lý thuyết chuyên môn Hàn

Lý thuyết chuyên môn hàn 1
Chơng 1
Cơ sở lý thuyết hàn điện nóng chảy
1.1 Khái quát chung về hàn.
1.1.1 Lịch sử phát triển nghề hàn.
1.1.2 Thực chất đặc điểm và công dụng của hàn.
a) Thực chất :
Hàn là quá trình công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận) thành một
khối thống nhất bằng cách dùng nguồn nhiệt nung nóng chỗ cần nối đến trạng thái lỏng (hoặc
dẻo), sau đó kim loại tự kết tinh (hoặc dùng lực ép) tạo thành mối hàn.
b) Đặc điểm và ứng dụng:
+ Liên kết hàn là một liên kết cứng không tháo rời đợc.
+ So với đinh tán tiết kiệm (10 ữ 20)% khối lợng kim loại, so với đúc tiết kiệm khoảng
50%.
+ Hàn chế tạo đợc các chi tiết có hình dáng phức tạp, liên kết các kim loại có cùng tính
chất hoặc khác tính chất với nhau.
+ Mối hàn có độ bền và độ kín cao, đáp ứng yêu cầu làm việc quan trọng của các kết
cấu quan trọng (vỏ tàu, bồn chứa, nồi hơi,..v.v ).
+ Có thể cơ khí hóa và tự động hóa quá trình hàn.
+ Giá thành chế tạo kết cấu rẻ.
Tuy vậy, hàn còn có một số nhợc điểm : sau khi hàn tồn tại ứng suất và biến dạng d,
xuất hiện vùng ảnh hởng nhiệt làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu.
1.1.3 Phân loại các phơng pháp hàn.
a) Căn cứ dạng năng lợng sử dụng, hàn đợc phân ra các phơng pháp hàn sau
* Các phơng pháp hàn điện : dùng điện năng biến thành nhiệt năng (hàn điện hồ
quang, hàn điện tiếp xúc,..v.v ).
* Các phơng pháp hàn cơ học : sử dụng cơ năng làm biến dạng kim loại tại khu vực
hàn (hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm,..v.v ).
* Các phơng pháp hàn hóa học : sử dụng năng lợng do các phản ứng hóa học tạo ra để
nung nóng kim loại mối hàn (hàn khí, hàn hóa nhiệt,..v.v ).
* Các phơng pháp hàn kết hợp : sử dụng kết hợp các dạng năng lợng nêu trên (hàn các

vật liệu có tính hàn khó).
b) Căn cứ vào trạng thái kim loại mối hàn tại thời điểm hàn.
* Hàn nóng chảy : bao gồm các phơng pháp hàn : hàn khí, hàn điện xỉ, hàn hồ
quang,..v.v Kim loại mối hàn ở trạng thái lỏng trong quá trình hàn.
* Hàn áp lực : bao gồm các phơng pháp hàn : hàn siêu âm, hàn nổ, hàn khuếch tán, hàn
điện trở tiếp xúc,..v.v trong quá trình hàn, kim loại mối hàn ở trạng thái chảy dẻo.
1.2 Sự tạo thành mối hàn và tổ chức kim loại mối hàn .
Các yếu tố ảnh hởng tới sự chuyển dịch KL lỏng từ điện cực vào vũng hàn
1 Tác dụng của trọng lực giọt kim loại lỏng.
Kim loại lỏng dới tác dụng của trọng lực luôn có xu hớng đi về vũng hàn (có tác dụng
lớn đối với hàn bằng).
2 Sức căng bề mặt .
Lý thuyết chuyên môn hàn 2
Sức căng bề mặt đợc tạo nên do tác dụng của lực phân tử. Lực phân tử luôn có xu hớng
làm cho bề mặt chất lỏng thu nhỏ lại, tạo cho bề mặt kim loại lỏng có một năng lợng tự do bé
nhất.
Sức căng bề mặt làm cho các giọt kim loại lỏng có dạng hình cầu và giữ ở trạng thái
này trên suốt đoạn đờng chuyển vào vũng hàn, khi vào vũng hàn sẽ bị sức căng bề mặt kéo
vào để tạo thành một khối thống nhất (có tác dụng lớn đối với mối hàn trong không gian).
3 Lực từ trờng.
Lực từ trờng sinh ra xung quanh điện cực khi có dòng điện chạy qua que hàn và vật
hàn. Lực này tác dụng lên kim loại lỏng điện cực làm giảm tiết diện ngang, trong khi đó I
h
=
const, nên tại chỗ thắt mật độ dòng điện J tăng lên nhanh chóng làm kim loại lỏng đạt đến
nhiệt độ sôi, cắt đứt phần kim loại lỏng khỏi điện cực. Mặt khác, vì diện tích vũng hàn lớn
nên cờng độ từ trờng trên bề mặt vũng hàn rất nhỏ và mật độ dòng điện J nhỏ, do đó kim loại
lỏng luôn có xu hớng đi về vũng hàn với mọi vị trí hàn.
4 áp lực khí.
Do nhiệt độ hồ quang cao, các phản ứng hóa học xảy ra rất mạnh, thuốc bọc que hàn

(thuốc hàn) nóng chảy sẽ sinh ra nhiều khí tạo nên áp lực đẩy kim loại lỏng từ điện cực vào
vũng hàn (có tác dụng lớn đối với mối hàn trong không gian).
1.7 Quá trình luyện kim khi hàn điện nóng chảy.
1.7.1 Khái niệm về vũng hàn, mối hàn và liên kết hàn.
a) Khái niệm vũng hàn.
Vũng hàn là phần kim loại lỏng đợc tạo ra trong quá trình hàn dới tác dụng của nguồn
nhiệt hàn.
Vũng hàn gồm hai phần :
+ Phần đầu (A) : xảy ra quá trình nóng chảy kim loại cơ bản và kim loại bổ sung.
+ Phần đuôi (B): xảy ra quá trình kết tinh và hình thành mối hàn (hình vẽ).
Hình dạng và kích thớc vũng hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: công suất của nguồn
nhiệt, phơng pháp và chế độ hàn, tính chất lý nhiệt của kim loại vật hàn,.v.v...
b) Mối hàn :
Là phần kim loại lỏng đợc kết tinh trong quá trình hàn, nó ở trạng thái lỏng.Theo tiết
diện ngang, mối hàn phân thành hai loại : mối hàn giáp mối và mối hàn góc.
Hình dạng mối hàn giáp mối đợc coi là hợp lý khi hệ số ngấu của mối hàn nằm trong
khoảng :
n
=
)48,0( =
h
b
và
n/c
=
)107( =
c
b
.
Lý thuyết chuyên môn hàn 3

c) Liên kết hàn .
Liên kết hàn đợc hiểu bao gồm mối hàn, vùng ảnh hởng nhiệt và kim loại cơ bản. Các
dạng liên kết hàn : liên kết hàn góc, liên kết hàn chồng nối, liên kết hàn giáp mối (hình vẽ).

Các dạng liên kết hàn cơ bản khi hàn hồ quang tay.
1.7.2 Quá trình luyện kim khi hàn nóng chảy.
1 Đặc điểm .
Quá trình luyện kim khi hàn nóng chảy rất phức tạp, nó khác với quá trình luyện kim
thông thờng ở một số yếu tố sau :
+ Nhiệt của hồ quang cao hơn nhiều so với nhiệt độ các lò luyện kim thông thờng và
phân bố ở các vùng của cột hồ quang khác nhau.
+ Sự tơng tác hóa lý xảy ra mạnh giữa kim loại lỏng với xỉ, với khí và với kim loại cơ
bản.
+ Thể tích kim loại lỏng rất nhỏ và thời gian kim loại tồn tại ở trạng thái lỏng ngắn, do
đó các phản ứng hóa học xảy ra trong vũng hàn không đi đến trạng thái cân bằng.
+ Nhiệt độ vũng hàn cao nên tạo điều kiện cho nhiều phản ứng hóa học xảy ra nh : sự
tơng tác giữa kim loại lỏng với xỉ, với khí ; sự ôxy hóa hay hoàn nguyên kim loại, sự phân ly
của các hợp chất khí (H
2
2H ; CO
2
CO + O
2
; ..v..v .).
Để nhận đợc mối hàn có chất lợng theo yêu cầu cần phải tạo ra xung quanh vũng hàn
môi trờng bảo vệ để bảo vệ kim loại lỏng khỏi tác dụng xấu của không khí, bằng cách hàn
bằng que thuốc bọc dầy, hàn trong môi trờng khí bảo vệ, hàn dới lớp thuốc,..v.v .
2 Xỉ hàn.
Xỉ hàn đợc tạo ra từ que hàn, thuốc hàn nóng chảy, nó mang tính phi kim. Trong xỉ
hàn có chứa các ôxit axit : SiO

2
, TiO
2
, P
2
O
5
, (xỉ hàn axit), hoặc ôxit bazơ : CaO, MnO, BaO,
..(xỉ hàn bazơ).
Xỉ tạo nên trong quá trình hàn không chỉ bảo vệ kim loại mối hàn khỏi tác dụng xấu
của không khí mà còn tác dụng với các nguyên tố trong vũng hàn tạo điều kiện điều chỉnh
thành phần hóa học của mối hàn. Do vậy tính chất của xỉ có ảnh hởng lớn đến chất lợng mối
hàn sau khi hàn.
Thực tế cho thấy, chất lợng mối hàn nhận đợc tốt nhất khi xỉ có nhiệt độ nóng chảy
trong khoảng 1100
0
C ữ 1200
0
C. Xỉ càng loãng, độ nhớt càng nhỏ thì hoạt tính của nó càng
mạnh, tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học và các quá trình vật lý xảy ra càng nhanh. Tuy
Lý thuyết chuyên môn hàn 4
nhiên, để đảm bảo phủ kín và đều bề mặt mối hàn thì yêu cầu xỉ không đợc có tính chảy
loãng quá cao, điều này đặc biệt quan trọng khi hàn ở vị trí hàn đứng và hàn trần.
3 Môi tr ờng khí bảo vệ.
Xung quanh hồ quang và vũng hàn có nhiều loại khí gây ảnh hởng xấu đến chất lợng
mối hàn nh : O
2
, N
2
, .. Vì vậy, để nhận đ ợc mối hàn có chất lợng đảm bảo theo yêu cầu cần

phải có các biện pháp bảo vệ kim loại lỏng vũng hàn khỏi tác dụng xấu của môi trờng không
khí bằng cách :
+ Hàn trong môi trờng chân không.
+ Hàn bằng que thuốc bọc dầy, dây hàn có lõi thuốc hoặc hàn dới lớp thuốc. Thuốc
hàn và thuốc bọc que hàn nóng chảy sẽ tạo ra lớp xỉ và khí bảo vệ vũng hàn, đồng thời cũng
là chất trợ dung tốt cho quá trình luyện kim của mối hàn.
+ Hàn trong môi trờng khí bảo vệ : Ar, He, CO
2
, và hỗn hợp của chúng để đẩy không
khí ra khỏi vũng hàn, ngăn chặn tác hại của nó.
4 Ôxy hóa kim loại vũng hàn.
Mặc dù đã có nhiều biện pháp công nghệ nêu trên nhng không thể ngăn ngừa triệt để
tác dụng của O
2
tới kim loại vũng hàn, kết quả là xảy ra sự hòa tan của ôxy vào sắt tạo ra các
ôxit sắt:
2Fe + O
2
= 2FeO + Q
4 Fe + 3O
2
= 2Fe
2
O
3
+ Q
3Fe + 2O
2
= Fe
3

O
4
+ Q
Trong đó, ôxit sắt II (FeO) hòa tan vào kim loại lỏng (còn lại vào xỉ), nồng độ có thể
đạt 0,5%, ôxy hòa tan vào sắt nồng độ có thể đạt tới 0,22%.
Ngoài sắt ra, trong vũng hàn còn xảy ra sự ôxy hóa các nguyên tố khác, chủ yếu là C,
Si, Mn và xảy ra trong các giọt kim loại lỏng trên đờng tới vũng hàn ; phản ứng xảy ra chủ
yếu với ôxy nguyên tử :
C + O {CO}.
Mn + O (MnO).
Si + O (SiO
2
).
Trong vũng hàn, xảy ra phản ứng với FeO.
C + FeO Fe + {CO}
Si + FeO Fe + (SiO
2
)
Mn + FeO Fe + (MnO)
Do có sự ôxy hóa các nguyên tố nên hàm lợng các nguyên tố khác giảm: C giảm (50 ữ
60)%, Mn giảm (40 ữ 50)%.
* Các biện pháp khử ôxy :
Để khử ôxy có thể thực hiện bằng hai cách sau :
- Khử ôxy bằng xỉ hàn : khi xỉ hàn mang tính axit, sự khử ôxy sẽ xảy ra theo các phản
ứng sau :
FeO + SiO
2
= FeO.SiO
2
2FeO + SiO

2
= 2FeO.SiO
2
Các silicat đợc tạo thành sẽ không hòa tan vào kim loại lỏng mà đi vào xỉ, do vậy hàm
lợng FeO trong kim loại mối hàn sẽ giảm đáng kể.
- Dùng nguyên tố có ái lực với ôxy mạnh hơn sắt để hoàn nguyên sắt từ ôxit hòa tan
của nó. Các chất khử ôxy thờng là các nguyên tố : C, Si, Mn, Ti,..v.v
Lý thuyết chuyên môn hàn 5
+ Các bon : các bon đi vào vũng hàn từ kim loại cơ bản, dây hàn, thuốc hàn và thuốc
bọc que hàn. ở nhiệt độ hàn, các bon là chất khử ôxy mạnh hơn silic, mangan.
FeO + C = Fe + {CO}.
Ôxit các bon (CO) không hòa tan vào thép nhng nếu hàm lợng quá lớn thì một phần
CO sẽ nằm lại trong vũng hàn gây rỗ khí.
+ Mangan : là chất khử ôxy mạnh, đợc đa vào vũng hàn qua thuốc bọc, thuốc hàn, kim
loại cơ bản và dây hàn.
Mn + FeO Fe + (MnO).
Mangan ôxit thực tế không hòa tan vào kim loại mà liên kết với các ôxit axit tạo thành
các hợp chất nhẹ nổi lên thành xỉ. Ngoài việc khử ôxy, mangan còn có tác dụng khử lu huỳnh
và làm tăng độ bền mối hàn khi hàm lợng của nó dới 1%.
+ Silic : là chất khử ôxy mạnh, đợc đa vào vũng hàn tơng tự nh mangan:
Si + 2 FeO = 2 Fe + (SiO
2
).
Ôxit silic không hòa tan vào kim loại lỏng mà đi vào xỉ nổi lên bề mặt vũng hàn.
Ngoài tác dụng khử ôxy, silic còn có tác dụng làm tăng cơ tính của mối hàn khi hàm lợng của
nó vào khoảng (0,2 ữ 0,3 )%.
+ Titan : là chất khử ôxy rất mạnh, đợc đa vào vũng hàn từ thuốc bọc, thuốc hàn dới
dạng ferôtitan.
Ti + 2FeO = TiO
2

+ 2Fe.
Thực tế ôxit titan không hàn tan vào sắt, khi kết hợp với nitơ tạo thành nirit titan (cũng
không hòa tan vào sắt), có tác dụng làm nhỏ hạt kim loại, do đó làm tăng cơ tính của kim loại
mối hàn.
Ngoài các nguyên tố trên, nhôm cũng là chất khử ôxy mạnh nhng ít đợc sử dụng vì
ôxit nhôm có nhiệt độ nóng chảy khoảng 2050
0
C không tan vào thép mà chuyển vào xỉ với
tốc độ rất chậm, tạo điều kiện cho sự ôxy hóa các bon, dễ dẫn đến hiện tợng rỗ khí trong mối
hàn.
5 Hợp kim hóa kim loại mối hàn .
Để đạt đợc độ bền mối hàn tơng đơng kim loại cơ bản, trong quá trình hàn phải hợp
kim hóa kim loại mối hàn nhằm bù đắp các nguyên tố hợp kim bị mất do tham gia các phản
ứng hóa học hoặc đa vào kim loại mối hàn các nguyên tố mới không có trong thành phần kim
loại cơ bản để nâng cao độ bền mối hàn.
Ngời ta thờng đa các nguyên tố nh Cr, Mo, W, V, Ti, .v.v vào mối hàn thông qua
dây hàn, thuốc bọc que hàn và thuốc hàn; trong đó việc hợp kim hóa kim loại mối hàn bằng
dây hàn là có hiệu quả nhất.
6 Tạp chất xỉ trong mối hàn.
Thành phần tạp chất xỉ bao gồm các hợp chất hóa học của ôxy và nitơ với các nguyên
tố kim loại khác nhau, các ferô hợp kim, . có ảnh h ởng xấu đến chất lợng mối hàn, làm cho
kim loại mối hàn không đồng nhất. Các ôxit : SiO
2
, Al
2
O
3
có trong thuốc bọc que hàn và
thuốc hàn bị kẹt lại tác dụng với các ôxit sẵn có trong mối hàn (MnO , FeO, .) tạo thành các
tạp chất phức hợp dễ nóng chảy có kích thớc khác nhau. Đặc biệt khi hàn thép, trong kim loại

mối hàn chứa một lợng không nhỏ lu huỳnh từ vật liệu hàn tạo thành FeS làm tăng khả năng
nứt nóng của kim loại mối hàn.
Tạp chất xỉ là các nitrit (đặc biệt là Fe
2
N) làm tăng độ cứng nhng lại làm giảm mạnh
tính dẻo của kim loại mối hàn. Tạp chất xỉ không những làm giảm cơ tính của kim loại mối
hàn mà còn có tác dụng thúc đẩy quá trình ăn mòn. Vì vậy, khi hàn phải ngăn ngừa sự xuất
hiện các tạp chất xỉ bằng cách :
Lý thuyết chuyên môn hàn 6
+ Làm sạch bẩn gỉ, dầu mỡ ở khu vực cần hàn.
+ Hàn nhiều lớp phải vệ sinh sạch xỉ hàn lớp trớc.
+ Giảm tốc độ nguội của kim loại đắp (hàn dới lớp thuốc, chế độ hàn hợp lý,..)
+ Đa vào vỏ bọc que hàn thành phần có khả năng giảm nhiệt độ nóng chảy của các
ôxit và tạo ra các hợp chất dễ bong khỏi mối hàn sau khi nguội.
7 Rỗ khí trong mối hàn
Rỗ khí là sự xuất hiện trong kim loại mối hàn và trên bề mặt mối hàn các lỗ trống và
bọt khí, đó là sự thoát khí không triệt để khỏi kim loại mối hàn. Rỗ khí có thể tồn tại ở dạng
cầu đơn lẻ hoặc dạng chuỗi kéo dài, do một số nguyên nhân sau :
+ Sự thoát khí ồ ạt khi kim loại mối hàn kết tinh.
+ Vật liệu hàn (dây hàn, que hàn, thuốc hàn, .) bị ẩm.
+ Bề mặt chi tiết không đợc làm sạch trớc khi hàn.
+ Mức độ khử ôxy cha triệt để.
+ Hàm lợng FeO trong kim loại mối hàn cao.
Rỗ khí trong mối hàn gây nên hiện tợng tập trung ứng suất và có ảnh hởng lớn đến sự
phá hủy liên kết hàn, làm tăng độ cứng, độ giòn và giảm tính dẻo của kim loại đắp.
8 Sự kết tinh kim loại mối hàn :
Sự kết tinh của kim loại mối hàn rất khác với sự kết tinh của kim loại vật đúc ở các điểm sau:
+ Quá trình kết tinh xảy ra khi có nguồn nhiệt di động. Tốc độ kết tinh trung bình của
mối hàn bằng tốc độ dịch chuyển vũng hàn.
+ Thể tích vũng hàn nhỏ đợc bao bọc bởi đờng đẳng nhiệt và kim loại cơ bản ở trạng

thái rắn xung quanh nên nguội rất nhanh. Với vật đúc, sự kết tinh của kim loại xảy ra một
cách liên tục cùng với sự giảm nhiệt độ, còn với kim loại vũng hàn xảy ra một cách chu kỳ.
+ Tổ chức kim loại mối hàn sau khi kết tinh gần giống tổ chức của kim loại đúc (gồm
có 3 lớp), nhng chất lợng mối hàn cao do đợc thực hiện bằng que hàn thuốc bọc dầy, dới lớp
thuốc hoặc trong môi trờng khí bảo vệ.
+ Khi kết tinh, vùng nằm sát với kim loại cơ bản (lớp ngoài) do nguội nhanh, tổ chức
kim loại nhỏ mịn, lớp tiếp theo vì hớng tỏa nhiệt thẳng góc với bề mặt ngoài và nguội chậm
nên tổ chức kim loại có dạng hình trụ, còn ở lớp trung tâm do hớng tỏa nhiệt không rõ ràng,
lại nguội chậm hơn nên tổ chức hạt thô to, đồng thời lẫn một số tạp chất phi kim (hình vẽ).
1.7.3 Tổ chức kim loại mối hàn vùng ảnh h ởng nhiệt
1 Tổ chức kim loại mối hàn.
Khi hàn điện nóng chảy, mối hàn tạo nên có thể chỉ do kim loại cơ bản nóng chảy nếu
hàn bằng điện cực không nóng chảy và không dùng que hàn phụ hoặc do cả kim loại điện cực
và kim loại vật hàn tạo nên nếu dùng que hàn nóng chảy hay điện cực không nóng chảy có
dùng que hàn phụ. Vì vậy thành phần và tổ chức kim loại mối hàn đều khác với thành phần và
tổ chức của kim loại cơ bản và kim loại điện cực.
Quá trình kết tinh của kim loại lỏng vũng hàn diễn ra qua hai giai đoạn :
+ Kết tinh lần một : kim loại chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái đặc.
+ Kết tinh lần hai : kim loại ở trạng thái đặc nhng vẫn có chuyển biến tổ chức.
Nghiên cứu tổ chức thứ hai là tổ chức thực của mối hàn, nó có ý nghĩa rất lớn trong
việc xác định mối quan hệ phụ thuộc giữa cơ tính với thành phần hóa học của mối hàn và kim
loại cơ bản, sự tác dụng nhiệt trong quá trình hàn.
- Với thép các bon thấp và thép hợp kim thấp là vật liệu có tính hàn tốt, có thể hàn
bằng mọi phơng pháp mà vẫn nhận đợc mối hàn có chất lợng tốt, song chất lợng có khác nhau
tùy thuộc vào điều kiện hàn.
Lý thuyết chuyên môn hàn 7
- Hàn bằng que thuốc bọc mỏng, tổ chức kim loại mối hàn xấu vì cácbon của nó cháy
nhiều và các hạt kim loại có dạng hình trụ, tổ chức của nó là ( +p) phân bố không đều trong
mối hàn.
- Hàn bằng que thuốc bọc dầy, tổ chức trong trờng hợp này tơng đối tốt. Các hạt có

dạng hình trụ, song lại nhỏ và peclit phân bố đều, cơ tính tốt.
- Hàn dới lớp thuốc, tổ chức kim loại trờng hợp này rất tốt, các hạt peclit có dạng hình
trụ nằm sâu trong tiết diện mối hàn, tổ chức tơng đối đồng đều, cơ tính tốt.
2 Tổ chức vùng ảnh h ởng nhiệt.
Vùng ảnh hởng nhiệt là vùng kim loại cơ bản nằm sát kim loại mối hàn, thay đổi tổ
chức và tính chất do tác dụng của nguồn nhiệt hàn.
Có thể chia vùng ảnh hởng nhiệt thành sáu vùng sau :
a) Vùng nóng chảy không hoàn toàn (viền chảy) : có kích thớc rất nhỏ, là vùng chuyển
tiếp giữa kim loại vũng hàn và kim loại cơ bản, đợc giới hạn bởi đờng đẳng nhiệt lỏng và đặc.
Vùng này có tổ chức là ôstenit và pha lỏng, kích thớc hạt kim loại sau khi hàn khá mịn và có
cơ tính rất cao.
b) Vùng quá nhiệt : kim loại cơ bản bị nung nóng từ 1100
0
C đến xấp xỉ nhiệt độ nóng
chảy. Vùng này xảy ra quá trình kết tinh lại (biến đổi thù hình). Tổ chức hạt ôstenit thô to, cơ
tính kém (độ dai va đập và độ dẻo thấp, dễ bị gẫy). Có thể nói đây là vùng yếu nhất của liên
kết hàn.
c) Vùng thờng hóa : Kim loại bị nung nóng từ 900
0
C đến 1100
0
C. Tổ chức gồm những
hạt ferit nhỏ và peclit, vì thế vùng này có cơ tính tổng hợp cao (đôi khi cao hơn kim loại cơ
bản).
d) Vùng kết tinh lại không hoàn toàn : kim loại bị nung nóng từ 720
0
C ữ 900
0
C.
Kim loại có sự kết tinh lại từng phần, tổ chức là ôstenit và ferit. Hai dạng hạt này không đồng

đều, ferit hạt to còn ôstenit hạt nhỏ vì thế cơ tính vùng này kém hơn.
e) Vùng kết tinh lại hoàn toàn (vùng hóa già) : kim loại bị nung nóng từ 500
0
Cữ700
0
C.
Kim loại qua biến dạng dẻo đợc kết tinh lại hoàn toàn, tổ chức kim loại đồng đều, cơ tính tốt.
f) Vùng giòn xanh : kim loại bị nung nóng từ 100
0
C ữ 500
0
C. Tính chất kim loại vùng
này nói chung không có gì thay đổi, nhng ở nhiệt độ 400
0
C ữ 500
0
C ôxy và nitơ có khả năng
khuếch tán vào, do vậy độ dẻo giảm đi một ít.
Kích thớc vùng ảnh hởng nhiệt phụ thuộc vào phơng pháp hàn, chế độ hàn, thành phần
hóa học cũng nh tính chất lý nhiệt của kim loại. Công suất của hồ quang hoặc ngọn lửa hàn
khí càng lớn thì kích thớc vùng ảnh hởng nhiệt càng tăng. Ngợc lại, tăng vận tốc hàn (giữ
nguyên công suất nhiệt) thì kích thớc vùng ảnh hởng nhiệt sẽ giảm. Vật liệu có tính dẫn nhiệt
thấp, nhiệt dung càng cao thì kích thớc vùng ảnh hởng nhiệt càng giảm (nhiệt dung là lợng
nhiệt cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 1
0
C).
1.7.4 Tính hàn của kim loại và hợp kim.
a. Khái niệm :
Tính hàn dùng để chỉ mức độ dễ hàn hay khó hàn đối với một vật liệu cơ bản nào đó,
nó là tổ hợp các tính chất của kim loại hay hợp kim cho phép nhận đợc liên kết hàn có chất l-

ợng thỏa mãn theo yêu cầu.
b. Phân loại tính hàn.
- Vật liệu có tính hàn tốt : bao gồm các loại vật liệu cho phép hàn đợc bằng nhiều ph-
ơng pháp hàn khác nhau, chế độ hàn điều chỉnh đợc trong phạm vi rộng, không cần sử dụng
các biện pháp công nghệ phức tạp (nh nung nóng sơ bộ, nhiệt luyện sau khi hàn, ) mà vẫn
Lý thuyết chuyên môn hàn 8
đảm bảo nhận đợc mối hàn có chất lợng theo yêu cầu. Thép các bon thấp và phần lớn thép
hợp kim thấp đều thuộc nhóm này.
- Vật liệu có tính hàn thỏa mãn : gồm các loại vật liệu chỉ thích hợp với một số phơng
pháp hàn nhất định, các thông số của chế độ hàn chỉ có thể dao động trong phạm vi hẹp, yêu
cầu về vật liệu hàn chặt chẽ hơn. Khi hàn có thể phải sử dụng một số biện pháp công nghệ nh-
: nung nóng sơ bộ, xử lý nhiệt sau khi hàn,.v.v để nâng cao chất l ợng mối hàn. Một số mác
thép hợp kim thấp, thép các bon và hợp kim trung bình thuộc nhóm này.
- Vật liệu có tính hàn hạn chế : Yêu cầu về công nghệ và vật liệu hàn chặt chẽ hơn.
Phải sử dụng các biện pháp xử lý nhiệt, hàn trong môi trờng khí bảo vệ đặc biệt (khí trơ, chân
không, ), chế độ hàn nằm trong phạm vi rất hẹp. Liên kết hàn có khuynh h ớng bị nứt và dễ
xuất hiện các loại khuyết tật làm giảm chất lợng kết cấu hàn. Thép các bon cao và thép hợp
kim cao thuộc nhóm này.
- Vật liệu có tính hàn xấu : phải hàn bằng các công nghệ phức tạp, tốn kém. Tổ chức
kim loại mối hàn xấu, dễ bị nứt nóng và nứt nguội, do đó cơ tính và khả năng làm việc thấp
hơn kim loại cơ bản. Phần lớn các loại gang và hợp kim đặc biệt thuộc nhóm này.
c. Đánh giá tính hàn của kim loại và hợp kim .
Các chỉ tiêu đánh giá :
- Hàm lợng cácbon tơng đơng C
E
: đặc trng cho tính chất của vật liệu, biểu hiện tính
hàn của nó. Đối với thép cácbon thấp và thép hợp kim thấp :
.
213154556
PCuNiMoVCrMn

CC
E
+++++++=
Trong đó C, Mn, Cr,.v..v là hàm l ợng các nguyên tố hợp kim trong thép (%).
Trong công thức trên, Cu và P chỉ tính khi Cu > 0,5% và P > 0,05%.
Nếu C
E
< 0,45% : thép không cần nung nóng sơ bộ trớc khi hàn.
Nếu C
E
0,45% : phải nung nóng sơ bộ trớc khi hàn. Hàm lợng C
E
càng lớn thì nhiệt
độ nung nóng sơ bộ càng cao. Với thép có chiều dầy S = (6-8)mm thì chỉ cần nung nóng sơ
bộ trớc khi C
E
> 0,55%.
- Thông số đánh giá nứt nóng Hcs : với thép cácbon trung bình và hợp kim trung bình
có thể xác định bằng công thức :
VMoCrMn
NiSi
SPC
Hcs
+++

+++
=
3
10
10025
3
Trong đó : C, S, P, ..là thành phần hóa học của các nguyên tố có trong thép. Khi Hcs
4, thép có khuynh hớng tạo nứt nóng.
- Thông số đánh giá nứt nguội P
L
: là thông số biểu thị sự ảnh hởng của các nguyên tố
hợp kim tới sự hình thành nứt nguội, công thức tính :
[ ]
%
10.4060
4
K
S
H
PP
D
CML
++=
P
CM
là thông số biểu thị sự biến dòn của vùng ảnh hởng nhiệt.
Lý thuyết chuyên môn hàn 9
Đối với thép hợp kim thấp :
P
CM

=
.
15
5
10602030
Mo
B
VNiCuCrMnSi
C ++++
++
++
Trong đó K : hệ số.
H
D
: hàm lợng hiđrô có trong kim loại (ml/100g).
Khi P
L
0,286 thì thép có khuynh hớng tạo nứt nguội.
- Xác định nhiệt độ nung nóng sơ bộ T
P
: Khi thép phải nung nóng sơ bộ, có thể tính
nhiệt độ nung nóng sơ bộ theo hàm lợng các bon tơng đơng toàn phần :
P
X
E
CCC +=
X
C
: đơng lợng hóa học cácbon.
P

C
: đơng lợng có thứ nguyên của cácbon.
25,0.350
).005,01(
...005,0
.28204040360360
=
+=
=
++++=
EP
X
E
XP
X
CT
SCC
CSC
MoNiCrMnCC
Lý thuyết chuyên môn hàn 10
Chơng 2
Hàn hồ quang tay
2.1 Thực chất, đặc điểm của hàn hồ quang tay.
a) Thực chất. Hàn hồ quang tay là một trong những phơng pháp hàn nóng chẩy,
dùng năng lợng của hồ quang điện nung nóng lim loại chỗ cần nối đến trạng thái chảy để
sau khi kết tinh sẽ tạo thành mối hàn nối các chi tiết lại thành một khối bền vững.
a) Đặc điểm. Cho đến nay hàn hồ quang tay vẫn đợc sử dụng rất phổ biến ở tất cả các n-
ớc kể cả ở nghững nớc có nền công nghiệp phát triển bởi tính ling động, tiện lợi và đa
năng của nó. Phơng pháp này cho phép thực hiện các mối hàn ở mọi vị trí trong không
gian. Thiết bị hàn hồ quang tay dễ vận hành, sửa chữa, bảo dỡng và mức đầu t thấp nhất.

Vì mọi chuyển động cơ bản đều đợc thực hiện bằng tay, nên chất lợng và năng suất hàn
phụ thuộc hoàn toàn vào trình độ tay nghề và kinh nghiệm của ngời thợ hàn.
2.2 Hồ quang hàn và tính chất của nó.
2.2.1 Khái niệm, đặc điểm, cấu tạo hồ quang hàn.
* Khái niệm :
Hồ quang là hiện tợng phóng điện mạnh và liên tục qua môi trờng khí (đã bị ion hóa)
giữa hai điện cực.
* Đặc điểm :
Nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh, có thể làm nóng chảy tất cả các kim loại (nhiệt độ ở
tâm cột hồ quang khoảng 6000
0
C).
Trong không gian hồ quang gồm các phần tử tích điện e, ion âm và ion dơng, trong đó
electrôn đóng vai trò quan trọng nhất vì nó có điện tích âm nhỏ nhất (e = -1,602.10
-19
C), có
khối lợng rất nhỏ, nhỏ hơn khối lợng nguyên tử hiđrô (là nguyên tử nhẹ nhất m
H
=
1,66.10
-27
kg) 1840 lần.
* Cấu tạo của hồ quang.
U
K
U
C
U
A

- Vùng cột hồ quang có điện áp U
C
. Nhiệt độ ở tâm khoảng 6000
0
C, chiếm 20% tổng
nhiệt lợng hồ quang. Nhiệt lợng của cột hồ quang làm nhiệm vụ nung nóng chảy que hàn và
vật hàn ; cung cấp nhiệt lợng để phát xạ điện tử.
Cấu tạo của hồ quang gồm 3
vùng :
vùng anốt A (cực +), vùng catốt K (cực
-) và vùng cột hồ quang.
U
h
= U
A
+ U
K
+ U
C
- Vùng katốt : là vùng sản sinh
ra các điện tử. Vùng này có điện áp U
K
,
chiều dài khoảng 10
-5
cm. Nhiệt độ
vùng này khoảng 3200
0
C, chiếm 38%
tổng nhiệt lợng hồ quang.

- Vùng anốt : có điện áp U
A
, thể
tích lớn hơn vùng catốt nhng điện áp
rơi nhỏ hơn, bằng (2-4)V (hàn dới lớp
thuốc). Vùng này có nhiệt độ 3400
0
C,
chiếm 42% tổng nhiệt lợng hồ quang.
Hình I-2
Lý thuyết chuyên môn hàn 11
Nhiệt ở A cao hơn ở K, do động năng của các điện tử electron lớn (vận tốc vận tốc
ánh sáng) va đập mạnh vào bề mặt A sinh ra nhiệt lớn. Khi hàn vật mỏng đấu cực âm vào vật
hàn, cực dơng vào que hàn.
Sau khi hồ quang hình thành, muốn duy trì hồ quang cháy ổn định thì phải đảm bảo
chiều dài hồ quang không đổi
2.2.2 Các phơng pháp tạo hồ quang và sự cháy của hồ quang.
a) Các phơng pháp gây hồ quang.
1. Phơng pháp mổ thẳng (mổ cò) - Hình a
Que hàn tiếp xúc trực tiếp với vật hàn theo phơng thẳng đứng (hình vẽ), sau đó nhanh
chóng nhấc lên khỏi vật hàn một khoảng từ 2 - c mm và duy trì ở một khoảng cách cố định để
hồ quang cháy ổn định.



2. Phơng pháp ma sát (quẹt diêm) - Hình b
Nghiêng que hàn một góc và vạch nhẹ lên bề mặt vật hàn, sau đó nhanh chóng nhấc
que hàn lên cách bề mặt vật hàn từ 2 q 4mm, giữ ở khoảng cách cố định để hồ quang cháy ổn
định (hình vẽ).
Trong hai phơng pháp trên, phơng pháp gây hồ quang ma sát dễ thao tác hơn (dễ dàng

cho ngời mới học nghề) nhng hay tạo vết trên bề mặt vật hàn. Phơng pháp gây hồ quang thẳng
đứng đòi hỏi thao tác phải nhanh bởi vì que hàn rất dễ bị dính vào vật hàn, không hình thành
hồ quang đợc
b) Sự cháy của hồ quang hàn.
Nh trên ta đã nói, sau khi cho que hàn chạm rất nhanh vào vật hàn rồi đa lên độ cao
2-4mm thì phát sinh ra hồ quang.
Sự cháy của hồ quang phụ thuộc vào : Điện thế giữa hai điện cực lúc máy cha làm
việc, cờng độ dòng điện và khoảng cách giữa hai điện cực (chiều dài hồ quang). Quan hệ giữa
điện thế và cờng độ dòng điện giọ là đặc tính tĩnh của hồ quang. ỉng với một chiều dài hồ
quang ta có đặc tính nhất định. Điện thế của hồ quang chủ yếu phụ thuộc vào cờng độ và
chiều dài hồ quang, ngoài ra còn phụ thuộc vào nhiều tếu tố khác, ví dụ nh vật liệu điện cực,
các loại khí chứa trong khoảng không gian của hồ quang cháy và loại dòng điện v.v...
Khi hàn hồ quang tay, điện thế chủ yếu phụ thuộc vào chiều dài hồ quang. Qua thực
nghiện đã vẽ đợc đờng đặc tính tĩnh của hồ quang.
Trên giảng đồ Uh = f(I), Uh thay đổi theo ba khoảng dòng điện, tức là hình dáng đờng
cong đặc tính thay đổi cùng với sự thay đổi dòng điện.
(1- 4)mm
(1- 4)mm
a) b)
Phương pháp gây hồ quang và duy trì hồ quang
Lý thuyết chuyên môn hàn 12
U
h
= I.R =
h
I
F
l
Nếu tăng dòng điện lên trên 1000A thì mật độ dòng điện trong que hàn rất cao. Vết
cực và mặt cắt hồ quang không tăng đợc nữa, mặc dầu mật độ dòng điện tỷ lệ với cờng độ

dòng điện, vết cực không tăng mà chỉ mật độ dòng điện tăng. Bởi thế điện thế tăng và đờng
cong đặc tính dốc lên. Loại đờng đặc tính này dùng trong hàn tự động dới lớp thuốc và hàn
khí bảo vệ.
.c) Quá trình hình thành hồ quang:
Quá trình hình thành hồ quang xảy ra rất ngắn (khoảng 1/10giây), nhng nó có thể chia
làm 4 giai đoạn sau :
a) b) c) d)
- Giai đoạn a : Que hàn tiếp xúc với vật hàn, tại các chỗ nhấp nhô mật độ dòng điện
tăng lên rất cao.
- Giai đoạn b : do mật độ dòng điện tại chỗ tiếp xúc tăng cao sẽ sinh ra nhiệt lợng lớn
làm nóng chảy kim loại và điền đầy khoảng không gian giữa hai điện cực.
- Giai đoạn c : khi nhấc que hàn lên khỏi vật hàn, do tác dụng của lực từ trờng, cột hồ
quang bị kéo dài ra, tiết diện ngang giảm xuống.
Hình I-1
II
IIII
10
2
10
3
I
h
Hình I-3
Khoảng dòng điện I < 80A, điện thế hồ
quang giảmkhi dòng điện tăng lên.
Nguyên nhân là lúc này công suất hồ
quang còn bé, tăng dòng điện thì sẽ
tăng mặt cắt hồ quang và đồng thời
tăng tính dẫn điện của nó. Đờng đặc
tính tĩnh trong khoảng dòng điện này là

giảm dần liên tục.
Do điện tăng trong khoảng 80
đến 1000 A thì điện thế hồ quang trở
lên không đổi. Lúc này điện thế hồ
quang chỉ thay đổi phụ thuộc vào chiều
dài hồ quang. Đờng đặc tính tĩnh của
hồ quang hầu nh song song với trục của
dòng điện và đợc gọi là đờng đặc tính
cứng, loại đờng này đợc dùng nhiều
trong hàn hồ quang tay vì hồ quang rất
ổn định.
Lý thuyết chuyên môn hàn 13
- Giai đoạn d : Tại chỗ thắt, mật độ dòng điện tăng cao làm kim loại đạt đến nhiệt độ
sôi và cắt đứt phần kim loại lỏng đi vào vũng hàn, hồ quang đợc hình thành.
Sau khi hồ quang hình thành, do ảnh hởng của nhiệt hồ quang sẽ xảy ra hiện tợng phát
xạ nhiệt điện tử trên bề mặt catốt, kèm theo sự tăng đáng kể của điện áp làm cho hiện tợng tự
phát xạ tăng lên và hồ quang đợc duy trì.

2.2.3 Hiện tợng thổi lệch hồ quang và biệm pháp khắc phục.
Hồ quang hàn đợc hình thành trong môi trờng khí giữa hai điện cực (Một điện cực có
thể là vật hàn), cho nên coi nó nh là một dây dẫn mền và dới tác dụng của một số yếu tố khác
nó có thể bị kéo dài và dịch chuyển khỏi vị trí bình thờng ta gọi là hiện tợng thổi lệch hồ
quang và gây hậu quả xấu cho quá trình hàn.. Hiện tợng này thờng xảy ra với dòng một chiều,
còn với dòng xoay chiều do chiều dòng điện thay đổi liên tục nên hồ quang ít bị thổi lệch.
2.2.3.1 Một số yếu tố ảnh hởng đến hiện tợng thổ lệch hồ quang
a) ảnh hởng của từ trờng riêng.
Khi hàn, xung quanh cột hô quang, điện cực hàn, vật hàn . sẽ sinh ra từ trờng . Nếu từ
trờng xung quanh cột hồ quang phân bố đối xứng, thì nó sẽ không bị thổi lệch (hình b). Nếu
từ trờng phân bố không đối xứng thì nó sẽ bị thổi lệch về phía có từ trờng yếu hơn (hình a,c)
cột hồ quang thổi lệch ngợc với phía nối dây.

b) ảnh hởng củavật liệu sắt từ.
Khi đặt gần hồ quang một
vật sắt từ giữa chúng sẽ sinh ra một
lực điện từ có tác dụng kéo hồ
quang về phía sắt từ đó. Điều này
khó khăn khi hàn góc hay khi hàn
gần cuối đờng hàn.
Lý thuyết chuyên môn hàn 14
c) ảnh hởng của góc nghiêng que hàn.
Góc nghiêng que hàn cũng ảnh hởng đến sự phân bố đờng sức từ xung quanh hồ
quang. Bởi vậy chọn góc nghiêng que hàn thích hợp có thể thay đổi đueoẹc tính chất phân bố
đờng sức từ và có thể tạo ra từ trờng đồng đều, khắc phục hiện tợng thổi lệch hồ quang khi
hàn .
v
h
v
h
2.2.3.2 Các biệm pháp khắc phục.
Để khắc phục và hạn chế ảnh hởnh của hiện tợng thổi lệch hồ quang chúng ta có thể sử
dụng một trong những biệm pháp sau đây:
- Thay đổi cách nối dây với vật hàn để tạo ra từ trờng đối xứng
- Chọn góc nghiêng que hàn nghiêng một cách thích hợp.
- Giảm chiều dài hồ quang đến mức có thể (bằng cách hàn hồ quang gắn).
- Thay dòng điện hàn một chiều bằng dòng xoay chiều.
- Đặt thêm vật sắt từ ở gần cuối đờng hàn.
2.2.4 Phân loại hàn hồ quang hàn
a) Phân loại theo dòng điện.
Phân loại theo dòng điện, hàn hồ quang tay đợc chia ra :
1/ Hàn bằng dòng điện xoay chiều AC (Alternating Current).
+ Ưu điểm : thiết bị đơn giản, dễ chế tạo, dễ bảo quản sửa chữa, giá thành thấp, thuận

tiện ở nơi gần lới điện và hồ quang ít bị thổi lệch.
+ Nhợc điểm : Khó gây hồ quang và hồ quang cháy không ổn định, do đó chất lợng
mối hàn không đạt đợc yêu cầu cao, không dùng đợc với tất cả các loại que hàn.
2/ Hàn bằng dòng điện một chiều DC (Direct Current).
+ Ưu điểm : dễ gây hồ quang và hồ quang cháy ổn định, tiện lợi ở nơi xa lới điện, chất
lợng mối hàn đạt đợc cao.
+ Nhợc điểm : tổn hao nhiều năng lợng (do dùng máy phát, chỉnh lu), hồ quang hay bị
thổi lệch.
Do có những u nhợc điểm trên mà hiện nay cả hai phơng pháp này cùng tồn tại và bổ
trợ cho nhau.
Lý thuyết chuyên môn hàn 15
b) Phân loại theo cách nối dây.
1/ Nối trực tiếp
Nối trực tiếp là nối một cực của nguồn điện hàn với que hàn, còn cực kia nối với vật
hàn. Khi hàn bằng dòng một chiều, nối trực tiếp đợc phân ra : nối thuận và nối nghịch.
+ Nối thuận: là nối cực dơng của nguồn với vật hàn, cực âm với que hàn.
+ Nối nghịch: là nối cực dơng của nguồn với que hàn, cực âm với vật hàn. Khi hàn vật mỏng
dùng phơng pháp nối nghịch và hàn vật dầy nối thuận.
a) Nối trực tiếp b) Nối gián tiếp c) Nối hỗn hợp
2/ Nối gián tiếp : là nối hai cực của nguồn điện với que hàn còn vật hàn không nối cực. Hồ
quang cháy giữa hai que hàn, do vậy có thể điều chỉnh đợc lợng nhiệt của vũng hàn khi hàn
bằng cách thay đổi chiều dài cột hồ quang (hình vẽ). Cách nối dây này dùng khi hàn các vật
mỏng, hàn thép có nhiệt độ nóng chảy thấp bằng điện cực không nóng chảy.
3/ Nối hỗn hợp
Dùng khi hàn hồ quang tay bằng dòng ba pha. Hai cực của nguồn điện nối với que hàn
còn cực kia nối với vật hàn. Ưu điểm là nhiệt tập trung cao, năng suất hàn cao. Thờng áp
dụng khi hàn vật dầy, các kim loại và hợp kim nóng chảy cao.
c) Phân loại theo điện cực
1/ Hàn bằng điện cực nóng chảy (que hàn, dây hàn ) : mối hàn do kim loại điện cực và
kim loại vật hàn tạo nên.

2/ Hàn bằng điện cực không nóng chảy (Vonfram, điện cực than).
Mối hàn tạo nên có thể chỉ do kim loại vật hàn nóng chảy (nếu không dùng que hàn
phụ), hoặc do cả kim loại que hàn và vật hàn tạo nên khi hàn bằng điện cực nóng chảy hoặc
không nóng chảy có dùng que hàn phụ. Hồ quang có thể cháy trực tiếp giữa que hàn và vật
hàn hoặc cháy gián tiếp giữa que hàn và que hàn bằmg nguồn điện hai pha hoặc ba pha.
2.3 Chuẩn bị phôi và khĩ thuật khai triển một số mặt hình học cơ bản.
Công việc chuẩn bị phôi trớc khi hàn bao ngồm:
- Khai triển phôi.
- Cắt và tạo hình.
- Chuẩn bị mép hàn
- Hàn đính và gá lắp.
- Làm sạch.
2.3.1 Kỹ thuật khai triển một số hình học cơ bảN
Khai triển phôi là"trải" chi tiết từ dạng hình không gian ra hình phẳng, sau đó tính
toán, xác địng các yếu tố công nghệ nh: lợng d gia công, dung sai rồi cắt ra phôi có kích th -
ớc cần thiết là các phôi hàn .