Hàn và cắt kim loại bằng khí

(1)

Trường đại học bách khoa đà nẵng - 2006 35 Chương 4

Hàn và cắt kim loại bằng khí

4.1. Khái niệm chung 4.1.1. Thực chất và đặc điểm

a/ thực chất

Hàn và cắt bằng khí là phương pháp hàn hoặc cắt, sử dụng nhiệt của ngọn lửa sinh ra khi đốt cháy các chất khí cháy (C₂H₂, CH₄, C₆H₆ v.v...) hoặc H₂ với ôxy để nung chảy kim loại.

Thông dụng nhất là hàn và cắt bằng khí Ôxy - Axêtylen vì nhiệt sinh ra do phản ứng cháy của 2 khí này lớn và tập trung, tạo thành ngọn lửa có nhiệt độ cao (vùng cao nhất đạt tới 3200^oC); còn ngọn lửa giữa O₂ và các chất khí cháy khác chỉ cho nhiệt độ từ 2000ữ2200⁰C. Tuy nhiên khi hàn dưới nước thường dùng ngọn lửa giữa O₂ và H₂ vì C₂H₂ rất dể nổ ở áp suất cao và nhiệt độ lớn.

b/ đặc điểm

• Có thể hàn được nhiều loại kim loại và hợp kim (gang, đồng, nhôm, thép ... )

• Hàn được các chi tiết mỏng và các loại vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp.

• Hàn khí được sử dụng rộng rãi vì thiết bị đơn giản và rẻ tiền.

• Năng suất thấp, vật hàn bị nung nóng nhiều nên dể cong vênh.

Hàn khí dùng nhiều khi hàn các vật hàn có chiều dày bé, chế tạo và sửa chữa các chi tiết mỏng, sửa chữa các chi tiết đúc bằng gang, đồng thanh, nhôm, magiê, hàn nối các ống có đường kính nhỏ và trung bình. Hàn các chi tiết bằng kim loại màu, hàn vảy kim loại, hàn đắp hợp kim cứng v.v...

Ngọn lửa khí hàn cũng có thể dùng để cắt các loại thép mỏng, các loại kim loại màu và nhiều vật liệu khác.

4.1.2. Khí hàn

Khí hàn thường dùng gồm ôxy kỹ thuật và các loại khí cháy (C₂H₂, CH₄, C₃H₈, C₆H₆v.v...) hoặc H₂.

Trong hàn khí thường dùng là C₂H₂ vì nhiệt độ ngọn lửa cao (3200^oC) và có vùng hoàn nguyên tốt.

Khi hàn thép có chiều dày dưới 3ữ4 mm, hàn gang, đồng thau, hợp kim nhẹ, hàn vảy ta có thể dùng khí khác có nhiệt độ cháy thấp hơn (2000ữ2200^oC) như H₂, khí than mêtan, prôpan, butan, xăng, dầu hoả....

a/ Ôxy kỹ thuật

(2)

Trường đại học bách khoa đà nẵng - 2006 36

Ôxy dùng để hàn khí là ôxy kỹ thuật chứa từ 98,5ữ99,5% ôxy và khoảng 0,5ữ1,5%

tạp chất (N₂, Ar).

Trong công nhiệp, để sản xuất ôxy dùng phương pháp điện phân nước hoặc làm lạnh và chưng cất phân đoạn không khí. Ôxy hàn chủ yếu dùng phương pháp làm lạnh không khí. Như chúng ta đã biết, trong thành phần không khí chứa khoảng 78,03 % N₂, 0,93 % Ar và 20,93 % O₂, nhiệt độ hoá lỏng của chúng tương ứng là: (-195,8⁰C), (-185,7⁰C) và (- 182,06⁰C).

Bằng phương pháp làm lạnh không khí xuống nhiệt độ dưới -182,06⁰C nhưng trên nhiệt độ hóa lỏng của N₂ và Ar, sau đó cho N₂ và Ar bay hơi ta thu được ôxy lỏng.

Ôxy kỹ thuật có thể bảo quản ở thể lỏng hoặc khí. ở thể lỏng, ôxy được chứa bằng các bình thép và giữ ở nhiệt độ thấp, khi hàn cho ôxy lỏng bay hơi, cứ 1 lít ôxy thể lỏng bay hơi cho 860 lít thể khí ở điều kiện tiêu chuẩn. Bảo quản ở thể lỏng, tuy đòi hỏi dung tích bình chứa bé, nhưng tốn kém trong khâu bảo quản lạnh.

Trong các phân xưởng cơ khí, chủ yếu dùng ôxy thể khí, để giảm thể tích bình chứa, thông thường ôxy được nén ở áp suất cao và chứa bằng bình thép có dung tích 40 lít, áp suất 150 at.

b/ Khí Axêtylen

Axêtylen là hợp chất của cácbon và hyđrô có công thức hóa học là C₂H₂, khối lượng riêng ở điều kiện tiêu chuẩn 1,09 kg/m³, nhiệt trị 11.470 Cal/m³. Axêtylen được sản xuất từ đất đèn CaC₂. Khi nấu chảy hỗn hợp đá vôi, than đá hoặc than cốc trong lò điện (nhiệt

độ từ 1.900ữ2.300⁰C) ta thu được đất đèn kỹ thuật:

CaO + 3C → CaC₂ + CO ↑

Đất đèn kỹ thuật chứa khoảng 65ữ80% CaC₂, khoảng 10ữ25% CaO và khoảng 6 % các tạp chất như (CO₂, SiO₂). Khi cho đất dèn tác dụng với nước ta thu được Axêtylen theo phản ứng:

CaC₂ + 2H₂O = C₂H₂ + Ca(OH)₂ + 30.400 Cal/mol Tính chất của khí Axêtylen

- C₂H₂ thuộc nhóm C_nH_2n-2. Nhiệt độ từ (- 82,4ữ83,6^oC) ở thể lỏng, dưới (- 85^oC) ở thể rắn khi va chạm dể nổ.

- Nhiệt độ tự bốc cháy khoảng 420^oC (ở áp suất 1 at).

- Dể phát nổ khi áp suất > 1,5 at và nhiệt độ trên 500^oC hoặc hỗn hợp với khí khác, ví dụ: Hỗn hợp với không khí (chứa từ 2,2ữ82% C₂H₂), hỗn hợp với Ôxy (chứa từ 2,3ữ93% C₂H₂) có khả năng phát nổ ở nhiệt độ thường và áp suất 1 at. Hỗn hợp chứa 45%

C₂H₂ + 55% CH₄ và hỗn hợp chứa 18% C₂H₂ + 82% H₂ có khả năng phát nổ ở nhiệt độ thường và áp suất trên 18 at.

(3)

- ở nhiệt độ và áp suất thấp dễ trùng hợp tạo thành các hợp chất khác như benzel (C₆H₆), stirôn (C₈H₈) ...

Sự hòa tan của axêtylen: có khả năng hoà tan trong nhiều chất lỏng với độ hoà tan lớn, đặc biệt là trong axêtôn, ví dụ:

- Hoà tan trong nước : 1,15 lít C₂H₂/ lít.

- Hoà tan trong Benzel : 4 lít C2H2/ lít.

- Hoà tan trong dầu hoả: 5,7 lít C₂H₂/ lít.

- Hoà tan trong axêtôn (CH₃COCH₃): 23 lít C₂H₂/lít.

Sự hoà tan trong axêtôn được sự dụng nhiều trong công nghiệp: dùng các chất bọt xốp (than gỗ, sợi amiăng, điatômit) thấm ướt axêtôn để vào bình chứa, sau đó nén axêtylen vào bình để giảm khả năng nổ của axêtylen ở áp suất cao.

Các tạp chất trong axêtylen

- Không khí: làm tăng khả năng gây nổ, nên chỉ cho phép chứa 0,5ữ1,5%.

- Hơi nước: làm giảm nhiệt độ của ngọn lửa hàn.

- Hơi axêtôn (CH3COCH3): ảnh hưởng xấu đến quá trình hàn, nên chỉ cho phép chứa (45ữ50)g/m³ C₂H₂.

- PH₃: là chất có hại vì tăng khả năng tự nổ của hỗn hợp. cho phép chứa 0,09%.

- H₂S: làm hại đến chất lượng mối hàn, nên chỉ cho phép chứa (0,08ữ1,5)%.

(4)

4.2. Thiết bị hàn khí

4.2.1. Sơ đồ chung của một trạm hàn khí

Các thiết bị chính của một trạm hàn hoặc cắt bằng khí gồm có các bộ phận chính sau: Bình chứa ôxy, bình chứa hoặc thùng điều chế axêtylen, khóa bảo hiểm, van giảm áp,

dây dẫn khí, mỏ hàn. ⁴

8

7

6

5

3

2 1

H.4.1. Sơ đồ một trạm hàn và cắt bằng khí

1. Bình chứa ôxy; 2. Bình chứa axêtylen; 3. Van gảm áp; 4. Đồng hồ đo áp 5. Khoá bảo hiểm; 6. Dây dẫn khí; 7. Mỏ hàn hoặc mỏ cắt; 8. Ngọnlửa hàn

4.2.2. Bình chứa khí

Bình chứa khí dùng để chứa khí ôxy và khí axêtylen, được chế tạo từ thép tấm dày 4ữ8 mm bằng phương pháp dập hoặc hàn. Bình có đường kính ngoài 219 mm, cao 1.390 mm, dung tích 40 lít, trọng lượng 67 kg. Bình chứa ôxy chứa được một lượng khí có áp suất khoảng 150 at tương ứng với 6 m³ khí (ở 20⁰C và 1 at) bên ngoài được sơn màu xanh hoặc xanh da trời.

Bình chứa axêtylen chứa được áp suất khí nạp tới dưới 19 at, được sơn màu vàng.

Trong bình chứa bọt xốp (thường là than hoạt tính) và tẩm axêtôn (khoảng 290ữ320 gram than hoạt tính tẩm 225ữ230 gram axêtôn/ một lít thể tích bình chứa).

4.2.3. Bình điều chế axêtylen

Bình điều chế khí dùng để điều chế khí axêtylen từ đất đèn. Trong thực tế, người ta dùng nhiều loại bình điều chế khí khác nhau, được phân loại theo các đặc trưng cơ bản:

- Theo năng suất: có các loại nhỏ (dưới 3,2 m³/h) và loại lớn (trên 5 m³/h).

- Theo áp lực khí: thấp (0,01ữ0,1 at), trung bình (0,1ữ1,5 at) cao (1,5ữ1,75 at).

(5)

- Theo nguyên tắc tác dụng giữa đất đất đèn và nước: đá rơi vào nước, nước rơi vào

đá và đá tiếp xúc với nước Hình (H.4.2) giới thiệu sơ đồ nguyên lý của một số bình điều chế khí điển hình.

C₂H₂

a/ b/ 7

2

7 6

6

5 4 2 3

1

C₂H₂

c/

6

2

7 1

H.4.2. Sơ đồ nguyên lý bình điều chế khí a xêtylen

a) Kiểu đá rơi vào nước b) Kiểu nước rơi vào đá c) Kiểu đá tiếp xúc nước 1) Nước 2) Đất đèn (đá) 3) Nón cấp đất đèn 4) Phễu cấp nước 5) Van điều chỉnh lượng nước 6) ống dẫn khí ra 7) Ghi đỡ đất đèn

Bình điều chế kiểu đá rơi vào nước (H.4.2a) có hiệu suất sinh khí cao (trên 95%), khí C₂H₂được làm nguội và làm sạch tốt, nhưng đòi hỏi đất đèn có độ hạt đều, tốn nhiều nước, kích thước lớn và điều chỉnh phức tạp.

Kiểu bình điều chế nước rơi vào đá (H.4.2b) có kích thước bé, tốn ít nước, không cần cỡ hạt đều nhưng hiệu suất thấp (85ữ90 %), khí C₂H₂ không được làm sạch và bị nung nóng mạnh. Hai loại bình trên thuộc loại điều chỉnh lượng khí bằng cách điều chỉnh lượng chất tham gia phản ứng. Kiểu bình điều chế đá tiếp xúc với nước (H.4.2c) có kết cấu đơn giản, thuận tiện trong sử dụng nhưng khí C₂H₂ cũng không được làm sạch và làm nguội.

4.2.4. Khoá bảo hiểm

Để tránh hiện tượng ngọn lửa cháy ngược theo ống dẫn khí trở về bình điều chế khí gây nổ bình người ta dùng khóa bảo hiểm. Trong quá trình hàn, do một nguyên nhân nào

đó, lưu lượng khí phun ra ở mỏ hàn hoặc mỏ cắt giảm mạnh hoặc tốc độ cháy của hỗn hợp tăng, dẫn đến tốc độ cháy của hỗn hợp lan truyền nhanh hơn tốc độ đi ra của khí sẽ gây ra hiện tượng ngọn lửa quặt.

Sự giảm lưu lượng khí xẩy ra khi tiết diện lỗ dẫn khí ở mỏ hàn hoặc mỏ cắt giảm, ống dẫn bị tắc ... Sự tăng tốc độ cháy xẩy ra khi nhiệt độ khí và nhiệt độ môi trường tăng, lượng ôxy tăng...

Khoá bảo hiểm được phân loại theo các đặc trưng sau:

• Theo kết cấu: loại hở, loại kín.

(6)

• Theo lượng tiêu thụ khí: loại nhỏ, loại lớn.

Khóa bảo hiểm kiểu hở (H.4.3a) dùng cho bình có áp lực thấp. Khí C₂H₂ được dẫn vào qua ống (1), đi qua nước vào ngăn chứa khí tới ống (2) đi ra mỏ hàn hoặc mỏ cắt. Khi có ngọn lửa quặt, áp suất trên mặt nước của của khóa bảo hiểm tăng lên, đẩy nước dâng lên trong ống (1) chặn không cho khí đi vào, đồng thời mực nước hạ xuống, miệng ống thoát (4) hở, khí qua ống thoát đi ra ngoài.

Khoá bảo hiểm kiểu kín (H.4.3b), dùng cho bình có áp lực trung bình. Khi C₂H₂ dẫn vào qua ống (1), đẩy viên bi của van (5) nổi lên và đi qua van, tập trung ở ngăn chứa khí, sau đó qua ống (2) đi tới mỏ hàn hoặc mỏ cắt.

Khi có ngọn lửa quặt, áp suất trên mặt nước tăng, viên bi bị đẩy xuống đóng kín

đường dẫn khí, nếu áp suất khí trong van vượt quá giá trị cho phép, màng chặn của van an toàn (6) bị phá và khí thoát ra ngoài.

C2H2

C₂H₂

4 3

2 1

C₂H₂

b/

1 6

5 2

3

a/

H.4.3. Sơ đồ nguyên lý khoá bảo hiểm a) Kiểu hở b) Kiểu kín

1) ống dẫn khí vào 2) ống dẫn khí ra 3) Van điều chỉnh mức nước 4) ống thoát khí 5) Van 6) Van an toàn

4.2.5. Van giảm áp

Van giảm áp là dụng cụ dùng để giảm áp suất khí trong bình chứa xuống áp suất làm việc cần thiết và tự động duy trì áp suất đó ở mức ổn định. Đối với khí ôxy áp suất khí trong bình đạt tới 150 at, áp suất khí làm việc vào khoảng 3ữ4 at, còn khí axêtylen áp suất trong bình tới 15ữ16 at, áp suất làm việc 0,1ữ1,5 at.

Trên hình sau trình bày sơ đồ nguyên lý của một số van giảm áp:

(7)

Trường đại học bách khoa đà nẵng - 2006 41 a/

10 9

8 7

6 4 5 2 3

1

p₂ p₁

b/

p₂ p1

H.4.4. Sơ đồ nguyên lý van giảm áp a/ Van kiểu thuận; b/ Van kiểu ngịch

1. Đường dẫn khí cao áp; 2. Lò xo phụ; 3. Van; 4. Van an toàn;

5. Đường dẫn khí ra; 6. Buồng thấp áp; 7. Lò xo chính; 8. Vít

điều chỉnh; 9. Màng đàn hồi; 10. thanh truyền

Nguyên lý làm việc: khí được dẫn vào van theo ống (1) và qua ống (5) đi tới mỏ hàn hoặc mỏ cắt. áp lực khí trong buồng hạ áp (6) phụ thuộc vào độ mở của van (3). Khi lò xo chính (7) chưa bị nén, van (3) chịu tác dụng của lò xo phụ (2) và áp lực của khí, đóng kín cửa van không cho khí vào buồng hạ áp (6). Khi vặn vít điều chỉnh (8), làm cho lò xo chính (7) bị nén, van (3) được nâng lên, cửa van mở và khí đi sang buồng hạ áp.

Tuỳ thuộc vào độ nén của lò xo chính (7), độ nén của lò xo phụ (2), độ chênh áp trước và sau van, cửa van (3) được mở nhiều hay ít, ta nhận được áp suất cần thiết trong buồng hạ áp. Nhờ có màng đàn hồi (9), van có thể tự động điều chỉnh áp suất ra của khí.

Nếu do một nguyên nhân nào đó, áp suất khí ra (p2) tăng, áp lực tác dụng lên mặt trên của màng đàn hồi (9) tăng, đẩy màng đàn hồi dịch xuống và thông qua con đội van (3) bị kéo xuống, làm cửa van đóng bớt lại, lượng khí đi vào buồng hạ áp giảm, làm áp suất khí ra giảm. Ngược lại, nếu p₂ giảm, cửa van (3) mở lớn hơn, lượng khí vào buồng hạ

áp tăng, làm p₂ tăng trở lại.

4.2.6. Dây dẫn khí

Dây dẫn khí dùng để dẫn khí từ bình chứa khí, bình chế khí đến mỏ hàn hoặc mỏ cắt. Yêu cầu chung đối với ống dẫn khí: chịu được áp suất tới 10 at đối với dây dẫn ôxy, 3 at với dây dẫn axêtylen, đủ độ mềm cần thiết nhưng không bị gấp khúc. Dây dẫn được chế tạo bằng vải lót cao su, có ba loại kích thước sau:

- Đường kính trong 5,5 mm, đường kính ngoài không quy định.

- Đường kính trong 9,5 mm, đường kính ngoài 17,5 mm.

- Đường kính trong 13 mm, đường kính ngoài 22 mm.

(8)

4.2.7. Mỏ hàn

Đây là dụng cụ dùng để pha trộn khí cháy và ôxy, tạo thành hỗn hợp cháy có tỉ lệ thành phần thích hợp để nhận được ngọn lửa hàn hoặc cắt theo yêu cầu. Mỏ hàn có 2 loại là mỏ hàn kiểu hút và mỏ hàn đẳng áp.

a/

1

2

5 4 6

C₂H₂

C₂H₂ O₂

O₂ 3

b/

H.4.5. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của mỏ hàn khí a/ Mỏ hàn kiểu hút; b/ Mỏ hàn đẳng áp

1. Dây dẫn khí C₂H₂ 2. Dây dẫn khí oxy 3. Van điều chỉnh C₂H₂ 4. Van điều chỉnh oxy 5. Buồng hút 6. Đầu mỏ hàn

Mỏ hàn kiểu tự hút (H.4.5a) sử dụng khi hàn với áp suất khí C₂H₂ thấp và trung bình.

Khí C₂H₂ (áp suất 0,01ữ1,2 at) được dẫn vào qua ống (1), còn khí ôxy (áp suất 1ữ4 at)

được dẫn vào qua ống (2). Khi dòng ôxy phun ra đầu miệng phun (5) với tốc độ lớn tạo nên một vùng chân không hút khí C₂H₂ theo ra mỏ hàn. Hỗn hợp tiếp tục được hoà trộn trong buồng (6), sau đó theo ống dẫn (7) ra miệng mỏ hàn và được đốt cháy tạo thành ngọn lửa hàn. Điều chỉnh lượng khí ôxy và C₂H₂ nhờ các van (3) và (4). Nhược điểm của mỏ hàn tự hút là thành phần hỗn hợp cháy không ổn định.

Mỏ hàn đẳng áp dùng khi hàn với áp lực khí C₂H₂trung bình. Khí ôxy và C₂H₂ được phun vào buồng trộn với áp suất bằng nhau (0,5ữ1 at) và tiếp tục được hòa trộn trong ống dẫn của mỏ hàn, đi ra miệng mỏ hàn để đốt cháy tạo thành ngọn lửa.

4.3. Thuốc hàn

Thuốc hàn là những chất dùng để khử ôxy cho kim loại, tạo ra các hợp chất dễ chảy, dễ tách khỏi vũng hàn và tạo màng xỉ để che phủ mối hàn. Thuốc hàn chủ yếu dùng khi hàn một số thép hợp kim, gang và kim loại màu.

(9)

Yêu cầu đối với thuốc hàn:

- Nhiệt độ chảy phải thấp hơn nhiệt độ chảy của kim loại vật hàn.

- Thuốc hàn phải nhẹ và có tính chảy loãng tốt, không gây ăn mòn kim loại.

- Không sinh khí độc, dễ làm sạch mối hàn

Khi hàn gang thường dùng hỗn hợp K₂O và Na₂O; Khi hàn đồng đỏ, đồng thau thường dùng borăc (Na₂B₄O₇), axit boric (H₃BO₃); Khi hàn nhôm thường dùng muối florua.

4.4. Các loại ngọn lửa hàn

Khi hàn khí, tuỳ thuộc vào tỉ lệ thành phần của hỗn hợp cháy có thể nhận được ba loại ngọn lửa hàn khác nhau: Ngọn lửa bình thường, ngọn lửa ôxy hóa, ngọn lửa cácbon hóa. Ngọn lửa hàn có thể chia làm 3 vùng: nhân ngọn lửa có màu sáng trắng, vùng trung tâm có màu sáng vàng, vùng đuôi (ôxy hoá) màu vàng sẫm có khói.

4.4.1. Ngọn lửa bình thường

Ngọn lửa bình thường nhận được khi tỉ lệ ^O C H

2

2 2

1 1 1 2

= , ữ , . a/ Vùng nhân ngọn lửa

Trong vùng này xảy ra phản ứng phân hủy C₂H₂: C₂H₂→ 2C + H₂. Ngọn lửa có màu sáng trắng, nhiệt độ thấp và thành phần khí giàu cácbon.

b/ Vùng cháy không hoàn toàn Trong vùng này xảy ra phản ứng cháy không hoàn toàn của cácbon:

C₂H₂ + O₂ = 2CO + H₂ + Q↑

Ngọn lửa vùng này có màu sáng xanh, nhiệt độ cao nhất (3.200⁰C), khí chứa nhiều CO và H₂là những chất hoàn nguyên.

Những chất này không tham gia vào các phản ứng cacbon hoá và ôxy hoá nên gọi là vùng hoàn nguyên.

II III

T(^oC) I

3.150

L (mm) H.4.6. Sơ đồ cấu trúc ngọn lửa hàn I/ Nhân ngọn lửa; II/ Vùng cháy chưa

hoàn toàn; III/ Vùng cháy hoàn toàn

c/ Vùng cháy hoàn toàn

Trong vùng này xẩy ra phản ứng cháy hoàn toàn: sản phẩm của vùng trên cháy với

ôxy của không khí: 2CO + H₂ + 1,5O₂^kk = 2CO₂ + H₂O + Q↑

Ngọn lửa vùng này có màu vàng sẫm, chứa nhiều CO₂ và H₂O là những chất ôxy hoá

và nhiệt độ thấp hơn vùng giữa.

(10)

4.4.2. Ngọn lửa ôxy hóa

Ngọn lửa ôxy hoá nhận được khi tỉ lệ ^O C H

2

2 2

>1 2, .

Quá trình cháy cũng chia ra thành 3 vùng và vùng cháy không hoàn toàn xảy ra theo phản ứng sau: C₂H₂ + 1,5O₂ = 2CO + H₂ + 0,5O₂ + Q↑

Sau đó chúng lại cháy tiếp với ôxy của không khí:

2CO + H₂ + 0,5O₂ + O₂^kk = 2CO₂ + H₂O + Q↑

Chúng ta nhận thấy nhân của ngọn lửa ngắn lại, vùng giữa dư O₂ và chứa cả CO₂ nên có tính ôxy hóa mạnh và giữa 2 vùng không phân biệt rõ ranh giới, ngọn lửa có màu từ vàng nhạt đến vàng sẫm.

Ngọn lửa ôxy hóa chỉ dùng khi hàn đồng thau, cắt và đốt sạch bề mặt các chi tiết máy hoặc kết cấu máy.

4.4.3. Ngọn lửa các bon hóa

Ngọn lửa này nhận được khi tỉ lệ ^O C H

2

2 2

<1 1, .

Quá trình cháy như sau: C₂H₂ + 0,5O₂ = CO + H₂ + C + Q↑

Sau đó cháy tiếp với ôxy của không khí: CO + H₂ + C + 2O₂^kk = 2CO₂ + H₂O +Q↑

Nhân của ngọn lửa kéo dài, vùng giữa có một nguyên tử cacbon tự do nên ngọn lửa mang tính cácbon hoá và có nâu sẫm.

Ngọn lửa cácbon hóa được dùng khi hàn gang, thép gió và thép hợp kim, hoặc để tôi bề mặt các chi tiết máy.

4.5. Công nghệ hàn khí 4.5.1. Các loại mối hàn

- Khi hàn khí thường dùng nhất là mối hàn giáp mối, nếu vật dày S > 5 mm thì cần vát mép chữ V, X.

- Khi hàn vật mỏng dùng mối hàn kiểu uốn mép và không cần que hàn phụ.

- Mối hàn chồng dùng khi vật hàn có chiều dày S < 3 mm, hàn đính các tấm, thỏi, tấm lót, ly hợp của ống dẫn.

4.5.2. Công tác chuẩn bị trước khi hàn

Trước khi hàn cần phải tiến hành các công tác chuẩn bị sau:

- Tiến hành vát mép trên máy bào, máy mài, bằng dũa hay bằng mỏ cắt khí.

- Làm sạch xỉ, ôxýt, dầu mỡ trên mép hàn rộng (20ữ30) mm bằng cách dùng mỏ đốt, sau đó dùng bàn chải sắt để làm sạch hoặc làm sạch bằng phương pháp tẩm thực.

- Gá lắp vật hàn hợp lý và hàn đính một số điểm để đảm bảo vị trí tương đối của kết cấu trong quá trình hàn.

(11)

6 3 7 5 2

1 4

5

4 2 1 3

4.5.3. Kỹ thuật và chế độ hàn khí a/ Phương pháp hàn

Tuỳ thuộc vật liệu hàn, chiều dày vật hàn, có thể sử dụng hai phương pháp hàn khác nhau: hàn phải và hàn trái.

a/ b/

3 4

2 1

H.4.7. Sơ đồ các phương pháp hàn khí a) Hàn phải b) Hàn trái

1) Mỏ hàn 2) Que hàn phụ 3) Mối hàn 4) Vật hàn

Phương pháp hàn phải: Khi hàn phải (H.4.7a), trong quá trình hàn ngọn lửa hàn hướng về phía mối hàn, mỏ hàn luôn đi trước que hàn. Đặc điểm của hàn phải là nhiệt chủ yếu tập trung vào vũng hàn nên độ ngấu của mối hàn sâu, vùng hoàn nguyên hướng vào mép hàn, mối hàn nguội chậm và được bảo vệ tốt, lượng tiêu hao khí giảm. Phương pháp này được ứng dụng khi hàn các tấm dày hoặc kim loại vật hàn dẫn nhiệt nhanh. Thường dùng khi S > 5 mm.

Phương pháp hàn trái (H.4.7b): trong quá trình hàn ngọn lửa hàn hướng về phía chưa hàn, que hàn đi trước mỏ hàn đi sau. Trong trường hợp hàn trái, mép hàn được nung nóng sơ bộ nên kim loại vũng hàn được trộn đều hơn, đồng thời quan sát mối hàn dễ, mặt ngoài mối hàn đẹp. Phương pháp này được dùng khi hàn các tấm mỏng (S < 3 mm) hoặc kim loại vật hàn dễ chảy.

b/ Chế độ hàn khí

Khi hàn khí, dựa vào tính chất của vật liệu, kích thước, kết cấu vật hàn, vị trí mối hàn và kiểu mối hàn để chọn chế độ hàn hợp lý, bao gồm chọn góc nghiêng mỏ hàn, công suất ngọn lửa và đường kính que hàn phụ.

α Góc nghiêng mỏ hàn (α): so với mặt

phẳng hàn được chọn theo nguyên tắc sau:

Chiều dày càng lớn, góc nghiêng mỏ hàn càng

H.4.8. Góc nghiêng mỏ hàn

(12)

lớn; Nhiệt độ chảy và độ dẫn nhiệt của vật liệu hàn càng cao, góc nghiêng càng lớn.

Ví dụ khi hàn đồng góc nghiêng α = 60ữ80^o, còn khi hàn chì α ≤ 10^o. Bắt đầu hàn góc nghiêng lớn, gần kết thúc góc nghiêng giảm.

Công suất ngọn lửa: công suất ngọn lửa tính bằng lượng khí được đánh giá qua lượng khí tiêu hao trong một giờ, chọn theo nguyên tắc: Vật hàn càng dày, công suất ngọn lửa càng lớn; vật liệu có nhiệt độ chảy và độ dẫn nhiệt càng cao, công suất ngọn lửa càng lớn. Công suất của ngọn lửa khi hàn phải cao hơn hàn trái.

• Khi hàn thép cácbon thấp, đồng thau, đồng thanh thường chọn lượng tiêu hao C₂H₂ trong một giờ theo công thức sau:

V_C2H2 = (100 ữ 120).S [lít/h] - đối với hàn trái V_C2H2 = (120ữ150).S [lít/h] - đối với hàn phải Trong đó S là chiều dày vật hàn [mm].

• Khi hàn đồng đỏ do tính dẫn nhiệt lớn nên tính theo công thức sau:

V_C2H2 = (150ữ200).S [lít/h]

Đường kính que hàn: phụ thuộc vật liệu hàn và phương pháp hàn. Khi hàn thép cácbon chọn theo công thức kinh nghiệm sau:

Hàn trái: d= +S

2 1 [mm]

Hàn phải: d= S

2 [mm]

c/ Chuyển động của mỏ hàn và que hàn khí

Căn cứ vào vị trí mối hàn, kiểu mối hàn, chiều dày vật hàn để chọn chuyển động của que hàn và mỏ hàn cho hợp lý. Khi hàn sấp và hàn góc có thể tiến hành theo phương pháp hàn phải hoặc hàn trái. Khi hàn sấp, dịch chuyển que hàn và mỏ hàn thường theo đường dích dắc (H.4.9a).

Khi hàn góc, tại các điểm biên đảo chiều chuyển động, que hàn và mỏ hàn có thời gian dừng thích hợp để nung nóng mép hàn tốt, để kim loại trộn đều và mối hàn liên kết tốt (H.4.9b).

Khi hàn sấp các tấm mỏng, người ta còn sử dụng phương pháp hàn nhỏ giọt (H.4.9c). Khi hàn, nung chảy que hàn tạo thành từng giọt dắp lên mép hàn, sau đó nhấc que hàn ra, đưa mỏ hàn sát vào vật hàn nung chảy giọt kim loại ở mối hàn tạo thành một

điểm hàn, sau đó tiếp tục lặp lại để hàn điểm tiếp theo.

Mỏ hàn

Que hàn Que hàn

Mỏ hàn

(13)

d/ Hàn các mối hàn có vị trí khác nhau trong không gian

Trên (H.4.10) giới thiệu phương pháp hàn tại các vị trị mối hàn khác nhau:

- Khi hàn đứng thường dùng hàn trái từ dưới lên (H.4.10a).

- Khi hàn ngang, mỏ hàn đặt lệch trục với hướng hàn để hạn chế kim loại vũng hàn bị rơi khi hàn (H.4.10b).

- Đối với hàn trần (H.4.10c), cần nung nóng mép hàn tốt mới đưa que hàn vào, khi hàn nên hàn từng lớp mỏng và hàn nhiều lần nếu mối hàn lớn.

a/ b/ c/

H.4.10. Phương pháp hàn một số vị trí mối hàn đặc biệt a) Hàn đứng b) Hàn ngang c) Hàn trần

4.6. Cắt kim loại bằng khí

4.6.1. Thực chất của quá trình cắt kim loại bằng khí

(14)

Thực chất của quá trình cắt kim loại bằng khí là đốt cháy kim loại cắt bằng dòng

ôxy, tạo thành các ôxýt (FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄), làm nóng chảy các ôxyt đó và thổi chúng ra khỏi mép cắt tạo thành rãnh cắt.

Sơ đồ quá trình cắt kim loại bằng khí

được trình bày trên (H.4.11): Khi bắt đầu cắt, kim loại ở mép cắt được nung nóng

đến nhiệt độ cháy nhờ nhiệt của ngọn lửa nung, sau đó cho dòng ôxy thổi qua, kim loại bị ôxy hóa mãnh liệt (bị đốt cháy) tạo thành ôxýt. Sản phẩm cháy bị nung chảy và bị dòng ôxy thổi khỏi mép cắt. Tiếp theo, do phản ứng cháy của kim loại toả

nhiệt mạnh, lớp kim loại tiếp theo bị nung nóng nhanh và tiếp tục bị đốt cháy tạo thành rãnh cắt.

O2 C2H2+O2

5 4

3

2 1

H.4.11. Sơ đồ cắt bằng khí 1) Dòng ôxy cắt 2) Dòng hỗn hợp khí cháy 3) Ngọn lửa nung nóng 4) Rãnh cắt 5) Phôi cắt

4.6.2. Điều kiện để cắt được bằng khí

Để cắt bằng khí, kim loại cắt phải thoả mãn một số yêu cầu sau:

- Nhiệt độ cháy của kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó.

Đối với thép cácbon thấp C < 0,7% nhiệt độ cháy vào khoảng 1350⁰C còn nhiệt độ chảy gần 1.500⁰C nên thoả mãn điều kiện này. Đối với các loại thép cácbon cao thì nhiệt độ cháy gần bằng nhiệt độ chảy nên trước khi cắt phải đốt nóng sơ bộ đến 300ữ650⁰C.

- Nhiệt độ nóng chảy của ôxýt kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó. Thép hợp kim crôm hoặc crôm-niken, do khi cháy Cr tác dụng với O₂ để tạo thành ôxýt crôm Cr₂O₃ có nhiệt độ nóng chảy tới 2.050^oC vì vậy phải dùng thuốc cắt mới có thể cắt được. Nhôm và hợp kim của nhôm, do nhiệt độ nóng chảy thấp, khi cháy tạo thành ôxýt nhôm Al₂O₃ có nhiệt độ nóng chảy tới 2.000^oC, mặt khác lại dẫn nhiệt nhanh nên cũng không thể cắt bằng khí, trừ khi dùng thuốc cắt.

- Nhiệt toả ra khi kim loại cháy phải đủ lớn để đảm bảo sự cắt được liên tục, quá

trình cắt không bị gián đoạn. Khi cắt các tấm mỏng bằng thép cácbon thấp nhiệt lượng sinh ra khi cháy đạt tới 70% chỉ cần nhiệt lượng của ngọn lửa 30% nữa là đủ cắt liên tục.

- Ôxýt kim loại nóng chảy phải có độ chảy loãng tốt, để dễ tách ra khỏi mép cắt.

Gang không thể cắt bằng khí vì nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt cháy và khi cháy tạo ra

ôxýt silic SiO₂ có độ sệt cao.

- Độ dẫn nhiệt của kim loại không quá cao, tránh sự tản nhiệt nhanh làm cho mép cắt bị nung nóng kém làm gián đoạn quá trình cắt.

4.6.3. Mỏ cắt khí

(15)

Để cắt bằng khí chủ yếu sử dụng các mỏ cắt dùng nhiên liệu khí. Sơ đồ cấu tạo chung của chúng được trình bày trên hình sau:

1

2

3

4

6

O₂

C₂H₂

7 5

H.4.12. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của mỏ hàn khí

1/ ống dẫn khí C₂H₂ 2/ ống dẫn khí ôxy 3/ Van điều chỉnh dòng C₂H₂4/

Van điều chỉnh dòng ôxy nung 5/ Van điều chỉnh dòng ôxy cắt 6/ ống dẫn hỗn hợp khí cháy 7/ ống dẫn dòng ôxy cắt

Khí axêtylen được dẫn vào ống (1) đi qua van (3), còn ôxy được dẫn vào ống (2), sau đó phân làm hai nhánh, một dòng đi qua van (4) và tới miệng phun hút khí axêtylen và hòa trộn tạo ra hỗn hợp cháy để nhận được ngọn lửa nung nóng, một dòng đi qua van (5) tới đầu mỏ phun để tạo ra dòng ôxy cắt.

4.6.4. kỹ thuật cắt khí a/ Bắt đầu cắt

Khi cắt phôi tấm theo đường cắt hở, bắt đầu cắt từ mép phôi. Với phôi tấm dày dưới 50 mm, mỏ cắt đặt thẳng góc với mặt phẳng cắt (H.4.13a). Nếu chiều dày phôi lớn hơn 50 mm, khi bắt đầu cắt nên nghiêng mỏ cắt một góc 5ữ10^o theo hướng cắt để nung nóng tốt mép cắt, sau đó đặt thẳng góc (H.4.13b).

I II

c/

Hướng cắt

5ữ10^o b/

Hướng cắt

a/

H.4.13. Kỹ thuật cắt khí

Khi cắt phôi tấm theo đường cắt kín, quá trình cắt bắt đầu ở giữa tấm, bởi vậy phải tạo lỗ trước bằng phương pháp khoan hoặc dùng mỏ cắt để tạo lỗ cắt ban đầu.

Khi dùng mỏ cắt để tạo lỗ, để tránh hiện tượng nổ, đối với tấm mỏng dưới 20 mm,

đặt mỏ cắt tại vị trí cắt lỗ, mở khí nung nóng trước sau đó mới mở ôxy cắt, với các tấm

(16)

dày bắt đầu nung nóng ở vị trí (I) và di chuyển chậm mỏ cắt đến vị trí (II) mới bắt đầu mở

ôxy cắt (H.4.13c).

b/ Tốc độ cắt

Tốc độ cắt là tốc độ dịch chuyển của mỏ cắt dọc theo đường cắt, cũng là một thông số ảnh hưởng lớn tới quá trình cắt. Khi tốc độ cắt nhỏ hơn tốc độ ôxy hóa kim loại theo chiều dày cắt thì mép cắt bị phá hỏng, đồng thời năng suất cắt giảm.

Ngược lại, nếu tốc độ cắt quá lớn, dẫn tới cắt bị sót hoặc quá trình cắt bị gián đoạn do mép cắt không được nung nóng tốt.

Tuỳ theo kim loại cắt, chiều dày vật cắt, tốc cắt thường từ 75 - 550 (mm/phút).

c/ Khoảng cách từ mỏ cắt đến kim loại cắt

Trong quá trình cắt khí cần phải khống chế khoảng cách từ mỏ cắt tới vật cắt thích hợp. Khi cắt thép tấm, căn cứ vào chiều dài nhân ngọn lửa và chiều dày tấm cắt ta có thể chọn khoảng cách này như sau:

h = l + 2 [mm]. l - chiều dài nhân ngọn lửa

Để giữ được khoảng cách này không đổi khi cắt ta gá thêm một cặp bánh xe.

d/ Vị trí và sự di chuyển mỏ cắt

- Khi cắt tấm theo đường thẳng, hợp lý nhất là mỏ cắt nên đặt nghiêng một góc 20ữ30⁰ về phía ngược hướng cắt (H.a).

- Khi cắt phôi tiết diện tròn (H.b), bắt đầu nung nóng ở mặt trên và dịch chuyển mỏ cắt một quảng ngắn, mở ôxy cắt để tiến hành cắt.

a/

20ữ30⁰

b c

H.4.14. Vị trí và sự di chuyển mỏ cắt

d

- Đối với phôi tiết diện vuông bắt đầu cắt từ góc, ban đầu mỏ cắt đặt nghiêng 2ữ3^o theo chiều ngược hướng cắt, lúc đến gần cuối nghiêng theo chiều ngược lại (H.c).

- Đối với phôi thép góc, mỏ cắt thường đặt vuông góc với mặt cắt, bắt đầu cắt từ mép tới đỉnh đến mép tiếp theo (H.d).

Chương 5

(17)

Hàn điện tiếp xúc

5.1. Thực chất và đặc điểm 5.1.1. Thực chất

Hàn điện tiếp xúc (còn gọi là hàn tiếp xúc) là dạng hàn áp lực, sử dụng nhiệt do biến

đổi điện năng thành nhiệt năng bằng cách cho dòng điện có cường độ lớn đi qua mặt tiếp xúc của hai chi tiết hàn để nung nóng kim loại.

Sơ đồ nguyên lý của phương pháp hàn

điện tiếp xúc như sau: Khi hàn, hai mép hàn

được ép sát vào nhau nhờ cơ cấu ép, sau đó cho dòng điện chạy qua mặt tiếp xúc, theo

định luật Jun-Lenxơ nhiệt lượng sinh ra trong mạch điện hàn xác định theo công thức:

P

H.5.1. Sơ đồ nguyên lý máy hànđiện tiếp xúc P

Q=0 24, . .R I². t I - cường độ dòng điện hàn,

t - thời gian dòng điện chạy qua vật hàn; R - điện trở của toàn mạch.

Do bề mặt tiếp xúc giữa hai mép hàn có độ nhấp nhô, diện tích tiếp xúc thực tế bé hơn so với diện tích tiếp xúc danh nghĩa, mặt khác trên bề mặt có màng ôxýt và không sạch hoàn toàn nên điện trở tiếp xúc lớn, lượng nhiệt sinh ra trong mạch chủ yếu tập trung ở mặt tiếp xúc của hai mép hàn, nung nóng kim loại đến trạng thái hàn. Khi hai mép hàn

được nung nóng đến trạng thái hàn, hai chi tiết hàn được ép vào nhau với áp lực lớn tạo thành mối hàn.

Phương pháp này phụ thuộc vào điện trở suất ρ. Kim loại có điện trở suất nhỏ thì

cường độ dòng điện cần phải lớn và ngược lại. Ví dụ: khi hàn đồng, nhôm và hợp kim của chúng thì phải dùng máy hàn có công suất lớn.

5.1.2. Đặc điểm

- Thời gian hàn ngắn, năng suất cao. Mối hàn đẹp và bền.

- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa các hệ thống hàn điện tiếp xúc.

- Đòi hỏi phải có máy hàn công suất lớn (dòng điện hàn có thể lên đến vài chục ngìn Ampe). Thiết bị hàn đắt, vốn đầu tư lớn.

5.2. Hàn tiếp xúc giáp mối

(18)

Hàn tiếp xúc giáp mối là phương pháp hàn điện tiếp xúc mà mối hàn được thực hiện trên toàn bộ mặt tiếp xúc của hai chi tiết hàn.

5.2.1. Nguyên lý chung

5

P 3 4

l2

l1

2 1

Sơ đồ nguyên lý của phương pháp như sau: hai chi tiết hàn (1) và (4) được kẹp chặt trên giá cố định (2) và giá di dộng (3), được nối với hai đầu cuộn dây thứ cấp của biến áp hàn (5). Nhờ một cơ

cấu ép cơ khí hoặc thủy lực hai chi tiết hàn được ép vào nhau khi hàn.

Theo trạng thái nung kim loại mép hàn, có hai kiểu hàn giáp mối: hàn giáp mối thuần điện trở và hàn giáp mối nóng

chảy. H.5.2. Sơ đồ máy hàn điện tiếp xúc giáp mối

5.2.2. Chuẩn bị chi tiết trước khi hàn

Hàn tiếp xúc giáp mối được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp, hình sau giới thiệu một số kết cấu được chuẩn bị trước khi hàn tiếp xúc giáp mối.

b/

a/

H.5.3. Chuẩn bị chi tiết hàn a/ Chuẩn bị không đúng; b/ Chuẩn bị đúng

5.2.3. Kỹ thuật và chế độ hàn

a/ Hàn điện tiếp xúc giáp mối thuần điện trở

- Lực ép: sau khi hai chi tiết hàn được ép sát vào nhau với lực ép sơ bộ từ 10ữ15 N/mm², tiến hành đóng điện nung kim loại mép hàn đến trạng thái dẻo, cắt điện và ép kết thúc với lực ép từ 30ữ40 N/mm² để tạo thành mối hàn.

- Điện áp hàn: U = 1ữ12V.

- Cường độ dòng điện hàn: có thể xác định bằng công thức sau:

(19)

I T

K t

C F

m R t

F C

h

tb tx

=

0 24 ₂ +0 24

2

, . . . 1

. .

, . . .

. . . . ρ

γ π γ λ

(A).

Trong đó: T_h- Nhiệt độ cần hàn (0⁰C);

K₂- hệ số tổn thất nhiệt. Đối với thép cácbon kết cấu thấp lấy bằng 0,75; các loại thép khác lấy bằng 0,9.

ρ_tb- điện trở suất trung bình. ρ_tb = ρ_o (1 + αT_h) (Ω.cm).

ρ_o- điện trở suất vật hàn ở 0^oc. α- hệ số nhiệt điện trở.

Đối với thép ρ_tb phụ thuộc T_h và được xác định theo giản đồ. Thường thì đối với thép hợp kim thấp và cácbon thấp ρ_tb = 48 MΩ.cm; Các loại thép khác ρ_tb = 96 MΩ.cm

m₁ - Hệ số phụ thuộc điện trở tiếp xúc lấy gần đúng = 0,4.

R_tx - Điện trở tiếp xúc lúc bắt đầu hàn; C - Điện dung kim lọai vật hàn.

γ - Khối lượng riêng kim loại vật hàn; F - Diện tích tiết diện chi tiết.

λ - Hệ số dẫn nhiệt ( Calo/cm.s); t - Thời gian cần thiết nung nóng

Ta có J √ t = K . 10³; J- mật độ dòng điện, đối với thép J = 20 ữ 60 A/mm² K - Hệ số phụ thuộc tính chất vật hàn, tiết diện chi tiết và chiều dài phần nhô:

Vật liệu hàn Chiều dài phần nhô

l₁, l₂ (mm)

Đường kính vật hàn (mm)

K

Thép Cacbon thấp d 4 ữ10 10

Thép hợp kim thấp (0,7ữ1)d 10 ữ 40 8

Đồng 2d -- 27

Đồng thanh 1,5d -- 20

Nhôm 1,5d -- 12ữ15

- Công suất hàn: Công suất riêng thường lấy (0,12ữ0,15) KVA/mm². Khi hàn ống lấy bằng 0,2 KVA/mm² .

- Lực ép: Lực ép sơ bộ trước khi nung nóng có thể xác định với áp suất (10ữ15) N/mm², và sau khi nung nóng với áp suất (30ữ40) N/mm²

- Chiều dài phần nhô l₁, l₂: l₁ = (0,5ữ1,5)d ; l₂ = (0,5ữ4)d.

Hàn tiếp xúc giáp mối thuần điện trở đòi hỏi các mép hàn phải phẳng và song song với nhau, tiết diện tại mép hàn không chênh lệch nhau nhiều và bề mặt tiếp xúc phải được làm sạch kỹ trước lúc hàn. Hàn tiếp xúc giáp mối thuần điện trở chủ yếu ứng dụng để hàn các thanh, thỏi và dây kim loại có tiết diện đơn giản (hình tròn, vuông, đa giác... ) có diện tích tiếp xúc dưới 1000 mm².

b/ Hàn giáp mối nóng chảy

(20)

Đây là phương pháp hàn mà kim loại mép hàn được nung đến trạng thái nóng chảy.

Có hai phương pháp tiến hành hàn giáp mối nóng chảy: liên tục và gián đoạn.

Với quá trình hàn liên tục: ban đầu hai mép hàn được ép nhẹ, đồng thời đóng điện.

Ban đầu do tiếp xúc không hoàn toàn, mật độ dòng điện tại các đỉnh tiếp xúc lớn, nhanh chóng làm nóng chảy các đỉnh nhấp nhô, diện tích tiếp xúc tăng dần và cường độ dòng

điện tăng nhanh.

Khi kim loại trên mặt tiếp xúc nóng chảy hoàn toàn, các ôxyt và một phần kim loại nóng chảy cùng vật lẫn bị đẩy ra ngoài do tác dụng của lực điện từ, cắt điện và tiến hành ép với lực ép lớn ( từ 2500ữ5000 N/mm²) tạo thành mối hàn.

Điện áp hàn khi hàn nóng chảy liên tục U = 1ữ12 V, mật độ dòng điện từ 10ữ50 A/mm².

Với quá trình hàn gián đoạn: điện được đóng liên tục, còn hai chi tiết hàn được ép tiếp xúc với nhau theo chu kỳ. Khi hai mép hàn tiếp xúc, kim loại bị nung nóng bởi dòng

điện chạy qua mặt tiếp xúc, còn khi hai mép hàn tách ra, giữa hai mép hàn xuất hiện tia lửa điện làm tăng tốc độ nung nóng mép hàn.

Khi kim loại hai mép hàn nóng chảy tốt, tiến hành ép kết thúc với lực ép từ 15 ữ 50 N/mm², để tạo thành mối hàn. Điện áp hàn nóng chảy gián đoạn U = 5ữ15 V, mật độ dòng điện J = 3ữ15 A/mm².

Hàn giáp mối nóng chảy không đòi hỏi làm sạch bề mặt hàn kỹ trước khi hàn, hàn

được các tiết diện phức tạp hơn và chênh lệch nhau lớn.

Phương pháp hàn nóng chảy gián đoạn công suất của thiết bị yêu cầu thấp hơn hàn liên tục.

5.3. Hàn điểm 5.3.1. Định nghĩa

Hàn điểm là phương pháp hàn điện tiếp xúc mà mối hàn không thực hiện liên tục trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc mà chỉ thực hiện theo từng điểm riêng biệt gọi là điểm hàn.

5.3.2. Các phương pháp hàn điểm

Khi hàn điểm hai chi tiết hàn dạng tấm được đặt xếp chồng lên nhau. Theo cách bố trí điện cực hàn có hai kiểu hàn điểm: hàn một phía và hàn hai phía.

- Khi hàn điểm hai phía (H.5.4a), các tấm hàn được đặt giữa hai điện cực hàn. Sau khi ép sơ bộ và đóng điện, dòng điện trong mạch chủ yếu tập trung ở một diện tích nhỏ trên mặt tiếp xúc giữa hai tấm nằm giữa các điện cực, nung nóng kim loại đến trạng thái nóng chảy. Tiếp theo cắt điện và ép với lực ép đủ lớn, tạo nên điểm hàn.

Phương pháp hàn hai phía mỗi lần hàn chỉ được một điểm hàn giữa hai tấm, nhưng có thể được các tấm dày hoặc hàn cùng một lúc nhiều tấm xếp chồng.

(21)

P P

b/

P

a/

H.5.4. Nguyên lý các phương pháp hàn điểm a/ Hàn điểm 2 phía; b/ Hàn điểm một phía

- Khi hàn điểm một phía (H.5.4b), hai điện cực bố trí cùng một phía so với vật hàn.

Sự nung nóng các điểm hàn do dòng điện chạy qua tấm dưới của vật hàn. Để tăng cường dòng điện chạy qua các điểm hàn, người ta bố trí thêm tấm đệm bằng đồng.

Sau khi điểm hàn được nung chảy, tiến hành ép với lực ép đủ lớn ta nhận được hai

điểm hàn. Còn hàn một phía, mỗi lần hàn chỉ hàn được hai tấm, nhưng cùng một lúc có thể hàn được từ hai (trên máy có hai điện cực) hoặc nhiều điểm hàn (trên máy hàn nhiều

điện cực).

- Phương pháp hàn điểm bằng điện cực giả (H.5.5)

P

H.5.5. Hàn điểm bằng điện cực giả

Đây là phương pháp hàn điểm mà nguyên lý P

là lợi dụng các phần nhô ra của hai chi tiết cần hàn để coi chúng như là các điện cực hàn. Mỗi phần nhô và tiếp xúc của hai chi tiết sẽ là một

điểm hàn.

5.3.3. Chế độ hàn điểm

Chế độ hàn điểm phụ thuộc vào vật liệu hàn. Khi hàn thép cácbon thấp hoặc thép hợp kim thấp, dùng chế độ hàn mềm:

J = 80 - 160 A/mm²; P = 15 - 40 N/mm²; t = 0,5 - 3 giây

Khi hàn thép không rỉ và các hợp kim dẫn nhiệt nhanh như hợp kim nhôm, hợp kim

đồng hoặc các tấm có lớp phủ bảo vệ, dùng chế độ hàn cứng:

J = 120 - 360 A/mm²; P = 40 - 100 N/mm²; t = 0,001- 0,1 giây

Điện cực thường chế tạo bằng đồng hoặc hợp kim đồng có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao, bên trong có nước làm nguội, do đó mặt tiếp xúc giữa điện cực và chi tiết ít sinh nhiệt so với tại điểm hàn.

5.4. Hàn đường

(22)

5.4.1. Nguyên lý chung

Hàn đường là phương pháp hàn tiếp xúc, trong đó mối hàn là tập hợp các điểm hàn liên tục. Sơ đồ nguyên lý của hàn đường trình bày trên hình sau:

P

a/ P

b/

H.5.6. Sơ đồ nguyên lý máy hàn đường

P P

Khi hàn đường người ta sử dụng các điện cực kiểu con lăn (H.5.6a), nhờ đó vật hàn có thể dễ dàng chuyển động để dịch chuyển điểm hàn dùng để hàn 2 tấm kim loại có chiều dày từ 0,3ữ3 mm với nhau. Hàn đường cũng được dùng để hàn các loại ống khi sản xuất ống có mối hàn (H.5.6b).

Theo chế độ hàn người ta phân ra ba kiểu hàn đường: hàn đường liên tục, hàn đường gián đoạn và hàn bước.

- Khi hàn đường liên tục: trong quá trình vật hàn chuyển động, điện cực thường xuyên ép vào vật hàn và đóng điện liên tục. Phương pháp này đơn giản về công nghệ nhưng vật hàn bị nung nóng liên tục, dễ bị cong vênh, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn và điện cực bị nung nóng mạnh, chóng mòn, nhất là khi đường hàn dài.

- Khi hàn đường gián đoạn: vật hàn chuyển động liên tục, nhưng dòng điện chỉ

được cấp theo chu kỳ, thời gian cấp từ 0,01ữ0,1 giây, tạo thành các đoạn hàn cách quãng.

- Khi hàn bước: vật hàn dịch chuyển gián đoạn, tại các điểm dừng vật hàn được ép bởi các điện cực và cấp điện tạo thành điểm hàn.

5.4.2. Chế độ hàn đường

a/ Bước hàn: là khoảng cách giữa 2 điểm hàn thường lấy S = (1,5 ữ 4,5) mm.

b/ Đường kính đĩa điện cực

Đối với các máy hàn đường thường có điện cực chế tạo bằng đồng, đường kính đĩa

điện cực: D = 200 ữ 250 mm.

c/ Lực ép: khi hàn xác định theo công thức: P = π.d².σ_b

4 [N]

(23)

Trong đó d - đường kính điện cực [mm]; σ_b - giới hạn bền của vật liệu hàn [N/mm²].

d/ Thời gian hàn

Thời gian hàn là tổng thời gian dòng điện chảy qua đường hàn để hàn và thời gian

phụ được tính như sau: t S

V_h

= 0 06, .

(s).

S - bước hàn; V_h - tốc độ hàn, thường lấy bằng (0,5ữ3) m/phút.

đ/ Dòng điện hàn: khi hàn đường nên chọn cao hơn hàn điểm từ (20 ữ 80)%.

chương 6

(24)

Hàn Gang, đồng, nhôm

6.1. hàn gang

6.1.1. Đặc điểm của hàn gang

- Gang là hợp chất Fe-C mà C > 2%, ngoài ra còn Mn, Si, S, P...gang hợp kim có thêm Cr, Ni, Al, Ti, Mo, Cu và các nguyên tố khác.

- Lưu huỳnh S dể tạo thành cácbít, do đó dể sinh nứt khi hàn.

- Gang có tính dẻo kém, độ cứng, dòn cao nên khi hàn dể nứt.

- Khi hàn gang thường sinh ra sự biến đổi cục bộ grafit thành xêmentit nên càng tăng

độ dòn và cứng của gang.

- Trong quá trình hàn C bị cháy và tạo ra khí CO gây cho mối hàn rỗ khí, còn Si bị cháy tạo thành SiO₂ khó nóng chảy.

- Nhiệt độ chảy của gang không cao và độ chảy loãng lớn nên khi hàn mối hàn đứng, hàn trần hoặc mối hàn ngang rất khó.

6.1.2. Các phương pháp hàn gang a/ Hàn nguội

Hàn nguội có một số yếu tố kỹ thuật như sau:

H.6.1. Hàn nguội gang - Trước hết vát mép hàn rồi khoan các lỗ và tarô ren

sau đó cắm các chốt thép có d = (5ữ13)mm (như hình vẽ) vì độ liên kết giữa thép và gang không tốt lắm.

- Dùng que hàn thép cácbon C 08 có bọc một lớp thuốc dày 0,3 mm hàn ôm xung quanh phần nhô ra của chốt cho dính chặt với gang sau đó hàn đắp cho đầy mối hàn.

- Nếu hàn các vết nứt thì trức hết phải khoan các lỗ nhỏ ở 2 đầu vết nứt để vết nứt không còn phát triển.

Ưu điểm dùng que hàn thép là cho phép sửa chửa các chi tiết nhỏ mà không cần tháo rời ra khỏi kết cấu.

Ngoài ra còn có thể dùng que hàn mônen: 30%Cu, 65%Ni, 1,5%Mn, 3%Fe còn thành phần thuốc bọc: 45% grafit, 15% tinh quẳng cao lanh, 20% đất sét, 10% than gổ vụn và 10% xút dùng để hàn các kết cấu không chịu bền cao.

b/ Hàn nóng

(25)

Hàn nóng là phương pháp hàn có nung nóng sơ bộ 500ữ600⁰C:

- Chuẩn bị hàn: vát mép, làm sạch, khoan lỗ ở 2 đầu vết nứt.

- Chế tạo khuôn bằng vật liệu: bột grafit, cát rây nhào trỗn với thuỷ tinh lỏng có khi trỗn với đất sét.

H.6.2. Hàn bánh xe gang bằng hàn nóng

- Lắp khuôn lên vị trí hàn để không cho gang lỏng chảy ra ngoài. Sấy khuôn và nung sơ bộ chổ mối hàn đến 500ữ600⁰C bằng ngọn lửa khí cháy.

- Dùng que hàn gang có d = (6ữ20) mm; I_h= 300ữ1000 A.

- Khi mối hàn ở trạng thái lỏng cho borắc (Na₂B₄O₇) vào vũng hàn để tạo xỉ. Ngoài ra còn bỏ vào vũng hàn fêrô silic để tăng nồng độ Si cho gang, do đó gang xám sau khi hàn xong phải làm nguội chậm để chống nứt.

Chú ý: - Có thể hàn gang bằng phương pháp hàn khí bằng cách dùng ngọn lửa cácbon hoá. Tất cả các trường hợp hàn gang bằng ngọn lửa hàn khí đều hàn nóng.

- Thuốc hàn gang: borắc và một số chất: Na, bicácbônat, ôxyt silic.

- Cũng có thể sử dụng các loại que hàn đồng và một số que hàn chế tạo bằng kim loại khác để hàn gang.

- Phương pháp hàn nóng tốt hơn hàn nguội.

6.2. hàn đồng và hợp kim đồng 6.2.1. Đặc điểm chung

- Đồng và hợp kim đồng có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao (gấp 6 lần Fe), do đó để tạo nên vũng hàn yêu cầu nguồn nhiệt lớn. Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn làm giảm cơ tính của vật hàn, gây biến dạng lớn khi nung nóng và làm nguội.

- ở nhiệt độ cao độ bền mối hàn giảm, do đó ứng nhiệt sinh ra khi hàn dể tạo nên nứt nẻ trong mối hàn.

- Cu dể bị ôxy hoá tạo nên CuO hoặc Cu₂O khi nguội làm cho mối hàn dòn.

- Nhiệt độ chảy thấp nên dễ quá nhiệt, khi hàn trần, hàn đứng kim loại dể bị chảy ra ngoài.

- Khi hàn đồng thau, kẽm dễ bị cháy làm thay đổi thành phần kim loại mối hàn so với vật hàn.

- ở nhiệt độ cao H₂ và CO khuyết tán vào kim loại và tác dụng với ôxy trong kim loại tạo thành H₂O và CO₂ không hoà tan trong kim loại mà sẽ bay ra ngoài với áp suất lớn.

Khi mối hàn nguội lạnh áp suất này gây nứt nẻ cho mối hàn.

6.2.2. Hàn đồng đỏ

a/ Hàn đồng đỏ bằng khí hàn

(26)

- Vật hàn phải chuẩn bị tốt, làm sạch mối hàn, vật hàn mỏng S = (1,5ữ2)mm thì dùng kiểu uốn mép, S = (3ữ10)mm vát mép 45⁰, S > 10mm vát mép 90⁰. Dùng ngọn lửa bình thường, có thể nung sơ bộ (400 - 500⁰C).

- Dùng que hàn đồng có thành phần như vật hàn hoặc có thêm các chất khử ôxy như P, Si nhưng nhiệt độ chảy của que này phải thấp hơn đồng.

- Trong quá trình hàn phải dùng thuốc hàn để bảo vệ mối hàn khỏi bị ôxy hoá và khử

ôxy của ôxýt đồng. Thường hay dùng nhất là borắc Na₂B₄O₇ và axits boríc H₃BO₃. b/ Hàn đồng đỏ bằng hồ quang điện

- Có thể dùng điện cực than hoặc điện cực kim loại. Các que hàn được bọc thuốc hàn như hàn khí.

- Que hàn là hợp kim đồng có chất khử ôxy là Phốtpho P với dq = (1,5ữ10) mm, I_h = (35ữ65)d_q.

6.2.3. Hàn đồng thau

a/ Hàn đồng thau bằng khí hàn

- Đặc điểm cần chú ý là sự bốc hơi của kẽm (905⁰C) gần bằng nhiệt độ chảy của đồng thau (<1000⁰C) hoặc tạo thành ZnO có hơi ảnh hưởng đến sức khoẻ, làm mờ kính hàn...Vì

thế khi hàn cần hạn chế sự cháy của kẽm.

- Dùng ngọn lửa có thành phần O₂/C₂H₂= 1,25 -1,4 làn ngọn lửa có thừa ôxy để tạo thành lớp ZnO trên mặt mối hàn để ngăn cạn sự bốc hơi của kẽm và ôxy hoá của môi trường.

- Que hàn có thể dùng loại LCuZn32 và pha thêm các chất khử ôxy như Al, Si, Ni, Mn - Thuốc hàn thường dùng borắc hoặc axít boríc.

b/ Hàn đồng thau bằng hồ quang điện

- Dùng que hàn có lõi: LCuSi3Zn17; BCuSi3Mn; LCuMnFeZn39 thành phần thuốc bọc tuỳ theo thành phần vật hàn và lõi que hàn.

- Đường kính que hàn: nếu S < 8 thì d = S; nếu S >8 thì d = S-1 (mm). I_h= (27ữ40)d.

6.2.4. Hàn đồng thanh

a/ Hàn đồng thanh bằng khí hàn

- Khi hàn đồng thanh để giảm sự cháy của thiếc và kẽm thì nên dùng ngọn lửa bình thường.

- Thuốc hàn khi hàn đồng thanh thiếc hoặc đồng thanh silic thường dùng borắc, còn khi hàn đồng thanh nhôm thì dùng loại: 45% KCl + 20%BaCl +20%NaCl +15%NaF.

b/ Hàn đồng thanh bằng hồ quang điện: Tiến hành như hàn đồng thau.