Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ hàn đến độ bền mối hàn giáp mối của kết cấu tấm vỏ tàu thép bằng phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ---------------------- NGÔ HÙNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN ĐỘ BỀN MỐI HÀN GIÁP MỐI CỦA KẾT CẤU TẤM VỎ TÀU THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC LUẬN VĂN THẠC SĨ Khánh Hòa - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ---------------------- NGÔ HÙNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN ĐỘ BỀN MỐI HÀN GIÁP MỐI CỦA KẾT CẤU TẤM VỎ TÀU THÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC Ngành đào tạo: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 62520116 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Huỳnh Văn Vũ Khánh Hòa - 2013 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả ghi trong luận văn này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Ngô Hùng ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Trường Đại Học Nha Trang. Xin chân thành cám ơn TS.Huỳnh Văn Vũ, giảng viên Khoa Kỹ thuật giao thông của Trường Đại Học Nha Trang là người hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin chân thành cám ơn: - Viện Nghiên cứu chế tạo tàu thủy - Trường Đại Học Nha Trang. - Trường Trung cấp nghề Ninh Hòa - Khánh Hòa. - Công ty Hyundai - Vinashin tỉnh Khánh Hòa. Đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi để hoàn thành mục tiêu và nội dung đặt ra cho đề tài. Người thực hiên Ngô Hùng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN................................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ................................................................ viii CÁC THUẬT NGỮ ........................................................................................................x CÁC THUẬT NGỮ ........................................................................................................x CÁC KÝ HIỆU................................................................................................................x LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................1 Chương 1 TỔNG QUAN.................................................................................................3 1.1. Tổng quan về phương pháp hàn kim loại ............................................................3 1.1.1. Định nghĩa ....................................................................................................3 1.1.2. Đặc điểm của hàn kim loại ...........................................................................3 1.2 Nguyên lý hình thành mối hàn..............................................................................4 1.3. Phân loại các phương pháp hàn ...........................................................................5 1.4. Giới thiệu phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc ..........................................7 1.5. Thực tế áp dụng công nghệ hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc trong điều kiện Việt Nam hiện nay: .............................................................................................9 1.6. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................10 1.7. Mục đích, phương pháp nghiên cứu ..................................................................10 1.8. Giới hạn nội dung nghiên cứu ...........................................................................11 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC ..........................................................................................................................12 2.1. Khái niệm chung................................................................................................12 2.2. Thiết bị và vật liệu hàn tự động dưới lớp thuốc ................................................13 2.2.1. Thiết bị hàn hồ quang dưới lớp thuốc ........................................................13 2.2.2. Vật liệu dùng trong hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc ........................13 2.2.2.1. Bản chất của thuốc hàn..........................................................................13 2.2.2.2. Các dây điện cực....................................................................................14 2.3. Chế độ hàn .........................................................................................................14 iv 2.3.1. Dòng điện hàn.............................................................................................14 2.3.2. Điện áp hồ quang........................................................................................15 2.3.3. Tốc độ hành trình hồ quang........................................................................15 2.3.4. Kích cỡ điện cực.........................................................................................15 2.3.5. Khoảng đầu điện cực ..................................................................................16 2.3.6.Tốc độ cấp nhiệt ..........................................................................................16 2.4.Các phương pháp kiểm tra, đánh giá chất lượng mối hàn ..................................17 2.4.1. Phương pháp kiểm tra mối hàn ..................................................................17 2.4.2. Đánh giá chất lượng mối hàn ....................................................................17 Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU...........................................................................19 3.1. Kết quả nghiên cứu lý thuyết .............................................................................19 3.1.1 Tính các thông số hàn tự động dưới thuốc ..................................................19 3.1.2 Tiêu chuẩn của hiệp hội hàn Hoa Kỳ .........................................................20 3.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm .......................................................................20 3.2.1. Các thông số đầu vào..................................................................................20 3.2.2. Mẫu thí nghiệm...........................................................................................21 3.2.3. Kiểm tra độ bền uốn và kéo của vật liệu cơ bản trước khi hàn ..................25 3.2.4. Quy trình hàn trên mẫu thí nghiệm ............................................................29 3.2.5. Các thông số đầu ra ....................................................................................30 3.3. Kết quả thực nghiệm..........................................................................................31 3.3.1. Với loạt mẫu thứ nhất (X1) .........................................................................31 3.3.2. Với loạt mẫu thứ hai (X2) ...........................................................................36 3.3.3. Với loạt mẫu thứ ba (X3) ............................................................................40 3.3.4. Với loạt mẫu thứ tư (X4).............................................................................43 3.3.5. Với loạt mẫu thứ năm (X5) .........................................................................47 3.3.6. Với loạt mẫu thứ sau (X6)...........................................................................52 3.3.7. Với loạt mẫu thứ bảy (X7) ..........................................................................56 3.4. Kết quả nghiên cứu mô phỏng bằng Abaqus.....................................................60 3.4.1. Giới thiệu phần mềm Abaqus...................................................................60 3.4.2. Phân tích nhiệt trong abaqus ......................................................................62 3.4.3 Bài toán mô phỏng biến dạng nhiệt.............................................................62 3.4.3.1 Trình tự mô phỏng trong Abaqus ...........................................................63 v 3.4.3.2. Thông số của bài toán mô phỏng bằng Abaqus.....................................63 3.4.3.3 Kết quả biến dạng hàn ............................................................................65 3.4.4 Bài toán mô phỏng sự truyền nhiệt .............................................................69 3.4.4.1 Chọn kích thước phần tử, kiểu phần tử và chia lưới ..............................69 3.4.4.2 Thông số nhập vào..................................................................................71 3.4.4.3. Kết quả ứng suất nhiệt sinh ra trong và sau khi hàn..............................72 Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................73 4.1. Kết luận.............................................................................................................73 4.1.1. Với loạt mẫu thứ nhất (X1) .........................................................................73 4.1.2. Với loạt mẫu thứ hai (X2) ...........................................................................73 4.1.3. Với loạt mẫu thứ ba (X3) ............................................................................73 4.1.4. Với loạt mẫu thứ tư (X4).............................................................................74 4.1.5. Với loạt mẫu thứ năm (X5) .........................................................................74 4.1.6. Với loạt mẫu thứ sáu (X6)...........................................................................74 4.1.7. Với loạt mẫu thứ bảy (X7) ..........................................................................75 4.1.8. Kết luận chung............................................................................................75 4.2. Kiến nghị............................................................................................................77 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................79 PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng1.1. Phân loại các phương pháp hàn .................................................................. 6 Bảng 2.1. Khoảng đầu điện cực, tốc độ lắng đọng kim loại, sự tiêu thụ chất trợ dung tương ứng......................................................................................................... 16 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của kim loại cơ bản................................................ 22 Bảng 3.2. Thành phần hóa học của điện cực (% trọng lượng) ................................. 24 Bảng 3.3. Thành phần % hóa học của thuốc hàn ..................................................... 24 Bảng 3.4. Thông số giá trị độ bền kéo của mẫu vật liệu thép cơ bản....................... 25 Bảng 3.5.Thông số giá trị độ bền uốn của mẫu vật liệu thép cơ bản ....................... 27 Bảng 3.6. Các đại lượng cần khảo sát ...................................................................... 30 Bảng 3.7. Điều kiện thí nghiệm đối với các mẫu ..................................................... 30 Bảng 3.8. Các yếu tố khảo sát với các nhóm thí nghiệm ......................................... 30 Bảng 3.9. Các yếu tố đầu ra của thí nghiệm cần khảo sát ........................................ 30 Bảng 3.10. Thông số giá trị độ bền kéo của mẫu X1 ................................................ 33 Bảng 3.11. Thông số giá trị độ bền uốn của mẫu X1 ................................................ 34 Bảng 3.12. So sánh giá trị độ bền giữa kim loại cơ bản và mẫu thử X1 ................... 35 Bảng 3.13. Thông số giá trị độ bền kéo của mẫu X2 ................................................ 37 Bảng 3.14. Thông số giá trị độ bền uốn của mẫu X2 ............................................... 38 Bảng 3.15. So sánh giá trị độ bền giữa kim loại cơ bản và mẫu thử X2.................. 39 Bảng 3.16. Kết quả thông số độ bền kéo của mẫu X3 .............................................. 41 Bảng 3.17. Thông số giá trị độ bền uốn của mẫu X3 ................................................ 42 Bảng 3.18. So sánh giá trị độ bền giữa kim loại cơ bản và mẫu thử X3 ................... 43 Bảng 3.19. Thông số giá trị độ bền kéo của mẫu X4 ............................................... 45 Bảng 3.20. Thông số giá trị độ bền uốn của mẫu X4 ................................................ 46 Bảng 3.21. So sánh giá trị độ bền giữa kim loại cơ bản và mẫu thử X4 ................... 47 Bảng 3.22. Thông số độ bền kéo của mẫu X5 .......................................................... 49 Bảng 3.23. Thông số độ bền uốn của mẫu X5 .......................................................... 50 Bảng 3.24. So sánh giá trị độ bền giữa kim loại cơ bản và mẫu thử X5 ................... 51 Bảng 3.25. Thông số giá trị độ bền kéo của mẫu X6 ................................................ 53 Bảng 3.26. Thông số độ bền uốn của mẫu X6 ......................................................... 54 Bảng 3.27. So sánh giá trị độ bền giữa kim loại cơ bản và mẫu thử X6 ................... 55 vii Bảng 3.28. Thông số giá trị độ bền kéo của mẫu X7 ............................................... 57 Bảng 3.29. Thông số độ bền uốn của mẫu X7 .......................................................... 58 Bảng 3.30. So sánh giá trị độ bền giữa kim loại cơ bản và mẫu thử X7 ................... 59 Bảng 3.31. Kết quả so sánh biến dạng giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng Abaqus.. 68 Bảng 4.1. Tổng hợp kết quả của các mẫu thí nghiệm .............................................. 75 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 1. Hình vẽ Hình 1.1. Cơ chế hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc ...............................................12 Hình 2.1. Thiết bị hàn hồ quang dưới lớp thuốc. ..........................................................13 Hình 3.1. Mẫu thí nghiệm..............................................................................................22 Hình 3.2. Thiết bị hàn DW-S43G (KOBELCO) ...........................................................23 Hình 3.3. Dây hàn thép cácbon, ký hiệu AWS- A5.17 - EH14 đường kính φ 4.0mm ............ 23 Hình 3.4. Thuốc bảo vệ AN-348-A ...............................................................................24 Hình 3.5. Kết quả thử kéo trên phôi mẫu cơ bản...........................................................26 Hình 3.6. Kết quả thử uốn phôi mẫu cơ bản..................................................................28 Hình 3.7. Kết quả hàn thực nghiệm trên mẫu X1 ..........................................................32 Hình 3.8. Biến dạng của mẫu X1 thực nghiệm ..............................................................32 Hình 3.9. Vị trí cắt các mẫu thử trên phôi hàn [10].......................................................33 Hình 3.10. Kết quả hàn thực nghiệm trên mẫu X2 ........................................................36 Hình 3.11. Biến dạng của mẫu X2 thực nghiệm............................................................37 Hình 3.12. Kết quả hàn thực nghiệm trên mẫu X3. .......................................................40 Hình 3.13. Biến dạng của mẫu X3 thực nghiệm............................................................41 Hình 3.14. Kết quả hàn thực nghiệm mẫu X4...............................................................44 Hình 3.15. Biến dạng của mẫu X4 thực nghiệm ............................................................45 Hình 3.16. Kết quả hàn thực nghiệm trên mẫu X5 ........................................................48 Hình 3.17. Biến dạng của mẫu X5 thực nghiệm ............................................................49 Hình 3.18. Kết quả hàn thực nghiệm trên mẫu X6 ........................................................52 Hình 3.19. Biến dạng của mẫu X6 thực nghiệm ............................................................53 Hình 3.20. Kết quả hàn thực nghiệm trên mẫu X7 ........................................................56 Hình 3.21. Biến dạng của mẫu X7 thực nghiệm ............................................................57 Hình 3.22. Phần tử 3D Stress - C3D8R.........................................................................62 Hình 3.23. Biểu tượng khởi động phần mềm Abaqus...................................................63 Hình 3.24. Giao diện ABAQUS/CAE. ..........................................................................63 Hình 3.25. Biến dạng tấm X1 được mô phỏng bằng phần mềm Abaqus ......................65 Hình 3.26. Biến dạng tấm X2 được mô phỏng bằng phần mềm Abaqus ......................65 Hình 3.27. Biến dạng tấm X3 được mô phỏng bằng phần mềm Abaqus ......................66 ix Hình 3.28. Biến dạng tấm X4 được mô phỏng bằng phần mềm Abaqus ......................66 Hình 3.29. Biến dạng tấm X5 được mô phỏng bằng phần mềm Abaqus ......................67 Hình 3.30. Biến dạng tấm X6 được mô phỏng bằng phần mềm Abaqus ......................67 Hình 3.31. Kết quả biến dạng mô phỏng bằng phần mềm Abaqus của mẫu X7 ...........67 Hình 3.32. Vị trí các đường xác định giá trị biến dạng trên phôi hàn...........................68 Hình 3.33. Phần tử Heat transfer - DC3D8. ..................................................................69 Hình 3.34. Kết quả mô phỏng ứng suất nhiệt tương đương của các nút phần tử sinh ra trong khi hàn. .....................................................................................................72 Hình 3.35. Kết quả mô phỏng ứng suất nhiệt tương đương của các nút phần tử sinh ra sau khi hàn. ........................................................................................................72 2. Đồ thị Đồ thị 3.1. Giá trị độ bền kéo trên mẫu thử thép cơ bản ..............................................25 Đồ thị 3.2. Giá trị độ bền uốn trên phôi mẫu cơ bản. ...................................................27 Đồ thị 3.3. Gái trị độ bền kéo của mẫu hàn X1 ..............................................................34 Đồ thị 3.4. Giá trị độ bền uốn của mẫu hàn X1 .............................................................35 Đồ thị 3.5. Giá trị độ bền kéo của mẫu hàng X2............................................................38 Đồ thị 3.6. Giá trị độ bền uốn của mẫu hàn X2 ............................................................39 Đồ thị 3.7. Giá trị độ bền kéo của mẫu hàn X3 ..............................................................42 Đồ thị 3.8.Giá trị độ bền uốn theo thực nghiệm của mẫu X3 (đường số 2) ...................43 Đồ thị 3.9. Giá trị độ bền kéo của mẫu hàn X4 ..............................................................46 Đồ thị 3.10. Giá trị độ bền uốn của mẫu hàn X4 (đường số 1) ......................................47 Đồ thị 3.11. Giá trị độ bền kéo của mẫu hàn X5............................................................50 Đồ thị 3.12. Giá trị độ bền uốn của mẫu hàn X5 ...........................................................51 Đồ thị 3.13. Giá trị độ bền kéo của mẫu hàn X6............................................................54 Đồ thị 3.14. Giá trị độ bền uốn của mẫu hàn X6 ...........................................................55 Đồ thị 3.15. Giá trị độ bền kéo của mẫu hàn X7...........................................................58 Đồ thị 3.16. Giá trị độ bền uốn của mẫu hàn X7 ...........................................................59 Đồ thị 4.1. Mối tương quan giữa U, V với các thông số hình học r, h, A....................76 Đồ thị 4.2. Mối tương quan giữa U, I, V với các thông số độ bền Rm, Re, Fm ...........76 x CÁC THUẬT NGỮ SAW : Submerged - Arc Welding: Hàn hồ quang dưới lớp thuốc. AC : Alternating Current: Dòng xoay chiều. DC : Direct Current: Dòng một chiều. DCRP : Direct Current Reverse Polarity: Dòng một chiều điện áp không đổi. DCEP : Direct Current Elictrode Polarite: Dòng một chiều điện áp biến thiên. CÁC KÝ HIỆU Rp : Giới hạn dẻo quy ước với độ kéo dài không tỷ lệ. E : Modun đàn hồi. A : Phần trăm độ giãn dài. Z : Độ thắt tương đối. b : Chiều rộng phần song song của mẫu thử phẳng. Lo : Chiều dài khoảng đo ban đầu. Lu : Chiều dài khoảng đo sau khi kéo. Le : Chiều dài cữ cho máy đo độ giãn. So : Tiết diện chịu kéo. Fm : Lực uốn, kéo lớn nhất. Rm : Độ bền kéo. ReL : Giới hạn chảy dưới. ReH : Giới hạn chảy trên. D : Chiều dày uốn. 1 LỜI NÓI ĐẦU Những năm gần đây, kỹ thuật hàn có những bước phát triển rất mạnh để đáp ứng những yêu cầu về công nghệ chế tạo chi tiết và phục hồi các chi tiết máy. Sự xuất hiện của các phương pháp hàn mới và được áp dụng rộng rãi trong sản xuất. Do đó các công nghệ hàn cũ ngày càng trở nên lạc hậu. Các công nghệ hàn mới đáp ứng được yêu cầu về năng suất chất lượng cao, chính vì thế đã giảm giá thành sản phẩm, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Công nghệ hàn là một trong các lĩnh vực phức tạp, cần phải có sự phối hợp của các lĩnh vực khoa học khác như: Vật lý, hoá học, luyện kim, cơ khí, tự động hóa, kỹ thuật điện và điện tử. Chính vì thế chất lượng mối hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khách quan, chủ quan, trong khi chế tạo các sản phẩm bằng phương pháp hàn. Trong các phương pháp hàn khác nhau, các yếu tố công nghệ cũng có những ảnh hưởng rất khác nhau. Công nghệ hàn hồ quang dưới lớp thuốc hay còn gọi là hàn hồ quang chìm (SAW Submerged-Arc Welding) là phương pháp hàn dây điện cực nóng chảy dưới lớp thuốc bảo vệ đã được sử dụng rất rộng rãi. Tuy nhiên ở Việt Nam nói chung và trong các nhà máy đóng tàu nói riêng và đặc biệt là trong các cơ sở dạy nghề, công nghệ này của tỉnh Khánh Hòa còn khá mới ban đầu có tính thăm dò, chưa hình thành qui trình ổn định và phát triển mạnh.Vì vậy phương pháp hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc mới được áp dụng trong thời gian gần đây khi ngành công nghiệp đóng tàu trong nước phát triển. Việc lựa chọn chế độ hàn trước đây chủ yếu dựa theo yêu cầu của nhà sản xuất hoặc chí ít cũng là kinh nghiệm được du nhập từ những nước có nền đóng tàu phát triển và cá biệt có những trường hợp không được coi trọng. Điều này rõ ràng chưa phù hợp với điều kiện môi trường, con người, thiết bị,… tại Việt Nam và ảnh hưởng không tốt đến chất lượng sản phẩm. Sau thời gian tham gia trực tiếp sản xuất, đào tạo công nhân hàn qua đặt hàng của các cơ sở đóng tàu trong việc cung cấp nguồn nhân lực về vấn đề này và qua tìm hiểu những nghiên cứu trước, tác giả nhận thấy việc lựa chọn các chế độ hàn hợp lý nhằm đảm bảo chất lượng các mối hàn chưa được đặt ra và quan tâm một cách đúng mức. Đặc biệt trong những trường hợp hàn có yêu cầu chất lượng cao như hàn các kết cấu tàu thép. Trong khuôn khổ một đề tài tốt nghiệp cao học, nghiên cứu lựa chọn hợp lý chế độ hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc sử dụng trong hàn tấm kết cấu tàu thép, có mục đích như đã định rõ trong tên gọi của đề tài, trên cơ sở các nội dung chính bao gồm: 2 Xem xét ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng, tạo dáng mối hàn và ảnh hưởng tới quá trình hàn. Dựa trên các tài liệu đã có trong nước và nước ngoài, của các hãng thiết bị hàn trên thế giới đã thu thập và tập hợp được các thông số tối ưu về lý thuyết. Từ đó bằng thực nghiệm nghiên cứu trên các mẫu và phần mền mô phỏng tác giả đã lựa chọn được các thông số thực nghiệm cho phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Trong quá trình hàn khi khảo sát một yếu tố thì các yếu tố khác được giữ nguyên. Từ đó cho các yếu tố đầu ra: hình dạng mối hàn, độ bền mối hàn và biến dạng hàn . Dựa trên các kết quả thí nghiệm và bằng phần mềm mô phỏng đánh giá được rằng khi các thông số hàn thay đổi thì hình dạng mối hàn, độ bền mối hàn và biến dạng hàn thay đổi thế nào, dẫn đến cơ tính của chúng bị tác động ra sao. Từ đó đi đến kết luận về việc lựa chọn các thông số cơ bản của công nghệ hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW) một cách tối ưu, để đảm bảo chất lượng mối hàn tốt nhất áp dụng trong đào tạo và sản xuất tại Việt Nam. Do lĩnh vực nghiên cứu còn khá mới mẽ, điều kiện thiết bị thực nghiệm cho đề tài tại khoa Cơ Khí Trường Trung cấp Nghề Ninh Hòa cũng mới trang bị, mặt khác thời gian có hạn, nên việc nghiên cứu gặp nhiều khó khăn. Mặc dầu vậy, đến nay tác giả cũng đã hoàn thành cơ bản nội dung của luận văn này. Nội dung luận văn bao gồm bốn chương: Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Cơ sở lý thuyết của công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc (SAW). Chương 3: Kết quả nghiên cứu. Chương 4: Kết luận và kiến nghị. Nhân đây, cũng xin tỏ lòng cám ơn Thầy TS. HUỲNH VĂN VŨ cùng các đồng nghiệp, các cơ sở trong và ngoài trường đã giúp đỡ trong thời gian qua. Dù đã có nhiều cố gắng, nhưng vì điều kiện thời gian, trình độ bản thân có hạn nên chắc chắn luận văn có nhiều thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp, chỉ bảo của thầy cô và đồng nghiệp cùng quan tâm đến vấn đề này. Xin chân thành cảm ơn! Nha trang, ngày tháng Ngô Hùng năm 2013 3 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về phương pháp hàn kim loại 1.1.1. Định nghĩa Hàn kim loại là quá trình nối hai đầu của một chi tiết hoặc nhiều chi tiết kim loại với nhau bằng cách nung nóng chúng đến trạng thái chảy hay dẻo. Khi hàn ở trạng thái chảy thì ở chỗ nối của vật hàn chảy ra và sau khi đông đặc lại nhận được mối hàn. Khi hàn ở trạng thái dẻo thì chỗ nối được nung nóng đến trạng thái mềm dẻo, khi ấy khả năng thẩm thấu và chuyển động các phần tử của kim loại hàn tăng lên tạo điều kiện cho chúng có thể liên kết lại với nhau. Nếu chỉ nung nóng chỗ nối đến trạng thái dẻo thì vẫn chưa đảm bảo được mối hàn đủ bền, do vậy đối với dạng trạng thái này cần gia tăng áp lực lên chỗ nối. 1.1 .2. Đặc điểm của hàn kim loại Với định nghĩa trên nhận thấy rằng các điều kiện cơ bản của quá trình hàn là sự nung nóng hoặc biến dạng chảy hay dẻo cục bộ bề mặt đối tiếp của ít nhất hai tấm kim loại. Đặc điểm của phương pháp hàn là đốt nóng lực liên kết nguyên tử. Thực tế cho thấy, trong các phương pháp hàn, sự tẩy sạch hoạt hóa cũng như sự bảo vệ hai bề mặt đối tiếp khi tiến hành hàn lại có vai trò rất quan trọng. Ta có các bảng sau: Chùm hạt Hóa năng . Hàn OA ( Oxy acetylene) (Welding Oxyfuel welding) . Hàn nhiệt nhôm . Hàn Exothermic Cơ năng . Hàn ma sát (Friction welding) . Hàn siêu âm (Utrasonic welding) . Hàn ma sát Điện năng . Hàn điện trở (Resistance welding) . Hàn điện xỉ (Electroslag welding) . Hàn hồ quang (Arc welding) xoáy (Friction strỉing welding) . Hàn điện khí . Hàn rèn (Electrogas (Forge welding) welding) năng lượng cao . Hàn plasma (Plasma arc welding) . Hàn tia (Electron beam welding) Chùm tia bức xạ điện từ . Hàn laser (Laser beam welding) 4 Mỗi phương pháp chung liệt kê ở bảng trên còn có phương pháp cụ thể sau: Hàn hồ quang carbon (Carbon arc welding) Hàn que (Manual metal arc wwelding – Shieldel metal HÀN HỒ QUANG arc welding) Hàn TIG (Gas tungsten arc welding) Hàn MIG-MAG (Gas metal arc welding) Hàn dây lỗi thuốc (Flux cored arc welding) Hàn điểm (Spot welding) Hàn đường (Seam welding) HÀN ĐIỆN TRỞ Hàn nối (Upset butt welding) Hàn cấy (Flash welding) Hàn điện cực giả (Prọection welding) Nói chung nếu liệt kê đầy đủ thì ta sẽ có một danh sách khá dài. Ngoài việc tìm kiếm nhóm phương pháp mới thì giải pháp tổng hợp hoặc ‘lai ghep’ các phương pháp đã có để cho ra một phương pháp hàn mới thỏa mãn nhu cầu công nghệ đang là một hướng đem lại hiệu quả cao. 1.2 . Nguyên lý hình thành mối hàn. Có hai cách tạo liên kết phân tử. + Cách thứ nhất là nung nóng chảy hai bề mặt đối tiếp, thêm vào đó một lượng kim loại nóng chảy khác sau đó chờ chúng đong rắn lại để hình thành nên mối hàn. + Cách thứ hai là tạo khả năng khếch tán của các nguyên tử giữa hai bề mặt đối tiếp. Để thực hiện được việc này, đầu tiên chúng ta phải làm nóng cục bộ vùng bề mặt cần hàn, có thể bằng nung nóng, bằng hiệu ứng nhiệt Jun của dòng điện khi đi qua bề mặt tiếp xúc, bằng dòng cảm ứng … Hoặc bằng năng lượng nhiệt sinh ra do ma sát, biến dạng … Tất nhiên là nhiệt độ vùng bị nung nóng phải đạt tới trị số giới hạn nào đó. Thông thường, nhiệt độ này ở vào khoảng từ 0,3-0,4 nhiệt độ nóng chảy của kim loại cần hàn, ở nhiệt độ này trong cấu trúc kim loại có sự sắp xếp lại, còn gọi là nhiệt độ kết tinh lại. Nhiệt độ, áp lực nén giữa hai bề mặt cần hàn và thời gian là ba thông số cơ bản trong công nghệ hàn có áp lực. Đối với quá trình hàn vảy thì sự thể hiện diễn ra khác đi chút ít, sự khuếch tán bây giờ chỉ được thực hiện từ phía vảy hàn bị nóng chảy vào kim loại rắn và nhiều trường hợp phải nhờ cậy đến chất trợ dung (còn gọi là thuốc hàn- Flux). Thuốc hàn như đảm nhiệm các nhiệm vụ như tẩy sạch lớp oxyt bề mặt dễ khuếch tán vảy hàn 5 nóng chảy. Khi các nguyên tử của kim loại nóng chảy xâm nhập được vào bề mặt rắn của kim loại hàn, chúng hình thành pha kim loại trung gian liên kết giữa vảy hàn và kim loại hàn. Vảy hàn đông rắn và mối hàn được thực hiện. Nếu gọi: - Th là nhiệt độ hàn. - Tch là nhiệt độ chảy của kim loại hàn. - TR là nhiệt độ kết tinh lại. - Tv là nhiệt độ nóng chảy của vảy hàn thì ta có cách phân loại như sau: Hàn nóng chảy Th Hàn áp lực Tch ≥ Hàn vảy Tch ≥ ≥ Tch Th ≥ TR ≥ Tv Th 1.3. Phân loại các phương pháp hàn Theo công bố của AWS (Amercan Welding Sociate), thì các phương pháp hàn được phân loại theo bảng 1.1 dưới đây. 6 Bảng1.1. Phân loại các phương pháp hàn HÀN HỒ QUANG Hàn nguyên tử hydrogen AHW Hàn dây thuốc FCAW Hàn dòng xung GTAW-P Hàn hồ quang trần BMAW Hàn điện khí BGW Hàn plasma PAW Hàn hồ quang carbon CAW Hàn MIG-MAG GMAW Hàn que SMAW - Có khí bảo vệ CAW-G - Hàn dòng xung GMAW-P Hàn cấy hồ quang SW - Bảo vệ bằng thuốc bọc CAW-S - Hàn chuyển dịch GMAW-S Hàn hồ quang chìm SAW - Hồ quang gián tiếp ngắn mạch - Hàn nhiều dây SAW-S - Hàn dây dẹp SAW-B CAW-T -Hàn TIG HÀN Ở TRẠNG THÁI RẮN Hàn ép(Coextrusion) CEW Hàn nguội CW Hàn khuếch tán DEW Hàn nỗ EXW Hàn rèn FOW Hàn ma sát FRW Hàn khí nóng áp lực HPW Hàn cán ROW Hàn siêu âm UWS HÀN VẢY MỀM Hàn nhúng DS Hàn trong lò FS Hàn cảm ứng IS Hàn hồng ngoại IRS Hàn bằng mỏ hàn INS Hàn điện trở RS Hàn bằng ngọn lửa TS Hàn bằng sóng điện từ WS HÀN ĐIỆN TRỞ Hàn phòng hồ quang(flash) FW Hàn điện cực giả(projection) PW Hàn đường RSEW - Cao tần RSEW-HF - Cảm ứng RSEW-1 - Hàn điểm RSW ) UW PHUN KIM LOẠI Phun bằng hồ quang EASP Phun bằng ngọn lửa FLSP Phun bằng plasma PSP Cắt bằng thuốc Cắt bằng bột sắt Cắt bằng ngọn lửa -Oxy acetylen -Oxy hydrogen -Oxy natural gas -Oxy propane Cắt hồ quang –Oxy Dùi bằng Oxy FOC POW OFC OFC-A OFC-H OFC-N OFC-P AOC LOC GTAW CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN HÀN VẢY Hàn vảy hồ quang AE Hàn vảy toàn khối BE Hàn vảy HQ carton CAE Hàn vảy khuếch tán DFB Hàn vảy nhúng DB Hàn vảy dòng nhiệt FLB Hàn vảy trong lò FB Hàn vảy cảm ứng IB PHƯƠNG PHÁP HÀN KHÁC Hàn tia lửa điện EBW - trong chân không EBW-HV - trong áp suất thấp EBW-MV - trong môi trường khí bảo vệ EBW-NV Hàn xỉ điện ESW Hàn dòng điện FLOW Hàn cảm ứng IW Hàn laser LEW Hàn va đập(Percussion) FEW Hàn nhiệt(phản ứng) TW PHUƠNG PHÁP HÀN TUƠNG CẬN CÂN BẰNG NHIỆT HÀN KHÍ Hàn acetylen-không khí Hàn oxy-acetylen Hàn oxy-hydrogen Hàn khí-áp lực AAW OAW OHW PGW KEO DÁN ABD (Adhsive bonding) Cắt bằng carbon không khí AAC Cắt bằng điện cực carbon CAC Cắt hồ quang kim loại khí GMAC Cắt hồ quang tungsten khíGTAW Cắt bằng que hàn SMAC Cắt plasma PAC Cắt bằng hồ quang kim loại MAC PHƯƠNG PHÁP CẮT KHÁC Cắt bằng tia laser LBC Cắt bằng tia electron EBC 7 Về mặt công nghệ, các phương pháp phát triển từ: Thủ công Bán tự động Hàn tự động Robotic Synertic Với công nghệ Robotic, các thông số hàn và các chuyển động hàn được lập trình trước để điều chỉnh quá trình hàn. Trong khi với công nghệ Synergic, các thông số, các chuyển động của quá trình hàn được theo dõi liên tục và xử lý can thiệp bằng các thông tin mà máy có được trước đó. 1.4. Giới thiệu phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc Trong các phương pháp hàn kim loại thì hàn hồ quang là phương pháp thông dụng nhất hiện nay. Phương pháp hàn kim loại bằng phương pháp hồ quang có những ưu điểm cơ bản như hàn được các chi tiết có độ dày khác nhau, hình dáng kết cấu có mức độ phức tạp khác nhau, có thể hàn được trong nhiều môi trường khác nhau như trong môi trường khí bảo vệ, dưới nước, trong chân không… Hàn hồ quang có thể thực hiện bằng các phương pháp khác nhau như hàn hồ quang tay, hàn tự động và bán tự động. Hiện nay các ngành công nghiệp chế tạo máy, giao thông vận tải, xây dựng, dầu khí và nhất là trong công nghệ đóng tàu sử dụng các phương pháp hàn hồ quang truyền thống và tiên tiến. Các công nghệ hàn hiện đại như TIG, MIG-MAG, hàn có thuốc bảo vệ… cho phép nâng cao chất lượng mối ghép, đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật khắt khe của các kết cấu, công trình. Đặc biệt, hàn tự động dưới lớp thuốc cho chất lượng tốt nhất, ít phụ thuộc vào tay nghề công nhân. Thật sự hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc là quá trình hàn hồ quang kín trong đó hồ quang cháy giữa mút dây điện cực và vật hàn được bảo vệ khỏi sự xâm nhập của không khí nhờ lớp vật liệu hạt (thuốc hàn). Một phần thuốc hàn nóng chảy do tác dụng của nhiệt hồ quang tạo thành màng xỉ lỏng bảo vệ vùng hồ quang và bể kim loại lỏng. Khi hồ quang hàn di chuyển, dây hàn, các mép vật hàn (kim loại cơ bản) và các phần thuốc mới nóng chảy. Khi nguồn nhiệt giảm, bể kim loại đông đặc tạo thành mối hàn, thuốc lỏng đông đặc tạo thành lớp xỉ bảo vệ kim loại mối hàn khỏi oxy hóa và nitơ hóa. Hàn tự đông dưới lớp thuốc là quá trình hàn trong đó đã tự động hóa cả hai khâu đẩy dây điện cực vào vùng hồ quang và chuyển động hồ quang theo khe hở. Hàn tự động dưới lớp thuốc thường được ứng dụng ở tư thế hàn bằng trong các nhà máy và công trường, với kim loại có chiều dày lớn. 8 Ở các tư thế hàn ngang hoặc hàn đứng vẫn có thể áp dụng phương pháp này với các đồ gá hỗ trợ cần thiết. Tuy nhiên năng suất không cao so với các phương pháp hàn khác. Hàn dưới lớp thuốc có thể ứng dụng dòng xoay chiều hay một chiều. Khi hàn tự động dưới lớp thuốc dùng dây hàn đường kính (1,8-6)mm, cường độ dòng điện (150÷1500)A và điện thế (26÷46)V.
Một số đặc điểm của phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc. • Nhiệt lượng hồ quang tập trung và nhiệt độ rất cao, cho phép hàn với tốc độ lớn. • Hàn dưới lớp thuốc có thể hàn kim loại với chiều dày khá lớn không cần phải vát mép cạnh. • Lượng kim loại chảy lớn. • Hệ số chảy tăng 8-12g/A.h trong hàn thủ công, và tăng lên 14-18g/A.h trong hàn dưới lớp thuốc. • Không bắn tóe, làm giảm công lao động để đánh sạch bề mặt vật hàn sau khi hàn.
Chất lượng mối hàn rất cao: • Bảo vệ tốt kim loại mối hàn khỏi bị tác dụng của ôxy và nitơ của không khí xung quanh. • Kim loại mối hàn đồng nhất về thành phần hóa học, lớp thuốc và xỉ bên trên làm mối hàn nguội chậm hơn nên ít bị thiên tích. • Mối hàn có hình dạng tốt, nhẵn, kích thước đều đặn, ít sinh ra khuyết tật như không ngấu, rỗ khí, … • Quá trình hàn diễn ra liên tục vì không cần phải thay cực hàn. • Giảm tiêu hao kim loại điện cực và điện năng. • Phần kim loại điện cực trong mối hàn chỉ khoảng 1/3, còn 2/3 là kim loại cơ bản (trong phương pháp hàn thủ công bằng que hàn có lớp thuốc bọc 70% kim loại mối hàn là kim loại que hàn). • Điều kiện lao động tốt: Thợ hàn không bị hồ quang làm hại mắt và da. Lượng khí độc sinh ra trong quá trình hàn ít so với hàn thủ công bằng que có lớp bọc. • Dễ cơ khí hóa và tự động hóa quá trình hàn.
Nhược điểm của quy trình này là: Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc ít được dùng cho vị trí hàn đứng hoặc hàn trần.