1. Phân loại hàn hồ quang và các kiến thức cơ bản
Có rất nhiều phương pháp hàn, có thể phân loại dựa vào các đặc trưng – đặc tính hoặc cấu tạo mà chia ra các loại khác nhau. Ở đây phân loại theo phương pháp phổ biến trong nền công nghiệp hiện nay.
Trong hàn hồ quang, dựa vào đặc tính phát sinh hồ quang của điện cực mà chia ra thành 2 nhóm chính là hàn hồ quang điện cực tan chảy và hàn hồ quang điện cực không tan chảy
Hàn hồ quang điện cực không tan chảy: Có 2 phương pháp phổ biến là hàn TIG và hàn Plasma. Phương pháp này điện cực hầu như không tan chảy, thay vào đó phải sử dụng kim loại hàn. Dòng điện và hàm lượng kim loại hàn ( que hàn hoặc dây hàn) có thể thay đổi độc lập với nhau nên việc lựa chọn các điều kiện hàn được tự do hơn. Tuy nhiên vì sự tách biệt này mà đường truyền nhiệt giữa hồ quang và kim loại hàn không ổn định dẫn đến hiệu suất của phương pháp hàn này thấp.
Hàn hồ quang điện cực tan chảy: Ngược lại với hàn hồ quang điện cực không tan chảy, điện cực ( kim loại hàn) tan chảy và hồ quang phát sinh cùng lúc nên đem đến hiệu suất hàn cao. Tuy nhiên tốc độ tan chảy của kim loại hàn bị ảnh hưởng lớn bởi dòng điện hàn nên sự độc lập giữa hai yếu tố này bị hạn chế. Vì vậy việc lựa chọn điều kiện hàn cũng bị hạn chế, yêu cầu kĩ năng trong việc thiết lập lựa chọn điều kiện hàn thích hợp.
2. Tính chất của hồ quang
Hồ quang phát sinh giữa que hàn, dây hàn hoặc là điện cực tungsten với vật liệu hàn. Hồ quang có hình dạng như hình chuông với đỉnh chuông nằm ở phía điện cực và mở rộng dần xuống dưới. Nhiệt độ hồ quang, phần trung tâm lên đến khoảng 20 vạn độ K, phía ngoài lên đến 10 vạn độ K.
Hồ quang là quá trình điện li các nguyên tử, phân tử trung tính thành các ion. Trên thực tế đó là một dạng plasma tạo ra qua sự trao đổi điện tích liên tục.
Như hình bên biểu thị, sự giảm điện áp giữa cực dương và cực âm cấu thành nên cột hồ quang điện áp giảm ở khoảng giữa. Cột điện áp hồ quang biến đổi tương đồng với sự biến đổi chiều dài hồ quang nhưng điện cực âm và điện cực dương thì hầu như không biến đổi. Do đó dù chiều dài hồ quang nó ngắn thế nào đi nữa thì để đảm bảo việc phát sinh hồ quang cần có điều kiện về điện áp hồ quang.
Biểu đồ thể hiện đặc tính của điện áp hồ quang và dòng điện hồ quang.
3. Hiện tượng hàn hồ quang
Giữa các dòng điện cùng phương song song xuất hiện lực kéo do điện trường gây ra. Vì hồ quang là tập hợp các đường dẫn song song bằng khí nên lực kéo phát sinh giữa các đường dẫn song song có tác dụng làm mặt cắt ngang của hồ quang thu hẹp lại. Hiệu ứng như vậy gọi là hiệu ứng pinch, và lực này được gọi là lực pinch điện từ.
Hiệu ứng điện trường pinch vẫn đúng với dây hàn. Như trong hình, phần rắn không biến dạng ngay cả khi chịu tác dụng của lực điện từ, nhưng ở phần đầu đã hóa thể lỏng thì bị tác dụng của lực điện từ và giảm tiết diện, lực điện từ có tác động làm tách phần tan chảy ra khỏi đầu dây. Hồ quang cũng có khả năng giảm tổn thất nhiệt bằng cách thu nhỏ tiết diện khi nhận tác dụng làm má và giảm diện tích bề mặt, và tác dụng này được gọi là hiệu ứng pinch nhiệt.
Trong hàn hồ quang, môi trường xung quanh hình thành từ trường do dòng điện hàn. Như hình bên phải lực điện từ được hình thành theo luật bàn tay phải. Ngoài ra do đường truyền điện từ điện cực hướng đến vật liệu và rộng dần nên mật độ dòng điện ở điện cực lớn hơn so với với tại vật liệu và áp suất bên trong cột hồ quang cao hơn bề mặt vật liệu. Lực điện từ và sự chênh lệch áp suất như vậy sẽ hút một phần khí bảo vệ vào cột hồ quang và tạo ra một luồng khí tốc độ cao từ điện cực về phía vật liệu gọi là dòng plasma.
Tốc độ dòng plasma có thể lên đến 100m/s và góp phần lớn vào sự di chuyển của dòng chảy. Đây cũng là lí do vì sao trong hàn hướng lên hay hàn ngang dòng chảy vẫn ổn mặc dù có tác động của trọng lực.
Ngoài ra trong trường hợp góc hàn nghiêng, không phải lúc nào hồ quang cũng tạo ra ở khoảng cách ngắn nhất so với vật liệu. Đây được gọi là độ cứng của hồ quang.
Tùy thuộc vào dòng điện hàn, từ trường và từ tính còn xót lại bên trong vật liệu tác dụng lực không đối xứng đáng kể vào cột hồ quang và làm lệch cột hồ quang như hình. Hiện tượng hồ quang bị lệch như vậy gọi là hiện tượng thổi từ hồ quang.
