- Phân tích, lựa chọn các nguyên tố hợp kim phổ biến dùng trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết tương đương với loại F7A(P)4 theo AWS A5.17-80.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các fero hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) trong mẻ liệu thuốc hàn đến thành phần hóa học kim loại mối hàn của thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ tương đương với loại F7A(P)4 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 phần thuốc hàn thiêu kết tương đương loại F7A(P)4 theo AWS A5.17-80 đảm bảo thành phần hóa học và cơ tính kim loại mối hàn.
26
Chƣơng 2
GIỚI THIỆU VỀ THUỐC HÀN VÀ LỰA CHỌN XỈ HÀN 2.1. C c chỉ tiêu cơ bản 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 phần hóa học cần thiết cho kim loại mối hàn.
Đảm bảo hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn và VAHN theo yêu cầu.
Đảm bảo tính công nghệ hàn theo yêu cầu.
Giá thành sản phẩm hạ.
2.1.2. C c chỉ tiêu công 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 dụng 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 khử tạp chất theo yêu cầu;
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 cầu vệ sinh công nghiệp.
27
2.1.3. C c yêu cầu k thuật chung khi sản uất thuốc hàn
Ngoài các chỉ tiêu k thuật chung và các đặc tính công nghệ hàn, khi sản xuất thuốc hàn phải đảm bảo các yêu cầu k thuật như sau:
Thuốc hàn phải đảm bảo độ đồng đều về thành phần theo yêu cầu.
Đảm bảo độ bền cơ học của hạt thuốc hàn.
Đảm bảo độ ẩm của thuốc hàn theo yêu cầu.
Đảm bảo kích thước hạt thuốc và tỷ lệ các cỡ hạt thuốc hàn theo yêu cầu.
2.2. Thành phần, phân loai và kí hiệu thuốc hàn
2.2.1. C c nh m chất chủ yếu trong thành phần m liệu thuốc hàn
Trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn gồm những nhóm chất có công dụng và thành phần chủ yếu như sau:
Nhóm tạo khí: có vai trò sinh ra một lượng khí cần thiết để bảo vệ vùng
hàn. Tuy nhiên, đối với hàn dưới lớp thuốc yêu cầu này không lớn như hàn hồ quang tay. Nhóm chất có chức năng tạo khí gồm những hợp chất như có chứa gốc cacbonat (đá cẩm thạch, đá vôi (CaCO3) hoặc đôlômit (CaCO3.Mg CO3)) để tạo khí và tạo các ôxit bazơ cần 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 phần tham gia vào thành phần 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).
Nhóm tạo xỉ: có vai trò quan trọng hàng đầu, thuốc hàn nóng chảy sẽ hình thành lớp xỉ, vòm xỉ bảo vệ vùng hồ quang và vũng hàn. Các tính chất lý nhiệt của xỉ hàn có ảnh hưởng quan trọng đến sự hình thành mối hàn, chức năng bảo vệ và tính bong xỉ.
28
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 phần mẻ liệu của nó 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 có 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, ....
Nhóm ổn định hồ quang:
Nhóm này gồm những hợp chất chứa nguyên tố có điện thế ion hoá thấp, giúp cho việc dễ gây hồ quang và duy trì hồ quang cháy ổn định, và còn 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.
Nhóm chất khử và hợp kim hoá: sử dụng các fero hợp kim và bột kim loại.
Chất khử: là những nguyên tố có ái lực hóa học mạnh với oxi, có tác
dụng khử ôxi và các tạp chất có hại.
Hợp kim hoá kim loại mối hàn (đặc biệt thường được sử dụng khi hàn
29
Một nguyên tố có thể vừa làm chức năng chất khử và hợp kim hóa. Trong trường hợp này, sau khi hoàn thành chức năng chất khử, lượng còn lại sẽ đóng vai trò nguyên tố hợp kim hóa. Đó 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.
Nhóm các chất khử tạp chất: S, P. Ngoài các chất đưa vào nhóm tạo khí
(CaCO3, MgCO3) sẽ phân huỷ thành các chất, trong đó có các ôxit bazơ (CaO, MgO) để khử S, P, còn có thể đưa thêm một lượng khá lớn CaF2 có tác dụng khử S, P và làm giảm lượng hyđrô và cải thiện tính chất kim loại mối hàn.
Nhóm chất liên kết: nước thuỷ tinh đối với thuốc hàn gốm.
Chức năng: dính kết các thành phần của mẻ 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 có 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 có thể xác định theo độ bome bằng bome kế. + Modul n = 2,65 ÷ 3,40 (modul là tỷ lệ số phân tử của SiO2 trên Na2O
và K2O).
+ Độ nhớt của nước thủy tinh η.
Trong thực tế trọng lượng khô còn lại của nước thủy tinh vào khoảng 10÷14g cho 100g mẻ liệu khô của thuốc hàn.
2.2.2. Phân loại và kí hiệu thuốc hàn
a) Phân loại thuốc hàn
Phân loại theo phương pháp chế tạo:
Thuốc hàn nung chảy (Fused)
Thuốc hàn gốm nói chung (không nung chảy – Bonded) và có thể phân
chia nhỏ hơn:
30
+ 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 có tỷ trọng: 1,4 ÷ 1,8 Kg/dm3
Thuốc hàn hạt dạng bọt nhẹ có tỷ trọng: 0,6 ÷ 1 Kg/dm3
Thuốc hàn hạt dạng tinh thể cũng có 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 khử 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 có kích thước lớn hơn nhiều, bề mặt kim loại mối hàn thô, và không dùng dòng điện xoay chiều. Tuy nhiên, nó có 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 phần 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:
31
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 khử 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 có kích thước lớn hơn nhiều, bề mặt kim loại mối hàn thô hơn và chủ yếu dùng nguồn điện hàn là dòng điện một chiều. Tuy nhiên, nó có 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 có độ bền cao, thép hợp kim và hàn đắp.
Thuốc hàn trung tính: Có 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
32 Theo công dụng
Thuốc hàn dụng 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 ký hiệu thuốc hàn của Việt Nam chưa được chuẩn hoá, khi lựa chon thuốc hàn để hàn có 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 có 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 thử độ dai va đập
33
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 ký hiệu kết hợp với dây hàn tương ứng để đạt được cơ tính cần thiết của kim laọi mối hàn. Trong phần ký hiệu thuốc hàn FXXX, chữ X đầu 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 thử mẫu. Chữ A – mẫu được tiến hành thử sau khi hàn (As Welded) (không xử lý nhiệt) hoặc chữ P (có xử lý nhiệt sau khi hàn) chế độ nhiệt luyện là 610 – 635 0C/1h. Chữ X thứ 3 có thể là chữ Z hoặc các số (xem bảng 2.3) cho biết nhiệt độ quy ước thử 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 nhóm có hàm lượng mangan thấp, trung bình và cao ( (Kí hiệu là L, M và H). Trong phần kí hiệu dây hàn EXXX – HX, chữ E là ký hiệu điện cực (dây hàn) và tiếp theo là chữ C có thể không có, Còn chữ X đầu 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); còn nếu có chữ K ở cuối là dây hàn được chế tạo từ thép khử bằng silic. Trong trường hợp dây hàn kí hiệu EG (hoặc ECG), ở đây chữ G là
34
“general” có nghĩa là kim loại đắp theo phân loại chung, không qui định về thành phần 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 tính Độ bền kéo tối thiểu Giới hạn chảy 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
Công thử độ dai va đập kim loại mối hàn theo AWS A5.17 - 80 Chữ số Nhiệt độ thử mẫu,o
C Công 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
Kí hiệu dây hàn Thành phần ho học,% C Mn Si S P Cu và nguyên tố khác Dây hàn có hàm lượng mangan thấp
EL18 0,10 0,25÷0,60 0,07 0,030 0,030 0,35
35
EL12 0,05÷0,15 0,25÷0,60 0,07 0,030 0,030 0,35
Dây hàn có 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 gói Khối lượng,(kg)
1,2 Cuộn có cốt 10 1,6 Cuộn có cốt 20 2,4 Cuộn 25 3,2 Cuộn 25 4,0 Cuộn 25 4,8 Cuộn 25 6,4 Cuộn 25
36
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 nóng 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 nóng 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 lý gồm có: Nhiệt độ nóng chảy, trọng lượng riêng, độ nhớt (phụ thuộc vào nhiệt độ), tính dẫn nhiệt ở trạng thái nóng 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 tính chất của ỉ hàn
- Tính axit (bazơ) của xỉ hàn.
Tính axit của xỉ hàn có thể được đánh giá theo hệ số axit A và xác định theo công thức sau (G.L.Petrov)
(2 ) 2 RO O R RO A (3.31)
ở đây ∑RO2 – Tổng số các phân tử của các ôxit, axit trong xỉ hàn, mol;