Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến sự hình thành mối hàn khi hàn tự động dưới lớp thuốc mối hàn góc ngang bằng thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình

VŨ THANH QUYNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH MỐI HÀN KHI HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC MỐI HÀN GÓC NGANG BẰNG THUỐC HÀN THIÊU KẾT HỆ BAZƠ TRUNG BÌNH LUẬN VĂN THẠC

VŨ THANH QUYNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH MỐI HÀN KHI HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC MỐI HÀN GÓC NGANG BẰNG THUỐC HÀN THIÊU

KẾT HỆ BAZƠ TRUNG BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

VŨ THANH QUYNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH MỐI HÀN KHI HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC MỐI HÀN GÓC NGANG BẰNG THUỐC HÀN THIÊU

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Vũ Thanh Quynh, học viên lớp Cao học Công nghệ hàn - Khoá 2013B,

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến sự hình thành mối hàn khi hàn tự động dưới lớp thuốc mối hàn góc ngang bằng thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình”.

Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Vũ Huy Lân Ngoài các kiến thức c bản, thông s , bảng bi u, tài liệu tham khảo đã được liệt kê được ph p s d ng trong nghiên cứu, học tập thì các s liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực và chưa được ai công b trong bất cứ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết n sâu sắc tới TS Vũ Huy Lân - Giảng viên bộ môn Công nghệ hàn - Viện c khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong su t quá trình thực hiện đề tài này

Tôi xin bày tỏ lời cảm n chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện C khí, thư viện Tạ Quang B u cùng các giảng viên trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn tôi trong khóa học và hoàn thành đề tài này

Cu i cùng, tôi xin g i tới toàn th bạn bè và đồng nghiệp lời biết n chân thành về những tình cảm t t đẹp cùng sự giúp đỡ quý báu mà mọi người đã dành cho tôi trong su t thời gian làm việc, học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài này

Tác giả

Vũ Thanh Quynh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AC Alternating Curent

AWS American Welding Society

ASTM American Society for Testing of Materials

ASME American Society of Machine Engineers

DC Direct Current

DCEN, DC - Direct Current Electrode Negative

DCEP, DC + Direct Current Electrode Positive

DT Destructive Testing

EN European Standards

HAZ Heat affected zone

IIW International Institute Welding

ISO International Standard Organization

JIS Japanese Industrial Standards

KLCB Kim loại c bản

NDT Nondestructive Testing

PWHT Post Weld Heat Treatment

SAW Submerged Arc Welding

SMAW Shielded Metal Arc Welding

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

VAHN Vùng ảnh hưởng nhiệt

WPQR Welding Procedure Qualiffication Recode

σch Giới hạn chảy

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC 5

1.1 Sơ lược về quá trình hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc 5

Sơ đ nguyên l hàn tự động dưới lớp thuốc 5

2 Đặc điểm của quá trình hàn h quang dưới lớp thuốc và ứng dụng 6

1.2 Thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc 8

2 Thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc 8

2.2 Trang thiết bị phụ trợ 11

2.3 Sự hình thành mối hàn và các yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn 11

1.3 Vật liệu hàn tự động dưới lớp thuốc 25

1.3.1 Dây hàn 25

3.2 Thuốc hàn 29

1.4 Xác định nội dung nghiên cứu khi hàn tự động dưới lớp thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình 33

4 Mục tiêu nghiên cứu 33

4.2 Nội dung nghiên cứu 33

4.3 Sơ đ nghiên cứu của đề tài 33

1.4.4 Đối tượng nghiên cứu 34

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 35

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 36

2.1 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm vào phương pháp nghiên cứu 36

2.1.1 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu 36

2 .2 Chọn các mức giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố 38

2 .3 Kế hoạch thực nghiệm bậc 2 hai mức tối ưu 41

2 .4 Xây dựng phương trình h i quy 43

2 .5 Kiểm tra sự tương thích của phương trình h i quy 45

2.2 Các bước xác định các thông số chế độ hàn hợp lý 47

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 48

CHƯƠNG 3: TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH MỐI HÀN GÓC NGANG 49

3.1 Tính toán sơ bộ các thông số chế độ 49

3 Các bước tính toán sơ bộ các thông số chế độ hàn 49

3 .2 Lựa chọn các thông số cố định 49

3.2 Xây dựng kế hoạch thực nghiệm 50

3.2 Vật liệu mẫu hàn 50

3.2.2 Xác định các yếu tố ảnh hưởng 50

3.2.3 Xác định số lượng mẫu thí nghiệm 51

3.2.4 Chuẩn bị phôi 51

3.2.5 Thiết bị, dây hàn, thuốc hàn và thiết bị đo mối hàn 52

3.3 Kết quả thực nghiệm 59

3.3 Mẫu thử nghiệm 59

3.2.2 Các số liệu thí nghiệm 64

3.3.3 Phần mềm lập trình 65

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÀN TỐI ƯU 66

4.2 Bi u di n ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến các hàm mục tiêu

71

4.2 Biểu di n các đường đặc trưng 71

4.2.1.1 Sự phụ thuộc của chiều rộng mối hàn vào chế độ hàn 72

4.2.1.2 Sự phụ thuộc của chiều cao đắp mối hàn vào chế độ hàn 74

4.2.1.3 Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào chế độ hàn 76

4.2.1.4 Ảnh hưởng của chế độ hàn đối với cạnh trên (k 2 ) của mối hàn 78

4.2.1.5 Ảnh hưởng của chế độ hàn đối với cạnh dưới (k 1 ) của mối hàn 80

4.2.1.6 Sự phụ thuộc của lượng thuốc hàn nóng chảy vào chế độ hàn 82

4.2.2 Kết luận 84

4.3 Xác định các thông số chế độ hàn tối ưu 85

4.3.1 Giải bài toán tối ưu ác định các thông số chế độ hàn hợp l 85

4.3.2 Xây dựng bản hướng dẫn sử dụng thuốc hàn thiêu kết F7A(P)4-BK 89

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

1 Kết luận 92

2 Kiến nghị 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Chấp nhận khuyết tật hàn khi ki m tra VT 22

Bảng 1.2 Yêu cầu về c tính kim loại m i hàn theo AWS A5.17 - 80 27

Bảng 1.3 Công th độ dai va đập của kim loại m i hàn 27

Bảng 1.4 Thành phần hoá học và một s thông s chủ yếu của dây hàn tự động dưới lớp thu c theo AWS A5.17 – 80 27

Bảng 2.1 Giá tr và khoảng biến thiên của các yếu t đầu vào 41

Bảng 2.2 Kế hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao (với biến mã hóa) 42

Bảng 3.1 Thành phần hoá học của th p hàn SM400B, (%): 50

Bảng 3.2 Thành phần hoá học của dây hàn EM12K, (%): 54

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu c tính dây hàn EM12K: 54

Bảng 3.4 Thành phần xỉ hàn của thu c hàn (%): 55

Bảng 3.5 Giá tr và khoảng biến thiên của các yếu t 57

Bảng 3.6 Kế hoạch thực nghiệm thực trực giao bậc 2 58

Bảng 3.7 Kết quả thí nghiệm 64

Bảng 4.1 Các giá tr giới hạn của các thông s chế độ hàn 86

Bảng 4.2 Các giá tr giới hạn của các hàm m c tiêu 86

Bảng 4.3 Khoảng giá tr của các thông s chế độ hàn hợp lý (với log(D) khá cao) cho dây hàn d = 4,0mm 87

Bảng 4.4 Giá tr các thông s chế độ hàn t i ưu 87

Bảng 4.5 Khoảng giá tr của các thông s chế độ hàn hợp lý cho dây hàn d=4,0 mm 89

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 S đồ nguyên lý quá trình hàn tự động dưới lớp thu c 5

Hình 1.2 S đồ cân bằng nhiệt khi hàn dưới lớp thu c 6

Hình 1.3 Một s hình ảnh về máy hàn hồ quang tự động dưới lớp thu c 9

Hình 1.4 Hình ảnh về máy hàn hồ quang tự động dưới lớp thu c làm thực nghiệm 9 Hình 1.5 Các khả năng chuy n động của đầu hàn 9

Hình 1.6 S đồ nguyên lý xe hàn vạn năng 10

Hình 1.7 Hướng kết tinh của các tinh th m i hàn 12

Hình 1.8 Các đường đẳng nhiệt trên bề mặt m i hàn 12

Hình 1.9 Bề mặt m i hàn khi t c độ hàn cao 12

Hình 1.10 Các kích thước đặc trưng của m i hàn giáp m i 13

Hình 1.11 Các kích thước đặc trưng của m i hàn góc 14

Hình 1.12 Sự thay đổi hình dạng m i hàn theo cường độ dòng điện hàn 15

Hình 1.13 Sự thay đổi hình dạng m i hàn và mức tiêu th thu c hàn theo điện áp hàn 16

Hình 1.14 Sự thay đổi hình dạng m i hàn theo điện áp hàn 16

Hình 1.15 Sự thay đổi hình dạng m i hàn theo tiết diện điện cực 17

Hình 1.16 Ảnh hưởng của t c độ hàn lên sự phân b lực trong hồ quang 18

Hình 1.17 Ảnh hưởng của t c độ hàn lên sự phân b lực trong hồ quang 18

Hình 1.18 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực khi hàn m i hàn góc 19

Hình 1.19 Ảnh hưởng của tư thế vật hàn khi hàn m i hàn góc 20

Hình 1.20 Một s dạng khuyết tật phổ biến đ i với m i hàn góc 20

Hình 1.21 Yêu cầu chiều sâu ngấu và chiều dày vật hàn đ i với m i hàn góc 21

Hình 1.22 Yêu cầu chiều rộng m i hàn và chiều sâu ngấu đ i với m i hàn góc 21

Hình 1.23 Yêu cầu chiều cao lồi và chiều rộng hàn đ i với m i hàn góc 22

Hình 1.24 S đồ kí hiệu thu c hàn - dây hàn AWS A5.17 - 80 26

Hình 1.25 S đồ nghiên cứu của đề tài 34

Hình 2.1 Các kích thước m i hàn góc 37

Hình 3.1 Vật liệu mẫu hàn 50

Hình 3.2 Phôi hàn được gá đính dạng chữ T 51

Hình 3.3 Một s hình ảnh chuẩn b trước khi tiến hành hàn 52

Hình 3.4 Máy hàn tự động Dosun MZ1000 53

Hình 3.5 Thước đo m i hàn đa năng 55

Hình 3.6 Cách đo các thông s m i hàn 56

Hình 3.7 Cân điện t 56

Hình 3.8 Gá lắp mẫu hàn và hàn th nghiệm 59

Hình 3.9 Mẫu hàn thí nghiệm 60

Hình 3.10 Mẫu hàn cắt đ chuẩn b tẩm thực và đo kích thước m i hàn 61

Hình 3.11 Một s mẫu hàn tẩm thực 62

Hình 3.12 Một s mẫu xỉ hàn 63

Hình 4.1 Sự ph thuộc của chiều rộng m i hàn vào cường độ dòng điện hàn 72

Hình 4.2 Sự ph thuộc của chiều rộng m i hàn vào điện áp hàn 72

Hình 4.3 Sự ph thuộc của chiều rộng m i hàn vào vận t c hàn 72

Hình 4.4 Sự ph thuộc của chiều rộng m i hàn vào I và U 73

Hình 4.5 Sự ph thuộc của chiều rộng m i hàn vào I và Vh 73

Hình 4.6 Sự ph thuộc của chiều rộng m i hàn vào U và Vh 73

Hình 4.7 Sự ph thuộc của chiều cao đắp m i hàn vào cường độ dòng điện hàn 74

Hình 4.8 Sự ph thuộc của chiều cao đắp m i hàn vào điện áp hàn 74

Hình 4.9 Sự ph thuộc của chiều cao đắp m i hàn vào vận t c hàn 74

Hình 4.10 Sự ph thuộc của chiều cao đắp m i hàn vào I và U 75

Hình 4.11 Sự ph thuộc của chiều cao đắp m i hàn vào I và Vh 75

Hình 4.12 Sự ph thuộc của chiều cao đắp m i hàn vào U và Vh 75 Hình 4.13 Sự ph thuộc của chiều sâu ngấu m i hàn vào cường độ dòng điện hàn76

Hình 4.18 Sự ph thuộc của chiều sâu ngấu m i hàn vào U và Vh 77

Hình 4.19 Sự ph thuộc của cạnh trên m i hàn vào cường độ dòng điện hàn 78

Hình 4.20 Sự ph thuộc của cạnh trên m i hàn vào điện áp hàn 78

Hình 4.21 Sự ph thuộc của cạnh trên m i hàn vào vận t c hàn 78

Hình 4.22 Sự ph thuộc của cạnh trên m i hàn vào Ih và U 79

Hình 4.23 Sự ph thuộc của cạnh trên m i hàn vào Ih và Vh 79

Hình 4.24 Sự ph thuộc của cạnh trên m i hàn vào U và Vh 79

Hình 4.25 Sự ph thuộc của cạnh dưới m i hàn vào cường độ dòng điện hàn 80

Hình 4.26 Sự ph thuộc của cạnh dưới m i hàn vào điện áp hàn 80

Hình 4.27 Sự ph thuộc của cạnh dưới m i hàn vào vận t c hàn 80

Hình 4.28 Sự ph thuộc của cạnh dưới m i hàn vào Ih và U 81

Hình 4.29 Sự ph thuộc của cạnh dưới m i hàn vào Ih và Vh 81

Hình 4.30 Sự ph thuộc của cạnh dưới m i hàn vào U và Vh 81

Hình 4.31 Sự ph thuộc của lượng thu c nóng chảy vào cường độ dòng điện hàn 82 Hình 4.32 Sự ph thuộc của lượng thu c nóng chảy vào điện áp hàn 82

Hình 4.33 Sự ph thuộc của lượng thu c nóng chảy vào vận t c hàn 82

Hình 4.34 Sự ph thuộc của lượng thu c nóng chảy vào I và U hàn 83

Hình 4.35 Sự ph thuộc của lượng thu c nóng chảy vào I và Vh hàn 83

Hình 4.36 Sự ph thuộc của lượng thu c nóng chảy vào U và Vh hàn 83

Hình 4.37 M i hàn thực hiện bằng các giá tr thông s chế độ hàn t i ưu tìm được 88

Hình 4.38 Hình dạng m i hàn thực hiện bằng các giá tr thông s chế độ hàn t i ưu tìm được 88

MỞ ĐẦU

1 Lịch sử nghiên cứu

Năm 1929, người ta đã tìm ra phư ng pháp hàn tự động dưới lớp thu c trong điều kiện thí nghiệm với thu c hàn s d ng 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 t t, do vậy nâng cao được chất lượng m i 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 tri n một cách nhanh chóng cả về công nghệ và thiết b Giải quyết khó khăn của việc lắp gh p các phân đoạn, kết cấu lại với nhau cũng là một vấn đề quan trọng mà chúng ta đã c gắng tìm cách sao cho công nghệ lắp gh p là hiện đại, chính xác và hiệu quả nhất đ trong quá trình s d ng an toàn cho con người

Trải qua một thời gian dài ki m chứng trong thực tế thì công nghệ hàn dần như đã khẳng đ nh được v trí quan trọng của mình trong ngành công nghiệp Tuy không phủ nhận hoàn toàn sự cần thiết của các phư ng pháp lắp gh p khác nhưng

có th khẳng đ nh công nghệ hàn đã và đang được s d ng rộng rãi trong tất cả các nhà máy trên toàn thế giới cũng như ở đất nước ta hiện nay Tính hiệu quả và tính kinh tế của hầu hết các c sở công nghiệp (từ các nhà máy điện, chế tạo máy móc, khai thác và lọc dầu, kết cấu xây dựng, hóa chất, dược phẩm, phân bón, đóng tàu) đều liên quan chặt chẽ đến sự ứng d ng hợp lý các công nghệ hàn

2 Lý do chọn đề tài

Trong quá trình xây dựng đất nước theo hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa

ở nước ta ngành hàn đang phát tri n rất mạnh mẽ với sự ra đời của nhiều phư ng pháp hàn mới, các thiết b hàn ngày càng hiện đại nhằm giảm bớt sức lao động và mang đến những sản phẩm mới với chất lượng ngày càng cao Một trong những

Trong quá trình hàn góc ngang sự hình thành m i hàn khi hàn tự động dưới lớp thu c ph thuộc nhiều vào vật liệu hàn và chế độ hàn, tuy nhiên vấn đề nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ hàn đến sự hình thành m i hàn góc ngang còn chưa được chú ý đúng mức

Do vậy, đề tài sẽ đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn khi hàn tự động dưới lớp thu c đến sự hình thành m i hàn góc ngang, trên c sở đó cho phép lựa chọn được chế độ hàn t i ưu đ hàn các m i hàn góc ngang khi hàn kết cấu

th p, vỏ tàu thuỷ, giúp nâng cao chất lượng và năng suất hàn

Được sự hướng dẫn của TS Vũ Huy Lân tôi đã chọn đề tài nghiên cứu:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến sự hình thành mối hàn khi hàn tự

- Dùng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy và học tập

b) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đ i tượng nghiên cứu của đề tài là:

- Các chế độ hàn góc ngang (2F) khi hàn tự động dưới lớp thu c

- Vật liệu c bản là thép cacbon thấp có mác SM400B - th p kết cấu hàn theo JIS G3106 -1998, chiều dầy vật hàn S = 15mm

- Thu c hàn thiêu kết hệ baz trung bình (F7A (P)4-BK)

- Dây hàn 4 mác EM12K theo AWS A5.17 – 80

4 Nội dung của đề tài

Bao gồm các chương:

Chương : Tổng quan về quá trình hàn tự động dưới lớp thu c

Chương 2: C sở lý thuyết phư ng pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của chế độ hàn đến sự hình

thành m i hàn góc ngang

Chương 4: X lý s liệu thực nghiệm và xác đ nh chế độ hàn t i ưu

Với ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực ti n của luận văn sau khi hoàn thành sẽ

có những đóng góp đáng k cho việc xây dựng các chế độ hàn phù hợp theo yêu cầu thực tế cho m i hàn góc ngang khi hàn tự động dưới lớp thu c

Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần bổ sung cho

c sở lý thuyết về nghiên cứu các ảnh hưởng của chế độ hàn tự động dưới lớp thu c m i đ i với m i hàn góc ngang, lựa chọn chế độ hàn phù hợp cho vật liệu

th p cacbon thấp, ứng d ng vào giảng dạy, học tập và sản xuất một cách có hiệu quả

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài là c sở đ cải tiến chất

lượng sản phẩm chi tiết gia công ph c v cho thực ti n sản xuất, đặc biệt các kết cấu th p dạng tấm, vỏ kích thước lớn, các dầm th p có khẩu độ và chiều cao, dầm cầu vượt, kết cấu dầm cầu tr c, hộp, góc chữ I, trong công nghiệp đóng tàu v.v

Chủ yếu được ứng d ng đ hàn các m i hàn ở v trí hàn bằng, hàn góc ngang với các m i hàn có chiều dài lớn và có quỹ đạo không phức tạp

5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phư ng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

- Nghiên cứu c sở lý thuyết

dù đã rất c gắng nhưng do kiến thức, kinh nghiệm còn hạn chế, thời gian tìm hi u thực tế không nhiều nên chắc chắn luận văn còn nhiều thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp

Tác giả

Vũ Thanh Quynh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HÀN TỰ ĐỘNG

DƯỚI LỚP THUỐC

1.1 Sơ lược về quá trình hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

Sơ đ nguyên l hàn tự động dưới lớp thuốc

Hàn hồ quang tự động là phư ng pháp hàn hồ quang mà các thao tác hàn được thực hiện tự động (nếu chỉ có một s thao tác được thực hiện được gọi là hàn

hồ quang bán tự động)

Hàn hồ quang tự động dưới lớp thu c bảo vệ là phư ng pháp hàn hồ quang chìm, quá trình hàn nóng chảy do hồ quang cháy giữa dây hàn và vật hàn dưới một lớp thu c bảo vệ

Công nghệ hàn hồ quang dưới lớp thu c là quá trình hàn điện nóng chảy, nguồn nhiệt do hồ quang điện sinh ra giữa điện cực hàn (dây hàn, băng hàn) và vật hàn (gọi theo tiếng Anh là SAW (Submerged Arc Welding) Nhiệt lượng sinh ra do

hồ quang điện làm nóng chảy kim loại điện cực và kim loại c bản và thu c hàn, tạo thành vòm vỉ bảo vệ vùng hồ quang và vũng hàn khỏi sự xâm nhập và ảnh hưởng có hại của môi trường khí quy n xung quanh (nên còn gọi là phư ng pháp hàn hồ quang ngầm)

Nguyên lý của quá trình hàn dưới lớp thu c được trình bày trên hình 1.1

Nguồn nhiệt của hồ quang hàn làm m p hàn, dây hàn và một phần thu c hàn sát hồ quang b nóng chảy tạo thành vòm hồ quang vòm xỉ và vũng hàn Dây hàn được đẩy vào vũng hàn bằng một c cấu cấp dây với t c độ phù hợp với t c độ nóng chảy của nó và đảm bảo duy trì hồ quang cháy ổn đ nh Khi hồ quang hàn di chuy n theo hướng hàn kim loại lỏng trong vũng hàn sẽ nguội và kết tinh tạo thành

m i hàn Trên mặt vũng hàn và phần m i hàn kết tinh hình thành một lớp xỉ có tác

d ng tham gia vào các quá trình luyện kim khi hàn, bảo vệ và giữ nhiệt cho m i hàn

và sẽ tách khỏi m i hàn sau khi hàn Phần thu c hàn chưa b nóng chảy có th được

s d ng lại nhờ bộ phận thu hồi và sàng lọc thu c hàn

Theo mức độ tự động của các chuy n động cấp dây hàn, dao động điện cực

và chuy n động theo đường hàn có th chia thành hàn tự động và bán tự động dưới lớp thu c

Các nguyên công c bản của quá trình công nghệ hàn là: gây hồ quang, d ch chuy n điện cực dọc theo tr c m i hàn đ hàn hết chiều dài m i hàn Những nguyên công này khi hàn tự động được thực hiện bằng máy

1.1.2 Đặc điểm của quá trình hàn h quang dưới lớp thuốc và ứng dụng

 Sự phân bố của nguồn nhiệt:

Trên hình 1.2 dưới đây là s đồ cân bằng nhiệt khi hàn dưới lớp thu c

So với hàn hồ quang tay, có sự khác biệt đáng k trong lượng nhiệt truyền vào kim loại c bản Một phần thu c hàn không s d ng hết sẽ được tái s d ng thông qua

hệ th ng thu hồi thu c hàn Hệ th ng điều khi n đảm bảo cấp đề dây hàn xu ng vùng hồ quang thông qua c cấu cấp dây hàn

Hình 1.2 Sơ đồ cân bằng nhiệt khi hàn dưới lớp thuốc

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

- Ứng d ng đ hàn các kết cấu th p dạng tấm, vỏ kích thước lớn, các dầm

th p có khẩu độ và chiều cao, các ng th p có đường kính lớn, các bồn, b chứa, bình ch u áp lực trong nhiều lĩnh vực công nghiệp

- Phạm vi ứng d ng đ hàn các m i hàn ở tư thế hàn bằng, hàn góc, m i hàn ngang với các đường hàn có chiều dài lớn và có quỹ đạo không quá phức tạp, nếu chi tiết hình tr thì đường kính không quá nhỏ

 Ưu nhược đi m của phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc:

 Ưu đi m chung của hàn tự động dưới lớp thu c:

Môi trường hồ quang hàn cháy ngầm dưới lớp thu c trong vòm xỉ bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác d ng có hại của môi trường xung quanh

Hồ quang tập trung và nhiệt độ cao cho ph p hàn với t c độ lớn và có th hàn những chi tiết có chiều dày từ vài mm cho đến hàng trăm mm mà không cần phải vát m p, tiết kiệm kim loại và sức lao động chuẩn b m p hàn

Chất lượng kim loại m i hàn cao do vùng hàn được bảo vệ t t khỏi tác d ng của oxi và nit trong khí quy n xung quanh Kim loại m i hàn đồng nhất về thành phần hóa học, do khả năng tinh luyện kim loại m i hàn t t h n

M i hàn có hình dạng đẹp, đều đặn, ít b các khuyết tật do tự động hóa

Giảm tiêu hao vật liệu (dây hàn), không bắn tóe kim loại, nên hệ s đắp cao,

ít tổn thất Năng suất hàn cao

T c độ đắp và t c độ hàn cao Có năng suất cao h n từ 5 ÷ 10 lần so với hàn

hồ quang tay (dòng điện hàn và t c độ hàn cao h n, hệ s đắp lớn) Vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, ít biến dạng sau khi hàn

D c khí hóa và tự động hóa quá trình hàn

 Nhược đi m của hàn tự động dưới lớp thu c:

Đòi hỏi kim loại c bản và vật liệu hàn phải sạch h n so với hàn hồ quang tay Chuẩn b trước khi hàn công phu h n

Không th quan sát trực tiếp vũng hàn Chỉ hàn được ở tư thế hàn sấp, với các đường hàn có hình dạng tư ng đ i đ n giản (thẳng, tròn quay)

Thiết b có giá thành cao

1.2 Thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

1.2.1 Thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc

Bộ thiết b c bản cho hàn tự động dưới lớp thu c bao gồm:

+ Bộ phận cấp dây hàn có chức năng cấp dây hàn tới vùng hồ quang thông qua ng tiếp xúc của đầu hàn

+ Nguồn điện hàn cung cấp dòng điện hàn cho dây hàn tại ng tiếp xúc

+ Bộ phận giữ và cấp thu c cho hồ quang

+ Bộ phận điều khi n dao động ngang

Hình 1.3 Một số hình ảnh về máy hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

Hình 1.4 Hình ảnh về máy hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc làm thực nghiệm

Máy hàn tiêu bi u gồm biến áp hàn, bộ chỉnh lưu, cuộn cản, quạt làm mát, bộ phận bảo vệ, biến áp điều khi n và contact điều khi n dòng hàn Mọi điều khi n điều thực hiện mặt trước máy

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý xe hàn vạn năng

Xe hàn (xe tự hành chứa đầu hàn) có 2 bánh truyền động phía sau, 2 bánh b động phía trước và động c đẩy một chiều có hộp giảm t c T c 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 th làm cho đầu hàn thực hiện dao động ngang

Cần đỡ đầu hàn và đầu hàn: Có th 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 ng tiếp xúc (có chức năng dẫn dòng điện hàn)

Bộ cấp dây gồm động c một chiều, 4 tr c đẩy dây, hộp giảm t c và cuộn dây hàn Có th dùng núm điều khi n trên bảng điều khi n đ thay đổi liên t c t c

độ cấp dây từ 0,1 ÷ 7,5 m/phút (t c độ này được điều khi n bằng điện từ) Đầu hàn thường bao gồm cả bộ phận dẫn hướng đ dò v trí rãnh hàn ở phía trước m i hàn Một s thiết b hiện đại còn s d ng các đầu dò laser Ngoài ra đầu hàn còn được gắn phi u chứa thu c hàn

Bảng điều khi n nằm trên xe hàn; chế độ hàn được điều khi n từ mặt trước của bảng Bảng điều khi n bao gồm đồng hồ chỉ t c độ xe hàn (m/phút), ampe kế và vôn kế; chiết áp xoay đ đặt t c độ xe hàn và t c độ cấp dây; công tắc đổi chiều đi của xe hàn; c cấu điều chỉnh dây lên xu ng; nút khởi động và tắt

2.2 Trang thiết bị phụ trợ

Các trang thiết b ph trợ được dùng tùy trường hợp và có th bao gồm:

+ Đường ray cho xe hàn – dùng cho m i hàn thẳng

+ Bộ gá lắp đặc biệt khi xe hàn chuy n động trực tiếp trên vật hàn

+ Bộ thu hồi thu c hàn chưa dùng hết (máy hút thu c hàn dư)

+ Đồ gá vật hàn và xe hàn (đầu hàn)

1.2.3 Sự hình thành mối hàn và các yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn

với hướng truyền nhiệt t i đa Các đường đẳng nhiệt kết tinh trên bề mặt m i hàn có dạng parabol và nói chung trùng với biên dạng bên ngoài của bề mặt m i hàn Các gradient nhiệt độ t i đa cũng như các tr c chính của các tinh th hình cột tại mỗi

đi m đều vuông góc với các đường đẳng nhiệt kết tinh Các tinh th hình tr cũng

có hình dạng và hướng tư ng tự theo hướng tiết diện ngang

Hình 1.7 Hướng kết tinh của các tinh thể mối hàn

Hình 1.8 Các đường đẳng nhiệt trên bề mặt mối hàn

Khi t c độ hàn cao, tại vùng giữa bề mặt m i hàn không hình thành các hình vòng cung liên t c đặc trưng cho các đường đẳng nhiệt, mà trong đường hàn lại thấy xuất hiện sự gợn sóng Tiếp t c tăng t c độ hàn sẽ làm xuất hiện tại vùng giữa

đó các khuyết tật và lẫn xỉ hàn

Hình 1.9 Bề mặt mối hàn khi tốc độ hàn cao

b) Các kích thước và các hệ số cơ bản của mối hàn

 Mối hàn giáp mối:

Việc xác đ nh các kích thước c bản và hình dạng m i hàn có ý nghĩa quan trọng trong lựa chọn chế độ hàn, và do đó, cả chất lượng m i hàn Hình dạng m i hàn do các yếu t chiều sâu ngấu h, chiều rộng b và chiều cao đắp c hoặc chiều cao

toàn bộ H = c + h của m i hàn tạo nên

Đ i với liên kết hàn giáp m i: hai hệ s đặc trưng cho hình dạng m i hàn là

hệ s ngấu (hệ s hình dạng bên trong) Ψn = b/h (thường có giá tr 0,8 ÷ 4, t i

ưu từ 1,3 ÷ 2) và hệ s hình dạng m i hàn (hệ s hình dạng bên ngoài) Ψmh = b/c (thường có giá tr từ 7 ÷ 10)

Hình 1.10 Các kích thước đặc trưng của mối hàn giáp mối

So sánh với hàn hồ quang tay ta thấy, khi hàn hồ quang tay, hệ s hình dạng trong m i hàn (hệ s ngấu) thường nằm trong khoảng Ψn = 5 ÷ 6,7; trong khi đó với hàn dưới lớp thu c, Ψn = 1,3 ÷ 2 (giá tr chiều sâu ngấu lớn h n nhiều)

Nếu hệ s hình dạng bên trong nhỏ h n 0,8 m i hàn d b nứt nóng và khi nó lớn h n 4 khả năng biến dạng của m i hàn sẽ rất lớn Nếu hệ s hình dạng bên ngoài nhỏ h n 7, sự chuy n tiếp kim loại từ m i hàn vào kim loại c bản không đều,

d gây tập trung ứng suất; khi hệ s này lớn h n 10, khả năng biến dạng m i hàn tăng, làm giảm khả năng ch u tải trọng động

 Mối hàn góc:

Hình 1.11 Các kích thước đặc trưng của mối hàn góc c) Ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến sự hình thành mối hàn

 Đặc trưng ảnh hưởng chung đối với mối hàn giáp mối:

Lượng nhiệt sinh ra trong hồ quang (hàm s của dòng điện hàn, điện áp hàn

và t c độ hàn) ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng m i hàn

Khi tăng cường độ dòng điện hàn (các thông s khác giữ nguyên), lượng kim loại nóng chảy tăng do mật độ dòng điện tăng, làm tăng lượng điện cực nóng chảy (chiều cao đắp c của m i hàn tăng) Theo đó, sự tập trung nhiệt trong hồ quang tăng

và làm áp lực của hồ quang tăng Kết quả là chiều sâu ngấu h tăng Có th dùng công thức h = k.I, với hệ s k theo công thức [2] Chiều rộng m i hàn b hầu như không đổi Do đó hệ s ngấu giảm

Hình 1.12 Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo cường độ dòng điện hàn

 Ảnh hưởng của điện áp hàn

Hình 1.13 Sự thay đổi hình dạng mối hàn và mức tiêu thụ thuốc hàn theo điện áp

hàn

Điện áp hàn tăng sẽ làm tăng chiều dài cột hồ quang Do đó lượng nhiệt sinh

ra trong hồ quang sẽ tác động lên một diện tích lớn h n của kim loại c bản, làm giảm chiều sâu ngấu h nhưng lại làm tăng chiều rộng m i hàn b

Trên thực tế, điện áp hàn được xác đ nh theo cường độ dòng điện hàn nhằm đạt được hệ s ngấu cần thiết

Hình 1.14 Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo điện áp hàn

Khi cường độ dòng điện hàn không đổi, I = const, nếu tăng đường kính điện cực sẽ dẫn đến tăng chiều rộng b và giảm chiều sâu ngấu h của m i hàn

Hình 1.15 Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo tiết diện điện cực

T c độ tăng h n sẽ làm nghiêng cột hồ quang, dẫn đến tăng chiều sâu ngấu Ngoài

ra, t c độ hàn tăng làm giảm mức độ thiêu th thu c hàn

Hình 1.16 Ảnh hưởng của tốc độ hàn lên sự phân bố lực trong hồ quang

Khi tiếp t c tăng t c độ hàn thì lượng nhiệt sinh ra không đủ nung chảy cạnh hàn, làm giảm chiều sâu ngấu Với t c độ hàn rất lớn, sẽ xảy ra hàn không ngấu hai bên m i hàn và hồ quang không ổn đ nh

Hình 1.17 Ảnh hưởng của tốc độ hàn lên sự phân bố lực trong hồ quang

 Đặc trưng ảnh hưởng và yêu cầu đối với mối hàn góc:

 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến chiều sâu ngấu và các cạnh mối hàn:

Ngoài các đặc trưng ảnh hưởng chung như m i hàn giáp m i, đ i với m i hàn góc thường được thực hiện đ i với các liên kết hàn chữ T và liên kết hàn chồng còn

x t đến các yếu t dưới đây [2; 9]

Góc nghiêng điện cực thay đổi đ i với m i hàn góc ngang, đi n hình là liên kết hàn chữ T đến chiều sâu ngấu và các cạnh m i hàn như sau

Hình 1.18 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực khi hàn mối hàn góc

 Ảnh hưởng của tư thế vật hàn đến chiều sâu ngấu và các cạnh mối hàn:

Hình 1.19 Ảnh hưởng của tư thế vật hàn khi hàn mối hàn góc

Một số dạng khuyết tật phổ biến đối với mối hàn góc:

Hình 1.20 Một số dạng khuyết tật phổ biến đối với mối hàn góc

- Chiều sâu ngấu

Hình 1.21 Yêu cầu chiều sâu ngấu và chiều dày vật hàn đối với mối hàn góc

- Chiều rộng m i hàn: đ đảm bảo hình dạng vũng hàn kết tinh thuận lợi và tránh khuyết tật hàn nguy hi m nhất là xu hướng xuất hiện nứt, hình dạng m i hàn cần đáp ứng quan hệ giữa chiều rộng và chiều sâu ngấu như hình dưới đây:

Hình 1.22 Yêu cầu chiều rộng mối hàn và chiều sâu ngấu đối với mối hàn góc

Như vậy chiều rộng m i hàn phải thỏa mãn điều kiện ch u tải (tiết diện ngang

m i hàn) và điều kiện ngừa nứt m i hàn: b ≥ 1,25 h

- Chiều cao lồi bề mặt m i hàn

Hình 1.23 Yêu cầu chiều cao lồi và chiều rộng hàn đối với mối hàn góc

- Yêu cầu chiều cao lồi bề mặt m i hàn và chiều rộng hàn TCVN 7472 – 2005 [7].

Bảng 1.1 Chấp nhận khuyết tật hàn khi ki m tra VT

(Theo ISO 5817 hay TCVN 7472 – 2005)

h ≤ 0,5.s 0,5.a

2 mm

Không cho phép

Không cho phép

Khuyết tật ngắn khi:

- Hàn giáp m i

- Hàn góc -Trường hợp khác, kích thước lớn nhất cho 2 loại khuyết tật này là:

h ≤ 0,5.s 0,5.a

4 mm, hoặc không rộng

h n chiều dày (NLTT)

h ≤ 0,4.s 0,4.a

3 mm, hoặc (NLTT)

0,3.s 0,3.a

2 mm, (NLT)

Không cho phép

h ≤ 0,2.s max, 2 mm

h ≤ 0,1.s max, 1,5mm

h ≤ 1 mm +0,15.b,

mm

h ≤ 1

mm + 0,1.b, max 5mm

h ≤ 1 mm + 0,15.b,

mm

h ≤ 1

mm + 0,1.b, max 3mm

Khuyết tật ngắn thì được cho phép

Không cho phép

Chấp nhận tùy thuộc vào ứng

d ng

Ngoài ra, còn một vài khuyết tật khác không được đưa ra ở đây

 Ta quyết định chọn mức chấp nhận của khuyết tật hàn là mức C (mức trung gian)

Như vậy đ i với m i hàn góc trong các liên kết hàn chữ T, chữ thập, ở tư thế hàn ngang thì góc nghiêng điện cực α = 30° ÷ 50° theo tr c tung sẽ đảm bảo chiều sâu ngấu và các cạnh m i hàn ngấu đều Do vậy, các thí nghiệm sẽ được tiến hành với α = 40° và các s liệu ki m tra cho thấy là hợp lý

1.3 Vật liệu hàn tự động dưới lớp thuốc

Kí hiệu Điện cực (dây hàn đặc)

F S X X X- ECXXX - HX

Thu c hàn Loại xỉ hàn, chữ cái này có th không có Chữ s chỉ giới hạn bền k o t i thi u của kim loại m i hàn

Chế độ nhiệt luyện của m i hàn

Kí hiệu hàm lượng hiđrô trong kim loại m i hàn

S qui ước nhiệt độ th độ dai va đập

tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 “Quy đ nh thu c hàn và dây hàn th p cacbon đ hàn tự động dưới lớp thu c” [1; 2; 9; 10; 13]

Hình 1.24 Sơ đồ kí hiệu thuốc hàn - dây hàn AWS A5.17 - 80

Theo tiêu chuẩn AWS A5.17 - 80, thu c hàn được ký hiệu kết hợp với dây hàn tư ng ứng đ đạt được c tính cần thiết của kim loại m i hàn Trong phần ký hiệu thu c hàn FXXX, chữ X đầu tiên là độ bền k o t i thi u của kim loại m i hàn, ksi Chữ X thứ hai cho biết điều kiện nhiệt luyện khi th mẫu Chữ A - mẫu được tiến hành th sau khi hàn (As Welded) (không x lý nhiệt) hoặc chữ P (có x lý nhiệt sau khi hàn) Chữ X thứ 3 có th là chữ Z hoặc các s cho biết nhiệt độ quy ước th độ dai va đập với giá tr tư ng ứng ở cột bên phải

Theo tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 phân loại dây hàn th p cacbon thành 8 loại trong 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 tiếp theo là chữ C có th 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 s (8; 12; 13; 14; 15) chỉ hàm lượng cacbon danh nghĩa (quy ước); còn nếu có chữ K ở cu i là dây hàn được chế tạo từ th p kh bằng silic Trong trường hợp dây hàn kí hiệu EG (hoặc ECG), ở đây chữ G là

“general” có nghĩa là kim loại đắp theo phân loại chung, không qui đ nh về thành phần hoá học Các chỉ tiêu của dây hàn và kim loại m i hàn tham khảo (bảng 1.4)

Bảng 1.2 Yêu cầu về cơ tính kim loại mối hàn theo AWS A5.17 - 80

Chỉ tiêu về cơ

tính

Độ bền kéo tối thi u

Giới hạn chảy tối thi u, MPa

Độ giãn dài tương đối (%)

Bảng 1.4 Thành phần hoá học và một số thông số chủ yếu của dây hàn tự động

dưới lớp thuốc theo AWS A5.17 – 80

Dây có hàm lượng mangan cao EH10K 0,07÷0,15 1,30÷1,70 0,05÷0,25 0,025 0,025 0,35