Đồ Án Tốt Nghiệp: 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. 83 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2023.

• 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

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo hiện đại, công nghệ gia công đắp lớp (Additive Manufacturing - AM), hay in 3D kim loại, đang phát triển mạnh mẽ nhằm thay thế hoặc bổ trợ cho các phương pháp gia công cắt gọt, đúc và rèn truyền thống. Theo tiêu chuẩn của Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (ASTM), công nghệ AM kim loại bao gồm nhiều nhánh, trong đó các phương pháp sử dụng bột kim loại như nóng chảy chọn lọc bằng laser (SLM) hay nóng chảy bằng chùm tia điện tử (EBM) thường có tỷ lệ đắp thấp, thời gian kéo dài và chi phí thiết bị, vật liệu rất cao. Để khắc phục các nhược điểm này, công nghệ gia công đắp lớp bằng hồ quang kết hợp dây hàn (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM) đã ra đời. WAAM tích hợp nguồn nhiệt hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ (GMAW/MAG) với hệ thống dịch chuyển tự động (máy CNC hoặc cánh tay robot) để tạo hình sản phẩm 3D theo từng lớp kim loại chồng lên nhau. Công nghệ này có ưu thế vượt trội về kích thước không gian chế tạo, tỷ lệ bồi đắp cao, giảm thiểu lượng dư gia công và chi phí nguyên liệu dây hàn thấp hơn nhiều so với vật liệu dạng bột.

Tuy nhiên, do quá trình đắp lớp sử dụng nguồn nhiệt hàn cục bộ liên tục, sản phẩm đắp lớp WAAM thường xuyên chịu tác động của chu trình nhiệt phức tạp, dẫn đến hiện tượng biến dạng, ứng suất dư cao và làm thay đổi tổ chức tế vi của kim loại, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền kéo và độ tin cậy cơ học của chi tiết. Tại Việt Nam, công nghệ WAAM vẫn còn tương đối mới mẻ và chưa có nhiều công trình nghiên cứu chuyên sâu về mối liên hệ giữa chiến lược đi đường hàn với tổ chức tế vi và cơ tính của sản phẩm. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Chế tạo mẫu hàn đắp ứng với các phương án hàn khác nhau" được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu của đề tài được văn bản xác định cụ thể như sau:

1. Tìm hiểu về khả năng tạo hình của phương pháp gia công đắp lớp bằng hồ quang (WAAM).
2. Tìm hiểu ảnh hưởng của các phương án hàn khác nhau đến tổ chức tế vi và độ bền cơ học của mẫu đắp.
3. Tìm hiểu mối liên hệ giữa các phương án hàn bao gồm vị trí các lớp hàn, quỹ đạo các đường hàn và độ dày của các lớp hàn.

Nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm:

1. Tổng quan về công nghệ gia công đắp lớp và công nghệ hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (MAG).
2. Tìm hiểu và lựa chọn các thông số công nghệ hàn đắp tối ưu (điện áp, dòng điện, tốc độ hàn, lưu lượng khí).
3. Thiết lập hệ thống tích hợp máy CNC và máy hàn MAG để chế tạo các khối mẫu thử ứng với 4 phương án chiến lược đường hàn khác nhau.
4. Thực hiện gia công tạo hình mẫu thử kéo, tiến hành thử nghiệm cơ tính phá hủy và quan sát cấu trúc tế vi kim tương để phân tích, so sánh hiệu quả của từng phương án.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Ảnh hưởng của các phương án quỹ đạo đường hàn trong công nghệ WAAM đến tổ chức tế vi, độ bền kéo và khả năng tạo hình của chi tiết kim loại.
• Phạm vi nghiên cứu: Quá trình đắp lớp bằng phương pháp hàn MAG sử dụng dây hàn thép GM-70S (tiêu chuẩn tương đương AWS A5.18 ER70S-6) và khí bảo vệ CO2; thực hiện kiểm tra tổ chức tế vi qua kính hiển vi kim tương và kiểm tra độ bền kéo phá hủy ở nhiệt độ phòng theo tiêu chuẩn ASTM E8/E8M-13; đề tài thực hiện trong giai đoạn từ tháng 7/2022 đến tháng 2/2023.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

Nghiên cứu dựa trên khung lý thuyết gia công đắp lớp AM theo phân loại của tiêu chuẩn ASTM (7 nhóm phương pháp: Binder Jetting, Material Jetting, Sheet Lamination, Vat Photopolymerization, Material Extrusion, Powder Bed Fusion - PBF và Direct Energy Deposition - DED). Trong đó, WAAM thuộc nhóm DED, sử dụng nguồn nhiệt hồ quang để làm nóng chảy dây kim loại cấp liên tục vào vũng hàn.

Về nguyên lý hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), văn bản tổng hợp cơ sở lý thuyết về 4 kiểu chuyển dịch giọt kim loại:

• Chuyển dịch dạng tia (spray transfer): Xảy ra khi khí bảo vệ chứa trên 80% Argon, kim loại nóng chảy thành giọt mịn chuyển dịch nhanh, hồ quang êm, ít văng tóe.
• Chuyển dịch dạng cầu (globular transfer): Xảy ra khi dòng điện hàn thấp hơn dòng tới hạn hoặc khi dùng khí bảo vệ CO2 hoàn toàn (hàn MAG), giọt kim loại có kích thước lớn hơn đường kính dây hàn, gây ra hiện tượng bắn tóe.
• Chuyển dịch ngắn mạch (short-circuiting transfer): Sử dụng năng lượng dòng điện và điện áp thấp, chu kỳ ngắn mạch lặp lại giữa điện cực và vũng chảy.
• Chuyển dịch dòng xung (pulsed arc): Kết hợp hai mức dòng điện để kiểm soát sự chuyển dịch giọt kim loại.

Về mặt luyện kim và cấu trúc tế vi, đồ án áp dụng biểu thức Hall - Petch để mô tả mối quan hệ giữa kích thước hạt tinh thể và giới hạn chảy của kim loại: $$\sigma_{0,2} = \sigma + k \cdot d^{-1/2}$$ Trong đó $\sigma_{0,2}$ là giới hạn chảy, $\sigma$ là ứng suất chuyển động lệch của đơn tinh thể, $k$ là hằng số cấu trúc biên giới hạt, và $d$ là kích thước trung bình của hạt tinh thể. Theo nguyên lý này, kích thước hạt càng mịn (cấp hạt càng cao) thì tổng diện tích biên giới hạt càng lớn, cản trở sự trượt của các lệch mạng và làm tăng độ bền của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp đồng thời phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

• Phương pháp lý thuyết: Thu thập, tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ WAAM, hàn GMAW, ảnh hưởng của nhiệt luyện và cấu trúc tế vi mối hàn.
• Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Tích hợp mỏ hàn MAG lên đầu trục máy phay CNC để điều khiển chính xác quỹ đạo dịch chuyển và tốc độ đắp lớp. Thực nghiệm đắp khối phôi thép nhiều lớp theo 4 phương án quỹ đạo đường hàn (như chạy zig zag ngang, zig zag xéo).
• Phương pháp kiểm tra cơ tính phá hủy (Destructive Testing - DT): Áp dụng tiêu chuẩn ASTM E8/E8M-13 để thiết kế kích thước mẫu thử kéo phẳng. Mẫu được kéo tĩnh trên máy thử kéo chuyên dụng ở nhiệt độ phòng nhằm ghi nhận lực kéo đứt ($F_m$), giới hạn chảy trên, độ giãn dẻo tương đối ($A_g$), độ giãn dài tương đối tổng ($A_{gt}$), độ thắt tương đối ($Z$) và độ giãn dài tương đối sau đứt ($A$).
• Phương pháp phân tích kim tương định lượng: Cắt mẫu thử bằng máy cưa cơ khí, mài phẳng trên các cấp giấy nhám và đánh bóng gương bằng máy MP-2B Grinder Polisher, sau đó tẩm thực hóa học để làm hiện rõ biên giới hạt. Mẫu được quan sát dưới kính hiển vi quang học độ phóng đại X50 có trang bị camera kỹ thuật số CMEX DC 5000-C, sử dụng thước trắc vi quang học chuẩn (1 mm chia 100 vạch, mỗi vạch 0,01 mm) và xử lý hình ảnh thông qua phần mềm ImageFocus 4. Kích thước trung bình hạt ($I_{tb}$) và diện tích hạt ($S_{tb}$) được xác định qua công thức: $$I_{tb} = \frac{I_{ng} + I_d}{2}$$ $$S_{tb} = \frac{\pi \cdot I_{tb}^2}{4}$$ Từ đó đối chiếu với bảng phân cấp độ hạt tiêu chuẩn từ cấp -3 đến cấp 14.

Nguồn dữ liệu và vật liệu thực nghiệm

• Dữ liệu tham khảo khởi đầu: Luận văn thạc sĩ "Nghiên cứu ảnh hưởng thông số hàn đắp đến độ bền kéo của lớp đắp" của tác giả Nguyễn Công Chính.
• Vật liệu dây hàn: Dây hàn GM-70S (đường kính tiêu chuẩn, nối cực dương DCEP) do Việt Nam sản xuất, đạt tiêu chuẩn TCVN 3223:2000, QCVN 21:2010/BGTVT, tương đương tiêu chuẩn quốc tế AWS A5.18 ER70S-6 và JIS YGW12.
• Thành phần hóa học của dây hàn ER70S-6: Cacbon (C) từ 0,07% đến 0,15%, Mangan (Mn) từ 1,40% đến 1,85%, Silic (Si) từ 0,80% đến 1,15%. Các chỉ tiêu cơ tính tiêu chuẩn tối thiểu: độ bền kéo $\ge 72.000\text{ psi}$, độ bền chảy $\ge 60.000\text{ psi}$, độ giãn dài sau đứt $\ge 22%$.
• Khí bảo vệ: Khí CO2 công nghiệp, được kiểm soát lưu lượng qua van giảm áp và lưu lượng kế.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương 1 trình bày tổng quan về sự phát triển của công nghệ in 3D kim loại và ưu thế của phương pháp WAAM trong việc chế tạo các chi tiết lớn, giảm tỷ lệ lãng phí vật liệu (Buy-to-Fly - BTF). Tác giả tổng thuật tình hình nghiên cứu quốc tế, nổi bật với các công trình nghiên cứu lắng đọng kim loại bằng GMAW bán tự động (2022), mô hình hóa đường hàn kết hợp phay - hàn (2011), nghiên cứu kết cấu tường mỏng không đỡ NSTWS (2021), cũng như ứng dụng WAAM của tập đoàn STELIA Aerospace trong sản xuất tấm thân máy bay và cầu thép in 3D của MX3D. Đồng thời, chương này xác định rõ tính cấp thiết, mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và ý nghĩa khoa học, thực tiễn của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết phục vụ đề tài:

• Phân loại 7 nhóm công nghệ AM theo tiêu chuẩn ASTM 2013 và phân tích chi tiết công nghệ WAAM (nguyên lý, ưu nhược điểm, cấu tạo hệ thống, các loại vật liệu như thép, siêu hợp kim, titan, đồng, nhôm).
• Lý thuyết công nghệ hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (GMAW/MAG): cấu tạo súng hàn, béc hàn (contact-tip), bộ cấp dây, van chỉnh áp bình khí, đặc tính nguồn điện DC điện áp không đổi.
• Phân tích 4 cơ chế chuyển dịch giọt kim loại (tia, cầu, ngắn mạch, xung) và ảnh hưởng của các thông số hàn (dòng điện, điện áp, tốc độ hàn, tốc độ cấp dây, tầm với điện cực từ 6 mm đến 30 mm theo đường kính dây, góc hàn kéo - đứng - đẩy).
• Phân loại khí bảo vệ theo tiêu chuẩn DIN 32 526 (Ar, He, CO2 và các hỗn hợp khí) cùng đặc tính kỹ thuật của dây hàn thép hợp kim thấp GM-70S (AWS ER70S-6).
• Cơ sở lý thuyết kiểm tra độ bền kéo phá hủy theo tiêu chuẩn ASTM E8/E8M-13 và lý thuyết phân tích kim tương định lượng xác định cấp độ hạt austenite qua biểu thức Hall - Petch và bảng chuẩn cấp hạt (-3 đến 14).

Chương 3: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mẫu thử kéo

Chương 3 tập trung vào quá trình triển khai thực nghiệm công nghệ:

• Thiết lập bộ thông số công nghệ hàn đắp cố định cho tất cả các phương án: Điện áp hàn $U = 22\text{ V}$, cường độ dòng điện $I = 120\text{ A}$, lưu lượng khí bảo vệ $\text{CO}_2 = 10\text{ l/phút}$, tốc độ hàn $v = 400\text{ mm/phút}$.
• Kiểm nghiệm hình dạng đường hàn và khảo sát các chiến lược đi mỏ hàn: Trường hợp 1 thực hiện hàn theo đường zig zag ngang, Trường hợp 2 thực hiện hàn theo đường zig zag xéo, cùng các phương án thay đổi sự xếp lớp nhằm tối ưu độ ngấu và giảm khuyết tật rỗ khí, dính chụp khí.
• Thiết kế mẫu thử kéo phẳng theo tiêu chuẩn ASTM E8/E8M-13 (loại mẫu có chiều rộng phần làm việc 6 mm).
• Trình bày quy trình gá đặt tấm đế kim loại lên bàn máy CNC, lập trình điều khiển mỏ hàn đắp từng lớp liên tục để tạo phôi khối, sau đó dùng máy cưa và máy phay gia công tạo hình mẫu thử kéo chính xác.

Chương 4: Kiểm tra và đánh giá mẫu

Chương 4 mô tả chi tiết các bước tiến hành thực nghiệm kiểm tra cơ tính và cấu trúc tế vi:

• Quy trình thử kéo phá hủy: Lắp mẫu lên ngàm kẹp của máy thử kéo, căn chỉnh độ thẳng trục, chỉnh điểm không (zero) của hệ thống đo lực, thực hiện kéo tĩnh với tải trọng tăng dần cho đến khi mẫu đứt. Ghi nhận đồ thị quan hệ lực kéo - biến dạng ($F - \Delta L$) và xác định các điểm đặc trưng: lực kéo đứt lớn nhất ($F_m$), điểm chảy trên (Upper yield point), điểm đàn hồi $P_1, P_2$.
• Quy trình kiểm tra tổ chức tế vi: Cắt lấy mẫu kim tương tại các vị trí khác nhau của khối đắp (vị trí A ở chân lớp đắp sát tấm đế, vị trí B ở phần thân giữa và vị trí C ở các lớp đắp trên cùng). Mài mẫu qua các cấp giấy nhám, đánh bóng gương trên máy MP-2B Grinder Polisher, tẩm thực bề mặt.
• Quan sát và ghi nhận ảnh chụp cấu trúc tế vi ở độ phóng đại X50 bằng kính hiển vi kim tương kết nối camera CMEX DC 5000-C, căn chỉnh thước trắc vi và đo đạc kích thước hạt thông qua phần mềm ImageFocus 4.

Chương 5: Thống kê và đánh giá kết quả kiểm tra mẫu

Chương 5 trình bày và thảo luận các kết quả thu được từ thực nghiệm:

• Bảng thống kê các thông số thử kéo của các mẫu ứng với 4 phương án công nghệ.
• Phân tích sự biến thiên của giới hạn bền kéo, giới hạn chảy và độ giãn dài tương đối tại 3 vị trí khác nhau (A, B, C) của từng phương án: các lớp đắp ban đầu (vị trí A) chịu ảnh hưởng tản nhiệt nhanh từ tấm đế, các lớp giữa (vị trí B) chịu nhiệt tích lũy cao làm kích thước hạt có xu hướng thô đại hơn, trong khi lớp trên cùng (vị trí C) có chu trình nhiệt nguội tự nhiên khác biệt.
• Xây dựng biểu đồ histogram biểu diễn tần số cấp độ hạt của các phương án và đánh giá hình thái đứt gãy của mẫu thử kéo qua ảnh chụp bề mặt gãy.
• So sánh các chỉ tiêu cơ tính trung bình của mẫu đắp với chỉ tiêu cơ tính gốc của dây hàn GM-70S để đánh giá mức độ duy trì cơ tính của công nghệ WAAM.

Chương 6: Kết luận

Chương 6 đúc kết các phát hiện chính của đề tài, đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu ban đầu về khả năng tạo hình và kiểm soát cơ tính của phương pháp WAAM kết hợp CNC-MAG.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

Đồ án đã chế tạo thành công các mẫu đắp lớp kim loại bằng việc kết hợp máy hàn MAG với máy phay CNC và xác lập được các thông số kỹ thuật thực nghiệm ổn định:

Thông số công nghệ	Giá trị thiết lập	Đơn vị
Điện áp hàn ($U$)	22	V
Cường độ dòng điện ($I$)	120	A
Tốc độ hàn ($v$)	400	mm/phút
Lưu lượng khí bảo vệ ($\text{CO}_2$)	10	l/phút
Dây hàn sử dụng	GM-70S (AWS ER70S-6)	-
Cực tính nguồn hàn	DCEP (Cực dương)	-
Tiêu chuẩn mẫu thử kéo	ASTM E8/E8M-13 (chiều rộng 6 mm)	-
Độ phóng đại quan sát tế vi	X50 (Thước trắc vi 1 mm / 100 vạch)	-

Số liệu quy chuẩn và đặc tính của dây hàn GM-70S sử dụng trong nghiên cứu:

Thành phần / Cơ tính	Quy chuẩn theo AWS ER70S-6	Đơn vị
Hàm lượng Cacbon (C)	0,07 ÷ 0,15	%
Hàm lượng Mangan (Mn)	1,40 ÷ 1,85	%
Hàm lượng Silic (Si)	0,80 ÷ 1,15	%
Giới hạn bền kéo nhỏ nhất	72.000 (tương đương ~496)	psi (MPa)
Giới hạn chảy nhỏ nhất	60.000 (tương đương ~414)	psi (MPa)
Độ giãn dài sau đứt nhỏ nhất	22	%

Kết quả kiểm tra cơ tính và tổ chức tế vi qua 4 phương án cho thấy:

• Quỹ đạo đường hàn (zig zag ngang, zig zag xéo) và hướng đắp có ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành đường hàn, độ ngấu và độ đồng đều của tổ chức tế vi.
• Có sự khác biệt rõ rệt về độ bền kéo, độ giãn dài và phân bố cấp độ hạt tinh thể giữa các vị trí A (chân khối đắp), B (thân giữa khối đắp) và C (đỉnh khối đắp). Do ảnh hưởng của quá trình tích nhiệt và tốc độ truyền nhiệt vào tấm đế khác nhau, cấu trúc hạt tại vị trí B có sự biến đổi kích thước, ảnh hưởng đến độ bền kéo theo quy luật Hall - Petch.
• Mẫu thử kéo bị đứt theo cơ chế phá hủy dẻo đặc trưng của thép cacbon thấp - hợp kim thấp, các giá trị cơ tính cơ bản của sản phẩm đắp lớp tiệm cận với chỉ tiêu cơ tính tiêu chuẩn của dây hàn ban đầu.

Đóng góp của đề tài

• Đóng góp về mặt khoa học: Cung cấp số liệu thực nghiệm định lượng về mối tương quan giữa chiến lược đi đường hàn MAG với cấu trúc tế vi (diện tích và cấp độ hạt tinh thể) và độ bền cơ học của vật liệu thép đắp lớp; chứng minh khả năng áp dụng định luật Hall - Petch trong việc phân tích cơ tính lớp đắp WAAM.
• Đóng góp về mặt thực tiễn: Đề xuất một giải pháp công nghệ có chi phí đầu tư thấp thông qua việc tích hợp máy hàn MAG thương mại sẵn có với máy phay CNC để thực hiện gia công đắp lớp 3D kim loại, tạo tiền đề ứng dụng cho các cơ sở sản xuất cơ khí trong nước nhằm phục hồi chi tiết mòn hỏng hoặc chế tạo phôi bán tinh cỡ lớn.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Nghiên cứu chỉ tập trung khảo sát trên phương pháp hàn MAG sử dụng khí bảo vệ 100% CO2, dẫn đến chế độ dịch chuyển giọt kim loại ở dạng cầu, làm tăng lượng kim loại bắn tóe và độ nhấp nhô bề mặt lớp đắp so với khi sử dụng khí trộn Argon.
• Phạm vi vật liệu chỉ giới hạn trên thép cacbon thấp (dây hàn GM-70S), chưa thử nghiệm mở rộng trên các nhóm vật liệu kim loại màu hoặc siêu hợp kim.
• Mẫu sau khi hàn đắp chưa được xử lý nhiệt sau hàn (ủ khử ứng suất hoặc thường hóa), do đó chưa triệt tiêu hoàn toàn ứng suất dư sinh ra từ chu trình nhiệt của hồ quang.
• Khả năng tạo hình chỉ mới dừng lại ở việc đắp các khối mẫu hình học đơn giản để cắt mẫu thử kéo, chưa mở rộng sang các cấu trúc thành mỏng dạng tự do phức tạp hoặc tối ưu hóa quỹ đạo đa trục.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Khảo sát ảnh hưởng của các loại khí trộn bảo vệ (như hỗn hợp $82% \text{Ar} + 18% \text{CO}_2$ hoặc $97% \text{Ar} + 3% \text{O}_2$) để chuyển đổi cơ chế dịch chuyển kim loại sang dạng tia (spray transfer), giúp ổn định hồ quang và nâng cao chất lượng bề mặt lớp đắp.
• Nghiên cứu áp dụng các chế độ xử lý nhiệt sau khi đắp nhằm đồng đều hóa tổ chức tế vi, khử ứng suất dư và cải thiện độ dẻo dai của chi tiết.
• Kết hợp công nghệ WAAM với quy trình phay CNC đồng thời (Hybrid Manufacturing) để gia công gọt lớp bề mặt ngay sau khi đắp, giúp đạt độ chính xác kích thước và độ bóng bề mặt cao.
• Phát triển hệ thống đắp lớp WAAM trên cánh tay robot công nghiệp nhiều bậc tự do để chế tạo các kết cấu không gian phức tạp và kết cấu tường mỏng không đỡ (NSTWS).

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Hàn và Công nghệ Vật liệu: Cung cấp tài liệu tổng quan hệ thống về công nghệ WAAM, quy trình thực nghiệm tích hợp CNC-MAG và phương pháp luận nghiên cứu cơ tính lớp đắp.
• Các kỹ sư cơ khí và cán bộ nghiên cứu R&D tại các doanh nghiệp: Tham khảo quy trình thiết lập thông số công nghệ ($22\text{ V}, 120\text{ A}, 400\text{ mm/phút}$), phương pháp gá đặt, quy trình kiểm soát chất lượng đường hàn khi ứng dụng hàn MAG để phục hồi chi tiết máy mòn, nứt hoặc chế tạo phôi kim loại.
• Các phần đáng tham khảo chuyên sâu trong văn bản:
  • Quy trình thiết kế và chế tạo mẫu thử kéo phẳng theo tiêu chuẩn ASTM E8/E8M-13 (Chương 2 và Chương 3).
  • Phương pháp phân tích kim tương định lượng xác định cấp độ hạt bằng thước trắc vi quang học và phần mềm ImageFocus 4 (Chương 2 và Chương 4).
  • Phương pháp khảo sát và đánh giá sự biến thiên cơ tính tại các vị trí lớp đắp khác nhau theo chiều cao (Chương 5).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Dây hàn được sử dụng trong nghiên cứu là loại nào và có các đặc tính kỹ thuật gì?

Nghiên cứu sử dụng dây hàn GM-70S (tiêu chuẩn TCVN 3223:2000, QCVN 21:2010/BGTVT, tương đương AWS A5.18 ER70S-6 và JIS YGW12). Dây hàn được nối cực dương (DCEP), sử dụng khí bảo vệ CO2. Thành phần hóa học quy định gồm C: 0,07–0,15%, Mn: 1,40–1,85%, Si: 0,80–1,15%. Cơ tính tiêu chuẩn yêu cầu giới hạn bền kéo nhỏ nhất là 72.000 psi (~496 MPa), giới hạn chảy nhỏ nhất là 60.000 psi (~414 MPa) và độ giãn dài sau đứt tối thiểu 22%.

2. Bộ thông số công nghệ hàn đắp cố định được thiết lập trong thực nghiệm gồm những gì?

Bộ thông số công nghệ được nhóm tác giả thiết lập đồng nhất cho các phương án thực nghiệm bao gồm:

• Hiệu điện thế hàn: $22\text{ V}$
• Cường độ dòng điện hàn: $120\text{ A}$
• Tốc độ hàn: $400\text{ mm/phút}$
• Lưu lượng khí bảo vệ $\text{CO}_2$: $10\text{ l/phút}$

3. Tiêu chuẩn nào được áp dụng để chế tạo mẫu và kiểm tra độ bền kéo trong đồ án?

Đồ án áp dụng tiêu chuẩn ASTM E8/E8M-13 (Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials). Kích thước mẫu thử kéo được thiết kế theo dạng mẫu tấm mỏng có chiều rộng phần làm việc là 6 mm để thử nghiệm kéo tĩnh phá hủy ở nhiệt độ phòng.

4. Phương pháp nào được sử dụng để xác định kích thước và cấp độ hạt tinh thể trong phân tích tế vi?

Nhóm tác giả sử dụng phương pháp kim tương định lượng: quan sát mẫu dưới kính hiển vi quang học độ phóng đại X50 có trang bị thước trắc vi chuẩn (1 mm chia 100 vạch, mỗi vạch 0,01 mm), chụp ảnh bằng camera CMEX DC 5000-C và đo kích thước hạt bằng phần mềm ImageFocus 4. Kích thước trung bình hạt $I_{tb}$ được tính bằng trung bình cộng kích thước ngang và dọc ($I_{tb} = (I_{ng} + I_d)/2$), diện tích hạt trung bình $S_{tb} = \pi \cdot I_{tb}^2 / 4$, sau đó đối chiếu với bảng phân cấp hạt chuẩn (từ cấp -3 đến 14) kết hợp biểu thức Hall - Petch.

5. Cơ chế chuyển dịch giọt kim loại nào diễn ra trong quá trình đắp lớp của đồ án?

Trong thực nghiệm của đồ án, do sử dụng phương pháp hàn MAG với khí bảo vệ 100% CO2 và dòng điện 120 A, cơ chế chuyển dịch giọt kim loại thực tế là chuyển dịch dạng cầu (globular transfer). Ở dạng chuyển dịch này, kim loại nóng chảy rời đầu điện cực dưới dạng các giọt có kích thước lớn hơn hoặc bằng đường kính dây hàn, định hướng ngẫu nhiên và gây ra hiện tượng bắn tóe kim loại lỏng.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Chế tạo mẫu hàn đắp ứng với các phương án hàn khác nhau" đã nghiên cứu thành công khả năng ứng dụng công nghệ gia công đắp lớp bằng hồ quang (WAAM) thông qua việc kết hợp máy hàn MAG và máy phay CNC. Bằng phương pháp thực nghiệm kết hợp kiểm tra độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM E8/E8M-13 và phân tích kim tương định lượng, nghiên cứu đã làm rõ ảnh hưởng của các chiến lược đi đường hàn đến sự phân bố tổ chức tế vi và cơ tính của lớp đắp kim loại theo các vị trí chiều cao khác nhau. Kết quả của đồ án cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm có giá trị khoa học và thực tiễn, mở ra tiềm năng ứng dụng công nghệ in 3D kim loại chi phí thấp phục vụ công tác chế tạo và phục hồi chi tiết trong ngành cơ khí chế tạo tại Việt Nam.

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.