Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ hàn kim loại tấm bằng khí bảo vệ (GMAW/MIG) giữ vai trò then chốt trong các ngành công nghiệp chế tạo cơ khí tại Việt Nam, đặc biệt trong sản xuất khung xe máy, kết cấu thép dân dụng, đóng tàu, sản xuất ô tô và sự phát triển của công nghệ in 3D kim loại. Phương pháp hàn MIG mang lại năng suất cao hơn so với hàn que truyền thống, dễ tự động hóa trên robot công nghiệp và đồ gá tự động, đồng thời cho phép thao tác ở nhiều vị trí không gian. Tuy nhiên, việc kiểm soát hình dáng hình học và chất lượng thẩm mỹ của mối hàn trên các tấm vật liệu có bề dày khác nhau gặp nhiều trở ngại trong thực tế sản xuất do sự tương tác phức tạp giữa các chế độ hàn. Để đạt được mối hàn đạt chuẩn, việc khảo sát thực nghiệm nhằm xây dựng và lựa chọn bộ thông số công nghệ thích hợp là yêu cầu kỹ thuật cấp thiết.

Theo Quyết định giao đề tài mã số CTM-111 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đồ án tốt nghiệp xác định các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Tìm hiểu công nghệ hàn kim loại tấm và các tiêu chuẩn liên quan đến thông số hàn cùng tư thế hàn.
  2. Thiết lập quy trình và tiến hành thực nghiệm hàn giáp mối với các bộ thông số hàn đơn biến và tư thế hàn khác nhau.
  3. Tổng hợp, đo đạc kích thước hình học và phân nhóm các kết quả sau thực nghiệm.
  4. Thống kê số liệu, phân tích sự ảnh hưởng của các thông số và lập báo cáo thuyết minh đề tài.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá sự ảnh hưởng của 7 thông số hàn đơn biến (gồm điện áp, cường độ dòng điện, tốc độ hàn, góc nghiêng mỏ hàn, lưu lượng khí bảo vệ, biên độ lắc mỏ hàn, vận tốc lắc mỏ hàn) đến hình dáng hình học của mối hàn (bề rộng, chiều cao đắp và chiều sâu ngấu).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu được xác định rõ:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình hàn MIG bán tự động và tự động trên liên kết giáp mối; phôi hàn là thép C45 với kích thước hình học mỗi tấm dài 100 mm, rộng 50 mm, chiều dày 5 mm; các tư thế hàn khảo sát gồm hàn bằng (1G), hàn đứng (3G) và hàn trần (4G), trong đó trọng tâm thực nghiệm định lượng đặt tại tư thế 1G.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các chỉ tiêu hình học mối hàn giáp mối không vát mép (chiều cao, bề rộng, chiều sâu ngấu) và chất lượng bề mặt mối hàn; phương pháp kiểm tra thực hiện thông qua kiểm tra phá hủy mẫu bằng tẩm thực kim tương và đo quang học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý nhiệt luyện và luyện kim hồ quang của phương pháp hàn MIG (Gas Metal Arc Welding - GMAW), sử dụng hồ quang điện xác lập giữa dây điện cực nóng chảy liên tục và kim loại cơ bản trong môi trường khí trơ bảo vệ. Vật liệu cơ bản được khảo sát là thép cacbon chất lượng cao C45. Thép C45 có độ bền kéo cao, chịu tải trọng lớn, có khả năng tôi và ram đạt độ cứng đến 55 HRC, tuy nhiên đặc tính hàm lượng cacbon tương đối cao làm giảm tính hàn so với thép cacbon thấp, đòi hỏi sự kiểm soát nghiêm ngặt về chế độ nhiệt hàn. Thành phần hóa học của thép C45 bao gồm hàm lượng cacbon ở mức danh nghĩa 0,45% (văn bản trích xuất ngưỡng thành phần C tối đa khoảng 0,25% đến 0,45% tùy biến thể chế tạo) cùng các nguyên tố Si, Mn, P, S, Cr, Ni ở mức giới hạn cho phép.

Về mặt lý thuyết công nghệ, cơ chế tác động của 7 thông số đơn biến được xác lập như sau:

  • Điện áp hàn ($U$): Quyết định chiều cao và bề rộng mối hàn, tỷ lệ thuận với chiều dài cột hồ quang. Chiều dài hồ quang tăng làm tăng diện tích phân bố nhiệt, làm giảm áp lực hồ quang lên kim loại lỏng, dẫn đến giảm chiều sâu ngấu và tăng bề rộng mối hàn.
  • Cường độ dòng điện hàn ($I$): Là thông số quyết định nhiệt lượng đầu vào và độ ngấu. Theo lý thuyết tính toán chế độ hàn MIG, mỗi 0,025 mm chiều dày vật liệu cần dòng điện khoảng 1 A. Đối với thép dày 5 mm sử dụng dây hàn đường kính 0,8 mm, dải dòng điện định mức là 150 A – 180 A, nhóm tác giả lựa chọn giá trị trung bình cơ sở là 160 A.
  • Tốc độ hàn ($v$): Quyết định năng suất và kích thước vũng hàn. Tốc độ hàn quá cao làm giảm năng lượng đường, giảm độ ngấu và thu hẹp đường hàn; ngược lại, tốc độ di chuyển quá thấp làm tăng thể tích kim loại nóng chảy cục bộ, gây ngấu sâu hoặc nguy cơ cháy thủng phôi.
  • Biên độ lắc mỏ hàn ($e$): Tác động trực tiếp đến bề rộng mối hàn; biên độ lắc càng lớn thì độ mở rộng của mối hàn càng tăng. Khi kết hợp biên độ lớn với tốc độ hàn chậm, độ ngấu có xu hướng tăng do nhiệt tập trung kéo dài.
  • Vận tốc lắc mỏ hàn ($\omega$): Vận tốc lắc chậm làm tăng lượng nhiệt truyền vào hai mép phôi, làm tăng bề rộng, chiều cao và độ ngấu mối hàn; vận tốc lắc nhanh làm tản nhiệt, thu hẹp diện tích vũng hàn.
  • Góc nghiêng mỏ hàn ($\alpha$): Ảnh hưởng đến hướng truyền nhiệt và áp lực hồ quang tác động lên vũng kim loại lỏng. Chiều dày vật liệu càng lớn đòi hỏi góc nghiêng thích hợp để đảm bảo chiều sâu ngấu đồng đều.
  • Lưu lượng khí bảo vệ ($Q$): Ngăn chặn sự xâm nhập của oxy và nito từ không khí vào vũng hàn nóng chảy. Mặc dù các hỗn hợp khí như Ar/He hay Ar/H2 cho độ ổn định hồ quang cao, nghiên cứu lựa chọn khí Argon 100% nhằm tối ưu hóa chi phí gia công mà vẫn đảm bảo tính bao bọc vũng hàn.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành qua hệ thống thiết bị gồm: máy hàn MIG-270, bộ gá phôi phẳng, bộ điều khiển dịch chuyển mỏ hàn tự động và nguồn cấp khí Argon tinh khiết. Phôi thép C45 được chặt tấm kích thước 100 x 50 x 5 mm, làm sạch bề mặt và hàn đính 3 điểm (hai đầu và chính giữa). Quá trình hàn thực nghiệm được thực hiện trên mặt có mối đính và chỉ kéo dài 2/3 tổng chiều dài phôi nhằm tiết kiệm vật tư nhưng vẫn đảm bảo trạng thái hồ quang ổn định.

Quy trình kiểm nghiệm phá hủy để đo đạc thông số hình học được chuẩn hóa theo 5 bước:

  1. Cắt mẫu: Dùng máy cắt đĩa cầm tay cắt ngang tiết diện đường hàn tại vị trí ổn định, sau đó phay phẳng bề mặt tiết diện để tạo mặt chuẩn đo lường.
  2. Mài cơ học: Mài bề mặt kiểm tra trên mặt kính phẳng bằng giấy nhám nước qua các cấp hạt mịn dần: P180 $\rightarrow$ P240 $\rightarrow$ P320 $\rightarrow$ P400 $\rightarrow$ P600 nhằm xóa sạch vết xước cơ học.
  3. Đánh bóng: Thực hiện trên máy đánh bóng chuyên dụng từ 5 đến 10 phút để bề mặt đạt độ bóng quang học cao.
  4. Tẩm thực hóa học: Sử dụng dung dịch axit bôi nhanh, đều bằng tăm bông lên bề mặt trong khoảng 15-20 giây, sau đó rửa sạch bằng nước và sấy khô để làm nổi rõ ranh giới giữa kim loại mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt và kim loại nền C45.
  5. Đo kích thước: Quan sát tiết diện kim tương dưới kính trắc vi có vạch chia 0,1 mm và xử lý ảnh trên phần mềm ImageJ để thu thập chính xác số liệu chiều cao ($h$), bề rộng ($b$) và chiều sâu ngấu ($s$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương này trình bày tổng quan về công nghệ hàn kim loại tấm, cấu tạo hệ thống hàn MIG/GMAW gồm nguồn điện hàn DC điện áp không đổi, cơ cấu cấp dây tự động, bình khí trơ, đồng hồ đo lưu lượng, súng hàn (với chụp khí, béc hàn, ruột dẫn dây và công tắc điều khiển). Tác giả tổng thuật các công trình nghiên cứu ngoài nước về tối ưu hóa thông số hàn MIG sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) của Gaurav V. (Ấn Độ), R. Devaiah (Ấn Độ), nhóm nghiên cứu CRRC Changchun/Đại học Cát Lâm (Trung Quốc); đồng thời điểm cứu các luận văn trong nước như nghiên cứu chế độ hàn nhôm A6061 của Đỗ Văn Chiến (ĐH SPKT Nam Định) và nghiên cứu trường nhiệt độ hàn inox của Lưu Văn Hùng (ĐH Bách khoa Hà Nội). Từ việc nhận diện khoảng trống nghiên cứu thực nghiệm hàn MIG trên thép tấm C45 trong nước, tác giả xác lập tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung phân tích đặc tính lý - hóa và khả năng hàn của vật liệu thép cacbon C45. Nội dung trọng tâm đi sâu vào phân tích cơ sở vật lý của 7 thông số công nghệ đơn biến tác động đến vũng hàn: mối quan hệ giữa điện áp và chiều dài hồ quang; cường độ dòng điện với độ ngấu kim loại; tốc độ hàn với năng lượng đường; góc nghiêng mỏ hàn với hướng tác dụng lực hồ quang; lưu lượng khí bảo vệ với độ bảo vệ kim loại lỏng; biên độ và vận tốc lắc mỏ hàn với hình thái vũng hàn khi dao động cơ học. Các cơ sở này đóng vai trò định hướng cho việc chọn giá trị cơ sở và khoảng biến thiên của các thông số đầu vào cho quá trình thực nghiệm.

Chương 3: Thực nghiệm và kiểm nghiệm hình dáng đường hàn

Chương 3 là phần thực nghiệm trọng tâm của đồ án. Tác giả thiết lập ma trận thực nghiệm gồm 30 mẫu hàn giáp mối không vát mép trên thép C45 dày 5 mm (vị trí 1G), chia thành 7 nhóm thử nghiệm tương ứng với việc thay đổi lần lượt 7 thông số đơn biến (các thông số còn lại được giữ cố định):

Nhóm mẫu Thông số thay đổi Mục đích khảo sát
Nhóm A Điện áp hàn ($U$) Khảo sát sự thay đổi bề rộng và độ ngấu theo điện áp hồ quang
Nhóm B Cường độ dòng điện ($I$) Khảo sát mối quan hệ giữa năng lượng hàn và độ ngấu sâu
Nhóm C Tốc độ hàn ($v$) Đánh giá ảnh hưởng của năng lượng đường đến tiết diện đường hàn
Nhóm D Góc nghiêng mỏ hàn ($\alpha$) Khảo sát hướng áp lực hồ quang (ví dụ mẫu số 15 với $\alpha = 60^\circ$)
Nhóm E Lưu lượng khí bảo vệ ($Q$) Đánh giá mức độ ổn định vũng hàn và độ rỗ khí ngoại quan
Nhóm F Vận tốc lắc mỏ hàn ($\omega$) Khảo sát thời gian lưu nhiệt cục bộ trên đường hàn
Nhóm G Biên độ lắc mỏ hàn ($e$) Khảo sát sự mở rộng bề rộng mối hàn (khảo sát biên độ 10 mm đến 18 mm)

Chương này ghi nhận chi tiết quy trình chuẩn bị vật tư, quá trình vận hành thiết bị hàn tự động, các bước kiểm tra phá hủy mẫu bằng gia công cắt - phay - mài - đánh bóng - tẩm thực axit, ghi nhận hình ảnh vĩ mô tiết diện và số liệu đo đạc kích thước (chiều cao, bề rộng, chiều sâu ngấu) từ mẫu số 1 đến mẫu số 30 thông qua phần mềm ImageJ. Cuối chương, tác giả bước đầu thực hiện gá mẫu và ghi nhận hình ảnh đường hàn thực tế ở hai tư thế hàn không gian phức tạp là tư thế hàn đứng (3G) và hàn trần (4G).

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả định lượng thu được từ 30 mẫu thử nghiệm, khẳng định xu hướng tác động của từng thông số đơn biến đến kích thước hình học mối hàn. Tác giả chỉ ra các bộ thông số cho chất lượng tạo hình tốt, đạt độ ngấu sâu và không bị khuyết tật cháy thủng hay thiếu ngấu, đồng thời đề xuất các kiến nghị nhằm phát triển nghiên cứu trên các tư thế 3G, 4G và tối ưu hóa đa thông số.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã tiến hành chế tạo và đo kiểm thành công 30 mẫu hàn thực nghiệm tại vị trí 1G trên thép C45 dày 5 mm, làm rõ quy luật biến thiên hình thái mối hàn:

  • Điện áp hàn ($U$) tăng dẫn đến gia tăng rõ rệt bề rộng mối hàn do hồ quang trải rộng, đồng thời làm giảm chiều sâu ngấu và giảm chiều cao đắp.
  • Cường độ dòng điện ($I$) tăng làm tăng mạnh chiều sâu ngấu; tại giá trị chuẩn 160 A với đường kính dây hàn 0,8 mm, mối hàn đạt được sự cân bằng về độ ngấu trên phôi dày 5 mm mà không gây cháy thủng.
  • Tốc độ di chuyển mỏ hàn ($v$) tỷ lệ nghịch với tiết diện mối hàn; tốc độ nhanh làm đường hàn hẹp và giảm độ ngấu, trong khi tốc độ quá chậm làm vũng hàn tích nhiệt lớn gây lồi hoặc chảy xệ.
  • Biên độ lắc mỏ ($e$) chi phối trực tiếp bề rộng đường hàn; biên độ lớn mở rộng đường hàn đáng kể nhưng đòi hỏi giảm vận tốc hàn để tránh khuyết tật không thấu mép.
  • Vận tốc lắc mỏ ($\omega$) chậm giúp nhiệt phân bố đều sang hai thành vũng hàn, cải thiện chiều cao đắp và làm tăng độ ngấu biên.

Tác giả đề xuất giải pháp lựa chọn bộ thông số công nghệ chuẩn cho mối hàn giáp mối không vát mép thép tấm C45 dày 5 mm ở tư thế 1G: kết hợp điện áp xung quanh 18,8 V – 20,8 V, cường độ dòng điện 160 A, lưu lượng khí bảo vệ 8 L/min khí Argon, góc nghiêng mỏ hàn từ $60^\circ$ đến $90^\circ$, cùng biên độ và tần số lắc mỏ hàn phù hợp để đảm bảo mối hàn điền đầy, bề mặt đều đặn và độ ngấu đạt yêu cầu kỹ thuật.

Về mặt đóng góp học thuật và kỹ thuật:

  • Đồ án cung cấp bộ số liệu thực nghiệm gốc có giá trị đối với quá trình hàn MIG trên vật liệu thép kết cấu C45 – vốn là đối tượng có tính hàn hạn chế và ít công trình trong nước công bố chi tiết về quan hệ thông số hình học.
  • Chuẩn hóa quy trình thực nghiệm kết hợp giữa thiết bị gá hàn tự động và phương pháp kiểm tra phá hủy mẫu kim tương đo bằng kính trắc vi cùng phần mềm ImageJ, đem lại độ tin cậy cao cho các phép đo kích thước vĩ mô mối hàn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào nội dung và phạm vi được trình bày trong thuyết minh, đề tài còn tồn tại một số hạn chế:

  • Phạm vi thực nghiệm định lượng mới tập trung chủ yếu trên liên kết giáp mối không vát mép ở vị trí hàn bằng (1G) với duy nhất một quy cách chiều dày phôi thép C45 là 5 mm. Đối với các tư thế không gian phức tạp hơn như tư thế đứng (3G) và tư thế trần (4G), đồ án mới dừng lại ở bước gá mẫu và ghi nhận đường hàn ban đầu, chưa tiến hành cắt mẫu kiểm nghiệm đo kích thước hình học toàn diện.
  • Phương pháp khảo sát dựa trên biến thiên đơn biến, chưa khảo sát ma trận tương tác đồng thời giữa nhiều thông số công nghệ (tương tác đa biến).
  • Đồ án tập trung vào kiểm tra hình thái hình học vĩ mô và chất lượng ngoại quan, chưa mở rộng đánh giá tổ chức tế vi (pha kim tương) và các chỉ tiêu cơ tính liên kết hàn như độ bền kéo, độ uốn và độ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả gợi mở:

  • Mở rộng quy trình kiểm nghiệm phá hủy và đo lường kích thước mối hàn cho đầy đủ các mẫu ở tư thế hàn 3G và 4G.
  • Áp dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố hoặc mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) nhằm xây dựng mô hình toán học tối ưu hóa đồng thời các thông số hàn.
  • Bổ sung thử nghiệm phá hủy cơ tính (kéo, uốn, va đập) và soi kính hiển vi quang học phân tích chuyển pha tế vi trên liên kết thép C45 sau hàn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí và kỹ thuật viên chuyên ngành công nghệ hàn. Cụ thể:

  • Bảng ma trận 30 chế độ thông số thực nghiệm (điện áp, dòng điện, vận tốc hàn, góc nghiêng, lưu lượng khí, thông số lắc mỏ) cung cấp cơ sở dữ liệu tra cứu trực tiếp khi gia công liên kết hàn thép C45 tấm dày 5 mm bằng máy hàn MIG.
  • Quy trình 5 bước gia công mẫu kiểm nghiệm phá hủy (cắt, phay, mài giấy nhám theo cấp hạt P180 đến P600, đánh bóng, tẩm thực axit 15-20 giây và đo trên phần mềm ImageJ) là tài liệu hướng dẫn thực hành chuẩn xác cho các nghiên cứu thực nghiệm kim tương cơ khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại chọn liên kết giáp mối không vát mép cho thép C45 dày 5 mm thay vì vát mép?
Theo thuyết minh của nhóm tác giả, đối với thép tấm dày 5 mm có thể áp dụng hàn vát mép hoặc không vát mép. Mục đích chính của đề tài là khảo sát sự ảnh hưởng thuần túy của các thông số hàn đến hình dáng hình học tự nhiên của đường hàn (chiều cao, bề rộng và chiều sâu ngấu). Việc không vát mép giúp việc quan sát, đo đạc ranh giới nóng chảy của vũng hàn trên tiết diện ngang trở nên trực quan, phản ánh chính xác nhất khả năng ngấu của từng chế độ hàn đơn biến.

2. Tại sao nhóm thực nghiệm chỉ hàn 2/3 chiều dài phôi và thực hiện hàn trên mặt có mối đính?
Nhóm chỉ thực hiện đường hàn trên 2/3 tổng chiều dài phôi (100 mm) nhằm mục đích tiết kiệm chi phí vật tư phôi thép, khí bảo vệ Argon và dây điện cực hàn, trong khi vẫn đủ chiều dài để hồ quang đạt trạng thái cháy ổn định phục vụ việc cắt mẫu. Việc hàn trên cùng mặt có mối đính là do bàn gá phẳng; nếu úp mặt đính xuống dưới, điểm đính nhô lên sẽ làm phôi bị kênh, khiến góc mỏ hàn lệch khỏi $90^\circ$ và làm tâm điểm ngấu bị lệch khỏi đường giáp mối.

3. Bảy thông số hàn đơn biến được phân chia thành các nhóm thử nghiệm như thế nào?
Nghiên cứu phân chia 30 mẫu thử thành 7 nhóm từ A đến G, mỗi nhóm cố định 6 thông số và chỉ thay đổi duy nhất 1 thông số khảo sát: Nhóm A thay đổi điện áp ($U$), Nhóm B thay đổi cường độ dòng điện ($I$), Nhóm C thay đổi tốc độ hàn ($v$), Nhóm D thay đổi góc nghiêng mỏ hàn ($\alpha$), Nhóm E thay đổi lưu lượng khí ($Q$), Nhóm F thay đổi vận tốc lắc mỏ hàn ($\omega$), và Nhóm G thay đổi biên độ lắc mỏ hàn ($e$).

4. Quy trình tẩm thực hóa học để làm lộ tổ chức mối hàn được tiến hành với các yêu cầu kỹ thuật nào?
Bề mặt sau khi phay phẳng, mài qua các cấp giấy nhám P180-P600 và đánh bóng 5-10 phút sẽ được tẩm thực bằng cách: dùng tăm bông nhúng một lượng nhỏ axit bôi thật nhanh và đều lên bề mặt mẫu, giữ axit tác dụng trong vòng 15-20 giây, sau đó rửa ngay bằng nước sạch và lau khô. Quá trình này ăn mòn phân hóa bề mặt, làm lộ rõ ranh giới hình học giữa kim loại vũng hàn, đường giáp mối và kim loại cơ bản C45.

5. Thiết bị và công cụ nào được sử dụng để định lượng kích thước hình học mối hàn?
Nhóm tác giả sử dụng kính trắc vi có độ phân độ vạch đo 0,1 mm kết hợp chụp ảnh quang học và ứng dụng phần mềm ImageJ để đo đạc chính xác các kích thước hình học gồm: bề rộng mối hàn ($b$), chiều cao đắp ($h$) và chiều sâu ngấu ($s$) trên từng tiết diện ngang của 30 mẫu thử nghiệm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán thực nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của 7 thông số công nghệ đơn biến đến hình dáng hình học mối hàn MIG trên thép C45 dày 5 mm. Thông qua việc chế tạo 30 mẫu thử và áp dụng quy trình kiểm nghiệm phá hủy kim tương chuẩn xác kết hợp phần mềm ImageJ, nghiên cứu đã làm sáng tỏ quy luật tác động của chế độ hàn đến bề rộng, chiều cao đắp và độ ngấu sâu ở tư thế 1G. Đây là công trình thực nghiệm cơ khí chế tạo máy có giá trị dữ liệu thực tiễn cao, đóng góp tài liệu tham khảo cụ thể cho việc tính toán, cài đặt chế độ hàn tấm trong sản xuất công nghiệp và mở ra hướng nghiên cứu tối ưu hóa trên các tư thế hàn không gian 3G, 4G.