CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.4 Quy trình cơng nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4-BK
Bảng 3.10 Quy trình cơng nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4-BK T T T NGUYÊN CÔNG MÔ TẢ CHẾ ĐỘ GIA CÔNG YÊU CẦU KỸ THUẬT 1 Nghiền, kiểm tra nguyên liệu đầu vào
- Nghiền nguyên liệu. - Kiểm tra hàm lượng các chất chính. - Kiểm tra độ ẩm. - Máy nghiền, chế độ nghiền phù hợp. - Dùng rây sàng với cỡ hạt thích hợp. - Phân tích thành phần hóa học. - Dụng cụ đo độ ẩm. - Thành phần hóa học các chất chính yêu cầu.
- Cỡ hạt với mỗi loại nguyên liệu.
- Độ ẩm yêu cầu. (theo bảng phụ lục).
2 Phối liệu đơn thuốc
- Cân các chất theo đơn thuốc hàn.
- Phối liệu các chất theo trình tự về tỷ lệ và khối lượng riêng.
- Cân các chất theo đơn thuốc hàn. - Chất có tỷ lệ lớn phối liệu trước. - Chất có khối lượng riêng nhỏ phối liệu trước.
- Cân có độ sai lệch ±1%.
3 Trộn mẻ
liệu khô
- Cho phối liệu khô vào máy trộn.
- Vận hành máy trộn với chế độ yêu cầu.
- Chọn máy trộn thích hợp.
- Thời gian trộn khơ tùy thuộc kết cấu máy từ 22 ÷ 30 phút. - Tốc độ thùng quay 30 ÷ 40 vg/ph.
- Thành phần mẻ liệu khô đồng đều.
4
Cấp nước thủy tinh và trộn mẻ
liệu ướt
- Cấp nước thủy tinh vào mẻ liệu khô.
- Cho mẻ liệu ướt vào máy trộn cánh vít hoặc trục vít.
- Lượng nước thủy tinh 21 ÷ 25% trọng lượng phối liệu khô. - Thời gian trộn từ 10 ÷ 20 phút.
- Độ nhuyễn. - Không quá nhão.
5 Tạo hạt
thuốc hàn
- Cấp mẻ liệu sau trộn ướt vào thùng chứa thuốc tạo hạt.
- Vận hành máy tạo hạt.
- Tốc độ của cơ cấu tạo hạt từ 60 ÷ 80 vg/phút. - Kích cỡ mắt sàng phù hợp. - Cỡ hạt thuốc hàn 0,8 ÷ 2,2 mm. 6 Sấy sơ bộ
- Cấp thuốc hàn sau tạo hạt vào thùng sấy sơ bộ.
- Vận hành máy sấy sơ bộ.
- Tốc độ thùng quay từ 15 ÷ 20 vg/phút. - Ts=150 ÷300°C. - Độ ẩm ≤ 2%. - Các hạt thuốc hàn khơng bị dính vào nhau, không bị nứt.
7 Sấy thiêu kết
- Cấp thuốc hàn đã sấy sơ bộ vào máy sấy thiêu kết. - Vận hành máy sấy thiêu kết. - Hệ số điền đầy 0,7 ÷ 0,8. - Ts ≈ 755°C - ts ≈ 100 phút. - Độ ẩm ≤ 0,4%. 8 Làm nguội
- Cấp thuốc hàn sau sấy thiêu kết vào thùng làm nguội cưỡng bức. - Vận hành máy làm nguội. - Tốc độ thùng quay từ 15 ÷ 20 vg/phút - Dùng nước làm nguội thành ngoài thùng. - Nhiệt độ thuốc hàn sau làm nguội T = 35 ÷ 40°C. 9 Kiểm tra
- Kiểm tra cỡ hạt sau khi làm nguội thuốc hàn.
- Kiểm tra độ ẩm thuốc hàn theo yêu cầu.
- Dùng rây sàng phân loại hạt thuốc. - Dùng dụng cụ đo độ ẩm thuốc hàn. - Cỡ hạt thuốc hàn 0,8 ÷ 2,2 mm. - Độ ẩm ≤ 0,4%. 10 Bao gói
- Bao gói thuốc hàn sau kiểm tra. - Bao bì đảm bảo chống ẩm. - Bao bì: hộp 20 kg; bao 25 kg. - Kí hiệu nhận dạng thuốc hàn. - Độ kín cao. - An toàn khi vận chuyển.
3.4.2 Giới thiệu thuốc hàn F7A4-BK
Bảng 3.11 Bảng hướng dẫn sử dụng thuốc hàn F7A4- BK TIÊU CHUẨN TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ HỢP CHUẨN: TIÊU CHUẨN TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ HỢP CHUẨN:
Tiêu chuẩn: AWS A5.17 – 80.
ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG:
- Thuốc hàn F7A4-BK là loại thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình (B ≈ 1,6) tương đương với loại thuốc hàn F7A4 theo tiêu chuẩn Hiệp hội Hàn Mỹ AWS A5.17-80.
- F7A4-BK có tính cơng nghệ hàn rất tốt: hồ quang cháy ổn định, êm, tạo dáng bề mặt rất tốt. Xỉ hàn tự bong, ít khói, khơng rỗ, khơng ngậm xỉ. Bề mặt kim loại mối hàn sáng. Mối hàn có lượng hiđrơ thấp (≤4 cm3/100g) cho phép đạt độ tính
dẻo và độ dai va đập cao.
- F7A4-BK có thể kết hợp với nhiều loại dây hàn EM12, EM12K, EH14 dùng để hàn các kết cấu thép cacbon thấp, thép hợp kim thấp chịu tải trọng trung bình và cao như: bồn bể chứa áp lực, ống thép, kết cấu chịu lực vỏ tàu.
Khuyến cáo sử dụng:
- Sấy thuốc hàn trước khi sử dụng ở nhiệt độ từ 3000
C ÷ 350°C trong khoảng 1÷2 giờ.
- Có thể sử dụng dịng điện AC hoặc DC+, cho phép hàn ở tốc độ cao. - Tư thế hàn: Hàn bằng (F), hàn ngang (H). QUY CÁCH ĐÓNG GÓI: Trọng lượng tịnh bao (Kg) 25 CƠ TÍNH MỐI HÀN: Thuốc hàn- Dây hàn Giới hạn bền (Mpa) Giới hạn chảy (Mpa) Độ giãn dài (%) Độ dai va đập-400C (J) F7A4–BK– EM12 498 418 34 164
THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ HÀN KHUYẾN CÁO SỬ DỤNG: Đường kính dây, mm Chiều dày (mm) Đường hàn Ih (A) Uh (V) Vh (cm/ph) Kim loại cơ bản 4,0 20 3 620 – 720 31 – 35 36 – 56 SM400 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG:
- Chuẩn bị đầy đủ các yếu tố an toàn lao động trước khi hàn. Nguồn điện hàn ổn định.
- Tiến hành các bước hàn theo đúng quy phạm.
- Tẩy sạch các chất bẩn như dầu mỡ, gỉ sét bám vào bề mặt vật hàn, quét sạch vùng hàn để tránh lẫn tạp chất dị vật vào thuốc hàn.
- Khi thuốc hàn ẩm, hàn bị khói, bắn t và khơng ổn định, sỉ khó bong nên cần tiến hành sấy thuốc trước khi hàn.
- Bảo quản thuốc hàn nơi khơ ráo, bao gói kín tránh bụi, ẩm ướt, tránh làm thủng bao bì của thuốc hàn.
- Ln duy trì lượng thuốc bảo vệ đúng chủng loại theo hướng dẫn để có thể có được mối hàn ngấu sâu, khả năng làm việc cao.
Kết luận chương 3:
Trong chương 3, sau khi tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu đã hồn thành được các nội dung sau:
- Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm xây dựng được phương trình hồi qui phản ánh ảnh hưởng của các chất tạo xỉ chủ yếu của mẻ liệu thuốc hàn (MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) đến các đặc tính cơng nghệ hàn của thuốc hàn là chiều dài hồ quang tới hạn, có độ tương thích cao với hệ số tương quan R2 = 0,731.
- Từ phương trình hồi quy đã mơ tả được đặc trưng ảnh hưởng ở dạng 2D và 3D của MgO, Al2O3, CaF2, TiO2 đến chiều dài hồ quang tới hạn, các kết quả nghiên cứu này có tính mới, bổ sung số lý thuyết về vật liệu hàn.
- Nền tạo xỉ thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình F7A4-BK đã sử dụng MgO thay thế cho CaO (đưa vào ở dạng CaCO3) kết hợp với các chất Al2O3, CaF2, TiO2 với tỷ lệ hợp lý có các đặc tính cơng nghệ tốt, q trình hàn ổn định, tạo dáng mối hàn đẹp, xỉ hàn tự bong. Đây là điểm mới về lựa chọn loại nền tạo xỉ hàn cho mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình.
- Xây dựng được quy luật dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim Mn, Si từ thuốc hàn vào kim loại mối hàn trong hệ xỉ bazơ trung bình. Trên cơ sở đó xác định được tỷ lệ các Fe-Mn và Fe-Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn đảm bảo thành phần hóa học kim loại mối hàn đáp ứng các chỉ tiêu cơ tính của kim loại mối hàn.
- Xây dựng được quy luật ảnh hưởng của hàm lượng huỳnh thạch và các thông số chế độ sấy thiêu kết thuốc hàn hệ xỉ bazơ trung bình đến lượng hiđrơ trong mối hàn. Trên cơ sở đó đã xác định được giá trị các thơng số chế độ sấy thiêu kết thuốc hàn là: nhiệt độ sấy 755°C, thời gian sấy 103 phút cho lượng hiđrô trong mối hàn là 3,36 cm3/100g nhỏ hơn yêu cầu là 4 cm3/100g kim loại đắp.
- Đã xây dựng được quy trình cơng nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4-BK và các khuyến cáo hướng dẫn sử dụng cần thiết.
Các số liệu trên đây là cơ sở để tối ưu hóa theo từng mơ đun và chọn ra thành phần mẻ liệu theo yêu cầu ở phần sau.
CHƯƠNG 4. XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN TỐI ƯU MẺ LIỆU
THUỐC HÀN THIÊU KẾT HỆ BAZƠ TRUNG BÌNH 4.1 Xác định thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4 –BK
4.1.1 Xác định tỷ lệ các chất tạo xỉ đảm bảo tính cơng nghệ hàn cho
thuốc hàn F7A4–BK
Các phần trước đã trình bày về phương pháp thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm về các chỉ tiêu của thuốc hàn và sơ đồ thuật tốn tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết đã trình bày ở chương 2, sẽ tiến hành tối ưu hóa theo các mơ đun.
Tính cơng nghệ hàn gồm chiều dài hồ quang tới hạn. Việc xây dựng các phương trình hồi quy theo phương pháp bình phương bé nhất và phân tích phương sai để xác định các hệ số của các phương trình hồi quy và đánh giá mức độ tương thích của mơ hình.
Sau khi khai báo và nhập các số liệu thực nghiệm và chạy phần mềm chuyên dụng ta có kết quả sau đây:
Lhq=18,498 + 0,622X1 - 0,078X2 - 0,638X3 - 0,210X4 - 0,262X12 - 0,077X22 +
0,131X32 - 0,112X42+ 0,375X1X2 + 0,15X1X3 + 0,17X1X4 - 0,379X2X3 - 0,012X3X4 Hệ số tương quan R2 = 0,731
Xác định hàm lượng các chất tạo xỉ hàn:
Cần xác định giá trị hợp lý (tối ưu) của các yếu tố (biến số) từ mơ hình xây dựng ở trên đảm bảo các tiêu chí kinh tế - kỹ thuật. Do vậy, việc giải bài toán này phải đáp ứng các điều kiện ràng buộc.
Bài toán quy hoạch đa mục tiêu hoặc trường hợp tổng quát với n biến, m rằng buộc và p mục tiêu có thể mơ tả dạng tổng qt như sau:
Max(min) jk(x1,x2,...,xn),k 1,2,...,p. 0 ) ,..., , ( 1 2 j i n x b x x x g i = 1,2,…,m; j = 1,2,…,n. (4.1)
Ta ký hiệu miền rằng buộc là miền D.
Việc giải bài tốn này là tìm ra các giá trị của các biến đầu vào thỏa mãn các điều kiện của hàm mục tiêu cho trước và các giá trị giới hạn thực của các biến đầu vào nhằm đạt được một hoặc một số tiêu chí kinh tế - kỹ thuật nào đó được chọn ưu tiên hàng đầu.
Trong nghiên cứu này, cần xác định hàm lượng các chất MgO, Al2O3, CaF2, TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn đảm bảo các chỉ tiêu tính cơng nghệ hàn.
+ Các ràng buộc tường minh (các giới hạn biên) của các biến số: 20% ≤ MgO ≤ 30% ;
15% ≤ Al2O3 ≤ 25% ; (4.2) 10% ≤ CaF2 ≤ 20% ;
12% ≤ TiO2 ≤ 22% ; Và như vậy: Zi = 80% hoặc Xi = 0,80.
+ Các ràng buộc ẩn: đối với cặp thuốc hàn – dây hàn (F7A4 – EM12K), yêu cầu về chiều dài hồ quang tới hạn đối với các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn như sau:
Lhq ≥ 16,5 mm; (4.3) - Giải bài toán xác định giá trị các biến (MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) thỏa mãn các điều kiện của hàm mục tiêu như sau:
Lhq ≥ 16,5 mm; Kết quả:
Giải bài toán tối ưu xác định hàm lượng hợp lý của các chất chủ yếu đảm
bảo các chỉ tiêu công nghệ hàn và các bước thực hiện dưới đây: - Nhập các giá trị giới hạn biên của các biến số đầu vào:
Bảng 4.1 Các số liệu của biến đầu vào và các giới hạn của các hàm mục tiêu
- Nhập các giá trị điều kiện và chọn hàm mục tiêu để tối ưu:
Bảng 4.2 Các giá trị điều kiện của hàm mục tiêu
- Giá trị các biến số đầu vào và các chỉ tiêu tính cơng nghệ hàn trong quá trình tìm kiếm với các giá trị log(D) khác nhau, bộ giá trị cuối cùng với log(D) có giá trị âm nhỏ nhất (giá trị tuyệt đối lớn nhất).
Bảng 4.3 Giá trị các biến số đầu vào và các chỉ tiêu tính cơng nghệ hàn
Giá trị hợp lý của các chất tạo xỉ chủ yếu (MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) khi hàn thử nghiệm với dây hàn EM12K và giá trị chiều dài hồ quang tới hạn tìm được như bảng dưới đây:
Bảng 4.4 Hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếu và thơng số đặc tính cơng nghệ hàn
MgO Al2O3 CaF2 TiO2 Lhq
0,247 0,234 0,124 0,195 19,03
Tỷ lệ các chất tạo xỉ trong thuốc hàn F7A4 tìm được và quy trịn có giá trị như sau:
Bảng 4.5 Tỷ lệ các chất tạo xỉ chủ yếu trong thuốc hàn F7A4-BK
Thuốc hàn
Hàm lượng các chất trong mẻ liệu thuốc hàn, %
MgO Al2O3 CaF2 TiO2 Đá vôi Trường thạch Cao lanh Fe- Mn Fe- Si F7A4-BK 24,7 23,4 12,4 19,5 - - - - -
Các chất còn lại được giữ cố định ở mức 20%.
Giá trị các thành phần các chất tạo xỉ trong thuốc hàn F7A4 tìm được trên đây sẽ được sử dụng để nghiên cứu các nội dung tiếp theo.
4.1.2 Xác định hàm lượng các ferô hợp kim cho thuốc hàn F7A4–BK
Các phương trình hồi quy được xây dựng theo phương pháp bình phương bé
nhất và phân tích phương sai để xác định các hệ số của các phương trình hồi quy. Sử dụng phần mềm chuyên dụng để xác định các hệ số của phương trình hồi quy, phân tích và đánh giá mức độ tương thích của mơ hình.
Các phương trình hồi quy biểu diễn sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào hàm lượng các Fe-Mn và Fe-Si từ thuốc hàn có dạng:
Mơ hình hàm lượng Mn:
Hệ số tương quan R2 = 0,999.
Mơ hình hàm lượng Si:
Si = 1,088 + 0,0573X1 + 0,3796X2 + 0,0004X1X2 – 0,0079X12 + 0,0134X22
Hệ số tương quan R2 = 0,999.
Xác định hàm lượng các ferô hợp kim cho thuốc hàn F7A4-BK:
Trong các bài tốn này việc giải bài tốn là tìm ra được các giá trị của các biến đầu vào thỏa mãn giá trị hàm mục tiêu cho trước.
- Xác định hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si hợp lý trong mẻ liệu thuốc hàn đảm bảo thành phần hóa học và cơ tính mối hàn, trên cơ sở các ràng buộc.
- Các ràng buộc:
+ Các ràng buộc tường minh (các giới hạn biên) của các biến số:
2% ≤ Fe-Mn ≤ 10% ; (4.4) 0,5% ≤ Fe-Si ≤ 6% ;
+ Các ràng buộc ẩn: đối với cặp thuốc hàn – dây hàn (F7A4 – EM12K), yêu cầu về hàm lượng của các nguyên tố hợp kim chủ yếu trong thành phần hóa học kim loại mối hàn như sau:
Mn ≈ 1,40 % (4.5) Si ≈ 0,35 %
- Xác định giá trị các biến (Fe-Mn, Fe-Si) thỏa mãn các điều kiện của hàm mục tiêu như sau:
1,2 ≤ Mn ≤ 1,60 % (4.6) 0,30 ≤ Si ≤ 0,45 %
Kết quả:
Giải bằng phần mềm tối ưu chuyên dụng MODDE 5.0 với các ràng buộc có điều kiện, ta xác định được các giá trị Fe-Mn và Fe-Si như dưới đây :
Bảng 4.6 Các số liệu của biến đầu vào và các giới hạn của các hàm mục tiêu
Fe-Mn Free 2 10
Fe-Si Free 0.5 6
Mn Target 0.5 0 1.4 1.6
Si Target 0.5 0 0.35 0.45
Fe-Mn Fe-Si Mn Si S P iter log(D)
3.6 1.05 1.3144 0.3079 0.0074 0.0322 4 -2.4683 3.7031 0.848 1.3134 0.2708 0.0074 0.0323 21 -2.3724
3.8442 0.9128 1.3548 0.2916 0.0074 0.0323 29 -2.9878 2.3 1.225 1.0602 0.2714 0.0074 0.0321 19 -1.71 4.245 0.853 1.4453 0.2988 0.0074 0.0325 39 -3.3226 4 0.7625 1.3733 0.2679 0.0074 0.0324 20 -2.4738 3.1562 1.1093 1.2219 0.2966 0.0074 0.0321 29 -2.2469 4.2812 0.6207 1.4246 0.2522 0.0075 0.0326 25 -2.1955
Kết quả tối ưu hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK và
hàn kết hợp với dây hàn EM12K như bảng dưới đây:
Bảng 4.7 Hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK và dự kiến
thành phần hóa học tính tốn của kim loại mối hàn (Mẫu thử theo ANSI/AWS B4.0)
Giá trị các biến thực, % Hàm lượng các nguyên tố trong kim loại mối hàn, %
Fe-Mn Fe-Si C Mn Si S P