nghiên cứu chế tạo thuốc hàn tự động bằng vật liệu trong n ớc để hàn kết cấu thép thay thế thuốc hàn nhập ngoại

Bộ Công thơng Tổng Công ty Máy động lực máy nông nghiệp Viện Công nghệ Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN M số: 242.07RD/HĐ-KHCN Tên đề tài: nghiên cứu chế tạo thuốc hàn tự động vật liệu nớc để hàn kết cấu thép thay thuốc hàn nhập ngoại Cơ quan chủ quản: Bộ Công thơng Cơ quan chủ trì: Viện Công nghệ Chủ nhiệm đề tài: KS Nguyễn văn thống 6796 12/4/2008 Hà Nội, - 2008 Bộ Công thơng Tổng Công ty Máy động lực máy nông nghiệp Viện Công nghệ Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN M số: 242.07RD/HĐ-KHCN Tên đề tài: nghiên cứu chế tạo thuốc hàn tự động vật liệu nớc để hàn kết cấu thép thay thuốc hàn nhập ngoại Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài Viện Công nghệ KS Nguyễn Văn Thống Hà Nội, - 2008 Mục lục Lời mở đầu Phần I Khái quát thuốc hàn cho máy hàn tự động I Việc bảo vệ mối hàn hàn nóng chảy ảnh hởng không khí đến mối hàn Công việc bảo vệ mối hàn Các phơng pháp bảo vệ mối hàn 4 Bảo vệ mối hàn khỏi thâm nhập ô-xy 5 Bảo vệ mối hàn khỏi thâm nhập hiđrô Vai trò xỉ hàn 10 Yêu cầu hợp kim hóa mối hàn 11 II Thuốc hàn cho máy hàn tự động 1 Hoạt động máy hàn tự động 11 Tác động thuốc hàn máy hàn tự động 13 Các loại thuốc hàn tự động 14 III Thuốc hàn tự động dạng gốm 15 Các nhóm thuốc hàn tự động dạng gốm 15 Vật liệu làm thuốc hàn dạng gốm 16 Phần II Nghiên cứu chế tạo thuốc hàn tự động dạng gốm 18 I Lựa chọn loại thuốc hàn 18 II Lựa chọn thành phần thuốc hàn 18 III Quy trình chế tạo thuốc hàn dạng gốm 22 IV Dây chuyền thiết bị 24 V Sản xuất thử nghiệm thuốc hàn 25 VI Công thức pha trộn nguyên liệu 26 Phần III Kết luận 27 I Đặc tính kĩ thuật thuốc hàn chế tạo 27 II So sánh với thuốc hàn nhập ngoại 27 III Hớng dẫn sử dụng thuốc hàn chế tạo 28 IV Khả chế tạo nớc 28 Phần IV Phụ lục 31 Tài liệu tham khảo 55 Lời mở đầu Trong phát triển chung nghành công nghiệp, nghề hàn đóng vai trò quan trọng Rất nhiều thiết bị hàn đại, với kỹ thuật đợc du nhập vào nớc ta Trong thiết bị hàn công nghệ có thiết bị hàn hồ quang ngầm, loại thiết bị hàn nớc ta hoạt động chế độ tự động, thờng đợc gọi máy hàn tự động Thiết bị hàn tự động có nhiều u điểm nh: hàn đợc dòng hàn lớn, vật hàn dày,tốc độ hàn nhanh, mối hàn đều, độ ngấu sâu, hàn vật hàn dày mà không cần vát mép,nên tiết kiệm đợc vật liệu, công sức, thời gian, hàn tự động nên ngời thợ tránh đợc tác hại hồ quang Thiết bị hàn tự động có xe con, có đầu hàn cuộn dây hàn hộp chứa thuốc hàn Xe đa đầu hàn chạy dọc theo mép hàn, hộp chứa thuốc hàn đằng trớc rắc thuốc hàn sẵn lên mép hàn, hồ quang xuất phía dới lớp thuốc hàn này, ánh sáng không lọt đợc ngoài, có tên hàn hồ quang ngầm Thiết bị hàn tự động đợc số sở sản xuất nớc ta bớc đầu nghiên cứu chế tạo Thuốc hàn cho thiết bị hàn tự động phải nhập từ nớc Thiết bị hàn tự động phù hợp với xu chung tự động hóa thiết bị sản xuất Ngày nớc ta thiết bị hàn tự động ngày phát triển, đợc sử dụng rộng rãi ngành sản xuất, làm cấu kiện thép nh dầm cầu thép, khung nhà tiền chế, đóng tàu Vì nhu cầu thuốc hàn tự động ngày tăng Trớc có số sở nghiên cứu bớc đầu thuốc hàn tự động, nhng phục vụ việc hàn đắp, tạo nên lớp kim loại cứng bề mặt, cha có ứng dụng rộng rãi Trong hàn kết cấu thép mối hàn phải dẻo, dai, chịu đợc rung động Nhóm thực đề tài Nghiên cứu chế tạo thuốc hàn tự động vật liệu nớc để hàn kết cấu thép thay thuốc hàn nhập ngoại mong muốn đóng góp đợc số kinh nghiệm việc sử dụng vật liệu nớc làm loại thuốc hàn tự động để hàn kết cấu thép, qua đánh giá đợc khả chế tạo nớc ta Phần I Khái quát thuốc hàn cho máy hàn tự động I Việc bảo vệ mối hàn hàn nóng chảy ảnh hởng không khí đến mối hàn Chúng ta sống làm việc bầu khí trái đất Không khí cho ta ôxy để thở, ôxy cho ta lửa để sởi ấm nấu ăn Nhng hai thành phần không khí ôxy ni-tơ có hại cho mối hàn Hầu hết kim loại ta thờng hàn dễ bị ôxy hoá, nhiệt độ cao tốc độ ôxy hoá nhanh, mà nhiệt độ hàn lại cao, nên bể hàn tiếp xúc đợc với ôxy toàn bị biến thành ôxit kim loại ôxy có khả hoà tan vào kim loại, sau tạo thành dung dịch rắn với kim loại Cả hai dạng có tác dụng xấu đến tính mối hàn, nh làm giảm độ dẻo, độ bền, độ dai va đập ( hình ) Còn ni-tơ có đặc tính dễ dàng hoà tan vào kim loại lỏng bể hàn, nhiệt độ cao, mức độ hoà tan nhiều Khi bể hàn nguội đi, khả hoà tan giảm, ni-tơ bị đẩy dần thành bọt khí, bọt khí từ từ lên để thoát vào không khí Nhng khả hòa tan ni-tơ lại giảm với mức đột biến nhiệt độ kim loại chuẩn bị kết tinh ( hình ), làm xuất hịên lợng bọt khí lớn, bọt khí không đủ thời gian thoát vào không khí trớc kim loại lỏng đông đặc, nên mức độ rỗ khí lớn, làm giảm chất lợng mối hàn Trong trạng thái rắn phần nhỏ ni-tơ hòa tan kim loại, lúc có tác dụng làm tăng độ bền kim loại, nhng lại làm giảm độ dẻo ( hình ) Vì tất phơng pháp hàn nóng chảy phải có biện pháp cách li không khí khỏi vùng hàn để bảo vệ mối hàn Công việc bảo vệ mối hàn Việc cách li không khí khỏi vùng hàn công việc khó Ta dùng chất khí hại cho bể hàn liên tục thổi lên vùng hàn đẩy không khí ngoài, dùng thuốc hàn bọc lên điện cực hàn hay rắc lên vùng hàn để tạo khí xỉ bao phủ bề mặt bể hàn để bảo vệ Trong thực tế công việc bảo vệ mối hàn không cách li không khí khỏi vùng hàn, mà vấn đề phức tạp nhiều Khí hiđrô ( H2 ) chất khí có hại cho mối hàn, làm giảm độ bền học mối hàn, làm xuất khuyết tật dạng rỗ bọng, vết nứt nóng nứt tế vi mối hàn, vết nứt lạnh vùng lân cận mối hàn Hiđrô vào mối hàn từ môi trờng bao bọc xung quanh, từ cáu bẩn mép hàn từ kim loại vật hàn, thép có lợng nhỏ hiđrô đợc hoà tan Ngay chất đợc dùng để bảo vệ mối hàn lại nguồn đa ôxy, hiđrô vào vùng hàn Thí dụ khí CO2 dùng bảo vệ mối hàn hàn MAG đợc tạo phân hủy chất có gốc cácbonát thuốc hàn ôxy hóa mối hàn theo phản ứng: ( 1) Fe + CO2 = CO + FeO Hơi nớc thuốc hàn dới dạng độ ẩm có tác dụng tơng tự ( hình ): (12) Fe + H2O = H2 + FeO Do việc bảo vệ mối hàn lại có thêm công việc ngăn chặn thâm nhập khí hiđrô vào bể hàn khử ôxy bể hàn Vì ngời ta lại phải sử dụng thêm vài chất khác để khắc phục khiếm khuyết chất đợc chọn trớc làm nhiệm vụ bảo vệ, chất thêm lại tạo khiếm khuyết nhỏ hơn, lại phải bổ sung thêm chất giải khiếm khuyết Do thành phần chất tạo nên thuốc bảo vệ tơng đối nhiều, ảnh hởng tơng tác thành phần hóa học với phức tạp, đòi hỏi nghiên cứu lí thuyết thực hành thật sâu sắc Các phơng pháp bảo vệ mối hàn Các phơng pháp hàn nóng chảy khác có biện pháp khác để bảo vệ mối hàn Trong hàn que ngời ta sử dụng lớp thuốc hàn bọc điện cực hàn, hàn tự động thuốc hàn dạng hạt nhỏ đợc rắc lên vùng hàn làm nhiệm vụ Thuốc hàn có nhiều nhóm thành phần khác nhau, chức khác nhau, nhóm có cách bảo vệ riêng mình: có nhóm hồ quang đốt cháy tạo luồng khí mà thành phần CO2 thổi lên vùng hàn đẩy không khí ngoài, có nhóm để hồ quang làm cho nóng chảy tạo nên lớp xỉ lỏng nhẹ bao phủ bề mặ bể hàn tạo nên lớp ngăn cách với không khí, đồng thời tạo phản ứng khử ôxy với kim loại bể hàn đa tạp chất chuyển vào xỉ hàn, có thành phần bị nóng chảy vào bể hàn tìm gặp ôxit sắt để thực phản ứng khử ôxy Trong phơng pháp hàn môi trờng có khí bảo vệ ( MIG, MAG ), khí bảo vệ làm nhiệm vụ đẩy không khí ngoài, việc tạo phản ứng khử ôxy phải kết hợp với dây hàn Dây hàn đây, sản xuất đợc pha trộn thêm kim loại có lực với ôxy mạnh sắt nh Mn, Si Khi dây hàn nóng chảy, thành phần Mn Si làm nhiệm vụ khử ôxy bể hàn Bảo vệ mối hàn khỏi thâm nhập ôxy Ngoài môi trờng không khí, ôxy thâm nhập vào mối hàn từ chất cáu bẩn, han gỉ mép hàn, từ nớc thuốc hàn dới dạng độ ẩm, từ ôxit sắt có thành phần làm thuốc hàn chất đợc đa vào để khử ôxy bể hàn Các thành phần gỉ sắt nhiệt độ hàn tham gia vào phản ứng hóa học với kim loại lỏng: (13) Fe2O3 + Fe = 3FeO (14) Fe3O4 + Fe = 4FeO Các ôxit sắt nóng chảy đợc phân bổ vào kim loại lỏng xỉ theo định luật phân phối: ( FeO ) L = (15) [ FeO ] c,k (MPa) ak,5 (%) 120 100 80 60 k c ak 0,05 0,10 40 0,15 0,20 20 0,25% O2 Hình ảnh hởng Ôxy tính chất học mối hàn 0,07 PN 0,06 0,1MPa Chất lỏng Độ hòa tan nitơ, % 0,05 0,04 0,03 Fe 0,02 0,01 Fe Fe 1000 500 1500 o C Hình ảnh hởng nhiệt độ hòa tan nitơ sắt MPa % k c 25 20 15 10 0 0,05 0,10 0,15 0,20 Độ dãn dài Độ hòa tan nitơ, % 30 0,25 Nitơ mối hàn, % Hình ảnh hởng nitơ tính chất học kim loại mối hàn [H], cm3/100g 12 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Độ ẩm % Hình ảnh hởng độ ẩm lợng hyđrô kim loại mối hàn ( FeO ): lợng ôxit sắt hòa tan xỉ, tính theo % [ FeO ]: lợng ôxit sắt hòa tan kim loại lỏng, tính theo % L : số phân phối Hằng số phân phối phụ thuộc vào tính chất xỉ Nh ta nhận thấy: lợng ôxit sắt xỉ nhiều, lợng ôxit sắt kim loại mối hàn nhiều, ta biện pháp khử ôxy phù hợp bể hàn Bảo vệ mối hàn khỏi thâm nhập hiđrô Hiđrô vào vùng hàn từ môi trờng bao bọc xung quanh, chất bẩn bám vật hàn, thuốc hàn từ kim loại vật hàn Để chống thâm nhập hiđrô việc làm vật hàn khỏi chất bám bẩn, dầu mỡ, ẩm ớt Hiđrô có chất làm thuốc hàn nh ferô kim loại, chất khoáng, lựa chọn nguyên liệu phải tính đến nguyên liệu chứa hiđrô Lợng hiđrô thành phần làm thuốc hàn nhiều lợng hiđrô mối hàn lớn, hình cho ta hiểu rõ ảnh hởng Độ ẩm thuốc hàn nguồn đa hiđrô vào mối hàn Hơi nớc bị phân li nhiệt cột hồ quang Sự tơng tác nớc với sắt, ferô hợp kim số hợp chất xỉ lỏng tạo thành hiđrô tự hiđrôxin Sự tơng tác đợc môtả phản ứng hóa học sau: Me + 2FeO Me + CO + H2O + H2O 2H2O H2O MeO + H2 Fe2O3 + H2 MeO + OH + H CO2 + H2 (16) (17) (18) (19) Do ảnh hởng nhiệt độ cao cột hồ quang phân tử hiđrô bị phân li phần bị ion hóa Theo tính toán I.I Frumin chứng minh thực nghiệm V.I Lakomsky hiđrô hòa tan kim loại cao nhiệt độ 2400 2450 0C Trong hàn giọt kim loại điện cực đợc nung nóng đến nhiệt độ Mức độ hòa tan hiđrô kim loại lỏng giảm dần nhiệt độ hạ đi, hiđrô bị đẩy dạng bọt khí, bọt khí dần lên thoát khỏi kim loại lỏng, xuyên qua xỉ thoát Xỉ có tính thấm khí tốt lúc tạo điều kiện cho khí thoát nhanh nhiệt độ kết tinh khả hòa tan hiđrô giảm cách đột biến ( hình ) làm xuất lợng bọt khí lớn, lúc bọt khí không đủ thời gian thoát trớc kim loại lỏng đông đặc, gây nên tợng rỗ bọng mối hàn [1] Trong kĩ thuật hàn ngời ta áp dụng biện pháp sau để làm giảm lợng hiđrô mối hàn: - Làm loãng chất khí vùng hồ quang cách làm phân hủy chất hữu cơ, muối chất có gốc cacbonát thuốc hàn, tức làm giảm áp lực khí hiđrô lên kim loại lỏng [H], cm /100g PH 0,1MPa 40 Lỏng 30 20 Fe 10 Fe Fe 600 1000 1400 1800 2200 o 2600 T, C Hình ảnh hởng nhiệt độ độ hòa tan hyđrô sắt [N, O] 0,10 [O] 0,06 [N] 0,02 0,6 0,2 1,0 b Hình ảnh hởng tính bazơ xỉ rutyn lợng ôxy nitơ kim loại mối hàn