Hàn hồ quang là một quy trình sử dụng nguồn điện hàn để tạo ra hồ quang điện (để tạo nhiệt) giữa điện cực tiêu hao hoặc không tiêu hao và vật liệu cơ bản để làm nóng chảy kim loại tại điểm hàn.
Phân tích chi tiết hơn, có nhiều quy trình hàn hồ quang khác nhau. Một số quy trình này, bao gồm ưu điểm và hạn chế của chúng, được mô tả trong các phần bên dưới.
1. Hàn hồ quang kim loại (SMAW) – Hàn que
Hàn hồ quang kim loại được che chắn (SMAW), còn được gọi là "hàn que", là phương pháp hàn hồ quang được sử dụng phổ biến nhất trong số các phương pháp hàn hồ quang khác nhau (hàn hồ quang là một quá trình sử dụng điện để tạo ra đủ nhiệt để làm nóng chảy và nối các kim loại). Quá trình hàn này sử dụng dòng điện xoay chiều (AC) hoặc dòng điện một chiều (DC) liên tục chạy qua điện cực được phủ thuốc hàn để tạo ra hồ quang giữa điện cực và các kim loại cần nối. Khi hồ quang được tạo ra, kim loại nền của phôi và kim loại điện cực nóng chảy vào nhau, tạo thành vũng hàn. Thuốc hàn trên điện cực bị phân hủy khi điện cực nóng chảy, che chắn hồ quang. Thuốc hàn này ngăn mối hàn bị oxy hóa bởi không khí xung quanh.
Những ưu điểm và hạn chế chính của quy trình hàn hồ quang này bao gồm:
Thuận lợi:
-
Do đây là phương pháp hàn hồ quang được sử dụng phổ biến nhất, nên thợ hàn và thiết bị hàn rất dễ tìm mua.
-
Thiết bị này tương đối rẻ và trình độ đào tạo cần thiết thấp hơn so với các phương pháp hàn khác.
-
Vì hồ quang được bảo vệ bởi lớp thuốc hàn phủ trên điện cực, nên hàn SMAW là một quy trình tuyệt vời trong môi trường ngoài trời/gió mạnh, nơi khí bảo vệ có thể bị thổi bay.
Hạn chế:
-
Phương pháp hàn SMAW tạo ra xỉ trên mối hàn, cần phải loại bỏ xỉ này sau mỗi lần hàn, khi dừng và bắt đầu hàn, và trước khi bắt đầu một đường hàn mới.
-
Tốc độ lắng đọng (lượng kim loại phụ có thể được lắng đọng, tính bằng pound mỗi giờ) thấp hơn so với các quy trình khác như hàn GMAW.
2. Hàn hồ quang lõi thuốc (FCAW)
Hàn hồ quang lõi thuốc (FCAW) là một quy trình hàn hồ quang sử dụng điện cực hình ống, có lõi thuốc để hàn kim loại cơ bản. Thiết bị được sử dụng trong quy trình này rất giống, và đôi khi giống hệt, với hàn GMAW. Dây hàn lõi thuốc vẫn được kéo từ cuộn; tuy nhiên, các con lăn đặc biệt được sử dụng để ngăn điện cực lõi thuốc bị nghiền nát. Tương tự như GMAW, dây chảy từ cuộn qua một ống, vào bộ dẫn hướng dây, và ra ở đầu mỏ hàn.
Hai loại hàn lõi thuốc chính là hàn tự bảo vệ (FCAW-S) và hàn bảo vệ bằng khí (FCAW-G). FCAW-S chứa thuốc hàn bên trong điện cực, giúp bảo vệ hoàn toàn hồ quang khỏi không khí. FCAW-G sử dụng khí bảo vệ xung quanh hồ quang (tương tự như GMAW) như một lớp bảo vệ thứ cấp cho dây hàn lõi thuốc. Điện cực dây hàn lõi thuốc đóng vai trò vừa là kim loại phụ vừa là lớp bảo vệ trong FCAW, do đó nó là một điện cực tiêu hao. FCAW thường là quy trình DCEN, nhưng đôi khi DCEP (cực ngược) được sử dụng, trong đó cực tính bị đảo ngược và điện cực lúc này mang điện tích dương.
Những ưu điểm và hạn chế chính của quy trình hàn hồ quang này bao gồm:
Thuận lợi:
-
Khi sử dụng phương pháp hàn FCAW-S, không phát sinh thêm chi phí cho khí bảo vệ và không cần lo lắng về việc hàn trong điều kiện gió mạnh vì hồ quang được lõi thuốc bảo vệ hoàn toàn.
-
Phương pháp hàn FCAW-G thường sử dụng CO2 làm khí bảo vệ, loại khí này rẻ hơn argon.
-
FCAW-G có quy trình lắng đọng rất cao.
-
Lớp xỉ còn lại từ chất trợ dung có thể giúp nâng đỡ và định hình phần đế mối hàn.
Hạn chế:
-
Phương pháp hàn FCAW tạo ra xỉ trên mối hàn, và xỉ này phải được loại bỏ sau mỗi lần hàn.
-
Thiết bị hàn FCAW rất phức tạp.
-
Khi hàn lớp mối hàn gốc, cần có vật liệu lót.
-
Phương pháp hàn FCAW-S không được khuyến khích sử dụng cho các mối hàn chịu áp lực.
-
Hàn FCAW-S tạo ra lượng khói hàn lớn, do đó cần có thiết bị hút khói.
3. Hàn hồ quang vonfram khí (GTAW)
Hàn hồ quang vonfram khí bảo vệ (GTAW), còn được gọi là hàn vonfram khí trơ (TIG), là một phương pháp hàn hồ quang sử dụng điện cực vonfram không tiêu hao và có thể được sử dụng có hoặc không có thêm kim loại phụ. Nếu sử dụng kim loại phụ, một que hàn dài được đưa vào vũng hàn bằng tay không cầm mỏ hàn của người thợ hàn.
Hàn GTAW sử dụng nguồn điện xoay chiều (AC) hoặc một chiều (DC) ổn định. Thông thường, dòng điện một chiều được thực hiện với điện cực tích điện âm và phôi tích điện dương, được gọi là cực tính điện cực âm dòng điện một chiều (DCEN). Hàn DCEN cho phép độ xuyên sâu hơn và tốc độ hàn nhanh hơn. Dòng điện xoay chiều (AC) cung cấp khả năng làm sạch catốt, loại bỏ oxit khỏi bề mặt phôi, xảy ra trong phần sóng AC khi điện cực tích điện dương. Hiệu ứng này cần thiết khi hàn các vật liệu không chứa sắt như nhôm hoặc magie.
Những ưu điểm và hạn chế chính của quy trình hàn hồ quang này bao gồm:
Thuận lợi:
-
Khi được thực hiện đúng cách, GTAW tạo ra các mối hàn có độ tinh khiết cao, thường sạch sẽ và không có khuyết tật. Do đó, phương pháp này yêu cầu rất ít công đoạn làm sạch sau khi hàn.
-
Phương pháp hàn GTAW rất hữu ích cho việc gia công các chi tiết nhỏ nhờ khả năng kiểm soát độ xuyên thấu mối hàn lớp đầu tiên rất tốt.
-
Phương pháp hàn GTAW có thể được sử dụng mà không cần que hàn, tùy thuộc vào vật cần hàn, và rất hữu ích khi hàn các vật liệu không chứa sắt.
Hạn chế:
-
Phương pháp hàn GTAW có tốc độ lắng đọng rất chậm và khả năng chịu đựng thấp đối với điện cực bẩn hoặc các chất gây ô nhiễm trên kim loại nền hoặc kim loại phụ.
-
Do kỹ thuật phức tạp trong quá trình này, cần phải có những thợ hàn tay nghề cao.
Hàn ngoài trời hoặc ở những khu vực có luồng không khí mạnh có thể gặp khó khăn.
4. Hàn hồ quang chìm (SAW)
Hàn hồ quang chìm (SAW) là một quy trình hàn hồ quang sử dụng một hoặc nhiều hồ quang giữa điện cực kim loại trần được phủ thuốc hàn cấp liên tục (qua cuộn dây) và vũng hàn. Xung quanh đầu tiếp xúc có một vòi phun có thuốc hàn dạng hạt rời chảy ra, bảo vệ và nhấn chìm hồ quang. Vì thiết bị hàn rất nặng và cồng kềnh, nên SAW không được vận hành bằng tay và thường là một quy trình tự động hoặc bán tự động. SAW có thể sử dụng nguồn điện áp không đổi hoặc dòng điện không đổi. SAW được sử dụng rộng rãi trong sản xuất bình áp lực và đường ống.
Những ưu điểm và hạn chế chính của quy trình hàn hồ quang này bao gồm:
Thuận lợi:
-
Do quy trình thường là bán tự động hoặc tự động, nên SAW có tốc độ lắng đọng rất cao.
-
Máy hàn SAW luôn tạo ra các mối hàn chất lượng cao và có độ chính xác lặp lại.
Hạn chế:
-
Cần có các bộ nguồn có cường độ dòng điện cao, có thể hoạt động ở chu kỳ làm việc 100%.
-
Mối hàn không nhìn thấy được trong quá trình hàn vì chất trợ dung che phủ nó.
Thiết bị cưa lọng (SAW) có giá thành cao và không dễ di chuyển như các quy trình khác, điều này thường hạn chế việc sử dụng nó trong các xưởng hoặc trên bề mặt phẳng.
5. Hàn hồ quang kim loại bằng khí (GMAW)
Hàn hồ quang kim loại khí bảo vệ (GMAW), còn được gọi là "hàn MIG", là một phương pháp hàn hồ quang sử dụng dây dẫn mỏng được cấp từ một cuộn dây bên trong máy hàn làm điện cực. Dây dẫn chạy từ cuộn dây qua một ống, vào bộ dẫn hướng dây và ra ở đầu mỏ hàn. Mỏ hàn có một cò bấm, và khi được kích hoạt, dây dẫn được cấp liên tục, hồ quang được tạo ra và khí bảo vệ argon được giải phóng xung quanh hồ quang, tất cả diễn ra đồng thời. Dây dẫn đóng vai trò là kim loại phụ trong GMAW, vì vậy nó là một điện cực tiêu hao.
Những ưu điểm và hạn chế chính của quy trình hàn hồ quang này bao gồm:
Thuận lợi:
-
Hàn GMAW khá dễ vận hành vì cò bấm kích hoạt cả ba bước quan trọng của quá trình hàn: hồ quang, khí và que hàn.
-
Tốc độ lắng đọng rất cao nhờ hệ thống cấp dây.
-
Khí bảo vệ ngăn ngừa sự hình thành xỉ, cho phép giảm thiểu công đoạn làm sạch sau hàn.
-
Hàn GMAW có thể áp dụng cho hầu hết các kim loại và hợp kim thông dụng.
Hạn chế:
-
Thiết bị hàn GMAW phức tạp hơn, đắt hơn và kém di động hơn so với thiết bị hàn SMAW.
Do khí bảo vệ thoát ra từ vòi phun, việc hàn ở những khu vực có luồng gió mạnh trở nên
khó khăn.
6. Hàn hồ quang đinh tán (SW)
Hàn hồ quang đinh tán (SW) là một quy trình hàn hồ quang, thường là DCEN, sử dụng một đinh tán kim loại để hàn vào kim loại nền. SW là một quy trình chuyên dụng thường được sử dụng để hàn các thanh/hình trụ đường kính lớn vào phần nền. Trong ngành công nghiệp dầu khí, SW chủ yếu được sử dụng để hàn các vật liệu cách nhiệt và vật liệu chịu lửa vào các bể chứa và bình chịu áp lực. Đinh tán hoặc chốt được đặt vào đầu súng hàn và sau đó được đặt tiếp xúc với kim loại nền. Khi bóp cò, đinh tán được nâng lên một chút khỏi kim loại nền và hồ quang bắt đầu làm nóng chảy kim loại nền và đinh tán lại với nhau. Khi đinh tán và kim loại đã nóng chảy, đinh tán được ép chặt vào kim loại nền bằng áp lực, tạo thành mối hàn trong vài giây.
Những ưu điểm và hạn chế chính của quy trình hàn hồ quang này bao gồm:
Thuận lợi:
-
Phần mềm có năng suất cao vì thường là bán tự động hoặc tự động.
-
Quy trình hàn SW có thể được vận hành ở mọi vị trí hàn.
Hạn chế:
-
Phương pháp hàn SW chủ yếu chỉ thích hợp cho thép cacbon và thép hợp kim thấp.
Vì tính chuyên biệt cao, nó chỉ có thể được áp dụng cho một vài lĩnh vực nhất định.
7. Hàn hồ quang plasma (PAW)
Hàn hồ quang plasma (PAW) là một quy trình hàn hồ quang, là một biến thể của GTAW. Điểm khác biệt là điện cực vonfram được đặt bên trong thân mỏ hàn. Quy trình này hiếm khi được sử dụng trong chế tạo và sửa chữa thiết bị chịu áp suất. Hàn hồ quang plasma chuyển tiếp (PTA) và hàn hồ quang không chuyển tiếp hoặc phun plasma (PS) là hai loại PAW.
Với phương pháp PTA, hồ quang vẫn được tạo ra giữa điện cực và phôi; tuy nhiên, hồ quang bị thu hẹp bởi cực dương. Khí plasma hoặc khí ion hóa được đẩy qua một lỗ nhỏ ở cuối cực dương, giúp thu hẹp hồ quang. Điều này làm cho hồ quang tập trung rất cao vào một khu vực nhỏ và rất nóng (trên 20.000°F), cho phép quá trình này đạt được độ xuyên thấu mối hàn rất sâu. Kim loại phụ được lắng đọng dưới dạng bột từ cực dương. Trong quy trình PS, hồ quang được tạo ra giữa điện cực và cực dương (thay vì phôi). PS không thích hợp cho các mối hàn chắc chắn và thay vào đó được sử dụng để lắng đọng các lớp phủ bề mặt.
Những ưu điểm và hạn chế chính của quy trình hàn hồ quang plasma này bao gồm:
Thuận lợi:
-
Kim loại phụ dạng bột mở ra nhiều khả năng về vật liệu, chẳng hạn như việc bổ sung cacbua, vì người ta có thể tự pha trộn kim loại phụ thay vì bị giới hạn ở các loại kim loại phụ dạng dây.
-
Phương pháp hàn xung (PAW) tạo ra các mối hàn hẹp do sự tập trung hồ quang.
-
Nó có khả năng xuyên thấu cao nhờ khả năng tập trung hồ quang.
-
Nó có tổng lượng nhiệt đầu vào thấp hơn.
Hạn chế:
-
Chi phí trang thiết bị và bảo trì cho hệ thống PAW rất cao.
-
Hàn PAW đòi hỏi những thợ hàn có tay nghề cao do kỹ thuật phức tạp trong quá trình này.
Do cực dương hạn chế hồ quang, mỏ hàn khá cồng kềnh, gây khó khăn khi hàn các mối nối hẹp.
8. Hàn điện khí (EGW)
Hàn điện khí (EGW) là một quy trình hàn hồ quang tương tự như hàn GMAW ở chỗ có thể đưa điện cực rắn vào mối hàn. EGW cũng tương tự như hàn FCAW ở chỗ có thể sử dụng điện cực ống lõi thuốc. Thông thường, các tấm đồng được đặt để nối liền khoảng cách giữa hai chi tiết cần hàn. Các tấm nối này có thể được làm mát bằng nước hoặc không để hỗ trợ quá trình hàn. Trong EGW, dây hàn được cấp liên tục, đồng thời cũng là điện cực, song song với các chi tiết cần hàn. Điều này làm cho kim loại hàn liên tục lắng đọng ở đáy khoang chuyển động. Hồ quang được bảo vệ bởi khí bảo vệ được cung cấp từ bên ngoài. EGW chủ yếu được ứng dụng trong việc chế tạo các bể chứa, thân tàu và bình áp lực, và rất thích hợp để hàn các vật liệu rất dày.
Những ưu điểm và hạn chế chính của quy trình hàn hồ quang này bao gồm:
Thuận lợi:
-
EGW thường cho phép hàn một lần.
-
Phương pháp hàn EGW có tốc độ lắng đọng cao và dẫn đến biến dạng mối hàn rất ít.
-
Việc bổ sung các nguyên tố hợp kim có lợi vào mối hàn là hoàn toàn khả thi.
Nhược điểm:
-
EGW có độ bền thấp.
-
Do thiết bị có kích thước lớn và cần có hệ thống dẫn hướng nên thời gian thiết lập khá dài.
-
Nó đòi hỏi phải có khí bảo vệ từ nguồn bên ngoài.