Tài liệu Lý thuyết hàn potx

chương I
KHÁI NIỆM VỀ HÀN KIM LOẠI
1.1. bản chất và đặc điểm hàn kim loại
a, bản chất: Hàn là quá trình công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ
phận) thành một khối bền vững, bằng cách dùng nguồn nhiệt nung nóng chỗ cần
nối đến trạng thái hàn. Sau đó kim loại lỏng tự kết tinh (ứng với trạng thái lỏng)
hoặc dùng thêm ngoại lực ép chúng dính lại với nhau (ứng với trạng thái nguội,
dẻo) để tạo thành mối hàn.
+ Trạng thái hàn có thể là trạng thái lỏng, dẻo và thậm chí là nguội bình thường.
+ Khi hàn nếu kim loại đạt tới trạng thái lỏng , thì trong phần lớn các trường hợp,
mối hàn tự hình thành mà không cần lực ép. Việc tạo ra mối hàn có hình dạng
và kích thước cho trước có thể cần hoặc không cần kim loại bổ sung (thông qua
vật hàn).
+ Nếu kim loại chỗ cần nối khi hàn có nhiệt độ thấp hoặc chỉ đạt tới trạng thái
dẻo để tạo ra mối hàn cần thiết phải có ngoại lực tác dụng.
+ Về bản chất hàn đắp, hàn vẩy và dán kim loại cũng tương tự như hàn. Vì thế
trong kỹ thuật chúng được coi là lĩnh vực riêng của hàn.
a, Đặc điểm
- Liên kết hàn được đặc trưng với tính liên tục và nguyên khối . Đó là liên kết “
cứng” không tháo rời được.
- Với cùng khả năng làm việc so với các phương pháp nối ghép khác( bằng bu
lông, đinh tán,…) kết cấu hàn cho phép tiết kiệm 15 – 20% khối luượng kim loại
- So với Đúc, Hàn có thể tiết kiệm được 50% khối lượng kim loại
- Hàn cho phép chế tạo các kết cấu phức tạp, siêu trường, siêu trọng từ những
vật liệu cùng loại hoặc các vật liệu khác loại, hoặc các vật liệu có tính chất rất
khác nhau. Phù hợp với điều kiện và môi trường khác nhau.
- Hàn tạo ra các liên kết có độ bền và độ kín cao đáp ứng với yêu cầu làm việc
của các kết cấu quan trọng (vỏ tàu, bồn bể, nồi hơi, thiết bị áp lực,…).
- Hàn có tính linh động và có năng suất cao so với các công nghệ khác, đễ cơ khí
hóa tự động hóa quá trình sản suất.
- Mức độ đầu tư cho sản xuất hàn không cao (thiết bị đơn giản, rẻ tiền).

+ Nhược điểm:
- Tổ chức và tính chất kim loại tại vùng mối hàn và khu vực lân cận có thể thay
đôi theo chiều hướng xấu ( đặc biệt với vật liệu khó hàn). Làm giảm khả năng
chịu lực của kết cấu, đặc biệt là khi làm việc dưới tải trọng động.
- Trong kết cấu hàn thường tồn tại trạng thái ứng suất và biến dạng dư, ảnh
hưởng đáng kể đến hình dạng và kích thước, thẩm mỹ và khả năng làm việc của
sản phẩm.
1
1.2. Phân loại các phương pháp hàn.
- có nhiều cách phân loại phương pháp hàn. Tuy nhiên, thông dụng nhất là cách
phân loại theo năng lượng sử dụng và theo trạng thái kim loại hàn tại thời điểm
hàn.
a, Theo dạng năng lượng sử dụng : có các nhóm phương pháp hàn như sau:
- Các phương pháp hàn điện: Gồm các phương pháp dùng điện năng biến thành
nhiệt năng để cung cấp cho quá trình hàn, ví dụ:
+Hàn điện hồ quang .
+Hàn điện tiếp xúc.
+Hàn điện xỉ
- Các phương pháp hàn cơ học: Gồm các phương pháp sử dụng cơ năng để biến
dạng kim loại tại khu vực cần hàn và tạo ra liên kết hàn.
Ví dụ: Hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm…
- Các phương pháp hàn hóa học: Gồm các phương pháp sử dụng năng lượng do
các phản ứng hóa học tạo ra để nung nóng chẩy kim loại mối hàn.
Ví dụ: Hàn khí, hàn hóa nhiệt,….
- Các phương pháp kết hợp: Sử dụng kết hợp các dạng năng lượng nêu trên.
b, Theo trạng thái kim loại mối hàn tại thời điểm hàn:
Chia tất cả các phương pháp hàn thành hai nhóm.
1, Hàn nóng chảy (Fusion welding)
+ Hàn khí (Gas Welding)
+ Hàn điện xỉ (Electroslag Welding)

+ Hàn nổ ( Exploxsion Welding)
+ Hàn laze (Laser Welding)
+ Hàn Plasma ( Plasma Welding)
+ Hàn hóa nhiệt
+Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chẩy (Arc welding using a consumable
electrode)
+Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy (Arc welding using a non
consumable electrode)
+ Hàn trong môi trường khí bảo vệ ( Gas shielded arc welding)
- hàn hồ quang bằng điện cực Vonfram trong môi trường khí bảo vệ(Ar, He, Ar
+He) : Hàn TIG (Gas tungsten Arc Welding).GTAW; tungsten Inert Gas (Châu
Âu)
- Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chẩy trong môi trường khí trơ bảo vệ (Ar,
He, Ar+ He) : Hàn MIG (Metal Inert Gas welding )
2
- Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chẩy trong môi trường khí bảo vệ hoạt tính
(thường CO
2
): GMAW (Gas metal Arc Welding); MAG: (Metal Active Gas
welding)
+Hàn bằng dây có lõi thuốc (Self shielded welding)
+ Hàn dưới lớp thuốc (Submerged arc welding)
2, Hàn áp lực (Pressure welding)
+ Hàn siêu âm ( Utrasonic welding)
+Hàn nổ (Explosion welding)
+ Hàn nguội (Cold welding)
+ Hàn ma sát (Priction welding)
+ Hàn khuyếch tán (Diffusion welding)
+ Hàn cao tần (Induction welding)
+ Hàn rèn (forge welding)

+ Hàn điện tiếp xúc bao gồm: (Resistance welding)
- Hàn tiếp xúc giáp mối (đối đầu) Resistance butt welding
- Hàn tiếp xúc điểm (Spot welding)
- Hàn tiếp xúc đường (Resistance seam welding)
+ hàn khí ép (Presswure gas welding)
c, Theo phương pháp hàn:
- Hàn hồ quang tay (Manual arc welding.)
- Hàn hồ quang tự động (Automatic arc welding)
- Hàn hồ quang bán tự động (Semi Automatic arc welding )
- Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (Gas shielded arc welding)
Với hàn nóng chảy: Yêu cầu các nguồn nhiệt phải có công suất đủ lớn
( Hồ quang hàn, ngọn lủa khí cháy, Plasma…) đảm bảo nung nóng cục bộ kim
loại cơ bản và vật liệu hàn tới trạng thái nóng chảy.
Với phương pháp hàn áp lực: Đa số quá trình hàn kim loại được thực hiện
ở trạng thái rắn, một số trường hợp một phần kim loại chỗ cần nối có thể nung tới
trạng thái chảy lỏng và mối hàn được hình thành bằng lực ép ( Khi ép có thể toàn
thể kim loại lỏng được đẩy ra xung quanh tạo thành ba via và mối hàn được tạo
nên trên bề mặt tiếp xúc của chi tiết ở trạng thái rắn hoặc phần kim loại lỏng tự
kết tinh hình thành mối hàn cung với lực ép).
chương II
NGUỒN NHIỆT HÀN
3
2.1 Yêu cầu chung của nguồn nhiệt hàn.
- Hàn là nung nóng cục bộ vùng hàn đến nhiệt độ ở trạng thái hàn, nung nóng
tới nhiệt độ chảy hoặc nhiệt độ biến dạng dẻo. Trừ một số trường hợp không
nung nóng.
- Hàn nóng chảy: (Fusion welding)
T
0
nung chảy > T

0
chảy của kim loại.
Chỉ có ở vùng biên giáp với kim loại rắn, nhiệt độ tối thiểu bằng nhiệt độ nóng
chảy kim loại hàn. Tại tâm nguồn nhiệt tác dụng, nhiệt độ đạt đến trạng thái bốc
hơi.
- Hàn áp lực: (Pressure welding)
Tại bề mặt tiếp xúc hàn: T
m
≤T
nc
.
+ h = h
1
+h
2
+ d: đường kính điện cực.
h = δ
1
+ δ
2

d ≠ D
T
d
<T
m
<T
nc
.
T

d
: Nhiệt độ biến dạng dẻo kim loại.
- Nguồn năng lượng sử dụng trong hàn để nung kim koại vật hàn và điện cực
+ Hóa năng chuyển thành nhiệt năng thường thông qua các phản ứng hóa học
+ Cơ năng chuyển thành nhiệt năng
+ Điện năng chuyển thành nhiệt năng
4
Liên hợp giữa các nguồn năng lượng để tạo ra nhiệt lượng Q nung nóng vùng
hàn, nhiệt lượng hữu ích tạo ra mối hàn thường nhỏ hơn lượng nhiệt nguồn cung
cấp do sự hao tổn ra môi trường, do kim loại hàn có tính dẫn nhiệt, từ đó ta có:
Q
hữu ích
< Q
toàn phần
= Q
n
n
m
tp
hi
Q
Q
Q
Q
==
η
(hệ số hữu ích)
Q
m
= C

m
.m
m
.T
m
C
m
: Nhiệt dung riêng phần kim loại nóng chảy.
*Có ba loại nghiệt dung riêng:
- Nhiệt dung riêng khối lượng ký hiệu C (J/Kg. K
0
)
- Nhiệt dung riêng thể tích ký hiệu C
’
(J/m
3
. K
0
)
- Nhiệt dung riêng Kilomol ký hiệu C
µ
(J/Kmol. K
0
)
- Quan hệ giữa 3 loại nhiệt dung: C = C
’
= C
µ

/

µ
T
m
:Nguồn nhiệt
m
m:
Khối

lượng kim loại được nung
Q
n
= C
n
.m
n
.T
n
nmn
mm
.T.mC
.T.C
m
n
m
m
Q
Q
==
η
.

Q
m
< Q
n
 T
m
< T
n

nn
n
n
m
Q
Q
Q
QQ
Q
Q
00
1
−=
−
==
η
no
QQ
<

1

<
η
;
1
=
η
Khi không mất mát nhiệt
Trong tực tế một số phương pháp hàn nhiệt độ trên bề mặt kim loại nóng chảy
cao hơn nhiệt độ nguồn nhiệt 70
0
C -100
0
C .
T
vh
= T
nc
+ (70
0
C -100
0
C)
Nhiệt độ do nguồn nhiệt cấp mất đi do tiếp xúc với môi trường. Một số trường
hợp nhiệt độ bề mặt nóng chẩy lớn hơn T
nc
từ 300 - 400
0
C
T
m

= T
nc
+{(70
0
C -100
0
C ) ÷ (300 - 400
0
C )}
+Yêu cầu đối với nguồn nhiệt hàn
- Phải giảm mất mát nhiệt
- Công suất nguồn nhiệt phải đủ lớn để giảm mất mát không cần thiết đủ để nung
nóng bề mặt hàn đến trạng thái hàn .
2.2. Nguồn nhiệt của ngọn lửa khí cháy với O
2
.
- Khí H
2
cháy với O
2

H
2
+ O
2

→
H
2
O +Q

H2O

Điện phân H
2
O  H
2
+O
2
(mỏ hàn)
- C cháy với O
2

5
C + O
2

→
CO +2900 cal/mol.
CO +
2
1
O
2

→
CO
2
+2900 cal/mol.
Q
n

= C
n
.m
n
.T
n

∑
∑
=
nm
n
n
mC
Q
T
.
C
MC
Q
T
nm
n
OH
0
2
5300
.
≈=
∑

∑
Nhiệt độ cao xẩy ra phản ứng nghịch
H
2
O
→
H
2
+
2
1
O
2
- Q
H2O

Gọi x: mức độ phân ly của H
2
O
Gọi y: mức độ phân ly của O
2
Gọi z: mức độ phân ly của H
2
Nhiệt độ cháy của O
2
với H
2
là :
TT
O

TTT
O
OO
n
yCCy
x
zzxx
x
T
0HHH
HH
2)
2
(C2C)(C)1(
yQ- Q z-Q)1(
222
222
+−+−−+−
−
=
2
H
Q
Hiệu ứng nhiệt tạo ra phần tử
H
2
≈ 103 800cal
2
Q
O

Hiệu ứng nhiệt tạo ra phần tử
O
2
≈111 700cal = 544,3 KJ
(1-x) khối lượng hơi nước sau khi
được phân ly x phần
(x-z) khối lượng phân tử H
2
không phân ly.
(x/2 –y) khối lượng phân tử O
2
không phân ly.
2y : Khối lượng nguyên tử O
2z : Khối lượng nguyên tử H
T
O
2
H
C
,
T
2
H
C
,
T
O
C
2
,

T
2
H
C
,
T
C
0
là
nhiệt dung của nước, phân tử hidro, phân tử oxy, nguyên tử hidro, nguyên tử oxy
- Kết quả tính toán trên cho
T
n
= 5300
0
C đó là kết quả tính toán lý thuyết.
Thực tế nhiệt độ chỉ đạt: 2300
0
C
- C
2
H
2
phân ly điều kiện không có O
2

C
2
H
2

 CH
4
+3C + Q
1
(Sự phân ly của C
2
H
2
)
6
CH
4
+ 3C  + Q
2

Tổng nhiệt lượng sinh ra:

2
21
QQ
Q
+
=
- C
2
H
2
phân hủy có O
2
:

C
2
H
2
+ O  C
2
H
2
O
C
2
H
2
O + O  C
2
H
2
O
2
+ Q

CO + HCOH 2CO + H
2
+ Q
CO +H
2
- C
2
H
2

cháy đủ O
2
Cháy hoàn toàn, ngọn lửa gồm ba
vùng phân biệt
1: Vùng sáng trắng (nhân)
2: Vùng sáng xanh (Vùng hoàn
nguyên)
3: Vùng vàng rơm (vùng cháy hoàn
toàn)
sự phân bố nhiệt trên các vùng của
ngọn lửa khác nhau.
- Căn cứ vào tỷ số

22
2
HC
O
V
V
=
β
Chia ngọn lửa cháy C
2
H
2
với oxy thành các loại sao:
+ β < 1 thừa C
2
H
2

, dư C gọi là ngọn lửa (các bon hóa) dùng hàn gang, đồng,
ngọn lửa gồm có hai vùng do nhân ngọn lửa kéo dài chiếm hết cả vùng hoàn
nguyên
7
+ Nếu
2,11,1
÷=
β
Gọi là (ngọn lửa trung hòa), gồm có ba vùng phân biệt rõ ràng
(Nhân, vùng hoàn nguyên, vùng cháy hoàn toàn). Ngọn lửa này dùng hàn thép,
nhôm.
+Nếu
2,1
>
β
. Thừa O
2
Gọi là (ngọn lửa oxy hóa) nhân ngọn lửa ngắn lại,vùng
hoàn nguyên và vùng cháy hoàn toàn không phân biệt rõ ràng. ngọn lửa này dùng
hàn đồng thau để tránh kẽm bị bay hơi trong quá trình hàn, không dùng ngọn lửa
này để hàn thép.
- Phương trình cháy trong các ngọn lửa:
+ Dư C
2
H
2

2,8C
2
H

2
+ 0,8O
2
→ 1,6CO + 4C + 2,8H
2
+ Q =101140 cal/mol = 422,3KJ/mol
1,6CO +4C +2,8H
2
+ 6,2O
2
→ 5,6CO
2
+2,8H
2
O + 205960 cal
8
+ Đủ O
2

C
2
H
2
+ O
2
→ CO

+ H
2
+ 112800 cal/mol = ( 471,5 KJ/mol)

Cháy tiếp với O
2
của không khí
CO + H
2
+ 3/2O
2
→ 2CO
2
+ H
2
O

+ 200 000 cal/mol
+ Thừa O
2
.
C
2
H
2
+ 1,5O
2
→ 1,65CO + 0,35CO
2
+ 0,35 H
2
+ 0,65H
2
O

+172240 cal/mol
1,65CO + 0,35H
2
+ 0,35CO
2
+0,65H
2
O

+ O
2
→ 2CO
2
+ H
2
O
+Đồ thị phân bố nhiệt độ của các loại ngọn lửa.
Sự phân bố nhiệt của ngọn lửa hàn khí
- Công suất ngọn lửa.
Được điều chỉnh bằng số lượng thể tích khí cháy trong một đơn vị thời gian
(l/giờ)
Mỗi loại mỏ hàn đều có tiết diện dẫn khí C
2
H
2
, O
2
khác nhau, kích thước vành
dẫn tạo ra công suất ngọn lửa hàn lớn hay nhỏ. Chia mỏ hàn ra thành các số hiệu

từ 1 đến 7, công suất ngọn lửa tăng từ (1 – 7) số 7 có công suất ngọn lửa lớn nhất
- Nhiệt lượng truyền vào lớp nung nóng tính theo công thức

2
.
max
kr
r
eqq
−
=
(cal/cm
2
.s)
k: Hệ số tập trung của nguồn nhiệt lấy theo số hiệu mỏ hàn (bảng dưới)
9
N
0
1 2 3 4 5 6 7
k 0,39 0,35 0,31
0,2
8
0,23
0,2
0
0,17
Nhiệt độ cực đại tại tâm của vũng hàn, giảm dần ra mép vũng hàn (hình vẽ dưới)
10
•
Sơ đồ phân bố nhiệt trong hàn khí

2.3. Nguồn nhiệt của hồ quang hàn.
11
2.3.1.Sự phóng điện của hồ quang.
Hồ quang là nguồn nhiệt cơ bản để làm nóng chảy kim loại, điện cực
trong quá trình hàn. Khi hàn có thể tiến hành hàn hồ quang tay, hàn hồ quang tự
động và bán tự động trong môi trường thuốc bảo vệ, khí bảo vệ, sử dụng nhiều
nhất là khí bảo vệ.
* Nguyên lý đặc điểm chung hàn hồ quang tay
Hàn hồ quang tay là phương pháp hàn nóng chẩy, các thao tác trong quá
trình hàn như (Châm và duy chùy hồ quang cháy ổ định, đảm bảo chiều rộng mối
hàn cũng như dịch chuyển hồ quang để hàn hết chiều dài đường hàn) đều thực
hiện bằng tay người thợ hàn
+ Sơ đồ nguyên lý:
Nguyên lý hàn hồ quang tay
+Đặc điểm:
- Có thể hàn được ở mọi vị trí trong không gian
- Hàn được các chi tiết to, nhỏ hoặc đơn giản, phức tạp khác nhau
- Có thể thực hiện trong các môi trường khác nhau (dưới nước, trong chân
không…)
- Thiết bị hàn và trang bị gá lắp hàn đơn giản, dễ thao tác
- Năng suất thấp do cường dộ dòng hàn bị hạn chế
- Hình dạng kích thước mối hàn không đều do V
h
thay đổi, phụ thuộc vào
tay nghề công nhân.
- Thành phần hóa học mối hàn không đều do thành phần kim loại cơ bản
tham gia vào mối hàn thay đổi
- Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt liên kết hàn tương đối lớn do nguồn
nhiệt có nhiệt độ cao và tóc độ hàn nhỏ
- Điều kiện làm việc của thợ hàn không được tốt vì ảnh hưởng của cường độ

sáng và nhiệt của hồ quang
12
Mặc dù còn nhiều nhược điểm nhưng những chi tiết có chiều dầy nhỏ và
trung bình cho đến nay hàn hồ quang tay vẫn là phương pháp thích hợp nhất.
đồng thời nó cũng là phương pháp chủ yếu nhất trong các phương phán hàn điện
nóng chẩy để thực hiện các mối hàn ở vị trí hàn đứng và đặc biệt ở vị trí hàn trần.
vì vậy mà hầu hết các nước trên thế giới có nền công nghiệp phát triển hiện đại
như Mỹ, Nga, Nhật… tỷ lệ phương pháp hàn hồ quang tay chiếm trên 50% trong
tổng các phương pháp hàn
+ Nguồn hàn hồ quang tay: Có thể dùng dòng xoay chiều, một chiều có đặc tính
dốc, thoải. Hàn bằng dòng một chiều hồ quang ổn định hơn do chiều dòng điện
không thay đổi nên chất lượng mối hàn tốt hơn thường áp dụng hàn các kim loại
có tính hàn khó
+Điện cực hàn hồ quang tay: là que hàn nóng chẩy, có kích thước tiêu chuẩn về
đường kính và chiều dài.Que hàn được sản suất theo các tiêu chuẩn khác nhau
(TCVN, AWS, JIS….)
- Cấu tạo que hàn: Gồm hai phần lõi que và thuốc bọc
Lõi que hàn: Dẫn điện tạo hồ quang, quá trình hàn nóng chẩy bổ
xung kim loại đắp cho mối hàn, trong lõi que hàn còn có một số nguyên tố hợp
kim để khử O
2
, oxy hóa kim loại mối hàn và hợp kim hóa nâng cao độ bền mối
hàn. Đường kính que hàn được gọi theo đường kính lõi que
Thuốc bọc que hàn: Trong quá trình hàn nóng chẩy tạo khí, xỉ bảo vệ
kim loại mối hàn, khử ôxy, hợp kim hóa nâng cao độ bền mối hàn, giúp việc mồi
hồ quang và duy trùy hồ quang cháy ổn định và giúp công việc hàn tiến hành
thuận lợi khi hàn các mối hàn trong không gian. Vì vậy trong thuốc bọc que hàn
phải có đủ các thành phần để đảm bảo các chức năng trên.
Theo tính chất thuốc bọc que hàn chia que hàn thành bốn nhóm: Que hàn
a xít (A), que hàn ba zơ (B), que hàn ru tin (R), que hàn cellulo (C). Mỗi loại que

hàn có tính công nghệ khác nhau và ứng dụng hàn các liên kết vật liệu khác nhau.
Theo chiều dày lớp thuốc bọc chia que hàn thành bốn nhóm, que hàn thuốc bọc
mỏng (d/D) ≤ 1,2, que hàn thuốc bọc trung bình 1,2< (d/D) ≤ 1,45, que hàn
thuốc bọc dày 1,45< (d/D) ≤ 1,8, que hàn thuốc bọc đặc biệt dày 1,8< (d/D)
Theo phạm vi sử dụng chia que hàn ra:
+Loại để hàn thép các bon và thép hợp kim thấp (ký hiệu Y)
+Loại để hàn thép hợp kim trung bình (ký hiệu Λ)
+Que hàn thép hợp kim cao có tính chất đặc biệt (ký hiệu B)
+Que hàn dùng để hàn đắp (ký hiệu H)
- Các thông số công nghệ hàn hồ quang tay: Được xác định bằng thực nghiệm
gồm
+ Đường kính que hàn : d (mm)
13
+Cường độ dòng điện hàn : I
h
(A)
+ Điện áp hàn : U
h
(V)
+ Số lớp hàn : (n) hàn các chi tiết có chiều dày lớn
+ Tốc độ hàn : V
h
(m/h)
+ Năng lượng đường : q
đ
(Cal/cm)
Khi xác định các thông số hàn cần căn cứ vào liên kết hàn đã chọn, vị trí
hàn có thể xác định chế độ hàn một lớp hoặc nhiều lớp để hàn liên kết.
* Nguyên lý đặc điểm hàn hồ quang tự động, bán tự động dưới lớp thuốc (hàn
ngầm)

- Hàn tự động : các chuyển động dịch chuyển điện cực theo chiều trục của nó,
dịch chuyển điện cực dọc trục mối hàn, dao động ngang đảm bảo chiều rộng mối
hàn, các chuển động này được tự động háo hoàn toàn. Nếu nguyên công dịch
chuyển điện cực dọc trục mối hàn, dao động ngang điện cực thực hiện bằng tay
gọi là hàn bán tự động.

Sơ đồ nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc
- So với hàn hồ quang tay:
+ Năng suất hàn tăng 5- 10 lần do hàn với cường độ dòng lớn, tốc độ hàn cao
(V
hqqt
= 6 – 8 m/h; V
htđ
= 18 – 40 m/h )
+ Tiết kiệm kim loại do dây hàn sử dụng triệt để, hàn chi tiết có chiều dày
≤ 20mm không cần vát mép, hàn hồ quang tay chiều dày chi tiết ≥ 6mm phải
vát mép
+ Kim loại bắn té ra xung quanh ít
14
+ Kích thước mối hàn đều, hình dạng mối hàn đẹp
+ Chất lượng mối hàn tốt
+ Chiều rông vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ do V
h
lớn nên biến dạng sau khi hàn
nhỏ
+ Điều kiện lao động tốt vì hồ quang cháy ngầm dưới lớp thuốc
+ Giá thành thiết bị cao nên giá thành mối hàn cao
+ Chỉ cho phép hàn các mối hàn ở vị hàn sấp có độ nghiêng so với mặt phẳng
ngang α ≤ 7
0

.
- Vật liệu dùng trong hàn tự động:
+Dây hàn
Đây hàn có chức năng dẫn điện tạo hồ quang, nóng chẩy bổ xung kim loại
đắp cho mối hàn. Chất lượng liên kết hàn dưới lớp thuốc được xác định bằng
tổng hợp sự cân bằng giữa dây và thuốc, dây và thuốc được chọn trên cơ sở kim
loại cơ bản
Các dây hàn gồm: Dây thép các bon, thép các bon mangan và thép hợp
kim thấp, thành phần các bon trong dây không quqa 0,12%. Hàm lương các bon
cao làm giảm độ dẻo tăng khả năng gây nứt trong mối hàn. đường kính dây tiêu
chuản d = 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0mm; đây được bảo quản chống
rỉ và thường cuốn thành cuộn có khối lượng nhất định
+ Thuốc hàn tự động, bán tự động dùng hàn thép các bon, thép hợp kim thấp
Yêu cầu chung:
 Đảm bảo tính ổn định của hồ quang và quá trình hàn
 Đảm bảo các tính chất và thành phần hóa học của mối hàn
 Tạo dáng mối hàn đẹp
 Mối hàn không nứt chứa ít tạp chất
 Xỉ dễ bong
Các biện pháp giải quyết các yêu cầu đặt ra liên quan với thành phần kim
loại cơ bản và dây điện cực, vì vậy thuốc hàn dùng cho hàn tự động, bán tự động
rất đa dạng và có thành phần tương đối phức tạp. Để có được các mối hàn chất
lượng khi hàn thép các bon và thép hợp kim thấp cần có sự kết hợp sử dụng đồng
bộ dây và thuốc hàn phù hợp với kim loại vật hàn, những vấn đề này sẽ được dề
cập kỹ trong học phần công nghệ hàn.
Các loại thuốc hàn tự động, bán tự động:
 Thuốc mangan silic cao: Khả năng chống nứt kết tinh cao khi hàn dây thép
các bon thấp, mối hàn chứa ít các bon hơn so với hàn dây Mn, các vét nứt
nhỏ hơn khi hàn bằng thuốc Mn tự do silic cao. Mốt số mác thuốc
(AN348A, AN348 – AM, OSX-45, OSX – 45M, AN – 60….)

15
 Thuốc hàn Mn tự do tự do silic cao: Khi hàn xỉ dễ bong, mối hàn chứa ít P
hơn vì khi sản xuất thuốc không chứa quang Mn, thuốc được dùng để hàn
thép các bon và một số thép hợp kim thấp với dây Mn cao. Một số mác
thuốc (AN-5, FX-1, FX-4, FX-5, FX-7. Nga; UM20, UM30 Mỹ )
Thuốc Silic thấp oxy hóa thấp, Silic thấp oxy hóa cao và silic tự do: Dùng
hàn thép hợp kim thấp có độ bền cao. Các mác thuốc AN-22, AN-15, AN- 15M,
AV-5, AN-28… dùng rộng rãi hàn thép Austenit Cr-Ni thuộc loại Si thấp oxy
hóa thấp. Thuốc Si thấp oxy hóa cao AN-17, AN-17M, AN- 43 so với thuốc Si
thấp oxy hóa thấp loại này oxy hóa các nguyên tố hợp kim mạnh hơn tại bể hàn.
Vì vậy khi hàn dây chứa lượng nguyên tố hợp kim cao hơn sẽ được độ bền thích
hợp.Thuốc Si tự do 48- OF-6, FXK, AN-30, AN-70…
- Các thông số công nghệ hàn hồ quang TĐ,BTĐ: Được xác định bằng thực
nghiệm gồm
+ Đường kính dây hàn : d (mm)
+Cường độ dòng điện hàn : I
h
(A)
+ Điện áp hàn : U
h
(V)
+ Số lớp hàn : (n) hàn các chi tiết có chiều dày lớn
+ Tốc độ hàn : V
h
(m/h)
+ Tốc độ dây : V
d
(m/h)
+ Năng lượng đường : q
đ

(Cal/cm)
Do hàn tự đông, bán tự động thường hàn với chế độ hàn cao vì vậy trước
khi tính toán chế độ hàn cần nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn dến hình dạng
kích thước mối hàn (b, h, c) và tính các kích thước của mối hàn. Chế độ hàn được
coi là hợp lý khi các kích thước mối hàn thỏa mãn hai hệ số ψ
n
= b/h = (0,8 - 4) ;
ψ
mh
= (7 - 10).
- Nguồn hàn tự động, bàn tự động dưới lớp thuốc : Dùng nguồn một chiều hoặc
xoay chiêu với đường đặc tuyến cứng hoặc tăng và đầu hàn có tốc độ cấp dây
không đổi, thay đổi để đảm bảo sự ổn định của hồ quang trong quá trình hàn. Về
nguyên lý làm việc của đầu hàn sẽ được giói thiệu trong học phần (thiết bị hàn tự
động, bá tự động).
* Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ : Có thể hàn tự động, bán tự động
bằng điện cực nóng chẩy hoặc không nóng chẩy. Hình vẽ dưới mô tả nguyên lý
hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chẩy
16

Nguyên lý hàn trong môi trường khí bảo vệ
- Khí bảo vệ: Bảo vệ bể kim loại khỏi tác hại của môi trường khí xung quanh. Nó
tác động tới các quá trình xẩy ra trong hồ quang, quá trình tạo giọt và hình dạng
của mối hàn. các loại khí bảo vệ không màu, khong mùi, không vị. chúng không
độc nhưng có thể choán mất chỗ của không khí.
+ Các loại khí bảo vệ trong hàn:
 Khí trơ gồm (Ar, He) dùng để hàn kim loại màu, hợp kim màu. Hàn
bằng điện cực không nóng chẩy (W, WT) trong môi trường khí bảo vệ
(Ar, He) gọi là hàn TIG, khi hàn bằng điện cực nóng chẩy gọi là hàn
MIG

 Khí hoạt tính (100% CO
2
) thường hàn bằng điện cực nóng chảy gọi là
Hàn MAG, sử dụng để hàn thép các bon, thép hợp kim thấp. Ở nhiệt độ
hồ quang CO
2
→ CO + O
2
vì vậy dây hàn cần có hàm lượng Mn, Si cao
để khử oxy trong vũng hàn.
 Khí trộn: bao gồm (50%Ar + 50% He) để hàn kim loại màu, hợp kim
màu;
(Ar + 3% O
2
) dùng hàn thép hợp kim cao, thép không rỉ để tăng tính chảy
loãng của hợp kim;
Ar + 18%CO
2
; Ar + 10% CO
2
+3% O
2
; Ar + 8% O
2
dùng hàn thép các bon,
thép hợp kim thấp bằng điện cực nóng chẩy.
+ Các khí bảo vệ dùng trong hàn được nén vào các chai với áp suất cao và được
phân biệt bởi màu sắc của vỏ chai. Với khí hoạt tính CO
2
nén vào trai ở trạng thái

17
lỏng, áp suất nén 150at và tính theo khối lượng do tỷ trọng của khí thay đổi theo
nhiệt độ. Trai 25 Kg hóa hơi để bảo vệ trong hàn được khoảng 12.000 lít. Do
được nén trong trai ở trạng thái lỏng lên khi lấy khí ra để hàn thường phải sử
dụng bộ nung khí.
Các thông số công nghệ trong hàn khí bảo vệ: Ngoài các thông số như các
công nghệ hàn đã nêu : I
h
(A); U
h
(V); d (mm); V
h
(m/h); q
đ
(cal/cm); cần xác
định thêm lưu lượng khí bảo vệ (l/phút). Lưu lượng khí bảo vệ xác định phụ
thuộc vào tính chất và chiều dày kim loại vật hàn. các thông số công nghệ hàn khí
bảo vệ thường tra bảng trong sổ tay công nghệ hàn, do hàn khí bảo vệ có hiệu quả
cao khi hàn các vật mỏng.
- Nguồn hàn sử dụng trong hàn khí bảo vệ:
+ Hàn MAG, MIG thường hàn bằng nguồn một chiều có đặc tuyến cứng
+Hàn tích sử dụng cả nguồn một chiều, xoay chiêu (khi hàn nhôm, hợp kim
nhôm) có đường đặc tuyến dốc hoặc thoải.
* Hồ quang hàn là sự phóng điện qua không khí giữa hai điện cực trái dấu
+ Đặc trưng của hồ quang :
 Nhiệt độ tập trung, mật độ dòng điện tập trung cao, dòng điện đi qua khoảng
không khí nằm giữa hai điện cực có công suất và điện áp đủ lớn làm kim
loại nóng chảy.
 Dòng xoay chiều, có tần số thay đổi, nên cực tính (anot và catot) thay đổi
theo.

 Dòng điện chạy qua khoảng không khí do điện tử phóng qua khoảng không
khí, iôn hoá chất khí tạo hồ quang → muốn hồ quang cháy được, phải đủ số
điện tử phóng ra từ điện cực để ion hoá không khí.
 Khi xảy ra hồ quang các phần tử tích điện (+) di chuyển về phía catốt , phần
tử điện tích âm di chuyển về anốt. Sự chuyển động của các phần tử và ion ổn
định thì dòng hồ quang cháy ổn định.
+ Các phần tử tích điện trong không gian hồ quang bao gồm điện tử, ion (ion +;
ion -), trong đó điện tử đóng vai trò quan trọng, ta xét một số tính chất của điện tử
Khối lượng điện tử: m
e
= 9,03.10
-27
g
Điện tích điện tử: e =1,59.10
-19

C
Tích: eu =1V.1,59.10
-19

(A.V.S) → Công thoát điện tử
=1,59.10
-19

(W.S) = 1,59.10
-12

(erg) → Công ion hoá.
2.3.2.Sự ion hóa trong ngọn lửa hồ quang.
a, Ion hóa do va chạm

+ Các điện tử khi thoát ra khỏi điện cực do công ion hóa tạo ra chuyển động với
vận tốc rất lớn trong khoảng không nằm giữa hai điện cực tạo năng lượng
18
2
2
1
mvE
đ
=
+ Muốn iôn hóa không khí được các điện tử phải va chạm với phân tử khí thỏa
mãn điều kiện.

eUmvE
đ
≥=
2
2
1
(Sự iôn hóa do va chạm)
tốc độ tối thiểu xảy ra iôn hóa do va chạm :
m
eU
v
2
=
VD : Muốn iôn hóa sắt, tốc độ tối thiểu 1 lần va chạm
)/(5976000)/(10.66,1
10.03,9
7,7.10.59,1.2
8

27
12
hkmscmv
===
−
−
b, Sự ion hóa do phát sáng.
+ Muốn ion hóa không khí cần phải có các sóng ánh sáng tần số cao tạo ra một
năng lượng :

eUh
>
ν
Trong đó :
h : Hằng số Plăng: h=6,625.10
-27
erg/s
ν
: Tần số dao động của ánh sáng (1/s).
+ Điều kiện ion hóa do phát sáng: √ ≥ e.u / h (1/s)
Ví dụ: Ion hóa khí nitơ

15
27
12
10.53,3
10.625,6
14.10.59,1
−
−

−
===
h
eU
ν
+ bước sóng ánh sáng:

v
c
=
λ
c, Ion hóa do nhiệt
+ Để tạo ra sự ion hóa khí do nhiệt thì phải thỏa mãn biểu thức :

euKT ≥
2
3
Trong đó :
k: hằng số bôzơman : k = 1,36.10
-16
erg/độ
T: nhiệt độ
0
K

k
eu
T
3
2

=

19
Nung nóng ion hóa chất khí phải có nhiệt độ cao, ví dụ : Ion hóa 100% khí
N
2
cần nhiệt độ nung nóng khí

)(113000
10.36,1.3
5,14.10.59,1.2
3
2
0
16
12
K
k
eU
T
≈==
−
−
+ Như vậy ở nhiệt độ thấp chỉ xảy ra sự ion hóa cục bộ.
Ví dụ: Ngọn lửa hồ quang hàn
CT
o
70006000
÷=
 không thể ion hóa hoàn

toàn các khí có trong vùng hồ quang. Trong ngọn lửa hồ quang hàn, các electron,
ion( -), ion (+) và các phần tử trung hòa chưa được ion hóa.
d, Mức độ ion hóa các khí:
- Quá trình sinh ra các hạt tich điện và sự mất đi của chúng trong khí nóng được
cân bằng. Vì vậy với mỗi thể tích khí ở nhiệt độ nhất định, mức độ ion hóa sẽ trở
lên ổn định.
- Mức độ ion hóa các khí đặc trưng bởi tỉ số giữa số lượng các hạt tích điện tạo
thành và số lượng các hạt có trong thể tích khí nào đó trước khi bị ion hóa, biểu
diễn bằng phương trình sau.

5,6
5000
lg5,2
1
lg
2
2
−−=
−
T
U
T
x
x
i
x
: Mức độ ion hóa
T: Nhiệt độ khí
0
K.

i
U
: Điện thê ion hóa hiệu dụng (e -V)
- Từ phương trình trên cho ta thấy mức độ ion hóa thể tích khí trong điều kiện
cân bằng khác nhau phụ thuộc vào T
0
và điện thê ion hóa hiệu dụng
- T
0
tăng thì mức độ ion hóa tăng và tiệm cận tới đơn vị, vì trong quá trình ion
hóa có xảy ra sự tạo thành các hạt trung hòa từ các hạt ion trái dấu ion (+) với
điện tử.
e, Điện thế ion hóa hiệu dụng
- Hàn hồ quang sự phóng điện không phải xảy ra trong môi trường khí đồng nhất,
mà là trong môi trường hỗn hợp khí và hơi.Cho nên mức độ ion hóa sẽ phụ thuộc
vào điện thế ion hóa hiệu dụng
+ Điện thế ion hóa hiệu dụng của một hỗn hợp khí là điện thế ion hóa của một
loại khí đồng nhất nào đó trong hỗn hợp khí ấy ở cùng một nhiệt độ, áp suất và
nồng độ cùng sinh ra số lượng hạt tích điện như sau:
Công thức tính:
).ln(.
5800
1
5800
2/1
∑
=
−
=
k

i
i
U
T
ihd
eC
T
U
C
i
: Nồng độ khí thứ i.
U
i
: Điện thế ion hóa của một loại khí thứ i.
20
+ điện thế ion hóa hiệu dụng của hơi kali và sắt trong hỗn hợp khí ở nhiệt độ
5800K:
Khối lượng nguyên tử
K(%), (U
i
=4,32 e-V)
0 1 2 5 10 20 50 100
Khối lượng nguyên tử
Fe (%), (U
i
=7,83 e-V)
100 99 98 95 90 80 50 0
Điện thê ion hóa hiệu
dụng U
hd

: e-V
7,83 6,35 6,08 5,40 5,36 5,05 4,61 4,32

- Kết luận: Nếu đưa vào môi trường hồ quang một lượng không lớn lắm, các chất
có điện thế ion hóa thấp thì điện thế ion hóa hiệu dụng của hỗn hợp khí sẽ giảm
xuống khá mạnh và hồ quang sẽ cháy ổn định hơn. Trong kỹ thuật hàn, thêm vào
thuốc hàn 1 lượng các nguyên tố kiềm, kiềm thổ để giảm U
hd
giúp hồ quang
phóng ổn định, quá trình sinh nhiệt ổn định và lượng kim loại chảy trên A,K ổn
định  sự hình thành mối hàn tốt hơn.
2.3.3. Năng lượng của hồ quang.
- Hồ quang cháy bằng dòng một chiều hay xoay chiều, khoảng cách giữa hai bề
mặt điện cực là cột hồ quang hay ngọn lửa hồ quang có chiều dài xác định L.
- Với dòng điện 1 chiều trong quá trình hồ quang cháy, phân biệt rõ ràng trên bề
mặt hai điện cực vết kim loại bị đốt nóng có thể đạt tới trạng thái chảy trên bề
mặt tạo ra hai vết. Về phía Katot (-), và Anot (+).
- Với ngọn lửa hồ quang xoay chiều, thì K, A thay đổi phù hợp với tần số
dòng điện.
- Vì vậy dòng điện một chiều hồ quang cháy ổn định hơn dòng xoay chiều. Dòng
kim loại nóng chảy do năng lượng hồ quang sẽ đều đặn và ổn định  sự hình
21
thành mối hàn khi hàn hồ quang dòng một chiều, kích thước đều hình dạng mối
hàn sau khi kết tinh đẹp, chất lượng mối hàn tốt.
- Dòng xoay chiều hồ quang cháy không ổn định  Lượng kim loại nóng chảy
không đều.
- Điện áp hàn:
U
h
=U

a
+ U
C
+ U
k
= a + b.l
hq
b : điện áp rơi trên một đơn
vị chiều dài.
a = U
a
+ U
k
(Điện áp rơi trên
anốt và catot)
- để hồ quang cháy ổn định chọn l
hq
thích hợp.
- Công suất điện hồ quang :
P
h
= U
h
.I
- Dòng điện hồ quang
I = I
e
+ I
i

I
i
: dòng điện do ion tạo ra.
I
e
: dòng điện do điện tử tạo ra. Hình vẽ cấu tạo hồ quang hàn
Đặt f phần dòng điện do điện tử sinh ra :
f = I
e
/I → I
e
= f.I; thay vào
f
I
I
IfIIIfI
i
ii
−=→=−→+= 1)1(.
a, Năng lượng trên catốt :
- Năng lượng do các ion (+) bắn phá catốt (A
1
)
A
1
=I
1
.U
c
=I(1 – f).U

c
- Hiệu điện thế giữa các ion và điện thế thoát của điện tử là :
U
i
– ϕ ( với ϕ : công thoát điện tử ) → A
2
=(1 – f ).I.(U
1
– ϕ)
A =A
1
+ A
2
=(1– f )I.U
c
+ (1 – f)I(U
i
– ϕ)
→ A =A
1
+ A
2
=(1– f ).I. (U
c
+ U
i
– ϕ)
- Năng lượng tiêu hao khi phát nhiệt điện tử trên catốt.A
3
A

3
= I
e
. ϕ = I.f. ϕ
- Năng lượng trên catốt để làm nóng chảy hoặc bốc hơi catốt. W
c
- Năng lượng phát xạ trên catốt R
e
.
Năng lượng sinh ra và tiêu hao cân bằng.
A
1
+ A
2
= A
3
+ W
e
+R
e
b, Năng lượng trên cột hồ quang : (U
c
)
- Năng lượng do dòng điện hồ quang tạo ra
22
A
4
= I.U
c
- Điện tử đi ra từ catốt tăng tốc độ phát ra năng lượng A

5
A
5
= I
e
.U
c
= I.f.U
c
Năng lượng tiêu hao.
- Các ion tạo hồ quang tiêu hao một năng lượng A
6
A
6
= I
i
.U
c
=(1- f) I .U
c
- Năng lượng phát xạ hồ quang R
c
Phương trình cân bằng năng lượng: A
4
+ A
5
= A
6
+ R
c

c) Năng lượng trên Anốt.
- Động năng của các e tăng tốc trên anot phát ra năng lượng : I. U
c
- Điện tử vào catôt tiêu hao năng lượng : I.ϕ
- Năng lượng nung nóng và nóng chảy Anốt : W
a
- Năng lượng phát xạ ra : R
a
(bỏ qua).
W
a
= I (U
a
- ϕ).
2.3.4.Đặc tính hồ quang hàn.
Là quan hệ giữa dòng điện chạy qua hồ quang hàn và điện áp hồ quang
hàn. U
h
= f (I
h
)
+ Đặc tính động của máy (đặc tính ngoài)
là mối quan hệ giữa điện áp và dòng tải
- Đặc tính dốc : I tăng thì U giảm
(mức độ giảm nhanh).
- Đặc tính thoải : I tăng thì U
giảm
(mức độ giảm chậm hơn).
- Đặc tính cứng : I tăng thì U =
const.

- Đặc tính tăng: I tăng thì U tăng
+
Đặc tính tĩnh hồ quang
Xây dựng bằng thực nghiệm là đường
cong gồm ba khúc.
- Đoạn I: I
h
< 10
2
.A ⇒ I
h
↑⇒ U
h
↓.
Đoạn này hồ quang cháy với tiết diện nhỏ chưa phải trên toàn tiết diện ngang
điện cực, mật độ dòng điện tăng, cường độ dòng điện tăng song tiết diện cột hồ
quang tăng nhanh hơn sự tăng của dòng điện, mật độ dòng điện giảm. mặt khác
U
a
, U
k
thay đổi ít dẫn đến U
h
giảm.
- Đoạn II: 10
2
< I < 10
3
⇒I
h

↑⇒U
h
= const.
Vì lúc này tiết diện ngang hồ quang tăng gần như ti lệ thuận với I
h
, mật độ dòng
điện trong hồ quang gần như không đổi.
23
U
h
= I
h
.R
h
= I
h
ρ
hq
hq
F
L

F
hq
tăng tỉ lệ thuận với I
h
. Đoạn này gọi là đặc tính cứng dùng để hàn hồ quang
tay
- Đoạn III: I
h

> 10
3
⇒I
h
↑ ⇒U
h
↑ .
Do Lúc này hồ quang cháy trên toạn bộ tiết diện điện cực lên sự tăng tiết
diện hồ quang thì tăng tính dẫn điện → U
h
tăng, dùng hàn hồ quang tự động, bán
tự động.
+ Quan hệ giữa đường đặc tính tĩnh và đặc tính ngoài
- Tại A: Ta có (U
1
, I
1
)

xong do I
h
nhỏ hồ quang cháy không ổn định, A điểm mối
hồ quang.
- B: Điểm hồ quang cháy ổn định (I
2
,U
2
) dùng để hàn
+ Khi thay đổi chiều dài hồ quang ⇒ đường đặc
24

tính thay đổi (nâng cao lên) dẫn đến điện áp hàn thay đổi : d
q
= const ⇒l
1
> l
2
>l
3
.
+Khi thay đổi đường kính que hàn
l
hq
= const ⇒ d
1
<d
2
<d
3
<d
4
. (d
q
↑⇒ đường đặc tính thoải hơn, mức độ tăng
dòng và áp chậm).
* Thực nghiệm đưa ra công thức điện áp hàn :
U
h
= U
a
+ U

k
+ Uc
hq
= a + b. L
hq
+
h
hq
I
dLc +
a: điện áp dơi trên A- K ( 15 : 20 v).
b: điện áp rơi trên một đơn vị chiều dài hồ quang b = 15,7 v/cm
c,d : là các hệ số .Khi I lớn thì số hạng 3 nhỏ có thể bỏ qua
U
h
= a + b.l
hq .
+Dòng xoay chiều: T
h
= 810.U
hd

Để tăng nhiệt độ hồ quang dùng khí nén để nén hồ quang tiết diện hồ
quang giảm, nhiệt độ hồ quang tăng đột ngột. Bình thường T
0
hq
(8000 – 9000
0
K)
hồ quang nén T

hq
°
= 20.000
0
K.
25