Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết. Chương 2: Công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết và phương pháp nghiên cứu. Chương 3: Kết quả thực nghiệm và bàn luận. Chương 4: Xác định thành phần tối ưu mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình.
Kết luận chung của luận án. Tài liệu tham khảo. Danh mục các công trình đã công bố của luận án. Phụ lục luận án.
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU THUỐC HÀN THIÊU KẾT 1.1 Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc 1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc a) Khái niệm hàn hồ quang dưới lớp thuốc Hàn hồ quang dưới lớp thuốc (còn gọi là hàn hồ quang chìm, hồ quang ngầm), tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding) là quá trình hàn nóng chảy trong đó hồ quang cháy giữa đầu mút của điện cực hàn (dây hàn, băng hàn) và vật hàn dưới một lớp thuốc hàn. Một phần lượng nhiệt sinh ra do hồ quang điện làm nóng chảy kim loại điện cực và kim loại cơ bản tạo thành vũng hàn. Phần nhiệt khác làm nóng chảy thuốc hàn, tạo thành lớp màng xỉ bảo vệ vùng hồ quang và bể kim loại lỏng tránh khỏi sự xâm nhập và ảnh hưởng có hại của môi trường khí quyển xung quanh [1, 2]. b) Nguyên lý của hàn hồ quang dưới lớp thuốc Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc Thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc bao gồm các bộ phận chủ yếu sau: Nguồn hàn, đầu hàn, thùng chứa và phễu rải thuốc hàn, khay chứa cuộn dây hàn, xe tự hành, ray hàn, đầu dò mép hàn, bảng điều khiển các thông số chế độ hàn.
Đầu hàn được gắn bộ phận cấp dây hàn tự động có tác dụng cấp dây hàn và tiếp xúc điện cho dây điện cực hàn, duy trì chiều dài hồ quang trong quá trình hàn, gây hồ quang khi bắt đầu hàn, ngắt hồ quang khi đã hàn xong. Đầu hàn có thể điều 4 chỉnh tịnh tiến lên xuống, lắc ngang, nghiêng điện cực về phía trước sau, quay sang trái phải thông qua các vít điều chỉnh. Các thay đổi này được thực hiện bằng tay. Xe hàn tự hành thực hiện chuyển động tiến hoặc lùi thông qua 4 bánh xe và đường ray dẫn hướng với vận tốc hàn nhất định theo quỹ đạo cho trước (thường là đường thẳng hoặc đường cong có biên dạng không phức tạp).
Bảng điều khiển sẽ điều khiển các thông số chế độ hàn, hướng hàn, khởi động và dừng quá trình hàn theo yêu cầu. Bảng điều khiển được bố trí ở vị trí thao tác thuận lợi (thường là ở mặt trước của thiết bị). Thuốc hàn được đựng trong thùng chứa và được rải về phía trước điện cực thông qua ống dẫn thuốc khi bộ phận van mở ra. Lượng thuốc hàn được cấp nhiều hay ít tùy thuộc vào khe hở giữa miệng phễu và chi tiết hàn.
Thuốc hàn dư có thể được thu hồi một cách tự động sau khi hàn thông qua bộ phận thu hồi thuốc hàn.2 Thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc Khi phát sinh hồ quang hàn, dưới tác dụng nhiệt của hồ quang, dây hàn, các mép kim loại cơ bản và một phần thuốc hàn tiếp sát hồ quang bị nóng chảy tạo thành vòm hồ quang và vũng hàn. Dây hàn được đẩy vào vũng hàn bằng một cơ cấu cấp dây với tốc độ phù hợp với tốc độ nóng chảy của nó để đảm bảo duy trì hồ quang cháy ổn định. Khi hồ quang di chuyển nên nguồn nhiệt giảm, kim loại lỏng trong vũng hàn sẽ nguội, đông đặc và kết tinh tạo thành mối hàn. Trên bề mặt vũng hàn và phần mối hàn kết tinh hình thành một lớp xỉ có tác dụng bảo vệ kim loại mối hàn khỏi ôxy và nitơ hóa, tham gia vào các quá trình luyện kim khi hàn, giữ nhiệt cho mối hàn.
Sau khi hàn xong chỉ cần gõ nhẹ hoặc toàn bộ xỉ hàn tự bong tróc (độ bong tróc có thể đạt gần 100%) tạo nên bề mặt mối hàn nhẵn, sạch, không kẹt xỉ, rỗ khí. Thuốc hàn có thể mang tính axit hoặc bazơ. Các chuyển động cấp dây hàn, dao động điện cực và chuyển động theo đường hàn thường được cơ giới hóa. Tùy theo mức độ tự động của các chuyển động này mà chia thành hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc.2 Vai trò và công dụng của thuốc hàn a) Khái niệm về thuốc hàn Thuốc hàn là hỗn hợp gồm nhiều thành phần, hạt thuốc có màu xám, dạng hạt và có kích cỡ xác định trong khoảng 0,25 ÷ 4 mm.3 Các dạng thuốc hàn b) Vai trò và công dụng của thuốc hàn: Các đặc tính công nghệ của thuốc hàn: - Tạo ra môi trường ion hóa tốt để đảm bảo dễ gây hồ quang và duy trì hồ quang ổn định.
- Tạo vòm xỉ nóng chảy bảo vệ vùng hồ quang hàn và vũng hàn khỏi tác dụng có hại của ôxy và nitơ của môi trường xung quanh. - Giúp hình thành và bảo đảm hình dạng mối hàn tốt (tạo dáng mối hàn). - Làm cho kim loại mối hàn (KLMH) nguội chậm, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi thoát hyđrô từ mối hàn và VAHN. - Khử oxi và các tạp chất có hại (S, P), tinh luyện KLMH.
- Đảm bảo hệ số nóng chảy và tốc độ hàn theo yêu cầu. - Hợp kim hóa KLMH, đặc biệt đối với mối hàn đắp để cải thiện tổ chức kim loại và nâng cao cơ tính KLMH. - Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang, cải thiện điều kiện lao động cho thợ hàn. - Nhờ có lớp thuốc và vòm xỉ bảo vệ hồ quang hàn, nên trong quá trình hàn kim loại điện cực không bị bắn toé, giảm hao tổn kim loại, nâng cao năng suất hàn.
- Giảm khuyết tật trong phạm vi cho phép: rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu,. do cải thiện điều kiện hình thành mối hàn và tinh luyện KLMH. - Cải thiện các tiêu chí vệ sinh công nghiệp: giảm lượng khí thải và bụi sinh ra trong giới hạn cho phép khi hàn. So sánh với thuốc bọc que hàn: Ưu điểm: 6 - Sử dụng chế độ hàn cao hơn (cường độ và mật độ dòng điện hàn lớn).
- Tăng tốc độ chảy của kim loại dây hàn tới 17 ÷ 22g/Ah; tăng tốc độ hàn tới hơn 20 m/h. - Tăng chiều sâu ngấu; giảm lượng kim loại dây hàn bắn tóe, bay hơi. - Chất lượng kim loại mối hàn tốt hơn nhờ kim loại lỏng được bảo vệ khỏi tác dụng của môi trường xung quanh và nhờ sự đồng nhất thành phần hóa học của kim loại mối hàn. - Cải thiện điều kiện làm việc của công nhân.
- Giảm thời gian đào tạo thợ hàn. Nhược điểm: - Hồ quang chìm (kín, ngầm) nên hạn chế khả năng quan sát và theo dõi việc hình thành mối hàn. - Chủ yếu hàn ở tư thế hàn sấp, hàn các chi tiết có hình dạng đơn giản, phẳng hoặc những chi tiết tròn có đường kính không quá nhỏ. - Hàn ở tư thế khác hàn sấp đòi hỏi phải có quy trình công nghệ phức tạp hơn; các thiết bị phụ trợ như đồ gá, ray dẫn hướng phù hợp.3 Phân loại thuốc hàn Hiện nay có 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),.
Việc phân loại có thể dựa theo phương pháp chế tạo, tính chất hóa học của thuốc hàn, thành phần hoá học và cơ tính kim loại đắp,. a) Phân loại theo phương pháp chế tạo: Được chia làm 3 loại chủ yếu, gồm: thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm và thuốc hàn thiêu kết. Các loại thuốc hàn này theo chỉ số tính bazơ (hoặc axit) lại được chia thành các loại khác nhau. - M (mechanically mixed): loại trộn hỗn hợp cơ học.
Thuốc hàn nung chảy (Fused Fluxes): Là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ được chế tạo bằng phương pháp nấu chảy các thành phần của mẻ liệu, sau đó được tạo hạt. Thuốc hàn nung chảy có thành phần hóa học đồng đều, không chứa các chất khử oxi và fero hợp kim.4 Thuốc hàn nung chảy Đặc điểm của thuốc hàn nung chảy: - Thường là hệ silicat có tỉ lệ ôxit cao, do đó có đặc tính axit. - Nhiệt độ nóng chảy khoảng 1300 0C. - Độ nhớt đủ cao ở nhiệt độ cao để ngăn tác động của ôxi và nitơ từ không khí khi hàn và ngăn xỉ chảy loãng ra khỏi mối hàn.
- Đồng nhất về mặt thành phần hóa học, không hút ẩm. - Không chứa các nguyên tố hợp kim. - Khi hàn, xỉ hàn chứa nhiều ôxit tự do. Thuốc hàn gốm (Bonded Fluxes): Là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ, được chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp trộn với chất dính kết lỏng tạo hạt và sấy khô ở nhiệt độ 400 0C ÷ 6000C.
Thuốc hàn gốm có thành phần tương tự như thuốc bọc que hàn, có thành phần hóa học không đồng đều so với thuốc hàn nung chảy, có độ bền hạt thuốc thấp. Thuốc hàn gốm có giá thành chế tạo thấp và có thể được dùng cho cả hàn đắp.5 Thuốc hàn gốm Đặc điểm của thuốc hàn gốm: 8 - Thường có hệ số bazơ tối đa 2,6 ÷ 3,2. Hệ số bazơ cao khiến nồng độ ôxi và lưu huỳnh thấp, độ dai va dập kim loại mối hàn cao. - Có thể bổ sung trực tiếp fero kim loại vào thuốc hàn, tăng khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn trong dải nồng độ rộng.
- Các nguyên tố hợp kim dễ đi vào kim loại mối hàn (khi hàn đắp) do tính ổn định hóa học của CaO và MgO. - Thuốc hàn gốm được hợp kim hóa đòi hỏi khống chế tốt điện áp hồ quang. - Dễ hút ẩm, nên phải sấy trước khi sử dụng theo chế độ sấy phù hợp. Thuốc hàn thiêu kết (Agglomerated fluxes): Là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ, được chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp với chất kết dính lỏng, tạo hạt sau đó thiêu kết ở nhiệt độ 7000C ÷ 10000C.6 Thuốc hàn thiêu kết Thuốc hàn thiêu kết có nhiều ưu điểm như: khả năng tinh luyện các tạp chất có hại và hợp kim hóa kim loại mối hàn cao, thành phần thuốc hàn dễ điều chỉnh để đạt được thành phần hóa học kim loại mối hàn theo yêu cầu, giá thành hạ.
Loại thuốc này đã khắc phục được nhược điểm rất quan trọng là độ ẩm cao của thuốc hàn gốm và cho phép nhận được mối hàn chất lượng cao hơn.7 Thuốc hàn thiêu kết của một số hãng 9 Bảng 1.