Chương 1: Tổng quan và cơ sở lý thuyết về hànplasma; - Chương 2: Vật liệu, thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu; - Chương 3: Nghiên cứu các đặc tính mối hàn plasma giáp mối thép không gỉSUS 304; - Chương 4: Xây dựng mô hình đặc tính bền vật liệu mối hàn plasma thép SUS 304. Đóng góp mới trong lĩnh vực khoa học chuyên ngành 1) Xây dựng được phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm phù hợp với các thông số công nghệ đầu vào và tính năng kỹ thuật của hệ thống thiết bị hàn plasma LINCOLN C3-MATIC 32-33 nhằm đưa ra giải pháp nghiên cứu khảo sát và phân tích đánh giá chất lượng các mẫu thí nghiệm hàn plasmađiển hình khi hàn liên kết giáp mối thép không gỉ SUS 304 có chiều dày 2 mm, kết hợp với thử nghiệm phá hủy đến các đặc tính cơ – lý, đảm bảo đủ độ tin cậy kết quả thực nghiệm; 2) Áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi cho các thí nghiệm thăm dò định hướng công nghệ với 4 thông số công nghệ đầu vào lựa chọn để khảo sát. Từ đó tập trung xác định 3 thông số công nghệ đầu vào để tiến hành các thí nghiệm với ma trận trực giao theo quy hoạch đầy đủ trực giao 3 mức 3 yếu tố 33 giúp định lượng được quy luật ảnh hưởng của các chế độ hàn plasma khác nhau đến hàm mục tiêu cơ 3 tính đầu ra cần tìm trong miền quy hoạch thực nghiệm đã được điều chỉnh hợp lý, đảm bảo chất lượng hàn tốt; 3) Đưa ra các đồ thị trực quan dạng 2D và 3D để dễ dàng chỉ ra quy luật ảnh hưởng của chất lượng liên kết hàn plasma giáp mối thép không gỉ SUS 304, đảm bảo đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra cho kết cấu hàn của sản phẩm cơ khí cần chế tạo. TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN PLASMA 1.
Phân loại công nghệ hàn tiên tiến 1.1 Sơ lược về lịch sử ngành hàn Hàn kim loại được biết đến từ thời kỳ trung cổ. Tại thời điểm đó, các thợ rèn đã sử dụng các kỹ năng của mình để hàn các công cụ sắt bằng búa. Các phương pháp hàn vẫn ít nhiều thay đổi cho đến thế kỷ 19. Trong thế kỷ 19, những bước đột phá lớn trong kỹ thuật hàn được thực hiện.
Việc sử dụng các ngọn lửa mở (axetylen) là một cột mốc quan trọng trong lịch sử của ngành hàn vì ngọn lửa mở, cho phép sản xuất các công cụ kim loại phức tạp và thiết bị. Edmund Davy phát hiện axetylen trong năm 1836 và axetylen đã sớm sử dụng bởi các ngành công nghiệp hàn [1]. Năm 1800, Humphrey Davy phát minh ra một công cụ hoạt động pin mà có thể tạo ra giữa các điện cực carbon [2]. Công cụ này được sử dụng rộng rãi trong các kim loại hàn.
Năm 1881, nhà khoa học người Pháp Auguste De Meritens thành công trong việc pha trộn các tấm chì bằng cách sử dụng nhiệt sinh ra từ hồ quang [3]. Trong những năm 1890, một trong những phương pháp hàn phổ biến nhất là hàn hồ quang tay (hay còn gọi là hàn que) [4]. Hàn điện cực kim loại lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1900 bởi Strohmenger [5]. Một số quy trình hàn khác đã được phát triển trong giai đoạn này.
Một số trong số họ bao gồm hàn lăn, hàn điểm, hàn nối flash, và hàn chiếu. Sau khi kết thúc Thế chiến I, Hiệp hội ngành hàn Mỹ được thành lập bởi Comfort Avery Adams. Người ta nhận thấy sự phát triển của xã hội là sự tiến bộ của quá trình hàn. CJ Holstag cũng phát minh ra dòng xoay chiều trong năm 1919.
Tuy nhiên, dòng điện xoay chiều đã được sử dụng bởi các ngành công nghiệp hàn trong năm 1930. Hàn tự động lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1920. Hàn tự động tích hợp việc sử dụng điện áp hồ quang và dây điện trần. Nó được sử dụng để sửa chữa và đúc kim loại.
Một số loại điện cực cũng đã được phát triển trong thập kỷ này. Một phương pháp hàn mới được phát triển vào năm 1941 bởi Meredith để hàn liền nối nhôm và magiê. Phương pháp hàn này được cấp bằng sáng chế và được biết đến như hàn hồ quang với khí bảo vệ là khí trơ. Các phương pháp hàn hồ quang kim loại sử dụng khí bảo vệ được phát triển tại Viện Battelle Memorial năm 1948.
Phương pháp hàn khí bảo vệ sử dụng khí hoạt tính CO2 được phát triển bởi 2 nhà khoa học Lyubavskii và Novoshilov vào năm 1953. Đã có một số tiến bộ trong ngành công nghiệp hàn trong những năm 1960 như: Hàn dây đa năng, hàn không khí bảo vệ, và hàn điện xỉ là một số trong những phát triển quan trọng về công nghệ hàn của thập kỷ. Hàn hồ quang plasma được phát minh bởi Gage trong thời gian này, nó được sử dụng để hàn kim loại và hợp kim. Người Pháp cũng phát triển hàn chùm tia điện tử, nó cũng được sử dụng bởi các ngành công nghiệp sản xuất máy bay của Hoa Kỳ.
5 Sự phát triển trong những năm gần dây có bổ sung thêm hàn ma sát (quá trình hàn phát triển ở Nga) và hàn laser (phát triển ở Mỹ, Đức, Trung Quốc).2 Phân loại các phương pháp hàn Hiện nay có rất nhiều phương pháp hàn khác nhau và được phân loại theo mật độ năng lượng của nguồn nhiệt nung nóng, cụ thể như từ ngọn lửa khí cháy tới hồ quang điện và chùm tia năng lượng cao. Hơn nữa, một số công nghệ hàn tiên tiến trên thế giới hiện nay được phân loại và có thể tham khảo trong cuốn sách chuyên khảo của Nasi Ahmed xuất bản tại Anh quốc năm 2005 [16] như: 1) Hàn khí hoạt tính điện cực kim loại (hàn hồ quangtrong môi trường khí bảo vệ điện cực nóng chảy) (Gas metal arc welding - GMAW): Sơ đồ nguyên lý công nghệ này thể hiện trên Hình 1.1; 2) Hàn hồ quang bằng dây có lõi thuốc (Tubular cored wire welding): Sơ đồ nguyên lý thể hiện Hình 1.2; 3) Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (khí trơ) với điện cực không nóng chảy(Gas tungsten arc welding): Nguyên lý quá trình hàn A-TIG và GTAW lỗ khóa kết hợp với hàn plasma thể hiện trên các Hình 1.5; 4) Hàn bằng chùm tia laser (Laser beam welding): tập trung vào các vấn đề: nguyên lý quá trình; năng lượng hàn; các thông số cài đặt và kiểm soát quá trình; đánh giá chất lượng mối hàn; những cải tiến phát triển mới của quá trình và lựa chọn các phương án hàn với cường độ dòng laser khác nhau. Hàn bằng Nd: YAG laser (Nd: YAG laser welding) ứng dụng đối với quá trình hàn các kim loại khác nhau và có kiểm soát quá trình hàn; 5) Hàn bằng chùm tia điện tử (Electron beam welding): giới thiệu về công nghệ, thiết bị máy hàn bằng chùm tia điện tử; hàn bằng xung micro-chùm tia điện tử; hàn bằng chùm tia điện tử trong môi trường phi chân không; chất lượng mối hàn bằng công nghệ này; 6) Hàn bằng năng lượng nổ, gọi tắt là hàn nổ (Explosion welding technology): đề cập đến những phát triển mới của công nghệ hàn nổ, khả năng và hạn chế của công nghệ này khi mối hàn được hình thành rất nhanh dưới tác động của áp lực, tốc độ hàn siêu cao; bản chất quá trình hàn nổ; đặc tính mối hàn nổ; 7) Hàn bằng xung plasma (PAW): hiện nay công nghệ này đã phát triển mạnh và đưa vào sản xuất quy mô công nghiệp trên cơ sở ứng dụng các hệ thống thiết bị hàn plasma hiện đại, có giám sát trực tuyến quá trình hàn.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị hàn GMAW Hình 1.2 là một ví dụ về đồ thị biểu diễn sự gia tăng của xung tần số trong quá trình làm nguội của vùng HAZ liền sát nhau đến đường nóng chảy của hợp kim nhôm [16]. Nguyên lý hệ thống thiết bị hàn FCAW, nguyên lý hệ thống thiết bị hàn dưới lớp thuốc sự hình thành mối hàn chìm khi sử dụng thuốc trợ dung hàn bazơ và nguyên lý hình thành phương pháp hàn dây có lõi thuốc hàn thể hiện ở Hình 1.2 Đồ thị biểu diễn sự gia tăng xung tần số trong quá trình giảm làm nguội của vùng HAZ liền sát nhau đến đường nóng chảy của hợp kim nhôm theo Ghost và các tác giả, 1994 a) 7 b) c) Hình 1.3 Cấu tạo hệ thống thiết bị hàn FCAW (a); sự hình thành mối hàn chìm khi sử dụng thuốc trợ dung hàn bazơ(b); Mô tả quá trình sản xuất dây hàn lõi thuốc(c) [106] Cũng theo tác giả: Hình 1.4 dưới đây là sơ đồ nguyên lý công nghệ hàn hồ quang khí bảo vệ (khí trơ) với điện cực không nóng chảy (GTAW), còn Hình 1.5 – sơ đồ nguyên lý cơ bản quá trình hàn TIG kết hợp với hàn PAW và hình ảnh dòng plasma khi hàn lỗ khóa.
Sơ đồ nguyên lý kết hợp hàn TIG với hàn plasma thể hiện Hình 1. Đồ thị mối tương quan giữa năng suất hàn với chiều dày phôi hàn khi hàn TIG và hàn plasma thể hiện Hình 1. Điện cực hàn W Phôi hàn a) TIG b) PAW c) Lỗ khóa Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ TIG Hình 1.5 So sánh quá trình hàn TIG (a) (GTAW) kết hợp với hàn plasma (b) và Hình ảnh dòng plasma hàn lỗ khóa (c) [106] Catốt (−) Tốc độ hàn, cm/phút Anốt (+) → hàn lỗ khóa và phụ gia Hiệu ứng kích thước dòng plasma - nhiệt → hàn 2 lớp độ và điện áp hàn Chiều dày phôi hàn, mm Hình 1.6 So sánh phân bổ nhiệt của hàn Hình 1.7 Đồ thị mối tương quan giữa TIG với plasma: kích hoạt plasma: 40 năng suất hàn với chiều dày phôi hàn khi CFH Ar, 200 A, 15 V; Xung plasma ổn hàn TIG và hàn plasma định (kích thước 3/16 inch) 8 Theo công bố của tác giả công trình [16] thì sự phụ thuộc của nhiệt độ vào bán kính bề mặt vũng hàn khi có và không dùng chất trợ dung; mối tương quan giữa sức căng bề mặt và mật độ lớp đắp khi hàn thép không gỉ SUS 304 có trợ dung TiO2; quan hệ giữa độ ngấu sâu và mật độ lớp đắp của trợ dung TiO2 và sơ đồ nguyên lý mô tả mô hình hàn thu hẹp nhờ hoạt tính của chất trợ dung thể hiện Hình 1. Bán kính, mm Mật độ lớp phủ trợ dung TiO2, mg/cm2 a) b) Mật độ lớp phủ trợ dung TiO2, mg/cm2 c) d) Hình 1.