Hàn điện xỉ - Hàn dưới lớp thuốc- Hàn điện cực lõi thuốc

HÀN ĐIỆN XỈ - HÀN DƯỚI LỚP THUỐC- HÀN ĐIỆN CỰC LÕI THUỐC Định nghĩa hàn điện xỉ Hàn điện xỉ ( Electroslag welding- ESW ) là quá trình hàn nóng chảy ,trong đó nhiệt lượng sinh ra khi có dòng điện chạy qua thuốc hàn bị nóng chảy (còn gọi là bể xỉ hàn nóng chảy )trong rãnh hàn nằm giửa hai bề mặt hàn.Rãnh hàn được điền đầy bằng kim loại mối hàn từ dưới lên trên do kim loại nóng chảy được đưa vào thông qua điện cực nóng chảy (dạng dây hàn hoặc dạng tấm dây). Sơ đồ nguyên lý hàn điện xỉ ✪ Vật liệu cơ bản cách nhau từ 25-35 mm(1) ✪ 2 má trượt bằng đồng được làm mát bằng nước(2) .Hai mặt trượt di chuyển từ dưới lên trên đồng bộ với tốc độ hàn. ✪ Khi hàn, hồ quang được gây giữa điện cực (7) và lớp kim loại lỏng để đủ làm chảy thuốc hàn và tạo nên bể xỉ nóng chảy (6). Bể xỉ đủ lớn tiếp xúc với điện cực thì hồ quang bị tắt, dòng điện hàn chạy qua bể xỉ đó có điện trở lớn tạo nên lượng nhiệt tới nhiệt độ 3500°F (1930°C) nung chảy cả thuốc hàn (xỉ), điện cực, và một phần kim loại cơ bản để tạo nên vũng hàn (5). Kim loại lỏng kết tinh tạo thành mối hàn (4) Các đặc điểm của hàn điện xỉ: ✪ Hàn được các chi tiết rất dày,từ vài chục đến vài nghìn mm ✪ Năng suất hàn cao(cao hơn hàn dười lớp thuốc 4 đến 5 lần ,khi hàn tấm có chiều dầy 100mm) ✪ Tiết kiệm nhiều thuốc hàn ,mức độ khoảng 0,2-0,3 kg/m chiều dài mối hàn. ✪ Mức độ tập trung nhiệt nhỏ ,do đó sự tập chung nhiệt để nung nóng kim loại là nhỏ(khoảng 10-20% của mối hàn). ✪ Chất lượng mối hàn cao:bể xỉ lỏng bảo vệ mối hàn khỏi không khí bên ngoài .kim loại lỏng kết tinh từ dưới lên trên nên bọt khí ,tạp chất dễ thoát lên trên vào bể xỉ. ✪ Chủng loại điện cực đa dạng ✪ Cần nhiệt luyện sau khi hàn mới có cơ tính mong muốn. Phạm vi ứng dụng của hàn điện xỉ: Các kết cấu có chiều dày lớn như bình áp cao,các bộ phận tuốc bin,xilanh,thân,bệ máy Đặc biệt khi dùng phương án hàn thay thế cho đúc và rèn ,và hàn đắp phục hồi bề mặt các trục cán cỡ lớn. Hàn dưới lớp thuốc Định nghĩa hàn hồ quang dưới lớp thuốc: Hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ còn gọi là hàn hồ quang chìm, tiếng Anh viết tắt là SAW (Submerged Arc Welding) là quá trình hàn nóng chảy mà hồ quang cháy giữa dây hàn (điện cực hàn) và vật hàn dưới một lớp thuốc bảo vệ. Hàn hồ quang dưới lớp thuốc Nguyên lý của hàn hồ quàng dưới lớp thuốc: Dưới tác dụng nhiệt của hồ quang, mép hàn, dây hàn và một phần thuốc hàn sát hồ quang bị nóng chảy tạo thành vũng hàn. Dây hàn được đẩy vào vũng hàn bằng một cơ cấu đặc biệt với tốc độ phù hợp với tốc độ cháy của nó. Theo độ chuyển dịch của nguồn nhiệt (hồ quang) mà kim loại vũng hàn sẽ nguội và kết tinh tạo thành mối hàn. Trên mặt vũng hàn và phần mối hàn đông đặc hình thành một lớp xỉ có tác dụng tham gia vào các quá trình luyện kim khi hàn, bảo vệ và giữ nhiệt cho mối hàn, và sẽ tách khỏi mối hàn sau khi hàn. Phần thuốc hàn chưa bị nóng chảy có thể sử dụng lại. Đặc điểm hàn hồ quang dưới lớp thuốc: ✪ Nhiệt lượng hồ quang rất tập trung và nhiệt độ rất cao, cho phép hàn với tốc độ lớn. Vì vậy phương pháp hàn này có thể hàn những chi tiết có chiều dày lớn mà không cần phải vát mép. ✪ Chất lượng liên kết hàn cao do bảo vệ tốt kim loại mối hàn khỏi tác dụng của oxi và nitơ trong không khí xung quanh. Kim loại mối hàn đồng nhất về thành phần hóa học. Lớp thuốc và xỉ hàn làm liên kết nguội chậm nên ít bị thiên tích. Mối hàn có hình dạng tốt, đều đặn, ít bị các khuyết tật như không ngấu, rỗ khí, nứt và bắn tóe. ✪ Giảm tiêu hao vật liệu (dây hàn). ✪ Hồ quang được bao bọc kín bởi thuốc hàn nên không làm hại mắt và da của thợ hàn. Lượng khói (khí độc) sinh ra trong quá trình hàn rất ít so với hàn hồ quang tay. ✪ Dễ cơ khí hóa và tự động hóa quá trình hàn Phạm vi ứng dụng của hàn hồ quang dưới lớp thuốc: ✪ Các kết cấu thép dạng tấm vỏ kích thước lớn, các dầm thép có khẩu độ và chiều cao, các ống thép có đường kính lớn, các bồn, bể chứa, bình chịu áp lực và trong công nghiệp đóng tàu v.v. ✪ Chủ yếu được ứng dụng để hàn các mối hàn ở vị trí hàn bằng các mối hàn có chiều dài lớn và có quỹ đạo không phức tạp. ✪ Hàn được các chi tiết có chiều dày từ vài mm cho đến hàng trăm mm. Lịch sử phát triển hàn hồ quang dưới lớp thuốc: ✪ Bằng sáng chế đầu tiên về hàn dưới lớp thuốc được đăng ký vào năm 1935. ✪ Năm 1938 ,hàn dưới lớp thuốc được đưa vào sử dụng rộng rãi ở nước Đức. ✪ Năm 1940-1941,quá trình hàn dưới lớp thuốc do Viện Hàn Điện E.O Paton(tại Kiev) phát triển và được đem ra ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp quốc phòng của Liên Xô,đặc biệt trong chế tạo xe tăng T34. Đặc điểm và phân loại thuốc hàn cho hàn dưới lớp thuốc Đảm bảo hồ quang hàn cháy ổn định . Bảo vệ hồ quang hàn và vũng hàn khỏi sự tác động của môi trường xung quanh. Hồ quang kín nên bảo vệ tốt hơn. Tạo dáng mối hàn và hình thành mối hàn tốt . Đảm bảo tinh luyện kim loại mối hàn và thử tạp chất triệt để hơn, do thể tích vũng hàn và lượng thuốc hàn nóng chảy lớn hơn, các phản ứng có điều kiện xảy ra triệt để hơn. Có khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn cao hơn, đặc biệt là thuốc hàn gốm. Tương tự như thuốc bọc que hàn. Thuốc hàn là một hợp chất gồm các chất tạo khí, tạo xỉ, ổn định hồ quang, khử ô xy, hợp kim hoá v.v được bọc lên lõi que hàn. Hợp chất này làm cải thiện khả năng tạo mối hàn có chất lượng tốt. Vai trò của thuốc hàn trong hàn dưới lớp thuốc.   ☀  Đảm bảo hồ quang hàn cháy ổn định.   ☀  Bảo vệ hồ quang hàn và vũng hàn khỏi sự tác động của môi trường xung quanh.   ☀  Tạo dáng mối hàn và hình thành mối hàn tốt .   ☀  Đảm bảo tinh luyện kim loại mối hàn và khử tạp chất triệt để hơn, do thể tích vũng hàn và lượng thuốc hàn nóng chảy lớn hơn, các phản ứng có điều kiện xảy ra triệt để hơn .   ☀  Có khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn cao hơn, đặc biệt là thuốc hàn gốm.   ☀  Đảm bảo ít khuyết tật: rổ khí, ngậm xỉ, không có khe hở hàn   ☀  Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang. Phân loại Theo phương pháp chế tạo có hai loại chính: thuốc hàn nung chảy; thuốc hàn gốm, thuốc hàn thiêu kết. Thuốc hàn nung chảy Thuốc hàn nung chảy là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc, được chế tạo bằng phương pháp nấu chảy các thành phần của mẻ liệu và được tạo hạt. Thuốc hàn nung chảy Đặc điểm của thuốc hàn nung chảy    ✵ Thường là hệ silicat có tỉ lệ oxit silic cao ,do đó có đặc tính axit .    ✵ Nhiệt độ nóng chảy khoảng 1300oC.    ✵ Độ nhớt đủ cao ở nhiệt độ cao để ngăn tác động của oxi và N từ không khí khi hàn và ngăn xỉ chảy loang ra khỏi mối hàn.    ✵ Đồng nhất về mặt hóa học, không hút ẩm.    ✵ Không chứa được các nguyên tố hợp kim    ✵ Khi hàn, xỉ hàn chứa nhiều Oxi tự do . Thuốc hàn gốm Thuốc hàn gốm là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc được chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp trộn với chất dính kết lỏng tạo hạt và sấy khô ở nhiệt độ 400 đến 6000C. Thuốc hàn Gốm Đặc điểm của thuốc hàn gốm:   ✵ Thường có hệ số bazo tối đa 2,6-3,2. Hệ số bazo cao khiến nồng độ oxi và lưu huỳnh thấp và độ dai va dập cao trong mối hàn .   ✵ Có thể bổ xung trực tiếp fero kim loại vào thuốc hàn, tăng khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn trong dải nồng độ rộng.   ✵ Các nguyên tố hợp kim dễ đi vào kim loại mối hàn (hàn đắp). Kim loại hợp kim dễ chuyển vào mối hàn còn do tính ổn định hóa học của CaO và MgO   ✵ Thuốc hàn gốm được hợp kim hóa đòi hỏi khống chế tốt điện áp hồ quang.   ✵ Dễ hút ẩm, nên có xu hướng dùng thuốc hàn gốm không chứa fero hợp kim và kết hợp với dây hàn thép hợp kim để hàn thép hợp kim thấp độ bền cao (nhằm tránh nứt do hydro). Khi đó không còn vấn đề mất ổn định thành phần hóa học mối hàn do thay đổi điện áp hồ quang. Thuốc hàn thiêu kết Thuốc hàn thiêu kết là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc, được chế tạo từ vật liệu bột hỗn hợp với chất kết dính lỏng tạo hạt sau đó thiêu kết ở nhiệt độ 700 đến 10000C. Thuốc hàn thiêu kết Hàn điện cực lõi thuốc Định nghĩa Hàn hồ quang bằng điện cực lõi thuốc (Flux-cored arc welding FCAW) là phương pháp hàn bán tự động hoặc tự động trong đó điện cực nóng chảy là một ống kim loại ,bên trong được điền đầy bằng thuốc hàn với tính năng tương tự như vỏ bọc que hàn. Hàn FCAW thường sử dụng nguồn hàn cung cấp điện áp cố định hoặc đôi khi là dòng điện không đổi (ít phổ biến). Hàn FCAW đôi khi có sử dụng nguồn cấp khí bảo vệ, nhưng thông thường lõi thuốc của dây hàn tự cung cấp môi trường bảo vệ vũng hàn. Hàn FCAW có tính cơ động và tốc độ hàn cao do đó thường được sử dụng trong ngành xây dựng.Hàn với dây hàn lõi thuốc Hàn điện cực lõi thuốc Ưu điểm: ✪ So với hàn hồ quang tay: Duy trì hồ quang liên tục, tốc độ đắp cao hơn , không tổn thất đầu mẩu que hàn, khắc phục các nhược điểm liên quan đến kỹ năng và sự mệt mỏi của thợ hàn, có mức độ bắn tóe thấp ,hình dáng bề mặt mối hàn được cải thiện đáng kể (do có các chất ổn định hóa hồ quang và tạo xỉ trong thành phần thuốc hàn). ✪ Có hai loại FCAW. Một loại không cần thiết bị cấp khí bảo vệ do trong thuốc hàn có các hợp chất giúp tao môi trường bảo vệ mối hàn. Với loại này giúp cho tính cơ động của thiết bị cao, và thiết bị có thể làm việc tại các nơi có gió. ✪ FCAW cũng bao gồm một dạng khác có yêu cầu nguồn cấp khí bảo vệ. dạng này có ưu điểm tiêu thụ ít khí bảo vệ ơn so với hàn bằng dây đặc. Năng xuất lao động cao phù hợp với các mối hàn dày mối hàn tốt và ít lỗi hơn so với hàn que và hàn MIG/MAG. Nhược điểm: ✪ Thiết bị phức tạp và đắt tiền hơn so với hàn hồ quang tay, cũng như hàn MIG/MAG. ✪ Đặt chế độ và điều khiển phức tạp hơn. ✪ Khói hàn nhiều hơn ,cần thông gió tốt trong xưởng hàn. ✪ Đối với loại không cần nguồn cấp khí bảo vệ. Mất nhiều thời gian để làm sạch xỉ. Nó cũng yêu cầu người thực hiện có kỹ năng cao. Phạm vi ứng dụng: ✪ Thường được sử dụng với những hợp kim:thép cácbon và hợp kim thấp,thép không gỉ,thép Nickel, ✪ Hàn kết cấu dàn khoan ngoài khơi ,đường ống dẫn dầu ,bể chứa khí hóa lỏng. ✪ Lắp ráp kết cấu thép nhà trọc trời (114,dây hàn tự bảo vệ) ✪ Chế tạo dầm chữ I,dàn trao đổi nhiệt nhà máy nhiệt điện ✪ Chế tạo các kết cấu nặng:khung xe ủi,gàu xúc,hộp giảm tốc ,cần trục ,gầm toa xe lửa. ✪ Hàn đắp khối lượng lớn (114,dây tự bảo vệ ):chuông nạp liệu lò cao,má nghiền Lịch sử phát triển FCAW được phát triển từ những năm 1950 nhằm thay thế phương pháp hàn hồ quang tay truyền thống, bằng cách khắc phục các yếu điểm của phương pháp hàn hồ quang tay. Cấu tạo dây hàn lõi bột Dây hàn lõi bột (điện cực lõi bột) là dạng điện cực kim loại bên trong lõi dây điền đầy các chất ở dạng bột có tính năng như thuốc bọc que hàn. Cấu tạo của dây hàn lõi bột gồm 2 phần cơ bản: Vỏ dây kim loại bên ngoài có dạng hình ống, được chế tạo từ băng kim loại và lõi thuốc bột là hỗn hợp các khoáng chất ở dạng bột tương tự như thuốc bọc que hàn, nhưng không chứa các chất tạo hình và chất dính kết. Cấu tạo dây lõi thuốc Cấu tạo dây hàn lõi thuốc 1. Vỏ dây Vỏ dây kim loại bên ngoài có dạng hình ống, được chế tạo từ băng kim loại, sau đó được vê thành hình chữ U hoặc từ dây kim loại cần định hình. Sau đó được điền đầy bột thuốc hàn và vê (tóp) kín lại. Công đoạn tiếp theo có thể được kéo (vuốt) giảm cỡ đường kính dây đến kích thước yêu cầu và được cuốn thành cuộn có khối lượng nhất định. Vỏ thường là thép cacbon thấp, có tính dẻo cao, để thuận lợi cho việc gia công. Tiết diện ngang của dây hàn lõi bột thường có một số dạng như hình vẽ trên. 2. Lõi thuốc bột: Lõi thuốc bột là hỗn hợp các khoáng chất ở dạng bột tương tự như thuốc bọc que hàn, nhưng không chứa các chất tạo hình và chất dính kết. Chúng cũng có chức năng như các chất trong thành phần mẻ liệu thuốc bọc bình thường hoặc thuốc bọc hợp kim hoá (tức là chủ yếu chứa các fero hợp kim hoặc bột kim loại). Đối với dây lõi bột có tính năng bình thường, lõi bột thường chứa các chất tạo khí, tạo xỉ mỏng để bảo vệ cột hồ quang và kim loại vũng hàn khỏi sự tác động của môi trường xung quanh thì hệ số lõi bột chỉ cần từ 10-15% là đủ tin cậy. Đối với dây hàn lõi bột có thêm chức năng hợp kim hoá, hệ số lõi bột sẽ lớn hơn. Thành phần lõi bột ❖ Loại dùng kết hợp Thường dùng các hệ xỉ sau đây: ● Loại mang tính axit: xỉ hệ TiO2, ví dụ dây lõi bột E70T -1, E70T -2; ● Loại mang tính bazơ hoặc trung tính: xỉ hệ CaCO3 – TiO2, Ví dụ E70T – 1; ● Loại Bazơ: xỉ hệ CaCO3 – SiO2 – CaF2, ví dụ E70T – 5 Trên cơ sở những hệ xỉ trên Viện Hàn mang tên E.O.Paton đã nghiên cứu các loại phổ biến: – AH1, – AH2, – AH3 trong đó bổ sung thêm Na2SiF6. ❖ Loại tự bảo vệ: Thường sử dụng kết hợp: ● Vỏ dày hàn tự vệ: chứa một hàm lượng các chất khử O2, N2 khá lớn. Đó là Al, Ti và Zr, đôi khi có cả Ni để nâng cao độ dai va đập của kim loại mối hàn. ● Các hệ xỉ thường dùng: có chứa hàm lượng chất tạo khí nhiều Hơn. + Hệ xỉ CaCO3 – TiO2 – CaF2; + Hệ xỉ CaCO3 – CaF2; + Hệ xỉ CaF2 – TiO2, ví dụ E70T – 3 + Hệ xỉ CaF2 – Oxyt nhôm, ví dụ E70T – 4, E60T – 7, E60T – 8 Việc sử dụng dây hàn tự bảo vệ làm cho thiết bị hàn trở nên đơn giản hơn (không cần chai khí bảo vệ ,chụp khí, van khí, ), và súng hàn cũng đơn giản hơn. Như hình vẽ sau: Sơ đồ hàn dây lõi thuốc