Thiết bị cơ bản cho hàn tự động dưới lớp thuốc bao gồm:
1. Bộ phận cấp dây hàn có chức năng cấp dây hàn tới vùng hồ quang thông qua ống tiếp xúc của đầu hàn.
2. Nguồn điện hàn cung cấp dòng điện hàn cho dây hàn tại ống tiếp xúc. 3. Bộ phận giữ và cấp thuốc cho hồ quang.
4. Bộ phận điều khiển dao động ngang.
2.3.1 Bộ thiết bị hàn hàn tự động dưới lớp thuốc.
Nguồn hàn
Máy hàn tiêu biểu gồm biến áp hàn, bộ chỉnh lưu, cuộn cản, quạt làm mát, bộ phận bảo vệ, biến áp điều khiển và contactơ dòng hàn. Mọi điều khiển điều thực hiện ở mặt trước máy.
Xe hàn (xe tự hành chứa đầu
hàn) có 2 bánh truyền động phía sau, 2 bánh bị động phía trước và động cơ đẩy một
chiều có hộp giảm tốc. Tốc độ xe được đặt bằng tay từ 0,2 ÷ 2,0 m/phút (điều chỉnh điện từ). Hướng đi của xe được đặt trước bằng công tắc. Xe có thể làm cho đầu hàn thực hiện dao động ngang.
Cần đỡ đầu hàn và đầu hàn. Có thể điều chỉnh chính xác chiều cao
đầu hàn và góc nghiêng của nó (cho hàn liên kết chữ T, nghiêng 45o). Đầu hàn chứa bộ phận nắn và cấp dây từ cuộn dây vào ống tiếp xúc (có chức năng dẫn dòng điện hàn). Bộ cấp dây gồm động cơ một chiều, 4 trục đẩy dây, hộp giảm tốc và cuộn dây hàn. Có thể dùng núm điều khiển trên bảng điều khiển để thay đổi liên tục tốc độ cấp dây từ 0,1 ÷ 7,5
Hình 2-15. Các khả năng chuyển động của đầu hàn tự động trên xe tự hành
Hình 2-16. Sơ đồ nguyên lý xe hàn vạn năng
1. xe tự hành; 2. trụ đứng; 3. tay ngang; 4. bảng điều khiển; 5. hộp chứa cuộn dây hàn; 6. động cơ cấp dây hàn; 7. các con lăn đẩy dây; 8. giá đỡ ống tiếp xúc; 9. đầu dẫn hướng; 10. hộp chứa thuốc hàn
m/phút (tốc độ này được điều khiển bằng điện từ). Đầu hàn thường bao gồm cả bộ phận dẫn hướng để dò vị trí rãnh hàn ở phía trước mối hàn. Một số thiết bị hiện đại còn sử dụng các đầu dò laser. Ngoài ra đầu hàn còn được gắn phiễu chứa thuốc hàn.
Bảng điều khiển nằm trên xe hàn; chế độ hàn được điều khiển từ mặt
trước của bảng. Bảng điều khiển bao gồm đồng hồ chỉ tốc độ xe hàn (m/phút), ampe kế và vôn kế; chiết áp xoay để đặt tốc độ xe hàn và tốc độ cấp dây; công tắc đổi chiều đi của xe hàn; cơ cấu điều chỉnh dây lên xuống; nút khởi động và tắt.
2.3.2 Trang thiết bị phụ trợ
Các trang thiết bị phụ trợ được dùng tùy trường hợp và có thể bao gồm:
• Đường ray cho xe hàn – dùng cho mối hàn thẳng.
• Bộ gá lắp đặc biệt khi xe hàn chuyển động trực tiếp trên vật hàn.
• Bộ thu hồi thuốc hàn chưa dùng hết (máy hút thuốc hàn dư).
• Đồ gá vật hàn và xe hàn (đầu hàn)
2.4 VẬT LIỆU HÀN
Với hàn dưới lớp thuốc, vật liệu hàn (bao gồm dây hàn và thuốc hàn) có ảnh hưởng quyết định đến tính chất kim loại mối hàn. Khác với hàn hồ quang tay, có thể phối hợp thuốc hàn và dây hàn để có được kim loại mối hàn với thành phần hóa học mong muốn.
2.4.1. Nguyên tắc chọn vật liệu hàn hồ quang dưới lớp thuốc
Loại dây hàn ảnh hưởng đáng kể đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn. Thuốc hàn cũng ảnh hưởng đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn tùy theo mức độ tham gia của nó vào quá trình luyện kim khi hàn.
Thuốc hàn còn ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn (chiều rộng, chiều cao, độ nhẵn bề mặt, bề ngoài) và đây là điều quan trọng đối với các kết cấu chịu tải trọng động.
2.4.2 Ảnh hưởng của thuốc hàn đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn 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 hàn.
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,
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.
Bảng 2-4. Ký hiệu thuốc hàn theo Viện Hàn Quốc tế IIW
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;
B (bonded): loại liên kết, tức là thuốc hàn gốm;
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.
• Một số loại thuốc hàn trên thị trường hiện nay:
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
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) 2.5 HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC MỐI HÀN
Hình dạng và kích thước mối hàn chịu ảnh hưởng của một loạt các yếu tố như các thông số của chế độ hàn, các yếu tố công nghệ và kết cấu.
2.5.1 Ảnh hưởng của chế độ hàn
Việc xác định các kích thước cơ bản và hình dạng mối hàn có ý nghĩa quan trọng trong lựa chọn chế độ hàn, và do đó, cả chất lượng mối hàn. Hình dạng mối hàn do các yếu tố chiều sâu ngấu h, chiều rộng b và chiều cao đắp c hoặc chiều cao toàn bộ H = c + h của mối hàn tạo nên.
Có hai hệ số đặc trưng cho hình dạng mối hàn là hệ số ngấu (hệ số hình dạng bên trong) ψn = b/h (thường có giá
Hình 2-17. Các kích thước đặc trưng của mối hàn
trị 0,8 ÷ 4, tối ưu từ 1,3 ÷ 2) và hệ số hình dạng mối hàn (hệ số hình dạng bên ngoài)
ψm = b/c (thường có giá trị từ 7 ÷ 10).
So sánh với hàn hồ quang tay ta thấy, khi hàn hồ quang tay, hệ số hình dạng trong mối hàn (hệ số ngấu) thường nằm trong khoảng ψn = 5 ÷ 6,7; trong khi đó với hàn dưới lớp thuốc, ψn = 1,3 ÷ 2 (giá trị chiều sâu ngấu lớn hơn nhiều).
Nếu hệ số hình dạng bên trong nhỏ hơn 0,8, mối hàn dễ bị nứt nóng và khi nó lớn hơn 4, khả năng biến dạng của mối hàn sẽ rất lớn. Nếu hệ số hình dạng bên ngoài nhỏ hơn 7, sự chuyển tiếp kim loại từ mối hàn vào kim loại cơ bản không đều, dễ gây tập trung ứng suất; khi hệ số này lớn hơn 10, khả năng biến dạng mối hàn tăng, làm giảm khả năng chịu tải trọng động.
Lượng nhiệt sinh ra trong hồ quang (hàm số của dòng điện hàn, điện áp hàn và tốc độ hàn) ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng mối hàn.
1) Ảnh hưởng của dòng điện hàn
Khi tăng cường độ dòng điện hàn (các thông số khác giữ nguyên), lượng kim loại nóng chảy tăng do mật độ dòng điện tăng, làm tăng lượng điện cực nóng chảy (chiều cao đắp c của mối hàn tăng). Theo đó, sự tập trung nhiệt trong hồ quang tăng và làm áp lực của hồ quang tăng. Kết quả là chiều sâu ngấu h tăng. Có thể dùng công thức h = k.I (với giá trị k = (1 ÷ 1,75).10-2 mmA-1, tùy thuộc vào cường độ dòng điện hàn I và thành phần thuốc hàn). Chiều rộng mối hàn b hầu như không đổi. Do đó hệ số ngấu giảm.
2) Ảnh hưởng của điện áp hàn
Điện áp hàn tăng sẽ làm tăng chiều dài cột hồ quang. Do đó, lượng nhiệt sinh ra trong hồ
quang sẽ tác động lên một diện tích lớn hơn của kim loại cơ bản, làm giảm chiều sâu ngấu h nhưng lại làm tăng chiều rộng mối hàn b. Trên thực tế, điện áp hàn được xác định theo cường độ
dòng điện hàn nhằm đạt được hệ số ngấu cần thiết.
3) Ảnh hưởng của tiết diện điện cực
Khi cường độ dòng điện hàn không đổi, I = const, nếu tăng đường kính điện cực sẽ dẫn đến tăng chiều rộng b và giảm chiều sâu ngấu h của mối hàn.
Hình 2-19. Sự thay đổi hình dạng mối hàn và mức