Hàn hồ quang chìm (SAW) là công nghệ hàn tự động có hiệu suất cao,{1}}chất lượng cao được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nặng, bao gồm đóng tàu, xây dựng cầu, sản xuất bình chịu áp lực và kỹ thuật đường ống. Không giống như các phương pháp hàn thông thường, SAW phụ thuộc rất nhiều vào dòng hàn dạng hạt để bao phủ hồ quang hàn và bể nóng chảy, yếu tố quyết định độ ổn định của quá trình hàn, thành phần hóa học của kim loại mối hàn và tính chất cơ học cuối cùng của mối hàn.

Giới thiệu

Hàn hồ quang chìm (SAW)được phát minh vào những năm 1930 và dần trở thành một trong những quy trình hàn tự động quan trọng nhất trong sản xuất công nghiệp hiện đại nhờ những ưu điểm vượt trội như dòng hàn lớn, hiệu suất lắng đọng cao, hồ quang ổn định, ít bắn tóe và chất lượng tạo hình mối hàn tuyệt vời. Điểm đặc biệt nhất của SAW là hồ quang hàn được nhấn chìm hoàn toàn dưới một lớp chất trợ dung dạng hạt trong quá trình hoạt động. Chất trợ dung tan chảy dưới nhiệt độ cao của hồ quang để tạo thành lớp xỉ và khí bảo vệ, giúp cách ly bể hàn nóng chảy với không khí, tránh quá trình oxy hóa và thấm nitơ của kim loại nóng chảy, đồng thời tạo ra khuôn hàn chất lượng cao.

Là vật liệu phụ trợ cốt lõi của SAW, chất hàn không chỉ là phương tiện bảo vệ đơn giản mà còn là vật liệu chức năng chính tham gia vào các phản ứng luyện kim, điều chỉnh thành phần mối hàn, tối ưu hóa tính chất cơ học và cải thiện hiệu suất quá trình hàn. Chất lượng và loại từ thông ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định hồ quang, độ xuyên thấu của mối hàn, khả năng loại bỏ xỉ, khả năng chống nứt, độ bền và độ cứng của mối hàn. Trong sản xuất công nghiệp thực tế, việc lựa chọn từ thông không phù hợp sẽ dẫn đến các khuyết tật hàn như lỗ khí, bám xỉ, phản ứng tổng hợp không hoàn toàn, nứt nguội và suy giảm độ bền nhiệt độ-thấp, ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn sử dụng của kết cấu hàn.

So với các loại thuốc hàn khác, thuốc hàn SAW có các đặc tính ở trạng thái rắn dạng hạt, hiệu suất có thể tái sử dụng, hệ thống thành phần đa dạng và các chức năng luyện kim được nhắm mục tiêu. Với việc liên tục nâng cấp các tiêu chuẩn sản xuất công nghiệp, các yêu cầu cao hơn đã được đặt ra đối với độ sạch, độ bền và khả năng chống mỏi của mối hàn, điều này thúc đẩy hơn nữa việc sàng lọc phân loại và tối ưu hóa hiệu suất của chất trợ dung SAW. Bài viết này sẽ bắt đầu từ các chức năng cơ bản của thông lượng SAW, phân loại và phân tích các loại thông lượng chính trên thị trường, thảo luận về đặc tính hiệu suất tương ứng và các điều kiện áp dụng của chúng, đồng thời tóm tắt các phương pháp lựa chọn thông lượng khoa học cho các điều kiện làm việc khác nhau, để làm rõ các quy tắc ứng dụng của thông lượng trong hàn hồ quang chìm.

Chức năng cốt lõi củaTuôn ratrong hàn hồ quang chìm

Để làm rõ các loại chất trợ dung SAW có thể áp dụng, trước tiên cần nắm vững các chức năng cốt lõi của chất trợ dung trong quá trình hàn. Dòng hạt lan truyền trên mối hàn sẽ trải qua quá trình nóng chảy vật lý và phản ứng luyện kim hóa học phức tạp dưới nhiệt độ hồ quang cao, và các chức năng chính của nó được chia thành bảo vệ vật lý, điều chỉnh luyện kim và tối ưu hóa quy trình ba chiều.

1. Chức năng bảo vệ vật lý

Chức năng cơ bản nhất của thông lượng SAW là bảo vệ cách ly vật lý. Trong quá trình hàn, dòng hạt cấp liệu liên tục bao phủ khu vực hàn. Hồ quang cháy trong khe hở giữa điện cực dây và kim loại cơ bản, từ thông xung quanh tan chảy tạo thành lớp xỉ lỏng dày đặc. Lớp xỉ bao bọc hoàn toàn bể hàn nóng chảy và kim loại mối hàn có nhiệt độ-cao, cách ly oxy, nitơ và hơi nước trong không khí. Điều này ngăn chặn hiệu quả quá trình oxy hóa và thấm nitơ của kim loại nóng chảy, tránh sự hình thành các tạp chất oxit và lỗ chân lông nitrit, đồng thời đảm bảo độ tinh khiết của kim loại mối hàn. Đồng thời, lớp chất trợ dung rắn trên bề mặt có thể che chắn ánh sáng hồ quang và giảm vết hàn, cải thiện môi trường làm việc và chất lượng tạo hình mối hàn.

2. Chức năng điều tiết luyện kim

Chất trợ dung là môi trường cốt lõi cho phản ứng luyện kim trong quy trình SAW. Các thành phần từ thông khác nhau có thể tạo ra các hiệu ứng khử oxy, khử lưu huỳnh, khử phospho và tạo hợp kim. Một mặt, các thành phần oxit trong chất trợ dung phản ứng với các nguyên tố oxy hóa trong bể nóng chảy để loại bỏ lượng oxy, lưu huỳnh và phốt pho dư thừa trong kim loại mối hàn, giảm tạp chất giòn và cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo của mối hàn. Mặt khác, chất trợ hoạt tính và hợp kim có thể giải phóng các nguyên tố hợp kim như mangan, silicon, crom và niken trong quá trình nóng chảy, bù đắp cho sự mất mát do cháy của các nguyên tố hợp kim trong quá trình hàn, điều chỉnh thành phần hóa học của kim loại mối hàn và làm cho tính chất cơ học của mối hàn phù hợp hoặc thậm chí vượt quá kim loại cơ bản.

3. Chức năng tối ưu hóa quy trình hàn

Thông lượng SAW có thể ổn định hồ quang hàn một cách hiệu quả, điều chỉnh lượng nhiệt đầu vào của mối hàn và tối ưu hóa hình thái mối hàn. Khí tạo ra từ quá trình phân hủy chất trợ dung có thể ổn định trạng thái đốt hồ quang, tránh hiện tượng đứt gãy và giật hồ quang, đồng thời đảm bảo tính liên tục và đồng đều của quá trình hàn. Điểm nóng chảy, độ nhớt và tính lưu động của chất trợ dung xác định phạm vi lan rộng và tốc độ hóa rắn của xỉ, do đó ảnh hưởng đến độ sâu xuyên mối hàn, chiều rộng mối hàn và chiều cao cốt thép. Ngoài ra, công thức thông lượng hợp lý có thể làm cho xỉ có khả năng bong tróc tốt, tránh khuyết tật bám vào xỉ và giảm-khối lượng công việc làm sạch sau mối hàn, rất phù hợp cho quá trình sản xuất hàn tự động-hiệu quả cao.

Các loại chất trợ dung chính được sử dụng trong hàn hồ quang chìm

Chất trợ dung SAW có hai phương pháp phân loại chủ đạo trong ngành: phân loại theo quy trình sản xuất và phân loại theo tính chất hóa học (độ axit và tính bazơ). Hai phương pháp phân loại bao gồm tất cả các loại từ thông SAW thương mại và các loại từ thông khác nhau có sự khác biệt rõ ràng về hiệu suất, đặc điểm và các tình huống ứng dụng. Việc kết hợp hai khía cạnh phân loại này có thể làm rõ đầy đủ các loại và phạm vi áp dụng của thông lượng SAW.

1. Phân loại theo quy trình sản xuất

Theo các công nghệ sản xuất và xử lý khác nhau, từ thông SAW được chia thành từ thông hợp nhất, từ thông kết tụ (thiêu kết) và từ thông liên kết, đây là ba loại từ thông được sử dụng phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp.

1.1 Thông lượng hợp nhất

Chất trợ dung hợp nhất được điều chế bằng cách trộn các nguyên liệu khoáng thô khác nhau theo tỷ lệ, nấu chảy chúng trong lò-có nhiệt độ cao trên 1300 độ, sau đó làm nguội bằng nước, nghiền, sàng lọc và sấy khô. Cấu trúc bên trong của nó là tinh thể thủy tinh đồng nhất, có kết cấu nhỏ gọn, độ hút nước thấp và khả năng chống ẩm tuyệt vời. Chất trợ dung hợp nhất có đặc tính hóa học ổn định, phân bố thành phần đồng đều và độ ổn định hồ quang tốt. Xỉ hình thành sau khi nóng chảy có độ chảy vừa phải, dễ bong tróc, mối hàn tạo thành mịn và đẹp. Tuy nhiên, do quá trình nóng chảy ở nhiệt độ-cao, một số nguyên tố hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp-dễ cháy, do đó, chất trợ dung nung chảy chủ yếu là chất trợ dung trung tính có khả năng hợp kim yếu, phù hợp với hàn thép cacbon thông thường và thép hợp kim-thấp. Nó được sử dụng rộng rãi trong hàn kết cấu thép nói chung, nối tấm thép và hàn đường ống thông thường.

1.2 Thông lượng kết tụ (thiêu kết)

Chất trợ dung kết tụ, còn được gọi là chất trợ dung thiêu kết, được tạo ra bằng cách trộn đều bột khoáng, bột hợp kim và chất kết dính, tạo hạt và thiêu kết ở nhiệt độ-thấp (400-800 độ ). Quá trình này tránh được sự-tiêu hao nhiệt độ cao của các nguyên tố hợp kim do đốt cháy, do đó, chất trợ dung có thể được thêm vào bằng nhiều thành phần hợp kim khác nhau, với khả năng điều chỉnh hợp kim và luyện kim mạnh mẽ. Thông lượng kết tụ có công thức điều chỉnh linh hoạt, có thể được chế tạo thành thông lượng hoạt động, thông lượng cơ bản và thông lượng hợp kim theo nhu cầu. Nó có ưu điểm vượt trội trong việc cải thiện độ bền mối hàn, giảm hàm lượng hydro và điều chỉnh độ bền mối hàn. Nhược điểm duy nhất của nó là khả năng hấp thụ nước cao hơn một chút so với chất trợ dung nung chảy, vì vậy nó cần phải được nung trước khi hàn để loại bỏ độ ẩm và ngăn ngừa các vết nứt do hydro-gây ra. Hiện tại, chất hàn kết tụ đã trở thành chất hàn chủ đạo cho hàn{10}tiêu chuẩn cao chẳng hạn như thép cường độ cao, thép nhiệt độ thấp và bình chịu áp lực.

1.3 Thông lượng liên kết

Chất trợ dung liên kết được tạo ra bằng cách trộn nguyên liệu thô với natri silicat và các chất kết dính ở nhiệt độ thấp -khác, sấy khô và đông đặc ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ thấp. Quy trình sản xuất đơn giản và chi phí thấp, nhưng độ nén của cấu trúc kém, khả năng hấp thụ nước cao và độ đồng đều của các thành phần không đủ. Chất trợ dung liên kết có độ ổn định kém trong quá trình hàn-dòng điện cao và dễ tạo ra xỉ và khuyết tật lỗ chân lông. Nó chỉ phù hợp với các hoạt động hàn thông thường có-nhu cầu thấp, dòng điện-thấp và dần được thay thế bằng chất trợ dung thiêu kết và nung chảy trong sản xuất công nghiệp có độ chính xác cao-hiện đại.

2. Phân loại theo tính bazơ và hoạt tính hóa học

Theo thành phần hóa học, giá trị cơ bản và hoạt động luyện kim, từ thông SAW được chia thành từ thông trung tính, từ thông hoạt động và từ thông cơ bản, là cơ sở phân loại được sử dụng phổ biến nhất để lựa chọn quy trình hàn.

2.1 Thông lượng trung tính

Thông lượng trung tính có giá trị bazơ là 1,0-1,5 và thành phần hóa học của nó ổn định. Về cơ bản, nó không làm tăng hoặc giảm các nguyên tố hợp kim như mangan và silicon trong kim loại mối hàn trong quá trình hàn và thành phần hóa học của mối hàn chủ yếu được xác định bởi dây hàn. Chất trợ dung trung tính có hiệu suất xử lý tuyệt vời, hồ quang ổn định, mối hàn tạo thành mịn và loại bỏ xỉ dễ dàng. Nó chủ yếu được sử dụng để hàn thép cacbon thông thường và thép kết cấu hợp kim thấp-thông thường. Nó phù hợp cho những trường hợp có yêu cầu về đặc tính cơ học chung và không có yêu cầu đặc biệt về độ bền ở nhiệt độ thấp. Đại diện điển hình là từ thông SJ101, được sử dụng rộng rãi trong hàn nhà máy kết cấu thép và nối tấm thông thường.

2.2 Dòng hoạt động

Thông lượng hoạt động có chứa một lượng oxit mangan và oxit silicon nhất định. Trong phản ứng luyện kim hàn, nó có thể bổ sung thích hợp các nguyên tố mangan và silicon vào bể hàn, đóng vai trò khử oxy mạnh và cải thiện độ bền và độ cứng của kim loại mối hàn. Thông lượng hoạt động có khả năng khử oxy mạnh, có thể thích ứng với việc hàn các vật liệu cơ bản có rỉ sét và oxy hóa nhẹ, đồng thời có khả năng thích ứng quy trình mạnh mẽ. Tuy nhiên, các nguyên tố hợp kim quá mức sẽ làm giảm độ bền và độ dẻo ở nhiệt độ-thấp của mối hàn, do đó, nó chỉ thích hợp cho việc hàn kết cấu thông thường không có yêu cầu nghiêm ngặt về độ bền và không phù hợp với các thiết bị có nhiệt độ-thấp và các bộ phận kết cấu quan trọng-có tải trọng cao.

2.3 Thông lượng cơ bản

Thông lượng cơ bản có giá trị cơ bản lớn hơn 2,0, giàu các thành phần kiềm như canxi oxit (CaO) và magiê oxit (MgO), và hàm lượng oxit axit thấp. Nó có tác dụng khử lưu huỳnh và khử phospho tuyệt vời, có thể làm giảm đáng kể hàm lượng tạp chất có hại trong kim loại mối hàn và ức chế hiệu quả việc tạo ra các vết nứt nóng và vết nứt lạnh. Đồng thời, chất trợ dung cơ bản có thể cải thiện đáng kể độ bền và độ dẻo do va đập ở nhiệt độ-thấp của mối hàn, đồng thời là chất trợ dung được ưu tiên cho hàn-thép hợp kim thấp{5}}cường độ cao, thép bình áp suất nhiệt độ-thấp và thép đường ống. Nhược điểm của chất trợ dung cơ bản là nó nhạy cảm với độ ẩm và phải tiến hành xử lý nung và sấy khô nghiêm ngặt trước khi hàn để tránh các vết nứt chậm do hydro-gây ra. Các sản phẩm tiêu biểu như thông lượng SJ301 được sử dụng rộng rãi trong các dự án{11}}tiêu chuẩn cao như Đường ống khí đốt phía Tây-Đông và hàn kết cấu chính của cầu.

Nguyên tắc lựa chọn của SAW Flux

Cốt lõi của việc lựa chọn từ thông là phù hợp với đặc tính của vật liệu cơ bản, yêu cầu về kết cấu hàn và môi trường sử dụng. Không có thông lượng chung cho mọi điều kiện làm việc. Việc lựa chọn từ thông khoa học phải tuân theo các nguyên tắc sau để đảm bảo chất lượng hàn và an toàn kết cấu.

1. Phù hợp với vật liệu kim loại cơ bản

Đối với thép cacbon thông thường và thép hợp kim thấp{0}}cường độ thấp{1}}, chất trợ dung nung chảy trung tính hoặc chất trợ dung thiêu kết trung tính được ưu tiên. Quá trình ổn định và chi phí thấp, có thể đáp ứng các yêu cầu về tính chất cơ học thông thường của mối hàn. Đối với thép hợp kim thấp-cường độ thấp{5}}cao, thép nhiệt độ-thấp và thép chịu áp lực có cấp độ bền trên Q345, phải chọn chất trợ dung thiêu kết cơ bản để đảm bảo độ bền-ở nhiệt độ thấp và khả năng chống nứt của mối hàn. Đối với vật liệu thép hợp kim yêu cầu khả năng chống mài mòn cao và độ bền cao, có thể chọn hợp kim{10}có chứa chất trợ dung hoạt tính để bổ sung cho các thành phần hợp kim và cải thiện hiệu suất toàn diện của mối hàn.

2. Phù hợp với điều kiện làm việc của dịch vụ

Đối với các bộ phận kết cấu thông thường trong nhà có nhiệt độ bình thường và tải thấp, có thể sử dụng dòng hoạt động trung tính với hiệu suất xử lý tốt và chi phí thấp. Đối với các cấu trúc ngoài trời, thiết bị đường ống và bình chịu áp suất-nhiệt độ thấp phục vụ trong môi trường-nhiệt độ thấp, nhiều gió và ẩm ướt, phải chọn từ thông cơ bản có độ bền cao và hàm lượng hydro thấp để ngăn chặn-nứt gãy giòn ở nhiệt độ thấp và các vết nứt do hydro-gây ra. Đối với hàn tấm dày nhiều-lớp và nhiều-đường hàn, chất trợ dung cơ bản có khả năng loại bỏ tạp chất mạnh và hiệu suất luyện kim ổn định được ưu tiên để tránh các khuyết tật tích lũy khi hàn nhiều-lớp.

3. Phù hợp với các thông số quy trình hàn

Hàn tự động-dòng điện-tốc độ cao phù hợp với dòng thiêu kết có độ ổn định hồ quang mạnh và tính lưu động của xỉ tốt, có thể đảm bảo hình thành mối hàn liên tục. Hàn tấm mỏng-dòng điện-thấp có thể sử dụng dòng chảy nóng chảy với kích thước hạt mịn và quá trình đốt cháy ổn định. Ngoài ra, chất trợ dung có thể tái sử dụng phải được sàng lọc và sấy khô để loại bỏ xỉ oxy hóa và độ ẩm, để tránh ảnh hưởng đến chất lượng hàn của các mối hàn tiếp theo.

Ứng dụng điển hình của chất trợ dung SAW thông thường

Trong sản xuất công nghiệp, một số chất trợ dung tiêu chuẩn hóa được sử dụng rộng rãi nhất, bao gồm hơn 90% điều kiện làm việc của SAW. Các đặc tính hiệu suất và kịch bản ứng dụng của từ thông điển hình được tóm tắt như sau:

Chất trợ dung thiêu kết SJ101 là chất trợ dung silic mangan{1}}trung hòa, có hồ quang ổn định, tạo mối hàn đẹp và loại bỏ xỉ dễ dàng. Đây là loại thuốc hàn thông dụng được sử dụng rộng rãi nhất, thích hợp để hàn thép cacbon và thép hợp kim thấp-thông thường, đồng thời được sử dụng rộng rãi trong kết cấu thép, sản xuất máy móc và các lĩnh vực kỹ thuật tổng hợp.

Chất trợ dung canxi cơ bản-silicon SJ301 có tác dụng khử lưu huỳnh và cải thiện độ bền tuyệt vời, hàm lượng hydro thấp trong kim loại mối hàn, khả năng chống nứt mạnh và thích hợp để hàn đường nối theo chu vi của bình chịu áp lực, đường ống dẫn dầu và khí đốt đường dài-và các kết cấu cầu lớn. Đây là chất trợ dung đặc biệt dành cho hàn thiết bị chịu áp suất-tiêu chuẩn-cao.

Chất hoạt tính axit SJ201 có khả năng khử oxy mạnh và yêu cầu xử lý trước bề mặt vật liệu cơ bản thấp. Nó phù hợp để hàn các tấm thép bị rỉ sét và oxy hóa nhẹ, đồng thời chủ yếu được sử dụng để hàn các kết cấu phụ không quan trọng với yêu cầu chất lượng thấp.

Thông số kỹ thuật bảo trì và sử dụng của SAW Flux

Hiệu suất của thông lượng SAW dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện bảo quản và sử dụng, và hoạt động được tiêu chuẩn hóa là chìa khóa để phát huy hết hiệu suất của thông lượng.

Trước hết, chất trợ dung phải được bảo quản trong môi trường khô ráo và thoáng mát để tránh hút ẩm. Chất trợ hàn có độ hút ẩm cao phải được nung ở nhiệt độ 250-300 độ trong 1-2 giờ trước khi sử dụng để loại bỏ độ ẩm bên trong và giảm hàm lượng hydro trong mối hàn.

Thứ hai, từ thông tái sử dụng cần được sàng lọc để loại bỏ các khối xỉ và tạp chất kim loại, đồng thời trộn với từ thông mới theo một tỷ lệ nhất định để sử dụng, điều này có thể giảm chi phí sản xuất một cách hiệu quả mà vẫn đảm bảo chất lượng.

Ngoài ra, các loại từ thông khác nhau bị nghiêm cấm trộn lẫn để tránh rối loạn thành phần, mất ổn định hồ quang và phản ứng luyện kim không thành công, dẫn đến khuyết tật hàn.

Thông lượng hàn hồ quang chìm được chia thành thông lượng hợp nhất, thông lượng kết tụ (thiêu kết) và thông lượng liên kết theo công nghệ sản xuất, và được chia thành thông lượng trung tính, thông lượng hoạt động và thông lượng cơ bản theo tính cơ bản hóa học và hoạt động luyện kim. Các loại thông lượng khác nhau có đặc tính hiệu suất riêng biệt và các kịch bản ứng dụng được nhắm mục tiêu. Trong hàn hồ quang chìm công nghiệp, không có từ thông phổ quát duy nhất. Việc lựa chọn từ thông phải dựa trên loại kim loại cơ bản, yêu cầu dịch vụ kết cấu và điều kiện quá trình hàn.

Chất trợ dung nung chảy và thiêu kết trung tính phù hợp với hàn thép cacbon thông thường và thép hợp kim thấp-thông thường có yêu cầu về hiệu suất chung; chất trợ dung hoạt động được áp dụng cho việc hàn kết cấu có nhu cầu- thấp với khả năng thích ứng mạnh mẽ với điều kiện bề mặt vật liệu cơ bản; Chất trợ dung thiêu kết cơ bản là lựa chọn cốt lõi cho thép-cường độ cao, thép-nhiệt độ thấp và kết cấu chịu áp lực-do khả năng cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống nứt tuyệt vời của chúng.

Với sự phát triển của công nghệ hàn-hiệu suất cao, độ chính xác-cao và-chi phí thấp, chất trợ dung thiêu kết cơ bản hydro-hiệu suất thấp{4}}cao và chất trợ dung hợp kim tùy chỉnh sẽ trở thành hướng phát triển chủ đạo của chất trợ dung SAW. Việc lựa chọn, bảo quản và sử dụng chất trợ dung theo tiêu chuẩn là rất quan trọng để cải thiện chất lượng hàn, giảm tỷ lệ khuyết tật và đảm bảo-an toàn sử dụng lâu dài của các kết cấu hàn.