Nghiên cứu quá trình hàn MAG liên kết giáp mối khe hở hẹp

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu quá trình hàn MAG liên kết giáp mối khe hở hẹp

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ NGÔ TRỌNG BÍNH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HÀN MAG LIÊN KẾT GIÁP MỐI KHE HỞ HẸP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9520103 Hà Nội – 2023
2. Công trình được hoàn thành tại: Viện nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công thương Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Hoàng Tùng 2. PGS. TS. Vũ Huy Lân Phản biện 1: PGS. TS. Lê Hồng Kỳ Phản biện 2: PGS. TS. Ngô Thị Thảo Phản biện 3: PGS. TS. Hoàng Văn Gợt Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp viện Họp tại: Viên nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công thương Tòa nhà trụ sở chính, số 4 Đường Phạm Văn Đồng Quận Cầu Giấy – Thành phố Hà Nội Vào hồi giờ phút, ngày tháng năm 2023 Có thể tìm hiểu Luận án tại các thư viên: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Viện nghiên cứu Cơ khí
3. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Trong công nghệ hàn khe hở hẹp, có thể sử dụng nhiều phương pháp hàn khác nhau mà yêu cầu không cần vát mép hoặc vát mép với góc nhỏ, điển hình như hàn TIG (Tungsten inert gas welding), hàn MIG (metal inert gas) và hàn MAG (metal active gas). Điều đó cho phép tiết kiệm nhiều nguyên công tạo phôi mối ghép, tiết kiệm kim loại cơ bản và dây hàn đáng kể, dẫn đến hạ giá thành chế tạo kết cấu hàn. Công nghệ hàn khe hở hẹp bằng phương pháp hàn MAG (gọi tắt là NG-MAG) dựa trên nền tảng của công nghệ hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ hoạt tính. Ở nước ta hiện nay còn thiếu sự đầu tư cho nghiên cứu đầy đủ về ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn khe hở hẹp đến chất lượng kết cấu hàn nhằm đưa ra được các quy trình hàn hợp lý để ứng dụng vào sản xuất công nghiệp. tiên tiến khác nhau. Nghiên cứu thực nghiệm để tìm ra chế độ hàn phù hợp khi hàn giáp mối các tấm thép các bon tấm dày CT38 có chiều dày khác nhau (50 mm; 75 mm và 100 mm) và góc vát mép nhỏ (5o; 10o; 15o) bằng phương pháp hàn MAG trong môi trường khí bảo vệ CO2 đề đưa ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp với tình hình thực tế ở Việt Nam hiện nay là vấn đề luôn có tính thời sự và cần thiết. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án Bằng nghiên cứu thực nghiệm, xây dựng mối quan hệ giữa một số thông số công nghệ đầu vào chủ yếu đến độ bền và chất lượng mối hàn giáp mối NG-MAG phôi thép tấm dày CT.38 khi sử dụng thiết bị hàn tiên tiến FLEXTEC® 500x của hãng LINCOLN làm cơ sở khoa học để lựa chọn chế độ hàn phù hợp, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật kết cấu tốt. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu của luận án: Trên cơ sở thực tiễn ở Việt Nam, các kết cấu hàn có liên kết giáp mối thép các bon CT38 tấm dày (δ = 50; 75 và 100 mm); b) Phạm vi, nội dung nghiên cứu của luận án: sử dụng máy hàn MAG-D500 với đầu hàn thiết kế, chế tạo phù hợp để tiến hành thực nghiệm hàn giáp mối thép các bon tấm dày CT38 có chiều dày δ = 50; 75 và 100 mm và hệ thống máy hàn LINCOLN tiên tiến FLEXTEC® 500x; c) Xử lý kết quả thực nghiệm và đưa ra chế độ hàn hợp lý để nâng cao độ bền cơ học của liên kết hàn NG-MAG. 1
4. 4. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết về công nghệ hàn khe hở hẹp (NG- MAG) với nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm hàn NG- MAG thép các bon tấm dày CT38. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5.1. Ý nghĩa khoa học - Bằng thực nghiệm, đưa ra phương pháp hàn NG-MAG với chế độ hợp lý cho liên kết giáp mối thép các bon tấm dày CT38, đảm bảo chất lượng mối hàn ở mức cần thiết theo yêu cầu thực tế. Chất lượng liên kết hàn được đánh giá thông qua bộ tiêu chí gồm: đặc tính cơ - lý và kim tương học khảo sát tại các tiểu vùng kim loại mối hàn (MH); biên giới mối hàn với vùng ảnh hưởng nhiệt (B.G); vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và vùng kim loại cơ bản (KLCB) khi sử dụng các thiết bị thí nghiệm hiện đại, đảm bảo độ tin cậy của các kết quả thực nghiệm cao trong điều kiện hiện có tại Việt Nam; - Đưa ra được mô hình toán học ở dạng đa thức phi tuyến là hàm mục tiêu đầu ra cần tìm, lượng hóa quy luật thay đổi độ bền kéo liên kết hàn NG-MAG với khe hở hẹp và góc vát mép nhỏ phụ thuộc vào 03 yếu tố công nghệ đầu vào chủ yếu là cường độ dòng hàn (Ih), tốc độ hàn (vh) và góc vát mép nhỏ ( ) trong miền khảo sát quy hoạch thực nghiệm lựa chọn. Từ đó so sánh đối chiếu với các đặc tính kim tương học của kim loại liên kết hàn trên một số mẫu thí nghiệm tương ứng với các chế độ hàn điển hình để dễ dàng dự báo mức chất lượng liên kết hàn mong muốn. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả của luận án là cơ sở khoa học tin cậy để đề xuất ứng dụng vào thực tiễn cho các doanh nghiệp sản xuất Cơ khí ở Việt Nam thuộc lĩnh vực hàn kết cấu thép các bon tấm dày với khe hở hẹp và góc vát mép nhỏ đạt được chất lượng liên kết hàn thực tế yêu cầu và giảm chi phí quá trình về nguyên vật liệu, năng lượng; - Kết quả của luận án được sử dụng làm tài liệu tham khảo trong đào tạo ngành Kỹ thuật Cơ khí về chế tạo kết cấu hàn và ngành Kỹ thuật vật liệu ở trình độ đại học, sau đại học cũng như cho các nhà nghiên cứu khác quan tâm. 6. Kết cấu của luận án: Luận án ngoài phần đầu: mục lục, lời cam đoan, lời cảm ơn của nghiên cứu sinh, bảng kê các chữ viết tắt, bảng danh mục các hình vẽ, danh mục các bảng biểu và mở đầu được kết cấu thành: - Chương 1: Tổng quan và cơ sở lý thuyết hàn khe hở hẹp; - Chương 2: Vật liệu, thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu; 2
5. - Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm định hướng công nghệ; - Chương 4: Xây dựng mô hình toán học độ bền kéo mối hàn khe hở hẹp; - Kết luận chung của luận án và kiến nghị; - Danh mục các công trình đã công bố; - Tài liệu tham khảo và Phụ lục. 7. Luận điểm bảo vệ chính - Khi áp dụng chế độ hàn NG-MAG hợp lý đề xuất cho các phôi thép các bon CT38 tấm dày (50; 75; 100 mm), với khe hở hẹp (10 ÷ 12 mm) và góc vát mép nhỏ (5o; 7,5o và 15o hai bên), đảm bảo được chất lượng liên kết hàn giáp mối tốt về mặt kỹ thuật, dẫn đến giảm thiểu chi phí nguyên vật liệu (dây hàn, vật tư phụ trợ), nâng cao hiệu quả cho doanh nghiệp sản xuất Cơ khí trong nước. - Chất lượng liên kết hàn NG-MAG được đánh giá bởi bộ tiêu chí gồm: hình thái bề mặt đường liên kết hàn (tính chất vật lý); độ bền kéo cơ học (tính chất cơ học); độ cứng tế vi và tổ chức tế vi được khảo sát tại các tiểu vùng cấu trúc đặc trưng (đặc tính kim tương học). 8. Đóng góp mới của luận án trong lĩnh vực khoa học chuyên ngành 1) Đưa ra giải pháp nghiên cứu khảo sát và phân tích đánh giá chất lượng liên kết hàn NG-MAG kết cấu thép các bon CT38 tấm dày với khe hở hẹp và góc vát mép nhỏ trên một số mẫu thí nghiệm điển hình bằng phương pháp kim tương học (xác định các đặc tính tổ chức) kết hợp với thử nghiệm phá hủy để xác định độ bền kéo (đặc tính cơ học) bằng các trang thiết bị kiểm định hiện đại, đảm bảo độ tin cậy kết quả cao; 2) Áp dụng phương pháp tính toán xử lý số liệu thống kê toán học theo quy hoạch thực nghiệm trực giao toàn phần kiểu 3 mức 3 yếu tố (N27) gồm: cường độ dòng điện hàn (Ih, A), tốc độ hàn (vh, cm/ph), và góc vát mép nhỏ ( ,O) khi chọn các thông số đầu vào khác ở mức hợp lý) bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất. Từ đó, đã xây dựng được mô hình toán học dự đoán độ bền kéo liên kết hàn NG-MAG ở dạng đa thức bậc hai. Theo đó, định lượng được quy luật ảnh hưởng của các chế độ hàn NG-MAG đến độ bền kéo liên kết hàn trong miền khảo sát đã chọn, đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật cần thiết của kết cấu cơ khí cho doanh nghiệp trong nước. Chương 1. TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÀN KHE HỞ HẸP 1.1. Khái niệm, phân loại, ưu điểm của công nghệ hàn khe hở hẹp 1.1.1. Khái niệm hàn NGW: "Hàn khe hở hẹp - NGW là một kỹ thuật liên kết theo định hướng liên quan đến một quá tŕnh hàn hồ quang 3
6. đặc trưng bởi một hằng số đường hàn trong mỗi lớp và được lấp đầy theo từng lớp trong một rãnh sâu, vuông và có kích thước hẹp" [31]. 1.1.2. Phân loại hàn NGW: quá trình NGW được chia ra thành hai nhóm dựa trên các kỹ thuật cấp dây hàn bù được sử dụng để đảm bảo đủ chiều sâu ngấu của các lớp hàn, gồm: nhóm hàn NGW-I/ NGW-Ia/ NGW-Ic và nhóm hàn NGW-Ic 1.1.3. Ưu điểm của NGW: giảm thời gian hàn; chi phí tiêu hao thấp hơn; giảm thời gian loại bỏ xỉ hàn; giảm chi phí chuẩn bị; giảm xử lý nhiệt sau hàn; cải thiện độ dai va đập; giảm sự biến dạng góc của chi tiết hàn so với các phương pháp khác. 1.2. Tổng quan về nghiên cứu, phát triển, ứng dụng hàn khe hở hẹp ở nước ngoài 1.2.1. Tổng quan về công nghệ hàn khe hở hẹp (NGW) Nguyên lý ứng dụng hàn NGW được nhà khoa học Barbara K. Henon năm 2010 công bố bài báo khoa học tổng quan về công nghệ hàn tiên tiến được ứng dụng cho hàn các chi tiết kết cấu thành dày sẽ rất hiệu quả khi khe hở hàn khá hẹp với góc vát mép nhỏ (trong khoảng 2 ÷ 15o), đảm bảo chi phí dây hàn và thời gian hàn giảm [31]. Kỹ thuật hàn khe hở hẹp (gọi tắt là NGW) được thực hiện bằng công nghệ hàn SAW, hàn trong môi trường có khí bảo vệ (MIG/MAG) và hàn trong môi trường khí trơ (TIG, GTAW) và cần có hệ thống thiết bị hàn chuyên dụng. Những ưu điểm vượt trội và hạn chế của hàn NGW gồm có: 1) Năng suất hàn cao hơn khi hàn các tấm vật liệu có chiều dày lớn hơn 50 mm và có góc vát mép nhỏ; 2) Dễ hình thành các khuyết tật trên biên giới kim loại mối hàn với mặt bên kim loai cơ bản; 3) Khó di chuyển đầu dò kiểm tra chất lượng mối hàn và chi phí cho quá trình hàn đắt đỏ [31]. Nguyên lý hàn khe hở hẹp khác nhau, sử dụng nguồn hàn MAG được đề cập qua nhiều hình ảnh trực quan trong một số bài báo [41], [46], theo đó có hình 1.25 dưới đây và các hình 1.34; 1.36÷1.38; 1.48÷1.54; 1.60÷1.67 trích dẫn trong luận án. c) b) c) Hình 1.25. Ảnh cụm đầu hàn của máy hàn quay nối ống đường kính lớn (a); nguyên lý hàn quay GTAW (b); sơ đồ nguyên lý của hàn GTAW (b); nguyên lý hàn TIG phía trong kết hợp hàn MAG phía ngoài đường ống với khe hở hẹp (c) [46] 4
7. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng hàn khe hở hẹp ở nước ngoài Trích dẫn trên các hình 1.3 ÷ 1.36 trong toàn văn luận án. 1.3. Tình hình nghiên cứu công nghệ hàn khe hở hẹp ở trong nước Ở Việt Nam có rất ít công trình công bố chuyên sâu về hướng NGW ngoài một số nghiên cứu đã thực hiện tại Viện Nghiên cứu Cơ khí (NARIME) khi hàn NG-MAG phôi thép các bon CT.38 có chiều dày từ 25 mm đến 100 mm trong môi trường khí bảo và được công bố như [4]; [16], [17], [18], [19], [25], [26], [27]. còn các tài liệu cập nhật được từ nước ngoài thì rất hạn chế. Do đó, việc lựa chọn hướng nghiên cứu của nghiên cứu sinh là có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 1.4. Cơ sở lý thuyết hàn khe hở hẹp NG-GMAW 1.4.1. Một số vấn đề cơ bản Các lĩnh vực được ứng dụng rộng rãi công nghệ hàn khe hở hẹp là trong ngành đóng tàu, xây dựng cầu đường và các ngành công nghiệp sử dụng kết cấu thép hàn có chiều dày lớn bằng giải pháp hàn hồ quang chìm (SAW), trong khí bảo vệ (MIG/MAG; GMAW) và điện cực vônphram trong khí trơ. Ứng dụng công nghệ hàn khe hở hẹp cho phép đem lại lợi ích kinh tế tốt hơn khi hàn các vật liệu kim loại dày (chiều dày từ 50 mm trở lên) [33], [34]. Ngoài ra các công trình nghiên cứu chuyên sâu khác về hàn khe hở hẹp như [28] ÷ [63] đã công bố thường tập trung vào các vấn đề cải tiến thiết bị, đầu hàn, công nghệ hàn, mô phỏng số và mô hình hóa quá trình hàn NGW. Sơ đồ nguyên lý thiết bị hàn GMAW dùng cho NGW cho trên hình 1.37 và trích dẫn một số kết quả nghiên cứu trên thế giới (hình 1.38 ÷ 1.67 và các bảng 1.1 ÷ 1.7 trong toàn văn luận án [30]. Hình 1.37. Sơ đồ hệ thống thiết bị hàn GMAW [30]: 1 - Cụm dây hàn; 2 - Con lăn định hướng cấp dây hàn; 3- Cụm ống dẫn linh hoạt; 4 - Ống bọc; 5 - Súng hàn; 6 - Nguồn hàn 1.4.2. Phương pháp đánh giá chất lượng mối hàn GMAW ở nước ngoài Ví dụ cho mối hàn GMAW vật liệu thép S355 MC trên thiết bị hàn khe hở hẹp với sơ đồ kết cấu mối hàn góc hình 1.68 ÷ 1.71 [30]. Hình thái bề mặt mối hàn giáp mối thép bằng NG-GMAW (hình 1.72). Đồ thị quan hệ của cường độ dòng điện, điện áp hàn trong môi trường hỗn hợp khí bảo vệ pha trộn với tỷ lệ CO2 và O2 khác nhau (hình 1.73) [52]. 5
8. 1.5. Nội dung nghiên cứu hàn khe hở hẹp của luận án 1) Sử dụng hệ thống thiết bị hàn MAG D500 tại Viện NARIME và hệ thống máy hàn FLEXTEC® 500x của hãng LINCOLN của Mỹ cho thí nghiệm hàn NG-MAG tạo mẫu và các trang thiết bị chuyên dùng tiên tiến để đánh giá đặc tính cơ học và đặc tính tổ chức tế vi kim loại mối hàn hiện có trong nước tại các pḥòng thí nghiệm chuyên ngành; 2) Kết cấu mối hàn NG-MAG dự kiến: giáp mối ở vị trí hàn bằng với khe hở hẹp từ thép các bon CT38 tấm dày gồm 03 loại chính: δ1 = 50 mm; δ2 = 75 mm và δ3 = 100 mm, tương ứng với các góc vát mép thay đổi trong o o o khoảng: 1 = 15 ; 2 = 10 và 3 = 5 (góc giữa hai mặt bên các tấm thép hàn có khe hở hẹp ban đầu bo = 10 ÷ 12 mm. Kết luận chương 1 1) Các hướng nghiên cứu phát triển công nghệ hàn giáp mối kết cấu kim loại tấm dày với khe hở hẹp (NGW) bằng điện cực nóng chảy và nguồn hàn TIG/MIG/MAG gồm: tối ưu hóa chế độ hàn; tối ưu hóa thành phần khí bảo vệ trong quá trình hàn; cải tiến và tích hợp mỏ hàn vào đầu hàn tự động; giám sát trực tuyến quá trình hàn; nâng cao năng suất hàn bằng đầu hàn nhiều dây, đánh giá chất lượng mối hàn qua các tiêu chí như hình thái bề mặt, tổ chức thô đâị, tổ chức tế vi và độ bền cơ học mối hàn, ; 2) Khi hàn NGW, các phôi thép CT38 tấm dày trong phạm vi đã chọn (50 mm, 75 mm và 100 mm), việc lựa chọn kết cấu mối hàn giáp mối NG- MAG hợp lý sẽ cho phép giảm thiểu được chi phí nguyên vật liệu hàn đáng kể và đảm bảo chất lượng hàn ổn định. Điều đó dẫn đến cần phải tập trung vào thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của chế độ hàn và đặc thù kết cấu hình học của mối hàn để tìm ra chế độ hàn thích hợp, mà không đi vào việc tối ưu hóa; 3) Định hướng và các nội dung nghiên cứu chính của luận án được lựa chọn dựa trên năng lực trang thiết bị thí nghiệm hiện có tại Viện Nghiên cứu Cơ khí và doanh nghiệp đại diện cung cấp thiết bị hàn chính hãng hiện đại của Mỹ tại Việt Nam (LINCOLN FLEXTEC® 500x) là Công ty Cổ phần Thương mại và Dịch vụ Hai tốt. Chương 2. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu thí nghiệm 2.1.1. Lựa chọn kích thước phôi hàn khe hở hẹp (NG-MAG) Phôi thép CT38 theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765-75 được chia thành 3 loại với chiều dày (0) x chiều rộng (B2)x chiều dài (L): 1) 50 x 100 x 200 mm; 2) 75 x 100 x 200 mm và 3) 100 x 100 x 200 mm (hình 2.1). 6
9. a) b) c) Hình 2.1. Hình chiếu mặt đầu (a); mặt trên (b) bản vẽ gia công và ảnh một số phôi thép các bon tấm dày CT38 (c) chuẩn bị cho thí nghiệm hàn NG- MAG của luận án:  - chiều dày phôi; - Góc vát mép; B1, B2 - Chiều rộng mặt trên và mặt dưới phôi B1 = B2 – .tg( /2); L - Chiều dài phôi 2.1.2. Lựa chọn kết cấu mẫu hàn NG-MAG Chọn góc vát mép ( ) giữa hai mặt đầu của các tấm thép CT38 như sau (hình 2.2). a) δ1 = 50 mm b) δ2 = 75 mm c) δ3 = 100 mm Hình 2.2. Sơ đồ thiết kế kết cấu mối hàn NG-MAG của luận án: a) Chữ V; b) Chữ X không đối xứng; c) Chữ X đối xứng Thành phần hóa học và đặc tính cơ lý của phôi thép dùng để thí nghiệm đạt yêu cầu theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765-75. Dây hàn đường kính d = 1,2 ÷ 2,0 mm, có mã sản phẩm GM 70S. Theo tiêu chuẩn AWS A5.18 ER 70S-6, có sẵn trên thị trường Việt Nam, được sử dụng cho thí nghiệm, có tính hàn tốt, thích hợp khi dòng điện hàn đến 400 A. Chế độ thí nghiệm hàn NG-MAG cho trong bảng 2.3. Bảng 2.3. Các thông số chế độ thí nghiệm định hướng công nghệ NG-MAG Kim Đường Lưu loại kính dây Điện Cường độ T ố c đ ộ Tốc độ Tầm với lượng khí cơ hàn, áp hàn dòng điện hàn, quay nn, điện cực bảo vệ Q, bản d, mm Uh,V hàn Ih, A vh, m/h v/ph Lđ.c, mm lít/ph Thép CT38 1,2 26÷30 160 ÷ 220 4÷10 17÷40 15÷25 15 ÷ 25 2.2. Thiết bị thí nghiệm 2.2.1. Thiết bị thí nghiệm tại Viện Nghiên cứu Cơ khí Thiết bị thí nghiệm hàn định hướng công nghệ tạo mẫu liên kết hàn NG-MAG tại Viện Nghiên cứu Cơ khí cho trên hình 2.4 [4]. 7
10. a) b) c) Hình 2.4. Hình ảnh thiết bị thí nghiệm hàn NG-MAG (a); cụm đầu hàn (b) và đồ gá kẹp phôi hàn (c) tại Viện Nghiên cứu Cơ khí [4] 2.2.2. Thiết bị hàn tiên tiến LINCOLN tại Công ty Cổ phần Thương mại và Dịch vụ Hai tốt Hệ thống thiết bị hàn tiên tiến LINCOLN - FLEXTEC® 500x (Mỹ). Nguyên lý hàn (hình 2.7; hình 2.8) đảm bảo quá trình thực nghiệm ổn định, chất lượng mẫu thí nghiệm hàn NG-MAG có độ tin cậy cao. a) b) c) Hình 2.7. Ảnh thiết bị hàn tiên tiến LINCOLN - FLEXTEC® 500x (Mỹ) dùng cho thí nghiệm hàn giáp mối thép tấm dày với khe hở hẹp [18]: a)Toàn cảnh hệ thống thiết bị hàn; b) Điều chỉnh chế độ hàn thí nghiệm; c) Hàn thử theo chế độ quy hoạch thực nghiệm Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý công nghệ hàn giáp mối thép tấm dày với khe hở hẹp (a); Chuyển động tịnh tiến của đầu hàn theo khe hở hàn (b); Chuyển động quay vòng của đầu hàn trong khe hở hàn (c); Ảnh bề mặt mối hàn tại thời điểm kết thúc một số lớp trong quá trình hàn (d) [19] 2.2.3. Thiết bị kiểm tra đánh giá chất lượng mối hàn Thiết bị kiểm tra, đánh giá chất lượng mối hàn NG-MAG cho trên hình 2.10. Cách lấy mẫu khi cắt dây có tưới nguội tích cực phôi theo hướng ngang đường hàn NG-MAG sau khi hàn, để tránh làm biến đổi có tính và tổ chức vật liệu mối hàn (hình 2.12). Các mẫu thử nghiệm 8
11. thử kéo phá hủy xác định độ bền kéo cơ học của mối hàn được gia công cho trên hình 2.13, còn nguyên lý lấy mẫu tại 03 phân vùng khác nhau theo chiều cao mối hàn cho trên hình 2.14. a) b) c) Hình 2.10. Ảnh máy thử kéo nén (a); máy đo độ cứng tế vi (b) và kính hiển vi quang học (c) sử dụng cho thí nghiệm đánh giá đặc tính vật liệu mối hàn NG-MAG a) Phần đáy mối hàn b) Phần giữa mối hàn c) Phần trên mối hàn Hình 2.12. Ảnh mô tả cách lấy phôi để gia công mẫu thử kéo phá hủy mối hàn NG-MAG (a); mẫu khảo sát đo độ cứng tế vi (HV0,2) và chụp ảnh tổ chức tế vi vật liệu tại 3 phân vùng theo chiều cao mối hàn (h1 = 0,25; h2 = 0,5; h3 = 0,75) a) b) Hình 2.13. Ảnh một số mẫu điển hình (a) và bản vẽ gia công mẫu thử phá hủy xác định độ bền kéo mối hàn NG-MAG theo TCVN 197: 2002 (b) Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lý minh họa cách cắt lấy phôi thí nghiệm đánh giá chất lượng mối hàn NG-MAG của luận án Độ cứng tế vi được đo tại các vị trí cách nhau khoảng 50 ÷ 100 µm, đi từ tâm mối hàn đến biên giới với vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và đi vào vùng kim loại cơ bản. Điều kiện thí nghiệm theo quy hoạch đầy đủ N27 cho trong bảng 2.4. 9
12. Bảng 2.4. Ví dụ về chế độ hàn NG-MAG theo quy hoạch thực nghiệm toàn phần N27 Thông số chế độ hàn Ký hiệu Mức điều chỉnh Bước điều 0 1 2 chỉnh Cường độ dòng điện hàn, A X1 = Ih 160 190 220 30 Tốc độ hàn, m/h X2 = vh 4 7 10 3 Góc vát mép, độ X3 = 5 10 15 5 Tốc độ quay dây hàn, vg/phút X4 = nn 30 30 30 Không đổi 2.4. Phương pháp xây dựng mô hình toán độ bền kéo liên kết hàn NG-MAG 2.4.1. Cơ sở để xây dựng mô hình toán học thực nghiệm Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm mới cho phép lựa chọn phương án nghiên cứu tối ưu, khi đối tượng càng phức tạp thì hiệu quả càng cao. Ở Việt Nam tài liệu tham khảo về vấn đề này đã được giáo sư Nguyễn Minh Tuyển công bố năm 2005 [23] và một số nghiên cứu khác [24]. 2.4.2. Áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao kiểu N27 cho nghiên cứu của luận án: Tham khảo ở ngoài nước một số tài liệu tham khảo đã được công bố gần đây 66 ÷ [69]. Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm của luận án cho trên hình 2.15. 3 yếu tố độc lập: Điều kiện biên: X4; X5; X6; Hàm mục tiêu  X1 = Ih  cần tìm: X2 = vh  Đối tượng nghiên cứu  y1= k X3 =  c ủa luận án Hình 2.15. Mô hình quy hoạch thực nghiệm trực giao kiểu N27 cho hàn NG-MAG thép các bon CT38 tấm dày của luận án Kết luận chương 2 1) Việc lựa chọn vật liệu và các trang thiết bị thí nghiệm tiên tiến cho luận án dựa trên cơ sở năng lực hiện có trên thực tiễn tại Phòng thí nghiệm trọng điểm ”Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt”, Viện Nghiên cứu Cơ khí và một doanh nghiệp chuyển giao công nghệ của Mỹ ở nước ta là có tính khả thi cao, đảm bảo tính ổn định của quá trình hàn khe hở hẹp với góc vát mép nhỏ (NG-MAG) và độ tin cậy kết quả cao; 2) Chọn phương pháp thí nghiệm tiên tiến với mô hình và quy trình thực hiện các bước của quá trình NG-MAG theo ma trận thực nghiệm trực giao kiểu N27 là có cơ sở khoa học. Áp dụng phương pháp tính toán xử lý số liệu thống kê toán học thực nghiệm để xây dựng mô hình toán học mô phỏng hàm hồi quy cần tìm là độ bền kéo mối hàn (k) nhờ trợ giúp của phần mềm máy tính chuyên dụng là giải pháp hiện đại cho phép đảm bảo đủ độ tin cậy kết quả tốt của luận án. 10
13. Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỊNH HƯỚNG CÔNG NGHỆ 3.1. Mô tả thí nghiệm định hướng công nghệ ở bước 1 Trong lô thí nghiệm định hướng công nghệ (QHTN 1) tiến hành thí nghiệm với 03 yếu tố độc lập gồm: 1) Điện áp hàn (Uh, V); 2) Tốc độ hàn (vh, m/h); 3) Tốc độ quay dây hàn (nn, vòng/ph). Cách lấy mẫu khảo sát đặc tính cơ học và kim tương học cho trên hình 3.1 & 3.2. Mẫu No.1 a) Mẫu No.2 b) Hình 3.1. Ảnh tại một thời điểm thí nghiệm (a) và vị trí cắt lấy phôi gia công mẫu khảo sát đo độ cứng tế vi, chụp ảnh tổ chức thô đại, tổ chức tế vi mối hàn NG-MAG (b) Hình 3.2. Sơ đồ vị trí đo độ cứng HV0,2 và chụp ảnh tổ chức thô đại vật liệu mối hàn NG-MAG thép các bon CT38 tấm dày khảo sát trên mẫu No.3, mã số (211) - QHTN 1 3.2. Thảo luận về kết quả thí nghiệm ở bước 1 (QHTN 1) 3.2.1. Hình thái bề mặt mối hàn: Kết quả cho trên hình 3.3. a) b) c) d) Hình 3.3. Ảnh hình thái mối hàn trên mẫu hàn NG-MAG định hướng công nghệ QHTN 1 3.2.2. Độ cứng tế vi vật liệu mối hàn: Kết quả thí nghiệm cho trong bảng 3.2 trong toàn văn luận án, theo đó xây dựng các đồ thị cho trên hình 3.13  3.18 ở phần dưới. 3.2.3. Tổ chức tế vi kim loại mối hàn: Kết quả thí nghiệm định hướng công nghệ ở bước 1 (QHTN 1) cho trên các hình 3.4  3.6, độ bền kéo mối hàn đạt giá trị khá cao. Theo 11
14. đó, thấy rõ cần hiệu chỉnh các chế độ hàn NG-MAG và thực hiện thêm thí nghiệm với các góc vát mép khác nhau sẽ làm sáng tỏ hơn quy luật ảnh hưởng của chúng đến chất lượng mối hàn. a) H1x200 b) H2x200 c) H3x500 d) H4x200 e) H5x200 f) H6x200 Hình 3.4. Ảnh tổ chức tế vi mẫu No.1 tại vùng bên trong mối hàn (H): Uh = 26 V; vh = 7 m/h và nn = 30 vg/ph g) H7x200 h) H8x100 a) HM1x200 b) HM2x200 c) HM3x100 d) HM4x200 e) HM5x100 f) HM6x100 Hình 3.5. Ảnh tổ chức tế vi mẫu No.1 tại vùng biên giới mối hàn và mặt bên kim loại cơ bản (HM): Uh = 26 V; vh = 7 m/h và n = 30 v/ph g) HM7x200 h) HM8x100 n 12
15. a) K1x200 b) K2x200 c) K3x200 d) K4x200 e) K5x200 f) K6x200 Hình 3.6. Ảnh tổ chức tế vi mẫu No.1 tại vùng K: Uh = 26 V; vh = 7 m/h và vh = 30 v/ph (mẫu No.1, mã số (011), thí nghiệm thứ 11 – QHTN 1) 3.3. Thí nghiệm hiệu chỉnh công nghệ ở bước 2 (QHTN 2) 3.3.1. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: Bảng 3.3 là điều kiện thí nghiệm QHTN 2 đầy đủ. Bảng 3.3. Chế độ thí nghiệm điều chỉnh công nghệ hàn NG-MAG thép các bon CT38 tấm dày ở bước 2 (QHTN 2) Thông số chế độ hàn Ký hiệu Mức điều chỉnh Bước điều 0 1 2 chỉnh Cường độ dòng điện hàn, A X1 = Ih 160 190 220 30 Tốc độ hàn, m/h X2 = vh 4 6 8 2 Góc vát mép, độ X3 = 5 10 15 5 Tốc độ quay dây hàn, vg/ph X4 = nn 30 30 30 Không đổi 3.3.2. Thảo luận về kết quả thí nghiệm ở bước 2 (QHTN 2) 3.3.2.1. Quy ước các vị trí khảo sát cơ tính và phân tích cấu trúc tế vi mối hàn Thí nghiệm hàn NG-MAG ở bước 2 (QHTN 2) sau điều chỉnh 3 thông số đầu vào là Ih; vh và . Trên hình 3.9 là sơ đồ ký hiệu các vị trí đo độ cứng tế vi ở thang đo HV0,2 và chụp ảnh tổ chức vật liệu mối hàn NG- MAG thép CT38 tấm dày ( = 15o), được đánh số theo thứ tự tăng dần tính từ phía bên phải sang phía bên trái. 3.3.2.2. Bàn luận về đặc điểm tổ chức tế vi kim loại mối hàn NG-MAG Kết quả thí nghiệm nghiên cứu khảo sát và chụp ảnh tổ chức tế vi vật liệu mối hàn NG-MAG thép CT38 tấm dày trên 03 mẫu điển hình tương ứng với 03 nút quy hoạch lựa chọn và theo sơ đồ vị trí khảo sát ở hình 3.10 cho trên các hình 3.11 và hình 3.12, chứng tỏ chất lượng liên kết hàn tốt 13
16. a) b) c) Hình 3.8. Ảnh hình thái bề mặt các mẫu thí nghiệm hàn giáp mối thép tấm dày với khe hở hẹp: Phôi có chiều dày 50 mm và góc vát mép α = 5 ÷ 15o sau khi hàn đính lớp đáy với khe hở 5 ÷10 mm (a); Ảnh mẫu hàn đạt 80% chiều cao mối hàn (b) và đủ 100% chiều cao đến bề mặt trên (c) Hình 3.9. Sơ đồ chọn và ký hiệu vị trí đo Hình 3.10. Ảnh tổ chức thô đại và vị độ cứng tế vi HV0,2 trên mặt cắt ngang mẫu trí khảo sát chụp ảnh tổ chức tế vi vật hàn NG-MAG thép tấm dày CT38, ở mặt liệu mối hàn NG-MAG thép CT38 đáy là 10 mm, góc vát mép = 15o tấm dày (QHTN 2) a) Vị trí 1, x200 b) Vị trí 4, x200 c) Vị trí 7,x200 d) Vị trí 12, x200 e) Vị trí 3, x200 f) Vị trí 6, x200 g) Vị trí 9, x200 h) Vị trí 10, x200 k) Vị trí 13, x200 Hình 3.11. Ảnh tổ chức tế vi vật liệu mối hàn NG-MAG thép tấm dày CT38 o trên mẫu M2, mã số (001): Ih = 160 A; vh = 4 m/h; = 10 và nn = 30 vg/ph 14
17. a) Vị trí 1, x200 b) Vị trí 4, x200 c) Vị trí 7, x200 d) Vị trí 12, x200 e) Vị trí 2, x200 f) Vị trí 5, x200 g) Vị trí 8, x200 h) Vị trí 11, x200 k) Vị trí 13*, x200 Hình 3.12. Ảnh tổ chức tế vi vật liệu mối hàn NG-MAG thép tấm dày CT38 trên mẫu M8, mã số (012), tương ứng với thí nghiệm thứ 20 theo ma trận trực giao N27: Ih = 160 A; vh = 6 m/h; nn = 30 vg/ph 3.3.2.3. Bàn luận về đặc tính thay đổi độ cứng tế vi liên kếthàn Từ số liệu thực nghiệm trong bảng 3.4 của luận án xây dựng đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ cứng tế vi của vật liệu liên kết hàn NG-MAG khảo sát tại các tiểu vùng cấu trúc đặc trưng như trên các hình 3.13 ÷ 3.18. Ký hiệu các vết đo độ cứng tế vi Ký hiệu các vết đo độ cứng tế vi Hình 3.13. Độ cứng tế vi vật liệu Hình 3.14. . Độ cứng tế vi vật liên kết hàn NG-MAG thép CT38 trên liệu liên kết hàn NG-MAG thép mẫu M1, M2 và M3 CT38 trên mẫu M6, M8 và M9 HV0,2 HV0,2 Ký hiệu các vết đo độ cứng tế vi Ký hiệu các vết đo độ cứng tế vi Hình 3.15. . Độ cứng tế vi vật liệu Hình 3.16. . Độ cứng tế vi vật liên kết hàn NG-MAG thép CT38 trên liệu liên kết hàn NG-MAG thép mẫu M15, M17 và M18 CT38 trên mẫu M10, M12 và M14 15
18. HV0,2 HV0,2 Ra KLCB B.G.(0) Vào MH Khoảng cách đo, m Ký hiệu các vết đo độ cứng tế vi Hình 3.17. . Độ cứng tế vi vật liệu liên Hình 3.18. Độ cứng tế vi vật liệu liên kết hàn NG-MAG thép CT38 trên mẫu kết hàn NG-MAG thép CT38 tại các M19 và M20 vị trí đo khác nhau 3.4. Ảnh hưởng của chế độ hàn đến độ bền kéo lien kết hàn NG-MAG Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng độc lập của từng thông số công nghệ hàn chủ yếu trong bộ ba (Ih; vh; ) với các điều kiện biên khác cố định ở mức cho trước, đến chất lượng mối hàn NG-MAG cho trong bảng 3.5. Từ đó xây dựng được các đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa độ bền kéo mối hàn và các thông số công nghệ đầu vào Ih; vh; cho trên các hình 3.19 và hình 3.20. Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm hiệu chỉnh công nghệ lần cuối (QHTN 2) Số Bề mặt δ, b , I , v, nn, L , G, TN o , h h đ.c k, mối hàn mm mm o A m/h vg/ph mm l/ph MPa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 25 5 5 190 8 25 20 20 462,9 Tốt 2 25 5 10 190 8 25 20 20 470,9 Tốt 3 25 5 15 190 8 25 20 20 483,7 Tốt 4 25 5 5 160 8 25 20 20 426,4 Tốt 5 25 5 10 220 8 25 20 20 499,2 Tốt 6 50 10 5 190 8 25 20 20 491,6 Tốt 7 50 10 10 190 8 25 20 20 508,4 Tốt 8 50 10 15 190 8 25 20 20 524,4 Tốt 9 50 10 10 160 8 25 20 20 476,5 Tốt 10 50 10 10 220 8 25 20 20 530,4 Tốt 11* 75 10 10 190 8 25 20 20 535,1 Tốt 12* 100 10 10 220 8,0 25 20 20 556,5 Tốt Ghi chú: (*) – mẫu hàn từ hai phía đối xứng nhau; mẫu gia công để thử kéo lấy ở vị trí theo chiều cao mối hàn (h): 0,5h khi hàn một phía; 0,25h và 0,75h khi hàn hai phía 16
19. a) k = f( , bo) khi vh; nn; G; h = const b) k = f( , bo) khi Ih; vh; nn; G; h = const Hình 3.19. Sự phụ thuộc của độ bền kéo mối hàn NG-MAG vào các thông số công nghệ hàn chủ yếu của nhóm mẫu hiệu chỉnh công nghệ (k = f( , bo, vh; nn; G; h)) a) k = f(Ih, ) khi vh; nn; G; h = const b) k = f(Ih, ) khi vh; nn; G; h= const Hình 3.20. Sự phụ thuộc của độ bền kéo mối hàn NG-MAG vào các thông số công nghệ hàn chủ yếu của nhóm mẫu số 2 và số 3 (k = f(Ih, , vh; nn; G; h)) 3.5. Khuyết tật điển hình trong mối hàn NG-MAG 3.5.1. Khuyết tật hàn không ngấu hoặc ngậm tạp chất Sơ đồ biểu diễn các vị trí có khuyết tật trong mối hàn khe hở hẹp cho trên hình 3.21 dưới đây. a) Sơ đồ quy ước vị trí b) x50, mặt đầu mẫu M2, c) x50, phần giữa mẫu M2, khảo sát mã số (001) mã số (001) Hình 3.21. Một số dạng khuyết tật tại các lát cắt khác nhau trên mẫu thí nghiệm hàn NG-MAG d) x50, mặt đầu mẫu M3, mã e) x50, mặt đầu mẫu M8, thép các bon tấm dày số (002) mã số (012) CT38 17
20. 3.5.2. Khuyết tật dạng nứt theo biên giới kim loại mối hàn và kim loại cơ bản Khuyết tật loại này có khả năng hình thành khi hàn liên tục từ phần đáy đến phần bề mặt trên, dẫn đến quá nhiệt và sau khi làm nguội thì bị nứt. Hình 3.22. Ảnh thô đại khuyết tật dạng nứt phần đáy mối hàn NG-MAG do quá nhiệt 3.6. Kết quả phân tích Anova ảnh hưởng của chế độ hàn NG-MAG thép CT.38 nhóm mẫu thí nghiệm định hướng công nghệ (QHTN 1) Kết quả phân tích Anova để xác định mức độ ảnh hưởng của từng thông số công nghệ hàn NG-MAG đến độ bền kéo liên kết hàn trên mẫu thí nghiệm định hướng công nghệ đạt kết quả trích xuất từ máy tính trên các hình 3.23 và 3.24. a) b) c) d) e) Hình 3.23. Sự phụ thuộc của đô bền kéo liên kết hàn NG-MAG (k) vào các yếu tố độc lập  - delta (a); bo (b); Ih (c), vh (d) và - alpha (e) Hình 3.24. Sự phụ thuộc của đô bền kéo liên kết hàn NG-MAG (k) vào ảnh hưởng đồng thời của các cặp đôi yếu tố độc lập α.Ih; Ih.vh và Ih.α 3.7. Tổng hợp các kết quả khoa học nghiên cứu định hướng công nghệ ở bước 1: Kết quả thực nghiệm sau khi điều chỉnh các thông số công nghệ hàn NG-MAG đầu vào cho thấy: 18
21. + Đặc tính tổ chức tế vi vật liệu mối hàn tại các vị trí đặc trưng (MH; HAZ; KLCB) đều có chất lượng tốt; + Độ cứng tế vi (HV0,2) trên các mẫu hàn NG-MAG sau khi có điều chỉnh các thông số đầu vào Ih; vh và (QHTN 2) có quy luật thay đổi tương tự như khi định hướng công nghệ (QHTN 1). Kết quả thí nghiệm cho trên các hình 3.13 ÷ 3.18 phù hợp với cơ sở lý thuyết hàn nói chung. Kết luận chương 3 1) Ảnh tổ chức tế vi kim loại mối hàn NG-MAG trên các mẫu khảo sát thuộc nhóm QHTN 1 và QHTN 2 cho thấy chất lượng của chúng đều đạt yêu cầu, đảm bảo độ bền cao của kết cấu hàn. Quy luật thay đổi kích thước và hình dạng các pha cấu trúc vật liệu mối hàn phù hợp với quy luật chung theo cơ sở lý thuyết hàn giáp mối các tấm kim loại; 2) Mức độ thay đổi các giá trị đo độ cứng tế vi vật liệu mối hàn trong cả hai lô thí nghiệm đều nằm trong phạm vi cho phép. Trong nhóm mẫu định hướng công nghệ (QHTN 1), còn phát hiện thấy một vài khuyết tật của mối hàn, nhưng với số lượng và kích thước tương đối nhỏ. Điều đó, có thể khắc phục bằng cách điều chỉnh miền quy hoạch thực nghiệm đối với một vài thông số chính như tốc độ di chuyển và lắc quay đầu hàn; 3) Việc tiến hành điều chỉnh miền quy hoạch thực nghiệm đầy đủ kiểu N27 (thực nghiệm mô phỏng) để tìm ra bộ thông số các chế độ hàn NG-MAG đối với thép các bon CT38 tấm dày nhằm đưa ra mô hình toán học biểu diễn quan hệ của hàm mục tiêu đầu ra là độ bền kéo mối hàn (k) phụ thuộc vào bộ ba thông số chủ yếu đã chọn Ih; vh và . Theo đó, có thể dễ dàng cài đặt chương trình điều khiển quá trình hàn NG-MAG trên thiết bị hàn LINCOLN, đảm bảo chất lượng mối hàn chắc chắn tốt nhất trong miền thực nghiệm. Chương 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘ BỀN KÉO MỐI HÀN KHE HỞ HẸP 4.1. Kết quả thí nghiệm theo ma trận trực giao N27 đầy đủ Kết quả tính toán xử lý số liệu thống kê toán học thực nghiệm cho các giá trị trung bình của độ bền kéo mối hàn trong bảng 4.1, theo đó đã tính toán được mô hình toán học hàm mục tiêu cần tìm (4.1). k= f(Ih; vh; ) = 391,09 + 1,49872.Ih 25,728.vh + 9,89362. + 0,029908.(Ih.vh) 0,201775.(vh. ) 0,011217.(Ih. ) 2 2 2 0,003627.Ih + 1,00204.vh 0,049273. (4.1) 19
22. Sai số nhỏ nhất của mô hình tính toán (4.1) so với số liệu thực nghiệm: Sai số nhỏ nhất là minS*m.h = + 0,02 % (mẫu 26, mã số 212). Sai số lớn nhất của mô hình maxS*m.h= 2,79 % (mẫu 15, mã số 121). Từ đó 2 ta có: Ftt = S m.h = 37,53/27 = 1,39. Trong trường hợp quy hoạch kiểu N = 3 3 = 27, tra bảng ta có: Fbg (K, m, α) = Fbg(26, 23, 0,95) = 1,78. Như vậy, kiểm tra theo tiêu chí Fischer: Ftt = 1,39 Fbg(26, 23, 0,95) = 1,78, điều đó chứng tỏ mô hình (4.1) hoàn toàn thích hợp khi mô phỏng dự báo độ bền kéo mối hàn NG-MAG trong miền khảo sát theo QHTN 2 đã chọn theo mức điều chỉn ở quy hioachj mô phỏng. Bảng 4.1. Kết quả thực nghiệm hàn NG-MAG thép CT3 theo ma trận trực giao N27 Các yếu tố độc lập X2(0) X2(1) X2(2) khảo sát X1(0) 476,033 469,526 460,016 X3(0) X1(1) 491,623 481,713 478,103 X1(2) 494,616 475,820 480,510 X1(0) 520,886 491,633 478,500 X3(1) X1(1) 525,010 497,610 483,703 X1(2) 528,413 519,106 506,506 X1(0) 531,403 523,703 515,703 X3(2) X1(1) 556,500 528,403 520,900 X1(2) 540,066 532,413 523,510 4.2. Tính toán xây dựng mô hình toán học hàm mục tiêu độ bền kéo mối hàn NG-MAG: Kết quả tính toán xử lý số liệu thống kê toán học thực nghiệm đã xây dựng các đồ thị 3D và 2D trích xuất từ máy tính trên các hình 4.1 ÷ 4.6. o o o a) k = f(vh; Ih); = 5 b) k = f(vh; Ih); = 10 c) k = f(vh; Ih); = 15 Hình 4.1. Đồ thị 3D ảnh hưởng của tương tác cặp đôi (Ih.vh) đến độ bền kéo mối hàn NG-MAG (k) khi góc vát mép ( ) thay đổi 20
23. a) vh = 6 m/h b) vh = 8 m/h c) vh = 10 m/h Hình 4.2. Đồ thị 3D ảnh hưởng của tương tác cặp đôi (Ih. ) đến độ bền kéo mối hàn NG-MAG (k) khi tốc độ hàn (vh) thay đổi a) Ih = 160 A b) Ih = 190 A c) Ih= 220 A Hình 4.3. Đồ thị 3D ảnh hưởng của tương tác cặp đôi (vh. ) đến độ bền kéo mối hàn NG-MAG (k) khi cường độ dòng điện hàn (Ih) thay đổi a) b) Hình 4.4. Đồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng cặp đôi đồng thời (Ih.vh) o đến độ bền kéo mối hàn khe hở hẹp (k) khi = 10 và: Ih = 160 A; 190 A; 220 A (a); vh = 6; 8; 10 m/h (b) a) b) Hình 4.5. Ðồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng cặp đôi đồng thời (Ih. ) đến độ bền kéo mối hàn khe hở hẹp (k) khi vh= 8 m/h và: Ih = 160 A; 190 A; 220 A (a); α = 5o; 10o; 15o (b) a) b) Hình 4.6. Đồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng cặp đôi đồng thời (vh. ) đến độ bền kéo mối hàn khe hở hẹp (k) khi Ih = 190 A và: vh = 6; 8; 10 m/h (a); α = 5o; 10o; 15o (b) 21
24. Phân tích các kết quả thí nghiệm trên các hình 4.1  4.6 trên đây cho thấy: 1) Ảnh hưởng đồng thời của cặp đôi 2 thông số (Ih.vh) đến độ bền kéo mối hàn (k) khi góc vát mép ( ) thay đổi (hình 4.1) có quy luật: o + Nếu = 5 , khi tăng từ Ih = 160 A đến Ih = 220 A, thì (k) tăng tỷ lệ thuận với Ih theo mặt cong phi tuyến với hai trục tọa độ vh và Ih o (hình 4.1 a). Trong trường hợp khi = 5 , nếu vh tăng từ vh = 6 m/h đến vh = 10 m/h, thì k giảm tỷ lệ nghịch theo chiều tăng của vh. Mặt cong biểu diễn hàm mục tiêu k phi tuyến, nhưng với mức độ nhỏ hơn so với thông số Ih; o + Nếu = 10 , khi tăng từ Ih = 160 A đến Ih = 220 A, thì k tăng tỷ lệ thuận với Ih cũng theo ở dạng mặt cong phi tuyến với hai tọa độ o vh và Ih (hình 4.1 b), nhưng mức độ nhỏ hơn so với khi = 5 (hình o 4.1 a). Nếu = 10 , và khi vh tăng từ vh = 6 m/h đến vh = 10 m/h, thì k giảm tỷ lệ nghịch theo chiều tăng của vh. Mặt cong biểu diễn hàm mục tiêu k theo dạng phi tuyến, nhưng với mức độ cong nhỏ hơn so o với thông số Ih, giống như ở trường hợp = 5 (hình 4.1 a). o + Nếu = 15 , khi biến đổi hai thông số Ih và (hình 4.1, c) quy luật o thay đổi của k cũng có đặc điểm rất giống với trường hợp = 5 đã xét ở trên (hình 4.1, a). Mặt cong biểu diễn hàm mục tiêu k phụ thuộc vào cặp đôi (Ih.vh) theo hai trục tọa độ vh và Ih. 2) Ảnh hưởng đồng thời của cặp đôi hai thông số (Ih. ) đến độ bền kéo mối hàn (k) khi tốc độ hàn (vh) thay đổi (hình 4.2) có quy luật: + Nếu vh = 6 m/h, khi tăng từ Ih= 160 A đến Ih = 220 A, đồng thời o o với tăng từ = 5 đến = 15 , thì k tăng tỷ lệ thuận với Ih và . Mặt cong biểu diễn hàm mục tiêu k có dạng phi tuyến, hơi lồi lên phía trên theo hai trục tọa độ Ih và (hình 4.2 a); + Nếu vh = 8 m/h, khi tăng từ Ih= 160 A đến Ih= 220 A, đồng thời o o với góc vát mép tăng từ = 5 đến = 15 , thì k tăng tỷ lệ thuận với Ih và . Mặt cong biểu diễn hàm mục tiêu k theo hai chiều có dạng gần tuyến tính theo hai trục tọa độ Ih và (hình 4.2 b); + Nếu vh = 10 m/h, khi tăng từ Ih = 160 A đến Ih = 220 A, đồng o o thời với tăng từ = 5 đến = 15 , thì quy luật thay đổi của k cũng có đặc điểm rất giống với trường hợp = 5o đã xét ở trên. Mặt cong biểu diễn hàm mục tiêu k phụ thuộc vào cặp đôi (Ih. ) theo hai trục tọa độ Ih và (hình 4.2 c); 3) Ảnh hưởng đồng thời của cặp đôi của hai thông số (vh. ) đến độ bền kéo mối hàn khi tốc độ hàn (Ih) thay đổi (hình 4.3) có quy luật: + Nếu cường Ih = 160 A, còn vh tăng từ mức vh = 6 m/h lên vh = 10 m/h, thì k giảm tỷ lệ nghịch so với chiều tăng của vh. Đồng thời với Ih, góc vát mép cũng có tác động rất đáng kể đến k: khi nó tăng o o từ = 5 đến = 15 , thì k có xu hướng tăng tỷ lệ thuận với . Mặt cong biểu diễn hàm mục tiêu k có dạng phi tuyến, nhưng mức độ cong không lớn, gần tuyến tính theo 2 tọa độ vh và (hình 4.3 a); 22
25. + Nếu Ih = 190 A, còn vh tăng từ mức vh = 6 m/h lên đến vh = 10 m/h, thì k giảm tỷ lệ nghịch so với chiều tăng của vh. Đồng thời với mức tác o o động của Ih = 190 A, nếu tăng từ = 5 đến = 15 cũng có tác động rất đáng kể đến k (tăng tỷ lệ thuận với ). Mặt cong biểu diễn hàm mục tiêu k có dạng phi tuyến theo hai trục tọa độ vh và (hình 4.3 b), nhưng mức độ cong lớn hơn so với trường hợp Ih = 160 A; + Nếu Ih = 220 A, còn vh tăng từ vh = 6 m/h lên vh = 10 m/h, thì k giảm tỷ lệ nghịch so với chiều tăng của vh. Đồng thời với Ih, nếu o o tăng từ = 5 đến = 15 cũng có tác động rất đáng kể đến k (tăng tỷ lệ thuận với ). Mặt cong biểu diễn hàm mục tiêu k có dạng phi tuyến theo hai trục tọa độ vh và (hình 4.3 c), mức độ cong lớn hơn so với trường hợp Ih = 190 A (hình 4.3 b); Kết luận chương 4 1) Độ bền kéo cơ học vật liệu mối hàn (k) nhận được trên 27 mẫu thí nghiệm theo ma trận trực giao kiểu N27 đều đạt được mức cao (k = 460,016 ÷ 556,5 MPa), đảm bảo chất lượng mối hàn NG-MAG có thể được dự báo ở mức yêu cầu tùy ý; 2) Mô h́ình toán học biểu diễn sự ảnh hưởng đồng thời của 3 thông số công nghệ đầu vào chủ yếu (Ih; vh; ) đến hàm mục tiêu độ bền kéo mối hàn (k) ở công thức (4.1) có độ chính xác cao, phù hợp để dự báo k tại mỗi chế độ hàn NG-MAG trong miền khảo sát đã chọn. Sai số nhỏ nhất của mô hình tính toán so với số liệu thực nghiệm tương ứng tại mỗi nút quy hoạch là minS*m.h = + 0,02 % (mẫu thí nghiệm 26, mã số 212). Sai số lớn nhất của mô hình maxS*m.h= 2,79 % (mẫu thí nghiệm 15, mã số 121); 3) Kết quả xử lý số liệu thực nghiệm đã đưa ra các đồ thị trực quan ở dạng 3D trong không gian 3 chiều và đồ thị 2D trong không gian 2 chiều mô phỏng trực quan sự ảnh hưởng đồng thời của các cặp đôi thông số công nghệ đầu vào (Ih.vh); (Ih. ) và (vh. ) đến độ bền kéo (k) mối hàn NG-MAG trong miền khảo sát đã chọn. Qua đó dễ dàng dự báo chất lượng mối hàn thông qua tiêu chí đánh giá k để cài đặt chế độ hàn vào chương trình điều khiển quá trình hàn NG- MAG trên thiết bị LINCOLN PLEXTEC® 500x, đảm bảo chất lượng mối hàn tốt khi đánh giá tổng hợp với các đặc tính hình thái học và kim tương học của vật liệu mối hàn. KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN VÀ KIẾN NGHỊ A. Kết luận chung của luận án 1) Đã đưa ra phương pháp luận khoa học để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm phù hợp thiết bị hàn tiên tiến LINCOLN - PLEXTEC® 500x (Mỹ) và các trang thiết bị kiểm định liên kết hàn NG-MAG hiện đại, đảm bảo độ tin cậy cao; 23
26. 2) Kết quả thí nghiệm hàn NG-MAG ở bước định hướng và hiệu chỉnh công nghệ cho phép xây dựng ma trận thực nghiệm trực giao kiểu N27 với 3 thông số độc lập đầu vào cần khảo sát (Ih; vh; ), đảm bảo độ bền kéo liên kết hàn đều đạt được ở mức yêu cầu; 3) Chất lượng của liên kết hàn NG-MAG được đánh giá thông qua bộ tiêu chí tổng hợp gồm các chỉ tiêu về cơ - lý tính kim loại mối hàn (hình thái bề mặt mối hàn; độ bền kéo; độ cứng tế vi) đồng thời với các chỉ tiêu kim tương học (ảnh tổ chức tế vi tại các tiểu vùng đặc trưng: chính giữa mối hàn; hai biên giới giữa kim loại hàn và mặt bên tấm thép hàn; vùng ảnh hưởng nhiệt hai bên (HAZ) và vùng kim loại cơ bản hai bên; 4) Độ bền kéo liên kết hàn NG-MAG nhận được trên 27 mẫu thí nghiệm có giá trị trong khoảng: k = 460,016 ÷ 556,5 MPa. Tổ chức tế vi vật liệu mối hàn NG-MAG có sự thay đổi đáng kể khi khảo sát từ các tiểu vùng cấu trúc đặc trưng bên trong mối hàn đi đến vùng HAZ và vùng KLCB trong miền khảo sát đã chọn; 5) Mô hình dự báo độ bền kéo liên kết hàn NG-MAG thép CT.38 tấm dày (4.1) nhận được ở dạng đa thức trực giao bậc hai, thích hợp để dự báo tốt độ bền kéo với sai số tính toán so với thực nghiệm từ + 0,02 % đến 2,79 %: k = f(Ih; vh; ) = 391,09 + 1,49872.Ih 25,728.vh + 9,89362. + 2 0,029908.(Ih.vh) 0,201775.(vh. ) 0,011217.(Ih. ) 0,003627.Ih + 2 2 1,00204.vh 0,049273. (4.1) 6) Đối với các cơ sở sản xuất khi không có điều kiện mua sắm thiết bị của hãng LINCOLN thì có thể sử dụng thiết bị hàn MAG kết hợp với đầu hàn, đồ gá kẹp được kế thừa từ nghiên cứu trước luận án vẫn đáp ứng được về công nghệ và chất lượng mối hàn NG-MAG cho phôi thép các bon CT38 tấm dày; 7) Kết quả của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo phục vụ đào tạo đại học, sau đại học và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ hàn tiên tiến. B. Kiến nghị 1) Tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm để mở rộng phạm vi điều chỉnh khe hở hẹp và góc vát mép tiến tới giá trị bằng 0 đối với vật liệu thép các bon tấm dày với kết cấu mối hàn kiểu chữ X không cân đối; 2) Thực nghiệm tiếp đối với các mác thép các bon cao; 3) Thực nghiệm tiếp đối với các mác thép hợp kim kết cấu. 24
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ [1]. Ngô Trọng Bính, Lê Thu Quý, Ngô Văn Dũng, Phạm Đăng Lộc (2015): Hàn khe hở hẹp nối các tấm thép có chiều dày lớn với mối ghép không vát mép bằng phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ, Kỷ yếu Hội nghị Toàn quốc về Cơ khí chế tạo lần thứ IV, Tập 1, tr. 121-129, ISBN: 978-604-73-3690-6; [2]. Ngô Trọng Bính, Hà Minh Hùng, Đào Duy Trung, Nguyễn Văn Đức: Nghiên cứu đặc tính mối hàn giáp mối với khe hở hẹp có vát mép bằng phương pháp hàn MAG, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số T12/2020, năm 2020, trang 15-22, ISSN 2615-9910; [3]. Hà Minh Hùng, Ngô Trọng Bính, Đào Duy Trung, Nguyễn Văn Đức: Nghiên cứu đặc tính tổ chức tế vi vật liệu mối hàn giáp mối thép các bon tấm dày có khe hở hẹp và góc vát mép nhỏ, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Vol. 58, No 1/2022, trang 65-69, P-ISSN 1859-3585, E-ISSN 2615-9619; [4]. Duong Vu, Minh Hung Ha, Binh Trong Ngo, Tat Tai Truong, Duc Nguyen Van: A study on Mechanical Properties of MAG Welding Joints of Steel Plates with Large Wall Thickness and Small Chamfer Angle, 5th International Conference on Coltril, Robotics and Informatics (ICCRI 2022), Danang City, Vietnam, April 2-4, 2022, [email protected]; [5]. Minh Hung Ha, Trong Binh Ngo, Duong Vu*: The Experimental Research on Mechanical Properties and Microstructural Characteristics of Narrow Gap SS400 Carbon Steel Thick Plates, 5th International Conference on Engineering and Research Application 22 (ICERA 2022), Thai Nguyen City, December,1-2, 2022, Q4, Code IP: 6295; [6]. Ngô Trọng Bính, Hà Minh Hùng*, Hoàng Tùng, Vũ Huy Lân: Phân tích xác định miền khảo sát hợp lý các thông số hàn khe hở hẹp NG-MAG thép các bon tấm dày CT.38 bằng phương pháp Anova, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, ISSN 2615-9910 (bản in), ISSN 2815-5505 (online), số 302, tháng 4 năm 2023, trang 161-169; [7]. Minh Hung Ha, Trong Binh Ngo, Quy Huy Trieu, Hoang Quan Nguyen*, Hung Bui Van: Matematical Modeling of the Mechanical Tensile Strength of the Thick Carbon Steel Plates Weld Cith The Narrow Gap and Variable Chemper Angles, 6th International Conference on Engineering and Research Application 23 (ICERA 2023), Thai Nguyen City, December,1-2, 2023, Q4, Code IP: 25