- Hàn được các chi tiế tc chiều dày từ vài mm cho đến hàng trăm mm 1.1.2 Va
1.3.3.Nội dung nghiên cứu
- Phân tích, lựa chọn các nguyên tố hợp kim phổ biến dùng trong thành ph n m liệu thuốc hàn khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết tương đương với loại F7A(P)2 theo AWS A5.17-80.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các fero hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) trong m liệu thuốc hàn đến thành ph n h a học kim loại mối hàn của thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ tương đương với loại F7A(P)2 theo AWS A5.17-80.
- Xác định hàm lượng các nguyên tố hợp kim thông qua các fero hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) đưa vào thành ph n thuốc hàn thiêu kết tương đương loại F7A(P)2 theo AWS A5.17-80 đảm bảo thành ph n h a học và cơ tính kim loại mối hàn.
Chƣơng 2
GIỚI THIỆU VỀ THUỐC HÀN VÀ LỰA CHỌN XỈ HÀN
2.1. C c chỉ tiêu cơ ản của thuốc hàn 2.1.1. C c chỉ tiêu chung của thuốc hàn
Thuốc hàn dùng trong hàn tự động, bán tự động dưới lớp thuốc, thuốc hàn kết hợp với dây hàn phải đạt được các chỉ tiêu chung cơ bản như sau :
Đảm bảo về cơ tính của kim loại mối hàn.
Đảm bảo thành ph n h a học c n thiết cho kim loại mối hàn.
Đảm bảo hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn và VAHN theo yêu c u.
Đảm bảo tính công nghệ hàn theo yêu c u.
Giá thành sản phẩm hạ.
2.1.2. C c chỉ tiêu c ng nghệ hàn
Các đặc tính công nghệ của thuốc hàn gồm những chỉ tiêu chính như sau:
Đảm bảo dễ gây hồ quang và hồ quang hàn cháy ổn định;
Bảo vệ tin cậy vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi sự tác d ng của môi trường xung quanh;
Tạo dáng mối hàn và hình thành mối hàn tốt;
Tạo xỉ dễ nổi lên bề mặt vũng hàn và phủ đều trên bề mặt mối hàn để bảo vệ và giúp mối hàn nguội chậm, xỉ phải dễ tách khỏi mối hàn (tính bong xỉ tốt);
Đảm bảo tinh luyện kim loại mối hàn và kh tạp chất theo yêu c u;
Có khả năng cải thiện và hợp kim hoá kim loại mối hàn, nâng cao cơ tính kim loại mối hàn;
Đảm bảo khuyết tật trong giới hạn cho phép: rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu khe hở hàn,...
Lượng khí độc thải ra ở mức độ cho phép, đảm bảo yêu c u vệ sinh công nghiệp.
2.1.3. C c êu cầu kỹ thuật chung khi sản uất thuốc hàn
Ngoài các chỉ tiêu kỹ thuật chung và các đặc tính công nghệ hàn, khi sản xuất thuốc hàn phải đảm bảo các yêu c u kỹ thuật như sau:
Thuốc hàn phải đảm bảo độ đồng đều về thành ph n theo yêu c u.
Đảm bảo độ bền cơ học của hạt thuốc hàn.
Đảm bảo độ ẩm của thuốc hàn theo yêu c u.
Đảm bảo kích thước hạt thuốc và tỷ lệ các cỡ hạt thuốc hàn theo yêu c u.
2.2. Thành phần, ph n loai và k hiệu thuốc hàn
2.2.1. C c nhóm chất chủ ếu trong thành phần m liệu thuốc hàn
Trong thành ph n m liệu thuốc hàn gồm những nh m chất c công d ng và thành ph n chủ yếu như sau:
Nh m tạo khí: c vai tr sinh ra một lượng khí c n thiết để bảo vệ vùng hàn. Tuy nhiên, đối với hàn dưới lớp thuốc yêu c u này không lớn như hàn hồ quang tay. Nh m chất c chức năng tạo khí gồm những hợp chất như c chứa gốc cacbonat (đá cẩm thạch, đá vôi (CaCO3) hoặc đôlômit (CaCO3.Mg CO3)) để tạo khí và tạo các ôxit bazơ c n thiết cho nền tạo xỉ hàn.
Khi hàn các hợp chất này sẽ phân hủy và sinh khí theo các phản ứng sau: CaCO3 → CaO + CO2 (1.1) MgCO3 → MgO + CO2 (1.2) CO2 CO + 1/2O2 (1.3)
Khí CO2 tạo ra theo các phản ứng trên, một ph n tham gia vào thành ph n khí bảo vệ vùng hồ quang và kim loại vũng hàn, đồng thời ở điều kiện hàn sẽ bị phân huỷ thành khí CO theo phản ứng (1.3).
Nh m tạo xỉ: c vai tr quan trọng hàng đ u, thuốc hàn n ng chảy sẽ hình thành lớp xỉ, v m xỉ bảo vệ vùng hồ quang và vũng hàn. Các tính chất l nhiệt của xỉ hàn c ảnh hưởng quan trọng đến sự hình thành mối hàn, chức năng bảo vệ và tính bong xỉ.
Các ôxit: SiO2, MnO, CaO, MgO, FeO, Fe2O3, Fe3O4, Al2O3, TiO2, ... từ quặng mangan (Mn2O, MnO), cát thạch anh (SiO2 ), rutil (TiO2), ilmenit (TiO2, SiO2, Fe2O3), cao lanh (Al2O3, SiO2), bôxit, bột tan, hêmatit (ôxyt sắt màu đỏ sẫm Fe2O3), magnetit (Fe3O4), trường thạch, ...
Các muối halogen: CaF2 (huỳnh thạch), KF, ...
Các phức chất khác: Na2SiF6, Na3AlF6 (criolit), ...
Đối với thuốc hàn để hàn thép: tuỳ theo các loại hợp chất đưa vào thành ph n m liệu của n và tính chất của các sản phẩm nhận được từ quá trình phân huỷ chúng khi hàn, mà tên gọi của thuốc hàn thường dựa trên tính chất hoặc tên gọi của xỉ hàn.
Đối với thuốc hàn nhôm: nhôm là nguyên tố c ái lực hoá học mạnh với ôxi, nên để hàn nhôm thường dùng thuốc hàn gồm các hợp chất không chứa ôxi, như các hợp chất gốc cluorit và fluorit: NaCl, KCl, KF, NaF, LiCl, BaCl2, ....
Nh m ổn định hồ quang:
Nh m này gồm những hợp chất chứa nguyên tố c điện thế ion hoá thấp, giúp cho việc dễ gây hồ quang và duy trì hồ quang cháy ổn định, và c n giúp cho việc hình thành mối hàn tốt hơn.
Những hợp chất loại này gồm:
Kim loại kiềm: K2O, Na2O từ nước thuỷ tinh kali (potas K2SiO3), nước thuỷ tinh natri (soda Na2 SiO3).
Kim loại kiềm thổ: CaO, MgO, .... từ các chất CaCO3, MgCO3, trừ CaF2 chất này làm giảm tính ổn định của hồ quang hàn.
Trường thạch: chứa các oxit kali, natri.
Nh m chất kh và hợp kim hoá: s d ng các fero hợp kim và bột kim loại.
Chất kh : là những nguyên tố c ái lực h a học mạnh với oxi, có tác d ng kh ôxi và các tạp chất c hại.
Hợp kim hoá kim loại mối hàn (đặc biệt thường được s d ng khi hàn đắp) và cải thiện các tính chất kim loại mối hàn.
Một nguyên tố c thể vừa làm chức năng chất kh và hợp kim h a. Trong trường hợp này, sau khi hoàn thành chức năng chất kh , lượng c n lại sẽ đ ng vai tr nguyên tố hợp kim h a. Đ là các fero hợp kim hoặc bột kim loại, như Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Cr, Fe-V, Fe-Mo, Fe-W, Fe-Nb, bột Al, ... với hàm lượng fero hợp kim khác nhau và kích thước hạt phù hợp.
Nh m các chất kh tạp chất: S, P. Ngoài các chất đưa vào nh m tạo khí (CaCO3, MgCO3) sẽ phân huỷ thành các chất, trong đ c các ôxit bazơ (CaO, MgO) để kh S, P, c n c thể đưa thêm một lượng khá lớn CaF2 c tác d ng kh S, P và làm giảm lượng hyđrô và cải thiện tính chất kim loại mối hàn.
Nh m chất liên kết: nước thuỷ tinh đối với thuốc hàn gốm.
Chức năng: dính kết các thành ph n của m liệu thuốc hàn và tăng độ bền cơ học hạt thuốc hàn và hạn chế khả năng hút ẩm.
Các chất dính kết: thường dùng nước thuỷ tinh natri và kali với các tỷ trọng và modul khác nhau tùy thuộc vào loại thuốc.
Các thông số c bản của nước thủy tinh:
+ Tỷ trọng của nước thuỷ tinh natri (Na2O. nSiO2. mH2O) là: γ = 1,30 ÷ 1,5 g/cm3. Tỷ trọng c thể xác định theo độ bome bằng bome kế. + Modul n = 2,65 ÷ 3,40 (modul là tỷ lệ số phân t của SiO2 trên Na2O
và K2O).
+ Độ nhớt của nước thủy tinh η.
Trong thực tế trọng lượng khô c n lại của nước thủy tinh vào khoảng 10÷14g cho 100g m liệu khô của thuốc hàn.
2.2.2. Ph n loại và k hiệu thuốc hàn
a) Phân loại thuốc hàn
Phân loại theo phương pháp chế tạo:
Thuốc hàn nung chảy (Fused)
Thuốc hàn gốm n i chung (không nung chảy – Bonded) và c thể phân chia nhỏ hơn:
+ Thuốc hàn thiêu kết: nhiệt độ sấy thiêu kết > 500°C (agglomerated flux).
M (Mechanically mixed): loại hỗn hợp cơ học (thuốc hàn nung chảy + bột hợp kim hoặc fero hợp kim).
Theo đặc điểm và tỷ trọng hạt thuốc:
Thuốc hàn hạt dạng thuỷ tinh c tỷ trọng: 1,4 ÷ 1,8 Kg/dm3
Thuốc hàn hạt dạng bọt nhẹ c tỷ trọng: 0,6 ÷ 1 Kg/dm3
Thuốc hàn hạt dạng tinh thể cũng c tỷ trọng như dạng thuỷ tinh: 1,4 ÷ 1,8 Kg/dm3
Theo tính axit hoặc bazơ của xỉ hàn:
Thuốc hàn hệ axit: hồ quang cháy ổn định, êm; giọt kim loại dịch chuyển dạng tia, mối hàn rất đẹp. Tuy nhiên, khả năng kh tạp chất và tinh luyện kim loại mối hàn bị hạn chế, hàm lượng hyđrô cao, nên thường dùng để hàn các kết cấu thép cacbon thông thường.
Thuốc hàn bazơ: hồ quang cháy kém ổn định hơn, giọt kim loại dịch chuyển c kích thước lớn hơn nhiều, bề mặt kim loại mối hàn thô, và không dùng d ng điện xoay chiều. Tuy nhiên, n c ưu điểm là tinh luyện kim loại mối hàn rất tốt và hệ số dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim cao, hàm lượng hyđrô thấp, nên thích hợp để hàn thép cacbon có độ bền cao, thép hợp kim và hàn đắp.
Thuốc hàn trung tính: đặc điểm của nó có tính trung hoà giữa hai loại thuốc hàn kể trên.
Theo thành phần hoá học và hợp chất chính:
Theo thành ph n hoá học và hợp chất chủ yếu của xỉ hàn có thể phân loại, kí hiệu theo tiêu chuẩn của viện Hàn Quốc tế (tiêu chuẩn IIW – 545 – 78) như sau:
Bảng 2.1. Phân loại và kí hiệu thuốc hàn theo IIW – 545 –78
Kí hiệu Thành phần chính, % Loại thuốc hàn
MS MnO + SiO2 ≥ 50 Hệ Mn – Silicat CS CaO + MgO + SiO2 ≥ 60 Hệ Canxi – Silicat ZS ZrO2 + SiO2 ≥ 30 Hệ Zirconi - Silicat AR Al2O3 + TiO2 ≥ 45 Ôxit nhôm – Rutil
AB Al2O3 + CaO + MgO ≥ 45,
( Al2O3 ) ≥ 20. Ôxit nhôm – Bazơ
FB CaO + MgO + MnO + CaF2 ≥ 50 ,
SiO2 max = 20, CaF2 ≥ 15 . Fluorit – Bazơ
ST Chứa chất hợp kim hoá Khác
Theo tính axit hoặc bazơ của xỉ hàn:
Thuốc hàn hệ axit: Hồ quang cháy ổn định , êm, giọt kim loại dịch
chuyển dạng tia, mối hàn rất đẹp.Tuy nhiên khả năng kh tạp chất và tinh luyện kim loại mối hàn bị hạn chế, hàm lượng hyđrô cao, nên thường dùng để hàn các loại thép các bon thông thường.
Thuốc hàn bazơ: Hồ quang cháy kém ổn định hơn, giọt kim loại dịch chuyển c kích thước lớn hơn nhiều, bề mặt kim loại mối hàn thô hơn và chủ yếu dùng nguồn điện hàn là d ng điện một chiều. Tuy nhiên, n c ưu điểm là khả năng tinh luyện kim loại mối hàn rất tốt và hệ số dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim cao, hàm lượng hyđrô thấp, nên thích hợp hàn thép cacbon c độ bền cao, thép hợp kim và hàn đắp.
Thuốc hàn trung tính: C tính trung hoà giữa hai lạo thuốc hàn kể trên.
Theo hoạt tính hoá học (H) của xỉ hàn
Thuốc hàn hoạt tính cao H>0,6
Thuốc hàn hoạt tính khi H=0,6÷0,3
Thuốc hàn hoạt tính thấp khi H = 0,3÷0,1
Theo công dụng
Thuốc hàn d ng hàn cơ giới hoá và hàn đắp
Thuốc hàn điện xỉ
Thuốc hàn hợp kim cao.
b) K hiệu thuốc hàn
Hiện nay hệ thống tiêu chuẩn để k hiệu thuốc hàn của Việt Nam chưa được chuẩn hoá, khi lựa chon thuốc hàn để hàn c thể tham khảo một số tiêu chuẩn phổ biến trên thế giới như AWS. Tiêu chuẩn này thường giới thiệu kết hợp thuốc hàn với dây hàn đặc để hàn tự động dưới lớp thuốc. Theo tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 “Quy định thuốc hàn và dây hàn thép cacbon để hàn tự động dưới lớp thuốc” [14;13;17;19]
Kí hiệu Điện cực (dây hàn đặc)
F S X X X- ECXXX - HX Thuốc hhànhànhàn
Loại xỉ hàn, chữ cái này c thể không có
Chữ số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu của kim loại mối hàn
Chế độ nhiệt luyện của mối hàn
Kí hiệu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn
Số qui ước nhiệt độ th độ dai va đập
Hình 2.1. Sơ đồ kí hiệu thuốc hàn – dây hàn AWS A5.17 - 80
Theo tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80, thuốc hàn được k hiệu kết hợp với dây hàn tương ứng để đạt được cơ tính c n thiết của kim laọi mối hàn. Trong ph n k hiệu thuốc hàn FXXX, chữ X đ u tiên là độ bền kéo tối thiểu của kim loại mối hàn, ksi xem bảng 4.16. 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 l nhiệt) hoặc chữ P (c x l nhiệt sau khi hàn) chế độ nhiệt luyện là 610 – 635 0C/1h. Chữ X thứ 3 c thể là chữ Z hoặc các số (xem bảng 4.17) cho biết nhiệt độ quy ước th độ dai va đập với giá trị tương ứng ở cột bên phải.
Theo tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 phân loại dây hàn thép cacbon thành 8 loại trong 3 nh m c hàm lượng mangan thấp, trung bình và cao ( (Kí hiệu là L, M và H). Trong ph n kí hiệu dây hàn EXXX – HX, chữ E là k hiệu điện cực (dây hàn) và tiếp theo là chữ C c thể không c , C n chữ X đ u tiên là một trong 3 chữ L, M hoặc H; chữ X thứ 2 là một hoặc 2 chữ số (8; 12; 13; 14; 15) chỉ hàm lượng cacbon danh nghĩa (qui ước); c n nếu c chữ K ở cuối là dây hàn được chế tạo từ thép kh bằng silic. Trong trường hợp dây hàn kí hiệu EG (hoặc ECG), ở đây chữ G là
“general” c nghĩa là kim loại đắp theo phân loại chung, không qui định về thành ph n hoá học. Các chỉ tiêu của dây hàn và kim loại mối hàn tham khảo bảng 4.18.
Bảng 2.2. yêu cầu về cơ tính kim loại mối hàn theo AWS A5.17 – 80
Chỉ tiêu về cơ t nh Độ ền kéo tối thiểu Giới hạn chả Tối thiểu, MPa
Độ giãn dài tƣơng đối,%
MPa ksi
F6XX - EXXX 415÷550 60 330 22
F7XX - EXXX 418÷650 70 400 22
Bảng 2.3. Công thử độ dai va đập của kim loại mối hàn
C ng thử độ dai va đập kim loại mối hàn theo AWS A5.17 - 80
Chữ số Nhiệt độ thử mẫu,oC C ng ph huỷ tối thiểu thử mẫu, J
Z - - 0 -18 27 2 -29 27 4 -40 27 5 -46 27 6 -51 27 8 -68 27
Bảng 2.4. Thành phần hoá học và một số thông số chủ yếu của dây hàn tự động dưới lớp thuốc theo AWS A5.17 – 80
K hiệu dây hàn Thành phần ho học,% C Mn Si S P Cu và nguyên tố khác Dây hàn c hàm lượng mangan thấp
EL18 0,10 0,25÷0,60 0,07 0,030 0,030 0,35 EL8K 0,10 0,25÷0,60 0,10÷0,25 0,030 0,030 0,35 EL12 0,05÷0,15 0,25÷0,60 0,07 0,030 0,030 0,35
Dây hàn c hàm lượng mangan trung bình EM11K 0,07÷0,15 1,00÷1,50 0,65÷0,85 0,030 0,025 0,35 EM12 0,06÷0,15 0,80÷1,25 0,10 0,030 0,030 0,35 EM12K 0,05÷0,15 0,80÷1,25 0,10÷1,35 0,030 0,030 0,35 EM13K 0,06÷0,16 0,90÷1,40 0,35÷1,75 0,030 0,030 0,35 EM14K 0,06÷0,19 0,90÷1,40 0,35÷1,75 0,025 0,025 0,35 Ti=0,03÷0,17 EM15K 0,10÷0,20 0,80÷1,25 0,10÷1,35 0,030 0,030 0,35
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 EH11K 0,07÷0,15 1,40÷1,85 0,80÷1,15 0,030 0,030 0,35 EH12K 0,06÷0,15 1,50÷2,00 0,25÷0,65 0,025 0,025 0,35 EH14 0,10÷0,20 1,70÷2,20 0,10 0,030 0,030 0,35
EG Không quy định
Đường kính dây hàn Loại bao g i Khối lượng,(kg)
1,2 Cuộn c cốt 10 1,6 Cuộn c cốt 20 2,4 Cuộn 25 3,2 Cuộn 25 4,0 Cuộn 25 4,8 Cuộn 25 6,4 Cuộn 25 2.3. Sơ lƣợc về ỉ hàn 2.3.1. Kh i niệm về ỉ hàn
Khái niệm: Xỉ hàn là những hợp chất phi kim n ng chảy, bao gồm các ôxít, các florua, clorua, sunfat, … ở dạng đơn chất hay phức chất.
Đặc điểm: xỉ hàn không hoà tan trong kim loại (trừ trường hợp bị lẫn vào kim loại như tạp chất). Cho nên ở trạng thái n ng chảy, kim loại và xỉ hàn là những pha lỏng không hoà tan lẫn nhau, do sự khác nhau về cấu trúc,trọng lượng riêng và sức căng bề mặt,…
Các tính chất của xỉ hàn:
+ Tính chất vật l gồm c : Nhiệt độ n ng chảy, trọng lượng riêng, độ nhớt (ph thuộc vào nhiệt độ), tính dẫn nhiệt ở trạng thái n ng chảy, hệ số giãn nở nhiệt,..
+ Tính chất hoá học: Độ hoạt tính hoá học, tính axit(bazơ), khả năng tương tác với kim loại,…
2.3.2. C c t nh chất của ỉ hàn
- Tính axit (bazơ) của xỉ hàn.
Tính axit của xỉ hàn c thể được đánh giá theo hệ số axit A và xác định theo