Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 – SKD61
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH HÀN VÀ KỸ THUẬT
HÀN NỐI HAI VẬT LIỆU C45 – SKD61
Research and Proposal on Welding Technique for Joining
of Dissimilar Materials (Steel C45 and Steel SKD61) with SMAW
(BÀI BÁO DỰ THẢO)
Đặng Thiện Ngôn1a, Trần Quốc Vũ2b
1Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
2Học viên cao học, Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
TÓM TẮT
Nhu cầu sử dụng các chi tiết máy và các sản phẩm được chế tạo từ hai hoặc nhiều phần vật
liệu ngày càng tăng nhờ chi phí vật liệu thấp, gia công khá dễ dàng mang lại tính cạnh tranh
cao. Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu các kết quả nghiên cứu quy trình hàn hai vật liệu
thép C45 - SKD61 theo tiêu chuẩn AWS D1.1 – 2015 với vật liệu đắp là E8018 – C1 (AWS
A5.5) cho mối hàn giáp mối tấm bằng phương pháp hàn SMAW. Một quy trình hàn giáp mối
tấm hai vật liệu C45 – SKD61 gồm 4 bước dựa theo tiêu chuẩn AWS D1.1 – 2015 đã được đề
xuất và tiến hành thử nghiệm kiểm định trên 3 mẫu hàn dạng tấm. Các mẫu hàn được kiểm tra
khuyết tật bằng phương pháp chụp X quang và kiểm tra bền bằng thử kéo theo tiêu chuẩn AWS
D1.1 – 2015. Kết quả kiểm tra khuyết tật mối hàn của mẫu hàn bằng phương pháp chụp X
quang đã cho thấy chất lượng mối hàn tốt, không có khuyết tật. Về thử kéo, uốn mối hàn nối
hai vật liệu C45 – SKD61 đạt giá trị từ 684,55 MPa đến 763,87 MPa (100% kim loại nền). Bên
cạnh đó, kết quả chụp kim tương bằng kính hiển vi cũng chỉ ra tổ chức tế vi thuộc vùng ảnh
hưởng nhiệt của mối hàn.
Từ khoá: Thép S45C, thép SKD61, hàn nối hai vật liệu, quy trình hàn, SMAW
1.
ĐẶT VẤN ĐỀ
Sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã đưa ra thị trường các vật liệu
chế tạo cơ khí tốt hơn và được ứng dụng ngày càng rộng rãi. Tuy nhiên, bên cạnh đó là vấn đề
giá thành vật liệu còn khá cao, đặc biệt là ở nước có ngành công nghệ vật liệu chưa phát triển
như Việt Nam, nên việc sử dụng chúng trong chế tạo cơ khí đã dẫn đến giá thành cao. Một trong
các giải pháp là sử dụng kết cấu hai phần vật liệu: phần công tác chính được chế tạo từ vật liệu
có cơ tính tốt (giá thành cao), phần còn lại có thể được chế tạo bằng vật liệu có cơ tính thấp hơn
(giá thành thấp) và ghép nối lại bằng phương pháp hàn để giảm chi phí chế tạo.
Rõ ràng, việc lựa chọn và sử dụng vật liệu như thế sẽ giảm được chi phí vật liệu, chi phí
gia công,... nhưng đồng thời đặt ra một thách thức lớn khi chi tiết được chế tạo từ hai thành
phần vật liệu và liên kết với nhau bởi mối nối hàn. Do vậy, công nghệ hàn nối hai vật liệu khác
nhau cũng cần phải được đầu tư nghiên cứu phát triển để có thể chế tạo thành công các kết cấu
cơ khí, đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật nhằm đáp ứng các nhu cầu trong công nghiệp và đời
sống.
1
Bài báo đề xuất một quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 – SKD61 được
thực hiện theo tiêu chuẩn AWS D1.1 – 2015. Các mẫu sẽ được kiểm tra bằng phương pháp
chụp ảnh phóng xạ, kiểm tra thử kéo.
2.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1 Đề xuất quy trình hàn ghép nối hai vật liệu thép S45C – thép SKD61
Quy trình hàn giáp mối hai vật liệu thép S45C – SKD61 cho chi tiết hàn dạng tấm được
xây dựng theo tiêu chuẩn AWS D1.1–2015 gồm các bước [1]:
- Lựa chọn vật liệu;
- Thiết kế mối ghép;
- Kỹ thuật hàn;
- Xử lý nhiệt sau khi hàn.
2.1.1 Bước 1 – Lựa chọn vật liệu
Việc lựa chọn vật liệu có ảnh hưởng lớn đến các phương pháp kiểm tra khuyết tật mối
hàn (phương pháp kiểm tra chụp ảnh phóng xạ, kiểm tra độ bền kéo). Do đó vật liệu vật liệu
được lựa chọn theo tiêu chuẩn AWS D1.1.
Từ yêu cầu của vật liệu đắp và cơ tính cũng như thành phần của vật liệu nền, vật liệu đắp được
lựa chọn là que hàn E8018–C1 (AWS A5.5) của hãng HOBART [2].
2.1.2 Bước 2 – Thiết kế mối ghép
Mỗi mẫu hàn cần có 01 phôi thép tấm S45C và 01 phôi thép tấm SKD61 với các kích
thước như sau:
- Dài 250 ± 12,5 mm;
- Rộng 100 ± 5 mm;
- Dày 12 ± 0,6 mm.
Kích thước cạnh vát của các tấm phôi thép S45C và SKD61 như sau:
- Góc nghiêng = 27o ± 3o;
- Kích thước bề mặt chân c = 2,5 ± 0,5 mm.
Hình 1: Kích thước vát cạnh phôi mẫu
2.1.3 Bước 3 - Kỹ thuật hàn
Kỹ thuật hàn khi hàn giáp mối tấm thép S45C – SKD61 gồm các bước sau:
+
+
Hàn đính và tạo biến dạng ngược;
Gia nhiệt;
2
+
+
+
Hàn lớp chân (lớp 1);
Hàn các lớp đắp (lớp 2–n);
Hàn các lớp phủ mặt trước (lớp n+1,
n+2);
+
Hàn lớp phủ mặt sau (lớp n+3).
Hình 2: Trình tự bố trí các lớp hàn
- Hàn đính và tạo biến dạng ngược
Độ hở của mối ghép phụ thuộc vào đường kính que hàn, với đường kính que hàn đã chọn
là Ø3,2 mm nên độ hở mối ghép là 2,5 ± 0,5 mm. Để đảm bảo độ phẳng và khe hở mối ghép,
sử dụng đồ gá để kẹp chặt phôi mẫu khi hàn đính.
Hình 3: Đồ gá sử dụng khi hàn đính và khoảng cách mối ghép
Trình tự hàn các điểm hàn đính như hình 4, số lượng các điểm hàn đính được chọn theo
chiều dài mối hàn giáp mối, khoảng cách giữa hai điểm hàn đính từ 150 – 200 mm, chiều dài
mối hàn đính 10 – 20 mm.
Hình 4: Trình tự thực hiện mối hàn đính
Trong quá trình hàn do ảnh hưởng nhiệt nên sẽ xảy ra tình trạng biến dạng, để xử lý biến
dạng này phương pháp biến dạng ngược được áp dụng. Ở mối hàn giáp mối tấm cặp vật liệu
thép S45C – SKD61 thì liên kết hàn sẽ bị biến dạng góc một góc β = 11o30’ [3].
Hình 5: Tạo biến dạng ngược trước khi hàn
- Gia nhiệt trước khi hàn
Từ các kết quả tính toán và chọn nhiệt độ gia nhiệt trước khi hàn là 200oC. Khi gia nhiệt
tiến hành gia nhiệt cho cả hai tấm thép (S45C, SKD61) giúp quá trình hàn và làm nguội sau hàn
thuận lợi.
3
Hình 6: Biểu đồ gia nhiệt trước khi hàn
- Chế độ hàn
Hàn lớp chân, hàn các lớp đắp, hàn lớp phủ mặt trước và hàn lớp phủ mặt sau với chế độ
hàn như sau:
+ Tiêu chuẩn áp dụng:
AWS D1.1–2015;
SMAW;
+ Phương pháp hàn:
+ Vị trí hàn:
1G;
+ Kí hiệu que hàn:
+ Đường kính que hàn:
E8018–C1;
Ø3,2 mm;
+ Cường độ dòng điện hàn: Ih = 90 – 150A;
2.1.4 Bước 4 - Xử lý nhiệt sau khi hàn
Vật liệu nền gồm hai loại vật liệu là S45C và SKD61, như đã trình bày ở mục 1.1 thép
SKD61 là thép hợp kim trung bình nên dưới tác dụng nhiệt của quá trình hàn, vùng nhiệt bị ảnh
hưởng có độ cứng thấp hơn độ cứng so với kim loại cơ bản do hiệu ứng quá nhiệt. Để có độ
cứng đồng nhất trong mối hàn bằng cách xử lý nhiệt ở nhiệt độ khoảng 600 – 650oC trong
khoảng thời gian 2 giờ và ở nhiệt độ này chưa ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu nền thép S45C
[4] (trước khi xử lý thì nhiệt độ mối hàn phải dưới 100oC).
2.2 Kết quả kiểm tra mối hàn
2.2.1 Kiểm tra khuyết tật hàn
Để kiểm tra các khuyết tật hàn có thể có trong các mẫu tấm, các mẫu tấm được chụp ảnh
phóng xạ và kết quả chụp ảnh phóng xạ cho các mẫu tấm được trình bày qua hình 7.
Hình 7: Kết quả kiểm tra mẫu tấm 1, 2, 3
Từ các ảnh X-quang ta có một số nhận xét sau: vệt hàn liên tục, không đứt đoạn, đẹp,
không phát hiện thấy các khuyết tật hàn như: nứt, thiếu ngấu, rỗ khí, ngậm xỉ,…
2.2.2 Kiểm tra độ bền kéo
Để triển khai kiểm tra độ bền kéo, các mẫu tấm được gia công thành các mẫu thử nghiệm
kéo theo chuẩn AWS D1.1 – 2015. Thử nghiệm các mẫu thử nghiệm kéo trên máy thử nghiệm
kéo – nén – uốn vật liệu WEW – 1000B. Kết quả các mẫu thử nghiệm kéo tấm đều bị phá hủy
trên vật liệu nền SKD61 với giá trị độ bền kéo nằm trong khoảng 684,55 MPa đến 763,87 MPa.
4
Hình 8: Kết quả thử nghiệm kéo các mẫu tấm
2.2.3 Cấu trúc tế vi mối hàn
Sau khi hàn, kim loại lỏng ở bể hàn gồm: kim loại que hàn và kim loại vật hàn sẽ nguội
và kết tinh tạo thành mối hàn. Vùng kim loại vật hàn quanh mối hàn do ảnh hưởng của tác dụng
nhiệt nên có sự thay đổi tổ chức và tính chất của nó gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt.
Đánh bóng mặt cắt ngang của mối hàn, tiến hành tẩm thực bằng axít sẽ làm cho các vùng
ảnh hưởng nhiệt của mối hàn hiện lên rất rõ. Sử dụng kính hiển vi để quan sát, ta sẽ thấy có
nhiều phần riêng có tổ chức tế vi khác nhau.
Hình 2.1: Mẫu đã tẩm axít để chuẩn bị chụp tổ chức tế vi của mối hàn
Hình 2.2: Hình dạng mặt cắt ngang của mối hàn
VI
V
IV
III
II
I
Mối hàn
Hình 2.3: Tổ chức tế vi của vùng ảnh hưởng nhiệt về phía tấm thép S45C
Mối hàn
Hình 2.4: Tổ chức tế vi của vùng ảnh hưởng nhiệt về phía tấm thép SKD61
KẾT LUẬN
Nghiên cứu công nghệ hàn hai vật liệu thép S45C và thép SKD61 bằng phương pháp hàn
I
II
III
IV
V
VI
3.
SMAW với các bước chính như: gia nhiệt trước khi hàn, kỹ thuật hàn, xử lý nhiệt sau khi hàn.
Đã tìm ra được các thông số cụ thể của chế độ hàn như: nhiệt độ gia nhiệt trước khi hàn,
nhiệt độ xử lý nhiệt sau khi hàn, cường độ dòng điện hàn, điện áp hàn, vận tốc hàn hợp lý giúp
khống chế nhiệt độ giữa các đường hàn và năng lượng đường không vượt quá giới hạn cho
phép.
Chọn được vật liệu đắp (que hàn) phù hợp cho hàn giáp mối cặp vật liệu thép S45C –
SKD61 bằng phương pháp hàn SMAW.
5
Thực nghiệm hàn thành công dựa trên quy trình hàn giáp mối cặp vật liệu thép S45C –
thép SKD61 bằng phương pháp hàn SMAW đã đề xuất.
Tiến hành kiểm tra đánh giá chất lượng mối hàn giáp mối cặp vật liệu thép S45C – thép
SKD61 bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ và kiểm tra độ bền kéo. Chất lượng mối hàn tốt,
không có khuyết tật và độ bền kéo của mối hàn nối hai vật liệu C45 – SKD61 đạt giá trị từ
684,55 MPa đến 763,87 MPa (100% kim loại nền).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] AWS D1.1/D1.1M:2015, Structural Welding Code Steel. Link:
[2] Hobart Welding Products, Product Catalog. Link:
[3] Hoàng Tùng, Nguyễn Thúc Hà, Ngô Lê Thông, Chu Văn Khang, Sổ tay hàn, NXB Khoa
học Kỹ thuật, năm 2007.
Tạp chí/bài báo
[4] B. Silva, I. Pires, L. Quintino, R. Miranda. New Welding Procedures For Repairing H13
And P20 Tool Steels, 2014.
THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ CHÍNH (NGƯỜI CHỊU TRÁCH NHIỆM BÀI VIẾT):
. PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn, Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, Email:
. KS. Trần Quốc Vũ, Trung tâm Ứng dụng Tiến bộ Khoa học và Công nghệ (SIHUB),
XÁC NHẬN CỦA GVHD
6
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý
của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
7 trang
09/01/2024
22120
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu đề xuất quy trình hàn và kỹ thuật hàn nối hai vật liệu C45 – SKD61", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_de_xuat_quy_trinh_han_va_ky_thuat_han_noi_hai_vat.pdf
