BÀI 1: MỞ ĐẦU

A. Mục tiêu bài học

                   - Nêu đư­ợc đặc điểm, công dụng của hàn.

                   - Phân loại đ­ược các ph­ương pháp hàn.

                   - Trình bày đư­ợc cách gây hồ quang và sự cháy của hồ quang.

- Nêu đư­­ợc công dụng và cách sử dụng thiết bị, dụng cụ hàn điện.

                   - Phân biệt đ­ược vật liệu và các loại que hàn thông thư­ờng.

B. Nội dung bài học                                           

I. KHÁI NIỆM CHUNG:   

1.1. Đặc điểm

   Hàn có những đặc điểm sau:

 a) So với tán ri vê.

Hàn tiết kiệm được từ (10-20)% khối lượng kim loại do sử dụng mặt cắt làm viêc của chi tiết, hàn triệt để hơn. Hình dáng chi tiết cân đối hơn giảm được khối lượng kim loại như phấn đầu ri-vê, đột lỗ.

b. So với đúc: 

Tiết kiệm 50% vì không cần hệ thống rót.

          Sử dụng hàn trong xây nhà cao tầng cho phép giảm 15% trọng lượng sườn, kèo đồng thời việc chế tạo và lặp ráp chung được giảm nhẹ, độ cứng vững  của kết cấu lại tăng.

c) Giảm được thời gian và giá thành chế tạo kết cấu.

Hàn có năng suất cao giảm được số lượng nguyên công, giảm cường độ lao động và tăng độ bền chặt của kết cấu.

 d) Hàn có thể nối được những kim loại có tính chất khác nhau.

Ví dụ: kim loại đen với nhau, kim loại màu với nhau và cả kim loại đen với kim loại màu. Ngoài ra hàn có thể nối các loại vật liệu không kim loại với nhau.

g) Thiết bị hàn đơn giản và dễ chế tạo.

Khi tán đinh ri-vê ta phải dùng rất nhiều máy móc như máy khoan, lò nung, máy đột... Còn khi hàn chỉ dùng máy hàn xoay chiều gồm một  máy hạ thế 220V hay 380V xuống nhỏ hơn 80V.

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 áp suất cao nên hàn làmột phương pháp chủ yếu dùng chế tạo bình hơi, nồi chứa ống dẫn … Chiụ áp lực cao.

f) Giảm được tiếng động khi sản xuất.

Tuy nhiên hàn còn  nhược điểm là: sau khi hàn tồn tại ứng suất dư, tổ chức kim loại gần mối hàn không tốt. Giảm khả năng chịu tải trọng động của mối hàn, vết hàn bị cong vênh…  

1.2. Công dụng

          Hàn được dùng rộng rãi trong nền công nghiệp hiện đại, trong quá trình công nghệ: chế tạo và sửa chữa.

Về chế tạo như nồi hơi, bình chứa, sườn vì kèo, tàu, cầu, thân máy bay, vỏ máy, ô tô, tên lửa, ngay cả ngành du hành vũ trụ …

            Nói chung những bộ phận máy có hình dạng phức tạp chịu tải trọng lớn đều được chế tạo bằng hàn.

           Sửa chữa những bộ phận hỏng cũ, ví dụ như xy lanh, bánh răng, trục, vật đúc bị  khuyết …  Đều dùng phương pháp hàn vừa nhanh, rẻ.

          Ngoài chỗ chịu tác dụng của lực chấn động không nên hàn, không có chỗ nào là không hàn được. Do đó công nghệ hàn đóng góp rất nhiều cho nền công nghiệp hiện đại.

v Hệ thống các tiêu chuẩn được  áp dụng phổ  biến hiện nay:

1. ASME (American Society of Mechanical Engineers): Hiệp hội các kỹ sư  cơ khí Hoa Kỳ, bao gồm  các tiêu chuẩn sau:

          - ASME  Boiler & Pressure Vessel Code: Quy phạm ASME về nồi hơi và bồn  bể  áp lực.

          - ASME CODE for Pressure Piping, B31: Quy phạm ASME về các đường ống  áp  lực.

2. AWS (American Welding Society): Hội hiệp hàn Hoa Kỳ gồm các tiêu  chuẩn  sau: 

          - AWS D1.1 – Steel Structural Welding Code: Quy phạm hàn kết cấu thép

3. API (American Petrolium Institute) – Viện dầu khí Hoa Kỳ gồm một số tiêu chuẩn sau.

          - API 650 - Welding Storage TanKs for Oil storage: Tiêu chẩn hàn bồn chứa dầu

          - API 1104 -Welding of Pipelines and Related Facilities: Tiêu chuẩn hàn đường ống và các phụ kiện đường ống.

4. Các tiêu chuẩn Quốc Tế ISO (Internation  Standardization Organization)

5. EN (European Nations): Tiêu chuẩn châu Âu.

6. JIS (Japanese Industrial Standards): Hệ thống tiêu chuẩn cho các nghành công nghiệp của hội hiệp tiêu chuẩn quốc gia Nhật Bản.

II. SỰ TẠO THÀNH MỐI HÀN VÀ TỔ CHỨC KIM LOẠI MỐI HÀN – HỒ QUANG HÀN       

          2.1. Sự tạo thành mối hàn

Mối hàn là một bộ phận của liên kết hàn tạo nên do kim loại nóng chảy kết tinh hoặc do biến dạng dẻo tạo thành, sự liên kết có thể:

          Liên kết hàn đồng nhất: Trong đó kim loại hàn và kim loại cơ bản không có sự khác nhau đáng kể về tính chất cơ học và hoặc thành phần hoá học (một liên kết hàn được chế tạo từ kim loại cơ bản tương tự như nhau, không có kim loại bổ sung được coi là liên kết hàn đồng nhất .

          Liên kết hàn không đồng nhất: Là kim loại mối hàn và kim loại cơ bàn có sự khác nhau đáng kể về tính chất cơ học và hoặc thành phần hoá học.

           Tương tự như các mối nối bằng đinh tán và bu lông. Mối nối hàn là mối nối được thực hiện bằng hàn gọi là mối nối hàn. Nó là mối nối liền.

        Trong hàn nóng chảy mối hàn gồm:

   - Mối hàn (1)

   - Vùng tiệm cận mối hàn (2) Kim loại cơ bản

   - Kim loại cơ bản không bị tác dụng nhiệt trong quá trình hàn (3)

   - Mối hàn gồm hỗn hợp kim loại phụ (que hàn) và kim loại vật hàn kết tinh lại.

   - Vùng tiệm cận là vùng kim loại cơ bản bị nung nóng từ 100⁰C đến nhiệt độ nóng chảy.

Hình 1- 1: Mối nối hàn cơ bản

1. Mối hàn ;  2. Vùng tiệm cận ;  3. Kim loại cơ bản

2.2. Tổ chức kim loại mối hàn

Sau khi hàn, kim loại lỏng ở bể hàn gồm: kim loại que hàn và kim loại vật hàn sẽ nguội và kết tinh tạo thành mối hàn. Vùng kim koại vật hàn quanh mối hàn do ảnh hưởng của tác dụng nhiệt nên có sự thay đổi tổ chức và tính chất của nó gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt.

Nghiên cứu mối hàn bằng thép ít cac bon qua kính hiển vi, ta sẽ thấy có nhiều phần riêng có tổ chức khác nhau sau đây.

2.2.1. Vùng mối hàn (Hình 1-2).

 Hình 1- 2:  Sự kết tinh của kim loại mối hàn

Trong vùng này, kim loại nóng chảy hoàn toàn khi nguội có tổ chức tương tự tổ chức thỏi đúc, thành phần và tổ chức khác với kim loại que hàn và vật hàn.

Vùng sát với kim loại cơ bản do tản nhiệt nhanh, tốc độ nguội lớn nên hạt rất nhỏ. Vùng tiếp theo kim loại sẽ kết tinh theo hướng thẳng góc với mặt tản nhiệt tạo nên dạng nhánh cây kéo dài, vùng trung tâm do nguội chậm nên hạt lớn và có lẫn chất không kim loại (xỉ…)

2.2.2. Vùng ảnh hưởng nhiệt (Hình 1- 3) 

Sự tạo thành vùng ảnh hưởng nhiệt là điều tất nhiên trong quá trình hàn nóng chảy. Chiều rộng của vùng ảnh hưởng nhiệt phụ thuộc vào phương pháp hàn và chế độ hàn, thành phần và chiều dày của kim loại hàn.

Hình 1-3: Tổ chức của vùng ảnh hưởng nhiệt

 khi hàn thép ít cacbon

          Trong trường hợp nguồn nhiệt tập trung, tốc độ hàn lớn, chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ nhỏ. Có thể phân chia vùng ảnh hưởng nhiệt ra thành các phần dưới đây:

           a) Viền chảy 1: Trong quá trình hàn, kim loại cơ bản của vùng này bị nung nóng đến nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ nóng chảy và ở trạng thái rắn lỏng. Ở phần này thực chất quá trình hàn đã được thực hiện và gồm những hạt kim loại chưa nóng chảy hoàn toàn. Hạt kim loại nhỏ và ảnh hưởng tốt đến cơ tính mối hàn.

 b) Vùng quá nhiệt 2: Là vùng kim loại cơ bản bị nung nóng từ 1100⁰C đến gần nhiệt độ nóng chảy. Kim loại ở vùng này chịu sự biến đổi về thù hình, đồng thời do quá nhiệt nên các hạt ôstenít bắt đầu phát triển mạnh. Vùng này hạt kim loại lớn có độ dai va chạm và tính dẻo kém, là vùng yếu nhất của vật hàn.

 c) Vùng thường hoá 3:  Là vùng kim loại bị nung nóng từ 900 ÷ 1100⁰C. Tổ chức gồm những hạt ferít nhỏ và một số hạt péc lít, vì thế nó có cơ tính rất  cao.

d) Vùng kết tinh lại không hoàn toàn 4: Là vùng kim loại bị nung nóng từ 720 ÷ 900⁰C. Kim loại vùng này chỉ bị kết tinh lại một phần, do đó bên cạnh những tinh thể kim loại cơ bản chưa bị thay đổi trong quá trình nung nóng có những tinh thể được tạo nên trong quá trình kết tinh lại. Tổ chức gồm các hạt peclít to và Ostenít nhỏ, vì thế cơ tính của vùng này giảm.

g) Vùng kết tinh lại 5 (còn gọi là vùng hoá già): Là vùng kim loại bị nung nóng từ 500 ÷ 720⁰C. Trong vùng này diễn gia quá trình kết hợp những hạt tinh thể nát vụn với nhau trong trạng thái biến dạng dẻo. Trong quá trình kết tinh lại phát sinh và phát triển những tinh thể mới. Nếu giữ ở nhiệt độ kết tinh lại quá lâu thì không diễn ra quá trình kết hợp mà lại diễn ra quá trình phát triển mạnh các tinh thể. Khi hàn kim loại không có biến dạng dẻo (như hợp kim đúc) sẽ không xảy ra quá trình kết tinh lại. Vùng này có độ cứng giảm, tính dẻo tăng.

h) Vùng giòn xanh 6: là vùng kim loại bị nung nóng từ 100 ÷ 500⁰C. Vùng này trong quá trình hàn không có những thay đổi rõ về tổ chức, nhưng do ảnh hưởng nhiệt nên tồn tại ứng suất dư.

 2.3. Hồ quang hàn

Khi ta hàn, đầu tiên cho que hàn tiếp xúc với vật hàn để sinh ra chập mạch, do điện trở tiếp xúc và dòng điện chập mạch sinh ra nhiệt độ cao, làm cho điểm tiếp xúc giữa hai cực điện đạt đến trạng thái nóng trắng, sau đó nâng ngay que hàn lên cách vật hàn môt ít, lúc này, không khí giữa đầu que hàn và vật hàn biến thành thể khí dẫn điện, sinh ra nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh, hiện tượng này được gọi là hồ quang.

   Nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh là hai đặc tính của hồ quang, được ứng dụng nhiều trong công nghiệp. Lợi dụng sức nóng của nó để hàn hồ quang và luyện thép. Ánh sáng của nó dùng chiếu sáng , như đèn pha …vv.

2.3.1. Hồ quang điện.

        Định nghĩa: Hồ quang điện là sự phóng điện liên  tục qua đường dẫn dạng khí giữa hai điện cực. Dòng điện hồ quang được dẫn qua khí ion hóa được gọi là plasma. Trong hồ quang hàn plasma có thể được pha trộn với các trạng thái khác của vật chất chẳng hạn như kim loại nóng chảy, xỉ, hơi, các nguyên tử khí bị trung hòa hoặc bị ion hóa. Nhiệt độ hồ quang hàn thường 5000 đến 30.000 ⁰K, tùy theo bản chất plasma và dòng điện đi qua hồ quang.

          Trong điện cực hàn que hàn có thuốc bọc nhiệt độ cực đại của hồ quang là 6000⁰K. Nhiệt tập trung cao của hồ quang và kích thước nhỏ cho phép hàn các tiết diện kim loại dày với tốc độ tương đối cao, tổn thất nhiệt thấp. Trong hồ quang hàn sự phát sinh nhiệt ở cực âm và cực dương với dòng DC khác nhau rõ rệt mặt khác tùy theo kim loại điện cực và kim loại nền và bản chất của  plasma, sự phân phối nhiệt giữa các khu vực cực âm và khu cực cực dương thường được xác định tốc độ nóng chảy điện cực và độ ngấu sâu vào kim loại nền. Trong khi hàn nhiệt phát ra do hồ quang được  dùng để nung nóng và nóng chảy kim loại nền, hay chất trợ dug một phần bị tổn thất do bức xạ và đối lưu.

A.    Mạch điện hàn.

B.    Hồ quang hàn.

Hình 1-4:  Hàn hồ quang kim loại bằng tay.

          Chiều dài hồ quang là yếu tố quan trọng, do chiều dài này quyết định điện áp hồ quang. Hồ quang ngắn nghĩa là điện áp hồ quang thấp và dòng điện cao nên làm tăng tốc độ hàn. Hồ quang dài có nghĩa là điện áp hồ quang cao thì dòng điện lại thấp dẫn đến làm giảm năng suất hàn. Khi hồ quang quá dài nhiệt bị tổn thất sự bắn tóe tăng lên làm kim loại mối hàn dễ hấp thụ nitơ làm giảm độ dai và gây rỗ xốp mối hàn. Trong quá trình hàn khi sử dụng dòng hàn DC thì phải dùng hồ quang ngắn để hàn để giảm sự lệch hồ quang va sự xâm nhập của các phần tử khí từ không khí xung quanh.

2.3.2. Sự phân bố nhiệt độ và nhiệt lượng của hồ quang

Sự phân bố về nhiệt độ và nhiệt lượng của hồ quang do ba bộ phận cấu tạo thành (Hình 1-5).      

Trong hồ quang cực cacbon hàn điện một chiều nhiệt độ ở khu vực cực âm lên đến 3200⁰C, nhiệt lượng phóng ra là 38% của tổng nhiệt lượng hồ quang, nhiệt độ ở khu vực cực dương là 3400⁰C nhiệt lượng phóng ra là 42% tổng nhiệt lượng hồ quang, nhiệt độ cao nhất của trung tâm cột hồ quang lên đến 6000⁰C nhưng ngược lại ở xung quanh cột hồ quang thì lại rất thấp  nhiệt lượng phóng ra là 20% tổng nhiệt lượng hồ quang.

Hồ quang của cực kim loại thì không nhất thiết như vậy  bởi vì  nó do tính năng của que hàn, cường độ dòng điện... và nhiều nhân tố khác quyết định. Khi dùng hồ quang điện xoay chiều để hàn nhiệt độ và nhiệt lượng phân bố trên que hàn và vật hàn căn bản giống nhau.