Luận án Tiến sĩ Tăng Bá Đại: Nghiên cứu mối hàn thép tự động trợ dung gốm

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu chất lượng mối hàn kết cấu thép bằng hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung gốm aluminate, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

Trường đại học

Viện Nghiên cứu Cơ khí

Chuyên ngành

Kỹ thuật cơ khí

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận án tiến sĩ

2020

153
1
0

Phí lưu trữ

45 Point

Tóm tắt

I. Bí quyết nâng cao chất lượng mối hàn thép bằng trợ dung gốm

Trong ngành công nghiệp chế tạo cơ khí hiện đại, chất lượng mối hàn thép đóng vai trò quyết định đến độ bền và tuổi thọ của toàn bộ kết cấu. Hàn hồ quang tự động trợ dung gốm, một biến thể tiên tiến của phương pháp hàn SAW (Submerged Arc Welding), nổi lên như một giải pháp công nghệ vượt trội. Phương pháp này không chỉ kế thừa các ưu điểm của hàn hồ quang chìm truyền thống như năng suất cao, mức độ tự động hóa lớn, mà còn mang lại những cải tiến đột phá nhờ việc sử dụng thuốc hàn hồ quang chìm dạng gốm. Trợ dung gốm, hay còn gọi là thuốc hàn thiêu kết, được chế tạo bằng cách phối trộn các khoáng chất dạng bột với chất kết dính, sau đó tạo hạt và sấy ở nhiệt độ cao. Cấu trúc hạt đồng nhất này cho phép bổ sung các nguyên tố hợp kim, giúp cải thiện cơ tính và vi cấu trúc của kim loại mối hàn. Theo nghiên cứu của Tăng Bá Đại (2020), việc sử dụng trợ dung gốm hệ Aluminate-Rutile chế tạo trong nước cho phép kiểm soát chặt chẽ thành phần hóa học của mối hàn, đặc biệt khi hàn các kết cấu thép chịu lực yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe. So với trợ dung nóng chảy, trợ dung gốm có khả năng hợp kim hóa mối hàn vượt trội, giúp tinh luyện cấu trúc hạt, tăng cường độ dẻo dai và khả năng chống nứt, qua đó đảm bảo các tiêu chuẩn mối hàn thép quốc tế. Đây là một bước tiến quan trọng, giúp các doanh nghiệp Việt Nam chủ động nguồn vật liệu hàn chất lượng cao, giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu và nâng cao năng lực cạnh tranh.

1.1. Khái niệm và nguyên lý của phương pháp hàn SAW trợ dung gốm

Phương pháp hàn SAW trợ dung gốm là quá trình hàn hồ quang dưới một lớp thuốc bảo vệ dạng hạt. Hồ quang được tạo ra giữa dây hàn tự động và vật hàn, làm nóng chảy kim loại cơ bản, dây hàn và một phần thuốc hàn. Lớp thuốc hàn nóng chảy tạo thành xỉ lỏng, nổi lên trên vũng hàn, thực hiện đồng thời ba chức năng cốt lõi: bảo vệ vũng hàn khỏi sự xâm nhập của oxy và nitơ từ không khí, tinh luyện kim loại mối hàn thông qua các phản ứng hóa học, và hợp kim hóa mối hàn bằng cách bổ sung các nguyên tố từ chính thành phần của trợ dung. Điểm khác biệt cơ bản so với trợ dung nóng chảy là mỗi hạt trợ dung gốm có thành phần hóa học đồng nhất, cho phép điều chỉnh chính xác các đặc tính luyện kim, một yếu tố cực kỳ quan trọng được nhấn mạnh trong các nghiên cứu về vật liệu hàn tiên tiến.

1.2. Vai trò của đế gốm lót lưng ceramic backing trong hàn

Trong các ứng dụng hàn một phía, đặc biệt là hàn giáp mối các tấm thép dày, đế gốm lót lưng (ceramic backing) đóng một vai trò không thể thiếu. Đế gốm được đặt ở mặt sau của đường hàn, có tác dụng định hình chân mối hàn, ngăn chặn kim loại lỏng chảy ra ngoài và đảm bảo độ ngấu của mối hàn hoàn toàn. Việc sử dụng ceramic backing giúp tạo ra một đường hàn mặt sau đều đặn, nhẵn bóng mà không cần phải lật lại tấm thép để hàn mặt còn lại. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian, chi phí nhân công mà còn giảm thiểu biến dạng do hàn. Sự kết hợp giữa hàn hồ quang tự động trợ dung gốm và đế lót lưng tạo thành một quy trình công nghệ hoàn chỉnh, mang lại năng suất và chất lượng vượt trội cho các kết cấu lớn như hàn bồn bể áp lực hay dầm thép trong xây dựng.

1.3. So sánh ưu nhược điểm với hàn hồ quang chìm truyền thống

So với hàn hồ quang chìm sử dụng trợ dung nóng chảy, phương pháp trợ dung gốm có nhiều ưu điểm nổi bật. Ưu điểm lớn nhất là khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn một cách linh hoạt, cho phép sử dụng dây hàn tiêu chuẩn để tạo ra các mối hàn có cơ tính đặc biệt. Thứ hai, trợ dung gốm ít tiêu hao hơn nhờ khối lượng riêng lớn hơn. Quá trình sản xuất cũng đơn giản và tiết kiệm năng lượng hơn. Tuy nhiên, nhược điểm của trợ dung gốm là tính hút ẩm cao, đòi hỏi quy trình sấy và bảo quản nghiêm ngặt trước khi sử dụng để tránh khuyết tật mối hàn như rỗ khí. Trái lại, trợ dung nóng chảy ít hút ẩm hơn và xỉ của nó có thể tái sử dụng, nhưng khả năng hợp kim hóa từ trợ dung lại rất hạn chế.

II. Các thách thức lớn nhất khi kiểm soát chất lượng mối hàn thép

Việc đảm bảo chất lượng mối hàn thép là một bài toán phức tạp, đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ từ khâu lựa chọn vật liệu đến vận hành quy trình. Một trong những thách thức lớn nhất là ngăn ngừa sự hình thành các khuyết tật mối hàn. Các khuyết tật như nứt, rỗ khí, không ngấu, hay lẫn xỉ có thể làm suy giảm nghiêm trọng khả năng chịu tải của kết cấu, dẫn đến những hậu quả tai hại. Nguyên nhân gây ra khuyết tật rất đa dạng, có thể đến từ vật liệu hàn không đạt chuẩn, bề mặt vật hàn chưa được làm sạch, hoặc thiết lập thông số hàn không chính xác. Một vấn đề khác là biến dạng do hàn và sự hình thành ứng suất dư trong mối hàn. Quá trình nung nóng và làm nguội không đồng đều gây ra sự co ngót, làm cong vênh kết cấu và tạo ra các vùng ứng suất nội tại. Ứng suất dư có thể làm giảm độ bền mỏi và tăng nguy cơ nứt gãy của kết cấu khi vận hành. Nghiên cứu của Tăng Bá Đại (2020) đã chỉ ra rằng, thành phần của trợ dung gốm có ảnh hưởng trực tiếp đến chu trình nhiệt và quá trình đông đặc của kim loại, từ đó tác động đến cả vi cấu trúc lẫn mức độ ứng suất dư. Do đó, việc lựa chọn và tối ưu hóa quy trình hàn SAW là yếu tố then chốt để vượt qua những thách thức này, đảm bảo mối hàn không chỉ đạt yêu cầu về hình dạng bên ngoài mà còn có cơ tính và cấu trúc bên trong hoàn hảo.

2.1. Nhận diện các loại khuyết tật mối hàn phổ biến nhất

Các khuyết tật mối hàn được phân thành nhiều loại dựa trên hình thái và vị trí. Nứt (cracks) là khuyết tật nguy hiểm nhất, bao gồm nứt nóng (xuất hiện trong quá trình đông đặc) và nứt nguội (xuất hiện sau khi hàn). Rỗ khí (porosity) là các lỗ rỗng do khí bị giữ lại trong kim loại mối hàn, thường do trợ dung bị ẩm hoặc bề mặt vật hàn dính dầu mỡ. Không ngấu (lack of fusion) và không thấu (lack of penetration) xảy ra khi kim loại cơ bản và kim loại đắp không liên kết hoàn toàn, làm giảm tiết diện chịu lực hiệu quả của mối hàn. Lẫn xỉ (slag inclusion) là hiện tượng các mảnh xỉ bị kẹt lại trong mối hàn, tạo ra điểm tập trung ứng suất. Việc nhận diện chính xác các khuyết tật này là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong quy trình kiểm tra chất lượng mối hàn.

2.2. Phân tích nguyên nhân gây biến dạng và ứng suất dư trong mối hàn

Biến dạng do hànứng suất dư trong mối hàn là hệ quả tất yếu của chu trình nhiệt trong quá trình hàn. Khi kim loại bị nung nóng cục bộ, nó giãn nở nhưng bị cản trở bởi phần kim loại nguội xung quanh, gây ra biến dạng dẻo. Khi nguội đi, vùng kim loại này co lại, tạo ra ứng suất kéo trong vùng hàn và ứng suất nén ở vùng lân cận. Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ biến dạng bao gồm năng lượng đường (nhiệt lượng đầu vào), tốc độ hàn, trình tự hàn và độ cứng vững của kết cấu. Việc kiểm soát các yếu tố này thông qua một quy trình hàn SAW được thiết kế hợp lý, kết hợp với các biện pháp kẹp chặt và xử lý nhiệt sau khi hàn, là cần thiết để giảm thiểu các tác động tiêu cực này.

2.3. Tầm quan trọng của việc lựa chọn vật liệu hàn phù hợp

Việc lựa chọn vật liệu hàn, bao gồm dây hàn tự độngthuốc hàn hồ quang chìm, phải dựa trên thành phần hóa học và cơ tính của kim loại cơ bản. Mục tiêu là tạo ra một mối hàn có các đặc tính (độ bền, độ dẻo, độ dai va đập) tương đương hoặc tốt hơn vật liệu nền. Đối với hàn thép hợp kim thấp, trợ dung gốm cho phép bù đắp các nguyên tố hợp kim bị cháy hao trong quá trình hàn và bổ sung các nguyên tố cần thiết để đạt được cơ tính mong muốn. Ví dụ, việc bổ sung Mn và Si thông qua trợ dung giúp khử oxy và tăng cường độ bền cho mối hàn. Lựa chọn sai vật liệu hàn có thể dẫn đến mối hàn giòn, dễ nứt và không đáp ứng được tiêu chuẩn mối hàn thép cho các kết cấu thép chịu lực.

III. Phương pháp tối ưu thành phần trợ dung gốm Aluminate Rutile

Để nâng cao chất lượng mối hàn thép, việc tối ưu hóa thành phần của thuốc hàn hồ quang chìm là yếu tố cốt lõi. Luận án của Tăng Bá Đại (2020) đã tập trung nghiên cứu sâu vào trợ dung gốm hệ Aluminate-Rutile (AR) chế tạo từ nguồn nguyên liệu trong nước. Hệ trợ dung AR được lựa chọn vì khả năng tạo ra lớp xỉ có độ nhớt và nhiệt độ nóng chảy phù hợp, dễ bong và tạo hình mối hàn đẹp. Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của các thành phần oxit chính là TiO2 (Titanium Dioxide), SiO2 (Silicon Dioxide), và MnO2 (Manganese Dioxide) đến các chỉ tiêu cơ tính của mối hàn trên thép cacbon thấp Q235 và thép hợp kim thấp Q460D. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi, nghiên cứu đã xác định được tỷ lệ tối ưu của các thành phần này. Kết quả cho thấy, TiO2 có vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự hình thành cấu trúc vi mô ferit acicular, giúp tăng cường độ dai va đập. MnO2 vừa là chất khử oxy mạnh, vừa là nguyên tố hợp kim hóa giúp tăng độ bền và độ cứng. Trong khi đó, SiO2 ảnh hưởng đến tính axit/bazơ của xỉ, tác động đến độ ổn định hồ quang và khả năng khử các tạp chất có hại như lưu huỳnh (S) và phốt pho (P). Việc làm chủ công nghệ chế tạo và tối ưu hóa thành phần vật liệu hàn này mở ra triển vọng lớn cho ngành công nghiệp cơ khí Việt Nam, đặc biệt trong việc chế tạo các kết cấu thép chịu lực cao.

3.1. Phân tích ảnh hưởng của TiO2 SiO2 MnO2 đến cơ tính mối hàn

Nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh mối quan hệ chặt chẽ giữa tỷ lệ các oxit trong trợ dung và cơ tính của kim loại mối hàn. Cụ thể, việc tăng hàm lượng TiO2 trong một giới hạn nhất định giúp tinh luyện cấu trúc hạt và cải thiện đáng kể độ dai va đập, đặc biệt ở nhiệt độ thấp. MnO2 khi được hoàn nguyên thành Mangan (Mn) sẽ đi vào mối hàn, làm tăng giới hạn bền kéo và độ cứng. Tuy nhiên, hàm lượng Mn quá cao có thể làm giảm độ dẻo và tăng nguy cơ nứt. SiO2 ảnh hưởng đến các đặc tính của xỉ; tỷ lệ SiO2 hợp lý giúp xỉ dễ tách, bề mặt mối hàn bóng đẹp và ổn định hồ quang. Việc cân bằng tỷ lệ của ba thành phần này là chìa khóa để đạt được một mối hàn có cơ tính tổng hợp tốt nhất, đáp ứng các tiêu chuẩn mối hàn thép khắt khe.

3.2. Quy trình công nghệ chế tạo thuốc hàn hồ quang chìm nội địa

Quy trình chế tạo thuốc hàn hồ quang chìm dạng gốm từ nguồn nguyên liệu nội địa bao gồm nhiều công đoạn. Đầu tiên là tuyển chọn và nghiền mịn các nguyên liệu khoáng chất như quặng ilmenit (chứa TiO2), cát thạch anh (SiO2), quặng pyrolusit (MnO2) và các phụ gia khác. Các loại bột này sau đó được cân định lượng chính xác theo công thức phối liệu đã được tối ưu hóa và trộn khô để đảm bảo sự đồng nhất. Tiếp theo, hỗn hợp được trộn ướt với chất kết dính (thường là thủy tinh lỏng) để tạo hạt. Các hạt ướt được sàng để phân loại kích thước và đưa vào lò sấy ở nhiệt độ thấp, sau đó nung thiêu kết ở nhiệt độ cao (700-1000°C) để loại bỏ hoàn toàn hơi ẩm và tăng cường độ cứng cho hạt. Sản phẩm cuối cùng được sàng lại lần nữa để loại bỏ hạt quá cỡ và quá nhỏ, đảm bảo chất lượng đồng đều cho vật liệu hàn.

3.3. Lợi ích của việc hợp kim hóa mối hàn thông qua trợ dung

Hợp kim hóa mối hàn thông qua trợ dung là ưu điểm nổi bật nhất của hàn hồ quang tự động trợ dung gốm. Thay vì phải sử dụng các loại dây hàn tự động hợp kim đắt tiền, các nhà sản xuất có thể sử dụng dây hàn thép cacbon tiêu chuẩn và đưa các nguyên tố hợp kim (Cr, Mo, Ni, Mn...) vào mối hàn thông qua thành phần của trợ dung. Phương pháp này mang lại sự linh hoạt cao, cho phép tạo ra các mối hàn có thành phần và cơ tính đa dạng chỉ bằng cách thay đổi loại trợ dung. Điều này giúp giảm chi phí tồn kho vật tư, đơn giản hóa quy trình và đáp ứng nhanh chóng các yêu cầu kỹ thuật khác nhau, từ hàn bồn bể áp lực đến chế tạo các chi tiết máy chịu mài mòn cao.

IV. Hướng dẫn thiết lập quy trình hàn SAW đạt tiêu chuẩn quốc tế

Xây dựng một quy trình hàn SAW (Welding Procedure Specification - WPS) đạt chuẩn là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo chất lượng mối hàn thép ổn định và đồng đều. Quy trình này phải dựa trên các kết quả thử nghiệm thực tế và tuân thủ các tiêu chuẩn mối hàn thép như AWS (American Welding Society) hoặc ISO. Bước đầu tiên là lựa chọn vật liệu hàn, bao gồm loại dây hàn tự động và mã hiệu thuốc hàn hồ quang chìm, sao cho phù hợp với kim loại cơ bản. Tiếp theo, cần xác định và tối ưu hóa các thông số hàn chính. Cường độ dòng điện (A) là yếu tố quyết định đến tốc độ đắp và độ ngấu của mối hàn. Điện áp hồ quang (V) ảnh hưởng đến chiều rộng mối hàn và mức độ tiêu hao trợ dung. Tốc độ hàn (cm/phút) tác động đến năng lượng đường và hình dạng mối hàn. Ngoài ra, các yếu tố khác như đường kính dây hàn, góc nghiêng mỏ hàn và khoảng cách từ mỏ hàn đến vật hàn cũng cần được kiểm soát chặt chẽ. Sau khi thiết lập các thông số dự kiến, cần tiến hành hàn mẫu thử nghiệm. Các mẫu này sẽ được kiểm tra chất lượng mối hàn bằng các phương pháp cơ-lý và kiểm tra không phá hủy NDT để xác nhận rằng quy trình đã chọn đáp ứng mọi yêu cầu kỹ thuật cho các ứng dụng cụ thể như kết cấu thép chịu lực.

4.1. Cách cài đặt các thông số hàn quan trọng Dòng điện và điện áp

Việc cài đặt thông số hàn là khâu quyết định đến chất lượng cuối cùng. Cường độ dòng điện (Ih) có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều sâu ngấu. Dòng điện cao làm tăng độ ngấu nhưng cũng có thể gây cháy thủng đối với vật liệu mỏng. Điện áp hồ quang (U) chủ yếu kiểm soát chiều rộng và chiều cao của mối hàn. Điện áp cao hơn tạo ra hồ quang dài hơn, làm mối hàn rộng và phẳng hơn, nhưng nếu quá cao có thể gây rỗ khí và làm giảm độ ổn định của hồ quang. Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp phải được cân bằng. Một quy tắc chung là khi tăng dòng điện, cần tăng nhẹ điện áp để duy trì hồ quang ổn định. Việc lựa chọn chính xác các thông số này phải dựa trên chiều dày vật liệu, loại liên kết hàn và khuyến nghị của nhà sản xuất vật liệu hàn.

4.2. Tối ưu hóa lựa chọn dây hàn tự động và tốc độ di chuyển

Lựa chọn dây hàn tự động phụ thuộc vào loại thép cần hàn. Đường kính dây hàn ảnh hưởng đến mật độ dòng điện và hình dạng mối hàn. Dây có đường kính nhỏ cho phép hàn với mật độ dòng điện cao hơn, tạo ra độ ngấu sâu và hẹp, phù hợp cho các mối hàn lót. Dây có đường kính lớn phù hợp để hàn các lớp phủ với tốc độ đắp cao. Tốc độ hàn (Vh) là một thông số quan trọng khác. Tốc độ hàn quá nhanh sẽ làm giảm nhiệt lượng đầu vào, dẫn đến mối hàn hẹp, độ ngấu kém và có thể gây rỗng chân. Ngược lại, tốc độ quá chậm làm tăng nhiệt lượng, gây ra mối hàn quá rộng, lãng phí vật liệu và tăng biến dạng do hàn. Tối ưu hóa tốc độ hàn là tìm ra điểm cân bằng giữa năng suất và chất lượng mối hàn.

4.3. Kỹ thuật đảm bảo độ ngấu của mối hàn trong kết cấu chịu lực

Độ ngấu của mối hàn là yếu tố sống còn đối với các kết cấu thép chịu lực. Để đảm bảo ngấu hoàn toàn, đặc biệt trong các liên kết giáp mối vát mép, cần chú ý đến nhiều yếu tố. Chuẩn bị mép hàn (góc vát, khe hở chân) phải chính xác theo thiết kế của quy trình hàn SAW. Sử dụng cường độ dòng điện đủ lớn để cung cấp năng lượng cần thiết làm nóng chảy chân mối hàn. Đối với các tấm dày, việc sử dụng đế gốm lót lưng hoặc hàn từ hai phía là bắt buộc. Kiểm soát tốc độ hàn hợp lý để hồ quang có đủ thời gian tác động lên kim loại cơ bản. Sau khi hàn, cần tiến hành kiểm tra không phá hủy NDT, như siêu âm mối hàn (UT), để xác minh chiều sâu ngấu và phát hiện các khuyết tật bên trong.

V. Top các phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn thép hiệu quả

Để xác nhận một mối hàn đáp ứng các tiêu chuẩn mối hàn thép và yêu cầu thiết kế, việc thực hiện kiểm tra chất lượng mối hàn là không thể bỏ qua. Các phương pháp kiểm tra được chia thành hai nhóm chính: kiểm tra không phá hủy và kiểm tra phá hủy. Kiểm tra không phá hủy NDT (Non-Destructive Testing) là nhóm phương pháp phổ biến nhất trong sản xuất, cho phép đánh giá tình trạng mối hàn mà không làm hỏng kết cấu. Các kỹ thuật NDT thông dụng bao gồm kiểm tra bằng mắt (Visual Testing - VT), kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu (Penetrant Testing - PT), kiểm tra bằng hạt từ (Magnetic Particle Testing - MT), siêu âm mối hàn (UT), và chụp X-quang mối hàn (RT). Mỗi phương pháp có ưu điểm riêng trong việc phát hiện các loại khuyết tật mối hàn khác nhau. Trong khi đó, kiểm tra phá hủy, mặc dù làm hỏng mẫu thử, nhưng lại cung cấp thông tin định lượng chính xác về cơ tính của mối hàn. Các phép thử phá hủy tiêu biểu bao gồm thử kéo để xác định độ bền, thử uốn để đánh giá độ dẻo, và thử va đập Charpy để đo độ dai. Kết quả từ các phương pháp này được sử dụng để phê duyệt quy trình hàn SAW và kiểm soát chất lượng định kỳ trong quá trình sản xuất các kết cấu thép chịu lực.

5.1. Kiểm tra không phá hủy NDT Siêu âm UT và X quang RT

Kiểm tra không phá hủy (NDT) là công cụ cốt lõi để phát hiện các khuyết tật nằm bên trong mối hàn. Phương pháp siêu âm mối hàn (UT) sử dụng sóng âm tần số cao để phát hiện các bất liên tục như nứt, không ngấu, lẫn xỉ. Ưu điểm của UT là khả năng phát hiện các khuyết tật dạng phẳng (nứt) rất nhạy, có thể xác định được vị trí và kích thước khuyết tật, an toàn cho người vận hành. Phương pháp chụp X-quang mối hàn (RT) (Radiographic Testing) sử dụng tia X hoặc tia Gamma chiếu xuyên qua mối hàn và ghi lại hình ảnh trên phim. RT rất hiệu quả trong việc phát hiện các khuyết tật thể tích như rỗ khí và lẫn xỉ. Việc lựa chọn giữa UT và RT phụ thuộc vào loại khuyết tật cần tìm kiếm, chiều dày vật liệu và các yêu cầu của tiêu chuẩn áp dụng.

5.2. Đánh giá cơ tính mối hàn qua thử kéo uốn và đo độ cứng

Các phép thử cơ tính phá hủy cung cấp dữ liệu định lượng về hiệu suất của mối hàn. Thử kéo (tensile test) trên mẫu được cắt từ liên kết hàn giúp xác định giới hạn bền, giới hạn chảy và độ giãn dài, đảm bảo mối hàn có độ bền không thua kém kim loại cơ bản. Thử uốn (bend test) đánh giá độ dẻo và sự liên kết của mối hàn bằng cách uốn mẫu quanh một gối uốn có đường kính tiêu chuẩn; sự xuất hiện của vết nứt trên bề mặt cho thấy mối hàn không đạt yêu cầu. Đo độ cứng (hardness test) được thực hiện trên mặt cắt ngang của mối hàn để kiểm tra sự thay đổi độ cứng từ kim loại cơ bản, qua vùng ảnh hưởng nhiệt, đến kim loại mối hàn. Độ cứng quá cao có thể là dấu hiệu của cấu trúc giòn, dễ nứt.

5.3. Áp dụng các tiêu chuẩn mối hàn thép quốc tế hiện hành

Mọi hoạt động kiểm tra chất lượng mối hàn đều phải tuân thủ các tiêu chuẩn mối hàn thép đã được công nhận trên toàn cầu. Các bộ tiêu chuẩn như AWS D1.1 (cho kết cấu thép), ASME Section IX (cho nồi hơi và bình áp lực), hay ISO 15614 (quy định và đánh giá quy trình hàn) đưa ra các yêu cầu chi tiết về cách thức chuẩn bị mẫu, tiến hành thử nghiệm và tiêu chí chấp nhận kết quả. Việc áp dụng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn này không chỉ đảm bảo an toàn và chất lượng cho công trình mà còn là yêu cầu bắt buộc để sản phẩm có thể tham gia vào chuỗi cung ứng toàn cầu, đặc biệt là trong các lĩnh vực yêu cầu độ tin cậy cao như đóng tàu, dầu khí và hàn bồn bể áp lực.

13/10/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, danh mục tài liệu tham khảo, danh mục các công trình đã công bố có liên quan đến Luận án, phần phụ lục, nội dung chính đƣợc trình bày trong 138 trang. Kết cấu gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Nghiên cứu lý thuyết quá trình hàn hồ quang tự động dƣới trợ dung gốm.

Vật liệu, trang thiết bị và phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của một số thành phần mẻ liệu trong trợ dung gốm gốm đến chất lƣợng mối hàn kết cấu thép. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Công nghệ hàn hồ quang tự động dƣới lớp trợ dung hàn gốm 1.

Khái niệm hàn dưới lớp trợ dung gốm Trợ dung hàn gốm đƣợc chế tạo bằng cách pha trộn đồng đều các nguyên liệu thành phần đã đƣợc nghiền nhỏ đến mức độ nhất định, tạo hạt bằng cách bổ sung thêm chất kết dính rồi vê viên tạo hạt. Mỗi hạt gồm các phần tử nhỏ liên kết chặt với nhau với đủ các thành phần theo công thức, vì vậy các hạt gốm có cùng thành phần, mật độ và cấu trúc [86]. Trợ dung hàn gốm là hỗn hợp của nhiều loại nguyên liệu khác nhau. Chức năng chính trong quá trình hàn là: - Bảo vệ kim loại mối hàn, tránh chất khí ngoài môi trƣờng xâm nhập.

- Tạo ra lớp xỉ: do đông đặc nhanh, giữ đƣợc kim loại lỏng làm cho kim loại mối hàn nguội từ từ, làm cho bề mặt mối hàn đƣợc nhẵn bóng. - Khử oxy, nitơ và tinh luyện kim loại mối hàn. - Tăng hệ số hàn đắp của kim loại mối hàn. - Cải thiện sự ion hóa, tạo ổn định hồ quang và quá trình hàn.

- Bổ sung nguyên tố hợp kim vào kim loại mối hàn, hợp kim hóa mối hàn (hoàn nguyên Mn và Si, và các nguyên tố hợp kim khác vào kim loại mối hàn nếu là trợ dung hàn gốm). - Tạo dáng mối hàn. - Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang. - Chống bắn tóe kim loại nóng chảy.

Phân loại Hiện nay trên thế giới sản xuất nhiều mác trợ dung gốm khác nhau, tuy nhiên theo phƣơng pháp chế tạo và công nghệ có thể chia làm 3 loại chủ yếu [17]: - Trợ dung gốm không nung chảy: Là trợ dung gốm đƣợc chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp trộn với chất dính kết lỏng tạo hạt và sấy khô ở nhiệt độ 400 oC đến 600oC. - Trợ dung hàn thiêu kết: Là trợ dung đƣợc chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp 7 với chất kết dính lỏng tạo hạt sau đó thiêu kết ở nhiệt độ 700oC đến 1000oC. - Trợ dung hàn nung chảy: Là trợ dung đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp nấu chảy các thành phần của mẻ liệu và đƣợc tạo hạt. Điểm khác nhau cơ bản về tính chất luyện kim của trợ dung hàn gốm và trợ dung hàn nung chảy là ở trạng thái lý hóa tác động của các hợp chất có trong thành phần thuốc hàn với kim loại lỏng của kết cấu hàn.

Khi chế tạo trợ dung hàn nấu chảy, ở trạng thái lỏng ta có đƣợc một dạng thủy tinh lỏng đồng nhất có chứa các hợp chất có trong trợ dung hàn và đƣợc cố định bởi quá trình tạo hạt. Vì vậy khi hàn tự động dƣới trợ dung hàn nấu chảy, tác động tƣơng hỗ của kim loại với trợ dung hàn là tự động với một tổ hợp chất phức tạp chứ không phải với nguyên liệu của thành phần trợ dung đầu vào. Còn đối với trợ dung hàn gốm thì mỗi hạt trợ dung là tổ hợp nén chặt của các hợp chất đầu vào trong những điều kiện chế tạo đặc biệt. Vì vậy khi tác động tƣơng hỗ với kim loại lỏng mối hàn, chúng sẽ có tác động mãnh liệt hơn ở dạng nguyên liệu ban đầu so với trợ dung hàn nấu chảy.

Ngoài ra, đối với trợ dung gốm chúng ta có khả năng hợp kim hóa mối hàn tốt hơn bằng cách sử dụng nhiều chủng loại nguyên liệu hợp kim hóa từ nguyên liệu đầu vào ở một dải rất rộng. Điều này rất quan trọng khi hàn chủng loại thép hợp kim, thép có tính năng đặc biệt nhất là trong công nghệ hàn đắp phục hồi. Việc sử dụng các loại trợ dung hàn gốm, hợp kim hóa cho phép chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng các chủng loại dây hàn tiêu chuẩn mà vẫn đảm bảo đƣợc các tính chất đặc biệt của kim loại đắp, nâng cao năng suất công việc hàn và hàn đắp phục hồi bằng cách đƣa vào trong thành phần trợ dung hàn gốm một khối lƣợng lớn kim loại và các nguyên tố hợp kim. Đặc tính bền vững của các loại trợ dung gốm hệ bazơ là một ƣu điểm lớn cho phép khắc phục khả năng chuyển dịch của các nguyên tố hợp kim phụ thuộc vào chế độ hàn và đảm bảo thành phần hóa học ổn định cho mối hàn, kim loại đắp tƣơng ứng với thành phần hóa học cụ thể của mỗi loại dây hàn [26-29].

Tuy nhiên, trợ dung hàn nấu chảy cũng có những ƣu điểm riêng của nó. Trợ dung hàn nấu chảy hầu nhƣ không chứa các thành phần ẩm vì vậy mối hàn sẽ ít bị rỗ khí hơn. Ngoài ra, do tính chất đồng nhất của các hạt trợ dung hàn nấu chảy cũng nhƣ độ bền tƣơng đối cao của các hạt trợ dung có tác dụng tốt khi sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ nhƣ máy hút chân không hoặc vận chuyển thuốc hàn bằng khí nén đến phễu chứa thuốc. 8 Ƣu điểm nữa của trợ dung hàn nấu chảy là sự phân hủy hợp chất cacbonat, sự khử khí và tinh luyện nguyên liệu đã đƣợc xảy ra trong quá trình nấu chảy và chế tạo trợ dung, vì vậy khi hàn với trợ dung hàn nấu chảy lƣợng khí độc hại thoát ít hơn so với trợ dung hàn gốm.

Điều này cũng đƣợc minh chứng bằng quá trình hàn êm hơn so với trợ dung hàn gốm và việc tạo dáng mối hàn cũng sẽ diễn ra tốt hơn. Tuy nhiên, với trợ dung hàn nấu chảy, khả năng hợp kim hóa mối hàn từ trợ dung là rất thấp. Trợ dung hàn nấu chảy có khả năng tái sử dụng đối với các xác xỉ. Việc này đối với trợ dung hàn gốm là không thể đƣợc vì các thành phần hợp kim hóa trong xác xỉ không còn.

Khi nấu chảy lƣợng trợ dung hàn nóng chảy, bằng các biện pháp công nghệ cần thiết bổ sung có thể làm giảm đáng kể hàm lƣợng phôtpho (P), lƣu huỳnh (S) trong mối hàn. Nhƣ vậy, việc lựa chọn chủng loại trợ dung hàn phụ thuộc rất nhiều vào nhiệm vụ sản xuất cụ thể và các chủng loại kết cấu cũng nhƣ vật liệu để sản xuất kết cấu hàn. Trợ dung hàn gốm đƣợc khuyến cáo dùng khi hàn đắp các lớp chịu mài mòn và chống ăn mòn trên bề mặt chi tiết. Cũng nhƣ đƣợc dùng để hàn các chủng loại thép hợp kim và thép có độ bền cao, thép làm việc trong các môi trƣờng đặc biệt, trong môi trƣờng nhiệt độ thấp, ví dụ: tàu biển, tàu vũ trụ… Ngoài ra, còn một loại tính năng ƣu việt của trợ dung gốm cũng đƣợc ứng dụng trong quá trình cơ giới hóa và tự động hóa trong công việc sản xuất kết cấu hàn.

Chẳng hạn, trong thành phần trợ dung hàn gốm có chứa khối lƣợng lớn bột sắt (Fe) sẽ tạo cho trợ dung gốm có tính chất nhiễm từ. Điều này cho phép sử dụng loại trợ dung này khi hàn tự động với dây hàn liên tục và đạt đƣợc chất lƣợng cao. Phƣơng pháp này rất hiệu quả trong quá trình công nghiệp xây dựng và lắp đặt dân dụng kết cấu thép. Các kết quả nghiên cứu về tính kinh tế so sánh trợ dung hàn nấu chảy và trợ dung hàn gốm đã cho thấy cùng một quy trình công nghệ và mức độ tự động hóa việc sản xuất trợ dung hàn gốm hiệu quả hơn so với trợ dung hàn nấu chảy cả về mặt năng suất cũng nhƣ tiết kiệm năng lƣợng.

Thời gian cần thiết cho phép một mẻ trợ dung hàn nấu chảy trung bình 1,5 ÷ 2 giờ. Thời gian cần thiết chế tạo một khối lƣợng tƣơng tự trợ dung gốm cần ít hơn. 9 Trong điều kiện cơ giới hóa tối đa chu trình công nghệ sản xuất thì số lƣợng nhân công phục vụ cho việc chế tạo trợ dung gốm cũng đƣợc đòi hỏi ít hơn. Khi chế tạo trợ dung hàn gốm, năng lƣợng tiêu tốn ít hơn so với trợ dung nấu chảy 30 ÷ 50%, tỉ lệ tiêu hao trợ dung hàn gốm so với trợ dung nấu chảy ở mức thấp khi hàn.

Tuy nhiên, xác xỉ trợ dung nấu chảy còn có thể tái sử dụng. Nhƣợc điểm trợ dung hàn gốm là khi chế tạo cần sử dụng chất kết dính đó là nƣớc thủy tinh lỏng, khối lƣợng thủy tinh lỏng chiếm 15 ÷ 20% khối lƣợng trợ dung hàn gốm và cũng cần khoản chi phí nhất định. Phần lớn các loại trợ dung hàn nấu chảy của các nƣớc trên thế giới đƣợc sử dụng cho thép hợp kim cao, thép chống mài mòn, thép đặc biệt. Trợ dung hàn gốm thì sử dụng cho hàn thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp Các ƣu điểm của trợ dung gốm đƣợc đánh giá cao và chi phí năng lƣợng bình thƣờng không vƣợt quá vài phần trăm tổng chi phí hàn [93].

Theo tiêu chuẩn 14174-2012 trợ dung gốm đƣợc chia thành 17 loại thành phần tối thiểu của các chất chính trong các loại trợ dung gốm ở trên (bảng 1. Phân loại trợ dung gốm theo thành phần khoáng [51] Lƣợng tối thiểu của Loại trợ dung Thành phần chính thành phần chính (%) MnO + SiO2 ≥50 MS (Manganese-silicate) CaO ≤15 CaO + MgO + SiO2 ≥55 CS (Calcium-silicate) CaO + MgO ≥15 CaO + MgO 5 to 50 CG (Calcium-magnesium) CO2 ≥2 Fe ≤10 CaO + MgO 30 to 80 CB (Calcium-magnesium basic) CO2 ≥2 Fe ≤10 CaO + MgO 5 to 45 CG-I (Calcium-magnesium CO2 ≥2 withiron) Fe 15 to 60 10 Lƣợng tối thiểu của Loại trợ dung Thành phần chính thành phần chính (%) CaO + MgO 10 to 70 CB-I (Calcium-magnesium basic CO2 ≥2 with iron) Fe 15 to 60 MgO + SiO2 ≥42 GS (Magnesium-silicate) Al2O3 ≤20 CaO + CaF2 ≤14 ZrO2 + SiO2 + MnO ≥45 ZS (Zirconium-silicate) ZrO2 ≥15 TiO2 + SiO2 ≥50 RS(Rutile-silicate) TiO2 ≥20 AR(Aluminate – Rutile) Al2O3 + TiO2 ≥45 Al2O3 + CaF2 + ≥55 SiO2 BA (Basic-alumina) ≥8 CaO ≤20 SiO2 Al2O3 + SiO2 ≥50 AAS (Acid-aluminium-silicate) CaF2 + MgO ≥20 Al2O3 + CaO + ≥40 MgO AB (Aluminate-basic) ≥20 Al2O3 ≤22 CaF2 Al2O3 + SiO2 + ≥40 ZrO2 AS (Aluminate-silicate) ≥30 CaF2 + MgO ≥5 ZrO2 AF (Aluminate-fluoride-basic) Al2O3 + CaF2 ≥70 CaO + MgO + CaF2 ≥50 + MnO FB (Fluoride-basic) ≤20 SiO2 ≥15 CaF2 11 Bảng 1.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ