BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

LÊ LƯƠNG HUỲNH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ CƠ BẢN
CỦA CHẾ ðỘ HÀN ðẮP PLASMA BỘT HỢP KIM NICKEL
ðẾN HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC MỐI HÀN CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ : 60.52.01.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. ðÀO QUANG KẾ
TS. HOÀNG VĂN CHÂU

HÀ NỘI - 2014
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

i



Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục bảng v

Danh mục hình vi

LỜI MỞ ðẦU 1

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 3

1 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY
BẰNG HÀN ðẮP PLASMA VỚI BỘT HỢP KIM TRÊN THẾ
GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 3

1.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước 3

1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 6

1.3 Tổng quan về các Patent ñã công bố trên thế giới 9

1.4 Tổng quan về các tiêu chuẩn liên quan 9

1.5 Kết luận chương 1. 10

CHƯƠNG 2 ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

2.1 ðối tương nghiên và thiết bi cứu. 11

3.3.1 Dòng ñiện, ñiện áp hàn và lưu lượng khí plasma. 27

3.3.2 Thành phần bột hàn: 30

3.3.3 Cỡ bột hàn: 31

3.3.4 Khoảng cách làm việc: 32

3.3.5 Lưu lượng khí bảo vệ, khí mang bột: 33

3.3.6 Nhiệt ñộ nung sơ bộ: 34

3.4 Xử lý nhiệt trước, trong và sau khi hàn 35

3.4.1 Xử lý nhiệt trước khi hàn : 37

3.4.2 Xử lý nhiệt trong quá trình hàn: 38

3.4.3 Xử lý nhiệt sau khi hàn: 38

3.4.4 Thiết bị xử lý nhiệt nung nóng bằng khí ñốt thông thường. 41

3.4.5 Quy trình chung xử lý nhiệt 43

3.5 Kết luận chương 3 45

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 46

4.1 Xác ñịnh các thông số công nghệ quan trọng cần khảo sát 46


KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 66

KẾT LUẬN 66

KIẾN NGHỊ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

v

DANH MỤC BẢNG STT Tên bảng Trang

2-1 Thành phần hóa học của bột Nickel cơ bản và hợp kim 19

2-2 Thành phần bột Nickel và hợp kim của Nickel 20

2-3 Thành phần hóa học bột Nickel 167 (NI-167) 20

3-1 Các thông số công nghệ khi hàn Plasma bột 24

4-1 Các nhân tố ảnh hưởng và miền khảo sát 50

4-2 Ma trận thí nghiệm 50

4-3 Các thông số kỹ thuật 52


1-5 Thiết bị hàn Microplasma NERTAMATIC 51 9

2-1 Kết cấu hình dạng mối hàn ñắp PTA 12

2.2 Sơ ñồ hệ thống hàn Plasma bột. 13

2-3 Sơ ñồ kết cấu của ñầu hàn bột Plasma 15

2-4 Nguyên lý công nghệ hàn Plasma bột hơp kim 16

2-5 Một số hình ảnh của Nickel và bột Nickel 17

3-1 Mặt cắt chiều sâu ngấu của lớp ñắp (A1. là phần diện tích lớp ñắp
không ngấu, A2. là phần diện tích lớp ñắp ngấu) 25

3-2 Hệ thống thiết bị hàn Plasma bột 26

3-3 Ảnh hưởng của dòng ñiện plasma, lưu lượng khí plasma, tỷ lệ bột
hàn tới sự hòa tan của kim loại mối hàn. 28

3-4 Ảnh hưởng của lưu lượng khí lên hình dạng lớp ñắp và sự hòa
tan kim. 29

3-5 Ảnh hưởng của ñiện áp và dòng ñiện ñến nhiệt ñộ hồ quang plasma. 30

3-6 Ảnh hưởng của chiều dày lớp ñắp và tỷ lệ bột hàn tới sự hòa tan. 31

3-7 Ảnh hưởng của kích thước bột hàn tới ñộ cứng và sự hòa tan 32


4-11 Ảnh hưởng tương tác giữa dòng hàn I và nhiệt ñộ nung nóng
trước nhiệt ñộ của chi tiết 61

4-12 Ảnh hưởng tương tác giữa tốc ñộ hàn V và lượng cấp bột hợp
kim G ñến mức ñộ hòa tan của kim loại ñắp 62
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

1

LỜI MỞ ðẦU

Thông qua các công trình và kết quả ñánh giá về tình hình nghiên cứu
ngoài nước và trong nước về công nghệ hàn Plasma, ta có thể thấy rằng xu
hướng áp dụng công nghệ mới ñể tăng năng xuất và chất lượng trong ngành
chế tạo cơ khí ngày càng phát triển.
Các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học Nhật Bản là một trong
những hướng tiên tiến, ñã giải quyết ñược vấn ñề công nghệ và vật liệu hàn.
ðây là một vấn ñề còn hạn chế trong nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam.
Một vài công trình ñã nghiên cứu trước ñây của các tác giả Việt Nam còn
chưa ñi sâu vào bản chất công nghệ và chỉ mới ñược coi là các thử nghiệm ban
ñầu trong ñiều kiện phòng thí nghiệm nên chưa có kết quả khả quan.
Vì vậy ðề tài ñã ñặt ra mục tiêu là thực hiện việc
“
Nghiên cứu ảnh
hưởng một số thông số cơ bản của chế ñộ hàn ñắp Plasma bột hợp kim
Nickel ñến hình dạng và kích thước mối hàn
”.


Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

3

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1- NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY BẰNG
HÀN ðẮP PLASMA VỚI BỘT HỢP KIM TRÊN THẾ GIỚI VÀ
TRONG NƯỚC
1.1. Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước
Từ năm 1941, các nhà khoa học Mỹ ñã nỗ lực nghiên cứu giải pháp hàn
và cắt các loại vật liệu từ kim loại nhẹ và hợp kim của chúng nhằm phục vụ
cho Công nghiệp Quốc phòng, ñặc biệt là chế tạo kết cấu máy bay. Nhờ vậy,
một trong những phương pháp hàn mới ñã ñược phát minh ñó là hàn hồ quang

phát triển và hoàn thiện vào ñầu thập kỷ 60 nó ñã ñược ứng dụng khá rộng rãi
và có hiệu quả ở các nước công nghiệp phát triển, ñặc biệt là ở khu vực châu
Âu ñể hàn thép hợp kim cao trong ñó như thép không gỉ, kim loại chống ăn
mòn, chịu mài mòn, hợp kim nickel, titan, ziriconi, tantali và thậm chí cả các
kim loại quý hiếm khác.
Ngày nay bằng nhiều kết quả nghiên cứu về công nghệ và thiết bị mới
ñã ñưa công nghệ hàn plasma thay thế các công nghệ hàn bằng tia laser hoặc
hàn bằng chùm tia ñiện tử mà trước ñây bắt buộc phải sử dụng với chi phí và
mức ñộ ñầu tư rất cao. ðó là các sản phẩm như bình nhiên liệu cho các tàu
con thoi, vỏ tàu cánh ngầm và tàu ngầm, bồn bể chứa hóa chất, thiết bị hóa
thực phẩm, máy móc trong công nghiệp dược phẩm, y tế,
ðể ñáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các ngành công nghiệp sản
xuất tiên tiến nói chung, và công nghiệp quốc phòng nói riêng hướng tới các
quy trình chế tạo và phục hồi chi tiết máy hiệu quả hơn, trong những năm gần
ñây tại các Viện nghiên cứu về hàn trên thế giới và ñặc biệt là các chuyên gia
về hàn ở Nhật Bản ñã nghiên cứu và ứng dụng thành công phương pháp hàn
plasma dùng vật liệu bột - PTA (Plasma Transferred Arc). ðây là một trong
những biến thể của công nghệ hàn hồ quang plasma mà vật liệu bổ sung ñược
cung cấp dưới dạng bột kim loại. Hệ thống thiết bị cơ bản dùng cho PTA bao
gồm máy hàn plasma, thiết bị cấp bột và cụm mỏ hàn. Thành phần bột kim
loại (hỗn hợp cacbit chrome, cacbit vonfram, nickel, cobalt… ) là yếu tố quan
trọng nhất ñem lại những tính chất ñặc biệt (thành phần hóa học và cơ tính)
cho kim loại mối hàn theo yêu cầu sử dụng của sản phẩm.
Phương pháp hàn plasma bột ñem lại những ưu ñiểm nổi bật như: Chất
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

5

lượng mối hàn và năng suất ñược nâng cao, không bị hạn chế về vị trí hàn
trong không gian, kết quả tốt khi hàn các vật liệu hợp kim và kim loại mầu,


Hình 1-1: Hàn bột Plasma phục hồi xupap ñộng cơ máy thủy.

Hình 1-2: Một số ứng dụng của công nghệ hàn plasma
1.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
ðề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn ñắp plasma bột ñể chế tạo
các dụng cụ cắt làm việc trong ñiều kiện chịu mài mòn và va ñập cao”
(Research to apply plasma powder surfacing for the manufacturing of cutting
tools working under heavy impact and wear conditions), mã số VLIR-HUT
PJ04, thuộc chương trình hợp tác giữa Trường ðHBK HN và cộng ñồng các
trường ñại học khối Flemish-Vương Quốc Bỉ VLIR-HUT. ðề tài do PGS.TS.
Bùi Văn Hạnh, ðH Bách khoa HN làm chủ nhiệm. ðề tài ñã ñi sâu nghiên
cứu công nghệ chế tạo các loại dao chặt mảnh dùng cho ngành giấy có kích
thước nhỏ. Các kết quả chủ yếu ñã ñạt ñược:
- ðã nghiên cứu ñược tổ chức lớp kim loại lưỡi cắt dao chặt mảnh trong
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

7

ngành giấy chế tạo bằng phương pháp hàn ñắp plasma bột
- ðã ñề xuất ñược phương án lựa chọn thành phần bột
- ðã thiết kế ñược QTCN gia công cơ khí dao chặt mảnh sau khi
hàn ñắp
- ðã nghiên cứu ñược những hư hỏng, ñộ mài mòn, tuổi thọ của dao
chặt mảnh sử dụng trong ngành giấy
Các kết quả thử nghiệm ban ñầu cho thấy cơ tính lớp ñắp ñạt yêu cầu. Tuy
nhiên, sản phẩm chưa ñược ứng dụng rộng rãi do hiện tượng mẻ dao chưa
khắc phục ñược trong quá trình sử dụng.
Về công nghệ PTA ứng dụng ñể phục hồi chi tiết máy ở Việt nam hiện
nay chưa có một công bố nào. Chỉ có một số thiết bị hàn PAW ñược nhập về

xúc của bột hàn với vật liệu thép cơ bản trong quá trình cháy của ñộng cơ.
3. US Patent 5,981,896 - 1999: Thiết bị và phương pháp tạo mối hàn
khô dưới nước.
4. US Patent 0184946A1 - 2004: Cải thiện khả năng chống ăn mòn cho
xupap bằng vật liệu hợp kim chịu nhiệt.
5. US Patent 7,045,738 - 2006: Phương pháp và thiết bị cung cấp bột
trong hàn PTA.
1.4. Tổng quan về các tiêu chuẩn liên quan
Trong quá trình tìm hiểu các hệ thống Tiêu chuẩn liên quan ñến công
nghệ, vật liệu và thiết bị hàn plasma, ðề tài tập trung vào các Hệ tiêu chuẩn
sau ñây:
- ISO (International Organization for Standardization),
- AWS (American Welding Society),
- JIS (Japanese Industrial Standards),
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

10

- API (American Petroleum Institute),
- ASTM (American Society for Testing and Materials),
- ANSI (American National Standards Institute),
- GOST (Russia).
Tuy nhiên về cơ bản là các Hệ tiêu chuẩn chủ yếu trình bày về vật liệu
cho hàn plasma, còn về công nghệ và thiết bị hầu như chưa có ñược các thông
tin nào ñầy ñủ.
ðề tài ñã tham khảo và thu thập ñược 03 Tiêu chuẩn của Liên xô cũ về
các mối hàn plasma:
- GOST 16037-80
- GOST 8713-79
- GOST 15878-79

nghiệp khai thác mỏ, chế tạo thiết bị, phụ tùng, hóa chất, hạt nhân và nhà máy
ñiện v.v. Xét về bản chất, quá trình PTA có thể ñược coi như là một dạng hàn
hồ quang Gas Tungsten tiên tiến ñược sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng của
các lớp phủ. Bột kim loại và hợp kim ñược chuyển trong luồng hồ quang
Plasma nhờ ñiện cực Tungsten tạo nên. Như vậy, các lớp phủ có thể ñược tạo
nên nhờ kiểm soát chính xác thành phần của vật liệu ñưa vào quá trình PTA.
Các chủng loại bột như Colmonoy-5 (hợp kim Co), hợp kim Nickel,
Wolfram Carbide… có khả năng chịu mài mòn rất tốt và khả năng chống ăn
mòn và chống oxy hóa ở nhiệt ñộ cao.
So với quá trình hàn khác, dùng công nghệ PTA cho hàn ñắp bề mặt
ñòi hỏi số lượng vật liệu tiêu hao ít hơn khi cần cải thiện các tính chất cơ lý và
cấu trúc luyện của vật liệu bề mặt. ðiều này ñạt ñược khi sự pha loãng và hòa
tan của lớp kim loại ñắp với bề mặt nền hạn chế ở mức ñộ thấp nhất. Sự hòa
trộn và pha loãng của mối hàn ñắp PTA ñược chỉ ra trên (hình 2-1).
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

12Hình 2-1: Kết cấu hình dạng mối hàn ñắp PTA

Hình dạng hình học của mối hàn ñắp bị ảnh hưởng bởi các giá trị thông
số công nghệ của quá trình PTA trong quá trình hàn ñắp. Các thông số này
cần ñược thiết lập và lựa chọn ñể cho phép tự ñộng hóa quá trình và ñảm bảo
chất lượng tốt cho bề mặt chi tiết.
Vì vậy ñối tượng nghiên cứu của ñề tài này là
“
Nghiên cứu ảnh hưởng
một số thông số cơ bản của chế ñộ hàn ñắp Plasma bột hợp kim Nickel ñến
hình dạng và kích thước mối hàn
Hình 2.2: Sơ ñồ hệ thống hàn Plasma bột.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

14

ðiểm khác biệt giữa hai quá trình hàn nằm trong bản chất của vật liệu
phụ ñó là bột thay vì dây, kim loại phụ ñược cung cấp dưới dạng bột bởi một
chất khí vận chuyển (khí mang) ñến khu vực hồ quang mà trong ñó ñã chứa
ñầy ñủ các thành phần nguyên tố hợp kim với hàm lượng cần thiết tuỳ thuộc
vào tính chất lớp ñắp yêu cầu (bột hợp kim).(hình 2-3) .
Trong hai phương pháp hàn bột Plasma và hàn hồ quang plasma sử
dụng một loại khí trơ, khí này ñi qua các lỗ của ñầu hàn, nơi ñiện cực ñược
ñịnh tâm chắc chắn. Khí bảo vệ qua miệng ñầu hàn bao quanh bên ngoài lớp
hàn có tác dụng chống lại sự ôxy hóa từ không khí bên ngoài khí quyển lên bề
mặt lớp hàn. Mặt khác, trong quá trình hàn bột Plasma khí ñược sử dụng ñể
vận chuyển vật liệu phụ thông qua ñường dẫn và ñược ñiều chỉnh lượng cấp
cho phép ñến khu vực hồ quang plasma sao cho lượng bột cấp là tập trung
nhất. Khí ñược sử dụng thường là khí argon (Ar).
ðặc trưng của phương pháp hàn plasma bột, hồ quang dịch chuyển ñó
chính là hồ quang Plasma. Plasma (một chất khí bị ion hóa hoàn toàn ñạt ñến
trạng thái dẫn ñiện) có thể ñược xem như là trạng thái tự nhiên thứ tư của vật
chất. Trạng thái Plasma chiếm hơn 99,9% thành phần vật chất trong vũ trụ.
Nhiệt Plasma bao gồm một chất khí có ít nhất 1% bị ion hóa với một nhiệt ñộ
lớn hơn 13.000°C và là một chất dẫn ñiện tốt. Trong quá trình phát sinh từ khí
trơ ñến argon tạo thành một dòng Plasma tập trung ở nhiệt ñộ cao.
Bột hợp kim ñược ñưa từ cơ cấu cấp bột vào ñầu hàn plasma nhờ khí
mang. Cơ cấu cấp bột ñảm bảo ñịnh lượng bột cấp chính xác và ổn ñịnh nhờ

16Hình 2-4. Nguyên lý công nghệ hàn Plasma bột hơp kim
Hàn hồ quang Plasma ñể làm cứng bề mặt chi tiết là một phương pháp
hàn phù hợp tạo ra một liên kết kim loại nóng chảy giữa lớp nền và lớp ñắp.
Chiều dày lớp ñắp có thể dao ñộng từ 0,6 ÷ 6,0 mm, chiều rộng từ 3 ÷ 10 mm
khi sử dụng một lớp hàn ñắp, nhiều lớp hàn khi hàn chiều dày lớp ñắp có thể
ñến 20 mm và chiều rộng trên 30 mm. Trong hàn hồ quang ñể làm cứng bề
mặt chi tiết, hai nguồn cung cấp ñiện DC ñược sử dụng: nguồn thứ nhất tạo
hồ quang không dịch chuyển giữa ñiện cực vonfram (-) và anot (+) và sau ñó
hồ quang tạo nên giữa ñiện cực vonfram (-) và vật hàn (+). Hồ quang mồi tạo
nên do một thiết bị tần số cao và dòng khí plasma bao quanh catot (cực âm)
ñược ion hóa ở ñầu ñiện cực.
Khi hồ quang chuyển dịch ñược tạo nên, vật hàn trở thành một phần
của mạch ñiện và hồ quang Plasma ñược dẫn hướng và tập trung thông qua
các miệng của ñầu hàn vào vật hàn. Bột phun ra dưới một áp lực lớn của dòng
khí Argon, từ ñầu hàn tới bề mặt của chi tiết hàn. ðầu hàn sau ñó hoặc là di
chuyển bằng cách dịch chuyển chùm tia lên trên vật hàn, hoặc là vật hàn ñược
xoay hay di chuyển theo ñầu hàn ñể tạo ra một lớp hàn ñắp. Các lớp ñắp hồ
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

17

quang có tỷ trọng lớn và ñược liên kết liền khối với vật hàn. Cấu trúc lớp ñắp
là liền khối của kim loại nóng chảy cùng với sự hình thành các tinh thể dạng
nhánh trong suốt quá trình ñông ñặc.
Một tính năng quan trọng nhất của quá trình hàn bột plasma hồ quang
dịch chuyển là nó cho phép khống chế phần kim loại cơ bản tham gia vào kim
loại ñắp. Tỷ lệ kim loại cơ bản tham gia vào kim loại ñắp chỉ còn 5%, so với