Nghiên cứu công nghệ hàn lai ghép plasma GMAW cho liên kết tấm dày không vát mép rr

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, công nghệ hàn đóng một vai trò rất quan trọng và thiếu nhiều ngành công nghiệp Ứng dụng công nghệ hàn công nghiệp hàng trăm năm trước và theo thời gian có bước tiến vượt bậc, cụ thể hiện 100 trình hàn sử dụng công nghiệp Ở Châu Âu, công nghệ hàn ứng dụng 190.000 doanh nghiệp, khoảng 5,5 triệu công việc có liên quan đến hàn thực hiện 730.000 thợ hàn Theo Hiệp hội hàn giới (IIW) năm 2017, mức tiêu thụ thép toàn giới vào khoảng 1,72 tỷ tấn đó ước tính khoảng hai phần ba khối lượng thép đó sử dụng kết cấu hàn Do đó, với xu hướng phát triển mạnh mẽ công nghệ hàn, một yêu cầu và thách thức đặt cho nhà khoa học và kĩ thuật là nâng cao suất và chất lượng cho trình hàn Để đáp ứng yêu cầu đó, một hướng phát triển chủ đạo giới là tạo trình hàn cách kết hợp trình hàn đơn lẻ để tận dụng ưu điểm và khắc phục nhược điểm trình hàn đó và gọi là trình Hàn lai ghép (Hybrid welding process) Ngày nay, công nghệ hàn lai ghép nghiên cứu và áp dụng rất mạnh mẽ và có khoảng 20 trình hàn lai ghép phát triển với một số trình hàn quan trọng và phở biến như: q trình hàn lai ghép hàn Laser hồ quang điện, trình hàn lai ghép hàn plasma hờ quang điện, q trình hàn lai ghép hàn hờ quang điện cực kim loại nóng chảy môi trường khí bảo vệ và hờ quang tự đợng lớp th́c, q trình hàn lai ghép kết hợp hàn điểm và hàn vảy, trình hàn lai ghép hàn laser hàn ma sát ngốy, [1] Trong q trình nghiên cứu, phát triển cơng nghệ hàn lai ghép, q trình hàn lai ghép Plasma – GMAW bắt đầu nghiên cứu và đề xuất triển khai phòng thí nghiệm Philips (Hà Lan) vào năm 1972 Quá trình hàn này kết hợp ưu điểm trình hàn GMAW là suất hàn cao, tốc độ đắp lớn với ưu điểm q trình hàn Plasma là ởn định hờ quang, chiều sâu ngấu lớn và khả kiểm soát hình thành mới hàn Trên giới, q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW ứng dụng đa dạng công nghiệp công nghiệp ô tô, đóng tầu, dầu khí, sửa chữa và phục hồi chi tiết máy quan trọng, Tuy nhiên không có nhiều nghiên cứu lý thuyết hiện tượng vật lý và chế hình thành liên kết hàn với yêu cầu hệ thống trang thiết bị hiện đại, đắt tiền dẫn đến cơng trình, bài báo giới nghiên cứu trình hàn lai ghép còn hạn chế Xuất phát từ thực tế công nghiệp sản xuất Việt Nam cho thấy ngành công nghiệp chủ đạo nhu cầu ứng dụng công nghệ hàn chế tạo và phục hồi chi tiết quan trọng là rất lớn và cấp bách Đặc biệt kết cấu hàn siêu trường, siêu trọng chế tạo ngày càng nhiều công nghiệp đóng tàu, chế tạo giàn khoan, bồn bể áp lực cao, … và kết cấu này thường chế tạo từ thép tấm có chiều dày phổ biến lớn 8mm Khối lượng công việc hàn kết cấu thường rất lớn đặc biệt là chi phí cho công tác chuẩn bị mép liên kết hàn và vật liệu hàn Để tăng suất lao động, tiết kiệm vật liệu hàn nhằm hạn chế chi phí lớn việc nghiên cứu áp dụng công nghệ hàn một phía không vát mép thay cho trình hàn hai phía hay hàn nhiều lượt có ý nghĩa quan trọng Do nghiên cứu áp dụng công nghệ hàn lai ghép Plasma – GMAW để có thể hàn thép dày 8mm mà không cần vát mép với một lượt hàn có tính cấp thiết, góp phần nâng cao suất lao động, tiết kiệm thời gian, lượng và vật liệu hàn góp phần làm giảm giá thành sản phẩm hàn Mục đích luận án Lý thuyết - Nghiên cứu trình hàn lai ghép Plasma – GMAW và áp dụng cho liên kết hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép - Mô phỏng sớ q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với mơ hình nguồn nhiệt phù hợp nhằm xác định trường nhiệt độ hàn tương tác hai hồ quang hàn trình hàn lai ghép Plasma-GMAW Thực nghiệm - Xác định trường nhiệt đợ q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW vũng hàn - Xác định thông số gá đặt phù hợp cho trình hai lai ghép PlasmaGMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc liên kết hàn giáp mối một lượt thép tấm dày, không vát mép - Xác định thông số hàn phù hợp cho q trình hàn lai ghép PlasmaGMAW thơng qua thực nghiệm kết hợp với tính tốn mơ phỏng Đối tượng nghiên cứu - Luận án tập trung nghiên cứu công nghệ hàn lai ghép Plasma - GMAW liên kết giáp mối hàn một lượt thép tấm dày không vát mép Phương pháp nghiên cứu Hiện nay, giới xu hướng dùng công cụ phần mềm tính tốn và mơ phỏng q trình hàn nhằm dự đoán kết quả đạt thực tế nhằm tiết kiệm thời gian, công sức và chi phí thực nghiệm rất phát triển Trong điều kiện tiếp cận phần mềm chuyên dụng cho mơ phỏng q trình hàn SYSWELD (bản quyền), để thực hiện mục đích nghiên cứu luận án tác giả lựa chọn phương pháp nghiên cứu phối hợp giữa: lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm Cụ thể sau: - Nghiên cứu tài liệu để tìm hiểu cơng trình cơng bớ liên quan đến đề tài và ngoài nước Từ đó xác định rõ kết quả công bố và tìm nợi dung mà luận án cần phải giải Khảo sát, tìm hiểu sở vật chất và trang thiết bị để lựa chọn thực hiện luận án - Nghiên cứu công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW và xác định mơ hình phù hợp để ứng dụng hàn giáp mối thép tấm dày không vát mép - Sử dụng phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu khảo sát trường nhiệt độ liên kết hàn giáp mối thép tấm dày Tiến hành thí nghiệm, đo đạc lấy kết quả để so sánh kiểm nghiệm mơ hình mơ phỏng tính tốn nhằm tới ưu q trình mơ phỏng - Sử dụng trang thiết bị sẵn có phù hợp với điều kiện thực nghiệm để hàn giáp mối thép tấm dày không vát mép với thông số hàn phù hợp Phạm vi nghiên cứu Trong điều kiện sở vật chất, thiết bị, phòng thí nghiệm Viện nghiên cứu Hàn & Ghép nối Nhật Bản - Đại học Osaka, với thiết bị hàn Plasma NW-300ASR và mỏ hàn Plasma 101WH nên phạm vi nghiên cứu chính luận án là nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm để thực hiện trình hàn lai ghép Plasma - GMAW cho hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép có khe hở hàn thay đổi từ đến 2,5mm, chiều dày tấm đến 12mm với hai hình thái kết hợp nguồn nhiệt hồ quang Plasma và GMAW tương ứng Vật liệu bản là thép tấm Cacbon JIS-SS400 và vật liệu hàn là dây hàn JIS-Z3312 Quy mô nghiên cứu luận án xác định phạm vi phòng thí nghiệm và một số sở nghiên cứu khác Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học Đưa phương pháp nghiên cứu trình hàn lai ghép Plasma – GMAW với hình thái hai mỏ hàn đợc lập, đồng tốc khảo sát mối quan hệ thơng sớ chế đợ hàn ảnh hưởng đến hình dạng, kích thước mối hàn ảnh hưởng tương tác hồ quang PAW và GMAW đến trường nhiệt độ vũng hàn nhằm tối ưu hóa thông số, chế độ hàn lai ghép để mối hàn đạt chất lượng tốt nhất Ý nghĩa thực tiễn luận án Kết quả nghiên cứu luận án có tính khả thi điều kiện Việt Nam có thể ứng dụng để chế tạo, sản xuất sản phẩm phục vụ cho công nghiệp đóng tàu trọng tải lớn, chế tạo hệ thống ống có chiều dày lớn nhằm thay q trình hàn truyền thớng GMAW, TIG, SAW Các đóng góp luận án Các kết quả nghiên cứu thu từ luận án này gờm: - Xác định hình thái trình hàn lai ghép Plasma-GMAW phù hợp cho q trình hàn giáp mới thép tấm dày khơng vát mép là mơ hình với mỏ hàn PAW & GMAW độc lập, đồng tốc và qua đó xác định thông số gá đặt hợp lý tiến hành liên kết hàn - Xác định mơ hình ng̀n nhiệt cải tiến phù hợp với q trình hàn chọn qua đó đưa vào tính tốn, mơ phỏng sớ q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW Các kết quả mô phỏng giúp ích cho việc đánh giá trường nhiệt độ vũng hàn tương tác hờ quang q trình hàn PAW và GMAW - Xác định chế độ công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW thích hợp để hàn giáp mới mợt lượt thép tấm dày không vát mép, qua đó đánh giá ưu điểm nổi trội phương pháp hàn lai ghép này so với trình hàn riêng lẻ GMAW - Tính tốn và đưa thơng số gá đặt hợp lý hai mỏ hàn PAW và GMAW là: góc nghiêng α = 15±50 và DE = Dmin ∼ 19,5mm - Đưa giải pháp kỹ thuật có thể nâng cao công suất nguồn nhiệt Plasma thay đổi khí tạo Plasma là Ar với lưu lượng khí 3l/phút thay hỗn hợp khí Ar+10%H2 với lưu lượng khí 2l/phút có thể làm cho nhiệt đợ trung bình cợt hờ quang Plasma tăng lên 20% Kết cấu luận án Ngoài phần mở đầu và mục theo quy định, nội dung nghiên cứu luận án trình bày 05 phần nợi dung chính, kết luận chung luận án và kiến nghị: Chương Tổng quan hàn lai ghép Plasma-GMAW Chương Cơ sở lý thuyết hàn lai ghép Plasma-GMAW Chương Tính tốn mơ phỏng q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW ứng dụng phần mềm SYSWELD Chương Nghiên cứu thực nghiệm Chương Kết quả nghiên cứu và bàn luận Kết luận chung luận án và kiến nghị nghiên cứu Danh mục cơng trình cơng bớ luận án Danh mục tài liệu tham khảo Chương TỔNG QUAN HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW Khái niệm quy ước hàn có chiều dày lớn Hiện giới chưa có định nghĩa cụ thể hàn chiều dày tấm coi là lớn tùy vào quá trình hàn mà có khái niệm tấm chiều dày lớn cho phù hợp Cụ thể hơn, luận án này có thể coi “tấm chiều dày lớn” là một thuật ngữ mang tính quy ước kỹ thuật để chỉ chiều dày thép tấm vượt khả trình hàn GMAW và PAW riêng lẻ có thể hoàn thành điều kiện hàn giáp mối một lượt từ một phía với phôi hàn không vát mép Theo tiêu chuẩn ISO 9692-1:2013 cho thấy trình hàn GMAW chỉ có khả hàn giáp mối một lượt, môt phía tấm thép có chiều dày nhỏ 6mm mà không cần vát mép phôi hàn Để hàn giáp mối tấm chiều dày lớn 6mm, với trình hàn GMAW yêu cầu phải vát mép phôi hàn và phải hàn nhiều lượt để đảm bảo ngấu toàn bộ mối hàn Như theo thuật ngữ “tấm chiều dày lớn“ quy ước luận án này, đới với q trình hàn GMAW riêng lẻ, có thể nói chiều dày tấm thép cacbon lớn 6mm coi là chiều dày lớn Đối với trình hàn PAW riêng lẻ, theo lý thuyết có thể nói chiều dày tấm thép Cacbon lớn 8mm coi là chiều dày lớn và thực tế có thể coi chiều dày tấm thép Cacbon lớn 6mm là chiều dày lớn Tình hình nghiên cứu nước - Quá trình hàn tấm dày với khe hở hẹp thường ứng dụng ngành công nghiệp đóng tàu, công nghiệp dầu khí, giao thông vận tải,… dùng để liên kết giáp mối ống, tấm có chiều dày lớn áp dụng giới chưa có Việt Nam trang thiết bị và cơng nghệ hiện đại, đắt tiền Với nhu cầu hàn thép tấm dày, thông thường phôi hàn vát mép và tiến hành hàn nhiều lớp với q trình hàn thơng thường MMA, GMAW, SAW - Quá trình hàn PAW thường nghiên cứu, ứng dụng nước là hàn đắp Plasma bột dùng để sửa chữa và phục hồi chi tiết máy quan trọng sau thời gian dài làm việc., q trình sản x́t cơng nghiệp sản xuất xi măng, sản xuất giấy, luyện kim,…các chi tiết máy thường phải làm việc liên tục điều kiện khắc nghiệt chịu nhiệt độ, va đập, mài mòn cao trục cuốn, trục cán, lăn, trục nghiền, lưỡi cắt, khuân dập, Trên giới, hàn Plasma bột nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi từ năm cuối thập niên 90 kỷ trước Tại Việt Nam, điều kiện kinh tế khoa học kỹ thuật còn nhiều hạn chế phải tới năm 2004 hệ thống hàn Plasma bột và hệ thống phun phủ Plasma nhập khẩu từ Hàn Quốc (HPT – 500 - A) công ty CP Việt Long – Hải Phòng (là đơn vị chuyên tham gia sử chữa và phục hồi chi tiết máy bị mòn và cần phủ cứng bề mặt) Ngay sau đó dây truyền hàn và phủ Plasma này sử dụng cho mục đích đắp cứng bề mặt chi tiết máy bị mòn Cũng năm 2004, một hệ thống hàn Plasma bột khác hãng Castolin chuyển giao cho Trường ĐH Bách Khoa HN thông qua dự án hợp tác Việt – Bỉ trường nói tiếng Hà Lan ĐHBK HN Trên sở trang thiết bị hiện có nhà khoa học nước bước đầu tiến hành triển khai nghiên cứu, ứng dụng công nghệ hàn Plasma bột điều kiện Việt Nam - Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW và trình hàn Plasma nói chung hoàn toàn chưa tiến hành nghiên cứu Việt Nam khó khăn sở lý thuyết, công nghệ, thiết bị cũng kinh nghiệm thực tế Tình hình nghiên cứu nước - Theo tiêu chuẩn ISO 15614-14:2013(E), hàn lai ghép là hàn mà đó có hai hay nhiều q trình hàn sử dụng và tác đợng đờng thời vũng hàn Ngày nay, công nghệ hàn lai ghép nghiên cứu và áp dụng rất mạnh mẽ và có thể tổng hợp khoảng 20 trình hàn lai ghép phát triển với mợt sớ q trình hàn quan trọng và phở biến nhất như: ([1]) - Quá trình hàn lai ghép Plasma – GMAW lần đề xuất và triển khai công nghệ nghiên cứu phòng thí nghiệm Philips (Hà Lan) vào năm 1972 Theo thời gian nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sản xuất, trình hàn lai ghép Plasma - GMAW phân chia thành hai dạng hình thái kết hợp trình hàn hờ quang Plasma q trình hàn GMAW bao gờm: - Hình thái q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn đợc lập, đờng tớc - Hình thái q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với mợt mỏ hàn đờng trục nhất Với mỡi hình thái kết hợp hai mỏ hàn Plasma và GMAW cho ưu điểm khác và định hướng ứng dụng công nghệ hàn đắp và hàn tấm mỏng (đối với hình thái hai ng̀n hàn Plasma và GMAW tạo thành mỏ hàn đồng trục nhất) ứng dụng liên kết thép tấm dầy với suất cao, khơng vát mép (đới với hình thái hai ng̀n hàn Plasma và GMAW tạo thành hai mỏ hàn độc lập, đờng tớc) (Tài liệu [6] ÷ [21]) Kết luận Chương Qua phân tích, đánh giá và tởng hợp tình hình nghiên cứu cơng nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW cho thấy: - Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng trình hàn lai ghép Plasma-GMAW sở phát huy phát huy ưu điểm và hạn chế khuyết điểm trình hàn riêng lẻ rất quan tâm đối với nhà khoa học và giới công nghệ cũng ngoài nước Xu hướng này ngày càng phát triển để nâng cao suất, chất lượng và hạ giá thành sản phẩm hàn - Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai dạng hình thái kết hợp trình hàn Plasma trình hàn GMAW khơng ứng dụng hàn giáp mối tấm, ống có chiều dày lớn mà còn có thể ứng dụng hàn đắp, phun phủ và phục hồi chi tiết quan trọng Đối với mơ hình q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với mợt mỏ hàn đờng trục nhất cơng trình cơng bớ có xu hướng nghiên cứu hình thành mới hàn hàn đắp một lớp lên tấm kim loại bản nghiên cứu hàn tấm mỏng vật liệu có tính hàn kém hợp kim Al, Cu, Ti, Đới với mơ hình q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc cơng trình cơng bớ có xu hướng nghiên cứu khả hàn tấm thép Cacbon chiều dày lớn 8mm ứng dụng hàn ghép nối vật liệu khó hàn hợp kim Ni, Al, Cu, Ti, - Với khái niệm quy ước hàn tấm có chiều dày lớn chiều dày giới hạn thép cacbon hàn giáp mối một phía với một lượt hàn, khơng vát mép đới với q trình hàn GMAW riêng lẻ là 6mm, đới với q trình hàn PAW lỗ khóa riêng lẻ là 8mm Khi tấm thép có chiều dày lớn giá trị tới hạn này, cần tiến hành vát mép hàn và đồng thời hàn nhiều lượt dẫn đến giảm suất, tiêu hao vật liệu hàn và giảm chất lượng liên kết hàn Do vậy, việc nghiên cứu hàn giáp mối một phía với một lượt hàn thép tấm dày không vát mép cách kết hợp trình hàn PAW và GMAW riêng lẻ để thành trình hàn lai ghép nhằm nâng cao giới hạn chiều dày tấm thép hàn giáp mối một lượt, không vát mép là nội dung mới, cần phải nghiên cứu, giải và có ý nghĩa thực tiễn cao Ngoài cơng trình công bố cho thấy hiện chưa có tác giả nào đánh giá chi tiết và cụ thể ưu, nhược điểm trình hàn lai ghép Plasma-GMAW so với phương pháp hàn riêng lẻ GMAW và PAW áp dụng hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép một số chỉ tiêu tính kinh tế, suất và chất lượng hàn, Do là hướng nghiên cứu và giải luận án - Sự kết hợp q trình hàn riêng lẻ thành mợt q trình hàn là phức tạp, cần có nghiên cứu lý thuyết bài bản và nghiên cứu áp dụng vào thực tiễn có hiệu quả và thiết thực Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN LAI GHÉP PLASMAGMAW Đặc điểm trình hàn lai ghép là kết hợp ưu điểm cũng khắc phục nhược điểm trình hàn riêng lẻ nhằm nâng cao tính ổn định và hiệu quả cho trình hàn, đó đặc điểm bản hai trình hàn GMAW và trình hàn PAW phân tích để làm tìm điểm đạt kết hợp hai trình hàn Plasma và GMAW để trở thành trình hàn lai ghép Plasma-GMAW Do đó sở lý thuyết luận án bao gồm mới quan hệ sau: - Q trình hàn GMAW - Quá trình hàn PAW - Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW - Mơ hình ng̀n nhiệt hàn PAW, GMAW và hàn lai ghép PlasmaGMAW 2.1 Quá trình hàn GMAW Nguyên lý đặc điểm Khi hàn điện cực kim loại nóng chảy mơi trường khí bảo vệ hờ quang đầu điện cực và vật hàn liên tục nung chảy mép hàn và điện cực Dây hàn cấp vào vùng hồ quang thông qua cấu cấp dây với tốc độ tốc độ nóng chảy điện cực (dây hàn) (Hình 2.1) Xác định thơng sớ chế độ hàn giáp mối thép cacbon dày 12mm bằng trình hàn GMAW riêng lẻ Với mục đích đánh giá ưu điểm nởi trợi q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW so với trình hàn riêng lẻ GMAW để hàn giáp mối tấm thép có chiều dày đến 12mm, tác giả tiến hành xác định thông số chế độ hàn GMAW để so sánh với liên kết hàn giáp mới có chiều dày tấm q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW tạo Bảng 2.3 Chế độ hàn liên kết giáp mối có vát mép thép tấm Cacbon SS400 dày 12mm trình hàn GMAW riêng lẻ Đường hàn Lót (1) Trung gian (2) Phủ (3) Ih (A) 200 200 200 Uh (V) 25 25 25 vh (mm/s) 3,0 3,0 3,0 d (mm) 1,2 1,2 1,2 Năng lượng đường (J/mm) 1416,7 1416,7 1416,7 2.2 Quá trình hàn PAW Nguyên lý hàn PAW Khi hàn PAW (Hình 2.14), điện cực khơng nóng chảy vonfram và mợt phần cột hồ quang nằm bên một buồng khí bao quanh kim loại làm mát nước Buồng kết thúc một lỗ phun vòi phun hình trụ đờng trục với điện cực Dòng khí tạo plasma qua lỗ phun ổn định mặt thể tích, làm mát và nén lại Đồng thời dòng khí đó cũng cách điện và cách nhiệt đối với bề mặt lỗ vòi phun Một phần khí này qua hồ quang, bị ion hóa và chuyển thành plasma Hồ quang PAW sử dụng ứng dụng hàn và cắt, chia làm hai loại: hồ quang gián tiếp (còn gọi là hồ quang không chuyển tiếp hồ quang trong) và hồ quang trực tiếp (còn gọi là hồ quang chuyển tiếp hờ quang ngoài) So sánh với q trình hàn TIG, nơi mà cợt hờ quang có dạng hình nón đạt tới nhiệt đợ 5000÷60000K, hờ quang nén Plasma có dạng trình trụ và nhiệt đợ cao nhiều (10000÷160000K) Khi hàn PAW vết anod vật hàn mang tính ổn định, dòng nhiệt mang tính tập trung rất cao Điều này làm tăng chiều sâu chảy và giảm chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt Đặc điểm trình hàn PAW So với hàn TIG, hàn PAW có ưu và nhược điểm sau: Ưu điểm: 1) Mức độ tập trung lượng cao 2) Độ ổn định hồ quang cao hơn, đặc biệt chế độ cường đợ dòng điện hàn thấp 3) Dòng khí plasma có tốc độ cao 4) Các thông số vùng hàn ít phụ thuộc vào thay đổi khoảng cách làm việc 5) Không xảy hiện tượng nhiễm vật liệu điện cực vonfram vào vật hàn 6) Yêu cầu đối với kỹ thợ hàn thấp hàn tay Nhược điểm: 1) Thiết bị đắt tiền 2) Vòi phun có tuổi thọ thấp 3) Thợ hàn phải có hiểu biết sâu trình hàn này 4) Mức độ tiêu thụ khí bảo vệ cao Công nghệ hàn PAW Công nghệ hàn PAW chế độ lỗ khóa Khi hàn chế đợ lỡ khóa, hờ quang xuyên suốt toàn bộ chiều dày tấm kim loại bản Kim loại hồ quang nung chảy chảy thành mép hàn giữ lại tác động sức căng bề mặt Việc giữ kim loại vũng hàn chế độ lỗ khóa khó so với hàn chế độ nung chảy áp lực hồ quang và trọng lực kim loại nóng chảy lớn (chế độ hàn lỗ khóa thường để dùng hàn tấm dày) Nói cách khác tăng chiều dày tấm cần hàn, thể tích vũng hàn tăng cần phải giảm tốc độ hàn, tăng cường độ dòng điện hàn, tăng lượng khí tạo plasma và khí bảo vệ Có một giới hạn nhất định mặt chiều dày tấm cho phép hàn chế đợ lỡ khóa Thơng thường, q trình hàn chỉ có thể thực hiện 10 một phạm vi hẹp chế độ hàn Việc tạo dáng mối hàn dễ dàng sức căng bề mặt vũng hàn lớn Do đó kim loại có sức căng bề mặt lớn trạng thái nóng chảy thép không gỉ austenit hợp kim titan dễ hàn so với thép cacbon Hình dạng kích thước lỗ khóa: Các giá trị chiều dài và chiều rộng lỗ khóa hàn thép tấm chiều dày thay đổi theo cường độ dòng điện hàn Plasma, cường độ dòng điện tăng, cả chiều dài và chiều rộng lỗ khóa có xu hướng tăng lên và đạt giá trị lớn nhất tạo thành lỗ khóa phía chân mối hàn cường độ dòng Plasma giá trị đỉnh xung Có thể thấy kích thước lớn nhất lỡ khóa lỡ khóa hình thành ổn định khoảng 2,5mm Xác định chiều dày lớn kim loại bản hàn PAW một lượt cho vật liệu thép Khi hàn PAW cho thép tấm dày, chiều sâu ngấu lớn nhất đạt với chế độ hàn PAW lỗ khóa Tuy nhiên theo tài liệu, tiêu chuẩn nghiên cứu chưa đưa cụ thể giới hạn chiều sâu ngấu hàn một lượt, một phía thép tấm Cacbon, thép không gỉ Chính vậy, đề tài nghiên cứu tính toán đưa giới hạn chiều dày tấm kim loại bản hàn một lượt, một phía với q trình hàn PAW lỡ khóa cho thép Cacbon thấp và thép không gỉ Trên sở tính toán này, có thể áp dụng với hàn PAW lỗ khóa cho loại vật liệu kim loại và hợp kim bản khác Với kết quả tính toán thu có thể thấy chiều sâu ngấu lớn nhất hàn PAW lỗ khóa một lớp cho tấm thép Cacbon là hmax = 6,8mm Trong trình hàn, để tăng chiều sâu ngấu lớn nhất hàn một lượt có thể thông qua việc tăng cường độ dòng hàn plasma, tăng lưu lượng khí, tăng đường kính lỗ vòi phun nhiên điều này làm tăng đường kính lỗ khóa dẫn đến kim loại bản bị cháy thủng Hoàn toàn tương tự, với thép không gỉ có thể tính chiều dày tấm thép không gỉ lớn nhất hàn Plasma lỗ khóa một lượt có thể đạt là hmax = 10mm Điều này giả thích là với thép không gỉ có sức căng bề mặt σl-g = 1,8 N/m lớn 11 sức căng bề mặt thép Cacbon σl-g = 1,2 N/m 2.3 Quá trình hàn lai ghép PAW-GMAW 2.3.1 Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW mợt mỏ hàn đờng trục-Hình thái Trên Hình 2.28 mơ tả hệ thớng thiết bị bản và nguyên lý hoạt động q trình hàn lai ghép với hình thái mợt mỏ hàn đờng trục nhất Q trình hàn này còn có tên gọi đặc trưng là “Hồ quang hồ quang“ Trong q trình hàn này, hờ quang Plasma một vòng xuyến bao bọc bên ngoài, bên là điện cực GMAW đặt dọc theo trục mỏ hàn và cấp dây tự động thông qua bộ cấp dây Ưu điểm trình hàn này kết hợp đặc điểm quan trọng hai trình hàn GMAW và PAW là hệ sớ đắp cao, hờ quang ởn định và khả kiểm sốt tớt hình dạng mới hàn Trong q trình hàn này, dây hàn GMAW cấp dọc theo trục mỏ hàn và nằm trung vùng hồ quang Plasma nên dây hàn nung nóng sơ bộ dẫn đến tốc độ đắp tăng lên Ngoài một ưu điểm nổi bật khác là mối quan hệ độc lập lượng đầu vào và lớp kim loại đắp từ điện cực kim loại nóng chảy dẫn đến có thể khống chế và nâng cao chất lượng bề mặt mối hàn, tổ chức tế vi mối hàn có cấu trúc nhỏ mịn, giảm lượng kim loại bắn tóe, giảm lượng khí cháy, đó là trình hàn “sạch” 2.3.2 Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW bằng hai mỏ hàn đợc lập-Hình thái Hình thái kết hợp trình hàn PAW GMAW là kết hợp mỏ hàn độc lập Plasma và GMAW để tạo thành một hệ thống mỏ hàn nhất có đồng tốc chuyển động mỏ hàn hệ thống này gọi là “Super-MIG™” và có đặc điểm là “hờ quang cạnh hờ quang” ([6]) Với hình thái kết hợp trình hàn vậy, mỏ hàn PAW trước có tác dụng gia nhiệt cho mới hàn, làm nóng chảy kim loại bản hình thành đường hàn chân mối hàn trước, mỏ hàn GMAW sau điền đầy toàn bộ mối hàn Kỹ thuật hàn này có thể gọi với tên “Kỹ thuật 12 nối tiếp” ([36]) và phù hợp để hàn tấm dầy với vật liệu bản là thép Cacbon, thép hợp kim và kim loại hợp kim màu Quá trình hình thành tương tác hờ quang Q trình hình thành và di chuyển giọt kim loại lỏng từ điện cực dây hàn GMAW xuống vũng hàn và tương tác hồ quang vùng hồ quang GMAW và PAW quan sát camera tốc độ cao Kết quả quan sát cho thấy dịch chuyển giọt kim loại lỏng vào vũng hàn và ổn định theo chế “một xung một giọt“ và tương tác hồ quang PAW vào hồ quang GMAW giúp cho việc hình thành và tách giọt kim loại lỏng đầu dây hàn GMAW và dễ dàng nhiều Ngoài ra, cạnh hồ quang lai ghép mở rộng độ sáng vùng hồ quang cũng sáng hồ quang GMAW thông thường chứng tỏ tác động nhiệt hai vùng hồ quang làm tăng nhiệt độ hồ quang tổng lên đáng kể Đây chính là lý hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình thái hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc có thể tăng tốc độ hàn và tăng chiều sâu ngấu so với hàn GMAW thông thường Xác định một số nhân tố ảnh hưởng đến tương tác hồ quang a) Xác định cách đấu cực nguồn hàn PAW và GMAW đến sự tương tác hồ quang Để có thể đạt chiều sâu ngấu lớn nhất, nghiên cứu luận án, tác giả chọn phương án đấu nối nguồn hàn PAW đấu phân cực thuận DCEN và nguồn hàn GMAW đấu phân cực nghịch DCEP b) Xác định vị trí tương quan của hai mỏ hàn PAW, GMAW đến sự hình thành và tương tác hồ quang Trong luận án này, mỏ hàn PAW đặt cố định vuông góc với bề mặt phôi hàn, vị trí mỏ hàn GMAW thay đổi theo mỏ hàn PAW với hai giá trị bản là DE và α (Hình 2.39) Căn vào quan hệ hình học đại lượng có thể tìm cơng thức liên hệ thông số sau: DE ≥ Dmin = DP/2 - 20.tgα + (DM/2).cosα (2.15) Trong đó: DP là đường kính mỏ hàn Plasma; DP = 30mm; DM là đường kính mỏ hàn GMAW, DM = 25mm 13 Với kết quả thí nghiệm thu khuyến cáo góc nghiêng mỏ hàn hàn GMAW chọn bộ thông số hợp lý để gá lắp hai mỏ hàn PAW và GMAW là: α = 15±50 và DE = Dmin ∼ 19,5÷23,7mm Chọn α = 200 và DE = Dmin ∼ 19,5 mm và giá trị này giữ không đổi thí nghiệm hàn c) Xác định khe hở hàn hàn giáp mối tấm thép Cacbon dày 12mm, không vát mép Trong phạm vi nghiên cứu luận án này, để có thể hình thành có thể giới hạn khe hở hàn khoảng 1,5 ± 0,5 mm 2.4 Mơ hình ng̀n nhiệt PAW, GMAW hàn lai ghép PlasmaGMAW Bài toán mơ phỏng sớ q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW thơng qua phần mềm chuyên dụng SYSWELD yêu cầu thiết lập thông số đầu vào quan trọng là mơ hình ng̀n nhiệt sử dụng Tùy tḥc vào loại q trình hàn sử dụng mà ta lựa chọn mơ hình ng̀n nhiệt phù hợp Đới với q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW, khó khăn đặt là sử dụng mơ hình ng̀n nhiệt nào để có thể thể hiện tương tác trường nhiệt độ hai hồ quang PAW và hồ quang GMAW Để giải vấn đề này, trước tiên ta tìm hiểu mợt sớ mơ hình ng̀n nhiệt riêng lẻ thường sử dụng tính tốn và mơ phỏng Mơ hình ng̀n nhiệt hồ quang hàn GMAW Theo tài liệu [39], để mô phỏng số, tác giả Goldak đưa một dạng rút gọn và tương đương mơ hình ng̀n nhiệt nhằm cung cấp số liệu đầu vào cho phần mềm SYSWELD thực thi sau: 14 Trong đó P=.Uh.Ih là công suất nhiệt hiệu dụng nguồn nhiệt hàn, Uh là điện áp hàn, Ih là cường độ dòng điện hàn và  là hiệu suất trình hàn GMAW ( = 60 ÷ 80%) Các thơng sớ Qf, Qr, af, ar, b c nguồn nhiệt hàn xác định từ thực nghiệm và đưa vào mơ hình PTHH để tính tốn Mơ hình ng̀n nhiệt hàn PAW lỗ khóa Căn vào hình dạng vũng hàn nóng chảy vùng lỗ khóa PAW cũng hình dạng mặt cắt ngang mới hàn, ta thấy mơ hình ng̀n nhiệt bản chưa đáp ứng chính xác hình dạng, tính chất vũng hàn vùng lỗ khóa thực tế Do vậy, đới với mơ hình hàn PAW dạng lỡ khóa hay mợt sớ q trình hàn lai ghép Laser – GMAW, Plasma-GMAW có thể dụng mơ hình kết hợp hai dạng ng̀n nhiệt sau: Mơ hình ng̀n nhiệt trình hàn lai ghép Căn vào mợt sớ mơ hình ng̀n nhiệt lai ghép Laser – Hồ quang điện, TIG-MIG và cấu tạo bản mặt cắt ngang mới hàn đới với mơ hình ng̀n nhiệt q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW tác giả đề x́t mơ hình ng̀n nhiệt cải tiến tương tự mơ hình PAW lỡ khóa 15 có điều chỉnh Hình 2.52 2.5 Kết luận Chương Qua nghiên cứu, phân tích đặc điểm trình hàn GMAW, PAW và trình hàn lai ghép Plasma-GMAW, có thể rút kết luận sau: - Q trình hàn GMAW sử dụng ng̀n nhiệt hồ quang trực tiếp nên hàn giáp mối một phía với một lượt hàn cho tấm kim loại hàn có chiều dày lớn 6mm mà phải vát mép phôi hàn và hàn nhiều lượt - Q trình hàn PAW sử dụng hờ quang nén cho phép tạo hồ quang có chiều dài lớn nhiều so với hàn TIG Ngoài chế độ hàn PAW là hàn microplasma, hàn PAW dòng trung bình và hàn PAW lỗ khóa cho phép chiều dày phôi hàn rất đa dạng, mức độ tập trung nguồn nhiệt cao, chiều sâu ngấu lớn, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ Thơng qua tính tốn dựa theo cân sức căng bề mặt, áp lực hồ quang Plasma nén và áp suất thủy tĩnh kim loại nóng chảy có thể xác định đối với vật liệu hàn là thép Cacbon thấp và thép khơng gỉ q trình hàn PAW có hạn chế chiều dày tấm là 6,8mm và 10mm hàn giáp mối một phía với mợt lượt hàn - Q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW nghiên cứu và phát triển nhằm phát huy ưu điểm đồng thời khắc phục nhược điểm trình riêng lẻ PAW và GMAW Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình thái mợt mỏ hàn đồng trục nhất cho phép tạo mối hàn đắp có chất lượng cao hồ quang Plasma bao phủ bên ngoài có tác dụng nung nóng sơ bộ bề mặt kim loại bản và dây hàn GMAW nên đạt mối hàn đắp có chất lượng cao, tỷ lệ hòa trộn thấp và tốc độ hàn rất cao Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình thái hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc có đặc điểm hồ quang Plasma lỗ khóa trước làm nóng chảy kim loại bản đồng thời nung nóng sơ bộ toàn bộ chiều dày phôi hàn cho phép tạo mối hàn có chiều sâu ngấu lớn, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ với suất cao, tốc độ đắp lớn, ít biến dạng nhiệt Chính là đối tượng nghiên cứu luận án nhằm tạo q trình hàn có khả hàn giáp mới mợt lượt tấm thép Cacbon dày, không vát mép - Bộ sớ thơng sớ gá đặt ban đầu q trình hàn lai ghép PlasmaGMAW với hình thái hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc như: cách đấu điện cực, khoảng cách hai mỏ hàn (DE), góc nghiêng hai mỏ hàn (α), khe hở hàn nghiên cứu và thí nghiệm để tìm giá trị phù hợp Cụ thể, ng̀n hàn PAW đấu phân cực thuận DCEN, nguồn hàn GMAW đấu phân cực nghịch DCEP, α = 15 ±50 và DE ∼ 19,5mm, khe hở hàn 1,5±0,5mm Các thơng sớ này khơng thay đởi q trình mô phỏng và thực nghiệm 16 - Các mơ hình ng̀n nhiệt q trình hàn GMAW, PAW lỗ khóa, lai ghép Laser-GMAW nghiên cứu và đưa mơ hình ng̀n nhiệt lai ghép kết hợp nguồn nhiệt hàn GMAW phía có dạng nguồn nhiệt elipsoid kép và nguồn nhiệt hàn PAW lỗ khóa phía có dạng nguồn nhiệt nón chiều phân bớ Gauss Chương TÍNH TOÁN MƠ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SYSWELD 3.1 Mục đích Các kết quả nghiên cứu Chương chỉ khả hình thành lớp kim loại phía mối hàn tác động nguồn nhiệt Plasma lỗ khóa là yếu tố cốt lõi hình thành liên kết hàn giáp mới thép tấm dày Do chương này kiểm tra tinh chỉnh mơ hình ng̀n nhiệt tới ưu (kết hợp hai nguồn nhiệt Plasma và GMAW) đề xuất Chương thông qua so sánh kết quả mô phỏng phần mềm SYSWELD và thực nghiệm Thông qua kết quả mơ phỏng q trình hàn lai ghép PlasmaGMAW ta có thể dự báo trước trường nhiệt, hình dáng, kích thước mới hàn, tương tác hai nguồn nhiệt hồ quang vũng hàn , Nghiên cứu mơ phỏng còn nhằm mục đích nắm bắt q trình hàn một cách tổng quát trực quan, giảm nhiều chi phí thử nghiệm tránh việc thực nghiệm vùng thơng sớ khơng thích hợp 3.2 Tính tốn, mơ phỏng q trình hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn - PTHH biết là một công cụ hữu hiệu hỗ trợ nghiên cứu, thử nghiệm để xác định hành vi tương tác hiện tượng vật lý phức tạp q trình hàn Kết quả mơ phỏng trình hàn GMAW cho liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm, vát mép chữ V Kết quả tính tốn trường nhiệt đợ q trình hàn lai ghép PlasmaGMAW cho liên kết hàn giáp mối tấm 12mm khơng vát mép 17 Kết quả tính tốn mơ phỏng trường nhiệt độ phân bố tiết diện ngang liên kết hàn giáp mới q trình hàn lai ghép PlasmaGMAW thể hiện Hình 3.18 Kết quả so sánh cho thấy sai khác lớn nhất hình dạng mặt cắt ngang mối hàn thực tế và mối hàn dự đoán từ phần mềm là rất nhỏ (4%), phạm vi chấp nhận Với vùng ảnh hưởng nhiệt thu từ mối hàn thực tế và từ phân bố trường nhiệt độ vùng nhiệt độ từ 9000C÷13000C có kích thước tương đương nhau, thông số mô phỏng là hợp lý, hay nói cách khác mơ hình lời giải phương pháp mô phỏng là phù hợp với thực tế và phương pháp tính tốn mơ phỏng đảm bảo đợ tin cậy Trường nhiệt độ phân bố liên kết hàn giáp mới q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW thấy Hình 3.19 Kết quả nghiên cứu cho thấy hai phần mới hàn và hình thành tác động rất rõ ràng tương ứng với hai nguồn nhiệt hàn GMAW và PAW Đối với phần mối hàn hình thành từ kim loại bản nóng chảy ng̀n nhiệt PAW lỡ khóa sinh ra, hình dạng mới hàn có dạng hình nón mơ hình ng̀n nhiệt PAW chọn, phần bên mới hàn hình thành từ dây hàn GMAW nóng chảy sau nguồn hàn PAW trước làm nóng chảy mép hàn KLCB tạo vùng trống bên Ngoài có thể nhận thấy nguồn nhiệt trình hàn PAW và GMAW có ảnh hưởng lẫn trường nhiệt độ phân bố theo chiều dày tấm hàn Từ kết quả cho thấy phía bề mặt tấm hàn, hai nguồn nhiệt PAW và GMAW có tương tác rất rõ rệt, tạo nên vùng nhiệt độ từ 13000C-15000C hai mỏ hàn, điều này giúp cho trình hàn GMAW theo sau điền đầy dễ và tốc độ đắp nâng cao KLCB nung nóng sơ bộ Mặt khác với mới hàn hình thành từ phía đường hàn PAW lỗ khóa tạo không bị ảnh hưởng nguồn nhiệt GMAW phía 18 3.3 Kết luận Chương - Thành tựu bản và nổi bật chương này là ứng dụng phần mềm Sysweld để tính tốn mơ phỏng bài tốn phi truyền thớng – đó là q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho liên kết hàn giáp mối thép tấm dày có vát mép và không vát mép Tác giả áp dụng mơ hình ng̀n nhiệt phù hợp cho trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình thái hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc là kết hợp nguồn nhiệt elipsoid kép cho nguồn nhiệt hồ quang GMAW phía và nguồn nhiệt nón chiều phân bố Gauss cho nguồn nhiệt hồ quang Plasma phía - Đã xác định chu trình nhiệt một số nút quan trọng và nhạy cảm hàn liên kết giáp mới tấm thép dày 12 mm có khơng vát mép q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW và GMAW truyền thớng Ngồi ra, cũng kỹ thuật mơ phỏng, tác giả tính tốn ứng suất và biến dạng liên kết hàn ứng với chế đợ cơng nghệ hàn cụ thể - Chương trình mô phỏng xây dựng có thể áp dụng đối với chi tiết hàn có chiều dày bất kỳ, với dạng chuẩn bị mép hàn khác có thể áp dụng cho vật liệu kim loại và hợp kim chúng (khi đó chỉ phải thay đổi hàm thuộc tính vật liệu) Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Mục đích Mục đích nghiên cứu thực nghiệm là hàn giáp mối thành công tấm dày khơng vát mép q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình thái hai mỏ hàn đợc lập đờng tớc sở nghiên cứu lý thuyết Chương và tính tốn mơ phỏng Chương Nghiên cứu thực nghiệm còn nhằm mục đích kiểm chứng lại lý thuyết, giả thuyết khoa học mà tác giả đưa ra, đồng thời bổ sung để ngày càng hoàn thiện lý thuyết công nghệ hàn lai ghép Quá trình tiến hành thực nghiệm hàn liên kết hàn giáp mối thép tấm có chiều dày tới 12mm, không vát mép luận án đề cập 19 Kết luận chương - Tác giả xác định chế đợ hàn q trình GMAW riêng lẻ cho liên kết giáp mối tấm dày 12mm có vát mép với lượt hàn để làm sở so sánh với hàn liên kết tấm dày 12mm không vát mép với lượt hàn trình hàn lai ghép Plasma-GMAW (Các kết quả trình bày và bàn luận Chương 5) - Để khẳng định việc chọn trình hai lai ghép Plasma-GMAW với hình thái là thích hợp cho hàn tấm dày, không vát mép tác giả tiến hành xác định chế độ hàn và thực hiện một số thực nghiệm với trình hai lai ghép Plasma-GMAW với hình thái (hàn đắp một lượt và hàn giáp mối một lượt với khe hở khác nhau) để làm sở so sánh thực nghiệm - Đã xác định chế độ và quy trình hai lai ghép Plasma-GMAW với hình thái cho tấm có chiều dày khác - Tất cả thí nghiệm tiến hành Phòng thí nghiệm Hàn nóng chảy thuộc Viện Hàn và ghép nối, ĐH Osaka, Nhật Bản thiết bị đời mới, hiện đại và kiểm tra và đánh giá các phòng thí nghiệm chuyên nghành Nhìn chung trình thực nghiệm tiến hành thiết bị nghiên cứu có độ tin cậy cao Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN Mối hàn giáp mối một lượt với thép không vát mép với chiều dày 12mm bằng trình hàn lai ghép Plasma-GMAW Kết quả chính luận án hàn giáp mối một lớp với tấm thép dày không vát mép với chiều dầy 12mm công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW và qua đó thấy ưu điểm nổi trội so với công nghệ hàn GMAW hàn giáp mối tấm chiều dày Độ cứng tế vi bề mặt cắt ngang mối hàn: Qua biểu đồ phân bố độ cứng cho thấy Độ cứng vùng 1(Hv0,2= 237) > Độ cứng vùng (Hv0,2= 204) > 20 Độ cứng vùng HAZ (Hv0,2=185)> Độ cứng vùng KLCB (Hv0,2= 170) Độ bền kéo mối hàn: Theo tiêu chuẩn kiểm tra độ bền kéo giá trị độ bền kéo mẫu hàn 12mm là (405.1N/mm2) tương tự kim loại bản (400∼510N/mm2) và vị trí vết kéo đứt phạm vi cho phép Điều này chứng tỏ mối hàn đảm bảo yêu cầu tính Mối hàn giáp mối ba lượt thép dày 12mm vát mép chữ V bằng trình hàn GMAW So sánh kết quả thực nghiệm liên kết hàn giáp mối dày 12mm bằng trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái GMAW riêng lẻ Bảng 5.7 Bảng so sánh kết quả thực nghiệm hàn giáp mối tấm dày 12mm trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái trình hàn GMAW Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái Quá trình hàn GMAW riêng lẻ - Chiều rộng mối hàn: 10mm - Chiều rộng mối hàn: 17mm - Chiều cao phần nhô:1,5mm - Chiều cao phần nhô:4,5mm -Chiều rợng trung bình vùng HAZ: 5mm - Chiều rợng trung bình vùng HAZ: 6,2mm Sớ lượt hàn Thơng sớ bản q trình - Dòng hàn Plasma Ihp = 180A; lượt hàn có thông số hàn tương tự bao gồm: Chuẩn bị phôi hàn Tiết diện mặt cắt ngang mới hàn Thơng sớ hình học mối hàn 21 - Điện áp hàn Plasma Uhp = 25V - Lưu lượng khí tạo Plasma: - Dòng hàn GMAW Ih = 200A; Fllk = 2,0 l/phút (khí Ar+10%H2); - Điện áp hàn GMAW Uh = 25A - Cơng śt nhiệt đầu vào q trình hàn GMAW: QGMAW = 2360W; - Cơng śt nhiệt đầu vào q trình hàn GMAW: QGMAW = 4250W; - Tốc độ hàn: Vh = 2mm/s; - Tốc độ hàn: Vh = 3mm/s; - Tốc độ cấp dây: Wr = 3,4 m/min - Tốc độ cấp dây: Wr = 10 m/min - Sarea = 37mm2 - Fđ = 107mm2 - (QPlasma + QGMAW)/vh = 2980J/mm - 3*QGMAW/vh = 4250J/mm Năng suất hàn (1/vh) - 500 giây cho 1m đường hàn - ≥ 1000 giây cho 1m đường hàn Ứng suất, biến dạng hàn - Biến dạng tổng lớn nhất: 0,87mm - Biến dạng tổng lớn nhất: 0,77mm - Ứng suất dư Svon mises lớn nhất: 595,4 MPa - Ứng suất dư Svon mises lớn nhất: 903,8 MPa hàn Diện tích đắp Năng đường lượng Kết luận chương - Qua phân tích kết quả nghiên cứu thực nghiệm chương này, tác giả đưa quy trình hàn thử nghiệm với dạng phôi hàn khác có chiều dày khác từ 6÷12mm, với dạng vát mép khác nhằm tìm bộ thông số hàn hợp lý và là tiền đề để ứng dụng hàn giáp mối một lượt tấm thép Cacbon thấp không vát mép với chiều dày lớn - Ở chương này, tác giả đưa giải pháp kỹ thuật có thể nâng cao công suất nguồn nhiệt Plasma tăng đường kính lỗ phun, thay đổi khí tạo plasma giúp cho nâng cao chất lượng lượng nguồn hồ quang Plasma để có thể liên kết tấm hàn dày Với thay đổi khí tạo Plasma là Ar với lưu lượng khí 3l/phút thay hỗn hợp khí Ar+10%H2 với lưu lượng khí 2l/phút có thể làm cho nhiệt đợ trung bình cợt hờ quang Plasma tăng lên 20% Điều này vừa có ý nghĩa kinh tế lưu lượng khí nhỏ hơn, vừa có ý nghĩa giúp hàn mối hàn có chiều sâu ngấu lớn (từ 9mm lên 12mm) - Các kết quả thu kiểm tra tính mối hàn cấu trúc tế vi mối hàn cho thấy mối hàn đạt yêu cầu với thông số hàn chọn Điều này cho thấy trình hàn lai ghép Plasma-GMAW có thể nâng cao giới hạn chiều dày hàn một lượt thép tấm Cacbon q trình hàn Plasma lỡ khóa 8mm, với trình hàn GMAW là 6mm tăng lên 12mm - Đã chứng minh mơ hình ng̀n nhiệt cải tiến dùng mơ phỏng q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW là tin cậy, kết quả so sánh hình dạng mới hàn, trường nhiệt đợ vũng hàn mô phỏng và thực tế hàn giáp mối tấm thép Cacbon dày 12mm không vát mép cho thấy không có sai khác lớn (4%) và chấp nhận - Đã đưa một số ưu điểm nởi trợi q trình hàn lai ghép Plasma22 GMAW so với q trình hàn GMAW thơng thường hàn giáp mối tấm thép dày 12mm như: Tiết kiệm kim loại và công sức không cần vát mép phơi hàn; Chiều rợng trung bình vùng HAZ nhỏ 19,3% so với hàn GMAW; Diện tích đắp nhỏ 65% so với hàn GMAW; Năng lượng đường nhỏ 30% so với hàn GMAW; Năng suất hàn cao 50% so với hàn GMAW; Biến dạng hàn có giá trị rất nhỏ chiều dài đường hàn nhỏ và tương đương với trình hàn GMAW; Ứng suất dư Svon mises lớn nhất nhỏ 34% so với hàn GMAW KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN & KIẾN NGHỊ 1) Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai hình thái kết hợp trình hàn PAW trình hàn GMAW ứng dụng vào nhu cầu khác Hình thái kết hợp hai mỏ hàn PAW và GMAW độc lập, đồng tốc cho thấy khả vượt trội liên kết hàn thép tấm dày nguồn hồ quang Plasma lỗ khóa trước làm nóng chảy kim loại bản và đồng thời gia nhiệt sơ bộ mép hàn phía làm giúp trình hàn GMAW dễ điền đầy mợt lượt hàn Điều này cho phép q trình hàn lai ghép Plasma – GMAW có thể nâng cao giới hạn chiều dày tấm hàn giáp mối một lượt cho tấm thép Cacbon hàn Plasma lỗ khóa từ 6÷8mm với q trình hàn GMAW là từ 6mm lên 12mm Do trình này có tính ứng dụng cao ngành công nghiệp nặng đóng tàu, ôtô, nhiệt điện, 2) Luận án thành cơng mơ phỏng sớ q trình hàn lai ghép PlasmaGMAW với mơ hình ng̀n nhiệt cải tiến là kết hợp mơ hình ng̀n nhiệt elipsoid kép cho ng̀n hàn GMAW phía sau và nguồn nhiệt nón chiều phân bố Gauss cho nguồn nhiệt PAW phía trước Các kết quả mô phỏng cho thấy kết quả tin cậy so với liệu thực nghiệm với sai số nhỏ 4% phạm vi cho phép Ứng dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng số phần mềm SYSWELD để tính tốn xác định hình thành và tương tác hai vùng hồ quang Plasma lỗ khóa và GMAW qua đó so sánh với liệu thực nghiệm thu công cụ đo hiện đại, có độ chính xác cao HSVC, Camera nhiệt tốc độ cao Phương pháp nghiên cứu mô phỏng này đem lại lợi ích lớn kỹ thuật và kinh tế, đặc biệt thích hợp với bài tốn mới, bài tốn phi tiêu ch̉n đới tượng nghiên cứu bản luận án này Thông qua mô phỏng nắm bắt một cách tổng quát trực quan trình hàn trước thí nghiệm, giúp giảm rất nhiều thời gian cũng số lượng chi phí thử nghiệm tránh việc thực nghiệm vùng thông số công nghệ không thích hợp 3) Luận án tính tốn và đưa thơng sớ gá đặt hợp lý hai mỏ hàn Plasma và GMAW là: góc nghiêng hai mỏ hàn α = 15±50 và 23 khoảng cách hai mỏ hàn DE = Dmin ∼ 19,5mm 4) Tác giả đưa giải pháp kỹ thuật có thể nâng cao công suất nguồn nhiệt Plasma tăng đường kính lỗ phun, thay đổi khí tạo plsma giúp cho nâng cao chất lượng lượng nguồn hồ quang Plasma để có thể liên kết tấm hàn dày Đặc biệt, với thay đổi khí tạo Plasma là Ar với lưu lượng khí 3l/phút thay hỗn hợp khí Ar+10%H2 với lưu lượng khí 2l/phút có thể làm cho nhiệt đợ trung bình cợt hờ quang Plasma tăng lên 20% (Từ 155000K lên 187000K) Điều này vừa có ý nghĩa kinh tế cao, vừa có ý nghĩa giúp hàn mối hàn có chiều sâu ngấu lớn (từ 9mm lên 12mm) nâng cao suất hàn 5) Điểm luận án là tác giả đưa bộ thông số hợp lý bao gồm một số thông số bản như: Dòng hàn Plasma Ihp = 180A; Lưu lượng khí tạo Plasma Fllk = 2,0 l/phút (khí Ar+10%H2); Cơng śt nhiệt đầu vào q trình hàn GMAW QGMAW = 2360W; tốc độ hàn Vh = 2mm/s; tốc độ cấp dây Wr = 3,4 m/min để hàn giáp mối một lượt, không vát mép thép Cacbon dày 12mm công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW mà q trình hàn thơng thường khó có thể thực hiện 6) Quá trình hàn lai ghép Plasma- GMAW hình thái có một số ưu điểm nổi trội so với q trình hàn GMAW thơng thường hàn giáp mối tấm thép dày 12mm Đó là: Tiết kiệm kim loại và công sức không cần vát mép phôi hàn; Chiều rợng trung bình vùng HAZ nhỏ 19,3% so với hàn GMAW; Diện tích đắp nhỏ 65% so với hàn GMAW; Năng lượng đường nhỏ 30% so với hàn GMAW; Năng suất hàn cao 50% so với hàn GMAW; Biến dạng hàn có giá trị rất nhỏ chiều dài đường hàn nhỏ và tương đương với trình hàn GMAW; Ứng suất dư Svon mises lớn nhất nhỏ 34% so với hàn GMAW Do kết quả này có ý nghĩa thực tiễn cao và ứng dụng hiệu quả cao lĩnh vực hàn KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Bản luận án này còn một số vấn đề chưa triển khai nghiên cứu, kiến nghị tác giả sau nghiên cứu tiếp vấn đề đây: - Nghiên cứu mô phỏng sớ q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho tấm có chiều dày lớn nhằm dự đốn cơng suất nguồn nhiệt hàn cần thiết - Nghiên cứu ảnh hưởng thông số lưu lượng khí tạo Plasma, khí bảo vệ đến trường nhiệt độ vũng hàn trình hàn lai ghép - Nghiên cứu mơ phỏng q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với góc nghiêng mỏ hàn GMAW bất kỳ - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn Plasma-GMAW cho vật liệu khó hàn hợp kim nhôm, đồng, titanium, 24 ... phỏng Đới tượng nghiên cứu - Luận án tập trung nghiên cứu công nghệ hàn lai ghép Plasma - GMAW liên kết giáp mối hàn một lượt thép tấm dày không vát mép Phương pháp nghiên cứu Hiện nay,... xuất, trình hàn lai ghép Plasma - GMAW phân chia thành hai dạng hình thái kết hợp q trình hàn hờ quang Plasma q trình hàn GMAW bao gờm: - Hình thái q trình hàn lai ghép Plasma- GMAW với hai... trình hàn lai ghép Plasma- GMAW cho liên kết hàn giáp mối thép tấm dày có vát mép và không vát mép Tác giả áp dụng mơ hình ng̀n nhiệt phù hợp cho q trình hàn lai ghép Plasma- GMAW