Nghiên cứu công nghệ hàn lai ghép plasma GMAW cho liên kết tấm dày không vát mép

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa có tác giả khác công bố.

Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2019
Người cam đoan

Trần Lâm

TM.TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Nguyễn Thúc Ha

i


LỜI CẢM ƠN
- Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà và PGS.TS. Hoàng
Tùng đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện, động viên trong suốt quá trình học
tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.
- Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể đồng nghiệp giảng viên Bộ môn Hàn &
CNKL -Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi,
giúp đỡ trong suốt thời gian tác giả học tập và nghiên cứu.
- Tác giả xin chân thành cảm ơn dự án AUN/SEED - Net thuộc tổ chức JICA
thông qua chương trình SRJP - Chương trình Hợp tác trao đổi nghiên cứu ngắn hạn
tại Nhật Bản và các giáo sư của Đại học Osaka, Nhật Bản đã tài trợ và giúp đỡ tận
tình để tác giả có điều kiện nghiên cứu và thí nghiệm cũng như trao đổi chuyên môn
trong suốt quá trình làm việc tại Viện nghiên cứu Hàn & Ghép nối Nhật Bản thuộc
trường Đại học Osaka.
- Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể cán bộ giảng viên Bộ môn Cơ khí hàn - Khoa
Cơ khí và Trung tâm Thực hành -Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã tạo

mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ trong suốt thời gian tác giả thực hiện nghiên cứu thực
nghiệm. Tác giả xin chân thành cảm ơn ThS.Nguyễn Hồng Thanh, Bộ môn Cơ khí hàn
- Khoa Cơ khí - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã hướng dẫn, giúp đỡ
việc mô phỏng số quá trình hàn bằng phần mềm chuyên dụng SYSWELD.
- Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình đã
luôn động viên, chia sẻ những khó khăn và là nguồn động lực to lớn giúp tác giả
vượt qua khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tác giả luận án

Trần Lâm

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................... i
MỤC LỤC...............................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.............................................. vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU............................................................................ ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ............................................................... xi
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................ 1
Mục đích của luận án............................................................................................ 2
Lý thuyết........................................................................................................... 2
Thực nghiệm..................................................................................................... 2
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án...................................................... 2
Đối tượng nghiên cứu:...................................................................................... 2
Phạm vi nghiên cứu:......................................................................................... 2
Phương pháp nghiên cứu....................................................................................... 2
Các kết quả mới của luận án:................................................................................ 3

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án..................................................... 3
Ý nghĩa khoa học của luận án:.......................................................................... 3
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:.......................................................................... 3
Kết cấu của luận án.......................................................................................... 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW..........................5
Khái niệm quy ước về hàn tấm có chiều dày lớn......................................... 5
Khái niệm tấm chiều dày lớn khi hàn bằng quá trình hàn GMAW riêng
lẻ................................................................................................................................ 5
Khái niệm tấm chiều dày lớn khi hàn bằng quá trình hàn PAW riêng lẻ.
6
Tình hình nghiên cứu trên thế giới............................................................... 8
Quá trình hàn lai ghép.......................................................................... 8
Quá trình hàn lai ghép Plasma - GMAW............................................... 8
Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam.............................................................. 14
Quá trình hàn giáp mối tấm chiều dày lớn.......................................... 14
iii


Quá trình hàn PAW.............................................................................. 14
Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW tại Việt Nam..........................16
Kết luận Chương 1..................................................................................... 16
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW. .........
18
Quá trình hàn GMAW................................................................................ 18
Nguyên lý và đặc điểm........................................................................ 18
Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ hàn GMAW đến chất lượng liên
kết hàn..................................................................................................................... 19
Xác định thông số chế độ hàn giáp mối thép cacbon dày 12mm bằng quá
trình hàn GMAW riêng lẻ........................................................................................ 23

Quá trình hàn PAW.................................................................................... 26
Nguyên lý và đặc điểm........................................................................ 26
Các đặc trưng của hồ quang Plasma.................................................. 29
Vật liệu và công nghệ hàn PAW........................................................... 32
Sự hình thành vũng hàn khi hàn PAW.................................................. 35
Xác định chiều dày lớn nhất của tấm thép cacbon khi hàn giáp mối một
phía, không vát mép với một lượt hàn bằng quá trình hàn PAW riêng lẻ................39
Quá trình hàn lai ghép PAW-GMAW......................................................... 41
Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW trong một mỏ hàn đồng trụcHình thái 1.............................................................................................................. 41
Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập-Hình
thái 2....................................................................................................................... 46
Mô hình nguồn nhiệt PAW, GMAW và hàn lai ghép Plasma-GMAW.......53
Nguồn nhiệt hàn.................................................................................. 53
Nguồn nhiệt khối dạng elipsoid đơn và kép......................................... 55
Mô hình nguồn nhiệt hồ quang của hàn GMAW.................................57
Mô hình nguồn nhiệt hàn PAW lỗ khóa............................................... 58
Mô hình nguồn nhiệt của quá trình hàn lai ghép................................59
Kết luận Chương 2..................................................................................... 61
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÀN LAI GHÉP
PLASMA-GMAW ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SYSWELD...................................62
Mục đích.................................................................................................... 62
iv


Tính toán, mô phỏng quá trình hàn bằng phương pháp phần tử hữu hạn. .. 62

Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn..................................62
Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng trong bài
toán nhiệt đàn hồi dẻo (Thermo-Elastic-Plastic FEM)........................................... 63
Kết quả mô phỏng trong quá trình hàn GMAW cho liên kết hàn giáp mối

tấm dày 12mm, vát mép chữ V................................................................................. 72
Kết quả mô phỏng trong quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho liên
kết hàn giáp mối tấm dày 9mm, có vát mép............................................................. 76
Kết quả tính mô phỏng trong quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW cho
liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm, không vát mép.............................................. 79

Kết luận Chương 3..................................................................................... 85
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM..................................................... 86
Mục đích.................................................................................................... 86
Trang thiết bị thí nghiệm............................................................................ 86
Thiết bị hàn......................................................................................... 86
Đồ gá hàn............................................................................................ 87
Các trang thiết bị phụ trợ.................................................................... 88
Mẫu thí nghiệm.......................................................................................... 89
Vật liệu mẫu hàn và dây hàn............................................................... 89
Chuẩn bị mẫu thí nghiệm.................................................................... 90
Xây dựng quy trình thí nghiệm.................................................................. 90
Gá kẹp mẫu thí nghiệm........................................................................ 90
Các chế độ hàn và quy trình thực nghiệm........................................... 90
Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng hàn.........................................95
Kết luận chương 4...................................................................................... 98
CHƯƠNG 5.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN.............................99

Kết quả thí nghiệm với quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW- Hình thái 1.
99
Kết quả quá trình hàn đắp một lớp lên tấm thép Cacbon....................99
Kết quả quá trình hàn giáp mối một lớp tấm thép Cacbon................101
Kết quả thí nghiệm với quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW - Hình thái 2

103

v


Mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép có chiều dày 6mm bằng quá
trình hàn lai ghép Plasma-GMAW........................................................................103
Mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép có vát mép, không khe hở hàn
với chiều dày tấm 9 và 12mm................................................................................104
Mối hàn giáp mối một lượt tấm thép không vát mép với chiều dày 9mm
105
Mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép không vát mép với chiều dày
12mm..................................................................................................................... 106
Cấu trúc tế vi của liên kết hàn...........................................................110
Cơ tính trong liên kết hàn giáp mối một lượt tấm dày 12mm, không vát
mép bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái 2...............................112
lẻ

Kết quả hàn giáp mối tấm thép dày 12mm bằng quá trình hàn GMAW riêng
.................................................................................................................113

Kết quả hàn giáp mối một lượt tấm thép dày 12mm không vát mép
bằng
quá trình hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược và góc nghiêng điện cực thay đổi. 113
Kết quả hàn giáp mối ba lượt tấm thép dày 12mm vát mép chữ V bằng
quá trình hàn GMAW............................................................................................114
So sánh các kết quả mô phỏng và thực nghiệm........................................115
So sánh hình dạng mặt cắt ngang mối hàn........................................115
Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn giáp mối thông qua đo đạc
thực nghiệm...........................................................................................................116

So sánh các kết quả thực nghiệm liên kết hàn giáp mối tấm dày 12mm bằng
quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW - Hình thái 2 và GMAW...........................117
Kết luận chương 5....................................................................................119
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN & KIẾN NGHỊ....................................... 121
KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO............................................. 122
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN..................123
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 124

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu/ Viết tắt

Đơn vị

AWS
SAW
GMAW
(MIG/MAG)
GTAW (TIG)
PAW
FCAW
EBW
ESW
PTA
MMA (SMAW)
HAZ
KLCB
KLMH

PTHH
HSVC
CJP
PJP
NDT
DT
S
vh
Uh
Ih
B
ddh
T
LKH
FZ

mm
mm/s
V
A
mm
mm

Ý nghĩa
Hiệp hội hàn Mỹ
Hàn hồ quang dưới lớp thuốc
Hàn hồ quang điện cực kim loại nóng chảy trong
môi trường khí bảo vệ (MIG: Hàn hồ quang điện
cực nóng chảy trong môi trường khí trơ / MAG:
Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi

trường khí hoạt tính)
Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong
môi trường khí trơ.
Hàn hồ quang Plasma
Hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc
Hàn chùm tia điện tử
Hàn điện xỉ
Hàn đắp Plasma bột
Hàn hồ quang tay
Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone)
Kim loại cơ bản
Kim loại mối hàn
Phần tử hữu hạn
Camera tốc độ cao
Hàn ngấu hoàn toàn
Hàn ngấu một phần
Kiểm tra không phá hủy
Kiểm tra phá hủy
Chiều dày vật hàn
Vận tốc hàn
Điện áp hồ quang
Cường đô dòng điện hàn
Tầm với điện cực
Đường kính điện cực
Sự chênh lệch nhiệt độ
Liên kết hàn
Vùng nóng chảy
vii

2

A

mm
mm

Ltt

Diện tích làm việc của mối hàn
Chiều dài tính toán đường hàn
Chiều dày không thứ nguyên
Hiệu suất hồ quang

o
W/mm C Hệ số dẫn nhiệt
Nhiệt độ không thứ nguyên

k
Q

Nhiệt lượng tỏa ra

q0
r=

J/mm
2

x +y

Khoảng cách từ điểm khảo sát tới tâm nguồn
nhiệt – 2D
Khoảng cách từ điểm khảo sát tới tâm nguồn
nhiệt – 3D

2

R = x 2+
y
c
3

T

2

+
z

Năng lượng đường

2

3o
J/mm C Nhiệt dung riêng
Bán kính véc tơ không thứ nguyên
o

Nhiệt độ tại thời điểm khảo sát

C

Thời gian không thứ nguyên
t

s

T0

o

Tc

o

V

Thời gian

C

Nhiệt độ ban đầu

C

Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu
3

Thể tích vũng hàn

x

mm
mm

y

mm

Tọa độ theo phương y

z

mm

Tọa độ theo phương z

Tọa độ theo phương x

0

0

Δt8/5

s

Fllk

l/phút

Thời gian nguội từ 800 C xuống 500 C
Lưu lượng khí tạo Plasma

δl-g

N/m

Sức căng bề mặt

ĐHBK HN

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG 1.1 Các kiểu chuẩn bị mối nối cơ bản với các mối hàn giáp mối, một phía
bằng quá trình hàn GMAW................................................................................ 5
BẢNG 1.2 Các kiểu chuẩn bị mối nối cơ bản với các mối hàn giáp mối, một phía
bằng quá trình hàn PAW.................................................................................... 7
BẢNG 2.1 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn.....................22
BẢNG 2.2 Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực đến hình dạng mối hàn..............23
BẢNG 2.3 Chế độ hàn liên kết giáp mối có vát mép thép tấm cacbon SS400 dày
12mm bằng quá trình GMAW riêng lẻ............................................................ 26
BẢNG 2.4 Chế độ hàn PAW lỗ khóa cho liên kết hàn giáp mối với thép tấm chiều
dày S................................................................................................................ 35
BẢNG 3.1 Ký hiệu quy ước của các tổ chức kim loại khi hàn................................ 65

BẢNG 3.2 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết giáp mối có vát mép thép tấm cacbon
SS400 dày 12mm............................................................................................ 72
BẢNG 3.3 Thông số mô phỏng hàn giáp mối có vát mép thép tấm cacbon SS400 dày
12mm bằng quá trình hàn GMAW.................................................................. 72
BẢNG 3.4 Thông số mô phỏng hàn giáp mối không vát mép thép tấm cacbon SS400
dày 12mm bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW.................................. 79
BẢNG 4.1 Thành phần hóa học và quy cách khử ô xi của thép cacbon JIS-SS400 89
BẢNG 4.2 Cơ tính của thép JIS-SS400................................................................... 90
BẢNG 4.3 Các tính chất của dây hàn JIS-Z3312 YGW12...................................... 90
BẢNG 4.4 Thông số thí nghiệm quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW,hình thái 1
khi hàn đắp một lớp......................................................................................... 91
BẢNG 4.5 Thông số quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW, hình thái 1 khi hàn giáp
mối thép tấm dầy 9mm với khe hở hàn thay đổi.............................................. 92
BẢNG 4.7 Bảng trình tự thí nghiệm với các chiều dày phôi hàn khác nhau từ 6÷12mm
92
BẢNG 4.7 Các thông số chế độ thí nghiệm hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái 2
để liên kết hàn giáp mối một lượt thép tấm dày............................................... 93
BẢNG 4.8 Chế độ hàn thực nghiệm liên kết giáp mối thép tấm cacbon SS400 dày
12mm vát mép chữ V...................................................................................... 94
BẢNG 4.9 Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng liên kết hàn................................95
BẢNG 5.1 Hình dạng mặt cắt ngang các mối hàn đắp (độ dày tấm thép KLCB không
hiển thị đầy đủ và có giá trị 9,0 mm)............................................................... 99
BẢNG 5.2 Giá trị đo trung bình về hình dáng và kích thước mối hàn đắp...........100
BẢNG 5.3 Kết quả mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép có chiều dày 6mm bằng
công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW.......................................................103
BẢNG 5.4 Kết quả mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép có chiều dày 9mm và
12mm vát mép chữ V, không khe hở bằng công nghệ hàn lai ghép PlasmaGMAW..........................................................................................................104
BẢNG 5.5 Kết quả mối hàn giáp mối một lượt với tấm thép có chiều dày 9mm không
vát mép, khe hở hàn 2mm bằng công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW.....105
BẢNG 5.6 Các kết quả thực nghiệm hàn giáp mối một lượt tấm thép dày 12mm không

vát mép bằng hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược và góc nghiêng điện cực thay
đổi.................................................................................................................113
ix


BẢNG 5.7 Bảng so sánh các kết quả thực nghiệm hàn giáp mối tấm dày 12mm bằng
quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái 2 và quá trình hàn GMAW.
........................................................................................................................ 117

x


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
HÌNH 1.1 Các dạng mối hàn trong hàn tấm dày khe hở hẹp: (a) hàn tấm dày khe hở
hẹp không cần vát mép, (b) hàn tấm dày khe hở hẹp vát mép chữ U.................6
HÌNH 1.2 Công nghệ hàn GMAW với hai đầu mỏ hàn quay đồng thời cho hàn tấm
dày khe hở hẹp.................................................................................................. 6
HÌNH 1.3 Giới hạn chiều dày tấm khi hàn giáp mối một lượt hàn bằng quá trình hàn
TIG, PAW cho các vật liệu thép không gỉ 304, titanium và thép cacbon...........7
HÌNH 1.4 Mô hình hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập,
đồng tốc............................................................................................................. 9
HÌNH 1.5 Mô hình hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với một mỏ hàn đồng
trục duy nhất.................................................................................................... 11
HÌNH 1.6 Mô hình mỏ hàn của hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với một mỏ
hàn đồng trục duy nhất.................................................................................... 12
HÌNH 2.1 Sơ đồ nguyên lý hàn GMAW................................................................. 18
HÌNH 2.2 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn...........19
HÌNH 2.3 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn...............20
HÌNH 2.4 Ảnh hưởng của điện áp hàn đến hình dạng mối hàn............................... 20
HÌNH 2.5 Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng mối hàn................................. 21

HÌNH 2.6: Khái niệm tầm với điện cực: (a) xác định tầm với điện cực; (b) quan hệ
dòng điện hàn – tầm với điện cực.................................................................... 21
HÌNH 2.7 Tầm với điện cực khi: (a) - dịch chuyển ngắn mạch; (b) - dịch chuyển tia
dọc trục............................................................................................................ 22
HÌNH 2.8 Ảnh hưởng của tầm với điện cực đến hình dạng mối hàn.......................22
HÌNH 2.9 Ảnh hưởng vị trí điện cực và kỹ thuật hàn đến hình dạng mối hàn........22
HÌNH 2.10 Thiết kế mối ghép hàn giáp mối tấm thép 12mm.................................. 23
HÌNH 2.11 Kích thước mối hàn giáp mối tấm thép 12mm...................................... 24
HÌNH 2.12 Thông số hàn sơ bộ với quá trình hàn GMAW..................................... 24
HÌNH 2.13 Liên kết hàn giáp mối tấm thép SS400 có chiều dày S= 12mm với 3
đường hàn: đường hàn lót (1); đường hàn trung gian (2) đường hàn phủ (3)
bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ................................................................. 26
HÌNH 2.14 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang plasma: (a)-sơ đồ nguyên lý hàn PAW;
(b)-cột hồ quang Plasma.................................................................................. 27
HÌNH 2.15 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang plasma: (a) hồ quang gián tiếp; (b) hồ
quang trực tiếp................................................................................................. 28
HÌNH 2.16 Sự phân bố nhiệt độ trong cột hồ quang: (a)-hàn TIG và (b)-hàn PAW
29
HÌNH 2.17 Đường đặc tính tĩnh của hồ quang Plasma............................................ 30
HÌNH 2.18 Áp lực hồ quang, hệ số mức độ tập trung và cường độ dòng điện hàn . 32
HÌNH 2.19 Lưu lượng khí tạo plasma tiêu biểu theo chế độ hàn và đường kính lỗ
vòi phun........................................................................................................... 33
HÌNH 2.20 Sơ đồ hàn Plasma ở chế độ lỗ khóa...................................................... 34
HÌNH 2.21 Tiết diện dọc và ngang vũng hàn khi hàn không sử dụng kim loại phụ:
(a)-hàn TIG; (b)- hàn PAW.............................................................................. 35
HÌNH 2.22 Các kích thước cơ bản của vũng hàn và mối hàn.................................. 36
HÌNH 2.23 Sơ đồ tạo dáng nung chảy mối hàn....................................................... 36
xi

HÌNH 2.24 Các kỹ thuật lót đáy mối hàn PAW....................................................... 37
HÌNH 2.25 Các thông số cơ bản của lỗ khóa trong hàn PAW lỗ khóa.....................37
HÌNH 2.26 Sự hình thành và biến đổi kích thước lỗ khóa theo dòng hàn plasma ở
chế độ hàn xung.............................................................................................. 38
HÌNH 2.27 Sự phân bố áp suất hồ quang plasma khi hình thành lỗ khóa (Ih= 140A;
Fllk = 2l/phút; RNOZ = 1,6mm )......................................................................... 40
HÌNH 2.28 Sơ đồ hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình thái một mỏ hàn
đồng trục, duy nhất.......................................................................................... 41
HÌNH 2.29 Quá trình hình thành hồ quang với chế độ “ khởi động mềm”..............42
HÌNH 2.30 So sánh hồ quang hình thành và tương tác khi hàn, (a)-hàn GMAW
truyền thống; (b)-hàn lai ghép Plasma-GMAW............................................... 44
HÌNH 2.31 Trường nhiệt độ hồ quang Plasma xung quang dây hàn GMAW với
dòng hàn GMAW 200A trong trường hợp: (a) hàn GMAW thường; (b) hàn
Plasma-GMAW với đường kính điện cực plasma 7mm và (c) hàn PlasmaGMAW với đường kính điện cực plasma 3mm............................................... 45
HÌNH 2.32 Quan hệ giữa nhiệt độ giọt kim loại lỏng và dòng hàn GMAW trong các
quá trình hàn: (a) hàn GMAW thường; (b) hàn Plasma-GMAW với đường kính
điện cực (PED) Plasma là 7mm và 3mm......................................................... 45
HÌNH 2.33 Cấu tạo của hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với hình thái hai mỏ
hàn độc lập, đồng tốc. (a) sơ đồ nguyên lý hệ thống hàn lai ghép PlasmaGMAW; (b) vị trí gá lắp hai mỏ hàn PAW và GMAW trên thực tế..................46
HÌNH 2.34 Quan sát quá trình hình thành giọt kim loại điện cực và sự tương tác hồ
quang bằng camera tốc độ cao. (a) sự hình thành giọt kim loại lỏng và hồ
quang quá trình hàn GMAW, (b) sự hình thành giọt kim loại lỏng và hồ quang
tương tác của quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW...................................... 47
HÌNH 2.35 Sơ đồ bố trí hai nguồn hàn PAW và GMAW và HSVC quan sát trong
quá trình hàn đắp lên tấm thép cacbon............................................................ 48
HÌNH 2.36 Kết quả quan sát sự tương tác hồ quang với hai cách đấu cực nguồn hàn
gmaw khác nhau. (a) PAW đấu DCEN và GMAW đấu DCEN; (b) PAW đấu
DCEN và GMAW đấu DCEP.......................................................................... 48
HÌNH 2.37 Kết quả quan sát sự tương tác trong vũng hàn kim loại nóng chảy với
hai cách đấu cực nguồn hàn GMAW khác nhau. (a) PAW đấu DCEN và

GMAW đấu DCEN; (b) PAW đấu DCEN và GMAW đấu DCEP....................49
HÌNH 2.38 Ảnh hưởng của cách đấu cực nguồn hàn lên sự tương tác hồ quang và
hướng dòng chảy của kim loại lỏng trong vũng hàn nóng chảy. (a) PAW đấu
DCEN và GMAW đấu DCEN; (b) PAW đấu DCEN và GMAW đấu DCEP . 49
HÌNH 2.39 Sơ đồ gá đặt hai mỏ hàn PAW và GMAW............................................ 50
HÌNH 2.40 Mối quan hệ giữa dmin và α................................................................... 50
HÌNH 2.41 Đầu mỏ hàn plasma ở trạng thái: (a) hoạt động bình thường; (b) bị hỏng
khi bị tác động nung nóng quá mức từ hồ quang GMAW...............................51
HÌNH 2.42 Hình dạng mối hàn cơ bản với các quá trình hàn PAW, GMAW và kết
hợp giữa chúng trong điều kiện cùng thông số hàn......................................... 51
HÌNH 2.43 Mặt cắt ngang mối hàn tiêu biểu hình thành bởi quá trình hàn lai ghép
Plasma-GMAW với hình thái hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc khi hàn một lượt
tấm thép cacbon thấp dày 12mm..................................................................... 52
xii


HÌNH 2.44 Quá trình chuẩn bị phôi hàn với khe hở hàn khác nhau phụ thuộc vào
dạng vát mép phôi hàn. (a) vát mép chữ V, khe hở hàn 0mm; (b) không vát
mép, khe hở hàn 1,5±0,5mm........................................................................... 53
HÌNH 2.45 Trường nhiệt độ trong quá trình hàn..................................................... 54
HÌNH 2.46 Nguồn nhiệt khối có mật độ elipsoid theo phân bố gauxơ....................56
HÌNH 2.47 Mô hình nguồn nhiệt rút gọn hàn GMAW............................................ 57
HÌNH 2.48 Dự đoán hình dạng và trường nhiệt độ vũng hàn PAW......................... 58
HÌNH 2.49 Dòng chảy kim loại lỏng trong vũng hàn lỗ khóa 10 giây sau hàn PAW.
(a) trên toàn vũng hàn (một nửa vũng hàn); (b) mặt cắt ngang vũng hàn........59
HÌNH 2.50 Mô hình nguồn nhiệt kết hợp cải tiến cho quá trình hàn PAW lỗ khóa 59
HÌNH 2.51 Mô hình nguồn nhiệt hàn lai ghép laser-hồ quang phân bố trên bề mặt
kim loại cơ bản................................................................................................ 60
HÌNH 2.52 Mô hình nguồn nhiệt cải tiến cho quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW
60

HÌNH 3.1 Các tính chất cơ – lý – kim loại học của thép SS400.............................67
HÌNH 3.2 Mô hình mô phỏng của liên kết hàn giáp mối: (a) liên kết hàn giáp mối
tấm dày 12 mm vát mép chữ V bằng quá trình hàn GMAW; (b) liên kết hàn
giáp mối tấm dày 9 mm vát mép chữ Y bằng quá trình hàn lai ghép PlasmaGMAW; (c) liên kết hàn giáp mối tấm dày 12 mm không vát mép, khe hở hàn
1,5mm bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW....................................... 68
HÌNH 3.3 Các kiểu lưới phần tử a) phần tử 1-D; (b, c) phần tử 2-D; d) phần tử 3-D
68
HÌNH 3.4 Mô hình PTHH điển hình của liên kết hàn giáp mối bằng quá trình
GMAW và hàn lai ghép Plasma-GMAW: (a) liên kết hàn giáp mối tấm dày 12
mm vát mép chữ V bằng quá trình hàn GMAW; (b) liên kết hàn giáp mối tấm
dày 9 mm vát mép chữ Y bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW; (c) liên
kết hàn giáp mối tấm dày 12 mm không vát mép, khe hở hàn 1,5mm bằng quá
trình hàn lai ghép Plasma-GMAW................................................................... 69
HÌNH 3.5 Quỹ đạo đường hàn và đường dẫn trên liên kết hàn giáp mối bằng: (a)
quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW; (b) quá trình hàn GMAW..................70
HÌNH 3.6 Các bề mặt va hàm trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh liên kết hàn
giáp mối bằng công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW và GMAW................70
HÌNH 3.7 Các vị trí kẹp chặt khi hàn giáp mối bằng công nghệ hàn lai ghép PlasmaGMAW va GMAW.......................................................................................... 70
HÌNH 3.8 Phương pháp hiệu chỉnh mô hình nguồn nhiệt khi so sánh kết quả mô
phỏng và thực nghiệm..................................................................................... 71
HÌNH 3.9 Kết quả so sánh giữa trường nhiệt độ tức thời khi mô phỏng GMAW cho
tấm dày 12mm vát mép chữ V và mặt cắt ngang mối hàn thực nghiệm..........73
HÌNH 3.10 Sự phân bố trường nhiệt độ tức thời trên tiết diện ngang liên kết giáp
mối tấm thép dày 12mm vát mép chữ v khi hàn GMAW của 3 đường hàn có
công suất nhiệt hiệu dụng trên từng đường hàn là P=4250w, vận tốc hàn
vh=3,0mm/s..................................................................................................... 73
HÌNH 3.11 Vị trí của các nút quan trọng cần khảo sát va kiểm soát chặt chẽ chu
trinh nhiệt hàn................................................................................................. 74

xiii

HÌNH 3.12 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên Hình 3.11 trong chế độ hàn GMAW
có công suất nhiệt hiệu dụng trên từng đường hàn là P=4250W, vận tốc hàn
Vh=3,0mm/s.................................................................................................... 74
HÌNH 3.13 Phân bố ứng suất với 7 thành phần (sxx, syy, szz, sxy, syz, szx va svon mises)
trong liên kết hàn giáp mối sau khi hàn 3 lượt trong chế độ hàn GMAW có
công suất nhiệt hiệu dụng trên từng đường hàn là P=4250W, vận tốc hàn
Vh=3,0mm/s.................................................................................................... 75
HÌNH 3.14 Biến dạng theo các phương X, Y, Z và biến dạng tổng sau khi hàn 3
lượt trong liên kết hàn giáp mối trong chế độ hàn GMAW có công suất nhiệt
hiệu dụng trên từng đường hàn là P=4250W, vận tốc hàn Vh=3,0mm/s..........76
HÌNH 3.15 Kết quả so sánh giữa trường nhiệt độ tức thời khi mô phỏng hàn lai
ghép Plasma-GMAW cho tấm dày 9mm và mặt cắt ngang mối hàn thực
nghiệm............................................................................................................. 77
HÌNH 3.16 Sự phân bố trường nhiệt độ tức thời trong mối hàn. (a) trên toàn bộ mô
hình 3d của liên kết hàn; (b) trên mặt phẳng XoZ dọc theo đường hàn và
(c)mặt cắt ngang mối hàn theo mặt phẳng YoZ............................................... 78
HÌNH 3.17 Sự phân bố trường nhiệt độ tức thời trên bề mặt mối hàn. (a) ở phần bề
mặt bên trên của liên kết hàn; (b) ở phần bề mặt bên dưới của liên kết hàn....78
HÌNH 3.18 Kết quả so sánh giữa trường nhiệt độ tức thời khi mô phỏng hàn lai
ghép Plasma-GMAW và mặt cắt ngang mối hàn thực nghiệm........................79
HÌNH 3.19 Sự phân bố trường nhiệt độ tức thời trong mối hàn tại vị trí nguồn nhiệt
hàn ở giữa đường hàn. (a) trên toàn bộ mô hình 3d của liên kết hàn; (b) trên
mặt phẳng YoZ dọc theo đường hàn; (c) bề mặt phía trên mối hàn theo mặt
phẳng XoY và (d) mặt cắt ngang mối hàn theo mặt phẳng XoZ......................80
HÌNH 3.20 Vị trí của các nút quan trọng cần khảo sát và kiểm soát chặt chẽ chu
trình nhiệt hàn................................................................................................. 81
HÌNH 3.21 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên Hình 3.20 trong chế độ hàn lai ghép
Plasma-GMAW có công suất nhiệt hiệu dụng là PPlasma=3000w,PGMAW=2300w;

vận tốc hàn Vh=3,0mm/s................................................................................. 82
HÌNH 3.22 Phân bố ứng suất với 7 thành phần (sxx, syy, szz, sxy, syz, szx va svon mises)
trong liên kết hàn giáp mối với chế độ hàn lai ghép Plasma-GMAW có công
suất nhiệt hiệu dụng là Pplasma=3000W, PGMAW=2300w; vận tốc hàn
Vh=3,0mm/s.................................................................................................... 83
HÌNH 3.23 Biến dạng theo các phương X, Y, Z và biến dạng tổng trong liên kết hàn
giáp mối với chế độ hàn lai ghép Plasma-GMAW có công suất nhiệt hiệu dụng
là Pplasma=3000W, PGMAW=2300W; vận tốc hàn Vh=3,0mm/s..........................84
HÌNH 4.1 Hệ thống nguồn hàn Plasma và GMAW cơ bản cho quá trình hàn lai
ghép Plasma-GMAW...................................................................................... 87
HÌNH 4.2 Thiết lập hệ thống trang thiết bị thí nghiệm............................................ 87
HÌNH 4.3 Hệ thống đồ gá hàn................................................................................. 88
HÌNH 4.4 Hệ thống camera nhiệt tốc độ cao........................................................... 89
HÌNH 4.5 Một số mẫu phôi hàn được nhập từ công ty gia công tại Nhật Bản đảm
bảo đúng kích thước và tính chất vật liệu........................................................ 89

xiv


HÌNH 4.6 Liên kết hàn giáp mối tấm thép SS400 có chiều dày 12mm vát mép chữ
V với 3 đường hàn bằng quá trình hàn GMAW riêng lẻ. đường hàn lót (1);
đường hàn trung gian (2) và đường hàn phủ (3).............................................. 95
HÌNH 5.1 Sự thay đổi của chiều sâu ngấu và tỷ lệ hòa trộn của mối hàn theo dòng
hàn Plasma với UGMAW = 23V: (a) chiều sâu ngấu; (b) tỷ lệ hòa trộn............100
HÌNH 5.2 Sự thay đổi của chiều rộng và chiều cao phần nhô của mối hàn theo dòng
hàn plasma với UGMAW = 23 v: (a) chiều rộng mối hàn; (b) chiều cao phần nhô
mối hàn.........................................................................................................100
HÌNH 5.3 Mẫu hàn 1 với thông số hàn (1) của bảng 4.6:(a) hình dạng đường hàn;
(b) mặt cắt ngang mối hàn.............................................................................101
HÌNH 5.4 Mẫu hàn 2 với thông số thí nghiệm (2) của bảng 4.6:(a) hình dạng đường

hàn; (b) mặt cắt ngang mối hàn.....................................................................101
HÌNH 5.5 Mẫu hàn 3 với thông số thí nghiệm (3) của bảng 4.6:(a) hình dạng đường
hàn; (b) mặt cắt ngang mối hàn.....................................................................101
HÌNH 5.6 Mối hàn giáp mối hai phía thép tấm dầy t = 9mm không vát mép bằng
quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW hình thái 1: (a) đường hàn bên trên; (b)
đường hàn bên dưới, (c) tiết diện ngang mối hàn..........................................102
HÌNH 5.7 Mẫu hàn 5 đạt được bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với
thông số hàn cơ bản IhP5 = 180a; Fllk5 = 3,0 l/phút (khí Ar); QGMAW5 = 2700W;
Vh5 = 2mm/s; Wr5 = 4 m/min. (a) đường hàn phía trên; (b) chân đáy bên dưới
và (c) mặt cắt ngang mối hàn........................................................................106
HÌNH 5.8 Mối hàn giáp mối tấm dày 12mm không vát mép bằng quá trình hàn
PAW lỗ khóa với thông số hàn cơ bản ihp = 180a; fllk5 = 2,0 l/phút (khí
ar+10%h2); vh = 2mm/s;. (a) đường hàn phía trên; (b) chân đáy bên dưới và (c)
mặt cắt ngang mối hàn..................................................................................108
HÌNH 5.9 Mẫu hàn 6.1 không thành công do nguồn nhiệt hồ quang plasma lỗ khóa
không đủ khi giáp mối hàn giáp mối tấm dày 12mm không vát mép bằng hàn
lai ghép plasma-gmaw với thông số hàn cơ bản ihp = 160a; fllk = 2,0 l/phút (khí
Ar+10%H2); QGMAW = 2000W; VH = 2mm/s; WR = 3,4 m/min. (a) đường hàn
phía trên; (b) chân đáy bên dưới....................................................................108
HÌNH 5.10 Mẫu hàn 6.2 đạt được khi hàn giáp mối tấm dày 12mm không vát mép
bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với thông số hàn cơ bản Ihp =
180a; Fllk = 2,0 l/phút (khí Ar+10%h2); Qgmaw = 2360w; Vh = 2mm/s; Wr = 3,4
m/min. (a) đường hàn phía trên; (b) chân đáy bên dưới và (c) mặt cắt ngang
mối hàn.........................................................................................................109
HÌNH 5.11 Mẫu hàn 6.3 đạt được khi hàn giáp mối tấm dày 12mm không vát mép
bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với thông số hàn cơ bản Ihp =
180a; Fllk = 2,5 l/phút (khí Ar+10%H2); QGMAW = 2360w; Vh = 2mm/s; Wr =
3,4 m/min. (a) đường hàn phía trên; (b) chân đáy bên dưới và (c) mặt cắt ngang
mối hàn..........................................................................................................109
HÌNH 5.12 Tổ chức các vùng cơ bản trong mẫu hàn 6.2......................................110

HÌNH 5.13 Tổ chức tế vi vùng 1(x500)................................................................110
HÌNH 5.14 Tổ chức tế vi vùng 2(x500)................................................................110
HÌNH 5.16 Tổ chức tế vi vùng 3(x500)................................................................111
HÌNH 5.15 Tổ chức tế vi vùng 4(x500)................................................................111
xv


HÌNH 5.17 Tổ chức tế vi ranh giới vùng 2-3(x500)..............................................111
HÌNH 5.18 Tổ chức tế vi ranh giới vùng 1-2(x500)..............................................111
HÌNH 5.19 Tổ chức tế vi ranh giới vùng 1-3(x500)..............................................111
HÌNH 5.20 Tổ chức tế vi ranh giới vùng 3-4(x500)..............................................111
HÌNH 5.21 Sự phân bố độ cứng. (a) phía trên đường hàn; (b) phía dưới đường hàn
của mẫu hàn 6.2............................................................................................112
HÌNH 5.22 Biểu đồ đo độ bền kéo mẫu hàn 6.2....................................................113
HÌNH 5.23 Quá trình hàn giáp mối một lượt tấm thép dày 12mm không vát mép
0
0
bằng hàn GMAW với kỹ thuật hàn ngược và góc nghiêng α thay đổi 45 ÷90
113
HÌNH 5.24 Liên kết hàn giáp mối tấm thép có chiều dày s= 12mm vát mép chữ V
với 3 đường hàn bằng quá trình hàn GMAW. (a) đường hàn phía trên; (b) chân
đáy bên dưới và (c) mặt cắt ngang mối hàn...................................................115
HÌNH 5.25 Kết quả so sánh giữa trường nhiệt độ tức thời khi mô phỏng và mặt cắt
ngang mối hàn thực nghiệm khi hàn giáp mối tấm dày 12mm không vát mép
bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với thông số hàn cơ bản Ihp =
180a; Fllk = 2,0 l/phút (khí Ar+10%H2); QGMAW = 2360W; Vh = 2mm/s; Wr =
3,4 m/min......................................................................................................116
HÌNH 5.26 Hình ảnh vũng hàn nóng chảy và nhiệt độ của chúng trong quá trình hàn
gmaw và quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW được chụp và đo bằng camera
nhiệt. (a), (b)hình ảnh vũng hàn với nhiệt độ vũng hàn và đồ thị phân bố nhiệt

độ vũng hàn của quá trình hàn gmaw ; (c), (d)hình ảnh vũng hàn với nhiệt độ
vũng hàn và đồ thị phân bố nhiệt độ vũng hàn của quá trình hàn lai ghép
Plasma- GMAW............................................................................................117

xvi


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, công nghệ hàn đóng một vai trò rất quan trọng và không thể thiếu
trong nhiều ngành công nghiệp. Ứng dụng công nghệ hàn trong công nghiệp đã bắt
đầu từ hàng trăm năm trước và theo thời gian đã có những bước tiến vượt bậc, cụ
thể hiện nay trên 100 quá trình hàn đã được sử dụng trong công nghiệp. Ở Châu Âu,
công nghệ hàn được ứng dụng tại trên 190.000 doanh nghiệp, khoảng 5,5 triệu công
việc có liên quan đến hàn được thực hiện bởi trên 730.000 thợ hàn. Theo Hiệp hội
hàn thế giới (IIW) trong năm 2017, mức tiêu thụ thép trên toàn thế giới vào khoảng
1,72 tỷ tấn trong đó ước tính khoảng hai phần ba khối lượng thép đó được sử dụng
trong các kết cấu hàn. Do đó, với xu hướng phát triển mạnh mẽ của công nghệ hàn,
một yêu cầu và thách thức được đặt ra cho các nhà khoa học và kĩ thuật là nâng cao
năng suất và chất lượng cho các quá trình hàn. Để đáp ứng được yêu cầu đó, một
trong những hướng phát triển chủ đạo trên thế giới là tạo ra các quá trình hàn mới
bằng cách kết hợp các quá trình hàn đơn lẻ để tận dụng các ưu điểm và khắc phục
nhược điểm của từng quá trình hàn đó và được gọi là quá trình Hàn lai ghép (Hybrid
welding process). Ngày nay, các công nghệ hàn lai ghép đã được nghiên cứu và áp
dụng rất mạnh mẽ và có khoảng 20 quá trình hàn lai ghép đang được phát triển với
một số quá trình hàn quan trọng và phổ biến như: quá trình hàn lai ghép hàn Laser
và hồ quang điện, quá trình hàn lai ghép hàn plasma và hồ quang điện, quá trình hàn
lai ghép hàn hồ quang điện cực kim loại nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ và
hồ quang tự động dưới lớp thuốc, quá trình hàn lai ghép kết hợp hàn điểm và hàn
vảy, quá trình hàn lai ghép hàn laser và hàn ma sát ngoáy,... [1]

Trong quá trình nghiên cứu, phát triển các công nghệ hàn lai ghép, quá trình hàn lai
ghép Plasma – GMAW bắt đầu được nghiên cứu và đề xuất triển khai tại phòng thí
nghiệm Philips (Hà Lan) vào năm 1972. Quá trình hàn này kết hợp được ưu điểm của
quá trình hàn GMAW là năng suất hàn cao, tốc độ đắp lớn với ưu điểm của quá trình
hàn Plasma là sự ổn định hồ quang, chiều sâu ngấu lớn và khả năng kiểm soát sự hình
thành mối hàn. Trên thế giới, quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW đã được ứng dụng
đa dạng trong các công nghiệp như công nghiệp ô tô, đóng tầu, dầu khí, sửa chữa và
phục hồi các chi tiết máy quan trọng,... Tuy nhiên không có nhiều các nghiên cứu lý
thuyết về các hiện tượng vật lý và cơ chế hình thành liên kết hàn cùng với yêu cầu về
hệ thống trang thiết bị hiện đại, đắt tiền dẫn đến các công trình, bài báo trên thế giới
nghiên cứu quá trình hàn lai ghép này vẫn còn hạn chế.
Xuất phát từ thực tế nền công nghiệp sản xuất ở Việt Nam cho thấy trong các
ngành công nghiệp chủ đạo nhu cầu ứng dụng của công nghệ hàn trong chế tạo và phục
hồi các chi tiết quan trọng là rất lớn và cấp bách. Đặc biệt các kết cấu hàn siêu trường,
siêu trọng được chế tạo ngày càng nhiều như trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo giàn
khoan, bồn bể áp lực cao, …. và những kết cấu này thường được chế tạo từ
thép tấm có chiều dày phổ biến lớn hơn 8mm. Khối lượng công việc hàn trong những
kết cấu như vậy thường rất lớn đặc biệt là chi phí cho công tác chuẩn bị mép liên kết
hàn và vật liệu hàn. Để tăng năng suất lao động, tiết kiệm vật liệu hàn nhằm hạn chế
những chi phí lớn thì việc nghiên cứu áp dụng được công nghệ hàn một phía không vát
mép thay cho các quá trình hàn hai phía hay hàn nhiều lượt có ý nghĩa hết sức quan
trọng. Do vậy nghiên cứu áp dụng công nghệ hàn lai ghép Plasma – GMAW để
1


có thể hàn được thép dày hơn 8mm mà không cần vát mép với một lượt hàn có tính
cấp thiết, góp phần nâng cao năng suất lao động, tiết kiệm thời gian, năng lượng và
vật liệu hàn góp phần làm giảm giá thành sản phẩm hàn.

Mục đích của luận án

Lý thuyết
- Nghiên cứu quá trình hàn lai ghép Plasma – GMAW và áp dụng cho liên kết
hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép.
- Mô phỏng số quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với mô hình nguồn nhiệt
phù hợp nhằm xác định trường nhiệt độ khi hàn dưới sự tương tác giữa hai hồ quang
hàn trong quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW.
Thực nghiệm
- Xác định trường nhiệt độ quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW trong vũng
hàn.
- Xác định thông số gá đặt phù hợp cho quá trình hai lai ghép Plasma-GMAW
với hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc trong liên kết hàn giáp mối một lượt thép tấm dày,
không vát mép.
- Xác định các thông số hàn phù hợp cho quá trình hàn lai ghép PlasmaGMAW thông qua thực nghiệm kết hợp với tính toán mô phỏng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu:
Luận án tập trung nghiên cứu công nghệ hàn lai ghép Plasma - GMAW trong
liên kết giáp mối hàn một lượt thép tấm dày không vát mép.
Phạm vi nghiên cứu:
Trong điều kiện cơ sở vật chất, thiết bị, phòng thí nghiệm của Viện nghiên cứu
Hàn & Ghép nối Nhật Bản - Đại học Osaka, với thiết bị hàn Plasma NW-300ASR
và mỏ hàn Plasma 101WH nên phạm vi nghiên cứu chính của luận án là nghiên cứu
lý thuyết kết hợp thực nghiệm để thực hiện quá trình hàn lai ghép Plasma - GMAW
cho hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép có khe hở hàn thay đổi từ 0
đến 2,5mm, chiều dày tấm đến 12mm với hai hình thái kết hợp nguồn nhiệt hồ
quang Plasma và GMAW tương ứng. Vật liệu cơ bản là thép tấm Cacbon JIS-SS400
và vật liệu hàn là dây hàn JIS-Z3312. Quy mô nghiên cứu của luận án được xác
định trong phạm vi phòng thí nghiệm và một số cơ sở nghiên cứu khác.

Phương pháp nghiên cứu

Hiện nay, trên thế giới xu hướng dùng các công cụ phần mềm trong tính toán và
mô phỏng các quá trình hàn nhằm dự đoán các kết quả đạt được trong thực tế nhằm
tiết kiệm thời gian, công sức và các chi phí thực nghiệm đang rất phát triển. Trong
điều kiện được tiếp cận phần mềm chuyên dụng cho mô phỏng quá trình hàn như
Sysweld (bản quyền), để thực hiện được các mục đích nghiên cứu của luận án tác
giả lựa chọn phương pháp nghiên cứu phối hợp giữa: lý thuyết, mô phỏng số và
thực nghiệm. Cụ thể như sau:
2


- Nghiên cứu tài liệu để tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề tài
ở trong và ngoài nước. Từ đó xác định rõ những kết quả đã được công bố và tìm ra
những nội dung mới mà luận án cần phải giải quyết. Khảo sát, tìm hiểu về cơ sở vật
chất và các trang thiết bị để lựa chọn thực hiện luận án.
- Nghiên cứu công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW và xác định mô hình phù
hợp để ứng dụng trong hàn giáp mối thép tấm dày không vát mép.
- Sử dụng phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu khảo sát trường nhiệt độ
trong liên kết hàn giáp mối thép tấm dày. Tiến hành thí nghiệm, đo đạc lấy kết quả
để so sánh kiểm nghiệm mô hình mô phỏng tính toán ở trên nhằm tối ưu quá trình
mô phỏng.
- Sử dụng các trang thiết bị sẵn có phù hợp với điều kiện thực nghiệm để hàn
giáp mối thép tấm dày không vát mép với thông số hàn phù hợp.

Các kết quả mới của luận án:
Các kết quả nghiên cứu mới sẽ thu được từ luận án này gồm:
- Xác định được hình thái quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW phù hợp cho
quá trình hàn giáp mối thép tấm dày không vát mép là mô hình với 2 mỏ hàn PAW
& GMAW độc lập, đồng tốc và qua đó xác định được thông số gá đặt hợp lý khi tiến
hành liên kết hàn .
- Xác định được mô hình nguồn nhiệt cải tiến phù hợp với quá trình hàn đã chọn

qua đó đưa vào trong tính toán, mô phỏng số quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW.
Các kết quả mô phỏng giúp ích cho việc đánh giá được trường nhiệt độ trong vũng hàn
dưới sự tương tác giữa 2 hồ quang của quá trình hàn PAW và GMAW.
- Xác định được chế độ công nghệ hàn lai ghép Plasma-GMAW thích hợp để
hàn giáp mối một lượt thép tấm dày không vát mép, qua đó đánh giá được ưu điểm
nổi trội của phương pháp hàn lai ghép này so với các quá trình hàn riêng lẻ GMAW.
- Tính toán và đưa ra được thông số gá đặt hợp lý giữa hai mỏ hàn PAW và GMAW là: góc nghiêng α = 15±5 và DE = Dmin ∼ 19,5mm.
- Đưa ra được giải pháp kỹ thuật có thể nâng cao công suất nguồn nhiệt Plasma
bằng các thay đổi khí tạo Plasma là Ar với lưu lượng khí 3l/phút đã được thay bằng
hỗn hợp khí Ar+10%H2 với lưu lượng khí 2l/phút nhưng có thể làm cho nhiệt độ
trung bình cột hồ quang Plasma tăng lên 20%.
0

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học của luận án:
Đưa ra phương pháp nghiên cứu quá trình hàn lai ghép Plasma – GMAW với
hình thái hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc khi khảo sát mối quan hệ giữa các thông số
chế độ hàn ảnh hưởng đến hình dạng, kích thước mối hàn và ảnh hưởng của sự
tương tác hồ quang PAW và GMAW đến trường nhiệt độ trong vũng hàn nhằm tối
ưu hóa các thông số, chế độ hàn lai ghép để mối hàn đạt được chất lượng tốt nhất.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
Kết quả nghiên cứu của luận án có tính khả thi trong điều kiện Việt Nam có thể
ứng dụng để chế tạo, sản xuất các sản phẩm mới phục vụ cho công nghiệp đóng tàu
3


trọng tải lớn, chế tạo hệ thống ống có chiều dày lớn nhằm thay thế các quá trình hàn
truyền thống như GMAW, TIG, SAW.
Kết cấu của luận án
Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án

được trình bày trong 05 phần nội dung chính, kết luận chung của luận án và kiến nghị:
Chương 1. TỔNG QUAN HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW.
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW.
Chương 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HÀN LAI GHÉP
PLASMA-GMAW ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SYSWELD.
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.
Chương 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
Kết luận chung của luận án và kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo
Danh mục các công trình đã công bố của luận án.
Danh mục tài liệu tham khảo.

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HÀN LAI GHÉP PLASMA-GMAW
Khái niệm quy ước về hàn tấm có chiều dày lớn.
Hiện nay trên thế giới chưa có định nghĩa cụ thể khi hàn thì chiều dày tấm bao
nhiêu được coi là lớn bởi vì tùy vào quá quá trình hàn mà có khái niệm tấm chiều
dày lớn cho phù hợp. Cụ thể hơn, trong luận án này có thể coi “tấm chiều dày lớn”
là một thuật ngữ mang tính quy ước kỹ thuật để chỉ chiều dày thép tấm vượt quá khả
năng của các quá trình hàn GMAW và PAW riêng lẻ có thể hoàn thành trong điều
kiện hàn giáp mối một lượt từ một phía với phôi hàn không vát mép.
Khái niệm tấm chiều dày lớn khi hàn bằng quá trình hàn GMAW
riêng lẻ.
Quá trình hàn GMAW cho phép hàn thép có chiều dày khác nhau thông qua các
chế độ dịch chuyển kim loại điện cực vào vũng hàn: dịch chuyển tia dọc trục, dịch
chuyển giọt lớn, dịch chuyển ngắn mạch, dịch chuyển tia dạng xung và dịch chuyển
hồ quang xoắn. Khi hàn GMAW, có thể sử dụng khí bảo vệ là khí hoạt tính, khí trơ
hoặc hỗn hợp khí khi hàn vật liệu thép cacbon và một số thép hợp kim thấp. Theo
tiêu chuẩn ISO 9692-1:2013, khi hàn giáp mối tấm thép cacbon bằng quá trình hàn

GMAW việc chuẩn bị mối nối với các kích thước phôi hàn được quy định theo Bảng
1.1 .
Bảng 1.1 Các kiểu chuẩn bị mối nối cơ bản với các mối hàn giáp mối, một phía bằng quá
trình hàn GMAW
Chiều
dày vật
liệu S
(mm)

Kiểu vát
mép

3 ≤ S ≤ 6 Không
mép

Mặt cắt ngang

Kích thước
Góc α

vát

-

Khe đáy
a (mm)

Lưu ý
Mặt đáy
p (mm)

≤ S/2

Hàn
một
lượt,
một
phía

a

6≤S ≤40

Vátmép
chữ V đơn
với
mặt
chân rộng

α=600±50

a

1≤a≤ 4

2≤p≤ 4

Hàn
nhiều
lượt

p

Qua Bảng 1.1 cho thấy quá trình hàn GMAW chỉ có khả năng hàn giáp mối một
lượt, môt phía tấm thép có chiều dày nhỏ hơn 6mm mà không cần vát mép phôi hàn.
Để hàn giáp mối tấm chiều dày lớn hơn 6mm, với quá trình hàn GMAW sẽ yêu cầu
phải vát mép phôi hàn và phải hàn nhiều lượt để đảm bảo ngấu toàn bộ mối hàn.
Như vậy theo thuật ngữ “tấm chiều dày lớn“ đã quy ước trong luận án này, đối với
quá trình hàn GMAW riêng lẻ, có thể nói chiều dày tấm thép cacbon khi lớn hơn
6mm được coi là chiều dày lớn.
Ngoài ra, đối với tấm có chiều dày lớn hơn 40mm có thể ứng dụng công nghệ hàn
tấm dày khe hở hẹp phù hợp và cho phép hàn độ dày tấm lên tới 300 mm, không
5


vát mép (khe hở hẹp dưới 10 mm) hoặc vát mép chữ U (Hình 1.1). Thông thường,
dạng vát mép chữ U - Hình 1.1 (b) thường được sử dụng nhiều hơn vì không yêu
cầu tấm lót đáy, điền đầy dễ hơn và biến dạng khi nguội ít hơn so với hàn tấm dày
không cần vát mép - Hình 1.1 (a). Để hàn tấm dày không vát mép với chiều dày lớn
hơn 40mm có thể dùng công nghệ hàn GMAW với hai mỏ hàn xoay đồng thời như
Hình 1.2. Tuy nhiên, các quá trình hàn tấm dày khe hở hẹp này đòi hỏi độ chính xác
cao trong chuẩn bị và lắp ghép các mép hàn cũng như sự điều khiển rất chính xác
quá trình di chuyển của mỏ hàn với các thiết bị đắt tiền, hiện đại [2], [3].

(a)- Không vát mép.

(b)- Vát mép chữ U; R = 4÷6 mm;
Chiều cao không vát mép 2÷4 mm.

Hình 1.1 Các dạng mối hàn trong hàn tấm dày khe hở hẹp: (a) Hàn tấm dày khe hở hẹp

không cần vát mép, (b) Hàn tấm dày khe hở hẹp vát mép chữ U (nguồn [2])

GMAW

Hình 1.2 Công nghệ hàn GMAW với hai đầu mỏ hàn quay đồng thời cho
hàn tấm dày khe hở hẹp (nguồn [2], [3])

Khái niệm tấm chiều dày lớn khi hàn bằng quá trình hàn PAW
riêng lẻ.
Quá trình hàn PAW được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hàn vật liệu kim loại
và hợp kim được chia làm hai hình thái là hàn hồ quang gián tiếp và hồ quang trực tiếp
(còn gọi là hồ quang chuyển tiếp hoặc hồ quang ngoài). Khi hàn bằng hồ quang gián
tiếp, nhiệt của hồ quang nén truyền vào vật hàn thông qua truyền nhiệt, đối lưu và bức
xạ nên được áp dụng chủ yếu cho hàn các vật liệu không dẫn điện. Với hồ quang trực
tiếp, ngoài những cơ chế nói trên, vật hàn còn nhận được nhiệt thông qua năng lượng
của các hạt điện tích di chuyển có hướng trong cột hồ quang nên hiệu suất cao hơn hồ
quang gián tiếp 10÷30% (và có thể lên tới giá trị 70÷80%). Tuy nhiên,
6


nhược điểm chính của phương pháp hàn PAW hồ quang trực tiếp là áp lực gia tăng
của hồ quang lên vũng hàn nên theo lý thuyết chỉ có thể thực hiện được các mối hàn
giáp mối một phía với một lượt hàn cho vật liệu có chiều dày trong khoảng
8÷10mm phụ thuộc vào vật liệu hàn cơ bản (Hình 1.3 ).

Thép không gỉ SS304

Thép Cacbon

Yêu cầu lót đáy bằng

khí bảo vệ ở mặt sau

Titanium
Hình 1.3 Giới hạn chiều dày tấm khi hàn giáp mối một lượt hàn bằng
quá trình hàn TIG, PAW cho các vật liệu Thép không gỉ 304, Titanium và
Thép Cacbon (nguồn [4])

Trên thực tế, khi hàn các tấm có chiều dày lớn hơn 8mm, dải điều chỉnh các thông
số hàn bị thu hẹp đáng kể, nhất là lưu lượng khí tạo Plasma (nếu tăng quá giá trị tới
hạn, quá trình hàn sẽ chuyển quá trình cắt kim loại) và cần chuẩn bị phôi hàn phức tạp
hơn để hàn nhiều lượt (Bảng 1.2 ). Ngoài ra khi hàn giáp mối tấm thép cacbon có chiều
dày lớn cần hàn nhiều lượt thì chỉ có lớp hàn lót được hàn bằng quá trình hàn PAW lỗ
khóa (chiều sâu ngấu nhỏ hơn 6mm), các lượt hàn sau sẽ được hàn bằng quá trình hàn
PAW nung chảy có bù dây. Theo tiêu chuẩn ASM ([5]) khuyến cáo để mối hàn đạt chất
lượng tốt, quá trình hàn PAW có khả năng hàn giáp mối một lượt, một phía tấm thép
cacbon có chiều dày nhỏ hơn 6mm với phôi hàn không vát mép. Để hàn giáp mối tấm
chiều dày lớn hơn 6mm, với quá trình hàn PAW riêng lẻ sẽ yêu cầu phải vát mép phôi
hàn và phải hàn nhiều lượt để đảm bảo ngấu toàn bộ mối hàn.
Như vậy theo thuật ngữ “tấm chiều dày lớn“ đã quy ước trong luận án này, đối
với quá trình hàn PAW riêng lẻ, theo lý thuyết có thể nói chiều dày tấm thép Cacbon
lớn hơn 8mm được coi là chiều dày lớn và trên thực tế có thể coi chiều dày tấm thép
Cacbon lớn hơn 6mm được coi là chiều dày lớn.

Bảng 1.2 Các kiểu chuẩn bị mối nối cơ bản với các mối hàn giáp mối, một phía
bằng quá trình hàn PAW (nguồn [5])
Chiều

Kiểu

dày vật

liệu S
(mm)

vát
mép

Mặt cắt ngang

Kích thước

Góc
α

Khe
đáy
a
(mm)

Mặt
đáy
p
(mm)

Quá

Số

trình
hàn

lượt
hàn

Lưu ý

7


3≤S≤

Không

-

6

vát mép

6≤S

Vát

α=600

≤15

mép
chữ V,
không
khe hở

đáy.

÷900

-

Plasma

1

lỗ khóa

-

p≤ 6

Plasma
lỗ khóa

Có thể yêu cầu sử
dụng biện pháp lót
đáy
ngăn ngừa
cháy thủng

≥2

Hàn

Plasma lỗ

khóa chỉ dùng cho
lớp hàn dưới chân.
Các lớp hàn phía
trên được điền đầy
nhờ dây hàn phụ ở
chế độ hàn Plasma
nung chảy

Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Quá trình hàn lai ghép.
Theo tiêu chuẩn ISO 15614-14:2013(E), hàn lai ghép là hàn mà trong đó có hai
hay nhiều quá trình hàn được sử dụng và tác động đồng thời trong cùng vũng hàn.
Ngày nay, các công nghệ hàn lai ghép đã được nghiên cứu và áp dụng rất mạnh mẽ
và có thể tổng hợp khoảng 20 quá trình hàn lai ghép đang được phát triển với một số
quá trình hàn quan trọng và phổ biến nhất như: ([1])
- Quá trình hàn lai ghép Hàn Laser – Hàn hồ quang điện là quá trình kết hợp
giữa Hàn Laser và Hàn hồ quang điện cực kim loại nóng chảy trong môi trường khí
bảo vệ – MIG, hoặc với Hàn hồ quang điện cực kim loại không nóng chảy trong
môi trường khí bảo vệ – TIG.
- Quá trình hàn lai ghép Hàn Plasma – Hàn hồ quang điện là quá trình kết hợp
giữa Hàn Plasma và Hàn hồ quang điện cực kim loại nóng chảy trong môi trường
khí bảo vệ – GMAW.
- Quá trình hàn lai ghép MIG – SAW là quá trình kết hợp giữa Hàn hồ quang
điện cực kim loại nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ – MIG và Hàn hồ quang
tự động dưới lớp thuốc – SAW.
- Quá trình hàn lai ghép kết hợp giữa Hàn điểm và Hàn vảy.
- Quá trình hàn lai ghép kết hợp năng lượng Laser của Hàn Laser làm hoạt hóa
quá trình Hàn ma sát ngoáy.
- Quá trình hàn lai ghép A- TIG kết hợp năng lượng hóa học làm hoạt hóa quá

trình Hàn TIG.
- Quá trình hàn lai ghép kết hợp giữa năng lượng siêu âm làm hoạt hóa quá
trình Hàn TIG.
Quá trình hàn lai ghép Plasma - GMAW
Theo thời gian nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trong sản xuất, quá trình hàn
lai ghép Plasma - GMAW đã được phân chia thành hai hình thái kết hợp giữa quá
trình hàn hồ quang Plasma và quá trình hàn GMAW bao gồm:
- Hình thái quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồng
tốc
8


- Hình thái quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với một mỏ hàn đồng trục
duy nhất
Quá trình hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồng
tốc
Hình thái kết hợp đầu tiên giữa quá trình hàn PAW và quá trình hàn GMAW là
kết hợp hai quá trình hàn PAW và GMAW cùng với 2 mỏ hàn độc lập để tạo thành
một hệ thống mỏ hàn duy nhất tạo nên sự đồng tốc trong chuyển động của 2 mỏ hàn
PAW và GMAW (Hình 1.4 ). Với hình thái kết hợp 2 quá trình hàn như vậy, ưu
điểm của quá trình hàn PAW là nhiệt độ tập trung cao, chiều sâu ngấu lớn và ưu
điểm của hàn GMAW là tốc độ đắp lớn được kết hợp với nhau và được ứng dụng
rộng rãi trong việc liên kết các tấm có chiều dầy lớn trong một số sản phẩm công
nghiệp đặc thù như kế cấu xây dựng có trọng tải lớn, đóng tàu, chế tạo đường ống,
các thiết bị trao đổi nhiệt. ([6].).

Hướng hàn

Trong đó:
1-Vật hàn; 2-Dòng khí Plasma; 3-Vòi phun Plasma; 4-Kim loại nóng chảy; 5-Trục điện cực

Plasma; 6-Trục dây hàn GMAW; 7-Góc giữa hai điện cực Plasma và GMAW; 8-Điện cực
Vonfram của hàn PAW; 9-Dây hàn GMAW; 10-Hồ quang của GMAW; 11- Vùng plasma
nhiệt độ thấp; 12-Dòng hàn GMAW-Iw; 13-Dòng hàn Plasma-Ip; 14-Lực từ trường F tác
động lên hồ quang Plasma; 15-Lực từ trường F tác động lên hồ quang GMAW.
Hình 1.4 Mô hình hệ thống hàn lai ghép Plasma-GMAW với hai mỏ hàn độc lập, đồng tốc
(nguồn [6].)

Một số công trình, bài báo trên thế giới nghiên cứu quá trình hàn lai ghép này
như:
- [6]. – “Hybrid Welding: An Alternative to SAW”, theo Welding Solutions
Inc. (WS, Inc.) nghiên cứu ứng dụng Hàn lai ghép Plasma-MIG để thay thế cho quá
trình hàn tự động dưới lớp thuốc. Kết quả của nghiên cứu cho thấy quá trình hàn lai
ghép Plasma-MIG hoàn toàn có thể thay thế quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc khi
hàn tấm với ống hoặc giáp mối tấm với tấm. Đặc biệt, với một đầu hàn lai ghép được
thiết kế tối ưu cho sự kết hợp giữa hai đầu mỏ hàn PAW và MIG, quá trình hàn lai ghép
có thể hàn giáp mối một lượt thép tấm dày với tốc độ tăng 50% so với hàn tự động dưới
lớp thuốc. Ngoài ra, quá trình hàn lai ghép Plasma-MIG cũng làm giảm công suất tiêu
thụ và nhìn chung, giảm giá thành đi khoảng 75% so với hàn tự động dưới lớp thuốc.
- [7] – “Joining Methodology for Titanium Alloys”, tác giả Jeff Palms đã nghiên
cứu phương pháp hàn hợp kim Tianium bằng quá trình hàn lai ghép Plasma-MIG.

9