Phân tích truyền nhiệt hàn và ứng dụng nguyễn thế ninh

TS. NGUYEN THE NÍNH

PHÂN TÍCH TRUYÈN NHIỆT HÀN
VÀ ỨNG DỤNG
ĨKUƠNDŨẠI HỌCNHA7RAN6

THU* VIEN
FW1T, MlEAust, MAWS
Senior Structural Integrity Engineer,
HRL Technology,
677 Springvale Road,
Mulgrave, VIC 3170, Australia.
Email:

NHA XU AT BAN BACH KHOA - HA NOI


i

». »J*. ' *> ' '

•

1

1

I «

í»

V >4
V

f

i

ií

A/Ờ so. 45-2008/CXB/209-01/BKHN


MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................... .........................................

I

GIỚI THIỆU VŨ CUỐN SÁCH VÀ TÁC GIÁ.................................
LỜI NÓI DẦU.................................. ... ........

..3

CHƯƠNG 1. CÁC QUÁ TRÌNH HÀN VÀ NGUỒN NHIỆT HÀN

..5

I. I G iói t h i ệ u ......................................................................................
1.2 Tom lát .mọt sỏ guÁ TRÌNH HÂN co BAN....................................
1.3 N hạp mòn hò quang h à n ............................................................
1.4 G iới thiệu các nguòn nhiệt hàn ...............................................

1.5 Ki t l u ạ n .........................................................................................
TẢI LIỆU THAM KHAO............................................................................

..5
..6
26
30
41
42

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP PHẢN TÍCH

43

2.1 G iới THIỆU..........................................................................................................................................................43
2.2 Co sở GIAI CÁC PHƯƠNG TRÌNH IRl 'VI N NHIỆT............................................................................................ 43
2.3 Phương pháp xẻp chỏng nghiệm của các nguòn nhiệt đié m .............................................................54
2.4 KT:t luận ............................................................................................................................................................ 56
TẢI LIỆU THAM KHAO...............................................................................................................................................56
CHƯƠNG 3. NGHIỆM GIẢI TÍCH CHO CÁC BÀI TOÁN NGƯÒN NHIỆT c o B Ả N .................... 57
3.1 G iới THIỆU.......................................................................................
57
3.2 Nai Ôn NHIỆT ĐIẺM TRONG vạt lớn vò h ạ n ...............................................................................................57
3.3 Nguồn nhiệt đường trong vạt THẺ LỚN VỎ HẠN........................................
61
3.4NGUỎN nhiệt MẠT PHẢNG TRONG VẠT Tin VÒ HẠN................................................................................... 63
3.5 Nguồn NHIỆT MẬT PHẢNG............... '............................................................................................................. 64
3 .6 Nguồn nhiệt dạng DĨA TRÒN TRẼN VẠT BẢN vò IIẠN...............................................................................67
3.7 NGL ơn nhiệt dạng mạ r TRỤ TRONG VẠT THÚ vò HẠN.............................................................................. 68
3.8 Nguồn nhiệt dạng MẶT CẢU TRONG VẠT Vỏ IIẠN..................................................................................... 68

3.9NGUỎN nhiệt dạng KHỎI TRỰTRONG VẠT TI II VÓ HẠN.............................................................................69
3 1 ) Két I CẠN...............................
70
TẢ L.lị:u THAM KIIAO...............................................................................................................................................70
CHƯƠNG 4. NGHIỆM GIẢI TÍCH ĐÓI VỚI CÁC TRƯỜNG HỌP NGƯỎN NHIỆT HAI CHIỀU
PHÂN BỎ GAƯXO...........................................................
72
4.1 G iói thiệu .......................................................................................................................................................... 72
4 .2 N gi ỏn nhiệt phảng trong vật thú bán vó h ạn ...................................................................................72
4.3NGUÓN NHIỆT phang phản BỚGa UXƠ trong IẢM DÀY.......................................................................... 79
4.4 k ít luận .......................................................................................................................................................... 83
TÀ 1.11.1 THAM kháo ............................................................................................................................................... 83

CHƯƠNG 5. NGHIỆM GIẢI TÍCH CHO CÁC NGU ÔN NHIỆT DẠNG KHÓI CẦU...................... 84
5.1 Giói THILI .......................................................................................................................................................... 84
5.2NGUÓN NHIỆT KHỎI CÀU TRONG VẬT THI BAN vỏ HẠN...............................................................................84
5.3 Noi ơn NHIỆT KHỎI CẢU TRONG TÁM DAY.................................................................................................87
5.4NGUỔN NHIỆT KHỎI CÀU TRONG VẠT HÌNH TRỤ........................................................................................... 89
5 .5 Kít LCẠN ..................................................... .z . z z . . . . z z . z z z z . .............................................95
TẢ I.IỤt THAM KHAO.....................................................................................................
96

CHƯƠNG 6. NGHIỆM GIẢI TÍCH CHO NGƯÒN NHIỆT CÓ MẠT Đ ộ NHIỆT NĂNG PHÂN BÓ
DẠNG ELIPSOID Đ ƠN............................... ............. .1
.....97
6). 1CÌIƠI ITIIU

97

1

6.2 Nut ON NHILT 1.1 1IPSOID DON IRƠNl, \ \l nil BNWOll.W .................................................................. 98
6.3 Noi on Mill I H.IPSOIt) IXi \ IKONG IAM DAY t, () MU I l l l m c Ilf lMAX..........................
105
6.4 N guồn nhiệt EI.IPSOID LAI TRONG 1.1ŨX Kl I ( \( I UUTIÚA MÓI IIÁNG(M...................... .................. 1 12
6.5 N ghiệm GIAI TÍCH CHO TRƯỞNG HỢP NGl ON Mill I I I IPSDII) DON IRONG VẠI TIIT DẠNG KHÓI I RỤ 121
6.6 N guồn NHIẸT EUPSOID ĐON TRONG VẠT DẠNG KHI II CAI DẠC..............................................................129
6.7 N guón nhiẹt LI IPS0U)I>ƠN trong vại dạng khói ( ON DẠC...........................
136
6.8 két LUẠN.................................................
144
TÀI LIỆU THAM KHAO........................................................................................................................................... 145
CHƯƠNG 7. NGHIỆM GIẢI TÍCH CHO NGl ÒN NHIỆT CÓ MẬT Đ ộ NHIỆT NĂNG DẠNG
ELIPSÒlD KÉP............................................. ................................ ..................... ............ !........ 146
7.1 G iói THIỆU...................................................................................................................................................... 146
7.2 NGUÔN NHIỆT ELLIPSOID KÉP TRONG VẠT BÁN vô HẠN........................................................................... 146
7.3 N guồn NHIỆT ELIPSOID KÉP TRONG TÁM DÀY CÓ KÍCH THƯỚC HỮU HẠN..............................................149
7.4 N guồn NHIỆT EL1PSOIDKÉP LAI TRONG LIÊN KFT CẢCTẢM CHỨA MỒI HÁN GÓC..................................153
7.5 N ghiệm GIAI TÍCH NGUỒN NHIẸT ELLIPSOID KI p TRONG VẠT THÊ KHÓI TRỤ......................................... 158
7.6 N ghiệm GIAI TÍCH NGUÒN NHIỆT ELIPSOID KÉP TRONG VẬT THÊ KHÓI CÀU.......................................... 161
7.7 N guồn NHIỆT ELIPSOID KÉP TRONG VẠT DẠNG KHỎI CỎN........................................................................166
7.8 NGUỎN nhiệt ELIPSOID kép LAI TRONG VẠT THE BẢN VỎ HẠN............................................................... 170
7.8 KÉT LUẬN......................................................
174
TÀI LIỆU THAM KHAO........................................................................................................................................... 175
CHƯƠNG 8. ủ n g d ụ n g m ô h ì n h n g u ồ n n h i ệ t k h ó i TRONG MÔ PHỎNG HÌNH
DẠNG VŨNG HÀN..................................

176

8.1 G iới THIỆU.......................................................................................................................................................176
8.2 MÀU VÀ VẠT LIỆU THÍ NGHIỆM .................................................................................................................... 177
8.3 Phân bó trường nhiệt độ chuyên tiếp ................................................................................................. 179
8.4 Mô PHONG HÌNH DẠNG VŨNG HÀN...............................................................................................................181
8.5 MÔ HỈNH ĐƠN GIÁN CHO TÍNH TOÁN HÌNH DẠNG VÙNG HÀN....................................................................194
8.6 KÉT LUẬN.........................................................................................................................................................199
TẢI LIỆU THAM KHAO............................................................................................................................................199
CHƯƠNG 9. ƯNG SUÁT VÀ BIỂN DẠNG NHIỆT................................................................................... 201
9.1 GIỎI thiệu .............................................................................................................................................
201
9.2 Phương TRÌNH TỒNG ỢIIÁT MÒ TA ỦNG SUÀT NHU T....................................................... ..... . ... . . 202
9.3 ỬNG SUÁT NHIỆT TRONG VẬT LỚN VỎ HẠN................................................................................................205
9.4 ỬNG SUẢTNHIẸT TRONG TÁM MONG.... .'.....................................................................................................206
9.5 ỬNG SUẢT NHIỆT TRONG TẤM DÀY.............................................................................................................. 210
9.6 ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG DÁM HÀN............................................................................................................. 212
9.7 ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG VẬT CÓ DẠNG KHỎI CẢU DẶC..................................................................
214
9.8 B ién dạng h à n ........... .......................................................
...217
9.9 KÉT LUẬN........................................................................................................................................................ 226
TÀI LIỆU THAM KHAO........................................................................................................................................... 226
CHƯƠNG 10. MỔ HÌNH HÓA ỨNG SUÁT DƯ TRONG LIÊN KÉT HÀN........................... ........... 228
10.1 Giói thiệu .................................................................................................................................................... 228
10.2 ỨNG SUÁT dư CHO TRƯỜNG hợp HÀN ĐÁP LẼN BÉ MẶT TÁM ...............................................................23 1
10.3 ỨNG SUẤT Dư TRONG LIÊN KÉT GÂN HÀN NHIÊU LỚP............................................................................ 235
10.4 KÉT LUẬN...................................................................................................................................................... 239
TÀI LIỆU THAM KHAO........................................................................................................................................... 239
CHƯƠNG 11. MÔ HÌNH HÓA TÓ CHỨC TẾ VI MỐI HÀN NÓNG CHẢY..................................... 242
11.1 G iới thiệu ....................................................................................................................................................242

11.2 N hiệt Độ TỎI ĐA..........................................................................................................................................248
11.3 TÓC’ Độ NGUỘI.............................................................................................................................................. 249
11.4 T hời gian nguọi Ats 5....................................................................................................................................................249

ii


II 5 C'HII l KỌNCi VI NGANH HUONG Mill;. I .................................................................................................... 250
I 1.6 T hỏi GIAN I ưu KIM I.Oạl I ẠI Mill. I IX.) MSI (Sil IIDA A l \ ...................................................................251
I 1.7 Mô hìsh hóa sụ LÃNG KÍCH IHUỎCIIẠT................................................................................................ 252
11.8 G ian 1)0 IY ự! THI l ie n PHA...................................................................................................................256
I 1.9 Đọ CỨNG va im.) bén CHA VẠI 1.11,1 PRONG VÒNG ANH HƯƠNG NHU T.................................................257
I I 10 Ki t 11 AN.....................................................................................................................................................260
T ai LU, U THAM KHAO............................................................................................................................................260
PHỤ LỤC A - CÁC TÍNH CHÁT LÝ NHIỆT CỦA MỘT SÓ KIM LOẠI - HỌP KIM................... 262
TÁI LIỆU THAM KHAO............................................................................................................................................ 262
PHỤ LỤC B - HÀM SAI S Ố ............................................................................................................................... 263
TÀI L1ẸU THAM KHAO.........................................................................................................
PHỤ LỤC

263

c - MỘT VÀI CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN FORTRAN................................................264

1. G iới THIỆU.......................................................................................................................................................... 264
2. THUẬT TOÁN CHO HAI CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN TRÊN MÁY VI TÍNH..................................................... 265
TÀI LIỆU THAM KHÁO............................................................................................................................................ 271
PHỤ LỤC D - WHEATSIM - PHÀN MÈM MÔ PHỎNG NHIỆT HÀN............................................... 272
1. CÁC’ danii mục án SAU File: ......................................................................................................................... 272
2. CÁC DANH MỤC án sau Input :.......................................................................................................................273

3. CÁC danh mục án sau Heat S ource:.........................................................................................................273
4. CÁC danh mục án sau Run O ption: ...........................................................................................................274
5. CÁC danh mục án sau Plot O ption:..........................................................................................................279
6 Các danh mục án sau A nimation: ............................................................................................................279
7 CÁC danh mục án sau Help: ........................................................................................................................ 280
TÀI LIỆU THAM kháo ............................................................................................................................................ 281

111


Trân trọng kính tặng bồ mẹ
Nguyền Thế Dộng và An Thị Thủy
đã không quán nhũng năm thảng muôn vàn gian nan cùa
chiến tranh và thời bao câp đề nuôi dạy chúng con ăn học nên người.


GIỞ! T H I Ệ U VÈ c L O N SÁCH VÀ T Á C GI \

Hâu lèt các quá trình hàn đều hèn quan đến nhiệt và biển thiên nhiệt độ trong vật han.
Việc Ighièn cứu trường nhiệt độ hàn và đưa ra các ntĩhiộm kha thi cho những bài toán
hàn khác nhau luôn là vân dề mà giới nghiên cứu quan tâm trong hơn 60 năm qua.
Trườrg nhiệt độ hàn cỏ anh hưởng quyết định đen một loạt dặc tính kỳ thuật khác cua
liên kèt hàn (mòi hàn) như: kha năng xuất hiện ứng suất dư và biến dạng dư hàn, hình
dạng và kích thước mỏi hàn. càu trúc kim loại cua mòi hàn vù vùng anh hưởng nhiệt, v.v.
Những yếu tỏ đó dều anh hưởng tói chát lượng san phàm hàn cũng như kha năng vận
hành :úa chúng trong điêu kiện thực té. Do tinh Chat cua vặt liệu được hàn thay đòi theo
sự bún thiên nhiệt độ và do dặc diêm phức tạp cua các nguòn nhiệt hàn, các quá trình
trao đổi nhiệt và vật chát khi hàn, các mô hình tinh toán trường nhiệt hàn thường tìm cách
đơn giản hóa một sô tính chát hoặc điều kiện biên, điêu kiện ban đàu cua bài toán.
Cho (ên nay, dà có rất nhiều nghiệm cho bài toán phàn tích nhiệt hàn được công bô trên

các ụp chi chuyên ngành. Nhưng phần lớn những nghiệm này chu yêu giói hạn ở dạng
hai diều (2D). Thèm vào đó, chúng thường dược còng bô tan mạn trên các nguồn tạp
chí, tíi liệu khoa học khác nhau và vần chưa dược tông hợp lại một cách ngăn gọn và dê
hiếu rong bất cử một quyển sách chuyên kháo nào để độc gia từ nhiều thành phần khác
nhau thư sinh viên, kỳ sư. các nhà nghiên cứu hoặc nghiên cứu sinh có thê dùng đè tham
khao và sứ dụng một cách thuận lọi cho công việc cua mình.
Đê gop phần khắc phục sự thiếu hụt nói trên, cuốn sách này giỏi thiệu các nghiệm giai
tích cua nhiêu nguồn nhiệt tình cũng như dộng trong các vật thè bán vô hạn. tàm dày,
mỏng trong liên kết hàn. trong vật thể hình trụ, hình cầu và hình nón, cho mô phong
vùnghàn trong vật thê hình trụ, hình cầu và hình nón cùng với ứng dụng các nghiệm này
cho nô phỏng vùng hàn. ứng suât biên dạng hàn. mò phong câu trúc tẽ vi kim loại các
vùngảnh hướng nhiệt, đặc biệt dôi với các nguồn nhiệt 3 chiều (3D) ớ trạng thái tĩnh và
chuycn dộng đều.
Cuốnsách này bao gôm 1 1 chương và 4 phụ lục. Chương dầu giới thiệu lông quan vè quá
trình làn. các nguòn nhiệt hàn và những nghiệm cua chúng dà dược công bò trước đây.
Clurơig 2 giới thiệu một sô phương pháp tính toán có thê dùng dè giai các bài toán nguỏn
nhi ệthàn mà sẽ được giới thiệu ử các chương tiếp theo. Chương 3 và 4 dành tập trung dê
giới niệu nghiệm giải tích các nguồn nhiệt một chiêu, hai chiêu và nguòn nhiệt phàn bò
dạrngGauxơ hai chiều (2D). Chương 5 giói thiệu quá trinh giai các nguồn nhiệt hình câu
trong vật thè bán vô hạn, tâm dày, tấm hàn góc, hình trụ. hình cầu và hình nón. Các
phương trình nguồn nhiệt và biến thiên trường nhiệt dộ theo thời gian dược biêu thị trong
hệ tot độ cực đối vói trường hợp nguồn nhiệt hình cầu trong các vật hàn hình trụ, hình
cầu vì hình nón. Nghiệm giai tích cho nguồn nhiệt khối elipsoid đơn và kép trong các vật
the bm vô hạn, hữu hạn. tấm dày. tâm hàn góc, hình trụ, hình cầu và hình nón cùng được
gió"i hiệu trong các chương 6 và chương 7. Từ chương 8 den 11 giới thiệu ứng dụng
nguôi nhiệt hàn khôi elipsoid kép trong việc mò hình hoa các vùng hàn, ứng suàt biên
dạmghàn và mò hình hóa câu trúc tè vi kim loại vùng anh hương nhiệt hàn. Các bài toán
tínỊh t)án ứng dụng cụ thê minh họa cho sự tiện lợi cua việc dùng các nghiệm giải tích cua

tích của nation nhiệt trona phàn tích nhiệt cho các kèt càu hàn cũna được ạiứi thiệu trong
chương này.
Cuốn sách được viết chu yếu dành cho độc aia là sinh viên cơ khí, sinh viên chuyên
ngành hàn tại các trường đại học, cao đăng kỳ thuật, các sinh viên cao học, các kỳ sư cơ
khí, xây dựng đang công tác làm việc trong các lĩnh vực có lien quan đến hàn các kểt cấu
kim loại trong các nạành năng lượng, hoá chất, dầu khí. đóng tàu và lắp dặt máy móc
thiết bị nói chung. Đặc biệt đổi với các nhà nahièn cứu giái quyết các vấn dề có liên quan
đến ứng suất biển dạng kết cấu hàn, thiết kế các kết cấu hàn hoặc mô hình hoá cấu trúc tê
vi kim loại vùng anh hướng nhiệt hàn, nghiên cứu lập trình tự động hoá và tỏi ưu hoá các
chu trình hàn hoặc các vân đè khác liên quan thì cuốn sách này có thể chính là một trong
nhũng cuốn cấm nang không thể bỏ qua. Ngoài ra, sách này sẽ có thế là một cuốn sách
tham khảo rất hữu ích cho các kỹ sư phần mềm ứng dụna trong công nghệ hàn dùng đê
mô phỏng các quá trình hàn, ứng suất biến dạng hàn, cấu trúc tế vi kim loại hàn củng như
các hệ thông điêu khiên robot hàn trong công nghiệp sản xuất tự động hoá.
Đĩa CD kèm theo sách gồm một phàn mềm mang tên w HEATSỈM (Weld HEAT
SỈMưlcition) do tác giả viết bang Visual Basics nhằm giới thiệu tới độc giá qua mô phỏng
hình họa các nghiệm cua nhiều nguồn nhiệt khác nhau và ứng dụng của chủng đè tính
toán trường nhiệt độ trong các tấm hàn kích thước hữu hạn với thông sô hàn tùy chọn
khác nhau. Một sô chương trình Fortran do tác giả viết đê phục vụ cho tính toán sẽ được
nhà xuất bản cung cấp cho của độc giả.
Đây cùng là lần đầu tiên, một cuốn sách chuyên kháo có giá trị về hàn do một chuyên gia
Việt Nam viết được dịch ra tiếng Việt và xuất bản ở trong nước. Tác giả, tiến sĩ Nguyễn
Thế Ninh tốt nghiệp kỹ sư chuyên ngành công nghệ hàn năm 1985 tại Đại học Kỷ thuật
Slovakia (Tiệp Khắc cũ), tham gia giảng dạy tại Bộ môn Hàn và công nghệ kim loại, Đại
học Bách khoa Hà Nội từ 1985 đến 1990. tốt nghiệp Thạc sì năm 1993 tại Viện công
nghệ châu A (A1T), tốt nghiệp Tiến sĩ tại Đại học Adelaide, Australia năm 1996. Tác giả
đã làm nghiên cứu sau bậc tiến sĩ tại Viện Khoa học Vật Liệu Quốc Gia Nhật Bán, và Đại
học Sydney, Australia.
Hiện nay tác giả là chuyên gia chính của công ty HRL Technology, Australia trong lĩnh
vực đánh giá tuổi thọ và khả năng làm việc của các kết cấu vận hành trong điều kiện chịu

tài phức tạp ở nhiệt độ cao, đặc biệt là các kết cấu nhà máy nhiệt điện. Tác giả đã có hon 50
công trình công bố tại các hội nghị quốc tế và trên các tạp chí chuyên ngành có uy tín như
Welding Journal cúa Hội hàn Hoa Kỳ (AWS), Journal o f Society o f Materials Science o f
Japan (Nhật Ban), Welding in the World của Viện Hàn Quốc tế (IIW), Journal o f Materials
Processing Technology! (Elsevier Science). Năm 1999, tác gia đã được trao tặng giai
thưởng cho bài báo nghiên cứu khoa học hay nhất năm 1999 về mặt công trình nghiên cứu
khoa học có nhiều sáng tạo và ứng dụng cho lĩnh vực hàng hái mang tên "Arsharn
Amerikian Memorial Maritime Welding" tại hội nghị và triền làm các sán phẩm hàn toàn
quốc hàng năm của hiệp hội hàn Hoa Kỳ tổ chức tại Chicago, Hoa Kỳ năm 2000.
PGS.TS.Nguyền Thúc Hà
Trưởng Bộ môn Hàn và Công nghệ Kim loại
Đại học Bách khoa Hà Nội

2


LỜI NÓI DẦU

Phàn tích trường nhiệt hùn dóng vai trò rất quan trọng trong việc đánh giá ứng suất biến
dạng dư hàn và mô phong càu trúc te vi kim loại trong các moi hàn, kết cấu hàn. Đây là
một công việc dâu tiên phai làm trong qui trinh đánh giá kha năng làm việc cua hàng loạt
các chi tiêt kêt câu hàn trong ngành công nghiệp che tạo tàu bien, máy bay, càu thép, tháp
cao hay các dường ông cao áp dần hơi nước, dẫn khí dầu trong còng nghiệp năng lượng,
hoá chài và dâu khí v.v. Đặc biệt, các thông tin chính xác về quá trình thay đôi nhiệt độ
cua các chi tièt hàn trong quá trình che tạo và vận hành là những căn cứ mang tính quyết
định tới kèt quả đánh giá tuôi thọ, kha năng làm việc cua các kết cấu hàn.
Mặc du trường nhiệt hàn đã được Rosenthal nghiên cửu và công bố từ năm 1941 và trong
thập ký 1950 đà dược Rykalin tiếp tục phát triển, các nghiên cứu trong lĩnh vực này
không ngừng được tiếp tục hoàn thiện. Cuốn sách này là phiên ban tiếng Việt của cuốn
“Thermal Analysis o f Welds" do tác gia viết và được Nhà xuất ban WIT Press (Anh quốc)

xuât bản năm 2004. Ban tiêng Việt này được Nhà xuàt bán Bách khoa (Đại học Bách
khoa Mà Nội) phát hành nhằm giới thiệu với các kỹ sư và sinh viên, nghiên cứu sinh
chuyên ngành công nghệ hàn và những lĩnh vực kỹ thuật liên quan đến hàn những kết quả
mới nhât mà tác giá đã có điều kiện thực hiện trong thời gian nghiên cứu tại nước ngoài
trong việc lập mô hình tính toán và mô phỏng trường nhiệt hàn, cũng như một sổ ứng
dụng cụ thê trong mô phong ứng suất và biến dạng hàn, cấu trúc mối hàn, v.v.
Tác giá xin chân thành cám ơn các tò chức và cá nhàn nước ngoài sau đày đã tạo điều
kiện hoặc dần dắt, giúp đỡ nhiệt tình trong quá trình nghiên cứu, cùng như động viên,
khuyến khích tác gia biên soạn và xuất bán cuốn sách (bản tiếng Anh) sau dày: Cơ quan
Khoa học và Kỹ thuật Nhật Ban (Janpan Science and Technology Agency); các trường
đại học Adelaide, đại học Sydney của Australia; Ts. Wahab M. A., khoa Cơ khí trường
đại học Adelaide, Australia; PGs. Ts. Oehlers D.J, khoa Xày dựng và Môi trường của
Trường Đại học Adelaide; Ts. Ohta A., Ts. Okada, Ts. Hiraoka và Ts. Nakamura, các ông
Suzuki và Maeda, Viện Khoa học Vật Liệu Quốc Gia Nhật Ban (National Institute for
Material Sciences), Tsukuba, Nhật Ban; Gs. Ts. Mai Y. w „ khoa Cơ khí, Cơ diện tử và
Không gian tại Đại học Sydney Australia; Ts. Quing Hua Quin và Ts. Charlie Montross;
Ts. Symes C; PGs. Ts. Simpson s., khoa Điện và Tin học Trường Đại học Sydney; GS.
Ts. Sloan lan; Ông Marcel c. Kaegi; Ông Dick Coldham, Trung tâm tư vấn vật liệu công
ty URL Technology; Cô Fiona Nelson; Ông Lance Sucharov, Nhà xuất bản WIT Press,
South Hampton - Anh quốc.
Tác gia cũng xin chân thành cam ơn các đồng nghiệp trong nước là PGS.TS.Hoàng Tùng
(Hội Khoa học Kỹ thuật hàn Việt Nam) đã không tiếc công sức hiệu đính bán tiếng Việt,
PGS.TS.Nguyễn Thúc Hà (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) đã giành thời gian quý
báu vièt lời giới thiệu, TS. Ngô Lè Thông (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) và
ThS.Phạm Đình Sùng (Trường Đại học Xây Dựng) đã có nhận xét và dóng góp ý kiến
cho ban dịch ra tiêng Việt cua tác giả. Tác gia xin bày to sự biết ơn chân thành tới Ban
lãnh đạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội v à Nhà xuất ban Bách khoa - Hà Nội đã
nhiệt tình tạo điều kiện xuất ban cuốn sách này tại Việt Nam.

3

Cuối cùng, tác giá xin được hày to lòng biết ơn chân thành tới người hạn dời là Nguycn
Lan Anh và cô con gái yêu quý Nguyền Minh Trang Anna đà dành cho tác gia tình yêu
thương vô bờ bến trong suốt nhũng năm tháng dài dấn thân cho sự nghiệp nghiên cứu
khoa học ở nước ngoài.

TS Nguyền Thế Ninh
Hoàn thành bản tháo tiếng Anh, tháng 1 năm 2003
và bán tháo tiếng Việt, tháng 9 năm 2007 tại Melbourne - Australia.

4


CHƯƠNG 1

CÁC QUẢ TRÌNH HÀN VÀ NGUỒN
NHIỆT HÀN

1.1. Giói thiệu
Việc nghiên cứu nhũng vấn đề tiêu biểu cùa côna nghệ hàn như ứng suất và biến dạng,
mô hình hóa cấu trúc tế vi kim loại mối hàn v.v. đòi hoi phai có các thông tin chi tiết về
quá trình biến thiên nhiệt độ cua các phần tử kết cấu hàn. Các nguồn nhiệt hàn đóng một
vai trò chu đạo trong phần lớn các quá trình hàn, cẳt bằng nguồn nhiệt, gia công nhiệt và
khi cần xác định các chu trình nhiệt của chúng. Neu một chi tiết máy, được nung nóng
bưi nguồn nhiệt cục bộ thì dòng nhiệt sẽ có xu hướng chuyển động từ nơi có nhiệt độ cao
tới nơi có nhiệt độ thâp hon trong chi tiết đó. Nói cách khác, dòng nhiệt sẽ di chuyên từ vị
trí được nung nóng tới tất cả các vị trí còn lại. Sự thay đối nhiệt độ ơ từng vị trí cua vật
thể phụ thuộc vào tốc độ nguội tại vị trí đó.
Trong suốt quá trinh hàn, nhiệt năng có thế được truyền bới sự dần nhiệt, đối lưu hoặc

bức xạ nhiệt. Với những quá trình hàn có sư dụng hồ quang điện làm nguồn nhiệt hàn thi
sự truyền nhiệt chu yếu là thông qua dẫn nhiệt và khi phân tích dòng nhiệt ta có thế bo
qua hiện tượng bức xạ nhiệt nếu như chi quan tâm đến trường nhiệt độ trong vật hàn.
Các dòng nhiệt chuyến động trong quá trình hàn thực chất là một quá trình rất phức tạp
mà hầu như trong thực tế khó có thề tiến hành tính toán dược bàng phương pháp giải tích
một cách thật dầy du. Tuy nhiên có thê giải quyết được vấn đề này một cách tương đối
chính xác nếu dựa trên cơ sơ sư dụng một số gia định nhàm đơn gián hóa quá trình vật lý
phức tạp này, ví dụ: chi xét dến quá trình dần nhiệt (khi coi bức xạ nhiệt là không đáng
kể) và sự đối lưu nhiệt thì chi tính toán chỉ thông qua trị số hiệu suất của hồ quang.
Một trong những đặc điềm chính cúa quá trình hàn là sự tăng và giảm nhiệt độ xảy ra rất
nhanh, tạo nên sự chênh lệch nhiệt độ rất lớn giữa các vùng cua liên kêt hàn. Kim loại cơ
ban và đồ gá thường “hút nhiệt”, dẫn đên tăng tốc độ nguội cùa mối hàn tùy theo tính dần
nhiệt cua chúng. Những hiện tượng đó dều có thê làm tăng độ cứng kim loại mối hàn và
kim loại vùng anh hương nhiệt.
Chương này giới thiệu tóm tắt một số quá trinh hàn thông dụng và ưu nhược diêm của
các nguồn nhiệt được dùng; đồng thời giới thiệu các phương trinh toán học dùng đê biêu
thị chúng đế độc gia làm quen dần với dạng nghiệm giai tích cua các nguồn nhiệt đó và
những ứng dụng cua chúng (được giới thiệu ở các chương sau).

5


1.2. Tóm tắt một số quá trình hàn co bán
Nhìn chung, các quá trình hàn kim loại được chia thành ba nhóm chinh như sau:
Hàn nóng chay là quá trinh hàn mà các vật thê hàn dược nung nóng tại chồ hàn tới nhiệt
độ nóng chay và mối hàn sẽ tạo thành liên kết khôn« thể tháo rời; khi hàn không dùng
áp lực.
Hàn điện tiếp xúc là quá trinh hàn sư dụng nhiệt nung nóng (bởi điện trở tiếp xúc khi có
dòng điện hàn đi qua) có kết họp với su dụng áp lực đe tạo mối hàn.
Hàn nguội là quá trình hàn trong đó áp lực được sử dụng dê ép những Ic'yp kim loại tiếp

xúc với nhau đạt đến mức kích thước nguyên tử, nhờ đó các lực nguyên tư sẽ có tác dụng
kết nổi các lóp kim loại này lại với nhau, ơ dạng hàn này chí có một lóp kim loại tiểp xúc
cực mỏng dạt tới trạng thái nóng chảy cục bộ (ví dụ: hàn rèn, hàn ma sát).
Khác với các quá trình hàn cơ bán trên, nhũng quá trình nối kim loại khác như hàn vảy
cứng và hàn vảy mềm chi đòi hỏi nung kim loại cơ bán tới nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ
nóng cháy của chúng; vỉ vậy liên kết được hình thành thông qua sự bám dính vảy hàn
nóng chảy (dưới dạng kim loại bô sung). Ngoài ra còn có các loại liên kết không thế tháo
rời khác như dán (sứ dụng keo dán). Những liên kết hàn vảy và liên kết dán sẽ không
được đề cập đến trong sách này.
1.2.1. Quá trình hàn khí
Hàn khí là quá trình hàn sử dụng nhiệt độ cao cùa ngọn lứa khí cháy từ phán ứng cháy
của hydro cacbon trong khí ôxy. Khí cháv thông dụng nhất là axêtylen. Ngoài ra còn có
các khí cháy khác như prôpan (Cdlsh butan (C4H10), êtylen (C2H2) hoặc là hydro (H 2 ).
Ngọn lira ôxy - khí cháy dùng trong hàn kim loại và hợp kim bao gồm những vùng đặc
trưng sau:
Vùng nhân ngọn lửa: đây là vùng mà hồn họp ôxy - khí cháy được nung tới nhiệt độ
phân ly của chúng. Phản ứng hóa học xáy ra trong vùng ốn định (stationary combustion
zone) rất hẹp, tạo nên sự tăng mạnh nhiệt độ.
Vùng nhiệt độ toi đa (vùng chú)’ không hoàn toàn): đây là vùng nàm tiếp giáp ngay phía
sau vùng nhân ngọn lứa và được sử dụng đế hàn. Nhiệt độ tối đa cua ngọn lửa òxy axètylen đạt tới 3 100ức .
Vùng hoàn nguyên (vùng cháy hoàn toàn): là vùng tập trung các sán phâm của quá trình
cháy. Bán chất hóa học của ngọn lửa trung hòa (cácbon hóa) hoặc ôxy hóa được xác định
bởi bản chất của quá trinh cháy trong vùng nhiệt độ tối đa.
Vùng ngoại vi ngọn lưa: gồm toàn bộ vùng bao quanh các vùng đã mô tả o trên. Vùng
này chứa các sản phâm cháy dư từ các phản ứng cháy của các vùng ngọn lưa trong nền
không khí bao quanh. Thành phần này cùa vùng này luôn có đặc trưng oxy hóa và chứa
một lượng lớn nitơ. So đồ ngọn lửa oxy axêtylen đặc trưng được trình bày ớ hình 1.1.

6

Vùng nhân ngọn lưa

Vung cháy không
hoàn toàn

Hhìli 1.1. Sơ đô ngọn lưa tìxy-axêtylen đặc trưng

ứng xứ về mặt hóa học của ngọn lưa này chu yếu phụ thuộc vào điều kiện trong vùng
hoàn nguyên. Ngọn lửa lý tướng là ngọn lưa chi tạo thành khí c o và H 2 trong vùng cháy
không hoàn toàn, ví dụ trường hợp ngọn lưa ôxy - axêtylen. Thông thường, tùy theo loại
khí cháy cụ thế, phải có một tỷ lệ nhất định giữa khí hydrô-cácbon và ôxy trong ngọn
lứa. Ty lệ này dược gọi là ty lệ cháy. Đối với ngọn lứa ôxy-axêtylen, phán ứng cháy sơ
cấp có thể biếu diễn như sau:
C;H; + O2 = 2CO + H; + 106.5 Kccil/mol
Vùng cháy không hoàn toàn cùa ngọn lưa bao gồm khoảng 61% c o , 22% H2 và 17% H
[1 Ị. Phán ứng cháy thứ cấp được thực hiện từ các sản phâm cháy sơ cấp của ngọn lửa
ôxy-axêtylen với ôxy từ môi trường không khí xung quanh, được thể hiện theo các phản
ứng hóa học sau:
CO + Vĩ 0 2 + 2N: = CO; + 2N; + 68 Kcaỉ/mol
H; + Vĩ 0 2 + 2N2 = H ;0 + 2N; + 58 Kcal/mol
Ngọn lứa ôxy axêtylen tạo nên nhiệt độ cao nhất (3100°C) trong các ngọn lưa khí cháy
với ôxy (2900°c đổi với propan, 2825°c đối với êtylen và 2420°c đổi với hydrô). Nó
cũng tạo nên các sản phàm cháy thích hợp nhât trong vùng cháy không hoàn toàn. Ngọn
lửa này rất linh hoạt và tùy theo mức độ điều chinh khi hàn và kim loại cần hàn, nó mang
đặc trưng ôxy hóa (thừa ôxy), cácbon hóa (thừa axêtylen) hoặc trung hòa.
1.2.2. Quá trình hàn hồ quang tay
Đây là quá trình hàn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp do tính chất linh hoạt của
nó khi chophéphàn được ở mọi tư thế trong không gian, sự đầu tư về trang thiết bị
không nhiềuvà cho năng suất đắp tương đối cao. Khi hàn, thợ hàn dùngtay đề thao tác

điện cực, thường gọi là que hàn (gồm lõi kim loại được bọc thuốc bên ngoài). Hồ quang
hàn giữa que hàn và vật hàn đóng vai trò như nguôn nhiệt nung cháy kim loại và cho
phép tạo thành mối hàn. Khi có hồ quang, thuốc hàn từ vỏ bọc được nung cháv và tạo
thành hồn hợp khí và xi bao vệ kim loại nóng chảy trước tác động cua ôxy và nitơ từ môi
trường không khí xung quanh. Trong trường họp hàn nhiều lóp, cần loại bó lớp xi hàn

7


trên bê mặt đường hàn trước khi thực hiện dường hàn tiêp theo. Đê cái thiện thành phân
và cơ tính kim loại mối hàn, có thê đưa một số nguyên tổ hợp kim hóa vào thành phân vo
học que hàn. Trong thực tế có nhiều hệ vo học que hàn khác nhau, tùy theo các ứng dụng
cụ thề.
Kim loại từ lõi que hàn dịch chuyển liên tục vào vùng hàn dưới dạng các giọt kim loại có
kích thước nhỏ. hình 1.2. Khi hàn có thê sứ dụng dòng điện hàn xoay chiều, một chiều
cực thuận hoặc một chiều cực nghịch (que hàn được đấu vào cực dương của máy hàn).
Đối với hàn hồ quang tay, cường độ dòng điện hàn tiêu biểu nằm trong dái 15 500 A và
điện áp hàn 12 - 40 V.
Lõi kim loại

Nhũng ưu điềm chủ yếu của quá trình hàn hồ quang tay là:
•
•
•

Vốn dầu tư trang thiết bị thấp, năng suất đắp tương đối cao.
Tính chất linh hoạt trong thao tác. không phụ thuộc vào các yếu té hình học và tư
thế hàn.
Cho phép đạt dược các thành phần hóa học rất đa dạng của kim loại mối hàn.

Những nhược điếm chính của hàn hồ quang tay là:
•
•

8

Tính chất không liên tục trong thao tác do phái thường xuyên thay que hàn, dễ dẫn
đến hỉnh thành nứt.
Phải loại bó hết xi hàn trước khi hcàn đường hàn tiếp theo.


♦
•

Que hàn cần được sầy và bao quan nghiêm ngặt de tránh hiện tượng nứt nguội khi
han các loại thép có lính tham tôi mạnh.
C hat lượng mỏi hàn phụ thuộc nlìicu vào tav nghe cua thợ hàn.

1.2.3. On ti trình han hò quang hãng diện cực không nóng chay trong moi trường khí
háo vệ
Hàn hô quang băng diện cực không nóng chay trong mòi trường khí bao vộ (còn dược gọi
là hàn TIG) là quá trình hàn mà hò quang hàn dược tạo nên giữa diện cực không nóng
chav vỏnIram và vạt hàn. Hô quang thường dược gây bang xung điện cao áp, cao tản và
dược bao vộ băng khí trơ. Góc nghiêng dãu điện cực khi hàn quvêt định mức dộ tỏa rộng
của hô quang. Khí trơ dùng khi hàn còn có tác dụng bao vệ kim loại vùng hàn khói tác
động của môi trường không khí xung quanh, hình 1.3.

Hình 1.3. Sơ dỏ mình họa quá trình hàn hò quang hãng
điên cực không nóng chay trong /nôi trường khí hao vệ
Tùy thuộc vào kim loại cần hàn, khí bao ve có thế là argon (Ar) (phán lớn dùng cho hàn

thép cacbon), Ar/TỈ2 (dùng cho hàn thép hợp kim cao austenit) hoặc hỗn hợp argon và
helium (hàn tự dộng các tâm dày). Khi hàn, điện cực vỏntram thường dược nôi thuận
(dâu với cực âm của máy hàn) và dai cường độ dòng điện hàn tiêu biêu là 1 - 200 A.
Dòng điện hàn xoay chiêu ít thông dụng hơn do khó gay lại hô quang và hiện tượng quá
nhiệt đầu diện cực (chu yêu chỉ dùng cho hàn nhôm).
Do cường độ nguồn nhiệt cao, hàn hô quang bâng diện cực không nóng cháy trong môi
trường khí báo vộ thích hợp cho hàn tự động và hàn bán tự động. Do điện cực không bị
nung chảy khi hàn, giá trị năng lượng dường (thông qua cường độ dòng điện hàn và điện
áp hàn) độc lộp doi với dặc trưng nung chay cua dây hàn. Vi vậy có the điêu chinh công
suàt của hô quang và tôc dộ câp day hàn. Điêu này cho phép điêu khiên tỏt mức độ nóng
chay của vũng hàn, cùng có nghĩa là quá trình hàn nảy linh hoạt hơn khi hàn ở các tư thê
không gian khác nhau.

9


Là một trong những loại quá trình hàn đa năng nhung hàn hồ quang hẩng điện cực không
nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ bằng tay lại đòi hói kỳ năng cao cua thợ hàn. Với
quá trình hàn này, có thể sử dụng cường độ dòng điện hàn từ 1 A trờ lên đè hàn các tấm
có chiều dày từ 0,1 mm trớ lên. Khá năng ứng dụng của quá trinh hàn này rất tốt khi cần
các mối hàn chất lượng cao.
Tuy nhiên đây là quá trình hàn có chi phí cao do năng suất đắp thấp. Có thê cài thiện
năng suât đăp thông qua những biện pháp như sứ dụng dây hàn phụ có nung nóng bô
sung (dây nóng) hoặc hàn trong khe hờ hẹp. Hiện nay, hàn hồ quang bằng điện cực không
nóng cháy trong môi trường khí báo vệ (kỹ thuật hàn tay) được sứ dụng chú yếu cho hàn
lóp đáy những liên kết có chiều dày lớn vỉ có thể bảo đảm hàn ngấu hoàn toàn đáy liên
kết và bảo đảm chất lượng. Kỹ thuật hàn cơ giới cúa loại quá trình này được sử dụng chủ
yếu trong hàn ống mòng tại các nhà máy nhiệt điện do những đòi hói cao về chất lượng
mối hàn.
Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ và hàn ho

quang plasma có sự khác biệt rõ rệt ơ chỗ sứ dụng xung điện biến đồi từ trị số dòng xung
đến trị số dòng cơ bán theo một tần suất nhất định, liên quan đến tốc độ hàn. Trị sô cao
của dòng xung cho phép tăng mức độ hàn ngấu. Thông qua việc hạn chế giai đoạn có
xung hàn và cho phép kim loại vũng hàn kết tinh trong giai đoạn có dòng cơ bản, có thể
tránh được hiện tượng cháy thủng tấm chi tiết cần hàn.
Một lợi the đặc biệt của hàn hồ quang bằng điện cực không nóng cháy trong môi trường
khí bao vệ ơ chế độ xung là kha năng kiếm soát tốt mức độ ngấu trong các liên kết hàn
không đôi xứng về mặt hình học (chiều dày khác nhau). Vi vậy, có thể hàn được các liên
kêt giữa tấm mỏng với tấm dày và giữa các vật liệu không đồng nhất chủng loại có tính
dẫn nhiệt khác xa nhau.
Sau đày là những ưu điếm chính của hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong
môi trường khí bảo vệ:
Khả năng kiểm soát tốt các đường hàn đáy trong liên kết.
Có thê hàn các tấm móng ở chế độ dòng hàn nhỏ cũng như hàn các vật liệu không
đồng nhất chủng loại.
Khá nâng kiếm soát tốt mức độ hàn ngấu đối với các liên kết đa dạng về mặt hình học.
Chất lượng mối hàn cao, có ít khuyết tật hàn.
Khả năng ứng dụng cho han cơ giới các liên kết ống theo kỳ thuật hàn hành tinh, v.v.
Những nhược điềm chú yếu của quá trình hàn này là:
Năng suất đắp thấp.
Không thích họp cho hàn các tấm dày.
1.2.4. Quá trình hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khi báo vệ
Đây là loại quá trình hàn hồ quang có độ tin cậy cao khi sứ dụng điện cực nóna cháy dưới dạng
dây hàn trong môi trường khi trơ trên cơ sớ argon. Ra đời trong thập kỷ 1950, quá trình này được
biết đến ban đầu dưới tên gọi quá trình hàn MIG và cho đến nay vẫn là một trong nhừng

10


quá trình hàn được sử dụng rộng rãi nhàt vì có một loạt nhừng ưu diêm nòi bật. Ta có

thê hàn hồ quang băng điện cực nóng cháy trong môi trường khi bảo vệ ở chè độ hàn
bán tự động hoặc chế độ hàn tự động đối với nhiều loại vật liệu, chiều dày và tư thê
hàn. Đày là quá trình hàn có năng suất đẳp cao ớ ca hai chế độ hàn bán tự động và hàn
tự dộng, hình 1.4.
Một trong những ứng dụng ban đầu cua hàn hồ quang bang điện cực nóng cháy trong
mõi trường khí bảo vệ là hàn nhỏm trong môi trường khí argon. Đôi với thép, khí bảo
vệ được sứ dụng rộng rãi là CO: và hồn hợp Ar/CO:- Thành phần khí báo vệ có ảnh
hường dáng kể đến đặc trưng cua quá trình hàn. hình dạng moi hàn, mức độ bắn tóe và
cơ tính cua kim loại mối hàn (đặc biệt là độ dai va đập). Khí bao vệ CO: thường được
sử dụng cho hàn kết cấu thông dụng từ thép cacbon thấp khi có đòi hỏi cao về hình
dạng bề mặt mối hàn, sự biến thiên tương đổi rộng các thông số hàn và độ dai. Mặc dù
đắt tiền, các hồn hợp khí Ar/CO: hoặc A r/C 0:/0: cho phép cai thiện đáng kê hình dạng
bên ngoài của mối hàn.
Quá trình hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí báo vệ có các
dạng dịch chuyền kim loại điện cực vào vũng hàn sau đây:
Dịch chuyển ngán mạch - Đây là dạng dịch chuyển liên quan đến trị số điện áp hàn, dòng
điện hàn thấp (dưới 200 A) và năng suất đăp thâp. Các giọt kim loại nóng chảy hình
thành tại đầu điện cực liên tục có tiếp xúc đoan mạch với vũng hàn và dịch chuyển hỉnh
thành dưới ánh hường của sức căng bề mặt và lực điện từ. Đảy là dạng dịch chuyên tương
đối ổn định khi có các thông số hàn tối ưu.
Dịch chuyên giọt lớn - Khi tăng năng suất đắp thông qua tăng mật độ dòng điện hàn
(thòng thường trong khoảng 200 - 250 A) và tăng tôc độ câp dày hàn, dịch chuyên của
kim loại điện cực vào vũng hàn sẽ có dạng dịch chuyên giọt lớn, trong đó đầu điện cực
không còn tiếp xúc đoản mạch với vũng hàn. Các giọt kim loại có kích thước lớn dịch
chuyên không đông đêu theo thời gian vào vũng hàn dưới tác động cùa trọng lực và lực
điện từ. 0 dai cường độ dòng điện hàn nói trên, dịch chuyển này mang đặc tính xung tia
(với tần số khoảng 50 Hz) và được kiểm soát bằng dạng sóng cua dòng điện hàn. Do đó
có thè giảm thiêu được băn tóe và cải thiện chắt lượng bê mặt môi hàn. Mcặc dù mức độ
bắn tóe giảm trong trường hợp này, nó dề chịu tác động cùa các biến thiên về độ chính
xác trong gá lắp liên kết hàn và các thông số của chế độ hàn xung. Dạng dịch chuyên này

thường cần một loạt thông số bổ sung, do đó cần được tối ưu hỏa để có được chiều dài hô
quang ôn định.
Dịch chuyên tia dọc trục - Neu tăng cường độ dòng điện hàn lèn trên dai 220 - 250 A
kim loại diện cực sẽ dịch chuyến vào vũng hàn dưới dạng tia dọc trục, trong đó các giọt
kim loại có kích thước nhỏ hơn nhiều so với đường kính điện cực, chúng được phun qua
hồ quang từ đầu điện cực vào vũng hàn với tốc độ lớn. Đè có được dạng dịch chuyên này,
cần sứ dụng hồn họp khí Ar/C'0: và cường độ dòng điện hàn cao (trên 250 A). Ớ chế độ
dịch chuyển tia dọc trục, chỉ có thê sử dụng một dải hẹp cường độ dòng điện hàn, do đó
cần tạo các điều kiện cần thiết để tránh tác động lực quá lớn cua hồ quang ở các trị sô
dòng hàn lớn. Sự dịch chuyển ổn định cúa kim loại cho phép đạt được mối hàn có hình
dạng đều khi cường độ dòng điện hàn lớn (trị s;ố năng lượng đường cao) tạo nên môi hàn


tươm», đối rộng. Do tính cháy loãng cao cua vũng hàn nên chi có thế hàn được ơ các tiư thế
hàn sấp (hàn bằng) và hàn ngang.

Hình 1.4. Sơ đủ quá trình hàn hồ quang bằng
điện cực nóng chav trong mỏi trường klú bao vệ
Dịch chuyến hồ quang xoăn - Dạng dịch chuyên này xuất hiện khi cường độ dòng điện
hàn cao hon 500 A. Trong điều kiện này sự mất ổn định xoắn cửa phần đầu điện cực bị
vát ở trạng thái lỏng được hình thành và duy trì bởi từ trường dọc. Đồng thời, các giọt
kim loại lỏng có kích thước rất nhỏ được phun tù đầu điện cực vào vũng hàn. Đặc điểm
chính cùa dạng dịch chuyển này là năng suất đắp rất cao, mức độ bắn tóe cao hom các
dạng dịch chuyên khác và bề mặt mối hàn không đồng đều. Do đó, dạng dịch chuyến này
ít được ứng dụng trong thực te do những đòi hỏi tương đối cao về tối ưu các thông số hàn
và kỳ năng hàn. Khi hàn hồ quang bằng điện cực nóng chay trong môi trường khí bảo vệ
ớ chê độ xung, khi có đòi hỏi khắt khe về dung sai các trị số thông số hàn, cần có nguồn
điện hàn ôn định mà cho đến nay vẫn chưa thấy có trên thị trường. Do đó, hàn hồ quang
băng điện cực nóng chảy ơ chế độ dòng hàn cao thường bị hạn chế bởi khuyết tật, hàn
không ngấu mép, bắn tóe và rồ khí.

Nhăm khác phục một số nhược diêm cua việc ứng dụng rộng rãi quá trinh hàn nói
trên, quá trinh hàn hồ quang bàng điện cực lõi bột đã ra đời. Ọuá trình này sau đó đã được
phát tnên tiếp nhầm tăng hom nữa năng suất đắp và cải thiện cơ tính kim loại mối hàn.
Việc kiêm soát vũng hàn ở các tư thế hàn khác hàn sấp cũng dề dàng hom thông qua các

12


nguyên tô dề ion hóa trong thành phân thuốc hàn cua lõi hột có tác dụng tăng độ ôn (tịnh
của hồ quang và vũng hàn. Dây hàn lõi bột tự hao vệ cai thiện đáng kề quá trình hàn do
khí hao vệ CO: dược sinh ra từ phan ứng phân huy các bô-nat. Việc hình thành hơi kim
loại cua các nguyên tỏ như Li và Mu có trong lòi bột có tác dụng tăng mức độ bao vệ hô
quang và vũng hàn. Tuy nhiên, có nhũng vấn dề liên quan đến tính độc hại cua khói hàn
nên đòi hói sứ dụng thiết bị hút khói và thông gió tốt trong xướng hàn.
Những UX1 điểm chính cua hàn hồ quang bằng điện cực nóng chày trong môi trường khí
bào vệ là:
• Có thế hàn ở cả hai chế độ bán tự dộng và tự động.
• Mức độ linh hoạt cao đối với hàn các loại vật liệu khác nhau và tư thế hàn khác nhau.
• Năng suất đắp cao và dây hàn lõi bột cho phép cải thiện việc bảo vệ vũng hàn.
• Chế độ hàn xung cho phép kiềm soát tốt hơn quá trình hàn so với hàn không có xung.
Các nhược điểm cơ bàn của quá trình hàn này là:
• De hình thành một số loại khuyết tật như hàn không ngấu mép, bắn tóe và rồ khí.
• Việc kiểm soát chính xác các thông sổ hàn đòi hởi sử dụng thiết bị hàn cao cấp và giá
thành thiết bị hàn cao hơn so với thiết bị hàn hồ quang tay.
• Sử dụng dây hàn lõi bột tự bao vệ dẫn đến hình thành khói hàn độc hại và đòi hỏi phai
hút khói hàn và thông gió tốt trong điều kiện hàn trong không gian chột hẹp.
• Chi phí sản xuất tương đối cao khi sử dụng khí bao vệ trên cơ sở argon so với khí CO2.
• Khí bảo vệ CO: không cho phép đạt được dạng dịch chuyển tia dọc trục, chất lượng bề
mặt mối hàn kém hơn, hồ quang kém ổn định và mức độ bắn tóe cao hơn.
1.2.5. Quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc

Quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc sư dụng điện cực dưới dạng dây hàn và hồ quang
hình thành giữa điện cực và vũng hàn bên dưới lóp thuốc hàn nóng chảy (xi hàn). Khi
hàn, thuốc hàn được câp liên tục vào vùng phía trước hô quang. Chi một phần nhỏ thuốc
hàn tiếp xúc trực tiếp hồ quang bị nung chay tạo thành xi hàn, phần thuôc hàn còn lại
được thu hồi vào phều dự trừ để tái sử dụng, hình 1.5. Hàn hồ quang dưới lớp thuốc
thường được thực hiện ớ cường độ dòng điện hàn khoảng 400 - 1000 A với hiệu suât
nhiệt cao nhờ vào sự cách nhiệt tốt cua lóp thuốc hàn báo vệ.
Quá trình hàn hồ quang dưới lóp thuốc là quá trình hàn tự động trong đó dây hàn và
thuốc hàn được cấp liên tục vào vùng hàn theo chế độ tối ưu. Với năng suất đắp cao, hàn
hồ quang dưới lóp thuốc cho phép đạt được độ ốn định và kiêm soát tốt hình dạng mối
hàn. Khi hàn ở mật độ dòng hàn rất cao và tốc độ hàn lớn, độ hàn ngâu lớn có thê gây nên
nứt nóng ờ vùng tâm trục đường hàn.
Hàn hồ quang dưới lóp thuốc là quá trình hàn có tý lệ kim loại cơ bản tham gia vào mối
hàn khá cao (ty lệ phần kim loại cơ ban với phân dây hàn tham gia vào kim loại môi hàn
có thê dạt 2:1 ). Mặc dù vậy, một nhược điểm của quá trình hàn này là hồ quang bị chim


hoàn toàn dưới lớp thuốc hàn, do đó khó điều chinh kịp thời các thông số hàn trong lúc
hàn. Do đó, việc chuấn bị trước khi hàn và bo trí các đường hàn đòi hói phai được tiến
hành cấn thận. Việc làm sạch mép liên kết và gá lắp chính xác cũng cần được kiếm soát
chặt chẽ để bộ thiết bị dò dẫn hướng đường hàn có khả năng định vị chính xác hồ quang
trong lúc hàn. Khi áp dụng các biện pháp nói trên, các mối hàn hồ quang dưới lớp thuốc
đạt chất lượng cao và đồng đều, ít khuyết tật. Có thê nói, hàn hồ quang dưới krp thuốc là
quá trình hàn được sử dụng phô biến nhất trong chế tạo các thiết bị áp lực với chất lượng
moi hàn đồng đều.
Điện cực nóng
cháy (dây hàn)

Hình 1.5. Sơ đỏ quá trình hàn hô quang dưới lớp thuốc
Những ưu điểm chính của hàn hồ quang dưới lóp thuốc là:

• Có thể đạt được chất lượng mối hàn cao một cách đồng đều mà vẫn giữ được năng suất
đắp cao.
• Có thể dùng thuốc hàn loại nung chảy đê giảm thiểu nguy cơ nhiễm hydrô vào mối hàn,
do đó giám nguy cơ nứt nguội.
• Có thê đạt được độ dai tốt nếu sử dụng loại thuốc hàn thích họp cho kim loại môi hàn
chứa ít ôxy.
Những nhược điểm chính cùa hàn hồ quang dưới lóp thuốc là:
• Hồ quang hàn hoàn toàn bị thuốc hàn che khuất và khi hàn cần sử dụng thiết bị dẫn
hướng đường hàn.
• Cần kiểm soát chặt độ sạch mép liên kết và việc gá lắp liên kết trước khi hàn.
• Việc sấy thuốc hàn và thu hồi thuốc hàn dư cần được kiếm soát chặt chẽ để ngăn ngừa
hút ẩm, đặc biệt khi thuốc hàn gốm được sử dụng.

14


1.2.6. Quá trình hàn điện x i
Hàn điện xi là bước phát triển tiếp theo hàn hồ quang dưới lớp thuốc đế hàn các liên kết
tấm dày một cách kinh tế. Hàn điện XI :SU dụng điện trở của bê xi đê nung chảy kim loại
tạo ra vũng hàn lớn (bê kim loại nóng chay) và công việc hàn được tiến hành từ dưới lên
theo chiều thăng đứng, hình 1.6. Má trượt làm mát bằng đồng (làm mát bàng nước lưu
thông) được bố trí về hai phía liên kết và được nâng cùng tốc độ với tốc độ hàn đế ngăn
xỉ và kim loại nóng chay tràn ra ngoài. Bê xỉ nóng chay phía trên vũng hàn có tác dụng
cấp nhiệt cho quá trinh hàn và báo vệ kim loại nóng chảy khỏi tác dộng của môi trường
không khí xung quanh.
Điện cực dưới dạng dây hàn được cấp liên tục vào bế xỉ và có thế thực hiện dao động
ngang nhàm bảo đảm nung đều các bề mặt mép hàn. Với chế độ dao động ngang điện
cực, tại điếm đổi chiều dao động, điện cực ngưng dao động một thời gian ngắn và khi đó,
nhiệt thoát chủ yếu vào má trượt. Khi chiều dày liên kết vượt quá 100 mm, ta có thể đạt
được năng suất đắp rất cao thông qua sử dụng nhiều dây hàn cùng lúc. Tuy nhiên, tỷ lệ

của kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn có thế sẽ khá cao (đến 50%).
Quá trình hàn điện xi thường được khới động bằng hồ quang giữa điện cực và túi dẫn đặt
phía dưới đáy liên kết. Thuốc hàn được hồ quang nung chảy dần tạo thành bê xi và tăng
dần chiều cao cho đến khi gặp đầu điện cực thì hồ quang tắt và bắt đầu quá trình nung
chảy điẹn cực bằng điện xỉ một cách ôn định. Trị số điện áp hàn đối với hàn điện xỉ
thường vào khoáng 50 V. Cường độ dòng điện hàn phụ thuộc vào tốc độ cấp dây hàn và
sẽ quyết định chiều sâu vũng hàn. Thành phần thuốc hàn cần được chọn sao cho báo đảm
tính dẫn điện cũng như độ nhớt cần thiết của xi hàn.
Tiết diện ngang của vũng hàn thường có dạng cong, với phần giữa tấm lớn hơn phần mép
ngoài. Năng lượng đường của hàn điện xỉ rât lớn, liên quan đến kích thước lớn cùa vũng
hàn và tốc độ hàn nhỏ. Chính vì vậy, kim loại mối hàn có cấu trúc hạt hình cột rất lớn và
kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt cũng có câu trúc hạt thô. So với kim loại cơ bản, liên kết ở
trạng thái sau khi hàn thường có cơ tính kém hơn và cân phải được gia nhiệt thường hóa
đê cải thiện kích thước hạt.
Những ưu điểm chính của hàn điện xỉ là:
• Năng suất đấp đặc biệt cao, cho phép hàn các tấm rất dày một cách kinh tế.
• Sản phẩm hàn rất ít khi bị biến dạng nhiệt.
Những nhược điếm chính của hàn điện xỉ là:
• Tỷ lệ phần kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn cao và giá trị năng lượng đường cao.
Điều này tạo nên các tổ chức kim loại và tính chất cơ học không có lợi.
• Tổ chức tế vi kim loại mối hàn thường có hạt thô và đòi hòi thường hóa sau khi hàn đế
cải thiện cơ tính.•
• Chi cỏ thế hàn các mối hàn dọc và thẳng.

15


Hướng hàn

1.2.7. Quá trình hàn hồ quang plasma

Hàn hồ quang plasma là một quá trinh hàn gần giống như hàn hồ quang bằng điện cực
không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ. Hồ quang hình thành hoặc giữa điện cực
vôníram và vật hàn như khi hàn hồ quang bằna điện cực không nóng chày trong môi
trường khí bảo vệ, hoặc giữa điện cực nóng chày và vật hàn như trong trường họp hàn hô
quang bàng điện cực nóng cháy trong môi trường khí báo vệ. Tuy nhiên, sự khác biệt
chính ở đây là khí bảo vệ argon được tách riêng đế tạo plasma và điện cực được bố trí
bên trong thân của mỏ hàn, hình 1.7 (b) và được gọi là hồ quang gián tiếp (không chuyên
tiếp). Thiết kế thích họp theo nguyên lý này cho phép làm tăng chiều dài hô quang, làm
tăng tốc độ dòng khí và tăng chiều sâu ngấu của liên kết hàn so với hàn hồ quang bằng
điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bào vệ. Với hồ quang gián tiếp và tạo
plasma, quá trinh này cho phép dùng đế hàn cũng như cắt kim loại. Hàn hồ quang plasma
thường được ứng dụng theo ba dải cường độ dòng điện hàn tiêu biểu, ứng với ba chế độ
hàn chủ yếu sau:
a) Chế độ hàn micropìasma (0,1 - 15 A)
So với hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí báo vệ, chế độ
hàn này cho phép hàn được một cách ổn định các trị số thấp cùa cưòng độ dòng điện hàn

16


trong một dái rộna hon. Ché độ hàn này đặc biệt thích hợp với han các tâm ràt mong cân
có độ ôn dinh cao vê kích thước.
b) Che độ hàn plasma mâm (< 100 A )
Che độ hàn này Urorm đương với hàn ho quang băng diện cực không nóng chay trong môi
trường khí bảo vệ. Tuy nhiên ưu dièm chính cùa nỏ là kha năng hàn ngàn tôt chiêu dày
hen kòt do hồ quang bị nén theo chiều vuông góc với trục cua nó. Vì vậy, nó thích hợp
cho hàn các tẩm dày hơn. Hồ quang plasma dược khới động băng hò quang mòi hình
thành giữa catod (điện cực) và anod. Khi hàn, hò quang chính (hò quang chuyên tiôp,
được gọi là hồ quang plasma) sẽ hình thành giũa điện cực và vật hàn. Đày chính là
nguyên lý hàn băng hô quang plasma chayen tièp. hình 1.7(a).

c) Chế độ hàn plasma lỗ khóa (> 100 A)
Chê dộ này sử dụng mật độ năng lượng cao cua hò quang plasma dè tạo nên vùng hàn có
kha năng ngấu sâu. Cường độ dòng hàn và lưu lượng khi tạo plasma cao có tác dụng tạo
nên một lồ rồng trong vũng hàn và lồ này chuyên động cùng tỏc độ với tỏc độ di chuyên
của hồ quang. Chính đặc điểm này dẫn đến khái niệm “hàn hồ quang plasma lồ khóa”.
Trong thực tế, kiểm soát lồ khóa là việc khó và có thể xuất hiện các loại khuyết tật hàn
như rô khí và lõm bê mặt. Công nghệ này cho phép hàn một lượt toàn bộ chiêu dày liên
kết giáp nối không cần vát mép đối với các tam tương đối dày. Tuy nhiên việc đóng lồ
khóa khi kết thúc đường hàn đòi hỏi thực hiện kỳ thuật không đơn gian, đặc biệt đôi với
các mối hàn vòng. Đây là nhược điểm của hàn ho quang plasma lỗ khóa vả đòi hoi diêu
chinh rất chính xác cũngWnhư kiếm soát chặt
• chẽ các thôngé- số hàn.

ir,
r ,
Khí vào

_

Catođ

a) Hồ quang trực tiếp

L
M; ;
Khi vào

__ Catod

b) Hồ quang aián tiêp

Hình /. 7. Sơ đô quá trình hàn hò quang plasma

17


1.2.8. Quá trìnli liàn tia điện tứ
Hàn tia điện tử (còn gọi là hàn bằng chùm tia điện từ) là quá trình hàn năng lượng cao,
trong đó chùm tia điện tử bức xạ từ điện cực âm catod làm bang vật liệu có nhiệt độ nóng
chảy cao và di chuyên trong trường điện từ có điện thế 30 - 150 kv. Chùm tia điện tứ
hình thành trong môi trường chân không cao và được hội tụ thông qua thấu kính điện từ,
hình 1.8. Chùm tia điện tử đập vào vật hàn tạo ra nhiệt đủ đê tạo thành một “lồ khóa”
chứa hơi kim loại, bao quanh bởi kim loại nóng cháy.

Năng lượng của chùm tia điện tứ quyết định khả năng hàn ngấu, do đó đây là một quá
trình hàn linh hoạt, cho phép hàn các tấm thép có chiều dày từ 0,2 tới 200 mm. Đế bao
đảm hàn ngấu mối hàn có chất lượng, tốc độ hàn phải tương ứng với nãng lượng cua
chùm tia. Thông thường, hàn tia điện tử không cần kim loại bố sung nhưng đòi hói cao
đối với độ sạch, gia công bề mặt và gá lắp các chi tiết trước khi hàn (trừ trường họp có sử
dụng dây hàn bò sung, khi đó việc định vị dây hàn cần phái chính xác).
Hàn tia điện tử thường được thực hiện trong chân không, do đó nhu cầu cần có buồng
chân không, nhất là trong trường hợp hàn các chi tiết có kích thước lớn đòi hỏi chi phí
mua sắm thiết bị rất cao. Đã có những thiết bị hàn tia điện tứ với buồng chân không di
động, đi kèm với hệ thống gioãng trượt phức tạp, thậm chí cả thiết bị hàn tia điện tứ
không có chân không, đi kèm với khí báo vệ. Tuy nhiên, do nguy cơ đối với sức khóe
con người do bức xạ tia rơn gen phát sinh, nên phương pháp này còn có những hạn chê
nhất định.

18

Những ưu diêm chính cua hàn tia diện tư là:
• Toc độ hàn cao, cho phép hàn một lượt các tấm dày.
• Vùng ảnh hườn tỉ nhiệt nhó, biển dạng hàn nhở, cho phép hàn các chi tiết đã gia công
hoàn thiện với độ chính xác cao.
Những nhược diêm chinh cua hàn tia điện tư là:
• Đòi hỏi kiêm soát chặt chẽ thành phần vật liệu trước khi hàn do khả năng xuất hiện rồ
khí khi có hàm lượng ôxy cao.
• Chi thích hợp cho sản xuất loạt lớn do chi phí mua thiết bị cao.
1.2.9. Quá trình hàn tia laser
Hàn tia laser cũng là một quá trình hàn năng lượng cao, trong đó sử dụng hiện tượng
phóng dòng điện cao áp đế kích thích hồn hợp khí He, N2 và C 0 2 nhằm tạo ra tia sáng có
bước sóng không đổi. Tia laser này còn được khuyếch đại bởi phán xạ liên tiếp giữa hai
gương song song. Một trong hai gương này sẽ truyền một phần và cho tia thoát ra, tạo
nên chùm tia laser. Để tránh quá nhiệt, hồn họp khí được bô sung liên tục. Các ứng dụng
công nghiệp đòi hỏi chùm tia laser cỏ công suất đến 5 k\v. Trên hình 1.9 là sơ đồ quá
trình hàn laser.

Hhnh 1.9. Sơ đồ quá trình hàn laser
Chùm tia laser được hội tụ và<0 vật hàn bởi một gương hội tụ (không thể hiện trên hình
1.9) và đê có đạt được chất lượng hàn cần thiết, mật độ năng lượng và tốc độ hàn phái
tương ứng với loại vật liệu cân hàn và chiều dày tấm. Kích thước nhỏ của điếm hội tụ đòi
hòi kiêm soát chính xác việc gá lăp trước khi hàn. Ta có thê sư dụng dây hàn bố sung,
mặc dù đây là quá trình cho phép hàn ngấu không cần vật liệu bố sung các tấm có chiều
dày khá lớn. Khi hàn cân sư dụng khí bao vệ đôi với vũng hàn, tuy nhiên chi có những
loại khí bào vệ có thê năng ion hóa cao như helium mới cho phép ngăn được việc hình

19