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 (G7, G20) 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 thiếu sự đầu tư cho nghiên cứu đầy đủ về ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn khe hở hẹp đến chất lượng kết cấu hàn nhằm đưa ra được các quy trình hàn hợp lý để ứng dụng vào sản xuất công nghiệp. 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 CT38 có chiều dày lớn bằng phương pháp hàn MAG trong môi trường khí bảo vệ CO2.
Phôi hàn NG-MAG chọn vào phạm vi nghiên cứu gồm 03 loại chiều dày là: = 50 mm; 75 mm và 100 mm trong thí nghiệm định hướng công nghệ (QHTN 1) với góc vát mép nhỏ trong khoảng 5 ÷ 15o (tùy theo chiều dày phôi hàn), trong đó tập trung vào loại = 50 mm ở bước quy hoạch trực giao toàn phần N27 (QHTN 2). Mặc dù hàn khe hở hẹp có nhiều ưu điểm, nhưng công nghệ hàn khe hở hẹp hầu như chưa được 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 các bon CT38 tấm dày (δ = 50; 75 và 100 mm); b) Phạm vi nghiên cứu: sử dụng máy 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 CT38 có chiều dày δ = 50; 75 và 100 mm và hệ thống máy hàn tiên tiến LINCOLN FLEXTEC® 500x; 4. 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 thí nghiệm hàn NG-MAG thép các bon tấm dày CT38. 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 CT38, 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; - Đưa ra được mô hình toán học ở dạng đa thức phi tuyến là hàm mục tiêu đầu ra cần tìm, lượng hóa quy luật thay đổi độ bền kéo liên kết hàn NG-MAG với khe hở hẹp và góc vát mép nhỏ phụ thuộc vào 03 yếu tố công nghệ đầu vào chủ yếu là cường độ 2 dòng hàn (Ih), tốc độ hàn (vh) và góc vát mép nhỏ () trong miền khảo sát quy hoạch thực nghiệm lựa chọn. Từ đó so sánh đối chiếu với các đặc tính kim tương học của kim loại liên kết hàn trên một số mẫu thí nghiệm tương ứng với các chế độ hàn điển hình để dễ dàng dự báo mức chất lượng liên kết hàn mong muốn. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả của luận án là cơ sở khoa học tin cậy để đề xuất chế độ công nghệ hàn ứng dụng vào thực tiễn cho các doanh nghiệp sản xuất Cơ khí ở Việt Nam thuộc lĩnh vực hàn kết cấu thép các bon tấm dày với khe hở hẹp và góc vát mép nhỏ đạt được chất lượng liên kết hàn thực tế yêu cầu và giảm chi phí quá trình về nguyên vật liệu, năng lượng; - Kết quả của luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo trong đào tạo ngành Kỹ thuật Cơ khí về chế tạo kết cấu hàn và ngành Kỹ thuật vật liệu ở trình độ đại học, sau đại học cũng như cho các nhà nghiên cứu khác có liên quan.
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 liên kết hàn khe hở hẹp; - Kết luận chung của luận án và kiến nghị; - 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 các bon CT38 tấm dày (50; 75; 100 mm), với khe hở hẹp (10 ÷ 12 mm) và góc vát mép nhỏ (5o; 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 đường liên kết hàn (tính chất vật lý); độ bền kéo cơ học (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 giải pháp nghiên cứu khảo sát và phân tích đánh giá chất lượng có hệ thống về liên kết hàn NG-MAG kết cấu thép các bon CT38 tấm dày với khe hở hẹp và góc vát mép nhỏ trên một số mẫu thí nghiệm điển hình bằng phương pháp kim tương học (xác định các đặc tính tổ chức) kết hợp với thử nghiệm phá hủy để xác định độ bền kéo (đặc tính cơ học) bằng các trang thiết bị kiểm định hiện đại, đảm bảo độ tin cậy kết quả cao; 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) gồm: cường độ dòng điện hàn (Ih, A), tốc độ hàn (vh, cm/ph), và góc vát mép nhỏ (,O) khi chọn các thông số đầu vào khác ở mức hợp lý) bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất.
Từ đó, đã xây dựng được mô hình toán học dự đoán độ bền kéo liên kết hàn NG-MAG ở dạng đa thức bậc hai. Theo đó, định lượng được quy luật ảnh hưởng của các chế độ hàn NG-MAG đến độ bền kéo liên kết hàn trong miền khảo sát đã chọn, đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật cần thiết của kết cấu cơ khí cho doanh nghiệp trong và ngoài nước. 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" [26].