Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Chế Độ Hàn TIG Xung Đến Chất Lượng Liên Kết Hàn Hợp Kim Nhôm A6061

• Tác giả: Bùi Trọng Nghĩa
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồng Thanh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Chế Độ Hàn TIG Xung Đến Chất Lượng Liên Kết Hàn Hợp Kim Nhôm A6061
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Nam Định

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM
• 1.1. Giới thiệu về nhôm và hợp kim nhôm
• 1.2. Phân loại nhôm và hợp kim nhôm
• 1.3. Hợp kim nhôm A6061
• 1.4. Thông số kỹ thuật của hợp kim nhôm A6061
• 1.5. Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài
• 1.5.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
• 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ HÀN TIG NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM
• 2.1. Tổng quan về các quá trình hàn nhôm và hợp kim nhôm
• 2.2. Hàn điện trở
• 2.3. Hàn hồ quang tay (SMAW)
• 2.4. Hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW)
• 2.5. Hàn hồ quang với điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GMAW)
• 2.6. Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GTAW)
• 2.7. Quá trình hàn TIG
• 2.7.1. Nguyên lý, đặc điểm và ứng dụng của hàn TIG
• 2.7.2. Thiết bị hàn TIG
• 2.7.3. Vật liệu hàn nhôm và hợp kim nhôm
• 2.8. Công nghệ hàn TIG
• 2.8.1. Dòng điện hàn
• 2.8.2. Chế độ hàn TIG
• 2.9. Kỹ thuật hàn nhôm A6061 bằng phương pháp hàn TIG
• 2.9.1. Tính công nghệ của hợp kim nhôm A6061
• 2.9.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng hàn
• 2.9.3. Chế độ hàn nhôm A6061
• 2.10. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN TIG XUNG VỚI MỐI HÀN GHÉP HỢP KIM NHÔM A6061
• 3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm. Xây dựng quy trình hàn sơ bộ cho hợp kim nhôm A6061
• 3.2. Kim loại cơ bản
• 3.3. Vật liệu hàn
• 3.4. Thiết kế mối ghép hàn TIG hợp kim nhôm A6061
• 3.5. Chuẩn bị phôi hàn
• 3.6. Tiến hàn hàn
• 3.7. Mô phỏng số quá trình hàn TIG nhôm
• 3.7.1. Mô hình nguồn nhiệt
• 3.7.2. Thông số quá trình hàn và mô phỏng
• 3.8. Kết quả thử kéo mối hàn
• 3.9. Kết luận chương 3
• 3.10. Đánh giá kết quả và bàn luận
• 3.10.1. Các kết quả thu được
• 3.10.2. Kết luận và kiến nghị
• 4. CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ LUẬN BÀN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Hàn TIG Xung Nhôm A6061

Nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ hàn TIG xung đến chất lượng liên kết hàn hợp kim nhôm A6061 là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Hợp kim nhôm A6061 được sử dụng rộng rãi nhờ vào đặc tính nhẹ, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt. Tuy nhiên, quá trình hàn hợp kim nhôm này đòi hỏi kỹ thuật cao để đảm bảo chất lượng mối hàn. Hàn TIG xung là một phương pháp hàn tiên tiến, cho phép kiểm soát nhiệt lượng đầu vào một cách chính xác, từ đó giảm thiểu các khuyết tật và cải thiện cơ tính của mối hàn. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số hàn TIG xung để đạt được chất lượng liên kết hàn tốt nhất cho hợp kim nhôm A6061. Việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn là rất quan trọng để ứng dụng hiệu quả phương pháp hàn này trong thực tế sản xuất. Theo nghiên cứu của Bùi Trọng Nghĩa, việc ứng dụng công nghệ hàn vào sản xuất các nhà khoa học luôn nghiên cứu phát minh ra các loại vật liệu đảm bảo các yêu cầu phục vụ mục đích nào đó.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Hợp Kim Nhôm A6061

Hợp kim nhôm A6061 là một trong những loại hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Nó có thành phần chính gồm nhôm (Al), magiê (Mg) và silic (Si), cùng với một số nguyên tố khác như đồng (Cu) và crom (Cr) với hàm lượng nhỏ. Hợp kim này nổi bật với khả năng chống ăn mòn tốt, độ bền cao và dễ gia công. Hợp kim nhôm A6061 thường được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu, chẳng hạn như khung máy bay, thân tàu, và các bộ phận ô tô. Việc hàn hợp kim nhôm A6061 đòi hỏi sự chú ý đặc biệt đến các yếu tố như nhiệt độ hàn, tốc độ hàn và khí bảo vệ để tránh các khuyết tật như nứt và rỗ khí. Theo TCVN 1859-75, hợp kim nhôm được ký hiệu bắt đầu bằng Al, tiếp theo là ký hiệu các nguyên tố hợp kim chính và phụ, các con số sau ký hiệu chỉ hàm lượng theo phần trăm tương ứng.

1.2. Tổng Quan Về Phương Pháp Hàn TIG Xung

Hàn TIG (GTAW) là một phương pháp hàn hồ quang sử dụng điện cực vonfram không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ. Hàn TIG xung là một biến thể của hàn TIG, trong đó dòng điện hàn được điều chỉnh theo chu kỳ xung, giúp kiểm soát nhiệt lượng đầu vào một cách chính xác hơn. Điều này đặc biệt quan trọng khi hàn các vật liệu nhạy cảm với nhiệt như hợp kim nhôm. Ưu điểm của hàn TIG xung bao gồm khả năng tạo ra mối hàn chất lượng cao, giảm thiểu biến dạng và kiểm soát tốt hơn quá trình hàn. Tuy nhiên, phương pháp này cũng đòi hỏi kỹ năng và kinh nghiệm của người thợ hàn để đạt được kết quả tốt nhất. Theo nghiên cứu, nhiều phương pháp hàn tiên tiến được phát triển mạnh mẽ trên thế giới và ứng dụng vào sản xuất mang lại chất lượng và hiệu quả kinh tế cao.

II. Thách Thức Khi Hàn Hợp Kim Nhôm A6061 Bằng TIG

Mặc dù hàn TIG là một phương pháp hiệu quả để hàn hợp kim nhôm A6061, nhưng nó cũng đi kèm với một số thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là sự hình thành lớp oxit nhôm (Al2O3) trên bề mặt vật liệu, có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiều so với nhôm kim loại. Lớp oxit này có thể gây ra các khuyết tật như rỗ khí và giảm độ bền của mối hàn. Ngoài ra, hợp kim nhôm A6061 có độ dẫn nhiệt cao, dẫn đến sự phân tán nhiệt nhanh chóng và khó kiểm soát nhiệt độ hàn. Điều này có thể dẫn đến biến dạng và ứng suất dư trong mối hàn. Để vượt qua những thách thức này, cần phải lựa chọn chế độ hàn TIG phù hợp và sử dụng các kỹ thuật hàn đặc biệt. Nhôm có tính dẫn điện tốt, do đó cần phải nung nóng trước cho kim loại nền có chiều dầy lớn hơn 6,3 mm.

2.1. Vấn Đề Oxit Nhôm Trong Quá Trình Hàn

Lớp oxit nhôm (Al2O3) là một vấn đề lớn khi hàn hợp kim nhôm. Lớp oxit này có nhiệt độ nóng chảy khoảng 2050°C, cao hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của nhôm (660°C). Do đó, lớp oxit này không dễ dàng bị phá vỡ trong quá trình hàn, và có thể gây ra các khuyết tật như rỗ khí và giảm độ bền của mối hàn. Để giải quyết vấn đề này, cần phải sử dụng dòng điện xoay chiều (AC) trong hàn TIG, vì dòng điện AC có khả năng phá vỡ lớp oxit nhôm trên bề mặt vật liệu. Ngoài ra, việc sử dụng khí bảo vệ phù hợp cũng rất quan trọng để ngăn chặn sự hình thành lớp oxit nhôm trong quá trình hàn.

2.2. Kiểm Soát Nhiệt Độ Hàn Để Giảm Biến Dạng

Hợp kim nhôm A6061 có độ dẫn nhiệt cao, dẫn đến sự phân tán nhiệt nhanh chóng trong quá trình hàn. Điều này có thể gây ra biến dạng và ứng suất dư trong mối hàn. Để giảm thiểu biến dạng, cần phải kiểm soát nhiệt độ hàn một cách cẩn thận. Hàn TIG xung là một phương pháp hiệu quả để kiểm soát nhiệt lượng đầu vào, vì nó cho phép điều chỉnh dòng điện hàn theo chu kỳ xung. Bằng cách giảm nhiệt lượng đầu vào, có thể giảm thiểu biến dạng và ứng suất dư trong mối hàn. Ngoài ra, việc sử dụng các kỹ thuật hàn đặc biệt như hàn bước lùi và hàn đối xứng cũng có thể giúp giảm biến dạng.

III. Cách Tối Ưu Chế Độ Hàn TIG Xung Cho Nhôm A6061

Để đạt được chất lượng liên kết hàn tốt nhất cho hợp kim nhôm A6061 bằng phương pháp hàn TIG xung, cần phải tối ưu hóa các thông số hàn. Các thông số quan trọng bao gồm dòng điện hàn, điện áp hàn, tần số xung, độ rộng xung, tốc độ hàn và khí bảo vệ. Việc lựa chọn các thông số phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm độ dày của vật liệu, loại mối hàn và yêu cầu về chất lượng mối hàn. Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số có thể được sử dụng để xác định các thông số hàn tối ưu. Theo Bùi Trọng Nghĩa, việc nghiên cứu ứng dụng các loại vật liệu hợp kim nhôm và công nghệ hàn nhằm nâng cao năng suất lao động cũng còn đang trong giai đoạn nghiên cứu.

3.1. Ảnh Hưởng Của Dòng Điện Và Điện Áp Hàn

Dòng điện hàn và điện áp hàn là hai thông số quan trọng nhất trong hàn TIG xung. Dòng điện hàn ảnh hưởng đến lượng nhiệt đầu vào và độ ngấu của mối hàn. Điện áp hàn ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước của hồ quang hàn. Việc lựa chọn dòng điện và điện áp hàn phù hợp phụ thuộc vào độ dày của vật liệu và loại mối hàn. Nói chung, dòng điện hàn càng cao thì độ ngấu càng sâu, nhưng cũng có thể gây ra quá nhiệt và biến dạng. Điện áp hàn càng cao thì hồ quang càng rộng, nhưng cũng có thể gây ra rỗ khí. Cần phải tìm ra sự cân bằng giữa dòng điện và điện áp hàn để đạt được chất lượng mối hàn tốt nhất.

3.2. Tối Ưu Tần Số Và Độ Rộng Xung Trong Hàn TIG

Tần số xung và độ rộng xung là hai thông số đặc trưng của hàn TIG xung. Tần số xung là số lượng xung dòng điện trong một giây. Độ rộng xung là thời gian mà dòng điện hàn ở mức cao nhất trong một xung. Tần số xung và độ rộng xung ảnh hưởng đến lượng nhiệt đầu vào trung bình và sự phân bố nhiệt trong mối hàn. Tần số xung càng cao thì lượng nhiệt đầu vào trung bình càng thấp, và sự phân bố nhiệt càng đều. Độ rộng xung càng lớn thì lượng nhiệt đầu vào trung bình càng cao, và sự phân bố nhiệt càng tập trung. Việc tối ưu hóa tần số xung và độ rộng xung có thể giúp kiểm soát nhiệt lượng đầu vào một cách chính xác và giảm thiểu biến dạng.

3.3. Lựa Chọn Khí Bảo Vệ Phù Hợp Cho Hàn Nhôm

Khí bảo vệ đóng vai trò quan trọng trong hàn TIG, giúp bảo vệ mối hàn khỏi sự oxy hóa và nhiễm bẩn từ môi trường xung quanh. Các loại khí bảo vệ thường được sử dụng trong hàn nhôm bao gồm argon (Ar), helium (He) và hỗn hợp của argon và helium. Argon là loại khí bảo vệ phổ biến nhất, vì nó có giá thành rẻ và hiệu quả trong việc bảo vệ mối hàn. Helium có độ dẫn nhiệt cao hơn argon, giúp tăng độ ngấu của mối hàn, nhưng cũng có thể gây ra quá nhiệt. Hỗn hợp của argon và helium có thể kết hợp ưu điểm của cả hai loại khí, giúp đạt được chất lượng mối hàn tốt nhất. Theo nghiên cứu, nếu vệt trắng có chiều rộng không quá 0,1 mm thì lớp khí bảo vệ là đủ, nếu rộng hơn thì lượng khí quá nhiều và lãng phí vì argon là loại khí đắt.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Và Kết Quả Nghiên Cứu Hàn TIG Xung

Nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ hàn TIG xung đến chất lượng liên kết hàn hợp kim nhôm A6061 có nhiều ứng dụng thực tế trong các ngành công nghiệp khác nhau. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để tối ưu hóa quy trình hàn và cải thiện chất lượng sản phẩm. Ví dụ, trong ngành hàng không vũ trụ, việc hàn hợp kim nhôm A6061 với chất lượng cao là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và độ tin cậy của máy bay. Trong ngành công nghiệp ô tô, việc sử dụng hợp kim nhôm A6061 giúp giảm trọng lượng xe và cải thiện hiệu suất nhiên liệu. Việc áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất có thể mang lại nhiều lợi ích kinh tế và kỹ thuật. Công ty 189 trực thuộc Bộ Quốc phòng hiện nay đang đóng mới và sửa chữa các loại tàu, xuồng chế tạo bằng hợp kim nhôm.

4.1. Đánh Giá Chất Lượng Mối Hàn Bằng Phương Pháp Thử Nghiệm

Để đánh giá chất lượng mối hàn hợp kim nhôm A6061, có thể sử dụng nhiều phương pháp thử nghiệm khác nhau, bao gồm thử kéo, thử uốn, thử độ cứng và kiểm tra bằng mắt thường. Thử kéo được sử dụng để xác định độ bền kéo và độ dẻo của mối hàn. Thử uốn được sử dụng để đánh giá khả năng chịu uốn của mối hàn. Thử độ cứng được sử dụng để xác định độ cứng của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt. Kiểm tra bằng mắt thường được sử dụng để phát hiện các khuyết tật bề mặt như nứt, rỗ khí và ngậm xỉ. Kết quả thử nghiệm có thể được sử dụng để so sánh chất lượng của các mối hàn được thực hiện với các chế độ hàn TIG khác nhau.

4.2. Phân Tích Microstructure Của Mối Hàn Nhôm A6061

Phân tích microstructure là một phương pháp quan trọng để hiểu rõ cấu trúc và thành phần của mối hàn hợp kim nhôm A6061. Bằng cách quan sát microstructure, có thể xác định kích thước hạt, sự phân bố pha và sự hiện diện của các khuyết tật. Microstructure của mối hàn ảnh hưởng đến cơ tính và khả năng chống ăn mòn của mối hàn. Việc kiểm soát microstructure có thể giúp cải thiện chất lượng và độ bền của mối hàn. Các phương pháp phân tích microstructure thường được sử dụng bao gồm kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).

V. Kết Luận Và Hướng Nghiên Cứu Về Hàn TIG Nhôm A6061

Nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ hàn TIG xung đến chất lượng liên kết hàn hợp kim nhôm A6061 là một lĩnh vực quan trọng và đầy tiềm năng. Việc tối ưu hóa các thông số hàn có thể giúp cải thiện chất lượng mối hàn, giảm thiểu biến dạng và tăng độ bền của sản phẩm. Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, từ hàng không vũ trụ đến ô tô và đóng tàu. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn và phát triển các phương pháp hàn tiên tiến hơn. Chính vì điều này tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn TIG xung đến chất lượng của liên kết hàn từ hợp kim nhôm A6061” với mong muốn góp phần mở ra một hướng mới cho công nghệ hàn hợp kim nhôm bằng công nghệ hàn TIG nhằm đảm bảo các yêu cầu về độ bền đối với các sản phẩm hàn đặc biệt phục vụ cho ngành công nghiệp an ninh, quốc phòng.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Về Chế Độ Hàn TIG

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng chế độ hàn TIG xung có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng liên kết hàn hợp kim nhôm A6061. Việc tối ưu hóa các thông số hàn như dòng điện hàn, điện áp hàn, tần số xung, độ rộng xung và khí bảo vệ có thể giúp cải thiện độ bền kéo, độ dẻo và khả năng chống ăn mòn của mối hàn. Các phương pháp thử nghiệm và phân tích microstructure đã được sử dụng để đánh giá chất lượng mối hàn và xác định các thông số hàn tối ưu. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để phát triển các quy trình hàn hiệu quả và đáng tin cậy cho hợp kim nhôm A6061.

5.2. Hướng Phát Triển Trong Nghiên Cứu Hàn Nhôm A6061

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn hợp kim nhôm A6061. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm phát triển các phương pháp hàn tiên tiến hơn, chẳng hạn như hàn laser và hàn ma sát khuấy; nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến khả năng hàn của hợp kim nhôm A6061; và phát triển các phương pháp mô phỏng số để dự đoán chất lượng mối hàn. Ngoài ra, cần tăng cường hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất để đưa các kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm.