(NB) Giáo trình Công nghệ hàn kim loại màu gồm các nội dung chính sau: Kỹ thuật hàn đồng và hợp kim đồng; Hàn nhôm và hợp kim nhôm; Hàn niken và hợp kim niken; Hàn kẽm và hợp kim của kẽm;...Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1(LƯU HÀNH NỘI BỘ)
Trang 2CƠNG NGHỆ HÀN KIM LOẠI MẦU
I.Hàn đồng và hợp kim đồng
1> giới thiệu chung về đồng
a> Quặng :
vỏ trái đất có khoảng 0.006 % hàm lượng đồng, đồng tồn tại ở các dạng khác nhau Các quặng đồng quan trọng nhất là: hợp chất sunfat đồng (CuFeS2) với 34% Cu, đồng có ánh kim (Cu2S) 79% Cu Khoáng vật Malachit ( khoáng vật đồng Cu2(OH)2CO3)57%Cu và Azurit (men đồng Cu3(OH)2[CO3]255%Cu
bên cạnh đó đồng cũng tồn tại như một kim loại nguyên chất Khu vực mỏ đồng quan trọng nhất nằm ở nam châu phi và nam mỹ (chile, peru) Châu âu không đáng kể
b> các tính chất của đồng so sáng với các thép xây dựng nói chung
nói chung
Các vật liệu đồng
Tỉ trọng
Độ bền kéo
Khả năng chống mòn gỉ
Điểm nóng chảy
Khả năng đẫn điện
Khả năng đẫn nhiệt
Dãn nở nhiệt
7.85 g/cm3 700N/mm2 Không
1080 0C
6
8 1.4 c> Các phạm vi ứng dụng của đồng và hợp kim đồng
Trang 3Đồng và hợp kim đồng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp trong công nghiệp điện VD dây dẫn điện chế tạo thiết bị, chế tạo đường ống, ngành xây dựng
Các nguyên tố hợp kim chính cho các hợp kim đồng: kẽm, niken, thiếc, nhôm các nguyên tố ảnh hưởng tới: độ bền, khả năng bền hóa học, khả năng biến đổi hình dạng, tính thích hợp hàn
d> Các vật liệu đồng và ký hiệu của nó:
Các ký hiệu vật liệu đồng được xây dựng theo AWS sau đó ký hiệu vật liệu này được bổ xung ký hiệu phụ theo AWS Tương tự như các vật liệu thép các vật liệu đồng được ký hiệu trên hệ thống số vật liệu theo AWS
các ví dụ theo ký hiệu vắn tắt:
oxy
Cu > 99.9
O 0.005 - 0.04
hàm lượng phót pho còn lại thấp
Cu > 99.9
P 0.005 – 0.014
lượng phót pho còn lại cao
Cu > 99.9
P 0.015 – 0.04
Trang 4Ký hiệu theo trạng thái vật liệu
Cu-ETP-D : được kéo dãn
Cu-Zn 37- G020 : Kích thước hạt
Cu-Zn 37- H150 : độ cứng
Cu-Be 2- R1200 : độ bền kéo
Cu-OF A007 : dãn nở gẫy
Cu-Zn 30 - Y460 : giới hạn giãn nở -0.2
Các chữ cái đặc trưng được nêu ký hiệu tính chất tương ứng và trị số bằng số là trị số tối thiểu trong kích thước đo tương ứng ví dụ tính theo % hoặc N/mm2
Các ví dụ ký hiệu theo số vật liệu:
Ký hiệu vắn tắt số vật liệu
CÁC SỐ VẬT LIỆU ĐƯỢC TẠO THÀNH
- Từ ký hiệu C = vật liệu đồng
- Loại vật liệu W= vật liệu dẻo
F = phụ gia hàn
C = chế tạo đúc
S = phế phẩm
- 3 số liên tục
- Các nhóm hợp kim
Trang 5Ví dụ A hoặc B cho đồng
G cho hợp kim Cu-Al
H cho hợp kim Cu-Ni
L hoặc M cho hợp kim Cu-Zn
e> Nung nóng trước
Nhiệt độ nung nóng trước khi hàn các vật liệu đồng phụ thuộc vào:
- Chiều dày chi tiết
- Dạng mối hàn
- Cường độ dòng hàn
- Khí bảo vệ
Hình nhiệt độ nung nóng phụ thuộc vào chiều dày chi tiết và khí bảo vệ f> Chỉ số cho lựa chọn cường độ dòng điện hàn
sử dụng dòng một chiều, cựa âm ở điện cực, mối hàn giáp mép
Chiều dày tôn
mm
Dạng ghép nối
Số lớp Que hàn Cường độ
Trang 61.6 3.2 4.0 4.0
90-100 150-200 180-300 400-475 g> Lựa chọn các vật liệu phụ gia hàn
Các vật liệu đồng được hàn cùng loại với đồng hoặc các hợp kim đồng cũng như với các vật liệu phụ gia được đưa ra trong bảng
Phụ gia hàn được tiêu chuẩn
Vật liệu cơ
S-e S-CuNi30F
e
CuSn12 S-
S-CuNi30F
e
S-CuSn12 S-
CuNi30Fe
S-CuSn12 S-CuNi30Fe
S-CuNi10Fe S-CuNi30Fe
CuAl9Ni3Fe
S-CuSn12 S-CuSn6
CuSn12 S-CuSn6
S-S-CuSn12 S-CuSn8
S-CuAl8Ni2 S-CuAl8Ni6 S-
CuAl11Ni6
-
Trang 7CuSn12 S-
S-CuNi30F
e
CuSn12
S-CuZn39Ag S-
CuZn39Sn
CuSn12
S-S-CuSn S-
CuSn12
S-CuAg h> Các tính chất độ bền trong khu vực mối hàn:
Mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ được nung nóng đáng kể thông qua nhiệt hàn Trong các phạm vi này nói chung độ bền của vật liệu hóa cứng bị giảm bớt
Ví dụ vật liệu: tôn dày 6 mm từ SF-Cu F36
Trạng thái cuối cùng: độ bền kéo 290 360 N/mm2
Độ cứng Brinell 85 105
Mối hàn
Trang 8k> Các quy tắc làm việc chung đối với hàn nóng chảy các vật liệu đồng
bảo quản và gia công các vật liệu đồng được tách rời các kim loại khác vì nguy cơ ăn mòn
bảo quản tách rời cả các dụng cụ đồng và các vật liệu thép
Sườn mép ghép nối và vùng lân cận (khoảng 50 mm cả hai phía của mối hàn)phải sạch sẽ không mỡ và khô, nếu không sẽ tạo bọt trong mối hàn
Vì dẫn thoát nhiệt nhanh nên phải nung nóng trước, hàn với cường độ
dòng điện cao hoặc đồng thời hai phía
Vì giãn nở nhiệt cao nên nguy cơ cong vênh, cho nnên chuẩn bị ghép nối đặc biệt và cần thiết phải có quy trình hàn
Sử dụng chất chảy trong hàn wonfram khí trơ để loại bỏ oxít và ngăn cản sự tạo mới của chúng
Khi hơ nóng các vật liệu đồng hầu như không xuất hiện các màu nung có thể nhìn thấy Bước chuyển tiếp rắn lỏng diễn ra đột ngột do đó sự tạo
hình của bể chảy là khó khăn
Độ cứng
Trang 9i> Phân chia các vật liệu đồng
G WIP MIG
Phạm vi ứng dụng
Đồng được khử
oxi
SE-Cu SW-Cu SF-CU
0 + +
0 + +
0 + +
Chế tạo máy Chế tạo ống dẫn Lắp đặt lò sưởi
Đồng – nhôm
(Nhôm đồng
thiếc)
CuAl9Ni3Fe2 CuAl11Ni6Fe5 CuAl5As
- + +
- + +
Thiết bị khử muối
Đồng - niken CuNiFe1Mn
CuNI30Mn1Fe
- + +
- + +
Đổi nhiệt Dẫn nước biển
Đồng – kẽm
(đồng thau)
CuZn2Al2 CuZn35Ni2 CuZn37
- +
0
+ +
Nhạc cụ
Trang 100 Đồng –(đồng
thiếc)
thiếc
CuSn6 CuSn8
0 + +
0 + +
Oáng ổ trượt Bể chứa
Đồng – niken –
kẽm
CuNi12Zn24 CuNi18Zn20
+ : thích hợp hàn tốt
0 : thích hợp hàn có điều kiện
- : không thích hợp hàn
2> Kỹ thuật hàn đồng và hợp kim đồng
a Đặc điểm
Đồng và hợp kim đồng có độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao do đố cần có nguồn nhiệt lớn để taọ lên bể hàn Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn làm giảm cơ tính của vật hàn, gây biến dạng lớn khi nung nóng và làm nguội
Ở nhiệt độ cao độ bền mối hàn giảm do đó ứng suất nhiệt sinh ra khi hàn dễ tạo nên nứt dễ bị ô xy hóa tạo nên CuO, Cu2O, khi nguội các ôxýt này làm cho lim loại giòn Vì thế khi hàn phải sử dụng biện pháp công nghệ như thuốc hàn, que hàn chứa chất khử O2 (P, Si).Nhiệt độ chảy thấp nên dễ quá nhiệt khi hàn tấm mỏng.Khi hàn đồng thau, kẽm dễ bị cháy làm thay đổi thành phần kim loại mối hàn so với vật hàn
b Hàn đồng
Trang 11Hàn khí Vật hàn trước khi hàn phải được chuẩn bị tốt Vật mỏng S = 1.5 – 2 mm, dùng kiểu uốn mép, nhỏ hơn 30 mm không cần vát mép, 10mm vát
450 lớn hơn 10 mm vát 900
Ngọn lửa hàn : Ngọn lửa hàn bình thường
Công suất ngọn lửa hàn W = (190 – 225)S (l/h)
Nếu vật hàn đã được nung nóng sơ bộ (400 – 5000C)
W = (125 – 150)S (l/h)
Nếu nung nóng sơ bộ thực hiện bằng cách dùng ngọn lửa phụ thì công suất mỗi ngọn lửa chon như sau
W = (100 – 150)S (l/h)
W Là công suất ngọn lửa biểu thị bằng lượng tiêu hao khí axetylen
S Chiều dày vật hàn (mm)
c Hàn đồng thau
Hàn khí Thành phần ngọn lửa hàn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn, nếu thừa nhiều ôxy thì tăng lượng ZnO và giảm chất hợp kim trong mói hàn Tốt nhất dùng ngọn lửa hơi thừa ôxy để tạo lên lớp ôxit kẽm trên bề mặt bể hàn ngăn cản sự bốc hơi của kẽm
Công suất ngọn lửa : W = (100 – 150)S (l/h)
Thuốc hàn Borắc hoặc axit borich
d Hàn đồng thanh
Hàn khí Khi hàn đồng thanh nên dùng ngọn lửa bình thường Khi hàn đồng thanh Si thường dùng ngọn lửa thừa ôxy (tỷ lệ O2 / C2H2 = 1.15 – 1.25 Khi hàn đồng thanh nhôm cần nung nóng sơ bộ (350 – 4500C) - O2 / C2H2 = 1.2 – 1.3
Trang 12Công suất ngọn lửa như sau
Khi không nung nóng sơ bộ W = (125 – 175)S (l/h)
Khi nung nóng sơ bộ W = (100 – 150)S (l/h)
Thuốc hàn khi hàn đồng thanh thiếc hoặc đồng thanh Si thường bùng Bo Khi hàn đồng thanh Al dùng thuốc hàn Al
II Hàn nhôm và hợp kim nhôm
1> Giới thiệu chung về nhôm và hợp kim nhôm
a> Tổng quát
Nhôm được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghiệp Trong ngành chế tạo ôtô (xe con và xe tải nhỏ) nhôm đóng góp một phần chính Các sản phẩm nhôm đặc biệt càng ý nghĩa hơn trong nhưng năm gần nay
Nhôm đặc trưng bởi các tính chất sau: nó nhẹ với độ bean tương đối cao, tiếp theo là bền ăn mòn mà không có bảo vệ bề mặt Trong các phương pháp khác nhau có thể sản xuất và đặc biệt có thể nén cuộn đa dạng
Bảng so sánh các tính chất của nhôm nguyên chất và sắt
Trang 13Nhiệt lượng riêng J/kg.K 890 460
b> Các hợp kim nhôm
Hợp kim trộn và hợp kim đúc là khác nhau Các vật liệu từ hợp kim trộn phải được thay đổi hình dạng ở tình trạng nguội và nóng Các sản phẩm đầu ra là các thỏi đúc được gia công tiếp hoặc là bằng cán, nén thành bán thành phẩm tương ứng như tôn nhôm định hình
Tiếp theo các hợp kim này được phân chia thành hợp kim không thể tôi cứng và có thể tôi cứng
Trang 14AlMg (Mn)
AlCu (Mn, SiMn)
AlMgSi
AlZnMg (Cu)
G-AlCu (Ti, Mg)
G-AlSiMg (MgSi)
G - AlMg G-AlZnMg
AlMn (Mg)
G-AlSi (Cu)
tôi cứng
Không
thể tôi
cứng
Các hợp kim dẻo
Các hợp kim đúc
Phân loại hợp kim
Ký hiệu hợp kim
Các vật liệu được ký hiệu theo các số hoặc theo biểu tượng chữ số
Trang 15(1) tiêu chuẩn viết tắt
(2) kim loại cơ bản + dạng cung cấp
(3) số thứ nhất : ký hiệu sery
Số thứ hai : sự biến đổi hợp kim
(4) Phương cách
(5) Thành phần hợp kim chính
(6) Hàm lượng đặc trưng
(7) Nguyên tố hợp kim tiếp theo
c> Sự thích hợp hàn của các vật liệu nhôm
So với sắt nhôm cho thấy các đặc tính sau nay liên quan tới hàn:
o Nó có ái lực oxy cao, có kết quả tạo thành lớp oxít rõ nét nhiều hoặc ít cũng như có thể dẫn tới sự bọc phủ
o Nó có khả năng dẫn nhiệt cao hơn và giãn nở nhiệt, biểu hiện ứng suất
co kéo cao, khoảng thời gian nóng chảy lớn đưa ra tùy theo hợp kim
o Nó có khả năng hòa tan nitơ cao trong chất lỏng, chúng giảm bớt sự thất thường khi đông đặc
o Quy trình hàn có các ảnh hưởng của vật liệu như sau:
o Thông qua nóng chảy vật liệu phụ gia có thể được hợp kim trội hơn cũng như là các nguyên tố hợp kim bị cháy đi
o Thông qua hàn, nhiệt được đưa đến tùy theo vật liệu và mức độ năng lượng có nghĩa là khoảng cách vùng nóng chảy tới loại nung hòa tan, tái kết tinh, thay đổi cấu trúc hoặc hồi phục Từ đó liên kết được độ bền tương ứng của vật liệu
Trang 16o Từ quan điểm vật liệu học, đưa ra các yêu cầu sau đối với chế tạo một liên kết hàn:
o Vật liệu phải thích hợp hàn, có nghĩa là nó không được phép có xu
hướng tạo nứt Ngoài ra chúng phải đạt được độ bền cần thiết, đạt được khả năng biến đổi hình dạng cần thiết và đưa ra khả năng chống mòn gỉ đầy đủ cũng như thống nhất được sự thể hiện màu tương ứng trong điện phân anốt đối với vật liệu cơ bản Chỉ cho phép xuất hiện rỗ bọt hoặc bọc phủ trong phạm vi giới hạn tùy yêu cầu
d> Sự thích hợp hàn
Được phân biệt giữa hai loại nứt, nứt nóng chảy và nứt đông đặc Loại thứ nhất xuất hiện trorng chất hàn và là tính chất đặc trưng đông đặc có nghĩa là phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp hóa học của vật liệu
Nhôm nguyên chất: không có khoảng nhiệt độ tới hạn, tinh thể nhôm rắn chắc được liên kết chắc chắn sau khi đông đặc nhưng có xu hướng rỗ bọt
Thể ít cùng tích: khoảng nhiệt độ tới hạn, xu hướng nứt nóng vì khối lượng cứng chắc nhưng không được liên kết
Đủ thể cùng tích: không có khoảng nhiệt độ tới hạn, không có xu hướng nứt vì các tinh thể nhôm cứng chắc bơi trong thể cùng tích nhưng nguy cơ tạo co rỗ biên giới hạn
e> Độ bền :
Ơû các vật liệu không thể tôi cứng và biến dạng nguội, qua việc đưa nhiệt hàn vào , xuất hiện các khử bền ở nhiều cấp bậc khác nhau thông qua kết tinh lại và phục hồi Ngoài ra có thể hình thành hạt thô
Trạng thái mềm là trạng thái có thể bị ảnh hưởng ít nhất bởi hàn
Trang 17Các hợp kim có thể tôi cứng bị mất độ bền của mình chủ yếu do phát triển hoặc hòa tan lại các kết tủa pha
Ngoài ra độ nhạy làm nguội của vật liệu rất có ý nghĩa đối với mức độ hao hụt độ bền Sau khi hàn ở phần lớn vật liệu có thể không đạt được tốc độ làm nguội cần thiết cho sự tách lớp tương ứng, sao cho độ bền của vật liệu chính không bị ảnh hưởng nữa
f> Tác động của nhiệt hàn đối với vật liệu cơ bản:
Thông qua nhiệt hàn, khu vực mối hàn và vùng lân cận sẽ được nung nóng cao Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt tự điều chỉnh theo nhiệt được đưa vào, ngựơc lại chúng phụ thuộc vào phương pháp hàn ( mật độ tập trung nhiệt, tốc độ hàn, chiều dày các lớp) và các kích thước của chi tiết, chúng được xác định cho sự tản nhiệt Trong vùng ảnh hưởng nhiệt này dễ cảm nhận chung được độ bền và giới hạn 0.2 hóa cứng nguội hoặc các vật liệu được tôi cứng bị giảm bớt khi sự giãn nở tăng lên tương ứng ở cực đại cho đến trị số của trạng thái
Khả năng tăng độ bền của vùng ảnh hưởng nhiệt Không tôi
cứng được
Al99.5 AlMn AlMgMn AlMg3
Mềm weich (cấu trúc tái kết tinh)
Không thay đổi
Không có
Nửa cứng, Khử bền kim Không có
Trang 18AlMg4.5Mn cứng loại (phục hồi
tinh thể , tái kết tinh) Tôi cứng được ALMgSi Được tôi cứng
nguội, được tôi cứng nhiệt (cấu trúc tôi cứng)
Khử bền (kết tủa, phân hủy tinh thể)
a) nung hòa tan mới, nguội nhanh, thay đổi cấu trúc b) chỉ thay đổi cấu trúc nhiệt AlZnMg Được tôi cứng
nguội Được tôi cứng nhiệt
(cấu trúc tôi cứng)
Khử bền (nung hòa tan và hiệu ứng nguội nhanh, tạo tinh thể hỗn hợp)
a) tự làm tôi cứng lại ở nhiệt độ phòng b) hoặc khi nhiệt độ tăng cao
Nguyên tắc xử lý nhiệt có thể được thực hiện để điều chỉnh độ bền cuối cùng ở chi tiết sau khi hàn Có nghĩa là vật liệu có thể gia công trong trạng thái thay đổi cơ cấu nguội và cuối cùng được thay đổi cơ cấu nóng hoặc thậm chí được nung hòa tan mới
Tuy nhiên điều này chỉ quy định đối với thiết bị thích hợp, đối với thiết bị khác phải rõ ràng sao cho chúng sẽ dẫn đến các vấn đề tương ứng sau khi nung hòa tan trong trường hợp yêu cầu làm nguội nhanh của chi tiết, như vậy khả năng điều chỉnh độ bền này được sử dụng giới hạn trong thực tế
Trang 19Giống như ở sự thích hợp hàn, độ bền của mối hàn cũng bị ảnh hưởng thông qua vật liệu phụ gia Trong thường xu hướng nứt và độ bền diễn ra trái ngược
g> Độ bền ăn mòn
Trong các liên kết hàn ở nhôm nguyên chất và các hợp kim không thể tôi cứng độ bền ăn mòn gỉ hầu như không bị giảm đi Tuy nhiên cần chú ý ở các vật liệu có hàm lượng Mg cao (>3.5% Mg), sao cho không xuất hiện sự thay đổi cấu trúc làm giảm độ bền ăn mòn do nhiệt hàn Như vậy ở phạm vi nhiệt độ 100-
230 0C có thể kết tủa cực anốt trên biên giới hạt chúng sẽ cản trở độ bền nứt ứng suất cũng như ăn mòn xuyên tinh thể Sự thay đổi kiểu này không nên xuất hiện cho các quy trình hàn thông thường
h> Độ xốp rỗng mối hàn
Nguyên nhân đối với rỗ xốp có thể liên quan đến diễn biến đông đặc của các vật liệu nhôm được hàn hoặc có thể về bọc khí xảy ra trong phần lớn các trường hợp
Rỗ bọt xốp kim loại xuất hiện chũ yếu của nhôm nguyên chất, diễn ra rất mạnh
ở sự chuyển tiếp rắn , lỏng
Bọc ngậm khí hình thành do các không khí không thể bốc hơi được trước khi chất chảy đông đặc Ví dụ các khí này có thể bắt nguồn từ khí bảo vệ và không khí và bị xoáy lốc tương ứng chuyển động trong bể nóng chảy
Tuy nhiên Nitơ bị hòa tan trong chất chảy được mô tả là nguyên nhân chính Nước đang có sẽ bị giảm nguyên do ái lực oxy cao của kim loại và nitơ được giải phóng trong chất chảy Vì hòa tan hydro của nhôm giảm cùng với nhiệt độ
Trang 20và nó hạn chế sự thất thường khi đông đặc nên có thể hình thành rỗ bọt được phân bố đồng đều
Do đó vật liệu cơ bản và vật liệu phụ gia không có nitơ Khí bảo vệ phải sạch sẽ và phù hợp Phải tách mỡ và lớp oxít trước khi hàn và theo nguyên tắc tránh xa ẩm ướt
Đối với việc chuẩn bị mối hàn:
Đối với việc chuẩn bị mối hàn cho hàn MIG và TIG, các hình dạng ghép nối được tiêu chuẩn theo AWS Bề mặt vát của mối hàn và phạm vi được giới hạn phải không mỡ và khô Ngoài ra phải loại bỏ lớp oxit ngay trước khi hàn, thực tế nó tạo lại ngay lập tức một lớp oxit mới, tuy nhiên tương đối mỏng và đồng đều
i> Hơ nóng trước :
hơ nóng trước chỉ cần thiết nếu trên cơ sở khả năng dẫn nhiệt cao của nhôm không đạt được đủ ngấu Cần phải chú ý răng không diễn rta sự tăng chiểu dày mạnh của lớp oxít dày ở mặt vát mép mối hàn do thời gian nung nóng quá lâu hoặc thừa oxy trong khi đốt Chú ý tiếp theo là ảnh hưởng của nhiệt độ hơ nóng và thời gian đối với tính chất vật liệu, đặc biệt ở các hợp kim có thể tôi cứng và các vật liệu thay đổi hình dạng nguội cũng như chứa Mg cao
Bảng chỉ số đối với nhiệt độ hơ nóng và thới gian nung nóng để hàn vật liệu dẻo-nhôm
Vật liệu Phạm vi chiều dày tôn (mm)
Nhiệt độ hơ nóng trước tối
đa
Thời gian hơ nóng trước tối
đa