Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật cơ khí: Khảo sát độ dai va đập của thép carbon được chế tạo bằng phương pháp WAAM Layer

TÓM TẮT Đồ án tốt nghiệp của nhóm nghiên cứu có nội dung: "Khảo sát độ dai va đập của thép carbon được chế tạo bằng phương pháp WAAM layer" với các biến cường độ dòng hàn, độ dày lớp hàn

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ in 3D, hay còn được gọi là công nghệ AM (Additive Manufacturing), được phổ biến trên thị trường vào cuối những năm 1980 dựa trên các công nghệ sẵn có như CNC, in 2D và laser Những năm 1990, nhiều công nghệ đã được phát triển, cải tiến và thương mại hóa dựa trên các nguyên lý cơ bản của công nghệ gia công đắp lớp AM Hiện nay, theo tiêu chuẩn ASTM (American Society of Testing and Materials) có 7 phương pháp đắp lớp như: Powder Bed Fusion (PBF), Direct Engergy Deposition (DED), Binder Jetting, Material Jetting, Sheep Lamination, Vat Photopolymer, Material Extrusion Trong đó, công nghệ PBF và DED là 2 công nghệ dùng trong lĩnh vực in 3D kim loại

Công nghệ in 3D (ThreeDimensional 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 đã có sự phát triển đáng kể trên toàn thế giới trong những năm gần đây, với các tiến bộ chủ yếu làm tăng tính chính xác, tốc độ và khả năng áp dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau Ở Việt Nam công nghệ này vẫn còn chưa được tiếp cận nhiều do còn hạn chế về kỹ thuật, 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 3 trục, năng lượng hồ quang của hàn MIG 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 và ứng dụng được nhiều vào cuộc sống 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 “Khảo sát độ dai va đập của thép carbon được chế tạo bằng phương pháp WAAM layer” được thực hiện với mục đích khảo sát khả năng tạo hình và đánh giá độ bền cơ học của sản phẩm tương ứng với từng thông số của công nghệ WAAM

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Khảo sát khả năng tạo hình của phương pháp in 3D kim loại dạng tấm, từ đó đưa ra ưu nhược điểm của phương pháp waam layer, phát hiện ra những khó khăn tồn đọng trong công nghệ in 3D kim loại tấm sử dụng máy hàn MIG, kết quả thu thập được sẽ 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

Phương pháp in 3D kim loại kết hợp giữa máy hàn MIG (Metal Inert Gas) và máy CNC (Computer Numerical Control) mang lại nhiều lợi ích và ý nghĩa thực tiễn như sau:

Tính linh hoạt và đa dạng hóa sản phẩm: Kết hợp giữa MIG và CNC cho phép tạo ra các sản phẩm kim loại có độ phức tạp cao và chi tiết nhỏ MIG được sử dụng để hàn lớp kim loại một cách chính xác, trong khi CNC điều khiển chính xác quá trình in và hình dạng của sản phẩm

Tăng cường chất lượng và độ chính xác: Sử dụng CNC trong quá trình in 3D giúp tăng cường độ chính xác và chất lượng của sản phẩm cuối cùng, bằng cách điều khiển và kiểm soát quá trình in một cách tự động và chính xác

Giảm thiểu lãng phí và tiết kiệm vật liệu: Quá trình in 3D kim loại kết hợp giữa MIG và CNC giúp giảm thiểu lãng phí vật liệu bằng cách chỉ sử dụng vật liệu cần thiết cho từng lớp sản phẩm, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất sản xuất

Tăng năng suất và giảm chi phí: Sự kết hợp này giúp tăng năng suất sản xuất do quá trình in 3D có thể hoạt động liên tục và tự động hóa hơn Điều này giúp giảm chi phí lao động và thời gian sản xuất so với các phương pháp gia công truyền thống Ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp: Phương pháp in 3D kim loại kết hợp giữa MIG và CNC có thể áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp như hàng không, ô tô, y tế, và sản xuất công nghiệp Đây là công nghệ hiện đại đang được các nhà sản xuất và kỹ sư quan tâm và áp dụng để tạo ra các sản phẩm tiên tiến và đáp ứng nhu cầu thị trường hiện nay

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài “Khảo sát độ dai va đập của thép carbon được chế tạo bằng phương pháp

WAAM layer” được thực hiện với mục đích:

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

− Khảo sát khả năng tạo hình bao gồm các thông số: cường độ dòng hàn, chiều dài hồ quang, vận tốc của máy CNC, lượng khí bảo vệ

− Chế tạo mẫu thử bằng phương pháp WAAM

− Thực nghiệm và kiểm tra độ dai va đập để đưa ra độ hiệu quả của phương pháp waam layer.

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

− Nghiên cứu các thông số của công nghệ WAAM ảnh hưởng đến độ dai va đập và tổ chức tế vi của sản phẩm kim loại

− Ứng dụng công nghệ hàn MIG

− Sử dụng vật liệu của dây hàn GM S70

− Tập trung chủ yếu về sự thay đổi của nhiều thông số như cường độ dòng hàn

(Ampe), tốc độ hàn (F), bề dày lớp hàn và độ dày khác nhau của tấm thép.

Phương pháp nghiên cứu

− Nghiên cứu lý thuyết: thu thập tài liệu liên quan công nghệ WAAM Dựa trên cơ sở lý thuyết, các tài liệu hiện có về lý thuyết kiểm tra tổ chức tế vi và độ dai va đập để tính toán số liệu mẫu thử

− Nghiên cứu thực nghiệm: chế tạo nhiều mẫu khác nhau, thực hiện kiểm tra trực tiếp độ bền, độ dai va đập của sản phẩm, thu thập số liệu Sử dụng phương pháp thống kê tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính sản phẩm, so sánh nghiên cứu lý thuyết từ đó rút ra kết luận tối ưu.

Giới hạn của đề tài

− Chỉ nghiên cứu trong công nghệ hàn MIG

− Kiểm tra độ bền các chi tiết sau khi xử lý

− Kích thước chi tiết còn giới hạn

− Độ bền phụ thuộc vật liệu dây hàn

− Chỉ nghiên cứu phôi thép CT3 có dạng tấm và trên nền phẳng

Kết cấu đồ án

Nội dung đồ án gồm 6 chương, trong đó:

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 về công nghệ in 3D kim loại và tình hình nghiên cứu ở trong và ngoài nước

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Trình bày các yếu tố, thông số ảnh hưởng đến quá trình in 3D kim loại

Chương 4: Chế tạo mô hình thực nghiệm

Trình bày các thiết bị hỗ trợ cho quá trình thực nghiệm

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Trình bày quá trình thực nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Công nghệ gia công đắp lớp AM

Additive Manufacturing – AM hay còn được gọi là In 3D là một phương pháp sản xuất tiên tiến, sử dụng kỹ thuật xây dựng các chi tiết vật lý bằng cách đắp từng lớp vật liệu liên tiếp nhau Trái ngược với các phương pháp gia công truyền thống (Subtractive Manufacturing) như tiện, phay, khoan, nơi vật liệu được cắt bỏ để tạo hình sản phẩm cuối cùng, AM bổ sung vật liệu để tạo ra hình dạng mong muốn ở dạng gần tinh.[1]

Quá trình in 3D kim loại bắt đầu từ một mô hình kỹ thuật số 3D, thường được thiết kế bằng các phần mềm CAD (Computer-Aided Design) Mô hình này sau đó được chia nhỏ thành các lớp cắt ngang mỏng, và các thông tin về từng lớp sẽ được gửi đến máy in 3D Máy in 3D sẽ tiến hành đắp từng lớp vật liệu kim loại theo đúng thông số đã định, cho đến khi sản phẩm hoàn chỉnh

Mô hình 3D của chi tiết

Phân chia mô hình theo lớp

Chế tạo chi tiết theo từng lớp

Hình 2.1 Nguyên lý chế tạo sản phẩm của công nghệ AM

AM không phải là phương pháp bóc tách vật liệu vì thế nó giúp giảm đáng kể tỷ lệ vật liệu thừa Vật liệu được sử dụng trong công nghệ này chủ yếu ở dạng nhựa, chất lỏng, bột kim loại hoặc dây Các thông số đầu vào như nguồn nhiệt, tốc độ đắp, vật liệu, bề dày từng lớp… đóng vai trò quan trọng trong quá trình vì chúng sẽ quyết định đến chất lượng của sản phẩm Bên cạnh đó, một số phương pháp đắp lớp AM phải được thực hiện trong môi trường khí trơ hoặc chân không để đảm bảo quá trình đắp lớp diễn ra ổn định và chính xác hơn

Ban đầu công nghệ AM được dùng với mục đích tạo mẫu nhanh Hiện nay, AM được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ về công nghệ và vật liệu sử dụng Do vậy AM không chỉ đơn thuần ứng dụng trong lĩnh vực tạo mẫu nhanh mà còn cho phép chế tạo

6 các chi tiết với mục đích sử dụng trực tiếp đặc biệt là công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại Công nghệ AM sử dụng vật liệu kim loại đã được thương mại hóa và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp chế tạo ô tô, hàng không vũ trụ.[2]

2.1.2 Phân loại công nghệ đắp lớp AM Ủy ban kỹ thuật quốc tế ASTM đã đưa ra 07 loại công nghệ AM [1]:

− Fused Deposition Modeling (FDM): FDM là một trong những công nghệ đắp lớp phổ biến và quen thuộc nhất, thường được sử dụng trong các máy in 3D tiêu dùng Quá trình FDM sử dụng một sợi dây nhựa nhiệt dẻo được đun chảy và đắp lớp theo từng đường dẫn đã được định trước bởi mô hình 3D Ưu điểm:

Dễ sử dụng và chi phí thấp

Thích hợp cho việc tạo mẫu nhanh và sản xuất các chi tiết có kích thước lớn Nhược điểm: Độ chính xác và độ mịn bề mặt không cao như các công nghệ khác

Giới hạn về loại vật liệu sử dụng (chủ yếu là nhựa nhiệt dẻo)

− Selective Laser Sintering (SLS): SLS sử dụng một tia laser để nung chảy và kết dính các hạt bột vật liệu (như nhựa, kim loại, hoặc gốm) thành các lớp rắn Công nghệ này cho phép sản xuất các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao Ưu điểm: Độ chính xác cao và khả năng tạo ra các chi tiết phức tạp.Có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm nhựa, kim loại và gốm

Chi phí máy móc và vật liệu cao

Quá trình sau sản xuất phức tạp và cần thêm các bước xử lý

− Stereolithography (SLA): SLA là công nghệ đắp lớp đầu tiên được phát triển, sử dụng tia laser UV để làm cứng một lớp chất lỏng nhựa (resin) từng lớp một Mỗi lớp được quét và làm cứng theo hình dạng của mô hình 3D cho đến khi sản phẩm hoàn chỉnh Ưu điểm:

Tốc độ nhanh hơn so với SLA Độ chính xác và chất lượng bề mặt cao

Giới hạn về kích thước chi tiết

Vật liệu nhựa có thể đắt đỏ

− Digital Light Processing (DLP): DLP là một biến thể của SLA, sử dụng một máy chiếu kỹ thuật số để chiếu hình ảnh của từng lớp lên bề mặt của nhựa lỏng Mỗi lớp được làm cứng bằng ánh sáng, tương tự như SLA, nhưng tốc độ nhanh hơn vì toàn bộ lớp được chiếu và làm cứng cùng một lúc Ưu điểm:

Tốc độ nhanh hơn so với SLA Độ chính xác và chất lượng bề mặt cao

Giới hạn về kích thước chi tiết

Vật liệu nhựa có thể đắt đỏ

− Multi Jet Fusion (MJF): MJF là một công nghệ mới hơn, sử dụng một đầu phun để đắp một lớp bột vật liệu mỏng lên bề mặt và sau đó sử dụng nhiệt để nung chảy và kết dính các hạt bột Quá trình này được lặp lại cho đến khi chi tiết hoàn chỉnh Ưu điểm:

Tốc độ nhanh và khả năng sản xuất hàng loạt

Chất lượng bề mặt tốt và độ chi tiết cao

Chi phí máy móc và vật liệu cao Đòi hỏi kỹ thuật và quy trình phức tạp

− Electron Beam Melting (EBM): EBM sử dụng một chùm tia điện tử để nung chảy bột kim loại trong môi trường chân không, tạo ra các chi tiết kim loại có độ bền cao và phức tạp Công nghệ này chủ yếu được sử dụng trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và y tế Ưu điểm:

Sản xuất chi tiết kim loại có độ bền cao

Khả năng tạo ra các cấu trúc phức tạp

Yêu cầu môi trường chân không và kỹ thuật cao

− Direct Metal Laser Sintering (DMLS): DMLS sử dụng tia laser để kết dính bột kim loại lại với nhau, tạo ra các chi tiết kim loại có độ chính xác cao Công nghệ này phổ biến trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác và chất lượng cao như hàng không vũ trụ, y tế và ô tô Ưu điểm:

8 Độ chính xác cao và khả năng tạo ra các chi tiết phức tạp

Sử dụng nhiều loại kim loại khác nhau

Quy trình xử lý sau in phức tạp

Hình 2.2: Các công nghệ đắp lớp AM [1]

Công nghệ đắp lớp bằng hồ quang WAAM

Công nghệ WAAM, hay Wire Arc Additive Manufacturing, là một phương pháp in 3D sử dụng dây kim loại làm nguyên liệu và nguồn nhiệt từ quá trình hàn điện cực hồ quang để xây dựng vật liệu lên nhau tạo thành sản phẩm WAAM là một trong những kỹ thuật sản xuất cộng hưởng hiệu quả cao, đặc biệt phù hợp cho việc sản xuất các bộ phận kích thước lớn với chi phí thấp hơn so với các phương pháp truyền thống

Quá trình này bắt đầu bằng cách đưa dây kim loại qua một đầu phun, nơi nó được nung nóng bởi hồ quang điện giữa đầu phun và bề mặt làm việc Kim loại nóng chảy được đặt lên bề mặt làm việc theo các lớp, từng lớp một, cho đến khi hình thành được hình dạng cuối cùng của sản phẩm WAAM cho phép sản xuất các bộ phận kim loại có độ chính xác và độ bền cao mà không cần đến quá trình gia công thô sơ hay phức tạp

Dây hàn tiêu Mẫu hao

Hình 2.3: Cấu tạo hệ thống WAAM [3] Ưu điểm:

− Kết hợp giữa công nghệ WAAM và máy CNC cho phép sản xuất các chi tiết kim loại có hình dạng phức tạp một cách chính xác và hiệu quả

− Máy CNC tự động hóa quá trình gia công, kết hợp với tốc độ nhanh của công nghệ WAAM giúp tăng năng suất sản xuất

− WAAM cùng với máy CNC có thể tạo ra các chi tiết kim loại lớn với khả năng chịu tải cao và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật khắt khe

− Đầu tư cho thiết bị máy CNC và hệ thống hàn MIG có thể rất đắt đỏ, đặc biệt là khi tính đến các thiết bị chuyên dụng cho công nghệ WAAM

− Kết hợp hai công nghệ này yêu cầu sự hiểu biết chuyên sâu và kỹ năng cao về cả lập trình CNC và quy trình hàn để đảm bảo chất lượng sản phẩm

− Bề mặt chi tiết có thể cần phải gia công thêm sau khi hoàn thành do quá trình hàn tạo ra các đường vân không đều

− Công nghệ WAAM sử dụng máy hàn MIG có thể gặp phải các vấn đề liên quan đến độ chính xác và chất lượng bề mặt, đòi hỏi phải có các quy trình kiểm tra và điều chỉnh kỹ lưỡng

Công nghệ WAAM có thể được áp dụng để tạo ra các sản phẩm có kích thước lớn trong lĩnh vực hàng không, công nghiệp nặng như ô tô, đóng tàu,…

Hình 2.4 Chi tiết từ WAAM [4]

Công nghệ hàn hồ quang GMAW

Công nghệ hàn hồ quang GMAW (Gas Metal Arc Welding) là phương pháp hàn điện dòng liên tục sử dụng điện cực có đường kính nhỏ được nối với một nguồn dòng điện và sử dụng khí bảo vệ hoặc hỗn hợp khí bảo vệ để bảo vệ điện cực và vùng hàn khỏi không khí Công nghệ này thường được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hàn để hàn các vật liệu kim loại như thép, nhôm và các hợp kim khác GMAW được biết đến với tính năng tự động hóa cao và tốc độ hàn nhanh, giúp cải thiện năng suất làm việc so với các phương pháp hàn khác

GMAW hoạt động bằng cách sử dụng một điện cực liên tục để tạo ra cường độ dòng điện cao và đốt cháy dây hàn, tạo ra cung hàn giữa hai vật liệu kim loại Điện cực thường là dây hàn có đường kính nhỏ, được nạp từ hệ thống nạp dây tự động Trong quá trình hàn, khí bảo vệ (thường là CO2 hoặc hỗn hợp khí) được dùng để bảo vệ vùng hàn khỏi không khí, ngăn ngừa quá trình oxy hóa và giảm thiểu hàm lượng các tạp chất trong hồ quang hàn

Sự chuyển dịch của khí và kim loại

Hồ quang Kim loại cơ bản

Dòng bột kim loại và các vật liệu tạo xỉ

Hình 2.5: Mô hình công nghệ GMAW [5]

2.3.2 Vật liệu sử dụng trong in 3D kim loại

Thép không gỉ (Stainless steel) được biết đến rộng rãi với khả năng chống ăn mòn, độ bền cao và vẻ ngoài thẩm mỹ Các bộ phận được in bằng thép không gỉ có thể có độ bền bằng hoặc thậm chí lớn hơn các bộ phận được tạo ra bằng phương pháp sản xuất truyền thống Độ bền, độ cứng và các tính chất khác của thép không gỉ được in 3D phụ thuộc chủ yếu vào công nghệ cụ thể được sử dụng để in chi tiết

Thép công cụ (Tool steel) là một họ các hợp kim dựa trên sắt có chứa hàm lượng carbon tương đối cao, tạo thành cacbua với các nguyên tố hợp kim khác, bao gồm vonfram, crom, vanadi và molypden Thép công cụ mang đến sự kết hợp tuyệt vời giữa độ bền ở nhiệt độ cao, độ cứng và khả năng chống mài mòn Những loại thép này thường được sử dụng trong sản xuất khuôn mẫu, tem và dụng cụ cắt trong nhiều ngành công nghiệp Các công cụ được sử dụng để sản xuất hình học được sử dụng trong các quy trình sản xuất sản phẩm khác, bao gồm ép đùn, cắt, đúc, ép phun, dập và lắp ráp thành phần Các tùy chọn thép công cụ sau đây có sẵn để in 3D kim loại—D2, M2, H13, H11, MS1 và 1.2709

Titanium là kim loại được sử dụng nhiều nhất trong ngành công nghiệp sản xuất bồi đắp Nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp y tế, hàng không vũ trụ, ô tô và điện tử, trong số những ngành khác Titanium và hợp kim của nó có độ bền cơ học cao Chúng cũng cung cấp khả năng chống ăn mòn tốt hơn thép không gỉ.

Các vật liệu titanium sau thường được dùng để in 3D kim loại—Ti-6Al-4V, Beta 21S, Cp-

Inconel® 625 là một siêu hợp kim chứa niken mang lại độ bền cao và có thể duy trì độ bền của nó trong một phạm vi nhiệt độ rộng Do khả năng chống ăn mòn và oxy hóa tuyệt vời, hợp kim này hoàn toàn lý tưởng để sử dụng trong môi trường ăn mòn Inconel®625 tìm thấy ứng dụng trong ngành chế biến hàng hải, năng lượng và hóa chất Một vài ứng dụng của Inconel® 625 bao gồm chân vịt thuyền và vỏ bộ trao đổi nhiệt

2.3.3 Vật liệu sử dụng trong quá trình thí nghiệm

Thép Ct3 được lựa chọn để đo độ dai và độ bền va đập vì nó có những đặc tính phù hợp với nhu cầu thử nghiệm kỹ thuật Vật liệu này có khả năng gia công dễ dàng, cho phép tạo thành các mẫu thử đơn giản và chính xác Đồng thời, CT3 cũng đảm bảo tính đồng nhất và độ tin cậy cao của dữ liệu thu được từ các thử nghiệm, giúp cho quá trình đo lường và phân tích kết quả trở nên hiệu quả và chính xác hơn

Thép CT3 tiếng anh Steel CT3 là một loại hợp kim giữa sắt và carbon trong đó hàm lượng phần trăm carbon C < 025% Thép CT3 với CT nghĩa là carbon thấp được sản xuất theo tiêu chuẩn ГOCT 380 – 89 của Nga, đối với thép tiêu chuẩn Việt Nam TCVN thì là CCT34, CCT38 với chữ C được thêm ở trước thép CT3 và số ở sau thể hiện độ bền giới hạn thép [19]

Thép CT3 có tính chất bền, độ cứng cao, độ bền kéo tốt, chịu được nhiệt cao áp lớn vì thế mà thép được ứng dụng rất nhiều trong sản xuất hàn, đúc khuôn máy móc, các linh kiện, gia công phụ kiện chi tiết máy, sản xuất các sản phẩm nguyên khối trong công nghiệp, dân sinh và xây dựng

Thành phần cấu tạo thép Ct3

Thép Ct3 có cấu tạo gồm các thành phần chính sắt, carbon, mangan, lưu huỳnh, silic, phốt pho, đây loại những thành phần dễ có, dễ kiếm, dễ luyện, dễ nấu Vì thế thép Ct3 có giá thành thấp hơn các loại thép khác nhưng vẫn bền bỉ và được ứng dụng trong nhiều hệ thống

Bảng 2.1: Các thành phần cấu tạo thép Ct3

CT3 Carbon Mangan Silic Lưu huỳnh Phốt pho

% Thành phần 0.14% – 0.22% 0.4% – 0.6% 0.12% – 0.3% ≤ 0.05% ≤ 0.04% Thép có hàm lượng carbon càng cao thì độ dẻo thấp, độ giòn cao và độ chịu lực cũng tăng:

Thép Ct3 có độ dẻo cao, dễ định hình hàm lượng carbon trong thép càng cao thì thép càng cứng, hàm carbon thấp thì thép càng dẻo Đối với thép Ct3 có hàm lượng carbon nhỏ hơn 0,25% do đó thép có độ cao và dễ định hình tuy nhiên thì độ bền, cứng của thép cũng khá hạn chế do hàm lượng carbon thấp

Khối lượng riêng thép CT3 là 7.85 g/cm3

Tính chất cơ lý và cường độ mác thép Ct3

Bảng 2.2: Tính chất cơ lý thép CT3

Thép CT3 Giới hạn chảy(min)

Giới hạn bền kéo (N/mm2) Độ giãn dài (min)

Thép Ct3 có độ bền kéo MPa: 373 – 481 Độ bền chảy (MPa) sẽ theo độ dày của thép Ct3

Bảng 2.3: Độ bền chảy (MPa) của thép Ct3 Độ dày < 20mm Độ dày từ

20mm – 40mm Độ dày từ 40mm – 100mm Độ dày > 100mm

245 235 226 216 Độ giãn dài tương đối (denta5) % phụ thuộc độ dày của thép Ct3:

Bảng 2.4: Độ dãn dài của thép CT3 Độ dày thép < 20mm Độ dày 20 – 40mm Độ dày > 40mm

Thép Ct3 được ứng dụng trong nhiều ngành nghề, lĩnh vực từ các ngành nghề xây dựng đến các ngành nghề sản xuất thiết bị công nghiệp, Một số ứng dụng của thép Ct3 như:

• Ứng dụng thép Ct3 trong sản xuất các linh kiện chi tiết máy móc như trục ty, đĩa van, đĩa đệm, bulong, ốc vít,

• Ứng dụng thép Ct3 trong sản xuất thép tấm, ống thép, thanh thép, các dàn giáo, trụ thép trong xây dựn nhà cửa, cầu đường,

• Ứng dụng thép Ct3 trong sản xuất phụ kiện công nghiệp cút thép, tê thép, măng xông thép, mặt bích thép, rọ bơm thép, lọc y thép,

• Ứng dụng thép Ct3 trong sản xuất các thiết bị thông dụng như ống nối, trụ thép, các sản phẩm thiết bị dân sinh, nông nghiệp,

• Ứng dụng thép Ct3 trong sản xuất các sản phẩm công nghiệp van bướm,van bi, van cầu, van dao, rọ bơm, van một chiều,

Kiểm tra tổ chức tế vi

Cấu tạo của kim loại và hợp kim

Vật liệu kim loại thường có cấu tạo gồm nhiều đơn tinh thể liên kết chặt chẽ với nhau, được gọi là đa tinh thể Đơn tinh thể được coi là tinh thể hoàn chỉnh, đa tinh thể gồm nhiều đơn tinh thể Từng đơn tinh thể trong đa tinh thể được gọi là cấu trúc (tổ chức) hạt [20]

Hình 2.6 Hạt và biên giới hạt

Các nguyên tử trong từng hạt tinh thể luôn luôn sắp xếp một cách có trật tự Còn các nguyên tử ở biên giới hạt thường sắp xếp không trật tự do tác động của các hạt xung quanh

Nguyên lý nghiên cứu tổ chức tế vi

Sơ đồ hình ảnh kính hiển vi

Các tia sáng khác nhau được hấp thụ bởi ống kính

Các hạt định hướng khác nhau bị ăn mòn khác nhau

Thấu kính Ánh sáng không được hấp thụ bởi kính hiển vi

Ranh giới hạt đã bị ăn mòn

Nghiên cứu tổ chức tế vi là việc quan sát hình ảnh phóng đại bề mặt mẫu, thông qua kính hiển vi Hình ảnh quan sát được thể hiện cấu tạo và tổ chức của kim loại và hợp kim, qua đó biết được cơ tính và lý tín của mẫu Đầu tiên cần mài, đánh bóng bề mặt mẫu để chùm tia sáng từ kính hiển vi phản xạ toàn phần, giúp quan sát bề mặt mẫu rõ nét hơn.[20]

Sau đó sử dụng dung dịch thích hợp để ăn mòn trên mặt mẫu đã đánh bóng, còn được gọi là tẩm thực Do mẫu tạo bởi các pha có tính chất hóa học khác nhau nên trên từng pha, giữa hạt tinh thể và biên giới hạt có mức độ độ ăn mòn khác nhau Sự tương phản sáng tối giữa các pha, hạt và biên giới hạt sẽ làm nổi rõ tổ chức tế vi của kim loại – hợp kim

Hình 2.7 Phản xạ ánh sáng của mẫu đã tẩm thực

Nguyên lý quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi

Nguồn sáng Gương phản xạ

Nguyên lý quan sát: Phóng đại hình ảnh bề mặt mẫu đã chuẩn bị bằng kính hiển vi, tín hiệu sử dụng là ánh sáng phản xạ từ bề mặt mẫu

Nhờ kính hiển vi mà có thể quan sát tổ chức của các pha, sự phân bố, hình dáng và kích thước của chúng Ngoài ra, còn có thể thấy các khuyết tật của vật liệu như vết nứt tế vi, rỗ và tạp chất

Phương pháp đo độ dai va đập

Đo độ dai va đập (Charpy test) là một phương pháp quan trọng để đánh giá độ bền va đập của vật liệu, đặc biệt là trong ngành công nghiệp cơ khí và kết cấu kim loại Nghiên cứu này tập trung vào việc mô phỏng và phân tích chi tiết kết quả năng lượng va đập của mẫu hàn với các biến số khác nhau, so sánh với vật liệu nguyên gốc (thép Ct3) Các biến số được xem xét bao gồm: độ dày lớp hàn đắp, cường độ dòng hàn (Ampe), độ dày tấm ghép, và tốc độ hàn trên máy WAAM CNC 3 trục

Thử nghiệm Charpy được thực hiện trên các mẫu hàn và mẫu nguyên gốc thép Ct3 với các biến số:

− Độ dày lớp hàn đắp: 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm

− Độ dày tấm ghép: 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm

− Tốc độ hàn: 250 mm/s, 275 mm/s, 300 mm/s, 325 mm/s, 350 mm/s

Mỗi biến số được thử nghiệm trên các nhóm mẫu khác nhau và kết quả năng lượng va đập được ghi lại

Hình 2.8 Nguyên lý phản xạ của kính hiển vi

Bảng 2.5 Bảng đơn biến các trường hợp lấy mẫu thử

TH1 Độ dày lớp hàn

(mm) Độ dày tấm (mm)

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Công nghệ CNC 3 trục

Công nghệ CNC 3 trục là công nghệ điều khiển số máy móc trong gia công, trong đó "3 trục" chỉ số lượng trục chuyển động của máy Trong trường hợp này, máy CNC có thể di chuyển và gia công vật liệu theo ba hướng khác nhau (x, y, z), cho phép sản xuất các chi tiết có độ phức tạp và độ chính xác cao

Công nghệ CNC 3 trục xây dựng trên cơ sở của hệ thống ba trục chính: X, Y và Z Trục X và Y di chuyển trên mặt phẳng ngang, trong khi trục Z di chuyển theo hướng dọc Mỗi trục được điều khiển bởi các động cơ bước hoặc servo motor, nhờ đó đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy trong quá trình gia công

Quá trình hoạt động của CNC 3 trục bắt đầu từ việc tạo ra các chương trình gia công Các chương trình này thường được thiết kế trước đó bằng các phần mềm CAD (Computer-Aided Design - Thiết kế hỗ trợ máy tính) hoặc CAM (Computer-Aided Manufacturing - Chế tạo hỗ trợ máy tính) Trong chương trình, các thông tin về hình dạng chi tiết, vị trí ban đầu của dao cắt và các thao tác gia công khác được nhập vào máy tính điều khiển của máy phay CNC

Máy tính điều khiển sẽ chuyển đổi các dữ liệu đầu vào thành các tín hiệu điều khiển cụ thể để điều khiển động cơ và dao cắt di chuyển theo quỹ đạo mong muốn trên bề mặt vật liệu Điều này bao gồm việc điều chỉnh tốc độ và độ sâu cắt để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng

Công nghệ CNC 3 trục mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho quá trình sản xuất và công nghiệp chế tạo:

− Chính xác cao: Điều khiển bằng máy tính giúp giảm thiểu sai số và đảm bảo tính chính xác cao trong sản xuất

− Tối ưu hóa quy trình sản xuất: Tự động hóa các hoạt động gia công giúp tiết kiệm thời gian và tăng năng suất sản xuất

− Đa dạng hóa sản phẩm: Công nghệ CNC cho phép sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp và chi tiết nhỏ một cách dễ dàng, từ các linh kiện đơn giản đến các bộ phận phức tạp trong ngành hàng không vũ trụ

− Độ linh hoạt: Khả năng thay đổi nhanh chóng giữa các chương trình gia công khác nhau, cho phép sản xuất linh hoạt và đa dạng hóa sản phẩm

Công nghệ CNC 3 trục được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sản xuất và công nghiệp, bao gồm:

− Công nghiệp máy móc: sản xuất các chi tiết máy móc, bộ phận chính xác và linh kiện

− Ô tô và hàng không vũ trụ: gia công các bộ phận đòi hỏi độ chính xác cao và độ bền trong điều kiện làm việc khắc nghiệt

− Y tế và công nghệ sinh học: sản xuất các bộ phận y tế và thiết bị y tế có độ chính xác cao

− Ngành công nghiệp khác: sản xuất đồ gỗ, các thiết bị điện tử và linh kiện công nghiệp khác

Trong tương lai, công nghệ CNC 3 trục sẽ tiếp tục phát triển và được cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường sản xuất hiện đại Các cải tiến như tăng cường tính linh hoạt, tăng độ chính xác và giảm thiểu thời gian gia công sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí

Công nghệ CNC 3 trục không chỉ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm mà còn mở ra nhiều cơ hội phát triển mới cho ngành công nghiệp chế tạo Với sự kết hợp giữa công nghệ hiện đại và sự điều chỉnh chính xác của máy tính, công nghệ này sẽ tiếp tục là một trong những công cụ quan trọng để thúc đẩy sự phát triển bền vững của nền kinh tế toàn cầu.

Mô hình khái quát máy CNC 3 trục

3.2.1 Mô hình máy CNC 3 trục

Hình 3.1: Mô hình khái quát máy CNC 3 trục [12]

Chi tiết từng bộ phận và công dụng của máy hàn CNC 3 trục sử dụng máy hàn MIG

Công dụng: Cung cấp cấu trúc vững chắc để gắn kết các bộ phận khác và giữ vững máy trong quá trình hoạt động

Chất liệu: Thép không gỉ hoặc hợp kim nhôm

Công dụng: Điều khiển chuyển động của đầu hàn theo ba trục để thực hiện các mối hàn ở các vị trí khác nhau

Chi tiết: Được trang bị động cơ bước hoặc động cơ servo để đảm bảo độ chính xác cao

Công dụng: Thực hiện quá trình hàn bằng cách phun dây hàn nóng chảy và khí bảo vệ lên bề mặt vật liệu

Chi tiết: Bao gồm mỏ hàn, dây hàn và hệ thống cấp dây

Công dụng: Cung cấp dòng điện cần thiết cho quá trình hàn, điều chỉnh điện áp và dòng điện phù hợp

Thông số: Công suất từ 300A - 500A

Công dụng: Chỗ để đặt và cố định các chi tiết cần hàn

Chi tiết: Có thể điều chỉnh chiều cao và được trang bị hệ thống kẹp chi tiết

− Hệ thống điều khiển CNC

Công dụng: Điều khiển toàn bộ hoạt động của máy hàn thông qua phần mềm lập trình Chi tiết: Bao gồm máy tính công nghiệp, màn hình cảm ứng, và phần mềm điều khiển

Công dụng: Làm mát đầu hàn và nguồn hàn để ngăn ngừa quá nhiệt

Chi tiết: Sử dụng nước hoặc khí làm mát

− Hệ thống bảo vệ an toàn

Công dụng: Bảo vệ máy và người vận hành khỏi các rủi ro như quá tải, quá nhiệt, và điện áp không ổn định

Chi tiết: Bao gồm các cảm biến và cơ chế ngắt tự động

Công dụng: Hỗ trợ quá trình hàn và bảo trì máy

Chi tiết: Bộ kẹp chi tiết, dây hàn, bộ điều khiển từ xa

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của máy CNC 3 trục sử dụng hàn MIG

Thông số kỹ thuật Giá trị

Phạm vi chuyển động X: 1500mm, Y: 3000mm, Z: 500mm

Tốc độ di chuyển 0 - 5000 mm/phút

Loại nguồn hàn MIG (Metal Inert Gas)

Công suất nguồn hàn 300A - 500A Điện áp hoạt động 380V/50Hz Độ chính xác vị trí ±0.02 mm

Khả năng hàn vật liệu Thép, inox, nhôm, hợp kim

Hệ thống điều khiển CNC điều khiển số bằng máy tính

Phần mềm lập trình CAD/CAM, hỗ trợ G-code

Kích thước máy 2500mm x 1500mm x 2000mm

Hệ thống làm mát Làm mát bằng khí

Bảo vệ quá tải, bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ điện áp

Bộ kẹp chi tiết, mỏ hàn MIG, dây hàn, bộ điều khiển từ xa

3.2.2 Các điểm quy chiếu trên máy CNC 3 trục Điểm quy chiếu cố định do nhà chế tạo máy công cụ xác lập như một phần trong thiết kế máy và người sử dụng máy không thể thay đổi Máy CNC có ít nhất một điểm quy chiếu cố định Khi cần quyết định các điểm quy chiếu cho chi tiết hoặc dao cắt, nhà lập trình có thể lựa chọn tương đối tự do Điểm quy chiếu chi tiết (điểm Zero chương trình) luôn luôn là điểm linh hoạt (động), vị trí thực của điểm này do nhà lập trình quyết định Điểm quy chiếu đối với dao cắt đã lắp có thể là cố định hoặc linh hoạt, tùy theo thiết kế máy

Hình 3.2: Các điểm quy chiếu trên máy CNC 3 Trục [6]

Máy hàn MIG kết hợp công nghệ CNC 3 trục

Hàn MIG (Gas Metal ARC Welding - GMAW) sử dụng phương pháp hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ, điện cực chính là dây hàn nóng chảy, được cấp tự động vào vật hàn, môi trường là khí trơ Argon hoặc CO2 tùy thuộc vào loại vật liệu mà cần hàn mà thợ hàn lựa chọn sẽ sử dụng khí để bảo vệ hàn khi lựa chọn vật liệu cần hàn, máy hàn.[7] Đề tài “Khảo sát độ dai va đập của thép carbon được chế tạo bằng phương pháp WAAM layer” là đề tài nghiên cứu sự kết hợp giữa công nghệ hàn MIG và công nghệ CNC để tạo ra sản phẩm Khác biệt lớn nhất so với phương pháp gia công truyền thống là sản phẩm tạo ra gần tinh không cần thông qua gia công cắt gọt nên tiết kiệm được vật liệu cũng như thời gian gia công

Tuy nhiên, để sản phẩm đạt được chất lượng cũng như cơ tính tốt thì còn phụ thuộc nhiều yếu tố đầu vào như: dòng điện, điện áp hồ quang, đường kính dây hàn, tốc độ hàn đắp, tốc độ đẩy dây hàn, bề dày mỗi lớp… Vì thế, sự ảnh hưởng của các thông số quá trình phải được dự đoán trước để có được kết quả tối ưu cho sản phẩm b) Cấu tạo của máy hàn MIG

Thường thì cấu tạo của máy hàn MIG bao gồm các thành phần chính đó là: nguồn hàn, dây hàn, khí bảo vệ, mỏ hàn, chỉnh lưu, thiết bị chuyển dây hàn Trong MIG các thành phần quan trọng nhất chính là mỏ hàn nó đảm nhiệm các chức năng như cấp dòng điện cho dây hàn thông qua ống tiếp xúc, khí bảo vệ qua mỏ phun (nozzle) và một hệ thống giải nhiệt cho súng hàn khi cần thiết.[21]

Phôi hàn Cáp làm việc

Cung cấp khí bảo vệ

Hình 3.3: Sơ đồ cấu tạo của máy hàn MIG [7]

Tiếp đến là bộ cấp dây hàn (wire feeder) có tốc độ ổn định ở một giá trị nhất định Tùy thuộc vào từng loại dây hàn mà có thể dùng bộ cấp dây hai con lăn (2-rolls) hoặc bộ bốn con lăn (4 – rolls) Có thể lắp sẵn bộ cấp dây vào nguồn điện hàn hoặc là tách riêng biệt Nó có chức năng chủ yếu là duy trì quá trình cháy tự động của sau khi mồi của hồ quang hàn

Loại khí bảo vệ mà máy hàn Mig sử dụng : Có thể là khí hoặc hỗn hợp khí trơ (như

Ar, He hoặc Ar + He) không tác dụng với các kim loại lỏng trong khi hàn hoặc là một số loại khí có hoạt tính (như CO2; CO2 + Ar, …) với tác dụng chiếm chỗ, đẩy không khí ra khỏi vùng hàn gây ức chế những ảnh hưởng xấu từ không khí

24 c) Những thành phần và phụ kiện đi kèm với máy hàn MIG

Hình 3.4: Các loại dây hàn MIG

Dây hàn có nhiệm vụ dẫn dòng điện tới hồ quang và cung cấp một phần kim loại nóng chảy cho bể hàn Dưới tác dụng của hồ quang và các loại khí bảo vệ khác nhau được sử dụng và thông số hàn, kim loại nóng chảy trong bể hàn thay đổi thành phần do kết hợp với khí và do một số thành phần hợp kim loại bị cháy Khi hàn Mig, đường kính dây hàn phù hợp là từ 0.8 đến 2.4mm

− Bộ cấp khí bảo vệ:

Khí hoạt tính (CO2): Khí CO2 được dùng khá rộng rãi để hàn thép Cacbon trung bình, với các ưu điểm là mối hàn ổn định, tốc độ hàn cao và độ ngấu sâu Những điểm hàn trong khí bảo vệ CO2 lại gây bắn tóe kim loại mỏng

Khí trơ (Ar, He): Khí Argon (Ar) tinh khiết thường dùng các vật liệu kim loại mầu hoặc thép trắng Khí Heli (He) tinh khiết sử dụng dùng cho các loại vật liệu có độ dãn nở nhiệt cao như AI, Mg, Cu…

Hình 3.5: Bình khí Hình 3.6: Van điều áp

Cung cấp dòng hàn cho các quá trình Sử dụng nguồn DC phân cực dương với kiểu điện áp không đổi (CV), có nghĩa là súng hàn được gắn vào cực dương còn chi tiết hàn đấu cực âm Ưu điểm chính của thiết bị kiểu CV là điện áp hồ quang không đổi trong suốt quá trình hàn Dòng hàn sẽ tự động tăng hoặc giảm khi chiều dài hồ quang thay đổi, từ đó làm tăng hoặc giảm tốc độ chảy của dây hàn nhờ đó mà điện áp hồ quang được duy trì không đổi

Hình 3.7: Nguồn máy hàn MIG

Bộ cấp dây hàn gồm nhiều các bộ phận khác như Motor, bộ điều khiển, cuộn dây liên kết lại với nhau, cung cấp cho người sử dụng khả năng điều chỉnh tốc độ cấp dây

Hình 3.8: Bộ cấp dây hàn

Bộ cấp dây được trang bị mạch điện tử để điều khiển quá trình mồi hồ quang, tự động hiệu chỉnh khi có sự thay đổi điện áp nguồn, tự hiểu chỉnh khi xảy ra sự trượt dây Mạch điều khiển sẽ hiệu chỉnh quá trình khởi động và dừng cấp dây Kết quả là hồ quang cháy ổn định hơn Thiết bị được bố trí trong hộp kín để hạn chế bụi bặm, tăng tuổi thọ, giảm nhu cầu bảo trì

− Súng hàn MIG Đối với hàn MIG-MIG bán tự động, cấu tạo súng hàn cơ bản gồm có: mỏ hàn có hình dạng tương tự cây súng ngắn, có cổ cong hoặc cổ thẳng, ống tiếp điện(béc hàn) để chuyển dòng điện hàn đến dây điện cực, đường dẫn khí và ống dẫn để hướng dòng khí bảo vệ quanh hồ quang và vũng hàn, bộ phận làm nguội bằng khí hoặc nước tuần hoàn, công tắc để đóng và ngắt dòng điện hàn, nạp dây và dòng khí bảo vệ

Ruột dây hàn Ống dẫn khí

Thân súng hàn Bọc cáp súng hàn

Hình 3.9: Cấu tạo súng hàn MIG [8]

27 d) Nguyên lý hoạt động của máy hàn MIG

Hàn Mig là quá trình khi bóp cò súng cuộn dây chạy ra, hàn liên tục trong một môi trường có khí bảo vệ Máy hàn mig giá rẻ dùng phương pháp hàn thuộc nhóm GMAW sử dụng nguồn nhiệt từ hồ quang hình thành giữa dây điện cực rắn cấp liên tục nhờ vào một bộ cấp dây với tốc độ không đổi Vùng chảy hình thành sẽ được bảo vệ bằng dòng khí trơ hay khí có tính khử Sự cháy của dòng hồ quang được duy trì nhờ vào hiệu chỉnh đặc tính điện hồ quang.[9]

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy hàn MIG [9]

− Lập trình và chuẩn bị:

Người vận hành sử dụng phần mềm CAD/CAM để thiết kế các đường hàn cần thực hiện

Chương trình hàn được chuyển đổi thành mã G-code và nạp vào hệ thống điều khiển CNC

Các chi tiết cần hàn được đặt lên bàn làm việc và cố định chắc chắn bằng các bộ kẹp

− Thiết lập tham số hàn:

Các thông số hàn như dòng điện, điện áp, tốc độ cấp dây, và lưu lượng khí bảo vệ được thiết lập trên nguồn hàn MIG

− Khởi động quá trình hàn:

Hệ thống CNC điều khiển các trục X, Y, Z để di chuyển đầu hàn đến vị trí bắt đầu hàn

Khi đến vị trí, nguồn hàn MIG bắt đầu cung cấp dòng điện và dây hàn, đồng thời khí bảo vệ (thường là argon hoặc CO2) được phun ra để bảo vệ mối hàn khỏi oxi hóa

− Thực hiện quá trình hàn: Đầu hàn di chuyển theo chương trình đã lập trình, thực hiện các mối hàn theo các đường hàn được thiết kế

Quá trình này diễn ra tự động với sự giám sát của hệ thống điều khiển CNC để đảm bảo độ chính xác và chất lượng của mối hàn

− Kết thúc quá trình hàn:

Sau khi hoàn thành các đường hàn, đầu hàn quay trở lại vị trí ban đầu hoặc di chuyển đến vị trí khác để tiếp tục hàn nếu có

Máy tự động tắt nguồn hàn và ngừng cấp dây hàn

− Kiểm tra và bảo dưỡng:

Sau khi hàn xong, người vận hành kiểm tra chất lượng mối hàn và thực hiện các bước bảo dưỡng máy nếu cần.

Các thông số hàn

Đề tài “Khảo sát độ dai va đập của thép carbon được chế tạo bằng phương pháp

WAAM layer” có nhiệm vụ xem xét những thông số quan trong và dựa vào những thông số hàn để tìm ra được sự ảnh hưởng của các thông số hàn đến độ bền lớp đắp Đường hàn bình thường

Hình 3.11: Sự thay đổi của đường hàn [11]

− Điện áp hàn Điện áp hàn là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của đường hàn MIG trong quá trình sản xuất kim loại Điện áp quyết định mức độ năng lượng được truyền vào quá trình hàn, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ sâu và đặc tính của lớp hàn trên bề mặt kim loại Nếu điện áp quá cao, có thể dẫn đến nhiệt lượng quá lớn, gây ra sự chảy chảy không cần thiết và tạo ra các lỗ hổng hàn Ngược lại, điện áp hàn quá thấp có thể dẫn đến lớp hàn không đủ sâu và không đồng đều Điều chỉnh điện áp hàn phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ bền và đồng đều của đường hàn trong quá trình sản xuất, đặc biệt là trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi sự chính xác và độ bền cao của sản phẩm kim loại Điện áp quá cao: điện áp cao được biểu hiện bằng hồ quang không ổn định, độ xuyên thấu không nhất quán và vũng hàn hỗn loạn không thể xuyên qua vật liệu cơ bản một cách đồng đều

Hình 3.12: Đường hàn điện áp cao [10] Điện áp quá thấp: điện áp quá thấp dẫn đến hồ quang khó khởi động, khó điều khiển và độ ngấu kém Nó cũng gây ra hiện tượng bắn tóe kim loại nhiều, hình dạng mối hàn nhô cao và liên kết giữa biên mối hàn và chi tiết hàn kém

Hình 3.13: Đường hàn điện áp thấp

Tốc độ hàn là yếu tố quan trọng đối với chất lượng của đường hàn MIG trong quá trình sản xuất kim loại Khi tốc độ hàn được điều chỉnh đúng, nó có thể ảnh hưởng đến sự liên kết và sự đồng đều của lớp hàn trên bề mặt kim loại Tốc độ hàn quá nhanh có thể dẫn đến lớp hàn không đều, lỗ hổng hàn và sự không ổn định trong quá trình làm việc Ngược lại, hàn quá chậm có thể dẫn đến quá nhiều nhiệt, gây biến dạng và thay đổi tính chất cơ học của vật liệu Điều chỉnh và kiểm soát tốc độ hàn thích hợp để đạt được độ bền và chất lượng cao cho các đường hàn MIG trong sản xuất công nghiệp

Tốc độ di chuyển quá nhanh: mối hàn nhô cao, hẹp, không đủ độ liên kết giữa biên mối hàn và vật hàn, độ ngấu không đủ và mối hàn không đều

Hình 3.14: Đường hàn tốc độ cao

Tốc độ di chuyển quá chậm: tốc độ di chuyển mỏ hàn quá chậm tao ra quá nhiều nhiệt vào mối hàn, dẫn đến đường hàn quá rộng và độ ngấu kém Trên vật liệu mỏng, nó cũng có thể gây cháy thủng

Hình 3.15: Đường hàn tốc độ thấp

− Tốc độ cấp dây hàn

Tốc độ cấp dây/cường độ dòng điện quá cao: tốc độ cấp dây hoặc cường độ dòng điện quá cao (tùy thuộc vào loại máy bạn đang sử dụng) có thể khó tạo hồ quang mối hàn quá rộng, cháy thủng, văng bắn nhiều và độ ngấu kém.[10]

Hình 3.16: Đường hàn tốc độ cấp dây cao [10]

Tốc độ cấp dây/cường độ dòng điện quá thấp: mối hàn nhô cao, hẹp, đôi khi không có sự hòa quyện giữa biên mối hàn và vật hàn

Hình 3.17: Đường hàn tốc độ cấp dây thấp

Loại khí hàn được sử dụng có thể ảnh hưởng đến các đặc tính của lớp hàn, bao gồm cả độ sâu, độ bền và tính chất bề mặt của chi tiết hàn Sử dụng khí bảo vệ phù hợp có thể giúp kiểm soát quá trình oxi hóa và ngăn ngừa sự tác động của không khí đến vùng nóng của lớp hàn [10]

Không có hoặc thiếu khí bảo vệ: Việc thiếu hoặc không đủ khí bảo vệ dễ dàng được xác định bằng độ rỗng và lỗ kim ở bề mặt và bên trong mối hàn

Hình 3.18: Đường hàn bị thiếu khí

Ưu, nhược điểm và ứng dụng của máy hàn MIG

Ưu điểm của hàn MIG [7]:

− Hàn MIG sử dụng khí CO2, dễ sản xuất nên giá thành khá thấp

− Năng suất hàn cao gấp hơn 2,5 lần so với hàn hồ quang tay

− Hàn MIG có thể tiến hành ở mọi vị trí không gian khác nhau và ở tất cả các vị trí hàn

− Chất lượng hàn cao, Hệ số hoạt động cao

− Do tốc độ hàn cao nên sản phẩm hàn ít bị cong vênh , nguồn nhiệt tập trung, hiệu suất sử dụng nhiệt lớn

− So với hàn hồ quang tay, điều kiện lao động của hàn MIG tốt hơn, quá trình hàn không phát sinh khí độc

− Ít khi phải làm sạch

− Có thể sử dụng để hàn nhiều kim loại khác nhau: thép Carbon, nhôm, Inox,

Nhược điểm của hàn MIG [7]:

− Thiết bị hàn MIG đắt tiền hơn hàn que

− Tính linh hoạt kém, ít có thể di chuyển nhiều

− Bức xạ nhiệt khá cao

− Khí bảo vệ có thể bị thổi lệch vì gió, khó sử dụng trên các công trường Ứng dụng của hàn MIG:

− Hàn MIG được sử dụng nhiều trong hàn tự động, bán tự động, hàn các vật liệu dày Có thể dùng để hàn ống, hàn các khung xe máy ô tô,các kết cấu

− Chiều dày vật hàn từ 0,4 - 4,8mm thì chỉ cần hàn một lớp mà không phải vát mép, từ 1,6 - 10mm thì hàn một lớp có vát mép, còn từ 3,2 - 25mm thì hàn nhiều lớp

− Hàn MIG có thể hàn các loại thép kết cấu thông thường, thép không gỉ, thép chịu nhiệt, các hợp kim đặc biệt, hợp kim nhôm, magiê, đồng,…

− Thích hợp hàn trong các nhà máy sản xuất, các xưởng sản xuất hơn là các công trình ngoài trời do tính cơ động không cao [7]

CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

Máy kiểm tra độ dai va đập

Sự thử va đập Charpy, hay sự thử khắc-V Charpy là phép thử biến dạng nhanh được chuẩn hóa giúp xác định năng lượng hấp thụ bởi vật liệu trong quá trình gãy vỡ Năng lượng hấp thụ này giúp xác định độ dai của vật liệu và là công cụ để nghiên cứu sự chuyển biến dòn-dẻo theo nhiệt độ Nó được dùng rộng rãi trong công nghiệp do quy trình chuẩn bị và thực hiện dễ dàng và có thể thu được kết quả nhanh và rẻ Tuy vậy một bất lợi lớn của phương pháp là các kết quả đều tương đối.[14]

Phương pháp này được phát triển vào năm 1905 bởi nhà khoa học Pháp Georges Charpy Ngày nay nó được dùng trong nhiều ngành công nghiệp để kiểm tra vật liệu xây dựng và chế tạo dùng trong chế tạo bình áp suất, cầu và xem bão ảnh hưởng đến các vật liệu bên trong công trình như thế nào.[14]

Hình 4.1: Máy kiểm tra độ dai va đập [13]

Bộ dụng cụ bao gồm một búa con lắc đập vào mẫu đã được khắc Năng lượng truyền vào vật liệu có thể được tính toán bằng cách so sánh sự thay đổi độ cao của búa trước và sau một sự gãy vỡ lớn

Vết khắc trên mẫu ảnh hưởng tới kết quả của phép thử va đập, do vậy vết khắc cần có kích thước và hình dạng chuẩn Kích cỡ của mẫu cũng có thể ảnh hưởng tới kết quả, do nó quyết định xem vật liệu có biến dạng phẳng hay không Sự khác biệt này có thể ảnh hưởng mạnh tới kết luận đưa ra.[14]

"Phương pháp tiêu chuẩn kiểm tra va đập của thanh khắc bằng vật liệu kim loại" có thể được tìm thấy trong các tiêu chuẩn ASTM E23[5], ISO 148-1[6] hay EN 10045-

1, trong đó mọi chi tiết về phép thử và thiết bị đều được mô tả chi tiết

Kết quả định lượng của phép thử va đập – năng lượng cần thiết để làm gãy vỡ vật liệu – có thể dùng để đo độ dai va đập và độ bền dẻo của vật liệu Cũng có thể nghiên cứu tốc độ biến dạng và phân tích ảnh hưởng của nó tới sự gãy vỡ

Nhiệt độ chuyển tiếp dẻo-giòn (ductile-brittle transition temperature, DBTT) có thể được truy ra từ nhiệt độ mà tại đó năng lượng cần để làm gãy vỡ vật liệu thay đổi mạnh Tuy nhiên thực tế không có một sự chuyển tiếp rõ ràng nào nên việc tìm được nhiệt độ chuyển tiếp chính xác là khó khăn DBTT chính xác có thể nhận được qua thực nghiệm theo nhiều cách: năng lượng hấp thụ riêng, thay đổi mặt gãy vỡ (ví dụ 50% diện tích bị nứt vỡ) [14]

Kết quả định tính của phép thử va đập có thể được dùng để xác định độ dẻo của vật liệu Nếu vật liệu bị vỡ theo một mặt phẳng, gãy vỡ là dẻo, còn nếu vật liệu bị vỡ với các cạnh răng cưa hay lưỡi cắt, sự gãy vỡ là dòn Thường thì vật liệu không gãy vỡ theo chỉ một kiểu, do vậy khi so sánh diện tích phần răng cưa và phẳng của sự gãy vỡ có thể mang lại sự ước lượng về phần trăm của gãy vỡ dẻo và dòn[14]

Máy đo độ dai va đập, thường gọi là máy đo độ dai hoặc máy thử va đập, là một thiết bị quan trọng trong ngành vật liệu và cơ khí Thiết bị này được sử dụng để xác định khả năng chịu va đập của các vật liệu, bao gồm kim loại, nhựa, gốm sứ, và nhiều loại vật liệu khác

Màn hình kết quả đo

Hệ thống bảo vệ an toàn

Hình 4.2: Các bộ phận của máy đo độ dai va đập [13]

Các thành phần chính của máy đo độ dai va đập:

Búa lắc được gắn trên trục quay và có thể được thả tự do từ một độ cao xác định

Công dụng: tạo lực va đập vào mẫu thử, phá vỡ mẫu và đo năng lượng hấp thụ khi mẫu bị phá vỡ

− Gối đặt mẫu (Specimen Anvil)

Gồm hai gối đỡ để đặt và giữ mẫu thử ở vị trí cố định

Công dụng: giữ mẫu cố định ở đúng vị trí để búa lắc có thể va đập chính xác vào rãnh khía của mẫu

− Thang đo năng lượng (Energy Scale)

Thường là một thang đo cơ học hoặc kỹ thuật số, gắn liền với trục quay của búa lắc Công dụng: đo lường năng lượng hấp thụ bởi mẫu thử khi bị phá vỡ, thường hiển thị dưới dạng đơn vị joules (J)

− Cơ cấu giữ và thả búa (Release Mechanism)

Hệ thống cơ học hoặc điện tử để giữ búa lắc ở vị trí cao và thả tự do khi bắt đầu thử nghiệm

Công dụng: đảm bảo búa lắc được thả từ cùng một độ cao và cùng một lực trong mỗi lần thử nghiệm

− Hệ thống bảo vệ và an toàn (Safety Enclosure)

Bao gồm một vỏ bảo vệ xung quanh khu vực va đập để ngăn chặn các mảnh vỡ và bảo vệ người vận hành

Công dụng: đảm bảo an toàn cho người sử dụng máy và bảo vệ thiết bị khỏi các tác động bên ngoài

− Hệ thống điều khiển và hiển thị (Control and Display System)

Bảng điều khiển có các nút điều chỉnh và màn hình hiển thị kết quả

Công dụng: cho phép người sử dụng thiết lập các thông số thử nghiệm và hiển thị kết quả đo lường một cách rõ ràng và chính xác

− Trục quay và khớp nối (Pivot and Bearings)

Trục quay nối liền búa lắc với máy, sử dụng các khớp nối và ổ bi để giảm ma sát

Công dụng: đảm bảo chuyển động mượt mà của búa lắc và giảm thiểu sai số trong quá trình thử nghiệm

− Cảm biến và hệ thống thu thập dữ liệu (Sensors and Data Acquisition System)

Cảm biến gắn trên búa lắc hoặc trục quay để thu thập dữ liệu về lực và năng lượng

Công dụng: đo lường và ghi lại các thông số quan trọng trong quá trình thử nghiệm, hỗ trợ phân tích chi tiết kết quả

− Công dụng tổng quan: Đánh giá tính chất cơ học của vật liệu: Giúp xác định độ dai va đập, độ bền và tính dẻo của vật liệu

Kiểm tra chất lượng hàn: Đánh giá chất lượng mối hàn và so sánh với vật liệu gốc Phân tích hư hỏng: Hiểu rõ hơn về nguyên nhân và cơ chế hư hỏng của vật liệu dưới tác động cơ học

Máy đo độ dai va đập hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản là chuyển đổi năng lượng từ con lắc vào mẫu thử khi va chạm Con lắc được nâng lên một độ cao nhất định và thả tự do, tạo ra một lực va đập vào mẫu thử Năng lượng hấp thụ bởi mẫu thử trong quá trình va đập được đo và phân tích để xác định độ dai của vật liệu

Gối đỡ mẫu Con lắc va đập Độ cao bắt đầu của búa lắc Điểm kết thúc của con lắc

Gối đỡ Kích thước mẫu: 10 x 10 x 55

Chế tạo mẫu thử

Các mẫu thép Ct3 được chế tạo bằng máy WAAM 3 trục kết hợp hàn MIG với các thông số khác nhau Mỗi mẫu sẽ được hàn trên các tấm thép nền có độ dày xác định trước và với các lớp hàn có độ dày khác nhau Dòng điện và vận tốc hàn sẽ được thay đổi để tạo ra các điều kiện hàn khác nhau

Cụ thể, các bước chuẩn bị mẫu bao gồm:

− Lựa chọn tấm thép nền: Sử dụng các tấm thép carbon có độ dày từ 1mm đến 5mm

− Thiết lập thông số hàn: Đặt các thông số hàn cho từng mẫu, bao gồm dòng điện từ 60A đến 100A và vận tốc hàn từ 250 mm/s đến 350 mm/s

− Tiến hành hàn: Thực hiện quá trình hàn với các thông số đã thiết lập và đắp từng lớp lên bề mặt nền cho đến khi đạt được độ dày mong muốn

− Cắt mẫu: Sau khi hoàn thành quá trình hàn, các mẫu sẽ được cắt ra từ tấm thép để chuẩn bị cho thử nghiệm độ dai va đập

Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị a) Máy CNC 3 Trục; b) Máy hàn MIG; c) Eto; d) Cuộn dây hàn; e) Thước kẹp; f) Kìm cắt dây; g) Kìm điện; h) Kính bảo vệ; i) Găng tay hàn; k) Bình khí

Hình 4.4: Chuẩn bị các thiết bị cho quá trình hàn

Quy trình chế tạo phôi hàn a) Sắp xếp các thanh thép Ct3 thành tấm bằng ê tô b) Cố định các thanh bằng cách hàn hai đầu thanh c) Gá phôi đã được cố định vào ê tô trên máy CNC d) Thiết lập các thông số hàn e) Vận hành máy a) b) c) d) e)

Hình 4.5: Quy trình chế tạo phôi hàn

Hình ảnh mẫu sau khi hàn

Hình 4.6: Hình ảnh phôi sau khi hàn 4.2.2 Gia công mẫu thử va đập

Tiêu chuẩn gia công mẫu Áp dụng tiêu chuẩn ASTM A370: Quy định các phương pháp thử nghiệm cơ học cho sản phẩm thép, bao gồm cả thử độ dai va đập Tiêu chuẩn này đảm bảo rằng tất cả các phép thử được thực hiện theo cùng một quy trình, giúp so sánh kết quả giữa các mẫu và các lô sản phẩm khác nhau trở nên khả thi và đáng tin cậy

Kích thước mẫu: Mẫu hình hộp chữ nhật với kích thước 10 mm x 10 mm x 55 mm

Rãnh khía: Mẫu có một rãnh khía chữ V ở giữa Đối với rãnh chữ V, góc của rãnh là 45° và độ sâu là 2 mm

Chuẩn bị mẫu: Mẫu cần được gia công từ vật liệu thử nghiệm và bề mặt phải mịn màng, không có vết xước hoặc khuyết tật

Nhiệt độ thử nghiệm: Mẫu được thử nghiệm ở nhiệt độ phòng, đảm bảo mẫu đạt được nhiệt độ thử nghiệm trước khi tiến hành va đập

Hình 4.7: Kích thước mẫu tiêu chuẩn [16]

Tiêu chuẩn gia công rãnh khía V [17]

Hình 4.8: Rãnh khía V theo tiêu chuẩn [17]

Kích thước mẫu Charpy V-notch tiêu chuẩn:

Kích thước: 10mm x 10mm x 55mm

Rãnh chữ V: góc 45°, độ sâu 2mm, bán kính đáy rãnh 0.25mm

Rãnh này tạo ra một điểm yếu, giúp tập trung ứng suất khi va đập và làm mẫu dễ gãy tại điểm này, giúp đo lường khả năng chống chịu va đập chính xác hơn

Vị trí lấy mẫu thử

Hình 4.9: Vị trí lấy mẫu thử từ phôi hàn

Quy trình gia công mẫu:

Bước 2: Phay bề mặt lớp hàn (b)

Bước 3 : Phay bề mặt thanh kim loại (c)

Bước 4: Phay bề mặt lớp hàn (d)

Bước 7: Chuốt rãnh V chi tiết (g)

Hình 4.10: Quy trình gia công mẫu thử Mẫu sau khi gia công

Hình 4.11: Mẫu thử sau khi gia công

Các khuyết tật thường gặp sau gia công

− Mẫu bị thiếu đường hàn

Cường độ dòng hàn không phù hợp:

Kim loại nóng chảy quá nhanh, không đủ thời gian để lấp đầy các khoảng trống dẫn đến mối hàn mỏng, không đạt độ ngấu cần thiết

Không đủ nhiệt để làm chảy hoàn toàn kim loại, tạo ra mối hàn yếu và không đều kết quả là mối hàn bị thiếu hoặc không đủ độ bám dính

Vận tốc hàn không đúng:

Thời gian tiếp xúc giữa mỏ hàn và vật liệu quá ngắn, khiến mối hàn không được điền đầy dẫn đến đường hàn hẹp và không có đủ thịt

Kim loại có thể bị cháy hoặc chảy tràn, không điền đầy các vị trí cần thiết có thể gây ra cháy khét, làm yếu mối hàn và gây ra thiếu đường hàn

Vật liệu và chuẩn bị bề mặt:

Bề mặt vật liệu không được chuẩn bị kỹ: dầu mỡ, bụi bẩn hoặc gỉ sét có thể làm giảm chất lượng mối hàn, dẫn đến thiếu đường hàn

Vật liệu không đồng đều: độ dày hoặc tính chất vật liệu thay đổi, ảnh hưởng đến độ ngấu và khả năng lấp đầy của mối hàn

Hình 4.12: Mẫu bị thiếu đường hàn sau gia công

Biện pháp khắc phục: Điều chỉnh cường độ dòng hàn:

Tối ưu hóa dòng hàn theo độ dày và loại vật liệu, đảm bảo đủ nhiệt để chảy đều kim loại

Thử nghiệm với các mức dòng khác nhau để tìm thông số phù hợp nhất

Tối ưu hóa vận tốc hàn: Điều chỉnh vận tốc hàn sao cho phù hợp với độ dày vật liệu và yêu cầu kỹ thuật Đảm bảo tốc độ không quá nhanh để đủ thời gian lấp đầy mối hàn, nhưng cũng không quá chậm để tránh chảy tràn

Chuẩn bị và kiểm tra bề mặt vật liệu:

Làm sạch bề mặt vật liệu trước khi hàn để đảm bảo không có tạp chất ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn

Kiểm tra đồng đều độ dày và tính chất của vật liệu để điều chỉnh thông số hàn phù hợp

Quá cao: nhiệt độ quá cao gây bắn tóe, làm gián đoạn lớp khí bảo vệ tạo bọt khí do sự bốc hơi nhanh, khiến khí bị giữ lại

Quá thấp: không đủ nhiệt để làm chảy kim loại đều, dẫn đến bẫy khí

Quá nhanh: khí bảo vệ không đủ thời gian bao phủ, dẫn đến rỗ khí Kim loại không chảy hoàn toàn, tạo bề mặt rỗ

Quá chậm: khí bảo vệ bị đốt cháy, không bảo vệ tốt bề mặt hàn, dẫn đến oxy hóa

Hình 4.13: Mẫu bị rỗ khí sau gia công

Tối ưu hóa cường độ dòng hàn: Điều chỉnh dòng hàn phù hợp với từng loại vật liệu và độ dày

Sử dụng thử nghiệm để tìm thông số dòng điện tối ưu Điều chỉnh vận tốc hàn:

Tối ưu hóa vận tốc để đảm bảo đủ thời gian cho khí bảo vệ bao phủ mối hàn Kiểm tra các thông số để đảm bảo không quá nhanh hoặc quá chậm.

Tiến hành thử nghiệm

Phương pháp thử theo tiêu chuẩn ASTM E23: Cụ thể hóa phương pháp thử độ dai va đập bằng búa lắc Charpy Tiêu chuẩn này đảm bảo rằng thử nghiệm va đập được thực hiện theo một quy trình thống nhất, giúp kết quả có thể so sánh được giữa các phòng thí nghiệm và các nghiên cứu khác nhau

Chuẩn bị mẫu: cho mẫu vào bể lạnh chứa dung dịch nitơ lỏng trong vài phút để đảm bảo mẫu đạt được nhiệt độ phòng Đặt mẫu vào thiết bị: đặt mẫu nằm ngang trên giá đỡ của máy Charpy, sao cho rãnh V nằm ở giữa và hướng về phía con lắc

Phóng con lắc: Kích hoạt con lắc để nó va vào mẫu với năng lượng đã xác định trước Năng lượng này được cung cấp bởi trọng lượng và độ cao của con lắc

Ghi nhận dữ liệu: Khi con lắc va vào mẫu, nó sẽ làm vỡ hoặc biến dạng mẫu Máy sẽ ghi nhận năng lượng hấp thụ bởi mẫu được hiển thị trên màn hình hoặc trên đồng hồ đo

Việc đảm bảo mẫu thử nghiệm ở nhiệt độ phòng là rất quan trọng để loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả thử nghiệm, từ đó cung cấp kết quả chính xác và đáng tin cậy Mỗi bước cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính nhất quán và độ tin cậy của kết quả thử nghiệm

Hình 4.14: Mô hình thử nghiệm va đập [18]

Khi thử nghiệm độ dai va đập với mẫu là thép Ct3 và các biến số như ampe, độ dày tấm ghép lại, độ dày lớp hàn, và vận tốc hàn khác nhau, mẫu vật liệu gốc gãy dòn và đứt hoàn toàn, mẫu vật liệu hàn bị gãy dẻo có thể do một số lý do sau:

Cấu trúc và tính chất của mối hàn:

Ampe (dòng điện hàn): Dòng điện hàn quá cao hoặc quá thấp có thể ảnh hưởng đến chất lượng của mối hàn Dòng điện quá cao có thể làm cho mối hàn quá giòn, trong khi dòng điện quá thấp có thể không đủ để tạo ra mối hàn chắc chắn, dẫn đến việc mối hàn có thể không đồng đều và yếu

Bề dày tấm: Đối với các tấm dày, việc đảm bảo mối hàn xuyên suốt và đồng đều trở nên khó khăn hơn Các khuyết tật như không xuyên thấu hoàn toàn hoặc các vết nứt bên trong mối hàn có thể dẫn đến việc mẫu không đứt hoàn toàn khi thử nghiệm Độ dày lớp hàn: Lớp hàn quá dày có thể tạo ra các ứng suất bên trong mối hàn, làm tăng khả năng mẫu không đứt hoàn toàn do vật liệu bị nén và kéo ở các mức độ khác nhau trong suốt quá trình va đập

Vận tốc hàn: Vận tốc hàn quá nhanh hoặc quá chậm có thể ảnh hưởng đến chất lượng của mối hàn Vận tốc quá nhanh có thể dẫn đến mối hàn không được làm nóng đủ, gây ra sự không liên kết tốt giữa các lớp hàn Vận tốc quá chậm có thể làm cho mối hàn bị giòn do nhiệt tác động lâu dài

Tính chất vật liệu thép Ct3:

Khả năng biến dạng dẻo: Thép Ct3 có khả năng biến dạng dẻo tương đối cao Điều này có nghĩa là vật liệu có thể hấp thụ năng lượng va đập mà không bị gãy hoàn toàn, đặc biệt khi mối hàn chưa tạo ra các điểm yếu nghiêm trọng trong cấu trúc

Cấu trúc hạt và sự phân bố của các pha: Các quá trình hàn có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô của thép, như kích thước và hình dạng của các hạt, cũng như sự phân bố của các pha Những thay đổi này có thể làm tăng độ dai va đập của vật liệu, làm cho nó khó gãy hơn Ứng suất dư và sự phân bố nhiệt độ: Ứng suất dư: Trong quá trình hàn, ứng suất dư có thể hình thành trong mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt Những ứng suất này có thể giúp chống lại lực va đập, khiến mẫu khó bị đứt hoàn toàn

Sự phân bố nhiệt độ: Quá trình hàn làm cho nhiệt độ phân bố không đồng đều trong vật liệu, dẫn đến sự biến dạng và cứng hóa không đồng nhất Các vùng bị nung nóng khác nhau có thể có tính chất cơ học khác nhau, tạo ra một mẫu thử có tính chất không đồng nhất và khả năng hấp thụ năng lượng cao hơn

Khuyết tật trong mối hàn:

Khuyết tật nội tại: Các khuyết tật như lỗ khí, vết nứt vi mô, hoặc không xuyên thấu hoàn toàn có thể tạo ra các điểm yếu, nhưng cũng có thể làm cho mối hàn có khả năng phân tán năng lượng va đập mà không đứt hoàn toàn

Mẫu không bị đứt hoàn toàn khi thử nghiệm độ dai va đập với thép Ct3 có thể do sự kết hợp của nhiều yếu tố liên quan đến quá trình hàn và đặc tính của vật liệu Các yếu tố này bao gồm chất lượng mối hàn, ứng suất dư, tính chất biến dạng dẻo của thép, và sự phân bố nhiệt độ trong quá trình hàn Để đạt được kết quả chính xác và đáng tin cậy, cần kiểm soát chặt chẽ các biến số trong quá trình hàn và tuân thủ các tiêu chuẩn thử nghiệm một cách nghiêm ngặt

Hình 4.15: Hình ảnh biến dạng của mẫu sau thử nghiệm

Hình 4.16: Hình ảnh tất cả sản phẩm sau thử nghiệm

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MẪU

Phân tích kết quả đo

5.1 Vật liệu nguyên khối (material) Để đánh giá tính chất bền của vật liệu nguyên gốc (thép Ct3) sau khi hàn, thử nghiệm Charpy là một trong những phương pháp phổ biến được sử dụng Thử nghiệm Charpy được thực hiện để đo năng lượng hấp thụ của vật liệu khi bị va đập nhanh, từ đó đưa ra các chỉ số về độ dẻo dai và khả năng chịu va đập của vật liệu

Hình 5.1: Mẫu vật liệu nguyên khối sau khi thực nghiệm 5.1.2 Số liệu thí nghiệm

Bảng 5.1: Bảng số liệu năng lượng va đập của mẫu nguyên khối thép CT3

Mẫu thử va đập Năng lượng va đập (J) Độ dai va đập (J/ mm 2 )

5.2 Ảnh hưởng của bề dày lớp hàn

Bề dày lớp hàn có ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của thép carbon Khi bề dày lớp hàn tăng, sự phân bố nhiệt trong quá trình hàn sẽ thay đổi, ảnh hưởng đến sự kết tinh và cấu trúc vi mô của vật liệu Điều này có thể làm thay đổi độ dai va đập của thép carbon

Các kết quả thí nghiệm cho thấy rằng khi bề dày lớp hàn tăng, độ dai va đập của vật liệu có xu hướng giảm do sự phát triển của các hạt lớn và sự hình thành các khuyết tật bên trong

Hình 5.2: Các mẫu ảnh hưởng của bề dày lớp hàn sau khi gia công 5.2.1 Số liệu thí nghiệm

Bảng 5.2: Bảng số liệu năng lượng va đập các trường hợp bề dày lớp hàn

Bề dày lớp hàn (mm) Năng lượng va đập (J) Độ dai va đập (J/ mm 2 )

Hình 5.3: Biểu đồ cột thể hiện độ dai va đập các trường hợp bề dày lớp hàn

Hình 5.4: Biểu đồ đường thể hiện độ dai va đập va đập các trường hợp bề dày lớp hàn Độ dày lớp hàn đắp ảnh hưởng đáng kể đến năng lượng va đập của mẫu hàn Khi độ dày lớp hàn đắp tăng, năng lượng va đập giảm rõ rệt Điều này có thể giải thích bằng sự xuất hiện của các khuyết tật như rỗ khí, nứt vi mô và các vùng không đồng nhất trong lớp hàn dày Những khuyết tật này làm giảm khả năng chịu va đập của mẫu hàn

1 2 3 4 5 Độ dai va đập (J/mm 2 )

So sánh với vật liệu nguyên:

Lớp hàn 1mm: Năng lượng va đập đạt 205.27 J, chỉ tăng 8.27 J tương đương 4% so với mẫu nguyên gốc Lớp hàn mỏng hơn thường có cấu trúc vi mô đồng nhất hơn và ít khuyết tật hơn

Lớp hàn 2mm: Năng lượng va đập tăng lên 223.59 J Mức tăng này phản ánh sự giảm của các khuyết tật khi lớp hàn dày hơn

Lớp hàn 3mm trở lên: Năng lượng va đập tăng mạnh lên 251.16 J rồi giảm mạnh xuống 217.79 J ở lớp hàn 5mm, tăng 20.79J tương đương 9.54% so với mẫu nguyên gốc

Kết quả thí nghiệm cho thấy khi bề dày lớp hàn tăng từ 1mm lên 3mm, năng lượng va đập hấp thụ tăng dần từ 205.27 J lên 251.16 J cho thấy sự cải thiện độ dai va đập của vật liệu

Tuy nhiên khi tiếp tục tăng bề dày từ 3mm lên 5mm thì năng lượng giảm dần còn 217.79 J Sự giảm này có thể được giải thích do sự tăng bề dày lớp hàn làm giảm khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu, gây ra bởi sự phát triển của các khuyết tật và sự phân bố nhiệt không đồng đều trong quá trình hàn Cấu trúc hạt lớn hơn hình thành khi bề dày lớp hàn tăng cũng góp phần làm giảm độ dai va đập

Lớp hàn mỏng từ 1mm - 3mm: Lớp hàn mỏng có thể dẫn đến mối hàn yếu nếu không đủ vật liệu để chịu lực Nhưng ngược lại, nếu hàn đúng kỹ thuật, lớp mỏng có thể giảm thiểu ứng suất dư và cải thiện độ dai va đập

Lớp hàn dày từ 3mm -5mm: Lớp hàn dày hơn thường dẫn đến nhiều ứng suất nhiệt và cơ học bên trong mối hàn Điều này có thể làm suy yếu mối hàn và giảm khả năng chịu va đập Tuy nhiên, nếu quá trình hàn được kiểm soát tốt, lớp hàn dày có thể cung cấp độ bền cao hơn do có nhiều vật liệu hơn để chịu lực

5.3 Ảnh hưởng của tốc độ hàn

Tốc độ hàn ảnh hưởng đến thời gian tiếp xúc nhiệt và tốc độ kết tinh của vật liệu Tốc độ hàn chậm có thể dẫn đến nhiệt độ cao hơn và thời gian nung chảy dài hơn, tạo điều kiện cho sự phát triển của các hạt lớn, làm giảm độ dai va đập Ngược lại, tốc độ hàn nhanh có thể làm giảm kích thước hạt và tăng độ dai va đập

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng tốc độ hàn trung bình mang lại độ dai va đập tốt nhất, trong khi tốc độ quá cao hoặc quá thấp đều có thể làm giảm độ dai va đập của thép carbon

Hình 5.5: Các mẫu ảnh hưởng của tốc độ hàn sau khi thực nghiệm 5.3.1 Số liệu thí nghiệm

Bảng 5.3: Bảng số liệu năng lượng va đập của tốc độ hàn khác nhau

Tốc độ hàn (mm/s) Năng lượng va đập (J) Độ dai va đập(J/mm 2 )

Hình 5.6: Biểu đồ cột thể hiện độ dai va đập của tốc độ hàn khác nhau

Hình 5.7: Biểu đồ đường thể hiện độ dai va đập của tốc độ hàn khác nhau

Tốc tốc hàn vừa phải thường giúp giảm nhiệt lượng truyền vào vật liệu tốt hơn, giảm thiểu vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và các khuyết tật, do đó tăng năng lượng va đập

1 2 3 4 5 Độ dai va đập(J/mm 2 )

So sánh với vật liệu nguyên khối:

Tốc độ hàn 250 và 275 mm/s: Năng lượng va đập đạt 240.27 J và 253.15 J, cao hơn 18% và 22% so với mẫu nguyên gốc Vận tốc hàn thấp có thể dẫn đến quá nhiệt và tạo ra vùng ảnh hưởng nhiệt rộng hơn

Vận tốc hàn 300-350 mm/s: Năng lượng va đập tăng lên 251.16 J rồi giảm mạnh xuống 187.99 J ở trường hợp 350 mm, thấp hơn 9.1 J tương đương với 4% so với vật liệu nguyên Vận tốc hàn cao do tạo ra vùng nhiệt cục bộ lớn và làm thay đổi cấu trúc tinh thể vật liệu, dẫn đến sự giảm độ dẻo và khả năng hấp thu năng lượng của vật liệu trong quá trình thử nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy khi tốc độ hàn tăng từ 250 mm/s lên 300 mm/s, năng lượng va đập hấp thụ tăng từ 240.27 J lên 251.16 J, cho thấy sự cải thiện độ dai va đập của vật liệu

Tiêu đề	Khảo sát độ dai va đập của thép carbon được chế tạo bằng phương pháp WAAM Layer
Tác giả	Nguyễn Đức Nguyên, Hồ Đại Nghĩa
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Văn Thức
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ khí
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	8,74 MB