Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết

Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối, từ đó đưa ra các thông số của chế độ hàn hợp lý làm giảm ứng suất và biến dạng t

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện đang sử dụng và các công trình đã đƣợc công bố (ngoại trừ các bảng biểu số liệu tham khảo và những kiến thức cơ bản trong các tài liệu học tập và nghiên cứu đƣợc phép sử dụng)

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình

Hà Nội, tháng 09 năm 2013

Tác giả

Vũ Văn Phúc

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành của mình tới PGS.TS Nguyễn Tiến Dương, người đã hướng dẫn trực tiếp và giúp đỡ tận tình trong việc định hướng nghiên cứu, tổ chức thực hiện đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Viện Cơ Khí và Viện đào tạo Sau đại học – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này

Tác giả trân trọng cảm ơn lãnh đạo Trường Cao Đẳng Nghề Dịch Vụ Hàng Không và Doanh nghiệp tư nhân Tuấn Tú đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành phần thực nghiệm của Luận văn này

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn khó tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy/ Cô giáo, các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp

Hà Nội, tháng 09 năm 2013

Vũ Văn Phúc

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN……… 1

LỜI CẢM ƠN……….2

MỤC LỤC……….……… 3

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN……… 5

HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ……… 6

PHẦN MỞ ĐẦU……….8

CHƯƠNG 1……… 11

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU……… 11

1.1 Tổng quan về các liên kết hàn giáp mối và ứng dụng của chúng ………11

1.2 Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối 16

1.3 Kết luận chương 1 16

CHƯƠNG 2……… 18

XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÀN……….18

2.1 Phân tích lựa chọn phương pháp hàn 18

2.2 Phương pháp hàn MAG 22

2.3 Tính toán và xác định chế độ hàn liên kết giáp mối 34

2.4 Kết luận chương 2 40

CHƯƠNG 3……… 41

TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN 41

LIÊN KẾT GIÁP MỐI……… 41

3.1 Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất và biến dạng 41

3.2 Tính toán ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết giáp mối 55

3.3 Nhận xét 57

3.4 Kết luận chương 3 58

CHƯƠNG 4……… 59

ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA LIÊN KẾT HÀN GIÁP MỐI………59

4.1 Chế độ hàn (1) 59

4.2 Chế độ hàn (2) 59

4.3 Chế độ hàn (3) 61

4.4 Nhận xét: 64

4.5 Kết luận chương 4 65

CHƯƠNG 5……… 66

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG LIÊN KẾT HÀN GIÁP MỐI………66

5.1 Mẫu hàn thử 66

5.2 Thiết bị và vật liệu hàn 67

5.3 Chế độ hàn các mẫu thử 69

5.4 Sơ đồ đo biến dạng 70

5.5 Trình tự tiến hành thực nghiệm đo biến dạng 74

5.6 Kết quả đo biến dạng 79

5.7 Kết luận chương 5 80

CHƯƠNG 6 CÁC BIỆN PHÁP LÀM GIẢM ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN LIÊN KẾT HÀN GIÁP MỐI………81

6.1 Các biện pháp làm giảm ứng suất và biến dạng hàn 81

6.2 Các biện pháp xử lý ứng suất và biến dạng sau khi hàn 84

6.3 Kết luận chương 6……… 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… 87

1 Kết luận 87

2 Các kiến nghị 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….88

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

бT [kg/cm2] Giới hạn chảy của kim loại

E [kg/cm2] Mô đun đàn hồi

 l/0C Hệ số dãn nở nhiệt của kim loại

 đ g/Ah Hệ số kim loại đắp

Ih (A) Cường độ dòng điện hàn

Vh (m/h) Tốc độ/ vận tốc hàn

qđ (cal/s) Năng lượng đường

HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.7 Ký hiệu tư thế hàn tấm phẳng đối với mối hàn giáp mối 14 Hình 1.8 Mối hàn giáp mối sử dụng trong hàn phân đoạn Boong Tàu 15 Hình 1.9 Mối hàn giáp mối sử dụng làm dầm cầu trục 15

Hình 2.2 Máy hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ 19 Hình 2.3 Máy hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ( GMAW) 20

Hình 3.7 Hàn giáp mối các tấm có kẹp chặt 50

Hình 4.1 Ảnh hưởng của Ih đến ứng suất phản kháng σ2 64

Hình 5.9 Mẫu M1: Ih nh , khe hở bé, góc vát chưa h p lý nên mối hàn không

ngấu phía sau đường hàn

74

Hình 5.10 Mẫu M2: v n tốc hàn chưa h p lý nên mối hàn ngấu không đều 75 Hình 5.11 Mẫu M3: Mối hàn đều, cân, ngấu đều mặt sau và đảm bảo kích thước 75 Hình 5.12 Đo các kích thước ban đầu của mỗi tấm mẫu 75 Hình 5.13 Làm sạch mỗi bên mép hàn từ 15 – 30 (mm) 76

Hình 5.16 Đo độ co dọc, co ngang, và biến dạng góc trước khi hàn 77

Hình 6.6 Nung nóng dải theo trục mối hàn để giảm biến dạng cong vênh 86

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong nền công nghiệp phát triền nóng như hiện nay, ngành Hàn đã và đang đóng một vai trò đặc biệt quan trọng Tại một số lĩnh vực như: Đóng tàu, xây dựng, sản xuất kết cấu thép, luyện kim, thủy điện, sản xuất Ô tô, … không thể thiếu hàn

vì nó chiếm một khối lượng rất lớn trong tổng công việc cần hoàn thành Để thực hiện hàn được các kết cấu thì có rất nhiều phương pháp hàn trong đó các mối hàn giáp mối được ưu tiên hơn trong quá trình thực hiện các công việc hàn

Liên kết hàn giáp mối: Được sử dụng rất nhiều trong việc chế tạo kết cấu đặc biệt là các kết cấu tàu thủy, nơi mà khối lượng hàn chiếm tỷ trọng rất lớn Liên kết hàn giáp mối có các loại như sau: Có gấp mép, không vát mép, vát mép một cạnh, vát mép theo đường thẳng, vát mép theo đường cong, vát mép một phía cả hai cạnh, vát mép hình chữ V, chữ X, chữ U hoặc U kép

Chất lượng của các mối hàn giáp mối thường phụ thuộc rất lớn vào các thông

số cơ bản của quá trình hàn Hiện nay, trong sản xuất tại các doanh nghiệp đã xuất hiện rất nhiều máy hàn hiện đại, nguồn, đồ gá hàn tuy nhiên khi hàn giáp mối vẫn xảy ra hiện tượng tồn tại ứng suất dư và khả năng biến dạng, làm khó khăn cho quá trình chế tạo, lắp giáp đặc biệt là nó làm giảm khả năng làm việc trong quá trình sử dụng các kết cấu đi khá nhiều

Để có được những kết cấu hàn đảm bảo làm việc an toàn trong sản xuất thì

nó phải được chế tạo có hình dạng kết cấu, vật liệu phù hợp Đặc biệt phải có chế độ hàn hợp lý nhằm giảm ứng suất dư và biến dạng của các kết cấu hàn xuống mức thấp nhất

có thể

Xuất phát từ tính cấp thiết và yêu cầu nêu trên, tác giả tiến hành chọn đề tài:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối”

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối, từ đó đưa ra các thông số của chế độ hàn hợp lý làm giảm ứng suất và biến dạng trước, trong và sau khi hàn liên kết hàn giáp mối nhỏ nhất có thể

Khảo sát các thông số của chế độ hàn làm giảm ứng suất và biến dạng của liên kết hàn giáp mối trên các tài liệu đã đề cập cũng như các kinh nghiệm mà các doanh nghiệp đã và đang làm trong thực tế sản xuất của họ

Thực nghiệm, sau đó kết hợp với thực tế để đưa ra các thông số của chế độ hàn hợp lý làm giảm ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết hàn giáp mối thấp nhất

có thể

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là:

- Xác định chế độ hàn khi hàn giáp mối;

- Xác định ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối ;

- Đưa ra được chế độ hàn hợp lý để giảm ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết giáp mối

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là dựa vào các tài liệu đã đề cập, quá trình khảo sát thực tế tại các doanh nghiệp sản xuất , thực nghiệm để phân tích và đánh giá từ đó tìm ra được chế độ hàn hợp lý để giảm ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết giáp mối

3 Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả

Toàn bộ nội dung nghiên cứu được thể hiện trong các phần sau đây:

- Cơ sở tính toán và xác định chế độ hàn khi hàn giáp mối;

- Cơ sở tính toán ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối;

- Tính toán và xác định chế độ hàn cho mối hàn giáp mối;

- Tính toán ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối;

- Ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối ;

- Xác định chế độ hàn và số lớp hàn hợp lý để giảm ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối

Với ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tế của luận văn sau khi hoàn thành sẽ

có những đóng góp đáng kể cho các doanh nghiệp và nhà sản xuất kết cấu thép

Ý nghĩa khoa học: Bằng cơ sở lý thuyết kết hợp với quá trình thực nghiệm tại

các cơ sở sản xuất, luận văn đưa ra được chế độ hàn hợp lý làm giảm ứng xuất và biến dạng của liên kết hàn giáp mối nhằm mục tiêu tạo ra những kết cấu có khả năng làm việc tốt hơn

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của tác giả sẽ đóng góp thêm vào việc

nâng cao chất lượng của sản phẩm các kết cấu hàn tại các doanh nghiệp, rút ngắn đáng

kể về thời gian xử lý quá trình biến dạng cũng như tồn tại ứng xuất dư trong liên kết hàn giáp mối

Làm cơ sở cho việc nghiên cứu, nhằm đưa ra các chế độ hàn hợp lý làm giảm ứng xuất và biến dạng của các kết cấu khác;

Tạo ra những kết cấu hàn có tồn tại ứng suất, biến dạng là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo tính công nghệ, tính kinh tế trong quá trình sản xuất

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết;

- Tiến hành thực nghiệm tại các doanh nghiệp và xử lý các số liệu thu thập được

- Đưa ra chế độ hàn hợp lý để hạn chế ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết giáp mối

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về các liên kết hàn giáp mối và ứng dụng của chúng

1.1.1 Tổng quan về các liên kết hàn giáp mối

Trong nền công nghiệp phát triền nóng như hiện nay, ngành Hàn đã và đang đóng một vai trò đặc biệt quan trọng Tại một số lĩnh vực như: Đóng tàu, xây dựng, sản xuất kết cấu thép, luyện kim, thủy điện, sản xuất Ô tô, … không thể thiếu hàn

vì nó chiếm một khối lượng rất lớn trong tổng công việc cần hoàn thành Để thực hiện hàn được các kết cấu thì có rất nhiều phương pháp hàn trong đó các mối hàn giáp mối được ưu tiên hơn trong quá trình thực hiện các công việc hàn

Các mối hàn giáp mối chủ yếu dùng để tạo ra liên kết hàn giáp mối

Hình 1.1 Các loại liên kết hàn giáp mối

Liên kết hàn giáp mối có đặc điểm là đơn giản, mối hàn dễ thực hiện bảo đảm nhận được mối hàn có chất lượng cao bởi vì điều kiện thoát khí và xỉ nổi là thuận lợi nhất, đồng thời phân bố đều đướng sức (không gây tập trung ứng suất) dẫn đến sự hình thành mối hàn cũng tốt hơn Đây là loại liên kết được ưu tiên sử dụng

Dấu hiệu cơ bản của mối hàn giáp mối là dạng vát mép các chi tiết đem hàn

Có các loại mối hàn giáp mối sau:

Hình 1.2 Các dạng vát mép mối hàn giáp mối

a) Mối hàn giáp mối có gấp mép

b) Mối hàn giáp mối không vát mép (hàn từ một phía và từ hai phía)

Hình 1.3 Mối hàn giáp mối không vát mép

c) Mối hàn giáp mối vát mép một cạnh (hàn từ một phía và từ hai phía), vát mép theo đường thẳng và vát mép theo đường cong, vát mép theo một phía cả hai cạnh

d) Mối hàn giáp mối vát mép hình chữ V

Hình 1.4 Mối hàn giáp mối vát mép chữ V

e) Mối hàn giáp mối vát mép hình chữ X

Hình 1.5 Mối hàn giáp mối vát mép chữ X

f) Mối hàn giáp mối vát mép hình chữ U hoặc U kép

Hình 1.6 Mối hàn giáp mối vát mép chữ U

Vát mép chũ U

Vát mép chũ V

Vát mép chũ X

 Ký hiệu mối hàn giáp mối theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 6947 cũng nhƣ tiêu chuẩn ASME của Mỹ quy định ký hiệu tƣ thế hàn:

Hình 1.7 Ký hiệu tư thế hàn tấm phẳng đối với mối hàn giáp mối

PA: (1G theo ASME) hàn sấp

Hình 1.8 Mối hàn giáp mối sử dụng trong hàn phân đoạn Boong Tàu

Hình 1.9 Mối hàn giáp mối sử dụng làm dầm cầu trục

Mối hàn giáp mối

Mối hàn giáp mối

1.2 Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối

1.2.1 Tính kinh tế

Trong quá trình chế tạo liên kết hàn giáp mối, chế độ hàn sẽ ảnh hưởng đến ứng suất và biến dạng hàn và có vai trò quyết định khả năng làm việc của kết cấu Những nhân tố ảnh hưởng tới chất lượng của quá trình sản xuất như nguồn hàn,

đồ gá hàn, chế độ hàn,… chúng ta có thể khắc phục được một cách triệt để còn riêng ứng suất và biến dạng trong quá trình hàn rất khó khống chế được triệt để

Vì vậy muốn đạt được năng suất và hiệu quả sản xuất cao thì trước khi hàn ta phải tính được chế độ hàn thích hợp để hạn chế tốt được ứng suất và biến dạng hàn

Từ đó ta thấy được giá trị của việc tính toán chế độ hàn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến ứng suất và biến dạng hàn

1.2.2 Tính công nghệ

Việc nghiên cứu ứng xuất và biến dạng khi hàn có ý nghĩa hết sức quan trọng Biết được ứng xuất và biến dạng của kết cấu sau khi hàn cho phép đánh giá khả năng làm việc của kết cấu Khi chế tạo và lắp ghép do có ứng xuất và biến dạng nên có những sai số nhất định, nhờ việc nghiên cứu mà chúng ta có thể đảm bảo được độ chính xác của kết cấu hàn

Chế độ hàn là một trong những nhân tố ảnh hưởng trực tiếp đến ứng xuất và biến dạng sau khi hàn Do đó việc tính toán đưa ra chế độ hàn, cùng với một quy trình hàn phù hợp sẽ giảm được ứng xuất và biến dạng của liên kết sau khi hàn

Liên kết hàn giáp mối được sử dụng rất nhiếu trong việc chế tạo kết cấu đặc biệt là các kết cấu tàu thủy, nơi mà khối lượng hàn chiếm tỷ trọng rất lớn Vì vậy

Luận văn này đi vào “nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng liên kết hàn giáp mối”

1.3 Kết luận chương 1

Trong chương 1, tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau:

- Tổng quan về các liên kết hàn giáp mối và ứng dụng của chúng

- Tính cấp thiết của việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất

và biến dạng liên kết hàn giáp mối

Từ những phân tích đó tác giả đi đến kết luận về tính cấp thiết của công việc nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến ứng suất và biến dạng khi hàn liên kết giáp mối là phù hợp với khuôn khổ luận văn của mình

Chương 2 XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÀN 2.1 Phân tích lựa chọn phương pháp hàn

Hiện nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật các phương pháp hàn ngày càng được áp dụng rộng rãi, ứng với mỗi loại vật liệu khác nhau, có tính hàn khác nhau Tuỳ theo chiều dày của vật liệu và yêu cầu kỹ thuật về hình dạng, chất lượng mối hàn cũng như yêu cầu của kết cấu mà người lựa chọn phương pháp hàn cho phù hợp

Trong phạm vi nghiên cứu đề tài , tác giả sử dụng vật liệu hàn là thép CT38 đây

là loại thép được sử dụng rộng rãi và có tính hàn tốt có thể áp dụng được nhiều phương pháp hàn khác nhau như: hàn điện hồ quang tay, hàn khí, hàn tự động dưới lớp thuốc, hàn trong môi trường khí bảo vệ v.v mỗi phương pháp hàn đều có những ưu nhược điểm riêng

2.1.1 Hàn hồ quang tay (SMAW)

Hàn hồ quang tay là phương pháp hàn Hàn hồ quang điện cực nóng chảy kim loại với que hàn có thuốc bọc bảo vệ - thường được gọi là hàn hồ quang tay, phương pháp này ra đời sớm nhất, nó được phát triển rộng rãi, và được sử dụng để hàn cho tất cả các kim loại do đơn giản, với trang thiết bị rẻ tiền, có chi phí thấp nhưng có thể hàn được các mối hàn ở mọi vị trí khác nhau Tuy nhiên, do quá trình hàn thủ công nên năng suất lao động còn thấp và chất lượng của mối hàn chưa cao, phụ thuộc chủ yếu vào kỹ năng tay nghề của người thợ Như trong ngành đóng tàu thủy, với các yêu cầu ngày càng cao về chất lượng, năng suất lao động và điều kiện lao động của người thợ cùng với sự phát triển mạnh của công nghệ hàn thì hàn hồ quang tay đang được thay thế bằng các phương pháp hàn khác có hiệu quả hơn Phương pháp hàn này chủ yếu được dùng để thực hiện công việc gá đính, lắp ráp, hàn các chi tiết có chiều dày vật hàn nhỏ ( phổ biến từ 10 – 15 mm) như: hàn các nẹp gia cường, hàn các mối hàn ngắn và có trí hàn thay đổi liên tục

Hình 2.1 Máy hàn hồ quang tay

2.1.2 Hàn tự động dưới lớp thuốc (SAW)

Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc cho năng suất và chất lượng hàn rất cao, điều kiện lao động của người công nhân nhẹ nhàng, ít độc hại, giảm sức lao động vì

có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa tốt Tuy nhiên, giá thành thiết bị cao, không phù hợp với các mối hàn ngắn hoặc cong và chỉ hàn được ở vị trí hàn sấp không phù hợp với vị trí hàn leo, hàn trần Hàn tự động dưới lớp thuốc thường kết hợp với hàn MIG/MAG sử dụng cho việc hàn nối các tấm tôn có chiều dày lớn và hàn các lớp điền đầy( các lớp lót hàn MIG/MAG) như : hàn các đường ống, bồn chứa có đường kính lớn bằng cách giữ nguyên xe hàn còn quay chi tiết trên các đồ gá chuyên dùng

Hình 2.2 Máy hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ

2.1.3 Hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệMIG/MAG

Hàn tự động và bán tự động trong môi trường khí bảo vệ CO2 bằng dây hàn nóng chảy (dây hàn đặc) cho năng suất và chất lượng tương đối cao, rất phù hợp với các mối hàn thẳng, cong, hàn nhiều lớp hoặc các mối hàn có vị trí hàn thay đổi nhiều Hiện nay phương pháp hàn này đang dần thay thế phương pháp hàn hồ quang tay vì có năng suất, chất lượng, linh hoạt, giảm độc hại hơn tuy nhiên vì bảo

vệ vùng hàn bằng khí bảo vệ do đó khi hàn ở nơi có tốc độ gió lớn hơn 2m/giây (hàn gần bờ sông hay bờ biển) thì cần tìm cách che chắn khu vực làm việc của hồ quang hàn hoặc thay thế phương pháp hàn khác nếu không mối hàn sẽ không đảm

bảo được chất lượng, dễ sinh ra các khuyết tật

Hình 2.3 Máy hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ MIG/MAG

2.1.4 Hàn dây lõi thuốc (FCAW)

Phương pháp hàn này về thiết bị có đặc điểm chung giống như của hàn

MIG/MAG, về nguyên l‎ý thì có khác biệt là sử dụng dây hàn lõi thuốc để tăng

cường chất lượng mối hàn cao hơn ngay khi hàn tại nơi có gió lớn Trong quá trình

hàn , hồ quang hàn và kim loại nóng chảy được khí bảo vệ và thuốc hàn phủ lên trên mặt mối hàn nên chất lượng của mối hàn cao, hiệu suất tương đối lớn nhưng do công nghệ chế tạo dây hàn phức tạp hơn dây lõi đặc nên giá thành cao, thường dùng cho các mối hàn có yêu cầu kiểm tra ngiêm ngặt về chất lượng hàn

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên l‎ý hàn dây l i thuốc

 Qua phân tích đặc điểm của một số phương pháp hàn trên ta thấy phương pháp hàn MAG trong môi trường khí bảo vệ CO2 được sử dụng phổ biến vì

có nhiều ưu điểm sau:

+ Năng suất hàn trong CO2 cao gấp 2,5 lần so với hàn hồ quang tay ; + Tính công nghệ của hàn trong CO2 cao hơn so với hàn hồ quang dưới lớp thuốc vì có thể tiến hành ở mọi vị trí trong không gian khác nhau

+ Chất lượng hàn cao, sản phẩm hàn ít bị cong vênh do tốc độ hàn cao, nguồn nhiệt tập trung, hiệu suất sử dụng nhiệt lớn, vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp

+ Điều kiện lao động tốt hơn so với hàn hồ quang tay và trong quá trình hàn không phát sinh khí độc

Do đó tác giả chọn phương pháp hàn MAG trong môi trường khí bảo vệ

CO 2 để tính toán và xác định chế độ hàn liên kết hàn giáp mối

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý phương pháp hàn MAG

Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy (hình vẽ), hồ quang giữa đầu điện cực (dưới dạng dây hàn ) và vật hàn liên tục nung chảy điện cực và mép hàn Dây hàn được cấp vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây với tốc độ bằng tốc độ chảy của dây hàn (với điều kiện chiều dài trung bình của hồ quang không đổi) Phần điện cực được nung chảy chuyển dịch vào vũng hàn theo một trong các loại cơ chế dịch chuyển kim loại vào vũng hàn và phụ thuộc vào cường độ dòng điện hàn, đường kính điện cực, chiều dài hồ quang, nguồn điện hàn,

và loại khí bảo vệ

Dây hàn được cấp tự động vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây, còn

sự dịch chuyển hồ quang dọc theo mối hàn được thao tác bằng tay thì gọi là hàn hồ quang bán tự động trong môi trường khí bảo vệ Nếu tất cả chuyển động cơ bản được cơ khí hoá thí được gọi là hàn hồ quang tự động trong môi trường khí bảo vệ

2.2.2 Đặc điểm

Hàn MAG có sử dụng khí CO2 được ứng dụng rộng rãi trong nền công nghiệp hiện đại vì các ưu điểm sau:

- Năng suất hàn trong CO2 cao, gấp hơn 2,5 lần so với hàn hồ quang tay

- Chất lượng hàn cao, sản phẩm ít bị cong vênh do tốc độ hàn cao, nguồn nhiệt tập trung, hiệu suất sử dụng nhiệt lớn, vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp

- Khí CO2 là loại khí phổ thông, dễ sản xuất và có giá thành hạ

- Hàn MAG có thể tiến hành hàn ở mọi vị trí trong không gian khác nhau

- Điều kiện lao động tốt hơn so với hàn hồ quang tay vì trong quá trình hàn ít sinh ra khí độc hại

- Khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao

2.2.3 Phạm vi ứng dụng

- Nó không những có thể hàn các loại thép kết cấu thông thường, mà còn có thể hàn các loại thép không gỉ, thép chịu nhiệt, thép bền nóng, các hợp kim đặc biệt, các hợp kim nhôm, magiê, niken, đồng, các hợp kim có ái lực hóa học mạnh với ôxi

- Phương pháp hàn này có thể sử dụng được ở mọi vị trí trong không gian - Chiều dày vật hàn từ 0,4  4,8 mm thì chỉ cần hàn một lớp mà không phải vát mép, từ 1,6  10 mm thì hàn một lớp có vát mép, còn từ 3,2  25 mm thì hàn nhiều lớp

- Không thích hợp cho hàn ngoài trời, bởi vì sự chuyển động của không khí xung quanh có thể làm ảnh hưởng tới khí bảo vệ và mối hàn Nên sử dụng trong trong ngành xây dựng khá hạn chế

- Được dùng phổ biến trong hàn tự động và bán tự động

2.2.4 Vật liệu và thiết bị hàn MAG

1) Dây hàn (điện cực nóng chảy)

Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ, sự hợp kim hoá kim loại mối hàn cũng

như các tính chất yêu cầu của mối hàn được thực hiện chủ yếu thông qua dây hàn

Do vậy, những đặc tính của qúa trình công nghệ hàn phụ thuộc rất nhiều vào tình

trạng và chất lượng dây hàn Khi hàn MAG, đường kính dây hàn từ 0,8 ÷ 2,4 mm

Dây hàn MAG Tủ đựng dây hàn

Hình 2.6 Dây hàn MAG và tủ đựng dây hàn

Sự ổn định của qúa trình hàn cũng như chất lượng của liên kết hàn phụ thuộc

nhiều vào tình trạng bề mặt dây hàn Cần chú ý đến phương pháp bảo quản, cất giữ

và biện pháp làm sạch dây hàn nếu dây bị gỉ hoặc bẩn Một trong những cách để

giải quyết là sử dụng dây có bọc lớp mạ đồng Dây mạ đồng sẽ nâng cao chất lượng

bề mặt và khả năng chống gỉ, đồng thời nâng cao tính ổn định của qúa trình hàn

Theo hệ thống tiêu chuẩn AWS, ký hiệu dùng cho dây hàn thép C như sau:

ER 70 S - X

Ký hiệu điện cực dây hàn Thành phần hóa

hoặc que hàn phụ (TIG) hóa học và khí bảo vệ

Độ bền kéo nhỏ nhất (ksi) Dây đặc

Hình 2.7 Ký hiệu dây hàn thép C

Bảng 2.1 Một số loại dây hàn thép cácbon thông dụng

Khí bảo

vệ

Độ bền kéo của liên kết (min-psi)

Giới hạn chảy của mối hàn (min-psi)

DCEP là dây hàn nối với cực dương của nguồn điện (đấu nghịch)

Bảng 2.2 Thành phần hóa học của dây hàn

liên kết đạt yêu cầu, tốc độ hàn cao và độ ngấm sâu Nhược điểm của nó là gây bắn tóe kim loại lỏng

Khi hàn MAG đối với các loại thép hợp kim có thể bổ sung thêm O2 hoặc Ar vào CO2 với tỷ lệ phù hợp để khắc phục các khuyết tật như: lõm khuyết, bắn tóe và hình dạng của mối hàn không đồng đều

20% CO2 + Ar Thép ferit và austenit ( hàn ở mọi vị trí)

15% CO2 + 5% O2 + Ar Thép ferit và austeni (hàn ở mọi vị trí) Khí bảo vệ CO2 thông thường được chứa trong bình vỏ thép đơn lẻ để trên hoặc cạnh máy, cũng có thể để tại một nơi (trạm khí) và cung cấp đến các máy hàn qua hệ thống đường ống chung (trong nhà xưởng)

3) Thiết bị hàn MAG

a) Máy hàn bán tự động

Máy hàn MAG bán tự động được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp đóng tàu, các công ty sản xuất kết cấu thép như hàn Dầm, bồn bể,… do có tính cơ động và linh hoạt cao, chất lượng mối hàn tốt, gọn nhẹ, tháo lắp đơn giản, thao tác được ở mọi vị trí, ít độc hại hiện đang là một phương án thay thế hiệu quả cho phương pháp hàn hồ quang tay truyền thống

 Nguồn điện hàn

Nguồn điện hàn dùng cho máy hàn MAG thường là nguồn điện 1 chiều DC, cực (+) được nối vào súng hàn và cực (-) được nối vào vật hàn Nguồn điện hàn một chiều cực thuận và nguồn xoay chiều ít dùng do hồ quang hàn không ổn định, bắn tóe nhiều Đặc tính ngoài của nguồn điện thông thường là đường đặc tính cứng (CV – điện áp không đổi) được dùng với tốc độ cấp dây hàn không đổi, cho phép điều chỉnh tự động chiều dài hồ quang

Hình 2.8 Máy hàn CO 2 / MAG

 Bộ cấp dây hàn

Bộ cấp dây hàn có nhiệm vụ đưa dây vào vùng hàn với tốc độ tương ứng với dòng điện đã chọn Tốc độ cấp dây hàn được tính toán khi thiết kế máy hàn sao cho ứng với mỗi giá trị của dòng điện hàn tốc độ cấp dây sẽ tương ứng với tốc độ nóng chảy của nó nhằm đảm bảo hồ quang cháy ổn định, mối hàn đạt chất lượng cao và đồng đều

Hình 2.9 Bộ cấp dây hàn

Trên bộ cấp dây hàn có các puli nắn thẳng và puli đẩy dây hàn Lực ép của các puli này được điều chỉnh tùy theo loại dây, đường kính dây và được chỉ dẫn ngay trên mặt nhìn thấy của puli Chú ý lực ép của puli khi hàn dây lõi đặc lớn hơn khi hàn dây lõi bột Các bộ phận của bộ cấp dây máy hàn MAG có loại dây hàn để

Cần ép puli Puli đẩy dây và nắn dây

bên trong, có loại để bên ngoài, thường được bố trí ở bên trong hộp cấp dây để các chuyển động khỏi tác động của bụi và thời tiết

 Van giảm áp cho khí bảo vê

Van giảm áp có nhiệm vụ cung cấp liên tục khí bảo vệ đã giảm áp cho súng hàn ở áp suất làm việc cố định Van giảm áp có thể là một hoặc hai cấp (áp suất khí

ổn định hơn) và có thể kèm lưu lượng kế Đối với khí CO2 còn có thêm bộ nung nóng để chống đóng băng khí được gắn cùng vào cụm van giảm áp, thường sấy bằng điện Phía mặt nhìn giữa hai đồng hồ đo áp suất của van giảm áp có dập nổi hoặc in chữ CO2

Hình 2.10 Van giảm áp khí CO 2 loại d ng đồng hồ đo lưu lư ng khí tiêu hao

 Súng hàn và phụ kiện

Có nhiều loại và cỡ súng hàn nhằm tạo hiệu suất hàn tối đa Theo cấu tạo, chụp khí bảo vệ có thể thẳng hoặc cong, được làm mát bằng nước hoặc bằng khí Thông thường được làm mát bằng khí

Hình 2.11 Súng hàn và phụ kiện

Các phụ kiện cơ bản của một súng hàn bao gồm:

- Ống tiếp điện (bép hàn), thân ống tiếp điện, thân súng hàn

Về cơ bản thiết bị hàn tự động sử dụng trong hàn MAG giống như thiết bị hàn bán tự động tuy nhiên có sự khác biệt chủ yếu giữa chúng như sau:

- Nguồn điện hàn: nhờ có việc áp dụng những thành tựu mới nhất của công nghiệp điện tử và tin học nên thiết bị hàn MAG tự động sử dụng nguồn điện hàn điều khiển bằng kỹ thuật số Nguồn điện hàn này tăng khả năng kết nối với các thiết

bị ngoại vi (rô bốt, bộ cấp dây hàn, bộ điều khiển từ xa ) giúp cho việc xử lý quá trình hàn có độ chính xác và tính lặp lại cao, dễ quan sát và điều chỉnh các thông số hàn trên bảng điều khiển hoặc trên bộ điều khiển từ xa, dịch chuyển kim loại từ dây hàn vào vũng hàn tối ưu, dễ gây và ổn định hồ quang hàn, tổ hợp các thông số hàn tối ưu do nguồn điện tự chọn, giảm lượng kim loại bị bắn tóe, mối hàn ít bị lỗi ở điểm đầu và điểm cuối so với hàn MAG bán tự động

- Súng hàn: thường được lắp trực tiếp vào bộ cấp dây hàn, tay cầm súng hàn

và công tắc của súng hàn

- Bộ phận điều khiển hàn: được lắp riêng biệt với bộ cấp dây hàn và có sử dụng hộp điều khiển từ xa Đồng thời sử dụng kỹ thuật biến tần trong nguồn điện

hàn và điều khiển dòng hàn, các thiết bị hàn tự động hiện đại còn áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật mới nhất về toán học, công nghệ vật liệu, trí khôn nhân tạo để tạo điều kiện thuận lợi nhất cho hàn tự động và hàn bằng người máy có điều khiển thích nghi (không cần phải lập trình cho hành trình phức tạp của đầu hàn theo hình dạng thực tế)

Các thiết bị phụ trợ: có thể sử dụng như giá chứa chuyển động của xe hàn cùng

bộ điều khiển, đồ gá định vị vật hàn hoặc tay máy, người máy Thông thường trên xe

hàn có lắp bộ cấp dây hàn, động cơ cấp dây hàn, bảng điều khiển chế độ hàn

Hình 2.12 Máy hàn MAG tự động kết nối với robốt hàn

Hình 2.13 Máy hàn MAG tự động kết nối với rùa hàn

2.2.5 Chế độ và kỹ thuật hàn

1) Chế độ hàn

Để bảo đảm đạt được mối hàn có chất lượng cần thiết, cần chọn đúng các thông số của chế độ hàn và điều kiện hàn Trong quá trình hàn, cần đảm bảo sự ổn định của các thông số đã đặt trước Khi hàn bán tự động, thợ hàn có thể ảnh hưởng đáng kể lên năng suất và chất lượng hàn Khi hàn tự động, thiết bị tự giữ nguyên các thông số đặt trước

Các thông số quan trọng của chế độ hàn MAG là:

và kim loại dây hàn, thành phần khí bảo vệ, nhiệt độ nung nóng sơ bộ (nếu có), hình dạng và kích thước bề mặt sẽ hàn

Chế độ hàn có thể tính toán bằng các công thức thực nghiệm hoặc tra bảng

(Tra bảng 3-4 v à 3-6 trang 101và 102 - Sách Giáo trình công nghệ hàn – sách dùng cho các trường đào tạo hệ trung học chuyên nghiệp – Nhà xuất bản Giáo dục):

Bảng 2.4 Chế độ hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ

Bảng 2.5 Chế độ hàn tự động và bán tự động liên kết hàn giáp mối trong môi trường khí bảo vệ co 2

Chiều dày

tấm(mm)

Số lớp hàn (mm)

Khe hở hàn (mm)

Đường kính dây hàn(mm)

Dòng điện hàn

Tiêu hao khí (l/ph)

0,61,0 1 0,50,8 0,50,8 5060 1820 2030 56 1,22,0 12 0,81,0 0,81,0 70120 1821 1825 56

Hình 2.14 Phương pháp hàn phải

- Hàn trái: Có đặc điểm là độ ngấu thấp hơn hàn phải, tốc độ hàn cao, toàn

bộ mối hàn dễ quan sát khi hàn, thường dùng để hàn kim loại màu và hỗn hợp của chúng

Hình 2.15 Phương pháp hàn trái

b) Cách dao động mỏ hàn

- Đi thẳng:

+) Ƣu điểm : Dễ thao tác, hồ quang cháy ổn định hơn

+) Nhƣợc điểm: chỉ áp dụng với chi tiết mỏng, bề rộng mối hàn nhỏ

+) Nhƣợc điểm : Khó thao tác

- Đường tr n lệch:

+) Ưu điểm: Độ ngấu mối hàn lớn

+) Nhược điểm : Khó thao tác, khó quan sát vũng hàn

2.3 Tính toán và xác định chế độ hàn liên kết giáp mối

2.3.1 Cơ sở tính toán chế độ hàn khi hàn liên kết giáp mối

Cơ sở tính toán chế độ hàn liên kết giáp mối tác giả đi nghiên cứu một chiều dày tấm bất kỳ Từ đó làm cơ sở để tính toán các chiều dày tấm khác nhau Với đề tài này tác giả chọn chiều dày tấm S= 5 (mm) để tính toán và sử dụng (bảng 2.5) để tra các thông số của chế độ hàn khi hàn liên kết giáp mối trong môi trường khí bảo

Đường kính dây hàn(mm)

Dòng điện hàn

Tiêu hao khí (l/ph)

- Để vừa đảm bảo độ bền vừa đảm bảo tính hàn, giá thành lại phù hợp ta chọn vật liệu

là thép CT38 (TCVN 1695-75) tương đương với thép CT3 (TC Nga ГOG380-71) Bởi

vì loại vật liệu này được sử dụng phổ biến trên thị trường, nó vừa đảm bảo tính kính tế, tính hàn tốt cũng như đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của kết cấu khi làm việc

- CT38 có các thành phần và độ bền tương đương với các mác thép trên thế giới như: SS400 (Jis - Nhật); Q235 (GB – Trung Quốc); A570Gr.A (ASTM - Mỹ); S235JA (BS – Anh); S235JA (Din – Đức); CT3 (ГОСТ –Nga); S235JA (NF – Pháp)…

Bảng 2.6.Thành phần hóa học của thép CT38

Tiêu chuẩn

(Standard)

Mác thép Grade

Thành phần hóa học (Chemical Composition)

Độ bền cơ lý (Mechanical Properties) Giới hạn chảy

(Yeild Point) (N/mm 2 )

Giới hạn bền kéo (Tensile Strength) (N/mm 2 )

Độ giãn dài (Elongation) (%)

+ Giới hạn chảy

σc = 24 (kG/mm2

)= 2400 ( kG/ cm2

) + Mô đun đàn hồi:

E = 2,1.106

( kG/ cm2

) + Khối lƣợng riêng:

γ = 7,85 ( g/cm3

) = 7,85.10 3

( kG/cm3

) -Với vật liệu dẻo: σo = giới hạn chảy

Bảng 2.8 Thống kê cơ tính của thép CT38

Bảng 2.11 Cơ tính kim loại hàn

Bảng 2.12 Kích thước que hàn, d ng điện và lư ng khí sử dụng thích h p:

Độ dãn dài (%)

Đô dai

va đập (J)

- 29 O C

CO2 420 ( min ) 510 ( min ) 22 (min) 50 (min)

Ar + 18%CO2 420 ( min ) 510 ( min ) 24 (min) 60 (min)

Điện thế hàn (V) 20 ~ 21 20~22 22~24 23~25 24~26 25~28 Lượng khí (lít

/phút)

8 – 9 9 – 10 10 – 11 12 – 13 14 – 15 16 – 18

- Khí bảo vệ sử dụng khí co2 với độ tinh khiết tối thiểu 99,5 %

2.3.2 Tính toán và xác định chế độ hàn liên kết giáp mối

1) Liên kết hàn

Tra bảng (7.33) trang 439 sách Sổ tay Hàn, (NXB khoa học và kỹ thuật)- Tác giả: PGS-TS.Hoàng Tùng; PGS-TS.Nguyễn Thúc Hà; TS.Ngô Lê Thông; KS.Chu Văn Khang với S = 5 (mm), chọn mối hàn giáp mối vát mép chữ V hàn một phía :

Hình 2.17 Liên kết hàn giáp mối Bảng 2.13 Thông số của mối hàn giáp mối

e = 9 (mm)

g = 1,5 (mm)

g1 =1,5 (mm)

e1 = 6 (mm)

 = 70o Fh = 29,1

(mm2)

2) Xác định chế độ hàn giáp mối

- Trước tiên ta tính diện tích lớp kim loại đắp của mối hàn giáp mối với chiều dày s = 5 (mm)

Thay Số ở bảng (2.13) vào công thức (2.1) ta được: Fh = 30,57 (mm2

)

→ Ta thấy Fh (tra bảng) có kết quả sấp xỉ bằng Fh tính toán như vậy với kiểu liên

kết đã chọn ta chỉ cần hàn một lớp là đủ ngấu toàn bộ chiều dày tấm Ta chọn Fh = 29,1 (mm2) để tính toán các thông số của chế độ hàn

(2.1)

- Chọn đường kính dây hàn ddây = 1,6 (mm)

- Chọn cường độ dòng điện hàn ( Ih ) Do cường độ dòng hàn phụ thuộc vào dạng dịch chuyển kim loại vào vũng hàn nên ta chọn dạng dịch chuyển tia dọc trục là phù hợp với phương pháp hàn MAG vì có hồ quang công suất cao, hồ quang ổn định, ít bắn tóe kim loại lỏng và bề mặt mối hàn tương đối đẹp

Tra bảng (2.5) ta chọn Ih = 300 (A)

- Tính Điện áp hàn Uh (V)

Với dây hàn ddây = 1,6 (mm) ta chọn dạng dịch chuyển tia dọc trục theo trang

234 sách Công nghệ hàn điện nóng chảy - Tập 1 của TS Ngô Lê Thông ta có:

Uh = 20 + 0,03.I (V) (2.2) = 20 + 0.03.300 = 29 (V)

→ Chọn Uh = 29 (V)

- Tính vận tốc hàn Vh (m/h)

) / (

.

h m F

I v

d

h d

γ – Khối lượng giêng của kim loại đắp, γ = 7,8 (g/cm3)

Fđ – Diện tích lớp kim loại đắp Fđ = 29,1 (mm2)

Với d = 1,6 (mm) →lv = 5+5.1,6 =13 (mm)

- Tính năng lượng đường qd (J/cm)

h v h

I h U d

, 0

75 , 0 300 29

.

cm J h

v h

I h U d

Vậy ta có chế độ hàn (1) cho liên kết giáp mối theo bảng sau:

Bảng 2.14 Chế độ hàn (1) liên kết giáp mối

Chiều

dày tấm

S (mm)

Đường kính dây hàn d d

(mm)

Số lớp hàn n (lớp)

Dòng điện hàn

I h (A)

Điện

áp hàn

U h (V)

Tốc độ hàn

V h (m/h)

Tầm với điện cực L v

(mm)

Năng lượng đường

Trong chương 2, tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau:

- Đưa ra đặc điểm của một số phương pháp hàn

(2.4)

- Chọn được phương pháp hàn cho liên kết hàn giáp mối

- Tính toán được chế độ hàn cho liên kết hàn giáp mối

- Chọn được chế độ hàn hợp lý cho liên kết hàn giáp mối