(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 SKD61

LỜI CẢM ƠN

Trong khoảng thời gian học tập ở trường tôi đã học hỏi được rất nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu từ quý Thầy (Cô), bạn bè, đồng nghiệp Điều đó đã giúp tôi 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 lời khuyên, 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, những người

đã tận tình truyền đạt những kiến thức nền tảng bổ ích trong suốt chương trình học Thạc sĩ tại trường

Các Thầy (Cô) giáo Khoa Hàn – Trường Cao đẳng Công nghệ Quốc tế LILAMA

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 động viên tinh thần cho tôi những lúc khó khăn nhất

Cám ơn Công Ty Trung Tín Á Châu, Trung Tâm Ứng Dụng Tiến Bộ Khoa Học 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 quý Thầy (Cô), những người thân, bạn bè và đồng nghiệp của tôi

Tôi xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Nhu cầu sử dụng các chi tiết máy và các sản phẩm được chế tạo từ hai hoặc nhiều phần vật liệu ngày càng tăng nhờ chi phí vật liệu thấp, gia công khá dễ dàng mang lại tính cạnh tranh cao Đặc biệt các chi tiết được chế tạo từ hai phần là thép cacbon trung bình C45 và thép hợp kim trung bình (SKD61) đã xuất hiện trong các kết cấu khuôn mẫu, dụng cụ cắt với cơ tính cao và giá thành thấp Gần đây việc chế tạo các chi tiết từ hai phần là thép C45 và SKD61 ở Việt Nam được liên kết với nhau thông qua mối hàn giáp mối đã và đang được áp dụng rộng rãi Tuy nhiên, công nghệ hàn được áp dụng chưa được nghiên cứu sâu, chủ yếu dựa trên cơ sở kinh nghiệm của người thợ hàn nên chất lượng mối hàn không ổn định và không có cơ sở để áp dụng trên diện rộng, đặc biệt là ở quy mô công nghiệp Đề tài trình bày các kết quả nghiên cứu quy trình hàn giáp mối dạng tấm và dạng thanh tròn từ hai vật liệu thép C45 và SKD61 Kết quả nghiên 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 mẫu hàn dạng tấm và 5 mẫu hàn dạng thanh tròn Các mẫu hàn đã được kiểm tra khuyết tật bằng phương pháp chụp X quang, thử kéo theo tiêu chuẩn AWS D1.1 – 2015 Kết quả kiểm tra khuyết tật mối hàn của mẫu hàn bằng phương pháp chụp X quang đã cho thấy chất lượng mối hàn tốt, không có khuyết tật

Về thử kéo, uốn mối hàn nối hai vật liệu C45 – SKD61 đạt giá trị từ 684,55 MPa đến 763,87 MPa (100% kim loại nền) Bên cạnh đó, kết quả chụp kim tương bằng kính hiển vi cũng chỉ ra tổ chức tế vi thuộc vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn

ABSTRACT

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

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

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

SMAW Shielded Metal Arc Welding Hàn hồ quang tay với que hàn có

thuốc bọc

TIG Tungsten Inert Gas Hàn hồ quang bằng điện cực không

nóng chảy

AWS American Welding Society Hiệp hội hàn Hoa Kì

ASME American Society of

Mechanical Engineers Hiệp hội kỹ sư cơ khí Hoa Kỳ

MIG Metal Inert Gas Hàn hồ quang trong môi trường khí

trơ với điện cực nóng chảy

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

trường khí

UT Ultrasonic Testing Kiểm tra siêu âm

MIG Metal Inert Gas Hàn hồ quang trong môi trường khí

trơ với điện cực nóng chảy

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Trục vít sau khi được mài hoàn chỉnh [6] 8

Hình 2.1: Máy hàn MATRIC 4000 AC/DC [12] 13

Hình 2.2: Súng bắn nhiệt độ từ xa có 2 tia laser DT8780 [13] 14

Hình 2.3: Máy thử nghiệm kéo – nén – uốn vật liệu WEW–1000B [14] 15

Hình 2.4: Kính hiển vi kim tương SINOWON IMS–300 [15] 16

Hình 3.1: Hệ thống thiết bị hàn SMAW và các phụ kiên liên quan 17

Hình 3.2: Mối liên hệ giữa cường độ và tốc độ đắp cho que hàn Ø4.8 mm [19] 18

Hình 3.3: Hiện tượng dòng hàn quá thấp hoặc quá cao [20] 19

Hình 3.4: Khuyết tật xảy ra khi tốc độ hàn quá nhanh [20] 20

Hình 3.5: Góc độ que hàn 21

Hình 3.6: Chiều dài hồ quang [19] 21

Hình 3.7: Chiều dài hồ quang [20] 22

Hình 3.8: Biến dạng nhiệt do hàn 23

Hình 3.9: Tính chất của kim loại thay đổi do nhiệt độ [22] 23

Hình 3.10: Kích thước mẫu hàn 24

Hình 3.11: Kích thước mối ghép 24

Hình 3.12: Trình tự thực hiện mối hàn đính 24

Hình 3.13: Bố trí các lớp hàn và thứ tự hàn các đường hàn 25

Hình 3.14: Kích thước mẫu hàn 25

Hình 3.15: Kích thước mối ghép 25

Hình 3.16: Trình tự thực hiện mối hàn đính [10] 26

Hình 3.17: Tạo biến dạng ngược trước khi hàn [10] 26

Hình 3.18: Bố trí các lớp hàn và thứ tự hàn các đường hàn [10] 26

Hình 3.19: Phân loại khuyết tật nứt [23] 28

Hình 3.20: Các vết nứt dọc, nứt ngang [22] 28

Hình 3.21: Phân loại khuyết tật rỗ khí theo BS EN [22] 29

Hình 3.22: Các dạng khuyết tật rỗ khí [22] 30

Hình 3.23: Mối hàn ngậm xỉ [22] 30

Hình 3.24: Sơ đồ phân loại các khuyết tật ngậm xỉ [22] 31

Hình 3.25: Phân loại khuyết tật thiếu ngấu [22] 31

Hình 3.26: Lẹm chân và chảy loang [22] 32

Hình 3.27: Một số dạng khuyết tật hình dáng [22] 32

Hình 3.28: Bề dày tương đương (CJT) các kết cấu hàn [24] 34

Hình 3.29: Xác định chỉ số tính hàn của kết cấu dựa trên CJT [24] 35

Hình 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] 36

Hình 3.31: Xác định nhiệt độ nung sơ bộ khi dùng que hàn thường [24] 36

Hình 4.1: Độ rộng vùng quét tối thiểu 39

Hình 4.2: Kích thước chi tiết mẫu tấm và mẫu thanh 39

Hình 4.3: Bề dày tương đương (CJT) các kết cấu hàn 41

Hình 4.4: Kích thước mối ghép [29] 44

Hình 4.5: Kích thước mối ghép thanh tròn [29] 44

Hình 4.6: Kích thước và phôi mẫu sau khi cắt 45

Hình 4.7: Kích thước vát cạnh phôi mẫu 46

Hình 4.8: Làm sạch tấm phôi mẫu 46

Hình 4.9: Trình tự bố trí các lớp hàn 46

Hình 4.10: Góc độ que hàn khi hàn đính 47

Hình 4.11: Đồ gá sử dụng khi hàn đính và khoảng cách mối ghép 47

Hình 4.12: Trình tự thực hiện mối hàn đính 48

Hình 4.13: Tạo biến dạng ngược trước khi hàn 48

Hình 4.14: Mài lòm điểm đầu và điểm cuối mối hàn đính 48

Hình 4.15: Biểu đồ gia nhiệt trước khi hàn 49

Hình 4.16: Góc độ que hàn của khi hàn lớp chân 49

Hình 4.17: Góc độ que hàn của đường hàn 2 50

Hình 4.18: Góc độ que hàn của đường hàn 3 51

Hình 4.19: Góc độ que hàn của đường hàn 4 51

Hình 4.20: Góc độ que hàn của đường hàn n+1 52

Hình 4.21: Góc độ que hàn của đường hàn n+2 52

Hình 4.22: Kích thước rãnh mài 53

Hình 4.23: Kích thước và phôi mẫu sau khi cắt 54

Hình 4.24: Kích thước vát cạnh phôi mẫu 55

Hình 4.25: Làm sạch phôi thanh tròn 55

Hình 4.26: Đồ gá sử dụng và khoảng cách mối ghép 56

Hình 4.27: Trình tự bố trí các lớp hàn 57

Hình 4.28: Tủ sấy và hộp giữ nhiệt que hàn 58

Hình 4.29: Phôi mẫu sau khi cắt 58

Hình 4.30: Phôi mẫu đã vát cạnh 59

Hình 4.31: Làm sạch tấm phôi mẫu 59

Hình 4.32: Trình tự bố trí các lớp hàn 60

Hình 4.33: Góc độ que hàn khi hàn đính 60

Hình 4.34: Khoảng cách mối ghép và hàn đính 60

Hình 4.35: Tạo biến dạng ngược trước khi hàn 61

Hình 4.36: Gia nhiệt trước khi hàn 61

Hình 4.37: Mẫu hàn sau khi hàn lớp chân 61

Hình 4.38: Lớp hàn 2 62

Hình 4.39: Lớp hàn 3 62

Hình 4.40: Lớp hàn 4 62

Hình 4.41: Lớp hàn 5 63

Hình 4.42: Lớp hàn 6 63

Hình 4.43: Kích thước rãnh mài 63

Hình 4.44: Lớp hàn 7 64

Hình 4.45: Mẫu tấm sau khi thực nghiệm hàn 64

Hình 4.46: Các mẫu tấm được xử lý nhiệt sau khi hàn 65

Hình 4.47: Phôi mẫu sau khi cắt và vạt cạnh 66

Hình 4.48: Trình tự bố trí các lớp hàn 66

Hình 4.49: Góc độ que hàn khi hàn đính 67

Hình 4.50: Khoảng cách mối ghép và hàn đính 67

Hình 4.51: Mẫu hàn khi hàn lớp chân 67

Hình 4.52: Đường hàn 2 68

Hình 4.53: Đường hàn 3 68

Hình 4.54: Đường hàn 4 68

Hình 4.55: Đường hàn 5 69

Hình 4.56: Đường hàn 6 69

Hình 4.57: Các mẫu thanh tròn sau khi thực nghiệm hàn 69

Hình 4.58: Mẫu thanh tròn được xử lý nhiệt sau khi hàn 70

Hình 4.59: Kết quả kiểm tra mẫu tấm 1 71

Hình 4.60: Kết quả kiểm tra mẫu tấm 2 71

Hình 4.61: Kết quả kiểm tra mẫu tấm 3 71

Hình 4.62: Kích thước và vị trí mẫu thử nghiệm kéo trên mẫu hàn tấm 72

Hình 4.63: Mẫu thử nghiệm kéo sau khi mài phẳng 72

Hình 4.64: Kết quả thử nghiệm kéo các mẫu tấm 73

Hình 4.65: Mẫu thử nghiệm kéo dạng thanh tròn theo chuẩn AWS D1.1–2015 73

Hình 4.66: Kết quả kiểm tra mẫu thanh tròn 1 74

Hình 4.67: Kết quả kiểm tra mẫu thanh tròn 2 74

Hình 4.68: Kết quả kiểm tra mẫu thanh tròn 3 74

Hình 4.69: Kết quả kiểm tra mẫu thanh tròn 4 74

Hình 4.70: Kết quả kiểm tra mẫu thanh tròn 5 74

Hình 4.71: Kết quả thử nghiệm kéo các mẫu thanh tròn 75

Hình 4.72: Mẫu đã tẩm axít để chuẩn bị chụp tổ chức tế vi của mối hàn 75

Hình 4.73: Hình dạng mặt cắt ngang của mối hàn 76

Hình 4.74: Tổ chức tế vi của vùng ảnh hưởng nhiệt về phía tấm thép S45C 76

Hình 4.75: Tổ chức tế vi của vùng ảnh hưởng nhiệt về phía tấm thép SKD61 76

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thành phần hóa học của thép S45C [1] 5

Bảng 1.2: Cơ tính của thép S45C [1] 5

Bảng 1.3: Thành phần hóa học SKD61 [2] 5

Bảng 1.4: Cơ tính của thép SKD61 [2] 6

Bảng 1.5: Chế độ hàn nối (SKD61) [6] 8

Bảng 3.1: Cơ tính thép thay đổi do nhiệt thay đổi [21] 23

Bảng 3.2: Chỉ số tính hàn tương đương theo CE [24] 34

Bảng 4.1: Cơ tính của que hàn E8018–C1 [30] 45

Bảng 4.2: Thành phần hóa học que hàn E8018–C1 [30] 45

Bảng 4.3: Các chế độ hàn khi hàn giáp mối tấm thép S45C – SKD61 53

Bảng 4.4: Các chế độ hàn khi hàn giáp mối thanh tròn thép S45C – SKD61 57

Bảng 4.5: Các chế độ hàn cho các lớp 64

Bảng 4.6: Chế độ hàn cho các lớp 70

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã đưa ra thị trường các 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 ngành công nghệ vật liệu chưa phát triển như Việt Nam, nên việc sử dụng chúng trong chế tạo cơ khí đã dẫn đến giá thành cao Một trong các giải pháp là sử dụng kết cấu hai phần vật liệu: phần công tác chính được chế tạo từ vật liệu có cơ tính tốt (giá thành cao), phần còn lại có thể được chế tạo bằng vật liệu có cơ tính thấp hơn (giá thành thấp) 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, độ chống mài mòn nhưng vỏ khuôn (khung ngoài khuôn) lại không yêu cầu cao về cơ tính của vật liệu Do vậy ứng với phần yêu cầu về vật liệu cao thì sử dụng vật liệu tương ứng, các phần còn lại của chi tiết không làm việc mà chỉ làm nhiệm vụ gá đặt hay một nhiệm vụ khác thì được thay thế bằng vật liệu khác Hoặc, chi tiết như mũi khoan sâu, dao cắt nóng,… chỉ yêu cầu phần đầu được chế tạo bằng vật liệu dụng cụ cắt, phần cán dài còn lại có thể được chế tạo bằng thép thường có giá thành rẻ hơn nhiều lần

Rõ ràng, việc lựa chọn và sử dụng vật liệu như thế sẽ giảm được chi phí vật liệu, chi phí gia công, nhưng đồng thời đặt ra một thách thức lớn khi chi tiết được chế 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 cứu phát triển để có thể chế tạo thành công các kết cấu cơ khí, đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật 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 trong nước 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

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 trình chế tạo, sản xuất ở đơn vị mình

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- 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 lựa chọn 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 nhiều phần vật liệu khác nhau ở Việt Nam;

- Kết quả nghiên cứu đạt được có thể ứng dụng vào việc chế tạo các khuôn đúc

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 chế tạo

cơ khí trong các ngành công nghiệp như: chế tạo máy, dầu khí, hóa chất và dược phẩm, 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 vật liệu thép C45 – SKD61 trong chế tạo các chi tiết cơ khí Qua đó, các thông số công nghệ hàn khi hàn ghép nối bằng phương pháp hàn SMAW theo tiêu chuẩn AWS D1.1 – 2015 cũng được khảo sát và chỉ rõ

- 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 thép C45 – 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 đánh giá 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

chi tiết như sau:

- Mở đầu

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 Grades C) là loại thép cacbon trung bình có thành phần hóa học như ở bảng 1.1 Thuộc nhóm thép hóa tốt do có chế độ tôi, ram cao thường được sử dụng phổ biến trong chế tạo các chi tiết 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

phần C

Si max Mn

P max

S max

Cr max

Mo max

Ni max

Cr+Mo+Ni max

0,8 – 1,25

0,2 – 0,6 0,03 0,03

4,75 – 5,5

1,1 – 1,75

0,8 – 1,2

- 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 loại nhẹ, 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 cacbon thấp 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,

và bởi sự hình thành các hợp kim hóa học giòn Khi hàn bằng phương pháp nóng chảy các kim loại khác nhau luôn gặp phải khó khăn bởi chúng không hoàn tan lẫn nhau ở trạng thái rắn, chẳng hạn như: sắt và mangan, chì sạch và đồng, sắt và chì,… Trong quá trình nung chảy các cặp kim loại như vậy, các lớp kim loại không hòa trộn

với nhau có thể dễ dàng tách ra khi kết tinh Các mối hàn của các kim loại và hợp kim

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 dung dịch 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 việc chế 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 nhôm với 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 tự động), 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 chính xác dọc theo cạnh bản nhôm với khoảng cách 1 – 2 mm từ trục mối hàn Góc vát bắt buộc 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 chứa trong 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 các thiết 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 phương pháp 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, được ứng 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 Nam trong thời gian gần đây nên việc ứng dụng thép SKD61 trong gia công cơ khí, chế tạo bằng phương pháp hàn còn là vấn đề khá mới mẻ Do là mác thép mới nên trong các sổ tay 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;

- Mài sửa mối hàn;

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

- Kiểm tra mối hàn

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

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

vi phòng 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 phương pháp hàn TIG;

- Mối ghép hàn là mối ghép V đơn, với chiều dày mẫu là 10 mm (kích thước mẫu 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

độ cứng 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

thay đổi cấu trúc vật liệu vật liệu cần phải được gia nhiệt trước khi hàn (khoảng

250oC, trong suốt 2 giờ) Sau khi hàn phải xử lý nhiệt ở nhiệt độ khoảng 600 – 650oC trong khoảng thời gian 2 giờ

Nhóm tác giả Vikas Chauhan và Dr R S Jadoun thuộc trường Đại học Nông nghiệp và Công nghệ Pant (Pantnagar, Ấn Độ) trong tài liệu [10] đã nghiên cứu về

“Tối ưu hóa tham số của hàn MIG cho thép không gỉ SS–304 và thép cacbon thấp sử dụng phương pháp Taguchi” Với nghiên cứu này, nhóm tác giả đã xác định thành

công ảnh hưởng của các thông số hàn (dòng điện, điện áp và tốc độ hàn) đến độ bền kéo của mối hàn bằng phương pháp Taguchi Trong đó, hai thông số ảnh hưởng nhiều

nhất đến độ bền kéo là điện áp và tốc độ hàn Ảnh hưởng đến độ bền kéo của các

thông số đầu vào được xếp hạng theo thứ tự giảm dần như: điện áp, tốc độ hàn và cường độ dòng điện Argon được xem là khí bảo vệ hiệu quả, ít văng bắn trong quá trình hàn nhất

Một nghiên cứu khác của các tác giả Pawan Kumar, Dr B K Roy, Nishant tại

Viện Công nghệ và Quản lý Om (Haryana, Ấn Độ) đã nghiên cứu về “Tối ưu hóa thông số của hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GMAW) cho thép không gỉ Austenit (AISI 304) và thép cacbon thấp sử dụng phương pháp Taguchi” Qua nghiên cứu, nhóm tác giả đã phân tích ảnh hưởng của 3 thông

số hàn là cường độ dòng điện hàn, điện thế hồ quang và lưu lượng khí bảo vệ ảnh

hưởng đến độ cứng của kim loại cơ bản (base metal), khu vực mối hàn (weld area)

và vùng ảnh hưởng nhiệt Kết quả này đóng vai trò quan trọng để điều chỉnh các thông

- Hàn nối hai vật liệu thép cacbon và thép không gỉ đã được thực hiện bằng phương pháp hàn TIG cho mối hàn tấm dày [8]

- Hàn vảy nhôm với đồng đã thực hiện bằng phương pháp hàn MIG [9]

- Hàn nối thép SKD61 và thép cácbon được thực hiện bằng phương pháp hàn SMAW, sử dụng que hàn Kobelco LB–7018–1 (A5.1 E7018–1) để hàn nối hai phần trục vít ép củi trấu [6]

1.4.2 Định hướng nghiên cứu

Qua các nhận định trên, chúng ta thấy rằng việc nghiên cứu hàn hai nối hai phần vật liệu khác nhau có nhu cầu rất lớn và đã được thực hiện thành công với các cặp vật liệu như: nhôm – đồng, thép cacbon – thép không gỉ, đồng – thép Tuy nhiên, việc nghiên cứu về mối hàn nối giữa cặp vật liệu thép cacbon trung bình S45C và thép hợp kim trung bình SKD61 chưa được quan tâm nhiều Công việc hàn chủ yếu vẫn dựa trên kinh nghiệm của người thợ hàn nên chất lượng mối hàn chưa ổn định ảnh hưởng đến năng suất Do vậy, một số định hướng sau sẽ được tập trung nghiên cứu trong đề tài:

- Nghiên cứu tổng quan về đặc tính, tính hàn của thép S45C và SKD61;

- Nghiên cứu các thông số công nghệ hàn khi hàn bằng phương pháp hàn SMAW để hàn nối hai phần vật liệu thép S45C – SKD61 theo tiêu chuẩn AWS D1.1–2015;

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

có mối hàn ghép nối hai phần vật liệu thép S45C – SKD61;

- Thực nghiệm hàn ghép nối hai phần vật liệu thép S45C – SKD61 cho mối hàn nối tấm, thanh tròn;

- Đánh giá chất lượng mối hàn ghép nối hai vật liệu S45C – SKD61 khi áp dụng quy trình và các thông số hàn đã đề xuất

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về đặc tính của thép S45C và SKD61, các khuyết tật hàn thường gặp phải khi hàn ghép nối hai vật thép S45C – thép SKD61;

- Nghiên cứu các thông số công nghệ hàn khi hàn ghép nối hai vật liệu thép S45C – thép SKD61 theo tiêu chuẩn AWS D1.1 – 2015;

- Nghiên cứu đề xuất quy trình chế tạo hàn khi hàn ghép nối hai vật liệu thép S45C – thép SKD61 bằng phương pháp hàn SMAW;

- Thực nghiệm hàn và kiểm tra đánh giá chất lượng mối hàn giữa thép S45C – thép SKD61

Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: thu thập các nội dung từ các nguồn báo chí, tạp chí, sách, internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu;

- Nghiên cứu tiêu chuẩn AWS D1.1–2015 để xây dựng quy trình hàn nối hai vật liệu thép S45C – SKD61

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

2.2.2.1 Vật liệu thực nghiệm

- Vật liệu thực nghiệm: thép S45C và thép SKD61;

- Địa điểm thực nghiệm: Xưởng Sản Xuất Thử Nghiệm, Trung tâm Ứng dụng Tiến bộ Khoa học Công nghệ, Lô I3B3, đường N6, khu CNC, Quận 9, Tp HCM

2.2.2.2 Trang thiết bị phục vụ thực nghiệm

a) Máy hàn que điện tử Weldcom MAXI 400

Máy hàn que điện tử Weldcom MAXI 400 cho phép hàn trên các vật liệu sắt và Inox Mối hàn đẹp và có chất lượng cao trong công việc chế tạo hàn của ngành cơ

khí, xây dựng hoặc công nghiệp

Hình 2.1: Máy hàn MATRIC 4000 AC/DC [12]

Thông số kỹ thuật máy hàn MATRIC 4000 AC/DC [12]:

+ Điện áp vào: AC 400 (+15%,–20%)V, 50/60 Hz, 3 pha

+ Dòng vào định mức: 32 A

+ Công suất định mức: 19 kVA

+ Phạm vi điều chỉnh dòng hàn: 5 – 400 A

+ Chu kỳ tải Imax 60%: 400 A

+ Chu kỳ tải Imax 100%: 350 A

b) Súng đo nhiệt độ từ xa có 2 tia laser DT8780

Súng đo nhiệt độ bằng hồng ngoại DT8780 với 2 tia laser có khả năng đo những nguồn nhiệt từ xa, không cần tiếp xúc trực tiếp với độ chính xác cao và nhanh chóng DT8780 sử dụng kỹ thuật đo bằng cảm ứng bức xạ hồng ngoại với dải đo từ –50°C – 780°C [13]

Súng đo nhiệt độ DT8780 có tỷ lệ khoảng cách rất cao 50:1 (tỷ lệ càng cao thì

sẽ cho phép đo nhiệt độ chính xác ở khoảng cách càng xa, ví dụ đường kính nguồn nhiệt là 1 cm thì khoảng cách tối đa để đo nhiệt độ chính xác là 50 cm), kết hợp với

2 tia laser để định vị nguồn nhiệt giúp cho người dùng dễ dàng xác định được khoảng cách tối ưu mà không phải ước lượng cự ly

Hình 2.2: Súng bắn nhiệt độ từ xa có 2 tia laser DT8780 [13]

+ Cài đặt báo nhiệt độ: Cao/thấp

+ Chức năng lưu trữ dữ liệu Có

+ Hai tia Laser định vị nguồn nhiệt: Có

Cách đo: Hướng nút định vị laser vào bề mặt cần đo nhiệt độ, sau đó bấm và

giữ nút đo khoảng 3 – 5s cho máy ổn định kết quả, thả tay ra khỏi nút đo, kết quả hiển thị trên màn hình Khoảng cách từ vị trí đứng tới bề mặt của nguồn nhiệt phụ thuộc

vào tiết diện bề mặt của nguồn nhiệt và tuân theo tỉ lệ 50:1 Ví dụ: tiết diện đường kính của nguồn nhiệt là 1cm thì khoảng cách đứng đo là 50 cm Hai điểm laser là dùng để ước lượng khoảng cách đo cho phù hợp Nếu nguồn nhiệt cần đo nằm trong

2 tia laser thì cho kết quả chính xác [13]

c) Máy thử kéo nén uốn vật liệu Model WEW–1000B

Máy kéo nén vạn năng là thiết bị dùng để kiểm tra độ bền kéo nén, đâm, xé vật liệu Máy có thể kiểm ra rất nhiều các tiêu chuẩn cho cường độ kéo, nén cho vật liệu,

kể cả vật liệu hỗn hợp và các công trình trên thế giới [14]

Hình 2.3: Máy thử nghiệm kéo – nén – uốn vật liệu WEW–1000B [14]

d) Kính hiển vi kim tương Sinowon IMS–300

Dùng để quan sát, đánh giá và phân tích cấu trức tổ chức tế vi của vật liệu Phân

tích đánh giá này thông qua kích cỡ, hình dạng, sự phân bố các hạt, các pha trong tổ chức [15]

Hình 2.4: Kính hiển vi kim tương SINOWON IMS–300 [15]

2.2.2.3 Phương pháp đo đạc thực nghiệm

Các số liệu thí nghiệm cần xác định có hai loại: số liệu đo đạc trực tiếp và số liệu xác định gián tiếp

a) Đo trực tiếp

Các thông số đo trực tiếp là các đại lượng đo cấp I gồm các thông số hình học, khối lượng, thời gian, vận tốc (số vòng quay),…

b) Đo gián tiếp

Các thông số đo gián tiếp là các đại lượng đo cấp II gồm các đại lượng trung bình hoặc các thông số phải đo ít nhất bằng hai dụng cụ đo khác nhau như chiều dài trung bình, đo bằng công cụ trên Autocad,…

Mối hàn được hình thành từ sự nóng chảy trộn lẫn giữa kim loại que hàn và kim loại vật hàn, que hàn và vật hàn đóng vai trò là hai mạch điện được nối với kềm hàn

và kẹp mát (hình 3.1) [16]

Hình 3.1: Hệ thống thiết bị hàn SMAW và các phụ kiên liên quan 3.1.1 Hồ quang hàn

Hồ quang hàn là sự phóng điện liên tục qua đường dẫn ở dạng khí giữa que hàn

và vật hàn Dòng điện hồ quang được dẫn qua vùng khí bị ion hóa được gọi là trạng thái plasma Nhiệt độ cột hồ quang khoảng 5000 – 30000oK, tùy thuộc vào bản chất plasma và dòng điện di chuyển qua hồ quang Nhiệt độ hồ quang có thể được tính bằng công thức (3.1) [17]:

W = V.A.T (3.1) Trong đó: W là nhiệt của hồ quang (J)

V là hiệu điện thế hàn (v)

A là cường độ dòng điện hàn (A)

Hồ quang dài điện áp cao, cường độ dòng điện thấp làm giảm năng suất hàn Sự phụ thuộc giữa điện thế hồ quang, dòng điện và chiều dài hồ quang có thể biểu thị bằng công thức:

3.1.2 Cường độ dòng điện hàn (I)

Tùy từng loại đường kính điện cực mà que hàn có thể hàn ở dải dòng điện khác nhau phù hợp với từng chiều dài kim loại cơ bản và loại thuốc bọc que hàn khác nhau Với việc tăng cường độ dòng điện thì tốc độ đắp sẽ tăng theo từng loại que hàn Sự thay đổi này được thể hiện ở hình 3.2

Hình 3.2: Mối liên hệ giữa cường độ và tốc độ đắp cho que hàn Ø4.8 mm [19]

Đối với từng loại que hàn, dòng điện hợp lý lựa chọn phụ thuộc vào nhiều yếu

tố như vị trí hàn và loại liên kết, cường độ dòng điện đủ lớn để đạt được độ chảy, độ ngấu đồng thời dễ kiểm soát vũng hàn nhất, ví dụ khi hàn đứng, hàn trần dòng điện phải chọn ở điểm thấp nhất trong dải dòng cho phép [18]

Có thể chọn cường độ dòng điện khi hàn thép ở vị trí hàn sấp theo công thức (3.4) [17]:

Với Ih là cường độ dòng điện (ampe) (A)

α, β là hệ số thực nghiệm, khi hàn bằng que thép α = 6; β = 20

Nếu vật hàn có chiều dày S > 3d, Ih tăng 15%;

Nếu hàn vật mỏng S < 1,5d, Ih giảm đi 15%;

Hình 3.3: Hiện tượng dòng hàn quá thấp hoặc quá cao [20]

3.1.3 Tốc độ hàn (V h )

Tốc độ hàn (Vh) là tốc độ que hàn di chuyển dọc theo liên kết Một tốc độ di chuyển đúng là tốc độ mà tạo ra một mối hàn với đường bao và hình dáng như yêu cầu bản vẽ Tốc độ hàn phụ thuộc bởi các yếu tố sau: loại dòng điện hàn, cường độ

và cực tính hàn, vị trí mối hàn, tốc độ chảy của điện cực, chiều dày vật liệu hàn, loại liên kết hàn, Hình 3.4 giới thiệu khi hàn với tốc độ hàn quá nhanh sẽ làm giảm độ ngấu của mối hàn, vảy hàn không đều và không lấp đầy vũng hàn [20]

Hình 3.4: Khuyết tật xảy ra khi tốc độ hàn quá nhanh [20]

Phụ thuộc vào cường độ dòng điện và tiết diện từng loại mối hàn Tốc độ hàn được tính theo công thức (3.6):

L – Chiều dài mối hàn (cm)

Fđ – Diện tích tiết diện ngang một lượt hàn (cm2)

Từ các công thức (3.7) và (3.8) ta nhận thấy, muốn giảm thời gian phát hồ quang phải giảm Fđ, L của mối hàn, tăng hệ số đắp ađ và Ih

3.1.4 Góc độ que hàn (φ)

Góc độ que hàn (φ) là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn, không đúng góc độ que hàn sẽ gây ra ngậm xỉ trong mối hàn, rỗ khí và khuyết cạnh mối hàn Lựa chọn hướng điện cực phụ thuộc vào vị trí hàn, kích thước điện cực và hình dáng của liên kết hàn [20]

Kim loại từ que hàn đi vào vũng hàn là do một lức tác động từ điện áp hồ quang, khi hàn vũng hàn được xem như một chất lỏng, nếu góc độ que hàn quá

th = 3600.g( Fđ.L/ađ Ih)

(3.8)

nhỏ thì dọt kim loại khi di chuyển vào vũng hàn chảy loãng có xu hướng trượt trên bề mặt vật hàn làm giảm độ xâu ngấu Nếu góc độ que hàn quá lớn sẽ làm giảm sự tập trung kim loại tại vũng hàn, xỉ hàn cũng có thể chảy tràng lên phía trước làm lệch hồ quang dẫn đến giảm độ ngấu

Hình 3.5: Góc độ que hàn 3.1.5 Chiều dài hồ quang (l e )

Chiều dài hồ quang (le) là khoảng cách giữa đầu điện cực nóng chảy tới bề mặt vũng hàn nóng chảy, nó đóng vai trò quan trọng trong việc bảo đảm chất lượng mối hàn (hình 3.6) [19]

Hình 3.6: Chiều dài hồ quang [19]

Chiều dài hồ quang thay đổi theo loại điện cực, đường kính, loại thuốc bọc, cường độ dòng điện và vị trí hàn Chiều dài hồ quang tăng khi sử dụng điện cực có đường kính và cường độ dòng điện lớn Thường chiều dài hồ quang không được lớn hơn đường kính lõi điện cực Chiều dài hồ quang quá ngắn sẽ làm cho hồ quang không ổ định và có thể gây ngắn mạch trong quá trình dịch chuyển kim loại Nếu quá dài sẽ làm giảm độ tập trung của hồ quang, do đó sẽ gây ra bắn tóe kim loại nóng chảy khi nó dịch chuyển vào vũng hàn Vì vậy hiệu suất đắp sẽ giảm, ngoài ra khí và xỉ bảo vệ vũng hàn cũng không hiệu quả sẽ gây ra rỗ khí và lẫn khí trong kim loại mối hàn (hình 3.7) [20]

a) Hồ quang quá ngắn b) Hồ quang quá dài

Hình 3.7: Chiều dài hồ quang [20]

3.1.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hàn (T h )

Khi hàn, nguồn nhiệt hàn làm nóng chảy một khối lượng nhất định kim loại cơ bản tại vị trí hàn và nhiệt được lan truyền ra vùng lân cận của kim loại cơ bản Trong thời gian rất ngắn, nhiệt độ kim loại tại chỗ mối hàn được nâng lên, từ nhiệt độ bình thường của môi trường tăng lên nhanh chóng tới nhiệt độ nóng chảy kim loại (đạt tới

4000oC khi dùng hàn điện), sau đó nhiệt độ mối hàn hạ thấp dần vì nguồn nhiệt hàn không tiếp tục đốt nóng nữa Khi nhiệt độ xuống đến khoảng 1500oC, kim loại bắt đầu đông đặc, hình thành vách bao xung quanh vũng kim loại lỏng (kim loại chưa kịp hạ thấp nhiệt độ) Kim loại bắt đầu kết tinh nhưng còn dẻo, dễ dàng giải phóng ứng suất nhiệt, (loại ứng suất có thể xuất hiện trong quá trình kim loại nguội) Kim loại mối hàn tiếp tục kết tinh, đông đặc kéo theo giảm dần tính dẻo Đó là lúc co ngót nhiều nhất Hiện tượng này gây ra ứng suất, biến dạng kim loại nguội bao bọc xung quanh mối hàn đang đông đặc Khi kim loại vách xung quanh mối hàn rất rắn, ứng suất nhiệt khu vực này phức tạp, dẫn đến phá vỡ mối liên kết (hiện tượng nứt xuất hiện) Tính dẻo của kim loại bảo đảm cho kim loại biến dạng trong giới hạn nhất định thì mối hàn không bị nứt

Sự phân bố ứng suất và hình thành biến dạng phụ thuộc vào tính dẻo của vách kim loại

và trạng thái co ngót, dãn nở của kim loại mối hàn (hình 3.8)

Kim loại nóng chảy và đông đặc tạo thành mối hàn nối có diễn biến tương tự như quá trình đúc kim loại Cơ tính của thép các bon thấp cũng thay đổi ở nhiệt

độ khác nhau được liệt kê ở bảng 3.1

Hình 3.8: Biến dạng nhiệt do hàn Bảng 3.1: Cơ tính thép thay đổi do nhiệt thay đổi [21]

Hình 3.9: Tính chất của kim loại thay đổi do nhiệt độ [22]

Nhiệt độ o C Modul đàn hồi

E.10 –6 kG/cm 2

Giới hạn bền Re kG/mm 2 Hệ số dẫn dài .10 –6

3.1.7 Hàn nối cùng một vật liệu

Quy trình hàn nối cùng một vật liệu gồm 4 bước cơ bản như sau:

- Bước 1: Lựa chọn vật liệu

+ Lựa chọn vật liệu nền

+ Lựa chọn vật liệu đắp theo tiêu chuẩn AWS hoặc ASME IX

- Bước 2: Thiết kế mối ghép

Thiết kế mối ghép với các kích thước hình học (hình 3.10, hình 3.11) dựa theo tiêu chuẩn AWS hoặc ASME IX

Hình 3.10: Kích thước mẫu hàn Hình 3.11: Kích thước mối ghép

Hình 3.13: Bố trí các lớp hàn và thứ tự hàn các đường hàn

- Bước 4: Kiểm tra mối hàn

Sau khi hàn xong, mẫu hàn được kiểm tra bằng các phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) để phát hiện các khuyết tật nằm sâu bên trong của đối tượng kiểm tra:

+ Phương pháp chụp ảnh phóng xạ (RT);

+ Phương pháp kiểm tra siêu âm (UT)

3.1.8 Hàn nối hai vật liệu khác nhau

Quy trình hàn nối hai vật liệu khác nhau gồm 4 bước như sau:

- Bước 1: Lựa chọn vật liệu hàn

+ Lựa chọn vật liệu nền

+ Lựa chọn vật liệu đắp: tùy theo phương pháp hàn mà chọn vật liệu đắp nhưng phải chú ý đến tính chất của 2 vật liệu liệu nền khác nhau

- Bước 2: Thiết kế mối ghép

Thiết kế mối ghép với các kích thước hình học (hình 3.14, hình 3.15) dựa theo tiêu chuẩn AWS hoặc ASME IX

Hình 3.14: Kích thước mẫu hàn Hình 3.15: Kích thước mối ghép

- Bước 3: Kỹ thuật hàn

+ Sự hàn hòa tan là phương pháp đặc trưng nối các kim loại khác nhau, được tiến hành trực tiếp hoặc gián tiếp bởi sự phủ một lớp trung gian trên mặt của một trong hai kim loại hàn bằng mạ điện, nung nóng hoặc phun

+ Trình tự mối hàn đính:

Hình 3.16: Trình tự thực hiện mối hàn đính [10]

+ Xử lý biến dạng hàn

Hình 3.17: Tạo biến dạng ngược trước khi hàn [10]

+ Trình tự bố trí các lớp hàn và đường hàn: hàn lớp chân (đường hàn n); hàn lớp đắp (đường hàn n+1, n+2, n+3 và n+4); hàn lớp phủ (đường hàn n+5, n+6 và n+7)

Hình 3.18: Bố trí các lớp hàn và thứ tự hàn các đường hàn [10]

- Bước 4: Xử lý sau hàn

Tùy theo loại vật liệu nền mà có các phương pháp xử lý mối hàn sau khi hàn

Có thể xử lý nhiệt để khử ứng suất trong mối hàn, đảm bảo liên kết hàn tương đương với độ bền của kim loại cơ bản, cũng như đáp ứng các giá trị nhất định về độ dai va đập

- Bước 5: Kiểm tra mối hàn

Sau khi hàn xong, mẫu hàn được kiểm tra bằng phương pháp kiểm tra phá huỷ hoặc không phá hủy tuỳ theo yêu cầu Tiêu chí đánh giá:

+ Các khuyết tật và kích thước khuyết tật hàn nằm trong khoảng cho phép + Mối hàn không bị cong vênh, đúng kích thước mối hàn,

Khuyết tật hàn

Các khuyết tật hàn khi hàn hai vật liệu khác nhau tương tự như các khuyết tật hàn cùng một vật liệu Mối hàn có thể có nhiều khuyết tật, thường là: nứt, rỗ hơi, lẫn xỉ, hàn không thấu, hàn thành cục, khuyết cạnh, kích thước mối hàn không phù hợp với yêu cầu, Những khuyết tật này do rất nhiều nguyên nhân gây nên

Nó có liên quan tới các mặt như: kim loại vật hàn, chế độ hàn và quy trình công nghệ Sự tồn tại của những khuyết tật đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của đầu mối nối hàn Do đó, người thợ hàn phải chọn quy trình hàn chính xác và nghiêm chỉnh chấp hành các quy trình hàn

Những sai lệch về hình dạng, kích thước và tổ chức kim loại của kết cấu hàn

so với tiêu chuẩn thiết kế và yêu cầu kỹ thuật, làm giảm độ bền và khả năng làm việc của nó, được gọi là những khuyết tật hàn

3.2.1 Nứt (Weld Crack)

Nứt là một khuyết tật được tạo ra bởi một vết vỡ gây ra sự bất liên tục trên mối

hàn hoặc trên vùng kim loại lân cận mối hàn khi mối hàn đông đặc Vết nứt là một trong những khuyết tật nghiêm trọng nhất của liên kết hàn và có thể xuất hiện ở các nhiệt độ khác nhau Nứt có thể xuất hiện trên bề mặt mối hàn, trong mối hàn và ở vùng