Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp hóa chất, chi phí bảo vệ chống ăn mòn chiếm tới 70-80% tổng chi phí sửa chữa và dịch vụ bảo trì hàng năm. Việc lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị có khả năng chống ăn mòn hiệu quả là yếu tố then chốt để đảm bảo hoạt động sản xuất liên tục, không bị gián đoạn. Thép không gỉ austenit, với thành phần hợp kim crôm – niken, được sử dụng phổ biến nhờ khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn vượt trội. Tuy nhiên, do chi phí cao, việc sử dụng thép không gỉ toàn bộ kết cấu là không kinh tế, dẫn đến nhu cầu kết hợp thép không gỉ với thép cacbon trong cùng một kết cấu bằng kỹ thuật hàn.

Nghiên cứu tập trung vào việc xác định các thông số ảnh hưởng đến năng suất hàn khi hàn thép không gỉ austenit ASTM A240 316L với thép cacbon thấp ASTM A516 Grade 65 bằng phương pháp hàn TIG (Tungsten Inert Gas). Phạm vi nghiên cứu bao gồm chế tạo mẫu hàn giáp mối vát cạnh chữ V, khảo sát ảnh hưởng của cường độ dòng điện, đường kính que hàn, vận tốc hàn và nhiệt độ giữa các đường hàn đến chất lượng và năng suất mối hàn. Mục tiêu là đề xuất quy trình hàn tối ưu đạt năng suất cao, đảm bảo chất lượng mối hàn không có khuyết tật, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế trong các ngành công nghiệp đặc thù như đóng tàu, dầu khí, hóa chất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Giản đồ Schaeffler và Delong: Dùng để xác định tổ chức pha của thép không gỉ dựa trên thành phần crôm và niken, từ đó đánh giá khả năng chống nứt nóng và tính hàn của mối hàn. Giản đồ Delong còn tính đến vai trò của nitơ và số ferit (FN) trong kim loại mối hàn, giúp kiểm soát tổ chức pha austenit-ferit nhằm giảm hiện tượng nứt nóng.

  • Chu trình nhiệt hàn và nhiệt độ giữa các đường hàn (interpass temperature): Là cơ sở để đánh giá ảnh hưởng của các thông số hàn đến cấu trúc và tính chất vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Việc kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn giúp tránh hình thành pha mactenzit và pha sigma gây giòn mối hàn.

  • Các khuyết tật mối hàn: Bao gồm thiếu ngấu cạnh, thiếu ngấu giữa các lớp, ngậm xỉ, rỗ khí, nứt nóng và nứt nguội. Hiểu rõ nguyên nhân và cách phòng tránh các khuyết tật này là nền tảng để thiết kế quy trình hàn đạt chất lượng cao.

  • Phương pháp hàn TIG: Là phương pháp hàn hồ quang bằng điện cực vonfram không nóng chảy trong môi trường khí trơ (argon hoặc helium), cho phép kiểm soát chính xác nguồn nhiệt và chất lượng mối hàn, đặc biệt phù hợp với hàn thép không gỉ và thép cacbon.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng thép không gỉ austenit ASTM A240 316L và thép cacbon thấp ASTM A516 Grade 65 làm vật liệu cơ bản. Dây hàn phụ được lựa chọn phù hợp với thành phần hóa học và cơ tính của hai vật liệu này.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Thực nghiệm gồm chế tạo mẫu hàn giáp mối vát cạnh chữ V, khảo sát ảnh hưởng của các thông số hàn như cường độ dòng điện (160A, 180A, 200A), đường kính que hàn bù (1.6 mm, 2.4 mm, 3.0 mm), vận tốc hàn và nhiệt độ giữa các đường hàn đến chất lượng mối hàn.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu hàn được chế tạo theo quy trình chuẩn, đảm bảo tính đại diện cho các điều kiện hàn thực tế trong công nghiệp. Các mẫu được kiểm tra bằng phương pháp không phá hủy (siêu âm, chụp X-quang) và phá hủy (thử kéo, thử uốn) để đánh giá chất lượng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2016 tại Trường Đại học Lâm nghiệp Hà Nội và phòng thí nghiệm RemeLab, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, bao gồm giai đoạn khảo sát tài liệu, thiết kế thí nghiệm, thực hiện thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến năng suất và chất lượng mối hàn: Khi tăng cường độ dòng điện từ 160A lên 200A, năng suất hàn tăng khoảng 20%, đồng thời chiều sâu ngấu mối hàn cũng tăng lên đáng kể, giúp mối hàn đạt độ bền kéo trung bình 485 MPa, vượt mức yêu cầu tiêu chuẩn ASTM. Tuy nhiên, cường độ dòng điện quá cao có thể gây biến dạng và khuyết tật rỗ khí.

  2. Ảnh hưởng của đường kính que hàn bù: Đường kính que hàn 2.4 mm cho hiệu quả năng suất và chất lượng tốt nhất, với tỷ lệ khuyết tật thấp hơn 15% so với que hàn 1.6 mm và 3.0 mm. Que hàn quá nhỏ làm giảm năng suất, trong khi que hàn quá lớn dễ gây ngậm xỉ và thiếu ngấu.

  3. Tác động của vận tốc hàn và nhiệt độ giữa các đường hàn: Vận tốc hàn khoảng 10-12 cm/phút và nhiệt độ giữa các đường hàn duy trì dưới 150°C giúp giảm biến dạng và hạn chế hình thành pha giòn trong vùng ảnh hưởng nhiệt. Nhiệt độ giữa các đường hàn cao hơn 200°C làm tăng nguy cơ xuất hiện pha sigma và mactenzit, làm giảm độ bền mối hàn.

  4. Kiểm tra khuyết tật mối hàn: Qua kiểm tra siêu âm và chụp X-quang, tỷ lệ mối hàn không có khuyết tật đạt trên 90% khi áp dụng quy trình hàn tối ưu. Thử kéo và thử uốn cho thấy mối hàn đạt độ giãn dài trung bình 23%, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc lựa chọn đúng các thông số hàn là yếu tố quyết định để đạt năng suất cao và chất lượng mối hàn tốt khi hàn thép không gỉ austenit với thép cacbon. Việc sử dụng phương pháp hàn TIG với khí argon tinh khiết và dây hàn phụ phù hợp giúp kiểm soát nguồn nhiệt đầu vào, giảm thiểu khuyết tật như ngậm xỉ, thiếu ngấu và nứt nóng.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với báo cáo của các tác giả về ảnh hưởng của cường độ dòng điện và vận tốc hàn đến cơ tính mối hàn. Việc duy trì nhiệt độ giữa các đường hàn thấp giúp hạn chế sự hình thành các pha giòn như sigma, đồng thời giảm biến dạng nhiệt, điều này cũng được khẳng định trong các nghiên cứu về hàn thép không gỉ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và độ bền kéo, cũng như bảng tổng hợp tỷ lệ khuyết tật theo từng thông số hàn, giúp trực quan hóa hiệu quả của quy trình đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình hàn TIG với cường độ dòng điện từ 180A đến 200A để đạt năng suất hàn cao nhất, đồng thời đảm bảo chất lượng mối hàn không có khuyết tật. Thời gian thực hiện quy trình trong vòng 6 tháng để đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp.

  2. Sử dụng que hàn phụ có đường kính 2.4 mm với thành phần hóa học tương thích, giúp giảm thiểu khuyết tật và tăng độ bền mối hàn. Chủ thể thực hiện là các nhà cung cấp vật liệu hàn và các cơ sở sản xuất.

  3. Kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn dưới 150°C bằng cách điều chỉnh vận tốc hàn và thời gian nghỉ giữa các đường hàn, nhằm hạn chế biến dạng và hình thành pha giòn. Các kỹ sư công nghệ và thợ hàn cần được đào tạo kỹ thuật này.

  4. Thực hiện kiểm tra chất lượng mối hàn bằng phương pháp không phá hủy (siêu âm, chụp X-quang) và phá hủy (thử kéo, thử uốn) để đảm bảo mối hàn đạt tiêu chuẩn kỹ thuật. Các phòng thí nghiệm và đơn vị kiểm định chịu trách nhiệm thực hiện.

  5. Xây dựng tài liệu hướng dẫn quy trình hàn tiêu chuẩn dựa trên kết quả nghiên cứu để áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đóng tàu, dầu khí, hóa chất, giúp giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ hàn và kỹ thuật viên: Nắm bắt các thông số kỹ thuật và quy trình hàn tối ưu để áp dụng trong sản xuất, nâng cao năng suất và chất lượng mối hàn.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và chế tạo thiết bị công nghiệp: Áp dụng quy trình hàn hiệu quả để giảm chi phí vật liệu và thời gian sản xuất, đồng thời đảm bảo độ bền và tính an toàn của kết cấu.

  3. Các cơ sở đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật cơ khí: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo giảng dạy và phát triển nghiên cứu sâu hơn về công nghệ hàn vật liệu khác chủng loại.

  4. Phòng thí nghiệm kiểm định chất lượng mối hàn: Áp dụng các phương pháp kiểm tra không phá hủy và phá hủy được đề xuất để đánh giá chính xác chất lượng mối hàn trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn phương pháp hàn TIG để hàn thép không gỉ với thép cacbon?
    Phương pháp hàn TIG cho phép kiểm soát chính xác nguồn nhiệt, giảm biến dạng và khuyết tật mối hàn, phù hợp với vật liệu khác chủng loại như thép không gỉ và thép cacbon, đồng thời tạo mối hàn có chất lượng cao và thẩm mỹ tốt.

  2. Các thông số hàn nào ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng mối hàn?
    Cường độ dòng điện và vận tốc hàn là hai thông số quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt lượng đầu vào, chiều sâu ngấu và khả năng hình thành khuyết tật như ngậm xỉ, thiếu ngấu.

  3. Làm thế nào để kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn?
    Bằng cách điều chỉnh vận tốc hàn và thời gian nghỉ giữa các đường hàn, đồng thời sử dụng thiết bị đo nhiệt độ để đảm bảo nhiệt độ không vượt quá giới hạn cho phép, tránh hình thành pha giòn và biến dạng.

  4. Có thể áp dụng quy trình này cho các loại thép không gỉ và thép cacbon khác không?
    Quy trình có thể điều chỉnh phù hợp với các loại thép không gỉ austenit và thép cacbon thấp tương tự, tuy nhiên cần thực hiện thử nghiệm để xác định thông số tối ưu cho từng loại vật liệu cụ thể.

  5. Làm sao để phát hiện và xử lý khuyết tật mối hàn?
    Sử dụng các phương pháp kiểm tra không phá hủy như siêu âm và chụp X-quang để phát hiện khuyết tật bên trong, kết hợp kiểm tra phá hủy như thử kéo, thử uốn để đánh giá cơ tính. Khi phát hiện khuyết tật, cần điều chỉnh lại thông số hàn hoặc xử lý nhiệt sau hàn để khắc phục.

Kết luận

  • Đã xác định được các thông số hàn tối ưu (cường độ dòng điện 180-200A, que hàn 2.4 mm, vận tốc hàn 10-12 cm/phút, nhiệt độ giữa các đường hàn dưới 150°C) giúp đạt năng suất và chất lượng mối hàn cao khi hàn thép không gỉ austenit với thép cacbon.
  • Quy trình hàn TIG được đề xuất phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế trong các ngành công nghiệp hóa chất, đóng tàu và dầu khí.
  • Kết quả kiểm tra không phá hủy và phá hủy cho thấy mối hàn đạt độ bền kéo trung bình 485 MPa, độ giãn dài 23%, tỷ lệ khuyết tật dưới 10%.
  • Luận văn góp phần bổ sung cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về công nghệ hàn vật liệu khác chủng loại, làm cơ sở cho đào tạo và chuyển giao công nghệ.
  • Đề xuất triển khai áp dụng quy trình trong vòng 6 tháng tại các doanh nghiệp sản xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các loại vật liệu khác.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị sản xuất và đào tạo nên phối hợp triển khai áp dụng quy trình hàn đã đề xuất, đồng thời tổ chức đào tạo kỹ thuật cho thợ hàn và kỹ sư công nghệ để nâng cao hiệu quả sản xuất.