Nghiên cứu chất lượng mối hàn kết cấu thép bằng hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung gốm Aluminate-Rutile chế tạo trong nước

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu chất lượng mối hàn kết cấu thép bằng hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung gốm Aluminate-Rutile chế tạo trong nước

1. 1 GIỚI THIỆU VỀ LUẬN ÁN 1. Tên đề tài: “Nghiên cứu chất lượng mối hàn kết cấu thép bằng hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung gốm Aluminate-Rutile chế tạo trong nước” 2. Cơ sở để lựa chọn đề tài Hiện nay công nghệ hàn nói chung và vật liệu hàn nói riêng, đã được sử dụng khá phổ biến trong các nhà máy cơ khí chế tạo, sửa chữa và các cơ sở sản xuất phục vụ cho các ngành kinh tế. Tuy nhiên so với các nước công nghiệp tiên tiến lĩnh vực này của nước ta còn bị bỏ lại một khoảng cách khá xa. Về công nghệ hàn, nhìn chung còn có những hạn chế, nhất là trong công nghiệp sản xuất vật liệu hàn. Vì vậy, việc “Nghiên cứu chất lượng mối hàn kết cấu thép bằng hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung (SAW) gốm Aluminate-Rutile (AR) chế tạo trong nước” là rất cần thiết. 3. Mục tiêu của đề tài luận án - Đánh giá được ảnh hưởng của các tỷ lệ TiO2, MnO2, SiO2 trong mẻ liệu trợ dung hàn gốm hệ xỉ AR được chế tạo trong nước đến chất lượng mối hàn kết cấu thép bằng công nghệ hàn SAW. - Thiết lập hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ lệ các thành phần mẻ liệu với các chỉ tiêu cơ tính mối hàn bằng phương pháp hồi quy thực nghiệm. 4. Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu thành phần mẻ liệu trợ dung gốm hệ AR chế tạo bằng nguồn vật liệu trong nước bằng công nghệ hàn SAW - Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần mẻ liệu (TiO2, MnO2, SiO2) đến chất lượng mối hàn (tổ chức tế vi và các chỉ tiêu cơ tính) 5. Phạm vi nghiên cứu - Chất lượng mối hàn thép cacbon thấp (Q235) và thép hợp kim thấp(Q460D) dạng tấm, có chiều dày 20 đến 25 mm với liên kết hàn giáp mối vát mép chữ V. - Đánh giá tổ chức mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt, các chỉ tiêu cơ tính của mối hàn bằng các mẫu tiêu chuẩn từ các liên kết hàn thực nghiệm với các tỷ lệ thành phần TiO2, MnO2, SiO2 trong thuốc hàn gốm hệ AR. 6. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm. Nghiên cứu và ứng dụng vấn đề nghiên cứu trong luận án ở trên thế giới và trong nước, từ đó khoanh vùng rõ hơn nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài luận án. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và xây dựng các bước quy trình công nghệ chế tạo kết hợp với thực nghiệm sản xuất chế tạo trợ dung hàn gốm, Phân tích ảnh hưởng của các thành phần mẻ liệu trợ dung hàn gốm đến các chỉ tiêu
2. 2 chất lượng của liên kết hàn, Sử dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm với phương pháp Taguchi kết hợp phân tích ANOVA. Tiến hành chuẩn bị và chế tạo trợ dung gốm với các thành phần mẻ liệu khác nhau, liên kết hàn và thiết bị hàn. Tiến hành thực nghiệm hàn mẫu, chế tạo mẫu thử theo tiêu chuẩn để đo độ bền kéo, độ dai va đập, độ cứng và soi tổ chức tế vi. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 7.1. Ý nghĩa khoa học: - Xác định ảnh hưởng của các tỷ lệ thành phần trong mẻ liệu gốm hệ AR đến cấu trúc và các chỉ tiêu cơ tính của mối hàn bằng công nghệ hàn SAW - Thiết lập được hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ lệ các thành phần mẻ liệu gốm hệ AR với chất lượng mối hàn kết cấu thép. - Sử dụng phương pháp tối ưu đa mục tiêu (OEC) xác định được ảnh hưởng đồng thời của các thành phần TiO2, MnO2, SiO2 trong mẻ liệu gốm đến độ bền kéo, độ dai va đập, độ cứng của kim loại mối hàn trong phạm vi nghiên cứu. - Lựa chọn được thành phần mẻ liệu gốm phù hợp khi hàn kết cấu thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp đạt được các chỉ tiêu cơ tính theo yêu cầu. 7.2. Ý nghĩa thực tiễn: - Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc thiết lập quy trình chế tạo trợ dung gốm hệ AR bằng nguyên liệu trong nước để hàn thép cacbon và hợp kim thấp trong chế tạo kết cấu cơ khí bằng công nghệ hàn SAW. - Kết quả nghiên cứu của Luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu sản xuất vật liệu hàn trong công nghệ hàn SAW, hàn điện xỉ, hàn hồ quang tay - Giới thiệu một phương pháp nghiên cứu, đánh giá đơn giản, hiệu quả trong việc xác định thành phần mẻ liệu trợ dung gốm phù hợp và mức độ ảnh hưởng của các thành phần này đến các chỉ tiêu cơ tính của mối hàn. 8. Những đóng góp mới của luận án - Xác định được tỷ lệ thành phần mẻ liệu trợ dung hàn gốm hợp lý từ nguồn nguyên liệu trong nước, ứng dụng trong hàn thép hợp kim thấp và thép cacbon thấp đảm bảo chất lượng mối hàn tốt nhất. - Xây dựng hàm toán học bằng hồi quy thực nghiện thể hiện mối quan hệ của từng thành phần mẻ liệu trợ dung hàn gốm hệ AR đến độ bền kéo, độ dai va đập và độ cứng của kim loại mối hàn. Đồng thời định lượng được mức độ ảnh hưởng của các thành phần mẻ liệu đến các chỉ tiêu cơ tính trong phạm vi nghiên cứu. - Áp dụng phương pháp tối ưu đa mục tiêu OEC đánh giá ảnh hưởng đồng thời các tỷ lệ TiO2, SiO2, MnO2 trong trợ dung gốm hệ AR đến các chỉ tiêu
3. 3 cơ tính của mối hàn và xây dựng hàm toán học biễu diễn mối quan hệ đồng thời của các thành phần trợ dung hàn với các chỉ tiêu cơ tính của mối hàn. 9. Bố cục luận án Gồm phần Mở đầu, bốn chương của Luận án, danh mục Tài liệu tham khảo, danh mục Các công trình đã công bố có liên quan đến Luận án, phần Phụ lục. Kết cấu Luận án gồm 4 chương, 138 trang: Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chương 2. Nghiên cứu lý thuyết quá trình hàn hồ quang tự động dưới trợ dung gốm. Chương 3. Vật liệu, trang thiết bị và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của một số thành phần mẻ liệu trong trợ dung gốm đến chất lượng mối hàn kết cấu thép. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.2. Tình hình nghiên cứu về trợ dung sử dụng trong công nghệ hàn tự động dưới lớp gốm ở Việt Nam Từ những năm 1980, bắt đầu là công trình chế tạo thử nghiệm trợ dung hàn nấu chảy bằng lò điện hồ quang với cốc Platinum tại Viện Nghiên cứu Máy – Bộ Công nghiệp của KS. Nguyễn Thành Kiên, sau đó tại Viện Nghiên cứu Thiết kế Giao thông vận tải do TS. Nguyễn Văn Thông thực hiện. Việc nghiên cứu chế tạo trợ dung hàn gốm dạng AHK-18 cho hàn đắp phục hồi các chi tiết lớn đòi hỏi độ cứng cao 40-45 HRC đã được nhóm các chuyên gia của Viện Nghiên cứu Cơ khí, Viện Thiết kế Giao thông vận tải và Nhà máy Que hàn Việt-Đức thực hiện, Tác giả Đào Hồng Bách [4], đã có công trình nghiên cứu về quá trình khử tạp chất trong trợ dung hàn. Đã xác định các điều kiện tối ưu cho phép đạt mức tạp chất < 0,7 % Fe; < 0,08 % P và < 0,06 % S. từ đó có được giá thành sản phẩm cạnh tranh với các sản phẩm nhập khẩu. Đề tài cấp Nhà nước giai đoạn 1996-2000 do TS. Hoàng Văn Châu làm chủ nhiệm: “Nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong sản xuất các công nghệ hàn tiên tiến, vật liệu hàn chất lượng cao phục vụ các ngành đóng tàu thủy, đầu máy xe lửa, thiết bị hóa chất, dầu khí và thiết bị áp lực” [6] đã đặt tiền đề cho việc xây dựng Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt đạt trình độ tiên tiến trong khu vực Đông Nam Á vào năm 2002. TS. Nguyễn Văn Thông chủ nhiệm đề tài [11] đã hoàn thiện công nghệ chế tạo trợ dung tự động AH-348. Trong đề tài cấp Nhà nước, mã số:
4. 4 KC.02.04/11-15 do TS. Vũ Huy Lân làm chủ nhiệm [16], tác giả đã nghiên cứu, tính toán, thiết kế hoàn thiện dây chuyền sản xuất trợ dung thiêu kết hàn tự động dưới lớp trợ dung. Đề tài khoa học và công nghệ cấp Bộ trọng điểm, giai đoạn 2012-2014, mã số B2012-11-12. do PGS.TS. Đào Quang Kế làm chủ nhiệm [1]. Đề tài cũng đã tập trung nghiên cứu sản xuất trợ dung hàn gốm, đã chọn các yếu tố trên cơ sở của nền tạo xỉ là: Al2O3 - TiO2 - SiO2, đã lựa chọn được nguồn nguyên vật liệu, sản xuất, kiểm tra các mẫu hàn, so sánh với trợ dung hàn Ấn Độ A55 cho kết quả tương đương. Hầu hết các công trình trọng điểm trong các lĩnh vực dầu khí, đóng tàu, xây lắp hóa chất, nhiệt điện, thủy điện đều sử dụng các chủng loại trợ dung hàn nấu chảy và trợ dung hàn gốm nhập ngoại từ Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Liên Xô, Trung Quốc, Ấn Độ là chủ yếu. 1.3. Tình hình nghiên cứu về trợ dung hàn, sử dụng trong công nghệ hàn tự động dưới lớp gốm trên thế giới Trong nghiên cứu về công nghệ hàn SAW, nhóm tác giả R. K. Chandra và cộng sự (CS) [77] đã nghiên cứu bổ sung thêm MnO2 và TiO2 trong mẻ liệu. Kết quả cho thấy, thành phần phần trăm của titan có ảnh hưởng lớn đến độ cứng. Tác giả Arvind và CS [18] bổ sung thêm hàm lượng TiO2 trong mẻ liệu trợ dung hàn gốm, sự gia tăng hàm lượng titan trong mẻ liệu cũng đã cải thiện độ dẻo dai và độ dẻo của các mối hàn tốt nhất trong phạm vi 14% titan với 400A. A.M. Paniagua-Mercado [24] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần mẻ liệu đến cấu trúc và độ bền của mối hàn. Đánh giá về ảnh hưởng của thành phần mẻ liệu đến hình dạng hạt trong mối hàn SAW. Brijpal Singh [33] cũng chỉ ra rằng tính chất cơ học của mối hàn không chỉ được quyết định bởi thành phần hóa học mà còn phụ thuộc vào hình dạng hạt, kích thước và tính chất thành phần mẻ liệu. Chandra R.K. [39] đã bổ sung thêm từ 9, 13.5, 18 % titan và 1.4, 1.8, 2.0 % mangan trong trong mẻ liệu trợ dung hàn gốm, mối hàn thép MS 1025 đã được khảo sát, tác dụng chính của MnO2 là làm tăng độ dẻo của kim loại mối hàn và mất một chút độ bền kéo do TiO2. Ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn khác nhau trong mối hàn hồ quang dưới lớp trợ dung gốm (SAW) Junaid Yawar và Harvinder Lal [53] nghiên cứu chỉ ra rằng điện áp hàn, cường độ dòng điện hàn, tốc độ hàn và kích thước điện cực ảnh hưởng đến thành phần trợ dung gốm. Qua các nghiên cứu trên cho thấy, chất lượng của mối hàn thép SAW phụ thuộc khá lớn vào chế độ hàn và thành phần mẻ liệu thuốc hàn [55-57, 59, 60]. Kết luận chương Thông qua việc tìm hiểu và nghiên cứu ở trong nước và ngoài nước về công nghệ hàn SAW đã có một số kết luận sau:
5. 5 Công nghệ SAW đã được rất nhiều tác giả ở trong nước và trên thế giới nghiên cứu về vật liệu, công nghệ, đến năng suất và chất lượng Song các công trình nghiên cứu về SAW chỉ chủ yếu tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các bộ thông số chính, các mối quan hệ giữa các thành phần mẻ liệu TiO2, SiO2, Al2O3 mà chưa có công trình nào đề cập đến ảnh hưởng của bộ thông số TiO2, SiO2, MnO2 tới cấu trúc và cơ tính của mối hàn, Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là phối mẻ liệu trợ dung hàn gốm AR, sử dụng nguồn nguyên liệu trong nước chủ động về công nghệ cũng như nguồn nguyên liệu hàn thép hợp kim thấp và thép cacbon thấp làm việc trong môi trường chịu tải trọng tĩnh và chịu tải trọng động có cơ, lý tính đồng bền với kim loại cơ bản, từ đó giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu. CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÀN HỒ QUANG DƯỚI LỚP TRỢ DUNG GỐM 2.2. Ảnh hưởng của một số thành phần hợp kim trong trợ dung hàn gốm 2.2.1. Ôxyt titan Việc bổ sung TiO2 cho thấy sự dẻo dai và cơ học được cải thiện, sự hình thành vi lượng sắt ferit, cấu trúc của mối hàn gồm ferit và peclit vanadi và các oxit khác, Các mẫu thép được thử nghiệm trong môi trường -20°C. 2.2.2. Ôxit Mangan Ảnh hưởng của oxit mangan, trong khoảng 18 đến 22 %, trên cấu trúc vi mô và tính chất cơ học đã được thử nghiệm, thành phần kim loại mối hàn với các đặc tính tác động đạt được ở mức 22% oxit mangan, 2.2.3. Ôxit Silic Các đặc tính quan trọng như khả năng tách rời xỉ tốt hơn, độ ổn định của hồ quang và hợp kim hóa. Việc chuyển hóa chất xỉ và kim loại mối hàn là do sự kết hợp của dây hàn và thành phần hóa học của trợ dung gốm 2.4.3. Phân loại xỉ hàn 2.4.3.1. Phân loại theo tính axit hay bazơ Xỉ hàn axit khi A > 1; Xỉ hàn bazơ khi B >1; Xỉ hàn trung bình khi A = 1; 2.4.3.2. Phân loại theo độ hoạt tính Theo [14]các giá trị của tính toán độ hoạt tính (H) của xỉ hàn được chia như sau: Xỉ hoạt tính cao khi H > 0,6;
6. 6 Xỉ hoạt tính khi H = 0,6 ÷ 0,3; Xỉ hoạt tính thấp khi H = 0,3 ÷ 0,1; Xỉ trung tính khi H ≤ 0,1; Kết luận chương 2 Từ nội dung trên đây có các kết luận sau: Đã phân loại và xác định các thành phần cơ bản của trợ dung hàn gốm, đánh giá ưu, nhược điểm của từng loại làm cơ sở khoa học cho việc chọn điều kiện thí nghiệm. Đã nghiên cứu tìm hiểu tính chất của vật liệu chế tạo trợ dung hàn gốm, ảnh hưởng của một số thành phần hợp kim đến chất lượng kết cấu thép. Từ việc nghiên cứu lý thuyết nói trên làm cơ sở khoa học cho việc lựa chọn giá trị của các thông số công nghệ hàn, thành phần mẻ liệu và giải pháp công nghệ chế tạo phù hợp với điều kiện trang thiết bị hiện có ở Việt Nam để phục vụ thí nghiệm cho đề tài Luận án. CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU, TRANG THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1. Vật liệu 3.1.1. Kim loại cơ bản dùng trong nghiên cứu Theo tiêu chuẩn GB/T1591-2008 [48], thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp có 30 loại, trong đó các loại số 20, 25 được gọi là thép số 3. Thép được phân làm 4 nhóm A, B, C, D đảm bảo về tính năng cơ học, thành phần hoá học hoặc đảm bảo cả hai 3.1.1.1. Thép cacbon thấp Thép cacbon thấp Q235 theo tiêu chuẩn Trung Quốc GB/T700-2006 [45,89] với hàm lượng không quá 0,20% cacbon được sử dụng làm kim loại cơ bản 3.1.1.2. Thép hợp kim thấp Thép hợp kim thấp Q460D theo tiêu chuẩn GB/T1591-2008 của Trung Quốc chứa đến 0,2% C thuộc nhóm thép mềm (0,15 ÷ 0,29 % C) được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp 3.1.1.3. Dạng mối hàn dùng trong nghiên cứu Hình dạng và kích thước liên kết thép hợp kim thấp Q460D và liên kết thép cacbon thấp Q235 theo tiêu chuẩn AWS D1.1 [19] được minh họa lần lượt trên hình 3.1a và 3.1b.
7. 7 a. Thép Q460D b. Thép Q235 Hình 3.1. Mẫu hàn thực nghiệm 3.1.2.4. Nguyên liệu trong nước sử dụng chế tạo trợ dung hàn gốm Nguyên liệu được dùng để chế tạo trợ dung hàn gốm, phần lớn là sản xuất trong nước cho chất lượng tốt và ổn định, các nguyên liệu này có mặt ở nhiều nơi nước ta [1,13]. 3.3. Phương pháp mô phỏng quá trình hàn bằng phần mềm Sysweld Mô phỏng có thể giúp người nghiên cứu kiểm soát trường nhiệt độ, sự phân bố ứng suất dư hay biến dạng hàn và trong nghiên cứu thực nghiệm thường rất tốn kém cả về tài chính và thời gian. Thông qua mô phỏng, có thể chọn được các thông số công nghệ hàn hợp lý [2, 4] và đã thu được những kết quả đáng kể. 3.4. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Tác giả đã ứng dụng quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp Taguchi [42, 46]. Đây là phương pháp được sử dụng nhiều trong kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí. 3.4.1. Quy hoạch thực nghiệm Hiện nay có nhiều phương pháp [9] để thiết lập các điều kiện và tiến hành các thí nghiệm cho bộ 3 thông số, mỗi thông số 3 mức như phương pháp quy hoạch trực giao cấp 1, cấp 2 hay phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi (bảng 3.14). Bảng 3.14. Phương án thực nghiệm Taguchi mảng L9 Số thí nghiêm TiO2 (%) MnO2 (%) SiO2 (%) 1 1 1 1 2 1 2 2 3 1 3 3 4 2 1 2 5 2 2 3 6 2 3 1 7 3 1 3 8 3 2 1 9 3 3 2
8. 8 3.4.2. Tính toán, lựa chọn chế độ hàn Các thông số chế dộ hàn thực nghiệm được trình bày trong bảng 3.17 và 3.18. Bảng 3.17. Bảng thông số chế độ hàn liên kết giáp mối thép Q460D Lớp Đường Cường độ Điện áp Tốc độ Năng lượng kính dây dòng điện hàn hàn đường qd d(mm) hàn Ih (A) Uh (V) Vh (m/h) (cal/cm) 1 2 350 31 23 3260 2,3 14 2 360 32 22.2 3586 Bảng 3.18. Bảng thông số chế độ hàn liên kết giáp mối thép Q235 Lớp Đường Cường độ Điện áp Tốc độ hàn Năng lượng kính dây dòng điện hàn Vh (m/h) đường qd d(mm) hàn Ih (A) Uh (V) (cal/cm) 1 2 350 31 23 3260 2,3 8 2 360 32 22.2 3586 Kết luận chương 3 - Đã nghiên cứu tính toán bài toán phối liệu trợ dung hàn gốm dựa theo tiêu chuẩn ISO 14174 – 2004, đã chọn miền khảo sát các yếu tố MnO2: 18 ÷ 22%, TiO2: 8 ÷ 12%, SiO2: 12 ÷ 16 %. - Lựa chọn được kim loại cơ bản và dạng liên kết theo các tiêu chuẩn, kiểm nghiệm chất lượng của các mẻ liệu thuốc hàn đã được chế tạo, mô phỏng quá trình hàn trên phần mềm chuyên dụng Sysweld được thực hiện. - Thiết kế thực nghiệm Taguchi với mảng trực giao phù hợp (mảng L9), đồng thời áp dụng phân tích phương sai ANOVA để xác định mức hợp lý và giá trị ảnh hưởng của các thành phần TiO2, MnO2, SiO2 trong mẻ liệu trợ dung gốm đến chỉ tiêu cơ tính yêu cầu. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÀNH PHẦN MẺ LIỆU TRONG TRỢ DUNG GỐM ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN KẾT CẤU THÉP 4.1. Mô phỏng số trường nhiệt độ khi hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung gốm 4.4.1. Kết quả mô phỏng Nhiệt độ nhỏ nhất trong liên kết Min = 53.2oC tại nút (noude) 81993 là vùng ngoài nguồn nhiệt. Nhiệt độ lớn nhất trong liên kết Max = 4931.17oC tại nút 312 chính là tâm nguồn nhiệt (hình 4.1).
9. 9 a. Liên kết hàn mô phỏng, b. Liên kết hàn thực nghiệm Hình 4.1. Mặt cắt ngang của liên kết hàn 4.2. Hình dạng kích thước mối hàn thực nghiệm Trợ dung hàn nóng chảy tốt che phủ toàn bộ bề mặt bể hàn, hàn xong chỉ cần gõ nhẹ toàn bộ xỉ hàn đều bong tróc độ bong tróc đến gần 100%, mối hàn nhẵn, sạch, không kẹt rỗ khí. 4.3. Tổ chức kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt Thép Q460D - Mẫu 5 (112), hình 4.6. Tổ chức bao gồm: - Mối hàn: Ferit mầu sáng, có một ít Peclit, Cacbit mầu tối và tạp chất. - HAZ: Ferit mầu sáng, có một ít Peclit mầu tối a. Vùng mối hàn b. Vùng ảnh hưởng nhiệt Hình 4.6. Tổ chức tế vi của mẫu 5 thép Q460D sử dụng trợ dung gốm với thành phần 10% TiO2, 14% SiO2, 22% MnO2 a. Vùng mối hàn b. Vùng ảnh hưởng nhiệt Hình 4.7. Tổ chức tế vi của mẫu 9 thép Q460D sử dụng trợ dung gốm với thành phần 12% TiO2, 16% SiO2, 20% MnO2 Thép Q460D - Mẫu 9 (221), hình 4.7. Tổ chức bao gồm: - Mối hàn: Ferit mầu sáng, có một ít Peclit, mầu tối và tạp chất - HAZ: Ferit mầu sáng, có một ít Peclit mầu tối
10. 10 a. Vùng mối hàn b. Vùng ảnh hưởng nhiệt Hình 4.8. Tổ chức tế vi của mẫu 5 thép Q235 sử dụng trợ dung gốm với thành phần 10% TiO2, 14% SiO2, 22% MnO2 Thép Q235 - Mẫu 5 (112), hình 4.8. Tổ chức bao gồm: - Mối hàn: Ferit mầu sáng, có một ít Peclit mầu tối và tạp chất - HAZ: Ferit mầu sáng, có một ít Peclit mầu tối a.Vùng mối hàn b. Vùng ảnh hưởng nhiệt Hình 4.9. Tổ chức tế vi của mẫu 9 thép Q235 % thành phần: 12 % TiO2, 16% SiO2, 20% MnO2 Thép Q235 - Mẫu 9 (221), hình 4.9. Tổ chức bao gồm: - Mối hàn: Ferit mầu sáng, có một ít Peclit mầu tối và tạp chất - HAZ: Ferit mầu sáng, có một ít Peclit mầu tối Nhận xét: Lượng Titan cacbit (TiC) tăng lên trong mối hàn, các mẫu hàn cho tổ chức bao gồm ferit, peclit, cacbit. Hai loại bao gồm mầu sáng và tối, đã được quan sát, phân tích tổ chức của những sự bao phủ này cho thấy sự hiện diện của TiC. Ngược lại, sự bao phủ tối cho thấy hầu như không có nồng độ TiC. 4.4. Kết quả nghiên cứu cơ tính của mối hàn 4.4.1. Độ cứng kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt 4.4.1.1. Thép Q235 Các mẫu hàn có hàm lượng MnO2 ở mức 22% cho độ cứng vùng mối hàn (VMH) và vùng ảnh hưởng nhiệt (VAHN) cao nhất, đặc biệt là mẫu số 5 cho độ cứng 217(HV) ở VAHN và 190 (HV) ở VMH, các mẫu số 3, mẫu
11. 11 5 và mẫu 7, tương ứng với SiO 2 ở mức 12,14,16 %, trong đó ở mức 14% đạt 217 (HV) ở VAHN, 190 (HV) ở VMH, độ chênh lệch ở các mẫu 5 và mẫu 7 là không đáng kể, độ cứng tỷ lệ thuận với hàm lượng MnO2 trong trợ dung gốm ở các mẫu 5 và 7 và tỷ lệ nghịch với hàm lượng SiO 2, các thành phần mẻ liệu cho độ cứng cao nhất trong kim loại mối hàn có 22% MnO 2 (bảng 4.1). Bảng 4.1. Kết quả thử độ cứng mẫu thép Q235 theo TCVN 258-1:2007 Độ cứng (HV) MnO STT Mã TiO (%) SiO (%) 2 Vùng ảnh hưởng Vùng mối 2 2 (%) nhiệt (VAHN) hàn (VMH) 1 0 8 12 18 179 157 2 11 8 14 20 185 162 3 22 8 16 22 193 164 4 101 10 12 20 198 166 5 112 10 14 22 217 190 6 120 10 16 18 209 185 7 202 12 12 22 212 187 8 210 12 14 18 196 168 9 221 12 16 20 187 157 4.4.1.2. Thép Q460 Với hàm lượng 8% TiO2 không thay đổi ở các mẫu (1, 2, 3) với 10% TiO2, ở mẫu (4, 5, 6) và 12% TiO2 ở các mẫu (7, 8, 9), khác với độ cứng tỷ lệ thuận với hàm lượng trong trợ dung hàn MnO2 (bảng 4.1). Độ cứng trong bảng 4.2 tỷ lệ nghịch với hàm lượng MnO2 ở VAHN và VMH, các mẫu số 1, số 6, số 8 với 18% MnO2, có độ chênh lệch không đáng kể, ở các mẫu 2,4,9 với hàm lượng 20% MnO2 cho độ cứng ở VAHN và VMH thấp nhất, tuy nhiên với mẫu 4 độ cứng ở VMH chỉ đạt 234 (HV). Bảng 4.2. Kết quả thử độ cứng mẫu thép Q460 theo TCVN 258-1:2007 Độ cứng (HV) TiO SiO STT Mã 2 2 MnO (%) Vùng ảnh hưởng nhiệt Vùng mối (%) (%) 2 (VAHN) hàn (VMH) 1 0 8 12 18 258 161,0 2 11 8 14 20 248 155,0 3 22 8 16 22 287 164,0 4 101 10 12 20 234 156,0 5 112 10 14 22 269 180,0 6 120 10 16 18 252 162,0 7 202 12 12 22 268 178,0 8 210 12 14 18 261 160,0 9 221 12 16 20 258 161,0
12. 12 4.4.2. Độ bền kéo Bảng 4.3. Kết quả thử kéo mẫu, TCVN 197:2002 thép Q235 Các mẫu hàn có hàm lượng MnO2 ở mức 22% cho độ bền tương đối đồng đều, sự chênh giữa các mẫu (5,7) không quá lớn, với mẫu (3) có sự khác biệt hơn các mẫu còn lại (5,7), (bảng 4.3). Với mẫu số (1,6,8) ở mức 18% MnO 2 có sự chênh lệch tương đối lớn ở giới hạn chảy và độ bền kéo, tuy nhiên độ giãn dài tương đối ở mẫu (1) lớn hơn rất nhiều so với các mẫu (6,8) ở ngưỡng giữa, với mức 20% MnO2 mẫu (9) cho giới hạn chảy 582 (MPa) và độ bền đạt 641(MPa) cao nhất Từ kết quả trên kết luận rằng, việc bổ sung thêm 2% MnO2 trong mẻ liệu giúp tinh chỉnh cấu trúc của mối hàn hơn nữa nó cải thiện tính bền của mối hàn. Bảng 4.4. Kết quả thử kéo mẫu theo, TCVN 197:2002 thép Q460 Các mẫu hàn có hàm lượng MnO2 ở mức 22% cho độ bền tương đối đồng đều nhưng so với các mức còn lại (18, 20%) độ bền ở các mẫu giảm đi rất nhiều, sự chênh giữa các mẫu số (3, 5) không quá lớn, với mẫu số (7) có sự khác biệt hơn các mẫu còn lại (3,5), tuy nhiên ở mức này độ bền của mối
13. 13 hàn giảm đi tương đối khi tăng tỷ lệ % MnO2 lên (22%), (bảng 4.4) 4.4.3. Độ dai va đập Bảng 4.5. Kết quả thử va đập mẫu thép Q235, theo TCVN 312-1:2007, TCVN 258-1:2007 Thép Q235 STT Mã TiO (%) SiO (%) MnO (%) 2 2 2 Độ dai va đập (J) 1 0 8 12 18 57 2 11 8 14 20 28 3 22 8 16 22 36 4 101 10 12 20 28 5 112 10 14 22 61 6 120 10 16 18 42 7 202 12 12 22 31 8 210 12 14 18 47 9 221 12 16 20 42 Ở mức 18% MnO 2 (bảng 4.5), tương ứng với 12, 14, 16 % SiO2 độ dai va đập có sự chênh lệch nhưng không quá lớn như các mẫu (1, 6, 8), điều này chứng tỏ sự ảnh hưởng của Mn tới cơ tính của kim loại mối hàn là rất lớn, trong đó mẫu (5) có độ dai va đập đạt 61(J) khả năng sử dụng lâu dài hơn (bảng 4.5) . Chỉ tiêu này rất quan trọng khi mối hàn làm việc trong điều kiện tải trọng động lớn Bảng 4.6. Kết quả thử va đập mẫu thép Q460D theo TCVN 312-1:2007, TCVN 258-1:2007 Thép Q460D STT Mã TiO (%) SiO (%) MnO (%) 2 2 2 Độ dai va đập (J) 1 0 8 12 18 49,0 2 11 8 14 20 57,0 3 22 8 16 22 60,0 4 101 10 12 20 28,0 5 112 10 14 22 64,0 6 120 10 16 18 38,0 7 202 12 12 22 45,0 8 210 12 14 18 48,0 9 221 12 16 20 20,0 Nhận xét: - Giới hạn bền của 3 mẫu thay đổi cũng không theo quy luật tăng giảm hàm lượng (TiO2, SiO2, MnO2), nhưng điểm chú ý ở đây là giới hạn bền của mẫu số (1) tăng đột biến, khi TiO2, SiO2, MnO2 ở mức dưới, ở mức 18% MnO2, tương ứng với 12, 14, 16 % SiO2 độ dai va đập có sự chênh lệch
14. 14 lớn ở các mẫu (1, 6, 8), điều này chứng tỏ sự ảnh hưởng của MnO 2 tới cơ tính của kim loại mối hàn là rất lớn, trong đó mẫu (5) có độ dai va đập đạt 64(J) hơn gấp 3 lần so với mẫu (4, 9), điều đó thể hiện sự hợp lý khi tăng hàm lượng MnO2, hàm lượng TiO2, SiO2 ở ngưỡng giữa dẫn đến tăng mạnh độ bền kéo, giới hạn chảy và giảm độ dai va đập, độ dãn dài điều này đồng nghĩa với việc giảm nồng độ MnO2, SiO2 sẽ làm giảm b ,ch, và tăng. Chỉ tiêu này rất quan trọng khi mối hàn làm việc trong điều kiện tải trọng động lớn. Tương tự ở những mức 20%, 22% MnO2 phần lớn các mẫu có độ dai va đập thấp (5, 8, 9) hơn các mẫu còn lại (bảng 4.6). 4.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần TiO2; SiO2; MnO2 đến cơ tính mối của mối hàn 4.5.1. Ảnh hưởng của từng cặp tham số (TiO2, SiO2), (SiO2, MnO2), (TiO2, MnO2) 4.5.1.1. Đối với thép Q460 Sử dụng phần mềm Matlab, xây dựng được hàm quan hệ tương quan thực nghiệm dạng hàm đa thức bậc 2 theo các yếu tố đánh giá với từng cặp tham 2 yếu tố như sau: 2 2 f (x1, x2 ) a0 a1x1 a2 x2 a3x1 a4 x1x2 a5x2 Hàm số trên được xác định bởi các bảng dữ liệu thực nghiệm tương ứng với các chỉ tiêu đánh giá, giới hạn chảy (MPa), độ giãn dài (%), độ dai va đập (J) và độ cứng (HV) theo từng cặp biến (x1=TiO2,x2=SiO2),(x1=SiO2, x2= MnO2) và (x1=TiO2, x2= SiO2). Bảng 4.9. Hàm quan hệ tương quan với từng cặp tham số Thép Q460D Chỉ tiêu Cặp tham số a0 a1 a2 a3 a4 a5 R RMSE Giới hạn (x1=TiO2, x2= SiO2) 579,2 59,18 -36,5 -37 -1,51 -17,1 0,890 42,79 chảy (x1=SiO2, x2= MnO2) 515,6 -36,5 1,56 -17,1 -41,7 34,6 0,655 85,225 (MPa) (x1=TiO2, x2= MnO2) 533,2 59,18 1,56 -37 24,94 34,6 0,830 53,278 (x1=TiO2, x2= SiO2) 23,22 -0,58 1,299 -3,25 1,31 3,125 0,667 5,721 Độ giãn (x =SiO , x = MnO ) 16,22 1,299 -0,43 3,125 0,937 4,63 0,664 4,721 dài (%) 1 2 2 2 (x1=TiO2, x2= MnO2) 21,89 -0,57 -0,43 -3,25 -0,38 4,63 0,679 5,17 (x1=TiO2, x2= SiO2) 32,89 -7,65 4,91 2,38 -2,63 11,75 0,712 12,85 Va đập (x =SiO , x = MnO ) 45,89 4,91 -0,58 11,75 4,88 -12,3 0,809 10,447 (J) 1 2 2 2 (x1=TiO2, x2= MnO2) 54,2 -7,65 -0,58 2,38 -6,75 -12,3 0,786 11,072 (x1=TiO2, x2= SiO2) 170,3 2,74 5,63 -7,13 2,81 2,63 0,863 5,510 Độ cứng (x =SiO , x = MnO ) 162,7 5,63 -4,04 2,63 -2,81 1,5 0,710 8,023 (HR) 1 2 2 2 (x1=TiO2, x2= MnO2) 171,3 2,74 -4,04 -7,12 -3,75 1,5 0,719 7,888 Chú ý: R là hệ số tương quan; RMSE là sai lệch quân phương.
15. 15 Dựa vào Hàm quan hệ tương quan với từng cặp tham số (bảng 4.9), sử dụng phần mềm Matlab vẽ đồ thị 3D, thể hiện sự phân bố ảnh hưởng của tỷ lệ % đối với các chỉ tiêu đánh giá của các thông số thí nghiệm với % mẻ liệu (hình 4.12). a . b. c Hình 4.12. Phân bố sự ảnh hưởng của tỷ lệ các cặp tham số đến các chỉ tiêu đánh giá mẫu thép hàn Q460D. a . Tỷ lệ TiO2 và SiO2, b. Tỷ lệ TiO2 và MnO2, c. Tỷ lệ SiO2 và MnO2. Bảng 4.10. Các chỉ tiêu của các mẻ liệu với 9 mẫu thép hàn (Q460D) TiO SiO MnO Chỉ tiêu 2 2 2 8% 10% 12% 12% 14% 16% 18% 20% 22% Giới hạn chảy trung 446.3 561 542 542 500,3 548,3 565,6 543,6 481,3 bình (MPa) Độ giãn dài trung bình 22,3 26 21 25,6 19 24,6 23 20,3 26 (%) Độ dai va đập trung 55,3 43,3 37,6 40,6 38,3 56,3 45 35 56,3 bình (J) Độ cứng trung bình (HV) 160 172,6166,3 171,6 165 162,3 161 164 174 Với 8 % TiO2 cho độ dai va đập 55,3(J), 16 % SiO 2 đạt 56,3(J) và 56,3(J) ở mức 22% MnO2 cho độ dai va đập cao nhất, TiO2 tỷ lệ nghịch khi tăng % trong thành phần mẻ liệu, SiO2, MnO2 tỷ lệ thuận với % mẻ liệu, điều đó chứng tỏ khi tăng hàm lượng % TiO2, MnO2 trong mẻ liệu, cũng sẽ dẫn tới tăng độ dai va đập của kim loại mối hàn (bảng 4.10). 4.5.1.2. Đối với thép Q235 Thực hiện các bước tương tự như đối với thép Q460D, ta thu được hàm quan hệ tương quan với từng cặp số cho mẫu thép Q235
16. 16 Bảng 4.11. Hàm quan hệ tương quan với từng cặp tham số mẫu thép hàn Q235 Chỉ Cặp tham số a a a a a a R RMSE tiêu 0 1 2 3 4 5 Giới (x1=TiO2, x2= SiO2) 541,6 -13,6 2,89 -1,75 -5,25 -2,5 0,71839,739 hạn (x1=SiO2, x2= MnO2) 516,6 2,89 17,61 -2,5 6,94 26 0,81719,924 chảy (MPa)(x1=TiO2, x2= MnO2) 515,9 -13,6 17,61 -1,75 -3,01 26 0,988 4,98 Độ (x1=TiO2, x2= SiO2) 22,33 -2,59 1,73 2,25 0,94 -3 0,907 2,141 giãn (x1=SiO2, x2= MnO2) 24 1,73 -0,43 -3 2,81 0,375 0,772 3,35 dài (%) (x1=TiO2, x2= MnO2) 19,33 -2,59 -0,43 2,25 0,75 0,375 0,727 4,831 Va (x1=TiO2, x2= SiO2) 35 -0,14 -2,59 -2,63 0,937 9,75 0,65815,632 đập (x1=SiO2, x2= MnO2) 36,67 -2,59 0,577 9,75 3,75 -4,5 0,90214,105 (J) (x1=TiO2, x2= MnO2) 47,67 -0,14 0,577 -2,63 6 -4,5 0,70716,337 Độ (x1=TiO2, x2= SiO2) 171,3 4,19 4,47 -10,9 2,25 10,12 0,819 9,068 cứng (x1=SiO2, x2= MnO2) 164,3 4,47 -0,58 10,12 -9,56 -3 0,884 7,267 (HV) (x1=TiO2, x2= MnO2) 183 4,186 -0,58 -10,9 -6,94 -3 0,68511,978 Chú ý: R là hệ số tương quan; RMSE là sai lệch quân phương Dựa vào hàm quan hệ tương quan với từng cặp tham số (bảng 4.11), sử dụng phần mềm Matlab vẽ đồ thị 3D, thể hiện sự phân bố ảnh hưởng của tỷ lệ % đối với các chỉ tiêu đánh giá của các thông số thí nghiệm với % mẻ liệu (hình 4.13). Hình 4.13. Phân bố sự ảnh hưởng của các cặp tham số đến các chỉ tiêu đánh giá mẫu thép hàn Q235 a. Tỷ lệ TiO2 và SiO2, b. Tỷ lệ TiO2 và MnO2, c. Tỷ lệ SiO2 và MnO2 Thành phần mẻ liệu có tác động đáng kể lên độ cứng, độ dai va đập và độ bền kéo. Tuy nhiên, nội dung này chỉ phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ từng cặp (TiO2, SiO2), (SiO2, MnO2), (TiO2, MnO2) đến cơ tính của mối hàn. Phần tiếp theo của luận án sẽ đánh giá ảnh hưởng đồng thời tỷ lệ của cả TiO2, SiO2, MnO2 đến các chỉ tiêu cơ tính của mối hàn (bảng 4.12).
17. 17 Bảng 4.12. Các chỉ tiêu của các mẻ liệu với 9 mẫu thép hàn (Q235) TiO SiO MnO Chỉ tiêu 2 2 2 8% 10% 12% 12% 14% 16% 18% 20% 22% Giới hạn chảy 594 539 531 528 514,3 576 533 549,6 536,3 trung (MPa) Độ giãn dài 25,6 19,6 19,6 22,3 21,3 21,3 18,3 24,3 22,3 trung bình (%) Độ va đập trung 40,3 43,6 40 38,6 45,3 40 48,6 32,6 42,6 bình (J) Độ cứng trung 161 180,3 170,6 170 173,3 168,6 170 161,6 180,3 bình (HV) 4.5.2. Ảnh hưởng của đồng thời các tỷ lệ thành phần TiO2; SiO2; MnO2 4.5.2.1. Đối với mẫu hàn bằng thép Q460D Sử dụng phân tích phương sai (ANOVA) để đánh giá ảnh hưởng của các tỷ lệ TiO2, SiO2, MnO2 tới các chỉ tiêu cơ tính. ➢Ảnh hưởng của các tỷ lệ TiO 2, SiO2, MnO2 tới độ bền mối hàn Với 3 yếu tố, mỗi yếu tố 3 mức như trên ta chọn mảng trực giao là mảng L9, khi đó ta có 9 điều kiện thử nghiệm như 9 hàng (bảng 4.14). Bảng 4.14. Các điều kiện thử nghiệm, kết quả đo và tỷ lệ S/N của độ bền kéo 2 -6 STT M TiO2 (%) SiO2 (%) MnO2 (%) σb (MPa) yi MSD(10 ) S/N 1 0 8 12 18 587 344569 2.90 55.37 2 11 8 14 20 454 206116 4.85 53.14 3 22 8 16 22 564 318096 3.14 55.03 4 101 10 12 20 669 447561 2.23 56.51 5 112 10 14 22 566 320356 3.12 55.06 6 120 10 16 18 674 454276 2.20 56.57 7 202 12 12 22 634 401956 2.49 56.04 8 210 12 14 18 671 450241 2.22 56.53 9 221 12 16 20 680 462400 2.16 56.65 Dựa vào kết quả tính S/N ở (bảng 4.14) và áp dụng các công thức từ (4- 1) đến công thức (4-11) ta tính được các thông số của quá trình phân tích phương sai ANOVA, Căn cứ vào kết quả thực nghiệm, theo các bước phân tích phương sai từ công thức (4.1) đến (4.11) vẽ được các biểu đồ phân mức các yếu tố và biểu đồ tỷ lệ phần trăm ảnh hưởng của các yếu tố như (hình 4.14) dưới đây.
18. 18 Chú ý X, Y, Z lần lượt là các yếu tố TiO2; SiO2; MnO2 Hình 4.14. Biểu đồ phân mức của các yếu tố cho độ bền kéo của mối hàn a) Phân mức TiO2; b) phân mức SiO2; c) phân mức của MnO2 Mức phù hợp của các yếu tố để có độ bền kéo lớn nhất là TiO2 mức 3, SiO2 mức 3 và MnO2 mức 1. Giá trị độ bền kéo dự đoán là: Yopt T (X 3 T ) (Y3 T ) (Z1 T ) 723 (Mpa) Căn cứ vào đồ thị phân bố ảnh hưởng của các thông số TiO2 mức 3; SiO2 và MnO2 tới độ bền kéo mối hàn ta nhận thấy rằng: TiO2 có ảnh hưởng nhiều nhất là 63,69%, SiO2 ảnh hưởng ở mức thấp hơn là 24,13%, MnO 2 ảnh hưởng nhỏ nhất 12,78%. Từ sự phân bố này cho thấy khi cần thiết kế mối hàn với độ bền kéo lớn ta nên ưu tiên điều chỉnh tỷ lệ TiO2. Kết hợp với phương trình hồi quy vừa tìm được đã xây dựng các đồ thị biểu thị ảnh hưởng của thành phần mẻ thuốc hàn (hình 4.16). Hình 4.16. Đồ thị sự phụ thuộc của độ bền kéo vào từng mẻ thuốc hàn ở mức tối ưu dưới dạng lũy thừa 3D ➢Ảnh hưởng của các tỷ lệ TiO 2, SiO2, MnO2 tới độ cứng mối hàn Tương tự từ kết quả kiểm tra độ cứng mối hàn, ta cũng xác định được mức phù hợp của các tỷ lệ TiO2, SiO2, MnO2 trong trợ dung hàn như biểu đồ (hình 4.17) phân mức dưới đây: Hình 4.17. Biểu đồ phân mức của các yếu tố cho độ cứng của mối hàn a) Phân mức TiO2; b) phân mức SiO2; c) phân mức của MnO2
19. 19 Với yêu cầu về đặc trưng chất lượng lớn hơn thì tốt hơn thì mức phù hợp của các yếu tố để có độ cứng lớn nhất là TiO 2 mức 3, SiO2 mức 1 và MnO2 mức 3. Giá trị độ cứng dự đoán là: Yopt T (X 3 T ) (Y1 T ) (Z3 T ) 177,11(Mpa) Từ kết quả trên ta có đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của các tỷ lệ TiO2, SiO2, MnO2 tới độ cứng mối hàn (Hình 4.19) Hình 4.19. Đồ thị sự phụ thuộc của độ cứng vào từng trợ dung gốm ở mức tối ưu dưới dạng lũy thừa 3D ➢Ảnh hưởng của các tỷ lệ TiO 2, SiO2, MnO2 tới dai va đập mối hàn Hình 4.20. Biểu đồ phân mức của các yếu tố cho độ dai va đập của mối hàn a) Phân mức TiO2, b) phân mức SiO2, c) phân mức của MnO2 Từ hình 4.20 ta thấy mức phù hợp của các tỷ lệ TiO2, SiO2 và MnO2 để đạt độ dai va đập lớn nhất tương ứng lần lượt là: 1,2,3. Giá trị độ dai va đập dự đoán của mối hàn khi sử dụng trợ dung hàn có các tỷ lệ TiO2; SiO2 và MnO2 ở mức trên là: Yopt T (X1 T ) (Y2 T ) (Z3 T ) 77,11(J / cm2) Căn cứ vào đồ thị phân bố ảnh hưởng của các thông số tới độ cứng mối hàn ta nhận thấy rằng: Các yếu tố TiO 2, SiO2, MnO2 ảnh hưởng khá đều tới độ dai va đập của mối hàn. Tỷ lệ phần trăm ảnh hưởng của chúng gần ngang nhau, lần lượt là 28,58%, 31,4% và 40,02% . Tuy nhiên xu hướng ảnh hưởng của chúng tới độ dai va đập của mối hàn là thuận hay nghịch cần được làm rõ để có thể có lựa chọn phối liệu trong thuốc hàn cho
20. 20 phù hợp. Để giải quyết vấn đề này ta cũng đưa ra hàm hồi quy giữa độ dai va đập và các yếu tố TiO2, SiO2, MnO2. Thực hiện tương tự như đối với độ bền mối hàn ta có quan hệ sau (Hình 4.22): Hình 4.22. Đồ thị sự phụ thuộc của độ dai va đập vào từng mẻ trợ dung gốm ở mức tối ưu dưới dạng lũy thừa 3D ➢ Xác định mức các tỷ lệ TiO2, SiO2 và MnO2 đáp ứng đồng thời các chỉ tiêu cơ tính. Trong phần trên ta thấy rằng các tỷ lệ TiO2, SiO2 và MnO2 đều ảnh hưởng tới các chỉ tiêu cơ tính mối hàn. Nhưng quy luật ảnh hưởng của từng thông số đến từng chỉ tiêu cơ tính là khác nhau. Với mỗi chỉ tiêu cơ tính ta đã tìm được mức phù hợp và xu thế ảnh hưởng của các thông số tới nó qua việc phân mức các yếu tố và xây dựng hàm nội suy. Tuy nhiên như đã thấy, các thiết kế tốt nhất cho chí tiêu này lại có thể không phù hợp cho tiêu chí khác. Để khắc phục điều này và đảm bảo các tỷ lệ TiO2, SiO2 và MnO2 tìm được có thể thỏa mãn đồng thời nhiều tiêu chí một cách tương đối, ta sẽ sử dụng chỉ số đánh giá tổng thể (OEC) để giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu. Hình 4.23. Biểu đồ phân mức các tỷ lệ TiO2, SiO2 và MnO2 cho chỉ số đánh giá tổng thể OEC Nhìn vào biểu đồ Hình 4.23 phân mức (Hình 4.23) của các yêu tố ta thấy rằng: Để chỉ số OEC đạt cao nhất thì mức tối ưu của các tỷ lệ TiO2, SiO2 và MnO2 lần lượt là các mức 3,1,3. 4.5.2.2. Đối với mẫu hàn bằng thép Q235 Tiến hành thực nghiệm tương tự đối với mẫu thép Q235 với các loại trợ dung gốm, với tỷ lệ các thành phần như thực hiện với thép Q460D ta được
21. 21 kết quả các chỉ tiêu cơ tính như (hình 4.25) a) Phân mức các tỷ lệ TiO2, SiO2, MnO2 tới độ bền mối hàn b)Phân mức các tỷ lệ TiO2, SiO2, MnO2 tới độ dai va đập mối hàn c)Phân mức các tỷ lệ TiO2, SiO2, MnO2 tới độ cứng mối hàn Hình 4.25. Phân mức các tỷ lệ TiO2, SiO2, MnO2 tới các đặc trưng cơ tính mối hàn khi hàn thép Q235 Với yêu cầu về đặc trưng chất lượng lớn hơn thì tốt hơn thì mức phù hợp của các thành phần trợ dung hàn gốm để có độ bền kéo lớn nhất là TiO2 mức 1, SiO2 mức 3 và MnO2 mức 2. Để đạt được độ dai va đập lớn nhất thì mức phù hợp của các thành phần TiO2, SiO2, MnO2 lần lượt là mức 2; mức 2 và mức 1 và để đạt được độ cứng lớn nhất thì mức phù hợp của các thành phần TiO2, SiO2, MnO2 tương ứng sẽ là mức 2,2,3. Kết quả các hàm nội suy của 3 chỉ tiêu cơ tính mối hàn như sau: - Hàm nội suy của độ bền mối hàn với 3 yếu tố TiO2, SiO2, MnO2 -0,105 0,26 -0,08  b = 487,06.X Y Z (4-22) - Hàm nội suy của độ dai va đập mối hàn với 3 yếu tố TiO2, SiO2, MnO2 0.062 0,308 -0,89 Ak = 218,73X Y Z (4-23)
22. 22 - Hàm nội suy của độ cứng mối hàn với 3 yếu tố TiO2, SiO2, MnO2 Hv = 50,03X1,55Y-0.022Z0,28 (4-24) a) Đồ thị 3D của chỉ tiêu độ bền mối hàn b) Đồ thị 3D của chỉ tiêu độ dai va đập mối hàn c)Đồ thị 3D của chỉ tiêu độ cứng mối hàn Hình 4.27. Đồ thị sự phụ thuộc của độ bền, độ dai va đập và độ cứng vào từng mẻ liệu trợ dung ở mức tối ưu dưới dạng lũy thừa 3D. Nhận xét: - Từ các hàm nội suy (4-22) và đồ thị 4.27a ta thấy độ bền kéo tỷ lệ thuận với SiO2 và tỷ lệ nghịch với TiO2 và MnO2. Khi tăng SiO2 thì độ bền kéo tăng, tăng TiO2 và MnO2 thì độ bền kéo giảm . - Từ hàm nội suy (4-23) và đồ thị 4.27b ta thấy độ dai va đập tỷ lệ thuận với TiO2 và SiO2, tỷ lệ nghịch với MnO2. Khi tăng TiO2 và SiO2 thì độ dai va đập tăng, tăng MnO2 thì độ dai va đập giảm. - Từ hàm nội suy (4-24) và đồ thị 4.27c ta thấy độ cứng tỷ lệ thuận với TiO2 và MnO2, tỷ lệ nghịch với SiO2. Khi tăng TiO2 và MnO2 thì độ cứng tăng, tăng SiO2 thì độ cứng giảm.
23. 23 Kết luận chương 4 1) Kết quả mô phỏng có thể sơ bộ đánh giá được mức độ phù hợp của bộ thông số hàn đã lựa chọn dựa trên trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn cũng như hình dạng mặt cắt ngang của mối hàn. Từ đó sẽ giảm thiểu được số lần hàn thực nghiệm thăm dò tìm chế độ hàn hợp lý tránh được các khuyết tật về nhiệt. 2) Đã lựa chọn được mẻ liệu để hàn thép Q460 với 8% TiO2, 12% SiO2, 18% MnO2 và mẻ liệu có 12% TiO2, 16% SiO2, 20% MnO2 và thép Q235 với mẻ liệu 10% TiO2, 14% SiO2, 22% MnO2 và mẻ liệu 12% TiO2, 16% SiO2 và 20% MnO2, 3) Sử dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm của Taguchi và phân tích phương sai ANOVA đã xác định được: - Các mức phù hợp của các tỷ lệ thành phần mẻ liệu thuốc hàn cho hàm mục tiêu về độ bền kéo, độ cứng và độ dai va đập cao nhất, đồng thời tỷ lệ ảnh hưởng của các thông số trên tới từng chỉ tiêu về cơ tính mối hàn cũng được tính toán cụ thể. - Xây dựng được mô hình toán học thể hiện quan hệ giữa các chỉ tiêu cơ tính với các tỷ lệ TiO2, SiO2, MnO2 bằng các hàm hồi quy phi tuyến, từ đó đánh giá xu hướng ảnh hưởng của các tỷ lệ TiO2, SiO2, MnO2 đến các chỉ tiêu cơ tính của mối hàn. 4) Kết quả cho thấy MnO2 có ảnh hưởng nhiều nhất tới OEC hay nói cách khác nó ảnh hưởng nhiều nhất tới chỉ tiêu cơ tính của mối hàn (71,66%). Tiếp đến là TiO2 (27,91%) và cuối cùng là SiO2 (0,43%). Mức tối ưu của các tỷ lệ TiO2, SiO2 và MnO2 lần lượt là các mức 3,1,3. KẾT LUẬN CHUNG Từ các kết quả nghiên cứu của luận án có thể rút ra các kết luận sau: 1) Qua nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước cho thấy, trợ dung hàn gốm đã được sản xuất theo quy mô công nghiệp lớn ở các nước phát triển, trong khi đó ở Việt Nam vì nhiều lí do khác nhau, việc nghiên cứu triển khai chế tạo loại trợ dung này còn nhiều hạn chế, đặc biệt là trong sản xuất thương phẩm. 2) Bằng phương pháp tính toán, đã xác định được tỷ lệ thành phần mẻ liệu từ nguồn nguyên liệu có sẵn trong nước để chế tạo trợ dung gốm hệ AR. Kết quả này đã được ứng dụng để thực nghiệm. 3) Thực nghiệm được tiến hành theo thiết kế Taguchi. Qua phân tích
24. 24 phương sai ANOVA đã xác định được: - Tỷ lệ thành phần của TiO2, SiO2 và MnO2 phụ thuộc vào độ bền, độ cứng và độ dai va đập của kim loại mối hàn - Hàm nội suy toán học biểu diễn mối quan hệ của các tỉ lệ thành phần mẻ liệu trợ dung đến tính chất cơ học của mối hàn: Đối với thép Q460D, phương trình hồi quy về độ bền kéo:  640,92X 0,547Y 0,022Z 0,457 , b độ cứng HV 49,286X 0,96Y 0,372Z 0,05 , độ dai va đập A 56,23X 1,13Y 0,285Z 1,019 k . Đối với thép Q235, hàm nội suy của độ bền mối hàn: -0,105 0,26 -0,08  b = 487,06.X Y Z , 0.062 0,308 -0,89 độ dai va đập Ak = 218,73X Y Z , độ cứng mối hàn Hv = 50,03X1,55Y-0.022Z0,28 . 4) Thực hiện tối ưu hóa đa mục tiêu sử dụng chỉ số đánh giá tổng thể OEC kết hợp với phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi và phân tích phương sai ANOVA, thỏa mãn đồng thời 3 chỉ tiêu cơ tính của mối hàn là TiO2 (12%), SiO2 (12%), MnO2 (22%). Kết quả cho thấy MnO2 có ảnh hưởng nhiều nhất tới chỉ tiêu cơ tính của mối hàn (71,66%), tiếp đến là TiO2 (27,91%) và cuối cùng là SiO2 (0,43%). Mức tối ưu của các tỷ lệ TiO2, SiO2 và MnO2 lần lượt là các mức 3, 1, 3. 5) Đã lựa chọn được mẻ liệu để hàn thép Q460 với độ bền kéo: 12% TiO2, 16% SiO2, 18% MnO2, với độ cứng: 8% TiO2, 16% SiO2, 22% MnO2, với độ dai va đập: TiO 2 (8%) , SiO2 (14%), MnO2 (22%); hàn thép Q235 với độ bền kéo mẻ liệu có: 8% TiO 2, 16% SiO2, 20% MnO2, độ dai va đập: TiO2 (10%), SiO2 (14%), MnO2 (18%) và độ cứng lớn mẻ liệu 10% TiO 2, 14% SiO2 và 22% MnO2. 6) Kết quả thực nghiệm của các mối hàn về cơ bản có cơ tính khác nhau song đều đảm bảo yêu cầu về hình dạng kích thước theo tiêu chuẩn đánh giá đã chọn. 7) Thông qua mô phỏng, có thể sơ bộ đánh giá được mức độ phù hợp của bộ thông số hàn đã lựa chọn. Từ đó sẽ giảm thiểu được số lần hàn thực nghiệm thăm dò tìm chế độ hàn hợp lý tránh được các khuyết tật về nhiệt.