Khái niệm về hàn, cắt kim loại. Nguyên lý và Ưu nhược điểm trong thực tiễn

1.    Hàn cắt kim loại là gì?

Hàn kim loại

Trong công nghệ chế tạo cơ khí, hàn là quá trình công nghệ sử dụng ngọn lửa khi cháy có nhiệt độ cao để làm nóng chảy các kim loại và cho chúng kết dính với nhau theo tiêu chuẩn. Khi hàn có thể sử dụng hoặc không sử dụng vật liệu bổ sung. Bằng sự hàn nóng, con người có thể liên kết được hầu hết các kim loại và hợp kim với độ dày bất kỳ, có thể hàn các kim loại và hợp kim không đồng nhất với nhau.

Hàn kim loại

Hiện nay, một số phương pháp hàn phổ biến gồm:

+Hàn khí (còn gọi là hàn gió đá, hàn oxy gas): Sử dụng khí để gia nhiệt cho chi tiết hàn đạt tới trạng thái nóng chảy và liên kết với nhau.

+Hàn hồ quang điện trong môi trường không có khí bảo vệ (hay hàn điện, hàn que): Sử dụng hồ quang điện (quá trình phóng điện tự lực xảy ra trong chất khí ở áp suất thường hoặc ở áp suất thấp giữa hai điện cực có hiệu điện thể rất lớn) được tạo ra bởi que hàn để làm nóng chảy kim loại hàn và que hàn để điền vào vị trí hàn.

+ Hàn  hồ quang trong môi trường khí bảo vệ: Để nhận được mối hàn chất lượng cao, hồ quang hàn và vùng kim loại nóng chảy phải được bảo vệ trước ảnh hưởng có hại của không khí. Trong đó:

• -    Hàn TIG: Sử dụng khí bảo vệ là khí trơ (Ar, He...) và điện cực không nóng chảy Wolfram
• -    Hàn MIG: Sử dụng khí bảo vệ là khí trơ (Ar, He...) và điện cực nóng chảy
• -    Hàn MAG (Hàn CO2): Sử dụng khí bảo vệ là khí hoạt tính (CO2...) và điện cực nóng chảy

+ Hàn Plasma: một dạng biến thể của hàn hồ quang.

+Hàn Laser: Công nghệ hàn cao cấp sử dụng năng lượng của các nguồn laser

Cắt kim loại

Việc sử dụng ngọn lửa khí cháy có nhiệt độ cao hơn làm nóng chảy các tấm, thanh kim loại thành các tấm, các thanh có kích thước cần dùng, hoặc khi phá dỡ các kết cấu kim loại liên kết với nhau được gọi là cắt kim loại.

Cắt kim loại

Một số phương pháp cắt kim loại thông dụng hiện nay

+Cắt kim loại bằng Oxy-gas, hay còn gọi là cắt hơi gió đá

+Cắt kim loại bằng Laser

+Cắt kim loại bằng Plasma

+Cắt kim loại bằng tia nước

Hàn cắt kim loại tiếng anh là gì?

Hàn – cắt kim loại tiếng anh là Welding – Cutting

Một trong những phương pháp hàn cắt được sử dụng phổ biến hiện nay là hàn cắt gió đá, hay còn gọi là hàn cắt kim loại bằng khí, hàn cắt oxy gas, hàn cắt hơi,… Đây là phương pháp hàn hoá học sử dụng khí, dựa trên phản ứng tỏa nhiệt của khí Oxy và sử dụng thêm các khí khác để tăng nhiệt cho đơn vị cần hàn. Khi đó, tại vị trí hàn, kim loại được tăng nhiệt độ đạt đến trạng thái nóng chảy, từ đó sẽ liên kết lại với nhau tạo thành mối hàn.

Hàn cắt gió đá tiếng anh là oxy acetylene welding and cutting.

2.    Thiết bị hàn cắt kim loại

Các bạn có thể dễ dàng mua các bộ hàn cắt kim loại mini tại các cửa hàng chuyên dụng. Do hàn cắt gió đá được sử dụng khá phổ biến nên trong bài này mình cùng tìm hiểu bộ hàn cắt oxy acetylen mini gồm những dụng cụ, thiết bị nào nhé.

+Bình chứa oxy: Thể tích khí oxy trong bình tỷ lệ thuận với áp suất của nó. Nếu áp suất ban đầu của bình đầy oxy giảm 10% trong quá trình hàn, thì 1/10 lượng oxy trong bình đã được tiêu thụ. Bình oxy thường được sơn màu xanh

+Bình chứa acetylen

+Bộ điều chỉnh áp suất: Áp suất của khí từ bình lớn hơn đáng kể so với áp suất khí được sử dụng để hàn cắt. Mục đích của việc sử dụng bộ điều chỉnh áp suất khí là:

• Để giảm áp suất cao của khí trong bình đến một áp suất làm việc thích hợp
• Để tạo ra một dòng khí ổn định khi làm việc

Một bộ điều chỉnh áp suất được kết nối giữa bình và ống dẫn đến mỏ hàn. 

+Ống hàn hơi đôi: Là dây kép (ống hơi) gồm 1 dây dẫn khí cháy một dây dẫn khí oxy,thường có hai màu xanh đỏ được sản xuất dựa trên công nghệ máy móc bảo đảm chuẩn và được sử dụng trong các khu công nghiệp và nhà máy…

+Mỏ hàn, mỏ cắt (mỏ hàn cắt gió đá): Có tác dụng trộn oxy và acetylen theo tỷ lệ mong muốn, đốt cháy hỗn hợp ở đầu mỏ hàn mỏ cắt và điều khiển hướng ngọn lửa.

Cụ thể, Các mỏ hàn khí thường cấu tạo theo kiểu hút khí, gồm 2 ống dẫn Oxy và khí nhiên liệu, hai khí được đưa vào trong buồng hòa trộn, bên ngoài có hai van điều chỉnh lượng khí. Hỗn hợp khí đã hòa trộn được đi qua ống trộn và tiếp tục theo ống dẫn ra đầu mỏ hàn. 

Sự khác biệt lớn nhất giữa mỏ cắt hơi và mỏ hàn hơi là mỏ cắt hơi có thêm ống áp suất cao oxy. Dòng oxy áp suất cao được kiểm soát bởi một van nằm ngay trên tay cầm mỏ cắt.

+Béc hàn, béc cắt: Là phụ kiện được lắp vào đầu mỏ hàn, có lỗ cho phép hỗn hợp khí oxy và acetylen đi qua trước khi bắt lửa và đốt cháy. Để cung cấp lượng nhiệt khác nhau, để hàn cắt các kim loại có độ dày khác nhau, các béc hàn cắt được chế tạo với nhiều kích cỡ khác nhau. Khi kích thước lỗ phun của bé hàn cắt tăng lên, lượng lớn khí đi qua và bị đốt cháy để cung cấp một lượng nhiệt lớn hơn. 

+ Một số dụng cụ phụ trợ khác

Bộ thiết bị hàn cắt khí

3.    Nguyên lý, đặc điểm kỹ thuật về hàn cắt kim loại

Nguyên lý hàn kim loại

Nguyên lý của hàn là khi hàn nóng chảy kim loại, ở chỗ hàn đạt tới trạng thái lỏng. Sự nóng chảy cục bộ của kim loại cơ bản được thực hiện tại các mép của phần tử ghép. Có thể hàn bằng cách làm chảy kim loại cơ bản hoặc làm chảy kim loại và vật liệu bổ sung. Kim loại cơ bản hoặc kim loại cơ bản và kim loại bổ sung nóng chảy tự rót vào bể hàn và tẩm ướt bề mặt rắn của các phần tử ghép. Khi tắt nguồn đốt nóng, kim loại lỏng nguội và đông đặc, kết tinh. Sau khi bể hàn kết tinh sẽ tạo thành mối hàn nguyên khối với cấu trúc liên kết hai chi tiết làm một.

Ưu điểm của hàn 

Ưu điểm của hàn là được ứng dụng rộng rãi để chế tạo và phục hồi các kết cấu và chi tiết với những điểm vượt trội như tiêu tốn ít kim loại, giảm chi phí lao động, rút ngắn thời gian sản xuất.

Nhược điểm của hàn 

Trong khi hàn xảy ra quá trình oxi hoá một số nguyên tố, sự hấp thụ và hòa tan các chất khí của bể kim loại cũng như những thay đổi của vùng nhiệt ảnh hưởng nhiệt dẫn đến kết quả là thành phần và cấu trúc của mối hàn khác với kim loại. Các biến dạng của liên kết gây ra bởi ứng suất dư có thể làm sai lệch kích thước và hình dáng của mối hàn và ảnh hưởng tới độ bền của mối ghép.

Nguyên lý cắt kim loại

Hiện nay phương pháp cắt kim loại bằng khí trở nên rất phổ biến. Thực chất của quá trình cắt kim loại bằng khí là đốt cháy kim loại cắt bằng dòng oxy, tạo thành các oxit, làm nóng chảy các oxit đó và thổi chúng ra khỏi mép cắt tạo thành rãnh cắt. 

Khi bắt đầu cắt, kim loại ở mép cắt được nung nóng đến nhiệt độ cháy nhờ nhiệt của ngọn lửa nung, sau đó cho dòng oxy thổi qua, kim loại bị ôxy hóa (bị đốt cháy) tạo thành oxit. Sản phẩm cháy bị nung chảy và bị dòng oxy thổi khỏi mép cắt. Tiếp theo, do phản ứng cháy của kim loại toả nhiệt mạnh, lớp kim loại tiếp theo bị nung nóng nhanh và tiếp tục bị đốt cháy tạo thành rãnh cắt.

Ưu điểm của cắt kim loại bằng khí

• Thiết bị đơn giản, dễ vận hành
• Có thể cắt được kim loại có độ dày lớn
• Năng suất khá cao

Nhược điểm của cắt kim loại bằng khí

• Chỉ có thể cắt được kim loại thỏa mãn điều kiện cắt
• Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn nên sau khi cắt chi tiết dễ bị cong vênh, biến dạng, đặc biệt khi cắt các tấm dài

Điều kiện đối với kim loại cắt

+ Nhiệt độ cháy của kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó.

+ Nhiệt độ nóng chảy của oxit kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó.

+ Nhiệt toả ra khi kim loại cháy phải đủ lớn để đảm bảo sự cắt được liên tục, quá trình cắt không bị gián đoạn.

+ Oxit kim loại nóng chảy phải có độ chảy loãng tốt, để dễ tách ra khỏi mép cắt.

+ Độ dẫn nhiệt của kim loại không quá cao, tránh sự tản nhiệt nhanh làm cho mép cắt bị nung nóng kém làm gián đoạn quá trình cắt.

4.    Những lưu ý đảm bảo an toàn khi hàn cắt kim loại

Trong quá trình hàn cắt kim loại phải tổ chức che chắn bằng các vật liệu không cháy hoặc di chuyển các vật liệu dễ cháy ra khỏi khu vực hàn cắt, không để vảy hàn có nhiệt độ cao tiếp xúc với các vật liệu dễ cháy phải có biện pháp an toàn phòng cháy chữa cháy và phương án xử lý cháy, nổ.

Chỉ sử dụng các dụng cụ hàn cắt đảm bảo an toàn 

Thợ hàn phải được tập huấn về nghiệp vụ phòng cháy chữa cháy, biết sử dụng thành thạo các loại phương tiện phòng cháy chữa cháy tại chỗ để có thể dập tắt được đám cháy ngay khi mới phát sinh. Áp dụng các phương pháp hàn cắt tiên tiến, sử dụng thợ hàn có tay nghề đã qua đào tạo về công tác an toàn trong quá trình hàn cắt kim loại.

Đối với thợ hàn cần:

Chuẩn bị và trang bị đầy đủ các loại trang bị bảo hộ cá nhân (kính hàn, giày, găng tay,…).
Sắp xếp nơi làm việc gọn gàng, kiểm tra tình trạng nước, cát, bình chữa cháy trang bị cho khu vực hàn.

Kiểm tra tình trạng bình khí, mỏ hàn và các vật dụng liên quan đến hàn cắt trước khi sử dụng.