Đế cú mối hàn thộp cacbon thấp đạt chất lượng thỡ ngoài cỏc yếu tố nờu ở phần trờn ta cũn phải xột đến như VLCB, QTLKMH, cũng như cỏc ảnh hưởng của yếu tố mụi trường xung quang mối hàn như giú, nhiệt độ, độẩm.
Qua khảo sỏt cỏc tài liệu ta cú thể rỳt ra một số vấn đề sau:
Hồ quang hàn chỏy trong mụi trường khớ CO2 tạo ra nhiệt lượng cần thiết cho sự
nung núng chảy điện cực. Cũn sựđụng đặc của KLMH được bắt đầu từ vựng danh giới mối hàn, nơi VLCB chưa được núng chảy hoàn toàn (dưới sự tỏc dụng của hồ quang). Trong bể hàn xuất hiện đồng thời hai quỏ trỡnh: núng chảy và đụng đặc. Thực chất quỏ trỡnh núng chảy của phần lớn KLMH là bắt đầu từ điểm mỳt của điện cực, GKLL chuyển dịch đến bể hàn, hỡnh thành bể hàn, chảy loảng tiếp ở vũng hàn và đụng đặc của KLMH (gọi là quỏ trỡnh luyện kim mối hàn) và diễn ra trong mụi trường khớ bảo vệ
CO2. Thực chất của mụi trường bảo vệ QTLKMH khụng phải là CO2 phõn tửđơn thuần, mà là mụi trường hỗn hợp ion, nguyờn tử khớ và bụi kim loại...Sự tương tỏc húa lớ giữa bản thõn kim loại núng chảy, với cỏc thành phần của mụi trường quyết định cỏc đặc trưng cơ bản của QTLKMH đối với phương phỏp CNH MAG. Ta cú thể hiểu đặc điểm chung của QTLKMH như sau:
Nhiệt độ của hồ quang tạo điều kiện thuận lợi cho cỏc quỏ trỡnh húa- lý (phõn ly, húa hợp) của cỏc chất khớ và kim loại mối hàn diễn ra mónh liệt. Khi mụi trường hồ
quang là khớ CO2 (cựng cú tạp chất) quỏ trỡnh húa lý này diễn ra mónh liệt và phức tạp hơn so với phương phỏp MIG và cỏc cụng nghệ hàn khỏc.
Tuy khụng gian của QTLKMH rất hẹp, nhiệt độ phõn bố trong khụng gian đú khỏc nhau, ỏp suất cũng khụng đồng nhất, thời gian kim loại lỏng ở trạng thỏi lỏng rất ngắn; do đú cỏc phản ứng húa học khú đạt đến trạng thỏi cõn bằng, nờn việc xem xột hiện tượng này phải dựa vào cỏc định luật khối lượng tỏc động và định luật cõn bằng
động.
Ngay từ thời kỳ đầu mới ứng dụng CNH MAG, người ta đó nhận biết rằng: Sự
phõn li của cỏc chất khớ trong hồ quang đó làm tăng nồng độ cỏc khớ hũa tan vào bể hàn và cỏc loại khuyết tật mối hàn. Ngày nay cỏc kết quả nghiờn cứu cho biết sự phõn ly của CO2 trong quỏ trỡnh hàn cú thểđến trờn 60% lượng khớ được phun ra từ miệng sỳng [32] Lượng CO2 bị phõn li càng cao thỡ nồng độ ụxy trong vựng hàn càng tăng lờn. Cung với sự phõn ly CO2, nếu trong CO2 hàm lượng H2O càng cao (hơn 0,1%) thỡ nồng độ hydro trong bể hàn cũng tăng lờn cao [9]. Từ kết quả nghiờn cứu về vấn đề này mà nhiều nước
đó xõy dựng tiờu chuẩn khớ CO2 giành cho CNH MAG với độảm cho phộp H2O≤0,05% (tựy từng nước và từng điều kiện hàn). Về cơ chế và mức độ hũa tan cuả cỏc khớ vào bể
hàn, cũng như cơ chế gõy khuyết tật cho KLMH đó được nghiờn cứu khỏ đầy đủ. Nhiều cụng trỡnh đó kết luận rằng nếu chọn hợp lý CĐCNH , dựng khớ và dõy hàn đảm bảo chất lượng thỡ hàm lượng hydro trong kim loại mối hàn sẽ thấp hơn so với cỏc phương phỏp khỏc.Đõy là nhõn tố thuận lợi cho việc ứng dụng CNH MAG để hàn cỏc thộp cacbon thấp. Khảo sỏt cỏc Oxyt SiO2. MnO, Fe2O3, FeO, trong kim loại mối hàn được hàn bằng cỏc phương phỏp khỏc nhau, cho thấy, tổng hàm lượng cỏc Oxyt này trong KLMH được hàn bằng CNH MAG thấp hơn (chỉ hơn 1/4) so với trường hợp hàn tay băng que hàn chất lượng cao. Điều đú chứng tỏ cơ chế rỗ bề mặt mối hàn cú nguyờn nhõn của cả quỏ trỡnh chuyển dịch GKLL. Nghiờn cứu nồng độ cỏc khớ cú trong KLMH là cơ sởđể ỏp dụng CNH MAG để hàn cỏc loại thộp cacbon thấp.
Từ thời kỳđầu ứng dụng CNH MAG, người ta đó xỏc định được cơ chế và mức
độảnh hưởng của cỏc quỏ trỡnh húa lý diễn ra trong quỏ trỡnh hàn núng chảy CO2, từđú
đó cú phương thức làm giảm nồng độ cỏc tạp chất (là sản phẩm của quỏ trỡnh húa lý) chứa khớ trong KLMH. Kết quả nghiờn cứu này đó là cơ sởđể người ta chế tạo cỏc loại dõy hàn chuyờn dựng cho CNH MAG. Cỏc loại dõy hàn này đều phải chứa một hàm lượng nhất định cỏc nguyờn tố khử Oxy và tăng nồng độ cỏc nguyờn tố hợp kim trong KLMH như Mn, Si, cú khi cú cả Nb,Ti, Al...Liờn Xụ cũđó chế tạo cỏc loại dõy hàn khỏ
ổn định cho cụng nghệ hàn MAG, nhưng do đỏi hỏi thực tế ngày càng khắt khe mà vấn
đề này luụn được quan tõm. Ngày nay thụng thường đa số thộp cacbon thấp người ta vẫn dựng dõy hàn thụng dụng loại I đờ hàn. Vớ dụ: Ha-08Mn2Si của Nga; SP-1 của Balan; E70S-1B của Mỹ theo AWS-A5-18-69.
Một vấn đề quan trọng thu hỳt nhiều tỏc giả quan tõm nghiờn cứu là tỷ lệ hàm lượng cỏc nguyờn tố hợp kim trong dõy hàn chuyển nhập vào KLMH. Theo tỏc giả [45] thỡ tỷ lệ này phụ thuộc vào nhiều yếu tố cụng nghệ, vật liệu (dõy hàn, vật liệu cơ bản). Kết quả nghiờn cứu cụ thể một số thộp cacbon thường, thộp hợp kim thấp cú Ce<0,54 (BS-5135) đó được cụng bố. Hệ số chuyển nhập này cơ bản phụ thuộc vào giỏ trịđương lượng cacbon Ce trong VLH và vật VLCB. Peter Ondrejcek (1992) chứng minh bằng toỏn học và thực nghiệm rằng hàm lượng chuyển nhập của cỏc nguyờn tố hợp kim trong dõy hàn vào KLCB cú phụ thuộc vào CĐCNH, đặc biệt là vào Uh, Ih và thời gian chỏy của hồ quang [32]
CNH MAG từ lõu đó được ỏp dụng để hàn cỏc loại thộp cacbon, thộp hợp kim. Do cụng nghiệp ngày càng phỏt triển theo chiều sõu nờn yờu cầu chất lượng ngày càng khắt khe, đũi hỏi người ta phải hiểu biết sõu hơn về cụng nghệ này. Càng đũi hỏi nõng cao chất lượng KLMH, càng thấy việc ứng dụng CNH MAG để hàn cỏc thộp cacbon thấp thực tế cú nhiều vấn đề phức tạp, đỏng quan tõm hơn. Đú là cỏc hiện tượng xẩy ra trong và sau khi hàn như hiện tượng nứt nguội mối hàn, sự đồng nhất thành phần húa học và cấu trỳc kim loại mối hàn. Xu hướng chung của thế giới là người ta đi sõu nghiờn cứu từng nhúm thộp và từng loại kết cấu thộp cụ thể [29,39]. Trong lĩnh vực này cú một thực tế là trước đõy một số loại thộp cacbon đó được hàn trong CO2 thuần, nhưng cho
đến nay một số nước vẫn dựng hỗn hợp khớ Ar+N% CO2để hàn (N=5 đến 25%), thớ dụ ở Mỹ và nhiều nước Tõy Âu. Trong lỳc đú ở Nhật việc sử dụng CO2 thuần để hàn tất cả
cỏc loại thộp hầu như là tất nhiờn, kể cả hàn cầu [9]. Nhiều cụng trỡnh nghiờn cứu [36,47] cụng nghệ hàn thộp cacbon đều đi sõu giải quyết cho cỏc kết cấu và loại thộp cụ
thể. Kết quả nghiờn cứu của họ cú thể khỏi quỏt ở cỏc điểm sau: - Bằng cỏch gia nhiệt với chếđộ hợp lý
- Sử dụng phương phỏp điều khiển quỏ trỡnh hàn bằng cỏc thiết bị hiện đại để tạo ra phương thức và quỏ trỡnh chuyển dịch GKLL thật tối ưu.
- Nghiờn cứu xõy dựng CĐCNH hợp lý cho từng loại thộp hoặc cỏc kết cấu thộp cụ thể.
Như đó nờu trờn, ngoài chế độ nhiệt, yếu tố quyết định đặc điểm của quỏ trỡnh luyện kim mối hàn của phương phỏp CNH MAG chớnh là mụi trường bảo vệ quỏ trỡnh hàn. Ảnh hưởng của mụi trường bảo vệ (gồm khớ CO2 với cỏc thành phần và độ khụ, khụng khớ nơi hàn) đến QTLKMH đó đực cỏc tỏc giả nghiờn cứu [35]. Điểm lại một cỏch tổng quan, cỏc kết quả nghiờn cứu thế giới cho thấy ảnh hưởng của mụi trường đến QTLKMH khỏ đa dạng. Đú chớnh là vai trũ của mụi trường đối với cơ chế cỏc quỏ trỡnh lý húa húa trong chu trỡnh từ núng chảy ởđầu mỳt điện cực, hỡnh thành GKKL, chuyển
động của nú trong hồ quang, thõm nhập vào bể hàn, hỡnh thành và kết tinh mối hàn. Trong QTLKMH, sự tỏc động tương hỗ những nguyờn tố húa học và hợp chất của kim loại hàn (điện cực và vật liệu cơ bản) với cỏc nguyờn tố và hợp kim chất khớ trong mụi trường làm cho thành phần húa học, cơ tớnh của KLMH khỏc thành phần và tớnh chất của vật liệu cơ bản. Sự tương tỏc giữa KLL với khớ, tiến trỡnh của thành phần tham gia phản ứng; khoảng cỏch chuyển động giữa chỳng, thời gian phản ứng, nhiệt độ
của cỏc chất tham gia phản ứng, nếu nhiệt độ khụng đổi, thỡ cú thể mụ tả bằng phương trỡnh sau: ( ) 2 2 x C x D t C ∂ ∂ = ∂ ∂ (2. 1) Trong đú: C-nồng độ cỏc chất phản ứng [mol/l]
t- thời gian kộo dài phản ứng [s]
x- khoảng cỏch, trờn đú cỏc phản ứng di chuyển [cm] D- hệ số khuyếch tỏn, [D=10-5 cm/s]
Đặc điểm của quỏ trỡnh luyện kim khi hàn trong điều kiện tỏc động của mụi trường khụng thuận lợi là: Trong vựng hàn cú nồng độ cỏc tạp chất: H2O, Oxy, Nitơ, Oxit sắt cũng như cỏc Oxit khỏc. Từ lõu người ta cho rằng: Sự phõn li của khớ CO2 và cỏc tạp chất cú trong vựng hồ quang tạo ra một mụi trường nhiều loại khớ gõy hại cho quỏ trỡnh luyện kim mối hàn [18]. Kết quả cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu trong giai đoạn này là cơ sởđể xõy dựng tiờu chuẩn khớ CO2 dựng cho CNH MAG. Một trong cỏc chỉ tiờu quan trọng nhất đối với chất lượng CO2 là độẩm và cỏc tạp chất SO2, H2S, SO3, N2, H2, P,O2. Ngày nay, ở Nga, Mỹ và cỏc nước tiờn tiến cú tiờu chuẩn CO2 với: CO2>99,8%; H2O<0,05%.
Trong qua trỡnh hàn, trờn thực tế, dũng khớ bảo vệ CO2 cú những đặc trưng của dũng chảy ngập rối với tốc độ ban đầu nhỏ [13]. Dũng khớ bảo vệ luụn bị tỏc động của
điều kiện mụi trường xung quanh (như giú, độẩm...) và kết quả quỏ trỡnh hồ quang chỏy trong một mụi trường khụng đồng nhất. Novorilov N.M. đó cú kết luận về sự pha trộn khụng khớ vào khớ bảo vệ trong quỏ trỡnh hàn trong CO2. ễng cựng cộng sự cho rằng: kể
cả trong trường hợp dũng khớ bảo vệ khụng bị ảnh hưởng của giú tự nhiờn thỡ thành phần của mụi trường xung quanh hồ quang cũng đó cú 10% khụng khớ lẫn vào khớ bảo vệ trong quỏ trỡnh hàn. Mụi trường hồ quang ở vựng cỏch tõm điểm bảo vệ bằng bỏn kớnh miệng phun khớ bảo vệ (miệng chụp khớ) đó cú đến 60% khụng khớ chuyển lẫn vào mụi trường hàn. Tất nhiờn, lượng khụng khớ này càng tăng thỡ nồng độ cỏc tạp chất khớ cũng tăng và số lượng cỏc phản ứng húa học cũng tăng lờn; tức là sự phức tạp của quỏ trỡnh tương tỏc của KLH với tạp chất cũng tăng lờn. Hậu quả cuối cựng là chất lượng mối hàn bị giảm do kết quả tương tỏc giữa KLL với mụi trường khớ quyển hồ quang [11]. Mức độ phức tạp (núi cỏch khỏc sựảnh hưởng của mụi trường) càng tăng lờn nhiều
ở những trường hợp hàn với mụi trường khớ cú độẩm cao và thành phần húa khớ quyển phức tạp.
Mụi trường khụng những ảnh hưởng đến QTLKMH, mà cũn ảnh hưởng đến cơ
chế dịch chuyển GKLL cũng nhưđến chu trỡnh nhiệt trong quỏ trỡnh hàn .Sự bứt ra khỏi
điện cực chuyển dịch đến bể hàn của GKLL phụ thuộc vào sự tỏc dụng của cỏc lực, trong đú cú lực suất điện động (hay cũn gọi là lực hiệu ứng của dũng plasma, và liờn quan mật thiết với mụi trường). Lực Plasma tăng, ỏp suất mụi trường tăng, và GKLL bắn phỏ vào bể hàn mạnh lờn. Kết quả là làm cho bề mặt mối hàn xuất hiện vết lừm sõu hơn và lượng kim loại bắn túe ra ngoài cũng tăng lờn (Essers và Walter, 1987 [21]). Cỏc tỏc giả này cũng đó đề nghị một mụi trường bảo vệ Ar + (1 ữ 2) % Co2, quỏ trỡnh hàn nhụm hoặc hợp kim của nhụm sẽ khắc phục được hiện tượng lừm bề mặt mối hàn và giảm lượng kim loại bắn ra ngoài. Khi hàn thộp, mụi trường Ar+(5ữ25)% Co2 sẽ cú ưu
điểm tương tự như CO2 trong hàn nhụm. Kết quả nghiờn cứu gần đõy nhất cho thấy oxy là nguyờn tố làm giảm sức căng bề mặt của bể hàn, Co2 + Ar cũng tạo được mụi trường tương tự. Cỏc hợp kim của Fe cú thể hàn được trong mụi trường CO2 thuần, và đõy là một ưu điểm to lớn về kinh tế của cụng nghệ hàn MAG. Song, trong quỏ trỡnh hàn, hiện tượng chuyển dịch giọt kim loại lỏng thật sựđồng trục cú thể coi như là khụng thể thực hiện được [30].Cú thể tạo ra sựđồng trục bằng cỏch bụi trờn bề mặt điện cực một màng mỏng kim loại kiềm [28].
Quỏ trỡnh hỡnh thành và dịch chuyển kim loại lỏng cú liờn quan đến ion húa và độ
nhớt của mụi trường bảo vệ. Trong thực tế, quỏ trỡnh hàn khụng phải lỳc nào cũng loại trừ hoàn toàn được sự ảnh hưởng của khớ hậu, nhất là giú. Khi cú giú dự ở tốc độ nhỏ
(Vg <0,1 m/s ) mụi trường khớ bảo vệđó bị thay đổi đỏng kể [13].
Thành phần và lưu lượng khớ CO2ảnh hưởng đến QTLKMH trong mối quan hệ
với quỏ trỡnh kết tinh và nguội mối hàn, cũng đó được nhiều tỏc giả quan tõm nghiờn cứu [15]. Tốc độ nguội mối hàn (Vn) cú vai trũ quan trọng đối với cỏc chuyển biến trong trạng thỏi rắn liờn quan tới thời gian khuyếch tỏn nguyờn tử, tạo mầm kết tinh.
Túm lại CNH MAG đó ỏp dụng để hàn nhiều loại thộp cacbon thấp và trung bỡnh; hàn chế tạo và sửa chữa nhiều loại kết cấu quan trọng cú ý nghĩa kinh tế to lớn. Qua những vấn đề trỡnh bày trờn đõy cho thấy, kết quả nghiờn cứu bản chất CNH MAG
trang thiết bị hiện đại, cỏc giải phỏp cụng nghệ, nhiều thuật toỏn đó được sử dụng để
nghiờn cứu hoàn thiện cụng nghệ này. Từ những thành tựu nghiờn cứu cơ bản đó tạo tiền
đề cho việc ứng dụng CNH MAG đẻ hàn ngày càng phổ biến cho cỏc loại thộp và cỏc loại hỡnh kết cấu đặc biệt. Mặt khỏc ta cũng thấy rằng, nhiều đại lượng cụng nghệ của lĩnh vực cụng nghệ hàn MAG đang được xỏc định bằng kinh nghiệm và thực nghiệm. Thực tế qua tài liệu cũng thấy rừ một điều nữa là việc ứng dụng CNH MAG vào từng trường hợp cụ thể đều phải tiến hành nghiờn cứu thực nghiệm để xỏc định điều kiện cụng nghệ và vật liệu phự hợp nhất. Như vậy trong cỏc trường hợp hàn ở những nơi điều kiện khụng thuận lợi về mụi trường khớ hậu, thỡ việc nghiờn cứu xỏc định mức độ ảnh hưởng của điều kiện thiờn nhiờn cụ thểđối với quỏ trỡnh hàn (và chất lượng mối hàn) lại càng cần thiết và cũng cú ý nghĩa khoa học cụng nghệ và thực tiễn hơn.