Nghiên cứu thiết kế quy trình công nghệ hàn tự động sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép, chương 10 doc

Chương 10: VẬT LIỆU HÀN Với hàn dưới lớp thuốc, vật liệu hàn (bao gồm dây hàn và thu ốc hàn) có ảnh hưởng quyết định đến tính chất kim loại mối hàn. Khác với hàn hồ quang tay, có thể phối hợp thuốc hàn và dây hàn để có được kim loại mối hàn với thành phần hóa học mong muốn. 2.4.1. Nguyên tắc chọn vật liệu hàn hồ quang dưới lớp thuốc Loại dây hàn ảnh hưởng đáng kể đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn. Thuốc hàn cũng ảnh hưởng đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn tùy theo mức độ tham gia của nó vào quá trình luy ện kim khi hàn. Thu ốc hàn còn ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn (chiều rộng, chiều cao, độ nhẵn bề mặt, bề ngoài) và đây là điều quan trọng đối với các kết cấu chịu tải trọng động. 2.4.2 Ảnh hưởng của thuốc hàn đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn Khi hàn dưới lớp thuốc, trong vũng hàn xảy ra các phản ứng hóa học, mà bản chất của chúng là tương tác về mặt hóa lý giữa xỉ nóng chảy, kim loại nóng chảy và môi trường khí của hồ quang hàn. Trong các phản ứng đó, quan trọng nhất là các phản ứng oxi hóa và hoàn nguyên mangan và silic, cacbon, crôm, titan cùng các nguyên t ố khác khi hàn thép hợp kim. Từ khía cạnh chất lượng mối hàn, việc khử lưu huỳnh và photpho cùng các chất khí cũng đóng vai trò quan trọng. Các phản ứng nói trên xảy ra trong thời gian rất ngắn (vài giây) và rất mảnh liệt, do diện tích giữa các pha nói trên l ớn vì có sự xáo trộn mạnh giữa kim loại nóng chảy và xỉ nóng chảy. Điều này gắn liền với tính chảy loãng cao (độ nhớt thấp) của xỉ trong khoảng nhiệt độ xảy ra các phản ứng giữa kim loại nóng chảy và xỉ nóng chảy (đặc biệt rõ rệt với các loại thuốc hàn bazơ). Khi hàn dưới lớp thuốc, nhiệt độ cao của các giọt kim loại nóng chảy dịch chuyển từ dây hàn sang vũng hàn (khoảng 2300 o C) và nhi ệt độ trung bình của vũng hàn tương đối cao (1770  100 o C) tạo thuận lợi cho các phản ứng tỏa nhiệt. Để đơn giản hóa khi lựa chọn, tr ên thực tế, các kỹ sư công nghệ có thể chọn thuốc hàn thích hợp với từng loại dây hàn cho các ứng dụng hàn cụ thể theo catalo của các hãng sản xuất vật liệu hàn. 2.4.3 Thuốc hàn Thuốc hàn có vai trò sau:  Bảo vệ vũng hàn khỏi tác động của không khí từ bên ngoài,  Cải thiện sự ion hóa tạo ổn định hồ quang,  Tinh luyện kim loại vũng hàn (khử lưu huỳnh),  Hợp kim hóa mối hàn (hoàn nguyên Mn và Si, và các nguyên t ố hợp kim khác vào kim loại mối hàn nếu là thu ốc hàn gốm),  Tạo dáng mối hàn,  Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang,  Chống bắn tóe kim loại nóng chảy Theo tác động về mặt luyện kim, thuốc h àn có thể mang đặc tính axit, hay bazơ, tính the o hệ số axit A: A = (SiO 2 +TiO 2 + ZrO 2 )/(CaO +MgO + MnO + K 2 O + Na 2 O) Khi A < 0,9 thuốc hàn thuộc loại bazơ; khi A >1,1 thuốc hàn thu ộc loại axit; và khi A = 0,9…1,1 thuốc hàn được gọi là thuộc loại trung tính. Hệ số bazơ của xỉ hàn: B = 1/A Ký hiệu thuốc hàn: Tiêu chuẩn IIW-545-78 “phân loại và ký hi ệu dây hàn và thuốc hàn cho hàn dưới lớp thuốc thép kết cấu” của Viện Hàn Quốc tế phân loại thuốc hàn như bảng 2-4. Bảng 2-4. Ký hiệu thuốc hàn theo Viện Hàn Quốc tế IIW Ký hi ệu Thành phần chính Loại MS CS ZS Mn + SiO 2 50%min. CaO + MgO + SiO 2 60%min. ZrO + SiO 2 30%min. Mn silicat Ca silicat Zr silicat AR AB Al 2 O 3 + TiO 2 15%min. Al 2 O 3 + CaO + MgO 45%min. Al 2 O 3 20%min. Oxit nhôm – rutil Oxit nhôm – bazơ FB CaO + MgO + MnO + CaF 2 50%min. SiO 2 20%max. CaF 2 15%min. Bazơ - fluorit ST Chứa chất hợp kim hóa (kim loại) Đặc biệt Ngoài ra còn có các ký hiệu viết tắt, chỉ loại thuốc hàn như sau: F (fused): lo ại nung chảy; B (bonded): loại liên kết, tức là thuốc hàn gốm; M (mechanically mixed): loại trộn hỗn hợp cơ học (loại thiêu k ết); Trong bảng 2-4, MS, CS, ZS, AR, AB, FB là các loại thuốc hàn không có đặc tính hợp kim hóa (tức là ngoài lượng Mn v à Si thích h ợp, nếu thuốc hàn chứa các nguyên tố hợp kim khác, từng nguyên tố đó không được hoàn nguyên vào kim loại mối hàn nhiều hơn 0,25% hoặc tổng lượng ho àn nguyên của chúng không được vượt quá 0,4%). ST là loại thuốc hàn đặc biệt có chứa các thành phần kim loại, không đáp ứng yêu cầu nêu trên. Thành ph ần (% khối lượng) một số loại thuốc hàn: + MS (axit; B = 0,5 ÷ 1,0): 30 ÷ 40 SiO 2 ; 00 ÷ 10 Al 2 O 3 ; 35 ÷ 45 MnO; 00 ÷ 10 CaO; 00 ÷ 10 CaF 2 + CS có hàm lượng SiO 2 cao (axit; B = 0,5 ÷ 0,8): 50 ÷ 60 SiO 2 ; 03 ÷ 05 Al 2 O 3 ; 25 ÷ 30 CaO; 08 ÷ 12 MgO; 00 ÷ 02 CaF 2 + CS có hàm lượng SiO 2 trung bình (trung tính; B = 0,8 ÷ 1,2): 30 ÷ 40 SiO 2 ; 10 ÷ 15 Al 2 O 3 ; 00 ÷ 05 MnO; 25 ÷ 30 CaO; 10 ÷ 15 MgO; 05 ÷ 10 CaF 2 + CS có hàm lượng SiO 2 thấp (bazơ; B = 1,2 ÷ 1,7): 30 ÷ 40 SiO 2 ; 03 ÷ 05 Al 2 O 3 ; 35 ÷ 45 CaO; 00 ÷ 05 MgO; 10 ÷ 15 CaF 2 + AR (trung tính ; B = 0,5 ÷ 1,0): 10 ÷ 20 SiO 2 ; 05 ÷ 15 TiO 2 ; 00 ÷ 10 ZrO 2 ; 20 ÷ 50 Al 2 O 3 ; 10 ÷ 20 MnO; 00 ÷ 05 CaO; 05 ÷ 15 CaF 2 + AB (bazơ; B = 1,2 ÷ 2,0): Al 2 O 3 + MnO + CaO = min 20 + FB (bazơ; B = 2,5 ÷ 3,5): 05 ÷ 20 SiO 2 ; 10 ÷ 15 Al 2 O 3 ; 10 ÷ 15 CaO; 30 ÷ 40 MgO; 20 ÷ 30CaF 2 Đặc điểm của thuốc hàn nung chảy:  Thường là hệ silicat có tỷ lệ oxit silic cao, do đó có đặc tính axit. Việc chứa nhiều oxit tự do: do thuốc hàn chứa nhiều oxit Mn và oxit Si, chúng bị các nguyên tố kim loại làm hoàn nguyên.  Nhiệt độ nóng chảy khoảng 1300 o C. nhiệt độ này bảo đảm xỉ hàn còn ở trạng thái nóng chảy khi kim loại mối hàn đã kết tinh để bề mặt có hình dạng tốt.  Độ nhớt đủ cao ở nhiệt độ cao để ngăn tác động của oxi và nitơ từ không khí khi hàn và ngăn xỉ chảy loang ra khỏi mối hàn. Tuy nhiên độ nhớt phải đủ thấp để khí kịp thoát ra khỏi vũng hàn khi nó k ết tinh. Giá trị độ nhớt vào khoảng 200 poise ở 1000 ÷ 1200 o C và khoảng 5 poise ở 1400 o C.  Đồng nhất về mặt hóa học, không hút ẩm.  Không chứa được các nguyên tố hợp kim (do công nghệ chế tạo chúng).  Khi hàn, xỉ hàn chứa nhiều oxi tự do. Đặc điểm của thuốc hàn gốm:  Thường có hệ số bazơ tối đa 2,6 ÷ 3,2. Hệ số bazơ cao khiến nồng độ oxi và lưu huỳnh thấp và độ dai va đập cao trong kim loại mối hàn. Nó khử oxi trong kim loại mối hàn triệt để hơn thuốc hàn nung chảy. Thuốc hàn gốm còn cải thiện tổ chức kim loại mối hàn thông qua biến tính.  Có thể bổ sung trực tiếp fero kim loại vào thuốc hàn, tăng khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn trong dải nồng độ rộng. Rất thích hợp cho hàn đắp các lớp đặc biệt (cứng).  Các nguyên tố hợp kim dễ đi vào kim loại mối hàn (hàn đắp). Kim loại hợp kim hóa dễ chuyển vào mối hàn còn do tính ổn định hóa học của CaO v à MgO (thành phần chính).  Thuốc hàn gốm được hợp kim hóa đòi hỏi khống chế tốt điện áp hồ quang.  Dễ hút ẩm. Do đó, ngày nay có xu hướng dùng thuốc hàn g ốm không chứa fero hợp kim và kết hợp với dây hàn thép hợp kim để h àn thép hợp kim thấp độ bền cao (nhằm tránh nứt do hydro). Khi đó không c òn vấn đề mất ổn định thành phần hóa học mối hàn do thay đổi điện áp hồ quang. Một số loại thuốc hàn trên thị trường hiện nay: Đặc điểm chi tiết: 1. Là thuốc hàn tiêu chuẩn cao với những viên có dạng hạt màu xám 2. Có thể sử dụng trên nguồn AC/DC hoặc dòng điện hàn lớn 3. Ổn định, hạt mịn và loại bỏ xỉ dễ dàng 4. Kim loại hàn có tính bền cao ở nhiệt độ thấp 5. Loại thuốc này thích hợp cho hàn thép cacbon thấp và nhiều điện cực dưới lớp thuốc 6. Thông số kỹ thuật: SiO2+TiO2: 15-25%, CaO+MgO: 25-35%, Al2O3+MnO: 20-30%,CaF :15% max 7. Khối lượng đóng gói: 25 kg 2.4.4 Dây hàn Tiêu chuẩn IIW-545-78 “phân loại và ký hiệu dây hàn và thu ốc hàn cho hàn thép kết cấu dưới lớp thuốc” quy định các yêu c ầu đối với dây hàn thép kết cấu có giới hạn chảy 270 ÷ 490 Mpa và giới hạn bền 300 ÷ 690 Mpa. Các dây hàn này gồm thép cacbon, thép C-Mn và thép hợp kim thấp. Đường kính dây hàn: Các loại đường kính dây hàn chuẩn là 1,2; 1,6; 2,0; 2 ,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0 mm. Dây hàn được sử dụng dưới dạng các cuộn dây loại 10 (10 kg, đường kính tối đa 4,0 mm), 25 (25 kg, đường kính tối thiểu 1,2 mm), 50 (50 kg, đường kính tối thiểu 2,0 mm) và 100 kg đường kính tối thiểu 3,20 mm. Thí dụ về ký hiệu phối hợp dây hàn và thuốc hàn theo tiêu chu ẩn kể trên: FCS-SA3-51-2-1B Có nghĩa là thuốc hàn sử dụng thuộc loại nung chảy (F) canxi silicat (CS) dùng với dây hàn SA3 với cơ tính mối hàn: độ bền 520 Mpa và độ dai va đập 35J tại 0 o C và 32J tại 20 o C. Dây SA3 có thành ph ần 0,07 ÷ 0,15%C; tối đa 0,15%Si; 0,07 ÷ 1,2% mn. Ngoài ra, còn có một số tiêu chuẩn phổ biến khác dành cho thu ốc hàn và dây hàn như: AWS A5.17-1980 “Quy định điện cực thép cacbon và thuốc hàn để hàn dưới lớp thuốc”. AWS A5.23-1980 “Quy định điện cực thép hợp kim thấp và thu ốc hàn để hàn dưới lớp thuốc”. AWS A5.9-1980 “Quy định điện cực thép Cr – Ni và thép Cr ch ống ăn mòn: dây hàn”. Một số loại dây hàn trên thị trường hiện nay: Dây hàn spoolarc 81 của hãng ESAB 1. Phân cấp/Chứng chỉ: AWS A5.17; EM12K 2. Thành phần hóa học: C: 0,1%; Mn: 1,0%; Si: 0,2%; P: 0,008%; S: 0,010% 3. Đặc điểm cơ học: + Độ bền kéo đứt: 560 Mpa + Độ bền uốn: 470 Mpa + Độ gi ãn dài (2”): 30% + CVN: 60 J + Nhi ệt độ: -40 o C 4. Đường kính: 1,6; 2,0; 2,4; 3,2; 4,0; 4,8 (mm) . Chương 10: VẬT LIỆU HÀN Với hàn dưới lớp thuốc, vật liệu hàn (bao gồm dây hàn và thu ốc hàn) có ảnh hưởng quy t định đến tính chất kim loại mối hàn. Khác với hàn hồ quang tay,. tế, các kỹ sư công nghệ có thể chọn thuốc hàn thích hợp với từng loại dây hàn cho các ứng dụng hàn cụ thể theo catalo của các hãng sản xuất vật liệu hàn. 2.4.3 Thuốc hàn Thuốc hàn có vai trò. hi ệu dây hàn và thuốc hàn cho hàn dưới lớp thuốc thép kết cấu” của Viện Hàn Quốc tế phân loại thuốc hàn như bảng 2-4. Bảng 2-4. Ký hiệu thuốc hàn theo Viện Hàn Quốc tế IIW Ký hi ệu Thành phần