(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu c45 SKD61

Một trong các giải pháp là sử dụng kết cấu haiphần vật liệu: phần công tác chính được chế tạo từ vật liệu có cơ tính tốt giá thànhcao, phần còn lại có thể được chế tạo bằng vật liệu có c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC VŨ

NGHIÊN CỨU ÐỀ XUẤT QUY TRÌNH HÀN

VÀ KỸ THUẬT HÀN NỐI HAI VẬT LIỆU C45 – SKD61

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520153

SKC005917

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH

PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC VŨ

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH HÀN

VÀ KỸ THUẬT HÀN NỐI HAI VẬT LIỆU C45 – SKD61

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520153

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH

PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC VŨ

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH HÀN

VÀ KỸ THUẬT HÀN NỐI HAI VẬT LIỆU C45 – SKD61

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520153

Hướng dẫn khoa học:

PGS TS ĐẶNG THIỆN NGÔN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2018

i

%Ӝ*,È2'È2'Ө&9¬ Ҥ27Ҥ2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHPHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SỸ

(Dành cho JiảnJ viên phản biện)

Tên đề tài luận văn thạc sỹ: 1JKLrQFӭXÿӅ[XXҩWTX\WUuQKKjQYjN

WKXұWKjQQӕLKDLYұWOLӋX&6.'

Định hướng: ӬQJGөQJ

Họ và tên nJười phản biện: 763KҥP6ѫQ0LQK

Cơ quDn cônJ tác: KRD jRWҥRFKҩWOѭӧQJFDR

Điện thoại liên hệ:

2.2 Nhận xét đánh giá vi c s d ng ho c trích d n k t qu NC c a ng ử dụng hoặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ụng hoặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ết trong ả NC của người khác có đúng qui ủa người khác có đúng qui ười khác có đúng qui i khác có đúng qui

đ nh hi n hành c a pháp lu t s h u trí tu ịnh hiện hành của pháp luật sở hữu trí tuệ ủa người khác có đúng qui ật sở hữu trí tuệ ở hữu trí tuệ ữu trí tuệ

%Ӝ*,È2'È2'Ө&9¬ Ҥ27Ҥ2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHPHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SỸ

(Dành cho JiảnJ viên phản biện)

Tên đề tài luận văn thạc sỹ: 1JKLrQFӭXÿӅ[XXҩWTX\WUuQKKjQYjN

Họ và tên nJười phản biện: 3*6763KҥP+X\+RjQJ

Cơ quDn cônJ tác: 7UѭӡQJ ҥL+ӑF%iFK.KRD ҥL+ӑF4XӕF*LDWS+&0

Điện thoại liên hệ: 0989166420

2.2 Nhận xét đánh giá vi c s d ng ho c trích d n k t qu NC c a ng ử dụng hoặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ụng hoặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ặc trích dẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ẫn kết quả NC của người khác có đúng qui ết trong ả NC của người khác có đúng qui ủa người khác có đúng qui ười khác có đúng qui i khác có đúng qui

đ nh hi n hành c a pháp lu t s h u trí tu ịnh hiện hành của pháp luật sở hữu trí tuệ ủa người khác có đúng qui ật sở hữu trí tuệ ở hữu trí tuệ ữu trí tuệ

49LӋFJLDQKLӋWWUѭӟFFKRKDLYұWOLӋXFyQrQÿӗQJÿӅXKD\NK{QJ"

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I.LÝ LỊCH SƠ LƯỢC

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Chuyên viên Thiết kế,

Trung tâm Ứng dụng Tiến bộ Khoa học và Công nghệ (SIHUB)

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Ấp Ngãi Trung – Tập Ngãi – Tiểu Cần – Trà

Vinh

Điện thoại nhà riêng: 0987.506.015

E–mail: tranquocvu11904ctu@gmail.com

1 Đại học

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/ 2011 đến 09/ 2015

Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM

Ngành học: Sư phạm Kỹ thuật Công nghiệp

Tên đồ án tốt nghiệp: “Thiết kế bài giảng phương pháp kiểm tra đánh giá vật

liệu”.

Ngày và nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: tháng 7 năm 2015, Khoa cơ khí máy,

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Thức

2 Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ):

Tiếng Anh, tương đương cấp độ B1

ii

3 Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày

Trung Tâm Thiết Kế Chế Tạo

2016 đến tháng 12 Chuyên viên thiết kế

Thiết Bị Mới (NEPTECH)năm 2017

Từ tháng 01 năm Trung Tâm Ứng Dụng Tiến Bộ

Chuyên viên thiết kế

2018 đến nay Khoa Học Công Nghệ (SIHUB)

IV CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN Tp Hồ Chí Minh, Ngày 15 tháng 04 năm 2018

TRẦN QUỐC VŨ

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tên đề tài: “Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu

C45 – SKD61”.

– Họ tên học viên: Trần Quốc Vũ

– Số điện thoại liên lạc: 0987.506.015

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là công trình do chính tôi nghiêncứu và thực hiện Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố

mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin hoàn toànchịu trách nhiệm

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được aicông bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 04 năm 2018

Ký tên

TRẦN QUỐC VŨ

LỜI CẢM ƠN

Trong khoảng thời gian học tập ở trường tôi đã học hỏi được rất nhiều kiếnthức, kinh nghiệm quý báu từ quý Thầy (Cô), bạn bè, đồng nghiệp Điều đó đã giúptôi có thể hoàn thành tốt luận văn Thạc sĩ này

Tôi xin viết lời cảm ơn này để bày tỏ lòng tri ân chân thành của mình đến:Thầy PGS TS Đặng Thiện Ngôn – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM,thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, động viên, cung cấp tài liệu, đưa ra những lờikhuyên, định hướng và bước đi đúng đắn trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Các Thầy (Cô) giáo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM, nhữngngười đã tận tình truyền đạt những kiến thức nền tảng bổ ích trong suốt chươngtrình học Thạc sĩ tại trường

Các Thầy (Cô) giáo Khoa Hàn – Trường Cao đẳng Công nghệ Quốc tếLILAMA 2, những người đã tận tình giúp đỡ tư vấn, thực nghiệm quy trình hàn.Gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã tạo điều kiện, luôn ở bên hỗ trợ và độngviên tinh thần cho tôi những lúc khó khăn nhất

Cám ơn Công Ty Trung Tín Á Châu, Trung Tâm Ứng Dụng Tiến Bộ KhoaHọc Công Nghệ, Công Ty Cơ Khí Đại Kim,… đã giúp đỡ để hoàn thành luận văn

Và cuối cùng, xin gửi lời chúc sức khỏe, hạnh phúc và thành công đến quýThầy (Cô), những người thân, bạn bè và đồng nghiệp của tôi

Tôi xin chân thành cảm ơn!

v

TÓM TẮT

Nhu cầu sử dụng các chi tiết máy và các sản phẩm được chế tạo từ hai hoặc nhiềuphần vật liệu ngày càng tăng nhờ chi phí vật liệu thấp, gia công khá dễ dàng mang lạitính cạnh tranh cao Đặc biệt các chi tiết được chế tạo từ hai phần là thép cacbon trungbình C45 và thép hợp kim trung bình (SKD61) đã xuất hiện trong các kết cấu khuônmẫu, dụng cụ cắt với cơ tính cao và giá thành thấp Gần đây việc chế tạo các chi tiết từhai phần là thép C45 và SKD61 ở Việt Nam được liên kết với nhau thông qua mối hàngiáp mối đã và đang được áp dụng rộng rãi Tuy nhiên, công nghệ hàn được áp dụngchưa được nghiên cứu sâu, chủ yếu dựa trên cơ sở kinh nghiệm của người thợ hàn nênchất lượng mối hàn không ổn định và không có cơ sở để áp dụng trên diện rộng, đặcbiệt là ở quy mô công nghiệp Đề tài trình bày các kết quả nghiên cứu quy trình hàngiáp mối dạng tấm và dạng thanh tròn từ hai vật liệu thép C45 và SKD61 Kết quảnghiên cứu đã đề xuất được quy trình hàn gồm 4 bước dựa theo tiêu chuẩn AWS D1.1 –

2015 Đã tiến hành thử nghiệm kiểm định quy trình hàn giáp mối đã đề xuất trên 3 mẫuhàn dạng tấm và 5 mẫu hàn dạng thanh tròn Các mẫu hàn đã được kiểm tra khuyết tậtbằng phương pháp chụp X quang, thử kéo theo tiêu chuẩn AWS D1.1 – 2015 Kết quảkiểm tra khuyết tật mối hàn của mẫu hàn bằng phương pháp chụp X quang đã cho thấychất lượng mối hàn tốt, không có khuyết tật Về thử kéo, uốn mối hàn nối hai vật liệuC45 – SKD61 đạt giá trị từ 684,55 MPa đến 763,87 MPa (100% kim loại nền) Bêncạnh đó, kết quả chụp kim tương bằng kính hiển vi cũng chỉ ra tổ chức tế vi thuộc vùngảnh hưởng nhiệt của mối hàn

The demands of machine parts and products made from two or more ofmaterials are increasing because the materials are low cost, the process is quite easyand these characteristic are competitive Particularly the parts are made of twomaterials: C45 steel and alloy steel (SKD61) have been applied in the molds, cuttingtools with high mechanical and low cost Recently, the production of componentsfrom C45 and SKD61 steel in Vietnam are linked together through termite weldinghas been widely applied However, the applied welding technology has not beenstudied extensively Weld process is based on the experience welder, so the weldquality is not stable and have no fundamental for large application, especially forindustrial scale In this study, the welding end-end process of plate and round barspecimens which two materials C45 and SKD61 were examined The study resultssuggest a four step process by following AWS D1.1 – 2015 Tested weldingprocedures have been proposed on three plate specimens and five round bars.Welded specimens were tested by RT (Radiography Testing), tensile tests byfollowing AWS D1.1 – 2015 standard Welding failure test results of the RTmethod showed good weld quality without defects The tensile strenght reach valuesfrom 684,55 Mpa to 763,87 Mpa (100% base metal) for weld line of two materialsC45, SKD61 In addition, the micro-structure in the heat-affected area of the weldjoints was observed using optical microscope

vii

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LVTN i

LÝ LỊCH KHOA HỌC ii

LỜI CAM ĐOAN iv

LỜI CẢM ƠN v

TÓM TẮT vi

ABSTRACT vii

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH xii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xvii

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

2.1 Ý nghĩa khoa học xvii

2.2 Ý nghĩa thực tiễn 1

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3.1 Mục tiêu chung 2

3.2 Mục tiêu cụ thể 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4.1 Đối tượng nghiên cứu 3

4.2 Phạm vi nghiên cứu 3

5 Kết cấu của luận văn 3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 5

Giới thiệu về vật liệu nền 5

1.1.1 Thép C45 5

1.1.2 Thép SKD61 5

Thực trạng hàn nối hai vật khác nhau ở Việt Nam 6

Các nghiên cứu trong và ngoài nước 8

1.3.1 Nghiên cứu trong nước 8

1.3.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nước 9

Nhận định và định hướng nghiên cứu 10

1.4.1 Nhận định 10

1.4.2 Định hướng nghiên cứu 11

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12

Nội dung nghiên cứu 12

Phương pháp nghiên cứu 12

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 12

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 12

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

Phương pháp hàn SMAW 17

3.1.1 Hồ quang hàn 17

3.1.2 Cường độ dòng điện hàn (I) 18

3.1.3 Tốc độ hàn (Vh) 19

3.1.4 Góc độ que hàn (φ)) 20

3.1.5 Chiều dài hồ quang (le) 21

3.1.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hàn (Th) 22

3.1.7 Hàn nối cùng một vật liệu 24

3.1.8 Hàn nối hai vật liệu khác nhau 25

Khuyết tật hàn 27

3.2.1 Nứt (Weld Crack) 27

3.2.2 Rổ khí/ hốc khí (Cavities) 28

3.2.3 Ngậm xỉ (Solid inclusions) 30

3.2.4 Thiếu ngấu (Lack of fusion) 31

3.2.5 Lẹm chân và chảy loang 31

3.2.6 Khuyết tật về hình dáng liên kết hàn 32

Tính hàn của thép 33

ix

3.3.1 Ảnh hưởng của cacbon 33

3.3.2 Ảnh hưởng của kết cấu và bề dày mối ghép 34

Ảnh hưởng của năng lượng hàn 35

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 38

Các thông số công nghệ hàn khi hàn ghép nối hai vật liệu thép S45C – thép SKD61 bằng phương pháp hàn SMAW 38

4.1.1 Chi tiết hàn 38

4.1.2 Gia nhiệt thép S45C 40

4.1.3 Gia nhiệt thép SKD61 42

4.1.4 Vật liệu đắp 43

4.1.5 Thiết kế chi tiết hàn 43

Đề xuất quy trình hàn ghép nối hai vật liệu thép S45C – thép SKD61 44 4.2.1 Đề xuất quy trình hàn giáp mối tấm 44

4.2.2 Đề xuất phương án hàn giáp mối thanh tròn 54

Hàn thực nghiệm và đánh giá chất lượng mối hàn thép S45C – thép SKD61 57

4.3.1 Hàn thực nghiệm mẫu tấm 57

4.3.2 Hàn thực nghiệm mẫu thanh tròn 65

4.3.3 Kết quả kiểm tra mối hàn 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

1 Kết luận 78

2 Kiến nghị 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 84

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

NDT Non–Destructive Testing Kiểm tra không phá hủy

RT Radiography Testing Kiểm tra chụp ảnh phóng xạ

Hàn hồ quang tay với que hàn có

SMAW Shielded Metal Arc Welding

Hàn hồ quang trong môi trường khí

MIG Metal Inert Gas

trơ với điện cực nóng chảy

GMAW Gas Metal Arc Welding Hàn hồ quang kim loại trong môi

trường khí

Hàn hồ quang trong môi trường khí

MIG Metal Inert Gas

trơ với điện cực nóng chảy

xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Trục vít sau khi được mài hoàn chỉnh [6] 8Hình 2.1: Máy hàn MATRIC 4000 AC/DC [12] 13Hình 2.2: Súng bắn nhiệt độ từ xa có 2 tia laser DT8780 [13] 14Hình 2.3: Máy thử nghiệm kéo – nén – uốn vật liệu WEW–1000B [14] 15Hình 2.4: Kính hiển vi kim tương SINOWON IMS–300 [15] 16Hình 3.1: Hệ thống thiết bị hàn SMAW và các phụ kiên liên quan 17Hình 3.2: Mối liên hệ giữa cường độ và tốc độ đắp cho que hàn Ø4.8 mm [19] 18Hình 3.3: Hiện tượng dòng hàn quá thấp hoặc quá cao [20] 19Hình 3.4: Khuyết tật xảy ra khi tốc độ hàn quá nhanh [20] 20Hình 3.5: Góc độ que hàn 21Hình 3.6: Chiều dài hồ quang [19] 21Hình 3.7: Chiều dài hồ quang [20] 22Hình 3.8: Biến dạng nhiệt do hàn 23Hình 3.9: Tính chất của kim loại thay đổi do nhiệt độ [22] 23Hình 3.10: Kích thước mẫu hàn 24Hình 3.11: Kích thước mối ghép 24Hình 3.12: Trình tự thực hiện mối hàn đính 24Hình 3.13: Bố trí các lớp hàn và thứ tự hàn các đường hàn 25Hình 3.14: Kích thước mẫu hàn 25Hình 3.15: Kích thước mối ghép 25Hình 3.16: Trình tự thực hiện mối hàn đính [10] 26

xii

Hình 3.17: Tạo biến dạng ngược trước khi hàn [10] 26Hình 3.18: Bố trí các lớp hàn và thứ tự hàn các đường hàn [10] 26Hình 3.19: Phân loại khuyết tật nứt [23] 28Hình 3.20: Các vết nứt dọc, nứt ngang [22] 28Hình 3.21: Phân loại khuyết tật rỗ khí theo BS EN [22] 29Hình 3.22: Các dạng khuyết tật rỗ khí [22] 30Hình 3.23: Mối hàn ngậm xỉ [22] 30Hình 3.24: Sơ đồ phân loại các khuyết tật ngậm xỉ [22] 31Hình 3.25: Phân loại khuyết tật thiếu ngấu [22] 31Hình 3.26: Lẹm chân và chảy loang [22] 32Hình 3.27: Một số dạng khuyết tật hình dáng [22] 32Hình 3.28: Bề dày tương đương (CJT) các kết cấu hàn [24] 34Hình 3.29: Xác định chỉ số tính hàn của kết cấu dựa trên CJT [24] 35Hình 3.30: Xác định nhiệt độ nung sơ bộ khi hàn với que giảm hydro EXX16,EXX28, EXX48 hoặc khi hàn bằng các phương pháp bán tự động [24] 36Hình 3.31: Xác định nhiệt độ nung sơ bộ khi dùng que hàn thường [24] 36Hình 4.1: Độ rộng vùng quét tối thiểu 39Hình 4.2: Kích thước chi tiết mẫu tấm và mẫu thanh 39Hình 4.3: Bề dày tương đương (CJT) các kết cấu hàn 41Hình 4.4: Kích thước mối ghép [29] 44Hình 4.5: Kích thước mối ghép thanh tròn [29] 44Hình 4.6: Kích thước và phôi mẫu sau khi cắt 45Hình 4.7: Kích thước vát cạnh phôi mẫu 46

Hình 4.8: Làm sạch tấm phôi mẫu 46Hình 4.9: Trình tự bố trí các lớp hàn 46Hình 4.10: Góc độ que hàn khi hàn đính 47Hình 4.11: Đồ gá sử dụng khi hàn đính và khoảng cách mối ghép 47Hình 4.12: Trình tự thực hiện mối hàn đính 48Hình 4.13: Tạo biến dạng ngược trước khi hàn 48Hình 4.14: Mài lòm điểm đầu và điểm cuối mối hàn đính 48Hình 4.15: Biểu đồ gia nhiệt trước khi hàn 49Hình 4.16: Góc độ que hàn của khi hàn lớp chân 49Hình 4.17: Góc độ que hàn của đường hàn 2 50Hình 4.18: Góc độ que hàn của đường hàn 3 51Hình 4.19: Góc độ que hàn của đường hàn 4 51Hình 4.20: Góc độ que hàn của đường hàn n+1 52Hình 4.21: Góc độ que hàn của đường hàn n+2 52Hình 4.22: Kích thước rãnh mài 53Hình 4.23: Kích thước và phôi mẫu sau khi cắt 54Hình 4.24: Kích thước vát cạnh phôi mẫu 55Hình 4.25: Làm sạch phôi thanh tròn 55Hình 4.26: Đồ gá sử dụng và khoảng cách mối ghép 56Hình 4.27: Trình tự bố trí các lớp hàn 57Hình 4.28: Tủ sấy và hộp giữ nhiệt que hàn 58Hình 4.29: Phôi mẫu sau khi cắt 58Hình 4.30: Phôi mẫu đã vát cạnh 59

xiv

Hình 4.31: Làm sạch tấm phôi mẫu 59Hình 4.32: Trình tự bố trí các lớp hàn 60Hình 4.33: Góc độ que hàn khi hàn đính 60Hình 4.34: Khoảng cách mối ghép và hàn đính 60Hình 4.35: Tạo biến dạng ngược trước khi hàn 61Hình 4.36: Gia nhiệt trước khi hàn 61Hình 4.37: Mẫu hàn sau khi hàn lớp chân 61Hình 4.38: Lớp hàn 2 62Hình 4.39: Lớp hàn 3 62Hình 4.40: Lớp hàn 4 62Hình 4.41: Lớp hàn 5 63Hình 4.42: Lớp hàn 6 63Hình 4.43: Kích thước rãnh mài 63Hình 4.44: Lớp hàn 7 64Hình 4.45: Mẫu tấm sau khi thực nghiệm hàn 64Hình 4.46: Các mẫu tấm được xử lý nhiệt sau khi hàn 65Hình 4.47: Phôi mẫu sau khi cắt và vạt cạnh 66Hình 4.48: Trình tự bố trí các lớp hàn 66Hình 4.49: Góc độ que hàn khi hàn đính 67Hình 4.50: Khoảng cách mối ghép và hàn đính 67Hình 4.51: Mẫu hàn khi hàn lớp chân 67Hình 4.52: Đường hàn 2 68Hình 4.53: Đường hàn 3 68

Hình 4.54: Đường hàn 4 68Hình 4.55: Đường hàn 5 69Hình 4.56: Đường hàn 6 69Hình 4.57: Các mẫu thanh tròn sau khi thực nghiệm hàn 69Hình 4.58: Mẫu thanh tròn được xử lý nhiệt sau khi hàn 70Hình 4.59: Kết quả kiểm tra mẫu tấm 1 71Hình 4.60: Kết quả kiểm tra mẫu tấm 2 71Hình 4.61: Kết quả kiểm tra mẫu tấm 3 71Hình 4.62: Kích thước và vị trí mẫu thử nghiệm kéo trên mẫu hàn tấm 72Hình 4.63: Mẫu thử nghiệm kéo sau khi mài phẳng 72Hình 4.64: Kết quả thử nghiệm kéo các mẫu tấm 73Hình 4.65: Mẫu thử nghiệm kéo dạng thanh tròn theo chuẩn AWS D1.1–2015 73Hình 4.66: Kết quả kiểm tra mẫu thanh tròn 1 74Hình 4.67: Kết quả kiểm tra mẫu thanh tròn 2 74Hình 4.68: Kết quả kiểm tra mẫu thanh tròn 3 74Hình 4.69: Kết quả kiểm tra mẫu thanh tròn 4 74Hình 4.70: Kết quả kiểm tra mẫu thanh tròn 5 74Hình 4.71: Kết quả thử nghiệm kéo các mẫu thanh tròn 75Hình 4.72: Mẫu đã tẩm axít để chuẩn bị chụp tổ chức tế vi của mối hàn 75Hình 4.73: Hình dạng mặt cắt ngang của mối hàn 76Hình 4.74: Tổ chức tế vi của vùng ảnh hưởng nhiệt về phía tấm thép S45C 76Hình 4.75: Tổ chức tế vi của vùng ảnh hưởng nhiệt về phía tấm thép SKD61 76

xvi

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thành phần hóa học của thép S45C [1] 5Bảng 1.2: Cơ tính của thép S45C [1] 5Bảng 1.3: Thành phần hóa học SKD61 [2] 5Bảng 1.4: Cơ tính của thép SKD61 [2] 6Bảng 1.5: Chế độ hàn nối (SKD61) [6] 8Bảng 3.1: Cơ tính thép thay đổi do nhiệt thay đổi [21] 23Bảng 3.2: Chỉ số tính hàn tương đương theo CE [24] 34Bảng 4.1: Cơ tính của que hàn E8018–C1 [30] 45Bảng 4.2: Thành phần hóa học que hàn E8018–C1 [30] 45Bảng 4.3: Các chế độ hàn khi hàn giáp mối tấm thép S45C – SKD61 53Bảng 4.4: Các chế độ hàn khi hàn giáp mối thanh tròn thép S45C – SKD61 57Bảng 4.5: Các chế độ hàn cho các lớp 64Bảng 4.6: Chế độ hàn cho các lớp 70

MỞ ĐẦU

Sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã đưa ra thị trườngcác vật liệu chế tạo cơ khí tốt hơn và được ứng dụng ngày càng rộng rãi Tuy nhiên,bên cạnh đó là vấn đề giá thành vật liệu còn khá cao, đặc biệt là ở nước có ngànhcông nghệ vật liệu chưa phát triển như Việt Nam, nên việc sử dụng chúng trong chếtạo cơ khí đã dẫn đến giá thành cao Một trong các giải pháp là sử dụng kết cấu haiphần vật liệu: phần công tác chính được chế tạo từ vật liệu có cơ tính tốt (giá thànhcao), phần còn lại có thể được chế tạo bằng vật liệu có cơ tính thấp hơn (giá thànhthấp) và ghép nối lại bằng phương pháp hàn để giảm chi phí chế tạo

Khuôn mẫu là một trong các cụm chi tiết có yêu cầu về vật liệu rất khắc khe

Ví dụ như lòng khuôn rèn dập, lòng khuôn ép, có yêu cầu cao về độ cứng, độchống mài mòn nhưng vỏ khuôn (khung ngoài khuôn) lại không yêu cầu cao về cơtính của vật liệu Do vậy ứng với phần yêu cầu về vật liệu cao thì sử dụng vật liệutương ứng, các phần còn lại của chi tiết không làm việc mà chỉ làm nhiệm vụ gá đặthay một nhiệm vụ khác thì được thay thế bằng vật liệu khác Hoặc, chi tiết như mũikhoan sâu, dao cắt nóng,… chỉ yêu cầu phần đầu được chế tạo bằng vật liệu dụng cụcắt, phần cán dài còn lại có thể được chế tạo bằng thép thường có giá thành rẻ hơnnhiều lần

Rõ ràng, việc lựa chọn và sử dụng vật liệu như thế sẽ giảm được chi phí vậtliệu, chi phí gia công, nhưng đồng thời đặt ra một thách thức lớn khi chi tiết đượcchế tạo từ hai thành phần vật liệu và liên kết với nhau bởi mối nối hàn Do vậy,công nghệ hàn nối hai vật liệu khác nhau cũng cần phải được đầu tư nghiên cứuphát triển để có thể chế tạo thành công các kết cấu cơ khí, đảm bảo được yêu cầu kỹthuật nhằm đáp ứng các nhu cầu trong công nghiệp và đời sống

Để góp phần vào định hướng giảm chi phí chế tạo, sản xuất chi tiết máy trongnước bằng giải pháp là chi tiết được cấu thành từ hai phần vật liệu khác nhau, đề tài

“Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 – SKD61” đã

1

được triển khai thực hiện Kết quả của đề tài sẽ góp phần giúp cho các cơ sở chế tạo

cơ khí có được cơ sở lý luận, các thông số công nghệ khả thi áp dụng vào quy trìnhchế tạo, sản xuất ở đơn vị mình

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2.1 Ý nghĩa khoa học

- Nghiên cứu hệ thống hóa và bổ sung cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn các vật liệu cơ khí khác chủng loại;

- Đề xuất được quy trình chế tạo hàn cho các chi tiết có mối hàn ghép nối giữa

thép C45 – SKD61;

- Xác định được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ chính với các yếu

tố quyết định tới khả năng hình thành liên kết hàn giữa thép C45 – SKD61, từ đó lựachọn được vùng thông số công nghệ phù hợp khi hàn ghép nối giữa thép C45 –

SKD61

2.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Góp phần đưa ra được một giải pháp khả thi (công nghệ hàn, kỹ thuật hàn,thông số hàn) trong việc chế tạo, sản xuất các chi tiết được hình thành từ hai hoặc nhiềuphần vật liệu khác nhau ở Việt Nam;

- Kết quả nghiên cứu đạt được có thể ứng dụng vào việc chế tạo các khuônđúc áp lực, đầu đùn kim loại cho các kim loại nhẹ, khuôn rèn dập, xylanh ngành nhựa,dao cắt nóng, …

- Mang lại hiệu quả kinh tế và tăng tính cạnh tranh cho một số lĩnh vực chếtạo cơ khí trong các ngành công nghiệp như: chế tạo máy, dầu khí, hóa chất và dượcphẩm, xây dựng các công trình biển làm việc trong điều kiện chịu mài mòn cao

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3.1 Mục tiêu chung

Mục tiêu chung của đề tài là nghiên cứu đề xuất quy trình hàn ghép nối hai vậtliệu thép C45 – SKD61 trong chế tạo các chi tiết cơ khí Qua đó, các thông số côngnghệ hàn khi hàn ghép nối bằng phương pháp hàn SMAW theo tiêu chuẩn AWSD1.1 – 2015 cũng được khảo sát và chỉ rõ

2

- Đề xuất quy trình hàn có tính khả dụng cao trong chế tạo các chi tiết cơ khí

có nối hàn ghép nối hai vật liệu thép C45 – SKD61 bằng phương pháp hàn SMAW;

- Nghiên cứu các thông số công nghệ hàn khi hàn ghép nối hai vật liệu thépC45 – SKD61 bằng phương pháp hàn SMAW theo tiêu chuẩn AWS D1.1 – 2015;

- Đề xuất chi tiết mẫu phù hợp giúp nghiên cứu, kiểm tra và đánh giá chất lượng mối hàn ghép nối thử nghiệm hai vật liệu thép C45 – SKD61

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu

Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu các công việc sau đây được thực hiện:

- Phương pháp hàn là SMAW dựa theo tiêu chuẩn AWS D1.1 – 2015;

- Hàn thực nghiệm được thực hiện trên các chi tiết mẫu, được kiểm tra đánhgiá khuyết tật bằng các phương pháp kiểm tra không phá huỷ NDT (chụp ảnh phóng

xạ – RT), kiểm tra độ bền bằng phương pháp thử kéo;

- Thép C45 và SKD61 được đặt hàng từ các nhà cung cấp thép thương mại Các tiêu chuẩn khác, phương pháp hàn khác cũng như các phương pháp kiểm

tra khuyết tật, kiểm tra bền khác sẽ không được xem xét nghiên cứu trong đề tài này

5 Kết cấu của luận văn

Nội dung nghiên cứu của đề tài được cầu trúc trong 4 chương với các trình bày

3

chi tiết như sau:

Giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu của đề tài cũng như giới hạn phạm vi nghiên cứu…

- Chương 1: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Giới thiệu vật liệu nền, hàn nối bằng phương pháp hàn SMAW, khuyết tật hàn và các nghiên cứu trong, ngoài nước liên quan đến đề tài nghiên cứu…

- Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Trình bày nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu.

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Trình bày cơ sở lý thuyết của hàn SMAW, các khuyết tật hàn, tính hàn của thép.

- Chương 4: Kết quả nghiên cứu

Trình bày các thông số công nghệ hàn khi hàn ghép nối hai vật liệu thép C45

– thép SKD61 bằng phương pháp hàn SMAW, đề xuất quy trình hàn ghép nối hai vật liệu thép C45 – thép SKD61, hàn thực nghiệm và đánh giá chất lượng mối hàn giữa thép C45 – thép SKD61.

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

Giới thiệu về vật liệu nền

1.1.1 Thép C45

Thép C45 (TCVN 1766–75, tiêu chuẩn JIS G 4051 là S45C, ASTM A36 GradesC) là loại thép cacbon trung bình có thành phần hóa học như ở bảng 1.1 Thuộc nhómthép hóa tốt do có chế độ tôi, ram cao thường được sử dụng phổ biến trong chế tạo các chitiết máy như trục, bánh răng, bạc Để đồng nhất tên gọi vật liệu nền theo tiêu chuẩn JIS(tiêu chuẩn của Nhật), thép C45 được thay thế bằng tên thép S45C

Bảng 1.1: Thành phần hóa học của thép S45C [1]

Thành

C Si Mn P S Cr Mo Ni Cr+Mo+Niphần max max max max max max max

Tỉ lệ 0,42 0,5

– 0,4 – 0,045 0,045 0,4 0,1 0,4 0,63(%)

Bảng 1.3: Thành phần hóa học SKD61 [2]

Thành phần C Si Mn P S Cr Mo V

Tỉ lệ 0,32 0,8 0,2 4,75 1,1 0,8

– – – 0,03 0,03 – – –(%)

0,45 1,25 0,6 5,5 1,75 1,2

5

- Thép SKD61 thường được ứng dụng để làm khuôn dập nóng, ngoài ra cũng

có thể được sử dụng để chế tạo các khuôn đúc áp lực, đầu đùn kim loại cho các kim loạinhẹ, khuôn rèn dập, xylanh ngành nhựa, lõi đẩy, đầu lò, dao cắt nóng,… [3]

- Về tính hàn thì thép SKD61 có tính hàn không tốt như các loại thép cacbonthấp và trung bình Do vậy, khi hàn cần chú ý:

+ Gia nhiệt cao trước khi hàn cũng như làm nguội rất chậm sau hàn;

+ Kim loại mối hàn rất khó đạt được các đặc tính như kim loại nền Vùng kim loại hàn sẽ có độ cứng thấp hơn [4]

Phân tích sự tương đồng của hai vật liệu nền S45C và SKD61 được phân tích

ở phụ lục IV

Thực trạng hàn nối hai vật khác nhau ở Việt Nam

Mối hàn của các kim loại khác nhau hình thành nên bởi sự tương hợp luyện kim,được xác định bởi sự hòa tan lẫn nhau của các kim loại hàn ở trạng thái lỏng và rắn, vàbởi sự hình thành các hợp kim hóa học giòn Khi hàn bằng phương pháp nóng chảy cáckim loại khác nhau luôn gặp phải khó khăn bởi chúng không hoàn tan lẫn nhau ở trạngthái rắn, chẳng hạn như: sắt và mangan, chì sạch và đồng, sắt và chì,… Trong quá trìnhnung chảy các cặp kim loại như vậy, các lớp kim loại không hòa trộn

6

với nhau có thể dễ dàng tách ra khi kết tinh Các mối hàn của các kim loại và hợpkim mà các thành phần (các nguyên tố) của chúng có thể hợp thành hòa tan lẫn nhau

dễ dàng không hạn chế ở các trạng thái lỏng và rắn, nghĩa là tạo một loạt các dungdịch rắn liên tục, thì mối hàn dễ hình thành hơn [5]

Nhu cầu hàn nhôm hoặc hợp kim nhôm với thép có nhu cầu rất lớn trong việcchế tạo các chi tiết trong các quá trình sản xuất sản phẩm công nghiệp, gia dụng như: phương tiện bay, bể chứa trong công nghiệp hóa học, trong công nghiệp đóng tàu,

lò phản ứng, kỹ thuật kiến trúc, trong điện phân nhôm,… Để hàn nóng chảy nhômvới thép, hai phương pháp công nghệ sau đây được áp dụng [5]:

- Hàn hồ quang argon sử dụng điện cực không nóng chảy (hàn tay hoặc tựđộng), cần phủ lớp Niken – Crôm lên thép Hàn hồ quang argon cặp vật liệu này thích

hợp với chiều dày tới 8 mm, tốc độ hàn 18 – 25 m/h Hồ quang được di chuyển chínhxác dọc theo cạnh bản nhôm với khoảng cách 1 – 2 mm từ trục mối hàn Góc vát bắtbuộc của bản thép là 70o (với chiều dày lớn hơn 3 – 4 mm, góc vát nhỏ hơn) [5]

- Hàn tự động trực tiếp với điện cực nóng chảy trên lớp thuốc AN – A1 chứatrong thành phần các muối của các kim loại khác (bitmut và clorua với khối lượng 4– 7%) Trong trường hợp sau, độ bền của mối ghép hàn đạt tới 130 – 150 MPa đối với sự kết hợp của thép 12Cr18Ni10Ti và hợp kim AlMn5V [5]

Hàn đồng và các hợp kim đồng với thép được ứng dụng nhiều trong sản xuất cácthiết bị chân không, vòi phun, ống gió, lò cao, lò chuyển, khuôn đúc, thiết bị hóa học,các kết cấu tàu thủy,… Để hàn đồng và hợp kim đồng với thép có thể sử dụng phươngpháp hàn ma sát, hàn điện trở, hàn nổ, hàn khuếch tán, hàn nóng chảy [5]

Việc hàn thép cacbon S45C với thép SKD61 gần đây có nhu cầu khá lớn, đượcứng dụng nhiều trong việc thay thế các thành phần không quan trọng trong khuôn

đúc áp lực, khuôn rèn dập; phần cán của đầu đùn kim loại, đầu lò, dao cắt nóng; dụng

cụ cắt, trục vít ép củi trấu [6] Do thép SKD61 mới xuất hiện trên thị trường Việt Namtrong thời gian gần đây nên việc ứng dụng thép SKD61 trong gia công cơ khí, chế tạobằng phương pháp hàn còn là vấn đề khá mới mẻ Do là mác thép mới nên trong các sổtay chế độ cắt, chế độ hàn còn chưa có thông tin liên quan nên việc áp dụng

trong thực tế mang tính kinh nghiệm, chưa được nghiên cứu khảo sát Chủ yếu công

việc hàn nối thép SKD61 và thép cacbon được thực hiện theo quy trình sau [6]:

- Chuẩn bị chi tiết hàn;

- Hàn ghép nối ở vị trí 1G với chế độ hàn được cho ở bảng 1.5; Bảng 1.5:

- Mài sửa mối hàn;

Hình 1.1: Trục vít sau khi được mài hoàn chỉnh [6]

Qua các phân tích trên, ở Việt Nam hiện nay việc hàn nối hai vật liệu thép S45C

– SKD61 đã và đang diễn ra trong thực tế nhưng chủ yếu được thực hiện đơn chiếc với

các sản phẩm không yêu cao về chất lượng mối ghép hàn (độ bền kéo) Chi tiết sau khi

hàn không được kiểm tra đánh giá chất lượng mối hàn nên chưa thể đánh giá nhận xét

về quy trình hàn Quy trình hàn, chế độ hàn phù hợp cho mối ghép hàn S45C

– SKD61 chưa được nghiên cứu và đề xuất

Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Nghiên cứu trong nước

8

Trần Đình Toại với đề tài “Nghiên cứu công nghệ hàn liên kết nhôm – thép bằng

quá trình hàn TIG” (2014) đã nghiên cứu hàn ghép nối hai vật liệu nhôm AA1100 với

thép CCT38 [7] Mối hàn ở dạng liên kết chữ T tấm dày, hàn cả hai phía, không mạ,không sử dụng thuốc hàn hay vật liệu trung gian bằng quá trình hàn TIG ở phạm viphòng thí nghiệm Các kết quả nghiên cứu mới mà luận án đã đạt được bao gồm:

- Đã làm rõ được bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn hybrid nhôm –thép;

- Tìm ra được góc nghiêng mỏ hàn Ay = 20o là phù hợp nhất đối với liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T;

- Đã tìm ra được dạng chuẩn bị mép hàn thích hợp đối với liên kết hybrid nhôm

– thép dạng chữ T để bảo đảm khả năng điền đầy kim loại lỏng vào rãnh hàn

Nguyễn Trung Dũng với đề tài “Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn thép Cacbon

và thép không gỉ sử dụng phương pháp hàn TIG” (2016) đã đạt được các kết quả [8]:

- Đã đưa ra được quy trình hàn thép cacbon và thép không gỉ sử dụng phươngpháp hàn TIG;

- Mối ghép hàn là mối ghép V đơn, với chiều dày mẫu là 10 mm (kích thướcmẫu theo tiêu chuẩn AWS D1.1 và D1.6), sử dụng que hàn phụ AWS ER309L đường

kính que là 2,4 mm (hãng sản xuất: Kobelco)

Nguyễn Hoài Nam với luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu kim loại phụ và công

nghệ hàn để hàn vảy nhôm với đồng” (2014) đã triển khai nghiên cứu và đi đến kết

luận có thể thực hiện kết dính giữa thanh đồng và thanh nhôm với nhau bằng

phương pháp hàn vẩy sử dụng công nghệ hàn MIG [9]

1.3.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nước

B Silva, I Pires, L Quyntino, R Miranda, trong nghiên cứu “New Welding

Procedures For Repairing H13 and P20 Tool Steels” [4] đã khảo sát mối hàn với thép

công cụ H13 (SKD61) cho kết quả là vùng ảnh hưởng nhiệt có độ cứng thấp hơn độcứng của kim loại cơ bản Và để có độ cứng đồng nhất trong mối hàn cần một quá trình

xử lý nhiệt (ủ) sau quá trình làm nguội mối hàn Để tránh sốc nhiệt và hạn chế

9