GIÁO TRÌNH CÔNG NGHỆ KIM LOẠI - PHẦN III CÔNG NGHỆ HÀN - CHƯƠNG 1 pdf

1.1.1 Định nghĩa: - Hàn là phương pháp công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử thành một liên kết bền vững không tháo rời, được thực hiện bằng nguồn nhiệt “Q” hoặc nguồn nhiệt và áp lực nu

Trang 1

PHẦN III CÔNG NGHỆ HÀN

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN 1.1 Thực chất, đặc điểm và phân loại hàn

1.1.1 Định nghĩa:

- Hàn là phương pháp công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử thành một liên kết bền vững không tháo rời, được thực hiện bằng nguồn nhiệt “Q” (hoặc nguồn nhiệt và áp lực) nung chỗ nối đến trạng thái hàn “TTH”, sau đó kim loại tự kết tinh (ứng với TTH là chảy lỏng) hoặc dùng áp lực ép (ứng với TTH dẻo) để các phần tử liên kết với nhau cho ta mối hàn

1.1.2 Đặc điểm:

Công nghệ hàn ngày nay phát triển mạnh và được sử dụng rộng rãi, vì có các đặc điểm sau:

- Tiết kiệm vật liệu: Với cùng loại kết cấu kim loại, hàn tiết kiệm 1020% khối lượng kim loại so với các mối ghép khác (nối bằng đinh tán), hoặc từ 30 50% khối lượng kim loại so với đúc Đồng thời hàn có thể hàn các kim loại khác nhau để tiết kiệm kim loại quý hoặc tạo kết cấu đặc biệt Ví dụ như hàn đồng với thép, hàn nhôm với thép

- Mối hàn có độ bền cao và đảm bảo độ kín Thông thường mới hàn kim loại được hợp kim hóa tốt hơn kim loại vật hàn, nên mối hàn chịu tải trọng tĩnh tốt.Vì vậy hàn thường dùng chế tạo các kết cấu kín dùng chứa đựng và chịu áp lực cao (các bình chứa, nồi hơi) Hàn các kết cấu phức tạp yêu cầu có độ bền cao (ví dụ như các khung dầm chịu lực, vỏ tàu thủy…)

- Hàn có năng suất cao, vì có thể giảm được số lượng các nguyên công, giảm cường độ lao động, dễ tự động hoá và cơ khí hóa quá trình sản xuất (ví dụ các dây chuyền hàn vỏ ô tô )

- Nhược điểm của hàn là do nguồn nhiệt nung nóng cục bộ, dễ tạo ứng suất dư lớn gây biến dạng các kết cấu hàn, tổ chức kim loại vùng gần mối hàn bị thay đổi theo chiều hướng xấu đi, làm giảm khả năng chịu tải trọng động của mối hàn, mặt khác trong mối hàn dễ gây khuyết tật như rỗ, nứt

- Được dùng rộng rãi trong lĩnh vực chế tạo máy, giao thông vận tải, xây dựng

Trang 2

1.1.3 Phân loại

Ngày nay có hơn 120 phương pháp hàn khác nhau Theo trạng thái hàn chia làm 2 nhóm: Hàn nóng chảy và hàn áp lực

1 Hàn nóng chảy:

- Yêu cầu nguồn nhiệt có công suất đủ lớn (ngọn lửa O2 - C2H2, hồ quang điện, plasma ) đảm bảo nung nóng cục bộ kim loại cơ bản và vật liệu hàn tới trạng thái nóng chảy

- Khi hàn nóng chảy các khí xung quanh nguồn nhiệt có ảnh hưởng rất quan trọng đến quá trình luyện kim và hình thành mối hàn Do đó để điều chỉnh quá trình hàn theo chiều hướng mong muốn thì phải dùng các biện pháp công nghệ nhất định: dùng thuốc bảo vệ, khí bảo vệ, hàn trong chân không.v.v

- Chẳng hạn như hàn khí, hàn hồ quang tay, hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc, hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ, hàn xỉ điện, hàn plasma

2 Hàn áp lực

- Hàn dưới tác dụng của nguồn nhiệt và áp lực Đối với phương pháp này, phạm vi nguồn nhiệt tác động để hàn là rất lớn, một số phương pháp hàn kim loại cơ bản bị nung nóng đến nhiệt độ bắt đầu chảy (như hàn điểm, hàn đường)

Ở một số phương pháp khác, kim loại cơ bản chỉ đạt đến trạng thái dẻo (như hàn tiếp xúc điện trở) kim loại hoàn toàn không chảy, mà sự liên kết hàn xảy ra do kimloại khuếch tán ở trạng thái rắn có sự tác dụng của nhiệt và áp lực

- Hàn dưới tác dụng của áp lực Ở phương pháp này sự liên kết hàn chỉ do tác dụng của lực không có nguồn nhiệt cung cấp (như hàn nguội, hàn nổ, hàn siêu âm)

Có thể biểu thị các phương pháp hàn theo sơ đồ sau:

1- Hàn la de 2- Hàn hồ quang plasma 3- Hàn chùm tia điện tử 4 Hàn hồ quang điện

5- Hàn xỉ điện 6 Hàn khí 7- Hàn nhiệt nhôm 8- Hàn hồ quang tay 9.Hàn tự động và

Trang 3

bán tự động dưới lớp thuốc.10 Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ 11 Hàn hồ quang tay điện cực nóng chảy 12 Hàn hồ quang tay điện cực không nóng chảy 13

Hàn trong môi trường khí argon 14 Hàn trong môi trường khí Hêli 15 Hàn trong môi

trường khí nitơ 16.Hàn trong môi trường khí CO 2 17 Hàn siêu âm 18 Hàn nổ 19

Hàn nguội 20 Hàn điện tiếp xúc 21 Hàn ma sát 22 Hàn khuếch tán trong chân không 23.Hàn cao tần 24 Hàn rèn 25 Hàn giáp mối 26 Hàn điểm 27 Hàn đường 28 Hàn

bằng điện cực giả 29 Hàn điểm bằng tụ

Ngoài 2 nhóm trên còn có hàn vẩy (còn gọi là hàn bằng hợp kim trung gian): là phương pháp nối các chi tiết kim loại lại với nhau nhờ kim loại hoặc hợp kim trung gian

gọi là vẩy hàn Trong quá trình hàn, vẩy hàn được nung nóng đến trạng thái chảy, còn kim loại nền không bị nung chảy

1.2 Quá trình luyện kim và tổ chức kim loại mối hàn

1.2.1 Quá trình luyện kim khi hàn nóng chảy:

Phương pháp hàn thông dụng nhất là phương pháp hàn nóng chảy Đối với phương pháp này, khi hàn các quá trình hóa lý xảy ra trong kim loại lỏng ở vũng hàn cũng giống như khi luyện kim Có nghĩa cũng xảy ra quá trình ôxyhóa, quá trình khử ôxy, quá trình hợp kim hóa… song khi hàn nóng chảy có một số đặc điểm riêng sau:

+ Kim loại ở que hàn và vật hàn chảy lỏng rất nhanh (khoảng vài giây)

+ Lượng kim loại chảy rất nhỏ

+ Nhiệt độ ở vũng hàn rất cao

+ Sau khi hàn kim loại lỏng ở vũng hàn đông đặc rất nhanh

+ Nguồn nhiệt nung nóng khi hàn luôn là nguồn nhiệt di động

Do vậy mà các quá trình hóa lý xảy ra trong vũng hàn không thể thực hiện triệt để và khó điều khiển

Khi xem xét quá trình dịch chuyển kimloại lỏng từ que hàn vào vũng hàn trong hàn nóng chảy, người ta thấy kim loại lỏng và cả hơi kim loại bị nung nóng ở nhiệt độ cao sẽ gây ra tương tác qua lại giữa các pha:

Môi trường khí - Kim loại lỏng - Xỉ lỏng

* Pha khí trong vũng hàn nóng chảy

- Dưới tác dụng nhiệt độ cao của nguồn nhiệt các phâ tử khí xung quanh vũng hàn bị phân ly

H2  2H + Q1

O2  2O + Q2

N2  2N + Q3

Hoặc 2H2O  2H2 + O2 + Q4

CO2  CO + O + Q5

Ở trạng thái nguyên tử, các khí này có hoạt tính cao hơn và dễ dàng tác dụng qua

Trang 4

lại với các giọt kim loại nóng chảy cũng như với kim loại vũng hàn Xét ảnh hưởng của các nguyên tử khí nói trên đến tính chất của mối hàn khi hàn thép:

- Ô xy là khí gây sự ôxy hóa rất mạnh ở nhiệt độ cao

2Fe + O2  2FeO 4Fe + 3O2  2Fe2O3

3F + 2O2  Fe3O4

O2 + 2Mn = 2MnO

O2 + Si = SiO2

O2 + C = CO2

Sự ôxy hóa này làm ảnh hưởng trực tiếp tới cơ tính của thép (giảm độ bền, độ dai va chạm)

- Ni tơ: Ở nhiệt độ cao có hoạt tính mạnh với Fe tạo ra các nitrit Fe2N…làm độ dãn dài và độ dai va chạm.N2 là nguyên tố có hại khi hàn các chi tiết chịu tải trọng động

- Hyđrô: dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao thành các nguyên tử có hoạt tính cao, hòa tan rất mạnh vào thép tạo thành rỗ khí, gây ứng suất và làm giảm độ bền của kim loại mối hàn

Các khí trong môi trường xung quanh vũng hàn như O2, H2, hơi nước, CO2 đều là nhân tố có hại cho mối hàn Do vậy khi hàn người ta phải dùng các biện pháp công nghệ nhằm ngăn ngừa sự xâm nhập của môi trường khí này vào kim loại hàn, đảm bảo cho mối hàn thỏa mãn cơ tính cần thiết Ví dụ như môi trường khí bảo vệ (khí trơ), dùng lớp thuốc bào vệ, hoặc xỉ hàn…

* Pha xỉ trong vũng hàn

- Xỉ hàn là một hợp chất của các oxít và các muối khác nhau như Na2OSiO2,

Ca2OSiO2 , MnO, FeO, Al2O3… Chúng có khối lượng riêng nhỏ hơn kim loại nóng chảy, do đó chúng phân bố chủ yếu trên bề mặt kim loại lỏng

- Vai trò của xỉ ở đây là:

+ Bảo vệ kim loại khỏi bị oxy hóa

+ Duy trì các quá trình luyện kim khi hàn gồm có: khử ôxy, hợp kim hóa kim loại hàn, tinh luyện ( khử các tạp chất có hại như P, S)

Căn cứ vào độ chua của xỉ là:





oxitbazo M

oxitaxit M

n

%

- Người ta chia ra làm 2 hệ xỉ: n > 1 : Hệ xỉ axít

n < 1 : Hệ xỉ bazơ

Hệ xỉ axit có ưu điểm đảm bảo tốt hơn vai trò của xỉ: bảo vệ kim loại không bị ôxy hóa, duy trì hồ quang cháy ổn định, xỉ rất dễ bong khỏi kim loại khi nguội

Trang 5

* Ảnh hưởng tương hỗ giữa kim loại lỏng, môi trường khí và xỉ hàn trong quá trình hàn

Trong quá trình hàn, do ở điều kiện nhiệt độ cao và có sự tương hỗ giữa kimloại lỏng, môi trường khí và xỉ hàn nên chúng thường xảy ra các quá trình sau:

- Quá trình ôxy hóa: Do kim loại lỏng cũng như xỉ hàn tiếp xúc với môi trường khí xung quanh nên có 3 khả năng ôxy hóa kim loại cơ bản và xỉ như sau:

+ Ôxy hóa trực tiếp kim loại nóng chảy ở nhiệt độ cao bởi các oxy tự do ở dạng nguyên tử

+ Ôxy hóa các oxít bậc thấp để thành các oxít bậc cao

+ Ôxy hóa trên cơ sở phản ứng trao đổi

2Fe + O2 = 2FeO 2Mn + O2 =2MnO 4Al + 3O2 = 2Al2O3

2Ca + O2 = 2CaO 2FeO + Si = SiO2 + 2Fe Các ôxit kim loại có thể hòa tan hoặc không hòa tan vào kim loại nóng chảy Việc khử ôxit này rất khó khăn Để các ôxit kim loại này không hòa tan vào kim loại, người ta phải có biện pháp khử ôxy hoặc đưa chúng vào xỉ hàn

- Quá trình khử oxy:

+ Diễn ra dưới dạng các phản ứng trao đổi Ngườt ta sử dụng các nguyên tố hợp kim có hoạt tính hóa học với ôxy cao hơn để khử ôxy cho các kim loại hoạt tính yếu hơn Các nguyên tố này gọi là nguyên tố khử ôxy như Al, Ti, mn, Si…Các nguyên tố này có ái lực mạnh với ôxy, để khử ôxy từ oxýt sắt FeO, đồng thời chúng có tác dụng hợp kim hóa mối hàn

+ Khử oxy bằng các phản ứng cho sản phẩm khí

FeO + C  CO + Fe FeO + CO  Fe + CO2

+ Khử oxy bằng các hệ xỉ hàn Ví dụ đối với hệ xỉ axit thường có Si2O hoặc

Ti2O, kết quả các ôxit sẽ được đưa vào xỉ

FeO + SiO2 (FeOSiO2) xỉ

Hoặc (FeOSiO2) + Mn  (MnOSiO2) + Fe

Ngoài hai quá trình trên ( ôxy hóa và khử ôxy), còn có quá trình hợp kim hóa mối

hàn, quá trình tinh luyện kim loại mối hàn (khử P, S) nhằm nâng cao chất lượng mối hàn

1.1.2 Tổ chức kim loại mối hàn

xỉ

Trang 6

Kim loại cơ bản Vùng ảnh hưởng

nhiệt

Vùng vũng hàn (mối hàn)

Hình 3-1 Các vùng quy ước trên mặt cắt ngang của liên kết hàn giáp mối

Khi xem xét sự kết tinh và cấu trúc của mối hàn nóng chảy, người ta thấy rằng: Nguồn nhiệt hàn nung nóng chảy kim loại que hàn và một phần kim loại vật hàn tạo nên vũng hàn chảy lỏng Vùng kim loại vật hàn lân cận bị ảnh hưởng của nguồn nhiệt hàn truyền ra gây sự thay đổi tổ chức và tính chất của nó, gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt

“AHN”, phía ngoài cùng là vùng kim loại cơ bản (hình 3-1)

1 Vùng vũng hàn (mối hàn):

Bao gồm kim loại bổ sung từ vật liệu hàn (dây hàn, que hàn, que hàn phụ,…) và một phần kim loại cơ bản Sau khi kết tinh, thành phần và tổ chức kim loại mối hàn có thể rất khác so với kim loại bổ sung và kim loại cơ bản

Sự kết tinh của kim loại khi hàn xảy ra giống như quá trình đúc, gồm hai quá trình: Quá trình sinh mầm tinh thể và quá trình phát triển mầm Các mầm tinh thể đầu tiên xuất hiện ở rìa, mép hàn của kim loại cơ bản, sau đó phát triển dần, đồng thời tiếp tục sinh ra các mầm mới nằm phía trong vũng hàn

Tổ chức kim loại vũng hàn gồm:

+ Vùng sát với kim loại cơ bản, do tốc độ nguội nhanh nên

hạt nhỏ mịn Vùng tiếp theo kim

loại kết tinh theo hướng thẳng

góc với bề mặt tản nhiệt tạo nên

dạng nhánh cây kéo dài (Tinh

thể hình trụ) Khi hàn mối hàn

nhiều lớp, sẽ tránh được cấu trúc tinh thể trụ thô

+ Vùng trung tâm mối hàn do nguội chậm nên hạt lớn đồng trục, vùng này thường lẫn tạp chất và tồn tại khuyết tật như rỗ khí, rỗ xỉ, sự thiên tích

2 Vùng ảnh hưởng nhiệt (AHN)

Hình 3-3 biểu thị đường cong phân bố nhiệt và sự thay đổi cấu trúc kim loại cơ bản trong vũng hàn và quan hệ với giản đồ trạng thái Fe-C của thép C thấp

Hình 3-2 Tổ chức kim loại vũng hàn

Tạp chất

(Tinh thể hình trụ)

Vùng hạt đồng trục

Trang 7

Vùng AHN có nhiệt độ cao là ở mép hàn, khoảng 1500oC rồi giảm dần đến 500 

600oC ở cách xa trục tâm đường hàn 180 mm về mỗi phía Do nhiệt độ thay đổi khác nhau mà tổ chức kim loại cũng thay

đổi khác nhau, gồm các vùng

sau:

- Vùng 1: Vùng kim loại chảy không hoàn toàn (vùng

quá độ)

- Vùng 2 là vùng quá nhiệt, vùng 3 là vùng thường

hóa (hay kết tinh lại hoàn

toàn), vùng 4 là vùng kết tinh

lại không chuyển biến pha,

vùng 5 là vùng kết tinh lại

hoàn toàn, vùng 6 là vùng dòn

xanh

Trong số các vùng đó, vùng quan tâm nhất là vùng

quá nhiệt (có nhiệt độ trên

1100oC), ở đây độ hạt lớn

hình thành tổ chức Vitmantet, do đó tính dẻo và độ dai va chạm giảm nhiều, là vùng yếu nhất của mối hàn Ngoài ra có vùng dòn xanh( có nhiệt độ dưới 500oC) tuy không thay đổi tổ chức, song do ảnh hưởng nhiệt mà tồn tại ứng suất dư, nên cũng làm cơ tính giảm khi

mối hàn làm việc có tải trọng

1.3 Tính hàn của kim loại và hợp kim

1.3.1 Khái niệm và phân loại

1 Khái niệm

- Tính hàn là khả năng của kim loại và hợp kim cho phép hình thành mối hàn bằng các công nghệ hàn thông thường thích hợp để mối hàn đạt được các tính chất cần thiết, đảm bảo độ tin cậy của liên kết hàn khi làm việc

- Phân loại: Chia thành 4 nhóm

+ Nhóm 1: Vật liệu có tính hàn tốt

Là những vật liệu cho phép tạo thành mối hàn bằng những biện pháp công nghệ bình thường, không phải sử dụng các biện pháp công nghệ đặc biệt (như nung nóng sơ bộ) Những vật liệu này sau khi hàn tạo thành mối hàn có cơ tính cao Như thép C thấp, và phần lớn thép hợp kim thấp…

+ Nhóm 2: Vật liệu có tính hàn thỏa mãn (tính hàn trung bình)

Là những vật liệu cho phép tạo thành mối hàn với cơ tính cần thiết trong những điều

Hình 3-3 Tổ chức kim loại vũng hàn và vùng

ảnh hưởng nhiệt khi hàn thép cacbon thấp

Trang 8

kiện nhất định

Đối với những vật liệu này phải xử lý nhiệt: Nung nóng sơ bộ và làm giảm tốc độ nguội Như thép C trung bình, một số thép hợp kim thấp và trung bình

+ Nhóm 3: Vật liệu có tính hàn hạn chế

Gồm những vật liệu chỉ cho phép tạo thành mối hàn trong các điều kiện công nghệ rất đặc biệt và phức tạp Gồm có thép cacbon cao, thép hợp kim cao

+ Nhóm 4: Vật liệu có tính hàn xấu

- Là các vật liệu không thể tạo thành mối hàn thỏa mãn yêu cầu, kể cả khi có xử lý bằng các biện pháp công nghệ đặc biệt Hàn các vật liệu này dễ bị các khuyết tật rỗ, nứt

Ví dụ như gang và một số hợp kim đặc biệt,

1.3.2 Đánh giá tính hàn của thép

Mục đích của việc này là xác định các chỉ tiêu sau:

- Thép có tính hàn không?

- Có khả năng tạo nứt nóng, nứt nguội không?

- Xác định nhiệt độ nung nóng sơ bộ

* Hàm lượng cacbon tương đương CE

CE: Đặc trưng cho tính chất của vật liệu, biểu hiện tính hàn của nó CE được tính theo hàm lượng của C và các nguyên tố hợp kim khác (Mn, Cr, Mo…) có trong thép

- Đối với thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp

15 5

V + Mo +

Cr 6

Mn + C

Cr, Mn, C: Thành phần hóa học của các nguyên tố đó có trong thép

Thông qua giá trị CE có thể đánh giá tính hàn của thép thuộc loại nào, Theo kinh nghiệm sản xuất người ta cũng có thể đánh giá gần đúng tính hàn của thép theo thành phần hóa học bằng cách so sánh tổng lượng các nguyên tố hợp kim

H.K(%) với hàm lượng của C có trong thép C (%) như bảng sau:

H.K(%) (Mn, Si, Cr, Ni…)

Tính hàn của thép theo % C

< 1,0 1,0 3,0

> 3,0

< 0,25

< 0,20

< 0,18

0,25  0,35 0,20  0,30 0,18  0,28

0,35  0,45 0,30  0,40 0,28  0,38

> 0,45

> 0,4

> 0,38

* Thông số đánh giá nứt nóng HCS Đối với thép C trung bình, thép hợp kim trung bình thì xác định theo công thức kinh nghiệm:

Trang 9

C, P, S… Thành phần hóa học của các nguyên tố có trong thép

Khi HCS  4 thì thép có khuynh hướng nứt nóng khi hàn

Dễ dàng nhận thấy S được coi là nguyên nhân chính gây ra nứt nóng C,P,S sẽ làm tăng mạnh khả năng nứt nóng Mn, Cr, Mo, V có tác dụng cản trở lại sự nứt nóng

* Thông số đánh giá nứt nguội PL

PL: Là thông số biểu thị sự ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim tới sự hình thành nứt nguội

10 4



K H P

P L CM  D

PCM: Là thông số biểu thị sự biến dòn của vùng ảnh hưởng nhiệt đối với thép hợp kim thấp

15

5 10 60 20

30

Mo B V Ni Cu Cr Mn Si C

P CM         

HD: Là hàm lượng H2 có trong kim loại mối hàn (ml/100g)

Khi PL 0,286 thì thép có khuynh hướng nứt nguội

Để hạn chế hiện tượng nứt nguội cần phải giảm hàm lượng C và H2 trong kim loại mối hàn (ví dụ dùng que hàn, thuốc hàn không ẩm có chứa ít H2)

* Xác định nhiệt độ nung nóng sơ bộ TP

Đối với thép C trung bình, cao, thép hợp kim cần phải nung nóng sơ bộ trước khi hàn

Nhiệt độ nung nóng sơ bộ được xác định theo công thức sau:

Trong đó CE - Hàm lượng C tương đương của thép

) ( 25 , 0

T P  E o

V Mo Cr Mn

Ni Si S P C

H CS













 3

10 100 25

3

Định dạng
Số trang	9
Dung lượng	273,66 KB