Nghiên cứu áp dụng công nghệ hàn plasma bột ( PTA) để tạo lớp đắp kim loại có độ cứng cao

Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
01. Nội dung nghiên cứu luận văn ................................................................................... 1
02. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................ 1
03. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 2
CHƢƠNG 1. CÔNG NGHỆ HÀN PLASMA BỘT VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ. ..... 3
1.1. Công nghệ hàn Plasma bột ........................................................................................ 3
1.1.1. Bản chất công nghệ hàn Plasma bột .................................................................. 3
1.1.2. Nguyên lý của công nghệ hàn Plasma bột ......................................................... 4
1.1.3. Đặc điểm công nghệ hàn Plasma bột ................................................................. 5
1.1.4. Ứng dụng công nghệ hàn plasma bột ................................................................ 7
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. ............................................................. 10
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ..................................................................... 10
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ..................................................................... 11
1.3. Kết luận chƣơng 1 .................................................................................................... 16
CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA YẾU TỐ CÔNG NGHỆ VÀ
THÀNH PHẦN CỦA BỘT HỢP KIM TỚI ĐỘ CỨNG LỚP ĐẮP ........................ 17
2.1. Ảnh hƣởng của yếu tố công nghệ hàn PTA ............................................................. 17
2.2. Ảnh hƣởng của các nguyên tố chính có trong bột hợp kim tới độ cứng lớp đắp ..... 23
2.2.1. Ảnh hƣởng của Crom ....................................................................................... 24
2.2.2. Ảnh hƣởng của Cacbon .................................................................................... 28
2.2.3. Ảnh hƣởng của Vonfram .................................................................................. 30
2.2.4. Ảnh hƣởng của Molypden ............................................................................... 32
2.2.5. Ảnh hƣởng của các nguyên tố khác .................................................................. 32

2.3. Vật liệu bột hợp kim dùng trong PTA ..................................................................... 33
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

2.4. Kết luận chƣơng 2: ................................................................................................... 47
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ........................................................ 48
3.1. Mục đích thực nghiệm. ............................................................................................ 48
3.2. Kế hoạch thực nghiệm. ............................................................................................ 48
3.3. Tiến hành thực nghiệm............................................................................................. 48
3.3.1. Vật tƣ thực nghiệm ........................................................................................... 48
3.3.2. Thiết bị thực nghiệm ......................................................................................... 53
3.3.3. Tiến hành thí nghiệm. ....................................................................................... 64
3.4. Kết quả thực nghiệm ................................................................................................ 66
3.4.1. Kiểm tra kim tƣơng........................................................................................... 66
3.4.2. Kiểm tra độ cứng .............................................................................................. 74
3.5. Kết luận chƣơng 3. ................................................................................................... 76
CHƢƠNG 4: NHỮNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................ 778
4.1. Kết luận . .................................................................................................................. 78
4.2. Kiến nghị. ................................................................................................................. 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 80

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

Học viên: Trần Tiến Dũng

Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
.......................................................................................................................................... 3
Hình 1.1. Cột hồ quang hàn PTA và hồ quang hàn GTA ................................................ 3
Hình 1.2 Dòng Plasma và bột hợp kim khi hàn PTA....................................................... 4
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý công nghệ hàn Plasma bột ................................................... 5
Hình 1.4. Hình ảnh tạo lớp đắp cần thiết cho trục lăn .................................................... 7
Hình 1.5. Hình ảnh lớp đắp răng gầu máy sau khi đƣợc phục hồi................................... 8
Hình 1.6. Hình ảnh lớp đắp xupap sau khi đƣợc phục hồi ............................................... 8
Hình 1.7. Hình ảnh mũi khoan sau khi đƣợc hàn đắp .................................................... 9
Hình 1.8. Hình ảnh dao xén giấy..................................................................................... 9
Hình 1.9. Hình ảnh thiết bị hàn plasma bột của trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội ..... 12
Hình 1.10. Hình ảnh hội thảo .......................................................................................... 13
Hình 1.11.Thiết bị hàn PTA công ty Trƣờng Phát .......................................................... 14
Hình 1.12. Hàn phục hồi trục nghiền đứng cho nhà máy si măng Bút Sơn.................... 15
Hình 1.13. Chuyển giao công nghệ hàn Plasma bột (PTA) cho tập đoàn dầu khí
quốc gia Việt Nam .......................................................................................................... 15
Hình 2.1. Phần trăm kim loại cơ bản khi hàn đắp plasma bột ....................................... 17
Hình 2.2. Ảnh hƣởng của dòng điện plasma, lƣu lƣợng khí plasma, tỷ lệ bột đắp tới
sự hòa tan của kim loại mối hàn ..................................................................................... 19
Hình 2.3. Ảnh hƣởng của khoảng cách làm việc đến sự hòa tan kim loại ..................... 20
Hình 2.4. Ảnh hƣởng của chiều dày lớp đắp và tỷ lệ bột phun tới sự hòa tan ............... 21
Hình 2.5. Ảnh hƣởng của kích thƣớc bột hàn đắp tới độ cứng và sự hòa tan ................ 22
Hình 2.6. So sánh tính chất lớp đắp của hai loại bột đắp khác nhau . ............................ 23
Hình 2.7. Hình ảnh khối Cr từ quặng .............................................................................. 25

Hình 2.8. Độ cứng của lớp đắp có thành phần ............................................................... 26
Hình 2.9. Giản đồ trạng thái khi hàn hợp kim MC ........................................................ 27
Hình 2.10. Độ cứng của lớp đắp có thành phần Cr3C2 khi hàn PTA ............................ 27
Hình 2.11. Đồ thị ảnh hƣởng của cacbon đến cơ tính của thép thƣờng .......................... 28

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 2.12. So sánh độ cứng của WC và W2C ............................................................... 31
Hình 2.13. Sơ đồ quy trình sản xuất bột ........................................................................ 34
Hình 2.14. Kích thƣớc và hình dạng hạt bột hàn ........................................................... 35
Hình 2.15. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của hàm lƣợng C trong bột hàn tới độ cứng
lớp đắp ............................................................................................................................. 46
Hình 2.16. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của hàm lƣợng C trong bột hàn tới tính
cứng lớp đắp .................................................................................................................... 47
Hình 3.1. Hình ảnh của máy hàn (DRWELD 3000/2 PTA ..............................................54

Hình 3.2. Hình ảnh các nút bấm máy hàn (DRWELD 3000/2 PTA). ........................... 54
Hình 3.3. Hình ảnh các núm điều khiển mặt trƣớc của máy hàn . .................................. 55
Hình 3.4. Hình ảnh mỏ hàn ............................................................................................. 56
Hình 3.5 Hình ảnh đầu ra của máy.................................................................................. 57
Hình 3.6 Hệ thống chai khí và đòng hồ đo lƣu lƣợng..................................................... 58
Hình 3.7. Đồ gá hàn ........................................................................................................ 59
Hình 3.8. Hình ảnh thiết bị soi kim cƣơng (kính hiển vi quang học Axiovert 25) tại

trƣờng Đại học bách khoa Hà Nội .................................................................................. 62
Hình 3.9. Hình ảnh thiết bị kiểm tra độ cứng (Struers Duramin) tại trƣờng Đại học
bách khoa Hà Nội ............................................................................................................ 63
Hình 3.10. Máy mài mẫu hàn Grinder Polisher tại trƣờng Đại học bách khoa .............. 63
Hà Nội ............................................................................................................................. 63
Hình 3.11. Máy đánh bóng mẫu hàn Rotopol-21 tại trƣờng Đại học bách khoa Hà Nội 64

Hình 3.12. Hình ảnh mẫu mối hàn sau khi hàn ............................................................... 65
Hình 3.13. mặt cắt mối hàn ............................................................................................. 66
Hình 3.14. Hình ảnh phân tích kiểm tra kim tƣơng tại vùng ảnh hƣởng nhiệt ............... 67
Hình 3.15. Hình ảnh soi kim tƣơng X 200- 2 tại vùng ảnh hƣởng nhiệt ........................ 67
Hình 3.16. Hình ảnh soi kim tƣơng X300-3 tại vùng ảnh hƣởng nhiệt .......................... 68
Hình 3.17. Hình ảnh soi kim tƣơng X500-1tại vùng ảnh hƣởng nhiệt ........................... 68
Hình 3.18. Hình ảnh phân tích soi kim tƣơng tại vùng mối hàn ..................................... 69
Hình 3.19. Hình ảnh soi kim tƣơng X500-1tại vùng mối ............................................... 70

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 3.20. Hình ảnh soi kim tƣơng X1000-1 tại vùng mối hàn ..................................... 70
Hình 3.21. Hình ảnh phân tích soi kim tƣơng tại vùng danh giới................................. 71
Hình 3.22. Hình ảnh soi kim tƣơng X200X2 tại vùng danh giới.................................... 72
Hình 3.23. Hình ảnh soi kim tƣơng X500X2 tại vùng danh giới................................... 72
Hình 3.24. Hình ảnh soi kim tƣơng X500X5 tại vùng danh giới.................................... 73

Hình 3.25. Hình ảnh soi kim tƣơng X1000X3 tại vùng danh giới.................................. 73
Hình 3.26. Hình ảnh đo độ cứng tại vị trí các điểm trên mẫu ......................................... 74

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Vật liệu bột của hãng Castolin – Thụy điển[05]............................................. 37
Bảng 2.2. Bột nền Co của hãng Deloro Stellite [05]....................................................... 38
Bàng 2.3. Vật liệu bột của hãng Đaio – Nhật[05]. .......................................................... 39
Bảng 2.4. Vật liệu bột nền Co của hãng Bohler[05]. ...................................................... 40
Bảng 2.5. Vật liệu bột nền Co của hãng Carpenter – Mỹ[05]. ....................................... 41
Bảng 2.6. Vật liệu bột của Trung Quốc[05]. ................................................................... 42
Bảng 2.7. Vật liệu bột của hãng Mishubishi – Nhật[05]................................................. 43
Bảng 2.8. Vật liệu bột của hãng Durum – Đức [14] ....................................................... 44
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của thép EN C45 ........................................................... 48
Bảng 3.2. Cơ tính thép C45 ........................................................................................... 48
Bảng 3.3. So sánh các loại thép C45 theo các tiêu chuẩn khác ...................................... 49
Bảng 3.4. Thông số bột hàn DURMAT – 505 PTA ....................................................... 51
Bảng 3.5. Các thông số của điện cực hàn không nóng chảy W-Th ................................ 52
Bảng 3.6. Bảng thông số máy hàn hàn (DRWELD 3000/2 PTA). ................................ 55
Bảng 3.7. Bảng thông số mỏ hàn .................................................................................... 57
Bảng 3.8. Bảng thông số chế độ hàn ............................................................................... 64
Bảng 3.9. Bảng kết quả đo độ cứng mẫu DRMAT 505 PTA ......................................... 75

Bảng 3.10. Bảng kết quả đo độ cứng trên mẫu DRMAT 536 PTA ................................ 76

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT
TT
1
2

Chữ viết tắt
PTA
SMAW

3

GTAW

4

GMAW

5
6

FCAW
PTAW

7
8
9

PAW
OAW
SAW

10
11

MMA
MAG

12

MIG

13

TIG

14

ASTM

15
16

USA
ISO

17

ANSI

18

AISI

19
20

HRC
HV

Tên đầy đủ tiếng Anh
Nghĩa tiếng Việt
Plasma Transferred Arc
Hàn hồ quang plasma bột
Shielded Metal Arc Welding Hàn hồ quang que hàn có
thuốc bọc
Gas Tungsten Arc Welding Hàn hồ quang điện cực
Vônfram trong môi trƣờng
khí bảo vệ
Gas Metal Arc Welding

Hàn hồ quang điện cực
nóng chảy trong môi trƣờng
khí bảo vệ
Flux Cored Arc Welding
Hàn hồ quang dây lõi thuốc
Plasma Transferred Arc
Hàn hồ quang plasma bột
Welding
Plasma Arc Welding
Hàn hồ quang plasma
Oxy-Acetylen Welding
Hàn khí O2 – C2H2
Submerged Arc Welding
Hàn hồ quang dƣới lớp
thuốc
Manual Metal Arc
Hàn hồ quang tay
Metal Active Gas
Hàn hồ quang điện cực
nóng chảy trong môi trƣờng
khí hoạt tính
Metal Inert Gas
Hàn hồ quang điện cực
nóng chảy trong môi trƣờng
khí trơ
Tungsten Inert Gas
Hàn điện cực không nóng
chảy trong môi trƣờng khí
trơ
American Society for

Hiệp hội kiểm định và vật
Testing and Materials
liệu Mỹ
United States of America
Hợp chủng quốc Hoa Kỳ
International Standards
Tiêu chuẩn quốc tế
Organization
American National
Viện nghiên cứu tiêu chuẩn
Standards Institute
quốc gia Mỹ
American Iron and Steel
Viện nghiên cứu sắt và thép
Institute
Mỹ
Hardness ockwell
Độ cứng Rockwell
Hardness Vicker
Độ cứng Vicker

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
PHẦN MỞ ĐẦU

Sự phát triển nền kinh tế công nghiệp của mỗi quốc gia không thể thiếu những
đóng góp của ngành cơ khí, trong đó có lĩnh vực công nghệ hàn. Công nghệ hàn
đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành nhƣ: Công nghệ chế tạo máy, xây dựng,
hàng không, dầu khí, đóng tàu, hóa chất…Đáp ứng theo sự phát triển công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc. Việc nghiên cứu, lựa chọn và đem vào ứng
dụng các công nghệ hàn tiên tiến, nhƣ công nghệ hàn TIG, MIG, MAG, Laze,
Plasma... để tăng năng xuất, tăng chất lƣợng mối hàn và giảm chi phí chế tạo là
việc làm cần thiết và cấp bách. Các công nghệ hàn tiên tiến đã khắc phục đƣợc
những hạn chế của một số công nghệ hàn truyền thống và đang đáp ứng tốt cùng
với sự phát triển khoa học kỹ thuật.
01. Nội dung nghiên cứu luận văn.
Luận văn tập trung nghiên cứu và giải quyết các vấn đề sau:
- Khảo sát công nghệ hàn Plasma bột (PTA)
- Nghiên cứu ảnh hƣởng những nguyên tố chính tới độ cứng của lớp đắp
- Phân tích lựa chọn loại bột hợp kim phù hợp để tạo lớp đắp kim loại có độ
cứng cao ( đạt mức 58 ÷ 60 HRC )
- Nghiên cứu và tiến hành thực nghiệm để xác định ảnh hƣởng các nguyên tố
chính trong bột hàn tới độ cứng lớp đắp.
02. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Trong luận văn tác giả sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết
hợp với thực nghiệm:
- Nghiên cứu lý thuyết: Căn cứ vào các bài báo khoa học, các công trình nghiên
cứu trong và ngoài nƣớc đƣợc đăng trên các tạp chí khoa học uy tín để phân
tích, tổng hợp và lựa chọn thông tin, kiến thức cần thiết phục vụ vào nội dung
nghiên cứu.

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

1

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

- Nghiên cứu thực nghiệm: Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết tác giả lựa chon loại
bột hàn, tiến hành thực nghiệm, đƣa ra kết quả sơ bộ và điều chỉnh cho ra kết
quả cuối cùng từ đó rút ra kết luận khoa học và khả năng ứng dụng vào thực tiễn
của đề tài.
03. Lý do chọn đề tài.
Trên thực tế các chi tiết máy khi làm việc trong điều kiện bị mài mòn bề mặt
và chịu va đập nhƣ bánh răng, xupap động cơ máy thủy....cần có độ cứng bề mặt
cao. Để giảm chi phí chế tạo, tiết kiệm vật liệu quý, thông thƣờng phần thân các
chi tiết máy đƣợc làm bằng vật liệu đủ bền và giá thành rẻ, còn phần trực tiếp
tiếp xúc ƣu tiên làm bằng vật liệu đảm bảo chịu đƣợc tốt nhất điều kiện làm
việc. Việc thay thế những chi tiết đã qua sử dụng bằng chi tiết máy mới gặp
nhiều khó khăn và tốn nhiều chi phí.... Vì vậy để phục hồi bề mặt hay chế tạo
mới các chi tiết máy thì giải pháp hàn đắp là giải pháp mà nhiều công ty, nhà
máy đang áp dụng. Trong hàn đắp, hạn chế sự tham gia của kim loại cơ bản vào
mối hàn là yếu tố rất quan trọng làm tăng chất lƣợng mối hàn và tiết kiệm vật
liệu quý hiếm. Có nhiều công nghệ hàn để tạo lớp đắp phục hồi bề mặt chi tiết
nhƣ hàn hồ quang tay, hàn khí, hàn TIG, hàn MIG, hàn MAG, Plasma... việc áp
dụng công nghệ hàn tiên tiến để khắc phục những hạn chế của công nghệ hàn
truyền thống là việc làm cần thiết. Công nghệ hàn Plasma bột (PTA) là một công
nghệ tiên tiến giảm đáng kể kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn và thực hiện
hàn đắp tốt trên bề mặt các chi tiết.Vì vậy tác giả nhận thấy việc: “Nghiên cứu
áp dụng công nghệ hàn plasma bột (PTA) để tạo lớp đắp kim loại có độ cứng

cao” làm cơ sở cho việc triển khai vào thực tế sản xuất là việc làm rất hợp lý và
cần thiết hiện nay

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

2

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

CHƢƠNG 1. CÔNG NGHỆ HÀN PLASMA BỘT VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ.

1.1. Công nghệ hàn Plasma bột
1.1.1. Bản chất công nghệ hàn Plasma bột
Công nghệ hàn plasma bột (Plasma Transferred Arc, PTA), có nguồn gốc xuất
phát là từ phƣơng pháp hàn hồ quang Pasma (Plasma Arc Welding , PAW).
Trong hàn Plasma bột, dòng khí tạo hồ quang Plasma khi qua lỗ phun tại đầu mỏ
hàn sẽ đƣợc ổn định về mặt thể tích và đƣợc làm mát bằng nƣớc và nén lại. Đồng
thời dòng khí đó cũng đƣợc cách điện và cách nhiệt đối với bề mặt lỗ vòi phun. Một
phần khí này đi qua hồ quang mồi, bị ion hóa và chuyển thành dạng vật chất thứ 4
đó chính là dòng Plasma. Nhƣ vậy có thể coi hàn Plasma nói chung và Plasma bột
nói riêng là một quá trình hàn có hồ quang nén bị kéo dài. Hàn Plasma bột chính là
sự phát triển biến thể của công nghệ hàn Plasma.

Hình 1.1. Cột hồ quang hàn PTA và hồ quang hàn GTA[08]

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

3

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.2 Dòng Plasma và bột hợp kim khi hàn PTA[08]
1.1.2. Nguyên lý của công nghệ hàn Plasma bột
Bộ tạo tần số cao (bộ mồi hồ quang cao tần) đƣợc sử dụng để mồi gây hồ quang
mồi, sau đó hồ quang mồi sẽ giúp hình thành hồ quang hàn và quá trình hàn đƣợc
bắt đầu. Năng lƣợng của dòng Plsma đƣợc tạo thành nhờ quá trình ion hóa dòng khí
đƣợc đƣa vào vùng trong của chụp khí và phía trên vũng hàn. Nguồn nhiệt hồ
quang Plasma lớn và tập trung lên tới 20.0000C làm nóng chảy bề mặt kim loại cơ
bản trong hàn đắp. Bột hàn đƣợc cấp vào vũng hàn nhờ động cơ cấp bột . Động cơ
cấp bột quay sẽ làm quay cánh quạt văng bột và dƣới tác dụng của áp lực dòng khí
sẽ cuốn bột vào vũng hàn hòa trộn vào kim loại nóng chảy tại vũng hàn rồi kết tinh
và tạo thành lớp đắp. Đồng thời có một dòng khí khác có tác dụng bảo vệ hồ quang
và kim loại nóng chảy tại vũng hàn. Khí bảo vệ thƣờng dùng là khí Ar, He.. Sự di
chuyển của mỏ hàn thông qua xe lăn ngang phía trên vật hàn, hoặc vật hàn có thể
quay hoặc chuyển động phía dƣới mỏ hàn nhằm tạo ra lớp đắp. Mọi thông số hàn,
quá trình cấp bột, cấp khí Plasma và khí bảo vệ, chuyển động của chi tiết và của
đầu hàn (súng hàn) có thể đƣợc tự động hoá và điều khiển thông qua chƣơng
trình lập trình.

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

4

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý công nghệ hàn Plasma bột [02]

1.1.3. Đặc điểm công nghệ hàn Plasma bột
Đặc điểm nổi bật của phƣơng pháp hàn plasma bột là do cƣờng độ hồ quang rất cao,
mối hàn hình thành rất nhanh nên nhiệt lƣợng truyền vào vật hàn thấp và kết quả là
bề rộng của vùng ảnh hƣởng nhiệt rất nhỏ so với các phƣơng pháp hàn truyền thống
khác. Đồng thời khác với phƣơng pháp phun phủ, do cƣờng độ hồ quang rất cao nên
kịp làm nóng chảy một lớp mỏng kim loại cơ bản, kết quả là liên kết giữa kim loại
lớp đắp và kim loại cơ bản rất tốt, hoàn toàn có thể áp dụng các phƣơng pháp gia
công cơ khí tiếp theo mà không bị bong tróc lớp kim loại đắp. Phƣơng pháp
hàn này sử dụng năng lƣợng của dòng Plasma. Năng lƣợng của dòng Plsma đƣợc
tạo thành nhờ quá trình ion hóa dòng khí đƣợc đƣa vào vùng trong của chụp khí và
phía trên vũng hàn. Việc ion hóa khí này có thể điều chỉnh đƣợc do đó năng
lƣợng hồ quang Plasma có thể đƣợc khống chế. Đây cũng là một đặc điểm rất quan
trọng và nổi bật của phƣơng pháp hàn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

5

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

này. Nó giúp hàn đƣợc các vật từ rất mỏng đến rất dày mà không lo bị cháy thủng
hay không ngấu.
1.1.3.1. Ƣu điểm
- Năng xuất cao hơn so với các công nghệ hàn đắp khác nhƣ hàn hồ quang tay, hàn
TIG, hàn khí...
- Độ bền liên kết giữa lớp kim loại đắp và kim loại cơ bản cao.
- Chất lƣợng bề mặt lớp kim loại đắp tốt, vùng ảnh hƣởng nhiệt nhỏ nên ứng suất và
biến dạng hàn nhỏ.
- Thành phần lớp kim loại đắp có thể điều chỉnh phù hợp với yêu cầu làm việc của
chi tiết.
- Sự tham gia của kim loại cơ bản vào lớp đắp nhỏ (khoảng 3 - 7%). Điều này rất
quan trọng cải thiện đƣợc chất lƣợng mối hàn . Với công nghệ hàn hồ quang tay thì
tỷ lệ này là khá cao bằng khoảng (15÷35% )
- Tiết kiệm thời gian chế tạo, giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm.
- Nguồn nhiệt hồ quang lớn và tập trung (t0 = 20.0000C).
- Chiều dày một lớp kim loại đắp có thể điều chỉnh trong một phạm vi rộng (0,6 ÷
6,0 mm).
- Có thể điều chỉnh đƣợc thành phần hợp kim theo yêu cầu.
1.1.3.2. Nhƣợc điểm
- Giá thành thiết bị cao hơn các thiết bị hàn thông thƣờng khác. Thiết bị chủ yếu là
nhập ngoại khó khăn trong việc thay thế phụ tùng.
- Không phù hợp với sản xuất đơn chiếc.
- Hàn Plasma bột chỉ thích hợp cho hàn ở tƣ thế sấp.

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

6

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

1.1.4. Ứng dụng công nghệ hàn plasma bột
Hàn plasma bột (PTA) có rất nhiều ứng dụng trong công ghiệp, đặc biệt là lĩnh vực
chế tạo phục hồi các chi tiết máy chịu mài mòn và tạo lớp đắp cứng bề mặt làm việc
của chi tiết trong điều kiện khắc nghiệt.
* Một số ứng dụng điển hình:
- Tạo lớp đắp cần thiết cho máy đùn vít và trục lăn, trong ngành công nghiệp ô tô.

Hình 1.4. Hình ảnh tạo lớp đắp cần thiết cho trục lăn

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

7

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

- Tạo lớp đắp cứng chống mài mòn các răng gầu máy múc

Hình 1.5. Hình ảnh lớp đắp răng gầu máy sau khi đƣợc phục hồi

- Hàn đắp phục hồi chi tiết xupap trong điều kiện làm việc va đập và chịu mài
mòn ở nhiệt độ cao

Hình 1.6. Hình ảnh lớp đắp xupap sau khi đƣợc phục hồi

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

8

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

- Tạo lớp đắp cứng chống mài mòn của các loại mũi khoan đá, khoan bê tông.

Hình 1.7. Hình ảnh mũi khoan sau khi đƣợc hàn đắp

- Chế tạo dụng cụ cắt chịu mài mòn lớn nhƣ dao xén giấy

Hình 1.8. Hình ảnh dao xén giấy

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

9

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
- Từ những thập niên 1920 khái niệm vật lý về Plasma ra đời. Ở Mỹ từ những năm
1950 các nhà khoa học đã phát hiện thêm hiệu ứng quan trọng của hồ quang plasma
khí nén và từ đó các công trình nghiên cứu lý thuyết về công nghệ hàn hồ quang
plasma PAW (Plasma Arc Welding) đã có một sự phát triển mạnh mẽ.
- Trên thế giới đã có một số đề tài nghiên cứu và ứng dụng phƣơng pháp hàn đắp
Plasma bột vào quá trình sản xuất chế tạo, phục hồi chi tiết máy.
Các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu thành công nhiều công trình
khoa học công nghệ hàn hồ quang Plasma bột. Nó đã đƣợc ứng dụng khá rộng rãi
và có hiệu quả ở các nƣớc công nghiệp phát triển, đăc biệt là ở khu vực Châu âu
để hàn thép hợp kim cao nhƣ thép không gỉ, kim loại chống ăn mòn, chịu mài
mòn, hợp kim Niken, Titan, Ziriconi, Tantal và thậm chí cả các kim loại quý hiểm
khác, các sản phẩm nhƣ 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 dƣợc phẩm, y tế.
- Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành công nghiệp sản xuất hiện
đại nói chung, và công nghiệp quốc phòng nói riêng hƣớng tới áp dụng vào phục
hồi chi tiết máy hiệu quả hơn, trong những năm gần đây tại các Viện nghiên cứu về

hàn trên thế giới và đặc biệt là Nhật bản đã nghiên cứu và ứng dụng thành công
phƣơng pháp hàn Plasma bột (PTA - Plasma Transfer Arc). Đây là một trong số
những cải tiến của công nghệ hàn hồ quang Plasma mà vật liệu bổ sung đƣợc cung
cấp dƣới 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.
+ Ở nhật bản tập đoàn Mishubitsi steel là một trong các tập đoàn công nghiệp
nặng hàng đầu. Hiện nay các mặt hàng, sản phẩm của Mishubishi steel rất đa dạng
và phong phú nhƣ: Chế tạo các loại khuôn đúc, khuôn dập của ngành gia công áp

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

10

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

lực, sản suất thép...Và tập đoàn đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo thành công loại
bột hàn sử dụng cho quá trình đắp cứng bề mặt các chi tiết máy phục vụ cho quá
trình chế tạo và phục hồi trục cán, khuôn dập, tua bin và đặc biệt là phục hồi các
chi tiết máy của động cơ đốt trong. Hiện nay các loại bột của hãng đã có mặt tại
thị trƣờng Việt Nam bao gồm: Các loại bột hàn đắp ứng dụng cho phƣơng pháp
hàn PTA, bột phun phủ, thuốc hàn, ....
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
- Ở Việt Nam, do điều kiện kinh tế khoa học kỹ thuật còn nhiều hạn chế do vậy nên
công nghệ hàn Plasma bột triển khai ở Việt nam muộn. Phải tới năm 2004 hệ thống
hàn PTA và hệ thống phun phủ Plasma đầu tiên mới đƣợc nhập khẩu về từ Hàn

Quốc (HPT – 500 - A) của công ty CP Việt Long – Hải Phòng (công ty CP Việt
Long là đơn vị chuyên tham gia sửa chữa và phục hồi các chi tiết máy bị mòn và
cần phủ cứng bề mặt).
- Hiện nay tại Viện nghiên cứu Cơ khí đã trang bị một hệ thống máy hàn Micro
Plasma của Pháp, và đang đƣợc cán bộ khoa học sử dụng trong công việc nghiên
cứu hàn vật liệu đặc biệt là tấm mỏng.
- Tại trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 2004, đã đƣợc trang bị một hệ thống
hàn PTA của hãng Castolin, các dây chuyền công nghệ hàn Plasma bột và Micro
plasma chủ yếu phục vụ cho mục đích nghiên cứu và đào tạo cho sinh viên chuyên
ngành công nghệ hàn. Song song với việc đào tạo thì bộ môn đã có một số các đề
tài nghiên cứu ứng dụng của hàn PTA trong việc chế tạo lớp đắp cứng bề mặt và
phục hồi bề mặt làm việc của các chi tiết máy, điển hình nhƣ:
+ Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn đắp Plasma bột để chế tạo các dụng
cụ cắt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn và va đập cao” (Research to
apply plasma powder surfacing for the manufacturing of cutting tools working
under heavy

impact and wear condition), mã số VLIR – HUT PJ04, thuộc

chƣơng trình hợp tác giữa trƣờng ĐH BK Hà Nội và cộng đồng các trƣờng đại

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

11

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

học khối Flemish – Vƣơng quốc Bỉ (thực hiện trong giai đoạn 2004 - 2008). Đề tài
do PGS.TS Bùi Văn Hạnh, Đại học Bách Khoa Hà Nội làm chủ nhiệm.

Hình1.9. Hình ảnh thiết bị hàn plasma bột của trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
Trên hình1.14. Là hình ảnh các giảng viên, chuyên gia đầu ngành công nghệ hàn Việt Nam
đang nghiên cứu và thí nghiệm tại phòng chuyên dụng hệ thống công nghệ hàn plasma bột
của trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ PTA để tạo các bề mặt làm việc trong điều kiện
mài mòn cao" tại viện nghiên cứu Cơ khí thuộc bộ Công Thƣơng do TS. Hoàng Văn Châu
chủ trì. Kết quả nghiên cứu đã đƣợc áp dụng vào việc chế tạo các loại dao cắt kích thƣớc
lớn và một số loại xupap dùng cho động cơ máy thủy.

- Tại Hà Nội, Ngày 24/10/2014, đã diễn ra Hội thảo khoa học nâng cấp công nghệ
hàn plasma bột với Dự án Laserlike, do Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ
Hàn và Xử lý bề mặt – thuộc Viện Nghiên cứu Cơ khí phối hợp với Công ty Cổ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

12

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

phần HTH Trƣờng Phát, Trung tâm Nghiên cứu công nghệ bề mặt (Đại học

Niederrhein, Đức) và Công ty Durum, Đức) tổ chức.

Hình 1.10. Hình ảnh hội thảo
Dự án Laserlike có tên là Nghiên cứu phát triển công nghệ và vật liệu phủ PTA tiên tiến
thay thế lớp phủ laser, với sự tham gia của các đối tác, bao gồm: phía Việt Nam là Phòng
Thí nghiệm trọng điểm công nghệ hàn và xử lý bề mặt, Công ty Cổ phần HTH Trƣờng
Phát; phía CHLB Đức là Công ty Durum và Trung tâm Nghiên cứu công nghệ bề mặt, với
tổng kinh phí là 520.000 EUR, thời gian thực hiện 30 tháng (từ tháng 7/2014 đến tháng
12/2016). Theo đó, Dự án sẽ bao gồm một chuỗi các quá trình, từ tính toán mô phỏng quá
trình sản xuất và tổ chức tế vi, chế tạo vật liệu phủ, phát triển công nghệ cho tới chuyển
giao công nghệ cho các đơn vị sản xuất của Việt Nam và CHLB Đức. Tại Hội thảo, các đại
biểu đã cùng nhau trao đổi và thảo luận về tinh hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn
plasma bột tại Việt Nam; các nội dung nghiên cứu phát triển của Dự án; các sản phẩm thiết
bị và vật liệu của Durum liên quan đến hàn plasma; hình dạng và cấu trúc tế vi của kim

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

13

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

loại mối hàn khi hàn đắp bề mặt cứng bởi quá trình hàn plasma bằng hợp kim bột Eutroloy
16606 trên nền thép C45; ứng dụng các công nghệ hàn tiên tiến để hàn đắp bề mặt cứng…
- Công ty CP HTH Trƣờng Phát đang thực hiện cùng đối tác Durum – Đức trong dự án
nâng cấp công nghệ hàn Plasma bột (Laserlike)Mục tiêu của dự án là cải tiến công nghệ

hàn Plasma bột để đạt đƣợc chất lƣợng tƣơng tự hàn Laser nhƣng với chi phí cho trang
thiết bị và vật liệu kinh tế hơn phù hợp cho thị trƣờng Việt Nam.Công ty đang từng bƣớc
thử nghiệm trên các sản phẩm: Súp páp tầu biển, van nhiệt điện, dao băm gỗ… Trên hình
1.11 là hình ảnh chuyên gia kỹ thuật công ty Trƣờng Phát đang thực hiện hàn đắp plasma
bột phục hồi chi tiết máy tại xƣởng công ty.

Hình 1.11. Thiết bị hàn PTA công ty Trƣờng Phát

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

14

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Các sản phẩm của công ty Trƣờng Phát gồm có: hàn phục hồi trục nghiền đứng,
phục hồi bề mặt xupap máy thủy....

Hình1.12. Hàn phục hồi trục nghiền đứng cho nhà máy si măng Bút Sơn.

Hình 1.13. Chuyển giao công nghệ hàn Plasma bột (PTA) cho tập đoàn dầu khí quốc gia
Việt Nam

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

15

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

* Nhƣ vậy mặc dù công nghệ hàn plasma bột mới sớm đƣợc triển khai ở Việt Nam,
chi phi thiết bị hàn cao, xong công nghệ hàn Plasma bột đang đƣợc phát triển rất
mạnh bởi tính công nghệ ƣu việt của nó. Những nhà khoa học, những chuyên gia
đầu ngành, và các doanh nghiệp đang hết sức khẩn trƣơng nghiên cứu, áp dụng, đáp
ứng nhu cầu chế tạo và phục hồi máy của thị trƣờng trong và ngoài nƣớc.
1.3. Kết luận chƣơng 1
Trong chƣơng1, sau khi nghiên cứu phân tích và tổng hợp, tác giả đã nêu
đƣợc bản chất, nguyên lý, những ƣu điểm các hạn chế của công nghệ hàn Plasma
bột từ đó làm cơ sở và nền tảng cho việc nghiên cứu các phần tiếp theo trong đề
tài. Khi tìm hiểu và phân tích về tình hình nghiên cứu, áp dụng công nghệ hàn
plasma bột trong và ngoài nƣớc, tác giả nhận thấy mặc dù chi phi thiết bị tƣơng
đối cao, nhƣng công nghệ hàn Plasma bột cần đƣợc phát triển bởi tính công nghệ
ƣu việt của nó.

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

16

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA YẾU TỐ CÔNG NGHỆ VÀ
THÀNH PHẦN CỦA BỘT HỢP KIM TỚI ĐỘ CỨNG LỚP ĐẮP
2.1. Ảnh hƣởng của yếu tố công nghệ hàn PTA
Trong công nghiệp, ngƣời ta dùng phƣơng pháp PTA để chế tạo các máy,
hoặc sử dụng trong hàn đắp phục hồi với mục đích chính là cải thiện cơ tính bề mặt
của chi tiết để tăng khả năng chống gỉ và chống mài mòn của sản phẩm. Trong
phƣơng pháp này kim loại bổ sung là hợp kim dạng bột, do vậy có thể
điều chỉnh thành phần kim loại lớp đắp một cách dễ dàng bằng cách thay đổi tỷ lệ
các cấu tử trong mẻ liệu bột hợp kim, để đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật và tính năng
làm việc của sản phẩm. Phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng nhiều để hàn đắp có kết
quả tốt đối với các chi tiết chịu mài mòn với bột hợp kim cứng đặc biệt. Lớp kim
loại đắp nhận đƣợc chủ yếu là nhờ kim loại bổ sung, kim loại cơ bản tham gia rất ít
trong kim loại lớp đắp chỉ khoảng 3 – 10% (so với hàn đắp bằng phƣơng pháp hàn
tự động dƣới lớp thuốc có thể đến 40%). Trên hình 1.8 giới thiệu mức độ tham gia
của KLCB vùng (G) so với KLMH vùng (Z +G). Theo [05] mức độ thấp chiếm
khoảng 9%

Hình 2.1. Phần trăm kim loại cơ bản khi hàn đắp plasma bột [05]

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

17

Học viên: Trần Tiến Dũng


Luận văn Thạc sỹ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Đặc điểm nổi bật của phƣơng pháp hàn Plasma bột là do cƣờng độ hồ quang
rất cao, mối hàn hình thành rất nhanh, nên nhiệt lƣợng truyền vào vật hàn thấp và
kết quả là kích thƣớc của vùng ảnh hƣởng nhiệt rất nhỏ so với các phƣơng pháp hàn
truyền thống khác. Đồng thời, khác với phƣơng pháp phun phủ, do cƣờng độ hồ
quang rất cao nên kịp làm nóng chảy một lớp mỏng kim loại cơ bản, kết quả là liên
kết giữa kim loại lớp đắp và kim loại cơ bản rất tốt, hoàn toàn có thể áp dụng các
phƣơng pháp gia công cơ khí tiếp theo mà không bị bong tróc lớp kim loại đắp.
Những thập niên gần đây nhất, do có sự tập trung vào cơ khí hóa, tự động hóa quá
trình hàn plasma bột. Bởi vậy làm giảm giá thành, nâng cao khả năng kiểm soát
quá trình, cải thiện chất lƣợng của lớp đắp và tăng hệ số đắp. Tuy nhiên, các thông
số công nghệ hàn có tác động qua lại lẫn nhau và ảnh hƣởng một cách phức tạp
lên tính chất của lớp đắp làm giảm khả năng hoạt động của chi tiết. Do đó lựa chọn
một chế độ hàn tối ƣu là hết sức cần thiết để cho ra đƣợc một lớp đắp có chất lƣợng
tốt nhất theo từng ứng dụng cụ thể. Mỗi thông số chế độ công nghệ đều có ảnh
hƣởng rất lớn tới chất lƣợng của lớp đắp. Nhƣ đã đề cập ở trên, sự hòa tan của lớp
kim loại đắp là nhân tố chính ảnh hƣởng quyết định tới chất lƣợng của lớp kim
loại đắp. Trong suốt quá trình hàn, lƣợng hòa tan của kim loại đắp luôn cần đƣợc
kiểm soát để giá trị là nhỏ nhất có thể (<10%, thƣờng khoảng 3 – 5%). Khi xét đến
ảnh hƣởng của các thông số công nghệ tới chất lƣợng của lớp đắp, chính là ta xét
ảnh hƣởng của chúng tới sự hòa tan của lớp kim loại đắp.
- Ảnh hƣởng lƣu lƣợng khí tạo hồ quang plasma và dòng điện hàn plasma:
Sự hòa tan dẫn đến tăng hàm lƣợng nguyên tố hợp kim (chủ yếu là sắt) từ
kim loại cơ bản vào kim loại đắp, dẫn đến giảm độ cứng, khả năng chống mài mòn
hoặc chống rỉ của lớp đắp. Các nguyên tố khuếch tán tập trung trong lớp kim loại
đắp ở chiều sâu 0,2 – 0,5 mm gần với vùng viền chảy. Với giả thiết là sự bay hơi
của các nguyên tố hợp kim là không đáng kể, sự chuyển biến của các pha bất lợi có
thể đƣợc kiểm soát bằng phƣơng pháp hàn đắp plasma bột. Khi tiến hành hàn với

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà

18

Học viên: Trần Tiến Dũng