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
5 1 - 1,662 0,364 - -
4.1.3 Xác định hàm lượng huỳnh thạch và các thông số chế độ thiêu
kết cho thuốc hàn F7A4–BK
Phương trình hồi quy biểu diễn sự phụ thuộc của lượng hiđrô trong mối hàn và VAHN vào huỳnh thạch và các thông số sấy thiêu kết có dạng như sau:
H2 = Y1 = 4,192 – 0,307X1 – 2,844X2 – 0,2302X3 + 0,011X1X3 – 0,102X2X3 + 0,717X12 + 1,477X22 + 0,063X32
Xác định hàm lượng huỳnh thạch và các thông số chế độ thiêu kết chế tạo thuốc hàn F7A4-BK:
Trong các bài toán 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.
- Các ràng buộc:
+ Các ràng buộc tường minh (các giới hạn biên) của các biến số: 6 % ≤ X1 = CaF2 ≤ 14 % ;
500 °C ≤ X2 ≤ 700 °C; (4.7) 40ph ≤ X3 ≤ 80ph.
+ Các ràng buộc ẩn: đối với cặp thuốc hàn – dây hàn (F7A4 – EM12K). Trong trường hợp này hàm mục tiêu chính là hàm lượng hiđrơ trong mối hàn, tuy nhiên 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 yêu 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 ≤ H4 (4.8) - Xác định giá trị các biến số thỏa mãn các điều kiện của hàm mục tiêu như sau:
Trong trường hợp này nguyên tắc tối ưu là vừa đảm bảo tính kỹ thuật (hàm lượng hiđrô thấp H4, tức là %H ≤ 4 cm3/100g) và tính kinh tế :
10 % ≤ X1 = CaF2 ≤ 20 % ;
550 °C ≤ X2 ≤ 850 °C; (4.9) 60ph ≤ X3 ≤ 120ph .
Và hàm mục tiêu chọn thỏa mãn loại yêu cầu hàm lượng hiđrô H4:
Y = %H ≤ 4 cm3/100g (4.10) Kết quả:
Giải bằng phần mềm tối ưu chuyên dụng với các ràng buộc có điều kiện, ta xác định được các giá trị các biến số và hàm mục tiêu như dưới đây.
Bảng 4.8 Các số liệu của biến đầu vào và các giới hạn của các hàm mục tiêu
CaF2 Free 10 20
Ts Free 550 850
t Free 60 120
H2 Target 1 2 3.5 4
CaF2 Ts t H2 iter log(D)
17.1297 755.557 70.4445 3.3304 23 -1.8931 10 850 60 3.9117 0 -1.5668 11.7408 755.557 102.778 3.3685 23 -2.1146 15.2086 836.251 76.7501 3.0362 23 -1.0195 15 700 90 4.1924 0 -1.1152 10 850 60 3.9117 0 -1.5668 20 850 60 3.1638 0 -1.2989 10 850 120 3.0227 0 -0.9946
Hàm lượng huỳnh thạch đưa vào mẻ liệu thuốc hàn và chế độ sấy thiêu kết kết
Bảng 4.9 Hàm lượng huỳnh thạch đưa vào mẻ liệu thuốc hàn và chế độ sấy thiêu kết với
yêu cầu hàm lượng hiđrô H4
Hàm lượng huỳnh thạch, (%), X1
Nhiệt độ sấy, (°C), X2
Thời gian sấy thiêu kết, (phút), X3
Hàm lượng hiđrô trong mối hàn, cm3/100g
11,7 755 103 3,36
Kết quả thử nghiệm với các giá trị của các yếu tố như bảng trên và tiến hành hàn
với dây EM12K trên mẫu theo tiêu chuẩn đã nêu ở trên cho kết quả như dưới đây:
Bảng 4.10 Hàm lượng huỳnh thạch đưa vào mẻ liệu thuốc hàn và chế độ sấy thiêu kết và
hàm lượng hiđrô theo thử nghiệm kiểm tra
Hàm lượng huỳnh thạch, (%) X1
Nhiệt độ sấy, (°C), X2
Thời gian sấy thiêu kết, (phút), X3
Hàm lượng hiđrô trong mối hàn, cm3/100g
12 755 103 3,42
Kết quả kiểm tra đo hàm lượng hiđrô mối hàn và VAHN khác so với giá trị tính tốn dưới 10% và nằm trong phạm vi cho phép với loại thuốc hàn F7A4.
Giải bài toán tối ưu với các điều kiện ràng buộc theo các môđun nêu trên nhận được kết quả tỷ lệ thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK như sau:
Bảng 4.11 Thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK
Thành phần mẻ liệu thuốc hàn tối ưu, %
MgO Al2O3 CaF2 TiO2 Fe-Mn Fe-Si Còn lại
24,9 23,6 12 19,5 5 1 14,0
Các chất cịn lại gồm: bột đá vơi (CaCO3), trường thạch, cao lanh và khoảng 12 ÷ 14g nước thủy tinh kali khơ cho 100g mẻ liệu.
Kết quả thử nghiệm thuốc hàn với thành phần nghiên cứu được với chế độ sấy thiêu như trên cho hồ quang cháy ổn định, hình thành mối hàn tốt, chất lượng bề mặt mối hàn đều đẹp, xỉ hàn tự bong như dưới đây:
Hình 4.2 Chất lượng bề mặt mối hàn khi hàn bằng thuốc hàn với thành phần tối ưu
Đánh giá tình cơng nghệ hàn của thuốc hàn với thành phần nghiên cứu được có tham khảo cách đánh giá của các tài liệu [14, 94].
4.2 Kiểm tra thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn
4.2.1 Kiểm tra thành phần hóa học kim loại mối hàn
Kết quả thử phân tích thành phần hóa học 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 EM12K trên mẫu theo tiêu chuẩn ANSI/AWS B4.0, Standard Methods
for Mechanical Testing of Welds như sau:
Bảng 4.12 Thành phần hoá học kim loại mối hàn dùng thuốc hàn F7A4-BK với
dây hàn EM12K
Giá trị các biến thực, % Thành phần hóa học kim loại mối hàn, %
Fe-Mn Fe-Si C Mn Si S P
5 1 0,0694 1,567 0,401 0,0062 0,0244
Các số liệu thử nghiệm thành phần hóa học cho thấy:
- Hàm lượng Mn thấp hơn giá trị tính tốn theo phương trình hồi qui khoảng 5% (cụ thể là 5,71%);
- Hàm lượng Si cao hơn giá trị tính tốn dưới 10% (cụ thể là 9,2%); - Hàm lượng các nguyên tố cacbon trong phạm vi cho phép.
- Hàm lượng các nguyên tố tạp chất có hại như S và P thấp đạt yêu cầu. Như vậy kết quả tính tốn theo phương trình hồi qui và kết quả phân tích khá trùng khớp nhau, mức độ sai số thấp. Hơn nữa hàm lượng Fe-Si được lấy ở cận dưới của giá trị biên, mà độ chính xác có thể chấp nhận được còn giá trị Fe-Mn nằm gần vùng trung tâm nên giá trị chính xác hơn.
Các kết quả nhận được đáp ứng tốt yêu cầu đề ra.
4.2.2 Kiểm tra các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn
Thuốc hàn được chế tạo với hàm lượng các fero Mn và Si như bảng trên và
tiến hành hàn với dây EM12K trên mẫu theo tiêu chuẩn ANSI/AWS B4.0, Standard
Hình 4.3 Mẫu đã hàn xong chuẩn bị gia công mẫu thử cơ tính kim loại mối hàn
Hình 4.4 Mẫu sau khi thử kéo kim loại mối hàn
Hình 4.5 Các mẫu sau khi thử độ dai va đập kim loại mối hàn
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 EM12K trên mẫu theo tiêu chuẩn đã nêu ở trên như sau:
Bảng 4.13 Kết quả kiểm tra cơ tính mối hàn thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K
Mẫu thử Tiết diện
(mm2) Giới hạn chảy (MPa) Giới hạn bền (MPa) Độ giãn dài (%) F7A4-BK- EM12K 174.835 417.538 497.316 34.286
Bảng 4.14 Kết quả kiểm tra độ dai va đập mối hàn thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn
EM12K
STT Tên mẫu Nhiệt độ thử, (oC) Công va đập, (J)
1 Mẫu F44-1 -40oC 198
2 Mẫu F44-2 -40oC 92
3 Mẫu F44-3 -40oC 203
Các kết quả thử cơ tính kim loại mối hàn dùng F7A4-BK có hàm lượng Mn và
Si nghiên cứu được kết hợp với dây hàn EM12K cho kim loại mối hàn đáp ứng tốt yêu cầu đề ra, đặc biệt độ dai va đập cao hơn giá trị yêu cầu tối thiểu rất nhiều.
Kết luận chương 4:
Từ các phương trình hồi quy đã được xây dựng ở 3 nhóm chỉ tiêu, theo sơ đồ thuật toán tối ưu đã tiến hành xác định hàm lượng tối ưu của các chất trong từng nhóm cho các kết quả dưới đây:
- Xác định hàm lượng tối ưu của các chất tạo xỉ chủ yếu trong mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK, đảm bảo chiều dài hồ quang tới hạn và tính cơng nghệ hàn.
- Trên cơ sở quy luật dịch chuyển của Mn và Si từ các ferô Fe-Mn và Fe-Si trong mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK vào kim loại mối hàn và yêu cầu thành phần hóa học kim loại mối hàn theo hàm lượng Mn và Si đã tìm được tỷ lệ Fe-Mn và fe-Si cần thiết đưa vào mẻ liệu thuộc hàn một cách hợp lý.
- Xác định được hàm lượng huỳnh thạch cần đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK và các thông số chế độ thiêu kết thuốc hàn tối ưu đảm bảo lượng hiđrô trong mối hàn yêu cầu nhỏ hơn 4 cm3/100g kim loại đắp.
- Các kết quả kiểm tra về tính cơng nghệ hàn, thành phần hóa học và các chỉ
tiêu cơ tính kim loại mối hàn sử dụng F7A4-BK với thành phần nghiên cứu được kết hợp với dây hàn EM12K đều đáp ứng tốt yêu cầu đề ra.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận:
Luận án đã nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình F7A4-BK theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80. Kết quả nghiên cứu cho phép rút ra các điểm chủ yếu sau đây:
- Lựa chọn được nền tạo xỉ hợp lý, sử dụng nhiều nguyên liệu trong nước, cụ thể đã chọn nền tạo xỉ dưới đây:
MgO – Al2O3 – CaF2 – TiO2
Với tỷ lệ các nhóm chất tìm được giá trị chỉ số bazơ trong phạm vi hệ bazơ trung bình, đáp ứng yêu cầu.
- Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm xây dựng được phương trình hồi qui phản ánh sự ảnh hưởng của các chất tạo xỉ chủ yếu của mẻ liệu thuốc hàn (MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) đến các đặc tính công 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 thông 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 đề xuất được sơ đồ thuật toán tối ưu thành phần mẻ liệu thuốc hàn theo các mơ đun cho phép giảm số lượng thí nghiệm và chi phí thí nghiệm. Trên cơ sở 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.
- Thành phần mẻ liệu thuốc hàn với tỷ lệ các chất tối ưu cùng với các chất còn