Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn laser cơ bản đến cấu trúc vi mô và độ bền kéo cho thép không gỉ aisi 304

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THƠNG SỐ HÀN LASER
CƠ BẢN ĐẾN CẤU TRÚC VI MÔ VÀ ĐỘ BỀN
KÉO CHO THÉP KHÔNG GỈ AISI 304

GVHD:
SVTH:

TS. NGUYỄN NHỰT PHI LONG
NGUYỄN HỮU KHƯƠNG
THẠCH THƯƠNG

SKL011135

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2023


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài : “ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ
HÀN LASER CƠ BẢN ĐẾN CẤU TRÚC VI MÔ VÀ ĐỘ

BỀN KÉO CHO THÉP KHÔNG GỈ AISI 304 ”
Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN NHỰT PHI LONG
Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN HỮU KHƯƠNG
MSSV: 15144162
THẠCH THƯƠNG
MSSV: 15144256

Khoá:

2015 - 2019

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2023


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MƠN CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài : “ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ
HÀN LASER CƠ BẢN ĐẾN CẤU TRÚC VI MÔ VÀ ĐỘ
BỀN KÉO CHO THÉP KHÔNG GỈ AISI 304 ”
Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN NHỰT PHI LONG
Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN HỮU KHƯƠNG
MSSV: 15144162

SVTH: THẠCH THƯƠNG
MSSV: 15144256

Khoá:

2015 - 2019

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2023


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hữu Khương
MSSV: 15144162
Hội đồng:14 STT: 4
Họ và tên sinh viên: Thạch Thương
MSSV: 15144256
Hội đồng:14 STT: 4
Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn laser cơ bản đến cấu trúc vi mô và độ bền kéo
cho thép không gỉ AISI 304
Ngành đào tạo: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí

Họ và tên GV hướng dẫn: TS. Nguyễn Nhựt Phi Long
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không đánh máy)
2.1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

2.2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

2.3. Kết quả đạt được:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

i

...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

2.4. Những tồn tại (nếu có):
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

3. Đánh giá:

1.

2.

Điểm tối
đa

Mục đánh giá

TT

Hình thức và kết cấu ĐATN

Điểm đạt
được

30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình
đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.

15

Khả năng cải tiến và phát triển

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…

5

3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10
Tổng điểm

100

4. Kết luận:
 Được phép bảo vệ
 Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng

năm 2023

Giảng viên hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)

ii


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hữu Khương
MSSV: 15144162
Hội đồng: 14 STT: 4
Họ và tên sinh viên: Thạch Thương
MSSV: 15144256
Hội đồng: 14 STT: 4
Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn laser cơ bản đến cấu trúc vi mô và độ bền kéo
của thép không gỉ ASIS 304
Ngành đào tạo: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí

Họ và tên GV phản biện: GCV. ThS. Trần Thanh Lam
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

3. Kết quả đạt được:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

5. Câu hỏi:
..................................................................................................................................................................................

iii

..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................

6. Đánh giá:

1.

2.

Điểm tối
đa

Mục đánh giá

TT

Hình thức và kết cấu ĐATN

Điểm đạt

được

30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.

15

Khả năng cải tiến và phát triển

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…

5

3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10
Tổng điểm

100

7. Kết luận:
 Được phép bảo vệ
 Không được phép bảo vệ

TP.HCM, ngày

tháng

năm 2023

Giảng viên phản biện
((Ký, ghi rõ họ tên)

iv


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Học kỳ II / năm học 2022-2023
Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN NHỰT PHI LONG
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Hữu Khương

MSSV: 15144162

Điện thoại: 0979990413

Sinh viên thực hiện:

Thạch Thương

MSSV: 15144256

Điện thoại: 0969921180

1. Đề tài tốt nghiệp:
- Mã số đề tài: 22223DT76
- Tên đề tài:
Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn laser cơ bản đến cấu trúc vi mô và
độ bền kéo cho thép không gỉ AISI 304

2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Thép không gỉ AISI 304.
- Tài liệu về cơng nghệ hàn laser.
3. Nội dung chính của đồ án:
- Tình hình tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước.
- Cơ sở lý thuyết về hàn laser.
- Qui trình thực nghiệm.
- Đánh giá kết quả.
4. Các sản phẩm dự kiến
- Tập thuyết minh nội dung.
- Bản đánh giá kết quả.
5. Ngày giao đồ án: 6/3/2023
6. Ngày nộp đồ án: 1/7/2023
7. Ngơn ngữ trình bày:

Bản báo cáo:

Trình bày bảo vệ:

Tiếng Anh 
Tiếng Anh 

Tiếng Việt 
Tiếng Việt 

TRƯỞNG BỘ MÔN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

 Được phép bảo vệ

……………………………………………
(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

v


LỜI CAM KẾT
 Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn laser cơ bản đến cấu trúc vi mô và
độ bền kéo cho thép không gỉ AISI 304









GVHD: TS. NGUYỄN NHỰT PHI LONG
Họ tên sinh viên : Nguyễn Hữu Khương
MSSV: 15144162
Họ tên sinh viên : Thạch Thương
MSSV: 15144256
Lớp: 151441B

 Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (ĐATN): 18/07/2023
 Lời cam kết:”Tơi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng trình do chính
tơi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được cơng
bố mà khơng có trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tơi xin chịu hồn
tồn trách nhiệm”.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày….tháng….năm 2023
Ký tên

vi


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệm, em muốn gửi lời biết ơn đầu tiên đến gia đình em,
nơi đã cho em chỗ dựa tình thần cũng như động lực để em cố gắn hết sức mình hồn thành đồ
án. Em cũng xin cảm ơn đến Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Khoa Cơ Khí
Chế Tạo Máy cũng như Q Thầy Cơ của Trường nói chung và Khoa nói riêng. Em xin cảm
ơn vì đã cung cấp cho em cơ sở vật chất, môi trường học tập cũng như những kiến thức và kỹ

năng q báo được học từ Q Thầy Cơ. Để hồn thành đồ án tốt nghiệp, nhóm chúng em
xin chân thành bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến: TS. Nguyễn Nhựt Phi Long,
trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và động viên
nhóm trong suốt thời gian thực hiện đồ án. Các anh, các bạn nhân viên trong công ty TNHH
Duy Luận, Trung Tâm Khoa Học và Công Nghệ tỉnh Đồng Nai đã hướng dẫn tận tình và hỗ
trợ các trang thiết bị trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm. Em xin cảm ơn đến những người
bạn trong nhóm vì đã giúp đở nhau vượt qua kỳ đồ án này. Một lần nữa, chúng em xin chân
thành cảm ơn !

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hữu Khương
Thạch Thương

vii


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Trong những năm gần đây, sự phát triển vượt bậc của công nghệ laser đã dần dần thay thế các
cơng nghệ truyền thống nói chung, và hàn laser sử dụng trong các ngành công nghiệp khác
nhau đã tăng lên nhanh chóng với các tính năng độc đáo. Chất lượng mối hàn được đặc trưng
bởi hình học mối hàn, ảnh hưởng đến việc xác định tính chất cơ học của mối hàn. Điều đó
được thể hiện thơng qua mối quan hệ mật thiết giữa các thông số đầu vào: vật liệu, bề dày vật
hàn, laser power (công suất laser), welding speed (tốc độ hàn), fiber diameter (đường kính sợi
quang) và thông số đầu ra: hệ số hấp thu, thơng số đặc trưng hình học mối hàn: weld zone
width (bề rộng mối hàn), weld penetration depth (độ ngấu mối hàn). Trong q trình tiến hành
thí nghiệm hay trong thực tế sản xuất, việc tiết kiệm vật liệu, công sức, thời gian là hết sức
cần thiết, đòi hỏi giải pháp đem lại hiệu quả, năng suất cao. Trên tinh thần đó, đề tài luận văn
đã thực hiện một số đóng góp như sau:
 Tìm hiểu các phương pháp đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số cơ bản trong quy
trình hàn laser đối với cơ tính, ngoại quang và cấu trúc vi mô của mối hàn.

 Đưa ra các quy trình hàn laser cụ thể để tạo ra một mối hàn laser hoàn chỉnh.
 Áp dụng phương pháp đã chọn để tối ưu hóa quy trình hàn laser.
 Tiến hành thực nghiệm cho ra chất lượng mối hàn mong muốn.
 Phân tích và đánh giá chất lượng mối hàn và cấu trúc vi mô của vật liệu.
 Kết luận và đưa ra hướng phát triển sau cho việc cải tiến chất lượng mối hàn.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hữu Khương
Thạch Thương

viii


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

v

LỜI CAM KẾT

vi

LỜI CẢM ƠN

vii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU

viii

ix
x

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH TRONG ĐỒ ÁN
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

xi
xii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài

1
1

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1

1.3. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2
2

1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
1.5. Phương pháp nghiên cứu
1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

1.5.3. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
2.1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu tối ưu hóa thơng số q trình của mối hàn
laser bằng phương pháp taguchi
2.1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của các thông số hàn laser
cơ bản đến cấu trúc vi mô và độ bền kéo
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Giới thiệu về vật liệu thép không gỉ AISI 304
3.1.1. Thép không gỉ AISI 304
3.1.2. Thành phần cấu tạo
3.1.3. Đặc điểm tính chất
3.1.4. Ứng dụng
3.1.5. Cách phân biệt thép 304 với các loại thép khác
3.2. Công nghệ hàn laser
3.2.1. Tổng quan công nghệ hàn laser

2
2
2
3
3
3
4
4
4
5
7
7
7

7
7
8
9
9
9

ix


3.2.2. Nguyên lý công nghệ hàn laser

10

3.2.3. Phân loại công nghệ hàn laser

13

3.2.4. Phạm vi ứng dụng

16

3.3. Kết cấu và phương pháp tính tốn mối ghép hàn

20

3.3.1. Mối hàn giáp mối
3.3.2. Mối hàn chồng
3.3.3. Mối hàn góc

20
20
23

3.3.4. Ứng suất cho phép của mối ghép hàn
CHƯƠNG 4. PHƯƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM

24
25

4.1. Chuẩn bị mẫu thử
4.2. Chọn các thơng số cho quy trình hàn laser

25
27

4.3. Phân tích thống kê bằng phương pháp taguchi để tối ưu hóa tham số quy trình

29

4.4. Dự đốn tham số tối ưu hóa độ bền kéo
4.5. Chuẩn bị mẫu thử cho kiểm tra độ bền kéo

32
33

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ
5.1. Kết quả và thảo luận
5.2. Phân tích cấu trúc vi mơ

34
34
37

5.3. Hình dạng mối hàn
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỄN
6.1. Kết luận
6.2. Hướng phát triển
TÀI LIỆU THAM KHẢO

40
42
42
42
43

x


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Các dạng và đặc điểm của hàn laser
Bảng 3.2: Ứng suất cho phép khi kết cấu chịu ứng suất khơng đổi
Bảng 4.1: Thành phần hóa học của thép không gỉ AISI 304 theo tiêu chuẩn ATSM 666

13
24
27

Bảng 4.2: Tính chất cơ học của thép khơng gỉ AISI 304 theo tiêu chuẩn ATSM 666
Bảng 4.3: Thông số máy hàn laser fiber

Bảng 4.4: Thông số hàn laser cơ bản
Bảng 4.5: Kết quả thí nghiệm kiểm ra độ bền kéo và tỷ lệ S/N
Bảng 4.6.: Bảng phản hồi trung bình cho tỷ lệ S/N và dữ liệu thử nghiệm cho độ bền kéo
Bảng 4.7: Thông số quy ước cho mẫu kéo

27
27
28
30
31
33

xi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 3.1. Mật độ cơng suất cho các nguồn nhiệt hàn điển hình và hình học của hạt hàn
thu được ở mật độ tương ứng

10

Hình 3.2: Sơ đồ các ví dụ điển hình của mối hàn laser

11

Hình 3.3: Sơ đồ minh họa hiện tượng hàn điểm và hàn hạt bằng laser PW và CW, cho thấy
độ xuyên nông kiểu dẫn nhiệt và độ xuyên sâu kiểu lỗ khóa tùy thuộc vào mật độ cơng suất 11
laser.
Hình 3.4: Hệ số ghép của năng lượng laser trong kim loại như thép hoặc hợp kim nhôm là 12
một hàm của nhiệt độ

Hình 3.5: Sơ đồ biểu diễn các dịng chảy trong bể nóng chảy và hình học hạt hàn, cho
thấy tác động của (a) các dòng chảy bề mặt bên ngoài hoặc (b) bên trong do sức căng bề
mặt và (c) mật độ năng lượng cao đối với sự thâm nhập của mối hàn

13

Hình 3.6: Sơ đồ thiết lập thí nghiệm để hàn laser fiber công suất cao của loại thép khơng
gỉ 304

16

Hình 3.7: Ảnh hưởng của đường kính chùm tia (mật độ công suất) và tốc độ hàn lên độ sâu
18
thâm nhập của mối hàn thép không gỉ loại 304 được thực hiện ở công suất 6 và 10 kW.
Hình 3.8: Ảnh cắt ngang của các mối hàn laze trên thép Loại 304 được sản xuất bằng laze
sợi quang 10 kW với tốc độ 0,1 m/phút trong khí bảo vệ Ar ở 1 atm (a) và trong điều kiện
chân khơng thấp 10 kPa (b)

18

Hình 3.9: Ảnh cắt ngang của các mối hàn laze trên thép Loại 304 được sản xuất bằng laze
sợi quang 10 kW với tốc độ 0,1 m/phút trong khí bảo vệ Ar ở 1 atm (a) và trong điều kiện
chân khơng thấp 10 kPa (b)

19

Hình 3.10: Ảnh SEM và TEM của các mặt cắt ngang gần giao diện nối giữa tấm thép
Type 304 và tấm nhựa PET, các mẫu nhiễu xạ và kết quả phân tích của các phần màu
xám và tối, cho thấy oxit Cr2O3 và thép Type 304 tương ứng

19

Hình 3.11: Kết cấu mối hàn giáp mối

21

Hình 3.12: Mối hàng chồng và kết cấu miệng hàn chồng

21

Hình 3.13: Kết cấu mối hàn góc

24

Hình 4.1: Biên dạng cắt laser chuẩn bị phơi hàn

25

Hình 4.2: Đầu chi tiết hàn đã chuẩn bị trên mỗi bộ

25

Hình 4.3: Bảng vẽ mối hàn giáp mối 2 phía

26

Hình 4.4: Biên dạng cắt laser cho mẫu thử độ bền kéo

26

Hình 4.5: Mật độ cơng suất chùm tia laser fiber

28

Hình 4.6: Mối hàn laser được thực hiện trên các thông số cơ bản

29

Hình 4.7: Biểu đồ đáp ứng so sánh tỷ lệ S/N đối với độ bền kéo

31

xii


Hình 4.8: (a) Đường viền so sánh mức độ ảnh hưởng của công suất laser và tốc độ hàn
đối với độ bền kéo, (b) Đường viền so sánh mức độ ảnh hưởng của công suất laser và khe
hở mối hàn với độ bền kéo

33

Hình 4.9: Kích thước tiêu chuẩn cho mẫu thử độ bền kéo

34

Hình 4.10: Tổng quan máy kiểm tra độ bền kéo trong quá trình thực nghiệm

34

Hình 5.1: Đường cong ứng suất-biến dạng kỹ thuật điển hình của laser mẫu hàn

35

Hình 5.2: Mẫu thử nghiệm bị phá vỡ trong vùng kim loại cơ bản (Mẫu 13)

35

Hình 5.3: Ma trận L16 cho mẫu thử kéo sau khi thực hiện

36

Hình 5.4: Kết quả cho độ bền kéo của các mẫu thử

37

Hình 5.5: Các giá trị cơ bản (Mẫu 14) đo được thơng qua phần mềm máy tính

37

Hình 5.6: Các giá trị cơ bản (Mẫu 1) đo được thông qua phần mềm máy tính

38

Hình 5.7: Mẫu phân tích cấu trúc vi mơ

39

Hình 5.8: Máy kính hiển vi quang học model OX.2153-PLM

39

Hình 5.9: Cấu trúc vi mô của vật liệu nền của thép khơng gỉ AISI 304

40

Hình 5.10: Cấu trúc vi mơ của mối hàn laser fiber ở vùng nóng chảy

40

Hình 5.11: Tổng quan mối hàn theo các thông số cơ bản trong bảng 4.4

41

Hình 5.12: Mặt cắt ngang của mối hàn ứng với từng loại cơng suất laser

42

Hình 5.13: Tổng quan cấu trúc vi mô của mối hàn laser fiber của AISI 304

42

xiii


DANH MỤC VIẾT TẮT
Laser : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
TIG : Tungsten Inert Gas
GFR: Glomerular Filtration Rate
S/N: Signal-to-Noise
HAZ: Heat Affected Zone

FZ: Fusion Zone
CW: Continuous Wave
PW: Pulsed Wave
SEM: Scanning Electron Microscope
TEM: Transmission Electron Microscope
ATSM: Automated Test Service Management
UTM: Ultimate Tensile Machine

xiv


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Sản xuất và chế biến vật liệu là nền tảng của nền kinh tế hiện đại và của sự tiến
bộ văn minh. Phấn đấu phát triển bền vững cũng như hạn chế tác động có hại đến mơi
trường, bao gồm giảm lượng khí thải CO2 và việc giảm tiêu thụ năng lượng, dẫn đến
tăng hiệu quả liên tục và hiệu quả của các quy trình cơng nghệ, máy móc, thiết bị,
phương tiện, cơng cụ và cấu trúc xây dựng.
Do đó, các vật liệu mới đang được phát triển với tính cơ học cao hơn, khả năng
chống mài mòn cao hơn và vì thế các thơng số vận hành cao hơn. Các phương pháp
hàn và các công nghệ thông thường thường xuyên không cung cấp các kết quả thỏa
đáng trong các ứng dụng như là hàn kết hợp và phun phủ vật liệu hiện đại, ví dụ như
: thép cường độ cao, kim loại màu và hợp kim, vật liệu composite, và vật liệu có cấu
trúc nano và lai tạo.
Nhược điểm chính của các phương pháp hàn và phun phủ điển hình như là
phương pháp hồ quang hoặc hồ quang plasma thông thường thì đầu vào nhiệt quá
mức và khối lượng tương đối lớn của vũng nóng chảy. Điều này dẫn đến quá nhiệt
của vật liệu, ứng suất và biến dạng bên trong, và sự phát triển hạt khơng thuận lợi
hoặc hịa tan các hạt pha gia cố, ví dụ: cacbua hoặc nitrua. Do đó, sự chú ý của các
nhà nghiên cứu và ngành cơng nghiệp thì tập trung vào nghiên cứu về các phương

pháp hàn kết hợp và quy trình xử lí vật liệu để đảm bảo rằng nhiệt độ tối thiểu ảnh
hưởng đến vật liệu và khả năng kiểm soát chính xác lượng nhiệt và chu kỳ nhiệt độ
của quy trình.
1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Một trong những lĩnh vực phát triển năng động của công nghệ xử lý vật liệu
trong những năm gần đây là công nghệ xử lý vật liệu laser. Trong lĩnh vực kết nối vật
liệu, hàn laser cho thấy một số lợi thế vì nó cung cấp mật độ năng lượng cao và đường
kính thấp của điểm chùm tia laser, và do đó độ sâu thẩm thấu cao, tốc độ hàn cao và
nhiệt độ đầu vào thấp, chính xác và có thể kiểm soát được.
Một lĩnh vực khác của ứng dụng chùm tia laser hiện đang được phát triển mạnh
mẽ là việc định hình các tính chất của các lớp bề mặt và sản xuất lớp phủ để năng cao

1


tính ăn mịn như chống ăn mịn, tính ma sát, chống mài mòn, khả năng chống mỏi
nhiệt và cơ học, và khả năng chịu tải trọng va đập.
Trong lĩnh vực xử lý bề mặt và phun phủ, chùm tia laser khi là một nguồn nhiệt
thì nó rất thuận lợi. Những lợi thế đáng kể nhất bao gồm đầu vào nhiệt thấp và có thể
kiểm sốt được và do đó hạn chế tác động nhiệt lên chất nền, giảm ứng suất bên trong,
giảm thiểu biến dạng, tốc độ cô đọng và làm mát cao, độ thẩm thấu thấp và độ pha
loãng thấp của lớp phủ bằng vật liệu nền. Đầu vào nhiệt thấp và thông số làm mát
tương đối cao trong q trình xử lý laser có lợi trong nhiều ứng dụng xử lý bề mặt và
phun phủ vì chúng cung cấp các lớp phủ và bề mặt chất lượng cao. Thông thường, bề
mặt các lớp được đặc trưng bởi liên kết luyện kim vượt trội và tinh chế cấu trúc vi
mơ, có tính quyết định để cung cấp các đặc tính ma sát vượt trội, chống mài mịn hoặc
xói mịn cao.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
 So sánh ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp hàn laser phổ biến hiện nay
để chọn ra từng phương pháp hàn cho những mục đích cụ thể.

 Đưa ra các giải pháp hiểu quả để tiết kiệm chi phí và thời gian cũng như đơn giản
hóa quy trình.
 Hiểu rõ về mức độ ảnh hưởng của các thông số trong quá trình hàn laser cho việc
nghiên cứu để cải thiện quy trình hiểu quả hơn.

1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
 Các phương pháp hàn laser cơ bản.
 Các thông số hàn laser cơ bản.
 Nghiên cứu về vật liệu thép không gỉ AISI 304.
 Cấu trúc vi mô và độ bền kéo của vật liệu.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
 Đưa ra các phương pháp thực hiện và tham khảo các nguồn chính thống.
 Tính tốn và thực nghiệm cho dự án
 Nghiên cứu, thảo luận và cải tiến sau khi có kết quả thực nghiệm.

2


1.5. Phương pháp nghiên cứu
1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
 Dựa vào nhu cầu kết nối giữa các vật liệu với nhau đang rất phổ biến.
 Dựa vào khả năng công nghệ hàn laser đang phát triển cực kỳ mạnh mẽ hiện nay.
 Cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn laser.
1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
 Tiến hành tìm hiểu, thu thập tài liệu có liên quan đến đề tài như sách, video, tạp
chí.
 Khảo sát thực tế ở các xưởng hay cơng ty bên ngồi.
 Nghiên cứu tài liệu và xử lý số liệu.
 Tính tốn, thiết kế cho một quy trình hàn laser cơ bản.

 Thực hiện các thí nghiệm thực tế dựa trên các thơng số đã chọn.
 Phân tích đánh giá và cải tiến quy trình để tối ưu hóa .
1.5.3. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
 Chương 1: Giới thiệu.
 Chương 2: Tổng quan.
 Chương 3: Cơ sở lý thuyết.
 Chương 4: Phương pháp và quy trình thực nghiệm.
 Chương 5: Kết quả
 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

3


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
2.1.1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu tối ưu hóa thơng số q trình của mối
hàn laser bằng phương pháp taguchi
Nhìn chung, chất lượng mối hàn được đặc trưng bởi hình học mối hàn, ảnh
hưởng đến việc xác định tính chất cơ học của mối hàn . Vì vậy, việc chọn và kiểm
sốt các thơng số q trình hàn: cơng suất tia laser, tốc độ hàn, đường kính tia laser,
vị trí hàn, khí bảo vệ là hết sức cần thiết và địi hỏi chính xác. Bên cạnh đó, độ chính
xác của các thơng số đó cịn phụ thuộc vào kỹ năng và kinh nghiệm của các kỹ sư
hoặc người vận hành máy. Đó là thách thức quan trọng đối với các nhà sản xuất hiện
nay. Gần đây, nhiều nghiên cứu được thực hiện bởi các tác giả với nhiều góc độ khác
nhau trong cơng nghệ hàn laser. Trong bài nghiên cứu này, Vishal Chaudhari và
cộng sự [1] sử dụng vật liệu thép không gỉ 304 và thép nhẹ. Trong đó vật liệu inox
304 có khả năng chống ăn mịn giữa các hạt rất tốt giúp tăng tuổi thọ cho bình tích áp
và linh kiện ơ tơ. Hàn TIG là hoạt động quan trọng và phổ biến nhất được sử dụng để
nối hai bộ phận giống nhau hoặc không giống nhau bằng cách làm nóng vật liệu hoặc
tạo áp suất bằng cách sử dụng vật liệu phụ để tăng năng suất với thời gian và chi phí

thấp hơn. Chúng tơi đã sử dụng phương pháp tối ưu hóa của Taguchi để tối ưu hóa
các thơng số quy trình khác nhau như Dịng điện, Điện áp và Tốc độ dịng khí (GFR)
có ảnh hưởng đến độ bền kéo và độ cứng của khớp. Một mảng Taguchi Orthogonal,
tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) và phân tích phương sai (ANOVA) được sử dụng để
nghiên cứu các đặc tính hàn của mối nối khơng giống nhau và tối ưu hóa các tham số
hàn. Nghiên cứu này Tsung-Yuan Kuo và cộng cự [2] sử dụng độ bền kéo tương
đối của mối hàn và kim loại cơ bản làm yếu tố chất lượng cho phép phân tích Taguchi
trong hàn thép khơng gỉ bằng tia laser. Kết quả cho thấy rằng các thơng số q trình
tối ưu có thể đạt được một cách hợp lý ngay cả trong trường hợp kim loại cơ bản có
sự biến đổi tính chất lớn hơn hoặc thiết lập vận hành khơng được kiểm sốt tốt.
Nghiên cứu này MADDILI Praveena Chakravarthy và cộng sự [3] nhằm xác định
các yếu tố kiểm soát quan trọng nhất sẽ giúp cải thiện độ bền kéo của các mối nối
hợp kim Cu-Ni 90/10 được hàn bằng tia laser. Các thông số và cấp độ quy trình hàn
laser khác nhau được sử dụng để nối hợp kim Cu-Ni. Các thơng số quy trình như
Cơng suất Laser (LP), Khí bảo vệ (argon) (SG), Vị trí tiêu cự (FP) & Tốc độ hàn
(WS) đã được chọn trong nghiên cứu thực nghiệm. Việc hàn được thực hiện trên tấm
4


vật liệu dày 4 mm theo thiết kế thử nghiệm của Taguchi. Các tính chất cơ học đã
được đánh giá và các quan sát cấu trúc vi mô đã được thực hiện. Người ta phát hiện
ra rằng độ bền kéo cao nhất là 234 MPa và độ cứng là 83 HV thu được với 90% và
87% vật liệu cơ bản. Các tham số quy trình tối ưu có ảnh hưởng nhất được xác định
bằng cách sử dụng phân tích S/N và phần đóng góp phần trăm của từng tham số quy
trình được ước tính bằng ANOVA. Người ta thấy rằng cơng suất laze là thơng số có
ảnh hưởng với đóng góp 64% trong việc đạt được độ bền cao nhất của các mối hàn
laze. Các giá trị thử nghiệm và kết quả của các thử nghiệm xác nhận là phù hợp tốt.
2.1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của các thông số
hàn laser cơ bản đến cấu trúc vi mơ và độ bền kéo
Quy trình hàn laser tự động tấm thép không gỉ AISI 304 dày 2.0 mm đã được

A. LISIECKI và cộng sự [4] nghiên cứu. Laser đĩa có đường kính điểm chùm tia
200 μm được sử dụng để hàn hạt trên tấm và tiếp theo là hàn các khớp nối tự sinh.
Ảnh hưởng của các thông số hàn cơ bản như công suất laser, tốc độ hàn và vị trí tiêu
điểm đối với cấu hình vùng nhiệt hạch, chất lượng mối nối, thay đổi cấu trúc vi mô
và phân bố độ cứng vi mơ trên các mối nối đã được phân tích và trình bày trong bài
báo này. Kết quả đã chỉ ra rằng việc làm cứng các tấm dày 2,0 mm là rất quan trọng
để mang lại chất lượng cao và khả năng tái tạo mối nối đối đầu trong trường hợp thép
không gỉ AISI 304 do độ dẫn nhiệt tương đối thấp và đồng thời giãn nở nhiệt cao. Đã
quan sát thấy sự giảm độ cứng vi mơ có liên quan trong vùng hàn. Giá trị trung bình
của độ cứng vi mô của kim loại cơ bản là 230 HV0.1, trong khi độ cứng vi mơ trong
vùng nóng chảy của các mối hàn thử nghiệm nằm trong khoảng từ 130 đến 170
HV0.1. Ngoài ra, những thay đổi vi cấu trúc trong kim loại mối hàn và cả trong vùng
ảnh hưởng nhiệt của các mối nối thử nghiệm cũng được mô tả. So với các loại laser
thông thường, hàn laser sợi quang được đặc trưng bởi hiệu suất nóng chảy cao, các
chế độ lỗ khóa khác nhau và đặc tính mật độ năng lượng, có thể ảnh hưởng đến nhiệt
và dịng chảy của bể nóng chảy trong q trình hàn. Mục tiêu của Khalid M. Hafez
và cộng sự [5] hiện tại là nghiên cứu khả năng hàn bằng laser sợi quang của các tấm
thép không gỉ austenit AISI 304 dày 5 mm; do đó, hàn trên tấm được khai thác trên
các tấm thép không gỉ Loại 304 với các công suất laser khác nhau, tốc độ hàn, khoảng
cách lệch tâm với các loại khí bảo vệ khác nhau và ảnh hưởng của chúng đối với hình
dạng và tính chất của vùng hàn cũng như cấu trúc vi mơ hóa rắn cuối cùng ở nhiệt độ
phịng. Cơng suất laser, tốc độ hàn và khoảng cách tiêu cự có ảnh hưởng lớn đến bề
5


ngồi hạt và hình dạng vùng hàn trong khi hầu như không ảnh hưởng đáng kể đến cả
loại vi cấu trúc và tính chất cơ học của mối hàn. Cấu trúc vi mô của tất cả các mối
hàn laser luôn là austenit bao gồm khoảng 3~5% ferit. Tuy nhiên, công suất laser
càng thấp và tốc độ hàn càng cao thì cấu trúc hóa rắn mịn hơn, ferit sơ cấp hoặc hóa
rắn ở chế độ hỗn hợp dẫn đến các mối hàn khơng bị nứt. Mục đích của bài báo do

nhóm A. Kurc-Lisiecka và cộng sự [6] là để phân tích ảnh hưởng của các thông số
cơ bản của laser hàn (tức là công suất chùm tia laser và tốc độ hàn, cũng như đầu vào
năng lượng) của các mối nối đối đầu của các tấm thép không gỉ AISI 304 dày 2.0 mm
về hình dạng mối hàn và chất lượng mối nối. Kết quả đã chỉ ra rằng có thể cung cấp
một hình dạng thích hợp của mối hàn cấu trúc hạt mịn và vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp,
nhưng nó địi hỏi phải lựa chọn cẩn thận các thơng số hàn, đặc biệt là đầu vào năng
lượng thấp. Các phép đo độ cứng vi mô đã chỉ ra rằng trong trường hợp hàn các mối
nối đối đầu bằng laser diode công suất cao trong HAZ khu vực tăng nhẹ độ cứng vi
mô lên xấp xỉ. 185HV0.2 so với vật liệu cơ bản (160-169HV0.2) và giảm độ cứng vi
mô trong vùng nhiệt hạch (FZ) xuống xấp xỉ. 140-150HV0.2 đã được quan sát. Tất
cả các mẫu hàn bị đứt khỏi mối nối trong quá trình thử nghiệm tại ứng suất kéo trong
khoảng từ 585 MPa đến 605 MPa với độ giãn dài phần trăm tương ứng trong khoảng
45-57%. Có thể thấy rằng sức mạnh của khớp không nhỏ hơn sức mạnh của kim loại
cơ bản của tấm thép không gỉ austenit AISI 304 dày 2 mm.

6


CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Giới thiệu về vật liệu thép không gỉ AISI 304 [7].
3.1.1. Thép không gỉ AISI 304

Thép khơng gỉ AISI 304 hay cịn được gọi là Inox 304 là một loại hợp kim
thép không gỉ chứa hàm lượng Crom từ 18-20% và hàm lượng Niken từ 810.5%, cùng với một số lượng nhỏ các thành phần hợp kim khác như mangan, silic
và photpho. Inox 304 có độ bền cao, khả năng chống ăn mịn tốt và được sử dụng
rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ ngành sản xuất thực phẩm đến sản xuất
dược phẩm và thiết bị y tế, cũng như trong các ngành công nghiệp như ô tô, hàng
không, xây dựng và thiết bị gia dụng. Inox 304 cũng là một trong những loại inox
phổ biến nhất trên thị trường hiện nay.
3.1.2. Thành phần cấu tạo

Dựa vào thành phần cấu tạo, người ta chia thép 304 thành 3 loại cơ bản:
 AISI 304L (L = Low): là loại inox có hàm lượng carbon nhỏ hơn 0.03% và tăng
lượng Niken, có tác dụng ngăn ngừa sự hình thành của crom cacbua (hợp chất làm
giảm khả năng chống ăn mịn) trong q trình hàn.
 AISI 304H (H = Hight): là loại inox có hàm lượng carbon cao hơn 0.08% được
dùng để sản xuất các sản phẩm đòi hỏi khả năng chịu nhiệt cao.
 AISI 304: Hàm lượng carbon của 304 được giới hạn tối đa 0,08%, khơng thích
hợp cho các ứng dụng cần hàn, trong mơi trường dễ bị ăn mịn hay các ứng dụng
cần chịu nhiệt độ cao. Thép inox 304 chủ yếu được dùng để chế tạo các sản phẩm
ít gia cơng hoặc khơng cần hàn.
3.1.3. Đặc điểm tính chất
Dưới đây là các đặc điểm tính chất chính của inox 304:
 Khả năng chống ăn mịn: Inox 304 có khả năng chống ăn mịn tốt đối với các chất
ăn mịn thơng thường như axit sulfuric, axit nitric và muối. Điều này làm cho inox
304 trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng u cầu tính chống ăn mịn cao.
 Độ bền cao: Inox 304 có độ bền cao và khả năng chịu nhiệt tốt, có thể chịu được
nhiệt độ cao lên đến 870 độ C.

7


 Tính thẩm mỹ: Inox 304 có tính thẩm mỹ cao, bề mặt sáng bóng và trơn, phù hợp
với nhiều ứng dụng cần tính thẩm mỹ cao như sản xuất đồ gia dụng, thiết bị y tế,..
 Dễ gia công: Inox 304 dễ dàng được gia công thành các sản phẩm đa dạng như
ống, tấm, dây,.. thông qua các phương pháp gia công như cắt, hàn, mài,..
 Khả năng chống ăn mịn bề mặt: Inox 304 có khả năng chống ăn mòn bề mặt tốt,
giúp bề mặt sản phẩm bảo vệ khỏi sự oxy hóa và trầy xước.
 Tính dẫn nhiệt: Inox 304 có tính dẫn nhiệt thấp hơn so với các loại kim loại khác,
điều này làm cho inox 304 trở thành vật liệu lý tưởng trong việc chế tạo các sản
phẩm yêu cầu tính cách nhiệt cao.

3.1.4. Ứng dụng của inox 304
Inox 304 là một trong những loại inox phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực. Dưới đây là một số ứng dụng của inox 304:
 Sản xuất đồ gia dụng: Inox 304 là một vật liệu lý tưởng cho sản xuất đồ gia dụng
như bếp, tủ lạnh, bồn tắm,..
 Thiết bị y tế: Inox 304 được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị y tế như máy móc
y tế, bình khí oxy,..
 Sản xuất thực phẩm và đồ uống: Inox 304 được sử dụng trong các thiết bị sản
xuất, chế biến thực phẩm và đồ uống như bồn chứa, bình lọc,..
 Ngành cơng nghiệp hóa chất: Inox 304 là vật liệu lý tưởng cho sản xuất các thiết
bị chịu ăn mòn trong ngành cơng nghiệp hóa chất.
 Thiết bị giải trí ngoài trời: Inox 304 được sử dụng trong các thiết bị giải trí ngồi
trời như cầu trượt, vịi phun nước,..
 Ngành công nghiệp điện tử: Inox 304 được sử dụng trong sản xuất các bộ phận
điện tử.
 Sản xuất xe hơi: Inox 304 được sử dụng trong sản xuất các bộ phận của xe hơi
như bình xăng, đồng hồ đo nhiên liệu,..
 Thiết bị xây dựng: Inox 304 được sử dụng trong sản xuất các bộ phận xây dựng
như ống dẫn nước, thanh ren, lan can cầu thang..

8