Tổng quan luận án
Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc (Submerged Arc Welding - SAW) là phương pháp hàn nóng chảy cho năng suất đắp cao, chất lượng mối hàn ổn định và bảo đảm điều kiện môi trường lao động. Trong công nghệ SAW, thuốc hàn đóng vai trò hình thành màng xỉ bảo vệ vũng hàn, ổn định hồ quang, tinh luyện kim loại và hợp kim hóa mối hàn. Thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình (chỉ số bazơ $1{,}2 \le B \le 2{,}0$) cho phép kiểm soát tốt hàm lượng tạp chất lưu huỳnh, phốt pho, giảm hàm lượng hiđrô khuếch tán và cải thiện độ dai va đập ở nhiệt độ âm.
Theo số liệu thống kê năm 2010 được nêu trong luận án, nhu cầu thuốc hàn tại Việt Nam đạt khoảng 15.000 tấn/năm, trong đó các loại thuốc hàn chất lượng cao chiếm khoảng 10.000 tấn/năm. Các ngành công nghiệp chế tạo kết cấu thép quan trọng (như đóng tàu, bồn bể áp lực, đường ống dẫn dầu khí) phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn thuốc hàn thiêu kết nhập khẩu từ các thương hiệu quốc tế như ESAB (Thụy Điển), Hyundai (Hàn Quốc), Lincoln (Hoa Kỳ), Kobelco (Nhật Bản). Việc nhập khẩu làm tăng chi phí sản xuất, tiêu tốn ngoại tệ và khiến các đơn vị cơ khí trong nước rơi vào thế bị động. Trong khi đó, Việt Nam sở hữu trữ lượng khoáng sản phong phú (rutil, ilmenit, đá vôi, đôlômit, trường thạch, cao lanh, bôxit...). Khoảng trống nghiên cứu lớn là trong nước chưa có công trình nào thiết lập hoàn chỉnh quy trình công nghệ và tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình từ nguồn nguyên liệu nội địa ở quy mô sản xuất thử nghiệm và ứng dụng công nghiệp.
Luận án xác định mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu gồm:
- Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học và quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình bằng việc sử dụng tối đa nguồn khoáng sản và nguyên vật liệu sẵn có trong nước.
- Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm và các công cụ toán học để xây dựng mô hình định lượng, tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn ký hiệu F7A4-BK kết hợp với dây hàn EM12K nhằm đạt các chỉ tiêu kỹ thuật tương đương tiêu chuẩn AWS A5.17-80.
- Chế tạo thử nghiệm và kiểm chứng chất lượng thuốc hàn F7A4-BK thông qua đánh giá tính công nghệ hàn, thành phần hóa học, cơ tính kim loại mối hàn và hàm lượng hiđrô khuếch tán.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:
- Đối tượng nghiên cứu: Thành phần mẻ liệu và công nghệ chế tạo thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình (mác F7A4-BK kết hợp dây hàn EM12K).
- Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng hàn tự động dưới lớp thuốc đối với các kết cấu chế tạo từ thép cacbon thấp (mác thép SM400B) ở trạng thái không nhiệt luyện sau hàn (As-welded).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã tổng thuật lịch sử nghiên cứu, phát triển vật liệu thuốc hàn trong và ngoài nước qua các nhóm công trình tiêu biểu:
- Các nghiên cứu thuốc hàn tại Việt Nam:
- Nguyễn Thành Kiên (thập niên 1970, Viện Nghiên cứu Máy): Nghiên cứu chế tạo thuốc hàn nung chảy bằng lò điện tương đương mác AH-348 của Liên Xô cũ, kết quả dừng lại ở phạm vi phòng thí nghiệm.
- Nhóm tác giả Vũ Huy Lân, Bùi Văn Hạnh, Trịnh Duy Long (Bộ môn Hàn & Công nghệ Kim loại, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, từ năm 1984): Nghiên cứu các hệ thuốc hàn gốm (rutil - đôlômit - bôxit), thuốc hàn hỗn hợp và thuốc hàn đắp (ký hiệu BK.X).
- Nguyễn Văn Thống (2007, Đề tài KH-CN 242.07RD/HĐ-KHCN, Viện Công nghệ - Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp): Nghiên cứu chế tạo thuốc hàn tự động hệ xỉ Nhôm - Rutil ($\text{Al}_2\text{O}_3 - \text{TiO}_2$, ký hiệu AR theo IIW) thay thế thuốc hàn nhập ngoại, nghiệm thu năm 2008.
- Đặng Trần Lương (2008, Công ty Cổ phần Que hàn điện Việt Đức): Nghiên cứu sản xuất thuốc hàn gốm F7-VD (hệ AR-7) dùng cho thép độ bền cao, thuộc hệ xỉ axit phục vụ kết cấu thông dụng.
- Đào Quang Kế (2014, Học viện Nông nghiệp Việt Nam): Đề tài nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn gốm hệ AR dùng để hàn thép.
- Vũ Huy Lân (Chủ nhiệm Đề tài Trọng điểm cấp Nhà nước mã số KC.04/11-15, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nghiệm thu năm 2016): Nghiên cứu sản xuất 03 loại thuốc hàn thiêu kết bằng nguyên liệu trong nước dùng cho thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp.
- Các nghiên cứu và sáng chế quốc tế:
- Các dòng sản phẩm thương mại của ESAB (OK Flux 10.71, OK Flux 10.81), Hyundai (S-717, S-777MX), Viện Hàn E.O. Paton (AHK-561, AHK-44), Lincoln, Bohler, Kobelco.
- Bằng sáng chế Hoa Kỳ US4675056 (cấp ngày 23/06/1987) về thành phần thuốc hàn tự động dưới lớp thuốc chứa hỗn hợp oxit và muối florua.
- Bằng sáng chế Hoa Kỳ US005300754A (cấp ngày 05/04/1994) về phương pháp kiểm soát hàm lượng hiđrô trong thuốc hàn thông qua việc cân bằng tỷ lệ $\text{CaF}_2$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{SiO}_2$ và $\text{CaO}$.
Vị trí của luận án: Các công trình trong nước trước đây chủ yếu tập trung vào thuốc hàn nung chảy hoặc thuốc hàn gốm hệ xỉ axit (AR), vốn có độ dai va đập ở nhiệt độ âm thấp và độ ẩm cao. Luận án này giải quyết khoảng trống về thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình ($B \approx 1{,}6$), xử lý triệt để bài toán sấy thiêu kết ở nhiệt độ cao nhằm hạ thấp hàm lượng hiđrô khuếch tán, đồng thời xây dựng thuật toán phân rã mô-đun để giải bài toán phối liệu tối ưu từ nguyên liệu khoáng nội địa.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án dựa trên lý thuyết nhiệt luyện kim hàn hồ quang, nhiệt động học phản ứng pha xỉ - kim loại và cơ chế chuyển dịch nguyên tố hợp kim qua vũng hàn SAW. Hệ thống phân loại thuốc hàn được áp dụng theo các tiêu chuẩn quốc tế:
- Chỉ số bazơ $B$ theo Viện Hàn Quốc tế (IIW):
$$B = \frac{% \text{CaO} + % \text{MgO} + % \text{BaO} + % \text{SrO} + % \text{Na}_2\text{O} + % \text{K}_2\text{O} + % \text{Li}_2\text{O} + 0{,}5(% \text{MnO} + % \text{FeO})}{% \text{SiO}_2 + 0{,}5(% \text{Al}_2\text{O}_3 + % \text{TiO}_2 + % \text{ZrO}_2)}$$
Thuốc hàn được xếp vào hệ bazơ trung bình khi $1{,}2 \le B \le 2{,}0$.
- Phân loại hệ xỉ theo IIW-545-78: Hệ Ôxit nhôm - Bazơ (AB) và Florua - Bazơ (FB).
- Tiêu chuẩn phân cấp cơ tính kim loại mối hàn AWS A5.17-80: Cặp thuốc hàn - dây hàn F7A4-EM12K quy định độ bền kéo 480–650 MPa (70–95 ksi), giới hạn chảy tối thiểu 400 MPa (58 ksi), độ dãn dài tương đối tối thiểu 22%, và công phá hủy va đập Charpy V tối thiểu 27 J tại $-40^\circ\text{C}$.
| Chỉ tiêu kỹ thuật theo AWS A5.17-80 |
Giá trị quy định cho cặp F7A4-EM12K |
| Độ bền kéo $\sigma_k$ |
$480 \div 660\text{ MPa}$ ($70 \div 95\text{ ksi}$) |
| Giới hạn chảy $\sigma_{ch}$ tối thiểu |
$400\text{ MPa}$ ($58\text{ ksi}$) |
| Độ dãn dài tương đối $\delta$ |
$\ge 22%$ |
| Độ dai va đập Charpy V ($A_k$) tại $-40^\circ\text{C}$ |
$\ge 27\text{ J}$ |
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ phân tích:
- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng kế hoạch McLean - Anderson đối với miền nghiên cứu đa diện hạn chế cho bài toán hỗn hợp thành phần - tính chất. Mô hình hồi quy bậc hai dạng đa thức được sử dụng để mô tả quan hệ giữa các biến đầu vào và các hàm mục tiêu:
$$y = b_0 + \sum_{i=1}^{k} b_i x_i + \sum_{i<j}^{k} b_{ij} x_i x_j + \sum_{i=1}^{k} b_{ii} x_i^2$$
- Kiểm định thống kê: Đánh giá độ tương thích của mô hình bằng chuẩn số Fisher ($F$-test) và hệ số tương quan $R^2$, xử lý dữ liệu và giải bài toán tối ưu trên phần mềm chuyên dụng Modde 5.0.
- Phương pháp và thiết bị phân tích:
- Nguồn hàn tự động và xe hàn tự hành: Máy hàn tự động Dosun DZ1000.
- Đánh giá tính công nghệ: Đo chiều dài hồ quang tới hạn ($L_{hq}$) trên mẫu phôi góc vát nghiêng bằng thước cặp chuyên dụng.
- Phân tích thành phần hóa học kim loại mối hàn: Máy quang phổ phát xạ quang học.
- Đo hàm lượng hiđrô khuếch tán: Phương pháp ngâm mẫu trong bình gom khí chứa glyxerin đặt trong máy điều nhiệt theo tiêu chuẩn IIW.
- Thử nghiệm cơ tính: Thử kéo trên máy kéo nén Matest H011 (Italia) theo AWS B4.0 và TCVN 3909:2000; Thử độ dai va đập Charpy V trên máy thử va đập có búa đập kiểm chuẩn.
Nguồn vật liệu và dữ liệu đầu vào:
- Nguyên liệu khoáng trong nước: Rutil ($\ge 85% \text{ TiO}_2$), Ilmenit hoàn nguyên ($50-52% \text{ TiO}_2$), Đá vôi ($\ge 97% \text{ CaCO}_3$), Đôlômit ($41-48% \text{ CaCO}_3, 43-76% \text{ MgCO}_3$), Huỳnh thạch ($\ge 80% \text{ CaF}_2$), Trường thạch ($63-67% \text{ SiO}_2, 14-19% \text{ Al}_2\text{O}_3$), Cao lanh ($50-56% \text{ SiO}_2, 28-35% \text{ Al}_2\text{O}_3$), Alumin ($\ge 98% \text{ Al}_2\text{O}_3$), Fero-Mangan ($80% \text{ Mn}$), Fero-Silic ($45-75% \text{ Si}$), Bột tan, Mica.
- Chất kết dính: Nước thủy tinh kali tỷ trọng $1{,}35 \div 1{,}50\text{ g/cm}^3$, modun $3{,}3 \div 3{,}7$.
- Kim loại cơ bản và dây hàn: Thép kết cấu cacbon thấp mác SM400B và dây hàn tự động mác EM12K đường kính 3,2 mm và 4,0 mm.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết
Chương 1 hệ thống hóa các vấn đề cơ bản về công nghệ hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc (SAW), phân tích cấu tạo thiết bị hàn (nguồn hàn, đầu cấp dây, xe tự hành, phễu rải thuốc và thu hồi xỉ). Tác giả so sánh chi tiết ba công nghệ chế tạo thuốc hàn chính: thuốc hàn nung chảy, thuốc hàn gốm và thuốc hàn thiêu kết.
| Tiêu chí so sánh |
Thuốc hàn nung chảy (Fused Fluxes) |
Thuốc hàn gốm (Bonded Fluxes) |
Thuốc hàn thiêu kết (Agglomerated Fluxes) |
| Nhiệt độ chế tạo |
Nấu chảy ở $\sim 1300^\circ\text{C}$, làm nguội tạo hạt |
Trộn chất kết dính, sấy $400 \div 600^\circ\text{C}$ |
Trộn chất kết dính, thiêu kết $700 \div 1000^\circ\text{C}$ |
| Hệ xỉ và tính chất |
Thường là hệ silicat axit, không chứa fero hợp kim |
Hệ bazơ hoặc axit, độ bền hạt thấp, hút ẩm mạnh |
Hệ bazơ trung bình hoặc bazơ cao, hạt cứng chắc |
| Khả năng hợp kim hóa |
Bị hạn chế do nguyên tố dễ bị cháy trong lò nung |
Hợp kim hóa rộng nhưng khó khống chế điện áp |
Khả năng hoàn nguyên và hợp kim hóa kim loại cao |
| Độ ẩm và hiđrô |
Đồng nhất, không hút ẩm |
Dễ hút ẩm, nguy cơ nứt do hiđrô cao |
Háo nước thấp, kiểm soát hàm lượng hiđrô thấp |
Chương này cũng phân loại thuốc hàn theo chỉ số bazơ ($B$), theo hoạt tính hóa học ($H$), theo tiêu chuẩn IIW-545-78 (các hệ MS, CS, ZS, AR, AB, FB, ST) và theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80. Tác giả tổng hợp cơ sở dữ liệu các mác thuốc hàn của ESAB, Hyundai, Viện Paton, Lincoln, Bohler; đồng thời đánh giá năng lực của các đơn vị sản xuất que hàn trong nước (Việt Đức, Nam Triệu, Kim Tín, Lilama 5...). Từ đó, chương 1 khẳng định sự cần thiết phải nghiên cứu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình $B \approx 1{,}6$ có độ dai va đập đạt yêu cầu ở $-40^\circ\text{C}$.
Chương 2: Quy trình công nghệ sản xuất thuốc hàn thiêu kết và phương pháp nghiên cứu
Chương 2 trình bày toàn bộ các công đoạn của dây chuyền chế tạo thuốc hàn thiêu kết:
- Tuyển chọn và kiểm tra nguyên liệu đầu vào: độ ẩm $\le 1%$, kiểm soát nghiêm ngặt hàm lượng tạp chất lưu huỳnh ($S \le 0{,}03%$) và phốt pho ($P \le 0{,}03%$).
- Nghiền và sàng phân loại hạt khoáng chất ($\le 0{,}3\text{ mm}$, cỡ hạt từ $61 \div 150\text{ }\mu\text{m}$).
- Phối liệu mẻ liệu theo đơn phối liệu đã được tính toán.
- Trộn khô nguyên liệu trong thời gian $15 \div 25$ phút nhằm bảo đảm độ đồng đều pha rắn.
- Cung cấp nước thủy tinh kali và trộn ướt bằng thiết bị trộn trục xoắn/hành tinh để đạt độ dẻo tối ưu.
- Ép đùn tạo hạt qua đầu ép chuyên dụng hoặc vê tròn tạo hạt dạng hình cầu sít chặt.
- Sấy sơ bộ ở nhiệt độ $150 \div 350^\circ\text{C}$ trong thời gian $45 \div 120$ phút trên thiết bị quay đảo liên tục nhằm đưa độ ẩm về mức $0{,}03 \div 0{,}05%$.
- Sàng tuyển loại bỏ các hạt quá to hoặc quá nhỏ.
- Sấy thiêu kết ở nhiệt độ cao trong tủ điện chuyên dụng ($500 \div 900^\circ\text{C}$) trong thời gian $1 \div 2$ giờ để loại bỏ hoàn toàn nước tinh thể và tôi cứng hạt thuốc.
- Kiểm tra độ ẩm, cỡ hạt và đóng gói trong bao bì kín chống ẩm.
Tác giả đề xuất cấu trúc bài toán tối ưu hóa mẻ liệu phân rã theo 3 mô-đun kế tiếp:
- Mô-đun 1: Tối ưu hóa các oxit tạo xỉ ($\text{MgO}, \text{Al}_2\text{O}_3, \text{CaF}_2, \text{TiO}2$) theo tính công nghệ hàn (chiều dài hồ quang tới hạn $L{hq}$).
- Mô-đun 2: Tối ưu hóa các chất khử và hợp kim hóa ($\text{Fe-Mn}, \text{Fe-Si}$) theo thành phần nguyên tố $\text{Mn}, \text{Si}$ trong mối hàn.
- Mô-đun 3: Tối ưu hóa tỷ lệ huỳnh thạch ($\text{CaF}_2$) và chế độ sấy thiêu kết (nhiệt độ $T_s$, thời gian $t_s$) theo hàm lượng hiđrô khuếch tán trong kim loại đắp.
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 3 tiến hành triển khai các ma trận thực nghiệm theo kế hoạch McLean - Anderson:
- Thực nghiệm mô-đun 1: Khảo sát ảnh hưởng của 4 chất tạo xỉ chính ($\text{MgO}: 15 \div 35%, \text{Al}_2\text{O}_3: 15 \div 30%, \text{CaF}_2: 10 \div 25%, \text{TiO}2: 10 \div 25%$) đến chiều dài hồ quang tới hạn $L{hq}$. Kết quả cho thấy $\text{TiO}_2$ làm tăng độ dẫn ion hóa và tính ổn định hồ quang, trong khi $\text{CaF}2$ và $\text{MgO}$ ở hàm lượng quá cao làm co thắt cột hồ quang, làm giảm $L{hq}$. Phương trình hồi quy đa biến và các giản đồ bề mặt đáp ứng 2D/3D đã mô tả định lượng tương tác giữa các cấu tử xỉ.
- Thực nghiệm mô-đun 2: Khảo sát sự chuyển dịch nguyên tố hợp kim từ thuốc hàn vào mối hàn khi thay đổi tỷ lệ $\text{Fe-Mn}$ ($2 \div 8%$) và $\text{Fe-Si}$ ($0{,}5 \div 3%$). Kết quả phản ánh sự phụ thuộc phi tuyến của hàm lượng $\text{Mn}$ và $\text{Si}$ trong mối hàn vào tỷ lệ fero hợp kim trong mẻ liệu dưới sự tác động bảo vệ của hệ xỉ bazơ.
- Thực nghiệm mô-đun 3: Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của hàm lượng $\text{CaF}_2$ ($10 \div 20%$), nhiệt độ sấy thiêu kết $T_s$ ($600 \div 800^\circ\text{C}$) và thời gian sấy $t_s$ ($60 \div 120$ phút) đến hàm lượng hiđrô khuếch tán trong kim loại đắp. Kết quả chỉ ra phản ứng phân hủy hơi nước bởi $\text{CaF}_2$ tạo thành khí $\text{HF}$ thoát ra ngoài, cùng với việc nâng cao nhiệt độ thiêu kết trên $700^\circ\text{C}$ giúp loại bỏ hoàn toàn nước liên kết.
Chương 4: Xác định thành phần tối ưu mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình
Chương 4 thực hiện giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phần mềm Modde 5.0 dựa trên các phương trình hồi quy đã xác lập:
- Xác định tỷ lệ tối ưu các chất tạo xỉ để đạt $L_{hq} \ge 12\text{ mm}$, xỉ bong tróc tốt, bề mặt mối hàn nhẵn phẳng.
- Xác định tỷ lệ tối ưu $\text{Fe-Mn}$ và $\text{Fe-Si}$ để kim loại mối hàn đạt hàm lượng $\text{Mn} = 1{,}0 \div 1{,}4%$ và $\text{Si} = 0{,}2 \div 0{,}45%$.
- Xác định chế độ sấy thiêu kết tối ưu: nhiệt độ sấy $T_s = 755^\circ\text{C}$, thời gian sấy $t_s = 103$ phút, kết hợp với $12% \text{ CaF}_2$ trong mẻ liệu gốc, hạ hàm lượng hiđrô khuếch tán xuống còn $3{,}36\text{ cm}^3/100\text{g}$ kim loại đắp (đạt chuẩn mức thấp $\le 4\text{ cm}^3/100\text{g}$, cấp H4).
| TT |
Tên nguyên liệu |
Tỷ lệ trong mẻ liệu gốc (%) |
Tỷ lệ quy đổi (kể cả phần khô nước thủy tinh) (%) |
| 1 |
Rutil ($\text{TiO}_2$) |
19,5 |
17,4 |
| 2 |
Ôxit magiê ($\text{MgO}$) |
24,7 |
22,1 |
| 3 |
Alumin ($\text{Al}_2\text{O}_3$) |
23,4 |
20,9 |
| 4 |
Huỳnh thạch ($\text{CaF}_2$) |
12,0 |
10,7 |
| 5 |
Fero - Mangan ($\text{Fe-Mn}$) |
5,0 |
4,5 |
| 6 |
Fero - Silic ($\text{Fe-Si}$) |
1,0 |
0,9 |
| 7 |
Đá vôi ($\text{CaCO}_3$) |
8,0 |
7,1 |
| 8 |
Trường thạch |
5,0 |
4,5 |
| 9 |
Cao lanh |
1,4 |
1,3 |
| 10 |
Phần khô của nước thủy tinh |
12,0 |
10,7 |
| Tổng cộng |
|
112,0 |
100,0 |
Kết quả kiểm tra cơ tính và thành phần hóa học mối hàn mẫu thử thực nghiệm chế tạo từ cặp F7A4-BK và dây hàn EM12K trên thép SM400B xác nhận:
- Giới hạn bền kéo $\sigma_k$, giới hạn chảy $\sigma_{ch}$, độ dãn dài $\delta$ đều nằm trong dải quy định của AWS A5.17-80.
- Công phá hủy va đập Charpy V ở $-40^\circ\text{C}$ đạt $A_k \ge 27\text{ J}$.
- Xỉ hàn tự bong tróc đạt tỷ lệ gần $100%$, mối hàn đều, không bị khuyết tật rỗ khí hay kẹt xỉ.
Kết quả và những đóng góp mới
Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:
- Ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm McLean - Anderson kết hợp phần mềm Modde 5.0 xây dựng thành công các hàm hồi quy bậc hai mô tả định lượng quy luật ảnh hưởng của các chất tạo xỉ chính ($\text{MgO}, \text{Al}_2\text{O}_3, \text{CaF}_2, \text{TiO}2$) đến tính công nghệ hàn (chiều dài hồ quang tới hạn $L{hq}$).
- Thiết lập quy luật dịch chuyển của các nguyên tố hợp kim $\text{Mn}$ và $\text{Si}$ từ thuốc hàn vào kim loại mối hàn trong hệ xỉ bazơ trung bình, làm cơ sở định lượng để điều chỉnh cơ tính mối hàn.
- Xây dựng quy luật tương tác giữa hàm lượng huỳnh thạch ($\text{CaF}_2$) và các thông số chế độ sấy thiêu kết (nhiệt độ $T_s$, thời gian $t_s$) tác động đến hàm lượng hiđrô khuếch tán trong kim loại đắp.
- Xây dựng sơ đồ thuật toán tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn theo phương pháp phân rã 3 mô-đun, giúp giảm số lượng mẫu thí nghiệm, tiết kiệm chi phí nghiên cứu.
Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ:
- Xác định được đơn phối liệu tối ưu của mác thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình ký hiệu F7A4-BK với tỷ lệ sử dụng nguyên vật liệu khoáng trong nước đạt mức tối đa.
- Xác lập thông số công nghệ sấy thiêu kết tối ưu cho thuốc hàn F7A4-BK: nhiệt độ sấy $755^\circ\text{C}$, thời gian giữ nhiệt 103 phút, kiểm soát hàm lượng hiđrô khuếch tán ở mức $3{,}36\text{ cm}^3/100\text{g}$ kim loại đắp ($< 4\text{ cm}^3/100\text{g}$).
- Thử nghiệm thực tế cặp F7A4-BK và dây hàn EM12K chứng minh mối hàn đạt đầy đủ các chỉ tiêu cơ lý tính theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80 (độ bền kéo $480 \div 660\text{ MPa}$, độ dai va đập tại $-40^\circ\text{C} \ge 27\text{ J}$), có khả năng thay thế thuốc hàn nhập ngoại trong thi công kết cấu thép cacbon thấp.
Kiến nghị của luận án:
- Triển khai sản xuất thử nghiệm quy mô pilot và công nghiệp thuốc hàn F7A4-BK tại các cơ sở chế tạo vật liệu hàn trong nước (như Công ty Cổ phần Que hàn điện Việt Đức).
- Ban hành hướng dẫn sử dụng và bảo quản thuốc hàn F7A4-BK trong thi công kết cấu cơ khí và đóng tàu.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu:
- Phạm vi nghiên cứu mới chỉ tập trung vào tổ hợp thuốc hàn F7A4-BK kết hợp với một loại dây hàn cacbon thấp duy nhất là EM12K trên kim loại cơ bản là thép cacbon thấp SM400B.
- Các chỉ tiêu cơ tính và luyện kim được khảo sát ở trạng thái sau khi hàn (As-welded), chưa khảo sát biến thiên cơ tính sau xử lý nhiệt sau hàn (Post Weld Heat Treatment - PWHT).
- Dữ liệu công nghệ được thực hiện trên hệ thống thiết bị phòng thí nghiệm và dây chuyền thử nghiệm bán công nghiệp, chưa khảo sát đầy đủ tính ổn định mẻ liệu khi sản xuất liên tục ở quy mô công nghiệp lớn.
Hướng phát triển tiếp theo:
- Mở rộng nghiên cứu kết hợp thuốc hàn F7A4-BK với các mác dây hàn hợp kim khác (dây hàn chứa $\text{Mo}, \text{Ni}, \text{Cr}$) để hàn các loại thép hợp kim thấp cường độ cao.
- Khảo sát sự thay đổi tổ chức tế vi và cơ tính của mối hàn dưới tác động của các chế độ nhiệt luyện sau hàn khác nhau.
- Hoàn thiện hệ thống thiết bị tạo hạt và lò nung thiêu kết liên tục công nghiệp nhằm thương mại hóa sản phẩm.
Giá trị tham khảo
Luận án mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng:
- Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Hàn, Kỹ thuật Vật liệu và Luyện kim: Tham khảo phương pháp ứng dụng quy hoạch thực nghiệm McLean - Anderson, phương pháp phân rã mô-đun tối ưu hóa đa mục tiêu và mô hình toán học tương tác xỉ - kim loại.
- Kỹ sư công nghệ hàn tại các nhà máy đóng tàu, kết cấu thép, bồn bể áp lực: Tham khảo quy trình hàn SAW sử dụng thuốc hàn hệ bazơ trung bình, chế độ sấy bảo quản thuốc hàn để khống chế hiđrô, và các thông số công nghệ kiểm soát khuyết tật mối hàn.
- Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu hàn: Tham khảo quy trình công nghệ 10 bước chế tạo thuốc hàn thiêu kết, từ khâu tuyển chọn nguyên liệu thô, nghiền sàng, phối liệu đến sấy sơ bộ ($150 \div 350^\circ\text{C}$) và sấy thiêu kết nhiệt độ cao ($755^\circ\text{C}$).
Câu hỏi thường gặp
1. Ký hiệu mác thuốc hàn F7A4-BK trong luận án có ý nghĩa kỹ thuật gì theo chuẩn AWS A5.17-80?
Ký hiệu này biểu thị: chữ "F" chỉ thuốc hàn (Flux); chữ số "7" chỉ độ bền kéo tối thiểu của kim loại mối hàn là $70\text{ ksi}$ (tương đương $480 \div 660\text{ MPa}$); chữ "A" chỉ trạng thái thử nghiệm cơ tính sau khi hàn không qua nhiệt luyện (As-welded); chữ số "4" chỉ độ dai va đập Charpy V đạt tối thiểu $27\text{ J}$ ở nhiệt độ âm $-40^\circ\text{C}$ (hoặc $-40^\circ\text{F}$); hậu tố "BK" ký hiệu sản phẩm nghiên cứu của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
2. Thuật toán tối ưu hóa mẻ liệu thuốc hàn trong luận án được phân rã thành những mô-đun nào?
Thuật toán được chia thành 3 mô-đun tối ưu hóa nối tiếp: (1) Tối ưu hóa các chất tạo xỉ chính ($\text{MgO}, \text{Al}_2\text{O}_3, \text{CaF}_2, \text{TiO}2$) theo hàm mục tiêu tính công nghệ hàn là chiều dài hồ quang tới hạn $L{hq}$; (2) Tối ưu hóa hàm lượng fero hợp kim ($\text{Fe-Mn}, \text{Fe-Si}$) theo hàm mục tiêu thành phần hóa học $\text{Mn}, \text{Si}$ trong mối hàn; (3) Tối ưu hóa hàm lượng $\text{CaF}_2$ và chế độ sấy thiêu kết (nhiệt độ $T_s$, thời gian $t_s$) theo hàm mục tiêu hàm lượng hiđrô khuếch tán.
3. Chế độ sấy thiêu kết tối ưu cho thuốc hàn F7A4-BK được xác lập với các thông số cụ thể nào và kết quả hiđrô đạt được ra sao?
Chế độ sấy thiêu kết tối ưu được xác định gồm: nhiệt độ sấy $T_s = 755^\circ\text{C}$, thời gian sấy $t_s = 103$ phút. Với chế độ này kết hợp hàm lượng huỳnh thạch $12% \text{ CaF}_2$ trong mẻ liệu gốc, hàm lượng hiđrô khuếch tán đo được là $3{,}36\text{ cm}^3/100\text{g}$ kim loại đắp, đạt yêu cầu dưới ngưỡng $4\text{ cm}^3/100\text{g}$ (tương đương cấp hiđrô thấp H4).
4. Thành phần mẻ liệu quy đổi hoàn chỉnh của thuốc hàn F7A4-BK gồm những chất nào?
Tỷ lệ phần trăm khối lượng quy đổi (tính cả phần khô của nước thủy tinh) gồm: $\text{MgO} = 22{,}1%$, $\text{Al}_2\text{O}_3 = 20{,}9%$, $\text{TiO}_2 = 17{,}4%$, $\text{CaF}_2 = 10{,}7%$, chất khô nước thủy tinh $= 10{,}7%$, $\text{CaCO}_3 = 7{,}1%$, trường thạch $= 4{,}5%$, $\text{Fe-Mn} = 4{,}5%$, cao lanh $= 1{,}3%$, và $\text{Fe-Si} = 0{,}9%$.
5. Chỉ tiêu chiều dài hồ quang tới hạn ($L_{hq}$) phản ánh đặc tính gì của thuốc hàn?
Chiều dài hồ quang tới hạn ($L_{hq}$) phản ánh khả năng duy trì hồ quang cháy ổn định, tính công nghệ và mức độ ion hóa của thuốc hàn trong quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc. Giá trị $L_{hq}$ càng lớn chứng tỏ môi trường hồ quang càng ổn định, giảm thiểu nguy cơ tắt hồ quang khi khoảng cách điện cực biến thiên trong thực tế thi công.
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Phạm Thanh Lưu đã hoàn thành việc nghiên cứu, xây dựng cơ sở khoa học và xác định thành phần tối ưu mẻ liệu thuốc hàn thiêu kết hệ bazơ trung bình F7A4-BK sử dụng nguyên liệu khoáng trong nước. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm McLean - Anderson kết hợp thuật toán tối ưu phân rã 3 mô-đun trên phần mềm Modde 5.0, tác giả đã làm chủ quy luật tương tác xỉ - kim loại và xác lập chế độ sấy thiêu kết ở $755^\circ\text{C}$ trong 103 phút để kiểm soát hiđrô ở mức $3{,}36\text{ cm}^3/100\text{g}$. Kết quả thử nghiệm cơ tính của cặp F7A4-BK và dây hàn EM12K đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật của AWS A5.17-80, khẳng định tính khả thi của việc sản xuất thuốc hàn chất lượng cao trong nước phục vụ ngành cơ khí chế tạo.
