Giáo trình Công nghệ hàn - Phần IV: Hàn hồ quang que hàn có vỏ bọc

PHẦN IV

HÀN HỒ QUANG QUE HÀN CÓ VỎ BỌC

1. GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP

Hàn hồ quang quang que hàn có vỏ bọc (SMAW) là “phương pháp

hàn hồ quang sử dụng nhiệt của hồ quang giữa que hàn có vỏ bọc và

bể hàn. Phương pháp thường dùng cùng với sự bảo vệ từ việc phân

huỷ của vỏ bọc que hàn khi bị đốt cháy trong quá trình hàn, trong

phương pháp này không sử dụng áp lực, và kim loại điền đầy thu

được từ que hàn”.

Phương pháp hàn này đã phát triển nhanh chóng tiếp theo của phương

pháp hàn hồ quang điện cực carbon. Hàn hồ quang que hàn có vỏ bọc

là sản phẩm tất nhiên của hàn hồ quang kim loại trần (không được bảo

vệ), nó sử dụng một điện cực trần hoặc điện cực được phủ một lớp

mỏng, đó là phương pháp hàn cổ xưa.

Hình 1 - Phương pháp hàn SMAW

2. CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG.

Phương pháp hàn hồ quang que hàn có vỏ bọc, được trình bày trong

(hình 2) gồm có hồ quang giữa que hàn có thuốc bọc và kim loại nền.

Hồ quang được hình thành bởi sự điều khiển điện cực rất nhanh tới

vật hàn. Nhiệt của hồ quang nấu chảy bề mặt của kim loại cơ bản tạo

thành vũng nóng chảy. Kim loại được nấu chảy từ điện cực chuyển

dịch ngang qua cột hồ quang vào trong vũng hàn. Khi nó hoá cứng trở

thành chất kết lắng kim loại mối hàn.

29

Phương pháp hàn hồ quang tay - VTH/Apave

Vũng nóng chảy, trước đây còn được gọi là vũng hàn (bể hàn), phải

có sự kiểm soát một cách đúng đắn mới cho kết quả ứng dụng của

phương pháp hàn SMAW. Kích thước của vũng hàn và chiều sâu

ngấu chảy quyết định khối lượng của kim loại nóng chảy dưới sự điều

khiển của người thợ hàn. Nếu dòng điện quá cao, chiều sâu ngấu chảy

sẽ quá mức và khối lượng kim loại hàn nóng chảy sẽ trở nên không

kiểm soát được. Tốc độ di chuyển cao làm giảm bớt kích thước của

vũng hàn nóng chảy.

Vá bäc

H−íng hµn

que hµn

KhÝ b¶o vÖ

tõ vá bäc

Kim lo¹i hµn

nãng ch¶y

Lâi que hµn

Hå quang

XØ hµn

Giät cÇu

kim lo¹i

Kim lo¹i mèi

hµn ®«ng ®Æc

Kim lo¹i

c¬ b¶n

Hình 2 - Biểu đồ phương pháp hàn SMAW

Khi các mối hàn không được thiết kế trong vị trí bằng, kim loại nóng

chảy có thể chảy ra ngoài vũng hàn và gây nên khó sử lý và kiểm soát.

Điều chỉnh các thay đổi hàn và thao tác bằng tay hồ quang sẽ cho

phép người thợ hàn kiểm soát vũng kim loại nóng chảy một cách đúng

đắn. Kim loại mối hàn đông đặc được bao phủ một lớp xỉ từ vỏ bọc

que hàn. Hồ quang trong vùng hồ quang trực tiếp được bao bọc khỏi

không khí của khí bảo vệ là kết quả của sự phân huỷ thuốc bọc que

hàn. Phần lớn lõi que hàn chuyển dịch ngang qua cột hồ quang, tuy

nhiên có một lượng nhỏ thoát ra từ khu vực mối hoặc vũng hàn (hiện

tượng bắn toé).

3. ƯU ĐIỂM VÀ LĨNH VỰC SỬ DỤNG.

Phương pháp hàn hồ quang SMAW là một trong những phương pháp

hàn được ưa chuộng nhất. Nó có tối đa tính linh hoạt và có thể hàn với

nhiều loại kim loại trong tất cả các vị trí hàn từ chiều dày nhỏ nhất

cho tới những chiều dày lớn nhất. Sự đầu tư về thiết bị tương đối rẻ

tiền. Phương pháp này được sử dụng trong chế tạo và trong công việc

khai thác cho xây dựng và bảo dưỡng.

30

Phương pháp hàn hồ quang tay - VTH/Apave

4. KHẢ NĂNG HÀN TRONG CÁC VỊ TRÍ

Đây là phương pháp có khả năng hàn trong tất cả các vị trí (hình 3).

Hàn trong các vị trí ngang, đứng và vị trí trần phụ thuộc vào loại vỏ

bọc que hàn và kích thước của que hàn. Dòng điện hàn và kỹ năng

thao tác của người thợ hàn.

Vị trí hàn

Xếp loại

1. Bằng

A

Góc ngang

2. Ngang

3. Đứng

A

4. Trần

A

5. Ống cố định

Hình 3 - Các vị trí hàn ứng dụng cho hàn SMAW

5. CÁC KIM LOẠI CÓ THỂ HÀN ĐƯỢC.

Hàn hồ quang que hàn có vỏ bọc là phương pháp có thể được dùng để

hàn với nhiều loại thép và một vài kim loại không có chất sắt. Nó chủ

yếu được sử dụng cho các mối ghép là thép, bao gồm carbon thấp

hoặc thép mềm(ít carbon), thép hợp kim thấp, thép cường độ cao, thép

nguội và tôi, thép hợp kim cao, thép không gỉ, thép chịu ăn mòn, cho

hàn gang và thép rèn.

Nó được dùng cho hàn niken và hợp kim niken, số lượng ít cho hàn

đồng và hợp kim đồng. Nó có thể dùng, nhưng ít khi được sử dụng

cho hàn nhôm.

SMAW không được sử dụng cho hàn mangan, các kim loại quý, hoặc

kim loại chịu nhiệt. Bảng 1 trình bày các kim loại cơ bản có thể hàn

31

Phương pháp hàn hồ quang tay - VTH/Apave

được. Phương pháp hàn SMAW cũng được dùng cho hàn phủ cứng bề

mặt.

Kim loại cơ bản

Tính chất hàn được

Nhôm

Có thể hàn được nhưng

không phổ biến

Đồng thiếc

Đồng đỏ

Có thể hàn được

Có thể hàn được nhưng

không phổ biến

Đồng niken

Gang

Sắt rèn

Niken

Thép carbon thấp

Thép carbon trung bình và cao

Thép hợp kim

Thép không gỉ

Có thể chấp nhận

Có thể hàn được

Bảng 1 – Tính chất hàn được của kim loại cho hàn SMAW

6. HỆ THỐNG HÀN.

Hình 4. Trình bày hệ thống sơ đồ phương pháp hàn SMAW. Nó mô

phỏng các cáp hàn dẫn dòng điện hàn từ nguồn hàn tới hồ quang. Dây

cáp hàn được đấu từ một bên của hệ thống và cáp mát ở bên kia của

hệ thống. Chúng được gắn chặt vào các cực của máy hàn.

Nguån hµn

K×m hµn

Que hµn

Kim lo¹i c¬ b¶n

Hình 4 – Sơ đồ hệ thống hàn SMAW

D©y c¸p m¸t

D©y c¸p hµn

7. THIẾT BỊ ĐƯỢC YÊU CẦU

Máy hàn hoặc nguồn hàn là điểm chính của hệ thống hàn SMAW. Nó

có mục đích chủ yếu cung cấp năng lượng điện một cách chính xác

dòng điện và điện áp để duy trì, kiểm soát và ổn định hồ quang hàn.

32

Phương pháp hàn hồ quang tay - VTH/Apave

Đặc tính ngoài của nguồn hàn phải là kiểu dòng điện không đổi

(constant current-CC). Thông thường giới hạn dòng điện từ 25 - 500A

được sử dụng theo kích thước điện cực. Điện áp thay đổi từ 15 - 35V.

Bộ phận quan trọng tiếp theo của thiết bị là kìm hàn, nó được nắm giữ

và kiểm soát bởi người thợ hàn. Có các rãnh nhỏ dùng để kẹp vững chắc

que hàn và chuyển tải dòng điện tới nó.

8. QUE HÀN CÓ VỎ BỌC

Que hàn có vỏ bọc là hạng mục duy nhất của vật liệu hàn thông

thường được yêu cầu. Việc lựa chọn que hàn thuốc bọc cho đặc trưng

của từng công việc dựa trên que hàn thích hợp cho việc sử dụng,

thành phần hoá học và đặc tính của độ lắng kim loại mối hàn. Trong

từng bước lựa chọn điện cực hợp lý, điều cần thiết là tầm quan trọng

của chức năng vỏ bọc que hàn, là cơ sở ghi rõ các nhân tố tiện lợi và

các tính chất kết lắng của kim loại mối hàn.

Vỏ bọc của que hàn cung cấp

1) Khí từ sự phân huỷ của thành phần nào đó trong thuốc bọc

để bảo vệ hồ quang khỏi không khí.

2) Chất khử oxi đẩy khí và làm thanh khiết kim loại mối hàn

kết lắng.

3) Xỉ từ sự cháy của vỏ bọc làm nhiệm vụ bảo vệ kim loại mối

hàn kết lắng tránh khỏi sự oxi hoá của không khí.

4) Yếu tố ion hoá tạo nên hồ quang ổn định nhất và có tác

dụng cùng với dòng điện xoay chiều.

5) Các nguyên tố hợp kim cung cấp đặc biệt, đặc tính cho độ

kết lắng của kim loại mối hàn.

6) Bột sắt cải thiện năng suất của que hàn.

Trước những năm 1920, điện cực trần và điện cực phủ một lớp vỏ

mỏng thường được sử dụng. Chúng gây nhiều khó khăn cho việc sử

dụng và không mang lại chất lượng cao cho kim loại mối hàn do vậy

chúng không được dùng nữa.

Que hàn sẽ được phân loại dựa trên các thành phần hoá học.

AWS (Hiệp hội hàn Mỹ) thiết lập hệ thống đồng nhất hoá và ghi rõ sự

khác biệt của từng loại que hàn. Các que hàn vỏ bọc cho thép mềm và

thép hợp kim thấp được ký hiệu chữ cái đầu tiên là “E”. Tiếp theo là 4

hoặc 5 con số.

Chữ cái đầu “E” là Electrode. điện cực hay còn được gọi là

que hàn.

33

Phương pháp hàn hồ quang tay - VTH/Apave

Hai chữ số thứ nhất (hoặc ba chữ số) chỉ cho biết sức bền kéo

của kim loại mối hàn.

Chữ số thứ 3 hoặc thứ 4 chỉ cho biết vị trí nào đó mà điện cực

được chỉ định hàn.

∗ Số 1: Cách thức cho hàn tất cả các vị trí; Hàn bằng,

ngang, đứng, và trần.

∗ Số 2: Cách thức cho hàn vị trí góc ngang và duy nhất vị

trí hàn bằng

∗ Số 4: Cách thức hàn đứng tiến hành từ trên xuống

Chữ số thứ 4 hoặc thứ 5 là một hiệu suất có thể dùng được, chỉ

cho biết loại vỏ bọc nào đó, và kiểu dòng điện được sử dụng.

Quy tắc chính xác của mỗi chữ số được trình bày trong (bảng

2). Chú ý khi chữ số thứ 4 hoặc thứ 5 là số 0, loại của vỏ bọc

và dòng điện được sử dụng được quyết định bởi chữ số thứ 3.

Tính chất cơ khí của kim loại mối hàn kết lắng phải ngang bằng hoặc

vượt quá kim loại cơ bản được hàn. Kim loại mối hàn cũng phải có

khoảng chừng thành phần tương đương và tính chất vật lý.

CHỈ SỐ THỨ NHẤT VÀ THỨ HAI CHO BIẾT CƯỜNG ĐỘ KÉO

VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ KHÍ

cường độ kéo

cường độ uốn

Phân loại^a

theo AWS

Độ giãn dài nhỏ nhất

(min.)

(%)

ksi

Mpa

ksi

Mpa

E60XX

E70XX

E80XX

E90XX

E100XX

E110XX

E120XX

17

22, 25

16, 19, 24

14, 17, 24

13, 16, 20

15, 20

70

80

90

100

110

120

450

57

67

77

87

97

107

390

550

620

690

760

830

460

530

600

670

740

14, 18

^a110XX VÀ 120XX được quy vào loại vỏ bọc hydro thấp

CHỈ SỐ THỨ 3 HOẶC THỨ 4 CHỈ CHO BIẾT VỊ TRÍ

CÓ THỂ ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ HÀN

Phân loại

EX1X

bằng (F)

được hàn

Ngang (H)

Được hàn

Đứng (V)

được hàn

Trần (O.H)

được hàn

EX2X

EX4X

được hàn

Hàn góc

được hàn

không được hàn

trên xuống

không được hàn

được hàn

34

Phương pháp hàn hồ quang tay - VTH/Apave

ỨNG DỤNG CỦA QUE HÀN DỰA TRÊN CÁC CHỈ SỐ SAU

Phân loại

Vị trí

hàn

Loại hồ

quang

(≈) %

Dòng điện

Loại vỏ bọc

bột sắt^a

ASME

AWS

6010

6011

6012

6013

6019

6020

6022

6027

7014

7015

7016

7018

7018M

7024

7027

7028

7048

F-3

F-2

F-1

F-2

F-4

F-1

F-4

DCEP

Cellulose-sodium

Cellulose-potassium

Rutile-sodium

Rutile-potassium

Iron oxide rutile-potassium

High iron oxide

Iron oxide-iron powder

Rutile-iron powder

Low hydrogen-sodium

Low hydrogen-potassium

Low hydrogen-potassium-iron powder

Low hydrogen-iron powder

Rutile-iron powder

Iron oxide-iron powder

Low hydrogen-potassium-iron powder

All

xối

trung bình

nhẹ

0-10

0

0-10

0

0-10

50

25-40

0

AC & DCEP

AC & DCEN

AC & DC

DCEP

AC & DCEP

DCEP

AC & DC

AC & DCEP

All

trung bình

tốc độ cao

trung bình

nhẹ

trung bình

nhẹ

F, Hf

F, H

F, Hf

All

F, Hf

All

0

25-40

10-25

50

trung bình 50

trung bình

50

25-40

a

Tỷ lệ phần trăm bột sắt dựa trên trọng lượng của thuốc bọc.

Bảng 2-

Chi tiết của phân loại hệ thống que hàn

thép carbon thấp và thép hợp kim thấp

9. KỸ NĂNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP

Xác định mối quan hệ giữa dòng điện hàn, kích thước của que hàn, và

vị trí hàn. Điều này phải được lựa chọn để cho thợ hàn kiểm soát được

bể hàn nóng chảy trong suốt thời gian hàn. Nếu vũng hàn trở nên quá

rộng, nó dẫn đến khó kiểm soát và kim loại nóng chảy có thể chảy ra

ngoài vũng hàn, đặc biệt không có vị trí hàn.

Thợ hàn phải duy trì đều đặn âm thanh kêu lách tách đi cùng với các

hành động chính xác. Hình dạng của bể hàn nóng chảy và sự chuyển

động của kim loại về phía sau của vũng hàn tách ra cũng như trong

hướng dẫn kiểm tra chất lượng mối hàn. Kết quả gợn sóng trên các

đường hàn phải đều nhau và các đường hàn phải mịn không có hiện

tượng tràn lấp hoặc cháy cạnh.

Bảy nhân tố sau là cần thiết cho việc duy trì hàn chất lượng cao:

1) Loại que hàn chính xác: Nó quan trọng trong việc lựa

chọn thích hợp que hàn cho mỗi công việc.

2) Kích thước que hàn hợp lý: Lựa chọn kích thước que hàn

bao gồm loại que hàn, vị trí hàn, chuẩn bị mối ghép, dòng

35

Phương pháp hàn hồ quang tay - VTH/Apave

điện hàn, chiều dày của vật liệu cơ bản, và kỹ năng của

người thợ hàn.

3) Dòng điện hợp lý: Nếu dòng điện quá cao, que hàn nấu

chảy quá nhanh và vũng hàn rộng, không đều và khó kiểm

soát. Nếu dòng điện quá thấp không đủ nhiệt nấu chảy kim

loại cơ bản và vũng hàn trở nên quá bé, sẽ chồng lên nhau

và không đều (hình …)

4) Chiều dài hồ quang hợp lý: Nếu hồ quang quá dài, kim

loại nóng chảy ngắt ra khỏi que hàn là các dạng hạt cầu lớn

mà nó dung lắc từ bên này qua bên kia tạo cho vũng hàn

rộng, bắn toé và đường hàn không đều cùng với độ ngấu

kém trên kim loại cơ bản. Nó có thể cho kết quả là rỗ khí,

đặc biệt là loại que hàn hydrogen thấp. Nếu hồ quang quá

ngắn, không đủ nhiệt cho mồi hồ quang dẫn tới việc nấu

chảy kim loại cơ bản không đủ và que hàn có thể dính vào

vật hàn.

5) Tốc độ di chuyển hợp lý: Khi tốc độ di chuyển quá nhanh,

vũng hàn đông kết quá nhanh. Lẫn các tạp chất và không có

khả năng loại bỏ. Đường hàn nhỏ và tạo các điểm gợn. Khi

tốc độ hàn quá chậm kim loại chồng lên nhau, đường hàn

quá cao và rộng cùng với phần nào khá hơn các gợn sóng

thẳng. Hình…… dòng điện chính xác, chiều dài hồ quang

chính xác (hoặc điện áp hồ quang) và tốc độ di chuyển

chính xác tất cả có liên quan đến nhiệt cung cấp.

6) Góc độ que hàn hợp lý: Góc độ que hàn là quan trọng, một

cách đặc biệt là trong hàn góc và trong hàn rãnh sâu. Khi thi

công các mối hàn góc que hàn phải được giữ vững cũng

như nó chia đôi góc giữa các tấm và vuông góc tới đường

trục của mối hàn. Khi cháy cạnh xuất hiện trên tấm đứng,

hạ thấp góc độ que hàn và hướng hồ quang gần về chi tiết

đứng.

7) Kỹ thuật thao tác hợp lý: Các kiểu thao tác khác nhau được

sử dụng cho các loại khác nhau của que hàn, thiết kế mối

hàn khác nhau, và các vị trí hàn khác nhau. Sự nhận biết

của các kiểu khác nhau đòi hỏi được học trong các chương

trình đào tạo hàn.

10.DỪNG HỒ QUANG

Nếu mối hàn còn được tiếp tục, miệng bể hàn còn như cũ, và hồ

quang phải nhanh chóng được lập lại. Nếu nó là điểm cuối của mối

36

Phương pháp hàn hồ quang tay - VTH/Apave

hàn, hồ quang sẽ không ngắt quãng cho đến khi di chuyển được dừng

lại, ngay tức khắc chú ý tới việc làm đầy miệng hàn.

Khi dao động, bề rộng của dao động và dừng ở điểm cuối của mỗi

dao động cùng với các chuyển động khác là rất quan trọng. Người thợ

hàn phải dừng ở mỗi điểm cuối của dao động để cho phép ngấu hoàn

toàn vào trong cạnh của đường hàn. Người thợ hàn phải di chuyển que

hàn nhanh chóng qua phần giữa của mối hàn để không tạo ra sống

(gồ) ở giữa. Bề rộng của sự dao động đối với các que hàn hydro thấp

sẽ không vượt quá 2 ½ lần đường kính lõi que hàn, đối với các kiểu

que hàn khác, điều này có thể bằng hai lần đường kính.

11.CÁC GIỚI HẠN CỦA PHƯƠNG PHÁP

Giới hạn chủ yếu của phương pháp hàn hồ quang que hàn có vỏ bọc là

gián đoạn (không liên tục). Mỗi khi một que hàn được đốt cháy và còn

lại trong khoảng 50mm của cả chiều dài que, thợ hàn phải dừng lại.

Công việc hàn không được liên tục vì cần bỏ lại phần không có thuốc

bọc của que hàn ở trong kìm hàn sẽ không được dùng đến. Điều này

xuất hiện nhiều thời gian bị mất đi cho một ngày làm việc và nó được

kiểm soát bởi kích thước và chiều dài của que hàn.

Điều này ngăn cản thợ hàn đạt được hệ số thao tác hoặc chu kỳ làm

việc lên tới 25%.

Hơn nữa tính hạn chế là sử dụng kim loại điền đầy. Các mẩu que hàn

và thuốc bọc bỏ phí cho phép đối với toàn bộ số lượng sử dụng của

que hàn thuốc bọc xấp xỉ 65%.

12.KỸ NGHỆ ĐƯỢC SỬ DỤNG VÀ CÁC ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH

Các ứng dụng điển hình của phương pháp hàn hồ quang SMAW gồm

nhiều loại khác nhau và phổ biến là hàn hồ quang tự bảo vệ.

Hàn SMAW sẽ luôn luôn chắc chắn là cơ sở chính cho công việc duy

trì bảo dưỡng và hàn sửa chữa. Bởi vì hàn đạt được yêu cầu ở các vị

trí xa xôi hẻo lánh, các công việc có liên quan nhỏ và đơn lẻ và công

việc khác nhau.

Hàn SMAW cũng mãi giữ nguyên được vị trí ưa chuộng trong các

xưởng chế tạo nhỏ, những nơi có giới hạn lớn có thể vẫn được dùng

và những nơi có liên quan nhỏ tới quá trình hoạt động sản xuất.

37

Phương pháp hàn hồ quang tay - VTH/Apave