Nghiên cứu công nghệ hàn lai ghép plasma GMAW cho liên kết tấm dày không vát mép

Ngày nay, các công nghệ hàn lai ghép đã được nghiên cứu và ápdụng rất mạnh mẽ và có khoảng 20 quá trình hàn lai ghép đang được phát triển vớimột số quá trình hàn quan trọng và phổ biến

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quảtrình bày trong Luận án này là trung thực và chưa có tác giả khác công bố

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Người cam đoan

Trần Lâm

TM.TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Thúc Ha

i

LỜI CẢM ƠN

- Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thúc Hà và PGS.TS HoàngTùng đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện, động viên trong suốt quá trình họctập, nghiên cứu và hoàn thành luận án

- Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể đồng nghiệp giảng viên Bộ môn Hàn &CNKL -Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi,giúp đỡ trong suốt thời gian tác giả học tập và nghiên cứu

- Tác giả xin chân thành cảm ơn dự án AUN/SEED - Net thuộc tổ chức JICAthông qua chương trình SRJP - Chương trình Hợp tác trao đổi nghiên cứu ngắn hạntại Nhật Bản và các giáo sư của Đại học Osaka, Nhật Bản đã tài trợ và giúp đỡ tậntình để tác giả có điều kiện nghiên cứu và thí nghiệm cũng như trao đổi chuyên môntrong suốt quá trình làm việc tại Viện nghiên cứu Hàn & Ghép nối Nhật Bản thuộctrường Đại học Osaka

-Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể cán bộ giảng viên Bộ môn Cơ khí hàn - Khoa

Cơ khí và Trung tâm Thực hành -Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã tạomọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ trong suốt thời gian tác giả thực hiện nghiên cứu thựcnghiệm Tác giả xin chân thành cảm ơn ThS.Nguyễn Hồng Thanh, Bộ môn Cơ khí hàn

- Khoa Cơ khí - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã hướng dẫn, giúp đỡviệc mô phỏng số quá trình hàn bằng phần mềm chuyên dụng SYSWELD

- Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình đãluôn động viên, chia sẻ những khó khăn và là nguồn động lực to lớn giúp tác giảvượt qua khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tác giả luận án

Trần Lâm

ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU 1

Tính cấp thiết của đề tài 1

Mục đích của luận án 2

Lý thuyết 2

Thực nghiệm 2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 2

Đối tượng nghiên cứu: 2

Phạm vi nghiên cứu: 2

Phương pháp nghiên cứu 2

Các kết quả mới của luận án: 3

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án 3

Ý nghĩa khoa học của luận án: 3

Ý nghĩa thực tiễn của luận án: 3

Kết cấu của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW 5

Khái niệm quy ước về hàn tấm có chiều dày lớn 5

Khái niệm tấm chiều dày lớn khi hàn bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ 5

Khái niệm tấm chiều dày lớn khi hàn bằng quá trình hàn PAW riêng lẻ 6 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 8

Quá trình hàn lai ghép 8

Quá trình hàn lai ghép Plasma - GMAW 8

Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 14

Quá trình hàn giáp mối tấm chiều dày lớn 14

iii

Quá trình hàn PAW 14

Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW tại Việt Nam 16

Kết luận Chương 1 16

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW

18 Quá trình hàn GMAW 18

Nguyên lý và đặc điểm 18

Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ hàn GMAW đến chất lượng liên kết hàn 19

Xác định thông số chế độ hàn giáp mối thép cacbon dày 12mm bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ 23

Quá trình hàn PAW 26

Nguyên lý và đặc điểm 26

Các đặc trưng của hồ quang Plasma 29

Vật liệu và công nghệ hàn PAW 32

Sự hình thành vũng hàn khi hàn PAW 35

Xác định chiều dày lớn nhất của tấm thép cacbon khi hàn giáp mối một phía, không vát mép với một lượt hàn bằng quá trình hàn PAW riêng lẻ 39

Quá trình hàn lai ghép PAW-GMAW 41

Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW trong một mỏ hàn đồng trục-Hình thái 1 41

Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập-Hình thái 2 46

Mô hình nguồn nhiệt PAW, GMAW và hàn lai ghép Plasma-GMAW 53

Nguồn nhiệt hàn 53

Nguồn nhiệt khối dạng elipsoid đơn và kép 55

Mô hình nguồn nhiệt hồ quang của hàn GMAW 57

Mô hình nguồn nhiệt hàn PAW lỗ khóa 58

Mô hình nguồn nhiệt của quá trình hàn lai ghép 59

Kết luận Chương 2 61

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SYSWELD 62

Mục đích 62

iv

Tính toán, mô phỏng quá trình hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn 62

Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn 62

Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng trong bài toán nhiệt đàn hồi dẻo (Thermo-Elastic-Plastic FEM) 63

Kết quả mô phỏng trong quá trình hàn GMAW cho liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm, vát mép chữ V 72

Kết quả mô phỏng trong quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho liên kết hàn giáp mối tấm dày 9mm, có vát mép 76

Kết quả tính mô phỏng trong quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm, không vát mép 79

Kết luận Chương 3 85

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 86

Mục đích 86

Trang thiết bị thí nghiệm 86

Thiết bị hàn 86

Đồ gá hàn 87

Các trang thiết bị phụ trợ 88

Mẫu thí nghiệm 89

Vật liệu mẫu hàn và dây hàn 89

Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 90

Xây dựng quy trình thí nghiệm 90

Gá kẹp mẫu thí nghiệm 90

Các chế độ hàn và quy trình thực nghiệm 90

Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng hàn 95

Kết luận chương 4 98

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 99

Kết quả thí nghiệm với quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW- Hình thái 1 99 Kết quả quá trình hàn đắp một lớp lên tấm thép Cacbon 99

Kết quả quá trình hàn giáp mối một lớp tấm thép Cacbon 101

Kết quả thí nghiệm với quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW - Hình thái 2 103

v

Mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép có chiều dày 6mm bằng quá

trình hàn lai ghép Plasma-GMAW 103

Mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép có vát mép, không khe hở hàn với chiều dày tấm 9 và 12mm 104

Mối hàn giáp mối một lượt tấm thép không vát mép với chiều dày 9mm 105 Mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép không vát mép với chiều dày 12mm 106

Cấu trúc tế vi của liên kết hàn 110

Cơ tính trong liên kết hàn giáp mối một lượt tấm dày 12mm, không vát mép bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái 2 112

Kết quả hàn giáp mối tấm thép dày 12mm bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ 113

Kết quả hàn giáp mối một lượt tấm thép dày 12mm không vát mép bằng quá trình hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược và góc nghiêng điện cực thay đổi 113 Kết quả hàn giáp mối ba lượt tấm thép dày 12mm vát mép chữ V bằng quá trình hàn GMAW 114

So sánh các kết quả mô phỏng và thực nghiệm 115

So sánh hình dạng mặt cắt ngang mối hàn 115

Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn giáp mối thông qua đo đạc thực nghiệm 116

So sánh các kết quả thực nghiệm liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW - Hình thái 2 và GMAW 117

Kết luận chương 5 119

KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN & KIẾN NGHỊ 121

KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 122

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Hàn hồ quang điện cực kim loại nóng chảy trongGMAW môi trường khí bảo vệ (MIG: Hàn hồ quang điện

cực nóng chảy trong môi trường khí trơ / MAG:(MIG/MAG) Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi

trường khí hoạt tính)GTAW (TIG) Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong

môi trường khí trơ

HAZ Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone)

A mm2 Diện tích làm việc của mối hàn

Ltt mm Chiều dài tính toán đường hàn

Chiều dày không thứ nguyênHiệu suất hồ quang

C Hệ số dẫn nhiệtNhiệt độ không thứ nguyên

Khoảng cách từ điểm khảo sát tới tâm nguồn

J/mm3 oC Nhiệt dung riêng

Thời gian không thứ nguyên

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

BẢNG 1.1 Các kiểu chuẩn bị mối nối cơ bản với các mối hàn giáp mối, một phíabằng quá trình hàn GMAW 5BẢNG 1.2 Các kiểu chuẩn bị mối nối cơ bản với các mối hàn giáp mối, một phíabằng quá trình hàn PAW 7BẢNG 2.1 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn 22

BẢNG 2.2 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn 23

BẢNG 2.3 Chế độ hàn liên kết giáp mối có vát mép thép tấm cacbon SS400 dày12mm bằng quá trình GMAW riêng lẻ 26

BẢNG 2.4 Chế độ hàn PAW lỗ khóa cho liên kết hàn giáp mối với thép tấm chiềudày S 35

BẢNG 3.1 Ký hiệu quy ước của các tổ chức kim loại khi hàn 65

BẢNG 3.2 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết giáp mối có vát mép thép tấm cacbonSS400 dày 12mm 72BẢNG 3.3 Thông số mô phỏng hàn giáp mối có vát mép thép tấm cacbon SS400 dày

12mm bằng quá trình hàn GMAW 72BẢNG 3.4 Thông số mô phỏng hàn giáp mối không vát mép thép tấm cacbon SS400

dày 12mm bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW 79

BẢNG 4.1 Thành phần hóa học và quy cách khử ô xi của thép cacbon JIS-SS400 89BẢNG 4.2 Cơ tính của thép JIS-SS400 90

BẢNG 4.3 Các tính chất của dây hàn JIS-Z3312 YGW12 90

BẢNG 4.4 Thông số thí nghiệm quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW,hình thái 1khi hàn đắp một lớp 91BẢNG 4.5 Thông số quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW, hình thái 1 khi hàn giáp

mối thép tấm dầy 9mm với khe hở hàn thay đổi 92BẢNG 4.7 Bảng trình tự thí nghiệm với các chiều dày phôi hàn khác nhau từ 6÷12mm

92

BẢNG 4.7 Các thông số chế độ thí nghiệm hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái 2

để liên kết hàn giáp mối một lượt thép tấm dày 93

BẢNG 4.8 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết giáp mối thép tấm cacbon SS400 dày12mm vát mép chữ V 94

BẢNG 4.9 Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng liên kết hàn 95BẢNG 5.1 Hình dạng mặt cắt ngang các mối hàn đắp (độ dày tấm thép KLCB không

hiển thị đầy đủ và có giá trị 9,0 mm) 99

BẢNG 5.2 Giá trị đo trung bình về hình dáng và kích thước mối hàn đắp 100BẢNG 5.3 Kết quả mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép có chiều dày 6mm bằngcông nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW 103BẢNG 5.4 Kết quả mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép có chiều dày 9mm và12mm vát mép chữ V, không khe hở bằng công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW 104

BẢNG 5.5 Kết quả mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép có chiều dày 9mm không

vát mép, khe hở hàn 2mm bằng công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW 105

BẢNG 5.6 Các kết quả thực nghiệm hàn giáp mối một lượt tấm thép dày 12mm khôngvát mép bằng hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược và góc nghiêng điện cực thay

đổi 113

ix

BẢNG 5.7 Bảng so sánh các kết quả thực nghiệm hàn giáp mối tấm dày 12mm bằng

quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái 2 và quá trình hàn GMAW

117

x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

HÌNH 1.1 Các dạng mối hàn trong hàn tấm dày khe hở hẹp: (a) hàn tấm dày khe hở

hẹp không cần vát mép, (b) hàn tấm dày khe hở hẹp vát mép chữ U 6

HÌNH 1.2 Công nghệ hàn GMAW với hai đầu mỏ hàn quay đồng thời cho hàn tấm dày khe hở hẹp 6

HÌNH 1.3 Giới hạn chiều dày tấm khi hàn giáp mối một lượt hàn bằng quá trình hàn TIG, PAW cho các vật liệu thép không gỉ 304, titanium và thép cacbon 7

HÌNH 1.4 Mô hình hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc 9

HÌNH 1.5 Mô hình hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với một mỏ hàn đồng trục duy nhất 11

HÌNH 1.6 Mô hình mỏ hàn của hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với một mỏ hàn đồng trục duy nhất 12

HÌNH 2.1 Sơ đồ nguyên lý hàn GMAW 18

HÌNH 2.2 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn 19

HÌNH 2.3 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn 20

HÌNH 2.4 Ảnh hưởng của điện áp hàn đến hình dạng mối hàn 20

HÌNH 2.5 Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng mối hàn 21

HÌNH 2.6: Khái niệm tầm với điện cực: (a) xác định tầm với điện cực; (b) quan hệ dòng điện hàn – tầm với điện cực 21

HÌNH 2.7 Tầm với điện cực khi: (a) - dịch chuyển ngắn mạch; (b) - dịch chuyển tia dọc trục 22

HÌNH 2.8 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn 22

HÌNH 2.9 Ảnh hưởng vị trí điện cực và kỹ thuật hàn đến hình dạng mối hàn 22

HÌNH 2.10 Thiết kế mối ghép hàn giáp mối tấm thép 12mm 23

HÌNH 2.11 Kích thước mối hàn giáp mối tấm thép 12mm 24

HÌNH 2.12 Thông số hàn sơ bộ với quá trình hàn GMAW 24

HÌNH 2.13 Liên kết hàn giáp mối tấm thép SS400 có chiều dày S= 12mm với 3 đường hàn: đường hàn lót (1); đường hàn trung gian (2) đường hàn phủ (3) bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ 26

HÌNH 2.14 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang plasma: (a)-sơ đồ nguyên lý hàn PAW; (b)-cột hồ quang Plasma 27

HÌNH 2.15 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang plasma: (a) hồ quang gián tiếp; (b) hồ quang trực tiếp 28

HÌNH 2.16 Sự phân bố nhiệt độ trong cột hồ quang: (a)-hàn TIG và (b)-hàn PAW 29 HÌNH 2.17 Đường đặc tính tĩnh của hồ quang Plasma 30

HÌNH 2.18 Áp lực hồ quang, hệ số mức độ tập trung và cường độ dòng điện hàn 32 HÌNH 2.19 Lưu lượng khí tạo plasma tiêu biểu theo chế độ hàn và đường kính lỗ vòi phun 33

HÌNH 2.20 Sơ đồ hàn Plasma ở chế độ lỗ khóa 34

HÌNH 2.21 Tiết diện dọc và ngang vũng hàn khi hàn không sử dụng kim loại phụ: (a)-hàn TIG; (b)- hàn PAW 35

HÌNH 2.22 Các kích thước cơ bản của vũng hàn và mối hàn 36

HÌNH 2.23 Sơ đồ tạo dáng nung chảy mối hàn 36

xi

HÌNH 2.24 Các kỹ thuật lót đáy mối hàn PAW 37

HÌNH 2.25 Các thông số cơ bản của lỗ khóa trong hàn PAW lỗ khóa 37

HÌNH 2.26 Sự hình thành và biến đổi kích thước lỗ khóa theo dòng hàn plasma ởchế độ hàn xung 38

HÌNH 2.27 Sự phân bố áp suất hồ quang plasma khi hình thành lỗ khóa (Ih = 140A;F

llk = 2l/phút; RNOZ = 1,6mm ) 40

HÌNH 2.28 Sơ đồ hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình thái một mỏ hànđồng trục, duy nhất 41

HÌNH 2.29 Quá trình hình thành hồ quang với chế độ “ khởi động mềm” 42

HÌNH 2.30 So sánh hồ quang hình thành và tương tác khi hàn, (a)-hàn GMAWtruyền thống; (b)-hàn lai ghép Plasma-GMAW 44

HÌNH 2.31 Trường nhiệt độ hồ quang Plasma xung quang dây hàn GMAW vớidòng hàn GMAW 200A trong trường hợp: (a) hàn GMAW thường; (b) hànPlasma-GMAW với đường kính điện cực plasma 7mm và (c) hàn Plasma-GMAW với đường kính điện cực plasma 3mm 45

HÌNH 2.32 Quan hệ giữa nhiệt độ giọt kim loại lỏng và dòng hàn GMAW trong cácquá trình hàn: (a) hàn GMAW thường; (b) hàn Plasma-GMAW với đường kínhđiện cực (PED) Plasma là 7mm và 3mm 45

HÌNH 2.33 Cấu tạo của hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình thái hai mỏhàn độc lập, đồng tốc (a) sơ đồ nguyên lý hệ thống hàn lai ghép Plasma-

GMAW; (b) vị trí gá lắp hai mỏ hàn PAW và GMAW trên thực tế 46

HÌNH 2.34 Quan sát quá trình hình thành giọt kim loại điện cực và sự tương tác hồquang bằng camera tốc độ cao (a) sự hình thành giọt kim loại lỏng và hồ

quang quá trình hàn GMAW, (b) sự hình thành giọt kim loại lỏng và hồ quangtương tác của quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW 47

HÌNH 2.35 Sơ đồ bố trí hai nguồn hàn PAW và GMAW và HSVC quan sát trongquá trình hàn đắp lên tấm thép cacbon 48

HÌNH 2.36 Kết quả quan sát sự tương tác hồ quang với hai cách đấu cực nguồn hàngmaw khác nhau (a) PAW đấu DCEN và GMAW đấu DCEN; (b) PAW đấuDCEN và GMAW đấu DCEP 48

HÌNH 2.37 Kết quả quan sát sự tương tác trong vũng hàn kim loại nóng chảy vớihai cách đấu cực nguồn hàn GMAW khác nhau (a) PAW đấu DCEN và

GMAW đấu DCEN; (b) PAW đấu DCEN và GMAW đấu DCEP 49

HÌNH 2.38 Ảnh hưởng của cách đấu cực nguồn hàn lên sự tương tác hồ quang vàhướng dòng chảy của kim loại lỏng trong vũng hàn nóng chảy (a) PAW đấu

DCEN và GMAW đấu DCEN; (b) PAW đấu DCEN và GMAW đấu DCEP 49

HÌNH 2.39 Sơ đồ gá đặt hai mỏ hàn PAW và GMAW 50

HÌNH 2.40 Mối quan hệ giữa dmin và α 50

HÌNH 2.41 Đầu mỏ hàn plasma ở trạng thái: (a) hoạt động bình thường; (b) bị hỏngkhi bị tác động nung nóng quá mức từ hồ quang GMAW 51

HÌNH 2.42 Hình dạng mối hàn cơ bản với các quá trình hàn PAW, GMAW và kếthợp giữa chúng trong điều kiện cùng thông số hàn 51

HÌNH 2.43 Mặt cắt ngang mối hàn tiêu biểu hình thành bởi quá trình hàn lai ghépPlasma-GMAW với hình thái hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc khi hàn một lượttấm thép cacbon thấp dày 12mm 52

xii

HÌNH 2.44 Quá trình chuẩn bị phôi hàn với khe hở hàn khác nhau phụ thuộc vào dạng vát mép phôi hàn (a) vát mép chữ V, khe hở hàn 0mm; (b) không vát

mép, khe hở hàn 1,5±0,5mm 53

HÌNH 2.45 Trường nhiệt độ trong quá trình hàn 54

HÌNH 2.46 Nguồn nhiệt khối có mật độ elipsoid theo phân bố gauxơ 56

HÌNH 2.47 Mô hình nguồn nhiệt rút gọn hàn GMAW 57

HÌNH 2.48 Dự đoán hình dạng và trường nhiệt độ vũng hàn PAW 58

HÌNH 2.49 Dòng chảy kim loại lỏng trong vũng hàn lỗ khóa 10 giây sau hàn PAW (a) trên toàn vũng hàn (một nửa vũng hàn); (b) mặt cắt ngang vũng hàn 59

HÌNH 2.50 Mô hình nguồn nhiệt kết hợp cải tiến cho quá trình hàn PAW lỗ khóa 59 HÌNH 2.51 Mô hình nguồn nhiệt hàn lai ghép laser-hồ quang phân bố trên bề mặt kim loại cơ bản 60

HÌNH 2.52 Mô hình nguồn nhiệt cải tiến cho quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW 60 HÌNH 3.1 Các tính chất cơ – lý – kim loại học của thép SS400 67

HÌNH 3.2 Mô hình mô phỏng của liên kết hàn giáp mối: (a) liên kết hàn giáp mối tấm dày 12 mm vát mép chữ V bằng quá trình hàn GMAW; (b) liên kết hàn giáp mối tấm dày 9 mm vát mép chữ Y bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW; (c) liên kết hàn giáp mối tấm dày 12 mm không vát mép, khe hở hàn 1,5mm bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW 68

HÌNH 3.3 Các kiểu lưới phần tử a) phần tử 1-D; (b, c) phần tử 2-D; d) phần tử 3-D 68 HÌNH 3.4 Mô hình PTHH điển hình của liên kết hàn giáp mối bằng quá trình GMAW và hàn lai ghép Plasma-GMAW: (a) liên kết hàn giáp mối tấm dày 12 mmvát mép chữ V bằng quá trình hàn GMAW; (b) liên kết hàn giáp mối tấm dày 9 mm vát mép chữ Y bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW; (c) liên kết hàn giáp mối tấm dày 12 mm không vát mép, khe hở hàn 1,5mm bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW 69

HÌNH 3.5 Quỹ đạo đường hàn và đường dẫn trên liên kết hàn giáp mối bằng: (a) quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW; (b) quá trình hàn GMAW 70

HÌNH 3.6 Các bề mặt va hàm trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh liên kết hàn giáp mối bằng công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW và GMAW 70

HÌNH 3.7 Các vị trí kẹp chặt khi hàn giáp mối bằng công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW va Plasma-GMAW 70

HÌNH 3.8 Phương pháp hiệu chỉnh mô hình nguồn nhiệt khi so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm 71

HÌNH 3.9 Kết quả so sánh giữa trường nhiệt độ tức thời khi mô phỏng GMAW cho tấm dày 12mm vát mép chữ V và mặt cắt ngang mối hàn thực nghiệm 73

HÌNH 3.10 Sự phân bố trường nhiệt độ tức thời trên tiết diện ngang liên kết giáp mối tấm thép dày 12mm vát mép chữ v khi hàn GMAW của 3 đường hàn có công suất nhiệt hiệu dụng trên từng đường hàn là P=4250w, vận tốc hàn v h =3,0mm/s 73

HÌNH 3.11 Vị trí của các nút quan trọng cần khảo sát va kiểm soát chặt chẽ chu trinh nhiệt hàn 74

xiii

HÌNH 3.12 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên Hình 3.11 trong chế độ hàn GMAW có công suất nhiệt hiệu dụng trên từng đường hàn là P=4250W, vận tốc hàn V

h =3,0mm/s 74

HÌNH 3.13 Phân bố ứng suất với 7 thành phần (sxx yy, s zz, s , s xy , s yz , s zx va svon mises) trong liên kết hàn giáp mối sau khi hàn 3 lượt trong chế độ hàn GMAW có công suất nhiệt hiệu dụng trên từng đường hàn là P=4250W, vận tốc hàn V h =3,0mm/s 75

HÌNH 3.14 Biến dạng theo các phương X, Y, Z và biến dạng tổng sau khi hàn 3 lượt trong liên kết hàn giáp mối trong chế độ hàn GMAW có công suất nhiệt hiệu dụng trên từng đường hàn là P=4250W, vận tốc hàn Vh =3,0mm/s 76

HÌNH 3.15 Kết quả so sánh giữa trường nhiệt độ tức thời khi mô phỏng hàn lai ghép Plasma-GMAW cho tấm dày 9mm và mặt cắt ngang mối hàn thực nghiệm 77

HÌNH 3.16 Sự phân bố trường nhiệt độ tức thời trong mối hàn (a) trên toàn bộ mô hình 3d của liên kết hàn; (b) trên mặt phẳng XoZ dọc theo đường hàn và (c)mặt cắt ngang mối hàn theo mặt phẳng YoZ 78

HÌNH 3.17 Sự phân bố trường nhiệt độ tức thời trên bề mặt mối hàn (a) ở phần bề mặt bên trên của liên kết hàn; (b) ở phần bề mặt bên dưới của liên kết hàn 78

HÌNH 3.18 Kết quả so sánh giữa trường nhiệt độ tức thời khi mô phỏng hàn lai ghép Plasma-GMAW và mặt cắt ngang mối hàn thực nghiệm 79

HÌNH 3.19 Sự phân bố trường nhiệt độ tức thời trong mối hàn tại vị trí nguồn nhiệt hàn ở giữa đường hàn (a) trên toàn bộ mô hình 3d của liên kết hàn; (b) trên mặt phẳng YoZ dọc theo đường hàn; (c) bề mặt phía trên mối hàn theo mặt phẳng XoY và (d) mặt cắt ngang mối hàn theo mặt phẳng XoZ 80

HÌNH 3.20 Vị trí của các nút quan trọng cần khảo sát và kiểm soát chặt chẽ chu trình nhiệt hàn 81

HÌNH 3.21 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên Hình 3.20 trong chế độ hàn lai ghép Plasma-GMAW có công suất nhiệt hiệu dụng là PPlasma=3000w,PGMAW=2300w; vận tốc hàn Vh =3,0mm/s 82

HÌNH 3.22 Phân bố ứng suất với 7 thành phần (sxx yy, s , s zz , s xy , s yz , s zx va svon mises) trong liên kết hàn giáp mối với chế độ hàn lai ghép Plasma-GMAW có công suất nhiệt hiệu dụng là Pplasma=3000W, PGMAW=2300w; vận tốc hàn V h =3,0mm/s 83

HÌNH 3.23 Biến dạng theo các phương X, Y, Z và biến dạng tổng trong liên kết hàn giáp mối với chế độ hàn lai ghép Plasma-GMAW có công suất nhiệt hiệu dụng là Pplasma=3000W, PGMAW=2300W; vận tốc hàn Vh =3,0mm/s 84

HÌNH 4.1 Hệ thống nguồn hàn Plasma và GMAW cơ bản cho quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW 87

HÌNH 4.2 Thiết lập hệ thống trang thiết bị thí nghiệm 87

HÌNH 4.3 Hệ thống đồ gá hàn 88

HÌNH 4.4 Hệ thống camera nhiệt tốc độ cao 89

HÌNH 4.5 Một số mẫu phôi hàn được nhập từ công ty gia công tại Nhật Bản đảm bảo đúng kích thước và tính chất vật liệu 89

xiv

HÌNH 4.6 Liên kết hàn giáp mối tấm thép SS400 có chiều dày 12mm vát mép chữ

V với 3 đường hàn bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ đường hàn lót (1);

đường hàn trung gian (2) và đường hàn phủ (3) 95

HÌNH 5.1 Sự thay đổi của chiều sâu ngấu và tỷ lệ hòa trộn của mối hàn theo dòng hàn Plasma với UGMAW = 23V: (a) chiều sâu ngấu; (b) tỷ lệ hòa trộn 100

HÌNH 5.2 Sự thay đổi của chiều rộng và chiều cao phần nhô của mối hàn theo dòng hàn plasma với UGMAW = 23 v: (a) chiều rộng mối hàn; (b) chiều cao phần nhô mối hàn 100

HÌNH 5.3 Mẫu hàn 1 với thông số hàn (1) của bảng 4.6:(a) hình dạng đường hàn; (b) mặt cắt ngang mối hàn 101

HÌNH 5.4 Mẫu hàn 2 với thông số thí nghiệm (2) của bảng 4.6:(a) hình dạng đường hàn; (b) mặt cắt ngang mối hàn 101

HÌNH 5.5 Mẫu hàn 3 với thông số thí nghiệm (3) của bảng 4.6:(a) hình dạng đường hàn; (b) mặt cắt ngang mối hàn 101

HÌNH 5.6 Mối hàn giáp mối hai phía thép tấm dầy t = 9mm không vát mép bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái 1: (a) đường hàn bên trên; (b) đường hàn bên dưới, (c) tiết diện ngang mối hàn 102

HÌNH 5.7 Mẫu hàn 5 đạt được bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với thông số hàn cơ bản IhP5 = 180a; Fllk5 = 3,0 l/phút (khí Ar); QGMAW5 = 2700W; V h5 = 2mm/s; Wr5 = 4 m/min (a) đường hàn phía trên; (b) chân đáy bên dưới và (c) mặt cắt ngang mối hàn 106

HÌNH 5.8 Mối hàn giáp mối tấm dày 12mm không vát mép bằng quá trình hàn PAW lỗ khóa với thông số hàn cơ bản ihp = 180a; fllk5 = 2,0 l/phút (khí ar+10%h2 ); v h = 2mm/s; (a) đường hàn phía trên; (b) chân đáy bên dưới và (c) mặt cắt ngang mối hàn 108

HÌNH 5.9 Mẫu hàn 6.1 không thành công do nguồn nhiệt hồ quang plasma lỗ khóa không đủ khi giáp mối hàn giáp mối tấm dày 12mm không vát mép bằng hàn lai ghép plasma-gmaw với thông số hàn cơ bản ihp = 160a; fllk = 2,0 l/phút (khí Ar+10%H2 ); QGMAW = 2000W; V = 2mm/s; WH R = 3,4 m/min (a) đường hàn phía trên; (b) chân đáy bên dưới 108

HÌNH 5.10 Mẫu hàn 6.2 đạt được khi hàn giáp mối tấm dày 12mm không vát mép bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với thông số hàn cơ bản Ihp =

180a; Fllk = 2,0 l/phút (khí Ar+10%h2 ); Qgmaw = 2360w; Vh = 2mm/s; Wr = 3,4 m/min (a) đường hàn phía trên; (b) chân đáy bên dưới và (c) mặt cắt ngang mối hàn 109

HÌNH 5.11 Mẫu hàn 6.3 đạt được khi hàn giáp mối tấm dày 12mm không vát mép bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với thông số hàn cơ bản Ihp =

180a; Fllk = 2,5 l/phút (khí Ar+10%H2 ); QGMAW = 2360w; Vh = 2mm/s; W r = 3,4 m/min (a) đường hàn phía trên; (b) chân đáy bên dưới và (c) mặt cắt ngang mối hàn 109

HÌNH 5.12 Tổ chức các vùng cơ bản trong mẫu hàn 6.2 110

HÌNH 5.13 Tổ chức tế vi vùng 1(x500) 110

HÌNH 5.14 Tổ chức tế vi vùng 2(x500) 110

HÌNH 5.16 Tổ chức tế vi vùng 3(x500) 111

HÌNH 5.15 Tổ chức tế vi vùng 4(x500) 111

xv

HÌNH 5.17 Tổ chức tế vi ranh giới vùng 2-3(x500) 111

HÌNH 5.18 Tổ chức tế vi ranh giới vùng 1-2(x500) 111

HÌNH 5.19 Tổ chức tế vi ranh giới vùng 1-3(x500) 111

HÌNH 5.20 Tổ chức tế vi ranh giới vùng 3-4(x500) 111

HÌNH 5.21 Sự phân bố độ cứng (a) phía trên đường hàn; (b) phía dưới đường hàn của mẫu hàn 6.2 112

HÌNH 5.22 Biểu đồ đo độ bền kéo mẫu hàn 6.2 113

HÌNH 5.23 Quá trình hàn giáp mối một lượt tấm thép dày 12mm không vát mép bằng hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược và góc nghiêng α thay đổi 450 ÷90 0

113 HÌNH 5.24 Liên kết hàn giáp mối tấm thép có chiều dày s= 12mm vát mép chữ V với 3 đường hàn bằng quá trình hàn GMAW (a) đường hàn phía trên; (b) chân đáy bên dưới và (c) mặt cắt ngang mối hàn 115

HÌNH 5.25 Kết quả so sánh giữa trường nhiệt độ tức thời khi mô phỏng và mặt cắt ngang mối hàn thực nghiệm khi hàn giáp mối tấm dày 12mm không vát mép bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với thông số hàn cơ bản Ihp =

180a; Fllk = 2,0 l/phút (khí Ar+10%H2 ); QGMAW = 2360W; V h = 2mm/s; Wr =

3,4 m/min 116

HÌNH 5.26 Hình ảnh vũng hàn nóng chảy và nhiệt độ của chúng trong quá trình hàn gmaw và quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW được chụp và đo bằng camera nhiệt (a), (b)hình ảnh vũng hàn với nhiệt độ vũng hàn và đồ thị phân bố nhiệt độ vũng hàn của quá trình hàn gmaw ; (c), (d)hình ảnh vũng hàn với nhiệt độ vũng hàn và đồ thị phân bố nhiệt độ vũng hàn của quá trình hàn lai ghép Plasma- GMAW 117

xvi

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, công nghệ hàn đóng một vai trò rất quan trọng và không thể thiếutrong nhiều ngành công nghiệp Ứng dụng công nghệ hàn trong công nghiệp đã bắtđầu từ hàng trăm năm trước và theo thời gian đã có những bước tiến vượt bậc, cụthể hiện nay trên 100 quá trình hàn đã được sử dụng trong công nghiệp Ở Châu Âu,công nghệ hàn được ứng dụng tại trên 190.000 doanh nghiệp, khoảng 5,5 triệu côngviệc có liên quan đến hàn được thực hiện bởi trên 730.000 thợ hàn Theo Hiệp hộihàn thế giới (IIW) trong năm 2017, mức tiêu thụ thép trên toàn thế giới vào khoảng1,72 tỷ tấn trong đó ước tính khoảng hai phần ba khối lượng thép đó được sử dụngtrong các kết cấu hàn Do đó, với xu hướng phát triển mạnh mẽ của công nghệ hàn,một yêu cầu và thách thức được đặt ra cho các nhà khoa học và kĩ thuật là nâng caonăng suất và chất lượng cho các quá trình hàn Để đáp ứng được yêu cầu đó, mộttrong những hướng phát triển chủ đạo trên thế giới là tạo ra các quá trình hàn mớibằng cách kết hợp các quá trình hàn đơn lẻ để tận dụng các ưu điểm và khắc phụcnhược điểm của từng quá trình hàn đó và được gọi là quá trình Hàn lai ghép (Hybridwelding process) Ngày nay, các công nghệ hàn lai ghép đã được nghiên cứu và ápdụng rất mạnh mẽ và có khoảng 20 quá trình hàn lai ghép đang được phát triển vớimột số quá trình hàn quan trọng và phổ biến như: quá trình hàn lai ghép hàn Laser

và hồ quang điện, quá trình hàn lai ghép hàn plasma và hồ quang điện, quá trình hànlai ghép hàn hồ quang điện cực kim loại nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ và

hồ quang tự động dưới lớp thuốc, quá trình hàn lai ghép kết hợp hàn điểm và hànvảy, quá trình hàn lai ghép hàn laser và hàn ma sát ngoáy, [1]

Trong quá trình nghiên cứu, phát triển các công nghệ hàn lai ghép, quá trình hàn laighép Plasma – GMAW bắt đầu được nghiên cứu và đề xuất triển khai tại phòng thínghiệm Philips (Hà Lan) vào năm 1972 Quá trình hàn này kết hợp được ưu điểm củaquá trình hàn GMAW là năng suất hàn cao, tốc độ đắp lớn với ưu điểm của quá trìnhhàn Plasma là sự ổn định hồ quang, chiều sâu ngấu lớn và khả năng kiểm soát sự hìnhthành mối hàn Trên thế giới, quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW đã được ứng dụng

đa dạng trong các công nghiệp như công nghiệp ô tô, đóng tầu, dầu khí, sửa chữa vàphục hồi các chi tiết máy quan trọng, Tuy nhiên không có nhiều các nghiên cứu lýthuyết về các hiện tượng vật lý và cơ chế hình thành liên kết hàn cùng với yêu cầu về

hệ thống trang thiết bị hiện đại, đắt tiền dẫn đến các công trình, bài báo trên thế giớinghiên cứu quá trình hàn lai ghép này vẫn còn hạn chế

Xuất phát từ thực tế nền công nghiệp sản xuất ở Việt Nam cho thấy trong cácngành công nghiệp chủ đạo nhu cầu ứng dụng của công nghệ hàn trong chế tạo và phụchồi các chi tiết quan trọng là rất lớn và cấp bách Đặc biệt các kết cấu hàn siêu trường,siêu trọng được chế tạo ngày càng nhiều như trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo giànkhoan, bồn bể áp lực cao, … và những kết cấu này thường được chế tạo từ

thép tấm có chiều dày phổ biến lớn hơn 8mm Khối lượng công việc hàn trong nhữngkết cấu như vậy thường rất lớn đặc biệt là chi phí cho công tác chuẩn bị mép liên kếthàn và vật liệu hàn Để tăng năng suất lao động, tiết kiệm vật liệu hàn nhằm hạn chếnhững chi phí lớn thì việc nghiên cứu áp dụng được công nghệ hàn một phía không vátmép thay cho các quá trình hàn hai phía hay hàn nhiều lượt có ý nghĩa hết sức quantrọng Do vậy nghiên cứu áp dụng công nghệ hàn lai ghép Plasma – GMAW để

có thể hàn được thép dày hơn 8mm mà không cần vát mép với một lượt hàn có tínhcấp thiết, góp phần nâng cao năng suất lao động, tiết kiệm thời gian, năng lượng vàvật liệu hàn góp phần làm giảm giá thành sản phẩm hàn.

Mục đích của luận án

- Xác định các thông số hàn phù hợp cho quá trình hàn lai ghép

Plasma-GMAW thông qua thực nghiệm kết hợp với tính toán mô phỏng

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu:

Luận án tập trung nghiên cứu công nghệ hàn lai ghép Plasma - GMAW trongliên kết giáp mối hàn một lượt thép tấm dày không vát mép

Phạm vi nghiên cứu:

Trong điều kiện cơ sở vật chất, thiết bị, phòng thí nghiệm của Viện nghiên cứuHàn & Ghép nối Nhật Bản - Đại học Osaka, với thiết bị hàn Plasma NW-300ASR

và mỏ hàn Plasma 101WH nên phạm vi nghiên cứu chính của luận án là nghiên cứu

lý thuyết kết hợp thực nghiệm để thực hiện quá trình hàn lai ghép Plasma - GMAWcho hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép có khe hở hàn thay đổi từ 0đến 2,5mm, chiều dày tấm đến 12mm với hai hình thái kết hợp nguồn nhiệt hồquang Plasma và GMAW tương ứng Vật liệu cơ bản là thép tấm Cacbon JIS-SS400

và vật liệu hàn là dây hàn JIS-Z3312 Quy mô nghiên cứu của luận án được xácđịnh trong phạm vi phòng thí nghiệm và một số cơ sở nghiên cứu khác

Phương pháp nghiên cứu

Hiện nay, trên thế giới xu hướng dùng các công cụ phần mềm trong tính toán và

mô phỏng các quá trình hàn nhằm dự đoán các kết quả đạt được trong thực tế nhằmtiết kiệm thời gian, công sức và các chi phí thực nghiệm đang rất phát triển Trongđiều kiện được tiếp cận phần mềm chuyên dụng cho mô phỏng quá trình hàn nhưSysweld (bản quyền), để thực hiện được các mục đích nghiên cứu của luận án tácgiả lựa chọn phương pháp nghiên cứu phối hợp giữa: lý thuyết, mô phỏng số vàthực nghiệm Cụ thể như sau:

- Nghiên cứu tài liệu để tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề tài

ở trong và ngoài nước Từ đó xác định rõ những kết quả đã được công bố và tìm ranhững nội dung mới mà luận án cần phải giải quyết Khảo sát, tìm hiểu về cơ sở vậtchất và các trang thiết bị để lựa chọn thực hiện luận án

- Nghiên cứu công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW và xác định mô hình phùhợp để ứng dụng trong hàn giáp mối thép tấm dày không vát mép

- Sử dụng phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu khảo sát trường nhiệt độtrong liên kết hàn giáp mối thép tấm dày Tiến hành thí nghiệm, đo đạc lấy kết quả

để so sánh kiểm nghiệm mô hình mô phỏng tính toán ở trên nhằm tối ưu quá trình

mô phỏng

- Sử dụng các trang thiết bị sẵn có phù hợp với điều kiện thực nghiệm để hàn giáp mối thép tấm dày không vát mép với thông số hàn phù hợp

Các kết quả mới của luận án:

Các kết quả nghiên cứu mới sẽ thu được từ luận án này gồm:

- Xác định được hình thái quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW phù hợp choquá trình hàn giáp mối thép tấm dày không vát mép là mô hình với 2 mỏ hàn PAW

& GMAW độc lập, đồng tốc và qua đó xác định được thông số gá đặt hợp lý khi tiếnhành liên kết hàn

- Xác định được mô hình nguồn nhiệt cải tiến phù hợp với quá trình hàn đã chọnqua đó đưa vào trong tính toán, mô phỏng số quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW.Các kết quả mô phỏng giúp ích cho việc đánh giá được trường nhiệt độ trong vũng hàndưới sự tương tác giữa 2 hồ quang của quá trình hàn PAW và GMAW

- Xác định được chế độ công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW thích hợp đểhàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép, qua đó đánh giá được ưu điểmnổi trội của phương pháp hàn lai ghép này so với các quá trình hàn riêng lẻ GMAW

- Tính toán và đưa ra được thông số gá đặt hợp lý giữa hai mỏ hàn PAW và GMAW là: góc nghiêng α = 15±5 0 và D E = D min ∼ 19,5mm.

- Đưa ra được giải pháp kỹ thuật có thể nâng cao công suất nguồn nhiệt Plasmabằng các thay đổi khí tạo Plasma là Ar với lưu lượng khí 3l/phút đã được thay bằnghỗn hợp khí Ar+10%H2 với lưu lượng khí 2l/phút nhưng có thể làm cho nhiệt độtrung bình cột hồ quang Plasma tăng lên 20%

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án

Ýnghĩa khoa học của luận án:

Đưa ra phương pháp nghiên cứu quá trình hàn lai ghép Plasma – GMAW vớihình thái hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc khi khảo sát mối quan hệ giữa các thông sốchế độ hàn ảnh hưởng đến hình dạng, kích thước mối hàn và ảnh hưởng của sựtương tác hồ quang PAW và GMAW đến trường nhiệt độ trong vũng hàn nhằm tối

ưu hóa các thông số, chế độ hàn lai ghép để mối hàn đạt được chất lượng tốt nhất

Ý nghĩa thực tiễn của luận án:

Kết quả nghiên cứu của luận án có tính khả thi trong điều kiện Việt Nam có thểứng dụng để chế tạo, sản xuất các sản phẩm mới phục vụ cho công nghiệp đóng tàu

3

trọng tải lớn, chế tạo hệ thống ống có chiều dày lớn nhằm thay thế các quá trình hàntruyền thống như GMAW, TIG, SAW.

Kết cấu của luận án

Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 05 phần nội dung chính, kết luận chung của luận án và kiến nghị:Chương 1 TỔNG QUAN HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW.Chương 3 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÀN LAI GHÉP

PLASMA-GMAW ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SYSWELD

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Chương 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN

Kết luận chung của luận án và kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo

Danh mục các công trình đã công bố của luận án

Danh mục tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW

Khái niệm quy ước về hàn tấm có chiều dày lớn.

Hiện nay trên thế giới chưa có định nghĩa cụ thể khi hàn thì chiều dày tấm baonhiêu được coi là lớn bởi vì tùy vào quá quá trình hàn mà có khái niệm tấm chiềudày lớn cho phù hợp Cụ thể hơn, trong luận án này có thể coi “tấm chiều dày lớn”

là một thuật ngữ mang tính quy ước kỹ thuật để chỉ chiều dày thép tấm vượt quá khảnăng của các quá trình hàn GMAW và PAW riêng lẻ có thể hoàn thành trong điềukiện hàn giáp mối một lượt từ một phía với phôi hàn không vát mép

Khái niệm tấm chiều dày lớn khi hàn bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ.

Quá trình hàn GMAW cho phép hàn thép có chiều dày khác nhau thông qua cácchế độ dịch chuyển kim loại điện cực vào vũng hàn: dịch chuyển tia dọc trục, dịchchuyển giọt lớn, dịch chuyển ngắn mạch, dịch chuyển tia dạng xung và dịch chuyển

hồ quang xoắn Khi hàn GMAW, có thể sử dụng khí bảo vệ là khí hoạt tính, khí trơhoặc hỗn hợp khí khi hàn vật liệu thép cacbon và một số thép hợp kim thấp Theotiêu chuẩn ISO 9692-1:2013, khi hàn giáp mối tấm thép cacbon bằng quá trình hànGMAW việc chuẩn bị mối nối với các kích thước phôi hàn được quy định theo Bảng1.1

Bảng 1.1 Các kiểu chuẩn bị mối nối cơ bản với các mối hàn giáp mối, một phía bằng quá trình hàn GMAW

Ngoài ra, đối với tấm có chiều dày lớn hơn 40mm có thể ứng dụng công nghệ hàntấm dày khe hở hẹp phù hợp và cho phép hàn độ dày tấm lên tới 300 mm, không

vát mép (khe hở hẹp dưới 10 mm) hoặc vát mép chữ U (Hình 1.1) Thông thường,dạng vát mép chữ U - Hình 1.1 (b) thường được sử dụng nhiều hơn vì không yêucầu tấm lót đáy, điền đầy dễ hơn và biến dạng khi nguội ít hơn so với hàn tấm dàykhông cần vát mép - Hình 1.1 (a) Để hàn tấm dày không vát mép với chiều dày lớnhơn 40mm có thể dùng công nghệ hàn GMAW với hai mỏ hàn xoay đồng thời nhưHình1.2 Tuy nhiên, các quá trình hàn tấm dày khe hở hẹp này đòi hỏi độ chính xáccao trong chuẩn bị và lắp ghép các mép hàn cũng như sự điều khiển rất chính xácquá trình di chuyển của mỏ hàn với các thiết bị đắt tiền, hiện đại [2], [3].

(a)- Không vát mép (b)- Vát mép chữ U; R = 4÷6 mm;

Chiều cao không vát mép 2÷4 mm

Hình 1.1 Các dạng mối hàn trong hàn tấm dày khe hở hẹp: (a) Hàn tấm dày khe hở hẹp

GMAW

Hình 1.2 Công nghệ hàn GMAW với hai đầu mỏ hàn quay đồng thời cho

Khái niệm tấm chiều dày lớn khi hàn bằng quá trình hàn PAW riêng lẻ.

Quá trình hàn PAW được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hàn vật liệu kim loại

và hợp kim được chia làm hai hình thái là hàn hồ quang gián tiếp và hồ quang trực tiếp(còn gọi là hồ quang chuyển tiếp hoặc hồ quang ngoài) Khi hàn bằng hồ quang giántiếp, nhiệt của hồ quang nén truyền vào vật hàn thông qua truyền nhiệt, đối lưu và bức

xạ nên được áp dụng chủ yếu cho hàn các vật liệu không dẫn điện Với hồ quang trựctiếp, ngoài những cơ chế nói trên, vật hàn còn nhận được nhiệt thông qua năng lượngcủa các hạt điện tích di chuyển có hướng trong cột hồ quang nên hiệu suất cao hơn hồquang gián tiếp 10÷30% (và có thể lên tới giá trị 70÷80%) Tuy nhiên,

nhược điểm chính của phương pháp hàn PAW hồ quang trực tiếp là áp lực gia tăngcủa hồ quang lên vũng hàn nên theo lý thuyết chỉ có thể thực hiện được các mối hàngiáp mối một phía với một lượt hàn cho vật liệu có chiều dày trong khoảng8÷10mm phụ thuộc vào vật liệu hàn cơ bản (Hình 1.3 ).

Thép CacbonThép không gỉ SS304

Trên thực tế, khi hàn các tấm có chiều dày lớn hơn 8mm, dải điều chỉnh các thông

số hàn bị thu hẹp đáng kể, nhất là lưu lượng khí tạo Plasma (nếu tăng quá giá trị tớihạn, quá trình hàn sẽ chuyển quá trình cắt kim loại) và cần chuẩn bị phôi hàn phức tạphơn để hàn nhiều lượt (Bảng 1.2 ) Ngoài ra khi hàn giáp mối tấm thép cacbon có chiềudày lớn cần hàn nhiều lượt thì chỉ có lớp hàn lót được hàn bằng quá trình hàn PAW lỗkhóa (chiều sâu ngấu nhỏ hơn 6mm), các lượt hàn sau sẽ được hàn bằng quá trình hànPAW nung chảy có bù dây Theo tiêu chuẩn ASM ([5]) khuyến cáo để mối hàn đạt chấtlượng tốt, quá trình hàn PAW có khả năng hàn giáp mối một lượt, một phía tấm thépcacbon có chiều dày nhỏ hơn 6mm với phôi hàn không vát mép Để hàn giáp mối tấmchiều dày lớn hơn 6mm, với quá trình hàn PAW riêng lẻ sẽ yêu cầu phải vát mép phôihàn và phải hàn nhiều lượt để đảm bảo ngấu toàn bộ mối hàn

Như vậy theo thuật ngữ “tấm chiều dày lớn“ đã quy ước trong luận án này, đốivới quá trình hàn PAW riêng lẻ, theo lý thuyết có thể nói chiều dày tấm thép Cacbonlớn hơn 8mm được coi là chiều dày lớn và trên thực tế có thể coi chiều dày tấm thépCacbon lớn hơn 6mm được coi là chiều dày lớn

Bảng 1.2 Các kiểu chuẩn bị mối nối cơ bản với các mối hàn giáp mối, một phíabằng quá trình hàn PAW (nguồn [5])

3 ≤ S ≤ Không - - Plasma 1 Có thể yêu cầu sử

đáy ngăn ngừa cháy thủng

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Quá trình hàn lai ghép.

Theo tiêu chuẩn ISO 15614-14:2013(E), hàn lai ghép là hàn mà trong đó có haihay nhiều quá trình hàn được sử dụng và tác động đồng thời trong cùng vũng hàn.Ngày nay, các công nghệ hàn lai ghép đã được nghiên cứu và áp dụng rất mạnh mẽ

và có thể tổng hợp khoảng 20 quá trình hàn lai ghép đang được phát triển với một sốquá trình hàn quan trọng và phổ biến nhất như: ([1])

- Quá trình hàn lai ghép Hàn Laser – Hàn hồ quang điện là quá trình kết hợpgiữa Hàn Laser và Hàn hồ quang điện cực kim loại nóng chảy trong môi trường khíbảo vệ – MIG, hoặc với Hàn hồ quang điện cực kim loại không nóng chảy trongmôi trường khí bảo vệ – TIG

- Quá trình hàn lai ghép Hàn Plasma – Hàn hồ quang điện là quá trình kết hợpgiữa Hàn Plasma và Hàn hồ quang điện cực kim loại nóng chảy trong môi trườngkhí bảo vệ – GMAW

- Quá trình hàn lai ghép MIG – SAW là quá trình kết hợp giữa Hàn hồ quangđiện cực kim loại nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ – MIG và Hàn hồ quang

tự động dưới lớp thuốc – SAW

- Quá trình hàn lai ghép kết hợp giữa Hàn điểm và Hàn vảy

- Quá trình hàn lai ghép kết hợp năng lượng Laser của Hàn Laser làm hoạt hóaquá trình Hàn ma sát ngoáy

- Quá trình hàn lai ghép A- TIG kết hợp năng lượng hóa học làm hoạt hóa quá trình Hàn TIG

- Quá trình hàn lai ghép kết hợp giữa năng lượng siêu âm làm hoạt hóa quá trình Hàn TIG

Quá trình hàn lai ghép Plasma - GMAW

Theo thời gian nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trong sản xuất, quá trình hànlai ghép Plasma - GMAW đã được phân chia thành hai hình thái kết hợp giữa quátrình hàn hồ quang Plasma và quá trình hàn GMAW bao gồm:

- Hình thái quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồngtốc

- Hình thái quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với một mỏ hàn đồng trục duy nhất

Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc

Hình thái kết hợp đầu tiên giữa quá trình hàn PAW và quá trình hàn GMAW làkết hợp hai quá trình hàn PAW và GMAW cùng với 2 mỏ hàn độc lập để tạo thànhmột hệ thống mỏ hàn duy nhất tạo nên sự đồng tốc trong chuyển động của 2 mỏ hànPAW và GMAW (Hình 1.4 ) Với hình thái kết hợp 2 quá trình hàn như vậy, ưuđiểm của quá trình hàn PAW là nhiệt độ tập trung cao, chiều sâu ngấu lớn và ưuđiểm của hàn GMAW là tốc độ đắp lớn được kết hợp với nhau và được ứng dụngrộng rãi trong việc liên kết các tấm có chiều dầy lớn trong một số sản phẩm côngnghiệp đặc thù như kế cấu xây dựng có trọng tải lớn, đóng tàu, chế tạo đường ống,các thiết bị trao đổi nhiệt ([6].)

Hướng hàn

Trong đó:

1-Vật hàn; 2-Dòng khí Plasma; 3-Vòi phun Plasma; 4-Kim loại nóng chảy; 5-Trục điện cực Plasma; 6-Trục dây hàn GMAW; 7-Góc giữa hai điện cực Plasma và GMAW; 8-Điện cực Vonfram của hàn PAW; 9-Dây hàn GMAW; 10-Hồ quang của GMAW; 11- Vùng plasma

động lên hồ quang Plasma; 15-Lực từ trường F tác động lên hồ quang GMAW.

Hình 1.4 Mô hình hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc

Một số công trình, bài báo trên thế giới nghiên cứu quá trình hàn lai ghép này như:

- [6] – “Hybrid Welding: An Alternative to SAW”, theo Welding Solutions

trình hàn tự động dưới lớp thuốc Kết quả của nghiên cứu cho thấy quá trình hàn laighép Plasma-MIG hoàn toàn có thể thay thế quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc khihàn tấm với ống hoặc giáp mối tấm với tấm Đặc biệt, với một đầu hàn lai ghép đượcthiết kế tối ưu cho sự kết hợp giữa hai đầu mỏ hàn PAW và MIG, quá trình hàn lai ghépcó thể hàn giáp mối một lượt thép tấm dày với tốc độ tăng 50% so với hàn tự động dướilớp thuốc Ngoài ra, quá trình hàn lai ghép Plasma-MIG cũng làm giảm công suất tiêuthụ và nhìn chung, giảm giá thành đi khoảng 75% so với hàn tự động dưới lớp thuốc

- [7] – “Joining Methodology for Titanium Alloys”, tác giả Jeff Palms đã nghiêncứu phương pháp hàn hợp kim Tianium bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-MIG

Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình hàn lai ghép Plasma-MIG (SuperMIGTM) đãnâng cao chiều sâu ngấu và tốc độ hàn lên 2 lần so với quá trình hàn GMAW khihàn vật liệu khó hàn là hợp kim Titanium Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn cho biếtquá trình hàn lai ghép Plasma-MIG cho chất lượng hàn ổn định, giảm lượng bắn tóe

và khả năng tự động hóa cao

- [8] – “Effect of mechanical restraint on weldability of reduced activation

ferritic/martensitic steel thick plates”, các tác giả Hisashi Serizawa, Shinichiro

Nakamura, Manabu Tanaka, Yousuke Kawahito, Hiroyasu Tanigawa và Seiji Katayama

đã nghiên cứu ảnh hưởng các điều kiện ràng buộc cơ học đến tính hàn các loại thépferritic/martensitic khi hàn tấm dày bằng cách kết hợp quá trình hàn lai ghép Plasma-MIG và hàn Laser Kết quả nghiên cứu cho thấy chiều sâu ngấu của mối hàn dày 32

mm có thể đạt được bằng cách kết hợp dùng hàn Laser công suất 10 kW ở một lượt 12

mm bên dưới và lớp 20 mm dùng hàn lai ghép Plasma-MIG với nhiều lượt hàn ở bêntrên Ngoài ra, việc hàn tấm dày 90 mm, dài 200 mm, rộng 400 mm và độ dài đườnghàn là 180 mm cũng đã được nghiên cứu và tiến hành thử nghiệm

để xác định các thông số tối ưu cho quá trình hàn

- [9] – “Physical properties of the Plasma-MIG welding arc”, tác giả H.Ton đãnghiên cứu trường nhiệt độ phân bố trong hồ quang hàn và thành phần hóa học của cácnguyên tố ở các vị trí khác nhau trong cột hồ quang Kết quả nghiên cứu cho thấy trongquá trình hàn lai ghép Plasma-MIG có sự khác nhau giữa hồ quang bên trong và hồquang bao ngoài dẫn đến sự khác nhau về nhiệt độ và thành phần kim loại của các vùngnày Vùng hồ quang bên trong có nhiệt độ thấp hơn nhiều và ít các kim loại bay hơi.Nguyên nhân chính của nhiệt độ vùng hồ quang bên trong thấp là do độ dẫn

điện của vùng hồ quang bên trong nhỏ hơn rất nhiều vùng hồ quang bao ngoài, dovậy chỉ một lượng nhỏ dòng điện trong dây hàn MIG được đi qua vùng hồ quangbên trong Các vùng hồ quang có độ sáng khác nhau là do sự xuất hiện kim loại bayhơi trong vùng hồ quang phía trong

- [10] – “Development of Plasma-Arc Hybrid Welding Technology” các tác giảMATSUSHITA Muneo, KATAOKA Tokihiko, IKEDA Rinsei và ENDO Shigeru đãnghiên cứu ảnh hưởng của các thông số quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW tới chấtlượng mối hàn khi hàn đắp 1 lớp và hàn chồng 2 tấm thép dày 3,2mm Các kết quảnghiên cứu cho thấy các cách nối cực dòng hàn của nguồn hàn Plasma và GMAW cóảnh hưởng rất lớn đến sự tương tác hồ quang Plasma và hồ quang GMAW, nếu chúngđều được đấu phân cực thuận (DCEN) thì hồ quang của hai quá trình hàn này sẽ có xuhướng hút lẫn nhau dẫn đến cùng kim loại lỏng giữa 2 mỏ hàn sẽ bị đập vào nhau vàphá hủy Ngoài ra nếu quá trình hàn PAW đấu DCEN, quá trình hàn GMAW

đấu DCEP thì sẽ có xu hướng đẩy lẫn nhau dẫn đến chất lượng mối hàn tốt Với quátrình hàn chồng 2 tấm thép dày 3,2mm, quá trình hàn lai ghép cho thấy ưu điểmvượt trội khi tạo ra được phần nhô mối hàn chất lượng tốt và hạn chế được dòngchảy kim loại lỏng dưới chân mối hàn

- [11] – “ Double-electrode arc welding process: Principle, variants, control and

developments” các tác giả Yi Lu, ShuJun Chen, Yu Shi, Xiangrong Li, Jinsong Chen,

Lee Kvidahl và Yu Ming Zhang đã nghiên cứu nguyên lý, các dạng biến thể và điềukhiển và phát triển các quá trình hàn lai ghép dùng 2 nguồn hồ quang Các kết quảnghiên cứu cho thấy quá trình hàn với 2 nguồn hồ quang có thể hàn chế dòng

hàn đi vào kim loại cơ bản từ dây hàn nóng chảy bởi có sự rẽ nhánh dòng hàn Cảhai quá trình hàn dùng nguồn hồ quang điện cực kim loại nóng chảy hoặc nguồn hồquang điện cực kim loại không nóng chảy kết hợp với quá trình hàn GMAW thôngqua khả năng điều khiển và khống chế các thông số quá trình hàn sẽ nâng cao năngsuất so với hàn GMAW thông thường, có thể giảm được năng lượng đầu vào mà vẫngiữ nguyên hệ số đắp hoặc có thể tăng hệ số đắp khi giữ nguyên năng lượng đầuvào Do đó, với các kết quả tích cực như trên, quá trình hàn hai hồ quang (hàn laighép) được phát triển mạnh và ứng dụng trong công nghiệp đóng tầu.

Đối với quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồng tốccác công trình nghiên cứu tập trung đến nghiên cứu ứng dụng công nghệ này trongliên kết hàn các tấm thép Cacbon, thép hợp kim nhằm thay thế các quá trình hàntruyền thống như SAW, GMAW, TIG, Ngoài ra hình thái hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc còn được áp dụng trong liên kết hàn giápmối một lượt những tấm kim loại cơ bản khó hàn như hợp kim titanium cần chấtlượng mối hàn cao Tuy nhiên tác giả thấy rằng trong các công trình đã công bốchưa có những nghiên cứu cụ thể về sự hình thành và tương tác hồ quang hàn cũngnhư đánh giá được ưu nhược điểm của quá trình hàn lai ghép này khi hàn giáp mốitấm thép dày so với các phương pháp hàn riêng lẻ GMAW và PAW khi hàn giáp mốimột lượt thép tấm dày

Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với một mỏ hàn đồng trục duy nhất.

Hình thái kết hợp thứ hai giữa quá trình hàn PAW và quá trình hàn GMAW làkết hợp hai quá trình hàn PAW và GMAW để tạo thành một hệ thống mỏ hàn đồngtrục duy nhất (Hình 1.5 và Hình 1.6 ) Trong hình thái kết hợp này, thông thườngquá trình hàn Plasma sẽ được kết hợp với quá trình hàn GMAW để tránh xung độtgiữa các loại khí khi hàn Với hình thái kết hợp 2 quá trình hàn như vậy, ưu điểmcủa quá trình hàn GMAW là năng suất hàn cao và sự ổn định hồ quang kết hợp vớikhả năng kiểm soát sự hình thành mối hàn của quá trình hàn PAW Một ưu điểmkhác nữa là sự độc lập trong kiểm soát việc cấp năng lượng đầu vào cho hồ quangPlasma và cho dây hàn nóng chảy dẫn đến nâng cao khả năng kiểm soát hình dạng,kích thước mối hàn Chính vì vậy, quá trình hàn lai ghép này được ứng dụng khôngnhững trong hàn đắp phục hồi các chi tiết máy quan trọng mà còn có thể hàn ghépnối các chi tiết có chiều dày nhỏ Một số công trình, bài báo trên thế giới nghiên cứuquá trình hàn lai ghép này cụ thể như:

Hì nh 1.5 Mô hình hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với một mỏ hàn đồng trục duy

Khí bảo vệ GMAWDây hàn GMAW

Chụp dẫn khí phía ngoài

Hồ quang Plasma

Hồ quang GMAW

Hình 1.6 Mô hình mỏ hàn của hệ thống hàn lai ghép

- [12] – “Application of Plasma-MIG Hybrid Welding to Dissimilar Joint between

Copper and Steel”, các tác giả S.Asai, T.Ogawa, Y.Ishizaki, T.Minemura, H.Minami và

S.Miyazaki đã nghiên cứu ứng dụng Hàn lai ghép Plasma-MIG để hàn hai loại vật liệukhác nhau đồng và thép trong liên kết hàn góc với chiều dày tấm đồng là 4mm, chiềudày tấm thép cacbon thấp là 20mm Kết quả nghiên cứu cho thấy dùng quá trình hàn laighép Plasma-MIG để hàn hai loại vật liệu khác nhau đồng và thép có thể khắc phụchoàn toàn một số khuyết tật khi hàn khi tối ưu một số thông số như cường độ dòngPlasma, tốc độ cấp dây hay vị trí tương quan giữa đầu mỏ hàn vật hàn

- [13] – “Heat transfer and penetration mechanisms with GMA and Plasma-GMA

welding”, các tác giả Essers và Walter đã nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và hình

thành chiều sâu ngấu mối hàn trong hàn GMAW và hàn lai ghép Plasma - GMAW Kếtquả nghiên cứu cho thấy tác giả đã sử dụng công nghệ đo nhiệt lượng và chỉ ra rằng cóhai điện cực trong quá trình hàn lai ghép Plasma-MIG, một là ở phần

đầu của dây hàn MIG và hai là đầu điện cực Plasma, trong đó một phần nhiệt tạo rabởi hồ quang Plasma được hấp thụ bởi hệ thống làm mát, phần còn lại được truyềnxuống cho vật hàn cùng với năng lượng của quá trình hàn MIG

- [14] – “Welding characteristics of the plasma–MIG process”, các tác giả

Jelmorini G, Tichelaar GW và Essers WG Jelmorini đã đánh giá sự hình thành Hìnhdạng mối hàn của quá trình hàn lai ghép Plasma-MIG và chỉ ra rằng sự có mặt củadòng hàn Plasma sẽ có xu hướng làm tăng bề rộng mối hàn và làm cho tính thấmướt tốt hơn

- [15] – “Influence of Plasma-MIG welding parameters on aluminum weld porosity by orthogonal test”, các tác giả BAI Yan, GAO Hong-ming, WU Lin, MA

Zhao-hui và CAO Neng đã nghiên cứu ảnh hưởng các thông số của quá trình hàn laighép Plasma-MIG đến khuyết tật rỗ khí khi hàn giáp mối tấm hợp kim nhôm dày10mm, vát mép chữ V Kết quả nghiên cứu cho thấy khuyết tật rỗ khí khi hàn nhômtrong quá trình hàn lai ghép Plasma-MIG nguyên nhân chủ yếu là do lưu lượng khítạo plasma, ngoài ra còn là do ảnh hưởng của điện áp của hàn MIG, tốc độ cấp dây

và cường độ dòng Plasma Qua đó, bằng các thí nghiệm để tối ưu hóa các thông sốnày thì các khuyết tật rỗ khí hầu như không còn, cơ tính của mối hàn có thể đạtđược 92,62% độ bền và 85,12% độ giãn dài tương đối so với kim loại cơ bản

- [16] – “Electrical model for the Plasma-MIG Hybrid Welding process”, các

tác giả Moises Alves de Oliveira và Jair Carlos Dutra đã nghiên cứu Mô hình điệncủa quá trình hàn lai ghép Plasma-MIG khi tiến hành hàn đắp lên tấm nhôm kíchthước 10mm x 200mm x 250mm với dây hàn AlSi5 đường kính 1,2mm Kết quảnghiên cứu cho thấy đã Mô hình hóa quan hệ điện áp và dòng hàn trong quá trìnhhàn lai ghép Plasma-MIG qua đó đưa ra biểu thức quan hệ giữa điện áp Plasma,MIG với dòng của Plasma và MIG Qua mối qua hệ này, việc khống chế các đặctính phức tạp của quá trình hàn lai ghép Plasma-MIG sẽ dễ dàng hơn

- [17] – “Influence of welding current in Plasma–MIG weld process on the bead

weld geometry and wire fusion rate” Các tác giả Andre Alves de Resende, Valtair

Antonio Ferraresi, Americo Scotti và Jair Carlos Dutra đã nghiên cứu ảnh hưởng củadòng hàn bao gồm dòng hàn Plasma và dòng hàn MIG đến hình dạng mối hàn và tốc

độ nóng chảy của dây hàn khi tiến hành hàn đắp một lượt lên tấm thép cabon ABNT

1020 có kích thước 30 x 50.8 x 6.35 mm, dây hàn AWS ER70S-6 đường kính 1,2 mm.Các kết quả nghiên cứu cho thấy sự kết hợp giữa dòng hàn Plasma và năng lượng đầuvào của quá trình hàn MIG tác động làm thay đổi Hình dáng và kích thước mối hàntheo xu hướng giảm chiều sâu ngấu, giảm kích thước vùng kim loại nóng chảy, giảm tỷ

lệ hòa trộn, tăng bề rộng mối hàn và giảm chiều cao phần nhô mối hàn khi dòng hànPlasma tăng lên Điều này cho thấy công nghệ hàn lai ghép Plasma-MIG không nhữngcó thể ứng dụng trong hàn các chi tiết chiều dày nhỏ mà còn có thể ứng dụng trong cácquá trình hàn đắp và phục hồi các chi tiết máy quan trọng

- [18] – “The study on Plasma-MIG hybrid arc behaviour and droplet transfer for mild steel welding”, các tác giả Tao Yang, Hongming Gao, Shenghu Zhang,

Jingwei Shi và Lin Wu đã nghiên cứu sự tương tác giữa hồ quang Plasma và hồ quangMIG và quá trình dịch chuyển giọt kim loại trong quá trình hàn lai ghép Plasma - MIGđắp lên tấm thép Cacbon thấp với dây hàn H08Mn2Si, đường kính 1,2mm Các kết quảnghiên cứu cho thấy hồ quang Plasma và hồ quang MIG không tồn tại độc lập với nhau

mà chúng thiết lập thành một cặp tương hỗ lẫn nhau qua việc chia sẻ dây hàn, vùngđiện từ được ion hóa và môi trường hồ quang có tác dụng làm giảm mật độ dòng điện

và giảm hiệu ứng tác động tương hỗ điện từ trường trong hồ quang MIG Ngoài ra, sựbiến động bất thường của điện áp và dòng điện hồ quang khi có dịch chuyển giọt kimloại lỏng có thể được hạn chế đáng kể do tính năng tự điều chỉnh nhờ tác động tươnghỗ giữa hai hồ quang, do vậy quá trình hàn này sẽ ổn định hơn và giảm khả năng bắntóe Hơn nữa, tác động gia nhiệt trước khi hàn cho kim loại cơ bản của hồ quang laighép Plasma-MIG đã được xác nhận dẫn đến làm tăng tính thấm

ướt của kim loại cơ bản và dây hàn, đường hàn mượt hơn và hình dạng vảy hàn đều hơn

- [19] – “Characteristics of ionized gas metal arc processing”, các tác giả M.

Tanaka, T Tamaki, S Tashiro, K Nakata, T Ohnawa và T Ueyama đã nghiên cứu đặctính của quá trình hàn điện cực kim loại trong môi trường khí đã được ion hóa (i-

GMA) Đây thực chất chính là quá trình hàn lai ghép Plasma - MIG khi hồ quangPlasma được tạo bởi khí tạo plasma (Argon) được coi như môi trường khí đã được ionhóa bên ngoài hồ quang MIG Các kết quả nghiên cứu cho thấy với quá trình hàn i-GMA với việc tác động nhiệt lên dây hàn MIG đã làm giảm được dòng hàn MIG trongkhi tốc độ cấp dây không đổi khi so sánh với quá trình hàn MIG truyền thống Ngoài ra,việc dịch chuyển giọt kim loại từ dây hàn vào kim loại cơ bản diễn ra ổn

định do sự thay đổi nguồn nhiệt hồ quang từ dòng hàn cơ bản đến dòng ngắn mạchdiễn ra rất mượt, do vậy đây là đặc tính rất quan trọng của quá trình hàn hồ quangđiện cực kim loại nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ được ion hóa.

- [20] – “Development of Plasma GMA welding system”, các tác giả Zhongjie

Liu, Kohei Ono, Tomoyuki Ueyama, Tetsuo Era và Manabu Tanaka đã nghiên cứukết hợp hai quá trình hàn Plasma-GMAW trong một mỏ hàn đồng trục khi hàn đắpmột lượt lên tấm hợp kim nhôm-magiê (A5052), dày 4mm và hàn chồng tấm thépCacbon chiều dày nhỏ 3,2mm Các kết quả đạt được cho thấy quá trình hàn lai ghépnày đã nâng cao được chất lượng mối hàn, giảm lượng bắn tóe và giảm lượng khícháy, do đó đây là quá trình hàn “sạch” Các kết quả nghiên cứu còn cho thấy khităng dòng hàn Plasma, mối hàn sẽ phẳng hơn và chiều sâu ngấu lớn hơn với vật liệu

cơ bản là hợp kim nhôm-magiê Tuy nhiên với vật liệu cơ bản là thép cacbon thấpthì mối hàn sẽ phẳng và chiều sâu ngấu nông hơn khi áp dụng công nghệ hàn này

- [21] – “Study on factors affecting the droplet temperature in plasma MIG welding process”, các tác giả Sarizam Bin Mamat, Shinichi Tashiro, Manabu Tanaka

và Mahani Yusoff đã nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến nhiệt độ giọt kim loạilỏng khi hàn lai ghép Plasma-MIG Các kết quả đạt được cho thấy tốc độ nóng chảycủa dây hàn MIG trong hàn lai ghép Plasma-MIG lớn hơn so với khi hàn MIGthông thường trong khi nhiệt độ giọt kim loại lỏng của dây hàn MIG nóng chảytrong hàn lai ghép nhỏ hơn khi hàn MIG riêng lẻ với cùng dòng hàn Do vậy, đây làhướng phát triển khi sử dụng quá trình hàn lai ghép này để giảm nhiệt đầu vào lênkim loại cơ bản thông qua việc giảm nhiệt độ giọt kim loại lỏng từ dây hàn MIGnhờ tác động hồ quang Plasma bao bọc bên ngoài Ngoài ra khi giảm đường kínhđiện cực kim loại không nóng chảy của hàn Plasma cũng làm phân tán dòng hànMIG dẫn đến nhiệt độ giọt kim loại lỏng cũng sẽ giảm

Đối với quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với một mỏ hàn đồng trục duynhất, các nghiên cứu tập trung đến quá trình hàn đắp một lượt lên các tấm mỏng vớimục đích ứng dụng trong công nghệ hàn đắp và phục hồi các chi tiết máy Ngoài rahình thái hàn lai ghép Plasma-GMAW với một mỏ hàn đồng trục duy nhất còn được

áp dụng trong liên kết hàn giáp mối, hàn chồng những tấm kim loại cơ bản có tínhhàn kém như hợp kim Al, Cu, Ti, có chiều dày nhỏ

Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Quá trình hàn giáp mối tấm chiều dày lớn

Để hàn tấm có chiều dày rất lớn (lớn hơn 40mm) có thể dùng quá trình hàn tấmdày với khe hở hẹp và công nghệ này đã được ứng dụng trong các ngành côngnghiệp đóng tàu, trong công nghiệp dầu khí, trong giao thông vận tải,… và đã được

áp dụng trên thế giới nhưng hầu như chưa có ở Việt Nam vì trang thiết bị và côngnghệ hiện đại, đắt tiền Với nhu cầu hàn thép tấm dày lớn, thông thường các phôihàn sẽ được vát mép và tiến hành hàn nhiều lượt với các quá trình hàn thông thườngnhư MMA, GMAW, SAW

Quá trình hàn PAW

Quá trình hàn Plasma thường được nghiên cứu, ứng dụng ở trong nước là hàn đắpPlasma bột (PTA- Plasma Transferred Arc Welding) dùng để sửa chữa và phục hồi cácchi tiết máy quan trọng sau thời gian dài làm việc trong các quá trình sản xuất

công nghiệp như sản xuất xi măng, sản xuất giấy, luyện kim,…do các chi tiết máythường phải làm việc liên tục trong điều kiện khắc nghiệt như chịu nhiệt độ, va đập,mài mòn cao như trục cuốn, trục cán, con lăn, trục nghiền, lưỡi cắt, khuân dập, Bởi vậy, công việc chế tạo, sửa chữa, phục hồi các chi tiết máy để đáp ứng yêu cầuđiều kiện làm việc khắc nghiệt của chúng mà vẫn bảo đảm giá thành và tăng khảnăng cạnh tranh kinh tế thì việc tạo lớp đắp cứng trên bề mặt nền thép cacbon trungbình hoặc thấp bằng công nghệ hàn PTA là một hướng nghiên cứu đúng đắn Trênthế giới, hàn PTA được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi từ những năm cuối thập niên

90 của thế kỷ trước Tại Việt Nam, do điều kiện kinh tế khoa học kỹ thuật còn nhiềuhạn chế do vậy phải tới năm 2004 hệ thống hàn PTA và hệ thống phun phủ Plasmađầu tiên đã được nhập khẩu về từ Hàn Quốc (HPT-500-A) của công ty CP Việt Long– Hải Phòng (là đơn vị chuyên tham gia sửa chữa và phục hồi các chi tiết máy bịmòn và cần phủ cứng bề mặt) Ngay sau đó các dây chuyền hàn và phủ Plasma này

đã được sử dụng cho các mục đích đắp cứng bề mặt các chi tiết máy bị mòn Cũngtrong năm 2004, một hệ thống hàn PTA khác của hãng Castolin đã được chuyểngiao cho ĐHBK HN thông qua dự án hợp tác Việt – Bỉ giữa các trường nói tiếng HàLan và ĐHBK HN Trên cơ sở các trang thiết bị hiện có các nhà khoa học trongnước đã bước đầu tiến hành triển khai nghiên cứu, ứng dụng công nghệ hàn Plasmabột trong điều kiện Việt Nam

- Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn đắp Plasma bột để chế tạo các

dụng cụ cắt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn và va đập cao” (Research to apply

plasma powder surfacing for the manufacturing of cutting tools working under heavy

tác giữa ĐHBK HN và cộng đồng các trường đại học khối Flemish – Vương quốc Bỉ(thực hiện trong giai đoạn 2004 - 2006) do PGS.TS Bùi Văn Hạnh, ĐHBK HN làm chủnhiệm, đã đi sâu nghiên cứu công nghệ chế tạo các loại dao chặt dùng cho ngành giấycó kích thước nhỏ bằng công nghệ hàn đắp Plasma bột Các kết quả thử nghiệm banđầu cho thấy cơ tính lớp đắp đạt yêu cầu Tuy nhiên, sản phẩm chưa được ứng dụngrộng rãi do hiện tượng mẻ dao chưa khắc phục được trong quá trình sử dụng

- Đề tài khoa học công nghệ cấp Nhà nước “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hànplasma để chế tạo phục hồi các chi tiết máy”, mã số ĐT- PTNTĐ- 2011-G/8, do TS.Hoàng Văn Châu, Viện Nghiên cứu Cơ khí thuộc Bộ Công Thương chủ trì ([23])

Đề tài đã tập trung nghiên cứu quy trình và các thông số công nghệ khi hàn Plasmabột với vật liệu hợp kim bột WC-104 của hãng Praxair Tafa để chế tạo dao xén giấy

và hàn đắp phục hồi xuppap máy thủy lực phục vụ trong sản xuất

- Luận án tiến sĩ của tác giả Ngô Hữu Mạnh ([24]) đã nghiên cứu ứng dụngcông nghệ hàn Plasma bột để nâng cao khả năng chịu mài mòn cho lớp đắp trên nềnthép cacbon Từ việc phân tích ảnh hưởng của các thành phần hạt kim loại bổ sungđến độ cứng lớp đắp, luận án xác định được một số loại hạt kim loại bổ sung theoyêu cầu, đồng thời xây dựng hàm toán học biểu diễn sự phụ thuộc giữa tỷ lệ thamgia của kim loại cơ bản vào kim loại mối hàn và các thông số chế độ hàn, từ đó chỉ

ra vùng hợp lý của các thông số chế độ hàn plasma có hạt kim loại bổ sung Nghiêncứu còn chỉ ra thành phần của lớp đắp có thể nâng cao khả năng chịu mài mòn gồmcác bít WC, CrC trên nền Fe Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong thực tiễn đếchế tạo mới hoặc phục hồi các chi tiết có khả năng chịu mài mòn cao

- Bài báo “Tạo các bề mặt làm việc chịu mài mòn và va đập của dụng cụ bằngcông nghệ hàn Plasma bột” ([25]) của PGS.TS Bùi Văn Hạnh, ĐHBK HN nghiêncứu và thực hiện hàn đắp Plasma bột tại công ty CP Việt Long nhưng kết quả đạtđược chưa cao (đăng trên tạp chí các trường Đại học kỹ thuật, số 54 - 2005).

- Bài báo “Research on the failure of the bamboo chopping knives which aremanufactured by powder plasma surfacing” ([26]) của tác giả PGS.TS Bùi VănHạnh, ĐHBK HN đã nghiên cứu những hư hỏng của dao chặt tre để qua đó tìm raphương pháp chế tạo phục hồi dao bằng công nghệ hàn đắp Plasma bột đăng trêntạp chí các trường ĐH kỹ thuật, số 58 - 2006

Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW tại Việt Nam

Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW và quá trình hàn Plasma nói chung hoàntoàn chưa được tiến hành nghiên cứu ở Việt Nam do các khó khăn về cơ sở lýthuyết, công nghệ, thiết bị cũng như kinh nghiệm thực tế Hiện tại, trong sản xuấtthực tế có công ty Sơn Hà đã ứng dụng công nghệ hàn “lai ghép” TIG-MIG trongsản xuất các bình áp lực với chiều dày nhỏ hơn 5 mm với vật liệu thép không gỉnhưng mới chỉ ở mức đơn giản, dựa nhiều vào kinh nghiệm thực tế và chỉ là sự kếthợp của các quá trình hàn truyền thống nên chưa giải quyết được bài toán nâng cao

ổn định và năng xuất khi hàn tấm dày Vì vậy, để có thể áp dụng công nghệ tiên tiếnnày vào Việt Nam nhằm nâng cao năng suất và chất lượng cần đầu tư nghiên cứumột cách đầy đủ về mặt khoa học và công nghệ Đây chính là một trong các lý do để

đề tài “Nghiên cứu công nghệ hàn lai ghép Plasma – GMAW cho liên kết tấm dàykhông vát mép” được tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nhằm áp dụngcông nghệ này vào Việt Nam

Kết luận Chương 1

Qua phân tích, đánh giá và tổng hợp tình hình nghiên cứu công nghệ hàn lai ghépPlasma-GMAW cho thấy:

- Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW trên

cơ sở phát huy phát huy các ưu điểm và hạn chế khuyết điểm của các quá trình hànriêng lẻ rất được quan tâm đối với các nhà khoa học và giới công nghệ trong cũngnhư ngoài nước Xu hướng này đang ngày càng phát triển để nâng cao năng suất,chất lượng và hạ giá thành sản phẩm hàn

- Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai dạng hình thái kết hợp giữaquá trình hàn Plasma và quá trình hàn GMAW không những được ứng dụng tronghàn giáp mối các tấm, ống có chiều dày lớn mà còn có thể ứng dụng trong hàn đắp,phun phủ và phục hồi các chi tiết quan trọng Đối với mô hình quá trình hàn laighép Plasma-GMAW với một mỏ hàn đồng trục duy nhất các công trình công bố có

xu hướng nghiên cứu sự hình thành mối hàn khi hàn đắp một lớp lên tấm kim loại

cơ bản hoặc nghiên cứu hàn các tấm mỏng vật liệu có tính hàn kém như hợp kim Al,

Cu, Ti, Đối với mô hình quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hànđộc lập, đồng tốc các công trình công bố có xu hướng nghiên cứu khả năng hànnhững tấm thép Cacbon chiều dày lớn hơn 8mm hoặc ứng dụng trong hàn ghép nốinhững vật liệu khó hàn như hợp kim Ni, Al, Cu, Ti,

- Với khái niệm quy ước về hàn tấm có chiều dày lớn thì chiều dày giới hạn thépcacbon khi hàn giáp mối một phía với một lượt hàn, không vát mép đối với quá trình

hàn GMAW riêng lẻ là 6mm, đối với quá trình hàn PAW lỗ khóa riêng lẻ là 8mm.Khi tấm thép có chiều dày lớn hơn giá trị tới hạn này, cần tiến hành vát mép hàn vàđồng thời hàn nhiều lượt dẫn đến giảm năng suất, tiêu hao vật liệu hàn và giảm chấtlượng liên kết hàn Do vậy, việc nghiên cứu hàn giáp mối một phía với một lượt hànthép tấm dày không vát mép bằng cách kết hợp quá trình hàn PAW và GMAW riêng

lẻ để thành quá trình hàn lai ghép nhằm nâng cao giới hạn chiều dày tấm thép khihàn giáp mối một lượt, không vát mép sẽ là nội dung mới, cần phải được nghiêncứu, giải quyết và có ý nghĩa thực tiễn cao Ngoài ra các công trình đã công bố chothấy hiện nay chưa có tác giả nào đánh giá chi tiết và cụ thể về ưu, nhược điểm củaquá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW so với các phương pháp hàn riêng lẻ GMAW

và PAW khi áp dụng hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép về một sốchỉ tiêu như tính kinh tế, năng suất và chất lượng hàn, Do vậy đây là hướngnghiên cứu mới và sẽ được giải quyết trong luận án

- Sự kết hợp các quá trình hàn riêng lẻ thành một quá trình hàn mới là kháphức tạp, vì thế cần có sự nghiên cứu lý thuyết bài bản và nghiên cứu áp dụng vàothực tiễn có hiệu quả và thiết thực

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW.

Đặc điểm của quá trình hàn lai ghép là kết hợp được các ưu điểm cũng nhưkhắc phục các nhược điểm của từng quá trình hàn riêng lẻ nhằm nâng cao tính ổnđịnh và hiệu quả cho quá trình hàn, do đó các đặc điểm cơ bản của hai quá trình hànGMAW và quá trình hàn PAW sẽ được phân tích để làm căn cứ tìm ra những điểmmới đạt được khi kết hợp hai quá trình hàn Plasma và GMAW để trở thành quá trìnhhàn lai ghép Plasma-GMAW

Phân tích bản chất của 2 hình thái kết hợp giữa quá trình hàn Plasma và quátrình hàn GMAW trong quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW qua đó đánh giá sựphù hợp khi ứng dụng vào hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép Vìvậy cơ sở lý thuyết của luận án bao gồm các mối quan hệ sau:

- Quá trình hàn GMAW

- Quá trình hàn PAW

- Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW

- Mô hình nguồn nhiệt hàn PAW, GMAW và hàn lai ghép Plasma-GMAW

Quá trình hàn GMAW

Nguyên lý và đặc điểm.

Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực kim loại nóng chảy, hồquang giữa đầu điện cực và vật hàn liên tục nung chảy mép hàn và điện cực kimloại Dây hàn được cấp vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây với tốc độbằng tốc độ nóng chảy của điện cực kim loại (dây hàn)

Phần điện cực kim loại nóng chảy chuyển dịch vào vũng hàn theo các cơ chế sau:

- Dịch chuyển ngắn mạch: Đây là dạng dịch chuyển liên quan đến trị số điện

áp hàn, dòng điện hàn thấp (khoảng dưới 200A) và năng suất đắp thấp Đây là dạngdịch chuyển tương đối ổn định khi có các thông số hàn tối ưu

- Dịch chuyển giọt lớn: Về cơ bản đây là dạng dịch chuyển ngắn mạch khôngkiểm soát Dạng dịch chuyển này cần một loạt các thông số bổ sung, do đó cần đượctối ưu hóa để có được chiều dài hồ quang ổn định

- Dịch chuyển tia dọc trục: Nếu tăng cường độ dòng điện hàn lên trên khoảng từ

250 ÷ 400A kim loại điện cực sẽ dịch chuyển vào vũng hàn dưới dạng tia dọc trục Sựdịch chuyển ổn định của kim loại cho phép đạt được mối hàn có hình dạng đều khicường độ dòng hàn cao (năng lượng đường cao) tạo nên mối hàn có bề rộng lớn

- Dịch chuyển xung tia: Đây là dạng dịch chuyển tiên tiến khi tận dụng đượcmọi ưu điểm của các dạng dịch chuyển khác nhưng giảm thiểu hoặc loại bỏ đượcnhững nhược điểm của chúng

- Dịch chuyển hồ quang xoắn: Dạng dịch chuyển này xuất hiện khi cường độdòng điện hàn cao hơn 500A Dạng dịch chuyển này ít được ứng dụng trong thực tế

do những đòi hỏi rất cao về tối ưu các thông số và kỹ thuật hàn

Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ hàn GMAW đến chất lượng liên kết hàn

Các thông số của chế độ hàn là: Cường độ dòng điện hàn, điện áp hàn, tốc độhàn, mật độ dòng điện hàn, cực tính hàn, tư thế hàn, tầm với điện cực, góc nghiêngđiện cực, thành phần khí bảo vệ, hình dạng và kích thước bề mặt rãnh hàn đều cóảnh hưởng đến hình dáng và chất lượng mối hàn

Ảnh hưởng của dòng điện hàn và mật độ dòng điện

Cường độ dòng điện hàn ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn Khi tăng cường độdòng điện hàn sẽ làm tăng mật độ dòng điện, tốc độ chảy, kích thước vũng hàn và

hệ số chảy (Hình 2.2 )

Mật độ dòng điện hàn ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn Khi mật độ dòng điệnhàn lớn làm tăng tốc độ nóng chảy của dây hàn và tăng chiều sâu chảy của mối hàn.Mật độ dòng điện hàn thấp làm giảm chiều sâu ngấu, giảm chiều cao đắp, làm tăngchiều rộng mối hàn (Hình 2.3 )

Hình 2.3 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn (nguồn [2] )

Ảnh hưởng của điện áp hàn

Điện áp hàn không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ chảy nhưng ảnh hưởng chủ yếuđến chiều rộng mối hàn (Hình 2.4 ) Điện áp hàn sử dụng phụ thuộc vào chiều dàyvật hàn, kiểu liên kết, kích cỡ và thành phần dây hàn, thành phần khí bảo vệ, tư thếhàn, Điện áp hàn quá lớn làm tăng rỗ khí và bắn tóe, làm tăng kích thước vũnghàn Nếu điện áp quá thấp làm cho hồ quang kém ổn định, mối hàn hẹp và lồi quámức, dẫn đến hàn không ngấu các cạnh hàn

Ảnh hưởng của tốc độ hàn

Tốc độ hàn là một trong những nhân tố quyết định chiều sâu ngấu của mối hàn.Nói chung, khi tốc độ hàn thấp, kích thước vũng hàn sẽ lớn và ngấu sâu Khi tăngtốc độ hàn, tốc độ cấp nhiệt của hồ quang sẽ giảm, làm giảm độ ngấu và thu hẹpđường hàn (Hình 2.5 ) Nhưng cần chú ý là có một phạm vi của tốc độ hàn mà ở đóchiều sâu ngấu đạt được là lớn nhất (điểm P trên Hình 2.5 ), khi tốc độ hàn nhỏ hơnkhoảng này thì tốc độ hàn giảm lại làm giảm chiều sâu chảy Việc lựa chọn tốc độhàn tùy thuộc vào hình dạng mối hàn và điều kiện nung nóng và làm nguội vật hàn.Khi tốc độ hàn tăng, làm tăng lượng nhiệt cấp vào vật hàn ở phía trước hồ quangnên cần ít nhiệt để nung nóng trước cạnh hàn

Hình 2.5 Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng mối hàn (nguồn [2] )

Ảnh hưởng của tầm với điện cực và góc nghiêng điện cực

Tầm với điện cực là khoảng cách từ mép bép tiếp điện đến đầu điện cực (Hình2.6 ) Khi tăng tầm với điện cực, nhiệt lượng nung đoạn dây hàn này tăng, dẫn tớilàm giảm cường độ dòng điện hàn cần thiết để nóng chảy điện cực theo tốc độ cấpdây nhất định làm giảm lượng nhiệt hồ quang nên độ sâu ngấu của mối hàn giảmtheo Ngược lại, nếu rút ngắn tầm với điện cực thì làm tăng cường độ dòng điện làmcho công suất nhiệt hồ quang lớn nên chiều sâu ngấu và bề rộng mối hàn đều tăng.Nếu tầm với điện cực có độ dài quá lớn sẽ làm giảm độ ngấu và lãng phí kim loạihàn, tính ổn định của hồ quang thấp Ngược lại, nếu chiều dài phần nhô quá nhỏ, sẽ

ra bắn toé, kim loại lỏng dính vào mỏ hàn, chụp khí, cản trở đường ra dòng khí bảo

vệ, gây ra rỗ khí trong mối hàn

Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2, có thể sử dụng công thức thứcnghiệm sau để xác định tầm với điện cực:

Trong đó B là tầm với điệc cực, d là đường kính điện cực [mm]

Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ là hỗn hợp khí trơ, do chiều dài hồ quanglớn hơn nên cần tăng thêm tầm với điện cực từ 2 3 mm với với tính toán theo côngthức trên

Hình 2.6 Khái niệm tầm với điện cực: (a) Xác định tầm với điện cực; (b) Quan hệ dòng

Hình 2.7 Tầm với điện cực khi: (a) - dịch chuyển ngắn mạch;

Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn có thể tổng hợp được chỉ ra trên Bảng 2.2 và Hình 2.8

Ảnh hưởng của vị trí điện cực (góc nghiêng điện cực) và kỹ

dạng mối hàn được thể hiện trên Bảng 2.2 và Hình 2.9 Trường

chiều sâu ngấu lớn nhất, hàn ngược cho chiều sâu ngấu nhỏ nhất

hàn lớn nhất

thuật hàn đến hìnhhợp hàn thuận chonhưng bề rộng mối

Hàn thuận (A) Hàn điện cực thẳng

đứng (B) Hàn ngược (C)

Bảng 2.2 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn

Dựa vào tiêu chuẩn hàn Việt Nam TCVN-1:2018 (ISO 9692-1:2013) yêu cầu

kỹ thuật đối với liên kết hàn giáp mối có vát mép hai tấm thép SS400 có chiều dàymỗi tấm là 12mm, mối hàn được thiết kế như Hình 2.10 để đảm bảo chiều sâu ngấu

và chất lượng mối hàn Các thông số chế độ hàn được xác định như sau:

a) Xác định dải năng lượng đường tối ưu:

Dải năng lượng đường tối ưu khi hàn giáp mối một phía bằng quá trình hànGMAW được xác định theo công thức ([2]):

λ- là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu kim loại cơbản [cal/cm.s.oC]

cρ- là nhiệt dung thể tích của vật liệu kim loại cơ bản [cal/cm3.oC]

Tm- là nhiệt độ kém ổn định của Austenite [oC] T0- là nhiệt độ

của môi trường [oC] w - là dải tốc độ nguội tối ưu của vật liệu

kim loại cơ bản [oC/s]

Với thép các bon thấp và thép hợp kim thấp:

b) Xác định diện tích kim loại mối hàn cần đắp

Hình 2.11 Kích thước mối hàn giáp mối tấm thép 12mm

Với kích thước mối hàn giáp mối như Hình 2.11 ta có thể tính toán gần đúng diện tích kim loại đắp (Fđ) theo phương pháp hình học như sau: