Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ hàn plasma đến chất lượng mối hàn thép không gỉ SUS 304 dạng tấm

Đ Ỗ H Ả I T ĨN H BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ ĐỖ HẢI TĨNH L U Ậ N Á N T IẾ N SĨ K Ỹ T H U Ậ T C Ơ K H Í NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ HÀN PLASMA ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN THÉP KHÔNG GỈ SUS 304 DẠNG TẤM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ HÀ NỘI - 2023 BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ ĐỖ HẢI TĨNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ HÀN PLASMA ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN THÉP KHÔNG GỈ SUS 304 DẠNG TẤM LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 Xác nhận của Viện Nghiên cứu Cơ khí PGS.TS Lê Thu Quý Người hướng dẫn 1 (Ký, ghi rõ họ tên) PGS.TS Đào Duy Trung Người hướng dẫn 2 (Ký, ghi rõ họ tên) PGS.TS Lê Thu Quý HÀ NỘI - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa có tác giả/nhóm tác giả khác nghiên cứu công bố. Một số kết quả nghiên cứu đã công bố trong các bài báo và báo cáo khoa học đều được sự đồng ý của đồng tác giả cho phép đưa vào nội dung luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh NCS. Đỗ Hải Tĩnh LỜI CẢM ƠN Tác giả trân trọng cảm ơn lãnh đạo Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ Công Thương); Trung tâm Đào tạo (Viện Nghiên cứu Cơ khí); lãnh đạo Trung tâm chuyển giao công nghệ Việt - Đức (Tổng cục Tiêu chuẩn, Đo lường và Chất lượng, Bộ Khoa học và Công nghệ); Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt; Công ty Cổ phần Eresson Việt Nam và các phòng thí nghiệm chuyên ngành đã tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm nghiên cứu hoàn thành các chỉ tiêu đánh giá chất lượng mối hàn plasma thép không gỉ SUS 304 của luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn tập thể người hướng dẫn khoa học là PGS.TS. Đào Duy Trung và PGS.TS. Lê Thu Quý đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện, động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn cá nhân các nhà khoa học tại Trung tâm Đào tạo đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ, tư vấn khoa học cho nghiên cứu sinh trong suốt thời gian nghiên cứu của mình để hoàn thành bản luận án này. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình đã luôn động viên, chia sẻ những khó khăn và là nguồn động lực to lớn giúp tác giả vượt qua khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả luận án NCS. Đỗ Hải Tĩnh MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT .................................... i DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... ii DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... ix MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết ...................................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................... 2 3. Đối tượng, phạm vi, giới hạn nội dung nghiên cứu ......................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................... 3 5.1. Ý nghĩa khoa học ..................................................................................... 3 5.2. Ý nghĩa thực tiễn ..................................................................................... 3 6. Kết cấu của luận án ............................................................................................ 3 7. Đóng góp mới trong lĩnh vực khoa học chuyên ngành ................................... 4 Chương 1. TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN PLASMA ....... 5 1.1.1 Sơ lược về lịch sử ngành hàn ............................................................. 5 1.1.2 Phân loại các phương pháp hàn ........................................................ 6 1.2. Tổng quan về công nghệ hàn plasma ........................................................... 12 1.2.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng ở ngoài nước ............................. 12 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam.................................................. 16 1.3. Cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn plasma ................................................... 18 1.3.1 Khái niệm cơ bản về hàn plasma .................................................... 18 1.3.2. Nguyên lý hàn hồ quang plasma .................................................... 19 1.3.3. Các phương pháp hàn hồ quang plasma ....................................... 21 1.3.4. Các ưu điểm và nhược điểm của PAW .......................................... 26 1.4. Xác định nội dung nghiên cứu của luận án ................................................. 35 Kết luận Chương 1 ............................................................................................... 36 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................................................... 38 2.1. Vật liệu thí nghiệm ........................................................................................ 38 2.1.1. Lựa chọn vật liệu, kích thước phôi hàn plasma và dây hàn ......... 38 2.1.2. Lựa chọn kết cấu mối hàn plasma và cách gá lắp ......................... 40 2.2. Thiết bị và phương pháp thí nghiệm ........................................................... 41 2.2.1. Thiết bị hàn plasma ........................................................................ 41 2.2.2. Lựa chọn chế độ hàn plasma cho các bước thí nghiệm ................. 41 2.2.3. Thiết bị kiểm tra đánh giá chất lượng hàn .................................... 42 2.2.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ........................................... 44 2.2.4.1. Chuẩn bị vật liệu và thiết bị hàn plasma .................................... 44 2.2.4.2. Kiểm tra khả năng thiết bị hàn plasma đáp ứng yêu cầu thí nghiệm ................................................................................................................... 46 2.2.4.3. Hàn đính kết cấu theo đường hàn plasma .................................. 46 2.2.4.4. Thí nghiệm hàn plasma theo các chế độ định hướng công nghệ 46 2.3. Phương pháp tính toán xây dựng hàm mục tiêu chất lượng mối hàn plasma thép SUS 304 ......................................................................................................... 52 2.3.1. Cơ sở để xây dựng mô hình toán học dự báo đặc tính bền mối hàn ................................................................................................................... 52 2.3.2. Phương pháp lập ma trận thực nghiệm trực giao 3 mức 3 yếu tố 33 ................................................................................................................... 53 2.3.2.1. Đặt vấn đề .................................................................................... 53 2.3.2.2. Cơ sở lý thuyết lập ma trận thực nghiệm trực giao 3 mức 3 yếu tố 33 ................................................................................................................ 54 Kết luận Chương 2 ............................................................................................... 57 Chương 3. NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH MỐI HÀN PLASMA THÉP SUS 304 ......................................................................................................................... 59 3.1. Đánh giá ngoại dạng ...................................................................................... 59 3.1.1. Hình thái bề mặt và kích thước hình học mối hàn ........................ 59 3.1.2. Biến dạng kết cấu mối hàn ............................................................. 67 3.2. Đặc tính cơ - lý vật liệu mối hàn .................................................................. 70 3.3. Đặc tính kim tương học vật liệu mối hàn .................................................... 82 3.3.1. Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt ................................................. 82 3.3.2. Kích thước hình học mối hàn ......................................................... 83 3.3.3. Tổ chức tế vi các vùng cấu trúc đặc trưng vật liệu mối hàn ......... 85 3.4. Độ cứng tế vi các vùng cấu trúc đặc trưng mối hàn................................... 92 3.5. Phân tích SEM và EDX mối hàn .................................................................. 99 Kết luận Chương 3 ............................................................................................. 103 Chương 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐẶC TÍNH BỀN VẬT LIỆU MỐI HÀN PLASMA THÉP SUS 304 .................................................................................. 104 4.1. Ảnh hưởng độc lập của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn plasma ..... 104 4.1.1. Độ bền kéo ..................................................................................... 104 4.1.2. Giới hạn chảy ................................................................................ 107 4.1.3. Độ giãn dài tương đối ................................................................... 109 4.2. Nghiên cứu đặc tính cơ – lý liên kết hàn plasma theo ma trận trực giao 3 mức 3 yếu tố 33 .................................................................................................... 115 4.2.1. Kết quả thực nghiệm theo quy hoạch N27 ................................... 115 4.2.2. Thảo luận khoa học về kết quả thực nghiệm mô phỏng ............. 119 4.2.2.1. Ảnh hưởng của chế độ hàn đến độ bền kéo .............................. 119 4.2.2.2. Ảnh hưởng của chế độ hàn đến giới hạn chảy .......................... 124 4.2.2.3. Ảnh hưởng của chế độ hàn đến độ giãn dài tương đối ............. 125 4.3. Mô hình dự báo đặc tính bền vật liệu mối hàn plasma thép SUS 304 .... 127 4.3.1. Mô hình dự báo độ bền kéo theo quy hoạch trực giao 3 mức 3 yếu tố 33 ......................................................................................................... 127 4.3.2. Mô hình dự báo giới hạn chảy theo quy hoạch trực giao 3 mức 3 yếu tố 33 ......................................................................................................... 130 4.3.3. Mô hình dự báo độ giãn dài tương đối theo quy hoạch trực giao 3 mức 3 yếu tố 33........................................................................................ 133 Kết luận Chương 4 ............................................................................................. 136 KẾT LUẬN CHUNG ......................................................................................... 137 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................................................ 138 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .......................... 139 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................... 140 i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT Hàn khí hoạt tính điện cực kim loại (Gas metal active welding) GMAW Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ TIG Hàn que (Shielded Metal Arc Welding) SMAW Hàn plasma (Plasma welding) PAW Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ với điện cực không nóng chảy (Gas Tungsten Arc Welding) GTAW Hàn microplasma (Microplasma welding) MPA Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone) HAZ Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ TIG Quy hoạch thực nghiệm QHTN Chiều dày tấm thép hàn, mm t Cường độ dòng plasma mức trên, A Ih Cường độ dòng plasma mức dưới, A Ib Tốc độ hàn, cm/ph Vh Tốc độ cấp dây hàn, cm/ph vcd Lưu lượng cấp khí gas, lít/phút G Điện áp hàn, V U Đường kính dây hàn, mm d Chiều cao phía trên mối hàn plasma, mm hT Chiều rộng phía trên mối hàn plasma, mm bT Chiều cao phía dưới mối hàn plasma, mm hD Chiều rộng phía dưới mối hàn plasma, mm bo Độ uốn cong trung bình của liên kết hàn plasma do ảnh hưởng nhiệt hàn, mm ft.b Độ bền kéo liên kết hàn plasma thép SUS 304, MPa ơki Độ cứng tế vi vật liệu liên kết hàn plasma thép SUS 304 HV0,2 Giới hạn chảy vật liệu liên kết hàn plasma thép SUS 304, MPa ơsi Độ giãn dài tương đối vật liệu liên kết hàn plasma thép SUS 304, % ơLi Thí nghiệm sàng lọc định hướng công nghệ ở đợt 1 TNĐ1 Thí nghiệm ở đợt 2 TNĐ2 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị hàn GMAW ................................................. 7 Hình 1.2 Đồ thị biểu diễn sự gia tăng xung tần số trong quá trình giảm làm nguội của vùng HAZ liền sát nhau đến đường nóng chảy của hợp kim nhôm theo Ghost và các tác giả, 1994 [16] ................................................................................................................... 8 Hình 1.3 Cấu tạo hệ thống thiết bị hàn FCAW (a); sự hình thành mối hàn chìm khi sử dụng thuốc trợ dung hàn bazơ (b);Mô tả quá trình sản xuất dây hàn lõi thuốc (c) [106] 8 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ TIG (GTAW) [106] .................................................... 9 Hình 1.5 So sánh quá trình hàn TIG (a) kết hợp với hàn plasma (b) và Hình ảnh dòng plasma hàn lỗ khóa (c) [106] ............................................................................................ 9 Hình 1.6 So sánh phân bổ nhiệt của hàn TIG với plasma: kích hoạt plasma: 40 CFH Ar, 200 A, 15 V; Xung plasma ổn định (kích thước 3/16 inch) ............................................. 9 Hình 1.7 Đồ thị mối tương quan giữa năng suất hàn với chiều dày phôi hàn khi hàn TIG và hàn plasma ........................................................................................................... 9 Hình 1.8 Sự phụ thuộc của nhiệt độ vào bán kính bề mặt vũng hàn khi có và không dùng chất trợ dung (a); tương quan giữa sức căng bề mặt và mật độ lớp đắp khi hàn thép không gỉ SUS 304 có trợ dung TiO2 (b); tương quan giữa độ ngấu sâu và mật độ lớp đắp của trợ dung TiO2 theo Tanaka, 2000 và sơ đồ nguyên lý mô tả mô hình hàn thu hẹp nhờ hoạt tính của chất trợ dung (d) [106] .......................................................... 10 Hình 1.9 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cảm ứng điện từ vào nhiệt độ của Ác-gông Ar trong khoảng 3000 ÷ 30 000 K (a); Sơ đồ vị trí hàn được khảo sát (b) và nguyên lý mô tả sự thay đổi điện áp, trường điện từ và mật độ lớp đắp (c) [106].......................... 11 Hình 1.10 Nguyên lý hàn hồ quang plasma (a) và mở rộng khu vực hàn lỗ khóa (b) ... 20 Hình 1.11 Lưu lượng khí tạo plasma tiêu biểu ............................................................... 21 Hình 1.12 Ảnh đầu hàn plasma (a); các dạng linh kiện đầu hàn plasma (b) [106] ........ 25 Hình 1.13 Hình ảnh nguồn hàn (a), Bảng cài đặt điều khiển quá trình hàn plasma (b) và đồ gá hàn (c) trong hệ thống thiết bị hàn plasma LINCOLN C3 MATIC 32-33 ........... 25 Hình 1.14 So sánh hàn hồ quang khí điện cực không nóng chảy (tungsten) (a) so với hàn plasma thép không gỉ SUS 304 tấm dày 13 mm (b) và hàn lỗ khóa (c) ................. 26 Hình 1.15 Ảnh mô tả hàn plasma nối ống (a) và hình dạng dòng plasma (b) .............. 26 Hình 1.16 Ảnh hàn micro plasma 15  200 A, ứng dụng trong công nghiệp ............... 26 Hình 1.17 Sơ đồ kết cấu góc vát mép 75O, 60O khi hàn TIG và hàn plasma ................ 27 Hình 1.18 Ba dạng kết cấu hàn SMAW, TIG, PAW với cường độ dòng plasma trung bình 15  200 A ............................................................................................................. 27 Hình 1.19 Nguyên lý điều chỉnh dòng hàn plasma mức trên 100 A ............................. 27 iii Hình 1.20 Nguyên lý khởi động dòng plasma với điện cực âm .................................... 27 Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý hàn plasma có dịch chuyển (a) và không dịch chuyển (b) vật liệu hàn .................................................................................................................... 28 Hình 1.22 Nguyên lý điều chỉnh khí gas Ar (a), plasma (b) và Ar tinh chất ................ 28 Hình 1.23 Đồ thị và biểu đồ mô tả tính khả dụng và hiệu quả của công nghệ tiên tiến hàn plasma ..................................................................................................................... 28 Hình 1.24 Biểu đồ năng lượng khi hàn plasma bằng giải pháp công nghệ tiên tiến ..... 28 Hình 1.25 Các thông số quá trình hàn plasma: cường độ dòng plasma AC, DCEN, xung; điện áp; tốc độ hàn; khí ga; đường kính lỗ thoát đầu phun; dây hàn;đường kính, thành phần, thời gian trước xung, tầm với điện cực, hình dạng hình học của dòng plasma [106] ................................................................................................................... 29 Hình 1.26 Cường độ dòng plasma AC khi hàn nhôm, hợp kim nhôm, magiê, hợp kim magiê (a) và DC khi hàn thép, hợp kim HSLA, thép không gỉ, đồng, hợp kim đồng, titan, niobi (b) [106] ....................................................................................................... 29 Hình 1.27 Cường độ dòng plasma AC khi khi hàn vật liệu nhôm ở nhiệt độ T1 =600OC vì lớp Al2O3 nóng chảy ở nhiệt độ T2=2100OC [106] .................................................... 29 Hình 1.28 Cường độ dòng plasma khi hàn AC vật liệu nhôm ở các giai đoạn DCEN (a); AC (b) và DCEP (c) [106] ....................................................................................... 29 Hình 1.29 Các dạng tín hiệu dòng plasma khi hàn AC (50-60 Hz): a) sơ đồ dao động bình thường liên quan đến gia tăng của tần số; b) ba dạng sóng AC khác nhau khi biểu thị với điều kiện cân bằng thời gian và vận hành dòng điện xoay chiều 2000 A [106] . 30 Hình 1.30 Điều chỉnh cân bằng cường độ dòng plasma theo tín hiệu dạng sóng khi hàn AC [106] ......................................................................................................................... 30 Hình 1.31 Dạng tín hiệu xung dòng plasma tính theo công thức lý thuyết Im = (Iptp + Ibtb)/(tp + tb) (a) và trên thực tế (b) [106] ........................................................................ 30 Hình 1.32 Điều kiện so sánh tín hiệu cường độ xung dòng plasma và mức năng lượng so với hàn truyền thống [106] ........................................................................................ 30 Hình 1.33 Ứng dụng công nghệ hàn plasma bằng kim loại bù [106] ............................ 31 Hình 1.34 Sơ đồ nghiên cứu hình dạng mối hàn plasma/micro plasma [81], [82] ........ 32 Hình 1.35 Ảnh tổ chức thô đại mối hàn plasma [81], [82] ............................................ 32 Hình 1.36 Đồ thị 2D biểu diễn mối tương quan giữa số liệu thí nghiệm và tính toán [82]: a) Chiều rộng phía trên mối hàn; b) Chiều rộng phía dưới mối hàn; c) Chiều cao phía trên mối hàn; d) Chiều cao phía dưới mối hàn ....................................................... 32 Hình 1.37 Đồ thị 2D biểu diễn sự phụ thuộc của chiều rộng mặt trên mối hàn plasma vào cường độ dòng plasma (a); cường độ dòng ngược (b); Tần suất xung plasma (c) và hiệu suất xung (d) [82] ................................................................................................... 33 iv Hình 1.38 Đồ thị 2D biểu diễn sự phụ thuộc của chiều rộng mặt dưới mối hàn plasma vào cường độ dòng plasma mức trên (a); cường độ dòng plasma ngược (b); Tần suất xung plasma (c) và hiệu suất xung plasma (d) [82] ....................................................... 33 Hình 1.39 Đồ thị 2D biểu diễn sự phụ thuộc của chiều cao mặt dưới mối hàn plasma vào cường độ dòng plasma mức trên (a), cường độ dòng plasma ngược (b), Tần suất xung plasma (c) và hiệu suất xung plasma (d) [82] ........