Luận án Nghiên cứu và tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình - Phạm Thanh Lưu

. Các chỉ tiêu cơ tính của kim loại mối hàn đối với mác thuốc hàn theo AWS A5.17-80 [1, 2] như bảng dưới đây: Bảng 2.4 Các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn với cặp thuốc hàn – dây hàn theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 Thuốc hàn và dây hàn theo AWS A5.17-80 Độ bền kéo σk Độ bền chảy σc tối thiểu Độ giãn dài tương đối δ, (%) Độ dai va đập Ak tối thiểu theo Charpy V, J ở nhiệt độ (oC) ksi MPa ksi MPa F7A4-EM12K 70-95 480-660 58 400 22 27 (-40 oC) Các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn được kiểm tra theo tiêu chuẩn ANSI/AWS B4.0, Standard Methods for Mechanical Testing of Welds. - Đảm bảo thành phần hóa học cần thiết cho kim loại mối hàn: gồm hàm lượng các nguyên tố C, Mn, Si, S, P. 49 Các chỉ tiêu thành phần hóa học của kim loại mối hàn đối với mác thuốc hàn theo AWS A5.17-80 như bảng dưới đây: Bảng 2.5 Các chỉ tiêu thành phần hóa học kim loại mối hàn với các cặp thuốc hàn – dây hàn nghiên cứu theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 Thuốc hàn và dây hàn theo AWS A5.17-80 Thành phần hóa học của kim loại mối hàn, % C Si Mn P S Kim loại cơ bản Chiều dày (mm) F7A4-EM12K 0.07 0.35 1.40 0.012 0.010 SM 400 25 Ghi chú: SM 400 – thép cacbon kết cấu hàn theo JIS G3106 -1999 tương đương ASTM A573. Chỉ tiêu thành phần hóa học kim loại mối hàn được kiểm tra theo tiêu chuẩn ANSI/AWS B4.0, Standard Methods for Mechanical Testing of Welds. - Đảm bảo hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn và VAHN theo yêu cầu. Tùy thuộc yêu cầu đối với các cặp thuốc hàn – dây hàn cụ thể, hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào các chỉ tiêu về cơ tính, mà chủ yếu là chỉ tiêu về độ dai va đập và độ giãn dài tương đối của kim loại mối hàn mà lựa chọn hàm lượng hiđrô thích hợp với mức độ yêu cầu (rất thấp, thấp, trung bình,) theo tiêu chuẩn. Trong trường hợp này nguyên tắc tối ưu là vừa đảm bảo tính kỹ thuật và tính kinh tế: Y = %H ≤ HX (2.6) - Đảm bảo đặc tính công nghệ hàn theo yêu cầu: chiều dài hồ quang tới hạn. - Giá thành sản phẩm hạ. 2.2.3 Nghiên cứu tính công nghệ hàn a) Sơ đồ nghiên cứu Hình 2.6 Sơ đồ nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần mẻ liệu đến tính công nghệ hàn Chiều dài hồ quang tới hạn 1. Thuốc hàn 2. Dây hàn (EM12K) Hàm mục tiêu 1. Thành phần mẻ liệu thuốc hàn (CaO, MgO, Al2O3, CaF2, TiO2,) 2. Dây hàn (EM12K) Các chỉ tiêu đặc tính công nghệ hàn của thuốc hàn 50 b) Chỉ tiêu đặc tính công nghệ hàn Trong số nhiều chỉ tiêu cơ bản ở sơ đồ nghiên cứu tổng quát, nội dung chung rất lớn. Do vậy, nhiệm vụ nghiên cứu sẽ được thực hiện theo các giai đoạn (bước) cụ thể, giới hạn những nội dung nghiên cứu nhất định. Sau đó có kết quả sẽ chuyển qua các giai đoạn tiếp theo. Nội dung nghiên cứu bước 1 có tính cơ sở và nền tảng là nghiên cứu ảnh hưởng của các chất tạo xỉ hàn (MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) đến các chỉ tiêu đặc tính công nghệ hàn của thuốc như: chiều dài hồ quang tới hạn và xác định được hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn khi hàn tự động với dây hàn nhất định và đường kính dây hàn có kích thước thông dụng. Để đạt được các mục tiêu này, trên cơ sở lựa chọn các chất chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn, với nền tạo xỉ đã được lựa chọn ở trên đáp ứng các tiêu chí về tính công nghệ hàn. Nội dung của bước này sẽ thực hiên các nhiệm vụ dưới đây: - Nghiên cứu ảnh hưởng của các nhóm chất tạo xỉ chủ yếu đến tính công nghệ hàn của thuốc hàn. - Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các chất tạo xỉ (MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) đến chiều dài hồ quang tới hạn. - Xác định hàm lượng các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần mẻ liệu đảm bảo tính công nghệ hàn khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết với chỉ số hệ bazơ yêu cầu theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80.  Lựa chọn hàm mục tiêu và các biến đầu vào: Trong nội dung nghiên cứu này tác giả chủ yếu nghiên cứu ảnh hưởng của các chất trong nhóm tạo xỉ đến đặc tính công nghệ của thuốc hàn là chiều dài hồ quang tới hạn: yi = f (xi) (2.7) Cụ thể: (Lhq) = f(MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) Chọn chiều dày vật hàn điển hình, đường kính dây hàn và tầm với điện cực, góc nghiêng điện cực, giữ cố định. Trong đó: Lhq – Chiều dài hồ quang tới hạn; (MgO, Al2O3, CaF2, TiO2) – Các chất tạo xỉ chủ yếu trong thành phần mẻ liệu thuốc hàn. c) Ảnh hưởng của các nhóm chất chủ yếu đến tính công nghệ hàn  Các chỉ tiêu công nghệ hàn Các đặc tính công nghệ của thuốc hàn gồm những chỉ tiêu chính như sau: 51 - Tính ổn định hồ quang hàn. - Tạo dáng mối hàn và hình thành mối hàn gồm: chiều rộng mối hàn; chiều cao mối hàn; chiều sâu ngấu; hệ số hình dạng mối hàn. - Hệ số hình dạng mối hàn và tính bong xỉ.  Ảnh hưởng của nhóm chất đến độ ổn định hồ quang hàn Những nhóm chất ảnh hưởng đến độ ổn định hồ quang hàn là những chất chứa nguyên tố có điện thế ion hóa thấp, giúp cho việc gây hồ quang được dễ dàng và duy trì hồ quang cháy ổn định, điều này giúp cho việc hình thành mối hàn đẹp. Đó là những hợp chất chứa các nguyên tố thuộc các nhóm sau đây: - Kim loại kiềm: K2O, Na2O từ nước thủy tinh kali (potas K2SiO3), nước thủy tinh natri (Soda Na2SiO3). - Kim loại kiềm thổ: CaO, MgO,từ các chất CaCO3, MgCO3, trừ CaF2 (chất làm giảm tính ổn định hồ quang). Ngoài ra còn có thể bổ sung các chất như: fenspat (trường thạch), bột mica là những hợp chất chứa K+, Na+. Sự ổn định của hồ quang hàn thường được đánh giá thông qua chiều dài hồ quang đứt lđ của hồ quang (hay còn gọi là chiều dài hồ quang tới hạn). Đặc trưng ảnh hưởng của một số hợp chất phổ biến đến sự ổn định của hồ quang hàn được thể hiện trên hình dưới đây khi nghiên cứu hệ xỉ mangan cao [1, 14, 15]. Hình 2.7 Ảnh hưởng của một số hợp chất đến tính ổn định của hồ quang  Ảnh hưởng của nhóm chất tạo xỉ đến sự hình thành mối hàn Vai trò nhóm chất tạo xỉ là quan trọng nhất, thuốc hàn nóng chảy sẽ hình thành lớp xỉ, vòm xỉ bảo vệ vùng hồ quang và vũng hàn. Nhóm các chất tạo xỉ hàn gồm: - Các ôxit: SiO2, MnO, CaO, MgO, FeO, Fe2O3, Fe3O4, Al2O3, TiO2,... từ quặng mangan (Mn2O, MnO), cát thạch anh (SiO2 ), rutil (TiO2), ilmenit (TiO2, SiO2, Fe2O3), cao lanh (Al2O3, SiO2), bôxit, bột tan, hêmatit (ôxyt sắt màu đỏ sẫm Fe2O3), magnetit (Fe3O4), trường thạch, ... 52 - Các muối halogen: CaF2 (huỳnh thạch), KF, ... - Các phức chất khác: Na2SiF6, Na3AlF6 (criolit), ... Các tính chất lý nhiệt của xỉ hàn có ảnh hưởng quan trọng đến sự hình thành mối hàn, tạo dáng mối hàn, chức năng bảo vệ và tính bong xỉ. Cụ thể chúng phụ thuộc theo thứ tự sau: + Tỷ trọng của xỉ hàn ở trạng thái nóng chảy (giai đoạn kết tinh). + Độ nhớt của xỉ hàn. + Sức căng bề mặt của xỉ hàn. + Góc thấm ướt của xỉ hàn,... Như vậy, hình dáng và các kích thước mối hàn phụ thuộc nhiều vào các tính chất vật lý của xỉ hàn. Việc xác định ảnh hưởng riêng rẽ của từng tính chất trên rất phức tạp và có thể nói còn phức tạp hơn xác định mức độ ảnh hưởng của các chất tạo xỉ trong thuốc hàn đến các tính chất vật lý nêu trên. Do vậy, cách đơn giản và trực tiếp nhất là nghiên cứu ảnh hưởng của các chất tạo xỉ đến hình dạng và kích thước mối hàn.  Ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt mối hàn và tính bong xỉ hàn Tạo xỉ dễ nổi lên bề mặt vũng hàn và phủ đều lên bề mặt mối hàn có mục đích nhằm bảo vệ và giúp mối hàn nguội chậm, xỉ hàn dễ tách khỏi mối hàn. d) Lựa chọn nền tạo xỉ và tính toán thành phần sơ bộ  Lựa chọn nền tạo xỉ hàn Các loại hệ xỉ hàn theo [1, 14, 15, 39, 40, 41] phổ biến như sau: - MnO – SiO2 – CaO – (MgO): Nền tạo xỉ này chứa nhiều MnO, là loại chất cần hạn chế sử dụng vì ảnh hưởng đến môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe của người lao động. - MnO – SiO2 – FeO: Nền tạo xỉ này sẽ làm giảm chất lượng kim loại mối hàn, do % O2 còn lại trong kim loại mối hàn (dạng hòa tan FeO) lớn. - CaO – CaF2 – TiO2: Nền tạo xỉ này thích hợp cho hàn thép không gỉ, các thép cacbon kết cấu độ bền cao. - CaO – CaF2 – Al2O3: Nền tạo xỉ này thường dùng để hàn đắp thép hợp kim trung bình và hợp kim cao. - CaO – MgO – Al2O3 – CaF2 – TiO2: Nền tạo xỉ này thích hợp cho hàn thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp. Theo các tài liệu [1, 14, 15, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54] thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình dùng để hàn thép cacbon thấp, thép chịu áp lực, thép hợp kim thấp với những điều kiện nguồn nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam, đã chọn được nền tạo xỉ dưới đây: 53 (CaO + MgO) – Al2O3 – CaF2 – TiO2 Hàm lượng các nhóm chất tạo xỉ theo tài liệu và thí nghiệm sàng lọc nằm trong khoảng dưới đây: Bảng 2.6 Các nhóm chất chủ yếu trong xỉ hàn F7A4-BK Mác thuốc hàn Các nhóm thành phần hóa học chủ yếu, % Hệ số bazơ, B TiO2 + SiO2 CaO + MgO Al2O3 + MnO CaF2 F7A4-BK 12 ÷ 22 22 ÷ 30 15 ÷ 25 10 ÷ 20 1,6  Tính toán sơ bộ thành phần thuốc hàn Theo giản đồ trạng thái 3 nguyên chọn tỉ lệ các cấu tử chủ yếu của hệ xỉ hàn như sau: + (CaO + MgO) chiếm khoảng 30% + Al2O3 chiếm khoảng 25% + CaF2 chiếm khoảng 20% + TiO2 chiếm khoảng 25% Trên cơ sở tỷ lệ trên sẽ tính toán được lượng các chất cần đưa vào mẻ liệu của thuốc hàn [55]. e) Mô tả phương pháp thí nghiệm  Điều kiện, vật liệu mẫu, thiết bị và chế độ hàn thí nghiệm  Điều kiện thí nghiệm: Thí nghiệm được thực hiện với liên kết hàn giáp mối không vát mép, ở tư thế hàn bằng (tư thế hàn 1G).  Vật liệu mẫu hàn và dây hàn: - Các thí nghiệm sử dụng dây hàn EM12K theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 của Hiệp hội hàn Mỹ, dây của hãng Lincoln [11]: Đường kính dây hàn Ф = 4.0 mm. - Vật liệu mẫu hàn sử dụng thép có mác SM 400B – thép kết cấu hàn theo JIS G3106 - 1999, có thành phần hóa học như sau [37, 38]: Hình 2.8 Dây hàn tự động EM12K Bảng 2.7 Thành phần hoá học của thép mác SM400B, (%) C Mn Si S P 0.20 0.6 0 ÷ 1.40 0.35 max 0.035 max 0.035 max 54 Bảng 2.8 Thành phần hoá học của dây hàn EM12K, (%) C Mn Si P S Cu 0,05 ÷ 0,15 0,80 ÷ 1,25 0,10 ÷ 0,35 0,030 0,030 0,35 Các chỉ tiêu về cơ tính của dây hàn theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 và chỉ tiêu cơ tính của Hãng sản xuất dây hàn như sau [11]: Bảng 2.9 Các chỉ tiêu cơ tính dây hàn Mác dây hàn Độ bền chảy tối thiểu, MPa (N/mm2) Độ bền kéo tối thiểu, MPa (N/mm2) Độ giãn dài, % Độ dai va đập, min (J) EM12K 400 418 ÷ 650 22 50/-29°C  Thiết bị hàn: Sử dụng máy hàn tự động dưới lớp thuốc của hãng Dosun (Trung Quốc). Hình 2.9 Máy hàn tự động Dosun DZ1000 Bảng 2.10 Bảng đặc tính kỹ thuật của nguồn hàn và xe hàn Đặc tính kỹ thuật của nguồn hàn Đặc tính kỹ thuật của xe hàn - Nguồn vào: 3 pha, 380V/50Hz - Chế độ làm việc: 100% - Điện áp không tải: 55V - Dòng hàn max: 1000A - Điện áp làm việc: 60V - Khoảng dòng điện: 40 ÷ 1000A - Công suất: 69KVA - Dòng sơ cấp: 80,5A - Kích thước:774x598x1430mm - Trọng lượng: 350 kg - Hộp điều khiển - Đường kính dây hàn: 2 – 6 mm - Chế độ gây hồ quang: quẹt và mổ cò - Tốc độ hàn: 15 – 160 cm/phút - Dòng hàn định mức: 1000 A - Tốc độ ra dây: 20 – 900 cm/phút - Khoảng điều chỉnh đầu hàn: 100mm - Khối lượng cuộn dây hàn: 25kg - Kích thước: 950x500x770 mm - Trọng lượng: 50kg - Phụ kiện kèm theo. 55  Thông số chế độ hàn: Đường kính dây hàn là 4.0 mm, tầm với điện cực theo khuyến cáo của Lincoln, tính toán và thí nghiệm kiểm tra với tầm với điện cực L = 30 mm, góc nghiêng điện cực bằng 0. Để thực hiện quá trình hàn đã sử dụng giá trị các thông số chế độ hàn được chọn theo kết quả nghiên cứu của tài liệu tham khảo [3] với chuyên đề “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến sự hình thành mối hàn và lượng thuốc nóng chảy khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ” như sau: Bảng 2.11 Các thông số chế độ hàn thí nghiệm TT Tham số Đơn vị Giá trị 1 Cường độ dòng điện A 650 2 Điện áp hồ quang V 28 3 Tầm với điện cực mm 30 4 Tốc độ hàn cm/ph 45  Chuẩn bị mẫu, cách xác định chiều dài hồ quang tới hạn (hồ quang khi bị đứt)  Chuẩn bị mẫu: Theo tiêu chuẩn của Hội hàn Mỹ AWS B4.0 hoặc ASME SFA5.17 mẫu hàn giáp mối vát mép 15º để kiểm tra cơ tính với kích thước mẫu có chiều dài và chiều rộng một tấm tối thiểu là 305x127 và chiều dày 25 mm. Tham khảo tiêu chuẩn này khi thí nghiệm đo chiều dài hồ quang tới hạn đã chọn mẫu hàn có các kích thước mẫu là: 350x150x20mm, được cắt bằng ngọn lửa khí cháy - ôxi. Hình 2.10 Mẫu phôi hàn xác định chiều dài hồ quang tới hạn  Cách xác định chiều dài hồ quang tới hạn: - Hàn mẫu theo các tham số chế độ hàn ở bảng kế hoạch thực nghiệm. - Đo giá trị chiều dài đứt của hồ quang lấy số liệu và chụp ảnh lưu dữ liệu. G©y hå quang Hå quang ch¸y Hå quang t¾t Th-íc ®o VËt hµn lh q Hình 2.11 Cách xác định và đo chiều dài hồ quang tới hạn 56  Dụng cụ đo chiều dài hồ quang tới hạn: Thước cặp. Hình 2.12 Thước cặp Các thông số kỹ thuật: - Hãng sản xuất:Mitutoyo– Nhật Bản - Phạm vi đo: 0 ÷ 150 mm. - Khoảng cách chia: 0.02 mm - Cấp chính xác: 0,03 mm - Vật liệu: thép không gỉ 2.2.4 Nghiên cứu sự dịch chuyển của Mn và Si vào kim loại mối hàn a) Sơ đồ nghiên cứu Để đảm bảo chỉ tiêu quan trọng nhất là cơ tính kim loại mối hàn, cần nghiên cứu tiêu chí quan trọng là thành phần hoá học của kim loại mối hàn. Đối với thép cacbon thấp thường quan tâm hàng đầu đến hàm lượng các nguyên tố hợp kim Mn và Si. Hai nguyên tố này được hợp kim hóa bằng các Ferô hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) từ mẻ liệu thuốc hàn [1, 14, 15, 59, 60, 61, 62]. Hình 2.13 Sơ đồ nghiên cứu thành phần hóa học kim loại mối hàn 1. Thành phần mẻ liệu thuốc hàn 2. Dây hàn (thép EM12K) Thuốc hàn & dây hàn Các hàm mục tiêu Thành phần hoá học Cơ tính kim loại mối hàn % C , M n , S i, S , P Đ ộ b ền  ch ,  k , đ ộ d ãn d ài, đ ộ d ai v a đ ập , 57 b) Ảnh hưởng của Mn và Si trong thuốc hàn đến chất lượng kim loại mối hàn  Mn, Si trong vai trò chất khử  Những tạp chất có hại chủ yếu khi hàn thép cacbon: Các tạp chất có hại xâm nhập vào vùng hàn và làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng kim loại mối hàn. Khi hàn thép cacbon các tạp chất có hại chủ yếu như sau: - Oxi (O2) trong thép thường ở dạng oxit làm giảm cơ tính (tăng tính dòn, giảm tính dẻo và độ dai va đập) và làm xấu tính hàn của thép. - Nitơ (N2) trong thép tạo hợp chất nitrit, làm tăng tính cứng dòn và độ cứng, làm giảm tính dẻo và sinh rỗ khí. - Hiđrô (H2) là tạp chất có hại, sinh ra trong vùng hàn, trong quá trình kết tinh, không thoát kịp tăng tính dòn, giảm tính dẻo và độ dai va đập kim loại mối hàn và VAHN, làm xấu tính hàn của thép và là nguyên nhân chủ yếu gây nên nứt nguội (nứt chậm) khi hàn. Ảnh hưởng của hiđrô sẽ được nghiên cứu riêng. - Lưu huỳnh (S): nó thường gây hiện tượng bở nóng, nứt nóng, tăng tính dòn kim loại mối hàn, làm ảnh hưởng nghiệm trọng đến chất lượng mối hàn. - Photpho (P) thường gây hiện tượng giòn nguội, nứt nguội. Đó là những tạp chất có hại trong thép, cần khống chế hàm lượng của P không vượt quá giới hạn cho phép.  Những biện pháp có bản khử tạp chất có hại khi hàn thép cacbon:  Khử ôxi (O2): - Nguồn gốc ôxi trong vùng hàn từ những nguồn chủ yếu sau: + Môi trường khí quyển. + Sản phẩm phân hủy của các khoáng chất chứa gốc –CO3: Đá vôi (CaCO3), đôlômit (CaCO3. MgCO3) + Các hợp chất hữu cơ: tinh bột, xenlulô (bột tre, bột gỗ) Ở điều kiện hàn các chất trên sẽ phân hủy tạo ra khí CO2 bảo vệ vùng hàn và cũng phân hủy ra ôxi theo phản ứng điển hình sau: CaCO3  CaO + CO2 (2.11) CO2  CO + 1/2 O2 - Các biện pháp khử cơ bản như sau: Nguyên tắc khử oxi là sử dụng những nguyên tố có ái lực hóa học mạnh liên kết với oxi thành các oxit và chuyển vào xỉ hàn. Phản ứng điển hình có dạng sau: nMe +O2 mMen/mO2/m + Q (2.12) Ví dụ: Si + O2 = SiO2 + Q 58 Δ Δ Ti + O2 = TiO2 + Q 2Mn + O2 = 2MnO + Q 4Al + 3O2 = 2Al2O3 + Q  Khử lưu huỳnh (S): thường dùng các ôxit MnO, CaO và MgO, hoặc CaF2. - Khi hàn dưới lớp thuốc hoặc hàn hồ quang tay dùng que hàn có thuốc bọc hệ mangan hoặc có Mn trong vật liệu hàn (dây hàn, lõi que, thuốc hàn, ...), sẽ diễn ra phản ứng sau đây và nó có ý nghĩa rất quan trọng: [FeS] + (MnO) → (MnS) + [FeO] (2.13) MnS tạo thành ít hoà tan trong sắt và nhiệt độ nóng chảy của nó là 1883oC sẽ chuyển vào xỉ. Để phòng ngừa nứt nóng, hàm lượng mangan tối thiểu trong kim loại mối hàn phải thoả mãn tỉ số sau đây [29]: [Mn]/[S] ≥ 10,3÷11,5 (2.14) Trong đó: [Mn] – là hàm lượng của nó trong dây hàn và trong vật hàn. Hình 2.14 Ảnh hưởng của hàm lượng ôxit mangan trong thuốc hàn đến hàm lượng gia tăng của S trong kim loại mối hàn - Khi dùng thuốc hàn hoặc thuốc bọc có hàm lượng MnO thấp hoặc không có MnO, sẽ xảy ra các phản ứng sau đây: [FeS] + (CaO) → (CaS) + [FeO]; [FeS] + (MgO) → (MgS) + [FeO] (2.15) Các sunfua canxi và magiê cũng không hoà tan trong kim loại và sẽ chuyển vào xỉ. Như vậy tăng tính bazơ của thuốc hàn sẽ tăng khả năng khử S. - Trong thuốc – xỉ hàn không chứa ôxi, hệ fluorit: sẽ tạo các fluorit dễ bay hơi (FeF2, FeF3) theo phản ứng sau: (CaF2) + [FeS] → (CaS) + FeF2 ↑ (2.16) Hình 2.15 Hàm lượng S trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ của thuốc hàn [S],% 0,001 0 -0,001 0 10 20 (MnO) % 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 B [S]bd [S],% 0,005 0,010 0,015 0,020 59 Δ Như vậy lưu huỳnh được khử dễ dàng bởi xỉ hàn bazơ và khi hàm lượng tối thiểu của Mn trong kim loại mối hàn là 0,6 ÷ 0,8% sẽ đảm bảo khử S và làm giảm khả năng xuất hiện nứt nóng khi hàn thép cacbon thấp.  Khử phốt pho (P): Khi thực hiện khử P cần điều kiện và nguyên tắc khử như sau: - Khi trong xỉ hàn có loại ôxit mang tính ôxi hoá. Đây có thể được coi như điều kiện cần để khử P. Giả sử P nằm trong kim loại ở dạng Fe2P có thể bị ôxi hoá bởi ôxit ôxi hoá (FeO) theo phản ứng sau: 2 [Fe2P] + 5(FeO) → P2O5 + 9 [Fe] (2.17) - Sau đó ôxit phôtphorit sẽ được liên kết bởi các ôxyt bazơ tạo thành phức chất đi vào xỉ hàn theo phản ứng sau: P2O5 + (CaO) → Ca(PO3)2 (Mêta phôtphat); hoặc P2O5 + 3 (CaO) → Ca3(PO4)2 (Orto phôtphat). (2.18) Hình 2.16 Hàm lượng P trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào tính bazơ của thuốc hàn Trong đó: 1– (P)th = 0,03%; 2– (P)th = 0,05% Như vậy: + Các thuốc – xỉ hàn có ôxit ôxi hoá (FeO) và mang tính bazơ (loại có chứa CaO) cho phép khử P, làm giảm hàm lượng của nó trong kim loại mối hàn và tăng tính chống nứt nóng và nứt nguội. + Mức độ tăng tính bazơ và tăng lượng FeO của thuốc – xỉ hàn tác dụng khử P tăng không đáng kể, đây là điểm khác biệt so với việc khử lưu huỳnh. + Tác dụng khử của Mn và Si đối với S và P có khác nhau. Hiệu quả khử P không đáng kể.  Mn, Si trong vai trò hợp kim hóa Hàm lượng các nguyên tố hợp kim trong kim loại mối hàn ảnh hưởng trực tiếp tới chỉ tiêu cơ tính và kỹ thuật của kim loại mối hàn như sau [3, 14, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82]: B 0,030 0,025 0,020 0,015 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0,010 [p] 2 1 60 - Cacbon (C): là nguyên tố quan trọng nhất của thép,nó ảnh hưởng mạnh nhất và trực tiếp nhất đến các chỉ tiêu cơ tính (độ bền, tính dẻo, độ dai, độ cứng), đặc tính nhiệt luyện (tính tôi, ủ,) và những đặc tính kỹ thuật khác. Lượng C ≈ 0,20% không làm xấu tính hàn của thép. Hàm lượng C càng cao, tính hàn càng giảm vì nó có thể tạo ra nứt, rỗ. Vì vậy, việc sử dụng dây hàn có hàm lượng C > 0,20% là không có lợi. - Mangan (Mn): thông thường hàm lượng Mn trong dây hàn là (0,3÷0,8)% thì không ảnh hưởng đến tính hàn, trong một số dây hàn đặc biệt hàm lượng của nó có thể (1,8÷2,5)%. Trong trường hợp này Mn làm tăng khả năng tôi của thép nhưng có khả năng tạo vết nứt. Với thép hợp kim có hám lượng Mn cao tới 11%÷16% trong quá trình hàn nóng chảy mạnh, bởi vậy cần phải có phương pháp bảo vệ đặc biệt. - Silic (Si): trong hàn thép C, thường hàm lượng Si là (0,02÷0,03)%, còn trong dây hàn thép đặc biệt có thể đạt (0,8÷1,5)%. Si làm giảm tính hàn, nó làm tăng tính nóng chảy của kim loại, dễ oxy hóa, oxit khó nóng chảy vào xỉ. Vì vậy, hàm lượng Si trong dây hàn không nên quá 0,8%. Tổ chức tế vi của kim loại lớp đắp có vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kỹ thuật của lớp đắp. c) Xác định sơ bộ hàm lượng fero Mn và fero Si đưa vào thành phần mẻ liệu thuốc hàn: Số liệu tính toán sơ bộ ở mức cơ sở các Fe-Mn và Fe-Si như sau: + Fe-Mn: (6%) loại 80% Mn. + Fe-Si: (4%) loại 45% Si. Bảng 2.12 Thành phần sơ bộ mẻ liệu thuốc hàn F7A4-BK Thuốc hàn Hàm lượng các chất trong mẻ liệu thuốc hàn, % CaO + MgO Al2O3 + MnO CaF2 TiO2 + SiO2 Bột talk Trường thạch Cao lanh Fe- Mn Fe- Si F7A4-BK 20÷24 22÷24 8÷12 28÷32 - - - 6 4 Các chất còn lại được giữ cố định khoảng 8%. d) Mô tả phương pháp thí nghiệm  Vật liệu mẫu hàn và dây hàn: Vật liệu mẫu hàn sử dụng thép có mác SM 400B – thép kết cấu hàn theo JIS G3106 -1998 và dây hàn có đường kính dây hàn là 4.0 mm như phần nghiên cứu tính công nghệ hàn.  Kích thước mẫu hàn: 61 Thành phần hóa học kim loại mối hàn được kiểm tra theo tiêu chuẩn ANSI/AWS B4.0. Kích thước mẫu hàn 100x300, có chiều dày là 25mm. Mẫu được hàn 4 lớp. Trong khuôn khổ của luận án, tác giả nghiên cứu ở vị trí mối hàn điển hình 1G, chọn chế độ hàn được tính toán sơ bộ ở vị trí hàn bằng và tham khảo giá trị các thông số chế độ hàn được chọn theo kết quả nghiên cứu của tài liệu tham khảo [3] với chuyên đề “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến sự hình thành mối hàn và lượng thuốc nóng chảy khi chế tạo thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ”. Hình 2.17 Kích thước mẫu thử phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn  Quy trình chuẩn bị mẫu: Hình 2.18 Hàn mẫu để phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn - Mẫu hàn: Tiến hành hàn mẫu theo các thông số chế độ hàn đã nêu ở trên và nhiệt độ giữa các đường hàn (the inter pass temperature) được duy trì khoảng 1500C -160°C. - Cắt mẫu: Các phôi mẫu sau khi hàn xong xác định vị trí cần cắt để tiến hành phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn. e) Phương pháp phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn Để xác định thành phần hóa học kim loại mối hàn có thể dùng nhiều phương pháp như: phân tích bằng quang phổ, phân tích hóa học, Ở đây chọn phương pháp 62 quang phổ, thiết bị phân tích thành phần %Mn và %Si trong mối hàn có dạng như hình dưới đây: Hình 2.19 Máy phân tích quang phổ Máy quang phổ phát xạ phân tích thành phần hóa học của vật liệu: PDA- 5500S - Shimadzu - Nhật Bản Đặc tính kỹ thuật:  Hệ thống quang phổ PDA-5500S - Hệ thống phân tán: Paschen-Runge - Đường kính uốn cong: 600mm - Dải bước sóng: 121 - 481 nm và 589 nm - Có 2400 rãnh/mm - Độ tán sắc thuận nghịch: 0.69 nm/mm - Hệ thống chân không: Sử dụng bơm chân không, áp suất tới hạn: 2 Pa - Nền: chỉ có nền Fe  Bộ kích thích: - Điện áp: có thể lựa chọn 300V hoặc 500 V - Tần số phóng điện: tự động thiết lập một trong ba tần số, lớn nhất 500 Hz - Độ chính xác điện áp: Điện áp chuẩn ± 1% - Điều kiện phóng điện: có 6 loại - Làm sạch điện cực - Bộ phát xạ: trong điều kiện khí Argon  Hệ thống đọc dữ liệu: - Số lượng kênh có thể đo: lớn nhất 24 kênh - Phương pháp đo: Đơn xung tích hợp với phương pháp trắc quang PDA  Hệ thống xử lý dữ liệu - Windows Kit  Khả năng phân tích: Dải phân tích được thể hiện theo bảng Analytical Program Sheet. 63 f) Mô hình nghiên cứu sự dịch chuyển của Mn và Si vào kim loại mối hàn Trong nội dung nghiên cứu này chọn hàm lượng các nguyên tố hợp kim Mn và Si trong kim loại mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng các fero hợp kim Fe – Si, Fe – Mn trong mẻ liệu thuốc hàn được mô tả như sau: % Mn, %Si = f (%Fe-Mn, %Fe-Si) (2.19) Thành phần hóa học kim loại mối hàn là yếu tố quan trọng nhất sẽ quyết định đến chỉ tiêu cơ tính và các đặc tính kỹ thuật của kim loại mối hàn. Nội dung của bước này sẽ thực hiện các nhiệm vụ dưới đây: - Trên cơ sở thành phần thuốc hàn có nền tạo xỉ đã xác định ở bước 1. - Xây dựng các phương trình hồi quy phản ánh mức độ dịch chuyển của Mn và Si từ thuốc hàn vào kim loại mối hàn. - Xác định tỷ lệ Fe-Mn, Fe-Si cần đưa vào mẻ liệu thuốc hàn đảm bảo thành phần hoá học của kim loại mối hàn yêu cầu. Sau khi đã xác định được hàm lượng các Ferô hợp kim (Fe-Mn, Fe-Si) phù hợp, sẽ kiểm tra cơ tính kim loại mối hàn. Để xác định hiệu quả hợp kim hóa kim loại mối hàn bằng cách thay đổi hàm lượng các fero hợp kim Fe-Si, Fe-Mn trong mẻ liệu thuốc hàn và phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn theo các phương án thí nghiệm. Ví dụ: trong trường hợp của chúng ta với k = 2, sẽ có bảng biến thiên như sau: Bảng 2.13 Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào Các biến số Biến thực Biến mã hoá (không thứ nguyên) Z1 Z2 X1 X2 Mức trên (Ximax = +1) Z1 max Z2 max +1 +1 Mức cơ sở (Xi0 = 0) Z10 Z20 0 0 Mức dưới (Ximin = –1) Z1 min Z2 min –1 –1 Khoảng biến thiên ΔZi ΔZ1 ΔZ2  Lập kế hoạch th