Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Thanh Lưu NGHIÊN CỨU VÀ TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN THUỐC HÀN THIÊU KẾT HỆ BAZƠ TRUNG BÌNH Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ` Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Vũ Huy Lân TS Hà Xuân Hùng Phản biện 1: PGS TS Hoàng Tùng Phản biện 2: PGS TS Lê Thu Quý Phản biện 3: PGS TS Đinh Văn Chiến Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hàn tự động lớp thuốc phương pháp hàn tiên tiến, ứng dụng nhiều lĩnh vực sản xuất khí, cho suất cao, chất lượng mối hàn đảm bảo tốt yêu cầu kỹ thuật, điều kiện môi trường tốt đa số phương pháp hàn khác, giá thành phù hợp Thuốc hàn nói chung thuốc hàn thiêu kết nói riêng sử dụng hàn tự động lớp thuốc hàn điện xỉ Việc sử dụng vật liệu thuốc hàn thiêu kết có nhiều ưu điểm trội nhiều mặt so với loại thuốc hàn khác Do vấn đề nghiên cứu, sản xuất sử dụng thuốc hàn thiêu kết xu hướng để chế tạo cơng trình kết cấu hàn chất lượng cao Hiện giới nghiên cứu sâu sản xuất nhiều loại thuốc hàn thiêu kết, Việt Nam nhu cầu lớn, việc nghiên cứu chưa sâu, kết đạt khiêm tốn, nên chưa áp dụng để sản xuất công nghiệp, phải nhập với giá thành cao bị động Đây ngun nhân làm cho giá thành cơng trình chế tạo hàn nước bị đẩy lên cao, làm giảm tính cạnh tranh, đồng thời nguồn ngoại tệ lớn Trong đó, nguồn nguyên vật liệu để sản xuất thuốc hàn thiêu kết nước lớn phong phú Do đó, mục tiêu đề tài nghiên cứu tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình sở sử dụng tối đa nguồn nguyên liệu nước, sản xuất ứng dụng vào thực tiễn đáp ứng nhu cầu sản xuất xuất Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu, xác định thành phần tối ưu mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình để hàn kết cấu thép từ thép cacbon thấp Đối tượng nghiên cứu: Thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình Phạm vi nghiên cứu: Hàn kết cấu thép từ thép cacbon thấp Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm: + Tổng hợp sở lý thuyết nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết + Thí nghiệm thăm dò, sàng lọc nghiên cứu thực nghiệm - Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm: + Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm xây dựng phương trình tốn học biểu diễn mối quan hệ ảnh hưởng chất thành phần thuốc hàn thiêu kết đến tiêu cơng nghệ hàn, thành phần hóa học kim loại mối hàn, làm sở cho việc tối ưu hóa thành phần thuốc hàn + Giải tốn tối ưu xác định thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình đảm bảo tiêu theo yêu cầu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học + Luận án bổ sung thêm phương pháp nghiên cứu lựa chọn thành phần thuốc hàn SAW số liệu làm sở để xây dựng mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình 2 + Xây dựng quy luật ảnh hưởng thành phần chủ yếu thuốc hàn F7A4BK đến tiêu cơng nghệ hàn thuốc hàn, thành phần hóa học kim loại mối hàn, hàm lượng hiđrô mối hàn VAHN + Đề xuất sơ đồ nghiên cứu bước tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn Ý nghĩa thực tiễn luận án + Các kết nghiên cứu triển khai sản xuất sản phẩm thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình nước, mang lại hiệu kinh tế xã hội cao + Tính độc đáo luận án thể chỗ mác thuốc hàn thiêu kết chất lượng cao Việt Nam người Việt Nam tự nghiên cứu sản xuất nguồn nguyên vật liệu chủ yếu từ nước Các đóng góp luận án - Bằng cách vận dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm phần mềm Modde 5.0 vào việc xác định hàm hồi quy mô tả quan hệ, quy luật ảnh hưởng chất chủ yếu thành phần mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình đến tính cơng nghệ hàn thuốc hàn chiều dài hồ quang tới hạn - Xây dựng quy luật dịch chuyển nguyên tố hợp kim Mn, Si từ thuốc hàn vào kim loại mối hàn hệ xỉ bazơ trung bình Trên sở xác định hàm thành phần hóa học kim loại mối hàn đáp ứng tiêu tính kim loại mối hàn - Xây dựng quy luật ảnh hưởng hàm lượng huỳnh thạch thông số chế độ sấy thiêu kết thuốc hàn hệ xỉ bazơ trung bình đến lượng hiđrơ mối hàn Trên sở xác định vùng thông số sấy thiêu kết thuốc hàn là: nhiệt độ sấy 755°C, thời gian sấy 103 phút, lượng hiđrô mối hàn 3,36 cm3/100g kim loại đắp (nhỏ yêu cầu cm3/100g) - Xây dựng sơ đồ thuật toán tối ưu thành phần mẻ liệu thuốc hàn theo mơ đun, giúp giảm số lượng thí nghiệm chi phí thí nghiệm Trên sở giải toán tối ưu xác định tỷ lệ hợp lý chất thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4–BK đáp ứng tốt tiêu đề Tóm lại, kết nghiên cứu luận án thực có ý nghĩa khoa học, kinh tế xã hội trước mắt lâu dài nước nhà Kết cấu luận án Ngoài phần mở đầu mục theo quy định, nội dung nghiên cứu luận án trình bày 04 chương, cụ thể sau: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết Chương 2: Quy trình cơng nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết phương pháp nghiên cứu Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm Chương 4: Xác định thành phần tối ưu mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình Kết luận chung luận án kiến nghị Danh mục tài liệu tham khảo Danh mục cơng trình cơng bố luận án Tổng quan tình hình nghiên cứu Tình hình nghiên cứu nước Trên sở khảo sát liệu sở sản xuất vật liệu hàn hàng đầu nước ta, thấy nhu cầu thuốc hàn thiêu kết nước ta lớn Tuy nhiên, việc nghiên cứu cơng bố cơng trình nghiên cứu khoa học (chủ yếu thực số trường đại học công nghệ, số viện nghiên cứu thuộc Bộ Công thương hay số doanh nghiệp sản xuất vật liệu hàn) chưa sâu, số lượng ít, kết đạt mức độ triển khai thực tế khiêm tốn Do chưa có doanh nghiệp nước nghiên cứu tự sản xuất công nghiệp thuốc hàn thiêu kết, mà chủ yếu phải nhập Hiện kết cấu hàn từ thép cacbon thấp có yêu cầu chất lượng cao, hầu hết hàn từ số loại thuốc hàn hãng ESAB (Thụy Điển) Hyundai (Hàn Quốc) Thuốc hàn hãng khác Lincoln, Hobart (Mỹ), Kobelco (Nhật Bản), Chosun, Kiswel (Hàn Quốc), Atlantic, Camel, Eagle, SJ (Trung Quốc) sử dụng yếu tố chất lượng giá chưa phù hợp Một số cơng trình nghiên cứu thuốc hàn cơng bố: - Đề tài nghiên cứu thuốc hàn nóng chảy Việt Nam tương đương với mác AH – 348 (Liên Xô) thực từ năm 70 kỹ sư Nguyễn Thành Kiên Viện nghiên cứu máy làm chủ nhiệm đề tài Kết nhận chế tạo thành công thuốc hàn nung chảy lò điện, tương đương với mác AH – 348 Liên Xô cũ Tuy nhiên, kết nghiên cứu dừng lại phòng thí nghiệm - Đề tài KH-CN 242.07RD/HĐ-KHCN: “Nghiên cứu chế tạo thuốc hàn tự động vật liệu nước để hàn kết cấu thép thay thuốc hàn nhập ngoại’’ Kỹ sư Nguyễn Văn Thống làm Chủ nhiệm đề tài năm 2007, thuộc Viện Công nghệ - Tổng công ty Máy động lực máy nông nghiệp, Bộ Công thương [4] Đề tài chọn tạo xỉ Nhôm – rutil (tên gọi theo tác giả), xác gọi theo thuật ngữ chun ngành hệ xỉ Ơxit nhơm (Al2O3) – Rutil (TiO2) theo IIW, kí hiệu hệ xỉ hàn AR Đây tạo xỉ hàn có tính cơng nghệ tốt chất lượng kim loại mối hàn cao ứng dụng để hàn kết cấu thép Kết nghiên cứu nghiệm thu tháng năm 2008 hàn thử nghiệm số sở - Đề tài: “Nghiên cứu quy trình cơng nghệ sản xuất hàn gốm dùng để hàn thép có độ bền cao lớp thuốc trợ dung” Kỹ sư Đặng Trần Lương làm Chủ nhiệm đề tài, thuộc Công ty CP Que hàn điện Việt Đức (Viwelco) hoàn thành nghiệm thu tháng 12 năm 2008 [5] Nội dung đề tài nghiên cứu thuốc hàn gốm mác F7-VD (hoặc AR-7), chọn tạo xỉ (nhơm – rutil) hay gọi hệ xỉ hàn: Ơxit nhơm (Al2O3) – Rutil (TiO2) (theo IIW hệ xỉ hàn AR) Mặc dù công ty tiến hành sản xuất thử, số hạn chế nên chưa thể triển khai sản xuất với qui mô công nghiệp Đây loại thuốc hàn hệ axit có chất lượng tính cơng nghệ tốt, dùng để hàn kết cấu thép yêu cầu chất lượng thông thường - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội: Bộ môn Hàn & Công nghệ Kim loại thuộc Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội có cơng trình nghiên cứu thuốc hàn gốm nhóm tác giả Vũ Huy Lân, Bùi Văn Hạnh, Trịnh Duy Long,… thực Các kết nghiên cứu thuốc hàn gốm (hệ rutil – đôlômit – boxit), thuốc hàn hỗn hợp (thuốc hàn nung chảy + bột hợp kim), thuốc hàn đắp,…từ năm 1984 công bố Các mác thuốc thử nghiệm với kí hiệu BK.X đạt kết định 4 - Đề tài: “Nghiên cứu quy trình cơng nghệ sản xuất thuốc hàn gốm hệ AR dùng để hàn thép” PGS TS Đào Quang Kế, Học viện Nông nghiệp Việt Nam làm Chủ nhiệm đề tài, có cơng trình nghiên cứu với Đề tài hoàn thành nghiệm thu tháng năm 2014 [6] - Đề tài: ”Nghiên cứu sản xuất thuốc hàn thiêu kết nguyên vật liệu nước để hàn tự động lớp thuốc kết cấu thép cacbon thấp thép hợp kim thấp”, mã số KC.02.04/11 – 15 thuộc Chương trình khoa học cơng nghệ trọng điểm cấp Nhà nước KC.02/11 – 15 PGS TS Vũ Huy Lân làm Chủ nhiệm đề tài, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Cơ quan chủ trì hồn thành năm 2016 Đề tài nghiên cứu sản xuất 03 loại thuốc hàn thiêu kết sử dụng tối đa nguyên vật liệu nước để hàn tự động lớp thuốc kết hợp với dây hàn thích hợp tương đương với tiêu chuẩn Hiệp hội Hàn Mỹ AWS A5.17 – 80 [3] Tình hình nghiên cứu nước Hiện giới có nhiều mác thuốc hàn khác nhau, nhiên theo phương pháp chế tạo cơng nghệ chia làm loại chủ yếu: thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm thuốc hàn thiêu kết Việc nghiên cứu sản xuất ứng dụng sản phẩm thuốc hàn thiêu kết ngày quan tâm phát triển nhiều nước công nghiệp tiên tiến Các nhà nghiên cứu sản xuất vật liệu hàn tiếng giới như: ESAB (Thụy Điển), viện Hàn Paton (Ucraina), Messer, Grieshemim (Đức), Hyundai, Chosun (Hàn Quốc), Hobart, Lincoln (Mỹ), Atlantic, Camel, Eagle, SJ (Đài Loan, Trung Quốc) nghiên cứu sâu loại thuốc hàn thiêu kết sản xuất với số lượng lớn [3] Trên sở liệu nhiều hãng sản xuất vật liệu hàn tiếng giới [3, 7, 8, 13, 14], tác giả lựa chọn số mác thuốc hàn thiêu kết theo số bazơ tiêu biểu bảng sau: Bảng 1.7 Một số mác thuốc hàn thiêu kết tiêu biểu hệ số bazơ theo tiêu chuẩn Viện hàn quốc tế (IIW) ESAB Viện hàn Paton (Ucraine) Chỉ số bazơ B Nhiệt độ thử đạt độ dai va đập tối thiểu ak(27J), 0C S – 777MX AHK - 44 0,6÷0,9 - 18 OK Flux 10.80 S – 727 AHK - 47 1,1 - 29 F7A4 OK Flux 10.71 S – 717 AHK – 561 1,6 - 40 F7A6 OK Flux 10.61 S – 707TP AHK – 57 2,8 - 51 F7A8 OK Flux 10.62 S – 787TB 48AHK -54 3,4 - 62 Một số mác thuốc hàn tiêu biểu hãng Kí hiệu thuốc hàn theo AWS A5.17-80 ESAB (Thụy Điển) Hyundai (Hàn Quốc) F7A0 OK Flux 10.81 F7A2 Bảng 1.8 Thành phần hóa học chủ yếu xỉ hàn sử dụng thuốc hàn ESAB Mác thuốc, dây hàn theo AWS A5.17-80 Mác thuốc hàn theo ESAB 1904-2004 F7A4 OK Flux 10.71 Thành phần hóa học chủ yếu xỉ hàn,% SiO2+TiO2 CaO+MgO Al3O2+MnO CaF2 Hoạt tính (Hệ số B) 20 ÷ 30 25÷35 25÷35 10÷20 1,6 Chương TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU THUỐC HÀN THIÊU KẾT 1.1 Hàn hồ quang tự động lớp thuốc bảo vệ 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động lớp thuốc bảo vệ Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động lớp thuốc 1.1.2 Vai trò công dụng thuốc hàn - Tạo môi trường ion hóa tốt để đảm bảo dễ gây hồ quang trì hồ quang ổn định - Tạo vòm xỉ nóng chảy bảo vệ vùng hồ quang hàn vũng hàn khỏi tác dụng có hại oxi nitơ mơi trường xung quanh - Giúp hình thành bảo đảm hình dạng mối hàn tốt (tạo dáng mối hàn) - Làm cho kim loại mối hàn nguội chậm, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi thoát hiđrô từ mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt - Khử oxi tạp chất có hại (S, P), tinh luyện kim loại mối hàn - Đảm bảo hệ số nóng chảy tốc độ hàn theo yêu cầu - Hợp kim hóa kim loại mối hàn, đặc biệt mối hàn đắp để cải thiện tổ chức kimloại nâng cao tính kim loại mối hàn - Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng xạ hồ quang, cải thiện điều kiện lao động - Nhờ có lớp thuốc vòm xỉ bảo vệ hồ quang hàn, nên trình hàn kim loại điện cực không bị bắn toé, giảm hao tổn kim loại, nâng cao suất hàn - Giảm khuyết tật phạm vi cho phép: rỗ khí, ngậm xỉ, khơng ngấu, cải thiện điều kiện hình thành mối hàn tinh luyện kim loại mối hàn - Cải thiện tiêu chí vệ sinh cơng nghiệp: giảm lượng khí thải bụi sinh giới hạn cho phép hàn 1.1.3 Phân loại thuốc hàn Hiện có nhiều hệ thống tiêu chuẩn phân loauj thuốc hàn ISO, AWS, BS, GOST, DIN, Việc phân loại dựa theo phương pháp chế tạo thuốc, tính chất hóa học thuốc hàn, thành phần hóa học tính kim loại đắp,… - Phân loại theo phương pháp chế tạo thuốc: gồm thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm thuốc hàn thiêu kết 6 - Phân loại theo tính chất hóa học (chỉ số bazơ) [18,43, 99]: gồm thuốc hàn axit (B < 0.9), thuốc hàn bazơ thấp (0.9 ≤ B ≤ 1.2), thuốc hàn bazơ trung bình (1.2 ≤ B ≤ 2) thuốc hàn bazơ cao (B > 2) 1.1.4 Ký hiệu thuốc hàn dây hàn Tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 “Quy định thuốc hàn dây hàn thép cacbon để hàn tự động lớp thuốc” [18, 43], thuốc hàn ký hiệu kết hợp với dây hàn tương ứng để đạt tính cần thiết kim loại mối hàn Thuốc hàn: F X X X (1) (2) (3) (4) (1) - F (Flux): Thuốc hàn (2) - Độ bền kéo tối thiểu kim loại mối hàn (ksi) (3) - Điều kiện nhiệt luyện thử mẫu A – As welding: trạng thái sau hàn (không nhiệt luyện) P – PWHT (Post Weld Heat Treatment): có nhiệt luyện sau hàn (chế độ nhiệt luyện 610 – 6350C/1h) (4) – Nhiệt độ quy ước thử độ dai va đập Dây hàn: E X X X (1) (2) (3) (4) (1) – E (Electrode): điện cực hàn (dây hàn) (2) - Chữ hàm lượng Mangan L: .Low Mn (mangan thấp) M: Medium Mn (mangan trung bình) H: Hight Mn (mangan cao) (3) - Số hàm lượng cacbon (phần vạn) (4) - K (killed) có, thị thép dây hàn khử silic 1.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất thuốc hàn 1.2.1 Tình hình nghiên cứu sản xuất thuốc hàn nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất thuốc hàn nước Kết luận chương Phương pháp hàn tự động lớp thuốc phương pháp hàn tiên tiến cho suất cao, chất lượng mối hàn tốt, điều kiện vệ sinh môi trường tốt nhiều phương pháp hàn khác Thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình dùng để hàn tự động lớp thuốc nói riêng có nhiều ưu điểm, nên nghiên cứu ứng dụng rộng rãi giới Việt Nam, đặc biệt dùng để chế tạo cơng trình kết cấu hàn thép yêu cầu chất lượng cao Do vậy, nhu cầu thuốc hàn thiêu kết Việt Nam giới ngày tăng Nhưng nước ta chưa có đơn vị nghiên cứu sâu sản xuất công nghiệp thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình phải nhập với giá cao bị động Trên giới nghiên cứu sâu sản xuất nhiều loại thuốc hàn thiêu kết, có thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình Trong đó, nguồn nguyên vật liệu để sản xuất thuốc hàn nước ta lớn phong phú Do vậy, vấn đề nghiên cứu tự sản xuất thuốc hàn thiêu kết nguyên tắc ưu tiên, tận dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu nước để thay thuốc hàn nhập ngoại vấn đề vừa có tính cấp thiết trước mắt, vừa có tính chiến lược lâu dài, để chủ động, tiết kiệm nguồn ngoại tệ, tạo thêm việc làm nước Các doanh nghiệp mở rộng sản xuất tiến tới xuất mặt hàng Đây vấn đề có ý nghĩa kinh tế xã hội cao, cần có phối hợp đồng nhiều tổ chức ban ngành Trong chương 1, tác giả hoàn thành nội dung sau: - Giới thiệu tổng quan hàn tự động lớp thuốc bảo vệ - Tình hình nghiên cứu, sản xuất thuốc hàn giới Việt Nam Chương QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT THUỐC HÀN THIÊU KẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Quy trình cơng nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết 2.1.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ Quặng & vật liệu khác No Loại N Kiểm tra o Yes y Nghiền nhỏ es No Kiểm tra kích thước N o Yes y Phối liệuesđơn thuốc Trộn khô Trộn ướt Cấp nước thủy tinh Tạo hạt Sấy sơ Sàng tuyển hạt Sấy thiêu kết Loại No o NKiểm tra Yes es y Bao gói & bảo quản Hình 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết 2.1.2 Các công đoạn chủ yếu quy trình cơng nghệ [18, 99] a) Nguồn nguyên liệu đầu vào b) Phối liệu đơn thuốc hàn c) Trộn khô d) Trộn ướt e) Tạo hạt f) Sấy sơ g) Sàng tuyển hạt, kiểm tra kích thước độ hạt độ ẩm h) Sấy thiêu kết i) Kiểm tra đóng gói sản phẩm 2.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu Nghiên cứu tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn hệ bazơ trung bình để hàn kết cấu đạt chất lượng cao toán phức tạp đa mục tiêu Đối tượng thuốc hàn chọn nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết bazơ trung bình tương đương loại F7A4 theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 Đây loại thuốc hàn có số bazơ B≈1,6 với hàm lượng hiđrô thấp [1, 2, 14, 15, 18, 19, 20] Mơ hình nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết [21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28] có dng nh s sau: Các biến điều khiển Ci Các hàm đầu xi Biến vào Hộp đen yi, i = 1,2, ,n y = f(x1, xn) Zi TÝn hiƯu nhiƠu Hình 2.3 Mơ hình nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết Nội dung nghiên cứu tập trung nghiên cứu xác định thành phần mẻ liệu thuốc hàn, đảm bảo tiêu kỹ thuật kinh tế với số lượng thí nghiệm Nội dung nghiên cứu tối ưu theo thứ tự mơ đun sau đây: - Tối ưu hóa thành phần tạo xỉ theo tính cơng nghệ hàn; - Tối ưu hóa chất khử hợp kim hóa theo thành phần hóa học tính mối hàn; - Tối ưu hóa lượng huỳnh thạch chế độ thiêu kết theo lượng hiđrô yêu cầu 2.2.2 Nghiên cứu xác định thành phần đơn thuốc hàn - Sơ đồ mô hình nghiên cứu tổng quát (Hình 2.5) xác định mối quan hệ toán học biến đầu vào tác động lên hàm mục tiêu đầu Qua phương trình hồi quy thực nội dung sau đây: + Mô tả quan hệ cách định lượng mơ hình toán học; + Biểu diễn đặc trưng dạng hình học 2D 3D; + Phân tích, rút kết luận khoa học; + Giải tốn tối ưu có ràng buộc để tìm thành phần thuốc hàn thông số công nghệ quan trọng đáp ứng mục tiêu đề cách tổng hợp - Cơ sở đánh giá chất lượng thuốc hàn hệ bazơ dựa vào tiêu chung sau: + Đảm bảo tính kim loại mối hàn + Đảm bảo thành phần hóa học cần thiết cho kim loại mối hàn + Đảm bảo hàm lượng hiđrô kim loại mối hàn VAHN theo yêu cầu + Đảm bảo tính công nghệ hàn theo yêu cầu + Giá thành sản phẩm hạ 2.2.3 Nghiên cứu tính cơng nghệ hàn a) Sơ đồ nghiên cứu (Hình 2.6) Trong nội dung này, tác giả chủ yếu nghiên cứu ảnh hưởng chất nhóm tạo xỉ đến đặc tính cơng nghệ thuốc hàn: yi = f(xi) Cụ thể: (Lhq) = f(MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) Trong đó: Lhq – Chiều dài hồ quang tới hạn; b) Chỉ tiêu đặc tính cơng nghệ hàn - Tính ổn định hồ quang hàn - Tạo dáng mối hàn hình dạng mối hàn - Chất lượng bề mặt mối hàn tính bong xỉ + Những nhóm chất (K2O, Na2O, CaO, MgO, ) ảnh hưởng đến độ ổn định hồ quang hàn chất chứa nguyên tố có điện ion hóa thấp, giúp cho việc gây hồ quang dễ dàng, trì hồ quang cháy ổn định, giúp cho việc hình thành mối hàn đẹp + Những nhóm chất (MnO, SiO2, MgO, Al2O3, TiO2, CaF2, ) ảnh hưởng đến hình thành mối hàn có vai trò quan trọng Thuốc hàn nóng chảy hình thành vòm xỉ bảo vệ vùng hồ quang vũng hàn + Những nhóm chất ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt mối hàn tính bong xỉ Theo tài liệu [18, 45, 48, 56, 75, 76, 79, 80, 81, 82, 83, 85, 86, 88, 90, 97, 98, 99] với loại thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình dùng để hàn thép cacbon kết cấu, thép chịu áp lực với điều kiện nguồn nguyên liệu sẵn có Việt Nam, tạo xỉ sau: (CaO + MgO) – Al2O3 – CaF2 – TiO2 Hàm lượng nhóm chất tạo xỉ theo tài liệu thí nghiệm sàng lọc nằm khoảng đây: Bảng 2.5 Các nhóm chất chủ yếu xỉ hàn F7A4 – BK Mác thuốc hàn TiO2 + SiO2 CaO + MgO Al2O3 + MnO CaF2 Hệ số bazơ, B F74-BK 12 ÷ 22 22 ÷ 30 15 ÷ 25 10 ÷ 20 1,6 Các nhóm thành phần hóa học chủ yếu, % 2.2.4 Nghiên cứu dịch chuyển Mn Si vào kim loại mối hàn a) Sơ đồ nghiên cứu (Hình 2.13) Để đảm bảo tiêu quan trọng tính kim loại mối hàn, cần nghiên cứu tiêu chí quan trọng thành phần hoá học kim loại mối hàn Đối với thép cacbon thép hợp kim thấp thường quan tâm hàng đầu đến hàm lượng nguyên tố hợp kim Mn Si Hai nguyên tố hợp kim hóa Ferơ hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) từ mẻ liệu thuốc hàn b) Ảnh hưởng Mn Si thuốc hàn đến chất lượng kim loại mối hàn Mn, Si vai trò chất khử Mn, Si vai trò chất hợp kim hóa 10 c) Xác định sơ hàm lượng Fe - Mn Fe - Si đưa vào thành phần mẻ liệu thuốc hàn Số liệu tính tốn sơ mức sở Fe-Mn Fe-Si sau: + Fe-Mn: (6%) loại 80% Mn + Fe-Si: (4%) loại 45% Si Bảng 2.12 Thành phần sơ mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK Hàm lượng chất mẻ liệu thuốc hàn, % Thuốc hàn F7A4-BK CaO+MgO Al2O3+MnO CaF2 TiO2+SiO2 Bột talk Trường thạch Cao lanh FeMn FeSi 20÷24 22÷24 8÷12 28÷32 - - - Các chất lại giữ cố định khoảng 8% d) Mơ tả phương pháp thí nghiệm e) Phương pháp phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn f) Mơ hình nghiên cứu dịch chuyển Mn Si vào kim loại mối hàn 2.2.5 Nghiên cứu hàm lượng hiđrô kim loại mối hàn a) Sơ đồ nghiên cứu hàm lượng hiđrô (Hình 2.20) Hàm lượng hiđrơ mối hàn ảnh hưởng chủ yếu đến tiêu độ dai va đập độ giãn dài tương đối mối hàn Tùy thuộc yêu cầu độ dai va đập điều kiện làm việc kết cấu mà lựa chọn hàm lượng hiđrơ thích hợp với mức độ u cầu theo tiêu chuẩn Hàm lượng hiđrô mối hàn phụ thuộc vào yếu tố, là: Huỳnh thạch (CaF2), nhiệt độ sấy thiêu kết thời gian sấy thiêu kết Y = %H2 = f(CaF2, Ts, ts) Trong trường hợp nguyên tắc tối ưu vừa đảm bảo tính kỹ thuật tính kinh tế Y = %H ≤ HX Trong đó: hàm lượng hiđrơ HX, tức %H ≤ X cm3/100g b) Ảnh hưởng hiđrô mối hàn - Nguồn gốc hiđrô xâm nhập vào mối hàn [1, 14] - Cơ chế ảnh hưởng hiđrô - Các giải pháp chủ yếu giảm hàm lượng hiđrô KLMH chế tạo thuốc hàn: + Sử dụng CaF2 thành phần thuốc hàn + Chế độ sấy sơ thiêu kiết chế tạo thuốc hàn c) Phương pháp xác định lượng hiđrô mối hàn Phương pháp đo lượng hiđrô khuếch tán mối hàn VAHN sử dụng dung dịch glyxerin (C3H8O3) để nghiên cứu [87, 88, 89, 90, 91] Hàn xong ngâm mẫu Glixerin nhiệt độ 450C thời gian 72 Dùng bình đo khí để xác định thể tích khí hiđrơ Sau thời gian ngâm, tiến hành đo thể tích khí hiđrơ bình chia độ, đo thể tích V(ml) Lượng hiđrơ 100(g) kim loại mối hàn tính theo cơng thức Vx85,85 +1,73 G -G1 H= 0,79 11 Kết cuối trung bình cộng kết xác định song song 2.2.6 Kiểm tra tiêu kinh tế - kỹ thuật thuốc hàn với thành phần tối ưu a) Kiểm tra tiêu kỹ thuật thuốc hàn - Tính tốn lại số bazơ tạo xỉ hàn - Kiểm tra thành phần hóa học kim loại mối hàn - Kiểm tra tính kim loại mối hàn - Kiểm tra hàm lượng hiđrô mối hàn b) Kiểm tra tiêu kinh tế thuốc hàn thiêu kết Kết luận chương Tác giả hoàn thành nội dung sau: - Giới thiệu tổng quan quy trình cơng nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết - Cơ sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết - Nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng nhóm chất tạo xỉ chủ yếu đến tính cơng nghệ hàn - Mơ tả phương pháp thí nghiệm cách xác định tiêu tính cơng nghệ hàn Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Nghiên cứu nhóm chất tính cơng nghệ hàn 3.1.1 Lập kế hoạch thực nghiệm tiến hành thí nghiệm a) Lập kế hoạch thực nghiệm Theo [2, 6, 11, 12] mơ hình có dạng đa thức bậc sau: K k k i 1 i 1 i , j 1 i j Yi  b0   bi X i   bii X i2   bij X i X j Trong đó: - Xi Xj giá trị chất đưa vào thuốc hàn để tạo nên xỉ hàn - Yi - hàm mục tiêu, gồm có: Y1=Lhq – chiều dài hồ quang tới hạn, mm; Yi = f(MgO, Al2O3 , CaF2 , TiO2) Để xây dựng phương trình thực nghiệm cần lựa chọn khoảng biến thiên biến đầu vào lập kế hoạch thực nghiệm, sau có số liệu thí nghiệm xác định hệ số phương trình hồi quy Để nghiên cứu mơ hình thành phần – tính chất với điều kiện ràng buộc đặc trưng: Zi = 100% Xi = Trong : Zi – biến số thực, % Xi – biến số mã hóa Kế hoạch thực nghiệm chọn kế hoạch thực nghiệm Max Lean–Anderson [3, 32, 56], vùng nghiên cứu đa diện hạn chế ≤ ≤ Xi ≤ bi ≤ Theo kết thí nghiệm sàng lọc, mức giá trị biến đầu vào kế hoạch thực nghiệm có dạng bảng đây: 12 Bảng 3.1 Các mức giá trị biến đầu vào Biến thực, % Biến mã hoá Các biến số MgO Z1 Al2O3 Z2 CaF2 Z3 TiO2 Z4 X1 X2 X3 X4 Mức 20 15 10 12 -1 -1 -1 -1 Mức 30 25 20 22 +1 +1 +1 +1 Tổng chất lại cố định gọi là: X5 = 20% CaCO3 Trường thạch Cao lanh Fe-Mn Fe-Si b) Tiến hành thí nghiệm 3.1.2 Xử lý số liệu thực nghiệm Thực nhập số liệu thực nghiệm chạy phần mềm MODDE 5.0 ta nhận kết phương trình hồi quy đây: Lhq=18,498 + 0,622X1 - 0,078X2 - 0,638X3 - 0,210X4 - 0,262X12 - 0,077X22 + 0,131X32 0,112X42+ 0,375X1X2 + 0,15X1X3 + 0,17X1X4 - 0,379X2X3 - 0,012X3X4 Hệ số tương quan: R2 = 0,731 Với hệ số tương quan R2 = 0,731 cao cho ta thấy ảnh hưởng chât chủ yếu đến tính ổn định hồ quang hàn rõ nét Giá trị dấu hệ số cho thấy mức độ ảnh hưởng đặc tính ảnh hưởng chất khác Các chất ảnh hưởng tích cực đến chiều dài hồ quang tới hạn theo thứ tự MgO, Al2O3, CaF2 ảnh hướng xấu đến chiều dài hồ quang tới hạn Điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết 3.1.3 Biểu diễn đường đặc trưng Từ phương trình hồi quy biểu diễn đường đặc tính cho hàm mục tiêu chiều dài hồ quang tới hạn dạng 2D đường đẳng mức (Lhq) = f(MgO, Al2O3, CaF2 , TiO2) a) Sự phụ thuộc chiều dài hồ quang vào hàm lượng MgO Hình 3.2 Sự phụ thuộc Lhq vào hàm lượng MgO Qua đồ thị 2D hình 3.2 ta thấy hàm lượng MgO thành phần mẻ liệu thuốc hàn tăng lên (khoảng từ 20 ÷ 28%) chiều dài hồ quang tới hạn tăng (khoảng từ 16,1÷18,7 mm) tính ổn định hồ quang tăng Qua mức 28÷30% MgO chiều dài hồ quang tới hạn có xu hướng giảm xuống khơng đáng kể, tính ổn định hồ quang giảm Điều phù hợp với lý thuyết ảnh hưởng hàm lượng chất MgO thành phần mẻ liệu thuốc hàn tới ổn định hồ quang b) Sự phụ thuộc chiều dài hồ quang vào hàm lượng Al2O3 13 Hình 3.3 Sự phụ thuộc Lhq vào hàm lượng Al2O3 Qua đồ thị 2D hình 3.3 ta thấy với hàm lượng Al2O3 tăng (khoảng từ 15÷19%) chiều dài hồ quang tới hạn tăng khơng đáng kể (khoảng từ 18,4÷18,6 mm) Qua mức 19÷25 % Al2O3 chiều dài hồ quang tới hạn giảm mạnh (khoảng từ 18,6÷18,2 mm), tính ổn định hồ quang giảm Điều phù hợp với lý thuyết ảnh hưởng hàm lượng chất Al2O3 thành phần mẻ liệu thuốc hàn tới ổn định hồ quang c) Sự phụ thuộc chiều dài hồ quang vào hàm lượng CaF2 Hình 3.4 Sự phụ thuộc Lhq vào hàm lượng CaF2 Qua đồ thị 2D hình 3.4 ta thấy chiều dài hồ quang tới hạn giảm đáng kể (khoảng từ 19,8÷18,0 mm) tăng hàm lượng CaF2 thành phần mẻ liệu thuốc hàn khoảng 10÷20% (giảm mạnh 16,5% CaF2) Tính ổn định hồ quang giảm Điều phù hợp với lý thuyết ảnh hưởng hàm lượng chất CaF2 thành phần mẻ liệu thuốc hàn tới ổn định hồ quang d) Sự phụ thuộc chiều dài hồ quang vào hàm lượng TiO2 Hình 3.5 Sự phụ thuộc Lhq vào hàm lượng TiO2 Qua đồ thị 2D hình 3.5 ta thấy chiều dài hồ quang tới hạn giảm tăng hàm lượng TiO2 thành phần mẻ liệu thuốc hàn Tóm lại: Qua kết thu từ phương trình hồi qui đường đặc trưng biểu diễn quan hệ ảnh hưởng chất tạo xỉ chủ yếu đến tính ổn định hồ quang cho phép rút kết luận quan trọng sau đây: - Mức độ tương thích phương trình hồi qui tương đối cao, với hệ số tương quan R2 = 0,731 14 - Các đường đặc trưng biểu diễn phụ thuộc chiều dài hồ quang tới hạn vào hàm lượng chất: MgO, Al2O3, CaF2 TiO2 thành phần mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình rõ ràng thơng qua biểu đồ dạng 2D - Đặc tính biểu đồ phù hợp với lý thuyết, phản ánh tính chất vật lý mức độ hoạt tính hóa học thuốc hàn – xỉ hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình (B ≈ 1,6) ảnh hưởng đến chiều dài hồ quang tới hạn thơng qua chất thuộc nhóm tạo xỉ thuốc hàn - Các kết nghiên cứu sở để xác định hàm lượng chất MgO, Al2O3, CaF2, TiO2 đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK đảm bảo tính ổn định hồ quang 3.2 Nghiên cứu nhóm chất khử hợp kim hóa kim loại mối hàn 3.2.1 Lập kế hoạch thực nghiệm tiến hành thí nghiệm a) Xây dựng kế hoạch thực nghiệm b) Tiến hành thí nghiệm kết 3.2.2 Xử lý số liệu thực nghiệm a) Phần mềm xác định hệ số phương trình hồi quy b) Xây dựng phương trình hồi quy 3.2.3 Biểu diễn đường đặc trưng (Mn, Si) = f (Fe-Mn, Fe-Si) a) Sự phụ thuộc Mn kim loại mối hàn vào Fe – Mn Fe – Si 3.00 2.80 Mn 2.60 2.40 2.20 2.00 1.80 Fe-M n Hình 3.10 Sự phụ thuộc hàm lượng Mn kim loại mối hàn vào hàm lượng Fe-Mn thuốc hàn Qua đồ thị 2D hình 3.10 ta thấy hàm lượng ferơ Fe-Mn tăng hàm lượng Mn kim loại mối hàn tăng, mức độ tăng mạnh thuốc hàn hệ bazơ thấp 2.50 Mn 2.40 2.30 2.20 2.10 Fe_Si Hình 3.11 Sự phụ thuộc hàm lượng Mn kim loại mối hàn vào hàm lượng Fe-Si thuốc hàn Qua đồ thị 2D hình 3.11 ta thấy hàm lượng ferơ Fe-Si tăng hàm lượng Mn kim loại mối hàn tăng, nhiên hàm lượng ferơ Fe-Si tiếp tục tăng hàm lượng Mn kim loại mối hàn tăng chậm lại Điều giải thích, với hàm lượng ferô Fe-Mn đưa vào thấp hàm lượng Fe-Si giúp vai trò chất khử cách hiệu quả, ảnh hưởng tới hàm lượng Mn tăng Ảnh hưởng đồng thời hàm lượng Fe-Mn Fe-Si,% mẻ liệu thuốc hàn đến hàm lượng Mn kim loại mối hàn: 15 Hình 3.12 Sự phụ thuộc hàm lượng Mn kim loại mối hàn vào %Fe-Mn %Fe-Si thuốc hàn Đồ thị tổng hợp hai đồ thị trên, tỷ lệ trục %Mn cho thấy ảnh hưởng Fe-Mn Fe-Si đến %Mn kim loại mối hàn cách rõ nét Đặc tính đồ thị giải thích rõ vai trò chất khử Fe-Si b) Sự phụ thuộc Si kim loại mối hàn vào Fe – Mn Fe – Si 1.60 1.40 Si 1.20 1.00 0.80 0.60 Fe_Si Hình 3.13 Sự phụ thuộc hàm lượng Si kim loại mối hàn vào % Fe-Si thuốc hàn Qua đồ thị 2D hình 3.13 ta thấy hàm lượng fero Fe-Si tăng hàm lượng Si kim loại mối hàn tăng Tuy nhiên mức độ tăng ban đầu có thấp, điều giải thích, với hàm lượng fero Fe-Si đưa vào thấp Si chủ yếu làm vai trò chất khử, nên dịch chuyển vào kim loại mối hàn thấp 1.140 1.120 Si 1.100 1.080 1.060 1.040 1.020 1.000 Fe-M n Hình 3.14 Sự phụ thuộc hàm lượng Si kim loại mối hàn vào % Fe-Mn thuốc hàn Ảnh hưởng đồng thời hàm lượng Fe-Mn Fe-Si,% mẻ liệu thuốc hàn đến hàm lượng Si kim loại mối hàn: 16 Hình 3.15 Sự phụ thuộc hàm lượng Si kim loại mối hàn vào % Fe-Mn % Fe-Si thuốc hàn Đồ thị tổng hợp hai đồ thị trên, tỷ lệ trục %Si cho thấy ảnh hưởng %FeMn %Fe-Si đến %Si kim loại mối hàn rõ ràng Ảnh hưởng %Fe-Mn đến dịch chuyển Si thấp Điều cho thấy lực hóa học Si mạnh Mn rõ kết góc dốc Si=f(Fe-Mn) nhỏ Nhận xét: - Các đường đặc trưng biểu diễn phụ thuộc hàm lượng nguyên tố hợp kim phổ biến Mn Si kim loại mối hàn vào ferô Fe-Mn Fe-Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4–BK rõ ràng - Đường đặc tính phản ánh tính chất vật lý mức độ hoạt tính hóa học thuốc hàn – xỉ hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình (B ≈ 1,6) đến dịch chuyển nguyên tố hợp kim khả khử, hợp kim hóa kim loại mối hàn qua thuốc hàn - Từ đồ thị %Mn=f(%Fe-Si) cho thấy hỗ trợ Si vai trò chất khử có tác dụng giúp tăng hàm lượng Mn kim loại mối hàn Điều quan trọng sử dụng phối hợp hai nguyên tố để làm chất khử hợp kim hóa kim loại mối hàn 3.3 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng hiđrô 3.3.1 Lập kế hoạch thực nghiệm tiến hành thí nghiệm a) Xây dựng kế hoạch thực nghiệm b) Tiến hành thí nghiệm 3.3.2 Xử lý số liệu thực nghiệm 3.3.3 Biểu diễn đường đặc trưng a) Ảnh hưởng hàm lượng CaF2 mẻ liệu thuốc hàn đến hàm lượng hiđrô mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt 4.70 4.60 4.50 H2 4.40 4.30 4.20 4.10 4.00 3.90 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 CaF2 Hình 3.16 Hàm lượng hiđrơ (ml/100g kim loại đắp) mối hàn phụ thuộc vào %CaF2 với Ts=700°C t=90ph 17 Qua đồ thị cho ta thấy hàm lượng CaF2 tăng (khoảng từ 10÷20%) hàm lượng hiđrô mối hàn giảm rõ (khoảng từ 467÷395ml/100g) Tuy nhiên, giai đoạn đầu hàm lượng CaF2 đưa vào đến 16% mức độ giảm mạnh b) Ảnh hưởng nhiệt độ sấy thiêu kết thuốc hàn đến hàm lượng hiđrô mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt 10 H2 600 700 800 T Hình 3.17 Hàm lượng hiđrơ (ml/100g kim loại đắp) phụ thuộc vào Ts (phút) với CaF2 =15% t=90ph Đồ thị cho thấy nhiệt độ sấy thiêu kết tăng hàm lượng hiđrơ mối hàn giảm mạnh (khoảng từ 9,7÷3ml/100g) nhiệt độ sấy thiêu kết tăng (khoảng từ 5500C÷9000C) Đến khoảng 730°C mức độ giảm với yếu Đây coi nhiệt độ tối thiểu có hiệu xác lập chế độ sấy thiêu kết c) Ảnh hưởng thời gian sấy thiêu kết thuốc hàn đến lượng hiđrô mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt 4.50 H2 4.40 4.30 4.20 4.10 4.00 60 70 80 90 100 110 120 tg Hình 3.18 Hàm lượng hiđrô (ml/100g kim loại đắp) phụ thuộc vào t (phút) Qua đồ thị cho thấy thời gian sấy thiêu kết tăng hàm lượng hiđrơ mối hàn giảm mạnh Tuy nhiên, đặc tính ảnh hưởng nhiệt độ sấy thiêu kết tăng đến hàm lượng hiđrô mối hàn có yếu so với ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết thuốc hàn d) Ảnh hưởng hàm lượng CaF2 nhiệt độ sấy thiêu kết thuốc hàn đến lượng hiđrơ H2 Hình 3.19 Sự phụ thuộc hàm lượng hiđrô vào lượng CaF2 (%) thuốc hàn nhiệt độ sấy thiêu kết thuốc hàn với t = 90ph e) Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian sấy thiêu kết đến lượng hiđrô 18 H2 Hình 3.29 Hàm lượng hiđrơ phụ thuộc vào hàm lượng CaF2 ts với Ts = 700°C Nhận xét: Việc giảm hàm lượng hiđrô phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ sấy thiêu kết, lý thuyết >500oC, lúc chưa có tác dụng nhiều phải 700oC mức ảnh hưởng lớn hiệu tăng hàm lượng huỳnh thạch thời gian sấy thực phát huy tác dụng Tóm lại: Trên sở quan hệ đường đặc tính cho phép rút số kết luận quan đây: - Từ phương trình hồi quy cho phép xây dựng đường đặc tính phản ánh phụ thuộc hàm lượng hiđrô mối hàn vào hàm lượng huỳnh thạch (CaF2) mẻ liệu thuốc hàn, nhiệt độ sấy thiêu kết thời gian thiêu kết - Đặc tính đường biểu diễn phản ánh rõ ảnh hưởng yếu tố đến hàm lượng hiđrô kim loại mối hàn vùng ảnh hưởng nhiệt, cho thấy tác dụng yếu tố - Mức độ ảnh hưởng yếu tố có khác nhau, nhiệt độ sấy thiêu kết hàm lượng huỳnh thạch (CaF2) mẻ liệu thuốc hàn ảnh hưởng mạnh đến hàm lượng hiđrô mối hàn Cũng mức độ ảnh hưởng thời gian thiêu kết yếu yếu tố - Ngưỡng ảnh hưởng hiđrô nhiệt độ 700oC - Khi yếu tố đạt đến giá trị tới hạn, mức độ ảnh hưởng thay đổi Các kết phù hợp với lý thuyết 3.4 Quy trình cơng nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4 - BK 3.4.1 Lập quy trình cơng nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4 - BK 3.4.2 Giới thiệu thuốc hàn F7A4 – BK Kết luận chương Trong chương 3, tác giả hoàn thành nội dung sau: - Nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng nhóm chất tạo xỉ chủ yếu đến tính cơng nghệ hàn - Mơ tả phương pháp thí nghiệm cách xác định tiêu tính cơng nghệ hàn - Thiết kế kế hoạch thực nghiệm nhóm chất tạo xỉ chủ yếu đến hàm mục tiêu tính cơng nghệ hàn - Đã tiến hành thực nghiệm, kiểm tra độ tin cậy số liệu lập bảng số liệu thực nghiệm - Ứng dụng phần mềm Modde 5.0 xác định hệ số phương trình hồi quy đạt mức độ tương thích cao (thơng qua hệ số tương quan R) 19 - Xây dựng phương trình hồi quy biểu diễn đường đặc trưng 2D biểu thị ảnh hưởng chất tạo xỉ chủ yếu đến tính cơng nghệ hàn thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình (B=1,6) rút kết luận - Xác định hàm lượng tối ưu chất tạo xỉ chủ yếu thành phần thuốc hàn hệ bazơ trung bình mà tác giả nhóm thực đề tài cấp nhà nước mã số KC.02.04/11-15 quy ước F7A4-BK Chương XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN TỐI ƯU MẺ LIỆU THUỐC HÀN THIÊU KẾT HỆ BAZƠ TRUNG BÌNH 4.1 Xác định thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4 - BK 4.1.1 Xác định tỷ lệ chất tạo xỉ đảm bảo tính cơng nghệ hàn cho thuốc hàn F7A4-BK 4.1.2 Xác định hàm lượng fero hợp kim cho thuốc hàn F7A4-BK 4.1.3 Xác định hàm lượng huỳnh thạch thông số chế độ thiêu kết cho thuốc hàn F7A4-BK 4.2 Kiểm tra thành phần hóa học tiêu tính kim loại mối hàn 4.2.1 Kiểm tra thành phần hóa học kim loại mối hàn Kết thử phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn hàn thuốc hàn chế tạo với hàm lượng fero Mn Si bảng tiến hành hàn với dây EM12K mẫu theo tiêu chuẩn nêu sau: Bảng 4.12 Thành phần hoá học kim loại mối hàn dùng thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K Giá trị biến thực, % Fe-Mn Fe-Si Thành phần hóa học kim loại mối hàn, % C 0,0694 Mn 1,567 Si 0,401 S 0,0062 P 0,0244 Các số liệu thử nghiệm thành phần hóa học cho thấy: - Hàm lượng Mn thấp giá trị tính tốn theo phương trình hồi qui khoảng 5% (cụ thể 5,71%); - Hàm lượng Si cao giá trị tính tốn 10% (cụ thể 9,2%); - Hàm lượng nguyên tố cacbon phạm vi cho phép - Hàm lượng nguyên tố tạp chất có hại S P thấp đạt yêu cầu Như kết tính tốn theo phương trình hồi qui kết phân tích trùng khớp nhau, mức độ sai số thấp Hơn hàm lượng Fe-Si lấy cận giá trị biên, mà độ xác chấp nhận được, giá trị Fe-Mn nằm gần vùng trung tâm nên giá trị xác Các kết nhận đáp ứng tốt yêu cầu đề 4.2.2 Kiểm tra tiêu tính kim loại mối hàn Thuốc hàn chế tạo với hàm lượng fero Mn Si bảng tiến hành hàn với dây EM12K mẫu theo tiêu chuẩn nêu trên, chế độ hàn tính tốn theo tài liệu [95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102] kiểm tra để hàn mẫu 20 Hình 4.5 Mẫu hàn xong chuẩn bị gia cơng mẫu thử tính kim loại mối hàn Hình 4.6 Mẫu sau thử kéo kim loại mối hàn Hình 4.7 Các mẫu sau thử độ dai va đập kim loại mối hàn Kết thử tính kim loại mối hàn hàn thuốc hàn chế tạo với hàm lượng fero Mn Si bảng tiến hành hàn với dây EM12K mẫu theo tiêu chuẩn nêu sau: Bảng 4.13 Kết kiểm tra tính mối hàn thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K Tiết diện (mm2) Giới hạn chảy (MPa) 174.835 Giới hạn bền (MPa) 417.538 497.316 Độ giãn dài (%) 34.286 Bảng 4.14 Kết kiểm tra độ dai va đập mối hàn thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K TT Tên mẫu Nhiệt độ thử (oC) Công va đập (J) Mẫu F44-1 -40oC 198 Mẫu F44-2 -40oC 92 Mẫu F44-3 -40oC 203 Các kết thử tính kim loại mối hàn dùng F7A4-BK có hàm lượng Mn Si nghiên cứu kết hợp với dây hàn EM12K cho kim loại mối hàn đáp ứng tốt yêu cầu đề ra, đặc biệt độ dai va đập cao giá trị yêu cầu tối thiểu nhiều 21 Kết luận chương Từ phương trình hồi quy xây dựng nhóm tiêu, theo sơ đồ thuật toán tối ưu tiến hành xác định hàm lượng tối ưu chất nhóm cho kết sau: - Xác định hàm lượng tối ưu chất tạo xỉ chủ yếu mẻ liệu thuốc hàn F7A4- BK, đảm bảo tính cơng nghệ hàn - Trên sở quy luật dịch chuyển Mn Si từ ferô Fe-Mn Fe-Si mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK vào kim loại mối hàn yêu cầu thành phần hóa học kim loại mối hàn theo hàm lượng Mn Si tìm tỷ lệ Fe-Mn fe-Si cần thiết đưa vào mẻ liệu thuộc hàn cách hợp lý - Xác định hàm lượng huỳnh thạch cần đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK thông số chế độ thiêu kết thuốc hàn tối ưu đảm bảo lượng hiđrô mối hàn yêu cầu - Các kết kiểm tra tính cơng nghệ hàn, thành phần hóa học tiêu tính kim loại mối hàn sử dụng F7A4-BK với thành phần nghiên cứu kết hợp với dây hàn EM12K đáp ứng tốt yêu cầu đề 22 KẾT LUẬN Luận án nghiên cứu tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình F7A4-BK theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 Kết nghiên cứu cho phép rút điểm chủ yếu sau đây: - Lựa chọn tạo xỉ hợp lý, sử dụng nhiều nguyên liệu nước, cụ thể chọn tạo xỉ đây: MgO – Al2O3 – CaF2 – TiO2 Với tỷ lệ nhóm chất tìm giá trị số bazơ phạm vi hệ bazơ trung bình, đáp ứng yêu cầu - Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm xây dựng phương trình hồi qui phản ánh ảnh hưởng chất tạo xỉ chủ yếu mẻ liệu thuốc hàn (MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) đến đặc tính cơng nghệ hàn thuốc hàn chiều dài hồ quang tới hạn, có độ tương thích cao với hệ số tương quan R2 = 0,731 - Từ phương trình hồi quy mơ tả đặc trưng ảnh hưởng dạng 2D 3D MgO, Al2O3, CaF2, TiO2 đến chiều dài hồ quang tới hạn, kết nghiên cứu có tính mới, bổ sung số lý thuyết vật liệu hàn - Nền tạo xỉ thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình F7A4-BK sử dụng MgO thay cho CaO (đưa vào dạng CaCO3) kết hợp với chất Al2O3, CaF2, TiO2 với tỷ lệ hợp lý có đặc tính cơng nghệ tốt, q trình hàn ổn định, tạo dáng mối hàn đẹp, xỉ hàn tự bong Đây điểm lựa chọn loại tạo xỉ hàn cho mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình - Xây dựng quy luật dịch chuyển nguyên tố hợp kim Mn, Si từ thuốc hàn vào kim loại mối hàn hệ xỉ bazơ trung bình Trên sở xác định tỷ lệ Fe-Mn Fe-Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn đảm bảo thành phần hóa học kim loại mối hàn đáp ứng tiêu tính kim loại mối hàn - Xây dựng quy luật ảnh hưởng hàm lượng huỳnh thạch thông số chế độ sấy thiêu kết thuốc hàn hệ xỉ bazơ trung bình đến lượng hiđrơ mối hàn Trên sở xác định giá trị thơng số chế độ sấy thiêu kết thuốc hàn là: nhiệt độ sấy 755°C, thời gian sấy 103 phút cho lượng hiđrô mối hàn 3,36 cm3/100g nhỏ yêu cầu cm3/100g kim loại đắp - Đã đề xuất sơ đồ thuật toán tối ưu thành phần mẻ liệu thuốc hàn theo mô đun cho phép giảm số lượng thí nghiệm chi phí thí nghiệm Trên sở giải toán tối ưu xác định tỷ lệ hợp lý chất thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK đáp ứng tốt tiêu đề - Thành phần mẻ liệu thuốc hàn với tỷ lệ chất tối ưu với chất lại giữ cố định bảng chế tạo hàn thử nghiệm với dây hàn EM12K Thành phần mẻ liệu thuốc hàn tối ưu, % MgO Al2O3 CaF2 TiO2 Fe-Mn Fe-Si Còn lại 24,9 23,6 12 19,5 14,0 Các chất lại gồm: 6% bột đá vôi (CaCO3), 6% trường thạch, 2% cao lanh khoảng 1214g nước thủy tinh kali khô cho 100g mẻ liệu - Số liệu kiểm tra tiêu tính cơng nghệ, lượng hiđrơ, thành phần hóa học hóa học kim loại mối hàn tiêu tính kim loại mối hàn đáp ứng yêu cầu cặp thuốc hàn F7A4-EM12K - Các kết phương pháp nghiên cứu luận án có ý nghĩa quan trọng bổ sung lý thuyết thực tiễn lĩnh vực nghiên cứu sản xuất vật liệu hàn 23 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Vũ Huy Lân, Nguyễn Thành Hưng, Phạm Thanh Lưu*, Tạ Văn Năm (2013), Tối ưu hóa thành phần tạo xỉ thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 9, Trang 88 - 95 Vũ Huy Lân, Nguyễn Công Vượng, Phạm Thanh Lưu*, Phan Văn Chỉnh (2013), Hiệu hợp kim hóa thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 10,Trang 34 – 39 Phạm Thanh Lưu*, Vũ Huy Lân (2016), Nghiên cứu hàm lượng hiđrô kim loại mối hàn chế tạo thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình, Ký yếu Hội nghị Khoa học Cơng nghệ tồn quốc Cơ khí – Động lực, Tập 1, Trang 338 – 343 Phạm Thanh Lưu*, Vũ Huy Lân, Hà Xuân Hùng (2018), Tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 6, Trang 44 - 52  ... quan hệ ảnh hưởng chất thành phần thuốc hàn thiêu kết đến tiêu công nghệ hàn, thành phần hóa học kim loại mối hàn, làm sở cho việc tối ưu hóa thành phần thuốc hàn + Giải toán tối ưu xác định thành. .. dụng F7A4-BK với thành phần nghiên cứu kết hợp với dây hàn EM12K đáp ứng tốt yêu cầu đề 22 KẾT LUẬN Luận án nghiên cứu tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình F7A4-BK theo... nghiên cứu tối ưu theo thứ tự mô đun sau đây: - Tối ưu hóa thành phần tạo xỉ theo tính cơng nghệ hàn; - Tối ưu hóa chất khử hợp kim hóa theo thành phần hóa học tính mối hàn; - Tối ưu hóa lượng