thử nghiệm qui trình in 3d kim loại với phương pháp nóng chảy tấm kim loại

v TÓM TẮT ĐỒ ÁN THỬ NGHIỆM QUI TRÌNH IN 3D KIM LOẠI VỚI PHƯƠNG PHÁP NÓNG CHẢY TẤM KIM LOẠI Đồ án này chủ yếu tập trung khảo sát thông số tạo hình của quá trình in 3D kim loại với vật l

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ in 3D (Three Dimensional Printing) hay còn gọi là phương pháp gia công đắp lớp (Additive Manufacturing) đang ngày càng phát triển và trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực đời sống như: công nghiệp sản xuất, chế tạo, y khoa, kiến trúc, xây dựng… chủ yếu chúng được sử dụng trên vật liệu nhựa nhằm tạo ra những sản phẩm dưới dạng mô hình Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp in này đó là sản phẩm có sức bền và sức chịu nhiệt kém Như một lẽ tất yếu, công nghệ in 3D kim loại xuất hiện để giải quyết vấn đề đó

Công nghệ in 3D kim loại trên thế giới đã phát triển rất mạnh mẽ Ở Việt Nam công nghệ này vẫn còn chưa được tiếp cận nhiều do còn hạn chế về kinh tế, giá thành máy, vật liệu in cao vượt quá khả năng chi trả của các doanh nghiệp Công nghệ in 3D với vật liệu dạng tấm trên nền phẳng sử dụng hệ thống máy CNC, năng lượng hồ quang của hàn TIG nung chảy với vật liệu kim loại dạng tấm Nhờ vậy giảm đáng kể chi phí thiết bị và nguyên vật liệu, giảm thời gian chế tạo so với các phương pháp in 3D khác, giúp các doanh nghiệp Việt Nam dễ tiếp cận hơn Từ đó, góp phần thúc đẩy quá trình phát triển khoa học kỹ thuật ở nước ta Tuy nhiên, quá trình đắp lớp có liên quan đến hàn nên gây ra ứng suất dư và biến dạng sản phẩm do nhiệt độ cao sẽ ảnh hưởng đến độ khả năng tạo hình của sản phẩm Vì vậy, đề tài “Thử nghiệm qui trình in 3D kim loại với phương pháp nóng chảy tấm kim loại” được thực hiện với mục đích khảo sát và tìm ra thông số phù hợp cho phương pháp này.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Thử nghiệm quy trình in 3D kim loại bằng phương pháp nóng chảy tấm kim loại xác định thông số tối ưu, nhận diện các khó khăn tồn đọng trong công nghệ này sử dụng máy hàn TIG Kết quả từ nghiên cứu này cung cấp nền tảng cơ bản cho việc tìm hiểu và phát triển công nghệ in 3D kim loại dạng tấm trong tương lai.

Phương pháp in 3D kim loại kết hợp giữa máy hàn TIG và máy CNC có thể tạo ra các sản phẩm với nguồn chi phí đầu tư thấp, giúp các doanh nghiệp Việt Nam có thể tiếp cận với công nghệ in 3D kim loại.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài “Thử nghiệm qui trình in 3D kim loại với phương pháp nóng chảy tấm kim loại” được thực hiện với mục đích:

– Tìm hiểu các thiết bị liên quan đến in 3D kim loại dạng tấm

2 – Lập bảng thông số bao gồm: Cường độ dòng điện, chiều dài hồ quang, vận tốc của máy CNC, lượng khí bảo vệ, khoảng cách giữa hai mối hàn liên tiếp

– Thực nghiệm tạo hình mẫu theo bảng thông số đã chọn nhằm đánh giá độ bền của mẫu.

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Thử nghiệm qui trình in 3D kim loại với phương pháp nóng chảy tấm kim loại bằng phương pháp kết hợp máy hàn TIG và máy phay CNC

Nghiên cứu quá trình đắp lớp bằng phương pháp hàn TIG bằng vật liệu thép Đề tài chủ yếu tập trung vào thử nghiệm qui trình in 3D kim loại với phương pháp nóng chảy tấm kim loại in 3D kim loại với vật liệu dạng tấm trên nền phẳng, tổng hợp phân tích số liệu và đưa ra được phương án tối ưu nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến công nghệ in 3D, công nghệ hàn TIG và máy CNC, phương pháp thử nghiệm kéo, phương pháp kiểm tra vi sinh vật, phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Thử nghiệm qui trình in 3D kim loại với phương pháp nóng chảy tấm kim loại theo nhiều thông số khác nhau, từ đó phát hiện ra những khó khăn trong quá trình in 3D cũng như đưa ra được thông số phù hợp nhất.

Giới hạn của đề tài

Chỉ nghiên cứu phôi thép C08 có dạng tấm dày 2mm và trên nền phẳng

Sử dụng máy hàn TIG Jasic 250A W227.

Kết cấu đồ án

Nội dung đồ án gồm 6 chương sau:

Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu thiết bị in 3D kim loại bằng phương pháp hàn trong và ngoài nước.

TỔNG QUAN

Công nghệ in 3D

In 3D là quá trình ứng dụng các thiết bị được hỗ trợ của máy tính (CAD) để tạo ra các vật thể ba chiều bằng phương pháp phân lớp Đây còn được gọi là quá trình phụ gia Những máy in 3D thường sử dụng các loại vật liệu khác nhau như nhựa, kim loại hoặc vật liệu sinh học Chúng có khả năng tạo ra các mô hình có kích thước, màu sắc, độ cứng,… vô cùng đa dạng [1]

Trong quá trình in 3D, những đối tượng vật lý được tạo ra từ các thiết kế kỹ thuật số Hình thể được tạo ra chính là sự kết hợp giữa các vật liệu mỏng đã được in ra trước đó Công nghệ in 3D phần lớn được sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất, chế tạo như: sản xuất ô tô, thiết bị trợ thính, hàng không,… b Khái niệm công nghệ in 3D

Công nghệ in 3D còn có tên gọi là công nghệ chế tác cộng (Additive Manufacturing – AM) là công nghệ làm ra các sản phẩm bằng cách lần lượt tạo ra các lớp vật liệu xếp chồng lên nhau (in 3D) theo các quy trình được điều khiển tự động bằng máy tính [4]

Cách gọi trên làm nổi bật đặc điểm khác biệt với cách chế tác kiểu trừ (Substractive Manufacturing – SM) là cách chế tác kinh điển phổ biến đã có từ xưa Đó là, từ cách đục, đẽo đá thành công cụ sản xuất của người cổ xưa đến các cách cưa, cắt, bào, mài, khoan,… để làm ra vật dụng, máy móc của con người đều là cách làm từ khối vật liệu to lấy bớt đi (trừ) để thành sản phẩm có kích thước, hình dáng thích hợp [4]

Công nghệ in 3D có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm công nghiệp sản xuất, y tế, giáo dục, nghệ thuật và thiết kế Các ứng dụng cụ thể bao gồm việc tạo ra mô hình prototype, sản xuất linh kiện máy móc, tạo ra mô hình y tế cho mục đích giáo dục hoặc nghiên cứu, và sản xuất các sản phẩm tùy chỉnh hoặc độc đáo

2.1.1 Các giai đoạn lịch sử của công nghệ in 3D

- 1984, Charles Hull là người đầu tiên phát minh ra Stereolithography, một phương pháp đột phá tạo ra một đối tượng 3D hữu hình từ những dữ liệu kỹ thuật số

- 1986, Charles Hull thành lập công ty 3D System và phát triển máy in 3D thương mại đầu tiên được gọi là Stereolithography Apparatus (SLA)

- 1987, 3D System phát triển dòng sản phẩm SLA-250, đây là phiên bản máy in 3D đầu tiên được giới thiệu ra công chúng

- 1988, Scott Crump phát minh ra công nghệ Fused Deposition Modeling (FDM)

- 1991, Helisys bán chiếc máy đầu tiên dùng công nghệ Laminated Object Manufacturing (LOM)

- 2005, Z Corp giới thiệu dòng máy Spectrum Z510 Đây là dòng máy in 3D đầu tiên tạo ra những sản phẩm có nhiều màu sắc chất lượng cao

- 2006, Dự án máy in 3D mã nguồn mở được khởi động – Reprap – mục đích có thể tạo ra những máy in 3D có thể sao chép chính bản thân nó

- 2008, Phiên bản đầu tiên của Reprap được phát hành Nó có thể sản xuất được 50% các bộ phận của chính mình Objet Geometries Ltd đã tạo ra cuộc cách mạng trong ngành tạo mẫu nhanh khi giới thiệu Connex500™ Đây là chiếc máy đầu tiên trên thế giới có thể tạo ra sản phẩm 3D với nhiều loại vật liệu khác nhau trong cùng 1 thời điểm [2]

2.1.2 Nguyên lí và quá trình in 3D a Nguyên lí

Dựa trên nguyên lý một vật thể ba chiều có thể được tạo thành bởi sự kết hợp của nhiều khối lớp mỏng lại với nhau, công nghệ sản xuất bồi đắp hay in 3D được ra đời Việc tạo ra các khối hình có độ dày cực kỳ nhỏ, gần như giống các khối hình phẳng dạng 2D sẽ dễ dàng hơn nhiều việc kết hợp vật liệu để tạo hình 3D ngay từ đầu, đặc biệt là các vật thể có độ phức tạp cao mà gia công định hình không thể làm được [3] b Quá trình in 3D

Tạo mô hình 3D: Bước đầu tiên là tạo ra một mô hình 3D của đối tượng cần in Mô hình này có thể được tạo ra bằng cách sử dụng phần mềm thiết kế 3D hoặc bằng cách quét một đối tượng thực tế bằng máy quét 3D

Trong quá trình chuẩn bị mô hình in 3D, mô hình sẽ được xử lý thành nhiều lớp mỏng, còn gọi là lớp cắt (slice), ứng với độ dày vật thể thực Quá trình này được gọi là slicing Phần mềm slicing định dạng mô hình 3D thành các lớp cắt và tạo ra tập tin gcode hướng dẫn máy in 3D cách in từng lớp.

In 3D: Máy in 3D sau đó sử dụng vật liệu như nhựa PLA, ABS, nhựa nhiệt, kim loại, gỗ hoặc thậm chí tế bào sinh học như mô làm từ tế bào trong y học, để in từng lớp của đối tượng Mỗi lớp được in ra theo hướng dẫn từ tập tin gcode, với vật liệu được đặt và kết đặt để tạo ra hình dạng cuối cùng của đối tượng

Hoàn thiện và kết thúc: Sau khi in xong, đối tượng 3D có thể cần một số bước hoàn thiện như làm sạch bụi bẩn hoặc hỗn hợp, tẩy rửa vật liệu dư thừa hoặc sơn phủ Đối tượng in 3D sau đó được lấy ra và kiểm tra để đảm bảo chất lượng và độ chính xác

Sử dụng đối tượng in 3D: Cuối cùng, đối tượng in 3D có thể được sử dụng cho mục đích mong muốn, bao gồm việc hiển thị, sử dụng trong sản xuất, nghiên cứu, giáo dục hoặc bất kỳ ứng dụng nào phù hợp khác

2.1.3 Các phương pháp in 3D phổ biến nhất hiện nay a Công nghệ in 3D SLA

Phương pháp in 3D SLA (viết tắt Stereolithography) là công nghệ tạo hình 3D từ chất nhựa polyme nhạy nhiệt ở dạng lỏng sang thành sản phẩm thực tế dựa trên mô hình thiết kế mong muốn [4]

Dưới đây là quá trình cơ bản của công nghệ in 3D SLA:

Chuẩn bị mô hình 3D: Bắt đầu bằng việc tạo ra hoặc lấy một mô hình 3D của đối tượng cần in, thông qua phần mềm thiết kế 3D hoặc quét 3D

Máy in 3D SLA sử dụng bể chứa vật liệu polymer lỏng và bàn in di động Bàn in có lớp chất xoa chuyên dụng để ngăn vật liệu in bám dính vào bề mặt, tạo điều kiện cho quá trình in diễn ra suôn sẻ.

In 3D: Một lớp mỏng của vật liệu polymer dẻo được phân phối đều lên bề mặt của bàn in Một laser UV sau đó được sử dụng để chuyển hóa vật liệu polymer dẻo từ trạng thái lỏng sang rắn, tạo ra một lớp của đối tượng 3D Bàn in sau đó di chuyển xuống một khoảng cách nhất định và quá trình này được lặp lại cho đến khi toàn bộ đối tượng được in hoàn chỉnh

Công nghệ in 3D kim loại

2.2.1 Tổng quan về in 3D kim loại

Công nghệ in 3D đã ra đời từ khá lâu, nhưng chủ yếu chúng được sử dụng trên vật liệu nhựa nhằm tạo ra những sản phẩm dưới dạng mô hình Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp in này đó là sản phẩm có sức bền và sức chịu nhiệt kém Sau đó, công nghệ in 3D kim loại ra đời Và đúng với tên gọi của mình, công nghệ này tạo ra các sản phẩm bằng kim loại và khắc phục những nhược điểm của công nghệ in 3D truyền thống trước đó, tạo nên những sản phẩm có độ bền cao Bên cạnh đó, chúng còn giúp đẩy nhanh quá trình sản xuất, từ đó tiết kiệm được thời gian lẫn chi phí cho doanh nghiệp [5]

Hiện nay công nghệ in 3D kim loại có 2 dạng chính là DMLS và SLM Về căn bản, các phương pháp này khá giống nhau, cụ thể: [5]

- Nhằm giảm thiểu quá trình oxy hóa của bột kim loại, buồng xây dựng được đổ đầy khí trơ

- Bột kim loại sẽ được làm nóng đến nhiệt độ tối ưu

- Đổ lớp bột kim loại mỏng ra ngoài tấm nền và sử dụng tia laser hoạt động với công suất cao để thực hiện công đoạn cắt

- Để sản phẩm ở nhiệt độ phòng và hạn chế lượng bột kim loại dư thừa

- Cuối cùng là tách thành phẩm ra khỏi tấm nền thông qua việc cắt, kết với gia công và đưa vào sử dụng

Sự khác biệt giữa DMLS và SLM là về các nguyên tắc cơ bản của quá trình liên kết hạt (và cả bằng sáng chế) Công nghệ SLM sử dụng bột kim loại với nhiệt độ nóng chảy duy nhất và làm tan chảy hoàn toàn các hạt Còn đối với công nghệ DMLS, bột được tạo thành từ các vật liệu có điểm nóng chảy thay đổi cấp độ phân tử ở nhiệt độ cao [6]

2.2.2 Ưu và nhược điểm của công nghệ in 3D kim loại a Ưu điểm

- Tính chính xác cao: Công nghệ in 3D kim loại cho phép sản xuất các chi tiết với độ chính xác cao, đặc biệt là các chi tiết có hình dạng phức tạp và chi tiết nhỏ

- Tính linh hoạt trong thiết kế: Sản phẩm in 3D kim loại có thể được thiết kế với hình dạng phức tạp và cấu trúc tinh tế mà không gặp hạn chế về công nghệ sản xuất truyền thống

- Tiết kiệm thời gian và chi phí: So với các phương pháp gia công truyền thống, công nghệ in 3D kim loại có thể giảm thời gian và chi phí sản xuất do không cần phải tạo khuôn hoặc dụng cụ đặc biệt

Sản xuất tùy chỉnh là một khía cạnh quan trọng của sản xuất bồi đắp, cho phép sản xuất hiệu quả các sản phẩm tùy chỉnh hoặc số lượng nhỏ Từ các phụ tùng máy móc chính xác đến các sản phẩm y tế được cá nhân hóa, công nghệ này cung cấp sự linh hoạt trong sản xuất, cho phép tạo ra các sản phẩm phù hợp với nhu cầu cụ thể của khách hàng.

- Hiệu suất cao: Công nghệ in 3D kim loại tạo ra các sản phẩm có độ bền và hiệu suất cao, phù hợp cho nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp và y tế b Nhược điểm

- Chi phí cao: Tính đến hiện tại, công nghệ in 3D kim loại vẫn đắt đỏ so với các phương pháp sản xuất truyền thống, đặc biệt là với các kim loại quý như titan hoặc niken

- Yêu cầu công nghệ và kiến thức cao: Vận hành và bảo dưỡng máy in 3D kim loại đòi hỏi kiến thức chuyên sâu và kỹ năng kỹ thuật cao

Máy in 3D kim loại có giới hạn cụ thể về kích thước in, dẫn đến sự kém linh hoạt so với máy in 3D sử dụng vật liệu nhựa Điều này giới hạn khả năng tạo các đối tượng lớn hơn hoặc có hình dạng phức tạp, hạn chế tính ứng dụng của máy in 3D kim loại trong một số trường hợp.

- Quá trình chuẩn bị phức tạp: Chuẩn bị quá trình in 3D kim loại, bao gồm chuẩn bị bề mặt và hỗ trợ, có thể phức tạp và tốn nhiều thời gian

- Tiêu hao năng lượng lớn: Quá trình nung chảy kim loại trong máy in 3D kim loại yêu cầu nhiều năng lượng, góp phần làm tăng chi phí sản xuất

2.2.3 Quy trình in 3D kim loại

Chuẩn bị mô hình 3D: Bắt đầu với việc tạo ra hoặc lấy một mô hình 3D của đối tượng cần in, thông qua phần mềm thiết kế 3D hoặc quét 3D

Chuẩn bị máy in 3D kim loại: Máy in 3D kim loại thường có một hệ thống bể chứa chứa hạt kim loại nung chảy, cùng với một bàn làm việc và một máy laser hoặc electron beam để nung chảy hạt kim loại

14 Tiền xử lý: Trước khi bắt đầu in, bề mặt của bàn làm việc được phủ một lớp chất xoa đặc biệt để hỗ trợ việc bám dính và ngăn chảy ra của kim loại Nếu cần, một lớp hỗ trợ có thể được tạo ra để hỗ trợ các chi tiết phức tạp hoặc cung cấp sự ổn định cho các chi tiết treo lơ lửng

In 3D: Hạt kim loại được phân phối đều trên bề mặt của bàn làm việc Một máy laser hoặc electron beam sau đó được sử dụng để tác động vào vùng được chọn trên bề mặt của bàn, nung chảy hoặc liên kết các hạt kim loại lại với nhau theo một mẫu cụ thể Bàn sau đó di chuyển xuống một khoảng cách nhất định và quá trình này được lặp lại cho đến khi toàn bộ đối tượng được in hoàn chỉnh

Làm mát và đóng rắn: Ngay sau khi mỗi lớp được in, nó sẽ làm mát và đóng rắn, tạo thành lớp cố định của đối tượng 3D Quá trình này lặp lại cho đến khi toàn bộ đối tượng được in hoàn chỉnh

Hoàn thiện: Sau khi hoàn thành in ấn, đối tượng 3D có thể cần một số bước hoàn thiện, bao gồm làm sạch bụi bẩn hoặc hỗn hợp, loại bỏ vật liệu dư thừa và hoàn thiện bề mặt Bước hoàn thiện này giúp loại bỏ các khuyết tật nhỏ, cải thiện tính thẩm mỹ của đối tượng và đảm bảo độ bền lâu dài.

Kiểm tra và đánh giá: Đối tượng in 3D được kiểm tra để đảm bảo chất lượng và độ chính xác theo các tiêu chuẩn được đề ra

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phương pháp kiểm tra độ bền kéo

3.1.1 Cơ sở lý thuyết của thử nghiệm kéo

Thử nghiệm kéo là phương pháp thông dụng để đánh giá chất lượng và tính chất cơ học của thép Thông qua quá trình thử nghiệm này, người ta có thể xác định khả năng chịu lực căng của vật liệu thép đồng thời nắm được thông tin quan trọng về giới hạn bền và giới hạn chảy của thép.

- Kết quả chính xác và chi tiết: Phương pháp thử nghiệm kéo cung cấp dữ liệu chính xác và chi tiết về đặc tính cơ học của thép, bao gồm giới hạn bền và giới hạn chảy

- Đặc tính vật liệu: Cho phép so sánh giữa các loại thép khác nhau, giúp chọn lựa vật liệu phù hợp với yêu cầu cụ thể của ứng dụng

- Hiểu Rõ Tính Năng Vật liệu: Giúp nhà nghiên cứu và kỹ sư hiểu rõ hơn về tính chất cơ học của thép, đặc biệt là trong điều kiện căng

- Quy trình thực hiện: Quy trình thử nghiệm kéo có thể được kiểm soát chặt chẽ, giúp đảm bảo tính đồng nhất và khách quan của kết quả

- Phá hủy mẫu: Quá trình thử nghiệm kéo thường dẫn đến mẫu bị phá hủy hoắc bị biến dạng vĩnh viễn trong quá trình thử nghiệm Điều này đồng nghĩa làm mất khả năng sử dụng của mẫu cho các thử nghiệm tiếp theo

- Chuẩn bị mẫu phức tạp: Thử nghiệm kéo đòi hỏi phải chuẩn bị các mẫu thử có kích thước và hình dạng cụ thể Việc này có thể tốn thời gian và có thể cần thêm thiết bị hỗ trợ hoặc chuyên môn để đảm bảo kết quả chính xác và đồng nhất

- Hạn chế cỡ mẫu: Không phải tất cả các mẫu đều phù hợp cho phương pháp thử nghiệm này Kích thước và hình dạng của mẫu đôi khi có thể không phù hợp để áp dụng phương pháp thử kéo, đặc biệt là các mẫu có kích thước lớn

- Phụ thuộc vào tình trạng mẫu: Kết quả có thể bị ảnh hưởng bởi tình trạng bề mặt của mẫu và kẹp, đặc biệt là khi có các vết nứt hoặc dấu vết

- Chi phí và thời gian: Quá trình thử nghiệm có thể đòi hỏi chi phí và thời gian đáng kể, đặc biệt là khi thử nghiệm trên nhiều mẫu và theo các tiêu chuẩn cụ thể

Quy trình thử nghiệm kéo thép thường bao gồm các bước sau:

Để tiến hành thử nghiệm kéo giãn, cần chuẩn bị mẫu thử bằng thép theo kích thước và hình dạng phù hợp Mẫu thử thường được tạo thành dạng que hình trụ có đường kính và chiều dài quy chuẩn, hoặc dạng biên dạng theo yêu cầu với độ dày xác định.

- Đặt mẫu vào máy thử nghiệm kéo: Mẫu được đặt giữa hai ngàm của máy thử nghiệm kéo, mẫu và đươc cố định hai đầu bằng ngàm, sau đó máy sau đó áp dụng lực căng dần dần lên mẫu theo điều chỉnh nút vặn và kéo mẫu dọc trục cho đến khi mẫu bị kéo đứt

Trong quá trình thử nghiệm, các thiết bị đo lực sẽ theo dõi sự biến dạng của mẫu kéo theo thời gian Đồng thời, các tham số tại các điểm biến dạng này cũng được ghi lại để phục vụ cho việc phân tích dữ liệu.

- Phân tích kết quả: Dữ liệu thu được từ thử nghiệm được sử dụng để xác định các đặc tính cơ học của thép như lực kéo bền, lực kéo chảy, giới hạn bền và giới hạn chảy

Khi kẹp mẫu vào ngàm trong quá trình thử nghiệm kéo thép, quy trình này đòi hỏi sự chú ý và chính xác để đảm bảo rằng kết quả thử nghiệm là chính xác và đáng tin cậy Dưới đây là một số điểm cần chú ý khi kẹp mẫu vào ngàm:

- Chuẩn bị mẫu đúng cách: Trước khi bắt đầu thử nghiệm, đảm bảo rằng mẫu thép đã được chuẩn bị đúng theo quy định Kích thước và hình dạng của mẫu cần phải đáp ứng đúng theo các yêu cầu kỹ thuật

- Kiểm tra độ chặt của kẹp: Đảm bảo rằng kẹp có độ chặt đủ để giữ mẫu vào ngàm

- Đảm bảo tâm của mẫu trong ngàm: Mẫu cần được đặt chính xác và căn giữa trong ngàm để tránh biến đổi kết quả do sự nghiêng hoặc không chính xác của mẫu

Phương pháp phân tích tổ chức tế vi

Phân tích tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học là quá trình nghiên cứu và đánh giá cấu trúc và tổ chức của mẫu vật liệu, chủ yếu là kim loại và hợp kim kim loại, bằng cách sử

22 dụng ánh sáng nhìn thường Kính hiển vi quang học cung cấp hình ảnh với độ phóng đại thấp hơn so với các phương pháp kính hiển vi điện tử, nhưng nó rất quan trọng để xác định thông tin về cấu trúc tế bào, kích thước hạt, và sự đồng đều của vật liệu

Phương pháp phân tích tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học có nhiều ưu điểm và nhược điểm Dưới đây là một số điểm chính: Ưu Điểm:

- Chi phí thấp: Phương pháp này thường có chi phí thấp hơn so với nhiều kỹ thuật khác, đặc biệt là so với kính hiển vi điện tử

- Dễ thực hiện và sử dụng: Kính hiển vi quang học là một công cụ dễ sử dụng và dễ thực hiện Không yêu cầu quá trình chuẩn bị mẫu phức tạp như nhiều phương pháp khác

- Quan sát với nhiều độ phóng đại: Cung cấp khả năng quan sát mẫu ở nhiều phóng đại khác nhau, từ thấp đến cao, tùy thuộc vào cấu hình và ống kính sử dụng

- Độ phóng đại hạn chế: Độ phóng đại của kính hiển vi quang học thường thấp hơn so với kính hiển vi điện tử, giới hạn khả năng quan sát chi tiết ở mức cao hơn

- Giới hạn độ phân giải: Khả năng phân giải của kính hiển vi quang học giới hạn, không cho phép quan sát các chi tiết rất nhỏ hoặc cấu trúc ở mức nguyên tử

- Khả năng đánh bóng và mài mẫu: Việc đánh bóng và mài mẫu có thể tạo ra biến đổi trong cấu trúc mẫu so với trạng thái tự nhiên

Quan sát bằng kính hiển vi giúp chúng ta thấy được cấu trúc, sự phân bố, hình dạng và kích thước của các pha trong vật liệu Ngoài ra, phương pháp này còn có thể phát hiện các khuyết tật trong vật liệu như vết nứt và tạp chất.

+ Cắt mẫu: Mẫu kim loại được cắt thành các mảnh nhỏ với kích thước phù hợp để thuận tiện cho việc quan sát

Để tạo tác phẩm điêu khắc hoàn mỹ, đúc mẫu là bước quan trọng nếu mẫu gốc quá nhỏ Quá trình mài và đánh bóng sau đó loại bỏ các khuyết tật bề mặt, tạo nên tác phẩm sáng bóng và có độ tinh xảo cao.

- Sử dụng dung môi: Mẫu có thể được bôi dung môi như axit hoặc dung dịch kiềm để tạo ra một môi trường thích hợp cho quá trình quan sát

- Ánh sáng : Dùng ánh sáng ở nguồn sáng chiếu song song lên mặt mẫu, ánh sáng phản xạ lại từ đây đập vào mắt ta cho thấy hình dạng của tổ chức

- Đặt mẫu vào kính hiển vi: Mẫu được đặt lên bàn kính hiển vi đúng vị trí để có thể được quan sát dưới ống kính

- Điều chỉnh lăng kính và độ phóng đại: Điều chỉnh độ phóng đại cần thiết và sử dụng các bộ điều chỉnh để lấy được hình ảnh rõ ràng nhất của mẫu

- Quan sát kết quả: Xem qua ống kính để quan sát cấu trúc và tổ chức của mẫu

- Chụp hình ảnh: Sử dụng phần mềm hỗ trợ để chụp hình ảnh của mẫu để lưu trữ hoặc đánh giá sau này

- Báo cáo kết quả: Đưa ra báo cáo chi tiết về những gì đã quan sát được và đánh giá tổ chức tế vi của mẫu kim loại

Quy trình trên giúp xác định các đặc tính cấu trúc cơ bản của kim loại, giúp trong việc kiểm tra chất lượng và hiểu rõ hơn về tính chất tế bào và tinh thể của vật liệu.

MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ QUY TRÌNH TẠO MẪU

Mô hình thực nghiệm

Máy CNC sử dụng trong suốt quá trình thực nghiệm này được lên ý tưởng thiết kế, chế tạo và lắp ráp bởi các thầy và các bạn sinh viên ở trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Máy CNC có khả năng di chuyển 3 trục, với:

– Trục X: di chuyển trái phải, chiều dương hướng về phía bên phải

– Trục Y: di chuyển ra vào, chiều dương hướng ra ngoài phía người vận hành

– Trục Z: di chuyển lên xuống, chiều dương hướng lên trên

Trong đề tài này máy CNC hỗ trợ di chuyển hồ quang cũng như đảm bảo hồ quang di chuyển với tốc độ đúng yêu cầu trong suốt quá trình in 3D, giúp cho kết quả thực nghiệm có độ tin cậy cao hơn

Máy hàn cung cấp dòng hàn liên tục, tạo ra hồ quang nóng chảy kim loại trong suốt quá trình in 3D Đề tài này sử dụng máy hàn Jasic 250A W227

Súng hàn (mỏ hàn) TIG có chức năng dẫn dòng từ máy hàn và khí trơ từ bình khí bảo vệ đến vùng muốn tác động Bên trong súng hàn, điện cực Vonfram được giữ cố định bằng chụp kẹp kim hàn, thân giữ kẹp kim hàn và được vặn chặt lại bằng đuôi súng Chụp sứ giúp định hình dòng chảy Công tắc dùng để bật tắt hồ quang

Hình 4.3: Cấu tạo súng hàn [11]

Nguồn khí bảo vệ bao gồm bình chứa khí bảo vệ và van điều chỉnh áp suất Bình khí bảo vệ chứa khí Argon, giúp tạo ra hồ quang ổn định trong suốt quá trình thực nghiệm Van điều chỉnh áp suất có vai trò điều chỉnh lưu lượng và áp suất khí cung cấp trong quá trình khảo sát.

Hình 4.4: Van điều chỉnh áp

Các thông hàn số ảnh hưởng

Bảng 4.1: Các thông số ảnh hưởng đến mối hàn:

Chiều dài hồ quang (mm)

4.2.1 Dòng điện hàn Điều chỉnh dòng hàn là một trong những yếu tố quan trọng nhất để tạo ra được mối hàn chất lượng có độ ngấu cao Qua quá trình thử nghiệm của đề tài, dòng điện hàn phù hợp cho tấm có độ dày 2 mm khoảng từ: 165 ≤ A ≤ 185 (A) Vì dòng hàn nằm trong khoảng này cho ra chất lượng mối hàn đẹp và đảm bảo sự liên kết giữa các lớp đắp với nhau

Hình 4.6: Đường hàn mẫu theo biến số dòng điện hàn

- Khi thử nghiệm dòng điện hàn ở mức thấp hơn 165 A ta thấy được kết quả mối hàn xấu, và đường hàn không đều Khi đắp các lớp tiếp theo sẽ xảy ra tình trạng tấm chảy không hết, thiếu độ ngấu nên không đảm bảo được sự liên kết giữa các lớp đắp

Hình 4.7: Tấm chảy không hết (đường hàn dưới 165 A)

Khi dòng điện thử nghiệm vượt quá 185 A, máy hàn dễ báo lỗi quá nhiệt và dừng hồ quang đột ngột, gây ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Đồng thời, hồ quang quá lớn tạo ra, khiến vật hàn chảy loang ra hai bên, ảnh hưởng tới các lớp đắp sau và không đảm bảo độ cao như mong muốn.

Hình 4.8: Tấm chảy ra hai bên rìa (đường hàn trên 185 A)

4.2.2 Tốc độ hàn Ở đề tài này, tốc độ hàn được hỗ trợ bởi máy CNC để đảm bảo được độ chính xác Qua quá trình thử nghiệm, tốc độ hàn phù hợp cho tấm có độ dày 2 mm khoảng từ: 35 ≤ F ≤ 55 (mm/ph) Vì ở khoảng tốc độ này đường hàn đảm bảo được tấm chảy hết và có độ ngấu mà ít xảy ra tình trạng rỗ khí

Hình 4.9: Đường hàn mẫu theo biến số tốc độ hàn

- Khi thử nghiệm tốc độ hàn ở mức thấp hơn 35 mm/ph sẽ xảy ra tình trạng đầu điện cực bị quá nhiệt và bị bo tròn Điều này khiến cho hồ quang phun ra một vùng rộng hơn không còn tập trung như ban đầu dẫn đến tấm không chảy hết ảnh hưởng lớn đến độ ngấu giữa các lớp đắp với nhau

Hình 4.10: Đầu điện cực bị quá nhiệt (tốc độ hàn dưới 35 mm/ph)

- Khi thử nghiệm tốc độ hàn ở mức cao hơn 55 mm/ph đường hàn sẽ dễ bị xuất hiện rỗ khí đồng thời tốc độ hàn quá nhanh gây ra tình trạng tấm không kịp chảy hết thiếu độ ngấu khiến cho mối hàn không đảm bảo được sự liên kết giữa các lớp đắp

Hình 4.11: Đường hàn bị rỗ khí (tốc độ hàn trên 55 mm/ph)

Chiều dài hồ quang là khoảng cách từ đầu điện cực đến bề mặt mối hàn Đây là thông số quan trọng ảnh hưởng lớn đến độ rộng và độ sâu của mối hàn Đối với tấm có độ dày 2 mm, chiều dài hồ quang thích hợp trong khoảng từ 1,8 mm đến 3,0 mm.

1.8 mm 2.1 mm 2.4 mm 2.7 mm 3.0 mm

Hình 4.12: Đường hàn mẫu theo biến số chiều dài hồ quang

- Khi thử nghiệm chiều dài hồ quang thấp hơn 1.8 mm trong quá trình dễ gây ra tình trạng dính điện cực gây gián đoạn quá trình hàn và ảnh hưởng lớn đến đường hàn tại điểm bị dính Khi xảy ra tình trạng trên ta cần phải mài lại kim hàn và đường hàn tại điểm bị đính vì vậy sẽ tốn khá nhiều thời gian để khắc phục

Hình 4.13: Dính điện cực (chiều dài hồ quang dưới 1.8 mm)

- Khi thử nghiệm chiều dài hồ quang cao hơn 3.0 mm sẽ khiến hồ quang phân tán ra một vùng rộng hơn làm cho tấm chảy không hết dẫn đến mối hàn thiếu độ ngấu không đảm bảo được sự liên kết giữa các lớp đắp

Hình 4.14: Vùng hàn rộng, chảy không hết (chiều dài hồ quang trên 3.0 mm)

4.2.4 Khoảng cách giữa hai đường hàn

- Đây là khoảng cách tính từ điểm đặt đầu kim hàn của hai đường hàn kế nhau Qua quá trình thử nghiệm, khoảng cách giữa hai đường hàn phù hợp cho tấm có độ dày 2 mm khoảng từ: 7.0 ≤ A ≤ 9.0 (mm) Vì chọn trong khoảng này có thể đảm bảo được sự liên kết của các đường hàn kế nhau Ở thông sô này khuyến khích lựa chọn khoảng cách cao nhất có thể trong khoảng cho phép để giảm số đường hàn qua đó giảm được thời gian hoàn thiện mẫu

7.0 mm 7.5 mm 8.0 mm 8.5 mm 9.0 mm

Hình 4.15: Đường hàn mẫu theo biến số khoảng cách giữa hai đường hàn

- Khi thử nghiệm khoảng cách giữa hai đường hàn lớn hơn 9 mm ta thấy giữa hai đường hàn thiếu sự liên kết với nhau, điều này gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng mẫu Một khi tình trạng này xảy ra ta cần chạy thêm một đường vào giữa để đảm bảo tấm chảy hết, việc này sẽ tốn khá nhiều thời gian để canh chỉnh và khắc phục

Hình 4.16: Hai đường hàn thiếu liên kết (khoảng cách hai đường hàn trên 9 mm)

Thông qua quá trình thử nghiệm, lưu lượng khí phải vượt ngưỡng 8 l/ph mới bảo vệ được hồ quang phun ra không bị nghiêng lệch, đảm bảo đường hàn đều Ngược lại, lưu lượng khí quá lớn sẽ gây lãng phí mà không mang lại nhiều cải thiện cho chất lượng mối hàn.

8 l/ph 9 l/ph 10 l/ph 11 l/ph 12 l/ph

Hình 4.17: Đường hàn mẫu theo biến số lưu lượng khí

Hình 4.18: Lưu lượng khí mức 10 l/ph

Hình 4.19: Van điều chỉnh lưu lượng khí

4.2.6 Số lần hàn lặp lại

- Qua quá trình thử nghiệm, số lần hàn lặp lại chỉ nên từ 1 đến 2 lần Ta chỉ nên hàn lặp lại nếu khoảng cách giữa các đường hàn không đảm bảo hoặc xảy ra các tình trạng như dính điện cực và máy hàn quá nhiệt khiến hồ quang dừng đột ngột Vì nếu hàn lặp lại nhiều sẽ khiến tốn rất nhiều thời gian mà cũng không giúp mối hàn đẹp lên nhiều mà có thể còn ảnh hưởng xấu đến mối hàn

Hình 4.21: Hàn lặp lại lần 2

4.2.7 Chiều dày tấm đắp và đế

- Chiều dày tấm sử dụng cho các thông số trên là 2 mm Ta có thể thay đổi độ dày của tấm đắp tùy theo nhu cầu và độ lớn dòng điện hàn của máy hàn Tig

=> Chọn độ dày này là vì có thể đảm bảo tấm chảy đều đồng thời giảm được tối đa số lớp đắp qua đó giảm được thời gian tạo mẫu

- Chiều dày đế được chọn là 20 mm Ta có thể tăng hoặc giảm chiều dày đế tùy thuộc vào khả năng tản nhiệt của phương pháp hàn

=> Đế có độ dày lớn để đảm bảo việc không bị cong vênh không quá trình hàn đắp vật liệu

Quá trình tạo mẫu

4.3.1 Kích thước phôi và mẫu kéo

Với kích thước mẫu ban đầu, có thể xác định kích thước tổng thể phù hợp cho tấm đắp và đế, nhằm tránh lãng phí phôi và thời gian tạo mẫu Kích thước cụ thể bao gồm: kích thước mẫu, kích thước tấm đắp và kích thước đế.

Hình 4.24: Kích thước tấm đắp

Với mỗi bộ thông số ta cần một đế và bốn tấm phôi để tạo ra một mẫu

Bước 1: Đầu tiên ta cần chỉnh tất cả các thông số theo bộ thông số lựa chọn Tiếp theo hàn nóng chảy lần lượt bốn tấm phôi dày 2 mm vào phần đế để được chiều cao đạt yêu cầu là khoảng 6 mm đến 7 mm Trong quá trình hàn phải đảm bảo kim hàn luôn vuông góc với bề mặt tấm đắp và theo dõi đường hàn để tránh tình trạng hết khí hoặc dính điện cực

Lớp thứ 1 Lớp thứ 2 Lớp thứ 3 Lớp thứ 4 Đế

Hình 4.27: Mẫu sau khi đắp

Sau khi đã phay đạt được chiều cao từ 6 mm đến 7 mm, tiến hành phay mặt mẫu xuống tối đa từ 1 mm đến 2 mm Chiều cao sau khi phay mặt cần đạt từ 5 mm trở lên, đảm bảo phay hết các bề mặt nhấp nhô của mối hàn ban đầu để tiếp tục các bước tiếp theo.

Hình 4.28: Mẫu sau khi phay Bước 3: Đem mẫu đi cắt dây theo kích thước biên ban đầu

Hình 4.29: Mẫu sau khi cắt dây

Bước 4: Phay phần đế còn lại sau khi đã cắt dây để ra được độ dày mẫu là 4 mm theo đúng theo kích thước bản vẽ yêu cầu

Hình 4.30: Mẫu có biến số là dòng điện hàn

Hình 4.31: Mẫu có biến số là lưu lượng khí

Hình 4.32: Mẫu có biến số là tốc độ chạy

Hình 4.33: Mẫu có biến số là chiều dài hồ quang

Hình 4.34: Mẫu có biến số là khoảng cách giữa hai đường hàn

KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Kiểm tra độ bền của thép

5.1.1 Dụng cụ cần chuẩn bị

Trước khi bắt đầu kéo mẫu ta cần chuẩn bị:

- Mẫu kéo theo bản vẽ

Hình 5.1: Máy kéo kim loại 5.1.2 Các bước vận hành máy kéo

- Mở phần mềm => Tensile test => TN KEO THEP

- New test => Nhập tên và số liệu

Hình 5.2: Nhập dữ liệu Bước 2: Quy trình vận hành máy

- Lấy ngàm gắn vào máy kéo Tùy thuộc vào mẫu kéo mà có thể lựa chọn ngàm phù hợp Việc này phải được thực hiện trước khi bật máy để đảm bảo an toàn trong quá trình gắn ngàm

Hình 5.3: Ngàm đã gắn vào máy

- Đầu tiên để bật máy kéo ta cần mở công tắc điện và công tắc dầu

Mở điện Mở dầu Tắt dầu Tắt điện

Hình 5.4: Công tắc điện và dầu

- Trước khi gắn mẫu và sau mỗi lần kéo ta cần mở van bên trái (vặn nút phía bên trái theo cùng chiều kim đồng hồ) Trong khi mở ta cần quan sát để hạ ngàm trên xuống mức phù hợp thì khóa đường dầu về theo chiều ngược lại

Hình 5.5: Nút vặn khóa đường dầu về

Tiếp đến, cần gá mẫu vào ngàm máy kéo để thuận tiện cho việc canh chỉnh Nên thực hiện từ ngàm trên trước, sau đó mới gắn ngàm dưới Trong quá trình này, chỉ nên để một người thực hiện để tránh những rủi ro không đáng có.

- Sau khi mẫu đã được gắn ta bấm TARE ALL để các thông số về 0 và sau đó bấm RUN trên màn hình máy tính

Hình 5.7: Các bước chạy chương trình

- Bơm dầu để bắt đầu kéo Vặn tăng dần lên đến tốc độ kéo mình cần thì giữ lại (vặn nút bên phải theo ngược chiều kim đồng hồ)

Hình 5.8: Nút vặn để bơm dầu

- Chờ khi mẫu đã gãy thì ngừng bơm dầu để dừng chu trình kéo (vặn nút bên phải theo cùng chiều kim đồng hồ)

- Khi đã kéo xong sẽ có biểu đồ và tất cả dữ liệu trên màn hình

- Lấy mẫu đã bị đứt ra Nên lấy mẫu đứt ở trên trước và mẫu đứt ở dưới sau

- Search report => Chọn mẫu cần xuất (Có thể chọn xuất dữ liệu từng mẫu hoặc nhiều mẫu chung 1 biểu đồ) => Export excel

- Sau khi ra file excel đã tạo => Save as lưu vào USB đã chuẩn bị

Hình 5.10: Kết quả thu được

5.1.3 Tổng hợp những dữ liệu thu được để vẽ biều đồ a Khi thay đổi dòng điện hàn

Bảng 5.1: Dữ liệu thu được khi thay đổi dòng điện:

Hình 5.11: Biểu đồ sự ảnh hưởng của dòng điện hàn

Lực kéo chảy (kN) Lực kéo đứt (kN)

Hình 5.12: Biểu đồ sự ảnh hưởng của dòng điện hàn đến lực kéo chảy và lực kéo đứt

Giới hạn chảy (MPa) Giới hạn bền (MPa) (Ampe) (MPa)

Hình 5.13: Biểu đồ sự ảnh hưởng của dòng điện hàn đến giới hạn chảy và giới hạn bền

Qua 2 biểu đồ có thể thấy được khi thay đổi cường độ dòng điện hàn thì các giá trị giới hạn chảy, giới hạn bền, lực kéo chảy, lực kéo đứt có sự thay đổi đáng kể

- Giới hạn chảy và lực kéo chảy đạt giá trị cao nhất khi cường độ dòng điện là 180 A với giá trị lần lượt là 295.4 MPa và 7.09 kN

- Giới hạn bền và lực kéo đứt đạt giá trị cao nhất khi cường độ dòng điện là 175 A với giá trị lần lượt là 345.6 MPa và 8.4 kN

- Giới hạn chảy, lực kéo chảy, giới hạn bền, lực kéo đứt đạt giá trị thấp hơn khá lớn khi cường độ dòng điện quá thấp hoặc quá cao

Qua các kết quả trên biểu đồ, để đảm bảo độ bền cho mẫu thì nên sử dụng cường độ dòng điện của máy hàn từ 175 A đến 180 A b Khi thay đổi tốc độ hàn

Bảng 5.2: Dữ liệu thu được khi thay đổi tốc độ hàn:

Hình 5.14: Biểu đồ sự ảnh hưởng của tốc độ hàn

Lực kéo chảy (kN) Lực kéo đứt (kN)

Hình 5.15: Biểu đồ sự ảnh hưởng của tốc độ hàn đến lực kéo chảy và lực kéo đứt

Giới hạn chảy (MPa) Giới hạn bền (MPa)

Hình 5.16: Biểu đồ ảnh hưởng của tốc độ hàn đến giới hạn chảy và giới hạn bền

Qua 2 biểu đồ có thể thấy được khi thay đổi tốc độ hàn thì các giá trị giới hạn chảy, giới hạn bền, lực kéo chảy, lực kéo đứt có sự thay đổi đáng kể

- Giới hạn chảy và lực kéo chảy đạt giá trị cao nhất khi tốc độ hàn là 50 mm/ph với giá trị lần lượt là 263.4 MPa và 6.69 kN

- Giới hạn bền và lực kéo đứt đạt giá trị cao nhất khi cường độ dòng điện là 50 mm/ph với giá trị lần lượt là 352.9 MPa và 9 kN

- Giới hạn chảy, lực kéo chảy, giới hạn bền, lực kéo đứt đạt giá trị thấp hơn khá lớn khi tốc độ hàn quá cao

Nhìn chung, giới hạn chảy, lực kéo chảy, giới hạn bền, lực kéo đứt của mẫu đạt giá trị gần bằng nhau khi tốc độ hàn từ 45 mm/ph đến 50 mm/ph Vì vậy, để đảm bảo độ bền cho mẫu thì nên sử dụng tốc độ hàn từ 45 mm/ph đến 50 mm/ph c Khi thay đổi chiều dài hồ quang

Bảng 5.3: Dữ liệu thu được khi thay đổi chiều dài hồ quang:

Chiều dài hồ quang (mm)

Hình 5.17: Biểu đồ sự ảnh hưởng của chiều dài hồ quang

Lực kéo chảy (kN) Lực kéo đứt (kN)

Hình 5.18: Biểu đồ sự ảnh hưởng của chiều dài hồ quang đến lực kéo chảy và lực kéo đứt

Giới hạn chảy (MPa) Giới hạn bền (MPa)

Hình 5.19: Biểu đồ sự ảnh hưởng của chiều dài hồ quang đến giới hạn chảy và giới hạn bền

Qua 2 biểu đồ có thể thấy được khi thay đổi chiều dài hồ quang thì các giá trị giới hạn chảy, giới hạn bền, lực kéo chảy, lực kéo đứt có sự thay đổi đáng kể

- Giới hạn chảy và lực kéo chảy đạt giá trị cao nhất khi chiều dài hồ quang là 2.7 mm với giá trị lần lượt là 296.9 MPa và 7.13 kN

- Giới hạn bền và lực kéo đứt đạt giá trị cao nhất khi chiều dài hồ quang là 2.7 mm với giá trị lần lượt là 357.8 MPa và 8.6 kN

- Giới hạn chảy, lực kéo chảy, giới hạn bền, lực kéo đứt có sự chênh lệch giá trị khá lớn khi thay đổi chiều dài hồ quang quá thấp hoặc quá cao

Theo biểu đồ, để đảm bảo độ ngấu cho mẫu và tránh tình trạng dính điện cực, nên sử dụng chiều dài hồ quang từ 2.1 mm đến 2.7 mm Khi thay đổi khoảng cách giữa hai đường hàn liên tiếp (step), cần chú ý đến độ ngấu và độ dính điện cực để điều chỉnh chiều dài hồ quang cho phù hợp.

Bảng 5.4: Dữ liệu thu được khi thay đổi khoảng cách giữa 2 đường hàn liên tiếp:

Hình 5.20: Biểu đồ sự ảnh hưởng của khoảng cách hai đường hàn

Lực kéo chảy (kN) Lực kéo đứt (kN)

Hình 5.21: Biểu đồ sự ảnh hưởng của khoảng cách hai đường hàn liên tiếp đến lực kéo chảy và lực kéo đứt

Giới hạn chảy (MPa) Giới hạn bền (MPa)

Hình 5.22: Biểu đồ của sự ảnh hưởng của khoảng cách hai đường hàn liên tiếp đến giới hạn chảy và giới hạn bền

Qua 2 biểu đồ có thể thấy được khi thay đổi khoảng cách hai đường hàn liên tiếp thì các giá trị giới hạn chảy, giới hạn bền, lực kéo chảy, lực kéo đứt có sự thay đổi đáng kể

- Giới hạn chảy và lực kéo chảy đạt giá trị cao nhất khi khoảng cách hai đường hàn liên tiếp là 7mm với giá trị lần lượt là 281.5 MPa và 6.64 kN

Giới hạn bền và lực kéo đứt đạt giá trị cao nhất tại khoảng cách giữa hai đường hàn liên tiếp là 7mm, lần lượt là 401,8 MPa và 9,5 kN.

- Giới hạn chảy, lực kéo chảy, giới hạn bền, lực kéo đứt đạt giá trị thấp hơn khá lớn khi khoảng cách hai đường hàn liên tiếp quá lớn

Qua các kết quả trên biểu đồ, để đảm bảo sự liên kết giữa các đường hàn của mẫu thì nên sử dụng khoảng cách hai đường hàn liên tiếp từ 7 mm đến 8 mm e Khi thay đổi lưu lượng khí

Bảng 5.5: Dữ liệu thu được khi thay đổi lưu lượng khí:

Hình 5.23: Biểu đồ sự ảnh hưởng của lưu lượng khí

Lực kéo chảy (kN) Lực kéo đứt (kN)

Hình 5.24: Biểu đồ sự ảnh hưởng của lưu lượng khí đến lực kéo chảy và lực kéo đứt

Giới hạn chảy (MPa) Giới hạn bền (MPa)

Hình 5.25: Biểu đồ sự ảnh hưởng của lưu lượng khí đến giới hạn chảy và giới hạn bền

Qua 2 biểu đồ có thể thấy được khi thay đổi lưu lượng khí bảo vệ thì các giá trị giới hạn chảy, giới hạn bền, lực kéo chảy, lực kéo đứt có sự thay đổi đáng kể

- Giới hạn chảy và lực kéo chảy đạt giá trị cao nhất khi lượng khí bảo vệ là 10 l/ph với giá trị lần lượt là 251.6 MPa và 6.11 kN

- Giới hạn bền và lực kéo đứt đạt giá trị cao nhất khi lưu lượng khí bảo vệ là 10 l/ph với giá trị lần lượt là 345.6 MPa và 8.4 kN

Xem tổ chức tế vi

5.2.1 Dụng cụ cần chuẩn bị

- Giấy nhám (nhiều cấp độ)

Hình 5.30: Kính hiển vi 5.2.2 Các bước thực hiện

- Do mẫu nhóm em quá nhỏ nên cần phải đúc

- Mài bằng giấy nhám từ thô đến tinh

- Lấy dung dịch axit bôi lên bề mặt mẫu và lau khô

- Xem kết quả bằng kính hiển vi và lưu kết quả lại

Hình 5.31: Mẫu sau khi chuẩn bị xong

5.2.3 Các bước phân tích tổ chức tế vi trên kính hiển vi và đánh giá kết quả thu được a Các bước phân tích tổ chức tế vi:

- Bước 1: Cắm điện và bật công tắt đèn

- Bước 2: Cắm dây trên kính hiển vi kết nối với máy tính cá nhân và mở phần mềm

- Bước 3: Đặt mẫu đã chuẩn bị vào vị trí vùng sáng

- Bước 4: Điều chỉnh tiêu cự để có thể quan sát rõ nhất

- Bước 5: Lưu kết quả vừa chụp được

75 b Đánh giá kết quả thu được:

Hình 5.32: Cấu trúc tế vi của một số mẫu

Kết quả cho ta thấy được vật liệu của mẫu là thép cacbon thấp tương đương với phôi ban đầu bao gồm 2 thành phần Thành phần thứ nhất Pearlite là các hạt đen có tỉ lệ xuất hiện ít chứng tỏ vật liệu có hàm lượng cacbon thấp, thành phần thứ hai Ferrite là hạt trắng chiếm tỉ lệ lớn có hàm lượng cacbon gần như bằng 0 Nhìn chung, các tổ chức này phân phố khá đều nhau cho ta thấy vật liệu này có chất lượng tương đối tốt

Scanning Electron Microscope (SEM)

Sự liên kết của mối hàn

Hàn giữ vai trò quan trọng trong quá trình in 3D kim loại Vì vậy để đảm bào chất lượng của sản phầm cần đặc biết chú trọng đến độ bền của mối hàn Do đó nhóm em đã tiến hành chụp ảnh SEM để kiếm tra độ liên kết giữa các tấm với nhau

Hai hình ảnh trên là kết quả sau khi chụp SEM với độ phóng đại x1000, nhìn vào có thể thấy được các vấn đề sau:

- Từ hình ảnh cho thấy sự liên kết của mối hàn rất nhỏ biểu hiện qua các đường màu đen cắt ngang không quá sâu và không có xuất hiện các đường nứt gãy

- Bề mặt của mẫu khá đẹp ít xuất hiện tình trạng rổ khí

Nhìn chung mẫu trên có chất lượng khá tốt, tuy nhiên thì ta vẫn thấy các tạp chất nhỏ vẫn còn xuất hiện Để nâng cao chất lượng và độ bền của mối hàn, nhóm đề xuất một số phương án sau:

- Kiểm soát quá trình hàn và các loại máy sử dụng để tránh tình trạng máy xuống cấp khiến cho thông số ban đầu bị sai lệch

- Sử dụng vật liệu hàn có chất lượng tốt hơn

- Vật liệu trước khi được sử dụng cần phải vệ sinh sạch sẽ

- Thường xuyên kiểm tra chất lượng mối hàn qua từng lớp đắp

Từ các đề xuất trên, nhóm hy vọng rằng các phương án cải tiến sẽ được xem xét áp dụng ở các nghiên cứu tiếp theo trong tương lai để giúp tạo ra được các mối hàn hoặc sản phẩm có chất lượng tốt hơn.

Bắn quang phổ kiểm tra thành phần hóa học

Bảng 5.8: Kết quả bắn quang phổ:

C Mn Si P S Cr Ni Mo

Conc Conc Conc Conc Conc Conc Conc Conc

Cu Al V Ti B N Co Zr

Conc Conc Conc Conc Conc Conc Conc Conc

Ca Fe Nb W Pb Sn As Bi

Conc Conc Conc Conc Conc Conc Conc Conc

Sb Ta Zn Ag O Mg CEV PCM

Conc Conc Conc Conc Conc Conc Conc Conc

Vị trí bắn quang phổ

Hình 5.34: Mẫu bắn quang phổ

Nhóm em đã gửi mẫu đến trung tâm để bắn quang phổ nhằm kiểm tra thành phần hóa học của mẫu Dựa vào kết quả trên có thể thấy:

- Lưu huỳnh có tác dụng tiêu cực đối với độ dẻo dai và khả năng hàn của thép, nên hàm lượng lưu huỳnh thường cần được giảm xuống mức thấp nhất có thể Hàm lượng S của vật liệu của kết quả rất thấp vào khoảng 0.0042% phù hợp sử dụng cho đề tài

- Phốt pho có thể làm giảm độ dẻo dai của thép, nên thông thường cần giới hạn hàm lượng phốt pho trong thép Hàm lượng P của vật liệu vào khoảng 0.0101% là khá thấp cho thấy vật liệu có thể sử dụng tốt

- Mangan giúp tăng cường độ bền, độ cứng, và khả năng chịu mài mòn của thép Hàm lượng Mn của vật liệu vào khoảng 0.509% nằm trong vùng cho phép của vật liệu

Vật liệu silicon giúp tăng cường độ dẻo dai cho thép, giúp vật liệu chịu được nhiệt độ cao và chống ăn mòn hiệu quả hơn Hàm lượng silicon trong vật liệu vào khoảng 0,119% đáp ứng tiêu chuẩn cho phép, đảm bảo chất lượng và độ bền của vật liệu.

- Cacbon là thành phần quan trọng nhất trong thép, ảnh hưởng đến độ cứng và độ bền của thép Thành phần C khoảng 0.069% nằm trong nhóm thép có thành phần cacbon thấp

Thông qua quá trình thực hiện ĐATN, nhóm đã hoàn thành các yêu cầu đề ra và tổng hợp trong quyển báo cáo này theo đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung, bao gồm cả tính cấp thiết, mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài Nhìn chung, nội dung ĐATN đã hoàn thành những vấn đề chính như sau:

– Ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa học xã hội được thể hiện trong việc: điều chỉnh dòng, tốc độ di chuyển, chiều dài hồ quang, lượng khí bảo vệ của công nghệ hàn TIG để cho ra mối hàn đẹp

Phân tích, thống kê và đánh giá kết quả thu được từ quá trình kiểm tra độ bền kéo của mẫu hàn giúp xác định được mức độ bền vững của mối hàn.

– Khả năng cải tiến và phát triển được thể hiện trong việc liên tục cải tiến phương án trong quá trình hàn đắp cũng như cắt mẫu theo yêu cầu đê mẫu đạt độ chính xác cần thiết cũng như tiết kiệm chi phí

– Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành được thể hiện trong việc sử dụng phần mềm Inventor để lên ý tưởng, sử dụng phần mềm Autocad để xuất bản vẽ Đồng thời sử dụng một số thiết bị chuyên dụng như máy CNC, máy hàn TIG, kính hiển vi, máy kiểm tra độ bền kéo Đề tài này đề xuất một số ý tưởng để thực hiện in 3D kim loại tấm sử dụng máy hàn TIG, khảo sát một số thông số ảnh hưởng đến quá trình hàn đắp khi in 3D kim loại tấm nhằm tìm ra những khó khăn cũng như những nhược điểm còn tồn đọng trong công nghệ này, làm cơ sở nền móng ban đầu cho quá trình nghiên cứu và phát triển công nghệ in 3D kim loại với vật liệu dạng tấm sau này

Cuối cùng, quá trình thực hiện đề tài đã đạt được các sản phẩm cụ thể như sau:

- Đưa ra các thông số cho được kết quả mối hàn đẹp và tối ưu nhất trên miếng đắp dày

+ Mức cường độ dòng điện phù hợp là từ 165 A đến 185 A Trong đó, khi sử dụng cường độ dòng điện là 180 A thì giới hạn đứt và giới hạn chảy đạt giá trị cao nhất lần lượt là 344 MPa và 295.4 MPa

+ Tốc độ hàn phù hợp là từ 35 mm/ph đến 55 mm/ph Trong đó, khi sử dụng tốc độ hàn là 50 mm/ph thì giới hạn đứt và giới hạn chảy đạt giá trị cao nhất lần lượt là 352.9 MPa và 263.4 MPa

80 + Chiều dài hồ quang phù hợp là từ 1.8 mm đến 3 mm Trong đó, khi sử dụng chiều dài hồ quang là 2.7 mm thì giới hạn đứt và giới hạn chảy đạt giá trị cao nhất lần lượt là 357.8 MPa và 296.9 MPa

+ Khoảng cách giữa hai đường hàn phù hợp nhất là từ 7 mm đến 9 mm Trong đó, khi sử dụng khoảng cách giữa hai đường hàn là 7 mm thì giới hạn đứt và giới hạn chảy đạt giá trị cao nhất lần lượt là 401.8 MPa và 281.5 MPa

+ Lưu lượng khí bảo vệ phù hợp là từ 8 l/ph đến 12 l/ph Trong đó, khi sử dụng lưu lượng khí bảo về là 10 l/ph thì giới hạn đứt và giới hạn chảy đạt giá trị cao nhất lần lượt là 345.6 MPa và 251.6 MPa