- Tiết kiệm kim loại Với cùng loại kết cấu kim loại, nếu so sánh với các phương pháp ghép nối khác, hàn tiết kiệm 10 ÷ 20%
1. xe tự hành; 2 trụ đứng; 3 tay ngang; 4 bảng điều khiển; 5 hộp chứa cuộn dây hàn; 6 động cơ
2.4.2 Ảnh hưởng của thuốc hàn đến thành phần hóa học
của kim loại mối hàn
Khi hàn dưới lớp thuốc, trong vũng hàn xảy ra các phản ứng
hóa học, mà bản chất của chúng là tương tác về mặt hóa lý giữa xỉ
nóng chảy, kim loại nóng chảy và môi trường khí của hồ quang
hàn. Trong các phản ứng đó, quan trọng nhất là các phản ứng oxi
hóa và hoàn nguyên mangan và silic, cacbon, crôm, titan cùng các nguyên tố khác khi hàn thép hợp kim. Từ khía cạnh chất lượng mối
hàn, việc khử lưu huỳnh và photpho cùng các chất khí cũng đóng
vai trò quan trọng. Các phản ứng nói trên xảy ra trong thời gian rất
ngắn (vài giây) và rất mảnh liệt, do diện tích giữa các pha nói trên lớn vì có sự xáo trộn mạnh giữa kim loại nóng chảy và xỉ nóng
chảy. Điều này gắn liền với tính chảy loãng cao (độ nhớt thấp) của
xỉ trong khoảng nhiệt độ xảy ra các phản ứng giữa kim loại nóng
chảy và xỉ nóng chảy (đặc biệt rõ rệt với các loại thuốc hàn bazơ). Khi hàn dưới lớp thuốc, nhiệt độ cao của các giọt kim loại nóng
chảy dịch chuyển từ dây hàn sang vũng hàn (khoảng 2300oC) và nhiệt độ trung bình của vũng hàn tương đối cao (1770 100oC) tạo
thuận lợi cho các phản ứng tỏa nhiệt.
Để đơn giản hóa khi lựa chọn, trên thực tế, các kỹ sư công
nghệ có thể chọn thuốc hàn thích hợp với từng loại dây hàn cho các ứng dụng hàn cụ thể theo catalo của các hãng sản xuất vật liệu
2.4.3 Thuốc hàn
Thuốc hàn có vai trò sau:
Bảo vệ vũng hàn khỏi tác động của không khí từ bên ngoài,
Cải thiện sự ion hóa tạo ổn định hồ quang,
Tinh luyện kim loại vũng hàn (khử lưu huỳnh),
Hợp kim hóa mối hàn (hoàn nguyên Mn và Si, và các nguyên tố hợp kim khác vào kim loại mối hàn nếu là thuốc hàn gốm),
Tạo dáng mối hàn,
Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang,
Chống bắn tóe kim loại nóng chảy
Theo tác động về mặt luyện kim, thuốc hàn có thể mang đặc tính axit, hay bazơ, tính theo hệ số axit A:
A = (SiO2 +TiO2 + ZrO2)/(CaO +MgO + MnO + K2O + Na2O) Khi A < 0,9 thuốc hàn thuộc loại bazơ; khi A >1,1 thuốc hàn thuộc loại axit; và khi A = 0,9…1,1 thuốc hàn được gọi là thuộc
loại trung tính.
Hệ số bazơ của xỉ hàn: B = 1/A
Ký hiệu thuốc hàn: Tiêu chuẩn IIW-545-78 “phân loại và ký hiệu dây hàn và thuốc hàn cho hàn dưới lớp thuốc thép kết cấu”
của Viện Hàn Quốc tế phân loại thuốc hàn như bảng 2-4.
Ký hiệu Thành phần chính Loại MS CS ZS Mn + SiO2 50%min.
CaO + MgO + SiO2 60%min. ZrO + SiO2 30%min. Mn silicat Ca silicat Zr silicat AR AB Al2O3 + TiO2 15%min. Al2O3 + CaO + MgO 45%min. Al2O3 20%min.
Oxit nhôm – rutil Oxit nhôm – bazơ
FB
CaO + MgO + MnO + CaF2 50%min. SiO2 20%max. CaF2 15%min. Bazơ - fluorit
ST Chứa chất hợp kim hóa (kim loại) Đặc biệt
Ngoài ra còn có các ký hiệu viết tắt, chỉ loại thuốc hàn như
sau:
F (fused): loại nung chảy;
M (mechanically mixed): loại trộn hỗn hợp cơ học (loại thiêu kết);
Trong bảng 2-4, MS, CS, ZS, AR, AB, FB là các loại thuốc hàn không có đặc tính hợp kim hóa (tức là ngoài lượng Mn và Si thích hợp, nếu thuốc hàn chứa các nguyên tố hợp kim khác, từng
nguyên tố đó không được hoàn nguyên vào kim loại mối hàn nhiều hơn 0,25% hoặc tổng lượng hoàn nguyên của chúng không được vượt quá 0,4%).
ST là loại thuốc hàn đặc biệt có chứa các thành phần kim
loại, không đáp ứng yêu cầu nêu trên.
Thành phần (% khối lượng) một số loại thuốc hàn:
+ MS (axit; B = 0,5 ÷ 1,0): 30 ÷ 40 SiO2; 00 ÷ 10 Al2O3; 35 ÷ 45 MnO; 00 ÷ 10 CaO; 00 ÷ 10 CaF2
+ CS có hàm lượng SiO2 cao (axit; B = 0,5 ÷ 0,8): 50 ÷ 60 SiO2; 03 ÷ 05 Al2O3; 25 ÷ 30 CaO; 08 ÷ 12 MgO; 00 ÷ 02 CaF2
+ CS có hàm lượng SiO2 trung bình (trung tính; B = 0,8 ÷ 1,2): 30 ÷ 40 SiO2; 10 ÷ 15 Al2O3; 00 ÷ 05 MnO; 25 ÷ 30 CaO; 10 ÷ 15 MgO; 05 ÷ 10 CaF2
+ CS có hàm lượng SiO2 thấp (bazơ; B = 1,2 ÷ 1,7): 30 ÷ 40
SiO2; 03 ÷ 05 Al2O3; 35 ÷ 45 CaO; 00 ÷ 05 MgO; 10 ÷ 15 CaF2 + AR (trung tính ; B = 0,5 ÷ 1,0): 10 ÷ 20 SiO2; 05 ÷ 15 TiO2; 00 ÷ 10 ZrO2; 20 ÷ 50 Al2O3; 10 ÷ 20 MnO; 00 ÷ 05 CaO; 05 ÷ 15 CaF2
+ AB (bazơ; B = 1,2 ÷ 2,0): Al2O3 + MnO + CaO = min 20
+ FB (bazơ; B = 2,5 ÷ 3,5): 05 ÷ 20 SiO2; 10 ÷ 15 Al2O3; 10 ÷ 15 CaO; 30 ÷ 40 MgO; 20 ÷ 30CaF2
Đặc điểm của thuốc hàn nung chảy:
Thường là hệ silicat có tỷ lệ oxit silic cao, do đó có đặc tính
axit. Việc chứa nhiều oxit tự do: do thuốc hàn chứa nhiều oxit Mn
và oxit Si, chúng bị các nguyên tố kim loại làm hoàn nguyên.
Nhiệt độ nóng chảy khoảng 1300oC. nhiệt độ này bảo đảm
xỉ hàn còn ở trạng thái nóng chảy khi kim loại mối hàn đã kết tinh để bề mặt có hình dạng tốt.
Độ nhớt đủ cao ở nhiệt độ cao để ngăn tác động của oxi và
nitơ từ không khí khi hàn và ngăn xỉ chảy loang ra khỏi mối hàn.
Tuy nhiên độ nhớt phải đủ thấp để khí kịp thoát ra khỏi vũng hàn khi nó kết tinh. Giá trị độ nhớt vào khoảng 200 poise ở 1000 ÷
1200oC và khoảng 5 poise ở 1400oC.
Đồng nhất về mặt hóa học, không hút ẩm.
Không chứa được các nguyên tố hợp kim (do công nghệ chế
tạo chúng).
Đặc điểm của thuốc hàn gốm:
Thường có hệ số bazơ tối đa 2,6 ÷ 3,2. Hệ số bazơ cao
khiến nồng độ oxi và lưu huỳnh thấp và độ dai va đập cao trong
kim loại mối hàn. Nó khử oxi trong kim loại mối hàn triệt để hơn
thuốc hàn nung chảy. Thuốc hàn gốm còn cải thiện tổ chức kim
loại mối hàn thông qua biến tính.
Có thể bổ sung trực tiếp fero kim loại vào thuốc hàn, tăng
khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn trong dải nồng độ rộng.
Rất thích hợp cho hàn đắp các lớp đặc biệt (cứng).
Các nguyên tố hợp kim dễ đi vào kim loại mối hàn (hàn
đắp). Kim loại hợp kim hóa dễ chuyển vào mối hàn còn do tính ổn định hóa học của CaO và MgO (thành phần chính).
Thuốc hàn gốm được hợp kim hóa đòi hỏi khống chế tốt điện áp hồ quang.
Dễ hút ẩm. Do đó, ngày nay có xu hướng dùng thuốc hàn gốm không chứa fero hợp kim và kết hợp với dây hàn thép hợp kim để hàn thép hợp kim thấp độ bền cao (nhằm tránh nứt do hydro). Khi đó không còn vấn đề mất ổn định thành phần hóa học
mối hàn do thay đổi điện áp hồ quang.
Đặc điểm chi tiết:
1. Là thuốc hàn tiêu chuẩn cao với những viên có dạng hạt màu xám
2. Có thể sử dụng trên nguồn AC/DC hoặc dòng điện hàn lớn
3. Ổn định, hạt mịn và loại bỏ xỉ dễ dàng
4. Kim loại hàn có tính bền cao ở nhiệt độ thấp
5. Loại thuốc này thích hợp cho hàn thép cacbon thấp và nhiều điện cực dưới lớp thuốc
6. Thông số kỹ thuật: SiO2+TiO2: 15-25%, CaO+MgO: 25-35%, Al2O3+MnO: 20-30%,CaF :15% max
7. Khối lượng đóng gói: 25 kg
2.4.4 Dây hàn
Tiêu chuẩn IIW-545-78 “phân loại và ký hiệu dây hàn và thuốc hàn cho hàn thép kết cấu dưới lớp thuốc” quy định các yêu cầu đối với dây hàn thép kết cấu có giới hạn chảy 270 ÷ 490 Mpa
và giới hạn bền 300 ÷ 690 Mpa. Các dây hàn này gồm thép
cacbon, thép C-Mn và thép hợp kim thấp.
Đường kính dây hàn: Các loại đường kính dây hàn chuẩn là 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0 mm. Dây hàn được sử dụng dưới dạng các cuộn dây loại 10 (10 kg, đường kính tối đa 4,0 mm),
25 (25 kg, đường kính tối thiểu 1,2 mm), 50 (50 kg, đường kính tối
thiểu 2,0 mm) và 100 kg đường kính tối thiểu 3,20 mm.
Thí dụ về ký hiệu phối hợp dây hàn và thuốc hàn theo tiêu chuẩn kể trên:
FCS-SA3-51-2-1B
Có nghĩa là thuốc hàn sử dụng thuộc loại nung chảy (F) canxi
silicat (CS) dùng với dây hàn SA3 với cơ tính mối hàn: độ bền 520 Mpa và độ dai va đập 35J tại 0oC và 32J tại 20oC. Dây SA3 có thành phần 0,07 ÷ 0,15%C; tối đa 0,15%Si; 0,07 ÷ 1,2% mn.
Ngoài ra, còn có một số tiêu chuẩn phổ biến khác dành cho thuốc hàn và dây hàn như:
AWS A5.17-1980 “Quy định điện cực thép cacbon và thuốc hàn để hàn dưới lớp thuốc”.
AWS A5.23-1980 “Quy định điện cực thép hợp kim thấp và thuốc hàn để hàn dưới lớp thuốc”.
AWS A5.9-1980 “Quy định điện cực thép Cr – Ni và thép Cr chống ăn mòn: dây hàn”.
Một số loại dây hàn trên thị trường hiện nay:
Dây hàn spoolarc 81 của hãng ESAB
1. Phân cấp/Chứng chỉ: AWS A5.17; EM12K
2. Thành phần hóa học: C: 0,1%; Mn: 1,0%; Si: 0,2%; P: 0,008%; S: 0,010% 3. Đặc điểm cơ học: + Độ bền kéo đứt: 560 Mpa + Độ bền uốn: 470 Mpa + Độ giãn dài (2”): 30% + CVN: 60 J + Nhiệt độ: -40oC 4. Đường kính: 1,6; 2,0; 2,4; 3,2; 4,0; 4,8 (mm)
Chương 11: