NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ hàn hồ QUANG tự ĐỘNG BẰNG rô bốt TRONG CÔNG NGHIỆP sản XUẤT ô tô

Trong bài báo này, tác gi ả trình bày các kết quả nghiên cứu xây dựng quy trình hàn WPS thùng xe tải và giải pháp ứng dụng rô bốt hàn hồ quang để thực hiện các công việc này.. MỤC TIÊU

NGHIÊN C ỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HÀN HỒ QUANG TỰ ĐỘNG

B ẰNG RÔ BỐT TRONG CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT Ô TÔ

RESEARCH TO APPLICATION OF AUTOMATIC ARC WELDING TECHNOLOGY

BY ROBOT IN CAR INDUSTRIAL

PGS TS Bùi Văn Hạnh

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

hanh.buivan@hust.edu.vn

TÓM TẮT

Trong công nghi ệp sản xuất ô tô công nghệ hàn được sử dụng khi chế tạo cabin, thùng

xe, s ắt xi phụ và ống xả Ở các nước có nền công nghiệp ô tô phát triển, các công đoạn này đều được thực hiện bằng rô bốt Cabin xe ô tô con và ô tô tải làm từ vật liệu có chiều dày nhỏ nên s ử dụng công nghệ hàn điểm Các chi tiết còn lại đều sử dụng công nghệ hàn hồ quang vì chi ều dày vật liệu lớn, yêu cầu về khả năng chịu lực của mối hàn cao Trong bài báo này, tác

gi ả trình bày các kết quả nghiên cứu xây dựng quy trình hàn (WPS) thùng xe tải và giải pháp ứng dụng rô bốt hàn hồ quang để thực hiện các công việc này

T ừ khóa: rô bốt, hàn hồ quang, thùng xe tải

ABSTRACT

In the automobile industry welding technology used to manufacture cabin, truck crate, subframe and exhaust In countries where the advanced automobile industry welding are done

by robots Cabin of car and truck made from thin materials using spot welding technology The remaining details are used arc welding technology because thick material and high-strength welds In this paper the author presents the research results to write Welding Procedure Specification (WPS) for truck crate and application solutions for arc welding robot

to perform this tasks

Keywords: Robot, arc welding, truck crate

1 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Trong bài báo này, tác gi ả giải quyết các vấn đề sau:

- B ằng việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xác định bộ thông số chế độ hàn thùng xe t ải với các số liệu đầu vào là vật liệu cơ bản, vị trí mối hàn, vật liệu hàn, các thông số

ch ế độ hàn và các số liệu đầu ra là các chỉ tiêu đánh giá cơ tính mối hàn theo TCVN [1] [2]

- Đưa ra được cách xác định và xác định được bộ thông số chế độ hàn hợp lý để hàn các chi ti ết của ô tô nói chung và thùng xe tải nói riêng đảm bảo năng suất và chất lượng cao

2 PHÂN TÍCH L ỰA CHỌN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ HÀN

2.1 Phân tích, l ựa chọn quá trình hàn

Hi ện nay, trong chế tạo các chi tiết của xe ô tô thường sử dụng quy trình hàn hồ quang tay (Hình 1) nên năng suất và chất lượng mối hàn chưa cao

Hình 1 Hàn khung xương bửng hông và lòng thùng xe tải

V ới nền công nghiệp hiện đại, ngày nay các quy trình hàn bán tự động, hàn tự động được sử dụng rộng rãi Đặc biệt là quy trình hàn sử dụng rô bốt hàn trong các nhà máy sản

xu ất ôtô đã giúp chất lượng mối hàn được nâng cao, từ đó chất lượng sản phẩm ngày càng được cải thiện Mặt khác, với quy trình hàn bằng rô bốt, thời gian cho một quy trình hàn giảm

xu ống bởi tốc độ và khả năng làm việc của rô bốt sẽ giúp nâng cao năng suất Hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy trong khí bảo vệ CO2 được sử dụng rộng rãi đối

v ới thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp [3]

Đặc điểm của phương pháp hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ CO2:

- Tính công ngh ệ cao hơn hẳn so với hàn dưới lớp thuốc vì có thể hàn được ở mọi vị trí trong không gian

- B ảo vệ tốt kim loại lỏng vũng hàn khỏi tác động của oxy và nitơ của môi trường khí xung quanh M ặt khác, sau khi hàn sản phẩm ít bị cong vênh vì vùng ảnh hưởng nhỏ do tốc độ hàn l ớn và nguồn nhiệt tập trung

- Quan sát s ự hình thành vũng hàn tốt hơn so với hàn dưới lớp thuốc

- Năng suất hàn cao, giá thành hạ So với hàn hồ quang tay, năng suất hàn tăng khoảng 2.5 l ần

- Điều kiện lao động tốt, quá trình hàn ít sinh khí độc hại

- Giá thành khí CO2 r ẻ hơn so với khí Ar và He

Qua các phân tích ở trên tác giả lựa chọn quy trình hàn GMAW tự động bằng rô bốt sử

d ụng khí bảo vệ CO2 [1]

2.2 Phân tích lựa chọn vật liệu hàn

2.2.1 Vật liệu cơ bản

V ật liệu cơ bản theo thiết kế đã chọn thép CT38 (SS400) với chiều dày 3÷5mm Thép CT38 là thép cacbon th ấp, có nhiệt độ nóng chảy khoảng Tc=15200C và có kh ả năng dẫn nhi ệt tốt [4] Thép CT38 thuộc loại nhóm thép cacbon kết cấu chất lượng thường Thường được dùng trong ngành xây dựng, giao thông và sản xuất ôtô Nhóm thép thông thường này

hi ện nay chiếm tới 80% khối lượng thép dùng trong thực tế, thường được cung cấp ở dạng cán nóng (t ấm, thanh, dây, thép hình)

2.2.2 Lựa chọn dây hàn

Trong công ngh ệ sản xuất dây hàn, kim loại đắp phải thỏa mãn cho việc kết tinh mối hàn cùng v ới những mục tiêu cơ bản sau:

- Kim lo ại đắp tương xứng nhau về cơ tính và lý tính với kim loại cơ bản

- T ạo ra mối hàn có độ liên kết liền, không có khuyết tật

Đối với kim loại cơ bản là thép CT38 chọn dây hàn NA-70S của công ty CP công nghi ệp vật liệu hàn Nam Triệu là phù hợp Dây hàn này được sử dụng rộng rãi trong nhiều

lĩnh lực như đóng tàu, kết cấu thép, và trong cả ngành công nghiệp sản xuất ôtô, hàn cho các

lo ại vật liệu cơ bản tương đương Dây hàn này tương đối dễ hàn, tính hàn thích hợp với mọi vị trí v ới độ lắng kim lại và độ ngấu cao, hồ quang mạnh, cháy êm và ổn định, không bị cháy chân khi hàn, b ề mặt mối hàn đẹp

Dòng hàn: S ử dụng máy hàn một chiều

Khí b ảo vệ: Khí CO2

T ổ chức đăng kiểm chứng nhận: VR, NK, ABS, BV, LR, GL, DNV, RS, SZU

V ị trí hàn: F, HF, H, OH, VU, PA, PB, PC, PE, PF

Đường kính dây: 0,8mm; 0,9mm; 1,0mm; 1,2mm; 1,6mm

Thông s ố hàn:

Bảng 1 Dòng điện hàn ứng với đường kính dây

Đường kính dây 0.8mm 0.9mm 1.0mm 1.2mm 1.6mm

F, HF, H 70-80 80-200 90-220 110-300 140-400

OH, V 50-140 60-140 80-160 100-250 120-350

3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.1 Th ực nghiệm trên mẫu tìm chế độ hàn hợp lý

Để tìm chế độ hàn hợp lý, tác giả đã tiến hành hàn thí nghiệm trên các mẫu từ thép CT38 có chi ều dày 4mm Các mối hàn được thực hiện ở vị trí hàn sấp, liên kết hàn góc giống như liên kết thực trên thùng xe tải (Hình 2) Sử dụng dây hàn NA-70S của công ty CP công nghi ệp vật liệu hàn Nam Triệu, khí bảo vệ CO2 Thi ết bị thí nghiệm là rô bốt hàn AII-V6, máy hàn DM350 Các k ết quả thí nghiệm được đưa ra trong bảng 2

Hình 2 Sơ đồ bố trí các mối hàn trên sàn thùng xe tải

B ảng 2 Các chế độ hàn thí nghiệm

STT

Thông s ố chế độ hàn:

I- Dòng điện hàn (A), U-Điện áp

hàn (V), v-V ận tốc hàn (cm/ph),

F-T ần số lắc đầu hàn (Hz),

α-Góc nghiêng mỏ hàn (độ)

K ết quả Ghi chú

1

AS* I= 140

U= 22.9 v=45

M ối hàn hơi lồi

C ạnh mối hàn K=4

AE** I= 130

U= 18.6

2

AS I= 150

U= 23.5 v=50

T ốc độ hơi nhanh K=4

M ối hàn ít lồi hơn

AE I= 130

U= 18.6

3

AS I= 150

U= 23.5 v=45

M ối hàn lồi

T ốc độ hơi nhanh K=4

AE I= 130

U= 18.6

4

AS I= 160

U= 24.1 v=45

Dòng cao, có cháy chân ở cuối đường hàn

K=4

AE I= 130

U= 18.6

5

AS I= 155

U= 23.8 v=45

M ối hàn tương đối

ph ẳng (còn lồi), có chút cháy chân

K=4

AE I= 140

U= 22.9 α=80

6

AS I= 150

U= 23.5 v=45

M ối hàn phẳng, chân

m ối hàn không cháy K=4

AE I= 140

U= 22.9 α=80

7

AS I= 150

U= 23.5 v=45

M ối hàn phẳng,

ch ỉnh lại vào tâm

tr ục đường hàn K=4

AE I= 140

U= 22.9

α=80 F=3.0 Hz

8

AS I= 150

U= 23.5 v=45

M ối hàn cháy chân,

t ốc độ hơi nhanh, dòng điện lớn

K=4

AE I= 140

U= 22.9

α=80 F=2.0 Hz

9

AS I= 150

U= 23.5 v=50

M ối hàn cháy chân ít hơn, Bề mặt rộng hơn

K=5

AE I= 140

U= 22.9

α=80 F=2.0 Hz

10

AS I= 140

U= 22.9 v=50

L ệch trục đường hàn

H ỏng

AE I= 140

U= 22.9

α=80 F=2.0 Hz

11

AS I= 150

U= 23.5 v=50

L ệch trục, cần chỉnh

l ại cho mối hàn đẹp hơn, dòng vẫn hơi cao

AE I= 140

U= 23.5 α=80

12

AS I= 150

U= 23.5 v=45

Dòng v ẫn hơi cao Còn b ắn tóe

AE I= 150

U= 22.9

α=80 F=2.5 Hz

* - Khi b ắt đầu hàn; ** - Khi kết thúc hàn

Qua phân tích các k ết quả nhận được, đối chiếu theo tiêu chuẩn Việt Nam về chất lượng hàn TCVN 7472: 2005 [1] và TCVN 6115-1:2005 [2] tác gi ả tìm được bộ thông số hàn phù

h ợp như trong bảng 4 với hình dáng mối hàn như trên Hình 3

Bảng 4 Chế độ hàn hợp lý

I(A) U(V) V(cm/phút) α (độ)

130 20 45 80

Hình 3 Hình dáng mối hàn đạt yêu cầu 3.2 Xây dựng quy trình hàn

Bước 1: Chuẩn bị các chi tiết theo bản vẽ chi tiết

Bước 2: Tiến hành đặt các chi tiết vào vị trí bàn gá Đảm bảo vị trí các dưỡng trên bàn

gá phù h ợp với bản vẽ chi tiết sàn thùng

Bước 3: Tiến hành hàn đính khung xương sàn xe

Bước 4: Tiến hành hàn khung sàn xe: Đảm bảo mối hàn theo đúng kĩ thuật, các dầm được hàn chắc chắn, đảm bảo trong quá trình chuyển xương sàn lên tấm sàn không bị thay đổi kích thước; hàn các dầm với nhau theo chế độ hàn đã tính toán

Bước 5: Tiến hành hàn khung sàn xe với tấm sàn: Di chuyển khung sàn xe lên tấm sàn theo đúng vị trí và đảm bảo kích thước theo bản vẽ lắp; Đảm bảo sàn xe đúng vị trí so với rô

b ốt hàn; Tiến hành hàn với rô bốt hàn bằng phương pháp GMAW theo chế độ hàn đã đưa ra

B ố trí các đường hàn trong sàn thùng xe như hình sau:

Hình 4 Đồ gá khung xương sàn thùng xe

T ừ bản vẽ chi tiết và với kích thước của sàn thùng xe, ta chia sàn thùng thành 4 phần để

ti ến hành lập trình Điều này sẽ đáp ứng khả năng làm việc cũng như phù hợp với nhiều loại

rô b ốt công nghiệp hiện nay Như vậy, rô bốt hàn phải di chuyển tới 4 vị trí để tạo chương trình phù h ợp với vùng làm việc của rô bốt Ta phải tiến hành lập 4 chương trình cho rô bốt

V ới mỗi vị trí của rô bốt sẽ ứng với 1 chương trình Việc sử dụng đồ gá sẽ giúp các chi tiết được đặt đúng vị trí Điều này giúp hạn chế việc lập trình lại các chương trình với mỗi sàn thùng m ới trong trường hợp hàn với số lượng nhiều Với các chi tiết phụ như chi tiết số 12,13,14,15 có th ể tiến hành hàn MAG bán tự động Trong quá trình di chuyển rô bốt tới các góc ph ần tư của sàn thùng xe, mỗi vị trí của rô bốt cũng sẽ có một cữ đánh dấu vị trí mà tại đó

rô b ốt tiến hành hàn theo chương trình đã lập

3.3 Hàn thử nghiệm thùng xe tải

3.3.1 Thiết bị thử nghiệm

S ử dụng rô bốt hàn hồ quang AII-V6 và máy hàn DM350 (Hình 6) tại Trung tâm Thực hành công ngh ệ cơ khí Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội làm thiết bị thử nghiệm [5] Máy hàn DM350 là lo ại máy hàn Inventer điều khiển số được tích hợp hệ thống đồng bộ hóa dữ

li ệu với rô bốt hàn AII-V6

3.3.2 Vật liệu

L ựa chọn vật liệu

V ật liệu sử dụng trong thử nghiệm là thép CT38 Vật liệu này phổ biến trên thị trường

và có tính hàn v ới phương pháp hàn GMAW

Chu ẩn bị phôi

Tác gi ả lựa chọn một phần của thùng xe tải để tiến hành thử nghiệm, đảm bảo đủ các

lo ại mối hàn được lặp đi lặp lại nhiều lần trong thực tế (Hình 5)

Hình 5 B ố trí mẫu thí nghiệm Hình 6 Rô bốt hàn thử nghiệm

S ử dụng các chi tiết phù hợp với bản vẽ thực tế với các chi tiết số 2, số 3, số 4 số 5 số 6 Các chi ti ết được bố trí giống với sản phẩm đầy đủ nhằm tạo không gian hoạt động thật, giúp ki ểm tra khả năng làm việc của rô bốt trong không gian thực

Chi ti ết số 2 được rút gọn với chiều dài là 594mm

Chi ti ết số 4 được rút gọn với chiều dài là 592mm

Chi ti ết số 4 được rút gọn với kích thước là 600x600mm

Chi ti ết số 3 và số 6 được giữ nguyên kích thước

S ử dụng máy sấn tôn Sakura để tạo phôi các chi tiết theo thiết kế mẫu thử nghiệm

B ố trí đường hàn thử nghiệm như trên Hình 7

Hình 7 Bố trí đường hàn thử nghiệm

3.3.3 Lập trình

L ập một chương trình giúp rô bốt hoạt động được trong không gian làm việc thực tế Đầu tiên, người lập chương trình cần hiểu về không gian hoạt động, phạm vi cùng làm việc của tay máy rô b ốt cũng như khả năng đưa mỏ hàn của rô bốt tới các vị trí hàn Bên cạnh đó, từ bản vẽ chi ti ết vị trí cần hàn xác định được khả năng hàn được các vị trí đó của rô bốt, đưa ra vị trí các đường hàn Ngoài ra, cần có kiến thức về các bước thiết lập một chương trình tự động cho rô

b ốt với những điểm an toàn, gây hồ quang, tạo dao động, tắt hồ quang, tắt dao động,… Từ

nh ững kiến thức về công nghệ hàn thiết lập thông số hàn cho quá trình hàn của rô bốt

S ử dụng những thao tác dạy cơ bản, các lệnh cơ bản và các phím chức năng trên bảng

d ạy để lập chương trình Khi các công việc chuẩn bị đã kết thúc, ta tiến hành dạy cho rô bốt

S ử dụng chương trình hàn rô bốt trên để ứng dụng với các đường hàn trên phôi thử nghiệm Các đường hàn bao gồm hàn lấp góc và hàn chồng lấp góc, quỹ đạo là đường thẳng Từ

b ản thiết kế đường hàn, đánh số thứ tự các đường hàn khi lập trình (Hình 8) Việc thiết kế và đánh số thứ tự các đường hàn sẽ giúp cho việc di chuyển rô bốt và mỏ hàn được thuận tiện và

gi ảm thời gian thao tác Việc này sẽ làm tăng năng suất hàn

T ổng số đường hàn cần lập trình cho rô bốt trong hàn thử nghiệm là 20 đường gồm:

- 10 đường hàn lấp góc số: 4,5,6,10,11,12,17,18,19,20

- 10 đường hàn chồng lấp góc: 1,2,3,7,8,9,13,14,15,16

3.3.4 Hàn thử nghiệm

Sau khi l ập chương trình cho rô bốt và tiến hành chạy thử không gây hồ quang đảm bảo các điều kiện an toàn, mỏ hàn không va chạm với phôi, ta tiến hành hàn với hồ quang Khi thao tác ki ểm tra rô bốt có thể dừng lại ở mỗi bước sao cho vị trí và tư thế của nó ở mỗi bước

và đường dẫn di chuyển của nó giữa các bước có thể được kiểm tra Nếu cần có thể thay đổi

Hình 8 Bố trí các đường hàn thử nghiệm

3.3.5 Kết quả hàn thử nghiệm

- Chương trình hàn đã lập trên rô bốt AII-V6 gồm 175 bước (Hình 9)

Hình 9 Chương trình hàn thử nghiệm

- Th ực hiện được 20 đường hàn với chiều dài từ 30-50mm cho mối hàn đẹp đều, không cháy c ạnh Đảm bảo độ ngấu, không bắn tóe trong quá tình hàn

Hình 10 M ối hàn thử nghiệm

Qua quá trình nghiên c ứu thực nghiệm tìm chế độ hàn hợp lý và hàn thử nghiệm với chế

độ hàn này trên phôi tương thích với thùng xe tải trên thực tế, tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh

b ản quy trình hàn thùng xe tải như sau:

QUY TRÌNH HÀN THÙNG XE Ô TÔ T ẢI (WPS)

Quy trình hàn này có th ể ứng dụng vào thực tế để hàn thùng xe ô tải cho năng suất và

ch ất lượng mối hàn đạt tiêu chuẩn

4 KẾT LUẬN

Trong bài báo này, tác gi ả đã trình bày hoàn chỉnh nội dung thiết kế quy trình hàn thùng

xe t ải, bao gồm:

- Xây d ựng quy trình công nghệ hàn thùng xe tải, bao gồm: lựa chọn quá trình hàn, vật

li ệu hàn, thiết bị hàn, chế độ hàn, gá lắp và hàn đính, hàn hoàn thiện Quy trình này có thể ứng

d ụng vào thực tế khi chế tạo thùng xe ô tô tải

- Đưa ra bản thông số quy trình hàn thùng xe tải với các mối hàn điển hình

- Các quy trình hàn đã được hàn kiểm nghiệm tại Trung tâm Thực hành công nghệ cơ khí – Trường Đại học BáchKkhoa Hà Nội, kết quả đạt yêu cầu

- Nghiên c ứu công nghệ hàn các mối hàn điển hình thùng xe ô tô tải từ đó thiết kế quy trình công ngh ệ hàn hợp lý bằng rô bốt; lập trình ứng dụng trên rô bốt hàn hồ quang 6 bậc tự

do chu ỗi động hở nhằm nâng cao năng suất và chất lượng trong công nghiệp sản xuất ô tô

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] T ổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Việt Nam, TCVN 7472: 2005 Mức chất lượng đối với khuyết tật hàn, 2005

[2] T ổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Việt Nam, TCVN 6115-1:2005 Hàn và các quá trình liên quan - Phân lo ại khuyết tật hình học ở kim loại, 2005

[3] Nguy ễn Thúc Hà, Bùi Văn Hạnh, Võ Văn Phong, Giáo trình Công nghệ hàn, NXB Giáo

d ục, 2007 14

[4] Ngô Trí Phúc, Tr ần Văn Địch, Sổ tay sử dụng thép thế giới, NXB KHKT, 2003

[5] OTC Daihen Corporation, from http://www.daihen-usa.com/robotics

ĐỊA CHỈ LIÊN HỆ

PGS TS Bùi Văn Hạnh

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

DĐ: 0913 507 234

Email: hanh.buivan@hust.edu.vn