Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo hiện đại, việc tối ưu hóa chi phí nguyên vật liệu mà vẫn đảm bảo độ bền cơ học cao cho chi tiết máy là yêu cầu sống còn. Thép cacbon trung bình C45 (độ bền kéo 686 MPa) có giá thành thấp, dễ gia công nhưng khả năng chống mài mòn hạn chế; ngược lại, thép hợp kim SKD61 (độ bền kéo 1158 MPa, độ cứng đạt 53 đến 56 HRC sau nhiệt luyện) sở hữu tính năng cơ học vượt trội nhưng chi phí nguyên liệu rất đắt đỏ. Việc chế tạo kết cấu tổ hợp gồm hai phần vật liệu C45 và SKD61 giúp giảm từ 35% đến 50% chi phí sản xuất đối với các sản phẩm như lòng khuôn ép, khuôn dập nóng, dao cắt và trục vít ép.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết sự bất đồng nhất về thành phần hóa học và tổ chức tế vi giữa thép cacbon trung bình và thép hợp kim cao khi hàn giáp mối bằng phương pháp hàn hồ quang tay có thuốc bọc (SMAW). Mục tiêu cụ thể của đề tài là xây dựng quy trình công nghệ hàn chuẩn hóa 4 bước theo tiêu chuẩn AWS D1.1:2015, xác định chế độ hàn tối ưu nhằm triệt tiêu khuyết tật nứt ngầm và rỗ xỉ. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Trung tâm Ứng dụng Tiến bộ Khoa học và Công nghệ trong thời gian 6 tháng, thực hiện trên các mẫu dạng tấm và dạng thanh tròn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn khi tạo ra mối liên kết đạt độ bền kéo thực tế từ 684,55 MPa đến 763,87 MPa, tương đương 100% độ bền kim loại nền C45, mở ra khả năng nội địa hóa công nghệ chế tạo chi tiết máy dị chủng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết nhiệt luyện kim loại và luyện kim hàn mối nối dị chủng. Để kiểm soát nguy cơ nứt nguội do biến cứng, lý thuyết tính toán hàm lượng cacbon tương đương (CE) và chỉ số bề dày tương đương (CJT) theo chuẩn AWS D1.1 được áp dụng triệt để. Hàm lượng CE của thép SKD61 với các nguyên tố hợp kim chính gồm 0,32% đến 0,45% Cacbon, 4,75% đến 5,5% Crom, 1,1% đến 1,75% Molipden và 0,8% đến 1,2% Vanadi phản ánh tính hàn phức tạp, đòi hỏi chế độ kiểm soát nhiệt nghiêm ngặt. Ba khái niệm then chốt chi phối quá trình nghiên cứu gồm: vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), năng lượng đường hàn (Q) và sự khuếch tán nguyên tử tại vùng biên giới nóng chảy. Mô hình truyền nhiệt hồ quang SMAW với que hàn thuốc bọc bazơ đóng vai trò tạo môi trường khí bảo vệ, ổn định cột hồ quang ở nhiệt độ từ 5000 K đến 30000 K nhằm ngăn ngừa sự xâm nhập của oxy và hydro vào vũng hàn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp đối sánh lý thuyết. Cỡ mẫu thực nghiệm gồm 3 mẫu dạng tấm và 5 mẫu dạng thanh tròn, được lựa chọn theo phương pháp phân tầng đại diện cho hai kết cấu chịu lực phổ biến nhất trong công nghiệp chế tạo khuôn mẫu. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích này là nhằm đánh giá toàn diện cả khuyết tật tế vi lẫn cơ tính vĩ mô của mối liên kết hàn dị chủng.

Hệ thống thiết bị đo đạc và thực nghiệm bao gồm: máy hàn que công nghiệp công suất 19 kVA với dải dòng hàn điều chỉnh từ 5 A đến 400 A; súng đo nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc 2 tia laser với dải đo từ -50°C đến 780°C (tỷ lệ khoảng cách 50:1, độ chính xác ±2°C); máy kéo nén vạn năng thủy lực Model WEW-1000B với tải trọng thử tối đa 1000 kN; và kính hiển vi quang học kim tương SINOWON IMS-300 có độ phóng đại từ 5x đến 80x. Toàn bộ quy trình từ chuẩn bị phôi, vát mép góc 60 độ, gia nhiệt sơ bộ, hàn đính, hàn nhiều lớp đến nhiệt luyện sau hàn và kiểm tra khuyết tật được thực hiện liên tục trong khung thời gian 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả kiểm tra không phá hủy bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ tia X (Radiography Testing - RT) trên 100% mẫu tấm và mẫu thanh tròn cho thấy mối hàn hoàn toàn liền khối, không xuất hiện khuyết tật nứt chân, rỗ khí tập trung hay ngậm xỉ theo tiêu chuẩn chấp nhận AWS D1.1.

Thứ hai, thử nghiệm cơ tính phá hủy trên máy kéo nén WEW-1000B xác nhận độ bền kéo của mối liên kết C45 - SKD61 đạt giá trị vượt trội, dao động từ 684,55 MPa đến 763,87 MPa. Vị trí đứt gãy của 100% mẫu thử đều nằm ngoài vùng kim loại đắp, thuộc về phía kim loại nền C45 (độ bền thiết kế 686 MPa), chứng minh mối hàn có độ bền cao hơn kim loại cơ bản yếu hơn trong cặp vật liệu.

Thứ ba, phân tích tổ chức tế vi bằng kính hiển vi kim tương tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cho thấy cấu trúc tinh thể chuyển tiếp mịn màng. Về phía thép C45 xuất hiện tổ chức ferit - peclit đồng đều; về phía thép SKD61 hình thành mactenxit ram mịn kết hợp cacbit hợp kim phân tán, không có hiện tượng nứt vi mô hay biến cứng cục bộ quá mức.

Thứ tư, nghiên cứu đã xác lập bộ thông số công nghệ hàn SMAW tối ưu: sử dụng que hàn E7018-1 đường kính 2,6 mm cho lớp lót với cường độ dòng điện từ 70 A đến 90 A; que hàn đường kính 3,2 mm cho lớp đắp và lớp phủ với cường độ từ 90 A đến 110 A ở vị trí hàn bằng 1G.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp mối hàn đạt độ bền kéo cao và triệt tiêu hoàn toàn khuyết tật nứt là nhờ việc tuân thủ quy trình gia nhiệt sơ bộ ở nhiệt độ 250°C trong suốt 2 giờ trước khi hàn, kết hợp duy trì nhiệt độ giữa các lớp hàn. Chế độ nhiệt này làm giảm tốc độ nguội của mối hàn, hạn chế hình thành pha mactenxit giòn thô và tạo điều kiện cho khí hydro thoát ra ngoài. Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố quốc tế về công nghệ phục hồi thép làm khuôn H13. Dữ liệu thực nghiệm có thể được hệ thống hóa trực quan qua bảng tổng hợp cơ tính mối hàn và biểu đồ phân bố ứng suất kéo, phản ánh rõ nét sự phân hóa cơ tính tại ba khu vực: kim loại nền, vùng HAZ và kim loại đắp.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao và ứng dụng hiệu quả kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất công nghiệp, bốn giải pháp kỹ thuật trọng tâm được đề xuất như sau:

Thứ nhất, áp dụng nghiêm ngặt quy trình nung nóng sơ bộ phôi hàn ở mức nhiệt độ 250°C liên tục trong 2 giờ đối với chi tiết thép SKD61 trước khi bắt đầu hồ quang hàn. Mục tiêu giảm 95% nguy cơ nứt nguội do hydro và triệt tiêu ứng suất dư cục bộ. Thời gian triển khai ngay trong giai đoạn chuẩn bị sản xuất do kỹ sư công nghệ và thợ hàn bậc cao phụ trách.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình công nghệ hàn hồ quang tay 4 bước theo tiêu chuẩn AWS D1.1:2015 tại các phân xưởng cơ khí, sử dụng nguồn điện một chiều cực tính thuận DC+ kết hợp que hàn giảm hydro E7018-1. Mục tiêu nâng tỷ lệ mối hàn đạt chuẩn cơ tính lên trên 98%, hoàn thành ban hành quy chuẩn nội bộ trong vòng 3 đến 6 tháng do phòng kỹ thuật nhà máy thực hiện.

Thứ ba, thiết lập chế độ nhiệt luyện ủ khử ứng suất sau hàn ở dải nhiệt độ từ 600°C đến 650°C trong thời gian 2 giờ, sau đó làm nguội chậm cùng lò. Mục tiêu đưa độ biến dạng hình học của chi tiết về dưới 0,05 mm và ổn định tổ chức tế vi vùng HAZ, thực hiện trong vòng 6 tháng bởi bộ phận xử lý nhiệt luyện.

Thứ tư, đầu tư và tích hợp quy trình kiểm tra không phá hủy bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ tia X (RT) định kỳ cho 100% sản phẩm hàn ghép dị chủng làm việc trong điều kiện chịu tải trọng động. Mục tiêu phát hiện sớm các khuyết tật ngậm xỉ có kích thước từ 0,1 mm trở lên, thời gian hoàn thiện hệ thống kiểm định trong vòng 12 tháng do trung tâm kiểm chuẩn chất lượng (QA/QC) đảm trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật chuyên sâu cho bốn nhóm đối tượng chính sau:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư cơ khí, kỹ sư công nghệ hàn tại các nhà máy chế tạo máy. Luận văn cung cấp bảng thông số dòng điện, điện áp và sơ đồ phân bố lớp hàn chính xác, giúp kỹ sư thiết lập ngay quy trình hàn (WPS) chuẩn xác cho các liên kết thép cacbon và thép hợp kim.

Nhóm thứ hai là các doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu, dao cắt công nghiệp và thiết bị ép đùn. Doanh nghiệp có thể ứng dụng giải pháp kết cấu hai phần vật liệu C45 - SKD61 nhằm cắt giảm từ 30% đến 40% chi phí mua thép hợp kim đắt tiền, nâng cao sức cạnh tranh về giá thành sản phẩm trên thị trường.

Nhóm thứ ba là giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Vật liệu. Tài liệu là nguồn tham khảo mẫu mực về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, tính toán đương lượng cacbon CE và phân tích tổ chức kim tương vùng ảnh hưởng nhiệt.

Nhóm thứ tư là các chuyên viên kiểm định chất lượng sản phẩm cơ khí (QA/QC) và chuyên gia NDT. Bản luận văn cung cấp các tiêu chí đánh giá khuyết tật mối hàn dị chủng theo chuẩn AWS D1.1 và phương pháp thử nghiệm kéo nén trên thiết bị tải trọng 1000 kN.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao phải thực hiện gia nhiệt trước khi hàn liên kết giữa thép C45 và thép SKD61? Do thép SKD61 chứa hàm lượng nguyên tố hợp kim cao (Crom khoảng 5%, Molipden khoảng 1,3%) nên có tính tôi rất mạnh. Việc nung sơ bộ ở nhiệt độ 250°C giúp làm chậm tốc độ nguội sau hàn, ngăn chặn sự hình thành cấu trúc mactenxit giòn gây nứt tế vi và hỗ trợ khuếch tán khí hydro ra khỏi mối hàn.

Độ bền kéo của liên kết hàn giữa thép C45 và SKD61 đạt được giá trị bao nhiêu? Theo kết quả thử nghiệm thực tế trên máy thử kéo vạn năng WEW-1000B, độ bền kéo của mối liên kết hàn đạt từ 684,55 MPa đến 763,87 MPa. Giá trị này đạt 100% độ bền của kim loại nền thép C45 (tiêu chuẩn 686 MPa), đảm bảo khả năng chịu lực an toàn cho kết cấu làm việc.

Phương pháp kiểm tra không phá hủy nào được ưu tiên để đánh giá chất lượng mối hàn trong nghiên cứu? Nghiên cứu sử dụng phương pháp kiểm tra chụp ảnh phóng xạ tia X (Radiography Testing - RT) theo tiêu chuẩn AWS D1.1. Phương pháp này cho phép phát hiện chính xác các khuyết tật ẩn sâu bên trong mối hàn như rỗ khí, ngậm xỉ, thiếu ngấu mà không làm phá hủy cấu trúc của sản phẩm.

Lợi ích kinh tế lớn nhất khi ứng dụng giải pháp hàn ghép nối C45 và SKD61 là gì? Giải pháp này cho phép thay thế các phần kết cấu không làm việc trực tiếp (như cán dao, vỏ khuôn) bằng thép C45 giá rẻ, chỉ sử dụng thép SKD61 đắt tiền cho phần công tác chính (lòng khuôn, lưỡi cắt), qua đó giúp doanh nghiệp tiết kiệm từ 35% đến 50% chi phí nguyên vật liệu.

Quy trình hàn đề xuất trong nghiên cứu gồm những giai đoạn chính nào? Quy trình hàn chuẩn gồm 4 bước: chuẩn bị và vát mép phôi góc 60 độ; gia nhiệt sơ bộ ở 250°C trong 2 giờ và hàn đính; thực hiện hàn nhiều lớp (lớp lót que 2,6 mm dòng 70-90 A, lớp phủ que 3,2 mm dòng 90-110 A); và cuối cùng là xử lý nhiệt ủ khử ứng suất sau hàn ở 600-650°C.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu thành công quy trình hàn nối hai vật liệu thép cacbon C45 và thép hợp kim SKD61 bằng phương pháp hàn hồ quang tay SMAW theo tiêu chuẩn quốc tế AWS D1.1:2015.
  • Xác định chính xác chế độ dòng điện hàn tối ưu từ 70 A đến 110 A tương ứng với các cỡ que hàn E7018-1 từ 2,6 mm đến 3,2 mm.
  • Mối liên kết hàn đạt chất lượng xuất sắc qua kiểm tra phóng xạ tia X RT (100% không khuyết tật) và đạt độ bền kéo thực nghiệm từ 684,55 MPa đến 763,87 MPa.
  • Làm sáng tỏ cơ chế chuyển pha tế vi tại vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ, chứng minh tính khả thi tuyệt đối của giải pháp gia nhiệt trước 250°C và ram sau hàn ở 600°C đến 650°C.
  • Mang lại giải pháp kỹ thuật hiệu quả giúp các doanh nghiệp cơ khí giảm thiểu từ 35% đến 50% chi phí chế tạo khuôn dập và dao cắt công nghiệp.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là đã chuẩn hóa một quy trình công nghệ hàn kim loại dị chủng có độ tin cậy cao, thay thế hoàn toàn thói quen hàn theo kinh nghiệm cảm tính trước đây. Định hướng nghiên cứu tiếp theo trong 12 tháng tới là mở rộng kiểm nghiệm trên các phương pháp hàn bán tự động MIG/MAG và hàn TIG với các cặp vật liệu thép hợp kim đặc chủng khác. Các đơn vị sản xuất cơ khí và cơ sở gia công khuôn mẫu hãy áp dụng ngay bộ thông số công nghệ này vào dây chuyền sản xuất để nâng cao chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa chi phí vận hành.