Luân văn huấn 09 2014

Các vấn đề cần giải quyết như sau:  Giới thiệu việc nghiên cứu thuốc hàn của thế giới và Việt Nam, Ảnh hưởng của cácchất chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thốc hàn đến tính cộng nghệ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Văn Huấn, học viên lớp Cao học Công nghệ hàn – Khoá 2012,

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 loại F7A(P)6 theo AWS A5.17-80”.

Tác giả đã tham gia Đề tài Khoa học và Công nghệ Trọng điểm cấp Nhànước mã số KC.02.04/11-15 do TS Vũ Huy Lân làm Chủ nhiệm Đề tài Tác giả xincam 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 và nội dung còn lại được công bố trong Luậnvăn này là của tác giả và nhóm tác giả tham gia Đề tài đưa ra Nếu sai tôi xin hoàntoàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 11 tháng 9 năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Huấn

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ASTM American Society for Testing of Materials

ASME American Society of Machine Engineers

DCEN, DC - Direct Current Electrode Negative

DCEP, DC + Direct Current Electrode Positive

IIW International Institute Welding

ISO International Standard Organization

WPQR Welding Procedure Qualiffication Recode

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá đất nước hiện nay các ngành khoa họccông nghệ phát triển rất mạnh, trong đó ngành công nghệ hàn cũng không ngừngphát triển về bề rộng và chiều sâu với các công nghệ hàn mới rất đa dạng và các giảipháp nâng cao năng suất và chất lượng hàn Do đó ngành hàn ngày càng được ứngdụng rộng rãi, trong số đó công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc đã được ứng dụngrất phổ biến trên thế giới Ở Việt Nam công nghệ này ngày càng được ứng dụngrộng rãi, đặc biệt là trong lĩnh vực đóng tàu và chế tạo kết cấu thép, Tuy nhiên,thuốc hàn chủ yếu còn phải nhập từ nước ngoài, để khắc phục tình trạng này một số

cơ sở sản xuất vật liệu hàn lớn trong nước như Công ty sản xuất que hàn Việt Đức,công ty sản xuất vật liệu hàn Nam Triệu, đã nghiên cứu và chế tạo thử Nhưngviệc ứng dụng còn hạn chế, do chưa nghiên cứu đầy đủ các chỉ tiêu cơ bản cần thiết

để nâng cao chất lượng thuốc hàn Trong số các chỉ tiêu quan trọng này, đó là vaitrò của các các chất trong nhóm tạo xỉ đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết

Nội dung cụ thể của luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần mẻ liệu đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết F7A(P)6 theo AWS A5.17-80”.

Các vấn đề cần giải quyết như sau:

 Giới thiệu việc nghiên cứu thuốc hàn của thế giới và Việt Nam, Ảnh hưởng của cácchất chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thốc hàn đến tính cộng nghệ hàn của thuốchàn khi hàn tự động dưới lớp thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ và những giải pháp điềuchỉnh hàm lượng hàm lượng các chất khi chế tạo thuốc hàn

 Phân tích và lựa chọn nền tạo xỉ của các chất đưa vào thành phần thuốc hàn với chỉ

số bazơ hợp lý và sử dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước

 Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất tạo xỉ trong thành phần thuốc hàn đến tính côngnghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ

 Xác định được hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần thuốc hàn đảmbảo các chỉ tiêu công nghệ hàn khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ F7A(P6)theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ trợ giúp hiệu quả cho việc xác định thành phầnđơn thuốc hàn sản xuất bằng nguyên vật liệu trong nước, nhằm nâng cao chất lượngkim loại mối hàn.

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của cácgiảng viên Bộ môn hàn và công nghệ kim loại, trường đại học bách khoa hà nội Và

đặc biệt là giảng viên TS Vũ Huy Lân, Ban lãnh đạo và cán bộ Công ty Que hàn

điện Việt Đức,… trong việc hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ THUỐC HÀN THIÊU KẾT

1.1 Hàn tự động dưới lớp thuốc

1.1.1 khái niệm, nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc

 Khái niệm hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ:

Hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ còn gọi là hàn hồ quang chìm, tiếng Anhviết tắt là SAW (Submerged Arc Welding) là quá trình hàn điện nóng chảy, dùngnguồn nhiệt từ hồ quang điện sinh ra giữa điện cực hàn (dây hàn, băng hàn) và vậthàn Một phần lượng nhiệt sinh ra do hồ quang điện làm nóng chảy kim loại điệncực và kim loại cơ bản, sau đó kim loại vũng hàn kết tinh tạo thành mối hàn Phầnnhiệt khác làm nóng chảy thuốc hàn, tạo thành lớp xỉ (vòm vỉ) bảo vệ vùng hồquang và vũng hàn khỏi sự xâm nhập và ảnh hưởng có hại của môi trường khíquyển xung quanh

 Nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc:

Dưới 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 (vòm xỉ) và vũng hàn Dây hànđược đẩy vào vũng hàn bằng một cơ cấu cấp dây với tốc độ phù hợp với tốc độnóng chảy của nó và đảm bảo duy trì hồ quang cháy ổn định Khi hồ quang hàn dichuyển theo hướng hàn kim loại lỏng trong vũng hàn sẽ nguội và kết tinh tạo thànhmối hàn Trên mặt vũng hàn và phần mối hàn kết tinh hình thành một lớp xỉ có tácdụng tham gia vào các quá trình luyện kim khi hàn, bảo vệ và giữ nhiệt cho mối hàn

và sẽ tách khỏi mối hàn sau khi hàn Phần thuốc hàn chưa bị nóng chảy có thể được

sử dụng lại

Các chuyển động cấp dây hàn, dao động điện cực và chuyển động theo đườnghàn thường được cơ giới hóa Tùy theo mức độ tự động của các chuyển động này

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 khảotrên hình 1.1

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

Máy hàn tự động SUMERGED-1000 Máy hàn tự động ZD-1000

Hình 1.2 Một số thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

Hình 1.3 Hình ảnh về hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc tại nhà máy kết cấu

thép Đức Phát (khu công nghiệp Đình trám tỉnh Bắc Giang)

Hình 1.4 Hình ảnh về hàn hồ quang dưới lớp thuốc tại phòng thí nghiệm (Bộ môn Hàn và Công nghệ kim loại trường Đại học Bách khoa Hà nội)

 Đặc điểm hàn hồ quang dưới lớp thuốc:

- Hồ quang cháy ngầm dưới lớp thuốc, một phần thuốc hàn nóng chảy tạothành vòm xỉ bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác dụng có hại của ôxi

và nitơ của môi trường xung quanh

- Nhiệt lượng hồ quang rất tập trung và nhiệt độ cao (so với các phương pháphàn khác như hàn hồ quang tay, hàn TIG, MIG/MAG, ), cho phép hàn với tốc độlớn và có thể hàn những chi tiết có chiều dày lớn mà không cần phải vát mép, tiếtkiệm kim loại

- Chất lượng kim loại mối hàn cao do vùng hàn (hồ quang hàn và vũng hàn)được bảo vệ tốt khỏi tác dụng của oxi và nitơ trong khí quyển xung quanh Kim loạimối hàn đồng nhất về thành phần hóa học Lớp thuốc và xỉ hàn làm mối hàn nguộichậm nên ít bị thiên tích, thoát hidrô tốt hơn

- Mối hàn có hình dạng đẹp, đều đặn, ít bị các khuyết tật như không ngấu, rỗkhí, rỗ xỉ

- Giảm tiêu hao vật liệu (dây hàn), không bắn tóe kim loại, nên hệ số đắp cao,

ít tổn thất

- Năng suất hàn cao

- Hồ quang được bao bọc kín bởi thuốc hàn nên không làm hại mắt và da củathợ hàn Lượng khí (khói, bụi độc hại) sinh ra trong quá trình hàn rất ít so với hàn

hồ quang tay

- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa quá trình hàn

 Phạm vi ứng dụng của hàn hồ quang dưới lớp thuốc:

- 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 đóng tàu, dầu khí, giao thông, chế tạo máy, lắp máy, thủy điện,nhiệt điện,

- Chủ yếu được ứng dụng để hàn các mối hàn ở tư thế hàn bằng (hàn sấp),hàn góc tư thế hàn ngang, mối hàn ngang với các mối hàn có chiều dài lớn và cóquỹ đạo không phức tạp.

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

1.1.2 Vai trò, công dụng của thuốc hàn

 Khái niệm thuốc hàn:

Thuốc hàn là một hỗn hợp gồm nhiều thành phần, được chế tạo ở dạng hạt cókích thước xác định trong khoảng 0,25 ÷ 4 mm

Hình 1.5 Dạng thuốc hàn

 Công dụng của thuốc hàn:

- Tạo vòm xỉ nóng chảy bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tácdụng có hại của môi trường xung quanh

- Tạo ra môi trường ion hóa tốt để đảm bảo dễ gây hồ quang và duy trì hồquang cháy ổn định trong quá trình hàn

- Hình thành và tạo dáng mối hàn, làm cho kim loại mối hàn nguội chậm vàtạo điều kiện thuận lợi cho việc thoát khí hiđrô từ mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

- 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 nângcao cơ tính kim loại mối hàn

- Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang, cải thiện điều kiện lao động

- Nhờ có lớp thuốc và vòm xỉ bảo vệ hồ quang hàn, nên trong quá trình hànkim loại điện cực không bị bắn toé, giảm tổn thất, nâng cao năng suất hàn

- Giảm khuyết tật bên trong: rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu, do cải thiện điềukiện hình thành mối hàn và tinh luyện kim loại mối hàn

- Cải thiện các tiêu chí vệ sinh công nghiệp: giảm lượng khí thải và bụi sinh

ra trong quá trình hàn

1.1.3 Phân loại thuốc hàn

Hiện nay có nhiều hệ thống tiêu chuẩn phân loại thuốc hàn như: ISO (Tổchức tiêu chuẩn hoá Quốc tế), AWS (Hội hàn Mỹ), BS (Anh), DIN (Đức), GOST(Nga), và việc phân loại có thể dựa theo phương pháp chế tạo, tính chất hóa họccủa thuốc hàn, thành phần hoá học và cơ tính kim loại đắp, Sau đây tạm thời giớithiệu cách phân loại thuốc hàn theo phương pháp chế tạo [6; 8; 13; 14; 17]:

 Theo phương pháp chế tạo:

Theo phương pháp chế tạo thuốc hàn được phân loại và kí hiệu (chữ viết tắt)như sau:

- F (fused): loại nung chảy;

- B (bonded): loại liên kết, tức là thuốc hàn gốm và thiêu kết, cụ thể đượcphân chia như sau:

+ 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 trộn hỗn hợp cơ học

1.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn trên thế giới và nước ta

1.2.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn trên Thế giới

Trong sự nghiệp phát triển công nghiệp, ngành công nghệ hàn đóng vai tròquan trọng trong việc chế tạo các kết cấu thép bằng hàn cho các ngành công nghiệpmũi nhọn như ngành dầu khí, hóa dầu, công nghiệp đóng tàu, giao thông, chế tạomáy, lắp máy, thủy điện, nhiệt điện, Để nâng cao năng suất và chất lượng các kếtcấu hàn, ngày càng ứng dụng nhiều phương pháp hàn tiên tiến có mức độ cơ giớihóa, tự động hóa cao, trong đó phải kể đến phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc

để hàn những đường hàn dài ở tư thế hàn bằng và hàn góc trong các kết cấu hàn lớn

và yêu cầu chất lượng cao

Trong công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc, thuốc hàn có vai trò rất quan

trình hàn, tinh luyện và hợp kim hóa kim loại mối hàn Hiện nay trên thế giới sảnxuất nhiều mác thuốc hàn khác nhau, tuy nhiên theo phương pháp chế tạo và côngnghệ có thể chia làm 3 loại chủ yếu: thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm (nhiệt độsấy ≤ 500°C) và thuốc hàn thiêu kết (nhiệt độ thiêu kết > 500 °C) Thuốc hàn nungchảy được dùng nhiều ở Liên bang Nga, Trung Quốc Còn thuốc hàn gốm, thuốchàn thiêu kết được dùng nhiều ở Thụy Điển, Hàn Quốc, Mỹ, Đài Loan, Ucraine,

Thuốc hàn thiêu kết ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên thế giới 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 (hãngESAB), Ucraine (viện Hàn Paton), Hàn Quốc (hãng Hyundai, Chosun, Kiswel ),

Mỹ (HOBART), Đài Loan, đã nghiên cứu rất sâu về loại thuốc hàn thiêu kết vàsản xuất với số lượng rất lớn

Trong số chủng loại thuốc hàn của hãng ESAB thì thuốc hàn thiêu kết chiếm

tỷ lệ rất cao và hệ thống phân loại thuốc hàn của ESAB theo các chỉ tiêu về tínhchất hóa học của thuốc hàn – xỉ hàn và các chỉ tiêu khác chi tiết hơn thuận tiện choviệc lựa chọn thuốc hàn để ứng dụng hàn các kết cấu thép có yêu cầu về cơ tính vàđiều kiện kỹ thuật phù hợp

Các hệ thống kí hiệu và tiêu chuẩn về thuốc hàn đối với các nước có khácnhau, hiện nay tiêu chuẩn của Hiệp hội hàn Mỹ (AWS) được sử dụng phổ biến hơn

cả, tuy nhiên Tiêu chuẩn của AWS chỉ đưa ra cặp thuốc hàn – dây hàn tương ứng đểđạt được các chỉ tiêu về cơ tính và thành phần hóa học kim loại mối hàn, mà khônggiới thiệu thành phần thuốc hàn và các chỉ số quan trọng có liên quan đến chấtlượng thuốc hàn Hãng ESAB (Thụy Điển) ngoài việc áp dụng theo tiêu chuẩnAWS, còn giới thiệu về các chỉ số về tính chất hóa học (chỉ số bazơ của thuốc hàn –

xỉ hàn, tính chất thuốc hàn, lượng thuốc hàn nóng chảy theo chế độ hàn, ) và thànhphần của xỉ hàn trong phạm vi cho phép để người sử dụng tham khảo.

Trên thế giới có nhiều nhà sản xuất và nhiều loại thuốc hàn khác nhau ỞViệt Nam hiện nay các kết cấu hàn từ thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp có yêucầu chất lượng cao, hầu hết được hàn từ một trong số các loại thuốc hàn của ESAB

và Hyundai (Hàn Quốc) Về số lượng sử dụng thì thuốc hàn của Hyundai được sửdụng nhiều hơn ESAB do giá rẻ hơn Về uy tín và chất lượng thì thuốc hàn củaESAB cao hơn của Hyundai Thuốc hàn của các hãng khác như HOBAT (Mỹ),Chosun, Kiswel (Hàn Quốc), ít được sử dụng ở Việt Nam hiện nay do các yếu tố

về chất lượng và giá chưa phù hợp Còn thuốc hàn Trung Quốc chủ yếu dùng chohàn các kết cấu có yêu cầu chất lượng không cao, giá rẻ

1.2.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở Việt Nam

Ở Việt Nam trong thời gian gần đây, các ngành công nghiệp đóng tàu, chếtạo các kết cấu thép trong dầu khí, hóa dầu, nhiệt điện, thủy điện, giao thông, phát triển mạnh, kéo theo ngành công nghệ hàn và nhu cầu về vật liệu hàn rất lớn.Trong đó phải kể đến nhu cầu về thuốc hàn để hàn tự động dưới lớp thuốc nhằmnâng cao năng suất và chất lượng các công trình và kết cấu hàn Tuy số lượng cơ sởsản xuất vật liệu hàn ở nước ta khá lớn, nhưng chủ yếu chỉ sản xuất que hàn điện vàdây hàn, còn thuốc hàn chủ yếu phải nhập ngoại Ví dụ như Công ty CP Que hànđiện Việt Đức là cơ sở sản xuất vật liệu hàn qui mô lớn, có thâm niên và kinhnghiệm nhất ở nước ta, hàng năm vẫn phải nhập khẩu khoảng 450 tấn thuốc hàn đểcung cấp cho thị trường (theo số liệu 2010)

Số lượng thuốc hàn nói chung ở Việt Nam sử dụng 15.000 tấn, trong đóthuốc hàn có chất lượng cao cần nhập khẩu khoảng 10.000 tấn

Để giải quyết vấn đề này, một số viện nghiên cứu và cơ sở sản xuất vật liệuhàn đã tiến hành nghiên cứu và chế tạo thuốc hàn gốm Tuy nhiên, kết quả đạt được

và mức độ triển khai ứng dụng thực tế còn rất khiêm tốn, có thể dẫn ra một số kếtquả dưới đây:

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

về thuốc hàn gốm mác F7-VD (2008), kết quả tuy đã được sản xuất thử, nhưng cònmột số hạn chế nên chưa thể triển khai sản xuất với qui mô công nghiệp và đây làloại thuốc hàn hệ axit dùng để hàn các kết cấu thép yêu cầu chất lượng thôngthường

Đó là tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn gốm ở nước ta Trong khi

đó xu thế của thế giới là sử dụng thuốc hàn thiêu kết để đáp ứng yêu cầu của cáccông trình và kết cấu hàn chất lượng cao, Việt Nam ngày càng phải nhập khẩulượng thuốc hàn thiêu kết rất lớn với giá cao và bị động, chưa nghiên cứu và sảnxuất được loại thuốc hàn này

Nguồn nguyên liệu để sản xuất thuốc hàn của chúng ta rất lớn và phong phú,tuy rằng chất lượng của chúng cũng còn có vấn đề Nhưng nếu nghiên cứu phối liệu

và xử lý nhanh nguyên liệu hợp lý vẫn có thể tận dụng được nhiều loại nguyên liệu

để sản xuất thuốc hàn Dự kiến những thành phần chủ yếu trong mẻ liệu thuốc hàn

sẽ sử dụng nguồn nguyên liệu trong nước như dioxit titan (TiO2 trắng) của BìnhThuận, rutil (Bình Định, Quảng Trị, Hà Tĩnh), đá vôi (Yên Bái), huỳnh thạch (SơnLa), trường thạch (Lào Cai), Alumina (Lâm Đồng), nước thủy tinh (Hải Phòng, HàNội) và một số loại fero-hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si)

Vậy việc nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn thiêu kết trên nguyên tắc ưu tiên,tận dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước để thay thế thuốc hàn nhập ngoại

là vấn đề vừa có tính cấp thiết trước mắt, vừa có tính chiến lược lâu dài, để chủđộng, tiết kiệm nguồn ngoại tệ, tạo thêm việc làm trong nước, các doanh nghiệp mởrộng sản xuất do có thêm sản phẩm mới, tăng giá trị gia tăng cho nguồn tài nguyêncủa đất nước và tiến tới các doanh nghiệp có thể xuất khẩu mặt hàng này

Như đã trình bày ở phần khái quát chung, thuốc hàn thiêu kết dùng để hàn tựđộng dưới lớp thuốc có ưu điểm nổi trội về nhiều mặt, nên xu hướng của thế giới làsản xuất và sử dụng thuốc hàn thiêu kết để chế tạo các công trình và kết cấu hànchất lượng cao Ngoài ra, hàn tự động dưới lớp thuốc là phương pháp hàn tiên tiếncho năng suất cao, chất lượng mối hàn tốt, điều kiện vệ sinh môi trường tốt hơn đa

số các phương pháp hàn khác Do vậy, xu hướng và nhu cầu về thuốc hàn thiêu kết

ở Việt Nam cũng như trên thế giới ngày càng tăng

Trên thế giới đã nghiên cứu sâu và sản xuất nhiều thuốc hàn thiêu kết, còn ởViệt Nam nhu cầu thì lớn, nhưng chưa có nơi nào nghiên cứu và sản xuất, nên hoàntoàn phải nhập khẩu với giá cao và bị động Điều này làm cho giá thành các côngtrình chế tạo bằng hàn của nước ta bị đẩy lên cao, làm giảm sức cạnh tranh Trongkhi đó, nguồn nguyên vật liệu để sản xuất thuốc hàn của nước ta rất lớn và phongphú Do vậy, nhóm tác giả đề tài đã đặt ra mục tiêu nghiên cứu chế tạo thuốc hànthiêu kết sử dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước để hàn tự động dưới lớpthuốc các kết cấu thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp

1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.3.1 Nguồn nguyên liệu để sản xuất thuốc hàn ở Việt Nam

Bảng 1.1 Các nguồn nguyên liệu trong nước dự kiến sử dụng [1]

STT Tên nguyên liệu Thành phần hoá

học yêu cầu, % Nguồn cung cấp

1 Ôxít Titan (Ti2O)

- Các cơ sở có chất lượng tương đương

TiO2 ≥ 85FeO ≤ 3,5

5 Đôlômit CaCO3 = 41 - 48

MgO3 = 43 - 76 - Hà Nam- Hà Tĩnh,…

6 Huỳnh thạch

CaF2≥ 80 SiO2 = 3 - 18

12 Nước thủy tinh Tỷ trọng ≥1,5 g/m1

Modun: 3,3 – 3,7

- Hải Phòng

- Hà Nội

1.3.2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất tạo xỉ trong thành phần mẻ liệu thuốchàn thiêu kết hệ bazơ F7A(P)6 theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 đến các đặc tínhcông nghệ hàn của thuốc

- Xác định được hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần thuốchàn đảm bảo tính công nghệ hàn khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ F7A(P)6theo tiêu chuẩn AWS A5.17- 80

1.3.3 Nội dung nghiên cứu

- Giới thiệu chung về việc nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết Xác định hướngnghiên cứu của đề tài

- Các vấn đề cần được giải quyết:

+ Phân tích, lựa chọn nền tạo xỉ và các chất đưa vào thành phần thuốc hànvới chỉ số bazơ hợp lý và sử dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất tạo xỉ chủ yếu trong thuốc hàn đến tínhcông nghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ

+ Xác định được hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần mẻ liệuthuốc hàn thiêu kết hệ bazơ thuộc nhóm đảm bảo các chỉ tiêu công nghệ hàn củathuốc

CHƯƠNG 2 THUỐC HÀN VÀ LỰA CHỌN XỈ HÀN

2.1 Các chỉ tiêu cơ bản của thuốc hàn

2.1.1 Các chỉ tiêu chung của thuốc hàn

Thuốc hàn dùng trong hàn tự động, bán tự động dưới lớp thuốc, thuốc hàn kếthợp với dây hàn phải đạt được các chỉ tiêu chung cơ bản như sau:

- Đảm bảo về cơ tính của kim loại mối hàn

- Đảm bảo thành phần hóa học cần thiết cho kim loại mối hàn

- Đảm bảo hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn và VAHN theo yêu cầu

- Đảm bảo tính công nghệ hàn theo yêu cầu

- Giá thành sản phẩm hạ

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 duy trì hồ quang hàn cháy ổn định;

- Bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi sự tác dụng của môi trườngxung 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 xỉ tốt);

- 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 xuấtthuốc 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 Thành phần, 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 các nhóm chất có công dụng vàthành phần chủ yếu như sau:

 Nhóm 1: Nhóm chất tạo khí:

Vai trò của chất tạo khí sinh ra một lượng khí cần thiết để bảo vệ vùng hàn.Đối với hàn tự động dưới lớp thuốc yêu cầu này không lớn như hàn hồ quang tay.Nhóm chất tạo khí gồm những hợp chất có chứa gốc cacbonat (đá cẩm thạch, đá vôi(CaCO3) hoặc đôlômit (CaCO3, MgCO3) để tạo khí và tạo các ôxit bazơ cần thiếtcho nền tạo xỉ hàn

Khi hàn các hợp chất này sẽ phân hủy và sinh khí theo phản ứng hóa học CaCO3 → CaO + CO2

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

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

Đối với thuốc hàn để hàn thép: tùy 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 chúngkhi hàn, 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 3: Nhóm các chất ổn định hồ quang:

Nhóm ổn định hồ quang gồm những hợp chất chứa nguyên tố có điện thế ionhoá thấp, giúp cho việc dễ gây hồ quang, duy trì hồ quang cháy ổn định, và còngiúp cho việc hình thành mối hàn tốt hơn Những hợp chất loại này gồm:

- Kim loại kiềm: K2O, Na2O từ nước thuỷ tinh kali (potas K2SiO3), nướcthuỷ tinh natri (soda Na2 SiO3)

- Kim loại kiềm thổ: CaO, MgO, từ các chất CaCO3, MgCO3, trừ CaF2

chất này làm giảm tính ổn định của hồ quang hàn

- Trường thạch: chứa các oxit kali, natri

 Nhóm 4: Nhóm các chất khử và hợp kim hoá:

Dùng các fero hợp kim, bột kim loại

- Chất khử: là những nguyên tố có ái lực mạnh với oxi, có tác dụng khử ôxi

Mo, Fe-W, Fe-Nb, bột Al, với hàm lượng fero hợp kim khác nhau và kích thướchạt phù hợp

 Nhóm 5: Nhóm các chất khử tạp chất S, P:

Bên cạnh những chất đã được đưa vào nhóm tạo khí (CaCO3, MgCO3) sẽphân huỷ thành các chất, trong đó có các ôxit bazơ (CaO, MgO) để khử S, P, còn cóthể đưa thêm một lượng khá lớn CaF2 có tác dụng khử S, P và làm giảm lượnghyđrô và cải thiện tính chất kim loại mối hàn

 Nhóm 6: Nhóm chất liên kết: Nước thuỷ tinh đối với thuốc hàn gốm

- Chức năng: Dính kết các thành phần của mẻ liệu thuốc hàn và tăng độ bền

cơ học hạt thuốc hàn, hạn chế khả năng hút ẩm

- Các chất dính kết: thường dùng nước thuỷ tinh natri và kali với các tỷtrọng và modul khác nhau tùy thuộc vào loại thuốc

- Các thông số cơ bản của nước thủy tinh:

+ Tỷ trọng của nước thuỷ tinh natri (Na2O nSiO2 mH2O) là: γ = 1,30 ÷ 1,5g/cm3 Tỷ trọng có thể xác định theo độ bome bằng bome kế

+ Modul n = 2,65 ÷ 3,40 (modul là tỷ lệ số phân tử của SiO2 trên Na2O và K2O) + Độ nhớt của nước thủy tinh η

Trong thực tế trọng lượng khô còn lại của nước thủy tinh vào khoảng 10 ÷14g cho 100g mẻ liệu khô của thuốc hàn

2.2.2 Phân loại và kí hiệu thuốc hàn tự động

 Phân loại thuốc hàn tự động

 Phân loại theo phương pháp chế tạo thuốc:

- Thuốc hàn nung chảy (Fused)

- Thuốc hàn gốm nói chung (không nung chảy – Bonded) Có thể phân chiathành hai loại:

+ 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)

 Phân loại theo đặc điểm và tỷ trọng hạt thuốc:

- 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.

 Phân loại theo tính bazơ hoặc axít của xỉ hàn:

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

 Phân loại heo thành phần hoá học và hợp chất chính:

Theo thành phần hoá học và hợp chất chủ yếu của xỉ hàn có thể phân loại, kíhiệu 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

CS CaO + MgO + SiO2 ≥ 60 Hệ Canxi – Silicat

AB Al2O3 + CaO + MgO ≥ 45,

( Al2O3 ) ≥ 20 Ôxit nhôm – Bazơ

FB CaO + MgO + MnO + CaF2 ≥ 50 ,

SiO2 max = 20, CaF2 ≥ 15 Fluorit – Bazơ

 Phân loại theo công dụng.

- Thuốc hàn dùng hàn cơ giới hoá và hàn đắp

- Thuốc hàn điện xỉ

- Thuốc hàn hợp kim cao

 Phân loại theo hoạt tính hoá học (H) của xỉ hàn

- Thuốc hàn hoạt tính cao H > 0,6

- Thuốc hàn hoạt tính tốt 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

 Ký hiệu của thuốc hàn tự động

Hiện nay hệ thống tiêu chuẩn để ký hiệu thuốc hàn của Việt Nam chưa đượcchuẩn hoá, khi lựa chon thuốc hàn để hàn có thể tham khảo một số tiêu chuẩn phổbiến trên thế giới như AWS Tiêu chuẩn này thường giới thiệu kết hợp thuốc hànvới dây hàn đặc để hàn tự động dưới lớp thuốc Theo tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80

“Quy định thuốc hàn và dây hàn thép cacbon để hàn tự động dưới lớp thuốc”[13;14]

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

Theo tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80, thuốc hàn được ký hiệu kết hợp với dâyhàn tương ứng để đạt được cơ tính cần thiết của kim loại mối hàn Trong phần kýhiệu thuốc hàn FXXX, chữ X đầu tiên là độ bền kéo tối thiểu của kim loại mối hàn,ksi xem bảng 2.2 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) hoặc chữ P(có xử lý nhiệt sau khi hàn) chế độ nhiệt luyện là 610 – 635 0C/1h Chữ X thứ 3 cóthể là chữ Z hoặc các số (xem bảng 2.3) cho biết nhiệt độ quy ước thử độ dai va đậpvới giá trị tương ứng ở cột bên phải

Theo tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 phân loại dây hàn thép cacbon thành 8 loạitrong 3 nhóm có hàm lượng mangan thấp, trung bình và cao (Kí hiệu là L, M và H).Trong phần kí hiệu dây hàn EXXX – HX, chữ E là ký hiệu điện cực (dây hàn) vàtiếp theo là chữ C có thể không có, Còn chữ X đầu tiên là một trong 3 chữ L, Mhoặc H; chữ X thứ 2 là một hoặc 2 chữ số (8; 12; 13; 14; 15) chỉ hàm lượng cacbondanh nghĩa (qui ước); còn nếu có chữ K ở cuối là dây hàn được chế tạo từ thép khửbằng silic Trong trường hợp dây hàn kí hiệu EG (hoặc ECG), ở đây chữ G là

“general” có nghĩa là kim loại đắp theo phân loại chung, không qui định về thànhphần hoá học Các chỉ tiêu của dây hàn và kim loại mối hàn tham khảo bảng 2.3.

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, o C 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

EL8K 0,10 0,25 ÷ 0,60 0,10 ÷ 0,25 0,030 0,030 0,35EL12 0,05 ÷ 0,15 0,25÷0,60 0,07 0,030 0,030 0,35

Dây hàn có hàm lượng mangan trung bìnhEM11K 0,07 ÷ 0,15 1,00 ÷ 1,50 0,65 ÷ 0,85 0,030 0,025 0,35EM12 0,06 ÷ 0,15 0,80 ÷ 1,25 0,10 0,030 0,030 0,35EM12K 0,05 ÷ 0,15 0,80 ÷ 1,25 0,10 ÷ 1,35 0,030 0,030 0,35EM13K 0,06 ÷ 0,16 0,90 ÷ 1,40 0,35 ÷ 1,75 0,030 0,030 0,35EM14K 0,06 ÷ 0,19 0,90 ÷ 1,40 0,35 ÷ 1,75 0,025 0,025 0,35

Ti=0,03÷ 0,17

EH10K 0,07 ÷ 0,15 1,30 ÷ 1,70 0,05 ÷ 0,25 0,025 0,025 0,35EH11K 0,07 ÷ 0,15 1,40 ÷ 1,85 0,80 ÷ 1,15 0,030 0,030 0,35EH12K 0,06 ÷ 0,15 1,50 ÷ 2,00 0,25 ÷ 0,65 0,025 0,025 0,35EH14 0,10 ÷ 0,20 1,70 ÷ 2,20 0,10 0,030 0,030 0,35

 Tính chất của xỉ hàn:

- Tính chất vật lý gồm: Nhiệt độ nóng chảy, trọng lượng riêng, độ nhớt (phụ thuộcvào nhiệt độ), tính dẫn nhiệt ở trạng thái nóng chảy, hệ số giãn nở nhiệt, …

- Tính chất hoá học: Độ hoạt tính hoá học, tính axit (bazơ), khả năng tươngtác với kim loại, …

2.3.2 Các tính chất 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 (G.L.Petrov).

∑ ∑ +

=

) ( 2

2

RO O R

RO A

(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/�)

Đôi khi còn 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 lànhững đánh giá gần đúng Và đều coi khi A>1 (tương ứng với B<1) là xỉ axit Tuynhiên hệ số axit của xỉ chỉ được thể hiện bởi lượng các ôxit tự do có thực trong nó

Ví dụ: xỉ chứa 50%SiO2 và 50%FeO hệ số axit sẽ bằng 1, tức là xỉ trung tính.Nhưng thực tế nó mang tính axit, bởi vì trong xỉ không chỉ tạo nên SiO2.FeO, màcòn có SiO2.(FeO)2, kết cục có một lượng nhất định SiO2 tự do

Các công thức này có thể được chia thành hai nhóm lớn nhóm thứ nhấttương tự (2.1) dự trên cơ sở lý thuyết phân tử của xỉ hàn Trong số các công thứccủa nhóm này phổ biến nhất là công thức của Viện hàn Quốc tế [10]:

(2.2)Trong đó: CaO, MgO, Al2O3, Li2O,… hàm lượng của các cấu tử trong xỉ hàn,

%

 Hoạt tính hoá học của xỉ hàn:

Hoạt tính hoá học của xỉ hàn được đánh giá theo khả năng oxi hoá chung củacác ôxit và được biểu diễn bởi tổng số lượng ôxit tham gia vào các phản ứng ôxihoá – khử ở bề mặt phân pha Tuy nhiên lượng ôxit kể trên có quan hệ với thànhphần của xỉ hàn được bểu diễn ở dạng:

0

0.1 0.3 0.5 0.7 H[0],%

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=i=0n(R02)+B2j=0q(R0)/100B (2.4)

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–xỉ hàn;B− hệ số bazơ của thuốc –xỉ hàn, được xác định theo phương trình (2.3)

Sự phụ thuộc tương quan của hàm lượng ôxi trong kim 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 dùng 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 đủ để đặc trưng cho khả năng ôxi hoá của thuốc – xỉ hàn

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 ở chế độ hàn trung bình trên thép các bon

Trong quá trình nóng 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 thểcoi độ nhớt của xỉ lỏng nóng chảy sẽ được xác định bởi các nhóm anion Si-O và Al-Si-O theo các kích thước của chúng Thành phần và tổ chứa của các nhóm này ởgần đường lỏng giống thành phần các anion gốc – pha tinh thể (mầm tinh thể) đượctiết ra từ pha xỉ lỏng

Ôxit silic nóng chảy có độ nhớt lớn nhất và tổ chức xương cá (ba chiều) Độnhớt của SiO2 ở 18000C gần bằng 105 Pa.S, còn khi quá nhiệt đến 21500C là104 Pa.S

và ở 23500C gần bằng 103 Pa.S

Độ nhớt cao của ôxit silic nóng chảy chứng tỏ độ bền bên trong của liên kếtcũng như độ bền giữa các gốc O-Si-O nối với nhau bằng cầu trung gian -O- ôxit sắtnguyên chất thực tế không phân ly thành các ion và không là chất điện ly, tuy nhiênkhi bổ sung các ôxit bazơ, nó trở thành chất dẫn điện và độ nhớt của nó giảm rõ rệtkhi tăng tỷ lệ O: Si do bổ sung các ôxit bazơ làm phá huỷ các liên kết Si-O-Si

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

Độ nhớt của xỉ hàn hệ chứa cao lanh (ôxit nhôm) tăng khi có các chất kiềm.Điều này có liên quan đến việc tạo thành nhôm - silicat kiềm có tổ chức hìnhxương cá Trường hợp không có cao lanh trong xỉ hàn, các chất kiềm có tác dụnglàm giảm độ nhớt và giảm nhiệt độ kết tinh của xỉ nóng chảy, do kiềm sẽ làm đơngiản hoá tổ chức và tạo thành các silicat kiềm dễ nóng chảy

Xỉ hàn nóng chảy giàu các oxit bazơ khi tỷ số O: Si ≥ 3, tổ chức của nó là cácdạng đơn giản nhất của các nhóm anion SiO44−, (Si,Al)O76−, (Si3O96−), cho thấy độnhớt ít thay đổi khi tăng nhiệt độ (xỉ ngắn) (hình 2.3)

Độ nhớt của xỉ hàn giảm khi bổ sung CaF2 do tạo với hợp chất chứa F vàmang điện tích F-1, thay cho nguyên tử ôxi hoá trị hai chưa bão hòa trong tổ hợp Si-

O như một khối hoặc đóng gốc Si-O, khi đó làm giảm sức căng của nó

Các số liệu về thành phần của xỉ hàn lúc kết tinh, sự thay đổi của thành phầncủa nó dưới tác dụng của tỷ số CaO, SiO2 và hàm lượng của Al2O3, MgO cùng vớiviệc nghiên cúu các tính chất vật lý của xỉ hàn nóng chảy cho phép giải thích ảnhhưởng của các chất bazơ đến độ nhớt và nhiệt độ kết tinh xỉ hàn thực

Khi tăng tỷ số CaO, SiO2 sẽ làm đơn giản hoá cấu trúc của các nhóm aniontồn tại trong xỉ rắn, do sự thay đổi cấu trúc xương cá và mắt xích của các gốc anion

bằng nhóm đơn giản hơn Việc hình thành tổ chức các anion phức chất một cáchđơn giản hơn sẽ làm giảm độ nhớt của xỉ nóng chảy Ngoài ra, khi tăng tỷ số CaO,SiO2 sẽ làm tăng nhiệt độ nóng chảy của các pha khoáng chất do tăng nhiệt độ kếttinh của xỉ nóng chảy.

Việc 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)

Cho đến nay vẫn có ý kiến cho rằng: Ti4+ có khả năng thay thế Si4+ và tácdụng của điôxit titan tương tự như ôxit silic Tuy nhiên, TiO2 khác với SiO2 ở chỗ

nó làm giảm độ nhớt của xỉ hàn

Mặc dù có công thức hoá học giống nhau giữa TiO2 và SiO2, 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 [10]

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 sảy ra trong khoảng nhiệt độ hẹp

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

Đường đặc trưng định tính về sự thay đổi độ nhớt của hai loại xỉ này đượcdẫn ra trên hình 2.4

1

20

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 trạng thái và đông đặc rất nhanh.Đặc điểm công nghệ này cho phép hàn những mối hàn leo, hàn đứng

Các xỉ hàn dài thường là xỉ axit Chúng đông đặc từ từ và nhận được trạng thái

vô định hình khác nhau (thuỷ tinh thể)

Để nhận được các tính chất kim loại mối hàn cần thiết và đảm bảo tạo dáng mốihàn, các tính chất của xỉ hàn đóng vai trò rất quan trọng

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

Nếu Tnc xỉ<< Tnc kim loại thì xỉ sẽ bị quá nhiệt mạnh, sẽ chảy loang xa mép hàn, ngoàigiới 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 thép như thực tếcho thấy, hợp lý nhất là dung các loại xỉ hàn có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt

độ nóng chảy của kim loại khoảng từ 200 ÷ 3500C [9]

Giá trị độ nhớt của xỉ hàn trong vùng nhiệt độ vũng hàn và sự kết tinh của nó làmột đặc tính rất quan trọng Độ nhớt bình thường của kim loại nóng chảy là

ηkl=0,01 ÷ 0,02n3, xỉ hàn cần phải có độ nhớt lớn hơn đáng kể độ nhớt của kim loạinóng chảy Đối với hàn thép độ nhớt của xỉ thích hợp là ηxỉ = 0,8 ÷ 0,3 n3 Nếu xỉ

có độ nhớt quá cao cũng không có lợi đối với mục đích hàn

Trường hợp, để làm giảm độ nhớt của xỉ hàn thường bổ xung CaF2 ,TiO2…những chất bổ sung này có thể thực hiện đồng thời nhiều chức năng

 Một số đặc tính khác của xỉ hàn:

- Sức căng bề mặt phân pha kimloại nóng chảy- xỉ hàn nóng chảy là một đặc tínhquan trọng của xỉ hàn, giúp cho việc tạo dáng bề mặt mối hàn ở các tư thế khônggian hàn khác nhau, ảnh hưởng đến sự phân pha của xỉ với kim loại tránh lộn xỉtrong kim loại nóng chảy, giúp cho hàn ngấu phần phía dưới vũng hàn (chẳng hạnkhi hàn dung lớp thuốc lót ở dưới khe hở hàn)

Sự phân pha của xỉ hàn và kim loại nóng chảy phụ thuộc nhiều vào tỷ trọng của

xỉ, hay nói chính xác hơn phụ thuộc vào sự khác nhau giữa tỷ trọng của xỉ nóngchảy và tỷ trọng của kim loại lỏng khi tăng sự khác nhau này (tức là khi tỷ trọngcủa xỉ thấp) xỉ dễ nổi lên khỏi vũng hàn

- Độ thẩm thấu khí của xỉ hàn: đây cũng là một đặc tính quan trọng, tuy nhiên nó

ít được nghiên cứu Một trong những nhiệm vụ của xỉ là bảo vệ kim loại vũng hànkhỏi sự tác dụng có hại của môi trường không khí, trong đó hyđro có khả năng xâmnhập qua xỉ mạnh nhất, rồi đến ôxi và nitơ Do vậy phải có biện pháp bảo vệ bổsung nếu xét thấy cần thiết, chẳng hạn khi hàn titan

2.3.3 Phân loại xỉ hàn

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

 Phân loại theo tính axit hay bazơ:

Căn cứ theo các giá trị tính độ axit hay bazơ theo các công thức (2.1), (2.2),

có thể 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

Nhưng điều này chỉ có tính chất quy ước, bởi vì theo những phân tích ở trên,trong môi trường hợp cụ thể phân loại này chỉ còn phụ thuộc vào các ôxit tư do haylượng ôxi tư do.

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

Phạm vi ứng dụng của các loại xỉ hàn – thuốc hàn có liên quan đến độ dai vađập như sau:

Và nhiệt độ chuyển đổi tương đương giữa hai hệ như sau:

 Phân loại theo độ hoạt tính:

Theo các giá trị tính toán độ hoạt tính hoá học của xỉ hàn H(2.8) xỉ hàn đượcchia ra:

- 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

 Phân loại theo sự thay đổi độ nhớt:

- Xỉ ngắn: Là loại xỉ hàn có sự thay đổi độ nhớt sảy ra trong khoảng nhiệt độ hẹp

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

 Phân loại theo nền tạo xỉ:

Theo phân loại và ký hiệu của Viện Hàn quốc tế và cũng như một số tài liệuphổ 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

MnO + SiO2 ≥ 50 M

S Thép C thườngCaO - SiO2 -

2O3,

2 ≥ 60 CS Thép C thườngFeO – MgO -

(Al2O3) ≥ 20

AB

Thép C độ bềncao

FB

Thép hợp kimcao (Cr,Ni)

KCl – NaCl - Na3

- AlF6

CaF2,(SiO2)

Nhôm và hợpkim nhôm

KF - AlF3 - LiCl (ZrO2)

2.4 Lựa chọn nền tạo xỉ hàn và tính toán sơ bộ thành phần mẻ liệu thuốc hàn

2.4.1 Lựa chọn nền tạo xỉ

 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 của nó phải phù hợp với loại thuốc hàn

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

- Đảm bảo độ nhớt của hệ xỉ là 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 bảo khử tạp chất, hợp kim hoá kim loại mối hàn theo yêu cầu

- Có các đặc tính công nghệ cần thiết và thích hợp

- Đảm bảo 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 tạo ra nhiều khói 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 loại mối hàn,

do % O2 còn lại trong kim loại mối hàn (dạng hòa tan FeO) lớn

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

- CaO – CaF2 – Al2O3 Nền tạo xỉ này dùng để hàn đắp thép hợp kim trung bình

và hợp kim cao

 Chon nền tạo xỉ cho thuốc hàn thiêu kết F7A(P)6:

Từ những phân tích và yêu cầu về nền tạo xỉ của thuốc hàn để hàn kết cấu thépcacbon độ bền cao Tác giả nhận thấy nền tạo xỉ phù hợp nhất đối với loại thuốc hàn

để hàn kết cấu thép cacbon độ bền cao và thép hợp kim thấp với những điều kiệnnguồn nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam là nền tạo xỉ dưới đây:

(CaO + MgO) – Al2O3 – CaF2 – TiO2

Để đảm bảo cho nền tạo xỉ có các tính chất vật lý cần thiết như nhiệt độ nóngchảy, độ nhớt, tỷ trọng riêng, sức căng bề mặt, góc thấm, thì nguyên tắc chọn tỉ lệ

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

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

Hình 2.7 Sức căng bề mặt của hệ xỉ hàn ở 1600°C, J/m 2

Dựa vào các giản đồ trạng thái 3 nguyên nêu trên, để đảm bảo tổng hợp cácchỉ tiêu của xỉ hàn, ta chọn sơ bộ tỷ lệ các cấu tử trong xỉ hàn như sau:

+ (CaO + MgO) chiếm khoảng 30%

+ Al2O3 chiếm khoảng 30%

+ CaF2 chiếm khoảng 15%

+ TiO2 chiếm khoảng 25%

2.4.2 Xác định thành phần sơ bộ mẻ liệu thuốc hàn

 Tính toán sơ bộ thành phần mẻ liệu thuốc hàn:

 Nguyên tắc chọn sơ bộ nền tạo xỉ hàn:

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

- Dựa vào đặc điểm và yêu cầu của thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ loạiF7A(P)6 theo AWS A5.17-80

- Dựa vào tỉ lệ hệ xỉ đã chọn ở trên: