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

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày Luận án trung thực chưa có tác giả khác công bố Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Người cam đoan Trần Lâm TM.TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Thúc Ha i LỜI CẢM ƠN - Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thúc Hà PGS.TS Hoàng Tùng tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện, động viên suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án - Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể đồng nghiệp giảng viên Bộ môn Hàn & CNKL -Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ suốt thời gian tác giả học tập nghiên cứu - Tác giả xin chân thành cảm ơn dự án AUN/SEED - Net thuộc tổ chức JICA thơng qua chương trình SRJP - Chương trình Hợp tác trao đổi nghiên cứu ngắn hạn Nhật Bản giáo sư Đại học Osaka, Nhật Bản tài trợ giúp đỡ tận tình để tác giả có điều kiện nghiên cứu thí nghiệm trao đổi chun mơn suốt q trình làm việc Viện nghiên cứu Hàn & Ghép nối Nhật Bản thuộc trường Đại học Osaka - Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể cán giảng viên Bộ môn Cơ khí hàn - Khoa Cơ khí Trung tâm Thực hành -Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ suốt thời gian tác giả thực nghiên cứu thực nghiệm Tác giả xin chân thành cảm ơn ThS.Nguyễn Hồng Thanh, Bộ mơn Cơ khí hàn - Khoa Cơ khí - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định hướng dẫn, giúp đỡ việc mô số trình hàn phần mềm chuyên dụng SYSWELD - Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ gia đình ln động viên, chia sẻ khó khăn nguồn động lực to lớn giúp tác giả vượt qua khó khăn suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả luận án Trần Lâm ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục đích luận án Lý thuyết Thực nghiệm Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu Các kết luận án: Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học luận án: Ý nghĩa thực tiễn luận án: Kết cấu luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW Khái niệm quy ước hàn tấm có chiều dày lớn Khái niệm chiều dày lớn hàn bằng trình hàn GMAW riêng lẻ Khái niệm chiều dày lớn hàn bằng trình hàn PAW riêng lẻ Tình hình nghiên cứu giới Quá trình hàn lai ghép Quá trình hàn lai ghép Plasma - GMAW Tình hình nghiên cứu Việt Nam 14 Quá trình hàn giáp mối chiều dày lớn 14 iii Quá trình hàn PAW 14 Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW Việt Nam 16 Kết luận Chương 16 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW 18 Quá trình hàn GMAW 18 Nguyên lý đặc điểm 18 Ảnh hưởng yếu tố công nghệ hàn GMAW đến chất lượng liên kết hàn 19 Xác định thông số chế độ hàn giáp mối thép cacbon dày 12mm bằng trình hàn GMAW riêng lẻ 23 Quá trình hàn PAW 26 Nguyên lý đặc điểm 26 Các đặc trưng hồ quang Plasma 29 Vật liệu công nghệ hàn PAW 32 Sự hình thành vũng hàn hàn PAW 35 Xác định chiều dày lớn thép cacbon hàn giáp mối phía, không vát mép với lượt hàn bằng trình hàn PAW riêng lẻ 39 Quá trình hàn lai ghép PAW-GMAW 41 Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW mỏ hàn đồng trụcHình thái 41 Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập-Hình thái 46 Mơ hình nguồn nhiệt PAW, GMAW hàn lai ghép Plasma-GMAW .53 Nguồn nhiệt hàn 53 Nguồn nhiệt khối dạng elipsoid đơn kép 55 Mô hình nguồn nhiệt hồ quang hàn GMAW .57 Mô hình nguồn nhiệt hàn PAW lỗ khóa 58 Mô hình nguồn nhiệt trình hàn lai ghép 59 Kết luận Chương 61 CHƯƠNG TÍNH TỐN MƠ PHỎNG Q TRÌNH HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SYSWELD 62 Mục đích 62 iv Tính tốn, mơ q trình hàn phương pháp phần tử hữu hạn 62 Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn 62 Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng toán nhiệt đàn hồi dẻo (Thermo-Elastic-Plastic FEM) 63 Kết mô phỏng trình hàn GMAW cho liên kết hàn giáp mối dày 12mm, vát mép chữ V 72 Kết mô phỏng trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho liên kết hàn giáp mối dày 9mm, có vát mép 76 Kết tính mô phỏng trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho liên kết hàn giáp mối dày 12mm, không vát mép 79 Kết luận Chương 85 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 86 Mục đích 86 Trang thiết bị thí nghiệm 86 Thiết bị hàn 86 Đồ gá hàn 87 Các trang thiết bị phụ trợ 88 Mẫu thí nghiệm 89 Vật liệu mẫu hàn dây hàn 89 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 90 Xây dựng quy trình thí nghiệm 90 Gá kẹp mẫu thí nghiệm 90 Các chế độ hàn quy trình thực nghiệm 90 Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng hàn .95 Kết luận chương 98 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 99 Kết thí nghiệm với q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW- Hình thái 99 Kết trình hàn đắp lớp lên thép Cacbon 99 Kết trình hàn giáp mối lớp thép Cacbon 101 Kết thí nghiệm với trình hàn lai ghép Plasma-GMAW - Hình thái 103 v Mối hàn giáp mối lượt với thép có chiều dày 6mm bằng trình hàn lai ghép Plasma-GMAW 103 Mối hàn giáp mối lượt với thép có vát mép, không khe hở hàn với chiều dày 12mm 104 Mối hàn giáp mối lượt thép không vát mép với chiều dày 9mm 105 Mối hàn giáp mối lượt với thép không vát mép với chiều dày 12mm 106 Cấu trúc tế vi liên kết hàn 110 Cơ tính liên kết hàn giáp mối lượt dày 12mm, không vát mép bằng trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái .112 lẻ Kết hàn giáp mối tấm thép dày 12mm trình hàn GMAW riêng 113 Kết hàn giáp mối lượt thép dày 12mm không vát mép bằng trình hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược góc nghiêng điện cực thay đổi 113 Kết hàn giáp mối ba lượt thép dày 12mm vát mép chữ V bằng trình hàn GMAW 114 So sánh kết mô thực nghiệm 115 So sánh hình dạng mặt cắt ngang mối hàn 115 Trường nhiệt độ phân bố liên kết hàn giáp mối thông qua đo đạc thực nghiệm 116 So sánh kết thực nghiệm liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm trình hàn lai ghép Plasma-GMAW - Hình thái GMAW 117 Kết luận chương 119 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN & KIẾN NGHỊ 121 KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 122 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu/ Viết tắt Đơn vị AWS SAW GMAW (MIG/MAG) GTAW (TIG) PAW FCAW EBW ESW PTA MMA (SMAW) HAZ KLCB KLMH PTHH HSVC CJP PJP NDT DT S vh Uh Ih B ddh T LKH FZ mm mm/s V A mm mm Ý nghĩa Hiệp hội hàn Mỹ Hàn hồ quang lớp thuốc Hàn hồ quang điện cực kim loại nóng chảy mơi trường khí bảo vệ (MIG: Hàn hồ quang điện cực nóng chảy môi trường khí trơ / MAG: Hàn hồ quang điện cực nóng chảy mơi trường khí hoạt tính) Hàn hồ quang điện cực khơng nóng chảy mơi trường khí trơ Hàn hồ quang Plasma Hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc Hàn chùm tia điện tử Hàn điện xỉ Hàn đắp Plasma bột Hàn hồ quang tay Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone) Kim loại Kim loại mối hàn Phần tử hữu hạn Camera tốc độ cao Hàn ngấu hoàn toàn Hàn ngấu phần Kiểm tra không phá hủy Kiểm tra phá hủy Chiều dày vật hàn Vận tốc hàn Điện áp hồ quang Cường đô dòng điện hàn Tầm với điện cực Đường kính điện cực Sự chênh lệch nhiệt độ Liên kết hàn Vùng nóng chảy vii A mm mm Ltt Diện tích làm việc mối hàn Chiều dài tính tốn đường hàn Chiều dày không thứ nguyên Hiệu suất hồ quang o W/mm C Hệ số dẫn nhiệt Nhiệt độ không thứ nguyên k Q Nhiệt lượng tỏa q0 r= J/mm x +y Khoảng cách từ điểm khảo sát tới tâm nguồn nhiệt – 2D Khoảng cách từ điểm khảo sát tới tâm nguồn nhiệt – 3D R = x 2+ y c T + z Năng lượng đường 3o J/mm C Nhiệt dung riêng Bán kính véc tơ khơng thứ ngun o Nhiệt độ thời điểm khảo sát C Thời gian không thứ nguyên t s T0 o Tc o V Thời gian C Nhiệt độ ban đầu C Nhiệt độ nóng chảy vật liệu Thể tích vũng hàn x mm mm y mm Tọa độ theo phương y z mm Tọa độ theo phương z Tọa độ theo phương x 0 Δt8/5 s Fllk l/phút Thời gian nguội từ 800 C xuống 500 C Lưu lượng khí tạo Plasma δl-g N/m Sức căng bề mặt ĐHBK HN Trường Đại học Bách khoa Hà Nội viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU BẢNG 1.1 Các kiểu chuẩn bị mối nối với mối hàn giáp mối, phía trình hàn GMAW BẢNG 1.2 Các kiểu chuẩn bị mối nối với mối hàn giáp mối, phía q trình hàn PAW BẢNG 2.1 Ảnh hưởng tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn 22 BẢNG 2.2 Ảnh hưởng góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn 23 BẢNG 2.3 Chế độ hàn liên kết giáp mối có vát mép thép tấm cacbon SS400 dày 12mm trình GMAW riêng lẻ 26 BẢNG 2.4 Chế độ hàn PAW lỗ khóa cho liên kết hàn giáp mối với thép tấm chiều dày S 35 BẢNG 3.1 Ký hiệu quy ước tổ chức kim loại hàn 65 BẢNG 3.2 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết giáp mối có vát mép thép tấm cacbon SS400 dày 12mm 72 BẢNG 3.3 Thông số mô hàn giáp mối có vát mép thép tấm cacbon SS400 dày 12mm trình hàn GMAW 72 BẢNG 3.4 Thông số mô hàn giáp mối không vát mép thép tấm cacbon SS400 dày 12mm trình hàn lai ghép Plasma-GMAW 79 BẢNG 4.1 Thành phần hóa học quy cách khử ô xi thép cacbon JIS-SS400 89 BẢNG 4.2 Cơ tính thép JIS-SS400 90 BẢNG 4.3 Các tính chất dây hàn JIS-Z3312 YGW12 90 BẢNG 4.4 Thơng số thí nghiệm q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW,hình thái hàn đắp lớp 91 BẢNG 4.5 Thơng số q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW, hình thái hàn giáp mối thép tấm dầy 9mm với khe hở hàn thay đổi 92 BẢNG 4.7 Bảng trình tự thí nghiệm với chiều dày phơi hàn khác từ 6÷12mm 92 BẢNG 4.7 Các thơng số chế độ thí nghiệm hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái để liên kết hàn giáp mối lượt thép tấm dày 93 BẢNG 4.8 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết giáp mối thép tấm cacbon SS400 dày 12mm vát mép chữ V 94 BẢNG 4.9 Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng liên kết hàn 95 BẢNG 5.1 Hình dạng mặt cắt ngang mối hàn đắp (độ dày tấm thép KLCB không hiển thị đầy đủ có giá trị 9,0 mm) 99 BẢNG 5.2 Giá trị đo trung bình hình dáng kích thước mối hàn đắp 100 BẢNG 5.3 Kết mối hàn giáp mối lượt với tấm thép có chiều dày 6mm công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW .103 BẢNG 5.4 Kết mối hàn giáp mối lượt với tấm thép có chiều dày 9mm 12mm vát mép chữ V, không khe hở công nghệ hàn lai ghép PlasmaGMAW 104 BẢNG 5.5 Kết mối hàn giáp mối lượt với tấm thép có chiều dày 9mm không vát mép, khe hở hàn 2mm công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW 105 BẢNG 5.6 Các kết thực nghiệm hàn giáp mối lượt tấm thép dày 12mm không vát mép hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược góc nghiêng điện cực thay đổi .113 ix BẢNG 5.7 Bảng so sánh kết thực nghiệm hàn giáp mối tấm dày 12mm trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái trình hàn GMAW 117 x Hình 5.22 Biểu đồ đo độ bền kéo mẫu hàn 6.2 Kết hàn giáp mối tấm thép dày 12mm bằng trình hàn GMAW riêng lẻ Kết hàn giáp mối một lượt tấm thép dày 12mm không vát mép bằng trình hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược và góc nghiêng điện cực thay đổi α Hình 5.23 Quá trình hàn giáp mối lượt thép dày 12mm không vát mép bằng hàn 0 GMAW với kỹ thuật hàn ngược góc nghiêng α thay đổi 45 ÷90 Bảng 5.6 Các kết thực nghiệm hàn giáp mối lượt tấm thép dày 12mm không vát mép hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược góc nghiêng điện cực thay đổi Mẫu hàn* 12 (1): α = 45 Mặt cắt ngang mối hàn Thơng số hình học tiết diện ngang mối hàn - Bề rộng mối hàn:9mm - Chiều sâu ngấu:1,8mm - Chiều cao phần nhô:3mm 113 (2): α = 60 (3): α = 70 (4): α = 80 (5): α = 90 12 12 - Bề rộng mối hàn:8mm - Chiều sâu ngấu:2mm - Chiều cao phần nhô: 3mm - Bề rộng mối hàn:8mm - Chiều sâu ngấu:2,8 - Chiều cao phần nhô:2,8 - Bề rộng mối hàn: 8mm - Chiều sâu ngấu:3mm - Chiều cao phần nhô: 3mm 12 - Bề rộng mối hàn: 7,9mm - Chiều sâu ngấu:3,3mm - Chiều cao phần nhô:2,7mm 12 ( Các mẫu hàn có thơng số q trình hàn GMAW bao gồm: Ih = 110A;Uh = 25V; Vh = 2,5mm/s; Wr = 3,5 m/min Các kết mẫu hàn Bảng 5.6 cho thấy hàn GMAW cho liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm, không vát mép với khe hở hàn 1,5mm cho mối hàn có chiều sâu ngấu lớn nhất khoảng 3mm (I h = 150A;Uh = 25V; Vh = 2,5mm/s; Wr = 3,5 m/min) 0 Ngoài ra, với góc nghiêng điện cực thay đổi tương ứng với α = 70 ÷90 (trong khoảng cho phép theo tiêu ch̉n ([2])) thơng số hình học tiết diện ngang bề mặt mối hàn mẫu hàn (3), (4) (5) Bảng 5.6 có sai khác không đáng kể Điều chứng tỏ tính tốn mơ với trình hàn GMAW có thể lấy gần thiết lập góc nghiêng mỏ hàn GMAW (ứng với 0 α = 90 ) góc nghiêng α hàn thực tế hàn lai ghép Plasma-GMAW 70 (xem Hình 2.39 Hình 2.52 ) Kết hàn giáp mối ba lượt tấm thép dày 12mm vát mép chữ V bằng trình hàn GMAW Theo thơng số chế độ hàn tính tốn lựa chọn Bảng 4.8 cho kết mẫu hàn Hình 5.24 Mẫu hàn đạt khơng bị nứt, rỡ khí, ngấu tồn cho 114 thấy chất lượng mối hàn tốt thông số trình hàn lựa chọn, tính tốn hợp lý có thể áp dụng vào thực nghiệm hàn Hình 5.24 Liên kết hàn giáp mối thép có chiều dày S= 12mm vát mép chữ V với đường hàn bằng trình hàn GMAW (a) Đường hàn phía trên; (b) Chân đáy bên dưới (c) Mặt cắt ngang mối hàn So sánh kết mô phỏng và thực nghiệm Căn vào thơng số q trình hàn đạt qua mẫu hàn 6.2, ta đưa số vào phần mềm SYSWELD để thơng tính tốn mơ Các kết từ phần mềm so sánh với thực thu tế để kiểm nghiệm kết So sánh hình dạng mặt cắt ngang mối hàn Kết tính tốn mơ trường nhiệt độ phân bố tiết diện ngang liên kết hàn giáp mối trình hàn lai ghép Plasma-GMAW thể Hình 5.25 Kết so sánh cho thấy sai khác lớn nhất hình dạng mặt cắt ngang mối hàn thực tế mối hàn dự đoán từ phần mềm rất nhỏ (4%), phạm vi chấp nhận Với vùng ảnh hưởng nhiệt thu từ mối hàn thực tế từ 0 phân bố trường nhiệt độ vùng nhiệt độ từ 900 C÷1300 C có kích thước tương đương nhau, thông số mô hợp lý, hay nói cách khác mơ hình lời giải phương pháp mô phù hợp với thực tế phương pháp tính tốn mơ đảm bảo độ tin cậy.Trên kết mô thực nghiệm (Hình 5.25 cho thấy kích thước vùng HAZ cạnh vùng (2) dây hàn GMAW nóng chảy hình thành tác động chủ yếu hồ quang GMAW mơt phần hồ quang Plasma tác động có kích thước rộng so với vùng HAZ cạnh vùng (1) phía chân mối hàn KLCB nóng chảy tác động hồ quang Plasma Điều thể ưu điểm trình hàn Plasma sơ với hàn GMAW thông thường nhiệt tập trung cao, vùng HAZ nhỏ 115 Bề mặt mối han hình bởi GMAW (2) HAZ (2) HAZ (1) KLCB (1) KLCB Chân mối han hình bởi PAW lỗ khóa Hình 5.25 Kết so sánh trường nhiệt độ tức thời mô phỏng mặt cắt ngang mối h àn thực nghiệm hàn giáp mối dày 12mm không vát mép bằng trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với thông số hàn Ihp = 180A; Fllk = 2,0 l/phút (khí Ar+10%H2); QGMAW = 2360W; Vh = 2mm/s; Wr = 3,4 m/min Trường nhiệt độ phân bố liên kết hàn giáp mối thông qua đo đạc thực nghiệm Từ Hình 5.26 cho thấy nhiệt độ hai nguồn nhiệt PAW GMAW cho giá trị cao nhất gần phía nguồn PAW, khoảng 2400 K với trình hàn GMAW thơng thường giá trị cao nhất gần phía nguồn GMAW, khoảng 2100 K Điều cho thấy có tương tác rất rõ ràng hai nguồn nhiệt PAW GMAW vũng hàn hai vùng hồ quang PAW GMAW cho giá trị lớn nhất, kết phù hợp với kết mô cho thấy trường nhiệt độ hai nguồn hồ quang PAW GMAW 116 (c) Plasma-GMAW (d) Hình 5.26 Hình ảnh vũng hàn nóng chảy nhiệt độ chúng trình hàn GMAW trình hàn lai ghép Plasma-GMAW chụp đo bằng camera nhiệt (a), (b) Hình ảnh vũng hàn với nhiệt độ vũng hàn đồ thị phân bố nhiệt độ vũng hàn trình hàn GMAW ; (c),(d) Hình ảnh vũng hàn với nhiệt độ vũng hàn đồ thị phân bố nhiệt độ vũng hàn trình hàn lai ghép Plasma- GMAW So sánh kết thực nghiệm liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm bằng trình hàn lai ghép Plasma-GMAW - Hình thái và GMAW Bảng 5.7 Bảng so sánh kết 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- Quá trình hàn GMAW riêng lẻ GMAW hình thái Chuẩn bị phôi hàn 117 Tiết diện mặt cắt ngang mối hàn KLmối han HAZ HAZ KLCB KLCB Thông số - Chiều rộng mối hàn: 10mm hình học mối - Chiều cao phần nhơ:1,5mm hàn -Chiều rộng trung bình vùng HAZ: 5mm - Chiều rộng mối hàn: 17mm - Chiều cao phần nhơ:4,5mm - Chiều rộng trung bình vùng HAZ: 6,2mm Số lượt hàn Thông số - Dòng hàn Plasma Ihp = 180A; q trình - Điện áp hàn Plasma Uhp = 25V hàn - 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 Diện tích đắp Năng đường 2 - Sarea = 37mm (Căn theo Hình 5.8 ) lượng - (QPlasma 2980J/mm + QGMAW)/vh lượt hàn có thông số hàn tương tự bao gồm: - Dòng hàn GMAW Ih = 200A; - Điện áp hàn GMAW Uh = 25A - Cơng śt nhiệt đầu vào q trình hàn GMAW: QGMAW = 4250W; - Tốc độ hàn: Vh = 3mm/s; - Tốc độ cấp dây: Wr = 10 m/min - Fđ = 107mm (Căn theo mục 2.1.3) = - 3*QGMAW/vh = 4250J/mm Năng suất - 500 giây cho 1m đường hàn hàn (1/vh) - ≥ 1000 giây cho 1m đường hàn Ứng suất, - Biến dạng tổng lớn nhất: 0,87mm biến dạng hàn - Ứng suất dư Svon mises lớn nhất: 595,4 (Căn theo mục 3.2.5.5) - Biến dạng tổng lớn nhất: 0,77mm - Ứng suất dư Svon mises lớn nhất: 903,8 (Căn theo mục 3.2.4.5) Qua bảng so sánh kết thực nghiệm hàn giáp mối tấm dày 12mm trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái trình hàn GMAW (Bảng 5.7 cho thấy số ưu điểm trội trình hàn lai ghép Plasma-GMAW so với trình hàn GMAW như: - Tiết kiệm kim loại công sức không cần vát mép phôi hàn - Chiều rộng mối hàn nhỏ 41% so với hàn GMAW - Chiều cao phần nhô mối hàn nhỏ 67% so với hàn GMAW 118 - Chiều rộng trung bình vùng HAZ nhỏ 19,3% so với hàn GMAW dẫn đến chất lượng mối hàn cao, tính liên kết hàn tốt so với hàn GMAW thông thường - Diện tích đắp nhỏ 65% so với hàn GMAW dẫn đến tiết kiệm kim loại đắp từ dây hàn GMAW nên tính kinh tế cao rất nhiều so với hàn GMAW thông thường - Năng lượng đường nhỏ 30% so với hàn GMAW dẫn đến tiết kiệm lượng điện giảm giá thành sản xuất hàn so với trình hàn GMAW - Năng suất hàn cao 50% so với hàn GMAW dẫn đến cải thiện rất lớn mặt suất sản xuất hàn so với hàn GMAW hàn thép tấm dày - Ứng suất, biến dạng hàn: Biến dạng hàn có giá trị rất nhỏ chiều dài đường hàn nhỏ tương đương với trình hàn GMAW; Ứng suất dư S von mises lớn nhất nhỏ 34% so với hàn GMAW dẫn đến tính mối hàn cải thiện rất nhiều, khơng đòi hỏi biện pháp xử lý nhiệt sau hàn Kết luận chương - Qua phân tích kết 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 thơng số hàn hợp lý tiền đề để ứng dụng hàn giáp mối 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 cơng śt nguồn nhiệt Plasma tăng đường kính lỡ 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 Ar với lưu lượng khí 3l/phút thay hỡn hợp khí Ar+10%H với lưu lượng khí 2l/phút có thể làm cho nhiệt độ trung bình cột hồ quang Plasma tăng lên 20% Điều 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 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 cho thấy trình hàn lai ghép Plasma-GMAW có thể nâng cao giới hạn chiều dày hàn lượt thép tấm Cacbon q trình hàn Plasma lỡ khóa ÷8mm, hoặc với q trình hàn GMAW 6mm tăng lên 12mm Đã chứng minh mơ hình nguồn nhiệt cải tiến dùng mơ q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW tin cậy, kết so sánh hình dạng mối hàn, trường nhiệt độ vũng hàn mô thực tế hàn giáp mối tấm thép Cacbon dày 12mm không vát mép cho thấy không có sai khác lớn (4%) chấp nhận - Đã đưa số ưu điểm trội trình hàn lai ghép PlasmaGMAW so với q trình hàn GMAW thơng thường hàn giáp mối tấm thép dày 12mm như: Tiết kiệm kim loại công sức không cần vát mép phơi hàn; Chiều rộng 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; - 119 Năng suất hàn cao 50% so với hàn GMAW; Biến dạng hàn có giá trị rất nhỏ chiều dài đường hàn nhỏ tương đương với trình hàn GMAW; Ứng suất dư Svon mises lớn nhất nhỏ 34% so với hàn GMAW 120 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 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 đồng thời gia nhiệt sơ mép hàn phía làm giúp q trình hàn GMAW dễ điền đầy lượt hàn Điều cho phép trình hàn lai ghép Plasma – GMAW có thể nâng cao giới hạn chiều dày tấm hàn giáp mối lượt cho tấm thép Cacbon hàn Plasma lỡ khóa từ 6÷8mm hoặc với q trình hàn GMAW từ 6mm lên 12mm Do trình có tính ứng dụng cao ngành cơng nghiệp nặng đóng tàu, ôtô, nhiệt điện, 2) Luận án thành công mô số trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với mơ hình nguồn nhiệt cải tiến kết hợp mơ hình nguồn nhiệt elipsoid kép cho nguồn hàn GMAW phía sau nguồn nhiệt nón chiều phân bố Gauss cho nguồn nhiệt PAW phía trước Các kết mơ cho thấy kết tin cậy so với liệu thực nghiệm với sai số nhỏ 4% phạm vi cho phép Ứng dụng phương pháp nghiên cứu mô số phần mềm SYSWELD để tính tốn xác định hình thành tương tác hai vùng hồ quang Plasma lỗ khóa GMAW qua đó so sánh với liệu thực nghiệm thu công cụ đo đại, có độ xác cao HSVC, Camera nhiệt tốc độ cao Phương pháp nghiên cứu mơ đem lại lợi ích lớn kỹ thuật kinh tế, đặc biệt thích hợp với toán mới, toán phi tiêu chuẩn đối tượng nghiên cứu luận án Thông qua mô nắm bắt cách tổng qt trực quan q trình hàn trước thí nghiệm, giúp giảm rất nhiều thời gian số lượng chi phí thử nghiệm tránh việc thực nghiệm vùng thơng số cơng nghệ khơng thích hợp 3) Luận án tính tốn đưa thông số gá đặt hợp lý hai mỏ hàn Plasma GMAW là: góc nghiêng hai mỏ hàn α = 15±5 khoảng cách hai mỏ hàn DE = Dmin ∼ 19,5mm 4) Tác giả đưa giải pháp kỹ thuật có thể nâng cao cơng śt nguồn nhiệt Plasma tăng đường kính lỡ 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 Đặc biệt, với thay đổi khí tạo Plasma Ar với lưu lượng khí 3l/phút thay hỡn hợp khí Ar+10%H với lưu lượng khí 2l/phút có thể làm cho 0 nhiệt độ trung bình cột hồ quang Plasma tăng lên 20% (Từ 15500 K lên 18700 K) Điều 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 tác giả đưa thông số hợp lý bao gồm số thông số như: Dòng hàn Plasma I hp = 180A; Lưu lượng khí tạo Plasma F llk = 2,0 l/phút (khí Ar+10%H 2); Cơng śt nhiệt đầu vào q trình hàn GMAW Q GMAW = 2360W; tốc độ hàn Vh = 2mm/s; tốc độ cấp dây W r = 3,4 m/min để hàn giáp mối lượt, không vát mép thép Cacbon dày 12mm công nghệ hàn lai ghép PlasmaGMAW mà q trình hàn thơng thường khó có thể thực 121 6) Quá trình hàn lai ghép Plasma- GMAW hình thái có số ưu điểm trội so với q trình hàn GMAW thơng thường hàn giáp mối tấm thép dày 12mm Đó là: Tiết kiệm kim loại công sức không cần vát mép phơi hàn; Chiều rộng 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 tương đương với trình hàn GMAW; Ứng suất dư Svon mises lớn nhất nhỏ 34% so với hàn GMAW Do kết có ý nghĩa thực tiễn cao ứng dụng hiệu cao lĩnh vực hàn KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Bản luận án số vấn đề chưa triển khai nghiên cứu, kiến nghị tác giả sau nghiên cứu tiếp vấn đề đây: - Nghiên cứu mơ số q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho tấm có chiều dày lớn nhằm dự đốn cơng śt 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 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, 122 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Lam TRAN and Thuc Ha NGUYEN (2014) Effect of Plasma-MIG weld process parameters on bead weld formation of carbon steel The 7th AUN/SEED-Net Regional Conference on Mechanical and Manufacturing Engineering (RCMME 2014), 2014 Th.S Trần Lâm, PGS.TS Nguyễn Thúc Hà, PGS.TS Hoàng Tùng (2014) Nghiên cứu ảnh hưởng dòng hàn plasma đến hình thành mối hàn ứng dụng trình hàn lai ghép Plasma-MIG cho thép cácbon Tạp chí Cơ khí Việt Nam (ISSN 0866 - 7056), 08/2014 Lam TRAN, Hong Thanh NGUYEN and Thuc Ha NGUYEN (2016) Research on model of arc in Plasma-MIG hybrid welding process with an adaptive heat source model Hội nghị KH & CN toàn quốc Cơ khí - Động lực, pp.299-304, ISBN: 978-604-95-0040-4, 10/2016 Lam TRAN, Van Anh NGUYEN, Shinichi TASHIRO, Manabu TANAKA, Thuc Ha NGUYEN (2016) Development of plasma-mig hybrid welding process for butt joint welding of thick plate steel Journal of Science and Technology, Vol.119B, pp 011-015; May 2017 Lam TRAN, Shinichi TASHIRO, Manabu TANAKA and Thuc Ha NGUYEN (2017) Single Pass Full Penetration Welding of 12-mm Thick Mild Steel with Square Edge Preparation Using Plasma & MIG Hybrid Arc Welding Process Frontier of Applied Plasma Technology, Vol.10 No.2 July 2017 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dorin Dehelean (2007) Hybrid welding processes – a possibility to increase the welding process efficiency Nonconventional Technologies Review – no / 2007 [2] Ngô Lê Thông (2005) Công nghệ hàn điện nóng chảy, Tập 1&2 NXB Khoa học & Kỹ thuật [3] Klas Weman (2003) Welding processes handbook Woodhead Publishing Ltd, Abington Hall, Abington Cambridge CB 6AH, England 2003 [4] www.airliquide.ca [5] ASM Handbook Volume (1993) Welding, brazing, and soldering USA 1993 [6] Welding Solutions, Inc., Madison Heights, Mich (2007) Hybrid Welding: An Alternative to SAW, Welding journal, October 2007 [7] Jeff Palms (2004) Joining Methodologies for Titanium Alloys SBIR report topic N04-124 SuperMIG, Nov 2004-24 [8] Hisashi Serizawa, Shinichiro Nakamura, Manabu Tanaka, Yousuke Kawahito, Hiroyasu Tanigawa, Seiji Katayama (2011) Effect of mechanical restraint on weldability of reduced activation ferritic/martensitic steel thick plates Journal of Nuclear Materials 417 (2011) pp 55–58 [9] H Ton (1975) Physical properties of the Plasma-MIG welding arc Applied Physics Journal of Physics D (1975) 922 [10] MATSUSHITA Muneo, KATAOKA Tokihiko, IKEDA Rinsei and ENDO Shigeru (2012) Development of Plasma-Arc Hybrid Welding Technology ～～～～ ～～～ ～ 30 ～ ～～～ p 77-85 (2012) [11] Yi Lu, ShuJun Chen, Yu Shi, Xiangrong Li, Jinsong Chen, Lee Kvidahl and Yu Ming Zhang (2014) Double-electrode arc welding process: Principle, variants, control and developments Journal of Manufacturing Processes 16 (2014) pp 93–108 [12] S Asai, T Ogawa, Y Ishizaki, T Minemura, H Minami and S Miyazaki (1972) Application of Plasma-MIG Hybrid Welding to Dissimilar Joint between Copper and Steel IIW Doc, No.XII-1972-09 [13] Essers WG, Walter R (1981) Heat transfer and penetration mechanisms with GMA and plasma-GMA welding Weld J 1981; 60:37– 42 [14] Jelmorini G, Tichelaar GW, Essers WG (1975) Welding characteristics of the plasma–MIG process Met Constr Nov 1975; 7:568 – 572 [15] BAI Yan(～ ～), GAO Hong-ming(～～～), WU Lin(～ ～), MA Zhao-hui( ～～～), CAO Neng(～ ～) (2010) Influence of Plasma-MIG welding parameters on aluminum weld porosity by orthogonal test Trans Nonferrous Met Soc China 20 (2010) pp1392−1396 [16] Moises Alves de Oliveira, Jair Carlos Dutra (2007) Electrical model for the Plasma-MIG hybrid welding process Welding and Cutting (2007) No.6 [17] Andre Alves de Resende, Valtair Antonio Ferraresi, Americo Scotti & Jair Carlos Dutra (2011) Influence of welding current in plasma–MIG weld process on 124 the bead weld geometry and wire fusion rate Welding International Vol 25, No 12, (2011), 910–916 [18] Tao Yang, Hongming Gao, Shenghu Zhang, Jingwei Shi and Lin Wu (2013) The study on Plasma-MIG hybrid arc behaviour and droplet transfer for mild steel welding Mater.Sci.33 (2013) 459-464 [19] M Tanaka, T Tamaki, S Tashiro, K Nakata, T Ohnawa and T Ueyama (2008) Characteristics of ionized gas metal arc processing Surface & Coatings Technology 202 (2008) 5251–5254 [20] Zhongjie Liu, Kohei Ono, Tomoyuki Ueyama, Tetsuo Era and Manabu Tanaka (2009) Development of Plasma GMA welding system ～～～～～～～ ～ 27 ～ ～ ～ (2009) p 45s-49s [21] Sarizam Bin Mamat, Shinichi Tashiro, Manabu Tanaka and Mahani Yusoff (2018) Study on factors affecting the droplet temperature in plasma MIG welding process J Phys D: Appl Phys 51 (2018) 135206 (23pp) [22] Bùi Văn Hạnh (2006) Research to apply plasma powder surfacing for the manufacturing of cutting tools working under heavy impact and wear condition Đề tài VLIR – HUT PJ04, (2004 - 2006) [23] Viện Nghiên khí - Bộ cơng thương (2011) Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn plasma để chế tạo phục hồi chi tiết máy Đề tài khoa học công nghệ cấp Nhà nước, ĐT- PTNTĐ- 2011-G/8 [24] Ngô Hữu Mạnh (2015) Nghiên cứu nâng cao khả chịu mài mòn cho lớp đắp nền thép cacbon bằng công nghệ hàn Plasma bột Luận án tiến sỹ kỹ thuật vật liệu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2015 [25] Bùi Văn Hạnh (2005) Tạo bề mặt làm việc chịu mài mòn va đập dụng cụ bằng cơng nghệ hàn plasma bột Tạp chí khoa học công nghệ, số 54 (2005), trang 13-16 [26] Bùi Văn Hạnh (2006) Research on the failure of the bamboo chopping knives which are manufactured by powder plasma surfacing Journal of Science and Technology, Vol.56 (2006) [27].http://www.twi-global.comtechnical-knowledgejob-knowledgeequipment-forplasma-welding-018 [28] Liu ZM, Wu CS and Gao JQ (2013) Vision-based observation of keyhole images in plasma arc welding Int J Thermal Sci 2013;63(1):38–45 [29] Shujun Chen, Ruiying Zhang, Fan Jiang, Shanwen Dong (2018) Experimental study on electrical property of arc column in plasma arc welding Journal of Manufacturing Processes 31 (2018) 823–832 [30] Zu Ming Liu, ShuangLin Cui, Zhen Luo, ChangZhen Zhang, ZhengMing Wang and YuChen Zhang (2016) Plasma arc welding: Process variants and its recent developments of sensing, controlling and modeling Journal of Manufacturing Processes (2016) No of Pages 13 [31] Liu ZM, Wu CS, Chen J (2013) Sensing dynamic keyhole behaviors in controlled-pulse key-holing plasma arc welding Weld J 2013;92(12), p.381–389 125 [32] T.Q Li, C.S Wu, J Chen (2016) Transient variation of arc heat flux and pressure distribution on keyhole wall in PAW Weld World 60 (2016) 1–9 [33] B Xu, F Jiang, S.J Chen, M Tanaka, S Tashiro, N.V Anh (2018) Numerical analysis of plasma arc physical characteristics under additional constraint of keyhole Chin Phys B 27 (2018) 034701 [34] Dongsheng Wu, Nguyen Van Anh, Shinichi Tashiro, Xueming Hua, Manabu Tanaka (2019) Elucidation of the weld pool convection and keyhole formation mechanism in the keyhole plasma arc welding International Journal of Heat and Mass Transfer 131 (2019) 920–931 [35] Z H Rao, S M Liao and H L Tsai (2010) Effects of shielding gas compositions on arc plasma and metal transfer in gas metal arc welding Journal of applied physics 107, (2010) 044902 [36] P Kah (2012) Overview of the exploration status of laser-arc hybrid welding processes Adv Mater Sci 30 (2012) 112-132 [37] HAYASHI Tomotaka, KATAYAMA Seiji, ABE Nobuyuki and OHMORI Akira (2003) High Power CO2 Laser-MIG Hybrid Welding Process for Increased Gap Tolerance－ Hybrid Weldability of Thick Steel Plates with Square Groove ～ ～～～～～～ ～ 21 ～ ～ ～ (2003) p.522-531 [38] HYUNDAI WELDING HANDBOOK (2010) Hyundai Welding Co.,Ltd (2010) [39] V V BASHENKO AND N A SOSNIN (1988) Optimization of the Plasma Arc Welding Process Welding research supplement 233-238 (1988) [40] TS Nguyễn Thế Ninh (2008) Phân tích truyền nhiệt hàn ứng dụng NXB Bách Khoa Hà Nội [41] Yan Li, Yan-Hui Feng, Xin-Xin Zhang and Chuan-Song Wu (2013) An improved simulation of heat transfer and fluid flow in plasma arc welding with modified heat source model International Journal of Thermal Sciences 64 (2013) 93-104 [42] C.S Wu, Q.X Hu and J.Q Gao (2009) An adaptive heat source model for finite-element analysis of keyhole plasma arc welding Computational Materials Science 46 (2009) 167–172 [43] W Piekarska, M Kubiak (2011) Three-dimensional model for numerical analysis of thermal phenomena in laser–arc hybrid welding process International Journal of Heat and Mass Transfer 54 (2011) 4966–4974 [44] Dae-Won Cho, Won-Ik Cho, Suck-Joo Na (2013) Modeling and simulation of arc: Laser and hybrid welding process Journal of Manufacturing Processes (2013) G Model No of Pages 30 [45] KANEMARU Shuhei, SASAKI Tomoaki, SATO Toyoyuki, MISHIMA Hisashi, TASHIRO Shinichi and TANAKA Manabu (2012) 3D Numerical Analysis Model for TIG-MIG Hybrid Welding Process ～～～～～～～ ～ 30 ～ ～～～ (2012) p.306312 126 [46] Hisashi MISHIMA, Shinichi TASHIRO, Shuhei KANEMARU and Manabu TANAKA (2013) Numerical simulation on plasma property in TIG-MIG hybrid welding process ～～～～～～～ ～ 31 ～ ～～～ (2013) p 22s-25s [47] ESI Groups (2012) Sysweld User Manual - CD Toolbox 99 Rue Des, Solets Silic 112 94513 Rungis Cedex France [48] Vũ Đình Toại (2014) Nghiên cứu cơng nghệ hàn liên kết hợp kim nhôm - thép điều kiện Việt Nam Luận án tiến sỹ kỹ thuật Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2014 [49] Holman, J P (1976) Heat Transfer, Fourth Edition McGraw-Hill, New York, 1976 [50] Zienkiewicz, O C (1977) The Finite Element Method McGraw-Hill Company, London 1977 [51] Bathe, K J (1982) Finite Element Procedures in Engineering Analysis Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1982 [52] ANSYS User Manual (2012) Theory Reference for ANSYS and Workbench Ansys Inc Release 14, 2012 [53] J.C METCALFE and M.B.C QUIGLEY (1975) Heat Transfer in PlasmaArc Welding Welding research supplement (1975) 99-104 [54] Maher I Boulos, Pierre Fauchais and Emil Pfender (1975) Thermal plasmas: fundamentals and applications Springer Science+Business Media New York Vol.1 (1994) [55] Abhishek Dhumal, R Ganesh Narayanan and G Saravana Kumar (2009) Estimation of Tailor-Welded Blank Parameters for Acceptable Tensile Behaviour Using ANN PReMI 2009, LNCS 5909, p.140-145 (2009) [56] T A Siewert and C Pollock, (2002) Eleventh International Conference on Computer Technology in Welding NIST Special Publication 973 (2002) 127 ... trình hàn GMAW; (b) liên kết hàn giáp mối tấm dày mm vát mép chữ Y trình hàn lai ghép PlasmaGMAW; (c) liên kết hàn giáp mối tấm dày 12 mm không vát mép, khe hở hàn 1,5mm trình hàn lai ghép Plasma- GMAW. .. (a) liên kết hàn giáp mối tấm dày 12 mm vát mép chữ V trình hàn GMAW; (b) liên kết hàn giáp mối tấm dày mm vát mép chữ Y trình hàn lai ghép Plasma- GMAW; (c) liên kết hàn giáp mối tấm dày 12... trình hàn lai ghép kết hợp hàn điểm hàn vảy, trình hàn lai ghép hàn laser hàn ma sát ngoáy, [1] Trong trình nghiên cứu, phát triển cơng nghệ hàn lai ghép, trình hàn lai ghép Plasma – GMAW bắt