Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quá trình hàn MAG liên kết giáp mối khe hở hẹp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:187

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu quá trình hàn MAG liên kết giáp mối khe hở hẹp" được hoàn thành với mục tiêu nhằm nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng mối quan hệ giữa một số thông số công nghệ chủ yếu đến chất lượng mối hàn giáp mối NG-MAG đối với thép tấm dày với góc vát mép nhỏ trong quy mô phòng thí nghiệm chuyên ngành.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu quá trình hàn MAG liên kết giáp mối khe hở hẹp

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2023
MỤC LỤC Trang MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG BIỂU xviii MỞ ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÀN KHE 5 HỞ HẸP 1.1. Khái niệm, phân loại, ưu điểm của công nghệ hàn khe hở hẹp 5 1.1.1. Khái niệm hàn NGW 5 1.1.2. Phân loại hàn NGW 5 1.1.3. Ưu điểm của NGW 6 1.2. Tổng quan về nghiên cứu, phát triển, ứng dụng hàn khe hở hẹp ở nước ngoài 7 1.2.1. Tổng quan về công nghệ hàn khe hở hẹp 7 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng hàn khe hở hẹp ở nước ngoài 13 1.3. Tình hình nghiên cứu công nghệ hàn khe hở hẹp ở trong nước 25 1.4. Cơ sở lý thuyết hàn khe hở hẹp NG-GMAW 27 1.4.1. Một số vấn đề cơ bản 27 1.4.2. Phương pháp đánh giá chất lượng mối hàn GMAW ở nước ngoài 35 1.5. Nội dung nghiên cứu của luận án 39 Kết luận chương 1 41 Chương 2. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG 42 PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu thí nghiệm 42 2.1.1. Lựa chọn kích thước phôi hàn khe hở hẹp NG-MAG 42 2.1.2. Lựa chọn kết cấu mẫu hàn NG-MAG 42 2.2. Thiết bị thí nghiệm 44 2.2.1. Thiết bị thí nghiệm tại Viện Nghiên cứu Cơ khí 44 2.2.2. Thiết bị hàn tiên tiến LINCOLN tại Công ty CP TMDV Hai Tốt 47 2.2.3. Thiết bị kiểm tra đánh giá chất lượng mối hàn 49 iii
2.3. Phương pháp nghiên cứu th ực nghiệm 49 2.3.1. Chuẩn bị vật liệu hàn và thiết bị thí nghiệm 50 2.3.2. Kiểm tra khả năng đáp ứng các điều kiện quy hoạch thực nghiệm 52 2.3.3. Hàn đính kết cấu với khe hở hẹp và góc vát mép cho trước (NG- 52 MAG) 2.3.4. Gá kẹp phôi hàn NG-MAG 52 2.3.5. Tiến hành hàn NG-MAG theo các chế độ thí nghiệm định hướng 52 công nghệ 2.3.6. Kiểm tra chất lượng mối hàn NG-MAG trên mẫu định hướng 53 công nghệ 2.3.7. Tiến hành thí nghiệm NG-MAG theo quy hoạch toàn phần N27 56 2.3.8. Kiểm tra chất lượng mối hàn NG-MAG theo quy hoạch toàn phần 56 N27 2.3.9. Xây dựng mô hình toán học độ bền kéo mối hàn NG-MAG 56 2.4. Phương pháp xây dựng mô hình toán độ bền kéo mối hàn NG-MAG 57 2.4.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình toán học 57 2.4.2. Áp dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao kiểu N27 cho luận án 58 Kết luận chương 2 64 Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỊNH HƯỚNG 65 CÔNG NGHỆ 3.1. Mô tả thí nghiệm định hướng công nghệ ở bước 1 65 3.2. Thảo luận về kết quả thí nghiệm ở bước 1 67 3.2.1. Hình thái bề mặt mối hàn 67 3.2.2. Độ cứng tế vi vật liệu mối hàn 68 3.2.3. Tổ chức tế vi kim loại mối hàn 71 3.3. Thí nghiệm hiệu chỉnh công nghệ ở bước 2 75 3.3.1. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 75 3.3.2. Thảo luận về kết quả thí nghiệm ở bước 2 76 3.3.2.1. Quy ước các vị trí khảo sát cơ tính và phân tích tổ chức tế vi mối hàn 76 3.3.2.2. Bàn luận về đặc điểm tổ chức tế vi kim loại mối hàn NG-MAG 78 3.3.2.3. Bàn luận về đặc tính thay đổi độ cứng tế vi mối hàn NG-MAG 84 iv
3.4. Ảnh hưởng của chế độ hàn đến độ bền kéo mối hàn NG-MAG 91 3.5. Khuyết tật điển hình trong mối hàn NG-MAG 97 3.5.1. Khuyết tật hàn không ngấu hoặc ngậm tạp chất 97 3.5.2. Khuyết tật dạng nứt theo biên giới kim loại mối hàn và kim loại cơ bản 98 3.6. Kết quả phân tích ANOVA nhóm mẫu thí nghiệm định hướng công 99 nghệ 3.7. Tổng hợp các kết quả khoa học nghiên cứu định hướng công nghệ 106 ở bước 1 Kết luận chương 3 109 Chương 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘ BỀN KÉO 110 LIÊN KẾT HÀN MAG KHE HỞ HẸP 4.1. Kết quả thí nghiệm theo ma trận trực giao N27 110 4.2. Tính toán xây dựng mô hình toán học hàm mục tiêu độ bền kéo mối hàn 116 NG-MAG Kết luận chương 4 121 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 PHỤ LỤC 131 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa NGW - Hàn khe hở hẹp GMAW-NG - Hàn hồ quang khe hở hẹp với khí bảo vệ SAW-NG - Hàn hồ quang tự động khe hở hẹp dưới lớp thuốc hàn GTAW - Hàn hồ quang khí bảo vệ với điện cực vônphram FCAW - Hàn hồ quang với dây hàn lõi bột HAZ - Vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ p - Vùng ảnh hưởng nhiệt phía bên phải HAZt - Vùng ảnh hưởng nhiệt phía bên trái BGH - Biên giới giữa vùng kim loại hàn với vùng HAZ BGH p - Biên giới giữa vùng kim loại hàn với vùng HAZp phía bên phải BGH t - Biên giới giữa vùng kim loại hàn với vùng HAZt phía bên trái KLCB - Kim loại cơ bản KLCBp - Kim loại cơ bản ph ía bên phải KLCBt - Kim loại cơ bản ph ía bên trái QHTN - Quy hoạch thực nghiệm Ih - Cường độ dòng điện hàn, A vh - Tốc độ hàn, m/h (mm/ph) k - Độ bền kéo liên kết hàn (mối hàn), MPa HV0,2 - Độ cứng tế vi vật liệu mối hàn (đo ở thang tải trọng nhỏ) Uh - Điện áp hàn, V nn - Tốc độ quay đầu hàn, vg/ph Th - Thời gian hàn, s hmax - Chiều cao lớn nhất của mối hàn, mm bo - Khe hở hàn ban đầu ở phần đáy mối hàn, mm d - Đường kính dây hàn, mm vi
σs - Giới hạn chảy vật liệu hàn, MPa  - Góc vát mép, O  - Chiều dày tấm phôi thép hàn, mm G - Lưu lượng cấp khí bảo vệ, lit/phút Ftt - Hệ số Fisher tính toán Fbg - Hệ số Fisher tra bảng vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Ảnh cụm cấp dây hàn và khí bảo vệ với nguồn hàn MIG/MAG 7 dùng cho hàn khe hở hẹp [4] Hình 1.2. Ảnh minh họa đầu hàn khe hở hẹp [4] 7 Hình 1.3. Nguyên lý của quá trình hàn dây nóng TIG theo Katsuyosh và 14 đồng nghiệp được trích dẫn trong [22] Hình 1.4. Bộ nguồn / bộ điều khiển model 415 được sử dụng trong hệ thống 14 với nguồn điện dây nóng chảy 501 và mỏ hàn model 2 để hàn (a); đầu hàn tiêu chuẩn với dây nóng được thiết lập trên mô hình (b) [22] Hình 1.5. Loại khí hàn có ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn: Hình dạng mối 15 hàn thực hiện với 100% He và 75% Ar + 25% He (a); Hình dạng tiết diện ngang mối hàn với hỗn hợp 3/4 He + 1/4 Ar có bổ sung 1% và 5% H 2 theo khuyến cáo cho phép của hãng Arc Applications, Inc. (b) [22] Hình 1.6. Ảnh hưởng của khí bảo vệ đối với hình dạng bề mặt lớp hàn bằng 15 hợp kim niken của Babcock & Wilcox [22] Hình 1.7. Hình ảnh thô đại các mối hàn bằng kỹ thuật 1 lớp mỗi lượt hàn ở 15 vị trí 5G được thực hiện với đầu hàn khe hẹp [22] Hình 1.8. Ảnh bộ nguồn hàn dây nóng chảy (a) và bộ điều khiển model 415 16 quá trình hàn GTAW (b) [22] Hình 1.9. Ảnh cụm đầu hàn khe hẹp cho khe hở 12 inch (a); Đầu hàn 12 16 inch tron g mô hình mô phỏng khe hở hẹp (b) [22] Hình 1.10. Ảnh ứng dụng giám sát trực tuyến hàn khe hẹp hiển thị trên AMI 17 model 415 DV (a); Cận cảnh hình ảnh từ camera ở các vùng đầu và cuối của vũng hàn (b) [22] Hình 1.11. Hàn điện cực nóng chảy tự động GTAW với đầu dò giám sát quá 17 trình hàn trong khe hở hẹp [22] Hình 1.12. Hàn điện cực nóng chảy GTAW ứng dụng cho một sản phẩm của 17 lò hạt nhân nặng Babcock và Wilcox [22] Hình 1.13. Hình ảnh một trong sản phẩm lò hạt nhân do Babcock & Wilcox 18 [22]  [25] viii
Hình 1.14. Hình ảnh bộ phận lò hạt nhân Babcock & Wilcox chế tạo bằng công 18 nghệ điện cực nóng chảy GTAW [22]  [25] Hình 1.15. Hình ảnh đầu hàn khe hẹp gắn trên máy hàn Inc trong hệ thống tự 18 động hóa cố định model 2 với định vị từ xa, camera dẫn và theo dõi độ nghiêng đầu hàn từ xa [22]  [25] Hình 1.16. Hình ảnh kết cấu cơ khí trong ngành năng lượng hạt nhân hạng nặng 18 của hãng Babcock & Wilcox (Mỹ) [22]  [25] Hình 1.17. Các sơ đồ nguyên lý hàn khe hở hẹp khác nhau [32]: a) Đầu hàn 19 TIG khe hở hẹp (bên trái) và đầu hàn TIG khe hở hẹp cho tấm mỏng;b) Hàn MIG/MAG với khe hở hẹp, 2 đầu hàn lắc ngang (trái), 1 đầu hàn quay vòng (giữa) và đầu hàn vừa lắc ngang vừa quay (phải); c) Hàn MIG/MAG với 3 phương án chuyển động phức tạp của đầu hàn; d) Hàn khe hở hẹp với dây hàn bị biến đổi xoắn quanh trục Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lý của một đầu hàn với nhiều dây điện cực [32]: 1 - 20 Cuộn dây; 2 - Cơ cấu nắn thẳng; 3 - Hệ thống cấp dây; 4 - Ống tiếp xúc; 5 - Nguồn điện; 6 - Phôi hàn Hình 1.19. Nguyên lý kết cấu đầu hàn khe hẹp với điện cực 2 dây [32]: 1 - 20 Đệm 1; 2, 3 - Ống đệm hỗ trợ phần dưới khe hở hẹp; 4 - Lắng đọng kim loại lỏng mối của hàn; 5, 6 -Khoang hàn; 7 - Xỉ hàn; 8 - Tấm đế; 9 - Phôi hàn; 10 - Chụp khí bảo vệ; 11 Dây hàn Hình 1.20. Ảnh thô đại mặt cắt ngang mối hàn khe hở hẹp [30] 20 Hình 1.21. Ống tiếp xúc để hàn hồ quang chìm khe hở hẹp với điện cực 2 dây 20 [32]: 1 - Cấu trúc hỗ trợ ống; 2 - Ống tiếp xúc; 3 - Vòi dẫn hướng dây; 4 - Dây hàn; 5 - Vít; 6, 7 - Phôi hàn; 8 - Tấm lót Hình 1.22. Nguyên lý hàn hồ quang chìm khe hẹp với điện cực 3 dây [32]: 1 - 20 Cấu trúc ống hỗ trợ, 2 - Ống tiếp xúc, 3 - Vòi dẫn hướng dây; 4 - Dây hàn; 5 - Vít; 6,7 - Phôi hàn; 8 – Tấm đế; 9 - Ống cách điện Hình 1.23. Nguyên lý hàn MAG khe hở hẹp [25]: a) Đường hàn zíc zắc: 1 - 21 Cuộn dây hàn; 2 - Con lăn truyền động; 3- Cơ chế nắn và dẫn động dây hàn; 4 - Vùng che chắn bằng khí bảo vệ; 5 - Ống dẫn hướng dây và ống dẫn khí bảo vệ; 6 - Tiếp mát; b) Đường hàn dạng sóng: 1 - Cơ cấu cấp dây hàn; 2 - Cuộn dây hàn; 3- Cơ cấu nắn và dẫn hướng dây hàn; 4 - Khí bảo vệ; 5 - Ống dẫn hướng dây và ống dẫn khí bảo vệ; 6 - Tiếp mát Hình 1.24. Hình ảnh mô tả các dạng đầu dây điện cực hàn và kết quả mối hàn 21 nhận được tương ứng [20] ix
Hình 1.25. Ảnh cụm đầu hàn của máy hàn quay nối ống đường kính lớn (a); sơ đồ 22 nguyên lý hàn quay GTAW (b); nguyên lý hàn TIG phía trong kết hợp hàn MAG phía ngoài đường ống với khe hở hẹp (c) [20] Hình 1.26. Ảnh đầu hàn lai ghép để hàn đính chân và hàn nóng chảy điền đầy 22 khe hở hẹp (a); sơ đồ hệ thống thiết bị hàn với đầu hàn tự động (b) [20] Hình 1.27. Nguyên lý hàn lai ghép laser với laser beam (a) và ảnh tổ chức thô đại 22 minh họa về đặc tính mối hàn lai ghép (b) [39] Hình 1.28. Ảnh cụm đầu hàn SAW kết cấu 2 dây hàn [32] 23 Hình 1.29. Sơ đồ quỹ đạo đường đi của đầu hàn quay trong quá trình hàn khe 23 hở hẹp [23], [45] Hình 1.30. Nguyên lý hàn khe hở hẹp với nhiều lớp hàn (a); mối hàn giáp mối 24 ống thép với khe hở hẹp (b) [20] Hình 1.31. Hình 1.31. Sơ đồ nguyên lý hàn giáp mối với khe hở hẹp bằng 24 phương pháp hàn TIG (GTAW) [22], [25] Hình 1.32. Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy (GMAW) 24 [23] Hình 1.33. Ảnh thiết bị hàn MAG [4] 24 Hình 1.34. Nguyên lý cấu tạo mỏ hàn MAG dùng cho thí nghiệm [4] 24 Hình 1.35. Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang khí bảo vệ – Tungsten (TIG) [14], [25] 25 Hình 1.36. Các dạng phân cực khác nhau (a, b, c) và tác động làm sạch bề 25 mặt trong GTAW với DC điện cực dương (d) [16], [25] Hình 1.37. Sơ đồ hệ thống thiết bị hàn GMAW [21]: 1 - Cụm dây hàn; 2 - Con 27 lăn định hướng cấp dây hàn; 3- Cụm ống dẫn linh hoạt; 4 - Ống bọc; 5 - Súng hàn; 6 - Nguồn hàn Hình 1.38. Biểu đồ đường đặc tính điện áp – cường độ dòng điện hàn GMAW 27 [21] Hình 1.39. Sơ đồ mô phỏng trường nhiệt độ hàn MAG vật liệu nhôm 250A ở 28 điều kiện không che chắn dòng hồ quang hàn [21] Hình 1.40. Sơ đồ biểu diễn điện áp hồ quang hàn MAG (U ) giữa điện cực hàn 28 và vật liệu hàn [21] Hình 1.41. Sơ đồ nguyên lý quan hệ nhiệt độ - thời gian tại 3 điểm cục bộ dọc 28 hướng truyền nhiệt trong vật liệu hàn của quá trình hàn thép 1018 theo tiêu chuẩn của Mỹ [21] Hình 1.42. Cơ chế dịch chuyển vật liệu hàn trong quá trình hàn [21] 28 x
Hình 1.43. Đồ thị quan hệ giữa cường độ dòng điện hàn với tốc độ luồng 28 plasma100 m/s khi hàn thép [21] Hình 1.44. Sơ đồ mô tả trường nhiệt độ, cường độ dòng điện hàn và tiêu điểm 29 chùm khí bảo vệ [21] Hình 1.45. Biểu đồ phân loại các dạng hàn và phạm vi điều chỉnh khi sử dụng 29 dây hàn 1,2 mm và khí bảo vệ Ar [21] Hình 1.46. Đồ thị sự thay đổi chiều sâu ngấu kim loại hàn phụ thuộc vào 29 cường độ dòng điện hàn với điện áp hàn khác nhau ở tốc độ 80 cm/phút [21] Hình 1.47. Sơ đồ đặc tính chiều sâu ngấu của quá trình hàn DCEP và DCEN [21] 29 Hình 1.48. Đồ thị quan hệ giữa chiều rộng (a); chiều cao (b) và chiều sâu 29 ngấu (c) của quá trình hàn cực âm (EN) tỷ lệ với cường độ dòng điện hàn khác nhau [21] Hình 1.49. Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của mức độ xâm nhập kim loại vào mối 30 hàn vào điện áp hàn và cường độ dòng điện hàn khác nhau ở tốc độ hàn 80 cm/ph [21] Hình 1.50. Đồ thị biểu thị quan hệ giữa dòng điện hàn xung dạng sóng phụ 30 thuộc vào thời gian kích hoạt thay đổi ở mức cao (H) và mức thấp (L) [21] Hình 1.51. Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của sự xâm nhập kim loại hàn vào tốc 30 độ hàn ở điện áp 22 V và cường độ dòng điện hàn khác nhau [21] Hình 1.52. Sơ đồ nguyên lý khoảng cách tiếp xúc bắt đầu quá trình hàn 30 (CTWD) [21] Hình 1.53. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng bồi đắp kim loại hàn (M) vào cường độ dòng điện hàn (Ih) ở các khoảng cách đầu hàn L 30 khác nhau (đường kính dây hàn d = 1,6 mm) [21] Hình 1.54. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tính dẫn điện khí bảo vệ ở áp 30 suất 1 atm với nhiệt độ đạt được [21] Hình 1.55. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tính chất dẫn nhiệt khí bảo vệ ở 31 áp suất 1 atm với nhiệt độ đạt được [21] Hình 1.56. Biểu đồ xâm nhập kim loại hàn khi hàn với di chuyển chu kỳ ngắn 31 (SC) và phun (S) trong hỗn hợp khí bảo vệ khác nhau [21] Hình 1.57. Đồ thị biểu thị hiệu quả sự thay đổi của khí bảo vệ khi hàn khuếch 31 tán [21] xi
Hình 1.58. Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của lượng bồi kim loại trên mối hàn 31 (M) vào cường độ dòng điện hàn (I) khi hàn với dây hàn 1 ,2 mm và 1,6 mm [21] Hình 1.59. Biểu đồ năng lượng Charpy với mẫu thử kiểu chữ V vật liệu mối 31 hàn nhận được với các chế độ cấp khí bảo vệ khác nhau ở nhiệt độ − 20OC [21] Hình 1.60. Sơ đồ nguyên lý hệ thống kỹ thuật số giám sát kiểm tra quá trình 31 hàn của máy hàn [21] Hình 1.61. Sơ đồ mô tả cài đặt chế độ U, I khi hàn nóng (a) và hàn nguội (b) 32 trong đó t là thời gian [21] Hình 1.62. Biểu đồ quan hệ giữa năng lượng hàn (Wfs), cường độ dòng điện 32 hàn (I s) và điện áp hàn (U s) xung dạng sóng v ới chu k ỳ theo thời gian hàn (T) [21] Hình 1.63. Biểu đồ mô tả tiến trình hàn cực dương (EP) và hàn cực âm (EN) 32 theo chu kỳ [21] Hình 1.64. Đồ thị biểu thị quan hệ giữa tín hiệu đầu vào tính toán đến tín hiệu 32 thực tế quá trình hàn P-GMAW [21] Hình 1.65. Sơ đồ mô tả cường độ sóng quá trình hàn đã biết (WiseRooi) kết hợp 32 với hàn theo chu kỳ ngắn [21] Hình 1.66. Sơ đồ mô tả khoảng cách giữa đầu mỏ hàn với bề mặt phôi hàn 33 (tầm với của điện cực hàn) thay đổi phụ thuộc vào cường độḍòng điện hàn [21]: a) Dài; b) Bình thường; c) Ngắn Hình 1.67. Sơ đồ mô tả sự phụ thuộc của xung cường độ dòng điện hàn (I) 33 vào thời gian hàn (T) [21] Hình 1.68. Ảnh mẫu thí nghiệm sau khi hàn c ủa tác giả công trình [21]: sự 36 xuất hiện liên tục liên kết mối hàn chu kỳ ngắn khác nhau (sử dụng Wise FusionTM ) Hình 1.69. Ảnh tổ chức thô đại mối hàn GMAW với chu kỳ xung 35%, khảo 36 sát với khe hở 1 mm, khảo sát ở vị trí P1.1 (a); P2.1 (b); P3.1 (c); P4.1 (d) [21] Hình 1.70. Ảnh tổ chức tế vi mối hàn GMAW xung chu kỳ ngắn đối với thép 37 S355 MC khảo sát tại điểm P1.1 (pha pherit màu trắng, pha peclit màu tối) [21]: a) vùng kim loại cơ bản; b) vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ; c) vùng kim loại hàn xii
Hình 1.71. Đồ thị độ cứng tế vi mối hàn GMAW xung chu kỳ ngắn đối với 37 thép S355 MC phụ thuộc vào khoảng cách BM, HAZ, FZ và WM tương ứng với các điểm khảo sát khác nhau [21] Hình 1.72 Hình thái bề mặt và cấu trúc thô đại theo mặt cắt ngang mối hàn khe hở 37 a-d. hẹp sử dụng hỗn hợp khí bảo vệ pha trộn Ar với tỷ lệ CO 2 có hàm lượng thay đổi [42] Hình 1.72 Hình thái bề mặt và cấu trúc thô đại theo mặt cắt ngang mối hàn khe hở 38 e-h. hẹp sử dụng hỗn hợp khí bảo vệ pha trộn Ar với tỷ lệ CO 2 và O2 có hàm lượng thay đổi [42] Hình 1.73. Đồ thị biểu diễn quan h ệ giữa cường độ dòng điện và điện áp hàn 38 trong môi trường hỗn hợp khí bảo vệ pha trộn với tỷ lệ CO2 (a) và O2 (b) hàm lượng thay đổi [42] Hình 2.1. Kết cấu 3D mối hàn (a); hình chiếu mặt trên (b) và ảnh phôi thép CT.38 42 (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 Hình 2.2. Sơ đồ thiết kế kết cấu mối hàn NG-MAG của luận án: a) Chữ V; 43 b) Chữ “X lệch”; c) Chữ “X đối xứng ” Hình 2.3. Ảnh vật liệu dây hàn loại d = 1,2 mm. Theo tiêu chuẩn AWS A5.18 44 ER 70S-6, được gá lắp trên thiết bị hàn tiên tiến LINCOLN - FLEXTEC 500x chuẩn bị cho thí nghiệm Hình 2.4. Ảnh thiết bị thí nghiệm hàn NG-MAG (a); cụm đầu hàn (b) và đồ 45 gá kẹp phôi hàn (c) tại Viện Nghiên cứu Cơ khí [4] Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý (a) và mô hình 3D (b, c) của hệ thống thiết bị hàn 46 khe hở hẹp dùng cho thí nghiệm của luận án: 1) Bộ điều khiển chuyển động chạy dọc theo đường hàn; 2) Cơ cấu chuyển động thẳng đứng; 3) Cơ cấu quay đầu hàn; 4) Bộ cấp dây; 5) Nguồn hàn D 500; 6) Bình cấp khí bảo vệ Hình 2.6. Nguyên lý kết cấu (a) và hình ảnh minh họa (b) đầu hàn NG- 47 MAG: 1) Chụp khí; 2) Ống dẫn khí bảo vệ; 3) Trục nối; 4) Vị trí kết nối khí bảo vệ; 5) Đầu nối trục với bép hàn; 6) Bép hàn Hình 2.7. Ảnh thiết bị hàn tiên tiến LINCOLN - FLEXTEC ® 500x (Mỹ) dùng 47 cho thí nghiệm hàn giáp mối thép tấm dày với khe hở hẹp: a) Toàn xiii
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 NG-MAG thép CT.38 (a); Chuyển 48 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) [4] Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý quá trình thí nghiệm hàn NG-MAG của luận án [4] 48 Hình 2.10. Ảnh máy thử kéo nén (a); kính hiển vi quang học (b) và máy đo 49 độ cứng tế vi (c) sử dụng cho thí nghiệm đánh giá đặc tính mối hàn NG-MAG Hình 2.11. Sơ đồ khối các bước thí nghiệm hàn NG-MAG của luận án 51 Hình 2.12. Ảnh mô tả cách lấy phôi để gia công mẫu thử kéo phá hủy mối 54 hàn NG-MAG (a); mẫu khảo sát đo độ cứng tế vi (HV 0,2 ) và chụp ảnh tổ chức tế vi vật liệu tại 3 phân vùng theo chiều cao mối hàn (h1 = 0,25; h 2 = 0,5; h3 = 0,75) Hình 2.13. Ảnh một số mẫu điển hình (a) và bản vẽ gia công mẫu thử phá hủy 54 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 55 chất lượng mối hàn NG-MAG của luận án Hình 2.15. Mô hình quy hoạch thực nghiệm trực giao kiểu N27 cho quá trình 59 hàn NG-MAG thép các bon CT.38 tấm dày của luận án Hình 3.1. Ảnh tại một thời điểm thí nghiệm (a) và vị trí cắt lấy phôi gia công 66 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 HV 0,2 và chụp ảnh tổ chức thô đại vật liệu 66 mối hàn NG-MAG thép các bon CT.38 tấm dày khảo sát trên mẫu No.3, mã số (211) Hình 3.3. Ảnh hình thái mối hàn NG-MAG trên mẫu thăm dò định hướng 68 công nghệ (bước 1) Hình 3.4 Ảnh tổ chức tế vi mẫu No.1 tại vùng bên trong mối hàn (H): 72 Uh = 26 V; vh = 7 m/h và n n = 30 vg/ph (mã số 011, thí nghiệm thứ tự số 11) Hình 3.5. Ảnh tổ chức tế vi mẫu No.1 tại vùng biên giới mối hàn và mặt bên 73 kim loại cơ bản (HM): Uh = 26 V; vh = 7 m/h và nn = 30 v/ph (mã số 011, thí nghiệm thứ tự số 11) xiv
Hình 3.6. Ảnh tổ chức tế vi mẫu No.1 tại vùng K: U h = 26 V; vh = 7 m/h 74 và vh = 30 v/ph (mã số 011, thí nghiệm thứ tự số 11) Hình 3.7. Ảnh thô đại theo mặt cắt ngang mối hàn khi hàn một phía (a, b) 75 và hàn hai phía gần đối xứng nhau kiểu vát mép chữ “X” (c) Hình 3.8. Ảnh hình thái bề mặt các mẫu thí nghiệm hàn giáp mối thép CT.38 với 77 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 ví trí đo độ cứng tế vi HV0,2 trên mặt cắt 77 ngang mối hàn NG-MAG thép CT.38, khe hở ở mặt đáy là 10 mm, góc vát mép  = 15o Hình 3.10. Ảnh tổ chức thô đại và vị trí khảo sát chụp ảnh tổ chức tế vi vật 77 liệu mối hàn NG-MAG thép CT.38 (bước 2) Hình 3.11 Ảnh tổ chức tế vi vật liệu liên kết hàn NG-MAG thép CT.38 trên mẫu 79 ad. M3, mã số 002: Ih = 160 A; vh = 4 m/h;  = 15o và nn = 25 vg/ph Hình 3.11 Ảnh tổ chức tế vi vật liệu liên kết hàn NG-MAG thép CT.38 trên mẫu 80 e÷k. M2, mã số 001: Ih = 160 A; vh = 4 m/h;  = 10o và nn = 25 vg/ph Hình 3.12 Ảnh tổ chức tế vi vật liệu liên kết hàn NG-MAG thép CT.38 trên mẫu 82 a÷h. M8, mã số 012, tương ứng với thí nghiệm thứ 20 theo ma trận trực giao N27: Ih = 160 A; vh = 6 m/h;  = 15O và nn = 25 vg/ph Hình 3.12 Ảnh tổ chức tế vi vật liệu liên kết hàn NG-MAG thép CT.38 trên 83 e÷k. 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 = 25 vg/ph Hình 3.13. Độ cứng tế vi vật liệu liên kết hàn NG-MAG thép CT.38 trên các mẫu 87 M1, M2 và M3 Hình 3.14. Độ cứng tế vi vật liệu liên kết hàn NG-MAG thép CT.38 trên các mẫu 88 M6, M8 và M9 Hình 3.15. Độ cứng tế vi vật liệu liên kết hàn NG-MAG thép CT.38 trên 88 các mẫu M15, M17 và M18 Hình 3.16. Độ cứng tế vi vật liệu liên kết hàn NG-MAG thép CT.38 trên 89 các mẫu M10, M12 và M14 xv
Hình 3.17. Độ cứng tế vi vật liệu liên kết hàn NG-MAG thép CT.38 trên 89 các mẫu M19 và M20 Hình 3.18. Độ cứng tế vi vật liệu liên kết hàn NG-MAG thép CT.38 90 tại các vị trí đo khác nhau Hình 3.19. Ảnh hưởng đồng thời của g óc vát mép và khe hở hẹp (*bo) đến 95 độ bền kéo (k) của mối hàn NG-MAG (nhóm mẫu số 1) Hình 3.20. Ảnh hưởng đồng thời của cường độ dòng hàn và góc vát mép 96 (Ih*) đến độ bền kéo (k) của mối hàn NG-MAG (nhóm mẫu số 2 và số 3) Hình 3.21. Một số dạng khuyết tật tại các lát cắt khác nhau trên mẫu thí 97 nghiệm hàn NG-MAG thép các bon CT.38 Hình 3.22. Ảnh thô đại khuyết tật dạng nứt phần đáy mối hàn NG-MAG do quá 99 nhiệt Hình 3.23. Phân tích ANOVA sự phụ thuộc của độ bền kéo mối hàn NG-MAG 100 (k) vào các yếu tố độc lập  - delta (a); bo (b); Ih (c), vh (d) và  - alpha (e) Hình 3.24. Phân tích ANOVA sự phụ thuộc của độ bền kéo mối hàn NG-MAG 100 (k) vào ảnh hưởng đồng thời của các cặp đôi yếu tố độc lập α.Ih; Ih.vh và Ih.α Hình 3.25 Biểu đồ đồng mức (a, c) và đồ thị 3D (b, d) biểu diễn sự ảnh hưởng 103 đôi đồng thời giữa 5 yếu tố đầu vào khảo sát đến độ bền mối hàn NG-MAG thép CT.38 Hình 3.26 Biểu đồ đồng mức (a) và đồ thị 3D (b) biểu diễn sự ảnh hưởng đồng 103 a, b. thời giữa 5 yếu tố đầu vào khảo sát đến độ bền mối hàn NG-MAG thép CT.38 Hình 3.26 Biểu đồ đồng mức (c, e, g) và đồ thị 3D (d, f, h) biểu diễn sự ảnh 104 ch. hưởng đồng thời giữa 5 yếu tố đầu vào khảo sát đến độ bền mối hàn NG-MAG thép CT.38 Hình 3.27. Biểu đồ đồng mức (a, c) và đồ thị 3D (b, d) biểu diễn sự ảnh hưởng 105 đồng thời giữa 5 yếu tố đầu vào khảo sát đến độ bền mối hàn NG- MAG thép CT.38 xvi
Hình 4.1. Đồ thị 3D ảnh hưởng của tương tác cặp đôi (Ih.vh) đến độ bền kéo 117 mối hàn NG-MAG ( k) khi góc vát mép ( ) thay đổi Hình 4.2. Đồ thị 3D ảnh hưởng của tương tác cặp đôi (Ih.) đến độ bền kéo 117 mối hàn NG-MAG ( k) khi tốc độ hàn (vh) thay đổi Hình 4.3. Đồ thị 3D ảnh hưởng của tương tác cặp đôi (vh.) đến độ bền kéo 118 mối hànNG-MAG (k) khi cường độ dòng điện hàn (I h) thay đổi Hình 4.4. Đồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng cặp đôi đồng thời (Ih.vh) đến độ 119 bền kéo mối hàn NG-MAG ( k) khi: Ih = 160 A; 190 A; 220 A (a); v h = 6; 8; 10 m/h (b) và  = 10 o Hình 4.5. Ðồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng cặp đôi đồng thời (Ih.) đến độ 119 bền kéo mối hàn NG-MAG ( k) khi: Ih = 160 A; 190 A; 220 A (a); α = 5o; 10o; 15o (b) và vh= 8 m/h Hình 4.6. Đồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng cặp đôi đồng thời (vh.) đến độ 119 bền kéo mối hàn NG-MAG (k) khi: vh = 6; 8; 10 m/h (a); α = 5 o; 10o; 15o (b) và Ih = 190 A xvii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1. Phân loại các dạng chuyển dịch kim loại hàn [21] 33 Bảng 1.2. Phân loại chế độ kiểm soát chuyển dịch kim loại hàn [21] 33 Bảng 1.3. Phân loại kỹ thuật điều khiển chế độ hàn [21] 34 Bảng 1.4. Ứng dụng kỹ thuật hàn khe hở hẹp với năng lượng cao, chu kỳ 34 ngắn và đặc điểm quá trình hàn [21] Bảng 1.5. Ứng dụng kỹ thuật phun năng lượng cao và đặc điểm quá trình 34 hàn [21] Bảng 1.6. Các thông số công nghệ hàn GMAW với năng lượng cao [21] 34 Bảng 1.7. Ví dụ về quy hoạch các thông số hàn năng lượng cao GMAW [21] 35 Bảng 2.1. Thành phần hóa học thép các bon CT.38 (TCVN 1765-75) dùng 44 cho thí nghiệm Bảng 2.2. Cơ tính của thép các bon CT.38 trước khi hàn thí nghiệm 44 Bảng 2.3. Các thông số chế độ thí nghiệm định hướng công nghệ NG- 44 MAG [4] Bảng 2.4. Ví dụ về chế độ hàn NG-MAG theo quy hoạch thực nghiệm toàn 56 phần N27 Bảng 2.5. Quy định mã hóa các chế độ thí nghiệm theo ma trận trực giao 60 N27 57 Bảng 3.1. Chế độ thí nghiệm định hướng công nghệ hàn NG-MAG thép 67 các bon CT.38 theo ma trận trực giao N27 (bước 1) Bảng 3.2. Kết quả đo độ cứng tế vi kim loại mối hàn thép các bon CT.38 69 (vát mép hai bên  = 15o) Bảng 3.3. Chế độ thí nghiệm hàn NG-MAG thép các bon CT.38 ở bước 2 75 Bảng 3.4. Độ cứng tế vi vật liệu mối hàn NG-MAG thép CT.38 (b o =10 84 mm,  = 15o) Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm hiệu chỉnh công nghệ ở bước 2 91 Bảng 3.6. Kết quả phân tích các phương án ảnh hưởng (Analysis of Variance) 99 Bảng 3.7. Kết quả tính toán các hệ số (Coefficients) và phương trình hồi 100 quy (Regression Equation) Bảng 3.8. Dự báo hiện tượng bất thường (Fits and Diagnostics for Unusual 100 Observations) xviii