Hàn hồ quang – Tập 59: Dòng điện hàn và điều khiển dạng sóng (truyền ngắn mạch) (1) Phụ trách: Takagi Ryuuhei

Ngày 08 tháng 8 năm 2016

Dòng điện hàn có thể được phân loại thành dòng điện động (như dòng tức thời) và dòng điện tĩnh (như dòng trung bình), trong đó dòng điện trung bình đã được đề cập trong tập 54. Trong tập này, chúng ta sẽ quay lại thời kỳ sử dụng máy thyristor để giải thích về điều khiển dạng sóng trong hàn truyền ngắn mạch — một yếu tố có liên quan mật thiết đến spatter (tia lửa bắn ra), hàn tốc độ cao và biến dạng hàn. Tôi tin rằng việc nắm được những câu chuyện quá khứ này sẽ hữu ích cho việc khai thác hiệu quả các thiết bị hàn tiên tiến trong tương lai.

Như đã đề cập trong các tập 12 đến 16 về “Sự chuyển đổi của nguồn điện hàn”, quá trình phát triển của hàn CO₂ luôn gắn liền với bài toán “giảm thiểu spatter đến mức tối đa”. Quá trình này vẫn đang tiếp tục với nhiều cải tiến. Biện pháp kiểm soát spatter ở giai đoạn đầu là sử dụng “cuộn kháng dòng một chiều (DC reactor)” lắp đặt ở phía dòng một chiều của nguồn hàn để điều khiển dòng điện. Cuộn kháng DC này, như minh họa ở hình 014-03, thay đổi độ tự cảm DC
𝐿
L (μH) bằng cách thay đổi số vòng dây
𝑁
N, từ đó điều khiển tốc độ tăng dòng điện hàn.

Ví dụ dễ hiểu là như sau: nếu bạn quấn ống nước quanh vườn thành nhiều vòng thì dù có mở vòi nước lớn, lực nước cũng yếu. Ngược lại, nếu ống nước duỗi thẳng, nước sẽ phun ra mạnh. Tương tự, dòng điện trong cuộn kháng DC cũng hoạt động như vậy. Như minh họa ở Hình 059-01: khi dòng điện tăng nhanh = lực nước mạnh được gọi là “Hard”, khi tăng chậm = yếu là “Soft”, còn mức giữa là “Standard”. Tuy nhiên, việc cố định số vòng dây
𝑁
N của cuộn kháng sẽ gây ra một số bất tiện.

Hình 059-01: Minh họa điều khiển dạng sóng truyền ngắn mạch: “Hard – Standard – Soft”

Tức là, khi bắt đầu hàn, cả vật liệu cơ bản và dây hàn đều còn lạnh, nên để tạo hồ quang đột ngột thì cần nạp năng lượng (dòng điện × điện áp) mạnh, tức cần thiết lập ở chế độ “Hard”. Tuy nhiên, một khi hồ quang đã hình thành, quá trình sẽ chuyển sang chu kỳ ngắn mạch – hồ quang, nếu vẫn giữ chế độ “Hard” thì sẽ dễ gây spatter, do đó cần chuyển sang “Standard” hoặc “Soft”. Tuy nhiên, việc thay đổi số vòng dây của cuộn kháng vào thời điểm đó là rất khó. Dù có phương án chuyển mạch từ trường bằng công tắc từ để đổi dòng điện lớn, nhưng vẫn rất phức tạp.

Đặc biệt, điều kiện gây spatter lớn nhất trong hàn CO₂ là khi dòng điện 250A và điện áp 25V. Để kiểm soát spatter trong trường hợp này, cần độ tự cảm DC khoảng 500–600μH, trong khi lúc bắt đầu chỉ cần 50–150μH là đủ — sự chênh lệch lớn này gây không ít khó khăn. Ngoài ra, trong hàn tốc độ cao, nếu thời gian truyền giọt (giải phóng ngắn mạch) kéo dài, sẽ dễ gây mất ổn định hồ quang. Khi hàn bán tự động tốc độ cao, người cầm mỏ hàn sẽ cảm thấy bị “giật”, và để giải quyết, chế độ “Hard” là cần thiết.

Đối với mối hàn nối hình xoắn ốc (heli joint), người ta sử dụng phương pháp hồ quang chôn (buried arc), đặc trưng bởi chiều dài hồ quang ngắn, khiến tần suất ngắn mạch tăng. Nếu không giải phóng nhanh các ngắn mạch này, hồ quang sẽ trở nên bất ổn, vì vậy người ta giảm tối đa số vòng dây cuộn kháng
𝑁
N, chọn chế độ “Hard”, hoặc thậm chí triệt tiêu gần như hoàn toàn
𝐿
L (μH) để xử lý nhanh.

Những điều nói trên là một phần về điều khiển dạng sóng bằng cuộn kháng DC trong thời kỳ sử dụng máy thyristor, tuy nhiên lúc đó việc cài đặt riêng lẻ các điều kiện điều khiển sóng bằng nguồn hàn là rất khó khăn.

Ngày nay, với sự phát triển của máy hàn kỹ thuật số hoàn toàn (full-digital), việc điều khiển sóng của từng hãng sản xuất đã đạt mức “chu đáo từng ly từng tí”, đến mức khi so với môi trường điều khiển vào những năm 1960 (thời Showa 40) thì như một giấc mơ, tạo cảm giác như một thời đại hoàn toàn khác.

Tuy nhiên, khi tiếp xúc thực tế với các hiện trường sử dụng máy hàn full-digital hiện nay, tôi vẫn thấy nhiều trường hợp dù đã trang bị hệ thống điều khiển sóng tiên tiến nhưng vẫn chưa đạt hiệu quả kiểm soát spatter hoặc ổn định hàn tốc độ cao như mong muốn. Tôi cho rằng nếu không thực sự khai thác được “hiệu quả điều khiển sóng” thì sẽ không có cải thiện. Mong rằng người dùng hãy hiểu sâu sắc hơn về “hiệu quả điều khiển sóng”, biến nó thành đồng minh của mình và thực hiện các cài đặt thích hợp một cách nỗ lực và nghiêm túc.

Trong tập tiếp theo, chúng tôi sẽ giải thích về dạng sóng truyền ngắn mạch và mô hình truyền giọt kim loại.

Hết.