Luận án tiến sĩ Nghiên cứu quá trình hàn MAG liên kết giáp mối khe hở hẹp

Kết cấu của luận án Ngoài phần đầu gồm mục lục, lời cam đoan và cảm ơn của nghiên cứu sinh, bảng kê các chữ viết tắt, bảng danh mục các hình vẽ, danh mục các bảng biểu, luận án được kết

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

NGÔ TRỌNG BÍNH

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÀN MAG LIÊN KẾT

GIÁP MỐI KHE HỞ HẸP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2023

1.2 Tổng quan về nghiên cứu, phát triển, ứng dụng hàn khe hở hẹp ở nước ngoài 7

1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ hàn khe hở hẹp ở trong nước 25

1.4.2 Phương pháp đánh giá chất lượng mối hàn GMAW ở nước ngoài 35

2.2.2 Thiết bị hàn tiên tiến LINCOLN tại Công ty CP TMDV Hai Tốt 47

2.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 49

2.3.2 Kiểm tra khả năng đáp ứng các điều kiện quy hoạch thực nghiệm 52

2.3.3 Hàn đính kết cấu với khe hở hẹp và góc vát mép cho trước

2.3.7 Tiến hành thí nghiệm NG-MAG theo quy hoạch toàn phần N27 56

2.3.8 Kiểm tra chất lượng mối hàn NG-MAG theo quy hoạch toàn phần

N27

56

2.4 Phương pháp xây dựng mô hình toán độ bền kéo mối hàn NG-MAG 57

2.4.2 Áp dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao kiểu N27 cho luận án 58

Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỊNH HƯỚNG

CÔNG NGHỆ

65

3.3.2.1 Quy ước các vị trí khảo sát cơ tính và phân tích tổ chức tế vi mối hàn 76

3.3.2.2 Bàn luận về đặc điểm tổ chức tế vi kim loại mối hàn NG-MAG 78

3.3.2.3 Bàn luận về đặc tính thay đổi độ cứng tế vi mối hàn NG-MAG 84

3.4 Ảnh hưởng của chế độ hàn đến độ bền kéo mối hàn NG-MAG 91

3.5.2 Khuyết tật dạng nứt theo biên giới kim loại mối hàn và kim loại cơ bản 98

3.6 Kết quả phân tích ANOVA nhóm mẫu thí nghiệm định hướng công

Chương 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘ BỀN KÉO

LIÊN KẾT HÀN MAG KHE HỞ HẸP

110

4.1 Kết quả thí nghiệm theo ma trận trực giao N27 110

4.2 Tính toán xây dựng mô hình toán học hàm mục tiêu độ bền kéo mối hàn

NG-MAG

116

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT

BGHp - Biên giới giữa vùng kim loại hàn với vùng HAZp phía bên phải BGHt - Biên giới giữa vùng kim loại hàn với vùng HAZt phía bên trái

vh - Tốc độ hàn, m/h (mm/ph)

HV0,2 - Độ cứng tế vi vật liệu mối hàn (đo ở thang tải trọng nhỏ)

σs - Giới hạn chảy vật liệu hàn, MPa

G - Lưu lượng cấp khí bảo vệ, lit/phút

Ftt - Hệ số Fisher tính toán

Fbg - Hệ số Fisher tra bảng

Hình 1.3 Nguyên lý của quá trình hàn dây nóng TIG theo Katsuyosh và

đồng nghiệp được trích dẫn trong [22]

14

Hình 1.4 Bộ nguồn / bộ điều khiển model 415 được sử dụng trong hệ thống

với nguồn điện dây nóng chảy 501 và mỏ hàn model 2 để hàn (a);

đầu hàn tiêu chuẩn với dây nóng được thiết lập trên mô hình (b) [22]

14

Hình 1.5 Loại khí hàn có ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn: Hình dạng mối

hàn thực hiện với 100% He và 75% Ar + 25% He (a); Hình dạng tiết diện ngang mối hàn với hỗn hợp 3/4 He + 1/4 Ar có bổ sung 1% và 5% H2 theo khuyến cáo cho phép của hãng Arc Applications, Inc (b) [22]

15

Hình 1.6 Ảnh hưởng của khí bảo vệ đối với hình dạng bề mặt lớp hàn bằng

hợp kim niken của Babcock & Wilcox [22]

15

Hình 1.7 Hình ảnh thô đại các mối hàn bằng kỹ thuật 1 lớp mỗi lượt hàn ở

vị trí 5G được thực hiện với đầu hàn khe hẹp [22]

15

Hình 1.8 Ảnh bộ nguồn hàn dây nóng chảy (a) và bộ điều khiển model 415

quá trình hàn GTAW (b) [22]

16

inch trong mô hình mô phỏng khe hở hẹp (b) [22]

16

Hình 1.10 Ảnh ứng dụng giám sát trực tuyến hàn khe hẹp hiển thị trên AMI

model 415 DV (a); Cận cảnh hình ảnh từ camera ở các vùng đầu

lò hạt nhân nặng Babcock và Wilcox [22]

17

Hình 1.13 Hình ảnh một trong sản phẩm lò hạt nhân do Babcock & Wilcox

[22]  [25]

18

Hình 1.14 Hình ảnh bộ phận lò hạt nhân Babcock & Wilcox chế tạo bằng công

nghệ điện cực nóng chảy GTAW [22]  [25]

18

Hình 1.15 Hình ảnh đầu hàn khe hẹp gắn trên máy hàn Inc trong hệ thống tự

động hóa cố định model 2 với định vị từ xa, camera dẫn và theo dõi

độ nghiêng đầu hàn từ xa [22]  [25]

18

Hình 1.16 Hình ảnh kết cấu cơ khí trong ngành năng lượng hạt nhân hạng nặng

của hãng Babcock & Wilcox (Mỹ) [22]  [25]

18

Hình 1.17 Các sơ đồ nguyên lý hàn khe hở hẹp khác nhau [32]: a) Đầu hàn

TIG khe hở hẹp (bên trái) và đầu hàn TIG khe hở hẹp cho tấm mỏng;b) Hàn MIG/MAG với khe hở hẹp, 2 đầu hàn lắc ngang (trái), 1 đầu hàn quay vòng (giữa) và đầu hàn vừa lắc ngang vừa quay (phải); c) Hàn MIG/MAG với 3 phương án chuyển động phức tạp của đầu hàn; d) Hàn khe hở hẹp với dây hàn bị biến đổi xoắn quanh trục

19

Hình 1.18 Sơ đồ nguyên lý của một đầu hàn với nhiều dây điện cực [32]: 1 -

Cuộn dây; 2 - Cơ cấu nắn thẳng; 3 - Hệ thống cấp dây; 4 - Ống tiếp xúc; 5 - Nguồn điện; 6 - Phôi hàn

20

Hình 1.19 Nguyên lý kết cấu đầu hàn khe hẹp với điện cực 2 dây [32]: 1 -

Đệm 1; 2, 3 - Ống đệm hỗ trợ phần dưới khe hở hẹp; 4 - Lắng đọng kim loại lỏng mối của hàn; 5, 6 -Khoang hàn; 7 - Xỉ hàn; 8

- Tấm đế; 9 - Phôi hàn; 10 - Chụp khí bảo vệ; 11 Dây hàn

20

Hình 1.21 Ống tiếp xúc để hàn hồ quang chìm khe hở hẹp với điện cực 2 dây

[32]: 1 - Cấu trúc hỗ trợ ống; 2 - Ống tiếp xúc; 3 - Vòi dẫn hướng dây;

4 - Dây hàn; 5 - Vít; 6, 7 - Phôi hàn; 8 - Tấm lót

20

Hình 1.22 Nguyên lý hàn hồ quang chìm khe hẹp với điện cực 3 dây [32]: 1 -

Cấu trúc ống hỗ trợ, 2 - Ống tiếp xúc, 3 - Vòi dẫn hướng dây; 4 - Dây hàn; 5 - Vít; 6,7 - Phôi hàn; 8 – Tấm đế; 9 - Ống cách điện

20

Cuộn dây hàn; 2 - Con lăn truyền động; 3- Cơ chế nắn và dẫn

động dây hàn; 4 - Vùng che chắn bằng khí bảo vệ; 5 - Ống dẫn hướng dây và ống dẫn khí bảo vệ; 6 - Tiếp mát; b) Đường hàn

dạng sóng: 1 - Cơ cấu cấp dây hàn; 2 - Cuộn dây hàn; 3- Cơ cấu nắn và dẫn hướng dây hàn; 4 - Khí bảo vệ; 5 - Ống dẫn hướng dây và ống dẫn khí bảo vệ; 6 - Tiếp mát

21

Hình 1.24 Hình ảnh mô tả các dạng đầu dây điện cực hàn và kết quả mối hàn

nhận được tương ứng [20]

21

Hình 1.25 Ảnh cụm đầu hàn của máy hàn quay nối ống đường kính lớn (a); sơ đồ

nguyên lý hàn quay GTAW (b); nguyên lý hàn TIG phía trong kết hợp hàn MAG phía ngoài đường ống với khe hở hẹp (c) [20]

22

Hình 1.26 Ảnh đầu hàn lai ghép để hàn đính chân và hàn nóng chảy điền đầy

khe hở hẹp (a); sơ đồ hệ thống thiết bị hàn với đầu hàn tự động (b) [20]

22

Hình 1.27 Nguyên lý hàn lai ghép laser với laser beam (a) và ảnh tổ chức thô đại

minh họa về đặc tính mối hàn lai ghép (b) [39]

22

Hình 1.29 Sơ đồ quỹ đạo đường đi của đầu hàn quay trong quá trình hàn khe

Hình 1.31 Hình 1.31 Sơ đồ nguyên lý hàn giáp mối với khe hở hẹp bằng

phương pháp hàn TIG (GTAW) [22], [25]

Hình 1.35 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang khí bảo vệ – Tungsten (TIG) [14], [25] 25 Hình 1.36 Các dạng phân cực khác nhau (a, b, c) và tác động làm sạch bề

mặt trong GTAW với DC điện cực dương (d) [16], [25]

25

Hình 1.37 Sơ đồ hệ thống thiết bị hàn GMAW [21]: 1 - Cụm dây hàn; 2 - Con

lăn định hướng cấp dây hàn; 3- Cụm ống dẫn linh hoạt; 4 - Ống bọc;

điều kiện không che chắn dòng hồ quang hàn [21]

28

Hình 1.40 Sơ đồ biểu diễn điện áp hồ quang hàn MAG (U) giữa điện cực hàn

và vật liệu hàn [21]

28

Hình 1.41 Sơ đồ nguyên lý quan hệ nhiệt độ - thời gian tại 3 điểm cục bộ dọc

hướng truyền nhiệt trong vật liệu hàn của quá trình hàn thép 1018 theo tiêu chuẩn của Mỹ [21]

28

Hình 1.43 Đồ thị quan hệ giữa cường độ dòng điện hàn với tốc độ luồng

Hình 1.46 Đồ thị sự thay đổi chiều sâu ngấu kim loại hàn phụ thuộc vào

cường độ dòng điện hàn với điện áp hàn khác nhau ở tốc độ 80 cm/phút [21]

29

Hình 1.48 Đồ thị quan hệ giữa chiều rộng (a); chiều cao (b) và chiều sâu

ngấu (c) của quá trình hàn cực âm (EN) tỷ lệ với cường độ dòng điện hàn khác nhau [21]

29

Hình 1.49 Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của mức độ xâm nhập kim loại vào mối

hàn vào điện áp hàn và cường độ dòng điện hàn khác nhau ở tốc độ hàn 80 cm/ph [21]

30

Hình 1.50 Đồ thị biểu thị quan hệ giữa dòng điện hàn xung dạng sóng phụ

thuộc vào thời gian kích hoạt thay đổi ở mức cao (H) và mức thấp (L) [21]

30

Hình 1.51 Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của sự xâm nhập kim loại hàn vào tốc

độ hàn ở điện áp 22 V và cường độ dòng điện hàn khác nhau [21]

30

Hình 1.52 Sơ đồ nguyên lý khoảng cách tiếp xúc bắt đầu quá trình hàn

(CTWD) [21]

30

Hình 1.53 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng bồi đắp kim loại hàn

(M) vào cường độ dòng điện hàn (Ih) ở các khoảng cách đầu hàn L khác nhau (đường kính dây hàn d = 1,6 mm) [21]

30

Hình 1.54 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tính dẫn điện khí bảo vệ ở áp

suất 1 atm với nhiệt độ đạt được [21]

30

Hình 1.55 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tính chất dẫn nhiệt khí bảo vệ ở

áp suất 1 atm với nhiệt độ đạt được [21]

31

Hình 1.56 Biểu đồ xâm nhập kim loại hàn khi hàn với di chuyển chu kỳ ngắn

(SC) và phun (S) trong hỗn hợp khí bảo vệ khác nhau [21]

31

Hình 1.57 Đồ thị biểu thị hiệu quả sự thay đổi của khí bảo vệ khi hàn khuếch

tán [21]

31

Hình 1.58 Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của lượng bồi kim loại trên mối hàn

(M) vào cường độ dòng điện hàn (I) khi hàn với dây hàn 1,2 mm

và 1,6 mm [21]

31

Hình 1.59 Biểu đồ năng lượng Charpy với mẫu thử kiểu chữ V vật liệu mối

hàn nhận được với các chế độ cấp khí bảo vệ khác nhau ở nhiệt

Hình 1.61 Sơ đồ mô tả cài đặt chế độ U, I khi hàn nóng (a) và hàn nguội (b)

trong đó t là thời gian [21]

32

Hình 1.62 Biểu đồ quan hệ giữa năng lượng hàn (Wfs), cường độ dòng điện

hàn (Is) và điện áp hàn (Us) xung dạng sóng với chu kỳ theo thời gian hàn (T) [21]

Hình 1.65 Sơ đồ mô tả cường độ sóng quá trình hàn đã biết (WiseRooi) kết hợp

với hàn theo chu kỳ ngắn [21]

32

Hình 1.66 Sơ đồ mô tả khoảng cách giữa đầu mỏ hàn với bề mặt phôi hàn

(tầm với của điện cực hàn) thay đổi phụ thuộc vào cường độḍòng

điện hàn [21]: a) Dài; b) Bình thường; c) Ngắn

33

Hình 1.67 Sơ đồ mô tả sự phụ thuộc của xung cường độ dòng điện hàn (I)

vào thời gian hàn (T) [21]

33

Hình 1.68 Ảnh mẫu thí nghiệm sau khi hàn của tác giả công trình [21]: sự

xuất hiện liên tục liên kết mối hàn chu kỳ ngắn khác nhau (sử dụng Wise FusionTM )

36

sát với khe hở 1 mm, khảo sát ở vị trí P1.1 (a); P2.1 (b); P3.1 (c);

P4.1 (d) [21]

36

Hình 1.70 Ảnh tổ chức tế vi mối hàn GMAW xung chu kỳ ngắn đối với thép

S355 MC khảo sát tại điểm P1.1 (pha pherit màu trắng, pha peclit

màu tối) [21]: a) vùng kim loại cơ bản; b) vùng ảnh hưởng nhiệt

HAZ; c) vùng kim loại hàn

37

Hình 1.71 Đồ thị độ cứng tế vi mối hàn GMAW xung chu kỳ ngắn đối với

thép S355 MC phụ thuộc vào khoảng cách BM, HAZ, FZ và WM tương ứng với các điểm khảo sát khác nhau [21]

38

Hình 1.73 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa cường độ dòng điện và điện áp hàn

trong môi trường hỗn hợp khí bảo vệ pha trộn với tỷ lệ CO2 (a) và

O2 (b) hàm lượng thay đổi [42]

38

Hình 2.1 Kết cấu 3D mối hàn (a); hình chiếu mặt trên (b) và ảnh phôi thép CT.38

(c) chuẩn bị cho thí nghiệm hàn NG-MAG của luận án:  - chiều dày phôi;  - Góc vát mép; B 1 , B 2 - Chiều rộng mặt trên và mặt dưới phôi

B 1 = B 2 – .tg( /2); L - Chiều dài phôi

42

Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế kết cấu mối hàn NG-MAG của luận án: a) Chữ V;

b) Chữ “X lệch”; c) Chữ “X đối xứng”

43

Hình 2.3 Ảnh vật liệu dây hàn loại d = 1,2 mm Theo tiêu chuẩn AWS A5.18

ER 70S-6, được gá lắp trên thiết bị hàn tiên tiến LINCOLN - FLEXTEC 500x chuẩn bị cho thí nghiệm

44

Hình 2.4 Ảnh thiết bị thí nghiệm hàn NG-MAG (a); cụm đầu hàn (b) và đồ

gá kẹp phôi hàn (c) tại Viện Nghiên cứu Cơ khí [4]

45

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý (a) và mô hình 3D (b, c) của hệ thống thiết bị hàn

khe hở hẹp dùng cho thí nghiệm của luận án: 1) Bộ điều khiển

chuyển động chạy dọc theo đường hàn; 2) Cơ cấu chuyển động thẳng đứng; 3) Cơ cấu quay đầu hàn; 4) Bộ cấp dây; 5) Nguồn hàn D 500; 6) Bình cấp khí bảo vệ

46

Hình 2.6 Nguyên lý kết cấu (a) và hình ảnh minh họa (b) đầu hàn

NG-MAG: 1) Chụp khí; 2) Ống dẫn khí bảo vệ; 3) Trục nối; 4) Vị trí

kết nối khí bảo vệ; 5) Đầu nối trục với bép hàn; 6) Bép hàn

47

Hình 2.7 Ảnh thiết bị hàn tiên tiến LINCOLN - FLEXTEC® 500x (Mỹ) dùng

cho thí nghiệm hàn giáp mối thép tấm dày với khe hở hẹp: a) Toàn

47

cảnh hệ thống thiết bị hàn; b) Điều chỉnh chế độ hàn thí nghiệm; c) Hàn thử theo chế độ quy hoạch thực nghiệm

động tịnh tiến của đầu hàn theo khe hở hàn (b); Chuyển động quay vòng của đầu hàn trong khe hở hàn (c); Ảnh bề mặt mối hàn tại thời điểm kết thúc một số lớp trong quá trình hàn (d) [4]

48

Hình 2.10 Ảnh máy thử kéo nén (a); kính hiển vi quang học (b) và máy đo

độ cứng tế vi (c) sử dụng cho thí nghiệm đánh giá đặc tính mối hàn NG-MAG

49

Hình 2.12 Ảnh mô tả cách lấy phôi để gia công mẫu thử kéo phá hủy mối

hàn NG-MAG (a); mẫu khảo sát đo độ cứng tế vi (HV0,2) và chụp ảnh tổ chức tế vi vật liệu tại 3 phân vùng theo chiều cao mối hàn (h1 = 0,25; h2 = 0,5; h3 = 0,75)

54

Hình 2.13 Ảnh một số mẫu điển hình (a) và bản vẽ gia công mẫu thử phá hủy

xác định độ bền kéo mối hàn NG-MAG theo TCVN 197: 2002 (b)

54

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý minh họa cách cắt lấy phôi thí nghiệm đánh giá

chất lượng mối hàn NG-MAG của luận án

55

Hình 2.15 Mô hình quy hoạch thực nghiệm trực giao kiểu N27 cho quá trình

hàn NG-MAG thép các bon CT.38 tấm dày của luận án

59

Hình 3.1 Ảnh tại một thời điểm thí nghiệm (a) và vị trí cắt lấy phôi gia công

mẫu khảo sát đo độ cứng tế vi, chụp ảnh tổ chức thô đại, tổ chức

tế vi mối hàn NG-MAG (b)

66

Hình 3.2 Sơ đồ vị trí đo độ cứng HV0,2 và chụp ảnh tổ chức thô đại vật liệu

mối hàn NG-MAG thép các bon CT.38 tấm dày khảo sát trên mẫu No.3, mã số (211)

72

Hình 3.5 Ảnh tổ chức tế vi mẫu No.1 tại vùng biên giới mối hàn và mặt bên

kim loại cơ bản (HM): Uh = 26 V; vh = 7 m/h và nn = 30 v/ph (mã

số 011, thí nghiệm thứ tự số 11)

73

Hình 3.6 Ảnh tổ chức tế vi mẫu No.1 tại vùng K: Uh = 26 V; vh = 7 m/h

và vh = 30 v/ph (mã số 011, thí nghiệm thứ tự số 11)

74

Hình 3.7 Ảnh thô đại theo mặt cắt ngang mối hàn khi hàn một phía (a, b)

và hàn hai phía gần đối xứng nhau kiểu vát mép chữ “X” (c)

75

Hình 3.8 Ảnh hình thái bề mặt các mẫu thí nghiệm hàn giáp mối thép CT.38 với

khe hở hẹp: Phôi có chiều dày 50 mm và góc vát mép α = 5 ÷ 15o sau khi hàn đính lớp đáy với khe hở 5 ÷10 mm (a); Ảnh mẫu hàn đạt 80% chiều cao mối hàn (b) và đủ 100% chiều cao đến bề mặt trên (c)

77

Hình 3.9 Sơ đồ chọn và ký hiệu ví trí đo độ cứng tế vi HV0,2 trên mặt cắt

ngang mối hàn NG-MAG thép CT.38, khe hở ở mặt đáy là 10 mm, góc vát mép  = 15o

77

Hình 3.10 Ảnh tổ chức thô đại và vị trí khảo sát chụp ảnh tổ chức tế vi vật

liệu mối hàn NG-MAG thép CT.38 (bước 2)

Hình 3.17 Độ cứng tế vi vật liệu liên kết hàn NG-MAG thép CT.38 trên

các mẫu M19 và M20

89

Hình 3.18 Độ cứng tế vi vật liệu liên kết hàn NG-MAG thép CT.38

tại các vị trí đo khác nhau

90

Hình 3.19 Ảnh hưởng đồng thời của góc vát mép và khe hở hẹp (*bo) đến

độ bền kéo (k) của mối hàn NG-MAG (nhóm mẫu số 1)

95

Hình 3.20 Ảnh hưởng đồng thời của cường độ dòng hàn và góc vát mép

(Ih*) đến độ bền kéo (k) của mối hàn NG-MAG (nhóm mẫu số

2 và số 3)

96

Hình 3.21 Một số dạng khuyết tật tại các lát cắt khác nhau trên mẫu thí

nghiệm hàn NG-MAG thép các bon CT.38

97

Hình 3.22 Ảnh thô đại khuyết tật dạng nứt phần đáy mối hàn NG-MAG do quá

nhiệt

99

Hình 3.23 Phân tích ANOVA sự phụ thuộc của độ bền kéo mối hàn NG-MAG

(k) vào các yếu tố độc lập  - delta (a); bo (b); Ih (c), vh (d) và  - alpha (e)

100

Hình 3.24 Phân tích ANOVA sự phụ thuộc của độ bền kéo mối hàn NG-MAG

(k) vào ảnh hưởng đồng thời của các cặp đôi yếu tố độc lập α.Ih; Ih.vh

và Ih.α

100

Hình 3.25 Biểu đồ đồng mức (a, c) và đồ thị 3D (b, d) biểu diễn sự ảnh hưởng

đôi đồng thời giữa 5 yếu tố đầu vào khảo sát đến độ bền mối hàn NG-MAG thép CT.38

104

Hình 3.27 Biểu đồ đồng mức (a, c) và đồ thị 3D (b, d) biểu diễn sự ảnh hưởng

đồng thời giữa 5 yếu tố đầu vào khảo sát đến độ bền mối hàn MAG thép CT.38

NG-105

Hình 4.1 Đồ thị 3D ảnh hưởng của tương tác cặp đôi (Ih.vh) đến độ bền kéo

mối hàn NG-MAG (k) khi góc vát mép () thay đổi

117

Hình 4.2 Đồ thị 3D ảnh hưởng của tương tác cặp đôi (Ih.) đến độ bền kéo

mối hàn NG-MAG (k) khi tốc độ hàn (vh) thay đổi

117

Hình 4.3 Đồ thị 3D ảnh hưởng của tương tác cặp đôi (vh.) đến độ bền kéo

mối hànNG-MAG (k) khi cường độ dòng điện hàn (Ih) thay đổi

118

Hình 4.4 Đồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng cặp đôi đồng thời (Ih.vh) đến độ

bền kéo mối hàn NG-MAG (k) khi: Ih = 160 A; 190 A; 220 A (a); vh = 6; 8; 10 m/h (b) và  = 10o

119

Hình 4.5 Ðồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng cặp đôi đồng thời (Ih.) đến độ

bền kéo mối hàn NG-MAG (k) khi: Ih = 160 A; 190 A; 220 A (a); α = 5o; 10o; 15o (b) và vh= 8 m/h

119

Hình 4.6 Đồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng cặp đôi đồng thời (vh.) đến độ

bền kéo mối hàn NG-MAG (k) khi: vh = 6; 8; 10 m/h (a); α = 5o;

10o; 15o (b) và Ih = 190 A

119

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.4 Ứng dụng kỹ thuật hàn khe hở hẹp với năng lượng cao, chu kỳ

Bảng 2.1 Thành phần hóa học thép các bon CT.38 (TCVN 1765-75) dùng

cho thí nghiệm

44

Bảng 2.3 Các thông số chế độ thí nghiệm định hướng công nghệ

Bảng 3.1 Chế độ thí nghiệm định hướng công nghệ hàn NG-MAG thép

các bon CT.38 theo ma trận trực giao N27 (bước 1)

67

Bảng 3.2 Kết quả đo độ cứng tế vi kim loại mối hàn thép các bon CT.38

(vát mép hai bên  = 15o)

69

Bảng 3.4 Độ cứng tế vi vật liệu mối hàn NG-MAG thép CT.38 (bo =10

mm,  = 15o)

84

Bảng 3.6 Kết quả phân tích các phương án ảnh hưởng (Analysis of Variance) 99 Bảng 3.7 Kết quả tính toán các hệ số (Coefficients) và phương trình hồi

quy (Regression Equation)

100

Bảng 3.8 Dự báo hiện tượng bất thường (Fits and Diagnostics for Unusual

Observations)

100

Bảng 4.1 Độ bền kéo hàn NG-MAG thép CT.38 viết theo ma trận trực giao

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Trên thế giới, việc nghiên cứu các công nghệ hàn tiên tiến đang được đẩy mạnh ứng dụng ở nhiều nước công nghiệp phát triển từ những năm 1970 trở lại đây Ở Việt Nam hiện nay ngành công nghiệp cơ khí chế tạo đang ngày càng được đầu tư đổi mới với trang thiết bị, công nghệ tiên tiến nhập khẩu từ nước ngoài Trong công nghệ hàn khe hở hẹp, có thể sử dụng nhiều phương pháp hàn khác nhau mà yêu cầu không cần vát mép hoặc vát mép với góc nhỏ, điển hình như hàn TIG (tungsten inert gas welding), hàn MIG (metal inert gas) và hàn MAG (metal active gas) Điều đó cho phép tiết kiệm nhiều nguyên công tạo phôi mối ghép, tiết kiệm kim loại cơ bản và dây hàn đáng kể, dẫn đến

hạ giá thành chế tạo kết cấu hàn Mặc dù có thể nhập khẩu các máy hàn (TIG, MIG, MAG) tiên tiến từ nhiều nước cung cấp thiết bị khác nhau, nhưng vấn đề làm chủ công nghệ và đưa ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp với tình hình thực tế trong nước còn là vấn đề luôn có tính thời sự và cần thiết

Công nghệ hàn khe hở hẹp bằng phương pháp hàn MAG (gọi tắt là NG-MAG) dựa trên nền tảng của công nghệ hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ hoạt tính ở nước ta hiện nay còn là vấn đề mở Vì vậy, định hướng nghiên cứu của luận án

là kết hợp lý thuyết với thực nghiệm để tìm ra chế độ hàn phù hợp khi hàn giáp mối các tấm thép các bon CT.38 có chiều dày lớn bằng phương pháp hàn MAG trong môi trường khí bảo vệ CO2 Phôi hàn NG-MAG được chọn trong phạm vi nghiên cứu chủ yếu của luận án theo quy hoạch thực nghiệm kiểu 3 mức 3 yếu tố (N = 33 = 27: theo ma trận trực giao toàn phần N27 ở bước QHTN 2 có chiều dày là  = 50 mm với góc vát mép nhỏ trong khoảng 5 ÷ 15o Ngoài ra, để tìm hiểu khả năng mở rộng chiều dày phôi hàn chọn thêm ở hai mức:  = 75 mm và  = 100 mm và chỉ thực hiện trong lô thí nghiệm định hướng công nghệ (bước 1)

Mặc dù hàn khe hở hẹp có nhiều ưu điểm, nhưng công nghệ hàn NG-MAG hầu như chưa được chú trọng nghiên cứu ứng dụng vào thực tế sản xuất ở Việt Nam Do đó, hướng nghiên cứu này có tính mới về khoa học và tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao, phù hợp với

mã ngành đào tạo trình độ Tiến sĩ ngành “Kỹ thuật cơ khí” (mã số: 9.52.01.03) tại Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

Kết hợp nghiên cứu cơ sở lý thuyết, thực tiễn với nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng mối quan hệ giữa một số thông số công nghệ chủ yếu đến chất lượng mối hàn giáp mối NG-MAG đối với thép tấm dày với góc vát mép nhỏ trong quy mô phòng thí nghiệm chuyên ngành

Các thí nghiệm có sử dụng kết quả nghiên cứu chế tạo mỏ hàn cho thiết bị hàn MAG

để hàn khe hở hẹp, đặc biệt là sử dụng thiết bị hàn tiên tiến của hãng LINCOLN ELECTRIC làm cơ sở khoa học để lựa chọn chế độ hàn phù hợp với yêu cầu của kết cấu

cơ khí hàn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu các kết cấu hàn có liên kết giáp mối thép tấm các bon CT.38 có chiều dày δ = 50 mm;

b) Phạm vi nghiên cứu:

+ Sử dụng bộ nguồn hàn MAG D500 với đầu hàn thiết kế, chế tạo phù hợp để tiến hành thực nghiệm hàn giáp mối thép các bon tấm dày CT.38 có chiều dày δ = 50 mm;

có chiều dày δ = 50 mm và mở rộng đến chiều dày δ = 75; 100 mm

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết về công nghệ hàn khe hở hẹp (NG-MAG) với nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình hàn thép các bon tấm dày CT.38 đề xuất của luận án

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

- Bằng thực nghiệm, đưa ra phương pháp hàn NG-MAG với chế độ hợp lý cho liên kết giáp mối thép các bon tấm dày CT.38, đảm bảo chất lượng mối hàn ở mức cần thiết theo yêu cầu thực tế Chất lượng liên kết hàn được đánh giá thông qua bộ tiêu chí gồm: đặc tính cơ - lý và kim tương học khảo sát tại các tiểu vùng kim loại mối hàn (MH); biên giới mối hàn với vùng ảnh hưởng nhiệt (B.G); vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và vùng kim loại cơ bản (KLCB) khi sử dụng các thiết bị thí nghiệm hiện đại, đảm bảo độ tin cậy của các kết quả thực nghiệm cao trong điều kiện hiện có tại Việt Nam;

- Đưa ra được mô hình toán học ở dạng đa thức bậc 2, số hóa quy luật thay đổi độ bền kéo liên kết hàn NG-MAG tùy thuộc vào 03 yếu tố công nghệ đầu vào chủ yếu là cường độ dòng hàn (Ih), tốc độ hàn (vh) và góc vát mép nhỏ () trong miền khảo sát quy hoạch thực nghiệm trực giao kiểu 3 mức 3 yếu tố N27 Theo đó, có thể dễ dàng điều khiển tùy ý chế độ hàn đảm bảo độ bền kéo và độ tin cậy của mối hàn để khuyến cáo cho các doanh nghiệp sản xuất Cơ khí trong nước

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo trong nghiên cứu khoa học, đào tạo ngành Kỹ thuật Cơ khí và khuyến cáo cho doanh nghiệp về lĩnh vực chế tạo kết cấu hàn ở Việt Nam

6 Kết cấu của luận án

Ngoài phần đầu gồm mục lục, lời cam đoan và cảm ơn của nghiên cứu sinh, bảng

kê các chữ viết tắt, bảng danh mục các hình vẽ, danh mục các bảng biểu, luận án được kết cấu thành các mục chính như sau:

- Mở đầu;

- Chương 1: Tổng quan và cơ sở lý thuyết hàn khe hở hẹp;

- Chương 2: Vật liệu, thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu;

- Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm định hướng công nghệ;

- Chương 4: Xây dựng mô hình toán học độ bền kéo mối hàn khe hở hẹp;

- Kết luận chung và hướng phát triển tiếp theo của luận án;

- Danh mục các công trình đã công bố;

- Tài liệu tham khảo;

- Phụ lục

7 Luận điểm bảo vệ chính

Khi áp dụng chế độ hàn NG-MAG hợp lý đề xuất cho các phôi thép tấm các bon CT.38 có chiều dày 50 mm (mở rộng đến chiều dày 75 mm và 100 mm), với khe hở hẹp

có thể thay đổi trong khoảng 10 ÷ 12 mm và góc vát mép nhỏ (5o; 7,5o và 15o hai bên), đảm bảo được chất lượng liên kết hàn giáp mối tốt về mặt kỹ thuật, dẫn đến giảm thiểu chi phí nguyên vật liệu (dây hàn, vật tư phụ trợ), nâng cao hiệu quả cho doanh nghiệp sản xuất Cơ khí trong nước

Chất lượng liên kết hàn NG-MAG được đánh giá bởi bộ tiêu chí gồm: hình thái bề mặt (ngoại dạng) đường liên kết hàn (tính chất vật lý); độ bền kéo (tính chất cơ học); độ cứng tế vi và tổ chức tế vi được khảo sát tại các tiểu vùng cấu trúc đặc trưng (đặc tính kim tương học)

8 Đóng góp mới của luận án trong lĩnh vực khoa học chuyên ngành

1) Đưa ra phương pháp luận phù hợp để nghiên cứu quá trình hàn liên kết giáp mối NG-MAG phôi thép các bon CT.38 tấm dày phù hợp với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam Nhờ đó cho phép xác nhận kết quả lựa chọn chế độ hàn trong miền khảo sát của 3 thông

số công nghệ đầu vào chủ yếu là cường độ dòng điện hàn (Ih, A), tốc độ hàn (vh, cm/ph),

và góc vát mép nhỏ (, độ), đảm bảo độ bền kéo mối hàn đạt yêu cầu ở mức phù hợp trên sản phẩm cơ khí cần chế tạo cho các doanh nghiệp trong nước;

2) Áp dụng phương pháp tính toán xử lý số liệu thống kê toán học theo quy hoạch thực nghiệm trực giao toàn phần kiểu 3 mức 3 yếu tố N27 (Ih, vh, ) bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất để tính toán xây dựng mô hình số hóa dự đoán độ bền kéo (k, MPa) của liên kết hàn NG-MAG ở dạng đa thức bậc hai Theo đó, dễ dàng điều khiển quá trình hàn NG-MAG liên kết giáp mối thép CT.38 như công thức (4.1) ở chương 4 Đồng thời đưa ra các đồ thị 2D và 3D biểu diễn trực quan quy luật ảnh hưởng của chế

độ hàn NG-MAG đến k trong miền quy hoạch mô phỏng đã chọn

khoa học ở ngoài nước đã đưa ra định nghĩa công nghệ hàn khe hở hẹp như sau: "Hàn

khe hở hẹp - NGW là một kỹ thuật liên kết theo định hướng liên quan đến một quá trình hàn hồ quang đặc trưng bởi một hằng số đường hàn trong mỗi lớp và được lấp đầy theo từng lớp trong một rãnh sâu, vuông và có kích thước hẹp" [27] Theo đó, sự phát triển

của công nghệ hàn NGW nhằm mục tiêu làm giảm thiểu khối lượng kim loại cần đắp khi hàn các tấm vật liệu thành dày, dẫn đến giảm chi phí vật liệu hàn, thời gian hàn và mức

độ biến dạng của chi tiết hàn

và hàn hồ quang với dây hàn lõi bột (FCAW);

- Theo quan điểm của M J Lucas trong đăng ký sáng chế số 1492226 tại Văn phòng sang chế London năm 1977 về thiết bị và phương pháp hàn khe hở hẹp [54] thì công nghệ hàn NGW có tỷ trọng cơ bản áp dụng cho GMAW (78 %), SAW (18 %) và GTAW (4 %), ứng dụng phổ biến tại Nhật Bản Ở các nước phương Tây, công nghệ NGW ít phổ

biến hơn và được sử dụng chủ yếu với hàn SAW, ví dụ như: Lucas (năm 1984) [54]; Malin (năm 1987); Bicknell và Patchett (năm1985) theo trích dẫn của một số nhà nghiên

cứu khác sau đó

- Các nghiên cứu phát triển gần đây của quá trình NGW chủ yếu đi vào hướng tối

ưu hóa kim loại bù và thuốc hàn, khả năng điều chỉnh các thông số công nghệ hàn mở rộng hơn khi hàn NG-SAW (khi so sánh với NG-GMAW) đã tăng thêm sự quan tâm đến kỹ thuật hàn khe hở hẹp (NGW) khi hàn SAW (Malin, năm 1989) Tuy nhiên các ứng dụng như vậy về cơ bản chỉ giới hạn ở tư thế hàn bằng là chính

Từ những vấn đề kể trên, quá trình NGW được chia ra thành hai nhóm dựa trên các

kỹ thuật cấp dây hàn bù được sử dụng để đảm bảo đủ chiều sâu ngấu của các lớp hàn:

1) Nhóm 1 (hàn NGW-I): tạo ra được khả năng ngấu sâu thông qua điều chỉnh chuyển dịch dây hàn / hồ quang, trong đó có việc cố định các điện cực đối với thành mép hàn (NGW-Ia), dao động hồ quang (NGW-Ib) hoặc xoay hồ quang (NGW-Ic);

2) Nhóm 2 (NGW-U): kiểm soát được chiều sâu ngấu thông qua điều chỉnh các thông số công nghệ hàn (Malin, năm 1987);

Theo sự sắp xếp điện cực hàn, đầu hàn NGW có thể có một hoặc hai điện cực

Kỹ thuật hàn khe hở hẹp (NGW) có độ nhạy cảm cao quyết định đến sự hình thành của các khuyết tật như không ngấu, cháy mép và dễ nứt của mối hàn, thường là do có sự thay đổi nhỏ về điều kiện thiết bị hàn và phạm vi lựa chọn chế độ hàn [27] Theo đó, sự hình thành rỗ có thể do che chắn khí và hồ quang không thích hợp hay xảy ra đối với GMAW-NG, hoặc xỉ hàn bị kẹt trong mối hàn khi hàn SAW-NG Do đó, để khắc phục các khuyết tật hàn ở các kết cấu hàn thành dày cần phải phát triển các thiết bị hàn NGW chuyên dùng tiên tiến hơn

1.1.3 Ưu điểm của NGW

Hàn hồ quang kim loại với khí bảo vệ là quá trình đầu tiên được sử dụng trong hàn khe hở hẹp (NGW, NG-GMAW) Đó là công nghệ tiến tiến được dùng phổ biến nhất trong chế tạo cơ khí Ưu điểm là quá trình này gồm có: hồ quang hàn dễ dàng quan sát được; rãnh hàn tương đối hẹp; chất lượng hàn cao; năng suất cao và có hiệu quả do chi phí thấp Tuy nhiên, khi hàn NG-GMAW dễ có hiện tượng hình thành khuyết tật ở thành bên của mối hàn, lượng bắn tóe lớn và hay bị thiếu hụt khí bảo vệ Việc cấp dây hàn và tạo ra vùng phủ khí bảo vệ thích hợp vào một đường rãnh mép hàn hẹp và sâu khá có nhiều khó khăn Ngoài ra, việc đảm bảo cho hồ quang nung nóng đều các thành bên và phần bên dưới của mối ghép

nối dẫn đến nhiều cản trở trong quá trình triển khai ứng dụng công nghệ hàn NG-GMAW rộng rãi ở quy mô sản xuất công nghiệp Để khắc phục những hạn chế này, các nhà nghiên cứu ngoài nước đã đề xuất nhiều giải pháp cải tiến cho việc cấp dây hàn và thiết kế mô đun đầu hàn kiểu mới dùng cho hàn khe hở hẹp Một trong số các đề xuất đó đối với công nghệ hàn khe hở hẹp đã được ứng dụng ở quy mô sản xuất công nghiệp tại nước Mỹ và Liên Xô trước đây (hình 1.1 và hình 1.2 trích dẫn trong tài liệu [4])

Ưu điểm chính của công nghệ NGW, khi so sánh với các quá trình hàn khác cho các mối nối chi tiết dày có thể chỉ ra như sau: giảm thời gian hàn; chi phí tiêu hao thấp hơn; giảm thời gian loại bỏ xỉ hàn; giảm chi phí chuẩn bị; giảm xử lý nhiệt sau hàn; cải thiện độ dai va đập; giảm sự biến dạng góc của chi tiết hàn Những lợi thế này có liên quan trực tiếp đến khối lượng kim loại đắp của mối hàn thấp hơn và lượng nhiệt cấp vào thấp hơn khi hàn NGW, do vậy dẫn đến chi phí thấp hơn khi hàn chi tiết vật liệu hàn dày nếu so sánh với các quy trình hàn thông thường như SAW và ESW

1.2 Tổng quan về nghiên cứu, phát triển, ứng dụng hàn khe hở hẹp ở nước ngoài

1.2.1 Khái quát về công nghệ hàn khe hở hẹp

Các lĩnh vực được ứng dụng rộng rãi công nghệ hàn khe hở hẹp là trong ngành đóng tàu, xây dựng cầu đường và các ngành công nghiệp sử dụng kết cấu thép hàn có chiều dày lớn bằng giải pháp hàn hồ quang chìm (SAW), trong khí bảo vệ (MIG/MAG; GMAW) và điện cực vônphram trong khí trơ Tuy nhiên, để triển khai ứng dụng công nghệ hàn khe hở hẹp đòi hỏi phải có thiết bị chuyên dùng vì NGW cho phép đem lại lợi ích kinh tế tốt hơn khi hàn các vật liệu kim loại dày (chiều dày từ 50 mm trở lên)

Về cơ bản, công nghệ NGW đáp ứng được các tiêu chuẩn chất lượng và năng suất trong công nghiệp có sử dụng thép chiều dày lớn, tốc độ hàn tăng và biến dạng hàn thấp Một số nghiên cứu về công nghệ hàn khe hở hẹp đã được nhiều nhà nghiên cứu công bố

ở ngoài nước như: Henderson (1978); Baxter (1979); Malin (1983) và (1987) [53]; Ellis (1988) và theo trích dẫn của một số nhà nghiên cứu khác [27]  [33], [37], [38], [41]  [44], [50], … cho thấy:

- Kỹ thuật hàn thuộc nhóm NGW-I cho GMAW đã được phát triển chủ yếu ở châu

Âu [30] và Nhật Bản, … bao gồm nhiều phương án cải tiến;

- Pre-casting dây hàn và hạt kim loại bổ sung thuộc giải pháp NGW-Ia;

- Dao động dây hàn bên trong ống tiếp xúc thẳng và dao động dọc theo đường hàn

do các nhà nghiên cứu Nhật Bản Nakayama và cộng sự đề xuất năm 1976; Futamura và cộng sự đưa ra năm 1978, thuộc nhóm giải pháp NGW-Ib;

- Chuyển động quay vòng của dây hàn đặc biệt kiểu “dây xoắn” theo đề xuất của Kimura và cộng sự (năm 1979), thuộc nhóm giải pháp NGW-Ic (dây hàn đường kính dưới 2,0 mm thường được sử dụng với các kỹ thuật NGW-I, cần được uốn dẻo hoặc làm biến dạng dây hàn đảm bảo chuyển động đều Nếu hàn bằng 2 dây có đường kính 2,0 mm xoắn vào nhau sẽ có đường kính tương đương 2,8 mm Nhiệt lượng đầu vào trong quá trình hàn

đủ để hàn ở vị trí hàn bằng Khe hở giữa các tấm vật liệu hàn giáp mối phụ thuộc vào kỹ thuật hàn cụ thể và đường kính dây hàn đã được tổng kết trong công trình [32]

- Kỹ thuật hàn NGW-II được nhà nghiên cứu Malin đưa ra năm 1987 có đặc điểm: đường kính điện cực tương đối lớn (từ 1,6 mm đến 5,0 mm); sử dụng một cuộn dây hàn dài duy trì bên trong khe hở hàn đối với đầu tiếp xúc; nhiệt đầu vào và tỷ lệ lắng đọng vật liệu hàn cao hơn; mở lối vào khe hở hàn thường lấy chiều rộng lớn hơn 11 

16 mm so với khi hàn NGW-I Nhiệt đầu vào cao thường bị hạn chế và chỉ sử dụng cho những vị trí hàn bằng, vì sự quá nhiệt làm cho dây hàn bị mềm trong trường hợp hàn tấm dày đến 150 mm, khi đó có thể thực hiện hàn ở chế độ với giá trị thấp hơn nhiều

so với hàn NGW-I

Tác giả các công trình [31], [32] cho rằng thiết bị dùng cho hàn NGW-II về cơ bản giống như thiết bị hàn GMAW, có thể sử dụng dây hàn tương đối nhỏ (1,2 mm), khe hở hàn hẹp (khoảng 7 mm) cho tốc độ hàn cao khi hàn đường ống ở vị trí hàn bằng [26] Theo công bố của hãng Lincoln Electric [28] và công trình [48] cho thấy hỗn hợp khí ác-gông (Ar) phối trộn

với 10  25% CO2 được sử dụng phổ biến nhất để che chắn khí hàn NGW đối với thép hợp kim thấp Hỗn hợp khí bảo vệ có hàm lượng cao hơn CO2 được một số nhà nghiên cứu đưa

ra như: Belchuk và Titov năm 1970; Kurokawa và đồng nghiệp năm 1966; Jackson và Sargent năm 1967; Matsunawa và Nishiguchi năm 1979 sử dụng hỗn hợp khí 5% Ar + 95% CO2; Fennel năm 1986 dùng hỗn hợp khí 5% Ar + 2%CO2 + He còn lại; Jackson và Sargent năm

1967, Lebedev năm 1977 dùng hỗn hợp có chứa ba yếu tố Ar, He và CO2 Ảnh hưởng của khí CO2 để khí Ar tác động tốt đến sự ổn định hồ quang được Malin đưa ra năm 1987 là hỗn hợp khí Ar +10% CO2 khi hàn NGW Kimura và đồng nghiệp năm 1979 khi thí nghiệm với các dây hàn xoắn đã phát hiện thấy độ ngấu tối đa ở lớp dưới cùng khe hở hẹp khoảng 10%

CO2 và sự gia tăng ổn định của nó khi hàm lượng CO2 tăng lên đến 40% trong hỗn hợp Một thử nghiệm cải tiến trên được thực hiện với hỗn hợp khí bảo vệ đặc biệt có hàm lượng khí He ( 50% He) Tuy nhiên, nhà khoa học người Nga Lebedev năm 1977 chỉ ra rằng khi bổ sung

He vào hỗn hợp khí bảo vệ đã có gây ảnh hưởng đến sự ổn định quá trình hàn khe hở hẹp, đặc biệt là khi  75 % He Thí nghiệm hàn NGW-II với dây hàn mỏng từ năm 1986 đã cho thấy chất lượng mối hàn có cải thiện nếu sử dụng hỗn hợp khí bảo vệ thương mại heli (Helishield 1; Ar + He - 85%; 1,5% CO2 - 25 % thể tích O2) khi so sánh với hỗn hợp ácgông (Argoshield

5, Ar- 5%, CO2 - 2% O2)

Một khó khăn lớn trong kỹ thuật hàn GMAW- NG là cần đảm bảo độ che phủ khí có hiệu quả cho vòng cung và bể hàn trong khe hở hẹp, có thể dẫn đến sự hình thành các lỗ xốp trong mối hàn [30] Probst và Hartung năm 1988 đề xuất giải pháp tăng tốc độ dòng chảy khí

tỷ lệ thuận với chiều dày phôi hàn Một nhà nghiên cứu Nhật Bản khi thí nghiệm hàn

NGW-II (năm 1966) đã phát hiện thấy: trên 100 mm chiều dày, tốc độ dòng chảy khí đốt cần thiết

để tạo ra lỗ xốp tự do hàn tăng mạnh so với giá trị ban đầu của nó là 25 lít/phút

Các nhà nghiên cứu khác như Belchuk và Titov năm 1970; Kurosawa và cộng sự năm 1966; Baxter năm 1979; Malin năm 1987; Lebedev năm 1977; Matsunawa và Nishiguchi năm 1979 đã chỉ ra rằng điện áp hay chiều dài hồ quang là một trong những yếu tố quan trọng đảm bảo đủ điều kiện cho sự thâm nhập đầy đủ mặt bên mối hàn và quá trình hàn được ổn định Khi điện áp hồ quang quá thấp, các mặt bên nhận không đủ nhiệt và thiếu phản ứng tổng hợp có khả năng để phát triển Đồng thời với điều kiện ngắn mạch, có thể quan sát thấy sự bắn tung tóe và một vòng cung hàn không ổn định Nếu tăng điện áp hồ quang thì có sự cải thiện hợp nhất với mặt bên Nhưng nếu chiều dài hồ

quang trở nên quá dài so với chiều rộng khe hở hàn thì các vòng quay tròn vật liệu hàn

có xu hướng di chuyển đến các lớp trên Ở điều kiện điện áp cao và trong không gian rất hẹp, các lớp hàn có thể tăng lên nhanh chóng dọc theo mặt bên mối hàn, điều đó làm cho quá trình này không hoạt động Ảnh hưởng của điện áp đến quá trình hàn khe hở hẹp ổn định được thực hiện theo mô hình nghiên cứu đề xuất của hai nhà khoa học Nhật Bản Matsunawa và Nishiguchi năm 1979 để nghiên cứu hành vi nói trên và cho thấy hiện tượng

đó giảm khi tăng hàm lượng khí CO2 trong hỗn hợp khí bảo vệ

Các nhà nghiên cứu Jackson và Sargent năm 1967; Kurokawa và đồng nghiệp năm 1966; Belchuk và Titov năm 1970; Lebedev năm 1977 đã chỉ ra rằng: không giống như hàn GMAW thông thường, nếu thực hiện hàn khe hở hẹp hầu như hoàn toàn với điện cực dương, thì hầu hết các nghiên cứu có liên quan đến nhóm hàn NGW-

II cho thấy ưu thế hơn của điện cực âm Các điểm có lợi thế sau đây đã được kết hợp khi hàn với điện cực âm ở một khoảng cách khe hở hàn hẹp: năng suất cao hơn; chiều sâu thấu lớn hơn; tỷ lệ chiều cao/chiều rộng thấp hơn, do đó dẫn đến độ nhạy thấp hơn của vết nứt

Các nhà khoa học Nhật Bản Murayama Masatoshi, Oazamoto Daisuke, Ooe Kensuke [30] trích dẫn kết quả nghiên cứu thực nghiệm của Matumoto và đồng nghiệp năm 1980 khi quan sát thấy hiện tượng hàn GMAW-NG bằng điện cực âm, các mặt bên giới hạn của khe hở hàn có ảnh hưởng đến hình dạng vòng cung hàn, điều đó dẫn đến sự gia tăng tính ổn định của hồ quang, đồng thời có sự thay đổi chế độ chuyển kim loại từ hình cầu đẩy để phun và giảm tỷ lệ tan chảy, trong khi đó phân cực ngược thay đổi không đáng kể Tuy nhiên, điện cực âm GMAW-NG vẫn có ảnh hưởng đến tính ổn định của hồ quang trong đường chuyền cuối cùng khi ảnh hưởng khe hở hẹp trên vòng quay trở nên không quan trọng

Tốc độ hàn có ảnh hưởng đến xu hướng chảy dưới vòng quay của bể hàn, sự xâm nhập mặt bên và nhiệt lượng đầu vào Ở tốc độ hàn thấp, bể hàn có khả năng chảy dưới vòng quay, để ngăn chặn nó cần đặt tấm chặn phía dưới của rãnh hàn như

đề xuất của các nhà nghiên cứu Kurokawa cùng đồng nghiệp năm 1966; Belchuk và Titov năm 1970 Tăng tốc độ hàn làm giảm nhiệt lượng đầu vào trong mối hàn Tuy nhiên, Malin năm 1987 đã chỉ ra rằng nếu tăng tốc độ hàn lên quá mức thì có thể gây

ra phản ứng tổng hợp đầy đủ, vì do không đủ làm nóng các mặt bên mối hàn

Quá trình phát triển công nghệ hàn GMAW-NG từ bước khởi đầu cho đến ngày nay vẫn được sử dụng nhiều nhất trong quá trình thu hẹp dần khoảng cách giữa các tấm thép cần hàn giáp mối (khe hở hàn) Tuy nhiên, còn có nhiều vấn đề như xu hướng hình thành lỗ xốp; hiện tượng văng tóe lên, … vẫn còn chưa được giải quyết về cơ bản và triệt để Điều đó dẫn đến hàn SAW ngày càng được sử dụng trong các ứng dụng khi hàn khe hở hẹp ở vị trí hàn bằng

Một số nhà nghiên cứu khác tập trung vào các vấn đề cơ bản của quá trình hàn khe

hở hẹp có thể kể ra như: Linden W Pierce ở Mỹ năm 2017 đưa ra bài tổng quan về lịch

sử phát triển công nghệ hàn từ năm 1895 đến năm 2016 [19]; Hamidreza Latifi nghiên cứu về tính thích nghi khi hàn quay nối đường ống [20]; Eric Martial Mvola Belinga năm

2012 đã tổng hợp các khái niệm cơ bản về các ứng dụng và tiềm năng phát triển của công nghệ hàn xung GMAW [21]; Barbara K Henon năm 2010 công bố bài tổng quan về hàn

tự động điện cực nóng chảy TIG năng suất cao [22]; P J Modenesi năm 1990 đưa ra mô hình số quá trình hàn khe hở hẹp [23]; Jeff M., Kikel năm 2007 nghiên cứu về vấn đề hàn dây điện cực nóng chảy khe hở hẹp hợp kim niken [24]; Salkin, Jonathan T năm

2007 nghiên cứu về quá trình, ứng dụng và triển vọng của công nghệ hàn khe hở hẹp bằng điện cực W [25]; Blackman S A, Dorling D.V và Howard R năm 2002 nghiên cứu

về hàn hai dây (tanđem) GMAW tốc độ cao ứng dụng trong hàn nối đường ống [26]; công nghệ hàn khe hở hẹp truyền thống do Dilthey U và đồng nghiệp công bố năm 2005 [27]; quá trình hàn chìm dọc theo khe hở hẹp theo khuyến cáo của hãng Lincoln Electric [28]; Jean-Pierre Barthoux người Pháp năm 2008 công bố về vấn đề hàn khe hở hẹp tấm vật liệu thành dày ứng dụng trong kỹ thuật hạt nhân và công nghiệp dầu khí [29]; Murayama Masatoshi, Oazamoto Daisuke, Ooe Kensuke năm 2015 nghiên cứu về vấn

đề công nghệ hàn GMAW khe hở hẹp [30]; Jae-Seong Kim, Hui-Jun Yi năm 2017 nghiên cứu về đặc điểm quá trình hàn GMAW khe hở hẹp đối với vỏ thép của xe cộ [31]; J Tušek năm 2002 nghiên cứu về hàn khe hở hẹp chìm bằng nhiều dây điện cực hàn [32];

J Näsström, J Fostevarg và A.F.H Kaplan năm 2018 công bố thông tin về kết quả nghiên cứu hàn khe hở hẹp bằng phương pháp hàn laser với điện cực nóng chảy [33]; các nhà khoa học Liên Xô trước đây gồm Paton B E, Pokhodnya I K năm 1980 nghiên cứu về vấn đề hàn tự động nối đường ống có đường kính lớn sử dụng dây hàn bọc thuốc

và khí bảo vệ [34]

Hướng nghiên cứu khác về các đặc tính m ối hàn khe hở hẹp được các nhà nghiên cứu ngoài nước thực hiện như: Willy Pang năm 1993 công bố kết quả khảo sát cấu trúc và đặc tính vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn giáp mối thành dày bằng năng lượng cao [35]; Wenbo Ma, Heng Zhang, Wei Zhu, Fu Xu và Caiqian Yang nghiên cứu về đặc tính ứng suất dư của cấu trúc vật liệu mối hàn vòng cung [36]; X Y Cai, C I Fan, S B Lin, C I Yang và J Y Bai năm 2020 công bố kết quả nghiên cứu các đặc tính hình thành của mối hàn khe hở hẹp khi hàn chìm GMAW ở nhiều vị trí khác nhau [37]; Jianfeng Wang, Qingjie Sun, Jicai Feng, Shilu Wang và Huanyao Zhao năm 2019 đăng tải kết quả nghiên cứu về các đặc tính quá trình hàn khe hở hẹp bằng phương pháp hàn TIG có sử dụng máy hiện sóng điện từ [38]; S Pike, C Allen, C Punshon, P Threadgill, M Gallegillo, B Holmes và J Nicolas năm 2010 đưa ra công bố tổng quan về công nghệ hàn ứng dụng cho sản phẩm hộp dùng một lần và có chất lượng cao [39]; tài liệu của Trung tâm hành chính vận tải đường cao tốc của Liên bang thuộc Mỹ về các công bố trong lĩnh vực hàn cầu đường [40]; Rami Pohja, Heikki Vestman, Petra Jauhiainen và Hannu Hanninen ở Phần Lan năm 2003 công bố bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu thực nghiệm hàn khe hở hẹp GMAW đối với ống đồng thành dày [41]; Guoqiang Liu, Xinhua Tang, Qi Xu, Fenggui

Lu và Haichao Cui ở pḥòng thí nghiệm quốc gia về vật liệu quá trình laser và biến thể (Thượng Hải – Trung Quốc) công bố về hình thái học (ngoại dạng) của mối hàn khe hở hẹp dòng điện xung GMAW đối với thép các bon thấp [42]; Sumi Hiroyuki, Kataoka Tokihiko và Kitani Yasushingười Nhật Bản năm 2015 công bố bài báo về ứng dụng quá trình hàn khe hở hẹp trong đóng tàu và kết cấu kiểu “J-Star” [43]; N Guo, S B Lin, L Zhang và C L Yang năm 2009 đăng tải bài báo giới thiệu về đặc tính vận chuyển kim loại hàn của quá trình hàn khe hở hẹp GMAW ở vị trí thẳng đứng [44]; Duan B., Wang J C., Lu Z H., Zhang G X., Zhang C H năm 2018 tại trường Đại học Sơn Đông công bố kết quả phân tích và tối ưu hóa quá trình hàn quay với khe hở hẹp [45]; D Kim M Kang

và S Rhee năm 2005 đưa ra công bố về việc xác định điều kiện hàn tối ưu bằng giải pháp thủ tục tìm kiếm với kiểm soát bất chợt tùy ý [46]; tài liệu của tác giả John Norrish đăng tải năm 1992 ở Anh về vấn đề các quá trình công nghệ và vật liệu mới [47]; tài liệu của hãng Lincoln Electric (Mỹ) về các sản phẩm và giải pháp thực hiện GMAW [48]; T C Nguyen, D C Wecman và D A Johnson năm 2007 công bố bài báo về vấn đề các khuyết tật gián đoạn của mối hàn khi hàn GMAW tốc độ cao [49]; Iwata Shinji, Murayama

Masatoshi và Kojima Yuji năm 2009 đăng tải bài báo về ứng dụng quá trình hàn quay tốc

độ cao với khe hở hẹp đối với kết cấu cột thành dày [50]; Blackman S A, Dorling D V

và Howard R công bố bài báo giới thiệu kết quả hàn GMAW xếp hàng dọc tốc độ cao ứng dụng cho kết cấu đường ống [51] Ngoài ra còn một số nghiên cứu về các giải pháp kiểm soát trực tuyến, cài đặt chương trình điều khiển tự động các thông số công nghệ quá trình hàn; điều kiện thực nghiệm với số lượng thí nghiệm nhỏ nhưng bao quát được miền nghiên cứu rộng [52]

Từ những công bố trên đây có thể cho rằng những định hướng cơ bản trong các nghiên cứ phát triển ở ngoài nước chủ yếu tập trung vào nhiều lĩnh vực chuyên sâu về cải tiến công nghệ và thiết bị hàn nói chung, thực nghiệm khảo sát đánh giá chất lượng mối hàn qua các đặc tính cơ lý và kim tương học, … Mối tương quan giữa chế độ hàn với hàm mục tiêu đánh giá chất lượng mối hàn còn chưa được hệ thống hóa đầy đủ đối với mỗi nhóm vật liệu hàn, …

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng hàn khe hở hẹp ở nước ngoài

Đầu tiên phải kể đến nhà khoa học Barbara K Henon năm 2010 công bố bài báo khoa học tổng quan về công nghệ hàn tiên tiến gồm một số vấn đề cơ bản của quá trình hàn TIG điện cực nóng chảy; hàn GTAW tự động; hàn khe hở hẹp; tự động hóa quá trình hàn; đắp kim loại; cảm biến giám sát và các cấu thành trong lĩnh vực năng lượng nguyên

tử [22] Theo đó, các quá trình hàn tiên tiến ứng dụng cho hàn các chi tiết kết cấu thành dày sẽ rất hiệu quả khi khe hở hàn khá hẹp với góc vát mép nhỏ (trong khoảng 2 ÷ 15o), đảm bảo chi phí dây hàn và thời gian hàn giảm

Kỹ thuật hàn khe hở hẹp (gọi tắt là NGW) được thực hiện bằng công nghệ hàn SAW, hàn trong môi trường có khí bảo vệ (MIG/MAG) và hàn trong môi trường khí trơ (TIG, GTAW) Tuy nhiên, mỗi một công nghệ hàn này đều cần có hệ thống thiết bị hàn chuyên dụng Những ưu điểm vượt trội và hạn chế của công nghệ hàn NGW có thể liệt kê như sau:

1) Năng suất hàn cao hơn khi hàn các tấm vật liệu có chiều dày lớn hơn 50 mm và

có góc vát mép nhỏ;

2) Dễ hình thành các khuyết tật trên biên giới kim loại mối hàn với mặt bên kim loai cơ bản; 3) Khó di chuyển đầu dò kiểm tra chất lượng mối hàn và chi phí cho quá trình hàn đắt đỏ

Có thể khắc phục được các hạn chế trên bằng các giải pháp như: sử dụng 2 điện cực hàn khi hàn SAW và MIG/MAG, sử dụng điện cực hàn có dao động, hoặc sử dụng

cơ cấu định hướng theo góc vát mép và cấp dây tự động theo một bên và sau đó theo bên đối diện trong khe hở hàn khi hàn MIG/MAG Từ đó cho thấy:

- Quy trình hàn GTAW điện cực nóng chảy là một công nghệ được sử dụng đầy

đủ, có thể mang lại lợi nhuận lớn trong ứng dụng phù hợp và khi được sử dụng trong các ngành công nghiệp đòi hỏi chất lượng cao, năng suất hàn cao;

- Mặc dù quy trình GTAW có tỷ lệ lắng đọng thấp hơn nhiều so với GMAW (MIG), nhưng chất lượng nói chung là vượt trội hơn

Trên hình 1.3 là một ví dụ minh họa cụ thể về nguyên lý hàn GTAW bằng điện cực nóng chảy [22] Cấu hình thiết bị hàn TIG dây nóng chảy gồm có bộ nguồn tích hợp bộ điều khiển và cụm đầu hàn tiêu chuẩn hóa như ảnh cho trên hình 1.4 [22]

Hình 1.3 Nguyên lý của quá trình hàn dây nóng TIG theo Katsuyosh và đồng

nghiệp được trích dẫn trong [22]

Kết quả nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của thành phần khí bảo vệ đến hình dạng mối hàn, cũng như chủng loại và hàm lượng các thành phần khí phối trộn có ảnh hưởng đáng kể đến hình dạng các lớp hàn đã được làm rõ khi sử dụng chụp khí bảo vệ (hình 1.5 a [22]) Hình dạng mối hàn theo mặt cắt ngang đường liên kết hàn nhận được tương ứng với các hàm lượng phối trộn các thành phần khí bảo vệ cho trên h́nh 1.5 b dưới đây [22] Đặc điểm khi khảo sát ảnh hưởng của khí bảo vệ đối với hình dạng bề mặt lớp hàn khe hở hẹp bằng hợp kim niken điển hình cho trên hình 1.6 [22] Hình ảnh tổ chức thô đại mối hàn bằng

kỹ thuật 1 lớp cho mỗi lượt hàn ở vị trí 5G được thực hiện với đầu hàn khe hẹp cho trên hình 1.7 [22] Một trong những ứng dụng đặc biệt của máy hàn khe hở hẹp với bộ điều khiển model 415 GTAW và bộ nguồn dây nóng chảy (hình 1.8 a, b) là dùng cho điều khiển

tự động mỏ hàn khe hẹp theo thiết kế của hãng Arc Machines [24]

Hình 1.5 Loại khí hàn có ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn: Hình dạng mối hàn thực hiện với 100% He và 75% Ar + 25% He (a); Hình dạng tiết diện ngang mối hàn với hỗn hợp 3/4 He + 1/4 Ar có bổ sung 1% và 5% H2 theo khuyến cáo cho phép của

hãng Arc Applications, Inc (b) [22]

Hình 1.6 Ảnh hưởng của khí bảo vệ đối với

hình dạng bề mặt lớp hàn bằng hợp kim

niken của Babcock & Wilcox [22]

Hình 1.7 Hình ảnh thô đại các mối hàn bằng kỹ thuật 1 lớp mỗi lượt hàn

ở vị trí 5G được thực hiện với đầu

hàn khe hẹp [22]

a) b)

Hình 1.8 Ảnh bộ nguồn hàn dây nóng chảy (a) và bộ điều khiển model 415

quá trình hàn GTAW (b) [24]

Đã có ứng dụng giải pháp kỹ thuật điện cực vônphram và dây hàn đều cùng quay

từ bên này sang bên kia, đảm bảo khá tốt sự đồng nhất các thành bên một cách vượt trội

hơn trong các sản phẩm hàn khe hở rất hẹp [22] Đầu tiên giải pháp này được ứng dụng

trong sản xuất hàn đường ống có thành dày, đầu hàn này rất hiệu quả để sửa chữa các

tuabin lớn và để sản xuất các tàu lớn, có thành dày có thể yêu cầu hàn trong các rãnh

rộng khoảng 9/16 inch và sâu tới 12 inch, còn chiều rộng là 12,8 mm, chiều sâu tới 304,8

mm (hình 1.9) [22]

a) b)

Hình 1.9 Ảnh cụm đầu hàn khe hẹp cho khe hở 12 inch (a); Đầu hàn 12 inch trong

mô hình mô phỏng khe hở hẹp (b) [22]

Hệ thống giám sát từ xa được sử dụng cho quá trình hàn khe hở hẹp có thể quan sát

theo dõi tiến trình hình thành mối hàn Hệ thống có thể được điều chỉnh phù hợp với chế độ

hàn khe hở hẹp điện cực nóng chảy GTAW được cài đặt cho trên hình 1.4a Nó cho phép

người vận hành quan sát rõ vũng hàn và cấp dây hàn, làm giảm hoặc loại bỏ khuyết tật, giúp

cho việc quản lý chất lượng hàn một cách trực quan và có thể được ghi lại trên băng video

để lưu trữ theo thời gian thực Ứng dụng của thiết bị hàn khe hở hẹp điện cực nóng chảy

GTAW có đầu dò giám sát khe hở hàn nói trên cho trên hình 1.10 b [22]

Những ứng dụng khác và nguyên lý kết cấu đầu hàn, đồ gá hàn khe hở hẹp của hãng Babcock & Wilcox đã đưa vào ứng dụng trong sản xuất công nghiệp bằng công nghệ hàn điện cực nóng chảy tự động GTAW với đầu dò giám sát quá trình trong khe hở hàn trên hình 1.11 và công nghệ hàn điện cực nóng chảy GTA trên hình 1.12 [22] Việc ứng dụng công nghệ hàn tự động điện cực nóng chảy GTAW (TIG) để chế tạo các kết cấu chính hạng nặng của nhà máy điện nguyên tử đạt chất lượng sản phẩm

có yêu cầu kỹ thuật rất cao (hình 1.13 và hình 1.14) [22]  [25] Theo đó, hàn điện cực nóng chảy GTAW là một dạng của công nghệ hàn GTAW (TIG), khi đó dây điện cực hàn được làm nóng chảy bằng nguồn điện riêng trước khi đi vào vũng hàn Do năng lượng từ bộ nguồn GTAW không được sử dụng để làm nóng dây dẫn, nên có nhiều năng lượng hơn để kim loại hàn ngấu hơn với tốc độ di chuyển nhanh hơn Hàn GTAW điện cực nóng chảy tự động được sử dụng rất hiệu quả cho các vật liệu khó hàn Thiết kế đầu hàn cải tiến mới đã góp phần vào tính linh hoạt và tính thiết thực của công nghệ hàn tiên tiến này (hình 1.15) [22]  [25]

lò hạt nhân nặng Babcock và Wilcox [22]

Hình 1.13 Hình ảnh một trong sản phẩm

lò hạt nhân do Babcock & Wilcox [22] 

[25]

Hình 1.14 Hình ảnh bộ phận lò hạt nhân Babcock & Wilcox chế tạo bằng công nghệ điện cực nóng chảy GTAW [22]  [25] Lợi ích của ứng dụng các giải pháp kỹ thuật mới trong hàn khe hở hẹp (kết cấu mối hàn NGW có chiều rộng 0,5 inch và chiều sâu lên đến 12 inch): thiết kế mối nối khe hở hẹp hoàn toàn khác biệt, cho phép giảm đáng kể chi phí gia công, giảm thời gian, giảm ứng suất dư và biến dạng, giảm chi phí gia công chuẩn bị mối hàn so với công nghệ hàn giáp mối thông thường Trên hình 1.16 là ảnh minh họa đầu hàn quay ứng dụng cho hàn ống với khe hở hẹp kết cấu cơ khí trong ngành năng lượng hạt nhân hạng nặng của hãng Babcock & Wilcox [22]  [25]

Hình 1.15 Hình ảnh đầu hàn khe hẹp gắn

trên máy hàn Inc trong hệ thống tự động

hóa cố định model 2 với định vị từ xa,

camera dẫn và theo dõi độ nghiêng đầu

hàn từ xa [22]  [25]

Hình 1.16 Hình ảnh kết cấu cơ khí trong ngành năng lượng hạt nhân hạng nặng của hãng Babcock & Wilcox (Mỹ) [22]  [25]

Về nguyên lý, hàn giáp mối các tấm dày từ vật liệu bằng thép, hợp kim đồng với khe hở hẹp và góc vát mép khác nhau có thể thực hiện trên một số thiết bị hàn có cấu hình gồm bộ nguồn hàn, cụm đầu hàn, bộ điều khiển, bộ giám sát quá trình hàn ngày

càng được đầu tư mạnh cho việc phát triển hệ thống thiết bị hàn tiên tiến tại các nước công nghiệp phát triển trên thế giới Kết quả nghiên cứu công bố của tác giả bài báo khoa học với chủ đề về công nghệ hàn khe hở hẹp, hàn có khí bảo vệ, hàn điện xỉ, … [28]  [39] đã nêu ra các đặc điểm của những quá trình này như sau:

+ Mép hàn hẹp, các mép hàn gần như song song có góc hàn khá nhỏ (2 ÷ 20o); + Có thể hàn được 1 hoặc 2 khe hở trong mỗi lần di chuyển của các đầu hàn;

+ Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) thường rất nhỏ do năng lượng đầu vào thấp;

+ Ưu điểm cơ bản: lợi nhuận là từ mức tiêu thụ năng lượng thấp; số lượng vật liệu, khí bảo vệ, hoặc bột hàn có hiệu suất cao; chất lượng mối hàn cao và HAZ nhỏ do nhiệt đầu vào thấp; giảm xu hướng co ngót và cong vênh mối hàn đến mức thấp;

+ Nhược điểm: chi phí đầu tư mua máy hàn cao, đặc biệt phải kiểm soát đầu mối hàn

và khó khăn trong việc cấp dây hàn; mối hàn có thể không hoàn hảo nếu độ dày khe hở lớn

do khó tiếp cận trong quá trình điều khiển

Lấy ví dụ điển hình: sơ đồ nguyên lý hàn khe hở hẹp khác nhau (hình 1.17) sự phát triển của mỏ hàn cho hàn khe hẹp điện cực nhiều dây (hình 1.18), với nguyên lý cấp dây hàn của đầu hàn khác nhau (hình 1.19) [32] Tổ chức thô đại của mối hàn khe hở hẹp khi dùng đầu hàn 2 dây có đặc điểm như cho trên hình 1.20 dưới đây [32]

Hình 1.17 Các sơ đồ nguyên lý hàn khe hở hẹp khác nhau [32]:

a) Đầu hàn TIG khe hở hẹp (bên trái) và đầu hàn TIG khe hở hẹp cho tấm mỏng;

b) Hàn MIG/MAG với khe hở hẹp, 2 đầu hàn lắc ngang (trái), 1 đầu hàn quay vòng (giữa) và đầu hàn vừa lắc ngang vừa quay (phải); c) Hàn MIG/MAG với 3 phương án chuyển động phức tạp của đầu hàn; d) Hàn khe hở hẹp với dây hàn bị biến đổi xoắn

quanh trục