Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Chế Độ Hàn Hồ Quang Áp Lực Đến Năng Suất Và Chất Lượng Mối Hàn Thép Carbon

• Tác giả: Ngô Tấn Hải
• Người hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Trọng Bá
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Chế Độ Hàn Hồ Quang Áp Lực Đến Năng Suất Và Chất Lượng Mối Hàn Thép Carbon
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về phương pháp hàn hồ quang áp lực
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Tổng quan về lý thuyết, công nghệ, thiết bị
• 1.2.2. Những ngành công nghiệp đã ứng dụng công nghệ ForceArc
• 1.2.3. Những ứng dụng liên quan đến công nghệ ForceArc
• 1.2.4. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2.5. Tính mới của đề tài
• 1.2.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.2.6.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.2.6.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.2.7. Mục đích và đối tượng nghiên cứu
• 1.2.7.1. Mục đích nghiên cứu
• 1.2.7.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.2.8. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.2.8.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.2.8.2. Giới hạn của đề tài
• 1.2.9. Phương pháp nghiên cứu và kế hoạch thực hiện
• 1.2.9.1. Phương pháp nghiên cứu
• 1.2.9.2. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hồ quang hàn thông thường và các tính chất của nó
• 2.1.1. Hồ quang hàn thông thường
• 2.1.2. Điều kiện để xuất hiện hồ quang hàn
• 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự dịch chuyển kim loại vào bể hàn
• 2.2.1. Các dạng dịch chuyển
• 2.2.1.1. Dịch chuyển dạng cầu
• 2.2.1.2. Dịch chuyển dạng phun
• 2.2.1.3. Dịch chuyển dạng ngắn mạch
• 2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự dịch chuyển giọt kim loại vào bể hàn
• 2.2.2.1. Trọng lượng của giọt kim loại lỏng
• 2.2.2.2. Sức căng bề mặt
• 2.2.2.3. Lực từ trường
• 2.3. Bản chất của hồ quang áp lực
• 2.4. Ưu điểm của hồ quang áp lực so với hồ quang phun
• 3. CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ HÀN HỒ QUANG ÁP LỰC
• 3.1. Thiết bị dùng để thực nghiệm
• 3.2. Kiểu liên kết hàn
• 3.3. Vật liệu hàn
• 3.4. Chuẩn bị mép vát
• 3.5. Phương pháp hàn và chế độ hàn
• 3.5.1. Phương pháp hàn
• 4. CHƯƠNG 4: KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN
• 4.1. Ảnh hưởng của khuyết tật đến cơ tính liên kết hàn
• 4.1.1. Ảnh hưởng chung
• 4.1.2. Ảnh hưởng của nứt
• 4.1.3. Ảnh hưởng của không ngấu
• 4.1.4. Ảnh hưởng của rỗ khí, lẫn xỉ
• 4.1.5. Ảnh hưởng của hình dáng mối hàn
• 4.1.6. Ảnh hưởng của lệch mép
• 4.2. Kiểm tra không phá hủy (NDT)
• 4.2.1. Kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ (RT)
• 4.2.2. Kiểm tra bằng siêu âm (UT)
• 4.2.3. Kiểm tra bằng siêu âm màu ba chiều (PA-UT)
• 4.2.4. Kiểm tra bằng kỹ thuật nhiễu xạ siêu âm (TOFD)
• 4.2.5. Lựa chọn phương pháp kiểm tra không phá hủy
• 4.3. Kiểm tra cơ tính mối hàn
• 4.3.1. Thử kéo tĩnh
• 4.3.2. Thử uốn tĩnh
• 4.3.3. Thử độ dai va đập
• 4.3.4. Lựa chọn phương pháp kiểm tra cơ tính
• 4.3.4.1. Kích thước mẫu thử kéo (Tiêu chuẩn AWS D1.2)
• 4.3.4.2. Phương pháp gia công mẫu
• 4.3.4.3. Tiến hành thử kéo
• 4.4. Kiểm tra tổ chức mối hàn (phân tích kim tương)
• 4.4.1. Nguyên lý và quy trình
• 4.4.2. Tổ chức vi mô
• 5. CHƯƠNG 5: QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM
• 5.1. Giới hạn các thông số nghiên cứu thực nghiệm
• 5.2. Hàm mục tiêu của hệ thống
• 5.3. Các thông số đầu vào ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu
• 5.4. Cơ sở giới hạn các thông số nghiên cứu đầu vào
• 5.5. Các yếu tố nghiên cứu đầu vào
• 5.6. Phát biểu bài toán hộp đen
• 5.7. Qui hoạch thực nghiệm đơn yếu tố
• 5.7.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của góc vát cạnh
• 5.7.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn
• 5.7.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp hàn
• 5.8. Quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần
• 5.8.1. Mô hình hàm mục tiêu
• 5.8.2. Kiểm tra ý nghĩa của các hệ số hồi qui
• 5.8.3. Kiểm tra sự tương thích của phương trình hồi qui
• 5.8.4. Tính hệ số xác định R2
• 5.9. Tối ưu hóa nghiệm của phương trình
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Về Hàn Hồ Quang Áp Lực Ưu Điểm Vượt Trội

Ngày nay, vấn đề năng lượng và môi trường đang được thế giới quan tâm. Các ngành công nghiệp cần đổi mới công nghệ để hạn chế năng lượng sử dụng và giảm khí thải. Trong lĩnh vực hàn, hàn hồ quang áp lực (ForceArc) nổi lên như một phương pháp hiệu quả. Ưu điểm của phương pháp này bao gồm khả năng hàn được nhiều loại kim loại, chất lượng mối hàn cao, giảm biến dạng, và tiết kiệm năng lượng. Phương pháp này còn giúp giảm số lớp hàn, tăng năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm. Theo tài liệu, hàn hồ quang áp lực là bước tiến quan trọng nhất trong lĩnh vực hàn thập niên qua, nhờ hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm tiêu thụ khí hàn, ít bắn tóe, ít biến dạng và không nứt kết tinh. Bất kỳ kim loại và hợp kim nào cũng có thể hàn được bằng công nghệ ForceArc, được ứng dụng cho hầu hết các liên kết hàn khác nhau như: Hàn giáp mí, hàn chồng mí, hàn góc, hàn chữ T,...

1.1. Lợi Ích Kinh Tế Của Hàn Hồ Quang Áp Lực ForceArc

Theo thống kê của hãng HighTec Welding EWM (Đức), việc thay thế phương pháp hàn hồ quang thông thường bằng phương pháp hàn ForceArc có thể giảm 37% khối lượng kim loại đắp, 57% lưu lượng khí bảo vệ và điện năng tiêu thụ. Tổng chi phí tiết kiệm được ước tính khoảng 40%, một con số rất hấp dẫn cho các doanh nghiệp trong nước. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của hàn hồ quang áp lực trong việc cải thiện hiệu quả kinh tế.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Hàn Hồ Quang Áp Lực Trong Công Nghiệp

Hàn hồ quang áp lực được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất các kết cấu dạng tấm và ống dày. Phương pháp này cho phép hàn một phía mà vẫn đảm bảo chất lượng mối hàn ở phía còn lại. Điều này giúp tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất. Ngoài ra, hàn ForceArc còn được sử dụng để thay thế công nghệ hàn TIG trong việc hàn lớp lót của mối hàn có vát cạnh.

II. Thách Thức Giải Pháp Nâng Cao Năng Suất Hàn Thép Carbon

Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc ứng dụng hàn hồ quang áp lực vẫn còn một số thách thức. Một trong số đó là việc tối ưu hóa các thông số hàn để đạt được năng suất và chất lượng mối hàn tốt nhất. Các yếu tố như cường độ dòng điện hàn, điện áp hàn, và tốc độ hàn cần được điều chỉnh phù hợp với từng loại vật liệu và ứng dụng cụ thể. Nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ hàn đến cơ tính mối hàn là rất quan trọng. Theo tài liệu, phương pháp hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ được phát minh vào năm 1920 bởi P. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, phương pháp này không ngừng được các quốc gia trên thế giới nghiên cứu, đặc biệt là các quốc gia châu Âu và khu vực Bắc Mỹ (Đức, Pháp, Italy, Thụy Điển, Mỹ…) và đã cho ra đời rất nhiều phương pháp hàn mới mà tiên phong là hãng EWM của Đức đã phát minh và hoàn chỉnh phương pháp hàn hồ quang áp lực (ForceArc) được xem là phương pháp hàn vật liệu dầy tối ưu nhất tính đến thời điểm hiện tại.

2.1. Tối Ưu Hóa Thông Số Hàn Bí Quyết Nâng Cao Hiệu Quả

Việc tối ưu hóa thông số hàn là yếu tố then chốt để nâng cao năng suất và chất lượng mối hàn. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định mối quan hệ giữa các thông số hàn và cơ tính mối hàn, từ đó đưa ra các khuyến nghị về chế độ hàn phù hợp. Các phương pháp như quy hoạch thực nghiệm và mô phỏng số có thể được sử dụng để tối ưu hóa thông số hàn một cách hiệu quả.

2.2. Kiểm Soát Chất Lượng Mối Hàn Đảm Bảo Độ Bền Vượt Trội

Kiểm soát chất lượng mối hàn là một bước quan trọng để đảm bảo độ bền và tuổi thọ của kết cấu hàn. Các phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) như kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ (RT) và kiểm tra bằng siêu âm (UT) có thể được sử dụng để phát hiện các khuyết tật trong mối hàn. Ngoài ra, các phương pháp kiểm tra cơ tính như thử kéo tĩnh và thử uốn tĩnh cũng cần được thực hiện để đánh giá độ bền kéo và độ dẻo của mối hàn.

III. Phương Pháp Hàn Hồ Quang Áp Lực Quy Trình Vật Liệu

Công nghệ hàn hồ quang áp lực về cơ bản tương tự như công nghệ hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ. Quy trình bao gồm chuẩn bị liên kết, chọn chế độ hàn và kỹ thuật hàn. Điểm khác biệt là hàn hồ quang áp lực trên thép carbon sử dụng khí bảo vệ là khí trộn (Argon + CO2) và dùng hồ quang dịch chuyển dạng ngắn mạch để hàn. Việc lựa chọn vật liệu hàn phù hợp cũng rất quan trọng để đảm bảo chất lượng mối hàn. Theo tài liệu, năm 1980, Kỹ sư người Đức Hans-Ulrich Pomaska, một trong những người tiên phong trong công nghệ hàn khí bảo vệ, đã nghiên cứu một loại hồ quang ngắn, phun mạnh, không cần chống ngắn mạch. Nó hình thành với điện áp thấp hơn, chiều dài hồ quang và thời gian ngắn mạch ngắn hơn, tuy nhiên có sự tăng lên không đáng kể của dòng điện hàn. Khi hồ quang này xuất hiện, không có sự văng bắn kim loại, không gây ra tiếng ồn như hồ quang thông thường. Đây là loại hồ quang đã nhanh chóng nhận được sự ủng hộ khi đưa vào sử dụng và nó đã làm thay đổi hoàn toàn các khái niệm trước đó.

3.1. Chuẩn Bị Mép Vát Yếu Tố Quan Trọng Để Hàn Thành Công

Việc chuẩn bị mép vát đúng cách là rất quan trọng để đảm bảo mối hàn có độ ngấu tốt và không bị khuyết tật. Góc vát và khe hở giữa các mép hàn cần được điều chỉnh phù hợp với độ dày của vật liệu và phương pháp hàn. Các phương pháp gia công mép vát như phay, bào, và cắt bằng tia laser có thể được sử dụng.

3.2. Khí Bảo Vệ Lựa Chọn Tối Ưu Cho Hàn Thép Carbon

Việc lựa chọn khí bảo vệ phù hợp là rất quan trọng để bảo vệ mối hàn khỏi bị oxy hóa và nhiễm bẩn. Khí trộn Argon + CO2 thường được sử dụng cho hàn thép carbon vì nó có khả năng ổn định hồ quang và giảm bắn tóe. Tỷ lệ giữa Argon và CO2 cần được điều chỉnh phù hợp với từng loại thép carbon và ứng dụng cụ thể.

IV. Kiểm Tra Chất Lượng Mối Hàn Phương Pháp Tiêu Chuẩn

Kiểm tra chất lượng mối hàn là bước không thể thiếu để đảm bảo độ an toàn và độ bền của kết cấu. Các phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) như chụp ảnh phóng xạ (RT), siêu âm (UT), và kiểm tra bằng mắt thường (VT) được sử dụng để phát hiện các khuyết tật bên trong và bên ngoài mối hàn. Các tiêu chuẩn như AWS D1.1 và ISO 5817 quy định các yêu cầu về chất lượng mối hàn và phương pháp kiểm tra. Theo tài liệu, mối hàn khi hàn bằng phương pháp này đã được The Test House, Cambridge của Học viện hàn Vương Quốc Anh (TWI) kiểm tra và cấp giấy chứng nhận đạt chất lượng vào năm 2010.

4.1. Kiểm Tra Không Phá Hủy NDT Phát Hiện Khuyết Tật Tiềm Ẩn

Các phương pháp NDT cho phép phát hiện các khuyết tật trong mối hàn mà không làm ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu. Chụp ảnh phóng xạ (RT) sử dụng tia X hoặc tia gamma để tạo ra hình ảnh của mối hàn, cho phép phát hiện các khuyết tật như nứt, rỗ khí, và lẫn xỉ. Siêu âm (UT) sử dụng sóng siêu âm để phát hiện các khuyết tật bên trong mối hàn.

4.2. Kiểm Tra Cơ Tính Đánh Giá Độ Bền Độ Dẻo Của Mối Hàn

Các phương pháp kiểm tra cơ tính được sử dụng để đánh giá độ bền kéo, độ dẻo, và độ dai va đập của mối hàn. Thử kéo tĩnh được sử dụng để xác định giới hạn bền kéo và giới hạn chảy của vật liệu. Thử uốn tĩnh được sử dụng để đánh giá khả năng chịu uốn của mối hàn. Thử độ dai va đập được sử dụng để đánh giá khả năng chống lại sự lan truyền của vết nứt.

V. Ứng Dụng Thực Tế Hướng Phát Triển Của Hàn ForceArc

Công nghệ hàn hồ quang áp lực (ForceArc) đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong chế tạo kết cấu thép, đóng tàu, và sản xuất ô tô. Với những ưu điểm vượt trội về năng suất, chất lượng, và tiết kiệm năng lượng, hàn ForceArc hứa hẹn sẽ trở thành một phương pháp hàn chủ đạo trong tương lai. Nghiên cứu và phát triển công nghệ hàn ForceArc cần tiếp tục được đẩy mạnh để mở rộng phạm vi ứng dụng và nâng cao hiệu quả kinh tế. Theo tài liệu, hiện nay có rất nhiều hãng ứng dụng nguyên lý ForceArc để chế tạo thiết bị hàn như DAIHEN, Panasonic, Telwin, Miller, Lincoln, . Tập đoàn HighTec EWM (Đức) cũng đã chế tạo thành công thiết bị hàn sử dụng nguyên lý này vào năm 2008 và cho ra đời nhiều dòng thiết bị ngày càng hoàn thiện.

5.1. Tiềm Năng Phát Triển Của Hàn Hồ Quang Áp Lực Trong Tương Lai

Với những ưu điểm vượt trội, hàn hồ quang áp lực có tiềm năng phát triển rất lớn trong tương lai. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các quy trình hàn tự động và robot hóa để nâng cao năng suất và giảm chi phí. Ngoài ra, việc nghiên cứu các ứng dụng mới của hàn ForceArc trong các ngành công nghiệp khác nhau cũng rất quan trọng.

5.2. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Nhiệt Hướng Đi Mới Cho Hàn ForceArc

Nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt trong quá trình hàn ForceArc là một hướng đi quan trọng để cải thiện chất lượng mối hàn. Việc kiểm soát nhiệt độ trong vùng hàn có thể giúp giảm biến dạng và ứng suất dư, từ đó nâng cao độ bền và tuổi thọ của kết cấu hàn. Các phương pháp mô phỏng số có thể được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt một cách hiệu quả.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu ngày càng quan tâm đến vấn đề tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, ngành công nghiệp hàn cũng không nằm ngoài xu hướng đổi mới công nghệ nhằm giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và khí thải. Theo báo cáo của ngành, phương pháp hàn hồ quang áp lực (ForceArc) đã chứng minh được hiệu quả vượt trội so với các công nghệ hàn truyền thống, với khả năng giảm 37% khối lượng kim loại đắp, 57% lưu lượng khí bảo vệ và điện năng tiêu thụ, đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất khoảng 40%. Tuy nhiên, tại Việt Nam, công nghệ này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi do thiếu hiểu biết và trang thiết bị phù hợp.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn hồ quang áp lực đến năng suất và chất lượng mối hàn trên thép cácbon thấp CT3, một vật liệu phổ biến trong công nghiệp chế tạo máy. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 02 đến tháng 08 năm 2013 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và Công ty Schindler, Khu công nghiệp Bình Chiểu, TP. Hồ Chí Minh. Mục tiêu chính là xác định các thông số hàn tối ưu nhằm nâng cao năng suất lao động, giảm số lớp hàn và tiết kiệm năng lượng, đồng thời đảm bảo chất lượng mối hàn đạt tiêu chuẩn kỹ thuật.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc hỗ trợ các doanh nghiệp Việt Nam tiếp cận và làm chủ công nghệ hàn tiên tiến, góp phần nâng cao năng suất, giảm chi phí sản xuất và cải thiện môi trường làm việc cho người thợ hàn. Kết quả nghiên cứu cũng mở rộng khả năng ứng dụng công nghệ ForceArc trong các ngành công nghiệp chế tạo máy, đóng tàu, chế tạo bồn bể và đường ống dẫn nhiên liệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về hồ quang hàn, đặc biệt là công nghệ hàn hồ quang áp lực (ForceArc). Hồ quang hàn là hiện tượng phóng điện mạnh giữa điện cực và vật hàn trong môi trường khí bảo vệ, tạo ra nguồn nhiệt tập trung cao để nung chảy kim loại. Các dạng dịch chuyển kim loại lỏng vào bể hàn gồm dịch chuyển dạng cầu, dạng phun và dạng ngắn mạch, trong đó hồ quang áp lực sử dụng dạng dịch chuyển theo dòng với áp lực lớn, giúp tăng độ sâu nóng chảy và giảm bắn tóe.

Ba khái niệm chính được áp dụng trong nghiên cứu gồm:

• Hồ quang áp lực (ForceArc): Hồ quang ngắn, ổn định, không bắn tóe, tạo áp lực lớn trong bể kim loại nóng chảy, giúp tăng năng suất và chất lượng mối hàn.
• Góc vát cạnh: Góc chuẩn bị mép vật liệu trước khi hàn, ảnh hưởng trực tiếp đến số lớp hàn và lượng kim loại tiêu hao.
• Chế độ hàn: Bao gồm các thông số như cường độ dòng điện, điện áp hàn, tốc độ cấp dây và lưu lượng khí bảo vệ, quyết định hiệu quả và chất lượng mối hàn.

Ngoài ra, nghiên cứu còn tham khảo các tiêu chuẩn quốc tế như AWS D1.1- M:2010 về kiểu liên kết hàn giáp mí vát mép chữ V một phía, cũng như các tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng mối hàn như AWS D1.2.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thực nghiệm hàn trên vật liệu thép cácbon CT3 với chiều dày 20 mm, sử dụng máy hàn Alpha Q551 của hãng EWM (Đức) tại Công ty Schindler, Khu công nghiệp Bình Chiểu, TP. Hồ Chí Minh. Các phôi hàn được chuẩn bị với ba góc vát cạnh 30°, 40° và 50°, tương ứng với số lớp hàn 3, 4 và 5 lớp.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Quy hoạch thực nghiệm: Thiết kế thí nghiệm đơn yếu tố và yếu tố toàn phần để xác định ảnh hưởng của các thông số hàn như cường độ dòng điện (240-270 A), điện áp hàn (28-32 V) và đường kính dây hàn (1.0-1.4 mm).
• Kiểm tra chất lượng mối hàn: Sử dụng các phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) như siêu âm (UT), chụp ảnh phóng xạ (RT), kỹ thuật nhiễu xạ siêu âm (TOFD) và kiểm tra cơ tính (thử kéo, thử uốn, thử độ dai va đập).
• Phân tích tổ chức vi mô: Quan sát cấu trúc mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) bằng kính hiển vi quang học.
• Xử lý số liệu: Sử dụng mô hình hồi quy để xây dựng hàm mục tiêu, kiểm tra ý nghĩa các hệ số và tính hệ số xác định R² nhằm tối ưu hóa các thông số hàn.

Timeline nghiên cứu kéo dài 7 tháng, từ tháng 02 đến tháng 08 năm 2013, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị mẫu, thực nghiệm hàn, kiểm tra chất lượng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của góc vát cạnh đến số lớp hàn và tiết diện kim loại đắp:

   • Góc vát 30° tương ứng với 3 lớp hàn, tiết diện kim loại đắp khoảng 169.5 mm³.
   • Góc vát 40° tương ứng với 4 lớp hàn, tiết diện khoảng 205.2 mm³.
   • Góc vát 50° tương ứng với 5 lớp hàn, tiết diện khoảng 242.7 mm³.
     Việc giảm góc vát cạnh từ 60° (theo tiêu chuẩn AWS) xuống còn 30° giúp giảm số lớp hàn đến 50%, tiết kiệm thời gian và vật liệu.

2. Ảnh hưởng của chế độ hàn đến năng suất và chất lượng mối hàn:

   • Khi sử dụng dây hàn đường kính 1.0 mm, cường độ dòng điện 240 A và điện áp 28 V, tốc độ cấp dây đạt 9.8 m/ph, lưu lượng khí bảo vệ 22 lít/ph, mối hàn đạt độ sâu ngấu cao, không có bắn tóe và khuyết tật.
   • Tăng đường kính dây hàn lên 1.4 mm, cường độ dòng điện 270 A và điện áp 32 V, tốc độ cấp dây giảm còn 8.5 m/ph, nhưng vẫn đảm bảo chất lượng mối hàn với độ bền kéo đạt 373-461 MPa.

3. Chất lượng mối hàn và tổ chức vi mô:

   • Mối hàn bằng phương pháp ForceArc có vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nhỏ hơn đáng kể so với phương pháp hàn hồ quang thông thường, giảm biến dạng kết cấu.
   • Kiểm tra không phá hủy bằng siêu âm và chụp ảnh phóng xạ không phát hiện khuyết tật nứt, không ngấu hay rỗ khí.
   • Tổ chức vi mô vùng mối hàn đồng nhất, không có hiện tượng nứt kết tinh, đảm bảo độ bền và độ dai va đập cao.

4. Tiết kiệm năng lượng và chi phí:

   • So với phương pháp hàn hồ quang thông thường, công nghệ ForceArc giảm tiêu thụ điện năng và khí bảo vệ khoảng 57%, đồng thời giảm thất thoát kim loại đắp 37%, giúp tiết kiệm chi phí sản xuất khoảng 40%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các kết quả tích cực trên là do áp lực hồ quang lớn trong công nghệ ForceArc tạo ra sự dịch chuyển kim loại lỏng theo dòng, giúp tăng độ sâu nóng chảy và ổn định hồ quang, hạn chế bắn tóe và khuyết tật. Việc giảm góc vát cạnh làm giảm lượng kim loại cần thiết để đắp mối hàn, từ đó giảm số lớp hàn và thời gian thi công, nâng cao năng suất lao động.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với báo cáo của hãng EWM (Đức) và Học viện hàn Vương Quốc Anh (TWI), khẳng định tính khả thi và hiệu quả của công nghệ ForceArc trong điều kiện sản xuất thực tế tại Việt Nam. Việc ứng dụng công nghệ này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn góp phần bảo vệ môi trường và giảm chi phí sản xuất, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh số lớp hàn theo góc vát cạnh, biểu đồ hiệu suất năng lượng và bảng tổng hợp kết quả kiểm tra cơ tính mối hàn, giúp minh họa rõ ràng các ưu điểm của công nghệ ForceArc.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng công nghệ hàn hồ quang áp lực trong sản xuất kết cấu thép dày:
   Các doanh nghiệp chế tạo máy, đóng tàu và sản xuất bồn bể nên đầu tư thiết bị hàn ForceArc để giảm số lớp hàn, tiết kiệm vật liệu và năng lượng, nâng cao năng suất. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 12 tháng, chủ thể là các công ty sản xuất cơ khí.

2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì thiết bị ForceArc:
   Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ và quy trình vận hành thiết bị hàn ForceArc nhằm đảm bảo chất lượng mối hàn và an toàn lao động. Thời gian đào tạo dự kiến 6 tháng, do các trường đại học kỹ thuật và trung tâm đào tạo nghề thực hiện.

3. Xây dựng quy trình chuẩn và tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng mối hàn ForceArc:
   Phát triển bộ tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình kiểm tra không phá hủy phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước, giúp doanh nghiệp dễ dàng áp dụng và kiểm soát chất lượng. Thời gian xây dựng 9 tháng, do các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý kỹ thuật chủ trì.

4. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ ForceArc cho các vật liệu hợp kim và liên kết phức tạp:
   Hỗ trợ các đề tài nghiên cứu phát triển công nghệ hàn áp lực trên các loại vật liệu mới như nhôm, hợp kim nhôm và các liên kết chữ T, chữ V đa lớp nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng. Thời gian nghiên cứu 18 tháng, do các trường đại học và viện nghiên cứu thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí và chế tạo máy:
   Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao năng suất, giảm chi phí sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm, đặc biệt trong các ngành đóng tàu, chế tạo bồn bể và đường ống.

2. Các kỹ sư và kỹ thuật viên hàn:
   Nắm bắt kiến thức về công nghệ hàn hồ quang áp lực, quy trình vận hành và kiểm tra chất lượng mối hàn, từ đó nâng cao tay nghề và hiệu quả công việc.

3. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy:
   Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và kết quả thực nghiệm để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo hoặc giảng dạy chuyên sâu về công nghệ hàn tiên tiến.

4. Cơ quan quản lý kỹ thuật và tiêu chuẩn:
   Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình kiểm tra chất lượng và chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ hàn hiện đại trong nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ hàn hồ quang áp lực khác gì so với hàn hồ quang thông thường?
   Công nghệ ForceArc sử dụng hồ quang ngắn, áp lực lớn trong bể kim loại nóng chảy, giúp tăng độ sâu nóng chảy, giảm bắn tóe và biến dạng, tiết kiệm năng lượng và vật liệu so với phương pháp truyền thống.

2. Góc vát cạnh ảnh hưởng như thế nào đến năng suất hàn?
   Góc vát nhỏ hơn (30° thay vì 60°) làm giảm số lớp hàn cần thiết, từ đó giảm thời gian thi công và lượng vật liệu tiêu hao, nâng cao năng suất lao động.

3. Phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn nào được sử dụng trong nghiên cứu?
   Nghiên cứu áp dụng các phương pháp kiểm tra không phá hủy như siêu âm (UT), chụp ảnh phóng xạ (RT), kỹ thuật nhiễu xạ siêu âm (TOFD) và kiểm tra cơ tính như thử kéo, thử uốn, thử độ dai va đập để đảm bảo mối hàn đạt tiêu chuẩn.

4. Công nghệ ForceArc có thể áp dụng cho những loại vật liệu nào?
   Mặc dù nghiên cứu tập trung vào thép cácbon CT3, công nghệ ForceArc có thể áp dụng cho hầu hết các kim loại và hợp kim, bao gồm nhôm và hợp kim nhôm, với nhiều kiểu liên kết hàn khác nhau.

5. Lợi ích kinh tế khi áp dụng công nghệ ForceArc là gì?
   Theo ước tính, công nghệ này giúp giảm khoảng 40% chi phí sản xuất nhờ tiết kiệm vật liệu, năng lượng và thời gian hàn, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm biến dạng kết cấu.

Kết luận

• Phương pháp hàn hồ quang áp lực (ForceArc) là bước tiến quan trọng trong công nghệ hàn, giúp tăng năng suất và chất lượng mối hàn trên thép cácbon thấp.
• Việc giảm góc vát cạnh từ 60° xuống 30° làm giảm số lớp hàn đến 50%, tiết kiệm vật liệu và thời gian thi công.
• Chế độ hàn tối ưu với cường độ dòng điện 240-270 A, điện áp 28-32 V và dây hàn đường kính 1.0-1.4 mm đảm bảo mối hàn đạt độ bền kéo 373-461 MPa, không có khuyết tật.
• Công nghệ ForceArc giúp tiết kiệm khoảng 57% năng lượng và khí bảo vệ, giảm thất thoát kim loại 37%, tiết kiệm chi phí sản xuất khoảng 40%.
• Đề xuất triển khai đào tạo, xây dựng tiêu chuẩn và mở rộng nghiên cứu ứng dụng công nghệ ForceArc trong các ngành công nghiệp chế tạo máy và đóng tàu.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và cơ sở đào tạo nên phối hợp triển khai áp dụng công nghệ ForceArc, đồng thời đầu tư nghiên cứu mở rộng để nâng cao năng lực sản xuất và cạnh tranh trên thị trường trong nước và quốc tế.