Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Trần Lâm (người hướng dẫn khoa học: PGS. Nguyễn Thúc Hải và PGS. Hoàng Tùng; cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, phối hợp nghiên cứu thực nghiệm tại Viện nghiên cứu Hàn & Ghép nối Nhật Bản - JWRI thuộc Đại học Osaka và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, năm 2019) tập trung giải quyết bài toán công nghệ hàn giáp mối một lượt từ một phía cho thép tấm dày mà không cần vát mép.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp chế tạo kết cấu siêu trường, siêu trọng như công nghiệp đóng tàu, chế tạo giàn khoan dầu khí, bồn bể áp lực cao, kết cấu thép xây dựng tải trọng lớn, thép tấm có chiều dày từ 8 mm trở lên được sử dụng phổ biến. Khi sử dụng các phương pháp hàn hồ quang truyền thống (như GMAW, SMAW, SAW), việc liên kết các tấm thép dày luôn đòi hỏi phải gia công vát mép phôi hàn (vát mép chữ V, chữ U) và tiến hành hàn nhiều lượt, hoặc phải hàn từ hai phía. Quy trình này làm gia tăng chi phí chuẩn bị mối nối, tiêu hao nhiều vật liệu hàn, năng lượng và kéo dài thời gian gia công.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là:

  • Quá trình hàn GMAW riêng lẻ chỉ có khả năng hàn giáp mối một lượt không vát mép cho chiều dày tấm nhỏ hơn hoặc bằng 6 mm; khi chiều dày lớn hơn 6 mm bắt buộc phải vát mép và hàn nhiều lượt.
  • Quá trình hàn PAW (hồ quang Plasma) riêng lẻ ở chế độ lỗ khóa theo lý thuyết chỉ hàn giáp mối một lượt không vát mép được cho thép cacbon đến chiều dày 6-8 mm; với chiều dày lớn hơn, dải thông số điều chỉnh bị thu hẹp và dễ chuyển sang quá trình cắt kim loại.
  • Các công nghệ hàn tấm dày khe hở hẹp (Narrow Gap) cho tấm dày trên 40 mm đòi hỏi thiết bị phức tạp, đắt tiền và độ chính xác gá lắp rất khắt khe.
  • Các công trình nghiên cứu trên thế giới về công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW chủ yếu tập trung vào mỏ hàn đồng trục cho hàn đắp hoặc hàn tấm mỏng, hoặc các nghiên cứu chưa làm rõ đầy đủ cơ chế tương tác nhiệt - điện từ giữa hai hồ quang và phân bố trường nhiệt độ khi hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án được chia thành hai nhóm nội dung lý thuyết và thực nghiệm:

Về mặt lý thuyết:

  1. Nghiên cứu quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW và ứng dụng cho liên kết hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép.
  2. Mô phỏng số quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với mô hình nguồn nhiệt phù hợp nhằm xác định trường nhiệt độ khi hàn dưới sự tương tác giữa hai hồ quang hàn.

Về mặt thực nghiệm:

  1. Xác định trường nhiệt độ quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW trong vũng hàn bằng thiết bị đo nhiệt độ chuyên dụng.
  2. Xác định thông số gá đặt phù hợp cho quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc trong liên kết hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép.
  3. Xác định các thông số chế độ công nghệ hàn phù hợp cho quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW thông qua thực nghiệm kết hợp với tính toán mô phỏng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW trong liên kết hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Vật liệu cơ bản: Thép tấm cacbon kết cấu JIS-SS400 với các chiều dày khảo sát 6 mm, 9 mm và 12 mm.
    • Vật liệu hàn bổ sung: Dây hàn JIS-Z3312 YGW12 đường kính 1,2 mm.
    • Khe hở lắp ghép mối hàn: Biến thiên từ 0 đến 2,5 mm.
    • Thiết bị thực nghiệm: Nguồn hàn Plasma NW-300ASR, mỏ hàn Plasma 101WH kết hợp với nguồn hàn GMAW, camera tốc độ cao (HSVC) và hệ thống camera nhiệt.
    • Không gian thực hiện: Nghiên cứu được triển khai tại phòng thí nghiệm của Viện nghiên cứu Hàn & Ghép nối Nhật Bản (Đại học Osaka), Bộ môn Hàn & CNKL - Viện Cơ khí (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) và Trung tâm Thực hành - Bộ môn Cơ khí hàn (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Tác giả đã điểm lại các công trình quốc tế phát triển công nghệ hàn lai ghép theo hai hình thái kết hợp chính giữa hồ quang Plasma và GMAW:

  1. Hình thái 1: Mỏ hàn đồng trục duy nhất (Coaxial Torch)

    • S. Miyazaki [12] nghiên cứu ứng dụng hàn lai ghép Plasma-MIG liên kết dị kim giữa tấm đồng dày 4 mm và thép cacbon thấp dày 20 mm.
    • Essers và Walter [13] khảo sát cơ chế truyền nhiệt và độ sâu ngấu, chỉ ra sự phân chia năng lượng giữa hai điện cực (dây hàn MIG và điện cực Plasma vonfram).
    • Jelmorini G., Tichelaar G.W. và Essers W.G. [14] phân tích sự hình thành biên dạng mối hàn và tính thấm ướt khi có mặt dòng hồ quang Plasma.
    • Bai Yan, Gao Hong-ming, Wu Lin, Ma Zhao-hui và Cao Neng [15] tối ưu hóa các thông số hàn lai ghép Plasma-MIG để loại trừ rỗ khí khi hàn giáp mối tấm hợp kim nhôm dày 10 mm vát mép chữ V, đạt độ bền mối hàn bằng 92,62% kim loại cơ bản.
    • Moises Alves de Oliveira và Jair Carlos Dutra [16] xây dựng mô hình điện mô tả mối quan hệ giữa điện áp và cường độ dòng điện trong quá trình hàn lai ghép Plasma-MIG trên nhôm.
    • Andre Alves de Resende, Valtair Antonio Ferraresi, Americo Scotti và Jair Carlos Dutra [17] nghiên cứu hàn đắp trên thép cacbon ABNT 1020, chỉ ra rằng tăng dòng Plasma làm giảm chiều sâu ngấu, giảm chiều cao phần nhô và tăng bề rộng mối hàn.
    • Tao Yang, Hongming Gao, Shenghu Zhang, Jingwei Shi và Lin Wu [18] phân tích tương tác hồ quang và chuyển dịch giọt kim loại trên thép cacbon thấp với dây hàn H08Mn2Si, chứng minh hiệu ứng tự điều chỉnh làm giảm bắn tóe và tăng tính thấm ướt.
    • M. Ueyama [19] nghiên cứu quá trình hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí ion hóa (i-GMA), chứng minh việc gia nhiệt dây hàn giúp giảm dòng điện hàn cần thiết ở cùng tốc độ cấp dây.
    • Zhongjie Liu, Kohei Ono, Tomoyuki Ueyama, Tetsuo Era và Manabu Tanaka [20] khảo sát hệ hàn Plasma-GMAW đồng trục trên hợp kim nhôm A5052 dày 4 mm và thép cacbon dày 3,2 mm.
    • Sarizam Bin Mamat, Shinichi Tashiro, Manabu Tanaka và Mahani Yusoff [21] nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ giọt kim loại lỏng trong hàn Plasma-MIG, chỉ ra nhiệt độ giọt kim loại lỏng thấp hơn so với hàn MIG riêng lẻ ở cùng cường độ dòng điện.

  2. Hình thái 2: Hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc (Two Separate Torches)

    • Welding Solutions Inc. [6] thử nghiệm hệ hàn lai ghép Plasma-MIG thay thế quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW), đạt tốc độ hàn tăng 50% và giảm chi phí 75%.
    • Jeff Palms [7] nghiên cứu quy trình SuperMIG hàn hợp kim Titanium, nâng tốc độ hàn và chiều sâu ngấu lên 2 lần so với GMAW.
    • Hisashi Serizawa, Shinichiro Nakamura, Manabu Tanaka, Yousuke Kawahito, Hiroyasu Tanigawa và Seiji Katayama [8] kết hợp hàn Laser 10 kW (lớp đáy 12 mm) và hàn lai ghép Plasma-MIG nhiều lượt (lớp trên 20 mm) để hàn tấm thép ferritic/martensitic dày 32 mm và 90 mm.
    • H. Ton [9] khảo sát tính chất vật lý của hồ quang Plasma-MIG, phân biệt vùng hồ quang bên trong và vùng bao bọc bên ngoài.
    • Matsushita Muneo, Kataoka Tokihiko, Ikeda Rinsei và Endo Shigeru [10] nghiên cứu ảnh hưởng của phân cực nguồn điện: khi PAW đấu cực thuận (DCEN) và GMAW đấu cực nghịch (DCEP), hai hồ quang đẩy nhau giúp ổn định vũng hàn và kiểm soát hình dáng đường hàn.
    • Yi Lu, ShuJun Chen, Yu Shi, Xiangrong Li, Jinsong Chen, Lee Kvidahl và Yu Ming Zhang [11] nghiên cứu nguyên lý điều khiển hệ thống hàn hai hồ quang (Double-electrode arc welding) nhằm kiểm soát nhiệt cấp vào vật hàn.

Các nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về hồ quang Plasma chủ yếu tập trung vào công nghệ hàn đắp Plasma bột (PTA) nhằm phục hồi chi tiết máy chịu mài mòn:

  • Đề tài VLIR - HUT PJ04 (2004-2006) do PGS.TS. Bùi Văn Hạnh (Trường ĐHBK Hà Nội) chủ nhiệm, nghiên cứu hàn đắp dao chặt cho ngành giấy [22], [25], [26].
  • Đề tài cấp Nhà nước ĐT-PTNTĐ-2011-G/8 do TS. Hoàng Văn Châu (Viện Nghiên cứu Cơ khí) chủ trì, ứng dụng hàn Plasma bột hợp kim WC-104 phục hồi xupap máy thủy lực và dao xén giấy [23].
  • Luận án tiến sĩ của Ngô Hữu Mạnh [24] nghiên cứu hàn đắp Plasma bột với hạt bổ sung carbide (WC, CrC trên nền Fe) nhằm nâng cao độ cứng và khả năng chịu mài mòn trên nền thép cacbon.

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Luận án của tác giả Trần Lâm định vị là công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu toàn diện việc kết hợp quá trình hàn PAW lỗ khóa và GMAW với hai mỏ hàn độc lập đồng tốc. Luận án giải quyết khoảng trống về mô hình hóa nguồn nhiệt kết hợp cải tiến, làm sáng tỏ cơ chế tương tác nhiệt - điện từ giữa hai hồ quang và xác lập bộ thông số công nghệ để hàn giáp mối một lượt từ một phía tấm thép cacbon SS400 dày đến 12 mm mà không cần vát mép.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khái niệm quy ước kỹ thuật

Luận án đưa ra quy ước: "Tấm chiều dày lớn" là thuật ngữ kỹ thuật chỉ chiều dày thép tấm vượt quá khả năng hoàn thành mối hàn giáp mối một lượt từ một phía không vát mép của các quá trình hàn đơn lẻ GMAW ($S > 6\text{ mm}$) và PAW ($S > 6 \div 8\text{ mm}$).

Tiêu chí Quá trình GMAW riêng lẻ (ISO 9692-1:2013) Quá trình PAW riêng lẻ (ASM Handbook)
Giới hạn hàn 1 lượt không vát mép $S \le 6\text{ mm}$ (khe hở $a \le S/2$) $S \le 6\text{ mm}$ (chế độ PAW lỗ khóa)
Khi chiều dày $S > 6\text{ mm}$ Bắt buộc vát mép chữ V ($60^\circ \pm 5^\circ$), hàn nhiều lượt Bắt buộc vát mép ($60^\circ - 90^\circ$), lót đáy PAW lỗ khóa, phủ nhiều lượt PAW nung chảy có bù dây
Quy ước tấm dày trong luận án $S > 6\text{ mm}$ $S > 6 \div 8\text{ mm}$

Cơ sở lý thuyết các quá trình hàn

  1. Quá trình hàn GMAW: Năng lượng cung cấp phụ thuộc vào dòng điện ($I_h$), điện áp ($U_h$), vận tốc hàn ($v_h$), tầm với điện cực ($B = 5 + 5d$), góc nghiêng mỏ hàn (hàn thuận/hàn ngược). Dải chuyển dịch kim loại gồm: ngắn mạch, giọt lớn, tia dọc trục ($I_h > 250 \div 400\text{ A}$), xung tia và hồ quang xoắn ($I_h > 500\text{ A}$).
  2. Quá trình hàn PAW: Cột hồ quang nén bởi vòi phun có nhiệt độ đạt $10.000 \div 16.000\text{ K}$ (so với $5.000 \div 6.000\text{ K}$ của TIG). Ba chế độ hàn gồm: Microplasma ($I_h = 0,1 \div 15\text{ A}$), Plasma trung bình ($I_h = 15 \div 100\text{ A}$) và Plasma lỗ khóa ($I_h > 100\text{ A}$). Áp lực hồ quang nén tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện ($P \propto I_h^2$) và lớn gấp $6 \div 10$ lần hồ quang tự do.
  3. Mô hình nguồn nhiệt:
    • GMAW: Nguồn nhiệt khối elipsoid kép Goldak.
    • PAW lỗ khóa: Nguồn nhiệt kết hợp gồm phần trụ thể tích xuyên suốt chiều dày và phần bán cầu/elipsoid trên bề mặt.
    • Quá trình lai ghép Plasma-GMAW: Mô hình nguồn nhiệt kết hợp cải tiến tích hợp hai nguồn nhiệt thành phần có xét đến khoảng cách tương quan và sự tương tác nhiệt.
Nhiệt lượng hồ quang PAW tổng quát:
q = qk + qc + qm + qa + qt
(Trong đó: qk - nhiệt nung catod; qc - nhiệt nung vòi phun; qm - nhiệt tản ra môi trường; qa - nhiệt truyền vào anod/vật hàn; qt - nhiệt thoát ra theo dòng plasma qua đáy lỗ khóa)

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp kết hợp ba trụ cột:

  • Phương pháp lý thuyết: Phân tích truyền nhiệt, thủy động lực học vũng hàn và lực điện từ trường tác động lên hồ quang.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán nhiệt đàn hồi dẻo (Thermo-Elastic-Plastic FEM) trên phần mềm chuyên dụng SYSWELD để mô phỏng phân bố trường nhiệt độ 3D, chu trình nhiệt, ứng suất dư và biến dạng mối hàn.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thực hiện trên thiết bị hàn Plasma NW-300ASR và GMAW; sử dụng camera tốc độ cao (HSVC) ghi nhận tương tác hồ quang và chuyển dịch giọt lỏng; sử dụng camera nhiệt đo trường nhiệt độ vũng hàn; phân tích kim tương (cấu trúc tế vi), đo độ cứng vi mô và thử kéo phá hủy mối hàn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. TỔNG QUAN HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW

  • Trình bày khái niệm quy ước về hàn tấm có chiều dày lớn theo các tiêu chuẩn ISO 9692-1:2013 và hướng dẫn của Hiệp hội Hàn Hoa Kỳ (AWS), ASM.
  • Phân tích chi tiết hai hình thái công nghệ hàn lai ghép: Hình thái 1 (mỏ hàn đồng trục duy nhất) và Hình thái 2 (hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc).
  • Tổng hợp tình hình nghiên cứu hàn lai ghép trên thế giới (với hơn 20 quá trình lai ghép khác nhau) và các công trình ứng dụng hàn Plasma, hàn Plasma bột (PTA) tại Việt Nam.
  • Xác định nhiệm vụ nghiên cứu: Lựa chọn Hình thái 2 (hai mỏ hàn độc lập đồng tốc) để giải quyết bài toán hàn giáp mối một lượt không vát mép cho thép tấm cacbon SS400 dày đến 12 mm.

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW

  • Trình bày nguyên lý, đặc tính điện, đặc tính nhiệt, đặc tính lực và kích thước hình học cột hồ quang của hai quá trình thành phần GMAW và PAW.
  • Tính toán lý thuyết chế độ hàn GMAW cho tấm thép cacbon SS400 dày 12 mm vát mép chữ V ($60^\circ$): xác định dải năng lượng đường tối ưu $[q_d] = 3349,27 \div 12299,77\text{ cal/cm}$, diện tích kim loại đắp $F_đ \approx 107\text{ mm}^2$. Kết quả tính toán chỉ ra phải thực hiện 3 đường hàn (đường lót đáy $F_1 \approx 34\text{ mm}^2$, đường trung gian và đường phủ $F_n \approx 54,5\text{ mm}^2$) với thông số mỗi đường hàn: $I_h = 200\text{ A}$, $U_h = 25\text{ V}$, $v_h = 3,0\text{ mm/s}$, năng lượng đường $1416,7\text{ J/mm}$.
Thông số hàn GMAW riêng lẻ (Tấm 12 mm vát mép V) Đường lót (1) Đường trung gian (2) Đường phủ (3)
Cường độ dòng điện $I_h$ (A) 200 200 200
Điện áp hàn $U_h$ (V) 25 25 25
Vận tốc hàn $v_h$ (mm/s) 3,0 3,0 3,0
Đường kính dây hàn $d$ (mm) 1,2 1,2 1,2
Năng lượng đường (J/mm) 1416,7 1416,7 1416,7
  • Phân tích tương tác hồ quang trong hàn lai ghép Hình thái 2: Khi mỏ PAW đi trước ở chế độ tạo lỗ khóa và mỏ GMAW đi sau điền đầy kim loại:
    • Nếu PAW (DCEN) và GMAW (DCEN): hai hồ quang hút nhau làm xáo trộn vũng hàn lỏng.
    • Nếu PAW (DCEN) và GMAW (DCEP): hai hồ quang đẩy nhau, tạo sự ổn định cho vũng hàn và hướng dòng chảy kim loại lỏng thuận lợi.
  • Xác lập mô hình nguồn nhiệt khối cải tiến kết hợp cho quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW nhằm phục vụ tính toán số.

Chương 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SYSWELD

  • Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 3D trên phần mềm SYSWELD dựa trên lý thuyết nhiệt - đàn hồi - dẻo (Thermo-Elastic-Plastic FEM), tích hợp các tính chất nhiệt - cơ - luyện kim biến đổi theo nhiệt độ của thép SS400.
  • Thiết lập điều kiện biên truyền nhiệt đối lưu, bức xạ ra môi trường và các ràng buộc cơ học vị trí kẹp giữ.
  • Thực hiện mô phỏng cho ba trường hợp liên kết:
    1. Hàn GMAW tấm dày 12 mm vát mép chữ V, hàn 3 lượt với công suất nhiệt hiệu dụng mỗi lượt $P = 4250\text{ W}$, $v_h = 3,0\text{ mm/s}$.
    2. Hàn lai ghép Plasma-GMAW tấm dày 9 mm có vát mép chữ Y.
    3. Hàn lai ghép Plasma-GMAW tấm dày 12 mm không vát mép (khe hở 1,5 mm) với công suất nhiệt hiệu dụng $P_{Plasma} = 3000\text{ W}$, $P_{GMAW} = 2300\text{ W}$, vận tốc hàn $v_h = 3,0\text{ mm/s}$.
  • Kết quả mô phỏng cung cấp: hình dạng vùng nóng chảy (FZ), vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), phân bố trường nhiệt độ tức thời, chu trình nhiệt tại các nút khảo sát, 7 thành phần tensor ứng suất ($\sigma_{xx}, \sigma_{yy}, \sigma_{zz}, \sigma_{xy}, \sigma_{yz}, \sigma_{zx}, \sigma_{Von-Mises}$) và biến dạng tổng thể theo các phương không gian.

Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

  • Thiết lập hệ thống thiết bị thí nghiệm: Nguồn hàn Plasma NW-300ASR, mỏ hàn Plasma 101WH, nguồn hàn GMAW, hệ thống cấp khí, bộ gá kẹp phôi hàn và hệ thống camera quan sát tốc độ cao HSVC.
  • Chuẩn bị mẫu hàn: Thép tấm JIS-SS400 gia công chính xác, tẩy sạch bề mặt; dây hàn JIS-Z3312 YGW12 đường kính 1,2 mm.
  • Xây dựng quy trình thực nghiệm với hai nhóm thí nghiệm:
    • Thí nghiệm Hình thái 1 (mỏ hàn đồng trục): hàn đắp một lớp và hàn giáp mối tấm 9 mm.
    • Thí nghiệm Hình thái 2 (hai mỏ hàn độc lập đồng tốc): thực hiện liên kết giáp mối một lượt trên các chiều dày 6 mm, 9 mm và 12 mm.
  • Sử dụng các trang thiết bị kiểm tra chất lượng mối hàn: đo biên dạng mặt cắt vĩ mô, đo trường nhiệt bằng camera nhiệt hồng ngoại, kiểm tra kim tương hiển vi quang học (độ phóng đại x500), đo phân bố độ cứng và thử bền kéo phá hủy.

Chương 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN

  • Kết quả Hình thái 1: Đánh giá mối quan hệ giữa dòng Plasma và điện áp GMAW đến chiều sâu ngấu, chiều rộng mối hàn và chiều cao phần nhô; xác nhận hạn chế của Hình thái 1 khi hàn tấm dày lớn do nhiệt độ giọt kim loại giảm và khả năng xuyên sâu bị giới hạn.
  • Kết quả Hình thái 2:
    • Đạt được mối hàn ngấu hoàn toàn một lượt từ một phía cho tấm dày 6 mm, 9 mm và 12 mm không vát mép.
    • Phân tích thông số gá đặt: xác định góc nghiêng tối ưu giữa hai mỏ hàn $\alpha = 15^\circ \pm 5^\circ$ và khoảng cách điện cực $DE = D_{min} \approx 19,5\text{ mm}$ để tránh hiện tượng hồ quang GMAW gây quá nhiệt làm hỏng chụp khí mỏ Plasma.
    • Giải pháp tăng nhiệt độ cột hồ quang: thay đổi khí tạo plasma từ Ar nguyên chất ($3\text{ l/phút}$) sang hỗn hợp $\text{Ar} + 10%\text{H}_2$ ($2\text{ l/phút}$), giúp tăng 20% nhiệt độ trung bình cột hồ quang Plasma và mở rộng thể tích kim loại nóng chảy.
  • Chế độ hàn tối ưu cho tấm dày 12 mm không vát mép (Mẫu hàn số 6):
    • Cường độ dòng Plasma: $I_{hP} = 180\text{ A}$.
    • Khí tạo Plasma: Hỗn hợp $\text{Ar} + 10%\text{H}2$, lưu lượng $F{llk} = 2,0\text{ l/phút}$.
    • Công suất nhiệt GMAW: $Q_{GMAW} = 2360\text{ W}$ (tốc độ cấp dây $W_r = 3,4\text{ m/min}$).
    • Vận tốc hàn: $v_h = 2\text{ mm/s}$.
    • Khe hở đáy: $1,5 \pm 0,5\text{ mm}$.
  • Cấu trúc kim tương và cơ tính:
    • Phân tích tổ chức tế vi tại 4 vùng: Kim loại mối hàn (FZ - cấu trúc ferit hình kim và peclit mịn), Ranh giới nóng chảy, Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ - hạt thô và hạt mịn) và Kim loại cơ bản (KLCB - ferit và peclit dạng dải).
    • Độ cứng phân bố đều, không xuất hiện các pha tôi cứng đột ngột gây giòn mối hàn.
    • Thử kéo phá hủy: Mẫu đứt tại kim loại cơ bản ngoài vùng hàn, chứng minh độ bền kéo của liên kết hàn cao hơn kim loại cơ bản SS400.
  • So sánh mô phỏng và thực nghiệm: Kích thước biên dạng mặt cắt ngang vũng hàn (chiều sâu ngấu, bề rộng) và trường nhiệt độ đo bằng camera nhiệt có sự tương đồng cao với kết quả mô phỏng trên phần mềm SYSWELD.
  • So sánh với GMAW truyền thống: Hàn lai ghép Plasma-GMAW giảm từ 3 lượt hàn xuống 1 lượt hàn, loại bỏ hoàn toàn nguyên công vát mép chữ V, giảm tổng năng lượng nhiệt cung cấp và biến dạng góc sau hàn.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt khoa học và lý thuyết

  1. Xác lập được cơ sở khoa học về sự tương tác nhiệt và lực điện từ giữa hai hồ quang trong quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW khi bố trí hai mỏ hàn độc lập đồng tốc; chứng minh cơ chế phân cực PAW (DCEN) kết hợp GMAW (DCEP) triệt tiêu sự xáo trộn bất lợi và định hướng dòng chảy vũng hàn ổn định.
  2. Xây dựng và hiệu chỉnh thành công mô hình nguồn nhiệt khối cải tiến kết hợp cho quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW, đưa vào tính toán số trên phần mềm SYSWELD theo bài toán nhiệt đàn hồi dẻo 3D, mô tả chính xác trường nhiệt độ, chu trình nhiệt và dự đoán ứng suất - biến dạng dư trong liên kết hàn giáp mối tấm dày.

Đóng góp về mặt thực tiễn và công nghệ

  1. Xác định được cấu hình hình học gá đặt tối ưu giữa hai mỏ hàn PAW và GMAW trong không gian: góc nghiêng $\alpha = 15^\circ \pm 5^\circ$ và khoảng cách tâm điện cực $DE = D_{min} \approx 19,5\text{ mm}$, đảm bảo mỏ hàn hoạt động bền bỉ, không bị hồ quang GMAW nung nóng gây hỏng vòi phun Plasma.
  2. Đưa ra giải pháp kỹ thuật nâng cao năng lượng nguồn nhiệt Plasma bằng cách sử dụng khí tạo plasma là hỗn hợp $\text{Ar} + 10%\text{H}_2$ với lưu lượng $2,0\text{ l/phút}$ thay cho Ar nguyên chất ($3,0\text{ l/phút}$), làm tăng nhiệt độ trung bình cột hồ quang Plasma lên 20%, đảm bảo duy trì ổn định chế độ lỗ khóa xuyên suốt chiều dày 12 mm.
  3. Thiết lập bộ thông số chế độ công nghệ hàn lai ghép hoàn chỉnh cho phép hàn ngấu hoàn toàn một lượt từ một phía liên kết giáp mối thép tấm cacbon JIS-SS400 dày đến 12 mm không cần vát mép:
Thông số công nghệ Giá trị xác lập
Vật liệu cơ bản / Chiều dày Thép JIS-SS400 / $S = 12\text{ mm}$ (không vát mép)
Khe hở lắp ghép ($a$) $1,5 \pm 0,5\text{ mm}$
Dây hàn / Đường kính JIS-Z3312 YGW12 / $d = 1,2\text{ mm}$
Cường độ dòng Plasma ($I_{hP}$) $180\text{ A}$ (chế độ lỗ khóa, đấu cực DCEN)
Khí tạo Plasma / Lưu lượng $\text{Ar} + 10%\text{H}_2$ / $2,0\text{ l/phút}$
Công suất nhiệt GMAW ($Q_{GMAW}$) $2360\text{ W}$ (đấu cực DCEP)
Tốc độ cấp dây GMAW ($W_r$) $3,4\text{ m/min}$
Vận tốc hàn ($v_h$) $2,0\text{ mm/s}$
Số lượt hàn 01 lượt duy nhất

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng của luận án được giới hạn thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm với vật liệu là thép cacbon kết cấu JIS-SS400 và dây hàn JIS-Z3312; chiều dày tấm tối đa được khảo sát thực nghiệm đạt tới 12 mm.
  • Luận án chưa khảo sát thực nghiệm đối với các mác thép hợp kim đặc biệt có độ nhạy nứt cao, các loại liên kết không gian phức tạp hoặc chiều dày tấm lớn hơn 12 mm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả kiến nghị

  • Mở rộng nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW cho các loại thép hợp kim có độ bền cao, thép không gỉ và các kết cấu dạng ống có đường kính và chiều dày lớn trong công nghiệp dầu khí, nhiệt điện.
  • Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện hệ thống điều khiển tự động hóa, kiểm soát thông số trực tuyến (Real-time monitoring) để ứng dụng công nghệ vào dây chuyền sản xuất công nghiệp quy mô lớn tại các nhà máy đóng tàu và chế tạo bồn bể áp lực ở Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Đối tượng hưởng lợi

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Hàn & Ghép nối, Khoa học Vật liệu có tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình hóa nguồn nhiệt kết hợp, kỹ thuật mô phỏng phần tử hữu hạn bài toán nhiệt đàn hồi dẻo trên phần mềm SYSWELD và phương pháp ứng dụng camera nhiệt/camera tốc độ cao trong nghiên cứu luyện kim hàn.
  • Kỹ sư công nghệ và chuyên gia kỹ thuật: Tại các viện thiết kế cơ khí, các nhà máy đóng tàu, doanh nghiệp chế tạo giàn khoan, bồn bể chịu áp lực và kết cấu thép xây dựng siêu trường, siêu trọng.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao

  • Phương pháp luận kết hợp giữa tính toán lý thuyết truyền nhiệt, mô phỏng số 3D và đo đạc thực nghiệm kiểm chứng (Chương 2 và Chương 3).
  • Bản vẽ cấu tạo gá đặt, quy trình điều chỉnh thông số hình học hai mỏ hàn ($\alpha = 15^\circ \pm 5^\circ$, $DE \approx 19,5\text{ mm}$) và kỹ thuật phối hợp khí tạo plasma $\text{Ar} + 10%\text{H}_2$ (Chương 4 và Chương 5).
  • Bộ số liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về chế độ hàn, cơ tính và tổ chức tế vi của mối hàn giáp mối thép tấm dày 12 mm không vát mép.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật ngữ "tấm chiều dày lớn" trong luận án được định nghĩa như thế nào?

Trong luận án, "tấm chiều dày lớn" không mang giá trị cố định tuyệt đối mà là một quy ước kỹ thuật: chỉ chiều dày thép tấm vượt quá khả năng hoàn thành mối hàn giáp mối một lượt từ một phía không vát mép của các phương pháp hàn riêng lẻ. Cụ thể, đối với quá trình GMAW riêng lẻ, tấm có chiều dày $S > 6\text{ mm}$ được coi là chiều dày lớn; đối với quá trình PAW riêng lẻ, chiều dày $S > 6 \div 8\text{ mm}$ được coi là chiều dày lớn.

2. Vì sao tác giả lựa chọn mô hình hai mỏ hàn độc lập đồng tốc (Hình thái 2) thay vì mỏ hàn đồng trục (Hình thái 1) để hàn tấm dày 12 mm?

Mô hình mỏ hàn đồng trục (Hình thái 1) có ưu thế trong hàn đắp và hàn tấm mỏng, tuy nhiên khi ứng dụng cho tấm dày, năng lượng Plasma bị chia sẻ và nhiệt độ giọt kim loại GMAW bị giảm do dòng hồ quang bao ngoài, làm hạn chế khả năng xuyên sâu của vũng hàn. Ngược lại, cấu hình hai mỏ hàn độc lập đồng tốc (Hình thái 2) cho phép tách biệt chức năng: mỏ PAW đi trước duy trì hồ quang nén công suất cao tạo lỗ khóa xuyên suốt chiều dày 12 mm, mỏ GMAW đi sau độc lập cung cấp kim loại đắp điền đầy vũng hàn với năng suất cao.

3. Tác giả sử dụng giải pháp kỹ thuật nào để gia tăng chiều sâu ngấu của hồ quang Plasma khi hàn tấm dày 12 mm?

Tác giả đã thay thế khí tạo plasma thông thường là Argon nguyên chất (lưu lượng $3\text{ l/phút}$) bằng hỗn hợp khí $\text{Ar} + 10%\text{H}_2$ với lưu lượng giảm xuống còn $2\text{ l/phút}$. Sự bổ sung $10%\text{ H}_2$ giúp nâng cao độ dẫn nhiệt và thế ion hóa của môi trường khí, làm tăng nhiệt độ trung bình của cột hồ quang nén Plasma thêm 20%, nhờ đó đảm bảo năng lượng nung chảy xuyên suốt tấm thép dày 12 mm mà không cần tăng lưu lượng khí đến mức gây cắt kim loại.

4. Sự tương tác giữa hai hồ quang PAW và GMAW thay đổi như thế nào theo cách đấu cực nguồn hàn?

Theo kết quả quan sát bằng camera tốc độ cao (HSVC), khi cả hai mỏ cùng đấu phân cực thuận DCEN, hai hồ quang có xu hướng hút lẫn nhau do lực từ trường, làm dòng kim loại lỏng va đập và gây mất ổn định vũng hàn. Khi mỏ PAW đấu cực thuận DCEN và mỏ GMAW đấu cực nghịch DCEP, lực điện từ làm hai hồ quang đẩy nhẹ nhau, giúp ổn định cột hồ quang, định hình dòng chảy kim loại lỏng lấp đầy lỗ khóa và hạn chế bắn tóe.

5. So với phương pháp GMAW truyền thống, công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW cho tấm thép 12 mm đem lại những thay đổi gì về quy trình?

Để hàn giáp mối tấm thép SS400 dày 12 mm:

  • Quá trình GMAW truyền thống bắt buộc phải gia công vát mép chữ V ($60^\circ \pm 5^\circ$) và thực hiện hàn 3 lượt riêng biệt (đường lót, đường trung gian, đường phủ) với tổng năng lượng nhiệt cao.
  • Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho phép giữ nguyên mép hàn phẳng (không vát mép, khe hở $1,5\text{ mm}$) và hoàn thành liên kết chỉ trong 01 lượt hàn duy nhất, giúp loại bỏ nguyên công vát mép, giảm lượng dây hàn tiêu hao và hạn chế biến dạng liên kết.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Lâm đã giải quyết bài toán công nghệ hàn giáp mối một lượt từ một phía cho thép tấm cacbon JIS-SS400 dày đến 12 mm mà không cần vát mép thông qua quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập đồng tốc. Công trình đã xây dựng thành công mô hình nguồn nhiệt khối kết hợp cải tiến trên phần mềm SYSWELD, mô phỏng chính xác trường nhiệt độ và các thành phần ứng suất - biến dạng dư phù hợp với thực nghiệm. Bằng việc tối ưu hóa cấu hình gá đặt ($\alpha = 15^\circ \pm 5^\circ, DE \approx 19,5\text{ mm}$), cực tính nguồn hàn (PAW DCEN, GMAW DCEP) và sử dụng khí tạo plasma $\text{Ar} + 10%\text{H}_2$, luận án đã xác lập bộ chế độ công nghệ hoàn chỉnh giúp tạo ra mối hàn ngấu hoàn toàn, tổ chức kim tương ổn định và độ bền kéo đạt tiêu chuẩn kỹ thuật. Kết quả của luận án có giá trị khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp đóng tàu, dầu khí và chế tạo kết cấu thép chịu tải trọng lớn tại Việt Nam.