Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV HÀN KHE HỞ HẸP NỐI CÁC TẤM THÉP CÓ CHIỀU DÀY LỚN VỚI MỐI GHÉP KHÔNG VÁT MÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ NARROW GAP WELDING IN PROTECTIVE GAS FOR THICK STEEL PLATES WITH UN-CHAMFERED EDGES 1Phòng Ngô Trọng Bính1a, Lê Thu Quý1b, Ngô Văn Dũng1c, Phạm Đăng Lộc1d thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí, Số – Phạm Văn Đồng – Cầu Giấy – Hà Nội – Việt Nam a trongbinh2000@gmail.com, bquylt@narime.gov.vn, c ngodung85@gmail.com, dlocctmhua@gmail.com TÓM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị hàn khe hở hẹp nối thép có chiều dày lớn phương pháp hàn môi trường khí bảo vệ với mối ghép không vát mép Trên sở kết nghiên cứu tính toán thiết kế, phân tích thông số hàn, nhóm đề tài chế tạo thiết bị, đồ gá hàn khe hở hẹp, để hàn không vát mép thép dày 150mm, có khe hở 25mm với phương pháp hàn MAG môi trường khí hoạt tính CO , chất lượng mối hàn khe hở hẹp đánh giá qua phân tích: độ cứng thử kéo Kết phân tích cho thấy mối hàn đạt chất lượng tương đương so với phương pháp hàn môi trường khí bảo vệ với mối ghép vát mép có chiều dày ÷ 15mm Từ khóa: hàn khe hở hẹp, hàn không vát mép, hàn MAG ABSTRACT This paper presents the results of research on design and manufacture of narrow gap welding equipment for thick steel plates welded in protective gas atmosphere with unchamfered edges Based on design calculations and analysis of welding parameters, the authors have built a narrow gap MAG welding equipment in CO active gas with necessary fixtures for welding 150mm-thick steel plates with un-chamfered edges The gap between the steel plates was 25mm The welding quality was evaluated by tensile test and hardness measurement The analysis results showed that the obtained welding quality was similar to the quality of ordinary MAG welding method with bevelled edge joints for steel plates with thickness of ÷ 15 mm Keywords: narrow gap welding, un-chamfered edges, MAG welding ĐẶT VẤN ĐỀ Thiết bị hàn khe hở hẹp phương pháp hàn môi trường khí bảo vệ, ứng dụng để hàn nối thép có chiều dày lớn không vát mép, sử dụng nhà máy kết cấu thép siêu trường siêu trọng, nhà máy đóng tàu, nhà máy nhiệt điện, nhà máy kết cấu ngành xây dựng, thủy lợi,… Đến hàn khe hở hẹp công nghệ hàn nước ta Ưu điểm thiết bị hàn khe hở hẹp so với khác phương pháp hàn khác là: giảm thời gian hàn, chi phí tiêu hao thấp hơn, giảm thời gian loại bỏ xỉ hàn, giảm chi phí chuẩn bị, giảm xử lý nhiệt sau hàn, cải thiện độ dai va đập, giảm biến dạng góc chi tiết hàn Những lợi có liên quan trực tiếp đến khối lượng kim loại đắp mối hàn thấp đương lượng nhiệt cấp vào thấp sử dụng thiết bị hàn khe hở hẹp, dẫn đến chi phí thấp hàn chi tiết vật liệu hàn dày so sánh với quy trình hàn thông thường hàn hồ quang tay 121 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Thiết bị hàn khe hở hẹp phương pháp hàn môi trường khí bảo vệ, sử dụng nhiều phương pháp hàn khác để áp dụng, điển hình phương pháp hàn TIG (Tungsten Inert Gas welding), hàn MIG (Metal Inert Gas) hàn MAG (Metal Active Gas) Đây phương pháp hàn chủ yếu để thực hàn khe hở hẹp với thép có chiều dày lớn mà yêu cầu không cần vát mép Bài báo trình bày việc nghiên cứu công nghệ, chế tạo thiết bị hàn khe hở hẹp lựa chọn thông số, chế độ hàn phù hợp phương pháp hàn MAG môi trường khí hoạt tính CO , để hàn nối thép có chiều dày 150 mm không vát mép NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Nghiên cứu công nghệ hàn khe hở hẹp Công nghệ hàn khe hở hẹp công nghệ nước ta, hàn hồ quang kim loại với khí bảo vệ trình sử dụng hàn khe hở hẹp, công nghệ liên quan đến kỹ thuật hàn Ưu điểm trình có liên quan đến việc hồ quang dễ dàng quan sát được, rãnh hàn tương đối hẹp, chất lượng hàn cao, suất cao hiệu chi phí thấp [1,2] Tuy nhiên, hàn GMAW dễ bị hình thành khuyết tật thành mối hàn, lượng bắn tóe lớn hay bị thiếu hụt khí bảo vệ Những vấn đề có liên quan đến khó khăn việc cấp dây hàn cung cấp vùng phủ khí bảo vệ thích hợp vào đường rãnh mép hàn hẹp sâu, để có nung nóng cân hồ quang thành bên bên mối nối Để khắc phục hạn chế này, số biện pháp cấp dây hàn thiết kế đầu hàn kiểu đề xuất, phát triển số số sử dụng ứng dụng công nghiệp từ áp dụng công nghệ hàn khe hở hẹp Hình sơ đồ hàn khe hở hẹp khí bảo vệ, dây hàn đưa qua động đưa dây qua ống dẫn qua chụp khí qua bép hàn tới vật liệu cần hàn [1,3] Hình Sơ đồ hàn khe hở hẹp khí bảo vệ 2.2 Nghiên cứu lựa chọn thông số hàn phù hợp nối thép có chiều dày lớn phương pháp hàn khe hở hẹp 2.2.1 Các thông số hàn khe hở hẹp Cường độ dòng điện hàn ảnh hưởng lớn lên hình dạng mối hàn Dòng điện hàn tăng dẫn đến tăng mật độ dòng, kích thước vũng hàn, hệ số chảy, tốc độ chảy 122 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Nhìn vào đồ thị Hình 2, ta thấy điện áp hàn không đổi, dòng điện hàn tăng dẫn đến chiều sâu chảy tăng, chiều cao mối hàn tăng Khi dòng hàn tăng đến giá trị định mà chiều sâu chảy không tăng chiều cao mối hàn không tăng Khi ta xác định giá trị dòng điện đạt max 800A [3,5] Hình Ảnh hưởng mật độ dòng điện hàn Điện áp hồ quang thay đổi theo chiều dài cột hồ quang Điện áp hồ quang không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ chảy ảnh hưởng chủ yếu đến chiều rộng mối hàn Từ hình 3, ta thấy dòng điện không đổi, tăng điện áp hàn, bề rộng mối hàn tăng chiều sâu chảy mối hàn giảm Khi điện áp tăng đến giá trị định bề rộng mối hàn không tăng, chiều sâu chảy không giảm Khi ta xác định thông số điện áp hàn đạt max 40V [3,5] Hình Ảnh hưởng điện áp hàn Đây đại lượng quan trọng thứ có ảnh hưởng đến lượng đường thường dùng để tăng suất hàn.Việc chọn tốc độ hàn phụ thuộc vào hình dạng mối hàn điều kiện nung nguội vật hàn Từ Hình 4, ta thấy tốc độ hàn tăng, bề rộng mối hàn giảm, chiều sâu chảy mối hàn tăng Khi V = 60 cm/min, bề rộng mối hàn giảm, chiều sâu chảy mối hàn bắt đầu giảm Tiếp tục tăng vận tốc hàn, bề rộng mối hàn giảm, chiều sâu chảy tiếp tục giảm Tiếp tục tăng vận tốc hàn đến giá trị định bề rộng, chiều sâu chảy mối hàn không giảm Khi ta xác định vận tốc hàn [3,5] Hình Ảnh hưởng tốc độ hàn Sau xác định tốc độ đắp tối ưu cho mối hàn, bước xác định tốc độ cấp dây cường độ dòng điện hàn (là hai đại lượng tương quan trực tiếp với nhau, sử dụng máy hàn có đặc tuyến thoải tốc độ cấp dây không đổi) tầm với điện cực định để đạt tốc độ đắp 123 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Từ hình 5, ta thấy tốc độ cấp dây tăng, bề rộng mối hàn giảm, chiều sâu chảy tăng, chiều cao mối hàn tăng.Tiếp tục tăng vận tốc hàn đến giá trị định, bề rộng mối không giảm nữa, chiều sâu chảy không tăng nữa, chiều cao mối hàn không tăng nữa, ta xác định tốc độ cấp dây [3,5] Hình Ảnh hưởng tốc độ cấp dây hàn 2.2.2 Ảnh hưởng thông số đến hình dạng chất lượng mối hàn Khi tăng cường độ dòng hàn, chiều sâu chảy tăng mạnh, chiều cao đắp mối hàn tăng không nhiều chiều rộng mối hàn tăng ít, chiều rộng mối hàn chịu ảnh hưởng điện áp hàn tốc độ hàn [3,5] Hình Hình dạng mối hàn ảnh hưởng cường độ dòng điện hàn Khi cường độ dòng điện hàn không đổi, chiều sâu có xu hướng giảm Vì theo đặc tuyến máy hàn, cường độ dòng điện hàn thay đổi theo thay đổi điện áp hồ quang, chiều sâu chảy thay đổi theo tỷ lệ thuận với thay đổi điện áp hồ quang [3,5] Hình Hình dạng mối hàn ảnh điện áp hàn Tốc độ hàn tăng làm tăng lượng nhiệt đưa vào vật hàn phía trước hồ quang, cần nhiệt để nung nóng trước cạnh hàn Ngoài với tốc độ hàn,tốc nguội sau hàn tăng, làm tăng khả bị nứt với số loại thép có tính thấm cao [3,5] Hình Hình dạng mối hàn ảnh hưởng tốc độ hàn 124 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trên thực tế, người ta không sử dụng dòng điện hàn mà sử dụng tốc độ dây để đặt, trì đo tốc độ đắp, xác so với sử dụng cường độ dòng điện hàn Dòng điện hàn giải thích hợp chọn theo đường kính dây hàn, dạng dịch chuyển kim loại chiều dày kim loại Dòng hàn thấp dẫn đến hàn không ngấu [3,5] Hình Hình dạng mối hàn ảnh hưởng tốc độ cấp dây Bảng Các thông số chế tạo thiết bị hàn khe hở hẹp nối thép có chiều dầy lớn phương pháp hàn MAG khí bảo vệ CO với mối hàn không vát mép Đường Khí Dòng Lưu Tốc độ Điện áp Công Tốc độ lượng Kim loại kính dây bảo vệ hàn di cực đại suất ngoáy hàn sử max khí chuyển (V) (KVA) (v/p) (lít/ph) (mm) dụng (A) (m/h) Thép bon 0,8 ÷ 1,6 CO 800 50 17 ÷ 40 ÷ 20 40 10 ÷ 25 2.3 Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị hàn khe hở hẹp 2.3.1 Hệ thống thiết bị hàn khe hở hẹp Hình 10 Hệ thống thiết bị hàn khe hở hẹp Chức phận 1- Bộ chạy dọc, 2- Cơ cấu chuyển động thẳng đứng, 3- Cơ cấu quay đầu hàn, 4- Bộ đưa dây, 5- Nguồn hàn, 6- Khí bảo vệ Thiết bị hàn nối dày không vát mép tích hợp hai chuyển động chuyển động dọc mối hàn chuyển động quay đầu hàn để tạo thành lớp hàn Các lớp hàn xếp chồng lên phủ kín khe hở hàn để tạo thành lên kết nối hai dày phương pháp hàn khe hở hẹp 125 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.3.2 Cấu tạo mỏ hàn Hình 11 Cấu tạo mỏ hàn 1- Chụp khí, 2- Ống dẫn khí bảo vệ, 3- Trục nối, 4- Vị trí bắt khí bảo vệ, 5- Đầu nối trục bép hàn, 6- Bép hàn Mỏ hàn có nhiệm vụ dẫn khí, dây hàn, bép hàn sử dụng loại có sẵn, chụp khí chế tạo vật liệu đồng đỏ (Cu-Zn), có đường kính Ø 22mm, chiều dài 180mm, chiều dày ống 2mm, chụp khí đảm nhiệm vai trò cung cấp khí bảo vệ cho vùng hàn Mô tả cấu tạo, nguyên lý hoạt động cấu quay đầu hàn, phận ngoáy đầu hàn Cơ cấu quay đầu hàn tạo dao động đầu hàn đảm bảo chiều rộng mối hàn theo tiêu chuẩn đề ra, cấu bao gồm: động hộp giảm tốc, cấu trục, ổ bi, ổ đỡ, bánh kết nối với động chiều làm cho đầu hàn quay với bán kính hàn cần thiết 2.3.3 Sơ đồ thiết bị hàn khe hở hẹp Máy hàn MAG Đồ gá dịch chuyển chiều Cụm đầu hàn Khí hàn CO2 Dọc: Tự động Ra vào: Tay Lên xuống: Tay Bộ phận cấp dây Hình 12 Sơ đồ khối thiết bị hàn khe hở hẹp Trong trình hàn, dây hàn phần tiếp xúc trực tiếp với lửa hàn, đặc biệt bép hàn nên cấu tạo phải đảm bảo tính thoát nhiệt cho chi tiết vật liệu dùng đầu hàn phải truyền nhiệt tốt Phải chọn vật liệu đầu bép loại đồng kháng mòn theo TCVN 7506-2:2011 tương đương ISO 3834-2: 2005 sử dụng đầu bép hãng cung cấp bán thị trường THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Sau hệ thống thiết bị hàn khe hở hẹp chế tạo lắp ráp hoàn chỉnh, tác giả tiến hành hàn mẫu để đánh giá chất lượng mối hàn • Vật liệu hàn: Dây hàn GM – 70S (đường kính ϕ 1.2 mm) • Khí bảo vệ: CO • Vật liệu nền: Mẫu thép CT3, kích thước 300 x 200 x 150 mm • Khe hở hàn: 25 mm 126 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Dòng hàn (A) 180 ÷ 200 Bảng Các thông số chế độ hàn khe hở hẹp Tốc độ Tầm với Điện áp Tốc độ Số lớp ngoáy điện cực hàn (V) hàn (m/h) hàn (lớp) (mm) (v/p) 28 ÷ 30 10 17 ÷ 40 70 10 ÷ 25 Hình 14 Mối hàn thử nghiệm Hình 13 Thiết bị hàn khe hở hẹp • 20 ÷ 30 Lưu lượng khí (lít/ph) Kết thử nghiệm Thử tính đánh giá chất lượng mối hàn tiến hành Trung tâm Đánh giá hư hỏng vật liệu – Viện Khoa học vật liệu, kết thử đưa bảng bảng Bảng Thử nghiệm kéo – Phương pháp: TCVN 197:2002; Super L120 Thí nghiệm kéo Tên mẫu Mẫu Đường kính thử mẫu (mm) Lực chảy Fe (kN) Ứng suất chảy Re (MPa) Lực bền Fm (kN) Ứng suất bền Rm (MPa) Độ giãn dài tương đối A 80 Hàn phương pháp khe hở hẹp (không vát mép) M1 10,0 23,3 296 36,4 463 13,8 M2 10,1 28,8 313 36,7 462 16,3 Hàn MAG có vát mép M3 10,0 24,2 290 37,5 460 15,0 M4 10,1 30,3 313,3 37,2 457 17,1 Bảng Mẫu đo độ cứng – Phương pháp: TCVN 258-1:2008; Thiết bị: AVK-CO Kết đo độ cứng, HV10 Giá trị đo Tên mẫu trung Lần Lần Lần Lần Lần Vùng đo bình Vùng Hàn phương pháp khe hở hẹp Vùng ảnh hưởng nhiệt (không vát mép) Vùng hàn 133 138 137 138 135 136,2 155 157 157 156 152 155,4 159 159 160 161 159 159,6 Vùng Hàn MAG có vát Vùng ảnh hưởng nhiệt mép Vùng hàn 133 137 137 137 135 135,8 156 157 155 156 150 154,8 160 162 159 161 160 160,4 127 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Các kết đo kiểm cho thấy mối hàn thực công nghệ hàn khe hở hẹp đạt yêu cầu chất lượng (độ bền kéo, độ cứng) theo tiêu chuẩn TCVN 258-1:2008, tương đương với phương pháp hàn có vát mép - Thực tế thử nghiệm cho thấy phương pháp hàn khe hở hẹp có ưu điểm so với phương pháp hàn khác sau: giảm thời gian hàn, chi phí tiêu hao thấp hơn, giảm thời gian loại bỏ xỉ hàn, giảm chi phí chuẩn bị, giảm xử lý nhiệt sau hàn, cải thiện độ dai va đập, giảm biến dạng góc chi tiết hàn KẾT LUẬN Bài báo nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị hàn khe hở hẹp nối thép có chiều dày lớn phương pháp hàn môi trường khí bảo vệ với mối ghép không vát mép Kết thu hàn nối thép dày 150 mm, có khe hở 25 mm với phương pháp hàn MAG môi trường khí hoạt tính CO Chất lượng mối hàn đánh giá qua mẫu thử tính (đo độ cứng thử bền kéo) Kết phân tích cho thấy mối hàn sử dụng phương pháp hàn khe hở hẹp môi trường khí bảo vệ đạt chất lượng tương đương so với phương pháp hàn có vát mép môi trường khí bảo vệ với chiều dày 5÷15 mm Kết báo cở sở để lựa chọn chế độ, thông số hàn phù hợp để thực hàn nối thép có chiều dày lớn phương pháp hàn khe hở hẹp môi trường khí bảo vệ với mối ghép không vát mép LỜI CÁM ƠN Các tác giả xin chân thành cảm ơn tài trợ Bộ Công Thương để thực Đề tài với Mã số: 105.14.RD/HĐ-KHCN) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Blackman S.A, Dorling D.V and Howard R., High-speed tandem GMAW for pipeline welding International Pipeline Conference, 2002, Vol.2, p.272- 295 [2] Paton B.E, Pokhodnya I.K., Automatic position butt welding of large diameter pipes with self-shielded flux-cored wire by using Styk complex International Pipeline Conference, 1980, Vol.4, p.25-53 [3] Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn điện nóng chảy, tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2007 [4] Hoàng Tùng, Nguyễn Thúc Hà, Sổ tay hàn, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2007 [5] Nguyễn Văn Thông, Vật liệu công nghệ hàn, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1997 THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ: Ngô Trọng Bính Email: trongbinh2000@gmail.com Điện thoại: 0976918505 Lê Thu Quý Email: quylt@narime.gov.vn Điện thoại: 0983022166 Ngô Văn Dũng Email: ngodung85@gmail.com Điện thoại: 0978797534 Phạm Đăng Lộc Email: locctmhua@gmail.com Điện thoại: 0977308099 128 ... phân tích cho thấy mối hàn sử dụng phương pháp hàn khe hở hẹp môi trường khí bảo vệ đạt chất lượng tương đương so với phương pháp hàn có vát mép môi trường khí bảo vệ với chiều dày 5÷15 mm Kết báo... chế độ, thông số hàn phù hợp để thực hàn nối thép có chiều dày lớn phương pháp hàn khe hở hẹp môi trường khí bảo vệ với mối ghép không vát mép LỜI CÁM ƠN Các tác giả xin chân thành cảm ơn tài... Hình dạng mối hàn ảnh hưởng tốc độ cấp dây Bảng Các thông số chế tạo thiết bị hàn khe hở hẹp nối thép có chiều dầy lớn phương pháp hàn MAG khí bảo vệ CO với mối hàn không vát mép Đường Khí Dòng