Đánh giá ảnh hưởng của một số thông số công nghệ tới tổ chức và tính chất mối hàn vật liệu Titan Grade 2 - Sái Mạnh Thắng

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 239 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TỚI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT MỐI HÀN VẬT LIỆU TITAN GRADE 2 Sái Mạnh Thắng1*, Phạm Văn Trường2, Trần Quang Minh3 Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu công nghệ hàn TIG trên vật liệu tấm titan grade 2 với chiều dày 3mm. Xem xét ảnh hưởng của một sô thông số hàn như dòng điện I, lưu lượng khí bảo vệ Q, khoảng cách từ đầu kim hàn tới mối hàn e lên cơ tính và tổ chức của mối hàn, từ đó chọn các thông số hàn tối ưu cho cơ tính tổng hợp tốt và khảo sát tổ chức mối hàn ở chế độ này. Từ khóa: Hàn TIG; Titan grade 2; Hàn grade 2; Công nghệ hàn titan. 1. MỞ ĐẦU Titan và các hợp kim titan là vật liệu ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các ngành hàng không, công nghiệp ô tô, hóa chất, y sinh học, hàng hải và thương mại. Ti được sử dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng vật liệu kết cấu cần sự kết hợp của trọng lượng nhẹ, độ bền cao, chống ăn mòn, chống dão nhiệt hoặc giữ được tính chất ở nhiệt độ cao mà các hợp kim nhôm, thép độ bền cao hoặc siêu hợp kim niken không có được. Hàn là công nghệ quan trọng để tạo mối ghép cho các kết cấu. Titan và hầu hết các hợp kim titanium công nghiệp đều có khả năng hàn. Có thể hàn nóng chảy, hàn điện trở, laze, chùm điện tử, hàn khuếch tán và hàn áp lực và được ứng dụng để tạo ra các mối nối cho titan và hợp kim titan. Các phương pháp hàn Hàn hồ quang khí điện cực vonfram (Gas tungsten arc welding - GTAW) - còn được gọi là hàn TIG (Tungsten Inert gas) và hàn hồ quang kim loại khí (Gas metal arc welding - GMAW) - thường được gọi là hàn MIG (Metal Inert gas) được áp dụng khá phổ biến cho hàn Titan [1]. Trong đó, hàn TIG được sử dụng rộng rãi để hàn các hợp kim titan và nhiều vật liệu chất lượng cao khác, thích hợp cho việc hàn các vật liệu từ mỏng tới dày, hàn bằng tay, bán tự động hoặc hoàn toàn tự động. Titan là kim loại rất hoạt động nhất là ở trạng thái lỏng và ở nhiệt độ cao, titan dễ dàng phản ứng với các nguyên tố H, O, N, C, với một hàm lượng nhỏ các nguyên tố này cũng tạo ra các hợp chất gây dòn và làm giảm nhanh chóng cơ tính vật liệu, do vậy khi hàn cần phải được bảo vệ bằng khí trơ như Ar hoặc He. Hàn TIG titan sử dụng điện cực vonfram cần phù hợp để vũng hàn nóng chảy không bị nhiễm bẩn vonfram. Titan không hợp kim grade 2 (theo tiêu chuẩn Mỹ UNS R50400 có thành phần C0,1; Fe0,3; H0,015; O0,25; N0,03 còn lại là Ti )[3] là titan kỹ thuật không hợp kim, kết hợp được các tính chất như độ bền, tính chống ăn mòn tốt và khả năng hàn tốt. Vì vậy, nó được sử dụng phổ biến cho chế tạo khung thân và các chi tiết động cơ máy bay. Các ứng dụng chịu ăn mòn môi trường biển, các ống và bình áp lực, các ứng dụng y học như cấy ghép xương và chỉnh hình, ống ngưng, bộ trao đổi nhiệt Trên thế giới công nghệ hàn titan đã được nghiên cứu và đạt những thành tựu lớn cho các phương pháp hàn hợp kim titan, phát triển các công nghệ hàn khác nhau, ứng dụng cho nhiều lĩnh vực [4][5][6]. Tại Việt Nam một số công nghệ hàn titan đã được chuyển giao trong một số lĩnh vực như dầu khí, đóng tàu, y học, tuy nhiên số công trình nghiên cứu về hàn titan trong nước công bố chưa nhiều. Bài báo này nghiên cứu công nghệ hàn TIG trên vật liệu tấm titan grade 2 với chiều dày 3mm. Đánh giá ảnh hưởng của một sô thông số công nghệ hàn như dòng điện, lưu lượng khí bảo vệ, khoảng cách từ đầu kim hàn tới mối hàn tới cơ tính và tổ chức của mối hàn. Đây là một số thông số chính trong thao tác hàn và ảnh hưởng lớn tới chất lượng mối hàn. Cơ học – Cơ khí động lực S. M. Thắng, P. V. Trường, T. Q. Minh, “Đánh giá ảnh hưởng vật liệu titan grade 2.” 240 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM HÀN Với mục tiêu khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn là cường độ dòng điện (I), lưu lượng khí bảo vệ (Q), khoảng cách điện cực (e) tới cơ tính mối hàn. Sử dụng phương pháp Box-Behnken quy hoạch thực nghiệm cho 3 thông số trên cho kết quả cần thực hiện 17 mẫu hàn với các chế độ khác nhau về cường độ dòng điện, lưu lượng khí, khoảng cách từ điện cực tới mối hàn để xác định được giá trị tối ưu, 3 thông số hàn cho trong bảng 2. Thực nghiệm hàn trên tấm titan grade 2; chiều dày 3 mm có thành phần hóa học như bảng 1: Bảng 1. Thành phần hóa học tấm titan grade 2 khảo sát hàn. Al Zr Mo V Si Mn Cr Ni Fe Cu W O N Ti 0.004 <0.003 0.0005 <0.001 0.012 <0.001 0.014 0.002 0.12 0.003 <0.002 0.072<0.002 99.8 Chọn chế độ công nghệ thí nghiệm hàn TIG như sau: Máy hàn ZX7 – 200, chiều dày tấm titan: 3 mm. Số lớp hàn: 2. Dòng điện hàn thay đổi từ 70-130 A. Hiệu điện thế hàn: 15V. Điện cực vonfram WT20 (0.8-4.2% ThO2) đường kính: 3.2 mm. Khoảng cách từ điện cực tới bề mặt kim loại hàn thay đổi từ 1,54,5 mm. Khí bảo vệ agon độ sạch 99,99%, lượng khí bảo vệ hướng mối hàn: 1220 lít/phút, mặt sau: 5 l/phút. Đồ gá duy trì khoảng cách, mẫu tấm hàn, cho trên hình 1 và hình 2. Hình 1. Hàn TIG với đồ gá hàn và khí bảo vệ. Hình 2. Tấm sau hàn. Tấm sau hàn được cắt mẫu thử độ bền kéo, đo độ cứng mối hàn, xác định ảnh hưởng của thông số hàn để chọn chế độ hàn tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm. 3. ĐÁNH GIÁ XÁC ĐỊNH KHOẢNG TỐI ƯU CHO CƠ TÍNH MỐI HÀN 3.1. Kết quả đo cơ tính Mẫu sau hàn được cắt dây, phay bằng vị trí mối hàn, Kích thước mẫu kéo (theo tiêu chuẩn TCVN 5403-1991) như trên hình 3, hình 4. Kết quả đo cơ tính gồm độ cứng, độ bền, độ giãn dài cho trong bảng 2. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 241 Hình 3. Mấu kéo. Hình 4. Mẫu kéo và giản đồ kéo. Bảng 2. Thông số thực nghiệm hàn và kết quả đo cơ tính. STT Tên mẫu Cường độ dòng điện. A Lưu lượng khí bảo vệ Lít/phút K/C điện cực mm Độ cứng mối hàn HV Độ bền kéo MPa Độ giãn dài, % 1 Mẫu 1 130 16 1,5 257,7 463,7 16,50 2 Mẫu 2 100 12 1,5 295,2 450,3 12,63 3 Mẫu 3 100 16 3 290,5 450,3 17,25 4 Mẫu 4 70 16 4,5 294,6 448,6 15,88 5 Mẫu 5 100 12 4,5 271,6 469,1 13,50 6 Mẫu 6 100 16 3 252,1 437,8 16,00 7 Mẫu 7 100 20 4,5 265,5 410,8 18,13 8 Mẫu 8 100 16 3 240,1 416,4 9,88 9 Mẫu 9 100 16 3 292,6 451,3 17,50 10 Mẫu 10 130 20 3 246,9 402,4 17,50 11 Mẫu 11 130 12 3 231,8 370,7 16,00 12 Mẫu 12 130 16 4,5 256,6 488,2 13,75 13 Mẫu 13 70 12 3 220,3 405,4 6,75 14 Mẫu 14 70 20 3 251,8 428,4 12,75 15 Mẫu 15 100 16 3 254,5 457,1 7,38 16 Mẫu 16 70 16 1,5 243,3 379,4 13,00 17 Mẫu 17 100 20 1,5 295,,1 452,6 6,75 18 Mẫu 0 0 0 0 257,7 492,7 18,5 Trong đó mẫu số 0 là mẫu phôi tấm kim loại hàn grade 2 dày 3mm: Cơ học – Cơ khí động lực S. M. Thắng, P. V. Trường, T. Q. Minh, “Đánh giá ảnh hưởng vật liệu titan grade 2.” 242 3.2. Mô phỏng tính toán lựa chọn khoảng tối ưu Sử dụng phương pháp Box-Behnken quy hoạch thực nghiệm không toàn phần với 3 mức. Phương pháp này có hiệu quả khi ước lượng các hệ số của đa thức bậc 2. Các thí nghiệm trong phương pháp Box-behnken được lấy từ các block ma trận trực giao với điểm giữa của miền thiết kế [2]. Mô hình toán học của bề mặt đáp ứng bậc 2 được mô tả như sau: = + ∑ . + ∑ . + ∑ ∑ . . + (1.1) Trong đó k là hệ số, ε là sai số và các tham số ; và được gọi là các hệ số hồi quy. Kết quả tính toán hàm mục tiêu: Độ bền kéo: y = −244,51033 − 1,04088. I + 79,30. Q + 83,38372. e − 0,096646. I. Q + 8,11111. 10. I. e − 1,55042. Q. e + 0,017548. I − 1,909. Q − 8,87622. e (1.2) Độ chính xác hàm mục tiêu độ bền kéo: = 0,9934 Độ cứng: y = −475,82889 + 5,62528. I + 37,52250. Q + 106,68556. e + 0,016875. I. Q − 0,24722. I. e + 0,40417. Q. e − 0,023964. I − 1,21672. Q − 13,60778. e (1.3) Độ chính xác hàm mục tiêu độ bền kéo: = 0,9921 Giá trị tối ưu:I = 126,31 A; Q = 16,6 lít/phút; e = 3,09 mm Giá trị của hàm mục tiêu tại điểm tối ưu: y = 299,32 ; y = 588,2 Các biểu đồ xây dựng từ thực nghiệm xây dựng được: hình 5 10 Hình 5. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện (I) và Lưu lượng khí bảo vệ (Q) tới độ bền kéo. Hình 6. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện (I) và K/c điện cực (e) tới độ bền kéo. Hình 7. Ảnh hưởng của lưu lượng khí bảo vệ (Q) và K/c điện cực (e) tới độ bền kéo. Hình 8. Ảnh hưởng của lường độ dòng điện (I) và Lưu lượng khí bảo vệ (Q) tới độ cứng. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 243 Hình 9. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện (I) và K/c điện cực (e) tới độ cứng. Hình 10. Ảnh hưởng của lưu lượng khí bảo vệ (Q) và K/c điện cực (e) tới độ cứng. Vùng tối ưu cho kết quả hàn được độ bền kéo và độ cứng lớn nhất. Trong thực nghiệm này, căn cứ trên các đồ thị đã xây dựng cho kết quả: cường độ dòng điện (I) tối ưu ở gần mức cao nhất, cho thấy khi cường độ dòng điện càng lớn thì càng làm tăng nhiệt mối hàn, tăng khả năng điền đầy khe hàn. Lưu lượng khí bảo vệ (Q) tối ưu gần mức trung bình khoảng khảo sát, cho thấy lưu lượng khí bảo vệ nhiều quá hay ít quá cũng không tốt. Khoảng cách điện cực tối ưu ở gần mức trung bình khoảng khảo sát. Giá trị tối ưu của các biến đầu vào xác định được là: - Cường độ dòng điện tối ưu: 126,29 A. - Lưu lượng khí bảo vệ tối ưu: 16,65 lít/phút. - Khoảng cách điện cực tối ưu: 3,12 mm. - Giá trị hàm mục tiêu độ bền kéo theo các giá trị đầu vào tối ưu: bmax = 488,2 MPa - Giá trị hàm mục tiêu độ cứng bề mặt theo các giá trị đầu vào tối ưu: Hmax = 287,96 HV Tiến hành thực hiện hàn tạo mẫu theo chế độ tối ưu về cơ tính đã khảo sát. Đánh giá, kiểm nghiệm cơ tính mối hàn vật liệu titan ở giá tri tối ưu tính toán, so sánh sai số với gái trị tối ưu: Kết quả độ bền kéo:  = 476,2 MPa. Sai số: 488,2 476,2 0,0246 2,46% 488,2b hq kc b b hq b            (1.4) Trong đó: e là giá trị sai lệch ;  là giá trị độ bền kéo theo hàm hồi quy;  là giá trị độ bền kéo của mẫu kiểm chứng. Kết quả đo độ cứng bề mặt, kết quả đo độ cứng mẫu kiểm chứng: Hkc = 292,3 HV. Sai số: 287,96 292,3 0,0151 1,51% 287,96 hq kc H hq H H H        (1.5) Trong đó: e là giá trị sai lệch ; Hhq là giá trị độ cứng bề mặt theo hàm hồi quy; Hkc là giá trị độ cứng bề mặt của mẫu kiểm chứng. Tiến hành thực hiện hàn tạo mẫu theo chế độ tối ưu về cơ tính đã khảo sát, phân tích thành phần và tổ chức mẫu: 4. KHẢO SÁT TỔ CHỨC MỐI HÀN Ở CHẾ ĐỘ TỐI ƯU 4.1. Phân tích thành phần Bảng 3. Thành phần phân tích mẫu tại vị trí hàn của mẫu kiểm chứng chế độ tối ưu. Al Zr Mo V Si Mn Cr Ni Fe Cu W O N Ti 0.005 0.004 <0.0003 <0.001 0.012 <0.001 0.013 0.002 0.12 0.001 <0.002 0.12 <0.002 99.7 Cơ học – Cơ khí động lực S. M. Thắng, P. V. Trường, T. Q. Minh, “Đánh giá ảnh hưởng vật liệu titan grade 2.” 244 So sánh thành phần hóa học của mối hàn ở chế độ tối ưu (bảng 3) với kim loại tấm grade 2 (bảng 1) có thể thấy: - Một số nguyên tố có thành phần thay đổi, giảm như các nguyên tố Mo, Cr, Cu. Đây là hiện tượng mất hợp kim trong quá trình hàn. - Một số nguyên tố có hàm lượng tăng như Al, Zr, O. Nguyên nhân là do hiện tượng tạp chất xâm nhập trong quá trình hàn. Đối với Titan, các tạp chất có ảnh hưởng rất lớn tới cơ tính mối hàn, đặc biệt là O, N, H, tuy nhiên, vẫn nằm trong khoảng cho phép của vật liệu grade2. 4.2. Phân tích tổ chức Phân tích tổ chức mối hàn kiểm chứng ở chế độ tối ưu, mẫu nền cho kết quả trên hình 11. Hình 11. Tổ chức tấm titan grade 2 hàn. Tổ chức kim loại nền cho thấy tổ chức đồng đều, hạt nhỏ, không khuyết tật. cỡ hạt 10- 20μm. Đây là tổ chức phôi tấm cán được xử lý làm nhỏ hạt và qua ủ. Hình 12. Tổ chức vùng hàn. Tổ chức tổ chức vùng hàn có kích thước hạt lớn, đa cạnh không đều, lớn hơn các vùng biên giới mối hàn và vùng kim loại nền. Đây là kết quả do quá trình nguội khi hàn cũng tương tự như quá trình nguội khi đúc. Thành phần không đều là các vùng mảng sáng tối chứng tỏ phân bố thành phần không đều khi nguội đông đặc. Hạt có kích thước 50- 200μm.Không xuất hiện khuyết tật lỗ rỗng khuyết tật tạp chất. Hình 13. Tổ chức biên vùng hàn. Tổ chức kim loại phần tiếp giáp giữa kim loại hàn nóng chảy và nền kim loại không chảy cho thấy phân giới hàn rõ rệt. Phần kim loại nền hạt nhỏ đồng đều. Phần kim loại hàn chảy và nguội có hạt thô to, thành phần không đều xuất hiện dưới ăn mòn tẩm thực là các vùng mảng sáng tối chứng tỏ phân bố thành phần không đều, tạp chất nhiều hơn. Hạt lớn, Nghiên c Tạp chí Nghi không đ khuy 4.3. và là các pha liên kim làm gi Thành ph hàn TIG các lo trí hàn trư ết tật lỗ rỗng hoặc hố ăn m Xray m Phân tích Xray ph So sánh v tấm Titan có tính hàn t kim lo ứu khoa học công nghệ ều, đa cạnh, cỡ hạt thay đổi có thể v ần ớc khi h ên c ối h ị trí, số l ại kim lo ứu KH&CN àn hàn ại vật liệu khác. H ại àn và m ần mối h ượng, c về c mối h ốt, các y ơ b quân s Hình 1 ư ản l ảm c àn gi ối h òn cho th àn so v ờng độ các pick cho thấy t à gi ống với ếu tố công nghệ h àn ph ự, Số 4. ơ tính. Đi àn TIG v ới tổ chức nền b Tổ chức bi ống nhau. 5. K ải đ Đặc san FEE, 08 ấy khả năng điền đầy v a - - Vùng m thành ph ược bảo vệ v Tấ ều n ẾT LU ật liệu Titan cần đặc biệt chú ý phải l ài ch m hàn ên m Không xu ày ch ố ần kim loại nền. Ậ àn TIG v ục tới h i hàn ối v ứng tỏ mối h N ùng m - ùng hàn ất hiện các pha khác ngo 20 àng trăm hành ph ật liệu Titan cũng t ối h 18 à b . ần hóa học àn c ảo vệ mối h àn đ ả mặt tr μm. ã Không xu đư ư vùng ợc bảo vệ tốt. ớc v àn ương t àm s à m ất hiện tốt. m ài Ti nh 245 ối hàn ự nh ạch vị ặt sau, ất ư Cơ học – Cơ khí động lực S. M. Thắng, P. V. Trường, T. Q. Minh, “Đánh giá ảnh hưởng vật liệu titan grade 2.” 246 cả vùng mối hàn Titan đang nguội xuống dưới 2000C. Hàn kết cấu Titan cần các đồ gá phù hợp để mối hàn được bảo vệ tốt. Thực nghiệm hàn TIG 17 mẫu trên vật liệu Titan Grade 2 với phôi tấm dày 3mm ở trạng thái cán, ủ với các thông số đầu vào thay đổi (cường độ dòng điện I, lưu lượng khí bảo vệ Q và khoảng cách điện cực e). Mẫu sau hàn được phân tích, đo các chỉ tiêu cơ tính về độ bền, độ cứng, xây dựng qui hoạch thực nghiêm cho thấy các thông số công nghệ hàn tối ưu là: I = 126,3 A; Q = 16,6 lít/phút; e = 3,1 mm. Thực hiện kiểm chứng trên chế độ tôi ưu đã chọn, phân tích kiểm tra tổ chức mối hàn ở chế độ tối ưu,kết quả đạt được b = 488,2 Mpa; H = 287,96 HV, độ giãn dài e = 18,1 %.So với mẫu tấm không hàn là :0 = 492,7 Mpa; H0 = 257,7 HV; độ giãn dài e0 = 18,5 %. Tổ chức mối hàn không rỗ xốp, thành phần được đảm bảo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ngô Lê Thông, “Công nghệ hàn điện nóng chảy, Tập 1,2”, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2004. [2]. TS. Đặng Xuân Phương, “Thiết kế tối ưu trong kỹ thuật và cơ khí với sự hỗ trợ của máy tính”, NXB Khoa học và kỹ thuật, TP Hồ Chí Minh, 2017. [3]. Rodney Boyer, Gerhard Welsch, E.W. Collings; “Materials properties handbook: titanium alloys”, ASM International, Fourth printing, August 2007, pp 100. [4]. Tadayuki OTANI, “Titanium Welding Technology”, NIPPON STEEL TECHNICAL REPORT No. 95 January 2007. [5]. J. J. Vagi, R. E. Monroe, R. M. Evans, and D. C. Martin, “Welding proceduces for titanium and titanium alloys”, Nasa Technical, October 1965. [6]. Tomáš Kramár, Ivan Michalec,. Pavel Kovačócy, “The laser beam welding of titanium grade 2 alloy”, GRANT journal ISSN 1805-062X, 1805-0638 (online), ETTN 072-11-00002-09-4 ABSTRACT ANALYZING THE EFFECT OF SOME WELDING PARAMETERS TIG TO PROPERTY AND MICROSTRUCTURE OF TITANIUM GRADE 2 The paper studies TIG welding technology on titanium sheet material with a thickness of 3mm. The influence of a number of welding parameters such as current I, protective gas flow Q, the distance from the tip of torch to the weld e, to the mechanical properties and microstructures, thereby selecting the suitable TIG welding parameters for this material. Keywords: TIG welding; Titanium grade 2; Welding titanium grade 2; Technology welding titanium. Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018 Địa chỉ: 1Viện Tên lửa-Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; 2Xí nghiệp X56- Hải quân; 3 Bộ môn Tên lửa- Học viện Kỹ thuật quân sự. * Email: smtbk77@yahoo.com.