BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
LÊ THỊ NGA
NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN PHỐI LIỆU CỦA THUỐC
HÀN GỐM HỆ ALUMINATE - RUTILE CHO HÀN
TỰ ðỘNG KẾT CẤU THÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI - 2013
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
i
LỜI CAM ðOAN
Tôi xin cam ñoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là
hoàn toàn trung thực và chưa hề ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào.
Tôi cam ñoan rằng, mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn ñã ñược
cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều có nguồn gốc, nếu sai tôi
hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Ngày tháng năm 2013
Người cam ñoan Lê Thị Nga
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
iii
MỤC LỤC
Lời cam ñoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Mục lục iii
Danh mục bảng vi
Danh mục hình vii
MỞ ðẦU 1
1. Tính cấp thiết của ñề tài 1
2. Mục tiêu, ñối tượng, phạm vi nghiên cứu 2
3. Cấu trúc của luận văn 3
Chương 1: TỔNG QUAN ðỀ TÀI 4
1.1. Công nghệ hàn tự ñộng dưới lớp thuốc trợ dung 4
1.1.1. Khái quát chung về công nghệ hàn ñiện nóng chảy 4
1.1.2. Khái quát chung về công nghệ hàn hồ quang dưới lớp thuốc 5
1.2. Tổng quan về thuốc hàn gốm 9
1.2.1. Khái quát chung về thuốc hàn 9
1.2.2. Khái quát chung về thuốc hàn gốm 13
1.3. Lựa chọn nguyên vật liệu 20
1.4. Thép Q460D 24
1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 26
1.5.1. Ngoài nước 26
3.3.5. Phôtpho (P) 44
3.4. Xỉ hàn 45
3.4.1. Khái niệm xỉ hàn 45
3.4.2. ðặc tính cơ bản của xỉ hàn 46
3.4.3. Phân loại xỉ hàn 50
3.5. Cơ sở lý thuyết tính toán bài phối liệu thuốc hàn gốm 51
Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 55
4.1. Tính toán bài phối liệu cho thuốc hàn gốm 55
4.2. Quy trình công nghệ chế tạo thuốc hàn gốm 63
4.2.1. Cân ñong nguyên liệu khô 63
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
v
4.2.2. Trộn khô (Hình 4-4) 64
4.2.3. Trộn ướt 65
4.2.4. Vê viên tạo hạt 65
4.2.5. Sấy thuốc hàn 66
4.2.6. Phân loại hạt 67
4.2.7. Bao gói, kiểm tra thành phẩm và nhập kho 67
4.3. Thiết lập quy trình và tính toán chế ñộ hàn 68
4.3.1. Thiết lập quy trình hàn 68
4.3.2. Tính toán chế ñộ hàn 69
4.4. Chuẩn bị trước khi hàn và tiến hành hàn 71
4.4.1. Máy hàn 71
4.4.2. Bộ phận cấp dây, cấp thuốc 73
4.4.3. Phương pháp tiến hành 73
4.5. Kết quả kiểm tra kim loại học mối hàn 78
4.5.1. Kiểm tra tổ chức thô ñại 78
4.1: Thành phần thuốc hàn gốm hệ Aluminate – Rutile 55
4.2: Các mức của biến ñầu vào 56
4.3: Ma trận quy hoạch thực nghiệm 57
4.4: Kết quả tính bước chuyển ñộng δj của các yếu tố 58
4.5: Kết quả thí nghiệm theo hướng dốc ñứng 58
4.6: Kết quả tính bước chuyển ñộng δj của các yếu tố 59
4.7: Kết quả thí nghiệm theo hướng dốc ñứng 60
4.8: Kết quả tính bước chuyển ñộng δj của các yếu tố 61
4.9: Kết quả thí nghiệm theo hướng dốc ñứng 61
4.10: Bài phối liệu cho thuốc gốm hệ Alnuminate - Rutile 63
4.11: Sự phụ thuộc của tốc ñộ hàn so với ñường kính dây 70
4.12: Thông số kĩ thuật hàn model STARMATIC1003 72
4.13: Thành phần hoá học của lớp kim loại ñắp (%) 76
4.14: Cơ tính kim loại hàn 76
4.15: Kích thước dây hàn, dòng ñiện và lượng khí sử dụng thích hợp 76
4.16: Các ñiều kiện thí nghiệm 77
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
vii
DANH MỤC HÌNH
STT Tên hình Trang 1-1: Sơ ñồ hàn dưới lớp thuốc bảo vệ 6
1-2: Máy hàn tự ñộng dưới lớp thuốc hàn 7
1-3: Hàn mẫu tiêu chuẩn ΓOCT 6996-66 8
1-4: Hàn dầm chữ I với phương pháp hàn tự ñộng dưới lớp thuốc 8
4-9: Sơ ñồ nguyên lý quy trình công nghệ chế tạo thuốc hàn gốm 67
4-10: Các bước tiến hành kiểm tra quy trình hàn. 68
4-11: Hình dạng kích thước của mối hàn 69
4-12: Máy hàn model STARMATIC 1003DC 72
4-13: Bộ phận cấp dây, cấp thuốc 73
4-14: Chẩn bị mẫu hàn 74
4-15: Gá ñặt phôi trước khi hàn 74
4-16: Sấy thuốc trước khi hàn 75
4-17: Thuốc hàn 75
4-18: Dây hàn 75
4-19: Bộ ñiều chỉnh các thông số hàn 77
4-20: Quá trình hàn 78
4-21: Kết thúc quá trình hàn 78
4-22: Tổ chức thô ñại mối hàn mẫu 1 79
4-23: Tổ chức thô ñại mối hàn mẫu 2 79
4-24: Tổ chức thô ñại mối hàn mẫu 3 79
4-25: Ảnh tổ chức tế vi của mẫu 1, 200x 80
4-26: Ảnh tổ chức tế vi của mẫu số 2,200x 80
4-27: Vị trí ño ñộ cứng tế vi của mẫu hàn 82
4-28: Biểu ñồ ño ñộ cứng của các mẫu 82
4-29: Thuốc hàn gốm hệ xỉ Auminate - Rutile 83 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
1
MỞ ðẦU
1. Tính cấp thiết của ñề tài
rất nhiều, chưa thể ñáp ứng nhu cầu ngày càng cao của mục tiêu công nghiệp
hóa hiện ñại hóa ñất nước trong những năm tới. Về công nghệ hàn, nhìn
chung còn khá lạc hậu, nhất là công nghiệp sản xuất vật liệu hàn
Một số các lĩnh vực ñược ðảng và Nhà nước ta ñang chủ trương cho
ñầu tư phát triển như:
Xây các dàn khoan ngoài biển khai thác dầu khí.
Làm ñường ống dẫn khí từ biển vào bờ.
Làm ñường ray cho tàu hoả cao tốc xuyên Á.
Làm vỏ ñạn và các vũ khí quốc phòng.
Sản xuất bồn chứa xăng dầu, xi măng, thức ăn gia xúc…
Xây dựng một loạt các nhà máy nhiệt ñiện, các tuốc bin khí.
Chế tạo các vệ tinh ñịa tĩnh, nhà máy ñiện nguyên tử…
Tất cả các lĩnh vực trên muốn phát triển ñược ñều phải ứng dụng ñến
công nghệ hàn và sử dụng rất nhiều chủng loại vật liệu hàn tiên tiến cho
hàn tự ñộng, nhất là thuốc hàn nấu chảy và thuốc hàn gốm. Thuốc hàn giữ
vai trò rất quan trọng. Nó bảo vệ kim loại trong vùng nóng chảy khỏi tác
dụng của không khí, ổn ñịnh hồ quang, tạo dáng mối hàn, hợp kim hoá mối
hàn…Việc chế tạo ra một loại thuốc hàn gốm cần qua nhiều khâu và bước
quan trọng không thể thiếu ñó là ñánh giá chất lượng thuốc hàn gốm có ñạt
yêu cầu hay không.
Xuất phát từ những lý do trên, tác giả mạnh dạn chọn ñề tài: “Nghiên
cứu thành phần phối liệu của thuốc hàn gốm hệ Aluminate - Rutile cho
hàn tự ñộng kết cấu thép" làm ñề tài luận văn thạc sĩ.
2. Mục tiêu, ñối tượng, phạm vi nghiên cứu
a. Mục tiêu của ñề tài
Nghiên cứu thành phần phối liệu của thuốc hàn gốm hệ Aluminate -
Rutile cho hàn tự ñộng kết cấu thép bằng vật liệu trong nước, thay thế cho
thuốc hàn nhập ngoại.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
bằng công nghệ hàn hồ quang tay. Sau ñó ñến khoảng ñầu thập kỉ 1890,
phương pháp hàn hồ quang bằng ñiện cực cacbon ñã ñược ứng dụng thương
mại tại châu Âu và Mỹ nhưng với phạm vi hạn chế do sử dụng ñiện áp và
cường ñộ dòng ñiện quá cao (100 ÷ 300V và 600 ÷ 1000A).
Năm 1905, N. G. Slavianov (người Nga) và Charles Coffin (người Mỹ)
ñều ñược cấp bằng sáng chế cho phương pháp hàn hồ quang tay và có sử
dụng ñiện cực kim loại.
Oscar Kjellberg (người Thụy ðiển) ñược coi là người ñầu tiên ñưa ra ý
tưởng hàn hồ quang tay bằng que hàn có vỏ bọc. Năm 1907 ông ñược cấp
bằng sáng chế cho phương pháp ñó.
Năm 1932, ý tưởng hàn dưới lớp thuốc ñã ñược thực hiện. Năm 1939
dưới sự lãnh ñạo của viện sĩ E.O. Paton, hàn dưới lớp thuốc ñược ñưa vào sử
dụng hầu hết tại Liên Xô.
Năm 1940, phương pháp hàn sử dụng khí trơ ñể bảo vệ hồ quang của
ñiện cực vonfram trong hàn tấm mỏng và thép không rỉ ñược ứng dụng thành
công. Năm 1949 hàn ñiện xỉ ra ñời, cho phép hàn ñược các tấm thép dày.
Cuối những năm 1950, hàn bằng tia ñiện tử xuất hiện, tạo ñiều kiện các kim
loại có ñòi hỏi rất cao, ñặc biệt trong ngành hàng không.
Ngày nay ñã có khoảng 130 phương pháp hàn khác nhau, ứng dụng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
5
trong ngành công nghiệp ñể chế tạo những sản phẩm từ nhỏ nhất như vi mạch
ñiện tử cho ñến lớn nhất như tàu biển, cầu ñường…
1.1.2. Khái quát chung về công nghệ hàn hồ quang dưới lớp thuốc
Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ còn gọi là hàn hồ quang chìm,
tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding), là quá trình hàn nóng
chảy mà hồ quang cháy giữa dây hàn (ñiện cực hàn) và vật hàn dưới một lớp
1.1.2.1. Ưu ñiểm của hàn tự ñộng dưới lớp thuốc
- Phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có thể hàn ñược các
chi tiết có chiều dày từ vài mm ñến hàng trăm mm.
- Chất lượng liên kết hàn cao do bảo vệ tốt kim loại mối hàn khỏi tác
dụng của ôxi và nitơ trong không khí xung quanh. Kim loại mối hàn ñồng
1
2
3
4 5
6
7
8
9
10
11
12
a.
b.
1. Vật hàn
2. Ray dẫn ñộng xe hàn
3. Xe hàn
4. Cuộn dây hàn
5, 8. Con lăn cấp dây hàn
6. Phễu thuốc hàn
7. Van ñiều chỉnh
9. Máy hàn
10. Dây ñiện
11. Mối hàn
12. Tiếp ñiểm với dây hàn
8
Tuy nhiên phương pháp này chủ yếu ñược ứng dụng ñể hàn các mối hàn ở
vị trí hàn bằng các mối hàn có chiều dài lớn và có quỹ ñạo không phức tạp.
Ví dụ: Khi hàn các kết cấu có dạng tấm phẳng thì người ta sử dụng
phương pháp hàn tự ñộng, dùng xe chạy mang mỏ hàn theo.
Phương pháp hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có thể hàn ñược các
chi tiết có chiều dày từ vài mm cho ñến hàng trăm mm, tùy thuộc vào chiều
dày chi tiết hàn tương ứng người ta sẽ lựa chọn các phương pháp hàn khác
nhau như hàn một lớp và nhiều lớp, có vát mép và không vát mép bằng
phương pháp hàn tự ñộng dưới lớp thuốc.
Một số hình ảnh ứng dụng về phương pháp hàn tự ñộng dưới lớp thuốc
(Hình 1-3, 1-4, 1-5).
Hình 1-3: Hàn mẫu tiêu chuẩn
ΓOCT 6996-66
Hình 1-4: Hàn dầm chữ I với phương
pháp hàn tự ñộng dưới lớp thuốc
Hình 1-5: a. Hàn ống dẫn
trong xưởng
b. Hàn ống dẫn ngoài trời Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
- Thuốc hàn thiêu kết (Mechanically): Là thuốc hàn dùng cho hàn hồ
quang dưới lớp thuốc, ñược chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp với chất kết dính
lỏng tạo hạt sau ñó thiêu kết ở nhiệt ñộ 700
o
C ñến 1000
o
C.
- Thuốc hàn nung chảy (Fused): Là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang
dưới lớp thuốc, ñược chế tạo bằng phương pháp nấu chảy các thành phần của
mẻ liệu và ñược tạo hạt.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
10
Nhưng trong thực tế thường sử dụng hai loại thuốc hàn: Thuốc hàn
gốm và thuốc hàn nung chảy (nấu chảy).
ðiểm khác nhau cơ bản về tính chất luyện kim của thuốc hàn gốm và
thuốc hàn nấu chảy là ở trạng thái lý hóa tác ñộng của các hợp chất có trong
thành phần thuốc hàn với kim loại lỏng của kết cấu hàn. Khi chế tạo thuốc hàn
nấu chảy, ở trạng thái lỏng ta có ñược một dạng thủy tinh lỏng ñồng nhất chứa
tính chất các hợp chất có trong thuốc hàn và ñược cố ñịnh bởi quá trình tạo hạt.
Vì vậy khi hàn tự ñộng dưới lớp thuốc hàn nấu chảy, tác ñộng tương hỗ của kim
loại với thuốc hàn là tự ñộng với một tổ hợp chất phức tạp chứ không phải với
nguyên liệu của thành phần thuốc ñầu vào. Còn ñối với thuốc hàn gốm thì mỗi
hạt thuốc là tổ hợp nén chặt của các hợp chất ñầu vào trong những ñiều kiện chế
tạo ñặc biệt. Vì vậy khi tác ñộng tương hỗ với kim loại lỏng mối hàn, chúng sẽ
có tác ñộng mãnh liệt hơn ở dạng nguyên liệu ban ñầu so với thuốc hàn nấu
chảy. Ngoài ra, ñối với thuốc hàn 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 ñầu vào ở một dải rất rộng. ðiều này rất quan trọng khi hàn chủng
loại thép hợp kim, thép có tính năng ñặc biệt nhất là trong công nghệ hàn ñắp
Khi nấu chảy lượng thuốc hàn nóng chảy, bằng các biện pháp công
nghệ cần thiết bổ sung có thể làm giảm ñáng kể hàm lượng phôtpho (P), lưu
huỳnh (S) trong mối hàn.
Như vậy, việc lựa chọn chủng loại thuốc hàn phụ thuộc rất nhiều vào
nhiệm vụ sản xuất cụ thể và các chủng loại kết cấu cũng như vật liệu ñể sản
xuất kết cấu hàn.
Thuốc hàn gốm ñược khuyến cáo dùng khi hàn ñắp các lớp chịu mài
mòn và chống ăn mòn trên bề mặt chi tiết. Cũng như ñược dùng ñể hàn các
chủng loại thép hợp kim và thép có ñộ bền cao, thép làm việc trong các môi
trường ñặc biệt, trong môi trường nhiệt ñộ thấp.
Ví dụ: Tàu biển, tàu vũ trụ…
Ngoài ra, còn một loại tính năng ưa việt của thuốc hàn gốm cũng ñược ứng
dụng trong quá trình cơ giới hóa và tự ñộng hóa công việc sản xuất kết cấu hàn.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
12
Chẳng hạn, trong thành phần thuốc hàn gốm có chứa khối lượng lớn
bột sắt (Fe) sẽ tạo cho thuốc hàn gốm có tính chất nhiễm từ. ðiều này cho
phép sử dụng loại thuốc này khi hàn tự ñộng với dây hàn liên tục và ñạt ñược
chất lượng cao. Phương pháp này rất hiệu quả trong quá trình công nghiệp
xây dựng và lắp ñặt dân dụng kết cấu thép.
Các kết quả nghiên cứa về tính kinh tế so sánh thuốc hàn nấu chảy và
thuốc hàn gốm ñã cho thấy cùng một quy trình công nghệ và mức ñộ cơ giới
hóa việc sản xuất thuốc hàn gốm hiệu quả hơn so với thuốc hàn nấu chảy cả
về mặt năng suất cũng như tiết kiệm năng lượng.
Thời gian cần thiết cho phép một mẻ thuốc hàn nấu chảy trung bình
1,5 ÷ 2 giờ.
Thời gian cần thiết chế tạo một khối lượng tương tự thuốc hàn gốm cần ít
hơn. Trong ñiều kiện cơ giới hóa tối ña chu trình công nghệ sản xuất thì số lượng
Loại 4: Nhôm - Kiềm (AB)
Loại 5: Florua - Kiềm (FB)
Thành phần tối thiểu của các chất chính trong các loại thuốc hàn ở trên
bảng 1.1.
Bảng 1.1: Phân loại thuốc hàn gốm theo thành phần khoáng
Loại thuốc Thành phần chính Thành phần khác
Lượng tối thiểu
của thành phần
chính, %
Mangan - Silic
Ôxit mangan - MnO
Ôxit silic - SiO
2
Ôxit canxi - CaO
Ôxit nhôm - Al
2
O
3
Florua canxi - CaF
2
50
Canxi - Silic
Ôxit silic - SiO
2
Ôxit canxi - CaO
Ôxit magie - MgO
Ôxit mangan - MnO
Ôxit nhôm - Al
Florua - Kiềm
Ôxit canxi - CaO
Ôxit magie - MgO
Florua canxi - CaF
2
Ôxit silic - SiO
2
Ôxit mangan - MnO
Ôxit nhôm - Al
2
O
3
50
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
14
Bảng 1.2: Thành phần thí nghiệm ñặc trưng của các thuốc gốm theo %
Loại thuốc SiO
2
MnO CaO MgO
CaF
2
Al
2
các kết cấu thép ñặc biệt khác. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
15
Thuốc Florua - Kiềm thuộc loại có tính bazơ cao. Chúng ñảm bảo các
tính chất cơ học cao nhất và khả năng chống nứt kết tinh của mối hàn. Tính
công nghệ của thuốc Florua - Kiềm kém hơn các loại thuốc khác. Thuốc dùng
ñể hàn một hoặc nhiều ñường thép xây dựng hạt mịn ñộ bền cao và thép có
yêu cầu chống lạnh cao của mối hàn.
* Nguyên liệu chủ yếu của thuốc hàn Aluminate - Rutile (A-R)
- ðá vôi:
+ Có thành phần chủ yếu là CaCO
3
. Loại dùng cho sản xuất thuốc hàn
có thành phần tương ñối CaO ~ 55% và CO
2
~ 42%.
Khi nung nóng ở nhiệt ñộ 880
o
C sẽ xảy ra phản ứng:
CaCO
3
→ CaO + CO
2
↑
+ Với một số loại bột hàn có nhiệt ñộ nung ñến 900
o
C thì CaCO
kết hợp với CaO tạo Thành canxi phốt phát
(3CaO.P
2
O
5
) và nhờ vậy sự cân bằng ở phản ứng (1.1) xảy ra theo chiều
thuận, tạo ñiều kiện khử P hiệu quả hơn.
Copyright: Tài liệu đại học ©