Đào Quang Kế3d 1Trường ĐH SPKT Hưng Yên 2Hội KHKT Hàn Việt Nam 3Học viện Nông nghiệp Việt Nam a lethoai.utehy@gmail.com, b nguyenminhtan.utehy.2008@gmail.com c hvchauweld@gmail.com, d
Trang 1NÂNG CAO NĂNG SUẤT CHẤT LƯỢNG KẾT CẤU HÀN BẰNG CÔNG
NGH Ệ HÀN TỰ ĐỘNG VỚI BỘT KIM LOẠI BỔ SUNG
IMPROVING PRODUCTIVITY AND QUALITY OF WELDING STRUCTURE
BY SUBMERGED ARC WELDING WITH ADDITIONAL METAL POWDER
ThS Lê Văn Thoài1a, ThS Nguy ễn Minh Tân1b,
TS H oàng Văn Châu2c, PGS.TS Đào Quang Kế3d
1Trường ĐH SPKT Hưng Yên
2Hội KHKT Hàn Việt Nam
3Học viện Nông nghiệp Việt Nam
a lethoai.utehy@gmail.com, b nguyenminhtan.utehy.2008@gmail.com
c hvchauweld@gmail.com, d dqke@vnua.edu.vn
TÓM T ẮT
Bài báo mô tả quá trình thực nghiệm hàn tự động với bột kim loại bổ sung để góp phần nâng cao năng suất, chất lượng trong hàn chế tạo kết cấu thép, nhằm mục tiêu giảm chi phí trong sản xuất và nâng cao chất lượng làm việc của sản phẩm Hàn tự động với bột kim loại
bổ sung có thể tăng năng suất lên từ 30 – 50% so với hàn tự động thông thường Sử dụng bột kim loại bổ sung có thành phần khác nhau có thể tạo ra lớp đắp với các chỉ tiêu cơ-lý-hóa tính theo yêu cầu đặt ra Với chế độ nhiệt hợp lý đã cho phép giảm số lượng đường hàn, giảm kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt và có được cấu trúc hạt mịn tại vùng này Công nghệ hàn tự động
với bột kim loại bổ sung cho phép sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng hồ quang và giảm tiêu
thụ thuốc bảo vệ trong khi hàn
Từ khóa: hàn tự động, SAW, bột kim loại bổ sung, vùng ảnh hưởng nhiệt, HAZ, năng
su ất, chất lượng, thuốc bảo vệ
ABSTRACT
The article describes the process of Submerged Arc Welding experiment with additional metal powder to help improve productivity and quality in manufacturing welded steel structure, aimed at reducing the cost of production and enhance the quality of work the product Submerged Arc Welding with metal powder additional can increase productivity by
30 - 50% compared with conventional automatic welding Using metal powder additional with various ingredients can create cover layer with mechanical-physical-chemical properties
as required poses With reasonable thermal regime has allowed reducing the number of welds, reduced size and heat affected zone can be fine-grained structure in this region Submerged Arc Welding technology with additional metal powder enables efficient use of energy sources and decreased consumption arc protection products during welding
Keywords: automatic welding, SAW, additional metal powders, heat affected zone,
HAZ, productivity, quality, fluxes
1 M Ở ĐẦU
Các giải pháp công nghệ đều hướng tới việc tăng năng suất, chất lượng của sản phẩm
nhằm mục đích mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất trong sản xuất Trong công nghệ hàn, để tăng năng suất và chất lượng trong hàn các kết cấu thì đồng thời với việc tăng khối lượng kim
loại đắp còn phải xác định được các chế độ công nghệ một cách hợp lý Công nghệ hàn tự động với bột kim loại bổ sung [1, 2, 6] ra đời đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra, đó là tăng khối
Trang 2lượng kim loại đắp, tăng năng suất quá trình hàn và đảm bảo về yêu cầu chất lượng hàn cho
kết cấu thép
2 CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG VỚI BỘT KIM LOẠI BỔ SUNG
2.1 Khái ni ệm chung
Công nghệ hàn tự động với bột kim loại bổ sung dựa trên cơ sở công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc (SAW) Đặc điểm khác của công nghệ hàn tự động với bột kim loại bổ sung là kim loại đắp vào rãnh hàn gồm bột kim loại bổ sung và dây hàn nóng chảy, còn hàn tự động dưới lớp thuốc kim loại đắp chủ yếu là từ dây hàn
Trong hàn tự động với bột kim loại bổ sung có thể hàn bằng một, hai hoặc nhiều điện
cực [2, 4] và có nhiều phương pháp cấp bột kim loại khác nhau tùy thuộc vào thiết bị hàn
Việc cấp chính xác bột kim loại rất quan trọng nó liên quan đến năng suất, chất lượng liên kết hàn [3]
Các đặc điểm của hàn tự động dưới lớp thuốc hàn với bột kim loại bổ sung:
-Tăng năng suất hàn lên một cách đáng kể (30 -50%) so với hàn tự động thông thường trong cùng một chế độ công suất tiêu thụ của hồ quang [3, 6] Điều này dẫn đến giảm bớt đương lượng nhiệt vào kim loại cơ bản và kết quả là giảm kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt
của mối hàn, trường ứng suất dư và biến dạng sau khi hàn cũng được cải thiện đáng kể
- Giảm số lượng đường hàn khi hàn các chi tiết có chiều dày lớn [3]
- Tạo điều kiện hợp kim hóa mối hàn từ bột kim loại bổ sung, việc điều chỉnh lượng kim
loại bột bổ sung có thể tạo ra các mối hàn có cơ tính theo yêu cầu [1]
Nguồn điện hàn tương tự nguồn hàn tự động dưới lớp thuốc (xoay chiều hoặc một chiều) song cường độ dòng hàn với bột kim loại bổ sung thường cao hơn và công nghệ hàn này hiệu quả khi hàn các chi tiết có chiều dày ≥ 10 mm [2, 3, 5]
2.2 V ật liệu hàn
Vật liệu hàn tự động với bột kim loại bổ sung bao gồm dây hàn, thuốc hàn và bột kim
loại bổ sung theo các tiêu chuẩn của vật liệu hàn Việc lựa chọn thuốc hàn, dây hàn, bột kim
loại phải căn cứ vào kim loại cơ bản và yêu cầu về cơ tính của mối hàn [6] Riêng với bột kim
loại bổ sung ngoài việc chọn loại bột phù hợp với kim loại cơ bản cần lưu ý tỷ lệ bột tham gia vào kim loại đắp phải hợp lý để đảm bảo được năng suất và cơ tính mối hàn yêu cầu
2.3 Các thông số công nghệ
Về cơ bản các thông số công nghệ hàn tự động với bột kim loại bổ sung giống hàn tự động dưới lớp thuốc [3, 4, 5] bao gồm đường kính dây d (mm), cường độ dòng điện hàn Ih
(A), điện áp hàn Uh (V), tốc độ hàn Vh (m/h), năng lượng đường qđ (cal/cm; KJ/cm)
Các thông số này ảnh hưởng đến hình dạng kích thước mối hàn, chất lượng của liên kết hàn, cụ thể:
- Đường kính dây: ảnh hưởng đến khối lượng kim loại đắp, đến chiều cao, chiều rộng
của mối hàn, vì vậy mỗi dạng liên kết hàn phải chọn đường kính dây hàn hợp lý để đảm bảo năng suất cũng như chất lượng của liên kết
- Cường độ dòng hàn: ảnh hưởng chủ yếu đến tốc độ đắp và chiều sâu ngấu, từ đó ảnh hưởng đến kích thước mối hàn, năng suất hàn Với hàn tự động bột kim loại bổ sung theo các công trình nghiên cứu đã công bố, để đảm bảo chiều sâu ngấu như hàn tự động thông thường và tránh khuyết tật đáy đường hàn thì cường độ dòng điện hàn thường cao hơn từ 100A - 200A
- Điện áp hàn: Chủ yếu làm tăng chiều rộng và giảm chiều cao mối hàn, chiều sâu ngấu
mối hàn Cần lựa chọn điện áp phù hợp với cường độ dòng hàn để đảm bảo hồ quang cháy ổn
Trang 3định đồng thời đảm bảo kích thước mối hàn, với hàn tự động bột kim loại bổ sung điện áp hàn trong khoảng 28 - 46V
- Tốc độ hàn: hàn với tốc độ nhanh, năng suất hàn cao song các kích thước mối hàn (chiều rộng, chiều cao, chiều sâu ngấu) đều giảm, hàn với tốc độ chậm thì ngược lại, nếu tốc
độ chậm quá có thể làm hỏng liên kết hàn Vì vậy với cường độ và điện áp đã xác định cần
chọn tốc độ hàn phù hợp với liên kết hàn
- Năng lượng đường: đặc trưng cho năng lượng quá trình hàn, nếu tốc độ hàn chậm, năng lượng đường lớn vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) lớn, làm giảm cơ tính mối hàn và gây
biến dạng liên kết hàn lớn
Việc xác định giá trị các thông số công nghệ sử dụng các công thức thực nghiệm như trong hàn tự động dưới lớp thuốc, sau đó điều chỉnh các thông số phù hợp với công nghệ hàn tự động bột kim loại bổ sung, đặc biệt là cường độ dòng hàn thường cao hơn như đã nêu ở trên
2.4 K ỹ thuật hàn [3]
- Liên kết hàn: Phụ thuộc vào chiều dầy chi tiết hàn có thể vát mép chữ V, X, K hoặc không vát mép, để khe hở… theo các tiêu chuẩn của liên kết hàn tự động Tùy thuộc dạng liên
kết có thể tiến hành hàn một phía hoặc hai phía
- Kỹ thuật hàn: nên đưa các liên kết về vị trí hàn thuận lợi nhất cho việc hình thành mối hàn và phải khắc phục hiện tượng thuốc hàn, bột kim loại chảy qua khe hở hàn về phía sau
Có thể sử dụng một số phương pháp để khắc phục hiện tượng này như hàn trên đệm thuốc, đệm đồng, sử dụng tấm lót đáy bằng thép, gốm hoặc hàn một lớp lót đáy trước Trong quá trình hàn phải đảm bảo đúng góc độ dây hàn và kiểm soát được chế độ hàn phù hợp
3 THI ẾT BỊ, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM
3.1 Thi ết bị hàn thử nghiệm
Sử dụng thiết bị hàn tự động Model MZ- 1000 với công nghệ IGBT và biến tần
B ảng 1 Thông số kỹ thuật của máy Thông s ố Đơn vị đo Giá tr ị
Trang 43.2 V ật liệu
3.2.1 Vật liệu cơ bản: sử dụng thép tấm chiều dày S = 14 mm, mác thép CT38 (TCVN
1765- 85) tương đương thép CT3 tiêu chuẩn ГOCT380-71
B ảng 2 Thành phần hóa học của vật liệu cơ bản Mác thép %C %Si %Mn %P (max) %S (max)
B ảng 3 Cơ tính của thép Mác thép σ t (N/mm 2 ) σ b (N/mm 2 ) δ s (%)
3.2.2 V ật liệu hàn: gồm thuốc hàn, dây hàn, bột kim loại dùng để hàn thép các bon
- Thuốc hàn: sử dụng thuốc HJ431, thuốc này dùng để hàn thép các bon và một số thép
hợp kim thấp
B ảng 4 Thành phần hóa học của thuốc hàn HJ 431
%SiO 2 +TiO 2 %CaF 2 %Al 2 O 3 +MnO %CaO+MgO %S %P
Thuốc được sấy ở nhiệt độ 200 -2500C trong thời gian 2- 3 giờ trước khi hàn
- Dây hàn: sử dụng dây H-08A, d = 3,2mm
Bảng 5 Thành phần hóa học của dây hàn H-08A
Bảng 6 Cơ tính của dây hàn H-08A Mác dây σ t (N/mm 2 ) σ b (N/mm 2 ) δ 5 (%) A kv (J)
- Bột kim loại bổ sung: sử dụng bột kim loại bổ sung W40.29 (Thụy Điển), mật độ 2,9g/cm3
Bột được sấy ở nhiệt độ 2500C trong thời gian 2- 3 giờ trước khi hàn
B ảng 7 Thành phần hóa học bột kim loại W40.29
3.3 Liên k ết hàn
Kích thước chi tiết của liên kết hàn là 14 x120 x 350 mm; liên kết vát mép chữ V theo tiêu chuẩn liên kết hàn tự động
- Các thông số liên kết: góc vát α = 300; khe hở hàn b = 4mm; mép cùn c = 1mm;
- Kích thước mối hàn: chiều rộng lấy e = 22mm; chiều cao g = 1,5mm
- Tiết diện ngang kim loại đắp: Tính theo công thức Fđ =128mm2
- Khối lượng kim loại đắp vào rãnh hàn m = 0,35kg
Trang 5- Các liên kết sử dụng lót đáy bằng kim loại để tránh thuốc, bột kim loại chảy qua khe
hở hàn
3.4 Thông số chế độ hàn thực nghiệm
- Mẫu hàn tự động dưới lớp thuốc không có bột kim loại bổ sung (MK): hàn hai lớp với
chế độ hàn giống nhau với: d = 3,2mm; Ih = 550 A; Uh = 36 V; Vh = 16,5 m/h
- Mẫu hàn tự động với bột kim loại bổ sung (MB): thực hiện hàn một lớp với tỷ lệ bột tham gia vào kim loại đắp 29% (0,1kg), chế độ hàn d = 3,2mm; Ih = 650A; Uh = 34V; Vh = 14 m/h
Hình 1 Th ực nghiệm hàn mẫu
4 K ẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
4.1 Gia công m ẫu để kiểm tra
- Sau khi hàn xong, để nguội và làm sạch liên kết hàn để gia công mẫu kiểm tra
Hình 2 Gia công m ẫu
Hình 3 Các m ẫu kiểm tra
Trang 6- Kiểm tra mẫu được thực hiện tại Trung tâm Thử nghiệm Kiểm định công nghiệp (TCV1) – Viện Máy mỏ bao gồm: xác định cơ tính mối hàn, chụp tổ chức tế vi của mối hàn
và vùng ảnh hưởng nhiệt
4.2 Bàn lu ận kết quả nghiên cứu thực nghiệm
4.2.1 V ề năng suất hàn
Các số liệu đo và tính toán năng suất khi hàn tự động không có bột kim loại và có bột kim loại bổ sung:
B ảng 8 Tính toán năng suất hàn
Lo ại
m ẫu Công ngh hàn ệ
Dòng hàn (A)
Điện áp hàn (V)
Năng suất kim loại đắp
(kg/h)
Th ời gian hàn (min/ m)
Từ dây hàn
Từ bột kim loại Tổng
MK
(hàn 2 lớp)
Không có
MB
(hàn 1 l ớp)
Có bột bổ
sung
- So sánh ta thấy với hàn có bột kim loại bổ sung thời gian hàn giảm 40,2%, năng suất kim loại đắp tăng tới 44,57% so với hàn tự động thông thường không có bột kim loại bổ sung
- Cường độ dòng hàn tăng so với hàn tự động thông thường, còn điện áp thay đổi không đáng kể
4.2.2.C ấu trúc tế vi mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt
Kết quả chụp tổ chức tế vi các mẫu của liên kết hàn thử nghiệm:
Hình 4 M ẫu có bột kim loại bổ sung Hình 5 Mẫu không bột kim loại bổ sung
Hình 6 Ảnh tổ chức tế vi mối hàn
có b ột kim loại bổ sung Hình 7 Ảnh tổ chức tế vi vùng ảnh hưởng nhi ệt mối hàn có bột kim loại bổ sung
Trang 7
Hình 8 Ảnh tổ chức tế vi mối hàn không
có b ột kim loại bổ sung nhi Hình 9 ệt mối hàn không có bột kim loại bổ sung Ảnh tổ chức tế vi vùng ảnh hưởng
Xem xét nghiên cứu các ảnh chụp tổ chức tế vi của hai liên kết hàn ta có thể nhận thấy
và đánh giá kết quả thực nghiệm như sau:
- Mối hàn của cả hai liên kết đều không xuất hiện các khuyết tật như nứt hoặc rỗ khí
- Chiều rộng của mối hàn có bột kim loại bổ sung là eb = 25mm, nhỏ hơn mối hàn không có bột kim loại bổ sung là ek = 27mm Việc tăng cường độ dòng điện khi hàn có bột kim loại có chiều sâu chảy ngấu của tấm lót đáy thấp hơn khi hàn không bột chứng tỏ năng lượng hồ quang đã tiêu tốn làm nóng chảy bột là đáng kể
- Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt (AHZ) liên kết hàn có bột kim loại bổ sung khoảng 2mm, nhỏ hơn so với hàn không có bột (≈ 3mm) Điều này hoàn toàn phù hợp với dự kiến vì liên kết hàn không có bột thực hiện hàn hai lớp nên vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn lớp thứ
nhất lại được bổ sung khi hàn lớp thứ hai Còn trường hợp hàn một lớp khi hàn không có bột kim loại năng suất đắp thấp, tốc độ hàn chậm lên năng lượng hồ quang mất vào kim loại cơ
bản lớn làm tăng kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt
- Nghiên cứu về cấu trúc của tổ chức tế vi cho thấy: mối hàn có bột kim loại bổ sung có
tỉ lệ các hạt ferrit nhiều hơn, phân tán đều hơn so với mối hàn không có bột kim loại Điều này liên quan tới việc sử dụng bột kim loại bổ sung và các thông số công nghệ sử dụng trong hàn, đây là vấn đề cần tiếp tục được nghiên cứu bổ sung thêm Đối với vùng ảnh hưởng nhiệt:
cấu trúc tổ chức tế vi vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của hai liên kết hàn có và không có bột kim loại bổ sung là tương tự như nhau, các cấu trúc hạt ferrit nhỏ và phân bố tương đối đều
4.2.3 Năng lượng hồ quang
Khi hàn tự động không có bột kim loại bổ sung thì năng suất kim loại đắp thấp, tốc độ hàn chậm, năng lượng hồ quang tổn hao vào kim loại cơ bản lớn Nếu hai liên kết có bột kim
loại bổ sung và không có bột đều thực hiện hàn một lớp với chế độ công nghệ đã xác định thì
sự tổn hao năng lượng hồ quang vào kim loại cơ bản sau khi tính toán là: hàn không có bột (68,8 KJ/mm); có bột kim loai (49,4KJ/mm) Như vậy sự sụt giảm năng lượng khi hàn không
có bột lớn hơn có bột (19,4KJ/mm), tức là hiệu quả sử dụng hồ quang thấp hơn
4.2.4 Đánh giá thử nghiệm cơ tính các mẫu hàn
B ảng 9 Kết quả thử cơ tính mẫu hàn
Lo ại mẫu σ T (MPa) σ b (MPa) Độ cứng (HV) δ (%)
Nhìn chung các chỉ tiêu về cơ tính của hai liên kết hàn tương đương nhau, mặc dù có sự chênh lệch song rất nhỏ Riêng về độ cứng của liên kết có bột kim loại bổ sung thấp hơn một chút, do hàm lượng ferrit trong mối hàn có bột kim loại bổ sung cao hơn, điều này liên quan
Trang 8đến việc chọn bột kim loại bổ sung Vì vậy để cải thiện cơ tính của mối hàn cần sử dụng bột kim loại phù hợp thúc đẩy tốt quá trình hợp kim hóa kim loại đắp
5 KẾT LUẬN
Bằng việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm công nghệ hàn tự động với bột kim loại
bổ sung có thể rút ra một số kết luận sau:
- Nâng cao năng suất hàn so với hàn tự động thông thường (44,57%) song vẫn đảm bảo được yêu cầu về chất lượng liên kết hàn Việc điều khiển chính xác và sử dụng bột kim loại phù hợp khác nhau có thể tạo ra lớp đắp với cơ tính yêu cầu
- Kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt giảm từ ≈ 3 mm xuống còn ≈ 2 mm, giảm được biến
dạng và ứng suất dư của liên kết sau khi hàn
- Sử dụng hiệu quả năng lượng hồ quang trong quá trình hàn (quá trình sụt giảm năng lượng khi hàn không có bột lớn hơn có bột tới 19,4KJ/mm, nghĩa là hiệu quả sử dụng hồ quang thấp hơn), giảm số lượng đường hàn khi hàn các liên kết có chiều dày lớn, từ đó tiết
kiệm được thuốc hàn và rút ngắn thời gian hoàn thành mối hàn
TÀI LI ỆU THAM KHẢO
[1] J Tušekaa, M Subanbb, High-Productivity Multiple-Wire Submerged-Arc Welding and
Cladding with Metal-Powder Addition Faculty of Mechanical Engineering, University of
Ljubljana, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana, Slovenia Institut za varilstvo, Ptujska 19, 1000 Ljubljana, Slovenia
[2] Welding research Supplement to the Welding Journal, Sponsored by the American Welding Society and the Welding Research Council August 1991
[3] Final report Automatic submerged arc welding with metal powder additsions to increase
productivity and maintain quality June 1986
[4] Ngô Lê Thông, Công ngh ệ hàn điện nóng chảy Tập I, II, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà
Nội 2004
[5] Nguyễn Văn Thông,Vật liệu hàn, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội 2007
[6] Eichhorn F., Kerkmann M., Submerged Arc Welding with Metal Powder Additions IIW-
Doc XII – 804/83 10p 1983
AUTHOR’S INFORMATION
1 ThS Lê Văn Thoài Trường ĐH SPKT Hưng Yên
lethoai.utehy@gmail.com 0912 206 388
nguyenminhtan.utehy.2008@gmail.com 0978 452 890
3 TS Hoàng Văn Châu Hội KHKT Hàn Việt Nam
hvchauweld@gmail.com 0913 003 681
4 PGS.TS Đào Quang Kế Học viện Nông nghiệp Việt Nam
dqke@vnua.edu.vn 0904 365 844
