Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp đã thành công làm chủ công nghệ chế tạo vật liệu và sản xuất chụp khí bằng sứ dùng cho máy hàn TIG. Đồng thời, sản xuất 10 sản phẩm chụp khí bằng sứ dùng cho máy hàn TIG, tạo tiền đề để nghiên cứu sản xuất các sản phẩm sứ kỹ thuật có hình dạng phức tạp và độ chính xác cao.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều các phương pháp hàn khác nhau, phổ biến nhất trong đời sống hàng ngày mà chúng ta thường gặp là hàn TIG. Phương pháp hàn TIG sử dụng khí trơ (Ar, He hoặc Ar+He) để ngăn cản những tác động có hại của oxy và nitơ trong không khí. Khí trơ này được dẫn hướng vào thông qua chụp khí. Môi trường làm việc tại vùng hàn là vô cùng khắc nghiệt nên sản phẩm chụp khí phải đáp ứng được các tiêu chí như chịu được nhiệt độ cao, cường độ cơ học tốt, cách điện tốt.
Do vậy chụp khí thường được lựa chọn là các vật liệu gốm sứ như hệ corundum, hệ zircon, hệ silic nitrua. Mỗi hệ có những ưu nhược điểm khác nhau về yếu tố kỹ thuật, mức độ phổ biến về nguyên vật liệu, tính kinh tế nên cần được đánh giá để lựa chọn nghiên cứu và sản xuất. Sản phẩm chụp khí bằng sứ dùng cho máy hàn TIG có kích thước nhỏ gọn, thành mỏng, có ren trong. Các phương pháp tạo hình cơ bản trong lĩnh vực gốm sứ thường khó đảm bảo về cường độ mộc, độ chính xác về kích thước. Do vậy, cần phải nghiên cứu phương pháp mới để thực hiện quá trình tạo hình cho sản phẩm.
Các mẫu chụp khí bằng sứ trên thị trường Việt Nam (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Việc nghiên cứu thành công quá trình tạo ren cho sản phẩm cũng là tiền đề cho việc nghiên cứu tạo hình cho các sản phẩm gốm sứ kỹ thuật khác như các chi tiết có ren, chi tiết kết cấu hình dạng phức tạp, chi tiết có kích thước nhỏ, mỏng. Đây là các sản phẩm đang có nhu cầu trong và ngoài nước rất lớn mà đất nước ta chưa sản xuất được. Nhận thấy được vấn đề đó, Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp đề xuất và được Bộ Công Thương giao thực hiện đề tài: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất chụp khí bằng sứ dùng cho máy hàn TIG”. Đề tài do KS Trần Đoàn Trưởng làm chủ nhiệm.
Mục tiêu của đề tài nhằm làm chủ công nghệ chế tạo vật liệu và sản xuất chụp khí bằng sứ dùng cho máy hàn TIG. Đồng thời, sản xuất 10 sản phẩm chụp khí bằng sứ dùng cho máy hàn TIG với các thông số kỹ thuật phù hợp nhằm tạo cơ sở để nghiên cứu sản xuất các sản phẩm sứ kỹ thuật có hình dạng phức tạp và độ chính xác cao. Các nội dung nghiên cứu thực hiện bao gồm: Khảo sát, lựa chọn nguyên liệu; Nghiên cứu xác lập đơn phối liệu; Nghiên cứu quy trình tạo hình sản phẩm; Nghiên cứu quy trình loại bỏ hữu cơ sau tạo hình; Nghiên cứu quy trình nung sản phẩm; Chế thử sản phẩm và đánh giá chất lượng.
Đánh giá tổng quan
Chụp khí là một chi tiết trong mỏ hàn. Chụp khí tại đầu mỏ hàn có tác dụng điều hướng và phân phối khí trơ để đuổi hết không khí tại vùng hàn, tránh khuyết tật cho chi tiết hàn. Môi trường làm việc tại đây cũng vô cùng khắc nghiệt do nhiệt độ tại vùng hồ quang hàn TIG cao và thay đổi đột ngột trong quá trình hàn. Do vậy chụp khí phải vừa có khả năng chịu nhiệt độ cao vừa phải có độ bền sốc nhiệt tốt. Ngoài ra, chụp khí còn phải có điện trở cao để đảm bảo an toàn khi sử dụng. Để đảm bảo tất cả các yếu tố trên, sản phẩm chụp khí làm bằng sứ là lựa chọn hàng đầu.
Trên thị trường, chụp khí bằng sứ dùng cho máy hàn TIG thường được sản xuất từ các công ty Trung Quốc. Các sản phẩm này được xuất khẩu đi nhiều nơi trên thế giới như Mỹ và các nước châu u như Pháp, Đức, Anh…Tại Việt Nam, các sản phẩm chụp khí bằng sứ cũng được nhập khẩu từ Trung Quốc. Do vậy, nhóm thực hiện khảo sát các sản phẩm chụp khí từ Trung Quốc và lựa chọn sản phẩm để nghiên cứu.
Tủ sấy (trái) và lò nung (phải) được sử dụng trong đề tài (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Các sản phẩm chụp khí bằng sứ dùng cho máy hàn TIG trên thị trường khá đa dạng về kích thước. Quá trình lựa chọn kích thước đầu chụp khí bằng sứ thường được dựa trên đường kính của điện cực. Đường kính trong của chụp khí phải có giá trị ít nhất gấp 3 lần đường kính điện cực nhằm cung cấp đủ lượng khí bảo vệ mối hàn. Ví dụ, khi sử dụng đường kính điện cực là 1,6 mm thì ta phải sử dụng chụp khí có đường kính tối thiểu 4,8 mm.
Theo khảo sát của nhóm thực hiện đề tài, chụp khí bằng sứ dùng cho máy hàn TIG hiện được sản xuất bằng corundum điện nóng chảy màu hồng với hàm lượng Al2O3 đạt 95,91%. Nguyên liệu corundum điện nóng chảy có ưu điểm: hàm lượng Al2O3 cao, chủ yếu ở dạng α- Al2O3, độ co nung thấp. Nhưng nhược điểm là nguồn cung cấp nguyên liệu trong nước rất khó khăn và không ổn định.
Mẫu đề tài được đo trên thiết bị đo điện trở suất khối tại đại học Bách Khoa Hà Nội (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Do vậy, nhóm không lựa chọn corundum điện nóng chảy làm nguyên liệu chính thực hiện đề tài mà ưu tiên lựa chọn nhôm oxit làm nguyên liệu chính. Nhóm thực hiện lựa chọn các nhôm oxit đang có trên thị trường là nhôm oxit Việt Nam, nhôm oxit Trung Quốc, nhôm oxit Pháp để phân tích và đánh giá chất lượng.
Dựa trên các kết quả khảo sát, nghiên cứu, nhóm thực hiện đề tài thực hiện tiết lập bài toán phối liệu qua việc đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng titan oxit đến mức độ kết khối của sản phẩm sau nung và hàm lượng phụ gia PP và PW đến quá trình loại bỏ hữu cơ 2 giai đoạn. Đồng thời, xác định thông số công nghệ trong quá trình tạo hình, cũng như tính toán thiết kế và chế tạo bộ khuôn tạo hình. Cuối cùng là đưa ra quy trình công nghệ và chế thử sản phẩm.
Bộ khuôn tạo hìn sản phẩm chụp khí bằng sứ của đề tài (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Kết quả nghiên cứu
Sau hơn một năm nghiên cứu (từ tháng 4 năm 2021 đến tháng 12 năm 2022), đề tài đã hoàn thành các mục tiêu đề ra và đạt được nhiều kết quả nổi bật. Trong đó, đã nghiên cứu tổng quan về phương pháp hàn TIG, chụp khí bằng sứ dùng cho máy hàn TIG, các hệ vật liệu sản xuất chụp khí bằng sứ, qua đó lựa chọn được hệ vật liệu corundum là hệ vật liệu để sản xuất chụp khí bằng sứ dùng cho máy hàn TIG.
Sản phẩm chụp khí bằng sứ dùng cho máy hàn TIG của đề tài (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)
Đồng thời, xây dựng được đơn phối liệu dùng để sản xuất hệ vật liệu corundum bao gồm nhôm oxit Pháp làm nguyên liệu chính, các phụ gia bao gồm phụ gia khoáng hóa titan oxit (Trung Quốc); phụ gia hóa dẻo PW (Trung Quốc); phụ gia tạo khung xương PP (Trung Quốc); phụ gia hoạt động bề mặt SA (Trung Quốc). Lựa chọn được phương pháp tạo hình sản phẩm là phương pháp tạo hình dẻo sử dụng chất hóa dẻo hữu cơ.
Đề tài cũng thành công thiết kế được 2 bộ khuôn tạo hình để sản xuất mẫu chụp khí bằng sứ nón cụt và mẫu chụp khí bằng sứ số 08; Xác định được thông số quá trình tạo hình là áp lực ép 30 MPa, thời gian lưu 10s, nhiệt độ tạo hình sản phẩm 160°C.
Bên cạnh đó, lựa chọn được phương pháp loại bỏ hữu cơ là phương pháp 2 giai đoạn sử dụng dung môi kết hợp nhiệt, với dung môi là dầu hỏa. Giai đoạn 1, mẫu được ngâm trong dung môi dầu hỏa ở nhiệt độ 60°C trong 20h. Giai đoạn 2, được thực hiện theo chu trình gia nhiệt từ nhiệt độ môi trường đến 350°C tốc độ 2°C/phút, lưu 1h. Tăng nhiệt độ 350°C lên 500°C với tốc độ 1°C/phút, lưu 3h.
Ngoài ra, đề tài đã xác lập được chu trình nung mẫu với nhiệt độ nung cao nhất là 1550°C và thời gian lưu là 5h. Và chế thử thành công 5 sản phẩm chụp khí nón cụt và 5 chụp khí mẫu 08 cho chất lượng đạt yêu cầu theo thuyết minh đề tài. Mẫu đi thử nghiệm tại cơ sở sản xuất cho chất lượng tương đương với sản phẩm phổ thông trên thị trường.
Hàn TIG ( Tungsten Inert gas) còn có tên gọi khác là hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy (tungsten) trong môi trường khí bảo vệ – GTAW ( Gas Tungsten Arc Welding ) thường được gọi với tên hàn Argon hoặc WIG ( Wolfram Inert Gas). Sử dụng các loại khí bảo vệ như: Argon, Heli, Argon+Heli, Argon +Hidro hoặc Argon+oxy. Phương pháp hàn TIG được áp dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, đặc biệt rất thích hợp trong hàn thép hợp kim cao,kim loại màu và hợp kim của chúng.Phương pháp hàn này thông thường được thao tác bằng tay và có thể tự động hóa hai khâu di chuyển hồ quang cũng như cấp dây hàn phụ. Thường được sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ,trong sản xuất xe không gian, hoặc sử dụng để hàn các tấm mỏng, ống thành mỏng trong ngành công nghiệp xe đạp. Thường được sử dụng trong quá trình phục chế sửa chữa các chi tiết bị hỏng,đặc biệt là các chi tiết làm bằng nhôm và magie. Ưu điểm của phương pháp hàn TIG là có thể hàn được kim loại mỏng hoặc dày do thông số hàn có phạm vi điều chỉnh rộng (từ vài Ampe đến vài trăm ampe). Hàn được các kim loại và hợp kim có chất lượng cao. Mối hàn sạch đẹp, không lẫn xỉ và văng tóe.Kiểm soát được độ ngấu và hình dạng vũng hàn dễ dàng. Có thể sử dụng hoặc không sử dụng que đắp để tạo nên mối hàn. |
Minh Khuê
