HÀN KHE H Ở HẸP NỐI CÁC TẤM THÉP CÓ CHIỀU DÀY LỚN VỚI MỐI GHÉP KHÔNG VÁT MÉP B ẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ NARROW GAP WELDING IN PROTECTIVE GAS FOR THICK STEEL PLAT
Trang 1HÀN KHE H Ở HẸP NỐI CÁC TẤM THÉP CÓ CHIỀU DÀY LỚN VỚI MỐI GHÉP KHÔNG VÁT MÉP B ẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG MÔI
TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ
NARROW GAP WELDING IN PROTECTIVE GAS FOR THICK STEEL PLATES
WITH UN-CHAMFERED EDGES
Ngô Tr ọng Bính 1a , Lê Thu Quý 1b , Ngô Văn Dũng 1c , Ph ạm Đăng Lộc 1d
1Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí,
Số 4 – Phạm Văn Đồng – Cầu Giấy – Hà Nội – Việt Nam
atrongbinh2000@gmail.com, bquylt@narime.gov.vn,
cngodung85@gmail.com, dlocctmhua@gmail.com
TÓM T ẮT
Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị hàn khe hở hẹp nối các
tấm thép có chiều dày lớn bằng phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ với mối ghép không vát mép Trên cơ sở kết quả nghiên cứu tính toán thiết kế, phân tích các thông số hàn, nhóm đề tài đã chế tạo được thiết bị, và đồ gá hàn khe hở hẹp, để hàn không vát mép các tấm thép dày 150mm, có khe hở 25mm với phương pháp hàn MAG trong môi trường khí hoạt tính
CO2, chất lượng mối hàn khe hở hẹp đã được đánh giá qua các phân tích: độ cứng và thử kéo
Kết quả phân tích cho thấy mối hàn đạt chất lượng tương đương so với các phương pháp hàn
trong môi trường khí bảo vệ với mối ghép vát mép có chiều dày 5 ÷ 15mm
Từ khóa: hàn khe hở hẹp, hàn không vát mép, hàn MAG
ABSTRACT
This paper presents the results of research on design and manufacture of narrow gap welding equipment for thick steel plates welded in protective gas atmosphere with un-chamfered edges Based on design calculations and analysis of welding parameters, the authors have built a narrow gap MAG welding equipment in CO2 active gas with necessary fixtures for welding 150mm-thick steel plates with un-chamfered edges The gap between the steel plates was 25mm The welding quality was evaluated by tensile test and hardness measurement The analysis results showed that the obtained welding quality was similar to the quality of ordinary MAG welding method with bevelled edge joints for steel plates with thickness of 5 ÷ 15 mm
Keywords: narrow gap welding, un-chamfered edges, MAG welding
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Thiết bị hàn khe hở hẹp bằng phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ, được ứng
dụng để hàn nối các tấm thép có chiều dày lớn không vát mép, sử dụng trong các nhà máy kết cấu thép siêu trường siêu trọng, nhà máy đóng tàu, nhà máy nhiệt điện, các nhà máy kết cấu trong ngành xây dựng, thủy lợi,… Đến nay hàn khe hở hẹp vẫn là công nghệ hàn mới ở nước ta Ưu điểm của thiết bị hàn khe hở hẹp so với khác phương pháp hàn khác là: giảm thời gian hàn, chi phí tiêu hao thấp hơn, giảm thời gian loại bỏ xỉ hàn, giảm chi phí chuẩn bị, giảm xử lý nhiệt sau khi hàn, cải thiện độ dai va đập, giảm biến dạng góc của chi tiết khi hàn Những lợi thế này có liên quan trực tiếp đến khối lượng kim loại đắp của mối hàn thấp hơn và đương lượng nhiệt cấp vào
thấp hơn khi sử dụng thiết bị hàn khe hở hẹp, do vậy dẫn đến chi phí thấp hơn khi hàn chi tiết vật
liệu hàn dày nếu so sánh với các quy trình hàn thông thường như hàn hồ quang tay
Trang 2Thiết bị hàn khe hở hẹp bằng phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ, có thể sử
dụng nhiều phương pháp hàn khác nhau để áp dụng, điển hình là các phương pháp hàn TIG (Tungsten Inert Gas welding), hàn MIG (Metal Inert Gas) và hàn MAG (Metal Active Gas) Đây là 3 phương pháp hàn chủ yếu để thực hiện hàn khe hở hẹp với các tấm thép có chiều dày
lớn mà yêu cầu không cần vát mép Bài báo này trình bày việc nghiên cứu công nghệ, chế tạo thiết bị hàn khe hở hẹp và lựa chọn các thông số, chế độ hàn phù hợp bằng phương pháp hàn MAG trong môi trường khí hoạt tính CO2, để hàn nối các tấm thép có chiều dày 150 mm không vát mép
2 N ỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1 Nghiên cứu công nghệ hàn khe hở hẹp
Công nghệ hàn khe hở hẹp vẫn còn là công nghệ mới ở nước ta, hàn hồ quang kim loại
với khí bảo vệ là quá trình đầu tiên được sử dụng trong hàn khe hở hẹp, và nó vẫn là một trong những công nghệ mới liên quan đến kỹ thuật hàn này Ưu điểm là quá trình này có liên quan đến việc hồ quang dễ dàng quan sát được, rãnh hàn tương đối hẹp, chất lượng hàn cao, năng suất cao và hiệu quả chi phí thấp [1,2] Tuy nhiên, khi hàn GMAW dễ bị hình thành khuyết tật ở thành mối hàn, lượng bắn tóe lớn và hay bị thiếu hụt khí bảo vệ Những vấn đề này có liên quan đến khó khăn trong việc cấp dây hàn và cung cấp một vùng phủ khí bảo vệ thích hợp vào một đường rãnh mép hàn hẹp và sâu, và để có được sự nung nóng cân bằng bởi
hồ quang giữa các thành bên và bên dưới của mối nối Để khắc phục những hạn chế này, một
số biện pháp cấp dây hàn và thiết kế đầu hàn kiểu mới đã được đề xuất, phát triển và một số trong số đó đã được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp từ khi áp dụng công nghệ hàn khe hở hẹp Hình 1 là sơ đồ hàn khe hở hẹp trong khí bảo vệ, dây hàn được đưa qua động cơ đưa dây qua ống dẫn qua chụp khí qua bép hàn tới vật liệu cần hàn [1,3]
Hình 1 Sơ đồ hàn khe hở hẹp trong khí bảo vệ 2.2 Nghiên cứu lựa chọn các thông số hàn phù hợp nối các tấm thép có chiều dày lớn
b ằng phương pháp hàn khe hở hẹp
2.2.1 Các thông s ố cơ bản của hàn khe hở hẹp
Cường độ dòng điện hàn ảnh hưởng lớn nhất lên hình dạng mối hàn Dòng điện hàn tăng dẫn đến tăng mật độ dòng, kích thước vũng hàn, hệ số chảy, tốc độ chảy
Trang 3Hình 2 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hàn
Nhìn vào đồ thị Hình 2, ta thấy khi điện áp hàn không đổi, dòng điện hàn tăng dẫn đến chiều sâu chảy tăng, và chiều cao mối hàn tăng Khi dòng hàn tăng đến một giá trị
nhất định mà chiều sâu chảy không tăng và chiều cao mối hàn không tăng Khi đó ta có thể xác định được giá trị của dòng điện đạt max
800A [3,5]
Điện áp hồ quang thay đổi theo chiều dài cột hồ quang Điện áp hồ quang không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ chảy nhưng ảnh hưởng chủ yếu đến chiều rộng mối hàn
Hình 3 Ảnh hưởng của điện áp hàn
Từ hình 3, ta thấy khi dòng điện không đổi, tăng điện áp hàn, thì bề
rộng mối hàn tăng và chiều sâu
chảy mối hàn giảm Khi điện áp tăng đến một giá trị nhất định thì bề
rộng mối hàn không tăng, chiều sâu
chảy không giảm Khi đó ta xác định được thông số điện áp hàn đạt
max 40V [3,5]
Đây là đại lượng quan trọng thứ 3 có ảnh hưởng đến năng lượng đường và thường dùng
để tăng năng suất hàn.Việc chọn đúng tốc độ hàn phụ thuộc vào hình dạng mối hàn cũng như điều kiện nung và nguội vật hàn
Hình 4 Ảnh hưởng của tốc độ hàn
Từ Hình 4, ta thấy tốc độ hàn tăng, thì bề rộng của mối hàn giảm, chiều sâu chảy của mối hàn tăng Khi V =
60 cm/min, thì bề rộng mối hàn vẫn
giảm, chiều sâu chảy của mối hàn
bắt đầu giảm Tiếp tục tăng vận tốc hàn, thì bề rộng mối hàn vẫn giảm,
và chiều sâu chảy tiếp tục giảm
Tiếp tục tăng vận tốc hàn đến một giá trị nhất định thì bề rộng, chiều sâu chảy của mối hàn không giảm
nữa Khi đó ta xác định được vận
tốc hàn [3,5]
Sau khi xác định tốc độ đắp tối ưu cho mối hàn, bước tiếp theo là xác định tốc độ cấp dây và cường độ dòng điện hàn (là hai đại lượng tương quan trực tiếp với nhau, khi sử dụng các máy hàn
có đặc tuyến thoải và tốc độ cấp dây không đổi) tại tầm với điện cực nhất định để đạt được tốc độ đắp đó
Trang 4Hình 5 Ảnh hưởng của tốc độ cấp dây hàn
Từ hình 5, ta thấy khi tốc độ
cấp dây tăng, thì bề rộng mối hàn giảm, chiều sâu chảy tăng, chiều cao mối hàn tăng.Tiếp
tục tăng vận tốc hàn đến một giá trị nhất định, thì bề rộng
mối không giảm nữa, chiều sâu chảy không tăng nữa, chiều cao mối hàn không tăng
nữa, khi đó ta xác định được
tốc độ cấp dây [3,5]
2.2.2 Ảnh hưởng của các thông số đến hình dạng chất lượng mối hàn
Khi tăng cường độ dòng hàn, chiều sâu chảy tăng mạnh, chiều cao đắp mối hàn tăng không nhiều chiều rộng mối hàn tăng ít, chiều rộng mối hàn chịu ảnh hưởng của điện áp hàn
và tốc độ hàn là chính [3,5]
Hình 6 Hình d ạng mối hàn và ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn
Khi cường độ dòng điện hàn không đổi, chiều sâu có xu hướng giảm Vì theo đặc tuyến
của máy hàn, cường độ dòng điện hàn thay đổi theo sự thay đổi điện áp hồ quang, chiều sâu
chảy cũng thay đổi theo tỷ lệ thuận với sự thay đổi điện áp hồ quang [3,5]
Hình 7 Hình d ạng mối hàn ảnh của điện áp hàn
Tốc độ hàn tăng làm tăng lượng nhiệt đưa vào vật hàn phía trước hồ quang, do đó cần ít nhiệt hơn để nung nóng trước cạnh hàn Ngoài ra cùng với tốc độ hàn,tốc nguội sau khi hàn
cũng tăng, có thể làm tăng khả năng bị nứt với một số loại thép có tính thấm tôi cao [3,5]
Hình 8 Hình d ạng mối hàn và ảnh hưởng của tốc độ hàn
Trang 5Trên thực tế, người ta không sử dụng dòng điện hàn mà sử dụng tốc độ dây để đặt, duy trì và đo tốc độ đắp, vì vậy sẽ chính xác hơn so với sử dụng cường độ dòng điện hàn Dòng điện hàn trong giải thích hợp được chọn theo đường kính dây hàn, dạng dịch chuyển kim loại
và chiều dày kim loại cơ bản Dòng hàn quá thấp sẽ dẫn đến hàn không ngấu [3,5]
Hình 9 Hình d ạng mối hàn và ảnh hưởng của tốc độ cấp dây
B ảng 1 Các thông số chế tạo thiết bị hàn khe hở hẹp nối các tấm thép có chiều dầy lớn
b ằng phương pháp hàn MAG trong khí bảo vệ CO 2 v ới mối hàn không vát mép
Kim lo ại
cơ bản
Đường
kính dây
hàn (mm)
Khí
b ảo vệ
s ử dụng
Dòng hàn max (A)
Công suất (KVA)
T ốc độ ngoáy (v/p)
T ốc độ
di chuy ển (m/h)
Điện áp cực đại (V)
Lưu lượng khí (lít/ph) Thép các
bon 0,8 ÷ 1,6 CO2 800 50 17 ÷ 40 4 ÷ 20 40 10 ÷ 25
2.3 Nghiên c ứu thiết kế chế tạo thiết bị hàn khe hở hẹp
2.3.1 Hệ thống thiết bị hàn khe hở hẹp
Hình 10 H ệ thống thiết bị hàn khe hở hẹp
Ch ức năng các bộ phận chính
1- Bộ chạy dọc, 2- Cơ cấu chuyển động thẳng đứng, 3- Cơ cấu quay đầu hàn,
4- Bộ đưa dây, 5- Nguồn hàn, 6- Khí bảo vệ
Thiết bị hàn nối tấm dày không vát mép được tích hợp hai chuyển động chính là chuyển động dọc mối hàn và chuyển động quay của đầu hàn để tạo thành lớp hàn Các lớp hàn được
xếp chồng lên nhau phủ kín khe hở hàn để tạo thành lên kết nối hai tấm dày bằng phương pháp hàn khe hở hẹp
Trang 62.3.2 C ấu tạo mỏ hàn
Hình 11 C ấu tạo mỏ hàn
1- Chụp khí, 2- Ống dẫn khí bảo vệ, 3- Trục nối, 4- Vị trí bắt khí bảo vệ,
5- Đầu nối trục và bép hàn, 6- Bép hàn
Mỏ hàn có nhiệm vụ dẫn khí, dây hàn, bép hàn được sử dụng là loại có sẵn, chụp khí được chế tạo bởi vật liệu đồng đỏ (Cu-Zn), có đường kính Ø 22mm, chiều dài 180mm, chiều dày ống 2mm, chụp khí đảm nhiệm vai trò cung cấp khí bảo vệ cho vùng hàn
Mô t ả cấu tạo, nguyên lý hoạt động cơ cấu quay đầu hàn, bộ phận ngoáy đầu hàn
Cơ cấu quay đầu hàn tạo ra dao động đầu hàn đảm bảo chiều rộng mối hàn theo đúng các tiêu chuẩn đề ra, cơ cấu bao gồm: động cơ hộp giảm tốc, cơ cấu trục, ổ bi, ổ đỡ, bánh răng được kết nối với động cơ một chiều làm cho đầu hàn quay với bán kính hàn cần thiết
2.3.3 Sơ đồ thiết bị hàn khe hở hẹp
Trong quá trình hàn, dây hàn là phần tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa hàn, đặc biệt là bép hàn nên cấu tạo phải đảm bảo tính thoát nhiệt cho các chi tiết và cả vật liệu dùng trong đầu hàn cũng phải truyền nhiệt tốt Phải chọn vật liệu đầu bép là loại đồng kháng mòn theo TCVN 7506-2:2011 tương đương ISO 3834-2: 2005 hoặc sử dụng đầu bép của các hãng đã được cung cấp bán trên thị trường
3 TH ỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Sau khi hệ thống thiết bị hàn khe hở hẹp đã được chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh, các tác giả tiến hành hàn trên các mẫu để đánh giá chất lượng mối hàn
• V ật liệu hàn: Dây hàn GM – 70S (đường kính ϕ 1.2 mm)
• Khí b ảo vệ: CO2
• V ật liệu nền: Mẫu thép tấm CT3, kích thước 300 x 200 x 150 mm
• Khe h ở hàn: 25 mm
Máy hàn MAG
Khí hàn CO 2
B ộ phận cấp dây
Lên xuống: Tay
Ra vào: Tay Dọc: Tự động
Đồ gá dịch chuyển 3 chiều C ụm đầu hàn
Hình 12 Sơ đồ khối thiết bị hàn khe hở hẹp
Trang 7B ảng 2 Các thông số chế độ hàn khe hở hẹp
Dòng hàn
(A)
Điện áp hàn (V)
T ốc độ hàn (m/h)
T ốc độ ngoáy (v/p)
S ố lớp hàn (lớp)
T ầm với điện cực (mm)
Lưu lượng khí (lít/ph)
180 ÷ 200 28 ÷ 30 10 17 ÷ 40 70 20 ÷ 30 10 ÷ 25
Hình 13 Thi ết bị hàn khe hở hẹp Hình 14 M ối hàn thử nghiệm
• K ết quả thử nghiệm
Thử cơ tính đánh giá chất lượng mối hàn được tiến hành tại Trung tâm Đánh giá hư
hỏng vật liệu – Viện Khoa học vật liệu, kết quả thử được đưa ra ở bảng 2 và bảng 3
B ảng 3 Thử nghiệm kéo – Phương pháp: TCVN 197:2002; Super L120
Tên m ẫu M th ẫu ử
Thí nghi ệm kéo Đường
kính mẫu (mm)
L ực
ch ảy
Fe (kN)
Ứng
su ất chảy Re (MPa)
Lực
b ền Fm (kN)
Ứng suất
b ền Rm (MPa)
Độ giãn dài tương đối A 80
Hàn bằng phương
pháp khe hở hẹp
(không vát mép)
M1 10,0 23,3 296 36,4 463 13,8 M2 10,1 28,8 313 36,7 462 16,3 Hàn MAG có vát
mép
M3 10,0 24,2 290 37,5 460 15,0 M4 10,1 30,3 313,3 37,2 457 17,1
B ảng 4 Mẫu đo độ cứng – Phương pháp: TCVN 258-1:2008; Thiết bị: AVK-CO Tên m ẫu
K ết quả đo độ cứng, HV10 Giá tr ị đo
trung bình Vùng đo L 1 ần L 2 ần L 3 ần L 4 ần L 5 ần
Hàn bằng phương
pháp khe hở hẹp
(không vát mép)
Vùng nền 133 138 137 138 135 136,2
Vùng ảnh hưởng nhiệt 155 157 157 156 152 155,4
Vùng hàn 159 159 160 161 159 159,6
Hàn MAG có vát
mép
Vùng nền 133 137 137 137 135 135,8
Vùng ảnh hưởng nhiệt 156 157 155 156 150 154,8
Vùng hàn 160 162 159 161 160 160,4
Trang 8- Các kết quả đo kiểm cho thấy mối hàn được thực hiện bằng công nghệ hàn khe hở hẹp đạt yêu cầu về chất lượng (độ bền kéo, độ cứng) theo tiêu chuẩn TCVN 258-1:2008, tương đương với phương pháp hàn có vát mép
- Thực tế thử nghiệm cho thấy phương pháp hàn khe hở hẹp có những ưu điểm so với phương pháp hàn khác như sau: giảm thời gian hàn, chi phí tiêu hao thấp hơn, giảm thời gian
loại bỏ xỉ hàn, giảm chi phí chuẩn bị, giảm xử lý nhiệt sau khi hàn, cải thiện độ dai va đập, giảm
biến dạng góc của chi tiết khi hàn
K ẾT LUẬN
Bài báo nghiên cứu thiết kế chế tạo được thiết bị hàn khe hở hẹp nối các tấm thép có chiều dày lớn bằng phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ với mối ghép không vát mép
Kết quả thu được là đã hàn nối được các tấm thép dày 150 mm, có khe hở 25 mm với phương pháp hàn MAG trong môi trường khí hoạt tính CO2 Chất lượng mối hàn đã được đánh giá qua các mẫu thử cơ tính như (đo độ cứng và thử bền kéo) Kết quả phân tích cho
thấy mối hàn sử dụng phương pháp hàn khe hở hẹp trong môi trường khí bảo vệ đạt chất lượng tương đương so với các phương pháp hàn có vát mép trong môi trường khí bảo vệ với chiều dày 5÷15 mm
Kết quả bài báo chính là một trong các cở sở để lựa chọn chế độ, các thông số hàn phù
hợp để thực hiện hàn nối các tấm thép có chiều dày lớn bằng phương pháp hàn khe hở hẹp trong môi trường khí bảo vệ với mối ghép không vát mép
LỜI CÁM ƠN
Các tác giả xin chân thành cảm ơn sự tài trợ của Bộ Công Thương để thực hiện Đề tài
với Mã số: 105.14.RD/HĐ-KHCN)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Blackman S.A, Dorling D.V and Howard R., High-speed tandem GMAW for pipeline
welding International Pipeline Conference, 2002, Vol.2, p.272- 295
[2] Paton B.E, Pokhodnya I.K., Automatic position butt welding of large diameter pipes with
self-shielded flux-cored wire by using Styk complex International Pipeline Conference,
1980, Vol.4, p.25-53
[3] Ngô Lê Thông, Công ngh ệ hàn điện nóng chảy, tập 1, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà
Nội, 2007
[4] Hoàng Tùng, Nguyễn Thúc Hà, Sổ tay hàn, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2007
[5] Nguyễn Văn Thông, Vật liệu và công nghệ hàn, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 1997
THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ:
1 Ngô Tr ọng Bính Email: trongbinh2000@gmail.com Điện thoại: 0976918505
2 Lê Thu Quý Email: quylt@narime.gov.vn Điện thoại: 0983022166
3 Ngô Văn Dũng Email: ngodung85@gmail.com Điện thoại: 0978797534
4 Ph ạm Đăng Lộc Email: locctmhua@gmail.com Điện thoại: 0977308099