Luận văn CH mạnh 10 2013

Có các vấn đề cần giải quyết như sau: Giới thiệu tổng quan việc nghiên cứu của thế giới và Việt Nam về ảnh hưởng củacác chất chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thốc hàn đến tính cộng nghệ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Xuân Mạnh, học viên lớp Cao học ngành Công nghệ Hàn – Khoá

2011, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần mẻ liệu đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết tương đương với F7A(P)2 theo AWS A5.17-80”.

Tác giả tham gia Đề tài Khoa học và Công nghệ Trọng điểm cấp Nhà nước mã sốKC.02.04/11-15 do TS Vũ Huy Lân làm Chủ nhiệm Đề tài Tác giả xin cam đoan rằng:Ngoại trừ các số liệu, các bảng biểu, các đồ thị,… đã được trích dẫn từ tài liệu tham khảothì các số liệu, nội dung còn lại được công bố trong Luận văn này là của tác giả và nhómtác giả tham gia Đề tài đưa ra Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 25tháng 9 năm 2013

Học viên

Nguyễn Xuân Mạnh

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ASTM American Society for Testing of Materials

DCEN, DC- Direct Current Electrode Negative

DCEP, DC+ Direct Current Electrode Positive

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các nguồn nguyên liệu trong nước dự kiến sử dụng 23Bảng 2.1 Phân loại và ký hiệu thuốc hàn theo IIW - 545 - 78 32Bảng 2.2 Yêu cầu về cơ tính kim loại mối hàn theo AWS A5.17 - 80 35Bảng 2.3 Công thử dai va đập của kim loại mối hàn 35Bảng 2.4 Thành phần hóa học và một số thông số chủ yếu của dây hàn

tự động dưới lớp thuốc theo AWS A5.17-80 35Bảng 2.5 Các loại xỉ hàn theo thành phần hóa học và các chất chính theo

Bảng 2.6 Thành phần sơ bộ mẻ liệu thuốc hàn (mẻ liệu khô) 55Bảng 2.7 Quy đổi thành phần mẻ liệu có tính đến nước thủy tinh 55Bảng 3.1 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào 74Bảng 3.2 Kế hoạch thực nghiệm bậc 2 trực giao (với biến mã hóa) 75Bảng 3.3 Thành phần hóa học của dây hàn SM400B, (%) 82Bảng 3.4 Thành phần hóa học của dây hàn EL8, (%) 82

Bảng 4.1 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố 86Bảng 4.2 Kế hoạch thực nghiệm thí nghiệm trực giao bậc 2 86

Bảng 5.1 Hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn để sản

băng

15

Hình 1.5 Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng 16

Hình 2.4 Sự thay đổi độ nhớt của xỉ phụ thuộc vào nhiệt độ 44Hình 2.5 Giản đồ trạng thái nhiệt độ của hệ xỉ hàn, 0C 50Hình 2.6 Độ sệt của xỉ hàn ở nhiệt độ 16000C, pa.s 51Hình 2.7 Sức căng bề mặt của hệ xỉ hàn ở 16000c, J/m2 52

Hình 3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit mangan trong thuốc hàn đến

hàm lượng gia tăng của S trong kim loại mối hàn

62

Hình 3.2 Hàm lượng S trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ

của thuốc hàn

62

Hình 3.3 Hàm lượng của P trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính

bazơ của thuốc hàn

Hình 5.2. Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng Al2O3

Hình 5.3. Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng CaF2

Hình 5.4. Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng TiO2

Hình 5.5. Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng MgO,

Al2O3 ,CaF2,TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn 99 Hình 5.6. Sự phụ thuộc của bề rộng mối hàn vào hàm lượng MgO trong

Hình 5.7. Sự phụ thuộc của bề rộng mối hàn vào hàm lượng Al2O3

Hình 5.8. Sự phụ thuộc của bề rộng mối hàn vào hàm lượng CaF2 trong

Hình 5.9. Sự phụ thuộc của bề rộng mối hàn vào hàm lượng TiO2 trong

Hình 5.10. Sự phụ thuộc của bề rộng mối hàn vào hàm lượng MgO,

Al2O3, CaF2, TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn 101 Hình 5.11. Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng MgO

Hình 5.12. Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng CaF2

Hình 5.13. Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng

Hình 5.14. Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng TiO2

Hình 5.15. Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng MgO,

Al2O3 ,CaF2,TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn 104 Hình 5.16. Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượng

Hình 5.17. Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượng

Hình 5.18. Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượngCaF2

Hình 5.19. Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượng

Hình 5.20. Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượng

MgO, Al2O3 ,CaF2,TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn 106 Hình 5.21. Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng

Hình 5.22. Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng

Hình 5.23. Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng

Hình 5.24. Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng

Hình 5.25. Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng

MgO, Al2O3 ,CaF2,TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn 109

MỞ ĐẦU

Hiện nay, trong sự nghiệp công nghiệp hoá đất nướccác ngành khoa học công nghệphát triển rất mạnh mẽ, trong đó ngành công nghệ hàn cũngkhông ngừng phát triển về bềrộng có các công nghệ hàn mới rất đa dạng và các giải pháp nâng cao năng suất và chấtlượng hàn Do đó ngành hàn ngày càng được ứng dụng rộng rãi, trong số đó công nghệhàn tự động dưới lớp thuốc đã được ứng dụng rất phổ biến trên thế giới Ở Việt Namcông nghệ này ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là trong lĩnh vực đóng tàu vàchế tạo kết cấu thép, Tuy nhiên, thuốc hàn chủ yếu còn phải nhập từ nước ngoài, đểkhắc phục tình trạng này một số cơ sở sản xuất vật liệu hàn lớn trong nước như Công tysản xuất que hàn Việt Đức, công ty sản xuất vật liệu hàn Nam Triệu, đã nghiên cứu vàchế tạo thử Nhưng việc ứng dụng còn hạn chế, do chưa nghiên cứu đầy đủ các chỉ tiêu

cơ bản cần thiết để nâng cao chất lượng thuốc hàn Trong số các chỉ tiêu quan trọng này,

đó là hàm lượng Mn và Si trong kim loại mối hàn và các giải pháp để hợp kim của nótrong mối hàn

Nội dung cụ thể của luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần

mẻ liệu đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết tương đương với F7A(P)2 theo AWS A5.17-80”.

Có các vấn đề cần giải quyết như sau:

Giới thiệu tổng quan việc nghiên cứu của thế giới và Việt Nam về ảnh hưởng củacác chất chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thốc hàn đến tính cộng nghệ hàn của thốc hànkhi hàn tự động dưới lớp thuốc hàn gốm hệ bazơ và những giải pháp điều chỉnh hàmlượng hàm lượng các chất khi chế tạo thuốc hàn

Phân tích, lựa chọn nền tạo xỉ và các chất đưa vào thành phần thuốc hàn với chỉ sốbazơ hợp lý và sử dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần chủ yếu trong thuốc hàn đến tính côngnghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ

Xác định được hàm lượng các chất chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hànthiêu kết hệ bazơ thuộc nhóm đảm bảo các chỉ tiêu công nghệ hàn của thuốc

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ trợ giúp hiệu quả cho việc xác định thành phần đơnthuốc hàn sản xuất bằng nguyên vật liệu trong nước, nhằm nâng cao chất lượng kim loạimối hàn.

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của giảng viên

TS.Vũ Huy Lân, Ban lãnh đạo và cán bộ Công ty Que hàn điện Việt Đức,… trong việc

hoàn thành luận văn tốt nghiệp này!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THUỐC HÀN THIÊU KẾT

1.1 Sơ lược về hàn tự động dưới lớp thuốc hàn

1.1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc

 Khái niệm hàn hồ quang dưới lớp thuốc:

Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ còn gọi là hàn hồ quang chìm (hồ quangngầm), tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding) là quá trình hàn điện nóngchảy, dùng nguồn nhiệt từ hồ quang điện sinh ra giữa điện cực hàn (dây hàn, băng hàn)

và vật hàn Một phần lượng nhiệt sinh ra do hồ quang điện làm nóng chảy kim loại điệncực và kim loại cơ bản, sau đó kim loại vũng hàn kết tinh tạo thành mối hàn Phần nhiệtkhác làm nóng chảy thuốc hàn, tạo thành lớp xỉ (vòm vỉ) bảo vệ vùng hồ quang và vũnghàn khỏi sự xâm nhập và ảnh hưởng có hại của môi trường khí quyển xung quanh

 Nguyên lý của hàn hồ quàng dưới lớp thuốc:

Dưới tác dụng nhiệt của hồ quang, mép hàn, dây hàn và một phần thuốc hàn sát

hồ quang bị nóng chảy tạo thành vòm hồ quang (vòm xỉ) và vũng hàn Dây hàn được đẩyvào vũng hàn bằng một cơ cấu cấp dây với tốc độ phù hợp với tốc độ nóng chảy của nó

và đảm bảo duy trì hồ quang cháy ổn định Khi hồ quang hàn di chuyển theo hướng hànkim loại lỏng trong vũng hàn sẽ nguội và kết tinh tạo thành mối hàn Trên mặt vũng hàn

và phần mối hàn kết tinh hình thành một lớp xỉ có tác dụng tham gia vào các quá trìnhluyện kim khi hàn, bảo vệ và giữ nhiệt cho mối hàn và sẽ tách khỏi mối hàn sau khi hàn.Phần thuốc hàn chưa bị nóng chảy có thể được sử dụng lại

Các chuyển động cấp dây hàn, dao động điện cực và chuyển động theo đường hànthường được cơ giới hóa Tùy theo mức độ tự động của các chuyển động này mà chiathành hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc

Sơ đồ nguyên lý của quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc có thể tham khảo trên hình 1.1.

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc

Hình 1.2 Một số thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

Hình 1.3 Hình ảnh về hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng

Hình 1.5 Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng

 Đặc điểm hàn hồ quang dưới lớp thuốc:

- Hồ quang cháy ngầm dưới lớp thuốc, một phần thuốc hàn nóng chảy tạo thànhvòm xỉ bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác dụng có hại của oxi và nitơ củamôi trường xung quanh

- Nhiệt lượng hồ quang rất tập trung và nhiệt độ cao (so với các phương pháp hànkhác như hàn hồ quang tay, hàn TIG, MIG/MAG, ) , cho phép hàn với tốc độ lớn và cóthể hàn những chi tiết có chiều dày lớn mà không cần phải vát mép, tiết kiệm kim loại

- Chất lượng kim loại mối hàn cao do vùng hàn (hồ quang hàn và vũng hàn) đượcbảo vệ tốt khỏi tác dụng của oxi và nitơ trong khí quyển xung quanh Kim loại mối hàn

đồng nhất về thành phần hóa học Lớp thuốc và xỉ hàn làm mối hàn nguội chậm nên ít bịthiên tích, thoát hidrô tốt hơn

- Mối hàn có hình dạng đẹp, đều đặn, ít bị các khuyết tật như không ngấu, rỗ khí,

rỗ xỉ

- Giảm tiêu hao vật liệu (dây hàn), không bắn tóe kim loại, nên hệ số đắp cao, íttổn thất

- Năng suất hàn cao

- Hồ quang được bao bọc kín bởi thuốc hàn nên không làm hại mắt và da của thợhàn Lượng khí (khói, bụi độc hại) sinh ra trong quá trình hàn rất ít so với hàn hồ quangtay

- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa quá trình hàn

 Phạm vi ứng dụng của hàn hồ quang dưới lớp thuốc:

- Hàn các kết cấu thép dạng tấm, vỏ kích thước lớn, các dầm thép có khẩu độ vàchiều cao, các ống thép có đường kính lớn, các bồn, bể chứa, bình chịu áp lực và trongcông nghiệp đóng tàu, dầu khí, giao thông, chế tạo máy, lắp máy, thủy điện, nhiệt điện,

- Chủ yếu được ứng dụng để hàn các mối hàn ở tư thế hàn bằng (hàn sấp), hàn góc

tư thế hàn ngang, mối hàn ngang với các mối hàn có chiều dài lớn và có quỹ đạo khôngphức tạp

- Hàn được các chi tiết có chiều dày từ vài mm cho đến hàng trăm mm

1.1.2 Vai trò, công dụng của thuốc hàn

 Khái niệm: Thuốc hàn là hỗn hợp gồm nhiều thành phần, được chế tạo ởdạng hạt có kíchthước xác định trong khoảng 0,25 ÷ 4 mm

Hình 1.6 Dạng thuốc hàn

 Vai trò, công dụng của thuốc hàn:

- Tạo vòm xỉ nóng chảy bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác dụng có hại củaoxi và nitơ của môi trường xung quanh

- Tạo ra môi trường ion hóa tốt để đảm bảo dễ gây hồ quang và duy trì hồ quang cháy ổnđịnh

- Giúp hình thành và tạo dáng mối hàn, làm cho kim loại mối hàn nguội chậm và tạo điềukiện thuận lợi thoát hiđrô từ mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

- Khử oxi và các tạp chất có hại (S, P), tinh luyện kim loại mối hàn

- Có thể hợp kim hóa kim loại mối hàn để cải thiện tổ chức kim loại và nâng cao cơ tínhkim loại mối hàn

- Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang, cải thiện điều kiện lao động

- Nhờ có lớp thuốc và vòm xỉ bảo vệ hồ quang hàn, nên trong quá trình hàn kim loại điệncực không bị bắn toé, giảm tổn thất, nâng cao năng suất hàn

- Giảm khuyết tật bên trong: rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu, do cải thiện điều kiện hìnhthành mối hàn và tinh luyện kim loại mối hàn

- Cải thiện các tiêu chí vệ sinh công nghiệp: giảm lượng khí thải và bụi sinh ra trong quátrình hàn.

1.1.3 Phân loại thuốc hàn theo phương pháp chế tạo

Hiện nay có nhiều hệ thống tiêu chuẩn phân loại thuốc hàn như: ISO (Tổ chức tiêuchuẩn hoá Quốc tế), AWS (Hội hàn Mỹ), BS (Anh), DIN (Đức), GOST (Nga), và việcphân loại có thể dựa theo phương pháp chế tạo, tính chất hóa học của thuốc hàn, thànhphần hoá học và cơ tính kim loại đắp, Sau đây tạm thời giới thiệu cách phân loại thuốchàn theo phương pháp chế tạo [6; 8; 13; 14; 17]:

 Theo phương pháp chế tạo:

Theo phương pháp chế tạo thuốc hàn được phân loại và kí hiệu (chữ viết tắt) như sau:

− F (fused): loại nung chảy;

− B (bonded): loại liên kết, tức là thuốc hàn gốm và thiêu kết, cụ thể được phân chia nhưsau:

+ Thuốc hàn gốm: nhiệt độ sấy ≤ 500°C;

+ Thuốc hàn thiêu kết: nhiệt độ sấy thiêu kết > 500°C (agglomerated flux)

− M (mechanically mixed): loại trộn hỗn hợp cơ học

1.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn

1.2.1 Nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn trên Thế giới

Trong sự nghiệp phát triển công nghiệp, ngành công nghệ hàn đóng vai trò quantrọng trong việc chế tạo các kết cấu thép bằng hàn cho các ngành công nghiệp mũi nhọnnhư ngành dầu khí, hóa dầu, công nghiệp đóng tàu, giao thông, chế tạo máy, lắp máy,thủy điện, nhiệt điện, Để nâng cao năng suất và chất lượng các kết cấu hàn, ngày càngứng dụng nhiều phương pháp hàn tiên tiến có mức độ cơ giới hóa, tự động hóa cao, trong

đó phải kể đến phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc để hàn những đường hàn dài ở

tư thế hàn bằng và hàn góc trong các kết cấu hàn lớn và yêu cầu chất lượng cao

Trong công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc, thuốc hàn có vai trò rất quan trọng,

nó bảo vệ kim loại vùng hàn khỏi tác dụng có hại của không khí, ổn định quá trình hàn,tinh luyện và hợp kim hóa kim loại mối hàn Hiện nay trên thế giới sản xuất nhiều mácthuốc hàn khác nhau, tuy nhiên theo phương pháp chế tạo và công nghệ có thể chia làm 3

loại chủ yếu: thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm (nhiệt độ sấy ≤ 500°C) và thuốc hànthiêu kết (nhiệt độ thiêu kết > 500 °C) Thuốc hàn nung chảy được dùng nhiều ở Liênbang Nga, Trung Quốc Còn thuốc hàn gốm, thuốc hàn thiêu kết được dùng nhiều ở ThụyĐiển, Hàn Quốc, Mỹ, Đài Loan, Ucraine,

Thuốc hàn thiêu kết ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên thế giới do có nhiều

ưu điểm như: khả năng tinh luyện các tạp chất có hại và hợp kim hóa kim loại mối hàncao, thành phần thuốc hàn dễ điều chỉnh để đạt được thành phần hóa học kim loại mốihàn theo yêu cầu với số chủng loại mác dây hàn tiêu chuẩn không cần nhiều, giá thành

hạ Nó đã khắc phục được nhược điểm rất quan trọng là độ ẩm cao của thuốc hàn gốm vàcho phép nhận được mối hàn chất lượng cao, nên thuốc hàn thiêu kết ngày càng được sựquan tâm và phát triển ở nhiều nước công nghiệp tiên tiến Các nhà nghiên cứu và sảnxuất lớn trên thế giới như: Thụy Điển (hãng ESAB), Ucraine (viện Hàn Paton), HànQuốc (hãng Hyundai, Chosun, Kiswel ), Mỹ (HOBART), Đài Loan, đã nghiên cứurất sâu về loại thuốc hàn thiêu kết và sản xuất với số lượng rất lớn

Trong số chủng loại thuốc hàn của hãng ESAB thì thuốc hàn thiêu kết chiếm tỷ lệrất cao và hệ thống phân loại thuốc hàn của ESAB theo các chỉ tiêu về tính chất hóa họccủa thuốc hàn – xỉ hàn và các chỉ tiêu khác chi tiết hơn thuận tiện cho việc lựa chọn thuốchàn để ứng dụng hàn các kết cấu thép có yêu cầu về cơ tính và điều kiện kỹ thuật phùhợp

Các hệ thống kí hiệu và tiêu chuẩn về thuốc hàn đối với các nước có khác nhau,hiện nay tiêu chuẩn của Hiệp hội hàn Mỹ (AWS) được sử dụng phổ biến hơn cả, tuynhiên Tiêu chuẩn của AWS chỉ đưa ra cặp thuốc hàn – dây hàn tương ứng để đạt đượccác chỉ tiêu về cơ tính và thành phần hóa học kim loại mối hàn, mà không giới thiệuthành phần thuốc hàn và các chỉ số quan trọng có liên quan đến chất lượng thuốc hàn.Hãng ESAB (Thụy Điển) ngoài việc áp dụng theo tiêu chuẩn AWS, còn giới thiệu về cácchỉ số về tính chất hóa học (chỉ số bazơ của thuốc hàn – xỉ hàn, tính chất thuốc hàn,lượng thuốc hàn nóng chảy theo chế độ hàn, ) và thành phần của xỉ hàn trong phạm vicho phép để người sử dụng tham khảo

Trên thế giới có nhiều nhà sản xuất và nhiều loại thuốc hàn khác nhau Ở ViệtNam hiện nay các kết cấu hàn từ thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp có yêu cầu chấtlượng cao, hầu hết được hàn từ một trong số các loại thuốc hàn của ESAB và Hyundai(Hàn Quốc) Về số lượng sử dụng thì thuốc hàn của Hyundai được sử dụng nhiều hơnESAB do giá rẻ hơn Về uy tín và chất lượng thì thuốc hàn của ESAB cao hơn củaHyundai Thuốc hàn của các hãng khác như HOBAT (Mỹ), Chosun, Kiswel (HànQuốc), ít được sử dụng ở Việt Nam hiện nay do các yếu tố về chất lượng và giá chưaphù hợp Còn thuốc hàn Trung Quốc chủ yếu dùng cho hàn các kết cấu có yêu cầu chấtlượng không cao, giá rẻ.

1.2.2 Nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở Việt Nam

Ở Việt Nam trong thời gian gần đây, các ngành công nghiệp đóng tàu, chế tạo cáckết cấu thép trong dầu khí, hóa dầu, nhiệt điện, thủy điện, giao thông, phát triển mạnh,kéo theo ngành công nghệ hàn và nhu cầu về vật liệu hàn rất lớn Trong đó phải kể đếnnhu cầu về thuốc hàn để hàn tự động dưới lớp thuốc nhằm nâng cao năng suất và chấtlượng các công trình và kết cấu hàn Tuy số lượng cơ sở sản xuất vật liệu hàn ở nước takhá lớn, nhưng chủ yếu chỉ sản xuất que hàn điện và dây hàn, còn thuốc hàn chủ yếu phảinhập ngoại Ví dụ như Công ty CP Que hàn điện Việt Đức là cơ sở sản xuất vật liệu hànqui mô lớn, có thâm niên và kinh nghiệm nhất ở nước ta, hàng năm vẫn phải nhập khẩukhoảng 450 tấn thuốc hàn để cung cấp cho thị trường (theo số liệu 2010)

Số lượng thuốc hàn nói chung ở Việt Nam sử dụng 15.000 tấn, trong đó thuốc hàn

có chất lượng cao cần nhập khẩu khoảng 10.000 tấn

Để giải quyết vấn đề này, một số viện nghiên cứu và cơ sở sản xuất vật liệu hàn đãtiến hành nghiên cứu và chế tạo thuốc hàn gốm Tuy nhiên, kết quả đạt được và mức độtriển khai ứng dụng thực tế còn rất khiêm tốn, có thể dẫn ra một số kết quả dưới đây:

- Thuốc hàn mác H400 của Công ty CP Công nghiệp Vật liệu hàn Nam Triệu mớidừng lại ở mức độ sản xuất thử

- Đề tài nghiên cứu thuốc hàn tự động của Viện Công nghệ, Bộ Công Thươngcũng chỉ dừng lại ở kết quả thử nghiệm (2007)

- Công ty CP Que hàn điện Việt Đức, Bộ Công Thương đã nghiên cứu đề tài vềthuốc hàn gốm mác F7-VD (hoặc AR-7) (2008), kết quả tuy đã được sản xuất thử, nhưngcòn một số hạn chế nên chưa thể triển khai sản xuất với qui mô công nghiệp và đây làloại thuốc hàn hệ axit dùng để hàn các kết cấu thép yêu cầu chất lượng thông thường.

Đó là tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn gốm ở nước ta Trong khi đó xuthế của thế giới là sử dụng thuốc hàn thiêu kết để đáp ứng yêu cầu của các công trình vàkết cấu hàn chất lượng cao, Việt Nam ngày càng phải nhập khẩu lượng thuốc hàn thiêukết rất lớn với giá cao và bị động, chưa nghiên cứu và sản xuất được loại thuốc hàn này

Nguồn nguyên liệu để sản xuất thuốc hàn của chúng ta rất lớn và phong phú, tuyrằng chất lượng của chúng cũng còn có vấn đề Nhưng nếu nghiên cứu phối liệu và xử lýnhanh nguyên liệu hợp lý vẫn có thể tận dụng được nhiều loại nguyên liệu để sản xuấtthuốc hàn Dự kiến những thành phần chủ yếu trong mẻ liệu thuốc hàn sẽ sử dụng nguồnnguyên liệu trong nước như dioxit titan (TiO2 trắng) của Bình Thuận, rutil (Bình Định,Quảng Trị, Hà Tĩnh), đá vôi (Yên Bái), huỳnh thạch (Sơn La), trường thạch (Lào Cai),Alumina (Lâm Đồng), nước thủy tinh (Hải Phòng, Hà Nội) và một số loại fero-hợp kim(Fe-Mn, Fe-Si)

Vì vậy, việc nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn thiêu kết trên nguyên tắc ưu tiên,tận dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước để thay thế thuốc hàn nhập ngoại là vấn

đề vừa có tính cấp thiết trước mắt, vừa có tính chiến lược lâu dài, để chủ động, tiết kiệmnguồn ngoại tệ, tạo thêm việc làm trong nước, các doanh nghiệp mở rộng sản xuất do cóthêm sản phẩm mới, tăng giá trị gia tăng cho nguồn tài nguyên của đất nước và tiến tớicác doanh nghiệp có thể xuất khẩu mặt hàng này

Như đã trình bày ở phần tổng quan, thuốc hàn thiêu kết dùng để hàn tự động dướilớp thuốc có ưu điểm nổi trội về nhiều mặt, nên xu hướng của thế giới là sản xuất và sửdụng thuốc hàn thiêu kết để chế tạo các công trình và kết cấu hàn chất lượng cao Ngoài

ra, hàn tự động dưới lớp thuốc là phương pháp hàn tiên tiến cho năng suất cao, chấtlượng mối hàn tốt, điều kiện vệ sinh môi trường tốt hơn đa số các phương pháp hàn khác

Do vậy, xu hướng và nhu cầu về thuốc hàn thiêu kết ở Việt Nam cũng như trên thế giới

ngày càng tăng

Trên thế giới đã nghiên cứu sâu và sản xuất nhiều thuốc hàn thiêu kết, còn ở ViệtNam nhu cầu thì lớn, nhưng chưa có nơi nào nghiên cứu và sản xuất, nên hoàn toàn phảinhập khẩu với giá cao và bị động Điều này làm cho giá thành các công trình chế tạobằng hàn của nước ta bị đẩy lên cao, làm giảm sức cạnh tranh và mất đi một nguồn ngoại

tệ khá lớn Trong khi đó, nguồn nguyên vật liệu để sản xuất thuốc hàn của nước ta rất lớn

và phong phú Do vậy, nhóm tác giả đề tài đã đặt ra mục tiêu nghiên cứu chế tạo thuốchàn thiêu kết sử dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước để hàn tự động dưới lớpthuốc các kết cấu thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp

1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.3.1 Nguồn nguyên liệu để sản xuất thuốc hàn ở Việt Nam

Bảng 1.1 Các nguồn nguyên liệu trong nước dự kiến sử dụng [1]

STT Tên nguyên liệu Thành phần hoá học

yêu cầu, %

Độ hạt,μm1

Ôxít Titan (Ti2O)

- Các cơ sở có chất lượng tương đương

2

Rutil

TiO2 : ≥ 85FeO : ≤ 3,5

Đá vôi(Vôi bột)

Đôlômit

CaCO3 : 41 - 48MgO3 : 43 - 76

- Hà Nam

- Hà Tĩnh,….6

Huỳnh thạch

CaF2 : ≥ 80 SiO2 : 3 - 18

- Hải Phòng

- Hà Nội

1.3.2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết

hệ bazơ F7A(P)2 theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 đến các đặc tính công nghệ hàn của thuốc

- Xác định được hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần thuốc hàn đảm bảo tính công nghệ hàn khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ F7A(P)2 theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80

1.3.3 Nội dung nghiên cứu

- Giới thiệu tổng quan việc nghiên cứu của thế giới và Việt Nam về thuốc hàn thiêukết Xác định hướng nghiên cứu của đề tài

- Các vấn đề cần được giải quyết:

+ Phân tích, lựa chọn nền tạo xỉ và các chất đưa vào thành phần thuốc hàn với chỉ số bazơhợp lý và sử dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất tạo xỉ chủ yếu trong thuốc hàn đến tính công nghệhàn của thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ

+ Xác định được hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hànthiêu kết hệ bazơ thuộc nhóm đảm bảo các chỉ tiêu công nghệ hàn của thuốc

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ THUỐC HÀN VÀ LỰA CHỌN XỈ HÀN

2.1 Các chỉ tiêu cơ bản của thuốc hàn

2.1.1 Các chỉ tiêu chung của thuốc hàn

Thuốc hàn dùng trong hàn tự động, bán tự động dưới lớp thuốc, thuốc hàn kết hợpvới dây hàn phải đạt được các chỉ tiêu chung cơ bản như sau :

Đảm bảo về cơ tính của kim loại mối hàn

Đảm bảo thành phần hóa học cần thiết cho kim loại mối hàn

Đảm bảo hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn và VAHN theo yêu cầu

Đảm bảo tính công nghệ hàn theo yêu cầu

Giá thành sản phẩm hạ

2.1.2 Các chỉ tiêu công nghệ hàn

Các đặc tính công nghệ của thuốc hàn gồm những chỉ tiêu chính như sau:

- Đảm bảo dễ gây hồ quang và hồ quang hàn cháy ổn định;

- Bảo vệ tin cậy vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi sự tác dụng của môitrường xung quanh;

- Tạo dáng mối hàn và hình thành mối hàn tốt;

- Tạo xỉ dễ nổi lên bề mặt vũng hàn và phủ đều trên bề mặt mối hàn để bảo vệ

và giúp mối hàn nguội chậm, xỉ phải dễ tách khỏi mối hàn (tính bong xỉ tốt);

- Đảm bảo tinh luyện kim loại mối hàn và khử tạp chất theo yêu cầu;

- Có khả năng cải thiện và hợp kim hoá kim loại mối hàn, nâng cao cơ tính kim loạimối hàn;

- Đảm bảo khuyết tật trong giới hạn cho phép: rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu khe

hở hàn,

- Lượng khí độc thải ra ở mức độ cho phép, đảm bảo yêu cầu vệ sinh công nghiệp

2.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật chung khi sản xuất thuốc hàn

Ngoài các chỉ tiêu kỹ thuật chung và các đặc tính công nghệ hàn, khi sản xuất thuốc hàn phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật như sau:

Thuốc hàn phải đảm bảo độ đồng đều về thành phần theo yêu cầu

- Đảm bảo độ bền cơ học của hạt thuốc hàn

- Đảm bảo độ ẩm của thuốc hàn theo yêu cầu

- Đảm bảo kích thước hạt thuốc và tỷ lệ các cỡ hạt thuốc hàn theo yêu cầu.

2.2 Thành phần, phân loa ̣ i và kí hiệu thuốc hàn

2.2.1 Các nhóm chất chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn

Trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn gồm những nhóm chất có công dụng và thànhphần chủ yếu như sau:

− Nhóm tạo khí: có vai trò sinh ra một lượng khí cần thiết để bảo vệ vùng hàn Tuy nhiên,đối với hàn dưới lớp thuốc yêu cầu này không lớn như hàn hồ quang tay Nhóm chất cóchức năng tạo khí gồm những hợp chất như có chứa gốc cacbonat (đá cẩm thạch, đá vôi(CaCO3) hoặc đôlômit (CaCO3.Mg CO3)) để tạo khí và tạo các ôxit bazơ cần thiết chonền tạo xỉ hàn

Khi hàn các hợp chất này sẽ phân hủy và sinh khí theo các phản ứng sau:

CaCO3 → CaO + CO2 (1.1)

MgCO3 → MgO + CO2 (1.2)

CO2 CO + 1/2O2 (1.3)

Khí CO2 tạo ra theo các phản ứng trên, một phần tham gia vào thành phần

khí bảo vệ vùng hồ quang và kim loại vũng hàn, đồng thời ở điều kiện hàn sẽ bị phân huỷthành khí CO theo phản ứng (1.3)

− Nhóm tạo xỉ: có vai trò quan trọng hàng đầu, thuốc hàn nóng chảy sẽ hình thành lớp xỉ,vòm xỉ bảo vệ vùng hồ quang và vũng hàn Các tính chất lý nhiệt của xỉ hàn có ảnhhưởng quan trọng đến sự hình thành mối hàn, chức năng bảo vệ và tính bong xỉ

Nhóm các chất tạo xỉ hàn gồm có:

• Các ôxit: SiO2, MnO, CaO, MgO, FeO, Fe2O3, Fe3O4, Al2O3, TiO2, từ quặng mangan(Mn2O, MnO), cát thạch anh (SiO2 ), rutil (TiO2), ilmenit (TiO2, SiO2, Fe2O3), cao lanh(Al2O3, SiO2), bôxit, bột tan, hêmatit (ôxyt sắt màu đỏ sẫm Fe2O3), magnetit (Fe3O4),trường thạch,

• Các muối halogen: CaF2 (huỳnh thạch), KF,

• Các phức chất khác: Na2SiF6, Na3AlF6 (criolit),

Đối với thuốc hàn để hàn thép: tuỳ theo các loại hợp chất đưa vào thành phần mẻ liệu

của nó và tính chất của các sản phẩm nhận được từ quá trình phân huỷ chúng khi hàn, mà têngọi của thuốc hàn thường dựa trên tính chất hoặc tên gọi của xỉ hàn

Đối với thuốc hàn nhôm: nhôm là nguyên tố có ái lực hoá học mạnh với ôxi, nên

để hàn nhôm thường dùng thuốc hàn gồm các hợp chất không chứa ôxi, như các hợp chấtgốc cluorit và fluorit: NaCl, KCl, KF, NaF, LiCl, BaCl2,

− Nhóm ổn định hồ quang: Nhóm này gồm những hợp chất chứa nguyên tố có điện thế ionhoá thấp, giúp cho việc dễ gây hồ quang và duy trì hồ quang cháy ổn định, và còn giúpcho việc hình thành mối hàn tốt hơn

• Trường thạch: chứa các oxit kali, natri

− Nhóm chất khử và hợp kim hoá: sử dụng các fero hợp kim và bột kim loại

• Chất khử: là những nguyên tố có ái lực hóa học mạnh với oxi, có tác dụng khử ôxi và cáctạp chất có hại

• Hợp kim hoá kim loại mối hàn (đặc biệt thường được sử dụng khi hàn đắp) và cải thiện các tính chất kim loại mối hàn

Một nguyên tố có thể vừa làm chức năng chất khử và hợp kim hóa Trong trườnghợp này, sau khi hoàn thành chức năng chất khử, lượng còn lại sẽ đóng vai trò nguyên tốhợp kim hóa Đó là các fero hợp kim hoặc bột kim loại, như Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Cr, Fe-V,Fe-Mo, Fe-W, Fe-Nb, bột Al, với hàm lượng fero hợp kim khác nhau và kích thước hạtphù hợp

− Nhóm các chất khử tạp chất: S, P Ngoài các chất đưa vào nhóm tạo khí (CaCO3,MgCO3) sẽ phân huỷ thành các chất, trong đó có các ôxit bazơ (CaO, MgO) để khử S, P,

còn có thể đưa thêm một lượng khá lớn CaF2 có tác dụng khử S, P và làm giảm lượnghyđrô và cải thiện tính chất kim loại mối hàn.

− Nhóm chất liên kết: nước thuỷ tinh đối với thuốc hàn gốm

• Chức năng: dính kết các thành phần của mẻ liệu thuốc hàn và tăng độ bền cơ học hạt thuốc hàn và hạn chế khả năng hút ẩm

• Các chất dính kết: thường dùng nước thuỷ tinh natri và kali với các tỷ trọng và modul khác nhau tùy thuộc vào loại thuốc

• Các thông số có bản của nước thủy tinh:

+ Tỷ trọng của nước thuỷ tinh natri (Na2O nSiO2 mH2O) là: γ = 1,30 ÷ 1,5 g/cm3 Tỷ trọng

có thể xác định theo độ bome bằng bome kế

+ Modul n = 2,65 ÷ 3,40 (modul là tỷ lệ số phân tử của SiO2 trên Na2O và K2O)

+ Độ nhớt của nước thủy tinh η

Trong thực tế trọng lượng khô còn lại của nước thủy tinh vào khoảng 10÷14g cho 100g mẻ liệu khô của thuốc hàn

2.2.2 Phân loại và kí hiệu thuốc hàn

a) Phân loại thuốc hàn

 Phân loại theo phương pháp chế tạo:

− Thuốc hàn nung chảy (Fused)

− Thuốc hàn gốm nói chung (không nung chảy – Bonded) và có thể phân chia nhỏ hơn: + Thuốc hàn gốm: nhiệt độ sấy ≤ 500°C;

+ Thuốc hàn thiêu kết: nhiệt độ sấy thiêu kết > 500°C (agglomerated flux)

− M (Mechanically mixed): loại hỗn hợp cơ học (thuốc hàn nung chảy + bột hợp kim hoặcfero hợp kim)

 Theo đặc điểm và tỷ trọng hạt thuốc:

− Thuốc hàn hạt dạng thuỷ tinh có tỷ trọng: 1,4 ÷ 1,8 Kg/dm3

− Thuốc hàn hạt dạng bọt nhẹ có tỷ trọng: 0,6 ÷ 1 Kg/dm3

− Thuốc hàn hạt dạng tinh thể cũng có tỷ trọng như dạng thuỷ tinh: 1,4 ÷ 1,8 Kg/dm3

 Theo tính axit hoặc bazơ của xỉ hàn:

- Thuốc hàn hệ axit: hồ quang cháy ổn định, êm; giọt kim loại dịch chuyển dạng tia, mốihàn rất đẹp Tuy nhiên, khả năng khử tạp chất và tinh luyện kim loại mối hàn bị hạn chế,hàm lượng hyđrô cao, nên thường dùng để hàn các kết cấu thép cacbon thông thường.

- Thuốc hàn bazơ: hồ quang cháy kém ổn định hơn, giọt kim loại dịch chuyển có kíchthước lớn hơn nhiều, bề mặt kim loại mối hàn thô, và không dùng dòng điện xoay chiều.Tuy nhiên, nó có ưu điểm là tinh luyện kim loại mối hàn rất tốt và hệ số dịch chuyển củacác nguyên tố hợp kim cao, hàm lượng hyđrô thấp, nên thích hợp để hàn thép cacbon có

độ bền cao, thép hợp kim và hàn đắp

- Thuốc hàn trung tính: đặc điểm của nó có tính trung hoà giữa hai loại thuốc hàn kể trên

 Theo thành phần hoá học và hợp chất chính:

Theo thành phần hoá học và hợp chất chủ yếu của xỉ hàn có thể phân loại, kí hiệu theo tiêu chuẩn của viện Hàn Quốc tế (tiêu chuẩn IIW – 545 – 78) như sau:

Bảng 2.1 Phân loại và kí hiệu thuốc hàn theo IIW – 545 –78

AB Al2O3 + CaO + MgO ≥ 45,

( Al2O3 ) ≥ 20 Ôxit nhôm – Bazơ

FB CaO + MgO + MnO + CaF2 ≥ 50 ,

SiO2 max = 20, CaF2 ≥ 15 Fluorit – Bazơ

 Theo tính axit hoặc bazơ của xỉ hàn:

− Thuốc hàn hệ axit: Hồ quang cháy ổn định, êm, giọt kim loại dịch

chuyển dạng tia, mối hàn rất đẹp.Tuy nhiên khả năng khử tạp chất và tinh luyện kim loạimối hàn bị hạn chế, hàm lượng hyđrô cao, nên thường dùng để hàn các loại thép các bonthông thường

− Thuốc hàn bazơ: Hồ quang cháy kém ổn định hơn, giọt kim loại dịch

chuyển có kích thước lớn hơn nhiều, bề mặt kim loại mối hàn thô hơn và chủ yếu dùngnguồn điện hàn là dòng điện một chiều Tuy nhiên, nó có ưu điểm là khả năng tinh luyệnkim loại mối hàn rất tốt và hệ số dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim cao, hàm lượnghyđrô thấp, nên thích hợp hàn thép cacbon có độ bền cao, thép hợp kim và hàn đắp

− Thuốc hàn trung tính: Có tính trung hoà giữa hai lạo thuốc hàn kể trên

 Theo hoạt tính hoá học (H) của xỉ hàn

− Thuốc hàn hoạt tính cao H>0,6

− Thuốc hàn hoạt tính khi H=0,6÷0,3

− Thuốc hàn hoạt tính thấp khi H = 0,3÷0,1

− Thuốc hàn trung tính khi H < 0,1

 Theo công dụng

Kí hiệu Điện cực (dây hàn đặc)

F S X X X- ECXXX - HX

Thuốc hhànhànhàn Loại xỉ hàn, chữ cái này có thể không có Chữ số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu của kim loại mối hàn Chế độ nhiệt luyện của mối hàn

Kí hiệu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn

Số qui ước nhiệt độ thử độ dai va đập

− Thuốc hàn dụng hàn cơ giới hoá và hàn đắp

Hình 2.1 Sơ đồ kí hiệu thuốc hàn – dây hàn AWS A5.17 - 80

Theo tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80, thuốc hàn được ký hiệu kết hợp với dây hàntương ứng để đạt được cơ tính cần thiết của kim laọi mối hàn Trong phần ký hiệu thuốchàn FXXX, chữ X đầu tiên là độ bền kéo tối thiểu của kim loại mối hàn, ksi xem bảng4.16 Chữ X thứ hai cho biết điều kiện nhiệt luyện khi thử mẫu Chữ A – mẫu được tiếnhành thử sau khi hàn (As Welded) (không xử lý nhiệt) hoặc chữ P (có xử lý nhiệt sau khihàn) chế độ nhiệt luyện là 610 – 635 0C/1h Chữ X thứ 3 có thể là chữ Z hoặc các số(xem bảng 2.3) cho biết nhiệt độ quy ước thử độ dai va đập với giá trị tương ứng ở cộtbên phải

Theo tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 phân loại dây hàn thép cacbon thành 8 loạitrong 3 nhóm có hàm lượng mangan thấp, trung bình và cao ( (Kí hiệu là L, M và H).Trong phần kí hiệu dây hàn EXXX – HX, chữ E là ký hiệu điện cực (dây hàn) và tiếptheo là chữ C có thể không có, Còn chữ X đầu tiên là một trong 3 chữ L, M hoặc H; chữ

X thứ 2 là một hoặc 2 chữ số (8; 12; 13; 14; 15) chỉ hàm lượng cacbon danh nghĩa (quiước); còn nếu có chữ K ở cuối là dây hàn được chế tạo từ thép khử bằng silic Trong

trường hợp dây hàn kí hiệu EG (hoặc ECG), ở đây chữ G là “general” có nghĩa là kimloại đắp theo phân loại chung, không qui định về thành phần hoá học Các chỉ tiêu củadây hàn và kim loại mối hàn tham khảo bảng 4.18.

Bảng 2.2 yêu cầu về cơ tính kim loại mối hàn theo AWS A5.17 – 80

Chỉ tiêu về cơ tính Độ bền kéo tối thiểu Giới hạn chảy

Tối thiểu, MPa

Độ giãn dài tương đối,%

Bảng 2.3 Công thử độ dai va đập của kim loại mối hàn

Công thử độ dai va đập kim loại mối hàn theo AWS A5.17 - 80

Chữ số Nhiệt độ thử mẫu, o C Công phá huỷ tối thiểu thử mẫu, J

Bảng 2.4 Thành phần hoá học và một số thông số chủ yếu của dây hàn

tự động dưới lớp thuốc theo AWS A5.17 – 80

Ti=0,03÷0,17EM15K 0,10÷0,20 0,80÷1,25 0,10÷1,35 0,030 0,030 0,35

Dây có hàm lượng mangan caoEH10K 0,07÷0,15 1,30÷1,70 0,05÷0,25 0,025 0,025 0,35

2.3 Sơ lược về xỉ hàn

2.3.1 Khái niệm về xỉ hàn

Khái niệm: Xỉ hàn là những hợp chất phi kim nóng chảy, bao gồm các ôxít, các

florua, clorua, sunfat, … ở dạng đơn chất hay phức chất

Đặc điểm: xỉ hàn không hoà tan trong kim loại (trừ trường hợp bị lẫn vào kim loại

như tạp chất) Cho nên ở trạng thái nóng chảy, kim loại và xỉ hàn là những pha lỏngkhông hoà tan lẫn nhau, do sự khác nhau về cấu trúc,trọng lượng riêng và sức căng bềmặt,…

2.3.2 Các tính chất của xỉ hàn

- Tính axit (bazơ) của xỉ hàn.

Tính axit của xỉ hàn có thể được đánh giá theo hệ số axit A và xác định theo côngthức sau (G.L.Petrov)

(2.1)

ở đây ∑RO2 – Tổng số các phân tử của các ôxit, axit trong xỉ hàn, mol;

∑(R2O + RO) – Tương tự của các ôxit bazơ, mol

Còn hệ số bazơ B là tỷ số nghịch đảo của hệ số axit (B= 1�)

Đôi khi còn sử dụng các công thức khác (theo phần trăm khối lượng, theo tỷ lệ củaôxit silic với ôxit canxi,…) để tính hệ số axit hay bazơ, tuy vậy đó cũng chỉ là nhữngđánh giá gần đúng Và đều coi khi A>1 (tương ứng với B<1) là xỉ axit Tuy nhiên hệ sốaxit của xỉ chỉ được thể hiện bởi lượng các ôxit tự do có thực trong nó

Ví dụ: xỉ chứa 50%SiO2 và 50%FeO hệ số axit sẽ bằng 1, tức là xỉ trung tính.Nhưng thực tế nó mang tính axit , bởi vì trong xỉ không chỉ tạo nên SiO2.FeO, mà còn cóSiO2.(FeO)2, kết cục có một lượng nhất định SiO2 tự do

Để đơn giản ta bỏ qua ảnh hưởng của ôxit titan TiO2, khi đó hệ số axit được tínhchính xác hơn:

a=1; b=0,5; c=0,37; d=0,26

Các ôxit lưỡng tính trong các trường hợp khác nhau có thể sẽ thể hiện tính bazơ(khi tạo ra các phức chất với các ôxit axitkhi đó còn dư ôxit bazơ) hoặc thể hiện tính axitkhi thiếu ôxit bazơ.

Xỉ hàn có thể là chất oxi hoá hoặc chất khử kim loại, và nó có thể làm thay đổihàm lượng các tạp chất (lưu huỳnh, phốt pho,…) trong thành phần kim loại

Còn hiện naytheo I.U.ZeKe có đến hang chục công thức để tính độ axit hay bazơcủa xỉ hàn, trong đó có xét đến khả năng tạo thành các phức chất khác nhau trong xỉ hàn

Các công thức này có thể được chia thành hai nhóm lớn nhóm thứ nhất tương tự(3.32) dự trên cơ sở lý thuyết phân tử của xỉ hàn Trong số các công thức của nhóm nàyphổ biến nhất là công thức của Viện hàn Quốc tế [10]:

(2.3)Trong đó: CaO, MgO, Al2O3, LiO,… - hàm lượng của các cấu tử trong xỉ hàn, % hoặccông thức này được bểu diễn ở dạng chính xac hơn:

(2.4)Nhóm công thức thứ hai dựa trên cơ sở lý thuyết ion về xỉ hàn Các chỉ số cơ bảncủa các công thức này :

B=����+NMgO+NMnO+NFeO-2NSiO2-4NP2O5-NFe2O3-NAl2O3;

��2−=NCaO+NMgO+NMnO-2NSiO2-3NP2O5-NFe2O3-NAl2O3; (2.5)Trongđó: N là số phân CaO, MgO, SiO2,

− Hoạt tính hoá học của xỉ hàn:

Hoạt tính hoá học của xỉ hàn được đánh giá theo khả năng oxi hoá chung của các ôxit và được biểu diễn bởi tổng số lượng ôxit tham gia vào các phản ứng ôxi hoá – khử ở bề mặt phân pha Tuy nhiên lượng ôxit kể trên có quan hệ với thành phần của xỉ hàn được bểu diễn ở dạng:

(2.6)

ở đây Hi – hoạt tính hoá học tương đối của ôxit, có khả năng hoàn nguyên trong vũng hàn;

n – số các ôxit trong thanh phần của thuốc – xỉ hàn có khả năng hoàn nguyên trong vũng hàn.

Nếu coi hoạt tính hoá học của ôxit axit được xác định như Ha = (RO2)/100B còn hoạt tínhhoá học của ôxit bazơ Hb = (RO)B/100, thì hoạt tính hoá học của thuốc – xỉ hàn theo phương trình (2.3) có thể được biểu diễn lại ở dạng sau đây:

(2.7)

ở đây: m và q – là số lượng của ôxit axit và bazơ;

��2, �� – hàm lượng của oxit axit và bazơ trong thành phần thuốc–xỉ hàn;

�− hệ số bazơ của thuốc –xỉ hàn, được xác định theo phương trình (2.3)

Cụ thể hoá phương trình (2.3 ), độ hoạt tính hoá học H của thuốc hàn – xỉ hàn

có dạng:

(2.8)

Trong đó: (SiO2), (TiO2),…- hàm lượng các hợp chất của thuốc - xỉ hàn %

Sự phụ thuộc tương quan của hàm lượng ôxi trongkim loại đắp vào hệ số hoạt tínhhoá học của thuốc – xỉ hàn, tìm được trên cơ sở các số liệu thực nghiệm, dẫn ra trên hình2.2 Góc nghiêng của đồ thị với trục hoành phụ thuộc vào chế độ hàn Khi dung dòngđiện hạn chế và điện áp nâng cao gọc nghiêng của nó sẽ lớn hơn, còn ở chế độ hàn tăngcường góc nghiếngẽ nhỏ hơn Trong thực tế hệ số hoạt tính hoá học của toàn đủ để đặctrưng cho khả năng ôxi hoá của thuốc – xỉ hàn

Hình 2.2 Hàm lượng oxi trong kim loại đắp phụ thuộc vào hệ số hoạt tính

hoá học của thuốc-xỉ hàn khi hàn ở chế độ hàn trung bình

trên thép các bon và thép hợp kim thấp

Theo các giá trị của độ hoạt tính hoá học thể phân chia các thuốc hàn – xỉ hàn nungchảy hệ silic – mangan thành 4 nhóm sau đây:

Ta sẽ khảo sát quan hệ giữa độ nhớt, nhiệt độ kết tinh và cấu trúc của thuốc

hàn-xỉ hàn.Một trong những tính chất quan trọng của hàn-xỉ hàn đó là độ nhớt của nó ở trạng tháinóng chảy Khi ở nhiết độ cao xỉ hàn ở trạng thái lỏng và có kực tương tác tĩnh điện giữacác phần tử ở gần nhau yếu đi rõ rệt, tính dẫn điện tăng, lúc đó độ nhớt của xỉ lỏng chủyếu được xác định bởi kích thước của các nhóm anion lớn nhất

Trong quá trìnhnóng chảy mạng tinh thể của silicat và nhôm – silicat là nền củathuốc hàn – xỉ hàn nung chảy ở trạng thái rắn, sẽ bị phá huỷ do bị đứt các lien kết yếunhất giữa các ation của các ôxit nhôm – silic và ôxit silic Do lien kết Si-O và Al – O làcác liên kết bền nhất trong các silicat và nhôm – silicat, cho nên có thể coi độ nhớt của xỉlỏng nóng chảy sẽ được xác định bởi các nhóm anion Si-O và Al-Si-Otheo các kích thướccủa chúng Thành phần và tổ chứa của các nhóm này ở gần đường lỏng giống thành phầncác anion gốc – pha tinh thể (mầm tinh thể) được tiết ra từ pha xỉ lỏng.

Ôxit silic nóng chảy có độ nhớt lớn nhất và tổ chức xương cá (ba chiều) Độ nhớtcủa SiO2 ở 18000C gần bằng 105Pa.S, còn khi quá nhiệt đến 21500C làn104Pa.S và ở

23500C gần bằng 103Pa.S

Độ nhớt cao của ôxit silic nóng chảy chứngtỏ độ bền bên trong của liên kết cũngnhư độ bền giữa các gốc O-Si-O nối với nhau bằng cầu trung gian -O- ôxit sắt nguyênchất thực tế không phân ly thành các ion và không là chất điện ly, tuy nhiên khi bổ sungcác ôxit bazơ, nó trở thành chất dẫn điện và độ nhớt của nó giảm rõ rệt khi tăng tỷ lệ O :

Si do bổ sung các ôxit bazơ làm phá huỷ các liên kết

Si-O-Si

Hình 2.3 Độ sệt của xỉ ở nhiệt độ 1400°C, poa

Độ nhớt của xỉ hàn hệ chứa cao lanh(ôxit nhôm) tăng khi có các chất kiềm Điềunày có liên quan đến việc tạo thành nhôm - silicat kiềm có tổ chức hình xương cá Trongtrường hợp không có cao lanh trong xỉ hàn, các chất kiềm có tác dụng làm giảm độ nhớt

và giảm nhiệt độ kết tinh của xỉ nóng chảy, do kiềm sẽ làm đơn giản hoá tổ chức và tạothành các silicat kiềm dễ nóng chảy

Xỉ hàn nóng chảy giàu các oxit bazơ khi tỷ số O: Si ≥ 3, tổ chức của nó là cácdạng đơn giản nhất của các nhóm anion SiO44−, (Si,Al)O7 6−, (Si3O96−), cho thấy độ nhớt

ít thay đổi khi tăng nhiệt độ (xỉ ngắn) (hình 2.3)

Độ nhớt của xỉ hàn giảm khi bổ sung CaF2 do tạo với hợp chất chứa F và mangđiện tích F-1, thay cho nguyên tử ôxi hoá trị hai chưa bão hòa trong tổ hợp Si-O như mộtkhối hoặc đóng gốc Si-O, khi đó làm giảm sức căng của nó

Các số liệu về thành phần của xỉ hàn lúc kết tinh, sự thay đổi của thành phần của

nó dưới tác dụng của tỷ số Cao:SiO2 và hàm lượng của Al2O3, MgO cùng với việc nghiêncúu các tính chất vật lý của xỉ hàn nóng chảy cho phép giải thích ảnh hưởng của các chấtbazơ đến độ nhớt và nhiệt độ kết tinh xỉ hàn thực

Khi tăng tỷ số CaO: SiO2 sẽ làm đơn giản hoá cấu trúc của các nhóm anion tồn tạitrong xỉ rắn, do sự thay đổi cấu trúc xương cá và mắt xích của các gốc anion bằng nhómđơn giản hơn Việc hình thành tổ chức các anion phức chất một cách đơn giản hơn sẽ làmgiảm độ nhớt của xỉ nóng chảy Ngoài ra, khi tăng tỷ số CaO: SiO2 sẽ làm tăng nhiệt độnóng chảy cuủa các pha khoáng chất do tăng nhiệt độ kết tinh của xỉ nóng chảy

Việc thay thế CaO bằng MgO sẽ làm tăng tính bazơ của xỉ và làm đơn giản hoá tổchức của xỉ nóng chảy, cũng như làm giảm nhiệt độ kết tinh, bởi khi thay thế các silicatcaxi có nhiệt độ nóng chảy cao (CaO.SiO2,Tnc=15400C và 2CaO.SiO2, Tnc=21300C) bằngcác silicat canxi – magiê có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn (CaO.MgO.2SiO2, Tnc=13910C;2MgO.SiO2,Tnc=18700C)

Cho đến nay vẫn có ý kiến cho rằng: Ti4+ có khả năng thay thế Si4+ và tác dụng củađiôxit ti tan tưong tự như ôxit silic Tuy nhiên, TiO2 khác với SiO2 ở chỗ nó làm giảm độnhớt của xỉ hàn

Mặc dù có công thức hoá học giống nhau giữa TiO2 và SiO2, nhưng ý nghĩa quyếtđịnh ở đây không phải là tính đồng hình hoá trị mà là sự khác nhau trong các nhóm phốitrí Titan khác với silic trong olivine (Mg,Fe)2SiO4 và piroxen được phát hiện trong xỉhàn nằm ở dạng TiO6 và không thay thế cho anion silicat (SiO4) mà là thay thế cho nhóm(MgO6) và tác dụng của nó tương tự như magiê Độ nhớt thấp của các xỉ hàn titan và khảnăng kết dính cao của chúng chứng tỏ trong xỉ lỏng không tồn tại các nhóm anion với sựtham gia của titan [10]

Một khái niệm có liên quan với độ nhớt của xỉ hàn, đó là nhiệt độ nóng chảy củathuốc – xỉ hàn Đối với xỉ hàn khái niệm nhiệt độ nóng chảy chỉ là quy ước Bởi vì độnhớt của xỉ hàn thay đổi từ lớn đến bé trong một khoảng nhiệt độ nào đó

Xỉ ngắn: là loại xỉ hàn có sự thay đổi độ nhớt sảy ra trong khoảng nhiệt độ hẹp

1

20

Các xỉ hàn dài thường là xỉ axit Chúng đông đặc từ từ và nhận được trạng thái vôđịnh hình khác nhau (thuỷ tinh thể)