Luận án nghiên cứu công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW cho liên kết tấm dày không vát mép - Trần Lâm

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 khác công bố. Hà Nội, ngày. năm 2019 Người cam đoan Trần Lâm TM.TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.

Nguyễn Thúc Hà i LỜI CẢM ƠN - Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS. Nguyễn Thúc Hà và PGS. Hoàng Tùng 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 tập thể đồng nghiệp giảng viên Bộ môn Hàn & CNKL -Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ trong suốt thời gian tác giả học tập và nghiên cứu.

- Tác giả xin chân thành cảm ơn dự án AUN/SEED - Net thuộc tổ chức JICA thông qua chương trình SRJP - Chương trình Hợp tác trao đổi nghiên cứu ngắn hạn tại Nhật Bản và các giáo sư của Đại học Osaka, Nhật Bản đã tài trợ và giúp đỡ tận tình để tác giả có điều kiện nghiên cứu và thí nghiệm cũng như trao đổi chuyên môn trong suốt quá trình làm việc tại Viện nghiên cứu Hàn & Ghép nối Nhật Bản thuộc trường Đại học Osaka. - Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể cán bộ giảng viên Bộ môn Cơ khí hàn - Khoa Cơ khí và Trung tâm Thực hành -Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ trong suốt thời gian tác giả thực hiện nghiên cứu thực nghiệm. Tác giả xin chân thành cảm ơn ThS.Nguyễn Hồng Thanh, Bộ môn Cơ khí hàn - Khoa Cơ khí - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã hướng dẫn, giúp đỡ việc mô phỏng số quá trình hàn bằng phần mềm chuyên dụng SYSWELD. - 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 Trần Lâm ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ.

xi MỞ ĐẦU. 1 Tính cấp thiết của đề tài. 1 Mục đích của luận án. 2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án.

2 Đối tượng nghiên cứu:. 2 Phạm vi nghiên cứu:. 2 Phương pháp nghiên cứu. 2 Các kết quả mới của luận án:.

3 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án. 3 Ý nghĩa khoa học của luận án:. 3 Ý nghĩa thực tiễn của luận án:. 3 Kết cấu của luận án.

TỔNG QUAN HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW. 5 Khái niệm quy ước về hàn tấm có chiều dày lớn. 5 Khái niệm tấm chiều dày lớn khi hàn bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ. 5 Khái niệm tấm chiều dày lớn khi hàn bằng quá trình hàn PAW riêng lẻ.

6 Tình hình nghiên cứu trên thế giới. 8 Quá trình hàn lai ghép. 8 Quá trình hàn lai ghép Plasma - GMAW. 8 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam.

14 Quá trình hàn giáp mối tấm chiều dày lớn. 14 iii Quá trình hàn PAW. 14 Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW tại Việt Nam. 16 Kết luận Chương 1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW. 18 Quá trình hàn GMAW. 18 Nguyên lý và đặc điểm. 18 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ hàn GMAW đến chất lượng liên kết hàn.

19 Xác định thông số chế độ hàn giáp mối thép cacbon dày 12mm bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ. 23 Quá trình hàn PAW. 26 Nguyên lý và đặc điểm. 26 Các đặc trưng của hồ quang Plasma.

29 Vật liệu và công nghệ hàn PAW. 32 Sự hình thành vũng hàn khi hàn PAW. 35 Xác định chiều dày lớn nhất của tấm thép cacbon khi hàn giáp mối một phía, không vát mép với một lượt hàn bằng quá trình hàn PAW riêng lẻ. 39 Quá trình hàn lai ghép PAW-GMAW.

41 Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW trong một mỏ hàn đồng trục- Hình thái 1. 41 Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập-Hình thái 2. 46 Mô hình nguồn nhiệt PAW, GMAW và hàn lai ghép Plasma-GMAW. 53 Nguồn nhiệt hàn.

53 Nguồn nhiệt khối dạng elipsoid đơn và kép. 55 Mô hình nguồn nhiệt hồ quang của hàn GMAW. 57 Mô hình nguồn nhiệt hàn PAW lỗ khóa. 58 Mô hình nguồn nhiệt của quá trình hàn lai ghép.

59 Kết luận Chương 2. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SYSWELD. 62 iv Tính toán, mô phỏng quá trình hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn. 62 Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

62 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng trong bài toán nhiệt đàn hồi dẻo (Thermo-Elastic-Plastic FEM). 63 Kết quả mô phỏng trong quá trình hàn GMAW cho liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm, vát mép chữ V. 72 Kết quả mô phỏng trong quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho liên kết hàn giáp mối tấm dày 9mm, có vát mép. 76 Kết quả tính mô phỏng trong quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm, không vát mép.

79 Kết luận Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. 86 Trang thiết bị thí nghiệm. 86 Thiết bị hàn.

87 Các trang thiết bị phụ trợ. 88 Mẫu thí nghiệm. 89 Vật liệu mẫu hàn và dây hàn. 89 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm.

90 Xây dựng quy trình thí nghiệm. 90 Gá kẹp mẫu thí nghiệm. 90 Các chế độ hàn và quy trình thực nghiệm. 90 Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng hàn.

95 Kết luận chương 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN. 99 Kết quả thí nghiệm với quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW- Hình thái 1. 99 Kết quả quá trình hàn đắp một lớp lên tấm thép Cacbon.

99 Kết quả quá trình hàn giáp mối một lớp tấm thép Cacbon. 101 Kết quả thí nghiệm với quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW - Hình thái 2. 103 v Mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép có chiều dày 6mm bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW. 103 Mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép có vát mép, không khe hở hàn với chiều dày tấm 9 và 12mm.

104 Mối hàn giáp mối một lượt tấm thép không vát mép với chiều dày 9mm. 105 Mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép không vát mép với chiều dày 12mm. 106 Cấu trúc tế vi của liên kết hàn. 110 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.

112 Kết quả hàn giáp mối tấm thép dày 12mm bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ. 113 Kết quả hàn giáp mối một lượt tấm thép dày 12mm không vát mép bằng quá trình hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược và góc nghiêng điện cực thay đổi. 113 Kết quả hàn giáp mối ba lượt tấm thép dày 12mm vát mép chữ V bằng quá trình hàn GMAW. 114 So sánh các kết quả mô phỏng và thực nghiệm.

115 So sánh hình dạng mặt cắt ngang mối hàn. 115 Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn giáp mối thông qua đo đạc thực nghiệm. 116 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. 117 Kết luận chương 5.

119 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN & KIẾN NGHỊ. 121 KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO. 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

124 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu/ Viết tắt Đơn vị Ý nghĩa AWS Hiệp hội hàn Mỹ SAW Hàn hồ quang dưới lớp thuốc Hàn hồ quang điện cực kim loại nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (MIG: Hàn hồ quang điện GMAW cực nóng chảy trong môi trường khí trơ / MAG: (MIG/MAG) Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí hoạt tính) Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong GTAW (TIG) môi trường khí trơ. PAW Hàn hồ quang Plasma FCAW Hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc EBW Hàn chùm tia điện tử ESW Hàn điện xỉ PTA Hàn đắp Plasma bột MMA (SMAW) Hàn hồ quang tay HAZ Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone) KLCB Kim loại cơ bản KLMH Kim loại mối hàn PTHH Phần tử hữu hạn HSVC Camera tốc độ cao CJP Hàn ngấu hoàn toàn PJP Hàn ngấu một phần NDT Kiểm tra không phá hủy DT Kiểm tra phá hủy S mm Chiều dày vật hàn vh mm/s Vận tốc hàn Uh V Điện áp hồ quang Ih A Cường đô dòng điện hàn B mm Tầm với điện cực ddh mm Đường kính điện cực T Sự chênh lệch nhiệt độ LKH Liên kết hàn FZ Vùng nóng chảy vii A mm2 Diện tích làm việc của mối hàn Ltt mm Chiều dài tính toán đường hàn  Chiều dày không thứ nguyên  Hiệu suất hồ quang k W/mmoC Hệ số dẫn nhiệt  Nhiệt độ không thứ nguyên Q Nhiệt lượng tỏa ra q0 J/mm Năng lượng đường Khoảng cách từ điểm khảo sát tới tâm nguồn r = x2 + y2 nhiệt – 2D Khoảng cách từ điểm khảo sát tới tâm nguồn R = x2 + y2 + z2 nhiệt – 3D c J/mm3 oC Nhiệt dung riêng 3 Bán kính véc tơ không thứ nguyên T o C Nhiệt độ tại thời điểm khảo sát  Thời gian không thứ nguyên t s Thời gian T0 o C Nhiệt độ ban đầu Tc o C Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu V mm3 Thể tích vũng hàn x mm Tọa độ theo phương x y mm Tọa độ theo phương y z mm Tọa độ theo phương z Δt8/5 s Thời gian nguội từ 8000C xuống 5000C Fllk l/phút Lưu lượng khí tạo Plasma δl-g N/m Sức căng bề mặt ĐHBK HN Trường Đại học Bách khoa Hà Nội viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU BẢNG 1.1 Các kiểu chuẩn bị mối nối cơ bản với các mối hàn giáp mối, một phía bằng quá trình hàn GMAW .2 Các kiểu chuẩn bị mối nối cơ bản với các mối hàn giáp mối, một phía bằng quá trình hàn PAW .1 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn .2 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn .