Đồ án Nghiên cứu thiết kế quy trình công nghệ hàn tự động sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép

Lời Cảm Ơn Sau hơn 3 tháng thực tập và nghiên cứu cùng với sự giúp đỡ của các thầy và mọi người đến nay tôi đã hoàn thành nội dung của đề tài tốt nghiệp. Tuy nhiên do thời gian có hạn cộng thêm sự hạn chế về hiểu biết chuyên môn nên trong quá trình làm đề tài tôi có gặp một số khó khăn. Nhưng dưới sự hướng dẫn của thầy giáo: . Đến nay tôi đã hoàn thành đề tài với nôi dung: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG TRONG CHẾ TẠO TÀU VỎTHÉP. Nhân đây tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo. Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ công nhân viên Công ty TNHH một thành viên CNTT Dung Quất, đặc biệt các anh ở Phòng đào tạo và Phòng KTCN cùng các thầy trong bộ môn đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài tốt nghiệp. Và tôi xin chân thành cảm ơn những người bạn đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn! , ngày10 tháng 11/2007 Sinh viên ĐỀ CƯƠNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ và tên : Lớp : Địa chỉ liên hệ: Điện thoại: Tên đề tài : Nghiên cứu thiết kế quy trình công nghệ hàn tự động sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép Ngành cơ khí tàu thủy Mã ngành: Cán bộ hướng dẫn: Phần I. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: công nghệ hàn tự động sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép Mục tiêu nghiên cứu: Quy trình công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép Ý nghĩa và phạm vi ứng dụng của đề tài Phần II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Chương 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tổng quan về công nghệ hàn ứng dụng trong ngành đóng tàu Ký hiệu tiêu chuẩn của một số nước về mối hàn Giới hạn nội dung nghiên cứu Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC Lý thuyết cơ bản về công nghệ hàn Khái niệm chung về hàn tự động dưới lớp thuốc Lựa chọn thiết bị hàn tự động Vật liệu hàn Hình dạng và kích thước mối hàn Xác định chế độ hàn Chuẩn bị trước khi hàn Kỹ thuật hàn Một số máy hàn tự động sử dụng trong ngành đóng tàu hiện nay 2.10. Giới thiệu quy trình đang áp dụng tại nhà máy đóng tàu Dung Quất Chương 3. THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC 3.1. Cơ sở của việc thiết kế quy trình công nghệ hàn 3.2. Cơ sở tính toán các thông số của quy trình hàn 3.3.Thiết kế quy trình công nghệ hàn 3.4. Ứng dụng của quy trình vào chế tạo một phân đoạn của tàu tại nhà máy tham gia thực tập Chương 4. THẢO LUẬN KẾT QUẢ 4.1. Thảo luận kết quả của quy trình được thiết kế 4.2. Đề xuất ý kiến DỰ KIẾN THỜI GIAN THỰC HIỆN Đi thực tế: Công ty CNTT Dung Quất Kế hoạch hoàn thành Từ ngày 30/07 đến ngày 30/08: hoàn thành nội dung đề cương Từ ngày 31/08 đến ngày 30/09: đi thực tế và hoàn thành nội chương 1, 2 ,3 Từ ngày 01/10 đến ngày 01/11: hoàn thành nội dung chương 4 Từ ngày 02/11 đến ngày 10/11: hoàn thành nội dung đề tài MỤC LỤC ( ( ( Trang LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. Tổng quan về công nghệ hàn trong đóng tàu 2 1.2. Ký hiệu tiêu chuẩn của một số nước về mối hàn 4 1.2.1. Tiêu chuẩn Anh BS.4871 4 1.2.2. Tiêu chuẩn Nhật JIS Z3201 5 1.2.3. Tiêu chuẩn Mỹ ASME, AWS D11 – 92 7 1.3. Giới hạn nội dung nghiên cứu 8 1.3.1. Lựa chọn phương pháp hàn tự động 8 1.3.2. Nội dung nghiên cứu 9 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP HÀN DƯỚI LỚP THUỐC 2.1. Lý thuyết cơ bản về công nghệ hàn 10 2.1.1. Sự tạo thành mối hàn 10 2.1.2. Tổ chức kim loại mối hàn 14 2.1.3. Đặc điểm và phân loại hàn 18 2.1.4. Ứng suất và biến dạng khi hàn 21 2.2. Khái niệm chung về hàn tự động dưới lớp thuốc 28 2.2.1. Nguyên lý hàn tự động dưới lớp thuốc 28 2.2.2. Đặc điểm của quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc 29 2.3. Lựa chọn thiết bị hàn tự động 31 2.3.1. Bộ thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc 31 2.3.2. Trang thiết bị phụ trợ 32 2.4. Vật liệu hàn 32 2.4.1. Nguyên tắc chọn vật liệu hàn hồ quang dưới lớp thuốc 32 2.4.2. Ảnh hưởng của thuốc hàn đến thành phần hóa học của kim loại mối hàn 33 2.4.3. Thuốc hàn 33 2.4.4. Dây hàn 37 2.5. Hình dạng và kích thước mối hàn 38 2.5.1. Ảnh hưởng của chế độ hàn 38 2.5.2. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ 42 2.5.3. Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu 44 2.6. Xác định chế độ hàn 44 2.6.1. Trường hợp hàn giáp mối không có rãnh hàn (hàn từ 2 phía, mỗi phía hàn một lượt): 44 2.6.2. Trường hợp hàn giáp mối có rãnh hàn (hàn từ 2 phía, mỗi phía hàn một lượt): 46 2.6.3. Trường hợp hàn giáp mối nhiều lớp, hàn từ 2 phía 47 2.7. Chuẩn bị trước khi hàn 47 2.8. Kỹ thuật hàn 49 2.8.1. Kỹ thuật bắt đầu gây và kết thúc hồ quang 49 2.8.2. Kỹ thuật hàn tự động tấm phẳng 51 2.8.3. Hàn góc 52 2.8.4. Các khuyết tật mối hàn 52 2.9. Một số máy hàn tự động sử dụng trong ngành đóng tàu hiện nay 55 2.10. Giới thiệu quy trình hàn đang áp dụng tại nhà máy đóng tàu Dung Quất 57 Chương 3: THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC 3.1. Cơ sở của việc thiết kế quy trình công nghệ hàn 58 3.2. Cơ sở tính toán các thông số của quy trình hàn 58 3.2.1. Kim loại hàn 58 3.2.2. Tính toán chế độ hàn 59 3.2.3. Dây hàn và thuốc hàn 63 3.3. Thiết kế quy trình công nghệ hàn 66 3.3.1. Xác định chi tiết hàn 66 3.3.2. Vật liệu quy cách của quá trình kiểm tra cơ tính 66 3.3.3. Chuẩn bị trước khi hàn 66 3.3.4. Tiến hành lập quy trình công nghệ hàn 68 3.3.5. Nội dung chi tiết của quy trình 70 3.4. Ứng dụng quy trình và chế tạo một phân đoạn của tàu đang đóng tại nhà máy tham gia thực 72 3.4.1. Giới thiệu chung về tàu đang đóng 72 3.4.2. Lựa chọn phân đoạn chế tạo 72 3.4.3. Công tác chuẩn bị 73 3.4.4. Quá trình hàn 73 Chương 4: THẢO LUẬN KẾT QUẢ 4.1. Thảo luận kết quả của quy trình hàn 78 4.2. Đề xuất ý kiến 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 LỜI NÓI ĐẦU Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi trên nước, nó có thể nổi và di chuyển được trên nước, có kết cấu phức tạp và hoạt động trong môi trường vô cùng khắc nghiệt, chịu sự tác động của nhiều yếu tố như sóng, gió… Do yêu cầu quan trọng là sao cho ngày càng hạn chế các vụ đắm tàu, đảm bảo an toàn cho người đi tàu, an toàn hàng hóa chuyển chở. Thiết nghĩ cần có nhiều giải pháp mới hiệu quả thiết thực để giải quyết vấn đề này. Ngoài việc thiết kế tàu để đảm bảo thông số hình dáng và tính năng ra thì việc thực hiện lắp ghép các phân, tổng đoạn để đảm bảo độ kín khít, đọ bền chung của con tàu cũng là vấn đề vô cùng quan trọng. Với mong muốn tìm hiểu và có thể đưa ra một quy trình hàn mà có thể góp phần giải quyết được yêu cầu của thực tế mang lại cho sự hoạt động tốt của con tàu. Được sự cho phép của nhà trường và bộ môn tôi đã đi thực hiện đề tài với nội dung :”Nghiên cứu thiết kế quy trình công nghệ hàn tự động sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép”. Đề tài thực hiện gồm các nội dung như sau: 1 : Đặt vấn đề. 2: Cơ sở lý thuyết của phương pháp hàn tự động. 3: Thiết kế quy trình công nghệ hàn tự động. 4: Thảo luận kết quả. Do thời gian tìm hiểu có hạn, cùng với kiến thức và kinh nghiệm còn rất nhiều hạn chế, chắc chắn đề tài còn rất nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự thông cảm và góp ý của các thầy và các bạn! Nha Trang , ngày 10 tháng 11 năm 2007. Sinh viên thực hiện CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN TRONG ĐÓNG TÀU Năm 1802, viện sĩ V.V Petrốt phát hiện ra hồ quang điện. Sau đó đến năm 1810, nhà vật lý người Anh là Đêvi đã tiếp tục nghiên cứu về hồ quang và chứng minh khả năng dùng hồ quang điện làm nóng chảy kim loại. Đến năm 1882. N.N Bennađôxơ đã sử dụng hồ quang điện làm nóng chảy kim loại và sử dụng hàn hồ quang bằng cực than. Tiếp sau đó, N.G Slavianốp lại sử dụng hồ quang để hàn bằng que hàn thép và biết bảo vệ vùng hàn chống lại các khí có hại: nitơ, ôxy. Năm 1907, Kenbbécgơ (Thụy Điển) đã tìm ra phương pháp ổn định hồ quang và bảo vệ vũng hàn bằng cách bọc que hàn bằng lớp thuốc bọc. Trong một phần tư đầu thế kỷ XX, Liên Xô đã chế tạo nồi hơi bằng phương pháp hàn, sau đó đến chế tạo tàu thủy và các kết cấu khác. Nhưng trong thời kỳ này, hàn hồ quang tay là chủ yếu. Hàn hồ quang tay phát triển, người ta đã chế tạo que hàn bằng nhiều loại thép và hợp kim có tính chất khác nhau để hàn các kết cấu kim loại và hợp kim khác nhau. Năm 1928, Alecxanđerơ (Mỹ) tìm ra phương pháp hàn hồ quang trong khí bảo vệ. Năm 1929, người ta đã tìm ra phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc trong điều kiện thí nghiệm với thuốc hàn sử dụng là hỗn hợp của than gỗ, tinh bột, mùn cưa và bồ hóng. Hàn tự động ra đời đã tăng được công suất hồ quang, bảo vệ được vùng hàn tốt, do vậy nâng cao được chất lượng mối hàn và tăng năng suất của quá trình hàn, đồng thời cải thiện được điều kiện làm việc cho người thợ hàn. Nhờ vậy mà hàn tự động phát triển một cách nhanh chóng cả về công nghệ và thiết bị. Sau chiến tranh Thế giới thứ hai, cùng với hàn tự động dưới lớp thuốc, phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ (MIG: Metal Inert Gas; MAG: Metal Active Gas) cũng phát triển và nó được sử dụng để hàn một số kim loại có tính hàn kém. Năm 1949 đã ra đời phương pháp hàn nóng chảy đặc biệt – hàn điện xỉ. Hàn điện xỉ ra đời có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong công nghệ chế tạo nồi hơi, thiết bị cán, trục tuốc bin thủy lực cỡ lớn và các sản phẩm cỡ lớn khác. Sau đó hàng loạt các phương pháp hàn khác ra đời: hàn bằng tia laser, hàn bằng siêu âm,… Giải quyết khó khăn của việc lắp ghép các phân đoạn, kết cấu lại với nhau cũng là một vấn đề quan trọng mà chúng ta đã cố gắng tìm cách sao cho công nghệ lắp ghép là hiện đại, chính xác và hiệu quả nhất để trong quá trình sử dụng an toàn cho con tàu và cho con người. Đến nay chúng ta có thể khẳng định rằng công nghệ hàn đã thay thế cho các phương pháp lắp ghép khác mà một thời gian dài đã kìm hãm sự phát triển của ngành công nghiệp đóng tàu với lý do không đảm bảo độ kín, độ bền kết cấu theo yêu cầu hàng hải. Theo nhu cầu phát triển kinh tế ngày càng có nhiều nhà máy đóng tàu cùng với nhiều mẫu tàu với tải trọng lớn được thiết kế và đóng mới, việc đóng và sửa chữa có nhiều yêu cầu về công nghệ hàn. Vì trên suốt chiều dài con tàu thì hàn kim loại được sử dụng là chủ yếu của quá trình lắp ghép. Trải qua một thời gian dài kiểm chứng bằng việc sử dụng tàu trong thực tế thì công nghệ hàn dần như đã khẳng định được vị trí quan trọng của mình trong ngành công nghiệp đóng tàu. Đáp ứng đầy đủ các yêu cầu mà tổ chức an toàn hàng hải đặt ra, có thể hàn ở mọi vị trí cũng như các tư thế mà hầu như chỉ có đặc thù của ngành đóng tàu mới có. Theo số liệu thống kê nếu cùng kết cấu mà dùng các phương pháp ghép nối khác nhau thì hàn có thể tiết kiệm từ 10-20% khối lượng kim loại. Đặc biệt có thể hàn các kim loại khác nhau mà đảm bảo mối hàn kín khít, có độ bền cao, giảm được nguyên công lao động. Chúng ta không phủ nhận hoàn toàn sự cần thiết của các phương pháp lắp ghép khác. Nhưng chúng ta có thể khẳng định công nghệ hàn đã và đang được sử dụng rộng rãi trong tất cả các nhà máy đóng và sửa chữa tàu thủy trên toàn thế giới cũng như ở đất nước chúng ta hiện nay. Có hai phương pháp hàn chính là hàn nóng chảy và hàn áp lực. Trong ngành công nghiệp đóng tàu chỉ sử dụng phương pháp hàn áp lực Một số loại công nghệ hàn được sử dụng phổ biến trong ngành đóng tàu: 1. Hàn hồ quang tay; 2. Hàn khí; 3. Hàn hồ quang bán tự động trong môi trường khí bảo vệ (MIG: Metal Inert Gas; MAG: Metal Active Gas); 4. Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc; 5. Hàn hồ quang bán tự động dưới lớp thuốc. Các nguyên công trong quy trình công nghệ đóng tàu: 1. Chuẩn bị sản xuất; 6. Lắp ráp; 2. Phóng dạng; 7. Hàn; 3. Khai triển; 8. Lắp ráp trên đà, ụ; 4. Gia công chi tiết; 9. Sơn; 5. Hạ liệu, lấy dấu; 10. Hạ thủy. Trong các nguyên công trên thì hàn là nguyên công cực kỳ quan trọng trong quy trình công nghệ sử dụng trong đóng tàu, nó chiếm phần lớn khối lượng công việc và thời gian của toàn bộ quy trình công nghệ. 1.2 KÝ HIỆU TIÊU CHUẨN CỦA MỘT SỐ NƯỚC VỀ MỐI HÀN 1.2.1 Tiêu chuẩn Anh BS.4871 Theo tiêu chuẩn này, các tư thế hàn cơ bản khi hàn hồ quang được ký hiệu như sau: Hàn sấp: D Hàn ngang: X Hàn đứng từ dưới lên: Vu Hàn đứng từ trên xuống: Vd Hàn trần: O Các tư thế hàn khác cũng được quy định như sau: Mối hàn (1G, 1F) cho tư thế hàn D Mối hàn (2G, 2F) cho tư thế hàn X Mối hàn (4G, 3F) cho tư thế hàn O Mối hàn (3G, 3F) cho tư thế hàn Vu và Vd 1.2.2 Tiêu chuẩn Nhật JIS Z3201 Các ký hiệu mối hàn trên bản vẽ được biểu thị trên bảng 1-1. Bảng 1-1. Ký hiệu mối hàn trên bản vẽ theo tiêu chuẩn Nhật JIS Z3201 No  Kiểu mối hàn  Kiểu mối hàn   1 

  2 

  3 

  4 

  5 

  6 

  7 

  8 

  9 

  10 

  1.2.3 Tiêu chuẩn Mỹ ASME, AWS D11 – 92 Vị trí hàn được minh họa trên hình 1-1. Vị trí hàn được nhận biết trong dấu ngoặc. 1.3. GIỚI HẠN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.3.1 Lựa chọn phương pháp hàn tự động Phương pháp hàn tự động tuy chưa được sử dụng phổ biến trong cuộc sống như hàn hồ quang que tay, hàn TiG.. . Nhưng trong ngành công nghiệp đóng tàu thì nay đã được sử dụng khá phổ biến song song sự có mặt của các loại hàn khác. Có thể nói phương pháp hàn tự động là chìa khoá kết nối công nghệ cho quá trình sản xuất, khẳng định vị thế của công nghệ hàn đặc biệt là trong lĩnh vực đóng và sửa chữa tàu thủy. Đóng tàu là ngành công nghiệp nặng, do tàu làm việc trong điều kiện rất khắc nghiệt nhất đối với các nhà máy sửa chữa tàu nên đòi hỏi người công nhân làm việc rất tập trung và đòi hỏi thao tác độ chính xác cao, thì giờ đây với phương pháp hàn này, có thể nói nó đã giải phóng gần như hoàn toàn các thao tác trong quá trình hàn cho người công nhân, cải thiện đáng kể điều kiện làm việc của người thợ hàn, chất lượng hàn cao và nó là điểm nhấn trong sự phát triển của công nghệ hàn. Chính vì vậy nên phương pháp hàn tự động đã nâng cao được năng suất lao động trong sản xuất. Mối hàn trong ngành đóng tàu cần phải đảm bảo đầy đủ các yêu cầu của tổ chức hàng hải. Với phương pháp hàn tự động thì dòng kim loại nóng chảy giờ đây không còn bị ảnh hưởng của các khí như: O2 hay N2 vì bể hàn được bảo vệ bởi thuốc hàn. Ngoài ra phương pháp hàn tự động được sử dụng rộng rãi hiện nay là vì. Nhiệt lượng của hồ quang rất tập trung và nhiệt độ rất cao, do vậy khi hàn dưới lớp thuốc cho phép hàn với dòng điện lớn và tốc độ nhanh. Hàn dưới lớp thuốc cho chất lượng mối hàn cao, mối hàn đều, đẹp. Giảm tiêu hao kim loại và điện năng. Dễ cơ khí hóa và tự động hóa. Điều kiện lao động tốt. Hiện nay ở nước ta, phương pháp hàn tự động chỉ thực hiện các mối hàn ở tư thế 1G và 1F, nhưng có thể nói trong tương lai gần phương pháp hàn này sẽ thực hiện được mối hàn ở tất cả các tư thế. Trong ngành công nghiệp đóng tàu hiện nay, khối lượng các đường hàn tự động dưới lớp thuốc chiếm khoảng 10%, hàn CO2 khoảng 40%, còn lại là hàn hồ quang tay nhưng trong một vài năm tới tỷ lệ này sẽ là: hàn tự động dưới lớp thuốc chiếm khoảng 30%, hàn CO2 là 50 ÷ 60%, khi đó hàn hồ quang tay chỉ còn 10% ÷ 20%. Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc mở ra sự phát triển mới cho ngành công nghiệp đóng tàu nước ta đem lại năng suất lao động cao và hiệu quả sản xuất lớn. Vì vậy mà hàn tự động dưới lớp thuốc đang là sự lựa chọn hàng đầu của một số nhà máy đóng tàu có quy mô lớn và hiện đại ở Việt Nam. 1.3.2 Nội dung nghiên cứu Sự có mặt của công nghệ hàn, trong các ngành công nghiệp nó như điểm đánh dấu cho sự phát triển của ngành công nghiệp hoá, hiện đại hoá của đất nước. Đối với ngành công nghiệp đóng tàu nó cũng có đặc thù riêng. Trên suốt chiều dài tàu ta luôn gặp các chi tiết kết cấu được liên kết với nhau bằng công nghệ hàn. Từ hàn bằng, hàn trần hay hàn đứng ..mà ít khi chúng ta có thể gặp được một ngành công nghiệp nào mà có đầy đủ các tư thế hàn đa dạng và phức tạp như vậy. Chính điều này tạo ra các khó khăn cho công việc lắp ghép và đặc biệt là việc thực hiện công nghệ hàn. Với thời gian cho phép thì nội dung nghiên cứu của đề tài là: tìm hiểu, ghiên cứu công nghệ hàn tự động và thiết kế một quy trình công nghệ hàn tự động sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép. Nội dung của đề tài gồm các vấn đề sau: Đặt vấn đề Cơ sở lý thuyết của phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc Thiết kế quy trình công nghệ hàn tự động Thảo luận kết quả. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC 2.1 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN 2.1.1 Sự tạo thành mối hàn 1) Khái niệm về mối nối hàn, mối hàn Mối nối được thực hiện bằng hàn gọi là mối nối hàn. Mối nối hàn là mối nối liền không tháo rời được. Vị trí nối các chi tiết gọi là mối hàn Trong hàn nóng chảy mối nối hàn gồm:
Hình 2-1. Mối nối hàn Mối hàn) Mối hàn gồm: kim loại cơ bản và kim loại điện cực (que hàn) sau khi nóng chảy kết tinh tạo thành. b) Vùng tiệm cận mối hàn) Vùng kim loại cơ bản được nung nóng từ nhiệt độ 100oC đến nhiệt độ gần nhiệt độ nóng chảy. c) Kim loại cơ bản Vùng kim loại không bị tác dụng của nhiệt trong qua trình hàn. 2) Sự tạo thành bể hàn Khi hàn nóng chảy, dưới tác dụng của nguồn nhiệt làm cạnh hàn và kim loại phụ nóng chảy tạo nên bể kim loại lỏng. Bể kim loại đó gọi là bể hàn hay vũng hàn. Trong qua trình hàn, nguồn nhiệt dịch chuyển theo kẻ hàn, đồng thời bể hàn cũng dịch chuyển theo. Bể hàn được chia làm hai phần: phần đầu và phần đuôi.
Hình 2-2. Bể hàn Phần dầu bể hàn Ở phần này xảy ra quá trình nóng chảy của kim loại cơ bản và kim loại điện cực. Theo sự dịch chuyển của nguồn nhiệt, tất cả các kim loại ở phía trước bị nóng chảy. b) Phần đuôi bể hàn Ở phần này xảy ra quá trình kết tinh của kim loại lỏng bể hàn để tạo nên mối hàn. Trong quá trình hàn, kim loại lỏng trong bể hàn luôn chuyển động và xáo trộn không ngừng. Sự chuyển động của kim loại lỏng trong bể hàn là do tác dụng của áp lực dòng khí lên bề mặt kim loại lỏng và do tác dụng của lực điện từ, làm cho kim loại lỏng trong bể hàn bị đẩy về phía ngược với hướng chuyển dịch của nguồn nhiệt và tạo nên chỗ lõm trong bể hàn. Hình dạng và kích thước của bể hàn phụ thuộc vào: Công suất của nguồn nhiệt. Chế độ hàn. Tính chất lý nhiệt của kim loại vật hàn. Hình dạng của bể hàn được đặc trưng bởi các đại lượng:
Hình 2-3. Hình dạng và kích thước của bể hàn b- Chiều rộng bể hàn h- Chiều sâu nóng chảy l- Chiều dài bể hàn Tỷ số giữa chiều rộng và chiều dài bể hàn gọi là hệ số hình dạng của bể hàn: ( = b/l Hệ số hình dạng của bể hàn có ảnh hưởng lớn đến quá trình kết tinh, do đó ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Nếu b/l lớn (bể hàn rộng) thì điều kiện kết tinh tốt, sau khi kết tinh nhận được mối hàn có chất lượng cao. Ngược lai, nếu b/L nhỏ thì sau khi kết tinh có thể gây ra nứt ở trục mối hàn. 3) Sự dịch chuyển của kim loại lỏng từ điện cực vào bể hàn Sự dịch chuyển của kim loại lỏng từ điện cực và bể hàn không những ảnh hưởng đến sự tạo thành mối hàn, mà còn ảnh hưởng đến thành phần và chất lượng mối hàn. Khi hàn hồ quang tay, dù hàn bằng phương pháp nào và hàn ở bất kỳ vị trí nào thì kim loại lỏng cũng đều chuyển dịch từ que hàn vào bể hàn dưới dạng những giọt kim loại có kích thước khác nhau. Sự chuyển dịch của kim loại lỏng từ que hàn vào bể hàn là do các yếu tố sau: a) Trọng lực của giọt kim loại lỏng Những giọt kim loại được hình thành ở mặt đầu que hàn, dưới tác dụng của trọng lực sẽ dịch chuyển từ trên xuống dưới theo phương thẳng đứng vào bể hàn. Lực trọng trường chỉ có tác dụng làm chuyển dịch các giọt kim loại lỏng vào bể hàn khi ở vị trí sấp, còn khi hàn ngửa yếu tố này hoàn toàn không thuận lợi. b) Sức căng bề mặt Sức căng bề mặt sinh ra do tác dụng của lực phân tử. Lực phân tử luôn có khuynh hướng tạo cho bề mặt kim loại lỏng có một năng lượng nhỏ nhất, tức là làm cho bề mặt kim loại lỏng thu nhỏ lại. Muốn vậy thì những giọt kim loại lỏng phải có dạng hình cầu. Những giọt kim loại lỏng hình cầu chỉ mất đi khi chúng rơi vào bể hàn và bị sức căng bề mặt của bể hàn kéo vào thành dạng chung của nó. c) Lực từ trường Dòng điện khi đi qua điện cực sẽ sinh ra một từ trường. Lực của từ trường này ép lên que hàn làm cho ranh giới giữa phần rắn và phần lỏng của que hàn bị thắt lại.
Hình 2- 4. Tác dụng của lực từ trường ép lên que hàn Do bị thắt lại nên diện tích tiết diện ngang tại chỗ đó giảm, làm mật độ và cường độ của lực từ trường mạnh lên. Mặt khác, tại chỗ thắt do có điện trở cao nên nhiệt sinh ra lớn, làm kim loại nhanh chóng đạt đến trạng thái sôi và tạo ra áp lực lớn đẩy các giọt kim loại lỏng vào bể hàn. Lực từ trường có khả năng làm chuyển dịch các giọt kim loại lỏng từ đầu que hàn vào bể hàn ở mọi vị trí. Áp lực khí Khi hàn, kim loại lỏng ở đầu que hàn bị quá nhiệt mạnh và sinh ra khí. Ở nhiệt độ cao, thể tích của khí tăng và tạo ra áp lực lớn đủ để đẩy các giọt kim loại lỏng tách khỏi đầu que hàn để đi vào bể hàn. 2.1.2 Tổ chức kim loại của mối hàn Sau khi hàn, kim loại lỏng trong bể hàn kết tinh để tạo thành mối hàn. Vùng kim loại xung quanh mối hàn do bị ảnh hưởng của nhiệt nên có sự thay đổi về tổ chức và tính chất. Vùng đó gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt. Nghiên cứu tổ chức mối hàn của thép cácbon thấp thấy chúng có các phần riêng với tổ chức khác nhau. 1) Vùng mối hàn Trong vùng mối hàn kim loại nóng chảy hoàn toàn, khi kết tinh có tổ chức tương tự như tổ chức thỏi đúc. Thành phần và tổ chức kim loại mối hàn khác với kim loại cơ bản và kim loại điện cực.
Hình 2-5. Tổ chức kim loại của mối hàn Vùng ngoài cùng Ở vùng này do tản nhiệt nhanh nên kim loại lỏng trong vũng hàn kết tinh với tốc độ nguội lớn. Do vậy, sau kết tinh nhận được tổ chức kim loại với những hạt tinh thể nhỏ mịn. Vùng trung gian Kim loại lỏng ở vùng trung gian không thể kết tinh với tốc độ nguội lớn như vùng ngoài cùng. Các tinh thể kết tinh theo phương tản nhiệt nhưng có chiều ngược lại. Do tốc độ nguội tương đối chậm nên sau khi kết tinh nhận được các hạt tinh thể dài có trục vuông góc với mặt tản nhiệt.. Vùng trung tâm Kim loại lỏng ở vùng trung tâm kết tih với tốc độ nguội chậm và trong vùng này kim loại lỏng có nhiệt độ hầu như giống nhau, do vậy chúng kết tinh gần như đồng thời và hướng tỏa nhiệt theo các phương đều như nhau. Sau khi kết tinh nhận được các tổ chức kim loại gồm cac hạt đều trục. Trong vùng trung tâm có thể có các tạp chất phi kim loại – xỉ.. Tùy thuộc vào tốc độ nguội mà trong tổ chức của kim loại mối hàn có thể có hoặc không có vùng trung gian hoặc vùng trung tâm. - Nếu tốc độ nguội lớn thì các tinh thể hạt dài có thể phát triển sâu vào trung tâm bể hàn, khi đó kim loại mối hàn chỉ có 2 vùng: vùng ngoài cùng với các hạt nhỏ mịn và vùng trung gian với các hạt tinh thể dài. - Nếu tốc độ nguội rất chậm thì vùng tinh thể hạt dài (vùng trung gian) có thể không có. 2) Vùng ảnh hưởng nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước của khu vực ảnh hưởng nhiệt a) Vùng ảnh hưởng nhiệt Khi hàn nóng chảy, việc tạo thành vùng ảnh hưởng nhiệt luôn xảy ra. Kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt phụ thuộc vào: Phương pháp và chế độ hàn. Thành phần và chiều dày của kim loại vật hàn. Tổ chức kim loại của khu vực ảnh hưởng nhiệt
Hình 2-6. Tổ chức kim loại của khu vực ảnh hưởng nhiệt Vùng viền chảy Trong vùng này kim loại cơ bản bị nung nóng đến nhiệt gần nhiệt độ nóng chảy (kim loại ở trạnh thái R-L). Thực chất ở đây quá trình hàn đã xảy ra. Chiều rộng của vùng viền chảy tương đối nhỏ khoảng (0,1(0,5) mm. Vùng quá nhiệt Vùng kim loại cơ bản bị nung nóng từ nhiệt độ khoảng 1100oC đến gần nhiệt độ nóng chảy. Trong vùng này kim loại có thể chuyển biến tổ chức, đồng thời do bị quá nhiệt nên hạt autennit phát triển rất mạnh, vì vậy sau khi nguội nhận được các hạt tinh thể lớn có độ dẻo, độ dai thấp. Chiều rộng của vùng quá nhiệt có thể đạt (3 ÷ 4) mm. Vùng thường hóa Vùng kim loại cơ bản bị nung nóng đến nhiệt độ khoảng (900 ÷ 1100)oC. Ở nhiệt độ này kim loại có tổ chức hoàn toàn là autennit, sau khi nguội nhận được tổ chức P + F hạt nhỏ có cơ tính cao. Chiều rộng của vùng thường hóa khoảng 0,25 mm. Vùng kết tinh lại không hoàn toàn Vùng kim loại bị nung nóng đến nhiệt độ khoảng (727 ÷ 900)oC. Trong khoảng nhiệt độ này tổ chức của kim loại là autennit + ferit. Sau khi nguội nhận được tổ chức peclic và ferit hạt lớn. Tổ chức này có cơ tính tương đối thấp. Chiều rộng của vùng kết tinh lại khoảng (0,1 ÷ 5) mm. Vùng kết tinh lại Vùng kim loại bị nung nóng đến nhiệt độ (500 ÷ 700)oC. Trong vùng này xảy ra quá trình sáp nhập của các hạt tinh thể nhỏ lại với nhau để tạo ra các hạt tinh thể mới. Quá trình này chỉ xảy ra với những kim loại và hợp kim có biến dạng dẻo, còn những kim loại và hợp kim không có biến dạng dẻo thì không xảy ra quá trình này. Kim loại ở vùng kết tinh lại có độ cứng thấp, độ dẻo cao. Chiều rộng của vùng kết tinh lại khoảng (0,1 ÷ 5) mm.