LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày Luận án trung thực chưa có tác giả khác công bố Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Người cam đoan Trần Lâm TM.TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Thúc Hà i LỜI CẢM ƠN - Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thúc Hà PGS.TS Hoàng Tùng tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện, động viên suốt trình học tập, nghiên cứu 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 tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ suốt thời gian tác giả học tập nghiên cứu - Tác giả xin chân thành cảm ơn dự án AUN/SEED - Net thuộc tổ chức JICA thơng qua chương trình SRJP - Chương trình Hợp tác trao đổi nghiên cứu ngắn hạn Nhật Bản các giáo sư Đại học Osaka, Nhật Bản tài trợ giúp đỡ tận tình để tác giả có điều kiện nghiên cứu thí nghiệm trao đổi chun mơn suốt q trình làm việc Viện nghiên cứu Hàn & Ghép nối Nhật Bản thuộc trường Đại học Osaka - Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể cán giảng viên Bộ môn Cơ khí hàn - Khoa Cơ khí Trung tâm Thực hành -Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ suốt thời gian tác giả thực nghiên cứu thực nghiệm Tác giả xin chân thành cảm ơn ThS.Nguyễn Hồng Thanh, Bộ mơn Cơ khí hàn - Khoa Cơ khí - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định hướng dẫn, giúp đỡ việc mô số trình hàn phần mềm chuyên dụng SYSWELD - Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ gia đình ln động viên, chia sẻ khó khăn nguồn động lực to lớn giúp tác giả vượt qua khó khăn suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả luận án Trần Lâm ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC 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 Tính cấp thiết đề tài Mục đích luận án Lý thuyết Thực nghiệm Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu Các kết luận án: Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học luận án: Ý nghĩa thực tiễn luận án: Kết cấu luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW Khái niệm quy ước hàn tấm có chiều dày lớn lẻ Khái niệm chiều dày lớn hàn bằng quá trình hàn GMAW riêng Khái niệm chiều dày lớn hàn bằng quá trình hàn PAW riêng lẻ Tình hình nghiên cứu giới Quá trình hàn lai ghép Quá trình hàn lai ghép Plasma - GMAW Tình hình nghiên cứu Việt Nam 14 Quá trình hàn giáp mối chiều dày lớn 14 iii Quá trình hàn PAW 14 Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW Việt Nam 16 Kết luận Chương 16 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW 18 Quá trình hàn GMAW 18 Nguyên lý và đặc điểm 18 kết hàn Ảnh hưởng các yếu tố công nghệ hàn GMAW đến chất lượng liên 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 hồ quang Plasma 29 Vật liệu và công nghệ hàn PAW 32 Sự hình thành vũng hàn hàn PAW 35 Xác định chiều dày lớn thép cacbon hàn giáp mối phía, không vát mép với 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 mỏ hàn đồng trụcHình thái 41 thái Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập-Hình 46 Mơ hình nguồn nhiệt PAW, GMAW 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 hàn GMAW 57 Mô hình nguồn nhiệt hàn PAW lỗ khóa 58 Mô hình nguồn nhiệt quá trình hàn lai ghép 59 Kết luận Chương 61 CHƯƠNG TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SYSWELD 62 Mục đích 62 iv Tính tốn, mơ q trình hàn phương pháp phần tử hữu hạn 62 Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn 62 Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng bài toán nhiệt đàn hồi dẻo (Thermo-Elastic-Plastic FEM) 63 Kết mô phỏng quá trình hàn GMAW cho liên kết hàn giáp mối dày 12mm, vát mép chữ V 72 Kết mô phỏng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho liên kết hàn giáp mối dày 9mm, có vát mép 76 Kết tính mơ phỏng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho liên kết hàn giáp mối dày 12mm, không vát mép 79 Kết luận Chương 85 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 86 Mục đích 86 Trang thiết bị thí nghiệm 86 Thiết bị hàn 86 Đồ gá hàn 87 Các trang thiết bị phụ trợ 88 Mẫu thí nghiệm 89 Vật liệu mẫu hàn 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 quy trình thực nghiệm 90 Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng hàn 95 Kết luận chương 98 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 99 Kết thí nghiệm với quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW- Hình thái 99 Kết quá trình hàn đắp lớp lên thép Cacbon 99 Kết quá trình hàn giáp mối lớp thép Cacbon 101 Kết thí nghiệm với quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW - Hình thái 103 v Mối hàn giáp mối lượt với thép có chiều dày 6mm bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW 103 Mối hàn giáp mối lượt với thép có vát mép, không khe hở hàn với chiều dày 12mm 104 Mối hàn giáp mối lượt thép không vát mép với chiều dày 9mm 105 12mm Mối hàn giáp mối lượt với thép không vát mép với chiều dày 106 Cấu trúc tế vi liên kết hàn 110 Cơ tính liên kết hàn giáp mối lượt dày 12mm, khơng vát mép bằng q trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái 112 lẻ Kết hàn giáp mối tấm thép dày 12mm trình hàn GMAW riêng 113 Kết hàn giáp mối lượt thép dày 12mm khơng vát mép bằng q trình hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược góc nghiêng điện cực thay đổi 113 Kết hàn giáp mối ba lượt thép dày 12mm vát mép chữ V bằng trình hàn GMAW 114 So sánh các kết mô thực nghiệm 115 So sánh hình dạng mặt cắt ngang mối hàn 115 Trường nhiệt độ phân bố liên kết hàn giáp mối thông qua đo đạc thực nghiệm 116 So sánh các kết thực nghiệm liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm trình hàn lai ghép Plasma-GMAW - Hình thái GMAW 117 Kết luận chương 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 lớp thuốc Hàn hồ quang điện cực kim loại nóng chảy mơi trường khí bảo vệ (MIG: Hàn hồ quang điện cực nóng chảy mơi trường khí trơ / MAG: Hàn hồ quang điện cực nóng chảy môi trường khí hoạt tính) Hàn hồ quang điện cực khơng nóng chảy mơi trường khí trơ Hàn hồ quang Plasma GMAW (MIG/MAG) GTAW (TIG) PAW Hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc FCAW EBW Hàn chùm tia điện tử ESW Hàn điện xỉ PTA Hàn đắp Plasma bột MMA (SMAW) Hàn hồ quang tay Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone) HAZ KLCB Kim loại KLMH Kim loại mối hàn PTHH Phần tử hữu hạn HSVC Camera tốc độ cao CJP Hàn ngấu hoàn toàn PJP Hàn ngấu phần NDT Kiểm tra không phá hủy Kiểm tra phá hủy DT Chiều dày vật hàn S mm vh mm/s Uh V Điện áp hồ quang Ih A Cường dòng điện hàn B mm Tầm với điện cực ddh mm Đường kính điện cực T LKH FZ Vận tốc hàn Sự chênh lệch nhiệt độ Liên kết hàn Vùng nóng chảy vii A mm2 Diện tích làm việc mối hàn Ltt mm Chiều dài tính tốn 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 q0 J/mm Năng lượng đường r = x2 + y2 Khoảng cách từ điểm khảo sát tới tâm nguồn nhiệt – 2D R = x2 + y2 + z2 Khoảng cách từ điểm khảo sát tới tâm nguồn nhiệt – 3D c J/mm3 oC Nhiệt dung riêng 3 T Bán kính véc tơ khơng thứ ngun o C  t Nhiệt độ thời điểm khảo sát Thời gian không thứ nguyên s Thời gian T0 o Nhiệt độ ban đầu Tc o Nhiệt độ nóng chảy vật liệu C C 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 Fllk l/phút Lưu lượng khí tạo Plasma δl-g N/m Sức căng bề mặt ĐHBK HN Thời gian nguội từ 8000C xuống 5000C Trường Đại học Bách khoa Hà Nội viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU BẢNG 1.1 Các kiểu chuẩn bị mối nối với các mối hàn giáp mối, phía quá trình hàn GMAW BẢNG 1.2 Các kiểu chuẩn bị mối nối với các mối hàn giáp mối, phía quá trình hàn PAW BẢNG 2.1 Ảnh hưởng tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn 22 BẢNG 2.2 Ảnh hưởng góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn 23 BẢNG 2.3 Chế độ hàn liên kết giáp mối có vát mép thép tấm cacbon SS400 dày 12mm quá trình GMAW riêng lẻ 26 BẢNG 2.4 Chế độ hàn PAW lỗ khóa cho liên kết hàn giáp mối với thép tấm chiều dày S 35 BẢNG 3.1 Ký hiệu quy ước các tổ chức kim loại hàn 65 BẢNG 3.2 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết giáp mối có vát mép thép tấm cacbon SS400 dày 12mm 72 BẢNG 3.3 Thơng số mơ hàn giáp mối có vát mép thép tấm cacbon SS400 dày 12mm trình hàn GMAW 72 BẢNG 3.4 Thông số mô hàn giáp mối không vát mép thép tấm cacbon SS400 dày 12mm trình hàn lai ghép Plasma-GMAW 79 BẢNG 4.1 Thành phần hóa học quy cách khử ô xi thép cacbon JIS-SS400 89 BẢNG 4.2 Cơ tính thép JIS-SS400 90 BẢNG 4.3 Các tính chất dây hàn JIS-Z3312 YGW12 90 BẢNG 4.4 Thơng số thí nghiệm quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW,hình thái hàn đắp lớp 91 BẢNG 4.5 Thơng số quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW, hình thái hàn giáp mối thép tấm dầy 9mm với khe hở hàn thay đổi 92 BẢNG 4.7 Bảng trình tự thí nghiệm với các chiều dày phơi hàn khác từ 6÷12mm 92 BẢNG 4.7 Các thơng số chế độ thí nghiệm hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái để liên kết hàn giáp mối lượt thép tấm dày 93 BẢNG 4.8 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết giáp mối thép tấm cacbon SS400 dày 12mm vát mép chữ V 94 BẢNG 4.9 Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng liên kết hàn 95 BẢNG 5.1 Hình dạng mặt cắt ngang các mối hàn đắp (độ dày tấm thép KLCB không hiển thị đầy đủ có giá trị 9,0 mm) 99 BẢNG 5.2 Giá trị đo trung bình hình dáng kích thước mối hàn đắp 100 BẢNG 5.3 Kết mối hàn giáp mối lượt với tấm thép có chiều dày 6mm công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW 103 BẢNG 5.4 Kết mối hàn giáp mối lượt với tấm thép có chiều dày 9mm 12mm vát mép chữ V, không khe hở công nghệ hàn lai ghép PlasmaGMAW 104 BẢNG 5.5 Kết mối hàn giáp mối lượt với tấm thép có chiều dày 9mm không vát mép, khe hở hàn 2mm công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW 105 BẢNG 5.6 Các kết thực nghiệm hàn giáp mối lượt tấm thép dày 12mm không vát mép hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược góc nghiêng điện cực thay đổi 113 ix BẢNG 5.7 Bảng so sánh kết thực nghiệm hàn giáp mối tấm dày 12mm trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái trình hàn GMAW 117 x ... hàn điểm hàn vảy, quá trình hàn lai ghép hàn laser hàn ma sát ngoáy, [1] Trong trình nghiên cứu, phát triển công nghệ hàn lai ghép, trình hàn lai ghép Plasma – GMAW bắt đầu nghiên cứu đề... trình hàn lai ghép Plasma- GMAW với mỏ hàn đồng trục nhất Quá trình hàn lai ghép Plasma- GMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc Hình thái kết hợp trình hàn PAW trình hàn GMAW kết hợp hai trình hàn. .. chiều dày 6mm công nghệ hàn lai ghép Plasma- GMAW 103 BẢNG 5.4 Kết mối hàn giáp mối lượt với tấm thép có chiều dày 9mm 12mm vát mép chữ V, không khe hở công nghệ hàn lai ghép PlasmaGMAW