Đề cương bài giảng công nghệ hàn 2003

Chương 1
HÀN ĐIỆN XỈ ( electroslag welding )
1.1.Nguyên lý và đặc điểm
1.1.1.Nguyên lý hàn điện xỉ
Hàn điện xỉ là quá trình hàn nóng chảy trong đó nhiệt lượng sinh ra do dòng điện chạy
qua thuốc hàn bị nóng chảy ( gọi là bể xỉ hàn nóng chảy ) trong rãnh hàn nằm giữa hai bề mặt
hàn. Rãnh hàn được điền đầy bằng kim loại mối hàn từ dưới nên trên do kim loại nóng chảy
được đưa vào thông qua điện cực nóng chảy ( điện cực dạng dây hàn, dạng tấm hoặc dạng
tấm dây )
- Sơ đồ hàn điện xỉ.
1.Chi tiết cần hàn có chiều dày lớn đặt
thẳng đứng cách nhau 1 khoảng cách
2.Tấm chắn ( má trượt) bằng Cu được
H
2
O làm mát. tấm trượt di động từ dưới
nên đồng bộ với vận tốc hàn
3. Ống dẫn H
2
O làm mát
4. Mối Hàn
5. Bể kim loại lỏng

Hình 1-1. Sơ đồ nguyên lý hàn điện xỉ
6. Bể xỉ nóng chảy do nhiệt hồ quang làm nóng chảy thuốc hàn tạo ra.
7. Điện cực tạo hồ quang với lớp kim loại lỏng ( do thuốc hàn, điện cực và một phần kim
loại cơ bản nóng chảy )
- Khi bể xỉ đủ lớn tiếp xúc với điện cực hồ quang tắt nhưng dòng điện vẫn chạy qua bể xỉ
đó. Do điện trở lớn của bể xỉ nhiệt lượng sinh ra đủ nung chảy thuốc hàn,điện cực, kim loại
cơ bản tạo thành vũng hàn
1.1.2. Đặc điểm của hàn điện xỉ

- Hàn được chi tiết rất dày từ vài chục đến vài nghìn mm
- Năng suất hàn cao ( cao hơn hàn dưới lớp thuốc 4 5 lần)
1
- Tiết kiệm nhiều thuốc hàn,
mức tiêu thụ thuốc hàn ( 0,2
0,3 kg/m). Ít hơn hàn dưới lớp
thuốc 20 30 lần
- Mức độ tập trung nhiệt nhỏ,
do sự tập trung nhiệt để nung
kim loại cơ bản nhỏ ( khoảng
10 20% mối hàn) do đó
-
lượng tạp chất vào mối hàn từ
kim loại cơ bản nhỏ
- Chất lượng mối hàn cao do
+Bể xỉ bảo vệ mối hàn khỏi
không khí bên ngoài xâm nhập

Hình 1-2. Túi dẫn kim loại mồi để khởi động quá trình hàn
+Kim loại mối hàn kết tinh từ dưới nên trên nên bọt khí tạp chất vào xỉ
- Có thể sử dụng một hoặc nhiều điện cực ( dây, tấm , dây tấm kết hợp )
- Sau khi hàn phải nhiệt luyện để được cơ tính mong muốn
+ Sử dụng :
- Hàn các kết cấu có S lớn ( bình áp lực tuabin, xilanh, bệ máy).
- Hàn đắp phục hồi bề mặt các trục cỡ lớn.
1.2. Điều kiện ổn định của quá trình hàn điện xỉ.
+ Hàn điện xỉ bao gồm 2 giai đoạn
1. Hình thành bể xỉ
2. Quá trình hàn.
+ Giai đoạn hình thành bể xỉ

- Bể xỉ được tạo ra bằng hồ quang giữa điện cực và mép hàn
- Giai đoạn này phải tạo ra được bể xỉ với mức tiêu thụ tối thiểu dây hàn
- Trong giai đoạn hình thành bể xỉ, khi có vũng hàn xuất hiện và phát triển, mép hàn còn chưa
được nung đủ, người ta thường tạo ra túi dẫn kim loại mồi để tránh khuyết tật mối hàn (không
ngấu mép )
2
- Thông số giai đoạn đầu tiên khác với thông số giai đoạn 2 tức là khi có hồ quang thì I
h
nhỏ
hơn và U
h
lớn hơn nhiều so với khi hàn điện xỉ ổn định.
+ Sự ổn định của quá trình hàn điện xỉ
Chịu ảnh hưởng 2 loại yếu tố:
1. Các điều kiện về sự liên tục của các quá trình điện và nhiệt trong bể xỉ.
2. Sự nóng chảy của điện cực (dây hàn )
- Quá trình hàn điện xỉ được coi là ổn định nếu trong thời gian dài nó liên tục được cấp I
h
và
U
h
ở các giá trị xác định.
- Hình vẽ sơ đồ ổn định của quá trình Hàn điện xỉ
(2) Đường đặc tính ( V – A ) cắt đường (1) đặc tính cứng của nguồn điện tại A.
- Tại A ứng với chế độ hàn U
1
và I
1
(2) Đường dốc đặc trưng sự chuyển đổi nhanh độ dẫn điện theo nhiệt độ bể xỉ.
(1) Đặc tính nguồn cứng ( có thể tăng, thoải, dốc )

- Chọn đặc tính nguồn phụ thuộc các yếu tố:
+Đường kính hoặc tiết diện điện cực
+Công suất hàn
+Nhu cầu điều chỉnh nhiệt độ bể xỉ.
- Đầu hàn điện xỉ có bộ cấp điện cực hàn với V
d
=
const
- Với đặc tính như đường (3) thì trị số I
h
hầu như
không đổi trong khoảng điện áp rộng của bể xỉ.

Hình 1-3. Sự ổn định của quá trình hàn
- Điểm A xác định chế độ hàn điện xỉ ổn định: Điện áp U, dòng I khi điện áp bể xỉ giảm tức
là giảm khoảng cách đầu điện cực đến vùng hàn ( Bể kim loại nóng chảy ) khi đó I
h
tăng lên
giá trị I, tốc độ V
c
điện cực tăng và điện áp U
1
được phục hồi. Khi U ⇒ I ⇒ V
c
điện
áp U
1
lại được phục hồi.
- Lưu ý không được xuất hiện hồ quang giữa đầu điện cực và bề mặt tự do của bể xỉ hoặc giữa
đầu điện cực và vũng hàn vì có thể gây khuyết tật mối hàn . Vì vậy để ngăn ngừa hồ quang

xuất hiện cần tạo ra bể xỉ đủ sâu, thuốc hàn có đặc tính ổn định hồ quang kém và điện áp
không tải thấp.
+ Biểu diễn các điều kiện đó cho chế độ nhiệt như sau:
P
c
= P
p
3
- P
c
: Công xuất tiêu thụ của bể xỉ khi có dòng điện chạy qua (W)
- P
p
: Lượng nhiệt (W) tiêu thụ vào việc nung chảy và nung nóng 1 phần kim loại cơ bản,
điện cực, má kẹp đồng.
- Đẳng thức cho biết sự cân bằng giữa lượng nhiệt sinh ra và lượng nhiệt tiêu thụ trong
vùng hàn.
- Nếu P
c
> P
p
Bể xỉ bị nung quá nhiệt có thể sôi làm quá trình hàn gián đoạn
- Nếu P
c
< P
p
 Bể xỉ nguội và mất tính dẫn điện làm ngừng quá trình hàn
+ Hình vẽ thể hiện sự cơ bản:

4

Hình 1-4: Sự cân bằng nhiệt trong bể xỉ
- Lượng nhiệt P
p
thoát khỏi bể xỉ qua bề mặt bể xỉ phụ thuộc kích thước bể xỉ, thể tích bể
xỉ. Khi tăng

thể tích bể xỉ → công suất hàn điện xỉ tăng
- Nhiệt độ tối đa bể xỉ ứng với đường cong P
Cmax
; T
o
tối thiểu ứng với đường cong P
Cmin

( hình vẽ )
- Xỉ hàn duy trì tính dẫn điện cao đảm bảo quá trình hàn ổn định trong 1 khoảng nhiệt độ
lớn (cao hơn nhiệt độ nóng chảy và thấp hơn của xỉ )
Hình 1-5: Quan hệ giữ công suất và thể tích bể xỉ
- Với một thể tích V
1
bể xỉ tồn tại khoảng công suất cho phép P
1
P
2
khá lớn
5
- Điều kiện cân bằng nhiệt trong bể xỉ:
- : Nhiệt độ bể xỉ [
o
C ]; điều kiện cân bằng này cho biết khi tăng nhiệt độ bể xỉ thì sự tăng

công suất tiêu thụ P
p
( tổn thất nhiệt từ bể xỉ ) phải cao hơn sự gia tăng công suât nhiệt phát
sinh P
c
( lượng nhiệt tiêu hao tạo bể xỉ) và ngược lại.
1.3. Sự hình thành mối hàn điện xỉ.
1.3.1. Đặc trưng phân bố nhiệt trong hàn điện xỉ.
- Nhiệt hàn trong bể xỉ là nguồn nhiệt chủ yếu cho hình thành mối hàn các nguồn nhiệt khác
coi như không đáng kể.
- Hầu hết công suất điện của nguồn điện hàn chuyển thành nhiệt nung phần xỉ gần kề đầu điện
cực tới trạng thái quá nhiệt
- Sơ đồ cân bằng nhiệt khi hàn điện xỉ.
Hình 1-6. Sơ đồ cân bằng nhiệt khi hàn điện xỉ (tấm dày 90mm)
1. Lượng nhiệt dùng nung nóng điện cực (23,6%) tổng lượng nhiệt phát sinh.
2. Lượng nhiệt do kim loai cơ bản hấp thụ (8,2%)
6
3. Lượng nhiệt bức xạ vào các mép vật hàn (1,3 %)
4. Lượng nhiệt thoát ra từ bể xỉ (2,6 %)
5. Tổn thất do bức xạ vào môi trường (1,2 %)
6. Lượng nhiệt dùng vào nung chảy một phần kim loại cơ bản tạo mối hàn (58,2 %)
7. Lượng nhiệt thoát ra từ vũng hàn vào má trượt bằng Cu (5,2 %)
8. Tổng nhiệt lượng thoát ra từ các mép vật hàn vào má trượt (7,8 %)
9. Lượng nhiệt dùng nung quá nhiệt kim loại vùng hàn (10,5 %)
+ So với hàn hồ quang, hàn xỉ điện mức độ tập trung nguồn nhiệt không cao do đó tốc độ
nung và nguội vật hàn thấp.
1.3.2. Hình dạng và kích thước mối hàn điện xỉ:
- Thông số cơ bản chế độ hàn điện xỉ có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng mối hàn thông
qua hình dạng và kích thước mối hàn.
- Hàn điện xỉ chiều sâu ngấu không còn ý nghĩa mà chiều rông mối hàn (b) là thông số quyết

định chủ yếu đến hình dạng và kích thước mối hàn.
- Chiều rộng mối hàn thay đổi ảnh hưởng đến:
+ Điều kiện kết tinh bể kim loại lỏng
+ Lượng kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn, thành phần hóa học mối hàn
- Các thông số cơ bản của chế độ hàn điện xỉ: V
h
; I
h
; U
h
; khoảng các giữa các điện cực
- Thông số bổ xung của quá trình hàn:
+Chiều sâu bể xỉ
+Thành phần thuốc hàn
+Khe hở hàn
+ Tấm với điện cực
+Tốc độ điện cực V
d
+Tốc độ dao động ngang điện cực
+Tấm với khô điện cực (dây hàn)
- Ảnh hưởng của một số thông số đến chiều rộng (b) mối hàn:
7
Hình 1-7. Sự phụ thuộc của kích thước và hình dạng mối hàn vào thông số hàn
+ Chiều sâu bể xỉ h
x
: (25 70) mm

I
h
+ Tốc độ dao động ngang điện cực: 25 40 m/h

+Tấm với khô L
vk
: 60 80 mm
- Khi I
h

⇒ V
c
⇒ h
vh
; khi I
h
lớn ⇒ b vì h
vh

⇒ bể xỉ nhận được ít nhiệt hơn.
- V
d
(100÷500 m/h) điện cực được nhúng sâu vào bể xỉ ⇒U, h
vh
, b giảm (hình c,e)
- Ψ
mh
= khi I
h
→ Ψ
mh
1.4. Chế độ hàn điện xỉ
- Chế độ hàn xỉ điện có thể chọn theo bảng hoặc tính toán theo công thức thực nghiệm
- Tính toán chọn chế độ hàn trong trường hợp sử dụng điện cực dây ( thông dụng nhất)

- Chọn chế độ hàn thích hợp đảm bảo chất lượng và hình dạng mối hàn xuất phát từ hai điều
kiện.
1. Chế độ hàn phải đảm bảo ngấu, chiều rộng chảy mép hàn nằm trong khoảng 6÷10
mm về mỗi phía.
2. Hàn theo chế độ, vật liệu đã chọn trong kim loại mối hàn không xuất hiện nứt kết
tinh.
8
a) Khe hở hàn : Chọn theo chiều dày chi tiết cần hàn S (mm)
S <30 <100 <150 150÷500 >500
16±2 22±2 25±3 30±3 35±3
b) Đường kính dây hàn d và số dây hàn n
d
- Thiết bị hàn điện xỉ thông dụng thường sử dụng điện cực có đường kính 3mm (1 số trường
hợp 5mm)
- Tùy theo chiều dầy tấm cần hàn có thể sử dụng 1 hay nhiều dây hàn
Số dây hàn n
d
Chiều dầy chi tiết S (mm)
Không dao động ngang Có dao động ngang
1 40÷60 60÷150
2 60÷100 100÷300
3 100÷150 150÷450
- Khi S > 450 mm, n
d
= ; l
d
Khoảng các giữa các dây hàn l
d
= 30÷50 mm Khi không dao
đông ngang ; l

d
= 50÷180 mm khi có dao động ngang.
C) Cường độ dòng điện hàn I (A)
I = A+ B(S/n
d
), S chiều dầy chi tiết; n
d
: Sô dây hàn , A = 220÷280 ; B = 3,2 ÷ 4,0
n
d
=1 ⇒ I = A +B.S
- Ngoài ra cường độ dòng hàn phụ thuộc tốc độ cấp dây hàn theo quan hệ tuyến tính:
I = (1,6÷2,2).V
d
d) Điện áp hàn U(V):
U
h
=12+
0,5
e) Tốc độ dao động ngang của dây hàn V
n
(m/h)
V
n
= 66 - 22.10
-2
x (s/n
d
)
f) Thời gian đảo chiều điện cực t

đ
(s)
T
d
=75.10
-2
+375.10
-4
x (s/n
đ
); t
d
)
h) Tốc độ hàn V ( m/h)
- Xuất phát từ lượng dây hàn tham gia mối hàn bằng lượng kim loại đắp.
V.F
d
= n
d
.V
d
.f
d
+ V: Tốc độ hàn
+ F
d
: Diện tích tiết diện ngang kim loai đắp
9
+ n
d

: Số dây hàn;
+ V
d
: Tốc độ cấp dây hàn;
+ f
d
: Diện tích tiết diện ngang dây hàn
- Hệ số đắp trung bình hàn điện xỉ
+ ( : Khe hở hàn; K = 1,05 ÷1,10 Hệ số chiều dầy khe hở hàn)
+ ;
+ V
d
= ; g: Khối lượng 1m dây hàn (g/m)
+ V = ; khối lượng riêng dây hàn (g/m
3
)
i) Chiều sâu bể xỉ h
x
(mm)
h
x
= I. (375.10
-7
.I + 25.10
-4
) +30
k)Tầm với điện cực : l
v
Khoảng các từ đầu dây hàn tới mép dưới của đầu kẹp điện cực có thể chọn l
v

: (60÷70)
mm
Bài tập:
Xác định chế độ hàn điện xỉ bằng điện cực dây để hàn mối hàn giáp mối các chi tiết có
chiều dày S = 120mm khi hàn bằng 1 điện cực, 2 điện cực, 3 điện cực. Cho d = 3mm,
α
d
= 33g/A.g
1.5. Thiết bị và vật liệu hàn điện xỉ
1.5.1. Thiết bị hàn điện xỉ.
+ Phải đáp ứng những yêu cầu sau:
- Khe hở mép hàn chứa lượng kim loại và xỉ nóng chảy lớn
- Mối hàn có vị chí thắng đứng
- Hàn một lượt duy nhất trên toàn bộ chiều dài mối hàn và chiều dầy S vật hàn như không
hạn chế
+ Yêu cầu cụ thể đối với thiết bị hàn điện xỉ là:
- Có bộ phận giữ cưỡng bức vũng hàn trong khe hở giữa các mức hàn
- Có cơ cấu dịch chuyển đầu hàn và các hệ thống liên quan theo phương thẳng đứng dọc
theo mép hàn
- Nguồn điện có đặc tuyến và thông số đảm bảo cho sự ổn định của quá trình hàn
- Có cơ cấu dao động ngang dây hàn
+ Các bộ phận cơ bản
10
1) Nguồn điện hàn (biến áp, chỉnh lưu có đặc tuyến cứng) dải dòng điện hàn
(750÷1000A); U
0
= 60V; khởi động từ bộ điều khiển điện áp thứ cấp, điều khiển dòng
hàn; vôn kế; A kế.
2) Đầu hàn có bộ phận điều khiển, bộ cấp dây hàn, cơ cấu nâng
3) Bộ cấp dây hàn V

d
= const và bộ dao động ngang dây hàn bố trí tại đầu hàn
4) Bộ phận ống dẫn dây hàn
5) Má kẹp làm mát bằng đồng (1 cặp)
1.5.2. Vật liệu hàn điện xỉ
+ Hàn thép thông dụng: Dây hàn thép C thấp 0,08%C, thuốc hàn thông dụng loại axit thành
phần chính (AN-8) thành phần: SiO
2
:33÷36% ; MnO:21÷26%; CaO: 4÷7%; MgO: 5÷7,5%;
Al
2
O
3
:11÷15%; CaF
2
: 13÷19%; Fe
2
O
3
: 1,5÷3,5%; S 0,15%; P 0,15%
- Thuốc nung chảy có độ hạt 0,35 4mm; có thể sử dụng thuốc hàn thông thường loại hàn
dưới lớp thuốc
1.6. Các dạng liên kết hàn
1.6.1. Liên kết hàn giáp mối
Hình 1-8. Liên kết hàn điện xỉ giáp mối
1.6.2.Liên kết chữ T góc
11
Hình 1-9. liên kết hàn điện xỉ chữ T và góc
1.6.3. Chuẩn bị liên kết trước khi hàn
+ Các yếu tố quan trọng với công tác chuẩn bị trước khi hàn là

- Hình dạng và độ nhám bề mặt mép hàn
- Tình trạng bề mặt cạnh bên nơi các má trượt dọc theo mối hàn.
+ Chuẩn bị bề mặt phụ thuộc chiều dầy S của tấm, cấp chính xác hình học cần thiết và tầm
quan trọng của kết cấu
- Chi tiết có S < 200mm, mép hàn cắt bằng (O
2
- C
2
H
2
) với độ nhấp nhô bề mặt tối đa 2÷3
mm, Độ lệch vuông góc tối đa vết cắt 4mm theo phương thẳng đứng.
- S > 200mm phương pháp chuẩn bị bề mặt tốt nhất là cắt bằng gia công cơ, chỗ các tấm má
trượt làm việc cần được gia công cơ tới độ nhám cấp 3 ÷ 4 trong một khoảng 60 ÷ 80 mm tính
từ mép tấm.
- Định vị các tấm hàn dùng tấm thép dầy có độ cứng vững lớn khoảng cách các tấm kẹp theo
chiều dài mối hàn 500÷800mm
1.7. Kỹ thuật hàn
1.7.1. Kỹ thuật hàn mối hàn thẳng
+ Được thực hiện một lượt theo phương thẳng đứng từ dưới lên trên, một số trường hợp đặc
biệt có thể thực hiện các mối hàn nghiêng 15 ÷ 20
0
so với phương thẳng đứng
12
+ Để bù lại giá trị ban đầu khi hàn và duy trì khe hở hàn ⇒ các chi tiết được lắp ghép với khe
hở lớn dần theo phương từ dưới lên ( hình vẽ)
Hình 1-10. Góc mở khe hở hàn để khắc phục biến dạng hàn
1.Tấm kim loại cơ bản
2. Tấm dẫn ở phần đầu mối hàn
3. Bản dẫn ở phần cuối mối hàn để loại bỏ khuyết tật trên bề mặt mối hàn

: Góc mở (1 ÷2
0
)
b
t
: Khe hở ở phần cuối mối hàn
b
d
: Khe hở ở phần đầu mối hàn
+ Thực hiện mối hàn
- Đặt chi tiết đã lắp ghép vào vùng hoạt động của thiết bị hàn
- Đặt tầm với điện cực cần thiết, kiểm tra độ song song má trượt làm mát
- Đẩy điện cực vào khe hở, thử dao động ngang
- Hạ đầu hàn xuống phần đầu mối hàn và kẹp chặt má trượt vào vật hàn
- Gây hồ quang tạo bể xỉ thường kéo dài 3÷5 phút.Khi hồ quang tắt quá trình hàn
bắt đầu, má trượt chuyển động lên trên cùng với tốc độ hàn
1.7.2. Kỹ thuật hàn mối hàn vòng
13
+ Phức tạp hơn nhiều so với mối hàn thẳng do phải khớp phần bắt đầu và kết thúc mối hàn do
đó:
Yêu cầu độ lệch mép hàn khắt khe, chênh lệch đường kính chi tiết không vượt quá
Lệch mép tối đa khi lắp ghép là 0,5 ÷1,0mm; Liên kết vòng có đường kính lớn; chiều dày nhỏ
dưới 100mm, Độ lệch chi tiết không vượt quá 3mm
+ Gá kẹp chi tiết: Đảm bảo khe hở hàn
- Vị trí bắt đầu mối hàn tạo túi dẫn bằng cách hàn đính các tấm thép vào bề mặt mép hàn 1
trong 2 chi tiết.
- Các tấm đệm I, II và III được kẹp chặt tại các vị trí cần thiết nhằm tạo khe hở cần thiết tại vị
trí đó.
- Sau đó hàn đính từ 6 ÷ 8 tấm gá kẹp định vị 2 chi tiết cần hàn lại với nhau theo chu vi.
+ Kỹ thuật thực hiện mối hàn vòng gồm 3 giai đoạn.

- Phần đầu mối hàn (điền đầy túi dẫn)
- Phần giữ mối hàn
- Phần kết thúc mối hàn (đóng kín mối hàn theo chu vi)
+Tốc độ thực hiện mối hàn vòng nhỏ hơn mối hàn thẳng cùng chiều dầy từ (10÷15%)
a)Giai đoạn điền đầy túi dẫn:
- Chi tiết không quay đầu hàn nâng dần nên theo tốc độ điền đầy túi
- Khi chiều sâu bể xỉ đạt 20÷30mm bổ xung dây hàn 2 và tăng chiều sâu bể xỉ lên giá trị
(40÷50) mm thông qua việc tăng dần tốc độ cấp dây
- Khi tầm với điện cực giảm xuống đến 70mm
đầu hàn được đưa về chế độ nâng.

14
S(mm) Khe hở tại vị trí các tấm đệm
Tấm I Tấm II Tấm III
20÷50 25 29 27
50÷100 28 32 30
100÷150 30 34 32
150÷200 32 35 34
200÷250 33 37 35
250÷300 34 38 36
300÷450 36 41 38
Hình 1-11. Chuẩn bị khe hở hàn mối hàn vòng
Hình 1-12. Giai đoạn bắt đầu và giai đoạn tiếp tục hàn hàn mối hàn vòng
- Nếu khe hở hàn lớn: Cho dây hàn dao động ngang, tấm dao động ngang khống chế
15÷18mm. Vi trong giai đoạn này chiều rộng hàn tăng liên tục ( đến khi đạt toàn bộ chiều dầy
cần hàn)
- Đầu hàn ngừng chuyển động nên trên, khi bề mặt trên má trượt đạt vị trí cao hơn đường kính
nằm ngang vật hàn khoảng 50÷60mm, chế độ hàn chuyển sang giai đoạn 2 thực hiện phần
giữa mối hàn
b)Giai đoạn thực hiện phần giữa mối hàn.

15
- Giai đoạn này chi tiết quay với tốc độ bằng tốc độ hàn và đầu hàn cố định không nâng( hình
trên bên phải)
- Cần kiểm tra các thông số trong giai đoạn này:
+ Vị trí dây hàn
+ Dòng điện hàn, điện áp hàn, V
h
; h
x
+ Độ ép chặt của má trượt, dao động ngang của dây hàn. Sau khi hàn hết 1/3 chiều dài
đường hàn phần đầu mối hàn đã thực hiện ở giai đoạn đầu sẽ được cắt theo biên dạng cần
thiết (có sử dụng dưỡng đo) bằng phương pháp cắt bằng oxi – khí cháy, sau đps làm sạch
bẳng phương pháp cơ học để loại bỏ khuyết tật.
c) Giai đoạn kết thúc mối hàn
- Giai đoạn khó nhất trong toàn bộ quá trình hàn điện xỉ mối hàn vòng vì phải thực hiện
những biện pháp đặc biệt để điền đầy phần mối hàn có chiều dầy giảm dần.
- Giai đoạn này tốc độ cấp dây và điện áp hàn được tăng dần
- Hình vẽ dưới mô tả giai đoạn kết thúc mối hàn vòng
- Vật hàn ngừng chuyển động quay khi phần cắt thẳng của phần đầu mối hàn đạt vị trí thẳng
đứng. Đồng thời đầu hàn chuyển về chế độ nâng dần theo phương thẳng đứng, má trượt trong
kéo ra khỏi vật hàn ( h.a.b)
- Trong toàn bộ giai đoạn này cần chú ý má trượt không bị tấm dẫn điện vào dây hàn chạm
phải tránh hiện tượng đánh lửa (hồ quang), nhưng cũng phải để nó tiến tới khá gần mép trên
của má trượt (10 -12mm) nhằm đảm bảo chiều sâu ngấu cần thiết
- Hàn xong phần thẳng đứng đoạn kết thúc mối hàn đầu hàn dừng lại vật hàn tiếp tục quay
(h.c), tốc độ hàn

giảm còn (0,3 ÷ 0,35 m/h), điện áp hàn

giảm còn (3÷5 V).

- Khi biên độ dao động ngang của dây giảm còn 30mm điện cực (dây hàn) bên trái loại bỏ,
mối hàn kết thúc bằng điện cực còn lại (h.d)
16
Hình 1-13. Giai đoạn kết thúc mối hàn vòng
17
Chương 2
HÀN HỒ QUANG PLASMA
2.1. Nguyên lý, đặc điểm và ứng dụng
2.1.1. Nguyên lý hàn hồ quang plasma
Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang plasma:
Hình 2-1: Hồ quang và sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang plasma
+ Khác với hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (h.a) khi hàn
hồ quang plasma (h.b) điện cực không nóng chảy (W) là hồ quang plasma một phần cột hồ
quang nằm bên trong một buồng khí bao quanh bằng kim loại và được làm mát bằng nước.
Buồng này kết thúc bằng một lỗ phun tại vòi phun hình trụ đồng trục với điện cực (h.d)
- Dòng khí tạo plasma qua lỗ phun có thể tích không đổi, được làm mát và được nén lại, dòng
khí được cách nhiệt và cách điện với bề mặt lỗ vòi phun .
- Một phần khí này đi qua hồ quang, bị ion hóa và chuyển thành plasma
18
- Kết cấu của mỏ hàn hồ quang plasma dòng khí tạo thành plasma có thể chảy đồng trục,
nhưng cũng có thể chẩy theo hướng tiếp tuyến với điện cực
-Vòi phun có tác dụng nén hồ quang và có hai kích thước quan trọng là
Đường kính lỗ phun d
c
; chiều dài vòi phun Lc; khoảng cách Ly từ đầu điện cực đến mặt
ngoài vòi phun được gọi là khoảng lùi điện cực; khoảng cách H từ đầu mặt ngoài vòi phun
đến vật hàn được gọi là khoảng cách làm việc của mỏ hàn hồ quang plasma .
- Khi hàn ngoài dòng khí tạo plasma còn dùng thêm dòng khí bảo vệ vùng tiếp xúc hồ quang
và vật hàn, bảo vệ vũng hàn nóng chảy.
Như vậy coi hàn hồ quang plasma là một quá trình hàn có hồ quang nén và kéo dài

2.1.2. Các phương pháp hàn hồ quang plasma
- Hàn hồ quang Plasma sử dụng trong hàn và cắt chia thành hai loại
+ Hồ quang gián tiếp (còn gọi là hồ quang không chuyển tiếp hoặc hồ quang trong)
+Hồ quang trực tiếp (còn gọi là hồ quang chuyển tiếp hoặc hồ quang ngoài )
-Hồ quang nén gián tiếp: được hình thành giữa điện cực và lỗ phun của vòi phun (h.a) Hồ
quang gián tiếp nhiệt hồ quang truyền vào vật hàn thông qua truyền nhiệt đối lưu và bức xạ áp
dụng hàn các vật liệu không dẫn điện
- Hồ quang nén trực tiếp: có hai hồ quang
+Giữa catot và lỗ phun
+Giữa catot và vật hàn ( h.b)
-Với hồ quang trực tiếp vật hàn nhận thêm nhiệt thông qua năng lượng của các hạt tích điện di
chuyển trong cột hồ quang.
19
Hình 2-2.Sơ đồ nguyên lý hồ quang plasma gián tiếp
-Hồ quang trực tiếp hiệu suất cao hơn gián tiếp (10 – 30 % ). Áp dụng hàn các mối hàn có
chất lượng với chiều sâu ngấu toàn bộ 7 – 10 mm , do áp lực hồ quang tác dụng lên vùng hàn
lớn
-Khi hàn vật dầy, dải điều chỉnh thông số hàn bị thu hẹp đáng kể đặc biệt lưu lượng khí
plasma (nếu tăng lưu lượng quá giá trị tới hạn, quá trình hàn chuyển thành quá trình cắt) .
Thông qua biện pháp thay đổi thông số hình học của buồng khí và vòi phun sẽ tăng dải điều
chỉnh các thông số hàn (I
h
, lưu lượng khí tạo plasma ,V
h
, chiều dày tối đa tấm kim loại có thể
hàn).
- Để tạo dáng tốt hàn tấm có vát mép sử dụng dây hàn phụ như hàn điện cực không nóng chảy
trong khí bảo vệ .
2.1.3. Các đặc điểm và ứng dụng
- So với hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ : 5000 đến

6000
O
K, hồ quang dạng hình nón.
- Hàn plasma cột hồ quang hình trụ nhiệt độ cao hơn nhiều, nhiệt tập chung cao chiều sâu
tăng, vùng ảnh hưởng nhiệt giảm.
+Hồ quang plasma có ưu điểm:
- Tập trung năng lượng cao
- Độ ổn định hồ quang cao hơn khi dòng hàn nhỏ
20
- Dòng khí plasma có tốc độ cao hơn
- Thông số vùng hàn ít phụ thuộc vào sự thay đổi khoảng cách làm việc
- Không xảy ra hiện tượng nhiễm điện cực vonfram vào vũng hàn
- Yêu cầu kỹ thuật thợ hàn thấp hơn hàn tay
+Nhược điểm hàn hồ quang plasma :
- Thiết bị đắt tiền hơn
- Vòi phun có tuổi thọ thấp
- Thợ hàn phải có kiến thức về hàn plasma
- Tiêu thụ khí bảo vệ cao
+Các ứng dụng của plasma:
- Thay thế cho các quá trình hàn đắt tiền (laser , hàn tia điện tử …)
- Hàn plasma cho phép hàn tay, lẫn cơ giới
- Hàn các kết cấu đòi hỏi chất lượng cao (bình nhiên liệu tàu con thoi, vỏ tàu ngầm, bể chứa
hóa chất, thiết bị hóa thực phẩm, dày truyền hàn ống )
- Hàn các chi tiết y học, điện tử cần kín giảm được năng lượng đưa vào.
2.2. Hồ quang plasma
- Hồ quang trực tiếp (sử dụng dòng điện một chiều cực thuận) có ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp do khả năng điều chỉnh các đặc trưng nhiệt, điện, cơ học và hình học của hồ
quang .
2.2.1 Các đặc trưng nhiệt của hồ quang plasma.
+ Chia hồ quang nén thành một số đoạn theo chiều dài

- Đoạn1: Nằm ở kênh dẫn vòi phun,tại đây xẩy ra tác động nén và ổn định hóa hồ quang.
- Đoạn 2: Nằm giữa đầu mặt ngoài của vòi phun và vật hàn, đoạn này nằm trong vùng tác
động của khí bảo vệ, sự tồn tại phụ thuộc vào tính chất môi trường bảo vệ
- Đoạn 3: cột hồ quang đi qua chiều dày vật hàn ( cung cấp nhiệt nung chảy kim loại )
-Năng lượng cột hồ quang: q = U.I; (q

U, I)
+ q tiêu thụ vào: Nung catot (q
k
) ; vòi phun ( q
c
); tỏa ra môi trường xung quanh (q
m
); trao
đổi nhiệt với vật hàn (q
a
) và thoát ra ngoài theo dòng plasma xuyên qua vật hàn (qt)
q = q
k
+ q
c
+ q
m
+ q
a
+ q
t
+ Tổn thất nhiệt vào catot q
tk
:

Q
tk
= q
i
+ q
j
+ q
ck
q
i
: Nhiệt giải phóng tại vết catot khi bị các ion bắn phá
q
ck
: Nhiệt điện cực nhận được do trao đổi nhiệt với cột hồ quang
- Nhiệt giải phóng tại vết catot tính theo công thức:
21
q
i
= I ( I-α) ( u
k
+ u
i
+
k
)
u
k
: Điện áp trên catot ( V)
α: Tỉ lệ điện tử dòng hồ quang [ - ]
u

i
: điện thế ion hóa của các ion (+) đi vào catot ( V )
: công thoát điện tử vật liệu catot (eV)
- Nhiệt Joule – lentz sinh ra tại điện cực được tính theo công thức:
q
j
= . ρ .
ρ : Điện trở riêng W
l
e
: Tầm với điện cực [ mm ]
d
e
: Đường kính điện cực [ mm ]
- q
ck
= 0 vì điện cực có do tiết diện điện cực nhỏ
+Lượng nhiệt đi vào catot q
k
:
q
k
= q
e
+ q
hh
+ q
bx
+ q
g

+ q
nh
+ q
lm
q
k
: Lượng nhiệt vào catot
q
e
: Công thoát điện tử từ catot
q
hh
: Nhiệt nung nóng chảy điện cực
q
bx
: Nhiệt bức xạ
q
lm
: Nhiệt thoát qua nước làm mát
q
g
: Nhiệt truyền và dòng khí plasma ( trao đổi bằng đối lưu và bức xạ )
q
nh
: Nhiệt do các điện tử thoát khỏi catot dưới dạng nhiệt năng
+ Nhiệt q
c
cột hồ quang tiêu tốn tại kênh vòi phun được xác định như sau:
q
c

= α
c
. F
c
( T
g
– T
c
)
α
c
: Hệ số dẫn nhiệt từ cột hồ quang vào vòi phun ( J. )
F
c
: Bề mặt trao đổi nhiệt giữa cột hồ quang và vòi phun )
T
g
: Nhiệt độ trung bình cộ hồ quang theo tiết diện ngang vòi phun ( K )
T
c
: Nhiệt độ trung bình tại bề mặt vòi phun ( K )
+ Lượng nhiệt cột hồ quang tán ra môi trường xung quanh q
m
tính theo công thức:
q
m
: Nhiệt hồ quang tản ra môi trường xung quang
q’
m
: Tổn thất nhiệt thông qua bức xạ ở đoạn hồ quang hở

q″
m
: Tổn thất nhiệt nung nóng khí xung quanh cột hồ quang
22
+ Lượng nhiệt vật hàn nhận được bao gồm nhiệt dùng để nung và nung chẩy kim loại cơ bản,
phần còn lại dùng vào việc bay hơi kim loại và bức xạ. Trường hpj tổng quát, có thể coi cân
bằng nhiệt này là:
q
ae
= q
ctd
+ q
cbx
= q
a
+ q
abx
+ q
abh
q
ae
:Nhiệt anốt (vật hàn) nhận được từ dòng điện tử
q
ctd
: :Nhiệt nhận được thông qua trao đổi nhiệt với cột hồ quang plasma
q
cbx
: Nhiệt nhận được thông qua bức xạ từ cột hồ quang
q
a

: Nhiệt dùng vào việc nung anốt
q
abx
:Nhiệt dùng vào bức xạ từ vết anốt
q
abh
: Nhiệt dùng vào bay hơi từ vật liệu anốt
+ Lượng nhiệt nhận được từ dòng điện tử gồm thế năng, động năng và nhiệt năng của dòng
điện tử
q
ae
= I(U
a
+ φ
a
+ )
U
a
: Sụt áp anốt
K: Hằng số boltzman
ϕ
a
: Công thoát của vật liệu anốt
T: Nhiệt độ hồ quang
e: Điện tích điện tử
+ Sự phân bố nhiệt của hồ quang nén giữa điện cực, kênh vòi phun, vật hàn và dòng plasma
thoát ra khỏi “lỗ khoá” tại bề mặt dưới của vũng hàn phụ thuộc vào sự thay đổi các thông số
công nghệ hàn hồ quang plasma
+Hiệu suất nung vật hàn bằng hồ quang (η) tăng khi tăng lưu lượng khí tạo plasma, đường
kính kên vòi phun và giảm các giá trị như I

h
, L
c
. Góc vát điểm cực và khoảng cách làm việc
hầu như không ảnh hưởng đến η
2.2.2.Các đặc trưng điện của hồ quang plasma
+ Gồm các đại lượng:
- I
h
, U
h
, tổng công suất điện hồ quang N, Cường độ điện trường E trên từng đoạn hồ quang: E
c
trên vòi phun, E
o
giữa miệng vòi phun và vật hàn, mức độ giảm điện áp trên catốt và anốt U
ka
,
đặc trưng (V –A) của hồ quang v.v
- I
h
: Là thông số chính của hồ quang cũng như của quá trình hàn, nó ảnh hưởng đến các đặc
trưng hình học và đặc trưng nhiệt của hồ quang, khả năng hàn ngấu và độ ổn định của hồ
quang.
23
- Một trong các nhược điểm của hàn hồ quang Plasma là với các thông số vòi phun (d
c
,l
c
) cố

định thì I
h
≤ I
th
để tránh xẩy ra hiện tượng hồ quang kép (hồ quang bắc cầu), khi mà ngoài hồ
quang làm việc giữa điện cực và vật hàn, còn có thêm một hồ quang giữa vòi phun và vật hàn,
làm tăng mức độ tải nhiết của vòi phun tác động đến tuổi thọ vòi phun
- Nguyên nhân xuất hiện hồ quang kép là I
h
tăng làm cho đường kính cột hồ quang tăng. Khi
tăng I
h
tới giá trị nhất định thi d
hq
tiến tới giá trị đường kính trong của vòi phun (d
c
), khi đó độ
dày lớp “khí lạnh” giữa thành của kênh dẫn khí trong vòi phun và cột hồ quang giảm điều này
làm tăng tính dẫn điện của nó và tạo điều kiện đánh thủng lớp cách điện đó.
- Vì vậy, để ngăn khả năng hình thành hồ quang kép, cần tạo điều kiện ngăn đánh thủng điện
áp qua lớp khí lạnh đó (điều kiện thứ nhất), tức là mức giảm điện áp bên trong vòi phun
U
c
= E
c
.L
c
< U
dt
L

c
: Chiều dài vòi phun (mm)
E
c
: Cường độ điện trường của vòi phun [w /mm]
U
dt
: Điện áp đánh thủng lớp khí
U
c
: Điện áp bên trong vòi phun
U
dt
: Phụ thuộc vào chiều dày lớp khí, độ dẫn nhiệt lớp khí, tốc độ chẩy và cột hồ
quang. Khi bị đánh thủng, điều kiện để hồ quang kép trở nên ổn định là (điều kiện thứ
hai)
E
c
.L
c
≤ U
a
+ U
k
trong đó
U
a
: Mức giảm điện áp trên anốt của hồ quang thứ 1
U
k

: Mức giảm điện áp trên catốt của hồ quang thứ 2
- Điều kiện thứ nhất là điều kiện xuất phát và cơ bản vì điều kiện này bị phá vỡ thì điều kiện
thứ hai sẽ hình thành, khi thỏa mãn điều kiện thứ nhất thì hồ quang tồn tại ổn định
- Xác suất hình thành hồ quang kép sẽ giảm khi tăng khoảng cách làm việc của hồ quang (H),
tắt hồ quang mồi, giảm chiều dài vòi phun (L
c
), tăng lưu lượng khí tạo plasma, giảm độ lùi
điện cực(L
y
), tăng đường kính lỗ vòi phun (d
c
) và cải thiện điều kiện làm mát vòi phun.v.v
- Hồ quang kép bị loại trừ khi:
- Chiều dài vòi phun không nhỏ hơn đường kính catốt (L
c
≥ d
catot
) và chiều dài vòi phun
không lớn hơn đường kính lỗ vòi phun (d
c
≥ L
c
)
+ Đặc tính V-A của hồ quang
- Hàn hồ quang plasma dòng một chiều cực thuận điện áp phân bố không đều dọc trục. Trị số
phân bố điện áp ở các phân đoạn khác nhau của hồ quang cho phép chọn đúng kích thước
hình học vòi phun và chế độ hàn tối ưu.
24
- Hình vẽ đường đặc tính tĩnh hồ quang plasma có (dc= 4mm) với các khí bảo vệ và đặc trưng
hồ quang khác nhau

1,2. Hồ quang nén plasma; 3: Hồ quang của điện cực Vonfram khi hàn trong khí trơ;
∆: khí bảo vệ CO
2
; o: khí bảo vệ argon; ●: không có khí bỏ vệ
Hình 2-3. Đường đặc tính tĩnh của hồ quang Plasma
- Hình vẽ cho thấy so với hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong khí bảo vệ thì
• Hàn hồ quang plasma U
h
tăng nhanh hơn khi I
h
tăng
• Điện áp hồ quang plasma phụ thuộc vào loại khí bảo vệ .Khí CO2 làm nguội
hồ quang mạnh hơn do có tính dẫn nhiệt và nhiệt dung cao hơn so với Ar
2.2.3.Đặc trưng lực của hồ quang plasma
+Chiều sâu chảy khi hàn phụ thuộc đáng kể vào áp lực hồ quang nén plasma, hồ quang đẩy
kim loại vùng hàn và làm tăng cường độ nung chẩy kim loại
+Các yếu tố tạo nên áp lực hồ quang bao gồm:
-Va chạm đàn hồi của các chất tích điện vào bề mặt vùng hàn
- Phản lực của dòng hơi kim loại bay hơi từ bề mặt vùng hàn
- Động lực của dòng khí và hơi kim loại định hướng dưới tác động của lực điện trường
và lực từ trường
- Áp lực điện tử nên anốt
+Lực tác dụng p của hồ quang nên vùng hàn tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện hàn
theo công thức:
P = K
- Hệ số K chiều dài hồ quang
+ Ý nghĩa của công thức là ở chỗ lực của hồ quang được xác định chủ yếu bằng các lực điện
từ xuất hiện trong hồ quang (như một dây dẫn) khi dòng điện tương tác với từ trường riêng
25