Hồ quang điện trong hàn thép kết cấu - PGS.TS.Hoàng Tùng

Giả sử gọi x là mức độ ion hóa và n là số nguyên tử ban đầu. Ta có nᵢ = xn; và nₐ = n-nx =n(1-x).
Khi đó :Cᵢ=nᵢ/nᵢ + nₑ + nₐ =x/x + 1
            Cₑ=nₑ/nᵢ + nₑ + nₐ=x/x + 1
            Cₐ=nₐ/nᵢ + nₑ + nₐ=1-x/1+x
            Kₚ=x²/1-x²→x= √(Kₚ/1+Kₚ)
Một số tác giả coi hồ quang như một plazma đẳng nhiệt và để xác định mức độ ion hóa ở t°, p cho trước sẽ được đặc trưng bởi phương trình Saga:

(X/1-X²).p=2,4.10⁻⁴.a²T⁵/².eᵉᵘ/ᴷᵀ   

Trong đó:
p - Áp suất (mmHg).
u - Điện thế ion hóa (V).
T - Nhiệt độ (°K).
Phương trình này chỉ đúng với giá trị x khá nhỏ.
Theo một số tác giả, ngoài 3 dạng tạo ra sự ion hóa, sự phóng điện còn do một số tác dụng phụ sau:
-Sự phóng điện dưới tác dụng của điện trường ngoài:

J= J₀e⁽⁽⁴³⁹√ᵉ/ᵀ⁾⁾  

Trong đó:
E - Cường độ điện trường (V/cm).
J₀ -  Dòng điện tử ban đầu được phóng ra khi không có tác dụng của điện trường ngoài (eV).
Do vậy khi nhiệt độ tăng sẽ làm giá trị trung bình của sự phóng điện dưới tác dụng của điện trường ngoài E bị ảnh hưởng đáng kể; đặc biệt khi cường độ điện trường lớn (E = 10⁶ ÷ 10⁷ V/cm).
-Sự phóng điện do kết quả của sự bắn phá catot.
Nhiều tác giả cho rằng: quá trình này đóng vai trog chính trong sự hình thành hồ quang hàn. Do kết quả của sự phóng điện mạnh từ catot và sự ion hóa môi trường giữa hai điện cực, sẽ tạo ra một vệt sáng ổn định liên tục giữa các điện cực gọi là hồ quang điện.
Khi hồ quang cháy các vết trắng ngay sát các điện cực gọi là các vệt catot hay anot và trên các cực nhìn rõ những vùng sáng tương ứng là vùng anot và vùng catot (hình 27m).
Kích thước vùng anot và vùng catot rất nhỏ so với chiều dài hồ quang, mặt khác giữa các phần của hồ quang có sự giảm hiệu điện thế định tính.
Điện thế hồ quang được xác định:

uₕ = uₖ + uₛ + uₐ hoặc Pₕ = Iuₕ = Iuₖ + Iuₖ + Iuₛ + Iuₐ = Pₖ + Pₛ + Pₐ

Trong đó: 
I - Dòng điện chạy hồ quang.

Nếu gọi f là tỷ số giữa dòng điện từ (Iₑ) và dòng điện (I): f=Iₑ/I, thì sự phân bố năng lượng trên các phần hồ quang như sau:
a) Sự phân bố năng lượng trong vệt catot
Chiều dài cột catot Iₖ = 10⁻⁶ ÷ 10⁻⁷ (m)
Dòng ion bắn phá catot có năng lượng là: 

P₁ =I(1-f)uₖ

Sau khi bắn phá, các ion sẽ thu hoặc mất điện tử để thành các nguyên tử trung hòa và giải phóng một năng lượng bằng năng lượng ion hóa:

P₂ =I(1-f)(uᵢ - uₑ)

Dòng điện tử phóng từ catot ra có năng lượng:

P₃ = fIuₑ 

Như vậy P₁, P₂ là năng lượng catot nhận và P₃ là năng lượng truyền ra. Gọi Wₖ là năng lượng nóng chảy catot Rₖ là năng lượng bức xạ; u꜀ là điện thế phát xạ của các điện tử trên bề mặt catot ta có phương trình cân bằng năng lượng:

P₁ + P₂ = P₃ +Wₖ + Rₖ hoặc I(i-f)(uₖ + uᵢ - u꜀) = fIu꜀ + Wₖ + Rₖ

b) Sự phân bố năng lượng trong cột hồ quang
Cột hồ quang luôn có dạng hình trụ loe từ hướng catot đến anot. Sự dẫn điện trong cột hồ quang là do có mặt của các điện tử và các điện tích. Chúng tồn tại do kết quả của sự ion hóa.
Theo một số tác giả, nhiệt độ cột hồ quang:

t꜀ = 800.uᵢ -273(°C)

trong đó: uᵢ - điện thế ion hóa của các phần tử (bảng 32.1.b).

Đường kính của cột hồ quang:

Rₑ꜀ = I.Eₛ/2.π.β.σ.(t꜀)⁴ (m)  

Ở đây : I - Dòng điện hàn(A)
            Eₛ - Điện thế gradien cột hồ quang (V.m⁻¹), thường Eₛ=10÷40 V.m⁻¹
            σ - Hằng số Stefan -Bozman (σ = 5,67x10⁻⁸ W.mK⁻⁴)
            β - Hệ số cháy của hồ quang (β = 0,5÷0,7)
Thực tế nhiệt độ của hồ quang không đồng đều thường cao nhất ở giữa và giảm dần ra phía ngoài. Khi hàn hồ quang tay, nhiệt độ hồ quang thực tế phân bố là 4200 ÷ 5700°C; trong môi trường khí bảo vệ TIG là 6200 ÷ 7800°C. Khi hàn MIG và MAG trong vùng plasma nhiệt độ đạt tới 12.000 ÷ 15.000°C. Hàn MAG (CO₂) đạt 10.000°C.
Năng lượng ttrong cột hồ quang bao gồm:
-Năng lượng trong dòng điện tử: P₁ = fuₖ.
-Năng lượng cột hồ quang :P₂ = Iuₛ.
Cột điện tử trước khi chuyển dịch vào anot được gia tốc với năng lượng : P₃ = (1-f)Iuᵢ
Ngoài ra còn tồn tại năng lượng nhiệt của hồ quang Wₛ và năng lượng do bức xạ Rₛ. do vậy:

P₁ + P₂ =P₃ + Wₛ + Rₛ→ I(fuₖ + uₛ) = (1-f)Iuᵢ + Wₛ +Rₛ   

c) Sự phân bố năng lượng trên anot
Vùng anot có chiều dài Iₐ = 10⁻⁵ ÷ 10⁻⁶ m. Năng lượng nhiệt ở vùng này cao hơn vùng catot.
Năng lượng phân bố trên anot:

fIuₐ + fIuₑ thông qua f = 1→ I(uₐ + uₑ) =Wₐ + Rₐ

Trong đó : Wₐ - năng lượng làm nóng chảy anot (W)
                 Rₐ - năng lượng bức xạ ở anot(W)
Năng lượng trên vùng anot:

Pₐ =(uₐ + uₑ)              (J.s₋₁:W) 

Điện thế rơi trên anot: u= 4÷8V và nhiệt độ ở đây bao giờ cũng cao hơn ở vùng catot (500÷600°C).
Công suất nhiệt toàn phần hữu ích của hồ quang:

P = I(uₖ + uₛ + uₐ)η.k            (J.s⁻¹;W) 

Trong đó: η - hiệu suất của hồ quang (hiệu suất sử dụng nhiệt của hồ quang).
Khi hàn hồ quang tay bằng que hàn:η =0,75÷0,85.
Hàn tự động dưới lớp thuốc:η =0,8÷0,95.
Hàn TIG: η= 0,5÷0,65.
Hàn MIG;MAGMAG: η= 0,8÷0,9.
k -  hệ số tính ảnh hưởng sai lệch các đường cong điện áp và dòng điện tới công suất hồ quang: dòng điện 1 chiều k=1, dòng điện xoay chiều k=0,7÷0,9.
Với bản chất hồ quang và năng lượng nhiệt của nó sinh ra làm cho quá trình dịch chuyển kim loại từ que hàn vào vùng hàn rất phức tạp. Giọt kim loại phải chịu một hệ lực tác dụng(hình 27n).
Áp lực hướng kính của từ trường hồ quang -(hiệu ứng pinch)

pr= μI²/4π.R².(1-r²/R²)   [Pa] 

Trong đó :
r,R - kích thước của giọt kim loại(mm).
μ - độ căng của kim loại, đối với kim loại lỏng μ=μ₀=4π.10⁻⁷[N.m⁻¹].    

Pₗₒ =μI²/4π.(3/4 +ln(R/Rₑₒ))      [N] 

Giá trị R, Rₑₒ xem trên hình 27n.
Các dạng dịch chuyển kim loại trong hồ quang với các phương pháp hàn khác nhau được thể hiện ở bảng 32(1.c).
Trong công nghệ hàn, chiều dài hồ quang được điều chỉnh bằng quan hệ giữa hiệu điện thế giữa hai cực và cường độ dòng điện hàn.
Mặt khác người ta thiết lập các đường đặc tuyến tĩnh Volt-Amper tức là các đường cong biểu thị mối quan hệ giữa các hiệu điện thế và cường độ dòng điện của hồ quang hàn (hình 27p).
Khi tăng cường độ dòng điện hàn ở các vị trí nhỏ, chúng không làm thay đổi cột hồ quang, nhưng hiệu điện thế sẽ giảm.
Ngược lại, nếu tăng chiều dài cột hồ quang, khi dòng điện hàn không đổi sẽ làm tăng hiệu điện thế hồ quang.
Hình 27p. Đặc tínhtính của hồ quang hàn và nguồn hàn. 
a) Đặc tính tĩnh của hồ quang khi thay đổi chiều dài hồ quang. 

b) Đặc tính động của nguồn hàn 1,2,3 đặc tính động phẳng thích hợp cho hàn MAG; MIG; 4,5 đặc tính dốc dùng cho hàn tay:

c) Sự ổn định của hồ quang điện: 6 đặc tính động của nguồn hàn(khi hàn hồ quang tay với que hàn). 7 đặc tính dốc của nguồn hàn (khi hàn TIG); 8 đặc tính tĩnh của hồ quang; P điểm làm việc.

Sơ đồ phụ thuộc giữa điện thế hồ quang, dòng điện và chiều dài hồ quang có thể biểu thị bằng quan hệ:

Uₕ =a + bIₕ + (c+dlₕ/I)    [V]

Với dòng hàn đủ lớn thì điện thế hồ quang được tính:

Uₕ=a+blₕ      [V]

Trong đó: Uₕ - điện thế hồ quang [V].
                l - chiều dài hồ quang [mm]
                I - dòng điện hàn [A]

                a,b,c,d - các hệ số phụ thuộc vào chất liệu điện cực, môi trường bảo vệ, áp lực môi trường...
Sự tạo thành kim loại mối hàn xảy ra do sự nóng chảy kim loại cơ bản và kim loại đắp. Sự nóng chảy của kim loại đắp được đặc trưng bởi hệ số chảy, có nghĩa là lượng kim loại nóng chảy của kim loại que hàn tính bằng gam trong một giờ khi có dòng điện hàn bằng một ampe chạy qua.
Hệ số chảy xác định theo công thức

α꜀ =Gₚ/It (g/Ah)

Trong đó: α꜀ - hệ số chảy (g/Ah)
                Gₚ - khối lượng kim loại que hàn nóng chảy (g)
                 I - dòng điện hàn (A)
                 t - thời gian hồ quang cháy (h).
Để xác định khối lượng kim loại đắp, người ta dùng hệ số đắp, có nghĩa là lượng kim loại que hàn đắp tính bằng gam trong thời gian là 1 giờ với dòng hàn một ampe.
Khi có dòng điện hàn bằng 1A chạy qua. Nó được xác định theo công thức:

αđ = Gđ/It (g/Ah)

Trong đó: αđ - hệ số đắp, (g/Ah)
                Gđ - khối lượng kim loại đắp
Hệ số đắp nhỏ hơn hệ số chảy chút ít và phụ thuộc vào phương pháp hàn, loại dòng điện hàn, loại que hàn cũng như các yếu tố khác.