HÀN KHE hở hẹp nối các tấm THÉP có CHIỀU dày lớn với mối GHÉP KHÔNG vát mép BẰNG PHƯƠNG PHÁP hàn TRONG môi TRƯỜNG KHÍ bảo vệ

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

HÀN KHE HỞ HẸP NỐI CÁC TẤM THÉP CÓ CHIỀU DÀY LỚN VỚI MỐI
GHÉP KHÔNG VÁT MÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN TRONG MÔI
TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ
NARROW GAP WELDING IN PROTECTIVE GAS FOR THICK STEEL PLATES
WITH UN-CHAMFERED EDGES
1Phòng

Ngô Trọng Bính1a, Lê Thu Quý1b, Ngô Văn Dũng1c, Phạm Đăng Lộc1d
thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí,
Số 4 – Phạm Văn Đồng – Cầu Giấy – Hà Nội – Việt Nam
a
, ,
c
,

TÓM TẮT
Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị hàn khe hở hẹp nối các
tấm thép có chiều dày lớn bằng phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ với mối ghép
không vát mép. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu tính toán thiết kế, phân tích các thông số hàn,
nhóm đề tài đã chế tạo được thiết bị, và đồ gá hàn khe hở hẹp, để hàn không vát mép các tấm
thép dày 150mm, có khe hở 25mm với phương pháp hàn MAG trong môi trường khí hoạt tính
CO 2 , chất lượng mối hàn khe hở hẹp đã được đánh giá qua các phân tích: độ cứng và thử kéo.
Kết quả phân tích cho thấy mối hàn đạt chất lượng tương đương so với các phương pháp hàn
trong môi trường khí bảo vệ với mối ghép vát mép có chiều dày 5 ÷ 15mm.
Từ khóa: hàn khe hở hẹp, hàn không vát mép, hàn MAG
ABSTRACT
This paper presents the results of research on design and manufacture of narrow gap
welding equipment for thick steel plates welded in protective gas atmosphere with unchamfered edges. Based on design calculations and analysis of welding parameters, the
authors have built a narrow gap MAG welding equipment in CO 2 active gas with necessary

fixtures for welding 150mm-thick steel plates with un-chamfered edges. The gap between the
steel plates was 25mm. The welding quality was evaluated by tensile test and hardness
measurement. The analysis results showed that the obtained welding quality was similar to the
quality of ordinary MAG welding method with bevelled edge joints for steel plates with
thickness of 5 ÷ 15 mm.
Keywords: narrow gap welding, un-chamfered edges, MAG welding
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Thiết bị hàn khe hở hẹp bằng phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ, được ứng
dụng để hàn nối các tấm thép có chiều dày lớn không vát mép, sử dụng trong các nhà máy kết cấu
thép siêu trường siêu trọng, nhà máy đóng tàu, nhà máy nhiệt điện, các nhà máy kết cấu trong
ngành xây dựng, thủy lợi,… Đến nay hàn khe hở hẹp vẫn là công nghệ hàn mới ở nước ta. Ưu
điểm của thiết bị hàn khe hở hẹp so với khác phương pháp hàn khác là: giảm thời gian hàn, chi
phí tiêu hao thấp hơn, giảm thời gian loại bỏ xỉ hàn, giảm chi phí chuẩn bị, giảm xử lý nhiệt sau
khi hàn, cải thiện độ dai va đập, giảm biến dạng góc của chi tiết khi hàn. Những lợi thế này có liên
quan trực tiếp đến khối lượng kim loại đắp của mối hàn thấp hơn và đương lượng nhiệt cấp vào
thấp hơn khi sử dụng thiết bị hàn khe hở hẹp, do vậy dẫn đến chi phí thấp hơn khi hàn chi tiết vật
liệu hàn dày nếu so sánh với các quy trình hàn thông thường như hàn hồ quang tay.

121


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Thiết bị hàn khe hở hẹp bằng phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ, có thể sử
dụng nhiều phương pháp hàn khác nhau để áp dụng, điển hình là các phương pháp hàn TIG
(Tungsten Inert Gas welding), hàn MIG (Metal Inert Gas) và hàn MAG (Metal Active Gas).
Đây là 3 phương pháp hàn chủ yếu để thực hiện hàn khe hở hẹp với các tấm thép có chiều dày
lớn mà yêu cầu không cần vát mép. Bài báo này trình bày việc nghiên cứu công nghệ, chế tạo
thiết bị hàn khe hở hẹp và lựa chọn các thông số, chế độ hàn phù hợp bằng phương pháp hàn
MAG trong môi trường khí hoạt tính CO 2 , để hàn nối các tấm thép có chiều dày 150 mm
không vát mép.

2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Nghiên cứu công nghệ hàn khe hở hẹp
Công nghệ hàn khe hở hẹp vẫn còn là công nghệ mới ở nước ta, hàn hồ quang kim loại
với khí bảo vệ là quá trình đầu tiên được sử dụng trong hàn khe hở hẹp, và nó vẫn là một
trong những công nghệ mới liên quan đến kỹ thuật hàn này. Ưu điểm là quá trình này có liên
quan đến việc hồ quang dễ dàng quan sát được, rãnh hàn tương đối hẹp, chất lượng hàn cao,
năng suất cao và hiệu quả chi phí thấp [1,2]. Tuy nhiên, khi hàn GMAW dễ bị hình thành
khuyết tật ở thành mối hàn, lượng bắn tóe lớn và hay bị thiếu hụt khí bảo vệ. Những vấn đề
này có liên quan đến khó khăn trong việc cấp dây hàn và cung cấp một vùng phủ khí bảo vệ
thích hợp vào một đường rãnh mép hàn hẹp và sâu, và để có được sự nung nóng cân bằng bởi
hồ quang giữa các thành bên và bên dưới của mối nối. Để khắc phục những hạn chế này, một
số biện pháp cấp dây hàn và thiết kế đầu hàn kiểu mới đã được đề xuất, phát triển và một số
trong số đó đã được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp từ khi áp dụng công nghệ hàn
khe hở hẹp. Hình 1 là sơ đồ hàn khe hở hẹp trong khí bảo vệ, dây hàn được đưa qua động cơ
đưa dây qua ống dẫn qua chụp khí qua bép hàn tới vật liệu cần hàn [1,3].

Hình 1. Sơ đồ hàn khe hở hẹp trong khí bảo vệ
2.2. Nghiên cứu lựa chọn các thông số hàn phù hợp nối các tấm thép có chiều dày lớn
bằng phương pháp hàn khe hở hẹp
2.2.1. Các thông số cơ bản của hàn khe hở hẹp
Cường độ dòng điện hàn ảnh hưởng lớn nhất lên hình dạng mối hàn. Dòng điện hàn
tăng dẫn đến tăng mật độ dòng, kích thước vũng hàn, hệ số chảy, tốc độ chảy.

122


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Nhìn vào đồ thị Hình 2, ta thấy khi
điện áp hàn không đổi, dòng điện
hàn tăng dẫn đến chiều sâu chảy

tăng, và chiều cao mối hàn tăng.
Khi dòng hàn tăng đến một giá trị
nhất định mà chiều sâu chảy không
tăng và chiều cao mối hàn không
tăng. Khi đó ta có thể xác định
được giá trị của dòng điện đạt max
800A [3,5].
Hình 2. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hàn
Điện áp hồ quang thay đổi theo chiều dài cột hồ quang. Điện áp hồ quang không ảnh
hưởng nhiều đến tốc độ chảy nhưng ảnh hưởng chủ yếu đến chiều rộng mối hàn.
Từ hình 3, ta thấy khi dòng điện
không đổi, tăng điện áp hàn, thì bề
rộng mối hàn tăng và chiều sâu
chảy mối hàn giảm. Khi điện áp
tăng đến một giá trị nhất định thì bề
rộng mối hàn không tăng, chiều sâu
chảy không giảm. Khi đó ta xác
định được thông số điện áp hàn đạt
max 40V [3,5].

Hình 3. Ảnh hưởng của điện áp hàn
Đây là đại lượng quan trọng thứ 3 có ảnh hưởng đến năng lượng đường và thường dùng
để tăng năng suất hàn.Việc chọn đúng tốc độ hàn phụ thuộc vào hình dạng mối hàn cũng như
điều kiện nung và nguội vật hàn.
Từ Hình 4, ta thấy tốc độ hàn tăng,
thì bề rộng của mối hàn giảm, chiều
sâu chảy của mối hàn tăng. Khi V =
60 cm/min, thì bề rộng mối hàn vẫn
giảm, chiều sâu chảy của mối hàn
bắt đầu giảm. Tiếp tục tăng vận tốc

hàn, thì bề rộng mối hàn vẫn giảm,
và chiều sâu chảy tiếp tục giảm.
Tiếp tục tăng vận tốc hàn đến một
giá trị nhất định thì bề rộng, chiều
sâu chảy của mối hàn không giảm
nữa. Khi đó ta xác định được vận
tốc hàn [3,5].

Hình 4. Ảnh hưởng của tốc độ hàn

Sau khi xác định tốc độ đắp tối ưu cho mối hàn, bước tiếp theo là xác định tốc độ cấp dây và
cường độ dòng điện hàn (là hai đại lượng tương quan trực tiếp với nhau, khi sử dụng các máy hàn
có đặc tuyến thoải và tốc độ cấp dây không đổi) tại tầm với điện cực nhất định để đạt được tốc độ
đắp đó.
123


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Từ hình 5, ta thấy khi tốc độ
cấp dây tăng, thì bề rộng mối
hàn giảm, chiều sâu chảy tăng,
chiều cao mối hàn tăng.Tiếp
tục tăng vận tốc hàn đến một
giá trị nhất định, thì bề rộng
mối không giảm nữa, chiều
sâu chảy không tăng nữa,
chiều cao mối hàn không tăng
nữa, khi đó ta xác định được
tốc độ cấp dây [3,5].
Hình 5. Ảnh hưởng của tốc độ cấp dây hàn

2.2.2. Ảnh hưởng của các thông số đến hình dạng chất lượng mối hàn
Khi tăng cường độ dòng hàn, chiều sâu chảy tăng mạnh, chiều cao đắp mối hàn tăng
không nhiều chiều rộng mối hàn tăng ít, chiều rộng mối hàn chịu ảnh hưởng của điện áp hàn
và tốc độ hàn là chính [3,5].

Hình 6. Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn.
Khi cường độ dòng điện hàn không đổi, chiều sâu có xu hướng giảm. Vì theo đặc tuyến
của máy hàn, cường độ dòng điện hàn thay đổi theo sự thay đổi điện áp hồ quang, chiều sâu
chảy cũng thay đổi theo tỷ lệ thuận với sự thay đổi điện áp hồ quang [3,5].

Hình 7. Hình dạng mối hàn ảnh của điện áp hàn.
Tốc độ hàn tăng làm tăng lượng nhiệt đưa vào vật hàn phía trước hồ quang, do đó cần ít
nhiệt hơn để nung nóng trước cạnh hàn. Ngoài ra cùng với tốc độ hàn,tốc nguội sau khi hàn
cũng tăng, có thể làm tăng khả năng bị nứt với một số loại thép có tính thấm tôi cao [3,5].

Hình 8. Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của tốc độ hàn.
124


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trên thực tế, người ta không sử dụng dòng điện hàn mà sử dụng tốc độ dây để đặt, duy
trì và đo tốc độ đắp, vì vậy sẽ chính xác hơn so với sử dụng cường độ dòng điện hàn. Dòng
điện hàn trong giải thích hợp được chọn theo đường kính dây hàn, dạng dịch chuyển kim loại
và chiều dày kim loại cơ bản. Dòng hàn quá thấp sẽ dẫn đến hàn không ngấu [3,5].

Hình 9. Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của tốc độ cấp dây.
Bảng 1. Các thông số chế tạo thiết bị hàn khe hở hẹp nối các tấm thép có chiều dầy lớn
bằng phương pháp hàn MAG trong khí bảo vệ CO 2 với mối hàn không vát mép.
Đường
Khí

Dòng
Lưu
Tốc độ
Điện áp
Công Tốc độ
lượng
Kim loại kính dây bảo vệ
hàn
di
cực đại
suất
ngoáy
cơ bản
hàn
sử
max
khí
chuyển
(V)
(KVA)
(v/p)
(lít/ph)
(mm)
dụng
(A)
(m/h)
Thép các
bon

0,8 ÷ 1,6

CO 2

800

50

17 ÷ 40

4 ÷ 20

40

10 ÷ 25

2.3. Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị hàn khe hở hẹp
2.3.1. Hệ thống thiết bị hàn khe hở hẹp

Hình 10. Hệ thống thiết bị hàn khe hở hẹp.
Chức năng các bộ phận chính
1- Bộ chạy dọc, 2- Cơ cấu chuyển động thẳng đứng, 3- Cơ cấu quay đầu hàn,
4- Bộ đưa dây, 5- Nguồn hàn, 6- Khí bảo vệ.
Thiết bị hàn nối tấm dày không vát mép được tích hợp hai chuyển động chính là chuyển
động dọc mối hàn và chuyển động quay của đầu hàn để tạo thành lớp hàn. Các lớp hàn được
xếp chồng lên nhau phủ kín khe hở hàn để tạo thành lên kết nối hai tấm dày bằng phương
pháp hàn khe hở hẹp.
125


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

2.3.2. Cấu tạo mỏ hàn
4
1

2

3

5

6

Hình 11. Cấu tạo mỏ hàn
1- Chụp khí, 2- Ống dẫn khí bảo vệ, 3- Trục nối, 4- Vị trí bắt khí bảo vệ,
5- Đầu nối trục và bép hàn, 6- Bép hàn.
Mỏ hàn có nhiệm vụ dẫn khí, dây hàn, bép hàn được sử dụng là loại có sẵn, chụp khí
được chế tạo bởi vật liệu đồng đỏ (Cu-Zn), có đường kính Ø 22mm, chiều dài 180mm, chiều
dày ống 2mm, chụp khí đảm nhiệm vai trò cung cấp khí bảo vệ cho vùng hàn.
Mô tả cấu tạo, nguyên lý hoạt động cơ cấu quay đầu hàn, bộ phận ngoáy đầu hàn
Cơ cấu quay đầu hàn tạo ra dao động đầu hàn đảm bảo chiều rộng mối hàn theo đúng
các tiêu chuẩn đề ra, cơ cấu bao gồm: động cơ hộp giảm tốc, cơ cấu trục, ổ bi, ổ đỡ, bánh răng
được kết nối với động cơ một chiều làm cho đầu hàn quay với bán kính hàn cần thiết.
2.3.3. Sơ đồ thiết bị hàn khe hở hẹp
Máy hàn MAG

Đồ gá dịch chuyển 3 chiều

Cụm đầu hàn

Khí hàn CO2

Dọc: Tự động

Ra vào: Tay

Lên xuống: Tay

Bộ phận cấp dây
Hình 12. Sơ đồ khối thiết bị hàn khe hở hẹp.
Trong quá trình hàn, dây hàn là phần tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa hàn, đặc biệt là bép
hàn nên cấu tạo phải đảm bảo tính thoát nhiệt cho các chi tiết và cả vật liệu dùng trong đầu
hàn cũng phải truyền nhiệt tốt. Phải chọn vật liệu đầu bép là loại đồng kháng mòn theo TCVN
7506-2:2011 tương đương ISO 3834-2: 2005 hoặc sử dụng đầu bép của các hãng đã được
cung cấp bán trên thị trường.
3. THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Sau khi hệ thống thiết bị hàn khe hở hẹp đã được chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh, các
tác giả tiến hành hàn trên các mẫu để đánh giá chất lượng mối hàn.
• Vật liệu hàn: Dây hàn GM – 70S (đường kính ϕ 1.2 mm)
• Khí bảo vệ: CO 2
• Vật liệu nền: Mẫu thép tấm CT3, kích thước 300 x 200 x 150 mm
• Khe hở hàn: 25 mm
126


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Dòng hàn
(A)
180 ÷ 200

Bảng 2. Các thông số chế độ hàn khe hở hẹp.

Tốc độ
Tầm với
Điện áp
Tốc độ
Số lớp
ngoáy
điện cực
hàn (V)
hàn (m/h)
hàn (lớp)
(mm)
(v/p)
28 ÷ 30

10

17 ÷ 40

70

10 ÷ 25

Hình 14. Mối hàn thử nghiệm

Hình 13. Thiết bị hàn khe hở hẹp
•

20 ÷ 30

Lưu lượng

khí
(lít/ph)

Kết quả thử nghiệm

Thử cơ tính đánh giá chất lượng mối hàn được tiến hành tại Trung tâm Đánh giá hư
hỏng vật liệu – Viện Khoa học vật liệu, kết quả thử được đưa ra ở bảng 2 và bảng 3.
Bảng 3. Thử nghiệm kéo – Phương pháp: TCVN 197:2002; Super L120.
Thí nghiệm kéo
Tên mẫu

Mẫu Đường
kính
thử
mẫu
(mm)

Lực
chảy
Fe
(kN)

Ứng
suất
chảy Re
(MPa)

Lực
bền Fm
(kN)

Ứng suất
bền Rm
(MPa)

Độ giãn
dài tương
đối A 80

Hàn bằng phương
pháp khe hở hẹp
(không vát mép)

M1

10,0

23,3

296

36,4

463

13,8

M2

10,1

28,8

313

36,7

462

16,3

Hàn MAG có vát
mép

M3

10,0

24,2

290

37,5

460

15,0

M4

10,1

30,3

313,3

37,2

457

17,1

Bảng 4. Mẫu đo độ cứng – Phương pháp: TCVN 258-1:2008; Thiết bị: AVK-CO
Kết quả đo độ cứng, HV10
Giá trị đo
Tên mẫu
trung
Lần Lần Lần Lần Lần
Vùng đo
bình
1
2
3
4
5
Vùng nền
Hàn bằng phương
pháp khe hở hẹp Vùng ảnh hưởng nhiệt
(không vát mép)
Vùng hàn

133

138

137

138

135

136,2

155

157

157

156

152

155,4

159

159

160

161

159

159,6

Vùng nền
Hàn MAG có vát
Vùng ảnh hưởng nhiệt
mép
Vùng hàn

133

137

137

137

135

135,8

156

157

155

156

150

154,8

160

162

159

161

160

160,4

127


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
- Các kết quả đo kiểm cho thấy mối hàn được thực hiện bằng công nghệ hàn khe hở hẹp
đạt yêu cầu về chất lượng (độ bền kéo, độ cứng) theo tiêu chuẩn TCVN 258-1:2008, tương
đương với phương pháp hàn có vát mép.
- Thực tế thử nghiệm cho thấy phương pháp hàn khe hở hẹp có những ưu điểm so với
phương pháp hàn khác như sau: giảm thời gian hàn, chi phí tiêu hao thấp hơn, giảm thời gian
loại bỏ xỉ hàn, giảm chi phí chuẩn bị, giảm xử lý nhiệt sau khi hàn, cải thiện độ dai va đập, giảm
biến dạng góc của chi tiết khi hàn.

KẾT LUẬN
Bài báo nghiên cứu thiết kế chế tạo được thiết bị hàn khe hở hẹp nối các tấm thép có chiều
dày lớn bằng phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ với mối ghép không vát mép.
Kết quả thu được là đã hàn nối được các tấm thép dày 150 mm, có khe hở 25 mm với
phương pháp hàn MAG trong môi trường khí hoạt tính CO 2 . Chất lượng mối hàn đã được
đánh giá qua các mẫu thử cơ tính như (đo độ cứng và thử bền kéo). Kết quả phân tích cho
thấy mối hàn sử dụng phương pháp hàn khe hở hẹp trong môi trường khí bảo vệ đạt chất
lượng tương đương so với các phương pháp hàn có vát mép trong môi trường khí bảo vệ với
chiều dày 5÷15 mm.
Kết quả bài báo chính là một trong các cở sở để lựa chọn chế độ, các thông số hàn phù
hợp để thực hiện hàn nối các tấm thép có chiều dày lớn bằng phương pháp hàn khe hở hẹp
trong môi trường khí bảo vệ với mối ghép không vát mép.
LỜI CÁM ƠN
Các tác giả xin chân thành cảm ơn sự tài trợ của Bộ Công Thương để thực hiện Đề tài
với Mã số: 105.14.RD/HĐ-KHCN).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Blackman S.A, Dorling D.V and Howard R., High-speed tandem GMAW for pipeline
welding. International Pipeline Conference, 2002, Vol.2, p.272- 295.
[2]. Paton B.E, Pokhodnya I.K., Automatic position butt welding of large diameter pipes with
self-shielded flux-cored wire by using Styk complex. International Pipeline Conference,
1980, Vol.4, p.25-53.
[3]. Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn điện nóng chảy, tập 1, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà
Nội, 2007.
[4]. Hoàng Tùng, Nguyễn Thúc Hà, Sổ tay hàn, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2007.
[5]. Nguyễn Văn Thông, Vật liệu và công nghệ hàn, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 1997.
THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ:
1. Ngô Trọng Bính

Email:

Điện thoại: 0976918505

2. Lê Thu Quý

Email:

Điện thoại: 0983022166

3. Ngô Văn Dũng

Email:

Điện thoại: 0978797534

4. Phạm Đăng Lộc

Email:

Điện thoại: 0977308099

128