Phương pháp hàn hồ quang Plasma

Hồ quang plasma được hiểu là khí bị ion hóa (chỉ chứa các điện tử và ion) và có khả năng dẫn điện, plasma được coi là trạng thái thứ tư của vật chất tiếp theo sau ba trạng thái rắn, lỏng và khí. Hồ quang điện, có thể tạo ra plasma từ chất khí.Trong các quá trình hàn hồ quang hở kể cả hàn TIG, dòng plasma có tốc độ thấp và khuếch tán trên diện rộng, do đó hồ quang bị tổn thất nhiệt năng và nhiệt độ bị giảm.

Các quá trình hồ quang plasma (bao gồm hàn hồ quang plasma, cắt hồ quang plasma, phun và gia công bề mặt bằng hồ quang plasma) sử dụng mỏ hồ quang plasma đặc biệt được cải tiến từ mỏ hàn TIG, trong đó hồ quang  wolfram được định hướng qua một ống dẫn khí trơ (Ar hoặc hỗn hợp Ar-He) được gọi là

Dòng khí tải. Ống dẫn này được bố trí giữa điện cực wolfram và kim loại nền, tránh sự khuếch tán hồ quang, do đó tập trung dòng hồ quang, tăng nhiệt độ và điện áp hồ quang, do đó cho phép tập trung dòng hồ quang vào phạm vi hẹp, làm tăng rõ rệt sự cấp nhiệt hồ quang, tăng nhiệt độ và điện áp hồ quang. Với hệ thống này, hồ quang có tốc độ cao, rất nóng, tạo thành dòng plasma chuẩn trực. Dòng plasma này được gọi là hồ quang plasma.

Ưu điểm của hàn hồ quang plasma so với hàn TIG 

  • Sự tập trung năng lượng cao hơn
  • Tính ổn định hồ quang tốt hơn
  • Lượng nhiệt cao hơn
  • Tốc độ plasma lơn hơn
  • Ít nhạy hơn đối với các biến thiên chiều dài hồ quang
  • Không làm nhiễm bẩn điện cực wolfram
  • Không đòi hỏi thợ có tay nghề cao
  • Không cần tấm lót ở dưới vật liệu hàn.

Các nhược điểm của hồ quang plasma

  • Thiết bị có giá thành cao
  • Đầu phun có tuổi thọ ngắn
  • Thợ hàn phải biết sâu về quá trình hàn plasma
  • Tiêu thụ khí trơ tương đối cao

Sự vận hành của hồ quang plasma

Để hiểu về quy trình này, chúng ta cần biết các thuật ngữ được sử dụng trong hàn hồ quang plasma

 

Các thuật ngữ của hồ quang plasma

  • Điện cực: điện cực wolfram được lắp kín bên trong ống dẫn, không chạm vào chi tiết gia công, do đó không bị nhiễm bẩn trong quá trình sử dụng, điện cực được phân cực âm, nếu bị phân cực dương điện cực sẽ nhanh chống bị hư hại.
  • Khoảng cách điện cực: khoảng cách giữa điện cực và mặt ngoài của ống dẫn
  • Khí dẫn: trước đây gọi là khí mang, là khí trơ được đưa qua mỏ plasma để bao bọc điện cực và đi vào hồ quang thông qua buồng khí. Khí bị ion hóa để tạo thành plasma trong hồ quang, giãn nở do nhiệt hồ quang thoát ra các lỗ của ống dẫn tạo thành dòng plasma tốc độ cao. Dòng plasma này đủ mạnh để có khả năng cắt kim loại. Tốc độ dòng plasma càng cao, khả năng xuyên thấu của hồ quang plasma càng lớn. Đối với quá trình hàn, dòng  plasma được điều khiển bằng cách duy trì tốc độ cung cấp khí trơ trong khoảng 1.5-15 lít/phút. Khí này không đủ để bảo vệ vùng hàn, do đó phải cần có khí bảo vệ được cung cấp từ ống ngoài.
  • Buồng khí: Đây là khoảng trống giữa vách trong của ống dẫn và điện cực.
  • Khí bảo vệ: khí bảo vệ được cung cấp qua ống ngoài, tương tự quá trình hàn TIG, bào vệ vũng hàn xung quanh dòng
  • Ống dẫn plasma: đây là thành phần thiết bị của mỏ hàn, chu vi ống dẫn có ảnh hưởng lớn đến năng lượng nhiệt của hồ quang. Ống này có thể có một hoặc nhiều cửa phun, cửa ở giữa có thể hình trụ, hội tụ hoặc phân kỳ

Ống dẫn một cửa phun thường sử dụng điện cực DC âm, loại nhiều cửa phun được ứng dụng cho một số kiểu nối ghép đặc biệt, thích hợp với việc kéo dài hồ quang, với tốc độ hàn cao hơn loại một cửa phun khoảng 30-50%.

Ống dẫn thường được chế tạo bằng đồng có nước làm nguội. Trong khi hàn, cột hồ quang bên trong ống dẫn được bao bằng lớp khí bảo vệ tương đối nguội, lớp khí này đảm bảo sự cách nhiệt và cách điện cho bề mặt điện cực.

  • Đường kính lổ phun: đường kính này được xác định tương ứng cường độ dòng điện và tốc độ lưu động của dòng khí.

Thiết bị hàn plasma

Thiết bị cơ bản để hàn plasma bằng tay tương tự hàn TIG gồm nguồn điện DC, bộ điều khiển, mỏ hàn làm nguội bằng nước, các bình thép và các ống dẫn khí, bộ tuần hoàn chất làm nguội với các ống dẫn, các phụ tùng bao gồm công tắc, điều khiển từ xa. Thiết bị chủ yếu thường ở dạng cơ

Thiết bị hàn hồ quang plasma cơ bản

 

Khí hóa, dòng điện cao có thể được dùng để đạt tốc độ hàn cao và độ ngấm tốt. Hàn plasma bằng tay được nêu trên không quá 100A do giới hạn nhiệt hồ quang. Cấu tạo mỏ hồ quang có dạng như hình bên dưới. Hệ thống hàn plasma cơ khí hóa có mỏ hàn đặc biệt được lắp vào giá đỡ để có thể chuyển động dọc theo đường hàn.

 

 

Cấu tạo súng hàn plasma

 

Các bộ phận bao gồm máy phát tần số cao, bộ điều khiển áp hồ quang, hệ thống nạp dây hàn. Đối với hàn cơ khí hóa, dòng điện cực đại khoảng 400A.

Nguồn điện tương tự hàn TIG DC, với bộ chỉnh lưu, dòng điện 100-400A, chu kỳ tải 60% -100A, điện áp hở mạch 65-80V. Hệ thống điều khiển hàn plasma dòng điện cao cơ khí hóa gồm bàn điều khiển chính, hộp nối các ống dẫn khí và nước, hộp điều khiển, máy phát tần số cao. Bộ điều khiển chính tiếp sau nguồn điện, máy phát tần số cao, lỗ phun, khí bảo vệ và khí dẫn, hành trình mỏ hàn, bộ nạp dây hàn, nước làm nguội mỏ hàn. Tốc độ hành trình và tốc độ nạp dây được điều khiển bằng mạch điện tử. Hồ quang plasma đảm bảo khả năng cung cấp nhiệt ổn định hầu như không phụ thuộc vào chiều dài hồ quang, do đó không cần các bộ phận duy trì chiều dài hồ quang ổn định. Các lưu lượng kế được dùng để định lượng các dòng khí, ngoài ra còn có các bộ phận điều khiển dòng khí. Hệ thống tuần hoàn bảo đảm cung cấp nước làm nguội cho mỏ hàn. Công tắc lưu lượng và trước khi bắt đầu tạo hồ quang.

Các ứng dụng của hàn hồ quang plasma

Hàn hồ quang plasma có thể được dùng cho mọi kim loại và hợp kim thường được hàn bằng quy trình TIG, phương pháp này có tính linh hoạt cao hơn, chất lượng ổn định và cao hơn, tiết kiệm năng lượng và chi phí. Đây là quy trình được sử dụng nhiều trong đóng tàu, kỹ thuật hạt nhân, điện tử, không gian và nhiều lỉnh vực công nghiệp khác. Hàn hồ quang plasma cơ khí hóa có năng suất rất cao, chất lượng cao, cho phép ứng dụng trong các lỉnh vực:

  • Ống thép không rỉ và ống titan (hàn đường dọc)
  • Hệ thống ống chịu nhiệt và chịu áp lực cao
  • Các bộ phận của động cơ turbine
  • Dàn ống làm việc ở nhiệt độ thấp và áp lực cao

Hàn hồ quang plasma bằng tay với kỹ thuật nóng chảy thường được dùng cho các tiết diện kim loại rất mỏng. Hàn hồ quang plasma vi plasma được dùng với cường độ dòng điện rất thấp và được dùng để hàn các bộ phận như:

  • Các bộ lọc lưới dây mảnh
  • Hàn đâu mí dây nhỏ
  • Vỏ hộp rơle
  • Thùng áp lực thành mỏng
  • Các bộ phận ống chân không
  • Các nối kết của cặp nhiệt – điện