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

xỉ nóng chảy. Điều này gắn liền với tính chảy loãng cao (độ nhớt thấp) của xỉ trong khoảng nhiệt độ xảy ra các phản ứng giữa kim loại nóng chảy và xỉ nóng chảy (đặc biệt rõ rệt với các loại thuốc hàn bazơ). Khi hàn dưới lớp thuốc, nhiệt độ cao của các giọt kim loại nóng chảy dịch chuyển từ dây hàn sang vũng hàn (khoảng 2300oC) và nhiệt độ trung bình của vũng hàn tương đối cao (1770 ± 100oC) tạo thuận lợi cho các phản ứng tỏa nhiệt. Để đơn giản hóa khi lựa chọn, trên thực tế, các kỹ sư công nghệ có thể chọn thuốc hàn thích hợp với từng loại dây hàn cho các ứng dụng hàn cụ thể theo catalo của các hãng sản xuất vật liệu hàn. 2.4.3 Thuốc hàn Thuốc hàn có vai trò sau: Bảo vệ vũng hàn khỏi tác động của không khí từ bên ngoài, Cải thiện sự ion hóa tạo ổn định hồ quang, Tinh luyện kim loại vũng hàn (khử lưu huỳnh), Hợp kim hóa mối hàn (hoàn nguyên Mn và Si, và các nguyên tố hợp kim khác vào kim loại mối hàn nếu là thuốc hàn gốm), Tạo dáng mối hàn, Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang, Chống bắn tóe kim loại nóng chảy Theo tác động về mặt luyện kim, thuốc hàn có thể mang đặc tính axit, hay bazơ, tính theo hệ số axit A: A = (SiO2 +TiO2 + ZrO2)/(CaO +MgO + MnO + K2O + Na2O) Khi A 1,1 thuốc hàn thuộc loại axit; và khi A = 0,9…1,1 thuốc hàn được gọi là thuộc loại trung tính. Hệ số bazơ của xỉ hàn: B = 1/A Ký hiệu thuốc hàn: Tiêu chuẩn IIW-545-78 “phân loại và ký hiệu dây hàn và thuốc hàn cho hàn dưới lớp thuốc thép kết cấu” của Viện Hàn Quốc tế phân loại thuốc hàn như bảng 2-4. Bảng 2-4. Ký hiệu thuốc hàn theo Viện Hàn Quốc tế IIW Ký hiệu Thành phần chính Loại MS CS ZS Mn + SiO2 50%min. CaO + MgO + SiO2 60%min. ZrO + SiO2 30%min. Mn silicat Ca silicat Zr silicat AR AB Al2O3 + TiO2 15%min. Al2O3 + CaO + MgO 45%min. Al2O3 20%min. Oxit nhôm – rutil Oxit nhôm – bazơ FB CaO + MgO + MnO + CaF2 50%min. SiO2 20%max. CaF2 15%min. Bazơ - fluorit ST Chứa chất hợp kim hóa (kim loại) Đặc biệt Ngoài ra còn có các ký hiệu viết tắt, chỉ loại thuốc hàn như sau: F (fused): loại nung chảy; B (bonded): loại liên kết, tức là thuốc hàn gốm; M (mechanically mixed): loại trộn hỗn hợp cơ học (loại thiêu kết); Trong bảng 2-4, MS, CS, ZS, AR, AB, FB là các loại thuốc hàn không có đặc tính hợp kim hóa (tức là ngoài lượng Mn và Si thích hợp, nếu thuốc hàn chứa các nguyên tố hợp kim khác, từng nguyên tố đó không được hoàn nguyên vào kim loại mối hàn nhiều hơn 0,25% hoặc tổng lượng hoàn nguyên của chúng không được vượt quá 0,4%). ST là loại thuốc hàn đặc biệt có chứa các thành phần kim loại, không đáp ứng yêu cầu nêu trên. Thành phần (% khối lượng) một số loại thuốc hàn: + MS (axit; B = 0,5 ÷ 1,0): 30 ÷ 40 SiO2; 00 ÷ 10 Al2O3; 35 ÷ 45 MnO; 00 ÷ 10 CaO; 00 ÷ 10 CaF2 + CS có hàm lượng SiO2 cao (axit; B = 0,5 ÷ 0,8): 50 ÷ 60 SiO2; 03 ÷ 05 Al2O3; 25 ÷ 30 CaO; 08 ÷ 12 MgO; 00 ÷ 02 CaF2 + CS có hàm lượng SiO2 trung bình (trung tính; B = 0,8 ÷ 1,2): 30 ÷ 40 SiO2; 10 ÷ 15 Al2O3; 00 ÷ 05 MnO; 25 ÷ 30 CaO; 10 ÷ 15 MgO; 05 ÷ 10 CaF2 + CS có hàm lượng SiO2 thấp (bazơ; B = 1,2 ÷ 1,7): 30 ÷ 40 SiO2; 03 ÷ 05 Al2O3; 35 ÷ 45 CaO; 00 ÷ 05 MgO; 10 ÷ 15 CaF2 + AR (trung tính ; B = 0,5 ÷ 1,0): 10 ÷ 20 SiO2; 05 ÷ 15 TiO2; 00 ÷ 10 ZrO2; 20 ÷ 50 Al2O3; 10 ÷ 20 MnO; 00 ÷ 05 CaO; 05 ÷ 15 CaF2 + AB (bazơ; B = 1,2 ÷ 2,0): Al2O3 + MnO + CaO = min 20 + FB (bazơ; B = 2,5 ÷ 3,5): 05 ÷ 20 SiO2; 10 ÷ 15 Al2O3; 10 ÷ 15 CaO; 30 ÷ 40 MgO; 20 ÷ 30CaF2 Đặc điểm của thuốc hàn nung chảy: Thường là hệ silicat có tỷ lệ oxit silic cao, do đó có đặc tính axit. Việc chứa nhiều oxit tự do: do thuốc hàn chứa nhiều oxit Mn và oxit Si, chúng bị các nguyên tố kim loại làm hoàn nguyên. Nhiệt độ nóng chảy khoảng 1300oC. nhiệt độ này bảo đảm xỉ hàn còn ở trạng thái nóng chảy khi kim loại mối hàn đã kết tinh để bề mặt có hình dạng tốt. Độ nhớt đủ cao ở nhiệt độ cao để ngăn tác động của oxi và nitơ từ không khí khi hàn và ngăn xỉ chảy loang ra khỏi mối hàn. Tuy nhiên độ nhớt phải đủ thấp để khí kịp thoát ra khỏi vũng hàn khi nó kết tinh. Giá trị độ nhớt vào khoảng 200 poise ở 1000 ÷ 1200oC và khoảng 5 poise ở 1400oC. Đồng nhất về mặt hóa học, không hút ẩm. Không chứa được các nguyên tố hợp kim (do công nghệ chế tạo chúng). Khi hàn, xỉ hàn chứa nhiều oxi tự do. Đặc điểm của thuốc hàn gốm: Thường có hệ số bazơ tối đa 2,6 ÷ 3,2. Hệ số bazơ cao khiến nồng độ oxi và lưu huỳnh thấp và độ dai va đập cao trong kim loại mối hàn. Nó khử oxi trong kim loại mối hàn triệt để hơn thuốc hàn nung chảy. Thuốc hàn gốm còn cải thiện tổ chức kim loại mối hàn thông qua biến tính. Có thể bổ sung trực tiếp fero kim loại vào thuốc hàn, tăng khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn trong dải nồng độ rộng. Rất thích hợp cho hàn đắp các lớp đặc biệt (cứng). Các nguyên tố hợp kim dễ đi vào kim loại mối hàn (hàn đắp). Kim loại hợp kim hóa dễ chuyển vào mối hàn còn do tính ổn định hóa học của CaO và MgO (thành phần chính). Thuốc hàn gốm được hợp kim hóa đòi hỏi khống chế tốt điện áp hồ quang. Dễ hút ẩm. Do đó, ngày nay 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. Một số loại thuốc hàn trên thị trường hiện nay: Đặc điểm chi tiết: 1. Là thuốc hàn tiêu chuẩn cao với những viên có dạng hạt màu xám 2. Có thể sử dụng trên nguồn AC/DC hoặc dòng điện hàn lớn 3. Ổn định, hạt mịn và loại bỏ xỉ dễ dàng 4. Kim loại hàn có tính bền cao ở nhiệt độ thấp 5. Loại thuốc này thích hợp cho hàn thép cacbon thấp và nhiều điện cực dưới lớp thuốc 6. Thông số kỹ thuật: SiO2+TiO2: 15-25%, CaO+MgO: 25-35%, Al2O3+MnO: 20-30%,CaF :15% max 7. Khối lượng đóng gói: 25 kg 2.4.4 Dây hàn Tiêu chuẩn IIW-545-78 “phân loại và ký hiệu dây hàn và thuốc hàn cho hàn thép kết cấu dưới lớp thuốc” quy định các yêu cầu đối với dây hàn thép kết cấu có giới hạn chảy 270 ÷ 490 Mpa và giới hạn bền 300 ÷ 690 Mpa. Các dây hàn này gồm thép cacbon, thép C-Mn và thép hợp kim thấp. Đường kính dây hàn: Các loại đường kính dây hàn chuẩn là 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0 mm. Dây hàn được sử dụng dưới dạng các cuộn dây loại 10 (10 kg, đường kính tối đa 4,0 mm), 25 (25 kg, đường kính tối thiểu 1,2 mm), 50 (50 kg, đường kính tối thiểu 2,0 mm) và 100 kg đường kính tối thiểu 3,20 mm. Thí dụ về ký hiệu phối hợp dây hàn và thuốc hàn theo tiêu chuẩn kể trên: FCS-SA3-51-2-1B Có nghĩa là thuốc hàn sử dụng thuộc loại nung chảy (F) canxi silicat (CS) dùng với dây hàn SA3 với cơ tính mối hàn: độ bền 520 Mpa và độ dai va đập 35J tại 0oC và 32J tại 20oC. Dây SA3 có thành phần 0,07 ÷ 0,15%C; tối đa 0,15%Si; 0,07 ÷ 1,2% mn. Ngoài ra, còn có một số tiêu chuẩn phổ biến khác dành cho thuốc hàn và dây hàn như: AWS A5.17-1980 “Quy định điện cực thép cacbon và thuốc hàn để hàn dưới lớp thuốc”. AWS A5.23-1980 “Quy định điện cực thép hợp kim thấp và thuốc hàn để hàn dưới lớp thuốc”. AWS A5.9-1980 “Quy định điện cực thép Cr – Ni và thép Cr chống ăn mòn: dây hàn”. Một số loại dây hàn trên thị trường hiện nay: Dây hàn spoolarc 81 của hãng ESAB 1. Phân cấp/Chứng chỉ: AWS A5.17; EM12K 2. Thành phần hóa học: C: 0,1%; Mn: 1,0%; Si: 0,2%; P: 0,008%; S: 0,010% 3. Đặc điểm cơ học: + Độ bền kéo đứt: 560 Mpa + Độ bền uốn: 470 Mpa + Độ giãn dài (2”): 30% + CVN: 60 J + Nhiệt độ: -40oC 4. Đường kính: 1,6; 2,0; 2,4; 3,2; 4,0; 4,8 (mm) 2.5 HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC MỐI HÀN Hình dạng và kích thước mối hàn chịu ảnh hưởng của một loạt các yếu tố như các thông số của chế độ hàn, các yếu tố công nghệ và kết cấu. 2.5.1 Ảnh hưởng của chế độ hàn Việc xác định các kích thước cơ bản và hình dạng mối hàn có ý nghĩa quan trọng trong lựa chọn chế độ hàn, và do đó, cả chất lượng mối hàn. Hình dạng mối hàn do các yếu tố chiều sâu ngấu h, chiều rộng b và chiều cao đắp c hoặc chiều cao toàn bộ H = c + h của mối hàn tạo nên. Hình 2-17. Các kích thước đặc trưng của mối hàn Có hai hệ số đặc trưng cho hình dạng mối hàn là hệ số ngấu (hệ số hình dạng bên trong) yn = b/h (thường có giá trị 0,8 ÷ 4, tối ưu từ 1,3 ÷ 2) và hệ số hình dạng mối hàn (hệ số hình dạng bên ngoài) ym = b/c (thường có giá trị từ 7 ÷ 10). So sánh với hàn hồ quang tay ta thấy, khi hàn hồ quang tay, hệ số hình dạng trong mối hàn (hệ số ngấu) thường nằm trong khoảng yn = 5 ÷ 6,7; trong khi đó với hàn dưới lớp thuốc, yn = 1,3 ÷ 2 (giá trị chiều sâu ngấu lớn hơn nhiều). Nếu hệ số hình dạng bên trong nhỏ hơn 0,8, mối hàn dễ bị nứt nóng và khi nó lớn hơn 4, khả năng biến dạng của mối hàn sẽ rất lớn. Nếu hệ số hình dạng bên ngoài nhỏ hơn 7, sự chuyển tiếp kim loại từ mối hàn vào kim loại cơ bản không đều, dễ gây tập trung ứng suất; khi hệ số này lớn hơn 10, khả năng biến dạng mối hàn tăng, làm giảm khả năng chịu tải trọng động. Lượng nhiệt sinh ra trong hồ quang (hàm số của dòng điện hàn, điện áp hàn và tốc độ hàn) ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng mối hàn. 1) Ảnh hưởng của dòng điện hàn Khi tăng cường độ dòng điện hàn (các thông số khác giữ nguyên), lượng kim loại nóng chảy tăng do mật độ dòng điện tăng, làm tăng lượng điện cực nóng chảy (chiều cao đắp c của mối hàn tăng). Theo đó, sự tập trung nhiệt trong hồ quang tăng và làm áp lực của hồ quang tăng. Kết quả là chiều sâu ngấu h tăng. Có thể dùng công thức h = k.I (với giá trị k = (1 ÷ 1,75).10-2 mmA-1, tùy thuộc vào cường độ dòng điện hàn I và thành phần thuốc hàn). Chiều rộng mối hàn b hầu như không đổi. Do đó hệ số ngấu giảm. Hình 2-18. Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo cường độ dòng điện hàn 2) Ảnh hưởng của điện áp hàn Hình 2-19. Sự thay đổi hình dạng mối hàn và mức tiêu thụ thuốc hàn theo điện áp hàn Điện áp hàn tăng sẽ làm tăng chiều dài cột hồ quang. Do đó, lượng nhiệt sinh ra trong hồ quang sẽ tác động lên một diện tích lớn hơn của kim loại cơ bản, làm giảm chiều sâu ngấu h nhưng lại làm tăng chiều rộng mối hàn b. Trên thực tế, điện áp hàn được xác định theo cường độ dòng điện hàn nhằm đạt được hệ số ngấu cần thiết. 3) Ảnh hưởng của tiết diện điện cực Khi cường độ dòng điện hàn không đổi, I = const, nếu tăng đường kính điện cực sẽ dẫn đến tăng chiều rộng b và giảm chiều sâu ngấu h của mối hàn. Hình 2-20. Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo tiết diện điện cực 4) Ảnh hưởng của tốc độ hàn Khi cường độ của dòng điện hàn và điện áp hàn không đổi, sự thay đổi tốc độ hàn sẽ làm thay đổi lượng nhiệt đưa vào một đơn vị chiều dài mối hàn. Sự thay đổi tốc độ hàn làm thay đổi hướng tác động của hồ quang và sự phân bố lực trong hồ quang. Với tốc độ hàn dưới 10m/h, hồ quang cháy hầu như vuông góc, tức là thành phần nằm ngang của lực hồ quang (có tác dụng đẩy mạnh nhất đối với kim loại nóng chảy ra khỏi hồ quang) là không đáng kể, dẫn đến chiều sâu ngấu không lớn. Tốc độ tăng hơn sẽ làm nghiêng cột hồ quang, dẫn đến tăng chiều sâu ngấu. Ngoài ra, tốc độ hàn tăng làm giảm mức độ thiêu thụ thuốc hàn. Hình 2-21. Ảnh hưởng của tốc độ hàn lên sự phân bố lực trong hồ quang a), hình dạng mối hàn b), và mức độ tiêu thụ thuốc hàn c). Khi tiếp tục tăng tốc độ hàn thì lượng nhiệt sinh ra không đủ nung chảy cạnh hàn, làm giảm chiều sâu ngấu. Với tốc độ hàn rất lớn, sẽ xảy ra hàn không ngấu hai bên mối hàn và hồ quang không ổn định. 2.5.2 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ 1) Góc nghiêng của dây hàn Hình 2-22. Góc nghiêng dây hàn và ảnh hưởng của góc nghiêng về phía trước lên hình dạng mối hàn Khi nghiêng dây hàn về phía sau (ngược với hướng hàn), kim loại nóng chảy bị hồ quang đẩy, làm tăng chiều sâu ngấu. Chiều cao mối hàn cũng tăng và chiều rộng giảm. Kết quả là hệ số ngấu giảm. Mối hàn như vậy dễ bị nứt, rỗ khí và không ngấu. phương pháp này chỉ áp dụng hạn chế cho hàn các mối hàn vòng có đường kính nhỏ. Khi nghiêng dây hàn về phía trước (theo hướng hàn), hồ quang có xu hướng song song với trục của điện cực. Phần lớn hồ quang cháy dưới bề mặt kim loại cơ bản; việc nung trước bề mặt hàn được cải thiện. Lượng kim loại nóng chảy phía dưới hồ quang tăng, dẫn đến giảm lượng kim loại cơ bản nóng chảy. Kết quả là chiều sâu ngấu giảm nhưng chiều rộng mối hàn lại tăng. 2) Góc nghiêng của vật hàn Hình 2-23. Góc nghiêng vật hàn và hình dạng mối hàn Góc nghiêng vật hàn lên phía tên tạo nên hình dạng mối hàn tương tự như khi hàn với góc dây hàn nghiêng về phía sau, và góc nghiêng vật hàn xuống phía dưới tạo nên hình dạng mối hàn tương tự như khi hàn với góc dây hàn nghiêng về phía trước. Để tạo dáng tốt mối hàn, cần tránh hàn với góc nghiêng lớn hơn 8o so với mặt phẳng nằm ngang. Hình 2-24. Vị trí dây hàn khi hàn các mối hàn vòng đường kính nhỏ và cường độ dòng điện hàn tối đa Trên hình 2-24 là thí dụ sử dụng góc nghiêng vật hàn là trường hợp hàn mối hàn vòng có đường kính nhỏ. 3) Loại dòng điện hàn Với thuốc hàn silic – mangan thông dụng, khi nối thuận (điện cực nối vào cực âm), chiều sâu ngấu nhỏ hơn và chiều cao mối hàn lớn hơn so với khi nối nghịch. Khi dùng dòng xoay chiều, ta có giá trị trung bình so với hai loại đấu dây kể trên. 4) Loại thuốc hàn Thành phần thuốc hàn ảnh hưởng đến chiều dài hồ quang (tính chất ion hóa). Thuốc hàn có tính chất ion hóa kém cho hồ quang ngắn, do đó chiều sâu ngấu lớn. Độ hạt của thuốc hàn cũng ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn. Độ hạt thô (khối lượng riêng của thuốc hàn nhỏ) có tác dụng làm chiều sâu ngấu nhỏ hơn so với độ hạt nhỏ, do đó thích hợp cho hàn các tấm mỏng. 2.5.3 Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu Hình 2-25. Ảnh hưởng của góc rãnh hàn và khe đáy lên hình dạng mối hàn Với chế độ hàn nhất định, hình dạng mối hàn hầu như không thay đổi theo loại liên kết hàn. Hình dạng mối hàn chỉ thay đổi theo chế độ hàn. Loại liên kết hàn, góc rãnh hàn và khe đáy ảnh hưởng đến phần kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn. Góc rãnh hàn và khe đáy lớn làm cho lượng kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn giảm. 2.6 XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÀN Các thông số của chế độ hàn được xác định dựa trên các giá trị biết trước về hình dạng mối hàn. Các thông số của chế độ hàn bao gồm: đường kính dây hàn, cường độ dòng điện hàn, điện áp hồ quang, tốc độ hàn, tốc độ cấp dây. 2.6.1 Trường hợp hàn giáp mối không có rãnh hàn (hàn từ 2 phía, mỗi phía hàn một lượt): Các bước tính toán cần thiết như sau: Xác định chiều sâu chảy cần thiết cho hàn từ một phía, Tính dòng điện hàn bảo đảm chiều sâu chảy đó, Chọn đường kính dây hàn, Tính tốc độ hàn, Tính điện áp hàn, Tính năng lượng đường và kiểm tra các kích thước cơ bản của mối hàn. Nếu chiều sâu chảy và các kích thước đó thỏa mãn yêu cầu thì tính tương tự cho phía thứ hai. Nếu không, phải điều chỉnh chế độ hàn cho phù hợp. Sau đó tính tiếp. Cụ thể tính toán như sau: 1. Chiều sâu chảy lớp thứ nhất với phía hàn thứ nhất: h1 = s/2 + 2 ÷ 3 (mm) 2. Cường độ dòng điện hàn cho lớp đó. Có nhiều công thức để tính và có thể tra theo bảng, ví dụ: I = (80 ÷ 100).h1 3. Chọn đường kính dây hàn: d = 2.(I/p.j)0,5 [mm] trong đó j – mật độ dòng điện hàn tối đa: d [mm] 2 3 4 5 6 j [A/mm2] 65 ÷ 200 45 ÷ 90 35 ÷ 60 30 ÷ 50 25 ÷ 45 4. Tính tốc độ hàn. Để bảo đảm điều kiện kết tinh tốt của vũng hàn, tỷ số giữa chiều dài và chiều rộng của vũng hàn phải không đổi. Theo lý thuyết truyền nhiệt, ta sẽ có: v.I = A = const. Tức là v = A/I (m/h) d [mm] 1,6 2 3 4 5 6 A[.103Am/h] 5 ÷ 8 8 ÷ 12 12 ÷ 16 16 ÷ 20 20 ÷ 25 25 ÷ 30 Công thức thực nghiệm khác: v = I2/k.h (m/h) Trong đó: I = (A); h = (mm); k = 0,22.104 khi h £ 9 mm và k = 0,49.104 khi h > 9 mm. 5. Tính điện áp hàn: U = 20 + 50.I.10-3/d0,5 ± 1 (V) trong đó d = [mm]; I = (A). 6. Điều chỉnh tính toán Nếu dùng công thức b = h.yn và h = có thể thấy hệ số ngấu yn nhỏ hơn giá trị dưới của khoảng tối ưu (1,3 ÷ 2) thì phải điều chỉnh các thông số đã tính toán của chế độ hàn bằng cách giảm tốc độ hàn v cho tới khi có được chiều rộng yêu cầu của mối hàn hoặc tăng tốc độ hàn khi hệ số ngấu lớn hơn 2. Cần đặc biệt chú ý giá trị I tính được có thể vượt quá giá trị cho phép đối với loại thuốc hàn cho trước. 2.6.2 Trường hợp hàn giáp mối có rãnh hàn (hàn từ 2 phía, mỗi phía hàn một lượt): Các bước tính toán như sau: 1. Xác định chiều sâu chảy cần thiết cho hàn từ một phía 2. Tính dòng điện hàn bảo đảm chiều sâu chảy đó, Chọn đường kính dây hàn, Tính tốc độ hàn, Tính điện áp hàn, Tính năng lượng đường và các kích thước cơ bản của mối hàn. Cụ thể tính toán bước 6 như sau: c = (Fd – f2.tgb - H.a)/(m.b – a) Trong đó: Fd - diện tích tiết diện ngang lớp đắp f - Chiều sâu vát mép b - góc mép hàn (1/2 góc rãnh hàn) Hình 2-26. Kích thước mối hàn giáp mối có vát mép hàn từ hai phía H = const, H – chiều cao toàn bộ mối hàn (đã xác định trước cho trường hợp không có rãnh hàn và khe đáy. a - Khe đáy b - Chiều rộng mối hàn h = H - c 2.6.3 Trường hợp hàn giáp mối nhiều lớp, hàn từ 2 phía: Bước 1: Tính chế độ hàn cho lớp thứ nhất ở phía thứ nhất. Theo đường kính dây hàn đã chọn, tính I theo công thức đã biết sau: U = 20 + 50.I.10-3/d0,5 ± 1 và yn =k’.(19 – 0,01.I).d.(U/I) Tìm v = A/I Xác định h, b, c và H của mối hàn thứ nhất đó (có thể khe đáy a = 0) Cần thỏa mãn điều kiện: h + h’ = p + k Bước 2: Hình 2-27. Kích thước mối hàn giáp mối có rãnh hàn, hàn nhiều lớp Tính chế độ hàn cho lớp thứ nhất ở phía còn lại – như vừa tính ở bước 1. Bước 3: Tính chế độ hàn cho các lớp còn lại ở mỗi phía, coi diện tích tiết diện ngang các lớp hàn đó như nhau: F2 = F3 = Fn Fx = Fd = Fd1 Fx – là diện tích tiết diện ngang kim loại đắp của toàn bộ các lớp hàn từ thứ hai trở đi ở phía đó; Fd – là tổng diện tích tiết diện ngang kim loại đắp ở phía đó; Fd1 – là diện tích tiết diện ngang kim loại đắp của lớp thứ nhất. Do đó số lớp hàn tiếp theo là n = Fx/ Fn 2.7 CHUẨN BỊ TRƯỚC KHI HÀN Các bước chuẩn bị trước khi hàn bao gồm: 1. Làm sạch bề mặt. 2. Gá lắp Vì thể tích kim loại và xỉ lỏng lớn hơn nhiều so với hàn hồ quang tay, việc chuẩn bị và lắp ráp mép hàn đòi hỏi chính xác hơn nhiều (bề mặt gia công có độ chính xác tối thiểu cấp 4, Ra max = 50) Hình 2-28. Yêu cầu đối với độ chính xác lắp ráp với hàn dưới lớp thuốc Nếu trong hàn hồ quang tay, thợ hàn điều chỉnh những chỗ mép hàn không đều, trong hàn tự động dưới lớp thuốc, giá trị dòng điện hàn cao, hồ quang nung chảy sâu, thợ hàn không thể nhìn thấy để điều chỉnh. Do đó cần sử dụng các thiết bị cắt tự động bằng khí cháy hoặc plasma hoặc gia công cơ để vát mép. Không nên cắt bằng thiết bị thủ công (trừ trường hợp lắp ráp ngoài hiện trường ). Công tác lắp ráp cần được tiến hành bằng đồ gá đặc biệt. Hình 2-29. Bản dẫn để bắt đầu và kết thúc mối hàn thẳng 3. Để đảm bảo chất lượng mối hàn, nơi bắt đầu và kết thúc mối hàn (nơi hay có các khuyết tật) được hàn đính vào bằng các bản dẫn cho đầu và cuối mối hàn và sau khi hàn xong, các bản dẫn đó sẽ được loại bỏ khỏi vật hàn. 4. Nhu cầu duy trì kim loại vũng hàn có kích thước lớn trong một thời gian dài cho đến khi nó kết tinh ở phía đáy. Trong trường hợp này người ta thường sử dụng kỹ thuật lót đáy Hình 2-30. Các kỹ thuật lót đáy A – lót đáy bằng dải kim loại. B – lót đáy bằng tấm đồng. C – lót đáy bằng phần tử kết cấu. D – lót đáy bằng kim loại cơ bản. E – lót đáy bằng mối hàn lót có dán sứ. F – lót đáy bằng tấm gốm hỗn hợp. G – lót đáy bằng thuốc hàn. Ngoài ra, còn có thể lót đáy mối hàn bằng một mối hàn chân (được thực hiện bằng hàn hồ quang tay hay hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường CO2). 2.8 KỸ THUẬT HÀN 2.8.1 Kỹ thuật bắt đầu gây và kết thúc hồ quang Có thể gây hồ quang bằng một trong các biện pháp sau: 1) Dùng phoi ép vụn hoặc bột sắt: Đặc một cuộn tròn phoi thép có đường kính khoảng 10 mm vào nơi cần gây hồ quang trên bề mặt liên kết, cho dây hàn hạ xuống cho đến khi nó ép chặt cuộn phoi thép (cũng có thể đổ bột thép mịn vào giữa đầu dây hàn và bề mặt vật hàn); sau đó đổ thuốc hàn vào và bắt đầu hàn. 2) Làm nhọn đầu dây hàn: Cắt nhọn đầu dây hàn để có mật độ dòng lớn; sau đó hạ dây hàn để tiếp xúc bề mặt vật hàn; đổ thuốc hàn và bắt dầu hàn. 3) Chuyển động quẹt đầu dây hàn: Hạ dây hàn xuống cho tiếp xúc với bề mặt vật hàn; đổ thuốc hàn xuống; cho xe hàn chạy; ngay sau đó bật dòng điện hàn. 4) Tạo vũng xỉ nóng chảy: Khi hàn bằng nhiều dây hàn, một dây tạo vũng xỉ nóng chảy; sau đó các dây hàn kia tự gây hồ quang khi chúng được đưa vào vũng xỉ và bật dòng hàn. 5) Chuyển động xuống và lên dây hàn: Phương pháp này hữu ích và mang tính kinh tế khi cần thường xuyên gây hồ quang và khi phải gây hồ quang tại những điểm nhất định. Nó chỉ dùng cho nguồn hàn có đặc tính dốc đi kèm với bộ cấp dây có tốc độ biến đổi. Đầu tiên dây hàn được hạ xuống để tiếp xúc bề mặt vật hàn; sau đó đổ thuốc hàn xuống và bật dòng điện hàn. Điện áp thấp giữa đầu dây hàn và vật hàn sẽ cung cấp tín hiệu cho bộ cấp dây rút đầu dây hàn ra khỏi vật hàn. Lúc đó xuất hiện hồ quang. Điện áp hồ quang tiếp tục tăng khi dây đang được kéo lên và động cơ bộ cấp dây nhanh chóng đổi chiều để cấp dây vào hồ quang. Tốc độ cấp dây tăng cho đến khi tốc độ chảy của dây hàn và điện áp hồ quang ổn định ở chế độ đặt trước. 6) Dùng bộ tạo tần số cao: Khi cần hàn gián đoạn hay hàn tốc độ cao. Bộ tạo tần số và điện áp cao được nối song song với mạch hàn, tự động tạo ra hồ quang giữa đầu dây hàn và bề mặt vật hàn khi khoảng cách giữa chúng giảm xuống còn 1,6 mm. Các bước để kết thúc hồ quang: Dừng xe hàn; ngừng cấp dây hàn và ngắt dòng điện hàn sau vài dây. 2.8.2 Kỹ thuật hàn tự động tấm phẳng 1) Hàn giáp mối từ một phía Việc chuẩn bị mép hàn cần đơn giản nhất. Do đặc điểm của quá trình hàn, có thể hàn tự động một lớp không vát mép tới chiều dày tấm 20 mm. Việc tăng độ lớn khe đáy có thể khắc phục hiện tượng mối hàn lồi quá mức do dòng điện hàn cao. Sử dụng đệm lót cần bảo đảm đủ lực ép của tấm đệm nhằm tạo dáng tốt mối hàn (đệm đồng: cho tấm mỏng đến 3 mm; đệm thuốc hàn: cho tấm 4 ÷ 8 mm). Khi chiều dày s > 30 mm, có thể hàn một hoặc nhiều lớp. Hàn chiều lớp cho phép giảm cường độ dòng điện hàn và bảo đảm chiều sâu ngấu đủ lớn. Ngoài ra, hàn nhiều lớp thép hợp kim thấp dễ tôi có tác dụng ram vùng ảnh hưởng nhiệt của các lớp trước đó. Khi hàn tấm mỏng, cần giảm năng lượng đường để chống cháy thủng (chọn cường độ hàn I nhỏ) nhưng cần chọn chế độ hàn bảo đảm chiều sâu ngấu h cần thiết là nhỏ nhất. Chuẩn bị cạnh hàn và kích thước mối hàn giáp mối từ một phía: (xem phụ lục 1). 2) Hàn giáp mối từ hai phía Kỹ thuật hàn giáp mối từ hai phía khác với chỉ hàn từ một phía. Mặt đáy có kích thước lớn hơn nhiều so với hàn hồ quang tay. Khe đáy thường rất nhỏ hoặc không có khe đáy. Lớp hàn đầu tiên không được ngấu toàn bộ mặt đáy (phần ngấu vào khoảng 2/3 giá trị mặt đáy). Sau đó quay ngược để hàn lớp đầu tiên từ phía ngược lại (phải ngấu phần chân đường hàn trước đó). Nếu chỉ hàn một lớp từ mỗi phía, chiều sâu chảy lớp thứ hai gần bằng 2/3 chiều dày tấm. Khuyết tật thường gặp: đường hàn bị lệch về một bên, do dẫn hướng dây hàn không chính giữa mối hàn, làm một phần mặt đáy không ngấu hết. Trình tự đặt các đường hàn từ hai phía nên xem xét quá trình hình thành biến dạng khi hàn sao cho biến dạng dư là nhỏ nhất. Cách dẫn hướng dây hàn: có thể nghiêng đầu dây hàn ở các lớp trên. Trình tự hàn: thường hàn từ 2 đến 4 đường hàn từ một bên, sau đó hàn với số lớp nhiều hơn ở phía ngược lại. Cách chuẩn bị cạnh hàn và kích thước mối hàn liên kết giáp mối từ hai phía: (xem phụ lục 2). 2.8.3 Hàn góc Hàn góc thường được thực hiện đối với các liên kết hàn chữ T và liên kết hàn chồng. Khi hàn, có thể vát mép hoặc không; có thể hàn một hoặc nhiều lớp. Liên kết hàn chữ T và liên kết hàn chồng có thể chia thành các kiểu như sau: (xem phụ lục 3). Để hàn mối hàn góc có hai tư thế phổ biến: Tư thế hàn sấp (hàn lòng máng) được sử dụng khi cần hàn ngấu đều cả hai mép hàn hoặc bố trí dây hàn không đối xứng các cạnh hàn. Có thể hàn mối hàn lớn có chuyển tiếp từ mối hàn đều vào kim loại cơ bản. Cần sử dụng đệm lót (tấm đồng, mối hàn lót hồ quang tay, thuốc hàn). Tư thế hàn ngang (có nghiêng dây hàn) được sử dụng khi không cần phải giữ chính xác khe hở giữa hai tấm. Chỉ có thể hàn tối đa mối hàn kích thước 6 mm cho một lớp hàn. Dao động tối đa đầu dây hàn dọc đường hàn là 1 mm. Góc nghiêng dây hàn 20 ÷ 30o Hình 2-31. Góc nghiêng điện cực khi hàn mối hàn góc 2.8.4 Các loại khuyết tật mối hàn Khuyết tật làm giảm chất lượng mối hàn và tăng nguy cơ phá hủy kết cấu hàn trong quá trình vận hành. Các khuyết tật có thể là bên ngoài (nhìn thấy bằng mắt thường), hoặc bên trong (có thể phát hiện bằng các phương pháp kiểm tra không phá hủy). Nguy hiểm nhất là các khuyết tật dạng vết cắt (nứt, hàn không ngấu, lẫn xỉ có mép nhọn). Nguyên nhân gây ra khuyết tật nhiều nhất là do thiết kế mối hàn không thích hợp; chọn sai kim loại cơ bản và vật liệu hàn, công nghệ và nhiệt luyện sau khi hàn; không giữ vững quy tắc công nghệ. Sau đây là các khuyết tật thường xuất hiện khi hàn dưới lớp thuốc: Chồng không đều Lệch hai phía Không đối xứng Không đối xứng Hình dạng nhánh cây bề mặt mối hàn Cháy thủng Đường hàn lượn sóng Profil mối hàn không đều Vết cắt chân mối hàn Kim loại tràn chân mối hàn Không ngấu chân mối hàn Mối hàn hẹp, cao Rỗ khí Nứt Không ngấu mép hàn Lẫn xỉ 1) Rỗ khí Rỗ khí thường do dính dầu mở, bẩn, ẩm bề mặt vật hàn (hoặc dây hàn) gây nên. Rỉ cần được loại bỏ bằng bàn chải sắt; dầu mở được loại bỏ bằng dung môi. Để đảm bảo loại bỏ ẩm hoàn toàn khỏi bề mặt mép hàn, khi hàn, người ta thường mỏ nung để nung bề mặt mép ở khoảng cách 300 ÷ 600 mm phía trước hồ quang đặc biệt đối với lớp hàn thứ nhất. Ngoài ra, thuốc hàn cần được nung nóng nhằm loại bỏ ẩm trước khi hàn. 2) Nứt Các liên kết hàn từ thép cacbon thông thường có chiều dày từ 10 mm trở xuống ít khi bị nứt do hàn. Với các chiều dày lớn hơn, nứt mối hàn có thể do các nguyên nhân sau: Tốc độ nguội nhanh. Độ cứng vững cao của liên kết hàn. Mối hàn bị hợp kim hóa mạnh từ kim loại cơ bản thông qua cacbon và nguyên tố hợp kim... Lượng hydro khuyếch tán trong kim loại mối hàn cao do không khử ẩm triệt để trước khi hàn. 2.9 MỘT SỐ MÁY HÀN TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG TRONG NGÀNH ĐÓNG TÀU HIỆN NAY 1. A2 multitrac (PEH) SAW của hãng ESAB – Thụy Điển Bảng điều khiển hiển thị bằng số (Digital) A2 Multitrac (PEH) SAW Kích thước dây: Thép 1.6-5.0 mm, Thép độ bền cao 1.6-4.0 mm, Dây có lõi 1.6-4.0 mm, Tốc độ cấp dây lớn nhất >9 m/phút, Khối lượng cuộn dây 30 kg, Dung tích phiểu chứa thuốc 6 l, Khối lượng xe hàn 47 kg, Tải cho phép 100% 800 A Điện áp điều khiển 42 V Tốc độ xe hàn 0.1-1.7 m/phút, Khoảng cách điều chỉnh đầu hàn 90 mm, Góc quay đầu hàn 360° 2. Máy hàn tự động dưới lớp thuốc dây đôi (Twin- Wire Automatic Submerged Arc System) của Trung Quốc Điều khiển bằng tín hiệu analog Những thông số chính: 1. Điện áp vào bộ phận hành trình: Động cơ dẫn DC110V 2. Điện áp vào bộ phận cấp dây: Động cơ dẫn DC110V 3. Cách thức cấp dây thay đổi hoặc tương đương tốc độ cấp dây 4. Tốc độ hàn: 0,2 ¸ 2,2 m/phút / 0,2 ¸ 1,5 m/phút 5. Tốc độ cấp dây: 0,6 ¸ 6 m/phút / 0,3 ¸ 3 m/phút 6. Cường độ dòng điện hàn: 630A, 800A, 1000A, 1250A 7. Đường kính dây: f 1,6 ~ f 2,0/ f 3,0 ~ f 5,0 8. Phạm vi điều chỉnh trục ngang 100 mm 9. Phạm vi điều chỉnh của phần chính 100, 100, 70 (lên - xuống, trái - phải, trước - sau) 10. Góc quay của trục ngang quanh xe tự hành ± 90o 11. Góc lệch của mỏ hàn ± 45 12. Góc lệch của phần chính ± 90o 13. Dung tích phiểu chứa thuốc 6L 14. Khối lượng cuộn dây 20 kg 15. Kích thước: 1020, 480, 740 mm 16. Khối lượng: 54 kg 3. Máy hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc AC/DC (AC/DC Submerged Arc Welding Machine) của Trung Quốc Điều khiển bằng tín hiệu analog Những thông số chính: 1. Đường kính dây: f 1,6 ~ f 2,0/ f 3,0 ~ f 5,0 2. Tốc độ xe tự hành 15 ¸ 160 cm/phút 3. Tốc độ cấp dây: 8 ¸ 170 cm/phút 4. Cách thức cấp dây: không thay đổi hoặc cấp luân phiên 5. Phạm vi điều chỉnh theo chiều cao: 96 mm 6. Phạm vi có thể điều chỉnh lên – xuống (trụ): 120 mm 7. Phạm vi điều chỉnh theo chiều ngang (phần chính của máy): ± 30 mm 8. Góc quay ngang (quanh trụ): ± 90o 9. Thể tích bình chứa thuốc hàn: 10L 10. Chiều dài trục: 304 mm 11. Khoảng cách giữa 2 trục trước và sau của xe hàn: 350 mm 12. Khối lượng: 52 kg 2.10. GIỚI THIỆU QUY TRÌNH ĐANG ÁP DỤNG TẠI NHÀ MÁY ĐÓNG TÀU DUNG QUẤT Quy trình được giới thiệu dưới đây là một trong những quy trình đã và đang áp dụng tại nhà máy, cụ thể là áp dụng trong chế tạo tàu dầu Aframax 104.000 DWT và các sản phẩm khác của nhà máy. Quy trình này được lập theo tiêu chuẩn AWS D1.1 (của hiệp hội hàn Mỹ) và TCVN 6259- 6: 2003 (VR Rule). Đăng kiểm Việt Nam đã chứng nhận. Nội dung toàn bộ quy trình:(xem phụ lục 4) 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 Quy trình hàn tự động dưới lớp thuốc được thành lập dựa trên cơ sở lý thuyết các tiêu chuẩn về hàn của hiệp hội hàn Mỹ (AWS D1.1) và TCVN 6259- 6: 2003. Vì đặc điểm của phương pháp hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc là phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ của thiết bị (máy hàn) và vật liệu hàn (dây hàn và thuốc hàn) nên bên cạnh cơ sở lý thuyết thì các số liệu có được từ thực tế là yếu tố gốp phần quyết định các thông số của quy trình. Quy trình hàn sẽ được tiến hành theo sơ đồ sau: Quy trình cần kiểm tra Thợ hàn thực hiện trên phôi hàn Kiểm tra cơ tính của mối hàn Chấp nhận quy trình Đạt Không đạt 3.2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA QUY TRÌNH HÀN. 3.2.1 Kim loại hàn Là nguyên liệu và cũng là kết quả sản phẩm lao động của người thợ hàn. Vật liệu sẽ quyết định đến thông số của quy trình hàn cũng như đánh giá được quy trình hàn có đạt yêu cầu của Đăng kiểm hay không. Thép là hợp kim của sắt (Fe) và cacbon (C) trong đó hàm lượng cacbon dưới 2% . Theo yêu cầu của chủ tàu thì vật liệu chính của tàu là thép thường “A”. Thép được sự chấp nhận của Đăng kiểm ABS. Các yêu cầu về vật liệu hàn rất cao cần có chứng nhận của tổ chức Đăng kiểm về thành phần hoá học có trong thép và các lực kéo và uốn giới hạn của loại vật liệu này. Ta có bảng thông số về thành phần thép “A” : Hình 3-1. Bảng thông số thành phần thép ABA 3.2.2 Tính toán chế độ hàn Trong quy trình này mối hàn tự động sử dụng đệm lót là mối hàn lót bằng phương pháp hàn CO2, chiều cao mối của mối hàn lót bằng chiều cao khe hở đáy. Ta tính chế độ hàn cho các lớp hàn tự động tiếp theo như sau: Hình 3-2. Kích thước và thứ tự các lớp hàn Diện tích tiết diện ngang kim loại đắp của toàn bộ mối hàn xác định theo công thức: Trong đó: - h: chiều cao mối hàn, h = s – p = 20 – 2 = 18 (mm) - a: chiều rộng khe hàn, a = 6 (mm) - b: chiều rộng mối hàn, có thể tính gần đúng b = a + 2h.tg(b/2) + 2 = 24 (mm) - c: chiều cao mối hàn, c = b/ym = 24/10 = 2,4 (mm), ym = (7 ÷ 10) là hệ số hình dáng mối hàn. - b: góc vát mép: b = 50o Các thông số a, p, b chọn theo tiêu chuẩn. Þ (mm2) Cụ thể tính toán như sau: Tính chế độ hàn cho lớp thứ nhất. 1. Chọn đường kính dây hàn theo tiêu chuẩn, d = 4 (mm) 2. Theo đường kính dây hàn đã chọn, tính I và U theo công thức đã biết sau: U = 20 + 50.I.10-3/d0,5 ± 1 (1) yn =k’.(19 – 0,01.I).d.(U/I) (2) Khi hàn bằng dòng xoay chiều k’ = 1 yn – Hệ số ngấu có giá trị tối ưu từ (1,3 ÷ 2,0), chọn yn = 2 Thay các giá trị vào và giải hệ hai phương trình (1) và (2) ta được: I = 453 (A) và U = 31 (V) 3. Tính tốc độ hàn. Để bảo đảm điều kiện kết tinh tốt của vũng hàn, tỷ số giữa chiều dài và chiều rộng của vũng hàn phải không đổi. Theo lý thuyết truyền nhiệt, ta sẽ có: v.I = A = const. Tức là v = A/I (m/h) d [mm] 1,6 2 3 4 5 6 A[.103A.m/h] 5 ÷ 8 8 ÷ 12 12 ÷ 16 16 ÷ 20 20 ÷ 25 25 ÷ 30 Với d = 4 [mm], chọn A = 16.103[A.m/h] Þ v = 16000/453 = 35 (m/h) 4. Xác định chiều sâu chảy theo cường độ dòng điện. I = (80 ÷ 100).h Þ h = I/80 = 453/80 = 5,7 (mm) 5. Xác định chiều rộng mối hàn. b = h.yn = 5,7.2 = 11,4 (mm) 6. Xác định chiều đắp lớp thứ nhất co. Diện tích đắp lớp thứ nhất có thể xem là diện tích hình thang cân có đáy lớn là chiều rộng lớp hàn thứ nhất, đáy nhỏ là chiều rộng khe đáy và chiều cao là co, co = b’/tg(b/2), b’ là cạnh của tam giác vuông giới hạn bởi một nửa góc vát mép. b’ = (b – a)/2 = (11,4 - 6)/2 = 2,7 (mm) Þ co = 2,7/tg(50/2) = 5,8 (mm) Như vậy diện tích kim loại đắp lớp thứ nhất F1’ = (a + b).co/2 = (6 + 11,4).5,8/2 = 50,5 (mm2) 7. Xác định số lớp hàn. Xem diện tích các lớp hàn bằng nhau thì số lớp hàn n = Fd/F1 = 302/50,5 = 5,98 Þ Chọn số lớp hàn bằng 6. Trong thực tế việc chọn số lớp hàn cần phải đảm bảo mối hàn có hình dáng và cơ tính tốt nhất và mang lại tính kinh tế trong sản xuất. Do vậy có thể thay đổi số lớp hàn khác với giá trị tính toán để đáp ứng được yêu cầu đề ra. Tính toán chế độ hàn cho các lớp tiếp theo tương tự như trường hợp tính cho lớp thứ nhất. Đối với hàn nhiều lớp thì mối hàn sẽ ngấu hoàn toàn do vậy hệ số ngấu yn > 2, lớn hơn so với mối hàn một lớp. Đặc biệt, đối với lớp hàn phủ chiều rộng mối hàn lớn do vậy để đáp ứng giá trị của hệ số ngấu đã chọn thì chiều sâu ngấu h phải lớn. Khi chiều sâu ngấu h lớn thì cường độ dòng điện phải tăng để đáp ứng được chiều sâu ngấu h. Theo lý thuyết ở chương 2, mục ảnh hưởng của điện áp hàn đối với hình dạng và kích thước mối hàn, khi điện áp hàn tăng sẽ làm tăng chiều rộng mối hàn. Do đó, có thể tăng điện áp hàn trên cơ sở giá trị đã tính đối với lớp hàn thứ nhất. Tính toán chế độ hàn cho lớp cuối cùng (lớp phủ) như sau: 1. Xác định chiều sâu ngấu h. Chọn yn = 3, từ chiều rộng mối hàn b = 24 (mm), (đã tính ở trên) Þ h = b/yn = 24/3 = 8 (mm) 2. Xác định cường độ dòng điện. I = 80.h = 80.8 = 640 (A) 3. Xác định tốc độ hàn v = A/I = 20.10-3/640 = 31 (m/h) 4. Xác định điện áp hàn. U = 20 + 50.I.10-3/d0,5 ± 1 = 20 + 50.640.10-3/2 = 36 (V) Giá trị các thông số của chế độ các lớp trung gian lấy trong giới hạn lớp thứ nhất và lớp cuối cùng. Các giá trị thông số của chế độ hàn đã tính ở trên sẽ được đề cập trong nội dung chi tiết của quy trình. Các thông số trong quy trình sẽ biến thiên trong phạm vi hẹp cho phụ hợp với điều kiện thực tế để mang lại mối hàn chất lượng cao và hiệu quả kinh tế tốt nhất. 3.2.3 Dây hàn và thuốc hàn 1) Dây hàn Đáp ứng được yêu cầu của tổ chức đăng kiểm hay không, mối hàn có cơ tính tốt hay không thì tất cả phụ thuộc vào thành phần dây hàn. Mỗi loại dây hàn tương ứng với một loại thành phần hoá học khác nhau. Trong quy trình công nghệ hàn này loại dây hàn sử dụng dây hàn UC – 43 của nhà sản xuất CHOSUN – Hàn Quốc, được hầu hết các tổ chức Đăng Kiểm trên thế giới chứng nhận với các thông số cơ bản như sau: Đường kính dây hàn Ф = 4,0 (mm) Khối lượng cuộn dây: 25 kg 2) Thuốc hàn Đối với hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc thì mỗi loại dây hàn tương ứng với một loại thuốc hàn được Đăng kiểm quy định và hầu hết các loại dây hàn và thuốc hàn tương ứng đều theo tiêu chuẩn của hiệp hội hàn Mỹ AWS. Đi cùng với dây hàn UC – 43 là thuốc hàn CA – 514. Đặc điểm của thuốc hàn CA – 514 và dây hàn UC – 43. Tên: CA – 514 x UC – 43. Ứng dụng: Hàn một lớp và nhiều lớp cho thép thường và thép có độ bền cao, hàn một phía. Tiêu chuẩn: AWS : F7A4-EL8 AWS : F7A4-EL12 Thành phần hóa học (%): C Mn Si P S Ghi chú Vật liệu cơ bản PT (mm) 0,08 1,58 0,31 0,021 0,015 SM41 25 0,07 1,41 0,42 0,016 0,010 SM50A 30 SM41, SM50A: Ký hiệu vật liệu PT (Plate thickness): Chiều dày vật liệu Đặc điểm cơ học: YP (N/mm2) TS (N/mm2) EL (%) CVN (J) Ghi chú -20oC -29oC Vật liệu cơ bản PT (mm) PWHT 462 546 30 165 96 SM41 25 N/A - 560 - 125 - SM50A 30 N/A YP (Yield point): Sức bền chảy TS (Tensile strength): Sức bền kéo EL (Elongation): Độ giãn dài tươg đối CVN (Charpy V-Notch testing): Thử độ dai va đập PWHT (Post weld heat treatment): Ủ nhiệt sau khi hàn Thông tin kỹ thuật: Phân cấp Thành phần Đơn vị Vật liệu Chung Đặc tính cơ học Tiêu chuẩn Đường kính dây Kiểu thuốc Hạt YP TP EL Công nhận N/mm2 N/mm2 (%) 2,4/3,2/4,0/4,8 Kiểu tích tụ 12x60 462 545 32 ABS, DNV, LR, KR, NK, GL, BV TP (Tensile point): Sức bền chảy Hình 3-3: Chứng chỉ thuốc hàn và dây hàn 3.3 THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HÀN 3.3.1 Xác định chi tiết hàn Chi tiết hàn là tôm tấm phẳng đã được Đăng kiểm ABS cấp phép sử dụng để chế tạo tầu dầu Aframax 104000 DWT, cấp thép: ABS/A có thành phần hóa học và cơ tính như sau: Thành phần hóa học (%): C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu 0,14 0,17 0,87 0,15 0,007 0,01 0,01 0,01 0,01 Cơ tính YP (N/mm2) T.S (N/mm2) E.L (%) 265 430 31,5 3.3.2 Vật liệu quy cách của quá trình kiểm tra cơ tính Theo yêu cầu tổ chức Đăng kiểm ABS để quy trình hàn được sử dụng trong sản xuất thì quy trình hàn phải được kiểm tra theo các yêu cầu của Đăng kiểm trên phôi thử quy trình được quy định trong Quy phạm. Phôi thử quy trình là tôn tấm phẳng có kích thước như sau: L x B x H = 1000 x 200 x 22 (mm) 3.3.3 Chuẩn bị trước khi hàn Để có thể thực hiện được quá trình hàn thì việc chuẩn bị cho quá trình hàn là việc rất cần thiết đối với bất cứ một phương pháp hàn nào. Phương pháp hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc mang đặc điểm của nền công nghiệp phát triển với sự hỗ trợ gần như hoàn toàn của máy móc hiện đại. Vì vậy, thiết bị không thể thiếu trong phương pháp hàn này là máy hàn tự động. Để quá trình hàn thực hiện tốt, đem lại năng suất cao việc đầu tiên là chuẩn bị nguồn điện ổn định, nguồn điện xoay chiều 3 pha nguồn hàn (1 chiều hoặc xoay chiều) với dải hiệu điện thế phù hợp máy hàn, ở đây chúng ta có thể sử dụng máy hàn MZ – 1000 (E) của hãng WEIDA. Đặc tính kỹ thuật của nguồn hàn ZP5(E) – 1000: Nguồn vào: 3 pha, 380V/50Hz Chế độ làm việc: 100% Điện áp không tải: 55V Dòng hàn max: 1000A Điện áp làm việc: 44V Khoảng điều chỉnh dòng điện: 40 – 1000A Công suất: 69KVA Dòng sơ cấp: 80,5A Kích thước: LxWxH: 774x598x1430 mm Trọng lượng: 460 kg Đặc tính kỹ thuật xe hàn A2 – E: Hộp điều khiển: PEH (Thụy Điển) Đường kính dây hàn: 2 – 6 mm Chế độ mồi hồ quang: quẹt và cố định Tốc độ hàn: 15 – 160 cm/phút Dòng hàn định mức: 1000A Tốc độ ra dây: 20 – 900 cm/phút Khoảng điều chỉnh đầu hàn: 100 mm Khối lượng cuộn dây hàn: 25kg Kích thước LxWxH: 950x500x770 mm Khối lượng: 50kg Đồng bộ gồm: 01 nguồn hàn, 01 xe hàn, 01 cáp hàn, cáp điều khiển 15m, 01 cáp mát, kẹp mát, 02 ray, 03 bép hàn. Các thành phần không thể thiếu khác đó là vật liệu hàn bao gồm dây hàn và thuốc hàn. Loại dây hàn và thuốc hàn đươc sử dụng như đã nêu ở trên. Bên cạnh đó cần phải trang bị những phụ kiện cần thiết khác như: ray dẫn hướng cho xe tự hành, kìm bấm dây hàn, thiết bị hút thuốc hàn thừa,… Kiểm tra lại máy hàn đặc biệt hệ thống đường dây dẫn điện, máy móc đảm bảo trong quá trình làm việc dòng điện luôn ổn định. Kiểm tra các trang thiết bị cần thiết phục vụ cho quá trình hàn như: vật dụng trang bị cho thợ hàn bao gồm găng tay da, búa gõ xỉ, sứ lót tiêu chuẩn. Đối với vật liệu đảm bảo yêu cầu đầy đủ của tổ chức Đăng kiểm, cần vạch dấu theo bản vẽ chế tạo. Quy cách vát mép của vật liệu cơ bản: 3.3.4 Tiến hành lập quy trình công nghệ hàn Trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu ở chương 2 và các thông số của chế độ hàn đã tính ở trên cộng với kiến thức cùng những số liệu có được trong thời gian thực tập tại nhà máy đóng tàu Dung Quất. Dựa trên những quy trình mẫu đã được Đăng kiểm Việt Nam (Việt Nam Register) chứng nhận đang áp dụng tại nhà máy em tiến hành lập quy trình hàn tự động sử dụng trong chế tạo tàu vỏ thép như sau: Trong quá trình hàn tự động nối tôn phẳng cho các phân đoạn của tàu sử kỹ thuật lót đáy bằng mối hàn lót đáy với công nghệ hàn bán tự động (CO2) có dán sứ. Do vậy, trong quy trình hàn này có đề cập đến công nghệ hàn bán tự động (CO2). Các thông số của chế độ hàn cho mối hàn lót bằng CO2 được lấy từ quy trình mẫu. Những nội dung cần xác định trong quy trình: 1. Vật liệu cơ bản (Base metal categories) 2. Vật liệu hàn (Filler metal) 3. Quy cách vát mép (Edge preparation) 4. Thứ tự hàn (Weld sưpuence) 5. Kỹ thuật hàn (Technique) 6. Đặc tính dòng điện (Electrical characteristics) 7. Các thông số hàn (Welding parameter) 8. Các yêu cầu kỹ thuật khác (Other technical requires) 9. Phạm vi ứng dụng (Scope of application) Ký hiệu trong quy trình: - AWS (American Welding Society): Tiêu chuẩn hàn của Mỹ; - GMAW (Gas metal arc welding): Hàn dưới lớp khí bảo vệ; - SAW (Submerged arc welding): Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc; - PWHT (Post weld heat treatment): Ủ nhiệt sau khi hàn; - N/A: Không đề cập đến. 3.3.5 Nội dung chi tiết của quy trình: (xem trang tiếp theo) 3.4 ỨNG DỤNG QUY TRÌNH VÀO CHẾ TẠO MỘT PHÂN ĐOẠN CỦA TÀU ĐANG ĐÓNG TẠI NHÀ MÁY THAM GIA THỰC TẬP 3.4.1 Giới thiệu chung về tàu đang đóng Tàu đang chế tạo là tàu dầu Aframax (Dung Quất 01) thực hiện theo thiết kế của Ba Lan với đơn đặt hàng của Công ty vận tải tàu biển Viễn Dương. Các kích thước chính của tàu: Chiều dài lớn nhất : 245 (m) Chiều dài thiết kế : 236 (m) Chiều rộng : 43 (m) Chiều cao mạn : 20 (m) Chiều chìm thiết kế : 11,7 (m) Chiều chìm tính toán : 14,1 (m) Chiều cao toàn bộ : 47,6 (m) Chức năng của tàu: - Kiểu tàu: Chở dầu với buồng máy và không gian sinh hoạt ở phía lái - Hàng chuyên chở: Dầu thô và dầu sản phẩm (trắng và đen). - Phạm vi hoạt động: không hạn chế. Trọng tải: Trọng tải của tàu tại chiều chìm 14,1m là 104.000T. Trọng tải của tàu tại chiều chìm 11,7m là khoảng 81000 T. 3.4.2 Lựa chọn phân đoạn chế tạo Phạm vi ứng dụng của phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc là chỉ sử dụng cho mối hàn giáp mối tư thế hàn sấp (1G) và mối hàn mối hàn góc chữ T tư thế (1F và 2F). Tuy nhiên, khi thực hiên mối hàn chữ T thường không mang lại hiệu quả kinh tế cao do gặp khó khăn trong lắp ghép, canh chỉnh,…Vì vậy tại các nhà máy đóng tàu chỉ dùng phương pháp hàn hồ quang tự động để thực hiện mối hàn giáp mối tư thế sấp (1G) còn tất cả các mối hàn và tư thế khác thì dùng phương pháp hàn hồ quang tay và bán tự động (CO2). Với đặc điểm của tàu Aframax thì hầu hết các phân đoạn là phân đoạn phẳng do đó quy trình hàn hồ quang tự động được áp dụng để hàn nối các tấm tôn của các phân đoạn phẳng đó. Do vậy, đối tượng áp dụng quy trình là cụm chi tiết phẳng bao gồm các tấm tôn nối lại với nhau. Cụ thể là cụm chi tiết tôn đáy của phân đoạn đáy 11-0531. 3.4.3 Công tác chuẩn bị 1) Chuẩn bị vật liệu Tôn tấm phải được cấp chứng chỉ và mời Đăng kiểm kiểm tra trước khi tiến hành phun cát. Phun cát làm sạch tôn theo tiêu chuẩn SA.25 hoặc phun bi trên hệ thống phun bi tự động của Italy. Tiến hành sơn lót. Lớp sơn này phải có chứng chỉ về tính không ảnh hưởng đến chất lượng hàn. Công đoạn phun cát và sơn lót có thể tiến hành sau khi lắp ráp xong phân đoạn nếu có sự đồng ý của đăng kiểm và chủ tàu. 2) Công tác hàn Thợ hàn tự động: phải có chứng chỉ Operator Vật liệu hàn: yêu cầu phải có chứng chỉ của đăng kiểm ABS. Có thể sử dụng vật liệu hàn của công ty Vật liệu hàn Nam Triệu sau đây có chứng chỉ của ABS: Hàn CO2: sử dụng dây hàn NA70S, khí CO2 Hàn tự động dưới lớp thuốc: dây hàn L8, thuốc hàn S707 Sứ hàn: không yêu cầu phải có chứng chỉ của Đăng kiểm Áp dụng quy trình hàn một phía lót sứ có nhiều lợi điểm: năng suất cao, giảm công vận chuyển và cẩu lật. Tuy nhiên khi tiến hành hàn CO2 ở ngoài trời nên sử dụng một hộp che gió làm bằng cót ép để giảm tối đa ảnh hưởng của gió. Thuốc hàn phải được sấy khô ở nhiệt độ 2500C trước khi hàn ít nhất là 1h. Chuẩn bị máy móc thiết bị hàn và vật liệu hàn đầy đủ như đã nêu ở phần lập quy trình. 3.4.4 Quá trình hàn Quá trình hàn được tiến hành tại khu vực sản xuất sau khi đã nhận được vật liệu cơ bản (tôn tấm) từ các bộ phận khác. Các tấm tôn bây giờ đã được vát mép đúng như các thông số của quy trình đưa ra, được gá lắp, vạch dấu chính xác theo bản vẽ chế tạo. Block 11-0531 bao gồm cụm chi tiết tôn đáy ngoài, đáy trong, các đà ngang, sống dọc và hệ thống các nẹp dọc. Ở đây, sẽ áp dụng quy trình để chế tạo cụm chi tiết tôn đáy ngoài (Bottom shell). Cụm chi tiết tôn đáy ngoài gồm các tấm tôn phẳng có quy cách 12000x3000x20 và 12000x2500x20 (mm) ghép lại với nhau. Các tấm tôn đáy được vát mép theo tiêu chuẩn Balan với ký hiệu vát mép và . : vát mép chữ X = 55o, hàn tự động, hàn hai mặt : vát mép chữ X = 50o, hàn tay, hàn hai mặt Tuy nhiên, sẽ gặp khó khăn khi hàn hai mặt vì trong quá trình thi công phải cẩu lật kết cấu, do đó tôn tấm chỉ vát mép một phía với các thông số như trong quy trình đã nêu. Hình 3-4. Kích thước cụm chi tiết tôn đáy ngoài Các tấm tôn được lắp ráp, gá đặt trên các bệ láp ráp có kích thước LxB = 10x12 hoặc 12x14 (m). Sau khi lắp ráp, cân chỉnh, vạch dấu chính xác ta tiến hành công tác cố định chi tiết để chống xê dịch và biến dạng trong quá trình hàn. Có hai phương pháp chống xê dịch và biến dạng là hàn cố định chi tiết vào bệ lắp ráp bằng các mối hàn đính và phương pháp bố trí các khối bê tông làm đối trọng. Phương pháp hàn đính không hiệu quả và để lại khuyết tật trên bề mặt chi tiết, điều này hoàn toàn không có lợi đối với kết cấu thân tàu đặc biệt là đối với tôn đáy tàu dầu. Hiện tại nhà máy đang sử dụng phương pháp dùng đối trọng, phương pháp này đơn giản, dễ thi công và không để lại khuyết tật trên bề mặt chi tiết với sự trợ hỗ trợ đắt lực của hệ thống cẩu trục 30T, 50T và 60T. Mỗi khối bê tông nặng 3T, kích thước phủ bì LxBxH = 2000x1000x1200 (mm) Phương án bố trí đối trọng vị trí các đường như sau: Hình 3-5. Phương án bố trí đối trọng và vị trí các đường hàn 1) Thứ tự hàn Hình 3-6. Thứ tự các lớp hàn Thứ tự hàn: I1 ® II1 ® III1 ® I2 ® II2 ® III2 ® I3 ® II3 ® III3 ® I4 ® II4 ® III4 ® I5 ® II5 ® III5 ® I6 ® II6 ® III6 ® I7 ® II7 ® III7. Trong đó: I, II, II: thứ tự các đường hàn; (1¸7): thứ tự các lớp hàn. Một phân đoạn phẳng thường có từ 3 đến 4 mối hàn giáp mối tôn tấm. Sau khi lắp đặt, cân chỉnh, kiểm tra vị trí các tấm tôn chính xác theo yêu cầu lắp ráp (độ cao, độ phẳng, khe hở giữa các tấm) Cố định vị trí các tấm và bố trí các khối bê tông để chống biến dạng tôn khi hàn và cũng nhằm mục đích giữ cho các tấm tôn không bị dịch chuyển sai vị trí. Hàn đính các bản dẫn vào vị trí đầu và cuối mối hàn nơi thường xảy ra các khuyết tật của mối hàn để hạn chế tối đa khuyết tật mối hàn và nâng cao chất lượng mối hàn. Hàn mã răng lược dọc theo cạnh hàn (kẽ hàn). Khi hàn mã răng lược cần phải kiểm tra và thử độ phẳng của hai cạnh hàn (của 2 tấm tôn được hàn với nhau). Tiến hành dán sứ mặt dưới của kim loại hàn. Dùng máy hàn CO2 (MAG) hàn lớp hàn lót đầu tiên. Mối hàn ở giữa hàn trước sau đó đến các mối hàn hai bên. Trước khi tiến hành mối hàn tự động dưới lớp thuốc lớp đầu tiên cần phải làm sạch, nhẵn bề mặt mối hàn lót bằng phương pháp mài. Khi bắt đầu hàn tự động thứ tự các đường hàn như sau: + Lớp đầu tiên: Đường hàn ở giữa ® đường hàn bên cạnh (trái) ® đường hàn bên cạnh (phải) cứ tiếp tục như thế cho đến khi các đường hàn phải được hoàn thành lớp đầu tiên. + Các lớp tiếp theo tiến hành tương tự. + Có thể kết thúc mối hàn ở giữa nếu chiều cao các mối hàn còn lại đã bằng chiều cao của vật liệu cở bản (chiều dày tôn). 2) Hướng hàn Thường thì các mối hàn thực hiện bằng phương pháp hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc được tiến hành theo một chiều. Có nghĩa là khi kết thúc lớp đầu tiên, để tiếp tục hàn lớp tiếp theo phải chuyển xe hàn lại vị trí bắt đầu của lớp thứ nhất. 3) Thời gian giữa các lớp hàn Nhiệt độ cho phép của giữa hai lớp hàn là khoảng 250oC, tương đương với thời gian nguội 15 ¸ 20 phút. Điều đó có nghĩa là lớp hàn tiếp theo được tiến hành sau khi lớp hàn trước kết thúc được 15 ¸ 20 phút. Sau khi hoàn thành tất cả các mối hàn của cụm kết cầu tôn đáy mời KCS kiểm tra các mối hàn bằng siêu âm và chụp phim radio graph. CHƯƠNG 4 THẢO LUẬN KẾT QUẢ 4.1 THẢO LUẬN KẾT QUẢ CỦA QUY TRÌNH HÀN Kết quả của quy trình được lập sau thời gian 3 tháng bao gồm nghiên cứu lý thuyết và tìm hiểu thực tế tại nhà máy đóng tàu Dung Quất, tuy chưa được kiểm tra trên thực tế nhưng nội dung của quy trình được xây dựng từ cơ sở lý thuyết chi tiết và những số liệu chính xác, tin cậy từ thực tế nên quy trình được lập có tính khả thi cao. +) Quy trình công nghệ hàn được thực hiện theo yêu cầu của tổ chức Đăng kiểm các bước từ chuẩn bị đến khi kiểm tra, Đối với hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc vũng hàn bị thuốc phủ hoàn toàn nên trong quá trình hàn không thể kiểm soát được chất lượng mối hàn. +) Quá trình lập quy trình hàn là sự tổng hợp giữa lý thuyết và thực tế nên có những sai số trong tính toán nhưng những sai số này không quá ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn và kết cấu tàu. +) Quy trình hàn lập cho chiều dày tôn tấm 20 mm nhưng có thể áp dụng cho các tấm có chiều dày khác nhau với sự đồng ý của Đăng kiểm. Có thể sử dụng vật liệu hàn khác với vật liệu hàn ghi trong quy trình nhưng cần có sự cho phép của tổ chức Đăng kiểm. 4.2 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN Trong quá trình thực hiện đề tài tôi có những đề xuất như sau: +) Trong quá trình học tập tại nhà trường tôi không có điều kiện tiếp xúc với phương pháp hàn này nên gặp nhiều khó khăn trong khi thực hiện đề tài. Do vậy, cần có những học phần có nội dung gần với những nội dung thực hiện trong đề tài. + ) Chương trình đào tạo của Nhà trường khóa chúng tôi chưa được trang bị các học phần lý thuyết về hàn nên tôi nghĩ các thầy nên đề nghị phòng Đào tạo thêm những học phần về lý thuyết hàn vào chương trình đào tạo của các khóa học sau đặc biệt là các phương pháp hàn mới với sự hỗ trợ của máy móc hiện đại. Hàn là chuyên ngành không thể thiếu đối với một kỹ sư đóng tàu. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Tiêu chuẩn hàn của hiệp hội hàn Mỹ AWS D1.1 2. Đăng kiểm Việt Nam (VR) Phần 6: HÀN Quy phạm phân cấp và đóng tàu vỏ thép 2003 3. Ngô Lê Thông CÔNG NGHỆ HÀN ĐIỆN NÓNG CHẢY (tập 1) Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật 2004 4. Nguyễn Văn Thông VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ HÀN Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật 2000 5 . Trần Văn Mạnh GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT HÀN (tập 1) Nhà xuất bản Lao Động – Xã Hội 2006 6. Hoàng Tùng – Nguyễn Thúc Hà – Ngô Lê Thông – Chu Văn CẨM NANG HÀN Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật 2006 7. Nguyễn Văn Siêm CÔNG NGHỆ HÀN Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật 1983 8. Tài liệu từ Internet.