Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn MAG trong chế tạo vỏ tàu thuỷ

...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP H NI
-------------

H DUY HO

nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn mag
Trong chế tạo vỏ tàu thuỷ

LUN VN THC S K THUẬT

Chuyên ngành : Kỹ thuật Máy & Thiết bị cơ giới hố Nơng Lâm Nghiệp
Mã số
: 60.52.14
Người hướng dẫn khoa hc: TIN S. Bùi Văn Hạnh

H Ni - 2010


LỜI CAM ðOAN
Tơi xin cam đoan rằng những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn
này là trung thực và chưa hề ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn này ñã
ñược cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong luận văn này đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Nếu sai tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả

Hà Duy Hoà

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …………… i


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Tiến sĩ Bùi Văn Hạnh, người
trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tơi trong thời gian thực hiện đề tài.
Tơi cũng xin cảm ơn các thầy cơ giáo trong Bộ mơn Cơng nghệ cơ khí, các
thày cô giáo trong khoa Cơ ðiện Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã giúp ñỡ
và tạo ñiều kiện cho tơi trong q trình học tập và thực hiện đề tài.
Qua đây, tơi xin được gửi lời cảm ơn tới cơ quan, gia đình và bạn bè đã ủng
hộ, động viên tạo điều kiện giúp tơi hồn thành khố học.
Tơi xin chân thành cảm ơn !
Tác giả

Hà Duy Hoà

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …………… ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ðOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
DANH MỤC CÁC HÌNH
DANH MỤC CÁC BẢNG
MỞ ðẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ HÀN MAG TRONG CHẾ TẠO
VỎ TÀU THUỶ

1.1 Tổng quan về hàn MAG
1.1.1 Bản chất
1.1.2 Phạm vi ứng dụng
1.2 Vật liệu và thiết bị hàn MAG
1.2.1 Vật liệu hàn
1.2.2 Thiết bị hàn
1.3 Ảnh hưởng của các thông số khi hàn MAG
1.3.1 Chuẩn bị mép hàn
1.3.2 Chiều dày kim loại cơ bản
1.3.3 Nhiệt ñộ ban ñầu
1.3.4 Dòng ñiện hàn
1.3.5 ðiện áp hàn
1.3.6 Dây hàn
1.3.7 Phần nhơ điện cực hàn
1.3.8 Tốc độ hàn
1.3.9 Khí bảo vệ
1.3.10 Nguồn ñiện hàn
1.3.11 Kỹ thuật hàn
1.3.12 Thợ hàn
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ CHẾ TẠO VỎ TÀU THUỶ
1.1. 2.1 TỔNG QUAN VỀ CHẾ TẠO VỎ TÀU TẠI CÁC CƠ SỞ SẢN XUẤT
2.1.1 Quy trình chế tạo vỏ tàu
2.1.2 Thực trạng đóng tàu vỏ thép ở Việt Nam
2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN ðƯỢC SỬ DỤNG TRONG ðĨNG TÀU

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …………… iii

i
ii
iii

iv
v
vi
1
2
2
2
3
4
4
11
13
13
13
13
14
15
16
17
18
20
21
22
23
24
24
24
29
31

2.2.1 Hàn hồ quang tay
2.2.2 Hàn hồ quang dưới lớp thuốc
2.2.3 Hàn hồ quang trong mơi trường khí bảo vệ
2.2.4 Hàn điện khí
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN CHẾ ðỘ HÀN, THIẾT LẬP QUY TRÌNH
CHO CÁC MỐI HÀN ðIỂN HÌNH TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU THUỶ
3.1 Tính tốn chế độ hàn MAG cho mối hàn giáp mối
3.1.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn chế độ hàn giáp mối
3.1.2 Tính tốn chế độ hàn giáp mối cho một số chiều dày vỏ tàu
3.1.3 Thiết lập quy trình hàn cho mối hàn giáp mối
3.2 Tính tốn chế độ hàn MAG cho mối hàn góc
3.2.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn chế độ hàn góc
3.2.2 Tính tốn chế độ hàn góc cho một số chiều dày vỏ tàu
3.2.3 Thiết lập quy trình hàn cho mối hàn góc
3.3 Thiết lập quy trình hàn WPS
3.4 Nghiên cứu thực nghiệm theo quy trình hàn đã thiết lập
3.4.1 Nghiên cứu thực nghiệm mối hàn leo khi hàn ghép nối tng ủon,

36
36
44
47
49
49
53
57
59
63
63

hàn tự động dùng khí bảo vệ co2 - Hàn 1 mặt có tấm lót.
3.4.2 Nghiờn cu thc nghim mối hàn góc ngang khi chế tạo boong tàu,

70

b¸n tù động dùng khí bảo vệ co2 - Hàn 2 phía
CHNG 4. NGHIÊN CỨU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA
ðÁNH GIÁ KHUYẾT TẬT MỐI HÀN
4.1 Các phương pháp kiểm tra và thử nghiệm
4.2 Kiểm tra trực quan (VT)
4.3 Kiểm tra chụp ảnh phóng xạ (RT)
4.4 Kiểm tra siêu âm (UT)
4.5 Kiểm tra độ kín
4.6 Kiểm tra cấu trúc kim loại
4.7 Phân tích lựa chọn phương án kiểm tra
4.8 Kiểm tra đánh giá chất lượng hàn trên các mẫu
4.8.1 Kiểm tra siêu âm
4.8.2 Kiểm tra cấu trúc kim loại
KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …………… iv

31
31
32
34
36

74
74
74
75
78
79
80
81
81
81
86
87
88
89


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Ký hiệu viết tắt

Viết ñầy ñủ tiếng Việt

AW

Hàn hồ quang

CAW-G

Hàn hồ quang điện cực than trong mơi trường khí bảo vệ

EGW

Hàn điện khí

ESW

Hàn điện xỉ

FCAW

Hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc

FCAW-G

Hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc có khí bảo vệ

FCAW-S

Hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc tự bảo vệ

GMAW

Hàn hồ quang kim loại trong khí bảo vệ

MAG

Hàn khí hoạt tính điện cực kim loại.

MIG

Hàn khí trơ điện cực kim loại.

GMAW-P

Hàn hồ quang kim loại trong khí bảo vệ kiểu xung

GMAW-S

Hàn hồ quang kim loại trong khí bảo vệ kiểu ngắn mạch

SAW

Hàn hồ quang chìm

SAW-S

Hàn hồ quang chìm điện cực nối tiếp

SMAW

Hàn hồ quang điện cực có thuốc bọc

WPS

ðặc tính kỹ thuật qui trình hàn

WPQ

Kiểm tra tay nghề thợ hàn

PQR

Báo cáo qui trình hàn

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …………… v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Những yêu cầu ñối với thép đóng tàu, độ bền bình thường

5

Bảng 1.2

Giới hạn thử kéo

5

Bảng 1.3

Thành phần hố học của thép đóng tàu

6

Bảng 1.4

Một số loại dây hàn thép các bon thông dụng

7

Bảng 1.5

Giới thiệu ứng dụng một số loại khí và hỗn hợp khí bảo vệ

8

Bảng 1.6

Một số loại lót sứ dùng cho hàn MIG/ MAG

10

Bảng 1.7

ðiều chỉnh tốc ñộ hàn MAG

19

Bảng 2.1

Bảng kê khối lượng ñường hàn cho các loại tàu khác nhau

35

Bảng 3.1

Mật độ dịng điện

37

Bảng 3.2

Tốc độ cấp dây, cường độ dịng điện hàn trong mơi trường CO2

37

Bảng 3.3

Trị số N theo đường kính dây

38

Bảng 3.4

Bảng thơng số hàn cho tư thế 3G, chiều dày 15 mm, dây lõi bột

45

Bảng 3.5

Bảng thông số hàn cho tư thế 3G, chiều dày 15mm, dây lõi ñặc

47

Bảng 3.6

Chế ñộ hàn giáp mối 1 phía có tấm lót

48

Bảng 3.7

Phạm vi cho phép của mật độ dịng điện

49

Bảng 3.8

Các giá trị của (m) theo ñường kính dây

50

Bảng 3.9

Các kích thước của liên kết hàn góc

63

Bảng 3.10

Chế độ hàn mối hàn góc vật hàn dày 14 mm

66

Bảng 3.11

Chế độ hàn góc 2 phía

68

Bảng 3.12

Thơng số chế độ hàn giáp mối 1 phía có tấm lót

69

Bảng 3.13

Thơng số chế độ hàn góc 2 phía

73

Bảng 4.1

ðộ nhạy của phim

75

Bảng 4.2

ðộ ñen của phim

76

Bảng 4.3

Phân loại khuyết tật

76

Bảng 4.4

Khuyết tật loại 1

77

Bảng 4.5

Khuyết tật loại 2

78

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …………… vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Một số loại lót sứ hàn

9

Hình 1.2

Lót sứ đường hàn dùng trong thí nghiệm

11

Hình 1.3

Hệ thống thiết bị hàn MAG

11

Hình 1.4

Bộ cấp dây hàn MAG

12

Hình 1.5

Mỏ hàn MAG

12

Hình 1.6

Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của cường độ dịng điện

15

Hình 1.7

Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của điện áp

16

Hình 1.8

ðộ nhú điện cực

17

Hình 1.9

Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của tốc độ hàn

18

Hình 2.1

Máy hàn tự động dưới lớp thuốc

32

Hình 2.2

Sơ đồ ngun lý hàn MAG

33

Hình 2.3

Hàn điện khí

34

Hình 3.1

Các ký hiệu kích thước của liên kết hàn

43

Hình 3.2

Liên kết hàn giáp mối tư thế 1G, 3G, và 4G chiều dày 15 mm

44

Hình 3.3

Chuẩn bị chi tiết hàn giáp mối

48

Hình 3.4

Ảnh hưởng của cường độ dịng điện và tốc độ hàn

50

Hình 3.5

Tiết diện ngang của kim loại đắp mối hàn góc có vát mép

51

Hình 3.6

Chuẩn bị chi tiết hàn góc

58

Hình 3.7

Robot hàn tự hành

63

Hình 3.8

Hình ảnh các khuyết tật trong thí nghiệm

66

Hình 4.1

Thiết bị dị siêu âm

78

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ kỹ thuật …………… vii


MỞ ðẦU
Sự nghiệp cơng nghiệp hố, hiện đại hố đất nước gắn liền và địi hỏi sự phát
triển mạnh mẽ của nền sản xuất cơng nghiệp, đặc biệt là cơng nghiệp nặng. Cơng
nghiệp đóng tàu là một thế mạnh của Việt Nam bởi đã có truyền thống và ưu thế
của nước ta về điều kiện địa lý.
Trong cơng nghiệp đóng tàu, q trình cơng nghệ hàn đóng vai trị quan
trọng. Chính vì vậy nghiên cứu các vấn đề liên quan q trình cơng nghệ hàn trong
gia cơng chế tạo vỏ tàu thuỷ là một yêu cầu thường xuyên nhằm không ngừng nâng
cao năng suất, chất lượng và hiệu quả kinh tế.
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thật trong mọi lĩnh vực cơ khí
chế tạo, tự động hố, cơng nghệ thơng tin,…. việc ứng dụng vào nghiên cứu q
trình cơng nghệ hàn để đạt được mục tiêu nói trên ln mang tính thời sự và cấp
thiết.
Trong chế tạo sửa chữa và đóng mới tàu biển các cơng ty, nhà máy, xí
nghiệp đã áp dụng nhiều cơng nghệ hàn tiên tiến vào trong sản xuất, một trong
những công nghệ hàn tiên tiến đang được ứng dụng có hiệu quả cao đó là ứng dụng
cơng nghệ hàn MAG trong chế tạo hàn vỏ tàu thuỷ.
Tuy nhiên việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn MAG trong chế tạo vỏ
tàu thuỷ như thế nào cho có hiệu quả, nhằm nâng cao năng suất lao ñộng và chất
lượng của sản phẩm là một vấn đề cần đặt ra.
Bài tốn làm thế nào ñể ñem lại hiệu quả kinh tế cao và chất lượng mối hàn

tốt, ñảm bảo các yêu cầu kỹ thuật. ðó chính là lý do tơi tiến hành nghiên cứu đề tài:
“Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ hàn MAG trong chế tạo vỏ tàu thuỷ”

1


CHNG I

TNG QUAN công nghệ hàn MAG trong chế tạo
vỏ tàu thuỷ
1.1 TổNG QUAN Về hàn MAG
1.1.1 Bản chất
Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trờng khí bảo vệ là quá
trình hàn nóng chảy trong đó nguồn nhiệt hàn đợc cung cấp bởi hồ quang tạo ra
giữa điện cực nóng chảy (Dây hàn) và vật hàn.
Hồ quang và kim loại nóng chảy đợc bảo vệ khỏi tác dụng của Ôxi và Nitơ
trong môi trờng xung quanh bởi một loại khí hoặc hỗn hợp khí. Tiếng Anh phơng
pháp hàn này gọi là GMAW (Gas Metal Arc Welding).
Khí bảo vệ có thể là khí trơ (Ar , He hoặc hỗn hợp Ar + He) không tác dụng
với kim loại lỏng trong khi hàn hoặc là các loại khí hoạt tính (CO2; CO2 + O2 ; CO2
+ Ar).
Dây hàn đợc cấp tự động vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây, còn
sự dịch chuyển hồ quang dọc theo mối hàn đợc thao tác bằng tay thì gọi là hàn hồ
quang bán tự động trong môi trờng khí bảo vệ. Nu tất cả các chuyển động cơ bản
đợc cơ khí hóa thì đợc gọi là hàn hồ quang tự động trong môi trờng khí bảo vệ.
Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trờng khí trơ (Ar , He)
Tiếng Anh gọi là phơng pháp hàn MIG (Metal Inert Gas). Vì các loại khí trơ có giá
thành cao nên không đợc ứng dụng rộng r i , chỉ đợc dùng để hàn kim loại mầu
và thép hợp kim.
Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trờng khí hoạt tính

thờng dùng là khí CO2 hoặc hỗn hợp khí CO2 với một số loại khí khác nh O2,
Ar,...). Tiếng anh gọi là phơng pháp hàn MAG (Metal Active Gas). Phơng pháp
hàn MAG sử dụng khí bảo vệ CO2 ®−ỵc øng dơng réng r i do cã rÊt nhiỊu u điểm:
+ CO2 là loại khí dễ kiếm , dễ sản xuất và giá thành thấp.
+ Năng suất hàn trong CO2 cao, gấp hơn 2,5 lần so với hàn hồ quang tay.
+ Tính công nghệ của hàn trong CO2 cao hơn so với hàn hồ quang dới lớp
thuốc vì có thể tiến hành ở mọi vị trí không gian khác nhau.

2


+ Chất lợng hàn cao. Sản phẩm hàn ít bị cong vênh do tốc độ hàn cao, nguồn
nhiệt tập trung, hiƯu st sư dơng nhiƯt lín, vïng ¶nh h−ëng nhiƯt hẹp.
+ Điều kiện lao động tốt hơn so với hàn hồ quang tay và trong quá trình hàn
không phát sinh ra khí độc.
1.1.2 Phạm vi ứng dụng
Hin nay, trong thc tế ngành đóng tàu ở Việt nam thường sử dụng các
phương pháp hàn sau:
- Hàn hồ quang tay: Phương pháp hàn này ñơn giản, dễ sử dụng, ñầu tư trang
thiết bị ít. Tuy nhiên phương pháp hàn hồ quang tay cho năng suất, chất lượng mối
hàn thấp, chất lượng không ổn ñịnh do mọi thao tác ñều ñược thực hiện bằng tay,
ñiều kiện làm việc của người thợ hàn rất nặng nhọc do phải tiếp xúc trực tiếp với hồ
quang hàn, với khói, bụi, kim loại lỏng bắn toé. Do vậy phương pháp hàn này chủ
yếu chỉ sử dụng trong sửa chữa.
- Hàn hồ quang bán tự động trong mơi trường khí bảo vệ: Trong phương
pháp hàn này chuyển động cấp dây hàn được tự động hố hồn tồn nhờ nguồn hàn
được thiết kế có tính năng tự động lựa chọn tốc độ cấp dây hàn phù hợp với dịng
điện hàn đã chọn. Cịn lại chuyển động của mỏ hàn dọc theo trục mối hàn ñược thực
hiện bằng tay. Phương pháp này ñã khắc phục ñược một số nhược ñiểm của phương
pháp hàn hồ quang tay và cho năng suất và chất lượng mối hàn cao hơn. Tuy nhiên

do chỉ mới tự động hố được một trong hai chuyển động quyết ñịnh ñến năng suất
và chất lượng hàn nên phương pháp này vẫn cịn có những hạn chế nhất định. Năng
suất hàn chưa cao, chất lượng mối hàn vẫn còn phụ thuộc nhiều vào tay nghề người
thợ hàn, ñiều kiện lao ñộng vẫn chưa ñược cải thiện về bản chất. Hiện nay ngành
đóng tàu ở nước ta sử dụng chủ yếu phương pháp hàn này do chưa có các thiết bị
hiện đại hơn để thực hiện tự động hồn tồn q trình hàn.
- Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc: Phương pháp hàn này khắc phục
ñược các nhược ñiểm của hai phương pháp hàn kể trên do các chuyển ñộng cấp dây
hàn và chuyển ñộng dọc trục mối hàn ñược thực hiện hoàn toàn tự ñộng. Năng suất
và chất lượng mối hàn rất cao, đặc biệt là có thể hàn một lần với chiều sâu ngấu lớn.

3


Tuy nhiên phương pháp hàn này chỉ hàn ñược ở vị trí hàn bằng. Khi hàn ở các vị trí
hàn, ñứng, trần thuốc hàn và kim loại lỏng sẽ bị rơi xuống do sức hút của trọng lực
do đó mối hàn khơng thực hiện được. Chính vì vậy phương pháp hàn này chỉ sử
dụng trong trường hợp hàn các mối hàn bằng (có thể cho một số mối hàn ngang) và
chỉ thực hiện được trong nhà xưởng, khơng thích hợp hàn ngồi hiện trường vì trang
thiết bị rất cồng kềnh. Hiện nay phương pháp này chỉ ñược sử dụng một phần trong
cơng việc đóng tàu ở nước ta vì trong các con tàu phần lớn là các mối hàn ngang và
mối hàn ñứng, ñặc biệt là khi hàn ghép nối tổng đoạn.
Tóm lại hàn hồ quang bán tự động trong mơi trường khí bảo vệ CO2 cịn có
một số hạn chế nhất ñịnh, tuy nhiên ở nước ta hiện nay trong ngành Cơng nghiệp
đóng tàu thuỷ đang sử dụng chủ yếu là phương pháp hàn này để đóng mới và sửa
chữa tàu biển. Và cơng nghệ hàn MAG sẽ được ứng dụng rộng rãi, hiệu quả hơn với
các trang thiết bị hiện đại để thực hiện tự động hồn tồn quỏ trỡnh hn.
1.2 Vật liệu và thiết bị hàn MAG
1.2.1 Vật liệu hàn
a) Vật liệu cơ bản

Thộp lm v tu thường là thép cacbon, chứa từ 0,15% ñến 0,23% cacbon
cùng lượng mangan cao. Hai thành phần gồm lưu huỳnh và phốt pho trong thép
đóng tàu phải ở mức thấp nhất, dưới 0,05%. Từ năm 1959 các ñăng kiểm ñồng ý
tiêu chuẩn hóa thép đóng tàu nhằm giảm thiểu các cách phân loại thép dùng cho
ngành này, trên cơ sở ñảm bảo chất lượng. Theo tiêu chuẩn ñã ñược chấp nhận này,
có 5 cấp thép, từ kỹ thuật bằng tiếng Anh viết là grade, chất lượng khác nhau, dùng
cho tàu thương mại. ðó là các cấp A, B, C, D và E. Thép cấp B dùng tại những
vùng nhạy cảm với tác động lực, những nơi địi tấm có chiều dầy lớn. ðăng kiểm
ABS ghi rõ ràng thép grade B vào danh mục thép dùng làm thân tàu. Về sau này
nhiều nước không ghi cấp C vào danh mục các cấp thép đóng tàu. Theo cách ghi
trong qui phạm do ðăng kiểm Việt Nam ñưa ra, cấp thép chấp nhận tại mục “phân

4


loại thép”, ðiều 3.1.2- Qui phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép, 2003, gồm A,
B, D, E.
Bảng 1.1 Những u cầu đối với thép đóng tàu, độ bền bình thường
Grade

A

B

D

E

Cacbon, %

0,21 max

0,21 max

0,21 max

0,18 max

Mangan, %

2,5min x cacbon

0,6 min

0,6 min

-

Phospho, %

0,035 max

0,035
max

0,035 max

0,035 max

Lưu huỳnh,%

0,04 max

0,04 max

0,04 max

0,04 max

Silic, %

0,50 max

0,35 max

0,10 ÷ 0,35

0,10 ÷ 0,35

Ni,Cr,Cu, … %

Ghi chú

Ít hơn 0,02%
2

Giới hạn bền tất cả các nhóm: 400 ÷ 490 N/mm (4100 ÷ 5000 kG/cm2)
Thép hình grade A : 400 ÷ 550 N/mm2
Giới hạn chảy của tất cả các nhóm : 235 N/mm2 (2400kG/cm2)
Thép grade A, dầy trên 25 mm : 220 N/mm2( 2250 kG/cm2)

Các ký hiệu vừa nêu trong phần vật liệu này ñược dùng tại hầu hết các nước.
Trong tài liệu chính thức do ðăng kiểm Việt Nam lưu hành, yêu cầu chung cho tất
cả 4 cấp, theo TCVN 6259-7:2003 là:
Bảng 1.2 Giới hạn thử kéo
Thử kéo

Cấp thép

A

Giới hạn chảy (N/mm2)

Giới hạn bền (N/mm2)

ðộ giãn dài, %

≥ 235

400 ÷ 520

≥ 22

B
C
D
- Thành phần của các thép ñóng tàu theo qui ñịnh trong GOST 5521-50 và sau
ñó như sau:

5

Bảng 1.3 Thành phần hố học của thép đóng tàu
Mác thép

C, %

Si , %

Mn, %

S, %

P, %

CT.3C

0,14 ÷ 0,22

0,12 ÷ 0,35

0,35 ÷ 0,60

≥ 0,05

≥0,05

CT.4C

0,18 ÷ 0,27

0,12 ÷ 0,35

0,4 ÷ 0,7

≥0,05

≥0,05

Yêu cầu về giới hạn chảy và giới hạn bền:
CT.3C: không nhỏ hơn 220 MN/m2; 380 ÷470 MN/m2
CT.4C: khơng nhỏ hơn 240 MN/m2; 420 ÷520 MN/m2
Trong một số tiêu chuẩn GOST ñược công bố những năm gần ñây, ñã sử
dụng giới hạn dưới của ñộ bền chảy ñể kết hợp với mác thép tiêu chuẩn quốc tế
ISO. ðối với thép chế tạo tàu thuyền, theo GOST 5521-89 có hai loại đều có tính
hàn. Một là loại thép có độ bền thơng thường, có 4 mác thép A, B, C, D, giới hạn
chảy đề là 235MPa; một là loại thép có độ bền cao, mác thép là A x x, D x x, E x x.
Trong đó x x biểu thị cấp ñộ bền, ví dụ A32 biểu thị cấp 32 kG (tức 315 MPa), D40
biểu thị cấp 40 kG (tức 395 MPa).
b) Dây hàn:
Khi hàn trong môi trờng khí bảo vệ , sự hợp kim hóa kim loại mối hàn
nhằm đảm bảo các tính chất yêu cầu của mối hàn đợc thực hiện chủ yếu thông qua
dây hàn. Do vậy, những đặc tính của quá trình công nghệ hàn phụ thuộc rất nhiều
vào tình trạng và chất lợng dây hàn. Khi hàn MAG thờng sử dụng dây hàn có
đờng kính từ 0,8 ữ 2,4 mm.
Sự ổn định của quá trình hàn cũng nh chất lợng của liên kết hàn phụ thuộc
rất nhiều vào tình trạng bề mặt dây hàn. Cần chú ý đến phơng pháp bảo quản , cất
giữ và biện pháp làm sạch nếu dây bị rỉ hoặc bẩn. Một trong những cách để giải
quyết là sử dụng dây có lớp mạ đồng. Dây mạ đồng sẽ nâng cao chất lợng bề mặt
và khả năng chống rỉ, đồng thời nâng cao tính ổn định của quá trình hàn.

Theo hệ thống tiêu chuẩn AWS, ký hiệu dây hàn thép cacbon thông dông nh−
sau:

6


ER

70

S-

X

Ký hiệu điện cực hàn
hoặc que hàn phụ
Thành phần
hóa học và khí bảo vệ

Độ bền kéo nhỏ nhất

S = Dây hàn đặc

( ksi)

Bảng 1.4 Một số loại dây hàn thép cacbon thông dụng
Điều kiện hàn
Ký hiệu theo
AWS

Cực tính

E70S - 2

Cơ tính

Khí bảo vệ

Giới hạn
bền kéo của
liên kết
min (psi)

Giới hạn
chảy của kim
loại mối hàn
min (psi)

Độ d n dài
% (min)

DCEP

CO2

72000

60000

22

E70S - 3

DCEP

CO2

72000

60000

22

E70S - 4

DCEP

CO2

72000

60000

22

E70S - 5

DCEP

CO2

72000

60000

22

E70S - 6

DCEP

CO2

72000

60000

22

E70S - 7

DCEP

CO2

72000

60000

22

AWS
E70S - 2

Thµnh phần hóa học (%)
C

Mn

0,6

Si

Các nguyên tố khác

0,40 ữ 0,70

Ti - 0,05 ÷ 0,15; Zi - 0.02
÷ 0,12; Al - 0,05 ÷ 0,15

0,90 ÷ 1,40

E70S - 3

0,06 ÷ 0,15

E70S - 4

0,07 ÷ 0,15

0,65 ÷ 0,70

E70S - 5

0,07 ÷ 0,19

0,30 ÷ 0,60

E70S - 6

0,07 ÷ 0,15

1,40 ÷ 1,85

E70S - 7

0,07 ÷ 0,15

1,50 ÷ 2,00

0,45 ÷ 0,70
Al - 0,50 ÷ 0,90

0,80 ÷ 1,15
0,50 ữ0,80

Đối với thép hợp kim thấp thờng sử dụng dây hµn cã ký hiƯu ER - 80S - 02
víi khÝ bảo vệ là CO2, OCEP.

7

c) KhÝ b¶o vƯ:
KhÝ Ar tinh khiÕt (~ 100%) th−êng đợc dùng để hàn kim loại mầu. Khí He
tinh khiết (~100%) thờng đợc dùng để hàn các liên kết có kÝch th−íc lín víi c¸c
vËt liƯu cã tÝnh dÉn nhiƯt cao nh nhôm, Magiê, Đồng,...Khi dùng khí He tinh khiết
bề rộng mối hàn sẽ lớn so với dùng loại khía khác. Vì vậy có thể dùng hỗn hợp khí
Ar + (50 ữ 80)% He. Do khí He có trọng lợng riêng nhỏ hơn khí Ar nên lu lợng
khí He cần dùng cao hơn 2 đến 3 lần so với khí Ar.
Khi hàn các hợp kim chứa Fe có thể bổ sung thêm O2 hoặc CO2 vào Ar để
khắc phục các khuyết tật nh lõm khuyết, bắn tóe và hình dạng mối hàn không đồng
đều.
Khí CO2 đợc dùng rộng r i để hàn thép cácbon và thép hợp kim thấp do giá
thành thấp, chất lợng mối hàn ổn định, cơ tính của liên kết hàn đạt yêu cầu, tốc độ
hàn cao và độ ngấu sâu. Nhợc điểm của hàn trong khí bảo vệ CO2 là gây bắn tóe
kim loại lỏng.
Bảng 1.5 Giới thiệu ứng dụng một số loại khí và hỗn hợp khí bảo vệ
Khí bảo vệ

Kim loại cơ bản

Ar (He)

Kim loại và hợp kim không có sắt

Ar + 1% O2

Thép austenit

Ar + 2% O2

Thép ferit (Hàn đứng từ trên xuống)

Ar + 5% O2

Thép ferit (Hàn tấm mỏng, hàn từ trên xuèng)

Ar + 20% CO2

ThÐp ferit vµ austenit (Hµn ë mäi vị trí)

Ar + 15% CO2 +5%O2

Thép ferit và austenit (Hàn ở mọi vị trí)

CO2

Thép ferit (Hàn ở mọi vị trí).

d) Lót sứ hàn (Ceramic backing):
- Lót sứ đường hàn là loại vật liệu lót đáy cho tấm hàn, nó có tác dụng như
một khn đúc, sau khi hàn xong bề mặt mối hàn như một thỏi ñúc, chất lượng bề
mặt cao. Các kích thước của sứ lót được tiêu chuẩn hóa theo kích thước của mối hàn
nên dễ dàng chọn lựa loại sứ lót phù hợp với loại kích thước mối hàn theo yêu cầu
kỹ thuật.

8


- Ở những vị trí hàn khó hàn bịt đáy giải pháp sử dụng lót sứ là tối ưu.

- Có thể tăng tối ña tốc ñộ ñắp kim loại vào mối hàn nên năng suất hàn rất
cao.
- Lót sứ đường hàn kết hợp với dây hàn lõi thuốc ñược áp dụng rộng rãi
trong ngành đóng tàu, cầu đường, hố chất, kết cấu thép,…

Hình 1.1 Một số loại lót sứ hàn
- Trong đóng tàu thuỷ, lót sứ hàn được sử dụng rộng rãi, đây là loại vật liệu
quan trọng trong cơng nghệ hàn tàu nhằm mục đích nâng cao chất lượng mối hàn,
tăng tới 50% năng suất lao ñộng và rút ngắn thời gian thi cơng . Lót sứ hàn có nhiều
loại với các thông số kỹ thuật khác nhau. Sau ñây là một số loại lót sứ dùng cho hàn
FCAW, GMAW và SAW ( Bảng 2.6):

9


B¶ng 1.6 Một số loại lót sứ dùng cho hàn MIG/MAG
MÃ SỐ SẢN PHẨM

GHI CHÚ

CBM-8061

ðược sử dụng rộng rãi nhất

CBM-8061 (1)

Dùng ñược nhiều lần

CBM-8061 (3)

Dùng cho khe hở nhỏ, hoặc dịng điện hàn cao

CBM-8061 (4)

Dùng loại này sẽ được đường hàn lót lớn

CBM-8061 (4G)

Cho mặt sau đường hàn (mặt sau ñường hàn lót) ñẹp

CBM-8061 (F)

Phân huỷ ñược xỉ hàn

CBM-8061 (S)

Dùng cho hàn từ trên xuống

CBM-8062

Dùng cho hàn MAG, vật hàn mỏng

CBM-8063 (M)

Dùng cho hàn trong xưởng (hàn có tính chất ñại trà)

CBM-8063 (A)

Cho mối hàn vát mép chữ X hoặc chữ T

CBM-8063 (B)

Cho mối hàn vát mép chữ X hoặc chữ T

CBM-8064

Cho mối hàn vát mép chữ V hoặc chữ T

CBM-8065

Cho mối hàn dạng bản lề (khớp, khuỷu)

CBM-8066

Cho mối hàn vát góc

CBM-8066 (M)

Cho mối hàn khơng đồng tâm

CBM-8069

Cho mối hàn dạng bản lề (khớp, khuỷu)

CBM-8070

Dùng cho khe hở nhỏ

CBM-8071

Khu vực vùng chữ T

CBM-8072

Dùng cho vị trí hàn ngang, ghép đối ñầu

CBM-8073

Dùng cho mối hàn có dạng vát mép lớn dạng chữ X,
chữ K, góc mở

- Trong đề tài này sử dụng loại sứ CBM-8062 do hãng Dong-il, Hàn Quốc sản
xuất. Các thông số như sau:

10


Hình 1.2 Lót sứ đường hàn dùng trong thí nghiệm
1.2.2 Thiết bị hàn
H thng thit b cn thit
dựng cho hn hồ quang điện cực
nóng chảy trong mơi trường khí bảo
vệ bao gồm nguồn ñiện hàn, cơ cấu
cấp dây hàn tự ñộng, mỏ hàn hay
súng hàn ñi cùng các ñường ống dẫn
khí, dẫn dây hàn và cáp điện, chai
chứa khí bảo vệ kèm theo bộ ñồng
hồ, lưu lượng kế và van khí.
Hình 1.3 Hệ thống thiết bị hàn MAG
Nguồn điện hàn thơng thường là nguồn điện một chiều DC. Nguồn điện

xoay chiều AC khơng thích hợp do hồ quang bị tắt ở từng nửa chu kỳ và sự chỉnh
lưu chu kỳ phân cực nghịch làm cho hồ quang khơng ổn định.

11


ðặc tính ngồi của nguồn điện hàn thơng thường là đặc tính cứng (điện áp
khơng đổi). ðiều này được dùng với tốc độ cấp dây hàn khơng đổi, cho phép ñiều
chỉnh tự ñộng chiều dài hồ quang.

Hình 1.4 Bộ cấp dây hàn MAG
Mỏ hàn (súng hàn) bao gồm pép tiếp ñiện ñể dẫn dòng ñiện hàn ñến dây
hàn, ñường dẫn khí và chụp khí để hướng dịng khí bảo vệ bao quanh vùng hồ
quang, bộ phận làm nguội có thể bằng khí hoặc nước tuần hồn, cơng tắc đóng
ngắt đồng bộ dịng điện hàn, dây hàn và dịng khí bảo vệ .

Hình 1.5 Mỏ hàn MAG

12


1.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ KHI HÀN MAG
1.3.1 Chuẩn bị mép hàn
ðộ sạch của mép hàn và bề mặt kim loại cơ bản liền kề, độ chính xác chuẩn
bị mép hàn và gá lắp hàn, các máy, ñồ gá chuẩn bị phơi khơng chuẩn, vật liệu khơng
đồng nhất, bản vẽ khơng chính xác, tay nghề của thợ hàn thấp là những nguyên
nhân ảnh hưởng ñến chất lượng mối hàn, mối hàn dễ bị khuyết tật.
1.3.2 Chiều dày kim loại cơ bản
Chiều dày có ảnh hưởng tới chất lượng của mối hàn do nó ảnh hưởng đến
điều kiện truyền nhiệt.

Chiều dày lớn thì khả năng truyền nhiệt tăng, khi ñó tốc ñộ nguội lớn lên và
thời gian nguội giảm. Vì vậy với cùng một một cơng suất nhiệt truyền vào kim loại
cơ bản, tấm nào có chiều dày lớn hơn sẽ nguội nhanh hơn. Nếu chiều dày nhỏ hơn 4
mm khi hàn dễ bị cong vênh, biến dạng dư lớn. Khi hàn các chi tiết có chiều dày
nhỏ người ta phải dùng các biện pháp cơng nghệ đặc biệt ñể giảm bớt biến dạng. Vì
vậy chiều dày của kim loại cơ bản quyết ñịnh ñến số lớp hàn và cường độ dịng điện
hàn.
1.3.3 Nhiệt độ ban đầu
Nhiệt độ ban đầu có thể là nhiệt độ của mơi trường, nhiệt ñộ nung nóng sơ
bộ trước khi hàn hoặc nhiệt ñộ của lớp hàn trước (khi hàn nhiều lớp) ở thời ñiểm bắt
ñầu thực hiện lớp hàn tiếp theo. Nhiệt ñộ ban đầu tăng thì tốc độ nguội của mối hàn
giảm, ngăn ngừa được sự mactenxit hóa. Do đó khi hàn thép hợp kim dễ tơi, người
ta thường nung nóng sơ bộ kim loại lên một nhiệt ñộ nhất ñịnh.
Trong trường hợp hàn khơng có nung nóng sơ bộ và hàn một lớp hoặc hàn
nhiều lớp nhưng ñường hàn dài (nhiệt ñộ của lớp hàn trước coi như không ảnh
hưởng ñến nhiệt độ của lớp hàn sau) thì nhiệt độ ban ñầu của mối hàn (To) có thể
lấy bằng nhiệt ñộ mơi trường.
Trường hợp hàn có nung nóng sơ bộ thì nhiệt độ ban đầu chính là nhiệt độ
nung nóng sơ bộ Tn (To = Tn).

13


Nung nóng sơ bộ để giảm tốc độ nguội của mối hàn, cải thiện tổ chức và cải
thiện tính chất của kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt, ngăn ngừa sự xuất
hiện các vết nứt trong liên kết hàn. Với một số vật liệu còn phải tiến hành nung kèm
theo trong q trình hàn. Nung nóng sơ bộ ñược chọn khi hàm lượng cacbon tương
ñương vượt quá mức cho phép và nung nóng sơ bộ cịn được chọn tuỳ theo chiều
dày thành ống, nhiệt độ bên ngồi và mức ñộ cứng vững của liên kết và thường nằm
trong khoảng Tn = 40 ÷ 150oC, cần tránh nung nóng sơ bộ cao hơn khoảng này.

Hàm lượng Cacbon tương ñương CE:
CE đặc trưng cho tính chất của vật liệu, biểu hiện tính hàn của nó (theo [8]):

CE = C +

Mn Cr V Mo Ni Cu P
+ + +
+ + +
6 5 5 4 15 13 2

Trong đó C, Mn, Cr,… là thành phần % hoá học của các nguyên tố có trong
vật liệu cơ bản. Hàm lượng các nguyên tố Cu và P chỉ đưa vào cơng thức trên khi
Cu ≥ 0,5 % và P ≥ 0,05 %. Nếu CE < 0,45 % thì khơng cần sử dụng các biện pháp
cơng nghệ đặc biệt để ngăn ngừa xuất hiện nứt tại vùng ảnh hưởng nhiệt.
1.3.4 Dịng điện hàn
Cường độ dịng điện có ảnh hưởng lớn nhất lên hình dạng mối hàn. Dịng
điện hàn tăng dẫn đến tăng mật độ dịng, kích thước vũng hàn, hệ số chảy, và tốc độ
chảy (hình 2.4).
Khi tăng cường độ dịng điện hàn, chiều sâu chảy tăng mạnh, chiều cao đắp
mối hàn tăng khơng nhiều, chiều rộng mối hàn tăng ít. Khi cường độ dịng ñiện tăng
quá mức, sẽ xảy ra bắn toé và có nguy cơ cháy thủng tấm. Thơng qua thay đổi
cường độ dịng điện hàn, ta có thể tác động lên đặc trưng dịch chuyển kim loại vào
vũng hàn.
Khi tăng cường ñộ dịng điện hàn (các thơng số khác giữ ngun), lượng kim
loại nóng chảy tăng do mật độ dịng điện tăng, làm tăng lượng điện cực nóng chảy.
Theo đó, sự tập trung nhiệt trong hồ quang tăng và làm áp lực của hồ quang tăng.
Kết quả là chiều sâu ngấu h tăng. Chiều rộng mối hàn b hầu như khơng đổi, do đó

14

hệ số ngấu giảm. Dịng điện hàn q lớn, năng lượng đường cao gây chảy thủng.
Khi dịng hàn q nhỏ, hồ quang quá dài hoặc quá ngắn, làm nhiệt của hồ quang
khơng đủ khiến cho mối hàn khơng ngấu hoặc khơng thấy.
I= 200[A]

300

400

500

c[mm]

600
U = const

4

10
3

8
6
h

2

4
c

2
0

I[A]

200

400

600

1

Hình 1.6 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của cường độ dịng điện
1.3.5 ðiện áp hàn
- ðiện áp hồ quang thay ñổi theo chiều dài cột hồ quang. ðiện áp hồ quang
không ảnh hưởng nhiều ñến tốc ñộ chảy nhưng ảnh hưởng chủ yếu chiều rộng mối
hàn (hình 2.5).
- ðiện áp hàn tăng sẽ làm tăng chiều dài cột hồ quang. Do đó, lượng nhiệt
sinh ra trong hồ quang sẽ tác ñộng lên một diện tích lớn hơn của kim loại cơ bản,
làm giảm chiều sâu ngấu (h) nhưng lại làm tăng chiều rộng (b) mối hàn. ðiện áp
hàn quá cao khiến năng lượng ñường lớn gây cháy thủng.
- ðiện áp hàn quá thấp làm cho hồ quang kém ổn ñịnh, mối hàn hẹp và lồi
q, dẫn đến hàn khơng ngấu các cạnh hàn.

15


- ðiện áp hàn quá lớn sẽ làm tăng xác suất cháy các nguyên tố hợp kim, rỗ

khí và bắn toé, làm tăng kích thước vũng hàn khiến khả năng hàn ở các tư thế trở
nên khó khăn.
- ðiện áp hồ quang được thiết lập để duy trì độ ổn ñịnh của hồ quang tại tốc
ñộ cấp dây ñã chọn và để duy trì mức bắn t tối thiểu. ðiện áp hồ quang cịng
quyết định dạng dịch chuyển của kim loại điện cực. Vì vậy điện áp hồ quang phụ
thuộc vào chiều dày kim loại cơ bản, thành phần hoá học mối hàn, loại liên kết,
thành phần và kích thước ñiện cực, thành phần khí bảo vệ, tư thế hàn…

35

30

U = 25V

40
I = const

15

10

12

8

h

6

9

b[mm]

h[mm]

b
6

4

3

2
0

0
25

30

U[v]

35

40

Hình 1.7 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của điện áp
1.3.6 Dây hàn
Khi cường độ dịng điện hàn khơng đổi, nếu tăng đường kính điện cực dẫn
ñến tăng chiều rộng b và làm giảm chiều sâu ngấu h của mối hàn.
Mật độ dịng điện hàn tăng làm tăng tốc ñộ chảy ñiện cực và chiều sâu chảy

của mối hàn. Các dây hàn nhỏ có ưu thế về mặt dải mật độ dịng lớn hơn so với các

16


dây đường kính lớn, điều này cho phép giảm góc rãnh hàn và hàn thuận lợi ở nhiều
tư thế hàn khác nhau.
Khi chọn đường kính dây to q khiến lượng nhiệt của hồ quang khơng đủ
để làm nóng chảy hết tiết diện của dây gây khuyết tật.
Khi chọn đường kính dây hàn nhỏ quá khi nóng chảy bị tổn thất nhiền do bay
hơi, lượng kim loại nóng chảy đi vào mối hàn khơng đủ gây khuyết tật.
Chọn dây hàn là một khâu cực kì quan trọng phù thuộc vào vật liệu cơ bản,
phương pháp hàn, tư thế hàn. chế ñộ hàn. Dây hàn ñược sử dụng ñể bổ sung kim
loại vào vũng hàn, nhằm tạo nên mối hàn có cơ tính và các tính chất khác gần với
kim loại cơ bản, cịng như để tạo nên mối hàn khơng có khuyt tt.
1.3.7 Phần nhô của điện cực hàn
Đó là khoảng cách giữa đầu điện cực và mép pép tiếp điện. Khi tăng chiều
dài phần nhô, nhiệt nung nóng đoạn dây hàn sẽ tăng, dẫn tới là giảm cờng độ dòng
điện hàn cần thiết để nóng chảy điện cực. Theo tốc độ cấp dây nhất định. Khoảng
cách này rất quan trọng khi hàn thép không rỉ, sự biến thiên nhỏ cũng có thể làm
tăng sự biến thiên dòng điện 1 cách râ rƯt.
Các thơng số cơ bản khi hàn với
dây hàn có điện trở lớn phụ thuộc rỏ ràng
vào độ nhú ñiện cực. Sự thayñổi ñộ nhú
sẽ thay ñổi sự cân bằng điện trên hồ
quang hàn. Khi tăng độ nhơ dây hàn bị
đốt nóng do điện trở sẽ làm thay đổi tốc
độ chảy của dây ở trị số dịng điện xác
lập. Sự cân bằng giữa tốc ñộ chảy và tốc
ñộ cấp dây thay đổi sẽ thay đổi điều kiện

hàn.
Hình 1.8 ðộ nhụ ủin cc
Chiều dài phần nhô quá lớn sẽ làm d kim loại nóng chảy ở mối hàn làm
giảm độ ngấu và l ng phí kim loại hàn. Tính ổn định của hồ quang cũng bị ảnh

17