Nghiên cứu thiết kế quy trình công nghệ hàn tự động sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép, chương 10 doc

Chương 10: VẬT LIỆU HÀN
Với hàn dưới lớp thuốc, vật liệu hàn (bao gồm dây hàn và
thu
ốc hàn) có ảnh hưởng quyết định đến tính chất kim loại mối
hàn. Khác với hàn hồ quang tay, có thể phối hợp thuốc hàn và dây
hàn để có được kim loại mối hàn với thành phần hóa học mong
muốn.
2.4.1. Nguyên tắc chọn vật liệu hàn hồ quang dưới lớp
thuốc
Loại dây hàn ảnh hưởng đáng kể đến thành phần hóa học của
kim loại mối hàn. Thuốc hàn cũng ảnh hưởng đến thành phần hóa
học của kim loại mối hàn tùy theo mức độ tham gia của nó vào quá
trình luy
ện kim khi hàn.
Thu
ốc hàn còn ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn (chiều
rộng, chiều cao, độ nhẵn bề mặt, bề ngoài) và đây là điều quan
trọng đối với các kết cấu chịu tải trọng động.
2.4.2 Ảnh hưởng của thuốc hàn đến thành phần hóa học
của kim loại mối hàn
Khi hàn dưới lớp thuốc, trong vũng hàn xảy ra các phản ứng
hóa học, mà bản chất của chúng là tương tác về mặt hóa lý giữa xỉ
nóng chảy, kim loại nóng chảy và môi trường khí của hồ quang
hàn. Trong các phản ứng đó, quan trọng nhất là các phản ứng oxi
hóa và hoàn nguyên mangan và silic, cacbon, crôm, titan cùng các
nguyên t
ố khác khi hàn thép hợp kim. Từ khía cạnh chất lượng mối
hàn, việc khử lưu huỳnh và photpho cùng các chất khí cũng đóng
vai trò quan trọng. Các phản ứng nói trên xảy ra trong thời gian rất
ngắn (vài giây) và rất mảnh liệt, do diện tích giữa các pha nói trên
l

ớn vì có sự xáo trộn mạnh giữa kim loại nóng chảy và xỉ nóng
chảy. Điều này gắn liền với tính chảy loãng cao (độ nhớt thấp) của
xỉ trong khoảng nhiệt độ xảy ra các phản ứng giữa kim loại nóng
chảy và xỉ nóng chảy (đặc biệt rõ rệt với các loại thuốc hàn bazơ).
Khi hàn dưới lớp thuốc, nhiệt độ cao của các giọt kim loại nóng
chảy dịch chuyển từ dây hàn sang vũng hàn (khoảng 2300
o
C) và
nhi
ệt độ trung bình của vũng hàn tương đối cao (1770  100
o
C) tạo
thuận lợi cho các phản ứng tỏa nhiệt.
Để đơn giản hóa khi lựa chọn, tr
ên thực tế, các kỹ sư công
nghệ có thể chọn thuốc hàn thích hợp với từng loại dây hàn cho
các
ứng dụng hàn cụ thể theo catalo của các hãng sản xuất vật liệu
hàn.
2.4.3 Thuốc hàn
Thuốc hàn có vai trò sau:
 Bảo vệ vũng hàn khỏi tác động của không khí từ bên
ngoài,
 Cải thiện sự ion hóa tạo ổn định hồ quang,
 Tinh luyện kim loại vũng hàn (khử lưu huỳnh),
 Hợp kim hóa mối hàn (hoàn nguyên Mn và Si, và các
nguyên t
ố hợp kim khác vào kim loại mối hàn nếu là
thu
ốc hàn gốm),

 Tạo dáng mối hàn,
 Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang,
 Chống bắn tóe kim loại nóng chảy
Theo tác động về mặt luyện kim, thuốc h
àn có thể mang đặc
tính axit, hay bazơ, tính the
o hệ số axit A:
A = (SiO
2
+TiO
2
+ ZrO
2
)/(CaO +MgO + MnO + K
2
O + Na
2
O)
Khi
A < 0,9 thuốc hàn thuộc loại bazơ; khi A >1,1 thuốc hàn
thu
ộc loại axit; và khi A = 0,9…1,1 thuốc hàn được gọi là thuộc
loại trung tính.
Hệ số bazơ của xỉ hàn: B = 1/A
Ký hiệu thuốc hàn: Tiêu chuẩn IIW-545-78 “phân loại và ký
hi
ệu dây hàn và thuốc hàn cho hàn dưới lớp thuốc thép kết cấu”
của Viện Hàn Quốc tế phân loại thuốc hàn như bảng 2-4.
Bảng 2-4. Ký hiệu thuốc hàn theo Viện Hàn Quốc tế IIW
Ký

hi
ệu
Thành phần chính Loại
MS
CS
ZS
Mn + SiO
2

50%min.
CaO + MgO + SiO
2

60%min.
ZrO + SiO
2

30%min.
Mn silicat
Ca silicat
Zr silicat
AR
AB
Al
2
O
3
+ TiO
2

15%min.
Al
2
O
3
+ CaO + MgO
45%min.
Al
2
O
3

20%min.
Oxit nhôm – rutil
Oxit nhôm –
bazơ
FB
CaO + MgO + MnO + CaF
2

50%min.
SiO
2

20%max.
CaF
2

15%min.

Bazơ - fluorit
ST Chứa chất hợp kim hóa (kim loại) Đặc biệt
Ngoài ra còn có các ký hiệu viết tắt, chỉ loại thuốc hàn như
sau:
F (fused): lo
ại nung chảy;
B (bonded): loại liên kết, tức là thuốc hàn gốm;
M (mechanically mixed): loại trộn hỗn hợp cơ học (loại thiêu
k
ết);
Trong bảng 2-4, MS, CS, ZS, AR, AB, FB là các loại thuốc
hàn không có đặc tính hợp kim hóa (tức là ngoài lượng Mn v
à Si
thích h
ợp, nếu thuốc hàn chứa các nguyên tố hợp kim khác, từng
nguyên tố đó không được hoàn nguyên vào kim loại mối hàn nhiều
hơn 0,25% hoặc tổng lượng ho
àn nguyên của chúng không được
vượt quá 0,4%).
ST là loại thuốc hàn đặc biệt có chứa các thành phần kim
loại, không đáp ứng yêu cầu nêu trên.
Thành ph
ần (% khối lượng) một số loại thuốc hàn:
+ MS (axit; B = 0,5 ÷ 1,0): 30 ÷ 40 SiO
2
; 00 ÷ 10 Al
2
O
3
; 35 ÷

45 MnO; 00 ÷ 10 CaO; 00 ÷ 10 CaF
2
+ CS có hàm lượng SiO
2
cao (axit; B = 0,5 ÷ 0,8): 50 ÷ 60
SiO
2
; 03 ÷ 05 Al
2
O
3
; 25 ÷ 30 CaO; 08 ÷ 12 MgO; 00 ÷ 02 CaF
2
+ CS có hàm lượng SiO
2
trung bình (trung tính; B = 0,8 ÷
1,2): 30 ÷ 40 SiO
2
; 10 ÷ 15 Al
2
O
3
; 00 ÷ 05 MnO; 25 ÷ 30 CaO; 10
÷ 15 MgO; 05 ÷ 10 CaF
2
+ CS có hàm lượng SiO
2
thấp (bazơ; B = 1,2 ÷ 1,7): 30 ÷ 40
SiO
2

; 03 ÷ 05 Al
2
O
3
; 35 ÷ 45 CaO; 00 ÷ 05 MgO; 10 ÷ 15 CaF
2
+ AR (trung tính ; B = 0,5 ÷ 1,0): 10 ÷ 20 SiO
2
; 05 ÷ 15
TiO
2
; 00 ÷ 10 ZrO
2
; 20 ÷ 50 Al
2
O
3
; 10 ÷ 20 MnO; 00 ÷ 05 CaO;
05 ÷ 15 CaF
2
+ AB (bazơ; B = 1,2 ÷ 2,0): Al
2
O
3
+ MnO + CaO = min 20
+ FB (bazơ; B = 2,5 ÷ 3,5): 05 ÷ 20 SiO
2
; 10 ÷ 15 Al
2
O

3
; 10
÷ 15 CaO; 30 ÷ 40 MgO; 20 ÷ 30CaF
2
Đặc điểm của thuốc hàn nung chảy:
 Thường là hệ silicat có tỷ lệ oxit silic cao, do đó có đặc tính
axit. Việc chứa nhiều oxit tự do: do thuốc hàn chứa nhiều oxit Mn
và oxit Si, chúng bị các nguyên tố kim loại làm hoàn nguyên.
 Nhiệt độ nóng chảy khoảng 1300
o
C. nhiệt độ này bảo đảm
xỉ hàn còn ở trạng thái nóng chảy khi kim loại mối hàn đã kết tinh
để bề mặt
có hình dạng tốt.
 Độ nhớt đủ cao ở nhiệt độ cao để ngăn tác động của oxi và
nitơ từ không khí khi hàn và ngăn xỉ chảy loang ra khỏi mối hàn.
Tuy nhiên độ nhớt phải đủ thấp để khí kịp thoát ra khỏi vũng hàn
khi nó k
ết tinh. Giá trị độ nhớt vào khoảng 200 poise ở 1000 ÷
1200
o
C và khoảng 5 poise ở 1400
o
C.
 Đồng nhất về mặt hóa học, không hút ẩm.
 Không chứa được các nguyên tố hợp kim (do công nghệ chế
tạo chúng).
 Khi hàn, xỉ hàn chứa nhiều oxi tự do.
Đặc điểm của thuốc hàn gốm:
 Thường có hệ số bazơ tối đa 2,6 ÷ 3,2. Hệ số bazơ cao

khiến nồng độ oxi và lưu huỳnh thấp và độ dai va đập cao trong
kim loại mối hàn. Nó khử oxi trong kim loại mối hàn triệt để hơn
thuốc hàn nung chảy. Thuốc hàn gốm còn cải thiện tổ chức kim
loại mối hàn thông qua biến tính.
 Có thể bổ sung trực tiếp fero kim loại vào thuốc hàn, tăng
khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn trong dải nồng độ rộng.
Rất thích hợp cho hàn đắp các lớp đặc biệt (cứng).
 Các nguyên tố hợp kim dễ đi vào kim loại mối hàn (hàn
đắp). Kim loại hợp kim hóa dễ chuyển vào mối hàn còn do tính ổn
định hóa học của CaO v
à MgO (thành phần chính).
 Thuốc hàn gốm được hợp kim hóa đòi hỏi khống chế tốt
điện áp hồ quang.
 Dễ hút ẩm. Do đó, ngày nay có xu hướng dùng thuốc hàn
g
ốm không chứa fero hợp kim và kết hợp với dây hàn thép hợp
kim để h
àn thép hợp kim thấp độ bền cao (nhằm tránh nứt do
hydro). Khi đó không c
òn vấn đề mất ổn định thành phần hóa học
mối hàn do thay đổi điện áp hồ quang.
Một số loại thuốc hàn trên thị trường hiện nay:
Đặc điểm chi tiết:
1. Là thuốc hàn tiêu chuẩn cao với những viên có dạng hạt màu
xám
2. Có thể sử dụng trên nguồn AC/DC hoặc dòng điện hàn lớn
3. Ổn định, hạt mịn và loại bỏ xỉ dễ dàng
4. Kim loại hàn có tính bền cao ở nhiệt độ thấp
5. Loại thuốc này thích hợp cho hàn thép cacbon thấp và nhiều
điện cực dưới lớp thuốc

6. Thông số kỹ thuật: SiO2+TiO2: 15-25%, CaO+MgO: 25-35%,
Al2O3+MnO: 20-30%,CaF :15% max
7. Khối lượng đóng gói: 25 kg
2.4.4 Dây hàn
Tiêu chuẩn IIW-545-78 “phân loại và ký hiệu dây hàn và
thu
ốc hàn cho hàn thép kết cấu dưới lớp thuốc” quy định các yêu
c
ầu đối với dây hàn thép kết cấu có giới hạn chảy 270 ÷ 490 Mpa
và giới hạn bền 300 ÷ 690 Mpa. Các dây hàn này gồm thép
cacbon, thép C-Mn và thép hợp kim thấp.
Đường kính dây hàn: Các loại đường kính dây hàn chuẩn là
1,2; 1,6; 2,0; 2
,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0 mm. Dây hàn được sử dụng
dưới dạng các cuộn dây loại 10 (10 kg, đường kính tối đa 4,0 mm),
25 (25 kg, đường kính tối thiểu 1,2 mm), 50 (50 kg, đường kính tối
thiểu 2,0 mm) và 100 kg đường kính tối thiểu 3,20 mm.
Thí dụ về ký hiệu phối hợp dây hàn và thuốc hàn theo tiêu
chu
ẩn kể trên:
FCS-SA3-51-2-1B
Có nghĩa là thuốc hàn sử dụng thuộc loại nung chảy (F) canxi
silicat (CS) dùng với dây hàn SA3 với cơ tính mối hàn: độ bền 520
Mpa và độ dai va đập 35J tại 0
o
C và 32J tại 20
o
C. Dây SA3 có
thành ph
ần 0,07 ÷ 0,15%C; tối đa 0,15%Si; 0,07 ÷ 1,2% mn.

Ngoài ra, còn có một số tiêu chuẩn phổ biến khác dành cho
thu
ốc hàn và dây hàn như:
AWS A5.17-1980 “Quy định điện cực thép cacbon và thuốc
hàn để hàn dưới lớp thuốc”.
AWS A5.23-1980 “Quy định điện cực thép hợp kim thấp và
thu
ốc hàn để hàn dưới lớp thuốc”.
AWS A5.9-1980 “Quy định điện cực thép Cr – Ni và thép Cr
ch
ống ăn mòn: dây hàn”.
Một số loại dây hàn trên thị trường hiện nay:
Dây hàn spoolarc 81 của hãng ESAB
1. Phân cấp/Chứng chỉ: AWS A5.17; EM12K
2. Thành phần hóa học: C: 0,1%; Mn: 1,0%; Si: 0,2%; P: 0,008%;
S: 0,010%
3. Đặc điểm cơ học:
+ Độ bền kéo đứt: 560 Mpa
+ Độ bền uốn: 470 Mpa
+ Độ gi
ãn dài (2”): 30%
+ CVN: 60 J
+ Nhi
ệt độ: -40
o
C
4. Đường kính: 1,6; 2,0; 2,4; 3,2; 4,0; 4,8 (mm)