ứng suất, giảm chất l•ợng bề mặt mối hàn, xỉ khó tách. Nếu dòng điện quá nhỏ thì chiều sâu ngấu sẽ giảm, không đáp ứng yêu cầu. (H.2-4). 12
e b e b e b Dòng điện quá nhỏ Dòng điện hợp lý Dòng điện quá lớn không đủ ngấu chiều cao mối hàn tăng Hình 2-4. ảnh h•ởng của dòng điện hàn tới hình dáng mối hàn 2. Điện áp hồ quang. Hồ quang dài thì điện áp hồ quang cao, áp lực của nó lên kim loại lỏng giảm, do đó chiều sâu ngấu giảm và tăng chiều rộng mối hàn. Điều chỉnh tốc độ cấp dây có thể làm thay đổi điện áp của cột hồ quang: tăng tốc độ cấp dây thì điện áp cột hồ quang sẽ thấp và ng•ợc lại. 3. Tốc độ hàn. Tốc độ hàn tăng, nhiệt l•ợng hồ quang một đơn vị chiều dài của mối hàn sẽ giảm, do đó độ sâu ngấu giảm, đồng thời chiều rộng của mối hàn cũng giảm. 4. Đ•ờng kính dây hàn. Khi đ•ờng kính dây hàn tăng mà dòng điện không đổi thì chiều sâu ngấu giảm t•ơng ứng. Đ•ờng kính dây hàn giảm thì hồ quang ăn sâu hơn vào kim loại cơ bản, do đó mối hàn sẽ hẹp và chiều sâu ngấu lớn. 5. Các yếu tố công nghệ khác (độ dài phần nhô của dây hàn, loại và cực tính dòng điện hàn v.v.) Độ dài phần nhô của dây hàn tăng lên thì tác dụng nung nóng của kim loại điện cực tr•ớc khi vào vùng hồ quang tăng lên. Dây hàn cháy nhanh, đồng thời điện trở ở phần nhô tăng lên, dòng điện hàn giảm xuống, đặc biệt là khi hàn bằng dây hàn có đ•ờng kính bé hiện t•ợng này càng rõ rệt hơn. Khi hàn hồ quang tự động và bán tự động d•ớp lớp thuốc bảo vệ có thể dùng dòng điện một chiều hoặc xoay chiều. Thông th•ờng khi hàn những tấm thép dày thì dùng điện xoay chiều, còn khi hàn những tấm thép mỏng thì dùng điện một chiều để giữ đ•ợc hồ quang ổn định hơn. Với các loại thuốc hàn đang dùng hiện nay, khi đổi từ nối thuận sang nối nghịch chiều sâu ngấu sẽ tăng lên. Hàn bằng dòng xoay chiều có chiều sâu ngấu ở mức trung bình so với khi hàn 13
bằng dòng một chiều nối thuận và nối nghịch. Cỡ của hạt thuốc hàn có ảnh h•ởng nhất định đến độ ngấu của mối hàn. Thuốc hàn có cỡ hạt nhỏ sẽ làm giảm bớt tính linh hoạt của hồ quang và làm tăng chiều sâu ngấu. 2.1.3.3. Kỹ thuật hàn Khi hàn giáp mối một lớp, để tránh cháy thủng, để có độ ngấu hoàn toàn và sự tạo hình tốt ở mặt trái của mối hàn ta có thể áp dụng các biện pháp nh•: hàn lót phía d•ới, dùng đệm thép, đệm thuốc, đệm đồng, đệm gồm hoặc dùng khóa chân. Nếu chiều dày vật hàn t•ơng đối lớn, có thể hàn lót bằng các ph•ơng pháp, rồi sau đó mới hàn chính thức (H.2-5a). Trong tr•ờng hợp không thể hàn lớp lót đ•ợc, có thể dùng đệm thép cố định để có thể hàn ngấu hoàn toàn (H.2-5b). Khóa chân (H.2-5c) t•ơng tự nh• hàn với đệm thép. Khóa chân hay dùng cho mối hàn của các vật hình trụ nh• ống, bồn chứa v.v. Có thể dùng tấm đệm rời bằng đồng, hoặc đệm đồng kết hợp với thuốc nh• ở hình 2-5d. 2 1 n   3 b n 4 a) b) n    5 c) d) Hình 2-5 Biện pháp chống kim loại chảy khỏi que hàn n = (0,3 - 0,5)bn = 4   Chi tiết hàn; 2) Mối hàn; 3) Mối hàn lót; 4) Đệm thép(đồng) 5) Đệm đồng + thuốc hàn; Khi hàn hồ quang tự động hoặc bán tự động d•ới lớp thuốc bảo vệ, tốt nhất nên dùng đệm thuốc để ngăn kim loại lỏng chảy khỏi khe hở hàn. Hình 2-6 chỉ ra một số ph•ơng pháp đệm thuốc thông dụng. 14
4 3 A-A 2 1 b ) a ) C h iề u q u a y A th u ố c A Hình 2-6 Ph•ơng pháp đệm lớp thuốc hàn 1) ống đàn hồi; 2) Cơ cấu ép; 3) Thuốc hàn; 4) Vật hàn Khi hàn các liên kết chữ T và liên kết hàn góc có thể ứng dụng đệm thuốc hoặc hàn lót phía bên kia (H.2-7). Các biện pháp này áp dụng cho vị trí hàn "lòng thuyền" khi mà kim loại lỏng có khả năng chảy khỏi khe hàn. Biện pháp đặt vào khe hở hàn một tiếng átbét (amiăng) (H.2-7c) chỉ áp dụng cho hàn kim loại dày, vì sự tiếp xúc trực tiếp của átbét với kim loại lỏng th•ờng sinh ra rỗ khí. 1 1 ép 2 2 3 a) b) 1 1 1 5 6 4 c) d) e) Hình 2.7 Biện pháp chống kim loại chảy khỏi khe hở khi hàn góc ở vị trí lòng thuyền a) Mối hàn góc trên đệm thuốc; b) Hàn trên đệm thuốc đ•ợc ép vào mối nối chữ T c) Hàn mối hàn góc với miếng átbét; d) Hàn mối hàn góc sau khi đã hàn lót; e) Hàn một phía trên đệm đồng với thuốc.1. Dây hàn; 2. Thuốc hàn; 3. ống ép giữ thuốc; 4. Mối hàn lót; 5. Tấm đệm đồng; 6. Miếng átbét 15
2.2. Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi tr•ờng khí bảo vệ 2.2.1. Thực chất, đặc điểm và phạm vi ứng dụng 2.2.1.1. Thực chất và đặc điểm Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi tr•ờng khí bảo vệ là quá trình hàn nóng chảy trong đó nguồn nhiệt hàn đ•ợc cung cấp bởi hồ quang tạo ra giữa điện cực nóng chảy (dây hàn) và vật hàn: hồ quang và kim loại nóng chảy đ•ợc bảo vệ khỏi tác dụng của oxi và nitơ trong môi tr•ờng xung quanh bởi một loại khí hoặc một hỗn hợp khí. Tiếng Anh ph•ơng pháp này gọi là GMAW (Gas Metal Arc Welding). Dây hàn cơ cấu cấp dây Bép tiếp điện Nguồn điện hàn Khí bảo vệ Hồ quang Kim loại cơ bản Kim loại cơ bản Hình 2-8. Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang nóng chảy trong môi tr•ờng khí bảo vệ. Khí bảo vệ có thể là khí trơ (Ar, He hoặc hỗn hợp Ar + He) không tác dụng với kim loại lỏng trong khi hàn hoặc là các loại khí hoạt tính (CO2; CO2 + O2; CO2 + Ar, ) có tác dụng chiếm chỗ và đẩy không khí ra khỏi vùng hàn để hạn chế tác dụng xấu của nó. Khi điện cực hàn hay dây hàn đ•ợc cấp tự động vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây, còn sự dịch chuyển hồ quang dọc theo mối hàn đ•ợc thao tác bằng tay thì gọi là hồ quang bán tự động trong môi tr•ờng khí bảo vệ. Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi tr•ờng khí trơ (Ar, He) tiếng Anh gọi là ph•ơng pháp hàn MIG (Metal Inert Gas). Vì các loại khí trơ có 16
giá thành cao nên không đ•ợc ứng dụng rộng rãi, chỉ dùng để hàn kim loại mầu và thép hợp kim. Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi tr•ờng khí hoạt tính (CO2, CO2 + O2, ) tiếng Anh gọi là ph•ơng pháp hàn MAG (Metal Active Gas). Ph•ơng pháp hàn MAG sử dụng khí bảo vệ CO2 đ•ợc ứng dụng rộng rãi do có rất nhiều •u điểm: - CO2 là loại khí dễ kiếm, dễ sản xuất và giá thành thấp; Năng suất hàn trong CO2 cao, gấp hơn 2,5 lần so với hàn hồ quang tay; - Tính công nghệ của hàn trong CO2 cao hơn so với hàn hồ quang d•ới lớp thuốc vì có thể tiến hành ở mọi vị trí không gian khác nhau; - Chất l•ợng 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 h•ởng nhiệt hẹp; - Điều kiện lao động tốt hơn so với hàn hồ quang tay và trong quá trình hàn không phát sinh khí độc. 2.2.1.2. Phạm vi ứng dụng Trong nền công nghiệp hiện đại, hàn hồ quang nóng chảy trong môi tr•ờng khí bảo vệ chiếm một vị trí rất quan trọng. Nó không những có thể hàn các loại thép kết cấu thông th•ờng, mà còn có thể hàn các loại thép không gỉ, thép chịu nhiệt, thép bền nóng, các hợp kim đặc biệt, các hợp kim nhôm, magiê, niken, đồng, các hợp kim có ái lực hóa học mạnh với ôxi. Ph•ơng pháp hàn này có thể sử dụng đ•ợc ở mọi vị trí trong không gian. Chiều dày vật hàn từ 0,4  4,8 mm thì chỉ cần hàn một lớp mà không phải vát mép, từ 1,6  10mm thì hàn một lớp có vát mép, còn từ 3,2  25mm thì hàn nhiều lớp. 2.2.2. Vật liệu và thiết bị hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi tr•ờng khí bảo vệ 2.2.2.1. Vật liệu hàn 1. Dây hàn Khi hàn trong môi tr•ờng khí bảo vệ, sự hợp kim hóa kim loại mối hàn nhằm đảm bảo các tính chất yêu cầu của mối hàn đ•ợc thực hiện chủ yếu thông qua dây hàn. Do vậy, những đặc tính của quá trình công nghệ hàn phụ thuộc rất 17
nhiều vào tình trạng và chất l•ợng dây hàn. Khi hàn MAG, th•ờng sử dụng dây hàn có đ•ờng kính từ 0,8 đến 2,4mm. Sự ổn định của quá trình hàn cũng nh• chất l•ợng của liên kết hàn phụ thuộc nhiều vào tình trạng bề mặt dây hàn. Cần chú ý đến ph•ơng 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 đây có lớp mạ đông. Dây mạ đồng sẽ nâng cao chất l•ợng 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 cacbon thông dụng nh• sau: ER 70 S- X Ký hiệu điện cực hàn hoặc que hàn phụ Thành phần hóa học và khí bảo vệ Độ bền kéo nhỏ nhất ( ksi) S = Dây hàn đặc Bảng 2-2 giới thiệu một số loại dây hàn thông dụng theo AWS Một số loại dây hàn thép cacbon thông dụng Bảng 2-2 Điều kiện hàn Cơ tính Giới hạn Giới hạn Ký hiệu Độ dãn bền kéo của chảy của theo AWS Cực tính Khí bảo vệ dài liên kết kim loại mối % (min) min (psi) hàn min (psi) E70S - 2 DCEP CO2 72000 60000 22 E70S - 3 DCEP CO2 72000 60000 22 E70S - 4 DCEP CO2 72000 60000 22 E70S - 5 DCEP CO2 72000 60000 22 E70S - 6 DCEP CO2 72000 60000 22 E70S - 7 DCEP CO2 72000 60000 22 AWS Thành phần hóa học (%) 18
C Mn Si Các nguyên tố khác E70S - 2 0,6 0,40  0,70 Ti - 0,05  0,15; Zi - 0.02  0,12; Al - 0,05  0,15 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 - 0,50  0,90 E70S - 6 1,40  1,85 0,07  0,15 0,80  1,15 E70S - 7 1,50  2,00 0,07  0,15 0,50 0,80 Đối với thép hợp kim thấp th•ờng sử dụng dây hàn có ký hiệu ER - 80S - 02 với khí bảo vệ là CO2, OCEP. 2. Khí bảo vệ Khí Ar tinh khiết (~ 100%) th•ờng đ•ợc dùng để hàn kim loại mầu. Khí He tinh khiết (~ 100%) th•ờng đ•ợc dùng để hàn các liên kết có kích th•ớc 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 l•ợng riêng nhỏ hơn khí Ar nên l•u l•ợng 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 nh• lõm khuyết, bắn tóe và hình dạng mối hàn không đồng đều. CO2 đ•ợc dùng rộng rãi để hàn thép cacbon 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. Nh•ợc điểm của hàn trong khí bảo vệ CO2 là gây bắn tóe kim loại lỏng. Bảng 8-3 giới thiệu ứng dụng một số loại khí và hỗn hợp khí bảo vệ Một số loại khí bảo vệ t•ơng ứng với kim loại cơ bản Bảng 2-3 Khí bảo vệ Kim loại cơ bản Ar (He) Kim loại và hợp kim không có sắt 19
Ar + 1% O2 Thép austenit Ar + 2% O2 Thép ferit (hàn đứng từ trên xuống) Ar + 5% O2 Thép ferit (hàn tấm mỏng, hàn đứng từ trên xuống) Ar + 20% CO2 Thép ferit và austenit (hàn ở mọi vị trí) Ar + 15% CO2 + 5% O2 Thép ferit và austenit (hàn ở mọi vị trí) CO2 Thép ferit (hàn ở mọi vị trí) 2.2.2.2. Thiết bị hàn Hệ thống thiết bị cần thiết dùng cho hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi tr•ờng khí bảo vệ bao gồm nguồn điện hàn, cơ cấu cấp dây hàn tự động, mỏ hàn hay súng hàn đi cùng các đ•ờng ống dẫn khí, dẫn dây hàn và cáp điện, chai chứa khí bảo vệ kèm theo bộ đồng hồ, l•u l•ợng kế và van khí. Nguồn điện hàn thông th•ờng 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 l•u chu kỳ phân cực nghịch làm cho hồ quang không ổn định. Đặc tính ngoài của nguồn điện hàn thông th•ờng là đặc tính cứng (điện áp không đổi). Điều này đ•ợc dùng với tốc độ cấp dây hàn không đổi, cho phép điều chỉnh tự động chiều dài hồ quang. Mỏ hàn (súng hàn) bao gồm pép tiếp điện để dẫn dòng điện hàn đến dây hàn, đ•ờng dẫn khí và chụp khí để h•ớng dòng khí bảo vệ bao quanh vùng hồ quang, bộ phận làm nguội có thể bằng khí hoặc n•ớc tuần hoàn, công tắc đóng ngắt đồng bộ dòng điện hàn, dây hàn và dòng khí bảo vệ . 2.2.3. Công nghệ hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi tr•ờng khí bảo vệ. 2.2.3.1. Chuẩn bị liên kết tr•ớc khi hàn Các yêu cầu về hình dáng, kích th•ớc, bề mặt liên kết trong ph•ơng pháp hàn hồ quang nóng chảy trong môi tr•ờng khí bảo vệ t•ơng tự nh• ở các ph•ơng pháp hàn khác. Tuy nhiên, do đ•ờng kính của dây hàn nhỏ hơn so với hàn d•ới lớp thuốc bảo vệ nên góc vát mép sẽ nhỏ hơn (th•ờng khoảng 45  600), do dây hàn có khả năng đ•a sâu vào trong rãnh hàn. 2.2.3.2. Các dạng truyền kim loại lỏng vào vũng hàn 20
1. Truyền kim loại dạng cầu. Giọt kim loại hình thành chậm trên điện cực và l•u lại ở đây lâu. Nếu kích th•ớc giọt kim loại lỏng đủ lớn, nó sẽ chuyển vào vùng hàn theo các h•ớng khác nhau (đồng trục hoặc lệch trục dây hàn) do trọng lực hoặc do sự đoản mạch. Kích th•ớc giọt kim loại lỏng dạng cầu phụ thuộc vào loại khí sử dụng vào vật liệu và kích th•ớc điện cực, điện áp hồ quang, c•ờng độ dòng điện và cực tính. Khi điện áp hồ quang và kích th•ớc điện cực tăng thì đ•ờng kính giọt tăng, còn khi c•ờng độ dòng điện tăng sẽ làm giảm đ•ờng kính giọt. Quá trình hàn với sự truyền kim loại dạng cầu đ•ợc ứng dụng chủ yếu cho các liên kết ở vị trí hàn bằng. 2. Truyền kim loại dạng phun. ở dạng này kim loại đi qua hồ quang ở dạng các giọt rất nhỏ đ•ợc định h•ớng đồng trục. Đ•ờng kính giọt kim loại bằng hoặc nhỏ hơn đ•ờng kính điện cực. Hàn hồ quang kiểu phun rất thích hợp để hàn các chi tiết t•ơng đối dày với dòng điện cao và hàn ở vị trí hàn đứng từ trên xuống. 3. Truyền kim loại dạng ngắn mạch hoặc nhỏ giọt. Kỹ thuật hàn hồ quang ngắn mạch hoặc nhỏ giọt thích hợp khi hàn các tấm mỏng ở các vị trí hàn khác nhau. Kỹ thuật hàn truyền kim loại dạng nhỏ giọt sử dụng dây hàn đ•ờng kính nhỏ (0,8  1,6mm), điện áp hồ quang thấp (16  22V), dòng điện thấp (60 180A). Kỹ thuật hàn này ít gây bắn tóe giọt kim loại lỏng. 2.2.3.3. Chế độ hàn 1. Dòng điện hàn. Dòng điện hàn đ•ợc chọn phụ thuộc vào kích th•ớc điện cực (dây hàn) dạng truyền 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 ng•ợc lại. 2. Điện áp hàn. Đây là thông số rất quan trọng trong hàn GMAW, quyết định dạng truyền kim loại lỏng. Điện áp hàn sử dụng phụ thuộc vào chiều dày 21
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 đ•ợc 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 đ•ờng hàn để chọn giá trị điện áp thích hợp. 3. 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 th•ớc 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 đ•ờng hàn. 4. Phần nhô của điện cực hàn. Đó là khoảng cách giữa đầu điện cực và mép pép tiếp điện. Khi tăng chiều dài phần nhô, nhiệt nung nóng đoạn dây hàn này sẽ tăng, dẫn tới làm giảm c•ờng độ dòng diện 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 thể làm tăng sự biến thiên dòng điện một cách rõ rệt. Chiều dài phần nhô quá lớn sẽ làm d• 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 h•ởng. 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. 2.2.3.4. Kỹ thuật hàn Khi hàn một phía, cần phải có đệm lót thích hợp ở d•ới đ•ờng hàn. Đôi khi có thể thực hiện đ•ờng hàn chân (hàn lót) bằng kỹ thuật ngắn mạch để có độ ngấu đồng đều, sau đó các lớp tiếp theo đ•ợc thực hiện bằng kỹ thuật truyền kiểu phun với dòng điện cao. Cũng nh• với mọi ph•ơng pháp hàn hồ quang khác, góc độ và vị trí mỏ hàn và điện cực với đ•ờng hàn có ảnh h•ởng rõ rệt tới độ ngấu và hình dạng mối hàn. Góc mỏ hàn th•ờng nghiêng khoảng 10  20o so với chiều thẳng đứng. Độ nghiêng của mỏ hàn hoặc vật hàn quyết định hình dạng của mối hàn. Kỹ thuật giữ mỏ hàn vuông góc th•ờng dùng chủ yếu trong hàn SAW; không nên dùng trong hàn GMAW, do chụp khí làm hạn chế tầm nhìn của thợ hàn. Các bảng 3-4, 3-5, 3-6 giới thiệu các thông số và một số chế độ hàn trong môi tr•ờng khí bảo vệ CO2. 22
Chế độ hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi tr•ờng khí bảo vệ CO2 (điện một chiều, cực nghịch). Bảng 3-4 Đ•ờng kính dây hàn (mm) Thông số hàn 0,5 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 2,0 2,5 Dòng hàn 100- 120- 200- 250- 30-100 50-150 60-180 90-140 (A) 500 550 600 700 Điện áp hồ quang 18-20 18-22 18-24 18-42 18-45 19-46 23-40 24-42 (V) Tầm với điện cực 6-10 8-12 8-14 10-40 10-45 15-50 15-60 17-75 (mm) 23
Chế độ hàn tự động và bán tự động liên kết hàn góc trong môi tr•ờng khí bảo CO2 Bảng 3-5 Đ•ờng Chiều Cạnh Dòng Tầm kính Số lớp Điện Tốc độ Tiêu dày mối hàn điện với dây hàn áp hàn hàn hao khí tấm góc hàn điện hàn (mm) U (V) (m/h) (l/ph) (mm) (mm) I (A) h cực (mm) A 1-1,3 0,5 1,0-1,2 1 50-60 18-20 18-20 8-10 5-6 1-1,3 0,6 1,2-2,0 1 60-70 18-20 18-20 8-10 5-6 1,5-2,0 0,8 1,2-3,0 1 60-120 18-20 16-20 8-12 6-8 1,5-3,0 1,0 1,5-3,0 1 75-150 18-20 16-20 8-12 8-10 1,5-4,0 1,2 2,0-4,0 1 90-180 20-20 14-20 10-15 8-10 3,0-4,0 1,4 5,0-6,0 1 150-250 21-28 20-28 16-22 12-14 5,0-6,0 1,6 5,0-6,0 1 230-360 26-35 26-35 16-25 16-18 5,0-5,0 2,0 7,0-9,0 1 250-380 27-36 28-36 20-30 16-18 Không 2,0 5,0-6,0 1 320-380 30-25 20-25 20-30 18-20 nhỏ hơn 2,0 9,0-11,0 2 320-380 30-28 24-28 20-30 18-20 cạnh mối 2,0 11,0-13,0 3 320-380 30-28 24-28 20-35 18-20 hàn 2,0 13,0-15,0 4 320-380 30-28 4-28 20-30 18-20 Chế độ hàn tự động liên kết hàn giáp mối trong môi tr•ờng khí bảo vệ CO2 Bảng 3-6 Chiều Số lớp Đ•ờng Tiêu hao Khe hở U ) dày tấm hàn kính dây I (A) h V (m/h) khí hàn (mm) h (V) h (mm) (mm) hàn (mm) (l/ph) 0,6-1,0 1 0,5-0,8 0,5-0,8 50-60 18-20 20-30 6-7 1,2-2,0 1-2 0,8-1,0 0,8-1,0 70-120 18-21 18-25 10-12 3-5 1-2 1,6-2,2 1,4-2,0 280-320 22-39 20-25 14-16 6-8 1-2 1,8-2,2 2,0 280-380 28-35 18-24 16-18 8-12 2-3 1,8-2,2 2,5 280-450 27-35 16-30 18-20 24
2.3 Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi tr•ờng khí trơ 2.3.1. Thực chất, đặc điểm và phạm vi ứng dụng Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi tr•ờng khí trơ (GTAW) là quá trình hàn nóng chảy, trong đó nguồn nhiệt điện cung cấp bởi hồ quang đ•ợc tạo thành giữa điện cực không nóng chảy và vũng hàn (H.2-9). Vùng hồ quang đ•ợc bảo vệ bằng môi tr•ờng khí trơ (Ar, He hoặc Ar + He) để ngăn cản những tác động có hại của oxi và nitơ trong không khí. Điện cực không nóng chảy th•ờng dùng là volfram, nên ph•ơng pháp hàn này tiếng Anh gọi là hàn TIG (Tungsten Inert Gas). Vùng hồ quang đ•ợc chỉ ra trên hình 2-10. Hồ quang trong hàn TIG có nhiệt độ rất cao có thể đạt tới hơn 61000C. Kim loại mối hàn có thể tạo thành chỉ từ kim loại cơ bản khi hàn những chi tiết mỏng với liên kết gấp mép, hoặc đ•ợc bổ sung từ que hàn phụ. Toàn bộ vũng hàn đ•ợc bao bọc bởi khí trơ thổi ra từ chụp khí. Ph•ơng pháp này có một số •u điểm đáng chú ý: - Tạo mối hàn có chất l•ợng cao đối với hầu hết kim loại và hợp kim. - Mối hàn không phải làm sạch sau khi hàn Bộ phận tiếp điện Nguồn điện hàn Khí Ar hoặc He Điện cực không nóng chảy Que hàn phụ Hồ quang Kim loại cơ bản Kim loại cơ bản Hình 2-9. Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi tr•ờng khí trơ (GTAW / TIG). 25
Dây hàn Dòng điện Khí bảo vệ Hồ quang hàn Đ•ờng khí bảo vệ Que hàn phụ Bộ phận tiếp điện Vũng hàn Kim loại mối hàn Kim loại cơ bản Hình 2-10 Vùng hồ quang và vũng hàn - Hồ quang và vũng hàn có thể quan sát đ•ợc trong khi hàn. - Không có kim loại bắn tóe. - Có thể hàn ở mọi vị trí trong không gian. - Nhiệt tập trung cho phép tăng tốc độ hàn, giảm biến dạng của liên kết hàn. Ph•ơng pháp hàn TIG đ•ợc 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 Ph•ơng pháp hàn này thông th•ờng đ•ợc thao tác bằng tay và có thể tự động hóa hai khâu di chuyển hồ quang cũng nh• cấp dây hàn phụ. 2.3.2. Vật liệu và thiết bị hàn TIG 2.3.2.1. Vật liệu Vật liệu sử dụng trong ph•ơng pháp hàn TIG bao gồm khí bảo vệ, điện cực volfram, và que hàn phụ. 1. Khí bảo vệ - khí trơ Ar là khí đ•ợc điều chế từ khí quyển bằng ph•ơng pháp hóa lỏng không khí và tinh chế đến độ tinh khiết 99,99%. Khí này đ•ợc cung cấp trong các bình d•ới áp suất cao hoặc ở dạng lỏng với nhiệt độ d•ới -1840C trong các thùng chứa lớn. He có trọng l•ợng riêng bằng khoảng 1/10 so với Ar đ•ợc lấy từ khí tự nhiên, th•ờng đ•ợc chứa trong các bình d•ới áp suất cao. 26
Sau khi ra khỏi chụp khí ở mỏ hàn, Ar tạo thành lớp bảo vệ phía trên vùng hàn. Do nhẹ hơn, He có xu h•ớng dân lên tạo thành cuộn xoáy xung quanh hồ quang. Để bảo vệ hiệu quả, l•u l•ợng He phải gấp 2-3 lần so với Ar. Đặc tính quan trọng khác của He là đòi hỏi điện áp hồ quang cao hơn với cùng chiều dài hồ quang và dòng điện so với Ar. Hồ quang He nóng hơn so với Ar ; He th•ờng dùng để hàn các vật liệu có chiều dày lớn, có độ dẫn nhiệt cao (nh• Cu) hoặc nhiệt độ nóng chảy cao. Điểm khác biệt nữa là Ar cho tính ổn định hồ quang nh• nhau đối với dòng điện xoay chiều (AC) và một chiều (DC), và có tác dụng làm sạch tốt với dòng AC. Trong lúc đó He tạo hồ quang ổn định với dòng điện DC, nh•ng tính ổn định hồ quang và tác dụng làm sạch với dòng AC t•ơng đối thấp. Do đó khi cần hàn Al, Mg bằng dòng AC thì nên dùng Ar. Các hỗn hợp Ar và He với hàm l•ợng He đến 75% đ•ợc sử dụng khi cần sự cân bằng giữa các đặc tính của hai loại khí này. Có thể bổ sung H2 và Ar khi hàn các hợp kim Ni, Ni - Cu, thép không gỉ. 2. Điện cực wolfram Wolfram đ•ợc dùng làm điện cực do có tính chịu nhiệt cao (nhiệt độ nóng chảy là 34100C), phát xạ điện tử t•ơng đối tốt, làm ion hóa hồ quang và duy trì tính ổn định hồ quang. Wolfram có tính chống oxi hóa hồ quang. Bảng 7-7 giới thiệu thành phần hóa học của một số loại điện cực Wolfram theo tiêu chuẩn AWS A5.12- 80. Thành phần hóa học của một số loại điện cực Wolfram Bảng 2-7 Tiêu chuẩn W (min) Th Zz Tổng tạp chất AWS % (%) (%) (max)% EWP 99,5 - - 0,5 EWTh - 1 98,5 0,8-1,2 - 0,5 EWTh -2 97,5 1,7-2,2 - 0,5 EWTh 3 98,95 0,35-0,55 - 0,5 EWZr 99,2 - 0,15 - 0,40 0,5 27
Các điện cực wolfram có đ•ờng kính 0,25  6,4 mm với chiều dài 76  610 mm. Các điện cực wolfram có thêm thori (Th) có tính phát xạ điện tử, dẫn điện và chống nhiễm bẩn tốt, mồi hồ quang tốt hơn và hồ quang ổn định hơn. Các điện cực wolfram có thêm zircon (Zr) có các tính chất trung gian giữa điện cực W và điện cực W - Th. Bảng 7-8 chỉ ra một số đặc điểm nhận diện của loại điện cực theo tiêu chuẩn AWS. Bảng 7-8 Màu nhận diện một số loại điện cực thông dụng Ký hiệu Thành phần Màu nhận diện EWP Wolfram tinh khiết Xanh lá cây EWCe-2 97,3%W, 2% oxit ceri Da cam EWLa - 1 98,3%W, 1 % oxit latnan Đen EWTh - 1 98,3%W, 1 % oxi thôri Vàng EWTh - 2 97,3%W, 2 % oxi thôri Đỏ EWZa - 1 99,1%W, 0,25% oxit zircon Nâu EWG 94,5%W Xám Một số yêu cầu khi sử dụng điện cực wolfram: - Cần chọn dòng điện thích hợp với kích cỡ điện cực đ•ợc sử dụng. Dòng điện quá cao sẽ làm hỏng đầu điện cực, dòng điện quá thấp sẽ gây ra sự ăn mòn, nhiệt độ thấp và hồ quang không ổn định. - Đầu điện cực phải đ•ợc mài hợp lý theo các h•ớng dẫn kèm theo điện cực. - Điện cực phải sử dụng và bảo quản cẩn thận tránh nhiễm bẩn. - Dòng khí bảo vệ phải đ•ợc duy trì không chỉ tr•ớc và trong khi hàn mà cả sau khi ngắt hồ quang cho đến khi điện cực nguội. - Phần nhô điện cực ở phía ngoài mỏ hàn (chụp khí) phải đ•ợc giữ ở mức ngắn nhất, tùy theo ứng dụng và thiết bị, để bảo đảm đ•ợc bảo vệ tốt bằng dòng khí trơ. - Cần tránh sự nhiễm bẩn điện cực, sự tiếp xúc giữa điện cực nóng với kim 28
loại mối hàn. - Thiết bị, đặc biệt là chụp khí, phải đ•ợc bảo vệ và làm sạch. Đầu chụp khí bị bẩn sẽ ảnh h•ởng tới khí bảo vệ, ảnh h•ởng tới hồ quang hàn, do đó làm giảm chất l•ợng mối hàn. 3. Que hàn phụ. Que hàn phụ có các kích th•ớc tiêu chuẩn ISO/R564 nh• sau: chiều dài từ 500mm 100mm với đ•ờng kính 1,2; 1,6; 2,0; 2,4; 3,2mm. Các loại que hàn phụ gồm có: Đồng và hợp kim đồng, thép không gỉ Cr cao và Cr - Ni; nhôm và hợp kim nhôm; thép cácbon thấp, thép hợp kim thấp v.v 2.2. Thiết bị dùng cho hàn TIG Thiết bị dùng cho hàn TIC có các bộ phận chính sau : - Nguồn điện hàn, bao gồm cả hệ thống điều khiển khí bảo vệ, n•ớc làm mát, dòng điện và điện áp hàn. - Mỏ hàn. - Chai chứa khí trơ và van điều khiển l•u l•ợng khí. Mỏ hàn TIG. Chức năng của mỏ hàn TIG là dẫn dòng điện và khí trơ vào vùng hàn. Điện cực wolfram dẫn điện đ•ợc giữ chắc chắn trong mỏ hàn bằng đai giữ với các vít lắp bên trong thân mỏ hàn (H.2-11). Các đai này có kích th•ớc phù hợp với đ•ờng kính điện cực. Khí đ•ợc cung cấp vào vùng hàn qua chụp khí. Chụp khí có ren đ•ợc lắp vào đầu mỏ hàn, để h•ớng và phân phối dòng khí bảo vệ. Mỏ hàn có các kích th•ớc và hình dáng khác nhau phù hợp với từng công việc hàn cụ thể. Mỏ hàn TIG đ•ợc phân làm 2 loại theo cơ cấu làm mát: - Mỏ hàn làm mát bằng khí - t•ơng ứng với c•ờng độ dòng điện hàn nhỏ hơn 120A. - Mỏ hàn làm mát bằng n•ớc - t•ơng ứng với c•ờng độ dòng điện lớn hơn 120A. 29
Nắp bảo vệ Công tắc Que hàn phụ Cán Bộ phận làm mát Hình 2-11. Cấu tạo mỏ hàn TIC Nguồn điện hàn. Nguồn điện hàn cung cấp dòng hàn một chiều hoặc xoay chiều, hoặc cả hai. Tùy ứng dụng, nó có thể là biến áp, chỉnh l•u, máy phát điện hàn. Nguồn điện hàn cần có đ•ờng đặc tính ngoài dốc (giống nh• cho hàn hồ quang tay). Để tăng tốc độ ổn định hồ quang, điện áp không tải khoảng 70 - 80V. Bộ phận điều khiển th•ờng đ•ợc bố trí chung với nguồn điện hàn và bao gồm bộ contactơ đóng ngắt dòng hàn, bộ gây hồ quang tần số cao, bộ điều khiển tuần hoàn n•ớc làm mát (nếu có) với hệ thống cánh tản nhiệt và quạt làm mát, bộ khống chế thành phần dòng một chiều (với máy hàn xoay chiều / một chiều). 1. Nguồn điện hàn xoay chiều thích hợp cho hàn nhôm, manhê và hợp kim của chúng. Khi hàn, nửa chu kỳ d•ơng (của điện cực) có tác dụng bắn phá lớp màng ôxit trên bề mặt và làm sạch bề mặt đó. Nửa chu kỳ âm nung kim loại cơ bản. Hiện nay có hai loại nguồn xoay chiều chính dùng cho hàn bằng điện cực không nóng chảy trong môi tr•ờng khí bảo vệ. Loại nguồn xoay chiều thứ nhất có dòng hàn dạng sóng hình sin, điều khiển dòng hàn bằng cảm kháng bão hòa (cổ điển). Nó có •u điểm là hồ quang cháy êm. Nh•ợc điểm là phải th•ờng xuyên gián đoạn công việc hàn khi cần thay đổi c•ờng độ dòng hàn do có nhu cầu giảm dòng hàn xuống tối thiểu khi hàn để vũng hàn kết tinh chậm (không có điều khiển từ xa). Với hàn nhôm, do có hiện t•ợng tự chỉnh l•u của hồ quang đặc biệt khi hàn dòng nhỏ nên cần dùng 30
kèm bộ cản thành phần dòng một chiều (mắc nối tiếp bộ ắc quy có điện dung lớn, bộ tụ điện có điện dung lớn) nh•ng lại có thể gây lẫn W nào mối hàn. Vì khi điện cực ở cực d•ơng để khử màng ôxit nhôm, thì nó có thể bị nung nóng quá mức nếu bộ cảm kháng bão hòa không đ•ợc thiết kế thích hợp để hạn chế biên độ tối đa dòng hàn xoay chiều, làm nó bị xói mòn thành các vụn nhỏ dịch chuyển vào vũng hàn). Phải sử dụng bộ cao tần (công suất nhỏ 250 - 300W, điện áp 2 - 3kV, tần số cao 250 - 1000 kHz bảo đảm dòng điện này chỉ có tác dụng trên bề mặt, an toàn với thợ hàn) để gây hồ quang không tiếp xúc (khoảng 3mm) và tạo ổn định hồ quang trong suốt quá trình hàn. Loại nguồn xoay chiều thứ hai có dòng hàn dạng sóng vuông cho phép giảm biên độ tối đa của dòng hàn so với dạng sóng hình sin (khoảng 30%) có cùng công suất nhiệt. Do đó ít có khả năng làm lẫn W vào mối hàn. Một số máy hàn còn cho phép điều chỉnh đ•ợc thời gian tác động của từng bán chu kỳ của dạng sóng vuông, do đó có thể làm sạch oxit nhôm hoặc đạt tới chiều sâu chảy nh• mong muốn. Một lợi thế nữa là nó có thể duy trì đ•ợc hồ quang mà không cần tiếp tục sử dụng bộ ổn định hồ quang tần số cao (chỉ cần để gây hồ quang) vì tần số đổi chiều của dòng điện hàn là cao hơn nhiều so với dòng hàn dạng sóng hình sin. 2. Nguồn điện hàn một chiều không gây ra vấn đề lẫn W vào mối hàn hay hiện t•ợng tự nắn dòng (nh• khi hàn nhôm bằng nguồn hàn xoay chiều). Tuy nhiên, điều quan trọng cần l•u ý khi sử dụng nó là việc gây hồ quang và khả năng cho dòng hàn sẽ tối thiểu. Hầu hết máy một chiều đều sử dụng ph•ơng pháp nối thuận (nên 2/3 l•ợng nhiệt của hồ quang đi vào vật hàn). Điện cực W tinh khiết nh• trong tr•ờng hợp máy xoay chiều ít đ•ợc dùng để hàn một chiều cực thuận vì khó gây hồ quang. Thay vào đó là điện cực W + 1,5 đến 2% ThO2 hoặc ZrO2 hoặc oxit đất hiếm LaO, v.v Nếu dùng dòng một chiều nối nghịch thì dòng điện tử sẽ bắn phá mạnh điện cực (2/3 l•ợng nhiệt của hồ quang đi vào điện cực) và có khả năng làm nóng chảy đầu điện cực. Vì vậy đ•ờng kính điện cực phải lớn hơn so với hàn tr•ờng hợp bằng dòng một chiều nối thuận (6,4 mm so với 1,6 mm khi I = 125A). Dòng một chiều nối nghịch cho mối hàn nông và rộng hơn so với thuận. Công dụng chủ yếu của dòng một chiều nối nghịch là 31
dùng để làm tròn đầu điện cực cho hàn bằng máy xoay chiều (thực hiện bên trên bề mặt tấm đồng để tránh nhiễm W vào vật hàn). Việc gây hồ quang cũng dùng cùng bộ cao tần nh• với máy xoay chiều (sau khi đã gây đ•ợc hồ quang, nó tự cắt chế độ tần số cao vì không cần nữa). Các nguồn điện TIG thông dụng ở Việt Nam là máy hàn TG 160 của hãng WIM (Maysia), máy hàn Kepmi 2500 của hãng Kempi (Phần Lan). 3. Công nghệ hàn TIG 3.1. Chuẩn bị tr•ớc khi hàn. Công việc chuẩn bị tr•ớc khi bao gồm: - Xác định dạng liên kết; - Lót đáy mối hàn (nếu có); - Kiểm tra thiết bị; - Chuẩn bị khí bảo vệ, que hàn phụ 1. Dạng liên kết Các dạng liên kết cơ bản trong hàn TIG là liên kết giáp mối, liên kết chồng, liên kết góc, liên kết cùng mép và liên kết chữ T (H.2-12). Các chi tiết hàn cần phải đ•ợc làm sạch bề mặt bằng ph•ơng pháp cơ học hoặc hóa chất. Làm sạch về mỗi bên mối hàn từ 30 đến 50 mm. Sau khi vát mép (nếu có) và gá lắp có thể thực hiện các mối hàn đính. Kích th•ớc và số l•ợng mối hàn đính phụ thuộc vào chiều dày và các kích th•ớc khác của chi tiết hàn. 32
Hình 2-12. Các dạng liên kết hàn Liên kết hàn Đặc điểm 1.Liên kết hàn giáp mối - Liên kết hàn giáp mối không vát mép (A) là dạng liên kết thông dụng và dễ chuẩn bị nhất. Chủ yếu đối với chiều dày a) tấm  Vát mép chữ X 12mm. Góc vát = 600 - 700. 2 - Liên kết hàn chồng - Loại liên kết này loại bỏ hoàn toàn nhu cầu chuẩn bị mép hàn. Tuy nhiên cần chú ý để các tấm tiếp xúc với nhau trên toàn bộ chiều dài phần chồng. - Th•ờng sử dụng khi hàn các tấm có chiều dày  6mm. - Có thể hàn với que hàn phụ hoặc không có que hàn phụ.  3. Liên kết hàn góc Liên kết hàn góc th•ờng đ•ợc sử dụng trong chế tạo các kết cấu dạng hộp, thùng chứa. a) - Loại (A) dùng cho chiều dày tấm nhỏ hơn 3 mm và không cần dùng que hàn phụ. b) - Loại (B) dùng các tấm dày hơn 3mm và sử dụng que hàn phụ. - Loại (C) dùng cho tấm dày và th•ờng có góc vát mép = ~ 500 và chiều cao phần không vát là c = 1 3mm. 33
c) c 4. Liên kết hàn chữ T - Loại liên kết hàn chữ T cần phải sử dụng que hàn phụ. - Số lớp hàn phụ thuộc vào chiều dày tấm và kích th•ớc cần có của mối hàn. 5. Liên kết hàn cùng mép - Loại liên kết này chỉ dùng khi hàn các tấm mỏng và không sử dụng que hàn phụ. - Không thích hợp với mối hàn chịu kéo hay chịu uốn. - Các mép hàn phải tiếp xúc đều dọc theo đ•ờng hàn. 2. Lót đáy mối hàn (H.2-13) Tấm lót đáy có tác dụng bảo vệ mặt sau của mối hàn tấm mỏng tránh khỏi những ảnh h•ởng có hại của không khí và ngăn kim loại lỏng chảy tấm lót đáy sụt khỏi mối hàn (có tác dụng đỡ vũng hàn). - Có thể lót đáy bằng tấm kim loại, sử tấm lót đáy Thuốc hàn (khí trơ) dụng đệm thuốc hàn hoặc đ•a khí trơ vào bề mặt d•ới của mối hàn, hoặc Hình 2-13. Dạng lót đáy mối hàn phối hợp cả hai ph•ơng pháp trên. 3. Kiểm tra thiết bị tr•ớc khi hàn 34
- Kiểm tra độ kín của hệ thống cung cấp khí và tình trạng hoạt động của van khí. - Kiểm tra c•ờng độ dòng điện hàn và l•u l•ợng khí bảo vệ đã đặt. - Chọn kích cỡ chụp khí, đ•ờng kính và góc vát đầu điện cực hàn thích hợp. - Kiểm tra l•u l•ợng n•ớc làm mát mỏ hàn (nếu có). - Kiểm tra việc đấu điện nh•: chất l•ợng tiếp xúc điện và cực tính. 3.2. Chế độ hàn TIG Chế độ hàn TIG gồm bộ thông số công nghệ sau: - C•ờng độ dòng điện hàn. - Thời gian tăng c•ờng độ dòng điện hàn lên giá trị đã chọn. - Thời gian giảm c•ờng độ dòng điện hàn đến khi tắt hồ quang với mục đích tránh lõm cuối đ•ờng hàn. -Tốc độ hàn. - Đ•ờng kính điện cực W, que hàn (dây hàn) phụ. - L•u l•ợng khí bảo vệ và kích cỡ chụp khí. - Thời gian mở và đóng khí bảo vệ tr•ớc khi gây hồ quang và tắt hồ quang. Dòng điện hàn Ih B C O A D E thời gian mở khí bảo vệ Thời gian ổn định thời gian duy trì khí bảo truớc khi gây hồ quang cuờng độ dòng hàn vệ sau khi tắt hồ quang Thời gian giảm Thời gian tăng dòng cuờng độ dòng hàn hàn lên giá trị làm việc Hình 2-14. Chu trình cơ bản của hàn TIG 35
Hàn TIG bằng xung điện Đây là ph•ơng pháp hàn TIG cải tiến, sử dụng dòng điện hàn một chiều (DC) có chu trình gián đoạn ở dạng xung (H2-15). Giá trị của c•ờng độ dòng điện hàn lần l•ợt thay đổi giữa hai mức cao và thấp với khoảng thời gian nhất định lặp đi lặp lại trong suốt quá trình hàn. Chu kỳ và biên độ của hai mức dòng điện này có thể thay đổi một cách độc lập để phù hợp với từng chu trình hàn cụ thể. Sự nóng chảy xảy ra khi c•ờng độ dòng điện ở mức cao (đỉnh), vũng hàn kết tinh c•ờng độ dòng điện ở mức thấp (chân). Điều này tạo ra sự nóng chảy gián đoạn dọc theo đ•ờng hàn và dãy các điểm nóng chảy xếp chồng lên nhau. Quy trình hàn thích hợp khi tự động hóa quá trình hàn TIG ở mọi vị trí cho các mối ghép theo chu vi thực hiện trên các ống thành mỏng. Nó có một số đặc điểm nổi bật là: - Không đòi hỏi chặt chẽ về dung sai gá lắp nh• khi hàn không có xung. - Cho phép hàn các tấm mỏng d•ới 1 mm. I Mức dòng điện đỉnh Mức dòng điện chân Mức dòng thấp nhất O Thời gian đạt Thời gian đạt cuờng độ cuờng độ dòng chân dòng đỉnh thời gian mở khí bảo vệ thời gian duy trì khí bảo truớc khi gây hồ quang vệ sau khi tắt hồ quang Hình 2-15. Chu trình hàn TIC bằng dòng điện hàn xung. - Giảm biến dạng do khống chế đ•ợc công suất nhiệt (giảm sự tích lũy nhiệt). - Dễ hàn ở mọi t• thế. 36
- Không đòi hỏi trình độ tay nghề của thợ hàn thật cao. - Chất l•ợng mối hàn đ•ợc cải thiện đáng kể. - Thích hợp cho cơ khí hóa, tự động hóa quá trình hàn. - Thích hợp khi hàn các chi tiết quan trọng nh• đ•ờng hàn lót mối hàn ống nhiều lớp, hàn các chi tiết chiều dày không đồng nhất, hàn các kim loại khác nhau. - Lực điện từ mạnh của các xung điện cho phép hạn chế rỗ xốp trong các mối hàn và tăng chiều sâu ngấu. Hàn thép không gỉ Ph•ơng pháp hàn TIG rất thích hợp cho hàn các loại thép không gỉ. Do đ•ợc bảo vệ tốt, tránh đ•ợc các tác nhân có hại của môi tr•ờng không khí nên mối hàn không chứa các tạp chất phi kim loại. Bảng 2-9 đ•a ra một số chế độ hàn th•ờng sử dụng. Hàn nhôm Khi hàn nhôm phải sử dụng dòng điện xoay chiều (AC) do nó có thể kết hợp tốt khả năng dẫn điện, tính điều khiển hồ quang và tác dụng làm sạch của hồ quang. Nguồn điện hàn th•ờng là biến áp hàn một pha với điện áp không tải 80  100V. Các loại điện cực thích hợp là loại W và W - Zr. Đầu điện cực phải có hình bán cầu. Bảng 2-10 là một số chế độ hàn th•ờng sử dụng. 2.3.3.3. Kỹ thuật hàn TIG Kỹ thuật hàn bao gồm việc gây và kết thúc hồ quang, thao tác mỏ hàn và dây hàn phụ ở các t• thế hàn khác nhau. 1. Gây hồ quang Có hai cách gây hồ quang: bằng cao tần (không tiếp xúc) và tiếp xúc (TIG quẹt). a. Gây hồ quang không tiếp xúc - Bật dòng điện hàn; giữ mỏ hàn ở t• thế nằm ngang cách bề mặt vật hàn khoảng 50mm. 37
- Quay nhanh đầu điện cực trên mỏ hàn về phía vật hàn cho tới khoảng cách chừng 3mm, tạo thành góc khoảng 750, hồ quang sẽ tự hình thành do hoạt động của bộ gây hồ quang tần số và điện áp cao có sẵn trong thiết bị. b. Gây hồ quang tiếp xúc Khi hàn bằng dòng một chiều, đặc biệt khi hàn trong khu vực ma tần số cao dễ gây nhiễu cho các thiết bị điện tử nhạy cảm thì có thể gây hồ quang bằng cách cho tiếp xúc trực tiếp nhanh với bề mặt hàn hoặc tấm mồi hồ quang (không đ•ợc làm bằng graphit). Bộ phận điều khiển tự động trong thiết bị hàn sẽ tăng dần dòng điện từ lúc bắt đầu có hồ quang lên giá trị dòng điện hàn đã chọn. 2. Kết thúc hồ quang Chuyển nhanh điện cực về t• thế nằm ngang Chú ý. Thiết bị hàn cũng có thể đ•ợc trang bị bộ phận điều khiển (bằng tay hoặc chân) để gây hồ quang, để thay đổi c•ờng độ dòng điện hàn và kết thúc hồ quang mà không cần thông qua chuyển động của mỏ hàn. Trong hàn TIG hồ quang bị thổi lệch có thể là do: - Từ tr•ờng, - Đầu điện cực bị nhiễm cacbon, - Mật độ dòng điện hàn thấp, - Luồng không khí bên ngoài thổi. Để khắc phục hiện t•ợng thổi lệch hồ quang, ta có thể dùng các kỹ thuật nh• khi hàn hồ quang tay hoặc che chắn gió lùa (nếu có), v.v 3. Hàn mối hàn giáp mối - Sau khi gây hồ quang, giữ mỏ hàn ở góc 750 so với bề mặt vật hàn. - Nung điểm bắt đầu hàn bằng cách cho mỏ hàn xoay tròn cho đến khi thấy xuất hiện vũng hàn. Đầu của điện cực cần đ•ợc giữ ở khoảng cách 3mm so với bề mặt vật hàn. - Khi quan sát thấy vũng hàn sáng và lỏng, thì dịch chuyển chậm và đều mỏ hàn với tốc độ đủ tạo mối hàn có chiều rộng cần thiết. Tr•ờng hợp không sử dụng dây hàn phụ thì không cần dao động ngang mỏ hàn khi dịch chuyển theo chiều dài mối hàn. 38
- Khi sử dụng dây hàn phụ, dây hàn đ•ợc giữ ở góc 150 so với bề mặt vật hàn, tạo với trục mỏ hàn một góc gần 900 và cách điểm bắt đầu hàn khoảng 25mm. Tr•ớc hết nung điểm khởi đầu để tạo vũng hàn giống nh• khi hàn không có dây hàn phụ. Khi vũng hàn sáng và lỏng, dịch chuyển hồ quang về mép sau vũng hàn và bổ sung kim loại dây hàn bằng cách chạm nhanh đầu dây hàn vào mép tr•ớc vũng hàn. Rút que hàn phụ lại và đ•a hồ quang quay trở về mép tr•ớc của vũng hàn. Khi vũng hàn trở lại sáng và lỏng, ta lại lặp lại các b•ớc nêu trên trên toàn bộ chiều dài mối hàn. Tốc độ hàn và l•ợng dây hàn đ•ợc bổ sung phụ thuộc vào chiều rộng và chiều cao cần thiết của mối hàn. Để thực hiện mối hàn trên bề mặt thẳng đứng, mỏ hàn đ•ợc giữ gần nh• vuông góc với bề mặt vật hàn. Hàn th•ờng đ•ợc tiến hành từ d•ới lên trên. Khi sử dụng dây hàn phụ, th•ờng nó đ•ợc đ•a vào giống nh• mô tả ở trên. 4. Hàn mối hàn góc trong liên kết chồng. - Bắt đầu bằng việc tạo vũng hàn trên tấm d•ới. - Khi vũng hàn sáng và lỏng, rút ngắn hồ quang xuống còn khoảng 1,6mm. - Dao động mỏ hàn trên vũng hàn cho đến khi các tấm liên kết chắc với nhau. - Một khi đã hình thành mối hàn, ngừng dao động. - Di chuyển mỏ hàn dọc đ•ờng hàn, với đầu điện cực ở ngay phía trên mép tấm trên. 5. Hàn mối hàn trong liên kết góc và liên kết cùng mép Đây là loại mối hàn dễ hàn nhất bằng điện cực không nóng chảy trong môi tr•ờng khí trơ. - Tạo vũng hàn tại điểm bắt đầu. - Di chuyển thẳng mỏ hàn dọc theo đ•ờng hàn. - Không cần dây hàn phụ. 6. Hàn mối hàn nhiều lớp - Th•ờng thực hiện với chiều dày vật hàn trên 3mm. - Lớp hàn đầu cần hàn ngấu hoàn toàn chân mối hàn. - Các lớp sau có thể hàn bằng dòng điện hàn lớn hơn. 39
7. Kỹ thuật hàn ống Các •u điểm là: mối hàn mịn, ngấu hết, ít có khuyết tật phía chân mối hàn, khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với áp dụng các ph•ơng pháp hàn khác. Ví dụ trong các liên kết đ•ờng ống quan trọng, chất l•ợng bề mặt phía trong mối hàn rất đ•ợc coi trọng. Để đạt đ•ợc điều này, cần bảo vệ mối hàn từ phía trong ống thông qua việc đ•a vào duy trì khí trơ (có áp lực cao hơn 1 at một chút) ở phần trong ống, tức là phía mặt trái mối hàn. ở điều kiện hiện tr•ờng khi có các đ•ờng ống lớn, có thể dùng các túi chất dẻo đặt bên trong ống rồi bơm phồng lên để bịt kín ống ở hai phía mối hàn (có để đ•ờng dẫn khí bảo vệ vào vùng cần đ•ợc bảo vệ). Trong cả hai tr•ờng hợp, cần hạn chế Ar thoát ra bằng cách dùng băng mềm che phần khe giữa hai ống, và chỉ để dần từng phần ở phía tr•ớc mối hàn đang hàn. Xét tr•ờng hợp tiêu biểu là t• thế hàn bằng mối hàn giáp mối chữ V có góc vát 37,50 mỗi bên, mặt đáy 1,6mm, khe hở từ 1,6 đến 2,4 mm. Khi hàn, khoảng cách phần nhô ra của điện cực (đã đ•ợc vát nhọn thích hợp) từ miệng chụp khí bảo vệ với đầu điện cực nằm gần nh• ngang hoặc d•ới bề mặt chi tiết hàn một chút Hàn bắt đầu từ vị trí thấp nhất lên phía trên cùng. Sau đó lặp lại với phía đối diện cũng từ d•ới lên đỉnh. Sau khi đã thiết lập đ•ợc vũng hàn và bắt đầu hàn, cần dao động mỏ hàn (khi hàn thép th•ờng) Nếu thấy vũng hàn có xu h•ớng sụt, cần điều chỉnh tốc độ dịch chuyển và dao động của mỏ hàn. Cũng có thể điều chỉnh bằng cách cho thêm kim loại phụ (dây hàn phụ) vào vũng hàn để làm nguội bớt vũng hàn. Trong một số tr•ờng hợp, để tránh đầu mỏ hàn mắc kẹt vào rãnh hàn, cần sử dụng chụp khí có vát tròn đầu . Hàn ống nhiều lớp: a. Hàn lớp đáy (lớp 1) Khống chế chiều sâu chảy là yếu tố quyết định thành công trong hàn lớp đáy. Chỉ có thể đạt đ•ợc điều đó qua thực hành để tích lũy kinh nghiệm và tạo thói quen. 40
- Hàn đính và đặt liên kết vào vị trí cần hàn. - Gây hồ quang tại một bên mép và đ•a hồ quang xuống đáy liên kết. - Khi vũng hàn nối hai bên đáy thì đ•a dây hàn phụ vào. Cách nhận biết mối hàn đáy đã ngấu hoàn toàn hay ch•a: Sau khi vũng hàn nối hai bên của liên kết, hồ quang đ•ợc giữ một lát phía trên vũng hàn. Sau đó vũng hàn sẽ dẹt ra và có dạng cái nêm (phía tr•ớc thẳng, với các góc tròn phía sau). Đó là lúc mối hàn đáy đã ngấu hoàn toàn. b. Hàn các lớp điền đầy (lớp 2 đến n - 1): - Dao động ngang mỏ hàn khi hàn thép cacbon và thép hợp kim thấp các ống ngang ở t• thế cố định (5G) hoặc xay (1G) sẽ tốn ít thời gian hàn. - Không dao động ngang mỏ hàn khi hàn thép hợp kim cao (để tránh tạo cacbit Cr) ở mọi t• thế và khi hàn ống đứng cố định (2G) thép cacbon và thép hợp kim thấp. c. Hàn lớp hoàn thiện (lớp thứ n trên cùng): - Lớp hàn cần rộng hơn liên kết 3mm và đều về hai bên. - Phần nhô của mối hàn cần cao hơn bề mặt ống khoảng 1,6mm. - Chuyển động dao động ngang của mỏ hàn: Nh• với các lớp điền đầy nêu trên. 41
Ch•ơng 3 Biến dạng và ứng suất khi hàn 3.1. Nguồn nhiệt và ảnh h•ởng của nó đến kim loại vật hàn 3.1.1. Yêu cầu chính đối với nguồn nhiệt để hàn Nh• trên đã biết, phần lớn công việc hàn chỉ tiến hành đốt nóng cục bộ các chi tiết hàn đến một nhiệt độ xác định tùy thuộc kim loại vật hàn và ph•ơng pháp hàn. Với các ph•ơng pháp hàn chảy thì nhiệt độ đốt nóng chỗ định hàn Th phải lớn nhiệt độ chảy Tc. Khi hàn áp lực thì nhiệt độ hàn phải lớn hơn nhiệt độ tối thiểu T1 nào đó để có thể hàn và thỏa mãn đ•ợc các yêu cầu kỹ thuật. Th và T1 phụ thuộc vật liệu hàn. Muốn sử dụng một cách có lợi nhất nguồn nhiệt hàn thì phải triệt để tập trung nhiệt để vật hàn chỉ bị đốt nóng khối l•ợng tối thiểu cần thiết. Khi hàn đốt nóng bằng ngọn lửa, thực tế năng l•ợng ngọn lửa không thể sử dụng toàn bộ đ•ợc. Hiệu suất của ngọn lửa đ•ợc tính nh• sau: Q  = C Q tc Qc: Là năng l•ợng sử dụng hữu ích Qtc: Là toàn bộ năng l•ợng ngọn lửa sản ra. Hiệu suất càng lớn càng tốt. Các ph•ơng pháp hàn có khả năng giữ nhiệt trong quá trình hàn khác nhau thì hiệu suất cũng khác nhau: hàn bằng điện cực không nóng chảy,  = 0,45  0,6; hàn điện cực nóng chảy có thuốc bọc;  0,75; hàn tự động d•ới lớp thuốc,  = 0,75 0,9. 2. ảnh h•ởng của nguồn nhiệt hàn đến kim loại vật hàn Khi hàn, nhiệt sinh ra từ nguồn nhiệt hàn sẽ nung nóng chảy một khối l•ợng nhỏ kim loại tại vị trí hàn và truyền ra các vùng lân cận. Trong một thời gian rất ngắn, nhiệt độ kim loại ở chỗ hàn biến đổi từ nhiệt độ bình th•ờng (nhiệt độ của môi tr•ờng) đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chảy (khoảng 2000  30000C đối với hàn khí và khoảng 4.0000C đối với hàn hồ quang tay), sau đó lại nguội dần vì không đ•ợc nung tiếp (nguồn nhiệt di chuyển qua chỗ khác và do sự tản nhiệt). Nh•ng vì nhiệt độ tối đa của các vùng vật thể khác nhau nên tốc độ nguội 42
sau khi hàn ở mỗi vùng cũng không giống nhau, những vùng càng ở gần trục hàn thì nhiệt độ càng cao nên khi nguội tốc độ nguội càng lớn còn những vùng ở xa trục hàn thì tốc độ nguội sẽ giảm dần. 4 10 8 1) mô đun đàn hồi (1) (2) 2) ứng suất bền 6 3) ứng suất chảy 4 4)hệ số giãn nở nhiệt. (3) (4) 5) độ giãn dàI t•ơng 2 đối (5) 0 0 t 20 100 200 300 400 500 600 Hình 3.1. Cơ tính của thép phụ thuộc vào nhiệt độ Nh• vậy ở vùng hàn sẽ có những phản ứng hóa lý của quá trình luyện kim còn kim loại ở các vùng lân cận và kim loại ở mối hàn đã đông đặc thì xảy ra quá trình thay đổi về tổ chức và thay đổi cả về thể tích, làm cho cơ lý tính của kim loại vật hàn cũng bị thay đổi. Cơ tính của kim loại thay đổi chủ yếu phụ thuộc vào trạng thái nhiệt độ của nó. Hiện nay ng•ời ta ch•a nghiên cứu đầy đủ cơ tính của kim loại ở nhiệt độ cao, mới chỉ nghiên cứu t•ơng đối tỷ mỷ về cơ tính của kim loại trong vùng đàn hồi. Hình 2.1 biểu hiện sự thay đổi cơ tính của thép phụ thuộc vào nhiệt độ khi nung nóng đến 500  6000C. Môđuyn đàn hồi E khi đốt nóng sẽ giảm từ từ, còn hệ số giãn nở nhiệt sẽ tăng lên: Trong vùng đàn hồi của thép tích số: . E = 12 . 10-6. 2.1 . 107 250 N/cm2 0C coi nh• không đổi. 0 Giới hạn bền b thay đổi không đáng kể khi nhiệt độ tăng đến 100 C, sau đó tiếp tục nung nóng đến 200  3000C thì giới hạn bền của thép th•ờng giảm từ từ; khi nhiệt độ v•ợt quá 5000C độ bền của thép sẽ giảm một cách mãnh liệt. Tính dẻo của thép biểu thị bằng độ giãn dài t•ơng đối %. Trong khoảng từ 150  3000C thì tính dẻo của thép giảm một ít, còn khi nhiệt độ v•ợt quá 3000C, thì 43
0 tính dẻo sẽ tăng. Khi tăng nhiệt độ đến 500 C thì giới hạn chảy ch sẽ giảm mạnh cho đến bằng không khi nhiệt độ trên 6000C.  3.2. sự tạo thành ứng suất khi hàn và biến dạng hàn 3.2.1. Khái niệm chung về ứng suất khi hàn Khi hàn ta tiến hành nung nóng cục bộ và trong một thời gian ngắn đạt đến nhiệt độ rất cao. Do nguồn nhiệt luôn di động lên phía tr•ớc nên những khối kim loại mới đ•ợc nung nóng còn những phần kim loại đằng sau dần dần đồng đều về nhiệt độ. Sự phân bố nhiệt độ theo ph•ơng thẳng góc với h•ớng hàn rất khác nhau, do đó sự thay đổi thể tích ở các vùng lân cận mối hàn cũng khác nhau, đ•a đến sự tạo thành nội lực và ứng suất trong vật hàn. l0 l Hình 3.2. Khảo sát biến dạng hàn Khi hàn đắp giữa tấm hay hàn giáp mối, hai tấm hàn có cùng chiều dày thì sự phân bố nhiệt theo tiết diện nggang sẽ không đều làm cho sự giãn nở của kim loại sẽ không đều, ứng suất bên trong khi nung nóng và làm nguội cũng khác nhau. Ta giả thiết sự giãn nở của các dài kim loại của tấm là tự do và không ảnh h•ởng lẫn nhau thì độ giãn nở tự do của mỗi một dải sẽ là: l0 = . T . l - Là hệ số giãn nở nhiệt của kim loại (1/0C) T - Nhiệt độ trung bình của dải ta xét (0C) l - Chiều dài của dải đang xét 44
Thực ra không thể có sự giãn nhiệt tự do, bởi vì kim loại là một khối liên tục, giữa chúng có mối liên kết phân tử chặt chẽ. Những vùng nhiệt độ thấp hơn sẽ ngăn cản sự giãn nở kim loại của những vùng có nhiệt độ cao hơn. Vì khi hàn, sự phân bố nhiệt đối xứng qua trục hàn nên biến dạng dọc thực tế của tất cả các thớ của tám là nh• nhau và bằng l (theo giả thuyết tiết diện phẳng). Sự sai khác giữa độ giãn nở nhiệt tự do l0 và độ giãn nở nhiệt thực tế l là nguyên nhân tạo thành nội lực và ứng suất trong tấm hàn. Khi hàn phần ở giữa của tấm đ•ợc nung nóng nhiều (có xu h•ớng giãn nở nhiều) thì bị nén, còn các phần nung nóng ít và nguội thì bị kéo. Sau khi hàn nhiệt độ theo tiết diện ngang của tấm sẽ dần dần cân bằng, khi nguội các phần của tấm sẽ co lại. Biến dạng dọc co rút ở phần giữa phải lớn hơn vì ở đó nhiệt độ cao hơn. Nh•ng biến dạng co rút thực tế tất cả các phần của tấm phải bằng nhau theo giả thiết tiết diện phẳng, bởi vậy phần giữa của tấm khi nung nóng bị nén dọc thì sau khi nguội hoàn toàn nó sẽ trở lên bị kéo. Những phần tiếp đó không có sự co nh• phần giữa thì lại bị nén. Trạng thái ứng suất đó gọi là "ứng suất d•" trong vật hàn. ứng suất d• trong kết cấu hàn kết hợp với ứng suất sinh ra do ngoại lực tác dụng khi làm việc sẽ có thể làm giảm khả năng làm việc của kết cấu và tạo khả năng xuất hiện những vét nứt, gãy trong chúng. Biến dạng hàn th•ờng làm sai lệch hình dáng và kích th•ớc của các kết cấu, do đó sau khi hàn phải tiến hành các công việc sửa, nắn. 3.2.2. Ph•ơng pháp tính toán biến dạng và ứng suất khi hàn Các bài toán về biến dạng và ứng suất khi hàn rất phức tạp, đặc biệt là trong thực tế các kết cấu hàn th•ờng gồm nhiều chi tiết hàn có nhiều đ•ờng hàn, trong quá trình hàn sẽ gây những tác dụng t•ơng hỗ làm cho sự tạo thành các ứng suất và biến dạng càng trở lên phức tạp. ở đây chỉ trình bày một vài ph•ơng pháp tính toán biến dạng và ứng suất khi hàn trên cơ sở của nội ứng lực tác dụng trong mối hàn của các kết cấu đơn giản. Việc tính toán này dựa trên các giả thiết sau: - ứng suất d• (là ứng suất sinh ra trong quá trình nung nóng không đều) khi hàn đ•ợc cân bằng trong vùng tiết diện ảnh h•ởng và đạt đến giới hạn chảy ch. 45
- Tấm đốt nóng không bị ảnh h•ởng bên ngoài. - Biến dạng của kết cấu hàn phù hợp với giả thiết tiết diện phẳng. 3.3. biến dạng và ứng suất do co dọc khi hàn giáp mối 3.3.1. Xác định nội ứng lực tác dụng (hình 3.3) Theo lý thuyết sức bền ta có nội lực tác dụng là: P = t. FC t - ứng suất sinh ra khi hàn t = . E . T : Hệ số giãn nở nhiệt (1/ 0C ) E : Mođuyn đàn hồi ( N/ cm2) T : Nhiệt độ nung ( 0C ) s P/2 b2 b1 P h b0 ch P/2 l  Hình 3.3 ứng suất do co dọc và các thông số cần thiết của mối hàn giáp mối. Đối với thép th•ờng ta có 12. 10-6 (1/0C) và E = 2,1 . 107 (N/cm2). Do 2 0 0 2 đó E 250 N/cm C. Khi nhiệt đọ nung tăng đến 100 C thì t 25000 N/cm t•ơng ứng với giới hạn chảy của các thép thông th•ờng. Khi nhiệt độ tăng cao hơn nữa thì ứng suất sinh ra sẽ không còn tuân theo định luật Huc nữa và giới hạn chảy sẽ giảm xuống khi nhiệt độ tăng lên. Trong tính toán ta lấy giá trị tối đa t = ch nên: P = ch . Fe Fe: tiết diện của vùng ứng suất tác dụng của mối hàn (hình 3.3) 46
2 Fc = bn . S (cm ) S - Chiều dày tấm hàn (cm) bn - Chiều rộng của vùng ứng suất tác dụng (cm) Vì sự phân bố nhiệt theo hai phía của mối hàn là đối xứng nhau nên kích th•ớc của vùng ứng suất tác dụng ở hai phía của mối hàn cũng bằng nhau. Vùng ứng suất tác dụng của mỗi một tấm hàn có thể chia làm hai khu vực b1 và b2. Ta gọi b0 = b1 + b2 và bn = 2b0. Vùng b1 tiếp giáp ngay với trục hàn gồm kim loại chảy của mối hàn và kim loại cơ bản đ•ợc nung nóng đến trạng thái dẻo; cơ bản đ•ợc nung nóng đến nhiệt độ thấp hơn 5500C nh•ng vì nhiệt độ nung không đều nên nó tạo tành biến dạng nén - dẻo và kim loại ở trạng thái dàn hồi - dẻo. Độ lớn của vùng b1 phụ thuộc vào công suất của nguồn nhiệt, tốc độ hàn, khối l•ợng kim loại chảy và tính chất hóa lý của kim loại. Ta có thể tính b1 theo công thức kinh nghiệm sau: ,0 484q b1 = 0 S.v 0  C. 550 C q - Năng l•ợng hữu ích của nguồn nhiệt (cal/s) v - Tốc độ hàn (cm/s) c - Nhiệt dung của kim loại (cal/g.0C) S0 - Tổng chiều dày truyền nhiệt của các tấm hàn (cm) Khi hàn đắp vào mép các tám thì S0 = S, do đó: ,0 484q b = 1 v.S.C.550 0 C Xác định vùng biến dạng dẻo - đàn hồi b2 là một điều rất khó khăn. Ng•ời ta đã tiến hành nhiều thí nghiệm và thấy rằng nó không những phụ thuộc vào nhiệt độ xác định theo tiết diện ngang lúc hàn mà còn phụ thuộc vào độ cứng vững của tấm hàn. Độ cứng vững của tấm hàn phụ thuộc vào mômen quán tính tiết diện ngang và độ bền cơ học, đ•ợc biểu thị bởi chiều rộng toàn bộ vùng ứng suất của tấm h và giới hạn chảy ch. Ngoài ra vùng b2 còn phụ thuộc vào năng l•ợng nhiệt riêng phần q0, q0 đ•ợc xác định theo công thức sau: q 2 q0 = (cal/cm ) vS 0 47
q: Năng l•ợng hữu ích của nguồn nhiệt (cal/s) v - Tốc độ hàn (cm/s) S0 - Tổng chiều dày truyền nhiệt (cm) Nh• vậy vùng biến dạng dẻo - đàn hồi b2 là hàm số của các biến số q0, h, ch, b2 = f (q0, h, ch ). Khi tăng q0, h thì sẽ làm tăng vùng b2 vì nó làm tăng phần đ•ợc đốt nóng và tăng trở lực giãn dài tự do của các thớ bị nung. Còn khi tăng ch thì sẽ làm giảm b2 vì nó làm tăng trở kháng của kim loại khó tiến đến trạng thái dẻo - đàn hồi. Ng•ời ta tính b2 theo công thức: b2 = k2 ( h - b1) k2 - Hệ số phụ thuộc vào q0. Bằng thực nghiệm, ng•ời ta đã thành lập đ•ợc 2 giản đồ xác định hệ số k2 theo q0 cho phép cacbon thấp có ch = 22.000 N/cm và 2 thép chấp l•ợng cao có ch = 28.000 N/cm Các loại thép khác có thể nội suy theo công thức:  ch k2 = k2 ' ch 'ch - là giới hạn chảy của loại thép cần xác định k'2 h: Chiều rộng toàn bộ vùng ứng suất của tấm hàn. Đối với hàn tự động thì h khoảng 300 350mm, đối với hàn hồ quang tay h < 250 mm. Dựa vào nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ đốt nóng tối đa ta có thể đ•a đến một công thức đơn giản tổng quát để tình vùng ứng suất tác dụng b0 của một tấm hàn là: h b = 0  c  h. 1 ch ,0 484 q. 0 . .E. m Lấy c .  = 1,25; E = 250N/cm2 0C m - là hệ số tính đến các trạng thái truyền nhiệt, lấy gần đúng m 1. Ta sẽ có: h b0 =  h. 1 ch 96 8, q 0 3.3.2. Xác định độ co dọc của vật hàn 48
Xác định độ co dọc của vật hàn có thể tính theo ứng suất phản kháng d• 2 - là ứng suất sinh ra ở những vùng không đ•ợc nung nóng trực tiếp - ở dải bị nén dọc đàn hồi sau khi nguội. Trị số độ co dọc l đ•ợc tính theo công thức:  l = 2 . l E ứng suất 2 sinh ra do nội ứng lực tác dụng P gây nên nén dọc, đ•ợc xác định theo công thức sau: P 2 = F Fc F : Tiết diện ngang toàn bộ vùng ứng suất của vật hàn Fc : Tiết diện ngang của vùng ứng suất tác dụng  ch b. n S.  ch b. n 2 = h 0 b n S h 0 b n Khi hàn đắp vào mép của vật hàn thì ứng suất phản kháng sẽ là: P P  = 2 F h.S 3.3.3. Xác định độ võng khi hàn Khi hàn các vật mà đ•ờng hàn không trùng với trục trung tâm của vật hàn thì nó sẽ sinh ra mômen uốn lệch và làm cho tấm bị cong (hình 3.4). Pa a b2 Ma h b1 P Mc b0 c ch Pc l  Hình 3.4. Tính độ võng liên kết hàn giáp mối. 49
Khi đó ta vẫn có nội lực tác dụng. P = ch . bn . S Nh•ng nội lực phản kháng do ứng suất phản kháng 2 sinh ra ở hai phía của mối hàn khác nhau: Ps = ch . bn . S Nh•ng nội lực phản kháng do ứng suất hản kháng 2 sinh ra ở hai phía của mối hàn khác nhau: PS = 2 aS và PC = 2cS Vì nội lực cân bằng nên P = Pa + Pc tức là: ch bn S = 2S (a + c) Ta rút ra:  ch b n  ch b n 2 = a c h 0 b n Lấy mômen của các nội lực phản kháng đối với tâm của vùng ứng suất tác dụng ta có: a b c b M = P n ; M = P n a a 2 c c 2 Mômen tổng sẽ là: a b n c b n M = Ma - Mc = Pa - Pc 2 2 a b c b M =  aS n -  cS n 2 2 2 2 Thay trị số 2 vào ta đ•ợc :  ch .S.bn M = (a + bn + c) (a - c) (2 ho bn ) a + bn + c= h0 và ch . S . bn = P Ph a c M = 0 2 h 0 b n Trong công thức này nếu nh• c = 0 (tức là khi hàn đắp vào mép tấm) thì mômen sẽ là cực đại; còn khi c = a (tức là khi hàn giáp mối hai tấm có chiều rộng bằng nhau) thì mômen uốn sẽ bằng không. 50
ứng suất uốn sinh ra do mômen uốn sẽ là: M 6Ph0 a c u = 2 W 2 h0 bn Sh0 3ch b n a c u = h 0 h 0 b n W - mômen chống uốn của tiết diện toàn bộ vật hàn. Do mômen uốn M làm vật hàn bị cong đi (nh• đ•ờng chấm chấm trên hình 3.4). Theo lý thuyết sức bền, độ võng tại một điểm bất kỳ x đ•ợc tính theo công thức: 2 M (x) 1 x 2 f(x)= 2EJ x - là tọa độ của điểm mà ta cần xác định độ võng tại đó với gốc tọa độ là đ•ờng trung tâm của đ•ờng hàn và cạnh của vật hàn thẳng góc với đ•ờng trung tâm ấy. J - là mômen quán tính tại tiết diện ta xét Từ công thức trên ta nhận thấy rằng, độ võng cực đại f khi x = 0,51 Ml 2 Ph I 2 a c f = 0 8EJ 8EJ 2. h0 bn 2 3 chbn a c l f = 2 5Eh0 h0 bn Khi hàn đắp vào cạnh tấm thì c = 0; h0 - bn = a 2 3 ch b n l f = 2 4Eh 0 3.4 biến dạng do co ngang khi hàn giáp mối Khi hàn giáp mối mỗi vật hàn ngoài tình trạng co dọc còn bị co ngang gây ra do ứng suất tác dụng theo ph•ơng thẳng góc với mối hàn. Sự co ngang tạo nên một biến dạng nguy hiểm là biến dạng góc. Xét tr•ờng hợp mối hàn một tấm kẹp chặt còn một tấm kẹp chặt còn một tấm để tự do. Ng•ời ta có thể tính góc quay  theo ph•ơng pháp giải thích nh• sau: Chiều rộng góc vát ở thớ ngoài: 51
 b = 2S . tg 2 Sau khi hàn xong và nguội đi, thớ ngoài của mối hàn co lại một l•ợng là b.  b = . T . b   b = 2 . T . S . tg .  2 Xét một thớ x bất kỳ ta sẽ có: x = . T . x hay : d x = . T . dx Vi phân góc quay  tại thớ x sẽ là: d x d = h x .T. dx d = x 2 S 2 Lấy tích phân cả hai vế ta có góc quay toàn phần là : 2/b dx  = 2 . T 2 2 0 x S 2 b b  = 2 T. ln 1 2S 2S   2 = 2 T.ln tg tg 1 2 2 Nếu ta lấy gần đúng hx = S và coi góc quay là rất nhỏ thì góc quay toàn phần sẽ là: x   tg  = = 2 . T . tg h x 2 Khi mối hàn nguội từ 6000C đến 00C thì độ co t•ơng đối của kim loại sẽ là: T = 0,0072; Với = 12.10-6 [1/0C]  Cuối cùng ta có biến dạng góc  là: = 0,0144 . tg 2 52
3.5 biến dạng và ứng suất khi hàn góc Trong công nghệ hàn, các kết cấu hàn góc cũng đ•ợc sử dụng khá nhiều, nó gồm các loại kết cấu: chữ T, th•ớc thợ và hàn chồng. Những nguyên nhân sinh ra ứng suất và biến dạng nh• đã trình bày ở trên, chỉ có dạng kết cấu khác nhau thì biến dạng khác nhau. 3.4.1. Biến dạng và ứng suất của mối hàn góc th•ớc thợ Xét mối hàn th•ớc thợ nh• hình vẽ( 3.5) b1 P1 b2  Hình 3.5. Khảo sát mối hàn th•ớc thợ Vùng ứng suất tác dụng của mối hàn này xác định giống nh• tr•ờng hợp hàn giáp mối các tấm. Dựa vào đó mối hàn này xây dựng giống nh• tr•ờg hợp hàn giáp mối các tấm. Dựa vào đó mà ta tính đ•ợc tiết diện vùng tác dụng là: Fc = 2bnS = (2b1 + 2b2) S S - là chiều dày của tấm hàn Trị số của nội lực P tác dụng dọc trục mối hàn sẽ là: P = ch . Fc = ch . 2bn . S bn = b1 + b2 ứng suất phản kháng chiều trục ở các dải ngoài vùng tác dụng là: P  ch b. n 2 = F Fc h b n F - là tiết diện ngang toàn bộ vùng ứng suất của vật hàn 53
Fc - là tiết diện ngang của vùng ứng suất tác dụng. Do ảnh h•ởng của nội lực nên tạo thành mômen uốn M1 ở mỗi tấm là: P h. M = 1 1 2 P1 - là nội lực tác dụng lên mỗi tấm. Trong tr•ờng hợp này thì: P P = 1 2 Kết quả là mômen uốn tác dụng lên mối hàn góc sẽ bằng tổng hình học của mômen nội lực trong mỗi tấm:  h.P  M = 2M . cos = . cos 1 2 2 2 Nh• vậy khi  thì nó sẽ giống nh• tr•ờng hợp hàn đắp vào mép tấm và P .h M = , còn khi   thì M = 0 giống nh• tr•ờng hợp hàn giáp mối hai 2 tấm có cùng chiều rộng. ứng suất sinh ra do mômen uốn sẽ là: M  u Ư W Độ võng của nó sẽ đ•ợc xác định theo công thức sau: Ml 2 f =  8EJ l - là chiều dài của mối hàn. 3.4.2. Biến dạng và ứng suất của mối hàn chồng: Tùy thuộc vào vị trí của mối hàn, góc t•ơng ứng với ph•ơng của ngoại lực tác dụng và kết cấu của các tấm hàn mà ng•ời ta chia mối hàn chồng ra làm nhiều loại giới thiệu trên hình(3.6). 54
Hình 3.6 Các kết cấu hàn chồng Đặc tính của quá trình đốt nóng mối hàn chồng là trục nóng chảy nằm trên bề mặt một tấm, còn tấm kia thì bị đốt nóng một cạnh. Do đó vùng ảnh h•ởng nhiệt đối với một tấm thì giống nh• tr•ờng hợp hàn đắp lên bề mặt của tấm, còn đối với tấm kia thì giống nh• tr•ờng hợp hàn đắp vào mép của tấm, biểu thị trên hình 2.11. Vùng nung nóng dến trạng thái dẻo đ•ợc xác định nh• sau: ,0 484q b1 = 0 v.So .C  550 C Trong đó: So = 2S1 +S2 Vùng biến dạng dẻo - đàn hồi b2 xác định cho từng tấm một theo công thức: b2 = k2 ( h - b1) k2 là hệ số xác định theo biểu đồ hình 2.5 Từ tiết diện ngang Fc của vùng ứng suất tác dụng là: 2 F = (2b + b + b' )S + ( b + b )S + K c 1 21 21 1 1 22 2 2 Trong đó: b1 - là chiều rộng của vùng đ•ợc nung nóng đến trạng thái dẻo. ' b21 và b 21 - là chiều rộng của vùng đ•ợc nung nóng đến trạng thái dẻo-đàn hồi của tấm d•ới. b22 - là chiều rộng của vùng đ•ợc nung nóng đến trạng thái dẻo-đàn hồi của tấm trên. S1, S2 - là chiều dày của các tấm hàn. K - là cạnh của góc vuông mối hàn Trị số của nội lực P tác dụng dọc trục mối hàn sẽ là: P = ch . Fc ứng suất phản kháng 2 là: P 2 = F Fc F - là tiết diện toàn bộ vùng ứng suất của vật hàn. Trong mối hàn chồng, nội lực sinh ra do cong ngang ở góc mối hàn đạt đển một trị số t•ơng đối lớn. Vì vậy nó sinh ra biến dạng góc và làm cho tấm bị 55
cong lên. Xét tr•ờng hợp hàn chồng một tấm để tự do không bị kẹp chặt, còn tấm kia đặt cố định trên mặt phẳng. Sau khi hàn song, để nguội d•ới tác dụng của lực co ngang tấm hàn đ•ợc để "tự do" sẽ tự quay đi một góc Trị số co ngang ở những thớ ngoài của kim loại mối hàn đ•ợc tính theo công thức:   Ttb.b Ttb - là nhiệt độ của kim loại chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái đàn hồi, đối với thép lấy bằng 600oC. b - là cạnh huyền của góc mối hàn b = 1,4 S. Nh• vậy nếu chiều dày càng lớn, b sẽ càng lớn và độ co ngang cũngsẽ càng lớn. Từ đó góc quay của tấm tự do  đ•ợc xác định theo công thức: 2  2 .T b tb Đối với thép    rađian. Khi hàn chồng hai phía, hai tấm đều để tự do thì vật hàn sẽ biến dạng nh• hình 2.12b. 3.4.3. Biến dạng và ứng suất khi hàn kết cấu chữ T và chữ I Kết cấu chữ T và chữ I đ•ợc sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp chế tạo máy, xây dựng và đóng tàu. 3.4.3.1 Kết cấu chữ T P2 2 b22 Y b1 Y1 P1 P1 b21 b1 b1 b21 Hình 3.7. Khảo sát liên kết hàn chữ T 56
Kết cấu chữ T th•ờng gồm hai tấm thép, bản thành và bản cánh hàn ghép lại với nhau bằng hai mối hàn góc nh• hình (3.7) Vùng ứng suất tác dụng đ•ợc tính toán nh• các tr•ờng hợp trên và ta có: 2 Fc = (2b1 + 2b21 + S2 )S1 + ( b1 + b22)S2 +K Trị số của nội lực P tác dụng dọc trục mối hàn sẽ là: P = ch . Fc ứng suất phản kháng 2 là: P 2 = F Fc F - là tiết diện toàn bộ vùng ứng suất của vật hàn. Sơ đồ nội lực phản kháng P1 và P2 biểu thị trên hình (3.7) Ta có: P = 2P1 + P2 P1 - Là nội lực phản kháng tác dụng lên phần còn lại của mỗi một nửa bản cánh dầm chữ T: S P =  (h - b - b - 2 ) S 1 2 1 1 21 2 1 P2 - Là nội lực phản kháng tác dụng lên phần còn lại của bản thành dầm chữ T P2 = 2 (h2 - b1 - b22) S2 Mômen uốn sinh ra do các nội lực phản kháng sẽ là: M P2 Y. 2 2P1 Y. 1 Y2 - là khoảng cách từ điểm đặt của lực phản kháng P2 đến trọng tâm của vùng ứng suất tác dụng. Y1 - là khoảng cách từ điểm đặt của các lực phản kháng P1 đến trọng tâm của vùng ứng suất tác dụng. D•ới tác dụng của mômen uốn gây nên một ứng suất uốn là: M  u W D•ới tác dụng của nội lực, dầm hàn bị võng. Độ võng đ•ợc tính theo công thức: MI 2 f 8EJ 57
Trong những tr•ờng hợp phức tạp, ng•ời ta tính sự chịu lực của vật hàn với mức độ xấu nhất tức là: ứng suất chịu đựng o bằng tổng của ứng suất tác dụng ch và ứng suất phản kháng 2: o  ch 2 Vì vậy nội lực tác dụng lớn nhất có thể xảy ra (còn gọi là nội lực khả dĩ) trên tiết diện tác dụng Fc là: Po o Fc ( ch 2 ).Fc Do đó mômen đ•ợc tính theo công thức sau: M Po Y. o Yo : là khoảng cách từ trọng tâm của dầm đến trọng tâm của vùng ứng suất tác dụng. 3.4.3.2. Kết cấu chữ I 3 4 1 2 Hình 3.8. Kết cấu liên kết hàn chữ I Kết cấu chữ I gồm ba tấm thép, một tấm bản thành và hai tấm bảm cánh ghép lại. Vùng ứng suất tác dụng bn, nội lực tác dụng và nội lực phản kháng cũng nh• các thông số khác đ•ợc tính toán theo lý thuyết cơ bản trên. Song loại kết cấu dầm này gồm bốn mối hàn và tùy theo trình tự công nghệ và biến dạng của kết cấu có khác nhau. Xét tr•ờng hợp quy trình công nghệ hàn nh• hình vẽ thì sau khi hàn mối hàn 1,2 kết cấu sẽ có một mômen uốn M1 tạo nên một độ võng f1: 2 M1l f1 = 8EJ1 M1- Là mômen uốn của nội lực xuất hiện sau khi hàn hai mối 1 và 2. (M1 = P01 . Y0) 58
l - Là chiều dài của dầm J1 - Là mômen quán tính của dầm khi ch•a có bản cánh trên. Khi ta quay ng•ợc dầm 1800 và hàn nốt hai mối 3 và 4; khi đó ta lấy gần đúng khoảng cách từ trọng tâm của dầm đến trọng tâm của vùng ứng suất tác dụng của mối hàn 3 và 4 là bằng thì: P h. M = 02 2 2 2 P02 - Là nội lực tác dụng khả dĩ của mối hàn 3 và 4 h 2 h2 - Là chiều cao của vách dầm Y0 2 Mômen uốn M2 tạo nên độ võng f2 ở bản cánh trên là: M l. 2 f = 2 2 8EJ ở đây J là mômen quán tính tiết diện ngang toàn bộ của dẫm chữ I Để tính độ võng tổng cộng của dầm chữ I, ta xét tỷ số sau: 2 f1 M1l 8. EJ 2Y0 J. 2 f2 8EJ1 .M 2 l h 2 J. 1 Y0 : Là khoảng cách từ trọng tâm của dầm chữ T đến trọng tâm của vùng ứng suất tác dụng khi hàn hai mối hàn 1, 2. Trị số Y0 của dầm chữ T khi hàn dầm chữ I bằng 1/4 đến 1/3 chiều cao của bản thành và mômen quán trình của dẫm chữ I lớn hơn khoảng hai lần dầm chữ T, do đó: 2Y J J 0 = (0,5  0,66) 1 h 2 J1 J1 f Rút ra: 1 1 f2 Bởi vậy khi hàn dầm chữ I thì th•ờng có độ võng d• f0 ở đế d•ới sau khi đã hàn đế trên và trị số của nó đ•ợc tính bằng số hiệu số tuyệt đối của độ võng f1 và f2 : f0 = f1 - f2 Để loại trừ độ võng f2 này, ta cần phải có f1 = f2, nghĩa là tr•ớc hết phải có P01 và P02 là nội lực tác dụng khả dĩ khi hàn mối hàn 1, 2 và 3,4. 59
Ch•ơng 4. Biến dạng hàn và biện pháp giảm biến dạng hàn Khi chế tạo các kết cấu kim loại bằng ph•ơng pháp hàn ta th•ờng gặp hiện t•ợng biến dạng kết cấu do hàn gây ra. Nguyên nhân chủ yếu là do kết cấu bị đốt nóng không đồng đều và nơi bị đốt lại không giãn nở tự do. Biến dạng hàn có thể phân ra làm biến dạng chung và biến dạng cụ bộ. Biến dạng chung là loại biến dạng gây thay đổi kích th•ớc và hình dạng toàn bộ kết cấu, còn biến dạng cục bộ chỉ gây biến đổi hình dáng của từng chi tiết (bộ phận) riêng biệt trên toàn bộ kết cấu. Biến dạng chung th•ờng biểu hiện ở dạng co ngang, co dọc và uốn. Biến dạng cục bộ th•ờng biểu hiện ở dạng gấp góc, mất ổn định tấm mỏng. Các biến dạng hàn gây nhiều khó khăn trong công tác chế tạo, lắp ráp phân đoạn, tổng đoạn trên triền đà đồng thời còn giảm sức bền thân tàu và một số đặc tính sử dụng của tàu. Để giảm biến dạng do hàn, đảm bảo các chi tiết kết cấu có kích th•ớc hình dáng đúng yêu cầu thiết kế quy định, có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau. 4.1. Những biện pháp kết cấu 1. Để giảm biến dạng chung và biết dạng cục bộ ngay từ khi thiết kế phải l•u ý sao cho tại các mối hàn có thể tích nỏng chảy đắp thêm phải nhỏ nhất. muốn thé ta cần phải. - thay các kiểu vát mép chữ kiểu V bằng vát mép kiểu chữ X ( thay nh• thế sẽ giảm 50% biến dạng) nếu chiều dày vật liệu lớn cho phép. - Nên dùng mối hàn liên tục thay cho mối hàn gián đoạn (ở các mối hàn góc) vì đối với mối hàn liên tục và mối hàn không liên tục thì mối hàn liên tục có biến dạng nhỏ hơn. - Đối với các mối hàn góc không tính đến sự chịu đựng mà chỉ xác định trị số tối thiểu của mối hàn thì nên dùng mối hàn gián đoạn. - Tại các mối hàn góc tấm mỏng (2mm - 5 mm) nên dùng ph•ơng pháp hàn điểm. 61
2. Thông th•ờng độ co dọc trên cùng một đơn vị chiều dài, nhỏ hơn chiều so với độ co ngang, cho nên khi phân chia thân tàu thành các phân đoạn, cụm chi tiết ta cần đặt nối hàn song song với h•ớng mà ta cần biến dạng chung nhỏ. 3. Để tránh các tấm mỏng khỏi bị mất ổn định, khi thiết kế phải tăng chiều dày tấm hoặc giảm khoảng cách giữa các khung x•ơng hoặc tăng gia cố phụ. Đối với các mỏng (2mm - 5 mm) nên xắp xếp khung x•ơng song song theo một h•ớng và các mối hàn đặt song song với h•ớng đó và nên bố trí gần khung x•ơng để tránh độ uốn. 4. Khi thiết kế cố gắng rút bớt số l•ợng chung mối hàn trong kết cấu bằng cách dùng tấm kích th•ớc lớn và thay các khung x•ơng bằng kết cấu giập gân. Để tránh ứng suất phẳng và ứng suất khối, không nên thiết các mối hàn tập trung giao nhau (nhất là khi các kết cấu đó chịu tải trọng động) Không nên thiết kế các mối ghép có kích th•ớc nhỏ (ví dụ các miếng vá) vì nó phát sinh ứng suất phẳng lớn. Khi hàn giáp mối nếu chiều dày hai tấm không bằng nhau thì cần vát bớt chiều dày tầm dày hơn (hình 4.1). l a l 3a (a>3) (a) (b) (a) Đúng (b) Sai Hình 4.1. Hàn giáp mối hai tấm chiều dày khác nhau 5. Để giảm uốn chung, các mối hàn cần phải bố trí đối xứng với trục của mặt cắt ngang và cắt dọc của kết cấu. 6. Khi thiết kế thân tàu cần chia thân tàu thành các phân đoạn và tổng đoạn sao cho khi lắp ráp chung khối l•ợng hàn nhỏ nhất. 7. Đặt các nẹp cứng phụ tạm thời và hàn vào tôn bao bằng các mối hàn cỡ nhỏ sẽ có thể giảm biến dạng của tấm. 4.2. Biện pháp công nghệ 62
Khi hàn các vật dày, các loại thép dễ bị tôi thì cần phải tiến hành đốt nóng tr•ớc, đồng thời cần phải giảm bớt c•ờng độ dòng điện hàn hoặc công suất ngọn lửa hàn để tránh hiện t•ợng nứt nẻ. Chế độ hàn cần chọn sao cho vùng ứng suất tác dụng có thể tích nhỏ. Tăng mật độ dòng điện để tăng độ ngấu, san bằng co ngang theo chiềui dày giảm biến dạng góc. Trong tr•ờng hợp khi hàn mối hàn thứ hai đối xứng với mối hàn thứ nhất, thì nên tăng chế độ hàn (Ih) để tăng vùng ứng suất tác dụng, nh• vậy có thể khử toàn bộ độ uốn do mối hàn thứ nhất gây nên. Hàn theo ph•ơng pháp phân đoạn nghịch thì sẽ giảm biến dạng vì nội lực sinh ra chỉ ở từng khu vực nhỏ và h•ớng về vùng lân cận đối diện. Khi hàn nên làm nguội bằng tấm đệm hoặc bằng n•ớc để giảm vùng ứng suất tác dụng và co dọc hoặc làm nguội chấmau khi hàn. Để khử uốn ng•ời ta tiến hành uốn tr•ớc hoặc tr•ớc khi hàn đặt vật ng•ợc với chiều bị uốn sau khi hàn, nh• vậy sẽ giảm đ•ợc ứng suất và biến dạng d•. Hình 4.2. Cách khử biến dạng khi hàn giáp mối Để giảm biến dạng chung khi vạch trình tự lắp ráp và hàn phải đảm bảo sao cho các chi tiết có thể dãn nở tự do không nên gia cố quá mức các mối hàn. Các phân đoạn và tổng đoạn nên đ•ợc lắp ráp và hàn từ các cụm chi tiết đã đ•ợc gia công tr•ớc. Để tránh biến dạng góc cũng nh• độ uốn các chi tiết khi hàn ráp với nhau có thể tạo phản biến dạng (Hình vẽ 4.2) để sau khi hàn, có kích th•ớc hình dáng yêu cầu. Sử dụng hàn tự động và bán tự động vì vùng nhiệt tác động nhỏ nhất. Để giảm biến dạng gác khi hàn nhiều lớp ta dùng búa khí nén gõ vào mối hàn tr•ớc khi hàn chồng mối sau. sau khi hàn lớp cuối không gõ nữa. Khi hàn mối hàn X giáp mối nhiều lớp cần phải hàn đối xứng hai phía và với trình tự hàn sao cho không biến dạng góc quá lớn. 63
Để giảm biến dạng của các phân đoạn tấm mỏng (d•ới 5mm), tr•ớc khi hàn khung x•ơng vào cần hàn đính đ•ờng bao của tấm vào bệ lắp ráp. sau khi hàn song ta cần làm phẳng bằng các co lăn nặng rồi dũi các mối hàn đính đi. Để giảm biến dạng chung của kết cấu, khi lắp ráp cần đặc biệt l•u ý tới khe hở chân mối hàn, phái đảm bảo các khe hở đó nằm trong phạm vi cho phép. Dùng các bệ lắp ráp cứng cũng khống chế đực biến dạng kết cấu. Tuy có thể dùng mọi biện pháp phòng chống biến dạng hàn nh•ng trong thực tế không thể loại trừ đ•ợc hoàn toàn biến dạng đó cho nên khi chế tạo phải dùng đến l•ợng d• để bù đắp lại những những độ co dọc, co ngang tích tụ lại trong quá trình hàn. Còn đối với biến dạng góc th•ờng đ•ợc bù đắp lại bằng l•ợng phản biến dạng. Đối với phân đoạn khối hoặc tổng đoạn việc tạo phản biến dạng t•ơng đối phức tạp, đòi hỏi phải tính toán kỹ l•ỡng và xác lập ngay từ khi lập d•ỡng mẫu. 4.3. Các biện pháp công nghệ sau khi hàn Thông th•ờng sau khi hàn vật hàn vẫn tồn tại ứng suất d• và bị biến dạng. Để khắc phục những ứng suất d• và biến dạng này nhằm nâng cao chất l•ợng của kết cấu hàn, ng•ời ta th•ờng dùng những biện pháp sau đây: 1. Biện pháp ủ Đối với những kết cấu hàn hỏ có thể đêm ủ toàn bộ kết cấu trong lò nhiệt luyện với nhiệt độ nung khoảng 600 - 650oC và giữ ở nhiệt độ đó trong thời gian 3 ph/(mm chiều dài). Có thể tiến hành ủ cục bộ bằng cách đem nung nóng vùng cạnh mối hàn khoảng 600oC. 2. Biện pháp nắn nguội Chủ yếu là tác động lực kéo vào những phần bị co để đạt đ•ợc kích th•ớc và hình dáng nh• thiết kế. Song nó sinh ra biến cứng và tă3ng ứng suất d• làm cho vật hàn bị nứt nẻ, thậm trí có khi bị gẫy. Ngoài ra, nắn nguội là một công nghệ phức tạp nên nói chung ít dùng. 3. Biện pháp nắn nóng Là biện pháp đ•ợc dùng rộng rãi vì nó đơn giản và kinh tế nhất. Ng•ời ta tiến hành nung nóng bằng ngọn lửa khí hoặc bằng điện, mục đích làm co những khu 64
vực mà chiều dày của chúng lớn hơn vùng ứng suất tác dụng của mối hàn trong kết cấu. Chọn khu vực nung và chế độ nung và chế độ nung không hợp lý có thể lại làm cho biến dạng thêm phức tạp. Cơ sở lý thuyết của nắn nóng là: - Xác định mặt phẳng uốn và mô men uốn gây ra do nội lực tác dụng. - Xác định tiết diện, khối l•ợng và hình dáng hợp lý của vùng ứng suất tác dụng ở khu vực nung nóng, bảo đảm tạo ra nội ứng lực làm biến dạng kết cấu theo h•ớng ng•ợc lại. - Chọn chế độ nung hợp lý. m m m m Hình 4.3. Khử độ uốn d• khi hàn kết cấu chữ T. Ví dụ để khử độ uốn d• của kết cấu nh• hình 4.3 cần phải tạo ra mô men uốn theo chiều ng•ợc lại. Do đó hoặc phải nung nóng theo đ•ờng m-m (co dọc) hoặc nung nóng theo hình dải quạt (co ngang). 65
Ch•ơng 5. Mối ghép hàn Tùy theo hình dạng kết cấu ta có các kiểu mối hàn: - Mối hàn giáp mối. - Mối hàn chồng. - Mối hàn góc. Các mối hàn có thể tính theo hai tr•ờng hợp sau đây: Căn cứ theo tải trọng tác dụng lên mối hàn để tìm chiều dài mối hàn cần thiết, từ đó thiết kế kết cấu hàn. Khi thiết kế phải xuất phát từ điều kiện sức bền đều giữa mối hàn và các chi tiết đ•ợc ghép. Căn cứ theo kết cấu để định kích th•ớc mối hàn rồi nghiệm lại theo ứng suất. Trong tính tính toán sức bền ta giả thiết rằng chất l•ợng các mối hàn đạt các yêu cầu kỹ thuật. Đ 5.1 ứng suất cho phép Các mối ghép hàn đ•ợc tính theo ứng suất cho phép. Trị số các ứng suất cho phép của mối hàn chịu tải trọng tĩnh cho trong Bảng 1. Chú ý các số liệu cho trong bảng này chỉ dùng cho các chi tiết làm bằng thép ít và vừa các bon hoặc thép ít hợp kim và trong tr•ờng hợp chất l•ợng mối hàn đạt các yêu cầu kỹ thuật. Trong tr•ờng hợp kết cấu chịu tải trọng thay đổi, các trị số ứng cho phép lấy trong Bảng 1 phải nhân với hệ số giảm ứng cho phép   ệ số đ•ợc xác định nh• sau:   1 (5.1) (ak b) (ak  b)r Trong đó: a và b - hệ số, lấy theo bảng 2  k - hệ số tập trung ứng suất, lấy theo bảng 3  r - hệ số tính chất chu trình  r = min  max  ,  - ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất trong chi tiết có kể đến dấu. max min 66
Trong công thức (1) các dấu ở phía trên của mẫu số dùng khi ứng suất lớn nhất là kéo, các dấu phía d•ới dùng khi ứng suất lớn nhất là nén. Bảng 1 Trị số ứng suất cho phép của mối hàn chịu tải trọng tĩnh Ph•ơng pháp hàn ứng suất cho phép của mối hàn , , , Kéo [ ] k Nén [ ] n Cắt [ ] - Hàn hồ quang tay, dùng que hàn 42 và 50 0,9[ ]k [ ]k 0,6[ ]k - Hàn khí - Hàn hồ quang tự động d•ới lớp thuốc, hàn hồ quang tay dùng que hàn 42A [ ]k [ ]k 0,65[ ]k và 50A - Hàn tiếp xúc giáp mối Hàn tiếp xúc điểm - - 0,6[ ]k Trong Bảng 1, [ ]k - ứng suất kéo cho phép của kim loại đ•ợc hàn khi chị tải trọng tĩnh. Bảng 2 Hệ số a và b Vật liệu a b Thép cacbon 0,75 0,3 Thép hợp kim thấp 0,8 0,3 Bảng 3 Hệ số ứng suất tập trung k 67
Loại mối hàn Thép cacbon Thép hợp kim thấp Mối hàn giáp mối, khi hàn tự động 1,0 1,0 Mối hàn giáp mối, khi hàn tay 1,2 1,4 Mối hàn góc, khi hàn tự động 1,7 2,4 Mối hàn góc, khi hàn tay 2,3 3,2 Mối hàn chồng 3,4 4,3 Cần chú ý rằng ph•ơng pháp chính để chống lại hiện t•ợng mỏi trong mối ghép hàn là các biện pháp kết cấu nhằm giảm ứng suất tập trung ở miệng mối hàn. Nếu trị số  tìm đ•ợc theo công thức (1) lớn hơn 1 thì lấy    Điều này xảy ra khi tải trọng thay đổi trị số nh•ng không thay đổi chiều (r   và cũng chứng tỏ rằng trong tr•ờng hợp đó sức bền tĩnh có tác dụng quyết định đến mối hàn. Đ 5.2 Tính mối ghép hàn 5.2.1. Mối hàn giáp mối (Hình 5.1) Tr•ờng hợp mối hàn chịu kéo (nén) ta có điều kiện bền:  N N b  N   [ ], (5.2) bs N N s Hình 5.1. Mối hàn giáp mối Trong đó: b và s - chiều dài mối hàn và chiều dày tấm ghép ( khi hàn các tấm có chiều dày khác nhau thì s lấy theo chiều dày nhỏ). [ ], - ứng suất kéo nén cho phép của mối ghép (Báng 1) 68
Khi cần tăng sức bền của N N mối ghép, có thể dùng mối b hàn xiên (hình 5.2). Điều kiện bền của mối hàn xiên xác định theo công thức: Hình 5.2. Mối hàn xiên N sin   [ ], (5.3) bs Trong tr•ờng hợp mối hàn chịu mô men uốn trong mặt phẳng của tấm ghép ta có điều kiện bền: M   u [ ], (5.4) W Trong đó: Mu - Mô men uốn W - Mô dun chống uốn: 2 W= b s 6 Tr•ờng hợp mối hàn chịu kéo (nén) và uốn trong mặt phẳng các tấm ghép: N M   u [ ], (5.5) bs W Dấu cộng dùng cho mối ghép chịu kéo, dấu trừ dùng cho mối ghép chịu nén. 5.2.2. Mối hàn chồng (Hình 5.3) Chiều cao mối hàn chồng lấy nh• sau:  k (5.6)  Trong đó: k- chiều rộng cạnh mối hàn K  hệ số phụ thuộc vào ph•ơng pháp hàn K s  khi hàn tay Hình 5.3. Kết cấu hàn chồng  khi hàn bán tự động  khi hàn tự động 69
Tùy theo vị trí t•ơng đối giữa phuơng của mối hàn và ph•ơng chịu lực, có thể chia mối hàn chồng ra các loại sau: 5.2.2.1 Mối hàn ngang Ph•ơng của mối hàn vuông góc với ph•ơng của lực. Mối hàn này dùng cho mối ghép không quan trọng. Chiều dài mối hàn không hạn chế. 1. Khi mối hàn chịu kéo (nén) dọc theo tấm, điều kiện bền đ•ợc xác định nh• sau: Tr•ờng hợp hàn một mối (hình 5.4-a) N  [], (5.7) b N N N N s s b b Hình 5.4a. Hàn chồng một mối Hình 5.4b. Hàn chồng hai mối Tr•ờng hợp hàn hai mối (hình 5.4-b) N  [], (5.8) 2b Trong đó: b - chiều dài mối hàn  - chiều cao mối hàn 2. Khi mối hàn hai mối chịu mô men uốn trong mặt phẳng ghép M   u [], (5.9) W Trong đó: W- mô đun chống uốn của tiết diện nguy hiểm của mối hàn ngang. 2 W= 2b 6 70
3. Khi hàn hai mối chịu lực kéo (nén) và mô men uốn trong mặt phẳng ghép N M   u [], (5.10) 2b W Dấu cộng dùng cho mối ghép chịu kéo, dấu trừ dùng cho mối ghép chịu nén. 5.2.2.2 Mối hàn xiên Ph•ơng của mối hàn tạo với ph•ơng của lực một góc (hình 5. 5). Chiều dài mối hàn xiên l không hạn chế. Điều kiện bền xác định theo công thức: N sin  [], (5.11) l N N N L N l 50K Hình 5.5. Kết cấu hàn chồng ( xiên) Hình 5.5. Kết cấu hàn chồng ( dọc) 5.2.2.3 Mối hàn dọc Ph•ơng của mối hàn song song với ph•ơng của lực. Vì trong mối hàn dọc ứng suất phân bố không đều theo chiều dài mối hàn nên chiều dài mối hàn không lấy quá 50K. 1. Khi mối hàn chịu kéo (nén) dọc theo tấm ghép. Điều kiện bền của mối hàn khi hàn hai mối (Hình 5.6) đ•ợc tính nh• sau: N  [], (5.12) 2l r•ờng hợp các mối ghép có tiết diện không đối xứng, ví dụ nh• thép góc, lực N phân bố cho các mối hàn tỷ lệ nghịch với khoảng cách e1và e2 (Hình 5.7) l1 e1 N N l2 e2 71
Hình 5.7. Kết cấu hàn chồng dạng tiết diện không đối xứng e2 e2   = N l1 l2 b e1 e1   = N l1 l2 b Trong đó: e1 và e2 - khoảng cách từ đ•ờng trục của thanh đến mối hàn b - chiều rộng của thanh Các mối hàn 1 và 2 đ•ợc tính theo tải trọng N1 và N2 t•ơng ứng, do đó mối quan hệ giữa e1 và e2 của mối hàn 1và 2 nh• sau: e l 1 2 e 2 l1 (5.13) Điều kiện (5.13) đảm bảo sức bền đều của hai mối hàn. ứng suất sinh ra trong hai mối hàn sẽ bằng nhau và xác định theo công thức: N  [], (5.14)  (l1 l2 ) Khi mối hàn chịu mô men trong mặt phẳng ghép (Hình 5.8) Tr•ờng hợp này ứng suất phân bố không đều dọc theo chiều dài mối hàn. Chiều dài mối hàn l càng lớn so với chiều rộng tấm ghép b thì ứng suất phân bố càng không đều. Nếu l  b (Hình 5.8a) có thể xác định ứng suất lớn nhất trong mối hàn theo công thức: b b M l M l Hình 5.8a. Mối hàn có (l b) Hình 5.8b. Mối hàn có (b l) M   u [], (5.15) Wo Trong đó Wo - mô men chống xoắn của mối hàn tại tiết diện nguy hiểm. 72
Nếu b  l (Hình 5.8b) có thể xác định ứng suất lớn nhất trong mối hàn theo công thức: M   u [], (5.16) Wu Trong đó Wu - mô men chống uốn của mối hàn tại tiết diện nguy hiểm. Wu= l b Khi mối hàn chịu lực và mô men uốn trong mặt phẳng ghép (Hình 5.9) N M   u [], (5.17) 2L Wu N b l M Hình 5.9. Kết cấu hàn chồng chịu cả lực và mô men trong mặt phẳng ghép 5.2.2.4 Mối hàn hỗn hợp 1 Khi mối hàn chịu kéo (nén) dọc theo tấm ghép (Hình 5.10a) N  [], (5.18) L Trong đó: L = 2l + l d n N ld - chiều dài mối hàn dọc ln b ln - chiều dài mối hàn ngang ld Hình 5.10a. Mối hàn chịu lực dọc 2 Khi mối hàn chịu mô men uốn trong mặt phẳng ghép (Hình 5.10b) M  [], (19) l 2 l l n d n 6 73