Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, nhu cầu sử dụng các chi tiết máy và sản phẩm chế tạo từ hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau ngày càng tăng. Việc kết hợp vật liệu giúp giảm chi phí nguyên liệu và gia công, đồng thời nâng cao tính cạnh tranh cho sản phẩm. Đặc biệt, thép cacbon trung bình C45 và thép hợp kim trung bình SKD61 được ứng dụng rộng rãi trong các kết cấu khuôn mẫu, dụng cụ cắt nhờ cơ tính cao và giá thành hợp lý. Tại Việt Nam, việc hàn nối hai vật liệu này chủ yếu dựa trên kinh nghiệm thợ hàn, dẫn đến chất lượng mối hàn không ổn định và khó áp dụng quy mô công nghiệp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 – SKD61 bằng phương pháp hàn hồ quang tay có thuốc bọc (SMAW) theo tiêu chuẩn AWS D1.1 – 2015. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát các thông số công nghệ hàn, đề xuất quy trình hàn giáp mối dạng tấm và thanh tròn, đồng thời đánh giá chất lượng mối hàn qua kiểm tra không phá hủy (chụp X quang) và thử kéo. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trung tâm Ứng dụng Tiến bộ Khoa học Công nghệ, Tp. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2016-2018.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện ở việc cung cấp cơ sở lý luận và thông số công nghệ khả thi cho các cơ sở chế tạo cơ khí trong nước, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế trong sản xuất các chi tiết ghép nối từ hai vật liệu khác nhau. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong chế tạo khuôn đúc áp lực, dao cắt nóng, đầu đùn kim loại và các chi tiết chịu mài mòn cao trong công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Phương pháp hàn SMAW (Shielded Metal Arc Welding): Là phương pháp hàn hồ quang tay sử dụng que hàn có thuốc bọc, tạo hồ quang giữa que hàn và vật liệu cơ bản. Thuốc bọc ổn định hồ quang và bảo vệ mối hàn khỏi không khí, đảm bảo chất lượng mối hàn.

  • Tiêu chuẩn AWS D1.1 – 2015: Tiêu chuẩn quốc tế về quy trình và kỹ thuật hàn, đặc biệt áp dụng cho hàn giáp mối thép cacbon và hợp kim. Tiêu chuẩn này quy định các thông số kỹ thuật, thiết kế mối ghép, kiểm tra chất lượng mối hàn.

  • Khái niệm về khuyết tật hàn: Bao gồm rỗ khí, nứt, lẹm chân, chảy loang, ngậm xỉ, thiếu ngấu. Hiểu rõ các khuyết tật này giúp đề xuất quy trình hàn phù hợp để hạn chế và loại bỏ.

  • Tính hàn của thép C45 và SKD61: Thép C45 có tính hàn tốt hơn, trong khi SKD61 là thép hợp kim trung bình có tính hàn kém hơn, đòi hỏi gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau hàn để tránh nứt và đảm bảo cơ tính.

  • Ảnh hưởng của các thông số hàn: Cường độ dòng điện, chiều dài hồ quang, tốc độ hàn, góc que hàn và nhiệt độ gia nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn và cơ tính của vùng ảnh hưởng nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu lý thuyết từ sách, báo cáo, tiêu chuẩn AWS D1.1 – 2015 và các nghiên cứu trong, ngoài nước liên quan đến hàn thép C45 và SKD61.

  • Phương pháp thực nghiệm: Thực hiện hàn giáp mối trên mẫu tấm và mẫu thanh tròn bằng phương pháp SMAW với que hàn E7018–1 theo tiêu chuẩn AWS. Các thông số hàn được điều chỉnh và ghi nhận gồm cường độ dòng điện (70-110 A), chiều dài hồ quang, tốc độ hàn và góc que hàn.

  • Thiết bị sử dụng: Máy hàn que điện tử Weldcom MAXI 400, súng đo nhiệt độ hồng ngoại DT8780, máy thử kéo nén uốn WEW–1000B, kính hiển vi kim tương SINOWON IMS–300.

  • Cỡ mẫu: 3 mẫu tấm và 5 mẫu thanh tròn được hàn thử nghiệm.

  • Phương pháp phân tích: Kiểm tra khuyết tật mối hàn bằng phương pháp chụp X quang (RT), thử kéo theo tiêu chuẩn AWS D1.1 để đánh giá độ bền kéo, uốn. Quan sát tổ chức tế vi vùng ảnh hưởng nhiệt bằng kính hiển vi.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong giai đoạn 2016-2018 tại Trung tâm Ứng dụng Tiến bộ Khoa học Công nghệ, Tp. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đề xuất quy trình hàn giáp mối gồm 4 bước: Chuẩn bị vật liệu và mối ghép, thiết lập thông số hàn theo tiêu chuẩn AWS D1.1, thực hiện hàn với kỹ thuật SMAW, kiểm tra và đánh giá chất lượng mối hàn.

  2. Chất lượng mối hàn tốt, không có khuyết tật: Qua kiểm tra chụp X quang trên 3 mẫu tấm và 5 mẫu thanh tròn, không phát hiện rỗ khí, nứt hay ngậm xỉ. Tỷ lệ mẫu đạt yêu cầu đạt 100%.

  3. Độ bền kéo mối hàn đạt từ 684,55 MPa đến 763,87 MPa: Tương đương 100% độ bền của kim loại nền, chứng tỏ mối hàn có cơ tính tương đương vật liệu gốc, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

  4. Tổ chức tế vi vùng ảnh hưởng nhiệt: Quan sát bằng kính hiển vi cho thấy cấu trúc tế vi biến đổi trong vùng ảnh hưởng nhiệt, phù hợp với đặc tính của thép C45 và SKD61, không xuất hiện các pha giòn hay khuyết tật vi mô.

Thảo luận kết quả

Kết quả thử nghiệm cho thấy quy trình hàn SMAW với que hàn E7018–1 và các thông số được đề xuất phù hợp để hàn nối hai vật liệu C45 và SKD61. Việc gia nhiệt trước khi hàn và kiểm soát nhiệt độ trong quá trình hàn giúp hạn chế ứng suất nhiệt và ngăn ngừa nứt mối hàn, phù hợp với đặc tính khó hàn của thép SKD61. So sánh với các nghiên cứu trước đây về hàn thép công cụ H13 (tương tự SKD61), kết quả tương đồng về yêu cầu xử lý nhiệt và kiểm soát thông số hàn.

Biểu đồ phân bố độ bền kéo và kết quả kiểm tra khuyết tật có thể được trình bày qua bảng số liệu và biểu đồ cột, minh họa sự ổn định và đồng nhất của mối hàn. Kết quả này khẳng định tính khả thi của quy trình hàn đề xuất trong sản xuất công nghiệp, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế cho các cơ sở chế tạo cơ khí.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình hàn SMAW với que hàn E7018–1 cho mối hàn C45 – SKD61: Đảm bảo các bước chuẩn bị vật liệu, gia nhiệt trước hàn và kiểm soát nhiệt độ trong quá trình hàn để đạt chất lượng mối hàn ổn định. Thời gian áp dụng: ngay lập tức tại các cơ sở sản xuất.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên hàn về quy trình và thông số hàn chuẩn: Tập trung nâng cao kỹ năng vận hành máy hàn, kiểm soát cường độ dòng điện, tốc độ hàn và góc que hàn nhằm giảm thiểu khuyết tật. Chủ thể thực hiện: các trung tâm đào tạo nghề và doanh nghiệp.

  3. Trang bị thiết bị kiểm tra không phá hủy (RT) và máy thử kéo: Để kiểm tra chất lượng mối hàn định kỳ, đảm bảo mối hàn đạt tiêu chuẩn kỹ thuật. Thời gian triển khai: trong vòng 6 tháng tới.

  4. Nghiên cứu mở rộng áp dụng quy trình cho các dạng chi tiết khác: Ngoài tấm và thanh tròn, cần khảo sát hàn các chi tiết có hình dạng phức tạp hoặc kích thước lớn nhằm đa dạng hóa ứng dụng. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp cơ khí.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên viên kỹ thuật trong ngành cơ khí: Giúp hiểu rõ quy trình hàn và các thông số kỹ thuật để áp dụng hiệu quả trong sản xuất chi tiết máy ghép nối từ hai vật liệu khác nhau.

  2. Doanh nghiệp chế tạo khuôn mẫu và dụng cụ cắt: Có thể áp dụng quy trình hàn đề xuất để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  3. Trung tâm đào tạo nghề và trường đại học kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu và thực hành cho sinh viên, học viên nhằm nâng cao kiến thức và kỹ năng về công nghệ hàn.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ vật liệu: Tham khảo để phát triển thêm các quy trình hàn mới, cải tiến kỹ thuật hàn cho các vật liệu hợp kim khác nhau trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn phương pháp hàn SMAW cho hàn nối C45 – SKD61?
    Phương pháp SMAW phù hợp với vật liệu thép cacbon và hợp kim trung bình, dễ thực hiện, chi phí thấp và có thể kiểm soát tốt các thông số hàn để đảm bảo chất lượng mối hàn.

  2. Các thông số hàn quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn là gì?
    Cường độ dòng điện, chiều dài hồ quang, tốc độ hàn và góc que hàn là các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền và khuyết tật mối hàn.

  3. Làm thế nào để kiểm tra khuyết tật mối hàn?
    Phương pháp chụp X quang (RT) được sử dụng để phát hiện các khuyết tật bên trong như rỗ khí, nứt, ngậm xỉ mà mắt thường không nhìn thấy.

  4. Độ bền kéo của mối hàn có đạt yêu cầu không?
    Kết quả thử kéo cho thấy độ bền mối hàn đạt từ 684,55 MPa đến 763,87 MPa, tương đương 100% độ bền của kim loại nền, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

  5. Có cần xử lý nhiệt sau hàn không?
    Đối với thép SKD61, xử lý nhiệt sau hàn giúp giảm ứng suất, tăng độ cứng và ổn định tổ chức tế vi, do đó được khuyến nghị áp dụng.

Kết luận

  • Đã đề xuất thành công quy trình hàn giáp mối hai vật liệu thép C45 – SKD61 bằng phương pháp SMAW theo tiêu chuẩn AWS D1.1 – 2015.
  • Thực nghiệm hàn trên 3 mẫu tấm và 5 mẫu thanh tròn cho kết quả mối hàn không có khuyết tật, đạt chất lượng cao qua kiểm tra chụp X quang.
  • Độ bền kéo mối hàn đạt từ 684,55 MPa đến 763,87 MPa, tương đương 100% kim loại nền, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
  • Tổ chức tế vi vùng ảnh hưởng nhiệt phù hợp, không xuất hiện pha giòn hay khuyết tật vi mô.
  • Đề xuất các giải pháp ứng dụng quy trình hàn trong sản xuất công nghiệp, đồng thời khuyến nghị đào tạo kỹ thuật và trang bị thiết bị kiểm tra chất lượng mối hàn.

Next steps: Triển khai áp dụng quy trình tại các cơ sở sản xuất, mở rộng nghiên cứu cho các dạng chi tiết khác và phát triển kỹ thuật xử lý nhiệt sau hàn.

Call to action: Các doanh nghiệp và kỹ sư trong ngành cơ khí nên tham khảo và áp dụng quy trình hàn này để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.