Dụng cụ đo chiều dài hồ quang tới hạn: Thước cặp. Hình 2.12 Thước cặp Các thông số kỹ thuật: - Hãng sản xuất:Mitutoyo– Nhật Bản - Phạm vi đo: 0 ÷ 150 mm. - Khoảng cách chia: 0.02 mm - Cấp chính xác: 0,03 mm - Vật liệu: thép không gỉ
2.2.4 Nghiên cứu sự dịch chuyển của Mn và Si vào kim loại mối hàn
a) Sơ đồ nghiên cứu
Để đảm bảo chỉ tiêu quan trọng nhất là cơ tính kim loại mối hàn, cần nghiên cứu
tiêu chí quan trọng là thành phần hoá học của kim loại mối hàn. Đối với thép cacbon thấp thường quan tâm hàng đầu đến hàm lượng các nguyên tố hợp kim Mn và Si. Hai nguyên tố này được hợp kim hóa bằng các Ferơ hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) từ mẻ liệu thuốc hàn [1, 14, 15, 59, 60, 61, 62].
Hình 2.13 Sơ đồ nghiên cứu thành phần hóa học kim loại mối hàn
1. Thành phần mẻ liệu thuốc hàn 2. Dây hàn (thép EM12K)
Thuốc hàn & dây hàn
Các hàm mục tiêu
Thành phần hoá học
Cơ tính kim loại mối hàn % C , Mn, S i, S , P Đ ộ bề n ch , k , đ ộ dã n dà i, độ da i va đ ậ p,
b) Ảnh hưởng của Mn và Si trong thuốc hàn đến chất lượng kim loại mối hàn
Mn, Si trong vai trị chất khử
Những tạp chất có hại chủ yếu khi hàn thép cacbon:
Các tạp chất có hại xâm nhập vào vùng hàn và làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng kim loại mối hàn. Khi hàn thép cacbon các tạp chất có hại chủ yếu như sau:
- Oxi (O2) trong thép thường ở dạng oxit làm giảm cơ tính (tăng tính dịn, giảm tính dẻo và độ dai va đập) và làm xấu tính hàn của thép.
- Nitơ (N2) trong thép tạo hợp chất nitrit, làm tăng tính cứng dịn và độ cứng, làm giảm tính dẻo và sinh rỗ khí.
- Hiđrơ (H2) là tạp chất có hại, sinh ra trong vùng hàn, trong quá trình kết tinh, khơng thốt kịp tăng tính dịn, giảm tính dẻo và độ dai va đập kim loại mối hàn và VAHN, làm xấu tính hàn của thép và là nguyên nhân chủ yếu gây nên nứt nguội (nứt chậm) khi hàn. Ảnh hưởng của hiđrô sẽ được nghiên cứu riêng.
- Lưu huỳnh (S): nó thường gây hiện tượng bở nóng, nứt nóng, tăng tính dịn kim loại mối hàn, làm ảnh hưởng nghiệm trọng đến chất lượng mối hàn.
- Photpho (P) thường gây hiện tượng giòn nguội, nứt nguội. Đó là những tạp chất có hại trong thép, cần khống chế hàm lượng của P không vượt quá giới hạn cho phép.
Những biện pháp có bản khử tạp chất có hại khi hàn thép cacbon: Khử ôxi (O2):
- Nguồn gốc ôxi trong vùng hàn từ những nguồn chủ yếu sau: + Môi trường khí quyển.
+ Sản phẩm phân hủy của các khống chất chứa gốc –CO3: Đá vôi (CaCO3), đôlômit (CaCO3. MgCO3)…
+ Các hợp chất hữu cơ: tinh bột, xenlulô (bột tre, bột gỗ)…
Ở điều kiện hàn các chất trên sẽ phân hủy tạo ra khí CO2 bảo vệ vùng hàn và cũng phân hủy ra ơxi theo phản ứng điển hình sau:
CaCO3 CaO + CO2 (2.11) CO2 CO + 1/2 O2
- Các biện pháp khử cơ bản như sau:
Nguyên tắc khử oxi là sử dụng những nguyên tố có ái lực hóa học mạnh liên kết với oxi thành các oxit và chuyển vào xỉ hàn. Phản ứng điển hình có dạng sau:
nMe +O2 mMen/mO2/m + Q (2.12) Ví dụ:
Δ
Δ
Ti + O2 = TiO2 + Q 2Mn + O2 = 2MnO + Q 4Al + 3O2 = 2Al2O3 + Q
Khử lưu huỳnh (S): thường dùng các ôxit MnO, CaO và MgO, hoặc CaF2. - Khi hàn dưới lớp thuốc hoặc hàn hồ quang tay dùng que hàn có thuốc bọc hệ mangan hoặc có Mn trong vật liệu hàn (dây hàn, lõi que, thuốc hàn, ...), sẽ diễn ra phản ứng sau đây và nó có ý nghĩa rất quan trọng:
[FeS] + (MnO) → (MnS) + [FeO] (2.13) MnS tạo thành ít hồ tan trong sắt và nhiệt độ nóng chảy của nó là 1883oC sẽ chuyển vào xỉ.
Để phòng ngừa nứt nóng, hàm lượng mangan tối thiểu trong kim loại mối hàn phải thoả mãn tỉ số sau đây [29]: [Mn]/[S] ≥ 10,3÷11,5 (2.14) Trong đó: [Mn] – là hàm lượng của nó trong dây hàn và trong vật hàn.
Hình 2.14 Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit mangan trong thuốc hàn đến hàm lượng gia
tăng của S trong kim loại mối hàn
- Khi dùng thuốc hàn hoặc thuốc bọc có hàm lượng MnO thấp hoặc khơng có MnO, sẽ xảy ra các phản ứng sau đây:
[FeS] + (CaO) → (CaS) + [FeO];
[FeS] + (MgO) → (MgS) + [FeO] (2.15) Các sunfua canxi và magiê cũng khơng hồ tan trong kim loại và sẽ chuyển vào xỉ. Như vậy tăng tính bazơ của thuốc hàn sẽ tăng khả năng khử S.
- Trong thuốc – xỉ hàn không chứa ôxi, hệ fluorit: sẽ tạo các fluorit dễ bay hơi (FeF2, FeF3) theo phản ứng sau:
(CaF2) + [FeS] → (CaS) + FeF2 ↑ (2.16)
Hình 2.15 Hàm lượng S trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ của thuốc hàn
[S],% 0,001 0 -0,001 0 10 20 (MnO) % 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 B [S]bd [S],% 0,005 0,010 0,015 0,020
Δ
Như vậy lưu huỳnh được khử dễ dàng bởi xỉ hàn bazơ và khi hàm lượng tối
thiểu của Mn trong kim loại mối hàn là 0,6 ÷ 0,8% sẽ đảm bảo khử S và làm giảm khả năng xuất hiện nứt nóng khi hàn thép cacbon thấp.
Khử phốt pho (P):
Khi thực hiện khử P cần điều kiện và nguyên tắc khử như sau:
- Khi trong xỉ hàn có loại ơxit mang tính ơxi hố. Đây có thể được coi như điều kiện cần để khử P. Giả sử P nằm trong kim loại ở dạng Fe2P có thể bị ơxi hố bởi ơxit ơxi hố (FeO) theo phản ứng sau:
2 [Fe2P] + 5(FeO) → P2O5 + 9 [Fe] (2.17) - Sau đó ơxit phơtphorit sẽ được liên kết bởi các ôxyt bazơ tạo thành phức chất đi vào xỉ hàn theo phản ứng sau:
P2O5 + (CaO) → Ca(PO3)2 (Mêta phôtphat);
hoặc P2O5 + 3 (CaO) → Ca3(PO4)2 (Orto phôtphat). (2.18)
Hình 2.16 Hàm lượng P trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ của thuốc hàn
Trong đó: 1– (P)th = 0,03%;
2– (P)th = 0,05% Như vậy:
+ Các thuốc – xỉ hàn có ơxit ơxi hố (FeO) và mang tính bazơ (loại có chứa CaO) cho phép khử P, làm giảm hàm lượng của nó trong kim loại mối hàn và tăng tính chống nứt nóng và nứt nguội.
+ Mức độ tăng tính bazơ và tăng lượng FeO của thuốc – xỉ hàn tác dụng khử P tăng không đáng kể, đây là điểm khác biệt so với việc khử lưu huỳnh.
+ Tác dụng khử của Mn và Si đối với S và P có khác nhau. Hiệu quả khử P khơng đáng kể.
Mn, Si trong vai trị hợp kim hóa
Hàm lượng các nguyên tố hợp kim trong kim loại mối hàn ảnh hưởng trực tiếp tới chỉ tiêu cơ tính và kỹ thuật của kim loại mối hàn như sau [3, 14, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82]: B 0,030 0,025 0,020 0,015 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0,010 [p] 2 1
- Cacbon (C): là nguyên tố quan trọng nhất của thép,nó ảnh hưởng mạnh nhất và trực tiếp nhất đến các chỉ tiêu cơ tính (độ bền, tính dẻo, độ dai, độ cứng), đặc tính nhiệt luyện (tính tơi, ủ,…) và những đặc tính kỹ thuật khác. Lượng C ≈ 0,20% khơng làm xấu tính hàn của thép. Hàm lượng C càng cao, tính hàn càng giảm vì nó có thể tạo ra nứt, rỗ. Vì vậy, việc sử dụng dây hàn có hàm lượng C > 0,20% là khơng có lợi.
- Mangan (Mn): thơng thường hàm lượng Mn trong dây hàn là (0,3÷0,8)% thì khơng ảnh hưởng đến tính hàn, trong một số dây hàn đặc biệt hàm lượng của nó có thể (1,8÷2,5)%. Trong trường hợp này Mn làm tăng khả năng tôi của thép nhưng có khả năng tạo vết nứt. Với thép hợp kim có hám lượng Mn cao tới 11%÷16% trong q trình hàn nóng chảy mạnh, bởi vậy cần phải có phương pháp bảo vệ đặc biệt.
- Silic (Si): trong hàn thép C, thường hàm lượng Si là (0,02÷0,03)%, cịn trong dây hàn thép đặc biệt có thể đạt (0,8÷1,5)%. Si làm giảm tính hàn, nó làm tăng tính nóng chảy của kim loại, dễ oxy hóa, oxit khó nóng chảy vào xỉ. Vì vậy, hàm lượng Si trong dây hàn không nên quá 0,8%.
Tổ chức tế vi của kim loại lớp đắp có vai trị rất quan trọng, ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kỹ thuật của lớp đắp.
c) Xác định sơ bộ hàm lượng fero Mn và fero Si đưa vào thành phần
mẻ liệu thuốc hàn:
Số liệu tính tốn sơ bộ ở mức cơ sở các Fe-Mn và Fe-Si như sau:
+ Fe-Mn: (6%) loại 80% Mn. + Fe-Si: (4%) loại 45% Si.
Bảng 2.12 Thành phần sơ bộ mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK
Thuốc hàn
Hàm lượng các chất trong mẻ liệu thuốc hàn, %
CaO + MgO Al2O3 + MnO CaF2 TiO2 + SiO2 Bột talk Trường thạch Cao lanh Fe- Mn Fe- Si F7A4-BK 20÷24 22÷24 8÷12 28÷32 - - - 6 4
Các chất còn lại được giữ cố định khoảng 8%. d) Mơ tả phương pháp thí nghiệm
Vật liệu mẫu hàn và dây hàn:
Vật liệu mẫu hàn sử dụng thép có mác SM 400B – thép kết cấu hàn theo JIS G3106 -1998 và dây hàn có đường kính dây hàn là 4.0 mm như phần nghiên cứu tính cơng nghệ hàn.
Thành phần hóa học kim loại mối hàn được kiểm tra theo tiêu chuẩn ANSI/AWS B4.0. Kích thước mẫu hàn 100x300, có chiều dày là 25mm. Mẫu được hàn 4 lớp.
Trong khuôn khổ của luận án, tác giả nghiên cứu ở vị trí mối hàn điển hình 1G, chọn chế độ hàn được tính tốn sơ bộ ở vị trí hàn bằng và tham khảo giá trị các thơng số chế độ hàn được chọn theo kết quả nghiên cứu của tài liệu tham khảo [3] với chuyên đề “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến sự hình thành mối hàn và lượng thuốc nóng chảy khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ”.
Hình 2.17 Kích thước mẫu thử phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn
Quy trình chuẩn bị mẫu:
Hình 2.18 Hàn mẫu để phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn
- Mẫu hàn:
Tiến hành hàn mẫu theo các thông số chế độ hàn đã nêu ở trên và nhiệt độ
giữa các đường hàn (the inter pass temperature) được duy trì khoảng 1500C -160°C. - Cắt mẫu:
Các phôi mẫu sau khi hàn xong xác định vị trí cần cắt để tiến hành phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn.
e) Phương pháp phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn
Để xác định thành phần hóa học kim loại mối hàn có thể dùng nhiều phương pháp như: phân tích bằng quang phổ, phân tích hóa học,… Ở đây chọn phương pháp
quang phổ, thiết bị phân tích thành phần %Mn và %Si trong mối hàn có dạng như hình dưới đây:
Hình 2.19 Máy phân tích quang phổ
Máy quang phổ phát xạ phân tích thành phần hóa học của vật liệu: PDA-
5500S - Shimadzu - Nhật Bản Đặc tính kỹ thuật:
Hệ thống quang phổ PDA-5500S - Hệ thống phân tán: Paschen-Runge - Đường kính uốn cong: 600mm
- Dải bước sóng: 121 - 481 nm và 589 nm - Có 2400 rãnh/mm
- Độ tán sắc thuận nghịch: 0.69 nm/mm
- Hệ thống chân không: Sử dụng bơm chân không, áp suất tới hạn: 2 Pa - Nền: chỉ có nền Fe
Bộ kích thích:
- Điện áp: có thể lựa chọn 300V hoặc 500 V
- Tần số phóng điện: tự động thiết lập một trong ba tần số, lớn nhất 500 Hz - Độ chính xác điện áp: Điện áp chuẩn ± 1%
- Điều kiện phóng điện: có 6 loại - Làm sạch điện cực
- Bộ phát xạ: trong điều kiện khí Argon
Hệ thống đọc dữ liệu:
- Số lượng kênh có thể đo: lớn nhất 24 kênh
- Phương pháp đo: Đơn xung tích hợp với phương pháp trắc quang PDA
Hệ thống xử lý dữ liệu - Windows Kit
Khả năng phân tích: Dải phân tích được thể hiện theo bảng Analytical Program Sheet.
f) Mơ hình nghiên cứu sự dịch chuyển của Mn và Si vào kim loại mối hàn
Trong nội dung nghiên cứu này chọn hàm lượng các nguyên tố hợp kim Mn và Si trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng các fero hợp kim Fe – Si, Fe – Mn trong mẻ liệu thuốc hàn được mô tả như sau:
% Mn, %Si = f (%Fe-Mn, %Fe-Si) (2.19) Thành phần hóa học kim loại mối hàn là yếu tố quan trọng nhất sẽ quyết định đến chỉ tiêu cơ tính và các đặc tính kỹ thuật của kim loại mối hàn.
Nội dung của bước này sẽ thực hiện các nhiệm vụ dưới đây:
- Trên cơ sở thành phần thuốc hàn có nền tạo xỉ đã xác định ở bước 1.
- Xây dựng các phương trình hồi quy phản ánh mức độ dịch chuyển của Mn và Si từ thuốc hàn vào kim loại mối hàn.
- Xác định tỷ lệ Fe-Mn, Fe-Si cần đưa vào mẻ liệu thuốc hàn đảm bảo thành phần hoá học của kim loại mối hàn yêu cầu.
Sau khi đã xác định được hàm lượng các Ferô hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) phù hợp, sẽ kiểm tra cơ tính kim loại mối hàn.
Để xác định hiệu quả hợp kim hóa kim loại mối hàn bằng cách thay đổi hàm lượng các fero hợp kim Fe-Si, Fe-Mn trong mẻ liệu thuốc hàn và phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn theo các phương án thí nghiệm.
Ví dụ: trong trường hợp của chúng ta với k = 2, sẽ có bảng biến thiên như sau:
Bảng 2.13 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào
Các biến số Biến thực Biến mã hố (khơng thứ ngun)
Z1 Z2 X1 X2
Mức trên (Ximax = +1) Z1 max Z2 max +1 +1
Mức cơ sở (Xi0 = 0) Z10 Z20 0 0
Mức dưới (Ximin = –1) Z1 min Z2 min –1 –1
Khoảng biến thiên ΔZi ΔZ1 ΔZ2
Lập kế hoạch thực nghiệm tương ứng với lại mơ hình dự tính:
Để ma trận kế hoạch trực giao, giá trị của cánh tay địn đã được tính trước phụ thuộc vào số lượng biến độc lập.
Ví dụ: Với số biến độc lập k = 3, giá trị cánh tay đòn α = 1,215. Với số biến độc lập k = 2, giá trị cánh tay đòn α = 1,0
Ma trận kế hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao với số lượng thí nghiệm lặp ở tâm quy hoạch n0 = 3, khi đó kế hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao 2 mức tối ưu với k = 2 .
Xây dựng phương trình hồi quy:
Việc xây dựng phương trình hồi quy, thực chất là xác định các hệ số của hàm mục tiêu (các phương trình hồi quy) thường dùng phương pháp bình phương nhỏ nhất (PPBPNN).
Xác định hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si hợp lý:
- 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:
a1 ≤ Fe-Mn ≤ b1 ; (2.20)
a2 ≤ Fe-Si ≤ b2 ;
+ Các ràng buộc ẩn: đối với cặp thuốc hàn – dây hàn (F7A(P)X– EXXX, 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 ≈ Mntb ; Si ≈ Sitb
- Xác định giá trị các biến (Fe-Mn, Fe-Si) thỏa mãn các điều kiện của hàm mục tiêu như sau: Mnmin ≤ Mn ≤ Mnmax (2.21)
Simin ≤ Si ≤ Simax
Kết quả thử cơ tính kim loại mối hàn khi hàn bằng thuốc hàn được chế tạo với hàm lượng các fero Mn và Si như bảng trên và tiến hành hàn với dây hàn EXXX trên mẫu theo tiêu chuẩn đã nêu ở trên.
2.2.5 Nghiên cứu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn
a) Sơ đồ nghiên cứu hàm lượng hiđrô
Hàm lượng hiđrô trong mối hàn ảnh hưởng chủ yếu đến chỉ tiêu về độ dai va đập và độ giãn dài tương đối của mối hàn. Tùy thuộc yêu cầu về độ dai va đập và điều kiện làm việc của kết cấu mà lựa chọn hàm lượng hiđrơ thích hợp với mức độ yêu cầu (rất thấp, trung bình,...) theo tiêu chuẩn [1, 2, 14, 15, 85, 86].
Sơ đồ nghiên cứu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn như sau:
Hình 2.20 Sơ đồ nghiên cứu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn
1-Thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7AX 2- Dây hàn 3-Chế độ thiêu kết Hàm mục tiêu