Ta nhận thấy sự thay đổi của điện ỏp hàn trong quỏ trỡnh hàn đối với cỏc mối hàn khỏc nhau, với cỏc đường kớnh cốt thộp khỏc nhau là gần như khụng cú, điện ỏp hàn đó được được mặc định và khụng nờn điều chỉnh cao thấp trong suốt quỏ
trỡnh hàn để bảo đảm sự ổn định của quỏ trỡnh hàn. Do vậy, đối với hàn điện xỉ thường dựng loại thiết bị tự điều chỉnh cõn bằng điện ỏp hàn “Constant-Vontage”. Như vậy, điện ỏp hàn là một yếu tố rất quan trọng đối với quỏ trỡnh hàn, tuy nhiờn cần giữ ổn định trong cả quỏ trỡnh hàn. Do vậy, khụng lựa chọn điện ỏp hàn là thụng số đầu vào khi nghiờn cứu thực nghiệm quỏ trỡnh hàn điện xỉ - ỏp lực.
2.4.2. Dũng điện hàn Ih
Phương phỏp tớnh toỏn cỏc thụng số hàn điện xỉ dựa trờn cơ sở phương trỡnh cõn bằng nhiệt của bể xỉ dưới dạng [1]:
qx = qh + qt + qm
ở đõy: qx - cụng suất nhiệt phỏt của bể xỉ, cal/gy;
qh - cụng suất nhiệt làm núng chảy kim loại cơ bản, cal/gy qt - cụng suất nhiệt làm núng chảy thuốc, cal/gy;
qm - cụng suất nhiệt thoỏt từ mặt bể xỉ, cal/gy.
Lượng nhiệt tổng của quỏ trỡnh hàn diện xỉ được xỏc định theo biểu thức sau: qx = 0,24 n i i iI U 1 ở đõy: n i i iI U 1
- tổng cỏc tớch số của điện ỏp và cường độ hàn trong mỗi
điện cực. Với hàn điện xỉ ỏp lực chỉ cú 1 điện cực nờn n=1.
Nhỡn vào biểu thức tớnh toỏn lượng nhiệt của quỏ trỡnh hàn điện xỉ, ta thấy cựng với điện ỏp hàn thỡ dũng điện hàn cũng cú vai trũ rất quan trọng để tạo ra nguồn nhiệt làm núng chảy thuốc hàn, núng chảy kim loại cơ bản.
Khi hàn điện xỉ núi chung và hàn điện xỉ - ỏp lực núi riờng, mối hàn được tạo thành bởi lượng kim loại chảy lỏng ở bể kim loại. Vỡ vậy, sự tăng cường độ dũng điện luụn dẫn đến tăng chiều sõu phần kim loại chảy dẫn đến tăng độ phỡnh của mối hàn điện xỉ - ỏp lực. Tuy nhiờn sự thay đổi độ phỡnh mối hàn với dũng điện hàn cú tớnh chất phức tạp, sự tăng dũng điện lỳc đầu làm tăng kớch thước, sau đú làm giảm vỡ chiều sõu vựng kim loại chảy quỏ lớn sẽ làm chảy xệ mối hàn. Ảnh hưởng chớnh của việc tăng dũng hàn sẽ làm giảm cỏc thụng số hỡnh dỏng và giảm khả năng chống nứt của mối hàn, tuy nhiờn nếu dũng hàn quỏ thấp sẽ khú tạo bể xỉ, khụng đủ lượng kim loại chảy, mối hàn bộ và khụng đủ liờn kết. Như vậy, dũng điện là yếu tố quan trọng của chế độ hàn mà nhờ nú cú thể thay đổi chiều sõu phần kim loại chảy cũng như hỡnh dỏng mối hàn theo ý muốn.
Dũng hàn cũng cú ảnh hưởng nhiều tới kớch thước hạt cũng như kớch thước vựng ảnh hưởng nhiệt, trực tiếp ảnh hưởng tới cơ tớnh của mối hàn.
Một trong những khuyết tật phổ biến của hàn điện xỉ là nứt núng. Cỏc vết nứt núng trong mối hàn phỏt sinh trong quỏ trỡnh kim loại đụng đặc hoặc ngay sau khi quỏ trỡnh hàn kết thỳc. Nguyờn nhõn là do kim loại mối hàn cú độ dẻo thấp hoặc cú biến dạng trong quỏ trỡnh kết tinh. Biện phỏp giảm cường độ dũng điện nhằm giảm chiều sõu bể kim loại để ngăn ngừa sự phỏt triển hạt thụ ở tõm mối hàn cú thể coi như những biện phỏp trỏnh giảm cơ tớnh của liờn kết hàn. Ta cú thể quan sỏt thấy rừ kớch thước và hướng kết tinh của hạt kim loại mối hàn điện xỉ theo mặt cắt ngang và dọc trờn hỡnh 2.13.
Hinh 2.13. Mặt cắt ngang và mặt cắt dọc mối hàn [26].
Như vậy, dũng điện hàn là thụng số cú ảnh hưởng trực tiếp đến hỡnh dỏng và chất lượng mối hàn, đõy là thụng số cú thể thay đổi để tạo ra mối hàn đạt yờu cầu mong muốn. Do vậy, dũng điện hàn là yếu tố cú ảnh hưởng rất lớn đến mối hàn và cần được nghiờn cứu kỹ trong quỏ trỡnh nghiờn cứu thực nghiệm.
2.4.3. Thời gian hàn Th
Thời gian hàn Th là tổng của thời gian tạo bể xỉ Tbx , thời gian điện xỉ Tđx và thời gian tạo ỏp lực hỡnh thành mối hàn Tal .
Th = Tbx + Tđx + Tal (s)
Thời gian tạo bể xỉ Tbx sẽ quyết định chiều sõu của bể xỉ. Cần phải giới hạn chiều sõu tối thiểu của bể xỉ để cõy thộp cú thể tiến ngập hoàn toàn vào trong bể xỉ và chảy lỏng bề mặt dưới của cõy thộp. Nếu chiều sõu bể xỉ quỏ nụng sẽ dẫn đến xỉ bị phun ra và đỏnh hồ quang trờn bề mặt bể xỉ, chiều sõu vựng kim loại chảy cũng sẽ giảm. Nếu bể xỉ quỏ sõu sẽ tăng vựng nhiệt truyền vào cõy thộp, làm giảm nhiệt độ tổng thể của bể xỉ, làm giảm sự lưu thụng của bể xỉ, xỉ cú thể bị đúng rắn trờn bề mặt cõy thộp và là nguyờn nhõn gõy ra ngậm xỉ trong mối hàn. Do vậy cần phải khống chế thời gian tạo bể xỉ để cú thể hỡnh thành bể xỉ cú độ sõu từ 25mm - 50mm [26].
Thời gian điện xỉ Tđx là yếu tố quyết định đến chiều sõu vựng kim loại chảy cũng như kớch thước và hỡnh dỏng mối hàn. Thời gian điện xỉ phải phự hợp để lượng kim loại chảy đủ hỡnh thành mối hàn và đẩy cỏc khuyết tật như rỗ khớ ra khỏi mối hàn. Thụng thường thời gian điện xỉ phụ thuộc vào kớch thước đường kớnh cõy thộp hàn và trong khoảng từ 16s – 50s [7].
Thời gian tạo ỏp lực hỡnh thành mối hàn Tal là thụng số ớt thay đổi với cỏc đường kớnh thộp khỏc nhau và ớt ảnh hưởng đến hỡnh dỏng và chất lượng mối hàn. Thời gian này chỉ cần đủ để điện cực phớa trờn chuyển động xuống ộp chặt vào điện cực phớa dưới để hỡnh thành mối hàn.
Qua quỏ trỡnh phõn tớch, ta nhận thấy thời gian hàn cần thay đổi cho phự hợp với từng loại đường kớnh cốt thộp, là thụng số ảnh hưởng rừ rệt đến hỡnh dỏng, kớch thước và chất lượng mối hàn điện xỉ, cũng là thụng số cần được nghiờn cứu định lượng khi nghiờn cứu quy hoạch thực nghiệm.
2.4.4. Áp lực hàn Ph
Trong quỏ trỡnh hàn điện xỉ - ỏp lực để nối cốt thộp, khụng sử dụng kim loại bự nờn để hỡnh thành mối hàn bắt buộc cần cú sự dịch chuyển và ộp chặt hai đầu cõy thộp hàn với nhau.
Lực ộp giữa 2 cõy thộp sẽ phụ thuộc vào đường kớnh cốt thộp hàn và được tớnh toỏn như sau:
F = Ph x S
Trong đú: F: Lực ộp giữa 2 cõy thộp (N) Ph : Áp lực hàn (MPa)
S : Diện tớch tiết diện ngang cõy thộp hàn (mm2)
Áp lực hàn là thụng số quyết định đến sự hỡnh thành mối hàn, nú khụng những cú tỏc dụng đẩy toàn bộ cỏc khuyết tật và kim loại thừa ra khỏi tiết diện ngang mối hàn mà cũn tạo ra vựng biến dạng dẻo giữa hai đầu cõy thộp hàn nhằm tăng khả năng liờn kết và tăng cơ tớnh của mối hàn.
Nếu ỏp lực hàn khụng đủ sẽ dẫn đến mối hàn khụng ngấu hết tiết diện ngang, cũn khuyết tật bờn trong mối hàn như rỗ khớ, ngậm xỉ dẫn đến khụng bảo đảm cơ tớnh mối hàn.
Hiện nay, trong nước và quốc tế chưa cú cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu tới sự ảnh hưởng của ỏp lực hàn đến kớch thước và chất lượng mối hàn điện xỉ - ỏp lực. Do vậy, đõy là thụng số quan trọng cần nghiờn cứu chuyờn sõu khi làm quy hoạch thực nghiệm.
2.4.5. Cỏc thụng số khỏc
Ngoài cỏc thụng số chớnh nờu trờn, quỏ trỡnh hàn điện xỉ cũn một vài thụng số cụng nghệ nữa như tốc độ nguội và đụng đặc, tốc độ dịch chuyển cõy thộp, khe hở giữa 2 cõy thộp, chiều sõu bể xỉ, tớnh dẫn điện của bể xỉ…, tuy nhiờn ảnh hưởng của chỳng đến kớch thước, hỡnh dỏng và chất lượng mối hàn là khụng nhiều nờn khụng lựa chọn để nghiờn cứu thực nghiệm chuyờn sõu.
2.4.6. Lựa chọn cỏc thụng số cụng nghệ nghiờn cứu đầu vào
Như đó phõn tớch ở cỏc phần trờn, ta nhận thấy cú 4 thụng số cụng nghệ cú ảnh hưởng lớn nhất đến hỡnh dỏng và chất lượng mối hàn. Tuy nhiờn, điện ỏp hàn là thụng số khụng thay đổi trong từng bước cụng nghệ nhằm giữ ổn định cho cả quỏ trỡnh hàn. Do võy, 3 thụng số mà sự thay đổi của chỳng cú ảnh hưởng rất lớn đến hỡnh dỏng và chất lượng mối hàn đú là:
- Dũng điện hàn Ih - Thời gian hàn Th - Áp lực hàn Ph
Đõy là 3 thụng số đầu vào được lựa chọn để nghiờn cứu quy hoạch thực nghiệm nhằm tỡm ra mối liờn hệ giữa chỳng và hàm mục tiờu đầu ra là độ bền kộo mối hàn Y3 = k và độ nở phỡnh hướng kớnh mối hàn Y1 = d.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
1. Phương phỏp hàn điện xỉ - ỏp lực dựng nối cốt thộp là một bước phỏt triển mới của cụng nghệ hàn điện xỉ với việc sử dụng ỏp lực giữa hai cõy thộp để thay thế quỏ trỡnh cấp kim loại bự hỡnh thành mối hàn. Việc tạo ỏp lực lờn mối hàn núng chảy ở giai đoạn kết thỳc quỏ trỡnh hàn điện xỉ - ỏp lực tạo ra vựng biến dạng dẻo ở hai đầu tiếp xỳc của cõy thộp hàn càng gúp phần nõng cao chất lượng và độ tin cậy của mối hàn.
2. Hàn điện xỉ núi chung và Hàn điện xỉ - ỏp lực núi riờng là cỏc phương phỏp hàn phự hợp để hàn thộp xõy dựng và thộp hợp kim thấp. Phương phỏp hàn này cú chất lượng mối hàn tốt, đặc biệt là cú năng suất cao và giỏ thành rẻ, thiết bị gọn nhẹ rất phự hợp ứng dụng ở cụng trường sản xuất.
3. Việc xỏc định được cỏc thụng số chế độ hàn chớnh gồm: cường độ dũng điện hàn (Ih, A); thời gian hàn (Th, s); ỏp lực hàn (Ph, MPa) cú ảnh hưởng lớn nhất đến độ bền mối hàn (k, MPa) và kớch thước hỡnh dỏng mối hàn (d, mm) là cơ sở khoa học để xõy dựng hàm mục tiờu và cỏc thụng số đầu vào của quỏ trỡnh tiến hành quy hoạch thực nghiệm sau này.
Chương 3
VẬT LIỆU, TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU
3.1. Vật liệu thớ nghiệm
3.1.1. Kim loại cơ bản
Cốt thộp được sử dụng hiện nay trong xõy dựng ở Việt Nam thụng thường là thộp vằn được sản xuất trong nước của cỏc hóng thộp như Thộp Thỏi nguyờn, Thộp Việt - Úc, Thộp Việt - í…
Do vậy, ta lựa chọn cốt thộp xõy dựng sử dụng trong thớ nghiệm là loại thanh thộp vằn chế tạo tại Việt Nam, do Cụng ty cổ phần Gang thộp Thỏi Nguyờn sản xuất và cung cấp trờn thị trường với thương hiệu “TISCO”. Thành phần húa học của thộp cốt bờ tụng thanh vằn, được xỏc định bằng phõn tớch mẻ nấu, phải phự hợp với bảng 3.1. Kết quả phõn tớch thành phần húa học trờn cỏc mẫu dựng trong thớ nghiệm được cho trong bảng 3.2.
Trờn hỡnh 3.1 là ảnh chụp một số mẫu thanh thộp vằn dựng cho thớ nghiệm của luận ỏn là thộp CB400-V cú đường kớnh danh nghĩa dd.n= 25 mm.
Hỡnh 3.1. Mẫu thanh thộp vằn điển hỡnh dựng để hàn nối đối đầu dựng cho thớ nghiệm trong luận ỏn
Độ bền kộo của cỏc mỏc thộp CB300-V/CB400-V cú giỏ trị trong khoảng K = 415 570 MPa, cũn thộp CB500-V cú K = 580 650 MPa .
Bảng 3.1. Thành phần húa học thộp dựng cho thớ nghiệm theo nhà sản xuất [2]
Mỏc thộp Hàm lượng cỏc nguyờn tố chớnh, % khối lượng
C Si Mn P S
CB300-V − − − 0,05 0,05
CB400-V 0,29 0,55 1,8 0,04 0,04
CB500-V 0,32 0,55 1,8 0,04 0,04
Bảng 3.2. Thành phần húa học trờn cơ sở phõn tớch mẫu và sai lệch thực tế theo % khối lượng [2]
Nguyờn tố
Giỏ trị lớn nhất trong quy định phõn tớch mẻ nấu tại bảng 3.3, %
Sai lệch cho phộp của phõn tớch sản phẩm với phõn tớch mẻ nấu, % C ≤ 0,25 + 0,02 > 0,25 ± 0,03 Si ≤ 0,55 + 0,05 Mn ≤ 1,65 + 0,06 > 1,65 ± 0,08 P ≤ 0,05 + 0,008 S ≤ 0,05 + 0,008
Thanh thộp vằn mỏc thộp CV400-V đường kớnh D25mm đang là loại thộp được dung phổ biến nhất ở cỏc cụng trỡnh nhà cao tầng từ 20 tầng trở lờn. Tại cỏc trụ cầu hoặc thành đập thủy điện cũng thường dung loại thộp này.
3.1.2. Thuốc hàn điện xỉ - ỏp lực
Thuốc hàn điện xỉ cú một vai trũ rất quan trọng bảo đảm sự thành cụng của quỏ trỡnh hàn điện xỉ. Thành phần của thuốc hàn là yếu tố cực kỳ quan trọng vỡ chỳng quyết định quỏ trỡnh hàn điện xỉ diễn ra cú tốt hay khụng. Trong suốt quỏ trỡnh hàn, thuốc hàn bị núng chảy tạo thành bể xỉ, bể xỉ sẽ chuyển năng lượng điện thành năng lượng nhiệt làm núng chảy hai đầu cõy thộp hàn. Bể xỉ khụng những phải dẫn dũng điện hàn mà cũn bảo vệ bể kim loại hàn khỏi mụi trường bờn ngoài và ổn định quỏ trỡnh hàn [26].
Thuốc hàn điện xỉ cần cú một vài tớnh chất quan trọng, khi núng chảy, chỳng phải cú tớnh dẫn điện và cú điện trở thớch hợp để cung cấp đủ nhiệt cho
quỏ trỡnh hàn. Tuy nhiờn, nếu điện trở của chỳng quỏ thấp sẽ xẩy ra hiện tượng đỏnh hồ quang giữa cõy thộp di chuyển và bề mặt bể xỉ.
Độ nhớt của bể xỉ cũng cần phải đủ loảng đủ để lưu thụng bảo đảm sự phõn bố nhiệt đều trong mối hàn. Nếu bể xỉ quỏ đặc sẽ dẫn đến khuyết tật ngậm xỉ mối hàn, nếu quỏ loảng mối hàn sẽ dễ bị chảy xệ, xỉ hàn dễ bị chảy lọt ra ngoài.
Nhiệt độ núng chảy của thuốc hàn phải nhỏ hơn nhiệt độ chảy của thộp, nhiệt độ sụi của chỳng (19250C) lại phải cao hơn nhiệt độ chảy của thộp.
Vỡ những lý do trờn, thuốc hàn điện xỉ phải đảm bảo được cỏc tớnh chất cơ bản sau đõy [1]:
- Bảo đảm bắt đầu nhanh và dễ dàng quỏ trỡnh tạo bể xỉ và điện xỉ, duy trỡ ổn định quỏ trỡnh điện xỉ đặc biệt ở độ sõu nhỏ của bể xỉ và đường kớnh thộp hàn cú kớch thước lớn.
- Khụng chứa cỏc hợp chất quỏ khú núng chảy. - Xỉ phải cú tớnh chảy loóng khụng quỏ cao. - Nhiệt độ núng chảy thấp và nhiệt độ sụi cao.
- Tớnh dẫn điện tối ưu: độ nhớt thấp, tớnh dẫn điện cao khi bổ xung CaF2 và TiO2. - Đảm bảo tạo bề mặt mối hàn đẹp, búng, dễ bong xỉ, khụng cắn mộp.
Những yờu cầu trờn chủ yếu được đảm bảo nhờ tớnh dẫn điện và độ nhớt của thuốc. Cỏc loại thuốc hàn điện xỉ đều là thuốc núng chảy. Theo thành phần cỏc thuốc hàn điện xỉ cú thể phõn thành 4 nhúm sau 1:
1) Nhúm măng gan - silic cao (ký hiệu là: AN-348-A, FX-7, HJ431…) 2) Nhúm măng gan - silic thấp (ký hiệu là: AN-8, AN-22).
3) Nhúm silic tự do (ký hiệu là: 48-OF-6; AN-25). 4) Nhúm phlorua (ký hiệu là: ANF-1P, ANF-6,…).
Tớnh dẫn điện của thuốc hàn núng chảy cú ảnh hưởng lớn đối với quỏ trỡnh điện xỉ. Trờn hỡnh 3.2 biểu diễn sự thay đổi của tớnh chất dẫn điện của một số thuốc hàn ở trạng thỏi lỏng phụ thuộc nhiệt độ. Tớnh dẫn điện cao của thuốc hàn tạo ra ớt nhiệt khi dũng điện chạy qua, vỡ thế cần tiờu thụ năng lượng điện lớn hơn cho quỏ trỡnh hàn. Khi hàn với dũng hàn nhỏ và sử dụng loại thuốc này khụng đảm bảo cho mối hàn ngấu tốt.
Tớnh dẫn điện của thuốc hàn ảnh hưởng nhiều tới chiều sõu bể kim loại và chiều rộng bể hàn. Khi tớnh dẫn điện của thuốc hàn giảm thỡ, trong cỏc điều kiện như nhau, chiều rộng bể kim loại và chiều rộng mối hàn tăng do lượng nhiệt tỏa ra trong bể xỉ tăng.
Đối với thuốc hàn điện xỉ được sử dụng trong quỏ trỡnh hàn điện xỉ, khi ở trạng thỏi núng chảy, thuốc hàn điện xỉ cú tớnh dẫn điện và sinh nhiệt để làm
Độ dẫn điện, 1.cm1 2,0 - 1,5 - 1,0 - 0,5 - 0 900 1000 1100 1200 1300 1400 T,OC
Hỡnh 3.2. Tớnh dẫn điện của thuốc hàn phụ thuộc vào nhiệt độ 1: 1) ANF-1F;
2) AN-25; 3) ANF-6; 4) AN-22; 5) AN-8; 6) HJ431