EnglishCông nghệ hàn nhôm và hợp kim nhôm
Đặc điểm, tính chất và ứng dụng của kim loại cơ bản
Nhẹ, chống ăn mòn trong không khí, nước, dầu, nhiều hóa chất - nhôm được dùng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng.
Khối lượng riêng của nhôm chỉ bằng khoảng một phần ba của thép hay đồng.
Khả năng chống ăn mòn của nhôm xuất phát từ lớp oxit nhôm bền vững trên bề mặt.
Tính dẫn điện và dẫn nhiệt của nhôm cao gấp bốn lần của thép. Dùng nhiều trong các thiết bị điện thay cho đồng.
Nhôm không có từ tính. Hệ số dãn nở nhiệt gấp hai lần của thép.
Nhôm có độ bền không cao nhưng có tính dẻo tốt, đặc biệt là ở nhiệt độ âm.
Có thể tăng độ bền của nhôm thông qua hợp kim hóa, biến dạng ở trạng thái nguội, nhiệt luyện hoặc kết hợp các biện pháp đó.
Hợp kim nhôm: hợp kim đúc (2) và hợp kim biến dạng (1)
Kết cấu hàn chủ yếu được chế tạo từ hợp kim biến dạng: tấm, profile, ống, v.v.
Hợp kim biến dạng (1) được chia thành nhóm có thể nhiệt luyện được (4) và nhóm không thể nhiệt luyện được (3).
Hợp kim nhôm không thể nhiệt luyện được: Chứa Si, Mn, Mg. Tăng độ bền thông qua sự hình thành các dung dịch rắn hoặc các pha phân tán. Mg có hiệu quả nhất, do đó hợp kim Al – Mg có độ bền cao hơn cả, ngay trong trạng thái ủ.
Mọi hợp kim nhôm thuộc nhóm này được đều biến cứng khi bị biến dạng ở trạng thái nguội (nhưng tính dẻo bị giảm). Sau khi ủ, chúng có thể trở lại cơ tính ban đầu. Khi đã qua biến cứng nguội rồi sau đó được hàn, độ bền vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ giảm xuống mức của hợp kim sau khi ủ.
Nhôm, hợp kim Al – Mg, Al – Mn đều dễ hàn TIG, MIG (riêng Al –Si cần sử dụng các quy trình đặc biệt và tính dẻo có thể giảm).
Hợp kim nhôm có thể nhiệt luyện được
Chứa Cu, Mg, Zn và Si dưới dạng đơn hoặc kết hợp (Al-Mg-Cu, Al-Zn-Mg, Al-Si-Mg).
Ở trạng thái ủ, độ bền phụ thuộc vào thành phần hóa học tương tự như với các hợp kim không thể nhiệt luyện được.
Khả năng hòa tan trong dung dịch rắn của bốn nguyên tố nói trên, đơn lẻ hoặc kết hợp, tăng theo sự gia tăng nhiệt độ. Do đó, các hợp kim này có thể được nhiệt luyện theo hình thức ủ đồng nhất hóa tổ chức, tôi, sau đó hóa già tự nhiên hoặc nhân tạo.
Sau hoặc trước khi hóa già, còn có thể tăng độ bền thông qua biến dạng ở trạng thái nguội.
Al – Mg – Si là hợp kim dễ hàn. Nhiều hợp kim thuộc nhóm Al – Zn có tính hàn kém, nhưng khi có thêm Mg, một sốcó thể hàn được. Hợp kim Al – Cu đòi hỏi có quy trình hàn đặc biệt và liên kết hàn có tính dẻo kém.
Tính hàn của nhôm và hợp kim nhôm
1. Vấn đề Al2O3:
Nhiệt độ nóng chảy Al: 660oC; Al2O3: 2050oC
Khối lượng riêng Al: 2,7 g/cm3; Al2O3: 3,6 g/cm3
Khi hàn có thể hình thành màng Al2O3. Do đó, cạnh mối hàn khó nóng chảy, lẫn xỉ trong khi hàn.
Khử màng Al2O3 bằng các biện pháp:
a. Cơ học: rũa, cạo, chải bằng bàn chải có sợi thép không gỉ
b. Hóa học: thuốc hàn, tạo thành các chất dễ bay hơi: thuốc 50% KCl + 15% NaCl + 35% Na3AlF2 cho phản ứng Al2O3+ 6KCl ->2AlCl3↑+ 3K2O. Dung dịch axit hoặc kiềm.
c. Hồ quang: hiệu ứng bắn phá catot của hồ quang
2. Tại nhiệt độ cao, độ bền giảm nhanh, làm nhôm bị sụt khi hàn. Độ chảy loãng cao, nhôm dễ chảy ra khỏi chân mối hàn. Nhôm không đổi màu khi hàn, khó khống chế kích thước vũng hàn
Hệ số dãn nở nhiệt cao, module đàn hồi thấp, nhôm dễ bị biến dạng khi hàn
Hydro là nguồn gây rỗ khí chủ yếu khi hàn nhôm. Cần khử các chất chứa hydro trên bề mặt vật hàn
Nhôm dẫn nhiệt tốt, phải dùng nguồn nhiệt có công suất cao hoặc nguồn xung
Kim loại mối hàn dễ nứt do cấu trúc hạt hình cột thô và cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp ở tinh giới, cũng như do co ngót (7%) khi kết tinh.
Vật liệu hàn nhôm
Que hàn nhôm và hợp kim nhôm để hàn hồ quang tay trong chế tạo các kết cấu chịu tải đơn giản và trong sửa chữa. Tiêu chuẩn AWS A5.3 phân ra 3 loại que hàn:
Sấy que hàn đến 175÷200oC để khử hơi nước. Tp= 150÷200oC.
Ký hiệu dây hàn (dây hàn phụ): Tiêu chuẩn AWS A5.10 – 1980:
ER: dây hàn dùng cho hàn khí, hàn plasma, hàn TIG, MIG.
R: dây hàn dùng cho các quá trình hàn nêu trên, trừ hàn MIG.
Chọn vật liệu hàn: thành công của hàn nhôm do chọn đúng vật liệu hàn
Chọn vật liệu hàn không thích hợp có thể gây nứt tại kim loại mối hàn do kim loại mối hàn hoặc vùng ảnh hưởng nhiệt có tính dẻo và độ bền thấp khi nhiệt độ tăng (hiện tượng này đôi khi gây ra sụt mối hàn).
Để giảm xu hướng nứt giữa các tinh thể trong vùng ảnh hưởng nhiệt, nên dùng vật liệu hàn có nhiệt độ nóng chảy bằng hoặc thấp hơn kim loại cơ bản, tức là có hàm lượng các nguyên tố hợp kim cao hơn.
Công nghệ và kỹ thuật hàn nhôm và hợp kim nhôm
Trước khi hàn: làm sạch lớp dầu mỡ bảo quản. Tẩy bằng aceton hoặc dung môi khác trong khoảng rộng 100÷150 mm từ mép. Lớp oxit bên dưới lớp dầu mỡ được tẩy trong khoảng rộng 25÷30 mm bằng phương pháp cơ học (giấy ráp, bàn chải thép không gỉ có đường kính sợi < 0,15 mm).
Có thể dùng hóa chất để khử oxit (tẩm thực 0,5÷1 phút) trong dung dịch 1 lít nước: 50 g NaOH, 45 g NaF. Sau đó xối nước (1÷2 phút) và trung hòa bằng dung dịch axit nitric 30÷35% (với hợp kim Al-Mn) hoặc dung dịch axit khác. Sau đó xối lại bằng nước và sấy khô bằng không khí nóng 80÷90oC.
Sau khi làm sạch bề mặt, chi tiết phải được hàn trong vòng 3÷4 tiếng đồng hồ.
Với dây hàn, làm sạch như sau
Rửa bằng dung dịch khử dầu mỡ; tẩm thực trong dung dịch 15% NaOH ở 60÷70oC; rửa trong nước, sấy khô, khử khí ở 350oC trong 5÷10 tiếng đồng hồ trong chân không 10÷3 mm Hg (0,13 Pa).
Cũng có thể thay chân không bằng nung trong không khí ở 300oC trong 10÷30 phút.
Hàn hồ quang tay
Chủ yếu cho hàn các kết cấu chịu tải trọng nhỏ từ nhôm kỹthuật và hợp kim nhôm loại Al-Mn, Al-Mg với hàm lượng Mg dưới 5%, và hợp kim đúc Al-Si.
Dòng một chiều cực nghịch. Trước khi hàn cần nung nóng sơ bộ (250÷300oC với chiều dày trung bình, và 400oC với chiều dày lớn), cho phép hàn ngấu với cường độ dòng hàn trung bình. Khi hàn các kết cấu lớn, thường chỉ nung nóng sơ bộ một phần.
Liên kết hàn thông dụng nhất: giáp mối.
Liên kết chồng và chữ T: nên tránh vì xỉ hàn có thể chảy vào khe, khó loại bỏ (bằng cách rửa) sau khi hàn, dễ gây ăn mòn kết cấu.
Chiều dày tối thiểu có thể hàn hồ quang tay: 4 mm. Khi chiều dày < 20 mm, không cần vát mép. Mối hàn thường có khe đáy ≤0,5÷1 mm. Hàn trên tấm lót bằng thép.
Với chiều dày > 20 mm, vát mép với góc 70÷90o, chiều cao không vát mép 3÷5 mm và khe đáy 1,5÷2 mm.
Hàn nhôm nhanh gấp 2÷3 lần hàn thép.
Vỏ bọc que hàn: điện trở lớn; nếu hồ quang tắt, trên miệng vũng hàn và đầu que hàn sẽ hình thành lớp xỉ cứng, khó gây lại hồ quang. Vì vậy cần hàn liên tục. Không dao động ngang.
Để bảo đảm bắn tóe tối thiểu, jmax= 60 A/mm. Liên kết chồng và hàn chữ T được hàn với chế độ như hàn giáp mối có cùng chiều dày hàn từ 2 phía.
Hàn đính: thực hiện có nung nóng sơ bộ tới 150÷250oC. Cần làm sạch xỉ hàn và oxit. Sau khi hàn: rửa sạch xỉ hàn bằng nước nóng và bàn chải lông. Để mối hàn có độ bóng bình thường, cần tẩm thực sau khi hàn trong dung dịch axit nitric 5÷10%.
Hàn trong môi trường khí bảo vệ
Phổ biến nhất trong chế tạo các kết cấu hợp kim nhôm quan trọng.
Các phương pháp hàn là–hàn tay hoặc hàn cơ giới bằng (TIG), –hàn tự động hoặc bán tự động (MIG).
Khí bảo vệ được sửd ụng là Ar (99,98%) hoặc He (99,985%); khi hàn TIG, có thể dùng hỗn hợp của hai loại khí đó.
Hàn TIG
Dòng xoay chiều.
Điện cực W, đường kính ∅d = 2÷6 mm, chiều dày t < 12 mm.
Khi t < 3 mm, có thể hàn một lượt có sử dụng đệm lót bằng thép.
Với t = 4÷6 mm, nên hàn từ hai phía, và với t = 6÷7 mm trở lên, cần vát mép hàn theo dạng V hoặc X.
Khi hàn tay, với tmax = 5÷6 mm, điện cực có đường kính từ 1,5÷5 mm.
Dòng điện hàn tối đa I = (60÷65)d. Tốc độ hàn 8÷12 m/h.
Dây hàn phụ dd = 1÷5 mm. Để bảo vệ hữu hiệu vùng hàn, cần có một lượng khí tối ưu (tra bảng). Độ tin cậy của quá trình hàn còn phụ thuộc vào đường kính và dạng chụp khí trên mỏ hàn, khoảng cách từ miệng chụp khí đến bề mặt vật hàn v.v. Có thể chọn cỡ chụp khí D (đường kính miệng) như sau: d [mm]2÷3456D [mm] 10÷12 12÷16 14÷18 16÷22
t = (0,8÷2 mm), cần hàn gấp mép.
Khi hàn bằng tay, góc nghiêng giữa điện cực và dây hàn phụ là 90o.
Điện cực W không dao động ngang. Chiều dài hồ quang tối đa 1,5÷2,5 mm.
Khoảng nhô ra của đầu điện cực khỏi miệng vòi phun của chụp khí 1÷1,5 mm khi hàn giáp mối và 4÷8 mm khi hàn mối hàn góc (liên kết góc và liên kết chữT).
Kích thước vũng hàn giữ ở mức tối thiểu.
Với t< 10 mm, hàn từ trái sang phải, cho phép giảm mức độ nung nóng kim loại cơ bản.
Tốc độ hàn phải tương ứng với chế độ hàn và mức độ tiêu thụ khí bảo vệ. Lưu lượng khí quá lớn ->dòng xoáy ->không khí bị hút vào vùng cần được bảo vệ. Lưu lượng khí quá ít hoặc tốc độ hàn quá lớn sẽ giảm hiệu quả bảo vệ vùng hàn.
Tùy theo mức độ tiêu thụ, áp lực khí Ar được điều chỉnh trong khoảng 0,1÷0,5 at (0,01÷0,05 MPa).
Ar được đưa vào vùng hàn 3÷5 s trước và 5÷7 s sau khi có hồ quang (thông qua van điện từ).
Hàn TIG cơ giới: dây hàn có kích thước lớn hơn so với hàn bằng tay. Có thể hàn 1 lượt hoặc hàn từ 2 phía. Hàn thường được thực hiện với điện cực ở vịtrí thẳng đứng, dây hàn phụ được cơ cấu cấp dây đưa vào sao cho đầu của nó tựa vào mép của vũng hàn.
Khi chiều dày tấm lớn hơn 6 mm, cần thực hiện vát mép như sau:
Hàn MIG
Hiệu quả cao khi t ≥4.
Dòng một chiều cực nghịch (bắn phá catod màng Al2O3 bằng các ion dương).
So với hàn TIG, cơ tính mối hàn thấp hơn do điện cực bị nung nóng quá mức (ví dụ với hợp kim Al-Mg, độ bền kim loại mối hàn giảm 15%). Tuy nhiên có ưu điểm khử tạp chất (oxit nhôm) tốt, và có năng suất cao.
Dây hàn ∅d = 1,2÷1,5 mm. Với các dây có lớn hơn, quá trình hàn chỉ ổn định khi dòng điện hàn có cường độ cao hơn 130÷140 A, cho phép hàn một lượt các tấm có chiều dày 4÷5 mm. Khi hàn ở tư thế hàn ngang hoặc hàn trần, cần giảm cường độ dòng điện hàn 10÷15%.
Khoảng cách từ miệng chụp khí đến bề mặt vật hàn là 5÷15 mm.
Ar hoặc hỗn hợp Ar + 30÷70% He (cho hàn các tấm dày).
Chế độ hàn tiêu biểu: hầu hết hợp kim nhôm được hàn bằng chế độ dịch chyển tia có dòng bình thường hoặc dòng xung.
Mật độ dòng điện hàn 80÷480 A/mm2.
Các ưu điểm của dịch chuyển tia là ngấu tốt; hồ quang cứng, hẹp và ổn định dễ hàn ở các tư thế hàn khác nhau, có thể hàn mối hàn góc nhỏ trên chiều dày lớn.
Dòng xung dạng tia dùng cho chiều dày 0,75÷3 mm hoặc cho hàn tấm mỏng lên tấm dày.
Hàn tự động trên lớp thuốc hàn
Chế tạo các kết cấu kiểu thùng chứa (xitec), nồi hơi, v.v. từ nhôm kỹ thuật và hợp kim Al-Mn có chiều dày 10÷30 mm.
Thuốc hàn dẫn điện, gồm hỗn hợp các loại muối của các nguyên tố halogen với Na, K, Ba, Ca ... và cryolit (3NaF.AlF3). ví dụ AH-A1: KCl 50, NaCl 20, Cryolit 30.
Chiều sâu ngấu lớn (gấp 2÷3 lần so với hàn thép). Vì vậy không cần nung nóng sơ bộ trước khi hàn.
Có thể sử dụng 1 hoặc 2 điện cực. Khi hàn bằng 1 điện cực, thường tiến hành hàn trên tấm đệm thép để tạo dáng mối hàn do tính chảy loãng cao của nhôm. Hàn thường được tiến hành từ 2 phía.
Hàn bằng 2 điện cực (điện cực kép), sẽ tăng được kích thước vũng hàn và thời gian lưu kim loại ở trạng thái nóng chảy, giảm được hiện tượng rỗ khí.
Dòng một chiều cực nghịch và nguồn điện hàn có đặc tuyến thoải hoặc cứng.
Để bảo đảm tạo dáng tốt mối hàn và dễ loại bỏ xỉ sau khi hàn, chiều cao lớp thuốc hàn được khống chế chặt. Xỉ hàn phải phủ kín mối hàn thành một lớp mỏng.
Cần sử dụng các tấm công nghệ để bắt đầu và kết thúc mối hàn.
Xe hàn chuyên dụng: có hộp chứa thuốc hàn kèm theo bộ phận tạo liều thuốc, cơ cấu cấp dây kiểu kéo, đầu dẫn dây đặc biệt và bộ phận hút khói hàn. Cơ tính mối hàn tốt.
Hàn tự động dưới lớp thuốc hàn
Hàn dưới lớp thuốc: hồ quang kín, sử dụng mật độ dòng điện hàn cao, có chiều sâu ngấu lớn, vì vậy không cần vát mép.
Khi hàn sử dụng điện cực kép với dòng điện hàn một chiều cực nghịch hoặc dòng xoay chiều.
Thuốc hàn tiêu biểu: NaCl (17), KCl (43), Cryolit (36), SiO2(4) hoặc NaCl (15), KCl (38), Cryolit (43), SiO2(1), CaF2(3).
BÀI VIẾT LIÊN QUAN
