Trần xuân dũng

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

Thiết bị và công nghệ hàn

ngành : thiết bị và công nghệ hàn

nghiên cứu thành phần mẻ liệu thuốc
bọc để chế tạo que hàn thép cácbon
tơng đơng mác que hàn e6013 theo
tiêu chuẩn aws a5.1 bằng vật liệu

Trần xuân dũng

2007 - 2009
Hà Nội
2009

Hà Nội 2009


1

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1:

11

1.1.2.5. Nhóm chất dính kết…………………………………………

12

1.1.2.6. Nhóm chất tạo hình…………………………………………

12

1.2. Yêu cầu đối với que hàn thép cacbon…………………………………

12

1.2.1. Yêu cầu chung……………………………………………………

12

1.2.2. Yêu cầu về đặc tính công nghệ đối với que hàn thép
cacbon……………………………………………………………………...

13

1.2.3. Yêu cầu kỹ thuật chung đối với chế tạo que hàn...……………….

13

1.3. Phân loại que hàn…………………...…………………………………

16

19

1.4.3. Que hàn thép không gỉ…...……………………………………….

19

1.5. Giới thiệu về que hàn thép cacbon E6013………….………………….

19

1.5.1. Theo tiêu chuẩn AWS A5.1-1981………..……………………….

19

1.5.2. Kí hiệu của que hàn thép cacbon thấp E6013…………………….

20

CHƯƠNG 2:

KHẢO SÁT SƠ LƯỢC DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT
QUE HÀN

2.1. Sơ đồ sản xuất que hàn……….………………………………...……...

22

2.2.Các bộ phận và công đoạn chính trong quá trình sản xuất que hàn...….

23


35

2.2.5. Nghiền nguyên liệu……………………………………………….

36

2.2.5.1. Mục đích…………………………...…….…........................

36

2.2.5.2. Kích thước hạt nguyên liệu…………………………………

36

2.2.5.3. Thiết bị nghiền……………………….……………………..

36

2.2.6. Xử lý nguyên liệu………………………..………………………..

37

2.2.7. Bộ phận ép que hàn…………………………...…………………..

37


3


46

2.2.13. Kiểm tra chất lượng…………………….....……………………..

46

2.2.13.1. Đo lường kiểm tra chất lượng từng khâu.…………………

46

2.2.13.2. Kiểm nghiệm thành phẩm que hàn………………………

47

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THÀNH PHẦN MẺ LIỆU THUỐC BỌC
QUE HÀN THÉP CACBON E6013
3.1. Giới thiệu sơ lược về xỉ hàn và các đặc điểm của xỉ hàn……………...

49

3.1.1. Khái niệm xỉ hàn……...………………………………………......

49

3.1.2. Đặc tính cơ bản xỉ hàn……...………………………………...…..

49

3.1.2.1. Tính axit (bazơ) của xỉ hàn………………………………..



4

3.1.4.2. Phân loại theo độ hoạt tính…………...…………..………..

54

3.1.4.3. Phân loại theo sự thay đổi độ nhớt………...……..………..

55

3.2. Cở sở nền tạo xỉ cho mẻ liệu thuốc bọc que hàn………….…………...

55

3.2.1. Yêu cầu cơ bản của nền tạo xỉ…………………………………….

55

3.2.2. Nền tạo xỉ bazơ……...…...……………………………………….

55

3.2.3. Nền tạo xỉ rutil……………………………...…………………….

56

3.2.4. Chọn nền tạo xỉ phù hợp que hàn thép cacbon E6013……………

56


63

3.4.5. Tính toán các chất trong xỉ hàn…………………………..……….

64

3.4.5.1. Từ Rutil..…………………………………………………..

64

3.4.5.2. Từ Đá vôi…………...………………………….....……….

65

3.4.5.3. Từ quặng Bôxit……...……..……………………………...

65

3.4.5.4. Từ Imenhit hoàn nguyên………………......……..………..

65

3.4.5.5. Từ Cao lanh…………...………………...………..………..

66

3.4.5.6. Từ Fero - Si……...……………………………….………..

66

4.1.2. Sơ đồ nghiên cứu trong đề tài…………………………………….

70

4.2. Xây dựng hàm mục tiêu……………………………………………….

70

4.2.1. Hình dạng mô hình………………………………………………..

70

4.2.2. Giới thiệu phương pháp xác định hệ số của mô hình……………..

71

4.3. Xác định hàm mục tiêu………………………………………………..

74

4.3.1. Lựa chọn các biến số……………………………………………...

75

4.3.2. Chọn tần số và xác định khoảng biến thiên…….............................

77

4.3.3. Tiến hành thí nghiệm xác định các chỉ tiêu và tính công nghệ của
que hàn………………………..……………………………………………



6

CHƯƠNG 5: TỐI ƯU HOÁ THÀNH PHẦN MẺ LIỆU THUỐC BỌC
QUE HÀN
5.1. Giới thiệu phương án tối ưu hoá và toán quy hoạch…………………..

84

5.2. Hạch toán kinh tế……………………………………………………...

88

5.3. Xác định hàm giá thành mẻ liệu theo đơn thuốc………………………

89

5.4. Thực hiện quy hoạch toán học cho thành phần mẻ liệu thuốc bọc que
hàn thép cacbon E6013…………………………………………………….

91

5.4.1. Hệ Rutil – Đá vôi – Bôxit………………………………………...

91

5.4.2. Phương pháp xác định thành phần mẻ liệu tối ưu………………...

91

Đá vôi, Bôxit ………………………………………………………………

98

CHƯƠNG 6: QUY TRÌNH CHẾ TẠO QUE HÀN THÉP CACBON
E6013 VÀ CÁC PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT
6.1. Sơ đồ chế tạo que hàn thép cacbon E6013…………………………….

100

6.2. Chuẩn bị lõi que……………………………………………………….

101


7

6.2.1. Kéo rút lõi que…………………………………………………….

101

6.2.2. Nắn cắt lõi que……………………………………………………

103

6.3. Chuẩn bị thành phần nguyên liệu……………………………………...

103

6.3.1. Chuẩn bị sẵn các loại quặng đã chọn……………………………..


6.3.7. Đón, đỡ que……………………………………………………….

109

6.3.8. Sấy que hàn……………………………………………………….

111

6.3.9. Thành phẩm……………………………………………………….

111

TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………….

115

PHỤ LỤC…………………………………………………………………..

116


8

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU QUE HÀN THÉP CACBON
1.1/ Cấu tạo que hàn.
Cấu tạo của que hàn hồ quang tay có vỏ bọc gồm 2 phần chính như hình 1.1
với các thành phần cơ bản sau đây:
+ Phần 1: Lõi que hàn;


2,0

250 - 300

2,5

300 - 350

3,0
3,20
4,0
5,0
6,0

15 - 20

350 - 400
400 - 450
450 - 500

20 - 30

1.1.2/ V bc que hn.
Trong quỏ trỡnh hn, thuc bc que hn úng vai trũ rt quan trng v nh
hng nhiu ti cht lng ca mi hn. Thuc bc que hn bao gm nhiu hp
cht hoỏ hc khỏc nhau ( cỏc cht khoỏng CaCO3, MgCO3, CaF2), cỏc qung
(qung Mangan), Cỏc cht hu c: Xenlulụz, cỏc fero hp kim: Fe Cr, Fe
Si, Fe- Ni,, úng vai trũ khỏc nhau trong thnh phn m liu thuc bc que
hn. Mi thay i ca mt hp cht u nh hng ti cht lng ca mi hn.

vũng hàn tốt, phần còn lại bị phân huỷ thành khí CO theo phản ứng (1.3).
1.1.2.2/ Nhóm vật liệu tạo xỉ.
Để bảo vệ kim loại vũng hàn và tinh luyện mối hàn, cải thiện kim loại mối
hàn cũng như có tác dụng tạo dáng mối hàn. Chủng loại của nhóm này rất đa
dạng:
+ Các ôxyt : SiO2, MnO, CaO, MgO, FeO, Fe2O3, Fe3O4, Al2O3, TiO2,… Từ
quặng Mangan (MnO2, MnO), cát thạch anh (SiO2), Rutil (TiO2), Imenhit (TiO2,
SiO2, Fe2O3), cao lanh (Al2O3, SiO2), bột tan, Hêmantit (ôxyt sắt màu đỏ sẫm
Fe2O3), Magnetit (Fe3O4), Trường thạch,…
+ Các hợp chất halogen: CaF2 (từ huỳnh thạch),…
+ Các phức chất khác: Na2SiF6,…


11
Đối với thuốc bọc que hàn để hàn thép cacbon thấp : Tùy theo các loại hợp
chất đưa vào thành phần mẻ liệu của nó và tính chất của các sản phẩm nhận được
từ quá trình phân hủy chúng khi hàn, mà tên gọi của thuốc bọc thường dựa trên
tính chất và tên gọi của xỉ hàn: bazơ, rutil,...
Ví dụ: (ở nhiệt độ > 700oC)
CaCO3 → CaO + CO2.

(1.5)

MgCO3 → MgO + CO2

(1.6)

MgO, CaO được tạo ra và đi vào xỉ.
Sự phân huỷ của các oxyt bậc cao trong điều kiện hàn:
MnO2 → MnO +

từ nước thủy tinh natri (soda Na2SiO3).
+ Kim loại kiềm thổ : CaO, MgO,… từ các chất CaCO3, MgCO3, trừ CaF2,
chất này làm giảm tính ổn định của hồ quang hàn.
Ngoài ra có thể bổ sung các chất như: Fenspat (trường thạch), bột mica, đioxit
titan (TiO2) cũng có tác dụng tăng tính ổn định của hồ quang hàn.
Sự ổn định của hồ quang hàn có thể được đánh giá thông qua chiều dài đứt lđ
của hồ quang hàn hay còn gọi là chiều dài tới hạn của hồ quang và sự ảnh hưởng
của một số hợp chất phổ biến đến sự ổn định của hồ quang.
1.1.2.5/ Nhóm chất dính kết.
Để liên kết các thành phần của mẻ liệu và tạo khả năng bám dính với lõi que,
thường sử dụng nước thủy tinh natri và kali với các tỉ trọng và modul khác nhau.
Chẳng hạn tỷ trọng của nước thủy tinh natri (Na2O.SiO2) là: 1,36 – 1,5g/cm3 và
modul: 2,65 – 3,40 và tỷ trọng khô là 2,3 – 2,4g/cm3.
1.1.2.6/ Nhóm chất tạo hình:
Là những hợp chất làm tăng tính dẻo và độ bám chắc của thuốc bọc đối với
lõi que hàn, giúp cho que hàn khi mới ép giữ được hình dáng cần thiết và không
bị biến dạng khi tiếp xúc với băng chuyền. Bên cạnh đó để giảm ma sát khi ép
que hàn người ta thường dùng các chất có tác dụng bôi trơn và làm tăng độ nhẵn
bề mặt của lớp thuốc bọc như cao lanh, bột tan, bột mica...
1.2/ Yêu cầu đối với que hàn thép cacbon.
1.2.1/ Yêu cầu chung.
Que hàn phải đạt được các yêu cầu chính sau:
- Đảm bảo yêu cầu về cơ tính mối hàn.
- Đảm bảo thành phần hóa học cần thiết cho kim loại mối hàn.


13
- Que hàn có tính công nghệ tốt.
- Giá thành sản phẩm thấp.
1.2.2/ Yêu cầu về đặc tính công nghệ đối với que hàn thép cacbon.

SiO2,Al2O3, CaF2,…
- Có khả năng khử Oxy và các tạp chất có hại (S,P), tinh luyện kim loại và
hợp kim hóa mối hàn. Đồng thời có thể hợp kim hóa kim loại mối hàn nhằm
nâng cao hoặc cải thiện thành phần hóa học và cơ tính của kim loại mối hàn.
Trong vỏ thuốc, các ferô các hợp kim thường được đưa vào để thực hiện chức
năng này.
- Ít khuyết tật bên trong: Rỗ khí, ngậm xỉ, không ngấu,…
- Đảm bảo tính bong xỉ cao: Có thể tự bong hoặc có thể dùng bàn chải sắt,
búa gõ nhẹ làm sạch xỉ hàn.
- Ít bắn tóe kim loại lỏng, đảm bảo năng suất cao.
- Đảm bảo yêu cầu vệ sinh công nghiệp: Lượng khí có hại và bụi sinh ra trong
giới hạn cho phép.
- Thuốc bọc có độ bền cần thiết, độ bám chắc cao (không bị vỡ, nứt trong quá
trình vận chuyển và bảo quản), bảo vệ lõi que không bị ôxi hóa, khả năng chống
hút ẩm cao. Thường dùng nước thủy tinh, dextrin,…
- Nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp vỏ thuốc phải lớn hơn nhiệt độ nóng chảy
của lõi que để khi hàn vỏ thuốc tạo ra hình phễu hướng kim loại que hàn nóng
chảy đi vào vùng hàn thuận lợi. Vỏ thuốc phải cháy đều và không rơi thành cục.


15
1.2.4/ Yêu cầu kỹ thuật chung đối với chế tạo que hàn.
Ngoài những yêu cầu đã nêu ở phần đặc tính công nghệ của que hàn ở phần
trước, khi chế tạo que hàn phải đảm bảo thêm các yêu cầu sau đây:
- Lớp thuốc bọc phải đảm bảo đồng tâm với lõi que, độ lệch tâm trung bình
cho phép của que hàn không vượt quá 3% so với đường kính ngoài que hàn:

e=

δ1 − δ 2

- Yêu cầu về thành phần hóa học của kim loại đắp theo hàm lượng các tạp
chất: S, P.
- Yêu cầu về hệ số thuốc bọc que hàn: Hệ số thuốc bọc que hàn là hệ số
trọng lượng thuốc bọc chỉ số % trọng lượng của thuốc bọc so với lõi thép (không
bao gồm 2 đầu mút).
K=

G1
.100%
G

Trong đó:
K : Hệ số trọng lượng thuốc bọc (%).
G1 : Trọng lượng thuốc bọc que (g).
G : Trọng lượng lõi thép (không bao gồm đầu mút) (g).
Đối với que hàn thép cacbon là loại que hàn mà thuốc có độ dày thông thường
thì hệ số trọng lượng nằm trong khoảng 30 – 35% là hợp lý.
1.3/ Phân loại que hàn.
Hiện nay có nhiều hệ thống tiêu chuẩn phân loại que hàn như: ISO (tiêu
chuẩn quốc tế), AWS (Mỹ), BS (Anh), DIN (Đức), GOST (Nga),…và việc phân
loại có thể dựa theo đặc tính lõi que, thuốc bọc, loại dòng điện dùng để hàn, tư
thế không gian hàn, thành phần hóa học và cơ tính kim loại đắp,… dưới đây là
một số cách phân loại.
1.3.1/ Theo tính chất của thuốc bọc que hàn.
• Loại Axit (kí hiệu A);
• Loại Bazơ (B);
• Loại xenlulô (C);
• Loại Rutil (R);
• Loại Rutil axit (RA);


18
Có nhiều hệ thống ký hiệu, như ISO 2560 – 1973 (Tổ chức Tiêu chuẩn hóa
Quốc tế), DIN 193 (01/ 1976 của Đức), AWS A5.1 – 81 (Hội Hàn Mỹ), BS 639
– 1976 (Anh),… ở đây sẽ giới thiệu hệ thống kí hiệu que hàn của Việt Nam:
TCVN 3223 : 2000 kí hiệu quy ước kích thước và yêu cầu kỹ thuật của que hàn
điện theo phương pháp thử que hàn theo tiêu chuẩn TCVN 3909 : 2000.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3223 : 2000 áp dụng cho que hàn thép
cacbon thấp và thép hợp kim thấp, ký hiệu qui ước của que hàn gồm 4 nhóm chữ
và số:
- Que hàn có vỏ bọc được ký hiệu là: E;
- Sau chữ E là nhóm 2 con số biểu diễn giá trị giới hàn bền kéo tối thiểu
2

σ B min ( Kg/cm , MPa);

- Vị trí thứ 3: Cho các tính chất cơ lý, đối với mỗi lớp độ bền kéo σ B min lại
chia ra thành 6 nhóm: Với độ dai va đập (charpy [ J ] ) và độ dãn dài thử
nghiệm dưới các điều kiện đưa ra ở TCVN 3909 : 2000, được đặc trưng
bằng các chữ số: 0, 1, 2, 3, 4 hoặc 5.
- Vị trí thứ 4: Loại vỏ bọc của que hàn được ký hiệu bằng các chữ cái:
A

: Axit;

B

: Bazơ;

C


1.4.2/ Que hàn thép hợp kim thấp.
Hiện nay có thể dựa theo các hệ thống tiêu chuẩn sau:
AWS A5.5 – 1981 và BS 2493 – 1971.
1.4.3/ Que hàn thép không gỉ.
Để hàn thép Cr cao, Cr – Ni cao, thép ostenit Mn cao có thể sử dụng các hệ
thống tiêu chuẩn sau: ISO 3581 – 1976, AWS A5.4 – 1981, BS 2926 – 1970.
1.5/ Giới thiệu về que hàn thép cacbon E6013.
1.5.1. Theo tiêu chuẩn AWS A5.1 - 1981.
Loại que hàn này tương đương với loại que hàn E432 theo TCVN
3223:2000; hoặc JIS: D4303; DIN: E380RC11;
Các chỉ tiêu của que hàn E6013 theo AWS A5.1 – 1981[12] như sau
Thành phần hóa học kim loại đắp (%):
C
0,05-0,12

Si
0,15-0,45

Mn
0,25-0,65

P
≤0,030

S
≤0,025

Cơ tính mối hàn:
Độ bền kéo
KSi

H, 2G
dòng điện
V, 3G
(A)
O, 4G

Φ 2,5(mm)

Φ 3,2(mm)

Φ 4,0(mm)

300

350

400

60 – 90

100 - 140

140 - 180

60 – 80

90 - 130

140 - 170



↓

1

2

3

4


21
Theo tiêu chuẩn của hiệp hội hàn Mỹ AWS A 5.1-81 áp dụng cho que hàn
thép cacbon.
- Vị trí 1 : E - ký hiệu que hàn điện hồ quang tay, có vỏ bọc;
- Vị trí 2 : Là nhóm 2 con số (60) biểu diễn giá trị giới hạn bền kéo tối thiểu
σ B min ( KSi);

- Vị trí 3 : Có ký hiệu là 1 - ở đây là chỉ tư thế hàn, que hàn này hàn được
mọi tư thế.
- Vị trí 4 : Có ký hiệu là 3 – Que hàn hệ titan – kali, loại dòng điện hàn:
Xoay chiều hoặc một chiều.
Que hàn E6013 có loại vỏ bọc rutil cao, dùng nước thuỷ tinh chứa Kali, vỏ bọc
dày (RR), hàn được mọi tư thế, loại dòng điện AC/DC (DCEP, DCEN).


22
CHƯƠNG 2
KHẢO SÁT SƠ LƯỢC DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT QUE HÀN.

2.2/ Các bộ phận và công đoạn chính trong quá trình sản xuất que hàn.
2.2.1/ Bộ phận làm sạch.
Bề mặt dây hàn do phương pháp chế tạo hoặc bảo quản không đúng yêu
cầu thường bị ôxi hoá hoặc gỉ, do vậy cần phải làm sạch để giảm ma sát khi kéo
rút dây. Tránh ảnh hưởng xấu đến năng suất kéo và tuổi thọ khuôn kéo.
Để làm sạch bề mặt dây hàn thường dùng phương pháp làm sạch bằng cơ
học, hoá học hoặc kết hợp cả hai phương pháp này. Các phương pháp làm sạch
bề mặt thông dụng:
+ Phương pháp cơ học:

Hình 2.2. Kết cấu bộ phận bóc lớp ôxyt.


24

Hình 2.3. Kết cấu bộ phận đánh gỉ bằng bàn chaỉ sắt.
+ Phương pháp hóa học thường gồm các công đoạn sau:
Bóc vỏ — rửa axit — trung hòa — làm sạch — sấy khô.
Để đơn giản, hiệu quả trong quá trình sản xuất ta nên sử dụng phương pháp
bóc vỏ cơ học, có thể lắp đặt thêm các bộ bàn chải thép lệch nhau đáp ứng được
yêu cầu làm sạch cao hơn.
2.2.2/ Bộ phận kéo rút.
2.2.2.1. Phương pháp và kết cấu khuôn kéo rút
Do sản phẩm cán chỉ có thể giảm đường kính dây nhỏ tới φ8 hoặc φ6, muốn
giảm đường kính xuống nữa ta phải qua nguyên công kéo. Dùng phương pháp
này để kéo thanh, dây nhỏ tới (φ0,025mm). Kéo là quá trình làm tinh, có 2
phương pháp kéo chính:
+ Kéo nguội: có đặc điểm độ chính xác cao, bề mặt nhẵn bóng, song do kéo
ở trạng thái nguội nên kim loại kém dẻo hơn, yêu cầu lực kéo phải lớn và dễ bị
biến cứng nguội.