Hồ quang điện trong kỹ thuật

Hồ quang điện trong kỹ thuật

1/ Hiện tượng hồ quang điện
1.1/ Tiếp xúc điện là gì?
1.1.1/ Khái niệm
Tiếp xúc điện là nơi mà dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác. Bề
mặt

tiếp

xúc

của

hai

vật

dẫn

được

gọi

là

tiếp

xúc

điện.

Các yêu cầu cơ bản của tiếp xúc điện:
•
•
•
•
•

Nơi tiếp xúc điện phải chắc chắn, đảm bảo
Mối nơi tiếp xúc phải có độ bền cơ khí cao.
Mối nối không được phát nóng quá gía trị cho phép.
Ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng điện cực đại đi qua.
Chịu được tác đông của môi trường (nhiệt độ, chất hoá học…)

Để đảm bảo các yêu cầu trên, vật liều dùng làm tiếp điểm có các yêu cầu:
•
•
•
•
•
•
•

Điện dẫn và nhiệt dẫn cao.
Độ bền chổng rỉ trong không khí và trong các khí khác.
Độ bền chống tạo lớp màng có điện trở suất cao.
Độ cứng bé để giảm lực nén.
Độ cứng cao để giảm hao mòn ở các bộ phận đóng ngắt.
Độ bền chịu hồ quang cao (nhiệt độ nóng chảy).
Đơn giản gia công, giá thành hạ.Một số vật liều dùng làm tiếp

điểm: Đồng, Bạc, Nhôm, Vonfram…


1.1.2/ Phân loại tiếp xúc điện
Dựa vào kết cấu tiếp điểm, có các loại tiếp xúc điện sau:
Tiếp xúc cố định: Các tiếp điể được nối cố định với các chi tiết dẫn dòng
điện như là: thanh cái, cáp điện, chỗ nối khí cụ vào mạch. Trong quá trình
sử dụng, cả hai tiếp điểm được gắn chặt vào nhau nhờ các bu – lông, hàn
nóng hay nguội.
Tiếp xúc đóng mở: Là tiếp xúc để đóng ngắt mạch điện. Trong trườnghợp
này ơhát sinh hồ quang điện, cần xác định khoảng cách giữa tiếp điểm
tĩnh và động dựa vào dòng điện định mức, điện áp định mức và chế độ
làm việc của khí cụ điện.
Tiếp xúc trượt: Là tiếp xúc ở cổ góp và vành trượt, tiếp xúc này cũng dễ
sinh ra hồ quang điện.
Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc
•
•
•
•
•
•

Vật liệu làm tiếp điểm (Vật liệu mềm tiếp xúc tốt)
Kim loại làm tiếp điểm không bị ôxy hóa.
Lực ép tiếp điểm càng lớn thì sẽ tạo nên nhiều tiếp điểm tiếp xúc.
Nhiệt độ tiếp điểm càng cao thì điện trở tiếp xúc càng lớn.
Diện tích tiếp xúc.
Thông thường dùng hợp kim để làm tiếp điểm.

1.2/ Hồ quang điện là gì?
1.2.1/ Khái niệm
Trong các khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện (cầu dao, contactor,
rơle…) khi chuyển mạch sẽ phát sinh hiện tượng phóng điện. Nếu dòng
điện ngắt dưới 0,1A và điện áp tại các tiếp điểm khoảng 250 – 300V thì
các tiếp điểm sẽ phóng điện âm ỉ. Trường hợp dòng điện và điện áp cao
hơn trị số trong bảng sau sẽ sinh ra hồ quang điện.

1.2.2/ Tính chất cơ bản của phóng điện hồ quang
•
•
•
•

Phóng điện hồ quang chỉ xảy ra khi các dòng điện có trị số lớn.
Nhiệt độ trung tâm hồ quang rất lớn và trong các khí cụ có thể
đến 6000÷80000K.
Mật độ dòng điện tại Catốt lớn (104 ÷ 105)A/cm2
Sụt áp ở Catốt bằng 10 ÷ 20V và thực tế không phụ thuộc vào
dòng điện.

1.2.3/Quá trình phát sinh và dập hồ quang
Quá trình phát sinh hồ quang điện


Đối với tiếp điểm có dòng điện bé, ban đầu khoảng cách giữa chúng nhỏ
tỏng khi điện áp đặt có trị số nhất định, vì vậy trong khoảng không gian
này sẽ sinh ra điện trường có cường độ rất lớn (3.107V/cm) có thể làm bật
điện tử từ Catôt gọi là phát xạ tự động điện tử (gọi là phát xạ nguội điện

tử). Số điện tử càng nhiều, chuyển động dưới tác dụng của điện trường
làm

ion

hoá

không

khí

gây

hồ

quang

điện.
Đối với tiếp điểm có dòng điện lớn, quá trình phát sinh hồ quang phức tạp
hơn. Lúc đầu mở tiếp điểm, lực ép giữa chúng có trị số nhỏ nên số tiếp
điểm tiếp xúc để dòng điện di qua ít. Mật độ dòng điện tăng đáng kể đến
hàng chục nghìn A/cm2, do đó tại các tiếp điểm sự phát nóng sẽ tăng đến
mức làm cho ở nhau, giọt kim loại được kéo căng ra trở thành cầu chất
lỏng và nối liền hai tiếp điểm này, nhiệt độ của cầu chất lỏng tiếp tục
tăng, lúc đó cầu chất lỏng bôc hới và trong không gian giữa hai tiếp điểm
xuất hiện hồ quang điện. Vì quá trình phát nóng của cầu thực hiện rất
nhanh nên sự bốc hới mang tính chất nổ. Khi cầu chất lỏng cắt kéo theo
sự mài mòn tiếp điểm, điều này rất quan trọng khi ngắt dòng điện quá lớn
hay quá trình đóng mở xảy ra thường xuyên.
Quá trình dập tắt hồ quang điện

Điều kiện dập tắt hồ quang là quá trình ngượi lại với quá trình phát sinh
hồ quang:
•
•
•
•
•

Hạ nhiệt độ hồ quang.
Kéo dài hồ quang.
Chia hồ quang thành nhiều đoạn nhỏ.
Dùng năng lượng bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang.
Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang
Thiết bị để dập tắt hồ quang.


•
•

•
•

Hạ nhiệt độ hồ quang bằng cách dùng hơi khí hoặc dầu làm
nguội, dùng vách ngăn để hồ quang cọ xát.
Chia hồ quang thành nhiều cột nhỏ và kéo dài hồ quang bằng
cách dùng vách ngăn chia thành nhiều phần nhỏ và thổi khí dập
tắt.
Dùng năng lương bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang,
năng lượng của nó tạo áp suất để thổi tắt hồ quang.
Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang (dùng điện

trởmắc song song với hai tiếp điểm sinh hồ quang).

2/ Tác hại của hồ quang điện
Phát sinh hồ quang khi đóng cắt có những tác hại chính sau đây:
Kéo dài thời gian đóng cắt: Do có hồ quang, nên ngay khi các đầu tiếp xúc
đã rời nhau ra, dòng điện vẫn bắc cầu qua dòng hồ quang để tồn tại, làm
thời gian dòng cắt kéo dài. Thời gian này phụ thuộc vào tốc độ dập hồ
quang. Chỉ khi hồ quang bị dập tắt hẳn mạch điện mới được cắt hẳn.
Khi đóng mạch, thì ngược lại, lúc hai đầu tiếp xúc với nhau, hồ quang phát
sinh làm xuất hiện dòng điện trong mạch. Do đó, thời gian đóng mạch bị
kéo dài.
1. Làm hỏng mặt tiếp xúc: Hồ quang là dạng phóng điện nhiệt độ

cao, nên dễ làm rỗ, làm cháy mặt tiếp xúc. Do đó, sau một số lần
đóng cắt, tiếp xúc ở mặt tiếp điểm xấu đi, làm tăng điện trỏ tiếp
xúc
2. Gây ra ngắn mạnh giữa các pha: Hồ quang tỏa ra từ các pha cạnh
nhau sẽ bắc cầu, gây ra phóng điện giữa các pha, tạo ra ngắn
mạch giữa các pha. Đây là trường hợp rất nguy hiểm, ta thường
gặp khi thao tác sai, chẳng hạn dùng dao cách ly để cắt mạch
dòng điện, lúc này hồ quang rất khó dập tắt, hồ quang lan rộng


3. Gây hỏa hoạn và tai nạn: Hồ quang mạnh ở môi trường có chất dễ

cháy sẽ dễ dàng gây ra hỏa hoạn. Nhiều trường hợp hồ quan
phóng cả vào người thao tác, gây ra bỏng nặng, rất nguy hiểm.
Khi hồ quang phóng chập chờn, dễ xảy ra hiện tượng cảm ứng, làm điện
áp cục bộ trên các thiết bị tăng cao, dẫn tới quá điện áp.
Chính vì thế, việc dập hồ quang là vấn đề rất lớn đốì với các thiết bị đóng

cắt điện áp cao, dòng điện lớn, nhất là khi phải cắt dòng điện ngắn mạch.
Người ta đã nghiên cứu ra nhiều kiểu máy cắt khác nhau để thỏa mãn yêu
cầu này.

Hàn hồ quang điện và những lưu ý

1/ Hàn hồ quang điện là gì?
Hàn hồ quang là hiện tượng phóng điện mạnh, liên tục trong môi trường
không khí giữa các điện cực trái dấu, làm không khí bị nung nóng, hiện
tượng này phát ra ánh sáng mạnh và nhiệt độ cao.
Hồ quang được đánh lửa qua chạm ngấn chi tiết với que hàn. Qua việc
kéo lại vài milimét, que hàn nhận được chiều dài đúng cho hàn. Động
năng của điện tử va chạm vào cực dương làm tăng nhiệt độ. ở cực âm
phát sinh một nhiệt độ khoảng 3600°c, ở cực dương nơi thường đặt ở chi
tiết, nhiệt độ vào khoảng 4200°c.
Sự dập hồ quang (Tác dụng thổi).Trong hàn hồ quang hồ quang bị lệch do
ảnh hưởng của trường điện từ, tự hình thành chung quanh dây dẫn điện
mỗi lẩn dòng điện chạy qua. Que hàn đứng thẳng trên chi tiết, đường lực


ở trong vòng cong hướng vể phía cực bị đẩy vào nhau và nới lỏng ở phía
đối diện. Trong phạm vi nới lỏng này hồ quang sẽ chệch hướng.



Sự tác dụng dập hổ quang chủ yếu xảy ra trong khi hàn với dòng điện một
chiều, đặc biệt là trong hàn thép. Nó có thể mạnh đến mức không thể hàn
được. Việc giảm bớt tác dụng thổi có thể đạt được qua cách đặt kẹp cực ở
chi tiết, thay đổi chiều hàn, sử dụng que hàn có vỏ bọc dày, độ dốc của
que hàn so với hướng thổi hay qua hàn với dòng điện xoay chiều.

1.1/ Khi hàn hồ quang
Loại và đường kính của que hàn được xác định bởi bể dày nguyên liệu, vật
liệu của chi tiết và loại hàn (hàn kết nối hay hàn đắp). Khi hàn, que hàn
nóng chảy phải được bổ sung liên tục để chiều dài hổ quang không thay
đổi. Bằng cách dẫn hướng tương ứng của que hàn, người ta có thể ảnh
hưởng đến hướng và áp lực của hồ quang để bể kim loại nóng chảy tiếp
tục chảy không theo hướng hàn. Tránh xỉ tạp và lỗi kết nối hàn. Đoạn còn
dư của que hàn nóng chảy đạt nhiệt độ nung đỏ có nghĩa là dòng điện hàn
bị chỉnh quá lớn. Nếu dòng điện hàn này quá nhỏ, hồ quang có thể được
đánh lửa kém và được giữ (kềm lại) và xỉ lỏng làm cản trở sự kết nối của
một mối hàn bình thường.
ở hàn hổ quang tay, chiều dài hổ quang nên tương đương với đường kính
lõi của que hàn.
Khoảng hở mối hàn lớn được hàn nhiều lớp (Hình 2). Xỉ của đường hàn
trước phải được loại bỏ hoàn toàn. Lớp hàn phủ được hàn với chuyển động
dao động ngang.


1.2/ Dụng cụ và thiết bị
Năng lượng của hồ quang mang tính tập trung và được dùng để nung
chảy kim loại khi hàn.
Có thể tải dòng điện hàn từ 5A đến 2000A và điện áp có thể thấp đến 10V.
Có dạng hình chuông, phần loe luôn hướng về phía vật hàn. Chiều dài hồ
quang tỉ lệ với điện áp hàn, khi chiều dài hồ quang vượt quá giới hạn nào
đó nó sẽ tự tắt. Dòng điện càng lớn thì khả năng kéo dài hồ quang càng
lớn.
1. Vật hàn: phải được làm sạch trước khi hàn.
2. Kìm kẹp mát: nối với vật hàn càng gần với vị trí hàn nhất có thể.
3. Điện cực: trước khi mồi hồ quang, gắn que hàn vào kìm hàn. Que

hàn đường
kính
nhỏ
thì
cần
cường
điện thấp hơn so với que hàn đường kính lớn.

độ

dòng


4. Kìm hàn
5. Vị trí cầm kìm hàn
6. Chiều dài hồ quang: là khoảng cách từ đầu que hàn đến vật

hàn. Hồ quang ngắn với cường độ dòng điện phù hợp sẽ cho ra
âm thanh giòn, kim loại ít văn tóe. Chiều dài hồ quang tùy thuộc
vào đường kính que hàn (luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng đường
kính que hàn). Ví dụ, chiều dài hồ quang hàn đối với que hàn
đường kính 1,6 và 2,5 mm là khoảng 1,6 mm; chiều dài hồ quang
của que hàn ø3,2mm và ø4mm là 3mm
7. Xỉ hàn: sử dụng búa gõ xỉ (có đầu nhọn) và bàn chải sắt để làm
sạch mối hàn. Sau khi gõ xỉ, kiểm tra và quan sát mối hàn trước
khi hàn đường hàn khác.

Sự phân bố nhiệt độ của hồ quang cực Cacbon:
1. Cực âm t = 3200°C

2. Cực dương t = 3400°C
3. Trung tâm cột hồ quang có t°max = 6000°C


1.3/ Phân loại hồ quang hàn
Phân loại theo cách đấu dây
•
•
•

Đấu dây trực tiếp: sử dụng que hàn thiêu hủy
Đấu dây gián tiếp: sử dụng que hàn không thiêu hủy
Đấu dây vừa trực tiếp vừa gián tiếp: sử dụng que hàn không thiêu
hủy.

Phân loại theo điện cực
•
•

Điện cực không nóng chảy: than, graphit, Wonfram.
Điện cực nóng chảy: que hàn bằng kim loại

Phân loại theo dòng điện
•
•

Hàn hồ quang bằng dòng điện xoay chiều (AC: Alternative
Current)
Hàn hồ quang bằng dòng điện một chiều (DC: Direct Current)

2/ Những yêu cầu đối với dòng điện hàn hô
quang
Điện áp không tải


•
•

AC từ 40 ÷ 80V
DC từ 60 ÷ 90V

Dòng ngắn mạch: Icc/I h = 1,1 ÷ 1,5 (đôi khi đến 2 cho các thiết bị
nặng)
Sự thay đổi điện áp hàn không làm thay đổi dòng điện quá lớn (đối với
thiết bị cung cấp)
Điện áp quy ước của hồ quang hàn (Conventional Voltage): Điện áp
của hồ quang hàn phụ thuộc vào vật liệu và môi trường khí bảo vệ đồng
thời cũng phụ thuộc vào các đặc tính điện của máy hàn (độ dốc dòng
ngắn mạch, đáp ứng quá độ…). Do vậy, để bảo đảm que hàn có thể hoạt
động như nhau trên tất cả các chủng loại máy hàn, người ta tiêu chuẩn
hóa quan hệ V-I của hồ quang hàn
Hàn que:
1. Uh = 25 Volts khi I h : 0 ÷ 100A
2. Uh = 40 Volts khi I h > 600A
3. Uh = 25 + 0,03I h Volts khi I h : 100A ÷ 600A
4. Hàn TIG U h = 10 + 0,04I h Volts khi I h : 0 ÷ 600A
5. Uh = 34 Volts khi I h > 600A
6. Hàn MIG – MAG U h = 14 + 0,05I h Volts khi I h : 0 ÷ 600A
7. Uh = 44 Volts khi I h > 600A

Các máy hàn có yêu cầu và đặc điểm sau
Điện áp bảo đảm an toàn vận hành và mồi hồ quang dễ dàng AC ≤ 80V,
DC ≤ 90V
•

Cường độ: điều chỉnh có cấp hoặc vô cấp từ 30 ÷ 600A


•

Chu kỳ tải (Duty cycle) là hệ số đặc trưng cho khả năng tải của
thiết bị, nó được định nghĩa là thời gian hàn liên tục ở dòng điện
xác lập tính trong thời gian 10 phút.

Hệ số này đồng thời cũng cho biết khả năng quá tải và cỡ của thiết bị hàn.
Thông thường chu kỳ tải co giá trị từ 20% ÷ 100%.
Ví dụ: máy có Imax 150 A, chu kỳ tải 40% có nghĩa là máy có khả năng
hàn liên tục trong 4 phút khi dòng điện hàn là 150. Sau đó phải nghỉ 6
phút để phục hồi các đặc tính điện. Chu kỳ tải là thông số đặc trưng cho
cấu trúc, vật liệu nguồn điện và khả năng làm mát của thiết bị. Nói cách
khác qua đó ta có thể đánh giá được năng lực và tính thích hợp của nguồn
điện hàn khi ứng dụng.

3/ An toàn khi hàn hồ quang
Trong hàn MIG /MAG (theo ISO 857-1 Hàn hồ quang kim loại trong môi
trường khí bảo vệ), một hổ quang dòng điện một chiều cháy giữa cực
dương của dây điện cực và chi tiết (Hình 1). Dây hàn nóng chảy được dẫn
từmột cuộn dây trên một thiết bị dẫn tiến qua bộ cáp dây đến đẩu hàn
(đẩu súng hàn). Bước dẫn tiến của dây hàn (Tốc độ cấp dây) tùy thuộc
vào tốc độ nóng chảy. Trong đầu hàn, dòng điện hàn được truyền ngay

trước hó quang qua béc điện tiếp xúc vào dây điện cực Tại đoạn ngắn ở
cuối dây nhô ra ngoài, mật độ dòng điện cao vì tiết diện dây của điện cực
nhỏ. Qua đó hàn đạt được công suất nóng chảy cao và độ thâm nhập sâu.
Dây điện cực đặc hay dây điện cực nhồi (lõi) sử dụng làm vật liệu bổ sung.
Lõi (nhân) chứa chất khoáng của dây điện cực nhồi tạo ra một lớp xỉ trên
mối hàn để bảo vệ trước sựoxy hóa và tôi (biến) cứng bề mặt.


Sự điều chỉnh. Dòng điện hàn và bước dẫn tiến dây (tốc độ cấp dây) được
điểu chinh trước khi hàn. Nó tùy thuộc vào vật liệu, khí bảo vệ, bề dày của
chi tiết và đường kính của dây. ở những thiết bị hàn hiện đại, các thông số
khác nhau thí dụ nhưdòng điện cơ bản và dòng điện cao hoặc tần số xung
điểu chỉnh được cũng nhưcácchương trình hàn đặc biệt, trong đó vật liệu
và độ dày nguyên liệu hàn được lập trình sẵn, chỉ cẩn gọi ra để áp dụng.
Phương pháp hàn MIG/MAG rất phù hợp cho hàn tự động.
Các phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ quan trọng là hàn MIG,
hàn MAG, hàn WIG (TIG) và hàn hổ quang plasma.Tất cả các phương pháp
hàn trong môi trường khí bảo vệ, hố quang và bể kim loại nóng chảy
(vũng hàn) được ngăn che chống không khí bằng khí bảo vệ. Qua đó có
thể sử dụng các dây hàn (thường có đường kính từ 0,8 mm đến 2 mm)
làm vật liệu hàn bổ sung. Người ta phân biệt phương pháp hàn bằng điện
cực nóng chảy và phương pháp hàn điện cực không nóng chảy voníram
(Bảng 1).


Việc sử dụng khí bảo vệ tùy thuộc vào vật liệu và phương pháp hàn. Khí
bảo vệ sử dụng như là các khí trơ (phản ứng chậm) (Ar, He), các loại khí
khử (H2), các loại khí oxy hóa (C02) và các loại khí hỗn hợp (Bảng 2).

Các khí trơ ứng dụng để hàn đặc biệt cho hàn kim loại không chứa sắt và

thép chống mài mòn Cr-Ni, khí kích hoạt chủ yếu cho thép carbon. Khí
kích hoạt là khí dễ phản ứng thí dụ như C02 và khí hỗn hơp hoặc khí kích
hoạt”corgon 18″ (khí argon +18% C02) được sử dụng thường xuyên.