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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2019 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Vũ Huy Lân TS Hà Xuân Hùng Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Luận án tiến sĩ ”Nghiên cứu tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình” hồn thành nghiên cứu sinh Phạm Thanh Lưu, thực Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tác giả tham gia Đề tài Khoa học Công nghệ Trọng điểm cấp Nhà nước mã số KC.02.04/11-15 PGS.TS Vũ Huy Lân làm Chủ nhiệm Đề tài Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập tác giả Phần sở lý thuyết tham khảo tài liệu nhất, có nguồn gốc rõ ràng có chọn lọc Các kết nghiên cứu công bố luận án tác giả chủ nhiệm đề tài xác nhận đồng ý cho sử dụng vào mục đích nghiên cứu, viết báo cáo Luận án tiến sĩ cấp Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 05 tháng 05 năm 2019 Nghiên cứu sinh PHẠM THANH LƯU TM TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS VŨ HUY LÂN LỜI CẢM ƠN Trân trọng cảm ơn thày giáo hướng dẫn, thày cô giáo Bộ mơn Hàn & Cơng nghệ kim loại, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Bộ Khoa học Công nghệ, Ban chủ nhiệm đề tài KC.02.04/11 – 15,… tạo điều kiện tốt để tác giả thực luận án Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Hàn Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí, Cơng ty Cổ phần Que Hàn điện Việt Đức, Công ty TNHH MTV Đóng tàu Phà Rừng, Học viện Nơng nghiệp Việt Nam, tạo điều kiện, giúp đỡ sở vật chất chuyên gia góp ý thông tin vô quý báu, ý kiến xác đáng lĩnh vực liên quan, để tác giả hồn thành luận án Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thành viên gia đình, tới tất bạn bè, đồng nghiệp cộng tác, cổ vũ, động viên, giúp đỡ chia sẻ khó khăn suốt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận án Nghiên cứu sinh PHẠM THANH LƯU MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .5 DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ .8 MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU THUỐC HÀN THIÊU KẾT 14 1.1 Hàn hồ quang tự động lớp thuốc 14 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động lớp thuốc 14 1.1.2 Vai trò cơng dụng thuốc hàn 15 1.1.3 Phân loại thuốc hàn 17 1.1.4 Ký hiệu thuốc hàn dây hàn 22 1.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất thuốc hàn 24 1.2.1 Tình hình nghiên cứu sản xuất thuốc hàn nước 24 1.2.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất thuốc hàn nước 27 CHƯƠNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT THUỐC HÀN THIÊU KẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 2.1 Quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết 32 2.1.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ 32 2.1.2 Các công đoạn chủ yếu quy trình cơng nghệ 33 2.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp nghiên cứu 40 2.2.1 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu 40 2.2.2 Nghiên cứu xác định thành phần đơn thuốc hàn 46 2.2.3 Nghiên cứu tính cơng nghệ hàn 49 2.2.4 Nghiên cứu dịch chuyển Mn Si vào kim loại mối hàn 56 2.2.5 Nghiên cứu hàm lượng hiđrô kim loại mối hàn 64 2.2.6 Kiểm tra tiêu kinh tế - kỹ thuật thuốc hàn với thành phần tối ưu 72 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 79 3.1 Nghiên cứu nhóm chất tính cơng nghệ hàn 79 3.1.1 Lập kế hoạch thực nghiệm tiến hành thí nghiệm 79 3.1.2 Xử lý số liệu thí nghiệm 81 3.1.3 Biểu diễn đường đặc trưng 81 3.2 Nghiên cứu nhóm chất khử hợp kim hóa kim loại mối hàn .85 3.2.1 Lập kế hoạch thực nghiệm tiến hành thí nghiệm 85 3.2.2 Xử lý số liệu thí nghiệm 86 3.2.3 Biểu diễn đường đặc trưng 87 3.3 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng hiđrô 91 3.3.1 Lập kế hoạch thực nghiệm tiến hành thí nghiệm 91 3.3.2 Xử lý số liệu thí nghiệm 93 3.3.3 Biểu diễn đường đặc trưng 94 3.4 Quy trình cơng nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4-BK 98 3.4.1 Lập quy trình cơng nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4-BK 98 3.4.2 Giới thiệu thuốc hàn F7A4-BK 100 CHƯƠNG XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN TỐI ƯU MẺ LIỆU THUỐC HÀN THIÊU KẾT HỆ BAZƠ TRUNG BÌNH 103 4.1 Xác định thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4 –BK .103 4.1.1 Xác định tỷ lệ chất tạo xỉ đảm bảo tính cơng nghệ hàn cho thuốc hàn F7A4–BK 103 4.1.2 Xác định hàm lượng ferô hợp kim cho thuốc hàn F7A4–BK .105 4.1.3 Xác định hàm lượng huỳnh thạch thông số chế độ thiêu kết cho thuốc hàn F7A4–BK 107 4.2 Kiểm tra thành phần hóa học tiêu tính kim loại mối hàn 110 4.2.1 Kiểm tra thành phần hóa học kim loại mối hàn 110 4.2.2 Kiểm tra tiêu tính kim loại mối hàn 110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 122 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AC AWS ASTM ASME DC DCEN, DC DCEP, DC + DT EN HAZ IIW ISO JIS KLCB NDT PWHT SAW SMAW TCVN VAHN WPS WPQR ak σch σk δ Ψmh (Dmh) Ψn R [R] H2 Alternating Curent American Welding Society American Society for Testing of Materials American Society of Machine Engineers Direct Current Direct Current Electrode Negative Direct Current Electrode Positive Destructive Testing European Standards Heat affected zone International Institute Welding International Standard Organization Japanese Industrial Standards Kim loại Nondestructive Testing Post Weld Heat Treatment Submerged Arc Welding Shielded Metal Arc Welding Tiêu chuẩn Việt Nam Vùng ảnh hưởng nhiệt Welding Procedure Specification Welding Procedure Qualiffication Recode Độ dai va đập Giới hạn chảy Độ bền kéo Độ dãn dài tương đối Hệ số hình dạng mối hàn Hệ số ngấu mối hàn Hệ số tương quan mơ hình Hệ số tương quan cho phép Hiđrô DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 So sánh đặc điểm thuốc hàn thiêu kết thuốc hàn nung chảy 20 Bảng 1.2 Phân loại ký hiệu thuốc hàn theo thành phần hóa học .21 Bảng 1.3 Công thử độ dai va đập kim loại mối hàn 23 Bảng 1.4 Yêu cầu tính kim loại mối hàn theo AWS A5.17 – 80 23 Bảng 1.5 Thành phần hóa học chủ yếu dây hàn tự động lớp thuốc theo AWS A5.17 – 80 23 Bảng 1.6 Quy cách bao gói dây hàn tự động lớp thuốc bảo vệ 24 Bảng 1.7 Một số mác thuốc hàn thiêu kết tiêu biểu hệ số bazơ theo tiêu chuẩn Viện hàn quốc tế (IIW) ESAB 29 Bảng 1.8 Thành phần hóa học chủ yếu xỉ hàn sử dụng thuốc hàn ESAB 29 Bảng 2.1 Nguyên liệu chuẩn bị sản xuất thuốc hàn thiêu kết 34 Bảng 2.2 Các tiêu kỹ thuật chủ yếu cho nguyên liệu đầu vào 35 Bảng 2.3 Tỷ lệ chất mẻ liệu qui đổi 37 Bảng 2.4 Các tiêu tính kim loại mối hàn với cặp thuốc hàn – dây hàn theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 48 Bảng 2.5 Các tiêu thành phần hóa học kim loại mối hàn với cặp thuốc hàn– dây hàn nghiên cứu theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 49 Bảng 2.6 Các nhóm chất chủ yếu xỉ hàn F7A4-BK 53 Bảng 2.7 Thành phần hoá học thép mác SM400B, (%) 53 Bảng 2.8 Thành phần hoá học dây hàn EM12K, (%) 54 Bảng 2.9 Các tiêu tính dây hàn 54 Bảng 2.10 Bảng đặc tính kỹ thuật nguồn hàn xe hàn 54 Bảng 2.11 Các thơng số chế độ hàn thí nghiệm 55 Bảng 2.12 Thành phần sơ mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK 60 Bảng 2.13 Giá trị khoảng biến thiên yếu tố đầu vào 63 Bảng 2.14 Các kích thước mẫu hàn đánh giá tiêu tính 73 Bảng 2.15 Kích thước mẫu thử độ bền kéo theo tiêu chuẩn AWS B4.0 75 Bảng 2.16 Kích thước mẫu thử độ bền kéo theo tiêu chuẩn TCVN 3909:2000 75 Bảng 3.1 Các mức giá trị biến đầu vào 79 Bảng 3.2 Kế hoạch thực nghiệm kết thí nghiệm tính công nghệ hàn thuốc hàn F7A–BK với dây hàn EM12K 80 Bảng 3.3 Giá trị khoảng biến thiên yếu tố 85 Bảng 3.4 Kế hoạch số liệu thực nghiệm thành phần hóa học kim loại mối hàn dùng thuốc hàn F7A4-BK 85 Bảng 3.5 Các thông số hàm lượng Mn 86 Bảng 3.6 Các thông số hàm lượng Si 87 Bảng 3.7 Giá trị khoảng biến thiên yếu tố 92 Bảng 3.8 Kết thí nghiệm đo hàm lượng hiđrô mối hàn 92 Bảng 3.9 Các thông số hàm lượng hiđrô 93 Bảng 3.10 Quy trình cơng nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4-BK 99 Bảng 3.11 Bảng hướng dẫn sử dụng thuốc hàn F7A4-BK 100 Bảng 4.1 Các số liệu biến đầu vào giới hạn hàm mục tiêu 104 Bảng 4.2 Các giá trị điều kiện hàm mục tiêu 104 Bảng 4.3 Giá trị biến số đầu vào tiêu tính cơng nghệ hàn 105 Bảng 4.4 Hàm lượng chất tạo xỉ chủ yếu thơng số đặc tính cơng nghệ hàn 105 Bảng 4.5 Hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK dự kiến thành phần hóa học tính tốn kim loại mối hàn 105 Bảng 4.6 Các số liệu biến đầu vào giới hạn hàm mục tiêu 106 Bảng 4.7 Hàm lượng Fe – Mn, Fe – Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK dự kiến thành phần hóa học tính tốn kim loại mối hàn 107 Bảng 4.8 Các số liệu biến đầu vào giới hạn hàm mục tiêu 108 Bảng 4.9 Hàm lượng huỳnh thạch đưa vào mẻ liệu thuốc hàn chế độ sấy thiêu kết hàm lượng hiđrô H4 109 Bảng 4.10 Hàm lượng huỳnh thạch đưa vào mẻ liệu thuốc hàn chế độ sấy thiêu kết hàm lượng hiđrô thử nghiệm kiểm tra 109 Bảng 4.11 Thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK 109 Bảng 4.12 Thành phần hoá học kim loại mối hàn dùng thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K 110 Bảng 4.13 Kết kiểm tra tính mối hàn thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K 111 Bảng 4.14 Kết kiểm tra độ dai va đập mối hàn thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K .112 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động lớp thuốc 14 Hình 1.2 Thiết bị hàn hồ quang tự động lớp thuốc 15 Hình 1.3 Các dạng thuốc hàn 16 Hình 1.4 Thuốc hàn nung chảy 18 Hình 1.5 Thuốc hàn gốm 18 Hình 1.6 Thuốc hàn thiêu kết 19 Hình 1.7 Thuốc hàn thiêu kết số hãng 19 Hình 1.8 Hàn hồ quang tự động lớp thuốc bảo vệ 27 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết .33 Hình 2.2 Các bước phối liệu đơn thuốc hàn 38 Hình 2.3 Mơ hình nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết 41 Hình 2.4 Sơ đồ thuật tốn tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết 42 Hình 2.5 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát thuốc hàn 47 Hình 2.6 Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng thành phần mẻ liệu đến tính cơng nghệ hàn 49 Hình 2.7 Ảnh hưởng số hợp chất đến tính ổn định hồ quang 51 Hình 2.8 Dây hàn tự động EM12K 53 Hình 2.9 Máy hàn tự động Dosun DZ1000 54 Hình 2.10 Mẫu phơi hàn xác định chiều dài hồ quang tới hạn 55 Hình 2.11 Cách xác định đo chiều dài hồ quang tới hạn 55 Hình 2.12 Thước cặp 56 Hình 2.13 Sơ đồ nghiên cứu thành phần hóa học kim loại mối hàn 56 Hình 2.14 Ảnh hưởng hàm lượng ôxit mangan thuốc hàn đến hàm lượng gia tăng S kim loại mối hàn 58 Hình 2.15 Hàm lượng S kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ thuốc hàn 58 Hình 2.16 Hàm lượng P kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ thuốc hàn 59 Hình 2.17 Kích thước mẫu thử phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn 61 Hình 2.18 Hàn mẫu thử phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn 61 Hình 2.19 Máy phân tích quang phổ 62 Hình 2.20 Sơ đồ nghiên cứu hàm lượng hiđrơ kim loại mối hàn .64 Hình 2.21 Hàm lượng hiđrô kim loại mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng thuốc hàn 66 PHỤ LỤC BẢN HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG THUỐC HÀN F7A4-BK Thuốc hàn F7A4-BK tương đường F7A4 theo AWS A 5.17 Đặc điểm: - Thuốc hàn F7A4-BK loại thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình (B=1,6) tương đương với loại thuốc hàn F7A(P)4 theo tiêu chuẩn Hiệp hội Hàn Mỹ AWS A5.17-80 - F7A4-BK có tính cơng nghệ hàn tốt: hồ quang cháy ổn định, êm, tạo dáng bề mặt tốt Xỉ hàn tự bong, khói, khơng rỗ, không ngậm xỉ Bề mặt kim loại mối hàn sáng Mối hàn có lượng hiđrơ thấp (≤4 cm /100g) cho phép đạt độ tính dẻo độ dai va đập cao Ứng dụng: F7A4-BK kết hợp với nhiều loại dây hàn EM12, EM12K, EH14 để hàn kết cấu thép cacbon thấp, thép hợp kim thấp chịu tải trọng trung bình cao Khuyến cáo sử dụng: - Sấy thuốc hàn trước sử dụng nhiệt độ từ 300–350°C + - Có thể sử dụng dòng điện xoay chiều chiều (AC or DC ) - Tư hàn: Hàn (F), hàn ngang (H) F7A4-BK – EM12K có tiêu điển hình: Thành phần hố học kim loại mối hàn, % C 0,0694 Mn Si S 1,567 0,401 0,0062 Các tiêu tính mối hàn Thuốc hàn-dây hàn Giới hạn chảy, Giới hạn bền (MPa) (MPa) P 0,0244 Độ giãn dài Độ dai va đập -40oC, J (%) F7A(P)4-BK 418 498 34 164 EM12K Thông số chế độ hàn khuyến cáo sử dụng: Khoảng giá trị thông số chế độ hàn hợp lý với F7A4-BK Đường Chiều kính dày dây, mm (mm) 4,0 20 Dạng liên kết hàn Đường hàn I, (A) U, (V) 620 – 720 Vh, Kim loại (cm/ph) 31 – 36 – 56 SM400 35 Lượng tiêu hao thuốc hàn (kg thuốc hàn/kg dây hàn) Điện áp (V) AC 26 0,75 30 0,85 34 0,95 + DC 0,85 0,95 1,1 PHỤ LỤC GIẤY CHỨNG NHẬN KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM ... 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... phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình Ứng dụng để nghiên cứu thành phần mẻ liệu thuốc hàn ký hiệu F7A4–BK kết hợp với dây hàn EM12K tạo thành thuốc hàn dây hàn F7A4–BK–EM12K để hàn kết cấu... nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết 41 Hình 2.4 Sơ đồ thuật tốn tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết 42 Hình 2.5 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát thuốc hàn 47 Hình 2.6 Sơ đồ nghiên