Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa hiện đại, công nghệ hàn đắp dưới lớp thuốc bằng điện cực băng trên thép tấm đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo và phục hồi các chi tiết máy có yêu cầu cao về độ bền, khả năng chống mài mòn và chịu nhiệt. Theo ước tính, tỷ lệ sử dụng các phương pháp hàn tự động như SAW-SC và ESW-SC chiếm khoảng 18-25% và 8-12% trong tổng số các quá trình hàn đắp kim loại, cho thấy sự phổ biến và hiệu quả của công nghệ này trong sản xuất công nghiệp. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát, phân tích và tối ưu hóa công nghệ hàn đắp dưới lớp thuốc bằng điện cực băng trên thép tấm nhằm nâng cao chất lượng mối hàn, giảm thiểu tổn thất kim loại và tăng hiệu suất sản xuất.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng quy trình công nghệ hàn đắp phù hợp với các loại thép tấm kỹ thuật cơ khí, xác định các thông số hàn tối ưu như dòng hàn, điện áp, tốc độ hàn, chiều dày và chiều rộng lớp đắp, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này đến chất lượng mối hàn và thành phần hóa học của lớp đắp. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2015-2017 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tập trung vào các loại thép tấm kỹ thuật cơ khí phổ biến trong công nghiệp chế tạo máy.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc ứng dụng công nghệ hàn đắp dưới lớp thuốc bằng điện cực băng, góp phần nâng cao tuổi thọ và hiệu quả sử dụng các chi tiết máy, giảm chi phí bảo trì và thay thế, đồng thời thúc đẩy phát triển công nghiệp chế tạo trong nước. Các chỉ số hiệu quả như tốc độ hàn đạt 10-16 cm/phút, dòng hàn từ 750 đến 1250 A, và tỷ lệ tham gia của kim loại cơ bản vào lớp đắp từ 10-18% được sử dụng làm tiêu chuẩn đánh giá kết quả nghiên cứu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: nguyên lý hàn quang tay (SMAW) và nguyên lý hàn dây lõi thuốc (FCAW), trong đó tập trung vào công nghệ hàn quang tủ lấp thuốc (SAW) và hàn điện cực băng (ESW). Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • Kim loại cơ bản (KLCB): Là kim loại nền của chi tiết được hàn, ảnh hưởng đến tính chất cơ lý và hóa học của mối hàn.
  • Lớp đắp hàn: Lớp kim loại được hàn thêm vào bề mặt chi tiết nhằm phục hồi hoặc tăng cường tính năng.
  • Dòng hàn và điện áp hàn: Các thông số điện quan trọng ảnh hưởng đến nhiệt lượng cung cấp và hình dạng mối hàn.
  • Tỷ lệ tham gia của KLCB: Phần trăm kim loại cơ bản tham gia vào lớp đắp, ảnh hưởng đến thành phần hóa học và tính chất cơ học của lớp đắp.
  • Hiệu suất hàn: Đánh giá hiệu quả sử dụng vật liệu hàn và năng lượng trong quá trình hàn.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào mối quan hệ giữa các thông số hàn (dòng hàn, điện áp, tốc độ hàn, chiều dày lớp đắp) với chất lượng mối hàn (độ bền, độ cứng, thành phần hóa học) và hiệu suất sử dụng vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thực nghiệm thu thập từ các thí nghiệm hàn trên thép tấm kỹ thuật cơ khí, tài liệu tham khảo từ các hãng sản xuất vật liệu hàn như ESAB, Metrode, Soudukay, và các báo cáo nghiên cứu trong nước và quốc tế. Cỡ mẫu thí nghiệm khoảng 30 mẫu thép tấm với các thông số hàn khác nhau được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện.

Phương pháp phân tích sử dụng kết hợp phân tích hóa học thành phần lớp đắp, đo chiều dày và chiều rộng lớp đắp bằng thiết bị đo chính xác, kiểm tra cơ tính bằng phương pháp đo độ cứng và kéo nén, đồng thời sử dụng phân tích thống kê để xác định mối quan hệ giữa các biến số. Timeline nghiên cứu kéo dài trong 24 tháng, bao gồm giai đoạn thiết kế thí nghiệm, thực hiện thí nghiệm, thu thập và xử lý dữ liệu, phân tích kết quả và hoàn thiện báo cáo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của dòng hàn và điện áp đến chiều sâu ngấu và chiều rộng lớp đắp:
    Dòng hàn tăng từ 750 A lên 1250 A làm chiều sâu ngấu tăng từ khoảng 3 mm lên 5 mm, trong khi điện áp hàn ổn định ở 24 V giúp duy trì hình dạng mối hàn ổn định. Tốc độ hàn tăng từ 10 cm/phút lên 16 cm/phút làm giảm chiều rộng lớp đắp khoảng 15%, đồng thời tăng hiệu suất hàn lên 40%.

  2. Tỷ lệ tham gia của kim loại cơ bản vào lớp đắp:
    Tỷ lệ này dao động trong khoảng 10-18%, với phương pháp ESW-SC có tỷ lệ thấp hơn SAW-SC, giúp giảm thiểu tổn thất kim loại và tăng độ bền lớp đắp. Sự tham gia của KLCB ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần hóa học và tính chất cơ học của lớp đắp.

  3. Thành phần hóa học của lớp đắp:
    Lớp đắp sử dụng hợp kim Niken có thành phần Cb chiếm khoảng 3.5%, Cs 1.2%, và d 0.5%, đảm bảo tính chống mài mòn và chịu nhiệt cao. Các thành phần này được điều chỉnh phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của chi tiết phục hồi.

  4. Hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của công nghệ hàn đắp:
    So sánh giữa SAW-SC và ESW-SC cho thấy ESW-SC có tốc độ hàn nhanh hơn 60%, dòng hàn lớn hơn 42 A/mm2, và hiệu suất sử dụng vật liệu cao hơn 22 kg/h so với 14 kg/h của SAW-SC. Điều này đồng nghĩa với việc giảm thời gian sản xuất và chi phí vật liệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ đặc tính vật lý của dòng điện và điện áp trong quá trình hàn, ảnh hưởng đến nhiệt lượng cung cấp và sự lan truyền nhiệt trong kim loại cơ bản. Dòng hàn lớn hơn tạo ra vùng nhiệt rộng hơn, giúp kim loại cơ bản tham gia nhiều hơn vào lớp đắp, từ đó tăng chiều sâu ngấu và cải thiện liên kết mối hàn.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với báo cáo của các hãng sản xuất vật liệu hàn lớn trên thế giới, đồng thời khẳng định tính khả thi và hiệu quả của công nghệ hàn đắp dưới lớp thuốc bằng điện cực băng trong điều kiện sản xuất trong nước. Việc điều chỉnh các thông số hàn phù hợp giúp giảm thiểu khuyết tật như rỗ khí, nứt mối hàn và bong tróc lớp đắp, nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa dòng hàn và chiều sâu ngấu, bảng so sánh thành phần hóa học lớp đắp theo từng phương pháp hàn, và biểu đồ tốc độ hàn so với hiệu suất sử dụng vật liệu để minh họa rõ ràng các kết quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thông số hàn:
    Đề nghị áp dụng dòng hàn trong khoảng 1000-1250 A, điện áp 24 V và tốc độ hàn 12-16 cm/phút để đạt chiều sâu ngấu và chiều rộng lớp đắp tối ưu, giảm thiểu tổn thất kim loại. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do bộ phận kỹ thuật và vận hành nhà máy chịu trách nhiệm.

  2. Sử dụng hợp kim Niken chất lượng cao:
    Khuyến khích lựa chọn hợp kim Niken với thành phần Cb và Cs phù hợp để tăng khả năng chống mài mòn và chịu nhiệt cho lớp đắp, nâng cao tuổi thọ chi tiết. Thực hiện trong 3 tháng, phối hợp với nhà cung cấp vật liệu.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ hàn đắp dưới lớp thuốc và vận hành thiết bị hàn tự động nhằm nâng cao tay nghề, giảm thiểu lỗi kỹ thuật. Thời gian đào tạo 2 tháng, do phòng đào tạo và kỹ thuật phối hợp thực hiện.

  4. Áp dụng hệ thống kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt:
    Thiết lập quy trình kiểm tra định kỳ các thông số hàn và chất lượng mối hàn bằng phương pháp đo chiều dày, độ cứng và phân tích hóa học để đảm bảo mối hàn đạt tiêu chuẩn kỹ thuật. Thực hiện liên tục, do bộ phận kiểm soát chất lượng chịu trách nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ hàn:
    Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về công nghệ hàn đắp dưới lớp thuốc, áp dụng vào thiết kế và vận hành dây chuyền sản xuất, nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

  2. Nhà quản lý sản xuất:
    Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và chi phí sản xuất trong công nghệ hàn, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và cải tiến quy trình hợp lý.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí:
    Sử dụng làm tài liệu tham khảo, nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ hàn tự động, phục vụ giảng dạy và học tập.

  4. Nhà cung cấp vật liệu và thiết bị hàn:
    Cập nhật thông tin về yêu cầu kỹ thuật và xu hướng công nghệ mới, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ hàn đắp dưới lớp thuốc bằng điện cực băng là gì?
    Đây là phương pháp hàn tự động sử dụng điện cực băng và lớp thuốc phủ để tạo mối hàn dưới lớp thuốc bảo vệ, giúp tăng hiệu suất hàn và chất lượng mối hàn, giảm khuyết tật.

  2. Các thông số hàn quan trọng trong công nghệ này là gì?
    Bao gồm dòng hàn (750-1250 A), điện áp hàn (khoảng 24 V), tốc độ hàn (10-16 cm/phút), chiều dày và chiều rộng lớp đắp, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn.

  3. Tỷ lệ tham gia của kim loại cơ bản ảnh hưởng thế nào đến lớp đắp?
    Tỷ lệ này quyết định thành phần hóa học và tính chất cơ học của lớp đắp, tỷ lệ thấp giúp giảm tổn thất kim loại và tăng độ bền mối hàn.

  4. Ưu điểm của phương pháp ESW-SC so với SAW-SC là gì?
    ESW-SC có tốc độ hàn nhanh hơn 60%, dòng hàn lớn hơn 42 A/mm2, hiệu suất sử dụng vật liệu cao hơn, giúp giảm thời gian và chi phí sản xuất.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng mối hàn trong công nghệ này?
    Thực hiện đo chiều dày, độ cứng, phân tích thành phần hóa học lớp đắp, kết hợp kiểm tra trực quan và sử dụng thiết bị đo chuyên dụng để đảm bảo mối hàn đạt tiêu chuẩn.

Kết luận

  • Công nghệ hàn đắp dưới lớp thuốc bằng điện cực băng trên thép tấm là giải pháp hiệu quả cho việc phục hồi và chế tạo chi tiết máy có yêu cầu kỹ thuật cao.
  • Các thông số hàn như dòng hàn, điện áp, tốc độ hàn và thành phần hợp kim ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn và hiệu suất sản xuất.
  • Phương pháp ESW-SC cho hiệu suất cao hơn so với SAW-SC, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi năng suất và chất lượng cao.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để tối ưu hóa quy trình hàn, giảm chi phí và nâng cao tuổi thọ chi tiết.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng quy trình tối ưu, đào tạo nhân lực và thiết lập hệ thống kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm công nghệ này trong các lĩnh vực sản xuất và bảo trì thiết bị cơ khí nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh và phát triển bền vững.