Ứng dụng công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại để nâng cao chất lượng mối hàn

Ứng dụng công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại để nâng cao chất lượng mối hàn

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học nông nghiệp i -

lê việt trung

ứng dụng công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại để

nâng cao chất lượng mối hàn

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

chyên ngành: kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá nông – lâm nghiệp

m6 số: 60.52.14

người hướng dẫn khoa học: TS Hoàng Văn Châu

hà nội - 2007

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chưa có sử dụng để bảo vệ một đề tài học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đ4 được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đề đ4 chỉ rõ nguồn gốc

Người thực hiện

Lê việt trung

Lời cảm ơn

Tôi xin chân thành cảm ơn trực tiếp đến ts Hoàng văn châu phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ hàn và xử lý bề mặt (trưởng phòng hàn)

đ4 trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành luận vbăn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ và các thầy phòng đào tạo, các cán bộ phòng thí nghiệm hàn và xử lý bề mặt – viện nghiên cứu Cơ Khí đ4 tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

Tôi xin cảm tới các thầy cô khoa SĐH, các thầy cô giáo khoa Cơ Điện Trường ĐH Nông Nghiệp đ4 tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình theo học tại trường

Hà nội, ngày 15 tháng 05 năm 2007

Người thực hiện

Lê Việt Trung

Mục lục

Lời cảm ơn ……… …i

Lời cam đoan……… ii

Mở đầu……….iii

Chương 1: Nghiên cứu TổNG QUAN……….1

1.1 Hàn kim loại……… 4

1.1.1 Bản chất quá trình hàn ……… 4

1.1.2 Đặc điểm quá trình hàn……… 4

1.1.3 Phân loại các phương pháp hàn……… 9

1.2 Công nghệ hàn hồ quang……… 10

1.2.1 Hồ quang và các tính chất của nó……… 11

1.2.2 ảnh hưởng của các thành phần hoá học trong thép đến tính hàn…… 11

1.3 Giới thiệu các phương pháp hàn có liên quan và lĩnh vực sử dụng………… 13

1.4 Tình hình phát triển việc sử dụng dây hàn bột……….14

1.5 Đặc điểm của phương pháp hàn dây lõi bột……….17

1.6 Hiệu quả kinh tế của việc sử dụng dây hàn bột………18

1.6.1 Về thời gian……… 19

1.6.2 Về giá thành……… 19

Kết luận chương 1……… 19

Chương 2: Vật liệu, thiết bị và phương pháp nghiên cứu 22

2.1 Vật liệu hàn……… 22

2.2 Vật liệu thử nghiệm……….23

2.3 Thiết bị……….26

2.4 Phương pháp nghiên cứu……… 27

2.4.1 Nghiên cứu lý thuyết……….27

2.4.2 Phương pháp tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ……….27

2.4.3 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc tế vi vùng mối hàn 33

Kết luận chương 2……… 34

Chương 3: NGHIÊN CứU Lý THUYếT……… 35

3.1 Đặc điểm về dây hàn lõi bột kim loại……… 35

3.1.1 Khái niệm chung……… 35

3.1.2 Dây hàn lõi bột kim loại tự bảo vệ 37

3.1.3 Dây hàn các trường hợp riêng biệt………39

3.1.4 Dây hàn lõi bột kim loại để hàn trong khí CO2 41

3.2 Công nghệ hàn dây lõi bột kim loại 43

3.2.1 Đặc tính luyện kim của quá trình hàn dây lõi bột kim loại 43

3.2.2 Các nguyên tắc chung về công nghệ hàn dây lõi bột kim loại……… 47

3.2.3 Công nghệ hàn dây hàn lõi bột kim loại tự bảo vệ ……… 49

3.2.4 Công nghệ hàn dây bột trong khí CO2…………55

3.2.5 Các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật của hàn dây lõi bột kim loại……….60

Kết luận chương 3………61

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm ……… 61

4.1 Kết quả thí nghiệm hàn dây lõi hàn lõi bột kim loại………61

4.2 Kết quả khảo sát cấu trúc tế vi mối hàn ……… 67

4.3 Thảo luận khoa học……… 72

Kết luận chương 4 73

Kết luận và đề nghị 74

1 Kết luận 75

2 Đề nghị……… 76

Tài liệu tham khảo 77

Phụ lục: Các phiếu báo kết quả thí nghiệm và thực nghiệm 79

Danh mục các hình vẽ Trang

1.1.Sơ đồ phân bố dòng nhiệt ở vũng hàn 5

1.2 Sơ đồ cấu tạo vùng ảnh hưởng nhiệt của thép các bon thấp khi hàn nóng chảy .8

1.3 Sơ đồ phân loại các phương pháp hàn……… 10

1.4 Hàn hồ quang tự động dưới trợ dung……… 14

1.5 Sơ đồ hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ………15

1.6 Hàn tự động và bán tự động dùng dây hàn lõi bột kim loại…… 15

1.7 Kết cấu các dạng dây hàn bột………17

1.8 Biểu đồ so sánh giá thành 1kg kim loại đắp……… 20

2.1 Máy hàn dây hàn bột tự bảo vệ LINCOLN CV 500-1………26

3.1 Sự phụ thuộc của chất tạp trong mối hàn đối với SiO2 (a) và CaF2 (b) trong ruột dây……… 47

3.2 ảnh hưởng của cường độ hàn (a), điện áp hồ quang (b) và tốc độ hàn (c) đối với hình dáng và kích thước mối hàn dây rutin- hữu cơ………50

3.3 ảnh hưởng của cường độ hàn (a), điện áp hồ quang (b) và tốc độ hàn (c) đối với hình dáng và kích thước mối hàn dây cacbon-fluo……….53

3.4 Vị trí dây hàn với góc nghiêng về phía sau (1) và phía trước (2)………56

4.1 Hình ảnh mối hàn chưa gõ xỉ……… 62

4.2 Tổ chức thô đại mẫu N17 (x 20)……….68

4.3 Tổ chức thô đại mẫu N07 (x 20)……….68

4.4 Tổ chức thô đại mẫu N26 (x 20)……….69

4.5 Tổ chức thô đại mẫu N28 (x 20)……….69

4.6 Tổ chức kim loại mẫu thép nền (x 200) 69

4.7 Tổ chức kim loại mẫu N17 (x 200) 70

4.8 Tổ chức kim loại mẫu N07 (x 200) 70

4.9 Tổ chức kim loại mẫu N26 (x 200) 71

4.10 Tổ chức kim loại mẫu N28 (x 200) 71

Danh mục các bảng biểu Trang

1.1 Trị số hệ số tập trung nhiệt và công suất riêng lớn nhất của nguồn nhiệt

hàn 6

1.2 Chế độ hàn dây lõi bột kim loại……… 19

1.3 Giá thành khi thực hiện bằng những loại dây hàn bột khác nhau………20

1.4 Giá thành 1kg kim loại đắp khi thực hiện bằng những loại que hàn khác nhau………20

2.1 Thành phần hoá học dây DW100……… 22

2.2 Thành phần hoá học thép tấm CT3………23

2.3 Ma trận tương đương theo QHTN N = 23 để tính chiều sâu ngấu (γ) và độ cao của mối hàn (ρ) 32

3.1 Đường kính dây hàn bột và dung sai, mm………37

3.2 Các đặc tính chung của dây hàn lõi bột kim loại tự bảo vệ ………39

3.3 Tính chất cơ học của mối hàn với dây lõi bột kim loại tự bảo vệ…… 40

3.4 Dây hàn trong các trường hợp đặc biệt……… 41

3.5 Đặc tính chung của dây hàn bột dùng cho hàn trong khí CO2 …………43

3.6 Tính chất cơ học của các mối hàn trong khí CO2 với dây hàn bột …… 43

3.7 Hiệu quả của canxi hoá dây……….47

3.8 Chế độ hàn với dây rutin-hữu cơ PP-1DSK đường kính 2,2 mm……….52

3.9 Nguyên nhân gây khuyết tật và các biện pháp khắc phục………53

3.10 Chế độ hàn với dây PP-AN3 đường kính 3mm……… 55

3.11 Nguyên nhân gây khuyết tật và các biện pháp khắc phục……… 56

3.12 Chế độ hàn trong khí CO2 với dây bột PP –AN10……… 57

3.13 Chế độ hàn trong khí CO2 với dây bột PP –AN4………57

3.14 Chế độ hàn trong khí CO2 với dây bột PP –AN9………58

4.1 Bảng chế ủộ công nghệ hàn dây DW100, điện áp hàn 18 – 22V………63

4.2 Với dây hàn loại DW100 đường kính dây 1,6mm trên nền thép CT3 khi thay đổi dòng điện ……….64

4.3 Với dây hàn loại DW100 đường kính dây 1,6mm trên nền thép CT3 khi thay đổi điện áp ……….65 4.4 Với dây hàn loại DW100 đường kính dây 1,6mm trên nền thép CT3 khi thay đổi vận tốc hàn………67

Đồ thị 4.1.ảnh hưởng của cường độ hàn đối với hình dáng và kích thướcmối hàn ……….65

Đồ thị 4.2.ảnh hưởng điện áp hồ quang đối với hình dáng và kích thước mối hàn ……….66

Đồ thị 4.3.ảnh hưởng của tốc độ hàn (c) đối với hình dáng và kích thước mối hàn……… 67

Mở đầu

Trong những năm gần đây thực hiện chính sách đổi mới của Đảng, nền kinh tế nước ta đ4 có những bước tăng trưởng khá nhanh Trong đó, ngàng công nghiệp đóng vai trò chủ đạo góp phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp là lĩnh vực hàn

Hàn là công nghệ cơ bản được ứng dụng rộng rải trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Chế tạo chi tiết máy, đóng tàu thuỷ, chế tạo đầu máy toa xe,

ôtô, công nghệ chế tạo máy bay, tên lửa, công nghệ kết cấu kim loại và nhiều lĩnh vực công nghệ khác Quá trình hàn có thể được thực hiện cả ở trên mặt

đất, dưới nước và trong vũ trụ

Hiện nay trên thế giới đ4 có hơn 70 công nghệ hàn khác nhau đ4 được khai thác và ứng dụng trong thực tế sản xuất công nghiệp Các công nghệ hàn mới ngày được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng r4i Trong đó có công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại có vai trò quan trọng trong hầu hết ngành công nghiệp đặc biệt là ngành cơ khí chế tạo máy

Vấn đề dây hàn bột là một phần của lĩnh vực vật liệu hàn nóng chảy nằm trong trào lưu chung “Nâng cao năng suất và hiệu quả của hàn nóng chảy” mà cả thế giới đều quan tâm nghiên cứu và sử dụng từ những năm đầu của thập kỷ

70 cho đến nay, nhất là các nước thành viên của hiệp hội những người làm nghề hàn quốc tế

Theo số liệu đ4 báo trước đây hơn 20 năm thì tỷ trọng dây hàn bột dùng trong công nghiệp có nhỏ hơn các phương pháp hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc trợ dung, hàn tự động và bán tự động trong môi trường bảo vệ bằng khí CO2 Về khuynh hướng thì dây hàn bột với những ưu việt riêng của

nó đang có chiều hướng cạnh tranh với những phương pháp trên và trong tương lai chắc chắn sẽ phát triển nhanh hơn phương pháp hàn trong môi

trường khí bảo vệ CO2 hoặc dưới thuốc trợ dung

Dây hàn bột là loại vật liệu vạn năng, tuỳ trong điều kiện chế tạo có thể dùng để hàn các loại thép cabon, các loại thép có thành phần hợp kim khác nhau, cũng như kim loại màu và các hợp kim của nó

Phương pháp hàn tự động và bán tự động với dây hàn bột được sử dụng rộng r4i trong nhiều lĩnh vực ở các nước công nghiệp phát triển đặc biệt rất phổ biến ở các nước thuộc khu vực 2 trước đây Nó không chỉ dùng để chế tạo mới các chi tiết hoặc kết cấu mà còn dùng trong phục hồi lại kích thước ban

đầu các chi tiết hay kết cấu hoặc tạo lên trên nền thép thông thường một lớp kim loại có đặc tính riêng, tạo điều kiện nâng cao chất lượng sản phẩm và tiết kiệm nguyên vật liệu quý hiếm, giảm giá thành sản phẩm

ở Việt Nam hiện nay, công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại mới được biết đến Ta sử dụng hàng năm một khối lượng vật liệu không lớn lắm nhưng rất đa dạng, nhiều chủng loại thì với các ưu việt của dây hàn bột sẽ rất thích hợp và cho phép nền công nghệ hàn non trẻ của Việt Nam tiếp cận với kỹ thuật công nghệ tiến của thế giới

Vì vậy việc nghiên cứu và triển khai quy trình công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại là có tính khoa học và thực tiễn Đóng góp vào sự phát triển nền kinh tế trong điều kiện công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước; sự phát triễn của nền công nghiệp cơ khí chế tạo máy ở Việt Nam rất cần có những giải pháp công nghệ tiên tiến thúc đẩy sự phát triển và cạnh tranh cả về chất lượng và giá thành sản phẩm so với hàng nhập ngoại nhất là khi Việt Nam vừa

ra nhập WTO

Để tìm hiểu nghiên cứu và ứng dụng công nghệ hàn trên vào ngành công nghiệp nói chung được sự đồng ý của Khoa Sau Đại học, Bộ môn Công nghệ Cơ khí , Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nông nghiệp I – Hà Nội cùng với sự giúp đỡ của Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Hàn và Xử lý Bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí, chúng tôi được phép thực hiện đề tài:

“ứng dụng công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại để nâng cao chất lượng mối hàn”

Mục đích của đề tài:

- Lựa chọn phương pháp hàn, thiết bị hàn và vật liệu hàn;

- Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng công nghệ mới;

- Tiến hành thực nghiệm để nghiên cứu một vài yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn;

- Nghiên cứu ảnh hưởng mối hàn phụ thuộc các thông số công nghệ chính

ý nghĩa của đề tài:

Nghiên cứu và thực hiện thành công đề tài sẽ có một ý nghĩa lớn về mặt khoa học công nghệ và xác lập được quy trình công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại trên thiết bị và vật liệu cụ thể ở Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia, Công nghệ Hàn và Xử lí bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí

1.1.1.2 Đặc trưng của hàn

Đặc trưng của hàn là sự có mặt của các liên kết nguyên tử ở mối hàn Bình thường ở trạng thái rắn, trong khối kim loại các nguyên tử xây dựng nên mạng tinh thể và luôn dao động xung quanh vị trí cân bằng của mình với biên

độ và tần số xác định Giữa các nguyên tử có sự liên kết tác dộng tương hỗ thông qua lực liên kết giữa chúng với nhau Để tạo ra sự liên kết đó, giữa các nguyên tử phải có khoảng cách xác định bằng 10-8cm - là khoảng cách bằng thông số mạng tinh thể kim loại Hai khối kim loại để rất gần nhau vẫn không thể gắn liền vào nhau được là do khoảng cách giữa chúng lớn gấp nhiều lần thông số mạng dẫn đến triệt tiêu các liên kết tác động giữa các nguyên tử của hai khối Muốn hai khối kim loại này nối được với nhau thành một khối thì phải tạo điều kiện thuận lợi để các nguyên tử của chúng thoả m4n các yêu cầu

trên Ví dụ như khi hàn nóng chảy, kim loại que hàn và kim loại vật hàn bị nóng chảy tạo thành vũng hàn Với việc tạo ra vũng hàn nóng chảy dễ dàng làm cho các nguyên tử giữa hai khối kim loại được gần nhau đến khoảng cách liên kết kim loại, tạo một mạng tinh thể chung, khi nguội vùng hàn kết tinh và tạo thành mối hàn làm cho hai khối kim loại là một thể thống nhất

1.1.1.3 Nguồn nhiệt năng dùng cho hàn nóng chảy

Khi hàn dùng nguồn nhiệt mạnh, tập trung và có nhiệt độ cao để làm nóng chảy kim loại vật hàn và vật liệu hàn Từ thực nghiệm người ta chứng minh được rằng, nhiệt năng của nguồn nhiệt hàn tập trung chủ yếu ở tâm của vùng nung nóng, càng ra xa tâm, nhiệt càng giảm dần Sự phân bố của dòng nhiệt tương đối q theo bán kính vùng nung nóng được thiết lập gần đúng theo

định luật Gaus về phân bố chuẩn (hình 1.1):

q(r) = qm.exp(-kr2) , cal/cm2.s (3.1) Trong đó: q là dòng nhiệt tương đối ở điểm đ4 cho, cal/s;

qm là dòng nhiệt cực đại ở tâm của vùng nung nóng, cal/s;

k là hệ số tập trung nhiệt, cm-2 ;

r là bán kính - vectơ của điểm đ4 cho

Hình 1.1 Sơ đồ phân bố dòng nhiệt ở vũng hàn a) Hồ quang hàn; b) Phân bố dòng nhiệt ở vũng hàn

Bảng 1.1 giới thiệu các trị số về hệ số tập trung nhiệt và công suất riêng lớn nhất của nguồn nhiệt của các phương pháp hàn thông dụng nhất

Bảng 1.1 Trị số hệ số tập trung nhiệt và công suất riêng lớn nhất của nguồn

nhiệt hàn Nguồn năng lượng Bề mặt nung nóng nhỏ nhất, cm2 Công suất riêng lớn nhất của nguồn nhiệt, W/cm2

1.1.1.4 Quá trình luyện kim khi hàn

Quá trình luyện kim khi hàn nóng chảy có những đặc trưng giống với quá trình luyện kim khi đúc Điểm khác biệt ở đây là khi đúc, kim loại đúc chảy lỏng hoàn toàn và kết tinh để tạo thành vật đúc Còn khi hàn, trên toàn

bộ vật hàn chỉ có vũng hàn ở trạng thái nóng chảy để sau đó kết tinh thành mối hàn Kim loại nóng chảy khi hàn được kết tinh trong những điều kiện khác với kim loại kết tinh trong khuôn đúc (như kết tinh trong khi có nguồn nhiệt tác dụng di động, thể tích vũng hàn rất nhỏ mà kim loại lại không ở trạng thái nóng chảy liên tục, khi kết tinh kim loại không đồng nhất do kim loại cơ bản và kim loại que hàn không giống nhau, )

Khi hàn nóng chảy, vũng hàn thường có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ chảy của kim loại đó Kim loại lỏng của vũng hàn có khả năng tương tác với môi trường vật chất xung quanh Sự tương tác đó có thể ảnh hưởng xấu đến tính

chất của kim loại mối hàn và thường để lại các khuyết tật cho mối hàn như sự

ôxy hoá, lẫn tạp chất, v.v làm cho vật hàn không đảm bảo chất lượng nếu không có các biện pháp khắc phục kèm theo Do vậy mà phần lớn các phương pháp hàn nóng chảy (trừ hàn trong chân không) đều phải tính toán đến việc kim loại tác dụng với khí của môi trường, xỉ hoặc môi trường khí xỉ như O2,

N2, H2, CO, CO2, H2O, các ôxyt và cacbonat

- Ôxy (O2): Là tạp chất có hại vì nó tạo nên các ôxit (FeO, CuO, ) thường nằm trên biên giới hoặc xen kẽ với các hạt, hoặc hoà tan ở dạng hỗn hợp cơ học làm giảm độ bền, độ dẻo, độ dai va đập Ôxy có ái lực mạnh với các kim loại, tốc độ ôxy hoá lại rất nhanh Sự ôxy hoá rất lớn gây khó khăn cả ngay trong quá trình hàn

- Nitơ (N2): Hoà tan trong kim loại lỏng tạo thành các nitrit phân bố trong kim loại, thường nằm ở dạng hình kim làm giảm mạnh độ dẻo, tăng độ bền, độ cứng Ngoài ra nitơ còn tạo thành những bọt khí Nói chung nitơ có hại cho mối hàn

- Hyđrô (H2): Xâm nhập vào mối hàn qua hơi ẩm của vật liệu (như thuốc bọc que hàn, ) và của không khí Hydrô hoà tan trong kim loại rắn và lỏng, thường tồn tại ở dạng nguyên tử hoặc tập trung thành bọt khí trong mối hàn Hydrô không tạo nên các liên kết hoá học với kim loại và không gây trở ngại cho quá trình hàn, nhưng tạo nên các rỗ xốp ảnh hưởng tới cơ tính mối hàn

- Lưu huỳnh (S): Có hại vì gây ra hiện tượng nứt nóng mối hàn

- Phôtpho (P): Cũng là nguyên tố có hại cho mối hàn vì gây nên hiện tượng nứt nguội

- Mangan (Mn) và silic (Si): Là những nguyên tố có tác dụng khử ôxy, hợp kim hoá đồng thời hoàn nguyên kim loại mối hàn Vì vậy, chúng là những nguyên tố có tác dụng tốt đối với mối hàn

1.1.1.5 Tổ chức kim loại mối hàn

Tổ chức kim loại mối hàn được chia làm hai vùng là: vũng hàn và

vùng ảnh hưởng nhiệt

a) Vũng hàn: Dưới tác dụng của nguồn nhiệt kim loại nóng chảy hoàn toàn

và tạo ra vũng hàn Tổ chức kim loại ở đây tương tự tổ chức của một thỏi đúc

b) Vùng ảnh hưởng nhiệt: Nhiệt từ vũng hàn lan truyền vào kim loại cơ bản, giảm dần từ nhiệt độ nóng chảy đến nhiệt độ môi trường ở tất cả vùng kim loại cơ bản được nung nóng và làm nguội xảy ra sự thay đổi tổ chức và tính chất Vùng này được gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn nóng chảy phụ thuộc vào phương pháp và chế độ hàn

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo vùng ảnh hưởng nhiệt của thép các bon thấp khi hàn

nóng chảy I- Phần nóng chảy không hoàn toàn; II- Phần quá nhiệt;

III- Phần thường hoá; IV- Phần kết tinh lại không hoàn toàn; V- Phần kết tinh lại; VI- Phần dòn xanh

Vùng ảnh hưởng nhiệt bao gồm các phần (hình 1.2):

- Phần I: nhiệt độ đạt 1500ữ14500C là phần nóng chảy không hoàn

toàn; ở mép cạnh sát mối hàn kim loại nóng chảy vì nhiệt độ cao, tiếp theo là kim loại không bị chảy

- Phần II: nhiệt độ 1450ữ11000C là phần quá nhiệt, hạt tinh thể lớn, ở vùng này độ dai va chạm và tính dẻo giảm xuống, dễ phát sinh nứt nóng và nứt nguội

- Phần III: nhiệt độ 1100ữ9000C là phần thường hoá, hạt kim loại nhỏ

- Phần IV: nhiệt độ 900ữ7000C là phần kết tinh lại không hoàn toàn, càng gần điểm 5 hạt kim loại càng to

- Phần V: nhiệt độ 723ữ5000C là phần kết tinh lại

- Phần VI: nhiệt độ 500ữ2000C là phần dòn xanh Kim loại bị già hoá, song khả năng làm việc của vật hàn không bị ảnh hưởng vì không có tập trung ứng suất

Sơ đồ trên hình 1.2 là cấu tạo vùng ảnh hưởng nhiệt của thép cacbon thấp khi hàn một lớp Khi hàn nhiều lớp, do chu kỳ nung nóng được lặp lại, nên chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ rút ngắn lại gần sát mối hàn Vùng

ảnh huởng nhiệt hẹp thì tính chất kim loại cơ bản ít bị thay đổi Nói chung, cơ tính của kim loại ở vùng ảnh hưởng nhiệt không được như kim loại cơ bản và thường chỉ bằng 80 - 90% so với kim loại cơ bản

1.1.2 Đặc điểm quá trình hàn

Hàn kim loại có các đặc điểm sau:

- Bằng phương pháp hàn có thể chế tạo được những kết cấu phức tạp từ những chi tiết đơn giản;

- Có thể hàn được thép với thép, gang với gang, những kim loại có tính chất khác nhau như gang với thép hoặc kim loại đen với kim loại màu,

- Giảm thời gian chế tạo;

- Độ bền, độ kín mối hàn cao;

- Khả năng cơ khí hoá và tự động hoá cao;

- Năng suất cao

Tuy nhiên, nhược điểm của hàn là thường có các khuyết tật như cong, vênh, nứt, rỗ khí, Phát hiện và khắc phục các khuyết tật mối hàn hết sức khó khăn Điều đó làm giảm khả năng chịu tải, đặc biệt là tải trọng động của các kết cấu hoặc chi tiết hàn

1.1.3 Phân loại các phương pháp hàn

Có nhiều cách phân loại, nhưng phổ biến hơn cả là dựa theo tình trạng nung nóng kim loại mối hàn, người ta phân ra thành hàn nóng chảy và hàn không nóng chảy (hàn dẻo)

Sơ đồ phân loại các phương pháp hàn theo cách nói trên cho ở hình 1.3

Hình 3.3 Sơ đồ phân loại các phương pháp hàn

Hình 1.3 Sơ đồ phân loại các phương pháp hàn

Hồ quang

Điện xỉ Cảm ứng

La ze Khí Nhiệt,

Điện trở tiếp xúc Khí ép Cảm ứng Nhiệt Nổ Siêu âm

Hàn không nóng chảy Hàn nóng chảy

Hàn kim loại

1.2 Công nghệ hàn hồ quang

1.2.1 Hồ quang và các tính chất của nó

Hồ quang hàn là một nguồn nhiệt lớn tập trung để làm nóng chẩy kim loại hàn

Hồ quang là sự phóng điện liên tục trong môi trường khí được ion hoá giữa hai điện cực

Khi cháy hồ quang đạt nhiệt độ rất cao tại tâm hồ quang nhiệt độ đạt tới 6000-7000 độ

Năng lượng điện mà hồ quang tiêu thụ phần lớn chuyển thành nhiệt năng Trong quá trình hàn, không phải toàn bộ nhiệt lượng mà hồ quang sinh ra đều chuyển vào mối hàn mà một phần nhiệt lượng này nung nóng không khí xung quanh hoặc khí bảo vệ, làm nóng chảy thuốc hàn, làm bắn toé kim loại…

Sự tạo thành kim loại mối hàn xẩy ra do sự nóng chảy kim loại cơ bản

và kim loại đắp Sự nóng chảy của kim loại đắp được đặc trưng bởi hệ số cháy,

có nghĩa là lượng kim loại nóng chảy của que hàn tính bằng gam trong một giờ khi có dòng điện hàn một ampe chạy qua

Hệ số cháy được xác định theo công thức:

c c

G

I t

Trong đó; αc - Hệ số cháy (g/Ah)

Gc - Khối lượng que hàn nóng chảy (g)

I - Dòng điện hàn (A)

t - Thời gian hồ quang cháy (h)

Để xác định khối lượng kim loại đắp, người ta dùng hệ số đắp, có nghĩa là lượng kim loại que hàn đắp tính bằng gam trong thời gian là một giờ với dòng điện hàn một ampe

Khi có dòng điện hàn chạy qua, Nó được xác định theo công thức:

d d

G

I t

Trong đó αd - Hệ số đắp (g/Ah)

Gd - Khối lượng kim loại đắp (g)

Hệ số đắp nhỏ hơn hệ số cháy chút ít và phụ thuộc vào phương pháp hàn, loại dòng điện hàn, que hàn cũng như các yếu tố khác

Một phần kim loại của que hàn không tham gia vào việc tạo thành mối hàn mà bị bắn toé, cháy hoặc bốc hơi,…

Để xác định lượng hao hụt này ta sử dùng công thức:

đẩy lệch và do vậy sẽ gây khó khăn cho quá trình hàn Hiện tượng này gọi

là hiện tượng thổi lệch hồ quang Hiện tượng này đặc biệt dễ nhận thấy khi hàn hồ quang bằng tay bằng dòng điện một chiều có cường độ lớn (hơn 300-400A)

Để giảm bớt hiện tượng thổi lệch, người ta tiến hành hàn hồ quang gắn, đấu điện hàn với vật hàn gần hồ quang hàn nhất và thay đổi góc nghiêng của que hàn v.v…

Kim loại chuyển dịch từ đầu que hàn vào vũng hàn dưới dạng các giọt

riêng biệt Mỗi dây có khoảng 20-50 giọt có khích thước gần như nhau chảy từ que hàn Ngắt và chuyển giọt kim loại trong hồ quang xảy ra dưới tác động của lực điện từ, lực trọng trường và sức căng bề mặt Khi mật độ dòng điện lớn, đặc biệt là khi hàn khí bảo vệ quá trình từng giọt kim loại chảy từ que hàn vào vũng hàn sẽ trở thành dòng kim loai nóng chảy

Hồ quang hàn cháy dưới lớp thuốc, khi hàn bằng phương pháp hàn dưới lớp thuốc có một số đặc điểm khác so với khi hàn hồ quang hở Trong quá trình cháy của hồ quang, nó đồng thời nung nóng chảy dây hàn, kim loại cơ bản và thuốc hàn Thuốc hàn nóng chảy tạo thành xung quanh hồ quang một bọc khí do các kim loại khí cũng như hơi kim loại tạo thành

Hồ quang khi hàn dưới lớp thuốc ít bị mất nhiệt do bức xạ là một nguồn nhiệt tập trung hơn so với hàn hồ quang hở và như vậy hiệu xuất nhiệt

hồ quang được sử dụng sẽ lớn hơn

1.2.2 ảnh hưởng của các thành phần hoá học trong thép đến tính hàn

Tính hàn của thép phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hoá học:

- Cacbon: Thép có hàm lượng cacbon tới 0,25% có tính hàn tốt Hàm lượng cacbon càng tăng, tính hàn càng kém vì nó làm tăng khả năng thấm tôi của kim loại mối hàn và vùng lân cận mối hàn, như vậy làm tăng khả năng xuất hiện vết nứt Khi cháy cacbon dễ tạo ra một lượng lớn các rỗ khí

- Mangan: Với một lượng nhỏ (dưới 1%) mangan không ảnh hưởng tới tính hàn Khi hàm lượng mangan tăng tính thấm tôi tăng, sẽ dẫn đến nứt

- Silic: Hàm lượng silic tăng sẽ khó hàn do tính chảy lo4ng của thép lớn và tạo thành ôxyt silic khó nóng chảy ở lại trong mối hàn dưới dạng rỗ xỉ

- Crôm: Làm giảm tính hàn của thép vì bị ôxy hoá tạo thành ôxit crôm khó nóng chảy Khi crôm tác dụng dưới tạo thành cacbit crôm, làm giảm tính dẻo của kim loại mối hàn và tăng độ cứng vùng lân cận của mối hàn

- Ninken: Hàm lượng niken trong thép có thể thay đổi trong một phạm vi lớn Niken có tác dụng làm nhỏ hạt, tăng tính dẻo và tăng độ bền của

thép Niken có tác động tích cực tới tính hàn của thép, nhưng phải có biện pháp bảo vệ tốt chống lại tác động của ôxy vì nó dễ bi ôxy hoá

- Môlipđen: có trong thành phần của tất cả các thép hợp kim bền nhiệt

Nó làm thép có hạt nhỏ, giữ độ bền ở nhiệt độ cao, nhưng làm giảm tính hàn và

là nguyên nhân gây lên viết nứt ở kim loại mối hàn và vùng lân cận mối hàn

- Phốt pho: là thành phần có hại trong thép vì làm tăng khả năng nứt nguội

ảnh hưởng của từng nguyên tố riêng biệt sẽ tăng lên khi kết hợp với nguyên tố khác, đặc biệt là với cácbon tương đương Để đánh giá gần đúng tính hàn của thép theo thành phần hoá học của nó, người ta tính theo một công thức thành phần các bon tương đương, theo đó ta có thể đánh giá tính hàn của mác thép đ4 cho.[1],[4]

1.3 Giới thiệu các phương pháp hàn có liên quan và lĩnh vực sử dụng

Cho đến nay ngoài phương pháp hàn hồ quang điện xỉ, công nghệ hàn nóng chảy có hiệu quả cao bao gồm:

- Hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc trợ dung;

Hình 1.4 Hàn hồ quang tự động dưới trợ dung

- Hàn tự động và bán tự động trong môi trường khí bảo vệ;

- Hàn tự động và bán tự động dùng dây hàn lõi bột kim loại

Dây hàn bột có thể là dây hàn bột tự bảo vệ dây hàn bột trong môi

trường khí bảo vệ CO2 và dây hàn dùng cho hàn dưới lớp thuốc trợ dung [1]

Hình 1.5 Sơ đồ hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ

a) A r (điện cực không nóng chảy) và b) A r (điện cực nóng chảy) :1- Vật hàn; 2- Que kim loại phụ; 3- Điện cực; 4- Khí argon; 5- Hồ quang hàn; 6- Vũng hàn; 7- ống dẫn dây hàn; 8- Dây hàn; c) CO2: 1- Nguồn hàn; 2- Mỏ hàn ; 3- Cơ cấu đưa dây; 4- Lưu lượng kế; 5- Van giảm áp; 6- Bình chứa CO2

Hình 1.6 Hàn tự động và bán tự động dùng dây hàn lõi bột

Từ các sơ đồ công nghệ bản chất của phương pháp hàn trên ta có thể có một số ý kiến nhận xét như sau:

- Dùng dây hàn bột không làm thay đổi công nghệ chế tạo các chi tiết máy hay kết cấu kim loại Do đó càng có điều kiện để cơ khí hóa hoặc tự động hoá các quá trình sản xuất

- Dùng dây hàn bột cho phép hợp kim hoá kim loại đắp một cách thuận

tiện và thích hợp do thay đổi thành phần lõi bột trong dây Điều này có ý nghĩa quan trọng trong điều kiện sản xuất nhỏ và dùng nhiều chủng loại vật liệu khác nhau

- Trong trường hợp thực hiện những mối hàn nhiều lớp có vạt mép hàn

ở những vị trí khó hàn thì dùng dây hàn bột tự bảo vệ cho phép tiến hành công việc được thuận tiện vì mỏ hàn không có loa hướng khí bảo vệ vào vùng hàn nên không sợ mỏ hàn chạm vào thành các chi tiết

Khác với các phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc trợ dung chỉ hàn

được ở tư thế hàn bằng, còn hàn ngang, hàn nghiêng hay hàn ở các tư thế khác không thực hiện được Hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2 phải có nguồn cung cấp khí tập trung dẫn đến nơi sử dụng hoặc phải dùng chai chứa CO2 và ống dẫn Loại này cũng đắt tiền và ta cũng chưa sản xuất được Hàn với dây hàn bột tự bảo vệ cho phép tránh được các điều đ4 nói ở trên Đó cũng là một lợi thế của phương pháp

Dây hàn bột được sử dụng ở hầu hết các lĩnh vực sản xuất công nghiệp trong điều kiện sản xuất ở nhà máy cũng như trên các công trường xây dựng,

đóng tàu thuỷ v.v… Trong chế tạo mới các kết cấu kim loại hoặc chi tiết máy cũng như trong lĩnh vực phục hồi

Dây hàn lõi thuốc được dùng cho kim loại đen lẫn kim loại màu Gần

đây dây hàn bột được dùng để phục hồi các pít tông động cơ xe ô tô buýt

“Ukapyc” của Hungari sản xuất và các loại bơm của h4ng “KOMATSU” Nhật Bản [3] được nhập vào Liên Xô (cũ)

ở lĩnh vực phục hồi do tính chất và điều kiện để hợp kim hoá như trên

đ4 nêu nên dùng dây hàn bột có lợi thế hơn

Điều cần nói rõ thêm là ở điều kiện lắp ráp thiết bị trên các công trường, công việc hàn chiếm 12 -19% khối lượng lao động Đặc biệt là khi lắp ráp các chi tiết hay kết cấu không thể xoay trở được, phải hàn ở nhiều tư thế khác nhau, điều kiện hàn không ổn định, điều kiện khí hậu phức tạp thì việc sử

dụng dây hàn bột tự bảo vệ càng thuận tiện hơn, càng có ý nghĩa lớn về kinh

tế kỹ thuật

Ngoài những điều đ4 nêu trên, Viện hàn mang tên Paton RE (Liên Xô cũ) với những thiết bị chuyên dùng và dùng dây hàn bột đ4 giải quyết được những mối hàn đứng và ngang bằng cách tạo mối cưỡng bức mà các phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc trợ dung, hàn điện xỉ không giải quyết được hay đạt được nhưng hiệu quả kém [3] Vấn đề này rất phổ biến và hiệu quả trong công nghệ đóng và sửa chữa tàu thuyền

Những năm gần đây ngoài việc sử dụng dây hàn bột ở trên mặt đất đang xuất hiện trào lưu nghiên cứu sử dụng dây hàn bột để cắt và hàn dưới nước [3]

và phun phủ kim loại

1.4 Tình hình phát triển việc sử dụng dây hàn bột

Cho đến nay có nhiều dạng dây hàn có các kiểu kết cấu khác nhau được chế tạo (hình 1.7)

Các nước có nền công nghiệp tiên tiến đều phát triển việc dùng dây hàn bột

và có tỷ trọng đáng kể trong phần vật liệu của chuyên ngành, điển hình là Mỹ

Hình 1.7 Kết cấu các dạng dây hàn bột

Theo dự báo của Mỹ và nếu là hiện thực thì đến năm 1980 Mỹ sản xuất

200 nghìn tấn dây hàn bột trên tổng số vật liệu hàn chiếm 28% thì đây quả là

một tỷ lệ đáng kể Trong khi đó sản xuất dây hàn đặc trong khí bảo vệ CO2 là

109 nghìn tấn chiếm 16% còn dây hàn dưới lớp thuốc trợ dung là 63 nghìn tấn chiếm tỷ lệ 9% Rõ ràng là chiều hướng sử dụng dây hàn bột ngày càng gia tăng Nếu so sánh tỷ lệ sản xuất dây hàn bột thì ở Mỹ năm 1975 là 12,5% còn

ở Liên xô cũ năm 1976 sản xuất 19,5 nghìn tấn chỉ chiếm 2,1% Liên xô dự kiến tăng nhanh mức sản xuất dây hàn bột đến năm 1980 là 40 nghìn tấn và

đến năm 1989 là 80 nghìn tấn Trên thực tế đến năm 1988 Liên xô cũng chỉ mới sản xuất được 21,3 nghìn tấn dây hàn bột trên tổng số 259,8 nghìn tấn dây hàn chung chiếm 8,20% Trong số dây hàn bột này thì dây tự bảo vệ chiếm 40%.[3], [4], [7]

Trong loạt nước sản xuất nhiều dây hàn bột (ở khu vực 2 trước đây) sau

Mỹ phải nói đến Nhật bản Tuy không có những số liệu về khối lượng cụ thể nhưng Nhật bản đ4 nghiên cứu khá sâu vấn đề dây hàn bột và đ4 công bố nhiều bằng phát minh sáng chế được công nhận chủ yếu là thiết bị, ở đây do giới hạn công việc nên không đề cập đến vấn đề này Việc sản xuất dây hàn bột của Nhật bản chủ yếu do h4ng Nipponstul đảm nhận, ở Pháp do h4ng Trefileri, ở Thuỵ điển h4ng Elicon, còn ở Anh h4ng Murekbritic oxygen v.v…

Hiện nay ở Trung Quốc sản phẩm chủ đạo của dây lõi bột kim loại chiếm trên 90% dây lõi thuốc trên thế giới Nh4n hiệu của các h4ng chính là SQJ501(Tam Anh), DW100 (Nhật), SF71 (Hàn Quốc) [11]

1.5 Đặc điểm của phương pháp hàn dây lõi bột

Khi hàn thép cacbon thấp, để tăng năng suất, thường sử dụng dây hàn lõi bột Loại dây này đảm bảo hồ quang cháy ổn định, hình dạng mối hàn đẹp,

ít bắn toé và dễ bong xỉ Hệ số đắp đầy của loại dây này tăng theo tỷ lệ với độ tăng của mật độ dòng điện hàn và có thể đạt tới 20g/Ah Mặt khác, hàn dây lõi bột còn thuận lợi cho viêc tự động hoá ở các tư thế hàn khó

Bảng 1.2 Chế độ hàn dây lõi bột kim loại

Vi trí mối hàn Đường kính dây (mm) Dòng điện hàn (A) Điện áp hồ quang (V) dây (mm/s) Tốc độ dẫn

22-24 22-24

50-59 38-48 Năng suất hàn tăng đáng kể khi hàn dây lõi bột trong môi trường khí bảo

vệ CO2 vì khi đó có thể tăng mật độ dòng điện hàn một cách đáng kể Dòng

điện hàn là dòng điện một chiều điện cực nghịch, đặc tính cứng (bảng 1.4)

1.6 Hiệu quả kinh tế của việc sử dụng dây hàn bột

Về mặt này có hai khía cạnh cơ bản cần xem xét Đó là thời gian cần thiết

để đắp được 1 kg kim loại và giá thành được xác lập đối với một kg kim loại đắp 1.6.1 Về thời gian

- Dùng dây hàn bột với phương pháp tự động và bán tự động thời gian cần thiết để đắp được 1 kg kim loại là thấp hơn so với hàn tay cho dù dung que hàn có năng suất cao nhất (AHD- 1có hệ số đắp α = 15g/a.h )

- Còn đối chiếu với việc dùng dây hàn trong môi trường bảo vệ khí CO2thì thời gian để đắp 1 kg kim loại khi dùng dây hàn bột tự bảo vệ thì bằng hoặc thấp hơn

1.6.2 Về giá thành

Người ta cũng đ4 tiến hành so sánh giá thành 1kg kim loại đắp khi thực hiện bằng những loại que hàn khác nhau (bảng 1.2) và giá thành khi thực hiện bằng những loại dây hàn bột khác nhau (bảng1.3)

Bảng 1.2 và 1.3 cho giá thành từng loại vật liệu riêng lẻ Việc so sánh giá thành 1kg kim loại đắp bằng những loại vật liệu khác nhau được thể hiện trên biểu đồ hình 1.7 Nếu giá thành 1kg kim loại đắp bằng que hàn vạn năng

có lớp thuốc bọc và rutin là 1 đơn vị thì giá thành của 1 kg kim loại đắp:

Bảng 1.3 Giá thành 1kg kim loại đắp khi thực hiện bằng những loại que

Loại OMM-5

Loại AHO-3

Loại AHO-4

Bảng1.3 Giá thành khi thực hiện bằng những loại dây hàn bột khác nhau

/7/7-AH3 /7/7-AH4 /7/7-AH7

0,960 1,051 1,172

Hình 1.8 Biểu đồ so sánh giá thành 1kg kim loại đắp

- Bằng que hàn năng suất cao có lớp thuốc bọc rutin 0,512;

- Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2 dây có đường kính là 1,6mm là 0,314;

- Khi hàn dưới lớp thuốc trợ dung có đường kính dây hàn 3,2 mm là

0,313;

- Khi hàn bằng dây hàn bột đường kính 2,8 mm là 0,227

Nhật Bản sản xuất loại dây hàn bột có ký hiệu NA 50B có đường kính 3,2 mm đem so sánh với loại que hàn D5016 có đường kính 6mm do h4ng

Nippon steel sản xuất Kết quả cho thấy rằng giá thành 1kg kim loại do dây hàn bột tạo nên là 3,120 đồng yên (tiền Nhật Bản) còn que hàn D5106 cho giá thành 4,312 đồng yên Như vậy giá thành dùng dây hàn bột chỉ bằng 0,72 lần kim loại đắp bằng que hàn [3],[11]

Kết luận chương 1

Trong chương 1 tác giả đ4 trình bầy những vấn đề sau:

1) Khái quát về công nghệ hàn kim loại, phân loại các phương pháp hàn, nghiên cứu các tính chất của hàn hồ quang, ảnh hưởng của các thành phần hoá học thép đến tính chất hàn và giới thiệu về phương pháp hàn có sử dụng dây hàn lõi bột kim loại với đặc điểm hiệu quả ứng dụng của nó trong công nghiệp

2) Giới hạn được nội dung nghiên cứu của đề tài luận văn cao học này ở phạm vi nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn dây lõi bột kim loại trên một số mẫu thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện nghiên cứu Cơ khí

đủ bền mà còn phải có tính dẻo tốt, đặc biệt là độ dai va đập phải cao so với kim loại cơ bản Đối với mối hàn góc không nhất thiết yêu cầu kim loại mối hàn phải có độ bền cao hơn so với kim loại cơ bản nh−ng lại yêu cầu tính dẻo phải càng cao càng tốt Trong nghiên cứu công nghệ hàn, chúng ta có thể đ−a ra các kết quả thực nghiệm và đề xuất khả năng sử dụng trong thực tế sản xuất

Mục tiêu của đề tài là áp dụng công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại

để hàn thép kết cấu cacbon và thép kết cấu hợp kim thấp Hiện nay thép kết cấu hợp kim thấp đ−ợc dùng rộng r4i hơn cả ở Việt Nam là thép đuợc hợp kim hóa chủ yếu bằng Mangan (vì Mangan là nguyên tố hợp kim vừa rẻ vừa tăng mạnh độ bền và độ dẻo của thép)

Dây hàn sử dụng là dây lõi bột kim loại có ký hiệu là DW100

Bảng 2.1 Thành phần hoá học dây DW100

MPa

σB, MPa δ5, % Hàm l−ợng (%) 0,05 0,45 1,35 0,013 0,009 510 570 30

Ngoài thành phần trên thì thành phần của ruột dây bao gồm chủ yếu là bột sắt, quặng rutin, đôlômit, đá vôi, cao lanh, ferro silic, huỳnh thạch, mica,

thuỷ tinh lỏng, ferro mangan…Tổng thành phần cấu thành nên bột kim loại không vượt quá 60%

2.2 Vật liệu thử nghiệm:

Vật liệu thép tấm dùng cho hàn là loại thép CT3, chiều dày: 12, 14, 16

mm với các tính chất cơ lý và thành phần hoá học trong bảng:

Bảng 2.2 Thành phần hoá học thép tấm CT3

Nguyên tố

σT, MPa

σB, MPa δ5, % Hàm lượng (%) 0,14 0,77 0,21 0,033 0,011 305 465 22

Trong thực tế, ở Việt Nam thường sử dụng các loại máy hàn sau:

- LINCOLN CV500-1 do Mỹ chế tạo (Hình 2.2);

- OTC XD500, MOTOWEL 350 do Nhật chế tạo;

- VĐU 506 do Nga chế tạo;

- MACPOL 630 do BaLan chế tạo;

- MIGWEL D do Singapo chế tạo;

Ngoài ra còn có các loại máy hàn khác của các nước khác sản xuất như Thụy Điển, Hàn Quốc, Được nhập về và đang hoạt động ở Việt Nam

Các loại máy hàn tự động và bán tự động đó có cấu trúc chung tổng quát bao gồm các khối sau:

- Khối đầu vào:

Khối đầu vào có nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện cho máy hàn và bảo vệ máy hàn, nhằm tránh các sự cố không an toàn cho máy và người sử dụng Khối bao gồm các thiết bị cung cấp và bảo vệ như: Aptomat, khởi động

từ, rơle nhiệt, quạt làm mát

- Khối biến thế hàn:

Khối biến thế hàn có nhiệm vụ biến đổi điện áp từ lưới điện công nghiệp thành điện áp phù hợp với công nghệ hàn Thông thường là biến áp ba pha có điện áp vào sơ cấp 380V, điện áp ra thứ cấp là 36V

- Khối chỉnh lưu hàn:

Khối chỉnh lưu hàn làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha thứ cấp biến thế hàn thành điện áp hàn một chiều bằng mạch chỉnh lưu cầ ba pha hoạc chỉnh lưu tia sáu pha có điều khiển để có thể thay đổi điện áp hàn liên tục, dễ ràng thuận lợi Để thực hiện được nhiệm vụ trên khối chỉnh lưu hàn dựa vào nguyên lý làm việc của Thirito là chỉ cho dòng điện chạy theo một chiều từ Anốt tới Catôt, giá trị điện áp ra trên Catôt phụ thuộc vào góc mở Thirto (phụ thuộc vào sự lệch pha của xung điều khiển đưa vào cực điều khiển

và điện áp Anốt của Thirto)

Do đặc điểm của các mạch chỉnh lưu, điện áp ra thường có các sóng hài bội sáu do vậy để nâng cao chất lượng điện áp hàn một chiều, trong tất cả các máy hàn tự động và bán tự động đều có khâu lọc và thay đổi đặc tính ngoài

- Khối lọc và thay đổi đặc tính ngoài:

Thường là bộ lọc cảm kháng để chặn bớt các sóng hài soay chiều có tần

số cao (bội sáu) làm cho điện áp hàn một chiều sau chỉnh lưu hàn có chất lượng cao hơn (Bằng phẳng hơn), và thay đổi đặc tính ngoài của nguồn hàn theo định luật Ôm tổng quát:

E = Un + Ut

Un = E- Ut

Un = E- I*Rt

Trong đó; E : Là suất điện động của nguồn hàn

Un: Là điện áp ngoài nguồn hàn (Điện áp hồ quang hàn)

Ut: Là điện áp sụt bên trong nguồn hàn

- Khối điều khiển và chỉ thị các thông số công nghệ hàn:

Khối này có nhiệm vụ tạo ra các xung mở điều khiển góc mở Thirito của khối chỉnh lưu hàn ,đồng thời giúp cho người vận hành điều khiển và quan sát các thông số công nghệ hàn dễ ràng thuận lợi Khối này là các vỉ mạch

điện tử bao gồm các khâu nhỏ sau:

+ Khâu đồng pha và tạo điện áp tựa: tạo ra các xung điện áp tựa răng cưa đồng pha với điện áp hình sin trên Anốt Thirto của pha tương ứng

+ Khâu so sánh: so sánh tín hiệu được đặt trước (tín hiệu chủ đạo để định trước trị số về độ lớn của các tham số công nghệ) với tín hiệu tựa răng cưa để xác

định thời điểm phát xung mở thirito Quyết định góc mở cho Thirito

+ Khâu phát xung: khi có tín hiệu từ khâu so sánh khâu phát xung sẽ phát ra xung vuông đưa tới khuếch đai công suất mở Thirto

+ Khâu công suất, khuếch đại xung vuông cho đủ năng nượng cần thiết

đưa tới cực điều khiển để mở Thirito

+ Khâu logíc, giúp cho người vận hành thao tác dễ dàng thuận tiện,

đúng thứ tự công nghệ, tạo ra những khoảng trễ bù vào đầu và cuối mối hàn tạo cho mối hàn không bị khuyết tật ở các đầu nút

+ Các đồng hồ chỉ thị và các núm điều khiển, tạo cho người vận hành

điều chỉnh và theo rõi các thông số công nghệ trong suốt quá trình hàn

- Khối cấp dây hàn:

Khối có nhiệm vụ đưa dây hàn đ4 được chứa sẵn trong các lô dây vào vùng hàn, bổ xung kim loại cho mối hàn Khối này thông thường là cơ cấu cơ khí gồm các bánh xe tải dây hàn và bộ phận nắn dây hàn, được d4n động bằng

động cơ điện (thường là động cơ secvo, hoặc động cơ một chiều) thay đổi tốc

độ vô cấp để thay đổi tốc độ ra dây, thông qua đó thay đổi được dòng điện hàn cho phù hợp với công nghệ

- Khối xe hàn:

Khối này để dịch chuyển đầu hàn theo mối hàn với một tốc độ cần thiết phù hợp với yêu cầu công nghệ Phụ thuộc từng máy mà trên xe hàn có các bộ phận như: Xe hàn, đầu dao động (đầu lắc đầu dò) cũng như khối cấp dây hàn, khối này cũng thường sử dụng các động cơ secvo hoặc động cơ một chiều cho

dễ thay đổi tốc độ

Để nâng cao tính ổn định của các thông số về công nghệ hàn, trong các máy hàn cao cấp còn có các phản hồi để giữ ổn đinh các thông số công nghệ như dòng, điện áp, tốc độ hàn (I,U,V) Ngoài ra theo xu hướng chung của nền công nghiệp là tự động hoá các quá trình công nghệ Máy hàn còn được ghép nối với các thiết bị khác như đầu dò dẫn hướng, máy tính… thành tổ hợp thiết

bị tự động tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao và thay đổi chế độ công nghệ

được mềm dẻo

Trong quá trình nghiên cứu đề tài, với các trang thiết bị sẵn có tại Phòng Thí nghiệm Trong điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí, chúng tôi chọn máy hàn là máy LINCOLN CV500-1 do

Mỹ chế tạo (Hình 2.1)

Hình 2.1 Máy hàn dây hàn bột tự bảo vệLINCOLN CV 500-1

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Nghiên cứu lý thuyết

- Lựa chọn phương pháp hàn, thiết bị hàn và vật liệu hàn;

- Vật liệu thử nghiệm được đánh sạch gỉ, vát mép 600

- áp dụng công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại trên cơ sở kinh nghiệm ngoài nước trong điều kiện thiết bị hiện có ở Việt nam

2.4.2 Phương pháp tiến hành nghiên cứu thực nghiệm

a Điều kiện thí nghiệm

Để nghiên cứu sâu về công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại, chúng tôi tiến hành một số thí nghiệm để nghiên cứu các yếu tố đầu vào, đầu ra của quá trình hàn và sự tương quan giữa chúng Trong luận văn này đối tượng là thép các bon thấp và thép hợp kim thấp do vậy mà các yếu đầu vào cần quan tâm là:

Ih : Dòng điện hàn trong khi hàn

Uh : Điện áp hàn trong quá trình hàn

+ Chiều rộng, chiều cao và chiều sâu ngấu của mối hàn;

b Phương pháp chọn hàm mục tiêu trong mô hình toán học mô phỏng chất lượng mối hàn

Cơ sở lý thuyết về phương pháp quy hoạch thực nghiệm và xử lí số lý số liệu thông kê toán học thường dùng trong công nghệ chế tạo máy có thể được khái quát như sau:

Khi nghiên cứu quá trình hàn bằng dây hàn bột trong quy mô phòng thí nghiệm, cần phải xác định được là hàm mục tiêu có thể tuân theo định luật phân bố nào Việc giải bài toán này được thực hiện bằng cách xác lập mô hình toán học để đưa ra mối tương quan giữa chỉ tiêu đánh giá bằng số chất lượng mối hàn như một hàm số của các thông số độc lập gồm:

Y = f (V, L, τ , θd ) (2.1) bằng phương pháp lựa chọn người ta giải bài toán xác lập mô hình, đồng thời xác định mối tương quan giữa các chỉ tiêu đánh giá về chất lượng và số lượng của các giá trị lựa chọn đó Phương pháp lựa chọn số cho phép đảm bảo

độ tin cậy cao và độ chính xác cần thiết khi giải bài toán nghiên cứu trên với số lượng các thông số công nghệ (TSCN) lựa chọn khi tiến hành nghiên cứu lớn (n

> 25) Tuy nhiên, trong quá trình hàn bằng dây lõi bột kim loại và các công

đoạn tiếp theo, có nhiều khó khăn khi thực hiện các thí nghiệm lặp lại với các

số lượng lớn Khi đó người ta chọn phương pháp lựa chọn nhỏ (n ≤ 10)

Đối với giá trị từng thông số công nghệ được lựa chọn đó cần phải tính toán giá trị trung bình X và Dispersi (phương sai) của thông số đó S2

đó thuộc về mỗi một tập hợp lớn Sau đó cần kiểm tra tiên đề về sự bằng nhau của các giá trị trung bình các thông số lựa chọn theo tiêu chuẩn Student

Căn cứ vào mô hình toán học nhận được ở dạng (2.1) có thể giới hạn

được phạm vi điều chỉnh các thông số công nghệ chủ yếu tùy theo các giá trị tính toán hàm mục tiêu yêu cầu, với hệ số qui hồi trong điều kiện thử nghiệm Các chỉ tiêu cơ tính của lớp phủ phải được khống chế từ điều kiện tối ưu để quá trình hàn xẩy ra tốt nhất, đồng thời đảm bảo sản phẩm có chất lượng cao nhất Chẳng hạn về chỉ tiêu chiều sâu ngấu của lớp hàn:

γMIN ≤ γ ≤ γMAX ; ρ ≥ ρMIN (2.2) Trong đó: γMAX – Giới hạn chiều sâu ngấu của lớp hàn tối đa đạt được

γMIN – Giới hạn chiều sâu ngấu của lớp hàn tối thiểu cho phép

ρMIN – Giới hạn chiều cao của lớp hàn tối thiểu cho phép

c Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm bằng thống kê toán học

Tính toán các giá trị trung bình của yếu tố lựa chọn X, độ lệch quân phương (Dispersi) S2

X, sai số tiêu chuẩn SX và sai số tích luỹ ∆XΣ như sau:

- Nếu Xi là giá trị đo, thì:

X X

Xi S

Trong đó; n là số thí nghiệm song song trong mỗi một thực nghiệm

t∝(K) là hệ số Student với mức độ có nghĩa ∝ = 0,9ữ0,99 (tra bảng)

điện hàn, A); X3 = V (vận tốc hàn, m/h) Phương án khảo sát ảnh hưởng của

ba thông số X1 = U; X2 = I ; X3= V đến chất lượng lớp hàn thì việc tính toán xây dựng mô hình toán học sẽ theo quy hoạch thực nghiệm N = PK

5) Kết luận về độ chính xác mô phỏng của mô hình toán học nhận được

so với kết quả thực nghiệm

Sự phụ thuộc cần tìm của các giá trị Y vào các yếu tố không phụ thuộc

X ở biểu thức (3.1) có thể được tìm ở dạng đa thức theo công thức:

Y = a1 ϕ0.(X) + a2.ϕ1(X) + + am.ϕm - 1(X) (2.10)

Với a1.ϕ0(X); a2.ϕ1(X) ; ; am.ϕm - 1(X) là các hàm số cho trước Giá trị của các hệ số a1, a2, , am trong biểu thức (3.10) được xác định từ điều kiện tối thiểu của các sai số nhận được bằng thực nghiệm YK với sai số tính toán theo công thức:

em = ∑

=

m 1 k

ω (XK) [Y (XK) ư YK]2= min (2.11) Các hàm số biểu thị mối tương quan giữa hai đại lượng trong hệ toạ độ phẳng ϕ1 = f(X) Phương pháp bình phương nhỏ nhất cần được phát triển và liên hợp lại thể hiện trong hệ toạ độ lớn dạng ϕ1 = F(X;Y)

e Xây dựng thuật toán để xác lập mô hình theo quy hoạch thực nghiệm kiểu

N = 23

Chế độ thí nghiệm đối với trường hợp này cho trong bảng 3.15 Hàm mục tiêu mô hình hoá quá trình hàn dây lõi bột kim loại lên kim loại nền γOhoặc mật độ tương ứng ρO (g/cm3), có thể triển khai ở dạng:

Y(V,M,L) ≅ aO+ a1X1 +a2X2 +a3X3 + a4X1X2 + a5X1X3 +a6X2X3 + a7X1X2X3

1 0

k i i

y a

y a

Xét bài toán có sự tương tác của các yếu tố công nghệ đang được khảo sát, ma trận thực nghiệm với các điều kiện thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm (QHTN)

Bước tiếp theo là tính toán các hệ số thực nghiệm trong hàm hồi quy (2.12) Phương trình mô phỏng toán học thực nghiệm có thể viết dưới dạng:

2 0

+ Các biến X1, X2, , Xk là độc lập và được đo với sai số không đáng kể

so với độ lệch quân phương S2

X + Đưa ra các giá trị m4 số hoá của các thông số Xj xác định bởi công thức:

Xj = ( Xi - Xj 0) / λJ (2.14) Trong đó: Xj 0 - giá trị tự nhiên của mức biến thiên chính (ký hiệu là 0)

λ - bước biến thiên

j - số thứ tự của thông số

Các thông số công nghệ ở bảng 2.2 được biến thiên ở hai mức:

+ Mức trên bằng tổng của mức chính và bước biến thiên (ký hiệu là “+”); + Mức dưới bằng hiệu của mức chính và bước biến thiên (ký hiệu là “ư”) Trong các quy hoạch thực nghiệm đầy đủ phải thực hiện tất cả các tổ hợp có thể có của các mức biến thiên thông số công nghệ Nếu mỗi mức đó ứng với cận trên và cận dưới, thì ta có QHTN kiểu N = 2k (bảng 2.2)

Sau khi nhận được hàm mục tiêu (2.13) đ4 thay các hệ số thực nghiệm, cần phải kiểm tra tính thích hợp của mô hình mô phỏng toán học đó với kết quả thí nghiệm nhận được bằng cách so sánh hệ số Fisher tính toán (FTT) với

hệ số Fisher tra theo bảng (FB) Nếu FTT ≤ FB thì Mô hình hoàn toàn thích hợp