Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến độ bền kéo mẫu hàn khi hàn TIG thép cacbon thấp

Mục tiêu nghiên cứu của bài viết này là đánh giá mức độ ảnh hưởng của thông số chế độ hàn (cường độ dòng điện hàn, lưu lượng khí bảo vệ, khe hở lắp ghép) đến giới hạn chảy cũng như giới hạn bền kéo của mẫu hàn bằng thép CT3.

ISSN 2354-0575 ISSN 2354-0575 ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO MẪU HÀN KHI HÀN TIG THÉP CACBON THẤP Bùi Ngọc Tuyên1,2*, Nguyễn Văn ninh3 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng yên Trường ao ng ngh Việt nam- Hàn qc Ngày tịa soạn nhận báo: 08/10/2019 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 12/11/2019 Ngày báo duyệt đăng: 24/11/2019 Tóm tắt: Hàn T hay hàn h quang iện c c von phram m i trường h tr nh hàn h quang s ng iện c c h ng n ng ch y tạo m i hàn Đ y phư ng pháp hàn phát tri n mạnh mẽ kho ng ba thập kỷ trở lại y ược ứng d ng rộng r i nhi u ĩnh v c c h ột tiêu ánh giá chất ượng m i hàn ộ b n kéo phá hủy mẫu Bài áo tr nh ày nghiên cứu v nh hưởng s thông s công nghệ ến ộ b n kéo mẫu hàn hi hàn TIG thép bon thấp ác th ng s c ng nghệ hàn h o sát y g m c cường ộ òng iện hàn (Ih), ưu ượng khí b o vệ (Lv), khe hở lắp gh p a) ng ng phư ng pháp Taguchi v i ph n m m th ng ê inita , nghiên cứu ác nh ược mức ộ nh hưởng th ng s ến gi i hạn ch y, gi i hạn n o mẫu hàn Nghiên cứu c ng a chọn ược ộ th ng s c ng nghệ ph hợp cho gi i hạn ch y, gi i hạn n mẫu hàn cao Từ khóa: Hàn T òng iện hàn ưu ượng h o vệ Kh hở ắp gh p Taguchi inita Đặt vấn đề Hàn TIG (Tungsten inert gas) hay hàn hồ quang điện cực khơng nóng chảy mơi trường khí trơ (Gas tungsten arc welding -GTAW) trình hàn nóng chảy, nguồn nhiệt điện cung cấp hồ quang tạo thành điện cực khơng nóng chảy vũng hàn (xem Hình 2) Vùng hồ quang bảo vệ mơi trường khí trơ (Ar, He Ar + He) để ngăn cản tác động có hại oxi nitơ khơng khí Điện cực khơng nóng chảy thường dùng volfram, nên phương pháp hàn tiếng Anh gọi hàn TIG (Tungsten Inert Gas) Có nhiều chỉ tiêu để đánh giá chất lượng mối hàn kích thước mối hàn, tính mẫu hàn, [1], [2] Việc nghiên cứu tối ưu hóa thơng số cơng nghệ hàn nhằm đạt chỉ tiêu đã nhà khoa học quan tâm từ lâu Sau số nghiên cứu giới đã công bố về vấn đề này: Trong công trình [4] Ajit Khatter, Pawan Kumar, Manish Kumar đã thực tối ưu hóa thơng số công nghệ hàn TIG thép không gỉ 304 phương pháp Taguchi Trong công trình [5] Tadele Tesfaw, Ajit Pal Singh, Abebaw Mekonnen Gezahegn đã sử dụng phương pháp Taguchi để tối ưu hóa trình hàn MAG thép cac bon thấp Trong công trình [6] P Vasantharaja, M Vasudevan đã nghiên cứu tối ưu hóa tham số công nghệ hàn A-TIG hàn thép RAFM nhằm đạt thông số hình dạng mối hàn mong ước chiều sâu, chiều rộng vùng hàn, chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) Trong công trình [7] Pushp Kumar Baghel, Doddalahally Shivalingaiah Nagesh đã phân tích nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ trình hàn TIG đến tính mối hàn chi tiết nhôm Trong nghiên cứu tác giả đã sử dụng phương pháp Taguchi phân tích phương sai ANOVA với trợ giúp phần mềm Minitab 8.1 Microsoft Excel để thiết kế thực nghiệm xử lý số liệu thực nghiệm Mục đích nghiên cứu 62 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology |53 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ISSN 2354-0575 ISSN 2354-0575 đánh giá mức độ ảnh hưởng thông số chế độ hàn (cường độ dịng điện hàn, lưu lượng khí bảo vệ, khe hở lắp ghép) đến giới hạn chảy giới hạn bền kéo mẫu hàn thép CT3 Qua tìm thơng số cơng nghệ phù hợp nhằm đạt chỉ tiêu giới hạn chảy giới hạn bền kéo mẫu hàn cao Phương pháp nghiên cứu Phương pháp Taguchi [3] cho phép đánh giá mức độ tác động độc lập, tác động lẫn yếu tố chính, yếu tố không điều khiển (yếu tố nhiễu) Tỷ số tín hiệu nhiễu S/N (Signal to Noise) phát triển Taguchi sử dụng để phân tích, nhằm đánh giá kết trình đảm bảo xác Cơng thức tính S/N phụ thuộc vào tiêu chí tối ưu hóa kết đầu ra: S/N=10log(MSD); MSD độ lệch trung bình bình phương tính cho ba trường hợp khác nhau: - Đầu nhỏ tốt: n (1) MSD   ( x j )2 n j 1 - Đầu lớn tốt: n (2) MSD   ( ) n j 1 x j - Đảm bảo giá trị danh nghĩa: n  MSD ( x j  x0 )2  n j 1 (3) Trong đó: n số thí nghiệm, xj kết đầu thí nghiệm thứ j, x0 kết đầu mong muốn Để đánh giá mức độ ảnh hưởng yếu tố ta phải tính giá trị phương sai: - Phương sai tổng:  n    yi  n n T ST   yi2    yi2   i 1  n i1 n i  (4) đó: yi - Giá trị S/N thứ i T- Tổng giá trị S/N - Phương sai thành phần yếu tố A:  n   yi L n  i 1  SA  y    iA nA k i k n k 1  (5) đó: yiAk - Kết thứ i A mức k n A k - Số lần lặp lại A mức k Phương sai thành phần yếu tố B, C xác định tương tự - Phương sai yếu tố nhiễu: (6) Se = ST - SA - SB - SC - Mức độ (%) ảnh hưởng yếu tố nhiễu: (7) PA=SA/ST; PB=SB/ST; PC=SC/ST; Pe=Se/ST Chọn thí nghiệm mảng trực giao Taguchi gồm 27 thí nghiệm, MSD tính theo cơng thức (2) để đảm bảo giới hạn chảy giới hạn bền kéo lớn tốt Cài đặt công thức Microsoft Excel sử dụng phần mềm thống kê Minitab 8.1 để xử lý số liệu thực nghiệm ta có kết thực nghiệm trình bày mục 3 Nôi dung nghiên cứu 3.1 Điều iện th c nghiệ - M u th c nghiệ Vật liệu mẫu thép bon thấp mác CT3 có thành phần hóa học trình bày bảng Hình dạng vật liệu mẫu thí nghiệm trình bày hình 1, sơ đồ hàn TIG trình bày hình hình kết 27 mẫu thí nghiệm B ng Thành phàn hóa học mẫu th c nghiệm Mác thép CT3 Thành phần hóa học(%) C Si Mn P (Max) S (Max) 0.14 - 0.22 0.12 - 0.30 0.40 - 0.60 0.045 0.045 - Thi t h n TIG Máy hàn TIG EWMT- 350A nhãn hiệu c-Thi t đ đ ền ih n Máy thử kéo vạn 30 phịng thí SAMHO Hàn Quốc sản xuất (hình 4) có thơng số trình bày bảng nghiệm trường Đại học Bách khoa Hà Nội trình bày hình Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology 63 54| Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ISSN 2354-0575 ISSN 2354-0575 yếu tố khác như: Đường kính điện cực, cỡ chụp khí, tốc độ hàn… Điện cực hàn Vonfram có ký hiệu WTh-2, đường kính 2,4 mm; Que hàn phụ que hàn thép ER70S-G đường kính 2,4 mm Khí bảo vệ Ar Các thơng số giữ không đổi suốt qúa trình thực nghiệm d = 30 (mm), d0 = 20 (mm) L = 210 (mm), l = 90 (mm) r = 35 (mm), h = (mm) B ng B ng thơng s kỹ thuật máy hàn TIG 350A Hình Hình dạng mẫu thí nghiệm Thơng s Giá tr Điện áp đầu vào 380 V, 3P, 50 Hz Công suất đầu vào 9,3 kVA Chức Hàn que, hàn TIG Dòng điện hàn AC/DC 5- 350 A Khe hở mối hàn (a) Hình S tr nh hàn T Hình Hai Dịng hàn xung 5- 300 A Tần số xung AC 40- 250 Hz Tần số xung DC 0.5- 10Hz Độ rộng xung AC/DC 15- 85% Chu kì tải 40% Kích thước (WxDxH) 400x600x550 (mm) Trọng lượng 45 kg y mẫu hàn T Hình Máy th o van Ngồi cịn có yếu tố nhiễu như: chất lượng phôi thép, tay nghề thợ hàn, chất lượng khí bảo vệ, mơi trường hàn… H nh áy hàn T Các thơng số cơng nghệ ảnh hưởng tới độ bền kéo mẫu hàn l : cường độ dịng điện hàn (Ih), lưu lượng khí bảo vệ (Lv), khe hở lắp ghép (a) Ngoài ba thơng số cơng nghệ trên, độ bền kéo mẫu hàn chịu ảnh hưởng 3.2 K t th c nghiệ - Với kết đầu mong muốn lớn tốt, sử dụng công thức (2) để tính tỷ số S/N cho giới hạn chảy giới hạn bền - Tỷ số S/N thay cho giá trị trung bình tính tốn phân tích phương sai (ANOVA) Tính tốn mức độ ảnh hưởng yếu tố chế độ công nghệ đầu vào (dịng điện, lưu lượng khí bảo vệ, khe hở lắp ghép) đến kết 64 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology |55 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ISSN 2354-0575 ISSN 2354-0575 đầu (giới hạn bền, giới hạn chảy) - Từ kết thực nghiệm đo được, sử dụng thực nghiệm Taguchi ta có kết tính toán tỷ số S/N cho giới hạn chảy giới hạn bền (độ bền công thức phương pháp thiết kế kéo) từng mẫu hàn sau (Bảng 3) B ng Kết qu th c nghiệm TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Bảng tr c gi Dòng Lưu điện lượng 70 70 70 70 70 70 70 10 70 10 70 10 100 100 100 100 100 100 100 10 100 10 100 10 130 130 130 130 130 130 130 10 130 10 130 10 Khe hở 1 2 3 2 3 1 3 1 2 Giới hạn chảy (kgf) S/N Giới hạn chảy Giới hạn bền (kgf) S/NGiới hạn bền 3240 3260 3300 3680 3750 3860 3690 3680 3650 3840 3920 3990 4160 4180 4170 4050 4055 3980 3820 3850 3720 3860 3780 3810 4110 4050 4080 70.21 70.26 70.37 71.32 71.48 71.73 71.34 71.32 71.25 71.69 71.87 72.02 72.38 72.42 72.40 72.15 72.16 72.00 71.64 71.71 71.41 71.73 71.55 71.62 72.28 72.15 72.21 4030 4010 4020 4110 4140 4190 4270 4280 4290 4380 4360 4350 4410 4430 4390 4490 4480 4500 4370 4380 4390 4170 4150 4180 4500 4510 4520 72.11 72.06 72.08 72.28 72.34 72.44 72.61 72.63 72.65 72.83 72.79 72.77 72.89 72.93 72.85 73.04 73.03 73.06 72.81 72.83 72.85 72.40 72.36 72.42 73.06 73.08 73.10 Từ bảng ta tính giá trị S/N trung bình mức yếu tố đầu vào (dòng B ng Kết qu S/N trung bình gi i hạn điện, lưu lượng khí bảo vệ, khe hở lắp ghép) giới hạn bền (Bảng 4), giới hạn chảy (Bảng 5) n mức yếu t u vào Mức Dòng điện Lưu lượng khí bảo vệ Khe hở lắp ghép 72.36 72.57 72.51 72.91* 72.55 72.74 72.77 72.92* 72.78* B ng Kết qu S/N trung bình gi i hạn ch y mức yếu t u vào Mức Dịng điện Lưu lượng khí bảo vệ Khe hở lắp ghép 71.03 71.24 71.34 72.12* 71.85 71.86* 71.81 71.87* 71.76 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology 65 56| Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ISSN 2354-0575 ISSN 2354-0575 Để đánh giá mức độ ảnh hưởng mức yếu tố đầu vào dòng điện, lưu lượng khí bảo vệ, khe hở lắp ghép đến giới hạn bền giới hạn chảy mẫu hàn, sử dụng phần mềm (mm) Sử dụng phần mềm Minitab ta có kết dự đốn giá trị độ bền tối ưu: giới hạn bền kéo 4589.63 (kgf), tương ứng với S/N = 73.25 Hình Đ th nh hưởng mức yếu t ến tỉ s S N gi i hạn n u vào Hình Đ th nh hưởng mức yếu t ến tỉ s S N gi i hạn ch y u vào Hình Đ th u vào Hình Đ th u vào nh hưởng mức yếu t ến giá tr gi i hạn n Minitab 18 có biểu đồ ảnh hưởng yếu tố đầu vào đến tỷ số S/N giá trị giới hạn bền trình bày hình 6, hình biểu đồ ảnh hưởng yếu tố đầu vào đến tỷ số S/N giá trị giới hạn chảy trình bày hình 8, hình Tổng hợp đồ thị hình hình ta có đồ thị hình 10 mơ tả ảnh hưởng mức yếu tố đầu vào đến tỷ số S/N trung bình giới hạn bền Tổng hợp đồ thị hình hình ta có đồ thị hình 11 mơ tả ảnh hưởng mức yếu tố đầu vào đến tỷ số S/N trung bình giới hạn chảy Từ bảng hình 10 cho thấy giá trị tối ưu giới hạn bền ứng với giá trị S/N lớn từng yếu tố tương ứng: dòng điện mức hai 100 (A), lưu lượng khí bảo vệ mức ba 10 (L/ph), khe hở mức ba 66 Tương tự từ bảng hình 11 cho thấy giá trị tối ưu giới hạn chảy ứng với giá trị S/N lớn từng yếu tố tương ứng: dòng điện mức hai 100 (A), lưu lượng khí bảo vệ mức ba 10 (L/ph), khe hở mức hai (mm) Sử dụng phần mềm Minitab ta có kết dự đoán giá trị giới hạn chảy tối ưu: giới hạn chảy 4216.30 (kgf), ứng với S/N = 72.54 Qua quan sát mẫu thí nghiệm sau kéo phá hủy ta có nhận xét tất mẫu thử sau kéo phá hủy vị trí điểm gãy nứt đều nằm phía ngồi vị trí mối hàn, tức vùng ảnh hưởng nhiệt Sử dụng Microsoft Office Excel ta tính tốn mức độ ảnh hưởng yếu tố nhiễu đến giới hạn bền giới hạn chảy mẫu hàn trình bày bảng Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 nh hưởng mức yếu t ến giá tr gi i hạn ch y Jornal of Science and technology Jornal of Science and technology |57 ISSN 2354-0575 ISSN 2354-0575 73.000 72.400 72.900 72.200 72.800 72.000 72.700 71.800 71.600 72.600 DĐ 72.500 LL 72.400 KH 72.300 71.400 DĐ 71.200 LL 72.200 70.800 72.100 70.600 72.000 70.400 Y u t ảnh hưởng x Hình 11 Đ th m i quan hệ S/N trung bình gi i hạn ch y mức yếu t u vào Hình 10 Đ th m i quan hệ S/N trung bình gi i hạn b n mức yếu t u vào B ng Mức ộ nh hưởng yếu t KH 71.000 u vào ến gi i hạn n gi i hạn ch y mẫu hàn Mức đ ảnh hưởng (%) đ n Giới hạn ền Giới hạn ền Dịng điện 53.67 53.67 Lưu lượng khí bảo vệ 28.17 28.17 Khe hở lắp ghép 14.24 14.24 Nhiễu 3.91 3.91 K t luận Trong báo tác giả đã trình bày ảnh hưởng lớn tiếp đến lần lượt ảnh hưởng lưu lượng khí bảo vệ Lv, khe hở lắp ghép a nghiên cứu thực nghiệm hàn TIG thép bon thấp nhằm xác định mức độ ảnh hưởng cuối cùng ảnh hưởng yếu tố nhiễu Kết thông số cơng nghệ (cường độ dịng điện cho thấy cường độ dịng điện hàn có ảnh hưởng quan trọng đến độ bền kéo mẫu hàn, lưu lượng khí bảo vệ, khe hở lắp ghép) đến giới hạn chảy giới hạn bền mẫu hàn Bằng hàn Nghiên cứu xác định hai thông số chế độ hàn tối ưu cục phạm vi miền việc sử dụng phương pháp Taguchi với công cụ phần mềm Minitab 8.1, Mcrosoft Excel, giá trị thực nghiệm khảo sát: thông số chế độ hàn nhằm đạt giới hạn bền kéo mẫu hàn nghiên cứu đã xác định điều kiện thực nghiệm trình bày, mức độ ảnh hưởng cao nhất: Ih= 100 (A), Lv = 10 (L/ph), a= (mm) yếu tố khảo sát đến giới hạn chảy tương tự mức độ ảnh hưởng đến giới hạn bền theo thứ tự sau: cường độ dịng điện hàn Ih thơng số chế độ hàn nhằm đạt giới hạn chảy mẫu hàn cao nhất: Ih= 100 (A), Lv = 10 (L/ph), a= (mm) Tài liệu tham khảo [1] Lưu Văn Huy, Đỗ Tấn Dân ; 2006; Kỹ thuật hàn - NXB KHKT [2] Ngô Lê Thông; 2004; Công nghệ hàn điện nóng chảy Tập Nhà xuất NXB KHKT, Hà Nội [3] Ranjit Roy ; 1990; A primer on the Taguchi method; , TS156.R69 89- 14736 [4] Ajit Khatter, Pawan Kumar, Manish Kumar; 2014; Optimization of Process Parameter in TIG Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology 67 58| Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ISSN 2354-0575 ISSN 2354-0575 Welding Using Taguchi of Stainless Steel-304 IJRMET Vo l.4, Issu E1, NoV2013 - ApR Il2014.ISSN : 2249-5770 [5] Tadele Tesfaw, Ajit Pal Singh, Abebaw Mekonnen Gezahegn; 2015; Optimization of MAG Welding Process Parameters Using Taguchi Design Method on Dead Mild Steel International Journal of Industrial and Manufacturing Engineering Vol:2, No:3 [6] P Vasantharaja, M Vasudevan; 2015; Optimization of A-TIG welding process parameters for RAFM steel using response surface methodology; Proceeding of the institution of mechanical engineers, Part L: Jurnal of materials: design and applications [7] Pushp Kumar Baghel, Doddalahally Shivalingaiah Nagesh; 2017; Influencing and anlysis of TIG welding process on mechanical properties of extruded aluminum parts; Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering THE INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS ON THE TENSILE STRENGTH OF THE WELD SPECIMEN WHEN TIG WELDING MILD CARBON STEEL Abstract: Tungsten inert gas (TIG) welding, also known as Gas tungsten arc welding (GTAW) welding, is an arc welding process that uses a non-consumable tungsten electrode to produce the weld This is very common welding process that rapidly develops in lately three decades and is applied in many fields of mechanical engineering One of norms to estimate the quality of the weld is its tensile strength This paper presents a study on the influence of technological parameters on tensile strength of the welding sample when TIG welding mild steel The investigated parrameters include welding current, gas flow rate, and gap between two parts of the welding specimen Using Taguchi method with Minitab 8.1 software, the study has defined the levels of the influence of the parameters on the yielding limit as well as on the ultimate strength of the welding sample The sets of appropriate parameters for yielding limit and ultimate strength of the welding sample have been found here, too Keywords: TIG welding; Welding current, Gas flow rate; Gap between two parts of the welding specimen; Taguchi; Minitab 68 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology |59 Khoa học & Công nghệ - Số 24/ Tháng 12 – 2019 Jornal of Science and technology ... B ng B ng thông s kỹ thuật máy hàn TIG 350A Hình Hình dạng mẫu thí nghiệm Thông s Giá tr Điện áp đầu vào 380 V, 3P, 50 Hz Công suất đầu vào 9,3 kVA Chức Hàn que, hàn TIG Dòng điện hàn AC/DC... mức độ ảnh hưởng thơng số chế độ hàn (cường độ dịng điện hàn, lưu lượng khí bảo vệ, khe hở lắp ghép) đến giới hạn chảy giới hạn bền kéo mẫu hàn thép CT3 Qua tìm thông số công nghệ phù... 45 kg y mẫu hàn T Hình Máy th o van Ngồi cịn có yếu tố nhiễu như: chất lượng phơi thép, tay nghề thợ hàn, chất lượng khí bảo vệ, môi trường hàn? ?? H nh áy hàn T Các thơng số cơng nghệ ảnh hưởng