Nghiên cứu xây dựng công nghệ, thiết bị phục hồi piston giảm xóc xe tải nặng bằng phương pháp hàn bán tự động dưới lớp thuốc và khí CO2

Đề tài Nghiên cứu xây dựng công nghệ, thiết bị phục hồi piston giảm xóc xe tải nặng bằng phương pháp hàn bán tự động dưới lớp thuốc và khí CO2 thuộc công trình nghiên cứu khoa học cấp bộ

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN CƠ KHÍ NĂNG LƯỢNG VÀ Má

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN CƠ KHÍ NĂNG LƯỢNG VÀ MỎ

Cơ quan chủ quản : Bộ Công Thương

Cơ quan chủ trì : Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV

Chủ nhiệm đề tài : KS Dương Đình Hùng

Hµ Néi, th¸ng 02 - 2010

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN CƠ KHÍ NĂNG LƯỢNG VÀ MỎ - TKV

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

MÃ SỐ : 10NN/09 -o0o -

CHỦ NHIỆM : DƯƠNG ĐÌNH HÙNG

Kỹ sư : Vật liệu học và nhiệt luyện - Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV

CÁC CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN

TT HỌ VÀ TÊN HỌC HÀM, HỌC VỊ, CHUYÊN MÔN CÔNG TÁC ĐƠN VỊ

1 ĐỖ THẾ NGẦN Kỹ sư Chế tạo máy Viện CKNL & Mỏ - TKV

3 NGUYỄN XUÂN TÙNG Kỹ sư Tự động hóa -nt-

5 NG PHẠM TUYẾT ANH Kỹ sư Chế tạo máy -nt-

môc lôc

-o0o -Trang LỜI NÓI ĐẦU: 7

ĐẶT VẤN ĐỀ: 8

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ CỤM CHI TIẾT ĐƯỢC PHỤC HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN DƯỚI LỚP THUỐC VÀ KHÍ BẢO VỆ CO 2 9

1.1 CỤM GIẢM XÓC XE VẬN TẢI HẠNG NẶNG

1.1.1 Sơ đồ bố trí

1.1.2 Bộ phận giảm xóc

1.1.3 Nguyên lý, cấu tạo và điều kiện làm việc 10

1.1.4 Các dạng hư hỏng thực tế thường gặp của cụm giảm xóc trong quá trình làm việc 11

1.1.5 Phân tích và lựa chọn công nghệ phục hồi 18

Chương 2 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ HÀN KIM LOẠI 20

2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH HÀN KIM LOẠI

2.1.1 Lịch sử phát triển ngành hàn thế giới

2.1.2 Lịch sử phát triển ngành hàn ở Việt Nam

2.2 BẢN CHẤT VÀ ĐẶC ĐIỂM, ỨNG DỤNG VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA HÀN KIM LOẠI

2.2.1 Bản chất

2.2.2 Đặc điểm

2.2.3 Ứng dụng 21

2.2.4 Khái niệm cơ bản về hàn kim loại

2.2.5 Phân loại các phương pháp hàn 23

2.3 HÀN HỒ QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ 25

2.3.1 Các phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ

2.3.2 Đặc điểm cơ bản của các phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ

2.3.3 Các loại khí thường dùng bảo vệ khi hàn

2.3.4 Dây hàn 28

2.3.5 Thiết bị hàn 29

2.3.6 Chế độ hàn trong môi trường khí bảo vệ 30

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 35

3.1 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ĐỐI VỚI CHI TIẾT

3.1.1 Khảo sát chi tiết thực

3.1.2 Phân tích, xác định điều kiện làm việc của chi tiết

3.1.3 Xây dựng quy trình công nghệ phục hồi đối với cụm giảm xóc

3.1.4 Lựa chọn thiết bị, nguyên vật liệu để gia công và phục hồi

3.1.5 Kiểm tra chi tiết

3.1.6 Lắp ráp thử nghiệm

3.1.7 Kết luận

3.2 PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 36

3.3 THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM

3.3.1 Thiết bị hàn

3.3.2 Đồ gá hàn 38

3.3.3 Nguyên vật liệu phục vụ phương pháp hàn

3.3.4 Thiết bị mạ

3.3.5 Thiết bị gia công cơ 42

3.3.6 Thiết bị nhiệt luyện

3.3.7 Dụng cụ cầm tay

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 44

4.1 KIỂM TRA THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA SẢN PHẨM

4.2 KIỂM TRA ĐỘ CỨNG CỦA PISTON VÀ XILANH GIẢM XÓC 45

4.3 THIẾT BỊ VÀ ĐỒ GÁ PHỤC VỤ PHƯƠNG PHÁP HÀN

4.3.1 Thiết bị và đồ gá 48

4.3.2 Các mẫu được hàn bằng que hàn và dây hàn 50

4.3.3 Mô tả một số đồ gá hàn cổ piston giảm xóc và thùng nghiền vẩy hàn nhóm đề tài dự kiến chế tạo 53

4.3.4 Một số sản phẩm của cụm giảm xóc xe HD - Nhật và CAT - Mỹ sau khi hàn bán tự động 56

Chương 5 KẾT LUẬN CHUNG 57

5.1 VỀ MẶT Ý NGHĨA KHOA HỌC KỸ THUẬT

5.2 VỀ MẶT HIỆU QUẢ KINH TẾ

5.3 KIẾN NGHỊ

PHỤ LỤC 60

I CÁC CHỨNG CHỈ KIỂM TRA

II QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

III BẢN VẼ CHI TIẾT VÀ BẢN VẼ CHUNG

IV TÀI LIỆU KHÁC

lêi nãi ®Çu -o0o -

Trước sự phát triển của các ngành kinh tế trong cả nước, nhiều Tập Đoàn, Tổng Công ty, Công ty nhập và sử dụng nhiều thiết bị của các nước trên thế giới Trong quá trình vận hành và làm việc các thiết bị này sẽ bị hư hỏng theo thời gian Đòi hỏi phải thay thế chi tiết hoặc cụm chi tiết mới đảm bảo tính năng làm việc của thiết bị Để giải quyết hiện trạng trên đặt ra cho các Viện, Công ty cơ khí chuyên gia công chế tạo các chi tiết, cụm chi tiết, các Công ty thương mại hai hướng giải quyết, khắc phục:

Hướng thứ nhất : Nhập các chi tiết, cụm chi tiết của nước ngoài về thay thế

Hướng thứ hai : Chế tạo, phục hồi lại các cụm chi tiết trên dựa vào thiết bị, nguyên vật liệu, con người trong nước

Đối với các thiết bị nhập nước ngoài nhất là các nước tư bản giá thành cao, phải mua bằng ngoại tệ, thời gian chờ đợi lâu

Để giải quyết vấn đề này cần dựa vào thiết bị sẵn có, ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật, đội ngũ kỹ sư và công nhân lành nghề trong nước trên cơ sở nghiên cứu điều kiện làm việc, lựa chọn nguyên vật liệu và lập quy trình công nghệ gia công chế tạo đưa ra được các giải pháp đảm bảo yêu cầu làm việc của chi tiết, cụm chi tiết về chất lượng, thời gian, giá thành hạ, kích thích gia công chế tạo trong nước

Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học này trên cơ sở nghiên cứu phục hồi cụm piston giảm xóc của xe tải hạng nặng, nhóm đề tài có nghiên cứu xây dựng công nghệ, thiết bị bằng phương pháp hàn bán tự động dưới lớp thuốc và khí CO2 nhằm mục đích nâng cao năng suất chất lượng bề mặt của cụm chi tiết trên nhờ vậy sẽ tăng tuổi thọ, thời gian bảo hành trong quá trình sử dụng gần tương đương bằng các cụm chi tiết của nước ngoài

Quá trình hoàn thiện đề tài, chúng tôi sử dụng kiến thức, quy trình công nghệ tiên tiến về hàn và thực hiện trên thiết bị hiện có và tự chế tạo ở trong Viện Đồng thời tham khảo tài liệu trong và ngoài nước làm cơ sở khoa học của đề tài

Nhóm đề tài xin chân thành cảm ơn các cấp quản lý khoa học kỹ thuật của Bộ Công Thương, Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam, Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - TKV, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Nghiên cứu Cơ khí đã quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để chúng tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học

đặt vấn đề -o0o -

Trước sản lượng khai thỏc than của Tập đoàn Cụng nghiệp Than - Khoỏng Sản Việt Nam khụng ngừng tăng lờn hàng năm, đũi hỏi cỏc thiết bị trong lĩnh vực khai thỏc

và vận chuyển than của cỏc mỏ phải hoạt động với cụng suất cao mới đỏp ứng được tỡnh hỡnh đú Trong số cỏc thiết bị vận chuyển than đa số là cỏc xe ụ tụ vận tải hạng nặng nhập từ cỏc nước Liờn Bang Nga, Nhật, Mỹ, Thụy Điển do Việt Nam chưa chế tạo được Cỏc xe ụ tụ vận tải hạng nặng do tớnh chất cụng việc cú tải trọng lớn, hoạt động trờn địa hỡnh phức tạp, thời gian hoạt động liờn tục nờn cỏc chi tiết và cụm chi tiết theo thời gian sẽ hư hỏng cần chế tạo, phục hồi để thay thế Số lượng cỏc xe ụ tụ vận tải nặng của cỏc hóng KOMATSU, CATEPILA, KOCKUM ở cỏc mỏ lớn như Cọc Sỏu, Cao Sơn, Hà Tu tớnh đến thỏng 12/2008 khoảng gần 150 xe, trong cỏc chi tiết cần thay thế và phục hồi cú cụm giảm xúc của cỏc xe trờn, chỉ cần tớnh 01 quý phục hồi một lần, một năm số lượng này sẽ lờn tới 400 ữ 500 cụm (Piston giảm xúc chiếm 85% ữ 90%, xi lanh giảm xúc từ 5% ữ 10%)

Một số cỏc Cụng ty cơ khớ của Than, Cụng ty Cơ khớ Hà Nội đó tiến hành cựng với một số Viện tiến hành phục hồi cụm chi tiết này song chất lượng sản phẩm, tuổi thọ, thời gian bảo hành chưa cao so với cụm phụ tựng nhập của chớnh hóng, năng suất thấp Chớnh vỡ vậy, Viện Cơ khớ Năng lượng và Mỏ - TKV tập trung nghiờn cứu phục hồi cụm giảm súc để đỏp ứng được yờu cầu phục vụ sản xuất ở cỏc mỏ khai thỏc lộ thiờn

Cụng nghệ phục hồi ngoài việc đưa cỏc cụm giảm xúc về kớch thước ban đầu, cũn

sử dụng cụng nghệ hàn dưới lớp thuốc và khớ bảo vệ CO2 thay cho phương phỏp hàn tay

để nõng cao năng suất, chất lượng bề mặt nhằm tăng thời gian sử dụng của cụm chi tiết này

Trong đề tài nghiờn cứu khoa học lần này, nhúm đề tài đó tự trang bị thờm mỏy hàn bỏn tự động CO2/MAG của Nhật Bản và thiết kế đồ gỏ hàn quay, sử dụng 05 loại dõy hàn với khớ CO2 và thuốc hàn cho Viện để phục vụ mục đớch trờn

Sau khi hoàn thành cụm giảm xúc sẽ được thử nghiệm cụng nghiệp ở hai mỏ lộ thiờn là Cọc Sỏu và Hà Tu để đỏnh giỏ chất lượng và thời gian làm việc nhằm đỏp ứng kịp thời cho việc sản xuất than ở vựng mỏ Quảng Ninh

Ch−¬ng 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ CỤM CHI TIẾT

ĐƯỢC PHỤC HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN DƯỚI LỚP THUỐC VÀ KHÍ BẢO VỆ CO 2

Theo vị trí lắp đặt trên khung xe, bộ phận giảm xóc được chia ra thành:

- Cụm giảm xóc trước (lắp ở cầu trước xe), số lượng: 2 cụm

- Cụm giảm xóc sau (lắp ở cầu sau xe), số lượng: 2 cụm

Nito được nạp vào các cụm giảm xóc Khi xe ô tô vận tải hạng nặng chuyển động qua bề mặt đường gồ ghề, không bằng phẳng do các cụm giảm xóc làm việc theo nguyên tắc thủy khí tức là sự chuyển dịch của dầu, khí từ ngăn này sang ngăn khác qua các van tiết lưu, hay van điều chỉnh sẽ sinh ra lực cản lớn, làm dập tắt hay triệt tiêu nhanh các chấn động của xe ô tô

Cụm giảm xóc trước được lắp cùng với cầu trước chức năng tương tự như lò xo giảm chấn, giữa cụm giảm xóc trước và khung được kết nối bằng càng chữ A, bi chao, ắc giảm xóc… tạo ra sự thích nghi với bề mặt gồ ghề của đường Tay lái được kết nối với cụm giảm xóc trước nhờ thanh giằng, tay đòn, chốt, bi chao… duy trì sự ổn định (tự động quay lại) đối với ô tô theo hướng di chuyển

Cụm giảm xóc sau được lắp cùng cầu sau với cụm vi sai, thanh giằng cầu và thanh giằng pông, hai càng chữ Y nhờ ắc và bi chao… có tác dụng duy trì trọng tâm của ô tô khi chuyển động Càng chữ Y giúp cho sự di chuyển đối xứng sang trái hoặc sang phải

Nguyên lý hoạt động của các cụm giảm xóc được mô tả ở hình 2

Hình 2 Hoạt động của cụm giảm xóc trước và sau

khi ô tô di chuyển trên mặt phẳng gồ ghề

1.1.3 Nguyên lý, cấu tạo và điều kiện làm việc

Phần này được trình bày rõ ở báo cáo tổng kết đề tài mang mã số 04NN/05:

Nghiên cứu phục hồi cụm giảm xóc của xe ô tô tải hạng nặng HD của hãng KOMATSU Nhật Bản

Các chi tiết cơ bản của cụm giảm xóc gồm: Piston và xilanh, ngoài ra còn một

số chi tiết khác của cụm giảm xóc

Đường kính của piston và xilanh cụm giảm xóc trước nhỏ hơn của piston và xilanh của cụm giảm xóc sau Nhưng chiều dài của nó lại lớn hơn

Đối với cụm giảm xóc trước áp suất trong xilanh dao động từ 25 ÷ 40 KG/cm2 Đối với cụm giảm xóc sau áp suất trong xilanh dao động từ 19,5 ÷ 84,2KG/cm2 Tương ứng trạng thái không tải và tải trọng lớn nhất

Các xe vận tải hạng nặng các đời sau được chế tạo để chứa tải trọng lớn hơn Ngoài việc thay đổi công suất, kích thước, kết cấu… các cụm giảm xóc trước có chiều dài lớn hơn, cụm giảm xóc sau có kích thước xilanh lớn để tăng khả năng chứa dầu và khí Nito ở các khoang làm việc áp suất trong xilanh giảm xóc tăng lên chút ít từ 5 ÷ 10%

1.1.4 Các dạng hư hỏng thực tế thường gặp của các cụm giảm xóc trong quá trình làm việc

Trong cụm giảm xóc hai chi tiết thường hư hỏng chủ yếu là piston giảm xóc còn xilanh có hư hỏng, nhưng thời gian lâu hơn và ít bị thay thế hơn

1.1.4.1 Đối với piston giảm xóc:

- Cổ bị mòn hết rãnh phanh, chiều sâu mòn từ 1÷5mm

- Cổ bị vặn sang phải, trái

- Lỗ nạp dầu, khí bị mòn hết phần ren

- Thân bị cào xước, xuất hiện vết xước dọc sâu từ 1÷3mm và vết xước ngang

có diện tích từ 1÷6 cm2 chủ yếu trong chiều dài làm việc

- Đế bị cào xước vết xước dọc, các vai lắp bạc phíp bị vẹt gờ từ 1÷4mm

- Đáy bị lõm trên mặt phẳng tiếp xúc

- Các viên bi giữa thân và đế bị mất, mòn

Các dạng hư hỏng trên không tập trung trên một sản phẩm

1.1.4.2 Đối với xilanh giảm xóc:

- Bị méo theo đường kính

- Đường kính trong của xilanh bị cào xước thành vết xước dọc và ngang như piston

- Cổ bị mòn hết rãnh phanh

- Các lỗ lắp bu lông mòn hết ren

1.1.4.3 Nguyên nhân gây ra các dạng hư hỏng

- Đường xấu

- Tải trọng phân bố không đều nhất là chở đất đá

- Thời gian làm việc liên tục trong 3 ca

- Chế độ bảo dưỡng khi hết ca làm việc

hư hỏng được trình bày ở hình 3÷12 là piston giảm xóc và hình 13 là xilanh giảm xóc

Hình 3 Khuyết tật ở cổ piston giảm xóc

Hình 4 Cổ piston giảm xóc bị mòn hết rãnh phanh

Hình 5 Lỗ cổ piston bị mòn lệch sang trái

Hình 6 Thân cổ piston bị vặn sang phải

Hình 7 Lỗ nạp khí trên thân piston giảm xóc bị mòn hết phần ren

H×nh 8 Viên bi đế piston giảm xóc bị mòn hết đường kính

Hình 9 Lỗ ren trái cổ piston giảm xóc bị mòn hết phần ren

Hình 10 Lỗ ren phải cổ piston giảm xóc bị gãy bu lông

Hình 11 Thân piston giảm xóc bị vào thành vết xước dọc và bong từng mảng

Hình 12 Đế piston giảm xóc bị cào xước thành rãnh dọc

trong quá trình làm việc

Hình 13 Xilanh giảm xóc bị rỗ, xước trong quá trình làm việc

Việc phân tích và lựa chọn công nghệ phục hồi cụm giảm xóc được mô tả trong

đề tài mã số 04NN/05, ở đây lựa chọn theo công nghệ thứ 3 hiện đang sử dụng có

độ tin cậy nhất Chủ yếu là hàn kim loại

Hình 14 Công nghệ phục hồi cụm giảm xóc

HÀN

- Hàn hồ quang điện bằng que hàn

- Hàn bán tự động khí bảo vệ CO 2

- Hàn bán tự động dưới lớp thuốc hàn.

TIỆN

NGUỘI

MÀI

MẠ CRÔM DOA, KHOÉT LỖ

KIỂM TRA PHÂN LOẠI CÁC DẠNG HƯ HỎNG

MÀI THÔ, TIỆN

bề mặt ngoài chi tiết trước khi hàn (chuẩn bị cho nguyên công hàn)

Trong nội dung chính của báo cáo tổng kết, nhóm đề tài tập trung vào việc phân

tích cơ sở lý thuyết của 02 phương pháp hàn bán tự động dưới lớp thuốc và khí

bảo vệ CO 2, vì sử dụng hai phương pháp này có ưu điểm là chất lượng hàn, năng suất, khả năng cơ khí hóa cao hơn phương pháp thông thường là hàn điện hồ quang bằng tay

2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH HÀN KIM LOẠI

2.1.1 Lịch sử phát triển ngành hàn thế giới

- Thời kỳ đồ đồng, đồ sắt người ta đã biết hàn kim loại

- Năm 1802 nhà bác học người Nga Pêtơrốp tìm ra hiện tượng hồ quang điện

- Năm 1882 Kỹ sư Bênađớt đã sử dụng hồ quang điện cực than để hàn kim loại

- Năm 1886 Tômsơn đã tìm ra phương pháp hàn tiếp xúc giáp mối và được áp dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghệ của Mỹ

- Năm 1887 kỹ sư Bênađớt đã tìm ra phương pháp hàn điểm

- Năm 1888 Slavianốp đã sử dụng cực điện kim loại để hàn

- Năm 1907 Kỹ sư Kenbe người Thụy Điển đã sử dụng điện cực có thuốc bọc ( que hàn ) để hàn kim loại

- Năm 1930 Viện sĩ B.O.Patôn người Nga tìm ra phương pháp hàn dưới lớp thuốc, phương pháp hàn tự động và bán tự động

- Năm 1940 tìm ra phương pháp hàn trong môI trường khí bảo vệ đó là khí

( Hêli, Ácgong ở Mỹ và khí cacbonic ở Liên Xô )

- Năm 1949 thì B.O.Patôn người Nga ở Kiép tìm ra phương pháp hàn điện xỉ Những năm tiếp theo hàng loạt các phương pháp hàn nối được ra đời như hàn bằng tia điện tử, hàn siêu âm, hàn ma sát… Hiện nay trên thế giới có khoảng 120 phương pháp hàn khác nhau đang được ứng dụng

2.1.2 Lịch sử phát triển ngành hàn ở Việt Nam

- Từ xa xưa ông cha ta đã biết sử dụng hàn để làm các dụng cụ cần thiết cho đời sống, làm đồ thủ công mỹ nghệ

- Sau cách mạng tháng 8 năm 1945, đặc biệt sau hoà bình năm 1954 Ngành hàn được nhà nước quan tâm và thực sự phát triển nhất là sau thời kỳ đổi mới Hiện nay chúng ta có đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật hàn, công nhân hàn lành nghề được đào tạo chính quy ngày càng đông đảo Về cơ bản vẫn sử dụng thiết bị của nước ngoài, ứng dụng công nghệ hàn vào các ngành công nghiệp của Việt Nam như xây dựng, ôtô, cơ khí, tàu thủy…

2.2 BẢN CHẤT, ĐẶC ĐIỂM, ỨNG DỤNG VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA

HÀN KIM LOẠI

2.2.1 Bản chất

Hàn là phương pháp công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử thành một liên kết bền vững không tháo rời Việc nối này được thực hiện bằng nguồn nhiệt để nung chỗ nối đến trạng thái hàn (trạng thái lỏng hoặc dẻo) Sau đó kim loại lỏng tự kết tinh

hoặc dùng áp lực ép (ứng với trạng thái dẻo) để các phần tử liên kết với nhau tạo thành mối hàn

2.2.2 Đặc điểm

- Liên kết hàn là liên kết cứng không thể tháo rời được

- Tiết kiệm kim loại

So với liên kết bulông, đinh tán thì hàn tiết kiệm từ 10 ÷ 20% khối lượng kim loại

So với đúc thì hàn tiết kiệm đến 50% khối lượng kim loại

- Hàn cho phép chế tạo được những kết cấu phức tạp

- Hàn tạo ra các liên kết có độ bền và độ kín cao như: vỏ tàu, nồi hơi, thiết bị chịu

áp lực

- Hàn có tính linh động và năng suất cao, dễ dàng tự động hoá, cơ khí hoá

- Mức độ đầu tư cho quá trình sản xuất thấp

- Nhược điểm của hàn: Do nguồn nhiệt nung nóng cục bộ dễ tạo ứng suất dư lớn

Tổ chức kim loại ở gần mối hàn bị thay đổi theo chiều hướng xấu đi làm giảm khả năng chịu tải trọng của mối hàn, dễ gây biến dạng các kết cấu hàn Trong mối hàn cũng dễ bị các khuyết tật như rỗ, nứt …

2.2.3 Ứng dụng

Do nhiều ưu điểm hơn nên các phương pháp hàn ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp của nền kinh tế quốc dân như: Chế tạo máy, giao thông vận tải, xây dựng, hoá chất …

2.2.4 Khái niệm cơ bản về hàn kim loại

2.2.4.1 Lý thuyết nhiệt ứng dụng trong hàn kim loại

Hàn điện hồ quang hay hàn hơi đều sử dụng nguồn nhiệt tập trung đốt nóng cục bộ kim loại hàn Hàn điện sử dụng dòng điện một chiều hay xoay chiều biến điện năng thành nhiệt năng đốt nóng kim loại hàn và được xác định bằng công thức sau (Sách Công nghệ Hàn kim loại - Phạm Văn Tỳ)

2.2.4.2 Quá trình luyện kim trong hàn điện hồ quang

Hiện tượng này xảy ra trong quá trình hàn khác với hiện tượng luyện kim thông thường ở những điểm sau:

- Nhiệt độ rất cao ở các cực anốt, katốt và trong vùng cột hồ quang

«xy hãa

ngắn

- Các tác động lý hoá của kim loại que hàn nóng chảy với các chất khí xung quanh, xỉ lỏng và kim loại cơ bản ngay từ thời điểm dy chuyển nhập vào vùng kim loại cơ bản

- Khi hàn kim loại trong không khí bình thường xuất hiện sự xâm nhập của các khí ôxy, nitơ, hiđrô… làm hạ thấp, suy yếu cơ tính của mối hàn

+ Ôxy tạo phản ứng với kim loại ở dạng mối hàn ngậm xỉ

4Fe + 2N = 2Fe2N 8Fe + 2N = 2Fe4N

2.2.4.3 Tính hàn của kim loại

- Tính hàn của kim loại là đặc điểm của kim loại cho phép liên kết với nhau bằng công nghệ hàn và mối hàn đạt được những yêu cầu kỹ thuật nhất định Không phải tất cả kim loại đều có thể hàn được do tính hàn của chúng khác nhau, dựa trên tính hàn cuả kim loại người ta chia thành 4 nhóm

+ Kim loại dễ hàn: Tất cả kim loại thuộc nhóm này cho phép liên kết bằng nguyên công hàn một cách dễ dàng, không đòi hỏi phải nguyên công phụ trợ nào trước hoặc sau khi hàn

+ Kim loại hàn được gồm kim loại khi hàn dùng que hàn lớn hơn bình thường, dòng điện hàn lớn và tốc độ hàn chậm hoặc phải giữ nhiệt trước khi hàn

+ Kim loại khó hàn là kim loại phải áp dụng những bước công nghệ như đối với kim loại hàn được và phải áp dụng những nguyên công phụ trợ như nhiệt luyện sau khi hàn

+ Kim loại không hàn được: Không cho phép liên kết bằng nguyên công hàn mặc dù đã áp dụng tất cảc các phương pháp phụ trợ

Ngoài ra người ta có thể phân biệt tính hàn như tính hàn luyện kim, tính hàn công nghệ và tính hàn kết cấu

+ Tính hàn luyện kim phụ thuộc vào thành phần hóa học, cấu trúc, tổng thể tích

rỗ hơi, số lượng tạp chất, ứng suất riêng của kim loại Được xác định bằng công thức trên cơ sở thành phần hóa học của nó thông qua xác định lưu lượng cacbon trong thành phần kim loại (Sách Công nghệ Hàn kim loại - Phạm Văn Tỳ)

15

Cu Ni 5

V Mo Cr 6

M C

E

+ + + + + +

=

Trong đó: Hàm lượng các nguyên tố thành phần như C, Mn, Cr… được tính

«xy hãa khö

Giá trị đương lượng của CE còn được sử dụng để tính độ cứng Vicker của mối hàn

HV = 1200.CE -260 Độ cứng nhỏ nhất

HV = 1200.CE -200 Độ cứng lớn nhất

Độ cứng vùng này không vượt quá 250 ÷ 300 HV

Thép dễ hàn là loại thép chứa thành phần cacbon không quá 0,25%, còn hàm lượng các nguyên tố khác phụ thuộc vào cacbon và có giá trị:

% 60 , 0

% 40 , 0

% 35 , 0

≤ + + +

≤ +

≤ +

V Mo Cr C

V C

Cr C

% 3

% 40 , 1

≤ +

≤ +

Ni C

Mn C

% 1 , 0

% 50 , 0

≤ +

≤ +

S P

Mo C

(Thân của piston và xilanh giảm xóc qua phân tích thành phần hóa học

tương đương với thép 45)

+ Tính hàn công nghệ phụ thuộc vào phương pháp hàn, cường độ hàn, đường kính que hàn, dây hàn, tốc độ hàn, nhiệt độ môi trường, kỹ thuật thao tác

+ Tính hàn kết cấu phụ thuộc vào loại mối hàn, kích thước cơ bản, tiết diện mối nối, độ cứng vững của kết cấu hàn …

2.2.5 Phân loại các phương pháp hàn

Có nhiều cách phân loại phương pháp hàn Tuy nhiên thông dụng nhất có hai cách phân biệt đó là: Phân loại theo dạng năng lượng sử dụng và theo trạng thái kim loại mối hàn ở thời điểm hàn

2.2.5.1 Phân loại theo dạng năng lượng sử dụng có 4 nhóm

- Các phương pháp hàn điện: Bao gồm các phương pháp dùng điện năng biến thành nhiệt năng để cung cấp cho quá trình hàn như hàn điện hồ quang, hàn điện tiếp xúc, hàn TIG, MIG, MAG …

- Các phương pháp hàn cơ học: Bao gồm các phương pháp dùng cơ năng để làm biến dạng kim loại hàn tại khu vực cần hàn tạo ra liên kết hàn như hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm …

- Các phương pháp hàn hoá học: Bao gồm các phương pháp sử dụng năng lượng do phản ứng hoá học tạo ra để nung nóng kim loại như hàn khí, hàn hoá nhiệt …

- Các phương pháp hàn kết hợp: Bao gồm các phương pháp sử dụng kết hợp các dạng năng lượng nêu trên như hàn điện cơ, hàn điện tiếp xúc

2.2.5.2 Phân loại theo trạng thái kim loại mối hàn ở thời điểm hàn

Theo cách phân loại này người ta chia tất cả các phương pháp hàn thành hai

nhóm hàn nóng chảy và hàn áp lực, theo sơ đồ thể hiện ở hình15

- Hàn nóng chảy: Đối với phương pháp hàn này yêu cầu nguồn nhiệt có công

suất đủ lớn (ôxy - axêtylen, hồ quang điện, plasma…) đảm bảo nung nóng cục bộ phần kim loại của vật liệu cơ bản và que hàn (vật liệu hàn) tới nhiệt độ chảy

quỏ trỡnh luyện kim và hỡnh thành mối hàn Do đú để điều chỉnh quỏ trỡnh hàn theo chiều hướng tốt phải dùng các biện pháp công nghệ nhất định: dùng thuốc bảo vệ, khí bảo vệ, hàn trong môi trường chân không …

Trong nhúm hàn này ta thường gặp cỏc phương phỏp hàn khớ, hàn hồ quang tay, hàn tự động và bỏn tự động đưới lớp thuốc, hàn hồ quang điện trong mụi trường khớ bảo vệ, hàn điện xỉ, hàn plasma v.v

Hỡnh 15: Phõn loại cỏc phương phỏp hàn theo trạng thỏi hàn

1.Hàn lade 2.Hàn hồ quang plasma 3.Hàn chựm tia điện tử 4.Hàn hồ quang điện 5.Hàn điện xỉ 6.Hàn khớ 7.Hàn nhiệt nhụm 8.Hàn hồ quang tay 9.Hàn tự động và

bỏn tự động dưới lớp thuốc 10.Hàn hồ quang trong mụi trường khớ bảo vệ 11.Hàn

hồ quang tay điện cực núng chảy 12.Hàn hồ quang tay điện cực khụng núng chảy

13.Hàn trong mụi trường khớ Argon 14.Hàn trong mụi trường khớ Hờli 15.Hàn

trong mụi trường khớ Nitơ 16.Hàn trong mụi trường khớ CO2 17.Hàn siờu õm

18.Hàn nổ 19.Hàn nguội 20.Hàn điện tiếp xỳc 21.Hàn ma sỏt 22.Hàn khuếch tỏn

trong chõn khụng 23.Hàn cao tần 24.Hàn rốn 25.Hàn giỏp mối 26.Hàn điểm

27.Hàn đường 28.Hàn bằng điện cực giả 29.Hàn điểm bằng tụ

(Theo tài liệu Cẩm nang hàn của Hoàng Tựng, Nguyễn Thỳc Hà, Ngụ Lờ Thụng

2.3 HÀN HỒ QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ

2.3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ

Hàn trong môi trường khí bảo vệ là một trong những phương pháp thích ứng với nhiều kết cấu hàn cho năng suất và chất lượng cao Hiện nay phương pháp công

nghệ này có thể phân theo sơ đồ Hình 16 (Giáo trình Hàn trong môi trường khí bảo

vệ - Phạm Trọng Khu và Trần Quang Long)

Hình 16: Sơ đồ phân loại hàn trong môi trường khí bảo vệ

2.3.2 ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ

Hiện nay phương pháp này được chia thành 3 loại:

- Hàn MIG (Metal Inerte Gaz): Là phương pháp hàn hồ quang điện trong lớp khí bảo vệ là khí trơ như argon, hêli…

- Hàn MAG (Metal Actif Gaz): Là phương pháp hàn hồ quang điện trong lớp khí bảo vệ hoạt tính như CO2 hoặc hỗn hợp khí CO2 với argon, hêli…

- Hàn TIG (Tungste Inerte Gaz): Là phương pháp hàn hồ quang điện trong lớp khí trơ, điện cực Wolfram là loại điện cực không nóng chảy

Khi hàn thì khí thông qua miệng phun hình ống tạo thành cột khí thẳng đứng (Dây hàn hoặc điện cực nằm giữa) Cột khí này đẩy không khí ở bốn cung quanh rộng ra bảo vệ cho lớp kim loại nóng chảy

Hình 17 Nguyên lí hàn trong khí bảo vệ

điện cực nóng chảy

Hình 18 Nguyên lí hàn trong khí bảo vệ

điện cực không nóng chảy

1 Cột hồ quang 4 Miệng phun khí 1 Vật liệu cơ bản 4 Dây hoặc que

3 Điện cực (dây hàn) 6 Ống tiếp xúc 3 Cột hồ quang 6 Luồng khí bảo vệ

2.3.3 CÁC LOẠI KHÍ THƯỜNG DÙNG BẢO VỆ KHI HÀN

C (99,90% Argon) Bình chứa khí Argon được sơn đen phần dưới, sơn trắng phần trên ghi chữ “Argon”

- Khí Hêli (He): Khí trơ không màu, không mùi, nhẹ hơn so với không khí và Argon Do vậy việc bảo vệ vùng nóng chảy khó hơn, đòi hỏi lượng khí tiêu thụ lớn hơn Các bình chứa Hêli được sơn màu nâu và in chữ trắng “Hêli”

- Hỗn hợp khí trơ: Bao gồm khí argon và heli, hỗn hợp chứa 70%Ar và 30%He

CO2 trong điều kiện 760 mmHg và 00C tạo thành 506,8 lít khí CO2 Một bình tiêu chuẩn với dung tích 40 lít chứa được 25 kg khí CO2 lỏng, khi hoá hơi tạo thành

12600 lít khí Bình chứa khí CO2 được sơn màu đen và sơn chữ “CO2” màu vàng Khi dùng để hàn có độ tinh khiết 99,5; 99,0 trong 1m3 khí

+ Ưu điểm: Khí CO2 dễ kiếm, dễ sản xuất, giá rẻ, năng suất hàn cao, có thể hàn mọi vị trí trong không gian Chất lượng mối hàn cao vì khí CO2 bảo vệ tốt vùng hàn, không phát sinh khí độc

+ Nhược điểm: Khi hàn làm rỗ mối hàn, nhược điểm này dễ khắc phục khi dùng

dây hàn chứa nhiều Silic

- Khí Nitơ (N): Khí không màu, không mùi, không duy trì sự cháy Nitơ không hoà tan trong đồng nóng chảy và không tác dụng với nó Vì vậy thường được sử dụng để bảo vệ khi hàn đồng

Khí Nitơ được bảo quản trong bình thép dưới áp suất 150 at Bình được sơn màu ghi, có dải nâu bao quanh và in chữ Nitơ ở phần trên Trong điều kiện bình thường

1 kg Nitơ lỏng cho 0,86 m3 nitơ khí Độ tinh khiết khí nitơ 99,9; 99,5; 99,0 trong 100m3 khí

- Khí Hiđrô (H): Khí không màu, không mùi, dễ cháy Các hỗn hợp của khí Hiđrô với không khí hoặc ôxy dễ gây nổ Vì vậy khi sử dụng chúng phải tuân thủ các quy

định về an toàn lao động Hiđrô kỹ thuật được bảo quản trong bình thép dưới áp suất 150 at, các bình chứa khí, ống dẫn thường bằng vải cao su Bình chứa Hiđrô

được sơn màu xanh thẫm với 3 dải đỏ theo chu vi Độ tinh khiết khí Hiđrô là 99,7; 98,7; 97,5 trong 1000m3 khí

Bảng 1 Khí, hỗn hợp khí bảo vệ dùng cho hàn MIG, MAG, TIG

Loại khớ và hỗn hợp khớ Phạm vi sử dụng

Ar Hàn TIG, MIG, hàn kim loại màu, thộp

CO2 hợp kim cao, thộp cacbon thấp

Ar + 0,5%O2 Hàn nhụm với hợp kim

Ar + 1,0%O2 Hàn thộp khụng gỉ, thộp chịu nhiệt, đồng

Ar + 3,0%O2 Thộp hợp kim thấp, thộp cacbon cao

Ar + 5,0%O2

Ar + (15 ữ 20)%O2

Ar + (15 ữ 20)%H2 Hàn thộp hợp kim cao, cho hàn tự động

Ar + 0,2%N2 Hàn hợp kim nhụm khụng chứa mangan

Ar + (5 ữ 7)%H2 Hàn plasma, đồng, niken, thộp hợp kim

Bảng 2 Kớch thước và khối lượng của cỏc cuộn dõy

Khối lượng cuộn dõy (kg) Đường kớnh

dõy hàn (mm)

Đường kớnh trong cuộn dõy (mm)

Thộp cacbon

Thộp hợp kim

Thộp hợp kim cao

Dây hàn sử dụng trong lớp khí bảo vệ chia thành hai dạng chính

- Dây hàn đặc.Dây hàn có nhiều loại, được sản xuất từ nhiều nước trên thế giới Công dụng của chúng được tham khảo theo bảng sau

Bảng 3 Một số loại dây hàn đặc thường dùng và phạm vi ứng dụng

Kớ hiệu dõy Nước sản xuất Kim loại hàn thớch hợp

H-08 MnSiA Trung Quốc Thộp cacbon thấp, trung bỡnh

CB-08Γ2C Liờn Xụ cũ Thộp cacbon, hợp kim thấp

CB-08ΓC Liờn Xụ cũ Thộp hợp kim thấp, trung bỡnh

Kí hiệu dây Nước sản xuất Kim loại hàn thích hợp ER-4043 Thái Lan Thép cacbon, hợp kim thấp

Autrod 19.12 Thụy Điển Đồng, hợp kim đồng

AuCutrod 19.40 Thụy Điển Đồng, hợp kim đồng

- Dây hàn có lõi thuốc ( dây hàn bột ): Là loại dây gồm vỏ kim loại và ruột thuốc + Vỏ có tác dụng điện, đóng vai trò điện cực

+ Ruột là hỗn hợp các quặng, muối kim loại, hợp kim và bột kim loại khác Tác dụng duy trì tính ổn định của hồ quang với phạm vi rộng, khắc phục được những nhược điểm khi sử dụng dây hàn đặc thường xẩy ra như: Bắn toé kim loại, bảo vệ mối hàn kém khi sử dụng dòng điện lớn Đồng thời tăng khả năng cơ học của mối hàn, tăng tốc độ hàn, khử tạp chất có hại cho mối hàn

Dây hàn bột thường dùng để hàn thép C và thép hợp kim được sử dụng rộng rãi Còn dùng hàn bột để hàn gang, kim loại màu ít sử dụng

Hình 19 Một số dạng cấu tạo của dây hàn bột

2.3.5 THIẾT BỊ HÀN

2.3.5.1 Máy hàn bán tự động MIG, MAG

Có thể chia thành 3 nhóm (Theo Giáo trình Hàn trong môi trường khí bảo vệ -

Phạm Trọng Khu và Trần Quang Long)

- Nhóm có máy hàn đường kính dây từ 1,6 ÷ 2,8 mm, dòng hàn tới 500 A

- Nhóm có máy hàn đường kính dây từ 0,8 ÷ 1,4 mm, dòng hàn tới 315 A

Hình 20 Sơ đồ quá trình hàn hồ quang kim loại có khí bảo vệ

2.3.6 CHẾ ĐỘ HÀN TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ

Để mối hàn đạt được chất lượng tốt và năng suất cao, người thợ phải chọn chế độ hàn Đặc trưng cơ bản của chế độ hàn cơ bản gồm có: cường độ dòng điện, điện thế hồ quang, đường kính điện cực Ngoài ra yếu tố công nghệ cũng ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn

Nếu cường độ dòng điện hàn quá nhỏ thì độ sâu của nóng chảy và mối hàn rộng, mối hàn chưa ngấu, cường độ, cơ tính của mối hàn giảm

Vì vậy không nên điều chỉnh cường độ dòng điện hàn quá lớn hoặc quá nhỏ, đảm bảo đủ định mức