Tải bản đầy đủ

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

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, công nghệ hàn đóng một vai trò rất quan trọng và không thể
thiếu trong nhiều ngành công nghiệp. Ứng dụng công nghệ hàn trong công
nghiệp đã bắt đầu từ hàng trăm năm trước và theo thời gian đã có những
bước tiến vượt bậc, cụ thể 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 công việc có liên quan đến hàn
được thực hiện bởi trên 730.000 thợ hàn. Theo Hiệp hội hàn thế giới (IIW)
trong năm 2017, mức tiêu thụ thép trên toàn thế giới vào khoảng 1,72 tỷ tấn
trong đó ước tính khoảng hai phần ba khối lượng thép đó được sử dụng
trong 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 cao năng suất và chất lượng cho các quá trình hàn. Để đáp
ứng được yêu cầu đó, một trong những hướng phát triển chủ đạo trên thế
giới là tạo ra các quá trình hàn mới bằng cách kết hợp các quá trình hàn đơn
lẻ để tận dụng các ưu điểm và khắc phục nhược điểm của từng quá trình
hàn đó và được gọi là quá trình Hàn lai ghép (Hybrid welding process).
Ngày nay, các công nghệ hàn lai ghép đã được nghiên cứu và áp dụng rất
mạnh mẽ và có khoảng 20 quá trình hàn lai ghép đang được phát triển với
một 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 hàn lai 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 hàn vảy, 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 lai ghép Plasma – GMAW bắt đầu được nghiên cứu và đề xuất
triển khai tại phòng thí nghiệm Philips (Hà Lan) vào năm 1972. Quá trình
hàn này kết hợp được ưu điểm của quá trình hàn GMAW là năng suất hàn
cao, tốc độ đắp lớn với ưu điểm của quá trình hàn Plasma là sự ổn định hồ
quang, chiều sâu ngấu lớn và khả năng kiểm soát sự hình thành 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 và phục hồi các chi tiết máy quan trọng,... Tuy nhiên không có nhiều
các nghiên cứu lý thuyết 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 giới nghiên cứu quá trình hàn lai ghép
này vẫn còn hạn chế.
1


Xuất phát từ thực tế nền công nghiệp sản xuất ở Việt Nam cho thấy
trong các ngành công nghiệp chủ đạo nhu cầu ứng dụng của công nghệ hàn
trong chế tạo và phục hồi 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 giàn khoan, 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 những kết cấu như vậy
thường rất lớn đặc biệt là chi phí cho công tác chuẩn bị mép liên kết hàn và
vật liệu hàn. Để tăng năng suất lao động, tiết kiệm vật liệu hàn nhằm hạn
chế những chi phí lớn thì việc nghiên cứu áp dụng được công nghệ hàn một
phía không vát mép thay cho các quá trình hàn hai phía hay hàn nhiều lượt
có ý nghĩa hết sức quan trọng. 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 tính cấp thiết, góp phần nâng cao năng suất
lao động, tiết kiệm thời gian, năng lượng và vật liệu hàn góp phần làm giảm
giá thành sản phẩm hàn.
Mục đích của luận án
Lý thuyết
- Nghiên cứu quá trình hàn lai ghép Plasma – GMAW và áp dụng cho
liên kết hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép.
- Mô phỏng số quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với mô hình
nguồn nhiệt phù hợp nhằm xác định trường nhiệt độ khi hàn dưới sự tương
tác giữa hai hồ quang hàn trong quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW
Thực nghiệm
- Xác định trường nhiệt độ quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW trong
vũng hàn.
- Xác định thông số gá đặt phù hợp cho quá trình hai lai ghép PlasmaGMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc trong liên kết hàn giáp mối một
lượt thép tấm dày, không vát mép.
- Xác định các thông số hàn phù hợp cho quá trình hàn lai ghép PlasmaGMAW thông qua thực nghiệm kết hợp với tính toán mô phỏng.
Đối tượng nghiên cứu
- Luận án tập trung nghiên cứu công nghệ hàn lai ghép Plasma - GMAW
trong liên kết giáp mối hàn một lượt thép tấm dày không vát mép.
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 nhằm tiết kiệm thời gian, công sức và các chi phí thực nghiệm
đang rất phát triển. Trong điều kiện được tiếp cận phần mềm chuyên dụng

2


cho mô phỏng quá trình hàn như SYSWELD (bản quyền), để thực hiện
được các mục đích nghiên cứu của luận án tác giả lựa chọn phương pháp
nghiên cứu phối hợp giữa: lý thuyết, mô phỏng số và thực 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 ra những nội dung mới mà luận án cần phải giải quyết.
Khảo sát, tìm hiểu về cơ sở vật chất 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 phù hợp 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 độ trong 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.
Phạm vi nghiên cứu
Trong điều kiện cơ sở vật chất, thiết bị, phòng thí nghiệm của Viện
nghiên cứu Hàn & 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 - GMAW cho hàn giáp mối một lượt thép
tấm dày không vát mép có khe hở hàn thay đổi từ 0 đến 2,5mm, chiều dày
tấm đến 12mm với hai hình thái kết hợp nguồn nhiệt hồ quang 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 xác
định trong phạm vi phòng thí nghiệm và một số cơ sở nghiên cứu khác.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
1. Ý nghĩa khoa học
Đưa ra phương pháp nghiên cứu quá trình hàn lai ghép Plasma –
GMAW với hình thái hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc khi khảo sát mối quan
hệ giữa các thông số chế độ hàn ảnh hưởng đến hình dạng, kích thước mối
hàn và ảnh hưởng của sự tương 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.
2. Ý nghĩa thực tiễn của luận án
Kết quả nghiên cứu của luận án có tính khả thi trong điều kiện Việt Nam
có thể ứng dụng để chế tạo, sản xuất các sản phẩm mới phục vụ cho công

3


nghiệp đóng tàu trọng tải lớn, chế tạo hệ thống ống có chiều dày lớn nhằm
thay thế các quá trình hàn truyền thống như GMAW, TIG, SAW
Các đóng góp 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 cho quá 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 tiến hành liên kết hàn .
- Xác định được mô hình nguồn nhiệt cải tiến phù hợp với quá trình hàn
đã chọn qua 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 hàn dưới 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 để hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép, qua đó đánh giá
được ưu điểm nổi 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±50 và DE = Dmin ∼ 19,5mm.
- Đưa ra được giải pháp kỹ thuật có thể nâng cao công suất nguồn nhiệt
Plasma bằng các thay đổi khí tạo Plasma là Ar với lưu lượng khí 3l/phút đã
được thay bằng hỗn hợp khí Ar+10%H2 với lưu lượng khí 2l/phút nhưng có
thể làm cho nhiệt độ trung bình cột hồ quang Plasma tăng lên 20%.
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

4


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 bao nhiêu được coi là lớn bởi vì tùy vào quá quá trình hàn mà có khái
niệm tấm chiều dày 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 khả năng của các quá trình hàn GMAW và
PAW riêng lẻ có thể hoàn thành trong điều kiện hàn giáp mối một lượt từ
một phía với phôi hàn không vát mép.
Theo tiêu chuẩn ISO 9692-1:2013 cho thấy quá trình hàn GMAW chỉ
có khả năng hàn giáp mối một lượt, môt phía tấm thép có chiều dày nhỏ
hơn 6mm mà không cần vát mép phôi hàn. Để hàn giáp mối tấm chiều dày
lớn hơn 6mm, với quá trình hàn GMAW sẽ yêu cầu phải vát mép phôi hàn
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, đối với quá
trình hàn GMAW riêng lẻ, có thể nói chiều dày tấm thép cacbon khi lớn
hơn 6mm được coi là chiều dày lớn.
Đối với quá trình hàn PAW riêng lẻ, theo lý thuyết có thể nói chiều dày
tấm thép Cacbon lớn hơn 8mm được coi là chiều dày lớn và trên thực tế có
thể coi chiều dày tấm thép Cacbon lớn hơn 6mm là chiều dày lớn.
Tình hình nghiên cứu trong nước
- Quá trình hàn tấm dày với khe hở hẹp thường được ứng dụng trong các
ngành công nghiệp đóng tàu, trong công nghiệp dầu khí, trong giao thông
vận tải,… dùng để liên kết giáp mối các ống, tấm có chiều dày lớn đã được
áp dụng trên thế giới nhưng hầu như chưa có ở Việt Nam vì trang thiết bị và
công nghệ hiện đại, đắt tiền. Với nhu cầu hàn thép tấm dày, thông thường
các phôi hàn sẽ được vát mép và tiến hành hàn nhiều lớp với các quá trình
hàn thông thường như MMA, GMAW, SAW.
- Quá trình hàn PAW thường được nghiên cứu, ứng dụng ở trong nước
là hàn đắp Plasma bột dùng để sửa chữa và phục hồi các chi 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,…các chi tiết máy thường
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,... Trên thế giới, hàn Plasma bột 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 nhiều hạn chế do vậy phải tới năm 2004 hệ
thống hàn Plasma bột và hệ thống phun phủ Plasma đầu tiên đã được nhập
khẩu về từ Hàn Quốc (HPT – 500 - A) của công ty CP Việt Long – Hải
5


Phòng (là đơn vị chuyên tham gia sử chữa và phục hồi các chi tiết máy bị
mòn và cần phủ cứng bề mặt). Ngay sau đó các dây truyền hàn và phủ
Plasma này đã được sử dụng cho các mục đích đắp cứng bề mặt các chi tiết
máy bị mòn. Cũng trong năm 2004, một hệ thống hàn Plasma bột khác của
hãng Castolin đã được chuyển giao cho Trường ĐH Bách Khoa HN thông
qua dự án hợp tác Việt – Bỉ giữa các trường nói tiếng Hà Lan và ĐHBK
HN. Trên cơ sở các trang thiết bị hiện có các nhà khoa học trong nước đã
bước đầu tiến hành triển khai nghiên cứu, ứng dụng công nghệ hàn Plasma
bột trong điều kiện Việt Nam.
- Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW và quá trình hàn Plasma nói
chung hoàn toàn chưa được tiến hành nghiên cứu ở Việt Nam do các khó
khăn về cơ sở lý thuyết, công nghệ, thiết bị cũng như kinh nghiệm thực tế.
Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
- Theo tiêu chuẩn ISO 15614-14:2013(E), hàn lai ghép là hàn mà trong
đó có hai hay 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 số quá trình hàn quan trọng và phổ biến
nhất như: ([1]).
- Quá trình hàn lai ghép Plasma – GMAW lần đầu tiên được đề xuất và
triển khai công nghệ nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Philips (Hà Lan) vào
năm 1972. Theo thời gian nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trong sản
xuất, quá trình hàn lai ghép Plasma - GMAW đã được phân chia thành hai
dạng hình thái kết hợp giữa quá trình 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, đồng tốc
- Hình thái quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với một mỏ hàn đồng
trục duy nhất.
Với mỗi hình thái kết hợp hai mỏ hàn Plasma và GMAW đều cho những
ưu điểm khác nhau và được định hướng ứng dụng trong công nghệ hàn đắp
và hàn tấm mỏng (đối với hình thái hai nguồn hàn Plasma và GMAW tạo
thành mỏ hàn đồng trục duy nhất) hoặc ứng dụng trong liên kết thép tấm
dầy với năng suất cao, không vát mép (đối với hình thái hai nguồn hàn
Plasma và GMAW tạo thành hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc) (Tài liệu [6] ÷
[21])
Kết luận Chương 1
Qua phân tích, đánh giá và tổng hợp tình hình nghiên cứu công nghệ hàn
lai ghép Plasma-GMAW cho thấy:

6


- 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 hàn riêng lẻ rất được quan tâm đối với các nhà khoa học và giới
công nghệ trong cũng như 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
giữa quá trình hàn Plasma và quá trình hàn GMAW không những được ứng
dụng trong hàn 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 lai ghép 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 hàn độc lập, đồng
tốc các công trình công bố có xu hướng nghiên cứu khả năng hàn những
tấm thép Cacbon chiều dày lớn hơn 8mm hoặc ứng dụng trong hàn ghép nối
những 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
thép cacbon 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 và đồng thời hàn nhiều lượt dẫn đến giảm năng
suất, tiêu hao vật liệu hàn và giảm chất lượng liên kết hàn. Do vậy, việc
nghiên cứu hàn giáp mối một phía với một lượt hàn thép 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 khi hàn
giáp mối một lượt, không vát mép sẽ là nội dung mới, cần phải được nghiên
cứu, giải quyết và có ý nghĩa thực tiễn cao. Ngoài ra các công trình đã công
bố cho thấy hiện nay chưa có tác giả nào đánh giá chi tiết và cụ thể về ưu,
nhược điểm của quá 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 số chỉ tiêu như tính kinh tế, năng suất và
chất lượng hàn,... Do vậy đây là hướng nghiên 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 khá
phức tạp, vì thế cần có sự nghiên cứu lý thuyết bài bản và nghiên cứu áp
dụng vào thực tiễn có hiệu quả và thiết thực

7


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN LAI GHÉP PLASMAGMAW
Đặc điểm của quá trình hàn lai ghép là kết hợp được các ưu điểm cũng
như khắc phục các nhược điểm của từng quá trình hàn riêng lẻ nhằm nâng
cao tính ổn định và hiệu quả cho quá trình hàn, do đó các đặc điểm cơ bản
của hai quá trình hàn GMAW và quá trình hàn PAW sẽ được phân tích để
làm căn cứ tìm ra những điểm mới đạt được khi kết hợp hai quá trình hàn
Plasma và GMAW để trở thành quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW.
Do đó 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 PlasmaGMAW.
2.1 Quá trình hàn GMAW
Nguyên lý và đặc điểm
Khi hàn điện cực kim loại nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ hồ
quang giữa đầu điện cực và vật hàn liên tục nung chảy mép hàn và điện
cực. Dây hàn được cấp vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây với
tốc độ bằng tốc độ nóng chảy của điện cực (dây hàn) (Hình 2.1)

Xác định thông số chế độ hàn giáp mối thép cacbon dày 12mm bằng
quá trình hàn GMAW riêng lẻ
Với mục đích đánh giá được ưu điểm nổi trội của quá trình hàn lai ghép
Plasma-GMAW so với quá trình hàn riêng lẻ GMAW để hàn giáp mối tấm
thép có chiều dày đến 12mm, tác giả tiến hành xác định thông số chế độ
hàn GMAW để so sánh với liên kết hàn giáp mối có cùng chiều dày tấm do
quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW tạo ra.

8


Bảng 2.3 Chế độ hàn liên kết giáp mối có vát mép thép tấm Cacbon SS400 dày
12mm bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ.
Đường hàn

Lót (1)
Trung gian (2)
Phủ (3)

Ih (A)

200
200
200

Uh (V)

25
25
25

vh (mm/s)

3,0
3,0
3,0

d
(mm)
1,2
1,2
1,2

Năng lượng
đường
(J/mm)
1416,7
1416,7
1416,7

2.2 Quá trình hàn PAW
Nguyên lý hàn PAW
Khi hàn PAW (Hình 2.14), điện cực không nóng chảy vonfram và một
phần cột hồ quang nằm bên trong một buồng khí bao quanh bằng kim loại
được làm mát bằng nước. Buồng này kết thúc bằng một lỗ phun tại vòi
phun hình trụ đồng trục với điện cực. Dòng khí tạo plasma khi đi qua lỗ
phun sẽ được ổn định về mặt thể tích, được làm mát và được nén lại. Đồng
thời dòng khí đó cũng được cách điện và cách nhiệt đối với bề mặt lỗ vòi
phun. Một phần khí này đi qua hồ quang, bị ion hóa và chuyển thành
plasma.
Hồ quang PAW sử dụng trong các ứng dụng hàn và cắt, được chia làm
hai loại: hồ quang gián tiếp (còn gọi là hồ quang không chuyển tiếp hoặc hồ
quang trong) và hồ quang trực tiếp (còn gọi là hồ quang chuyển tiếp hoặc
hồ quang ngoài).
So sánh với quá trình hàn TIG, nơi mà cột hồ quang có dạng hình nón
đạt tới nhiệt độ 5000÷60000K, hồ quang nén Plasma có dạng trình trụ và
nhiệt độ cao hơn nhiều (10000÷160000K). Khi hàn PAW vết anod trên vật
hàn mang tính ổn định, dòng nhiệt mang tính tập trung rất cao. Điều này
làm tăng chiều sâu chảy và giảm chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt.

9


Đặc điểm quá trình hàn PAW
So với hàn TIG, hàn PAW có ưu và nhược điểm sau:
Ưu điểm:
1) Mức độ tập trung năng lượng cao hơn.
2) Độ ổn định hồ quang cao hơn, đặc biệt ở chế độ cường độ dòng điện
hàn thấp.
3) Dòng khí plasma có tốc độ cao hơn.
4) Các thông số của vùng hàn ít phụ thuộc vào sự thay đổi khoảng cách
làm việc.
5) Không xảy ra hiện tượng nhiễm vật liệu điện cực vonfram vào vật
hàn.
6) Yêu cầu đối với kỹ năng thợ hàn thấp hơn khi hàn tay.
Nhược điểm:
1) Thiết bị đắt tiền hơn.
2) Vòi phun có tuổi thọ thấp.
3) Thợ hàn phải có hiểu biết sâu về quá trình hàn này.
4) Mức độ tiêu thụ khí bảo vệ cao.
Công nghệ hàn PAW.
Công nghệ hàn PAW ở chế độ lỗ khóa
Khi hàn ở chế độ lỗ khóa, hồ quang xuyên suốt toàn bộ chiều dày tấm
kim loại cơ bản. Kim loại do hồ quang nung chảy sẽ chảy trên thành của
mép hàn được giữ lại do tác động của sức căng bề mặt. Việc giữ kim loại
vũng hàn ở chế độ lỗ khóa khó hơn so với hàn ở chế độ nung chảy do áp
lực của hồ quang và trọng lực của kim loại nóng chảy lớn hơn (chế độ hàn
lỗ khóa thường để dùng hàn tấm dày). Nói cách khác khi tăng chiều dày
tấm cần hàn, thể tích vũng hàn tăng cần phải giảm tốc độ hàn, tăng cường
độ dòng điện hàn, tăng lượng khí tạo plasma và khí bảo vệ.
Có một giới hạn nhất định về mặt chiều dày tấm cho phép hàn được ở
chế độ lỗ khóa. Thông thường, quá trình hàn chỉ có thể thực hiện được
10


trong một phạm vi hẹp chế độ hàn. Việc tạo dáng mối hàn dễ dàng hơn khi
sức căng bề mặt của vũng hàn lớn. Do đó các kim loại có sức căng bề mặt
lớn ở trạng thái nóng chảy như thép không gỉ austenit và hợp kim titan dễ
hàn hơn so với thép cacbon.

Hình dạng và kích thước lỗ khóa: Các giá trị chiều dài và chiều rộng lỗ
khóa khi hàn thép tấm chiều dày thay đổi theo cường độ dòng điện hàn
Plasma, khi cường độ dòng điện tăng, cả chiều dài và chiều rộng lỗ khóa có
xu hướng tăng lên và đạt giá trị lớn nhất tạo thành lỗ khóa phía dưới chân
mối hàn khi cường độ dòng Plasma ở giá trị đỉnh xung. Có thể thấy kích
thước lớn nhất của lỗ khóa khi lỗ khóa hình thành ổn định khoảng 2,5mm.
Xác định chiều dày lớn nhất của tấm kim loại cơ bản khi hàn PAW
một lượt cho vật liệu thép
Khi hàn PAW cho thép tấm dày, chiều sâu ngấu lớn nhất đạt được với
chế độ hàn PAW lỗ khóa. Tuy nhiên theo các tài liệu, các tiêu chuẩn nghiên
cứu chưa đưa ra được cụ thể giới hạn về chiều sâu ngấu khi hàn một lượt,
một phía thép tấm Cacbon, thép không gỉ. Chính vì vậy, đề tài sẽ nghiên
cứu tính toán đưa ra được giới hạn về chiều dày của tấm kim loại cơ bản khi
hàn một lượt, một phía với quá trình hàn PAW lỗ khóa cho thép Cacbon
thấp và thép không gỉ. Trên cơ sở các tính toán này, có thể được áp dụng
với khi hàn PAW lỗ khóa cho các loại vật liệu kim loại và hợp kim cơ bản
khác
Với kết quả tính toán thu được có thể thấy chiều sâu ngấu lớn nhất khi
hàn PAW lỗ khóa một lớp cho tấm thép Cacbon là hmax = 6,8mm. Trong
quá trình hàn, để tăng chiều sâu ngấu lớn nhất khi hàn một lượt có thể
thông qua việc tăng cường độ dòng hàn plasma, tăng lưu lượng khí, tăng
đường kính lỗ vòi phun tuy nhiên điều này làm tăng đường kính lỗ khóa
dẫn đến kim loại cơ bản sẽ bị cháy thủng. Hoàn toàn tương tự, với thép
không gỉ có thể tính được chiều dày tấm thép không gỉ lớn nhất khi hàn
Plasma lỗ khóa một lượt có thể đạt được là hmax = 10mm. Điều này được
giả thích là do với thép không gỉ có sức căng bề mặt σl-g = 1,8 N/m lớn hơn
11


sức căng bề mặt thép Cacbon σl-g = 1,2 N/m.
2.3 Quá trình hàn lai ghép PAW-GMAW.
2.3.1 Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW trong một mỏ hàn
đồng trục-Hình thái 1

Trên Hình 2.28 mô tả hệ thống thiết bị cơ bản và nguyên lý hoạt động
của quá trình hàn lai ghép với hình thái một mỏ hàn đồng trục duy nhất.
Quá trình hàn này còn có tên gọi đặc trưng là “Hồ quang trong hồ quang“.
Trong quá trình hàn này, hồ quang Plasma như một vòng xuyến bao bọc
bên ngoài, bên trong là điện cực GMAW được đặt dọc theo trục mỏ hàn và
được cấp dây tự động thông qua bộ cấp dây. Ưu điểm của quá trình hàn này
đã kết hợp được các đặc điểm quan trọng của hai quá trình hàn GMAW và
PAW là hệ số đắp cao, hồ quang ổn định và khả năng kiểm soát tốt hình
dạng mối hàn. Trong quá trình hàn này, do dây hàn GMAW được cấp dọc
theo trục mỏ hàn và nằm trung vùng hồ quang Plasma nên dây hàn được
nung nóng sơ bộ dẫn đến tốc độ đắp tăng lên. Ngoài ra một ưu điểm nổi bật
khác nữa là mối quan hệ độc lập giữa năng lượng đầu vào và lớp kim loại
đắp từ điện cực kim loại nóng chảy dẫn đến có thể khống chế và nâng cao
chất lượng bề mặt mối hàn, tổ chức tế vi mối hàn có cấu trúc nhỏ mịn, giảm
lượng kim loại bắn tóe, giảm lượng khí cháy, do đó đây là quá trình hàn
“sạch”.
2.3.2 Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW bằng hai mỏ hàn độc
lập-Hình thái 2
Hình thái kết hợp tiếp theo giữa quá trình hàn PAW và GMAW là kết
hợp 2 mỏ hàn độc lập Plasma và GMAW để tạo thành một hệ thống mỏ hàn
duy nhất có sự đồng tốc trong chuyển động của 2 mỏ hàn. hệ thống này đã
được gọi là “Super-MIG™” và có đặc điểm là “hồ quang cạnh hồ quang”
([6]). Với hình thái kết hợp 2 quá trình hàn như vậy, mỏ hàn PAW sẽ đi
trước có tác dụng gia nhiệt cho mối hàn, làm nóng chảy kim loại cơ bản
hình thành đường hàn dưới chân mối hàn trước, mỏ hàn GMAW đi sau điền
đầy toàn bộ mối hàn. Kỹ thuật hàn này có thể được gọi với tên “Kỹ thuật

12


nối tiếp” ([36]) và phù hợp để hàn tấm dầy với vật liệu cơ bản là thép
Cacbon, thép hợp kim và kim loại hợp kim màu.

Quá trình hình thành và tương tác hồ quang
Quá trình hình thành và di chuyển giọt kim loại lỏng từ điện cực dây
hàn GMAW xuống vũng hàn và sự tương tác hồ quang giữa vùng hồ quang
GMAW và PAW được quan sát bằng camera tốc độ cao. Kết quả quan sát
cho thấy sự dịch chuyển giọt kim loại lỏng vào vũng hàn đều và ổn định
theo cơ chế “một xung một giọt“ và sự tương tác của hồ quang PAW vào
hồ quang GMAW giúp cho việc hình thành và tách ra giọt kim loại lỏng ở
đầu dây hàn GMAW đều và dễ dàng hơn nhiều. Ngoài ra, các cạnh hồ
quang lai ghép được mở rộng độ sáng vùng hồ quang cũng như sáng hơn hồ
quang GMAW thông thường chứng tỏ sự tác động nhiệt của hai vùng hồ
quang làm tăng nhiệt độ hồ quang tổng lên đáng kể. Đây chính là lý do hàn
lai ghép Plasma-GMAW với hình thái hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc có thể
tăng tốc độ hàn và tăng chiều sâu ngấu so với hàn GMAW thông thường.
Xác định một số nhân tố ảnh hưởng đến sự tương tác hồ quang
a) Xác định cách đấu cực nguồn hàn PAW và GMAW đến sự tương tác hồ
quang
Để có thể đạt được chiều sâu ngấu lớn nhất, trong nghiên cứu của luận
án, tác giả chọn phương án đấu nối nguồn hàn PAW được đấu phân cực
thuận DCEN và nguồn hàn GMAW được đấu phân cực nghịch DCEP.
b) Xác định vị trí tương quan của hai mỏ hàn PAW, GMAW đến sự hình
thành và tương tác hồ quang
Trong luận án này, mỏ hàn PAW được đặt cố định vuông góc với bề mặt
phôi hàn, vị trí mỏ hàn GMAW thay đổi theo mỏ hàn PAW với hai giá trị
cơ bản là DE và α (Hình 2.39). Căn cứ vào quan hệ hình học giữa các đại
lượng có thể tìm ra công thức liên hệ giữa các thông số như sau:
DE ≥ Dmin = DP/2 - 20.tgα + (DM/2).cosα
(2.15)
Trong đó: DP là đường kính mỏ hàn Plasma; DP = 30mm; DM là đường
kính mỏ hàn GMAW, DM = 25mm.
13


Với các kết quả thí nghiệm thu được cùng khuyến cáo về góc nghiêng
mỏ hàn khi hàn GMAW đã chọn được bộ thông số hợp lý để gá lắp hai mỏ
hàn PAW và GMAW là: α = 15±50 và DE = Dmin ∼ 19,5÷23,7mm. Chọn α
= 200 và DE = Dmin ∼ 19,5 mm và các giá trị này sẽ được giữ không đổi
trong các thí nghiệm hàn tiếp theo.
c) Xác định khe hở hàn khi hàn giáp mối tấm thép Cacbon dày 12mm,
không vát mép
Trong phạm vi nghiên cứu của luận án này, để có thể hình thành có thể
giới hạn khe hở hàn trong khoảng 1,5 ± 0,5 mm
2.4 Mô hình nguồn nhiệt PAW, GMAW và hàn lai ghép PlasmaGMAW
Bài toán mô phỏng số quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW thông qua
phần mềm chuyên dụng SYSWELD yêu cầu thiết lập thông số đầu vào hết
sức quan trọng của là mô hình nguồn nhiệt sử dụng. Tùy thuộc vào loại quá
trình hàn sử dụng mà ta lựa chọn mô hình nguồn nhiệt phù hợp. Đối với quá
trình hàn lai ghép Plasma-GMAW, khó khăn đặt ra là sử dụng mô hình
nguồn nhiệt nào để có thể thể hiện được sự tương tác trường nhiệt độ của
hai hồ quang PAW và hồ quang GMAW. Để giải quyết vấn đề này, trước
tiên ta sẽ tìm hiểu một số mô hình nguồn nhiệt riêng lẻ thường được sử
dụng trong tính toán và mô phỏng.
Mô hình nguồn nhiệt hồ quang của hàn GMAW
Theo tài liệu [39], để mô phỏng số, tác giả Goldak đã đưa ra một dạng
rút gọn và tương đương của mô hình nguồn nhiệt nhằm cung cấp số liệu
đầu vào cho phần mềm SYSWELD thực thi như sau:

14


Trong đó P=.Uh.Ih là công suất nhiệt hiệu dụng của nguồn nhiệt hàn,
Uh là điện áp hàn, Ih là cường độ dòng điện hàn và  là hiệu suất của quá
trình hàn GMAW ( = 60 ÷ 80%). Các thông số Qf, Qr, af, ar, b và c của
nguồn nhiệt hàn được xác định từ thực nghiệm và sẽ được đưa vào mô hình
PTHH để tính toán.
Mô hình nguồn nhiệt hàn PAW lỗ khóa
Căn cứ vào hình dạng của vũng hàn nóng chảy trong vùng lỗ khóa PAW
cũng như hình dạng mặt cắt ngang mối hàn, ta thấy được các mô hình
nguồn nhiệt cơ bản chưa đáp ứng chính xác được hình dạng, tính chất của
vũng hàn trong vùng lỗ khóa trên thực tế. Do vậy, đối với mô hình hàn
PAW dạng lỗ khóa hay một số quá trình hàn lai ghép như Laser – GMAW,
Plasma-GMAW có thể dụng mô hình kết hợp hai dạng nguồn nhiệt như
sau:

Mô hình nguồn nhiệt của quá trình hàn lai ghép
Căn cứ vào một số mô hình nguồn nhiệt lai ghép như Laser – Hồ quang
điện, TIG-MIG và cấu tạo cơ bản của mặt cắt ngang mối hàn đối với mô
hình nguồn nhiệt quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW tác giả đã đề xuất
mô hình nguồn nhiệt cải tiến tương tự như mô hình của PAW lỗ khóa
15


nhưng có sự điều chỉnh như Hình 2.52
2.5 Kết luận Chương 2
Qua nghiên cứu, phân tích các đặc điểm của các quá trình hàn GMAW,
PAW và quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW, có thể rút ra các kết luận
sau:
- Quá trình hàn GMAW sử dụng nguồn nhiệt hồ quang trực tiếp nên không
thể hàn giáp mối một phía với một lượt hàn cho các tấm kim loại hàn có
chiều dày lớn hơn 6mm mà phải vát mép phôi hàn và hàn nhiều lượt.
- Quá trình hàn PAW sử dụng hồ quang nén cho phép tạo ra hồ quang có
chiều dài lớn hơn nhiều so với hàn TIG. Ngoài ra các chế độ hàn PAW là
hàn microplasma, hàn PAW dòng trung bình và hàn PAW lỗ khóa cho phép
chiều dày phôi hàn rất đa dạng, mức độ tập trung nguồn nhiệt cao, chiều sâu
ngấu lớn, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ. Thông qua tính toán dựa theo sự cân
bằng giữa sức căng bề mặt, áp lực hồ quang Plasma nén và áp suất thủy tĩnh
của kim loại nóng chảy có thể xác định đối với vật liệu hàn là thép Cacbon
thấp và thép không gỉ quá trình hàn PAW có hạn chế chiều dày tấm lần lượt
là 6,8mm và 10mm khi hàn giáp mối một phía với một lượt hàn.
- Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW được nghiên cứu và phát triển
nhằm phát huy các ưu điểm đồng thời khắc phục được nhược điểm của các
quá trình riêng lẻ PAW và GMAW. Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW
với hình thái một mỏ hàn đồng trục duy nhất cho phép tạo ra mối hàn đắp
có chất lượng cao do hồ quang Plasma bao phủ bên ngoài có tác dụng nung
nóng sơ bộ bề mặt kim loại cơ bản và dây hàn GMAW nên đạt được mối
hàn đắp có chất lượng cao, tỷ lệ hòa trộn thấp và tốc độ hàn rất cao. Quá
trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình thái hai mỏ hàn độc lập, đồng
tốc có đặc điểm hồ quang Plasma lỗ khóa đi trước làm nóng chảy kim loại
cơ bản đồng thời nung nóng sơ bộ toàn bộ chiều dày phôi hàn cho phép tạo
ra mối hàn có chiều sâu ngấu lớn, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ cùng với năng
suất cao, tốc độ đắp lớn, ít biến dạng nhiệt. Chính vì vậy đây là đối tượng
nghiên cứu trong luận án nhằm tạo ra quá trình hàn có khả năng hàn giáp
mối một lượt tấm thép Cacbon dày, không vát mép.
- Bộ số thông số gá đặt ban đầu trong quá trình hàn lai ghép PlasmaGMAW với hình thái hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc như: cách đấu điện cực,
khoảng cách hai mỏ hàn (DE), góc nghiêng hai mỏ hàn (α), khe hở hàn được
nghiên cứu và thí nghiệm để tìm ra giá trị phù hợp. Cụ thể, nguồn hàn PAW
được đấu phân cực thuận DCEN, nguồn hàn GMAW được đấu phân cực
nghịch DCEP, α = 15 ±50 và DE ∼ 19,5mm, khe hở hàn 1,5±0,5mm. Các
thông số này không thay đổi trong các quá trình mô phỏng và thực nghiệm
tiếp theo.

16


- Các mô hình nguồn nhiệt của các quá trình hàn GMAW, PAW lỗ khóa, lai
ghép Laser-GMAW đã được nghiên cứu và đưa ra được mô hình nguồn
nhiệt lai ghép kết hợp giữa nguồn nhiệt hàn GMAW phía trên có dạng
nguồn nhiệt elipsoid kép và nguồn nhiệt hàn PAW lỗ khóa phía dưới có
dạng nguồn nhiệt nón 3 chiều phân bố Gauss.
Chương 3 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÀN LAI
GHÉP PLASMA-GMAW ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SYSWELD.
3.1 Mục đích
Các kết quả nghiên cứu trong Chương 2 đã chỉ ra rằng khả năng hình
thành lớp kim loại phía dưới mối hàn do tác động của nguồn nhiệt Plasma
lỗ khóa là yếu tố cốt lõi của sự hình thành liên kết hàn giáp mối thép tấm
dày. Do vậy chương này sẽ kiểm tra và tinh chỉnh mô hình nguồn nhiệt tối
ưu (kết hợp hai nguồn nhiệt Plasma và GMAW) đã được đề xuất ở Chương
2 thông qua so sánh kết quả mô phỏng bằng phần mềm SYSWELD và thực
nghiệm. Thông qua kết quả mô phỏng quá trình hàn lai ghép PlasmaGMAW ta có thể dự báo trước về trường nhiệt, hình dáng, kích thước mối
hàn, sự tương tác hai nguồn nhiệt hồ quang trong vũng hàn ,...Nghiên cứu
mô phỏng còn nhằm mục đích nắm bắt quá trình hàn một cách tổng quát và
trực quan, giảm nhiều các chi phí thử nghiệm do tránh được việc thực
nghiệm ở vùng thông số không thích hợp.
3.2 Tính toán, mô phỏng quá trình hàn bằng phương pháp phần tử
hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn - PTHH được biết như là một công cụ
hữu hiệu hỗ trợ nghiên cứu, thử nghiệm để xác định hành vi và tương tác
giữa các hiện tượng vật lý phức tạp trong quá trình hàn.
Kết quả mô phỏng trong quá trình hàn GMAW cho liên kết hàn giáp
mối tấm dày 12mm, vát mép chữ V.

Kết quả tính toán trường nhiệt độ trong quá trình hàn lai ghép PlasmaGMAW cho liên kết hàn giáp mối tấm 12mm không vát mép
17


Kết quả tính toán mô phỏng trường nhiệt độ phân bố trong tiết diện
ngang của liên kết hàn giáp mối bằng quá trình hàn lai ghép PlasmaGMAW được thể hiện trên Hình 3.18. Kết quả so sánh cho thấy sai khác
lớn nhất về hình dạng mặt cắt ngang mối hàn thực tế và mối hàn dự đoán từ
phần mềm là rất nhỏ (4%), trong phạm vi chấp nhận được. Với vùng ảnh
hưởng nhiệt thu được từ mối hàn thực tế và từ sự phân bố trường nhiệt độ ở
vùng nhiệt độ từ 9000C÷13000C có kích thước tương đương nhau, như vậy
các thông số mô phỏng là hợp lý, hay nói cách khác mô hình và lời giải của
phương pháp mô phỏng là phù hợp với thực tế và phương pháp tính toán
mô phỏng đảm bảo độ tin cậy.
Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn giáp mối bằng quá trình hàn
lai ghép Plasma-GMAW được thấy trên Hình 3.19. Kết quả nghiên cứu cho
thấy hai phần mối hàn trên và dưới được hình thành bởi tác động rất rõ ràng
tương ứng với hai nguồn nhiệt hàn GMAW và PAW. Đối với phần dưới
mối hàn được hình thành từ kim loại cơ bản nóng chảy do nguồn nhiệt
PAW lỗ khóa sinh ra, hình dạng mối hàn có dạng như hình nón của mô
hình nguồn nhiệt PAW đã chọn, phần bên trên mối hàn được hình thành từ
dây hàn GMAW nóng chảy sau khi nguồn hàn PAW đi trước làm nóng
chảy mép hàn KLCB tạo ra vùng trống ở bên trên. Ngoài ra có thể nhận
thấy nguồn nhiệt của quá trình hàn PAW và GMAW có ảnh hưởng lẫn nhau
trong trường nhiệt độ phân bố theo chiều dày tấm hàn. Từ kết quả cho thấy
ở phía trên bề mặt tấm hàn, hai nguồn nhiệt PAW và GMAW có sự tương
tác rất rõ rệt, tạo nên vùng nhiệt độ từ 13000C-15000C ở giữa hai mỏ hàn,
điều này giúp cho quá trình hàn GMAW theo sau điền đầy dễ hơn và tốc độ
đắp được nâng cao do KLCB đã được nung nóng sơ bộ. Mặt khác với mối
hàn được hình thành từ phía dưới đường hàn do PAW lỗ khóa tạo ra hầu
như không bị ảnh hưởng bởi nguồn nhiệt GMAW ở phía trên

18


3.3 Kết luận Chương 3
- Thành tựu cơ bản và nổi bật của chương này là đã ứng dụng phần mềm
Sysweld để tính toán mô phỏng bài toán phi truyền thống – đó là quá trình
hàn lai ghép Plasma-GMAW cho liên kết hàn giáp mối thép tấm dày có vát
mép và không vát mép. Tác giả đã áp dụng được mô hình nguồn nhiệt phù
hợp cho quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình thái hai mỏ hàn
độc lập, đồng tốc là kết hợp nguồn nhiệt elipsoid kép cho nguồn nhiệt hồ
quang GMAW ở phía trên và nguồn nhiệt nón 3 chiều phân bố Gauss cho
nguồn nhiệt hồ quang Plasma ở phía dưới.
- Đã xác định được chu trình nhiệt tại một số nút quan trọng và nhạy cảm
khi hàn liên kết giáp mối tấm thép dày 12 mm có và không vát mép bằng
quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW và GMAW truyền thống. Ngoài ra,
cũng bằng kỹ thuật mô phỏng, tác giả đã tính toán được ứng suất và biến
dạng của liên kết hàn ứng với chế độ công nghệ hàn cụ thể.
- Chương trình mô phỏng xây dựng được có thể áp dụng đối với chi tiết hàn
có chiều dày bất kỳ, với các dạng chuẩn bị mép hàn khác nhau và có thể áp
dụng cho các vật liệu kim loại và hợp kim của chúng (khi đó chỉ phải thay
đổi các hàm thuộc tính của vật liệu)
Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Mục đích
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm là hàn giáp mối thành công tấm
dày không vát mép bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình
thái hai mỏ hàn độc lập đồng tốc trên cơ sở của những nghiên cứu lý thuyết
ở Chương 2 và các tính toán mô phỏng ở Chương 3. Nghiên cứu thực
nghiệm còn nhằm mục đích kiểm chứng lại các lý thuyết, các giả thuyết
khoa học mà tác giả đã đưa ra, đồng thời sẽ bổ sung để ngày càng hoàn
thiện lý thuyết về công nghệ hàn lai ghép.
Quá trình tiến hành thực nghiệm hàn liên kết hàn giáp mối thép tấm có
chiều dày tới 12mm, không vát mép như luận án đề cập.
19


Kết luận chương 4
- Tác giả đã xác định chế độ hàn bằng quá trình GMAW riêng lẻ cho liên
kết giáp mối tấm dày 12mm có vát mép với 3 lượt hàn để làm cơ sở so sánh
với hàn liên kết tấm dày 12mm không vát mép với 1 lượt hàn bằng quá
trình hàn lai ghép Plasma-GMAW (Các kết quả được trình bày và bàn luận
trong Chương 5).
- Để khẳng định việc chọn quá trình hai lai ghép Plasma-GMAW với hình
thái 2 là thích hợp cho hàn tấm dày, không vát mép tác giả đã tiến hành xác
định chế độ hàn và thực hiện một số thực nghiệm với quá trình hai lai ghép
Plasma-GMAW với hình thái 1 (hàn đắp một lượt và hàn giáp mối một lượt
với các khe hở khác nhau) để làm cơ sở so sánh bằng thực nghiệm.
- Đã xác định chế độ và quy trình hai lai ghép Plasma-GMAW với hình
thái 2 cho các tấm có chiều dày khác nhau.
- Tất cả các thí nghiệm đã được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Hàn nóng
chảy thuộc Viện Hàn và ghép nối, ĐH Osaka, Nhật Bản trên các thiết bị đời
mới, hiện đại và được kiểm tra và đánh giá tại các các phòng thí nghiệm
chuyên nghành. Nhìn chung quá trình thực nghiệm đã tiến hành trên các
thiết bị nghiên cứu có độ tin cậy cao.
Chương 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
Mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép không vát mép với chiều
dày 12mm bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW
Kết quả chính của luận án hàn giáp mối một lớp với tấm thép dày không
vát mép với chiều dầy 12mm bằng công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW
và qua đó thấy được ưu điểm nổi trội so với công nghệ hàn GMAW khi hàn
giáp mối tấm cùng chiều dày.

Độ cứng tế vi bề mặt cắt ngang mối hàn: Qua biểu đồ phân bố độ cứng
cho thấy Độ cứng vùng 1(Hv0,2= 237) > Độ cứng vùng 2 (Hv0,2= 204) >

20


Độ cứng vùng HAZ (Hv0,2=185)> Độ cứng vùng KLCB (Hv0,2= 170).
Độ bền kéo mối hàn: Theo tiêu chuẩn kiểm tra độ bền kéo giá trị độ bền
kéo mẫu hàn 12mm là (405.1N/mm2) tương tự như kim loại cơ bản
(400∼510N/mm2) và vị trí vết kéo đứt trong phạm vi cho phép. Điều này
chứng tỏ mối hàn đã đảm bảo được yêu cầu về cơ tính
Mối hàn giáp mối ba lượt tấm thép dày 12mm vát mép chữ V bằng
quá trình hàn GMAW

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 riêng lẻ.
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
Quá trình hàn lai ghép
Plasma-GMAW hình thái 2

Quá trình hàn GMAW riêng lẻ

- Chiều rộng mối hàn: 10mm

- Chiều rộng mối hàn: 17mm

- Chiều cao phần nhô:1,5mm

- Chiều cao phần nhô:4,5mm

-Chiều rộng trung bình vùng HAZ:
5mm

- Chiều rộng trung bình vùng HAZ:
6,2mm

Số lượt hàn

1

3

Thông số cơ
bản quá trình

- Dòng hàn Plasma Ihp = 180A;

3 lượt hàn đều có thông số hàn tương
tự nhau bao gồm:

Chuẩn bị phôi
hàn
Tiết diện mặt
cắt ngang mối
hàn

Thông số hình
học mối hàn

21

- Điện áp hàn Plasma Uhp = 25V


- Lưu lượng khí tạo Plasma:

- Dòng hàn GMAW Ih = 200A;

Fllk = 2,0 l/phút (khí Ar+10%H2);

- Điện áp hàn GMAW Uh = 25A

- Công suất nhiệt đầu vào quá trình
hàn GMAW: QGMAW = 2360W;

- Công suất nhiệt đầu vào quá trình
hàn GMAW: QGMAW = 4250W;

- Tốc độ hàn: Vh = 2mm/s;

- Tốc độ hàn: Vh = 3mm/s;

- Tốc độ cấp dây: Wr = 3,4 m/min.

- Tốc độ cấp dây: Wr = 10 m/min.

- Sarea = 37mm2

- Fđ = 107mm2

- (QPlasma + QGMAW)/vh = 2980J/mm

- 3*QGMAW/vh = 4250J/mm

Năng suất hàn
(1/vh)

- 500 giây cho 1m đường hàn

- ≥ 1000 giây cho 1m đường hàn

Ứng suất, biến
dạng hàn

- Biến dạng tổng lớn nhất: 0,87mm

- Biến dạng tổng lớn nhất: 0,77mm

- Ứng suất dư Svon mises lớn nhất: 595,4
MPa

- Ứng suất dư Svon mises lớn nhất: 903,8
MPa

hàn

Diện tích đắp
Năng
đường

lượng

Kết luận chương 5
- Qua phân tích các kết quả nghiên cứu thực nghiệm ở chương này, tác giả
đã đưa ra quy trình hàn thử nghiệm với các dạng phôi hàn khác có chiều
dày khác nhau từ 6÷12mm, với các dạng vát mép khác nhau nhằm tìm ra bộ
thông số hàn hợp lý và là tiền đề để ứng dụng hàn giáp mối một lượt tấm
thép Cacbon thấp không vát mép với chiều dày lớn hơn.
- Ở chương này, tác giả đã đưa ra được giải pháp kỹ thuật có thể nâng cao
công suất nguồn nhiệt Plasma như tăng đường kính lỗ phun, thay đổi khí
tạo plasma giúp cho nâng cao chất lượng năng lượng nguồn hồ quang
Plasma để có thể liên kết được tấm hàn dày hơn. Với sự thay đổi khí tạo
Plasma là Ar với lưu lượng khí 3l/phút đã được thay bằng hỗn hợp khí
Ar+10%H2 với lưu lượng khí 2l/phút nhưng có thể làm cho nhiệt độ trung
bình cột hồ quang Plasma tăng lên 20%. Điều này vừa có ý nghĩa kinh tế
khi lưu lượng khí nhỏ hơn, vừa có ý nghĩa giúp hàn được mối hàn có chiều
sâu ngấu lớn hơn (từ 9mm lên 12mm)
- Các kết quả thu được về kiểm tra cơ tính mối hàn và cấu trúc tế vi mối hàn
cho thấy mối hàn đạt yêu cầu với thông số hàn đã chọn. Điều này cho thấy
quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW có thể nâng cao giới hạn chiều dày
khi hàn một lượt thép tấm Cacbon của quá trình hàn Plasma lỗ khóa là
6 8mm, hoặc với quá trình hàn GMAW là 6mm tăng lên 12mm.
- Đã chứng minh được mô hình nguồn nhiệt cải tiến dùng trong mô phỏng
quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW là tin cậy, các kết quả so sánh về
hình dạng mối hàn, trường nhiệt độ trong vũng hàn giữa mô phỏng và thực
tế khi hàn giáp mối tấm thép Cacbon dày 12mm không vát mép cho thấy
không có sự sai khác lớn (4%) và chấp nhận được.
- Đã đưa ra được một số ưu điểm nổi trội của quá trình hàn lai ghép Plasma22


GMAW so với quá trình hàn GMAW thông thường khi hàn giáp mối tấm
thép dày 12mm như: Tiết kiệm kim loại và công sức khi không cần vát mép
phôi hàn; Chiều rộng trung bình vùng HAZ nhỏ hơn 19,3% so với hàn
GMAW; Diện tích đắp nhỏ hơn 65% so với hàn GMAW; Năng lượng
đường nhỏ hơn 30% so với hàn GMAW; Năng suất hàn cao hơn 50% so
với hàn GMAW; Biến dạng hàn có giá trị rất nhỏ khi chiều dài đường hàn
nhỏ và tương đương với quá trình hàn GMAW; Ứng suất dư Svon mises lớn
nhất nhỏ hơn 34% so với hàn GMAW
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN & KIẾN NGHỊ
1) Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai hình thái kết hợp giữa
quá trình hàn PAW và quá trình hàn GMAW được ứng dụng vào các nhu
cầu khác nhau. Hình thái kết hợp hai mỏ hàn PAW và GMAW độc lập,
đồng tốc cho thấy khả năng vượt trội trong liên kết hàn thép tấm dày do
nguồn hồ quang Plasma lỗ khóa đi trước làm nóng chảy kim loại cơ bản ở
dưới và đồng thời gia nhiệt sơ bộ mép hàn phía trên làm giúp quá trình hàn
GMAW dễ điền đầy hơn trong cùng một lượt hàn. Điều này cho phép quá
trình hàn lai ghép Plasma – GMAW có thể nâng cao giới hạn chiều dày tấm
khi hàn giáp mối một lượt cho tấm thép Cacbon của hàn Plasma lỗ khóa từ
6÷8mm hoặc với quá trình hàn GMAW là từ 6mm lên 12mm. Do vậy quá
trình này có tính ứng dụng cao trong các ngành công nghiệp nặng như đóng
tàu, ôtô, nhiệt điện,...
2) Luận án đã thành công trong mô phỏng số quá trình hàn lai ghép PlasmaGMAW với mô hình nguồn nhiệt cải tiến là kết hợp mô hình nguồn nhiệt
elipsoid kép cho nguồn hàn GMAW phía sau và nguồn nhiệt nón 3 chiều
phân bố Gauss cho nguồn nhiệt PAW phía trước. Các kết quả mô phỏng
cho thấy kết quả tin cậy khi so với các dữ liệu thực nghiệm với sai số nhỏ
hơn 4% trong phạm vi cho phép. Ứng dụng phương pháp nghiên cứu mô
phỏng số bằng phần mềm SYSWELD để tính toán xác định sự hình thành
và tương tác giữa hai vùng hồ quang Plasma lỗ khóa và GMAW qua đó so
sánh với dữ liệu thực nghiệm thu được bằng các công cụ đo hiện đại, có độ
chính xác cao như HSVC, Camera nhiệt tốc độ cao. Phương pháp nghiên
cứu mô phỏng này đã đem lại những lợi ích lớn về kỹ thuật và kinh tế, đặc
biệt thích hợp với các bài toán mới, bài toán phi tiêu chuẩn như đối tượng
nghiên cứu của bản luận án này. Thông qua mô phỏng sẽ nắm bắt một cách
tổng quát và trực quan quá trình hàn trước khi thí nghiệm, giúp giảm được
rất nhiều thời gian cũng như số lượng chi phí thử nghiệm do tránh được
việc thực nghiệm ở vùng thông số công nghệ không thích hợp.
3) Luận án đã tính toán và đưa ra được thông số gá đặt hợp lý giữa hai mỏ
hàn Plasma và GMAW là: góc nghiêng giữa hai mỏ hàn α = 15±50 và

23


khoảng cách hai mỏ hàn DE = Dmin ∼ 19,5mm
4) Tác giả đã đưa ra được giải pháp kỹ thuật có thể nâng cao công suất
nguồn nhiệt Plasma như tăng đường kính lỗ phun, thay đổi khí tạo plsma
giúp cho nâng cao chất lượng năng lượng nguồn hồ quang Plasma để có thể
liên kết được tấm hàn dày hơn. Đặc biệt, với sự thay đổi khí tạo Plasma là
Ar với lưu lượng khí 3l/phút đã được thay bằng hỗn hợp khí Ar+10%H2 với
lưu lượng khí 2l/phút nhưng có thể làm cho nhiệt độ trung bình cột hồ
quang Plasma tăng lên 20% (Từ 155000K lên 187000K). Điều này vừa có ý
nghĩa kinh tế cao, vừa có ý nghĩa giúp hàn được mối hàn có chiều sâu ngấu
lớn hơn (từ 9mm lên 12mm) nâng cao năng suất hàn.
5) Điểm mới trong luận án là tác giả đã đưa ra được bộ thông số hợp lý bao
gồm một số thông số cơ bản như: Dòng hàn Plasma Ihp = 180A; Lưu lượng
khí tạo Plasma Fllk = 2,0 l/phút (khí Ar+10%H2); Công suất nhiệt đầu vào
quá trình hàn GMAW QGMAW = 2360W; tốc độ hàn Vh = 2mm/s; tốc độ cấp
dây Wr = 3,4 m/min để hàn giáp mối một lượt, không vát mép thép Cacbon
dày 12mm bằng công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW mà các quá trình
hàn thông thường khó có thể thực hiện được.
6) Quá trình hàn lai ghép Plasma- GMAW hình thái 2 có một số ưu điểm
nổi trội so với quá trình hàn GMAW thông thường khi hàn giáp mối tấm
thép dày 12mm. Đó là: Tiết kiệm kim loại và công sức khi không cần vát
mép phôi hàn; Chiều rộng trung bình vùng HAZ nhỏ hơn 19,3% so với hàn
GMAW; Diện tích đắp nhỏ hơn 65% so với hàn GMAW; Năng lượng
đường nhỏ hơn 30% so với hàn GMAW; Năng suất hàn cao hơn 50% so
với hàn GMAW; Biến dạng hàn có giá trị rất nhỏ khi chiều dài đường hàn
nhỏ và tương đương với quá trình hàn GMAW; Ứng suất dư Svon mises
lớn nhất nhỏ hơn 34% so với hàn GMAW. Do vậy kết quả này có ý nghĩa
thực tiễn cao và ứng dụng hiệu quả cao trong lĩnh vực hàn
KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Bản luận án này còn một số vấn đề chưa triển khai nghiên cứu, kiến
nghị các tác giả sau nghiên cứu tiếp những vấn đề dưới đây:
- Nghiên cứu mô phỏng số quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho
những tấm có chiều dày lớn nhằm dự đoán các công suất nguồn nhiệt hàn
cần thiết.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như lưu lượng khí tạo Plasma,
khí bảo vệ đến trường nhiệt độ trong vũng hàn của quá trình hàn lai ghép.
- Nghiên cứu mô phỏng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với góc
nghiêng mỏ hàn GMAW bất kỳ.
- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn Plasma-GMAW cho những vật liệu
khó hàn như hợp kim nhôm, đồng, titanium,...

24



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×