NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG TRONG CHẾ TẠO TÀU VỎTHÉP

Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi trên nước, nó có thể nổi và di chuyển được trên nước, có kết cấu phức tạp và hoạt động trong môi trường vô cùng khắc nghiệt, chịu sự tác động của nhiều yếu tố như sóng, gió…

hạn cộng thêm sự hạn chế về hiểu biết chuyên môn nên trong quá trình làm đề tài tôi có gặp một số khó khăn

Nhưng dưới sự hướng dẫn của thầy giáo: Đến nay tôi đã hoàn thành đề tài vớinôi dung: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNGSỬ DỤNG TRONG CHẾ TẠO TÀU VỎTHÉP.

Nhân đây tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo.

Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ công nhân viên Công ty TNHH một thành viên CNTT Dung Quất, đặc biệt các anh ở Phòng đào tạo và Phòng KTCN cùng các thầy trong bộ môn đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài tốt nghiệp

Và tôi xin chân thành cảm ơn những người bạn đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn!

, ngày10 tháng 11/2007 Sinh viên

Phần I ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1.1 Đối tượng nghiên cứu: công nghệ hàn tự động sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép 1.2 Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc sử dụng trong chế

tạo tàu vỏ thép

1.3 Mục tiêu nghiên cứu: Quy trình công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép

1.4 Ý nghĩa và phạm vi ứng dụng của đề tài

Phần II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tổng quan về công nghệ hàn ứng dụng trong ngành đóng tàu 1.2 Ký hiệu tiêu chuẩn của một số nước về mối hàn

1.3 Giới hạn nội dung nghiên cứu

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC

2.1 Lý thuyết cơ bản về công nghệ hàn

2.2 Khái niệm chung về hàn tự động dưới lớp thuốc

3.1 Cơ sở của việc thiết kế quy trình công nghệ hàn 3.2 Cơ sở tính toán các thông số của quy trình hàn 3.3.Thiết kế quy trình công nghệ hàn

3.4 Ứng dụng của quy trình vào chế tạo một phân đoạn của tàu tại nhà máy tham gia thực tập

Chương 4 THẢO LUẬN KẾT QUẢ

4.1 Thảo luận kết quả của quy trình được thiết kế 4.2 Đề xuất ý kiến

DỰ KIẾN THỜI GIAN THỰC HIỆN 1 Đi thực tế: Công ty CNTT Dung Quất 2 Kế hoạch hoàn thành

Từ ngày 30/07 đến ngày 30/08: hoàn thành nội dung đề cương

Từ ngày 31/08 đến ngày 30/09: đi thực tế và hoàn thành nội chương 1, 2 ,3 Từ ngày 01/10 đến ngày 01/11: hoàn thành nội dung chương 4

Từ ngày 02/11 đến ngày 10/11: hoàn thành nội dung đề tài

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tổng quan về công nghệ hàn trong đóng tàu 2

1.2 Ký hiệu tiêu chuẩn của một số nước về mối hàn 4

1.2.1 Tiêu chuẩn Anh BS.4871 4

1.2.2 Tiêu chuẩn Nhật JIS Z3201 5

1.2.3 Tiêu chuẩn Mỹ ASME, AWS D11 – 92 7

1.3 Giới hạn nội dung nghiên cứu 8

1.3.1 Lựa chọn phương pháp hàn tự động 8

1.3.2 Nội dung nghiên cứu 9

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP HÀN DƯỚI LỚP THUỐC 2.1 Lý thuyết cơ bản về công nghệ hàn 10

2.1.1 Sự tạo thành mối hàn 10

2.1.2 Tổ chức kim loại mối hàn 14

2.1.3 Đặc điểm và phân loại hàn 18

2.1.4 Ứng suất và biến dạng khi hàn 21

2.2 Khái niệm chung về hàn tự động dưới lớp thuốc 28

2.2.1 Nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc 28

2.2.2 Đặc điểm của quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc 29

2.3 Lựa chọn thiết bị hàn tự động 31

2.3.1 Bộ thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc 31

2.3.2 Trang thiết bị phụ trợ 32

2.4 Vật liệu hàn 32

2.4.1 Nguyên tắc chọn vật liệu hàn hồ quang dưới lớp thuốc 32

2.4.2 Ảnh hưởng của thuốc hàn đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn 33

2.4.3 Thuốc hàn 33

2.4.4 Dây hàn 37

2.5.3 Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu 44

2.6.3 Trường hợp hàn giáp mối nhiều lớp, hàn từ 2 phía 47

2.7 Chuẩn bị trước khi hàn 47

2.9 Một số máy hàn tự động sử dụng trong ngành đóng tàu hiện nay 55

2.10 Giới thiệu quy trình hàn đang áp dụng tại nhà máy đóng tàu Dung Quất 57

Chương 3: THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC 3.1 Cơ sở của việc thiết kế quy trình công nghệ hàn 58

3.2 Cơ sở tính toán các thông số của quy trình hàn 58

3.3.2 Vật liệu quy cách của quá trình kiểm tra cơ tính 66

3.3.3 Chuẩn bị trước khi hàn 66

3.3.4 Tiến hành lập quy trình công nghệ hàn 68

3.3.5 Nội dung chi tiết của quy trình 70 3.4 Ứng dụng quy trình và chế tạo một phân đoạn của tàu đang đóng tại nhà

3.4.3 Công tác chuẩn bị 73 3.4.4 Quá trình hàn 73

Chương 4: THẢO LUẬN KẾT QUẢ

4.1 Thảo luận kết quả của quy trình hàn 78 4.2 Đề xuất ý kiến 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

LỜI NÓI ĐẦU

Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi trên nước, nó có thể nổi và di chuyển được trên nước, có kết cấu phức tạp và hoạt động trong môi trường vô cùng khắc nghiệt, chịu sự tác động của nhiều yếu tố như sóng, gió…

Do yêu cầu quan trọng là sao cho ngày càng hạn chế các vụ đắm tàu, đảm bảo an toàn cho người đi tàu, an toàn hàng hóa chuyển chở Thiết nghĩ cần có nhiều giải pháp mới hiệu quả thiết thực để giải quyết vấn đề này Ngoài việc thiết kế tàu để đảm bảo thông số hình dáng và tính năng ra thì việc thực hiện lắp ghép các phân, tổng đoạn để đảm bảo độ kín khít, đọ bền chung của con tàu cũng là vấn đề vô cùng quan trọng.

Với mong muốn tìm hiểu và có thể đưa ra một quy trình hàn mà có thể góp phần giải quyết được yêu cầu của thực tế mang lại cho sự hoạt động tốt của con tàu Được sự cho phép của nhà trường và bộ môn tôi đã đi thực hiện đề tài với nội

dung :”Nghiên cứu thiết kế quy trình công nghệ hàn tự động sử dụng trong chếtạo tàu vỏ thép” Đề tài thực hiện gồm các nội dung như sau:

1 : Đặt vấn đề.

2: Cơ sở lý thuyết của phương pháp hàn tự động 3: Thiết kế quy trình công nghệ hàn tự động 4: Thảo luận kết quả.

Do thời gian tìm hiểu có hạn, cùng với kiến thức và kinh nghiệm còn rất nhiều hạn chế, chắc chắn đề tài còn rất nhiều thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự thông cảm và góp ý của các thầy và các bạn!

Nha Trang , ngày 10 tháng 11 năm 2007

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1

ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN TRONG ĐÓNG TÀU

Năm 1802, viện sĩ V.V Petrốt phát hiện ra hồ quang điện Sau đó đến năm 1810, nhà vật lý người Anh là Đêvi đã tiếp tục nghiên cứu về hồ quang và chứng minh khả năng dùng hồ quang điện làm nóng chảy kim loại Đến năm 1882 N.N Bennađôxơ đã sử dụng hồ quang điện làm nóng chảy kim loại và sử dụng hàn hồ quang bằng cực than Tiếp sau đó, N.G Slavianốp lại sử dụng hồ quang để hàn bằng que hàn thép và biết bảo vệ vùng hàn chống lại các khí có hại: nitơ, ôxy.

Năm 1907, Kenbbécgơ (Thụy Điển) đã tìm ra phương pháp ổn định hồ quang và bảo vệ vũng hàn bằng cách bọc que hàn bằng lớp thuốc bọc.

Trong một phần tư đầu thế kỷ XX, Liên Xô đã chế tạo nồi hơi bằng phương pháp hàn, sau đó đến chế tạo tàu thủy và các kết cấu khác Nhưng trong thời kỳ này, hàn hồ quang tay là chủ yếu Hàn hồ quang tay phát triển, người ta đã chế tạo que hàn bằng nhiều loại thép và hợp kim có tính chất khác nhau để hàn các kết cấu kim loại và hợp kim khác nhau Năm 1928, Alecxanđerơ (Mỹ) tìm ra phương pháp hàn hồ quang trong khí bảo vệ.

Năm 1929, người ta đã tìm ra phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc trong điều kiện thí nghiệm với thuốc hàn sử dụng là hỗn hợp của than gỗ, tinh bột, mùn cưa và bồ hóng Hàn tự động ra đời đã tăng được công suất hồ quang, bảo vệ được vùng hàn tốt, do vậy nâng cao được chất lượng mối hàn và tăng năng suất của quá trình hàn, đồng thời cải thiện được điều kiện làm việc cho người thợ hàn Nhờ vậy mà hàn tự động phát triển một cách nhanh chóng cả về công nghệ và thiết bị.

Sau chiến tranh Thế giới thứ hai, cùng với hàn tự động dưới lớp thuốc, phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ (MIG: Metal Inert Gas; MAG: Metal Active Gas) cũng phát triển và nó được sử dụng để hàn một số kim loại có tính hàn kém.

Năm 1949 đã ra đời phương pháp hàn nóng chảy đặc biệt – hàn điện xỉ Hàn điện xỉ ra đời có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong công nghệ chế tạo nồi hơi, thiết

bị cán, trục tuốc bin thủy lực cỡ lớn và các sản phẩm cỡ lớn khác Sau đó hàng loạt các phương pháp hàn khác ra đời: hàn bằng tia laser, hàn bằng siêu âm,…

Giải quyết khó khăn của việc lắp ghép các phân đoạn, kết cấu lại với nhau cũng là một vấn đề quan trọng mà chúng ta đã cố gắng tìm cách sao cho công nghệ lắp ghép là hiện đại, chính xác và hiệu quả nhất để trong quá trình sử dụng an toàn cho con tàu và cho con người Đến nay chúng ta có thể khẳng định rằng công nghệ hàn đã thay thế cho các phương pháp lắp ghép khác mà một thời gian dài đã kìm hãm sự phát triển của ngành công nghiệp đóng tàu với lý do không đảm bảo độ kín, độ bền kết cấu theo yêu cầu hàng hải Theo nhu cầu phát triển kinh tế ngày càng có nhiều nhà máy đóng tàu cùng với nhiều mẫu tàu với tải trọng lớn được thiết kế và đóng mới, việc đóng và sửa chữa có nhiều yêu cầu về công nghệ hàn Vì trên suốt chiều dài con tàu thì hàn kim loại được sử dụng là chủ yếu của quá trình lắp ghép.

Trải qua một thời gian dài kiểm chứng bằng việc sử dụng tàu trong thực tế thì công nghệ hàn dần như đã khẳng định được vị trí quan trọng của mình trong ngành công nghiệp đóng tàu Đáp ứng đầy đủ các yêu cầu mà tổ chức an toàn hàng hải đặt ra, có thể hàn ở mọi vị trí cũng như các tư thế mà hầu như chỉ có đặc thù của ngành đóng tàu mới có Theo số liệu thống kê nếu cùng kết cấu mà dùng các phương pháp ghép nối khác nhau thì hàn có thể tiết kiệm từ 10-20% khối lượng kim loại Đặc biệt có thể hàn các kim loại khác nhau mà đảm bảo mối hàn kín khít, có độ bền cao, giảm được nguyên công lao động.

Chúng ta không phủ nhận hoàn toàn sự cần thiết của các phương pháp lắp ghép khác Nhưng chúng ta có thể khẳng định công nghệ hàn đã và đang được sử dụng rộng rãi trong tất cả các nhà máy đóng và sửa chữa tàu thủy trên toàn thế giới cũng như ở đất nước chúng ta hiện nay.

Có hai phương pháp hàn chính là hàn nóng chảy và hàn áp lực Trong ngành công nghiệp đóng tàu chỉ sử dụng phương pháp hàn áp lực

Một số loại công nghệ hàn được sử dụng phổ biến trong ngành đóng tàu: 1 Hàn hồ quang tay;

2 Hàn khí;

3 Hàn hồ quang bán tự động trong môi trường khí bảo vệ (MIG: Metal Inert Gas; MAG: Metal Active Gas);

4 Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc; 5 Hàn hồ quang bán tự động dưới lớp thuốc.

Các nguyên công trong quy trình công nghệ đóng tàu: 1 Chuẩn bị sản xuất; 6 Lắp ráp;

3 Khai triển; 8 Lắp ráp trên đà, ụ; 4 Gia công chi tiết; 9 Sơn;

5 Hạ liệu, lấy dấu; 10 Hạ thủy.

Trong các nguyên công trên thì hàn là nguyên công cực kỳ quan trọng trong quy trình công nghệ sử dụng trong đóng tàu, nó chiếm phần lớn khối lượng công việc và thời gian của toàn bộ quy trình công nghệ.

1.2 KÝ HIỆU TIÊU CHUẨN CỦA MỘT SỐ NƯỚC VỀ MỐI HÀN1.2.1 Tiêu chuẩn Anh BS.4871

Theo tiêu chuẩn này, các tư thế hàn cơ bản khi hàn hồ quang được ký hiệu như sau:

Các tư thế hàn khác cũng được quy định như sau: Mối hàn (1G, 1F) cho tư thế hàn D

Mối hàn (2G, 2F) cho tư thế hàn X Mối hàn (4G, 3F) cho tư thế hàn O

Mối hàn (3G, 3F) cho tư thế hàn Vu và Vd

1.2.2 Tiêu chuẩn Nhật JIS Z3201

Các ký hiệu mối hàn trên bản vẽ được biểu thị trên bảng 1-1.

Bảng 1-1 Ký hiệu mối hàn trên bản vẽ theo tiêu chuẩn Nhật JIS Z3201

1.2.3 Tiêu chuẩn Mỹ ASME, AWS D11 – 92

Vị trí hàn được minh họa trên hình 1-1 Vị trí hàn được nhận biết trong dấu

a) Tư thế quay ngang (1GR) b) Tư cố định ngang (5G)

c) Tư thế đứng (2G) d) Tư thế nghiêng (6G)

Hình 1-1 Các vị trí mối hàn theo tiêu chuẩn ASME

A- Vị trí mối hàn giáp mối vát mépB- Vị trí mối hàn góc không vát mépC- Vị trí hàn ống (theo tiêu chuẩn AWS A3.0

1.3 GIỚI HẠN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU1.3.1 Lựa chọn phương pháp hàn tự động

Phương pháp hàn tự động tuy chưa được sử dụng phổ biến trong cuộc sống như hàn hồ quang que tay, hàn TiG Nhưng trong ngành công nghiệp đóng tàu thì nay đã được sử dụng khá phổ biến song song sự có mặt của các loại hàn khác Có thể nói phương pháp hàn tự động là chìa khoá kết nối công nghệ cho quá trình sản xuất, khẳng định vị thế của công nghệ hàn đặc biệt là trong lĩnh vực đóng và sửa chữa tàu thủy.

Đóng tàu là ngành công nghiệp nặng, do tàu làm việc trong điều kiện rất khắc nghiệt nhất đối với các nhà máy sửa chữa tàu nên đòi hỏi người công nhân làm việc rất tập trung và đòi hỏi thao tác độ chính xác cao, thì giờ đây với phương pháp hàn này, có thể nói nó đã giải phóng gần như hoàn toàn các thao tác trong quá trình hàn cho người công nhân, cải thiện đáng kể điều kiện làm việc của người thợ hàn, chất lượng hàn cao và nó là điểm nhấn trong sự phát triển của công nghệ hàn Chính vì vậy nên phương pháp hàn tự động đã nâng cao được năng suất lao động trong sản xuất.

Mối hàn trong ngành đóng tàu cần phải đảm bảo đầy đủ các yêu cầu của tổ chức hàng hải Với phương pháp hàn tự động thì dòng kim loại nóng chảy giờ đây không còn bị ảnh hưởng của các khí như: O2 hay N2 vì bể hàn được bảo vệ bởi thuốc hàn Ngoài ra phương pháp hàn tự động được sử dụng rộng rãi hiện nay là vì

 Nhiệt lượng của hồ quang rất tập trung và nhiệt độ rất cao, do vậy khi hàn dưới lớp thuốc cho phép hàn với dòng điện lớn và tốc độ nhanh.

 Hàn dưới lớp thuốc cho chất lượng mối hàn cao, mối hàn đều, đẹp  Giảm tiêu hao kim loại và điện năng.

 Dễ cơ khí hóa và tự động hóa  Điều kiện lao động tốt.

Hiện nay ở nước ta, phương pháp hàn tự động chỉ thực hiện các mối hàn ở tư thế 1G và 1F, nhưng có thể nói trong tương lai gần phương pháp hàn này sẽ thực hiện được mối hàn ở tất cả các tư thế.

Trong ngành công nghiệp đóng tàu hiện nay, khối lượng các đường hàn tự động dưới lớp thuốc chiếm khoảng 10%, hàn CO2 khoảng 40%, còn lại là hàn hồ quang tay nhưng trong một vài năm tới tỷ lệ này sẽ là: hàn tự động dưới lớp thuốc chiếm khoảng 30%, hàn CO2 là 50 ÷ 60%, khi đó hàn hồ quang tay chỉ còn 10% ÷ 20% Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc mở ra sự phát triển mới cho ngành công nghiệp đóng tàu nước ta đem lại năng suất lao động cao và hiệu quả sản xuất lớn Vì vậy mà hàn tự động dưới lớp thuốc đang là sự lựa chọn hàng đầu của một số nhà máy đóng tàu có quy mô lớn và hiện đại ở Việt Nam.

1.3.2 Nội dung nghiên cứu

Sự có mặt của công nghệ hàn, trong các ngành công nghiệp nó như điểm đánh dấu cho sự phát triển của ngành công nghiệp hoá, hiện đại hoá của đất nước.

Đối với ngành công nghiệp đóng tàu nó cũng có đặc thù riêng Trên suốt chiều dài tàu ta luôn gặp các chi tiết kết cấu được liên kết với nhau bằng công nghệ hàn Từ hàn bằng, hàn trần hay hàn đứng mà ít khi chúng ta có thể gặp được một ngành công nghiệp nào mà có đầy đủ các tư thế hàn đa dạng và phức tạp như vậy Chính điều này tạo ra các khó khăn cho công việc lắp ghép và đặc biệt là việc thực hiện công nghệ hàn.

Với thời gian cho phép thì nội dung nghiên cứu của đề tài là: tìm hiểu, ghiên cứu công nghệ hàn tự động và thiết kế một quy trình công nghệ hàn tự động sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép.

Nội dung của đề tài gồm các vấn đề sau: 1 Đặt vấn đề

2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc 3 Thiết kế quy trình công nghệ hàn tự động

4 Thảo luận kết quả.

1) Khái niệm về mối nối hàn, mối hàn

Mối nối được thực hiện bằng hàn gọi là mối nối hàn Mối nối hàn là mối nối liền không tháo rời được.

Vị trí nối các chi tiết gọi là mối hàn Trong hàn nóng chảy mối nối hàn gồm:

Hình 2-1 Mối nối hàn

a) Mối hàn)

Mối hàn gồm: kim loại cơ bản và kim loại điện cực (que hàn) sau khi nóng chảy kết tinh tạo thành.

b) Vùng tiệm cận mối hàn)

Vùng kim loại cơ bản được nung nóng từ nhiệt độ 100oC đến nhiệt độ gần nhiệt độ nóng chảy.

c) Kim loại cơ bản

Vùng kim loại không bị tác dụng của nhiệt trong qua trình hàn.

2) Sự tạo thành bể hàn

Khi hàn nóng chảy, dưới tác dụng của nguồn nhiệt làm cạnh hàn và kim loại phụ nóng chảy tạo nên bể kim loại lỏng Bể kim loại đó gọi là bể hàn hay vũng hàn.

Trong qua trình hàn, nguồn nhiệt dịch chuyển theo kẻ hàn, đồng thời bể hàn cũng dịch chuyển theo Bể hàn được chia làm hai phần: phần đầu và phần đuôi.

Hình 2-2 Bể hàn

a) Phần dầu bể hàn

Ở phần này xảy ra quá trình nóng chảy của kim loại cơ bản và kim loại điện cực Theo sự dịch chuyển của nguồn nhiệt, tất cả các kim loại ở phía trước bị nóng chảy.

b) Phần đuôi bể hàn

Ở phần này xảy ra quá trình kết tinh của kim loại lỏng bể hàn để tạo nên mối hàn.

Trong quá trình hàn, kim loại lỏng trong bể hàn luôn chuyển động và xáo trộn không ngừng Sự chuyển động của kim loại lỏng trong bể hàn là do tác dụng của áp lực dòng khí lên bề mặt kim loại lỏng và do tác dụng của lực điện từ, làm cho kim loại lỏng trong bể hàn bị đẩy về phía ngược với hướng chuyển dịch của nguồn nhiệt và tạo nên chỗ lõm trong bể hàn.

Hình dạng và kích thước của bể hàn phụ thuộc vào: - Công suất của nguồn nhiệt.

- Chế độ hàn.

- Tính chất lý nhiệt của kim loại vật hàn.

Hình dạng của bể hàn được đặc trưng bởi các đại lượng:

Hệ số hình dạng của bể hàn có ảnh hưởng lớn đến quá trình kết tinh, do đó ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Nếu b/l lớn (bể hàn rộng) thì điều kiện kết tinh tốt, sau khi kết tinh nhận được mối hàn có chất lượng cao Ngược lai, nếu b/L nhỏ thì sau khi kết tinh có thể gây ra nứt ở trục mối hàn.

3) Sự dịch chuyển của kim loại lỏng từ điện cực vào bể hàn

Sự dịch chuyển của kim loại lỏng từ điện cực và bể hàn không những ảnh hưởng đến sự tạo thành mối hàn, mà còn ảnh hưởng đến thành phần và chất lượng mối hàn.

Khi hàn hồ quang tay, dù hàn bằng phương pháp nào và hàn ở bất kỳ vị trí nào thì kim loại lỏng cũng đều chuyển dịch từ que hàn vào bể hàn dưới dạng những giọt kim loại có kích thước khác nhau Sự chuyển dịch của kim loại lỏng từ que hàn vào bể hàn là do các yếu tố sau:

a) Trọng lực của giọt kim loại lỏng

Những giọt kim loại được hình thành ở mặt đầu que hàn, dưới tác dụng của trọng lực sẽ dịch chuyển từ trên xuống dưới theo phương thẳng đứng vào bể hàn.

Lực trọng trường chỉ có tác dụng làm chuyển dịch các giọt kim loại lỏng vào bể hàn khi ở vị trí sấp, còn khi hàn ngửa yếu tố này hoàn toàn không thuận lợi.

b) Sức căng bề mặt

Sức căng bề mặt sinh ra do tác dụng của lực phân tử Lực phân tử luôn có khuynh hướng tạo cho bề mặt kim loại lỏng có một năng lượng nhỏ nhất, tức là làm cho bề mặt kim loại lỏng thu nhỏ lại Muốn vậy thì những giọt kim loại lỏng phải có dạng hình cầu Những giọt kim loại lỏng hình cầu chỉ mất đi khi chúng rơi vào bể hàn và bị sức căng bề mặt của bể hàn kéo vào thành dạng chung của nó.

c) Lực từ trường

Dòng điện khi đi qua điện cực sẽ sinh ra một từ trường Lực của từ trường này ép lên que hàn làm cho ranh giới giữa phần rắn và phần lỏng của que hàn bị thắt lại.

Hình 2- 4 Tác dụng của lực từ trường ép lên que hàn

Do bị thắt lại nên diện tích tiết diện ngang tại chỗ đó giảm, làm mật độ và cường độ của lực từ trường mạnh lên Mặt khác, tại chỗ thắt do có điện trở cao nên nhiệt sinh ra lớn, làm kim loại nhanh chóng đạt đến trạng thái sôi và tạo ra áp lực lớn đẩy các giọt kim loại lỏng vào bể hàn.

Lực từ trường có khả năng làm chuyển dịch các giọt kim loại lỏng từ đầu que hàn vào bể hàn ở mọi vị trí.

d) Áp lực khí

Khi hàn, kim loại lỏng ở đầu que hàn bị quá nhiệt mạnh và sinh ra khí Ở nhiệt độ cao, thể tích của khí tăng và tạo ra áp lực lớn đủ để đẩy các giọt kim loại lỏng tách khỏi đầu que hàn để đi vào bể hàn.

2.1.2 Tổ chức kim loại của mối hàn

Sau khi hàn, kim loại lỏng trong bể hàn kết tinh để tạo thành mối hàn Vùng kim loại xung quanh mối hàn do bị ảnh hưởng của nhiệt nên có sự thay đổi về tổ chức và tính chất Vùng đó gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt.

Nghiên cứu tổ chức mối hàn của thép cácbon thấp thấy chúng có các phần riêng với tổ chức khác nhau.

1) Vùng mối hàn

Trong vùng mối hàn kim loại nóng chảy hoàn toàn, khi kết tinh có tổ chức tương tự như tổ chức thỏi đúc Thành phần và tổ chức kim loại mối hàn khác với kim loại cơ bản và kim loại điện cực.

Hình 2-5 Tổ chức kim loại của mối hàn

a) Vùng ngoài cùng

Ở vùng này do tản nhiệt nhanh nên kim loại lỏng trong vũng hàn kết tinh với tốc độ nguội lớn Do vậy, sau kết tinh nhận được tổ chức kim loại với những hạt tinh thể nhỏ mịn.

b) Vùng trung gian

Kim loại lỏng ở vùng trung gian không thể kết tinh với tốc độ nguội lớn như vùng ngoài cùng Các tinh thể kết tinh theo phương tản nhiệt nhưng có chiều ngược lại Do tốc độ nguội tương đối chậm nên sau khi kết tinh nhận được các hạt tinh thể dài có trục vuông góc với mặt tản nhiệt

c) Vùng trung tâm

Kim loại lỏng ở vùng trung tâm kết tih với tốc độ nguội chậm và trong vùng này kim loại lỏng có nhiệt độ hầu như giống nhau, do vậy chúng kết tinh gần như đồng thời và hướng tỏa nhiệt theo các phương đều như nhau Sau khi kết tinh nhận được các tổ chức kim loại gồm cac hạt đều trục Trong vùng trung tâm có thể có các tạp chất phi kim loại – xỉ

Tùy thuộc vào tốc độ nguội mà trong tổ chức của kim loại mối hàn có thể có hoặc không có vùng trung gian hoặc vùng trung tâm.

- Nếu tốc độ nguội lớn thì các tinh thể hạt dài có thể phát triển sâu vào trung tâm bể hàn, khi đó kim loại mối hàn chỉ có 2 vùng: vùng ngoài cùng với các hạt nhỏ mịn và vùng trung gian với các hạt tinh thể dài.

- Nếu tốc độ nguội rất chậm thì vùng tinh thể hạt dài (vùng trung gian) có thể không có.

2) Vùng ảnh hưởng nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước củakhu vực ảnh hưởng nhiệt

a) Vùng ảnh hưởng nhiệt

Khi hàn nóng chảy, việc tạo thành vùng ảnh hưởng nhiệt luôn xảy ra Kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt phụ thuộc vào:

- Phương pháp và chế độ hàn.

- Thành phần và chiều dày của kim loại vật hàn Tổ chức kim loại của khu vực ảnh hưởng nhiệt

Hình 2-6 Tổ chức kim loại của khu vực ảnh hưởng nhiệt

 Vùng viền chảy

Trong vùng này kim loại cơ bản bị nung nóng đến nhiệt gần nhiệt độ nóng chảy (kim loại ở trạnh thái R-L) Thực chất ở đây quá trình hàn đã xảy ra Chiều rộng của vùng viền chảy tương đối nhỏ khoảng (0,10,5) mm.

 Vùng quá nhiệt

Vùng kim loại cơ bản bị nung nóng từ nhiệt độ khoảng 1100oC đến gần nhiệt độ nóng chảy Trong vùng này kim loại có thể chuyển biến tổ chức, đồng thời do bị quá nhiệt nên hạt autennit phát triển rất mạnh, vì vậy sau khi nguội nhận được các hạt tinh thể lớn có độ dẻo, độ dai thấp.

Chiều rộng của vùng quá nhiệt có thể đạt (3 ÷ 4) mm  Vùng thường hóa

Vùng kim loại cơ bản bị nung nóng đến nhiệt độ khoảng (900 ÷ 1100)oC Ở nhiệt độ này kim loại có tổ chức hoàn toàn là autennit, sau khi nguội nhận được tổ chức P + F hạt nhỏ có cơ tính cao Chiều rộng của vùng thường hóa khoảng 0,25 mm.

 Vùng kết tinh lại không hoàn toàn

Vùng kim loại bị nung nóng đến nhiệt độ khoảng (727 ÷ 900)oC Trong khoảng nhiệt độ này tổ chức của kim loại là autennit + ferit Sau khi nguội nhận được tổ chức peclic và ferit hạt lớn Tổ chức này có cơ tính tương đối thấp Chiều rộng của vùng kết tinh lại khoảng (0,1 ÷ 5) mm.

 Vùng kết tinh lại

Vùng kim loại bị nung nóng đến nhiệt độ (500 ÷ 700)oC Trong vùng này xảy ra quá trình sáp nhập của các hạt tinh thể nhỏ lại với nhau để tạo ra các hạt tinh thể mới Quá trình này chỉ xảy ra với những kim loại và hợp kim có biến dạng dẻo, còn những kim loại và hợp kim không có biến dạng dẻo thì không xảy ra quá trình này Kim loại ở vùng kết tinh lại có độ cứng thấp, độ dẻo cao Chiều rộng của vùng kết tinh lại khoảng (0,1 ÷ 5) mm.

 Vùng giòn xanh

Vùng kim loại bị nung nóng đến nhiệt độ (200 ÷ 400)oC trong vùng này kim loại không thay đổi về tổ chức, nhưng do ảnh hưởng của nhiệt nên tồn tại ứng suất dư.

b) Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước của khu vực ảnh hưởng nhiệt

Kích thước của khu vực ảnh hưởng nhiệt được xác định trên đường cong thay đổi tổ chức của cùng ảnh hưởng nhiệt.

Khu vực ảnh hưởng nhiệt có ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính và chất lượng của mối hàn.

Khu vực ảnh hưởng nhiệt càng nhỏ thì nội ứng suất sinh ra khi hàn lớn và dễ có khả năng phát sinh vết nứt Khu vực ảnh hưởng nhiệt càng lớn thì khả năng biến dạng lớn.

Cơ tính kim loại của khu vực ảnh hưởng nhiệt (trừ vùng thường hóa) thấp hơn kim loại cơ bản Do vậy, khi hàn phải hạn chế kích thước của vùng ảnh hưởng nhiệt.

Kích thước của khu vực ảnh hưởng nhiệt phụ thuộc vào: * Phương pháp hàn

Hàn bằng các phương pháp khác nhau thì kích thước của khu vực ảnh hưởng nhiệt khác nhau.

Bảng 2-1cho biết sự phụ thuộc của kích thước đối với khu vực ảnh hưởng nhiệt vào phương pháp hàn.

Bảng 2-1 Sự phụ thuộc của kích thước đối với khu vực ảnh hưởng nhiệt vào phương pháp

Chế độ hàn có ảnh hưởng lớn đến kích thước của khu vực ảnh hưởng nhiệt - Hàn với cường độ dòng điện hàn lớn hoặc hàn với ngọn lửa công suất lớn thì kích thước của khu vực ảnh hưởng nhiệt lớn.

- Tốc độ hàn lớn thì kích thước của khu vực ảnh hưởng nhiệt nhỏ * Thành phần kim loại vật hàn

Tính dẫn nhiệt của kim loại vật hàn càng lớn thì kích thước của khu vực ảnh hưởng nhiệt càng nhỏ.

2.1.3 Đặc điểm và phân loại hàn

Về thực chất hàn là phương pháp công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử thành một liên kết vững không tháo rời Việc nối này được thực hiện bằng nguồn nhiệt (hoặc nhiệt và áp lực) để nung nóng chỗ nối đến trạng thái hàn (trạng thái lỏng hoặc dẻo) Sau đó kim loại kết tinh (ứng với trạng thái lỏng) hoặc dùng áp lực ép (ứng với trạng thái dẻo) để các phần tử liên kết với nhau cho ta mối hàn.

1) Đặc điểm hàn

- Tiết kiệm kim loại Với cùng loại kết cấu kim loại, nếu so sánh với các

phương pháp ghép nối khác, hàn tiết kiệm 10 ÷ 20% khối lượng kim loại.

- Có thể hàn các kim loại khác nhau để tiết kiệm kim loại quí hoặc tạo các kết cấu đặc biệt.

- Mối hàn có độ bền cao và bảo đảm độ kín khít Thông thường mối hàn kim loại được hợp kim hóa tốt hơn kim loại vật hàn.

- Hàn có năng suất cao, vì có thể giảm được số lượng nguyên công, giảm cường độ lao động, ngoài ra công nghệ hàn còn dễ tự động hóa, cơ khí hóa.

Tuy nhiên hàn còn 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 đi làm giảm khả năng chịu tải trọng động của mối hàn; mặt khác cũng dễ gây biến dạng các kết cấu hàn Trong mối hàn cũng dễ bị khuyết tật rỗ khí, nứt, ngậm xỉ,…

Do có nhiều ưu điểm hơn nên các phương pháp ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như: đóng tàu, chế tạo máy, giao thông vận tải, xây dựng, hóa chất,…

2) Phân loại hàn

Ngày nay hàn đã có hàng trăm phương pháp khác nhau Theo trạng thái hàn có thể chia làm 2 nhóm

1 Hàn laser; 2 Hàn hồ quang plasma;3 Hàn chùm tia điện tử; 4.Hàn hồ quang điện;

7 Hàn nhiệt nhôm; 8 Hàn hồ quang tay;

9 Hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc; 10 Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ;11 Hàn hồ quang tay điện cực nóng chảy; 12 Hàn hồ quang tay điện cực không nóng chảy;13 Hàn trong môi trường khí argon;14 Hàn trong môi trường khí hêli;

15 Hàn trong môi trường khí nitơ;16 Hàn trong môi trường khí CO2;

19 Hàn nguội; 20 Hàn điện tiếp xúc;

21 Hàn ma sát; 22 Hàn khuếch tán trong chân không;

25 Hàn giáp mối; 26 Hàn điểm;

27 Hàn đường; 28 Hàn bằng điện cực giả;29 Hàn điểm bằng tụ.

Trong ngành công nghiệp đóng tàu chỉ sử dụng phương pháp hàn nóng chảy Đối với phương pháp hàn nóng chảy yêu cầu nguồn nhiệt có công suất đủ lớn (ngọn lửa oxy – axetylen, hồ quang điện, ngọn lửa plasma, …) đảm bảo nung nóng cục bộ phần kim loại ở mép hàn của vật liệu cơ bản và que hàn (vật kiệu hàn) tới nhiệt độ chảy.

Khi hàn nóng chảy, các khí xung quanh nguồn nhiệt có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình luyện kim và hình thành mối hàn Do đó để điều chỉnh quá trình hàn theo chiều hướng tốt thì phải dùng các biện pháp công nghệ nhất định: dùng thuốc bảo vệ, khí bảo vệ, hàn trong chân không,…

Trong nhóm hàn này, ta thường gặp các phương pháp hàn khí, hàn hồ quang tay, hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc, hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ, hàn điện xỉ, hàn plasma,…

2.1.4 Ứng suất và biến dạng khi hàn

1) Nguyên nhân gây ra ứng suất và biến dạng

Khi hàn, vật hàn bị nung nóng cục bộ trong khoảng thời gian rất ngắn và đạt đến nhiệt độ rất cao Sự phân bố nhiệt theo phương thẳng góc với trục mối hàn rất khác nhau, nên sự thay đổi thể tích ở vùng lân cận mối hàn cũng khác nhau Kết quả làm cho trong vật hàn sinh ra ứng suất.

Ứng suất và biến dạng sinh ra trong quá trình hàn là do các nguyên nhân sau:

a) Do nung nóng và làm nguội không đều kim loại vật hàn

Sự phân bố nhiệt độ trên vật hàn không đều làm vật hàn dãn nở không đều, do vậy làm cho mối hàn và vùng lân cận mối hàn tồn tại ứng suất Ứng suất này làm cho vật hàn bị biến dạng hoặc có thể bị nứt.

b) Do sự co ngót của kim loại lỏng trong vũng hàn khi kết tinh

Khi đông đặc kim loại lỏng bị giảm thể tích, do vậy sinh ra ứng suất trong liên kết hàn Sự giảm thể tích của kim loại lỏng khi đông đặc gọi là độ co ngót.

Độ co ngót phụ thuộc vào: - Tính chất của kim loại vật hàn.

Các kim loại khác nhau có độ co ngót khác nhau.

c) Do sự biến đổi tổ chức của kim loại mối hàn và vùng lân cận mối hàn

Do ảnh hưởng của nhiệt nên kim loại mối hàn và vùng lân cận mối hàn thay đổi tổ chức, do vậy tạo nên ứng suất trong vật hàn Đặc biệt khi hàn thép hợp kim và thép cacbon cao là các thép dễ bị tôi thì ứng suất này có thể đạt đến trị số rất lớn.

Trị số và sự phân bố ứng suất phụ thuộc vào: - Tính chất của vật liệu hàn.

Vật hàn có tính dẻo tốt, khi hàn dễ bị biến dạng vật hàn có tính dẻo kém, khi hàn dễ tạo nên ứng suất.

- Chiều dày vật hàn.

Vật hàn có chiều dày khác nhau thì khả năng sinh ra ứng suất và biến dạng khi hàn cũng khác nhau Vật hàn mỏng thì khi hàn gây ra biến dạng lớn, nhưng ứng suất sinh ra nhỏ Vật hàn dày thì ứng suất tạo ra khi hàn lớn, nhưng biến dạng nhỏ.

Khi hàn giáp mối có vát mép (chữ V, U) do kim loại nóng chảy tập trung nhiều ở vát mép, nên khi kết tinh sinh ra biến dạng góc.

Hình 2-7 Biến dạng góc mối hàn vát mép chữ V do ứng suất co ngót

Sự co ngót góc hoặc sự biến dạng góc phụ thuộc vào dạng mối hàn, phương pháp công nghệ, chiều dày vật hàn.

Để chống lại lực co ngót góc, cần phải tác dụng một lực P

Ứng suất tồn tại trong liên kết hàn kết hợp với ứng suất do ngoại lực tác dụng sẽ tạo ra khả năng xuất hiện vết nứt và làm phá hủy liên kết hàn khi làm việc.

Ứng suất tác dụng song song với trục mối hàn - ứng suất dọc Ứng suất dọc xuất hiện do sự co dọc mối hàn Trị số của ứng suất dọc phụ thuộc vào chiều dài mối hàn Ứng suất dọc càng lớn khi mối hàn có chiều dài càng lớn Do ảnh hưởng của ứng suất dọc làm cho mối hàn cong vênh.

b) Ứng suất và biến dạng ngang

Ứng suất ngang xuất hiện do sự co ngang của mối hàn Sự tồn tại của ứng suất ngang làm vật hàn bị biến dạng.

Trị số và sự phân bố ứng suất ngang phụ thuộc vào: - Chiều dày vật hàn và số lớp hàn.

Vật hàn càng dày và số lớp hàn càng nhiều thì ứng suất ngang càng lớn - Sự kẹp chặt vật hàn.

Việc kẹp chặt vật hàn khi hàn sẽ làm cản trở sự dịch chuyển của các phần tử, do vậy có thể gây ra ứng suất ngang lớn làm phá hủy liên kết hàn.

- Thứ tự hàn.

Thứ tự thực hiện các đường hàn khác nhau có ảnh hưởng rất lớn đến trị số và sự phân bố ứng suất ngang Thực tế cho thấy khi hàn nếu tiến hành từ hai đầu vào thì trị số ứng suất ở phần giữa mối hàn đạt giá trị lớn nhất, có thể làm gãy liên kết hàn Do vậy, khi hàn không được hàn từ hai đầu vào.

c) Biến dạng góc

Biến dạng góc xuất hiện do sự co ngót của kim loại không đều theo tiết diện mối hàn Biến dạng góc là sự quay tương đối giữa tấm này với tấm kia một góc nào đó.

Biến dạng góc thường xuất hiện khi hàn các mối hàn giáp mối vát “V”, mối hàn góc, chữ T.

Khi hàn mối hàn liên kết chữ T, biến dạng góc làm cong vênh tấm cánh (tấm biên) tạo thành hình “nấm” Góc di chuyển tấm cánh khi tạo thành hình nấm phụ thuộc vào chiều dày tấm cánh và tiết diện ngang của mối hàn liên kết giữa chúng.

Biến dạng góc khi hàn phụ thuộc vào:

Bảng 2-3 Độ biến dạng góc khi hàn

3) Các biến pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàna) Các biện pháp thiết kế

- Khi thiết kế các kết cấu phải chọn kim loại cơ bản và kim loại điện cực thích hợp Kim loại cơ bản phải không có khuynh hướng bị tôi khi nguội ngoài không khí, còn kim loại điện cực phải có độ dẻo không nhỏ hơn kim loại cơ bản.

- Không nên thiết kế các mối hàn tập trung hay giao nhau, nhất là đối với những kết cấu làm việc trong điều kiện tải trọng động.

- Không nên thiết kế các mối hàn khép kín với kích thước nhỏ.

- Giảm số lượng mối hàn đến mức tối thiểu và kích thước mối hàn không được lớn hơn kích thước thiết kế.

- Các gân tăng cứng phải bố trí đối xứng để khi hàn sẽ nung nóng cùng một chỗ ở hai phía của kim loại vật hàn, như vậy sẽ giảm được sự co ngang và giảm được ứng suất chung cho cả cơ cấu.

- Với liên kết giáp mối, nếu kết cấu có chiều dày khác nhau thì phải vát bớt tấm dày để việc nung nóng được đồng đều.

- Đối với các kết cấu phức tạp phải thiết kế thành các bộ phận riêng, sau đó mới lắp ghép chúng lại thành kết cấu lớn.

b) Các biện pháp công nghệ khi hàn

Để giảm ứng suất và biến dạng cho vật hàn, khi hàn có thể áp dụng các biện pháp sau:

- Hàn các vật dày phải nung nóng sơ bộ trước khi hàn, đồng thời phải giảm bớt cường độ dòng điện hàn hoặc công suất ngọn lửa

- Hàn các chi tiết kẹp chặt phải chú ý đến thứ tự thực hiện các đường hàn để vật hàn luôn ở trạng thái tự do.

- Chọn chế độ hàn để sao cho vùng ứng suất tác dụng là nhỏ nhất.

Trường hợp hàn mối thứ hai đối xứng với mối hàn thứ nhất thì nên tăng cường độ dòng điện hàn để tăng vùng ứng suất tác dụng, như vậy sẽ khử được độ uốn do biến dạng hàn gây ra.

- Hàn theo phương pháp phân đoạn ngược - Dùng phương pháp cân bằng biến dạng.

Biến dạng do mối hàn trước gây ra sẽ được cân bằng với biến dạng do các mối hàn sau đối xứng với mối hàn trước gây nên.

Thứ tự thực hiện các mối hàn khi hàn dầm chữ I.

Phương pháp này được áp dụng khi hàn các mối hàn đối xứng nhau.

- Dùng phương pháp biến dạng ngược Trước khi hàn tạo ra biến dạng có chiều ngược với biến dạng do quá trình hàn gây ra phương pháp này được thể hiện rõ trên mối hàn giáp mối vát mép chữ “V”.

Hình 2-9 Tạo biến dạng ngược khi hàn

- Khi hàn các tấm rộng, để giảm cong vênh người ta dùng đồ gá kẹp chặt mép hàn Sau khi hàn xong phải để vật hàn biến dạng tự do.

c) Các biện pháp công nghệ sau khi hàn

Sau khi hàn, trong vật hàn vẫn còn tồn tại ứng suất dư và bị biến dạng Để khắc phục, người ta áp dụng các biện pháp sau:

- Xử lý nhiệt sau khi hàn - Tạo lực ép

- Nắn

Nắn có thể tiến hành bằng hai cách: nắn nóng và nắn nguội + Nắn nguội:

Tác dụng lực vào phần bị co để đạt được hình dáng và kích thước theo thiết kế Khi nắn nguội thường gây ra hiện tượng biến cứng và làm tăng ứng suất, do vậy vật hàn dễ bị nứt, thậm chí có thể gây ra gãy Vì vậy, phương pháp này ít được sử dụng.

+ Nắn nóng:

Nắn nóng được dựa trên nguyên tắc cân bằng biến dạng bằng cách tạo ra nội ứng suất trong liên kết hàn Ứng suất này được cân bằng với ứng suất tạo ra ban đầu Nắn nóng tiến hành bằng cách nung nóng nhanh bề mặt kim loại đến nhiệt độ nào đó rồi làm nguội, khi đó vùng được nung nóng sẽ co lại và trở về hình dạng đúng như thiết kế.

2.2 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC

Các nguyên công cơ bản của quá trình công nghệ hàn là: gây hồ quang, dịch chuyển điện cực dọc theo trục mối hàn để hàn hết chiều dài mối hàn Những nguyên công này khi hàn tự động được thực hiện bằng máy.

2.2.1 Nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc

Hình 2-10 Nguyên lý quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc

Nguyên lý của quá trình hàn dưới lớp thuốc được trình bày trên hình 2-10 Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc (gọi tắt là hàn dưới lớp thuốc) là một quá trình hàn hồ quang trong đó một hoặc nhiều hồ quang hình thành giữa một hoặc nhiều điện cực (dây hàn) và kim loại cơ bản Một phần lượng nhiệt sinh ra trong hồ quang điện làm nóng chảy điện cực, một phần vào kim loại cơ bản và tạo thành mối

hàn Phần nhiệt còn lại nung chảy thuốc hàn, tạo thành lớp xỉ và khí bảo vệ hồ quang và kim loại nóng chảy.

2.2.2 Đặc điểm của quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc

Trên hình 2-11 là sơ đồ cân bằng nhiệt khi hàn dưới lớp thuốc So với hàn hồ quang tay, có sự khác biệt đáng kể trong lượng nhiệt truyền vào kim loại cơ bản Một phần thuốc hàn không sử dụng hết sẽ được tái sử dụng thông qua hệ thống thu hồi thuốc hàn Hệ thống điều khiển đảm bảo cấp đều dây hàn xuống vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây hàn.

Với phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc, các công đoạn sau đây đều được tự động hóa: việc cấp thuốc hàn xuống vùng phía trước hồ quang, việc cấp dây hàn xuống đầu hàn và việc điều chỉnh chiều dài hồ quang và dao động ngang của hồ quang (nếu cần).

Những ứng dụng tiêu biểu của hàn dưới lớp thuốc trong chế tạo các kết cấu tấm dày là hàn bình áp lực, đường ống, bể chứa, kết cấu lớn, tàu biển, toa xe lửa, dầm cầu thép, hàn đắp các lớp đặc biệt lên bề mặt thép.

1) Ưu điểm chung của hàn tự động dưới lớp thuốc

1 Không phát sinh khói, hồ quang kín, do đó giảm thiểu nhu cầu đối với trang phục bảo hộ của thợ hàn Không đòi hỏi kỹ năng cao của thợ hàn, điều kiện lao động thuận lợi.

2 Chất lượng kim loại mối hàn cao Bề mặt mối hàn trơn và đều không có bắn tóe kim loại Chất lượng mối hàn cao hơn so với hàn hồ quang tay do hình dạng và bề mặt mối hàn tốt Tiết kiệm kim loại do sử dụng dây hàn liên tục

3 Tốc độ đắp và tốc độ hàn cao Có năng suất cao hơn từ 5 ÷ 10 lần so với hàn hồ quang tay (dòng điện hàn và tốc độ hàn cao hơn, hệ số đắp lớn) Vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, ít biến dạng sau khi hàn Dễ tự động hóa.

Hình 2-11 Sơ đồ cân bằng nhiệt khihàn dưới lớp thuốc

2) Những nhược diểm của hàn tự động dưới lớp thuốc

1 Đòi hỏi kim loại cơ bản và vật liệu hàn phải sạch hơn so với hàn hồ quang tay Chuẩn bị trước khi hàn công phu hơn.

2 Không thể quan sát trực tiếp vũng hàn Chỉ hàn được ở tư thế hàn sấp, với các đường hàn có hình dạng tương đối đơn giản (thẳng, tròn quay).

3 Thiết bị có giá thành cao.

3) Tổ chức kim loại mối hàn

Tổ chức kim loại mối hàn và tính đồng nhất của nó có ảnh hưởng quyết định đến tính chất của liên kết hàn Tổ chức sơ cấp (kim loại kết tinh) của mối hàn nói chung có dạng các tinh thể hình trụ như khi đúc; trục chính của nó có hướng trùng với hướng truyền nhiệt tối đa Các đường đẳng nhiệt kết tinh trên bề mặt mối hàn có dạng parabol và nói chung trùng với biên dạng bên ngoài của bề mặt mối hàn Các gradient nhiệt độ tối đa cũng như các trục chính của các tinh thể hình cột tại mỗi điểm đều vuông góc với các đường đẳng nhiệt kết tinh Các tinh thể hình trụ cũng có hình dạng và hướng tương tự theo hướng tiết diện ngang.

Khi tốc độ hàn cao, tại vùng giữa bề mặt mối hàn không hình thành các hình vòng cung liên tục đặc trưng cho các đường đẳng nhiệt, mà trong đường hàn lại thấy xuất hiện sự gợn sóng Tiếp tục tăng tốc độ hàn sẽ làm xuất hiện tại vùng giữa đó các khuyết tật và lẫn xỉ hàn.

Hình 2-12 Hướng kết tinh của

các tinh thể mối hànHình 2-13 Các đường đẳng nhiệttrên bề mặt mối hàn

Hình 2-14 Bề mặt mối hàn khi tốc độ hàn cao

2.3 LỰA CHỌN THIẾT BỊ HÀN TỰ ĐỘNG

Thiết bị cơ bản cho hàn tự động dưới lớp thuốc bao gồm:

1 Bộ phận cấp dây hàn có chức năng cấp dây hàn tới vùng hồ quang thông qua ống tiếp xúc của đầu hàn.

2 Nguồn điện hàn cung cấp dòng điện hàn cho dây hàn tại ống tiếp xúc 3 Bộ phận giữ và cấp thuốc cho hồ quang.

4 Bộ phận điều khiển dao động ngang.

2.3.1 Bộ thiết bị hàn hàn tự động dưới lớp thuốc.

 Nguồn hàn

Máy hàn tiêu biểu gồm biến áp hàn, bộ chỉnh lưu, cuộn cản, quạt làm mát, bộ phận bảo vệ, biến áp điều khiển và contactơ dòng hàn Mọi điều khiển điều thực hiện ở mặt trước máy.

 Xe hàn (xe tự hành chứa đầu

hàn) có 2 bánh truyền động phía sau, 2 bánh bị động phía trước và động cơ đẩy một

chiều có hộp giảm tốc Tốc độ xe được đặt bằng tay từ 0,2 ÷ 2,0 m/phút (điều chỉnh điện từ) Hướng đi của xe được đặt trước bằng công tắc Xe có thể làm cho đầu hàn thực hiện dao động ngang.

 Cần đỡ đầu hàn và đầu hàn Có thể điều chỉnh chính xác chiều

cao đầu hàn và góc nghiêng của nó (cho hàn liên kết chữ T, nghiêng 45o) Đầu hàn chứa bộ phận nắn và cấp dây từ cuộn dây vào ống tiếp xúc (có chức năng dẫn dòng điện hàn) Bộ cấp dây gồm động cơ một chiều, 4 trục đẩy dây, hộp giảm tốc và cuộn dây hàn Có thể dùng núm điều khiển trên bảng điều khiển để thay đổi liên tục tốc độ cấp dây từ điều khiển; 5 hộp chứa cuộn dây hàn; 6 độngcơ cấp dây hàn; 7 các con lăn đẩy dây; 8 giáđỡ ống tiếp xúc; 9 đầu dẫn hướng; 10 hộp chứathuốc hàn

0,1 ÷ 7,5 m/phút (tốc độ này được điều khiển bằng điện từ) Đầu hàn thường bao gồm cả bộ phận dẫn hướng để dò vị trí rãnh hàn ở phía trước mối hàn Một số thiết bị hiện đại còn sử dụng các đầu dò laser Ngoài ra đầu hàn còn được gắn phiễu chứa thuốc hàn.

 Bảng điều khiển nằm trên xe hàn; chế độ hàn được điều khiển từ mặt

trước của bảng Bảng điều khiển bao gồm đồng hồ chỉ tốc độ xe hàn (m/phút), ampe kế và vôn kế; chiết áp xoay để đặt tốc độ xe hàn và tốc độ cấp dây; công tắc đổi chiều đi của xe hàn; cơ cấu điều chỉnh dây lên xuống; nút khởi động và tắt.

2.3.2 Trang thiết bị phụ trợ

Các trang thiết bị phụ trợ được dùng tùy trường hợp và có thể bao gồm:  Đường ray cho xe hàn – dùng cho mối hàn thẳng.

 Bộ gá lắp đặc biệt khi xe hàn chuyển động trực tiếp trên vật hàn  Bộ thu hồi thuốc hàn chưa dùng hết (máy hút thuốc hàn dư)  Đồ gá vật hàn và xe hàn (đầu hàn)

2.4 VẬT LIỆU HÀN

Với hàn dưới lớp thuốc, vật liệu hàn (bao gồm dây hàn và thuốc 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 luyện kim khi hàn.

Thuốc 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 loạimối 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 tố 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 lớn 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 2300oC) và nhiệt độ trung bình của vũng hàn tương đối cao (1770  100oC) tạo thuận lợi cho các phản ứng tỏa nhiệt

Để đơn giản hóa khi lựa chọn, trên 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 tố hợp kim khác vào kim loại mối hàn nếu là thuốc 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 hàn có thể mang đặc tính axit, hay

bazơ, tính theo hệ số axit A:

A = (SiO2 +TiO2 + ZrO2)/(CaO +MgO + MnO + K2O + Na2O)

Khi A < 0,9 thuốc hàn thuộc loại bazơ; khi A >1,1 thuốc hàn thuộc 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 hiệu dây hàn và thuốc hàn cho hàn dưới lớp thuốc thép kết cấu” của Viện Hàn Quốc tế phân loại CaO + MgO + SiO2 60%min ZrO + SiO2 30%min.

Oxit nhôm – rutil Oxit nhôm – bazơ FB CaO + MgO + MnO + CaF2 50%min.

SiO2 20%max CaF2 15%min.

Bazơ - fluorit

Ngoài ra còn có các ký hiệu viết tắt, chỉ loại thuốc hàn như sau: F (fused): loại nung chảy;

B (bonded): loại liên kết, tức là thuốc hàn gốm;

M (mechanically mixed): loại trộn hỗn hợp cơ học (loại thiêu kết);

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 và Si thích hợp, 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 hoàn nguyên của chúng không được vượt quá 0,4%).