Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình TT

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

Phạm Thanh Lưu

NGHIÊN CỨU VÀ TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN THUỐC
HÀN THIÊU KẾT HỆ BAZƠ TRUNG BÌNH

Ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 9520103

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

`
Hà Nội – 2019


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS Vũ Huy Lân
2. TS Hà Xuân Hùng

Phản biện 1: PGS. TS Hoàng Tùng
Phản biện 2: PGS. TS Lê Thu Quý
Phản biện 3: PGS. TS Đinh Văn Chiến
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Hàn tự động dưới lớp thuốc là một trong các phương pháp hàn tiên tiến, được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực sản xuất cơ khí, cho năng suất cao, chất lượng mối hàn đảm bảo tốt các yêu
cầu kỹ thuật, điều kiện môi trường tốt hơn đa số các phương pháp hàn khác, giá thành phù hợp.
Thuốc hàn nói chung và thuốc hàn thiêu kết nói riêng được sử dụng trong hàn tự động dưới lớp
thuốc và hàn điện xỉ. Việc sử dụng vật liệu là thuốc hàn thiêu kết có nhiều ưu điểm nổi trội về nhiều
mặt so với các loại thuốc hàn khác. Do đó vấn đề nghiên cứu, sản xuất và sử dụng thuốc hàn thiêu
kết là xu hướng để chế tạo các công trình và kết cấu hàn chất lượng cao.
Hiện nay trên thế giới đã nghiên cứu sâu và sản xuất nhiều loại thuốc hàn thiêu kết, còn ở
Việt Nam nhu cầu lớn, nhưng việc nghiên cứu còn chưa sâu, kết quả đạt được còn khiêm tốn, nên
chưa áp dụng để sản xuất công nghiệp, phải nhập khẩu với giá thành cao và bị động... Đây là
nguyên nhân làm cho giá thành các công trình chế tạo bằng hàn trong nước bị đẩy lên cao, làm giảm
tính cạnh tranh, đồng thời cũng mất đi một nguồn ngoại tệ khá lớn. Trong khi đó, nguồn nguyên vật
liệu để sản xuất thuốc hàn thiêu kết ở trong nước rất lớn và phong phú. Do đó, mục tiêu của đề tài là
nghiên cứu và tối ưu hóa được thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình trên cơ sở sử dụng
tối đa nguồn nguyên liệu trong nước, sản xuất và ứng dụng vào thực tiễn đáp ứng nhu cầu sản xuất
và xuất khẩu.
Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu, xác định thành phần tối ưu mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết
hệ bazơ trung bình để hàn các kết cấu thép từ thép cacbon thấp.
Đối tượng nghiên cứu: Thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình.
Phạm vi nghiên cứu: Hàn các kết cấu thép từ thép cacbon thấp.
Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:
+ Tổng hợp các cơ sở lý thuyết về nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết.
+ Thí nghiệm thăm dò, sàng lọc và nghiên cứu thực nghiệm.
- Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm:
+ Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm xây dựng các phương trình toán học biểu diễn mối quan
hệ ảnh hưởng của các chất trong thành phần thuốc hàn thiêu kết đến các chỉ tiêu công nghệ hàn,
thành phần hóa học kim loại mối hàn,... làm cơ sở cho việc tối ưu hóa thành phần thuốc hàn.
+ Giải bài toán tối ưu xác định thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình đảm bảo
các chỉ tiêu theo yêu cầu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
1. Ý nghĩa khoa học
+ Luận án đã bổ sung thêm phương pháp nghiên cứu lựa chọn thành phần thuốc hàn SAW
và các số liệu mới làm cơ sở để xây dựng các mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình.


2
+ Xây dựng được các quy luật ảnh hưởng của các thành phần chủ yếu của thuốc hàn F7A4BK đến các chỉ tiêu công nghệ hàn của thuốc hàn, thành phần hóa học kim loại mối hàn, hàm lượng
hiđrô trong mối hàn và VAHN.
+ Đề xuất được sơ đồ nghiên cứu và các bước tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn.
2. Ý nghĩa thực tiễn của luận án
+ Các kết quả nghiên cứu có thể được triển khai sản xuất các sản phẩm thuốc hàn thiêu kết
hệ bazơ trung bình ở trong nước, mang lại hiệu quả kinh tế và xã hội cao.
+ Tính độc đáo của luận án thể hiện ở chỗ đây là mác thuốc hàn thiêu kết chất lượng cao đầu
tiên ở Việt Nam do người Việt Nam tự nghiên cứu và sản xuất bằng nguồn nguyên vật liệu chủ yếu
từ trong nước.
Các đóng góp mới của luận án
- Bằng cách vận dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phần mềm Modde 5.0 vào
việc xác định các hàm hồi quy mô tả quan hệ, quy luật ảnh hưởng của các chất chủ yếu trong thành
phần mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn là chiều
dài hồ quang tới hạn.

- Xây dựng được quy luật dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim Mn, Si từ thuốc hàn vào
kim loại mối hàn trong hệ xỉ bazơ trung bình. Trên cơ sở đó xác định được hàm được thành phần
hóa học kim loại mối hàn đáp ứng các chỉ tiêu cơ tính của kim loại mối hàn.
- Xây dựng được quy luật ảnh hưởng của hàm lượng huỳnh thạch và các thông số chế độ sấy
thiêu kết thuốc hàn hệ xỉ bazơ trung bình đến lượng hiđrô trong mối hàn. Trên cơ sở đó đã xác định
được vùng các thông số sấy thiêu kết thuốc hàn là: nhiệt độ sấy 755°C, thời gian sấy 103 phút, lượng
hiđrô trong mối hàn là 3,36 cm3/100g kim loại đắp (nhỏ hơn yêu cầu là 4 cm3/100g).
- Xây dựng được sơ đồ thuật toán tối ưu thành phần mẻ liệu thuốc hàn theo các mô đun,
giúp giảm số lượng thí nghiệm và chi phí thí nghiệm. Trên cơ sở giải bài toán tối ưu đã xác định
được tỷ lệ hợp lý các chất trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4–BK đáp ứng tốt các chỉ tiêu đề
ra.
Tóm lại, kết quả nghiên cứu của luận án nếu được thực hiện sẽ rất có ý nghĩa về khoa học,
kinh tế và xã hội trước mắt và lâu dài đối với nước nhà.
Kết cấu của luận án
Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình
bày trong 04 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết.
Chương 2: Quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết và phương pháp nghiên cứu.
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm.
Chương 4: Xác định thành phần tối ưu mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình.
Kết luận chung của luận án và kiến nghị.
Danh mục tài liệu tham khảo.
Danh mục các công trình đã công bố của luận án.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Tình hình nghiên cứu trong nước


3
Trên cơ sở khảo sát các dữ liệu của những cơ sở sản xuất vật liệu hàn hàng đầu ở nước ta, có
thể thấy nhu cầu về thuốc hàn thiêu kết ở nước ta khá lớn. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và công bố

các công trình nghiên cứu khoa học (chủ yếu được thực hiện ở một số trường đại học công nghệ,
một số viện nghiên cứu thuộc Bộ Công thương hay một số doanh nghiệp sản xuất vật liệu hàn) còn
chưa sâu, số lượng còn ít, kết quả đạt được và mức độ triển khai thực tế còn rất khiêm tốn. Do đó
chưa có doanh nghiệp trong nước nghiên cứu và tự sản xuất công nghiệp thuốc hàn thiêu kết, mà
chủ yếu phải nhập khẩu.
Hiện nay các kết cấu hàn từ thép cacbon thấp có yêu cầu chất lượng cao, hầu hết được hàn
từ một trong số các loại thuốc hàn của hãng ESAB (Thụy Điển) và Hyundai (Hàn Quốc). Thuốc hàn
của các hãng khác như Lincoln, Hobart (Mỹ), Kobelco (Nhật Bản), Chosun, Kiswel (Hàn Quốc),
Atlantic, Camel, Eagle, SJ (Trung Quốc)...ít được sử dụng hơn do các yếu tố về chất lượng và giá
chưa phù hợp.
Một số công trình nghiên cứu về thuốc hàn đã được công bố:
- Đề tài nghiên cứu về thuốc hàn nóng chảy tại Việt Nam tương đương với mác AH – 348
(Liên Xô) đã được thực hiện từ những năm 70 do kỹ sư Nguyễn Thành Kiên của Viện nghiên cứu
máy làm chủ nhiệm đề tài. Kết quả nhận được là chế tạo thành công thuốc hàn nung chảy bằng lò
điện, tương đương với mác AH – 348 của Liên Xô cũ. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu chỉ dừng lại ở
phòng thí nghiệm.
- Đề tài KH-CN 242.07RD/HĐ-KHCN: “Nghiên cứu chế tạo thuốc hàn tự động bằng vật
liệu trong nước để hàn kết cấu thép thay thế thuốc hàn nhập ngoại’’ do Kỹ sư Nguyễn Văn Thống
làm Chủ nhiệm đề tài năm 2007, thuộc Viện Công nghệ - Tổng công ty Máy động lực và máy nông
nghiệp, Bộ Công thương [4]. Đề tài đã chọn được nền tạo xỉ Nhôm – rutil (tên gọi theo tác giả),
nhưng chính xác hơn gọi theo thuật ngữ chuyên ngành là hệ xỉ Ôxit nhôm (Al2O3) – Rutil (TiO2)
theo IIW, kí hiệu hệ xỉ hàn này là AR. Đây là nền tạo xỉ hàn có tính công nghệ tốt và chất lượng
kim loại mối hàn khá cao ứng dụng để hàn kết cấu thép. Kết quả nghiên cứu đã được nghiệm thu
tháng 4 năm 2008 và được hàn thử nghiệm ở một số cơ sở.
- Đề tài: “Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất bộ hàn gốm dùng để hàn thép có độ bền
cao dưới lớp thuốc trợ dung” do Kỹ sư Đặng Trần Lương làm Chủ nhiệm đề tài, thuộc Công ty CP
Que hàn điện Việt Đức (Viwelco) hoàn thành và được nghiệm thu tháng 12 năm 2008 [5]. Nội
dung đề tài là nghiên cứu về thuốc hàn gốm mác F7-VD (hoặc AR-7), đã chọn được nền tạo xỉ
(nhôm – rutil) hay còn gọi là hệ xỉ hàn: Ôxit nhôm (Al2O3) – Rutil (TiO2) (theo IIW là hệ xỉ hàn
AR). Mặc dù công ty đã tiến hành sản xuất thử, nhưng còn một số hạn chế nên chưa thể triển khai

sản xuất với qui mô công nghiệp. Đây là loại thuốc hàn hệ axit có chất lượng và tính công nghệ tốt,
dùng để hàn các kết cấu thép yêu cầu chất lượng thông thường.
- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội: Bộ môn Hàn & Công nghệ Kim loại thuộc Viện Cơ
khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội có công trình nghiên cứu về thuốc hàn gốm do nhóm tác
giả Vũ Huy Lân, Bùi Văn Hạnh, Trịnh Duy Long,… thực hiện. Các kết quả nghiên cứu về thuốc
hàn gốm (hệ rutil – đôlômit – boxit), thuốc hàn hỗn hợp (thuốc hàn nung chảy + bột hợp kim),
thuốc hàn đắp,…từ những năm 1984 đã được công bố. Các mác thuốc thử nghiệm với kí hiệu BK.X
đã đạt được kết quả nhất định.


4
- Đề tài: “Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn gốm hệ AR dùng để hàn thép”
do PGS. TS. Đào Quang Kế, Học viện Nông nghiệp Việt Nam làm Chủ nhiệm đề tài, có công trình
nghiên cứu với Đề tài đã hoàn thành và được nghiệm thu tháng 9 năm 2014 [6].
- Đề tài: ”Nghiên cứu sản xuất thuốc hàn thiêu kết bằng nguyên vật liệu trong nước để hàn
tự động dưới lớp thuốc các kết cấu thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp”, mã số KC.02.04/11 –
15 thuộc Chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước KC.02/11 – 15 do PGS.
TS Vũ Huy Lân làm Chủ nhiệm đề tài, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là Cơ quan chủ trì hoàn
thành năm 2016. Đề tài đã nghiên cứu và sản xuất 03 loại thuốc hàn thiêu kết sử dụng tối đa nguyên
vật liệu trong nước để hàn tự động dưới lớp thuốc kết hợp với dây hàn thích hợp tương đương với
tiêu chuẩn của Hiệp hội Hàn Mỹ AWS A5.17 – 80 [3].
Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Hiện nay trên thế giới có rất 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 và thuốc
hàn thiêu kết. Việc nghiên cứu sản xuất và ứng dụng sản phẩm 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 vật
liệu hàn nổi tiếng trên thế giới như: ESAB (Thụy Điển), viện Hàn Paton (Ucraina), Messer,
Grieshemim (Đức), Hyundai, Chosun (Hàn Quốc), Hobart, Lincoln (Mỹ), Atlantic, Camel, Eagle,
SJ (Đài Loan, Trung Quốc)... đã nghiên cứu rất sâu về loại thuốc hàn thiêu kết và sản xuất với số
lượng rất lớn [3].

Trên cơ sở dữ liệu của nhiều hãng sản xuất vật liệu hàn nổi tiếng trên thế giới [3, 7, 8, 13,
14], tác giả lựa chọn một số mác thuốc hàn thiêu kết theo chỉ số bazơ tiêu biểu như bảng sau:
Bảng 1.7 Một số mác thuốc hàn thiêu kết tiêu biểu và hệ số bazơ theo tiêu chuẩn
của Viện hàn quốc tế (IIW) hoặc ESAB
Viện hàn Paton
(Ucraine)

Chỉ số
bazơ
B

Nhiệt độ thử đạt
độ dai va đập tối
thiểu ak(27J), 0C

S – 777MX

AHK - 44

0,6÷0,9

- 18

OK Flux 10.80

S – 727

AHK - 47

1,1

- 29

F7A4

OK Flux 10.71

S – 717

AHK – 561

1,6

- 40

F7A6

OK Flux 10.61

S – 707TP

AHK – 57

2,8

- 51

F7A8

OK Flux 10.62

S – 787TB

48AHK -54

3,4

- 62

Một số mác thuốc hàn tiêu biểu của các hãng

Kí hiệu thuốc
hàn theo AWS
A5.17-80

ESAB
(Thụy Điển)

Hyundai
(Hàn Quốc)

F7A0

OK Flux 10.81

F7A2

Bảng 1.8 Thành phần hóa học chủ yếu của xỉ hàn khi sử dụng thuốc hàn ESAB
Mác thuốc, dây
hàn theo AWS

A5.17-80

Mác thuốc hàn
theo ESAB
1904-2004

F7A4

OK Flux
10.71

Thành phần hóa học chủ yếu của xỉ hàn,%
SiO2+TiO2

CaO+MgO

Al3O2+MnO

CaF2

Hoạt tính
(Hệ số B)

20 ÷ 30

25÷35

25÷35

10÷20

1,6


5
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU THUỐC HÀN THIÊU KẾT
1.1 Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ
1.1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc
1.1.2 Vai trò và công dụng của thuốc hàn
- Tạo ra môi trường ion hóa tốt để đảm bảo dễ gây hồ quang và duy trì hồ quang ổn định.
- 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.
- Giúp hình thành và bảo đảm hình dạng mối hàn tốt (tạo dáng mối hàn).
- Làm cho kim loại mối hàn nguội chậm, đồng thời 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.
- Đảm bảo hệ số nóng chảy và tốc độ hàn theo yêu cầu.
- Hợp kim hóa kim loại mối hàn, đặc biệt đối với mối hàn đắp để cải thiện tổ chức kimloại
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 hao tổn kim loại, nâng cao năng suất hàn.
- Giảm khuyết tật trong phạm vi cho phép: 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 giới
hạn cho phép khi hàn.
1.1.3 Phân loại thuốc hàn
Hiện nay có nhiều hệ thống tiêu chuẩn phân loauj thuốc hàn như ISO, AWS, BS, GOST,

DIN,..Việc phân loại có thể dựa theo phương pháp chế tạo thuốc, tính chất hóa học của thuốc hàn,
thành phần hóa học và cơ tính kim loại đắp,…
- Phân loại theo phương pháp chế tạo thuốc: gồm thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm và
thuốc hàn thiêu kết.


6
- Phân loại theo tính chất hóa học (chỉ số bazơ) [18,43, 99]: gồm thuốc hàn axit (B < 0.9),
thuốc hàn bazơ thấp (0.9 ≤ B ≤ 1.2), thuốc hàn bazơ trung bình (1.2 ≤ B ≤ 2) và thuốc hàn bazơ cao
(B > 2).
1.1.4 Ký hiệu thuốc hàn và dây hàn
Tiêu chuẩn AWS A5.17 – 80 “Quy định thuốc hàn và dây hàn thép cacbon để hàn tự động
dưới lớp thuốc” [18, 43], thuốc hàn được ký hiệu kết hợp với dây hàn tương ứng để đạt được cơ
tính cần thiết của kim loại mối hàn.
Thuốc hàn: F X X X
(1) (2) (3) (4)
(1) - F (Flux): Thuốc hàn.
(2) - Độ bền kéo tối thiểu của kim loại mối hàn (ksi).
(3) - Điều kiện nhiệt luyện khi thử mẫu.
A – As welding: trạng thái sau khi hàn (không nhiệt luyện).
P – PWHT (Post Weld Heat Treatment): có nhiệt luyện sau khi hàn (chế độ nhiệt luyện
là 610 – 6350C/1h).
(4) – Nhiệt độ quy ước thử độ dai va đập.
Dây hàn:
E X X X
(1) (2) (3) (4)
(1) – E (Electrode): điện cực hàn (dây hàn).
(2) - Chữ cái chỉ hàm lượng Mangan
L:...............Low Mn (mangan thấp).
M: ............Medium Mn (mangan trung bình).

H: ............ Hight Mn (mangan cao).
(3) - Số chỉ hàm lượng cacbon (phần vạn).
(4) - K (killed) nếu có, chỉ thị rằng thép dây hàn được khử silic.
1.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn
1.2.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở trong nước
1.2.2 Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở nước ngoài
Kết luận chương 1
Phương pháp 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 nhiều phương pháp hàn khác. Thuốc
hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình dùng để hàn tự động dưới lớp thuốc nói riêng có nhiều ưu điểm,
nên được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam, đặc biệt dùng để chế tạo các
công trình và kết cấu hàn thép yêu cầu chất lượng cao. Do vậy, nhu cầu về thuốc hàn thiêu kết ở
Việt Nam cũng như trên thế giới ngày càng tăng. Nhưng ở nước ta chưa có đơn vị nào nghiên cứu
sâu cũng như sản xuất công nghiệp thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình còn phải nhập khẩu với
giá cao và bị động.
Trên thế giới đã nghiên cứu sâu và sản xuất nhiều loại thuốc hàn thiêu kết, trong đó có thuốc
hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình. Trong khi đó, nguồn nguyên vật liệu để sản xuất thuốc hàn của
nước ta rất lớn và phong phú. Do vậy, vấn đề nghiên cứu và tự sản xuất được 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,


7
tiết kiệm nguồn ngoại tệ, tạo thêm việc làm trong nước. Các doanh nghiệp mở rộng được sản xuất
và tiến tới có thể xuất khẩu mặt hàng này. Đây là vấn đề có ý nghĩa kinh tế và xã hội cao, cần có sự
phối hợp đồng bộ của nhiều tổ chức và ban ngành.
Trong chương 1, tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau:
- Giới thiệu tổng quan về hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ.
- Tình hình nghiên cứu, sản xuất thuốc hàn trên thế giới và Việt Nam.
Chương 2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THUỐC HÀN THIÊU KẾT VÀ

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết
2.1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ
Quặng & các vật liệu khác
No

Loại

N

Kiểm tra

o

Yes

y

Nghiền nhỏ
es
No

Kiểm tra kích thước
N

o

Yes y
Phối liệuesđơn

thuốc
Trộn khô
Trộn ướt

Cấp nước thủy

tinh
Tạo hạt

Sấy sơ bộ

Sàng tuyển hạt

Sấy thiêu kết

Loại

No

o

NKiểm tra

Yes

es

y

Bao gói & bảo

quản

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết


8
2.1.2 Các công đoạn chủ yếu của quy trình công nghệ [18, 99]
a) Nguồn nguyên liệu đầu vào
b) Phối liệu đơn thuốc hàn
c) Trộn khô
d) Trộn ướt
e) Tạo hạt
f) Sấy sơ bộ
g) Sàng tuyển hạt, kiểm tra kích thước độ hạt và độ ẩm
h) Sấy thiêu kết
i) Kiểm tra và đóng gói sản phẩm
2.2 Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để nghiên cứu
Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn hệ bazơ trung bình để hàn các kết
cấu đạt chất lượng cao sẽ là một bài toán phức tạp và đa mục tiêu.
Đối tượng thuốc hàn được chọn nghiên cứu là thuốc hàn thiêu kết bazơ trung bình tương
đương loại F7A4 theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80. Đây là loại thuốc hàn có chỉ số bazơ B≈1,6 với
hàm lượng hiđrô thấp [1, 2, 14, 15, 18, 19, 20]. Mô hình nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết
[21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28] có dạng như sơ đồ sau:
C¸c biÕn ®iÒu khiÓn
Ci

C¸c hµm ®Çu ra
xi

BiÕn vµo

Hép ®en

yi, i = 1,2,......,n
y = f(x1, .........xn)

Zi

TÝn hiÖu nhiÔu

Hình 2.3 Mô hình nghiên cứu thành phần thuốc hàn thiêu kết
Nội dung nghiên cứu sẽ tập trung nghiên cứu xác định thành phần mẻ liệu thuốc hàn, đảm
bảo các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế với số lượng thí nghiệm ít nhất. Nội dung nghiên cứu sẽ tối ưu
theo thứ tự các mô đun sau đây:
- Tối ưu hóa thành phần nền tạo xỉ theo tính công nghệ hàn;
- Tối ưu hóa các chất khử và hợp kim hóa theo thành phần hóa học và cơ tính mối hàn;
- Tối ưu hóa lượng huỳnh thạch và chế độ thiêu kết theo lượng hiđrô yêu cầu.
2.2.2 Nghiên cứu xác định thành phần đơn thuốc hàn
- Sơ đồ mô hình nghiên cứu tổng quát (Hình 2.5) là xác định mối quan hệ toán học giữa các
biến đầu vào tác động lên các hàm mục tiêu đầu ra. Qua các phương trình hồi quy có thể thực hiện
được các nội dung sau đây:
+ Mô tả các quan hệ này một cách định lượng bằng các mô hình toán học;
+ Biểu diễn các đặc trưng này bằng các dạng hình học 2D và 3D;
+ Phân tích, rút ra các kết luận khoa học;
+ Giải bài toán tối ưu có ràng buộc để tìm ra được thành phần thuốc hàn và các thông số
công nghệ quan trọng đáp ứng các mục tiêu đề ra một cách tổng hợp nhất.
- Cơ sở đánh giá chất lượng thuốc hàn hệ bazơ dựa vào các chỉ tiêu chung cơ bản sau:

9
+ 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.
2.2.3 Nghiên cứu tính công nghệ hàn
a) Sơ đồ nghiên cứu (Hình 2.6)
Trong nội dung này, tác giả chủ yếu nghiên cứu ảnh hưởng của các chất trong nhóm tạo xỉ
đến đặc tính công nghệ của thuốc hàn: yi = f(xi)
Cụ thể: (Lhq) = f(MgO, Al2O3, CaF2, TiO2)
Trong đó: Lhq – Chiều dài hồ quang tới hạn;
b) Chỉ tiêu đặc tính công nghệ hàn
- Tính ổn định hồ quang hàn.
- Tạo dáng mối hàn và hình dạng mối hàn.
- Chất lượng bề mặt mối hàn và tính bong xỉ.
+ Những nhóm chất (K2O, Na2O, CaO, MgO,...) ảnh hưởng đến độ ổn định của hồ quang
hàn là những chất chứa nguyên tố có điện thế ion hóa thấp, giúp cho việc gây hồ quang được dễ
dàng, duy trì hồ quang cháy ổn định, giúp cho việc hình thành mối hàn đẹp.
+ Những nhóm chất (MnO, SiO2, MgO, Al2O3, TiO2, CaF2,...) ảnh hưởng đến sự hình thành
mối hàn có vai trò rất quan trọng. Thuốc hàn nóng chảy sẽ hình thành vòm xỉ bảo vệ vùng hồ quang
và vũng hàn.
+ Những nhóm chất ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt mối hàn và tính bong xỉ
Theo các tài liệu [18, 45, 48, 56, 75, 76, 79, 80, 81, 82, 83, 85, 86, 88, 90, 97, 98, 99] với
loại thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình dùng để hàn thép cacbon kết cấu, thép chịu áp lực với
những điều kiện nguồn nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam, nền tạo xỉ như sau:
(CaO + MgO) – Al2O3 – CaF2 – TiO2
Hàm lượng các nhóm chất tạo xỉ theo tài liệu và thí nghiệm sàng lọc nằm trong khoảng dưới đây:
Bảng 2.5 Các nhóm chất chủ yếu trong xỉ hàn F7A4 – BK

Mác thuốc hàn

TiO2 + SiO2

CaO + MgO

Al2O3 + MnO

CaF2

Hệ số bazơ,
B

F74-BK

12 ÷ 22

22 ÷ 30

15 ÷ 25

10 ÷ 20

1,6

Các nhóm thành phần hóa học chủ yếu, %

2.2.4 Nghiên cứu sự dịch chuyển của Mn và Si vào kim loại mối hàn
a) Sơ đồ nghiên cứu (Hình 2.13)
Để đảm bảo chỉ tiêu quan trọng nhất là cơ tính kim loại mối hàn, cần nghiên cứu tiêu chí

quan trọng là thành phần hoá học của kim loại mối hàn. Đối với thép cacbon và thép hợp kim thấp
thường quan tâm hàng đầu đến hàm lượng các nguyên tố hợp kim Mn và Si. Hai nguyên tố này
được hợp kim hóa bằng các Ferô hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) từ mẻ liệu thuốc hàn.
b) Ảnh hưởng của Mn và Si trong thuốc hàn đến chất lượng kim loại mối hàn
Mn, Si trong vai trò chất khử
Mn, Si trong vai trò chất hợp kim hóa


10
c) Xác định sơ bộ hàm lượng Fe - Mn và Fe - Si đưa vào thành phần mẻ liệu thuốc hàn.
Số liệu tính toán sơ bộ ở mức cơ sở các Fe-Mn và Fe-Si như sau:
+ Fe-Mn: (6%) loại 80% Mn.
+ Fe-Si: (4%) loại 45% Si.
Bảng 2.12 Thành phần sơ bộ mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK
Hàm lượng các chất trong mẻ liệu thuốc hàn, %
Thuốc hàn
F7A4-BK

CaO+MgO

Al2O3+MnO

CaF2

TiO2+SiO2

Bột
talk

Trường

thạch

Cao
lanh

FeMn

FeSi

20÷24

22÷24

8÷12

28÷32

-

-

-

6

4

Các chất còn lại được giữ cố định khoảng 8%.
d) Mô tả phương pháp thí nghiệm.
e) Phương pháp phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn.

f) Mô hình nghiên cứu sự dịch chuyển của Mn và Si vào kim loại mối hàn.
2.2.5 Nghiên cứu hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn
a) Sơ đồ nghiên cứu hàm lượng hiđrô (Hình 2.20)
Hàm lượng hiđrô trong mối hàn ảnh hưởng chủ yếu đến chỉ tiêu về độ dai va đập và độ giãn
dài tương đối của mối hàn. Tùy thuộc yêu cầu về độ dai va đập và điều kiện làm việc của kết cấu
mà lựa chọn hàm lượng hiđrô thích hợp với mức độ yêu cầu theo tiêu chuẩn.
Hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào 3 yếu tố, đó là: Huỳnh thạch (CaF2), nhiệt độ
sấy thiêu kết và thời gian sấy thiêu kết.
Y = %H2 = f(CaF2, Ts, ts)
Trong trường hợp này nguyên tắc tối ưu là vừa đảm bảo tính kỹ thuật và tính kinh tế.
Y = %H ≤ HX
Trong đó: hàm lượng hiđrô HX, tức là %H ≤ X cm3/100g.
b) Ảnh hưởng của hiđrô trong mối hàn
- Nguồn gốc hiđrô xâm nhập vào mối hàn [1, 14].
- Cơ chế ảnh hưởng của hiđrô.
- Các giải pháp chủ yếu giảm hàm lượng hiđrô trong KLMH khi chế tạo thuốc hàn:
+ Sử dụng CaF2 trong thành phần của thuốc hàn.
+ Chế độ sấy sơ bộ và thiêu kiết khi chế tạo thuốc hàn.
c) Phương pháp xác định lượng hiđrô trong mối hàn.
Phương pháp đo lượng hiđrô khuếch tán trong mối hàn và VAHN sử dụng dung dịch
glyxerin (C3H8O3) để nghiên cứu [87, 88, 89, 90, 91].
Hàn xong rồi ngâm mẫu trong Glixerin ở nhiệt độ 450C trong thời gian 72 giờ. Dùng bình
đo khí để xác định thể tích khí hiđrô.
Sau thời gian ngâm, tiến hành đo thể tích khí hiđrô thoát ra trên bình chia độ, đo được thể
tích V(ml). Lượng hiđrô trong 100(g) kim loại mối hàn được tính theo công thức.
Vx85,85
+1,73
G 2 -G1
H=
0,79

11
Kết quả cuối cùng là trung bình cộng của 3 kết quả xác định song song.
2.2.6 Kiểm tra các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của thuốc hàn với thành phần tối ưu
a) Kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật của thuốc hàn
- Tính toán lại chỉ số bazơ của nền tạo xỉ hàn.
- Kiểm tra thành phần hóa học kim loại mối hàn.
- Kiểm tra cơ tính kim loại mối hàn.
- Kiểm tra hàm lượng hiđrô trong mối hàn.
b) Kiểm tra các chỉ tiêu kinh tế của thuốc hàn thiêu kết
Kết luận chương 2
Tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau:
- Giới thiệu tổng quan về quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết.
- Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết.
- Nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng của các nhóm chất tạo xỉ chủ yếu đến tính công nghệ hàn.
- Mô tả các phương pháp thí nghiệm và cách xác định các chỉ tiêu về tính công nghệ hàn.
Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1 Nghiên cứu nhóm chất về tính công nghệ hàn
3.1.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm
a) Lập kế hoạch thực nghiệm
Theo [2, 6, 11, 12] mô hình trên có dạng đa thức bậc 2 như sau:
K

k

k

i 1

i 1

i , j 1
i j

Yi  b0   bi X i   bii X i2   bij X i X j
Trong đó:
- Xi và Xj là giá trị của các chất đưa vào thuốc hàn để tạo nên xỉ hàn.
- Yi - các hàm mục tiêu, gồm có:
Y1=Lhq – chiều dài hồ quang tới hạn, mm;
Yi = f(MgO, Al2O3 , CaF2 , TiO2)
Để xây dựng các phương trình thực nghiệm trên cần lựa chọn khoảng biến thiên các biến
đầu vào và lập kế hoạch thực nghiệm, sau khi có số liệu thí nghiệm sẽ xác định các hệ số của
phương trình hồi quy.
Để nghiên cứu mô hình thành phần – tính chất với các điều kiện ràng buộc đặc trưng: Zi =
100% hoặc Xi = 1.
Trong đó : Zi – các biến số thực, %.
Xi – các biến số mã hóa.
Kế hoạch thực nghiệm được chọn là kế hoạch thực nghiệm Max Lean–Anderson [3, 32, 56],
vùng nghiên cứu là đa diện hạn chế.
0 ≤ ai ≤ Xi ≤ bi ≤ 1
Theo kết quả thí nghiệm sàng lọc, các mức giá trị của các biến đầu vào và kế hoạch thực
nghiệm có dạng như bảng dưới đây:


12
Bảng 3.1 Các mức giá trị của các biến đầu vào
Biến thực, %

Biến mã hoá

Các biến số

MgO
Z1

Al2O3
Z2

CaF2
Z3

TiO2
Z4

X1

X2

X3

X4

Mức dưới

20

15

10

12

-1

-1

-1

-1

Mức trên

30

25

20

22

+1

+1

+1

+1

Tổng các chất còn lại là cố định gọi là: X5 = 20%.

CaCO3

Trường thạch

Cao lanh

Fe-Mn

Fe-Si

8

5

1

4

2

b) Tiến hành thí nghiệm
3.1.2 Xử lý số liệu thực nghiệm
Thực hiện nhập số liệu thực nghiệm và chạy phần mềm MODDE 5.0 ta nhận được kết quả
các phương trình hồi quy dưới đây:
Lhq=18,498 + 0,622X1 - 0,078X2 - 0,638X3 - 0,210X4 - 0,262X12 - 0,077X22 + 0,131X32 0,112X42+ 0,375X1X2 + 0,15X1X3 + 0,17X1X4 - 0,379X2X3 - 0,012X3X4
Hệ số tương quan: R2 = 0,731
Với hệ số tương quan R2 = 0,731 khá cao cho ta thấy sự ảnh hưởng của các chât chủ yếu đến
tính ổn định của hồ quang hàn khá rõ nét. Giá trị và dấu của các hệ số cho thấy mức độ ảnh hưởng
và đặc tính ảnh hưởng của các chất rất khác nhau. Các chất ảnh hưởng tích cực đến chiều dài hồ
quang tới hạn theo thứ tự là MgO, Al2O3, còn CaF2 ảnh hướng xấu đến chiều dài hồ quang tới hạn.

Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết.
3.1.3 Biểu diễn các đường đặc trưng
Từ các phương trình hồi quy biểu diễn các đường đặc tính cho 2 hàm mục tiêu chiều dài hồ
quang tới hạn dạng 2D và các đường đẳng mức dưới đây.
(Lhq) = f(MgO, Al2O3, CaF2 , TiO2)
a) Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng MgO

Hình 3.2 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng MgO
Qua đồ thị 2D hình 3.2 ta thấy khi hàm lượng MgO trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn tăng
lên (khoảng từ 20 ÷ 28%) thì chiều dài hồ quang tới hạn tăng (khoảng từ 16,1÷18,7 mm) do đó tính
ổn định của hồ quang tăng. Qua mức 28÷30% MgO thì chiều dài hồ quang tới hạn có xu hướng
giảm xuống nhưng không đáng kể, tính ổn định của hồ quang giảm. Điều này cũng phù hợp với lý
thuyết về ảnh hưởng của hàm lượng chất MgO trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn tới sự ổn định
của hồ quang.
b) Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng Al2O3


13

Hình 3.3 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng Al2O3
Qua đồ thị 2D hình 3.3 ta thấy với hàm lượng Al2O3 tăng (khoảng từ 15÷19%) thì chiều dài
hồ quang tới hạn tăng không đáng kể (khoảng từ 18,4÷18,6 mm). Qua mức 19÷25 % Al2O3 thì
chiều dài hồ quang tới hạn giảm khá mạnh (khoảng từ 18,6÷18,2 mm), tính ổn định của hồ quang
giảm. Điều này cũng phù hợp với lý thuyết về ảnh hưởng của hàm lượng chất Al2O3 trong thành
phần mẻ liệu thuốc hàn tới sự ổn định của hồ quang.
c) Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng CaF2

Hình 3.4 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng CaF2
Qua đồ thị 2D hình 3.4 ta thấy chiều dài hồ quang tới hạn giảm đáng kể (khoảng từ
19,8÷18,0 mm) khi tăng hàm lượng CaF2 trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn trong khoảng 10÷20%

(giảm mạnh nhất ở 16,5% CaF2). Tính ổn định của hồ quang giảm. Điều này cũng phù hợp với lý
thuyết về ảnh hưởng của hàm lượng chất CaF2 trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn tới sự ổn định
của hồ quang.
d) Sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang vào hàm lượng TiO2

Hình 3.5 Sự phụ thuộc của Lhq vào hàm lượng TiO2
Qua đồ thị 2D hình 3.5 ta thấy chiều dài hồ quang tới hạn giảm khi tăng hàm lượng TiO2
trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn.
Tóm lại:
Qua các kết quả thu được từ các phương trình hồi qui và các đường đặc trưng biểu diễn quan
hệ ảnh hưởng của các chất tạo xỉ chủ yếu đến tính ổn định hồ quang cho phép rút ra những kết luận
quan trọng sau đây:
- Mức độ tương thích của các phương trình hồi qui tương đối cao, với các hệ số tương quan
R2 = 0,731.


14
- Các đường đặc trưng biểu diễn sự phụ thuộc của chiều dài hồ quang tới hạn vào hàm lượng
các chất: MgO, Al2O3, CaF2 và TiO2 trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung
bình là rất rõ ràng thông qua các biểu đồ dạng 2D.
- Đặc tính của các biểu đồ phù hợp với lý thuyết, đã phản ánh các tính chất vật lý và mức độ
hoạt tính hóa học của thuốc hàn – xỉ hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình (B ≈ 1,6) ảnh hưởng đến
chiều dài hồ quang tới hạn thông qua các chất thuộc nhóm tạo xỉ của thuốc hàn.
- Các kết quả nghiên cứu trên đây là cơ sở để xác định hàm lượng các chất MgO, Al2O3,
CaF2, TiO2 đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK đảm bảo tính ổn định của hồ quang.
3.2 Nghiên cứu nhóm chất khử và hợp kim hóa kim loại mối hàn
3.2.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm
a) Xây dựng kế hoạch thực nghiệm
b) Tiến hành thí nghiệm và kết quả
3.2.2 Xử lý số liệu thực nghiệm

a) Phần mềm xác định các hệ số phương trình hồi quy
b) Xây dựng các phương trình hồi quy
3.2.3 Biểu diễn các đường đặc trưng
(Mn, Si) = f (Fe-Mn, Fe-Si)
a) Sự phụ thuộc của Mn trong kim loại mối hàn vào Fe – Mn và Fe – Si
3.00
2.80

Mn

2.60
2.40
2.20
2.00
1.80
4

5

6

7

8

Fe-M n

Hình 3.10 Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào hàm lượng
Fe-Mn trong thuốc hàn
Qua đồ thị 2D hình 3.10 ta thấy khi hàm lượng ferô Fe-Mn tăng thì hàm lượng Mn trong

kim loại mối hàn sẽ tăng, mức độ tăng mạnh hơn thuốc hàn hệ bazơ thấp.
2.50

Mn

2.40

2.30

2.20

2.10
2

3

4

5

6

Fe_Si

Hình 3.11 Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào hàm lượng Fe-Si
trong thuốc hàn
Qua đồ thị 2D hình 3.11 ta thấy khi hàm lượng ferô Fe-Si tăng thì hàm lượng Mn trong kim loại mối
hàn sẽ tăng, tuy nhiên khi hàm lượng ferô Fe-Si tiếp tục tăng thì hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn tăng
chậm lại. Điều này có thể giải thích, khi với hàm lượng ferô Fe-Mn đưa vào thấp và hàm lượng Fe-Si giúp
vai trò chất khử một cách hiệu quả, ít ảnh hưởng tới hàm lượng Mn tăng tiếp theo.

Ảnh hưởng đồng thời của hàm lượng Fe-Mn và Fe-Si,% trong mẻ liệu thuốc hàn đến hàm
lượng Mn trong kim loại mối hàn:


15

Hình 3.12 Sự phụ thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào
%Fe-Mn và %Fe-Si trong thuốc hàn
Đồ thị này tổng hợp hai đồ thị trên, khi cùng tỷ lệ trục %Mn cho thấy ảnh hưởng của Fe-Mn
và Fe-Si đến %Mn trong kim loại mối hàn một cách rõ nét. Đặc tính đồ thị này giải thích rõ hơn vai
trò chất khử của Fe-Si.
b) Sự phụ thuộc của Si trong kim loại mối hàn vào Fe – Mn và Fe – Si
1.60

1.40

Si

1.20

1.00

0.80

0.60
2

3

4

5

6

Fe_Si

Hình 3.13 Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào % Fe-Si
trong thuốc hàn
Qua đồ thị 2D hình 3.13 ta thấy khi hàm lượng fero Fe-Si tăng thì hàm lượng Si trong kim
loại mối hàn sẽ tăng. Tuy nhiên mức độ tăng ban đầu có thấp, điều này có thể giải thích, khi với
hàm lượng fero Fe-Si đưa vào thấp và Si chủ yếu làm vai trò chất khử, nên sự dịch chuyển vào kim
loại mối hàn thấp.
1.140
1.120

Si

1.100
1.080
1.060
1.040
1.020
1.000
4

5

6

7

8

Fe-M n

Hình 3.14 Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào
% Fe-Mn trong thuốc hàn
Ảnh hưởng đồng thời của hàm lượng Fe-Mn và Fe-Si,% trong mẻ liệu thuốc hàn đến hàm
lượng Si trong kim loại mối hàn:


16

Hình 3.15 Sự phụ thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào %
Fe-Mn và % Fe-Si trong thuốc hàn
Đồ thị này tổng hợp hai đồ thị trên, khi cùng tỷ lệ trục %Si cho thấy ảnh hưởng của %FeMn và %Fe-Si đến %Si trong kim loại mối hàn rất rõ ràng. Ảnh hưởng của %Fe-Mn đến sự dịch
chuyển của Si khá thấp. Điều này cho thấy ái lực hóa học của Si mạnh hơn Mn rất rõ và kết quả là
góc dốc Si=f(Fe-Mn) rất nhỏ.
Nhận xét:
- Các đường đặc trưng biểu diễn sự phụ thuộc hàm lượng của các nguyên tố hợp kim phổ
biến Mn và Si trong kim loại mối hàn vào các ferô Fe-Mn và Fe-Si đưa vào mẻ liệu thuốc hàn
F7A4–BK rất rõ ràng.
- Đường đặc tính đã phản ánh các tính chất vật lý và mức độ hoạt tính hóa học của thuốc hàn
– xỉ hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình (B ≈ 1,6) đến sự dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim và
khả năng khử, hợp kim hóa kim loại mối hàn qua thuốc hàn.
- Từ đồ thị %Mn=f(%Fe-Si) cho thấy sự hỗ trợ của Si trong vai trò chất khử có tác dụng
giúp tăng hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn. Điều này rất quan trọng khi sử dụng phối hợp hai
nguyên tố trên để làm chất khử và hợp kim hóa kim loại mối hàn.
3.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng hiđrô

3.3.1 Lập kế hoạch thực nghiệm và tiến hành thí nghiệm
a) Xây dựng kế hoạch thực nghiệm
b) Tiến hành thí nghiệm
3.3.2 Xử lý số liệu thực nghiệm
3.3.3 Biểu diễn các đường đặc trưng
a) Ảnh hưởng của hàm lượng CaF2 trong mẻ liệu thuốc hàn đến hàm lượng hiđrô trong mối hàn
và vùng ảnh hưởng nhiệt
4.70
4.60
4.50

H2

4.40
4.30
4.20
4.10
4.00
3.90
10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

CaF2

Hình 3.16 Hàm lượng hiđrô (ml/100g kim loại đắp) trong mối hàn phụ thuộc vào %CaF2
với Ts=700°C và t=90ph


17
Qua đồ thị cho ta thấy khi hàm lượng CaF2 tăng (khoảng từ 10÷20%) thì hàm lượng hiđrô
trong mối hàn sẽ giảm rất rõ (khoảng từ 467÷395ml/100g). Tuy nhiên, giai đoạn đầu khi hàm lượng
CaF2 đưa vào đến 16% thì mức độ giảm mạnh.
b) Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy thiêu kết thuốc hàn đến hàm lượng hiđrô trong mối hàn và vùng ảnh
hưởng nhiệt
10
9
8

H2

7

6
5
4
3
600

700

800

T

Hình 3.17 Hàm lượng hiđrô (ml/100g kim loại đắp) phụ thuộc vào Ts (phút)
với CaF2 =15% và t=90ph.
Đồ thị cho thấy khi nhiệt độ sấy thiêu kết tăng thì hàm lượng hiđrô trong mối hàn sẽ giảm
mạnh (khoảng từ 9,7÷3ml/100g) và khi nhiệt độ sấy thiêu kết tăng (khoảng từ 5500C÷9000C). Đến
khoảng 730°C thì mức độ giảm với yếu đi. Đây có thể coi như nhiệt độ tối thiểu và có hiệu quả khi
xác lập chế độ sấy thiêu kết.
c) Ảnh hưởng của thời gian sấy thiêu kết thuốc hàn đến lượng hiđrô trong mối hàn và vùng ảnh
hưởng nhiệt
4.50

H2

4.40
4.30
4.20
4.10
4.00
60

70

80

90

100

110

120

tg

Hình 3.18 Hàm lượng hiđrô (ml/100g kim loại đắp) phụ thuộc vào t (phút)
Qua đồ thị cho thấy khi thời gian sấy thiêu kết tăng thì hàm lượng hiđrô trong mối hàn sẽ
giảm mạnh. Tuy nhiên, đặc tính ảnh hưởng của nhiệt độ sấy thiêu kết tăng đến hàm lượng hiđrô
trong mối hàn có yếu hơn so với ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết thuốc hàn.
d) Ảnh hưởng của hàm lượng CaF2 và nhiệt độ sấy thiêu kết thuốc hàn đến lượng hiđrô
H2

Hình 3.19 Sự phụ thuộc của hàm lượng hiđrô vào lượng CaF2 (%) trong thuốc hàn và
nhiệt độ sấy thiêu kết thuốc hàn với t = 90ph
e) Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian sấy thiêu kết đến lượng hiđrô


18
H2

Hình 3.29 Hàm lượng hiđrô phụ thuộc vào hàm lượng CaF2 và ts với Ts = 700°C
Nhận xét: Việc giảm hàm lượng hiđrô phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ sấy thiêu kết, trên lý
thuyết là >500oC, nhưng lúc này chưa có tác dụng nhiều phải ở 700oC thì mức ảnh hưởng mới lớn
và khi đó hiệu quả tăng hàm lượng huỳnh thạch và thời gian sấy mới thực sự phát huy tác dụng.
Tóm lại: Trên cơ sở quan hệ của các đường đặc tính cho phép rút ra một số kết luận quan
trong dưới đây:
- Từ các phương trình hồi quy cho phép xây dựng các đường đặc tính phản ánh sự phụ thuộc
của hàm lượng hiđrô trong mối hàn vào hàm lượng huỳnh thạch (CaF2) trong mẻ liệu thuốc hàn,
nhiệt độ sấy thiêu kết và thời gian thiêu kết.
- Đặc tính của các đường biểu diễn đó phản ánh rõ ảnh hưởng của cả 3 yếu tố đến hàm
lượng hiđrô trong kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt, cho thấy tác dụng của các yếu tố này.
- Mức độ ảnh hưởng của mỗi yếu tố có khác nhau, nhiệt độ sấy thiêu kết và hàm lượng
huỳnh thạch (CaF2) trong mẻ liệu thuốc hàn ảnh hưởng rất mạnh đến hàm lượng hiđrô trong mối
hàn. Cũng mức độ ảnh hưởng của thời gian thiêu kết yếu hơn 2 yếu tố trên.
- Ngưỡng ảnh hưởng của hiđrô là nhiệt độ trên 700oC
- Khi các yếu tố đạt đến giá trị tới hạn, thì mức độ ảnh hưởng ít thay đổi. Các kết quả này
phù hợp với lý thuyết.
3.4 Quy trình công nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4 - BK
3.4.1 Lập quy trình công nghệ chế tạo thuốc hàn F7A4 - BK
3.4.2 Giới thiệu thuốc hàn F7A4 – BK
Kết luận chương 3
Trong chương 3, tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau:
- Nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng của các nhóm chất tạo xỉ chủ yếu đến tính công nghệ hàn.
- Mô tả các phương pháp thí nghiệm và cách xác định các chỉ tiêu về tính công nghệ hàn.
- Thiết kế được kế hoạch thực nghiệm của các nhóm chất tạo xỉ chủ yếu đến các hàm mục
tiêu là tính công nghệ hàn.
- Đã tiến hành thực nghiệm, kiểm tra độ tin cậy của các số liệu và lập được bảng các số liệu
thực nghiệm.
- Ứng dụng phần mềm Modde 5.0 xác định các hệ số phương trình hồi quy đạt mức độ
tương thích cao (thông qua hệ số tương quan R).

19
- Xây dựng phương trình hồi quy và biểu diễn các đường đặc trưng 2D biểu thị sự ảnh
hưởng của các chất tạo xỉ chủ yếu đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung
bình (B=1,6) và rút ra các kết luận.
- Xác định được hàm lượng tối ưu các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần thuốc hàn hệ
bazơ trung bình mà tác giả cùng nhóm thực hiện đề tài cấp nhà nước mã số KC.02.04/11-15 quy
ước F7A4-BK.
Chương 4. XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN TỐI ƯU MẺ LIỆU THUỐC HÀN THIÊU
KẾT HỆ BAZƠ TRUNG BÌNH
4.1 Xác định thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4 - BK
4.1.1 Xác định tỷ lệ các chất tạo xỉ đảm bảo tính công nghệ hàn cho thuốc hàn
F7A4-BK
4.1.2 Xác định hàm lượng các fero hợp kim cho thuốc hàn F7A4-BK
4.1.3 Xác định hàm lượng các huỳnh thạch và các thông số chế độ thiêu kết cho
thuốc hàn F7A4-BK
4.2 Kiểm tra thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn
4.2.1 Kiểm tra thành phần hóa học kim loại mối hàn
Kết quả thử phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn khi hàn bằng thuốc hàn được
chế tạo với hàm lượng các fero Mn và Si như bảng trên và tiến hành hàn với dây EM12K trên mẫu
theo tiêu chuẩn đã nêu ở trên như sau:
Bảng 4.12 Thành phần hoá học kim loại mối hàn dùng thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K
Giá trị các biến thực, %
Fe-Mn
5

Fe-Si

Thành phần hóa học kim loại mối hàn, %

C

1

0,0694

Mn
1,567

Si
0,401

S
0,0062

P
0,0244

Các số liệu thử nghiệm thành phần hóa học cho thấy:
- Hàm lượng Mn thấp hơn giá trị tính toán theo phương trình hồi qui khoảng 5% (cụ thể là
5,71%);
- Hàm lượng Si cao hơn giá trị tính toán dưới 10% (cụ thể là 9,2%);
- Hàm lượng các nguyên tố cacbon trong phạm vi cho phép.
- Hàm lượng các nguyên tố tạp chất có hại như S và P thấp đạt yêu cầu.
Như vậy kết quả tính toán theo phương trình hồi qui và kết quả phân tích khá trùng khớp
nhau, mức độ sai số thấp. Hơn nữa hàm lượng Fe-Si được lấy ở cận dưới của giá trị biên, mà độ
chính xác có thể chấp nhận được, giá trị Fe-Mn nằm gần vùng trung tâm nên giá trị chính xác hơn.
Các kết quả nhận được đáp ứng tốt yêu cầu đề ra.
4.2.2 Kiểm tra các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn
Thuốc hàn được chế tạo với hàm lượng các fero Mn và Si như bảng trên và tiến hành hàn

với dây EM12K trên mẫu theo tiêu chuẩn đã nêu ở trên, còn chế độ hàn được tính toán theo các tài
liệu [95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102] và đã được kiểm tra để hàn mẫu.


20

Hình 4.5 Mẫu đã hàn xong chuẩn bị gia công mẫu thử cơ tính kim loại mối hàn

Hình 4.6 Mẫu sau khi thử kéo kim loại mối hàn

Hình 4.7 Các mẫu sau khi thử độ dai va đập kim loại mối hàn
Kết quả thử cơ tính kim loại mối hàn khi hàn bằng thuốc hàn được chế tạo với hàm lượng
các fero Mn và Si như bảng trên và tiến hành hàn với dây EM12K trên mẫu theo tiêu chuẩn đã nêu
ở trên như sau:
Bảng 4.13 Kết quả kiểm tra cơ tính mối hàn thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K
Tiết diện
(mm2)

Giới hạn chảy
(MPa)

174.835

Giới hạn bền
(MPa)

417.538

497.316

Độ giãn dài
(%)
34.286

Bảng 4.14 Kết quả kiểm tra độ dai va đập mối hàn thuốc hàn F7A4-BK với dây hàn EM12K
TT

Tên mẫu

Nhiệt độ thử (oC)

Công va đập (J)

1

Mẫu F44-1

-40oC

198

2

Mẫu F44-2

-40oC

92

3

Mẫu F44-3

-40oC

203

Các kết quả thử cơ tính kim loại mối hàn dùng F7A4-BK có hàm lượng Mn và Si nghiên
cứu được kết hợp với dây hàn EM12K cho kim loại mối hàn đáp ứng tốt yêu cầu đề ra, đặc biệt độ
dai va đập cao hơn giá trị yêu cầu tối thiểu rất nhiều.


21
Kết luận chương 4
Từ các phương trình hồi quy đã được xây dựng ở 3 nhóm chỉ tiêu, theo sơ đồ thuật toán tối
ưu đã tiến hành xác định hàm lượng tối ưu của các chất trong từng nhóm cho các kết quả sau:
- Xác định hàm lượng tối ưu của các chất tạo xỉ chủ yếu trong mẻ liệu thuốc hàn F7A4- BK,
đảm bảo tính công nghệ hàn.
- Trên cơ sở quy luật dịch chuyển của Mn và Si từ các ferô Fe-Mn và Fe-Si trong mẻ liệu
thuốc hàn F7A4-BK vào kim loại mối hàn và yêu cầu thành phần hóa học kim loại mối hàn theo
hàm lượng Mn và Si đã tìm được tỷ lệ Fe-Mn và fe-Si cần thiết đưa vào mẻ liệu thuộc hàn một cách
hợp lý.
- Xác định được hàm lượng huỳnh thạch cần đưa vào mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK và các
thông số chế độ thiêu kết thuốc hàn tối ưu đảm bảo lượng hiđrô trong mối hàn yêu cầu.
- Các kết quả kiểm tra về tính công nghệ hàn, thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ tính
kim loại mối hàn sử dụng F7A4-BK với thành phần nghiên cứu được kết hợp với dây hàn EM12K
đều đáp ứng tốt yêu cầu đề ra.


22

KẾT LUẬN
Luận án đã nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình
F7A4-BK theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80. Kết quả nghiên cứu cho phép rút ra các điểm chủ yếu
sau đây:
- Lựa chọn được nền tạo xỉ hợp lý, sử dụng nhiều nguyên liệu trong nước, cụ thể đã chọn
nền tạo xỉ dưới đây:
MgO – Al2O3 – CaF2 – TiO2
Với tỷ lệ các nhóm chất tìm được giá trị chỉ số bazơ trong phạm vi hệ bazơ trung bình, đáp
ứng yêu cầu.
- Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm xây dựng được phương trình hồi qui phản ánh sự ảnh
hưởng của các chất tạo xỉ chủ yếu của mẻ liệu thuốc hàn (MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) đến các đặc
tính công nghệ hàn của thuốc hàn là chiều dài hồ quang tới hạn, có độ tương thích cao với hệ số
tương quan R2 = 0,731.
- Từ phương trình hồi quy đã mô tả được đặc trưng ảnh hưởng ở dạng 2D và 3D của MgO,
Al2O3, CaF2, TiO2 đến chiều dài hồ quang tới hạn, các kết quả nghiên cứu này có tính mới, bổ sung
số lý thuyết về vật liệu hàn.
- Nền tạo xỉ thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình F7A4-BK đã sử dụng MgO thay thế cho
CaO (đưa vào ở dạng CaCO3) kết hợp với các chất Al2O3, CaF2, TiO2 với tỷ lệ hợp lý có các đặc
tính công nghệ tốt, quá trình hàn ổn định, tạo dáng mối hàn đẹp, xỉ hàn tự bong. Đây là điểm mới về
lựa chọn loại nền tạo xỉ hàn cho mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình.
- Xây dựng được quy luật dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim Mn, Si từ thuốc hàn vào
kim loại mối hàn trong hệ xỉ bazơ trung bình. Trên cơ sở đó xác định được tỷ lệ các Fe-Mn và Fe-Si
đưa vào mẻ liệu thuốc hàn đảm bảo thành phần hóa học kim loại mối hàn đáp ứng các chỉ tiêu cơ
tính của kim loại mối hàn.
- Xây dựng được quy luật ảnh hưởng của hàm lượng huỳnh thạch và các thông số chế độ sấy
thiêu kết thuốc hàn hệ xỉ bazơ trung bình đến lượng hiđrô trong mối hàn. Trên cơ sở đó đã xác định
được giá trị các thông số chế độ sấy thiêu kết thuốc hàn là: nhiệt độ sấy 755°C, thời gian sấy 103 phút
cho lượng hiđrô trong mối hàn là 3,36 cm3/100g nhỏ hơn yêu cầu là 4 cm3/100g kim loại đắp.
- Đã đề xuất được sơ đồ thuật toán tối ưu thành phần mẻ liệu thuốc hàn theo các mô đun cho phép
giảm số lượng thí nghiệm và chi phí thí nghiệm. Trên cơ sở giải bài toán tối ưu đã xác định được tỷ lệ hợp

lý các chất trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK đáp ứng tốt các chỉ tiêu đề ra.
- Thành phần mẻ liệu thuốc hàn với tỷ lệ các chất tối ưu cùng với các chất còn lại được giữ
cố định như bảng dưới đây đã được chế tạo và hàn thử nghiệm với dây hàn EM12K.
Thành phần mẻ liệu thuốc hàn tối ưu, %
MgO
Al2O3
CaF2
TiO2
Fe-Mn
Fe-Si
Còn lại
24,9
23,6
12
19,5
5
1
14,0
Các chất còn lại gồm: 6% bột đá vôi (CaCO3), 6% trường thạch, 2% cao lanh và khoảng 1214g nước thủy tinh kali khô cho 100g mẻ liệu.
- Số liệu kiểm tra các chỉ tiêu về tính công nghệ, lượng hiđrô, thành phần hóa học hóa học
kim loại mối hàn và các chỉ tiêu cơ tính của kim loại mối hàn đáp ứng yêu cầu của cặp thuốc hàn
F7A4-EM12K.
- Các kết quả và phương pháp nghiên cứu trong luận án này có ý nghĩa quan trọng bổ sung
về lý thuyết và thực tiễn trong lĩnh vực nghiên cứu và sản xuất vật liệu hàn.


23

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Vũ Huy Lân, Nguyễn Thành Hưng, Phạm Thanh Lưu*, Tạ Văn Năm (2013),

Tối ưu hóa thành phần nền tạo xỉ thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình, Tạp chí Cơ khí
Việt Nam, Số 9, Trang 88 - 95.
2. Vũ Huy Lân, Nguyễn Công Vượng, Phạm Thanh Lưu*, Phan Văn Chỉnh
(2013), Hiệu quả hợp kim hóa trong thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình, Tạp chí Cơ
khí Việt Nam, Số 10,Trang 34 – 39.
3. Phạm Thanh Lưu*, Vũ Huy Lân (2016), Nghiên cứu hàm lượng hiđrô trong
kim loại mối hàn khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình, Ký yếu Hội nghị
Khoa học và Công nghệ toàn quốc về Cơ khí – Động lực, Tập 1, Trang 338 – 343.
4. Phạm Thanh Lưu*, Vũ Huy Lân, Hà Xuân Hùng (2018), Tối ưu hóa thành phần
thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 6, Trang 44 - 52.