Qua phân tích kim tương học như thể hiện trên các Hình 5.13 đến Hình 5.20 , có thể thấy rằng tổ chức tế vi của các vùng khác nhau đặc biệt trong các vùng mối hàn và vùng biên giới do được hình thành hoặc tác động từ các nguồn nhiệt khác nhau. Tuy nhiên có thể thấy mối hàn khơng có khuyết tật như nứt, rỡ khí, rỡ xỉ,... và đạt chất lượng yêu cầu.
Hình 5.15 Tổ chức tế vi vùng 3(x500) Hình 5.16 Tổ chức tế vi vùng 4(x500)
Hình 5.19 Tổ chức tế vi ranh giới vùng 1- 3(x500)
Hình 5.20 Tổ chức tế vi ranh giới vùng 3- 4(x500)
Hình 5.17 Tổ chức tế vi ranh giới vùng 1- 2(x500)
Hình 5.18 Tổ chức tế vi ranh giới vùng 2- 3(x500)
Cơ tính trong liên kết hàn giáp mối một lượt tấm dày 12mm, không vát mép bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái 2
a) Độ cứng tế vi bề mặt cắt ngang mối hàn
Theo tiêu chuẩn ISO 9015-1 vê mẫu thử độ cứng tế vi bề mặt mặt cắt ngang mối hàn ta tiến hành các vị trí thử đo độ cứng tế vi trên mẫu hàn 6.2 và có biểu đồ phân bố độ cứng như sau:
Qua biểu đồ phân bố độ cứng cho thấy độ cứng trung bình của các vùng 1, 2, 3 và 4 trong Hình 5.21 được sắp xếp theo thứ tự như sau:
Độ cứng vùng 1(Hv0,2= 237) > Độ cứng vùng 2 (Hv0,2= 204) > Độ cứng vùng 3 (Hv0,2=185)> Độ cứng vùng 4 (Hv0,2= 170).
b) Độ bền kéo mối hàn
Theo tiêu chuẩn kiểm tra độ bền kéo và hình dạng mẫu thử giá trị độ bền kéo mẫu hàn 6.2 là (405.1N/mm2) tương tự như kim loại cơ bản (400∼510N/mm2) và vị trí vết kéo đứt trong vùng kim loại cơ bản. Điều này chứng tỏ mối hàn thỏa mãn được yêu cầu về cơ tính độ bền kéo.
Hình 5.21 Sự phân bố độ cứng. (a) Phía trên đường hàn; (b) phía
Đường đo độ cứng
(a)
Đường đo độ cứng
Kết quả hàn giáp mối tấm thép dày 12mm bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ.
Kết quả hàn giáp mối một lượt tấm thép dày 12mm khơng vát mép bằng q trình hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược và góc nghiêng điện cực thay đổi.
Bảng 5.6 Các kết quả thực nghiệm hàn giáp mối một lượt tấm thép dày 12mm không vát
mép bằng hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược và góc nghiêng điện cực thay đổi.
Mẫu hàn* Mặt cắt ngang mối hàn Thơng số hình học cơ bản của tiết diện ngang mối hàn
(1): α = 450 - Bề rộng mối hàn:9mm
- Chiều sâu ngấu:1,8mm - Chiều cao phần nhô:3mm
α
Hình 5.23 Quá trình hàn giáp mối một lượt tấm thép dày 12mm không vát mép bằng hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược và góc nghiêng α thay đổi 450÷900
12
(2): α = 600 - Bề rộng mối hàn:8mm - Chiều sâu ngấu:2mm - Chiều cao phần nhô: 3mm
(3): α = 700 - Bề rộng mối hàn:8mm
- Chiều sâu ngấu:2,8 - Chiều cao phần nhô:2,8
(4): α = 800 - Bề rộng mối hàn: 8mm
- Chiều sâu ngấu:3mm - Chiều cao phần nhô: 3mm
(5): α = 900 - Bề rộng mối hàn: 7,9mm
- Chiều sâu ngấu:3,3mm - Chiều cao phần nhô:2,7mm
(*) Các mẫu hàn đều có cùng thơng số q trình hàn GMAW bao gồm: Ih = 110A;Uh = 25V; Vh = 2,5mm/s; Wr = 3,5 m/min
Các kết quả mẫu hàn trên Bảng 5.6 cho thấy khi hàn GMAW cho liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm, khơng vát mép với khe hở hàn 1,5mm thì chỉ cho mối hàn có chiều sâu ngấu lớn nhất khoảng 3mm (Ih = 150A;Uh = 25V; Vh = 2,5mm/s; Wr = 3,5 m/min). Ngoài ra, với góc nghiêng điện cực thay đổi tương ứng với α = 700 ÷900 (trong khoảng cho phép theo tiêu chuẩn ([2])) thì các thơng số hình học tiết diện ngang bề mặt mối hàn của các mẫu hàn (3), (4) và (5) trên Bảng 5.6 có sự sai khác khơng đáng kể. Điều này chứng tỏ trong các tính tốn và mơ phỏng với q trình hàn GMAW có thể lấy gần đúng khi thiết lập góc nghiêng mỏ hàn GMAW là 00 (ứng với α = 900) khi góc nghiêng α khi hàn thực tế khi hàn lai ghép Plasma-GMAW là 700 (xem Hình 2.39 và Hình 2.52 ).
Kết quả hàn giáp mối ba lượt tấm thép dày 12mm vát mép chữ V bằng quá trình hàn GMAW.
Theo thơng số chế độ hàn đã được tính tốn và lựa chọn như trên Bảng 4.8 cho kết quả mẫu hàn trên Hình 5.24 . Mẫu hàn đạt khơng bị nứt, rỡ khí, ngấu tồn bộ cho
12
12
12
thấy chất lượng mối hàn tốt và các thơng số quá trình hàn đã lựa chọn, tính tốn là hợp lý và có thể áp dụng vào thực nghiệm hàn.
So sánh các kết quả mô phỏng và thực nghiệm.
Căn cứ vào thơng số quá trình hàn đã đạt được qua mẫu hàn 6.2, ta đưa bộ thơng số vào trong phần mềm SYSWELD để tính toán và mô phỏng. Các kết quả thu được từ phần mềm sẽ được so sánh với thực tế để kiểm nghiệm kết quả.
So sánh hình dạng mặt cắt ngang mối hàn
Kết quả tính tốn mơ phỏng trường nhiệt độ phân bố trong tiết diện ngang của liên kết hàn giáp mối bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW được thể hiện trên Hình 5.25 . Kết quả so sánh cho thấy sai khác lớn nhất về hình dạng mặt cắt ngang mối hàn thực tế và mối hàn dự đoán từ phần mềm là rất nhỏ (4%), trong phạm vi chấp nhận được. Với vùng ảnh hưởng nhiệt thu được từ mối hàn thực tế và từ sự phân bố trường nhiệt độ ở vùng nhiệt độ từ 9000C÷13000C có kích thước tương đương nhau, như vậy các thơng số mơ phỏng là hợp lý, hay nói cách khác mơ hình và lời giải của phương pháp mô phỏng là phù hợp với thực tế và phương pháp tính toán mơ phỏng đảm bảo độ tin cậy.Trên kết quả mơ phỏng và thực nghiệm (Hình 5.25 cũng cho thấy kích thước vùng HAZ cạnh vùng (2) do dây hàn GMAW nóng chảy hình thành dưới tác động chủ yếu của hồ quang GMAW và môt phần hồ quang Plasma tác động có kích thước rộng hơn so với vùng HAZ cạnh vùng (1) ở phía dưới chân mối hàn do KLCB nóng chảy dưới tác động của hồ quang Plasma. Điều này cũng thể hiện được ưu điểm của quá trình hàn Plasma sơ với hàn GMAW thông thường là nhiệt tập trung cao, vùng HAZ nhỏ.
Hình 5.24 Liên kết hàn giáp mối tấm thép có chiều dày S= 12mm vát mép chữ V với 3 đường hàn bằng quá trình hàn GMAW. (a) Đường hàn phía trên; (b) Chân đáy bên dưới
Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn giáp mối thông qua đo đạc thực nghiệm.
Từ Hình 5.26 cho thấy nhiệt độ ở giữa hai nguồn nhiệt PAW và GMAW cho giá trị cao nhất gần về phía nguồn PAW, khoảng 24000K trong khi với quá trình hàn GMAW thơng thường giá trị cao nhất gần về phía nguồn GMAW, khoảng 21000K. Điều này cho thấy đã có sự tương tác rất rõ ràng giữa hai nguồn nhiệt PAW và GMAW khi vũng hàn ở giữa hai vùng hồ quang PAW và GMAW cho giá trị lớn nhất, và kết quả này phù hợp với kết quả mô phỏng cho thấy trường nhiệt độ ở giữa hai nguồn hồ quang PAW và GMAW.
Hình 5.25 Kết quả so sánh giữa trường nhiệt độ tức thời khi mô phỏng và mặt cắt ngang mối hàn thực nghiệm khi hàn giáp mối tấm dày 12mm không vát mép bằng quá trình hàn
lai ghép Plasma-GMAW với thông số hàn cơ bản Ihp = 180A; Fllk = 2,0 l/phút (khí Ar+10%H2); QGMAW = 2360W; Vh = 2mm/s; Wr = 3,4 m/min.
HAZ HAZ
KLCB KLCB
Bề mặt trên mới hàn hình thành bởi GMAW
Chân mới hàn hình thành bởi PAW lỡ khóa (2)
(1) (2)
So sánh các kết quả thực nghiệm liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW - Hình thái 2 và GMAW.
Bảng 5.7 Bảng so sánh các kết quả thực nghiệm hàn giáp mối tấm dày 12mm bằng quá trình
hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái 2 và quá trình hàn GMAW. Quá trình hàn lai ghép Plasma-
GMAW hình thái 2
Quá trình hàn GMAW riêng lẻ Chuẩn bị phôi
hàn
Hình 5.26 Hình ảnh vũng hàn nóng chảy và nhiệt độ của chúng trong quá trình hàn GMAW và quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW được chụp và đo bằng camera nhiệt. (a),
(b) Hình ảnh vũng hàn với nhiệt độ vũng hàn và đồ thị phân bố nhiệt độ vũng hàn của quá trình hàn GMAW ; (c),(d) Hình ảnh vũng hàn với nhiệt độ vũng hàn và đồ thị phân bố
nhiệt độ vũng hàn của quá trình hàn lai ghép Plasma- GMAW
Plasma-GMAW (c)
Tiết diện mặt cắt ngang mối hàn Thơng số hình học mối hàn - Chiều rộng mối hàn: 10mm - Chiều cao phần nhơ:1,5mm -Chiều rộng trung bình vùng HAZ: 5mm
- Chiều rộng mối hàn: 17mm - Chiều cao phần nhô:4,5mm - Chiều rộng trung bình vùng HAZ: 6,2mm
Số lượt hàn 1 3
Thông số cơ bản q trình hàn
- Dịng hàn Plasma Ihp = 180A; - Điện áp hàn Plasma Uhp = 25V - Lưu lượng khí tạo Plasma: Fllk = 2,0 l/phút (khí Ar+10%H2); - Cơng śt nhiệt đầu vào quá trình hàn GMAW: QGMAW = 2360W; - Tốc độ hàn: Vh = 2mm/s; - Tốc độ cấp dây: Wr = 3,4 m/min
3 lượt hàn đều có thơng số hàn tương tự nhau 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.
Diện tích đắp - Sarea = 37mm2 (Căn cứ theo Hình 5.8 ) - Fđ = 107mm2 (Căn cứ theo mục 2.1.3) Năng lượng đường - (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 - Ứng suất dư Svon mises lớn nhất: 595,4
(Căn cứ theo mục 3.2.5.5)
- Biến dạng tổng lớn nhất: 0,77mm - Ứng suất dư Svon mises lớn nhất: 903,8
(Căn cứ theo mục 3.2.4.5)
Qua bảng so sánh các kết quả thực nghiệm hàn giáp mối tấm dày 12mm bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái 2 và quá trình hàn GMAW (Bảng 5.7 cho thấy một số ưu điểm nổi trội của quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW so với quá trình hàn GMAW như:
- Tiết kiệm kim loại và công sức khi không cần vát mép phôi hàn. - Chiều rộng mối hàn nhỏ hơn 41% so với hàn GMAW
- Chiều cao phần nhô mối hàn nhỏ hơn 67% so với hàn GMAW
KLCB KLCB
HAZ HAZ
KLmối hàn
- Chiều rộng trung bình vùng HAZ nhỏ hơn 19,3% so với hàn GMAW dẫn đến chất lượng mối hàn cao, cơ tính liên kết hàn sẽ tốt hơn so với hàn GMAW thơng thường.
- Diện tích đắp nhỏ hơn 65% so với hàn GMAW dẫn đến tiết kiệm được kim loại đắp từ dây hàn GMAW nên tính kinh tế sẽ cao hơn rất nhiều so với hàn GMAW thông thường.
- Năng lượng đường nhỏ hơn 30% so với hàn GMAW dẫn đến tiết kiệm được năng lượng điện và sẽ giảm được giá thành sản xuất hàn so với quá trình hàn GMAW. - Năng suất hàn cao hơn 50% so với hàn GMAW dẫn đến cải thiện rất lớn về mặt năng suất sản xuất hàn so với hàn GMAW khi hàn các thép tấm dày.
- Ứng suất, biến dạng hàn: Biến dạng hàn có giá trị rất nhỏ khi chiều dài đường hàn nhỏ và tương đương với quá trình hàn GMAW; Ứng suất dư Svon mises lớn nhất nhỏ hơn 34% so với hàn GMAW dẫn đến cơ tính mối hàn được cải thiện rất nhiều, khơng địi hỏi các biện pháp xử lý nhiệt sau hàn.
Kết luận chương 5
- Qua phân tích các kết quả nghiên cứu thực nghiệm ở chương này, tác giả đã đưa ra quy trình hàn thử nghiệm với các dạng phôi hàn khác có chiều dày khác nhau từ 6÷12mm, với các dạng vát mép khác nhau nhằm tìm ra bộ thơng 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 hơn.
- Ở chương này, tác giả đã đưa ra được giải pháp kỹ thuật có thể nâng cao công suất nguồn nhiệt Plasma như tăng đường kính lỡ phun, thay đổi khí tạo plasma giúp cho nâng cao chất lượng năng lượng nguồn hồ quang Plasma để có thể liên kết được tấm hàn dày hơn. Với sự thay đổi khí tạo Plasma là Ar với lưu lượng khí 3l/phút đã được thay bằng hỡn hợp khí Ar+10%H2 với lưu lượng khí 2l/phút nhưng có thể làm cho nhiệt độ trung bình cột hồ quang Plasma tăng lên 20%. Điều này vừa có ý nghĩa kinh tế khi lưu lượng khí nhỏ hơn, vừa có ý nghĩa giúp hàn được mối hàn có chiều sâu ngấu lớn hơn (từ 9mm lên 12mm)
- Các kết quả thu được về kiểm tra cơ tính mối hàn và cấu trúc tế vi mối hàn cho thấy mối hàn đạt yêu cầu với thông số hàn đã chọn. Điều này cho thấy quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW có thể nâng cao giới hạn chiều dày khi hàn một lượt thép tấm Cacbon của quá trình hàn Plasma lỡ khóa là 6÷8mm, hoặc với quá trình hàn GMAW là 6mm tăng lên 12mm.
- Đã chứng minh được mơ hình nguồn nhiệt cải tiến dùng trong mơ phỏng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW là tin cậy, các kết quả so sánh về hình dạng mối hàn, trường nhiệt độ trong vũng hàn giữa mô phỏng và thực tế khi hàn giáp mối tấm thép Cacbon dày 12mm không vát mép cho thấy không có sự sai khác lớn (4%) và chấp nhận được.
- Đã đưa ra được một số ưu điểm nổi trội của quá trình hàn lai ghép Plasma- GMAW so với quá trình hàn GMAW thơng thường khi hàn giáp mối tấm thép dày 12mm như: Tiết kiệm kim loại và công sức khi không cần vát mép phôi hàn; Chiều rộng trung bình vùng HAZ nhỏ hơn 19,3% so với hàn GMAW; Diện tích đắp nhỏ hơn 65% so với hàn GMAW; Năng lượng đường nhỏ hơn 30% so với hàn GMAW;
Năng suất hàn cao hơn 50% so với hàn GMAW; Biến dạng hàn có giá trị rất nhỏ khi chiều dài đường hàn nhỏ và tương đương với quá trình hàn GMAW; Ứng suất dư Svon mises lớn nhất nhỏ hơn 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 giữa quá trình hàn PAW và quá trình hàn GMAW được ứng dụng vào các nhu cầu khác nhau. Hình thái kết hợp hai mỏ hàn PAW và GMAW độc lập, đồng tốc cho thấy khả năng vượt trội trong liên kết hàn thép tấm dày do nguồn hồ quang Plasma lỗ khóa đi trước làm nóng chảy kim loại cơ bản ở dưới và đồng thời gia nhiệt sơ bộ mép hàn phía trên làm giúp quá trình hàn GMAW dễ điền đầy hơn trong cùng một lượt hàn. Điều này cho phép quá trình hàn lai ghép Plasma – GMAW có thể nâng cao giới hạn chiều dày tấm khi hàn giáp mối một lượt cho tấm thép Cacbon của hàn Plasma lỡ khóa từ 6÷8mm hoặc với quá trình hàn GMAW là từ 6mm lên 12mm. Do vậy quá trình này có tính ứng dụng cao trong các ngành cơng nghiệp nặng như đóng tàu, ôtô, nhiệt điện,...
2) Luận án đã thành cơng trong mơ phỏng số quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với mơ hình nguồn nhiệt cải tiến là kết hợp mơ hình nguồn nhiệt elipsoid kép cho nguồn hàn GMAW phía sau và nguồn nhiệt nón 3 chiều phân bố Gauss cho nguồn nhiệt PAW phía trước. Các kết quả mơ phỏng cho thấy kết quả tin cậy khi so với các dữ liệu thực nghiệm với sai số nhỏ hơn 4% trong phạm vi cho phép. Ứng dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng số bằng phần mềm SYSWELD để tính tốn xác định sự hình thành và tương tác giữa hai vùng hồ quang Plasma lỗ khóa và GMAW qua đó so sánh với dữ liệu thực nghiệm thu được bằng các công cụ đo hiện đại, có độ chính xác cao như HSVC, Camera nhiệt tốc độ cao. Phương pháp