Mô phỏng và thử nghiệm quá trình hàn vát mép chữ V giữa thép cacbon với thép không gỉ

36
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017
MÔ PHỎNG VÀ THỬ NGHIỆM QUÁ TRÌNH HÀN VÁT MÉP CHỮ V 
GIỮA THÉP CACBON VỚI THÉP KHÔNG GỈ
SIMULATION AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF SINGLE-V 
GROOVE BUTT WELD BETWEEN CARBON STEEL 
AND STAINLESS STEEL
Ngô Hữu Mạnh, Mạc Văn Giang
Email: manh.nh1981@gmail.com 
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 11/8/2017 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 26/9/2017 
Ngày chấp nhận đăng: 26/9/2017
Tóm tắt
Quá trình hàn giáp mối thép cacbon SS 400 với thép không gỉ SUS 304 bằng phương pháp hàn hồ 
quang gặp khá nhiều khó khăn. Đây là quá trình hàn hai loại vật liệu khác nhau về thành phần và đặc 
tính. Mối hàn yêu cầu không có khuyết tật, tổ chức ổn định, có độ bền cao trong quá trình làm việc. 
Trong bài báo này, nhóm tác giả nghiên cứu mô phỏng kết hợp thực nghiệm hàn thép không gỉ SUS 
304 với thép cacbon SS 400 bằng quá trình hàn SMAW. Trường nhiệt, ứng suất và biến dạng hàn được 
phân tích bằng phương pháp mô phỏng số trên phần mềm ANSYS. Phương pháp kim tương được sử 
dụng để phân tích cấu trúc tế vi kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt. Đây là cơ sở để thử nghiệm 
hàn các loại vật liệu tương tự và ứng dụng vào thực tế sản xuất.
Từ khóa: Hàn thép Austenite; hàn thép khác nhau; hàn thép không gỉ; mô phỏng số.
Abstract 
Dissimilar metal welding (DMW) process of single-V groove butt weld between SS 400 carbon steel 
and SUS 304 stainless steel is difficultly. This is welding process of dissimilar metal of composition and 
characteristic. The weld is require no defoct, stability microstructure and high strength. In this paper, 
authors are simulation and experimental analysis of shielded metal arc welding (SMAW) process between 
SUS 304 stainless steel and SS 400 carbon steel. The temperature fields, stress and distortion had 
been analysed by ANSYS software. Metallography method was used for analysis metal microstructure. 
There are data bases to experimental and application in dissimilar metal welding process.
Keywords: Austenite steel welding; dissimilar metal welding; stainless steel welding; numerical simulation.
1. GIỚI THIỆU CHUNG 
Ngày nay, việc liên kết hai loại vật liệu khác nhau 
bằng phương pháp hàn mặc dù gặp nhiều khó 
khăn nhưng con người vẫn thực hiện do yêu cầu 
của thực tế sản xuất và đời sống. Quá trình hàn 
nối các vật liệu khác nhau nhằm khai thác, sử 
dụng tối đa những đặc tính ưu việt của các loại 
vật liệu này.
Quá trình hàn thép không gỉ SUS 304 với thép 
cacbon SS 400 đang được ứng dụng trong nhiều 
lĩnh vực như nhiệt điện, hóa chất,... Một mặt nhằm 
sử dụng đúng vật liệu để phát huy tốt các đặc tính 
ưu việt của chúng. Mặt khác giúp tiết kiệm vật liệu 
tốt, giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm 
sau khi chế tạo. Tuy nhiên, vấn đề khó khăn ở đây 
là liên kết các loại vật liệu khác nhau hoàn toàn 
về thành phần và đặc tính này với nhau [6]. Khi 
hàn hai loại vật liệu không đồng nhất, trong nhiều 
trường hợp, để hàn nối các loại vật liệu này người 
ta thường phải sử dụng đến một lớp vật liệu trung 
gian được gọi là lớp đệm [7].
Kim loại khác nhau là các kim loại khác nhau về 
thành phần hóa học, đặc tính, tổ chức tế vi. Quá 
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 37
trình hàn các kim loại đồng nhất thường thuận 
lợi hơn khi hàn các kim loại khác nhau DMW [1]. 
Trong quá trình hàn, các nguyên tố hợp kim bị 
nóng chảy, hòa tan vào nhau tạo ra liên kim mới 
hoặc pha mới hoặc hợp chất mới. Quá trình này 
bị ảnh hưởng bởi quy trình hàn, quá trình luyện 
kim, tốc độ nguội [2]. Vì vậy, các yếu tố ảnh hưởng 
phải được nghiên cứu, phân tích trước khi hàn để 
loại bỏ những yếu tố bất lợi và hướng đến nhận 
được mối hàn và liên kết hàn tốt nhất. 
Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn 
FEM (finite element method) là giải pháp giúp 
phân tích các xu hướng xảy ra trong quá trình 
hàn. Đây là cơ sở khoa học để xây dựng quy trình 
hàn phù hợp với hơn thực tế và tiết kiệm chi phí 
sản xuất. Quá trình mô phỏng trường nhiệt, ứng 
suất và biến dạng hàn được thực hiện bằng phần 
mềm ANSYS.
2. VẬT LIỆU THỬ NGHIỆM
2.1. Vật liệu nền
Vật liệu nền gồm thép không gỉ SUS 304 và thép 
cacbon SS 400 dạng tấm, chiều dày 12 mm. Bề 
mặt của vật hàn được làm sạch và được gia công 
vát mép chữ V, góc vát 30o. Khe hở giữa hai 
tấm 2,5 - 3 mm, chiều dày phần không vát mép 
1,5 - 2,5 mm.
Hình 1. Chuẩn bị liên kết hàn
Bảng 1. Thành phần hóa học của thép SUS 304 [3]
%C %Si %Mn %S %P %Cr %Ni
0,08 0,75 2,0 0,03 0,045 18-20 8,0-10,5
Bảng 2. Cơ tính của thép SUS 304 [3]
Giới hạn bền 
(MPa)
Giới hạn chảy 
(MPa)
Độ giãn dài 
(%)
500 - 525 205 - 215 40
Bảng 3. Thành phần hóa học của thép SS 400 [5]
%C %Si %Mn %S %P %Cr %Ni
0,2 0,05-
0,17
0,4-
0,6
0,035 0,04 <0,3 0,3
Bảng 4. Cơ tính của thép SS 400 [5]
Giới hạn bền 
(MPa)
Giới hạn chảy 
(MPa)
Độ giãn dài 
(%)
400 - 510 225 - 245 23
2.2. Vật liệu hàn
Vật liệu hàn được sử dụng là que hàn hồ quang 
tay NC-39L tiêu chuẩn AWS A5.4 E309L-16, 
đường kính 3,2 mm của hãng Kobelco (Nhật Bản) 
sản xuất. 
Bảng 5. Thành phần hóa học của que hàn NC-39L [4]
%C %Si %Mn %S %P %Cr %Ni
0,03 0,6 1,5 0,005 0,02 23,13 12,5
Bảng 6. Cơ tính của của que hàn NC-39L [4]
Giới hạn 
bền (MPa)
Giới hạn 
chảy 
(MPa)
Độ giãn 
dài (%)
Độ dai va 
đập (V) ở 
0oC (J)
560 410 42 67
2.3. Đặc tính của vật liệu
Thép không gỉ SUS 304 có sự khác biệt lớn về cơ 
tính và lý tính so với thép SS 400.
Hình 2. Lý tính của thép SS 400 và SUS 304 [8]
Hình 3. Cơ tính của thép SS 400 và SUS 304 [8]
38
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017
Kết quả phân tích thấy rằng, tỉ trọng và độ dẫn 
nhiệt của thép SUS 304 với SS 400 có sự chênh 
lệch đáng kể. Điều này sẽ gây ảnh hưởng rất lớn 
đến quá trình phân bố nhiệt hồ quang khi hàn. Vì 
vậy, trong quá trình hàn, nguồn nhiệt hồ quang 
hướng sang thép SUS 304 là cần thiết để cân 
bằng nguồn nhiệt.
Hình 4. Quá trình chuyển từ trạng thái từ rắn 
sang lỏng của kim loại mối hàn
Quá trình phân tích đường đặc tính nhiệt thấy 
rằng, kim loại mối hàn chuyển từ trạng thái rắn 
sang trạng thái lỏng ở nhiệt độ khoảng 1450oC. 
Đây là cơ sở để điều tiết nguồn nhiệt lệch về phía 
vật liệu SUS 304 trong quá trình hàn. Sự điều tiết 
nguồn nhiệt giúp kiểm soát tốc độ chảy của kim 
loại và mức độ tham gia của vật liệu cơ bản vào 
mối hàn được tốt hơn. 
3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Mô phỏng quá trình hàn
Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng quá 
trình hàn giáp mối thép cacbon SS 400 với thép 
không gỉ SUS 304.
Bảng 7. Bảng thông số chế độ hàn
Chế độ hàn Ký hiệu Giá trị Ghi chú
Đường kính que hàn 
(mm) d 3,2
DCEP
Cường độ dòng hàn 
(A) Ih 100-110
Điện áp hàn (V) Uh 30-32
Vận tốc hàn 
(mm/phút) Vh 300-350
Các thông số chế độ hàn được xác định trên cơ 
sở lý thuyết và được điều chỉnh thông qua quá 
trình thực nghiệm. Các điều kiện biên được tác 
giả đưa ra gần giống điều kiện hàn thực tế.
Hình 5. Bắt đầu đường hàn
Hình 6. Nối tiếp đường hàn
Hình 7. Kết thúc đường hàn
Phân tích hình ảnh mô phỏng (từ hình 5 đến 
hình 7) thấy rằng, ở từng thời điểm sự phân bố 
nhiệt trong kim loại vũng hàn và trên mối hàn là 
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 39
khác nhau. Vùng ảnh hưởng nhiệt ở thời điểm bắt 
đầu đường hàn nhỏ hơn so với khi hàn đến giữa 
đường hàn và cuối đường hàn. Khi nguồn nhiệt 
dịch chuyển, ngay sau đó kim loại vũng hàn kết 
tinh để hình thành mối hàn. 
Sự phân bố nhiệt trong kim loại mối hàn không 
đồng đều giữa các vùng. Ở đường hàn thứ nhất, 
vùng ảnh hưởng nhiệt là không quá lớn. Ở đường 
hàn sau, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn hơn do hồ 
quang liên tục cung cấp nhiệt cho vật hàn.
Hình 8. Sự phân bố ứng suất hàn
Ở từng thời điểm, sự phân bố nhiệt trong kim loại 
mối hàn cũng khác nhau. Do sự chênh lệch về hệ 
số dẫn nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt nên khi hàn 
thép không gỉ SUS 304 và thép cacbon SS 400 
sẽ sinh ra ứng suất dư trong liên kết khi hàn. Đây 
là nguyên nhân gây ra biến dạng cho liên kết sau 
khi hàn.
Hình 9. Biến dạng khi hàn lớp thứ nhất
Sau khi hàn lớp thứ nhất ở trạng thái tự do, liên 
kết vát mép chữ V bị biến dạng góc do hiện tượng 
co ngang mối hàn. Ở giai đoạn đầu, mức độ biến 
dạng là không lớn. Về cuối đường hàn, mức độ 
biến dạng góc càng lớn do vùng ảnh hưởng nhiệt 
tăng lên và sự co ngót của vật liệu càng nhiều.
Hình 10. Biến dạng khi hàn lớp thứ hai
Sau khi hàn lớp thứ hai ở trạng thái tự do, mức 
độ biến dạng góc do hiện tượng co ngang mối 
hàn càng lớn. Do sự tác động của nguồn nhiệt hồ 
quang, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn dần theo thời 
gian dẫn đến sự biến dạng gia tăng.
Mức độ biến dạng ở các vùng là khác nhau. Ở 
vùng kim loại lỏng (vùng mối hàn), mức độ biến 
dạng là lớn nhất do sự co ngót của vật liệu khi 
nguội. Vì vậy, sau khi hàn, liên kết sẽ có xu hướng 
biến dạng theo cả phương dọc và phương ngang 
gây ra hiện tượng cong và vênh tấm.
3.2. Quy trình hàn 
Trước khi hàn, vật hàn được gia nhiệt 150÷250oC. 
Mối hàn được thực hiện ở vị trí hàn bằng. Với chiều 
dày 12 mm, mối hàn hoàn thiện bởi ba lớp.
Lớp hàn thứ nhất (lớp đáy) sử dụng phương pháp 
dao động que hàn hình răng cưa để đảm bảo 
chân mối hàn ngấu hết mép vật hàn, độ lồi chân 
mối hàn đảm bảo 1,0÷1,5 mm.
Hình 11. Chân mối hàn
Lớp phủ chỉ được thực hiện sau khi bề mặt mối 
hàn và mép vật hàn của lớp hàn trước đó được 
làm sạch để đảm bảo nhận được mối hàn tốt nhất, 
dao động que hàn hình răng cưa, biên độ dao 
động que hàn được điều chỉnh phù hợp với chiều 
rộng của mối hàn. 
40
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017
Hình 12. Bề mặt mối hàn
3.3. Tổ chức kim loại mối hàn và vùng ảnh 
hưởng nhiệt
Do sử dụng phương pháp hàn nóng chảy nên kim 
loại mối hàn là hỗn hợp gồm vật liệu cơ bản và vật 
liệu bổ sung từ que hàn. Vì hàn giáp mối hai loại 
vật liệu khác nhau hoàn toàn về thành phần và 
cơ tính, nếu thép SS 400 tham gia quá nhiều vào 
mối hàn sẽ làm giảm cơ tính, khả năng chịu nhiệt 
và khả năng chống ăn mòn của kim loại mối hàn.
Mẫu kiểm tra kim tương được cắt ra từ vật hàn. 
Sau đó, mẫu thử được mài bóng và tẩm thực màu 
để thuận lợi cho quá trình phân tích cấu trúc. Mẫu 
thử được quan sát và chụp ảnh bằng thiết bị hiển 
vi quang học (OM - Optical Microscopy) với độ 
phóng đại từ 50 đến 1000 lần. Kết quả phân tích 
ảnh chụp cấu trúc kim loại vùng mối hàn và vùng 
ảnh hưởng nhiệt như sau:
- Tại vùng kim loại mối hàn: Kim loại vùng mối hàn 
có cấu trúc gồm hai pha Ferrite và Austenite. Cấu 
trúc pha tương đối đồng đều, các pha sắp xếp khá 
ổn định.
Hình 13. Cấu trúc kim loại mối hàn thép SUS 304 
với thép SS 400
- Tại vùng ảnh hưởng nhiệt giữa tấm thép SUS 
304 với mối hàn có cấu trúc tương đối ổn định: 
Đường phân giới giữa mối hàn với kim loại nền 
SUS 304 là khá rõ nét; không thấy xuất hiện vết 
nứt hoặc tách lớp trong vùng phân giới tại vị trí 
kiểm tra.
Hình 14. Cấu trúc kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt 
giữa thép SUS 304 với mối hàn
- Tại vùng ảnh hưởng nhiệt giữa tấm thép SS 400 
với mối hàn do hai loại thép khác nhau về thành 
phần và cơ tính nên quá trình tẩm thực màu ưu 
tiên thể hiện cấu trúc của thép SS 400. Từ đường 
phân giới với mối hàn về phía tấm thép SS 400 
có sự thay đổi rõ rệt về tổ chức kim loại trong 
vùng ảnh hưởng nhiệt. Cấu trúc kim loại vùng 
ảnh hưởng nhiệt không còn dạng sóng/thớ như 
thép SS 400 ban đầu. Thay vào đó, các hạt có cấu 
trúc hạt nhỏ; càng xa mối hàn về phía tấm thép 
SS 400, mức độ ảnh hưởng của nguồn nhiệt càng 
giảm nên kích cỡ hạt càng thô to; không thấy xuất 
hiện vết nứt hoặc tách lớp trong vùng phân giới tại 
vị trí kiểm tra.
Hình 15. Cấu trúc kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt 
giữa thép SS 400 với mối hàn
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 41
4. KẾT LUẬN
- Quá trình mô phỏng đã xác định được xu thế 
biến dạng của kết cấu sau khi hàn nối thép SS 400 
với SUS 304. Liên kết bị cong dọc trục mối hàn và 
biến dạng góc do co ngang mối hàn. 
- Kim loại mối hàn có cấu trúc gồm hai pha Ferrite 
và Austenite. Không có hiện tượng tách lớp tại 
đường phân giới giữa thép SUS 304 và thép 
SS 400 với kim loại mối hàn.
- Hàn nối hai loại vật liệu thép cacbon SS 400 với 
thép không gỉ SUS 304 tiết kiệm được chi phí sản 
xuất và khai thác được đặc tính ưu việt của từng 
loại vật liệu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. E. Taban, E. Deleu, A. Dhooge, E. Kaluc (2008). 
Evaluation of Dissimilar Welds between Ferritic 
Stainless Steel Modified 12% Cr and Carbon 
Steel S355. Supplement to the Welding Journal, 
Sponsored by the American Welding Society and 
the Welding Research Council.
[2]. AWSwelding handbook (2011). Materials and 
Applications, Part 1. Ed. 9th, Volume 4, AWS, USA.
[3]. John E. Bringas (2010). Handbook of comparative 
world steel standards. Ed. 3rd, USA.
[4]. Kobe steel (2011). Kobelco welding handbook. 
Kobe steel,. LTD, Japan.
[5]. JIS G 3101-2010: Rolled steels for genaral 
structure.
[6]. Ngô Hữu Mạnh, Nguyễn Văn Hạng, Nguyễn Đức 
Thắng (2017). Nghiên cứu công nghệ hàn thép 
không gỉ SUS 304 với thép cacbon SS 400. Tạp 
chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, số 56, 
trang 23-27.
[7]. Wang Rui,JianxunZhang, Serizawa 
Hisashi,Murakawa Hidekazu (2009). Study of 
welding inherent deformations in thin plates 
based on finite element analysis using interactive 
substructure method. Materials and Design, 
Volume 30, Issue 9, pages 3474-3481.
[8]. Wang Rui, Rashed Sherif, Serizawa Hisashi, 
Murakawa Hidekazu, Jianxun Zhang (2008). 
Numerical and experimental investigation on 
welding deformation. Transactions of JWRI, Vol. 
37, No. 1, pp. 79-90.