Trong số những chỉ tiêu cơ bản ở sơ đồ nghiên cứu tổng quát thuốc hàn, có những chỉ tiêu đan xen nhau và có nội dung mang tính độc lập tương đối. Để nghiên cứu đạt được các chỉ tiêu trên cần chia ra một số nhóm dưới đây:
1. Thành phần mẻ liệu thuốc 2. Dây hàn
Thuốc hàn & dây hàn
Các hàm mục tiêu Cơ tính kim loại mối hàn Đặc tính cơng nghệ hàn Hàm lượng hiđrơ Giá thành Thành phần hố học % C , Mn, S i, S , P Đ ộ bề n ch , k , đ ộ dãn dài, đ ộ da i va đ ập, đ ộ cứ ng C hi ề u dà i h ồ qua ng tớ i h ạ n
- Nhóm tính cơng nghệ hàn.
- Các chỉ tiêu cơ tính sẽ đạt được do nhóm thành phần hóa học kim loại mối hàn.
- Nhóm hàm lượng hiđrơ trong mối hàn và VAHN.
- Các chỉ tiêu còn lại sẽ được xét đến khi lựa chọn các giá trị tối ưu liên quan đến 3 nhóm chỉ tiêu chính nêu trên.
Ngồi ra, trong những trường hợp cụ thể có thể bổ sung các chỉ tiêu về những đặc tính kỹ thuật (làm việc) như tính chống mài mịn, tính chống ăn mịn, bền nhiệt,…. khi đó việc tính tốn mẻ liệu thuốc hàn cần phải xét đến các yếu tố này.
Như vậy cần nghiên cứu 3 tiêu chí cơ bản nêu trên. Trong mỗi tiêu chí này lại bao gồm một hoặc một số các tiêu chí riêng theo từng lĩnh vực. Tiêu chuẩn đánh giá các tiêu chí nêu trên sẽ được thực hiện theo các tiêu chuẩn quốc tế và các mẫu thuốc hàn chuẩn.
Công cụ nghiên cứu dựa vào Quy hoạch thực nghiệm để thiết lập mơ hình và xử lý số liệu. Việc xử lý số liệu sẽ sử dụng phần mềm chuyên dụng để đạt được các kết quả nhanh chóng và chính xác.
b) Các chỉ tiêu cơ bản của thuốc hàn
Các chỉ tiêu chung của thuốc hàn:
Thuốc hàn dùng trong hàn tự động, bán tự động dưới lớp thuốc kết hợp với dây hàn phải đạt được 5 chỉ tiêu chung cơ bản như sau:
- Đảm bảo về cơ tính của kim loại mối hàn: gồm độ bền chảy σc tối thiểu, độ bền kéo σk, độ giãn dài tương đối δ, độ dai va đập Ak, độ cứng.
Các chỉ tiêu cơ tính của kim loại mối hàn đối với mác thuốc hàn theo AWS A5.17-80 [1, 2] như bảng dưới đây:
Bảng 2.4 Các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn với cặp thuốc hàn – dây hàn
theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80
Thuốc hàn và dây hàn theo AWS A5.17-80 Độ bền kéo σk Độ bền chảy σc tối thiểu Độ giãn dài tương đối δ, (%) Độ dai va đập Ak tối thiểu theo Charpy V,
J ở nhiệt độ (oC) ksi MPa ksi MPa
F7A4-EM12K 70-95 480-660 58 400 22 27 (-40 oC)
Các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn được kiểm tra theo tiêu chuẩn ANSI/AWS B4.0, Standard Methods for Mechanical Testing of Welds.
- Đảm bảo thành phần hóa học cần thiết cho kim loại mối hàn: gồm hàm lượng các nguyên tố C, Mn, Si, S, P.
Các chỉ tiêu thành phần hóa học của kim loại mối hàn đối với mác thuốc hàn theo AWS A5.17-80 như bảng dưới đây:
Bảng 2.5 Các chỉ tiêu thành phần hóa học kim loại mối hàn với các cặp thuốc hàn
– dây hàn nghiên cứu theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80
Thuốc hàn và dây hàn theo AWS A5.17-80
Thành phần hóa học của kim loại mối hàn, %
C Si Mn P S Kim loại
cơ bản
Chiều dày (mm) F7A4-EM12K 0.07 0.35 1.40 0.012 0.010 SM 400 25
Ghi chú: SM 400 – thép cacbon kết cấu hàn theo JIS G3106 -1999 tương đương ASTM A573.
Chỉ tiêu thành phần hóa học kim loại mối hàn được kiểm tra theo tiêu chuẩn ANSI/AWS B4.0, Standard Methods for Mechanical Testing of Welds.
- Đảm bảo hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn và VAHN theo yêu cầu. Tùy thuộc yêu cầu đối với các cặp thuốc hàn – dây hàn cụ thể, hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào các chỉ tiêu về cơ tính, mà chủ yếu là chỉ tiêu về độ dai va đập và độ giãn dài tương đối của kim loại mối hàn mà lựa chọn hàm lượng hiđrơ thích hợp với mức độ u cầu (rất thấp, thấp, trung bình,…) theo tiêu chuẩn. Trong trường hợp này nguyên tắc tối ưu là vừa đảm bảo tính kỹ thuật và tính kinh tế:
Y = %H ≤ HX (2.6) - Đảm bảo đặc tính công nghệ hàn theo yêu cầu: chiều dài hồ quang tới hạn. - Giá thành sản phẩm hạ.
2.2.3 Nghiên cứu tính cơng nghệ hàn
a) Sơ đồ nghiên cứu
Hình 2.6 Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần mẻ liệu đến tính cơng nghệ hàn
Chiều dài hồ quang tới hạn 1. Thuốc hàn
2. Dây hàn (EM12K)
Hàm mục tiêu
1. Thành phần mẻ liệu thuốc hàn (CaO, MgO, Al2O3, CaF2, TiO2,…) 2. Dây hàn (EM12K)
b) Chỉ tiêu đặc tính cơng nghệ hàn
Trong số nhiều chỉ tiêu cơ bản ở sơ đồ nghiên cứu tổng quát, nội dung chung
rất lớn. Do vậy, nhiệm vụ nghiên cứu sẽ được thực hiện theo các giai đoạn (bước) cụ thể, giới hạn những nội dung nghiên cứu nhất định. Sau đó có kết quả sẽ chuyển qua các giai đoạn tiếp theo.
Nội dung nghiên cứu bước 1 có tính cơ sở và nền tảng là nghiên cứu ảnh hưởng của các chất tạo xỉ hàn (MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) đến các chỉ tiêu đặc tính cơng nghệ hàn của thuốc như: chiều dài hồ quang tới hạn và xác định được hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn khi hàn tự động với dây hàn nhất định và đường kính dây hàn có kích thước thơng dụng.
Để đạt được các mục tiêu này, trên cơ sở lựa chọn các chất chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn, với nền tạo xỉ đã được lựa chọn ở trên đáp ứng các tiêu chí về tính cơng nghệ hàn. Nội dung của bước này sẽ thực hiên các nhiệm vụ dưới đây:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các nhóm chất tạo xỉ chủ yếu đến tính cơng nghệ hàn của thuốc hàn.
- Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các chất tạo xỉ (MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) đến chiều dài hồ quang tới hạn.
- Xác định hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần mẻ liệu đảm bảo tính cơng nghệ hàn khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết với chỉ số hệ bazơ yêu cầu theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80.
Lựa chọn hàm mục tiêu và các biến đầu vào:
Trong nội dung nghiên cứu này tác giả chủ yếu nghiên cứu ảnh hưởng của các chất trong nhóm tạo xỉ đến đặc tính cơng nghệ của thuốc hàn là chiều dài hồ quang tới hạn:
yi = f (xi) (2.7) Cụ thể: (Lhq) = f(MgO, Al2O3, CaF2, TiO2)
Chọn chiều dày vật hàn điển hình, đường kính dây hàn và tầm với điện cực,
góc nghiêng điện cực,… giữ cố định. Trong đó:
Lhq – Chiều dài hồ quang tới hạn;
(MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) – Các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn.
c) Ảnh hưởng của các nhóm chất chủ yếu đến tính cơng nghệ hàn
Các chỉ tiêu cơng nghệ hàn
- Tính ổn định hồ quang hàn.
- Tạo dáng mối hàn và hình thành mối hàn gồm: chiều rộng mối hàn; chiều cao mối hàn; chiều sâu ngấu; hệ số hình dạng mối hàn.
- Hệ số hình dạng mối hàn và tính bong xỉ.
Ảnh hưởng của nhóm chất đến độ ổn định hồ quang hàn
Những nhóm chất ảnh hưởng đến độ ổn định hồ quang hàn là những chất chứa nguyên tố có điện thế ion hóa thấp, giúp cho việc gây hồ quang được dễ dàng và duy trì hồ quang cháy ổn định, điều này giúp cho việc hình thành mối hàn đẹp. Đó là những hợp chất chứa các nguyên tố thuộc các nhóm sau đây:
- Kim loại kiềm: K2O, Na2O từ nước thủy tinh kali (potas K2SiO3), nước thủy tinh natri (Soda Na2SiO3).
- Kim loại kiềm thổ: CaO, MgO,…từ các chất CaCO3, MgCO3, trừ CaF2 (chất làm giảm tính ổn định hồ quang).
Ngồi ra cịn có thể bổ sung các chất như: fenspat (trường thạch), bột mica là những hợp chất chứa K+, Na+.
Sự ổn định của hồ quang hàn thường được đánh giá thông qua chiều dài hồ quang đứt lđ của hồ quang (hay còn gọi là chiều dài hồ quang tới hạn). Đặc trưng ảnh hưởng của một số hợp chất phổ biến đến sự ổn định của hồ quang hàn được thể hiện trên hình dưới đây khi nghiên cứu hệ xỉ mangan cao [1, 14, 15].