Thiết kế, chế tạo cụm cấp dây tự động cho quy trình hàn tig tự động theo quỹ đạo có bù dây

Ngoài ra phương pháp hàn này không những có thể thao tác bằng tay màcòn có thể tự động hóa, robot hoá, có thể điều khiển và kiểm soát được nguồn nănglượng hồ quang để tạo mối hàn có chất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

S 0 9

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6/2022

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CỤM CẤP DÂY TỰ ĐỘNG

CHO QUY TRÌNH HÀN TIG TỰ ĐỘNG

THEO QUỸ ĐẠO CÓ BÙ DÂY

MÃ SỐ: SV2022 - 182 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ĐINH NGỌC HUY

S KC 0 0 7 6 8 9

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CỤM CẤP DÂY TỰ ĐỘNG CHO QUY TRÌNH HÀN TIG TỰ ĐỘNG THEO QUỸ

ĐẠO CÓ BÙ DÂY.

SV2022-182

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

SV thực hiện: Đinh Ngọc Huy - 18143014 Nam, Nữ: NamDân tộc: Kinh

Lớp: 18143CLA3 Năm thứ: 4/Số năm đào tạo: 4Ngành học: Công Nghệ Chế Tạo Máy

Người hướng dẫn: Th.S Trần Ngọc Thiện

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 4

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 4

1.3 Lý do chọn đề tài 5

1.4 Mục tiêu đề tài 5

1.5 Đối tượng nghiên cứu 5

1.6 Phạm vi nghiên cứu 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Tổng quát Hàn TIG 6

2.1.1 Phương pháp hàn TIG 6

2.1.2 Ứng dụng 6

2.1.3 Ưu điểm 7

2.1.4 Nhược điểm 7

2.2 Hàn TIG tự động theo quỹ đạo 8

2.2.1 Khái niệm 8

2.2.2 Ứng dụng 9

2.2.3 Những lợi ích của hàn TIG tự động theo quỹ đạo 10

2.3 Bộ cấp dây trong hàn MIG/MAG 10

2.4 Nguồn hàn 11

2.5 Điện cực 14

2.6 Thiết lập đầu hàn 18

2.7 Khí bảo vệ 19

2.8 Que hàn phụ 21

2.9 Vật liệu SS304 22

2.10 Tiêu chuẩn AWS 24

2.11 Quy trình vận hành máy hàn TIG tự động theo quỹ đạo 24

2.12 Nhiệt lượng đầu vào 26

2.13 Tiêu chí đánh giá ngoại quan theo tiêu chuẩn AWS D18.1 27

2.14 Tìm hiểu về an toàn khi hàn 29

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ CẤP DÂY 31

3.1 Yêu cầu kĩ thuật 31

3.2 Nguyên lý hoạt động 32

3.3 Động cơ cấp dây của máy hàn MIG/MAG NBC 500F EDON 32

3.4 Chọn động cơ 35

3.5 Chọn đầu bánh răng 37

3.6 Bộ điều khiển tôc độ động cơ 39

3.7 Sơ đồ nối dây .40

3.8 Lắp ráp 41

3.9 Nhận định bộ cấp dây: 43

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM 44

4.1 Thông số thực nghiệm 44

4.2 Chuẩn bị phôi hàn và kim lọai phụ 44

4.3 Quy trình vận hành hàn 45

4.4 Chuẩn bị mẫu kéo theo tiêu chuẩn ISO 6892-1 47

4.5 Chuẩn bị mẫu quan sát tế vi 47

4.6 Đo tốc độ cấp dây .48

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 49

5.1 Kết quả mối liên hệ giữa biến tần và tốc độ cấp dây .49

5.2 Kết quả ngoại quan 50

5.3 Độ bền kéo 51

5.4 Cấu trúc tế vi 53

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.4.1: Thông số kĩ thuật của máy hàn 12

Bảng 2.5.1: Màu sắc một số loại điện cực theo tiêu chuẩn ANSI/AWS_A5.12/A5.12M-98 [4] và ứng dụng của chúng 14

Bảng 2.5.2: Các loại điện cực theo tiêu chuẩn ANSI/AWS A5.12/A5.12M-98 [4].15 Bảng 2.5.3: Cường độ dòng hàn ứng với đường kính điện cực [3] 18

Bảng 2.7.1: Sự tương thích của một số loại khí bảo vệ và vật liệu hàn [3] 20

Bảng 2.7.2: Mối liên hệ giữa vật liệu của ống hàn và khí xông [3] 21

Bảng 2.9.1: Thành phần hóa học của thép không gỉ SS304 23

Bảng 2.11.1: Kí hiệu và ý nghĩa của các thiết bị trên bộ hàn 25

Bảng 2.11.2: Chu trình làm việc của máy hàn TIG tự động theo quỹ đạo [3] 25

Bảng 3.1.1: Yêu cầu kĩ thuật của bộ cấp dây .31

Bảng 3.3.1: Thông số của động cơ đĩa cho máy hàn MIG kiểu Pana 33

Bảng 3.4.1: Thông số của động cơ USM206-420W 37

Bảng 3.5.1: Thông số đầu bánh răng loại 2GN12.5K 38

Bảng 3.6.1: Thông số bộ điều khiển tốc độ US-52 40

Bảng 3.8.1: Tên chi tiết ứng với số hiệu trên hình 3.8.1 42

Bảng 4.1.1: Thông số hàn 44

Bảng 4.2.1: Thành phần của vật liệu SS304 .45

Bảng 4.3.1: Giải thích quy trình vận hành hàn [3] 46

Bảng 5.1.1: Mối liên hệ giữa cấp độ điều khiển trên bộ điều khiển tốc độ (Hz) và tốc độ cấp dây (mm/min) 49

Bảng 5.2.1: Bảng đánh giá ngoại quan năm mẫu hàn theo tiêu chuẩn AWS D18.151 Bảng 5.3.1: Giá trị độ bền kéo ứng với năm mẫu hàn 51

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Thiết bị hàn TIG tự động theo quỹ đạo [3] 2

Hình 2.1.1: Hình ảnh giới thiệu hàn TIG [11] 6

Hình 2.2.1: Hình vẽ thể hiện các vị trí của hàn quỹ đạo [3] 8

Hình 2.4.1: Máy hàn DC 12

Hình 2.4.2: Mô phỏng về DCEN và DCEP với phương pháp hàn TIG [6] 13

Hình 2.5.1: điện cực hàn TIG loại EWTh-2e 15

Hình 2.5.2: Cách mài đúng và sai khi mài điện cực [3] 17

Hình 2.6.1: Thiết lập mô hình đầu hàn [3] 19

Hình 2.11.1: Quy trình làm việc của máy hàn TIG tự động theo quỹ đạo.[3] 24

Hình 2.13.1: Các tiêu chí đánh giá ngoại quan của mối hàn theo tiêu chuẩn AWS D18.1 [2] 28

Hình 3.2.1: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị 32

Hình 3.3.1: Động cơ và cơ cấu cấp dây của phương pháp hàn MIG/MAG 33

Hình 3.3.2: Sơ đồ hộp giảm tốc của động cơ cấp dây 34

Hình 3.4.1: Động cơ loại USM206-420W 36

Hình 3.5.1: Đầu bánh răng loại 2GN12.5K 38

Hình 3.6.1: Bộ điều khiển tốc độ loại US-52 39

Hình 3.7.1: Sơ đồ nối dây của bộ điều khiển tốc độ và động cơ 40

Hình 3.8.1: Hình 3D lắp ráp phần động cơ 41

Hình 4.2.1: Chuẩn bị phôi hàn cho thực nghiệm 45

Hình 4.3.1: Quy trình vận hành thiết bị hàn [3] 45

Hình 4.4.1: Kích thước mẫu chuẩn bị thử kéo theo tiêu chuẩn ISO 6892-1 47

Hình 4.5.1: Quy trình chuẩn bị mẫu để quan sát tế vi 47

Hình 5.1.1: Hình ảnh bộ cấp dây tự động 49

Hình 5.2.1: Hình ảnh ngoại quan của năm mẫu hàn 50

Hình 5.4.1: Hình ảnh tế vi của năm mẫu hàn 53

Hình 5.4.2: Hình ảnh tế vi của năm mẫu hàn (tiếp theo) 54

Hình 6.1: Bộ phận gá và định hướng của bộ cấp dây .56

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.

Từ viết tắt Ý nghĩa

AC Alternative Current

ANSI American National Standards Institute

API Amarican Petroleum Institute

ASME American Society of Mechanical EngineersAWS American Welding Society

DC Direct Current

DCEN Direct Current Electrode Negative

DCEP Direct Current Electrode Positive

DIN Deutschs Institute for Normung

GTAW Gas Tungsten Arc Welding

HAZ Heat Affect Zone

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo cụm cấp dây tự động trong quy trình hàn TIG tự động

theo quỹ đạo có bù dây

- Chủ nhiệm đề tài: Đinh Ngọc Huy Mã số SV: 18143014

- Lớp: 18143CLA3 Khoa: Đào Tạo Chất Lượng Cao

- Thành viên đề tài:

Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa

1 Đinh Ngọc Huy 18143014 18143CLA3 Đào Tạo Chất Lượng Cao

2 Đoàn Kha Dũy 18143004 18143CLA3 Đào Tạo Chất Lượng Cao

3 Hà Tấn Phát 18143035 18143CLA3 Đào Tạo Chất Lượng Cao

4 Ngô Bình Minh 18143027 18143CLA2 Đào Tạo Chất Lượng Cao

5 Phạm Đức Anh Đức 18143008 18143CLA3 Đào Tạo Chất Lượng Cao

- Người hướng dẫn: Th.S Trần Ngọc Thiện

2 Mục tiêu đề tài:

Tìm hiểu về phương pháp hàn TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây

Thiết kế, chế tạo cụm cấp dây tự động cho quy trình hàn theo quỹ đạo

Thực nghiệm các thông số hàn và tốc độ cấp dây để tìm ra sự ảnh chưởng của chúng

4 Kết quả nghiên cứu:

Hoàn thành chế tạo cụm cấp dây tự động

Thực nghiệm trên 5 mẫu hàn và tìm ra sự ảnh hưởng của tốc độ cấp dây đến chấtlượng mối hàn

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

Tạo ra được một thiết bị có khả năng phát triển lên những nghiên cứu mới hơn như tìmkiếm sự tương thích giữa các thống số hàn hay ứng dụng gia nhiệt cho dây hàn phụ

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí

nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày 10 tháng 06 năm 2022

SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài

(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề

tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

Ngày 10 tháng 06 năm 2022

Người hướng dẫn

(kí, họ và tên)

MỞ ĐẦU.

Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy (TIG: Tungsten Inert Gas/ hoặc GTAW:Gas Tungsten Arc Welding) là một trong các công nghệ hàn hồ quang điện được sửdụng rất rộng rãi hiện nay Trong nền công nghiệp hiện đại, hàn hồ quang điện cựckhông nóng chảy chiếm một vị trí rất quan trọng với khả năng tạo các liên kết giữa cácloại thép kết cấu thông thường, các loại thép hợp kim cao, kim loại màu và hợp kimcủa chúng Ngoài ra phương pháp hàn này không những có thể thao tác bằng tay màcòn có thể tự động hóa, robot hoá, có thể điều khiển và kiểm soát được nguồn nănglượng hồ quang để tạo mối hàn có chất lượng cao đối với hầu hết các kim loại và hợpkim [12]

Trong những năm gần đây kỹ thuật Hàn đã có những bước phát triển mạnh mẽ,đáp ứng được các yêu cầu ngày cao về công nghệ và vật liệu Nhiều phương pháp Hànmới đã xuất hiện, các công nghệ mới đã được áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật Hàn.Hiện nay, có khoảng hơn 200 phương pháp hàn khác nhau được sử dụng rộng rãi Vớicác phương pháp hàn khác nhau, các bộ tiêu chuẩn hàn đã được nghiên cứu và đề xuất.Thông dụng nhất hiện nay có thể kể đến các tiêu chuẩn như: ASME, AWS, API, ISO,DIN,…

Hiện nay các đường ống vi sinh, vận chuyển hóa chất, thực phẩm trong côngnghiệp đang có nhu cầu thay thế, bảo trì bảo dưỡng cũng như lắp đặt hệ thống mới khánhiều Việc này cần phải thiết kế theo từng hệ thống và yêu cầu của các nhà máy khácnhau dẫn đến cần phải có những kết cấu hàn riêng biệt cho từng nhà máy/hệ thống.Các kết cấu hàn này có yêu cầu cực kì nghiêm ngặt về kỹ thuật, đòi hỏi người thợ hànphải có tay nghề cao và các thiế bị chuyên dùng mới có thể hoàn thành các liên kết hànnày Vì là con người hàn nên đôi khi cũng có một vài kết cấu hàn bị lỗi từ đó đặt rayêu cầu thiết kế máy có thể hàn các kết cấu này với độ tin cậy và tính ổn định cao.Thiết bị có thể được vận hành dễ dàng không yêu cầu cao về kinh nghiệm và tay nghề.Hàn các chi tiết dạng ống cho các dây chuyền công nghiệp là một quá trình tốnnhiều công sức, đòi hỏi thợ hàn có tay nghề cao Tuy nhiên, để có thể tạo mối hàn chấtlượng cao và chính xác bằng phương pháp hàn thủ công, kể cả khi người thợ hàn có

các kích thước khác nhau của vật thể được hàn, vị trí của vật thể và sự giới hạn vềkhông gian hàn, …

Từ các khó khăn trên, công nghệ và thiết bị hàn ống theo quỹ đạo được phát triển

để giải quyết vấn đề lỗi vận hành trong các quá trình hàn hồ quang TIG Trong hànquỹ đạo, quá trình điều khiển được vận hành bởi bộ điều khiển với ít sự can thiệp từngười thợ Quá trình này được sử dụng đặc biệt để hàn lặp lại nhiều mối hàn chấtlượng cao

Hàn TIG tự động hay còn gọi là hàn quỹ đạo là một lĩnh vực chuyên sâu củangành hàn hồ quang với mức độ tự động hóa được nâng lên một mức mới Theo đó,điện cực hàn vonfram sẽ được quay 360 ° xung quanh liên kết hàn, đồng thời trongquá trình quay điện cực sẽ phóng ra hồ quang và tạo thành mối hàn

Hình 1: Thiết bị hàn TIG tự động theo quỹ đạo [3]

Phương pháp hàn TIG tự động theo quỹ đạo là một quy trình hàn ống tự động vàđược ứng dụng dụng ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực có sử dụng đường ống đểvận chuyển chất lỏng hoặc khí như y sinh, thực phẩm, đồ uống, dầu khí,…Ưu điểmcủa phương pháp hàn này là tạo ra mối hàn có độ tinh khuyết cao, chất lượng mối hàntốt, năng suất cao, dễ kiểm soát quy trình hàn, dễ tự động hoá, robot hoá,…Cũng giốngnhư quy trình hàn TIG thủ công, quy trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo đều sử dụngkim loại bù vào hoặc không, điều này phụ thuộc vào yêu cầu về độ bền kéo, độ ngấucủa mối hàn Bên cạnh đó, các nghiên cứu ngoài nước cho thấy việc sử dụng dây hàntrong quy trình hàn TIG có bù dây rất đa dạng và ngày càng được nghiên cứu rộng rãihơn Kết quả trong các nghiên cứu đó cũng đã đề cập đến hiệu quả của kỹ thuật bù dâytrong việc cải thiện chất lượng mối hàn và nâng cao năng suất cho quy trình hàn TIG

tự động

Nhưng hiện nay trên thị trường trong và ngoài nước có rất ít bộ cấp dây hànchuyên dụng cho quy trình hàn TIG, đặc biệt là trong quy trình hàn ống tự động có bùdây Nếu có thì là những bộ cấp dây của phương pháp hàn hồ quang trong môi trường

có khí bảo vệ (MIG/MAG) nhưng do tốc độ lắng dọng kim loại của hai phương pháphàn khác nhau nên việc sử dụng bộ cấp dây của phương pháp hàn MIG/MAG chophương pháp hàn TIG thì không phù hợp

Vì thế, việc “Thiết kế, chế tạo bộ cấp dây chuyên dụng dành cho quy trình hànTIG tự động theo quỹ đạo có bù dây” là hết sức cần thiết để tạo ra sự phù hợp đườngkính dây, tốc độ ra dây phù hợp với tốc độ hàn, năng lượng hồ quang sinh ra

Với đề tài nghiên cứu này, chúng tôi đặt ra mục tiêu rằng:

Tìm hiểu về phương pháp hàn TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây

Thiết kế, chế tạo cụm cấp dây tự động cho quy trình hàn theo quỹ đạo

Thực nghiệm các thông số hàn và tốc độ cấp dây để tìm ra sự ảnh chưởng củachúng

Để hoàn thiện nghiên cứu này, chúng tôi phải đưa ra những kế hoạch nghiên cứunhư thu thập, phân tích và biên dịch những tài liệu liên quan đến hàn TIG: đảm bảotính đa dạng, đa chiều và tận dụng được các kết quả của các nghiên cứu mới nhất, phùhợp với nội dung nghiên cứu của đề tài

Dựa trên các kết quả và thất bại trên thực nghiệm, lựa chọn được thiết bị cấu hìnhthiết kế phù hợp, tối ưu hóa được quy trình thu thập kết quả thí nghiệm

Trong đề tài này, chúng tôi tổ chức nghiên cứu các thông số thực nghiệm trên vậtliệu ống thép không gỉ SS304 có đường kính ngoài là 76mm và độ dày thành ống là2mm Ứng dụng và biến đổi bộ cấp dây của hàn MIG/MAG vào nghiên cứu này Tiếnhành thực nghiệm trên 5 mẫu hàn với các bước kiểm tra độ bền kéo, kiểm tra cấu trúc

tế vi, cũng như tìm kiếm sự ảnh hưởng của việc cấp dây lên chất lượng mối hàn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.

Hàn TIG tự động là một phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnhvực có sử dụng đường ống làm phương tiện vận chuyển sản phẩm Phương pháp nàytạo ra mối hàn có độ tinh khiết rất cao Trong hàn TIG, để củng cố chất lượng mối hàn,người ta thường sử dụng thêm que hàn phụ hoặc cũng có thể không dùng tùy thuộcvào yêu cầu nhà sản xuất Trong hàn TIG tự động theo quỹ đạo cũng vậy, que hàn phụđược đưa vào với mục đích làm gia cố mối hàn [10] Các nghiên cứu ngoài cho thấycác thiết bị cấp dây trong hàn TIG là rất đa dạng Ngoài ra, họ cũng cho ta nhìn thấyđược tầm quan trọng trong của việc cấp dây ảnh hưởng như thế nào đến chất lượngmối hàn Mặt khác, tình hình trong nước vẫn còn rất hạn chế những nghiên cứu về lĩnhvực hàn theo quỹ đạo này Và cả trong nước và ngoài nước có rất ít bộ cấp dây chuyêndụng dùng cho hàn TIG theo quỹ đạo Nếu có, họ sử dụng thiết bị cấp dây của hànMIG/MAG để cấp dây cho hàn TIG theo quỹ đạo, việc này là không phù hợp khả nănglắng đọng kim loại của hai phương pháp này là khác nhau

1.2 Tính cấp thiết của đề tài.

Các sản phẩm về cấp dây tự động cho hàn TIG theo quỹ đạo trong nước là còn rấthạn chế Ngoài ra, việc cấp kim loại một cách thủ công không thể đem đến một chấtlượng mối hàn như mong muốn Đăc biệt trong những công nghiệp nguy hiểm nhưhàng không vũ trụ, nhiên liệu hay hạt nhân, v.v Đây là những ngành công nghiệp đòihỏi chất lượng mối hàn rất cao, vì chỉ cần một sai xót hay khuyết tật trên đường ốngdẫn thì hậu quả sẽ rất khó lường Nếu chỉ sử dụng hàn quỹ đạo mà không có cấp dâythì không thể đảm bảo được mối hàn có đủ chất lượng hay không Những ngành côngnghiệp sử dụng ống mỏng để vận chuyển thì việc cấp dây có thể không sử dụng.Nhưng với những ống có bề dày thành lớn và vận chuyển những chất nguy hiểm thìkhông thể thiếu việc cấp dây trong suốt quá trình hàn Hơn thế nữa, việc cấp dây thủcông cũng tạo ra một sự khó khăn trong việc kiểm soát chất lượng mối hàn vì tính bất

ổn định của chúng Vì vậy, một thiết bị cấp dây tự động và chính xác, khi kết hợp vớicác thông số hàn hợp lý như tốc độ hàn, cường độ dòng hàn, v.v sẽ tạo ra được mốihàn có chất lượng cao và đáp ứng được các vấn đề nêu trên

1.3 Lý do chọn đề tài.

Sau khi tìm hiểu về tính cấp thiết của đề tài này Chúng tôi đã quyết định thựchiện đề tài này với mong muốn sẽ chế tạo thành công một bộ cấp dây tự động cho quytrình TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây Ngoài ra, cũng mong muốn thiết bị này sẽđược bàn giao và kế thừa để tiếp tục cải tiến và phát triển chúng lên một mức giá trịcao hơn Qua đó, nhờ đề tài này sẽ giúp giải quyết những vấn đề trong lĩnh vực hànnhư tạo lập một bảng thông số phù hợp với từng loại mối hàn, hỗ trợ trong các lĩnhvực nghiên cứu như việc gia nhiệt cho dây kim loại bù

1.5 Đối tượng nghiên cứu.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi thiết kế và chế tạo một bộ cấp dây tự động choquy trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo Nhằm đáp ứng nhu cầu cấp kim loại bù choquy trình hàn tự động để tăng cơ tính của mối hàn

1.6 Phạm vi nghiên cứu.

Nghiên cứu được thực nghiệm trên vật liệu ống inox SS304, với đường kínhngoài là 76mm và bề dày thành ống là 2mm

Việc thử nghiệm thiết bị được thực hiện ở xưởng thực hành hàn trường Đại Học

Sư Phạm Kĩ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, từ tháng 1 năm 2022 đến tháng 06 năm2022

Vì thời gian và nguồn lực về tài chính có giới hạn Vì thế, trong đề tài này, chúng

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

2.1 Tổng quát Hàn TIG

2.1.1 Phương pháp hàn TIG

Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy hay còn gọi là hàn TIG là một quy trình

sử dụng nhiệt của hồ quang điện được sinh ra giữa một điện cực Wonfram không nóngchảy và vật hàn Vùng ảnh hưởng nhiệt, vũng hàn và điện cực bằng Tungsten đượcbao bọc và bảo vệ bởi cột khí trơ Khí trơ (như Argon, Heli, ) không tác dụng hóa họcvới kim loại nóng chảy, không cháy, không mùi, và trong suốt giúp cho thợ hàn có thểquan sát rõ quá trình hàn Có thể thêm vào một lượng nhỏ khí khác như Hydro để tăngvận tốc hàn

Hình 2.1.1: Hình ảnh giới thiệu hàn TIG [11]

Quy trình hàn TIG có thể sinh ra nhiệt độ lên đến 19.000°C Nguồn nhiệt trongquá trình hàn TIG chỉ dùng để nung chảy kim loại cơ bản nên nếu mối hàn cần bổ sungthêm kim loại thì ta phải sử dụng que hàn phụ

2.1.2 Ứng dụng

Được dùng để hàn các vật liệu như hợp kim nhôm, thép không gỉ, hợp kimNiken,

Hàn các kim loại hoặc hợp kim như hàn Titan, Đồng đỏ, Magie,

Hàn các tấm kim loại mỏng hoặc các tấm kim loại khác nhau

- Không có tia lửa điện và văng tóe vì phương pháp hàn này sử dụng điện cựckhông nóng chảy nên không có hiện tượng chuyển kim loại từ điện cực sáng vật hàn.

- Tạo ra ít khói và khí hàn

- Hàn được nhiều vật liệu hàn như thép không gỉ, titan, nhôm, đồng,

- Là sự lựa chọn phù hợp cho phôi hàn mỏng

- Có thể ứng dụng để hàn 2 kim loại không đồng chất

2.1.4 Nhược điểm

- Tốc độ hàn chậm, năng suất thấp

- Yêu cầu tay nghề người thợ phải cao

- Khả năng điền đầy thấp nên phải sử dụng thêm que kim loại bù

- Cường độ hồ quang hàn trong hàn TIG rất mạnh làm tăng lượng tia cực tím, và

từ đó tạo nên ozone và nitơ dioxide gây tổn hại cho mắt và da

- Chi phí ban đầu cao (Chi phí cho các thiết bị)

- Dễ xảy ra hiện tượng ngạt khí của công nhân nếu thực hiện quy trình hàn trongmôi trường kín vì lúc này khí bảo vệ có thể nhiều hơn lượng oxi trong không khí

- Ngoài ra, việc bù kim loại trong hàn TIG cũng góp phần làm tăng độ khó choviệc vận hàn quy trình hàn này vì nó đòi hỏi sự đồng bộ giữa đôi tay của thợ hàn Qua

đó, không thể đảm bảo được việc kim loại sẽ được bù đúng tốc độ và đồng nhất

2.2 Hàn TIG tự động theo quỹ đạo

2.2.1 Khái niệm

Hàn quỹ đạo là một quy trình hàn mà biên dạng di chuyển của chúng là hình tròn

Có hai kiểu hàn quỹ đạo Thứ nhất là ống được gá cố định lên máy và các thiết bị đầuhàn quay 360 độ để thực hiện quy trình hàn Thứ hai là các thiết bị đầu hàn cố định vàống hàn sẽ được gá trên một motor quay 360 độ để thực hiện hàn Với thí nghiệm nàychúng ta sử dụng loại thứ nhất [3]

Hàn quỹ đạo là phương pháp hôi tụ nhiều tư thế hàn Trong đó có hàn trên mặtphẳng (1G), hàn đứng (3G), hàn qua đầu (4G)

Hình 2.2.1: Hình vẽ thể hiện các vị trí của hàn quỹ đạo [3]

Giả như hình 1.2.1 là hình đại diện cho mặt cắt của biên dạng di chuyển của hànquỹ đạo với bốn khoảng S1, S2, S3, S4, mỗi phần bao phủ 90 độ và bắt đầu hàn từđiểm D theo hướng mũi tên Từ 0 độ đến 90 độ là tư thế hàn 1G, từ 90 độ đến 180 độ

là tư thế 3G xuống, từ 180 độ đến 270 độ là tư thế hàn 4G, từ 270 độ đến 360 độ là tưthế hàn 3G leo

Hàn quỹ đạo tự động là một điều kiện lý tưởng cho việc lặp lại một quy trình hànvới cùng một thông số nhiều lần Điều này phù hợp cho môi trường làm việc ở nhàmáy khi họ yêu cầu nhiều mối hàn có cùng một thông số và chất lượng như nhau Chấtlượng của một mối hàn TIG có độ xuyên thấu rất cao Vì quy trình hàn này được sửdụng trong một mối trường tự động nên sẽ hạn chế được các rủi ro như mối hàn không

liên tục, kiểm soát khoảng cách từ điện cực đến bề mặt vật hàn, Ngoài ra, với quytrình này thì chúng an toàn hơn cho người vận hành và chi phí bảo trì thấp.

2.2.2 Ứng dụng.

- Ứng dụng của hàn hàn quỹ đạo được dùng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ [3].Các mối hàn trong lĩnh vực này đòi hỏi chất lượng rất cao vì chung thường làm việctrong môi trường khắc nghiệt Ngoài ra việc hàn các ống mỏng bằng phương pháp thủcông là rất khó khăn Vì thế mà việc sử dụng thiết bị hàn tự động theo quỹ đạo sẽ chomột mối hàn đạt chuẩn nếu kiểm soát tốt các thông số

- Dùng trong ngành công nghiệp thực phẩn, hàn các ống đẫn dung dịch thựcphẩm [3] Lĩnh vực này yêu cầu sự tính khiết của mối hàn và yêu cầu các mối hàn phảingấu hoàn toàn; những yếu tố nhiễm bẩn và kẽ hở sẽ trở thành nơi lưu giữ những vikhuẩn gây hại

- Dùng trong lĩnh vực y tế và công nghiệp y sinh [3] Các nhà máy trong này phảiđược trang bị hệ thống đường ống để vận chuyển và xử lý sản phẩm, cung cấp hơinước sạch và nước phun Đối với nước tiêm và các dẫn xuất của nó dùng để tiêm vào

cơ thể người, yêu cầu về độ tinh khiết đặc biệt cao Mọi sự ăn mòn là không chấp nhậnđược, vì thế các mối hàn yêu cầu rất nghiêm ngặt về chất lượng Các mối hàn đượcthực hiện bằng hàn quỹ đạo tự động đủ điều kiện cho khả năng chống ăn mòn kéo dài

- Chế tạo linh kiện bán dẫn [3] Các ống thép trong lĩnh vực này là thép không gỉđược đánh bóng Khí siêu tinh khiết phải đi qua các ống mà không hấp thụ hơi ẩm, oxy,các hạt hoặc các tạp chất khác Các tiêu chí chấp nhận cho các lắp đặt này rất nghiêmngặt như độ xuyên thấu hoàn toàn trên, không bị đổi màu, v.v Với tiêu chuẩn này thìchỉ có những người có nhiều năm kinh nghiêm trong hàn tự động thưo quỹ đạo mới cóthể thực hiện được với mức độ tin cậy cao

- Công nghiệp hóa học Các thiết bị hóa chất bao gồm các ống, bộ trao đổi nhiệt

và bộ chuyển đổi được làm bằng kim loại hoặc hợp kim chịu lửa, chống ăn mòn nhưtitanium, zirconium, nickel, chrome, v.v Đối với việc lắp ráp một bộ trao đổi nhiệt,hàng trăm hoặc thậm chí vài nghìn mối hàn không bị lỗi phải được thực hiện, vì vậy ởđây hàn quỹ đạo trở thành điều bắt buộc để đảm bảo kết quả mong đợi [3]

- Ống dẫn dầu và các ống hạt nhân [3] Để đảm bảo an toàn cho các nhà máyđiện nhiên liệu hóa thạch và lò phản ứng hạt nhân, toàn bộ các kỹ thuật nối ống đềuđược áp dụng Vì đây là môi trường làm việc độc hại và nguy hiểm nên đòi hỏi mức

độ chính xác rất cao Vì thế mà thiết bị hàn quỹ đạo tự động sẽ đáp ứng được nhữngyêu cầu khắc nghiệt nhất của lĩnh vực này

2.2.3 Những lợi ích của hàn TIG tự động theo quỹ đạo

Với các thiết bị được phát triển phục vụ cho công nghiệp hàn ống y sinh, các ưuđiểm nổi bậc của hệ thống này như sau:

Năng suất : Một hệ thống hàn quỹ đạo sẽ hàn nhanh hơn rất nhiều so với các thợhàn thủ công, phải trả cho chi phí cho thợ hàn nhiều lần còn với thiết bị hàn quỹ đạothì trả cho lần đầu tư ban đầu [3]

Chất lượng: Chất lượng của mối hàn được tạo ra bởi một hệ thống hàn quỹ đạovới chương trình hàn chính xác sẽ cao hơn so với hàn thủ công Trong các ứng dụngnhư hàn ống vi sinh hoặc hàn ống dược phẩm, hàn quỹ đạo là phương tiện duy nhất đểđạt được các yêu cầu về chất lượng mối hàn [3]

Tính nhất quán: Một khi chương trình hàn đã được thiết lập, hệ thống hàn quỹđạo có thể liên tục thực hiện cùng một yêu cầu mối hàn hàng trăm lần, loại bỏ sự saisót, không đồng nhất và khuyết tật của hàn thủ công [3]

Cấp độ kỹ năng: Các thợ hàn có tay nghề cao ngày càng khó tìm Với thiết bị hànquỹ đạo, qui trình hàn không cần một người thợ hàn có tay nghề cao Tất cả chỉ cần làmột thợ cơ khí lành nghề với một khóa đào tạo sử dụng thiết bị [3]

Môi trường: Có thể sử dụng hàn quỹ đạo trong các ứng dụng mà không thể xoayống hoặc ống hàn đặt trong không gian chật hẹp Nhưng nơi nguy hiểm cần hạn chế sựxuất hiện của con người Hạn chế được tình trạng ngạt khí khi làm việc trong môitrường chật hẹp do khí sử dụng trong hàn TIG là khí trơ nên trong quá trình hàn, lượngkhí bảo vệ sẽ lấp đầy không gian bên trong môi trường làm việc Việc của người vậnhành là thiết lập những thông số ban đầu và rời khỏi khu vực làm việc [3]

2.3 Bộ cấp dây trong hàn MIG/MAG.

Có được một bộ cấp dây phù hợp cho công việc là rất quan trọng Nó không chỉ

có thể giúp cải thiện chất lượng mối hàn mà còn có thể hạ giá thành và tăng năng suất

Bộ cấp dây phù hợp đảm bảo rằng người vận hành hàn dành nhiều thời gian hàn hơnthay vì chỉ để giải quyết các vấn đề liên quan đến cấp dây, điều này chắc chắn dẫn đếnthời gian ngừng hoạt động không mong muốn.

Yếu tố đầu tiên cần xem xét khi chọn bộ cấp dây là tần suất sẽ sử dụng chúng, vì

bộ cấp dây cần phải đủ bền để xử lý công việc Điều quan trọng không kém là yếu tố

về loại và chiều dài súng hàn, cũng như loại và kích thước dây mà người vận hành hàn

dự định sử dụng

Ngoài ra, có ba dạng cơ bản của bộ cấp dây là hệ thống "đẩy", hệ thống "kéo" và

hệ thống "đẩy-kéo" Trong hệ thống đẩy, dây được đẩy bởi bộ truyền động cấp dây,dây sẽ đi dọc theo ống dẫn đến mỏ hàn Đối với dây nhôm có thể bị mắc kẹt bên trongống dẫn, dẫn đến việc cấp dây không đều ở mỏ hàn và trong những trường hợp nghiêmtrọng, có một đoạn dây bị rối tại bộ phận cấp dây

Hệ thống kéo sử dụng một tập hợp các cuộn dây trong tay cầm của mỏ hàn để kéodây ra khỏi cuộn dây Sự sắp xếp này làm tăng trọng lượng của đầu hàn Tuy nhiên,chúng rút ngắn khoảng cách mà dây có thể được cấp, điều này vẫn bị giới hạn trongkhoảng 3,5 m, mặc dù tính nhất quán của nguồn cấp dây được cải thiện và có thể sửdụng đường kính dây xuống 0,8 mm

Có ba loại bộ cấp dây chính để lựa chọn: cơ bản, trung cấp và nâng cao

Trong đề tài này, chúng tôi đã sửa đổi thiết bị cấp dây phụ MIG/MAG bằng cáchthêm hộp điều khiển tốc độ động cơ để thay đổi tốc độ của động cơ để đùn dây hàn.Khi động cơ quay, ống cuộn dây sẽ quay và đưa kim loại bù ra ngoài với sự điều khiểncủa người dùng

Thiết bị của do chúng tôi chế tạo bao gồm 3 bộ phận chính là: đầu bánh răng,động cơ và bộ điều khiển tốc độ theo tần số

với nguồn DC, ta có hai kiểu nối dây là phân cực thuân (DCEN) và phân cực nghịch(DCEP).

Hình 2.4.1: Máy hàn DC

Bảng 2.4.1: Thông số kĩ thuật của máy hàn

Tần số 50-60 Hz

Điện áp định mức 1 phase AC220V15%

Công suất định mức 8.3 KVA

Chu kì tải 60%

Thời gian trễ khí 5S

Phạm vi điều chỉnh dòng hàn 20-225A

Arc-force current 0-70/0-60A

Bề dày thích hợp của phôi hàn 0.5-10mm

Cấp cách điện F

Cấp bảo vệ IP23

Kiểu mồi hồ quang HF

Hình 2.4.2: Mô phỏng về DCEN và DCEP với phương pháp hàn TIG [6]DCEP: Dòng điện tử đi từ âm sang dương Do đó, dòng điện tử đi từ vật hàn sangđiện cực Khoảng 70% nhiệt lượng sẽ tập trung ở cực dương của cột hồ quang hay tậptrung ở điện cực, dẫn đến nhiệt lượng tập trung chủ yếu vào điện cực và sẽ có hiệntượng điện cực trở nên quá nóng Vì vậy, phải chọn điện cực có đường kính lớn hơnngay cường độ dòng điện thấp để tránh quá nhiệt và chảy điện cực Vật hàn sẽ nhậnđược phần nhiệt lượng nhỏ hơn do vậy mối hàn không ngấu sâu Nhược điểm của phâncực nghịch là xuất hiện hiện tượng thổi lệch hồ quang như quá trình hàn que dùngdòng điện DC Nhưng ưu điểm của phương pháp phân cực nghịch là đối với nhữngkim loại màu như nhôm và magiê thường nhanh xuất hiện lớp oxide trên bề mặt.Oxide nhôm rất bền và có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhôm nên phải được làm sạch.

Do đó, khi phân cực nghịch dòng ion dương của khí sẽ có hướng từ điện cực tới bề

mặt vật hàn Chúng va chạm vào bề mặt vật hàn và tẩy sạch lớp oxide nhôm Ta gọi đó

là hiệu ứng tẩy sạch oxide

Trong chế độ AC, điện cực được chuyển đổi định kỳ giữa cực dương và cực âm.Trong thời gian cực dương, điện cực vonfram đóng vai trò là cực dương, do tác dụngtẩy rửa sinh ra, lớp oxit trên bề mặt phôi sẽ bị phá hủy Trong thời gian phân cực âm,điện cực vonfram hoạt động như cực âm

2.5 Điện cực.

Điện cực vonfram phải được đánh dấu trên cơ sở thành phần hóa học của nó, vớimột vòng màu ở gần cuối điện cực Chiều rộng của vòng màu ít nhất phải là 3 mm.Việc mã hóa màu sắc như vậy sẽ không có ảnh hưởng xấu đến hoạt động hoặc việc sửdụng điện cực

Bảng 2.5.1: Màu sắc một số loại điện cực theo tiêu chuẩnANSI/AWS_A5.12/A5.12M-98 [4] và ứng dụng của chúng

Loại điện cực Màu sắc Ứng dụng

EWPe Xanh lá Hàn hợp kim nhôm, magie AC.EWCe-2e Cam Hần ống, tấm mỏng

EWLa-1e Đen AC, DCEN

EWLa-1.5 Vàng AC, DCEN

EWLa-2 Xanh trời AC, DCEN

-Hình 2.5.1: điện cực hàn TIG loại EWTh-2e.

Bảng 2.5.2: Các loại điện cực theo tiêu chuẩn ANSI/AWS A5.12/A5.12M-98 [4].Loại điện

cực

(AWS)

Thành phầnnhỏ nhất của

Đặc điểm của các điện cực theo tiêu chuẩn ANSI/AWS A5.12/A5.12M-98:

- EWPe: Là điện cực vonfram không hợp kim (tối thiểu 99,5% vonfram) Khảnăng mang dòng của chúng thấp hơn so với các điện cực khác Chúng mang lại sự ổnđịnh tốt khi sử dụng với dòng điện xoay chiều, sóng cân bằng hoặc ổn định tần số caoliên tục Chúng có thể được sử dụng với dòng điện một chiều, có thể sử dụng khí bảo

vệ là argon hoặc heli, hoặc kết hợp cả hai Điện cực EWP thường được sử dụng chocác ứng dụng ít quan trọng, ngoại trừ hàn nhôm và magiê Các điện cực EWP có chiphí thấp hơn có thể được sử dụng cho các ứng dụng ít quan trọng hơn, nơi có thể chấpnhận được một số mối hàn bị nhiễm vonfram [4]

- EWCe-2e: Là điện cực vonfram có chứa khoảng 2% CeO2 Các ưu điểm củađiện cực vonfram có chứa CeO2, tăng khả năng dễ mồi hồ quang, cải thiện độ ổn địnhcủa hồ quang và giảm tốc độ hóa hơi hoặc tắt Không giống như thoria, ceria khôngphải là một chất phóng xạ Các điện cực này được sử dụng với dòng điện xoay chiềuhoặc dòng điện một chiều [4]

- EWLa-1e: Là các điện cực vonfram có chứa 0,8-1,2% La2O3 Ưu điểm và đặctính hoạt động của loại điện cực này rất giống với điện cực EWCe-2 [4]

- EWLa-1.5: Là điện cực vonfram có chứa 1,3- 1,7% La2O3 Loại này tăngcường độ ổn định và khả năng bắt hồ quang, giảm tỷ lệ mòn ở phía đầu đầu và mởrộng phạm vi dòng điện hoạt động Các điện cực này có thể được sử dụng làm chấtthay thế không hoạt tính cho vonfram thoriated 2% vì các đặc tính hoạt động rất giốngnhau Điện cực này có thể được sử dụng cho cả DCEN và AC [4]

- EWLa-2: Là điện cực vonfram chứa 1,8- 2,2 trọng lượng% La2O3 Loại nàygiúp tăng cường độ ổn định và khả năng mồi hồ quang, giảm tỷ lệ mòn đầu điện cựckhi hàn và mở rộng phạm vi dòng điện hoạt động Điện cực này có thể được sử dụngcho cả ứng dụng DCEN và AC [4]

- EWTh-1e: Là điện cực vonfram có chứa 0.8-1.2 ThO2 Các điện cực này được

sử dụng với dòng điện một chiều Chúng có hàm lượng thoria phân tán đồng đều trongtoàn bộ chiều dài của chúng Loại này cũng có thể được sử dụng với dòng điện xoaychiều Nhưng khó có thể duy trì được đầu hình cầu trên đầu điện cực để hàn các vậtliệu màu [4]

- EWTh-2e: Hàm lượng thoria cao hơn trong điện cực EWTh-2 giúp cải tiến đặctính hoạt động rõ ràng hơn so với hàm lượng thoria thấp hơn EWTh-1e Ngoài ra, nếubạn muốn dùng điện cực này với dòng điện một xoay chiều thì việc hàn đính có thểđược thực hiện bằng dòng điện một chiều một cách nhanh gọn nhất [4].

- EWZr-1e: Là một điện cực vonfram có chứa 0.15-0.4% ZrO2 Điện cực nàyđược ưu tiên cho các ứng dụng yêu cầu sự nhiễm lẫn vonfram của mối hàn phải đượcgiảm thiểu Điện cực này hoạt động tốt khi được sử dụng với dòng điện xoay chiều vì

nó giữ lại một đầu hình cầu được bọc bóng trong quá trình hàn và có khả năng chốngnhiễm bẩn cao [4]

- EWGd: Là điện cực vonfram chứa hợp kim bổ sung không xác định Mục đích

là làm ảnh hưởng đến bản chất hoặc đặc tính của hồ quang, theo yêu cầu của nhà sảnxuất Mặc dù việc bổ sung hợp kim không đươc quy định, nhà sản xuất vẫn phải xácđịnh hàm lượng của bất kỳ chất bổ sung nào và số lượng của chúng [4]

Góc độ của điện cực cũng đóng góp rất lớn cho việc mối hàn hoàn thiện, bởi gócđiện cực sẽ ảnh hưởng tới sự tập trung lượng nhiệt lên mối hàn

Để có được sự chuẩn bị cuối cùng chính xác và độ chính xác lặp lại đầy đủ, điềucần thiết để duy trì hồ quang ổn định và mức độ xuyên mối hàn nhất quán, nên sửdụng máy mài điện cực đặc biệt

Thiết kế của máy mài phải đảm bảo rằng các vết mài trên phần côn chạy đúngtheo cấu trúc hạt của điện cực, theo chiều dọc Điều này đảm bảo sự duy trì hồ quangtốt hơn và cải thiện độ ổn định hồ quang

Cách mài đúng Cách mài saiHình 2.5.2: Cách mài đúng và sai khi mài điện cực [3]

Điện cực được mài có dạng hình nón, chiều dài phần được mài từ 2 đến 2,5 lầnđường kính điện cực

Sau khi mài xong thì nên mài nhẹ đầu nhọn của phần nón Mục đích của hànhđộng này là để tránh tập trung điện tích quá nhiều ở phần đầu giúp hạn chế việc phải đimài lại điện cực nhiều lần.

Hình dáng và cách mài sao cho hướng mài dọc trục để tạo ra các vết xước thẳngnhư hình 2.5.1 Góc côn càng nhỏ thì càng tập trung nhiều năng lượng tại một điểm vìthế sẽ có độ ngấu càng sâu

Bảng 2.5.3: Cường độ dòng hàn ứng với đường kính điện cực [3]

Đường kính điện cực Loại dòng hàn [A] AC [A]

DCEN DCEP Balanced

wave

0.020” 0.05 mm 5-20 - 10-200.04” 1.0 mm 15-80 - 20-301/16” 1.6 mm 70-150 10-20 30-803/32” 2.4 mm 150-250 15-30 60-1301/8” 3.2 mm 250-400 25-40 100-1805/32” 4.0 mm 400-500 40-55 160-2403/16” 4.8 mm 500-750 55-80 190-3001/4” 6.4 mm 750-1100 80-125 325-450

2.6 Thiết lập đầu hàn.

Đối với tất cả các ứng dụng, các điều chỉnh hình học liên quan đến mỏ hàn và dây

bù phải được thực hiện kỹ lưỡng

Hình 2.6.1: Thiết lập mô hình đầu hàn [3].

Góc giữa điện cực và hướng của dây phụ phải được điều chỉnh đến giá trị trongkhoảng α = 50 ÷ 80 độ [3]

Khoảng cách dây De-f đến điện cực nên được điều chỉnh trong khoảng từ 1,5 mmđến 3 mm [3]

Độ nhô của dây Sf nên được điều chỉnh trong khoảng từ 8 đến 12 mm Nếukhoảng cách này quá ngắn, đầu phun dây sẽ bị cháy hoặc dây cấp sẽ dính vào đầuphun Nếu khoảng cách quá lớn, dây sẽ khó định hướng cho dây [3]

Khoảng ló ra Se bằng 1 đến 2.5 lần đường kính điện cực

2.7 Khí bảo vệ.

Argon thường được sử dụng làm khí bảo vệ trong quá trình TIG Năng lượng của

hồ quang bị giới hạn trong một khu vực hẹp Argon cũng tương thích với tất cả cácloại vật liệu cơ bản

Khí bảo vệ được dung cho hàn TIG tiêu chuẩn phải có độ tinh khiết 4.5, tức làmức độ tinh khiết 99,995% Ví dụ như kim loại được phân loại là khó để hàn; titan,tantali, zirconi và các hợp kim của chúng yêu cầu độ tinh khiết ít nhất là 4.8, có nghĩa

là mức độ tinh khiết là 99,998%

Để tăng năng lượng mối hàn, có thể thêm 2% đến 5% hydro vào argon Nănglượng đầu vào cao hơn từ 10% đến 20% dẫn đến khả năng thâm nhập tốt hơn và tốc độhàn nhanh hơn, hỗn hợp argon/hydro có đặc tính khử giúp bảo vệ kim loại nóng chảy

bình và thép cacbon khi hấp thụ hydro có thể sẽ bị xốp và nứt lạnh, vì vậy việc sửdụng hỗn hợp khí có chứa hydro không được khuyến khích; Đối với việc hàn nhôm vàtitan, chúng bị nghiêm cấm.

Năng lượng mối hàn cũng có thể được tăng lên bằng hỗn hợp argon/heli với hàmlượng heli là 20%, 50% hoặc 70% hoặc thậm chí là heli nguyên chất Heli không cótác dụng bất lợi đối với titan, vì vậy nó được sử dụng đặc biệt để hàn kim loại nguyênchất hoặc hợp kim có chứa titan Hỗn hợp argon, heli và nitơ được sử dụng để hànthép Duplex và thép Super Duplex

Không giống như argon, heli là chất dẫn nhiệt tốt Điện áp hồ quang dưới heli caohơn nhiều so với dưới argon, do đó năng lượng của hồ quang tăng mạnh Hồ quangrộng hơn và cho phép đường hàn có độ ngấu sâu hơn Heli được ứng dụng để hàn cáckim loại có độ dẫn nhiệt cao như đồng, nhôm và các hợp kim kim loại nhẹ Vì heli làmột chất khí nhẹ, so với argon, tốc độ dòng chảy của nó đối với độ bao phủ khí giốnghệt nhau phải tăng lên hai đến ba lần Bảng sau đây chỉ ra chất lượng của các loại khíhàn khác nhau và hết hợp của chúng theo vật liệu hàn:

Bảng 2.7.1: Sự tương thích của một số loại khí bảo vệ và vật liệu hàn [3]

Argon Argon +

Hydro

Argon +Heli

Argon +Nitơ

Heli

Thép cacbon thấp / thép cacbon *** ** ** * **Thép không gỉ (Austenitic) *** ** ** ** **Thép Duplex / supper duplex ** ** ** *** **

Trong hàn quỹ đạo, vùng quan trọng nhất là vùng bên trong ống vì đây là phầntiếp xúc trực tiếp với vật liệu được vận chuyển Vì thế, để tránh nguy cơ bị oxi hóa ởbên trong ống trước khi hàn, trong quá trình hàn và sau khi hàn ta cần ngăn cho vùnghàn bên bóng ống không tiếp xúc với không khí khí quyền Để thực hiện việc này,chúng ta thực hiện việc xông ống, tức là cho khu vực bên trong ống tiếp xúc trực tiếpvới khí xông Tùy thuộc vào từng kim loại hàn mà khi xông khác nhau Dưới đây sẽ làbảng thể hiện sự tương thích giữa các vật liệu và khí xông.

Bảng 2.7.2: Mối liên hệ giữa vật liệu của ống hàn và khí xông [3]

Argon Nitơ Argon + Hydro hoặc Nito + HydroThép cacbon thấp / thép cacbon *** *** *

Cuộn dây được sử dụng trong đề tài có đường kính của dây là 1mm

Các kiến thức về phần này được sử dụng trong bộ tiêu chuẩn AWS A5.9/A5.9M

- ER218: Thành phần gồm (theo %) 17Cr, 8.5Ni, 8Mn, 4Si và 0.13N Chủ yếu đểhàn các kim loại cơ bản UNS S21800 Chúng là thép không gỉ Austenit được tăngcường nito để thê hiện độ bền cao và độ dẻo dai trong một phạm vi nhiệt độ rộng [5]

- ER240: Thành phần gồm (tính theo %) 18Cr, 5Ni, 12Mn và 0.2N Chủ yếu

thép không gỉ Austenit được tăng cường nitơ có độ bền cao và độ dẻo dai tốt trong mộtloạt các nhiệt độ [5].

- ER308: Thành phần gồm (tính theo %) 21Cr, 10Ni Các thông số kỹ thuậtthương mại cho kim loại phụ và kim loại cơ bản khác nhau trong các yêu cầu tái tạohợp kim tối thiểu; do đó, các tên 18-8, 19-9 và 20-10 thường được liên kết với các kimloại phụ của loại này Loại này thường được sử dụng để hàn các kim loại cơ bản cóthành phần tương tự, đặc biệt là Loại 304 [5]

- ER309: Thành phần gồm (tính theo %) 24Cr, 13Ni Các kim loại phụ thuộcphân loại này thường được sử dụng để hàn các hợp kim tương tự ở dạng rèn hoặc đúc.Đôi khi, chúng được sử dụng để hàn loại 304 và các kim loại cơ bản tương tự, nơi cóđiều kiện ăn mòn nghiêm trọng đòi hỏi kim loại hàn hợp kim cao hơn Chúng cũngđược sử dụng trong các mối hàn kim loại khác nhau, chẳng hạn như nối Loại 304 vớithép cacbon, hàn mặt phủ của thép phủ loại 304 và áp dụng lớp lót tấm thép không gỉcho vỏ thép cacbon [5]

- ER309Mo: Phân loại này giống với ER309, ngoại trừ việc bổ sung 2,0 đến3,0% denum molyb để tăng khả năng chống ăn mòn rỗ của nó trong môi trường chứahalogenua Ứng dụng chính cho kim loại phụ này là phủ bề mặt các kim loại cơ bản đểcải thiện khả năng chống ăn mòn của chúng ER309Mo được sử dụng để đạt được lớpphủ một lớp bằng vật liệu tổng hợp hóa học tương tự như của thép không gỉ 316 Nócũng được sử dụng cho lớp đầu tiên của lớp phủ nhiều lớp với kim loại phụ như thépkhông gỉ ER316 hoặc ER317 Nếu không có lớp 309Mo đầu tiên, các nguyên tố nhưcrom và molypden có thể bị giảm đến mức không thể chấp nhận được trong các lớpliên tiếp bằng cách pha loãng từ kim loại cơ bản Các ứng dụng khác bao gồm hàn cáclớp lót bằng thép không gỉ có chứa molypden với vỏ thép cacbon, nối các kim loại cơbản bằng thép cacbon đã được phủ với thép không gỉ chứa molypden và nối các kimloại cơ bản khác nhau như thép cacbon thành loại thép không gỉ 304 [5]

2.9 Vật liệu SS304.

Vật liệu SS304 là loại thép không gỉ thông dụng nhất Thép chứa cả crom (từ18% đến 20%) và niken (từ 8% đến 10,5%) Là một loại thép không gỉ Austenit.Chúng có tính dẫn điện và dẫn nhiệt kém hơn thép cacbon Điều đặc biệt của loại thép

này là khả năng chống ăn mòn rất lơn và được sử dụng rộng rãi vì dễ dàng tạo thànhcác hình dạng khác nhau.

Bảng 2.9.1: Thành phần hóa học của thép không gỉ SS304

để sản xuất linh kiện ô tô hoặc linh kiện của ngành hàng không vũ trụ; sử dụng để làmdụng cụ trong lĩnh vực y tế hoặc y sinh, v.v

Đặc điểm của vật liệu SS304

- Tính chống ăn mòn:

Thành phần Inox 304 với các nguyên tố Cr, S, Ni giúp tăng khả năng chống ănmòn, han gỉ khi tiếp xúc với hóa chất Được ứng dụng trong ngành xây dựng, kiến trúc,công nghệ chế biến thực phẩm

- Tính chịu nhiệt:

Loại thép không gỉ này thích nghi với nhiệt độ thấp do có hàm lượng Ni cao giúpngăn ngừa hiện tượng giòn nguội Bên cạnh đó, nó có khả năng thích nghi ở nhiệt độcao, trong khoảng 425-860oC, làm mát nhanh chóng

- Độ bền dẻo:

Là thép không gỉ Austenit, loại thép không gỉ này có độ bền dẻo rất cao, vẫn giữđược độ dẻo ở nhiệt độ thấp, khả năng uốn cong, tạo hình, dễ uốn và khi cán mỏng.Giúp tiết kiệm năng lượng, được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất các chitiết

- Khả năng hàn:

Các hợp kim này có thể được hàn dễ dàng bằng cách sử dụng bất kỳ quy trình hàn

hồ quang nào (TIG, MIG, MMA và SA) Vì chúng không cứng khi làm nguội, chúngthể hiện độ dẻo dai tốt và không cần xử lý nhiệt trước hoặc sau khi hàn

2.10 Tiêu chuẩn AWS.

Ngày nay, ngành công nghiệp hàn đang ngày một phát triển với tốc độ rất lớn Vìthế nhu cầu cấp bách là phải có một bộ tiêu chuẩn chung để đồng bộ hóa các tiêuchuẩn

Tất cả các tiêu chuẩn AWS đều được phê duyệt bởi Viện Tiêu chuẩn Quốc giaHoa Kỳ (ANSI) Khi phát triển tiêu chuẩn, AWS tuân theo một bộ quy tắc và yêu cầunghiêm ngặt nhằm chi phối không chỉ quy trình phê duyệt tiêu chuẩn mà còn chi phốitất cả các ủy ban kỹ thuật chịu trách nhiệm duy trì chúng Các tiêu chuẩn AWS được

hỗ trợ bởi các tình nguyện viên chuyên về các chuyên ngành khác nhau như kết cấu,hàng không vũ trụ, đường sắt, ô tô, robot, đóng tàu và hàng hải, cầu, thiết bị nặng,đường ống và ống, kim loại tấm, hàn, hàn, nhựa, phun nhiệt, các nhà sản xuất sảnphẩm hàn và các ứng dụng chung

AWS cũng xuất bản nhiều tiêu chuẩn và tài liệu về an toàn và sức khỏe trong lĩnhvực hàn

2.11 Quy trình vận hành máy hàn TIG tự động theo quỹ đạo.

Hình 2.11.1: Quy trình làm việc của máy hàn TIG tự động theo quỹ đạo.[3]Với sơ đồ quy trình trên với trục hoành là mốc thời gian của chu trình và trụctung là các yêu tố trong quá trình vận hành

Bảng 2.11.1: Kí hiệu và ý nghĩa của các thiết bị trên bộ hàn.

Van khí

Cường độ dònghànĐầu hàn

2 Sự bốc cháy của hồ quang và sự bắt đầu của dòng điện hàn xung

2 to 3 Độ trễ của việc cấp dây

2 to 4 Độ trễ của vòng quay

3 Bắt đầu cấp dây

4 Bắt đầu quay ngọn đuốc

5 Bắt đầu một khu vực mới nơi dòng điện hàn được sửa đổi

6 Kết thúc cấp dây Nói chung, điểm cuối cấp dây được đặt ở vị trí gần

đúng 3600

7 Bắt đầu giảm dòng điện mối hàn trước khi hồ quang cuối cùng được tắt

Nói chung, dây xuống được đặt ở vị trí 3600 + 50 đến 100 của chồng

nối hoàn hảo ở cuối mối hàn

7 to 8 Thời gian giảm dòng hàn để hoàn thành mối hàn mà không có vết nứt và

hình thành miệng núi lửa

8 Dập tắt hồ quang và dừng quay

8 to 9 Khoảng thời gian sau dòng khí để bảo vệ vùng hàn của chi tiết gia công

cho đến khi đạt đến nhiệt độ đủ thấp và để bảo vệ điện cực vonfram nóngchống lại oxy của khí quyển

9 Che chắn khí dừng và kết thúc chu trình hàn

2.12 Nhiệt lượng đầu vào.

Chúng ta không thể đo được nhiệt lượng đầu vào, thay vào đó chúng ta chỉ có thểtính toán được chúng Nhiệt lượng đầu vào ảnh hưởng nhiều đến tốc độ làm mát vàvùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) Theo một số tài liệu nghiên cứu nhận định Nhiệt lượngđầu vào nhỏ sẽ làm giảm thời gian làm nguội hay nói cách khác là đông đặc nhanh.Qua đó tránh được việc cấu trúc tế vi của vật liệu hàn bị thay đổi nên tránh được việc

độ bền cơ học bị thay đổi

Trong các phương pháp hàn thủ công, thì việc tính toán được nhiệt lượng đầu vàothực sự rất khó Tại nó yêu cầu tay nghề người thợ ở một mức độ rất cao để đảm bảochiều dài hồ quang ở mức ổn định và liên tục Ngoài ra, tốc độ di chuyển cũng ảnhhưởng rất lớn đến giá trị nhiệt lượng đầu vào Nếu tốc độ di chuyển nhanh, thì vị trívùng hàn sẽ nhận được ít nhiệt lượng hơn

Để đánh giá chất lượng mối hàn, ta giựa vào nhiệt lượng đầu vào để tìm kiếm sựảnh hưởng của nó đến chất lượng mối hàn

Nhiệt lượng đầu vào được tính theo công thức [3]

HI (J/mm) =U(V) × I (A)S (mm/s)Trong đó HI: nhiệt lượng đầu vào

U: Điện áp hàn

S: tốc độ hàn hay tốc độ quay của đầu hàn.

I: Cường độ dòng hàn

Sử dụng phương trình được trích dẫn ở trên để tính toán nhiệt đầu vào với các đặctính của quá trình hàn không được tính đến như sự thất thoát nhiệt bởi môi trường Vìthế, việc có một hệ số hiệu quả phụ thuộc quy trình hàn "r" cho phép xác định chínhxác hơn giá trị lượng nhiệt đầu vào [3]:

HI (J/mm) = U(V) × I (A) × rS (mm/s)

Hệ số "r" đối với hàn TIG, dự kiến sẽ nằm trong khoảng 0,6 đến 0,8, tức là 60%đến 80% năng lượng do hồ quang điện giải phóng làm nóng phôi trong khi 20% đến

40 % thoát ra ngoài bằng bức xạ, sự nóng lên của ngọn đuốc, khí bảo vệ, v.v [3]

2.13 Tiêu chí đánh giá ngoại quan theo tiêu chuẩn AWS D18.1

Đánh giá mối hàn ta dựa vào hình dáng ngoại quan của mối hàn để đánh giá Tadựa vào AWS D18.1 để đánh giá ngoại quan mối hàn trên hình 1.13.1

Bề rộng lớn nhất-W

Bề rộng nhỏ nhất mối hàn-0.75W(D)

Bề rộng tối đa của của mối hàn

D18.1 [2]

Các tiêu chí đánh giá mối hàn như sau:

- Tiêu chí (A), Độ lệch tối đa của chiều dày thành ống là 15%T, với T là bề dàymối hàn

- Tiêu chí (B), Độ lõm tối đa của mối hàn tính từ bề mặt phôi là 0.15mm

- Tiêu chí (C), Độ lồi tố đa của mối hàn tính từ bề mặt phôi là 0.3mm

- Tiêu chí (D), Bề rộng tối đa của của mối hàn là 2T, với T là bề dày mối hàn