Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NÂNG CAO NĂNG SUẤT CHẤT LƯỢNG KẾT CẤU HÀN BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG VỚI BỘT KIM LOẠI BỔ SUNG IMPROVING PRODUCTIVITY AND QUALITY OF WELDING STRUCTURE BY SUBMERGED ARC WELDING WITH ADDITIONAL METAL POWDER ThS Lê Văn Thoài1a, ThS Nguyễn Minh Tân1b, TS Hoàng Văn Châu2c, PGS.TS Đào Quang Kế3d Trường ĐH SPKT Hưng Yên Hội KHKT Hàn Việt Nam Học viện Nông nghiệp Việt Nam a lethoai.utehy@gmail.com, bnguyenminhtan.utehy.2008@gmail.com c hvchauweld@gmail.com, ddqke@vnua.edu.vn TÓM TẮT Bài báo mô tả trình thực nghiệm hàn tự động với bột kim loại bổ sung để góp phần nâng cao suất, chất lượng hàn chế tạo kết cấu thép, nhằm mục tiêu giảm chi phí sản xuất nâng cao chất lượng làm việc sản phẩm Hàn tự động với bột kim loại bổ sung tăng suất lên từ 30 – 50% so với hàn tự động thông thường Sử dụng bột kim loại bổ sung có thành phần khác tạo lớp đắp với tiêu cơ-lý-hóa tính theo yêu cầu đặt Với chế độ nhiệt hợp lý cho phép giảm số lượng đường hàn, giảm kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt có cấu trúc hạt mịn vùng Công nghệ hàn tự động với bột kim loại bổ sung cho phép sử dụng hiệu nguồn lượng hồ quang giảm tiêu thụ thuốc bảo vệ hàn Từ khóa: hàn tự động, SAW, bột kim loại bổ sung, vùng ảnh hưởng nhiệt, HAZ, suất, chất lượng, thuốc bảo vệ ABSTRACT The article describes the process of Submerged Arc Welding experiment with additional metal powder to help improve productivity and quality in manufacturing welded steel structure, aimed at reducing the cost of production and enhance the quality of work the product Submerged Arc Welding with metal powder additional can increase productivity by 30 - 50% compared with conventional automatic welding Using metal powder additional with various ingredients can create cover layer with mechanical-physical-chemical properties as required poses With reasonable thermal regime has allowed reducing the number of welds, reduced size and heat affected zone can be fine-grained structure in this region Submerged Arc Welding technology with additional metal powder enables efficient use of energy sources and decreased consumption arc protection products during welding Keywords: automatic welding, SAW, additional metal powders, heat affected zone, HAZ, productivity, quality, fluxes MỞ ĐẦU Các giải pháp công nghệ hướng tới việc tăng suất, chất lượng sản phẩm nhằm mục đích mang lại hiệu kinh tế cao sản xuất Trong công nghệ hàn, để tăng suất chất lượng hàn kết cấu đồng thời với việc tăng khối lượng kim loại đắp phải xác định chế độ công nghệ cách hợp lý Công nghệ hàn tự động với bột kim loại bổ sung [1, 2, 6] đời đáp ứng yêu cầu đặt ra, tăng khối 188 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV lượng kim loại đắp, tăng suất trình hàn đảm bảo yêu cầu chất lượng hàn cho kết cấu thép CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG VỚI BỘT KIM LOẠI BỔ SUNG 2.1 Khái niệm chung Công nghệ hàn tự động với bột kim loại bổ sung dựa sở công nghệ hàn tự động lớp thuốc (SAW) Đặc điểm khác công nghệ hàn tự động với bột kim loại bổ sung kim loại đắp vào rãnh hàn gồm bột kim loại bổ sung dây hàn nóng chảy, hàn tự động lớp thuốc kim loại đắp chủ yếu từ dây hàn Trong hàn tự động với bột kim loại bổ sung hàn một, hai nhiều điện cực [2, 4] có nhiều phương pháp cấp bột kim loại khác tùy thuộc vào thiết bị hàn Việc cấp xác bột kim loại quan trọng liên quan đến suất, chất lượng liên kết hàn [3] Các đặc điểm hàn tự động lớp thuốc hàn với bột kim loại bổ sung: -Tăng suất hàn lên cách đáng kể (30 -50%) so với hàn tự động thông thường chế độ công suất tiêu thụ hồ quang [3, 6] Điều dẫn đến giảm bớt đương lượng nhiệt vào kim loại kết giảm kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn, trường ứng suất dư biến dạng sau hàn cải thiện đáng kể - Giảm số lượng đường hàn hàn chi tiết có chiều dày lớn [3] - Tạo điều kiện hợp kim hóa mối hàn từ bột kim loại bổ sung, việc điều chỉnh lượng kim loại bột bổ sung tạo mối hàn có tính theo yêu cầu [1] Nguồn điện hàn tương tự nguồn hàn tự động lớp thuốc (xoay chiều chiều) song cường độ dòng hàn với bột kim loại bổ sung thường cao công nghệ hàn hiệu hàn chi tiết có chiều dày ≥ 10 mm [2, 3, 5] 2.2 Vật liệu hàn Vật liệu hàn tự động với bột kim loại bổ sung bao gồm dây hàn, thuốc hàn bột kim loại bổ sung theo tiêu chuẩn vật liệu hàn Việc lựa chọn thuốc hàn, dây hàn, bột kim loại phải vào kim loại yêu cầu tính mối hàn [6] Riêng với bột kim loại bổ sung việc chọn loại bột phù hợp với kim loại cần lưu ý tỷ lệ bột tham gia vào kim loại đắp phải hợp lý để đảm bảo suất tính mối hàn yêu cầu 2.3 Các thông số công nghệ Về thông số công nghệ hàn tự động với bột kim loại bổ sung giống hàn tự động lớp thuốc [3, 4, 5] bao gồm đường kính dây d (mm), cường độ dòng điện hàn I h (A), điện áp hàn U h (V), tốc độ hàn V h (m/h), lượng đường q đ (cal/cm; KJ/cm) Các thông số ảnh hưởng đến hình dạng kích thước mối hàn, chất lượng liên kết hàn, cụ thể: - Đường kính dây: ảnh hưởng đến khối lượng kim loại đắp, đến chiều cao, chiều rộng mối hàn, dạng liên kết hàn phải chọn đường kính dây hàn hợp lý để đảm bảo suất chất lượng liên kết - Cường độ dòng hàn: ảnh hưởng chủ yếu đến tốc độ đắp chiều sâu ngấu, từ ảnh hưởng đến kích thước mối hàn, suất hàn Với hàn tự động bột kim loại bổ sung theo công trình nghiên cứu công bố, để đảm bảo chiều sâu ngấu hàn tự động thông thường tránh khuyết tật đáy đường hàn cường độ dòng điện hàn thường cao từ 100A - 200A - Điện áp hàn: Chủ yếu làm tăng chiều rộng giảm chiều cao mối hàn, chiều sâu ngấu mối hàn Cần lựa chọn điện áp phù hợp với cường độ dòng hàn để đảm bảo hồ quang cháy ổn 189 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV định đồng thời đảm bảo kích thước mối hàn, với hàn tự động bột kim loại bổ sung điện áp hàn khoảng 28 - 46V - Tốc độ hàn: hàn với tốc độ nhanh, suất hàn cao song kích thước mối hàn (chiều rộng, chiều cao, chiều sâu ngấu) giảm, hàn với tốc độ chậm ngược lại, tốc độ chậm làm hỏng liên kết hàn Vì với cường độ điện áp xác định cần chọn tốc độ hàn phù hợp với liên kết hàn - Năng lượng đường: đặc trưng cho lượng trình hàn, tốc độ hàn chậm, lượng đường lớn vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) lớn, làm giảm tính mối hàn gây biến dạng liên kết hàn lớn Việc xác định giá trị thông số công nghệ sử dụng công thức thực nghiệm hàn tự động lớp thuốc, sau điều chỉnh thông số phù hợp với công nghệ hàn tự động bột kim loại bổ sung, đặc biệt cường độ dòng hàn thường cao nêu 2.4 Kỹ thuật hàn [3] - Liên kết hàn: Phụ thuộc vào chiều dầy chi tiết hàn vát mép chữ V, X, K không vát mép, để khe hở… theo tiêu chuẩn liên kết hàn tự động Tùy thuộc dạng liên kết tiến hành hàn phía hai phía - Kỹ thuật hàn: nên đưa liên kết vị trí hàn thuận lợi cho việc hình thành mối hàn phải khắc phục tượng thuốc hàn, bột kim loại chảy qua khe hở hàn phía sau Có thể sử dụng số phương pháp để khắc phục tượng hàn đệm thuốc, đệm đồng, sử dụng lót đáy thép, gốm hàn lớp lót đáy trước Trong trình hàn phải đảm bảo góc độ dây hàn kiểm soát chế độ hàn phù hợp THIẾT BỊ, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM 3.1 Thiết bị hàn thử nghiệm Sử dụng thiết bị hàn tự động Model MZ- 1000 với công nghệ IGBT biến tần Bảng Thông số kỹ thuật máy Thông số Đơn vị đo Điện áp vào Giá trị V AC380V pha Dải điều chỉnh dòng hàn A 10-1000 Tần số Hz 50/60 kVA 56 Điện áp không tải V 85 Phạm vi điều chỉnh điện áp hàn V 22-50 Chu kỳ tải % 60 Hiệu suất làm việc % 85 Hệ số công suất cosφ 0,93 Đường kính dây hàn mm 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0 Tốc độ cấp dây hàn mm/phút 20-200 Trọng lượng kg 120 Kích thước máy mm 589 x 480 x 900 Số pha Công suất Cấp bảo vệ IP23 190 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.2 Vật liệu 3.2.1 Vật liệu bản: sử dụng thép chiều dày S = 14 mm, mác thép CT38 (TCVN 1765- 85) tương đương thép CT3 tiêu chuẩn ГOCT380-71 Bảng Thành phần hóa học vật liệu %C %Si %Mn %P (max) Mác thép CT38 0,14-0,22 0,12- 0,30 0,4-0,65 0,04 Bảng Cơ tính thép σ t (N/mm2) σ b (N/mm2) Mác thép CT38 250 (min) %S (max) 0,045 δ s (%) 380-490 26 (min) 3.2.2 Vật liệu hàn: gồm thuốc hàn, dây hàn, bột kim loại dùng để hàn thép bon - Thuốc hàn: sử dụng thuốc HJ431, thuốc dùng để hàn thép bon số thép hợp kim thấp Bảng Thành phần hóa học thuốc hàn HJ 431 %SiO +TiO %CaF %Al O +MnO %CaO+MgO %S 25-35 5-10 50-60 5-10 %P ≤0,05 ≤0,05 Thuốc sấy nhiệt độ 200 -2500C thời gian 2- trước hàn - Dây hàn: sử dụng dây H-08A, d = 3,2mm %C Bảng Thành phần hóa học dây hàn H-08A %Si %Mn %Ni %Cr %P ≤0,01 ≤0,03 Mác dây H08A 0,35-0,60 ≤0,25 ≤0,12 Bảng Cơ tính dây hàn H-08A σ t (N/mm2) σ b (N/mm2) δ (%) ≥330 410-550 ≤0,03 %S ≤0,03 A kv (J) ≥ 22 ≥27 - Bột kim loại bổ sung: sử dụng bột kim loại bổ sung W40.29 (Thụy Điển), mật độ 2,9g/cm3 Bột sấy nhiệt độ 2500C thời gian 2- trước hàn Bảng Thành phần hóa học bột kim loại W40.29 %C %S %P %Si %Mn 0,04 0,008 0,002 0,07 0,04 3.3 Liên kết hàn Kích thước chi tiết liên kết hàn 14 x120 x 350 mm; liên kết vát mép chữ V theo tiêu chuẩn liên kết hàn tự động - Các thông số liên kết: góc vát α = 300; khe hở hàn b = 4mm; mép cùn c = 1mm; - Kích thước mối hàn: chiều rộng lấy e = 22mm; chiều cao g = 1,5mm - Tiết diện ngang kim loại đắp: Tính theo công thức F đ =128mm2 - Khối lượng kim loại đắp vào rãnh hàn m = 0,35kg 191 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Các liên kết sử dụng lót đáy kim loại để tránh thuốc, bột kim loại chảy qua khe hở hàn 3.4 Thông số chế độ hàn thực nghiệm - Mẫu hàn tự động lớp thuốc bột kim loại bổ sung (M K ): hàn hai lớp với chế độ hàn giống với: d = 3,2mm; Ih = 550 A; U h = 36 V; V h = 16,5 m/h - Mẫu hàn tự động với bột kim loại bổ sung (M B ): thực hàn lớp với tỷ lệ bột tham gia vào kim loại đắp 29% (0,1kg), chế độ hàn d = 3,2mm; Ih = 650A; Uh = 34V; Vh = 14 m/h Hình Thực nghiệm hàn mẫu KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 4.1 Gia công mẫu để kiểm tra - Sau hàn xong, để nguội làm liên kết hàn để gia công mẫu kiểm tra Hình Gia công mẫu Hình Các mẫu kiểm tra 192 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Kiểm tra mẫu thực Trung tâm Thử nghiệm Kiểm định công nghiệp (TCV1) – Viện Máy mỏ bao gồm: xác định tính mối hàn, chụp tổ chức tế vi mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt 4.2 Bàn luận kết nghiên cứu thực nghiệm 4.2.1 Về suất hàn Các số liệu đo tính toán suất hàn tự động bột kim loại có bột kim loại bổ sung: Loại mẫu MK (hàn lớp) MB (hàn lớp) Công nghệ hàn Bảng Tính toán suất hàn Dòng hàn Điện áp Năng suất kim loại đắp hàn (kg/h) (A) (V) Từ dây Từ bột Tổng hàn kim loại Thời gian hàn (min/ m) Không có bột 550 36 8,3 - 8,3 7,2 Có bột bổ sung 650 34 12 4,3 - So sánh ta thấy với hàn có bột kim loại bổ sung thời gian hàn giảm 40,2%, suất kim loại đắp tăng tới 44,57% so với hàn tự động thông thường bột kim loại bổ sung - Cường độ dòng hàn tăng so với hàn tự động thông thường, điện áp thay đổi không đáng kể 4.2.2.Cấu trúc tế vi mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt Kết chụp tổ chức tế vi mẫu liên kết hàn thử nghiệm: Hình Mẫu có bột kim loại bổ sung Hình Ảnh tổ chức tế vi mối hàn có bột kim loại bổ sung Hình Mẫu không bột kim loại bổ sung Hình Ảnh tổ chức tế vi vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn có bột kim loại bổ sung 193 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Ảnh tổ chức tế vi mối hàn bột kim loại bổ sung Hình Ảnh tổ chức tế vi vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn bột kim loại bổ sung Xem xét nghiên cứu ảnh chụp tổ chức tế vi hai liên kết hàn ta nhận thấy đánh giá kết thực nghiệm sau: - Mối hàn hai liên kết không xuất khuyết tật nứt rỗ khí - Chiều rộng mối hàn có bột kim loại bổ sung e b = 25mm, nhỏ mối hàn bột kim loại bổ sung e k = 27mm Việc tăng cường độ dòng điện hàn có bột kim loại có chiều sâu chảy ngấu lót đáy thấp hàn không bột chứng tỏ lượng hồ quang tiêu tốn làm nóng chảy bột đáng kể - Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt (AHZ) liên kết hàn có bột kim loại bổ sung khoảng 2mm, nhỏ so với hàn bột (≈ 3mm) Điều hoàn toàn phù hợp với dự kiến liên kết hàn bột thực hàn hai lớp nên vùng ảnh hưởng nhiệt hàn lớp thứ lại bổ sung hàn lớp thứ hai Còn trường hợp hàn lớp hàn bột kim loại suất đắp thấp, tốc độ hàn chậm lên lượng hồ quang vào kim loại lớn làm tăng kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt - Nghiên cứu cấu trúc tổ chức tế vi cho thấy: mối hàn có bột kim loại bổ sung có tỉ lệ hạt ferrit nhiều hơn, phân tán so với mối hàn bột kim loại Điều liên quan tới việc sử dụng bột kim loại bổ sung thông số công nghệ sử dụng hàn, vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu bổ sung thêm Đối với vùng ảnh hưởng nhiệt: cấu trúc tổ chức tế vi vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) hai liên kết hàn có bột kim loại bổ sung tương tự nhau, cấu trúc hạt ferrit nhỏ phân bố tương đối 4.2.3 Năng lượng hồ quang Khi hàn tự động bột kim loại bổ sung suất kim loại đắp thấp, tốc độ hàn chậm, lượng hồ quang tổn hao vào kim loại lớn Nếu hai liên kết có bột kim loại bổ sung bột thực hàn lớp với chế độ công nghệ xác định tổn hao lượng hồ quang vào kim loại sau tính toán là: hàn bột (68,8 KJ/mm); có bột kim loai (49,4KJ/mm) Như sụt giảm lượng hàn bột lớn có bột (19,4KJ/mm), tức hiệu sử dụng hồ quang thấp 4.2.4 Đánh giá thử nghiệm tính mẫu hàn Loại mẫu σT Bảng Kết thử tính mẫu hàn (MPa) σ b (MPa) Độ cứng (HV) δ (%) MK 245 485 143,2 17,5 MB 250 476 140 18,7 Nhìn chung tiêu tính hai liên kết hàn tương đương nhau, có chênh lệch song nhỏ Riêng độ cứng liên kết có bột kim loại bổ sung thấp chút, hàm lượng ferrit mối hàn có bột kim loại bổ sung cao hơn, điều liên quan 194 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV đến việc chọn bột kim loại bổ sung Vì để cải thiện tính mối hàn cần sử dụng bột kim loại phù hợp thúc đẩy tốt trình hợp kim hóa kim loại đắp KẾT LUẬN Bằng việc nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm công nghệ hàn tự động với bột kim loại bổ sung rút số kết luận sau: - Nâng cao suất hàn so với hàn tự động thông thường (44,57%) song đảm bảo yêu cầu chất lượng liên kết hàn Việc điều khiển xác sử dụng bột kim loại phù hợp khác tạo lớp đắp với tính yêu cầu - Kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt giảm từ ≈ mm xuống ≈ mm, giảm biến dạng ứng suất dư liên kết sau hàn - Sử dụng hiệu lượng hồ quang trình hàn (quá trình sụt giảm lượng hàn bột lớn có bột tới 19,4KJ/mm, nghĩa hiệu sử dụng hồ quang thấp hơn), giảm số lượng đường hàn hàn liên kết có chiều dày lớn, từ tiết kiệm thuốc hàn rút ngắn thời gian hoàn thành mối hàn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Tušekaa, M Subanbb, High-Productivity Multiple-Wire Submerged-Arc Welding and Cladding with Metal-Powder Addition Faculty of Mechanical Engineering, University of Ljubljana, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana, Slovenia Institut za varilstvo, Ptujska 19, 1000 Ljubljana, Slovenia [2] Welding research Supplement to the Welding Journal, Sponsored by the American Welding Society and the Welding Research Council August 1991 [3] Final report Automatic submerged arc welding with metal powder additsions to increase productivity and maintain quality June 1986 [4] Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn điện nóng chảy Tập I, II, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 2004 [5] Nguyễn Văn Thông,Vật liệu hàn, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 2007 [6] Eichhorn F., Kerkmann M., Submerged Arc Welding with Metal Powder Additions IIWDoc XII – 804/83 10p 1983 AUTHOR’S INFORMATION ThS Lê Văn Thoài Trường ĐH SPKT Hưng Yên lethoai.utehy@gmail.com 0912 206 388 ThS Nguyễn Minh Tân Trường ĐH SPKT Hưng Yên nguyenminhtan.utehy.2008@gmail.com 0978 452 890 TS Hoàng Văn Châu Hội KHKT Hàn Việt Nam hvchauweld@gmail.com 0913 003 681 PGS.TS Đào Quang Kế Học viện Nông nghiệp Việt Nam dqke@vnua.edu.vn 0904 365 844 195 ... chung Công nghệ hàn tự động với bột kim loại bổ sung dựa sở công nghệ hàn tự động lớp thuốc (SAW) Đặc điểm khác công nghệ hàn tự động với bột kim loại bổ sung kim loại đắp vào rãnh hàn gồm bột kim. .. thấy với hàn có bột kim loại bổ sung thời gian hàn giảm 40,2%, suất kim loại đắp tăng tới 44,57% so với hàn tự động thông thường bột kim loại bổ sung - Cường độ dòng hàn tăng so với hàn tự động. .. thực nghiệm công nghệ hàn tự động với bột kim loại bổ sung rút số kết luận sau: - Nâng cao suất hàn so với hàn tự động thông thường (44,57%) song đảm bảo yêu cầu chất lượng liên kết hàn Việc điều