Nghiên cứu triển khai công nghệ hàn và hàn đắp phục hồi bằng hàn điện xỉ cho các chi tiết nmáy có chiều dày lớn (60 150mm) và các chi tiết dạng trục có đường kính lớn 60 400mm phục vụ sản xuất

Trong đó có các kết cấu và các chi tiết không thể tháo lắp từng phần nhỏ, được chế tạo từ kim loại, ở những trường hợp này công nghệ hàn điện xỉ sẽ có hiệu quả cao nhờ những ưu điểm riên

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

BÁO CÁO KẾT QUẢ

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

CẤP BỘ NĂM 2009

Tên đề tài:

“NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ HÀN VÀ HÀN ĐẮP

PHỤC HỒI BẰNG HÀN ĐIỆN XỈ CHO CÁC CHI TIẾT MÁY CÓ

CHIỀU DẦY LỚN (60 - 150MM) VÀ CHI TIẾT DẠNG TRỤC CÓ

ĐƯỜNG KÍNH LỚN 60 - 400MM PHỤC VỤ SẢN XUẤT”

Ký hiệu: 011.09.RDBS/HĐ- KHCN

Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Đình Sao

7821

26/3/2010

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

BÁO CÁO KẾT QUẢ

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

CẤP BỘ NĂM 2009

Tên đề tài:

“NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI CÔNG NGHỆ HÀN VÀ HÀN ĐẮP

PHỤC HỒI BẰNG HÀN ĐIỆN XỈ CHO CÁC CHI TIẾT MÁY CÓ

CHIỀU DẦY LỚN (60 - 150MM) VÀ CHI TIẾT DẠNG TRỤC CÓ

ĐƯỜNG KÍNH LỚN 60 - 400MM PHỤC VỤ SẢN XUẤT”

Ký hiệu: 011.09.RDBS/HĐ- KHCN

Thủ trưởng đơn vị CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

(Ký và dóng dấu) (Ký, ghi rõ họ tên)

Nguyễn Đình Sao

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng quan và điều kiện ứng dụng công nghệ hàn điện

xỉ tại Việt nam

1.2 Điều kiện ứng dụng hàn điện xỉ tại Việt nam 9

Chương 2: Các lý thuyết cơ bản của công nghệ hàn điện xỉ

2.1 Các thông số tính toán kinh tế cho hàn điện xỉ 172.2 Các thông số ổn định của quá trình hàn điện xỉ 192.3 Các thông số điều chỉnh bể kim loại 222.4 Các thông số về khuyết tật mối hàn 232.5 Các quá trình xẩy ra khi hàn điện xỉ 26

Chương 4: Thiết lập quy trình gia nhiệt trong hàn điện xỉ

4.1 Cơ sở lý thuyết tính toán chế độ gia nhiệt 70

4.3 Thứ tự các bước công nghệ xử lý nhiệt 74

Chương 5: Các tiêu chí đánh giá chất lượng mối hàn điện xỉ

5.1 Các khái niệm chung về chất lượng mối hàn 75

Phụ lục Hàn thực nghiệm

Đánh giá kết quả

DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA

XN Sửa chữa Cơ Điện LDDK Việt Xô

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Fh: Diện tích tiết diện ngang của rãnh hàn;

Ld: Khoảng cách giữa hai điện cực

Qkl đắp : Khối lượng kim loại đắp của mối hàn

Ađắp : Hệ số hàn đắp

at: Hệ số thời gian hàn cơ bản

Γ: Tỷ trọng kim loại đắp

LỜI NÓI ĐẦU

Ở Việt Nam, công nghệ hàn điện xỉ đã được chuyển giao vào Việt Nam thông qua các nghiên cứu của các Trường ĐH Bách khoa, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương trong các năm 80 – 90 của thế kỷ trước Trong thời kỳ đó nền công nghiệp nước ta vẫn cờn nhỏ bé, các nghiên cứu trên đã đưa ra các khái niệm lý thuyết cơ bản về công nghệ hàn điện xỉ, tuy nhiên các công nghệ đó vẫn chưa đầy đủ và chưa được kiểm nghiệm qua thực tế Từ những năm 1990 trở lại đây, nền công nghiệp nước ta đã có những tiến triển vượt bậc nhờ sự quan tâm của Đảng và Nhà nước và xu thế hội nhập trên toàn thế giới, việc đòi hỏi phải chế tạo sửa chữa các kết cấu cơ khí có kích thước và khối lượng lớn Trong đó

có các kết cấu và các chi tiết không thể tháo lắp từng phần nhỏ, được chế tạo từ kim loại, ở những trường hợp này công nghệ hàn điện xỉ sẽ có hiệu quả cao nhờ những ưu điểm riêng biệt của nó trong quá trình chế tạo và phục hồi

Trong đề tài này đưa ra các giải pháp công nghệ tương đối hoàn chỉnh và đầy đủ, đã được kiểm nghiệm qua các thí nghiệm và ứng dụng thực tế về công nghệ hàn điện xỉ, cho một vài dạng chi tiết thường gặp có kích thước lớn, nhằm đáp ứng được phần nào các yêu cầu trên của nền công nghiệp nước nhà

Trong điều kiện nhất định, đề tài còn có nhưng thiếu sót và chưa hoàn toàn hoàn chỉnh, nhóm thực hiện đề tài rất mong muốn nhận được các góp ý bổ sung hoàn thiện nội dung Đề tài hơn nữa

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VÀ ĐIỀU KIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

HÀN ĐIỆN XỈ Ở VIỆT NAM 1.1 Tổng quan về hàn điện xỉ

1.1.1 Khái niệm công nghệ hàn điện xỉ

Hàn điện xỉ là một dạng hàn nóng chảy, dựa trên sự toả nhiệt khi dòng điện chạy qua xỉ lỏng Các mép hàn bị nung nóng tới nhiệt độ nóng chảy và khoảng không gian giữa chúng được điền đầy bởi kim loại phụ nóng chảy

Tại các khoảng không tạo bởi các mép vật hàn và các con trượt bể xỉ lỏng hình thành, trong đó điện cực liên tục được cấp Dòng điện chạy qua điện cực và kim loại lỏng đốt nóng nó và duy trì ở đó nhiệt độ và tính dẫn điện cao Nhiệt độ

bể phải cao hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại cơ bản và điện cực Xỉ làm nóng chảy điện cực và các mép vật hàn Kim loại nóng chảy chìm xuống đáy bể

xỉ và tạo nên bể kim loại; khi đông đặc nó tạo thành mối hàn liên kết hai mép hàn với nhau

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình hàn điện xỉ ở vị trí đứng với

sự tạo hình cưỡng bức của mối hàn

Một trong những điều kiện để có được quá trình hàn điện xỉ là bể xỉ phải

có chiều sâu tương đối lớn, điều này dễ dàng thực hiện khi hàn ở vị trí đứng Do vậy thông thường người ta hàn điện xỉ với cơ cấu tạo hình mối hàn cưỡng bức – làm nguội cưỡng bức bề mặt tự do của kim loại bằng các tấm ốp đồng có nước lưu thông làm mát

Hàn điện xỉ có thể tiến hành bằng dòng điện một chiều hoặc xoay chiều, với một điện cực hay hai, ba điện cực (dây hàn) Có thể hàn bằng tấm điện cực (điện cực tiết diện lớn) Khi sử dụng các điện cực khác nhau người ta có thể hàn các kim loại chiều dày 8 – 2.000 mm

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Công nghệ hàn điện xỉ được phát minh ra vào đầu những năm 1950 tại Viện hàn mang tên E.O.Paton thuộc Viện hàn lâm khoa học Ukraina Ngay sau đó nó đã được ứng dụng rộng rãi tại các Nhà máy chế tạo thiết bị công nghiệp nặng và các Nhà máy khác của Liên Xô trước đây

Năm 1957, tập thể các nhà khoa học tại Viện hàn mang tên E.O.Paton thuộc Viện hàn lâm khoa học Ukraina đứng đầu là Viện sỹ B.E Paton và Giáo

sư G.Z Voloskevich và các cán bộ khác đã được nhận giải thưởng Lênin vì những đóng góp to lớn của mình trong công nghệ hàn nói chung

Năm 1958 công nghệ hàn điện xỉ đã được tặng Giải thưởng cao nhất Gran-Pri tại Hội chơ triển lãm quốc tế tai Brucxel, rồi sau đó tại các triển lãm quốc tế khác tại New York, Marxel, Henxinki, London

Bản quyền về công nghệ và thiết bị cho hàn điện xỉ đã được bán và chuyển giao cho Hãng ESAB (Thụy Điển)

Thiết bị hàn điện xỉ của Liên Xô đã được xuất khẩu tới các nước như: Tiệp Khắc, Pháp, Rumania, Balan, CHDC Đức, Nhật, Ấn Độ và rất nhiều nước khác

Công nghệ hàn điện xỉ đã được ứng dụng rộng rãi ở rất nhiều quốc gia có nền công nghiệp phát triển trên thế giới như: Mĩ, Anh, Pháp, Nhật , Thụy Điển,

Về bản chất, công nghệ hàn điện xỉ là một trong số các phương pháp công nghệ hàn nóng chảy dựa trên nguyên lí giải phóng nhiệt năng khi có dòng điện

đi qua bể xỉ nóng chảy Các mép của chi tiết hàn được giữ cách nhau một khoảng nhất định được nung nóng đến nhiệt độ nóng chảy của thép và khe hở giữa chúng được điền đầy bằng kim loại dây hàn bổ sung nóng chảy

Trong lĩnh vực công nghiệp chế tạo máy nói chung, công nghệ hàn điện xỉ

đã được ứng dụng trên thế giới rộng rãi để tạo phôi các chi tiết lớn và chế tạo các thiết bị công nghiệp một cách hiệu quả Nhược điểm của các công nghệ đúc

và công nghệ hàn hồ quang trong chế tạo chi tiết máy có chiều dày lớn là lượng tiêu hao nguyên vật liệu cho một đơn vị khối lượng sản phẩm cao, trường ứng suất và biến dạng lớn dẫn đến khả năng làm việc và độ bền hạn chế Trong công nghệ hàn điện xỉ, mức tiêu hao năng lượng và vật liệu hàn được giảm đi rõ rệt, liên kết mối hàn có chất lượng tốt nhờ quá trình điều khiển chế độ công nghệ hàn và cân bằng giữa các quá trình nhiệt-hoá học trong bể hàn

Từ những năm 1960-1970, các nhà nghiên cứu của Viện hàn Patôn (Ukraina) đã bắt đầu tiến hành các nghiên cứu ứng dụng triển khai công nghệ hàn điện xỉ trong chế tạo các chi tiết máy lớn và đạt được những ưu điểm vượt trội sau đây:

- Giảm một cách đáng kể lượng vật liệu hàn cho quá trình chế tạo chi tiết

- Hạn chế ứng suất và biến dạng của chi tiết máy

- Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho quá trình công nghệ

Hiện nay công nghệ hàn điện xỉ là một trong những công nghệ tiên tiến được phát triển rất mạnh ở các nước công nghiệp phát triển và được áp dụng rộng rãi trong chế tạo các chi tiết máy lớn phục vụ sản xuất nhất là trong các ngành công nghiệp nặng

1.1.3 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Ở Việt Nam, công nghệ hàn điện xỉ đã được chuyển giao vào Việt Nam thông qua các nghiên cứu của các Trường ĐH Bách khoa, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương Tại PTN TĐ Công nghệ Hàn & Xử lý bề mặt-Viện

Ukraina Tuy vậy công nghệ hàn điện xỉ vần còn rất hạn chế và hầu như chưa được đưa vào thực tế sản xuất mặc dù có những ưu nhược điểm sau

- Ưu điểm của phương pháp hàn điện xỉ:

+ Có thể chế tạo chi tiết lớn từ nhiều phần tổ hợp dễ gia công

+ Sự tiêu hao nguyên – nhiên liệu nhỏ

+ Ít độc hại đối với môi trường

+ Biến dạng của chi tiết ít nhất và khống chế được

+ Khả năng hợp kim hoá nâng cao chất lượng mối hàn cao

- Nhược điểm của phương pháp công nghệ hàn điện xỉ:

+ Cần nghiên cứu xác định rõ đặc điểm và yêu cầu làm việc của chi tiết để phân mảnh và lựa chọn tiết diện hàn

+ Yêu cầu có đồ gá chuyên dụng phù hợp với chi tiết cụ thể

Đối với mỗi loại vật liệu khác nhau việc nghiên cứu và thiết lập một quy trình công nghệ hàn điện xỉ phù hợp đảm bảo chất lượng và khả năng làm việc của chi tiết là hết sức cần thiết

1.2 Điều kiện ứng dụng công nghệ hàn điện xỉ tai Việt nam

1.2.1 Các đặc điểm kinh tế kỹ thuật của công nghệ hàn điện xỉ

1.2.1.1.Các ưu điểm nổi trội về kinh tế-kỹ thuật của công nghệ hàn điện xỉ

1 Mức độ ổn định cao của qúa trình điện xỉ, ít phụ thuộc vào loại dòng điện xoay chiều hay một chiều, không chịu ảnh hưởng của sự biến thiên ngắn hạn, thậm chí gián đoạn của dòng điện do khả năng tích trữ năng lượng cao của bể xỉ hàn Quá trình chuyển tiếp trong công nghệ hàn điện xỉ đơn giản hơn so với hàn

hồ quang thông thường Các yêu cầu về đặc tính tĩnh và động học của nguồn hàn điện xỉ cũng ở mức thấp hơn so với nguồn hàn hồ quang

2 Quá trình hàn điện xỉ luôn ổn định ở dải mật độ dòng điện từ 0,2 – 300 A/mm2 và hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu hàn bằng dây hàn có đường kính từ

3 Hàn điện xỉ có năng suất rất cao So sánh về tốc độ chảy của điện cực hàn thì không có một phương pháp hàn nào đạt được Công nghệ này cho phép

sử dụng dòng điện trên một điện cực tới 10.000 A, điều này hoàn toàn không thể thực hiện được khi hàn hồ quang thông thường

4 Tính kinh tế của quá trình hàn điện xỉ cũng rất hiệu quả Để làm nóng chảy cùng một số lượng kim loại đắp như nhau, hàn điện xỉ cho phép giảm tiêu thụ điện năng tới 15-20% so với hàn tự động dưới lớp trợ dung Nhờ kết cấu hình chữ nhật của mối ghép hàn, hàn điện xỉ cho phép giảm đáng kể lượng tiêu hao dây hàn và có thể tiết kiệm tới 50% và hơn nữa năng lượng cần thiết Tiêu hao xỉ hàn trong hàn điện xỉ ít hơn đến 10-20 lần so với hàn hồ quang thông thường và chỉ vào khoảng 5% so với tiêu hao dây hàn

5 Công nghệ hàn điện xỉ ít chịu ảnh hưởng của việc chuẩn bị mép hàn ban đầu so với các phương pháp hàn hồ quang khác

6 Hàn điện xỉ có chất lượng mối nối ít chịu ảnh hưởng của môi trường không khí và rất đảm bảo, tương đương với hàn tự động dưới lớp trợ dung, còn khi được bảo vệ bổ sung bằng môi trường khí bảo vệ trên bề mặt thì thậm chí còn tốt hơn

7 Công nghệ hàn điện xỉ sử dụng các nguyên vật liệu không khan hiếm và

có giá thành tương đối rẻ

Trong hầu hết các trường hợp, hàn điện xỉ được ứng dụng không cần gia nhiệt trong quá trình hàn và có thể không cần đến việc nung nóng trước chi tiết hàn

1.2.1.2 Nhược điểm của quá trình:

1 Vùng hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt trong một số điều kiện khi áp dụng công nghệ hàn điện xỉ là lớn và dẫn tới sự quá nhiệt, điều này dẫn đến việc giảm chất lượng mối nối, nhất là độ dai va đập của kết cấu hàn

2 Trang thiết bị cho hàn điện xỉ là các thiết bị phức tạp hơn so với hàn hồ quang thông thường

3 Quy trình công nghệ và kỹ thuật hàn cần được chú trọng hơn và đòi hỏi kinh nghiệm và tay nghề cao của cán bộ kỹ thuật vận hành

1.2.2 Các nhu cầu hàn điện xỉ trong quá trình phát triển nền công nghiệp Việt nam

Trong 20 năm trở lại đây, được sự quan tâm của đảng và nhà nước và su hướng hội nhập toàn cầu, công nghiệp nước ta đã có những phát triển mạnh mẽ, trong nước có nghiều những công trình lớn và hiện đại, các khu công nghiệp lớn được thành lập để chế tạo và sửa chữa các thiết bị lớn Từ dó xuất hiện yêu cầu đòi hỏi nghành công nghiệp nặng phải có những giải pháp công nghệ để chế tạo ,phục hồi các kết cấu cơ khí có kích thước và khối lượng lớn, trong đó có các kết cấu và các chi tiết không thể tháo lắp từng phần nhỏ, được chế tạo từ kim loại Hàn điện xỉ là một trong các giải pháp công nghệ trên giúp cho công việc chế tạo, phục hồi các kết cấu cơ khí bằng kim loại có kích thước và khối lượng lớn một cách nhanh chóng và hiệu quả kinh tế cao

Hiện nay PTN TĐ CN Hàn và XLBM có hợp đồng hàn nối cọc lưới chắn rác công trình thủy điện Sơn La có đường kính 120 & 150mm , và các lời mời tham ra vào các công nghệ hàn phục hồi các chi tiết như :

- Hàn phục hồi đầu búa máy nghiền than của Công ty CPCK Mạo Khê

- Hàn phục hồi chi tiết trục hộp số của cơ cấu xoay cần khoan của XN Sửa chữa Cơ Điện LDDK Việt Xô

Các chi tiết trên đều là các chi tiết có chiều dầy và đường kính lớn, phù hợp với công nghệ hàn điện xỉ Áp dụng công nghệ hàn điện xỉ vào các chi tiết này sẽ đảm bảo tăng năng suất và chất lượng , hiệu quả kinh tế cao Mặt khác cũng là tiền để cho các công việc chế tạo ,phục hồi các kết cấu cơ khí có kích thước và khối lượng lớn, trong đó có các kết cấu và các chi tiết không thể tháo lắp từng phần nhỏ, được chế tạo từ kim loại bằng phương pháp hàn điện xỉ cho nền công nghiệp nước nhà

1.2.3 Các điều kiện kỹ thuật để thực hiện công nghệ hàn điện xỉ ở Việt nam 1.2.3.1 Trang thiết bị kỹ thuật

Trước sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp, đòi hỏi ngành hàn phát triển để đáp ứng các nhu cầu trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa,

kể từ những năm 2000 trở lại đây nước ta đã nhập khẩu nhiều những thiết bị hàn tiên tiến và hiện đại của các nước công nghiệp trên toàn thế giới để thay thế các thiết bị cũ và lạc hậu nhằm nâng cao trình độ kỹ thuật cho nghành hàn nhằm đáp ứng các yêu cầu của nền kinh tế đang phát triển Trong các thiết bị máy móc nói trên Phòng Thí nghiệm Trọng điểm công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt cũng được xây dựng và trang bị các thiết bị tiên tiến về chuyên nghành ,

trong số đó có Thiết bị hàn điện xỉ tự động kiểu A-535 của Cộng hòa Ukraina có công dụng vàcác thông số sau:

Công dụng:

Thiết bị tự động hàn điện xỉ kiểu A-535, được sử dụng cho công nghệ hàn điện xỉ, hàn các mối nối thẳng và vòng khi hàn đối đầu, hàn góc và hàn chồng Công nghệ hàn sử dụng dây hàn hoặc tấm điện cực hàn làm nguồn cấp kim loại bổ sung để tạo dáng mối nối Dây hàn thường được sử dụng cho hàn điện xỉ khi kim loại cơ bản có chiều dày đến 450 mm và không hạn chế về chiều dài đường hàn, các tấm điện cực hàn dùng để hàn các mối nối thẳng có chiều dài không quá 1.500 mm

Mô tả thiết bị:

Các cơ cấu chính của thiết bị hàn tự động điện xỉ bao gồm:

+ Cơ cấu cấp 3 dây hàn

+ Xe hàn chính

+ Cơ cấu dao động ngang dây hàn

+ Cơ cấu tạo dáng cưỡng bức cho mối nối hàn

+ Cơ cấu cấp điện

+ Cơ cấu cấp thuốc trợ dung hàn

Xe hàn tự động được dịch chuyển trong quá trình hàn theo cột trụ với thanh răng đặt song song với mối nối hàn, cột trụ có thể được gắn liên kết với chi tiết hàn hoặc với một giá đỡ đặc biệt, tốc độ dịch chuyển của xe hàn theo đường hàn

dao động và được điều chỉnh tự động phụ thuộc vào mức độ dao động của mức chảy bể hàn so với các má kẹp tạo dáng mối hàn

Việc cấp 3 dây hàn đồng thời và cách điện với nhau thông qua đầu hàn với động cơ đưa dây là động cơ một chiều, đầu hàn được gắn kèm với cơ cấu có thể thay đổi được khoảng cách giữa các dây hàn ngay cả trong quá trình hàn

Hệ thống điều khiển điện của thiết bị đảm bảo điều chỉnh tốc độ cấp dây hàn thông qua điều khiển số vòng quay của các động cơ một chiều, trong khi hàn thì tốc độ cấp dây là không đổi và tỷ lệ với dòng hàn định mức đã được tính toán

Hệ thống các má kẹp được làm mát và có vai trò giữ bể xỉ cố định trên mối hàn, khi hàn các mối nối vòng thì được thay thế bằng các má kẹp dạng vòng phù hợp với đường kính của chi tiết hàn

Khi hàn bằng các tấm điện cực, thì bộ phận giữ tấm điện cực được thay thế tương ứng

Thiết bị hàn tự động A-535 được thiết kế cho hàn 3 pha và được cung cấp cùng với các bộ nguồn hàn có đặc tính vôn-ampe ngoài là không đổi

Dòng điện hàn là dòng điện xoay chiều

Thông số cơ bản của thiết bị hàn điện xỉ tự động A-535:

- Tốc độ dao động của dây hàn: 20-60 m/h

- Dòng điện hàn max trên mỗi dây hàn ở chế độ 100% tải: 1.000 A

- Dải điều chỉnh dòng hàn: 300-1.000 A

- Điện áp nguồn vào: 3 pha x 380 V x 50 Hz

- Khối lượng cuộn dây hàn: 135 kg

- Dung tích phễu xỉ: 3 lít

- Kích thước máy hàn: 1.600 x 820 x 1.070 mm

- Kích thước tủ điều khiển: 1.050 x 650 x 2.000 mm

- Khối lượng tủ điều khiển: 580 kg

Hình 1.2.Mô hình thiết bị hàn điện xỉ tự động A-535

1 Lô dây hàn 2 Cơ cấu dao động ngang 3 Bảng điều khiển 4 Ray

5 Phễu xỉ 6 Cơ cấu cấp dây 7 Đầu tiếp điện 8 Má kẹp

sau 9 Má kẹp trước 10 Xe chạy

Ngoài ra Phòng Thí nghiệm Trọng điểm công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt

còn được trang bị các thiết bị đo đạc tiên tiến của các quốc gia có nền công

nghiệp hiện đại để kiểm tra chất lượng mối hàn

1.2.3.2 Năng lực đội ngũ kỹ thuật

Với sự quan tâm của đảng và nhà nước, trước xu thế hội nhập quốc tế Công nghệ hàn nước ta đã có những ưu tiên cho sự phát triển độ ngũ cán bộ kỹ thuật chuyên môn của nghành như hợp tác với các nước có công nghệ hàn phát triển để đào tạo những công nhân hàn có trình độ quốc tế, cử các cán bộ kỹ thuật

đi học hỏi và trao đổi về chuyên môn với các nước tiên tiến Và đã thu được kết quả là đội ngũ cán bộ kỹ thuật cố đủ năng lực chuyên môn ứng được các yêu cầu đòi hỏi kỹ thuật của công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước

Cụ thể với đội ngũ cán bộ của Phòng Thí nghiệm Trọng điểm công nghệ Hàn và

Xử lý bề mặt Viện Nghiên Cứu Cơ Khí đã hợp tác với Hiệp hội hàn Nhật bản, Viện Hàn Paton Ukraina, và các cơ sở nghiên cứu về công nghệ hàn trông khu vực Với năng lực kỹ thuật chuyên môn các cán bộ kỹ thuật Phòng Thí nghiệm Trọng điểm công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt đã thực hiện các hợp đồng về hàn chế tạo và phục hồi sửa chữa cho các công trình lớn có đòi hỏi về kỹ thuật ngang tầm khu vực và thế giới như

- Phục hồi sửa chữa thanh giằng đường kính 3m cho dàn khoan Đại Hùng

- Hàn chế tạo đường ống cho thủy điện Hà giang

- Hàn phục hồi cần khoan cho liên doanh dầu khí

- Hàn phục hồi các chi tiết có kích thước lớn cho các nhà máy xi măng và các phụ tùng cho công nghiệp mỏ

Ngoài ra đội ngũ cán bộ kỹ thuật Phòng Thí nghiệm Trọng điểm công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt còn làm chủ và tham gia các đề tài khoa học cấp nhà nước và cấp bộ

Tất cả các nhiệm vụ trên Phòng Thí nghiệm Trọng điểm công nghệ Hàn

và Xử lý bề mặt đều hoàn thành nhiệm vụ và được đánh giá cao

1.2.3.3 Vật tư vật liệu

Trong những năm gần đây Phòng Thí nghiệm Trọng điểm công nghệ Hàn

Đức, tổng công ty Vinasin đã chế tạo thành công thuốc hàn, và dây hàn các loại,

từ các vật liệu trong nước trong đó có loại để phục vụ cho hàn điện xỉ, các sản phẩm trên đã được đưa vào thực tế sản xuất và được thị trường chấp nhận

Tóm lại: Từ các vấn đề đã nêu trên hoàn toàn có điều kiện ứng dụng công nghệ hàn điện xỉ tại Việt Nam

1.3 Mục tiêu của Đề tài

Trên cơ sở thiết bị công nghệ có sẵn tại PTN TĐ và với nguyên vật liệu được sử dụng trong nước, nghiên cứu tính toán xác lập các thông số chế độ công nghệ hàn điện xỉ Thiết kế và chế tạo đồ gá hoàn chỉnh tương ứng với một số chi tiết phục vụ quá trình công nghệ hàn điện xỉ Thiết lập Quy trình công nghệ hàn điện xỉ đối với một số chi tiết điển hình Từng bước đưa công nghệ hàn điện xỉ vào phục vụ nền công nghiệp Việt Nam

CHƯƠNG 2: CÁC LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA CÔNG NGHỆ HÀN

ĐIỆN XỈ 2.1 Các thông số tính toán kinh tế cho hàn điện xỉ

1 Khối lượng kim loại đắp được tính theo một trong các công thức sau đây:

Qkl đắp = 0,001 x Ihàn x ađắp x at x tmối hàn (2.1) Hoặc Qkl đắp = S x L x γ x 0,001 (2.2)

Trong đó: Qkl đắp: khối lượng kim loại đắp của mối hàn

Ihàn: dòng điện hàn

Ađắp: hệ số hàn đắp

at: hệ số thời gian hàn cơ bản

S: tiết diện ngang của mối hàn

L: chiều dài đường hàn

4 Giá thành dây hàn cho mỗi kg kim loại đắp:

Trong đó: Cdây hàn: giá thành dây hàn cho 1 kg kim loại đắp

5 Giá thành thuốc trợ dung hàn cho mỗi kg kim loại đắp:

Trong đó: Cthuốc hàn: giá thành thuốc hàn cho 1 kg kim loại đắp

cthuốc hàn: đơn giá 1 kg thuốc hàn

6 Năng lượng điện tiêu thụ được tính bằng công thức:

Trong đó: Pđ: tổng điện năng tiêu thụ

Uh: điện áp hàn

Ihàn: dòng điện hàn

To: thời gian hàn chính

Η: hiệu suất nguồn hàn

7 Giá thành điện năng cho mỗi kg kim loại đắp:

Trong đó: Cđ: giá thành điện tiêu thụ cho 1 kg kim loại đắp

cđ: đơn giá kWh điện

8 Chi phí nhân công cho mỗi kg kim loại đắp:

Clđ = ch x β x th x atrc x abs x abhxh (2.7)

Trong đó: Clđ: Chi phí nhân công lao động

ch: Giá tiền công cho 1 h làm việc

β: Hệ số cho nhóm người làm việc trên máy

Th: Định mức thời gian 1 kg kim loại đắp

atrc: Hệ số trợ cấp thưởng và chi khác

Abs: Hệ số lương bổ sung

Abhxh: Hệ số bảo hiểm xã hội

9 Định mức thời gian (theo tính toán) cần thiết cho mỗi kg kim loại đắp:

Trong đó: th: Định mức thời gian 1 kg kim loại đắp

to: Thời gian hàn chính

Am: Hệ số cho mối hàn điện xỉ trung bình

10 Khấu hao thiết bị công nghệ:

n

Ckh = Σ (Ki x Ai ) / (Qkl đắp x 100) (2.9)

I = 1

Trong đó: Ckh : Tổng mức khấu hao các thiết bị

Ki : Giá ban đầu của thiết bị thứ i

Ai : Định mức khấu hao hàng năm thiết bị i

11 Chi phí cho sửa chữa bảo dưỡng thiết bị công nghệ:

Cbảo dưỡng = Ntb x Csch x n / Qkl đắp (2.10)

trong đó: Cbảo dưỡng : Tổng chi phí bảo dưỡng các thiết bị

Ntb : Số thiết bị cần sửa chữa

Csch : Đơn giá một lần sửa chữa

n: Số lần sửa định mức trong năm

2.2 Các thông số ổn định của quá trình hàn điện xỉ

Để quá trình hàn điện xi được ổn định cần ổn định các thông số sau: Nhiệt độ

bể xỉ, dài phần giữa các điện cực (tầm với điện cực), nhiệt độ tầm với điện cực, chiều rộng nóng chảy của kim loại cơ bản Ngoài ra giữ không đổi chiều sâu bể

xỉ

Việc ổn định nhiệt độ bể xỉ có ý nghĩa lớn nhất đối với sự ổn định của quá trình và chất lượng mối hàn Nó đặc trưng bởi sự cân bằng nhiệt toả ra và hấp thụ tại bể xỉ Hình 2.1 biểu diễn mối quan hệ giữa công suất nhiệt sinh ra trong

bể xỉ Pt (các đường liên tục) và công suất nhiệt hấp thụ Ph (đường đứt đoạn) theo nhiệt độ bể xỉ Tx

Hình 2.1 Đồ thị sự phụ thuộc của công suất nhiệt sinh ra P t và công suất nhiệt

hấp thu P h đối với nhiệt độ bể xỉ

Ở nhiệt độ thấp đường cong hấp thụ nhiệt bao giờ cũng nằm cao hơn

nhiệt độ bao bọc, mà sự sinh nhiệt tại các bể xỉ chỉ bắt đầu khi nhiệt độ gần

10000C Đặc tính của đường cong cấp nhiệt phụ thuộc kích thước hình học của

tiết diện hàn, bề mặt bể xỉ, hệ số cấp nhiệt từ xỉ vào kim loại cơ bản và cơ cấu

làm nguội, chiều sâu bể xỉ và các đặc tính nóng chảy của kim loại cơ bản, công

suất cần thiết làm bay hơi các thành phần xỉ và các yếu tố khác

Đặc tính đường cong sinh nhiệt và cấp nhiệt không cắt nhau (đường 1) thì

quá trình hàn không thể xảy ra Nếu chúng cắt nhau tại một điểm (đường 2) thì

quá trình không thể ổn định: bên trái điểm giao nhau (điểm A2) nhiệt độ và công

suất không ngừng giảm còn bên phải – tăng Khi có giao điểm thứ 2 (điểm B3

trên đường 3) quá trình sẽ ổn định Ở gần điểm này:

2 2

Do phần lớn luồng nhiệt từ bể xỉ truyền vào kim loại cơ bản và cơ bản và

cơ cấu làm nguội nên sự phụ thuộc của công suất cấp nhiệt vào nhiệt độ phải gần

như 1 đường thẳng Chỉ ở một nhiệt dộ rất cao và bề mặt bể xỉ lớn sự tổn hao

nhiệt độ mới nhiều và nó tăng nhanh hơn nhiệt độ Điều kiện ổn định quá trình

sẽ là biểu thức (2.12)

Các điều kiện (2.12) hoặc (2.13) là cần thiết nhưng chưa đủ để nhận được

điều kiện (1.11) Do vậy chúng phải tồn tại trong một khoảg nhiệt độ nào đó đủ

Pt = f1(Gx) =

] )

1

2

x r G G

U

x x

kt

+ +

(2.14)

Ở đây Ukt – điện áp không tải của nguồn điện hàn; r và x – điện trở ôm và cảm ứng của mạch ngoài; Gx – độ dẫn điện của bể xỉ,

Gx = f2 (Tx) (2.15) Lúc đó:

Như vậy, mặc dù quá trình ổn định nhiệt độ bể khi không thay đổi khoảng giữa các điện cực đơn giản hơn khi thay đổi nó, nhưng thực tế duy trì nó ở nhiệt

độ cần thiết thì khó hơn

Bằng giảm điện áp (chuyển từ đường 2 sang đường 1) không thể hạ thấp đáng kể nhiệt độ bể xỉ; khi đường cong công suất sinh nhiệt nằm ở vị trí 1 tiếp xúc với đường cong Ph(Tx) thì quá trình sẽ dừng

Khi hàn với nguồn có đặc tính dốc đường cong Pt(Gx) lệch xuống dưới Đường cong Pt(Tx) trùng với đường cong này (H.2-1, đường 3), và có thể đưa nó tiến gần với đường cong Ph(Tx) ở nhiệt độ thấp hơn bằng cách điều chỉnh điện

áp

Khi phạm vi nhiệt độ cho phép bị hạn chế, việc chọn thành phần thuốc trở nên khó khăn Trong những trường hợp như vậy người ta sử dụng nguồn điện có đặc tính dốc (đường 4) Nếu muốn tiếp tục giảm nhiệt độ bể xỉ cần dùng các thể nóng chảy với nhiệt độ dẫn điện ban đầu thấp hơn (đường 5)

2.3 Các thông số điều chỉnh mực bể kim loại

Khi hàn điện xỉ với các con trượt di động điều quan trọng là giữ cho mực

bể kim loại so với các con trượt không đổi Điều này có thể thực hiện được nếu trong mọi thời điểm (trừ giai đoạn đầu) điều kiện sau đây được thoả mãn:

vì chiều sâu bể kim loại có thể bị thay đổi Biện pháp đơn giản và tin cậy hơn là thay đổi tốc độ hàn Chế độ được coi là tối ưu khi kết hợp với sự thay đổi tốc độ hàn và tốc độ dây đồng thời với sự thay đổi điện áp Tác dụng kết hợp như vậy

có thể thực hiện nếu hệ thống điều khiển có một cơ cấu điện tử thực hiện các chức năng của mô hình toán học

Ngày nay người ta sử dụng 4 phương pháp điều chỉnh mực bể kim loại: datchic điện tiếp xúc, datchic hơi nhiệt, datchic phóng xạ và datchic cảm ứng

Datchic điện tiếp xúc có sai số ± 2 mm giữa mực bể và con chuột làm nguội Sai số này hoàn toàn cho phép khi hàn Tuy nhiên datchic loại này chóng hỏng do phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt của quá trình hàn

Datchic hơi nhiệt làm việc tốt khi khoảng cách giữa điện cực và con trượt không vượt quá 35 – 40 mm Khi khoảng cách này lớn datchic làm việc không

ổn định

Datchic phóng xạ cho phép điều chỉnh mực bể kim loại khi hàn các vật dày tới 150 mm Nhưng do có cấu tạo phức tạp nên datchic này không có ứng dụng rộng rãi trong sản xuất

Datchic cảm ứng có cấu tạo đơn giản hơn datchic phóng xạ và có thể điều chỉnh mực bể với độ chính xác cần thiết khi hàn các vật có chiều dày không hạn chế

2.4 Các thông số về khuyết tật của mối hàn và biện pháp ngăn ngừa

4.3.1 Nứt nóng

Các vết nứt nóng trong mối hàn phát sinh trong quá trình kim loại đông đặc

hoặc ngay sau khi quá trình kết thúc

Các biện pháp nhằm giảm chiều sâu bể kim loại để ngăn ngừa sự phát triển hạt ở tâm mối hàn có thể coi như những biện pháp công nghệ Để giảm chiều sâu bể kim loại cần giảm cường độ dòng điện, tốc độ cấp dây, tăng tốc độ làm nguội mối hàn bằng cách tăng thêm lượng nước v.v…

Hình 2.2 Đồ thị sự phụ thuộc khả năng tạo vết nứt vào tốc độ hàn và hàm

lượng C

Hình 2.3 Đồ thị sự Phụ thuộc khả năng tạo vết nứt vào chiều dày thép và tốc

độ hàn

Hình 2.2 chỉ sự giảm tốc tới hạn của dây hàn theo chiều tăng của lượng cacbon trong kim loại cơ bản khi hàn thép cacbon và hình 2.3 chỉ mối quan hệ giữa chiều dày vật hàn và tốc độ hàn cho phép

Các nguyên tố trong thành phần kim loại mối hàn có thể phân thành 3 nhóm tuỳ theo mức độ ảnh hưởng của chúng đối với sự tạo thành các vết nứt kết tinh

Nhóm 1 – gồm các nguyên tố làm giảm tính chống nứt kết tinh (các hợp chất có hại) Đó là phốt pho, lưu huỳnh, cacbon và silic Trong dây hàn các nguyên tố này cho phép tới 0,03-0,04 %S; 0,04%P Silic ít hại hơn cacbon Các hợp chất có hại gồm đồng, bitsmut, chì vad các nguyên tố dễ chảy khác

Nhóm 2 – gồm các nguyên tố không gây ảnh hưởng đối với khả năng chống nứt kết tinh của kim loại Đó là Ni với hàm lượng 2,5%, Cr hàm lượng thông thường trong thép cacbon và thép hợp kim thấp, tới 0,04-0,06%

Nhóm 3-gồm các nguyên tố làm yếu tác dụng có hại của các hợp chất khác, như Mn với hàm lượng đến 1,8% làm giảm tác dụng có hại của S và C nếu hàm lượng C dưới 0,2%, Cr cũng có tác dụng giống Mn

Ảnh hưởng đồng thời của S, C và Mn đối với sự tạo thành các vết nứt kết tinh (Hình 2.4) Các thành phần nằm phía trên các đường của biểu đồ ứng với sự

có mặt của các vết nứt và các thành phần nằm phía dưới, không có các vết nứt

H 4-3

Hình 2.4 Đồ thị sự ảnh hưởng đồng thời của S, C và Mn đối với sự tạo thành

các vết nứt kết tinh 4.3.2 Nứt nguội

Các vết nứt nguội thường xuất hiện ở vùng lân cận mối hàn, ít khi trong mối hàn, khi hàn các thép peclit và mactenxit hợp kim trung bình và hợp kim cao Khi hàn thép ferit-peclit và thép hợp kim cao austenit chúng ít xuất hiện Các vết nứt nguội xuất hiện ở nhiệt độ dưới 2000C khi diễn ra sự chuyển hoá phần lớn austenit Có 2 dạng nứt nguội: dọc theo mối hàn tại vùng ảnh hưởng nhiệt và ngang, chạy từ vùng ảnh hưởng nhiệt vào mối hàn

Để ngăn ngừa các vết nứt nguội cần hạn chế quá nhiệt kim loại hàn và áp dụng các biện pháp làm giảm các tạp chất phi kim loại và tăng nhiệt độ nóng chảy của chúng Các vết nứt nguội ít phát sinh khi giảm tốc độ nguội Sự nung nóng trước hoặc đốt nóng cùng với quá trình hàn có thể loại trừ được hoàn toàn các vết nứt nguội Trong một số trường hợp khác người ta tiến hành ram cao ngay sau khi hàn hoặc sau đó vài giờ hoặc vài ngày

2.5 Các quá trình xẩy ra khi hàn điện xỉ

2.5.1 Tương tác giữa xỉ và kim loại

Trong khi hàn thuốc nóng chảy tạo xỉ và tương tác với kim loại nóng Thời gian tương tác của chúng rất ngắn và tùy theo diều kiện hàn, nó có thể từ 10-15 giây đến 1 phút Khi kim loại và xỉ đông đặc thì quá trình tương tác dừng Tuy thời gian tương tác rất ngắn nhưng sự tương tác xảy ra rất mạnh Nó được kích thích bởi nhiệt độ cao mà xỉ và kim loại được đốt nóng, bởi bề mặt tiếp xúc lớn của xỉ và kim loại và bởi lượng xỉ khá lớn chiếm trung bình 30-40% trọng lượng kim loại Các phản ứng tương tác xỉ - kim loại là phản ứng trao đổi hoặc phản ứng phân tích của nguyên tố giữa xỉ và kim loại Các phản ứng phân tích có thể viết dưới dạng phân tử hoặc ion tùy thuộc vào cấu trúc xỉ nóng chảy Chẳng hạn, các phản ứng khử Si và Mn từ xỉ do tác dụng của sắt, theo lý thuyết phần tử về cấu trúc xỉ, biểu diễn như sau:

(SiO2 + 2 [FeO] ⇔ 2 (FeO) + [Si] (2.23) (MnO + [Fe] ⇔ (FeO) + [Mn] (2.24)

Ở đây và cả sau này, các ký hiệu móc vuông là pha kim loại, còn móc đơn thường là pha xỉ Dưới dạng ion các phản ứng này như sau:

(Si4+) + 2[Fe] ⇔ 2 (Fe2+) + [Si] (2.25) (Mn2+) + [Fe] ⇔ 9 (Fe2+) + [Mn] (2.26)

Từ các phương trình trên ta thấy rằng, sự khác nhau giữa viết dạng phân tử

và ion là ở chỗ, nếu ta cho rằng các phân tử của các oxyt tự do có mặt trong xỉ

và phản ứng với kim loại, hoặc rằng các ion có mặt trong xỉ và tác dụng với kim loại Các mũi tên trong các phương trình phản ứng chỉ rằng sự tương tác có thể theo 2 chiều Ở nhiệt độ cao các phản ứng chủ yếu diễn ra từ trái sang phải (Si

và Mn chuyển từ xỉ vào kim loại) Khi nhiệt độ giảm Mn và Si bị oxy hóa và chuyển vào xỉ

Chiều của các phản ứng cũng phụ thuộc vào nồng độ (hay hoạt tính) của các chất tham gia phản ứng Khi bể hàn chứa Mn và Si nhiều, khi không có MnO và SiO2 hoặc có nhiều FeO trong xỉ, sự oxy hóa Mn và Si cũng có thể xảy

ra ở nhiệt độ cao của bể hàn

Lượng Si chuyển vào mối hàn tỉ lệ vơi lượng SiO2 trong thuốc (h.1.1) Khi lượng SiO2 bằng nhau sự chuyển Si thay đổi FeO và CaO trong thuốc càng cao, sự chuyển càng thấp Sự tăng lượng Si trong dây và trong kim loại cơ bản cũng gây ảnh hưởng như thế

Sự chuyển Si từ thuốc vào kim loại bề hàn ngăn chặn sự tạo bọt do CO bị phân hủy khi hàn thép cacbon sôi và nửa lắng làm giảm rỗ khí khi hàn thép cacbon lắng

Lượng MnO trong thuốc càng cao thì lượng Mn chuyển vào bề hàn càng nhiều Sự tăng lượng Mn trong kim loại theo các phản ứng (2 24) và (2.26) làm tăng khả năng chống nứt kết tinh của mối hàn thép cacbon Khi hàn với thuốc mangan tự do silic cao, mangan trong kim loại bị oxy hóa theo phản ứng

2 [Mn] + (SiO2) ⇔ 2(MnO) + [Si] (2.27) Dây cacbon thấp với 1,5 – 3,0% Mn được dùng để đảm bảo lượng mangan cần thiết cho kim loại mối hàn khi hàn tự động dưới thuốc trên

Lưu huỳnh là nguyên tố gây ảnh hưởng rất xấu cho khả năng chống nứt kết tinh của kim loại, vì vậy bằng mọi cách phải hạn chế nó Khi hàn với thuốc axit, lưu huỳnh bị phân hủy giữa xỉ và kim loai theo phản ứng:

[FeS] ⇔ (FeS) (2.28)

[MnS] ⇔ (MnSO) (2.29)

Hình 2.5 Đồ thị lượng Si chuyển từ thuốc vào mối hàn phụ thuộc vào lượng

SiO 2 trong thuốc (theo D.M Kushnerev)

0.1

0,2

0.01

30 20

10 0

0,03

Hình 2.6 Đồ thị lượng lưu huỳnh chuyển từ thuốc vào mối hàn phụ thuộc

vào lượng MnO trong thuốc (theo D.M Kushnerev)

Hình 2.7 Đồ thị lượng P chuyển từ thuốc mangan silic cao vào mối hàn

phụ thuộc lượng P trong thuốc (theo D.M Kushnerev)

CaO, Na2O, K2O càng thấp thì lượng HF trong vùng hồ quang càng lớn và mối hàn càng ít rỗ

Quá trình khử silic theo các phản ứng (2.23) và (2.25) và sự đưa silic vào

bề kim loại từ các nguồn khác là cực kỳ quan trọng để nhậ được mối hàn chất lượng khi khi hàn thép sôi và ½ lắng

Các tính chất cơ học cho yêu cầu của mối hàn nói chung được đảm bảo bằng việc thực hiện các mối hàn không có khuyết tật với thành phần hóa học theo yêu cầu phản ứng khử photpho là cần thiết đối với các tính chất cơ học của mối hàn

Al2 O3 + 5 [Fe] ⇔ 5(FeO) + 2[P] (2.30)

Vì photpho là tạp chất nên phải hạn chế nó tới mức ít nhất ở trong thuốc để đưa phản ứng này theo chiều ngược Sự oxy hóa photpho và chuyển nó từ kim loại vào xỉ có thể xảy ra khi hàn thuốc bazơ oxy hóa, nhưng chỉ sau khi oxy hóa tất cả các nguyên tố hợp kim

Hình 2.7 chỉ tác dụng của photpho trong thuốc đối với sự chuyển của nó vào kim loại mối hàn Sự chuyển photpho từ dây hàn và kim loại cơ bản vào mối hàn cũng tương tự Lượng photpho trong kim loại cơ bản và trong dây càng cao thì lượng photpho chuyển từ thuốc vào mối hàn càng thấp vì phản ứng (2.30) sẽ xảy ra chậm Sự tăng mức độ oxy hóa của thuốc và sự tăng FeO trong thuốc co ảnh hưởng tương tự

Sự tạo thành mối hàn phụ thuộc trước hết vào chế độ hàn, sự đồng nhất của kim loại nóng chảy và trạng thái của bề hàn “Sự sôi” của bề hàn do cacbon cháy

và các khí hòa tan trong kim loại làm giảm chất lượng tạo mối hàn Sự tăng mức

độ oxy hóa thuốc làm cho cacbon bị oxy hóa mạnh cũng làm giảm chất lượng tạo mối hàn Trong trường hợp này xỉ tạo nhiều làm cho quá trình hàn khó khăn hơn Sự tạo mối hàn chất lượng được đảm bảo bởi độ sệt của thuốc

Mối hàn tạo dáng đẹp khi xỉ không chảy Nếu khi hàn xỉ chảy tràn thì nó kéo theo sự chảy của kim loại gây hiện tượng cán mép hoặc tràn Bản chất sự tạo mối hàn phụ thuộc vào các đặc tính của thuốc sử dụng Hình 2.8 chỉ các đường cong độ nhớt (sệt) phu thuộc nhiệt độ của 2 loại thuốc nóng chảy Đối với thuốc

“ngắn” đoạn dốc của đường cong giảm rất nhanh Độ nhớt của dốc “dài” thay

đường kính nhỏ, như hàn đắp các chi tiết hình trụ kích thước nhỏ vì khí sử dụng chúng xỉ đông đặc nhanh ngăn chăn được sự chảy khỏi bể hàn

Lượng CaF2 trong thuốc mangan silic cao càng cao thì khả năng chống rỗ của kim loại mối hàn càng lớn (Hình 2.9) và càng nhiều chất bẩn có thể có mặt trong vùng hàn mà không sợ nguy cơ tạo rỗ Tuy nhiên tính ổn định của hồ quang và điều kiện vệ sinh lao động bị xấu đi

2.5.2 Các quá trình luyện kim cơ bản khi hàn

Thực chất, quá trình hàn xảy ra trong khoảng không gian rất nhỏ bao gồm: Đầu mút điện cực nóng chảy, khoảng hồ quang và bể hàn trên vật hàn, tại những vùng khác nhau của khoảng không gian này nhiệt độ thay đổi từ nhiệt độ đông đặc của kim loại tại bờ bể hàn đến nhiệt độ bay hơi tại cột hồ quang, tại tâm hồ quang nhiệt độ còn cao hơn Khó có thể xác định được chính xác sự phân

bố nhiệt độ tại khoảng hồ quang, mà giả sử xác định được cũng chỉ trong khoảnh khắc vì tại đây luôn biến đổi do giọt kim loại điện cực tạo thành và chảy xuống chi tiết hàn và mặt bể hàn tạo song, tuy nhiên đối với một phương phương pháp hàn nào đó với các thông số hàn xác định có thể nhận rằng

Tại vùng hàn ở nhiệt độ cao hàng loạt các nguyên tử ở trạng thái tự do hoặc hốn hợp hóa học từ vật liệu cơ bản, từ dây hàn, thuốc hàn và từ không khí bao bọc, tiếp xúc với nhau Các nguyên tố này ít gần như ở trạng thái cân bằng với nhau Tại thời điểm hàn chúng tiến tới xác lập một trạng thái cân bằng mới theo các định luật hóa học và lý học thích ứng về tỷ lệ khối lượng và nhiệt độ Sự diễn biến của các phản ứng rất phức tạp bởi nhiều pha và một thành phần xuất hiện ít nhất trong số 2 pha Tuy nhiên, cũng giống trường hợp phân bố nhiệt độ ở vùng hàn Ở đây có thể nhận rằng trong những điều kiện hàn xác định trạng thái động học của sự cân bằng hóa học ở các vùng được xác định

Tuy nhiên trong những điều kiện phức tạp ấy sự diễn biến của các quá trình

lý hóa phải tuân theo các định luật lý – hóa bắt buộc Dựa vào những định luật này có thể phần nào đoán biết được sự diễn biến của các phản ứng trên cơ sở tính toán lý thuyết Vì vậy sự hiểu biết các cơ sở lý thuyết hóa lý cho dù trong phạm vi tối thiểu, là cần thiết để giải quyết các vấn đề về các quá trình luyện kim hàn

Hình 2.8 Đồ thị sự phụ thuộc của độ nhớt thuốc hàn vào nhiệt độ: a) thuốc “ngắn” b) thuốc “dài” (theo D.M Kushnerev)

0,6

0,2 0,4

Hình 2.9 Đồ thị ảnh hưởng của CaF 2 trong thuốc mangan silic cao đối với tính

chống rỗ của mối hàn (theo D.M Kushnerev)

2

1

1400 1300

1200 1100

4

3

1500 a

b

Sự khử lưu huỳnh:

Lưu huỳnh ảnh hưởng rất bất lợi đến các tính chất cơ học của thép và là nguyên nhân gây nhiều khuyết tật khác trong mối hàn Trong thép lưu huỳnh tồn tại dưới dạng FeS hoặc MnS Dạng thứ nhất rất có hại bởi một mặt FeS hòa tan trong thép tới 5- 7%, mặt khác nó tạo các cùng tích nóng chảy thấp, là nguyên nhân tạo nứt nóng

Sự khử lưu huỳnh có thể tiến hành nhờ xỉ bazơ thông qua sự liên kết lưu huỳnh với mangan hoặc canxi tạo thành các hợp chất lưu huỳnh bền vững hơn FeS Sự khử lưu huỳnh nhờ mangan theo phản ứng

FeS + Mn ⇔ MnS + Fe (2.31)

Và FeS + MnO ⇔ MnS + FeO (2.32)

Cả hai phản ứng theo chiều phải khi nhiệt độ thấp, và theo chiều trái khi nhiệt độ cao Vì vây quá trình khử lưu huỳnh có thể xảy ra ở pha cuối cùng của

sự hàn, nghĩa là tại những phần xa của bề hàn Lượng FeS trong bề Kim loại ở những nhiệt độ khác nhau và lượng mangan khác nhau (bảng 2.1)

93,8 91,2 17,2

88,1 83,7 9,3

78,8 72,1 4,9

64,9 56,3 2,5

Từ bảng 2.1 ta thấy, để có S với lượng ít nhất trong thép nhất thiết phải đưa vào thép một lượng đủ Mn Trên cơ sở luyện thép, tỉ số Mn: S = 22: 1 đảm bảo cho thép không bị nứt nóng Ảnh hưởng của S và Mn đối với sự hình thành các vết nứt nóng trong thép theo (Hình 2.10)

Không n?t N?t

%Mn

0,80 0,60

Hình: 2.10 Đồ thị ảnh hưởng của S và Mn đối với sự tạo nứt của thép

Vì hệ số cân bằng giảm theo chiều tăng của nhiệt độ nên quá trình khử P xảy ra dễ dàng hơn ở phạm vi nhiệt độ thấp

2.6 Thuốc hàn điện xỉ

Thuốc dùng cho hàn điện xỉ thép cacbon và thép hợp kim cần được khảo

sát riêng biệt bởi sự khác nhau cơ bản giữa hàn điện xỉ và hàn hồ quang Những yêu cầu đặc biệt đối với thuốc hàn điện xỉ là do sự cần thiết đảm bảo tính ổn định của quá trình điện xỉ và do sự có mặt của các thiết bị duy trì bể xỉ và kim loại

Thuốc hàn điện xỉ phải đảm bảo được các yêu cầu :

- Sự bắt đầu quá trình điện xỉ nhanh và dễ dàng, đặc biệt ở độ sâu nhỏ của

bể xỉ và đảm bảo tốc độ cấp dây hàn nhanh

- Đảm bảo tạo dáng tốt của bề mặt mối hàn, không bị cán mép và lồi chẩy, không đẩy tấm má khỏi tầm hàn, không chẩy qua khe giữa má tạo dáng và mép hàn

- Tạo xỉ dễ bong khỏi mặt mối hàn

- Có nhiệt độ sôi cao

Những yêu cầu trên được thỏa mãn khi thuốc hàn có độ dẫn điện và độ sệt chính xác

Tất cả các thuốc hàn điện xỉ đều là thuốc nóng chẩy Theo thành phần thuốc được chia thành hai nhóm

1) Mangan siclic cao

2) Nhóm có thành phần hóa học ( % ) như sau ( GOST 9087-69 ) SiO2

33-36; MnO 21-26; CaO 4-7; MgO 5-7,5; Al2O3 11-15; CaF2 1,5-3,5 S 0,15; P 0.15

Sự ổn định của quá trình hàn điện xỉ tăng theo sự tăng tính dẫn điện của thuốc ở trạng thái lỏng, độ dẫn điện của thuốc càng thấp, điện áp hàn cần thiết cho hàn điện xỉ càng cao

Cần lưu ý thuốc với độ dẫn điện cao tạo ít nhiệt khi dòng điện chạy qua

nó, do vậy sự tiêu thụ điện năng tương đối lớn khi hàn Nếu dòng điện hàn thấp thi các mép hàn có thể không chảy

Thuốc hàn điện xỉ không nên chịu nhiệt quá, nếu ngược lại má tạo dáng sẽ

bị đẩy dẫn đến làm chảy bể hàn khi hàn các mối hàn dài và làm dán đoạn quá

không được quá loãng Quá trình hàn điện xỉ đòi hỏi độ sệt hợp lý của thuốc để lọa trừ các trường hợp trên

Theo D.M Kushneve thuốc AH-8 có các tính chất công nghệ tốt nhất khi hàn thép cacbon và thép hợp kim thấp với dây hàn cacbon thấp và hợp kim thấp

Nó hạn chế tới mức ngắn nhất giai đoạn chuyển từ hồ quang điện sang quá trình điện xỉ ổn định và đảm bảo cho má tạo dáng áp sát mép vật, điều này hết sức quan trọng khi hàn mối dài Cùng với dây Cb-10T2 thuốc AH-8 đảm bảo các tính cơ học cao của mối hàn thép cacbon thấp

2.6.1 Phương pháp tính phối liệu cho thuốc hàn điện xỉ

a Phương pháp tính thành phần mẻ liệu giống khi nghiên cứu thuốc AH –

348 Kết quả tính toán:

MnO 24% = 36,90 kg SiO2 34% = 34,00 kg CaO 5% = 5,33 kg MgO 6% = 9,30 kg

b Cân theo khối lượng trên với sai số ± 5 gr.Trộn đều bằng thủ công, để CaF2 riêng, kích thước hạt từ 3- 5 mm

c Nấu luyện theo chế độ giống khi nấu thuốc AH – 348

36

5,6 6,5 5,7

4,6 5,0 4,9

10,1 9,5 11,0

10

9 9,8

5

4 4,2

0,17 0,18 0,20

0,19 0,19 0,18

1055

1052

1056

Thành phần % nguyên liệu vào của thuốc hàn điện xỉ thí nghiệm đợt 2

Đá vôi Manhezit Oxyt nhôm Huỳnh

13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5

Các mẫu từ 7- 12 ở (bảng 2.3) có nhiều chỉ tiêu thành phần giống thuốc

AH – 8 hơn cả, riêng Fe2O3, P và S vẫn cao

Để giảm lượng P và S các thí nghiệm tiếp theo được cấp thêm 2% rutin và giảm bớt manhezit và huỳnh thạch, trên cơ sở lấy loạt mẫu 7- 9 (bảng 2- 3) làm nền, thành phần phối liệu thí nghiệm (bảng 3.4), thành phần hoá học (bảng 2.4)

Thành phần hoá học (%) các mẫu thuốc hàn thí nghiệm đợt 2

5,0 5,2 5,7 5,0 4,6 4,8 4,3 4,0 4,5 3,6 3,2 3,0

5,3 5,3 5,5 5,8 5,4 5,8 5,8 6,0 5,7 5,5 5,3 5,0

13,5 13,0 13,6 14,5 13,8 14,0 12,9 13,9 13,5 13,7 14,0 14,5

10,0 10,0 10,5 11,8 12,0 12,0 13,5 13,0 13,8 14,1 13,9 14,5

4,0 4,2 3,8 3,5 3,7 4,0 4,2 3,8 3,9 4,0 3,7 3,7

0,18 0,15 0,17 0,19 0,20 0,17 0,20 0,16 0,18 0,18 0,16 0,16

0,17 0,19 0,19 0,18 0,18 0,19 0,17 0,15 0,16 0,18 0,17 0,17