Bài giảng Công nghệ chế tạo phôi - Nguyễn Hoàng Lĩnh

ôi, khi chồn thường xảy ra các trường hợp sau: a) b) c) d) e) Hình 2.24 Sơ đồ chồn toàn bộ h0 Trường hợp 1: khi 2 thì vật chồn có dạng (hình 2.24a). Với h0-chiều cao d0 vật chồn, d0-đường kính vật chồn. -58- h Trường hợp 2: khi 0  2  2,5 có thể xảy ra các hiện tượng sau có dạng như d 0 hình 2.24b (lực đập đủ lớn); hình 2.24c (lực đập không đủ lớn); hình 2.24d (lực đập nhỏ và nhanh); h Trường hợp 3: khi 0  2,5 thì vật chồn dễ bị cong như hình 2.24e. d0 2.6.4.2. Vuốt Là nguyên công làm giảm tiết diện ngang, tăng chiều dài của phôi. Vuốt thường dùng để chế tạo các chi tiết dạng trục. Vuốt được thực hiện bằng việc lật phôi qua lại theo một góc 900 hay 1800. Hình 2.25 Khuôn vuốt Hình 2.26 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp vuốt kim loại a) Quay phôi một góc 900 hay 600 b) Quay phôi theo chiều xoắn ốc . 2.6.4.3. Uốn Là nguyên công làm thay đổi hướng trục hoặc thớ của vật rèn. Hình 2.27 Một số phương pháp uốn -59- Khi uốn tiết diện phôi tại chổ uốn thay đổi hình dạng, kích thước. 2.6.4.4. Xoắn Là nguyên công làm xoay một phần này đi một góc tương đối so với phần khác dọc theo trục của phôi. Xoắn dùng để tạo phôi rèn có hình thù đặc biệt như trục khuỷu, mũi khoan... 2.6.4.5. Chặt Là nguyên công để cắt phôi thành từng phần hoặc loại bỏ những phần thừa không cần thiết. Chặt có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc nguội. Hình 2.28 Một số phương pháp chặt 2.6.4.6. Đột Là nguyên công tạo lỗ trên phôi. Lỗ có thể thông hoặc không thông. Hình 2.29 Các nguyên công đột lỗ khi rèn 2.6.4.7. Hàn rèn Là nguyên công để nối các phần tử kim loại với nhau bằng phương pháp GCAL. Phương pháp này thực chất là nung 2 phần cần nối đến gần nhiệt độ chảy rồi dùng ngoại lực tác dụng để chúng dính lại với nhau tạo nên mối nối. Ở nhiệt độ đó, kim loại dưới tác dụng của ngoại lực sẽ khuyếch tán vào nhau tạo thành mối hàn. -60- 2.7. Dập thể tích 2.7.1. Khái niệm và đặc điểm 2.7.1.1. Khái niệm Dập thể tích (còn gọi là rèn khuôn) là một phương pháp rèn mà kim loại biến dạng bị khống chế bởi các bề mặt lòng khuôn. 2.7.1.2. Đặc điểm So với rèn tự do, rèn khuôn có các đặc điểm sau: - Độ chính xác có thể đạt  0,1  0,05, độ bóng 2÷4 - Chất lượng vật rèn cao. - Năng suất cao do dễ cơ khí hoá và tự động hoá. - Có khả năng chế tạo được các chi tiết phức tạp. - Khuôn chịu nhiệt, chịu áp lực lớn và đắt tiền. - Chi phí chế tạo khuôn cao, chóng mòn, thích hợp với dạng sản xuất hàng loạt và hàng khối. 2.7.2. Các phương pháp rèn khuôn Dựa vào lòng khuôn ta có các phương pháp sau: 2.7.2.1. Rèn trong khuôn hở Là lòng khuôn mà trong quá trình gia công có một phần kim loại được biến dạng tự do. Được dùng cho các vật rèn đơn giản hoặc không yêu cầu chính xác. Hình 2.30 Sơ đồ nguyên lý rèn trong khuôn hở 1) Nửa khuôn dưới 2) Mặt phân khuôn 3) Nửa khuôn trên 4) Rãnh chứa ba via 5) Phôi 6) Sản phẩm -61- Rèn trong khuôn hở: khuôn hở là khuôn có mặt phân khuôn tại vùng tiếp giáp với vật gia công thẳng góc với phương của lực tác dụng, cửa ba via không hạn chế sự biến dạng kim loại ra xung quanh. Rèn trong khuôn hở tính dẻo thấp, sự điền đầy không cao, yêu cầu công suất thiết bị lớn. Song mặt phân khuôn tương đối đơn giản. 2.7.2.2. Rèn trong khuôn kín Là lòng khuôn không cho ba via trên sản phẩm. Được dùng cho các vật rèn phức tạp, đòi hỏi chính xác. Hình 2.31 Sơ đồ nguyên lý rèn trong khuôn kín Khuôn kín: Là khuôn có mặt phân khuôn tại vùng tiếp giáp với vật gia công song song hay gần như song song với phương của lực tác dụng, vật rèn không có hoặc như không có ba via. Rèn trong khuôn kín thì tính dẻo của kim loại tăng, tính điền thấu tốt, không yêu cầu công suất thiết bị lớn, song yêu cầu việc tính toán phôi phải chính xác, chất lượng nung cao. Ngoài ra còn phân loại theo trạng thái nhiệt của phôi: Rèn khuôn nóng: Kim loại dể biến dạng, khả năng điền đầy tốt, không yêu cầu công suất thiết bị cao, khuôn đỡ mòn. Song độ bóng và độ chính xác của vật rèn không cao, khuôn phải chịu nhiệt tốt. Nên dùng để rèn thô, rèn sơ bộ. Rèn khuôn nguội: Chỉ nung phôi gia công đến nhiệt độ kết thúc gia công hoặc không nung nó có đặc điểm ngược lại. 2.7.3. Thiết bị dập thể tích thường dùng Máy búa hơi nước-không khí ép rèn khuôn; máy ép trục khuỷu; máy ép trục vít; máy ép thuỷ lực; ... 2.7.3.1. Máy ép trục khuỷu: hình 2.32 Nguyên lý làm việc: Động cơ 1 qua bộ truyền đai 2 truyền chuyển động cho trục mang bánh răng nhỏ 3 ăn khớp với bánh răng 4 lắp lồng không trên trục khuỷu 10. Khi đóng ly hợp 5, trục khuỷu 10 quay, thông qua tay biên 6 làm cho đầu trượt -62- 7 chuyển động tịnh tiến lên xuống, thực hiện chu trình dập. Đe dưới 8 lắp trên bệ nghiêng có thể điều chỉnh được vị trí ăn khớp của khuôn trên và khuôn dưới. Phanh 9 dùng để ngắt ly hợp 5. Hình 2.32 Sơ đồ nguyên lý máy ép kiểu trục khuỷu 1)Động cơ 2)Dây đai 3)Bánh răng nhỏ 4)Bánh răng lồng không 5)Ly hợp 6)Tay biên 7)Đầu ép 8)Đe 9)Phanh 10)Trục khuỷu 2.7.3.2. Máy ép ma sát kiểu trục vít: hình 2.33 Nguyên lý làm việc: Động cơ 1 truyền chuyển động qua bộ truyền đai 2 làm quay trục 4 có lắp đĩa ma sát 3 và 5. Khi nhấn bàn đạp 11 cần điều khiển 10 đi lên, đẩy trục 4 dịch sang phải và đĩa ma sát 3 tiếp xúc với bánh ma sát 6 làm trục vít quay theo chiều đưa đầu búa đi xuống. Khi đến vị trí cuối của hành trình ép, chốt 8 tì vào cử 9 làm cho cần điều khiển 10 đi xuống, đẩy trục 4 qua trái và đĩa ma sát 5 tì vào bánh ma sát 6 làm trục vít quay theo chiều ngược lại, đưa đầu trượt đi lên, đến cữ hành trình 7 cần 10 lại nhấc lên, trục 4 được đẩy sang phải, lặp lại quá trình trên. -63- Hình 2.33 Máy ép ma sát kiểu trục vít 1)Động cơ 2)Bộ truyền đai 3,5)Đĩa ma sát 4)Trục 6)Bánh ma sát 7,9)Cử tì 8)Chốt 10)Cần điều khiển 11)Bàn đạp 2.8. Dập tấm (dập nguội) 2.8.1. Khái niệm Dập tấm là một trong những phương pháp gia công kim loại bằng áp lực để chế tạo các sản phẩm hoặc chi tiết từ vật liệu tấm, hoặc dải, cuộn, băng mà chiều dày của phôi ít thay đổi hay thay đổi không đáng kể trong quá trình gia công. Dựa theo trạng thái nhiệt độ khi gia công dập tấm được phân ra: - Dập nóng: Quá trình dập thực hiện ở trạng thái nóng, thường sử dụng khi gia công những tấm dày S > = 10 mm, như thép hợp kim, vật liệu kém dẻo như Mg,... - Dập nguội: Quá trình gia công tiến hành ở trạng thái nguội (không nung nóng). Đây là phương pháp sử dụng chủ yếu trong thực tế. 2.8.2. Đặc điểm và ứng dụng 2.8.2.1. Đặc điểm - Tiết kiệm vật liệu. - Sản phẩm có hình dạng phức tạp. -64- - Thiết bị có hành trình đơn giản. - Sản phẩm dập có tính lắp lẫn tốt, không cần gia công cơ. - Trình độ công nhân không cần cao. - Năng suất cao, giá thành hạ, cơ khí hóa, tự động hóa. 2.8.2.2. Ứng dụng Ngày nay dập tấm đang được sử dụng rất rộng rãi ở nước ta cũng như trên thế giới. Trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành chế tạo máy bay, máy nông nghiệp, hàng tiêu dùng, ôtô, thiết bị điện,... nhờ các phương pháp: Dập tấm, cắt hình, đột lỗ, uốn, dập vuốt, tóp miệng, dập dãn, miết,... 2.8.3. Thiết bị dập tấm Theo nguyên lý truyền động: máy ép trục khuỷu (cơ học); máy ép thuỷ lực;... Máy ép trục khuỷu dập tấm (có hình dạng tương tự máy ép trục khuỷu dập thể tích). Máy ép thuỷ lực: máy có cấu tạo phức tạp, lực ép lớn, tốc độ biến dạng của máy ổn định không thay đổi, không gây quá tải cho máy vì có van an toàn. Máy ép thuỷ lực thường dùng khi chế tạo những chi tiết có kích thước lớn, phức tạp, yêu cầu chất lượng cao. 2.8.4. Các nguyên công của dập tấm Quá trình gia công bằng phương pháp dập tấm được chia ra 2 nhóm nguyên công chính: Nhóm các nguyên công cắt, tức là tách một phần phôi khỏi phần chung của nó (cắt hình, đột lỗ, cắt phôi ra từng phần,... ) Nhóm nguyên công tạo hình là nguyên công làm biến dạng kim loại hay dịch chuyển một phần của phôi đối với phần khác mà phôi không bị phá huỷ. Nhóm nguyên công này bao gồm các nguyên công: uốn, dập vuốt, tóp, dập dãn, miết, uốn vành, cuốn mép, ... 2.8.4.1. Các nguyên công cắt đứt Là nguyên công chia phôi thành nhiều phần bằng nhau theo những đường cắt hở hoặc kín. Cắt có thể tiến hành trên máy cắt có lưỡi cắt song song (hình 23.4a), nghiêng (hình 23.4b) hay lưỡi cắt đĩa (hình 23.4c). -65- a) Lưỡi cắt song song b) Lưỡi cắt nghiêng c) Lưỡi cắt đĩa Hình 2.34 Sơ đồ các máy cắt đứt Để cắt những đường khép kín ta dùng dập cắt (nếu sử dụng phần vật liệu nằm bên trong đường cắt) và đột lỗ (nếu sử dụng phần vật liệu nằm bên ngoài đường cắt). Về bản chất dập cắt và đột lỗ là giống nhau, chỉ khác về công dụng. Hình 2.35 Máy cắt đột liên hợp (cắt hình, đột lỗ và cắt thép tấm) Hình 2.36 Sơ đồ các dạng sản phẩm của cắt hình (a) và đột lỗ (b) 2.8.4.2. Các nguyên công tạo hình Là nguyên công tiến hành để chế tạo các chi tiết dạng cốc thông hoặc không thông từ những phôi đã được tạo ra ở nguyên công trước. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể mà ta có các phương pháp tạo hình sau: -66- 1.Uốn tấm Là nguyên công biến tấm phôi phẳng thành chi tiết gấp khúc. Bán kính uốn nhỏ nhất: r min = (0,25 - 2,5 ).S (với S- chiều dày của phôi) Phôi uốn Chày Sản phẩm uốn Hình 2.37 Sơ đồ nguyên lý uốn kim loại a) b) Hình 2.38 Máy uốn 4 trục (h.a) và 3 trục (h.b) 2. Dập vuốt: Là nguyên công biến phôi phẳng hoặc phôi rỗng thành chi tiết có đáy hở miệng. d Hệ số dập vuốt K được tính theo công thức: K = CT DPhoi Hình 2.39 Sơ đồ dập vuốt nhiều lần -67- 3. Nong lỗ (uốn vành) Là nguyên công làm tăng chu vi của lỗ đột trước do tạo nên thành lỗ. Hình 2.40 Nong lỗ 4. Tóp miệng Là nguyên làm giảm tiết diện ngang của miệng. Hình 2.41 Nguyên công tóp miệng 5. Giãn phồng: là nguyên công làm to chi tiết đã dập giãn ở phần dưới, còn miệng vẫn giữ nguyên, khong làm thay đổi chiều dày của chi tiết. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2 1. Thế nào là cán? Đặc điểm và các sản phẩm của cán? 2. Thế nào là kéo? Đặc điểm của kéo? 3. Thế nào là ép? Đặc điểm và các phương pháp ép? 4. Thế nào là rèn tự do? Đặc điểm của phương pháp, các nguyên công của rèn tự do? 5. Thế nào là rèn khuôn? Đặc điểm của nó? 6. Thế nào là dập tấm? Đặc điểm và các nguyên công của nó? -68- Chương 3. HÀN VÀ CẮT KIM LOẠI 3.1. Khái niệm, đặc điểm và phân loại 3.1.1. Khái niệm Hàn là quá trình nối cứng các phần tử kim loại với nhau bằng cách nung nóng chỗ hàn đến trạng thái hàn (chảy hoặc dẻo), sau đó không dùng lực ép hoặc dùng lực ép ghép chúng lại với nhau để tạo thành mối hàn. Hình 3.1 Sơ đồ mối ghép hàn 3.1.2. Đặc điểm của hàn kim loại 3.1.2.1. Ưu điểm - Tiết kiệm kim loại. - Giảm được thời gian và giá thành chế tạo kết cấu. - Hàn có thể nối được những kim loại có tính chất khác nhau. - Thiết bị hàn tương đối đơn giản và dễ chế tạo. - Kết cấu tại mối hàn có độ bền rất cao. - Giảm được tiếng động khi sản xuất. 3.1.2.2. Nhược điểm - Tổ chức kim loại không đồng nhất, chứa nhiều khuyết tật. - Chi tiết hàn dùng trong tải trọng tĩnh. - Do nung nhanh và nguội nhanh nên hay tập trung ứng suất trong quá trình hàn nếu có bọt khí thì mối hàn không chất lượng. 3.1.3. Phân loại các phương pháp hàn Dựa vào trạng thái của kim loại mối hàn, người ta phân ra hai nhóm sau: 3.1.3.1. Hàn nóng chảy Quá trình nối cứng các phần tử kim loại với nhau bằng cách nung nóng chổ hàn đến trạng thái nóng chảy sau đó kim loại lỏng sẽ nguội kết tinh lại tạo thành mối hàn gọi hàn nóng chảy. -69- - Phương pháp hàn hồ quang: hàn hồ quang tay, hàn hồ quang tự động và bán tự động (dùng thuốc bảo vệ, dùng khí bảo vệ CO2,Ar,Hemối hàn). - Phương pháp hàn khí. - Phương pháp hàn bằng nguồn năng lượng tập trung cao: hồ quang plasma, chùm tia điện tử, chùm tia laser, - Phương pháp hàn xỉ điện. 3.1.3.2. Hàn áp lực Quá trình nối cứng các phần tử kim loại với nhau bằng cách nung nóng chổ hàn đến trạng thái dẻo sau đó dùng lực ép làm các phần tử kim loại khuếch tán vào nhau tạo thành mối hàn gọi là hàn áp lực. - Hàn điện tiếp xúc: Bề mặt mối nối tiếp xúc với nhau cường độ dòng điện lớn chạy vào vật hàn, sau đó dùng lực ép lại. + Hàn điện tiếp xúc giáp mối. + Hàn điện tiếp xúc điểm. + Hàn điện tiếp xúc đường. + Hàn điện tiếp xúc đường giáp mối. - Hàn nổ. - Hàn siêu âm. - Hàn ma sát. - Hàn nguội, hàn rèn Ngoài ra còn có hàn vẩy: 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 nối vật hàn lại với nhau. 3.2. Hàn điện hồ quang 3.2.1. Hồ quang hàn Hồ quang là sự phóng điện giữa 2 điện cực có điện áp ở trong môi trường khí hoặc hơi. Hồ quang điện được ứng dụng để hàn gọi là hồ quang hàn. Hàn điện hồ quang là sử dụng năng lượng điện do hồ quang cháy giữa các điện cực để làm nóng chảy chỗ hàn và nối ghép chúng lại với nhau. -70- Khoảng hồ quang nằm giữa 2 điện cực gọi là cột hồ quang và chiều dài của nó được gọi là chiều dài cột hồ quang (Lhq). Cấu tạo của hồ quang điện có dạng như hình 3.3 sau: 1) Vùng cận anốt 2) Vùng cận katốt 3) Cột hồ quang Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo cột hồ quang hàn 3.2.2. Cấu tạo điện cực hàn Điện cực hàn được chế tạo từ các loại vật liệu khác nhau, gồm: 3.2.2.1. Điện cực không nóng chảy Được chế tạo từ các vật liệu chịu nhiệt cao: Vônfram (W), Grafit, than,... Hình 3.3 Que hàn không nóng chảy Đường kính que hàn Vônfram dq = 1÷5 mm, que hàn Grafit dq = 6÷12 mm, chiều dài que hàn thường là 250 mm, đầu vát côn. Que hàn không nóng chảy cho hồ quang cháy ổn định, để bổ sung kim loại mối hàn phải sử dụng thêm que hàn phụ. 3.2.2.2. Điện cực nóng chảy Được chế tạo từ thép, gang, các loại kim loại màu,... Hình 3.4 Que hàn nóng chảy 1) Lõi que hàn 2) Lớp thuốc bọc -71- Lõi que hàn thường có đường kính dq = 1÷12 mm. Chiều dài que L= 250÷450 ± 5 mm, chiều dài phần kẹp l1=30 mm, l2 < 15 mm, l3= 1÷2 mm. Các loại que hàn này có lõi và lớp thuốc bọc. Chúng có khả năng bổ sung kim loại cho mối hàn và các tác dụng khác như kích thích hồ quang, bảo vệ mối hàn, hợp kim hoá mối hàn, ... 3.2.3. Điều kiện để xuất hiện hồ quang hàn Thực chất của hồ quang là dòng chuyển động có hướng của các phần tử mang điện (ion âm, ion dương, điện tử) trong môi trường khí; trong dó điện tử có vai trò rất quan trọng. Trong điều kiện bình thường, không khí giữa hai điện cực ở trạng thái trung hoà nên không dẫn điện. Khi giữa chúng xuất hiện các phần tử mang điện thì sẽ có dòng điện đi qua. Vì vậy để tạo ra hồ quang ta cần tạo ra môi trường có các phần tử mang điện. Quá trình đó gọi là quá trình ion hoá. Môi trường có chứa các phần tử ion hoá gọi là môi trường ion hoá. Quá trình các điện tử thoát ra từ bề mặt điện cực để đi vào môi trường khí gọi là quá trình phát xạ điện tử hay phát xạ electron. Năng lượng để làm thoát điện tử ra khỏi bề mặt các chất rắn gọi là công thoát electron. Khi có điện áp, dưới tác dụng của điện trường, các điện tử trong môi trường sẽ chuyển động từ ca tốt (-) đến anôt (+) và phát triển với vận tốc lớn. Với sự chuyển động đó các điện tử sẽ va chạm vào các phân tử, nguyên tử trung hoà truyền năng lượng cho chúng và kết quả làm tách các điện tử khỏi nguyên tử phân tử và tạo nên các ion. Như vậy thực chất của quá trình ion hoá không khí giữa 2 điện cực là do sự va chạm giữa các điện tử được tách ra từ điện cực với các phân tử trung hoà không khí. Kết quả quá trình ion hoá là sự xuất hiện các phần tử mang điện giữa 2 điện cực và hồ quang xuất hiện (nói cách khác là có sự phòng điện giữa 2 điện cực qua môi trường không khí). Như vậy muốn có hồ quang phải tạo ra một năng lượng cần thiết để làm thoát các điện tử. Nguồn năng lượng này có thể thực hiện bằng các biện pháp: Tăng điện áp giữa 2 điện cực nhờ bộ khuyếch đại. Tăng cường độ dòng điện để tăng nguồn nhiệt bằng cách cho ngắn mạch. -72- 3.2.4. Các phương pháp gây hồ quang khi hàn: Có 2 phương pháp: phương pháp mổ thẳng và phương pháp ma sát 3.2.4.1. Phương pháp mổ thẳng Cho que hàn tiếp xúc với vật hàn bằng cách mổ que hàn vuông góc vào vật hàn và nhấc lên khoảng cách 1-3 mm, khi xuất hiện hồ quang lập tức giữ que hàn khoảng cách từ 2-4 mm cho hồ quang cháy ổn định, di chuyển que hàn để hàn (hình 3.5a). a) Phương pháp mổ thẳng b) Phương pháp ma sát Hình 3.5 Các phương pháp gây hồ quang Khi mổ không được cho que hàn tiếp xúc quá lâu với vật hàn, điều này sẽ gây ra sự dính điện cực. 3.2.4.2. Phương pháp ma sát Quẹt nhẹ que hàn vào vật hàn, lớp thuốc ở mặt đầu que hàn sẽ bị bong tạo điều kiện cho que hàn tiếp xúc với vật hàn. Khi hồ quang xuất hiện cần nhanh chóng nhấc que hàn lên để tránh bị dính que, giữ que hàn khoảng cách từ 2-4 mm cho hồ quang cháy ổn định hàn (hình 3.5b). Có thể gây hồ quang ở vị trí khác sau đó đưa que hàn về vị trí cần hàn. Khi quẹt nên nhẹ nhàng để hạn chế việc dính điện cực. 3.2.5. Phân loại hàn hồ quang 3.2.5.1. Phân loại theo điện cực (que hàn) - Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy: như điện cực than, grafit, W, hợp chất của một số nguyên tố có khả năng phát xạ ion như La, Th,... - Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy: có các loại que hàn thép (que hàn thép các bon thấp, que hàn thép các bon cao, que hàn thép hợp kim, ...) que hàn nhôm, que hàn đồng, ... -73- 3.2.5.2. Phân loại theo phương pháp đấu dây 1. Đấu dây trực tiếp 1 2 Nguồn điện 1 pha 3 Hình 3.6 Sơ đồ đấu dây trực tiếp 1) Điện cực hàn (que hàn) 2) Hồ quang hàn 3) Vật hàn Khi hàn dòng một chiều có thể có hai phương pháp đấu dây: nối thuận và nối nghịch. a)Nối thuận b)Nối nghịch Hình 3.7 Sơ đồ nối thuận 1) Điện cực hàn (que hàn) 2) Hồ quang hàn 3) Vật hàn 2. Đấu dây gián tiếp Hình 3.8 Sơ đồ đấu dây gián tiếp 1) Điện cực hàn (que hàn) 2) Hồ quang hàn 3) Vật hàn 3. Đấu dây hỗn hợp (hồ quang 3 pha): Có 3 ngọn lửa hồ quang giữa 3 điện cực: hồ quang giữa điện cực 1 - 3; giữa 1 - 2 và giữa 2 - 3. -74- Hình 3.9 Sơ đồ đấu dây hỗn hợp 1) Điện cực hàn 1 2) Điện cực hàn 2 3) Vật hàn (điện cực hàn 3) 3.2.6. Nguồn điện hàn và máy hàn Nguồn điện hàn có thể một chiều, xoay chiều. Máy hàn dòng điện một chiều hay chỉnh lưu cho chất lượng mối hàn cao, ổn định nhưng giá thành đắt nên chỉ sử dụng khi có yêu cầu cao về chất lượng. Hiện nay máy hàn dòng xoay chiều vẫn là chủ yếu. Máy hàn hồ quang thường có các loại sau: - Máy hàn dòng xoay chiều: máy biến áp có bộ tự cảm riêng, máy biến áp hàn có hàn có từ thông tản lớn (dạng có lõi từ di động), máy biến áp hàn có cuộn dây di động,... - Máy hàn một chiều: loại máy phát hàn chạy bằng động cơ điện, máy phát hàn có dùng máy nổ và các dạng máy phát hàn khác. Sau đây ta chỉ xét một số loại máy hàn thông dụng. 3.2.6.1. Máy biến áp hàn xoay chiều Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp hàn xoay chiều -75- u1, u2 - Điện áp sơ cấp và thứ cấp; uh- Điện áp hàn; W1, W2 - số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp;  - Từ thông sinh ra trong lõi biến áp và gây ra ở cuộn thứ cấp. A- Lõi từ Loại máy hàn này điều chỉnh cường độ dòng điện hàn bằng cách thay đổi điện áp hàn nhờ vào sự thay đổi số vòng dây của cuộn thứ cấp. Máy hàn này đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ. Tuy nhiên chỉ thay đổi dòng được một vài cấp gọi là điều chỉnh thô. 3.2.6.2. Máy hàn một chiều: Máy hàn gồm máy phát điện một chiều M có cuộn dây kích từ riêng 2 được cấp điện riêng từ nguồn điện xoay chiều qua bộ chỉnh lưu 1. Trên mạch ra của máy phát đặt cuộn khử từ 3. Từ thông sinh ra trên cuộn khử từ Φc luôn luôn ngược hướng với từ thông sinh ra trên cuộn kích từ Φkt. Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý máy hàn một chiều 1) Bộ chỉnh lưu 2) Cuộn kích từ 3) Cuộn khử từ Ở chế độ không tải, dòng điện hàn Ih=0 nên từ thông Φc=0, máy phát được kích từ bởi từ thông Φkt do cuộn dây kích từ 2 sinh ra. Ở chế độ có tải, dòng điện hàn Ih≠0 nên từ thông Φc≠0, máy phát được kích từ bởi từ thông tổng hợp do cuộn dây kích từ 2 và cuộn khử từ 3 sinh ra. -76- 3.2.7. Công nghệ hàn hồ quang: 3.2.7.1. Vị trí các mối ghép hàn trong không gian: có 3 vị trí chính Hình 3.12 Vị trí các mối hàn trong không gian I) Hàn sấp II) Hàn đứng III) Hàn trần Các loại mối ghép hàn được phân ra: Mối hàn giáp mối (h.a) tức là các đầu nối tiếp giáp vào nhau; mối hàn chồng mí (h.b). Mối hàn góc (h.d) Mối ghép hàn theo kiểu chữ T , L ...(h.e) Hình 3.13 Các loại mối ghép hàn a)Giáp mối b)Gấp mép c)Chồng d)Có tấm đệm đ)Góc e)Chữ T g)Mặt đầu h)Viền mép i)Chốt 3.2.7.2. Chuẩn bị các loại mối hàn Để tạo điều kiện cho mối hàn kết tinh (đông đặc) tốt tránh được một số khuyết tật, người ta phải chuẩn bị các mép hàn trước khi hàn. Khâu chuẩn bị bao gồm các bước: - Làm sạch mép vật hàn. - Đổi với thép mỏng cần gấp mép. -77- - Đối với thép có chiều dày lớn cần phải vát mép.hình dạng và kích thước cần vát theo tiêu chuẩn. - Chọn khe hở giữa 2 vật hàn. 3.2.7.3. Chọn loại que hàn Nguyên tắc chọn que hàn có thành phần gần tương tự thành phần kim loại cơ bản. Lưu ý cần chọn que hàn có thành phần các bon thấp hơn một ít và chọn loại có các nguyên tố hợp kim để tăng cơ tính cho mối hàn. 3.2.7.4. Chế độ hàn Chế độ hàn là tập hợp các thông số công nghệ đặc trưng cho qúa trình hàn nhằm nhận được mối hàn có chất lượng theo yêu cầu kỹ thuật. Các thông số đó là: d h - đường kính que hàn (mm) I h - cường độ dòng điện hàn (A) U h - hiệu điện thế hàn (V) n - số lớp cần hàn V h - vận tốc hàn; (m/h) t h - thời gian hàn giờ (h) Khi hàn hồ quang tay thì dh và Ih là hai đại lượng quan trọng nhất. Chọn đường kính que hàn phụ thuộc vào: chiều dày của vật hàn; vị trí mối hàn trong không gian: hàn ngang/hàn đứng/hàn leo chọn dh <=5mm, hàn trần thì nên chọn que hàn có đường kính dh <=4mm. Đường kính dh có thể chọn theo bảng sau: Bảng 3.1 Đường kính que hàn S (mm) 1,5 - 2,0 3 4 - 8 9 - 12 16 - 20 dh (mm) 1,6 - 2,0 3 4 4 - 5 5 - 6 Cường độ dòng điện: Chọn theo giá trị cho phép có ghi trên bao gói que hàn. .d 2 Tính theo công thức: I  h J (A) (3-1) h 4 dh - đường kính que hàn (mm); J - mật độ cường độ dòng điện hàn (A/mm2); J phụ thuộc vào nhóm thuốc bọc que hàn. -78- Chú ý: Khi hàn những tấm kim loại mỏng cần giảm dòng điện xuống 10-15% Khi hàn trần, cần giảm xuống 15-25% so với vị trí hàn bằng. 3.2.7.5. Thao tác hàn Khi hàn hồ quang tay, góc nghiêng que hàn so với mặt vật hàn thường 75÷850, que hàn được dịch chuyển dọc trục để duy trì chiều dài cột hồ quang, đồng thời chuyển động ngang mối hàn để tạo bề rộng mối hàn và chuyển động dọc đường hàn theo tốc độ hàn cần thiết. Thông thường chuyển động que hàn theo đường dích dắc (1,2,3). Khi hàn các mối hàn góc, chứ T nếu cần nung nóng phần giữa nhiều thì dịch chuyển que hàn theo sơ đồ (4), khi cần nung nóng nhiều hai bên mép hàn thì dịch chuyển que hàn theo sơ đồ (5). Hình 3.14 Các phương pháp chuyển động que hàn 1-2-3) Dao động dích dắc 4)Dao động tam giác 5)Dao động hình số tám 3.3. Hàn hồ quang tự động và bán tự động 3.3.1. Khái niệm, đặc điểm và phân loại 3.3.1.1. Khái niệm Hàn hồ quang tự động là quá trình hàn trong đó các khâu được thực hiện bằng tự động bởi máy hàn, gồm: gây hồ quang và duy trì hồ quang cháy ổn định, dịch chuyển que hàn dọc mối hàn để đảm bảo hàn hết chiều dài mối hàn, cấp thuốc hàn hoặc khí bảo vệ. Còn một số khâu dùng tay thì gọi là hàn bán tự động. 3.3.1.2. Đặc điểm -79- - Năng suất cao vì sử dụng cường độ dòng điện rất lớn. - Hàn tự động dưới lớp thuốc hoặc trong môi trường khí bảo vệ bảo đảm được cơ tính của mối hàn rất cao. - Hệ số đắp cao, tiết kiệm kim loại dây hàn. - Tiết kiệm được năng lượng điện vì sử dụng triệt để nguồn nhiệt sinh ra của hồ quang. - Nếu dùng thuốc bảo vệ thì điều kiện lao động tốt, dễ cơ khí hóa, tự động hóa quá trình hàn. - Hàn tự động không hàn được những kết cấu và vị trí mối hàn phức tạp 3.3.1.3. Phân loại - Hàn hồ quang tự động và bán tự động dưới lớp thuốc: Quá trình hàn tự động chỉ thực hiện ở vị trí hàn sấp. Những mối hàn ngắn, khó thao tác dọc theo mối hàn thì dùng hàn bán tự động. Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc Hình 3.16 Hình dạng mối hàn khi hàn dưới lớp thuốc - Hàn hồ quang tự động và bán tự động trong môi trường khí bảo vệ: Khí bảo vệ là các loại khí trơ (Ar, He) hoặc khí hoạt tính (C02, CO, H2, N2). -80- Hiện nay dùng nhiều nhất là khí Ar, CO2. Khí CO2: dùng để hàn cần phải có độ sạch nhất định, bình đựng khí phải làm sạch và sấy khô, áp suất trong bình khoảng (50  60)at. Khí có tác dụng bảo vệ tốt và khử O2. Khí Ar: không cháy, không nổ và không tạo thành hỗn hợp nổ. Hàn trong môi trường khí bảo vệ thường gặp các dạng sau: + Hàn TIG (Tungsten Inert Gas): Hàn hồ quang dùng điện cực không nóng chảy, bảo vệ bằng khí trơ. + Hàn MAG (Metal Active Gas): Hàn hồ quang dùng điện cực nóng chảy bảo vệ bằng khí hoạt tính (CO, CO2, H2). + Hàn MIG (Metal Inert Gas): Hàn hồ quang dùng điện cực nóng chảy, bảo vệ bằng khí trơ. Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý hàn trong môi trường khí bảo vệ 3.3.2. Hàn hồ quang tự động và bán tự động dưới lớp thuốc bảo vệ 3.3.2.1. Khái niệm Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ còn gọi là hàn hồ quang chìm, tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding), là quá trình hàn nóng chảy mà hồ quang cháy giữa dây hàn (điện cực hàn) và vật hàn dưới lớp thuốc bảo vệ. 3.3.2.2. Sơ đồ nguyên lý Nguyên lý làm việc: Dây hàn nhờ con lăn cấp dây hàn tự động đi xuống vùng hàn. Ngọn lửa hồ quang cháy nhờ dòng điện có cường độ lớn làm nóng chảy kim loại vật hàn (kim loại cơ bản) và lớp thuốc hàn phủ kín trên vùng hàn. Khi kim loại đông đặc hình thành kim loại mối hàn và lớp xỉ. -81- Hình 3.18a Sơ đồ nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ Hình 3.18b Cắt dọc theo trục mối hàn dưới lớp thuốc bảo vệ 3.3.2.3. Các bộ phận chính và công dụng của chúng: 1. Nguồn hàn: nguồn xoay chiều hoặc một chiều, điều chỉnh dòng điện và hiệu điện thế hàn; 2. Con lăn cấp dây hàn: dùng để nạp dây hàn kiểu đẩy-kéo, kéo dây từ cơ cấu nạp dây tự lựa được lắp vào mỏ hàn; 3. Dây hàn: dẫn dòng điện vào vùng hàn; 4. Thuốc hàn: để ổn định sự cháy của hồ quang; -82- 5. Lớp xỉ: để bảo vệ mối hàn. 3.3.3. Hàn hồ quang tự động và bán tự động trong môi trường khí bảo vệ 3.3.3.1. Khái niệm Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ là quá trình hàn trong đó nguồn nhiệt hàn được cung cấp bởi hồ quang hàn, hồ quang và kim loại hàn được bảo vệ khỏi tác dụng của ôxy và nitơ trong môi trường xung quanh bởi một loại khí hoặc một hỗn hợp khí. 3.3.3.2. Sơ đồ nguyên lý Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý hàn tự động trong môi trường khí bảo vệ Hình 3.20. Hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng khí trơ điện cực không nóng chảy -83- Nguyên lý làm việc: Hình 3.19: Dây hàn nhờ cơ cấu con lăn cấp dây hàn tự động đi xuống vùng hàn, gây hồ quang làm nóng chảy kim loại vật hàn (kim loại cơ bản) tạo mối hàn trên vật hàn. Hình 3.20: Điện cực wolfram gây hồ quang hàn làm nóng chảy kim loại vật hàn (kim loại cơ bản) và que hàn bổ sung (que hàn phụ) tạo mối hàn trên vật hàn. 3.3.3.3. Các bộ phận chính và công dụng của chúng: 1. Nguồn điện cung cấp: thường là máy biến áp, máy chỉnh lưu, bộ động cơ máy phát, điều chỉnh dòng điện và hiệu điện thế hàn; 2. Con lăn cấp dây hàn: dùng để nạp dây hàn kiểu đẩy-kéo, kéo dây từ môtơ cấp dây được lắp vào mỏ hàn; 3. Mỏ hàn: dẫn dòng điện và khí bảo vệ vào vùng hàn; 4. Điện cực hàn: để gây hồ quang và bổ sung kim loại cho mối hàn. Điện cực hàn có thể dùng loại nóng chảy hoặc không nóng chảy. Loại nóng chảy với khí bảo vệ là hoạt tính gọi tắt là MAG, loại điện cực không nóng chảy với khí bảo vệ là khí trơ gọi tắt là TIG, loại điện cực nóng chảy với khí bảo vệ là khí trơ gọi tắt là MIG. 3.3.4. Thiết bị hàn tự động Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy hàn tự động 1,2,3) Các cuộn dây kích từ -84- Nguyên lý làm việc: Động cơ xoay chiều 3 pha có công suất 1000W. Trong máy phát có 2 cuộn kích từ 1và 2 luôn tạo từ thông ngược chiều nhau. Trạng thái không tải: từ thông của cuộn 1 kích thích máy phát làm việc sinh ra 1 chiều cung cấp cho động cơ Đ2 quay theo chiều đẩy dây hàn đi xuống. Khi chạm vào vật hàn điện thế động cơ Đ1 = 0, từ thông cuộn 2 tăng lên và kích thích cho máy phát tạo ra dòng điện có chiều ngược lại và làm cho động cơ Đ2 chuyển động theo hướng kéo dây hàn đi lên để gây hồ quang. Để hồ quang ổn định thì hiệu số từ thông giữa cuộn 1 và cuộn 2 đủ để kích thích máy phát tạo ra dòng điện làm quay Đ2 theo chiều đẩy dây hàn vào vũng hàn với tốc độ bằng tốc độ chảy của dây hàn. 3.3.5. Vật liệu hàn tự động 3.3.5.1. Dây hàn Que hàn dưới dạng dây hàn  (12)mm được cuốn lại thành cuộn từ (4  20) kg. Các cuộn dây hàn được bảo quản, bao gói kỹ để chống gỉ và tránh dầu mỡ. Dây hàn bột: dây hàn bột được cấu tạo bởi một lớp vỏ kim loại bọc trong nó là một hỗn hợp gồm bột kim loại và một số thành phần liên kết khác. Hình 3.22 Các dạng kết cấu dây hàn bột 3.3.5.2 .Thuốc hàn - Thuốc hàn có nhiệm vụ bảo vệ hồ quang hàn và mối hàn. - Thành phần thuốc hàn gồm các quặng kim loại, các chất hữu cơ, được chia làm 3 loại: + Thuốc hàn dùng cho thép C, thép hợp kim thấp. + Thuốc hàn dùng cho thép hợp kim trung bình. + Thuốc hàn dùng thép hợp kim cao, kim loại màu. -85- 0 0 T chảy thuốc hàn < T chảy kim loại que hàn - Theo phương pháp chế tạo ta chia thuốc hàn làm 2 loại: thuốc hàn nóng chảy và thuốc hàn không nóng chảy (thuốc hàn gốm). 3.3.5.3. Khí hàn Thường dùng các loại khí trơ như He, Ar và hiện nay dùng rộng rãi khí CO2. Ngoài các loại khí trên trong hàn còn sử dụng các loại khí như N2, hoặc dùng hỗn hợp khí Ar + CO2 (trong đó 5  25% khí CO2); Ar + O2 (trong đó 1% khí O2); Ar+ He (trong đó He từ 20  50%); Ar +H2 (trong đó H2 từ 6  15%). 3.4. Hàn điện tiếp xúc 3.4.1. Quá trình hình thành mối liên kết hàn khi hàn tiếp xúc Hàn tiếp xúc là một trong các phương pháp hàn áp lực, là một quá trình dịch chuyển các phần tử kim loại này tiến sát vào kim loại kia cho đến khi khoảng cách giữa chúng bằng một thông số mạng a = (3÷5)x10-8 cm. Chúng ta đã biết cấu trúc của kim loại là cấu trúc mạng tinh thể. Khi khoảng cách giữa chúng bằng một thông số mạng thì giữa hai kim loại đó sẽ xuất hiến lực tác dụng tương hổ giữa chúng tạo nên mối liên kết kim loại bền chắc. 3.4.2. Đặc điểm của hàn điện tiếp xúc - Hai kim loại luôn tiếp xúc nhau nên bảo vệ không cho không khí bên ngoài xâm nhập vào vùng mối hàn, vì vậy chất lượng mối hàn cao. - Điện trở tiếp xúc giữa kim loại - kim loại, kim loại - điện cực nhỏ (khoảng 0,005÷0,1 Ω). - Thời gian hàn yêu cầu phải nhỏ (cỡ vài giây). - Công suất của máy hàn lớn (đến 1000 kVA). - Dòng điện hàn lớn có thể đến 50.000 đến 100.000 ampe. - Có thể cơ khí hoá và tự động hoá quá trình hàn nên năng suất cao. Nhược điểm là máy hàn phức tạp và giá thành cao. 3.4.3. Phân loại hàn tiếp xúc Theo dạng mối hàn: Hàn tiếp xúc điểm Hàn tiếp xúc đường Hàn tiếp xúc giáp mối -86- Theo nguồn điện: Máy hàn dòng xoay chiều Máy hàn dòng 1 chiều Máy hàn dòng điện xung Máy hàn dòng tần số cao Máy hàn dòng tần số thấp Theo điện cực: Máy hàn 2 điện cực Máy hàn nhiều điện cực Máy hàn điện cực giả 3.4.4. Hàn tiếp xúc giáp mối: 3.4.4.1. Khái niệm Là dạng hàn mà mối hàn xảy ra trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc. 3.4.4.2. Sơ đồ nguyên lý Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý máy hàn tiếp xúc giáp mối 1)Chi tiết hàn 2)Cực của máy tiếp xúc 3)Biến thế hàn một pha 4)Công tắc Nguyên lý làm việc: Dòng điện hàn từ biến thế hàn qua chi tiết hàn đã được kẹp chặt Px trên điện cực và được ép sát với nhau. Bề mặt tiếp xúc được nung nóng liên tục đến trạng thái chảy, sau đó dưới tác dụng của lực ép cơ học Pe thực hiện ép hình thành mối hàn. 3.4.4.2. Đặc điểm 1. Ưu điểm - Không cần làm sạch vật hàn trước khi hàn. - Cho phép hàn các chi tiết có tiết diện lớn. -87- 2. Nhược điểm - Khó kiểm tra các quá trình nung nóng, hàn, .... - Hao tốn nhiều kim loại do quá trình bắn toé. - Khó tự động hoá. - Khi hàn các kim loại khác nhau sẽ có các chất lượng không tốt do nung nóng không đồng đều. 3.4.5. Hàn tiếp xúc điểm 3.4.5.1. Khái niệm Hàn tiếp xúc điểm là phương pháp hàn áp lực mà các chi tiết được hàn nối với nhau theo từng điểm riêng biệt. Hàn tiếp xúc điểm gồm: hàn tiếp xúc điểm 1 phía, hàn tiếp xúc điểm 2 phía và hàn tiếp xúc điểm bằng điện cực giả. 3.4.5.2. Sơ đồ nguyên hàn tiếp xúc điểm: a) b) c) Hình 3.24 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp hàn điểm a) Sơ đồ hàn điểm 2 phía b) Sơ đồ hàn điểm 1 phía c) Sơ đồ hàn điểm bằng điện cực giả Quá trình hàn điểm thường diễn ra qua 4 giai đoạn sau: Giai đoạn 1: các chi tiết được ép sơ bộ nhằm giảm điện trở, tăng cường độ dòng điện, tăng nhiệt độ nung nóng, tránh quá nhiệt và sự bắn toé của kim loại vùng điểm hàn. Giai đoạn này nung kim loại đến khi hình thành nhân của điểm hàn nóng chảy. -88- Giai đoạn 2: tăng lực ép, diện tích tiếp xúc tăng, kích thước của nhân điểm hàn tăng lên, lớp hỗn hợp kim loại nóng chảy bị xáo trộn và có sự phân bố lại, quá trình biến dạng dẻo tiếp tục xảy ra. Giai đoạn 3: ngắt dòng điện nhưng vẫn duy trì áp lực thêm một thời gian để đảm bảo cho mối hàn dính chắc. Giai đoạn 4: ngắt áp lực và lấy vật hàn ra. a)Sơ đồ nguyên lý b)Máy hàn điểm Hình 3.25 Sơ đồ nguyên lý và máy hàn điểm 3.4.6. Hàn đường 3.4.6.1. Khái niệm Là một phương pháp hàn tiếp xúc tương tự hàn điểm nhưng các điểm hàn được nối liền nhau tạo thành đường hàn nên gọi là hàn đường. Khi hàn đường , điện cực hàn đuợc thay thế bằng bánh xe điện cực và lăn theo đường hàn. Hàn được các chi tiết mỏng, các kết cấu trong công nghệ chế tạo ôtô, thùng dầu, ... từ các loại vật liệu khác nhau như thép, đồng nhôm, manhê, ... 3.4.6.2. Phân loại các phương pháp hàn đường 1. Hàn liên tục Là điện cực quay làm chi tiết dịch chuyển liên tục và luôn luôn có dòng điện chạy qua trong quá trình hàn và để tạo sự liên kết, lực ép trên điện cực cũng thực hiện ép liên tục. - Phương pháp này đơn giản nhưng chi tiết bị nung lâu nên dễ bị quá nhiệt, điện cực chóng mài mòn và hư hỏng. -89- 2. Hàn gián đoạn Là điện cực quay làm chi tiết dịch chuyển liên tục nhưng dòng điện đi qua vùng mối hàn gián đoạn theo từng khoảng thời gian nhất định (1/10 giây, 1/100 giây, ...). - Đây là phương pháp hàn khá phổ biến. 3. Hàn bước Là điện cực quay làm chi tiết hàn được dịch chuyển gián đoạn. Tại những vị trí bánh xe dừng thì ta cho dòng điện đi qua vùng mối hàn. - Bước hàn phụ thuộc chiều dày (S), lực ép. 3.4.6.3. Một số thông số đặc trưng Đường kính điện cực D = 40 - 350 mm Bước hàn h = 1,5 - 4,5 Vận tốc hàn Vh = 0 - 3,0 m/ph a)Sơ đồ nguyên lý b)Máy hàn đường Hình 3.26 Sơ đồ nguyên lý và máy hàn đường 3.5. Hàn khí 3.5.1. Khái niệm Hàn khí là một quá trình nối liền các chi tiết lại với nhau nhờ ngọn lửa của các khí cháy, cháy trong ôxy kỹ thuật. Các loại khí cháy đó là C2H2, CH4, C6H6, H2, ... Hiện nay hàn khí được sử dụng rộng rãi vì thiết bị hàn đơn giản, giá thành hạ mặc dù năng suất có thắp hơn so với hàn điện hồ quang. Hàn khí rất thuận lợi cho -90- những nơi xa nguồn điện. Hợp lý nhất là sử dụng phương pháp này để hàn các chi tiết có chiều dày bé, chế tạo và sửa chữa các loại chi tiết từ vật liệu: thép, đồng, nhôm, ... 3.5.2. Sơ đồ một trạm hàn và cắt kim loại bằng khí Hình 3.27 Sơ đồ một trạm hàn và cắt kim loại bằng khí 1)Bình chứa Ôxy 2)Bình chứa C2H2 3) Van giảm áp 4) Đồng hồ đo áp suất 5)Khóa bảo hiểm 6)Dây dẫn khí 7)Mỏ hàn hoặc mỏ cắt 8)Ngọn lửa hàn Ôxy Axety len Hình 3.28 Các loại bình chứa khí Hình 3.29 Mỏ hàn khí 3.5.3. Vật liệu hàn khí Bao gồm các loại que hàn, thuốc hàn, các loại khí cháy, ... và ôxy kỹ thuật. 3.5.3.1. Que hàn Có thể là các dây thép, que đồng, nhôm, thiếc, ... Chúng có tác dụng bổ sung kim loại cho mối hàn. 3.5.3.2. Khí hàn Ôxy kỹ thuật và các loại khí cháy khác: C2H2, CH4, ... -91- 3.5.3.3. Thuốc hàn Có tác dụng tẩy sạch mối hàn, tạo điều kiện cho quá trình hàn dễ dàng, bảo vệ mối hàn và tăng cơ tính cho nó. Yêu cầu đối với thuốc hàn: dễ chảy, nhiệt độ nóng chảy của thuốc hàn phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại cơ bản, tác dụng nhanh với ô xyt kim loại để tạo xỉ, giải phóng kim loại, xỉ dễ bong. Khối lượng riêng của thuốc hàn phải nhỏ hơn của kim loại cơ bản, không có tác dụng xấu đối với kim loại cơ bản và kim loại mối hàn. Thuốc hàn phải nóng chảy đều và bao phủ kín bề mặt vùng kim loại cần hàn. Thuốc hàn có hai loại: có tính axit & bazơ. Loại có tính axit dùng để hàn các kim loại màu, loại có tính bazơ thường dùng để hàn gang. 3.5.4. Ngọn lửa hàn Hình 3.30 Cấu tạo của ngọn lửa hàn và các loại ngọn lửa I)Vùng hạt nhân II)Vùng hoàn nguyên III)Vùng ôxy hóa Căn cứ theo tỷ lệ của hỗn hợp khí hàn, ngọn lửa hàn có thể chia thành 3 loại: ngọn lửa bình thường, ngọn lửa oxy hóa và ngọn lửa cácbon hóa. Mỗi loại lại có thể chia làm 3 vùng: vùng hạt nhân (màu sáng trắng), vùng hoàn nguyên (màu sáng vàng), vùng oxy hóa (màu vàng sẫm có khói). 3.5.4.1. Ngọn lửa bình thường: Khi tỷ lệ O2/C2H2 =1.11.2 Ngọn lửa này dùng nhiều trong hàn thép, đồng, bạc, kẽm. -92- Ngọn lửa này chia làm 3 vùng: - Vùng hạt nhân: C2H2 = 2C +H2 (3-2) Ngọn lửa màu sáng trắng, nhiệt độ thấp, thành phần giàu cacbon nên không dùng để hàn. - Vùng cháy không hoàn toàn (vùng hoàn nguyên): C2H2 + O2 = 2CO + H2 + 107.58 kcalo/g.mol (3-3) 0 Ngọn lửa màu sáng xanh, nhiệt độ cao (3200 C) có CO và H2 là các chất khử nên gọi là vùng hoàn nguyên, đây là vùng tốt nhất được dùng để hàn. - Vùng cháy hoàn toàn (vùng oxy): 2CO + H2 + 1.5 O2 = 2CO2 + H2O + 107.58 kcalo/g.mol (3-4) Vùng này màu nâu sẫm, nhiệt độ thấp, chứa nhiều CO2, H2O là những chất oxy hóa. 3.5.4.2. Ngọn lửa ôxy hóa: Khi tỷ lệ O2/C2H2 > 1.2 Tính chất hoàn nguyên của ngọn lửa bị mất, khí sẽ mang tính chất oxy hóa nên gọi là ngọn lửa oxy hóa. - Vùng hạt nhân: ngắn hơn ở ngọn lửa bình thường. - Vùng cháy không hoàn toàn: C2H2 + 1,5O2 = 2CO + H2 + 0,5O2 + Q (3-5) Vùng này không còn hoàn nguyên nữa mà còn có một nguyên tử O2, có màu vàng nhạt. - Vùng cháy hoàn toàn: 2CO + H2 + 0,5O2 + O2 = 2CO2 + H2O (3-6) Nhân ngọn lửa ngắn lại, có (6 ÷ 7)%O2 và 5%CO2 nên tính oxy hóa rất mạnh, vùng giữa và vùng đuôi không phân biệt rõ ràng, ngọn lửa có màu vàng sẫm. Ngọn lửa này thường được dùng để hàn đồng thau hoặc dùng để tôi bề mặt thép. 3.5.4.3. Ngọn lửa các bon hóa: Khi tỷ lệ O2/C2H2 < 1.051.1 Vùng giữa của ngọn lửa thừa C tự do và mang tính chất C hóa gọi là ngọn lửa C hóa. - Vùng hạt nhân: dài hơn ở ngọn lửa bình thường. - Vùng cháy không hoàn toàn: C2H2 + 0,5O2 = CO + C +H2 +Q (3-7) -93- - Vùng cháy hoàn toàn: CO + C +H2 + 2O2 = 2CO2 + H2O (3-8) Thường dùng ngọn lửa này cho việc hàn vẩy các hợp kim nhôm và gang. 3.5.5. Thiết bị hàn khí Thiết bị hàn khí gồm có: bình chứa khí ôxy, bình chứa khí axetylen hoặc bình chế khí axetylen hoặc các bình chứa khí cháy khác (bình chứa khí metan, ...). Van giảm áp bình ôxy, van giảm áp bình axetylen, khoá bảo hiểm cho bình chế khí axetylen, mỏ hàn, mỏ cắt, ống dẫn khí và một số dụng cụ kèm theo. 3.5.6. Công nghệ hàn khí 3.5.6.1. Các phương pháp hàn khí a) Hàn phải b) Hàn trái Hình 3.31 Sơ đồ nguyên lý phương pháp hàn khí 1) Đầu mỏ hàn 2) Que hàn phụ 3) Mối hàn 4) Kim loại cơ bản Phương pháp hàn phải: khi ngọn lửa hướng lên mối hàn, quá trình hàn dịch chuyển từ trái qua phải, mỏ hàn đi trước que hàn. (h.a) Phương pháp hàn trái: khi ngọn lửa hướng về phía chưa hàn, quá trình hàn dịch chuyển từ phải qua trái, que hàn đi trước mỏ hàn. (h.b) 3.5.6.2. Chế độ hàn khí - Góc nghiêng của que hàn: khoảng 450 - Đường kính của que hàn: (S - chiều dày của vật hàn). S <= 15 mm d = S/2 + 1 mm Hàn trái (3-9) d = S/2 Hàn phải (3-10) S >= 15 mm d = 6 ... 8 mm - Góc nghiêng mỏ hàn phụ thuộc chièu dày vật hàn và tính chất của vật hàn -94- Hình 3.32 Chọn góc nghiêng của mỏ hàn phụ thuộc chiều dày vật hàn S 3.5.6.3. Công suất ngọn lửa hàn - Khi hàn thép: V C2H2 = (120 ... 150). S lít/ h (Hàn phải) = (100 ... 120). S lít/h (Hàn trái) - Khi hàn đồng: V C2H2 = (150 ... 200).S lít/ h (Hàn phải) = (120 ... 150).S lít/ h (Hàn trái) 3.6. Cắt kim loại bằng khí ôxy 3.6.1. Bản chất của quá trình cắt Quá trình cắt bằng khí là sự đốt cháy kim loại bằng dòng Oxy để tạo nên các ôxit và các ôxit này bị thổi đi để tạo thành rãnh cắt. Quá trình cắt bắt đầu bằng sự đốt nóng kim loại đến nhiệt độ cháy nhờ ngọn lửa hàn, sau đó cho dòng oxy thổi qua. Vật cắt được đốt nóng đến nhiệt độ cháy nhờ nhiệt của phản ứng giữa C2H2 và O2. Khi đạt đến nhiệt độ cháy, cho dòng ôxy nguyên chất kỹ thuật vào ở rãnh giữa của mỏ cắt và nó sẽ trực tiếp ôxy hóa kim loại tạo thành oxit sắt. Trong khi cắt do có sự phát nhiệt, nên giúp cho việc nung vùng xung quanh đến nhiệt độ cháy, dòng O2 cứ tiếp tục mở để cắt cho hết đường cắt. 3.6.2. Điều kiện để kim loại cắt bằng khí - Nhiệt độ chảy cần phải cao hơn nhiệt độ cháy với oxy. - Nhiệt độ chảy của oxit kim loại phải nhỏ hơn nhiệt độ chảy của kim loại đó. -95- - Nhiệt độ sinh ra khi kim loại cháy trong dòng oxy phải đủ để duy trì quá trình cháy liên tục. - Tính dẫn nhiệt của kim loại không cao quá. - Oxit phải có tính chảy loãng cao. - Kim loại dùng để cắt phải hạn chế bớt nồng độ một số chất cản trở quá trình cắt (C, Cr, Si) và một số chất nâng cao tính sôi của thép (Mo,W) 3.6.3. Mỏ cắt - Phải đảm bảo cắt được tất cả các hướng. - Phải có tỷ lệ thích đáng giữa lỗ hỗn hợp nung nóng và lỗ O2. - Có thể điều chỉnh ngọn lửa và dòng oxy cắt. - Có bộ phận gá lắp để cắt vòng và lỗ. - Các rãnh trong mỏ cần có độ nhẵn cao. - Bộ mỏ cắt có nhiều đầu cắt để cắt các chiều dày khác nhau. - Mỏ cắt phải có chiều dài lớn để đảm bảo khoảng cách từ tay cầm đến đầu mỏ tránh bỏng. 3.6.4. Kỹ thuật và chế độ cắt 3.6.4.1. Lúc bắt đầu cắt Lúc bắt đầu cắt: góc độ cắt từ 80  90. Trong quá trình cắt phải nghiêng mỏ cắt góc hợp với phương thẳng đứng1020. Hình 3.33 Kỹ thuật cắt khí Khi kết thúc đường cắt thì góc  =0 -96- Cắt vật mỏng thì cắt từ ngoài vào (không cần khoan lỗ), đối với vật dày phải khoan lỗ và cắt từ giữa tấm cắt ra. 3.6.4.2. Khoảng cách từ mỏ cắt đến vị trí cắt Khoảng cách từ mỏ cắt đến vật cắt: h =(l +2)mm (3-11) (l- chiều dài của nhân ngọn lửa) 3.6.4.3. Vị trí và sự di chuyển của mỏ cắt Khi cắt theo đường thẳng, mỏ cắt đặt nghiêng một góc 20  300 về phía ngược với hướng cắt. Khi cắt các tấm có chiều dày (20 – 30) mm cho phép nâng cao năng suất của quá trình cắt. Hình 3.34 Vị trí và sự di chuyển của mỏ cắt 3.6.4.4. Tốc độ cắt Quá trình cắt ổn định, chất lượng mối cắt tốt có thể đạt được nếu tốc độ dịch chuyển của mỏ cắt tương ứng với tốc độ ôxy hóa kim loại theo chiều dày tấm cắt hoặc phôi. Tốc độ cắt nhỏ sẽ làm hỏng mép cắt, tốc độ cắt lớn sẽ sót nhiều không cắt hết và phá hủy quá trình cắt. Tốc độ cắt của một số loại mỏ cắt thường từ (75 556) mm/ph 3.6.4.5. Các phương pháp cắt - Cắt kim loại bằng ôxy - thuốc. - Cắt kim loại bằng hàn hồ quang. - Cắt bằng hồ quang plasma. Mỏ cắt PAC (Plasma arc cutting) – cắt bằng hồ quang plasma được thiết kế tương tự mỏ hàn hồ quang plasma. Nguồn DC được sử dụng với điện cực wolfram -97- nối vào cực âm. Hồ quang được duy trì giữa điện cực trong mỏ cắt và chi tiết gia công, được tạo ra bằng máy phát tần số cao. Khí dẫn được cấp nhiệt trước lỗ bằng plasma hồ quang sẽ giảm nổ và phun qua tiết lưu với tốc độ cao. Kim loại nóng chảy bằng hồ quang bị thổi lệch ra xa bằng động năng của dòng khí. Cắt bằng hồ quang plasma: Hình 3.35 Sơ đồ nguyên lý cắt bằng plasma 1)Vật liệu cắt (Cutting material) 2)Hồ quang plasma (Plasma arc) 3)Ống (Tip) 4) Đầu mỏ cắt (Insulation cup) 5)Điện cực (Electrode) 6)Khí nén (Compressed air) 7) Nguồn điện DC (DC cutting power supply) 8)An toàn (Safely structure) 3.7. Kiểm tra chất lượng mối hàn 3.7.1. Biến dạng và ứng suất của biến dạng khi hàn Biến dạng và ứng suất khi hàn xuất hiện và tồn tại trong kết cấu hàn là do bản thân quá trình hàn gây nên. Chúng có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc và chất lượng của sản phẩm. 3.7.2. Nguyên nhân gây ra ứng suất và biến dạng khi hàn - Nung nóng không đều kim loại vật hàn. - Độ ngót đúc kim loại nóng chảy của mối hàn. - Các biến đổi cơ cấu trong vùng gần mối hàn. -98- 3.7.3. Xác định biến dạng khi hàn 3.7.3.1. Xác định biến dạng do co dọc khi hàn giáp mối - Ứng suất dư (do nung nóng và nguội không đều) của tấm hàn là cân bằng và trong vùng ảnh hưởng nhiệt thì đạt tới giới hạn chảy. - Tấm hàn khi nung nóng không bị ảnh hưởng bên ngoài. - Biến dạng của tấm phù hợp với giả thuyết tiết diện phẳng. 3.7.3.2. Độ võng của liên kết hàn giáp mối Với đường hàn không nằm ở trung tâm của vật hàn. Khi đó sẽ xuất hiện momen uốn làm cho tấm hàn cong đi. Đó là do nội lực cản phản kháng ở hai phía mối hàn khác nhau. 3.7.3.3. Xác định ứng suất biến dạng do co dọc ở mối hàn chữ T Kết cấu chữ T gồm hai tấm hàn với nhau bằng hai mối hàn góc. Nếu như kết cấu hàn không bị kẹp chặt thì dưới tác dụng của M kết cấu sẽ bị uốn và ứng suất do uốn là:  = M/W (3-12) Trong đó M: momen uốn của các nội lực,tác dụng lên kết cấu M = P2 .Y2 –2P1 .Y1 (3-12) Y , Y : khoảng cách từ các điểm đặt lực phản kháng 2P và P đến trọng tâm 1 2 1 2 của vùng ứng suất tác dụng. 3.7.4. Khuyết tật của mối hàn 3.7.4.1. Nứt Là một trong những khuyết tật nghiêm trọng nhất của mối hàn. Căn cứ vào vị trí sinh ra nứt chia làm hai loại nứt: nứt trong và nứt ngoài. Vết nứt có thể sinh ra ngay trong khu vực chịu ảnh hưởng nhiệt của đầu mối hàn. Hình 3.36 Khuyết tật nứt 1)Nứt ngoài 2)Nứt trong 3)Nứt ở khu vực chịu ảnh hưởng của sức nóng 3.7.4.2. Lỗ hơi Vì có nhiều thể hơi hòa trong kim loại nóng chảy, những thể hơi đó không thoát ra trước lúc vùng nóng chảy nguội, do đó tạo thành lỗ hơi. -99- Hình 3.37 Khuyết tật lỗ hơi 1)Lỗ hơi tập trung 2)Lỗ hơi trên bề mặt 3)Lỗ hơi đơn 3.7.4.3. Lẫn xỉ hàn Lẫn xỉ hàn lẫn tạp chất kẹp trong mối hàn, tạp chất này có thể tồn tại trong mối hàn, cũng có thể nằm trên mặt mối hàn. Lẫn xỉ hàn thường sinh ra trong mối hàn vuông góc hoặc đầu nối có khe hở quá nhỏ. 3.7.4.4. Hàn chưa thấu Hàn chưa thấu là khuyết tật nghiêm trọng nhất trong mối hàn dẫn đến nứt, làm hỏng cấu kiện. Hàn chưa thấu có khả năng sinh ra ở góc mối hàn hoặc ở mép đầu nối. 3.7.4.5. Khuyết cạnh Ở chỗ giao nhau giữa kim loại vật hàn với mối hàn có hình rãnh dọc, rãnh đó gọi là khuyết cạnh. Nguyên nhân: - Dòng điện hàn quá lớn, hồ quang quá dài. - Góc độ que hàn và cách đưa que hàn không chính xác. 3.7.4.6. Đóng cục Trên mép hàn có những kim loại thừa ra nhưng không trộn với kim loại vật hàn thì gọi là đóng cục. 3.7.5. Các phương pháp kiểm tra mối hàn 3.7.5.1. Kiểm tra phá hỏng Là kiểm tra cơ tính, nó có thể xác định cường độ cực đại của đầu nối mối hàn, tính dẻo và tính dai cao hay thấp. 3.7.5.2. Kiểm tra không phá hỏng Kiểm tra mặt ngoài bằng dầu lửa, bằng áp lực nước, bằng khí nén, bằng tia X, tia  -100- CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3 1. Ý nghĩa hàn kim loại, đặc điểm và ứng dụng? 2. Nêu những phương pháp gây hồ quang hàn, so sánh chúng? Đặc điểm và công dụng của các phương pháp dịch chuyển que hàn? 3. Hồ quang hàn và các đặc điểm của nó. Phân loại các phương pháp hàn hồ quang? 4. Yêu cầu đối với nguồn điện hàn? 5. Sơ đồ nguyên lý & đặc điểm hàn hồ quang tự động và bán tự động? 6. Công nghệ hàn hồ quang (vị trí trong không gian, các loại mối hàn, ...)? 7. Sơ đồ nguyên lý một trạm hàn và cắt kim loại bằng khí? 8. Các loại ngọn lữa hàn khí , đặc điểm và ứng dụng? 9. Công nghệ hàn khí? 10. Sự hình thành mối hàn và đặc điểm của phương pháp hàn điện tiếp xúc? 11. Sơ đồ nguyên lý và các bộ phận chính của máy hàn tiếp xúc giáp mối, điểm, đường? 12. Sơ đồ nguyên lý, đặc điểm và ứng dụng phương pháp hàn vảy? 13. Khuyết tật của mối hàn và các phương pháp kiểm tra? 14. Sơ đồ nguyên lý của máy hàn điện? Nói rõ sự khác biệt của phương pháp hàn này với phương pháp hàn TIG ? -101- TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Xuân Bông, Phạm Quang Lộc, Thiết kế đúc, NXB KH&KT, Hà Nội, 1978. [2] Hoàng Minh Công, Công nghệ chế tạo phôi, ĐHBK Đà Nẵng, 2001. [3] Đinh Minh Diệm, Giáo trình Công nghệ kim loại, NXB KH&KT, Hà Nội, 2007. [4] Lưu Đức Hòa, Giáo trình Công nghệ kim loại tập 2 (Phần Gia công áp lực) ĐHBK Đại học Đà Nẵng, Đà Nẵng, 2003. [5] Phạm Văn Nghệ, Đỗ Văn Phúc, Thiết bị tạo hình - Máy ép cơ khí, NXB KH&KT, Hà Nội, 2004. [6] Lê Nhương, Rèn và dập nóng, NXB công nhân kỹ thuật, Hà Nội, 1979. [7] Lê Nhương, Nguyễn Ngọc Trân, Công nghệ rèn và dập nóng, NXB KH&KT, Hà Nội, 1976. [8] Th.S Phạm Đình Sùng, Th.S Bùi Lê Gôn, Th.S Trịnh Duy Cấp, Công nghệ Gia công kim loại, NXB Xây dựng, Hà Nội, 1998. [9] Trần Hữu Tường, Đinh Công Mễ, Trần Tại, Nguyễn Văn Siêm, Lê Viết Ngưu, Vũ Công Luận, Công nghệ kim loại, tập 1, NXB ĐH&THCN, Hà Nội 1971. [10] Trần Hữu Tường, Đinh Công Mễ, Trần Tại, Nguyễn Văn Siêm, Lê Viết Ngưu, Vũ Công Luận, Công nghệ kim loại, tập 2, NXB &THCN, Hà Nội 1972. [11] Tôn Yên, Công Nghệ Dập Nguội, NXB KH&KT, Hà Nội, 1974. -102-