* Dõy hàn lừi thuốc
Cỏc loại dõy hàn lừi thuốc đƣợc sử dụng để hàn thộp cỏc bon thấp, thộp hợp kim thấp, thộp hợp kim thấp độ bền cao và thộp làm việc ở nhiệt độ thấp,... Vỏ dõy hàn thƣờng đƣợc chế tạo từ thộp cỏc bon thấp chất lƣợng tốt và lừi chứa hỗn hợp thuốc hàn và bột
vật liệu hợp kim [46]. Hỡnh 2. 4 Cấu tạo của dõy lừi thuốc [46]
Cấu tạo của cỏc loại dõy hàn lừi thuốc đƣợc minh họa nhƣ trờn Hỡnh 2. 4, trong đú ba loại trờn cựng là cỏc loại dõy thụng dụng nhất, thƣờng chứa khoảng 75 - 85% thộp trong tổng khối lƣợng và khoảng 75% tiết diện ngang của dõy. Thành phần lừi thuốc cú vai trũ tạo lớp xỉ mỏng bảo vệ kim loại lừng trong vũng hàn và sinh ra khớ bảo vệ vựng hồ quang hàn; cung cấp cỏc chất khử ễ xi và ngăn chặn cỏc phản ứng cú hại trong vũng hàn; cung cấp cỏc nguyờn tố cần thiết cho quỏ trỡnh luyện kim và nõng cao cơ tớnh kim loại mối hàn; ổn định hồ quang hàn. Thành phần lừi của dõy hàn dựng với khớ bảo vệ CO2 thƣờng đƣợc chế tạo theo cỏc hệ xỉ nhƣ sau:
- Khụng mang tớnh bazơ, loại TiO2, vớ dụ dõy E71T-1 hoặc dõy E70T-2 [46]. - Mang tớnh bazơ hoặc trung tớnh, loại CaCO3- TiO2, vớ dụ dõy E70T-1 [46]. - Mang tớnh bazơ, loại CaCO3, vớ dụ, dõy E70T-5 [46].
Dõy hàn tự bảo vệ là loại dõy hàn đƣợc thiết kế để hàn mà khụng cần dựng đến khớ bảo vệ bổ sung từ bờn ngoài. Lừi dõy hàn phải chứa một lƣợng đủ cỏc nguyờn tố khử ụxi và nitơ. Đú là cỏc nguyờn tố Al, Ti, Zr. Al, nếu vƣợt quỏ nồng độ cần thiết cú thể tạo nhiều nitrit làm giảm độ dai va đập của kim loại mối hàn và tạo thuận lợi cho sự hỡnh thành tổ chức bainit. Titan cũng tạo thuận lợi cho sự hỡnh thành tổ chức bainit, và tạo thành cỏc tạp chất làm giảm độ dai va đập của kim loại mối hàn. Vỡ vậy, với những kết cấu hàn vỏ tàu cú đũi hỏi độ dai va đập cao, cần thận trọng khi chọn dõy hàn tự bảo vệ. Một số loại dõy hàn tự bảo vệ cú khả năng đảm bảo độ dai va đập tốt nhƣng lại đắt vỡ phải chứa Ni và Zr. Cỏc loại dõy hàn tự bảo vệ thƣờng đƣợc chế tạo theo cỏc hệ xỉ nhƣ sau:
- Hệ CaF2- nhụm, vớ dụ dõy E70T-4, E60T-7, E60T-8 [46]. - Hệ CaF2-TiO2, vớ dụ dõy E70T-3.
- Hệ CaF2-CaCO3-TiO2, vớ dụ dõy E70T-6.
- Hệ CaF2-CaCO3, dõy E70T-5 cú hệ thuốc tƣơng tự nhƣ que hàn E7018 [46].
Hiện nay, một số tiờu chuẩn quốc tế về dõy hàn lừi thuốc đang đƣợc sử dụng rộng rói, tiờu chuẩn thụng dụng nhất là AWS A5.20-79 (Tiờu chuẩn kỹ thuật đối với dõy lừi thuốc dựng cho hàn thộp cỏc bon), AWSA5.22-80 (Tiờu chuẩn kỹ thuật đối với dõy lừi thuốc thộp khụng gỉ Cr và thộp Cr-Ni) và AWS A5.29-80 (Tiờu chuẩn kỹ thuật đối với dõy lừi thuốc cho hàn thộp hợp kim thấp). Dƣới đõy là trớch dẫn cỏc loại dõy lừi thuốc theo tiờu chuẩn AWS A5.20-79.
Dõy lừi thuốc đƣợc ký hiệu bằng nhúm chữ và số EXXT-X, trong đú E là điện cực, T là loại dõy lừi thuốc. Chữ X đầu tiờn là nhúm độ bền với cỏc giỏ trị quy định về cơ tớnh kim loại mối hàn. Chữ X thứ hai cho biết tƣ thế hàn ƣu tiờn (0 là tƣ thế hàn bằng và hàn ngang, 1 là hàn ở mọi tƣ thế). Chữ X sau cựng cho biết cụng dụng và tớnh năng 12 loại dõy hàn thụng dụng xem Bảng 2- 6 [46].
24
Bảng 2- 6 Cơ tớnh kim loại mối hàn và cấp tương đương theo QCVN 21:2010
Loại (AWS A5.20-79) Cấp vật liệu (QCVN 21:2010) Độ bền kộo tối thiểu (N/mm2) Giới hạn chảy tối thiểu (N/mm2) Độ gión dài (%) Năng lƣợng và đập (J) E6XT-1 AW1 AW2 AW3 428 345 22 27 tại -18oC E6XT-4 428 345 22 Khụng quy định E6XT-5 428 345 22 27 tại -29oC E6XT-6 428 345 22 E6XT-7 428 345 22 Khụng quy định E6XT-8 428 345 22 27 tại -29oC E6XT-11 428 345 22 Khụng quy định E6XT-G 428 345 22 Khụng quy định E7XT-1 AW1 AW52 AW53 AW54 497 414 22 27 tại -18oC E7XT-4 497 414 22 Khụng quy định E7XT-5 497 414 22 27 tại -29oC E7XT-6 497 414 22 27 tại -29oC E7XT-7 497 414 22 Khụng quy định E7XT-8 497 414 22 27 tại -29oC E7XT-11 497 414 22 Khụng quy định E7XT-G 497 414 22 Khụng quy định
Bảng 2- 7 Cụng dụng và tớnh năng cỏc loại dõy hàn lừi thuốc [46]
T-1 Thƣờng sử dụng với khớ CO2, nhƣng cũng cú thể dựng với hỗn hợp CO2 và Ar khi hàn ở cỏc tƣ thế khỏc hàn bằng. Tăng lƣợng Ar trong hỗn hợp khớ làm giảm sự mất mỏt lƣợng Mn và Si trong kim loại mối hàn và do đú nõng cao độ dai va đập. Dạng dịch chuyển kim loại lỏng chủ yếu khi hàn là loại dịch chuyển giọt lớn, lƣợng bắn túe ớt; mối hàn phẳng hoặc hơi lồi; xỉ mỏng loại rutil (TiO2). T-2 Về bản chất tƣơng tự nhƣ loại T-1, nhƣng cú nồng độ Mn, Si nõng cao hơn, chủ
yếu dựng cho hàn một lƣợt ở tƣ thế hàn bằng và hàn ngang. Lƣợng chất khử ụxi cao cho phộp hàn một lƣợt thộp sụi hoặc thộp cú gỉ bề mặt.
T-3 Là loại dõy hàn tự bảo vệ, dựng với dũng điện một chiều đấu nghịch. Đặc trƣng dịch chuyển kim loại dạng tia. Dựng cho hàn một lƣợt ở tƣ thế hàn bằng và hàn ngang.
T-4 Là loại dõy hàn tự bảo vệ, dựng dũng một chiều đấu nghịch; cú hệ số đắp cao; chiều sõu chảy nhỏ (thớch hợp cho việc lắp rỏp sơ bộ liờn kết hàn trƣớc khi hàn) và khả năng khử lƣu huỳnh tốt; đặc trƣng dịch chuyển kim loại dạng giọt lớn; cú thể dựng để hàn một lƣợt hoặc nhiều lƣợt ở tƣ thế hàn bằng và hàn ngang.
25 T-5 Thƣờng sử dụng với khớ CO2; cũng cú thể dựng hỗn hợp CO2 và Ar; thớch hợp khi hàn một lƣợt hoặc nhiều lƣợt ở cỏc tƣ thế hàn bằng và hàn ngang (mối hàn gúc). Đặc trƣng dịch chuyển kim loại dạng giọt lớn; mối hàn hơi lồi; lớp xỉ bazơ mỏng. Cơ tớnh mối hàn cao hơn so với loại dựng hệ xỉ rutil (TiO2).
T-6 Là loại dõy hàn tự bảo vệ, dựng dũng một chiều cực nghịch. Đặc trƣng dịch chuyển kim loại dạng tia. Dựng cho hàn một hoặc nhiều lƣợt ở tƣ thế hàn bằng và hàn ngang. Cơ tớnh mối hàn tốt; chiều sõu chảy lớn. Xỉ hàn dễ bong.
T-7 Là loại dõy hàn tự bảo vệ, dựng dũng một chiều cực thuận. Dõy hàn cỡ lớn cú hệ số đắp lớn. Dõy hàn cỡ nhỏ dựng cho hàn ở mọi tƣ thế. Khả năng khử lƣu huỳnh tốt, cho mối hàn cú cơ tớnh cao. Cú thể dựng một hoặc nhiều lƣợt.
T-8 Là loại dõy hàn tự bảo vệ, dựng dũng một chiều cực thuận. Dựng cho hàn ở mọi tƣ thế. Khả năng khử lƣu huỳnh tốt, cho mối hàn cú cơ tớnh cao. Cú thể dựng hàn một hoặc nhiều lƣợt.
T-10 Là loại dõy hàn tự bảo vệ, dựng dũng một chiều cực thuận. Dựng cho hàn một lƣợt chiều dày bất kỳ với tốc độ hàn cao ở tƣ thế hàn bằng và hàn ngang.
T-11 Là loại dõy hàn tự bảo vệ, dựng dũng một chiều cực thuận. Dịch chuyển kim loại điện cực dạng tia. Dựng cho hàn với tốc độ hàn cao ở mọi tƣ thế hàn. Đõy là loại dõy hàn vạn năng dựng hàn một lƣợt hoặc nhiều lƣợt.
T-G Là loại dõy hàn dựng cho hàn nhiều lƣợt khỏc cỏc loại núi trờn. T-GS Là loại dõy hàn dựng cho hàn một lƣợt khỏc cỏc loại núi trờn.
Với cỏc loại dõy hàn T-GS, T-2, T-3 và T-10, khụng cú quy định về thành phần kim loại mối hàn vỡ chỳng đƣợc dựng trong hàn một lƣợt khi nối cỏc tấm kim loại đũi hỏi mức độ tham gia lớn của kim loại cơ bản vào mối hàn. Với cỏc loại dõy cũn lại, thành phần kim loại mối hàn nhƣ sau: Cỏc bon: khụng quy định nhƣng phải đƣợc xỏc định; Mn: 1,75% max; Ni: 0,50% max; Cr: 0,20% max; Al: 1,8% max (đối với loại tự bảo vệ); Si: 0,90% max; S: 0,03% max; Mo: 0,30% max; P: 0,04% max.
* Khớ bảo vệ
Phƣơng phỏp FCAW-G thƣờng đƣợc ứng dụng trong hàn thộp cỏc bon thấp, thộp hợp kim thấp độ bền cao (HSLA) và thộp hợp kim,...Việc dựng thờm khớ bảo vệ bổ xung sẽ giỳp cho quỏ trỡnh bảo vệ mối hàn tốt hơn trong những điều kiện mụi trƣờng cú giú thổi, độ ẩm,...; hơn nữa dõy hàn lừi thuốc dựng với khớ bảo vệ cú giỏ thành rẻ hơn so với dõy hàn tự bảo vệ. Phần lớn, dõy hàn lừi thuốc đƣợc thiết kế để dựng với khớ bảo vệ CO2 hoặc hỗn hợp khớ (CO2 với Ar, O2, H2) theo Bảng 2- 8.
Để thực hiện việc khử ụxi và tăng cỏc nguyờn tố hợp kim trong hồ quang hàn, nhà sản xuất đƣa thờm cỏc nguyờn tố nhƣ Al, Ti, Zr, Si vào lừi dõy hàn [46]. Đặc điểm ứng dụng của một số loại khớ điển hỡnh sử dụng trong hàn thộp chế tạo vỏ tàu nhƣ sau:
Khớ CO2 là loại khớ rẻ tiền, cho chiều sõu chảy lớn và dịch chuyển kim loại lỏng đặc trƣng là dạng giọt lớn (cầu), thớch hợp cho hàn thộp cỏc bon và thộp hợp kim thấp.
Hỗn hợp khớ M2-1 (82% Ar + 18% CO2) cú thể tạo ra dịch chuyển kim loại lỏng trong quỏ trỡnh hàn dạng giọt nhỏ, ngoài ra cơ tớnh của mối hàn đƣợc đảm bảo và nõng cao do cỏc thành phần Măng gan và Silic khụng bị mất mỏt do quỏ trỡnh khử ễ xớt gõy ra.
26
Bảng 2- 8 Phõn loại khớ bảo vệ theo thành phần khớ [43]
Nhúm Loại Thành phần khớ (V, %) CO2 O2 H2 Ar M1 M1-1 1 5 1 5 Cũn lại M1-2 1 5 Cũn lại M1-3 1 3 Cũn lại M1-4 1 5 1 3 Cũn lại M2 M2-1 6 25 Cũn lại M2-2 4 10 Cũn lại M2-3 6 25 1 8 Cũn lại M3 M3-1 26 50 Cũn lại M3-2 11 15 Cũn lại M3-3 6 50 9 15 Cũn lại I I-1 100 C C-1 100 C-2 Cũn lại 1 30 2.3.2 Thiết bị hàn FCAW
Về cơ bản thiết bị hàn FCAW giống nhƣ thiết bị hàn GMAW bao gồm: Nguồn điện hàn một chiều cú đặc tớnh ngoài kiểu điện ỏp khụng đổi (CV), bộ cấp dõy hàn, hệ thống cấp khớ bảo vệ vựng hồ quang hàn. Hầu hết cỏc hóng chế tạo thiết bị hàn đều thiết kế hệ thống thiết bị hàn GMAW cú thể dựng cho cả phƣơng phỏp hàn FCAW [46].
* Nguồn điện hàn
Nguồn điện hàn hồ quang dõy hàn lừi thuốc tự bảo vệ giống với hàn dõy lừi thuốc cú khớ bảo vệ, chỉ khỏc nhau ở hệ thống cung cấp khớ bảo vệ vựng hồ quang. Sử dụng chủ yếu loại nguồn điện hàn một chiều kiểu điện ỏp khụng đổi (CV) với chu kỳ tải là 100% (Nguồn điện hàn cú đƣờng đặc tớnh ngoài cứng). Nguồn điện cần phải cú khả năng làm việc ở giỏ trị dũng điện yờu cầu lớn nhất đối với cỏc ứng dụng cụng việc cú tớnh chất đặc biệt. Nguồn điện hàn bỏn tự động thƣờng cú cụng suất nhỏ hơn hoặc bằng 400 [A]; nguồn điện hàn tự động thƣờng cú cụng suất bằng hoặc lớn hơn 400 [A]; nguồn điện hàn phải cú khả năng điều chỉnh điện ỏp tăng hoặc giảm 1 [V] [46].
* Bộ cấp dõy lừi thuốc
Cỏc con lăn của bộ cấp dõy lừi thuốc đƣợc thiết kế đặc biệt để dõy hàn khụng bị biến dạng khi đƣợc đẩy vào vựng hồ quang. Bộ cấp dõy thụng dụng cú hai cặp con lăn để kộo dõy từ cuộn dõy và đẩy dõy vào sỳng hàn đi qua ống dẫn hƣớng ra đầu mỏ hàn và vào vựng hồ quang. Với cỏc dõy hàn đƣờng kớnh lớn (1,6 mm trở lờn) cỏc con lăn cú rónh hỡnh chữ V đƣợc ƣu tiờn sử dụng. Với cỏc dõy hàn đƣờng kớnh nhỏ (1,2 mm trở xuống), ngƣời ta thƣờng sử dụng cỏc con lăn cú bề mặt lừm khụng khớa rónh. Cỏc bộ cấp dõy cú thể đƣợc bố
27 trớ ngay tại nguồn điện hàn hoặc cỏch nguồn điện hàn vài một, hoặc trờn giỏ di động phớa trờn cao so với ngƣời thợ hàn [46].
*Cụm mỏ hàn
Cụm mỏ hàn cú thể đƣợc làm mỏt bằng khớ hoặc bằng nƣớc. Khi mỏ hàn làm việc với dũng điện hàn lớn thỡ mỏ hàn cần đƣợc làm mỏt bằng nƣớc. Nếu điều kiện cho phộp, nờn ƣu tiờn sử dụng mỏ hàn làm mỏt bằng khớ vỡ nú gọn nhẹ và dễ thao tỏc hơn [46].
Hỡnh 2. 5 Sơ đồ trạm hàn tự động hồ quang dõy lừi thuốc [46]
2.3.3 Cỏc thụng số cơ bản của cụng nghệ hàn FCAW
Để cú thể tận dụng ƣu điểm mật độ dũng hàn cao và chiều sõu ngấu lớn khi hàn bằng dõy lừi thuốc, liờn kết hàn thƣờng đƣợc thiết kế với gúc rónh hàn nhỏ hơn và mặt đỏy (chiều cao khụng vỏt) lớn hơn so với cỏc liờn kết hàn hồ quang tay; nhƣng lƣu là gúc rónh hàn phải đảm bảo cho dõy hàn tiếp cận đƣợc đỏy mối hàn và cho phộp thao tỏc dõy hàn nếu cần thiết, cũng nhƣ duy trỡ đƣợc tầm với điện cực trong quỏ trỡnh hàn.
* Dũng điện hàn
Với nguồn điện hàn cú đặc tớnh ngoài cứng (CV), cƣờng độ dũng điện hàn tỉ lệ thuận với tốc độ cấp dõy hàn trong điều kiện là đƣờng kớnh dõy, thành phần và tầm với điện cực khụng đổi. Khi đú việc tăng cƣờng độ dũng điện hàn sẽ làm tăng tốc độ đắp và chiều sõu ngấu. Cƣờng độ dũng điện hàn nhỏ tạo thành dạng dịch chuyển kim loại điện cực dƣới dạng giọt lớn và bắn túe nhiều khi hàn với dõy lừi thuốc tự bảo vệ, cú thể làm tăng lƣợng nitơ và rỗ khớ trong kim loại mối hàn. Cƣờng độ dũng điện hàn cao quỏ mức làm cho bề mặt mối hàn lồi nhiều và hỡnh dạng mối hàn kộm [46].
28 Khi thay đổi cƣờng độ dũng điện hàn, điện ỏp đầu ra của nguồn điện hàn phải cú khả năng điều chỉnh thớch hợp nhằm duy trỡ mối tƣơng quan tối ƣu giữa cƣờng độ dũng điện hàn và điện ỏp hàn. Khi tốc độ cấp dõy hàn khụng đổi, sự gia tăng tầm với dõy hàn sẽ làm giảm cƣờng độ dũng điện hàn và ngƣợc lại.
Hỡnh 2. 6 Quan hệ giữa cường độ dũng điện hàn với vận tốc cấp dõy điện cực [46]
* Điện ỏp hồ quang
Điện ỏp và chiều dài hồ quang tỷ lệ thuận với nhau. Chiều dài hồ quang lớn cú thể làm điện ỏp hồ quang cao, dẫn đến bắn túe quỏ mức, chiều rộng mối hàn lớn và hỡnh dạng bề mặt mối hàn khụng đồng đều. Khi dựng dõy hàn tự bảo vệ, điều này cũn dẫn đến việc tăng nồng độ nitơ trong kim loại mối hàn. Điện ỏp hồ quang quỏ thấp sẽ làm mối hàn lồi và hẹp, bắn túe mạnh và chiều sõu ngấu nhỏ [46].
* Tốc độ cấp dõy điện cực
Hỡnh 2. 7. Tốc độ cấp dõy và cường độ dũng điện hàn FCAW
29 Cƣờng độ dũng điện hàn sẽ quyết định đến tốc độ cấp dõy lừi thuốc. Đƣờng kớnh dõy càng lớn thỡ cƣờng độ dũng điện sẽ tăng nhanh và phạm vi điều chỉnh tốc độ cấp dõy càng hẹp và ngƣợc lại đƣợc biểu diễn trờn hỡnh Hỡnh 2. 17.
* Tầm với điện cực
Tầm với điện cực khi hàn với dõy lừi thuốc cú khớ bảo vệ và dõy tự bảo vệ đƣợc minh họa nhƣ Hỡnh 2. 8.
(a) (b)
Hỡnh 2. 8 Hàn bằng dõy lừi thuốc cú khi bảo vệ (a) và tự bảo vệ (b) [46]
Hỡnh 2. 9 Quan hệ giữa tầm với điện cực với cường độ dũng điện và vận tốc cấp dõy [46]
Tầm với dõy điện cực lớn giỳp sỳng hàn tiếp cận tốt hơn khi hàn gúc hẹp và cải thiện tốc độ chảy của dõy hàn. So với phƣơng phỏp hàn GMAW, thụng số này cú nghĩa quan trọng hơn nhiều vỡ nú tỏc động mạnh đến sự núng chảy và hoạt tớnh của cỏc thành phần lừi