Nghiên cứu ảnh hưởng của mn và si trong thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN CÔNG VƢỢNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA Mn VÀ Si TRONG THÀNH
PHẦN THUỐC HÀN THIÊU KẾT HỆ BAZƠ
TƢƠNG ĐƢƠNG LOẠI F7A(P)4 THEO AWS A5.17-80
ĐẾN CƠ TÍNH MỐI HÀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ HÀN

Hà Nội – Năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN CÔNG VƢỢNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA Mn VÀ Si TRONG
THÀNH PHẦN THUỐC HÀN THIÊU KẾT HỆ BAZƠ
TƢƠNG ĐƢƠNG LOẠI F7A(P)4 THEO AWS A5.17-80
ĐẾN CƠ TÍNH MỐI HÀN

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ HÀN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ HÀN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
:
1. TS: Vũ Huy Lân

Hà Nội – Năm 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Nguyễn Công Vượng, học viên lớp Cao học Công nghệ hàn – Khoá
2011B, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh
hƣởng của Mn và Si trong thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ tƣơng
đƣơng loại F7A(P)4 theo AWS A5.17-80 đến cơ tính mối hàn ”.
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 28 tháng 9 năm 2013
Học viên

Nguyễn Công Vƣợng

1


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AC

Alternating Curent

AWS

American Welding Society

ASTM

American Society for Testing of Materials

ASME

American Society of Machine Engineers

DC

Direct Current

DCEN, DC -

Direct Current Electrode Negative

DCEP, DC +

Direct Current Electrode Positive

DT

Destructive Testing

EN

European Standards

HAZ

Heat affected zone

IIW

International Institute Welding

ISO

International Standard Organization

JIS

Japanese Industrial Standards

KLCB

Kim loại cơ bản

NDT

Nondestructive Testing

PWHT

Post Weld Heat Treatment

SAW

Submerged Arc Welding

SMAW

Shielded Metal Arc Welding

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

VAHN

Vùng ảnh hưởng nhiệt

WPS

Welding Procedure Specification

WPQR

Welding Procedure Qualiffication Recode

ak

Độ dai va đập

σch

Giới hạn chảy

σk

Độ bền kéo

δ

Độ dãn dài tương đối

Ψmh

Hệ số hình dạng mối hàn

Ψn

Hệ số ngấu mối hàn

2


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Các nguồn nguyên liệu trong nước dự kiến sử dụng [1]........................ 23
Bảng 2.1. Phân loại và kí hiệu thuốc hàn theo IIW – 545 –78 .............................. 31
Bảng 2.2. yêu cầu về cơ tính kim loại mối hàn theo AWS A5.17 – 80 .................. 34
Bảng 2.3. Công thử độ dai va đập của kim loại mối hàn ...................................... 34
Bảng 2.4. Thành phần hoá học và một số thông số chủ yếu của dây hàn ............... 34

tự động dưới lớp thuốc theo AWS A5.17 – 80 .................................................... 34
Bảng 2.5.Các loại xỉ hàn theo thành phần hoá học và các chất chính theo IIW...... 46
Bảng 2.6: Thành phần sơ bộ mẻ liệu thuốc hàn (mẻ liệu khô) ............................. 53
Bảng 2.7: Quy đổi thành phần mẻ liệu có tính đến nước thủy tinh. ....................... 53
Bảng 3.1: Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào. ........................... 71
Bảng 3.2: Kế hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao (với biến mã hóa) ................. 72
Bảng 3.3: Thành phần hoá học của dây hàn SM400B, (%): ................................. 79
Bảng 3.4: Thành phần hoá học của dây hàn EM12, (%):...................................... 79
Bảng 3.5: Các chỉ tiêu cơ tính dây hàn: ............................................................... 80
Bảng 3.6: Kích thước mẫu thử độ bền kéo ......................................................... 89
Bảng 4.1: Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố.......................................... 92
Bảng 4.2: Kế hoạch thực nghiệm thí nghiệm trực giao bậc 2 ............................... 92
Bảng 4.3: Các thông số chế độ hàn ..................................................................... 93
Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm ............................................................................ 95
Bảng 5.1 . Hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-1 và dự kiến
thành phần hóa học tính toán của kim loại mối hàn. .......................................... 103

3


Bảng5.2 . Kết quả thử nghiệm thuốc hàn F7A4-1 và thành phần hóa học của ..... 103
kim loại mối hàn.............................................................................................. 103
Bảng 5.3 . Hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-2 và dự kiến
thành phần hóa học tính toán của kim loại mối hàn. .......................................... 104
Bảng 5.4 . Kết quả thử nghiệm thuốc hàn F7A4-2 và thành phần hóa học của .... 104
kim loại mối hàn (Mẫu thử theo ANSI/AWS B4.0). .......................................... 104

4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc ............................ 14
Hình 1.2. Một số thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc ............................... 14
Hình 1.3. Một số hình ảnh về hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc ....................... 15
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng ......... 15
Hình 1.5. Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng ................................... 16
Hình 2.1. Sơ đồ kí hiệu thuốc hàn – dây hàn AWS A5.17 - 80 ................................ 33
Hình 2.2. Hàm lượng oxi trong kim loại đắp phụ thuộc vào hệ số hoạt tính ............ 39
hoá học của thuốc-xỉ hàn khi hàn ở chế độ hàn trung bình ...................................... 39
trên thép các bon và thép hợp kim thấp .................................................................... 39
Hình 2.3 Độ sệt của xỉ ở nhiệt độ 1400°C, poa......................................................... 41
Hình 2.4. Sự thay đổi độ nhớt của xỉ phụ thuộc vào nhiệt độ ................................... 43
1-xỉ dài; 2- xỉ ngắn .................................................................................................... 43
Hình 2.5. Giản đồ trạng thái nhiệt độ của hệ xỉ hàn, °C ........................................... 49
Hình 2.6. Độ sệt của xỉ ở nhiệt độ 1600°C, Pa.s ....................................................... 50
Hình 2.7. Sức căng bề mặt của hệ xỉ hàn ở 1600°C , J/m2 ....................................... 50
Hình 2.8. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát thuốc hàn ...................................................... 54
Hình 2.9. Sơ đồ nghiên cứu của đề tài ...................................................................... 55
Hình 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit mangan trong thuốc hàn......................... 59
đến hàm lượng gia tăng của S trong kim loại mối hàn ............................................. 59
Hình 3.2. Hàm lượng S trong kim loại mối hàn phụ thuộc ....................................... 59
vào tính bazơ của thuốc hàn ...................................................................................... 59
Hình 3.3. Hàm lượng P trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào ................................ 60
tính bazơ của thuốc hàn; 1– (P)th = 0,03%; 2– (P)th = 0,05....................................... 60
5


Hình 3.4: Máy hàn tự động Dosun DZ1000 ............................................................ 80
Hình 3.5: Kích thước mẫu thử phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn ..... 82
Hình 3.6: Phôi chuẩn bị hàn mẫu thử phân tích thành phần hóa học kim loại ......... 83

mối hàn ...................................................................................................................... 83
Hìn 3.7: Máy phân tích quang phổ ........................................................................... 84
Hình 3.8: Các kích thước mầu hàn để chuẩn bị mẫu thử cơ tính ............................. 86
Hình 3.9: Vị trí lấy mẫu thử độ bền kéo và độ dai va đập ....................................... 87
Hình 3.10 : Mẫu thử kéo kim loại mối hàn: .............................................................. 88
Hình 3.11: Cắt mẫu thử độ bền kéo và độ dãn dài .................................................... 88
Hình 3.12: Ví dụ về hình dạng và kích thước mẫu thử độ bền kéo và độ dãn dài ... 88
Hình3.13: Máy kéo nén H011- Matest- Italia .......................................................... 89
Hình3.14: Hình dạng và kích thước mẫu chuẩn đầy đủ thử dai va đập ................... 90
theo tiêu chuẩn AWS B4.0 ........................................................................................ 90
Hình 3.15: Mẫu chuẩn đầy đủ thử dai va đập theo tiêu chuẩn AWS (có dung sai) . 90
Hình 3.16: Máy thử va đập và vị trí búa đập .......................................................... 91
Hình 4.1: Các phôi mẫu sau khi hàn xong sẽ tiến hành cắt để lấy mẫu thử ............. 94
thành phần hóa học kim loại mối hàn. ...................................................................... 94
Hình 4.2 : Mẫu hàn cắt để chuẩn bị phân tích thành phần hóa học .......................... 94
Hình 5.1. Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào ................. 98
hàm lượng Fe-Mn trong mẻ liệu thuốc hàn............................................................... 98
Hình 5.2 . Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào hàm......... 98
lượng Fe-Si trong mẻ liệu thuốc hàn ......................................................................... 99
Hình 5.3 . Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào ................ 99
hàm lượng Fe-Mn và Fe-Si trong mẻ liệu thuốc hàn ................................................ 99

6


Hình 5.4. Sự phụ thuộc của hàm lượng Si,(%) trong kim loại mối hàn vào ............. 99
hàm lượng Fe-Si, (%) trong mẻ liệu thuốc hàn ......................................................... 99
Hình 5.5. Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào hàm lượng
Fe-Mn trong mẻ liệu thuốc hàn ............................................................................... 100
Hình 5.6. Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào hàm lượng

Fe-Mn và Fe-Si trong mẻ liệu thuốc hàn ................................................................ 100
Hình 5.7. Gá lắp phôi để hàn mẫu thử cơ tính kim loại mối hàn ............................ 106
Hình 5.8 . Hàn mẫu thử cơ tính kim loại mối hàn .................................................. 106
Hình 5.9. Quá trình hàn mẫu thử cơ tính kim loại mối hàn .................................... 107
Hình 5.10. Mẫu sau khi thử kéokim loại mối hàn................................................... 107
Hình 5.11. Các mẫu sau khi thử độ dai va đậpkim loại mối hàn ............................ 108

7


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 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. Nhưng việc ứng dụng
còn hạn chế, do chưa nghiên cứu đầy đủ các chỉ tiêu cơ bản cần thiết để nâng cao
chất lượng thuốc hàn. Trong số các chỉ tiêu quan trọng này, đó là hàm lượng Mn và
Si trong kim loại mối hàn và các giải pháp để hợp kim của nó trong mối.
Nội dung cụ thể của luận văn tốt nghiệp: “ Nghiên cứu ảnh hƣởng của Mn
và Si trong thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ tƣơng đƣơng loại F7A(P)4
theo AWS A5.17-80 đến cơ tính mối hàn ”.
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:
+ Phân tích, lựa chọn các nguyên tố hợp kim phổ biến từ fero hợp kim dùng
trong thành phần thuốc hàn khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết tương đương
với loại F7A(P)4 theo AWS A5.17-80.
+ Nghiên cứu ảnh hưởng của các fero hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) trong thành
phần thuốc hàn đến thành phần hóa học và cơ tính kim loại mối hàn của

8


thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ tương đương với loại F7A(P)4 theo AWS
A5.17-80.
+ Xác định hàm lượng các nguyên tố hợp kim thông qua các fero hợp kim
(Fe-Mn, Fe-Si) đưa vào thành phần thuốc hàn thiêu kết tương đương loại
F7A(P)4 theo AWS A5.17-80 đảm bảo thành phần hóa học và cơ tính
kim loại mối hàn.
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ trợ giúp hiệu quả cho việc xác định thành
phần đơn thuốc hàn F7A(P)4 theo AWS A5.17-80.
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!

9


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................ 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. 2
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................... 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................... 5
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 8
Chƣơng 1 ...................................................................................................................... 13
TỔNG QUAN VỀ THUỐC HÀN THIÊU KẾT ..................................................... 13
1.1. Sơ lược về hàn tự động dưới lớp thuốc hàn ..................................................... 13
1.1.1. Sơ đồ nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc ................................................ 13
1.1.2. Vai trò, công dụng của thuốc hàn ................................................................. 17
1.1.3. Phân loại thuốc hàn theo phương pháp chế tạo ............................................ 18
1.2. Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ................................................... 19
1.2.1. Nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn trên Thế giới .......................................... 19
1.2.2. Nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở Việt Nam ............................................ 21
1.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .................................................................... 23
1.3.1. Nguồn nguyên liệu để sản xuất thuốc hàn ở Việt Nam ................................ 23
1.3.2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 25
1.3.3. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 25
Chƣơng 2 ...................................................................................................................... 26
GIỚI THIỆU VỀ THUỐC HÀN VÀ LỰA CHỌN XỈ HÀN................................. 26
2.1. Các chỉ tiêu cơ bản của thuốc hàn.................................................................... 26
2.1.1. Các chỉ tiêu chung của thuốc hàn ................................................................. 26
2.1.2. Các chỉ tiêu công nghệ hàn ........................................................................... 26
2.1.3. Các yêu cầu k thuật chung khi sản xuất thuốc hàn ..................................... 27
2.2. Thành phần, phân loại và kí hiệu thuốc hàn .................................................... 27
2.2.1. Các nhóm chất chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn ....................... 27

10


2.2.2. Phân loại và kí hiệu thuốc hàn ...................................................................... 29
2.3. Sơ lược về xỉ hàn ............................................................................................. 36
2.3.1. Khái niệm về xỉ hàn ...................................................................................... 36

2.3.2. Các tính chất của xỉ hàn ................................................................................ 36
2.3.3. Phân loại xỉ hàn ............................................................................................. 45
2.4. Lựa chọn nền tạo xỉ hàn và tính toán sơ bộ thành phần mẻ liệu thuốc hàn ..... 47
2.4.2. Xác định thành phần sơ bộ mẻ liệu thuốc hàn .............................................. 51
2.5. Xác định hàm nội dung nghiên cứu ................................................................. 53
2.5.1. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát ......................................................................... 53
2.5.2. Sơ đồ nghiên cứu của đề tài ......................................................................... 54
Chƣơng 3 ...................................................................................................................... 57
NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................ 57
3.1. Ảnh hưởng của Mn và Si trong thuốc hàn đến chất lượng kim loại mối hàn .. 57
3.1.1. Mn, Si trong vai trò chất khử ........................................................................ 57
3.1.2. Mn, Si trong vai trò hợp kim hóa .................................................................. 61
3.1.3. Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của Mn, Si trong thành phần thuốc hàn ......... 64
3.1.4. Tính toán sơ bộ lượng Mn và Si đưa vào thành phần mẻ liệu ...................... 64
3.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 66
3.2.2. Xác định giá trị các biến đầu vào hợp lý ...................................................... 77
3.3. Mô tả phương pháp các thí nghiệm ................................................................. 79
3.3.1. Điều kiện, vật liệu mẫu, thiết bị và chế độ hàn thí nghiệm .......................... 79
3.3.2. Mô tả thí nghiệm xác định thành phần hóa học kim loại mối hàn................ 82
3.3.3. Mô tả thí nghiệm xác định cơ tính kim loại mối hàn. ................................... 85
Chƣơng 4 ...................................................................................................................... 92
TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU SỰ DỊCH CHUYỂN CỦA Mn,
Si TỪ THUỐC HÀN VÀO KIM LOẠI MỐI HÀN .................................................. 92
4.1. Tiến hành thí nghiệm về thành phần hóa học kim loại mối hàn ...................... 92
4.1.1. Kế hoạch thực nghiệm nghiên cứu thành phần hóa học kim loại mối hàn ... 92
4.1.2. Các thông số chế độ hàn dùng để nghiên cứu thàh phần hoá học ................ 93

11

4.2. Kết quả thử nghiệm về thành phần hóa học kim loại mối hàn ........................ 93
4.2.1. Mẫu thử nghiệm thành phần hóa học kim loại mối hàn ............................... 93
4.2.2. Các số liệu thí nghiệm................................................................................... 94
Chƣơng 5 ...................................................................................................................... 96
XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG CÁC Fe-Mn, Fe-Si CHO MẺ
LIỆU THUỐC HÀN...................................................................................................... 96
5.1. Kết quả xử lý số liệu ........................................................................................ 96
5.1.1. Phần mềm xác định các hệ số phương trình hồi quy .................................... 96
5.1.2. Xây dựng các phương trình hồi quy ............................................................. 96
5.2. Biểu diễn các đường đặc trưng và các kết luận khoa học ................................ 97
5.2.1. Biểu diễn các đường đặc trưng ..................................................................... 97
5.2.2. Kết luận ....................................................................................................... 101
5.3. Xác định hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si hợp lý trong mẻ liệu thuốc hàn .............. 101
5.4. Kiểm tra cơ tính kim loại mối hàn ................................................................ 105
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 111
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 113
PHỤ LỤC .............................................................................................................

12

114


Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ THUỐC HÀN THIÊU KẾT
1.1. Sơ lƣợc về hàn tự động dƣới lớp thuốc hàn
1.1.1. Sơ đồ nguyên l hàn tự động dƣới 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 quàng 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.

13


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

14

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

15


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
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.
16


- 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
qu đạo không phức tạp.
- Hàn được các chi tiết có chiều dày từ vài mm cho đến hàng trăm mm.
1.1.2. Vai tr , 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.

Hình 1.6. Dạng thuốc hàn

17


 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.

-

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 phƣơng ph p 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 M ), 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:

18


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 uất 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.
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, M , 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

19


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 ....),
M (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 k 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 M (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 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 HOBAT (M ),
Chosun, Kiswel (Hàn Quốc),... ít được sử dụng ở Việt Nam hiện nay do các yếu tố

20


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 uất 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).
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.

21


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 (TiO2 trắng) của Bình
Thuận, rutil (Bình Định, Quảng Trị, Hà Tĩnh), đá vôi (Yên Bái), huỳnh thạch (Sơn
La), trường thạch (Lào Cai), Alumina (Lâm Đồng), nước thủy tinh (Hải Phòng, Hà
Nội) và một số loại fero-hợp 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

22

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. Nguồn nguyên liệu để sản uất thuốc hàn ở Việt Nam
Bảng 1.1. Các nguồn nguyên liệu trong nước dự kiến sử dụng [1]
STT

Tên nguyên liệu

1
Ôxít Titan (Ti2O)
K thuật
2
Rutil

3
Ilmenit hoàn
nguyên

Thành phần hoá học
Độ hạt,
yêu cầu, %
μm
Trường
ĐH

Bách Khoa Hà
TiO2 :  95
Nội;
P
:  0,03
- Các cơ sở có chất lượng
S
:  0,03
tương đương.
TiO2 :  85
FeO :  3,5
- Bình Định
P
:  0,03
S
:  0,03
TiO2
FeO
P
S

: 50 - 52
: 38 - 40
:  0,03
:  0,03

- Bình Định
- Quảng Trị
- Hà Tĩnh, Thái Nguyên,…

Đá vôi
(Vôi bột)

CaCO3 :  97
P
:  0,03
S
:  0,03

- Hà Nam
- Hà Tĩnh
- Yên Bái,….

Đôlômit

CaCO3 : 41 - 48
MgO3 : 43 - 76

- Hà Nam
- Hà Tĩnh,….

4

5

23