So sánh ưu điểm đắp cứng bề mặt giữa quy trình hàn Plasma bột và hàn Plasma dây.

Quá trình hàn hồ quang plasma sử dụng kim loại điền ở dạng dây được gọi là Hàn hồ quang Plasma dây (PAW), trong khi đó sử dụng vật liệu điền bằng bột thường được gọi là Plasma Transferred Arc (PTA).

Quá trình PTA có thể được coi là một dẫn xuất của quy trình PAW. Điểm tương đồng giữa hai quy trình có thể được quan sát trong Hình 1.

Cả hai quy trình hàn sử dụng một điện cực vonfram không nóng chảy được đặt bên trong đầu chụp, một bộ phận làm mát bằng nước, khí bảo vệ để bảo vệ bề hàn và khí plasma. Sự khác biệt giữa hai quá trình hàn nằm trong bản chất của vật liệu điền đầy, bột thay vì dây, đòi hỏi một dòng khí để vận chuyển đến khu vực hồ quang và điền vào bể hàn. 

Sơ đồ trong Hình 1 cho thấy hai quá trình với sự khác biệt và tương đồng của chúng.

Thiết bị cần thiết để thực hiện quy trình PTA là tương tự như được sử dụng trong PAW. Khi PAW sử dụng, thiết bị phải có khả năng cấp dây được làm mát của các thiết bị đo khác nhau và các vật liệu khác nhau, với vận tốc không đổi hoặc xung. 

Trong quy trình hàn plasma PTA, vật liệu hàn được sử dụng ở dạng bột và thiết bị cấp bột.  Đối với ứng dụng của nó cho lớp phủ, quy trình PTA là thích hợp khi nó tạo ra các giá trị pha loãng theo thứ tự từ 6 đến 10%, thấp hơn nhiều so với quá trình hàn hồ quang khác khoảng 20 đến 25%. Giảm biến dạng, vùng ảnh hưởng nhiệt (VAHN) nhỏ và cấu trúc tế vi cũng ổn định.

Trong các quy trình PTA và PAW, khí trơ được sử dụng làm khí plasma, được đi qua lỗ của mỏ hàn, trong đó điện cực được cố định đồng tâm.

Khí bảo vệ đi qua một lỗ mở bên ngoài, đồng tâm với vòi phun, bảo vệ hiệu quả mối hàn không bị oxy hóa từ không khí trong khí quyển (hoạt động hoặc trơ).

Mặt khác, trong quy trình PTA, khí mang được sử dụng để vận chuyển vật liệu hàn thông qua ống đến vòi phun, cho phép nó đi vào hồ quang plasma trong một

dạng hội tụ. Khí được sử dụng này thường là Argon.

Vì điện cực vonfram nằm trong cốc giới hạn của mỏ hàn, nên khó mở hồ quang bằng tiếp xúc, do đó thiết bị được gọi là mô-đun plasma được sử dụng để thiết lập mở hồ quang. Một bộ phận đánh lửa điện tử giữa điện cực vonfram và đầu giới hạn, tạo ra một tia lửa nhỏ trong khu vực này. Như vậy với sự đi qua của khí plasma, một hồ quang điện cường độ thấp xuất hiện giữa điện cực và đầu giới hạn, được gọi là hồ quang mồi tạo điều kiện cho việc thiết lập hồ quang chính, khi có nguồn điện được thêm vào.

Trong thực tế, các tham số kiểm soát chất lượng của mối hàn bao gồm tốc độ vật liệu được thêm vào, tốc độ dòng khí (khí bảo vệ, khí plasma, khí mang bột), dòng hàn, đầu mỏ đến khoảng cách phôi (xem bên dưới) và tốc độ hàn.

Cấu tạo của mỏ hàn được hiển thị trong Hình 2, trong đó các tham số làm việc trong quá trình được chỉ định. Khoảng cách từ mặt ngoài của mỏ hàn vào vật hàn được gọi là khoảng làm việc (NWD- Nozzle to Workpiece distance).

Hốc (Rc) của điện cực được đo từ đầu điện cực đến mặt ngoài của đầu giới hạn mỏ hàn. Sự thay đổi trong các đặc điểm hồ quang bị ảnh hưởng bởi yếu tố này.

Để có được năng suất hàn tốt, khoảng cách NWD không được lớn hơn 10 đến 15 mm. Tại các giá trị cao hơn phạm vi này, hiệu quả của khí bảo vệ bị giảm đáng kể.

Nghiên cứu cho thấy rằng khoảng cách NWD tăng thì mức độ pha loãng giảm.

Mục tiêu chung của nghiên cứu này là so sánh quy trình hàn PAW và PTA nhằm ứng dụng vào các hoạt động của lớp phủ bề mặt, đặc biệt là về tuabin mòn do xâm thực.

 Nghiên cứu chỉ ra lợi ích của quá trình hàn plasma sử dụng bột thay vì dây trong ứng dụng của lớp phủ. Bề rộng mối hàn, mức độ pha loãng, độ cứng và cấu trúc vi mô là tốt hơn.

Để tiến hành thực nghiệm này, cả 2 quá trình đều được sử dụng trên thiết bị dựa trên các thông số tương tự được cài đặt cho quá trình hàn Plasma hồ quang dây và hàn bột. Nguồn hàn được thông qua một màn hình, đã được kết nối với PC. Bằng một chương trình phần mềm rất linh hoạt, hầu hết tất cả các tham số quá trình được kiểm soát.

Trong ba dòng khí, nhận được nhiều sự chú ý nhất là khí plasma liên quan về chất lượng mối hàn. Một bộ điều khiển lưu lượng lớn khí được sử dụng, trong đó điều khiển được thực hiện bằng điện tử và tín hiệu lệnh là tham chiếu điện áp. Các dòng lưu lượng khí khác được theo dõi đơn giản bằng đồng hồ đo lưu lượng điện tử về thể tích.

Một trong những bộ phận cơ bản của thiết bị là plasma mô-đun, cho phép thực hiện bất kỳ phiên bản hàn plasma nào dựa trên nguồn hàn thông thường cho GTAW hoặc điện cực tráng. Đối với sự dịch chuyển của mỏ hàn một thiết bị điện tử đã được sử dụng để cố định đường hàn giữa 2 quy trình. Tiếp đến là thiết bị cấp bột thiết kế thích ứng cho phép sử dụng các đầu mỏ giới hạn với các góc hội tụ khác nhau. Mỏ hàn PTA có đường kính giới hạn là 4,8 mm. Trong khi mỏ  PAW, nhà sản xuất cung cấp ba vòi phun với đường kính giới hạn 2,4, 2,8 và 3,2 mm, được thiết kế theo hàn hiện tại sẽ được áp dụng.

Trong trường hợp này, đường kính giới hạn lớn nhất có sẵn cho mỏ PAW là  3,2 mm.

Hình 3 thể hiện tổng quát về thiết bị được lắp đặt  cho các quy trình hàn PAW và PTA.

Hình 3: Thiết bị thử nghiệm:1 - Nguồn hàn, 2-Mỏ hàn, 3–Plasma modun, 4–Cấp bột, 5-Hệ thống mỏ, 6-Kiểm soát khí, 7-Van điện, 8-Bình cấp khí

Thông số cài đặt tương tự cho 2 quy trình hàn được cho theo bảng sau:

Cùng với thành phần hóa học của mẫu và vật liệu hàn cho Hàn Plasma bột và Plasma dây như hình dưới.

Các kết quả thu được cho quá trình PTA so với PAW là:

-        Diện tích che phủ lớn hơn

-         Độ pha loãng thấp hơn đường hàn có thành phần gần giống với hợp kim của bột hàn.

-         Bề mặt tốt hơn, độ lồi thấp hơn, hợp nhất giữa nền và hạt hàn.

Thông số:  Dòng hàn=160 A, Tốc độ hàn= 20cm/min, Tỉ lệ đắp= 1.4kg/h,

 Lưu lượng khí plasma= 2.4 l/min.

Lưu lượng khí Plasma: (a) 2.2 (l/min); (b) 2.4 (l/min); (c) 3.0 (l/min)

Lưu lượng khí Plasma: (a) 2.2 (l/min); (b) 2.4 (l/min); (c) 3.0 (l/min)

Từ kết quả sau khi đo đạc ta có biểu đồ so sánh:

Hình ảnh vật liệu sau hàn dưới kính hiển vi điện tử:

Độ cứng bề mặt trong quy trình hàn PAW:

Độ cứng bề mặt trong quy trình hàn PTA:

      Dựa trên các kết quả thí nghiệm thu được trong nghiên cứu này, các kết luận như sau:

-         Quá trình PTA tạo ra bề mặt hoàn thiện tốt hơn.

-          Chiều rộng biên dạng hàn lớn hơn trong quy trình PTA (dễ dàng kiểm soát chiều cao lớp đắp).

-          Khi so sánh mẫu thu được qua hai quy trình, có thể quan sát được rằng sự tham gia của kim loại gốc luôn thấp hơn trong quy trình PTA. (giảm thiểu biến dạng do nhiệt khi hàn).

-          Mẫu thu được với quy trình PAW có độ cứng thấp hơn