Sự phát triển của hàn hồ quang điện
Lịch sử hàn hồ quang
Ứng dụng thực tế đầu tiên cầu vồng trong hàn điện các kim loại chỉ thu được vào năm 1882, khi N.N. Benardos tạo ra ở St. Petersburg «Phương pháp nối và tách các kim loại bằng tác động trực tiếp của dòng điện», mà ông gọi là «electrohephaestus».
Theo kết luận của các học giả N. S. Kurnakov, O. D. Khvolson và những người khác, bản chất của phương pháp này là đối tượng được xử lý được kết nối với một và than với cực kia của nguồn điện và hồ quang điện áp được hình thành giữa đối tượng được xử lý và than tạo ra một tác động tương tự như tác động do ngọn lửa của đèn hàn tạo ra khi kim loại được nung nóng và nấu chảy. Một carbon đặc biệt hoặc điện cực dẫn điện khác được lắp vào giá đỡ và hồ quang được hỗ trợ bằng tay.
Năm 1888 - 1890, phương pháp dùng sức nóng của hồ quang điện để hàn kim loại đã được cải tiến bởi kỹ sư mỏ N.G.Slavyanov, người đã thay thế hoàn toàn điện cực carbon bằng điện cực kim loại và phát triển một thiết bị bán tự động để cung cấp điện cực kim loại trong quá trình đốt cháy và duy trì hồ quang, mà ông gọi là "máy nấu chảy".
Bản chất của các cách hàn hồ quang điện, được tạo ra là kết quả công việc của các kỹ sư-nhà phát minh tài năng N.N. Benardos và N.G. Slavyanov, vẫn không thay đổi cho đến ngày nay và có thể được mô tả như sau: hồ quang điện hình thành giữa điện cực và các bộ phận được kết nối của sản phẩm làm tan chảy vật liệu cơ bản của sản phẩm bằng sức nóng của nó và làm nóng chảy điện cực được cung cấp cho vùng ngọn lửa hồ quang — một vật liệu độn, ở dạng giọt kim loại nóng chảy, lấp đầy mối nối và hợp nhất với kim loại cơ bản của sản phẩm. Trong trường hợp này, tổng lượng nhiệt sinh ra của hồ quang được điều chỉnh bằng cách chọn một chế độ phù hợp, tham số chính của nó là dòng điện.
Trong ứng dụng thực tế, nhiều cải tiến đã và đang được thực hiện trong các phương pháp không làm thay đổi bản chất của các quy trình mà làm tăng giá trị thực tế của chúng. Sự phát triển của các phương pháp hàn đã tạo ra đi cùng với sự phát triển của cơ sở năng lượng của công nghệ hàn theo hướng nâng cao chất lượng và năng suất hàn.
Các điều kiện chính góp phần vào sự phát triển này là:
-
đảm bảo hồ quang hoạt động ổn định;
-
đạt được chất lượng và cường độ phù hợp của kết nối.
Điều kiện đầu tiên được đáp ứng bằng cách tạo ra các nguồn năng lượng có các đặc tính được xác định bởi các đặc tính của hồ quang điện trong điều kiện hàn.
Hồ quang, là nguồn sưởi ấm và tiêu thụ năng lượng chính trong quá trình hàn, được đặc trưng bởi tải trọng động, trong đó, tại các khoảng thời gian được đo bằng phần trăm giây, những thay đổi mạnh về chế độ điện xuất hiện trong mạch hồ quang.
Sự nóng chảy của điện cực và sự chuyển kim loại từ điện cực sang phôi gây ra dao động mạnh về chiều dài của hồ quang và lặp đi lặp lại các mạch ngắn của nguồn điện hồ quang (lên đến 30 lần mỗi giây) trong khoảng thời gian rất ngắn. Trong trường hợp này, cường độ dòng điện và điện áp không cố định mà thay đổi tức thời từ một giá trị nào đó đến giá trị cực đại và ngược lại.
Những thay đổi tải đột ngột như vậy làm xáo trộn trạng thái cân bằng của hệ thống hồ quang điện — nguồn hiện tại… Để hồ quang cháy trong một thời gian dài ở một giá trị dòng điện nhất định, không bị dập tắt và không biến thành các dạng phóng điện khác, điều cần thiết là nguồn cung cấp dòng điện cho hồ quang phải nhanh chóng phản ứng với những thay đổi xảy ra trong hồ quang chế độ của hồ quang và đảm bảo hoạt động ổn định của nó.
Trong thời kỳ đầu phát triển kỹ thuật hàn điện, điều này được thực hiện với sự trợ giúp của các điện trở chấn lưu tích hợp để hạn chế dòng điện và tuần tự làm dịu hồ quang trong mạch chính của máy điện. Sau đó, các nguồn năng lượng đặc biệt có đặc tính rơi và quán tính từ tính thấp được tạo ra, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu phát sinh từ các đặc tính của hồ quang hàn.
Song song với sự phát triển của kỹ thuật hàn điện, các nghiên cứu được thực hiện cho phép thiết lập các thông số chính về đặc tính tĩnh của hồ quang trong điều kiện hàn và nghiên cứu các điều kiện tối ưu cũng như các thông số điện chính của các nguồn năng lượng và ảnh hưởng của chúng đối với sự ổn định và liên tục của sự cháy của hồ quang trong quá trình hàn.
Trong giai đoạn tiếp theo, trên cơ sở nghiên cứu về động học và tĩnh học của quá trình trong máy hàn điện, đã xây dựng phân loại hệ thống và thiết bị máy hàn và xây dựng lý thuyết tổng quát thống nhất về máy hàn.
Đặc điểm của quá trình hàn hồ quang
Quá trình hàn hồ quang điện là một phức hợp rất phức tạp của các hiện tượng vật lý, hóa học và điện xảy ra liên tục ở tất cả các giai đoạn trong khoảng thời gian cực ngắn. So với các quá trình luyện kim thông thường của kim loại nóng chảy, quá trình hàn là khác nhau:
-
khối lượng nhỏ của bồn tắm với kim loại nóng chảy;
-
nhiệt độ cao của quá trình nung nóng kim loại, ở tốc độ cao và sự gia nhiệt cục bộ dẫn đến gradien nhiệt độ cao:
-
một mối liên hệ không thể tách rời giữa kim loại được ứng dụng và kim loại cơ bản, kim loại sau có thể nói là một dạng của kim loại trước.
Do đó, kim loại được nung nóng và nóng chảy trong vũng hàn thể tích nhỏ được bao quanh bởi một khối lượng đáng kể của kim loại cơ bản có nhiệt độ thấp hơn. Tất nhiên, hoàn cảnh này quyết định tốc độ gia nhiệt và làm nguội cao của kim loại và do đó, quyết định bản chất và hướng của các phản ứng diễn ra trong vũng hàn.
Đi qua khe hồ quang, kim loại bổ sung nóng chảy tiếp xúc với khí quyển của hồ quang ở nhiệt độ rất cao, dẫn đến quá trình oxy hóa kim loại và hấp thụ khí từ nó, đồng thời quan sát thấy sự hoạt hóa của khí trơ (chủ yếu là nitơ) trong hồ quang. hồ quang, hoạt động của nó là không đáng kể trong các quy trình luyện kim thông thường.
Kim loại nóng chảy trong vũng hàn cũng tiếp xúc với môi trường hồ quang, nơi diễn ra các phản ứng hóa lý giữa kim loại, tạp chất và khí được nó hấp thụ. Do những hiện tượng này, kim loại hàn lắng đọng có hàm lượng oxy và nitơ tăng lên, như đã biết, làm giảm các đặc tính cơ học của kim loại.
Khi một kim loại đi vào một vòng cung và vẫn ở trạng thái nóng chảy tại nơi có tạp chất trong sắt, cũng như các chất bổ sung hợp kim bị đốt cháy, điều này cũng làm suy giảm các tính chất cơ học của kim loại. Các khí hình thành trong quá trình đốt cháy các tạp chất, cũng như các chất hòa tan trong kim loại trong quá trình hóa rắn kim loại nóng chảy, có thể dẫn đến sự hình thành các lỗ rỗng và lỗ rỗng trong kim loại lắng đọng.
Do đó, các quá trình xảy ra trong quá trình hàn gây khó khăn cho việc thu được kim loại hàn chất lượng cao. Những khó khăn này hóa ra là không thể có được mối hàn có các đặc tính gần với đặc tính của kim loại mối hàn, đây là chỉ số chính về chất lượng của mối hàn, nếu không thực hiện các biện pháp đặc biệt.
Cải tiến công nghệ hàn hồ quang
Biện pháp chính làm tăng chất lượng và độ bền của các mối nối kim loại trong các phương pháp hàn hồ quang hiện có là sử dụng các lớp phủ đặc biệt - lớp phủ trên các điện cực.
Trong thời kỳ đầu, chức năng của các lớp phủ-lớp phủ như vậy là tạo điều kiện đánh lửa và tăng độ ổn định của hồ quang do hiệu ứng ion hóa của chúng. Sau đó, với sự phát triển của các lớp phủ dày hoặc chất lượng cao, chức năng của nó, ngoài việc tăng độ ổn định của hồ quang, là cải thiện thành phần hóa học và cấu trúc của kim loại lắng đọng, chất lượng hàn tăng đáng kể Được Quan sát.
Sự phát triển của các lớp phủ đặc biệt trên các điện cực đã giúp phổ biến việc sử dụng các phương pháp cơ bản để hàn và cắt kim loại dưới nước trong những năm gần đây. Trong trường hợp này, mục đích của các lớp phủ trên các điện cực cũng là (do chúng cháy chậm hơn so với điện cực) để duy trì một lá chắn bảo vệ xung quanh hồ quang và tạo thành một bong bóng trong đó hồ quang cháy cùng với khí thoát ra khi các lớp phủ cháy .
Đồng thời với việc cải thiện chất lượng của mối hàn, người ta quan sát thấy sự gia tăng năng suất hàn, điều này đạt được khi hàn thủ công bằng cách tăng công suất của hồ quang hàn đồng thời tăng đường kính của điện cực kim loại. Sự gia tăng đáng kể về công suất và sự gia tăng kích thước của các điện cực đã dẫn đến việc thay thế hàn thủ công bằng hàn tự động.
Những khó khăn lớn nhất trong hàn tự động được đặt ra bởi vấn đề lớp phủ điện cực, mà không có chất lượng hàn cao theo yêu cầu hiện đại là gần như không thể.
Một giải pháp thành công là cung cấp lớp phủ từ thông lượng dạng hạt đã nghiền không phải cho điện cực mà cho kim loại cơ bản.Trong trường hợp này, hồ quang cháy dưới một lớp từ thông, nhờ đó nhiệt của hồ quang được sử dụng hiệu quả hơn và đường may được bảo vệ khỏi tiếp xúc với không khí. Sự bổ sung này là một cải tiến đối với quy trình hàn điện cực kim loại cơ bản giúp tăng đáng kể năng suất và cải thiện chất lượng mối hàn.
Khả năng kiểm soát trạng thái nhiệt của các kim loại được nối bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng hiện đại cho hồ quang hàn giúp nhận ra tất cả các dạng chuyển tiếp của quá trình nối từ nhựa sang trạng thái lỏng, nóng chảy của vật liệu. Hoàn cảnh này mở ra những khả năng mới để kết nối không chỉ các kim loại khác nhau mà cả các vật liệu phi kim loại với nhau.
Với sự cải tiến của các quy trình hàn công nghệ, độ bền và độ tin cậy của các kết cấu hàn tăng lên. Trong thời kỳ đầu, khi quá trình hàn được thực hiện hoàn toàn thủ công, hàn hồ quang điện được sử dụng trong tất cả các loại công việc phục hồi và sửa chữa.
Tầm quan trọng của hàn hồ quang điện với tư cách là một trong những quy trình công nghệ chính và tiên tiến hiện nay là không thể phủ nhận. Kinh nghiệm sử dụng hàn trong các ngành công nghiệp khác nhau đã chứng minh rõ ràng rằng phương pháp gia công kim loại này không chỉ cho phép tiết kiệm kim loại (25 - 50%), mà còn tăng tốc đáng kể việc sản xuất các loại kết cấu kim loại.
Sự phát triển của cơ giới hóa và tự động hóa quy trình, nhằm tăng năng suất liên tục, kết hợp với sự gia tăng ổn định về chất lượng và độ bền của mối hàn, tiếp tục mở rộng phạm vi ứng dụng của nó.Hiện nay, hàn hồ quang điện là quy trình công nghệ hàng đầu trong sản xuất các loại kết cấu kim loại chịu tải trọng tĩnh và động ở nhiệt độ thấp và cao.
Các bài viết hay và hữu ích khác về hàn điện: