Đường kính (mm) 1,6 2,0 2,4 3,2 4,0 Dòng điện hàn (A) 200 – 300 300 – 350 350 – 400 420 – 460 480- 520 Điện áp hàn (V) 24 – 26 26 – 28 27 – 29 28 – 30 28 – 30 Bảng 2.8. Cơ tính mối hàn Cấp mối hàn Độ bền kéo (N/mm2) Độ bền chảy (N/mm2) Độ dãn dài (%) Độ dai va đập (J) EL12-CM143
(F6A2/KAW3) 440 min 340 min 24 min 50 min/ - 290C
EL12-CM185
(F6A0/KAW2) 440 min 340 min 24 min 50 min/ - 290C
Hình 2.14. Một loại dây hàn dùng cho hàn dưới
- Dây hàn Gemini EM-12 (Công ty cổ phần thương mại và dịch vụ Thành Phát)
Tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 3223:2000
Bảng 2.9. Thành phần hóa học của dây hàn
Nguyên tố C Mn Si S P
Trị số % 0,1 – 0,12 0,8 – 1,25 0,1 max 0,025 max 0,025 max
Bảng 2.10. Kích thước dây hàn, dòng điện và lượng khí sử dụng
Đường kính (mm) 2,0 2,4 3,2 4,0 5,0
Dòng điện hàn (A) 300 – 350 350 – 400 420 – 460 480- 520 550 – 610
Điện áp hàn (V) 26 – 28 27 – 29 28 – 30 28 – 30 28 – 30
Bảng 2.11. Phân loại và yêu cầu đối với dây hàn và thuốc hàn theo AWS A5.17:97 (R2007)
Nguồn: Miami (2011)
2.5.2. Thuốc hàn
2.5.2.1. Vai trò của thuốc hàn trong hàn dưới lớp thuốc
Hiện nay có rất nhiều loại thuốc hàn khác nhau và chúng đều được sử dụng trong công nghệ chế tạo cũng như phục hồi các chi tiêt máy.
Thuốc hàn là tổng hợp của nhiều loại nguyên liệu khác nhau, nhưng thuốc hàn có vai trò quan trọng trong quá trình hàn là:
Bảo vệ kim loại mối hàn, tránh chất khí ngoài môi trường xâm nhập; Bảo đảm tính ổn định hồ quang và quá trình hàn;
Khử nitơ, oxi và tinh luyện kim loại mối hàn;
Tạo ra lớp xỉ, cũng trong quá trình đó giữ được kim loại lỏng làm cho kim loại mối hàn nguội từ từ, bề mặt mối hàn nhẵn;
Bổ sung nguyên tố hợp kim vào kim loại mối hàn; Chống bắn tóe kim loại nóng chảy;
Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hợp kim; Tạo dáng mối hàn và hình thành mối hàn tốt.
2.5.2.2. Phân loại thuốc hàn
Theo phương pháp chế tạo có thể chia làm 3 loại chủ yếu (trên thực tế người ta cũng có thể chia thuốc hàn thành 2 nhóm: thuốc hàn nung chảy và thuốc hàn gốm):
- Thuốc hàn nung chảy là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc, được chế tạo bằng phương pháp nấu chảy các thành phần của mẻ liệu và được tạo hạt.
- Thuốc hàn gốm là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc được chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp với chất kết dính lỏng tạo hạt và được sấy khô ở mức nhiệt độ 4000C 6000C.
Bảng 2.12. Thành phần của thuốc hàn SJ501 (tiêu chuẩn AWS A5.17)
SiO2+ TiO2 CaO+MgO Al2O3+MnO CaF2 S P
25 – 35 5 – 10 50 – 60 5 – 10 0,05 0,05
Bảng 2.13. Thành phần thuốc hàn gốm Automelt A55 (Automelt Gr II)
SiO2+ TiO2 CaO+MgO Al2O3+MnO CaF2
30 10 45 15
Nguồn: Ador welding Limited (1951)
Thuốc hàn A55 phù hợp khi sử dụng cùng với dây hàn thép cacbon thấp và với vật liệu có hàm lượng cacbon thấp (Ador welding Limited, 1951)
- Thuốc hàn thiêu kết là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc, được chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp với chất kết dính lỏng tạo hạt sau đó thiêu kết ở nhiệt độ 7000C 10000C.
Bảng 2.14. Thành phần của thuốc hàn CM143 (tiêu chuẩn AWS A5.17)
SiO2+ TiO2 CaO+MgO Al2O3+MnO CaF2 Basicity (bazơ)
30 – 45 20 – 30 20 – 30 5 – 15 1.0
2.5.2.3. Lựa chọn thuốc hàn trong quá trình hàn dưới lớp thuốc
Thuốc hàn gốm: mỗi hạt thuốc là tổ hợp nén chặt của các hợp chất đầu vào trong những điều kiện chế tạo đặc biệt. Do đó khi tác động tương hỗ với kim loại lỏng mối hàn, chúng sẽ có tác động mãnh liệt hơn ở dạng nguyên liệu ban đầu so với thuốc hàn nung chảy. Ngoài ra, thuốc hàn gốm có khả năng hợp kim hóa mối hàn tốt hơn bằng cách sử dụng nhiều chủng loại nguyên liệu hợp kim hóa từ nguyên liệu ban đầu ở dải rộng. Đây là một trong những đặc điểm rất thuận lợi cho hàn và hàn đắp phục hồi nếu thuốc hàn chúng ta sử dụng có chứa khối lượng lớn kim loại và các nguyên tố hợp kim.
2.5.2.4. Cung cấp, thu hồi thuốc hàn trong và sau quá trình hàn
Thuốc hàn di chuyển từ thùng thuốc đến vũng hàn bằng tự động. Một phần thuốc nóng chảy bám vào xỉ, phần khác giữ nguyên trạng thái ban đầu. Các phần thuốc không nóng chảy sẽ được thu lại bằng thiết bị chuyên dùng hoặc bằng tay để dùng lại.
Khi thu hồi bằng tay, lượng thuốc mất mát có thể đến 20%. Nếu sử dụng các thiết bị chuyên dùng để thu hồi thuốc, lượng thuốc mất mát chỉ chiếm khoảng 10% (Nguyễn Văn Thông, 2011).
Thuốc hàn có tác dụng bảo vệ vũng hàn, ổn định hồ quang, khử oxy, hợp kim hóa kim loại mối hàn và đảm bảo liên kết hàn có hình dạng tốt, xỉ dễ bong.
2.6. CHI TIẾT MÁY TRONG NÔNG NGHIỆP ĐƯỢC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HÀN NGHỆ HÀN
2.6.1. Một số hình ảnh ứng dụng công nghệ hàn trong cơ khí nông nghiệp
Trong cơ khí nông nghiệp hiện nay ứng dụng rất nhiều công nghệ hàn khác nhau: hàn hồ quang tay, hàn dưới lớp thuốc, trong môi trường khí bảo vệ,…
Hình 2.15. Một số hình ảnh ứng dụng công nghệ hàn trong cơ khí nông nghiệp trong cơ khí nông nghiệp
2.6.2. Chi tiết máy được ứng dụng để hàn tự động dưới lớp thuốc trong cơ khí nông nghiệp khí nông nghiệp
Trên cơ sở thiết bị sẵn có và kết hợp với việc thiết kế chế tạo đồ gá hàn và thiết bị phụ trợ đi kèm đề tài tập trung vào giải quyết một phần thuộc mảng hàn chế tạo bằng công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc.
Hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới rất nhiều chi tiết máy nông nghiệp được chế tạo bằng cách ứng dụng các công nghệ hàn khác nhau, trong đó có công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc. Trong phạm của luận văn, tác giả sẽ tập
Mối hàn
Mối hàn
trung xây dựng các bài thực nghiệm ở trong phòng thí nghiệm để đưa ra các bộ thông số chế độ hàn để ứng dụng cho việc hàn chi tiết máy nông nghiệp cụ thể.
a) b)
c) d)
Hình 2.16. Chi tiết của các máy ứng dụng công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc a, b – máy trồng khoai tây; c – máy vun xới khoai tây
d – máy thu hoạch khoai tây
2.7. ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA CHI TIẾT MÁY NÔNG NGHIỆP
Các chi tiết máy nông nghiệp làm việc trong điều kiện có những đặc điểm khác với các loại máy móc khác. Trong quá trình làm việc bên cạnh việc ảnh hưởng của các yếu tố thông thường như ma sát giữa các chi tiết, điều kiện bôi trơn,… Rất nhiều chi tiết máy nông nghiệp trong quá trình làm việc tiếp xúc với đất với thành phần cơ học, độ ẩm, tính dẻo, tính đàn hồi, độ cứng, tính mài mòn khác nhau. Những đặc điểm trên của đất ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng làm việc, tuổi thọ của chi tiết máy. Trên cơ sở đó khi chế tạo những chi tiết máy nông nghiệp, trong đó có sử dụng các loại công nghệ khác nhau ta cũng phải tính toán đến yếu tố đó để đảm bảo chi tiết tạo chế tạo ra sẽ có hiệu quả sử dụng cao nhất.
Mối hàn
2.8. LỰA CHỌN VẬT LIỆU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC DƯỚI LỚP THUỐC
Trên cơ sở tài liệu về các vật liệu dùng trong chế tạo máy và trên cơ sở chi tiết máy nông nghiệp cụ thể, trong luận văn sử dụng vật liệu là thép hợp kim thấp độ bền cao (thép Q345B).
Các ứng dụng tiêu biểu của thép kết cấu hợp kim thấp là giá đỡ và thân xe tải, toa xe, thiết bị vận tải, chi tiết máy nông nghiệp, sàn cầu, đường ống và bình áp lực (Ngô Lê Thông, 2009a).
Thép hợp kim thấp độ bền cao (cũng được gọi là thép kết cấu hợp kim thấp) được sử dụng nhằm tạo ra cơ tính tốt hơn và khả năng chống ăn mòn tốt hơn trong không khí so với thép cacbon thông thường vì thép được chế tạo nhằm đáp ứng các yêu cầu cụ thể về mặt cơ tính chứ không phải về mặt thành phần hóa học. Thép hợp kim thấp độ bền cao có nồng độ cacbon thấp để có tính biến dạng và tính hàn tốt.
Trong ngành chế tạo máy, thép hợp kim thấp ít cacbon thường được sử dụng để chế tạo các kết cấu hàn (Ngô Lê Thông, 2009a), tổng lượng nguyên tố hợp kim luôn không quá 4% và tối đa 0,25%C. Nguyên tố Mangan làm tăng giá trị độ dai va đập song vẫn đảm bảo tính hàn, thỏa mãn yêu cầu về độ bền. Một lượng nhỏ các nguyên tố V được đưa vào để tạo tổ chức hạt mịn hơn, làm tăng độ bền và độ dai va đập. Giới hạn chảy có thể được tăng them bằng cach hợp kim hóa bằng Nb. Thép được sản xuất duới dạng cán hoặc thường hóa. Tính hàn của chúng giống tính hàn của thép cacbon thấp.
Bảng 2.15. Thành phần hóa học của thép hợp kim thấp Q345B
Tiêu
chuẩn Mác thép (%) C (%) Mn Si (%) P (%) S V (%) Nb (%) Ti (%) Nguyên tố khác
GB/T
1591-94 Q345B 0,2 1 1,6 0,55 0,04 0,04 0,02 0,15 0,015 0,06 0,02 0,2 -
Nguồn: Trần Văn Địch và Ngô Trí Phúc (2006)
Bảng 2.16. Tính chất cơ lý tính của thép Q345B Tiêu Tiêu chuẩn Mác thép Độ bền kéo (Mpa) Giới hạn chảy (Mpa) Độ giãn dài tương đối (%) Chịu công va đập Nhiệt độ oC Ak (J) GB/T 1591-94 Q345B 470 ÷ 630 345 21 34 +20
2.9. CÁC DẠNG HƯ HỎNG MỐI HÀN
Hình 2.17. Một số dạng khuyết tật mối hàn
Nguồn: Kobe Steel, LTD (2015)
2.10. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN
2.10.1. Kiểm tra bằng mắt, kiểm tra kích thước mối hàn
a) b)
Hình 2.19. Kích thước mối hàn góc (AWS A3.0.1989) a – mối hàn bị lồi; b – mối hàn bị lõm
Nguồn: Kobe Steel, LTD (2015)
2.10.2. Kiểm tra macro
Tiến hành cắt các mẫu, sau đó mài phẳng và đánh bóng, tẩm thực rồi chụp ảnh ta sẽ thu được tổ chức thô đại của liên kết hàn
2.10.3. Kiểm tra độ cứng
Hình 2.21. Quy cách kiểm tra độ cứng mối hàn 2.10.4. Thử nghiệm phá hủy 2.10.4. Thử nghiệm phá hủy
Các quá trình thử nghiệm phá hủy (thử uốn, thử kéo, thử độ dai va đập và bẻ liên kết hàn) được tiến hành trên các mẫu đạt chất lượng (không có khuyết tập ngoại dạng).
a. Đối với mối hàn giáp mối
- Thử uốn: Kiểm tra uốn mặt và uốn chân mối hàn. Trong trường hợp uốn mà có xuất hiện các vết nứt (đặc biệt là ở chân mối hàn) thì độ rộng của vết nứt không được quá 3mm (Canadian Welding Bureau, 2015; An American National Standard, 2007).
a) b)
c)
Hình 2.22. Thử uốn mối hàn giáp mối
Trong đó theo tài liệu (An American National Standard, 2007): Chiều dày của mẫu thử: a = 5mm
Chiều rộng của mẫu thử: w = 30mm Bán kính góc lượn: R = 1
Chiều dài vật thử: L 200mm - Thử kéo:
Hình 2.23. Thông số mẫu thử kéo
Trong đó cũng theo tài liệu ta có: Chiều dày: T = 5mm
Chiều rộng: W = 38 ± 0,25, mm - Thử độ dai va đập
Hình 2.24. Mẫu thử độ dai va đập
Trong đó: Chiều dài: L, mm; Chiều rộng W, mm; Chiều dày: T, mm Khoảng cách từ rãnh khía đến đầu mẫu thử: S, mm
Bán kính đáy của rãnh khía: R, mm Chiều dày còn lại dưới rãnh khía: D,mm
Cũng theo tài liệu (TCVN 6259 – 7, 2003) đối với những tấm có chiều dày T có thể không cần thử độ dai va đập
b. Đối với mối hàn chữ T
a) b)
Hình 2.25. Sơ đồ thử bẻ và thử kéo liên kết hàn đối với mối hàn chữ T
Nguồn: An American National Standard, 2007; Vũ Đình Toại (2014)
a – Sơ đồ thử kéo liên kết hàn; b – Sơ đồ thử bẻ liên kết hàn 2.10.5. Kiểm tra tổ chức tế vi
- Chuẩn bị mẫu để kiểm tra tổ chức tế vi
- Các khu vực kiểm tra tổ chức của vật liệu: kim loại mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt, kim loại cơ bản
PHẦN 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU
Đề tài được nghiên cứu tại những địa điểm sau:
Phòng thí nghiệm thuộc Khoa Cơ Điện - Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Viện phát triển công nghệ cơ điện – Học viện Nông nghiệp Việt Nam.
3.2. THỜI GIAN NGHIÊN CỨU
Đề tài được tiến hành từ tháng 4 năm 2015 đến tháng 5 năm 2016. Phạm vi thu thập số liệu được thực hiện trong quá trình làm đề tài.
3.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 3.3.1. Đối tượng nghiên cứu 3.3.1. Đối tượng nghiên cứu
Qua phần tổng quan về vấn đề nghiên cứu ta có thể thấy đề tài sẽ tập trung vào một số đối tượng nghiên cứu sau:
- Công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc.
- Chi tiết máy nông nghiệp chế tạo bằng phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc.
- Mô hình thí nghiệm tích hợp hệ thống thiết bị, đồ gá và công nghệ hàn tự động thể thiết lập bộ thống số chế độ hàn.
- Một số phương pháp đánh giá chất lượng mối hàn.
3.3.2. Vật liệu nghiên cứu
Vật liệu được ứng dụng để chế tạo một số chi tiết trong các máy móc nông nghiệp: thép hợp kim thấp độ bền cao Q345B.
Thuốc hàn sử dụng trong quá trình hàn là thuốc hàn gốm Automelt A55 phù hợp khi sử dụng cùng với dây hàn thép cacbon thấp và với vật liệu có hàm lượng cacbon thấp.
Dây hàn EL-12 đảm bảo chất lượng của liên kết mối hàn tốt, đồng đều, năng suất cao và tiết kiệm được dây hàn. Đường kính dây hàn sử dụng là 1,6 mm.
- Chi tiết máy ứng dụng công nghệ hàn: Bánh xe của máy trồng khoai tây sử dụng vật liệu thép Q345B, đường kính vành bánh xe là 455 mm, trên vành của bánh xe có hàn rất nhiều gân tạo ra nhiều mối liên kết hàn chữ T. Lựa chọn dạng
chi tiết đơn giản để giảm thời gian chuẩn bị phôi trước khi hàn mà vẫn đánh giá được khả năng ứng dụng của công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc với bộ thông số đã nghiên cứu và tính toán.
3.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc.
Các loại vật liệu hàn (dây hàn, thuốc hàn) dùng cho hàn tự động dưới lớp thuốc.
Máy hàn tự động đang có tại Khoa Cơ – Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam.
Vật liệu có tính hàn tốt được ứng dụng trong cơ khí nông nghiệp, cụ thể là vật liệu thép hợp kim thấp độ bền cao Q345B.
Phương pháp bố trí thí nghiệm để ứng dụng cho việc hàn thực nghiệm. Ứng dụng phần mềm Minitab 17.3.1 và Modde 11.0.1 trong xử lý số liệu, xây dựng đồ thị.
Ứng dụng công nghệ hàn tự động với máy hàn hiện có để tiến hành quá trình hàn thực nghiệm với các mẫu hàn và chi tiết máy nông nghiệp tại phòng thí nghiệm.
Một số phương pháp đánh giá chất lượng mối hàn.
3.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Thu thập, phân tích và tổng hợp các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài; Phân tích và hệ thống lại các kiến thức về công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc, máy hàn tự động dưới lớp thuốc, vật liệu hàn (dây hàn và thuốc hàn ) và thiết bị phục vụ cho quá trình ứng dụng công nghệ hàn; nghiên cứu lý thuyết về phương pháp thiết kế thí nghiệm và nghiên cứu ứng dụng phần mềm Minitab 17.3.1 và Modde 11.0.1.
Tiến hành quá trình hàn thực nghiệm với các thông số đầu vào, các khoảng giá trị đã được xác định thông qua nghiên cứu lý thuyết, thông qua hàn thực nghiệm bước đầu. Tiến hành hàn với các cặp mẫu để hàn, với mô hình mối ghép cụ thể và vị trí hàn phù hợp. Cắt cặp mẫu hàn, kiểm tra kích thước mối hàn. Tiến hành phương pháp quy hoạch thực nghiệm, phân tích số liệu và sử dụng phần mềm Modde 11.0.1 để xác định ra bộ thông số chế độ