421 nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm lớp thuốc bọc que hàn đến độ bền kéo của mối hàn ở vị trí hàn bằng nghiên cứu khoa học

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM LỚP THUỐC BỌC QUE HÀN ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO CỦA MỐI HÀN Ở VỊ TRÍ HÀN BẰNG Mã số: Chủ nhiệm đề tài: Đỗ Trung Kiên Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 04 năm 2016 MỤC LỤC Trang A DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT………………………………………… B DANH MỤC BIỂU BẢNG SỐ LIỆU………………………………………… C DANH MỤC CÁC HÌNH……………………………………………………… D NỘI DUNG……………………………………………………………………… Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.3 Mục tiêu đối tượng nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Giá trị thực tiễn đề tài Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan công nghệ hàn 2.2 Khái niệm hàn hồ quang tay SMAW 2.3 Lớp thuốc bọc que hàn Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 10 3.1 Đặt vấn đề.………… 10 3.2 Nội dung nghiên cứu …….… 11 3.3 Thiết bị, dụng cụ đo kiểm vật liệu hàn 12 3.4 Đồ thị nhận xét 13 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 14 4.1 Kết luận ………… 14 4.2 Hướng phát triển …….… 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………15 A DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CNH Công nghệ hàn CD GKLL Chuyển dịch giọt kim loại lỏng CĐCNH Chế độ công nghệ hàn SMAW (Shielded Metal Arc Welding) - Hàn hồ quang tay điện cực nóng chảy ( hàn que) GKLL Giọt kim loại lỏng KLMH Kim loại mối hàn LKH Liên kết hàn QTH Quá trình hàn QTCNH Q trình cơng nghệ hàn QTLKMH Q trình luyện kim mối hàn QTCD GKLL Quá trình chuyển dịch giọt kim loại lỏng B DANH MỤC BIỂU BẢNG SỐ LIỆU Bảng 3.1: Kết kiểm tra độ bền kéo mối hàn C DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1: Ngun lý hàn hồ quang tay SMAW Hình 2.2: Cấu tạo que hàn SMAW Hình 3.1: Dữ liệu khí hậu Tp Hồ Chí Minh năm 2015 Hình 3.2: Kích thước phơi hàn mẫu Hình 3.3: Mẫu thử kéo chọn D PHẦN NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Trong năm gần đây, định hướng phát triển kinh tế thời kỳ hội nhập Đảng Nhà nước, với phát triển mạnh mẽ Khoa học kỹ thuật ngành công nghiệp nước ta có bước phát triển đáng tự hào Trong lĩnh vực Hàn nước ta có bước phát triển mạnh mẽ, đáp ứng yêu cầu ngày cao công nghệ vật liệu Đặc biệt ứng dụng lĩnh vực công nghiệp đóng tàu, chế tạo máy móc, khai thác lọc dầu, xây dựng hệ thống đường ống bể chứa dầu khí… Phương pháp hàn hồ quang tay SMAW phương pháp hàn ứng dụng phổ biến thực tế sản xuất Tuy nhiên, áp dụng công nghệ hàn gặp số khó khăn, đặc biệt ảnh hưởng yếu tố khí hậu nhiệt đới nóng ẩm đến lớp thuốc bọc que hàn Để nâng cao chất lượng mối hàn ta phải tiến hành nghiên cứu, tìm cách khắc phục ảnh hưởng yếu tố thời tiết khí hậu đến que hàn Do tác giả chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM LỚP THUỐC BỌC QUE HÀN ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO CỦA MỐI HÀN Ở VỊ TRÍ HÀN BẰNG” 1.2 Tình hình nghiên cứu Nghiên cứu tính chất lớp thuốc bọc que hàn, thành phần nguyên tố, nghiên cứu trình luyện kim mối hàn que hàn thuốc bọc nhiều tác giả cơng trình thực Tuy nhiên, việc nghiên cứu đến độ ẩm que hàn ảnh hưởng đến tính mối hàn ảnh hưởng khí hậu khu vực Tp Hồ Chí Minh có tác giả nghiên cứu 1.3 Mục tiêu đối tượng nghiên cứu - Trên sở nghiên cứu lý thuyết khảo sát thực nghiệm, xác định mức độ ảnh hưởng độ ẩm lớp thuốc bọc đến chất lượng mối hàn, thông qua tiêu độ bền kéo trường hợp hàn kết cấu thép vị trí 1G - Đề tài nghiên cứu phương pháp hàn hồ quang tay, que hàn KT6013, vật liệu hàn thép CT3 có chiều dày 10 mm Ứng dụng TCVN kiểm định độ bền kéo mối hàn - Khảo sát ảnh hưởng độ ẩm lớp thuốc bọc que hàn đến tiêu độ bền kéo mối hàn 1.4 Phương pháp nghiên cứu Với đặc thù ngành Hàn ngành công nghệ phức tạp, phối hợp nhiều ngành khoa học kỹ thuật từ vật lý, hóa học, luyện kim, khí, tự động hóa đến kỹ thuật điện, điện tử Đặc biệt nội dung đề tài nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng độ ẩm lớp thuốc bọc đến chất lượng mối hàn, sau tiến hành kiểm định phương pháp thực nghiệm kiểm tra hủy thể (thử kéo) 1.5 Giá trị thực tiễn đề tài Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam, đặc biệt khu vực Tp Hồ Chí Minh nơi có độ ẩm cao, vào mùa mưa Độ ẩm khơng khí ảnh hưởng đến lớp thuốc bọc que hàn SMAW Thơng qua tác giả muốn nghiên cứu ảnh hưởng độ ẩm đến tiêu độ bền kéo mối hàn, từ đề giải pháp hạn chế ảnh hưởng nâng cao chất lượng mối hàn Với điều kiện tự nhiên khu vực Thành phố Hồ Chí Minh, việc nghiên cứu ảnh hưởng độ ẩm tới chất lượng mối hàn cần thiết Thơng qua thí nghiệm tìm mức độ ảnh hưởng độ ẩm đến tiêu tính mối hàn Từ ứng dụng giảng dạy, hướng dẫn sinh viên đặc biệt kỹ thuật sấy que hàn để áp dụng thực tế sản xuất sau Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan công nghệ hàn Về thực chất hàn phương pháp công nghệ nối hai nhiều phần tử thành liên kết vững không tháo rời Việc nối thực nguồn nhiệt (hoặc nhiệt áp lực) để nung nóng chỗ nối đến trạng thái hàn (trạng thái lỏng dẻo) Sau kim loại kết tinh (ứng với trạng thái lỏng) dùng áp lực ép (ứng với trạng thái dẻo) để phần tử liên kết với cho ta mối hàn Công nghệ hàn có ưu điểm sau: - Tiết kiệm kim loại: Với loại kết cấu kim loại, so sánh với phương pháp ghép nối khác, hàn tiết kiệm 10 ÷ 20% khối lượng kim loại - Có thể hàn kim loại khác để tiết kiệm kim loại quí tạo kết cấu đặc biệt - Mối hàn có độ bền cao bảo đảm độ kín khít Thơng thường mối hàn kim loại hợp kim hóa tốt kim loại vật hàn - Hàn có suất cao, giảm số lượng ngun cơng, giảm cường độ lao động, ngồi cơng nghệ hàn cịn dễ tự động hóa, khí hóa Tuy nhiên hàn cịn có nhược điểm Do nguồn nhiệt nung nóng cục bộ, dễ tạo ứng suất dư lớn Tổ chức kim loại vùng gần mối hàn bị thay đổi theo chiều hướng xấu làm giảm khả chịu tải trọng động mối hàn; mặt khác dễ gây biến dạng kết cấu hàn Trong mối hàn dễ bị khuyết tật rỗ khí, nứt, ngậm xỉ,… 2.2 Khái niệm hàn hồ quang tay SMAW Hàn điện kỹ sư người Nga Bernardo phát minh từ năm 1886 Buổi ban đầu dùng que thép nối vào cực âm, vật hàn nối cực dương nguồn điện (H.1) Năng lượng hồ quang làm nóng chảy que thép nóng chảy vật hàn thép, sau kết tinh tạo thành mối hàn Do khơng có vật chất bảo vệ q trình luyện kim mối hàn (QTLKMH) nên kim loại mối hàn (KLMH) bị oxy hóa, chất lượng liên kết hàn (LKH) Để tạo vùng vật chất bảo vệ mối hàn nhà khoa học phát minh thuốc hàn bao bọc que hàn Từ đời cụm từ: “Que hàn bọc thuốc” Hình 2.1: Nguyên lý hàn hồ quang tay SMAW (nguồn: www.substech.com) 2.3 Lớp thuốc bọc que hàn 2.3.1 Vai trò, phân loại lớp thuốc bọc que hàn Trong phương pháp hàn hồ quang SMAW, que hàn vừa điện cực vừa kim loại đắp (bổ sung kim loại vào mối hàn) Que hàn cấu tạo gồm hai phần: lớp thuốc bọc lõi que Lõi que hàn có thành phần kim loại tương đương gần tương đương với KLCB vật hàn, trình hàn bị nung chảy nhiệt độ hồ quang hàn bổ sung kim loại vào mối hàn Lớp thuốc bọc: hỗn hợp bao phủ bên ngồi lõi que, có vai trò sau:  Vai trò điện: giúp cho việc mồi trì hồ quang dễ dàng  Vai trò cơ: tập trung ổn định hồ quang, nâng cao tính mối hàn  Vai trị luyện kim: bảo vệ vũng chảy khỏi oxy hóa tác động mơi trường bên ngồi, lớp thuốc cháy tạo thành xỉ bề mặt mối hàn tạo lớp màng bảo vệ đường hàn Hình 2.2: Cấu tạo que hàn SMAW (nguồn maymoccongnghiep.com.vn) Có thể phân chia lớp thuốc bọc que hàn nhóm sau: - Nhóm Rutile: Dễ hàn tư với dịng chiều xoay chiều Tính chất kim loại mối hàn tương đối tớt đáp ứng u cầu hàn có địi hỏi chất lượng khơng nghiêm ngặt Thành phần thuốc bọc chủ yếu oxit titan - Nhóm Basic: Thành phần thuốc bọc chủ yếu hợp chất Canxi (đá vơi) có tác dụng tốt khử lưu huỳnh giúp kim loại hàn chống lại xu nứt nóng rỗ bọt Thích hợp hàn nhóm thép có cấu trúc ferrite Nhóm que hàn cần phải sấy khử ẩm trước hàn, khơng tính hạn chế hấp thụ Hydro suy giảm nghiêm trọng làm cho mối hàn dễ bị nứt nguội, giịn - Nhóm Cellulosic: Nhóm có lớp thuốc bọc mỏng, thành phần chủ yếu hợp chất cellulose Môi trường hồ quang giàu khí CO2 Áp lực hồ quang lớn, lõi que chảy nhanh thích hợp hàn mối hàn yêu cầu độ ngấu cao hàn tư tuột (từ xuống) Giống que basic, que hàn nhóm cellulosic chủ yếu sử dụng nguồn chiều cực tính dương - Nhóm Oxit: Đặc điểm nhóm que dễ mồi hồ quang , xỉ tự tróc Thành phần thuốc chủ yếu Oxit sắt Oxit titan Nhóm que sử dụng nguồn xoay chiều chiều Cơ tính mối hàn khơng cao nên sử dụng cho thép thường , carbon thấp, kết cấu không chịu lực, biến dạng lớn thay đổi nhiệt độ đột ngột - Nhóm Acid: Nhóm khơng thích hợp cho mối hàn tư ngược Trong tư phẳng chúng cho mối hàn phẳng , đẹp với tốc độ đắp cao Tính hàn kim loại phải tốt , khơng mối hàn dễ bị nứt nóng Thành phần chủ yếu hợp chất Oxit sắt / Titan - Nhóm khác: Ngồi nhóm nêu trên, nhà sản xuất giới thiệu nhóm hỗn hợp có tính vượt trội cho ứng dụng đặc trưng Có ký hiệu riêng • Nhóm rutilo-basic: Đặc trưng tính khử lưu huỳnh tốt • Nhóm rutilo-cellulosic: Độ ngấu cao, chảy lỗng tốt • Nhóm tăng cường bột sắt, chrome, nickel, mănggan 2.3.2 Ảnh hưởng lớp thuốc bọc que hàn yêu cầu lớp thuốc bọc Ngày có nhiều phương pháp hàn điện áp dụng vào sản xuất công nghiệp, cho phép tạo chất lượng cao tăng suất lao động trình hàn Phương pháp hàn SMAW có nhiều cải tiến theo xu hướng tối ưu hóa thành phần hóa học lớp thuộc bọc, kết hợp tính vượt trội lớp thuốc bọc Lớp thuốc bọc que hàn phải thỏa mãn điều kiện sau: - Thuốc bọc phải có tính ổn định ion hố tốt để đảm bảo hồ quang cháy ổn định q trình hàn Thơng thường lớp thuốc bọc que hàn chứa nguyên tố nhóm kim loại kiềm - Bảo vệ cho mối hàn không tác dụng với oxy nitơ mơi trường Do q trình hàn thuốc bọc phải sinh khí bảo vệ, thành phần lớp thuốc bọc thường pha trộn theo tỷ lệ định chất hữu tinh bột, xenlulơ, chất khống manhêzit, đá cẩm thạch… - Khả tạo xỉ nhiệm vụ lớp thuốc bọc, xỉ phải chảy loãng phủ lên bề mặt kim loại mối hàn để bảo vệ khơng cho khơng khí xâm nhập vào mối hàn tạo điều kiện để mối hàn nguội chậm tốt Trong thành phần lớp thuốc cịn có thêm quặng măng-gan, hêmatit… để dễ tạo xỉ lớp xỉ dễ tróc - Thành phần lớp thuốc bọc phải có nguyên tố khử oxit trình hàn fero hợp kim lực mạnh với oxy chất khác để khử oxit khỏi kim loại vũng hàn tạo thành xỉ, đồng thời phải bảo vệ lõi khơng bị oxy hố - Chứa vật liệu để làm nhiệm vụ hợp kim hoá mối hàn, tăng độ bền mối hàn, ví dụ fero hợp kim (đơi cịn dùng kim loại ngun chất) - Trong vật liệu thuốc hàn phải có chất dính kết để đảm bảo độ bền cần thiết bọc vào que hàn, ví dụ nước thuỷ tinh, cao lanh… - Nhiệt độ nóng chảy hỗn hợp thuốc bọc phải lớn nhiệt độ nóng chảy lõi que để thuốc bọc tạo thành hình phễu hướng kim loại que nóng chảy vào vũng hàn trước khơng cho xỉ lẫn lộn vào sinh rỗ xỉ Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 3.1 Đặt vấn đề Thành phố Hồ Chí Minh nằm vùng nhiệt đới gió mùa cận xích đạo Cũng tỉnh Nam bộ, đặc điểm chung khí hậu - thời tiết Tp.Hồ Chí Minh nhiệt độ cao năm có hai mùa mưa - khơ rõ ràng làm tác động chi phối môi trường cảnh quan sâu sắc Mùa mưa từ tháng đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 đến tháng năm sau Ðộ ẩm tương đối khơng khí bình qn/năm 75,9%; bình quân mùa mưa 80% trị số cao tuyệt đối tới 100%; bình qn mùa khơ 74,5% mức thấp tuyệt đối xuống tới 20% Hình 3.1: Dữ liệu khí hậu Tp Hồ Chí Minh năm 2015 (nguồn Trung tâm khí tượng thủy văn Tp Hồ Chí Minh) Độ ẩm khơng khí có nhiều tác động đến trình hàn, đặc biệt phương pháp hàn SMAW độ ẩm khơng khí cao gây ẩm cho lớp thuốc bọc Trong thực tế việc sấy que hàn trước hàn áp dụng mối hàn áp lực cao có yêu cầu khắt khe tính, cịn lại đa phần bảo quản que hàn điều kiện kho xưởng bình thường Giả thuyết đặt sau thời gian bảo quản que hàn môi trường tự nhiên, độ ẩm lớp thuốc bọc que hàn độ ẩm khơng khí Việc độ ẩm que hàn thay đổi theo độ ẩm khí hậu có ảnh hưởng đến tính mối hàn vấn đề cần nghiên cứu có tính ứng dụng cao 10 3.2 Nội dung nghiên cứu Với điều kiện sở vật chất thí nghiệm tận dụng máy móc thiết bị xưởng trường Tác giả đặt nội dung nghiên cứu sau: - Khảo sát ảnh hưởng độ ẩm lớp thuốc bọc que hàn KT6013 (Ø2,6 mm Ø3,2 mm) đến tiêu độ bền kéo mối hàn thép CT3 (chiều dày 10 mm) theo TCVN 8310:2010 - Tiến hành tạo ẩm cho que hàn, tiến hành hàn mẫu kiểm tra độ bền kéo mẫu - Ứng với việc khảo sát yếu tố đầu vào độ ẩm que hàn, theo lý thuyết Quy hoạch thực nghiệm: Số mẫu khảo sát m = 2n+1 với n số yếu tố đầu vào Tác giả chọn khảo sát 03 mức độ ẩm: Mức (~ 60%), mức (~75%), mức (~85%) có mẫu đối chứng (que hàn sấy khơ vịng giờ) - Chuẩn bị phôi hàn sau: 100 250 100 Hình 3.2: Kích thước phơi hàn mẫu - Tiến hành hàn mẫu: Các thơng số cường độ dịng điện hàn, số lớp lót – phủ , kỹ thuật đính tuân theo tiêu chuẩn 3099:2000 giữ cố định cho trường hợp mẫu thử khác 11 - Cắt mẫu, gia công mẫu để tiến hành đo kiểm độ bền kéo: theo TCVN 8310:2010 100 100 250 Hình 3.3: Mẫu thử kéo chọn - Thí nghiệm thử kéo, đo số độ bền kéo mẫu thử 3.3 Thiết bị, dụng cụ đo kiểm vật liệu hàn - Máy hàn DC Panasonic 300A – Xưởng hàn – Trường CĐ Công nghệ Thủ Đức - Que hàn KT 6013; đường kính que Ø2,6 mm Ø3,2 mm - Máy sấy, đo độ ẩm - Máy thử kéo LUDA – Công ty CP Tư vấn kiểm định Xây dựng Đồng Nai 12 3.4 Đồ thị nhận xét Lực kéo đứt (KN) Giới hạn bền kéo (Mpa) Mẫu 1.1 105 420 Mẫu 1.2 109 436 Mẫu 1.3 102 408 Mẫu 2.1 100 400 Mẫu 2.2 98,5 394 Mẫu 2.3 102 408 Mẫu 3.1 93,4 373,6 Mẫu 3.2 91,6 366,4 Mẫu 3.3 89,5 358 Mẫu 4.1 119 476 Tên mẫu Biểu đồ so sánh tiêu độ bền kéo 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 Lực kéo đứt KN Giới hạn bền kéo Mpa Mẫu 1.1 Mẫu 1.2 Mẫu 1.3 Mẫu 2.1 Mẫu 2.2 Mẫu 2.3 Mẫu 3.1 Mẫu 3.2 Mẫu 3.3 Mẫu 4.1 Bảng 3.1: Kết kiểm tra độ bền kéo mối hàn Căn vào kết thí nghiệm ta nhận thấy: - Có thay đổi tiêu độ bền kéo thông số đầu vào ( độ ẩm lớp thuốc bọc) thay đổi Chỉ tiêu độ bền kéo mối hàn có xu hướng tăng lên độ ẩm thấp ngược lại 13 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận - Độ bền kéo trung bình mối hàn đạt giá trị nhỏ trường hợp độ ẩm lớp thuốc bọc mức cao (~85%) ứng với mẫu 3.1; 3.2; 3.3 - Độ bền kéo trung bình mối hàn đạt giá trị tăng dần trường hợp độ ẩm lớp thuốc bọc giảm dần - Khi tiến hành sấy khơ que hàn ( sấy vịng giờ) tiến hành hàn tính mối hàn đạt giá trị lớn Như vậy: Yếu tố độ ẩm lớp thuốc bọc có ảnh hưởng đến tiêu độ bền kéo mối hàn theo xu hướng: độ ẩm lớp thuốc bọc cao độ bền kéo mối hàn giảm Cơ tính mối hàn đạt giá trị cao tiến hành sấy khô que hàn trước hàn Que hàn KT6013 que hàn thuộc hệ Rutin-xenlulo, que hàn phổ biến, loại que hàn bị ảnh hưởng độ ẩm Nên sấy khô que hàn trước hàn cho kết tốt Khi độ ẩm que hàn mức >80% nên sấy khô que hàn trước sử dụng 4.2 Hướng phát triển đề tài Do hạn chế mặt thời gian thiết bị thí nghiệm, đề tài dừng việc khảo sát ảnh hưởng độ ẩm lớp thuốc bọc que hàn đến tiêu độ bền kéo mối hàn vị trí hàn 1G Hướng phát triển đề tài mở rộng sang khảo sát ảnh hưởng yếu tố đầu vào khác đến tiêu tính mối hàn độ bền uốn, độ dai va đập mối hàn… khảo sát ảnh hưởng yếu tố đầu vào đến tính mơi hàn vị trí hàn khác khơng gian 2G, 3G, 6G… 14 E TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn nóng chảy tập 1, 2, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2009 TS Vũ Duy Lân, TS Bùi Văn Hạnh, Giáo trình vật liệu hàn, Nhà xuất Bách Khoa, Hà Nội, 2011 Nguyễn Thúc Hà, Bùi Văn Hạnh, Võ Văn Phong: Công Nghệ Hàn lý thuyết ứng dụng, tái lần 2, nhà xuất giáo dục, Hà Nội, 2003, trang 16 Tài liệu tiếng Anh American Welding Society (AWS D1.1) Structural welding code steel, 20th edition, Approved by American National standards Institute, November,29, 2005 Jian Lu: Handbook of Measurment of Residual stresses, Published by The Fairmont Press, INC 15