Chuyên đề tốt nghiệp công nghệ hàn và vật liệu kim loại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP Đề tài :CÔNG NGHỆ HÀN VÀ VẬT LIỆU KIM LOẠI Giảng viên hướng dẫn: NGUYỄN NHỰT PHI LONG Sinh viên thực hiện: ĐỖ VẢN QUANG MSSV: 08104062 NGUYẾN TRỌNG HẢI MSSV: 08104049 PHAN BẢO TRUNG MSSV: 08104040 Lớp: 081042A Khoá: 2008 - 2012 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 02/2013 Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Bộ môn Kỹ Thuật Công Nghiệp NHIỆM VỤ CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : NGUYỄN TRỌNG HẢI MSSV: 08104049 Họ và tên sinh viên: ĐỖ VĂN QUANG MSSV: 08104062 Họ và tên sinh viên: PHAN BẢO TRUNG MSSV: 08104040 Khoá: 2008 - 2012 Ngành đào tạo: Kỹ Thuật Công Nghiệp Hệ:ĐHCQ 1. Tên đề tài: CÔNG NGHỆ HÀN VÀ VẬT LIỆU KIM LOẠI 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: + Hướng dẫn thực hành kỹ thuật khai triển GÒ-HÀN. Trần Văn Niên,Trần Thế San. + Sổ tay công nghệ hàn tâp I . TS.Nguyễn Văn Thông. + Vật liệu cơ khí hiện đại. Trần Thế San- Nguyễn Ngọc Phương ( Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM ). + Kim loại học và nhiệt luyện . Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. + Vật liệu và công nghệ hàn. TS.Nguyễn Văn Thông. 3. Nội dung chính của chuyên đề: Kiểm tra mối hàn thép carbon chất lượng thường. 4. Ngày giao chuyên đề: 5. Ngày nộp chuyên đề: TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) Trang 2 LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Công nghệ hàn và vật liệu kim loại - GVHD: ThS. Nguyễn Nhựt Phi Long - Họ tên sinh viên: Nguyễn Trọng Hải - MSSV: 08104049 Lớp: 081042A - Địa chỉ sinh viên: 233/4b Tân Đông Hiệp_ Dĩ An_ Bình Dương. Số điện thoại liên lạc: 0989444940 - Email: nguyentronghaispkt1@gmail.com - Họ tên sinh viên: Đỗ Văn Quang - MSSV: 08104062 Lớp: 081042A - Địa chỉ sinh viên: - Số điện thoại liên lạc: 0974337650 - Email: dovanquangpkt@gmail.com - Họ tên sinh viên: Phan Bảo Trung - MSSV: 08104040 Lớp: 081041B - Địa chỉ sinh viên: 5/6/11 Lê Văn Chí quận Thủ Đức Tp Hồ Chí Minh - Số điện thoại liên lạc: 0977895074 - Email: lonely_star12a8@yahoo.com - Ngày nộp chuyên đề tốt nghiệp: - Lời cam kết: “Chúng tôi xin cam đoan chuyên đề tốt nghiệp này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện, không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. HCM, ngày 2 tháng 1 Năm 2013 Ký tên Nguyễn Trọng Hải Đỗ Văn Quang Trang 3 Phan Bảo Trung Trang 4 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận này, nhóm thực hiện xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Trần Thế San và Thầy Nguyễn Nhựt Phi Long, đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Chúng tôi cũng xin chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô trong khoa Cơ khí chế tạo máy, đặc biệt là các Thầy, Cô trong bộ môn Kỹ thuật công nghiệp, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 4 năm học tập. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu khóa luận mà còn là hành trang quý báu để tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin. Chúng tôi cũng thầm biết ơn sự ủng hộ của gia đình, bạn bè - những người thân yêu luôn là chỗ dựa vững chắc cho chúng tôi. Cuối cùng, nhóm thực hiện xin kính chúc quý Thầy, Cô và gia đình dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý. Tp. HCM, ngày 2 tháng 1 năm 2013 Sinh viên thực hiện Nguyễn Trọng Hải Đỗ Văn Quang Phan Bảo Trung Trang 5 Trang 6 Mục Lục Trang 7 CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN 1.Khái niện hàn nóng chảy 1.1 Thực chất đăc điểm và công dụng của hàn. a) Thực chất : Hàn là quá trình công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận) thành một khối thống nhất bằng cách dùng nguồn nhiệt nung nóng chỗ cần nối đến trạng thái lỏng (hoặc dẻo), sau đó kim loại tự kết tinh (hoặc dùng lực ép) tạo thành mối hàn. b) Đặc điểm và ứng dụng: Hàn năng suất cao, vì có thể giảm được số lượng nguyên công, giảm cường độ lao động, ngoài ra công nghệ hàn còn dễ dàng tự động hóa, cơ khí hóa. Liên kết hàn là một liên kết ‘’cứng’’ không tháo rời được . Có thể hàn các kim loại khác nhau để tiết kiệm kim loại quý hoặc tạo kết cấu đặc biệt. So với đinh tán tiết kiệm (10 ÷ 20)% khối lượng kim loại, so với đúc tiết kiệm khoảng 50%. Hàn chế tạo được các chi tiết có hình dáng phức tạp, liên kết các kim loại có cùng tính chất hoặc khác tính chất với nhau. Mối hàn có độ bền và độ kín cao, đáp ứng yêu cầu làm việc quan trọng của các kết cấu quan trọng (vỏ tàu, bồn chứa, nồi hơi, ). Thiết bị hàn đơn giản, vốn đàu tư không cao. Giá thành chế tạo kết cấu rẻ. Tuy vậy, hàn còn có một số nhược điểm : sau khi hàn tồn tại ứng suất dư và biến dạng do nhiệt độ nung nóng cục bộ. Tổ chức kim loại vùng gần mối hàn bị thay đổi theo chiều hướng xấu đi làm giảm khả năng chịu tải trọng động của mối hàn. Trong mối hàn cũng dễ bị khuyết tật, rỗ nứt, cong vênh… 1.2 Phân loại các phương pháp hàn. a)Căn cứ dạng năng lượng sử dụng, hàn được phân ra các phương pháp hàn sau: Các phương pháp hàn điện : dùng điện năng biến thành nhiệt năng (hàn điện hồ quang, hàn điện tiếp xúc, ). Các phương pháp hàn cơ học : sử dụng cơ năng làm biến dạng kim loại tại khu vực hàn (hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm, ). Các phương pháp hàn hóa học : sử dụng năng lượng do các phản ứng hóa học tạo ra để nung nóng kim loại mối hàn (hàn khí, hàn hóa nhiệt, ). Các phương pháp hàn kết hợp : sử dụng kết hợp các dạng năng lượng nêu trên (hàn các vật liệu có tính hàn khó). b)Căn cứ vào trạng thái hàn. Hàn nóng chảy : bao gồm các phương pháp hàn : hàn khí, hàn điện xỉ, hàn hồ quang, Kim loại mối hàn ở trạng thái lỏng trong quá trình hàn. Hàn áp lực : bao gồm các phương pháp hàn : hàn siêu âm, hàn nổ, hàn khuếch tán, hàn điện trở tiếp xúc, trong quá trình hàn, kim loại mối hàn ở trạng thái chảy dẻo. Hàn nhiệt: là sử dụng các phản ứng hóa học phát nhiệt để nung nóng kim loại mepsf hàn đến trạng thái nóng chảy đồng thời kết hợp với lực ép để tạo ra mối hàn. c) Theo mức độ tự động hóa: + Hàn tự động. + Hàn bán tự động. + Hàn bằng tay d) Theo năng lượng sử dụng: + Điện năng: hàn hồ quang, hàn điện tiếp xúc… + Hóa năng: hàn khí, hàn nhiệt… Trang 8 + Cơ năng: hàn nguội, hàn ma sát… Các phương pháp hàn thông dụng nhất hiện nay: Hàn gió đá (còn gọi là Hàn khí): Hàn gió (Oxy) đá (Acetylen hay gas)(gas welding).Phương pháp này sử dụng các khí trên để gia nhiệt cho chi tiết hàn đạt tới trạng thái nóng chảy và liên kết với nhau. Khi hàn có thể dùng vật liệu để điền thêm (filler rod) vào vị trí hàn hoặc không. Hàn hồ quang điện (arc welding), gọi tắt là Hàn điện hay Hàn que. Phương pháp này dùng hồ quang điện được tao ra bởi que hàn để làm nóng chảy kim loại hàn và ngay cả que hàn để điền vào vị trí hàn. Hàn hồ quang dưới khí bảo vệ TIG: Tungsten inert gas. Phương pháp này dùng hồ quang được tạo ra bởi điện cực Tungsten và dùng khí trơ ( khí Argon) để bảo vệ mối hàn. Hàn hồ quang dưới khí bảo vệ MIG: metal inert gas. Thay vì dùng que hàn, người ta dùng 01 cuộn dây kim loại có kích thước từ 0.6 mm - 1.6mm hoặc lớn hơn làm điện cực hàn và điện cực này cũng là dạng điện cực nóng chảy nhưng được cung cấp một cách liên tục nhưng vẫn được người thợ hàn điều khiển nên còn gọi là hàn bán tự động. Trong phương pháp này, người ta dùng khí hoạt tính (CO2) hay khí trơ (Argon) để làm khí bảo vệ mối hàn. 1.3 Sự tạo thành mối hàn và tổ chức kim loại mối hàn. 1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng chất lượng mối hàn. Tác dụng của trọng lực giọt kim loại lỏng. Kim loại lỏng dưới tác dụng của trọng lực luôn có xu hướng đi về vũng hàn (có tác dụng lớn đối với hàn bằng). Sức căng bề mặt . Sức căng bề mặt được tạo nên do tác dụng của lực phân tử. Lực phân tử luôn có xu hướng làm cho bề mặt chất lỏng thu nhỏ lại, tạo cho bề mặt kim loại lỏng có một năng lượng tự do bé nhất. Sức căng bề mặt làm cho các giọt kim loại lỏng có dạng hình cầu và giữ ở trạng thái này trong suốt đoạn đường chuyển vào vũng hàn, khi vào vũng hàn sẽ bị sức căng bề mặt kéo vào để tạo thành một khối thống nhất (có tác dụng lớn đối với mối hàn trong không gian). Lực từ trường. Lực từ trường sinh ra xung quanh điện cực khi có dòng điện chạy qua que hàn và vật hàn. Lực này tác dụng lên kim loại lỏng điện cực làm giảm tiết diện ngang, trong khi đó I h = const, nên tại chỗ thắt mật độ dòng điện J tăng lên nhanh chúng làm kim loại lỏng đạt đến nhiệt độ sôi, cắt đứt phần kim loại lỏng khỏi điện cực. Mặt khác, với diện tích vũng hàn lớn nên cường độ từ trường trờn bề mặt vũng hàn rất nhỏ và mật độ dòng điện J nhỏ, do đó kim loại lỏng luôn cú xu hướng đi về vũng hàn với mọi vị trí hàn. Áp lực khí. Do nhiệt độ hồ quang cao, các phản ứng hóa học xảy ra rất mạnh, thuốc bọc que hàn (thuốc hàn) nóng chảy sẽ sinh ra nhiều khí tạo nên áp lực đẩy kim loại lỏng từ điện cực vào vũng hàn (có tác dụng lớn đối với mối hàn trong không gian). - Ảnh hưởng của các nguyên tố đến chất lượng mối hàn: Carbon : Carbon là nguyên tố hợp kim chính của hầu hết các lọai thép . Tăng hàm lượng carbon sẽ làm tăng tính biến cứng của vật liệu khi bị tác động nhiệt . Khi xét đến tính hàn chúng ta xét đến khả năng giãm thiểu các nguy cơ xuất hiện các vết nứt do biến cứng ở vùng ảnh hưởng nhiệt . (HAZ : Heat Affected Zone) . Xác định hàm lượng Carbon tương đương của thép hợp kim : Khi xác định tính hàn thép hợp kim , chúng ta phải xét đế ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim có trong thép đến tính hàn. Hàm lượng Carbon tương đương là chỉ số thể hiện các ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính hàn với giã định là các nguyên tố hợp kim sẽ tác động tương tự như tác động của sự gia tăng hàm lượng carbon trong thép. Công thức tính CE như sau: Trang 9 CE = C + + + Mangan (Mn): khi hàm lượng < 1% không ảnh hưởng nhiều đến tính nhàn của thép nhưng khi hàm lượng Mn > 1% tính hàn kéhưởng đến tính hàn của thép. Molipden (Mo): gây nhiều khó khăn cho quá trinh hàn như làm tăng khả năng nứt ngầm trong mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn, dễ bị ôxy hóa và cháy mnạh trong quá trinh hàn. Vonfram (W): làm tăng độ cứng và khả năng chịu nhiệt nhưng W làm cho tính hàn kém đi vì nó thường bị ôxy hóa mạnh nên cần bảo vệ thật tốt trong quá trinh hàn. Vanadi (V) có ảnh hượng tương tự như Vonfram. Titan (Ti) và Niobi (Nb): chỉ tồn tại trong thép một lượng rất nhỏ ( < 1%) nên không ảnh hưởng nhiều đến tính hàn của thép. Đồng (Cu): với hàm lượng nhỏ (0,3 – 0,8%) có tác dụng làm tăng độ bền, độ dẻo, độ dai va đập và tính chống ăn mòn của thép nhưng ít ảnh hưởng đến tính hàn của thép. Lưu huỳnh (S): thường gây hiện tượng bở nóng, nứt nóng còn Phôtpho (P) thường gây hiện tượng giòn nguội, nứt nguội. Đó là những tạp chất có hại. Khi hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép, chúng có ảnh hưởng xấu đến tính hàn. Oxy (O2): trong thép thường ở dạng oxit làm giảm cơ tính và làm xấu tính hàn của thép. Nitơ (N2): trong thép tạo hợp chất hóa học (nitrit sắt) rất cứng, dòn, làm giảm tính dẻo và gây khó khăn cho quá trinh hàn. Hydro (H2): là tạp chất có hại, sinh khí trong vũng hàn, gây nứt tế vi trong mối hàn và gây khó khăn cho quá trình hàn. 1.3.2 Quá trình luyện kim khi hàn điện nóng chảy. 1.3.2.1 khái niệm về cũng hàn, mối hàn và liên kết mối hàn. a) Vũng hàn: Vũng hàn có thể chia làm hai phần: Ở phần đầu A: Chủ yếu xảy ra các quá trình nóng chảy của kim loại cơ bản và kim loại bổ sung; Ở phần đuôi B: diễn ra quá trình kết tinh và hình thành mối hàn. Khi hàn nóng chảy, dưới tác dụng của nguồn nhiệt hàn, một phần kim loại cơ bản tại vị trí trên mép hàn bị nóng chảy kết hợp với kim loại bổ sung từ vật liệu hàn (que hàn, dây hàn, thuốc hàn ) tạo ra một khu vực kim loại lỏng thường gọi là vũng hàn. Trong vũng hàn, kim loại lỏng luôn ở trạng thái động kim loại lỏng ở phần đầu bị đẩy lùi về phía đuôi một cách tuần hoàn dưới tác dụng của áp suất dòng khí lên bề mặt kim loại vũng hàn. Vì vậy, bề mặt mối hàn sau khi hình thành không phẳng và có dạng sóng hình vảy cá xếp chồng. (Hình 1) Hình 1: Vũng hàn b) Mối hàn Là phần kim loại lỏng được kết tinh trong quá trình hàn, nó ở trạng thái lỏng. Theo tiết diện ngang, mối hàn phân làm 2 loại : mối hàn giáp mí, mối hàn góc. Hình dạng mối hàn giáp mối được coi là hợp lý khi hệ số ngấu của mối hàn nằm trong khoảng : Trang 10 [...]... nóng chảy và khơng dùng que hàn phụ hoặc do cả kim loại điện cực và kim loại vật hàn tạo nên nếu dùng que hàn nóng chảy hay điện cực khơng nóng chảy có dùng que hàn phụ Vì vậy thành phần và tổ chức kim loại mối hàn đều khác với thành phần và tổ chức của kim loại cơ bản và kim loại điện cực Nhiệt của nguồn nhiệt hàn làm kim loại que hàn và một phần kim loại vùng hàn bị nóng chảy tạo thành vũng hàn chảy... nhiệt độ của kim loại lên 10C) 1.3.4 Tính hàn của kim loại và hợp kim 1.3.4.1 Khái niệm: Trang 16 Tính hàn dùng để chỉ mức độ dễ hàn hay khó hàn đối với một vật liệu cơ bản nào đó, nó là tổ hợp các tính chất của kim loại hay hợp kim cho phép nhận được liên kết hàn có chất lượng thỏa mãn theo u cầu 1.3.4.2 Kim loại học mối hàn: - Vật liệu có tính hàn tốt : bao gồm các loại vật liệu cho phép hàn được bằng... với thành phần hóa học của mối hàn và kim loại cơ bản, sự tác dụng nhiệt trong q trình hàn - Với thép các bon thấp và thép hợp kim thấp là vật liệu có tính hàn tốt, có thể hàn bằng mọi phương pháp mà vẫn nhận được mối hàn có chất lượng tốt, song chất lượng có khác nhau tùy thuộc vào điều kiện hàn - Hàn bằng que thuốc bọc mỏng, tổ chức kim loại mối hàn xấu vì cácbon của nó cháy nhiều và các hạt kim loại. .. và khả năng làm việc thấp hơn kim loại cơ bản Phần lớn các loại gang và hợp kim đặc biệt thuộc nhóm này 1.3.4.3 Đánh giá tính hàn của kim loại và hợp kim a) Khái niệm và phân loại: Tính hàn là khả năng của kim loai và hợp kim cho phép hình thành mối hàn bằng các cơng nghệ hàn bình thường thích hợp để mối hàn đạt được các tính chất cần thiết, đảm bảo độ tin cậy của liên kết hàn khi sử dụng Căn cứ vào... tính hàn của các loại vật liệu của kết cấu hàn hiện nay có thể chia thành 4 nhóm sau: Nhóm 1: Vật liệu hàn có tính hàn tốt: Những vật liệu này cho phép tạo thành mối hàn bằng những phương pháp cơng nghệ bình thường, khơng phải sử dụng biện pháp cơng nghệ đặc biệt( như nung nóng sơ bộ) Những vật liệu này sau khi hàn tạo thành mối hàn có cơ tính cao, có thể hàn chúng trong mọi điều kiện: thép hợp kim. .. khi kim loại mối hàn kết tinh + Vật liệu hàn (dây hàn, que hàn, thuốc hàn, …) bị ẩm + Bề mặt chi tiết khơng được làm sạch trước khi hàn + Mức độ khử ơxy chưa triệt để + Hàm lượng FeO trong kim loại mối hàn cao Rỗ khí trong mối hàn gây nên hiện tượng tập trung ứng suất và có ảnh hưởng lớn đến sự phá hủy liên kết hàn, làm tăng độ cứng, độ giòn và giảm tính dẻo của kim loại đắp h) Sự kết tinh kim loại. .. 2: Vật liệu có tính hàn trung bình Những vật liệu này cho phép tạo thành mối hàn với cơ tính cần thiết trong những điều kiện nhất định Đối với những vật liệu này phải sử lý nhiệt như nung nóng sơ bộ và làm giảm tốc độ nguội Thuộc nhóm này có một số thép hợp kim thấp và thếp họp kim trung bình Nhóm 3: vật liệu có tính hàn kém Gồm những vật liệu chỉ cho phép tạo thành mối hàn trong điều kiện cơng nghệ. .. bọc một lớp vật liệu chống oxýt hóa (Đồng / Nickel …) đủ dày để bảo vệ que hàn mà khơng gây ra các tác động bất lợi về mặt luyện kim như rỗ khí , ngậm oxýt / silic Kim loại đắp và kim loại hàn hòa tan vào nhau khi hàn , tỉ lệ này thay đổi theo độ ngấu sâu của vũng chảy vào vật liệu hàn và đơi khi độ ngấu thiếu hoặc thái q cũng gây ra các cấu trúc bất lợi cho thành phần kim loại của mối hàn Mặt khác... 20500C khơng tan vào thép mà chuyển vào xỉ với tốc độ rất chậm, tạo điều kiện cho sự ơxy hóa các bon, dễ dẫn đến hiện tượng rỗ khí trong mối hàn e) Hợp kim hóa kim loại mối hàn Để đạt được độ bền mối hàn tương đương kim loại cơ bản, trong q trình hàn phải hợp kim hóa kim loại mối hàn nhằm bù đắp các ngun tố hợp kim bị mất do tham gia các phản ứng hóa học hoặc đưa vào kim loại mối hàn các ngun tố mới... khơng có trong thành phần kim loại cơ bản để nâng cao độ bền mối hàn Trang 13 Người ta thường đưa các ngun tố như Cr, Mo, W, V, Ti, … vào mối hàn thơng qua dây hàn, thuốc bọc que hàn và thuốc hàn; trong đó việc hợp kim hóa kim loại mối hàn bằng dây hàn là có hiệu quả nhất f) Tạp chất xỉ trong mối hàn Thành phần tạp chất xỉ bao gồm các hợp chất hóa học của ơxy và nitơ với các ngun tố kim loại khác nhau, . kim loại mối hàn đều khác với thành phần và tổ chức của kim loại cơ bản và kim loại điện cực. Nhiệt của nguồn nhiệt hàn làm kim loại que hàn và một phần kim loại vùng hàn bị nóng chảy tạo thành. dụng. Căn cứ vào tính hàn của các loại vật liệu của kết cấu hàn hiện nay có thể chia thành 4 nhóm sau: Nhóm 1: Vật liệu hàn có tính hàn tốt: Những vật liệu này cho phép tạo thành mối hàn bằng những. chảy và không dùng que hàn phụ hoặc do cả kim loại điện cực và kim loại vật hàn tạo nên nếu dùng que hàn nóng chảy hay điện cực không nóng chảy có dùng que hàn phụ. Vì vậy thành phần và tổ chức kim