Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất bộ hàn gốm ding để hàn tự động théo có độ bền cao dưới lớp thuốc trợ dung

ở các nước công nghiệp phát triển, ngành sản xuất vật liệu hàn đã chế tạo được rất nhiều loại bột hàn dùng để hàn tự động dưới lớp thuốc cho các loại vật liệu từ vật liệu thép các bon th

Báo cáo đề tài nghiên cứu Khcn & MT

Đề tài :

Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất bột hàn gốm ding để hàn

tự động thép có độ bền cao dưới lớp thuốc trợ dung

ắ Bộ chủ quản : Bộ công thương

ắ Cơ quan chủ quản : Tổng công ty hoá chất việt nam

ắ Cơ quan thực hiện : công ty cổ phần que hàn điện việt đức

ắ Chủ nhiệm đề tài : Kỹ sư Đặng Trần Lương

7229

28/3/2009

Chương II Hàn và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 4

Chương V Nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến

Chương VI Nghiên cứu một số khuyết tật trong quá trình hàn 17

IV Đánh giá tác động môi trường 27

Việc sử dụng bột hàn để hàn các chi tiết, kết cấu sẽ mang lại năng suất cao, chất lượng liên kết hàn tốt, đảm bảo mỹ quan do đó nó mang lại hiệu quả kinh tế lớn trong việc chế tạo gia công các chi tiết, kết cấu có kích thước lớn

ở các nước công nghiệp phát triển, ngành sản xuất vật liệu hàn đã chế tạo được rất nhiều loại bột hàn dùng để hàn tự động dưới lớp thuốc cho các loại vật liệu từ vật liệu thép các bon thấp cho tới các mác thép hợp kim cao cũng như các kim loại màu

2 Đánh giá về thị trường:

Hiện nay, mỗi tháng công ty CP que hàn điện Việt Đức nhập trung bình 20 tấn bột hàn /tháng, do vậy cả năm sẽ vào khoảng 250 tấn Trong thời gian tới dự kiến tỉ trọng que hàn sẽ giảm đi do công nghệ hàn tiên tiến hơn sẽ sử dụng nhiều đến bột hàn loại này nên đến năm 2010 dự kiến tiêu thụ 350tấn/năm Mặt khác bột hàn của công ty cổ phần que hàn

điện Việt Đức chiếm khoảng 40% thị phần Như vậy nhu cầu của cả nước

sẽ vào khoảng 875 tấn/năm

Đối với ngành công nghiệp chế tạo vật liệu hàn ở Việt Nam còn rất non trẻ, đã có nhiều cơ sở sản xuất vật liệu hàn nhưng phần lớn các cơ sở chỉ sản xuất loại bột hàn thông dụng để hàn thép có độ bền trung bình và cũng chỉ giới hạn ở sản xuất bột hàn nóng chảy, rất ít các cơ sở chế tạo

được các loại bột hàn để hàn thép có độ bền cao Do đó việc công ty Cổ phần que hàn điện Việt Đức đề xuất và tiến hành nghiên cứu “Quy trình công nghệ sản xuất bột hàn gốm’’ dùng để hàn tự động thép có độ bền cao dưới lớp thuốc trợ dung là một hướng đi đúng, nó sẽ góp phần đa dạng hoá mặt hàng sản xuất của công ty, đáp ứng nhu cầu thị trường và phục vụ sự phát triển nền kinh tế của đất nước

Chương II

hàn và Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

I Giới thiệu chung về hàn

Hàn là quá trình công nghệ sản xuất các kết cấu không tháo được từ kim loại, hợp kim và các vật liệu khác (chất dẻo, thuỷ tinh )

Khi hàn nóng chảy, mối ghép hàn là một bộ phận của kết cấu bao gồm mối hàn, kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt và kim loại cơ bản không bị thay đổi tổ chức dưới tác dụng của sự hàn Mối hàn là chất hợp kim nấu chảy của kim loại cơ bản (vật hàn) và kim loại bổ xung (vật liệu hàn) còn vùng ảnh hưởng nhiệt là phần kim loại cơ bản với các tính chất thay đổi do hàn

Hàn nóng chảy có thể liên kết được hầu hết các kim loại và hợp kim với chiều dày bất kỳ Có thể hàn các kim loại và hợp kim không đồng nhất

Hàn là quá trình công nghệ được ứng dụng rộng rãi để chế tạo mới và phục hồi các kết cấu chi tiết Tính ưu việt của các kết cấu hàn so với đúc, tán và rèn

đã được công nhận, bao gồm sự giảm tiêu hao kim loại, giảm chi phí lao động,

đơn giản thiết bị, rút ngắn thời gian sản xuất và tăng năng suất sản phẩm mà không cần mở rộng mặt bằng sản xuất Đồng thời khả năng cơ khí hoá các thao tác công nghệ chính cũng được mở rộng đáng kể Tuy nhiên tất cả các tính ưu việt của hàn chỉ có thể thực hiện được khi đảm bảo được chất lượng cần thiết của các mối hàn để kết cấu có thể làm việc lâu dài và tin cậy Điều này có được trên cơ sở nghiên cứu sâu sắc công nghệ hàn và xác định mối quan hệ của nó với các dạng kết cấu và các đặc điểm của sản phẩm được sản xuất

II Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

1) Giải quyết tính công nghệ hàn

ư Hàn được các loại thép các bon thấp và hợp kim thấp

ư Sau khi hàn mối hàn có xỉ phủ đều, dễ bong (tự bong), bề mặt xỉ đẹp

ư Đảm bảo tính công nghệ hàn tốt khác: hồ quang ổn định, êm, ít sôi, mối hàn láng, mỹ quan

2) Các chỉ tiêu cơ lí, hoá học kim loại mối hàn:

ư Đạt theo yêu cầu chất lượng đề ra: tiêu chuẩn AWS A5.17-89 của Mỹ

ư Tương đương một số bột hàn cùng loại của Thuỵ Điển, Đài Loan, Hàn Quốc, Mỹ

ư Thành phần hóa học và cơ tính của kim loại mối hàn cần đạt được:

Để thực hiện đ−ợc các mục tiêu trên, các vấn đề cần nghiên cứu sẽ là:

a) Nghiên cứu về phân loại và các đặc tính của bột hàn các loại nói chung

d) Nghiên cứu xây dựng phối liệu phù hợp để sản xuất loại bột hàn kiểu

AR

e) Sản xuất thử trên phòng thí nghiệm, kiểm tra đánh giá chất l−ợng f) Sản xuất lô nhỏ trên phòng thí nghiệm để giới thiệu sản phẩm (lấy ý kiến khách hàng)

Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn bột hàn gốm kiểu AR là nhóm Nhôm – Rutil

Chất kết dính cho loại bột hàn này là hỗn hợp thuỷ tinh lỏng gồm: 70% thuỷ tinh lỏng Kali và 30% thuỷ tinh lỏng Natri Hỗn hợp thuỷ tinh lỏng này

có các thông số sau: Modul Silic: 3ữ3,2 Nồng độ: 38ữ40 oBe’

Bột hàn AR tương đương và phù hợp với tiêu chuẩn AWS A5.17-89 được liệt kê ở bảng 5 (Bảng thành phần hóa kim loại mối hàn, khi hàn một số loại bột hàn gốm cùng loại của một số nước sản xuất, dùng với lõi H08A hoặc tương đương)

− Công nghệ hàn: Nhóm bột hàn là nhóm Nhôm – Rutil, mặt khác trong phối liệu có sử dụng một số l−ợng hợp kim Ferro nên bột hàn loại này có thể hàn đ−ợc cả ở dòng điện một chiều và xoay chiều có hồ quang rất ổn định xỉ phủ đều và tự bong, mối hàn đẹp Trong quá trình hàn bột hàn cháy ổn định, hồ quang không bị ngắt, ít bắn toé kim loại

a Bột hàn nóng chảy có thể nấu bằng lò điện hồ quang, lò phản xạ hoặc lò

chõ dùng than cốc (nấu thủ công) Được thiêu kết, làm nguội tạo hạt Khi hàn thuốc nóng chẩy ra tạo xỉ hàn Bột hàn nóng chẩy có các loại chứa SiO2, MnO, trong quá trình hàn nó tăng cường sự hoàn nguyên Si, Mn Bột hàn có chứa lượng ôxýt nhỏ còn lại là lượng Huỳnh thạch hoặc các hợp chất thuộc nhóm Halốit Bột hàn chứa ôxýt hoặc không chứa ôxýt và người ta cho thêm một lượng TiO2

b Bột hàn gốm là loại bột hàn gồm các ôxýt, hợp chất kim loại Kiềm hoặc

Kiềm thổ trộm với tỷ lệ nhất định rồi tạo hạt, nung nóng Đặc điểm của bột hàn gốm là rất dễ hút ẩm

Khi sản xuất bột hàn gốm không có công đoạn nung chảy nên thuốc cho phép chứa đủ các thành phần mong muốn Các thành phần vật liệu giữ ở trạng thái tự nhiên cho tới khi hàn Điều này cho phép tiến hành xử lý luyện kim bổ xung kim loại mối hàn, làm thay đổi cấu trúc và thành phần của nó hiệu quả hơn

so với thuốc nóng chảy Lượng thuốc gốm nói chung tiêu hao ít hơn thuốc nóng chảy do vậy chọn nghiên cứu công nghệ sản xuất bột hàn gốm là hướng đi đúng

II Nghiên cứu tính chất của thuốc hàn

1 Yêu cầu chung của thuốc hàn với dây hàn nóng chảy

a- Đảm bảo tính ổn định của hồ quang và quá trình hàn

b-Đảm bảo các tính chất và thành phần hoá học của mối hàn

c-Tạo dáng mối hàn đẹp

d-Mối hàn không nứt, ít tạp chất

e-Xỉ dễ bong

Các biện pháp giải quyết các yêu cầu trên đặt ra liên quan tới thành phần kim loại cơ bản và dây hàn (điện cực) Do vậy thuốc hàn dùng với dây hàn nóng chảy rất đa dạng

Có rất nhiều loại bột hàn gốm, theo Viện Hàn Quốc tế, bột hàn gốm được

được phân ra các loại chính sau:

Bột hàn gốm kiểu AB: Nhôm – Kiềm, thành phần chủ yếu là Al 2 O 3 , CaO và MgO

TiO 2

và SiO 2

MgO, MnO và CaF 2

SiO 2

2) Đặc tính của bột hàn gốm kiểu AR:

Bột hàn gốm kiểu AR là loại tổng hợp hơn cả so với các loại bột hàn gốm khác Chúng có các tính chất công nghệ tốt nhất, đặc biệt khi hàn tốc độ cao Mối hàn có hình dáng đẹp, xỉ phủ đều, dễ bong (tự bong), các tính chất cơ học

và chống nứt tốt Bột hàn gốm kiểu AR chủ yếu dùng để hàn các kết cấu, thép các bon thấp và thép hợp kim thấp trong chế tạo máy, đóng tầu, ôtô và các ngành công nghiệp khác

Chương IV

Nghiên cứu các tính chất của nguyên liệu

Bột hàn gốm là hỗn hợp nhiều loại nguyên liệu, chức năng chính của bột hàn trong quá trình hàn là:

ư Bảo đảm tính ổn định của hồ quang và quá trình hàn

ư Bảo vệ kim loại mối hàn, tránh chất khí ngoài môi trường xâm nhập

ư Tạo ra lớp xỉ: Do đông đặc nhanh, giữ được kim loại lỏng làm cho kim loại mối hàn nguội từ từ, làm cho bề mặt mối hàn được nhẵn bóng

ư Khử oxy, Nitơ và tinh luyện kim loại mối hàn

ư Bổ xung nguyên tố hợp kim vào kim loại mối hàn

ư Tăng hệ số hàn đắp của kim loại mối hàn

Với những chức năng chính trên người ta nhận thấy nhóm bột hàn kiểu

AR có thành phần chủ yếu là ôxýt Nhôm Al2O3 và Rutil, ngoài ra còn có đô lô mít, Đá vôi CaCO3 và Canxi Florua CaF2 Khí để bảo vệ kim loại lỏng là khí

CO2 và CO do các nguyên liệu gốc cácbonát tạo ra Ngoài ra còn có các chất

Mn, Si, Ti làm chất khử oxy Các chất hợp kim Ferro để hợp kim hoá mối hàn Bột hàn loại này tạo ra mối hàn có chất lượng tốt, đặc biệt là khả năng chống nứt Thành phần tạp chất có hại như P và S trong kim loại mối hàn không quá 0,035% cho mỗi nguyên tố, đó là một tỉ lệ thấp Trong khi cháy, nhờ bột hàn mà trong kim loại có sự tinh luyện tế vi, khử các tạp chất có hại, bổ xung thêm các thành phần có lợi

Sau đây là tính chất và thành phần của các loại nguyên liệu để sản xuất bột hàn gốm kiểu AR

1) Đá vôi: Có thành phần chủ yếu là CaCO3 Loại dùng cho sản xuất bôt hàn có thành phần tương đối CaO ~ 55% và CO2 ~ 42%

Khi nung nóng ở nhiệt độ 880oC sẽ xẩy ra phản ứng:

CaCO3 CaO + CO2↑ Với một số loại bột hàn có nhiệt độ nung đến 900OC thì CaCO3 trong bột hàn chỉ còn lại là CaO

Khí CO2 thoát ra là khí bảo vệ mối hàn, nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc

ổn định hồ quang Khi hàn thì đá vôi tạo nên đặc tính bazơ của xỉ

CaO có vai trò rất quan trọng trong việc khử P và S trong thép, làm giảm hàm lượng P và S có hại trong thép

Phốt pho (P) chuyển từ kim loại cơ bản, lõi và bột hàn vào kim loại mối hàn Trong kim loại mối hàn P tồn tại dưới dạng phốt phít sắt Sự ôxi hoá P với

ôxit sắt để tạo thành P2O5 không hoà tan trong kim loại tạo thuận lợi cho nó chuyển vào xỉ theo phản ứng:

2Fe2P + 5FeO ↔ (P2O5) + 9[ Fe] (1) (…) chỉ các thành phần hoà tan trong xỉ

[…] chỉ các thành phần hoà tan trong kim loại

Trong xỉ bazơ P2O5 kết hợp với CaO tạo thành canxi phốt phát (3CaO.P2O5)

và nhờ vậy sự cân bằng ở phản ứng (1) xảy ra theo chiều thuận, tạo điều kiện khử phốt pho hiệu quả hơn

Lưu huỳnh (S) cũng được di chuyển từ kim loại vào xỉ theo phản ứng:

[S] + (CaO) ↔ (CaS) + [ O] (2)

2) Đôlômít:

Là cacbonat hỗn hợp có công thức CaMg(CO3)2 Trong bột hàn Đôlômít có tác dụng tạo xỉ, ổn định hồ quang, độmịn thích hợp để sản xuất bột hàn của nguyên liệu này là ≤ 0,25 mm

H+F =HF 4HF + SiO2 = SiF4 + 2 H2O Cả hai chất HF và SiF4 đều là chất bảo vệ mối hàn rất tốt Nhưng khí đó là khí độc CaF2 là chất tạo nên đặc tính bazơ của xỉ

4) Rutil:

Là quặng Titan tự nhiên, loại dùng cho sản xuất bột hàn có thành phần hoá chủ yếu:

TiO2 FeO P S

≥ 92% ≤ 3,5% ≤ 0,03% ≤ 0,03%

Rutil là nguyên liệu khi cháy tạo hồ quang, làm cho hồ quang ổn

định và êm Loại bột hàn AR dùng nhiều nguyên liệu này, mặt khác trong khi hàn thì Ti + N -> TiN, hợp chất TiN có tính dẻo, loại trừ được ảnh hưởng xấu của FeN trong kim loại mối hàn là cứng và dòn

5) Cao lanh:

Là chất có màu vàng thuộc loại Silicat Nhôm, có công thức cấu tạo

Al2(Si4O10) 6H2O Trong bột hàn nó là chất tạo xỉ, khi ếp, tạo hạt bột hàn

nó có tác dụng tạo hình rất tốt, độmịn thích hợp để sản xuất bột hàn của nguyên liệu này là ≤ 0,25 mm

Thuộc loại Silicat Nhôm, trong bột hàn nó là chất tạo xỉ, độmịn thích hợp để sản xuất bột hàn của nguyên liệu này là ≤ 0,25mm

Có màu nâu nhạt, có tác dụng làm cho xỉ dễ bong, mối hàn bóng nó

ít được sử dụng trong công nghệ sản xuất bột hàn

Thành phần hoá học: ZrO2 khoảng 50%

9) Quặng Mangan:

Dạng bột có màu đen hàm lượng Mangan trong quặng chiếm 40 ữ 55% Đioxit Mangan có khả năng tham gia khử tốt trong quá trình luyện kim Ngoài ra còn có tính chất tạo xỉ

10) Các chất có kim loại và hợp kim Ferro:

Việc dùng các hợp kim Ferro hoặc kim loại nguyên chất vào trong bột hàn nhằm mục đích để khử oxy hay để tăng thành phần kim loại ấy trong mối hàn, hoặc để bù hao cho những nguyên tố bị cháy hao tổn ta thường gọi là hợp kim hoá mối hàn

Trong quá trình hàn, nhiệt độ vùng hàn lên rất cao (ở giữa ≅ 3500°C, xung quanh ≅ 2500oC) do đó làm chảy kim loại, có một số kim loại tạo thành oxyt nằm lẫn lộn với thép, chủ yếu là FeO nó làm giảm tính bền cơ học của kim loại hoặc gây nên hiện tượng nứt nóng Để khử những tạp chất đó phải dùng những nguyên tố có ái lực cao với oxy tạo thành một loại oxyt thực tế không tan trong kim loại Lúc đó nguyên tố chất oxy hoá Pa tác dụng với [ FeO] hoàn nguyên sắt tạo thành oxyt tách ra khỏi kim loại :

m[ FeO] + n[ Pa] = m [ Fe] + (PanOm) Mức độ ôxyhoá của chất khử ôxy có thể đánh giá theo tính bền

ôxyt của nó tạo thành Khi nồng độ bằng nhau và ở vùng nhiệt độ =

2000oC tác dụng mạnh nhất với ôxy có Ca, sau đó Mg, Al, Ti, V, Si, Mn,

Cr, Fe, Ni, Cu Tất cả những nguyên tố kể trên khi ở cùng nhiệt độ chỉ có Niken và Đồng có ái lực với Ôxy yếu hơn Fe Vì vậy tất cả những nguyên

tố có ái lực với ôxy mạnh hơn sắt đều là chất khử ôxy thông dụng nhất khi hàn thép cacbon và thép hợp kim thấp Sự ôxy hoá Si và Mn tiến hành theo phản ứng:

2 [ FeO] + [ Si] = (SiO2) + 2[ Fe] +Q [ FeO] + [ Mn] = (MnO) + [ Fe] +Q SiO2 và MnO là những loại oxit không tan trong kim loại Các phản ứng trên là phản ứng toả nhiệt, khi nhiệt độ giảm, lượng SiO2 và MnO tạo thành rất lớn do đó lượng FeO cân bằng trong kim loại, cả nồng độ chất

ôxy hoá giảm xuống

Thường có 3 loại: 45% Si, 75% Si và 95%Si

Trong sản xuất bột hàn thường dùng loại có 45% Silic các loại khác

ít dùng vì Silic cao nó sẽ phản ứng mãnh liệt với kiềm của thuỷ tinh lỏng Trong bột hàn nó là chất khử ôxy và hợp kim hoá

Các kết quả phân tích cỡ hạt nguyên liệu dùng cho bột hàn AR

Chương V

Nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến kim loại hàn

Lượng các nguyên tố hợp kim trong thép ảnh hưởng đến tính hàn như sau:

1 Cacbon (C): là hợp chất quan trọng trong thép (lượng chứa của nó được đánh

dấu bởi hai chữ số chỉ số % đứng trước mác thép) Nó xác định độ bền độ dai, tính tôi và những tính chất khác của thép Lượng cacbon đến 0,25% không làm xấu khả năng hàn của thép Tiếp tục tăng lượng cacbon khả năng hàn rất xấu, vì

có thể tạo nên sự nứt Vì thế, dây thép lượng C > 0,20% đối với việc hàn không

có lợi bởi vì khi nó nóng chảy C cháy dẫn tới tạo thành nhiều lỗ hơi

2 Mangan (Mn): Thường lượng chứa trong thép tới 0,3 – 0,8% không cản trở

việc hàn trong một số thép đặc biệt hàm lượng của nó có tới 1,8 – 2,5% Trong trường hợp này, Mn làm tăng khả năng tôi của thép và có khả năng tạo thành nứt, trong thép Mn cao, lượng Mn tới 11 ữ 16% Trong thời gian hàn nó cháy mạnh bởi vậy cần thiết phải có phương pháp bảo vệ đặc biệt

3 Silic (Si): Thông thường trong thép cacbon lượng Si là 0,02 ữ0,3% còn thép

đặc biệt có thể đạt 0,8 ữ1,5% Si làm khó hàn, nó làm tăng tính chảy lỏng của hợp kim, dễ ôxy hoá oxit khó nóng chảy vào trong xỉ

4 Lưu Huỳnh (S): Lưu huỳnh cũng là nguyên tố tạp chất có hại nó làm cho

mối hàn tăng khả năng nứt nóng trong quá trình hàn, ở nhiệt độ cao S liên kết với Fe tạo thành FeS cùng tinh dễ chảy ở 1195OC, các FeS này lại liên kết với

Fe, FeO tạo thành các cùng tinh dễ chảy ở nhiệt độ thấp hơn Do đó S có trong kim loại mối hàn càng nhiều càng xuất hiện nhiều cùng tinh dễ chảy, do vậy lượng S trong mối hàn càng ít càng tốt, thông thường trong mối hàn S ≤ 0,035%

5 Phốt pho (P): Phốt pho là nguyên tố tạp chất có hại làm xấu đi cơ tính của

thép Các bon và thép hợp kim nó làm cho thép bị dòn nguội và tăng tính nứt nóng của thép Trong mọi trường hợp nên tìm cách khử P trong mối hàn, thông