BAO CAO LUAN VAN BAN IN HC 18 10

Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Họ và tên tác giả luận văn
Tạ Văn Năm

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH
MỐI HÀN VÀ LƯỢNG THUỐC HÀN NÓNG CHẢY KHI CHẾ TẠO
THUỐC HÀN THIÊU KẾT HỆ BAZƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN :
1. TS Vũ Huy Lân

Hà Nội – Năm 2013

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
1


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

MỤC LỤC

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
2


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Tạ Văn Năm, học viên lớp Cao học Công nghệ hàn – Khoá 2011, Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội, thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn
đến sự hình thành mối hàn và lượng thuốc hàn nóng chảy khi chế tạo thuốc hàn
thiêu kết hệ bazơ (tương đương loại F7A(P)4 theo AWS A5.17-80) theo AWS
A5.17-80”.
Tác giả tham gia Đề tài Khoa học và Công nghệ Trọng điểm cấp Nhà nước mã
số KC.02.04/11-15 do TS. Vũ Huy Lân làm Chủ nhiệm Đề tài. Tác giả xin cam đoan
rằng: Ngoại trừ các số liệu, các bảng biểu, các đồ thị,…. đã được trích dẫn từ tài liệu
tham khảo thì các số liệu, nội dung còn lại được công bố trong Luận văn này là của tác
giả và nhóm tác giả tham gia Đề tài đưa ra. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 24 tháng 9 năm 2013
Học viên

Tạ Văn Năm

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
3


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký

Ký

Ý nghĩa

hiệu
AC
Alternating Curent
AWS American Welding Society
ASTM American Society for Testing

Ý nghĩa
hiệu
SAW Submerged Arc Welding
WPS Welding Procedure Specification
WPQR Welding Procedure Qualiffication

of Materials
ASME American Society of

ak

Recode
Độ dai va đập

Machine Engineers
DC
Direct Current
DCEN Direct Current Electrode

σch
σk

Giới hạn chảy
Độ bền kéo

, DC - Negative
DCEP, Direct Current Electrode

δ

DC +
DT
EN
HAZ
IIW

ISO

Positive
Destructive Testing
European Standards
Heat affected zone
International Institute

Ψmh
Ψn

Độ dãn dài tương đối
Hệ số hình dạng mối hàn
Hệ số ngấu mối hàn

Welding
International Standard Organi

zation
JIS
Japanese Industrial Standards
KLCB Kim loại cơ bản
NDT Nondestructive Testing
PWHT Post Weld Heat Treatment

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
4


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng
Tên bảng
Bảng 2.1 Phân loại và kí hiệu thuốc hàn theo IIW – 545 –78
Bảng 2.2
Yêu cầu về cơ tính kim loại mối hàn theo AWS A5.17 – 80
Bảng 2.3 Công thử độ dai va đập của kim loại mối hàn
Bảng 2.4. Thành phần hoá học và một số thông số chủ yếu của dây hàn
Bảng 2.5

tự động dưới lớp thuốc theo AWS A5.17 – 80
Các loại xỉ hàn theo thành phần hoá học và các chất chính

theo IIW
Bảng 3.1 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào.
Bảng 3.2 Kế hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao (với biến mã hóa)
Bảng 3.3
Thành phần hoá học của thép hàn SM400B, (%):
Bảng 3.4
Thành phần hoá học của dây hàn EM12K, (%):
Bảng 3.5
Các chỉ tiêu cơ tính dây hàn:
Bảng 4.1 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố
Bảng 4.2 Kế hoạch thực nghiệm thí nghiệm trực giao bậc 2
Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm
Bảng 5.1 Các giá trị giới hạn của các thông số chế độ hàn
Bảng 5.2. Các giá trị giới hạn của các hàm mục tiêu

Bảng 5.3 Các giá trị của các thông số chế độ hàn có thể chấp nhận
Bảng 5.4 Các giá trị của các thông số chế độ hàn có thể chấp nhận
Bảng 5.5 Các giá trị của các thông số chế độ hàn có thể chấp nhận
Bảng 5.6 Khoảng giá trị của các thông số chế độ hàn hợp lý (với log(D)
Bảng 5.7

khá cao) cho dây hàn d = 4,0mm:
Khoảng giá trị của các thông số chế độ hàn hợp lý cho dây
hàn d 4,0mm:
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Trang
28
31
31
32
38
58
59
66
66
66
73
74
76
99
99
100
101
102

103
106

Hình số
Hình 1.1
Hình 1.2

Tên hình vẽ
Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc

Hình 1.3
Hình 1.4

Một số hình ảnh về hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc
Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực

16
16

Hình 1.5
Hình 1.6

băng
Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng
Dạng thuốc hàn

17
19

Một số thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớpthuốc

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
5

Trang
15
15


Luận văn Thạc sỹ

Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4.

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Sơ đồ kí hiệu thuốc hàn – dây hàn AWS A5.17 - 80
Sự thay đổi độ nhớt của xỉ phụ thuộc vào nhiệt độ
Sơ đồ nghiên cứu tổng quát thuốc hàn
Sơ đồ nghiên cứu của đề tài
Các kích thước đặc trưng của mối hàn
Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo cường độ dòng điện hàn

Sự thay đổi hình dạng mối hàn
Sự thay đổi hình dạng mối hàn và mức tiêu thụ thuốc hàn theo

30
35
40
41
43
44
45
46

điện áp hàn
Hình 3.5 Sự thay đổi hình dạng mối hàn và mức tiêu thụ thuốc hàn
Hình 3.6 Ảnh hưởng của tốc độ hàn lên sự phân bố lực trong hồ quang
Hình 3.7 Ảnh hưởng của tốc độ hàn lên sự phân bố lực trong hồ quang
Hình 3.8 Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo tiết diện điện cực
Hình 3.9 Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo góc nghiêng điện cực
Hình 3.10 Minh họa ảnh hưởng góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối

47
48
49
50
50
51

Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13

Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16

hàn
Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo góc nghiêng vật hàn
Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo góc nghiêng vật hàn
Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo góc nghiêng vật hàn
Máy hàn tự động dưới lớp thuốc
Máy hàn tự động Dosun DZ1000
Phôi chuẩn bị hàn mẫu thử phân tích thành phần hóa học

kim loại mối hàn
Hình 3.17 Thước đo mối hàn đa năng
Hình 3.18 Cách đo các thông số mối hàn
Hình 3.19 Cân điện tử (Nhật Bản)
Hình 4.1 Mẫu hàn cắt để chuẩn bị phân tích thành phần hóa học
Hình.5.1 Sự phụ thuộc của chiều rộng mối hàn vào cường độ dòng điện

51
52
52
53
67
69
70
71
72
76
82

Hình 5.2
Hình 5.3
Hình 5.4
Hình 5.5
Hình 5.6
Hình 5.7

hàn
Sự phụ thuộc của chiều rộng mối hàn vào điện áp hàn
Sự phụ thuộc của chiều rộng mối hàn vào vận tốc hàn
Sự phụ thuộc của chiều rộng mối hàn vào I và U
Sự phụ thuộc của chiều rộng mối hàn vào I và Vh
Sự phụ thuộc của chiều rộng mối hàn vào U và Vh
Sự phụ thuộc của chiều cao đắp mối hàn vào cường độ dòng

83
83
84
84
85
85

Hình 5.8

điện hàn
Sự phụ thuộc của chiều cao đắp mối hàn vào điện áp hàn

86

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
6


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 5.9
Hình 5.10
Hình 5.11
Hình 5.12
Hình 5.13

Sự phụ thuộc của chiều cao đắp mối hàn vào vận tốc hàn
Sự phụ thuộc của chiều cao đắp mối hàn vào I và U
Sự phụ thuộc của chiều cao đắp mối hàn vào I và Vh
Sự phụ thuộc của chiều cao đắp mối hàn vào U và Vh
Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào cường độ dòng

86
87
87
88
88

Hình 5.14
Hình 5.15

Hình 5.16
Hình 5.17
Hình 5.18
Hình 5.19

điện hàn
Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào điện áp hàn
Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào vận tốc hàn
Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào I và U
Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào I và Vh
Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào U và Vh
Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào cường độ dòng

89
89
90
90
91
91

Hình 5.20
Hình 5.21
Hình 5.22
Hình 5.23
Hình 5.24
Hình 5.25

điện hàn
Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào điện áp hàn
Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào vận tốc hàn

Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào I và U hàn
Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào I và Vh hàn
Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào U và Vh hàn
Sự phụ thuộc của lượng thuốc nóng chảy vào cường độ dòng

92
92
93
93
94
94

Hình 5.26
Hình 5.27
Hình 5.28
Hình 5.29
Hình 5.30
Hình 5.31
Hình 5.32
Hình 5.33
Hình 5.34

điện hàn
Sự phụ thuộc của lượng thuốc nóng chảy vào điện áp hàn
Sự phụ thuộc của lượng thuốc nóng chảy vào vận tốc hàn
Sự phụ thuộc của lượng thuốc nóng chảy vào I và U hàn
Sự phụ thuộc của lượng thuốc nóng chảy vào I và Vh hàn
Sự phụ thuộc của lượng thuốc nóng chảy vào U và Vh hàn
Ảnh hưởng của điện áp hàn đến hình dạng mối hàn
Ảnh hưởng của điện áp hàn đến lượng xỉ hàn nóng chảy

Ảnh hưởng của dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn
Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng mối hàn

95
95
96
96
97
104
104
105
105

MỞ ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá đất nước hiện nay các ngành khoa học công
nghệ phát triển rất mạnh, trong đó ngành công nghệ hàn cũng không ngừng phát triển

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
7


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

về bề rộng có các công nghệ hàn mới rất đa dạng và các giải pháp nâng cao năng suất
và chất lượng hàn. Do đó ngành hàn ngày càng được ứng dụng rộng rãi, trong số đó
công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc đã được ứng dụng rất phổ biến trên thế giới. Ở

Việt Nam công nghệ này ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là trong lĩnh vực
đóng tàu và chế tạo kết cấu thép,... Tuy nhiên, thuốc hàn chủ yếu còn phải nhập từ
nước ngoài, để khắc phục tình trạng này một số cơ sở sản xuất vật liệu hàn lớn trong
nước như Công ty sản xuất que hàn Việt Đức, công ty sản xuất vật liệu hàn Nam
Triệu,... đã nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm thuốc hàn gốm hệ axit AR (Ôxit nhôm –
Rutil). Để có thể mau chóng tự sản xuất được các loại thuốc hàn chất lượng cao (các
thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ) đáp ứng cho việc chế tạo các kết cấu hàn chất lượng cao.
Trong đề tài này đã thực hiện nghiên cứu một nhánh của đề tài cấp Nhà nước “Nghiên
cứu sản xuất thuốc hàn thiêu kết bằng nguyên vật liệu trong nước để hàn tự động kết
cấu thép cacbon thấp và hợp kim thấp”.
Nội dung cụ thể của luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ
hàn đến sự hình thành mối hàn và lượng thuốc hàn nóng chảy khi chế tạo thuốc
hàn thiêu kết hệ bazơ (tương đương loại F7A(P)4 theo AWS A5.17-80) theo AWS
A5.17-80”.
Có các vấn đề cần giải quyết như sau:
- Giới thiệu tổng quan việc nghiên cứu của thế giới và Việt Nam về thuốc hàn
thiêu kết. Xác định hướng nghiên cứu của đề tài.
- Các vấn đề cần được giải quyết:
+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến sự hình thành mối
hàn và lượng thuốc hàn bị nóng chảy khi hàn thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ
F7A(P)4.
+ Xác định được chế độ hàn hợp lý và lượng thuốc hàn nóng chảy trên khối
lượng dây hàn khi sử dụng thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ được chế tạo bằng

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
8

Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

nguyên vật liệu trong nước tương đương với loại F7A(P)4 theo AWS
A5.17-80.
+ Xây dựng bản hướng dẫn sử dụng thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của giảng viên
TS. Vũ Huy Lân, Ban lãnh đạo và cán bộ Công ty Que hàn điện Việt Đức,… trong
việc hoàn thành luận văn tốt nghiệp này!
Hà Nội, ngày 24 tháng 9 năm 2013
Học viên

Tạ Văn Năm

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ THUỐC HÀN THIÊU KẾT

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
9


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

1.1. Sơ lược về hàn tự động dưới lớp thuốc hàn
1.1.1. Sơ đồ nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc

 Khái niệm hàn hồ quang dưới lớp thuốc:
Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ còn gọi là hàn hồ quang chìm (hồ quang
ngầm), tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding) là quá trình hàn điện
nóng chảy, dùng nguồn nhiệt từ hồ quang điện sinh ra giữa điện cực hàn (dây hàn,
băng hàn) và vật hàn. Một phần lượng nhiệt sinh ra do hồ quang điện làm nóng chảy
kim loại điện cực và kim loại cơ bản, sau đó kim loại vũng hàn kết tinh tạo thành mối
hàn. Phần nhiệt khác làm nóng chảy thuốc hàn, tạo thành lớp xỉ (vòm vỉ) bảo vệ vùng
hồ quang và vũng hàn khỏi sự xâm nhập và ảnh hưởng có hại của môi trường khí
quyển xung quanh.
 Nguyên lý của hàn hồ quang dưới lớp thuốc:
Dưới tác dụng nhiệt của hồ quang, mép hàn, dây hàn và một phần thuốc hàn sát
hồ quang bị nóng chảy tạo thành vòm hồ quang (vòm xỉ) và vũng hàn. Dây hàn được
đẩy vào vũng hàn bằng một cơ cấu cấp dây với tốc độ phù hợp với tốc độ nóng chảy
của nó và đảm bảo duy trì hồ quang cháy ổn định. Khi hồ quang hàn di chuyển theo
hướng hàn kim loại lỏng trong vũng hàn sẽ nguội và kết tinh tạo thành mối hàn. Trên
mặt vũng hàn và phần mối hàn kết tinh hình thành một lớp xỉ có tác dụng tham gia vào
các quá trình luyện kim khi hàn, bảo vệ và giữ nhiệt cho mối hàn và sẽ tách khỏi mối
hàn sau khi hàn. Phần thuốc hàn chưa bị nóng chảy có thể được sử dụng lại.
Các chuyển động cấp dây hàn, dao động điện cực và chuyển động theo đường
hàn thường được cơ giới hóa. Tùy theo mức độ tự động của các chuyển động này mà
chia thành hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc.
Sơ đồ nguyên lý của quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc có thể tham khảo
trên hình 1.1.

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
10

Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc

Hình 1.2. Một số thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
11


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.3. Một số hình ảnh về hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
12


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.5. Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng
 Đặc điểm hàn hồ quang dưới lớp thuốc:
- Hồ quang cháy ngầm dưới lớp thuốc, một phần thuốc hàn nóng chảy tạo thành
vòm xỉ bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác dụng có hại của oxi và nitơ của
môi trường xung quanh.
- Nhiệt lượng hồ quang rất tập trung và nhiệt độ cao (so với các phương pháp
hàn khác như hàn hồ quang tay, hàn TIG, MIG/MAG,..) , cho phép hàn với tốc độ lớn
và có thể hàn những chi tiết có chiều dày lớn mà không cần phải vát mép, tiết kiệm kim
loại.
- Chất lượng kim loại mối hàn cao do vùng hàn (hồ quang hàn và vũng hàn)
được bảo vệ tốt khỏi tác dụng của oxi và nitơ trong khí quyển xung quanh. Kim loại

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
13


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

mối hàn đồng nhất về thành phần hóa học. Lớp thuốc và xỉ hàn làm mối hàn nguội
chậm nên ít bị thiên tích, thoát hidrô tốt hơn.
- Mối hàn có hình dạng đẹp, đều đặn, ít bị các khuyết tật như không ngấu, rỗ
khí, rỗ xỉ.
- Giảm tiêu hao vật liệu (dây hàn), không bắn tóe kim loại, nên hệ số đắp cao, ít
tổn thất.

- Năng suất hàn cao.
- Hồ quang được bao bọc kín bởi thuốc hàn nên không làm hại mắt và da của
thợ hàn. Lượng khí (khói, bụi độc hại) sinh ra trong quá trình hàn rất ít so với hàn hồ
quang tay.
- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa quá trình hàn.
 Phạm vi ứng dụng của hàn hồ quang dưới lớp thuốc:
- Hàn các kết cấu thép dạng tấm, vỏ kích thước lớn, các dầm thép có khẩu độ và
chiều cao, các ống thép có đường kính lớn, các bồn, bể chứa, bình chịu áp lực và trong
công nghiệp đóng tàu, dầu khí, giao thông, chế tạo máy, lắp máy, thủy điện, nhiệt điện,
...
- Chủ yếu được ứng dụng để hàn các mối hàn ở tư thế hàn bằng (hàn sấp), hàn
góc tư thế hàn ngang, mối hàn ngang với các mối hàn có chiều dài lớn và có quỹ đạo
không phức tạp.
- Hàn được các chi tiết có chiều dày từ vài mm cho đến hàng trăm mm.
1.1.2. Vai trò, công dụng của thuốc hàn
 Khái niệm: Thuốc hàn là hỗn hợp gồm nhiều thành phần, được chế tạo ở dạng
hạt có kích thước xác định trong khoảng 0,25 ÷ 4 mm.

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
14


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.6. Dạng thuốc hàn
 Vai trò, công dụng của thuốc hàn:

- Tạo vòm xỉ nóng chảy bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác dụng
có hại của oxi và nitơ của môi trường xung quanh.
-

Tạo ra môi trường ion hóa tốt để đảm bảo dễ gây hồ quang và duy trì hồ
quang cháy ổn định.

-

Giúp hình thành và tạo dáng mối hàn, làm cho kim loại mối hàn nguội chậm
và tạo điều kiện thuận lợi thoát hiđrô từ mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt.

-

Khử oxi và các tạp chất có hại (S, P), tinh luyện kim loại mối hàn.

-

Có thể hợp kim hóa kim loại mối hàn để cải thiện tổ chức kim loại và nâng
cao cơ tính kim loại mối hàn.

-

Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang, cải thiện điều kiện lao
động.

-

Nhờ có lớp thuốc và vòm xỉ bảo vệ hồ quang hàn, nên trong quá trình hàn
kim loại điện cực không bị bắn toé, giảm tổn thất, nâng cao năng suất hàn.

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
15


Luận văn Thạc sỹ

-

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Giảm khuyết tật bên trong: rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu,... do cải thiện điều
kiện hình thành mối hàn và tinh luyện kim loại mối hàn.

-

Cải thiện các tiêu chí vệ sinh công nghiệp: giảm lượng khí thải và bụi sinh ra
trong quá trình hàn.

1.1.3. Phân loại thuốc hàn theo phương pháp chế tạo
Hiện nay có nhiều hệ thống tiêu chuẩn phân loại thuốc hàn như: ISO (Tổ chức
tiêu chuẩn hoá Quốc tế), AWS (Hội hàn Mỹ), BS (Anh), DIN (Đức), GOST (Nga),...
và việc phân loại có thể dựa theo phương pháp chế tạo, tính chất hóa học của thuốc
hàn, thành phần hoá học và cơ tính kim loại đắp, ... Sau đây tạm thời giới thiệu cách
phân loại thuốc hàn theo phương pháp chế tạo [6; 8; 13; 14; 17]:
 Theo phương pháp chế tạo:
Theo phương pháp chế tạo thuốc hàn được phân loại và kí hiệu (chữ viết tắt)
như sau:

− F (fused): loại nung chảy;
− B (bonded): loại liên kết, tức là thuốc hàn gốm và thiêu kết, cụ thể được phân
chia như sau:
+ Thuốc hàn gốm: nhiệt độ sấy ≤ 500°C;
+ Thuốc hàn thiêu kết: nhiệt độ sấy thiêu kết > 500°C (agglomerated flux).
− M (mechanically mixed): loại trộn hỗn hợp cơ học.
1.2. Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn
1.2.1. Nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn trên Thế giới
Trong sự nghiệp phát triển công nghiệp, ngành công nghệ hàn đóng vai trò quan
trọng trong việc chế tạo các kết cấu thép bằng hàn cho các ngành công nghiệp mũi
nhọn như ngành dầu khí, hóa dầu, công nghiệp đóng tàu, giao thông, chế tạo máy, lắp
máy, thủy điện, nhiệt điện, ... Để nâng cao năng suất và chất lượng các kết cấu hàn,
ngày càng ứng dụng nhiều phương pháp hàn tiên tiến có mức độ cơ giới hóa, tự động
hóa cao, trong đó phải kể đến phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc để hàn những
đường hàn dài ở tư thế hàn bằng và hàn góc trong các kết cấu hàn lớn và yêu cầu chất
lượng cao.

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
16


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trong công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc, thuốc hàn có vai trò rất quan
trọng, nó bảo vệ kim loại vùng hàn khỏi tác dụng có hại của không khí, ổn định quá
trình hàn, tinh luyện và hợp kim hóa kim loại mối hàn. Hiện nay trên thế giới sản xuất

nhiều mác thuốc hàn khác nhau, tuy nhiên theo phương pháp chế tạo và công nghệ có
thể chia làm 3 loại chủ yếu: thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm (nhiệt độ sấy ≤
500°C) và thuốc hàn thiêu kết (nhiệt độ thiêu kết > 500 °C). Thuốc hàn nung chảy
được dùng nhiều ở Liên bang Nga, Trung Quốc. Còn thuốc hàn gốm, thuốc hàn thiêu
kết được dùng nhiều ở Thụy Điển, Hàn Quốc, Mỹ, Đài Loan, Ucraine, ...
Thuốc hàn thiêu kết ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên thế giới do có nhiều
ưu điểm như: khả năng tinh luyện các tạp chất có hại và hợp kim hóa kim loại mối hàn
cao, thành phần thuốc hàn dễ điều chỉnh để đạt được thành phần hóa học kim loại mối
hàn theo yêu cầu với số chủng loại mác dây hàn tiêu chuẩn không cần nhiều, giá thành
hạ. Nó đã khắc phục được nhược điểm rất quan trọng là độ ẩm cao của thuốc hàn gốm
và cho phép nhận được mối hàn chất lượng cao, nên thuốc hàn thiêu kết ngày càng
được sự quan tâm và phát triển ở nhiều nước công nghiệp tiên tiến. Các nhà nghiên cứu
và sản xuất lớn trên thế giới như: Thụy Điển (hãng ESAB), Ucraine (viện Hàn Paton),
Hàn Quốc (hãng Hyundai, Chosun, Kiswel ....), Mỹ (HOBART), Đài Loan,... đã
nghiên cứu rất sâu về loại thuốc hàn thiêu kết và sản xuất với số lượng rất lớn.
Trong số chủng loại thuốc hàn của hãng ESAB thì thuốc hàn thiêu kết chiếm tỷ
lệ rất cao và hệ thống phân loại thuốc hàn của ESAB theo các chỉ tiêu về tính chất hóa
học của thuốc hàn – xỉ hàn và các chỉ tiêu khác chi tiết hơn thuận tiện cho việc lựa
chọn thuốc hàn để ứng dụng hàn các kết cấu thép có yêu cầu về cơ tính và điều kiện kỹ
thuật phù hợp.
Các hệ thống kí hiệu và tiêu chuẩn về thuốc hàn đối với các nước có khác nhau,
hiện nay tiêu chuẩn của Hiệp hội hàn Mỹ (AWS) được sử dụng phổ biến hơn cả, tuy
nhiên Tiêu chuẩn của AWS chỉ đưa ra cặp thuốc hàn – dây hàn tương ứng để đạt được
các chỉ tiêu về cơ tính và thành phần hóa học kim loại mối hàn, mà không giới thiệu

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
17

Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

thành phần thuốc hàn và các chỉ số quan trọng có liên quan đến chất lượng thuốc hàn.
Hãng ESAB (Thụy Điển) ngoài việc áp dụng theo tiêu chuẩn AWS, còn giới thiệu về
các chỉ số về tính chất hóa học (chỉ số bazơ của thuốc hàn – xỉ hàn, tính chất thuốc hàn,
lượng thuốc hàn nóng chảy theo chế độ hàn,...) và thành phần của xỉ hàn trong phạm vi
cho phép để người sử dụng tham khảo.
Trên thế giới có nhiều nhà sản xuất và nhiều loại thuốc hàn khác nhau. Ở Việt
Nam hiện nay các kết cấu hàn từ thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp có yêu cầu
chất lượng cao, hầu hết được hàn từ một trong số các loại thuốc hàn của ESAB và
Hyundai (Hàn Quốc). Về số lượng sử dụng thì thuốc hàn của Hyundai được sử dụng
nhiều hơn ESAB do giá rẻ hơn. Về uy tín và chất lượng thì thuốc hàn của ESAB cao
hơn của Hyundai. Thuốc hàn của các hãng khác như HOBART (Mỹ), Chosun, Kiswel
(Hàn Quốc),... ít được sử dụng ở Việt Nam hiện nay do các yếu tố về chất lượng và giá
chưa phù hợp. Còn thuốc hàn Trung Quốc chủ yếu dùng cho hàn các kết cấu có yêu
cầu chất lượng không cao, giá rẻ.
1.2.2. Nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở Việt Nam
Ở Việt Nam trong thời gian gần đây, các ngành công nghiệp đóng tàu, chế tạo
các kết cấu thép trong dầu khí, hóa dầu, nhiệt điện, thủy điện, giao thông, ... phát triển
mạnh, kéo theo ngành công nghệ hàn và nhu cầu về vật liệu hàn rất lớn. Trong đó phải
kể đến nhu cầu về thuốc hàn để hàn tự động dưới lớp thuốc nhằm nâng cao năng suất
và chất lượng các công trình và kết cấu hàn. Tuy số lượng cơ sở sản xuất vật liệu hàn ở
nước ta khá lớn, nhưng chủ yếu chỉ sản xuất que hàn điện và dây hàn, còn thuốc hàn
chủ yếu phải nhập ngoại. Ví dụ như Công ty CP Que hàn điện Việt Đức là cơ sở sản
xuất vật liệu hàn qui mô lớn, có thâm niên và kinh nghiệm nhất ở nước ta, hàng năm
vẫn phải nhập khẩu khoảng 450 tấn thuốc hàn để cung cấp cho thị trường (theo số liệu
2010).

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
18


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Số lượng thuốc hàn nói chung ở Việt Nam sử dụng 15.000 tấn, trong đó thuốc
hàn có chất lượng cao cần nhập khẩu khoảng 10.000 tấn.
Để giải quyết vấn đề này, một số viện nghiên cứu và cơ sở sản xuất vật liệu hàn
đã tiến hành nghiên cứu và chế tạo thuốc hàn gốm. Tuy nhiên, kết quả đạt được và mức
độ triển khai ứng dụng thực tế còn rất khiêm tốn, có thể dẫn ra một số kết quả dưới
đây:
- Thuốc hàn mác H400 của Công ty CP Công nghiệp Vật liệu hàn Nam Triệu
mới dừng lại ở mức độ sản xuất thử.
- Đề tài nghiên cứu thuốc hàn tự động của Viện Công nghệ, Bộ Công Thương
cũng chỉ dừng lại ở kết quả thử nghiệm (2007).
- Công ty CP Que hàn điện Việt Đức, Bộ Công Thương đã nghiên cứu đề tài về
thuốc hàn gốm mác F7-VD (hoặc AR-7) (2008), kết quả tuy đã được sản xuất thử,
nhưng còn một số hạn chế nên chưa thể triển khai sản xuất với qui mô công nghiệp và
đây là loại thuốc hàn hệ axit dùng để hàn các kết cấu thép yêu cầu chất lượng thông
thường.
Đó là tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn gốm ở nước ta. Trong khi đó
xu thế của thế giới là sử dụng thuốc hàn thiêu kết để đáp ứng yêu cầu của các công
trình và kết cấu hàn chất lượng cao, Việt Nam ngày càng phải nhập khẩu lượng thuốc
hàn thiêu kết rất lớn với giá cao và bị động, chưa nghiên cứu và sản xuất được loại

thuốc hàn này.
Nguồn nguyên liệu để sản xuất thuốc hàn của chúng ta rất lớn và phong phú, tuy
rằng chất lượng của chúng cũng còn có vấn đề. Nhưng nếu nghiên cứu phối liệu và xử
lý nhanh nguyên liệu hợp lý vẫn có thể tận dụng được nhiều loại nguyên liệu để sản
xuất thuốc hàn. Dự kiến những thành phần chủ yếu trong mẻ liệu thuốc hàn sẽ sử dụng
nguồn nguyên liệu trong nước như dioxit titan (TiO 2 trắng) của Bình Thuận, rutil (Bình
Định, Quảng Trị, Hà Tĩnh), đá vôi (Yên Bái), huỳnh thạch (Sơn La), trường thạch (Lào

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
19


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Cai), Alumina (Lâm Đồng), nước thủy tinh (Hải Phòng, Hà Nội) và một số loại ferohợp kim (Fe-Mn, Fe-Si).
Vì vậy, việc nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn thiêu kết trên nguyên tắc ưu tiên,
tận dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước để thay thế thuốc hàn nhập ngoại là
vấn đề vừa có tính cấp thiết trước mắt, vừa có tính chiến lược lâu dài, để chủ động, tiết
kiệm nguồn ngoại tệ, tạo thêm việc làm trong nước, các doanh nghiệp mở rộng sản
xuất do có thêm sản phẩm mới, tăng giá trị gia tăng cho nguồn tài nguyên của đất nước
và tiến tới các doanh nghiệp có thể xuất khẩu mặt hàng này.
Như đã trình bày ở phần tổng quan, thuốc hàn thiêu kết dùng để hàn tự động
dưới lớp thuốc có ưu điểm nổi trội về nhiều mặt, nên xu hướng của thế giới là sản xuất
và sử dụng thuốc hàn thiêu kết để chế tạo các công trình và kết cấu hàn chất lượng cao.
Ngoài ra, hàn tự động dưới lớp thuốc là phương pháp hàn tiên tiến cho năng suất cao,
chất lượng mối hàn tốt, điều kiện vệ sinh môi trường tốt hơn đa số các phương pháp

hàn khác. Do vậy, xu hướng và nhu cầu về thuốc hàn thiêu kết ở Việt Nam cũng như
trên thế giới ngày càng tăng.
Trên thế giới đã nghiên cứu sâu và sản xuất nhiều thuốc hàn thiêu kết, còn ở Việt
Nam nhu cầu thì lớn, nhưng chưa có nơi nào nghiên cứu và sản xuất, nên hoàn toàn
phải nhập khẩu với giá cao và bị động. Điều này làm cho giá thành các công trình chế
tạo bằng hàn của nước ta bị đẩy lên cao, làm giảm sức cạnh tranh và mất đi một nguồn
ngoại tệ khá lớn. Trong khi đó, nguồn nguyên vật liệu để sản xuất thuốc hàn của nước
ta rất lớn và phong phú. Do vậy, nhóm tác giả đề tài đã đặt ra mục tiêu nghiên cứu chế
tạo thuốc hàn thiêu kết sử dụng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước để hàn tự động
dưới lớp thuốc các kết cấu thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp.
1.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
20


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến sự hình thành mối hàn
và lượng thuốc nóng chảy khi hàn tự động dưới lớp thuốc hàn tương đương với loại
F7A(P)4 theo AWS A5.17-80.
- Xác định được chế độ hàn hợp lý và lượng thuốc hàn nóng chảy trên khối
lượng dây hàn khi sử dụng thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ loại F7A(P)4 theo AWS A5.1780.
1.3.2. Nội dung nghiên cứu
- Giới thiệu tổng quan việc nghiên cứu của thế giới và Việt Nam về thuốc hàn

thiêu kết. Xác định hướng nghiên cứu của đề tài.
- Các vấn đề cần được giải quyết:
+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến sự hình thành mối
hàn và lượng thuốc hàn bị nóng chảy khi hàn thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ F7A(P)4.
+ Xác định được chế độ hàn hợp lý và lượng thuốc hàn nóng chảy trên khối
lượng dây hàn khi sử dụng thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ được chế tạo bằng nguyên vật
liệu trong nước tương đương với loại F7A(P)4 theo AWS A5.17-80.
+ Xây dựng bản hướng dẫn sử dụng thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ.

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
21


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Chương 2
GIỚI THIỆU VỀ THUỐC HÀN
2.1. Các chỉ tiêu cơ bản của thuốc hàn
2.1.1. Các chỉ tiêu chung của thuốc hàn
Thuốc hàn dùng trong hàn tự động, bán tự động dưới lớp thuốc, thuốc hàn kết
hợp với dây hàn phải đạt được các chỉ tiêu chung cơ bản như sau :
− Đảm bảo về cơ tính của kim loại mối hàn.
− Đảm bảo thành phần hóa học cần thiết cho kim loại mối hàn.
− Đảm bảo hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn và VAHN theo yêu cầu.
− Đảm bảo tính công nghệ hàn theo yêu cầu.
− Giá thành sản phẩm hạ.

2.1.2. Các chỉ tiêu công nghệ hàn
Các đặc tính công nghệ của thuốc hàn gồm những chỉ tiêu chính như sau:
− Đảm bảo dễ gây hồ quang và hồ quang hàn cháy ổn định;
− Bảo vệ tin cậy vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi sự tác dụng của môi
trường xung quanh;
− Tạo dáng mối hàn và hình thành mối hàn tốt;
− Tạo xỉ dễ nổi lên bề mặt vũng hàn và phủ đều trên bề mặt mối hàn để bảo vệ
và giúp mối hàn nguội chậm, xỉ phải dễ tách khỏi mối hàn (tính bong xỉ tốt);
− Đảm bảo tinh luyện kim loại mối hàn và khử tạp chất theo yêu cầu;
− Có khả năng cải thiện và hợp kim hoá kim loại mối hàn, nâng cao cơ tính kim
loại mối hàn;

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
22


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

− Đảm bảo khuyết tật trong giới hạn cho phép: rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu
khe hở hàn,...
− Lượng khí độc thải ra ở mức độ cho phép, đảm bảo yêu cầu vệ sinh công nghiệp.
2.1.3. Các yêu cầu kỹ thuật chung khi sản xuất thuốc hàn
Ngoài các chỉ tiêu kỹ thuật chung và các đặc tính công nghệ hàn, khi sản xuất thuốc
hàn phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật như sau:
− Thuốc hàn phải đảm bảo độ đồng đều về thành phần theo yêu cầu.
− Đảm bảo độ bền cơ học của hạt thuốc hàn.

− Đảm bảo độ ẩm của thuốc hàn theo yêu cầu.
− Đảm bảo kích thước hạt thuốc và tỷ lệ các cỡ hạt thuốc hàn theo yêu cầu.
2.2. Phân loại và kí hiệu thuốc hàn
2.2.1. Phân loại
 Phân loại theo phương pháp chế tạo:
− Thuốc hàn nung chảy (Fused)
− Thuốc hàn gốm nói chung (không nung chảy – Bonded) và có thể phân chia
nhỏ hơn:
+ Thuốc hàn gốm: nhiệt độ sấy ≤ 500°C;
+ Thuốc hàn thiêu kết: nhiệt độ sấy thiêu kết > 500°C (agglomerated flux).
− M (Mechanically mixed): loại hỗn hợp cơ học (thuốc hàn nung chảy + bột
hợp kim hoặc fero hợp kim).
 Theo đặc điểm và tỷ trọng hạt thuốc:
− Thuốc hàn hạt dạng thuỷ tinh có tỷ trọng: 1,4 ÷ 1,8 Kg/dm3
− Thuốc hàn hạt dạng bọt nhẹ có tỷ trọng: 0,6 ÷ 1 Kg/dm3
− Thuốc hàn hạt dạng tinh thể cũng có tỷ trọng như dạng thuỷ tinh: 1,4 ÷ 1,8
Kg/dm3
 Theo tính axit hoặc bazơ của xỉ hàn:

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
23


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

− Thuốc hàn hệ axit: hồ quang cháy ổn định, êm; giọt kim loại dịch chuyển

dạng tia, mối hàn rất đẹp. Tuy nhiên, khả năng khử tạp chất và tinh luyện
kim loại mối hàn bị hạn chế, hàm lượng hyđrô cao, nên thường dùng để hàn
các kết cấu thép cacbon thông thường.
− Thuốc hàn bazơ: hồ quang cháy kém ổn định hơn, giọt kim loại dịch chuyển
có kích thước lớn hơn nhiều, bề mặt kim loại mối hàn thô, và không dùng
dòng điện xoay chiều. Tuy nhiên, nó có ưu điểm là tinh luyện kim loại mối
hàn rất tốt và hệ số dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim cao, hàm lượng
hyđrô thấp, nên thích hợp để hàn thép cacbon có độ bền cao, thép hợp kim
và hàn đắp.
− Thuốc hàn trung tính: đặc điểm của nó có tính trung hoà giữa hai loại thuốc
hàn kể trên.
 Theo thành phần hoá học và hợp chất chính:
Theo thành phần hoá học và hợp chất chủ yếu của xỉ hàn có thể phân loại, kí
hiệu theo tiêu chuẩn của viện Hàn Quốc tế (tiêu chuẩn IIW – 545 – 78) như sau:
Bảng 2.1. Phân loại và kí hiệu thuốc hàn theo IIW – 545 –78
Kí hiệu
MS

Thành phần chính, %
MnO + SiO2 ≥ 50

Loại thuốc hàn
Hệ Mn – Silicat

CS

CaO + MgO + SiO2 ≥ 60

Hệ Canxi – Silicat

ZS

ZrO2 + SiO2 ≥ 30

Hệ Zirconi - Silicat

AR

Al2O3 + TiO2 ≥ 45
Al2O3 + CaO + MgO ≥ 45,

Ôxit nhôm – Rutil

AB
FB

( Al2O3 ) ≥ 20.
CaO + MgO + MnO + CaF2 ≥ 50 ,

SiO2 max = 20, CaF2 ≥ 15 .
ST
Chứa chất hợp kim hoá
 Theo tính axit hoặc bazơ của xỉ hàn:

Ôxit nhôm – Bazơ
Fluorit – Bazơ
Khác

− Thuốc hàn hệ axit: Hồ quang cháy ổn định , êm, giọt kim loại dịch

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
24


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

chuyển dạng tia, mối hàn rất đẹp.Tuy nhiên khả năng khử tạp chất và tinh luyện
kim loại mối hàn bị hạn chế, hàm lượng hyđrô cao, nên thường dùng để hàn các
loại thép các bon thông thường.
− Thuốc hàn bazơ: Hồ quang cháy kém ổn định hơn, giọt kim loại dịch
chuyển có kích thước lớn hơn nhiều, bề mặt kim loại mối hàn thô hơn và chủ
yếu dùng nguồn điện hàn là dòng điện một chiều. Tuy nhiên, nó có ưu điểm là
khả năng tinh luyện kim loại mối hàn rất tốt và hệ số dịch chuyển của các
nguyên tố hợp kim cao, hàm lượng hyđrô thấp, nên thích hợp hàn thép cacbon
có độ bền cao, thép hợp kim và hàn đắp.
− Thuốc hàn trung tính: Có tính trung hoà giữa hai lạo thuốc hàn kể trên.
 Theo hoạt tính hoá học (H) của xỉ hàn
−
−
−
−

Thuốc hàn hoạt tính cao H>0,6
Thuốc hàn hoạt tính khi H=0,6÷0,3
Thuốc hàn hoạt tính thấp khi H = 0,3÷0,1
Thuốc hàn trung tính khi H < 0,1

 Theo công dụng
− Thuốc hàn dụng hàn cơ giới hoá và hàn đắp
− Thuốc hàn điện xỉ
− Thuốc hàn hợp kim cao.
2.2.2. Ký hiệu thuốc hàn
Hiện nay hệ thống tiêu chuẩn để ký hiệu thuốc hàn của Việt Nam chưa được
chuẩn hoá, khi lựa chon thuốc hàn để hàn có thể tham khảo một số tiêu chuẩn phổ biến
trên thế giới như AWS. Tiêu chuẩn này thường giới thiệu kết hợp thuốc hàn với dây
hàn đặc để hàn tự động dưới lớp thuốc. Theo tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 “Quy định
thuốc hàn và dây hàn thép cacbon để hàn tự động dưới lớp thuốc” [14;13;17;19]

ọc viên: Tạ Văn Năm

CH11A
25