Về mặt này có hai khía cạnh cơ bản cần xem xét. Đó là thời gian cần thiết để đắp đ−ợc 1 kg kim loại và giá thành đ−ợc xác lập đối với một kg kim loại đắp. 1.6.1. Về thời gian
- Dùng dây hàn bột với ph−ơng pháp tự động và bán tự động thời gian cần thiết để đắp đ−ợc 1 kg kim loại là thấp hơn so với hàn tay cho dù dung que hàn có năng suất cao nhất (AHD- 1có hệ số đắp α = 15g/a.h )
- Còn đối chiếu với việc dùng dây hàn trong môi tr−ờng bảo vệ khí CO2 thì thời gian để đắp 1 kg kim loại khi dùng dây hàn bột tự bảo vệ thì bằng hoặc thấp hơn.
1.6.2. Về giá thành
Ng−ời ta cũng đ4 tiến hành so sánh giá thành 1kg kim loại đắp khi thực hiện bằng những loại que hàn khác nhau (bảng 1.2) và giá thành khi thực hiện bằng những loại dây hàn bột khác nhau (bảng1.3).
Bảng 1.2 và 1.3 cho giá thành từng loại vật liệu riêng lẻ. Việc so sánh giá thành 1kg kim loại đắp bằng những loại vật liệu khác nhau đ−ợc thể hiện trên biểu đồ hình 1.7. Nếu giá thành 1kg kim loại đắp bằng que hàn vạn năng có lớp thuốc bọc và rutin là 1 đơn vị thì giá thành của 1 kg kim loại đắp:
hàn khác nhau Giá thành (rúp) Đ−ờng kính que hàn (mm) Loại you 13/55 Loại OMM-5 Loại AHO-3 Loại AHO-4 4 1,618 1,758 1,505 1,462 5 1,453 1,619 1,306 1,337
Bảng1.3. Giá thành khi thực hiện bằng những loại dây hàn bột khác nhau Loại dây hàn bột Giá thành (rúp) Loại dây hàn bột Giá thành (rúp)
/7/7-AH3 /7/7-AH4 /7/7-AH7 0,960 1,051 1,172 1 0.512 0.314 0.313 0.227 δ δ δ δ δ
Hình 1.8. Biểu đồ so sánh giá thành 1kg kim loại đắp - Bằng que hàn năng suất cao có lớp thuốc bọc rutin 0,512; - Bằng que hàn năng suất cao có lớp thuốc bọc rutin 0,512;
- Khi hàn trong môi tr−ờng khí bảo vệ CO2 dây có đ−ờng kính là 1,6mm là 0,314;
0,313;
- Khi hàn bằng dây hàn bột đ−ờng kính 2,8 mm là 0,227
Nhật Bản sản xuất loại dây hàn bột có ký hiệu NA 50B có đ−ờng kính 3,2 mm đem so sánh với loại que hàn D5016 có đ−ờng kính 6mm do h4ng
Nippon steel sản xuất. Kết quả cho thấy rằng giá thành 1kg kim loại do dây hàn bột tạo nên là 3,120 đồng yên (tiền Nhật Bản) còn que hàn D5106 cho giá thành 4,312 đồng yên. Nh− vậy giá thành dùng dây hàn bột chỉ bằng 0,72 lần kim loại đắp bằng que hàn. [3],[11]
Kết luận ch−ơng 1
Trong ch−ơng 1 tác giả đ4 trình bầy những vấn đề sau:
1). Khái quát về công nghệ hàn kim loại, phân loại các ph−ơng pháp hàn, nghiên cứu các tính chất của hàn hồ quang, ảnh h−ởng của các thành phần hoá học thép đến tính chất hàn và giới thiệu về ph−ơng pháp hàn có sử dụng dây hàn lõi bột kim loại với đặc điểm hiệu quả ứng dụng của nó trong công nghiệp.
2). Giới hạn đ−ợc nội dung nghiên cứu của đề tài luận văn cao học này ở phạm vi nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn dây lõi bột kim loại trên một số mẫu thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện nghiên cứu Cơ khí.
Ch−ơng 2
Vật liệu, thiết bị và ph−ơng pháp nghiên cứu
2.1. Vật liệu hàn
Khi hàn hồ quang bằng dây lõi bột kim loại, vật liệu hàn gồm dây bột kim loại và kim loại hàn đ−ợc kết hợp thành bộ gọi là tập hợp vật liệu hàn. Việc chọn tập hợp này hay tập hợp khác tùy thuộc vào thành phần và tính chất của kim loại cơ bản. Chọn vật liệu hàn còn phụ thuộc vào dạng kết cấu và mối hàn. Đối với kết cấu chịu tải trọng động yêu cầu kim loại mối hàn không những đủ bền mà còn phải có tính dẻo tốt, đặc biệt là độ dai va đập phải cao so với kim loại cơ bản. Đối với mối hàn góc không nhất thiết yêu cầu kim loại mối hàn phải có độ bền cao hơn so với kim loại cơ bản nh−ng lại yêu cầu tính dẻo phải càng cao càng tốt. Trong nghiên cứu công nghệ hàn, chúng ta có thể đ−a ra các kết quả thực nghiệm và đề xuất khả năng sử dụng trong thực tế sản xuất.
Mục tiêu của đề tài là áp dụng công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại để hàn thép kết cấu cacbon và thép kết cấu hợp kim thấp. Hiện nay thép kết cấu hợp kim thấp đ−ợc dùng rộng r4i hơn cả ở Việt Nam là thép đuợc hợp kim hóa chủ yếu bằng Mangan (vì Mangan là nguyên tố hợp kim vừa rẻ vừa tăng mạnh độ bền và độ dẻo của thép).
Dây hàn sử dụng là dây lõi bột kim loại có ký hiệu là DW100
Bảng 2.1. Thành phần hoá học dây DW100Nguyên tố C Si Mn P S σT, Nguyên tố C Si Mn P S σT, MPa σB, MPa δ5, % Hàm l−ợng (%) 0,05 0,45 1,35 0,013 0,009 510 570 30
Ngoài thành phần trên thì thành phần của ruột dây bao gồm chủ yếu là bột sắt, quặng rutin, đôlômit, đá vôi, cao lanh, ferro silic, huỳnh thạch, mica,
thuỷ tinh lỏng, ferro mangan…Tổng thành phần cấu thành nên bột kim loại không v−ợt quá 60%.
2.2 Vật liệu thử nghiệm:
Vật liệu thép tấm dùng cho hàn là loại thép CT3, chiều dày: 12, 14, 16 mm với các tính chất cơ lý và thành phần hoá học trong bảng:
Bảng 2.2. Thành phần hoá học thép tấm CT3Nguyên tố Nguyên tố C Mn Si S P σT, MPa σB, MPa δ5, % Hàm l−ợng (%) 0,14 0,77 0,21 0,033 0,011 305 465 22 2.3. Thiết bị
Đối với dây lõi bột kim loại, cần phải dùng các thiế bị hàn tự động hoặc bán tự động có các yêu cầu sau:
Đối với nguồn hàn phải là nguồn một chiều, có đặc tính ngoài t−ơng đối cứng, với dải điện áp làm việc từ 10- 40V, thay đổi đ−ợc dễ ràng thuận lợi. Tuỳ cỡ dây mà có các chế độ về dòng hàn khác nhau, nhìn chung th−ờng chọn máy hàn có dòng hàn cho phép tới 500A.
Trong thực tế, ở Việt Nam th−ờng sử dụng các loại máy hàn sau: - LINCOLN CV500-1 do Mỹ chế tạo (Hình 2.2);
- OTC XD500, MOTOWEL 350 do Nhật chế tạo; - VĐU 506 do Nga chế tạo;
- MACPOL 630 do BaLan chế tạo; - MIGWEL D do Singapo chế tạo;
Ngoài ra còn có các loại máy hàn khác của các n−ớc khác sản xuất nh− Thụy Điển, Hàn Quốc,... Đ−ợc nhập về và đang hoạt động ở Việt Nam.
Các loại máy hàn tự động và bán tự động đó có cấu trúc chung tổng quát bao gồm các khối sau:
- Khối đầu vào:
Khối đầu vào có nhiệm vụ cung cấp năng l−ợng điện cho máy hàn và bảo vệ máy hàn, nhằm tránh các sự cố không an toàn cho máy và ng−ời sử dụng. Khối bao gồm các thiết bị cung cấp và bảo vệ nh−: Aptomat, khởi động từ, rơle nhiệt, quạt làm mát
- Khối biến thế hàn:
Khối biến thế hàn có nhiệm vụ biến đổi điện áp từ l−ới điện công nghiệp thành điện áp phù hợp với công nghệ hàn. Thông th−ờng là biến áp ba pha có điện áp vào sơ cấp 380V, điện áp ra thứ cấp là 36V.
- Khối chỉnh l−u hàn:
Khối chỉnh l−u hàn làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha thứ cấp biến thế hàn thành điện áp hàn một chiều bằng mạch chỉnh l−u cầ ba pha hoạc chỉnh l−u tia sáu pha có điều khiển để có thể thay đổi điện áp hàn liên tục, dễ ràng thuận lợi. Để thực hiện đ−ợc nhiệm vụ trên khối chỉnh l−u hàn dựa vào nguyên lý làm việc của Thirito là chỉ cho dòng điện chạy theo một chiều từ Anốt tới Catôt, giá trị điện áp ra trên Catôt phụ thuộc vào góc mở Thirto (phụ thuộc vào sự lệch pha của xung điều khiển đ−a vào cực điều khiển và điện áp Anốt của Thirto).
Do đặc điểm của các mạch chỉnh l−u, điện áp ra th−ờng có các sóng hài bội sáu do vậy để nâng cao chất l−ợng điện áp hàn một chiều, trong tất cả các máy hàn tự động và bán tự động đều có khâu lọc và thay đổi đặc tính ngoài.
- Khối lọc và thay đổi đặc tính ngoài:
Th−ờng là bộ lọc cảm kháng để chặn bớt các sóng hài soay chiều có tần số cao (bội sáu) làm cho điện áp hàn một chiều sau chỉnh l−u hàn có chất l−ợng cao hơn (Bằng phẳng hơn), và thay đổi đặc tính ngoài của nguồn hàn theo định luật Ôm tổng quát:
E = Un + Ut Un = E- Ut
Un = E- I*Rt
Trong đó; E : Là suất điện động của nguồn hàn
Un: Là điện áp ngoài nguồn hàn (Điện áp hồ quang hàn) Ut: Là điện áp sụt bên trong nguồn hàn
- Khối điều khiển và chỉ thị các thông số công nghệ hàn:
Khối này có nhiệm vụ tạo ra các xung mở điều khiển góc mở Thirito của khối chỉnh l−u hàn ,đồng thời giúp cho ng−ời vận hành điều khiển và quan sát các thông số công nghệ hàn dễ ràng thuận lợi. Khối này là các vỉ mạch điện tử bao gồm các khâu nhỏ sau:
+ Khâu đồng pha và tạo điện áp tựa: tạo ra các xung điện áp tựa răng c−a đồng pha với điện áp hình sin trên Anốt Thirto của pha t−ơng ứng.
+ Khâu so sánh: so sánh tín hiệu đ−ợc đặt tr−ớc (tín hiệu chủ đạo để định tr−ớc trị số về độ lớn của các tham số công nghệ) với tín hiệu tựa răng c−a để xác định thời điểm phát xung mở thirito. Quyết định góc mở cho Thirito.
+ Khâu phát xung: khi có tín hiệu từ khâu so sánh khâu phát xung sẽ phát ra xung vuông đ−a tới khuếch đai công suất mở Thirto.
+ Khâu công suất, khuếch đại xung vuông cho đủ năng n−ợng cần thiết đ−a tới cực điều khiển để mở Thirito.
+ Khâu logíc, giúp cho ng−ời vận hành thao tác dễ dàng thuận tiện, đúng thứ tự công nghệ, tạo ra những khoảng trễ bù vào đầu và cuối mối hàn tạo cho mối hàn không bị khuyết tật ở các đầu nút.
+ Các đồng hồ chỉ thị và các núm điều khiển, tạo cho ng−ời vận hành điều chỉnh và theo rõi các thông số công nghệ trong suốt quá trình hàn.
- Khối cấp dây hàn:
Khối có nhiệm vụ đ−a dây hàn đ4 đ−ợc chứa sẵn trong các lô dây vào vùng hàn, bổ xung kim loại cho mối hàn. Khối này thông th−ờng là cơ cấu cơ khí gồm các bánh xe tải dây hàn và bộ phận nắn dây hàn, đ−ợc d4n động bằng động cơ điện (th−ờng là động cơ secvo, hoặc động cơ một chiều) thay đổi tốc
độ vô cấp để thay đổi tốc độ ra dây, thông qua đó thay đổi đ−ợc dòng điện hàn cho phù hợp với công nghệ.
- Khối xe hàn:
Khối này để dịch chuyển đầu hàn theo mối hàn với một tốc độ cần thiết phù hợp với yêu cầu công nghệ. Phụ thuộc từng máy mà trên xe hàn có các bộ phận nh−: Xe hàn, đầu dao động (đầu lắc đầu dò) cũng nh− khối cấp dây hàn, khối này cũng th−ờng sử dụng các động cơ secvo hoặc động cơ một chiều cho dễ thay đổi tốc độ
Để nâng cao tính ổn định của các thông số về công nghệ hàn, trong các máy hàn cao cấp còn có các phản hồi để giữ ổn đinh các thông số công nghệ nh− dòng, điện áp, tốc độ hàn (I,U,V). Ngoài ra theo xu h−ớng chung của nền công nghiệp là tự động hoá các quá trình công nghệ. Máy hàn còn đ−ợc ghép nối với các thiết bị khác nh− đầu dò dẫn h−ớng, máy tính… thành tổ hợp thiết bị tự động tạo ra các sản phẩm có chất l−ợng cao và thay đổi chế độ công nghệ đ−ợc mềm dẻo.
Trong quá trình nghiên cứu đề tài, với các trang thiết bị sẵn có tại Phòng Thí nghiệm Trong điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí, chúng tôi chọn máy hàn là máy LINCOLN CV500-1 do Mỹ chế tạo (Hình 2.1)
Hình 2.1. Máy hàn dây hàn bột tự bảo vệLINCOLN CV 500-1 2.4. Ph−ơng pháp nghiên cứu
2.4.1. Nghiên cứu lý thuyết
- Lựa chọn ph−ơng pháp hàn, thiết bị hàn và vật liệu hàn; - Vật liệu thử nghiệm đ−ợc đánh sạch gỉ, vát mép 600
- áp dụng công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại trên cơ sở kinh nghiệm ngoài n−ớc trong điều kiện thiết bị hiện có ở Việt nam.
2.4.2. Ph−ơng pháp tiến hành nghiên cứu thực nghiệm a. Điều kiện thí nghiệm a. Điều kiện thí nghiệm
Để nghiên cứu sâu về công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại, chúng tôi tiến hành một số thí nghiệm để nghiên cứu các yếu tố đầu vào, đầu ra của quá trình hàn và sự t−ơng quan giữa chúng. Trong luận văn này đối t−ợng là thép các bon thấp và thép hợp kim thấp do vậy mà các yếu đầu vào cần quan tâm là:
Ih : Dòng điện hàn trong khi hàn Uh : Điện áp hàn trong quá trình hàn Vh : Vận tốc hàn.
Các thành phần của mác thép kim loại cơ bản có ảnh h−ởng đến tính hàn và các yếu tố có liên quan nh− chiều dầy chi tiết hàn, t− thế hàn,…
Yếu tố đầu ra là mối hàn, để đánh giá chất l−ợng mối hàn cần xem xét các vấn đề nh− sau:
+ Tổ chức tế vi;
+ Chiều rộng, chiều cao và chiều sâu ngấu của mối hàn;
b. Ph−ơng pháp chọn hàm mục tiêu trong mô hình toán học mô phỏng chất l−ợng mối hàn
Cơ sở lý thuyết về ph−ơng pháp quy hoạch thực nghiệm và xử lí số lý số liệu thông kê toán học th−ờng dùng trong công nghệ chế tạo máy có thể đ−ợc khái quát nh− sau:
Khi nghiên cứu quá trình hàn bằng dây hàn bột trong quy mô phòng thí nghiệm, cần phải xác định đ−ợc là hàm mục tiêu có thể tuân theo định luật phân bố nào. Việc giải bài toán này đ−ợc thực hiện bằng cách xác lập mô hình toán học để đ−a ra mối t−ơng quan giữa chỉ tiêu đánh giá bằng số chất l−ợng mối hàn nh− một hàm số của các thông số độc lập gồm:
Y = f (V, L, τ , θd ... ) (2.1)
bằng ph−ơng pháp lựa chọn ng−ời ta giải bài toán xác lập mô hình, đồng thời xác định mối t−ơng quan giữa các chỉ tiêu đánh giá về chất l−ợng và số l−ợng của các giá trị lựa chọn đó. Ph−ơng pháp lựa chọn số cho phép đảm bảo độ tin cậy cao và độ chính xác cần thiết khi giải bài toán nghiên cứu trên với số l−ợng các thông số công nghệ (TSCN) lựa chọn khi tiến hành nghiên cứu lớn (n > 25). Tuy nhiên, trong quá trình hàn bằng dây lõi bột kim loại và các công đoạn tiếp theo, có nhiều khó khăn khi thực hiện các thí nghiệm lặp lại với các số l−ợng lớn. Khi đó ng−ời ta chọn ph−ơng pháp lựa chọn nhỏ (n ≤ 10).
Đối với giá trị từng thông số công nghệ đ−ợc lựa chọn đó cần phải tính toán giá trị trung bình X và Dispersi (ph−ơng sai) của thông số đó S2
x. Tiếp đó đối với một cặp đôi tác dụng đồng thời của hai thông số lựa chọn cần kiểm tra tiên đề về sự bằng nhau của các Dispersi theo tiêu chuẩn Fisher:
F = S2 1/ S2
2≤ Fbảng
Nếu tiên đề đó đ−ợc khẳng định thì có nghĩa là các thông số lựa chọn đó thuộc về mỗi một tập hợp lớn. Sau đó cần kiểm tra tiên đề về sự bằng nhau của các giá trị trung bình các thông số lựa chọn theo tiêu chuẩn Student.
Căn cứ vào mô hình toán học nhận đ−ợc ở dạng (2.1) có thể giới hạn đ−ợc phạm vi điều chỉnh các thông số công nghệ chủ yếu tùy theo các giá trị tính toán hàm mục tiêu yêu cầu, với hệ số qui hồi trong điều kiện thử nghiệm. Các chỉ tiêu cơ tính của lớp phủ phải đ−ợc khống chế từ điều kiện tối −u để quá trình hàn xẩy ra tốt nhất, đồng thời đảm bảo sản phẩm có chất l−ợng cao nhất. Chẳng hạn về chỉ tiêu chiều sâu ngấu của lớp hàn: