Bài giảng Công nghệ Hàn dưới nước

Nội dung text: Bài giảng Công nghệ Hàn dưới nước

1. Công nghệ hàn dưới nước – Underwater welding Hàn dưới nước là gì? Hàn dưới nước là phương pháp hàn hồ quang điện đặc biệt được tiến hành dưới nước. Que hàn có hai lớp thuốc bọc: 1 lớp bên trong có tính năng như thuốc bọc que hàn thông thường, 1 lớp bên ngoài có tính năng cách nước. Một đặc điểm của hàn dưới nước là thường có chiều dài mối hàn ngắn. Phương pháp hàn dưới nước được sử dụng trong tất cả các quá trình từ xây dựng sửa chữa, lắp đặt cũng như bảo trì. Hàn dưới nước trong khai thác dầu khí Nguyên lý của hàn dưới nước Phương pháp hàn dưới nước dựa vào khả năng cháy ổn định hồ quang trong bong bóng khí dưới sự làm mát cực của môi trường nước xung quanh. Nhiệt của hồ quang được tạo ra giữa que hàn và vật được hàn làm nóng chảy vật liệu cơ bản. Sự nóng chảy Lõi của que hàn, các hạt kim loại có trong thuốc bọc và một phần của vật liệu cơ bản tạo nên vũng hàn và đông đặc thành mối hàn. Ưu nhược điểm của hàn hồ quang dưới nước Ưu điểm Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là có thể thao tác trong môi trường nước. ☺ Có khả năng linh hoạt dưới nước, có tính linh động cao. ☺ Có thể hàn ở nhiều vị trí, tư thế. ☺ Vùng ảnh hưởng nhiệt của phương pháp này nhỏ. Nhược điểm ☹ Công tác chuẩn bị trước khi hàn phức tạp. ☹ Việc thi công hàn dưới nước gặp nhiều khó khăn, trở ngại. ☹ Chất lượng mối hàn chủ yếu phụ thuộc vào trình độ tay nghề của thợ hàn.
2. ☹ Thiết bị phục vụ cho công tác hàn rất nhiều và tốn kém. ☹ Độc hại cho môi trường, đặc biệt là nguồn nước. ☹ Khó quan sát khi hàn. Hàn hồ quang dưới nước là phương pháp hiệu quả sử dụng phương pháp làm nóng chảy tại điểm hàn sau đó hóa cứng mối hàn bằng cách sử dụng dòng hồ quang có mật độ năng lượng cao. Tuy nhiên sự tan chảy và đông cứng nhanh chóng gây ra các ảnh hưởng đến cơ tính kim loại của mối hàn. Do đó khi sử dụng phương pháp hàn dưới nước cần phải chú ý đến tốc độ làm mát cực nhanh gây ra bởi môi trường nước xung quanh và ảnh hưởng của môi trường giàu khí hidro gây ra bởi dòng hồ quang. Áp suất cao cũng gây ra các ảnh hưởng đến dòng hồ quang. Đây là các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng của mối hàn trong phương pháp hàn dưới nước. Phân loại hàn dưới nước Có một số phương pháp để phân loại hàn dưới nước một trong các phương pháp đó là phân loại theo môi trường hàn. Chúng ta có thể phân loại thành các loại sau: Phân loại hàn dưới nước Hàn trong giếng kín (Cofferdam) Phương pháp này là dùng buồng khô để chứa toàn bộ vùng hàn và có lỗ mở trên mực nước biển, do đó áp lực môi trường xung quanh bên trong giống như áp lực bề mặt. Chúng ta có thể thấy phương pháp này được áp dụng dễ dàng với các mối hàn gần bề mặt nước. Phương pháp hàn ở đây tương tự như các phương pháp hàn trong không khí bình thường. Hàn trong buồng kín (Atmospheric pressure) Giống như phương pháp trên tuy nhiên buồng đóng được sử dụng. Nước được đẩy ra nhờ áp suất khí. Lúc này áp suất khí bên trong sẽ giảm xuống bằng với mức áp suất khí quyển. Phương pháp hàn ở đây tương tự như các phương pháp hàn trong không khí bình thường. Phương pháp hàn trong buồng kín với áp suất cao (Hyperbaric)
3. Áp lực bên trong buồng giữ áp suất hơi cao hơn so với áp lực môi trường xung quanh. Phương pháp hàn phù hợp với áp lực cao cần được sử dụng trong trường hợp này. Phương pháp này cũng đòi hỏi chi phí cao và thời gian để thiết lập điều kiện hàn tốt dưới độ sâu lớn. Phương pháp hàn khô tại điểm hàn (Local dry) Phương pháp này sử dụng thiết bị đặc biệt để tạo ra tình trạng khô tại khoảng hàn. Tất cả khu vực bao quanh mối hàn đều nằm trong môi trường nước. Phương pháp này tiết kiệm chi phí hơn so với các phương pháp hàn buồng kín, tuy nhiên chúng ta phải quan tâm đến khả năng làm khô, cũng như đảm bảo cơ tính của mối hàn. Hàn ướt đơn thuần Đây là phương pháp hàn đơn giản nhất, nhưng nó có các khó khăn trong việc đảm bảo chất lượng mối hàn. Các rủi ro khi hàn dưới nước: Có thể xảy ra rủi ro bị điện giật cho thợ hàn/thợ lặn. Cần đưa ra các biện pháp đề phòng bao gồm tiêu chuẩn cách điện thích hợp cho thiết bị hàn, thiết bị đóng ngắt, cắt nguồn điện ngay khi tắt hồ quang và giới hạn điện áp mạch hở thích hợp cho máy hàn. Rủi ro thứ hai là hydro và oxy được tạo ra bởi hồ quang khi hàn ướt. Cần phòng ngừa khả năng hình thành các túi khí, tạo ra nguy cơ gây nổ. Rủi ro khác ảnh hưởng tới thợ hàn/thợ lặn từ nitơ thâm nhập vào máu khi tiếp xúc với không khí tại áp suất gia tăng. Biện pháp phòng ngừa là cung cấp nguồn khí dự phòng và buồng giảm áp để tránh nguy cơ rơi vào trạng thái mê man do nitơ gây nên khi lên bờ nhanh. Với những kết cấu được hàn dưới nước bằng phương pháp hàn ướt, việc kiểm tra mối hàn có thể khó khăn hơn. Việc đảm bảo chất lượng mối hàn đồng bộ cũng không dễ dàng và mối hàn có thể có khuyết tật nhưng không phát hiện được. Hàn ma sát Định nghĩa hàn ma sát Hàn ma sát là quá trình hàn áp lực ,sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giửa hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo ,sau đó dùng lực ép để ép hai chi tiết lại với nhau làm cho kim loại mép hàn khuếch tán sang nhau tạo thành mối hàn.Hàn ma sát
4. Hàn ma sát ✪ Khi 2 bề mặt của vật thể chuyển động tương đối với nhau dưới tác dụng của lực ép thì năng lượng cơ học sẽ chuyển thành nhiệt năng. ✪ Ma sát trong hàn là ma sát khô. Tên gọi khác ✪ Tiếng anh:Friction welding/Friction Stir Welding ✪ Pháp:Soudage par friction ✪ Đức ReibschweiBen. Các phương pháp hàn ma sát: ✪ Hàn ma sát quay ✪ Hàn ma sát tịnh tuyến ✪ Hàn ma sát ngoáy. Ưu điểm hàn ma sát ✪ Ít hao phí vật liệu ,tiết kiệm kim loại. ✪ Thời gian hàn cực nhanh ,năng suất cao . ✪ Không phát xạ độc hại(khói độc, bắn tóe,bức xạ điện tử ngoại, ) ✪ Khả năng chế tạo lại và điều khiển các thông số quá trình hàn tốt . ✪ Không cần bổ sung kim loại phụ. ✪ Dễ dàng tích hợp quá trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động . ✪ Độ chính xác của các chi tiết hàn cao (kể cả khi hàn tiết diện đặc biệt ). ✪ Hàn được các kim loại khác loại với nhau. ✪ Cơ tính mối hàn rất tốt . ✪ Hàn được các loại tiết diện khác nhau . ✪ Môi trường sản xuất sạch. ✪ Không yêu cầu cao về tay nghề của công nhân. ✪ Khuyết tật mối hàn hầu như không có . ✪ Không cần yêu cầu tiết diện của 2 chi tiết phải giống nhau. Nhược điểm hàn ma sát: ✪ Mối hàn lồi bavia nên mất công cắt bỏ. ✪ Chiều dài của chi tiết hàn bị giảm.
5. ✪ Thiết bị hàn đắt tiền. ✪ Kích thước của chi tiết hàn bị hạn chế ✪ Kông hàn được kết cấu quá phức tạp. Phạm vi ứng dụng Chủ yếu hàn các chi tiết dạng thanh, ống, trục Lịch sử phát triển Kỹ thuật này được một người thợ tiện của Nga Xô tên là AI Chudikov phát hiện vào năm 1954. Sau nhiều lần thực nghiệm, ông đã thành công. ✪ Từ năm 1956, kỹ thuật này đã được đưa vào nghiên cứu tại Sở nghiên cứu kỹ thuật hàn Soviet (VNIESO) và được coi là kỹ thuật bí mật của Nga. ✪ Năm 1960, thông tin về kỹ thuật này lọt vào tay của Kỹ thuật Điều tra Đoàn của Nhật bản trong khi đoàn điều tra này đang ở Nga, (trong những năm ở thập kỷ (19)70, chính phủ Nhật hỗ trợ thành lập các đoàn điều tra kỹ thuật, cử các kỹ sư giỏi đi tham quan các xí nghiệp ngoại quốc để học tập, thực ra là một dạng điệp viên kinh tế), lập tức các thông tin kỹ thuật được chuyển về Tokyo và Hiệp hội nghiên cứu kỹ thuật hàn của Anh Quốc (BWRA). ✪ Năm 1961 người Nhật công bố kỹ thuật hàn ma sát xoay và bắt đầu ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật chế tạo phụ tùng xe hơi. ✪ Năm 1962, hãng chế tạo máy dệt Toyota bắt đầu đưa vào chế tạo máy hàn ma sát xoay hàng loạt dạng Brake. ✪ Năm 1964, thiết lập Hội nghiên cứu hàn ma sát, bắt đầu nghiên cứu hàn ma sát trên nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo cơ sở lý thuyết cho ra đời các quy chuẩn về hàn ma sát JIS 3607 ✪ Năm 1998 hãng Izumi được ủy thác chế tạo toàn bộ từ kỹ thuật bàn giao của Toyota đã chế tạo thành công máy hàn ma sát NC . Máy hàn ma sát có khả năng hàn 2 loại vật liệu khác nhau với đường kính nhỏ nhất là 1.6mm. Có thể nói kỹ thuật này do người Nga khởi đầu và người Nhật đã cải tiến và ứng dụng thành công. Hàn ma sát quay Hàn ma sát quay là loại hàn phổ biến nhất của hàn ma sát và trở thành tiêu chuẩn công nghiệp trong hàn các ống khoan, cần khoan, trục bánh xe, trục quay, cần piston. Hàn ma sát xoay bao gồm việc giữ một bộ phận trong khi quay bộ phận khác và đưa chúng lại gần nhau. Thứ tự của phương pháp hàn này như sau: Khâu chuẩn bị
6. Khâu chuẩn bị hàn ma sát xoay. Một bộ phận được giữ cố định, một bộ phận khác được giữ trên mâm cặp xoay Bước quay 1 Bước quay 1 trong hàn ma sát quay. Mâm cặp tăng tốc độ xoay và bắt đầu tiếp xúc với bộ phận cố định. Bước quay 2
7. Bước quay 2 trong hàn ma sát quay. Lực ép tiếp tục được tăng cho đến khi kim loại dẻo bắt đầu bị đẩy ra khỏi bề mặt tiếp hàn tiếp xúc. Bước này tiếp tục cho đến lúc một lượng kim loại dẻo vừa đủ được đẩy ra. Bước rèn Bước rèn trong hàn ma sát quay. Mâm cặp ngừng xoay, lực nén tăng, hai phần kim loại bắt đầu được rèn với nhau. Kết thúc
8. Kết thúc hàn quay. Quá trình hàn kết thúc, toàn bộ mối hàn trở thành đồng nhất. Hàn ma sát xoay là một phương pháp linh động, có thể khả dụng với các loại kim loại khác nhau. Các tham số ảnh hưởng đến mối hàn bao gồm: tốc độ xoay, lực nén, thời gian xoay. tùy từng chất liệu kích cỡ của mối hàn mà người ta điều chỉnh cho thích hợp. Hàn nhiệt nhôm Định nghĩa Hàn nhiệt nhôm (Exothermic welding hay exothermic bonding, thermite welding (TW)) thuộc về các quá trình hàn nóng chảy. Quá trình hàn này dựa trên cơ sở nhiệt sinh ra từ phản ứng khử ôxit kim loại của nhôm. 3CuO + 2Al → 3Cu + Al2O3 + Heat (Quá trình phản ứng với oxit đồng) Phản ứng nhiệt nhôm thường được sử dụng cho hàn các dây nối đồng, nhưng cũng áp dụng cho hàn các kim loại khác như thép không gỉ, gang, thép, đồng thau, đồng đỏ Nó cũng đặc biệt hữu dụng khi hàn hai kim loại khác nhau. Tên thương mại của phương pháp này có thể là: Ultraweld, Cadweld, Techweld hoặc Thermoweld. Hàn nhiệt nhôm Đặc điểm
9. ✪ Thể tích hàn lớn ✪ Thời gian kết tinh của vũng hàn cực kỳ lâu và thu được tổ chức đúc, đảm bảo cơ tính mối hàn. ✪ Hàn nhiệt nhôm có thể được điều khiển từ xa giảm thiểu các rủi ro cho người thực hiện. ✪ Tuy nhiên phương pháp này đỏi hỏi phải thay thế khuôn đúc, cũng như gặp bất lợi khi gặp điều kiện thời tiết xấu nếu làm việc ngoài trời Phạm vi ứng dụng ✪ Ngày nay thì ứng dụng chính của phương pháp này là hàn các đường ray xe lửa Lịch sử phát triển ✪ Nó được phát triển bởi Hans Goldschmidt khoảng năm 1895. ✪ Kim loại màu đầu tiên ứng dụng cho hàn nhiệt nhôm được phát triển vào năm 1938 bởi Tiến sĩ Charles Cadwell, một chuyên gia ở viện khoa học ứng dụng (Trường Đại học Case Western Reserve), ở Cleveland, Ohio. Việc sử dụng đầu tiên là quá trình hàn đường ray xe lửa. ✪ John H. Deppeler Jr là người được cấp bằng sáng chế của Mỹ số1671412. Các bước trong hàn nhiệt nhôm Hàn nhiệt nhôm là một phương pháp hiệu quả, có tính di động cao, là phương pháp được áp dụng cho hàn các chi tiết thép kết cấu như là các ray đường sắt. Bản chất của hàn nhiệt nhôm là một quá trình đúc. Nhiệt độ đầu vào cao và các đặc điểm quá trình luyện kim của hàn nhiệt nhôm làm cho phương pháp này phù hợp với hàn thép độ cứng cao. Hàn nhiệt nhôm thường được ứng dụng trong làm hệ thống đường ray tàu hỏa. Hàn nhiệt nhôm là một quá trình yêu cầu người thực hiện phải có kỹ năng. Phương pháp hàn chỉ được vận hành bởi những công nhân đã có chứng chỉ về phương pháp hàn này. Tùy từng loại mối hàn mà chi tiết quá trình là khác nhau, nhưng quá trình hàn nói chung có thể chia thành 6 công đoạn như sau: Chuẩn bị cẩn thận khe hở giữa hai thanh ray. Khe hở cần được đo bằng thước thẳng, 1. eke để đảm bảo mối hàn phẳng, thẳng.
10. Khuôn mẫu bằng vật liệu chịu nhiệt được sản xuất khớp với từng loại ray. Nó được kẹp cố định tại khoảng nối giữa hai ray. Giá lắp cho buồng đốt nhiệt nhôm được gắn 2. vào. Khoang hàn bên trong khuôn được làm nóng bằng ngọn lửa gas-oxy với áp lực và thời gian làm nóng được quy định theo từng loại thép. Chất lượng mối hàn sẽ hoàn toàn phụ thuộc vào quá trình nung nóng sơ bộ 3. này. Thành phần thuốc nhiệt nhôm được sản xuất để dung cấp thép lỏng có tính chất kim loại phù hợp với tính chất của kim loại đường ray được hàn. Sau khi hoàn tất quá trình gia nhiệt mối hàn, khay chứa thuốc nhiệt nhôm được lắp lên trên miệng khuôn. Quá trình phản ứng nhiệt nhôm xảy ra sau khi được mồi giúp tạo ra thép nóng chảy. Thép nóng chảy có nhiệt độ cao khoảng 2500 độ C 4. được tạo ra và chảy xuống khoang mối hàn. Liên kết hàn được để làm mát tự nhiên trong một khoảng thời gian quy đinh, sau đó khuôn mẫu được lấy ra, các phần thép thừa 5. được cắt bởi thiết bị cắt thủy lực. Khi khớp nối nguội được làm sạch, loại bỏ các phần dư thừa đảm bảo mặt mối hàn bằng với mặt đường ray, hình dạng khớp với đường ray. Các mối hàn này sẽ được 6. kiểm tra trước khi được đưa vào sử dụng.
11. Sau khi mối hàn được kiểm tra về chất lượng, đảm bảo yêu cầu thì tuổi thọ của nó tương đương với tuổi thọ của đường ray, và không phải bảo dưỡng khi sử dụng. Phương pháp hàn nhiệt nhôm này có thể được thực hiện quanh năm, không cần các thiết bị hạng nặng. Nó có thể được đưa đến nới cần hàn bởi chỉ một đội hai người. Tất cả các thiết bị kể cả gas, khuôn mẫu, máy cắt thủy lực có thể được mang tới địa điểm làm việc bằng một xe bán tải bình thường. Hàn tia điện tử Định nghĩa hàn chùm tia điện tử Hàn chùm tia điện tử (Electron beam welding (EBW) là quá trình hàn nóng chảy,sử dụng năng lượng siêu cao của chùm tia điện tử hội tụ ở mật độ lớn để làm nóng chảy mép hàn ,sau khi đông đặc ta thu được liên kết hàn.Sơ đồ nguyên lý của hàn chùm tia điện tử Nguyên lý hàn chùm tia điện tử Nguyên lý tạo chùm tia điện tử ✪ Khi hai điện cực chịu một điện áp đủ lớn ,sẽ sinh ra một chùm tia điện tử phóng từ cực âm sang cực dương. ✪ Điện áp giữa hai điện cực càng lớn thì tốc độ của chùm tia điện tử càng cao. ✪ Tia điện tử không bị tổn hao năng lượng do chuyển đi trong môi trường chân không do đó hội tụ ở mật độ lớn thì năng lượng của chúng sẽ rất cao, khả năng xuyên thấu của chúng sẽ lớn hơn. Ưu điểm ✪ Hàn được chiều dày tấm mỏng khoảng:0,01mm. ✪ Chiều sâu ngấu đạt được: 200mm. ✪ Tỷ lệ chiều rộng mối hàn/chiều sâu ngấu đến 1/40. ✪ Tốc độ hàn khoảng 200mm/s
12. ✪ Biến dạng thấp ✪ Khả năng tạo ra mối ghép khác vật liệu Nhược điểm ✪ Phải thao tác trong buồng chân không dẫn đến:giá thành máy đắt, khó thực hiện các đường hàn phức tạp, khó khăn khi hàn các vật hàn lớn. ✪ Sự phát xạ của tia X trong quá trình hàn gây nguy hại cho công nhân. ✪ Làm sạch bề mặt ,và phải chuẩn bị mép hàn không có khe hở. ✪ Tốc độ nguội nhanh cũng là một yếu điểm của phương pháp hàn này. ✪ Hàn chùm tia điện tử không thể hàn được với các kim loại áp xuất hóa hơi cao ở nhiệt độ nóng chảy như hợp kim của kẽm, cadimi, magie và đa số các chất liệu không phải kiem loại. Lịch sử phát triển 1958, Steigerwald,lần đầu tiên công bố thiết bị hàn chùm tia điện tử đầu tiên Hàn tia điện tử đã phát triển ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau với sự đa dạng về chungr loại, cấu tạo, kích cỡ, công suất. Hàn tia laser Khái niệm Hàn laser (Laser welding/ Laser beam welding ) là quá trình hàn nóng chảy ,sử dụng năng lượng của chum tia ánh sáng đơn sắc hội tụ ở mật độ siêu cao để làm nóng chảy mép hàn và sau khi kết tinh ta được mối hàn .Hàn Laze Hàn tia Laser Ưu điểm ✪ Thường hàn không cần vật liệu bổ xung. ✪ Có thể hàn liên tục hoặc hàn xung, tốc độ hàn nhanh mà cẫn đảm bảo chất lượng mối hàn. ✪ Hàn được nhiều loại vật liệu kim loại cũng nhu phi kim như chất dẻo ,gốm
13. ✪ Liên kết hàn có biến dạng cực nhỏ do năng lượng được tập trung, tổn hao năng lượng thấp. ✪ Vùng ảnh hưởng nhiệt, bề rộng mối hàn cực nhỏ do năng lượng tập trung cao (tỷ lệ chiều sâu ngấu và bề rộng mối hàn đến 10:1). ✪ Tốc độ hàn rất cao và dễ cơ khí hóa ,tự động hóa (CNC). ✪ Có thể hàn 1 lượt với chiều dày vật liệu đến 30 mm. ✪ Có thể hàn tấm rất mỏng đến tấm rất dày trên cùng một thiết bị nhờ điều chỉnh tiêu cự của hệ thống laser. ✪ Có thể hàn các tấm vật liệu kim loại, hợp kim khác nhau. ✪ Có thể hàn trong các điều kiện có từ trường cao. Nhược điểm ✪ Vật liệu có khả năng phản xạ ánh sáng cao sẽ làm lệch chùn tia laser và làm giảm hiệu quả hàn ✪ Tốc độ nguội nhanh làm mối hàn có nguy cơ rổ khí và bị dòn ✪ Bức xạ nhiệt ,bức xạ tử ngoại , lớn gây nguy hiểm cho người đứng gần thiết bị ✪ Thiết bị đắt tiền. ✪ Đầu tư đào tạo thợ vận hành, cũng như người bao dưỡng thiết bị cao, chi phí sửa chữa là cao do đó cũng hạn chế việc công nghệ này được phổ biến rộng. Ứng dụng của hàn laser: ✪ Là phương pháp hàn tiến ,rất có triển vọng ,ứng dụng đa dạng ✪ Được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo yêu cầu chất lượng cao ,độ chính xác cao như công nghiệp vũ trụ, quân sự, y tế ✪ Hàn các chi tiết phức tạp: vành bánh răng với thân bánh răng, đồ trang sức, trục bậc, thiết bị chính xác, giáp mối ống,linh kiện điện tử, kim loại màu Nguồn laser CO2 Laser CO2 là nguồn phát laser sử dụng hỗn hợp khí chủ yếu là CO2 ( CO2 + He + N2 có thể thêm một ít H2, hơi nước có hoặc không có Xenon ) làm môi trường kích hoạt laser. Trong đó nguồn năng lượng kích thích các điện tử trong hỗn hợp khí ở đây có thể là nguồn DC hoặc AC có tần số biến thiên nằm trong dải sóng radio. Các phân tử Nito trong hỗn hợp khí sẽ nhận các kích thích của điện trường dao động và chuyền các dao động này sang các phân tử CO2 khi chúng va chạm với nhau. Các phân tử CO2 khi nhận được năng lượng dao động tích luy đến một mức nào đó sẽ phát ra các bức xạ. Heli trong hỗn hợp giúp làm nghèo hóa mức laser thấp và đảm nhiệm chức năng truyền nhiệt ra thành ống vì Heli có hệ số truyền nhiệt lớn. Điều này sẽ giúp kéo dài tuổi thọ của ống phóng. Trong quá trình phóng điện CO2 thường bị phân rã thành Khí CO và O2 điều này làm cho thiết bị giảm dâng tuổi thọ do đó người ta cho thêm hydro hoặc hơi nước để giúp chuyển khi CO sinh ra về dạng khí CO2.
14. Sơ đồ cấu tạo nguồn Laser CO2 Laser CO2 có bước sóng 10.6 micro mét, nhưng nó cũng phát ra các tia có bước sóng từ 9 đến 11 micro mét. Năng lượng của các nguồn phát laser CO2 có thể từ một vài chục watt đến hàng ngàn Kilowatts hiệu xuất sử dụng năng lượng của nó thường trên 10% cao hơn hầu hết các loại laser thể rắn nhưng thấp hơn nhiều loại laser sử dụng diot. Tùy từng năng lượng phát mà cấu tạo của các hệ thống laser CO2 là khác nhau. Đối với laser năng lượng từ vài watt đến vài trăm watts, hệ thống tạo laser CO2 thường được đặt hoàn toàn trong ống kín liền khối. Các hệ thống này có tuổi thọ đến vài ngàn giờ phát. Các hệ thống lớn hơn có cấu tạo phức tạp và ngày càng được cải tiến, nó có thể cung cấp các laser năng lượng đến vài Megawatts như là được sử dụng trong các hệ thống vũ khí. Ứng dụng của laser CO2 ◉ Cắt các chất liệu nhưa, gỗ, thủy tinh nguồn phát thường có công suất từ 20 đến 200W. ◉ Cắt các vật liệu kim loại như thép, nhôm, đồng Nguồn phát hàng chục hoặc hàng trăm kilowatts. ◉ Khi nhãn, khắc bề mặt ◉ Laser CO2 cũng được sử dụng trong các hoạt động giải phẫu thẩm mỹ Nguồn phát Laser Nd:YAG Laser Nd: YAG là loại Laser rắn sử dụng thể pha lê Yttrium-Aluminum-Garnet và phủ nguyên tố hiếm Neodymi của vỏ trái đất để làm môi trường kích hoạt (gain medium). Nó phát bước sóng 1064 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Laser Nd: YAG có các chế độ làm việc liên tục – xung đơn – xung chuỗi – xung cực ngắn (cỡ 5ps). Nó có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10.000Hz
15. Nguồn Laser ND Nd: YAG là dạng tinh thể pha lê của Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 trong đó một số ion Y3+ được thay thế bởi Nd3+. Nd hay Neodymi (tên Latinh: Neodymium) là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm Lantan, còn Y3Al5O12 là hợp chất của Ytri và nhôm oxit. Nồng độ ion Nd3+ pha thêm thường chiếm khoảng 0.5% đến 2%. Sơ đồ cấu tạo đơn giản của nguồn phát laser Nd:YAG như sau: Buồng cộng hưởng laser 1. Môi trường kích hoạt tinh thể Nd:YAG 2. Hệ thống gương phản xạ đầu ra 3. Hệ thống gương phản xạ toàn phần 4. Nguồn kích thích ( nguồn bơm) 5. Ánh sáng từ nguồn kích thích bơm vào tinh thể 6. Hệ thống làm mát (thường là nước)
16. 7. Hệ thống phản xạ ánh sáng 8. Laser ra Nguồn bơm ở đây có thể là ◉ Đèn quang học Krypton hoặc Xenon ◉ Laser bán dẫn AlGaAs ◉ Laser Nd:YAG có thể phát ra ở chế độ xung hoặc liên tục tùy thuộc vào tần số kích thích, nếu ta kích thích ở tần số nhỏ thì laser Nd:YAG phát ở chế độ xung, còn khi nguồn kích thích phát tần số cao hoặc liên tục thì Laser sẽ phát ra liên tục. Ưu điểm của laser Nd:YAG ◉ Laser ND: YAG có thể phát ở chế độ xung và chế độ liên tục, do đó có thể ứng dụng rộng rãi. ◉ Công suất laser ND:YAG có thể lên đến hàng trăm megawatts. ◉ Laser phát ra tia hồng ngoại có bước sóng 1064 nm, được hấp thu tối thiểu bởi hầu hết các chromophores của mô nên được ứng dụng nhiều trong y học. Khuyết điểm ◉ Hiệu suất sử dụng năng lượng thấp, thường là dưới 5% ◉ Phổ phát xạ rộng với nhiều bước sóng, do đó độ đơn sắc của Laser Nd: YAG không cao Cơ bản về laser Tất cả các loại laser đều dựa trên nguyên lý cơ bản là bức xạ cưỡng bức, năng lượng chuyển hóa được quy định bởi cơ chế quang học từ nguồn cung cấp: quang học lượng tử. Laser là từ viết tắt của Light Amplication by the Stimulation Emission of Radiation (khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức) bằng cơ chế quang lượng tử bởi các photon có thể được tạo ra, thu gom, khuếch đại và khai thác để sử dụng. Tất cả các laser có 3 thành phần chính: Lasing hay “gain” medium hay còn gọi là rod là môi trường kích hoạt laser Nguồn năng lượng để kích thích các điện tử (electron) trong thanh rod (gain medium) để tạo ra năng lượng cao gọi là Pump hay là nguồn kích động Một buồng quang học cho phép các photon được phát ra có thể dao động và bị chặn lại để năng lượng được cộng thêm vào hay còn gọi là “pumped” vào hệ thống, đó là resonator (buồng cộng hưởng).
17. Buồng laser Khi năng lượng được cộng thêm vào hệ thống, quỹ đạo của các điện tử (electron) của nguyên tử trong gain medium bị kích thích để tạo năng lượng cao hơn. Khi năng lượng hình thành phân rã, các photon có cùng bước sóng. Tuy nhiên, chỉ có những photon được phát ra song song chính xác với trục của buồng quang (resonator) thì được phản xạ lại gain medium bởi kính phản xạ toàn phần hay còn gọi là HR (highly reflective) và kính phản xạ bán phần- OC (output coupler), gây ra một tầng photon có cùng hướng, độ phân cực và pha (phase). Gain Medium: gain medium của laser được sử dụng để kích năng lượng để khuếch đại hay làm gia tăng công suất đầu ra của laser. Gain medium có khả năng hấp thụ năng lượng từ pump và dự trữ nó dưới dạng các điện tử bị kích thích, và có khả năng truyền năng lượng được bức xạ ra có bước sóng mong muốn. Gain medium có thể bằng khí, chất lỏng, chất rắn, chất bán dẫn, hay chất có không điện tử. Hầu hết mọi trường hợp, tên của laser được đặt theo tên của gain medium, ví dụ: carbon dioxide, argon, Alexandrite, Neodymium: Yttrium-Aluminum-Garnet (Nd: YAG), v.v Pump: là bộ phận cung cấp năng lượng cho gain medium. Nguồn của pump có thể là ánh sáng quang phổ rộng hay hẹp được phát ra từ bóng đèn, điện áp cao, hóa chất có điện áp 1 chiều (DC), điện cao tần- radio frequency, hoặc ngay cả là loại laser khác. Gain medium là chất rắn (pha lê hay thủy tinh có thủ lớp các nguyên tử hiếm của vỏ trái đất hoặc các ion kim loại truyền dẫn) như: ruby, alexandrite, Nd: YAG, v.v ) thì pump thường dùng là bóng đèn (flashlamps) cho năng lượng cao hơn. Laser khí thì thường dùng pump là điện áp cao hay điện cao tần-RF. Laser bán dẫn hay diode laser thì pump là dòng điện 1 chiều (DC). Năng lượng của Diode lasers được pump bởi dòng điện 1 chiều có thể được sử dụng như là 1 pump cho rất nhiều loại gain medium như: gain medium rắn (DPSS – Diode Pumped Solid State lasers), fiber lasers,và laser dạng đĩa mỏng (thin disk lasers). Laser hóa học (chemical lasers) được pump bởi năng lượng của tương tác hóa học (HF/DF, COIL) Resonator: buồng cộng hưởng là buồng quang học giúp phản xạ giúp ánh sáng cộng hưởng, được gắn gain medium bên trong.Năng lượng của Pump duy trì sự đảo ngược của các điện tử bị kích thích, và ánh sáng dội ngược vào buồng cộng hưởng lại tạo ra nhiều photon hơn. Một đầu của resonator có gắn 1 kính phản xạ toàn phần (highly reflective -HR) hoặc 1
18. thiết bị phản xạ khác để phản xạ các ánh sáng phát ra từ gain medium vào lại chính nó; đầu kia gắn kính bán phần (partially reflective hay còn gọi output coupler- OC) cho phép ánh sáng laser thoát ra khỏi resonator. Hàn hơi Định nghĩa hàn hơi Hàn hơiHàn khí Oxy-fuel welding (hay còn gọi là hàn hơi,hàn oxy axetylen) là phương pháp hàn sử dụng nhiệt của ngọn lửa sinh ra khi đốt cháy các chất khi cháy (C2H2,CH4,C6H6 )hoặc H2 với oxy để nung chảy kim loại,thông dụng nhất là hàn bằng khí Ô xy –Axetylen vì nhiệt sinh ra do phản ứng cháy của hai khí này lớn và tập chung ,tạo thành ngon lửa có nhiệt độ cao (vùng cao nhất tới 3200oC);còn ngọn lửa giửa oxy và các chất khí cháy khác chỉ có nhiệt độ từ 2000-2200oC. Hàn hơi Đặc điểm hàn hơi ✪ Có thể hàn được nhiều loại kim loại và hợp kim (gang ,đồng,nhôm thép ) ✪ Hàn được các chi tiết mỏng và các loại vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp. ✪ Hàn khí được sử dụng rộng rãi vì thiết bị hàn rẻ tiền ✪ Năng suất thấp, vật hàn bị nung nóng nhiều nên dễ cong vênh. Phạm vi ứng dụng của hàn hơi ✪ Hàn khí dùng nhiều khi hàn các vật hàn có chiều dày bé, chế tạo và sửa chữa các chi tiết mỏng, sửa chữa các chi tiết đúc bằng gang, đồng thanh, nhôm, magie ✪ Hàn nối các ống có đường kính nhỏ và trung bình. ✪ Hàn các chi tiết bằng kim loại màu, hàn vảy kim loại, hàn đắp hợp kim cứng v.v ✪ Ngọn lửa khi hàn cũng có thể dùng để cắt các loại thép mỏng, các kim loại màu và nhiều vật liệu khác. Lịch sử phát triển của hàn hơi ✪ Kỹ sư pháp Edmond Fouché và Charles Picard đã trở thành người đầu tiên phát triển oxy-axetylen hàn trong năm 1903. Cấu tạo mỏ hàn hơi, tay hàn oxy gas
19. Các mỏ hàn hơi thường có cấu tạo theo kiểu hút khí, gồm hai ống dẫn oxy và khí nhiên liệu, hai khí được đưa vào buồng hòa trộn, phía ngoài có hai van điều chỉnh lượng khí oxy và khí nhiên liệu. Hỗn hợp khí sau khi được hòa trộn được cung cấp qua ống trộn và theo ống dẫn ra đầu mỏ hàn. Cấu tạo mỏ hàn hơi Các thành phần của mỏ hàn cơ bản: ◉ Copper tip: Bép hàn. ◉ Torch head: Đầu mỏ hàn ◉ Mixing head: Ống trộn ◉ Mixing head nut: Vòi trộn ◉ Handle: Tay cầm ◉ Oxygen tube: Ống cấp oxy ◉ Fuel-Gas tube: Ống cấp khí cháy. ◉ Oxygen needle valve: Van khóa oxy cấp cho súng mỏ ◉ Gas needle calve: Van khóa khí cháy cấp cho súng mỏ ◉ Oxygen hose connection, Gas hose connection: Ống cấp khí, oxy cho súng mỏ. ◉ Oxygen hose connection Gland, Gas hose connection Gland: Đệm cho ống nối gắn vô súng mỏ hàn.
20. Hàn nổ Định nghĩa hàn nổ Hàn nổ Explosion welding (EXW): là phương pháp hàn trong đó một thành phần cần hàn chuyển động với vận tốc rất nhanh được gây ra bởi phản ứng nổ. Phương pháp hàn này thường được sử dụng để phủ một lớp mỏng vật liệu chống ắn mòn lên các tấm thép cacbon như ( thép không gỉ, hợp kim niken, titan, Zirconi ). Hàn nổ Các chi tiết hàn được bố trí trên nhau và ở cách nhau một khoảng cách nhất định,chúng có thể được đặt song song nhau(hai chi tiết lớn) hoặc nghiêng nhau một góc (khi hàn chi tiết nhỏ),còn phía trên của một tấm sẽ được dải bột chất nổ. Dưới áp lực của thuốc nổ thì tấm vật liệu phía trên được gia tốc lớn và bay đập xuống tấm dưới như hình. Ưu điểm ✪ Có thể hàn những chi tiết khác nhau và các chi tiết khó hàn. ✪ Đồ gá thô sơ. ✪ Quá trình đơn giản. ✪ Có thể hàn được các bề mặt cực lớn ✪ Độ ngấu rất rộng và sâu. ✪ Không thay đổi thuộc tính của vật liệu ✪ Sử dụng lượng nhỏ chất nổ. ✪ Yêu cầu làm sạch sau khi hàn ít. ✪ Phương pháp hàn được sử dụng khi hàn các kim loại khó hàn với nhau bằng các phương pháp thông thường. Nhược điểm ✪ Kim loại cơ bản phải có khả năng va đập và dẻo dai cao ✪ Tiếng ồn và áp suất lớn yêu cầu bảo vệ cao, như buồng chân không,hoặc chôn vùi dưới cát hoặc dưới nước. ✪ Yêu cầu người thực hiện phải có hiểu biết sâu về vật liệu nổ, cũng như yêu cầu các quy tắc an toàn cao. ✪ Chỉ hàn được các cho tiết có cấu trúc hình học đơn giản như :phẳng,ống hoặc nón.
21. Phạm vi ứng dụng ✪ Nối các chi tiết dạng ống ✪ Ứng dụng cho các chi tiết chịu nhiệt,áp suất như bình ,bồn áp lực. ✪ Áp dụng ở những nơi hẻo lánh ✪ Ghép các chi tiết khác nhau về vật liệu như: nhôm và thép.hợp kim titan và thép Cr-Ni ✪ Áp dụng trong ngành công nghiệp đóng tàu,điện lạnh. Lịch sử phát triển Không giống như các phương pháp hàn khác (được phát triển trong những năm đầu thế kỷ 19), hàn nổ đã được phát triển tương đối gần đây, trong những thập kỷ sau chiến tranh thế giới thứ II. Phương pháp hàn được tình cờ phát hiện ra khi nghiên cứu mảnh bom gắn chặt lấy áo giáp. Năm 1962 Dupont được cấp bằng sáng chế cho phương pháp hàn nổ, ngày 22 tháng 7-1996 tập đoàn vật liệu Dynamic đã mua lại bản quyền với giá 5,321,850 $. Môi trường hàn nổ Trong quá trình gia công kim loại bằng năng lượng nổ, người ta sử dụng các loại thuốc nổ có khối lượng từ vài gam đến hàng trăm kilogam. Năng lượng thoát ra từ vụ nổ chỉ có một phần nhỏ là sinh công có ích, phần lớn năng lượng còn lại phát tán ra môi trường bên ngoài tạo ra sóng nổ va đập không khí. Đây là yếu tố nguy hiểm ảnh hưởng đến công trình và bản thân con người, do đó người ta thường thực hiện hàn nổ ở cách xa đáng kể so với nhà ở và các công trình công nghiệp. Người ta phân chia ra thành các môi trường thực hiện hàn nổ như sau: 1. Hàn nổ trên trường nổ ngoài trời Ưu điểm của môi trường này là khoảng cách của trường nổ được đặt cách xa khu dân cư, các công trình công nghiệp. Vì vậy có khả năng thực hiện với các chi tiết không hạn chế về khối lượng, kích thước. Hàn nổ có thể thực hiện với năng suất cao khi có điều kiện thời tiết thuận lợi. Hàn nổ ngoài trời
22. Thường các trường nổ có trang bị đường sắt riêng, hoặc hệ thống đường riêng để có thể vận chuyển phôi nổ đến trường nổ một cách dễ dàng. Các trường nổ cũng thường kèm theo nhà xưởng chuẩn bị phôi nổ ngay tại trường nổ, thậm chí có trang bị cả lò để nung nóng phôi trước khi nổ. Nhược điểm của phương pháp này là do ảnh hưởng của môi trường ngoài trời nên có thể xảy ra hiện tượng các hạt cát, bụi bẩn, ẩm bay lọt vào bề mặt tiếp xúc làm giảm chất lượng phôi nổ. Mặt khác trong các điều kiện khi có gió, tuyết, mưa bão thì công việc bắt buộc phải dừng lại. Một vấn đề thường gặp phải trong trường nổ ngoài trời là việc tổ chức nung nóng phôi nổ trực tiếp trước khi hàn nổ để ngăn ngừa sự hình thành các vết nứt là rất khó khăn và việc tự động hóa quy trình hàn nổ rất khó để thực hiện được. 2. Hàn nổ đặt ngầm dưới đất Đây là phương pháp trong đó hàn nổ được thực hiện trong hầm hoặc trong hang có trang bị hệ thống thổi khí, hút gió. Buồng nổ thường được làm trong vùng đất, đá có độ bền cao, ngoài ra các vách bảo vệ thường được kẹp chặt bởi khung bê tông cốt thép và bê tông phun. Hàn nổ trong hầm ◉ Ưu điểm của việc sử dụng hầm nổ: là không bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài, đảm bảo độ sạch cho các phôi hàn, công việc có thể thực hiện quanh năm, ít tốn diện tích hơn trường nổ ngoài trời. ◉ Nhược điểm: Sử dụng hầm nổ bị hạn chế về kích cỡ vật hàn. Mặt khác cần phải trang bị các hệ thống hút ẩm, hút khói cũng như xây dựng gia cố đường hầm cho phù hợp với yêu cầu công việc. 3. Hàn nổ với buồng nổ thép
23. Hàn nổ trong buồng thép ◉ Buồng nổ thép được sử dụng rộng rãi có thể thiết kế dạng trụ hoặc dạng cầu, thường được thực hiện với các chi tiết hàn nổ nhỏ, việc nạp phôi nổ vào buồng nổ được thực hiện bằng tay, hoặc máy đẩy đặc biệt. ◉ Ưu điểm của của việc sử dụng buồng nổ thép là khả năng kiểm soát môi trường nổ cũng như chất lượng mối hàn nổ. Khuyết điểm chính là kích thước của phôi hàn nhỏ, kích thước càng to sẽ yêu cầu càng tốn kém. Hàn siêu âm Khái niệm hàn siêu âm Hàn siêu âm Ultrasonic welding (UW) là quá trình hàn áp lực ,sử dụng năng lượng cơ học của dao động siêu âm làm biến dạng dẻo cục bộ tại bề mặt mối ghép, làm cho các phần tử của các chi tiết hàn khuếch tán, thẩm thấu lẫn nhau và liên kết với nhau tạo thành mối hàn.Quá trình tạo liên kết hàn trong hàn siêu âm Hàn siêu âm Tên gọi: Anh: Ultrasonic welding (UW). Pháp: Soudage par ultrasons. Đức: Ultraschallschweiben. ✪ Siêu âm: Siêu âm là những dao động đàn hồi có tần số f>16KHz,cao hơn tần số âm mà con người nghe được. Ưu điểm:
24. ✪ Có khả năng tự phá bỏ lớp oxit bề mặt và làm sạch tốt dầu mỡ nhờ có ma sát ,dịch trượt giữa các vật hàn .Hàn siêu âm có khả năng hàn nối các chi tiết kim loại mà không cần làm sạch lớp bề mặt, không cần nấu chảy chỗ hàn. ✪ Hàn siêu âm có thể hàn tốt những kim loại có điện trở nhỏ (như đồng điện kỹ thuật , nhôm, bạc, vàng ) mà các phương pháp khác không đáp ứng được. ✪ Hàn siêu âm có ưu điểm là có thể hàn được các lá kim loại mỏng, hàn các giấy kim loại. ✪ Hàn siêu âm có thể hàn các kim loại khác nhau với nhau, hàn kim loại với phi kim, hàn chất dẻo, hàn xương ✪ Hàn siêu âm cho phép các chi tiết hàn có tỷ lệ chiều dày tới 1:1000 ✪ Hàn siêu âm tiêu tốn ít năng lượng, dễ tự động hóa, thời gian hàn nhanh. Nhược điểm: ✪ Nhược điểm cơ bản của hàn siêu âm là chất lượng mối hàn không ổn định. ✪ Chỉ thích hợp hàn với vật liệu mỏng. ✪ Giá thành thiết bị tương đối cao. Ứng dụng của hàn siêu âm: ✪ Hàn siêu âm là một phương pháp hàn tiên tiến, rất có triển vọng. ✪ Phạm vi ứng dụng rất rộng rãi và đa dạng: trong các lĩnh vực y tế, điện tử, vũ trụ, ✪ Hàn các dây dẫn điện. tiếp điểm,hàn nối các linh kiện, ống với tấm siêu mỏng, liên kết chồng cho nhôm và đồng. ✪ Thường được dùng hàn các màng mỏng,trong công nghiệp điện,điện tử và cơ khí chính xác. Lịch sử phát triển: Năm 1960 công ty Sonobond Ultrasonics nghiên cứu và phát triển máy hàn siêu âm đầu tiên cho các vật hàn là kim loại.