Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần thuốc hàn đến tính công

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

NGUYỄN THÀNH HƢNG

Nghiên cứu ảnh hƣởng của thành phần thuốc hàn đến
tính công nghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết tƣơng
đƣơng với F7A(P)4 theo AWS A5.17-80
Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ HÀN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ HÀN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. VŨ HUY LÂN

Hà Nội -2013

1


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Mục Lục
MỤC LỤC ....................................................................................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................................................................ 8
MỞ ĐẦU........................................................................................................................................................................ 11
CHƢƠNG 1 ................................................................................................................................................................... 13
TỔNG QUAN VỀ THUỐC HÀN THIÊU KẾT ......................................................................................................... 13
1.1. Sơ lược về hàn tự động dưới lớp thuốc hàn ............................................................................................... 13

111

ng

112

i r

113

h n

n
ng

h n

ộng ư i

ng

h

ại h

h

............................................................................................. 13

h n .............................................................................................................. 17

h n h

hư ng h

hế tạo ........................................................................................ 18

1.2. Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ............................................................................................ 19
1 2 1 Nghi n

v

n

h

h n r n Thế gi i ....................................................................................... 19

1 2 2 Nghi n

v

n

h

h n

1. .

i
i

1 3 3 Nội

.......................................................................................... 20

à nội d ng nghi n ứ ............................................................................................................... 22

1 3 1 Ng n ng
132 M

i N

n i

n

h

h n

i N

.............................................................................. 23

nghi n

.................................................................................................................................. 25

ng nghi n

.................................................................................................................................. 25

CHƢƠNG 2 ................................................................................................................................................................... 26
GIỚI THIỆU VỀ THUỐC HÀN VÀ LỰA CHỌN XỈ HÀN..................................................................................... 26
.1.

h i

211

h i

2.1.2. C

h i

ơ ản

h ố hàn .............................................................................................................. 26

h ng

a thu c hàn.............................................................................................................. 26

ng ngh h n ....................................................................................................................... 26

213

ỹ h ậ h ng hi

. . Thành h n h n l i à
221
222

nh
h n

h
ại v

. . Sơ lượ

ề

2 3 1 Kh i ni
232
. . ự

ế

hi

h

hi

h

h n .................................................................................. 26

h ố hàn ............................................................................................. 27

r ng h nh h n

i

h

h n .................................................................... 27

h n .................................................................................................................. 29

hàn ......................................................................................................................................... 35
v

h n ................................................................................................................................... 35

nh h

h n ............................................................................................................................ 35

h n nền

241 L
.5. X

h

n

hàn à nh

họn n n ạ

n ơ ộ thành ph n mẻ li u thuốc hàn ............................................ 46

................................................................................................................................... 46

định hàm nội dung nghiên cứu ........................................................................................................... 51

251

nghiên c u tổng quát ...................................................................................................................... 51

252

nghiên c u c

tài...................................................................................................................... 52

CHƢƠNG 3 ................................................................................................................................................................... 55
NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................................................... 55
.1. nh hư ng
3.1.1. C

h i

312

nghi n

3.1.3 T nh

n

nh

hấ h

ng ngh h n
nh hư ng
ộ h nh h n

đ n nh

ng ngh hàn ............................................................. 55

a thu c hàn ................................................................................................ 55
h n h n h

h n ến nh

ng ngh h n ..................................... 55

i ........................................................................................................... 56

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

1

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

. . hương h
321

ng

nghi n ứ ............................................................................................................................ 58

ng

322 X

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

h ạ h h

nghi

ịnh h n ượng các ch

. .

ả hương h

............................................................................................................. 58
m b o thành ph n tính công ngh thu c hàn .......................................... 68

h nghi

............................................................................................................ 69

331

h n ị

v

h

ịnh ộ ổn ịnh h

332

h n ị

v

h

ịnh

h hư

333

h n ị

v

h

ịnh

ng

ng h n ........................................................................ 72

h nh ạng

ng

i h n ............................................................... 74

h n .................................................................................... 75

CHƢƠNG 4 TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA THÀNH PHẦN THUỐC
HÀN ĐẾN CHỈ TIÊU C NG NGHỆ HÀN ................................................................................................ 77
41 X

ng ế h ạ h h

nghi

................................................................................................................... 77

4.2. Loại kế hoạch th c nghi m .......................................................................................................................... 77
h

4.2.1.

h hự nghi

4.3. Ti n hành h nghi
CHƢƠNG 5 X
5.1. X

....................................................................................................................... 77

định

h i

nh

ng ngh hàn .................................................................... 79

L SỐ LIỆU VÀ CÁC KẾT LU N KHOA HỌC ....................................................................... 81

dựng

hương

nh h i

................................................................................................................. 81

5.1.1. chiều dài h quang tới h n....................................................................................................................... 81
5.1.2. chiều rộng mối hàn. .................................................................................................................................. 82
5.2.3. chiều cao mối hàn. .................................................................................................................................... 82
5.2.4. chiều cao mối hàn. .................................................................................................................................... 83
52
521

i

i n
i

5 2 2 Kế
5 3 2 Kế

i n

ường
ường

rưng v

ế

ận h

họ ............................................................................ 84

rưng .................................................................................................................. 84

ận ..................................................................................................................................................... 96
ịnh h

ượng

h

r ng h nh h n h

h n .......................................................... 99

PHỤ LỤC .................................................................................................................................................................... 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................................................... 101

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

2

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC K 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

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

3

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

4

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số

Tên bảng

Trang

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

30

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

33

hàn tự động dưới lớp thuốc theo AWS A5.17 – 80
Bảng 2.5

33

Các loại xỉ hàn theo thành phần hoá học và các chất chính
theo IIW

34

45

Bảng 2.6

Thành phần sơ bộ mẻ liệu thuốc hàn (mẻ liệu khô)

50

Bảng 2.7

Quy đổi thành phần mẻ liệu có tính đến nước thủy tinh.

51

Bảng 3.1.

Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào

62

Bảng 3.2. Kế hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao (với biến mã hóa)

63

Bảng 3.3.

Thành phần hoá học của thép mác SM400B, (%):

70

Bảng 3.4.

Thành phần hoá học của dây hàn EM12K, (%):

70

Bảng 3.5.

Các chỉ tiêu cơ tính dây hàn:

70

Bảng 4.1.

Kế hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao

78

Bảng 4.2

Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố

79

Bảng 4.3.

Kế hoạch thực nghiệm F7A4 -1

79

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

5

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Tên hình vẽ

Hình số

Trang

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 1.6

Dạng thuốc hàn

17

Hình 2.1

Sơ đồ kí hiệu thuốc hàn – dây hàn AWS A5.17 - 80

32

Hình 2.2

Hàm lượng oxi trong kim loại đắp phụ thuộc vào hệ số hoạt

tính hoá học của thuốc-xỉ hàn khi hàn ở chế độ hàn trung

38

bình trên thép các bon và thép hợp kim thấp
Hình 2.3

Độ sệt của xỉ ở nhiệt độ 1400°C, poa

40

Hình 2.4

Sự thay đổi độ nhớt của xỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

42

Hình 2.5

Giản đồ trạng thái nhiệt độ của hệ xỉ hàn, °C

47

Hình 2.6

Độ sệt của xỉ ở nhiệt độ 1600°C, Pa.s

48

Hình 2.7.

Sức căng bề mặt của hệ xỉ hàn ở 1600°C, J/m2

48

Hình 2.8.

Sơ đồ nghiên cứu tổng quát thuốc hàn

52

Hình 2.9.

Sơ đồ nghiên cứu của đề tài

53

Hình 3.1.

Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của thàn phần thuốc hàn đến
tính công nghệ hàn.

55

Hình 3.2.

Máy hàn tự động Dosun DZ1000

71

Hình 3.3.

Mẫu phối hàn xác định độ ổn định của hồ quang.

73

Hình 3.4.

Thí nghiệm đo chiều dài hồ quang tới hạn

73

Hình 3.5.

Kích thước mẫu hàn xác định hình dạng, kích thước mối
hàn.

Hình 3.6.

Kích thước mẫu hàn xác định tính ổn định của hồ quang

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

6

74
74

CH11BCNH.KH

Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 3.7.

Các kích thước mối hàn

75

Hình 3.8.

Đo chiều sâu ngấu mối hàn

75

Hình 3.9 .

Kích thước mẫu thử tính bong của xỉ

75

Hình 3.10

Thí nghiệm đo công bong xỉ

76

Hình 5.1.

Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng MgO
trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.2.

Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng Al2O3
trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.3.

Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng AF2
trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.4.

Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng TiO2
trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.5.

Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng MgO,
Al2O3 ,CaF2,TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.6.

Sự phụ thuộc của bề rộng mối hàn vào hàm lượng MgO
trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.7.

Sự phụ thuộc của bề rộng mối hàn vào hàm lượng Al2O3
trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.8.

Sự phụ thuộc của bề rộng mối hàn vào hàm lượng CaF2
trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.9.

Sự phụ thuộc của bề rộng mối hàn vào hàm lượng ,TiO2
trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.10. Sự phụ thuộc của bề rộng mối hàn vào hàm lượng MgO,
Al2O3, CaF2, TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.11. Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng MgO
trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.12. Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng Al2O3
trong mẻ liệu thuốc hàn

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

7

84
85
85

86
86
87
87
88
88
89
89
90

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 5.13. Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng CaF2
trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.14. Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng TiO2
trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.15. Sự phụ thuộc của chiều cao mối hàn vào hàm lượng MgO,
Al2O3 ,CaF2,TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.16. Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượng
MgO trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.17. Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượng

Al2O3 trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.18. Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượng
CaF2 trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.19. Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượng
TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.20. Sự phụ thuộc của chiều sâu ngấu mối hàn vào hàm lượng
MgO, Al2O3 ,CaF2,TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.21. Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng
MgO trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.22. Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng
AlO3 trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.23. Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng
CaF3 trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.24. Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng
TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn

Hình 5.25. Sự phụ thuộc của hệ số hình dạng mối hàn vào hàm lượng
MgO, Al2O3 ,CaF2,TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

8

90
91
91
92
92
93
93
94
94
95
95
96
96

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Nguyễn Thành Hưng, học viên lớp Cao học Công nghệ hàn – Khoá
2011, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh
hƣởng của thành phần thuốc hàn đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn thiêu
kết (F7A(P)4) 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.
H Nội ng

28 tháng 9 nă 2013

Học viên

Nguyễn Thành Hƣng

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

9

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC K 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

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

10

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

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 thành phần
thuốc hàn đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết (F7A(P)4) theo
AWS A5.17-80”.
ấn đề

n giải

như sau:

Giới thiệu tổng quan việc nghiên cứu của thế giới và Việt Nam về hiệu
quả hợp kim hóa của Mn và Si trong kim loại mối hàn khi hàn tự động dưới lớp
thuốc hàn gốm hệ bazơ và những giải pháp điều chỉnh hàm lượng Mn và Si khi chế
tạo thuốc hàn.
Nghiên cứu hiệu quả hợp kim hóa của Mn và Si trong kim loại mối hàn
khi chế tạo thuốc hàn gốm hệ bazơ.
- Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến hợp kim hóa của Mn và Si trong kim
loại mối hàn.
- Nghiên cứu xác định giá trị của các yếu tố trên đảm bảo hàm lượng của M
và Si trong kim loại mối hàn theo yêu cầu đề ra.

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

11

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trên cơ sở đó cho phép ứng dụng để tính toán và xác định thành phần
mẻ liệu thuốc hàn đảm bảo hàm lượng của Mn và Si trong kim loại mối hàn.
Thực hiện các thí nghiệm, sơ đồ thực thực nghiệm và sử lý kết quả để
xác định thành phần đơn thuốc hàn.
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ trợ giúp hiệu quả cho việc xác định thành
phần đơn thuốc hàn sản xuất bằng nguyên vật liệu trong nước, nhằm nâng cao chất
lượng kim loại mối hàn.
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!

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

12

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

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


Kh i ni

hàn h

ng dưới lớ

h ố :

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.


Ng

n lý

hàn h

àng dưới lớ

h ố :

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.

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

13

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.1.

H nh 1 2 Mộ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

ng

n

hiế

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

ịh nh

r nh h n

ộng ư i

h

ng

ộng ư i

h

14

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

H nh 1 3 Mộ

H nh 1 4

ng

h nh nh v h n h

n

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

h nh

ng

ng ư i

15

ộng ư i

h

h

ằng i n

ăng

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

H nh 1 5 H n h


Đặ điể

hàn h

ng ư i
ng dưới lớ

h

ằng i n

ăng

h ố :

- 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 ôxi
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.
- 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.

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

16

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 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.


h

i ứng d ng

hàn h

ng dưới lớ

h ố :

- 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 tr công dụng của thuốc hàn


Kh i ni

: 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 h


Vai r

ng

ng

h

h n

h n:

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

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

17

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 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. Ph n lo i thuốc hàn theo phƣơng ph p chế t o
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]:


The

hư ng h

hế ạ :

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).

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

18

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 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, 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 ....),

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

19

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

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 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 (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 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

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

20

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

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.
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

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

21

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

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
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

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

22

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

1.3.1. Nguồn nguyên liệu đ sản uất thuốc hàn ở Việt Nam
ng 1 1
STT

1

ng n ng

Tên nguyên liệu

Ôxít Titan (Ti2O)
Kỹ thuật

n i

r ng nư

Thành phần hoá học
yêu cầu, %

iến ử

ng [1]

Độ hạt,
μm
- Trường ĐH Bách Khoa Hà

Nội;
- Các cơ sở có chất lượng
tương đương.

TiO2  95
P  0,03
S  0,03
TiO2  85

2

FeO  3,5
Rutil

- Bình Định

P  0,03
S  0,03

3

Ilmenit hoàn
nguyên

TiO2 = 50 - 52
FeO = 38 - 40

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

P  0,03
S  0,03
CaCO3  97

4

5

Đá vôi
(Vôi bột)

Đôlômit

S  0,03

- Hà Nam
- Hà Tĩnh
- Yên Bái,….

CaCO3 = 41 - 48
MgO3 = 43 - 76

- Hà Nam
- Hà Tĩnh,….

P  0,03

CaF2  80

6
Huỳnh thạch

SiO2 = 3 - 18
Fe2O3 = 0,1 - 0,5
K2O = 9 - 12
P =  0,03

- Hải Dương
- Sơn La;
- Phú Thọ,…

S  0,03

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

23

CH11BCNH.KH


Luận văn Thạc sỹ

7

Trường thạch
(Fenspat)

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

SiO2 = 63 - 67
Al2O3 = 14 - 19
Fe2O3 = 0,1 - 0,5
K2O + Na2O = 9 12

- Yên Bái
- Lào Cai,….

P  0,03
S  0,03
SiO2 = 50 - 56
Al2O3 = 28 - 35
Fe2O3 = 3 max

8
Cao lanh

- Hải Dương;
- Hưng Yên
- Phú Thọ,….

P  0,03
S  0,03
Al2O3  98

9

Alumina

SiO2  2,0

- Lâm Đồng
- Đắc K nông

Fe2O3  0,03
P  0,03
S  0,03
Mn  80
C 1

10

- Thái Nguyên
- Hà Tĩnh,….

Si 1,5
Fe - Mn

P  0,2
S  0,03
Si  45
C1
Mn  1,5

11
Fe - Si

- Thái Nguyên

P  0,2

S  0,03

12

Nước thủy tinh

Học viên: Nguyễn Thành Hưng

Tỷ trọng 1,5 g/m1
Modun: 3,3 – 3,7

24

- Hải Phòng
- Hà Nội

CH11BCNH.KH