Ký hiệu Kích thước mm L Chiều dài (nhỏ nhất) 305 T Chiều dày 25 ± 1.5 W Chiều rộng (nhỏ nhất) 127 V Độ dày dự phòng 13 ± 1.5 D Tâm mẫu 9.5 ± 1.0 B Chiều rộng dự phòng (nhỏ nhất) 50 R Góc mở 13 ± 1.5 Z Vứt bỏ (nhỏ nhất) 25
Hình . Kích thước và gá lắp phôi hàn để chuẩn bị hàn mẫu thử cơ tính
Hình 2.30 Vị trí lấy mẫu thử độ bền kéo và độ dai va đập
Mẫu kiểm tra được gia công từ kim loại mối hàn theo hướng song song với trục
dọc mối hàn. Chiều dài đo của mẫu kiểm tra phải hoàn toàn là kim loại mối hàn.
Hình 2.31 Mẫu thử kéo kim loại mối hàn
a) Hình dáng b) Phê chuẩn WPS c) Phân loại điện cực hàn
`
Hình 2.32 Cắt mẫu thử độ bền kéo và độ dãn dài
Các kích thước khác của mẫu thử kéo được lấy theo đường kính d0 theo tiêu chuẩn ANSI/AWS B4.0, có thể tham khảo theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3909:2000 như bảng dưới đây.
Bảng 2.15 Kích thước mẫu thử độ bền kéo theo AWS B4.0
Bảng 2.16 Kích thước mẫu thử độ bền kéo theo TCVN 3909:2000
Để tăng độ chính xác thử độ bền kéo đã chọn đường kính kích thước mẫu thử kéo lớn nhất theo TCVN 3909:2000 như sau.
- Thiết bị thử độ bền kéo và độ dãn dài tương đối:
Hình 2.34 Máy kéo nén H011- Matest- Italia
Đặc tính kỹ thuật: - Code: 70-C0820/C
- Lực thử kéo tối đa (kN): 1000 - Lực thử nén tối đa (kN): 2000
- Dải kiểm tra: Tự động thay đổi thang đo cũng như độ phân giải - Độ đọc được với thử kéo: 100 N
- Khoảng cách tối đa giữa hai bộ má kẹp: 750 mm
- Hệ thống má kẹp: Bằng hệ thống thủy lực điều khiển từ xa - Đường kính thép lớn nhất có thể thử: 40mm
- Tốc độ gia tải (mm/phút): 0 – 195 - Hành trình pitttong (mm): 610 - Công suất (W): 2700
Mẫu thử độ dai va đập:
- Kích thước mẫu và tiêu chuẩn áp dụng:
Phương pháp thử Charpy-V và các kích thước mẫu theo tiêu chuẩn AWS B4.0. Có thể có các mẫu tiêu chuẩn hố với kích thước nhỏ hơn như 10 mm x 8 mm; 10 mm x 7.5 mm và 10 mm x 5 mm. Ở đây chọn mẫu có kích thước 10x8 như sau.
Hình 2.35 Hình dạng và kích thước mẫu chuẩn thử dai va đập theo tiêu chuẩn AWS B4.0
Hình 2.36 Mẫu chuẩn đầy đủ thử dai va đập theo tiêu chuẩn AWS (có dung sai)
Phương pháp thử: Mẫu thử được làm lạnh bằng cách nhúng vào bể chất lỏng và giữ ở nhiệt độ kiểm (nhiệt độ thử - 40 °C).
- Thiết bị thử nghiệm:
Sau khi ổn định ở nhiệt độ thấp vài phút mẫu được chuyển nhanh vào đe kẹp của máy thử và búa lắc thả nhanh ra đập vào mẫu tại phía đối diện với rãnh.
Hình 2.37 Máy thử va đập và vị trí búa đập
Năng lượng hấp thụ khi búa lắc đập vào mỗi mẫu thử được chỉ ra trên thang đo của máy, đơn vị là Joules (J).
Thử độ dai va đập theo tiêu chuẩn ASTM E23:2002 trên Máy thử va đập WPM HECKERT – Đức.
Kiểm tra hàm lượng hiđrô trong mối hàn
Khi giải bài toán về xác định hàm lượng huỳnh thạch và các thông số chế độ sấy thiêu kết dựa vào phương trình hồi quy và các điều kiện cụ thể đối với mỗi loại thuốc hàn và dây hàn tương ứng và mức hàm lượng hiđrô yêu cầu (rất thấp, thấp, trung bình,…) theo tiêu chuẩn.
Trong trường hợp này cần chế tạo mẻ thuốc hàn và chế độ sấy thiêu kết theo các số liệu tìm được ở trên. Sau đó tiến hành hàn và xác định hàm lượng hiđrô trong mối hàn. Kết quả thử nghiệm trên mẫu nhận được so với số liệu giải bài toán tối ưu ở bước 3, nếu sai lệch trong pham vi 10% là có thể chấp nhận được và khơng cần phải tính lại các yếu tố liên quan đến hàm lượng hiđrô trong mối hàn.
b) Kiểm tra các chỉ tiêu kinh tế của thuốc hàn thiêu kết
Thuốc hàn nghiên cứu sẽ được sản xuất thử và tiến tới thương mại hóa. Do
vậy, sau khi sản xuất xong sẽ được bán ra thị trường. Nhà sản xuất ngoài việc đưa ra sản phẩm thuốc hàn đảm bảo chất lượng cũng phải có giá thành cạnh tranh. Do đó việc dự toán giá thành mẻ liệu thuốc hàn là cần thiết. Đây là yếu tố chủ yếu cấu thành giá đơn thuốc [92, 93].
Giá thành mẻ liệu thuốc hàn gọi là A (đồng/kg).
G = ΣXi .Gi (2.31) Trong đó: G - đơn giá mẻ liệu thuốc hàn;
Xi – hàm lượng chất đầu vào thứ i, kg; Gi– giá chất đầu vào thứ i, đ/kg.
Khi tính giá thành chế tạo thuốc hàn, cịn tính tiền nhân cơng, quản lý, chi phí
năng lượng, khấu hao thiết bị và tài sản cố định.Trên cơ sở các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế sẽ có đánh giá chính xác và khách quan về sản phẩm nghiên cứu.
Kết luận chương 2:
Trong chương 2, tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau:
- Giới thiệu tổng quan về quy trình cơng nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết, trên cơ sở đó sẽ tiến hành các thí nghiệm ở từng cơng đoạn để chọn ra các thông số công nghệ hợp lý làm cơ sở thiết kế quy trình cơng nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình ở chương tiếp theo.
- Đã trình bày cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu, đề xuất được sơ đồ thuật toán tối ưu thành phần mẻ liệu thuốc hàn theo các mô đun cho phép giảm số lượng thí nghiệm và chi phí thí nghiệm. Đây là cơ sở quan trọng để giải bài toán tối ưu đã xác định được tỷ lệ hợp lý các chất trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4- BK đáp ứng tốt các chỉ tiêu đề ra.
- Đã giới thiệu 2 loại kế hoạch thực nghiệm cho 3 nhóm chỉ tiêu nghiên cứu, trình bày cơ sở lựa chọn các biến đầu vào và đầu ra phù hợp với mỗi nhóm và biến nghiên cứu.
- Đã mơ tả phương pháp thí nghiệm và các thiết bị đo đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cần thiết.
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1 Nghiên cứu nhóm chất về tính cơng nghệ hàn
3.1.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm a) Lập kế hoạch thực nghiệm a) Lập kế hoạch thực nghiệm
Theo [14, 21, 22, 24] mơ hình trên có dạng đa thức bậc 2 như sau: 2 0 ij 1 1 , 1 K k k i i i ii i i j i i i j i j Y b b X b X b X X (3.1) Trong đó:
- Xi và Xj là giá trị của các chất đưa vào thuốc hàn để tạo nên xỉ hàn. - Yi - các hàm mục tiêu, gồm có:
Y = Lhq – chiều dài hồ quang tới hạn, mm;
Yi = f(MgO, Al2O3 , CaF2 , TiO2) (3.2) Để xây dựng các phương trình thực nghiệm trên cần lựa chọn khoảng biến thiên các biến đầuvào và lập kế hoạch thực nghiệm, sau khi có số liệu thí nghiệm sẽ xác định các hệ số của phương trình hồi quy.
Để nghiên cứu mơ hình thành phần – tính chất với các điều kiện ràng buộc đặc trưng: Zi = 100% hoặc Xi = 1. (3.3) Trong đó : Zi – các biến số thực, %.
Xi – các biến số mã hóa.
Kế hoạch thực nghiệm được chọn là kế hoạch thực nghiệm Max Lean– Anderson [27, 28, 33], vùng nghiên cứu là đa diện hạn chế.
0 ≤ ai ≤ Xi ≤ bi ≤ 1 (3.4) Theo kết quả thí nghiệm sàng lọc, các mức giá trị của các biến đầu vào và kế hoạch thực nghiệm có dạng như bảng dưới đây:
Bảng 3.1 Các mức giá trị của các biến đầu vào
Các biến số
Biến thực, % Biến mã hoá
MgO Z1 Al2O3 Z2 CaF2 Z3 TiO2 Z4 X1 X2 X3 X4 Mức dưới 20 15 10 12 –1 –1 –1 –1 Mức trên 30 25 20 22 +1 +1 +1 +1 Tổng các chất còn lại là cố định gọi là: X5 = 20%.
CaCO3 Trường thạch Cao lanh Fe - Mn Fe - Si
8 5 1 4 2
b) Tiến hành thí nghiệm
Số liệu về chỉ tiêu tính cơng nghệ hàn là chiều dài hồ quang tới hạn.
Hình 3.1 Các dạng khuyết tật bề mặt mối hàn
Số thí nghiệm lặp của mỗi thí nghiệm là 3, số lượng thí nghiệm ở đây là 22, được chọn theo kế hoạch thực nghiệm Max Lean–Anderson [27, 28, 33] trong vùng nghiên cứu là đa diện hạn chế. Các kết quả thực nghiệm của các chỉ tiêu sau khi xử lý loại bỏ những số liệu chứa sai số thô, giá trị trung bình của các thí nghiệm được dẫn ra bảng dưới đây:
Bảng 3.2 Kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm tính cơng nghệ hàn của
thuốc hàn F7A –BK với dây hàn EM12K
TT
Giá trị các biến số Giá trị hàm mục tiêu
MgO Al2O3 CaF2 TiO2 Các chất còn lại Chiều dài hồ quang tới hạn Lhq, mm X1 X2 X3 X4 X5 Yl 1 0.3 0.25 0.1 0.15 0.2 21 2 0.3 0.15 0.2 0.15 0.2 19.5 3 0.3 0.25 0.13 0.12 0.2 19 4 0.3 0.18 0.2 0.12 0.2 18 5 0.23 0.25 0.2 0.12 0.2 16.5 6 0.3 0.18 0.1 0.22 0.2 20 7 0.3 0.15 0.13 0.22 0.2 17.2 8 0.23 0.25 0.1 0.22 0.2 17.5 9 0.2 0.25 0.13 0.22 0.2 16.5 10 0.23 0.15 0.2 0.22 0.2 17.5
11 0.2 0.18 0.2 0.22 0.2 15.5 12 0.2 0.25 0.176 0.173 0.2 16.5 13 0.2 0.226 0.2 0.173 0.2 15 14 0.2 0.226 0.153 0.22 0.2 18 15 0.276 0.15 0.176 0.196 0.2 18.2 16 0.243 0.25 0.143 0.163 0.2 19.5 17 0.276 0.226 0.1 0.196 0.2 20.7 18 0.276 0.226 0.176 0.12 0.2 18.5 19 0.243 0.193 0.143 0.22 0.2 18.3 20 0.257 0.207 0.157 0.177 0.2 18.2 21 0.257 0.207 0.157 0.177 0.2 19 22 0.257 0.207 0.157 0.177 0.2 18 3.1.2 Xử lý số liệu thí nghiệm
Thực hiện nhập số liệu thực nghiệm và chạy phần mềm MODDE 5.0 ta
nhận được kết quả các phương trình hồi quy dưới đây:
Phương trình hồi quy biểu diễn sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào thành phần các chất tạo xỉ chủ yếu trong thuốc hàn.
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
Với hệ số tương quan R2 = 0,731 khá cao cho ta thấy sự ảnh hưởng của các chât chủ yếu đến tính ổn định của hồ quang hàn khá rõ nét. Giá trị và dấu của các hệ số cho thấy mức độ ảnh hưởng và đặc tính ảnh hưởng của các chất rất khác nhau. Các chất ảnh hưởng tích cực đến chiều dài hồ quang tới hạn theo thứ tự là MgO, Al2O3, còn CaF2 ảnh hướng xấu đến chiều dài hồ quang tới hạn. Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết.
3.1.3 Biểu diễn các đường đặc trưng
Từ các phương trình hồi quy biểu diễn các đường đặc tính cho 2 hàm mục tiêu chiều dài hồ quang tới hạn dạng 2D và các đường đẳng mức dưới đây.
(Lhq) = f(MgO, Al2O3, CaF2 , TiO2) (3.5) Khi biểu diễn các đường đặc tính dạng 2D, giá trị các biến còn lại được giữ cố định ở mức cơ sở.
Hình 3.2 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng MgO
Qua đồ thị 2D hình 3.2 ta thấy khi hàm lượng MgO trong thành phần mẻ liệu
thuốc hàn tăng lên (khoảng từ 20 ÷ 28%) thì chiều dài hồ quang tới hạn tăng (khoảng từ 16,1÷18,7 mm) do đó tính ổn định của hồ quang tăng. Qua mức 28÷30% MgO thì chiều dài hồ quang tới hạn có xu hướng giảm xuống nhưng khơng đáng kể, tính ổn định của hồ quang giảm. Điều này cũng phù hợp với lý thuyết về ảnh hưởng của hàm lượng chất MgO trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn tới sự ổn định của hồ quang.
b) Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng Al2O3:
Hình 3.3 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng Al2O3
Qua đồ thị 2D hình 3.3 ta thấy với hàm lượng Al2O3 tăng (khoảng từ
15÷19%) thì chiều dài hồ quang tới hạn tăng khơng đáng kể (khoảng từ 18,4÷18,6 mm). Qua mức 19÷25 % Al2O3 thì chiều dài hồ quang tới hạn giảm khá mạnh (khoảng từ 18,6÷18,2 mm), tính ổn định của hồ quang giảm. Điều này cũng phù hợp với lý thuyết về ảnh hưởng của hàm lượng chất Al2O3 trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn tới sự ổn định của hồ quang.
c) Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng CaF2:
Qua đồ thị 2D hình 3.4 ta thấy chiều dài hồ quang tới hạn giảm đáng kể
(khoảng từ 19,8÷18,0 mm) khi tăng hàm lượng CaF2 trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn trong khoảng 10÷20% (giảm mạnh nhất ở 16,5% CaF2). Tính ổn định của hồ quang giảm. Điều này cũng phù hợp với lý thuyết về ảnh hưởng của hàm lượng chất CaF2 trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn tới sự ổn định của hồ quang.
d) Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng TiO2:
Hình 3.5 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng TiO2
Qua đồ thị 2D hình 3.5 ta thấy chiều dài hồ quang tới hạn giảm khi tăng hàm
lượng TiO2 từ khoảng 16÷22% trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn.
e) Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào % MgO, Al2O3, CaF2, TiO2
Hình 3.6 Sự phụ thuộc của Lhq vào % MgO, Al2O3, CaF2, với TiO2= 17%
Hình 3.8 Sự phụ thuộc của Lhq vào % MgO, Al2O3, TiO2 với CaF2= 15%
Hình 3.9 Sự phụ thuộc của Lhq vào % Al2O3, CaF2, TiO2 với MgO = 25%
Tóm lại:
Qua các kết quả thu được từ các phương trình hồi qui và các đường đặc trưng biểu diễn quan hệ ảnh hưởng của các chất tạo xỉ chủ yếu đến tính ổn định hồ quang thơng qua chiều dài hồ quang tới hạn, cho phép rút ra những kết luận quan trọng sau đây:
- Mức độ tương thích của các phương trình hồi qui tương đối cao, với các hệ số tương quan R2 = 0,731.
- Các đường đặc trưng biểu diễn sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang tới hạn vào hàm lượng các chất: MgO, Al2O3, CaF2 và TiO2 trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình là rất rõ ràng thơng qua các biểu đồ dạng 2D.
- Đặc tính của các biểu đồ phù hợp với lý thuyết, đã phản ánh các tính chất vật lý và mức độ hoạt tính hóa học của thuốc hàn – xỉ hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình (B ≈ 1,6) ảnh hưởng đến chiều dài hồ quang tới hạn thông qua các chất thuộc nhóm tạo xỉ của thuốc hàn.
- Các kết quả nghiên cứu trên đây là cơ sở để xác định hàm lượng các chất MgO, Al2O3, CaF2, TiO2 đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK đảm bảo tính ổn định của hồ quang.
3.2 Nghiên cứu nhóm chất khử và hợp kim hóa kim loại mối hàn 3.2.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm 3.2.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm
a) Xây dựng kế hoạch thực nghiệm
Sau khi chọn được giá trị và khoảng biến thiên của Fe-Mn, Fe-Si ta có:
Bảng 3.3 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố
Các biến số
Biến thực Biến mã hoá
Fe - Mn,% Z1 Fe - Si,% Z2 X1 X2 Mức trên (Ximax = +1) 8 6 +1 +1 Mức cơ sở (Xi = 0) 6 4 0 0 Mức dưới (Ximin = –1) 4 2 –1 –1
Khoảng biến thiên ΔZi 2 2
b) Tiến hành thí nghiệm và kết quả
Kế hoạch thực nghiệm trực giao 2 mức tối ưu với số thí nghiệm lặp của mỗi thí nghiệm là 3. Số thí nghiệm với bài tốn 2 biến số là 11. Các kết quả thực nghiệm của các chỉ tiêu sau khi xử lý loại bỏ những số liệu chứa sai số thô, giá trị trung bình của các thí nghiệm được dẫn ra bảng dưới đây:
Bảng 3.4 Kế hoạch và số liệu thực nghiệm thành phần hóa học kim loại mối hàn
khi dùng thuốc hàn F7A4-BK
№ thí nghiệm
Giá trị các biến thực,% Giá trị các biến mã hóa Giá trị các hàm mục tiêu,%