a. Đốt nóng và làm chảy dây
Trong quá trình hàn vỏ và ruột dây hàn đ−ợc đốt nóng bởi sự ôxy hoá các phần tử sắt và hợp kim, sự khuyếch tán của các chất hữu cơ và cacbonat v.v… Sự phát triển của các quá trình này trong dây ảnh h−ởng lớn tới tác dụng t−ơng hỗ giữa kim loại nóng chảy với khí và xỉ; nó quyết định các chỉ số công nghệ hàn. Sự hoàn thành các quá trình này vào thời điểm dây nóng chảy phụ thuộc vào các điều kiện cấp nhiệt cho tiết diện dây, xác định bởi chế độ hàn, đ−ờng kính dây, cấu tạo dây và lý hoá tính của hỗn hợp bột. Một trong những phản ứng trong pha rắn khi dây bị đốt nóng là sự khuyếch tán của cacbonat. Các nghiên cứu thí nghiệm tiến hành tại viện Paton xác định rằng sự cấp thêm các ôxit fluorit và bột sắt vào cácbonat làm dịch chuyển nhiệt độ khuyếch tán của cacbonat. Chẳng hạn cho thêm bột sắt và nhôm vào cacbonat mage và canxi làm hạ nhiệt độ khuyếch tán xuống vùng thấp. Đó là nhờ độ dẫn nhiệt của hỗn hợp thuốc đ−ợc cải thiện và các phản ứng oxy hoá phát nhiệt.
Mặc dầu bột kim loại chiếm khoảng 60% dây bột , điện trở đặc tr−ng của dây v−ợt điện trở đặc tr−ng của vỏ thép. Với sự khác nhau ấy về độ dẫn điện, ruột dây thực tế trở thành chất không dẫn điện và c−ờng dộ dòng điện hàn chạy qua vỏ kim loại. Đó là lý do tại sao vết hồ quang không chiếm toàn bộ tiết diện dây mà chỉ chiếm vỏ kim loại hoặc giọt kim loại nóng chảy. Ruột nóng chảy nhờ phản xạ hồ quang và sự trao đổi nhiệt với kim loại nóng chảy và khí nóng. Do vậy vỏ chảy nhanh hơn ruột. Hiện t−ợng này đ−ợc coi là bất lợi bởi nó làm giảm hiệu quả bảo vệ của xỉ khí khỏi tác dụng của không khí. Khoảng cách thời gian trong sự nóng chảy của ruột làm cho sự hàn hồ quang ngắn phức tạp hơn và dẫn đến sự ngậm xỉ trong mối hàn.
Tỷ lệ vỏ – ruột nóng chảy thuận lợi có đ−ợc nhờ tăng độ dẫn điện và dẫn nhiệt của ruột, bằng cách giảm nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp các thành
phần khoáng, tăng các chất chảy nh− fluocanxi hoặc thay đổi cấu tạo dây. Khi phát triển thành phần bột với nhiều dây mục đích khác nhau, tất cả các kỹ thuật đặc tr−ng nêu trên đ−ợc dùng để làm cầu nối cho khoảng cách thời gian giữa ruột và vỏ.
Trong quá trình hàn dây lõi bột kim loại sự chuyển kim loại xảy ra d−ới dạng giọt. Các dây lõi bột kim loại kiểu rutin và quặng ôxit đặc tr−ng cho sự chuyển kim loại dạng tia.
Dây hàn có ruột tạo xỉ bazơ khi nóng chảy, đặc tr−ng bởi sự chuyển kim loại dạng hình cầu. Khi tăng mật độ dòng điện các giọt kim loại chuyển thành tia. Điều này làm tăng tính ổn định của hồ quang. Kỹ thuật đo nhiệt cho thấy rằng nhiệt độ của giọt kim loại khi hàn dây bột nằm trong khoảng 2.300 - 2.9000C và phụ thuộc vào loại dòng điện, cực tính và chế độ hàn. Yếu tố khác ảnh h−ởng nhiều đến nhiệt độ của giọt kim loại là thành phần của ruột. L−ợng bột sắt trong ruột tăng làm giảm nhiệt độ của giọt kim loại.
Những nét đặc tr−ng của quá trình làm nóng chảy dây lõi bột kim loại đ−ợc xem xét khi nghiên cứu thành phần ruột. Những chỉ tiêu quan trọng nhất quyết định các đặc tính chung của dây là: hạn chế đến mức thấp nhất sự khác nhau giữa làm nóng chảy vỏ và ruột dây; tạo khả năng tốt nhất làm nóng chảy xỉ; đồng nhất hoá và phân huỷ hoàn toàn các chất tạo khí đảm bảo cho dây nóng chảy đồng đều và tăng khả năng bảo vệ của xỉ.
b. T−ơng tác giữa kim loại và các chất khí
Một trong loạt vấn đề cần giải quyết khi nghiên cứu thành phần dây hàn bột tự bảo vệ là sự bảo vệ hiệu quả kim loại khỏi không khí, đặc biệt khỏi nitơ. Sự bảo vệ kém làm giảm tính liên tục của mối hàn và gây rỗ mối hàn.
Dây hàn lõi bột kim loại dùng khí kết hợp xỉ để bảo vệ kim loại khỏi không khí, nh−ng vai trò khí quan trọng hơn xỉ. Nh− đ4 đề cập, các chất hữu cơ cho vào trong dây hữu cơ rutin để tạo khí bảo vệ.
học và thành phần chất khí đ−ợc giải phóng trong quá trình phân huỷ, bản chất về hiệu quả của các chất tạo khí đ−a vào đây nhằm giảm l−ợng nitơ trong mối hàn rất giống các dây chứa cácbonat. Sự tăng các chất tạo khí trên giới hạn cần thiết trở nên vô tác dụng xét theo khía cạnh làm giảm l−ợng nitơ. Kết quả làm bắn toé kim loại và làm giảm tính ổn định của quá trình.
L−ợng nitơ trong kim loại mối hàn cũng phụ thuộc vào chế độ hàn. Sự tăng c−ờng độ dòng điện không gây ảnh h−ởng lớn đến hàm l−ợng nitơ trong kim loại mối hàn. Sử dụng CO2 làm môi tr−ờng bảo vệ cho phép duy trì l−ợng nhỏ nitơ khi dùng c−ờng độ dòng lớn. Tăng điện áp hồ quang làm tăng l−ợng nitơ trong kim loại. Mối quan hệ này đúng với phần lớn đây hàn bột. Khi hồ quang dài l−ợng khí đ−ợc giải phóng trong quá trình dây nóng chảy có thể không đủ để đẩy không khí về phía kim loại đ4 đông đặc, một phần nitơ xâm nhập vào vùng hồ quang làm tăng l−ợng nitơ trong kim loại.
Kết cấu của dây có thể làm thay đổi nhiều điều kiện bảo vệ kim loại khỏi không khí .
L−ợng nitơ trong kim loại khi hàn với dây 2 lớp thấp hơn nhiều so với khi hàn dây 1 lớp (dây ống).
Tác dụng có hại của hyđro đối với chất l−ợng kim loại mối hàn đ4 rõ. Hydro là nguyên nhân của tạo rỗ và giảm độ dẻo của kim loại. Trong quá trình hàn dây bột hydro xâm nhập vào vùng hồ quang từ vật liệu lõi, từ không khí bao bọc và từ mặt vật hàn. Chất bôi trơn khi kéo dây bột còn lại trên dây cũng là nguồn hydro xâm nhập vào mối hàn.
Khi hàn với dây rutin – hữu cơ, do có l−ợng hydro cao từ sự phân huỷ các chất hữu cơ và bột ẩm, tổng hydro khuyếch tán và hydro d− trong kim loại nóng chảy t−ơng đối cao (20 – 30cm3 trên 100g kim loại). Các giải pháp làm giảm l−ợng hydro trong kim loại mối hàn bằng các biện pháp công nghệ bị hạn chế. Sự giảm l−ợng hydro có thể đạt đ−ợc bằng cách loại trừ triệt để nó trong dây (điều không phải luôn cho phép) hoặc bằng cách tăng c−ờng quá
trình sôi hydro tại bể hàn. Biện pháp sau thông th−ờng thực hiện thông qua việc tăng l−ợng silic trong dây hoặc đ−a vào những chất khoáng có n−ớc tinh thể. Sự giảm silic trong bể hàn và tăng trong dây nhằm tăng c−ờng sự giải phóng chất khí và chuyển l−ợng lớn hydro khỏi bể hàn. Việc giảm hydro cũng có thể thực hiện bằng cách thay đổi các thông số có ảnh h−ởng lớn nhất đối với tốc độ kết tinh của bể hàn, tức là thay đổi c−ờng độ dòng điện và tốc độ hàn.
L−ợng hydro trong kim loại mối hàn khi hàn với dây fluorit hoặc cacbonat - fluo thấp hơn nhiều khi hàn với dây rutin – hữu cơ. Nguồn chính của hydro trong dây loại này là độ ẩm đ−ợc hấp thụ trên bề mặt của các phần tử ruột. Do độ ẩm của ruột cao làm cho mối hàn rỗ nên dây phải canxinat hoá ở nhiệt độ 230 – 2500C. Hiệu quả của việc canxinat hoá dây đối với độ ẩm trong dây và hàm l−ợng hydro khuyếch tán trong kim loại mối hàn (bảng 3.6).
Bảng 3.7. Hiệu quả của canxi hoá dây
c. T−ơng tác giữa kim loại và xỉ
Khi dây hàn lõi bột kim loại nóng chảy xỉ hình thành, ngoài chức năng bảo vệ xỉ còn t−ơng tác với kim loại nóng chảy. Tác dụng luyện kim m4nh liệt của xỉ đối với kim loại góp phần tinh luyện kim loại khỏi các chất tạp có hại.
Sự phát triển của t−ơng tác giữa kim loại và xỉ đạt tới đỉnh cao nhất ở giai đoạn giọt và sau đó tiếp tục ở giai đoạn bể. Các hệ xỉ bazơ thấp bảo đảm sự phát triển của quá trình oxi hoá khử silic làm tăng độ dẻo và độ bền va đập của kim loại mối hàn nhờ làm sạch đ−ợc các chất tạp phi kim loại. Sự giảm hoạt động của silic, sự điều chỉnh quá trình oxy hoá khử của dây và duy trì tối Độ ẩm, % L−ợng hyđrô,cm3/100g Loại dây Đ−ờng kính dây, mm Tr−ớc Canxinat hoá Sau Canxinat hoá Tr−ớc Canxinat hoá Sau Canxinat hoá Cacbonatfluo Cacbonnatfluo Rutin Rutinfluo 3,0 2,3 2,5 2,5 0,33 0,40 0,21 0,28 0,16 0,16 0,14 0,13 8,0 8,5 8,7 8,0 4,5 5,0 6,6 4,5
đa mức độ hợp kim hoá kim loại bằng mangan và silic khi hàn trong khí CO2 đảm bảo cho mối hàn chất l−ợng cao với những tính chất mong muốn.
Hình 3.1. Sự phụ thuộc của chất tạp trong mối hàn đối với SiO2 (a) và CaF2 (b) trong ruột dây
Việc nghiên cứu số l−ợng, hình dáng và sự phân bố của các chất tạp phi kim loại và thành phần của chúng cung cấp thông tin về hiệu quả của thành phần ruột và điều kiện hàn để tinh luyện kim loại. Hình 3.1 biểu diễn mối quan hệ giữa các chất tạp phi kim loại trong mối hàn và oxit silic (a) hoặc fluo (b) trong ruột dây hàn. phần lớn chất tạp phi kim loại là mangan–silic-titanat. Chúng có dạng hình cầu và nhiệt độ nóng chảy t−ơng đối thấp.
Đối với dây rutin, yếu tố quyết định nhận đ−ợc mối hàn chứa ít chất tạp là điều chỉnh các phản ứng oxi hoá khử bằng tối −u hoá thành phần ruột. Các dây với ruột fluo và rutin-fluo cho kim loại mối hàn ít tạp chất nhất. Kỹ thuật luyện kim này đ−ợc sử dụng khi nghiên cứu dây hàn thép hợp kim thấp, kể cả thép độ bền cao. 3.2.2. Các nguyên tắc chung về công nghệ hàn dây lõi bột kim loại
Sự chọn loại dây hàn lõi bột kim loại và đ−ờng kính của nó phụ thuộc vào loại thép hàn, vào các yêu cầu đối với kim loại mối hàn, chiều dày thép và chế dộ hàn. Các đặc tính công nghệ của dây, khả năng điều chỉnh chế độ hàn, hiệu quả kinh tế và năng suất hàn cũng đ−ợc xem xét.
Chỉ những thợ hàn đ4 đ−ợc đào tạo về kỹ thuật và công nghệ hàn dây bột mới đ−ợc phép thực hiện công việc hàn.
công nghệ hàn hoặc que hàn cùng kiểu.
Tr−ớc khi hàn cần kiển tra cực tính của nguồn điện, cơ cấu cấp dây hàn. Dây hàn phải sấy ở 230-2500C trong 2-3h để loại trừ ẩm và các bám bẩn của dây khi sản xuất.
Các thông số cơ bản chủa chế độ hàn gồm: điện áp hồ quang, c−ờng độ dòng điện, tốc độ hàn, góc nghiêng và tầm với điện cực.
Điện áp hồ quang điều chỉnh tr−ớc khi hàn; dây hàn tự bảo vệ rất nhạy với sự thay đổi điện áp nên thông số này cần đ−ợc điều chỉnh chính xác. Hàn với điện áp cao và hồ quang dài đảm bảo sự điều hoà của mối hàn với kim loaị cơ bản nh−ng bắn toé và có thể gây cháy chân và rỗ mối hàn.
Sự tăng c−ờng độ hàn ảnh h−ởng tới tốc độ chảy của dây và độ ngấu của mối hàn; chiều cao mối hàn tăng đáng kể. Sự tạo hình mối hàn đảm bảo khi thay đổi đồng thời c−ờng độ hàn và điện áp hồ quang.
Tầm với điện cực đ−ợc xác định tr−ớc khi hàn, xong cũng có thể điều chỉnh trong quá trình hàn nếu cần tầm với điện cực phụ thuộc kỹ thuật hàn, kiểu và đ−ờng kính dây. Trong hàn CO2 tầm với điện cực 15-40mm – không lớn nh− khi hàn dây tự bảo vệ. Đó là do đặc tính nóng chảy của dây – hàn với tầm với điện cực lớn làm tăng kích th−ớc giọt kim loại và bắn toé khi hàn với dây tự bảo vệ cacbonat –fluo tầm với điện cực có thể tới 90mm, trong khi đó, với dây rutin là 60mm.
Khi tăng tầm với điện cực và tốc độ dây, đồng thời giữ nguyên điện áp nguồn (không tải), thì dòng điện hàn giảm và chiều sâu ngấu giảm. Trong tr−ờng hợp này năng suất hàn không đổi. Năng suất hàn tăng khi tăng tầm với điện cực, tốc độ dây và giữ không đổi c−ờng độ hàn. Nh− vậy sự tăng tầm với điện cực là yếu tố nâng cao năng suất quá trình hàn. Tuy nhiên, hàn với tầm với điện cực lớn đòi hỏi trình độ tay nghề cao và cần sử dụng thêm đầu bép dao động để dẫn dây hàn chính xác hơn.
Sự hàn dây bột thực hiện với góc nghiêng của dây nhỏ (tới 150 so với mặt đứng). Hàn với điện cực nghiêng về phía ng−ợc chiều với chiều hàn làm giảm
chiều sâu ngấu và tăng chiều rộng mối hàn. Kĩ thuật này thông th−ờng đ−ợc sử dụng khi chế độ hàn cao; điện cực nghiêng một góc tới 300. Với dây rutin- hữu cơ không nên áp dụng kỹ thuật này bởi dây rỗ, đặc biệt ở miệng mối hàn.
Sự thay đổi tốc độ hàn ảnh h−ởng tới đọ ngấu và kích th−ớc mối hàn. Hàn với tốc độ thấp làm tăng tiết diện và chiều sâu ngấu của mối hàn. Nh−ng nếu tốc độ hàn quá nhỏ độ ngấu giảm do sự hấp thụ nhiệt của l−ợng lớn kim loại mỏng và xỉ lỏng tại vùng hồ quang. Hàn với tốc độ quá lớn làm giảm sự đồng nhất của mối hàn và gây nhiều khuyết tật khác. Dây hàn tự bảo vệ rutin- hữu cơ đặc biệt nhạy với sự tăng tốc độ hàn, dễ gây rỗ trong của kim loại mối hàn.
Tốc độ hàn khi hàn dây bột không nên quá 40-50m/h
Sự hàn dây bột đặc tr−ng bởi chiều sâu ngắu lớn của mối hàn. Đây là tính −u việt về kinh tế, nó cho phép giảm góc vát tới nhỏ nhất, do đó giảm l−ợng kim loại điện cực và tăng tốc độ hàn. Kích th−ớc các mối hàn dây bột giảm tới 30% so với các mối hàn thực hiện bằng que hàn cùng kiểu.
Sự hàn dây bột có thể thực hiện đ−ợc tất cả các mối hàn cơ bản: giáp nối, góc chữ T và chồng.
3.2.3. Công nghệ hàn dây hàn lõi bột kim loại tự bảo vệ
Nh− trên đ4 biết dây hàn lõi bột kim loại tự bảo vệ có hai loại: dây rutin-hữu cơ và dây cacbonat-fluo.
Dây rutin-hữu cơ chủ yếu dùng để hàn thép xây dựng cacbon thấp St3,16Si ,08,10,15,20 và các thép khác với l−ợng cacbon tới 0,25%. Tuy nhiên khi ở chế độ hàn điều hoà, độ ngấu không lớn có thể hàn thép St4,St5 v.v...
Sự thay đổi hình dáng, kích th−ớc mối hàn và chiều sâu ngấu phụ thuộc tất cả các thông số của chế độ hàn .điều chỉnh c−ờng độ dòng địên, điện áp hồ quang, tầm vóc và vóc nghiêng điện cực, tốc độ hàn, có thể nhận đ−ợc hình dáng và kích th−ớc thích hợp của mối hàn - chiều rộng (b), chiều sâu ngấu (h), chiều cao (c). ảnh h−ởng c−ờng độ hàn, điện áp hồ quang và tốc độ hàn đối với các kích th−ớc này khi hàn dây rutin – hữu cơ PP-AN1 đ−ờng kính 3mm (hình
3.2). Trên hình 3.2 còn biểu diễn hệ số hình dáng d =b/c phụ thuộc chế độ hàn. Hình dáng thích hợp nhất của mối hàn có đ−ợc khi hàn với địên áp cao. Mối hàn rộng đảm bảo điều kiện thoát khí tốt của bể hàn khi kết tinh. Khi hàn với dòng lớn, điện áp thấp và tốc độ cao, mối hàn cao, hình dáng không thuận lợi và có thể bị cháy mép.
Khi chọn chế độ hàn cần tính đến chiều dài thép hàn và kiểu mối ghép hàn. Chế độ hàn với dây PP-1DSK đ−ờng kính 2,2mm (bảng 3.7). Với dây PP- AN1 đ−òng kính 2,8mm cho phép tăng dòng lên một ít.
Hình 3.2. ảnh h−ởng của c−ờng độ hàn (a), điện áp hồ quang (b) và tốc độ hàn (c) đối với hình dáng và kích th−ớc mối hàn dây rutin- hữu cơ
Để tiến hành đúng qua trình hàn dây rutin –h−u cơ cần:
- Xác định chiều dài tầm với địên cực, khoảng 15-20 mm. Khi tầm với