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.
