Luận văn mạnh SD 08 11

 Tối ưu hóa thành phần các chất tạo xỉ chủ yếu trong mẻ liệu thuốc hàn thiêukết hệ bazơ thấp F7AP2-BK đảm bảo các chỉ tiêu công nghệ hàn của thuốc.Những kết quả nghiên cứu của đề tài

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Xuân Mạnh, học viên lớp Cao học ngành Công nghệ Hàn –

Khoá 2011, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần mẻ liệu đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết tương đương với F7A(P)2 theo AWS A5.17-80”.

Tác giả tham gia đề tài nhánh thuộc Đề tài Khoa học và Công nghệ Trọngđiểm cấp Nhà nước mã số KC.02.04/11-15 do TS Vũ Huy Lân làm Chủ nhiệm Đềtài Tác giả xin cam đoan rằng: Ngoại trừ các số liệu, các bảng biểu, các đồ thị,…

đã được trích dẫn từ tài liệu tham khảo thì các số liệu, nội dung còn lại được công

bố trong Luận văn này là của tác giả và nhóm tác giả tham gia Đề tài đưa ra Nếusai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2013

Học viên

Nguyễn Xuân Mạnh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 6

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÀN DƯỚI LỚP THUỐC 11

1.1 SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH HÀN DƯỚI LỚP THUỐC HÀN 11

1.1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn dưới lớp thuốc 11

1.1.2 Chức năng, công dụng của thuốc hàn 16

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG THUỐC HÀN 17

1.2.1 Nghiên cứu và ứng dụng thuốc hàn trên Thế giới 17

1.2.2 Nghiên cứu và ứng dụng thuốc hàn ở Việt Nam 18

1.3 ĐỐI TƯỢNG, MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 20

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 23

1.3.2 Mục tiêu nghiên cứu 23

1.3.3 Nội dung nghiên cứu 23

CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC VỀ THUỐC HÀN VÀ NỀN TẠO XỈ 24

2.1 CÁC CHỈ TIÊU CƠ BẢN CỦA THUỐC HÀN-DÂY HÀN 24

2.1.1 Các chỉ tiêu cơ bản của thuốc hàn – dây hàn 24

2.1.2 Các chỉ tiêu công nghệ hàn của thuốc hàn 24

2.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật của thuốc hàn 24

2.2 CÁC NHÓM CHẤT CHỦ YẾU, PHÂN LOẠI VÀ KÍ HIỆU THUỐC HÀN 25

2.2.1 Các nhóm chất chủ yếu trong thành phần thuốc hàn 25

2.2.2 Phân loại thuốc hàn 27

2.2.3 Kí hiệu thuốc hàn và dây hàn thép cacbon 27

2.3 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ XỈ HÀN 33

2.3.1 Khái niệm 33

2.3.2 Các tính chất lý hóa của xỉ hàn 33

2.3.3 Một số cách phân loại xỉ hàn 41

2.4 CÁCH TÍNH TOÁN ĐƠN THUỐC HÀN 44

2.4.1 Phân tích, chọn nền tạo xỉ hàn 44

2.4.2 Cách tính toán đơn thuốc hàn 48

2.4.3 Sơ đồ nghiên cứu 52

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH CÔNG NGHỆ HÀN CỦA THUỐC HÀN .55

3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẤT ĐẾN TÍNH CÔNG NGHỆ HÀN 55

3.1.1 Các chỉ tiêu công nghệ hàn 55

3.1.2 Tính ổn định hồ quang hàn và chiều dài hồ quang tới hạn 55

3.1.3 Kích thước và hình dạng mối hàn 56

3.1.4 Tính bong xỉ hàn 56

3.1.5 Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần thuốc hàn đến tính công nghệ hàn 57

3.2 ỨNG DỤNG QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM 57

3.2.1 Xây dựng phương trình hồi quy 57

3.2.2 Tối ưu hóa thành phần các chất đảm bảo tính công nghệ hàn 68

3.3 MÔ TẢ PHƯƠNG PHÁP CÁC THÍ NGHIỆM 70

3.3.1 Vật liệu, thiết bị và chế độ hàn thực nghiệm 70

3.3.2 Cách xác định chiều dài hồ quang tới hạn 72

3.3.3 Cách xác định kích thước và hình dạng mối hàn 73

3.3.4 Cách xác định công bong xỉ hàn 74

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TÍNH CÔNG NGHỆ HÀN 78

4.1 XÂY DỰNG KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM 78

4.1.1 Khảo sát chọn dạng mô hình 78

4.1.2 Lập kế hoạch thực nghiệm 79

4.1.3 Các thông số chế độ hàn dùng để nghiên cứu 80

4.2 THỰC NGHIỆM VỀ CÁC CHỈ TIÊU CÔNG NGHỆ HÀN 80

4.2.1 Đo chiều dài hồ quang tới hạn 80

4.2.2 Đo các kích thước và hình dạng mối hàn 82

4.2.3 Thử nghiệm công bong xỉ 82

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY VÀ TỐI ƯU HÓA 86

5.1 XÂY DỰNG CÁC PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY 86

5.1.1 Phần mềm xác định các hệ số phương trình hồi quy 86

5.1.2 Các phương trình hồi quy 86

5.1.3 Biểu diễn các đường đặc trưng 90

5.2 TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN TẠO XỈ 104

5.2.1 Giới thiệu phương pháp tối ưu 104

5.2.2 Kết quả tối ưu các chất trong thành phần thuốc hàn 105

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

PHỤ LỤC……… ……… 109

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ASTM American Society for Testing of Materials

DCEN, DC- Direct Current Electrode Negative

DCEP, DC+ Direct Current Electrode Positive

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Chỉ tiêu cơ tính của kim loại mối hàn của thuốc hàn-dây

Bảng 2.1 Phân loại và ký hiệu thuốc hàn theo IIW - 545 - 78 29

Bảng 2.2 Yêu cầu về cơ tính kim loại mối hàn theo AWS A5.17 - 80 32

Bảng 2.3 Công thử dai va đập của kim loại mối hàn 32

Bảng 2.4 Thành phần hóa học và một số thông số chủ yếu của dây

hàn tự động dưới lớp thuốc theo AWS A5.17-80 32Bảng 2.5 Các loại xỉ hàn theo thành phần hóa học và các chất chính

Bảng 2.6 Thành phần sơ bộ mẻ liệu thuốc hàn (mẻ liệu khô) 52

Bảng 3.1 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào 63

Bảng 3.2 Kế hoạch thực nghiệm bậc 2 trực giao (với biến mã hóa) 65

Bảng 3.3 Thành phần hóa học của dây hàn SM400B, (%) 71

Bảng 3.4 Thành phần hóa học của dây hàn EL8, (%) 71

Bảng 4.1 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố 80

băng

13

Hình 1.5 Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng 14

Hình 2.4 Sự thay đổi độ nhớt của xỉ phụ thuộc vào nhiệt độ 41Hình 2.5 Giản đồ trạng thái nhiệt độ của hệ xỉ hàn, 0C 47Hình 2.6 Độ sệt của xỉ hàn ở nhiệt độ 16000C, pa.s 48Hình 2.7 Sức căng bề mặt của hệ xỉ hàn ở 16000c, J/m2 49

Hình 3.1 Ảnh hưởng của một số hợp chất đến chiều dài tới hạn của hồ

Hình 3.4 Mẫu phôi hàn xác định độ ổn định của hồ quang 74

Hình 5.1 Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng MgOtrong

Hình 5.2 Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng Al2O3

Hình 5.3 Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng CaF2

Hình 5.4 Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng TiO2 trong

Hình 5.5 Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng MgO,

Al2O3 ,CaF2, với TiO2 = 25%trong mẻ liệu thuốc hàn 93

Hình 5.6 Sự phụ thuộc của bề rộng mối hàn vào hàm lượng MgO trong

Hình 5.10 Sự phụ thuộc của bề rộng mối hàn vào hàm lượng MgO, Al2O3,

CaF2, với TiO2 = 25%trong mẻ liệu thuốc hàn 95

Hình 5.11 Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng MgO trong

Hình 5.15 Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng MgO,

Al2O3 ,CaF2,với TiO2 = 25%trong mẻ liệu thuốc hàn 98

Hình 5.16 Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượng MgO

Hình 5.17 Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượng

Hình 5.18 Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượngCaF2

Hình 5.19 Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượng TiO2

Hình 5.20 Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượng MgO,

Al2O3 ,CaF2,T với TiO2 = 25%trong mẻ liệu thuốc hàn 100

Hình 5.21 Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng MgO

Hình 5.22 Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng AlO3

Hình 5.23 Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng CaF2

Hình 5.24 Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng TiO2

Hình 5.25 Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng

MgO, Al2O3 ,CaF2,với TiO2 = 25%trong mẻ liệu thuốc hàn 103

MỞ ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá ở Việt Nam ngành công nghệ hàn cũngkhông ngừng phát triển, để nâng cao năng suất và chất lượng hàn ngành hàn ứngdụng nhiều công nghệ hàn tiên tiến, trong số đó công nghệ hàn tự động dưới lớpthuốc được dùng trong lĩnh vực đóng tàu và chế tạo kết cấu thép, Tuy nhiên, thuốchàn chủ yếu còn phải nhập từ nước ngoài, để khắc phục tình trạng này một số cơ sởnghiên cứu và sản xuất vật liệu hàn trong nước đã nghiên cứu và chế tạo thử Tuynhiên kết quả còn hạn chế, do chưa nghiên cứu đầy đủ các chỉ tiêu cơ bản cần thiết

để nâng cao chất lượng thuốc hàn

Nội dung nghiên cứu của luận văn: “Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần

mẻ liệu đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết tương đương với F7A(P)2 theo AWS A5.17-80”.

Các nội dung chủ yếu của đề tài gồm:

 Tổng quan về hàn dưới lớp thuốc, tình hình nghiên cứu, ứng dụng thuốc hànthiêu kết trên thế giới và Việt Nam để hàn tự động dưới lớp thuốc hàn thiêukết hệ bazơ thấp và những giải pháp điều chỉnh hàm lượng các chất khi chếtạo thuốc hàn

 Nghiên cứu, lựa chọn loại nền tạo xỉ hàn đáp ứng chỉ số bazơ (B≈1,1) vàkhảo sát, lựa chọn nguồn nguyên liệu tạo xỉ đưa vào thành phần thuốc hànhợp lý với nguyên tắc sử dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước

 Nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên liệu tạo xỉ chủ yếu đưa vào thuốc hànđến tính công nghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ thấp

 Tối ưu hóa thành phần các chất tạo xỉ chủ yếu trong mẻ liệu thuốc hàn thiêukết hệ bazơ thấp F7A(P)2-BK đảm bảo các chỉ tiêu công nghệ hàn của thuốc.Những kết quả nghiên cứu của đề tài này là một phần quan trọng và có tính nềntảng cho việc xác định thành phần đơn thuốc hàn sản xuất bằng nguyên vật liệutrong nước loại F7A(P)2-BK

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của TS.Vũ HuyLân và các thày cô bộ môn Hàn & công nghệ kim loại, viện Cơ khí, Trường ĐH

Bách Khoa, Ban Giám đốc và tập thể cán bộ Công ty Que hàn điện Việt Đức,… đã

tận tình giúp đỡ tôi trong việc hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÀN DƯỚI LỚP THUỐC

1.1 Sơ lược về quá trình hàn dưới lớp thuốc hàn

1.1.1 Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn dưới lớp thuốc

Quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ còn gọi là hàn hồ quang chìm(hồ quang ngầm) (SAW- Submerged Arc Welding) là quá trình hàn điện nóng chảy,dùng nguồn nhiệt từ hồ quang điện sinh ra giữa điện cực hàn và vật hàn Một phầnlượng nhiệt sinh ra do hồ quang điện làm nóng chảy kim loại điện cực và kim loại

cơ bản, sau đó kim loại vũng hàn kết tinh tạo thành mối hàn Phần nhiệt khác làmnóng chảy thuốc hàn, tạo thành lớp xỉ bảo vệ vùng hồ quang và vũng hàn khỏi sựxâm nhập và ảnh hưởng có hại của môi trường khí quyển

Do tác dụng nhiệt của hồ quang, mép hàn, dây hàn và một phần thuốc hànsát hồ quang bị nóng chảy tạo thành vòm hồ quang và vũng hàn Dây hàn được đẩyvào vũng hàn bằng một cơ cấu cấp dây với tốc độ phù hợp với tốc độ nóng chảy của

nó và đảm bảo duy trì hồ quang cháy ổn định Khi hồ quang hàn di chuyển theohướng hàn kim loại lỏng trong vũng hàn sẽ nguội và kết tinh tạo thành mối hàn.Trên mặt vũng hàn và phần mối hàn kết tinh hình thành một lớp xỉ có tác dụng thamgia vào các quá trình luyện kim khi hàn, bảo vệ và giữ nhiệt cho mối hàn và sẽ táchkhỏi mối hàn sau khi hàn

Các chuyển động cấp dây hàn, dao động điện cực và chuyển động theođường hàn thường được cơ giới hóa Tùy theo mức độ tự động của các chuyển độngnày mà chia thành hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc

Sơ đồ nguyên lý của quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc có thể tham khảo trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc

Hình 1.2 Thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

Hình 1.3 Thiết bị hàn hai phía tự động dưới lớp thuốc

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng

Hình 1.5 Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng

 Đặc điểm hàn hồ quang dưới lớp thuốc :

- Quá trình hàn hồ quang cháy ngầm dưới lớp thuốc, một phần thuốc hàn nóngchảy tạo thành vòm xỉ bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác dụng có hạicủa oxi và nitơ của môi trường xung quanh

- Hồ quang rất tập trung và nhiệt độ cao (so với các phương pháp hàn khácnhư hàn hồ quang tay, hàn TIG, MIG/MAG, ) , cho phép hàn với tốc độ lớn và cóthể hàn những chi tiết có chiều dày lớn, tiết kiệm kim loại và sức lao động

- Chất lượng kim loại mối hàn cao do vùng hàn được bảo vệ tốt khỏi tác dụngcủa oxi và nitơ trong khí quyển xung quanh Lớp thuốc và xỉ hàn làm mối hàn nguộichậm nên tổ chức kim loại mịn và đồng đều hơn

- Mối hàn có hình dạng đều đẹp, ít khuyết tật như không ngấu, rỗ khí, rỗ xỉ

- Giảm tiêu hao vật liệu, không bắn tóe kim loại, nên hệ số đắp cao, ít tổn thất

- Điều kiện lao động cải thiện do hồ quang được bao bọc kín bởi thuốc hànnên không làm hại mắt và da của thợ hàn Lượng khí (khói, bụi) sinh ra trong quátrình hàn rất ít so với hàn hồ quang tay

- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa quá trình hàn, năng suất hàn cao

- Hàn các kết cấu thép dạng tấm, vỏ kích thước lớn, các dầm thép có khẩu độ

và chiều cao, các ống thép có đường kính lớn, các bồn, bể chứa, bình chịu áp lực vàtrong công nghiệp

- Được ứng dụng để hàn các mối hàn ở tư thế hàn bằng (hàn sấp), hàn góc tưthế hàn ngang, mối hàn ngang với các mối hàn có chiều dài lớn và có quỹ đạokhông phức tạp, đường kính không quá nhỏ

- Hàn được các chi tiết có chiều dày từ vài mm cho đến hàng trăm mm

1.1.2 Chức năng, công dụng của thuốc hàn

 Khái niệm: Thuốc hàn là hỗn hợp gồm nhiều thành phần, được chế tạo

ở dạng hạt có kích thước xác định trong khoảng 0,25 ÷ 2,0 mm

Hình 1.6 Dạng thuốc hàn

 Chức năng, công dụng của thuốc hàn:

- Bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác dụng có hại của môi trường

xung quanh

- Tạo ra môi trường ion hóa dễ gây hồ quang và ổn định hồ quang hàn.

- Tạo dáng mối hàn, làm cho kim loại mối hàn nguội chậm và tạo điều kiện

thuận lợi thoát hiđrô từ mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt, cải thiện tổ chức tế vi

- Khử oxi và các tạp chất có hại (S, P), tinh luyện kim loại mối hàn

- Có thể hợp kim hóa kim loại mối hàn để cải thiện tổ chức kim loại và nâng

cao cơ tính kim loại mối hàn

- Tránh bức xạ của hồ quang, cải thiện điều kiện lao động.

- Quá trình hàn kim loại điện cực không bị bắn toé, nâng cao năng suất hàn,

giảm tổn thất

- Giảm khuyết tật bên trong: rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu, do cải thiện điều

kiện hình thành mối hàn và có thể sử dụng chế độ hàn cao

- Có các tiêu chí vệ sinh công nghiệp tốt: giảm lượng khí thải và bụi sinh ra

trong quá trình hàn

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng thuốc hàn

1.2.1 Nghiên cứu và ứng dụng thuốc hàn trên Thế giới

Quá trình phát triển công nghiệp, ngành công nghệ hàn đóng vai trò quantrọng trong việc chế tạo các kết cấu thép bằng hàn cho các ngành công nghiệp mũinhọn như ngành dầu khí, hóa dầu, công nghiệp đóng tàu, giao thông, chế tạo máy,lắp máy, thủy điện, nhiệt điện, để nâng cao năng suất và chất lượng các kết cấu

hàn, ngày càng ứng dụng nhiều phương pháp hàn tiên tiến có mức độ cơ giới hóa, tựđộng hóa cao, trong đó phải kể đến phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc đểhàn những đường hàn dài ở tư thế hàn bằng và hàn góc trong các kết cấu hàn lớn vàyêu cầu chất lượng cao

Vật liệu hàn dùng trong công nghệ hàn dưới lớp thuốc gồm dây hàn và thuốchàn Thuốc hàn có vai trò rất quan trọng, nó bảo vệ kim loại vùng hàn khỏi tác dụng

có hại của không khí, ổn định quá trình hàn, tinh luyện và hợp kim hóa kim loại mốihàn Trên thế giới sản xuất nhiều mác thuốc hàn khác nhau, tuy nhiên theo phươngpháp chế tạo và công nghệ có thể chia làm 3 loại chủ yếu: thuốc hàn nung chảy,thuốc hàn gốm (nhiệt độ sấy ≤ 500°C) và thuốc hàn thiêu kết (nhiệt độ thiêu kết >

500 °C)

Trên thế giới thuốc hàn thiêu kết ngày càng được ứng dụng rộng rãi do cónhiều ưu điểm như: khả năng tinh luyện các tạp chất có hại và hợp kim hóa kim loạimối hàn cao, thành phần thuốc hàn dễ điều chỉnh để đạt được thành phần hóa họckim loại mối hàn theo yêu cầu với số chủng loại mác dây hàn tiêu chuẩn không cầnnhiều, giá thành hạ Nó đã khắc phục được nhược điểm rất quan trọng là độ ẩm caocủa thuốc hàn gốm và cho phép nhận được mối hàn chất lượng cao, nên thuốc hànthiêu kết ngày càng được sự quan tâm và phát triển ở nhiều nước công nghiệp tiêntiến Các nhà nghiên cứu và sản xuất lớn trên thế giới như: Thụy Điển (hãng Esab),Ucraine (viện Hàn Paton), Hàn Quốc (hãng Hyundai, Chosun, Kiswel ), Mỹ(Hobart), Đài Loan,

Để phân loại và kí hiệu thuốc hàn tồn tại các hệ thống kí hiệu và tiêu chuẩn

về thuốc hàn đối với các nước có khác nhau, hiện nay tiêu chuẩn của Hiệp hội hànMỹ (AWS) được sử dụng phổ biến hơn cả, tuy nhiên Tiêu chuẩn của AWS chỉ đưa

ra cặp thuốc hàn – dây hàn tương ứng để đạt được các chỉ tiêu về cơ tính và thànhphần hóa học kim loại mối hàn, mà không giới thiệu thành phần thuốc hàn và cácchỉ số quan trọng có liên quan đến chất lượng thuốc hàn Hãng ESAB (Thụy Điển)ngoài việc áp dụng theo tiêu chuẩn AWS, còn giới thiệu về các chỉ số về tính chấthóa học (chỉ số bazơ của thuốc hàn – xỉ hàn, tính chất thuốc hàn, lượng thuốc hànnóng chảy theo chế độ hàn, ) và thành phần của xỉ hàn trong phạm vi cho phép để

người sử dụng tham khảo và các khuyến cáo rất rõ ràng.

1.2.2 Nghiên cứu và ứng dụng thuốc hàn ở Việt Nam

Trong công cuộc kiến thiết đất nước ở Việt Nam, các ngành công nghiệpđóng tàu, chế tạo các kết cấu thép trong dầu khí, hóa dầu, nhiệt điện, thủy điện, hóachất, phát triển mạnh, thúc đẩy ngành công nghệ hàn phát triển và có nhu cầunhiều về vật liệu hàn Trong đó có nhu cầu về thuốc hàn để hàn tự động dưới lớpthuốc nhằm nâng cao năng suất và chất lượng các công trình và kết cấu hàn Tuy sốlượng cơ sở sản xuất vật liệu hàn ở nước ta khá lớn, nhưng chủ yếu chỉ sản xuất quehàn điện và dây hàn, còn thuốc hàn chủ yếu phải nhập ngoại

Một số viện nghiên cứu và cơ sở sản xuất vật liệu hàn đã tiến hành nghiêncứu và chế tạo thuốc hàn gốm Điển hình là các công trình nghiên cứu sau:

- Thuốc hàn mác H400 của Công ty CP Công nghiệp Vật liệu hàn Nam Triệumới dừng lại ở mức độ sản xuất thử

- Đề tài nghiên cứu thuốc hàn tự động của Viện Công nghệ, Bộ CôngThương cũng chỉ dừng lại ở kết quả thử nghiệm (2007)

- Công ty CP Que hàn điện Việt Đức, Bộ Công Thương đã nghiên cứu đề tài

về thuốc hàn gốm mác F7-VD (hoặc AR-7) (2008)

Đó là tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn gốm và thuốc hàn thiêu kếtở nước ta Trong khi đó xu thế của thế giới là sử dụng thuốc hàn thiêu kết để đápứng yêu cầu của các công trình và kết cấu hàn chất lượng cao, Việt Nam ngày càngphải nhập khẩu lượng thuốc hàn thiêu kết rất lớn với giá cao Do vậy, cần chủ động

tự nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn để tận dụng nguồn nguyên liệu tiềm năng vàdồi dào trong nước để hàn tự động dưới lớp thuốc các kết cấu thép cacbon thấp vàthép hợp kim thấp

1.3 Đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong công trình này là thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ thấploại F7A(P)2-EL8 (kết hợp với dây hàn EL8) được hàn trên kim loại cơ bản thép

SM 400 – thép cacbon kết cấu hàn theo JIS G3106 -1999 tương đương ASTM A573

Bảng 1.1 Chỉ tiêu cơ tính của kim loại mối hàn của thuốc hàn-dây hàn

F7A(P)2-EL8 theo AWS A5.17-80

Loại thuốc hàn-dây hàn

theo AWS A5.17-80

Độ bền kéo σ k Độ bền chảy σc

tối thiểu Độ giãn

dài tương đối δ, (%)

Công độ dai va đập

A k tối thiểu theo Charpy V, J ở nhiệt độ ( o C) ksi MPa ksi MPa

F7A(P)2-EL8 70-95 480-660 58 400 22 27 (-29 o C)

Các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn được kiểm tra theo tiêu chuẩn

ANSI/AWS B4.0

Nguồn nguyên liệu để sản xuất thuốc hàn sẽ tận dụng những nguyên liệu sẵn

có trong nước đến mức tối đa (phụ lục 1)

1.3.2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn thiêukết hệ bazơ F7A(P)2 theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 đến các đặc tính công nghệ hàn của thuốc, trên cơ sở đó xác định được hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần thuốc hàn đảm bảo tính công nghệ hàn khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết

hệ bazơ F7A(P)2 theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80

1.3.3 Nội dung nghiên cứu

- Nội dung của Luận văn gồm 5 và phần Kết luận, kiến nghị

- Các nội dung chính được thực hiện gồm:

+ Khảo sát, chọn xỉ hàn và các chất đưa vào thành phần thuốc hàn với chỉ sốbazơ thấp (B≈1,1)

+ Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các chất tạo xỉ chủ yếu trong thuốchàn đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ thấp

+ Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm xác định hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếutrong thành phần mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ thấp F7A(P)2-BK

CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC VỀ THUỐC HÀN VÀ NỀN TẠO XỈ HÀN

2.1 CÁC CHỈ TIÊU CƠ BẢN CỦA THUỐC HÀN-DÂY HÀN

2.1.1 Các chỉ tiêu cơ bản của thuốc hàn – dây hàn

Khi hàn dưới lớp thuốc, thuốc hàn kết hợp với dây hàn phải đạt được các chỉtiêu chính sau đây :

 Chỉ tiêu về cơ tính của kim loại mối hàn

 Chỉ tiêu thành phần hóa học cần thiết cho kim loại mối hàn

 Chỉ tiêu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn và VAHN theo yêu cầu

 Các chỉ tiêu tính công nghệ hàn của thuốc hàn

 Giá thành thuốc hàn thấp

2.1.2 Các chỉ tiêu công nghệ hàn

Các đặc tính công nghệ của thuốc hàn gồm những chỉ tiêu chính như sau:

- Đảm bảo dễ gây hồ quang và hồ quang hàn cháy ổn định;

- Bảo vệ tin cậy vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi sự tác dụng của môitrường xung quanh;

- Tạo dáng mối hàn và hình thành mối hàn tốt;

- Tạo xỉ dễ nổi lên bề mặt vũng hàn và phủ đều trên bề mặt mối hàn để bảo vệ

và giúp mối hàn nguội chậm, xỉ phải dễ tách khỏi mối hàn (tính bong xỉtốt);

- Đảm bảo tinh luyện kim loại mối hàn và khử tạp chất theo yêu cầu;

- Có khả năng cải thiện và hợp kim hoá kim loại mối hàn, nâng cao cơ tính kimloại mối hàn;

- Đảm bảo khuyết tật trong giới hạn cho phép: rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấukhe hở hàn,

- Lượng khí độc thải ra ở mức độ cho phép, đảm bảo yêu cầu vệ sinh công nghiệp

2.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật chung khi sản xuất thuốc hàn

Ngoài các chỉ tiêu kỹ thuật chung và các đặc tính công nghệ hàn, khi sản xuất thuốc hàn phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật như sau:

- Thuốc hàn phải đảm bảo độ đồng đều về thành phần theo yêu cầu.

- Đảm bảo độ bền cơ học của hạt thuốc hàn

- Đảm bảo độ ẩm của thuốc hàn theo yêu cầu

- Đảm bảo kích thước hạt thuốc và tỷ lệ các cỡ hạt thuốc hàn theo yêu cầu

2.2 CÁC NHÓM CHẤT CHỦ YẾU, PHÂN LOẠI VÀ KÍ HIỆU THUỐC HÀN

2.2.1 Các nhóm chất chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn

Trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn gồm những nhóm chất có công dụng và thành phần chủ yếu như sau:

 Nhóm tạo khí: vai trò sinh ra một lượng khí để bảo vệ vùng hàn Tuynhiên, đối với hàn dưới lớp thuốc yêu cầu này không lớn như hàn hồ quang tay.Nhóm chất có chức năng tạo khí gồm những hợp chất như có chứa gốc cacbonat (đávôi (CaCO3) hoặc đôlômit (CaCO3.Mg CO3)) để tạo khí và tạo xỉ

Khi hàn các hợp chất này sẽ phân hủy và sinh khí theo các phản ứng sau: CaCO3 → CaO + CO2 (1.1)

MgCO3 → MgO + CO2 (1.2)

CO2 CO + 1/2O2 (1.3)

Khí CO2 tạo ra theo các phản ứng trên, một phần tham gia vào thành phần khí bảo vệ vùng hồ quang và kim loại vũng hàn, đồng thời ở điều kiện hàn sẽ bịphân huỷ thành khí CO theo phản ứng (1.3)

 Nhóm tạo xỉ: có vai trò quan trọng hàng đầu, thuốc hàn nóng chảy sẽ hìnhthành lớp xỉ, vòm xỉ bảo vệ vùng hồ quang và vũng hàn Các tính chất lý nhiệt củaxỉ hàn có ảnh hưởng quan trọng đến sự hình thành mối hàn, chức năng bảo vệ vàtính bong xỉ

Nhóm các chất tạo xỉ hàn gồm có:

 Các ôxit: SiO2, MnO, CaO, MgO, FeO, Fe2O3, Fe3O4, Al2O3, TiO2, từquặng mangan (Mn2O, MnO), cát thạch anh (SiO2 ), rutil (TiO2), ilmenit (TiO2,SiO2, Fe2O3), cao lanh (Al2O3, SiO2), bôxit, bột tan, hêmatit (ôxyt sắt màu đỏ sẫm

Fe2O3), magnetit (Fe3O4), trường thạch,

 Các muối halogen: CaF2 (huỳnh thạch), KF,

 Các phức chất khác: Na2SiF6, Na3AlF6 (criolit),



Đối với thuốc hàn để hàn thép: tuỳ theo các loại hợp chất đưa vào thành phần mẻ

liệu của nó và tính chất của các sản phẩm nhận được từ quá trình phân huỷ chúng khihàn, mà tên gọi của thuốc hàn thường dựa trên tính chất hoặc tên gọi của xỉ hàn

Đối với thuốc hàn nhôm: nhôm là nguyên tố có ái lực hoá học mạnh với ôxi,

nên để hàn nhôm thường dùng thuốc hàn gồm các hợp chất không chứa ôxi, như cáchợp chất gốc cluorit và fluorit: NaCl, KCl, KF, NaF, LiCl, BaCl2,

 Nhóm ổn định hồ quang: Nhóm này gồm những hợp chất chứa nguyên tố

có điện thế ion hoá thấp, giúp cho việc dễ gây hồ quang và duy trì hồ quang cháy ổnđịnh, và còn giúp cho việc hình thành mối hàn tốt hơn

 Trường thạch: chứa các oxit kali, natri

 Nhóm chất khử và hợp kim hoá: sử dụng các fero hợp kim và bột kim loại

 Chất khử: là những nguyên tố có ái lực hóa học mạnh với oxi, có tác dụngkhử ôxi và các tạp chất có hại

 Hợp kim hoá kim loại mối hàn (đặc biệt thường được sử dụng khi hàn đắp)

và cải thiện các tính chất kim loại mối hàn

Một nguyên tố có thể vừa làm chức năng chất khử và hợp kim hóa Trongtrường hợp này, sau khi hoàn thành chức năng chất khử, lượng còn lại sẽ đóng vaitrò nguyên tố hợp kim hóa Đó là các fero hợp kim hoặc bột kim loại, như Fe-Si,Fe-Mn, Fe-Cr, Fe-V, Fe-Mo, Fe-W, Fe-Nb, bột Al, với hàm lượng fero hợp kimkhác nhau và kích thước hạt phù hợp với chức năng khử hoặc hợp kim hóa

- Nhóm các chất khử tạp chất: S, P Ngoài các chất đưa vào nhóm tạo khí(CaCO3, MgCO3) sẽ phân huỷ thành các chất, trong đó có các ôxit bazơ (CaO,MgO) để khử S, P, còn có thể đưa thêm một lượng khá lớn CaF2 có tác dụng khử S,

P và làm giảm lượng hyđrô và cải thiện tính chất kim loại mối hàn

- Nhóm chất liên kết: nước thuỷ tinh đối với thuốc hàn gốm và thiêu kết

2.2.2 Phân loại thuốc hàn

Thuốc hàn nung chảy (Fused)

Thuốc hàn gốm nói chung (không nung chảy – Bonded) và có thể phân chianhỏ hơn:

+ Thuốc hàn gốm: nhiệt độ sấy ≤ 500°C;

+ Thuốc hàn thiêu kết: nhiệt độ sấy thiêu kết > 500°C (agglomerated flux)

M (Mechanically mixed): loại hỗn hợp cơ học (thuốc hàn nung chảy + bộthợp kim hoặc fero hợp kim)

 Thuốc hàn hạt dạng thuỷ tinh có tỷ trọng: 1,4 ÷ 1,8 Kg/dm3

 Thuốc hàn hạt dạng bọt nhẹ có tỷ trọng: 0,6 ÷ 1 Kg/dm3

 Thuốc hàn hạt dạng tinh thể cũng có tỷ trọng như dạng thuỷ tinh: 1,4 ÷ 1,8Kg/dm3

- Thuốc hàn hệ axit: hồ quang cháy ổn định, êm; giọt kim loại dịch chuyểndạng tia, mối hàn rất đẹp Tuy nhiên, khả năng khử tạp chất và tinh luyện kim loạimối hàn bị hạn chế, hàm lượng hyđrô cao, nên thường dùng để hàn các kết cấu thépcacbon thông thường

- Thuốc hàn bazơ: hồ quang cháy kém ổn định hơn, giọt kim loại dịch chuyển

có kích thước lớn hơn nhiều, bề mặt kim loại mối hàn thô, và không dùng dòng điệnxoay chiều Tuy nhiên, nó có ưu điểm là tinh luyện kim loại mối hàn rất tốt và hệ sốdịch chuyển của các nguyên tố hợp kim cao, hàm lượng hyđrô thấp, nên thích hợp

để hàn thép cacbon có độ bền cao, thép hợp kim và hàn đắp

- Thuốc hàn trung tính: đặc điểm của nó có tính trung hoà giữa hai loại thuốchàn kể trên

Theo thành phần hoá học và hợp chất chủ yếu của xỉ hàn có thể phân loại, kí hiệu theo tiêu chuẩn của viện Hàn Quốc tế (tiêu chuẩn IIW – 545 – 78) như sau:

Bảng 2.1 Phân loại và kí hiệu thuốc hàn theo IIW – 545 –78

AB Al2O3 + CaO + MgO ≥ 45,

( Al2O3 ) ≥ 20 Ôxit nhôm – Bazơ

FB CaO + MgO + MnO + CaF2 ≥ 50 ,

SiO2 max = 20, CaF2 ≥ 15 Fluorit – Bazơ

 Thuốc hàn hệ axit: Hồ quang cháy ổn định, êm, giọt kim loại dịch chuyển dạng tia,mối hàn rất đẹp.Tuy nhiên khả năng khử tạp chất và tinh luyện kim loại mối hàn bịhạn chế, hàm lượng hyđrô cao, nên thường dùng để hàn các loại thép các bon thôngthường

 Thuốc hàn bazơ: Hồ quang cháy kém ổn định hơn, giọt kim loại dịch chuyển cókích thước lớn hơn nhiều, bề mặt kim loại mối hàn thô hơn và chủ yếu dùng nguồnđiện hàn là dòng điện một chiều Tuy nhiên, nó có ưu điểm là khả năng tinh luyệnkim loại mối hàn rất tốt và hệ số dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim cao, hàmlượng hyđrô thấp, nên thích hợp hàn thép cacbon có độ bền cao, thép hợp kim vàhàn đắp

 Thuốc hàn trung tính: Có tính trung hoà giữa hai lạo thuốc hàn kể trên

 Thuốc hàn hoạt tính cao H>0,6

 Thuốc hàn hoạt tính khi H=0,6÷0,3

 Thuốc hàn hoạt tính thấp khi H = 0,3÷0,1

 Thuốc hàn trung tính khi H < 0,1

Kí hiệu Điện cực (dây hàn đặc)

F S X X X- ECXXX - HX

Thuốc hàn hhànhànhàn

Loại xỉ hàn, chữ cái này có thểkhông có

Chữ số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu của kim loạimối hàn

Chế độ nhiệt luyện củamối hàn

Kí hiệu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn

Số qui ước nhiệt độ thử độ dai va đập

 Thuốc hàn dụng hàn cơ giới hoá và hàn đắp

 Thuốc hàn điện xỉ

 Thuốc hàn hợp kim cao

2.2.3 Kí hiệu thuốc hàn và dây hàn

Hệ thống tiêu chuẩn để ký hiệu thuốc hàn của Việt Nam chưa hoàn chỉnh,nên có thể tham khảo một số tiêu chuẩn phổ biến trên thế giới như AWS Tiêuchuẩn này thường giới thiệu kết hợp thuốc hàn với dây hàn đặc để hàn tự động dướilớp thuốc Theo tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 “Quy định thuốc hàn và dây hàn thépcacbon để hàn tự động dưới lớp thuốc” [11;14;13;16]

Hình 2.1.Sơ đồ kí hiệu thuốc hàn – dây hàn AWS A5.17 - 80

Tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 quy định thuốc hàn được ký hiệu kết hợp vớidây hàn tương ứng để đạt được cơ tính cần thiết của kim loại mối hàn Trong phầnký hiệu thuốc hàn FXXX, chữ X đầu tiên là độ bền kéo tối thiểu của kim loại mốihàn, ksi xem bảng 4.16 Chữ X thứ hai cho biết điều kiện nhiệt luyện khi thử mẫu.Chữ A – mẫu được tiến hành thử sau khi hàn (As Welded) (không xử lý nhiệt) hoặcchữ P (có xử lý nhiệt sau khi hàn) chế độ nhiệt luyện là 610 – 635 0C/1h Chữ X thứ

3 có thể là chữ Z hoặc các số (xem bảng 2.3) cho biết nhiệt độ quy ước thử độ dai

va đập với giá trị

Tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 chia dây hàn thép cacbon thành 8 loại trong 3nhóm có hàm lượng mangan thấp, trung bình và cao (Kí hiệu là L, M và H) Trongphần kí hiệu dây hàn EXXX – HX, chữ E là ký hiệu điện cực (dây hàn) và tiếp theo

là chữ C có thể không có, Còn chữ X đầu tiên là một trong 3 chữ L, M hoặc H; chữ

X thứ 2 là một hoặc 2 chữ số (8; 12; 13; 14; 15) chỉ hàm lượng cacbon danh nghĩa(qui ước); còn nếu có chữ K ở cuối là dây hàn được chế tạo từ thép khử bằng silic.Trong trường hợp dây hàn kí hiệu EG (hoặc ECG), ở đây chữ G là “general” cónghĩa là kim loại đắp không yêu cầu qui định về thành phần hoá học

Bảng 2.2.Yêu cầu về cơ tính kim loại mối hàn theo AWS A5.17 – 80

Chỉ tiêu về cơ tính Độ bền kéo tối thiểu Giới hạn chảy

Tối thiểu, MPa

Độ giãn dài tương đối,%

Bảng 2.3 Công thử độ dai va đập của kim loại mối hàn

Công thử độ dai va đập kim loại mối hàn theo AWS A5.17 - 80

Chữ số Nhiệt độ thử mẫu,oC Công phá huỷ tối thiểu thử mẫu, J

Bảng 2.4 Thành phần hoá học và một số thông số chủ yếu của dây hàn

tự động dưới lớp thuốc theo AWS A5.17 – 80

Dây có hàm lượng mangan caoEH10K 0,07÷0,15 1,30÷1,70 0,05÷0,25 0,025 0,025 0,35

EH11K 0,07÷0,15 1,40÷1,85 0,80÷1,15 0,030 0,030 0,35

EH12K 0,06÷0,15 1,50÷2,00 0,25÷0,65 0,025 0,025 0,35

EH14 0,10÷0,20 1,70÷2,20 0,10 0,030 0,030 0,35

2.3 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ XỈ HÀN

2.3.1 Khái niệm xỉ hàn

Khái niệm: Xỉ hàn là những hợp chất phi kim nóng chảy, bao gồm các ôxít,

các florua, clorua, sunfat, … Chúng có thể ở dạng đơn chất hay phức chất

Đặc điểm: xỉ hàn nói chung không hoà tan trong kim loại Ở trạng thái nóng

chảy, kim loại và xỉ hàn là những pha lỏng không hoà tan lẫn nhau, do sự khác nhau

về cấu trúc,trọng lượng riêng và sức căng bề mặt và các đặc điểm khác, giữa chúng

là mặt phân pha

2.3.2 Các tính chất lý hóa của xỉ hàn

- Tính axit (bazơ) của xỉ hàn.

Tính axit của xỉ hàn có thể được đánh giá theo hệ số axit A và xác định theocông thức sau:

(2.1)ở đây ∑RO2 – Tổng số các phân tử của các ôxit, axit trong xỉ hàn, mol;

∑(R2O + RO) – Tương tự của các ôxit bazơ, mol

Còn hệ số bazơ B là tỷ số nghịch đảo của hệ số axit (B= 1/𝐴)

Có thể sử dụng các công thức khác (theo phần trăm khối lượng, theo tỷ lệ

của ôxit silic với ôxit canxi,…) để tính hệ số axit hay bazơ, tuy vậy đó cũng chỉ là

những đánh giá gần đúng Và đều coi khi A>1 (tương ứng với B<1) là xỉ axit

Trường hợp đơn giản hóa có thể bỏ qua ảnh hưởng của ôxit titan TiO2, khi đó

hệ số axit được tính chính xác hơn:

A=(%SiO2)/𝑎%𝐶𝑎𝑂+𝑏%𝑀𝑔𝑂+𝑐%𝑀𝑛𝑂+𝑑(𝐹𝑒𝑂) ( 2.2)

Trong đó: a,b,c,d là các hệ số không lớn hơn 1, có tính đến ái lực khác nhau

của các ôxit bazơ đối với SiO2

Các công thức này có thể được chia thành hai nhóm lớn Trong số các công

thức của nhóm này phổ biến nhất là công thức của Viện hàn Quốc tế [1; 8]:

B= CaO+MgO+BaO+Na2O+K2O+ Li2O+Ca F2+0,5(MnO+FeO)

SiO2+0,5( Al2O3+TiO2+ZrO2) (2.3)Trong đó: CaO, MgO, Al2O3, Li2O,… - hàm lượng của các cấu tử trong xỉ hàn, %

hoặc công thức này được biểu diễn ở dạng:

B=0,018 CaO +0,015 MgO+0,006 Ca F2+0,014(Na2O+ K2O)+ 0,007(¿❑MnO+FeO)

0,017 SiO2+0,005( Al2O3+TiO2+ZrO2)¿(2.4)

Hoạt tính hoá học của xỉ hàn:

Hoạt tính hoá học của xỉ hàn được đánh giá theo khả năng oxi hoá chung của

các ôxit và được biểu diễn bởi tổng số lượng ôxit tham gia vào các phản ứng ôxi

hoá – khử ở bề mặt phân pha Tuy nhiên lượng ôxit kể trên có quan hệ với thành

phần của xỉ hàn được biểu diễn ở dạng:

2

RO O R RO A

{i=1n[O]=f( ∑

i=0

n

H i) (2.5)ở đây Hi – hoạt tính hoá học tương đối của ôxit, có khả năng hoàn nguyêntrong vũng hàn;

n – số các ôxit trong thanh phần của thuốc – xỉ hàn có khả năng hoàn nguyêntrong vũng hàn

Nếu coi hoạt tính hoá học của ôxit axit được xác định như Ha = (RO2)/100Bcòn hoạt tính hoá học của ôxit bazơ Hb = (RO)B/100, thì hoạt tính hoá học củathuốc – xỉ hàn theo phương trình (2.3) có thể được biểu diễn lại ở dạng sau đây:

H=¿ (2.6)

ở đây: m và q – là số lượng của ôxit axit và bazơ;

𝑅𝑂2, 𝑅𝑂 – hàm lượng của oxit axit và bazơ trong thành phần thuốc–xỉhàn;

𝐵− hệ số bazơ của thuốc –xỉ hàn, được xác định theo phương trình (2.3).Cụ thể hoá phương trình (2.3 ), độ hoạt tính hoá học H của thuốc hàn – xỉ hàn códạng:

H=(SiO2)++0,5(Ti O2)+0,4 ( Al2O3+ZrO2)+0,42 B

2

(MnO)

Trong đó: (SiO2), (TiO2),…- hàm lượng các hợp chất của thuốc - xỉ hàn %

Sự phụ thuộc tương quan của hàm lượng ôxi trongkim loại đắp vào hệ sốhoạt tính hoá học của thuốc – xỉ hàn, tìm được trên cơ sở các số liệu thực nghiệm,dẫn ra trên hình 2.2 Góc nghiêng của đồ thị với trục hoành phụ thuộc vào chế độhàn Khi dung dòng điện hạn chế và điện áp nâng cao góc nghiêng của nó sẽ lớnhơn, còn ở chế độ hàn tăng cường góc nghiêng sẽ nhỏ hơn Trong thực tế hệ số hoạttính hoá học của toàn đủ để đặc trưng cho khả năng ôxi hoá của thuốc – xỉ hàn

0

0.1 0.3 0.5 0.7 H[0],%

Hình 2.2 Hàm lượng oxi trong kim loại đắp phụ thuộc vào hệ số hoạt tính hoá học của thuốc-xỉ hàn khi hàn thép các bon và thép hợp kim thấp

Theo các giá trị của độ hoạt tính hoá học thể phân chia các thuốc hàn – xỉ hànnung chảy hệ silic – mangan thành 4 nhóm sau đây:

Trong quá trìnhnóng chảy mạng tinh thể của silicat và nhôm – silicat là nềncủa thuốc hàn – xỉ hàn nung chảy ở trạng thái rắn, sẽ bị phá huỷ do bị đứt các liênkết yếu nhất giữa các ation của các ôxit nhôm – silic và ôxit silic Do liên kết Si-O

và Al – O là các liên kết bền nhất trong các silicat và nhôm – silicat, cho nên có thể

coi độ nhớt của xỉ lỏng nóng chảy sẽ được xác định bởi các nhóm anion Si-O và Si-Otheo các kích thước của chúng Thành phần và tổ chứa của các nhóm này ở gầnđường lỏng giống thành phần các anion gốc – pha tinh thể được tiết ra từ pha xỉlỏng.

Al-Ôxit silic nóng chảy có độ nhớt lớn nhất và có tổ chức xương cá Độ nhớtcủa SiO2 ở 18000C gần bằng 105Pa.S, còn khi quá nhiệt đến 21500C làn104Pa.S và ở

23500C gần bằng 103Pa.S

Hình 2.3 Độ sệt của xỉ ở nhiệt độ 1400°C, poa

Xỉ hàn hệ chứa ôxit nhôm độ nhớt sẽ tăng khi có các chất kiềm Điều này cóliên quan đến việc tạo thành nhôm - silicat kiềm có tổ chức hình xương cá Trongtrường hợp không có cao lanh trong xỉ hàn, các chất kiềm có tác dụng làm giảm độnhớt và giảm nhiệt độ kết tinh của xỉ nóng chảy, do kiềm sẽ làm đơn giản hoá tổchức và tạo thành các silicat kiềm dễ nóng chảy

Khi thay thế CaO bằng MgO sẽ làm tăng tính bazơ của xỉ và làm đơn giảnhoá tổ chức của xỉ nóng chảy, cũng như làm giảm nhiệt độ kết tinh, bởi khi thay thếcác silicat caxi có nhiệt độ nóng chảy cao (CaO.SiO2,Tnc=15400C và 2CaO.SiO2,

Tnc=21300C) bằng các silicat canxi – magiê có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn(CaO.MgO.2SiO2, Tnc=13910C; 2MgO.SiO2,Tnc=18700C)

Về mặt công thức hoá học giữa TiO2 và SiO2 giống nhau, nhưng ý nghĩaquyết định ở đây không phải là tính đồng hình hoá trị mà là sự khác nhau trong cácnhóm phối trí Titan khác với silic trong olivine (Mg,Fe)2SiO4 và piroxen được pháthiện trong xỉ hàn nằm ở dạng TiO6 và không thay thế cho anion silicat (SiO4) mà làthay thế cho nhóm (MgO6) và tác dụng của nó tương tự như magiê Độ nhớt thấpcủa các xỉ hàn titan và khả năng kết dính cao của chúng chứng tỏ trong xỉ lỏngkhông tồn tại các nhóm anion với sự tham gia của titan [9]

Một khái niệm có liên quan với độ nhớt của xỉ hàn, đó là nhiệt độ nóng chảycủa thuốc – xỉ hàn Đối với xỉ hàn khái niệm nhiệt độ nóng chảy chỉ là quy ước Bởi

vì độ nhớt của xỉ hàn thay đổi từ lớn đến bé trong một khoảng nhiệt độ nào đó

Xỉ ngắn: là loại xỉ hàn có sự thay đổi độ nhớt xảy ra trong khoảng nhiệt độhẹp

Xỉ dài: Là loại xỉ hàn có sự thay đổi của độ nhớt xảy ra trong khoảng nhiệt

độ rộng và từ từ

Đặc trưng định tính về sự thay đổi độ nhớt của hai loại xỉ này được dẫn ratrên hình 2.4

Hình 2.4 Sự thay đổi độ nhớt của xỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

1-xỉ dài; 2- xỉ ngắn

Các xỉ ngắn thường là xỉ bazơ Chúng chuyển đổi từ trạng thái đông đặc sangtrang thái đông đặc rất nhanh Đặc điểm công nghệ này cho phép hàn những mốihàn leo, hàn đứng

Các xỉ hàn dài thường là xỉ axit Chúng đông đặc từ từ và nhận được trạngthái vô định hình khác nhau (thuỷ tinh thể)

Để nhận được các tính chất kim loại mối hàn cần thiết và đảm bảo sự hìnhthành và tạo dáng mối hàn, xỉ hàn cần có những tính chất vật lý yêu cầu, như nhiệt

độ nóng chảy, độ nhớt, sức căng bề mặt,

Để đảm bảo sự tương tác của kim loại và xỉ hàn ở trạng thái nóng chảy và xỉhàn phủ kín toàn bộ bề mặt vũng hàn thì nhiệt độ nóng chảy của xỉ Tnc xỉ phải thấphơn một ít hoặc gần bằng nhiệt độ nóng chảy của kim loại Tnc kim loại

Nếu Tnc xỉ<< Tnc kim loại thì xỉ sẽ bị quá nhiệt mạnh, sẽ chảy loang ra mép hàn,ngoài giới hạn vũng hàn chỉ còn lại một lớp mỏng trên bề mặt vũng hàn có thể bị

sôi Tất cả những điều này sẽ làm hạn chế tác dụng bảo vệ của nó Khi hàn thépnhiệt độ hợp lý của xỉ hàn nóng chảy thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loạikhoảng từ 200÷ 350°C [8].

Một số đặc tính khác của xỉ hàn:

+ Sức căng bề mặt phân pha kimloại nóng chảy - xỉ hàn nóng chảy là mộtđặc tính quan trọng của xỉ hàn, giúp ích cho việc tạo dáng bề mặt mối hàn ở các tưthế không gian hàn khác nhau

Sức căng bề mặt của xỉ hàn và kim loại nóng chảy phụ thuộc nhiều vào tỷtrọng của, hay nói chính xác hơn phụ thuộc vào sự khác nhau giữa tỷ trọng của xỉnóng chảy và tỷ trọng của kim loại lỏng Khi tăng sự khác nhau này xỉ dễ nổi lênkhỏi vũng hàn

+ Độ thẩm thấu khí của xỉ hàn: đây cũng là một đặc tính quan trọng, tuynhiên nó ít được nghiên cứu Một trong những nhiệm vụ của xỉ là bảo vệ kim loạivũng hàn khỏi sự tác dụng có hại của môi trường xung quanh, như ôxi và nitơ,

2.3.3 Một số cách phân loại xỉ hàn

Có nhiều cách phân loại xỉ hàn, sau đây sẽ giới thiệu những cách phổ biếnnhất:

a) Phân loại theo tính axit hay bazơ:

Căn cứ theo các giá trị tính độ axit hay bazơ theo các công thức nêu trên, cóthể chia xỉ hàn thành các loại chủ yếu sau đây:

+ Xỉ axit với B < 1

+ Xỉ bazơ với B > 1

+ Xỉ trung tính với B = 1

Ngoài ra có thể phân loại theo chỉ số bazơ chi tiết hơn như sau:

Xỉ axit (acid) với B < 0,9;

Xỉ bazơ thấp (Neutral) với 0,9 ≤ B ≤ 1,2;

Xỉ bazơ trung bình (Basic) với 1,2 ≤ B ≤ 2;

Xỉ bazơ cao (High Basic) với B > 2

b) Phân loại theo độ hoạt tính:

Theo các giá trị tính toán độ hoạt tính hoá học của xỉ hàn H, xỉ hàn được chiara:

+ Xỉ hoạt tính cao khi H ≥ 0,6

+ Xỉ hoạt tính khi H=0,6÷0,3

+ Xỉ hoạt tính thấp khi H = 0,3÷0,1

+ Xỉ trung tính khi H ≤ 0,1

c) Phân loại theo sự thay đổi độ nhớt:

+ Xỉ ngắn: Là loại xỉ hàn có sự thay đổi độ nhớt xảy ra trong khoảng nhiệt

độ hẹp

+Xỉ dài: Là loại xỉ hàn có sự thay đổi độ nhớt xảy ra trong khoảng nhiệt độrộng và từ từ

d) Phân loại theo nền tạo xỉ:

Theo phân loại và ký hiệu của Viện Hàn quốc tế và một số tài liệu phổ biến,

có thể chia nền tạo xỉ thành một số nhóm sau đây:

Bảng 2.5.Các loại xỉ hàn theo thành phần hoá học và các chất chính theo IIW

Al2O3-TiO2-CaO SiO2, MnO Al2O3+TiO2≥45 AR Thép C thường

Thép C độ bền cao

Al2O3-CaO -MnO SiO2, TiO2

CaF2, MnO

Al2O3+CaO,MgO≥45(Al2O3) ≥20

FB

Thép hợp kim cao (Cr,Ni)

CaF2 -Al2O3- CaO SiO2, MgO

CaF2 -Al2O3

-NaF-KCl

Các

muối

CaF2 -NaCl-KCl AlF3, BaF2

BaCl2

KF- AlF3-LiCl (ZrO2)

2.4 CÁCH TÍNH TOÁN ĐƠN THUỐC HÀN

2.4.1 Phân tích, chọn nền tạo xỉ hàn

Nguyên tắc lựa chọn nền tạo xỉ:

Việc chọn nền tạo xỉ phải thoả mãn những tiêu chí cơ bản sau đây:

Loại nền tạo xỉ và tính chất có chỉ số bazơ phù hợp

Chọn hệ xỉ và hàm lượng của các thành phần theo giản đồ trạng thái banguyên của các cấu tử sao cho đảm bảo nhiệt độ nóng chảy cần thiết của hệ

Độ nhớt của hệ xỉ thích hợp với phương pháp hàn, tư thế không gian hàn,…

Có các tính chất hoá học: axit (bazơ), hoạt tính hoá học phù hợp để đảm bảokhử tạp chất, hợp kim hoá kim loại mối hàn theo yêu cầu

Có các đặc tính công nghệ theo yêu cầu

Yêu cầu về vệ sinh công nghiệp

Giới thiệu một số nền tạo xỉ thông dụng:

+ MnO – SiO2 – CaO – MgO Nền tạo xỉ này có MnO dễ tạo ra nhiềubụi gây ô nhiễm đến môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe của người công nhân

+ MnO – SiO2 – FeO Nền tạo xỉ này sẽ làm giảm chất lượng kim loạimối hàn, do % O2 còn lại trong kim loại mối hàn

+ CaO – CaF2 – TiO2 Nền tạo xỉ này thích hợp cho hàn thép không gỉ,các thép cacbon kết cấu độ bền cao

+ CaO – CaF2 – Al2O3 Nền tạo xỉ này dùng để hàn đắp thép hợp kimtrung bình và hợp kim cao

Chọn nền xỉ cho thuốc hàn thiêu kết F7A(P)2-BK

Từ những phân tích và yêu cầu về nền tạo xỉ của thuốc hàn để hàn kết cấuthép các bon độ bền cao Ta nhận thấy nền tạo xỉ phù hợp nhất đối với loại thuốchàn để hàn thép kết cấu, thép các bon độ bền cao và thép hợp kim thấp với nhữngđiều kiện sẵn có ở Việt Nam là nền tạo xỉ dưới đây:

(CaO + MgO)– Al2O3 – CaF2– TiO2

Tỷ lệ các chất trong nền tạo xỉ được chọn dựa vào theo giản đồ trạng thái 3nguyên có nhiệt độ nóng chảy, tính chất vật lý, độ nhớt, tính chảy loãng, độ thẩmthấu, sức căng bề mặt, góc thấm cần thiết

Hình 2.5 Giản đồ trạng thái 3 nguyên về nhiệt độ của hệ xỉ hàn, °C

Hình 2.6 Giản đồ độ sệt của xỉ ở nhiệt độ 1600°C, Pa.s

+ CaF2 chiếm khoảng 15%

+ TiO2 chiếm khoảng 30%

2.4.2 Cách tính toán đơn thuốc hàn

Nguyên tắc chọn sơ bộ nền tạo xỉ hàn:

- Dựa vào hàm lượng của các chất (CaO+ MgO), CaF2 , Al2O3, TiO2 có trongthành phần nguyên liệu chứa chúng

- Dựa vào đặc điểm và yêu cầu của thuốc hàn hệ bazơ loại F7A(P)2 theo AWSA5.17-80

- Dựa vào tỉ lệ hệ xỉ đã chọn ở trên

Xác định sơ bộ hàm lượng các chất tạo xỉ:

Có thể chọn sơ bộ hàm lượng của thành phần nguyên liệu tham gia vào mẻliệu của thuốc hàn như sau:

- Để đảm bảo thành phần CaO chiếm 25% trong xỉ hàn, kết hợp với yêu cầucủa đề tài và những phân tích về đặc điểm, tính chất, yêu cầu của thuốc hàn, ta chọnCaO từ đá vôi (98% CaCO3, 1%SiO2, 1%Al2O3) CaO được phân hủy từ đá vôi, cótác dụng đảm bảo nhiệt độ nóng chảy của xỉ hàn, khử tạp chất S, P đảm bảo cơ tínhkim loại mối hàn Cần lấy chiếm khoảng 10% đá vôi

- Để đảm bảo tổng hàm lượng (CaO + MgO) chiếm 25% trong xỉ hàn, kếthợp với yêu cầu của đề tài và những phân tích về đặc điểm, tính chất, yêu cầu củathuốc hàn, ta chọn MgO từ ôxit manhê MgO và có thể một phần từ đôlômit, cần lấychiếm khoảng 15-20 %

- Để đảm bảo thành phần TiO2 chiếm 30% trong xỉ hàn, ta lấy TiO2 từ các chấtsau đây:

+ Từ rutil (90%TiO2, 2%SiO2) để đảm bảo các chỉ tiêu công nghệ hàn và giáthành thuốc hàn hợp lý, nên chọn khoảng 25% rutil

+ Titan trắng (98%TiO2) chọn khoảng 5%.

- Để đảm bảo thành phần CaF2 chiếm 15% trong xỉ hàn, ta lấy CaF2 từ huỳnhthạch (96%CaF2, 2%SiO2, 2%CaCO3) và để đảm bảo chất lượng kim loại mối hàn

và hàm lượng hiđrô lượng huỳnh thạch cần chọn khoảng 10-15%

- Tổng hàm lượng ôxit nhôm Al2O3 đưa vào khoảng 30% từ các nguyên liệusau đây:

+ Alumina (nguyên liệu để luyện nhôm, tương tự sản phẩm của Nhà máy TânRai) chứa (85% Al2O3, 5% SiO2,…) Lượng alumina cần lấy chiếm khoảng 20%.+ Cao lanh (52%SiO2, 35%Al2O3, 1,25%Fe2O3) Cao lanh dùng để đảm bảo

độ bền cơ học của hạt thuốc hàn Theo kinh nghiệm lượng cao lanh cần thiết chiếmkhoảng 3 - 5%

+ Trường thạch (51,1%SiO2, 31%Al2O3, 12%K2O, 2,3%Na2O) Trường thạch

có vai trò bổ sung K2O, Na2O vào xỉ hàn có vai trò ổn định hồ quang và tạo xỉ hàn.Theo kinh nghiệm lượng trường thạch cần thiết chiếm 2 - 10%

Ngoài ra còn có các thành phần khác như:

+ Mika (45%SiO2, 13%Al2O3, 10%Fe2O3, 2%K2O)

+ Bột talk

Nguyên tắc chọn và tính toán sơ bộ các chất khử và hợp kim hóa:

- Chọn những nguyên tố có ái lực hóa học mạnh với ôxi và các tạp chất (S, P)

- Hàm lượng của các chất khử đủ mức cần thiết theo tính toán

- Hàm lượng các chất hợp kim hóa phải đảm bảo mục đích ban đầu

- Các chất lựa chọn phải phù hợp về độ sạch, phổ biến

Trên cơ sở những tiêu chí trên ta chọn các chất tham gia làm chất khử và hợp kim hóa là fero mangan (Fe-Mn) và fero silic (Fe-Si)

Lượng đá vôi lớn nhất là 10g Từ đó, ta sẽ tính được lượng ôxy tối đa do đávôi sinh ra theo các phản ứng

CaCO3 → CaO + CO2 (1)

CO2 → CO + 1/2O2 (2) 100g → 56g → 16g

Từ phương trình cứ 100g CaCO3 thì sinh ra 16g O2

Tức là:

Trong 10g đá vôi có chứa 10x98% = 9,8 g CaCO3 nguyên chất Lấy hệ số lượng thuốc hàn nóng chảy trên lượng dây hàn trung bình là 1,0 và tính cho 100g dây hàn, ta có:

Các chất còn lại được chọn theo kinh nghiệm

Bảng hàm lượng các chất trong thành sơ bộ mẻ liệu của thuốc hàn như bảngdưới đây

Bảng 2.6 Các mức giá trị của các biến đầu vào

Z2

Huỳnhthạch(CaF2),

Z3

Rutil(TiO2),

2.4.3 Sơ đồ nghiên cứu

 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát

Các tiêu chí đánh giá về chất lượng thuốc hàn thường căn cứ vào các chỉ tiêuchung cơ bản như nêu trên và có sơ đồ nghiên cứu tổng quát như sau: