Bên cạnh các yếu tố quy trình, các yếu tố khác trong quá trình hàn, chẳng hạn như kích thước rãnh và khe hở, góc nghiêng của điện cực và phôi, và vị trí không gian của mối hàn, cũng có thể ảnh hưởng đến sự hình thành và kích thước mối hàn.
Ảnh hưởng của dòng điện hàn đến sự hình thành mối hàn
Trong một số điều kiện nhất định, khi dòng điện hàn hồ quang tăng lên, độ sâu thâm nhập và độ bền của đường hàn tăng lên, đồng thời chiều rộng mối hàn cũng tăng nhẹ. Nguyên nhân là như sau:
1) Khi dòng hàn hồ quang tăng lên, lực hồ quang tác dụng lên mối hàn tăng lên, lượng nhiệt hồ quang cung cấp cho mối hàn tăng lên, và vị trí nguồn nhiệt dịch chuyển xuống dưới, điều này có lợi cho sự dẫn nhiệt theo chiều sâu của vũng nóng chảy và làm tăng độ sâu xuyên thấu. Độ sâu xuyên thấu tỷ lệ thuận với dòng hàn. Độ sâu xuyên thấu mối hàn H xấp xỉ bằng Km × I. Trong công thức, Km là hệ số xuyên thấu (số milimét mà độ sâu xuyên thấu mối hàn tăng lên khi dòng hàn tăng thêm 100 A), có liên quan đến phương pháp hàn hồ quang, đường kính dây, loại dòng điện, v.v. như thể hiện trong Bảng 1-1.
| các phương pháp hàn hồ quang | đường kính điện cực/mm | dòng điện hàn/A | điện áp/V | tốc độ hàn/phút-1 | hệ số xuyên thấu/m m-100A-1 |
hàn hồ quang argon vonfram | 3.2 | 100~350 | 10~16 | 6~18 | 0,8~1,8 |
| | 1.6 lỗ vòi phun | 50~100 | 20~26 | 10~60 | 1.2~2 |
| 3.4 lỗ vòi phun | 220~300 | 28~36 | 18~30 | 1,5~2,4 |
| | 2 | 200~700 | 32~40 | 15~100 | 1.0~1.7 |
| 5 | 450~1200 | 34~44 | 30~60 | 0,7~1,3 |
hàn hồ quang argon điện cực nóng chảy | 1.2~2.4 | 210~550 | 24~42 | 40~120 | 1,5~1,8 |
| Hàn CO2 | 0,8~1,6 | 70~300 | 16~23 | 30~150 | 0,8~1,2 |
| 2~4 | 500~900 | 35~45 | 40~80 | |
Bảng 1-1 Hệ số độ sâu nóng chảy Km cho các phương pháp và thông số hàn hồ quang khác nhau (thép hàn)
2) Tốc độ nóng chảy của lõi hàn hoặc dây hàn trong hàn hồ quang tỷ lệ thuận với dòng điện hàn. Vì sự tăng dòng điện hàn trong hàn hồ quang dẫn đến tăng tốc độ nóng chảy của dây hàn, nên lượng dây hàn nóng chảy tăng lên xấp xỉ tỷ lệ thuận, trong khi chiều rộng mối hàn tăng ít hơn, do đó độ bền của mối hàn tăng lên.
3) Khi dòng hàn tăng lên, đường kính cột hồ quang tăng lên. Tuy nhiên, độ sâu mà hồ quang xuyên vào phôi tăng lên, và phạm vi di chuyển của điểm hồ quang bị hạn chế. Do đó, sự tăng chiều rộng mối hàn tương đối nhỏ.
Trong hàn MIG (hàn khí bảo vệ kim loại), khi dòng hàn tăng, độ sâu thâm nhập mối hàn cũng tăng. Nếu dòng hàn quá lớn và mật độ dòng quá cao, hiện tượng thâm nhập dạng ngón tay dễ xảy ra, đặc biệt là khi hàn nhôm.
Ảnh hưởng của điện áp hồ quang đến sự hình thành mối hàn
Trong một số điều kiện nhất định, khi tăng điện áp hồ quang, công suất hồ quang tăng lên, và lượng nhiệt cung cấp cho mối hàn cũng tăng lên. Tuy nhiên, việc tăng điện áp hồ quang đạt được bằng cách tăng chiều dài hồ quang. Việc tăng chiều dài hồ quang dẫn đến tăng bán kính nguồn nhiệt hồ quang và tăng khả năng tản nhiệt của hồ quang. Kết quả là, mật độ năng lượng cung cấp cho mối hàn giảm, do đó độ sâu thâm nhập giảm nhẹ trong khi chiều rộng đường hàn tăng lên. Đồng thời, vì dòng điện hàn không đổi và lượng dây hàn nóng chảy không đổi, nên độ bền của đường hàn giảm đi.
Đối với các phương pháp hàn hồ quang khác nhau, để đạt được mối hàn thích hợp, tức là duy trì hệ số tạo mối hàn φ phù hợp, khi tăng dòng hàn thì điện áp hồ quang cũng phải được tăng lên tương ứng. Cần có sự tương quan thích hợp giữa điện áp hồ quang và dòng hàn. Điều này thường thấy nhất trong hàn hồ quang điện cực tiêu hao.
Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến sự hình thành mối hàn
Trong một số điều kiện nhất định, việc tăng tốc độ hàn sẽ dẫn đến giảm lượng nhiệt hàn, do đó làm giảm cả chiều rộng và độ xuyên thấu của mối hàn. Vì lượng kim loại dây được đắp trên mỗi đơn vị chiều dài mối hàn tỷ lệ nghịch với tốc độ hàn, điều này cũng dẫn đến giảm độ dày thành mối hàn.
Tốc độ hàn là một chỉ số quan trọng để đánh giá năng suất hàn. Để nâng cao năng suất hàn, cần tăng tốc độ hàn. Tuy nhiên, để đảm bảo kích thước mối hàn đáp ứng yêu cầu trong thiết kế kết cấu, khi tăng tốc độ hàn, dòng điện hàn và điện áp hồ quang cũng cần được tăng lên tương ứng. Ba đại lượng này có mối liên hệ mật thiết với nhau. Đồng thời, cũng cần xem xét rằng khi tăng dòng điện hàn, điện áp hồ quang và tốc độ hàn (tức là sử dụng hồ quang hàn công suất cao và hàn tốc độ cao), các khuyết tật hàn như lõm và nứt có thể xảy ra trong quá trình hình thành vũng nóng chảy và quá trình đông đặc của vũng nóng chảy. Do đó, việc tăng tốc độ hàn bị hạn chế.
Ảnh hưởng của loại dòng điện hàn, cực tính và kích thước điện cực đến sự hình thành mối hàn
1. Các loại và cực tính của dòng điện hàn
Các loại dòng điện hàn được chia thành dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều. Trong đó, hàn hồ quang dòng điện một chiều được chia nhỏ hơn nữa thành dòng điện một chiều liên tục và dòng điện một chiều xung tùy thuộc vào việc có xung hay không; nó được chia thành dòng điện một chiều nối dương (mối hàn được nối với cực dương) và dòng điện một chiều nối ngược (mối hàn được nối với cực âm) theo cực tính. Hàn hồ quang dòng điện xoay chiều được chia nhỏ hơn nữa thành dòng điện xoay chiều hình sin và dòng điện xoay chiều hình vuông theo các dạng sóng dòng điện khác nhau. Loại và cực tính của dòng điện hàn có thể ảnh hưởng đến lượng nhiệt truyền từ hồ quang đến mối hàn, do đó có thể ảnh hưởng đến sự hình thành mối hàn. Đồng thời, nó cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình chuyển giọt kim loại và loại bỏ lớp màng oxit trên bề mặt kim loại nền.
Khi sử dụng phương pháp hàn hồ quang khí trơ vonfram (TSG) để hàn các vật liệu kim loại như thép và titan, độ xuyên thấu mối hàn sâu nhất khi nối dòng điện một chiều theo chiều dương, độ xuyên thấu nông nhất khi nối dòng điện một chiều theo chiều ngược lại, và dòng điện xoay chiều nằm giữa hai trường hợp này. Vì độ xuyên thấu mối hàn sâu nhất khi nối dòng điện một chiều theo chiều dương và điện cực vonfram có độ hao mòn do cháy ít nhất, nên cần sử dụng nối dòng điện một chiều theo chiều dương khi hàn TSG để hàn các vật liệu kim loại như thép và titan. Khi sử dụng phương pháp hàn dòng điện một chiều xung (PDC) trong hàn TSG, vì các thông số xung có thể điều chỉnh được, nên kích thước mối hàn có thể được kiểm soát theo yêu cầu. Khi sử dụng TSG để hàn nhôm, magie và hợp kim của chúng, cần sử dụng hiệu ứng làm sạch catốt của hồ quang để làm sạch lớp màng oxit trên bề mặt kim loại nền. Dòng điện xoay chiều tốt hơn. Vì các thông số dạng sóng của dòng điện xoay chiều sóng vuông có thể điều chỉnh được, nên hiệu quả hàn tốt hơn.
Trong hàn hồ quang kim loại khí (GMAW), khi dòng điện một chiều được đấu ngược, độ xuyên thấu và chiều rộng mối hàn đều lớn hơn so với trường hợp dòng điện một chiều được đấu thuận. Độ xuyên thấu và chiều rộng mối hàn của hàn dòng điện xoay chiều nằm giữa hai trường hợp trên. Do đó, trong hàn hồ quang chìm (SMAW), người ta thường sử dụng đấu ngược dòng điện một chiều để đạt được độ xuyên thấu lớn hơn; trong khi đó, trong hàn phủ bề mặt bằng hồ quang chìm, người ta sử dụng đấu thuận dòng điện một chiều để giảm độ xuyên thấu. Trong hàn GMAW có khí bảo vệ, vì đấu ngược dòng điện một chiều không chỉ cho độ xuyên thấu lớn mà hồ quang hàn và quá trình chuyển giọt cũng ổn định hơn so với đấu thuận dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều, đồng thời có tác dụng làm sạch catốt, nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi. Đấu thuận dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều thường không được sử dụng.
2. Ảnh hưởng của hình dạng đầu điện cực vonfram, đường kính dây hàn và chiều dài phần nối
Góc độ và hình dạng của đầu que hàn có ảnh hưởng lớn đến độ tập trung của hồ quang và áp suất hồ quang. Chúng cần được lựa chọn dựa trên dòng điện hàn và độ dày của phôi. Nói chung, hồ quang càng tập trung và áp suất hồ quang càng lớn thì độ sâu thâm nhập càng lớn, trong khi chiều rộng mối hàn giảm tương ứng.
Trong hàn hồ quang kim loại khí (GMAW), khi dòng hàn không đổi, dây hàn càng nhỏ thì nhiệt độ hồ quang càng tập trung, độ sâu thâm nhập tăng lên và chiều rộng mối hàn giảm xuống. Tuy nhiên, khi lựa chọn đường kính dây hàn trong các dự án hàn thực tế, cần phải xem xét cả cường độ dòng điện và hình thái vũng hàn để tránh tạo ra mối hàn kém chất lượng.
Khi chiều dài dây hàn kéo dài trong hàn hồ quang kim loại khí tăng lên, nhiệt lượng sinh ra do dòng điện hàn chạy qua phần dây kéo dài cũng tăng lên, làm tăng tốc độ nóng chảy của dây. Do đó, độ bền mối hàn tăng lên, trong khi độ sâu xuyên thấu giảm đi một chút. Do điện trở suất tương đối lớn của dây hàn thép, ảnh hưởng của chiều dài dây kéo dài đến sự hình thành mối hàn khá rõ rệt khi hàn bằng dây thép và dây mảnh. Điện trở suất của dây hàn nhôm tương đối nhỏ, nên ảnh hưởng của nó không đáng kể. Mặc dù việc tăng chiều dài dây kéo dài có thể cải thiện hệ số nóng chảy của dây, nhưng xét một cách toàn diện các khía cạnh về độ ổn định nóng chảy của dây và sự hình thành mối hàn, vẫn có một phạm vi biến đổi cho phép đối với chiều dài dây kéo dài.
Ảnh hưởng của các yếu tố quy trình khác đến các yếu tố hình thành mối hàn
Ngoài các yếu tố quy trình nêu trên, các yếu tố khác trong quá trình hàn, chẳng hạn như kích thước rãnh và khe hở, góc nghiêng của điện cực và phôi, và vị trí không gian của mối hàn, cũng có thể ảnh hưởng đến sự hình thành và kích thước mối hàn.
1. Rãnh và khe hở
Khi hàn giáp mối bằng phương pháp hàn hồ quang điện, thông thường người ta xác định có nên để lại khe hở hay không, kích thước khe hở và hình dạng rãnh được tạo ra dựa trên độ dày của tấm hàn. Trong một số điều kiện khác, kích thước rãnh hoặc khe hở càng lớn thì độ gia cường của mối hàn càng nhỏ, tương đương với việc vị trí hàn bị tụt xuống. Lúc này, tỷ lệ nóng chảy giảm. Do đó, việc để lại khe hở hoặc tạo rãnh có thể được sử dụng để kiểm soát kích thước của phần gia cường và điều chỉnh tỷ lệ nóng chảy. So với việc để lại khe hở và không để lại khe hở kết hợp với tạo rãnh, điều kiện tản nhiệt của hai phương pháp này có phần khác nhau. Nói chung, điều kiện kết tinh khi tạo rãnh thuận lợi hơn.
2. Độ nghiêng của điện cực (dây hàn)
Trong quá trình hàn hồ quang, dựa trên mối quan hệ giữa hướng nghiêng của điện cực và hướng hàn, người ta chia thành hai loại: nghiêng điện cực về phía trước và nghiêng điện cực về phía sau. Khi dây hàn được nghiêng, trục hồ quang cũng nghiêng theo. Khi dây hàn nghiêng về phía trước, tác dụng của lực hồ quang lên việc đẩy kim loại nóng chảy ra phía sau bị suy yếu. Lớp kim loại lỏng ở đáy vũng nóng chảy trở nên dày hơn, độ sâu xuyên thấu giảm, độ sâu mà hồ quang xuyên vào mối hàn giảm, phạm vi di chuyển của điểm hồ quang mở rộng, chiều rộng mối hàn tăng lên và độ bền giảm. Góc nghiêng về phía trước α của dây hàn càng nhỏ thì ảnh hưởng này càng rõ rệt. Khi dây hàn nghiêng về phía sau, tình hình ngược lại. Trong hàn hồ quang kim loại được che chắn, phương pháp nghiêng điện cực về phía sau được áp dụng phổ biến nhất, và góc nghiêng α từ 65° đến 80° là tương đối phù hợp.
3. Độ nghiêng của chi tiết hàn
Trong sản xuất thực tế, độ nghiêng của mối hàn thường gặp và có thể được chia thành hàn lên dốc và hàn xuống dốc. Lúc này, dưới tác dụng của trọng lực, kim loại nóng chảy có xu hướng chảy xuống theo độ dốc. Trong hàn lên dốc, trọng lực giúp đẩy kim loại nóng chảy ra phía đuôi của vũng nóng chảy, do đó độ xuyên sâu, chiều rộng mối hàn hẹp và độ dày mối hàn cao. Khi góc nghiêng α từ 6° đến 12°, độ dày mối hàn quá lớn, dễ tạo ra các vết lõm ở hai bên. Trong hàn xuống dốc, hiệu ứng này ngăn cản kim loại nóng chảy chảy ra phía đuôi của vũng nóng chảy. Hồ quang không thể làm nóng sâu kim loại ở đáy vũng nóng chảy, độ xuyên giảm, phạm vi di chuyển của điểm hồ quang mở rộng, chiều rộng mối hàn tăng lên và độ dày mối hàn giảm. Nếu góc nghiêng của mối hàn quá lớn, sẽ dẫn đến độ xuyên không đủ và kim loại lỏng nóng chảy tràn ra ngoài.
4. Vật liệu hàn và độ dày
Độ xuyên thấu của mối hàn phụ thuộc vào dòng điện hàn, độ dẫn nhiệt và dung tích nhiệt của vật liệu. Vật liệu có độ dẫn nhiệt càng tốt và dung tích nhiệt càng lớn thì càng cần nhiều nhiệt để làm tan chảy một đơn vị thể tích kim loại và tăng nhiệt độ lên cùng một lượng. Do đó, trong một số điều kiện khác như dòng điện hàn, độ xuyên thấu và chiều rộng mối hàn sẽ giảm. Mật độ hoặc độ nhớt của chất lỏng càng lớn thì hồ quang càng khó đẩy kim loại nóng chảy ra ngoài, và độ xuyên thấu của mối hàn càng nông. Độ dày của mối hàn ảnh hưởng đến sự dẫn nhiệt bên trong mối hàn. Khi các điều kiện khác không đổi, khi độ dày của mối hàn tăng lên, sự tản nhiệt tăng lên, và cả chiều rộng mối hàn lẫn độ xuyên thấu đều giảm.
5. Chất trợ hàn, lớp phủ điện cực và khí bảo vệ
Thành phần khác nhau của chất trợ dung hoặc lớp phủ điện cực dẫn đến sự sụt giảm điện áp khác nhau tại vùng điện cực của hồ quang và độ dốc điện thế khác nhau của cột hồ quang, điều này chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến quá trình hình thành mối hàn. Khi chất trợ dung có mật độ thấp, kích thước hạt lớn hoặc chiều cao xếp chồng nhỏ, áp suất xung quanh hồ quang thấp, cột hồ quang giãn nở và điểm hồ quang có phạm vi di chuyển lớn. Do đó, độ xuyên thấu nhỏ, chiều rộng mối hàn lớn và độ gia cường nhỏ. Khi sử dụng hàn hồ quang công suất cao để hàn các chi tiết dày, việc sử dụng chất trợ dung dạng đá bọt có thể làm giảm áp suất hồ quang, giảm độ xuyên thấu và tăng chiều rộng mối hàn. Ngoài ra, xỉ hàn cần có độ nhớt và nhiệt độ nóng chảy thích hợp. Nếu độ nhớt quá cao hoặc nhiệt độ nóng chảy tương đối cao, xỉ sẽ có khả năng thông khí kém và dễ tạo ra nhiều vết lõm trên bề mặt mối hàn, dẫn đến hình thành bề mặt mối hàn kém.
Thành phần của các khí bảo vệ dùng trong hàn hồ quang (như Ar, He, N2, CO2) khác nhau, và các tính chất vật lý của chúng, chẳng hạn như độ dẫn nhiệt, cũng khác nhau. Điều này làm cho sự sụt giảm điện áp vùng cực của hồ quang và độ dốc điện thế của cột hồ quang, tiết diện dẫn điện của cột hồ quang, lực dòng plasma và sự phân bố mật độ nhiệt riêng khác nhau. Tất cả các yếu tố này đều ảnh hưởng đến sự hình thành đường hàn.
Tóm lại, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành mối hàn. Để có được mối hàn tốt, cần phải lựa chọn phương pháp hàn và điều kiện hàn phù hợp dựa trên vật liệu và độ dày của chi tiết hàn, vị trí hàn trong không gian, hình dạng mối nối, điều kiện làm việc, yêu cầu về chất lượng mối nối và kích thước mối hàn. Đồng thời, điều quan trọng nhất là thái độ của người thợ hàn đối với công việc! Nếu không, sự hình thành và chất lượng mối hàn có thể không đạt yêu cầu, thậm chí còn có thể xuất hiện các khuyết tật hàn khác nhau.
