Nghiên cứu hiệu quả hợp kim hóa của mn và si trong thành phần thuốc hàn thiếu kết tương đương với loại F7AP 2 theo AWS a517 80

..

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

PHAN VĂN CHỈNH

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ HỢP KIM HÓA CỦA Mn VÀ Si
TRONG THÀNH PHẦN THUỐC HÀN THIÊU KẾT
TƢƠNG ĐƢƠNG VỚI LOẠI F7A(P)2 THEO AWSA5.17-80

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

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

Hà Nội – Năm 2013


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

PHAN VĂN CHỈNH

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ HỢP KIM HÓA CỦA Mn VÀ Si
TRONG THÀNH PHẦN THUỐC HÀN THIÊU KẾT

TƢƠNG ĐƢƠNG VỚI LOẠI F7A(P)2 THEO AWSA5.17-80

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

Hà Nội – Năm 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Phan Văn Chỉnh, học viên lớp Cao học Cơng nghệ chế tạo máy –
Khố 2011A, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thực hiện đề tài: “Nghiên cứu
hiệu quả hợp kim hóa của Mn và Si trong thành phần thuốc hàn thiêu kết
tƣơng đƣơng với loại F7A(P)2 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 cịn lại được cơng bố trong Luận văn này
là của tác giả và nhóm tác giả tham gia Đề tài đưa ra. Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu
trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013
Học viên

PHAN VĂN CHỈNH

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................ 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... 5

DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................................ 6
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................................... 10
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ THUỐC HÀN THIÊU KẾT ..................................... 12
1.1. Sơ lược về hàn tự động dưới lớp thuốc hàn ....................................................... 12
1.1.1. Sơ đồ nguyên l hàn tự động dưới lớp thuốc ..................................................12
- Hàn được các chi tiết c chiều dày từ vài mm cho đến hàng trăm mm. 1.1.2. Vai
tr , công d ng của thuốc hàn ....................................................................................16
1.1.3. Phân loại thuốc hàn theo phương pháp chế tạo ...............................................17
1.2. Tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ...................................................... 18
1.2.1. Nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn trên Thế giới ............................................18
1.2.2. Nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn ở Việt Nam ..............................................20
1.3. M c tiêu và nội dung nghiên cứu ....................................................................... 22
1.3.1. Nguồn nguyên liệu để sản xuất thuốc hàn ở Việt Nam ..................................22
1.3.2. M c tiêu nghiên cứu........................................................................................24
1.3.3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................24
Chƣơng 2: 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 c u kỹ thuật chung khi sản xuất thuốc hàn .......................................27
2.2. Thành ph n, phân loại và kí hiệu thuốc hàn ...................................................... 27
2.2.1. Các nh m chất chủ yếu trong thành ph n m liệu thuốc hàn .........................27
2.2.2. Phân loại và kí hiệu thuốc hàn ........................................................................29
2.3. Sơ lược về xỉ hàn ................................................................................................ 35
2.3.1. Khái niệm về xỉ hàn ........................................................................................35

2


2.3.2. Các tính chất của xỉ hàn ..................................................................................36

2.3.3. Phân loại xỉ hàn ...............................................................................................44
2.4. Lựa chọn nền tạo xỉ hàn và tính toán sơ bộ thành ph n m liệu thuốc hàn ....... 47
2.4.1. Lựa chọn nền tạo xỉ .........................................................................................47
2.4.2. Xác định thành ph n sơ bộ m liệu thuốc hàn ................................................51
2.5. Xác định hàm nội dung nghiên cứu ................................................................... 54
2.5.1. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát............................................................................54
2.5.2. Sơ đồ nghiên cứu của đề tài ...........................................................................55
Chƣơng 3: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................... 58
3.1. Ảnh hưởng của Mn và Si trong thuốc hàn đến chất lượng kim loại mối hàn .... 58
3.1.1. Mn, Si trong vai tr chất kh ..........................................................................58
3.1.2. Mn, Si trong vai tr hợp kim h a ....................................................................62
3.1.3. Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của Mn, Si trong thành ph n thuốc hàn ...........64
3.1.4. Tính toán sơ bộ lượng Mn và Si đưa vào thành ph n m liệu ........................65
3.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 67
3.2.1.

ng d ng quy hoạch thực nghiệm ..................................................................67

3.2.2. Xác định giá trị các biến đ u vào hợp l .........................................................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 ph n h a học kim loại mối hàn ..................82
3.3.3. Mô tả thí nghiệm xác định cơ tính kim loại mối hàn. .....................................85
Chƣơng 4: 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 ph n h a học kim loại mối hàn ........................ 92
4.1.1. Kế hoạch thực nghiệm nghiên cứu thành ph n h a học kim loại mối hàn ..... 92
4.1.2. Các thông số chế độ hàn dùng để nghiên cứu ................................................. 93
4.2. Kết quả th nghiệm về thành ph n h a học kim loại mối hàn........................... 93
4.2.1. Mẫu th nghiệm thành ph n h a học kim loại mối hàn..................................93

4.2.2. Các số liệu thí nghiệm .....................................................................................94

3


Chƣơng 5: XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG CÁC Fe-Mn, Fe-Si
CHO MẺ LIỆU THUỐC HÀN...................................................................................... 95
5.1. Kết quả x l số liệu .......................................................................................... 95
5.1.1. Ph n mềm xác định các hệ số phương trình hồi quy ......................................95
5.1.2. Xây dựng các phương trình hồi quy................................................................95
5.2. Biểu diễn các đường đặc trưng và các kết luận khoa học .................................. 96
5.2.1. Biểu diễn các đường đặc trưng........................................................................96
5.2.2. Kết luận ...........................................................................................................99
5.3. Xác định hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si hợp l trong m liệu thuốc hàn .................. 99
5.4. Kiểm tra cơ tính kim loại mối hàn .................................................................. 103
5.4.1. Các mẫu th cơ tính kim loại mối hàn ..........................................................103
5.4.2. Kết quả th cơ tính kim loại mối hàn ...........................................................106
5.5. Giới thiệu thuốc hàn để sản xuất th nghiệm................................................... 109
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 111
PHỤ LỤC ................................................................................................................................... 112

4


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

5


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Các nguồn nguyên liệu trong nước dự kiến s d ng [1] ................................ 22
Bảng 2.1. Phân loại và kí hiệu thuốc hàn theo IIW – 545 –78 ........................................ 31
Bảng 2.2. yêu c u về cơ tính kim loại mối hàn theo AWS A5.17 – 80 ........................ 34
Bảng 2.3. Công th độ dai va đập của kim loại mối hàn .................................................. 34
Bảng 2.4. Thành ph n hố học và một số thơng số chủ yếu của dây hàn .................... 34
tự động dưới lớp thuốc theo AWS A5.17 – 80 .................................................................... 34
Bảng 2.5: Thành ph n sơ bộ m liệu thuốc hàn (m liệu khô) ....................................... 54

Bảng 2.6. Quy đổi thành ph n m liệu c tính đến nước thủy tinh. ............................... 54
Bảng 3.1: Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố đ u vào. ..................................... 72
Bảng 3.2. Kế hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao (với biến mã h a) ......................... 73
Bảng 3.3. Thành ph n hoá học của dây hàn SM400B, (%): ............................................ 79
Bảng 3.4. Thành ph n hoá học của dây hàn EL8, (%): ..................................................... 79
Bảng 3.5. Các chỉ tiêu cơ tính dây hàn: ................................................................................. 80
Bảng 3.6. Kích thước mẫu th 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 5.1. Hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si đưa vào m liệu thuốc hàn và thành ph n ....... 102
h a học tính toán của kim loại mối hàn. .............................................................................. 102
Bảng 5.2. Hàm lượng Fe-Mn, Fe-Si đưa vào m liệu thuốc hàn để sản xuất ............ 109
th nghiệm thuốc hàn F7A2. ................................................................................................. 109

6


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ ngun l q trình hàn tự động dưới lớp thuốc ............................ 13
Hình 1.2. Một số thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc ............................... 13
Hình 1.3. Một số hình ảnh về hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc ....................... 14
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên l hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng ......... 14
Hình 1.5. Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng ................................... 15
Hình 1.6. Dạng thuốc hàn ......................................................................................... 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 ph 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 ph 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 ....................................... 51
Hình 2.8. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát thuốc hàn ...................................................... 55
Hình 2.9. Sơ đồ nghiên cứu của đề tài ...................................................................... 56
Hình 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit mangan trong thuốc hàn......................... 60
đến hàm lượng gia tăng của S trong kim loại mối hàn ............................................. 60
Hình 3.2. Hàm lượng S trong kim loại mối hàn ph thuộc ....................................... 60
vào tính bazơ của thuốc hàn ...................................................................................... 60
Hình 3.3. Hàm lượng P trong kim loại mối hàn ph thuộc vào ................................ 61

7


tính bazơ của thuốc hàn; 1– (P)th = 0,03%; 2– (P)th = 0,05....................................... 61
Hình 3.4. Sơ đồ nghiên cứu của đề tài ...................................................................... 65
Hình.3.5. Máy hàn tự động Dosun DZ1000 ............................................................. 80
Hình 3.6. Kích thước mẫu th phân tích thành ph n h a học kim loại mối hàn ...... 82
Hình 3.7. Phơi chuẩn bị hàn mẫu th phân tích thành ph n h a học kim loại ......... 83
mối hàn ...................................................................................................................... 83
Hình 3.8. Máy phân tích quang phổ .......................................................................... 84
Hình 3.9. Các kích thước m u hàn để chuẩn bị mẫu th cơ tính .............................. 86
Hình 3.10. Hình dạng,kích thước và gá lắp m u hàn để chuẩn bị mẫu th cơ tính .. 86
Hình 3.11. Vị trí lấy mẫu th độ bền kéo và độ dai va đập ...................................... 87
Hình 3.12: Mẫu th kéo kim loại mối hàn: ............................................................... 88
Hình3.13. Cắt mẫu th độ bền kéo và độ dãn dài ..................................................... 88
Hình 3.14. Ví d về hình dạng và kích thước mẫu th độ bền kéo và độ dãn dài .... 88
Hình 3.15. Máy kéo nén H011- Matest- Italia .......................................................... 89

Hình 3.16. Hình dạng và kích thước mẫu chuẩn đ y đủ th dai va đập ................... 90
theo tiêu chuẩn AWS B4.0 ........................................................................................ 90
Hình 3.17. Mẫu chuẩn đ y đủ th dai va đập theo tiêu chuẩn AWS (c dung sai) .. 91
Hình 3.18: Máy th va đập và vị trí búa đập ........................................................... 91
Hình 4.1: Mẫu hàn cắt để chuẩn bị phân tích thành ph n h a học ........................... 94
Hình 5.1. Sự ph thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào ................. 97
hàm lượng Fe-Mn trong m liệu thuốc hàn............................................................... 97
Hình 5.2. Sự ph thuộc của hàm lượng Mn trong kim loại mối hàn vào hàm lượng
Fe-Mn và Fe-Si trong m liệu thuốc hàn .................................................................. 97
Hình 5.3. Sự ph thuộc của hàm lượng Si,(%) trong kim loại mối hàn vào ............. 98

8


hàm lượng Fe-Si, (%) trong m liệu thuốc hàn ......................................................... 98
Hình 5.4. Sự ph thuộc của hàm lượng Si trong kim loại mối hàn vào .................... 98
hàm lượng Fe-Mn và Fe-Si trong m liệu thuốc hàn ................................................ 98
Hình 5.5. Gá lắp phôi để hàn mẫu th cơ tính kim loại mối hàn ............................ 103
Hình 5.6. Hàn mẫu th cơ tính kim loại mối hàn ................................................... 104
Hình 5.7. Quá trình hàn mẫu th cơ tính kim loại mối hàn .................................... 105
Hình 5.8. Mẫu sau khi th kéokim loại mối hàn..................................................... 105
Hình 5.9. Các mẫu sau khi th độ dai va đập kim loại mối hàn ............................. 106

9


MỞ ĐẦU
Trong sự nghiệp cơng nghiệp hố đất nước hiện nay các ngành khoa học công
nghệ phát triển rất mạnh, trong đ ngành công nghệ hàn cũng không ngừng phát
triển về bề rộng c các công nghệ hàn mới rất đa dạng và các giải pháp nâng cao

năng suất và chất lượng hàn. Do đ ngành hàn ngày càng được ứng d ng rộng rãi,
trong số đ công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc đã được ứng d ng rất phổ biến
trên thế giới. Ở Việt Nam công nghệ này ngày càng được ứng d ng rộng rãi, đặc
biệt là trong lĩnh vực đ ng tàu và chế tạo kết cấu thép,... Tuy nhiên, thuốc hàn chủ
yếu c n phải nhập từ nước ngồi, để khắc ph c 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 th nghiệm thuốc hàn gốm
hệ axit AR (Ơxit nhơm – Rutil). Để c thể mau ch ng tự sản xuất được các loại
thuốc hàn chất lượng cao (các thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ) đáp ứng cho việc chế tạo
các kết cấu hàn chất lượng cao. Trong đề tài này đã thực hiện nghiên cứu một nhánh
của đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu sản xuất thuốc hàn thiêu kết bằng nguyên vật
liệu trong nước để hàn tự động kết cấu thép cacbon thấp và hợp kim thấp”.
Nội dung c thể của luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu hiệu quả hợp kim hóa
của Mn và Si trong thành phần thuốc hàn thiêu kết tƣơng đƣơng với loại
F7A(P)2 theo AWS A5.17-80.
Có các vấn đề cần giải quyết như sau:
- Phân tích, lựa chọn các nguyên tố hợp kim phổ biến dùng trong thành ph n
m liệu thuốc hàn khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết tương đương với loại F7A(P)2
theo AWS A5.17-80.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các fero hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) trong m liệu
thuốc hàn đến thành ph n h a học kim loại mối hàn của thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ
tương đương với loại F7A(P)2 theo AWS A5.17-80.

10


- Xác định hàm lượng các nguyên tố hợp kim thông qua các fero hợp kim
(Fe-Mn, Fe-Si) đưa vào thành ph n thuốc hàn thiêu kết tương đương loại F7A(P)2
theo AWS A5.17-80 đảm bảo thành ph n h a 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

ph n 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, các thày cô trong Bộ môn Hàn – CNKL, Viện Cơ khí – Trường
ĐH Bách Khoa Hà Nội và Ban lãnh đạo và cán bộ Công ty Que hàn điện Việt
Đức,… trong việc hoàn thành luận văn tốt nghiệp này!
Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013
Học viên

PHAN VĂN CHỈNH

11


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 đ ngu ên l hàn tự động dƣới lớp thuốc
 Khái niệm hàn hồ quang dưới lớp thuốc:
Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ c n gọi là hàn hồ quang chìm (hồ quang
ng m), tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding) là quá trình hàn điện
n ng chảy, dùng nguồn nhiệt từ hồ quang điện sinh ra giữa điện cực hàn (dây hàn,
băng hàn) và vật hàn. Một ph n lượng nhiệt sinh ra do hồ quang điện làm n ng chảy
kim loại điện cực và kim loại cơ bản, sau đ kim loại vũng hàn kết tinh tạo thành
mối hàn. Ph n nhiệt khác làm n ng chảy thuốc hàn, tạo thành lớp xỉ (v m vỉ) bảo
vệ vùng hồ quang và vũng hàn khỏi sự xâm nhập và ảnh hưởng c hại của môi
trường khí quyển xung quanh.
 Nguyên lý của hàn hồ quàng dưới lớp thuốc:
Dưới tác d ng nhiệt của hồ quang, mép hàn, dây hàn và một ph n thuốc hàn
sát hồ quang bị n ng chảy tạo thành v m hồ quang (v m 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
n ng chảy của n 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 ph n mối hàn kết tinh hình thành một lớp xỉ c tác
d ng 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. Ph n thuốc hàn chưa bị n ng chảy c thể được
s d ng lại.
Các chuyển động cấp dây hàn, dao động điện cực và chuyển động theo
đường hàn thường được cơ giới h a. 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 l của quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc c thể tham khảo
trên hình 1.1.

12


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

13


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

14

Hình 1.5. Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bằng điện cực băng
 Đặc điểm hàn hồ quang dưới lớp thuốc:
- Hồ quang cháy ng m dưới lớp thuốc, một ph n thuốc hàn n ng chảy tạo
thành v m xỉ bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác d ng c 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 c thể hàn những chi tiết c chiều dày lớn mà không c n 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 d ng của oxi và nitơ trong khí quyển xung quanh. Kim loại
mối hàn đồng nhất về thành ph n h a học. Lớp thuốc và xỉ hàn làm mối hàn nguội
chậm nên ít bị thiên tích, thốt hidrơ tốt hơn.

15


- Mối hàn c 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 t e 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 (kh i, b i độc hại) sinh ra trong quá trình hàn rất ít so với hàn
hồ quang tay.
- Dễ cơ khí h a và tự động h a 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 d m thép c khẩu độ
và chiều cao, các ống thép c đường kính lớn, các bồn, bể chứa, bình chịu áp lực và
trong công nghiệp đ ng tàu, d u khí, giao thông, chế tạo máy, lắp máy, thủy điện,

nhiệt điện, ...
- Chủ yếu được ứng d ng để hàn các mối hàn ở tư thế hàn bằng (hàn sấp),
hàn g c tư thế hàn ngang, mối hàn ngang với các mối hàn c chiều dài lớn và c
quỹ đạo khơng phức tạp.
- Hàn đƣợc các chi tiết có chiều dày từ vài mm cho đến hàng trăm mm.
1.1.2. Vai tr , c ng dụng của thuốc hàn
 Khái niệm: Thuốc hàn là hỗn hợp gồm nhiều thành ph n, được chế tạo ở
dạng hạt c kích thước xác định trong khoảng 0,25 ÷ 4 mm.

Hình 1.6. Dạng thuốc hàn

16


 Vai trị, cơng dụng của thuốc hàn:
-

Tạo v m xỉ n ng chảy bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác
d ng c hại của oxi và nitơ của môi trường xung quanh.

-

Tạo ra môi trường ion h a 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 thốt hiđrơ từ mối hàn và vùng ảnh
hưởng nhiệt.

-

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

-

C thể hợp kim h a 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 d ng bức xạ của hồ quang, cải thiện điều kiện lao
động.

-

Nhờ c lớp thuốc và v m 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, khơng 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 b i
sinh ra trong quá trình hàn.

1.1.3. Ph n loại thuốc hàn theo phƣơng ph p chế tạo
Hiện nay c 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 c thể dựa theo phương pháp chế tạo, tính chất h a học
của thuốc hàn, thành ph n hoá học và cơ tính kim loại đắp, ... Sau đây tạm thời giới
thiệu cách phân loại thuốc hàn theo phương pháp chế tạo [6; 8; 13; 14; 17]:
 Theo phương pháp chế tạo:
Theo phương pháp chế tạo thuốc hàn được phân loại và kí hiệu (chữ viết tắt)
như sau:

17


 F (fused): loại nung chảy;
 B (bonded): loại liên kết, tức là thuốc hàn gốm và thiêu kết, c 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 đ ng vai tr
quan trọng trong việc chế tạo các kết cấu thép bằng hàn cho các ngành công nghiệp
mũi nhọn như ngành d u khí, h a d u, công nghiệp đ ng 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 d ng nhiều phương pháp hàn tiên tiến c mức độ cơ giới
h a, tự động h a cao, trong đ phải kể đến phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc
để hàn những đường hàn dài ở tư thế hàn bằng và hàn g c trong các kết cấu hàn lớn

và yêu c u chất lượng cao.
Trong công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc, thuốc hàn c vai tr rất quan
trọng, n bảo vệ kim loại vùng hàn khỏi tác d ng c hại của khơng khí, ổn định q
trình hàn, tinh luyện và hợp kim h a 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 c 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. C n thuốc hàn gốm, thuốc
hàn thiêu kết được dùng nhiều ở Th y Điển, Hàn Quốc, Mỹ, Đài Loan, Ucraine, ...
Thuốc hàn thiêu kết ngày càng được ứng d ng rộng rãi trên thế giới do c
nhiều ưu điểm như: khả năng tinh luyện các tạp chất c hại và hợp kim h a kim loại
mối hàn cao, thành ph n thuốc hàn dễ điều chỉnh để đạt được thành ph n h a học
kim loại mối hàn theo yêu c u với số chủng loại mác dây hàn tiêu chuẩn không c n

18


nhiều, giá thành hạ. N đã khắc ph c 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: Th y Điển (hãng
ESAB), Ucraine (viện Hàn Paton), Hàn Quốc (hãng Hyundai, Chosun, Kiswel ....),
Mỹ (HOBART), Đài Loan,... đã nghiên cứu rất sâu về loại thuốc hàn thiêu kết và
sản xuất với số lượng rất lớn.
Trong số chủng loại thuốc hàn của hãng ESAB thì thuốc hàn thiêu kết chiếm
tỷ lệ rất cao và hệ thống phân loại thuốc hàn của ESAB theo các chỉ tiêu về tính
chất h a học của thuốc hàn – xỉ hàn và các chỉ tiêu khác chi tiết hơn thuận tiện cho
việc lựa chọn thuốc hàn để ứng d ng hàn các kết cấu thép c yêu c u 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 c khác

nhau, hiện nay tiêu chuẩn của Hiệp hội hàn Mỹ (AWS) được s d ng 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 ph n h a học kim loại mối hàn, mà không
giới thiệu thành ph n thuốc hàn và các chỉ số quan trọng c liên quan đến chất
lượng thuốc hàn. Hãng ESAB (Th y Điển) ngoài việc áp d ng theo tiêu chuẩn
AWS, c n giới thiệu về các chỉ số về tính chất h a học (chỉ số bazơ của thuốc hàn –
xỉ hàn, tính chất thuốc hàn, lượng thuốc hàn n ng chảy theo chế độ hàn,...) và thành
ph n của xỉ hàn trong phạm vi cho phép để người s d ng tham khảo.
Trên thế giới c 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 c
yêu c u chất lượng cao, h u hết được hàn từ một trong số các loại thuốc hàn của
ESAB và Hyundai (Hàn Quốc). Về số lượng s d ng thì thuốc hàn của Hyundai
được s d ng nhiều hơn ESAB do giá r 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 s d ng ở Việt Nam hiện nay do các yếu tố

19


về chất lượng và giá chưa phù hợp. C n thuốc hàn Trung Quốc chủ yếu dùng cho
hàn các kết cấu c yêu c u chất lượng không cao, giá r .
1.2.2. Nghiên cứu và sản uất thuốc hàn ở Việt Nam
Ở Việt Nam trong thời gian g n đây, các ngành công nghiệp đ ng tàu, chế
tạo các kết cấu thép trong d u khí, h a d u, nhiệt điện, thủy điện, giao thông, ... phát
triển mạnh, kéo theo ngành công nghệ hàn và nhu c u về vật liệu hàn rất lớn. Trong
đ phải kể đến nhu c u về thuốc hàn để hàn tự động dưới lớp thuốc nhằm nâng cao
năng suất và chất lượng các cơng 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,
c n thuốc hàn chủ yếu phải nhập ngoại. Ví d như Công ty CP Que hàn điện Việt
Đức là cơ sở sản xuất vật liệu hàn qui mô lớn, c 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 n i chung ở Việt Nam s d ng 15.000 tấn, trong đ
thuốc hàn c chất lượng cao c n 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 d ng thực tế c n rất khiêm tốn, c 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 th .
- Đề tài nghiên cứu thuốc hàn tự động của Viện Công nghệ, Bộ Công
Thương cũng chỉ dừng lại ở kết quả th 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
th , nhưng c n 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 c u chất
lượng thông thường.

20


Đ là tình hình nghiên cứu và sản xuất thuốc hàn gốm ở nước ta. Trong khi
đ xu thế của thế giới là s d ng thuốc hàn thiêu kết để đáp ứng u c u của các
cơng 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 c n c vấn đề. Nhưng nếu nghiên cứu phối liệu
và x l nhanh nguyên liệu hợp l vẫn c thể tận d ng được nhiều loại nguyên liệu
để sản xuất thuốc hàn. Dự kiến những thành ph n chủ yếu trong m liệu thuốc hàn

sẽ s d ng 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 Ph ng, 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 d ng tối đa nguồn nguyên vật liệu trong nước để thay thế thuốc hàn nhập
ngoại là vấn đề vừa c tính cấp thiết trước mắt, vừa c 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 c thêm sản phẩm mới, tăng giá trị gia tăng cho nguồn tài
nguyên của đất nước và tiến tới các doanh nghiệp c thể xuất khẩu mặt hàng này.
Như đã trình bày ở ph n tổng quan, thuốc hàn thiêu kết dùng để hàn tự động
dưới lớp thuốc c ưu điểm nổi trội về nhiều mặt, nên xu hướng của thế giới là sản
xuất và s d ng thuốc hàn thiêu kết để chế tạo các cơng 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 c u 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, c n ở
Việt Nam nhu c u thì lớn, nhưng chưa c 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

21


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 đ , nguồn nguyên vật liệu để sản xuất
thuốc hàn của nước ta rất lớn và phong phú. Do vậy, nh m tác giả đề tài đã đặt ra
m c tiêu nghiên cứu chế tạo thuốc hàn thiêu kết s d ng 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. Ngu n ngu ên 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

Thành ph n hoá học

Độ hạt,

yêu c u, %

μm

TiO2

:  95

- Trường ĐH Bách Khoa Hà

Ơxít Titan (Ti2O)

P

:  0,03

Nội;

Kỹ thuật

S

:  0,03

- Các cơ sở c chất lượng

1

tương đương.
2
Rutil

3

TiO2

:  85

FeO

:  3,5

P

:  0,03

S

:  0,03

TiO2
Ilmenit hoàn
nguyên

: 50 - 52

FeO

: 38 - 40

- Bình Định

P

:  0,03

- Quảng Trị

S

:  0,03

- Hà Tĩnh, Thái Nguyên,…

CaCO3 :  97

4

- Bình Định

- Hà Nam

Đá vôi

P

:  0,03

- Hà Tĩnh

(Vôi bột)

S

:  0,03

- Yên Bái,….

22


5
Đôlômit
6
Huỳnh thạch

7

CaCO3 : 41 - 48

- Hà Nam

MgO3

: 43 - 76

- Hà Tĩnh,….

CaF2

:  80

SiO2

: 3 - 18

Fe2O3

: 0,1 - 0,5

K2 O

: 9 - 12

P

:  0,03

S

:  0,03

SiO2

: 63 - 67

- Hải Dương
- Sơn La;
- Phú Thọ,…

Al2O3 : 14 - 19
Trường thạch
(Fenspat)

8

Cao lanh

Fe2O3

: 0,1 - 0,5

K2O +Na2O : 9 - 12
P

:  0,03

S

:  0,03

SiO2

: 50 - 56

- Yên Bái
- Lào Cai,….

Al2O3 : 28 - 35

- Hải Dương;

Fe2O3 : 3 max

- Hưng Yên

P

:  0,03

S

:  0,03

- Phú Thọ,….

Al2O3 :  98

9

Alumina

SiO2

:  2,0

Fe2O3 :  0,03
P

:  0,03

S

:  0,03

23

- Lâm Đồng
- Đắc K nông