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 hiđrơ 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 Hàm lượng Hiđrô trong mối hàn và VAHN Hàm lượng huỳnh thạch trong mẻ liệu thuốc hàn (CaF2) Chế độ sấy thiêu kết thuốc hàn: - Nhiệt độ thiêu kết. - Thời gian thiêu kết.
Việc xây dựng kế hoạch thực nghiệm và xác định hệ số phương trình hồi quy tuân theo các nội dung như bước 2.
yi = f (xi)
và cụ thể: y = % H2 = f (CaF2, TS, tS) (2.22) Trong trường hợp này nguyên tắc tối ưu là vừa đảm bảo tính kỹ thuật và tính kinh tế: Y = %H ≤ HX (2.23) Trong đó: hàm lượng hiđrô HX, tức là %H ≤ X cm3/100g.
Kết quả xử lý các số liệu thực nghiệm nhận được phương trình hồi qui mơ tả
sự phụ thuộc của hàm lượng hiđrô trong mối hàn và VAHN với thuốc hàn F7A(P)X, cho phép rút ra những kết luận khoa học cần thiết.
Đồng thời xác định được của hàm lượng huỳnh thạch và các thông số chế độ sấy thiêu kết đảm bảo hàm lượng hiđrô trong mối hàn và VAHN theo yêu cầu.
b) Ảnh hưởng của hiđrô trong mối hàn
Nguồn gốc hiđrô xâm nhập vào mối hàn
Nguồn gốc của hiđrơ rất đa dạng [1, 14], nó có thể xâm nhập vào vùng hàn ở dạng khơng khí, cũng có thể ở dạng sản phẩm phân ly của nước hoặc các hợp chất chứa hiđrô khác nhau:
- Từ khơng khí ẩm xung quanh;
- Từ vật hàn và vật liệu hàn:
+ Hơi ẩm tồn tại ở mép, bề mặt các tấm vật hàn; + Hiđrơ của nhiên liệu khí, khi hàn hơi;
+ Từ sự phân ly của các ôxit, hiđrat ngậm nước; + Trên bề mặt dây hàn.
- Từ trong thuốc hàn.
Ngoài các nguồn hiđrô xâm nhập vào môi trường hàn kể trên, trong vùng khơng gian kín và cách ly với mơi trường xung quanh cịn chứa hiđrơ và hơi nước sinh ra khi nóng chảy thuốc hàn, do đó hiđrơ hấp thụ vào kim loại. Theo các số liệu của Г. Л. ПЕТРОВ hàm lượng trung bình của hiđrơ trong kim loại đắp khi hàn tự động dưới lớp thuốc hoạt tính (OCЦ-45, AH-348) đối với thép cacbon thấp là 3,0 ÷ 5,0 cm3/100g.
Cơ chế ảnh hưởng của hiđrô
Hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn phụ thuộc khá nhiều vào phương pháp hàn và vật liệu hàn. Trên hình 2.24 cho thấy hàm lượng hiđrơ trong kim loại mối hàn gần như phụ thuộc tuyến tính với hàm lượng của nó trong thuốc hàn.
2 6 10 14 18 0 4 8 12 16 [H],cm³/100g (H)th,cm³/100g
Hình 2.21 Hàm lượng hiđrơ trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng của nó
trong thuốc hàn
Một số kim loại không tạo với hiđrơ những hợp chất hóa học – các hiđrit.
Tính hịa tan của hiđrơ trong những kim loại này tăng lên rõ rệt cùng với sự nâng cao nhiệt độ.
Ở nhiệt độ cao khi hàn, hiđrô phân tử bị phân hủy thành hiđrô nguyên tử, mà hiđrơ ngun tử rất linh động, nó hịa tan dễ dàng trong kim loại lỏng và cả trong kim loại rắn. Phản ứng hiđrô phân tử phân ly thành nguyên tử như sau:
H2 = 2 [ H ] (2.24) Do hiđrơ phân tử khơng hồ tan trong kim loại, sự tiết ra của nó từ kim loại kết tinh có thể là một trong những nguyên nhân chủ yếu làm xuất hiện và phát triển rỗ khí trong kim loại mối hàn.
Trong các phương pháp hàn nóng chảy nói chung và hàn tự động dưới lớp thuốc nói riêng, hiđrơ đều có mặt trong vùng phản ứng hàn, có thể gây ra nứt và làm ảnh hưởng đến tính hàn của thép. Khi nhiệt cao có thể dẫn tới nứt nóng và khi nguồn nhiệt quá thấp kết hợp với việc tăng hiđrơ có thể dẫn tới nứt nguội.
Ảnh hưởng của hiđrô trong kim loại mối hàn khi hàn tự động dưới lớp thuốc
Hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn là một chỉ tiêu rất quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của liên kết hàn.
Hiđrô tồn tại trong kim loại mối hàn gây ra những ảnh hưởng có hại đến kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt như sau:
- Giảm tính dẻo, tăng tính dịn của kim loại mối hàn và vùng gần mối hàn (vùng ảnh hưởng nhiệt), còn gọi là “hiện tượng dịn hiđrơ”, ví dụ khi hàn thép ferit – peclit, thép mactenxit hoá già độ bền cao, các hợp kim titan;
- Tăng tính rỗ trong kim loại mối hàn: Vì ở nhiệt độ trên 200oC hiđrơ tồn tại xen kẽ trong mạng tinh thể kim loại ở nguyên tử hiđrô, dưới 200oC hiđrô khuếch tán ra khỏi mạng tinh thể gây ra hiện tượng rỗ.
Hình 2.22 Phân bố của hiđrô trong thép
- Tăng tính nứt của kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt trong quá trình kết tinh của mối hàn. “Nứt là khuyết tật không cho phép đối với mối hàn”. Nứt nguội (cold crack) chủ yếu do hiđrô gây ra, thường gặp sau khi kết thúc hàn trong dải nhiệt độ thấp hơn 200-3000C. Các vết nứt nguội có thể xuất hiện ở kim loại mối hàn hoặc vùng ảnh hưởng nhiệt. Chúng có thể ở sâu bên trong hoặc phát triển ra bề mặt. Nứt nguội thường có độ mở nhỏ và ít phân nhánh hơn nứt nóng. Nguyên nhân gây ra nứt nguội chủ yếu do hàm lượng hiđrô khuyếch tán trong kim loại.
- Nguồn hiđrô này xuất phát chủ yếu từ sự phân ly trong hồ quang của thuốc hàn hoặc từ bề mặt vật hàn bị nhiễm bẩn, dầu mỡ và cả hơi nước trong khơng khí cũng đều là các nguồn gây hiđrô trong kim loại mối hàn.
- Thép ở trạng thái nóng chảy có khả năng hịa tan nhiều hiđrơ. Ngay sau khi kết tinh, tốc độ khuyếch tán của hiđrơ trong thép vẫn cịn cao. Nếu trong kim loại mối hàn có một lượng hiđrơ khuyếch tán đủ lớn thì dễ xảy ra nứt nguội. Ngồi ra, trong q trình nguội của kim loại hàn sinh ra ứng suất co ngót, ứng suất này dễ gây nứt nguội.
- Một trong những nguyên nhân làm cho nứt trở thành dạng khuyết tật nguy hiểm nhất và khơng thể chấp nhận vì nứt có khả năng lan truyền rất cao. Từ một vết nứt nhỏ nếu không được phát hiện và loại bỏ kịp thời, toàn bộ phần mối hàn liên quan có thể bị nứt lan truyền trong một thời gian ngắn, dẫn đến phá hủy kết cấu.
a) Nứt nguội trong kim loại mối hàn b) Nứt nguội trong vùng ảnh hưởng nhiệt - Giảm độ dai va đập, bền mỏi của mối hàn và liên kết hàn.
Với những ảnh hưởng như vậy việc nghiên cứu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn là một u cầu khơng thể thiếu nhằm tìm ra những giải pháp nhằm làm giảm tối đa hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn.
Để làm giảm hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn có rất nhiều phương pháp khác nhau ví dụ như: Nung nóng sơ bộ, làm sạch mép hàn – dây hàn, sấy khơ thuốc hàn, dùng thuốc hàn có ít hàm lượng H2 (đưa vào được thành phần nhằm hiệu chỉnh được hiđrô), xử lý nhiệt sau khi hàn...
Trong đó giải pháp giảm hàm lượng hiđrơ được đề cập và nghiên cứu trong
luận án là đưa vào thành phần thuốc hàn các chất có khả năng khử hiđrô, tạo ra đơn thuốc hàn từ các nguyên liệu sẵn có trong nước.
Các giải pháp chủ yếu giảm hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn khi chế tạo thuốc hàn
Chuẩn bị vật liệu hàn:
Khi chuẩn bị vật hàn và sử dụng vật liệu hàn cần có các biện pháp phòng ngừa như sau:
- Làm sạch gỉ, dầu mỡ ở các mép vật hàn, … - Xử lý nhiệt sau khi hàn;
- Sấy khô thuốc hàn, dây hàn,…
Sử dụng CaF2 trong thành phần của thuốc hàn:
Để giảm hàm lượng hiđrô hấp thụ vào kim loại mối hàn, ngoài những biện pháp kỹ thuật thông thường khi chuẩn bị vật hàn và vật liệu hàn đúng quy trình cơng nghệ hàn, trong nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn thường chủ động đưa vào thành phần mẻ liệu thuốc hàn một lượng nhất định các chất florit, chủ yếu là CaF2 (chứa trong huỳnh thạch). Công dụng của CaF2 khơng chỉ điều chỉnh nhiệt độ nóng chảy và độ nhớt của xỉ hàn mà cịn liên kết với hiđrơ tạo thành những hợp chất ổn định, bền hơn hơi nước, khó phân huỷ sẽ hạn chế sự hấp thụ của hiđrô vào kim loại mối hàn.
Sự liên kết hiđrơ của CaF2 có thể diễn ra theo các phản ứng điển hình sau đây:
CaF2 + H2O → CaO + 2HF (2.25) Phản ứng (2.25) được tăng cường khi có SiO2 tham gia – nó có vai trị như chất xúc tác, do tạo thành hợp chất trung gian SiF4:
2 2 4
4 2 2
2 2
2CaF +SiO 2CaO+SiF
SiF +2H O SiO +4HF 2CaF +2H O 2CaO+4HF (2.26)
Nguyên tắc liên kết hiđrô kiểu này được dùng trong hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc chứa các hợp chất CaF2, SiO2.
Chế độ sấy sơ bộ và thiêu kết khi chế tạo thuốc hàn:
Nguồn hơi nước tồn tại trong thuốc hàn rất đa dạng và nguyên tắc khử cũng rất khác nhau. Ví dụ q trình hiđrat hố xảy ra với thuốc hàn có tính bazơ cao như sau:
Ca2SiO4 + H2O → Ca2 (OH)2 SiO3 (2.27) ortosilicat metasilicat bazơ
Nước tinh thể tham gia vào cấu trúc các phân tử và được loại bỏ nhờ sấy tôi
(thiêu kết) ở nhiệt độ cao.
Chế độ sấy khô thuốc hàn (nhiệt độ sấy, thời gian sấy) đóng vai trị hết sức quan trọng nhằm loại bỏ hơi ẩm trong thuốc hàn;
Nhiệt độ sấy phụ thuộc rất nhiều vào loại thuốc hàn, tính chất hóa học của xỉ hàn – thuốc hàn.
Chế độ sấy được thực hiện như sau: Sấy sơ bộ hoặc hong khô và sấy khô kiệt. Giai đoạn sấy khô kiệt nên chọn sấy trong tủ sấy điện: với nhiệt độ sấy thuốc hàn từ 4500C – 550oC. Nhiệt độ sấy khơ khơng được q cao vì có thể làm tăng sự ơxi hố các fero hợp kim. Nhiệt độ sấy tăng từ từ và được khống chế tự động, thời gian sấy thường khoảng 3-4 giờ, sau đó nên để nguội trong lị khoảng vài giờ, rồi mới đưa ra ngồi và đóng gói.
Đối với thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình thực hiện sấy như trên, ngồi ra nhiệt độ sấy thiêu kết trong khoảng từ 5500C - 700oC, thời gian sấy khoảng 1 giờ.
Chế độ sấy trước khi sử dụng thuốc hàn:
Do điều kiện khí hậu ở Việt Nam có độ ẩm cao do vậy thuốc hàn trước khi sử dụng phải được sấy khô để loại bỏ hơi nước, thông thường nhiệt không vượt quá 550oC và thời gian từ 1-2 giờ tùy thuộc và độ ẩm của thuốc hàn.
Ảnh hưởng của huỳnh thạch đến hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn với các nền tạo xỉ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng của hiđrô trong kim loại mối hàn.
Thông thường đối với kim loại cơ bản là thép các bon, thép kết cấu ... Hàm lượng hiđrô phụ thuộc vào:
+ Loại thuốc hàn Axít: Ít nhạy cảm + Loại thuốc hàn Rutil: Ít nhạy cảm + Loại thuốc hàn Bazơ: Rất nhạy cảm
+ Loại thuốc hàn Bazơ – Rutil: Nhạy cảm ở mức nhẹ hơn loại thuốc hàn Bazơ. Loại này dùng khi hàn thép kết cấu có độ bền cao.
- Phụ thuộc vào hàm lượng CaF2.
- Phụ thuộc vào chế độ khô kiệt (nhiệt độ sấy và thời gian sấy).
Ảnh hưởng của huỳnh thạch
Huỳnh thạch (CaF2, SiO2, ...) có ảnh hưởng đến hàm lượng hiđrơ trong kim loại mối hàn [1, 3, 40] như sau:
- Hiđrơ có trong hơi nước được liên kết bởi CaF2 có trong huỳnh thạch theo phản ứng (2.25) đã trình bày ở trên tạo ra CaO đi vào pha xỉ (phù hợp với nền tạo xỉ của thuốc hàn gốm), sẽ làm giảm hàm lượng của hiđrô được hấp thụ vào trong kim loại mối hàn.
- Hoặc theo phản ứng (2.26) khi có thêm thành phần của SiO2 tạo thành hợp chất trung gian SiF4. Sẽ tăng khả năng xảy ra phản ứng hấp thụ hơi nước từ các nguồn khác nhau xâm nhập vào kim loại mối hàn.
c) Phương pháp xác định lượng hiđrô trong mối hàn
Phương pháp đo lượng hiđrô khuếch tán trong mối hàn và VAHN sử dụng dung dịch glyxerin (C3H8O3) để nghiên cứu [87, 88, 89, 90, 91].
Sơ đồ gá mẫu hàn và các kích thước mẫu hàn có dạng như hình dưới đây:
Hình 2.25 Hình dạng và kích thước mẫu hàn
Quy trình đo lượng hiđrơ theo [87, 88, 89]. Chuẩn bị mẫu hàn và quy trình đo:
Hình 2.26 Mẫu hàn thử nghiệm
- Kích thước mẫu và 2 tấm đệm dẫn: 400x25x12mm.
- Đối với vật liệu hàn trước khi đem hàn cần phải tuân theo hướng dẫn và phải được sấy khô trước khi đem hàn.
- Đường kính dây dùng để hàn cho mẫu thử nghiệm là loại 4; lớp thuốc hàn đem sấy khô dầy không quá 15mm.
- Hàn rồi ngâm mẫu trong Glixerin ở nhiệt độ 450C trong thời gian 72 giờ. Dùng bình đo khí để xác định thể tích khí hiđrơ.
Mẫu sau khi hàn sẽ tiến hành đo lượng hiđrô trong mối hàn bằng phương pháp Glyxerin tại phịng thí nghiệm Cơng ty CP Que hàn điện Việt Đức.
Hình 2.28 Mẫu thử hiđrô trong máy điều nhiệt
Sau 72 giờ đo thể tích khí hiđrơ thốt ra trên bình chia độ, đo được thể tích V(ml). Lượng hiđrơ trong 100(g) kim loại mối hàn được tính theo cơng thức.
(2.28)
Kết quả cuối cùng là trung bình cộng của 3 kết quả xác định song song.
2.2.6 Kiểm tra các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của thuốc hàn với thành phần tối ưu.