BỘ CÔNG THƯƠNG
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

Đ
Ỗ
H
ẢI
TĨ
N

L
U
Ậ
N
Á
N
TI
Ế
N
SĨ
K
Ỹ
T
H
U
Ậ

ĐỖ HẢI TĨNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ

CÔNG NGHỆ HÀN PLASMA ĐẾN CHẤT LƯỢNG
MỐI HÀN THÉP KHÔNG GỈ SUS 304 DẠNG TẤM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HÀ NỘI - 2023


BỘ CÔNG THƯƠNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

ĐỖ HẢI TĨNH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ HÀN PLASMA ĐẾN CHẤT LƯỢNG
MỐI HÀN THÉP KHÔNG GỈ SUS 304 DẠNG TẤM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 9520103
Xác nhận
của Viện Nghiên cứu Cơ
khí

PGS.TS Lê Thu Quý

Người hướng dẫn 1
(Ký, ghi rõ họ tên)


Người hướng dẫn 2
(Ký, ghi rõ họ tên)

PGS.TS Đào Duy Trung

PGS.TS Lê Thu Quý

HÀ NỘI - 2023


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu, kết
quả trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa có tác giả/nhóm tác giả
khác nghiên cứu cơng bố.
Một số kết quả nghiên cứu đã công bố trong các bài báo và báo cáo khoa
học đều được sự đồng ý của đồng tác giả cho phép đưa vào nội dung luận án.
Hà Nội, ngày tháng năm 2023
Nghiên cứu sinh

NCS. Đỗ Hải Tĩnh


LỜI CẢM ƠN

Tác giả trân trọng cảm ơn lãnh đạo Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ Cơng
Thương); Trung tâm Đào tạo (Viện Nghiên cứu Cơ khí); lãnh đạo Trung tâm
chuyển giao công nghệ Việt - Đức (Tổng cục Tiêu chuẩn, Đo lường và Chất
lượng, Bộ Khoa học và Công nghệ); Phịng thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ Hàn
và Xử lý bề mặt; Công ty Cổ phần Eresson Việt Nam và các phịng thí nghiệm

chun ngành đã tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm nghiên cứu hồn thành các chỉ
tiêu đánh giá chất lượng mối hàn plasma thép không gỉ SUS 304 của luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn tập thể người hướng dẫn khoa học là
PGS.TS. Đào Duy Trung và PGS.TS. Lê Thu Quý 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 cá nhân các nhà khoa học tại Trung tâm Đào tạo
đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ, tư vấn khoa học cho nghiên cứu sinh trong
suốt thời gian nghiên cứu của mình để hồn thành bản luận án này.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình
đã ln 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

NCS. Đỗ Hải Tĩnh


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT....................................i
DANH MỤC HÌNH VẼ...........................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU.....................................................................................ix
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
1.

Tính cấp thiết....................................................................................................1

2.

Mục đích nghiên cứu.........................................................................................2


3.

Đối tượng, phạm vi, giới hạn nội dung nghiên cứu........................................2

4.

Phương pháp nghiên cứu..................................................................................2

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..........................................................................3
5.1. Ý nghĩa khoa học...............................................................................................3
5.2. Ý nghĩa thực tiễn...............................................................................................3
6.

Kết cấu của luận án...........................................................................................3

7.

Đóng góp mới trong lĩnh vực khoa học chuyên ngành...................................4

Chương 1. TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÀN PLASMA.......5
1.1.1 Sơ lược về lịch sử ngành hàn.....................................................................5
1.1.2 Phân loại các phương pháp hàn................................................................6
1.2. Tổng quan về cơng nghệ hàn plasma..........................................................12
1.2.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng ở ngồi nước.....................................12
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam..........................................................16
1.3. Cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn plasma...................................................18
1.3.1 Khái niệm cơ bản về hàn plasma...............................................................18
1.3.2. Nguyên lý hàn hồ quang plasma.............................................................19
1.3.3. Các phương pháp hàn hồ quang plasma...............................................21

1.3.4. Các ưu điểm và nhược điểm của PAW..................................................26
1.4.

Xác định nội dung nghiên cứu của luận án................................................35

Kết luận Chương 1.................................................................................................36
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU........................................................................................................38
2.1.

Vật liệu thí nghiệm.......................................................................................38


2.1.1.
2.1.2.

Lựa chọn vật liệu, kích thước phơi hàn plasma và dây hàn................38
Lựa chọn kết cấu mối hàn plasma và cách gá lắp................................40

2.2. Thiết bị và phương pháp thí nghiệm..........................................................41
2.2.1. Thiết bị hàn plasma..................................................................................41
2.2.2. Lựa chọn chế độ hàn plasma cho các bước thí nghiệm.......................41
2.2.3. Thiết bị kiểm tra đánh giá chất lượng hàn............................................42
2.2.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm..................................................44
2.2.4.1. Chuẩn bị vật liệu và thiết bị hàn plasma...............................................44
2.2.4.2. Kiểm tra khả năng thiết bị hàn plasma đáp ứng yêu cầu thí
nghiệm....46
2.2.4.3. Hàn đính kết cấu theo đường hàn plasma.............................................46
2.2.4 4. Thí nghiệm hàn plasma theo các chế độ định hướng cơng nghệ … . 46
2.3. Phương pháp tính tốn xây dựng hàm mục tiêu chất lượng mối hàn plasma

thép SUS 304……………………………………………………………...52
2.3.1. Cơ sở để xây dựng mơ hình tốn học dự báo đặc tính bền mối hàn 52
2.3 2. Phương pháp lập ma trận thực nghiệm trực giao 3 mức 3 yếu tố 33
................................................................................................................... 53
2.3.2.1. Đặt vấn đề..................................................................................................53
2.3.2.2. Cơ sở lý thuyết lập ma trận thực nghiệm trực giao 3 mức 3 yếu tố 33 54
Kết luận Chương 2.................................................................................................57
Chương 3. NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH MỐI HÀN PLASMA THÉP SUS 304
....................................................................................................................................
59
3.1. Đánh giá ngoại dạng....................................................................................59
3.1.1. Hình thái bề mặt và kích thước hình học mối hàn...............................59
3.1.2. Biến dạng kết cấu mối hàn......................................................................67
3.2.

Đặc tính cơ - lý vật liệu mối hàn..................................................................70

3.3. Đặc tính kim tương học vật liệu mối hàn...................................................82
3.3.1. Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt..........................................................82
3.3.2. Kích thước hình học mối hàn..................................................................83
3.3.3. Tổ chức tế vi các vùng cấu trúc đặc trưng vật liệu mối hàn...............85
3.4.

Độ cứng tế vi các vùng cấu trúc đặc trưng mối hàn..................................92


3.5.

Phân tích SEM và EDX mối hàn.................................................................99


Kết luận Chương 3...............................................................................................103
Chương 4. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐẶC TÍNH BỀN VẬT LIỆU MỐI HÀN
PLASMA THÉP SUS 304....................................................................................104
4.1. Ảnh hưởng độc lập của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn plasma.....104
4.1.1. Độ bền kéo.................................................................................................104
4.1.2. Giới hạn chảy............................................................................................107
4.1.3. Độ giãn dài tương đối...............................................................................109
4 2. Nghiên cứu đặc tính cơ – lý liên kết hàn plasma theo ma trận trực giao 3
mức 3 yếu tố 33...................................................................................................... 115
4.2.1. Kết quả thực nghiệm theo quy hoạch N27..........................................115
4.2.2. Thảo luận khoa học về kết quả thực nghiệm mô phỏng....................119
4.2.2.1. Ảnh hưởng của chế độ hàn đến độ bền kéo.........................................119
4.2.2.2. Ảnh hưởng của chế độ hàn đến giới hạn chảy....................................124
4.2.2.3. Ảnh hưởng của chế độ hàn đến độ giãn dài tương đối......................125
4.3. Mơ hình dự báo đặc tính bền vật liệu mối hàn plasma thép SUS 304....127
4.3.1. Mô hình dự báo độ bền kéo theo quy hoạch trực giao 3 mức 3 yếu tố
33…………............................................................................................................ 127
4.3.2. Mơ hình dự báo giới hạn chảy theo quy hoạch trực giao 3 mức 3 yếu tố
33…………............................................................................................................ 130
4.3.3. Mơ hình dự báo độ giãn dài tương đối theo quy hoạch trực giao 3 mức
3 yếu tố 33133
Kết luận Chương 4...............................................................................................136
KẾT LUẬN CHUNG...........................................................................................137
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO...............................................................138
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ.............................139
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................140


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT
Hàn khí hoạt tính điện cực kim loại (Gas metal active welding)


GMAW

Hàn hồ quang bằng điện cực khơng nóng chảy trong mơi trường khí bảo vệ
Hàn que (Shielded Metal Arc Welding)

TIG

SMAW

Hàn plasma (Plasma welding)

PAW

Hàn hồ quang trong mơi trường khí bảo vệ với điện cực khơng nóng chảy
(Gas Tungsten Arc Welding)

GTAW

Hàn microplasma (Microplasma welding)

MPA

Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone)

HAZ

Hàn hồ quang bằng điện cực khơng nóng chảy trong mơi trường khí bảo vệ
Quy hoạch thực nghiệm


TIG
QHTN

Chiều dày tấm thép hàn, mm

t

Cường độ dòng plasma mức trên, A

Ih

Cường độ dòng plasma mức dưới, A

Ib

Tốc độ hàn, cm/ph

Vh

Tốc độ cấp dây hàn, cm/ph

vcd

Lưu lượng cấp khí gas, lít/phút

G

Điện áp hàn, V

U


Đường kính dây hàn, mm

d

Chiều cao phía trên mối hàn plasma, mm

hT

Chiều rộng phía trên mối hàn plasma, mm

bT

Chiều cao phía dưới mối hàn plasma, mm

hD

Chiều rộng phía dưới mối hàn plasma, mm

bo

Độ uốn cong trung bình của liên kết hàn plasma do ảnh hưởng nhiệt hàn, mm

f t.b

Độ bền kéo liên kết hàn plasma thép SUS 304, MPa

ơki

Độ cứng tế vi vật liệu liên kết hàn plasma thép SUS 304


HV0,2

Giới hạn chảy vật liệu liên kết hàn plasma thép SUS 304, MPa

ơsi

Độ giãn dài tương đối vật liệu liên kết hàn plasma thép SUS 304, %

ơLi

Thí nghiệm sàng lọc định hướng công nghệ ở đợt 1

TNĐ1
i


Thí nghiệm ở đợt 2

TNĐ2

i


DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ ngun lý hệ thống thiết bị hàn GMAW..................................................7
Hình 1.2 Đồ thị biểu diễn sự gia tăng xung tần số trong quá trình giảm làm nguội của

vùng HAZ liền sát nhau đến đường nóng chảy của hợp kim nhôm theo Ghost và các tác
giả, 1994 [16].....................................................................................................................8
Hình 1.3 Cấu tạo hệ thống thiết bị hàn FCAW (a); sự hình thành mối hàn chìm khi sử
dụng thuốc trợ dung hàn bazơ (b);Mơ tả q trình sản xuất dây hàn lõi thuốc (c) [106] 8
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ TIG (GTAW) [106].....................................................9
Hình 1.5 So sánh quá trình hàn TIG (a) kết hợp với hàn plasma (b) và Hình ảnh dịng
plasma hàn lỗ khóa (c) [106].............................................................................................9
Hình 1.6 So sánh phân bổ nhiệt của hàn TIG với plasma: kích hoạt plasma: 40 CFH Ar,
200 A, 15 V; Xung plasma ổn định (kích thước 3/16 inch)..............................................9
Hình 1.7 Đồ thị mối tương quan giữa năng suất hàn với chiều dày phơi hàn khi hàn TIG
và hàn plasma.....................................................................................................................9
Hình 1.8 Sự phụ thuộc của nhiệt độ vào bán kính bề mặt vũng hàn khi có và khơng
dùng chất trợ dung (a); tương quan giữa sức căng bề mặt và mật độ lớp đắp khi hàn
thép khơng gỉ SUS 304 có trợ dung TiO2 (b); tương quan giữa độ ngấu sâu và mật độ
lớp đắp của trợ dung TiO2 theo Tanaka, 2000 và sơ đồ ngun lý mơ tả mơ hình hàn
thu hẹp nhờ hoạt tính của chất trợ dung (d) [106]...........................................................10
Hình 1.9 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cảm ứng điện từ vào nhiệt độ của Ác-gông
Ar trong khoảng 3000 ÷ 30 000 K (a); Sơ đồ vị trí hàn được khảo sát (b) và ngun lý
mơ tả sự thay đổi điện áp, trường điện từ và mật độ lớp đắp (c) [106]..........................11
Hình 1.10 Nguyên lý hàn hồ quang plasma (a) và mở rộng khu vực hàn lỗ khóa (b). . .20
Hình 1.11 Lưu lượng khí tạo plasma tiêu biểu................................................................21
Hình 1.12 Ảnh đầu hàn plasma (a); các dạng linh kiện đầu hàn plasma (b) [106].........25
Hình 1.13 Hình ảnh nguồn hàn (a), Bảng cài đặt điều khiển quá trình hàn plasma (b) và
đồ gá hàn (c) trong hệ thống thiết bị hàn plasma LINCOLN C3 MATIC 32-33...........25
Hình 1.14 So sánh hàn hồ quang khí điện cực khơng nóng chảy (tungsten) (a) so với
hàn plasma thép không gỉ SUS 304 tấm dày 13 mm (b) và hàn lỗ khóa (c)..................26
Hình 1.15 Ảnh mô tả hàn plasma nối ống (a) và hình dạng dịng plasma (b)................26
Hình 1.16 Ảnh hàn micro plasma 15  200 A, ứng dụng trong cơng nghiệp...................26
Hình 1.17 Sơ đồ kết cấu góc vát mép 75O, 60O khi hàn TIG và hàn plasma...................27
Hình 1.18 Ba dạng kết cấu hàn SMAW, TIG, PAW với cường độ dòng plasma trung

bình 15  200 A.................................................................................................................27
Hình 1.19 Nguyên lý điều chỉnh dòng hàn plasma mức trên 100 A...............................27
ii


Hình 1.20 Ngun lý khởi động dịng plasma với điện cực âm......................................27
Hình 1.21 Sơ đồ ngun lý hàn plasma có dịch chuyển (a) và khơng dịch chuyển (b)
vật liệu hàn.......................................................................................................................28
Hình 1.22 Nguyên lý điều chỉnh khí gas Ar (a), plasma (b) và Ar tinh chất..................28
Hình 1.23 Đồ thị và biểu đồ mơ tả tính khả dụng và hiệu quả của cơng nghệ tiên tiến
hàn plasma........................................................................................................................28
Hình 1.24 Biểu đồ năng lượng khi hàn plasma bằng giải pháp cơng nghệ tiên tiến......28
Hình 1.25 Các thơng số q trình hàn plasma: cường độ dịng plasma AC, DCEN,
xung; điện áp; tốc độ hàn; khí ga; đường kính lỗ thốt đầu phun; dây hàn;đường kính,
thành phần, thời gian trước xung, tầm với điện cực, hình dạng hình học của dịng
plasma [106].....................................................................................................................29
Hình 1.26 Cường độ dịng plasma AC khi hàn nhôm, hợp kim nhôm, magiê, hợp kim
magiê (a) và DC khi hàn thép, hợp kim HSLA, thép khơng gỉ, đồng, hợp kim đồng,
titan, niobi (b) [106].........................................................................................................29
Hình 1.27 Cường độ dòng plasma AC khi khi hàn vật liệu nhơm ở nhiệt độ T1 =600OC
vì lớp Al2O3 nóng chảy ở nhiệt độ T2=2100OC [106]....................................................29
Hình 1.28 Cường độ dịng plasma khi hàn AC vật liệu nhôm ở các giai đoạn DCEN
(a); AC (b) và DCEP (c) [106].........................................................................................29
Hình 1.29 Các dạng tín hiệu dịng plasma khi hàn AC (50-60 Hz): a) sơ đồ dao động
bình thường liên quan đến gia tăng của tần số; b) ba dạng sóng AC khác nhau khi biểu
thị với điều kiện cân bằng thời gian và vận hành dịng điện xoay chiều 2000 A [106].30
Hình 1.30 Điều chỉnh cân bằng cường độ dòng plasma theo tín hiệu dạng sóng khi hàn
AC [106]...........................................................................................................................30
Hình 1.31 Dạng tín hiệu xung dịng plasma tính theo cơng thức lý thuyết Im = (Iptp + Ibtb)/
(tp + tb) (a) và trên thực tế (b) [106].................................................................................30

Hình 1.32 Điều kiện so sánh tín hiệu cường độ xung dòng plasma và mức năng lượng
so với hàn truyền thống [106]..........................................................................................30
Hình 1.33 Ứng dụng cơng nghệ hàn plasma bằng kim loại bù [106].............................31
Hình 1.34 Sơ đồ nghiên cứu hình dạng mối hàn plasma/micro plasma [81], [82].........32
Hình 1.35 Ảnh tổ chức thô đại mối hàn plasma [81], [82]..............................................32
Hình 1.36 Đồ thị 2D biểu diễn mối tương quan giữa số liệu thí nghiệm và tính tốn [82]:
a) Chiều rộng phía trên mối hàn; b) Chiều rộng phía dưới mối hàn; c) Chiều cao phía
trên mối hàn; d) Chiều cao phía dưới mối hàn................................................................32
Hình 1.37 Đồ thị 2D biểu diễn sự phụ thuộc của chiều rộng mặt trên mối hàn plasma
vào cường độ dòng plasma (a); cường độ dòng ngược (b); Tần suất xung plasma (c) và
hiệu suất xung (d) [82].....................................................................................................33
iii


Hình 1.38 Đồ thị 2D biểu diễn sự phụ thuộc của chiều rộng mặt dưới mối hàn plasma
vào cường độ dòng plasma mức trên (a); cường độ dòng plasma ngược (b); Tần suất
xung plasma (c) và hiệu suất xung plasma (d) [82].........................................................33
Hình 1.39 Đồ thị 2D biểu diễn sự phụ thuộc của chiều cao mặt dưới mối hàn plasma vào
cường độ dòng plasma mức trên (a), cường độ dòng plasma ngược (b), Tần suất xung
plasma (c) và hiệu suất xung plasma (d) [82]..................................................................34
Hình 1.40 Ứng dụng phối trộn khí gas cho quá trình hàn plasma [19]...........................34
Hình 1.41 Ảnh tổ chức theo mặt cắt ngang mối hàn thép duplex chiều dày 6 mm bằng
công nghệ PAW (a) và hàn kết hợp TIG với PAW (b) [25]...........................................35

Hình 2.1 Nguyên lý chuẩn bị phôi hàn giáp mối thép không gỉ tấm SUS 304: 1, 2, 3 –
các vị trí hàn đính sơ bộ trước khi hàn plasma................................................................40
Hình 2 2 Ảnh chụp tồn cảnh thiết bị hàn plasma LINCOLN C3-MATIC 32-33 sử
dụng cho thí nghiệm: Tồn cảnh nhìn từ một góc máy (a); Mơ đun màn hình và cụm
cài đặt chương trình hàn tự động (b); Cụm nguồn cấp khí gas (c); Cụm cấp dây hàn tự
động (d); Đồ gá kẹp phôi hàn (e) và cách gá kẹp phôi hàn thép không gỉ SUS 304......40

Hình 2.3 Máy kéo nén kỹ thuật số KM&T (a, b) tại Tổng cục Tiêu chuẩn, Đo lường và
Chất lượng, Bộ KH&CN..................................................................................................43
Hình 2.4 Máy thử kéo nén kỹ thuật số sử dụng cho thí nghiệm kéo phá hủy (a); Máy đo
độ cứng tế vi BUEHLER (b) và kính hiển vi quang học AXIOVERT 25 MAT (c) dùng
cho khảo sát đặc tính tế vi vật liệu liên kết hàn plasma thép khơng gỉ SUS 304

43

Hình 2.5 Kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-6490 dùng cho phân tích SEM-EDX (a);
Máy phân tích X-Ray SIEMENS D5005 (b) máy dập cắt cơ khí (c).............................43
Hình 2.6 Sơ đồ khối các bước thí nghiệm hàn plasma....................................................45
Hình 2.7 Sơ đồ ngun lý cách cắt lấy phơi để gia công mẫu thử kéo phá hủy liên kết
hàn plasma (a); phôi gia công mẫu khảo sát các đặc tính kim tương học (HV0,2) (b) và
hình thái và tổ chức tế vi theo mặt cắt ngang mối hàn plasma (b)..................................48
Hình 2.8 Bản vẽ gia cơng mẫu thử phá hủy xác định độ bền kéo liên kết hàn plasma
theo TCVN 197-1: 2014 (a); ảnh một số mẫu thử điển hình sau khi hàn plasma (b).....48
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý khảo sát đặc tính kim tương học vật liệu mối hàn plasma
thép khơng gỉ tấm SUS 304 của luận án..........................................................................49
Hình 2.10 Mơ hình quy hoạch thực nghiệm trực giao kiểu 3 mức 3 yếu tố 33 áp dụng
cho hàn plasma thép không gỉ tấm SUS 304 của luận án................................................56

iv


Hình 3.1 Ảnh hình thái bề mặt mối hàn phụ thuộc vào các chế độ hàn thực nghiệm thép
SUS 304 (nhóm 1, chiều dày 2 mm)................................................................................60
Hình 3.2 Ảnh hình thái bề mặt mối hàn phụ thuộc vào các chế độ hàn thực nghiệm thép
SUS 304 (nhóm 2, chiều dày 2 mm)................................................................................61
Hình 3.3 Ảnh tổ chức thơ đại mối hàn plasma thép khơng gỉ SUS 304.........................61
Hình 3.4 Biểu đồ ảnh hưởng của chế độ hàn đến kích thước chiều rộng phía trên (bT)

theo mặt cắt ngang đường liên kết hàn plasma thép khơng gỉ SUS 304.........................64
Hình 3.5 Biểu đồ ảnh hưởng của chế độ hàn đến kích thước chiều rộng phía dưới (bD)
theo mặt cắt ngang đường liên kết hàn plasma thép khơng gỉ SUS 304.........................64
Hình 3.6 Biểu đồ ảnh hưởng của chế độ hàn đến kích thước chiều cao phía trên (hT)
theo mặt cắt ngang đường liên kết hàn plasma thép khơng gỉ SUS 304.........................65
Hình 3.7 Biểu đồ ảnh hưởng của chế độ hàn đến kích thước chiều cao phía dưới (hD)
theo mặt cắt ngang đường liên kết hàn plasma thép khơng gỉ SUS 304.........................65
Hình 3.8 Biểu đồ ảnh hưởng của chế độ hàn đến kích thước chiều dày lớn nhất (hmax)
theo mặt cắt ngang đường liên kết hàn plasma thép khơng gỉ SUS 304...........................65
Hình 3.9 Sơ đồ ngun lý đo biến dạng nhiệt lớn nhất khảo sát dọc (a) và ngang (b)
đường liên kết hàn giáp mối thép không gỉ SUS 304......................................................67
Hình 3.10 Biểu đồ ảnh hưởng của chế độ hàn plasma đến biến dạng uốn võng lớn nhất
theo phương dọc đường liên kết hàn tính trên khoảng khảo sát 100 mm.......................69
Hình 3.11 Biểu đồ ảnh hưởng của chế độ hàn plasma đến biến dạng uốn võng lớn nhất
theo phương ngang đường liên kết hàn tính trên khoảng khảo sát 100 mm...................69
Hình 3.12 Biểu đồ ảnh hưởng của chế độ hàn plasma đến tổng biến dạng uốn võng
đường liên kết hàn plasma tính trên 100 mm chiều dài và chiều ngang mẫu khảo sát 70
Hình 3.13 Ảnh chụp các mẫu thí nghiệm điển hình trong lơ quy hoạch thực nghiệm mô
phỏng (TNĐ2) trước thử nghiệm (a; c; e) và sau khi bị kéo đứt (b; d; f).......................71
Hình 3.14 Đồ thị lực kéo phá hủy mẫu hàn plasma loại 2 mm trích xuất từ máy tính kết
nối với máy thử kéo KM&T (TNĐ1)..............................................................................72
Hình 3.15 Đồ thị lực kéo phá hủy mẫu hàn plasma loại 1,5 mm trích xuất từ máy tính
kết nối với máy thử kéo KM&T (TNĐ1)........................................................................73
Hình 3.16 Biểu đồ so sánh độ bền kéo và giới hạn chảy vật liệu liên kết hàn plasma
thép không gỉ SUS 304 phụ thuộc các chế độ hàn khác nhau.........................................81


Hình 3.17 Biểu đồ so sánh giới hạn chảy và độ giãn dài tương đối vật liệu liên kết hàn
plasma thép không gỉ SUS 304 phụ thuộc các chế độ hàn khác nhau.............................81
Hình 3.18 Biểu đồ ảnh hưởng của chế độ hàn plasma thép SUS 304 đến chiều rộng

trung bình vùng ảnh hưởng nhiệt (bHAZ)..........................................................................83
Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý khảo sát kích thước hình học theo mặt cắt ngang đường liên
kết hàn plasma thép không gỉ SUS 304:  - chiều dày ban đầu tấm thép hàn; bT - chiều
rộng mối hàn ở mặt trên; bD - chiều rộng mối hàn ở mặt dưới; hT - chiều cao phần lồi
phía trên mối hàn; hD - chiều cao phía dưới mối hàn.......................................................84
Hình 3.20 Ảnh tổ chức thơ đại mối hàn plasma thép không gỉ SUS 304 (chiều dày 2
mm) theo mặt cắt ngang đường hàn.................................................................................85
Hình 3.21 Ảnh tổ chức thô đại mối hàn plasma thép không gỉ SUS 304 (chiều dày 1,5
mm) theo mặt cắt ngang đường hàn.................................................................................85
Hình 3.22 Ảnh tổ chức tế vi vật liệu tại các phân vùng đặc trưng của mối hàn plasma
thép SUS 304 khảo sát trên kính hiển vi quang học AXIOVERT 25 MAT (mẫu 1.2) .87
Hình 3.23 Ảnh tổ chức tế vi vật liệu tại các phân vùng đặc trưng của mối hàn plasma
thép SUS 304 khảo sát trên kính hiển vi quang học AXIOVERT 25 MAT (mẫu 3.4) .88
Hình 3.24 Ảnh tổ chức tế vi vật liệu tại các phân vùng đặc trưng của mối hàn plasma
thép SUS 304 khảo sát trên kính hiển vi quang học AXIOVERT 25 MAT (mẫu 5.5) .89
Hình 3.25 Ảnh tổ chức tế vi vật liệu tại các phân vùng đặc trưng của mối hàn plasma
thép SUS 304 khảo sát trên kính hiển vi quang học AXIOVERT 25 MAT (mẫu 6.2) .90
Hình 3.26 Ảnh tổ chức tế vi có vết ấn lõm khi đo độ cứng tế vi vật liệu mối hàn plasma
thép không gỉ tấm SUS 304: mẫu số 1.2, x100................................................................95
Hình 3.27 Ảnh tổ chức tế vi có vết ấn lõm khi đo độ cứng tế vi vật liệu mối hàn plasma
thép không gỉ tấm SUS 304: mẫu số 3.4, x100................................................................96
Hình 3.28 Ảnh tổ chức tế vi có vết ấn lõm khi đo độ cứng tế vi vật liệu mối hàn plasma
thép không gỉ tấm SUS 304: mẫu số 5.5, x100................................................................97
Hình 3.29 Ảnh tổ chức tế vi có vết ấn lõm khi đo độ cứng tế vi vật liệu mối hàn plasma
thép không gỉ tấm SUS 304: mẫu số 6.2, x100................................................................98
Hình 3.30 Đồ thị ảnh hưởng của vị trí đo đến độ cứng tế vi vật liệu liên kết hàn plasma
thép khơng gỉ SUS 304.....................................................................................................99
Hình 3.31 Ảnh tổ chức tế vi SEM vật liệu liên kết hàn plasma thép không gỉ SUS 304
mẫu số N6 và sơ đồ các vị trí phân tích EDX................................................................100



Hình 3.32 Ảnh tổ chức tế vi SEM vật liệu liên kết hàn plasma thép không gỉ SUS 304
mẫu số N11 và sơ đồ các vị trí phân tích EDX..............................................................101

Hình 4.1 Sự phụ thuộc của độ bền kéo liên kết hàn plasma (ki) vào các yếu tố độc lập Ih
(a), Ib (b); vh (c) và vcd(d)...............................................................................................106
Hình 4.2 Sự phụ thuộc của độ bền kéo liên kết hàn plasma (ki) vào ảnh hưởng đồng thời
của các yếu tố độc lập khi xét theo: Ih.Ib; Ih.vh và Ih.vcd..........................................................................106
Hình 4.3 Ảnh hưởng độc lập của các thông số công nghệ hàn plasma đến giới hạn chảy
vật liệu liên kết hàn plasma, si, MPa..............................................................................110
Hình 4.4 Ảnh hưởng tương tác đồng thời của các thông số công nghệ hàn plasma đến
giới hạn chảy vật liệu liên kết hàn plasma, si, MPa.......................................................110
Hình 4.5 h. Biểu đồ phân tích ảnh hưởng của các thơng số hàn đến độ bền kéo vật
liệu liên kết hàn plasma thép SUS 304 có chiều dày 2 mm...........................................111
Hình 4.6 k÷m. Biểu đồ phân tích ảnh hưởng của các thơng số hàn đến độ bền kéo vật
liệu liên kết hàn plasma thép SUS 304 có chiều dày 2 mm...........................................112
Hình 4.7 d. Biểu đồ phân tích ảnh hưởng của chế độ hàn đến giới hạn chảy vật liệu
liên kết hàn plasma thép SUS 304 có chiều dày 2 mm................................................1132
Hình 4.7 n. Biểu đồ phân tích ảnh hưởng của chế độ hàn đến giới hạn chảy vật liệu
liên kết hàn plasma thép SUS 304 có chiều dày 2 mm.................................................113
Hình 4.8 Ảnh hưởng của tương tác (Ih.vh) đến độ bền kéo liên kết hàn plasma (ki) khi Ib
= 50 A (a); Ib = 55 A (b) và Ib = 60 A (c)......................................................................128
Hình 4.9 Ảnh hưởng của tương tác (Ib.vh) đến độ bền kéo liên kết hàn plasma (ki) khi Ih
= 80 A (a); Ih = 90 A (b) và Ih = 100 A (c)....................................................................129
Hình 4.10 Ảnh hưởng của tương tác (Ih.Ib) đến độ bền kéo liên kết hàn
plasma (ki) khi vh = 24 cm/ph (a); vh = 28 cm/ph (b); vh = 32 cm/ph (c).....................129
Hình 4.11 Đồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng đồng thời (Ih.vh), (Ih.vh) đến độ bền kéo
liên kết hàn plasma (ki) khi Ib = 55 A (a); vh = 28 cm/ph (b)........................................129
Hình 4.12 Ðồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng đồng thời (Ih.vh), (Ib.vh) đến độ bền kéo
liên kết hàn plasma (ki) khi vh = 28 cm/ph (a) và Ih = 90 A (b).....................................130

Hình 4.13 Đồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng đồng thời (Ih.vh), (Ib.vh) đến độ bền kéo
liên kết hàn plasma (ki) khi Ib = 55 A (a) và Ih = 90 A (b).............................................130
vii


Hình 4.14 Ảnh hưởng của tương tác (Ih.vh) giới hạn chảy liên kết hàn plasma (si) khi Ib
= 50 A (a); Ib = 55 A (b) và Ib = 60 A (c)......................................................................131
Hình 4.15 Ảnh hưởng của tương tác (Ib.vh) đến giới hạn chảy liên kết hàn plasma (si) khi
Ih = 80 A (a); Ih = 90 A (b) và Ih = 100 A (c)................................................................132
Hình 4.16 Ảnh hưởng của tương tác (Ih.Ib) đến giới hạn chảy liên kết hàn
plasma (si) khi vh = 24 cm/ph (a); vh = 28 cm/ph (b); vh = 32 cm/ph (c)......................132
Hình 4.17 Đồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng đồng thời (Ih.vh), (Ih.vh) đến giới hạn chảy
liên kết hàn plasma (si) khi Ib = 55 A (a); vh = 28 cm/ph (b).........................................132
Hình 4.18 Ðồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng đồng thời (Ih.vh), (Ib.vh) đến
giới hạn chảy liên kết hàn plasma (si) khi vh = 28 cm/ph (a) và Ih = 90 A (b)..............133
Hình 4.19 Đồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng đồng thời (Ih.vh), (Ib.vh) đến
giới hạn chảy liên kết hàn plasma (si) khi Ib = 55 A (a) và Ih = 90 A (b)......................133
Hình 4.20 Ảnh hưởng của tương tác (Ih.vh) độ giãn dài tương đối vật liệu liên kết hàn
plasma ( Li) khi Ib = 50 A (a); Ib = 55 A (b) và Ib = 60 A (c).........................................134
Hình 4.21 Ảnh hưởng của tương tác (Ib.vh) đến độ giãn dài tương đối vật liệu liên kết
hàn plasma ( Li) khi Ih = 80 A (a); Ih = 90 A (b) và Ih = 100 A (c)................................134
Hình 4.22 Ảnh hưởng của tương tác (Ih.Ib) đến độ giãn dài tương đối vật liệu liên kết
hàn plasma ( i) khi vh = 24 cm/ph (a); vh = 28 cm/ph (b); vh = 32 cm/ph (c)................135
Hình 4.23 Đồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng đồng thời (Ih.vh), (Ih.vh) đến độ giãn dài
tương đối vật liệu liên kết hàn plasma ( i) khi Ib = 55 A (a); vh = 28 cm/ph (b)............135
Hình 4.24 Ðồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng đồng thời (Ih.vh), (Ib.vh) đến độ giãn dài
tương đối vật liệu liên kết hàn plasma ( i) khi vh = 28 cm/ph (a) và Ih = 90 A (b)........135
Hình 4.25 Đồ thị 2D biểu diễn sự ảnh hưởng đồng thời (Ih.vh), (Ib.vh) đến độ giãn dài
tương đối vật liệu liên kết hàn plasma ( i) khi Ib = 55 A (a) và Ih = 90 A (b)................136



DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 Một số khí gas dùng cho hàn plasma và phạm vi sử dụng [106]....................23
Bảng 1.2 Ví dụ về chọn chế độ thí nghiệm hàn microplasma [81].................................23
Bảng 1.3 Ví dụ về các thơng số khảo sát và mức điều chỉnh bằng thực nghiệm [11]....31

Bảng 2.1 Thành phần hóa học thép khơng gỉ SUS 304 dùng cho thí nghiệm................39
Bảng 2.2 Cơ tính của thép khơng gỉ SUS 304 ( 2 = 2 mm) dùng cho thí nghiệm...........39
Bảng 2.3 Các thơng số chế độ thí nghiệm hàn plasma thép không gỉ SUS 304 (TNĐ1)
........................................................................................................................................41
Bảng 2.4 Các thông số chế độ thí nghiệm hàn plasma thép khơng gỉ SUS 304 (TNĐ1)
........................................................................................................................................42
Bảng 2.5 Các thơng số chế độ thí nghiệm hàn plasma thép không gỉ SUS 304 (TNĐ1)
........................................................................................................................................50
Bảng 2.6 Chế độ quy hoạch thực nghiệm toàn phần N27 khi hàn thép khơng gỉ SUS
304....................................................................................................................................51
Bảng 2.7 Ký hiệu mã hóa các chế độ thực nghiệm hàn plasma thép không gỉ SUS 304
sắp xếp theo trực giao 3 mức 3 yếu tố (TNĐ2)...............................................................51

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm theo chế độ hàn plasma tự động định hướng công nghệ.59
Bảng 3.2 Kết quả đo biến dạng uốn võng lớn nhất tính trên chiều dài 100 mm đường
liên kết hàn plasma thép SUS 304...................................................................................68
Bảng 3.3 Đặc tính bền vật liệu liên kết hàn plasma thép khơng gỉ SUS304..................74
Bảng 3.4 Chiều rộng trung bình vùng ảnh hưởng nhiệt dọc theo đường hàn plasma....82
Bảng 3.5 Ảnh hưởng của chế độ hàn đến độ bền kéo (ki) và chất lượng của bề mặt mối
hàn plasma thép SUS 304 ở trạng thái sau khi làm nguội trong không khí [2], [3].......86
Bảng 3.6 Độ cứng tế vi (HV0,2) vật liệu liên kết hàn plasma thép không gỉ SUS 304,

khảo sát tại các vùng cấu trúc đặc trưng sau khi làm nguội trong khơng khí.................93
Bảng 3.7 Thành phần hóa học vật liệu liên kết hàn plasma thép không gỉ SUS 304 - N6
(2 mm), % khối lượng....................................................................................................101
Bảng 3.8 Thành phần hóa học vật liệu liên kết hàn plasma thép khơng gỉ SUS 304 N11 (1,5 mm), % khối lượng.........................................................................................102
ix


Bảng 4.1 Phân tích hàm hồi quy độ bền kéo liên kết hàn plasma thép SUS 304, ki, MPa
........................................................................................................................................105
Bảng 4.2 Phân tích mức độ ảnh hưởng của bốn thơng số công nghệ hàn plasma đến độ
bền kéo liên kết hàn plasma thép SUS 304, ki, MPa......................................................105
Bảng 4.3 Thực trạng và dự báo sự nhận biết bất thường về độ bền kéo liên kết hàn
plasma thép SUS 304, ki theo các phương án khảo sát..................................................105
Bảng 4.4 Phân tích hàm hồi quy giới hạn chảy vật liệu liên kết hàn plasma thép SUS
304..................................................................................................................................108
Bảng 4.5 Phân tích mức độ ảnh hưởng của bốn thông số công nghệ hàn plasma đến
giới hạn chảy vật liệu liên kết hàn plasma thép SUS 304..............................................108
Bảng 4.6 Thực trạng và dự báo sự nhận biết bất thường về giới hạn chảy vật liệu liên
kết hàn plasma thép SUS 304, si theo các phương án khảo sát......................................109
Bảng 4.7 Độ giãn dài tương đối vật liệu liên kết hàn plasma thép SUS 304 sắp xếp theo
trực giao 3 mức 3 yếu tố với tốc độ cấp dây hàn vcd = 85 cm/ph..................................116
Bảng 4.8 Kết quả tính tốn xác định độ bền kéo vật liệu liên kết hàn plasma thép không
gỉ SUS 304 với tốc độ cấp dây hàn vc.d = 85 cm/ph.......................................................117
Bảng 4.9 Kết quả tính tốn xác định giới hạn chảy vật liệu liên kết hàn plasma thép
không gỉ SUS 304..........................................................................................................118


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Trên thế giới, việc nghiên cứu các công nghệ hàn tiên tiến đang được đẩy mạnh ứng

dụng ở nhiều nước công nghiệp phát triển (G7, G20) từ những năm 1970 trở lại đây. Ở
Việt Nam hiện nay, ngành cơng nghiệp cơ khí chế tạo đang ngày càng được đầu tư đổi
mới với trang thiết bị, công nghệ tiên tiến nhập khẩu từ nước ngoài. Mặc dù có thể nhập
khẩu các máy hàn tiên tiến, trong đó có máy hàn plasma từ nhiều nước khác nhau, nhưng
vấn đề nghiên cứu làm chủ công nghệ và đưa ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp với tình
hình thực tế trong nước cịn là vấn đề ln có tính thời sự và cần thiết.
Hàn plasma là một trong những phương pháp công nghệ hàn hồ quang biến thể dựa trên
cơ sở bổ sung hoặc không bổ sung vật liệu bù vào mối hàn kim loại nóng chảy trong mơi
trường có khí bảo vệ (khí trơ) bằng xung plasma được cài đặt ở chế độ cho trước. Ưu
điểm là khả năng thâm nhập sâu hơn (từ dịng khí plasma cao hơn), không xảy ra hiện
tượng nhiểm vật liệu điện cực vonfram vào vật hàn, từ điện cực đến khoảng cách vật hàn
mà khơng có sự thay đổi đáng kể về nhiệt độ ban đầu cấp vào. Ở ngồi nước, cơng nghệ
hàn plasma (PAW) đã được các nhà nghiên cứu tiến hành có hệ thống và cơ bản nhằm
mục đích ứng dụng cho các kết cấu hàn từ nhiều vật liệu khác nhau như: thép các bon,
thép hợp kim, thép không gỉ, hợp kim đồng, hợp kim titan, hợp kim y sinh, ... Tuy nhiên,
những tài liệu tham khảo do nghiên cứu sinh cập nhật được gần đây chủ yếu công bố về
một số lĩnh vực ứng dụng chuyên ngành, trong đó sự quan tâm đặc biệt về ứng dụng cho
quá trình hàn PAW các mác thép khơng gỉ rất phát triển ở Nhật Bản và một số nước G7
khác.
Ở nước ta, cho đến nay chưa thấy có các cơng trình chuyên sâu về hàn plasma liên quan
đến vấn đề hàn giáp mối thép không gỉ dạng tấm SUS 304 được cơng bố, ngồi một số
sách và giáo trình, tập bài giảng [1, 11]. Một vài cơng trình nghiên cứu bảo vệ học vị
Tiến sĩ Kỹ thuật ngành hàn [6, 7] và số ít bài báo khoa học của nhóm nghiên cứu tại
Viện Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Cơng Thương [8 - 10], công bố về kết quả thực nghiệm
ứng dụng công nghệ hàn tiên tiến ở Việt Nam. Nguyên nhân chính có thể là do thiếu sự
đầu tư cho nghiên cứu cơ bản về hướng công nghệ hàn plasma ứng dụng cho một số kết
cấu cơ khí điển hình. Vì thế, vấn đề tiến hành thí nghiệm để xác lập cơ sở khoa học tin
cậy cho việc đề xuất các quy trình hàn plasma đối với thép khơng gỉ tấm mỏng hợp lý,
phù hợp với năng lực thiết bị hàn hiện có ở nước ta để khuyến cáo cho các doanh nghiệp
cơ khí ứng dụng có hiệu quả vào sản xuất ở quy mô công nghiệp là rất cần thiết. Đó

cũng chính là hướng nghiên cứu luận án của nghiên cứu sinh, có tính mới về khoa học và
tiềm
1


năng ứng dụng thực tiễn cao, phù hợp với mã ngành đào tạo trình độ Tiến sĩ “Kỹ thuật
cơ khí” tại Viện Nghiên cứu Cơ khí.
2. Mục đích nghiên cứu
- Định hướng nghiên cứu của luận án là trên cơ sở tổng hợp, phân tích các cơng bố khoa
học trong những năm gần đây trên thế giới và ở Việt Nam, từ đó đưa ra phương án khả
thi cho việc nghiên cứu thực nghiệm, tìm ra chế độ tối ưu của vật liệu với thiết bị hàn
plasma LINCOLN C3-MATIC32-33, mô-đen 450+/Plasma–SP7 Turnmatic TT [12],
ứng dụng cho hàn giáp mối các tấm thép không gỉ tấm SUS 304 trong điều kiện Việt
Nam.
- Khảo sát, nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ hàn plasma cho vật
liệu thép không gỉ dạng tấm đến đặc tính bền cơ học của mối hàn, kết hợp nghiên cứu
thăm dò ban đầu về hình dạng bên ngồi, tổ chức và độ cứng tế vi mối hàn, nhằm nâng
cao chất lượng và năng suất mối hàn.
3. Đối tượng, phạm vi, nội dung nghiên cứu
a) Đối tượng nghiên cứu: hàn liên kết giáp mối thép khơng gỉ SUS 304 dạng tấm ở vị trí
hàn bằng;
b) Phạm vi nghiên cứu
- Sử dụng thiết bị hàn LINCOLN C3- MATIC, mô-đen 450+/Plasma – SP7 Turnmatic
TT để hàn thép SUS 304, chiều dày phôi hàn δ02 = 2 mm cho thí nghiệm của luận án;
- Khảo sát ảnh hưởng của 4 thông số chế độ công nghệ hàn (Ih, Ib, vh, vcd) đối với các chỉ
tiêu đánh giá chất lượng hàn thông qua các thông số độ bền kéo, giới hạn chảy, độ dãn
dài tương đối khi đứt;
- Trong các thí nghiệm thăm dị định hướng cơng nghệ hàn plasma sử dụng phôi hàn với
hai loại chiều dày phôi hàn thép không gỉ SUS 304: δ01 = 1,5 mm và δ02 = 2 mm. Trong
các thí nghiệm mơ phỏng của luận án chỉ tập trung nghiên cứu một loại chiều dày phơi

hàn δ02 = 2 mm, do tính ứng dụng cao trong thực tế các ngành công nghiệp;
- Xây dựng mơ hình tốn học mơ phỏng dựa trên phương pháp lập ma trận thực nghiệm
trực giao 3 mức 3 yếu tố, mơ phỏng dự báo các đặc tính bền của liên kết hàn plasma thép
SUS 304 trong miền điều chỉnh thích hợp sau khi xử lý kết quả thăm dị định hướng
cơng nghệ, đảm bảo chất lượng liên kết hàn đạt mức yêu cầu của người sử dụng.
4. Phương pháp nghiên cứu
Thông qua nghiên cứu tổng hợp tài liệu tham khảo, kết hợp nghiên cứu lý thuyết với
nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị hàn plasma hiện đại với 3 thơng số cơng nghệ hàn
plasma là: cường độ dịng plasma mức trên (Ih); cường độ dòng plasma mức dưới (Ib) và