Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số cơ bản của chế độ hàn đắp plasma bột hợp kim nickel đến hình dạng và kích thước mối hàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI




LÊ LƯƠNG HUỲNH



NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ CƠ BẢN
CỦA CHẾ ðỘ HÀN ðẮP PLASMA BỘT HỢP KIM NICKEL
ðẾN HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC MỐI HÀN


CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ : 60.52.01.03


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. ðÀO QUANG KẾ
TS. HOÀNG VĂN CHÂU




HÀ NỘI - 2014
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

i

LỜI CẢM ƠN

ðề tài Luận văn ñược tác giả hoàn thành tại phòng thí nghiệm trọng
ñiểm Công nghệ hàn và xử lý bề mặt - Viện nghiên cứu Cơ khí (Bộ Công
Thương) dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS ðào Quang Kế và
TS. Hoàng Văn Châu cùng các thầy cô trong khoa Cơ -ðiện - Trường ðại
Học Nông Nghiệp Hà Nội, ñã giúp ñỡ tôi hoàn thành Luận văn này.
Qua ñây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong
khoa Cơ - ðiện - Trường ðại Học Nông Nghiệp Hà Nội. ðặc biệt cho phép
tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Quang Kế và TS. Hoàng Văn
Châu, hai thầy ñã dành nhiều công sức hướng dẫn tôi thực hiện ñề tài trong
suốt thời gian qua. ðồng thời Luận văn tốt nghiệp cũng trang bị cho tôi những
kiến thức cần thiết cho công việc sau này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2014
Tác giả

Lê Lương Huỳnh





Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

ii

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục bảng v

Danh mục hình vi

LỜI MỞ ðẦU 1

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 3

1 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY
BẰNG HÀN ðẮP PLASMA VỚI BỘT HỢP KIM TRÊN THẾ
GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 3

1.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước 3

1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 6

1.3 Tổng quan về các Patent ñã công bố trên thế giới 9

1.4 Tổng quan về các tiêu chuẩn liên quan 9

1.5 Kết luận chương 1. 10

CHƯƠNG 2 ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

2.1 ðối tương nghiên và thiết bi cứu. 11

2.2 Công nghệ hàn ñắp trong phục hồi và chế tạo chi tiết máy bằng
hàn Plasma với bột hợp kim Nickel. 13

2.2.1 Công nghệ và thiết bị 13

2.2.2 Vật liệu. 17

2.3 Ưu, nhược ñiểm của công nghệ hàn bột Plasma. 21

2.3.1 Ưu ñiểm. 21

2.3.2 Nhược ñiểm 21

2.4 Tầm quan trong của việc phục hồi và chế tạo chi tiết máy 21

2.5 Kết luận Chương 2. 22

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

iii

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 24

3.1 Chế ñộ hàn. 24

3.2 Thiết bị hàn Plasma bột. 25

3.3 Sự ảnh hưởng của chế ñộ hàn ñến hình dạng và kích thước mối hàn 27

3.3.1 Dòng ñiện, ñiện áp hàn và lưu lượng khí plasma. 27

3.3.2 Thành phần bột hàn: 30

3.3.3 Cỡ bột hàn: 31

3.3.4 Khoảng cách làm việc: 32

3.3.5 Lưu lượng khí bảo vệ, khí mang bột: 33

3.3.6 Nhiệt ñộ nung sơ bộ: 34

3.4 Xử lý nhiệt trước, trong và sau khi hàn 35

3.4.1 Xử lý nhiệt trước khi hàn : 37

3.4.2 Xử lý nhiệt trong quá trình hàn: 38

3.4.3 Xử lý nhiệt sau khi hàn: 38

3.4.4 Thiết bị xử lý nhiệt nung nóng bằng khí ñốt thông thường. 41

3.4.5 Quy trình chung xử lý nhiệt 43

3.5 Kết luận chương 3 45

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 46

4.1 Xác ñịnh các thông số công nghệ quan trọng cần khảo sát 46

4.2 Lựa chọn dạng mô hình và xác ñịnh các giá trị biến thiên ñầu vào. 47

4.3 Tiến hành các thí nghiệm: 50

4.4 Thí nghiệm theo ma trận ñã xây dựng 51

4.5 Tính toán hệ số hồi quy và xây dựng mô hình toán học 52

4.6 Ghi nhận kết quả thí nghiệm thu ñược 53

4.6.1 Kết quả ñánh giá qua hiển thị cấu trúc tổ chức tế vi của 4 vùng
kim loại 54

4.6.2 Kết quả ñánh giá hình dạng và kích thước mối hàn 56

4.7 Thảo luận kết quả thu nhận ñược 58

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

iv

4.7.1 Ảnh hưởng trực tiếp của các thông số hàn 59

4.7.2 Ảnh hưởng tương tác của các thông số hàn 61

4.8 Tối ưu hóa các thông số quy trình công nghệ hàn thông qua tính
toán và thực nghiệm. 62

4.9 Kết luận chương 4 64

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 66

KẾT LUẬN 66

KIẾN NGHỊ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

v

DANH MỤC BẢNG


STT Tên bảng Trang

2-1 Thành phần hóa học của bột Nickel cơ bản và hợp kim 19

2-2 Thành phần bột Nickel và hợp kim của Nickel 20

2-3 Thành phần hóa học bột Nickel 167 (NI-167) 20

3-1 Các thông số công nghệ khi hàn Plasma bột 24

4-1 Các nhân tố ảnh hưởng và miền khảo sát 50

4-2 Ma trận thí nghiệm 50

4-3 Các thông số kỹ thuật 52

4-4 Các nhân tố ảnh hưởng và miền khảo sát 56

4-5 Các nhân tố ảnh hưởng và miền khảo sát 57

4-6 Các nhân tố ảnh hưởng và miền khảo sát 57

4-7 Kết quả thí nghiệm 57

4-8 Thông sô hình dáng hình học mối hàn 58

4- 9 Giá trị tối ưu của chế ñộ hàn 63

4-10 Thông số hình dạng và kích thước mối hàn 63

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

vi

DANH MỤC HÌNH

STT Tên hình Trang

1-1 Hàn bột Plasma phục hồi xupap ñộng cơ máy thủy. 6

1-2 Một số ứng dụng của công nghệ hàn plasma 6

1-3 ðầu hàn plasma. 8

1-4 Hệ thống thiết bị công nghệ hàn bột plasma 8

1-5 Thiết bị hàn Microplasma NERTAMATIC 51 9

2-1 Kết cấu hình dạng mối hàn ñắp PTA 12

2.2 Sơ ñồ hệ thống hàn Plasma bột. 13

2-3 Sơ ñồ kết cấu của ñầu hàn bột Plasma 15

2-4 Nguyên lý công nghệ hàn Plasma bột hơp kim 16

2-5 Một số hình ảnh của Nickel và bột Nickel 17

3-1 Mặt cắt chiều sâu ngấu của lớp ñắp (A1. là phần diện tích lớp ñắp
không ngấu, A2. là phần diện tích lớp ñắp ngấu) 25

3-2 Hệ thống thiết bị hàn Plasma bột 26

3-3 Ảnh hưởng của dòng ñiện plasma, lưu lượng khí plasma, tỷ lệ bột
hàn tới sự hòa tan của kim loại mối hàn. 28

3-4 Ảnh hưởng của lưu lượng khí lên hình dạng lớp ñắp và sự hòa
tan kim. 29

3-5 Ảnh hưởng của ñiện áp và dòng ñiện ñến nhiệt ñộ hồ quang plasma. 30

3-6 Ảnh hưởng của chiều dày lớp ñắp và tỷ lệ bột hàn tới sự hòa tan. 31

3-7 Ảnh hưởng của kích thước bột hàn tới ñộ cứng và sự hòa tan 32

3-8 Ảnh hưởng của khoảng cách làm việc ñến sự hòa tan kim loại 33

3-9 So sánh tính chất lớp ñắp của hai loại bột hàn khác nhau. 34

3-10 Thiết bị xử lý nhiệt bằng khí ñốt 41

4-1 Hệ thống thiết bị hàn tự ñộng hồ quang Plasma dịch chuyển - PTA. 51

4-2 Ảnh tổ chức tế vi của 4 vùng kim loại 54

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

vii

4-3 Ảnh tổ chức tế vi của kim loại mối hàn 54

4-4 Ảnh tổ chức tế vi của kim loại cơ bản và kim loại mối hàn 55

4-5 Ảnh tổ chức tế vi của vùng ảnh hưởng nhiệt 55

4-6 Ảnh tổ chức tế vi của kim loại cơ bản 56

4-7 Mẫu hàn ñắp tự ñộng PTA với bột hợp kim Nickel 58

4-8 Ảnh hưởng trực tiếp của dòng ñiện hàn I. 59

4-19 Ảnh hưởng của tốc ñộ hàn V 60

4-10 Ảnh hưởng của lượng bột hợp kim G cấp vào ñầu hàn 61

4-11 Ảnh hưởng tương tác giữa dòng hàn I và nhiệt ñộ nung nóng
trước nhiệt ñộ của chi tiết 61

4-12 Ảnh hưởng tương tác giữa tốc ñộ hàn V và lượng cấp bột hợp
kim G ñến mức ñộ hòa tan của kim loại ñắp 62



Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

1

LỜI MỞ ðẦU

Thông qua các công trình và kết quả ñánh giá về tình hình nghiên cứu
ngoài nước và trong nước về công nghệ hàn Plasma, ta có thể thấy rằng xu
hướng áp dụng công nghệ mới ñể tăng năng xuất và chất lượng trong ngành
chế tạo cơ khí ngày càng phát triển.
Các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học Nhật Bản là một trong
những hướng tiên tiến, ñã giải quyết ñược vấn ñề công nghệ và vật liệu hàn.
ðây là một vấn ñề còn hạn chế trong nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam.
Một vài công trình ñã nghiên cứu trước ñây của các tác giả Việt Nam còn
chưa ñi sâu vào bản chất công nghệ và chỉ mới ñược coi là các thử nghiệm ban
ñầu trong ñiều kiện phòng thí nghiệm nên chưa có kết quả khả quan.
Vì vậy ðề tài ñã ñặt ra mục tiêu là thực hiện việc
“
Nghiên cứu ảnh
hưởng một số thông số cơ bản của chế ñộ hàn ñắp Plasma bột hợp kim
Nickel ñến hình dạng và kích thước mối hàn
”.

Trong quá trình thực hiện ñề tài, tác giả ñã xây dựng ñược bộ cơ sở dữ
liệu chế ñộ công nghệ hàn, xác ñịnh ñược một số thông số cơ bản ảnh hưởng
ñến chế ñộ hàn ñắp Plasma bột hợp kim Nickel.
ðề tài ñã hoàn thiện mục tiêu nghiên cứu cụ thể ñề ra bao gồm:
1-Các công nghệ phục hồi chi tiết máy bằng hàn ñắp trên thế giới và
trong nước;
2- Công nghệ hàn ñắp trong phục hồi và chế tạo chi tiết máy bằng Plasma
bột hợp kim Nickel, tầm quan trọng của việc phục hồi và chế tạo chi tiết máy;
3- Kết luận, mục tiêu và nội dung nghiên cứu.
Xuất phát từ các mục tiêu ñó, ñề tài ñã xây dựng lên các nội dung
nghiên cứu theo từng giai ñoạn cụ thể như sau:
Nội dung 1: Tổng quan về công nghệ hàn plasma và các sản phẩm của
ñề tài.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

2

Nội dung 2: ðối tượng, thiết bị và phương pháp nghiên cứu
Nội dung 3: Nghiên cứu lý thuyết
Nội dung 4: Nghiên cứu thực nghiệm
Kết luận và ñề nghị

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

3

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1- NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY BẰNG
HÀN ðẮP PLASMA VỚI BỘT HỢP KIM TRÊN THẾ GIỚI VÀ
TRONG NƯỚC
1.1. Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước
Từ năm 1941, các nhà khoa học Mỹ ñã nỗ lực nghiên cứu giải pháp hàn
và cắt các loại vật liệu từ kim loại nhẹ và hợp kim của chúng nhằm phục vụ
cho Công nghiệp Quốc phòng, ñặc biệt là chế tạo kết cấu máy bay. Nhờ vậy,
một trong những phương pháp hàn mới ñã ñược phát minh ñó là hàn hồ quang

bằng ñiện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ TIG (Tungsten Inert
Gas). Từ những năm 1950, hàn TIG ñã ñược công nhận như là một phương
pháp hàn tiên tiến ứng dụng một cách có hiệu quả ñể chế tạo các liên kết hàn
từ vật liệu khó hàn và ñòi hỏi chất lượng cao.
Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu nhằm phát triển hơn nữa công
nghệ hàn TIG, các nhà khoa học Mỹ không những ñã nhận thấy một số hạn
chế của phương pháp hàn này mà còn phát hiện thêm hiệu ứng quan trọng của
hồ quang plasma nén và từ ñó các công trình nghiên cứu lý thuyết về công
nghệ hàn hồ quang plasma PAW (Plasma Arc Welding) ñã ñược có một sự
phát triển mạnh mẽ.
So sánh với quá trình hàn hồ quang bằng ñiện cực không nóng chảy
trong môi trường khí trơ, hàn hồ quang plasma có những ưu ñiểm vượt trội:
Mức ñộ tập trung năng lượng nhiệt cao hơn ( nếu như trong hàn TIG hồ
quang có dạng hình nón và nhiệt ñộ chỉ ñạt tới khoảng 5.000- 6.000
0
K thì
nhiệt ñộ của hồ quang plasma nén có thể vượt quá 24.000
0
K); ñộ ổn ñịnh
của hồ quang cao hơn, có thể sử dụng chế ñộ hàn với phạm vi ñiều chỉnh
cường ñộ dòng hàn lớn ( từ một vài ampe ñến hàng trăm ampe); Chất lượng
mối hàn cao và ổn ñịnh (vì các thông số của vũng hàn ít phụ thuộc vào
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

4

khoảng cách làm việc, ít bị khuyết tật công nghệ), vùng ảnh hưởng nhiệt có
kích thước bé,…
Bằng nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học Mỹ, Liên Xô
(cũ), Tây Âu, Nhật Bản…, công nghệ hàn hồ quang plasma ngày càng ñược

phát triển và hoàn thiện vào ñầu thập kỷ 60 nó ñã ñược ứng dụng khá rộng rãi
và có hiệu quả ở các nước công nghiệp phát triển, ñặc biệt là ở khu vực châu
Âu ñể hàn thép hợp kim cao trong ñó như thép không gỉ, kim loại chống ăn
mòn, chịu mài mòn, hợp kim nickel, titan, ziriconi, tantali và thậm chí cả các
kim loại quý hiếm khác.
Ngày nay bằng nhiều kết quả nghiên cứu về công nghệ và thiết bị mới
ñã ñưa công nghệ hàn plasma thay thế các công nghệ hàn bằng tia laser hoặc
hàn bằng chùm tia ñiện tử mà trước ñây bắt buộc phải sử dụng với chi phí và
mức ñộ ñầu tư rất cao. ðó là các sản phẩm như bình nhiên liệu cho các tàu
con thoi, vỏ tàu cánh ngầm và tàu ngầm, bồn bể chứa hóa chất, thiết bị hóa
thực phẩm, máy móc trong công nghiệp dược phẩm, y tế,
ðể ñáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các ngành công nghiệp sản
xuất tiên tiến nói chung, và công nghiệp quốc phòng nói riêng hướng tới các
quy trình chế tạo và phục hồi chi tiết máy hiệu quả hơn, trong những năm gần
ñây tại các Viện nghiên cứu về hàn trên thế giới và ñặc biệt là các chuyên gia
về hàn ở Nhật Bản ñã nghiên cứu và ứng dụng thành công phương pháp hàn
plasma dùng vật liệu bột - PTA (Plasma Transferred Arc). ðây là một trong
những biến thể của công nghệ hàn hồ quang plasma mà vật liệu bổ sung ñược
cung cấp dưới dạng bột kim loại. Hệ thống thiết bị cơ bản dùng cho PTA bao
gồm máy hàn plasma, thiết bị cấp bột và cụm mỏ hàn. Thành phần bột kim
loại (hỗn hợp cacbit chrome, cacbit vonfram, nickel, cobalt… ) là yếu tố quan
trọng nhất ñem lại những tính chất ñặc biệt (thành phần hóa học và cơ tính)
cho kim loại mối hàn theo yêu cầu sử dụng của sản phẩm.
Phương pháp hàn plasma bột ñem lại những ưu ñiểm nổi bật như: Chất
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

5

lượng mối hàn và năng suất ñược nâng cao, không bị hạn chế về vị trí hàn
trong không gian, kết quả tốt khi hàn các vật liệu hợp kim và kim loại mầu,

hạn chế tối ña sự tham gia của kim loại nền vào kim loại mối hàn, cho khả
năng kiểm soát nhiệt cung cấp cho liên kết hàn tốt nên có thể ứng dụng cho
hàn các loại vật liệu có tính hàn rất khác nhau với nhau mà các phương pháp
hàn khác khó có thể thực hiện ñược…
Ở các nước công nghiệp phát triển, các lĩnh vực tiêu biểu ñã ứng dụng
mạnh mẽ công nghệ hàn PTA là chế tạo mới hay phục hồi các vít tải, van của
ñộng cơ ñốt trong (ñộng cơ ô tô, máy thủy, ñầu kéo, v.v…), các chi tiết phụ
tùng trong ngành hóa chất, dầu khí, sản xuất ñiện, dụng cụ cắt (dao, dao phay,
dao doa, dao chuốt, v.v ), thiết bị khai thác mỏ, nghiền, cán, xây dựng, giao
thông, thiết bị trong ngành gốm sứ và sản xuất xi măng, chế tạo và phục hồi
khuôn mẫu, thiết bị trong ngành công nghiệp giấy và bột giấy, máy nông
nghiệp, thiết bị phụ tùng cho các nhà máy ñiện hạt nhân, v.v
Có thể nói, công nghệ hàn plasma ñã ñáp ứng ñược các tiêu chuẩn chất
lượng và năng suất trong nhiều ngành công nghiệp có sử dụng thép không gỉ,
các kim loại màu và hợp kim của chúng ñặc biệt như các loại vật liệu có tính
dẫn nhiệt cao như ñồng, nhôm Hàn plasma có những lợi thế ñáng kể, bao
gồm tốc ñộ hàn tăng và biến dạng hàn thấp.
Rõ ràng rằng, công nghệ hàn plasma có những bước phát triển vượt bậc
trong ba mươi lăm năm qua, ñặc biệt là trong vòng năm năm trở lại ñây nó ñã
trở thành một công nghệ khá phổ biến ở các nước công nghiệp phát triển,
ñược các Trường, Viện nghiên cứu và các nhà khoa học quan tâm chú ý phát
triển và hoàn thiện. Trong việc chế tạo và phục hồi các chi tiết máy làm việc
trong ñiều kiện khắc nghiệt, công nghệ hàn plasma luôn là công nghệ nổi
trội, mang lại chất lượng và hiệu quả kinh tế cao, (hình 1-1) và (hình 1-2) một
số hình ảnh về các chi tiết ñược hàn phục hồi và hàn mới.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

6

Hình 1-1: Hàn bột Plasma phục hồi xupap ñộng cơ máy thủy.

Hình 1-2: Một số ứng dụng của công nghệ hàn plasma
1.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
ðề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn ñắp plasma bột ñể chế tạo
các dụng cụ cắt làm việc trong ñiều kiện chịu mài mòn và va ñập cao”
(Research to apply plasma powder surfacing for the manufacturing of cutting
tools working under heavy impact and wear conditions), mã số VLIR-HUT
PJ04, thuộc chương trình hợp tác giữa Trường ðHBK HN và cộng ñồng các
trường ñại học khối Flemish-Vương Quốc Bỉ VLIR-HUT. ðề tài do PGS.TS.
Bùi Văn Hạnh, ðH Bách khoa HN làm chủ nhiệm. ðề tài ñã ñi sâu nghiên
cứu công nghệ chế tạo các loại dao chặt mảnh dùng cho ngành giấy có kích
thước nhỏ. Các kết quả chủ yếu ñã ñạt ñược:
- ðã nghiên cứu ñược tổ chức lớp kim loại lưỡi cắt dao chặt mảnh trong
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

7

ngành giấy chế tạo bằng phương pháp hàn ñắp plasma bột
- ðã ñề xuất ñược phương án lựa chọn thành phần bột
- ðã thiết kế ñược QTCN gia công cơ khí dao chặt mảnh sau khi
hàn ñắp
- ðã nghiên cứu ñược những hư hỏng, ñộ mài mòn, tuổi thọ của dao
chặt mảnh sử dụng trong ngành giấy
Các kết quả thử nghiệm ban ñầu cho thấy cơ tính lớp ñắp ñạt yêu cầu. Tuy
nhiên, sản phẩm chưa ñược ứng dụng rộng rãi do hiện tượng mẻ dao chưa
khắc phục ñược trong quá trình sử dụng.
Về công nghệ PTA ứng dụng ñể phục hồi chi tiết máy ở Việt nam hiện
nay chưa có một công bố nào. Chỉ có một số thiết bị hàn PAW ñược nhập về

nhưng hiệu quả sử dụng chưa cao (Thiết bị hàn Microplasma tại PTNTð Hàn
và Xử lý bề mặt thuộc NARIME) hoặc chỉ mới phục vụ cho công tác ñào tạo
(ðH BK Hà nội, Trung tâm ñào tạo và chuyển giao công nghệ Việt –ðức
thuộc TC ðL-CL).
Một số hình ảnh hệ thống thiết bị hàn Plasma bột ñang ñược sử dụng ở
Việt Nam.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

8



Hình 1-3: ðầu hàn plasma.

Hình 1-4: Hệ thống thiết bị công nghệ hàn bột plasma

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

9


Hình 1-5: Thiết bị hàn Microplasma NERTAMATIC 51
1.3. Tổng quan về các Patent ñã công bố trên thế giới
Trong thời gian thực hiện vừa qua, nhóm ðề tài ñã thu thập ñược 6
Patent ở giai ñoạn 1958-2006 liên quan ñến các vấn ñề về thiết bị và công
nghệ hàn plasma ñược công bố trên thế giới, chủ yếu là ở Mỹ.
ðó là các Patent sau ñây:
1. US Patent 4,621,183 - 1986: Phương pháp hàn bột Plasma.
2. US Patent 5,431,136 - 1995: ðặc ñiểm, tính năng chống ăn mòn tiếp

xúc của bột hàn với vật liệu thép cơ bản trong quá trình cháy của ñộng cơ.
3. US Patent 5,981,896 - 1999: Thiết bị và phương pháp tạo mối hàn
khô dưới nước.
4. US Patent 0184946A1 - 2004: Cải thiện khả năng chống ăn mòn cho
xupap bằng vật liệu hợp kim chịu nhiệt.
5. US Patent 7,045,738 - 2006: Phương pháp và thiết bị cung cấp bột
trong hàn PTA.
1.4. Tổng quan về các tiêu chuẩn liên quan
Trong quá trình tìm hiểu các hệ thống Tiêu chuẩn liên quan ñến công
nghệ, vật liệu và thiết bị hàn plasma, ðề tài tập trung vào các Hệ tiêu chuẩn
sau ñây:
- ISO (International Organization for Standardization),
- AWS (American Welding Society),
- JIS (Japanese Industrial Standards),
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

10

- API (American Petroleum Institute),
- ASTM (American Society for Testing and Materials),
- ANSI (American National Standards Institute),
- GOST (Russia).
Tuy nhiên về cơ bản là các Hệ tiêu chuẩn chủ yếu trình bày về vật liệu
cho hàn plasma, còn về công nghệ và thiết bị hầu như chưa có ñược các thông
tin nào ñầy ñủ.
ðề tài ñã tham khảo và thu thập ñược 03 Tiêu chuẩn của Liên xô cũ về
các mối hàn plasma:
- GOST 16037-80
- GOST 8713-79
- GOST 15878-79

Với các Tiêu chuẩn này, trong ñiều kiện Việt Nam hiện ñang ñược sử
dụng rộng rãi trong chế tạo và phục hồi chi tiết máy. ðề tài sẽ có cơ sở khoa
học ñể tiến hành các công việc thử nghiệm và áp dụng vào thực tế theo các
quy chuẩn trong công nghệ hàn plasma.
1.5. Kết luận chương 1.
Trên cơ sở các tài liệu tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và
ngoa i nước, Patent ñã công bố, các tiêu chuẩn và các thông tin thu ñược như
hình minh họa về thiết bị hàn plasma của các nước trong khu vực và trên thế
giới và ở Việt Nam, ðề tài ñã lựa chọn giải pháp kỹ thuật – công nghệ ñể áp
dụng toàn bộ hệ thống thiết bị hàn chính và thiết bị phụ trợ.
Các kết quả nghiên cứu tổng quan tài liệu, Patent, Tiêu chuẩn sẽ ñược
ðề tài sử dụng trong quá trình nghiên cứu triển khai công nghệ và áp dụng
sản xuất.


Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

11

CHƯƠNG 2
ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1
.
ðối tương nghiên và thiết bi cứu.
Công nghệ hàn ñắp bằng hồ quang Plasma dịch chuyển (PTA) với các
loại bột hợp kim cứng thường ñược sử dụng nâng cao chất lượng bề mặt chi
tiết, chế tạo các công cụ cắt gọt hiệu quả trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay.
Trong những năm gần ñây, công nghệ PTA ñược sử dụng rộng rãi trong các
ứng dụng như các ngành công nghiệp van thủy lực, máy móc, các ngành công

nghiệp khai thác mỏ, chế tạo thiết bị, phụ tùng, hóa chất, hạt nhân và nhà máy
ñiện v.v. Xét về bản chất, quá trình PTA có thể ñược coi như là một dạng hàn
hồ quang Gas Tungsten tiên tiến ñược sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng của
các lớp phủ. Bột kim loại và hợp kim ñược chuyển trong luồng hồ quang
Plasma nhờ ñiện cực Tungsten tạo nên. Như vậy, các lớp phủ có thể ñược tạo
nên nhờ kiểm soát chính xác thành phần của vật liệu ñưa vào quá trình PTA.
Các chủng loại bột như Colmonoy-5 (hợp kim Co), hợp kim Nickel,
Wolfram Carbide… có khả năng chịu mài mòn rất tốt và khả năng chống ăn
mòn và chống oxy hóa ở nhiệt ñộ cao.
So với quá trình hàn khác, dùng công nghệ PTA cho hàn ñắp bề mặt
ñòi hỏi số lượng vật liệu tiêu hao ít hơn khi cần cải thiện các tính chất cơ lý và
cấu trúc luyện của vật liệu bề mặt. ðiều này ñạt ñược khi sự pha loãng và hòa
tan của lớp kim loại ñắp với bề mặt nền hạn chế ở mức ñộ thấp nhất. Sự hòa
trộn và pha loãng của mối hàn ñắp PTA ñược chỉ ra trên (hình 2-1).
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

12


Hình 2-1: Kết cấu hình dạng mối hàn ñắp PTA

Hình dạng hình học của mối hàn ñắp bị ảnh hưởng bởi các giá trị thông
số công nghệ của quá trình PTA trong quá trình hàn ñắp. Các thông số này
cần ñược thiết lập và lựa chọn ñể cho phép tự ñộng hóa quá trình và ñảm bảo
chất lượng tốt cho bề mặt chi tiết.
Vì vậy ñối tượng nghiên cứu của ñề tài này là
“
Nghiên cứu ảnh hưởng
một số thông số cơ bản của chế ñộ hàn ñắp Plasma bột hợp kim Nickel ñến
hình dạng và kích thước mối hàn

”.
ðược mô tả như (hình 2-1). Việc lựa
chọn các thông số công nghệ của quá trình hàn PTA phải ñược cụ thể hơn ñể
ñảm bảo rằng bề mặt và kết cấu hình dạng hình học của mối hàn là ñạt chất
lượng theo yêu cầu.
Ngoài ra, mục tiêu chính của nghiên cứu này là ñể tối ưu hóa các thông
số công nghệ hàn của quá trình hàn ñắp tự ñộng PTA ñể ñạt ñược mức ñộ hòa
tan của vật liệu ñắp vào vật liệu nền là tối thiểu, tăng cường tối ña chiều rộng
và chiều cao mối hàn ñắp.
Theo số lượng dữ liệu ñược tạo ra trong quá trình thực nghiệm lặp ñi
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

13

lặp lại cho tối ưu hóa là rất lớn và mỗi chu kỳ thiết kế yêu cầu số tính toán,
phần mềm ñã ñảm bảo ñược các yêu cầu như sử dụng.
2.2. Công nghệ hàn ñắp trong phục hồi và chế tạo chi tiết máy bằng hàn
Plasma với bột hợp kim Nickel.
2.2.1 Công nghệ và thiết bị
Công nghệ hàn Plasma bột (PTA) ñược sử dụng ñể hàn mới hoặc ñắp
lên vật liệu nền một lớp kim loại (hoặc hợp kim) làm tăng ñộ cứng bề mặt,
tăng khả năng chịu mài mòn và ăn mòn của chi tiết máy. ðây là công nghệ
tiên tiến ñược ứng dụng vào việc hàn mới và xử lý bề mặt chi tiết. Với ñối
tượng thực thi là hồ quang ñiện ñược tạo lên giữa ñiện cực Wonfram và vật
liệu phủ bề mặt chi tiết .
Quá trình hàn Plasma bột hồ quang dịch chuyển (PTA) có thể ñược coi
là một dẫn xuất của quá trình hàn hồ quang Plasma (PAW). Cả hai phương
pháp hàn ñều sử dụng một ñiện cực Wonfram không tiếp xúc nằm bên trong
ñầu hàn, mỗi mỏ hàn ñều ñược làm mát bằng nước, khí bảo vệ ñể bảo vệ bể
hàn nóng chảy và khí Plasma ñược mô tả như (hình 2-2)

Hình 2.2: Sơ ñồ hệ thống hàn Plasma bột.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

14

ðiểm khác biệt giữa hai quá trình hàn nằm trong bản chất của vật liệu
phụ ñó là bột thay vì dây, kim loại phụ ñược cung cấp dưới dạng bột bởi một
chất khí vận chuyển (khí mang) ñến khu vực hồ quang mà trong ñó ñã chứa
ñầy ñủ các thành phần nguyên tố hợp kim với hàm lượng cần thiết tuỳ thuộc
vào tính chất lớp ñắp yêu cầu (bột hợp kim).(hình 2-3) .
Trong hai phương pháp hàn bột Plasma và hàn hồ quang plasma sử
dụng một loại khí trơ, khí này ñi qua các lỗ của ñầu hàn, nơi ñiện cực ñược
ñịnh tâm chắc chắn. Khí bảo vệ qua miệng ñầu hàn bao quanh bên ngoài lớp
hàn có tác dụng chống lại sự ôxy hóa từ không khí bên ngoài khí quyển lên bề
mặt lớp hàn. Mặt khác, trong quá trình hàn bột Plasma khí ñược sử dụng ñể
vận chuyển vật liệu phụ thông qua ñường dẫn và ñược ñiều chỉnh lượng cấp
cho phép ñến khu vực hồ quang plasma sao cho lượng bột cấp là tập trung
nhất. Khí ñược sử dụng thường là khí argon (Ar).
ðặc trưng của phương pháp hàn plasma bột, hồ quang dịch chuyển ñó
chính là hồ quang Plasma. Plasma (một chất khí bị ion hóa hoàn toàn ñạt ñến
trạng thái dẫn ñiện) có thể ñược xem như là trạng thái tự nhiên thứ tư của vật
chất. Trạng thái Plasma chiếm hơn 99,9% thành phần vật chất trong vũ trụ.
Nhiệt Plasma bao gồm một chất khí có ít nhất 1% bị ion hóa với một nhiệt ñộ
lớn hơn 13.000°C và là một chất dẫn ñiện tốt. Trong quá trình phát sinh từ khí
trơ ñến argon tạo thành một dòng Plasma tập trung ở nhiệt ñộ cao.
Bột hợp kim ñược ñưa từ cơ cấu cấp bột vào ñầu hàn plasma nhờ khí
mang. Cơ cấu cấp bột ñảm bảo ñịnh lượng bột cấp chính xác và ổn ñịnh nhờ

mạch phản hồi ñưa về ñộng cơ cấp bột ñược ñiều khiển bởi phần mềm máy tính.
Cấu tạo của ñầu hàn bột Plasma (hình 2-3).
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

15


Hình 2-3. Sơ ñồ kết cấu của ñầu hàn bột Plasma
1. Ống cấp bột;
2. Ống dẫn khí Plasma;
3. ðường dẫn khí bảo vệ;
4. ðiện cực Vonfram;
5. Lớp hàn ñắp;
6. Chi tiết hàn.
Bột hợp kim bị nóng chảy khi ñi qua hồ quang plasma và ñược rót vào
vũng hàn. Toàn bột vùng hàn ñược bao bọc bởi lớp khí bảo vệ Argon. Bộ cấp
khí có nhiệm vụ cung cấp và ñiều chỉnh tự ñộng bằng mạch ñiện tử lưu lượng
khí tạo plasma, khí mang bột.
Trong quá trình này, bột kim loại ñược ñưa vào một vũng hàn nóng
chảy ñược tạo ra bởi plasma ở nhiệt ñộ cao (lên ñến 20.000°C). Tất cả các
thông số chế ñộ hàn bao gồm cả thông số về tốc ñộ cấp bột, năng lượng ñầu
vào (dòng ñiện hàn), lưu lượng khí plasma và khí bảo vệ cũng như tốc ñộ của
ñầu hàn và vật hàn ñều ñược kiểm soát, khống chế và ñược ñiều chỉnh tự
ñộng hoàn toàn bằng phần mềm máy tính. Với nguồn năng lượng tập trung
cao của hồ quang plasma cho phép ta nhận ñược lớp ñắp có chất lượng cao
nhất. Lớp ñắp hoàn toàn ñặc và ñược liên kết về mặt luyện kim (tương tự như
ñúc) với kim loại cơ bản. Trên (hình 2-4) trình bày nguyên lý công nghệ hàn
plasma bột hợp kim.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

16


Hình 2-4. Nguyên lý công nghệ hàn Plasma bột hơp kim
Hàn hồ quang Plasma ñể làm cứng bề mặt chi tiết là một phương pháp
hàn phù hợp tạo ra một liên kết kim loại nóng chảy giữa lớp nền và lớp ñắp.
Chiều dày lớp ñắp có thể dao ñộng từ 0,6 ÷ 6,0 mm, chiều rộng từ 3 ÷ 10 mm
khi sử dụng một lớp hàn ñắp, nhiều lớp hàn khi hàn chiều dày lớp ñắp có thể
ñến 20 mm và chiều rộng trên 30 mm. Trong hàn hồ quang ñể làm cứng bề
mặt chi tiết, hai nguồn cung cấp ñiện DC ñược sử dụng: nguồn thứ nhất tạo
hồ quang không dịch chuyển giữa ñiện cực vonfram (-) và anot (+) và sau ñó
hồ quang tạo nên giữa ñiện cực vonfram (-) và vật hàn (+). Hồ quang mồi tạo
nên do một thiết bị tần số cao và dòng khí plasma bao quanh catot (cực âm)
ñược ion hóa ở ñầu ñiện cực.
Khi hồ quang chuyển dịch ñược tạo nên, vật hàn trở thành một phần
của mạch ñiện và hồ quang Plasma ñược dẫn hướng và tập trung thông qua
các miệng của ñầu hàn vào vật hàn. Bột phun ra dưới một áp lực lớn của dòng
khí Argon, từ ñầu hàn tới bề mặt của chi tiết hàn. ðầu hàn sau ñó hoặc là di
chuyển bằng cách dịch chuyển chùm tia lên trên vật hàn, hoặc là vật hàn ñược
xoay hay di chuyển theo ñầu hàn ñể tạo ra một lớp hàn ñắp. Các lớp ñắp hồ
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

17

quang có tỷ trọng lớn và ñược liên kết liền khối với vật hàn. Cấu trúc lớp ñắp
là liền khối của kim loại nóng chảy cùng với sự hình thành các tinh thể dạng
nhánh trong suốt quá trình ñông ñặc.
Một tính năng quan trọng nhất của quá trình hàn bột plasma hồ quang
dịch chuyển là nó cho phép khống chế phần kim loại cơ bản tham gia vào kim
loại ñắp. Tỷ lệ kim loại cơ bản tham gia vào kim loại ñắp chỉ còn 5%, so với

20-25% khi hàn bằng các phương pháp hàn tiên tiến khác như hàn MAG,
MIG, TIG. Do ñó chỉ cần một lượt hàn ñã có thể ñạt ñược các tính chất cần
thiết của lớp ñắp.
2.2.2.Vật liệu.
- Quá trình hàn ñược thực hiện trên bề mặt thép tấm cacbon C45
- Khí bảo vệ Argon
- Thành phần bột hàn
Nickel ñược nhà hóa học thụy ñiển A.Kronstedt tìm ra vao năm 1751 khi
phân ly quặng NiAs. Các tính chất ñặc trưng của Ni là nhiệt ñộ nóng chảy khá
cao 1455
o
C. ðộ bền và ñộ dẻo dai cao, có tính ăn mòn tốt. Có tính sắt từ, nickel
có màu sáng, khối lượng nguyên tử là 58,71 .Khối lượng riêng là 8,091 g/cm
3
.


Hình 2-5: Một số hình ảnh của Nickel và bột Nickel