Cơ kỹ thuật - Chương XI: Công nghệ hàn kim loại và hợp kim

CHƯƠNG XICÔNG NGHỆ HÀN KIM LOẠI VÀ HỢP KIMTính hàn của kim loại.Hiện nay chưa có một định nghĩa chung về tính hàn cho tất cả các kim loại và hợp kim, và đồng thời khó tiêu chuẩn hoá tất cả các phương pháp thử tính hàn của chúng. Nhưng ta có thể hiểu tính hàn như sau Tính hàn của kim loại là tổng hợp các tính chất và phương pháp để hàn chúng, bảo đảm cho sau khi hàn, ta được mối hàn có chất lượng phù hợp với yêu cầu. Để đánh giá kim loại hàn dễ hay khó, người ta phân biệt ở chỗ : chúng có khả năng hàn ở các phương pháp hay không, có cần dùng đến những biện pháp kỹ thuật phức tạp để nhận được chất lượng mối hàn cao không. Đối với thép người ta phân chia ra những nhóm sau.1. Tính có thể hàn tốt.Là những thép có thể hàn được bằng tất cả các phương pháp, không cần đến biện pháp công nghệ đặc biệt.2. Tính có thể hàn hợp quy cách.Là khi hàn đạt được chất lượng mối hàn cao, nhưng cần phải tuân theo 1 số quy trình công nghệ nhất định, và phải dùng que hàn phụ, đặc biệt là phải làm sạch cẩn thận , nhiệt độ trong quá trình hàn bình thường. 3. Tính có thể hàn có giới hạn.Là khi hàn đạt được chất lượng bình thường, trong quá trình hàn phải sử dụng các biện pháp đặc biệt như thuốc hàn, nung nóng sơ bộ, nhiệt luyện 4. Tính có thể hàn không tốt.Là những thép khi hàn phải sử dụng 1 số phương pháp công nghệ đặc biệt, nhưng chất lượng mối hàn vẫn không đạt yêu cầu mong muốn.Trước đây người ta nghĩ rằng có một số kim loại không có tính hàn, nghĩa là không hàn được. Sự xuất hiện những phương pháp hàn mới đã khảng định rằng, không có 1 kim loại nào là không hàn được bằng phương pháp này hay phương pháp khác.Hàn thép .I. Hàn thép Các bon .1. Thép các bon thấp được dùng rộng rãi nhất, có tính ghàn tốt vì vậy trong khi hàn không cần yêu cầu biện pháp công nghệ đặc biệt. Trong quá trình hàn chỉ cần tránh sinh ra biến dạng là được.2. Thép các bon trung bình có tính hàn hơi kém, hàn xong bị giòn, cường độ tăng cao tính dẻo hạ thấp, đôi khi xung quanh mối hàn có thể sinh ra hiện tượng nứt rạn vv. Vì vậy, trước khi hàn phải gia nhiệt vật hàn, nhiệt độ gia nhiệt căn cứ vào hàm lượng các bon mà quyết định. Hơn nữa phải hàn bằng que hàn có cường độ cao, thuốc hàn hợp lý, hàn xong cần nhiệt luyện để loại bỏ ứng lực làm tăng cơ tính mối hàn. 3. Thép các bon cao, có tính hàn rất kém nói chung không thể hàn được. Vì hàm lượng các bon cao dễ hình thành tổ chức tôi lửa độ cứng cao tính dẻo thấp vì vậy khi hàn thép các bon cao cần phải gia nhiệt từ 260 – 4400C, nhiệt độ ram từ 550 – 6000C.II. Hàn thép hợp kim.Theo cấu trúc thép hợp kim chia làm bốn nhóm.1.Thép Péclit. Thép này là loại thép hợp kim thấp và trung bình hàm lượng các bon từ 0.12 – 0.4% tổng hàm lượng các nguyên tố hợp kim từ 4 – 6%.Đặc điểm khi hàn thép loại này cần tăng cường độ dòng điện hàn, giảm tốc độ hàn dùng hàn nhiều lớp và nung nóng sơ bộ 2.Hàn thép Mactenxit. Thép này chứa nhiều nguyên tố hợp kim và các bon. Hàn thép này dùng phương pháp hàn hồ quang nung nóng sơ bộ và nhiệt luyện sau khi hàn. 3.Hàn thép Ostenit. Thép này có hàm lượng các nguyên tố hợp kim cao mà lượng các bon ít, có độ bền độ dai và tính chống gỉ cao người ta có thể hàn bằng mọi phương pháp sau khi hàn xong phải nhiệt luyện.Khi hàn thép này bằng hồ quang cần phải đảm bảo thực hiện quá trình nhanh, đặc biệt cường độ dòng điện không được lớn. Khi hàn tốt nhất là phương pháp đấu nghịch cường độ dòng điện một chiều.Cường độ dòng điện có thể tính theo công thức sau. I = (25 – 35)d d. Là đường kính que hàn (mm).Cách đưa que hàn nên dùng kiểu đường thẳng đồng thời dùng hồ quang ngắn để hàn. Khi hàn nhiều lớp nên đợi sau khi mối hàn thứ nhất đã nguội mới hàn lớp thứ hai. Khi kim loại nền có chiều dày nhỏ hơn 1.5mm thì nên hàn trên tấm đệm đồng để tăng tốc độ nguội của vật hàn và tránh khỏi bị cháy thủng. Nên tránh hàn thép loại này bằng phương pháp hàn khí, nó chỉ cho phép hàn những ống nhỏ.4. Hàn thép cacbit. Loại thép này khi nguội rất giòn, tính hàn rất xấu nên trong quá trình hàn cần tiến hành với tốc độ chậm, gia nhiệt trước khi hàn và nhiệt luyện sau khi hànIII . Hàn gang . Gang được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo cơ khí, thông thường kích thước vật đúc tương đối lớn, khi đúc thường sinh ra lỗ ngót, lỗ cát..vv. Đồng thời trong quá trình sử dụng các cấu kiện gang bị mòn cho nên việc hàn vá gang có giá trị kinh tế lớn.Khó khăn khi hàn gang. Dễ bị nứt và thành thể gang trắng khó gia công cơ cho nên khi hàn vá gang thường nung nóng trước khi hàn. Sau khi hàn để nguội dùng que hàn có tính dẻo tương đối tốt để đề phòng sinh ra thể gang miệng trắng 1 . HaØn nóng gang. Phương pháp hàn nóng gang dùng để hàn những chi tiết quan trọng bằng gang và những kết cấu phức tạp. Nó có thể tạo gia một khu vực hàn có tổ chức gang miệng xám tiêïn cho việc gia công cơ. Hàn nóng gang gồm: làm sạch trước khi hàn, nung nóng trước khi hàn, hàn vá và gia nhiệt sau khi hàn.a. Làm sạch trước khi hàn. Nếu cần hàn vá cho những lỗ ngót lỗ cát hoặc khuyết tật vật đúc thì chỗ hàn nên khoét thành dạng đề đặn và khoét sâu thích đáng (Hình X-142). Hình X-142 Làm sạch trước khi hàn .Nếu trên vật đúc cần hàn vá có đường nứt trước hết phải dùng kính phóng đại để kiểm tra hai đầu đường nứt, ở cách hai đầu đường nứt 10 mm khoan hai lỗ nhỏ 3 – 5 mm(Hình X-143) Hình X-143 . Khoan lỗ ở hai đầu vết nứt.Để tránh cho những đường nứt không nứt dài thêm khi gia công cạnh vát và khi nung nóng Với chiều dày kim loại nền nhỏ hơn 8 mm không cần vát cạnh, lớn hơn 8 mm nên vát cạnh như hình vẽ. (Hình X-130)Hình X-144 Vát cạnh hình chữ V và vát cạnh hình chữ Xb. Nung nóng trước khi hàn.Nung nóng trước khi hàn. Là một trong những điều chủ yếu của hàn gang cần phải nắm tốc độ nung nóng và thời gian nung nóng. Đối với vật đúc kết cấu thông thường thời gian nung nóng 1 – 2 giờ. Vật đúc phức tạp 3 – 4 giờ. Nếu nung nóng quá nhanh có thể làm cho vật đúc sinh ra đường nứt mới. Nhiệt độ nung nóng nên khống chế 600 – 650% C (màu đỏ thẫm). Nếu nhiệt độ nung nóng quá thấp khó tránh rạn nứt và tổ chức gang miệng trắng. Nếu nung nóng quá cao dễ bị biến dạng vì cường độ của vật đúc giảm xuống rất nhiều. c. Hàn vá. Suốt trong quá trình hàn vá phải đảm bảo vật đúc 500 – 6500C. Do đó ngoài chỗ bị hàn vá còn tất cả phải dùng tấm amiăng phủ lên tránh nhiệt độ giảm xuống. Khi hàn vá có thể áp dụng hàn bằng hồ quang cực kim loại hoặc cực các bon.Khi hàn bằng hồ quang cực kim lọai áp dụng công thức sau I = (30 – 40)d. d. là đường kính que hàn mm.Nếu nhiệt độ vùng nóng chảy quá cao dễ làm cho các bon và Si bị đốt cháy nhiều lúc này nên giảm cường độ dòng điện cho thích đáng. Khi hàn bằng hồ quang cực các bon có thể hàn bằng que hàn trần, thuốc hàn thường là bôrắc 100% vv. Cường độ dòng điện cho hơi lớn hơn cường độ dòng điện cực kim loại dùng phương pháp đấu thuận dòng một chiều. Dù hàn bằng hồ quang cực kim loại hay cực các bon khi hàn vá đều không được đứt đoạn giữa chừng cần phải hàn liên tục. Đồng thời trong khi hàn không cho phép lật vật hàn nếu cần thiết lật phải để cho gang nguội gần tới 4000C. d. Xử lý sau khi hàn. Sau khi hàn xong vật đúc phải để nguội từ từ, khi cần thiết nên cho vào lò để nung nóng trên dưới 6500C sau đó để nguội trong lò khoảng một đêm mới có được kết cấu gang miệng xám và tránh sinh ra những đường nứt.2. Hàn nguội gang. Thông thường không nung nóng trước khi hàn cho nên dễ sinh ra gang miệng trắng. Ngoài gia do vật đúc chịu lực không đều dễ tạo thành ứng lực sinh ra nứt. Thao tác hàn nguội đơn giản, giá thành thấp, ứng dụng tương đối rộng rãi. Dựa vào lọai que hàn để phân loại phương pháp hàn, thường có ba phương pháp : Que hàn gang lõi thép các bon, que hàn tổng hợp và que hàn hợp kim Ni-Cu a. Hàn nguội gang bằng que hàn lõi thép các bon. Trước khi hàn vá phải làm những việc khoét sâu, vát cạnh vv. Trình tự hàn vá đường nứt (Hình X-145)Hình X-145 Trình tự hàn vá. Trong quá trình hàn vá cần phải chú ý rằng, khi hàn vá môi hàn thứ hai cần phải đợi cho mối hàn thứ nhất nguội xuống 600C (có thể sờ tay lên được) nếu không nhiệt độ cao sẽ do sự co ngót quá lớn mà bị nứt.Dùng loại que hàn này để hàn vá dễ sinh gia kết cấu gang miệng trắng nên sau khi hàn không gia công cơ được cường độ mối hàn tương đối kém.Khi hàn vật đúc cỡ lớn yêu cầu cường độ tương đối cao, để nâng cao cường độ chỗ hàn, trước khi hàn có thể cấy đinh vít bằng thép vào chỗ vát cạnh (Hình X-146).Hình X-147 Hàn vá gang có cấy vít bằng thép.Khi hàn, đầu tiên hàn một vòng chỗ lồi gia của vít. Để tránh bị nóng quá áp dụng phương pháp hàn gián đọan. Sau khi toàn bộ mối hàn lớp dưới của đinh vít và mặt vùng đúc đề hàn xong mới cho phép lớp hàn khác ở trên mặt đó. b. Khi hàn nguội sử dụng que hàn hợp kim Ni-Cu. Hàn bằng que hàn này có thể đạt được sự kết hợp rất tốt ở chỗ hàn vá và dễ gia công cơ cường độ so với vật đúc hơi thấp. - Hàn gang bằng phương pháp hàn khí thường sử dụng ngọn lửa các bon hóa mục đích bù đắt các bon bị cháy trong quá trình hàn. Công suất ngọn lửa, W = (100 – 200)S. l/h. S. Là chiều dày kim lọa nền. W. Lượng tiêu khí axêtylen. Tất cả mọi trường hợp hàn gang bằng phương pháp hàn khí đề sử dụng phương pháp hàn nóng gang. Thuốc hàn gang thương là bôrắc và một số hợp chất hóa học khác như Natri, ..vvv. Người ta có thể dùng que hàn đồng và mộy số que hàn chế tạo bằng kim loại khác để hàn gang IV. Hàn các kim loại màu. 1.Hàn đồng và hợp kim đồng . a. Đặc điểm.Đồng và hợp kim đồng có độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao do đó cần có nguồn nhiệt lớn để tạo nên bể hàn. Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn làm giảm cơ tính của vật hàn, gây biến dạng lớn khi nung nóng và làm nguội Ở nhiệt độ cao độ bền mối hàn giảm do đó ứng suất nhiệt sinh ra khi hàn dễ tạo nên nứt. dễ bị ôxy hóa tạo nên CuO, Cu2O, khi nguội các ôxýt này làm cho lim loại giòn. Vì thế khi hàn phải sử dụng biện pháp công nghệ như thuốc hàn, que hàn chứa chất khử O2 (P, Si). Nhiệt độ chảy thấp nên dễ quá nhiệt khi hàn tấm mỏng.Khi hàn đồng thau, kẽm dễ bị cháy làm thay đổi thành phần kim loại mối hàn so với vật hàn. 2. Hàn đồng . Hàn khí. Vật hàn trước khi hàn phải được chuẩn bị tốt. Vật mỏng S = 1.5 – 2 mm, dùng kiểu uốn mép, nhỏ hơn 3 mm không cần vát mép, 10mm vát 450 lớn hơn 10 mm vát 900. Ngọn lửa hàn : Ngọn lửa hàn bình thường.Công suất ngọn lửa hàn. W = (190 – 225)S (l/h).Nếu vật hàn đã được nung nóng sơ bộ (400 – 5000C) W = (125 – 150)S (l/h) .Nếu nung nóng sơ bộ thực hiện bằng cách dùng ngọn lửa phụ thì công suất mỗi ngọn lửa chọn như sau: W = (100 – 150)S (l/h). W: Là công suất ngọn lửa biểu thị bằng lượng tiêu hao khí axetylen. S: Chiều dày vật hàn (mm).3. Hàn đồng thau. Hàn khí. Thành phần ngọn lửa hàn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn, nếu thừa nhiều ôxy thì tăng lượng ZnO và giảm chất hợp kim trong mói hàn. Tốt nhất dùng ngọn lửa hơi thừa ôxy để tạo lên lớp ôxit kẽm trên bề mặt bể hàn ngăn cản sự bốc hơi của kẽm.Công suất ngọn lửa : W = (100 – 150)S (l/h) Thuốc hàn Bôrắc hoặc axit bôrich 4. Hàn đồng thanh. Hàn khí. Khi hàn đồng thanh nên dùng ngọn lửa bình thường. Khi hàn đồng thanh Si thường dùng ngọn lửa thừa ôxy (tỷ lệ O2 / C2H2 = 1.15 – 1.25.Khi hàn đồng thanh nhôm cần nung nóng sơ bộ (350 – 4500C) - O2 / C2H2 = 1.2 – 1.3. Công suất ngọn lửa như sau.Khi không nung nóng sơ bộ W = (125 – 175)S (l/h).Khi nung nóng sơ bộ W = (100 – 150)S (l/h).Thuốc hàn khi hàn đồng thanh thiếc hoặc đồng thanh Si thường bùng Bo. Khi hàn đồng thanh Al dùng thuốc hàn Al.V. Hàn nhôm và hợp kim nhôm.1. Đặc điểm.Nhôm có ái lực lớn đối với O2 tạo thành Al2O3. Oâxit này ở trong vùng mối hàn gây rỗ xỉ và nằm trên mặt vật hàn ngăn cản quà trình hàn. Nhiệt độ nóng chảy của nó 20500C trong khi đó nhiệt độ nóng chảy của nhôm và hợp kim nhôm khoảng 600 - 6500C . Ở nhiệt độ cao nhôm và hợp kim nhôm có độ bền thấp khi gần nhiệt độ chảy thì chi tiết có thể bị phá hoại do khối lượng bản thân nó. Từ trạng thái đặc chuyển sang trạng thái lỏng nhôm thay đổi màu sắc nên khó quan sát khi hàn. Khối lượng riêng của Oâxýt nhôm lớn hơn nhôm và hợp kim nhôm nên khó nổi lên bể hàn. Ở nhiệt độ cao dễ hòa tan H2 Tạo nên rỗ khí.2. Hàn khí. Chi tiết trước khi hàn phải được làm sạch lớp Oâxýt nhôm một khoảng cách mép hàn ít nhất là 30 – 35 mm. Chiều dày vật hàn đến 1.5 mm dùng phương pháp uốn mép nếu nhỏ hơn 4 mm dùng kiểu hàn giáp mối không vát mép. Nếu chiều dày lớn hơn 40 mm vát mép chữ V, X vv.Ngọn lửa hàn bình thường nếu thừa ô xy dễ tạo thành Al203, thừa C2H2 dễ tạo nên rỗ khí. Công suất ngọn lửa W = 150. S (l/h). Số hiệu mỏ hàn lớn hơn khi hàn thép một, hai số. Que hàn có thành phần tương tự thành phần vật hàn, khi hàn nhôm có thể dùng que hàn AK (có 5% Si) thì mối hàn tốt hơn. Thuốc hàn chủ yếu là muối clo và flo ví dụ NaCl, KCl, LiCl, NaF, CaF2. Nhiệm vụ chủ yếu là phá hủy lớp Al203 tạo nên xỉ dễ chảy và nhẹ nổi lên trên mối hàn vv. Sau khi hàn xong phải rửa sạch mối hàn để tránh sự ăn mòn do thuốc hàn còn thừa trên mối hàn.VI. Hàn Ni ken và hợp kim Ni ken.1. Đặc điểm. Ni và hợp kim Ni củ nó có tính bền nóng, chống gỉ và nhiều tính chất quý khác nên được ứng dụng để sản xuất thiết bị hóa chất, điện và trong nhiều ngành kỹ thuật khác.Khó khăn cơ bản khi hàn dễ suất hiện rỗ khí và rạn nứt kết tinh. Rỗ khí là do giảm nồng độ hòa tan của chất khí chủ yếu là hyđro, khi kim loại chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn. Nguyên nhân chính của sự rạn nứt kết tinh trong kim loại mối hàn là sự tạo thành chất dễ nóng chảy. Ni-NiS. Có thể đưa Mangan, Magiê hoặc Titan vào mối hàn để giảm ảnh hưởng có hại của chất cùng tinh trên vì chúng kết hợp với lưu huỳnh thành sunfua MnS, MgS, TiS. Hàn khí. Hàn Ni bằng ngọn lửa khí cho chất lượng trung bình. Khi chiều dày dưới 1.5 mm khi hàn không cần kim lạo phụ mép hàn được uốn cong. Khi hàn kim loại có chiều dày nhỏ hơn 1mm không cần vát cạnh. Đối với kim loại dày cần vát cạnh chữ V góc vát 35 - 450. Hàn Niken tiến hành bằng phương pháp từng lớp ngược chiều. Mối hàn chồng không nên dùng do ứng suất và biến dạng lớn khi nung nóng công suất ngọn lửa W = (140 – 200) l/h, ngọn lửa cho phép hơi thừa axetylen. Ngọn lửa thừa Ôxy gây ra rỗ khí và làm kim lïoại đắp bị giòn. Kim loại phụ được dùng có thành phần tương tự như kim lọai nền. Đường kính que hàn lấy bằng một nửa chiều dày kim loại nền. Thuốc hàn là axit Bôrich trộn với Bôrắc, nếu cho thêm ít muối Ca hoặc cloruavv. Thì có thể tăng hiệu quả thuốc hàn 2. Hàn hồ quang. Với kim loại dày 1.5 hàn hồ quang tay que hàn thuốc bọc dòng điện một chiều ngược cực có thể ứng dụng que hàn có vỏ thuốc YOHN-13/45. Nếu hàn bằng cực than có thể dùng thuốc trên cơ sở Bo như thuốc gồm 25% bôrắc và 75% axid bô ríc. Hàn niken có thể hàn trong môi trường khí bảo vệ với thuốc hàn.