Hồ quang áp lực, một công cụ mạnh để hàn MIG/MAG

Nội dung text: Hồ quang áp lực, một công cụ mạnh để hàn MIG/MAG

1. HỒ QUANG ÁP LỰC, MỘT CÔNG CỤ MẠNH ĐỂ HÀN MIG/MAG FORCE ARC, A POWERFUL TOOL FOR MIG/MAG WELDING Ngô Tấn Hải TÓM TẮT Hiện nay công nghệ hàn đóng một vai trò rất quan trọng trong việc chế tạo kết cấu, thiết bị cơ khí, đặc biệt là các kết cấu dạng tấm và dạng ống. Bài báo trình bày những ưu điểm vượt trội của phương pháp hàn hồ quang áp lực so với các phương pháp hàn hồ quang thông thường hiện nay trên kết cấu thép tấm. Phương pháp hàn này có ý nghĩa rất thiết thực trong việc cải thiện năng suất và chất lượng mối hàn, tiết kiệm năng lượng sử dụng, đồng thời mở rộng khả năng công nghệ cho lĩnh vực hàn trong giai đoạn hiện nay. Các kết quả thí nghiệm kiểm tra chất lượng mối hàn cho thấy độ bền của mối hàn khi hàn bằng phương pháp này có độ ổn định và độ tin cậy cao. ABSTRACT Currently, the potential of the Force Arc Welding Process is easily in the creation of defect free welds in almost all of the carbon and alloy steels. The success and applicability of the process, however, will depend on the performance of the welds compared to other joining process. Experimental testing and evaluation are necessary for the determination of the mechanical respone of Force Arc Welds and vital to the development and optimization of the Force Arc Welding Process. The goal of experimental testing Force Arc Welds in this thesis is to obtain the data necessary to begin understanding the effects of parameters the Force Arc Welding to process. An attempt has been made to evaluate and compare modelling and experimental. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Đối với công nghệ hiện nay, để hàn được vật liệu dầy có rất nhiều phương pháp hàn, nhưng có hai phương pháp được sử dụng phổ biến nhất. Một là phương pháp hàn tự động dưới thuốc. Nhược điểm của phương pháp này là tiêu tốn nhiều thuốc hàn, chỉ thực hiện được một số vị trí hàn, không gian hàn hạn chế, nguồn nhiệt lớn dễ gây biến dạng và tồn tại ứng suất dư bên trong mối hàn, tiêu tốn nhiều vật tư và năng lượng sử dụng, thiết bị cồng kềnh, đắt tiền. Hai là phương pháp hàn bán tự động trong môi trường khí bào vệ. Phương pháp này cũng có nhiều nhược điểm như hồ quang dịch chuyển dạng phun gây tiếng ồn, kim loại bị thất thoát do văng bắn, dễ phát sinh khuyết tật rỗ khí do hồ quang dài, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn, tiêu tốn vật tư nhiều do phải hàn nhiều lớp, độ sâu nóng chảy thấp. Như vậy cả hai phương pháp nầy đều mang lại hiệu quả kinh tế thấp, chất lượng sản phẩm chưa cao. Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn hồ quang áp lực nhằm đưa vào sản xuất một phương pháp hàn mới có thể tiết kiệm được chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm là mục tiêu chủ yếu của bài báo. 2. NỘI DUNG Các dạng dịch chuyển của kim loại lỏng vào bể hàn khi hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ bao gồm dịch chuyển dạng cầu, dịch chuyển dạng phun và dịch chuyển dạng ngắn mạch. Hồ quang thường được ứng dụng để hàn hiện nay là hồ quang phun (SprayArc). Khi hàn GMAW thì bề mặt mối hàn có thể được bảo vệ bằng khí trơ (Hêli, Argon), khí hoạt tính 1
2. (CO2) hoặc khí trộn (CO2 + Ar). Cho đến cuối những năm 1980, tiêu chuẩn DIN 1910-4 đã cho ra đời các khái niệm mới về sự dịch chuyển của giọt kim loại vào bể hàn như “fine droplets”, “short-circuit-proof” (tạm dịch là giọt mịn, chống ngắn mạch). Tuy nhiên, để thực hiện được điều này thì hồ quang phải dài, tức là điện áp hồ quang lớn (Hình 1). Điều này sẽ không có lợi trong một số trường hợp bởi vì hồ quang sẽ biến thành hồ quang thổi gây thất thoát kim loại lỏng, đặc biệt là một số nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Hình 1a: Hồ quang SprayArc Hans-Ulrich Pomaska đề xuất thu ngắn hồ quang phun bằng cách hạ thấp điện áp, chiều dài và thời gian ngắn mạch rất ngắn, tuy nhiên khi đó sẽ có sự tăng lên của điện áp nhưng sự thay đổi này rất ít. Không có sự bắn tóe xảy ra trong quá trình này, chỉ có ánh sáng của hồ quang. Trong quá trình hồ quang cháy chỉ nghe tiếng tanh tách thay vì tiếng động lớn của hồ quang SprayArc. Hình 2.4 thể hiện đường biểu diễn sự thay đổi của cường độ dòng điện và điện áp theo thời gian đặc trưng của quá trình này. Hình 2: Đường biểu diễn sự thay đổi dòng điện và điện áp theo thời gian của hồ quang phun Một số trường hợp mong muốn hồ quang ngắn hơn nữa, tức là tiếp tục giảm điện áp hồ quang, nhưng không thể thực hiện được vì khi đó sẽ bị ngắn mạch và gây nên sự bắn tóe nếu hồ quang cháy trở lại. Nhờ vào công nghệ của biến tần và kỹ thuật điều khiển số hiện đại, người ta đã can thiệp được vào quá trình này bằng cách kiểm soát nhanh tốc độ của hồ quang ngắn với thời gian ngắn mạch lâu hơn. Dòng điện chạy qua nhanh chóng để gây hồ quang cho đến khi đạt được điện áp danh nghĩa cài đặt làm giảm mạnh thời gian của pha ngắn mạch và giảm sự hình thành bắn tóe đến mức tối thiểu. Loại hồ quang mới này là kết quả nghiên cứu của quá trình phát triển công nghệ được gọi là hồ quang áp lực (ForceArc) sẽ được trình bày rõ hơn dưới đây. Hồ quang được rút ngắn bằng cách tiếp tục giảm điện áp thấp hơn so với loại hồ quang ngắn. Hình 3 minh họa sử dụng hình ảnh tĩnh từ một phim tốc độ cao thể hiện hồ quang cháy trong lòng bể kim loại nóng chảy tạo nên một áp lực. Điều này tạo điều kiện tốt cho các giọt kim loại lỏng di chuyển liên tục vào bể hàn. Với sự dịch chuyển dạng này sẽ có một số giọt 2
3. tiếp xúc nhau tạo ra sự ngắn mạch tạm thời và sẽ gây ra sự bắn toé nếu hồ quang cháy trở lại. Để dòng điện và điện áp vẫn duy trì trong thời gian ngắn mạch, người ta sử dụng chu kỳ ngắn mạch khi hàn hồ quang ngắn. Hình 3: Hình ảnh tĩnh của hồ quang ForceArc Khi các giọt kim loại lỏng tiếp xúc với nhau, điện áp của giọt đầu tiên sẽ giảm xuống (Hình 4) bởi vì điện trở của giọt kim loại thấp hơn điện trở của nó trước đó khi hồ quang cháy làm dòng điện ban đầu tăng lên đến trị số ngắn mạch. Điều này làm năng lượng nhiệt tăng lên (I.U.t), phạm vi của vùng năng lượng này sẽ ngăn chặn sự bắn tóe của kim loại lỏng. Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Hồ quang cháy Ngắn mạch Sự cháy lại Hình 4: Sự phân chia giai đoạn của loại hồ quang ngắn mạch Với nguồn điện thông thường không thể giảm dòng điện thấp hơn trong một thời gian ngắn khi cần thiết vì sự cảm ứng của nguồn điện này không cho phép kiểm soát nhanh dòng điện do khả năng hạn chế của biến áp. Trường hợp này khác với nguồn biến tần bởi vì các cảm ứng được cài đặt bằng điện tử, ngay cả khi ngắn mạch vẫn được kiểm soát. Sự lên xuống của dòng điện trong giai đoạn ngắn mạch và sự cháy trở lại của hồ quang được ổn định rất nhanh chóng. Có rất ít khả năng gây ra bắn tóe do mật độ dòng điện tăng làm cho dạng dịch chuyển của kim loại lỏng chuyển từ giọt sang chảy theo dòng. Sự tăng vọt điện áp có thể được sử dụng như một đầu vào cho việc điều khiển. Để đạt được điều này phải đo điện áp liên tục ứng với các thay đổi tương ứng của điện áp nhằm đo được giá trị tức thời. Hình 5 thể hiện ví dụ về hồ quang ForceArc, ngay cả khi ngắn mạch vẫn đạt được giá trị của dòng và áp và không có sự bắn tóe. Tất cả các sự thay đổi về dòng, áp và sự cháy lại của hồ quang được điều khiển bởi Inverter và đã được cài đặt sẵn theo chu kỳ 10 ms, do đó hồ quang được ổn định rất nhanh chóng. Tất nhiên khi đó lưu lượng khí bảo vệ phải đủ để che chắn vùng hàn không bị ảnh hưởng của không khí bên ngoài. 3
4. Hình 5: Đường biểu diễn sự thay đổi dòng điện và điện áp theo thời gian của hồ quang áp lực Tóm lại, hồ quang áp lực là loại hồ quang mà sự cháy xảy ra trong lòng bể kim loại nóng chảy tạo ra một áp lực lớn và sự dịch chuyển của kim loại lỏng là sự dịch chuyển theo dòng. Ưu điểm của hồ quang áp lực so với hồ quang phun: - Sự dịch chuyển của giọt kim loại tốt nhờ áp lực hồ quang lớn nên độ sâu nóng chảy cao. - Dễ dàng khống chế do hồ quang ổn định. - Không có sự bắn toé do hồ quang rất ngắn. - Năng suất tăng lên nhờ tốc độ hàn cao hơn. - Chất lượng mối hàn tốt hơn do vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ đồng thời giảm được biến dạng. 3. KẾT LUẬN Qua thực nghiệm hàn bằng phương pháp Force Arc trên thép cacbon và sau khi kiểm tra chất lượng mối hàn bằng phương pháp siêu âm, thử kéo, kiểm tra tổ chức tế vi cho thấy mối hàn hoàn toàn không có khuyết tật bên trong, độ bền kéo của mối hàn lớn hơn ứng suất cho phép của vật liệu cơ bản, không có tổ chức ferit hình kim có hại cho cơ tính mối hàn. Từ những ưu điểm vượt trội của hồ quang áp lực, ta đưa ra qui trình hàn bằng phương pháp Force Arc như sau: - Đối với những kết cấu hàn chịu tải trọng trung bình như vỏ tàu, dầm cầu, vì kèo, bồn chứa, sử dụng phương pháp Force Arc để hàn với = 30 – 350 (so với góc vát theo các tiêu 0 chuẩn hiện nay là 60 ), Ih = 230 – 240 A, Uh = 30 – 32 V, góc vát chữ V, hàn một phía(áp dụng cho vật liệu có chiều dầy từ 20 đến 40 mm). - Đối với những kết cấu hàn chịu tải trọng lớn như bình chịu áp lực, đường ống dẫn 0 nhiên liệu, sử dụng phương pháp Force Arc để hàn với = 40 – 45 , Ih = 230 – 240 A, Uh = 30 – 32 V, góc vát chữ V, hàn một phía (áp dụng cho vật liệu có chiều dầy từ 20 đến 40 mm). TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đức Thắng, Đảm bảo chất lượng hàn, NXB KHKT, 2009. [2] Phùng Rân, Quy hoạch thực nghiệm ứng dụng, Trường ĐH SPKT TP.HCM, 2006. [3] B. Budig, ForceArc- a powerful tool for MIG/MAG welding, EWM HiTec Welding, GmbH, 2008. [4] B. Ivanov, Innovative Welding Processes, EWM HiTec Welding, GmbH, 2011. [5] AWS D1.1/D1.1M: 2010, Structural Welding Code—Steel, American National Standards Institute, 2010. [6] American National Standard, “Instron Test Method Brief”, ASTM E8-08 Standard, 2010. 4
5. THÔNG TIN TÁC GIẢ - Họ và tên: Ngô Tấn Hải - Địa chỉ: 38, Trần Khánh Dư, P.Tân Định, Q.1, TP.HCM - Điện thoại: 0984.410.454 – 0902.953.154 - Email: ngotanhai1971@gmail.com Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013 Tác giả Ngô Tấn Hải THÔNG TIN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN - Họ và tên: PGS.TS. Hoàng Trọng Bá - Địa chỉ: Bộ môn Công nghệ kim loại, Khoa Cơ khí chế tạo máy, trường ĐH SPKT TP.HCM - Điện thoại: 0909.914.490 XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013 Giảng viên hướng dẫn PGS.TS. Hoàng Trọng Bá 5
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.