MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Trên thế giới, việc nghiên cứu các công nghệ hàn tiên tiến đang được đẩy mạnh ứng dụng ở nhiều nước công nghiệp phát triển từ những năm 1970 trở lại đây. Ở Việt Nam hiện nay ngành công nghiệp cơ khí chế tạo đang ngày càng được đầu tư đổi mới với trang thiết bị, công nghệ tiên tiến nhập khẩu từ nước ngoài. Trong công nghệ hàn khe hở hẹp, có thể sử dụng nhiều phương pháp hàn khác nhau mà yêu cầu không cần vát mép hoặc vát mép với góc nhỏ, điển hình như hàn TIG (tungsten inert gas welding), hàn MIG (metal inert gas) và hàn MAG (metal active gas).
Điều đó cho phép tiết kiệm nhiều nguyên công tạo phôi mối ghép, tiết kiệm kim loại cơ bản và dây hàn đáng kể, dẫn đến hạ giá thành chế tạo kết cấu hàn. Mặc dù có thể nhập khẩu các máy hàn (TIG, MIG, MAG) tiên tiến từ nhiều nước cung cấp thiết bị khác nhau, nhưng vấn đề làm chủ công nghệ và đưa ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp với tình hình thực tế trong nước còn là vấn đề luôn có tính thời sự và cần thiết. Công nghệ hàn khe hở hẹp bằng phương pháp hàn MAG (gọi tắt là NG-MAG) dựa trên nền tảng của công nghệ hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ hoạt tính ở nước ta hiện nay còn là vấn đề mở. Vì vậy, định hướng nghiên cứu của luận án là kết hợp lý thuyết với thực nghiệm để tìm ra chế độ hàn phù hợp khi hàn giáp mối các tấm thép các bon CT.38 có chiều dày lớn bằng phương pháp hàn MAG trong môi trường khí bảo vệ CO2.
Phôi hàn NG-MAG được chọn trong phạm vi nghiên cứu chủ yếu của luận án theo quy hoạch thực nghiệm kiểu 3 mức 3 yếu tố (N = 33 = 27: theo ma trận trực giao toàn phần N27 ở bước QHTN 2 có chiều dày là = 50 mm với góc vát mép nhỏ trong khoảng 5 ÷ 15 o. Ngoài ra, để tìm hiểu khả năng mở rộng chiều dày phôi hàn chọn thêm ở hai mức: = 75 mm và = 100 mm và chỉ thực hiện trong lô thí nghiệm định hướng công nghệ (bước 1). Mặc dù hàn khe hở hẹp có nhiều ưu điểm, nhưng công nghệ hàn NG-MAG hầu như chưa được chú trọng nghiên cứu ứng dụng vào thực tế sản xuất ở Việt Nam. Do đó, hướng nghiên cứu này có tính mới về khoa học và tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao, phù hợp với mã ngành đào tạo trình độ Tiến sĩ ngành “Kỹ thuật cơ khí” (mã số: 9.03) tại Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương.
Mục đích nghiên cứu của luận án Kết hợp nghiên cứu cơ sở lý thuyết, thực tiễn với nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng mối quan hệ giữa một số thông số công nghệ chủ yếu đến chất lượng mối hàn giáp mối NG-MAG đối với thép tấm dày với góc vát mép nhỏ trong quy mô phòng thí nghiệm chuyên ngành. Các thí nghiệm có sử dụng kết quả nghiên cứu chế tạo mỏ hàn cho thiết bị hàn MAG để hàn khe hở hẹp, đặc biệt là sử dụng thiết bị hàn tiên tiến của hãng LINCOLN ELECTRIC làm cơ sở khoa học để lựa chọn chế độ hàn phù hợp với yêu cầu của kết cấu cơ khí hàn. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu các kết cấu hàn có liên kết giáp mối thép tấm các bon CT.38 có chiều dày δ = 50 mm; b) Phạm vi nghiên cứu: + Sử dụng bộ nguồn hàn MAG D500 với đầu hàn thiết kế, chế tạo phù hợp để tiến hành thực nghiệm hàn giáp mối thép các bon tấm dày CT.38 có chiều dày δ = 50 mm; + Sử dụng hệ thống máy hàn tiên tiến LINCOLN - FLEXTEC ® 500x cho phôi hàn có chiều dày δ = 50 mm và mở rộng đến chiều dày δ = 75; 100 mm. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết về công nghệ hàn khe hở hẹp (NG-MAG) với nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình hàn thép các bon tấm dày CT.38 đề xuất của luận án.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5. Ý nghĩa khoa học - Bằng thực nghiệm, đưa ra phương pháp hàn NG-MAG với chế độ hợp lý cho liên kết giáp mối thép các bon tấm dày CT.38, đảm bảo chất lượng mối hàn ở mức cần thiết theo yêu cầu thực tế. Chất lượng liên kết hàn được đánh giá thông qua bộ tiêu chí gồm: đặc tính cơ - lý và kim tương học khảo sát tại các tiểu vùng kim loại mối hàn (MH); biên giới mối hàn với vùng ảnh hưởng nhiệt (B.G); vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và vùng kim loại cơ bản (KLCB) khi sử dụng các thiết bị thí nghiệm hiện đại, đảm bảo độ tin cậy của các kết quả thực nghiệm cao trong điều kiện hiện có tại Việt Nam; 2 - Đưa ra được mô hình toán học ở dạng đa thức bậc 2, số hóa quy luật thay đổi độ bền kéo liên kết hàn NG-MAG tùy thuộc vào 03 yếu tố công nghệ đầu vào chủ yếu là cường độ dòng hàn (I h), tốc độ hàn (v h) và góc vát mép nhỏ () trong miền khảo sát quy hoạch thực nghiệm trực giao kiểu 3 mức 3 yếu tố N27. Theo đó, có thể dễ dàng điều khiển tùy ý chế độ hàn đảm bảo độ bền kéo và độ tin cậy của mối hàn để khuyến cáo cho các doanh nghiệp sản xuất Cơ khí trong nước.
Ý nghĩa thực tiễn Kết quả của luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo trong nghiên cứu khoa học, đào tạo ngành Kỹ thuật Cơ khí và khuyến cáo cho doanh nghiệp về lĩnh vực chế tạo kết cấu hàn ở Việt Nam. Kết cấu của luận án Ngoài phần đầu gồm mục lục, lời cam đoan và cảm ơn của nghiên cứu sinh, bảng kê các chữ viết tắt, bảng danh mục các hình vẽ, danh mục các bảng biểu, luận án được kết cấu thành các mục chính như sau: - Mở đầu; - Chương 1: Tổng quan và cơ sở lý thuyết hàn khe hở hẹp; - Chương 2: Vật liệu, thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu; - Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm định hướng công nghệ; - Chương 4: Xây dựng mô hình toán học độ bền kéo mối hàn khe hở hẹp; - Kết luận chung và hướng phát triển tiếp theo của luận án; - Danh mục các công trình đã công bố; - Tài liệu tham khảo; - Phụ lục. Luận điểm bảo vệ chính Khi áp dụng chế độ hàn NG-MAG hợp lý đề xuất cho các phôi thép tấm các bon CT.38 có chiều dày 50 mm (mở rộng đến chiều dày 75 mm và 100 mm), với khe hở hẹp có thể thay đổi trong khoảng 10 ÷ 12 mm và góc vát mép nhỏ (5 o; 7,5o và 15o hai bên), đảm bảo được chất lượng liên kết hàn giáp mối tốt về mặt kỹ thuật, dẫn đến giảm thiểu chi phí nguyên vật liệu (dây hàn, vật tư phụ trợ), nâng cao hiệu quả cho doanh nghiệp sản xuất Cơ khí trong nước. 3 Chất lượng liên kết hàn NG-MAG được đánh giá bởi bộ tiêu chí gồm: hình thái bề mặt (ngoại dạng) đường liên kết hàn (tính chất vật lý); độ bền kéo (tính chất cơ học); độ cứng tế vi và tổ chức tế vi được khảo sát tại các tiểu vùng cấu trúc đặc trưng (đặc tính kim tương học).
Đóng góp mới của luận án trong lĩnh vực khoa học chuyên ngành 1) Đưa ra phương pháp luận phù hợp để nghiên cứu quá trình hàn liên kết giáp mối NG-MAG phôi thép các bon CT.38 tấm dày phù hợp với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam. Nhờ đó cho phép xác nhận kết quả lựa chọn chế độ hàn trong miền khảo sát của 3 thông số công nghệ đầu vào chủ yếu là cường độ dòng điện hàn (I h, A), tốc độ hàn (v h, cm/ph), và góc vát mép nhỏ (, độ), đảm bảo độ bền kéo mối hàn đạt yêu cầu ở mức phù hợp trên sản phẩm cơ khí cần chế tạo cho các doanh nghiệp trong nước; 2) Áp dụng phương pháp tính toán xử lý số liệu thống kê toán học theo quy hoạch thực nghiệm trực giao toàn phần kiểu 3 mức 3 yếu tố N27 (I h, v h, ) bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất để tính toán xây dựng mô hình số hóa dự đoán độ bền kéo ( k, MPa) của liên kết hàn NG-MAG ở dạng đa thức bậc hai. Theo đó, dễ dàng điều khiển quá trình hàn NG-MAG liên kết giáp mối thép CT.38 như công thức (4. Đồng thời đưa ra các đồ thị 2D và 3D biểu diễn trực quan quy luật ảnh hưởng của chế độ hàn NG-MAG đến k trong miền quy hoạch mô phỏng đã chọn.
TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÀN KHE HỞ HẸP 1. Khái niệm, phân loại, ưu điểm của công nghệ hàn khe hở hẹp 1. Khái niệm hàn NGW Hàn khe hở hẹp nói chung (gọi tắt là NGW) đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu ngay từ những năm 1978 cho đến ngày nay, nó có một số tính năng như: là một kỹ thuật tạo hình liên kết đặc biệt, có liên quan chỉ với các quá trình hàn hồ quang (GMAW-NG: hàn hồ quang khe hở hẹp với khí bảo vệ và SAW-NG: hàn hồ quang tự động khe hở hẹp dưới lớp thuốc hàn); đặc điểm của NGW là số đường hàn trong mỗi lớp thường cố định ở mức 1 3 đường; NGW đòi hỏi chỉ vát mép đối với kết cấu mối hàn vuông góc hoặc giáp mối dưới một góc vát phù hợp nào đó mà chủ yếu là chống biến dạng mối hàn; NGW được khuyến cáo sử dụng năng lượng đường của nhiệt hàn chỉ ở mức thấp hoặc trung bình. Đến năm 1989 dựa trên những đặc điểm nói trên, các nhà khoa học ở ngoài nước đã đưa ra định nghĩa công nghệ hàn khe hở hẹp như sau: "Hàn khe hở hẹp - NGW là một kỹ thuật liên kết theo định hướng liên quan đến một quá trình hàn hồ quang đặc trưng bởi một hằng số đường hàn trong mỗi lớp và được lấp đầy theo từng lớp trong một rãnh sâu, vuông và có kích thước hẹp" [27].
Theo đó, sự phát triển của công nghệ hàn NGW nhằm mục tiêu làm giảm thiểu khối lượng kim loại cần đắp khi hàn các tấm vật liệu thành dày, dẫn đến giảm chi phí vật liệu hàn, thời gian hàn và mức độ biến dạng của chi tiết hàn.