Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc hàn với hạt kim loại bổ sung đến chất lượng hàn

Luận án tiến sĩ kỹ thuật phân tích ảnh hưởng thông số công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc hàn với hạt kim loại bổ sung đến chất lượng mối hàn.

• Tác giả: Lê Văn Thoài
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Văn Châu
• Trường học: Viện Nghiên Cứu Cơ Khí
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Thông Số Công Nghệ Hàn Tự Động Dưới Lớp Thuốc Hàn Với Hạt Kim Loại Bổ Sung Đến Chất Lượng Hàn
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc hàn với hạt kim loại bổ sung

Công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc hàn (SAW) với hạt kim loại bổ sung là một trong những phương pháp hàn tiên tiến, cho phép tạo ra các mối hàn có chất lượng cao và hiệu suất làm việc tốt. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng hạt kim loại bổ sung không chỉ cải thiện độ bền của mối hàn mà còn tăng cường khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai của sản phẩm. Theo các tài liệu hiện có, công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ chế tạo kết cấu thép đến sản xuất các thiết bị công nghiệp. Việc tối ưu hóa các thông số công nghệ như cường độ dòng điện, điện áp hồ quang và tốc độ hàn là rất quan trọng để đạt được chất lượng hàn tốt nhất. "Công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc hàn với hạt kim loại bổ sung không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng."

1.1. Tình hình nghiên cứu về công nghệ hàn tự động

Trên thế giới, công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc hàn đã được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các thông số công nghệ hợp lý có thể cải thiện đáng kể chất lượng mối hàn. Tại Việt Nam, công nghệ này vẫn còn mới mẻ và chưa được áp dụng rộng rãi. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số công nghệ để nâng cao chất lượng hàn. "Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc hàn với hạt kim loại bổ sung là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp chế tạo."

II. Cơ sở lý thuyết về hàn dưới lớp thuốc hàn với hạt kim loại bổ sung

Công nghệ hàn dưới lớp thuốc hàn (SAW) với hạt kim loại bổ sung có nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng thuốc hàn để bảo vệ hồ quang và kim loại nóng chảy khỏi tác động của môi trường bên ngoài. Hạt kim loại bổ sung được cấp vào khu vực hàn, giúp tăng cường chất lượng mối hàn. Các yếu tố như cường độ dòng điện, điện áp hồ quang và tốc độ hàn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn. "Sự kết hợp giữa hạt kim loại bổ sung và thuốc hàn tạo ra một môi trường hàn ổn định, giúp cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của mối hàn."

2.1. Nguyên lý và đặc điểm của công nghệ hàn

Nguyên lý của công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc hàn là sử dụng một lớp thuốc hàn để bảo vệ kim loại nóng chảy khỏi không khí, từ đó giảm thiểu sự oxy hóa và cải thiện chất lượng mối hàn. Đặc điểm nổi bật của công nghệ này là khả năng hàn các chi tiết dày mà không cần phải gia nhiệt trước. "Công nghệ này cho phép tạo ra các mối hàn có độ bền cao và khả năng chịu tải tốt, đáp ứng yêu cầu khắt khe trong ngành công nghiệp chế tạo."

III. Xây dựng mô hình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm được xây dựng nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn. Các thiết bị và vật liệu thực nghiệm được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo tính chính xác của kết quả. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi được áp dụng để tối ưu hóa các thông số như cường độ dòng điện, điện áp và tốc độ hàn. "Việc xây dựng mô hình thực nghiệm không chỉ giúp xác định các thông số tối ưu mà còn cung cấp cơ sở dữ liệu cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực hàn."

3.1. Thiết bị và vật liệu thực nghiệm

Thiết bị hàn được sử dụng trong thực nghiệm bao gồm máy hàn tự động và các thiết bị đo lường hiện đại. Vật liệu hàn được lựa chọn từ các loại thép có tính chất cơ học tốt, đảm bảo tính chính xác trong quá trình hàn. "Sự lựa chọn thiết bị và vật liệu phù hợp là yếu tố quyết định đến thành công của mô hình thực nghiệm, giúp thu được kết quả đáng tin cậy."

IV. Kết quả thực nghiệm và thảo luận

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng các thông số công nghệ hàn có ảnh hưởng rõ rệt đến chất lượng mối hàn. Đặc biệt, cường độ dòng điện và tốc độ hàn là hai yếu tố quan trọng nhất. Các mối hàn được kiểm tra về độ bền kéo, độ dai va đập và độ cứng, cho thấy sự cải thiện đáng kể khi áp dụng hạt kim loại bổ sung. "Kết quả này khẳng định vai trò quan trọng của việc tối ưu hóa thông số công nghệ trong việc nâng cao chất lượng mối hàn."

4.1. Phân tích kết quả kiểm tra cơ tính mối hàn

Kết quả kiểm tra cho thấy rằng mối hàn có sử dụng hạt kim loại bổ sung có độ bền kéo và độ dai va đập cao hơn so với mối hàn thông thường. Phân tích cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số công nghệ như cường độ dòng điện và tốc độ hàn có thể tạo ra sự khác biệt lớn trong chất lượng mối hàn. "Điều này chứng tỏ rằng việc nghiên cứu và tối ưu hóa các thông số công nghệ là rất cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp chế tạo."

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC HÀN VỚI HẠT KIM LOẠI BỔ SUNG Công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc hàn (SAW) với hạt kim loại bổ sung là công nghệ hàn năng suất cao do trong quá trình hàn kim loại đắp vào mối hàn được bổ sung thêm làm tăng năng suất đắp và tăng năng suất quá trình hàn. Công nghệ hàn tự động SAW với hạt kim loại bổ sung được phát triển trên cơ sở công nghệ hàn tự động SAW, song nó có nhiều đặc điểm nổi trội hơn công nghệ hàn tự động SAW thông thường đã được các nghiên cứu công bố như: năng suất hàn cao hơn, giảm số lượng đường hàn khi hàn liên kết có chiều dày lớn, sử dụng hiệu quả năng lượng hồ quang và có thể tạo ra mối hàn, lớp đắp có thành phần hóa học yêu cầu.Vì vậy hiện nay nhiều nước trên thế giới đã áp dụng công nghệ hàn này vào sản xuất để chế tạo các kết cấu thép cung cấp cho nhiều ngành kinh tế khác nhau. Để làm cơ sở cho việc nghiên cứu công nghệ hàn tự động SAW với hạt kim loại bổ sung, dưới đây sẽ giới thiệu một số công trình nghiên cứu của các tác giả trên thế giới và trong nước về công nghệ hàn SAW và công nghệ hàn SAW với hạt kim loại bổ sung. Tình hình nghiên cứu về công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc hàn (SAW) và công nghệ SAW với kim loại bổ sung trên thế giới.

Công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc và hàn tự động dưới lớp thuốc với hạt kim loại bổ sung là các công nghệ hàn tiên tiến cho năng suất hàn cao, chất lượng liên kết hàn tốt ngày càng được sử dụng nhiều trong chế tạo các kết cấu thép có khối lượng lớn thuộc các lĩnh vực lắp máy, xây dựng, đóng tầu, nhiệt điện, dầu khí. Mặc dù công nghệ SAW được đưa vào sử dụng rất sớm (1938) ở Đức, song với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật trên mọi lĩnh vực, sự phong phú của các sản phẩm chế tạo bằng hàn đã tạo điều kiện thuận lợi và thúc đẩy việc nghiên cứu, cải tiến và ứng dụng của công nghệ này nhằm đạt hiệu quả tốt nhất trong chế tạo các kết cấu thép bằng công nghệ SAW. Các nghiên cứu về công nghệ SAW rất đa dạng bao gồm cả các nghiên cứu về đặc điểm công nghệ, thông số quá trình, thiết bị, vật liệu…vv. Để tăng năng suất đắp kim loại khi hàn dưới lớp thuốc với tốc độ cao Pollack A J [53] đã sử dụng 4 điện cực nối riêng biệt với 4 nguồn nhiệt khác nhau khi hàn ống thép có đường kính lớn và thấy rằng tốc độ hàn tăng khi sử dụng cả bốn điện cực nối với nguồn xoay chiều, kết cho cho thấy độ bền mối hàn đạt cao hơn nhiều so với yêu cầu kỹ thuật của 5 các sản phẩm dạng ống.

Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nóng chảy trong hàn dưới lớp thuốc đã được Chandel R. và các cộng sự [32] tiến hành nghiên cứu để dự báo lý thuyết về ảnh hưởng của dòng điện, cực tính, đường kính, tầm với điện cực về tốc độ nóng chảy, độ cao, độ rộng đường hàn và sự ngấu của mối hàn trong hàn hồ quang dưới lớp thuốc. Nghiên cứu đã cho thấy tốc độ chảy của hàn hồ quang dưới lớp thuốc tăng lên khi tăng dòng điện hàn, sử dụng điện cực thẳng, sử dụng điện cực đường kính nhỏ và tầm với điện cực lớn, kết quả này là cơ sở tốt cho việc thiết kế phát triển quy trình hàn dưới lớp thuốc để chế tạo các kết cấu. Nghiên cứu về sự hợp kim hóa và ảnh hưởng của thuốc hàn trong công nghệ SAW được thực hiện bởi P.

Kanjilal và các cộng sự [47], các tác giả đã đưa ra dự đoán về sự chuyển đổi yếu tố trong hàn hồ quang dưới lớp thuốc thông qua thực nghiệm hàn đắp với các thông số hàn cố định. Thành phần của thuốc hàn chuẩn bị theo các thuật toán điểm cực trị của các thí nghiệm với hỗn hợp thuốc gồm CaO-MgO-CaF2-Al2O3. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các thành phần thuốc riêng lẻ và hỗn hợp có ảnh hưởng lớn và làm thay đổi hàm lượng oxy, mangan, silic và cacbon trong kim loại mối hàn, đồng thời phân tích các đặc điểm và cơ chế của sự chuyển đổi các nguyên tố trong quá trình hàn cũng được đưa ra làm cơ sở tin cậy cho việc lựa chọn các thành phần thuốc nhằm đạt được mục tiêu chất lượng yêu cầu. Sự hình thành liên kết hàn được phân tích chủ yếu dựa trên sự chuyển giọt kim loại từ điện cực vào bể hàn, điều này được G.

Gott và các cộng sự [40] nghiên cứu thông qua việc ghi lại hình ảnh tốc độ cao kết hợp với phân tích không gian phân giải quang phổ ở 5000 fps khi quan sát bốn quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc gồm: hàn bằng dòng điện một chiều cực dương (DCEP), dòng một chiều cực âm (DCEN) và dòng xoay chiều (AC) ở 600A, DCEP với dòng điện cao hơn ở 1000A. Từ hình ảnh quang phổ và video, nghiên cứu đã đánh giá được cơ chế chuyển đổi giọt kim loại từ điện cực vào bề hàn và chỉ ra sự tương tác giữa giọt - thuốc và hàm lượng oxy. Từ không gian phân giải quang phổ đã cho thấy sự phóng điện ngược mạnh của các dòng Na, Ca, Fe, Mn và hồ quang cũng bị chi phối bởi hơi kim loại. Một trong các chỉ tiêu để đánh giá chất lượng liên kết hàn là cấu trúc tế vi của kim loại mối hàn.

Các thông số công nghệ khi hàn có ảnh hưởng mạnh tới cấu trúc tế vi này, trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết của công nghệ SAW, James Amanie [33] đã 6 đánh giá ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn và vận tốc hàn đến cấu trúc tế vi, vùng ảnh hưởng nhiệt và thành phần hóa học kim loại mối hàn khi hàn thép SA516 và A709. Bằng thực nghiệm đã xác định được phần trăm pha ferit trong kim loại mối hàn của thép SA516 và A709 thông qua nhiễu xạ tia X, đồng thời cho thấy kim loại mối hàn thép SA516 không tồn tại austenit. Nghiên cứu đã so sánh, đánh giá ảnh hưởng của dòng điện và tốc độ hàn đến cấu trúc tế vi của kim loại mối hàn. Các phương trình hồi quy liên hệ giữa ferit thu được bên trong kim loại mối hàn với các thông số dòng điện và vận tốc hàn của các mối hàn thép SA516 và A709 cũng được đưa ra trong vùng nghiên cứu và cho thấy đây là công cụ hữu ích trong phát triển quy trình hàn đối với các loại thép trên và là một tham khảo tốt cho phát triển quy trình hàn với các loại thép khác.

Ngoài các thông số công nghệ (Ih,Vh) thì vật liệu hàn gồm dây và thuốc hàn cũng ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc vi mô và thành phần hóa học liên kết hàn. Để đánh giá ảnh hưởng này B. Beidokhti và cộng sự [29] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần kim loại phụ lên cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của mối hàn khi hàn bốn dây hai hồ quang dưới lớp thuốc API 5LX65. Kết quả kiểm tra độ cứng tế vi, độ dai va đập, và các kiểm tra kéo toàn bộ mối hàn của các mẫu thí nghiệm đã xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính mối hàn, cụ thể là: các mối hàn có lượng ferit hình kim lớn tạo thành trong cấu trúc vi mô đạt được các tính chất cơ học lớn hơn, độ dai va đập và độ bền cao hơn với các mối hàn chứa nhiều Ti, Cr và nhiệt độ chuyển tiếp từ dẻo đến giòn có thể giảm bằng cách tăng lượng của ferit hình kim.

Đồng thời nghiên cứu còn chỉ ra rằng khi tăng oxit ti tan tinh khiết phân tán sẽ làm tăng ferit hình kim trong cấu trúc vi mô của mối hàn. Một dạng vật liệu hàn khác là hỗn hợp bột fero hợp kim ảnh hưởng tới cấu trúc tế vi và tính chất cơ học của mối hàn cũng được Ramin Zahiri và các cộng sự [55] nghiên cứu thông qua công nghệ SAW trong hàn đắp phục hồi bề mặt, theo đó lớp phủ Fe - Cr - C được tạo thành từ hỗn hợp bột của bột fero crôm, phoi sắt đúc hoặc hạt thép không gỉ. Từ kết quả kiểm tra cấu trúc tế vi và độ dai va đập lớp phủ các mẫu đã cho thấy loại bột trong hỗn hợp, lượng bột sử dụng và các thông số hàn có ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và loại hợp kim lớp phủ được hình thành. Với lớp phủ chống mài mòn thì cấu trúc vi mô sau cùng tinh hình thành tốt hơn so với trước cùng tinh.

Tính chịu va đập tốt của cả cấu trúc vi mô trước cùng tinh và sau cùng tinh được 7 cho là do sự có mặt của Si (FeCrC, FeCrB, FeCrCB) và Ni (FeCrCB), sự có mặt của các nguyên tố này có thể ảnh hưởng đến sự dẻo dai của kim loại nền và lớp phủ tổng thể, kết quả này là cơ sở quan trọng cho việc thiết kế các quy trình hàn đắp phục hồi bằng công nghệ SAW nhằm đạt được chất lượng lớp đắp yêu cầu. Ngoài các thông số công nghệ, vật liệu hàn thì tốc độ nguội t8/5 có tính quyết định đến cấu trúc tế vi và tính chất cơ học của kim loại mối hàn. Với mối hàn nhiều lớp do nhiệt độ hàn các lớp sau khác lớp hàn trước làm ảnh hưởng đến tốc độ nguội t8/5. Kahraman Sirin và các cộng sự [48] đã nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tốc độ nguội đến cấu trúc mối hàn thông qua mẫu hàn nối ống hai phía bằng công nghệ SAW.

Từ kết quả kiểm tra, đánh giá cấu trúc vi mô, độ cứng, độ dai va đập các mẫu thực nghiệm các tác giả đã chỉ ra rằng tốc độ nguội t8/5 là yếu tố quyết định tới cấu trúc vi mô, tính chất cơ học của kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt trong các kết cấu hàn, việc xác định tốc độ nguội phụ thuộc vào các thông số hàn, nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ trong lớp hàn. Giá trị độ dai va đập và độ cứng của các kết cấu hàn là rất gần nhau trong trường hợp đầu vào nhiệt hàn thu được hàn lớp bên trong và bên ngoài ống giống nhau, mặc dù số lượng điện cực được sử dụng khác nhau.