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; ∑(R2O + RO) – Tương tự của các ôxit bazơ, mol.
Còn hệ số bazơ B là tỷ số nghịch đảo của hệ số axit (B= 1𝐴)
Đôi khi còn sử dụng các công thức khác (theo phần trăm khối lượng, theo tỷ lệ của ôxit silic với ôxit canxi,…) để tính hệ số axit hay bazơ, tuy vậy đó cũng chỉ là những đánh giá gần đúng. Và đều coi khi A>1 (tương ứng với B<1) là xỉ axit. Tuy nhiên hệ số axit của xỉ chỉ được thể hiện bởi lượng các ôxit tự do có thực trong nó.
37
Ví dụ: xỉ chứa 50%SiO2 và 50%FeO hệ số axit sẽ bằng 1, tức là xỉ trung tính. Nhưng thực tế nó mang tính axit , bởi vì trong xỉ không chỉ tạo nên SiO2.FeO, mà còn có SiO2.(FeO)2, kết cục có một lượng nhất định SiO2 tự do.
Để đơn giản ta bỏ qua ảnh hưởng của ôxit titan TiO2, khi đó hệ số axit được tính chính xác hơn:
A=(%SiO2)𝑎%𝐶𝑎𝑂+𝑏%𝑀𝑔𝑂+𝑐%𝑀𝑛𝑂+𝑑(𝐹𝑒𝑂)′ ( 3.32)
Trong đó: a,b,c,d là các hệ số không lớn hơn 1, có tính đến ái lực khác nhau của các ôxit bazơ đối với SiO2.
Đối với các xỉ hàn được sử dụng trong hàntự động dưới ớp thuốc chứa SiO2
(từ 2÷48%mol phân tử, CaO, MgO, một lượng không lớn MnO, FeO, còn CaF2 (từ
2÷48%mol) khi xử lý số liệu thực nghiệm với thép các bon thấp IU.I.SKatov đã tìm được giá trị của các hệ số này như sau:
a=1; b=0,5; c=0,37; d=0,26.
Các ôxit lưỡng tính trong các trường hợp khác nhau có thể sẽ thể hiện tính bazơ (khi tạo ra các phức chất với các ôxit axitkhi đó còn dư ôxit bazơ) hoặc thể hiện tính axit khi thiếu ôxit bazơ.
Xỉ hàn có thể là chất oxi hoá hoặc chất khử kim loại, và nó có thể làm thay đổi hàm lượng các tạp chất (lưu huỳnh, phốt pho,…) trong thành phần kim loại.
Còn hiện naytheo I.U.ZeKe có đến hang chục công thức để tính độ axit hay bazơ của xỉ hàn, trong đó có xét đến khả năng tạo thành các phức chất khác nhau trong xỉ hàn.
Các công thức này có thể được chia thành hai nhóm lớn. nhóm thứ nhất tương tự (3.32) dự trên cơ sở lý thuyết phân tử của xỉ hàn. Trong số các công thức của nhóm này phổ biến nhất là công thức của Viện hàn Quốc tế [10]:
B=𝐶𝑎𝑂+𝑀𝑔𝑂+𝐵𝑎𝑂+𝑁𝑎2𝑂+𝐾2𝑂+𝐿𝑖2𝑂+𝐶𝑎𝐹2+0,5(𝑀𝑛𝑂+𝐹𝑒𝑂)/𝑆i𝑂2+0,5(𝐴𝑙2𝑂3+
𝑇𝑖𝑂2+𝑍𝑟𝑂2) (3.33)
Trong đó: CaO, MgO, Al2O3, LiO,… - hàm lượng của các cấu tử trong xỉ hàn, %.
38
B=0,18𝐶𝑎𝑂+0,015𝑀𝑔𝑂+0,014(𝑁𝑎2𝑂+𝐾2𝑂)+𝐿𝑖2𝑂+0,006𝐶𝑎𝐹2+0,007(𝑀𝑛𝑂+𝐹𝑒𝑂)/ 0.017𝑆𝑖𝑂2+0,005(𝐴𝑙2𝑂3+𝑇𝑖𝑂2+𝑍𝑟𝑂2) (3.34)
Nhóm công thức thứ hai dựa trên cơ sở lý thuyết ion về xỉ hàn. Các chỉ số cơ bản của các công thức này :
B=𝑁𝐶𝑎𝑂+NMgO+NMnO+NFeO-2NSiO2-4NP2O5-NFe2O3-NAl2O3; 𝑁𝑂2−=NCaO+NMgO+NMnO-2NSiO2-3NP2O5-NFe2O3-NAl2O3; (3.35)
Trongđó: N là số phân CaO, MgO, SiO2, ....
Hoạt tính hoá học của xỉ hàn:
Hoạt tính hoá học của xỉ hàn được đánh giá theo khả năng oxi hoá chung của các ôxit và được biểu diễn bởi tổng số lượng ôxit tham gia vào các phản ứng ôxi hoá – khử ở bề mặt phân pha. Tuy nhiên lượng ôxit kể trên có quan hệ với thành phần của xỉ hàn được bểu diễn ở dạng:
[O] = f{𝑖=1𝑛𝐻𝑖} (3.36)
ở đây Hi – hoạt tính hoá học tương đối của ôxit, có khả năng hoàn nguyên trong vũng hàn;
n – số các ôxit trong thanh phần của thuốc – xỉ hàn có khả năng hoàn nguyên trong vũng hàn.
Nếu coi hoạt tính hoá học của ôxit axit được xác định như Ha = (RO2)/100B còn hoạt tính hoá học của ôxit bazơ Hb = (RO)B/100, thì hoạt tính hoá học của thuốc – xỉ hàn theo phương trình (3.33) có thể được biểu diễn lại ở dạng sau đây:
H ={𝑖=1𝑚𝑅𝑂2+𝐵2 𝑗=1𝑞(𝑅𝑂)𝑗/100𝐵)}
(3.37)
Trong đó: m và q – là số lượng của ôxit axit và bazơ;
𝑅𝑂2, 𝑅𝑂 – hàm lượng của oxit axit và bazơ trong thành phần thuốc–xỉ hàn; 𝐵− hệ số bazơ của thuốc –xỉ hàn, được xác định theo phương trình (3.31). Cụ thể hoá phương trình ( 3.37 ), độ hoạt tính hoá học H của thuốc hàn – xỉ hàn có dạng:
39
Trong đó: (SiO2), (TiO2),…- hàm lượng các hợp chất của thuốc - xỉ hàn %.
Sự phụ thuộc tương quan của hàm lượng ôxi trongkim loại đắp vào hệ số hoạt tính hoá học của thuốc – xỉ hàn, tìm được trên cơ sở các số liệu thực nghiệm, dẫn ra trên hình 3.12. Góc nghiêng của đồ thị với trục hoành phụ thuộc vào chế độ hàn. Khi dung dòng điện hạn chế và điện áp nâng cao gọc nghiêng của nó sẽ lớn hơn, còn ở chế độ hàn tăng cường góc nghiếngẽ nhỏ hơn. Trong thực tế hệ số hoạt tính hoá học của toàn đủ để đặc trưng cho khả năng ôxi hoá của thuốc – xỉ hàn. [0],%
Hình 2.2. Hàm lượng oxi trong kim loại đắp phụ thuộc vào hệ số hoạt tính hoá học của thuốc-xỉ hàn khi hàn ở chế độ hàn trung bình
trên thép các bon và thép hợp kim thấp
Theo các giá trị của độ hoạt tính hoá học thể phân chia các thuốc hàn – xỉ hàn nung chảy hệ silic – mangan thành 4 nhóm sau đây:
Hoạt tính cao (H>0,6); Hoạt tính trung bình (H=0,6÷0,3); Hoạt tính thấp (H=0,3÷0,1); Hoạt tính rất thấp (xỉ trơ) (H<0,1). Độ nhớt (độ sệt) của xỉ hàn: 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0 0.1 0.3 0.5 0.7 H
40
Ta sẽ khảo sát quan hệ giữa độ nhớt, nhiệt độ kết tinh và cấu trúc của thuốc hàn- xỉ hàn.Một trong những tính chất quan trọng của xỉ hàn đó là độ nhớt của nó ở trạng thái nóng chảy. Khi ở nhiết độ cao xỉ hàn ở trạng thái lỏng và có kực tương tác tĩnh điện giữa các phần tử ở gần nhau yếu đi rõ rệt, tính dẫn điện tăng, lúc đó độ nhớt của xỉ lỏng chủ yếu được xác định bởi kích thước của các nhóm anion lớn nhất.
Trong quá trình nóng chảy mạng tinh thể của silicat và nhôm – silicat là nền của thuốc hàn – xỉ hàn nung chảy ở trạng thái rắn, sẽ bị phá huỷ do bị đứt các liên kết yếu nhất giữa các ation của các ôxit nhôm – silic và ôxit silic. Do liên kết Si-O và Al – O là các liên kết bền nhất trong các silicat và nhôm – silicat, cho nên có thể coi độ nhớt của xỉ lỏng nóng chảy sẽ được xác định bởi các nhóm anion Si-O và Al- Si-O theo các kích thước của chúng. Thành phần và tổ chứa của các nhóm này ở gần đường lỏng giống thành phần các anion gốc – pha tinh thể (mầm tinh thể) được tiết ra từ pha xỉ lỏng.
Ôxit silic nóng chảy có độ nhớt lớn nhất và tổ chức xương cá (ba chiều). Độ nhớt của SiO2 ở 18000C gần bằng 105Pa.S, còn khi quá nhiệt đến 21500
C làn104Pa.S và ở 23500C gần bằng 103
Pa.S.
Độ nhớt cao của ôxit silic nóng chảy chứng tỏ độ bền bên trong của liên kết cũng như độ bền giữa các gốc O-Si-O nối với nhau bằng cầu trung gian -O- ôxit sắt nguyên chất thực tế không phân ly thành các ion và không là chất điện ly, tuy nhiên khi bổ sung các ôxit bazơ, nó trở thành chất dẫn điện và độ nhớt của nó giảm rõ rệt khi tăng tỷ lệ O : Si do bổ sung các ôxit bazơ làm phá huỷ các liên kết
41
Hình 2.3 Độ sệt của xỉ ở nhiệt độ 1400°C, poa
Độ nhớt của xỉ hàn hệ chứa cao lanh (ôxit nhôm) tăng khi có các chất kiềm. Điều này có liên quan đến việc tạo thành nhôm - silicat kiềm có tổ chức hình xương cá. Trong trường hợp không có cao lanh trong xỉ hàn, các chất kiềm có tác