HÀN PLASMA
1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ PLASMA VÀ HÀN PLASMA
Trong quá trình hàn hồ quang, hồ quang hình thành và cháy liên tục. Trong cột hồ quang diễn ra các hiện tượng vật lý mà trong đó cơ bản là các quá trình ion hóa, bức xạ nhiệt mãnh liệt. Quá trình ion hóa, va đập của các chất khí, các nguyên tử (hơi kim loại), các hạt: electron, ion, proton,... và chuyển động theo dòng có hướng. Lõi của cột hồ quang điện bao gồm các hạt, các phần tử tích điện và đều dẫn điện. Trạng thái vật chất hình thành trong cột hồ quang chính là plasma. Như vậy chất khí ion hóa dẫn điện và bức xạ nhiệt mãnh liệt trong lõi của cột hồ quang là plasma.
Hàn plasma là một phương pháp hàn hồ quang biến thể. Về bản chất khoa học, phương pháp hàn này cũng như hàn hồ quang, lợi dụng nhiệt của hồ quang (phần lõi) để làm nóng chảy kim loại cần hàn. Ta dùng thiết bị để tập trung dòng vào lõi hồ quang (plasma) vào dòng nhỏ có nhiệt độ cao.
Plasma chiếm khoảng không giữa các điện cực và là cái kênh để dòng điện hồ quang chạy qua. Khoảng không gian này gọi là cột hồ quang.
Khi hồ quang cháy tự do, vùng plasma trong cột hồ quang rất bé, nhiệt độ trung bình cột hồ quang là 5000-6000°C tùy thuộc thành phần chất khí. Nếu khả năng hoạt động tự do của hồ quang bị hạn chế, nhiệt độ cột hồ quang có thể lên tới 15.000-20.000°C. Sự thắt của cột hồ quang tạo nên plasma cực mạnh và chuyển sự phóng điện hồ quang thành hồ quang plasma.
Ngoài sự tăng nhiệt độ dọc theo trục khi cột hồ quang bị thắt còn xuất hiện sự chuyển dịch tự do của vết hoạt tính trên mặt chi tiết tạo nên dòng nhiệt tập trung hơn ở trong chi tiết. Không giống hồ quang tự do có dạng hình côn với tiết diện trải rộng phía chi tiết, hồ quang plasma có dạng hình trụ.
Để tạo hồ quang thắt người ta dùng plasmatron với chụp tạo plasma và các chất khí đặc biệt.
Có 3 kiểu plasmatron: hồ quang trực tiếp, hồ quang gián tiếp và hồ quang kết hợp. Trong mọi trường hợp, một trong các điện cực được gắn đầu chịu nhiệt (vônfram). Điện cực này thường là catôt.
Trong plasmatron hồ quang trực tiếp, chi tiết là anôt và chụp – trung tính, làm nhiệm vụ ổn định và thắt cột hồ quang.
Trong plasmatron hồ quang gián tiếp, chụp tạo plasma là anôt, chi tiết – trung tính.
Trong plasmatron hồ quang kết hợp, có hai anôt riêng và một catôt chung (điện cực). Các anôt đó là chi tiết và chụp tạo plasma.
Hồ quang có thể bị thắt tới một giới hạn nhất định. Ở giá trị nhất định của cường độ và đường kính chụp tạo plasma, hồ quang kép sẽ xuất hiện. Nó lần lượt cháy giữa điện cực, chụp tạo plasma và chi tiết.
Sự xuất hiện của hồ quang kép có thể giải thích như sau: khi dòng điện tăng và đường kính chụp tạo plasma giảm thì điện áp trong cột hồ quang tăng, song lớp khí gần thành chụp tạo plasma giảm dần làm tăng tính dẫn điện của khí và tạo điều kiện cho dòng điện chính ngắt. Hồ quang kép là hiện tượng có hại bởi nó phá hoại sự tạo thành mối hàn và làm hỏng chụp tạo plasma. Để ngăn ngừa sự tạo hồ quang kép cần chọn đúng đường kính khe trong chụp tạo plasma và lượng khí tiêu thụ đi qua nó.
Các tính chất của plasma phụ thuộc nhiều vào môi trường khí bao bọc. Môi trường khí trong plasmatron phải thực hiện các chức năng sau:
- Bảo vệ khỏi tương tác hóa học, làm nguội điện cực và chụp tạo plasma;
- Biến đổi điện năng thành nhiệt năng;
- Tạo tia plasma ổn định với tốc độ và nhiệt độ yêu cầu;
- Đảm bảo các tính chất cần thiết của sản phẩm;
- Phải đơn giản và kinh tế;
- Điều kiện thao tác an toàn.
Nitơ, không khí hoặc khí cacbonic là những khí thích hợp cho sự ổn định hồ quang. Song để sử dụng chúng, các bộ phận chịu tải lớn của plasmatron phải được chế tạo từ vật liệu đặc biệt.
Hêli và hydro ở nhiệt độ cao có độ dẫn nhiệt chỉ bằng ½ đồng và chuyển tốt năng lượng hồ quang thành nhiệt. Tuy nhiên khi sử dụng chúng ở dạng tinh khiết có thể xảy ra hiện tượng quá nhiệt và làm hỏng chụp bảo vệ plasma.
Các khí bảo vệ được dùng để bảo vệ kim loại lỏng khỏi tác dụng của không khí tự do trong quá trình gia công và làm nguội. Hiệu quả của hồ quang khi hàn phụ thuộc vào thành phần môi trường bảo vệ.
Các khí bảo vệ được chọn tùy thuộc vào loại vật liệu gia công. Argon, hêli, nitơ, cacbonic và các hỗn hợp của chúng được sử dụng làm khí bảo vệ. Các hỗn hợp khí có thể sử dụng: argon và 0,5%-15% hydro; argon và tới 70% hêli, argon và tới 25% cacbonic, nitơ và tới 15% hydro.
Các hỗn hợp 3 chất khí cũng được sử dụng, chẳng hạn hỗn hợp của Argon, hydro và nitơ với tỉ lệ 40 : 30 : 30 đến 60 : 20 : 20 dùng để phun, hoặc hỗn hợp của Argon, hêli và hydro với tỉ lệ 60 : 35 : 5 tới 50 : 45 : 5 dùng để hàn.
2. SỰ HÌNH THÀNH MỐI HÀN VÀ KỸ THUẬT HÀN PLASMA.
Khả năng xuyên sâu lớn của hồ quang plasma là kết quả của sự tập trung cao dòng nhiệt và ảnh hưởng lớn của dòng plasma đối với kim loại nóng chảy của bể hàn. Đặc biệt, sức nén của hồ quang plasma mạnh hơn 6-10 lần so với hồ quang tự do với cùng cường độ dòng điện; và khi cường độ dòng diện tăng, sức nén tăng theo quan hệ bình phương.
Nhờ có sức nén cao, một lỗ dưới dạng “lỗ khóa” tạo thành trong bể hàn và tia plasma xuyên sâu vào toàn bộ chiều dày của vật hàn. Sự ổn định của độ xuyên sâu đạt được ở cường độ và lượng tiêu thụ khí khá lớn, khi sức nén của hồ quang plasma bằng tổng sức nén bề mặt và sức nén tĩnh của kim loại hàn.
Khả năng xuyên sâu và sự tạo mặt trái (chân) mối hàn phụ thuộc vào sự ổn định của “lỗ khóa” trong bể hàn. Khi hàn các mối hàn giáp nối người ta sử dụng các đệm tản nhiệt có rãnh để tạo mặt trái mối hàn. Kích thước của chúng như sau: chiều rộng bằng 4-12 chiều dày thép hàn và chiều sâu rãnh bằng 1,0-1,5mm.
Chiều rộng trung bình của mói hàn giáp nối bằng 2-4 lần chiều dày mối hàn. Các mối hàn hẹp hơn được hàn xung.
Kỹ thuật hàn plasma khá đơn giản và tương tự với kỹ thuật hàn khí do hồ quang có chiều dài lớn. Sự tạo thành mối hàn ổn định. Chỉ khi hàn với độ ngấu suốt mới cần duy trì cẩn thận các thông số hàn và quá trình hàn phải được cơ khí hóa.
Khi hàn các mối hàn khép kín (hàn vòng) cần tăng cường độ hàn lúc bắt đầu và giảm lúc kết thúc đường hàn.
Các mối hàn nhiều lớp được thực hiện tương tự như hàn hồ quang bình thường. Lớp đầu tiên cần ngấu suốt. Các lớp tiếp theo hàn không ngấu suốt bằng cách dùng vật liệu bổ sung.
Vì hồ quang plasma có độ xuyên sâu lớn nên các mép hàn vật dày không cần vát lớn như khi hàn argon bình thường.
Bằng hàn hồ quang plasma có thể nối các kim loại đen và màu khác nhau: nhôm và hợp kim titan, thép cacbon thấp và thép không rỉ, đồng, đồng thau, niken và các vật liệu không đồng dạng của chúng.
Trong B.1 trình bày chế độ hàn của một số vật liệu với chiều dày 2-80mm. Các mối hàn đồng dày 40-80mm được thực hiện hai lớp với chiều dài hồ quang là 8-20mm. Trong những trường hợp hàn không ngấu suốt chế độ hàn được đánh dấu *.
Bảng 1. Chế độ hàn hồ quang plasma dòng một chiều các mối ghép giáp nối của các vật liệu khác nhau.
| Vật liệu | Chiều dày (mm) |
In (A) |
Uno (V) |
Vh (m/h) |
Đường kính chụp plasma (mm) |
Lượng khí tiêu thụ (l/ph) |
Thành phần khí | ||
| Tạo plasma | Bảo vệ | Tạo plasma | Bảo vệ | ||||||
| Thép không gỉ | 2,0 | 160-220* | 18-22 | 35-60 | 3,0 | 0,8-1,3 | 3-4 | Ar | Ar |
| Đồng thau với 30% Zn | 2,0 | 140 | 25 | 30 | 2,8 | 3,8 | 28,5 | Ar | He |
| Thép không gỉ | 2,3 | 115 | 30 | 36 | 2,8 | 2,8 | 16,5 | Ar + 5% H2 | |
| Đồng | 2,5 | 180 | 28 | 15 | 2,8 | 4,7 | 28,5 | Ar | Ar |
| Đồng | 3,2 | 300* | 33 | 15 | 3,4 | 3,8 | 28,5 | He | Ar |
| Titan | 3,2 | 185 | 21 | 30 | 2,8 | 3,8 | 28,5 | Ar | Ar |
| Thép không gỉ | 3,2 | 145 | 32 | 45 | 2,8 | 4,7 | 16,5 | Ar + 5% H2 | |
| Thép cacbon thấp | 3,2 | 185 | 28 | 18 | 2,8 | 6,2 | 28,5 | Ar | Ar |
| Niken | 3,2 | 200 | 30 | 41 | 2,8 | 7,1 | 28,5 | Ar + 5% H2 | |
| Thép không gỉ | 3,5 | 130-150 | 22-23 | 15-16 | 2,5 | 2,3 | 6 | Ar | Ar |
| Thép cacbon thấp | 4,3 | 200 | 9 | 15 | 2,8 | 5,7 | 28,5 | Ar | Ar |
| Thép không gỉ | 4,7 | 165 | 36 | 24 | 3,4 | 6,2 | 21,5 | Ar + 5% H2 | |
| Titan | 4,7 | 175 | 25 | 20 | 3,4 | 8,5 | 28,5 | Ar | Ar |
| Niken | 6,0 | 245 | 31,5 | 22 | 3,4 | 4,7 | - | Ar + 5% H2 | |
| Thép không gỉ | 6,3 | 240 | 38 | 21 | 3,4 | 8,5 | 24 | Ar + 5% H2 | |
| Đồng | 6,3 | 670* | 46 | 30 | 9,5 | 2,4 | 28,5 | He | Ar |
| Thép không gỉ | 8,0 | 230-240 | 28 | 10 | 3,0 | 3,2 | 10,0 | Ar | Ar |
| Titan | 10 | 225 | 38 | 15 | 3,4 | 15,1 | 28,5 | He+25%Ar | He+25%Ar |
| Titan | 12,1 | 270 | 36 | 15 | 3,4 | 12,8 | 28,5 | Ar + 5% H2 | |
| Titan | 15 | 260 | 39 | 11 | 3,4 | 14,2 | 28,5 | Ar | He |
| Đồng | 20 | 850-900* | 44-46 | 3,2-4 | - | 5 | 20 | Ar | He |
| Đồng | 30 | 1000-1150* | 50-52 | 2,2-2,4 | - | 5 | 22 | Ar | He |
| Đồng | 40 | 1150-1200* | 50-54 | 2,0-2,5 | - | 6,6 | 24 | Ar | He |
| Đồng (hàn hai lớp) | 40 | 1150* | 48-52 | 2,8-3,0 | - | 5 | 22 | Ar | He |
| 60 | 1250-1300* | 50-54 | 1,8-2,0 | - | 6,6 | 24 | Ar | He | |
| 80 | 1350* | 52-56 | 1,2-1,4 | - | 10 | 27 | Ar | He | |
Tin tức khác
- DÂY HÀN LÕI THUỐC TỰ BẢO VỆ VÀ KHÔNG TỰ BẢO VỆ (26-11-2022)
- PHÂN LOẠI PHƯƠNG PHÁP HÀN (11-10-2019)
- VAI TRÒ CỦA ROBOT VỚI NGÀNH HÀN CỦA VIỆT NAM TRONG THỜI KỲ HỘI NHẬP NỀN CÔNG NGHIỆP 4.0 (20-12-2018)
- CÔNG NGHỆ HÀN SAW (29-09-2018)
- MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KH & KT HÀN (09-08-2018)
- Thuật ngữ mối hàn (09-08-2018)
