Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:141

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Thanh Lưu NGHIÊN CỨU VÀ TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN THUỐC HÀN THIÊU KẾT HỆ BAZƠ TRUNG BÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Thanh Lưu NGHIÊN CỨU VÀ TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN THUỐC HÀN THIÊU KẾT HỆ BAZƠ TRUNG BÌNH Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Vũ Huy Lân 2. TS. Hà Xuân Hùng Hà Nội - 2019
LỜI CAM ĐOAN Luận án tiến sĩ ”Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình” được hoàn thành bởi nghiên cứu sinh Phạm Thanh Lưu, thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tác giả tham gia Đề tài Khoa học và Công nghệ Trọng điểm cấp Nhà nước mã số KC.02.04/11-15 do PGS.TS. Vũ Huy Lân làm Chủ nhiệm Đề tài. Tôi xin cam đoan bản luận án là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tác giả. Phần cơ sở lý thuyết được tham khảo các tài liệu mới nhất, có nguồn gốc rõ ràng và có chọn lọc. Các kết quả nghiên cứu được công bố trong luận án này là của tác giả và được chủ nhiệm đề tài xác nhận đồng ý cho sử dụng vào mục đích nghiên cứu, viết và báo cáo Luận án tiến sĩ ở các cấp. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày 05 tháng 05 năm 2019 Nghiên cứu sinh PHẠM THANH LƯU TM. TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS VŨ HUY LÂN 1
LỜI CẢM ƠN Trân trọng cảm ơn các thày giáo hướng dẫn, các thày cô giáo trong Bộ môn Hàn & Công nghệ kim loại, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Bộ Khoa học Công nghệ, Ban chủ nhiệm đề tài KC.02.04/11 – 15,… đã tạo những điều kiện tốt nhất để tác giả thực hiện luận án. Đặc biệt, xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Hàn và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí, Công ty Cổ phần Que Hàn điện Việt Đức, Công ty TNHH MTV Đóng tàu Phà Rừng, Học viện Nông nghiệp Việt Nam,... đã tạo điều kiện, giúp đỡ về cơ sở vật chất và các chuyên gia đã góp ý những thông tin vô cùng quý báu, những ý kiến xác đáng trong lĩnh vực liên quan, để tác giả có thể hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thành viên trong gia đình, tới tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã cộng tác, cổ vũ, động viên, giúp đỡ và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh PHẠM THANH LƯU 2
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. 1 LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... 5 DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................ 6 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ .................................................................. 8 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 11 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU THUỐC HÀN THIÊU KẾT ............ 14 1.1 Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc ....................................................................... 14 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc ......................................... 14 1.1.2 Vai trò và công dụng của thuốc hàn ....................................................................... 15 1.1.3 Phân loại thuốc hàn ................................................................................................ 17 1.1.4 Ký hiệu thuốc hàn và dây hàn ................................................................................ 22 1.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ............................................................. 24 1.2.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở trong nước .................................... 24 1.2.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở nước ngoài .................................... 27 CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THUỐC HÀN THIÊU KẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................... 32 2.1 Quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết .................................................... 32 2.1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ ...................................................................................... 32 2.1.2 Các công đoạn chủ yếu của quy trình công nghệ ................................................... 33 2.2 Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu ............................................................. 40 2.2.1 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu .................................................. 40 2.2.2 Nghiên cứu xác định thành phần đơn thuốc hàn .................................................... 46 2.2.3 Nghiên cứu tính công nghệ hàn .............................................................................. 49 2.2.4 Nghiên cứu sự dịch chuyển của Mn và Si vào kim loại mối hàn ........................... 56 2.2.5 Nghiên cứu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn ............................................ 64 2.2.6 Kiểm tra các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của thuốc hàn với thành phần tối ưu. ....... 72 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM............................................................. 79 3.1 Nghiên cứu nhóm chất về tính công nghệ hàn .......................................................... 79 3.1.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm............................................... 79 3.1.2 Xử lý số liệu thí nghiệm ......................................................................................... 81 3.1.3 Biểu diễn các đường đặc trưng ............................................................................... 81 3.2 Nghiên cứu nhóm chất khử và hợp kim hóa kim loại mối hàn ................................. 85 3
3.2.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm............................................... 85 3.2.2 Xử lý số liệu thí nghiệm ......................................................................................... 86 3.2.3 Biểu diễn các đường đặc trưng ............................................................................... 87 3.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng hiđrô .......................................... 91 3.3.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm............................................... 91 3.3.2 Xử lý số liệu thí nghiệm ......................................................................................... 93 3.3.3 Biểu diễn các đường đặc trưng ............................................................................... 94 3.4 Quy trình công nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4-BK .................................................... 98 3.4.1 Lập quy trình công nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4-BK........................................... 98 3.4.2 Giới thiệu thuốc hàn F7A4-BK ............................................................................ 100 CHƯƠNG 4. XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN TỐI ƯU MẺ LIỆU THUỐC HÀN THIÊU KẾT HỆ BAZƠ TRUNG BÌNH....................................................................... 103 4.1 Xác định thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4 –BK................................................ 103 4.1.1 Xác định tỷ lệ các chất tạo xỉ đảm bảo tính công nghệ hàn cho thuốc hàn F7A4–BK....................................................................................................................... 103 4.1.2 Xác định hàm lượng các ferô hợp kim cho thuốc hàn F7A4–BK ........................ 105 4.1.3 Xác định hàm lượng huỳnh thạch và các thông số chế độ thiêu kết cho thuốc hàn F7A4–BK ................................................................................................................ 107 4.2 Kiểm tra thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn .................. 110 4.2.1 Kiểm tra thành phần hóa học kim loại mối hàn ................................................... 110 4.2.2 Kiểm tra các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn .................................................... 110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................ 122 PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Curent AWS American Welding Society ASTM American Society for Testing of Materials ASME American Society of Machine Engineers DC Direct Current DCEN, DC - Direct Current Electrode Negative DCEP, DC + Direct Current Electrode Positive DT Destructive Testing EN European Standards HAZ Heat affected zone IIW International Institute Welding ISO International Standard Organization JIS Japanese Industrial Standards KLCB Kim loại cơ bản NDT Nondestructive Testing PWHT Post Weld Heat Treatment SAW Submerged Arc Welding SMAW Shielded Metal Arc Welding TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam VAHN Vùng ảnh hưởng nhiệt WPS Welding Procedure Specification WPQR Welding Procedure Qualiffication Recode ak Độ dai va đập σch Giới hạn chảy σk Độ bền kéo δ Độ dãn dài tương đối Ψmh (Dmh) Hệ số hình dạng mối hàn Ψn Hệ số ngấu mối hàn R Hệ số tương quan của mô hình [R] Hệ số tương quan cho phép H2 Hiđrô 5
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 So sánh đặc điểm thuốc hàn thiêu kết và thuốc hàn nung chảy ...................... 20 Bảng 1.2 Phân loại và ký hiệu thuốc hàn theo thành phần hóa học ................................ 21 Bảng 1.3 Công thử độ dai va đập của kim loại mối hàn ................................................. 23 Bảng 1.4 Yêu cầu về cơ tính kim loại mối hàn theo AWS A5.17 – 80 .......................... 23 Bảng 1.5 Thành phần hóa học chủ yếu của dây hàn tự động dưới lớp thuốc theo AWS A5.17 – 80 ............................................................................................................. 23 Bảng 1.6 Quy cách bao gói đối với dây hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ .................. 24 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................................................................... ...... 29 Bảng 1.8 Thành phần hóa học chủ yếu của xỉ hàn khi sử dụng thuốc hàn ESAB .......... 29 Bảng 2.1 Nguyên liệu chuẩn bị sản xuất thuốc hàn thiêu kết ......................................... 34 Bảng 2.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu cho nguyên liệu đầu vào .................................. 35 Bảng 2.3 Tỷ lệ các chất trong mẻ liệu qui đổi ................................................................ 37 Bảng 2.4 Các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn với cặp thuốc hàn – dây hàn theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 ...................................................................................................... 48 Bảng 2.5 Các chỉ tiêu thành phần hóa học kim loại mối hàn với các cặp thuốc hàn– dây hàn nghiên cứu theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 ............................................. 49 Bảng 2.6 Các nhóm chất chủ yếu trong xỉ hàn F7A4-BK .............................................. 53 Bảng 2.7 Thành phần hoá học của thép mác SM400B, (%) ........................................... 53 Bảng 2.8 Thành phần hoá học của dây hàn EM12K, (%)............................................... 54 Bảng 2.9 Các chỉ tiêu cơ tính dây hàn ............................................................................ 54 Bảng 2.10 Bảng đặc tính kỹ thuật của nguồn hàn và xe hàn .......................................... 54 Bảng 2.11 Các thông số chế độ hàn thí nghiệm .............................................................. 55 Bảng 2.12 Thành phần sơ bộ mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK ............................................ 60 Bảng 2.13 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào ..................................... 63 Bảng 2.14 Các kích thước mẫu hàn đánh giá các chỉ tiêu cơ tính .................................. 73 Bảng 2.15 Kích thước mẫu thử độ bền kéo theo tiêu chuẩn AWS B4.0 ........................ 75 Bảng 2.16 Kích thước mẫu thử độ bền kéo theo tiêu chuẩn TCVN 3909:2000 ............. 75 Bảng 3.1 Các mức giá trị của các biến đầu vào ......... .................................................... 79 Bảng 3.2 Kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm tính công nghệ hàn của thuốc hàn F7A–BK với dây hàn EM12K ........................................................................ 80 Bảng 3.3 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố..................................................... 85 6
Bảng 3.4 Kế hoạch và số liệu thực nghiệm thành phần hóa học kim loại mối hàn khi dùng thuốc hàn F7A4-BK ......................................................................................... 85 Bảng 3.5 Các thông số về hàm lượng Mn ....................................................................... 86 Bảng 3.6 Các thông số về hàm lượng Si ......................................................................... 87 Bảng 3.7 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố..................................................... 92 Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm đo hàm lượng hiđrô trong mối hàn .................................. 92 Bảng 3.9 Các thông số về hàm lượng hiđrô .................................................................... 93 Bảng 3.10 Quy trình công nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4-BK ........................................ 99 Bảng 3.11 Bảng hướng dẫn sử dụng thuốc hàn F7A4-BK ........................................... 100 Bảng 4.1 Các số liệu của biến đầu vào và các giới hạn của các hàm mục tiêu ............ 104 Bảng 4.2 Các giá trị điều kiện của hàm mục tiêu ......................................................... 104 Bảng 4.3 Giá trị các biến số đầu vào và các chỉ tiêu tính công nghệ hàn ..................... 105 Bảng 4.4 Hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếu và thông số đặc tính công nghệ hàn ...... 105 Bảng 4.5 Hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK và dự kiến thành phần hóa học tính toán của kim loại mối hàn .............................................. 105 Bảng 4.6 Các số liệu của biến đầu vào và các giới hạn của các hàm mục tiêu ............ 106 Bảng 4.7 Hàm lượng Fe – Mn, Fe – Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK và dự kiến thành phần hóa học tính toán của kim loại mối hàn .............................................. 107 Bảng 4.8 Các số liệu của biến đầu vào và các giới hạn của các hàm mục tiêu ............ 108 Bảng 4.9 Hàm lượng huỳnh thạch đưa vào mẻ liệu thuốc hàn và chế độ sấy thiêu kết và hàm lượng hiđrô H4 ............................................................................................ 109 Bảng 4.10 Hàm lượng huỳnh thạch đưa vào mẻ liệu thuốc hàn và chế độ sấy thiêu kết và hàm lượng hiđrô thử nghiệm kiểm tra ................................................................ 109 Bảng 4.11 Thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK.................................................... 109 Bảng 4.12 Thành phần hoá học kim loại mối hàn dùng thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K ............................................................................................................ 110 Bảng 4.13 Kết quả kiểm tra cơ tính mối hàn thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K .......................................................................................................................... 111 Bảng 4.14 Kết quả kiểm tra độ dai va đập mối hàn thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K.................................................................................................................... 112 7
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc ................................... 14 Hình 1.2 Thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc ................................................ 15 Hình 1.3 Các dạng thuốc hàn .......................................................................................... 16 Hình 1.4 Thuốc hàn nung chảy ....................................................................................... 18 Hình 1.5 Thuốc hàn gốm ................................................................................................ 18 Hình 1.6 Thuốc hàn thiêu kết.......................................................................................... 19 Hình 1.7 Thuốc hàn thiêu kết của một số hãng .............................................................. 19 Hình 1.8 Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ.................................................. 27 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết ................................. 33 Hình 2.2 Các bước phối liệu đơn thuốc hàn ................................................................... 38 Hình 2.3 Mô hình nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết ....................................... 41 Hình 2.4 Sơ đồ thuật toán tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết ............................ 42 Hình 2.5 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát thuốc hàn............................................................. 47 Hình 2.6 Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần mẻ liệu đến tính công nghệ hàn ................................................................................................................................... 49 Hình 2.7 Ảnh hưởng của một số hợp chất đến tính ổn định của hồ quang..................... 51 Hình 2.8 Dây hàn tự động EM12K ................................................................................. 53 Hình 2.9 Máy hàn tự động Dosun DZ1000 .................................................................... 54 Hình 2.10 Mẫu phôi hàn xác định chiều dài hồ quang tới hạn ....................................... 55 Hình 2.11 Cách xác định và đo chiều dài hồ quang tới hạn ........................................... 55 Hình 2.12 Thước cặp ...................................................................................................... 56 Hình 2.13 Sơ đồ nghiên cứu thành phần hóa học kim loại mối hàn ............................... 56 Hình 2.14 Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit mangan trong thuốc hàn đến hàm lượng gia tăng của S trong kim loại mối hàn ............................................................................. 58 Hình 2.15 Hàm lượng S trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ của thuốc hàn ................................................................................................................................... 58 Hình 2.16 Hàm lượng P trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ của thuốc hàn ................................................................................................................................... 59 Hình 2.17 Kích thước mẫu thử phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn ........... 61 Hình 2.18 Hàn mẫu thử phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn ...................... 61 Hình 2.19 Máy phân tích quang phổ............................................................................... 62 Hình 2.20 Sơ đồ nghiên cứu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn .......................... 64 Hình 2.21 Hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng của nó trong thuốc hàn ........................................................................................................... 66 8
Hình 2.22 Phân bố của hiđrô trong thép ......................................................................... 67 Hình 2.23 Các trường hợp nứt kim loại mối hàn ............................................................ 67 Hình 2.24 Sơ đồ kết cấu gá kẹp mẫu hàn ....................................................................... 70 Hình 2.25 Hình dạng và kích thước mẫu hàn ................................................................. 71 Hình 2.26 Mẫu hàn thử nghiệm ...................................................................................... 71 Hình 2.27 Mẫu thử đặt trong bình gom khí hiđrô ngâm trong cốc chứa glyxerin.......... 71 Hình 2.28 Mẫu thử hiđrô trong máy điều nhiệt .............................................................. 72 Hình 2.29 Các kích thước mẫu hàn để chuẩn bị mẫu thử cơ tính ................................... 73 Hình 2.30 Vị trí lấy mẫu thử độ bền kéo và độ dai va đập ............................................. 74 Hình 2.31 Mẫu thử kéo kim loại mối hàn ....................................................................... 74 Hình 2.32 Cắt mẫu thử độ bền kéo và độ dãn dài ........................................................... 75 Hình 2.33 Hình dạng và kích thước mẫu thử độ bền kéo và độ dãn dài tương đối ........ 75 Hình 2.34 Máy kéo nén H011- Matest- Italia ................................................................. 76 Hình 2.35 Hình dạng và kích thước mẫu chuẩn thử dai va đập theo tiêu chuẩn AWS B4.0 ........................................................................................................................ 77 Hình 2.36 Mẫu chuẩn đầy đủ thử dai va đập theo tiêu chuẩn AWS (có dung sai) ......... 77 Hình 2.37 Máy thử va đập và vị trí búa đập ................................................................... 77 Hình 3.1 Các dạng khuyết tật bề mặt mối hàn ................................................................ 80 Hình 3.2 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng MgO ..................................................... 82 Hình 3.3 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng Al2O3 .................................................... 82 Hình 3.4 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng CaF2 ..................................................... 82 Hình 3.5 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng TiO2 ...................................................... 83 Hình 3.6 Sự phụ thuộc của Lhq vào % MgO, Al2O3, CaF2, với TiO2= 17% ................... 83 Hình 3.7 Sự phụ thuộc của Lhq vào % MgO, CaF2, TiO2 với Al2O3= 20% .................... 83 Hình 3.8 Sự phụ thuộc của Lhq vào % MgO, Al2O3, TiO2 với CaF2= 15% .................... 84 Hình 3.9 Sự phụ thuộc của Lhq vào % Al2O3, CaF2, TiO2 với MgO = 25% ................... 84 Hình 3.10 Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào hàm lượng Fe – Mn trong thuốc hàn ....................................................................................... 88 Hình 3.11 Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào hàm lượng Fe – Si trong thuốc hàn ......................................................................................... 88 Hình 3.12 Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào %Fe-Mn và %Fe-Si trong thuốc hàn .............................................................................................. 89 Hình 3.13 Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào % Fe-Si trong thuốc hàn ................................................................................................................ 89 Hình 3.14 Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào % Fe-Mn trong thuốc hàn ................................................................................................................ 90 9
Hình 3.15 Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào %Fe-Mn và %Fe – Si trong thuốc hàn ................................................................................................ 90 Hình 3.16 Hàm lượng hiđrô (ml/100g kim loại đắp) trong mối hàn phụ thuộc vào %CaF2 với Ts=700°C và t=90ph ..................................................................................... 94 Hình 3.17 Hàm lượng hiđrô (ml/100g kim loại đắp) phụ thuộc vào Ts (phút) với CaF2 = 15% và t = 90 ph ................................................................................................. 95 Hình 3.18 Hàm lượng hiđrô (ml/100g kim loại đắp) phụ thuộc vào t (phút) với CaF2 = 15% vàTs = 7000C ............................................................................................... 95 Hình 3.19 Sự phụ thuộc của hàm lượng hiđrô vào lượng CaF2 (%) trong thuốc hàn và nhiệt độ sấy thiêu kết thuốc hàn với t = 90ph ............................................................. 96 Hình 3.20 Hàm lượng hiđrô phụ thuộc vào hàm lượng CaF2 và ts với Ts = 700°C ........ 96 Hình 3.21 Hàm lượng hiđrô phụ thuộc vào Ts và ts với CaF2 =15% .............................. 96 Hình 3.22 Giản đồ đẳng mức hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng huỳnh thạch CaF2 và nhiệt độ sấy thiêu kết, khi ts = 90 phút. .............................. 97 Hình 3.23 Giản đồ đẳng mức hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng huỳnh thạch CaF2 và thời gian sấy thiêu kết ......................................................... 97 Hình 3.24 Giản đồ đẳng mức hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng huỳnh thạch CaF2 và thời gian sấy thiêu kết. ........................................................ 97 Hình 3.25 Giản đồ đẳng mức hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng huỳnh thạch CaF2 và thời gian sấy thiêu kết ......................................................... 98 Hình 4.1 Xỉ hàn tự bong sau khi hàn ............................................................................ 109 Hình 4.2 Chất lượng bề mặt mối hàn khi hàn bằng thuốc hàn với thành phần tối ưu .......... 110 Hình 4.3 Mẫu đã hàn xong chuẩn bị gia công mẫu thử cơ tính kim loại mối hàn ....... 111 Hình 4.4 Mẫu sau khi thử kéo kim loại mối hàn .......................................................... 111 Hình 4.5 Các mẫu sau khi thử độ dai va đập kim loại mối hàn .................................... 111 10
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn 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. 2. Mục đích của luận án: - 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. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án: - Đối tượng nghiên cứu: Thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình. Ứng dụng để nghiên cứu thành phần mẻ liệu thuốc hàn ký hiệu F7A4–BK kết hợp với dây hàn EM12K tạo thành bộ thuốc hàn và dây hàn F7A4–BK–EM12K để hàn các kết cấu từ thép cacbon thấp. - Phạm vi nghiên cứu: Hàn các kết cấu thép cacbon thấp. 4. 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 11
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. 5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án: - Ý nghĩa khoa học của luận án: + 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. + 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. - 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. 6. 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). 12
- 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. 7. Kết cấu của luận án: 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. 13
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU THUỐC HÀN THIÊU KẾT 1.1 Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc a) Khái niệm hàn hồ quang dưới lớp thuốc Hàn hồ quang dưới lớp thuốc (còn gọi là hàn hồ quang chìm, hồ quang ngầm), tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding) là quá trình hàn nóng chảy trong đó hồ quang cháy giữa đầu mút của điện cực hàn (dây hàn, băng hàn) và vật hàn dưới một lớp thuốc hàn. Một phần lượng nhiệt sinh ra do hồ quang điện làm nóng chảy kim loại điện cực và kim loại cơ bản tạo thành vũng hàn. Phần nhiệt khác làm nóng chảy thuốc hàn, tạo thành lớp màng xỉ bảo vệ vùng hồ quang và bể kim loại lỏng tránh khỏi sự xâm nhập và ảnh hưởng có hại của môi trường khí quyển xung quanh [1, 2]. b) Nguyên lý của hàn hồ quang dưới lớp thuốc Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc Thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc bao gồm các bộ phận chủ yếu sau: Nguồn hàn, đầu hàn, thùng chứa và phễu rải thuốc hàn, khay chứa cuộn dây hàn, xe tự hành, ray hàn, đầu dò mép hàn, bảng điều khiển các thông số chế độ hàn. Đầu hàn được gắn bộ phận cấp dây hàn tự động có tác dụng cấp dây hàn và tiếp xúc điện cho dây điện cực hàn, duy trì chiều dài hồ quang trong quá trình hàn, gây hồ quang khi bắt đầu hàn, ngắt hồ quang khi đã hàn xong. Đầu hàn có thể điều chỉnh tịnh tiến lên xuống, lắc ngang, nghiêng điện cực về phía trước sau, quay sang trái phải thông qua các vít điều chỉnh. Các thay đổi này được thực hiện bằng tay. 14
Xe hàn tự hành thực hiện chuyển động tiến hoặc lùi thông qua 4 bánh xe và đường ray dẫn hướng với vận tốc hàn nhất định theo quỹ đạo cho trước (thường là đường thẳng hoặc đường cong có biên dạng không phức tạp). Bảng điều khiển sẽ điều khiển các thông số chế độ hàn, hướng hàn, khởi động và dừng quá trình hàn theo yêu cầu. Bảng điều khiển được bố trí ở vị trí thao tác thuận lợi (thường là ở mặt trước của thiết bị). Thuốc hàn được đựng trong thùng chứa và được rải về phía trước điện cực thông qua ống dẫn thuốc khi bộ phận van mở ra. Lượng thuốc hàn được cấp nhiều hay ít tùy thuộc vào khe hở giữa miệng phễu và chi tiết hàn. Thuốc hàn dư có thể được thu hồi một cách tự động sau khi hàn thông qua bộ phận thu hồi thuốc hàn. Hình 1.2 Thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc Khi phát sinh hồ quang hàn, dưới tác dụng nhiệt của hồ quang, dây hàn, các mép kim loại cơ bản và một phần thuốc hàn tiếp sát hồ quang bị nóng chảy tạo thành vòm hồ quang và vũng hàn. Dây hàn được đẩy vào vũng hàn bằng một cơ cấu cấp dây với tốc độ phù hợp với tốc độ nóng chảy của nó để đảm bảo duy trì hồ quang cháy ổn định. Khi hồ quang di chuyển nên nguồn nhiệt giảm, kim loại lỏng trong vũng hàn sẽ nguội, đông đặc và kết tinh tạo thành mối hàn. Trên bề mặt vũng hàn và phần mối hàn kết tinh hình thành một lớp xỉ có tác dụng bảo vệ kim loại mối hàn khỏi ôxy và nitơ hóa, tham gia vào các quá trình luyện kim khi hàn, giữ nhiệt cho mối hàn. Sau khi hàn xong chỉ cần gõ nhẹ hoặc toàn bộ xỉ hàn tự bong tróc (độ bong tróc có thể đạt gần 100%) tạo nên bề mặt mối hàn nhẵn, sạch, không kẹt xỉ, rỗ khí. Thuốc hàn có thể mang tính axit hoặc bazơ. Các chuyển động cấp dây hàn, dao động điện cực và chuyển động theo đường hàn thường được cơ giới hóa. Tùy theo mức độ tự động của các chuyển động này mà chia thành hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc. 1.1.2 Vai trò và công dụng của thuốc hàn a) Khái niệm về thuốc hàn: 15
Thuốc hàn là hỗn hợp gồm nhiều thành phần, hạt thuốc có màu xám, dạng hạt và có kích cỡ xác định trong khoảng 0,25 ÷ 4 mm. Hình 1.3 Các dạng thuốc hàn b) Vai trò và công dụng của thuốc hàn:  Các đặc tính công nghệ 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 kim loại 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 cho thợ hàn. - 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.  So sánh với thuốc bọc que hàn: Ưu điểm: - Sử dụng chế độ hàn cao hơn (cường độ và mật độ dòng điện hàn lớn). 16
- Tăng tốc độ chảy của kim loại dây hàn tới 17 ÷ 22g/Ah; tăng tốc độ hàn tới hơn 20 m/h. - Tăng chiều sâu ngấu; giảm lượng kim loại dây hàn bắn tóe, bay hơi. - Chất lượng kim loại mối hàn tốt hơn nhờ kim loại lỏng được bảo vệ khỏi tác dụng của môi trường xung quanh và nhờ sự đồng nhất thành phần hóa học của kim loại mối hàn. - Cải thiện điều kiện làm việc của công nhân. - Giảm thời gian đào tạo thợ hàn. Nhược điểm: - Hồ quang chìm (kín, ngầm) nên hạn chế khả năng quan sát và theo dõi việc hình thành mối hàn. - Chủ yếu hàn ở tư thế hàn sấp, hàn các chi tiết có hình dạng đơn giản, phẳng hoặc những chi tiết tròn có đường kính không quá nhỏ. - Hàn ở tư thế khác hàn sấp đòi hỏi phải có quy trình công nghệ phức tạp hơn; các thiết bị phụ trợ như đồ gá, ray dẫn hướng phù hợp. 1.1.3 Phân loại thuốc hàn Hiện nay có nhiều hệ thống tiêu chuẩn phân loại thuốc hàn như: ISO (Tổ chức tiêu chuẩn hoá Quốc tế), AWS (Hội hàn Mỹ), BS (Anh), DIN (Đức), GOST (Nga),... Việc phân loại có thể dựa theo phương pháp chế tạo, tính chất hóa học của thuốc hàn, thành phần hoá học và cơ tính kim loại đắp,.... [1, 2]. a) Phân loại theo phương pháp chế tạo: Được chia làm 3 loại chủ yếu, gồm: thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm và thuốc hàn thiêu kết. Các loại thuốc hàn này theo chỉ số tính bazơ (hoặc axit) lại được chia thành các loại khác nhau. - F (fused): loại nung chảy; - B (bonded): loại thuốc hàn gốm, cụ thể như sau: + Thuốc hàn gốm thường: quy trình chế tạo có nhiệt độ sấy ≤ 500°C; + Thuốc hàn thiêu kết: quy trình chế tạo có nhiệt độ sấy thiêu kết > 500°C (Agglomerated flux). - M (mechanically mixed): loại trộn hỗn hợp cơ học.  Thuốc hàn nung chảy (Fused Fluxes): Là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ được chế tạo bằng phương pháp nấu chảy các thành phần của mẻ liệu, sau đó được tạo hạt. Thuốc hàn nung chảy có thành phần hóa học đồng đều, không chứa các chất khử oxi và fero hợp kim. 17
Hình 1.4 Thuốc hàn nung chảy Đặc điểm của thuốc hàn nung chảy: - Thường là hệ silicat có tỉ lệ ôxit cao, do đó có đặc tính axit. - Nhiệt độ nóng chảy khoảng 13000C. - Độ nhớt đủ cao ở nhiệt độ cao để ngăn tác động của ôxi và nitơ từ không khí khi hàn và ngăn xỉ chảy loãng ra khỏi mối hàn. - Đồng nhất về mặt thành phần hóa học, không hút ẩm. - Không chứa các nguyên tố hợp kim. - Khi hàn, xỉ hàn chứa nhiều ôxit tự do.  Thuốc hàn gốm (Bonded Fluxes): Là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ, được chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp trộn với chất dính kết lỏng tạo hạt và sấy khô ở nhiệt độ 400 0C ÷ 6000C. Thuốc hàn gốm có thành phần tương tự như thuốc bọc que hàn, có thành phần hóa học không đồng đều so với thuốc hàn nung chảy, có độ bền hạt thuốc thấp. Thuốc hàn gốm có giá thành chế tạo thấp và có thể được dùng cho cả hàn đắp. Hình 1.5 Thuốc hàn gốm Đặc điểm của thuốc hàn gốm: 18