Nghiên cứu hàn đắp thép dụng cụ bằng công nghệ hàn tigv

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

BÙI THỊ TUYẾT NHUNG

BÙI THỊ TUYẾT NHUNG

CÔNG NGHỆ HÀN

NGHIÊN CỨU HÀN ĐẮP THÉP DỤNG CỤ BẰNG
CÔNG NGHỆ HÀN TIG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ HÀN

2009
Hà Nội – Năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Bùi Thị Tuyết Nhung

NGHIÊN CỨU HÀN ĐẮP THÉP DỤNG CỤ BẰNG CÔNG NGHỆ
HÀN TIG

Chuyên ngành :

Công nghệ hàn

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Công nghệ hàn

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Hoàng Tùng

Hà Nội – Năm 2011


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện
dựa trên sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo
trích dẫn
Học viên

Bùi Thị Tuyết Nhung

1


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Hoàng Tùng đã tận tình hướng dẫn,
cung cấp tài liệu trong quá trình nghiên cứu và làm luận văn. Tiến sĩ đã giành nhiều
thời gian, công sức giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành
luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn tới các Thầy giáo trong Bộ môn Hàn và Công
nghệ kim loại – Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các Thầy cô giáo
trong Bộ môn Công nghệ Hàn – Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Nam Định cùng bạn bè và đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả
hoàn thành luận văn cũng như toàn bộ khóa học.

Học viên

Bùi Thị Tuyết Nhung

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... 1
MỤC LỤC ..................................................................................................................... 3
THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ........................................................ 11
CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................................. 13
LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................. 14
Chương I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ............................................... 15
1.1.Tình hình nghiên cứu hàn TIG dùng để hàn nói chung và dùng để hàn thép dụng
cụ nói riêng ở trong nước và ngoài nước ...................................................................... 15
1.1.1. Tổng quan về hàn và hàn TIG ............................................................................. 15
1.1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hàn TIG ở Việt Nam ................................... 16
1.1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hàn TIG ở nước ngoài................................. 17
1.2. Mục đích nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu hàn đắp thép dụng cụ, thép kết cấu
bằng công nghệ hàn TIG có bù bằng dây hàn lõi bột”.................................................. 18
1.3. Nội dung nghiên cứu đề tài .................................................................................... 19
1.4. Phương pháp nghiên cứu đề tài .............................................................................. 19
Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN TIG .............................. 20
2.1. Nguyên lý hàn TIG, đặc điểm. ............................................................................... 20
2.1.1. Nguyên lý hàn TIG.............................................................................................. 20
2.1.2. Đặc điểm ............................................................................................................ 21
2.2. Nguồn nhiệt hàn TIG ............................................................................................. 21
2.2.1. Các nguồn nhiệt hàn theo quan điểm truyền nhiệt .............................................. 21
2.2.2. Nguồn nhiệt hàn TIG .......................................................................................... 22

2.3. Sự hình thành mối hàn trong hàn TIG ................................................................... 24
2.4. Các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn TIG ............................................ 26
2.4.1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn ............................................................ 26
2.4.2 Ảnh hưởng của vật liệu hàn ................................................................................. 27
2.4.2.1. Ảnh hưởng của khí bảo vệ ............................................................................... 27
2.4.2.2. Ảnh hưởng của điện cực W.............................................................................. 28

3


2.4.3. Ảnh hưởng của kỹ thuật hàn ............................................................................... 30
Chương 3: TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ KHI HÀN ĐẮP BẰNG HÀN TIG ....................... 32
3.1. Nguyên tắc chung khi tính toán nhiệt độ khi hàn đắp các bề mặt khuôn bằng
công nghệ hàn TIG ....................................................................................................... 32
3.3.1 Nguồn nhiệt khối cầu trên tấm dày có kích thước hữu hạn ................................ 40
3.3.2. 1. Tính chất vật lí của vật liệu ............................................................................. 44
3.3.2.2. Chọn phương pháp hàn .................................................................................... 45
3.3.4. Mẫu và vật liệu thí nghiệm ................................................................................ 46
3.3.5 Mô phỏng hình dạng vũng hàn ........................................................................... 47
3.3.5.1. Ảnh hưởng các thông số nguồn nhiệt tới hình dạng hình học vũng hàn ......... 47
3.3.5.2. Nguồn nhiệt khối elipsoid kép trong vật bán vô hạn ...................................... 47
3.3.5.3. Nguồn nhiệt khối elipsoid kép trong tấm dày hữu hạn .................................... 49
3.3.6. Phân bố trường nhiệt độ ...................................................................................... 51
3.3.7. So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm hình dạng vũng hàn .......................... 54
3.3.8. Kết luận ............................................................................................................... 55
Chương 4: CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP THÉP DỤNG CỤ ............................................ 56
4.1. Khái niệm về thép dụng cụ..................................................................................... 56
4.2. Phân loại và công dụng thép dụng cụ .................................................................... 57
4.3.Thép dụng cụ chế tạo khuôn mẫu ........................................................................... 61
4.3.1. Yêu cầu thép làm khuôn...................................................................................... 61

4.3.2. Thép chế tạo khuôn dập nguội ............................................................................ 62
4.3.3. Thép chế tạo khuôn dập nóng ............................................................................. 63
4.3.4. Thép dụng cụ chế tạo khuôn mẫu ở Việt Nam.................................................... 64
4.3.4.1. Bảng 4.5 thành phần hóa học thép dụng cụ 9XC ............................................. 65
4.3.4.2. Bảng cơ tính của thép 9XC .............................................................................. 65
4.3.4.3. Vai trò của nguyên tố hợp kim trong thép 9XC ............................................... 66
4.4. Tính hàn của thép dụng cụ chế tạo khuôn mẫu ...................................................... 67
4.4.1. Tính hàn của thép hợp kim.................................................................................. 68
4.4.1.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến tính hàn ................................................................ 68

4


4.4.1.2. Qui trình tổng quát để xác định tính hàn và yêu cầu nung sơ bộ .................... 70
4.4.1.3 Nung sơ bộ để cải thiện tính hàn của thép: ...................................................... 73
4.4.1.4. Cácbit trong thép làm khuôn dập nóng và đặc tính của chúng ........................ 73
4.4.2. Tính hàn của thép dụng cụ 9XC.......................................................................... 75
4.5. Công nghệ hàn đắp thép dụng cụ bằng hàn TIG .................................................... 77
4.5.1. Khái niệm về hàn đắp.......................................................................................... 77
4.5.2. Công nghệ hàn đắp thép dụng cụ bằng hàn TIG ................................................. 77
4.5.3. Các tính chất yêu cầu của mối hàn đắp ............................................................... 79
4.5.3.1. Độ cứng và tính chống mài mòn ..................................................................... 79
4.5.3.2 Độ bền và độ dai va đập. .................................................................................. 80
Chương 5: THỰC NGHIỆM HÀN ĐẮP THÉP DỤNG CỤ BẰNG HÀN TIG QUE
HÀN LÕI BỘT ............................................................................................................. 82
5.1. Mục đích thực nghiệm ........................................................................................... 82
5.2. Nội dung thực nghiệm ............................................................................................ 82
5.2.1. Lựa chọn vật liệu cơ bản. .................................................................................... 82
5.2.2. Mẫu thí nghiệm ................................................................................................... 85
5.2.3. Thiết bị thí nghiệm .............................................................................................. 87

5.2.3.1. Nguồn hàn TIG ................................................................................................ 87
5.2.3.2. Thiết bị kéo ...................................................................................................... 89
5.2.3.3. Thiết bị đo ........................................................................................................ 90
5.2.4.1. Que hàn lõi bột ................................................................................................. 91
5.2.4.2. Que hàn lót ....................................................................................................... 92
5.2.5. Lựa chọn điện cực không nóng chảy .................................................................. 92
5.2.6. Lựa chọn khí bảo vệ ........................................................................................... 93
5.2.7. Qui trình thực hiện hàn trên mẫu ........................................................................ 93
5.2.7.1. Mẫu trước khi hàn ............................................................................................ 93
5.2.7.2. Xác định chiều dày lớp đắp .............................................................................. 94
5.2.7.3. Chọn chế độ hàn TIG ....................................................................................... 95
5.2.7.4. Hình ảnh mẫu sau khi hàn ............................................................................... 96

5


5.2.7.5. Hình ảnh quá trình thực hiện hàn ..................................................................... 99
5.3. Kết quả đo các thí nghiệm...................................................................................... 100
5.3.1. Đo hình dáng mối hàn ......................................................................................... 100
5.3.2. Kiểm tra độ bám dính của lớp đắp ...................................................................... 101
5.3.3. Đo độ cứng thô đại .............................................................................................. 104
5.4.1. Phương pháp hàn phục hồi ................................................................................. 115
5.4.2. Hàn phục hồi khuôn. ........................................................................................... 115
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................... 11920
TÓM TĂT LUẬN VĂN ............................................................................................... 1202

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Bảng 1.2 Sử dụng hàn TIG dùng trong hàn phục hồi nói riêng. ...............................17
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi
trường khí trơ – (TIG) ...............................................................................................20
Hình 2.2 Một số hình ảnh về mối hàn bằng phương pháp hàn TIG .........................21
Hình 2.3 Đầu điện cực khi hàn..................................................................................23
Hình 2.4 a) Màng oxit nhôm không bị phá.

b) Màng oxit nhôm bị phá vỡ .....23

Hình 2.5 Phương thức thực hiện bằng tay cung cấp kim loại điền đầy vào trong
vũng hàn (GTAW) ....................................................................................................25
Hình 2.6 Ảnh hưởng của chủng loại khí bảo vệ đến độ ngấu mối hàn .....................28
Hình 2.7 Một số điện cực dùng trong hàn TIG .........................................................28
Hình 2.8 Ảnh hưởng điện cực trong quá trình hàn ...................................................30
Hình 3.1.Nguồn nhiệt điểm di động thì sự phân bố nhiệt trên trục x – x .................34
Hình 3.2. Sơ đồ tính toán phân bố nhiệt khi hàn nguồn nhiệt hàn hồ quang TIG ....35
Hình 3.3 Phân bố chu trình nhiệt theo thời gian .......................................................39
Hình 3.4 Đồ thị các đường đẳng nhiệt ......................................................................39
Hình 3.5 Đường đẳng nhiệt T = 15000C; T =6000C; T =3000C ...............................39
Hình 3.6 : Mặt cắt đường đẳng nhiệt vuông góc.......................................................40
Hình 3.7 Sơ đồ tính toán nguồn nhiệt điểm di động trong tấm bán vô hạn ..............41
Hình 3.8 Ảnh hưởng của ah tới hình dạng hình học của vũng hàn ...........................48
Hình 3.9 Ảnh hưởng của chf tới hình dạng hình học của vũng hàn ..........................49
Hình 3.10 Ảnh hưởng của η tới hình dạng hình học của vũng hàn ..........................49
Hình 3.11 Ảnh hưởng của ah tới hình dạng hình học của vũng hàn .........................50
Hình 3.12 Ảnh hưởng của bh tới hình dạng hình học của vũng hàn .........................51
Hình 3.13 Mẫu thực nghiệm dùng cho đo nhiệt độ hàn tức thời ..............................52
Hình 3.14 Mẫu thực nghiệm dùng cho đo nhiệt độ hàn tức thời ..............................52
Hình 3.15 So sánh nhiệt độ đo chuyển tiếp với biến thiên nhiệt độ dự đoán tương
ứng .............................................................................................................................54

Hình 3.16 Hình dạng hình học của vũng hàn thực nghiệm.......................................54

7


Hình 4.1 Thép dụng cụ dạng thanh chế tạo dao cắt ..................................................56
Hình 4.2 Thép dụng cụ dạng thanh tròn....................................................................57
Hình 4.3 Khuôn đùn ép khung nhôm vật liệu 9XC Công ty cơ khí Đông Anh ........57
Hình 4.4 Sơ đồ tính bề dày tương đương (CJT) các kết cấu hàn ..............................71
Hình 4.5 Xác định chỉ số tính hàn của kết cấu dựa trên bề dày tương đương CJT ..71
Hình 4.6 Xác định nhiệt độ nung sơ bộ khi hàn với điện cực thấm hyđrô EXX16,
EXX28, EXX48 hoặc khi hàn bằng các phương pháp bán tự động .........................72
Hình 4.7 Xác định nhiệt độ nung sơ bộ khi dùng điện cực nóng chảy .....................72
Hình 5.1 Thiết bị ARL 3460 OES phân tích thành phần hóa học Viện Công nghệ Bộ Công Thương .......................................................................................................83
Hình 5.2 Mẫu hàn thử hình thành mối hàn ...............................................................85
Hình 5.3 Chi tiết hàn .................................................................................................85
Hình 5.4 Chi tiết trục .................................................................................................86
Hình 5.5 Kích thước mẫu ..........................................................................................86
Hình 5.6 Mẫu đo hình dạng kich thước mối hàn ......................................................87
Hình 5.7 Máy hàn TIG Pi200E của hãng Migatronic – Đan Mạch ..........................88
Hình 5.8 Máy thử kéo vạn năng ZDM – 50T của Đức .............................................89
Hình 5.9 Mẫu 2 đo độ cứng thô đại ..........................................................................90
Hình 5.10 Máy đo độ cứng tế vi ...............................................................................90
Hình 5.11 Que hàn lõi bột UTP AFDUR 350 trong hộp đựng .................................91
Hình 5.12 Một số điện cực dùng trong hàn TIG .......................................................92
Hình 5.13 Làm sạch phôi hàn ...................................................................................93
Hình 5.14 Nhóm các mẫu hàn ...................................................................................94
Hình 5.15 Cường độ dòng điện khi hàn lớp 1 ...........................................................97
Hình 5.16 Mẫu 1 trước khi đo ...................................................................................97
Hình 5.17 Mẫu hàn sau khi hàn lớp 2 .......................................................................98

Hình 5.18 Mẫu sau khi hàn đắp 3 lớp .......................................................................98
Hình 5.19 Mẫu 2 sau khi hàn đắp 3 lớp ....................................................................99
Hình 5.20 Mẫu trước khi đo ......................................................................................99

8


Hình 5.21 Gây hồ quang ...........................................................................................99
Hình 5.22 Mẫu 3 khi hàn đắp xong 3 lớp ...............................................................100
Hình 5.23 Hình dạng hình học của vũng hàn thực nghiệm.....................................100
Hình 5.24 Máy thử kéo vạn năng ZDM – 50T của Đức .........................................102
Hình 5.25 Gá kẹp phôi ............................................................................................102
Hình 5.26 Mẫu đã được kẹp chặt ............................................................................102
Hình 5.27 Lực kéo phá hủy .....................................................................................102
Hình 5.28 Mẫu khi đang đo.....................................................................................103
Hình 5.29 Mẫu sau khi thử kéo ...............................................................................103
Hình 5.30 Đồ thị thử kéo mối hàn...........................................................................104
Hình 5.31 Máy đo độ cứng thô đại .........................................................................105
Hình 5.32 Mẫu 1 đo thô đại ....................................................................................105
Hình 5.33 Mẫu 1 đo tế vi ........................................................................................106
Hình 5.34 Đo độ cứng tế vi .....................................................................................107
Hình 5.35 Mẫu 1V1 x500........................................................................................107
Hình 5.36 Mẫu 2V1 x500........................................................................................108
Hình 5.37 Mẫu 3V1 x500........................................................................................108
Hình 5.38 Mẫu 1V2 x500........................................................................................109
Hình 5.39 Mẫu 2V2 x500........................................................................................109
Hình 5.40 Mẫu 3V2 x500........................................................................................110
Hình 5.41 Mẫu 1V2B x500 .....................................................................................111
Hình 5.42 Mẫu 2V2B x500 .....................................................................................111
Hình 5.43 Mẫu 3V2B x500 .....................................................................................112

Hình 5.44 Ảnh cối dập chưa phục hồi.....................................................................116
Hình 5.45 Ảnh khuôn lúc chưa phục hồi ................................................................116
Hình 5.46 Ảnh đang phục hồi bề mặt khuôn ..........................................................117
Hình 5.47 Khuôn dập nguội ....................................................................................117
Hình 5.48 Khuôn dập nóng .....................................................................................118

9


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tập hợp các cơ sở sản xuất sử dụng công nghệ hàn TIG nói chung .........17
Bảng 2.1 Nguồn nhiệt hồ quang ảnh hưởng đến hình dáng vũng hàn ......................24
Bảng 3.1 Các số liệu t ính toán .................................................................................36
Bảng 3.2 Số liệu tính toán ........................................................................................38
Bảng 3.3 Tính chất lý hóa của một số kim loại và hợp kim, ....................................44
Bảng 3.4 Một số tính chất chất cơ bản của các phương pháp hàn ............................44
Bảng 4.1 Một số loại thép dụng cụ chính của Mỹ (tiêu chuẩn SAE/AISI)..............59
Bảng 4.2 Các mác thép phổ biến:..............................................................................63
Bảng 4.3 Các mác thép phổ biến...............................................................................63
Bảng 4.4 Tổng hợp một số loại khuôn mẫu dùng thép dụng cụ của một số công ty
sản xuất......................................................................................................................64
Bảng 4.5 Thành phần hóa học của thép dụng cụ 9XC ..............................................65
Bảng 5.1 Đặc tính kỹ thuật ........................................................................................89
Bảng 5.2 Tính chất cơ học của lớp lót UTP A80N theo ...........................................92
Bảng 5.3 Thành phần hóa học lớp đắp ......................................................................92
Bảng 5.4 Thống kê các thông số chung của chế độ hàn TIG:...................................95
Bảng 5.5 Chế độ hàn lựa chọn cho các lớp hàn ........................................................95
Bảng 5.6 Đo độ cứng thô đại ..................................................................................106
Bảng 5.7 Đo độ cứng tế vi ......................................................................................112

10


THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
A

Diện tích vũng hàn

a

Độ dẫn nhiệt

c

Nhiệt dung riêng

C.R

Tốc độ nguội

qđ

Năng lượng đường

h

Hiệu suất hồ quang

Hm-Hc

Gia số Enthalpy

I

Dòng điện hàn

k

Hệ số dẫn nhiệt

Q

Nhiệt lượng tỏa ra

q0

Công suất hồ quang

r = x2 + y2

Khoảng cách từ điểm khảo sát tới tâm nguồn nhiệt – 2D

R = x2 + y 2 + z 2

Khoảng cách từ điểm khảo sát tới tâm nguồn nhiệt – 3D

ρ

Khối lượng riêng

S

Chiều dày tấm hàn

T

Nhiệt độ tại thời điểm khảo sát

t

Thời gian thứ nguyên

T0

Nhiệt độ ban đầu

Tc

Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu

U

Điện áp hàn

V

Thể tích vũng hàn thứ nguyên

11

v

Vận tốc hàn

x

Tọa độ theo phương x

y

Tọa độ theo phương y

z

Tọa độ theo phương z

F

Diện tích tiết diện

P

Lực tác dụng

J

Mô men quán tính

б

Ứng suất pháp

τ

Ứng suất tiếp

E

Mô đun đàn hồi

η

Hệ số nhiệt hữu ích

W

Mật độ dòng điện

12


CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MATLAB:

Mattrix Laboratory

GMAW:

Gas Metal Arc Welding

GTAW:

Gas Tungsten Arc Welding

SMAW:

Shielded Metal Arc Welding

SAW:

Submerged Arc Welding

KLCB:

Kim loại cơ bản

KLB:

Kim loại đắp

KH:

Kí hiệu

CNH:

Công nghệ hàn

KHCN:

Khoa học công nghệ

KHKT:

Khoa học kỹ thuật

DC:

Dụng cụ

DCEN:

Một chiều cực thuận

DCEP:

Một chiều cực nghịch

VN:

Việt Nam

13


LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ hàn xuất hiện từ mối liên kết hàn đầu tiên vào năm 1881 từ bác học
người Nga tên là N.N Benrardos đã sử dụng nguồn nhiệt hồ quang điện thực hiện
hàn. Sau hơn một thế kỷ, công nghệ hàn đã phát triển rất nhanh và đạt được nhiều

thành quả về khoa học, công nghệ và hiệu quả kinh tế trong công nghiệp.
Trong giai đoạn xây dựng cơ sở hạ tầng của quá trình công nghiệp hóa, hiện
đại hóa của Việt Nam hiện nay, công nghệ hàn đang được quan tâm, và được ứng
dụng rộng rãi như trong xây dựng, giao thông đường biển, giao thông đường bộ,
đường hàng không, trong cơ khí chế tạo máy, trong lĩnh vực năng lượng điện (nhiệt
điện, thủy điện), ngoài ra Công nghệ hàn còn được ứng dụng trong công nghiệp hóa
chất, công nghiệp dầu mỏ….
Hàn hồ quang trong môi trường khí trơ bằng điện cực không nóng chảy mà
phổ biến là điện cực vonfram xuất hiện từ khi có nhu cầu về hàn kim loại và hợp
kim màu, thép hợp kim cao được ứng dụng nhiều trong công nghiệp chế tạo máy và
hóa chất. Người ta đã nghiên cứu và sử dụng các điện cực W có pha thêm hợp chất
của Th, Zr, La..v..v., đã cho phép tiết kiệm chi phí về vật liệu hàn.
Sự phát triển công nghiệp cơ khí chế tạo máy hiện nay ở Việt Nam sử dụng
rất nhiều loại thép, trong đó thép dụng cụ được sư dụng nhiều để chế tạo các dụng
cụ công nghiệp (như dao cắt) trong sản xuất vật liệu kim loại ( dùng chế tạo khuôn,
khuôn dập, khuôn ép….).
Thống kê số liệu khuôn trong công nghệ chế tạo phôi, chế tạo sản phẩm dạng
tấm, công nghệ khuôn ép..v..v. Vật liệu thép dụng cụ dùng với khối lượng rất lớn.
Nghiên cứu hàn đắp thép dụng cụ bằng công nghệ hàn TIG ở Việt Nam chưa
được nghiên cứu và ứng dụng nhiều. Vì vậy cần có nghiên cứu hoàn thiện công
nghệ này để đưa vào phục hồi các loại khuôn ở Việt Nam hiên nay là yêu cầu cấp
bách đem lại hiệu quả kinh tế cao. Đồng thời đây là xu hướng tạo ra các sản phẩm
(khuôn, dụng cụ) từ những vật liệu cơ bản thông thường mà trên bề mặt làm việc
của nó tạo ra những lớp đắp từ công nghệ hàn TIG bù từ dây hàn lõi bột.

14


Chương I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1.Tình hình nghiên cứu hàn TIG dùng để hàn nói chung và dùng để hàn thép

dụng cụ nói riêng ở trong nước và ngoài nước
1.1.1. Tổng quan về hàn và hàn TIG
Hàn là công nghệ dùng để nối hai hay nhiều phần tử (chủ yếu là kim loại)
thành một liên kết liền khối (không thể tháo rời). Việc kết nối này được thực hiện
hoặc bằng nguồn nhiệt hoặc bằng áp lực hoặc bằng cả hai điều kiện trên. Trong
trường hợp sử dụng nguồn nhiệt, kim loại chỗ cần hàn được nung đến trạng thái
nóng chảy, sau khi kết tinh sẽ hình thành mối hàn. Tham gia vào quá trình hàn có
thể có hoặc không có kim loại bồi. Ngày nay người ta thường sử dụng nguồn nhiệt
hồ quang để hàn.
Hồ quang hàn là một loại nguồn nhiệt được sử dụng rộng rãi trong hàn để nối
các chi tiết lại với nhau như là trong ngành công nghiệp đóng tàu thủy, cầu, và các
kết cấu xây dựng đặc biệt trong ngành công nghiệp chế tạo ô tô và trong các lò phản
ứng hạt nhân. Và một số ngành công nghiệp mới.Yêu cầu nguồn điện hàn là dòng
một chiều hoặc dòng xoay chiều đảm bảo cung cấp dòng điện hàn đủ lớn để làm
nóng chảy kim loại cơ bản và vật liệu hàn.
Quá trình hàn hồ quang liên quan đến nguồn nhiệt lớn và điều này làm sinh ra
ứng suất và biến dạng hàn. Do đó làm giảm khả năng làm việc của kết cấu.
Hàn TIG hay còn gọi là hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi
trường khí bảo vệ (GTAW). Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi
trường khí bảo vệ, điện cực wonfram được sử dụng thay thế điện cực nóng chảy
trong hàn hồ quang que hàn thuốc bọc. Khí bảo vệ là các loại khí trơ như: argon,
helium hoặc H2 được sử dụng để bảo vệ kim loại không bị oxy hóa. Nguồn nhiệt của
hồ quang hình thành giữa điện cực và vũng hàn. Nguồn nhiệt được tạo ra do sự hình
thành hồ quang giữa điện cực và KLCB làm nóng chảy mép hàn. Dây kim loại phụ
được đưa vào vùng hồ quang hoặc bể hàn. Qúa trình hàn hồ quang với điện cực

15


không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ có thể hàn được hầu hết các kim loại

và cho mối hàn có chất lượng tốt. Tuy nhiên tốc độ hàn chậm hơn các quy trình hàn
khác.
1.1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hàn TIG ở Việt Nam
Theo báo cáo tổng kết ứng dụng công nghệ hàn trong tập đoàn vinashin (Báo
cáo tổng kết ứng dụng công nghệ hàn trong ngành đóng tàu giai đoạn 2004- 2009
tại Hội nghị khoa học Vinashin tháng 10 năm 2009).
Hàn TIG được sử dụng với tỷ lệ còn thấy trong lĩnh vực hàn nói chung (chiếm
10%) chủ yếu hàn và hàn sửa chữa một số đường ống nhỏ chịu áp lực trong tàu
thủy, hàn một số kết cấu thép không gỉ.
Báo cáo ứng dụng khoa học công nghệ mới của tổng hội cơ khí Việt Nam
2008 (báo cáo ứng dụng khoa học công nghệ mới trong lĩnh vực hàn hội nghị khoa
học công nghệ của tổng hội Cơ khí Việt Nam tháng 8 năm 2008 ) cho biết công
nghệ hàn TIG ở VN có xu hướng phát triển từ năm 2007 trong nhiều nghành công
nghệ chế tạo kết cấu hàn như: Trong tập đoàn điện năng dùng ở các nhà máy nhiệt
điện, thủy điện.Trong hóa chất, chế tạo các thùng chứa, các bình trưng cất, các thiết
bị sản xuất hóa chất..v..v trong dầu khí và đặc biệt trong quốc phòng.

16


Bảng 1. 1 Tập hợp các cơ sở sản xuất sử dụng công nghệ hàn TIG nói chung
stt

Tên cơ sở sản xuất

1

Công ty cổ phần thiết bị Công
nghiệp Hàn việt

2

Công ty cơ khí đóng tàu

ứng dụng

chế tạo, sửa chũa, lắp ráp
dùng trong cơ khí đóng tàu

3

Công ty An hòa

Sử dụng hàn TIG để chế tạo, sửa chũa,
lắp ráp các thiết bị có chất lượng kỹ
thuật và hình thức mỹ thuật cao

4

Công ty Cổ phần Nam Hà Việt

Sử dụng hàn TIG để, sửa chũa, lắp ráp
các thiết bị có chất lượng.

5

Công ty CP Hà Yến Hà Nội

Bảng 1. 2 Sử dụng hàn TIG dùng trong hàn phục hồi nói riêng.
stt

Tên cơ sở sản xuất

1

Nhà máy ĐIEZEN Sông Công

2

Công ty cơ khí Đông Anh

3

Công ty TNHH XD và TM Nội Lực

1.1.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hàn TIG ở nước ngoài
Từ cuối đại chiến thế giới lần thứ II, người ta đã biết đến hai phương pháp
công nghệ hàn trong khí bảo vệ: MIG (Metal - Inert - Gas) và TIG (Tungsten - Inert
- Gas). Đặc trưng của hai phương pháp MIG và TIG là trong quá trình hàn, hồ
quang và bể hàn được bảo vệ bằng khí trơ (Ar, He ). TIG là phương pháp hàn bằng
điện cực không nóng chảy (volfram hoặc grafit), nối thuận cực (cực âm nối với điện

17


cực, vật hàn nối với cực dương). Và có kim loại phụ (được gọi là hàn TIG có bù)
MIG là phương pháp hàn bằng điện cực nóng chảy (dây kim loại), nối thuận hay
nghịch tùy vào mục đích (hàn hoặc đắp). Trong những năm gần đây để tiết kiệm
kim loại và nân cao chất lượng làm việc của bề mặt (độ cứng, tính chống mài mòn)
đã có nhiều công trình nghiên cứu hàn TIG có bù với dây hàn lõi bột.

Theo tài liệu KATAΠOΓ của Nga ta có các phương pháp hàn có sử dụng dây
hàn lõi bột sau.
- TEXHOЛOΓИЯ CBAPКИ A – TIG CTAЛEЙ БEЗ PAЗДEЛКИ КPOMOК
C
BOЗMOЖHЬIM
PИMEHHEHИEM
CПEЦИAЛЬHOЙ
ABTOOПPECCOBКИ.
- TEXHOЛOΓИЯ MHOΓOCЛOЙHOЙ APΓOHOДУΓOBOЙ CBAPКЙ
ЬEЗ
ПOДOΓPEBA И
HEAУCTEHИTHЬIMИ
ПPOBOЛOКAMИ
TEPMИЧEКOЙ OЬPAЬOTКИ.
- TEXHOЛOΓИЯ APΓOHOДУΓOBOΓO УПPOЧHEHИЯ
PEЖУЩEΓO КPAЯ ДИCКOBOЙ БOPOHЬI.

HAПЛABКOЙ

- HAПЛABКA ИЗHOCOCTOЙКИX БИMETAЛЛИЧECКИX ЛИCTOB
- ПOPOШКOBЬIE ПPOBOЛOКИ ДЛЯ HAПЛABКИ.
1.2. Mục đích nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu hàn đắp thép dụng cụ, thép kết
cấu bằng công nghệ hàn TIG có bù bằng dây hàn lõi bột”
- Thiết lập được quy trình hàn hợp lý để tạo được lớp đắp có chất lượng trên
bề mặt thép dụng cụ và thép kết cấu.
- Kết quả đạt được của lớp đắp là khả năng chống mài mòn và chịu nhiệt tốt.
- Tạo cơ sở chế tạo các khuôn có nền cơ sở là thép dụng cụ, thép kết cấu mà
bề mặt có lớp đắp có chất lượng cao nhằm tiết kiệm kim loại nền qúi hiếm
Mục đích là sau khi nghiên cứu tối ưu chế độ hàn TIG cho thép dụng cụ để
ứng dụng vào phục hồi các loại khuôn dập. Nâng cao hiệu quả và mở rộng phạm vi

ứng dụng công nghệ này vào thực tế sản xuất. Xây dựng được chế độ CNH và chất
lượng liên kết hàn phù hợp với điều kiện Việt Nam, tạo cơ sở KH – CN bảo đảm

18


cho việc áp dụng CNH TIG vào thực tế sản xuất tạo ra sản phẩm có chất lượng đạt
yêu cầu kỹ thuật và mang lại hiệu quả kinh tế thiết thực và tiết kiệm các loại vật liệu
dụng cụ đắt tiền.
1.3. Nội dung nghiên cứu đề tài
Để đạt được mục tiêu đó chúng ta cần triển khai các nội dung nghiên cứu sau
đây :
- Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết, xác định phạm vi và đối tượng nghiên
cứu
- Nghiên cứu trường nhiệt độ khi hàn TIG.
- Nghiên cứu tính hàn của vật liệu dụng cụ lựa chọn.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn thông qua mô hình
nguồn nhiệt khối để mô phỏng sự hình thành vũng hàn và chất lượng trên nền thép
dụng cụ tấm dày.
- Nghiên cứu thực nghiệm, sử lý số liệu, đưa ra chế độ hàn đắp tối ưu.
1.4. Phương pháp nghiên cứu đề tài
Phương pháp nghiên cứu tổng thể là: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực
nghiệm cụ thể:
Dựa vào bản chất công nghệ hàn TIG với cơ sở lý thuyết về trường nhiệt tính
hàn kết hợp quy hoạch thực nghiệm, xử lý số liệu và đề xuất ứng dụng ra được
những sản phẩm có khả năng chống mài mòn và chịu nhiệt tốt.

19

Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN TIG
2.1. Nguyên lý hàn TIG, đặc điểm.
2.1.1. Nguyên lý hàn TIG
Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong khí trơ bảo vệ (GTAW) “Là
phương pháp hàn hồ quang sử dụng hồ quang giữa một điện cực Tungsten (không
nóng chảy) và bể hàn (hình 2.2). Phương pháp này được sử dụng cùng với khí bảo
vệ và không dùng áp lực. Kim loại điền đầy có thể được dùng hoặc không cần
dùng”.
Phương pháp này đã được phát triển từ những năm 1930 bằng hồ quang heli
hoặc hàn hồ quang khí trơ, và được dùng để hàn các kim loại không có chứa sắt, đặc
biệt mangan và nhôm, và các mối ghép kim loại khó hàn. TIG đúng nghĩa là hàn
điện cực không nóng chảy trong khí trơ tungsten inert gas welding và theo Châu âu
nó được gọi là WIG welding (dùng từ Wonfram).

Hình 2. 1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi
trường khí trơ – (TIG)

20


2.1.2. Đặc điểm
- Hồ quang tập trung, có nhiệt độ cao (60000C).
- Kim loại mối hàn có thể không cần kim loại phụ khi hàn gấp mép giáp mối
không khe hở các chi tiết mỏng.
- Mối hàn có chất lượng cao đối với hầu hết kim loại và hợp kim.
- Mối hàn không phải làm sạch sau khi hàn.
- Hồ quang và vũng hàn có thể quan sát được trong khi hàn.
- Không có kim loại bắn toé.
- Có thể hàn ở mọi vị trí trong không gian.
- Nhiệt tập trung cho phép tăng tốc độ hàn, giảm biến dạng liên kết hàn.

Hình 2. 2 Một số hình ảnh về mối hàn bằng phương pháp hàn TIG
2.2. Nguồn nhiệt hàn TIG
2.2.1. Các nguồn nhiệt hàn theo quan điểm truyền nhiệt
Tương quan giữa nhiệt độ của vật hàn và thời gian hàn có thể được biểu diễn
về mặt lý thuyết thông qua phân tích truyền nhiệt trong hàn. Sự truyền nhiệt hàn bao
gồm nhiều hiện tượng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt và chuyển động của dòng kim loại
nóng chảy. Việc tìm hiểu quá trình này gặp rất nhiều khó khăn, đòi hỏi phải giải
nhiều các phương trình vi phân truyền nhiệt, tốn rất nhiều thời gian và tiền bạc.
Chính vì thế, hiện nay người ta vẫn ưu tiên sử dụng phương pháp giải tích để giải
các bài toán truyền nhiệt. Ưu điểm chính của phương pháp này cung cấp thông tin
về thời gian và nhiệt độ một cách nhanh chóng và chính xác.

21


Hồ quang hàn với các giá trị dòng hàn thấp được coi là nguồn nhiệt điểm di
động. Các nguồn nhiệt hàn công suất lớn tạo thành vũng hàn hình lỗ khóa (hàn tia
điện tử, hàn plasma,..) được coi là nguồn nhiệt đường. Các nguồn nhiệt tác động
một vùng rộng (hàn oxy – axetylen) được coi là nguồn nhiệt mặt.
Các nguồn nhiệt điểm, hàn nổ, hàn cấy vít,…có tỏa nhiệt tại vị trí cố định khi
hàn đều được coi là nguồn nhiệt điểm tức thời. Tuy nhiên, khi duy trì nguồn nhiệt
trong thời gian dài, ví dụ khi hàn hồ quang hoặc hàn khí thì phải coi các nguồn nhiệt
tương ứng là những nguồn nhiệt hàn liên tục.
Các nguồn nhiệt chu kỳ là những nguồn nhiệt được sử dụng khi hàn hồ quang
xung hoặc hàn đường trong hàn điện tiếp xúc với chế độ đóng ngắt mạch liên tục.
Với đa số các quá trình hàn sử dụng khi hàn tấm dày, dòng nhiệt truyền trong tấm
dày mang tính chất 3 chiều không gian (3D). Để mô phỏng truyền nhiệt 3D, cần sử
dụng các mô hình nguồn nhiệt 3D, ví dụ các nguồn nhiệt có mật độ phân bố theo
dạng khối cầu hoặc dạng elipsoid, đã được TS Nguyễn Thế Ninh và các đồng

nghiệp công bố trước đây. Trong trường hợp hàn tấm tương đối mỏng, khi có thể
hàn ngấu toàn bộ chiều dày tấm chỉ bằng một đường hàn duy nhất, có thể dùng các
phương trình dòng nhiệt hai chiều (2D) để phân tích, trên cơ sở sử dụng mô hình
nguồn nhiệt 2D. Với những nguồn nhiệt công suất lớn di chuyển nhanh, dòng nhiệt
theo hướng di chuyển của nguồn nhiệt có thể được bỏ qua, do đó có thể coi như đây
là dòng nhiệt một chiều.
Nghiệm của phương trình dẫn nhiệt dựa trên cơ sở khái niệm nguồn nhiệt tức
thời trong các phương trình các phân tích truyền nhiệt đã gặp.
2.2.2. Nguồn nhiệt hàn TIG
Hàn TIG sử dụng nhiệt của hồ quang, mặt khác khi hàn TIG hồ quang hàn
thường dùng các giá trị dòng hàn thấp. Vì vậy được coi là nguồn nhiệt di động. Để
khảo sát nguồn nhiệt hàn TIG, ta cần khảo sát các đặc điểm của hồ quang hàn TIG
tới quá trình hàn và chất lượng hàn sau đây:

22


* Độ ổn định của hồ quang:
- Khí bảo vệ hồ quang bằng Ar, He: điện thế kích thích và điện thế ion hóa
thấp (khó gây hồ quang) nhưng hồ quang ổn định.
- Tăng độ ổn định hồ quang: pha chất hoạt tính (oxít) vào vật liệu điện cực khi
hàn bằng dòng một chiều.

Hình 2. 3 Đầu điện cực khi hàn
- Hồ quang tại các cực tính khác nhau ảnh hưởng đến chất lượng hình thành
mối hàn. Hình 2.6

Hình 2. 4 a) Màng oxit nhôm không bị phá.

23

b) Màng oxit nhôm bị phá vỡ