Hàn hồ quang plasma (PAW)

Thanh Sơn dịch từ: twi global, bản quyền thuộc về baoduongcokhi.com.

Hàn hồ quang plasma (PAW - Plasma Arc Welding) là một quá trình hàn hồ quang, rất giống với hàn TIG, vì hồ quang được hình thành giữa một điện cực vonfram đầu nhọn và vật hàn. Tuy nhiên, bằng cách định vị điện cực nằm lùi bên trong thân mỏ hàn, hồ quang plasma có thể được tách biệt khỏi vỏ khí bảo vệ. Plasma sau đó được ''ép'' đi qua một đầu phun bằng đồng, có lỗ nhỏ, để làm "co" hồ quang lại.

Có ba chế độ hàn có thể được tạo ra bằng cách thay đổi đường kính lỗ phun và tốc độ dòng khí plasma:

Hàn microplasma (0,1 - 15A)

Microplasma được sử dụng để hàn các tấm thép mỏng (độ dày ≤ 0,1mm), và các dây và lưới. Đầu phun giống như mũi kim, tạo ra hồ quang ''cứng'', giúp giảm thiểu sự lung lay/không ổn định và biến dạng của hồ quang.

Hàn dòng điện trung bình (15 - 200A)

Khi được sử dụng ở chế độ hàn nóng chảy, đây là một giải pháp thay thế cho TIG thông thường. Ưu điểm là khả năng thâm nhập sâu hơn (từ dòng khí plasma cao hơn), khả năng chịu nhiễm bẩn bề mặt cao hơn, bao gồm các lớp phủ bề mặt (điện cực nằm trong thân mỏ hàn) và khả năng chịu đựng tốt hơn với các tư thế hàn, từ điện cực đến khoảng cách vật hàn mà không có sự thay đổi đáng kể về nhiệt độ ban đầu cấp vào.

Hàn keyhole plasma (trên 100A) (hàn ngấu sâu)

Bằng cách tăng dòng điện hàn và lưu lượng khí plasma, một chùm tia plasma rất mạnh được tạo ra có thể đạt được độ ngấu hoàn toàn trong vật liệu hàn, như trong hàn laser hoặc hàn bằng chùm điện tử. Trong quá trình hàn, một lỗ khóa (keyhole) được hình thành để cắt dần qua kim loại với vũng hàn nóng chảy chảy ra phía sau để tạo thành đường hàn dưới lực căng bề mặt. Quá trình này có thể được sử dụng để hàn vật liệu dày hơn (lên đến 10mm thép không gỉ) trong một lần hàn.

Hồ quang plasma thường hoạt động với nguồn điện một chiều, với dòng điện không đổi. Bởi vì các tính năng hoạt động độc đáo của nó có nguồn gốc từ sự thiết kế của mỏ hàn đặc biệt và dòng khí plasma và khí bảo vệ tách biệt, một hệ thống điều khiển plasma có thể được thêm vào nguồn điện TIG thông thường. Hệ thống có mục đích điều khiển plasma cũng được chế tạo và có sẵn trên thị trường.

Mặc dù hồ quang được bắt đầu bằng HF, nhưng nó được hình thành đầu tiên giữa điện cực và đầu phun plasma. Hồ quang mồi này được giữ trong phần thân của mỏ hàn cho đến khi được yêu cầu hàn, sau đó nó được chuyển đến vật hàn. Hệ thống hồ quang mồi đảm bảo khởi động hồ quang đáng tin cậy và khi hồ quang mồi được duy trì giữa các mối hàn, nó loại bỏ nhu cầu đánh lửa lại HF có thể gây nhiễu điện.

Điện cực được sử dụng cho quá trình plasma là vonfram 2% thoria, và đầu phun plasma là đồng. Đường kính lỗ của đầu phun plasma là rất quan trọng và nếu đường kính lỗ quá nhỏ so với mức dòng điện và tốc độ dòng khí plasma, sẽ dẫn đến xói mòn đầu phun quá mức hoặc thậm chí bị nóng chảy.

Hỗn hợp khí thông thường sử dụng argon cho khí plasma, hỗn hợp argon hoặc argon cộng với 2% đến 5% hydro dùng làm khí bảo vệ (shield gas). Heli có thể được sử dụng cho dòng khí plasma nhưng vì nó nóng hơn nên làm giảm dòng điện định mức của đầu phun. Khối lượng thấp hơn của Helium cũng có thể làm cho chế độ hàn keyhole khó khăn hơn. Hỗn hợp Heli - argon được sử dụng làm khí bảo vệ cho các vật liệu được hàn như đồng.

Máy hàn plasma

Hàn plasma bắt nguồn từ các đặc tính hoạt động độc đáo của nó từ thiết kế mỏ hàn. Như trong hàn TIG, hồ quang được hình thành giữa đầu của một điện cực vonfram có đường kính nhỏ và vật hàn. Tuy nhiên, trong mỏ hàn plasma, điện cực được đặt phía sau một đầu phun bằng đồng có lỗ nhỏ. Bằng cách buộc hồ quang đi qua đầu phun, tia phản lực hình trụ đặc trưng, hay còn gọi là plasma, được hình thành.

Như đã mô tả ở trên, ba chế độ hoạt động khác nhau có thể được tạo ra bằng cách lựa chọn đường kính lỗ phun, mức dòng điện và tốc độ dòng khí plasma.

Khi hồ quang plasma được tạo ra bởi sự thiết kế mỏ hàn đặc biệt và bộ điều khiển hệ thống, thiết bị có thể được sử dụng như một đơn vị bổ sung cho thiết bị hàn TIG thông thường để cung cấp hồ quang mồi bổ sung và tách biệt dòng plasma và khí bảo vệ. Ngoài ra, thiết bị plasma được sản xuất theo mục đích sử dụng có sẵn trên thị trường. Mặc dù có những điểm tương đồng trong thiết bị plasma và TIG, có một số điểm khác biệt quan trọng trong các thành phần sau:

Nguồn điện

Nguồn điện cho máy hàn plasma hầu như chỉ là điện DC và, như trong TIG, đặc tính đầu ra có dòng điện không đổi, về cơ bản sẽ cung cấp dòng điện không đổi với một giá trị cài đặt trước. Nguồn điện lý tưởng cho việc hàn liên tục khi nó duy trì dòng điện cài đặt ngay cả khi độ dài hồ quang thay đổi và trong hàn bằng tay, nó có thể thích ứng với các tư thế hàn của thợ hàn.

Quá trình plasma thường hoạt động với cực âm của điện cực để giảm thiểu nhiệt sinh ra trong điện cực (khoảng 1/3 nhiệt lượng do hồ quang sinh ra ở cực âm và 2/3 ở cực dương). Tuy nhiên, có sẵn những mỏ hàn đặc biệt để hoạt động với cực dương của điện cực dựa trên việc làm mát hiệu quả để ngăn chặn sự nóng chảy của điện cực. Mỏ hàn điện cực dương được sử dụng để hàn nhôm, đòi hỏi cực âm phải nằm trên vật hàn để loại bỏ màng oxit.

Nguồn AC thường không được sử dụng trong quá trình plasma, vì rất khó để ổn định hồ quang AC. Các vấn đề trong việc đốt lại hồ quang có liên quan đến sự co thắt của đầu phun, khoảng cách điện cực dài so với vật hàn và bóng của điện cực gây ra bởi các giai đoạn luân phiên của cực dương điện cực. Nguồn điện AC (biến tần, DC chuyển mạch) sóng vuông, với mỏ hàn được làm mát hiệu quả, giúp việc sử dụng quy trình plasma AC dễ dàng hơn; chuyển đổi dòng điện nhanh chóng thúc đẩy sự tái đốt cháy hồ quang và bằng cách hoạt động với thời gian rất ngắn của cực dương điện cực, độ nóng điện cực được giảm xuống để có thể duy trì một điện cực nhọn.

Hệ thống plasma có một hệ thống khởi động hồ quang duy nhất, trong đó HF chỉ được sử dụng để đốt cháy hồ quang mồi được giữ trong thân mỏ hàn. Hồ quang mồi hình thành giữa điện cực và đầu phun đồng, được tự động chuyển đến vật hàn khi cần hàn. Hệ thống khởi động này rất đáng tin cậy và loại bỏ nguy cơ nhiễu điện thông qua HF.

Mỏ hàn (Torch)

Mỏ hàn cho quá trình hàn plasma phức tạp hơn đáng kể so với mỏ hàn TIG và cần phải chú ý, không chỉ khi thiết lập ban đầu, mà còn phải kiểm tra và bảo trì trong quá trình sử dụng.

Đầu phun (nozzle)

Trong cách thiết kế của mỏ hàn thông thường, điện cực được đặt phía sau đầu phun bằng chất liệu đồng, làm mát bằng nước. Vì công suất của hồ quang plasma được xác định bởi mức độ co thắt của đầu phun, nên phải xem xét việc lựa chọn đường kính lỗ phun liên quan đến mức dòng điện và tốc độ dòng khí plasma. Đối với plasma 'mềm', thường được sử dụng cho các chế độ vận hành dòng điện vừa và nhỏ, nên sử dụng lỗ phun có đường kính tương đối lớn để giảm thiểu xói mòn đầu phun.

Trong chế độ hàn plasma lỗ khóa dòng điện cao, đường kính lỗ phun của đầu phun, tốc độ dòng khí plasma và mức dòng điện được chọn để tạo ra hồ quang co hẹp cao có đủ năng lượng để cắt qua vật liệu. Tốc độ dòng khí plasma rất quan trọng trong việc tạo ra hồ quang plasma thâm nhập sâu và ngăn ngừa xói mòn đầu phun; tốc độ dòng khí quá thấp đối với đường kính lỗ phun và mức dòng điện sẽ dẫn đến hiện tượng phóng điện hồ quang kép trong mỏ hàn và đầu phun nóng chảy.

Điểm bắt đầu được đề xuất để thiết lập tốc độ dòng khí plasma và mức dòng điện cho một loạt các đường kính lỗ phun và các chế độ hàn khác nhau được đưa ra.

Tốc độ dòng khí plasma

Điện cực (Electrode)

Điện cực là vonfram có bổ sung từ 2% đến 5% thoria để hỗ trợ tạo hồ quang ban đầu. Thông thường, đầu điện cực được mài một góc 15 độ để phục vụ cho chế độ hàn microplasma. Góc đầu tăng theo mức dòng điện và đối với dòng điện cao, chế độ hàn plasma lỗ khóa keyhole, nên đặt góc từ 60 độ đến 90 độ. Đối với các mức dòng điện cao, đầu nhọn cũng được làm cùn đến đường kính xấp xỉ 1mm. Góc đầu nhọn thường không quan trọng đối với hàn thủ công. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng tự động hóa, tình trạng của đầu điện cực và đầu phun sẽ quyết định hình dạng của hồ quang, độ xuyên thấu và biên dạng ngấu của vũng hàn, do đó phải đặc biệt chú ý đến việc mài đầu điện cực. Cũng cần phải kiểm tra định kỳ tình trạng của đầu điền cực và đầu phun và đối với các bộ phận quan trọng, nên kiểm tra tình trạng mỏ hàn giữa các mối hàn.

Thiết lập điện cực (electrode set-back)

Để đảm bảo tính nhất quán, điều quan trọng là phải duy trì vị trí điện cực không đổi phía sau đầu phun; hướng dẫn về cách đặt lại điện cực và một công cụ đặc biệt được cung cấp bởi nhà sản xuất mỏ hàn. Dòng điện định mức tối đa của mỗi đầu phun đã được thiết lập cho vị trí đặt lại điện cực tối đa và tốc độ dòng khí plasma tối đa. Tốc độ dòng khí plasma thấp hơn có thể được sử dụng để làm mềm hồ quang plasma với định mức dòng điện tối đa của đầu phun cung cấp khoảng cách lùi điện cực được giảm xuống.

Khí Plasma và khí bảo vệ

Sự kết hợp khí thông thường là argon cho khí plasma và argon 2 đến 8% H2 cho khí bảo vệ. Bất kể vật liệu được hàn, sử dụng argon cho khí plasma tạo ra tỷ lệ ăn mòn điện cực và đầu phun thấp nhất. Hỗn hợp khí Argon - H2 dùng để bảo vệ tạo ra không khí giảm nhẹ và mối hàn sạch hơn. Heli cho một hồ quang nóng hơn; tuy nhiên, việc sử dụng nó cho khí plasma làm giảm khả năng mang dòng điện của đầu phun và làm cho việc hình thành lỗ khóa khó khăn hơn. Hỗn hợp Heli - argon, ví dụ: 75% heli - 25% argon, được sử dụng làm khí bảo vệ cho các vật liệu như đồng.

Tốc độ dòng khí plasma phải được đặt chính xác vì nó kiểm soát sự thâm nhập của vũng hàn nhưng tốc độ dòng khí bảo vệ không phải là yếu tố quan trọng.

Hệ thống hỗ trợ (backing system)

Có thể sử dụng phạm vi hàn TIG thông thường để thiết kế thanh đỡ hoặc kỹ thuật khí bảo vệ khi sử dụng các kỹ thuật dòng điện trung bình và nhỏ. Khi áp dụng chế độ hàn keyhole, phải sử dụng thanh đỡ có rãnh, có hoặc không có tấm chắn khí hoặc tấm chắn toàn bộ mặt dưới của mối nối hàn. Bởi vì dòng chảy plasma thường kéo dài khoảng 10mm phía mặt dưới của mối nối hàn, rãnh phải đủ sâu để tránh xáo trộn tia hồ quang; nếu dòng plasma ra chạm vào thanh đỡ, sự mất ổn định của hồ quang sẽ làm xáo trộn vũng hàn, gây ra hiện tượng rỗ.

Related Posts by Categories