Mục đích của luận án Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình nhằm nghiên cứu, xác định thành phần tối ưu mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình để hàn các kết cấu thép từ thép cacbon thấp.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trang 2Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
Phản biện 1: PGS TS Hoàng Tùng
Phản biện 2: PGS TS Lê Thu Quý
Phản biện 3: PGS TS Đinh Văn Chiến
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2 Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 3MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Hàn tự động dưới lớp thuốc là một trong các phương pháp hàn tiên tiến, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất cơ khí, cho năng suất cao, chất lượng mối hàn đảm bảo tốt các yêu cầu kỹ thuật, điều kiện môi trường tốt hơn đa số các phương pháp hàn khác, giá thành phù hợp Thuốc hàn nói chung và thuốc hàn thiêu kết nói riêng được sử dụng trong hàn tự động dưới lớp thuốc và hàn điện xỉ Việc sử dụng vật liệu là thuốc hàn thiêu kết có nhiều ưu điểm nổi trội về nhiều mặt so với các loại thuốc hàn khác Do đó vấn đề nghiên cứu, sản xuất và sử dụng thuốc hàn thiêu kết là xu hướng để chế tạo các công trình và kết cấu hàn chất lượng cao
Hiện nay trên thế giới đã nghiên cứu sâu và sản xuất nhiều loại thuốc hàn thiêu kết, còn ở Việt Nam nhu cầu lớn, nhưng việc nghiên cứu còn chưa sâu, kết quả đạt được còn khiêm tốn, nên chưa áp dụng để sản xuất công nghiệp, phải nhập khẩu với giá thành cao và bị động Đây là nguyên nhân làm cho giá thành các công trình chế tạo bằng hàn trong nước bị đẩy lên cao, làm giảm tính cạnh tranh, đồng thời cũng mất đi một nguồn ngoại tệ khá lớn Trong khi đó, nguồn nguyên vật liệu để sản xuất thuốc hàn thiêu kết ở trong nước rất lớn và phong phú Do đó, mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và tối ưu hóa được thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình trên cơ sở sử dụng tối đa nguồn nguyên liệu trong nước, sản xuất và ứng dụng vào thực tiễn đáp ứng nhu cầu sản xuất
và xuất khẩu
Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu, xác định thành phần tối ưu mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết
hệ bazơ trung bình để hàn các kết cấu thép từ thép cacbon thấp
Đối tượng nghiên cứu: Thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình
Phạm vi nghiên cứu: Hàn các kết cấu thép từ thép cacbon thấp
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:
+ Tổng hợp các cơ sở lý thuyết về nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết
+ Thí nghiệm thăm dò, sàng lọc và nghiên cứu thực nghiệm
- Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm:
+ Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm xây dựng các phương trình toán học biểu diễn mối quan
hệ ảnh hưởng của các chất trong thành phần thuốc hàn thiêu kết đến các chỉ tiêu công nghệ hàn, thành phần hóa học kim loại mối hàn, làm cơ sở cho việc tối ưu hóa thành phần thuốc hàn
+ Giải bài toán tối ưu xác định thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình đảm bảo các chỉ tiêu theo yêu cầu
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
1 Ý nghĩa khoa học
+ Luận án đã bổ sung thêm phương pháp nghiên cứu lựa chọn thành phần thuốc hàn SAW
và các số liệu mới làm cơ sở để xây dựng các mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình
Trang 4+ Xây dựng được các quy luật ảnh hưởng của các thành phần chủ yếu của thuốc hàn
F7A4-BK đến các chỉ tiêu công nghệ hàn của thuốc hàn, thành phần hóa học kim loại mối hàn, hàm lượng hiđrô trong mối hàn và VAHN
+ Đề xuất được sơ đồ nghiên cứu và các bước tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn
2 Ý nghĩa thực tiễn của luận án
+ Các kết quả nghiên cứu có thể được triển khai sản xuất các sản phẩm thuốc hàn thiêu kết
hệ bazơ trung bình ở trong nước, mang lại hiệu quả kinh tế và xã hội cao
+ Tính độc đáo của luận án thể hiện ở chỗ đây là mác thuốc hàn thiêu kết chất lượng cao đầu tiên ở Việt Nam do người Việt Nam tự nghiên cứu và sản xuất bằng nguồn nguyên vật liệu chủ yếu
từ trong nước
Các đóng góp mới của luận án
- Bằng cách vận dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phần mềm Modde 5.0 vào việc xác định các hàm hồi quy mô tả quan hệ, quy luật ảnh hưởng của các chất chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn là chiều dài hồ quang tới hạn
- Xây dựng được quy luật dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim Mn, Si từ thuốc hàn vào kim loại mối hàn trong hệ xỉ bazơ trung bình Trên cơ sở đó xác định được hàm được thành phần hóa học kim loại mối hàn đáp ứng các chỉ tiêu cơ tính của kim loại mối hàn
- Xây dựng được quy luật ảnh hưởng của hàm lượng huỳnh thạch và các thông số chế độ sấy thiêu kết thuốc hàn hệ xỉ bazơ trung bình đến lượng hiđrô trong mối hàn Trên cơ sở đó đã xác định được vùng các thông số sấy thiêu kết thuốc hàn là: nhiệt độ sấy 755°C, thời gian sấy 103 phút, lượng hiđrô trong mối hàn là 3,36 cm3/100g kim loại đắp (nhỏ hơn yêu cầu là 4 cm3/100g)
- Xây dựng được sơ đồ thuật toán tối ưu thành phần mẻ liệu thuốc hàn theo các mô đun, giúp giảm số lượng thí nghiệm và chi phí thí nghiệm Trên cơ sở giải bài toán tối ưu đã xác định được tỷ lệ hợp lý các chất trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4–BK đáp ứng tốt các chỉ tiêu đề
ra
Tóm lại, kết quả nghiên cứu của luận án nếu được thực hiện sẽ rất có ý nghĩa về khoa học, kinh tế và xã hội trước mắt và lâu dài đối với nước nhà
Kết cấu của luận án
Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 04 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết
Chương 2: Quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 4: Xác định thành phần tối ưu mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình Kết luận chung của luận án và kiến nghị
Danh mục tài liệu tham khảo
Danh mục các công trình đã công bố của luận án
Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Tình hình nghiên cứu trong nước
Trang 5Trên cơ sở khảo sát các dữ liệu của những cơ sở sản xuất vật liệu hàn hàng đầu ở nước ta, có thể thấy nhu cầu về thuốc hàn thiêu kết ở nước ta khá lớn Tuy nhiên, việc nghiên cứu và công bố các công trình nghiên cứu khoa học (chủ yếu được thực hiện ở một số trường đại học công nghệ, một số viện nghiên cứu thuộc Bộ Công thương hay một số doanh nghiệp sản xuất vật liệu hàn) còn chưa sâu, số lượng còn ít, kết quả đạt được và mức độ triển khai thực tế còn rất khiêm tốn Do đó chưa có doanh nghiệp trong nước nghiên cứu và tự sản xuất công nghiệp thuốc hàn thiêu kết, mà chủ yếu phải nhập khẩu
Hiện nay các kết cấu hàn từ thép cacbon thấp có yêu cầu chất lượng cao, hầu hết được hàn
từ một trong số các loại thuốc hàn của hãng ESAB (Thụy Điển) và Hyundai (Hàn Quốc) Thuốc hàn của các hãng khác như Lincoln, Hobart (Mỹ), Kobelco (Nhật Bản), Chosun, Kiswel (Hàn Quốc), Atlantic, Camel, Eagle, SJ (Trung Quốc) ít được sử dụng hơn do các yếu tố về chất lượng và giá chưa phù hợp
Một số công trình nghiên cứu về thuốc hàn đã được công bố:
- Đề tài nghiên cứu về thuốc hàn nóng chảy tại Việt Nam tương đương với mác AH – 348 (Liên Xô) đã được thực hiện từ những năm 70 do kỹ sư Nguyễn Thành Kiên của Viện nghiên cứu máy làm chủ nhiệm đề tài Kết quả nhận được là chế tạo thành công thuốc hàn nung chảy bằng lò điện, tương đương với mác AH – 348 của Liên Xô cũ Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu chỉ dừng lại ở phòng thí nghiệm
- Đề tài KH-CN 242.07RD/HĐ-KHCN: “Nghiên cứu chế tạo thuốc hàn tự động bằng vật liệu trong nước để hàn kết cấu thép thay thế thuốc hàn nhập ngoại’’ do Kỹ sư Nguyễn Văn Thống
làm Chủ nhiệm đề tài năm 2007, thuộc Viện Công nghệ - Tổng công ty Máy động lực và máy nông nghiệp, Bộ Công thương [4] Đề tài đã chọn được nền tạo xỉ Nhôm – rutil (tên gọi theo tác giả), nhưng chính xác hơn gọi theo thuật ngữ chuyên ngành là hệ xỉ Ôxit nhôm (Al2O3) – Rutil (TiO2) theo IIW, kí hiệu hệ xỉ hàn này là AR Đây là nền tạo xỉ hàn có tính công nghệ tốt và chất lượng kim loại mối hàn khá cao ứng dụng để hàn kết cấu thép Kết quả nghiên cứu đã được nghiệm thu tháng 4 năm 2008 và được hàn thử nghiệm ở một số cơ sở
- Đề tài: “Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất bộ hàn gốm dùng để hàn thép có độ bền
cao dưới lớp thuốc trợ dung” do Kỹ sư Đặng Trần Lương làm Chủ nhiệm đề tài, thuộc Công ty CP
Que hàn điện Việt Đức (Viwelco) hoàn thành và được nghiệm thu tháng 12 năm 2008 [5] Nội dung đề tài là nghiên cứu về thuốc hàn gốm mác F7-VD (hoặc AR-7), đã chọn được nền tạo xỉ (nhôm – rutil) hay còn gọi là hệ xỉ hàn: Ôxit nhôm (Al2O3) – Rutil (TiO2) (theo IIW là hệ xỉ hàn AR) Mặc dù công ty đã tiến hành sản xuất thử, nhưng còn một số hạn chế nên chưa thể triển khai sản xuất với qui mô công nghiệp Đây là loại thuốc hàn hệ axit có chất lượng và tính công nghệ tốt, dùng để hàn các kết cấu thép yêu cầu chất lượng thông thường
- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội: Bộ môn Hàn & Công nghệ Kim loại thuộc Viện Cơ
khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội có công trình nghiên cứu về thuốc hàn gốm do nhóm tác giả Vũ Huy Lân, Bùi Văn Hạnh, Trịnh Duy Long,… thực hiện Các kết quả nghiên cứu về thuốc hàn gốm (hệ rutil – đôlômit – boxit), thuốc hàn hỗn hợp (thuốc hàn nung chảy + bột hợp kim), thuốc hàn đắp,…từ những năm 1984 đã được công bố Các mác thuốc thử nghiệm với kí hiệu BK.X
đã đạt được kết quả nhất định
Trang 6- Đề tài: “Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn gốm hệ AR dùng để hàn thép”
do PGS TS Đào Quang Kế, Học viện Nông nghiệp Việt Nam làm Chủ nhiệm đề tài, có công trình nghiên cứu với Đề tài đã hoàn thành và được nghiệm thu tháng 9 năm 2014 [6]
- Đề tài: ”Nghiên cứu sản xuất thuốc hàn thiêu kết bằng nguyên vật liệu trong nước để hàn
tự động dưới lớp thuốc các kết cấu thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp”, mã số KC.02.04/11 –
15 thuộc Chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước KC.02/11 – 15 do PGS
TS Vũ Huy Lân làm Chủ nhiệm đề tài, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là Cơ quan chủ trì hoàn thành năm 2016 Đề tài đã nghiên cứu và sản xuất 03 loại thuốc hàn thiêu kết sử dụng tối đa nguyên vật liệu trong nước để hàn tự động dưới lớp thuốc kết hợp với dây hàn thích hợp tương đương với tiêu chuẩn của Hiệp hội Hàn Mỹ AWS A5.17 – 80 [3]
Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều mác thuốc hàn khác nhau, tuy nhiên theo phương pháp chế tạo và công nghệ có thể chia làm 3 loại chủ yếu: thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm và thuốc hàn thiêu kết Việc nghiên cứu sản xuất và ứng dụng sản phẩm thuốc hàn thiêu kết ngày càng được
sự quan tâm và phát triển ở nhiều nước công nghiệp tiên tiến Các nhà nghiên cứu và sản xuất vật liệu hàn nổi tiếng trên thế giới như: ESAB (Thụy Điển), viện Hàn Paton (Ucraina), Messer, Grieshemim (Đức), Hyundai, Chosun (Hàn Quốc), Hobart, Lincoln (Mỹ), Atlantic, Camel, Eagle,
SJ (Đài Loan, Trung Quốc) đã nghiên cứu rất sâu về loại thuốc hàn thiêu kết và sản xuất với số
lượng rất lớn [3]
Trên cơ sở dữ liệu của nhiều hãng sản xuất vật liệu hàn nổi tiếng trên thế giới [3, 7, 8, 13, 14], tác giả lựa chọn một số mác thuốc hàn thiêu kết theo chỉ số bazơ tiêu biểu như bảng sau:
Bảng 1.7 Một số mác thuốc hàn thiêu kết tiêu biểu và hệ số bazơ theo tiêu chuẩn
của Viện hàn quốc tế (IIW) hoặc ESAB
ESAB (Thụy Điển)
Hyundai (Hàn Quốc)
Viện hàn Paton (Ucraine) F7A0 OK Flux 10.81 S – 777MX AHK - 44 0,6÷0,9 - 18
Thành phần hóa học chủ yếu của xỉ hàn,%
Hoạt tính (Hệ số B) SiO2+TiO2 CaO+MgO Al3O2+MnO CaF2
Trang 7
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU THUỐC HÀN THIÊU KẾT
1.1 Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ
1.1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc
1.1.2 Vai trò và công dụng của thuốc hàn
- Tạo ra môi trường ion hóa tốt để đảm bảo dễ gây hồ quang và duy trì hồ quang ổn định
- Tạo vòm xỉ nóng chảy bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác dụng có hại của oxi
và nitơ của môi trường xung quanh
- Giúp hình thành và bảo đảm hình dạng mối hàn tốt (tạo dáng mối hàn)
- Làm cho kim loại mối hàn nguội chậm, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi thoát 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
- Đảm bảo hệ số nóng chảy và tốc độ hàn theo yêu cầu
- Hợp kim hóa kim loại mối hàn, đặc biệt đối với mối hàn đắp để cải thiện tổ chức kimloại
và nâng cao 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 hàn kim loại điện cực không bị bắn toé, giảm hao tổn kim loại, nâng cao năng suất hàn
- Giảm khuyết tật trong phạm vi cho phép: rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu, do cải thiện điều kiện 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 giới hạn cho phép khi hàn
1.1.3 Phân loại thuốc hàn
Hiện nay có nhiều hệ thống tiêu chuẩn phân loauj thuốc hàn như ISO, AWS, BS, GOST, DIN, Việc phân loại có thể dựa theo phương pháp chế tạo thuốc, tính chất hóa học của thuốc hàn, thành phần hóa học và cơ tính kim loại đắp,…
- Phân loại theo phương pháp chế tạo thuốc: gồm thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm và thuốc hàn thiêu kết
Trang 8- Phân loại theo tính chất hóa học (chỉ số bazơ) [18,43, 99]: gồm thuốc hàn axit (B < 0.9), thuốc hàn bazơ thấp (0.9 ≤ B ≤ 1.2), thuốc hàn bazơ trung bình (1.2 ≤ B ≤ 2) và thuốc hàn bazơ cao (B > 2)
1.1.4 Ký hiệu thuốc hàn và dây hàn
Tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 “Quy định thuốc hàn và dây hàn thép cacbon để hàn tự động dưới lớp thuốc” [18, 43], thuốc hàn được ký hiệu kết hợp với dây hàn tương ứng để đạt được cơ tính cần thiết của kim loại mối hàn
Thuốc hàn: F X X X
(1) (2) (3) (4)
(1) - F (Flux): Thuốc hàn
(2) - Độ bền kéo tối thiểu của kim loại mối hàn (ksi)
(3) - Điều kiện nhiệt luyện khi thử mẫu
A – As welding: trạng thái sau khi hàn (không nhiệt luyện)
P – PWHT (Post Weld Heat Treatment): có nhiệt luyện sau khi hàn (chế độ nhiệt luyện
là 610 – 6350C/1h)
(4) – Nhiệt độ quy ước thử độ dai va đập
Dây hàn: E X X X
(1) (2) (3) (4)
(1) – E (Electrode): điện cực hàn (dây hàn)
(2) - Chữ cái chỉ hàm lượng Mangan
L: Low Mn (mangan thấp)
M: Medium Mn (mangan trung bình)
H: Hight Mn (mangan cao)
(3) - Số chỉ hàm lượng cacbon (phần vạn)
(4) - K (killed) nếu có, chỉ thị rằng thép dây hàn được khử silic
1.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn
1.2.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở trong nước
1.2.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở nước ngoài
Kết luận chương 1
Phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc là phương pháp hàn tiên tiến cho năng suất cao, chất lượng mối hàn tốt, điều kiện vệ sinh môi trường tốt hơn nhiều phương pháp hàn khác Thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình dùng để hàn tự động dưới lớp thuốc nói riêng có nhiều ưu điểm, nên được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam, đặc biệt dùng để chế tạo các công trình và kết cấu hàn thép yêu cầu chất lượng cao Do vậy, nhu cầu về thuốc hàn thiêu kết ở Việt Nam cũng như trên thế giới ngày càng tăng Nhưng ở nước ta chưa có đơn vị nào nghiên cứu sâu cũng như sản xuất công nghiệp thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình còn phải nhập khẩu với giá cao và bị động
Trên thế giới đã nghiên cứu sâu và sản xuất nhiều loại thuốc hàn thiêu kết, trong đó có thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình Trong khi đó, nguồn nguyên vật liệu để sản xuất thuốc hàn của nước ta rất lớn và phong phú Do vậy, vấn đề nghiên cứu và tự sản xuất được 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 chủ động,
Trang 9tiết kiệm nguồn ngoại tệ, tạo thêm việc làm trong nước Các doanh nghiệp mở rộng được sản xuất
và tiến tới có thể xuất khẩu mặt hàng này Đây là vấn đề có ý nghĩa kinh tế và xã hội cao, cần có sự phối hợp đồng bộ của nhiều tổ chức và ban ngành
Trong chương 1, tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau:
- Giới thiệu tổng quan về hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ
- Tình hình nghiên cứu, sản xuất thuốc hàn trên thế giới và Việt Nam
Chương 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THUỐC HÀN THIÊU KẾT VÀ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết
2.1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết
Phối liệu đơnthuốc
y
es Trộn khô
Trang 102.1.2 Các công đoạn chủ yếu của quy trình công nghệ [18, 99]
a) Nguồn nguyên liệu đầu vào
b) Phối liệu đơn thuốc hàn
i) Kiểm tra và đóng gói sản phẩm
2.2 Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu
Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn hệ bazơ trung bình để hàn các kết cấu đạt chất lượng cao sẽ là một bài toán phức tạp và đa mục tiêu
Đối tượng thuốc hàn được chọn nghiên cứu là thuốc hàn thiêu kết bazơ trung bình tương đương loại F7A4 theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 Đây là loại thuốc hàn có chỉ số bazơ B≈1,6 với hàm lượng hiđrô thấp [1, 2, 14, 15, 18, 19, 20] Mô hình nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết [21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28] có dạng như sơ đồ sau:
BiÕn vµo
TÝn hiÖu nhiÔu
Hình 2.3 Mô hình nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết
Nội dung nghiên cứu sẽ tập trung nghiên cứu xác định thành phần mẻ liệu thuốc hàn, đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế với số lượng thí nghiệm ít nhất Nội dung nghiên cứu sẽ tối ưu theo thứ tự các mô đun sau đây:
- Tối ưu hóa thành phần nền tạo xỉ theo tính công nghệ hàn;
- Tối ưu hóa các chất khử và hợp kim hóa theo thành phần hóa học và cơ tính mối hàn;
- Tối ưu hóa lượng huỳnh thạch và chế độ thiêu kết theo lượng hiđrô yêu cầu
2.2.2 Nghiên cứu xác định thành phần đơn thuốc hàn
- Sơ đồ mô hình nghiên cứu tổng quát (Hình 2.5) là xác định mối quan hệ toán học giữa các biến đầu vào tác động lên các hàm mục tiêu đầu ra Qua các phương trình hồi quy có thể thực hiện được các nội dung sau đây:
+ Mô tả các quan hệ này một cách định lượng bằng các mô hình toán học;
+ Biểu diễn các đặc trưng này bằng các dạng hình học 2D và 3D;
+ Phân tích, rút ra các kết luận khoa học;
+ Giải bài toán tối ưu có ràng buộc để tìm ra được thành phần thuốc hàn và các thông số công nghệ quan trọng đáp ứng các mục tiêu đề ra một cách tổng hợp nhất
- Cơ sở đánh giá chất lượng thuốc hàn hệ bazơ dựa vào các chỉ tiêu chung cơ bản sau:
Trang 11+ 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
2.2.3 Nghiên cứu tính công nghệ hàn
a) Sơ đồ nghiên cứu (Hình 2.6)
Trong nội dung này, tác giả chủ yếu nghiên cứu ảnh hưởng của các chất trong nhóm tạo xỉ đến đặc tính công nghệ của thuốc hàn: yi = f(xi)
Cụ thể: (Lhq) = f(MgO, Al2O3, CaF2, TiO2)
Trong đó: Lhq – Chiều dài hồ quang tới hạn;
b) Chỉ tiêu đặc tính công nghệ hàn
- Tính ổn định hồ quang hàn
- Tạo dáng mối hàn và hình dạng mối hàn
- Chất lượng bề mặt mối hàn và tính bong xỉ
+ Những nhóm chất (K2O, Na2O, CaO, MgO, ) ảnh hưởng đến độ ổn định của hồ quang hàn là những chất chứa nguyên tố có điện thế ion hóa thấp, giúp cho việc gây hồ quang được dễ dàng, duy trì hồ quang cháy ổn định, giúp cho việc hình thành mối hàn đẹp
+ Những nhóm chất (MnO, SiO2, MgO, Al2O3, TiO2, CaF2, ) ảnh hưởng đến sự hình thành mối hàn có vai trò rất quan trọng Thuốc hàn nóng chảy sẽ hình thành vòm xỉ bảo vệ vùng hồ quang
và vũng hàn
+ Những nhóm chất ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt mối hàn và tính bong xỉ
Theo các tài liệu [18, 45, 48, 56, 75, 76, 79, 80, 81, 82, 83, 85, 86, 88, 90, 97, 98, 99] với loại thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình dùng để hàn thép cacbon kết cấu, thép chịu áp lực với những điều kiện nguồn nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam, nền tạo xỉ như sau:
(CaO + MgO) – Al2O3 – CaF2 – TiO2 Hàm lượng các nhóm chất tạo xỉ theo tài liệu và thí nghiệm sàng lọc nằm trong khoảng dưới đây:
Bảng 2.5 Các nhóm chất chủ yếu trong xỉ hàn F7A4 – BK
Mác thuốc hàn
Các nhóm thành phần hóa học chủ yếu, % Hệ số bazơ,
B TiO2 + SiO2 CaO + MgO Al2O3 + MnO CaF2
2.2.4 Nghiên cứu sự dịch chuyển của Mn và Si vào kim loại mối hàn
a) Sơ đồ nghiên cứu (Hình 2.13)
Để đảm bảo chỉ tiêu quan trọng nhất là cơ tính kim loại mối hàn, cần nghiên cứu tiêu chí quan trọng là thành phần hoá học của kim loại mối hàn Đối với thép cacbon và thép hợp kim thấp thường quan tâm hàng đầu đến hàm lượng các nguyên tố hợp kim Mn và Si Hai nguyên tố này được hợp kim hóa bằng các Ferô hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) từ mẻ liệu thuốc hàn
b) Ảnh hưởng của Mn và Si trong thuốc hàn đến chất lượng kim loại mối hàn
Mn, Si trong vai trò chất khử
Mn, Si trong vai trò chất hợp kim hóa
Trang 12c) Xác định sơ bộ hàm lượng Fe - Mn và Fe - Si đưa vào thành phần mẻ liệu thuốc hàn
Số liệu tính toán sơ bộ ở mức cơ sở các Fe-Mn và Fe-Si như sau:
+ Fe-Mn: (6%) loại 80% Mn
+ Fe-Si: (4%) loại 45% Si
Bảng 2.12 Thành phần sơ bộ mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK
Thuốc hàn
Hàm lượng các chất trong mẻ liệu thuốc hàn, %
CaO+MgO Al2O3+MnO CaF2 TiO2+SiO2 Bột
talk
Trường thạch
Cao lanh
Các chất còn lại được giữ cố định khoảng 8%
d) Mô tả phương pháp thí nghiệm
e) Phương pháp phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn
f) Mô hình nghiên cứu sự dịch chuyển của Mn và Si vào kim loại mối hàn
2.2.5 Nghiên cứu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn
a) Sơ đồ nghiên cứu hàm lượng hiđrô (Hình 2.20)
Hàm lượng hiđrô trong mối hàn ảnh hưởng chủ yếu đến chỉ tiêu về độ dai va đập và độ giãn dài tương đối của mối hàn Tùy thuộc yêu cầu về độ dai va đập và điều kiện làm việc của kết cấu
mà lựa chọn hàm lượng hiđrô thích hợp với mức độ yêu cầu theo tiêu chuẩn
Hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào 3 yếu tố, đó là: Huỳnh thạch (CaF2), nhiệt độ sấy thiêu kết và thời gian sấy thiêu kết
Y = %H2 = f(CaF2, Ts, ts) Trong trường hợp này nguyên tắc tối ưu là vừa đảm bảo tính kỹ thuật và tính kinh tế
Y = %H ≤ HX Trong đó: hàm lượng hiđrô HX, tức là %H ≤ X cm3/100g
b) Ảnh hưởng của hiđrô trong mối hàn
- Nguồn gốc hiđrô xâm nhập vào mối hàn [1, 14]
- Cơ chế ảnh hưởng của hiđrô
- Các giải pháp chủ yếu giảm hàm lượng hiđrô trong KLMH khi chế tạo thuốc hàn:
+ Sử dụng CaF2 trong thành phần của thuốc hàn
+ Chế độ sấy sơ bộ và thiêu kiết khi chế tạo thuốc hàn
c) Phương pháp xác định lượng hiđrô trong mối hàn
Phương pháp đo lượng hiđrô khuếch tán trong mối hàn và VAHN sử dụng dung dịch glyxerin (C3H8O3) để nghiên cứu [87, 88, 89, 90, 91]
Hàn xong rồi ngâm mẫu trong Glixerin ở nhiệt độ 450C trong thời gian 72 giờ Dùng bình
0,79