Đồ Án Tốt Nghiệp: Chế Tạo Mẫu Hàn Ứng Dụng Các Phương Án Hàn Khác Nhau

Chuyên khảo phân tích Chế tạo mẫu hàn ứng với các phương án hàn khác nhau, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Châu Tấn Phước
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Thức
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Chế Tạo Mẫu Hàn Ứng Dụng Các Phương Án Hàn Khác Nhau
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.4. Kết luận
• 1.5. Mục tiêu của đề tài
• 1.6. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 1.8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Chế Tạo Mẫu Hàn Ứng Dụng Các Phương Án Hàn Khác Nhau

Chế tạo mẫu hàn là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ chế tạo máy. Việc ứng dụng các phương án hàn khác nhau không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất. Các phương pháp hàn như hàn TIG, hàn MIG, và hàn hồ quang đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến tổ chức tế vi và độ bền kéo của sản phẩm.

1.1. Các Phương Pháp Hàn Thông Dụng Trong Chế Tạo Mẫu Hàn

Các phương pháp hàn như hàn TIG, hàn MIG và hàn hồ quang được sử dụng phổ biến trong chế tạo mẫu hàn. Mỗi phương pháp có những đặc điểm riêng, ảnh hưởng đến chất lượng và độ bền của sản phẩm.

1.2. Lợi Ích Của Việc Ứng Dụng Các Phương Án Hàn Khác Nhau

Việc áp dụng các phương án hàn khác nhau giúp cải thiện tính chất cơ lý của sản phẩm, tăng tuổi thọ và giảm chi phí sản xuất. Điều này đặc biệt quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo máy.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Chế Tạo Mẫu Hàn

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc chế tạo mẫu hàn cũng gặp phải nhiều thách thức. Độ bền của lớp hàn, tổ chức tế vi và ứng suất dư là những vấn đề cần được giải quyết. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.

2.1. Độ Bền Của Lớp Hàn Và Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Sản Phẩm

Độ bền của lớp hàn là yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng sản phẩm. Các phương án hàn khác nhau có thể tạo ra các lớp hàn với độ bền khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và tuổi thọ của sản phẩm.

2.2. Ứng Suất Dư Và Tổ Chức Tế Vi Trong Mẫu Hàn

Ứng suất dư và tổ chức tế vi là hai yếu tố quan trọng trong quá trình chế tạo mẫu hàn. Chúng có thể gây ra biến dạng và ảnh hưởng đến độ bền kéo của sản phẩm, do đó cần được kiểm soát chặt chẽ.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Chế Tạo Mẫu Hàn Ứng Dụng WAAM

Phương pháp hàn đắp lớp WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) đang được nghiên cứu và áp dụng để chế tạo mẫu hàn. Phương pháp này cho phép tạo ra các chi tiết có biên dạng phức tạp với độ chính xác cao và tiết kiệm vật liệu.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Phương Pháp WAAM

Phương pháp WAAM sử dụng dây hàn để tạo ra các lớp kim loại chồng lên nhau, cho phép tạo ra các chi tiết có hình dạng phức tạp. Nguyên lý hoạt động của phương pháp này dựa trên việc hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ.

3.2. Các Thông Số Hàn Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Mẫu Hàn

Các thông số hàn như dòng điện, tốc độ hàn và loại dây hàn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng mẫu hàn. Việc tối ưu hóa các thông số này là cần thiết để đạt được sản phẩm có độ bền và tổ chức tế vi tốt.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Mẫu Hàn Ứng Dụng Các Phương Án Hàn

Mẫu hàn được chế tạo từ các phương án hàn khác nhau có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như ô tô, hàng không và xây dựng. Việc áp dụng công nghệ hàn tiên tiến giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Ô Tô

Trong ngành ô tô, mẫu hàn được sử dụng để chế tạo các chi tiết như khung xe và bộ phận động cơ. Việc sử dụng các phương án hàn khác nhau giúp cải thiện độ bền và giảm trọng lượng sản phẩm.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Hàng Không

Ngành hàng không yêu cầu các chi tiết có độ bền cao và trọng lượng nhẹ. Mẫu hàn chế tạo từ các phương án hàn khác nhau đáp ứng được yêu cầu này, giúp nâng cao hiệu suất và an toàn cho các chuyến bay.

V. Kết Luận Về Chế Tạo Mẫu Hàn Ứng Dụng Các Phương Án Hàn Khác Nhau

Chế tạo mẫu hàn ứng dụng các phương án hàn khác nhau là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ hàn sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.1. Tương Lai Của Công Nghệ Hàn

Công nghệ hàn sẽ tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến mới, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm. Các nghiên cứu về tổ chức tế vi và độ bền kéo sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình hàn.

5.2. Định Hướng Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Định hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp hàn mới, cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất. Điều này sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo máy.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh Cách mạng Công nghiệp 4.0, công nghệ sản xuất đắp lớp kim loại (Additive Manufacturing – AM) đang nổi lên như một xu hướng tất yếu, thay thế dần các phương pháp gia công truyền thống. Theo tiêu chuẩn ASTM 2013 (American Society for Testing and Materials), có 7 phương pháp AM chính, trong đó Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) – Gia công đắp lớp bằng hồ quang dây – đang thu hút sự quan tâm đặc biệt nhờ khả năng tạo hình các chi tiết kim loại kích thước lớn với tỷ lệ đắp cao và chi phí thấp. Ngành hàng không vũ trụ, đóng tàu và ô tô toàn cầu đang ứng dụng WAAM ngày càng phổ biến, trong khi tại Việt Nam, các nghiên cứu về lĩnh vực này vẫn còn rất hạn chế.

Problem Statement: Khi tiến hành đắp lớp bằng phương pháp WAAM, quá trình hàn liên quan đến nhiệt độ cao gây ra ứng suất dư (residual stress) và biến dạng nhiệt (thermal distortion), ảnh hưởng trực tiếp đến tổ chức tế vi và độ bền cơ học của sản phẩm. Hiện chưa có nghiên cứu hệ thống tại Việt Nam đánh giá tác động của từng phương án hàn đắp đến các chỉ số này.

Mục tiêu dự án:

1. Nghiên cứu khả năng tạo hình của công nghệ WAAM kết hợp máy CNC và máy hàn MAG
2. Đánh giá ảnh hưởng của 4 phương án hàn đắp khác nhau đến tổ chức tế vi và độ bền kéo
3. Xác định mối liên hệ giữa chiến lược đắp lớp (vị trí, hướng và độ dày lớp hàn) với cơ tính sản phẩm
4. Xây dựng cơ sở dữ liệu ban đầu về thông số WAAM cho thép sử dụng dây hàn GM-70S tại Việt Nam

Phạm vi: Nghiên cứu chỉ tập trung vào công nghệ hàn MAG (Metal Active Gas) với vật liệu thép carbon thấp, kiểm tra tổ chức tế vi bằng kính hiển vi kim tương và kiểm tra độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM E8/E8M-13.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

So sánh WAAM với các phương pháp AM khác

Phương pháp	Nguyên liệu	Tỷ lệ đắp	Chi phí vật liệu	Kích thước tối đa	Ứng dụng
SLM/SLS (PBF)	Bột kim loại	Thấp	Rất cao	Nhỏ (<300mm)	Chi tiết chính xác cao
LMD/LENS (DED)	Bột + dây	Trung bình	Cao	Trung bình	Sửa chữa, phục hồi
WAAM (MAG/MIG/TIG)	Dây hàn	Cao	Thấp	>1m³	Chi tiết lớn, kết cấu
FDM	Nhựa/polyme	Trung bình	Thấp	Trung bình	Tạo mẫu nhanh

Điểm vượt trội của WAAM: năng suất hàn MAG cao hơn 2,5 lần so với hàn hồ quang tay thông thường, chi phí dây hàn thấp hơn đáng kể so với bột kim loại, và khả năng giảm lượng dư vật liệu lên đến 50% (BTF – Buy to Fly ratios).

Phân tích User Requirements (MoSCoW)

• Must have: Mẫu thử đạt kích thước theo ASTM E8/E8M-13, đủ số lượng tại các vị trí A, B, C trên mỗi phương án
• Should have: Tổ chức tế vi quan sát rõ ràng dưới kính hiển vi ở độ phóng đại X50
• Could have: So sánh với dữ liệu độ bền dây hàn ban đầu (GM-70S)
• Won't have (trong phạm vi này): Kiểm tra độ cứng Vickers, phân tích thành phần hóa học sau hàn

Thiết kế hệ thống

Technology Stack

Thành phần	Công cụ/Thiết bị	Thông số
Nguồn năng lượng hàn	Máy hàn MAG	DC 22V – 120A, DCEP
Điều khiển quỹ đạo	Máy CNC	Tốc độ hàn: 400 mm/phút
Dây hàn	GM-70S (AWS ER70S-6)	Ø1.2mm, E70S-6
Khí bảo vệ	CO₂ / Ar+CO₂	Lưu lượng 10 l/phút
Kiểm tra tế vi	Kính hiển vi kim tương	Độ phóng đại 50x–2000x
Camera tế vi	CMEX DC 5000-C	Phần mềm ImageFocus 4
Kiểm tra bền kéo	Máy thử kéo phá hủy (DT)	Tiêu chuẩn ASTM E8/E8M-13
Mài/đánh bóng	MP-2B Grinder Polisher	—

Thông số dây hàn GM-70S

Dây hàn GM-70S thuộc tiêu chuẩn AWS A5.18 ER70S-6, tương đương JIS YGW12:

• Độ bền kéo tối thiểu: 72,000 psi (~496 MPa)
• Giới hạn chảy tối thiểu: 60,000 psi (~414 MPa)
• Độ giãn dài tối thiểu: 22%
• Thành phần hóa học: C: 0.07–0.15%, Mn: 1.40–1.85%, Si: 0.80–1.15%
• Cực tính: DCEP (dây hàn nối cực dương)

Thiết kế mẫu thử kéo

Mẫu thử được gia công theo tiêu chuẩn ASTM E8/E8M-13 với hình dạng thanh dẹt, lấy mẫu tại 3 vị trí A (đáy), B (giữa), C (đỉnh) của khối hàn đắp để đánh giá sự không đồng nhất cơ tính theo chiều cao đắp lớp.

Methodology

Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm theo quy trình:

1. Nghiên cứu lý thuyết: Thu thập tài liệu WAAM quốc tế, xác định thông số hàn tham chiếu
2. Thực nghiệm: Chế tạo mẫu → Kiểm tra cơ tính → Thống kê phân tích
3. Đánh giá: So sánh kết quả giữa các phương án và với lý thuyết

Timeline thực hiện: Từ 11/07/2022 đến 18/02/2023 (7 tháng)

---

Implementation và kết quả

Development Process

Bốn phương án hàn đắp

Nhóm đã thiết kế 4 phương án hàn với các chiến lược đắp lớp khác nhau, trong đó 2 phương án đã được kiểm nghiệm hình dạng đường hàn trước khi tiến hành đắp chính thức:

• Phương án 1: Hàn theo đường zig-zag ngang – tạo các lớp đan ngang theo chiều X
• Phương án 2: Hàn theo đường zig-zag xéo – nghiêng góc so với phương ngang
• Phương án 3 & 4: Các chiến lược đường hàn thay thế với sự biến đổi về hướng và bước tiến lớp

Thông số hàn thống nhất cho tất cả phương án:

Điện áp hàn:      22 V
Dòng điện hàn:    120 A
Lưu lượng khí:    10 l/phút
Tốc độ hàn:       400 mm/phút
Dây hàn:          GM-70S, Ø1.2 mm

Kiểu chuyển dịch giọt kim loại trong MAG

Trong điều kiện thực nghiệm với khí CO₂, cơ chế chuyển dịch kim loại chủ yếu là chuyển dịch dạng cầu (globular transfer) – xảy ra khi dòng điện hàn thấp hơn ngưỡng tới hạn, tạo giọt kim loại có đường kính lớn hơn hoặc bằng đường kính dây hàn. Kiểu chuyển dịch tia (spray transfer) được xem là lý tưởng cho WAAM (xảy ra khi khí bảo vệ chứa >80% Argon) nhưng đòi hỏi thay đổi thành phần khí bảo vệ.

Quy trình chế tạo mẫu

1. Chuẩn bị: Gá tấm đế lên bàn CNC, cố định và kiểm tra độ phẳng
2. Lập trình CNC: Nạp đường hàn theo từng phương án vào controller
3. Đắp lớp MAG: Thực hiện hàn đắp từng lớp chồng lên nhau theo biên dạng thiết kế
4. Gia công cơ: Phay/mài để tạo hình mẫu thử kéo theo ASTM E8/E8M-13
5. Chuẩn bị tế vi: Cắt bằng máy cưa → Mài → Đánh bóng (MP-2B) → Tẩm thực hóa học

Testing và Validation

Kiểm tra độ bền kéo (Destructive Testing – DT)

Mẫu được thử theo quy trình ASTM E8/E8M-13 tại nhiệt độ phòng. Các thông số xác định:

• Lực kéo đứt (Fm): Xác định độ bền kéo cực đại Rm (MPa)
• Giới hạn chảy (Upper Yield Point): Xác định giới hạn chảy σ₀.₂
• Độ giãn dài tương đối sau đứt (A%): Tính theo công thức:

$$A = \frac{L_u - L_o}{L_e} \times 100%$$

• Độ giãn dẻo tương đối ở lực lớn nhất (Ag%):

$$A_g = \left(\frac{\Delta L_m}{L_e} - \frac{R_m}{m_E}\right) \times 100%$$

Kiểm tra tổ chức tế vi (Metallographic Analysis)

Sử dụng phần mềm ImageFocus 4 kết hợp camera CMEX DC 5000-C ở độ phóng đại X50, nhóm đo kích thước hạt austenite theo công thức:

$$I_{tb} = \frac{I_{ng} + I_d}{2} \ (\mu m)$$

$$S_{tb} = \frac{\pi \cdot I_{tb}^2}{4} \ (mm^2)$$

Dựa trên giá trị S_tb tra bảng cấp hạt (từ cấp -3 đến cấp 14) để đánh giá cấu trúc hạt tinh hay thô. Theo quan hệ Hall-Petch:

$$\sigma_{0,2} = \sigma_i + k \cdot d^{-1/2}$$

Hạt càng mịn → đường kính hạt d càng nhỏ → giới hạn chảy σ₀.₂ càng cao.

Kết quả kiểm tra trung bình

Phương án	Độ bền kéo Rm (MPa)	Độ giãn dài A (%)	Cấp hạt trung bình
Phương án 1 (zig-zag ngang)	Xem biểu đồ Hình 5.2	Xem Hình 5.5	Xem histogram Hình 5.3
Phương án 2 (zig-zag xéo)	—	—	—
Phương án 3	—	—	—
Phương án 4	—	—	—
Dây hàn GM-70S ban đầu	≥496 MPa	≥22%	Tham chiếu

Kết quả phân tích được so sánh trực tiếp với cơ tính dây hàn ban đầu để đánh giá hiệu quả của quá trình đắp lớp. Biểu đồ ứng suất-biến dạng (Hình 5.2) và histogram tần suất cấp hạt (Hình 5.3) là công cụ phân tích chính.

---

Đổi mới và đóng góp

Đổi mới kỹ thuật

1. Tích hợp hệ thống CNC + MAG tại Việt Nam: Ứng dụng máy CNC để điều khiển quỹ đạo hàn với độ lặp lại cao (tốc độ 400 mm/phút ổn định), khắc phục hạn chế của hàn bán tự động thủ công.

2. Phân tích đa vị trí (A-B-C): Thay vì lấy mẫu tại một vị trí duy nhất, nghiên cứu phân tích cơ tính tại 3 vị trí theo chiều cao (đáy – giữa – đỉnh), làm rõ gradient cơ tính trong khối hàn đắp – một thông tin quan trọng cho thiết kế kết cấu WAAM.

3. So sánh đồng thời tế vi và độ bền kéo: Kết hợp phân tích định lượng cấp hạt với kết quả thử kéo, kiểm chứng thực nghiệm mối quan hệ Hall-Petch trong bối cảnh hàn đắp MAG.

So sánh với nghiên cứu quốc tế

Nghiên cứu	Phương pháp	Điểm tương đồng	Điểm khác biệt
"GMAW-Based Metal Deposition Using Semi-automatic Movement Setup" (01/2022)	GMAW bán tự động	Phân tích HAZ và tế vi đa lớp	Nghiên cứu này dùng CNC hoàn toàn, so sánh 4 phương án
"Weld Bead Modeling and Process Optimization in Hybrid Layered Manufacturing" (2011)	GMAW + phay kết hợp	Tối ưu thông số hàn	Đề tài tập trung vào chiến lược hàn, không ghép phay
"Research on GMAW-based NSTWS Manufacturing" (03/2021)	GMAW + robot đa bậc tự do	Cấu trúc tường mỏng GMAW	Đề tài dùng CNC thay robot, vật liệu thép carbon thay vì hợp kim đặc biệt

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Các kịch bản ứng dụng

• Sửa chữa phục hồi chi tiết máy: Đắp lại bề mặt mài mòn của bánh răng, trục, khuôn dập với lớp đắp có cơ tính được kiểm soát
• Chế tạo kết cấu thép lớn: Khung giàn, tấm gia cường trong ngành đóng tàu và xây dựng (ví dụ: cầu thép MX3D xây dựng bằng WAAM đa trục)
• Hàng không vũ trụ: Tấm thân máy bay nhôm với chất tạo cứng, theo mô hình STELIA Aerospace

Yêu cầu triển khai hệ thống WAAM cơ bản

Phần cứng tối thiểu:
- Máy hàn MAG (DC, 120–300A, điều chỉnh điện áp không đổi)
- Máy CNC 3 trục (hành trình ≥ 500mm × 500mm × 500mm)
- Bộ cấp dây hàn tự động (motor servo điều tốc)
- Hệ thống cấp khí bảo vệ (van chỉnh áp + bình CO₂ hoặc Ar/CO₂)
- Bộ làm mát súng hàn (nước tuần hoàn cho dòng cao)

Phần mềm:
- CAD: Thiết kế mô hình 3D (SolidWorks, Catia)
- CAM: Sinh đường hàn (Mastercam, NX CAM)
- Phân tích tế vi: ImageFocus 4

Phân tích chi phí – lợi ích

• Chi phí nguyên vật liệu: Dây hàn GM-70S (~$2–5/kg) so với bột kim loại SLM (~$50–200/kg) → tiết kiệm 90–97% chi phí vật liệu
• Chi phí thiết bị: Hệ thống WAAM (CNC + MAG) < $50,000 so với máy SLM > $200,000 → giảm 75% đầu tư ban đầu
• Khả năng mở rộng: Tăng kích thước chi tiết bằng cách mở rộng hành trình CNC hoặc kết hợp ray robot dài

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

• Chỉ nghiên cứu hàn MAG (CO₂/Ar+CO₂), chưa so sánh với hàn TIG (phù hợp cho titan) hay MIG (nhôm)
• Độ nhám bề mặt cao: Sản phẩm WAAM cần gia công cơ thêm (phay, mài) để đạt yêu cầu kỹ thuật, tăng thêm bước sản xuất
• Ứng suất dư và biến dạng nhiệt: Chưa đo lường định lượng ứng suất dư; đây là hạn chế lớn ảnh hưởng đến độ chính xác hình dạng
• Phạm vi vật liệu: Chỉ thử nghiệm với thép carbon thấp (GM-70S/ER70S-6), chưa khảo sát thép không gỉ, nhôm hay titan
• Số lượng phương án: 4 phương án chiến lược hàn, chưa tối ưu hóa toán học các thông số

Hướng phát triển tương lai

1. Ứng dụng xử lý nhiệt sau WAAM để giảm ứng suất dư và đồng đều hóa tổ chức tế vi
2. Mở rộng sang robot 6 bậc tự do để thực hiện WAAM đa trục, tạo kết cấu tường mỏng phức tạp (NSTWS – Non-Supporting Thin-Wall Structure)
3. Tích hợp gia công kết hợp WAAM + phay CNC trong cùng một setup (hybrid manufacturing)
4. Nghiên cứu vật liệu đa thành phần: Kết hợp Stellite 6 và AISI 316L trong một chi tiết WAAM gradient
5. Xây dựng mô hình dự đoán ML về cơ tính dựa trên thông số hàn (dòng điện, điện áp, tốc độ)

---

Đối tượng hưởng lợi

• Sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo Máy: Tài liệu tham chiếu thực nghiệm về WAAM với quy trình đầy đủ từ thiết kế mẫu → chế tạo → kiểm tra → phân tích; cơ sở lý thuyết về hàn GMAW, AM, tiêu chuẩn ASTM
• Kỹ sư và nhà sản xuất: Bộ thông số hàn thực tế (22V/120A/400mm/phút) đã được kiểm chứng; hướng dẫn chọn chiến lược đắp lớp phù hợp với yêu cầu cơ tính
• Doanh nghiệp vừa và nhỏ: Minh chứng tính khả thi của hệ thống WAAM chi phí thấp (CNC + MAG sẵn có), mở ra khả năng sản xuất chi tiết phục hồi hoặc tạo mẫu nhanh với đầu tư ban đầu hợp lý
• Nhà nghiên cứu: Dữ liệu nền về tổ chức tế vi và cơ tính theo chiều cao đắp lớp (vị trí A-B-C); phương pháp so sánh 4 chiến lược hàn làm tham chiếu cho nghiên cứu tối ưu hóa tiếp theo

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai hệ thống WAAM tương tự? Cần máy hàn MAG DC có dải điều chỉnh 80–250A/15–30V, máy CNC 3 trục với hành trình tối thiểu 500×500×300mm, bộ cấp dây hàn tốc độ điều chỉnh được và hệ thống cấp khí CO₂. Chi phí đầu tư ban đầu ước tính 200–500 triệu VNĐ.

2. Giới hạn kích thước chi tiết và giải pháp mở rộng? Với CNC 3 trục tiêu chuẩn, kích thước bị giới hạn bởi hành trình máy. Mở rộng bằng cách sử dụng ray robot, bàn xoay thêm trục thứ 4-5, hoặc chuyển sang robot hàn 6 bậc tự do có thể đạt chi tiết >1m³.

3. Tích hợp với quy trình sản xuất hiện có như thế nào? WAAM có thể tích hợp như bước "đắp phôi" trước khi gia công cơ CNC thông thường. Sản phẩm WAAM đóng vai trò phôi gần tinh (near-net-shape), giảm lượng dư gia công và tiết kiệm vật liệu đến 50%.

4. Nhu cầu bảo trì và vận hành? Bảo trì định kỳ tập trung vào súng hàn (thay contact-tip, chụp khí), kiểm tra bộ cấp dây (motor, con lăn) và van khí. Không yêu cầu kỹ năng hàn chuyên sâu do CNC kiểm soát quỹ đạo tự động.

5. Phân tích chi phí và thời gian hoàn vốn? Với ứng dụng phục hồi chi tiết mài mòn: giá trị chi tiết phục hồi bằng 20–40% chi tiết mới; thời gian hoàn vốn hệ thống ước tính 12–24 tháng tùy khối lượng công việc. Tiết kiệm vật liệu 90–97% so với AM bột kim loại là lợi thế cạnh tranh chính.

---

Kết luận

Đề tài "Chế tạo mẫu hàn đắp ứng với các phương án hàn khác nhau" đã thực hiện thành công việc nghiên cứu tổng thể về công nghệ WAAM tại Việt Nam, từ nền tảng lý thuyết đến thực nghiệm có kiểm chứng định lượng. Nhóm đã tích hợp thành công hệ thống máy hàn MAG và máy CNC để thực hiện đắp lớp WAAM với dây hàn GM-70S (AWS ER70S-6), chế tạo và kiểm tra mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM E8/E8M-13 tại 3 vị trí trên 4 phương án hàn.

Đóng góp khoa học nổi bật: cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm đầu tiên tại Việt Nam về ảnh hưởng chiến lược đắp lớp (zig-zag ngang, zig-zag xéo và các biến thể) đến tổ chức tế vi và độ bền kéo của thép carbon thấp WAAM, kiểm chứng mối quan hệ Hall-Petch trong điều kiện hàn đắp MAG thực tế.

Về giá trị thực tiễn: nghiên cứu chứng minh tính khả thi kinh tế của WAAM với thiết bị sẵn có trong nước, mở ra hướng ứng dụng cho các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ tại Việt Nam trong phục hồi chi tiết và sản xuất phôi gần tinh kích thước lớn – lĩnh vực mà các AM truyền thống (SLM, DED bột) không đáp ứng được về chi phí và quy mô.

Đây là nền tảng quan trọng để tiếp tục phát triển WAAM kim loại tại Việt Nam, hướng đến tích hợp gia công kết hợp, tối ưu hóa thông số bằng học máy và mở rộng sang các vật liệu thép không gỉ, nhôm trong các nghiên cứu tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Mở đầu. Trình bày mục đích của việc thực hiện đè tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. 18 Trình bày lý thuyết về in 3D kim loại.

Các yếu tố, thông số ảnh hưởng đến quá trình. Chương 3: Nghiên cứu chế tạo mẫu thử. Tiến hành thiết kế và chế tạo mẫu thử. Chương 4: Kiểm tra và đánh giá mẫu.

Trình bày các bước cũng như phương pháp trước khi tiến hành kiểm tra mẫu. Chương 5: Thống kê và đánh giá kết quả kiểm tra mẫu. Trình bày các thông số kết quả cũng như đưa ra các biểu đồ lực và đánh giá kết quả. Chương 6: Kết luận.

Tài liệu tham khảo. 19 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về công nghệ gia công đắp lớp AM Công nghệ gia công đắp lớp (AM) coi là một cuộc cách mạng công nghiệp mới sau cách mạng công nghiệp 3. Khác với gia công cắt gọt, như các quy trình gia công, đúc và rèn thông thường, AM xây dựng cấu trúc ba chiều (3D) bằng cách liên tục thêm từng lớp vật liệu với sự lập trình của mô hình thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD). Nhiều loại vật liệu khác nhau gồm polyme, kim loại, gốm sứ, thủy tinh, vật liệu sinh học và vật liệu composite, chúng đều xuất hiện trong phương pháp AM.1 minh họa lộ trình công nghệ của AM [1].1 Nguyên lý hoạt động của AM [11] Công nghệ đắp lớp AM (in 3D) hiện được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác như công nghiệp đóng tàu, hàng không, ô tô, y sinh, …Chúng đã và đang tiếp tục nghiên cứu và có thể coi là công nghệ đầy tiềm năng trong tương lai.2 Phân loại công nghệ đắp lớp AM Hình 2.2 Các phương pháp đắp lớp Theo tiêu chuẩn ASTM 2013 (American Society of Testing and Materials), có 7 phương pháp đắp lớp [2]: 20 Binder Jetting: vật liệu dạng bột đã được trải phẳng được liên kết với nhau theo từng lớp bởi một lớp nhựa được phun ra và sau đó lắng đọng tại những vị trí được lập trình lại để tạo ra sản phẩm.

Material Jetting: giọt dung dịch phun và hóa rắn theo từng lớp riêng do tia UV (Ultraviolet Light). Sheet Lamination: gồm công nghệ ultrasonic additive manufacturing (UAM) và laminated object manufacturing (LOM). Các tấm kim loại liên kết với nhau bằng hàn siêu âm sau đó được gia công cơ để hoàn thiện chi tiết. Vat Photopolymer: dung dịch nhựa photopolymer được chứa trong bồn dung dịch và sau đó được hóa rắn bởi tia UV tại những vị trí xác định theo từng lớp.

Material Extrusion: tương tự như FDM. Sợi nhựa được đùn qua một đầu phun được gia nhiệt từ đó đắp thành từng lớp đã được xác định vị trí bởi phần mềm chuyên dụng. Powder Bed Fusion (PBF): gồm các công nghệ như SLS, SLM, EBM. PBF là phương pháp mà nguồn nhiệt (laser hoặc chùm tia electron) để làm nóng chảy và thiêu kết biên dạng kim loại dạng bột đã được trải phẳng.

Direct Energy Deposition (DED): bao gồm LMD, LENS, EBAM. DED là nguồn năng lượng nhiệt (laser hoặc chùm tia electron) dùng để làm nóng chảy và thiêu kết bột kim loại được phun ra từ đầu phun đồng trục với nguồn nhiệt. Ưu điểm, nhược điểm so với phương pháp gia công cắt gọt truyền thống: Ưu điểm:  Tốc độ hình thành sản phẩm nhanh so với công nghệ truyền thống.  Ứng dụng, vật liệu chế tạo đa dạng.

 Dễ dàng chuẩn bị, sử dụng và bảo dưỡng.  Nhiều màu sắc khi tạo mẫu.  Tạo ra cấu trúc bất kì, độ phức tạp cao.  Không sử dụng dụng cụ cắt gọt.

 Giảm được nhiều bước và nguyên công.  Tối ưu hóa trong việc thiết kế sản phẩm. Nhược điểm:  Tốc độ tạo sản phẩm còn chậm.  Kinh phí về vật liệu cao.

 Kích thước bị giới hạn.  Tỷ lệ đắp thấp. 21 Wire Are Additive Manufacturing (WAAM) là một trong những công nghệ đắp lớp kim loại đã được nghiên cứu khoảng 30 năm và công nghệ này nhận được sự chú ý lớn do có thể tạo ra các chi tiết bằng kim loại với cấu trúc gần tinh, kích thước lớn và tỷ lệ đắp cao. WAAM kết hợp nhiều công nghệ hàn MIG, MAG hoặc TIG với hệ thống robot hoặc máy CNC.

Nó giúp giảm tỉ lệ lãng phí kim loại trong quá trình gia công (BTF- BuyTo Fly ratios). Gia công đắp lớp bằng hồ quang (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM) Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) là một quy trình sản xuất được sử dụng để in 3D hoặc sửa chữa các bộ phận kim loại. Thuộc phương pháp đắp lớp Direct Energy Deposition (DED). WAAM tạo hình 3D bằng cách hàn và tạo các lớp đắp lên nhau với hình dạng mong muốn.

Nó là sự kết hợp của hai quy trình sản xuất: Hàn hồ quang kim loại bằng khí (GMAW) và gia công đắp lớp. GMAW là một quy trình hàn được sử dụng để nối các bộ phận kim loại bằng hồ quang điện và gia công đắp lớp là thuật ngữ công nghiệp cho in 3D. Việc sản xuất các bộ phận sử dụng WAAM được thực hiện bởi rô-bốt hàn tích hợp với nguồn điện. Một mỏ hàn gắn vào rô-bốt hoặc đầu trục máy CNC làm nóng chảy nguyên liệu dây để chế tạo các bộ phận 3D [3].3 Cấu tạo hệ thống WAAM [12] So với các phương pháp gia công đắp lớp trên, WAAM vượt trội hơn các quy trình sản xuất thông thường và các kỹ thuật DED khác theo một số cách.

Những lợi thế này gồm:  Kích thước lớn: Kích thước có thể in tối đa chủ yếu phụ thuộc vào tầm với của robot hàn hoặc máy được sử dụng. WAAM cung cấp khả năng sản xuất các bộ phận có kích thước trên một mét khối. Kích thước có thể in tối đa có thể được tăng lên bằng việc sử dụng đường ray rô-bốt và bộ điều khiển hàn.  Thiết kế đắp lớp tự do: WAAM và các phương pháp gia công đắp lớp khác cho phép sản xuất các hình dạng tương đối phức tạp.

Điều này cũng có nghĩa 22 là việc tối ưu hóa cấu trúc liên kết và sản xuất các bộ phận được thiết kế chung trở nên dễ tiếp cận hơn.  Chi phí đắp lớp thấp: So với các hệ thống DED khác như thiêu kết laser kim loại trực tiếp hoặc gia công đắp lớp chùm tia điện tử, WAAM có chi phí thấp hơn. WAAM cung cấp tỷ lệ đắp lớp cao hơn so với các kỹ thuật AM khác, điều này cũng giúp cho chất lượng và chi phí của quy trình hiệu quả hơn.  Sử dụng được với nhiều loại vật liệu khác nhau: WAAM sử dụng dây tiêu hao làm nguyên liệu.

Tùy thuộc vào yêu cầu của sản phẩm mà sử dụng các loại dây hàn có chất liệu khác nhau. Cung cấp nhiều loại vật liệu và tính chất cơ học để thiết kế và sản xuất một bộ phận.  Gia công kết hợp: WAAM có thể được sử dụng kết hợp với các phương pháp sản xuất khác để thêm các đặc điểm cụ thể vào các bộ phận được sản xuất theo cách truyền thống.  Tổng hợp vật liệu: WAAM có khả năng thiết kế các bộ phận được phân loại theo chức năng, trong đó nhiều vật liệu có thể được kết hợp để thiết kế một bộ phận, ví dụ: hợp kim coban Stellite 6 và hợp kim sắt AISI 316L.

 Giảm thiểu lượng dư: vật liệu đắp WAAM được đắp lớp ở những nơi cần thiết, nhờ vậy có khả năng giảm được 50% lượng dư. Từ các khối rắn hoặc các bộ phận được làm từ vật liệu đắt tiền, ví dụ như titan việc này phù hợp với WAAM để tránh mất mát chi phí. Tối ưu hóa cấu trúc liên kết từ đó có thể tối đa hóa hiệu quả trong việc sử dụng vật liệu.  Tính chất cơ học: WAAM có thể vượt trội hơn các tính chất cơ học của quy trình sản xuất đúc và rèn.

MIG hoặc MAG sẽ thích hợp khi thực hiện đắp lớp với chi tiết bằng nhôm hoặc thép do nguyên liệu cấp đồng trục với súng hàn nên dễ dàng trong việc đắp lớp. TIG làm tốt khi đắp lớp với chi tiết bằng titan để cải thiện được chất lượng của chi tiết. Tuy nhiên, hê thống cấp dây cần tách riêng với súng hàn làm cho việc lập trình sẽ phức tạp hơn. Có một số nhược điểm làm hạn chế công nghệ WAAM là biến dạng và ứng suất dư sinh ra với lượng nhiệt hàn lớn sẽ dẫn đến chính xác không cao, biến dạng và chất lượng bề mặt thấp, không thể tạo ra được chi tiết có độ phức tạp cao như các phương pháp đắp lớp khác.

Công nghệ WAAM có thể được áp dụng để tạo ra các sản phẩm có kích thước lớn trong các lĩnh vực hàng không, đóng tàu, ô tô,… 23 Hình 2.4 Một số chi tiết từ WAAM 2.1 Xử lý sản phẩm sau quy trình WAAM Quy trình WAAM cần một số hình thức xử lý gia công để đảm bảo yêu cầu kĩ thuật. Có 2 vấn đề chính cần giải quyết do tác dụng phụ của WAAM: Ứng suất dư và độ nhám bề mặt. Để khắc phục được ứng suất dư trong chi tiết, quá trình cần xử lý ở nhiệt độ cao nhằm tránh nguy cơ hỏng hóc sớm và tăng hiệu suất cũng như độ bền của sản phẩm. Trong một số trường hợp, một phương pháp xử lý nhiệt cụ thể được áp dụng để điều chỉnh các đặc tính của vật liệu.

Độ nhám bề mặt là một trong những bước xử lí quan trọng. Sản phẩm của phương pháp WAAM sau khi được gia công có thể thấy được các lớp đắp bằng mắt thường. Để tối ưu hóa độ bền chảy, kéo và khả năng chống ăn mòn, ta có thể thêm vào các bước gia công cơ như phay hoặc mài để hoàn thiện sản phẩm.2 Một số vật liệu sử dụng trong gia công đắp lớp kim loại 2.1 Thép Thép được sử dụng phổ biến trong gia công đắp lớp bởi sự linh hoạt và khả năng ứng dụng được rộng rãi trong cơ khí chính xác, chi tiết có chất lượng cao. Hầu hết, các kim loại làm từ thép đều có thể in được, với 2 loại thép được sử dụng phổ biến nhất là thép công cụ và thép không gỉ.

Siêu hợp kim Siêu hợp kim sử dụng giúp tạo ra sản phẩm có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt để tránh bị hư hại trong quá trình làm việc ở những nơi có hóa chất ăn mòn, nơi có nhiệt độ cao… Có nhiều siêu hợp kim có thể sử dụng để gia công đắp lớp, có 2 loại siêu hợp kim phổ biến nhất là Cobalt Chrome và Inconel.