Nghiên cứu ứng dụng robot hàn để hàn một số đường cong phức tạp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP IR Chương này giới thiệu lịch sử ra đời của Robot công nghiệp, định nghĩa, ứng dụng và phân loại Robot 1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp 1.2 Đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

NGUYỄN VĂN CÔNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ROBOT HÀN ĐỂ HÀN MỘT SỐ ĐƯỜNG

CONG PHỨC TẠP

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HÀ NỘI – 2011

MỤC LỤC

Trang phụ bìa 2

MỤC LỤC 3

Lời cam đoan 6

Danh mục các bảng 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8

PHẦN MỞ ĐẦU 12

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP (IR) 14

1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp ( Inductrial Robot) 15

1.2 Định nghĩa về Robot công nghiệp 22

1.3 Phân loại Robot 23

1.3.1 Phân loại theo hình học 23

1.3.2 Phân loại theo điều khiển 28

1.4 Ứng dụng Robot công nghiệp trong sản xuất 28

1.5 Ứng dụng Robot trong ngành hàn 29

Chương 2: GIỜI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ HÀN 31

2.1 Lịch sử phát triền của ngành hàn 32

2.2 Bản chất, đặc điểm và ứng dụng của hàn kim loại 33

2.2.1 Bản chất 33

2.2.2 Đặc điểm 33

2.2.3 Ứng dụng 34

2.3 Phân loại các phương pháp hàn 34

2.3.1 Phân loại theo dạng năng lượng sử dụng 34

2.3.2 Phân loại theo trạng thái kim loại mối hàn ở thời điểm hàn 34

2.4 Phân loại các liên kết hàn 35

2.4.1 Khái niệm 35

2.4.2 Phân loại 36

Trang

2.5.1 Mối hàn 36

2.5.2 Chuyển dịch kim loại lỏng từ que hàn vào vũng hàn 37

2.5.3 Sự tạo thành vũng hàn 38

2.5.4 Tổ chức kim loại mối hàn 39

2.5.5 Vùng ảnh hưởng nhiệt 40

2.5.6 Phân loại mối hàn 41

2.6 Hồ quang hàn 43

2.6.1 Khái niệm về hồ quang hàn 43

2.6.2 Sự cháy và phân bố nhiệt hồ quang 43

2.7 Ứng suất và biến dạng hàn 44

2.7.1 Khái niệm về ứng suất và biến dạng hàn 44

2.7.2 Ứng suất và biến dạng dọc 45

2.7.3 Ứng suất và biến dạng ngang 47

2.7.4 Biến dạng góc và cục bộ 48

2.7.5 Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàn 49

2.8 Khuyết tật của mối hàn và phương pháp kiểm tra .52

2.8.1 Khuyết tật của mối hàn 52

2.8.2 Phương pháp kiểm tra khuyết tật mối hàn 56

2.9 Giới thiệu một số công nghệ hàn 58

2.9.1 Hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc 58

2.9.2 Hàn MIG, MAG 58

2.9.3 Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ 59

2.9.4 Hàn điện tiếp xúc 60

Chương 3: KẾT CẤU ROBOT HÀN 62

3.1 Tại sao và khi nào dùng Robot hàn? 63

3.1.1 Khi nào dùng Robot hàn 63

3.1.2 Tại sao hàn bằng Robot 63

3.2 Các bộ phận cơ bản và tính năng của hệ thống Robot Kuka 65

3.2.1 Các bộ phận cơ bản của hệ thống robot Kuka 65

3.2.2 Thông số động học của robot 67

3.2.3 Tay máy cơ khí 68

3.3 Các phương pháp điều khiển robot 70

3.3.1 Các hệ toạ độ và các kiểu chuyển động của robot Kuka 70

3.3.2 Các phương pháp điều khiển 73

3.3.3 Giao diện Người – Máy 77

3.3.4 Các phương pháp điều khiển 80

Chương 4: ỨNG DỤNG CỦA ROBOT HÀN VÀ MỘT SỐ MÔ HÌNH 83

4.1 Ứng dụng của robot Kuka 84

4.2 Các mô hình ứng dụng 87

4.2.1 Mô hình I 87

4.2.2 Mô hình II 100

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp của tôi hoàn toàn do tôi tự làm, tự tìm hiểu dưới sự hướng dẫn của TS Đinh Văn Chiến – Trường đại học Mỏ và GS.TS Trần Văn Địch – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan không sao chép, nhờ, thuê, mua hay tải tài liệu từ trang Web cũng như bất kỳ hình thức nào để biến luận văn này thành của tôi

Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan trên

Người cam đoan

Nguyễn Văn Công

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: Tình hình sản xuất robot ở mốt số nước công nghiệp phát triển Bảng 1-2: Ước tính sự phát triển của robot trên thế giới

Bảng 3-1: Bảng các thông số động học

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1-1: Victor Scheinman và Cánh tay Robot Stanford

Hình 1-2: Robot Shakey

Hình 1-3: Robot Stanford Cart

Hình 1-4: Robot 8 chân Dante

Hình 1-5: Robot Asimo

Đồ thị 1-1: Ước tính robot công nghiệp hoạt động trên toàn thế giới

Đồ thị 1-2: Cung ứng robot công nghiệp hàng năm của một số quốc gia

Hình 1-6: Robot có không gian làm việc dạng hình chữ nhật

Hình 1-7: Robot có không gian làm việc dạng trụ θ

Hình 1-8: Robot có không gian làm việc dạng cầu

Hình 1-9: Robot kiểu nối

Hình 1-10: Robot SCARA

Hình 2-1: Phân loại các phương pháp hàn theo trạng thái hàn

Hình 2-2: Một số liên kết hàn thường gặp

Hình 2-3: Các vùng quy ước trên mặt cắt ngang của liên kết hàn giáp mối

Hình 2-4: Tác dụng nén của điện trường lên que hàn khi nóng chảy

Hình 2-5: Sơ đồ vũng hàn; A,B: Phần đầu và phần đuôi của vũng hàn

Hình 2-6: Sơ đồ kết tinh của kim loại mối hàn

Hình 2-7: Tổ chức vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn giáp mối thép ít Cacbon Hình 2-8: Phân loại mối hàn theo vị trí trong không gian

Hình 2-9: Phân loại mối hàn theo phương của ngoại lực

Hình 2-10: Cấu tạo của hồ quang

Hình 2-11: Sự phân bố nhiệt của hồ quang

Hình 2-12: Ảnh hưởng của chiều dài mối hàn đến đại lượng ứng suất dọc dư khi hàn giáp mối các tấm dày 25mm

Hình 2-13: Các biến dạng dọc khi hàn

Hình 2-14: Sự xuất hiện các ứng suất ngang do độ co dọc của mối hàn

Hình 2-15: Ảnh hưởng trình tự hàn đến việc phân bố các ứng suất ngang

Hình 2-29: Kiểm tra bằng tia X

Hình 2-30: Kiểm tra bằng tia γ

Hình 2-31: Sơ đồ hàn dưới lớp thuốc

Hình 2-32: Sơ đồ hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ

Hình 2-33: Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ (hàn TIG)

Hình 2-34: Sơ đồ nguyên lý hàn điện tiếp xúc giáp mối

Hình 3-1: Biểu đồ phát triển của Robot Kuka

Hình 3-2: Các chủng loại robot và tải trọng của Robot Kuka

Hình 3-3: Robot trượt trên băng tải

Hình 3-4: Robot treo trên dầm

Hình 3-5: Hình dáng chung của Robot Kuka

Hình 3-6: Các trục toạ độ trên cánh tay robot

Hình 3-7: Các khâu của cánh tay robot Kuka

Hình 3-8: Khớp nối các khâu của robot

Hình 3-10:Các loại robot Kuka

Hình 3-11: Chiều các trục toạ độ trên robot

Hình 3-12: Hệ toạ độ gốc cố định

Hình 3-13: Hệ tọa độ đề các cố định gốc tại tâm của dụng cụ Hình 3-14: Hệ tọa độ đề các cố định gốc tại phôi

Hình 3-15: Các trục chuyển động của robot Kuka

Hình 3-16: Các kiểu chuyển động nội suy của robot

Hình 3-17: Cấu trúc điều khiển của robot

Hình 3-18: Tủ điều khiển với bộ phận PC

Hình 3-19: Tủ điều khiển và các BUS

Hình 3-20: Điều khiển rô bốt với thiết bị camera

Hình 3-21: Màn hình và thiết bị máy tính điều khiển rô bốt Hình 3-22: KUKA Control Panel (KCP)

Hình 3-23: Bảng các nút trạng thái

Hình3-24: Bảng dạy học Teach Pendant

Hình3-25: Khối các chữ số các ký tự bảng mã ASCII

Hình 4-1: Robot hàn

Hình 4-2: Robot phun sơn

Hình 4-3: Robot gắp bao thức ăn chăn nuôi

Hình 4-4: Robot lắp ráp

Hình 4-5: Robot cắt kim loại

Hình 4-6: Robot hàn các thiết bị

Hình 4-7: Robot nâng tải

Hình 4-8: Robot vận chuyển phôi

Hình 4-9: Robot trong phân xưởng đúc

Hình 4-10: Mô hình hàn ôtô 2D

Hình 4-11: Các robot Kuka KR125 trong hệ thống sản xuất Hình 4-12: Hệ thống đèn chiếu sang

Hình 4-13: Hệ thống rào chắn

Hình 4-22: Băng tải vận chuyển kính

Hình 4-23: Bố trí hệ thống bàn xoay khung đỡ quanh Robot Hình 4-24: Hệ thống giá đỡ

Hình 4-25: Mô hình 3D hệ thống sản xuất

là làm sao để hệ thống tự động hoá sản xuất phải có tính linh hoạt cao nhằm đáp ứng sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hoá cạnh tranh Robot công nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong việc tạo ra những hệ thống sản xuất linh hoạt đó

Gần nửa thế kỷ có mặt trong sản xuất, Robot công nghiệp đã có một lịch sử phát triển hấp dẫn Ngày nay Robot công nghiệp đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực sản xuất Ở giai đoạn trước những năm 1990 hầu như trong nước ta hoàn toàn chưa du nhập về kỹ thuật Robot, thậm chí còn chưa nhận được nhiều thông tin

kỹ thuật về lĩnh vực này Từ năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập ngoại nhiều loại Robot để phục vụ sản xuất như tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm gia công CNC, lắp ráp các linh kiện điện tử, thao tác ở các máy ép nhựa, hàn vỏ xe ôtô, xe máy, phun sơn v.v…

Ở nhiều trường đại học, cao đẳng và cao đẳng nghề đã bắt đầu giảng dạy về Robot Đặc biệt trong những năm gần đây xu thế nhập Robot công nghiệp ở các trường nghề ngày càng gia tăng để phục vụ cho học sinh, sinh viên thực tập, tiếp cận dần với nền sản xuất hiện đại Tuy nhiên sự chuyển giao công nghệ của nhà sản xuất chưa thật như ý muốn, chưa tận dụng khai thác triệt để của thiết bị Là một kỹ

sư tôi mong muốn đóng góp một phần nhỏ bé của mình vào công việc chung của sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá sản xuất Tôi mạnh dạn chọn đề tài này làm

luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu ứng dụng robot hàn để hàn một số đường cong phức tạp”

Tôi rất vinh dự được học tập và nghiên cứu tại khoá đào tạo thạc sĩ khoá

2009 của trường, đề tài tốt nghiệp của tôi được hoàn thành đúng thời hạn với sự

hướng dẫn tận tình của TS Đinh Văn Chiến và GS.TS Trần Văn Địch, các thầy

cô giáo trong và ngoài nhà trường, các bạn đồng nghiệp và sự nỗ lực của bản thân,

và tôi hy vọng rằng đề tài của tôi được áp dụng vào thự tế trong công nghiệp hiện đại hoá dây chuyền sản xuất đa dạng ngày này…

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô trong khoa Cơ khí, phòng đào tạo Sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn Tôi lấy làm biết ơn

lãnh đạo Công ty Cổ phần Kết cấu Kim loại và Lắp máy Dầu khí (PVC-MS) và Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam (PVN) đã tạo điều kiện cho tôi học tập, mở

mang kiến thức Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 30 tháng 9 năm 2011

Học viên

Nguyễn Văn Công

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP (IR)

Chương này giới thiệu lịch sử ra đời của Robot công nghiệp, định nghĩa, ứng dụng

và phân loại Robot

1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp

1.2 Định nghĩa về Robot công nghiệp

1.3 Phân loại Robot

1.3.1 Phân loại theo hình học

1.3.2 Phân loại theo điều khiển

1.4 Ứng dụng của Robot công nghiệp trong sản xuất

1.5 Ứng dụng Robot trong ngành hàn

1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp (Industrial Robot)

Thuật ngữ “ROBOT” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp địch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người

Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay Robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất

Về mặt kỹ thuật, những Robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC – Numerically Controlled machine tool) Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ - tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong

Ngày nay trong sản xuất, việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm là hết sức quan trọng, giải pháp cho vấn đề này là ứng dụng rộng rãi các phương tiện

tự động hoá trong các quá trình sản xuất Trên thế giới hiện nay nói chung và các nước phát triển nói riêng đã xuất hiện xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao và hiện nay xu hướng này đã đạt được khá nhiều kết quả khả quan Chính vì thế nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống tự động linh hoạt ngày càng trở nên cấp thiết

Từ thời xa xưa, khi mới làm ra được những chiếc máy đầu tiên con người đã mơ ước về những kiểu máy móc bắt chước được con người và các sinh vật khác Ở

cúi chào, biết chơi đàn, biết múa hát trên những chiếc đồng hồ báo thức hoặc trên những hộp nhạc tinh xảo

Ở nước ta, theo sử sách còn ghi lại thì năm 1029, nhà Lý xây điện Phụng Tiên trước sân rồng trong hoàng thành Trên điện Phụng Tiên dựng lầu Chính Dương, trong lầu Chính Dương có đặt đồng hồ báo canh, báo khắc Trong các ngày hội Quảng Chiếu ở kinh thành Thăng Long thường có dựng đài Quảng Chiếu Trên đài có chú tiểu đánh chuông, đặt máy ngầm ở dưới đất khiến đài lúc nào cũng xoay tròn như bánh xe quay Vặn máy thì hình chú tiểu biết giơ dùi đánh chuông; nghe tiếng sáo chú tiểu biết quay mặt lại; trông thấy vua chú tiểu biết cúi chào

Trên thế giới, năm 1921, nhờ sự trình diễn của các nghệ sĩ Tiệp Khắc với con rối Tobota có tên gọi “lực sĩ” (Force Man) đã giúp cho các nhà kỹ thuật có ý tưởng sáng chế ra cơ cấu máy móc bắt chước thao tác lao động cơ bắp của con người Cho đến những năm trước Đại chiến Thế giới thứ II, việc triển khai ứng dụng những cơ cấu như vậy trong kỹ thuật trở thành nhu cầu thật sự, nhằm đáp ứng những thao tác cần thiết trong môi trường phóng xạ ở các viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử Teleoperator là một cơ cấu phỏng sinh học con bao gồm những khâu, những khớp và những dây chằng gắn liền với hệ điều hành là cánh tay của người thao tác thông qua các cơ cấu khuếch đại cơ khí Teleoperator có thề cầm nắm, nâng hạ, dịch chuyển, đảo lật, buông thả các đối tượng trong một không gian hoạt động xác định

Năm 1950 cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển theo chương trình số với chỗ dựa là các cơ cấu điều phối vô cấp (servo mechanism) và các hệ điện toán (computation), ngay lập tức các ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC với các

cơ cấu điều khiển từ xa đã được hình thành và triển khai nghiên cứu… Sự kết hợp tuyệt vời giữa khả năng linh hoạt khéo léo của teleoperator với độ nhạy bén của hệ điều khiển NC đã đưa ra kết quả là một thế hệ máy móc tự động mới ra đời với tên gọi “Người máy”

Năm 1956, Engelberger xây dựng một công ty sản xuất robot đầu tiên có tên là Unimation (Universal Automation) nhằm sản xuất những robot công nghiệp đầu tiên dựa trên sáng chế của George Devol Năm 1961, họ cho ra đời robot đầu tiên có tên là Unimate Với thành công này, Engelberger được gọi là cha đẻ của robot học

Trên thực tế hầu hết các robot Unimate bán ra là để làm công việc lấy khuân ra khỏi các máy dập khuân và để hàn điểm trên ôtô Đây là hai loại công việc mà công nhân không bao giờ muốn làm Tuân theo các lệnh tuần tự được lưu trữ trong một trống từ, một cánh tay nặng 4000 pound đủ linh hoạt để có thể làm được rất nhiều loại tác vụ

Cả hai ứng dụng này đã thành công rất lớn về thương mại cụ thể là những robot làm việc rất đáng tin cậy và tiết kiệm tiền thuê nhân công Một công nghiệp mới

ra đời với rất nhiều các công việc do robot thực hiện Robot công nghiệp Unimate là một trong những robot cho phép lập trình chuyển động hoàn toàn trên 6 trục và được thiết kế để có thể nâng trọng lượng 500 pound với tốc độ nhanh Sau hơn 20 năm cái tiến, robot này có độ tin cậy cao và rất dễ sử dụng

Hình 1-1: Victor Scheinman và Cánh tay Robot Stanford

Năm 1969, Victor Scheinman – một sinh viên chế tạo máy làm việc tại phòng thí nghiệm trí thông minh nhân tạo Stanford đã chế tạo ra cánh tay Stanford Thiết kế này đã trở thành chuẩn mực và vẫn đang ảnh hưởng nhiều đến những thiết kế của những cánh tay robot ngày nay Đây là cánh tay robot đầu tiên chạy bằng điện và điều khiển bằng máy tính thành công Robot này có 6 khớp, cho

một lộ trình tuỳ ý và mở rộng khả năng cho các ứng dụng phức tạp hơn như robot lắp ráp và hàn hồ quang Cũng chính là robot này đã được sử dụng để phát triển những kỹ thuật lắp ráp công nghiệp cho các cánh tay robot thương mại Victor Scheinman sau đó đã bán thiết kế này cho Unimation, hãng này với sự giúp đỡ của General Motors đã phát triển robot này thành dòng robot công nghiệp PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) được sử dụng rộng rãi trong các dây truyền lắp ráp tự động và rất nhiều các tác vụ công nghiệp khác

Từ năm 1966 cho đến năm 1972, Trung tâm trí tuệ nhân tạo của SRI (nay là viện nghiên cứu Stanford, Menlo park, California) đã nghiên cứu và phát triển robot di động đầu tiên có thể suy luận hoạt động của nó là robot Shakey

Hình 1-2: Robot Shakey

Shakey có một camera vô tuyến, một máy đo khoảng cách bằng phương pháp ba điểm, một cảm biến chấn động Shakey được kết nối với hai máy tính DEC PDP-10 và PDP-15 thông qua song radio và song vô tuyến, sử dụng các chương trình để nhận biết, lập mô hình thế giới xung quanh và các hoạt động Các lệnh con bậc 1 điều khiển các hoạt động di chuyển, quay và xác dịnh đường đi; các lệnh bậc 2 phối hợp các lệnh 1 để thực hiện được các lệnh phức tạp hơn những

mục tiêu mà người sử dụng đưa ra Hệ thống cũng khái quát và giữ lại các lệnh này để có thể sử dụng lại trong tương lai

Từ năm 1979, phòng thí nghiệm Stanford tiếp tục đưa ra một thiết kế mới, xe tự định vị Stanford Cart , được xây dựng với mục đích ban đầu là tạo ra một thiết

bị điều khiển từ xa lưu động (Rover) trên mặt trăng

Hình 1-3: Robot Stanford Cart

Từ năm 1967 cho đến 1970, nó được thiết kế lại để có thể tự động đi theo một vạch kẻ màu trắng trên đường Một máy tính từ xa điều khiển hoạt động của xe này nhờ thông tin truyền về từ một camera vô tuyến gắn trên xe Năm 1977 Hans Moravec tiếp tục thiết kế lại, trang bị cho nó một camera vô tuyến gắn trên đỉnh để chụp ảnh từ các góc độ khác nhau và chuyển về cho máy tính Máy tính

sẽ tính toán khoảng cách xe và chướng ngại vật sau đó điều khiển xe đi vòng qua những chướng ngại vật này Năm 1979, Stanford cart chỉ mất gần 5 giờ len lỏi qua một căn phòng đầy bàn ghế - không hề có sự trợ giúp của con người Đây quả là cột mốc đánh dấu thành quả mới cho những cỗ xe tự định vị

Năm 1992 Robot 8 chân Dante thực hiện thám hiểm núi lửa Erebus ở Antarctica Nó được điều khiển từ Mỹ và đã thu thập được một ít dữ liệu Tuy những khó khăn về cơ khí đã khiến thử nghiệm này đã phải ngừng lại, nhưng

những cột mốc nó đặt ra đã khuyến khích những người đi đầu trong một kỷ nguyên mới: Robot thám hiểm những khu vực nguy hiểm thay cho con người

Hình 1-4: Robot 8 chân Dante

Năm 2000, sau 14 năm dài nghiên cứu và thử nghiệm, Hoda đã cho ra đời Asimo (ASIMO là viết tắt của Advanced Step in Innovative Mobility, có nghĩa

là “Bước đột phá về khả năng di chuyển sáng tạo”) – người máy thông minh và giống người thật nhất thế giới Asimo cao 1.2m nặng 52kg, có thể di chuyển với tốc độ 1.6km/giờ, có thể biểu lộ cử chỉ giống con người như khóc, giận, khoái chí, vui mừng, ngạc nhiên,…Asimo thực sự là niềm tự hào không chỉ của riêng Honda mà của toàn nước Nhật Cùng với Honda, Asimo đã đi khắp nơi trên thế giới để truyền bá thông điệp cho những người trẻ tuổi: Dũng cảm theo đuổi những ước mơ và không ngừng vươn tới những đỉnh cao mới của trí tuệ con người

Hình 1-5: Robot Asimo

Một vài số liệu về số lượng Robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp

phát triển như sau

Bảng 1-1: Tình hình sản xuất robot ở mốt số nước công nghiệp phát triển

Nhật 60.118 29.756 67.000

Đức 5.845 5.125 8.600

Ý 2.500 2.408 4.000 Pháp 1.488 1.197 2.000

Hàn quốc 1.000 1.200

Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra robot, nhưng nước phát triển cao nhất trong

lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng robot là Nhật

Những số liệu cho thấy robot công nghiệp ngày càng được ứng dụng ngày càng

Bảng 1-2: Ước tính sự phát triển của robot trên thế giới

Đồ thị 1-1: Ước tính robot công nghiệp hoạt động trên toàn thế giới

Đồ thị 1-2: Cung ứng robot công nghiệp hàng năm của một số quốc gia

1.2 Định nghĩa về Robot công nghiệp

Hiện nay có nhiều định nghĩa về robot, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau:

¾ Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

¾ Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America): Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dụng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

¾ Định nghĩa theo GOCT 25686-85 (Nga): Robot công nghiệp là một máy

tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy

và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

¾ Định nghĩa theo tiêu chuẩn VDI2860/BRD: Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động tự động có thể chương trình hoá và nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình Chúng được điều khiển bởi các bộ hợp nhất ghép nối với nhau, có khả năng học nhớ các chương trình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác nhau thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp và gián tiếp

1.3 Phân loại Robot

Có hai phương pháp phân loại robot Một là theo tính chất vật lý hay hình học của chúng Hai là theo cách chúng được điều khiển

1.3.1 Phân loại theo hình học

Ngành công nghiệp dùng các thiết kế các robot khác nhau với các ưu nhược điểm riêng Về cơ bản, một robot phải có 3 bậc tự do để tiếp cận tới tất cả

trong không gian Có 5 loại robot có tính chất không gian làm việc khác nhau, đó là:

1 Loại có dạng đề các (chữ nhật) (x,y,z)

2 Loại có dạng trụ (kiểu trụ) (r,θ,z)

3 Loại có dạng cầu (kiểu toạ độ cực) (r,θ, )

4 Kiểu nối (nhân hình hoá hay nhân tạo) (θ1, θ2, θ3)

5 SCARA (cánh tay máy có kết cấu lắp chọn) (θ1, θ2, θ3)

Mỗi loại robot trên được mô tả theo 3 khớp nối đầu tiên bao gồm bậc tự do của khớp Mỗi khớp có thể mô tả bằng toán học hoặc theo chính hệ toạ độ của chúng, mô tả này có thể vẽ trong hệ toạ độ đề các Chú ý rằng chuyển động tịnh tiến và quay của cánh tay Robot bị hạn chế bởi thiết kế robot

1 Kiểu đề các (Hình 1-6)

Robot kiểu này còn gọi là tay máy kiểu giàn, có các khớp dịch chuyển theo hướng dạng hình chữ nhật Đây là dạng mô hình hoá và về dạng toán học vì các hệ toạ độ tương ứng với hệ trục toạ độ đề các Robot này được dùng ở những nơi cần độ chính xác rất cao, tuy nhiên không gian làm việc của nó rất hạn chế

Hình 1-6: Robot có không gian làm việc dạng hình chữ nhật

Hình 1-7: Robot có không gian làm việc dạng trụ θ

Nếu vị trí của điểm tham chiếu của tay ký hiệu là (θ, h, r) khi đó vị trí sẽ

dễ dàng xác định tại tất cả các thời điểm, nhưng nếu vị trí được cho ở một thời điểm, tức là (x, y, z) như trong trường hợp bình thường, sau đó cần thực hiện một vài phép biến đổi tay 2 hệ trục toạ độ, áp dụng phép tiếp cận mềm và giải bài toán cho 3 khớp đầu tiên, trục z có vẻ giống như trục thẳng đứng của Robot:

z=h Mặt phẳng xy vuông góc với trục z và do đó song song với mặt phẳng ở

đó θ quay (quanh trục z) và khoảng cách r

(1)

Loại robot này đa năng hơn loại đề các Tuy nhiên nó có độ chính xác thấp hơn

3 Kiểu không gian làm việc hình cầu (Hình 1-8)

Loại robot này có một khớp tịnh tiến và 2 khớp quay, 3 khớp đầu tiên của robot này tương ứng với 3 biến cơ bản của một hệ toạ độ cầu

Chuyển động quay: 1

Chuyển động quay vuông góc với mặt phẳng của (quay quanh trục z):

θ

Tầm với: z

Hình 1-8: Robot có không gian làm việc dạng cầu

Để biết vị trí của tay robot, phải giữ nguyên các giá trị ( , θ, r) Tuy nhiên nếu chúng ta có vị trí tay robot ở dạng (x, y, z) chúng ta phải thực hiện phép chuyển hệ

Theo cách ít chặt chẽ hơn giống như trong trường hợp của robot loại 2, chúng ta có thể xác định toạ độ khớp ( , θ, r) phải nằm vị trí của tay máy

ở một điểm đề các cụ thể Phần bổ sung của khớp quay thứ 2 tăng tính mềm dẻo của robot này Tuy nhiên nó làm giảm độ chính xác

4 Kiểu nối (Hình 1-9)

Loại này có 3 khớp quay Việc chuyển hệ toạ độ sang hệ trục đề các phức tạp hơn nhiều các trường hợp trước Robot rất linh hoạt Loại này có ưu điểm trong trường hợp robot phải tiếp cận các chi tiết qua các vật cản Tuy vậy độ chính xác của nó thấp hơn tất cả các loại khác

Hình 1-9: Robot kiểu nối

5 SCARA (Hình 1-10)

Loại robot này là loại có cấu trúc hình học mới nhất được giới thiệu trong

mô hình hoá các loại robot Chuyển động của các khớp cơ bản quanh các trục thẳng đứng Cấu trúc này cho độ cứng cần thiết cho robot theo phương thẳng đứng trong khi cho phép quay trong mặt phẳng nằm ngang

Hình 1-10: Robot SCARA

Các chuyển động của tất cả các khớp chính là chuyển động quay nên về biểu diễn toán học không đơn giản Loại robot này có ưu điểm trong công việc lắp ráp đòi hỏi chính xác

1.3.2 Phân loại theo điều khiển

Có 2 phương pháp điều khiển Robot Đó là kỹ thuật điều khiển không servo

và kỹ thuật điều khiển servo Điều khiển không servo dùng phương pháp hãm cơ khi để cung cấp các phạm vi biên của chuyển động và khi lệnh dịch chuyển được sử dụng, khớp được dẫn động cho đến khi hãm cơ khí được chạm tới Kỹ thuật này hiện nay đã lỗi thời Kỹ thuật servo dùng cấu trúc phản hồi để đáp ứng với các thay đổi cục bộ của các khớp động của robot

So với 2 loại kỹ thuật điều khiển servo: kiểu đường đi điểm – tới – điểm (point – to –point) và liên tục Kỹ thuật điểm – tới – điểm dùng chuẩn của điểm đầu và điểm cuối (và các điểm trung gian) của chuyển động robot đòi hỏi một hệ thống điều khiển đáp lại phản hồi ở những điểm này Kỹ thuật này được dùng trong hàn điểm, công việc nhặt – và – đặt vật thể và các công việc tương tự Phương pháp điều khiển liên tục đòi hỏi đầu chấp hành của robot theo một đường nhất định từ điểm đầu tới điểm cuối Kỹ thuật này dùng nhiều trong ứng dụng cần chuyển động theo đường biên như hàn hay phun sơn

Các robot kiểu chuyển động liên tục thường theo chuỗi các điểm gần nhau trong không gian trên một đường và các điểm này được xác định bằng bộ điều khiển hơn là một chương trình Trong nhiều trường hợp, các đường giữa các điểm là các đường thẳng

1.4 Ứng dụng của Robot công nghiệp trong sản xuất

Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng nhiều trong lĩnh vực dưới góc độ thay thế con người Nhờ vậy dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả tăng lên rõ rệt

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản

phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào các khả năng to lớn của robot như:

- Làm việc không biết mệt mỏi

- Rất dễ chuyển nghề một cách thành thạo

- Chịu được tia phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao

- Thay thế con người trong các công việc đơn điệu mà dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn,

- …

Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, công nghệ cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm,…

Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với các robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức độ tự động hoá cao, mức

độ linh hoạt cao,…ở đây các máy và robot cùng được điều khiển một hệ thống chương trình

Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục đại và đại dương, trong y học, quốc phồng, chinh phục vũ trụ, công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội,…

Rõ ràng khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt trội hơn khả năng của con người, do đó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại nhược điểm lớn nhất của robot bĩ hỏng có thể ngừng hoạt động của cá dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người

1.5 Ứng dụng Robot trong ngành hàn

Như ta đã biết Robot công nghiệp được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau, trong đó có ngành hàn, hiện nay số lượng Robot hàn chiếm đến 25% tổng số Robot các loại, trong ngành công nghiệp sản xuất thì hàn đóng vai trò quan trọng, ví dụ như ngành công nghiệp ôtô, đóng tàu,… Vì vậy số lượng

Robot hàn được thay thế các phương pháp hàn khác rất nhiều, sở dĩ có được điều này là do tính năng vượt trội khi hàn bằng Robot như sau:

- Có tính tự động cao và năng suất cao

- Có thể thực hiện được các đường hàn phức tạp

- Chất lượng mối hàn tốt và tính thẩm mỹ cao

- Có thể thực hiện các thao tác lặp đi, lặp lại liên tục

- Giải phóng người lao động khỏi tác động có hại khi hàn

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ HÀN

Trong chương này chúng ta tìm hiểu qua về công nghệ hàn

2.1 Lịch sử phát triển của ngành hàn

2.2 Bản chất, đặc điểm, ứng dụng của hàn kim loại

2.3 Phân loại các phương pháp hàn

2.4 Phân loại các lien kết hàn

2.5 Mối hàn và sự hình thành mối hàn

2.6 Hàn hồ quang

2.7 Ứng suất và biến dạng hàn

2.8 Khuyết tật mối hàn và phương pháp kiểm tra

2.9 Giới thiệu một số công nghệ hàn

2.1 Lịch sử phát triển của ngành hàn

Thời kỳ đồ đồng, đồ sắt loài người đã biết hàn kim loại

Năm 1802 nhà bác học người Nga Petorop đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện Năm 1882 Kỹ sư Benadot đã sử dụng hồ quang điện cực than để hàn kim loại Năm 1886 Tomson đã tìm ra phương pháp hàn tiếp xúc giáp mối và được áp dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp vào năm 1903

Năm 1887 Benadot đã tìm ra phương pháp hàn điểm

Năm 1888 Slavianop đã sử dụng điện cực kim loại để hàn

Năm 1907 kỹ sư Kenbe người Thuỵ Điển đã sử dụng điện cực có thuốc bọc (que hàn) để hàn kim loại

Cuối những năm 1930 – đầu những năm 1940 viện sĩ E.O Paton (Liên Xô cũ) tìm ra phương pháp hàn dưới lớp thuốc, phương pháp hàn tự động, bán tự động Cuối năm 1940, tìm ra phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ, đó là các khí (Heli, Argon ở Mỹ và khí Carbon ở Liên Xô)

Năm 1941 B.O.Paton (Kiev, Liên Xô) tìm ra phương pháp hàn điện xỉ

Những năm tiếp theo hàng loạt các phương pháp hàn mới được ra đời như: Hàn bằng tia điện tử, hàn siêu âm, hàn ma sát,… và hiện nay trên thế giới có 120 phương pháp hàn khác nhau

Nói chung các phương pháp hàn ngày càng hoàn thiện và phát triển hơn Nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong kỹ thuật quốc phòng và đặc biệt là ngành hàng không – vũ trụ Có thể nói: hàn là phương pháp gia công kim loại tiên tiến và hiện đại

Ở nước ta, sau cách mạng tháng 8/1945 và đặc biệt sau khi hoà bình 1954 Dưới

sự lãnh đạo của Đảng ngành hàn đã được quan tâm và thực sự phát triển, nhất là trong thời kỳ đổi mới Hiện nay với đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật hàn, công

nhân hàn lành nghề ngày càng đông đảo với sự hợp tác khoa học với các nước trên thế giới Chúng ta tin rằng ngành hàn ở Việt Nam ngày càng phát triển và được áp dụng ngày càng nhiều vào sản xuất

2.2 Bản chất, đặc điểm và ứng dụng của hàn kim loại

2.2.1 Bản chất

Hàn là quá trình công nghệ nối 2 hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận) lại với nhau thành một khối bền vững không tháo rời bằng cách dùng nguồn nhiệt để nung nóng vị trí cần nối đến trạng thái hàn (trạng thái lỏng hoặc dẻo) sau đó kim loại lỏng tự kết tinh (trạng thái lỏng) hoặc dùng thêm ngoại lực ép chúng dính lại với nhau (trạng thái dẻo) để tạo

thành mối hàn

2.2.2 Đặc điểm

a Liên kết hàn: Là liên kết cứng không tháo rời ra được

b Tiết kiệm kim loại: với cùng khả năng làm việc

- So với liên kết bằng bulong, đinh tán, hàn liên kết tiết kiệm từ 20% khối lượng kim loại

10 So với đúc, hàn tiết kiệm 50% khối lượng kim loại

c Hàn cho phép chế tạo được các kết cấu phức tạp (siêu trọng, siêu trường) từ những vật liệu cùng loại, khác loại có tính chất khác nhau

để phù hợp với các điều kiện, môi trường làm việc khác nhau

d Hàn tạo ra các liên kết có độ bền, độ kín cao, đáp ứng nhu cầu làm việc của các kết cấu quan trọng như: Vỏ tàu, nồi hơi, thiết bị chịu áp lực,…

e Hàn có tính năng động và năng suất cao so với các công nghệ gia công khác, do vậy dễ cơ khí hoá, tự động hoá quá trình sản xuất

f Mức độ đầu tư cho quá trình sản xuất thấp, tuy nhiên do trong quá trình hàn vật liệu chịu tác động của nguồn nhiệt có công suất lớn, tập

trung và thời gian hàn ngắn vì vậy liên kết hàn thường có nhược điểm sau:

+ Tổ chức và tính chất của kim loại tại vùng mối hàn và khu vực lân cận có thể bị thay đổi (đặc biệt là những vật liệu khó hàn) do vậy làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu Đặc biệt làm việc dưới tác động của tải trọng động, tải trọng biến đổi theo chu kỳ

+ Trong kết cấu hàn thường tồn tại trạng thái ứng suất và biến dạng

dư, do vậy ảnh hưởng đáng kể đến hình dáng, kích thước, tính thẩm

mỹ và khả năng làm việc của kết cấu

2.3 Phân loại các phương pháp hàn

Có nhiều cách phân loại phương pháp hàn Tuy nhiên thông dụng nhất có 2 cách phân loại đó là: Phân loại theo dạng năng lượng sử dụng và theo trạng thái kim loại mối hàn ở thời điểm hàn

2.3.1 Phân loại theo dạng năng lượng sử dụng

a Các phương pháp hàn điện: Bao gồm các phương pháp dùng điện năng biến thành nhiệt năng để cung cấp cho quá trình hàn (hàn điện

hồ quang, hàn điện tiếp xúc, hàn TIG, MIC, MAG,…)

b Các phương pháp hàn cơ học: bao gồm các phương pháp dùng cơ năng để làm biến dạng kim loại tại khu vực cần hàn tạo ra liên kết hàn (hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm,…)

c Các phương pháp hàn hoá học: Bao gồm các phương pháp sử dụng năng lượng do các phản ứng hoá học tạo ra để nung nóng kim loại (hàn khí, hàn hoá nhiệt,…)

d Các phương pháp hàn kết hợp: Bao gồm các phương pháp sử dụng kết hợp các phương pháp nêu trên (hàn điện cơ, hàn điện tiếp xúc,…)

2.3.2 Phân loại theo trạng thái kim loại mối hàn ở thời điểm hàn

Theo cách phân loại này người ta chia tất cả các phương pháp hàn thành

2 nhóm: hàn nóng chảy và hàn áp lực

Hình 2-1: Phân loại các phương pháp hàn theo trạng thái hàn

2.4 Phân loại các liên kết hàn

Để tạo thành liên kết hàn với các phần tử (chi tiết, bộ phận) chúng cần phải có vị trí xác định tương đối với nhau trong không gian Nghĩa là chúng phải được sắp xếp gần nhau, tiếp xúc với nhau theo một dạng nào

đó (như tiếp xúc điểm đường, mặt) Sau khi hàn ra được một liên kết hàn bao gồm mối hàn và kim loại cơ bản không bị thay đổi tổ chức dưới tác dụng của quá trình hàn Trong thực tế các loại liên kết đó được phân loại

như sau:

2.4.2 Phân loại

Một số liên kết hàn thường gặp bao gồm 4 loại

a Liên kết hàn giáp mối

Hình 2-3: Các vùng quy ước trên mặt cắt ngang của liên kết hàn giáp

mối 1- Vùng mối hàn; 2- Vùng ảnh hưởng nhiệt; 3- Vùng kim loại cơ bản

2.5.2 Chuyển dịch kim loại lỏng từ que hàn vào vũng hàn

Khi hàn hồ quang bằng bất cứ phương pháp nào và ở bất kỳ vị trí nào trong không gian kim loại lỏng cũng chuyển từ que hàn vào vũng hàn dưới dạng các giọt nhỏ riêng biệt có kích thước khác nhau chảy từ que hàn vào vũng hàn, điều này được giải thích bởi các nhân tố sau:

a Trọng lực của các giọt kim loại lỏng

Những giọt kim loại hình thành ở mặt đầu que hàn và dịch chuyển theo phương thẳng đứng từ trên xuống dưới do lực hút của trái đất, lực này chỉ có khả năng làm dịch chuyển giọt kim loại vào bể hàn khi hàn sấp và có tác dụng ngược lại khi hàn trần Còn khi hàn đứng thì chỉ một phần kim loại dịch chuyển từ trên xuống

b Do sức căng bề mặt

Giọt kim loại được sinh ra do tác dụng của lực phân tử luôn luôn có khuynh hướng tạo cho bề mặt chất lỏng một năng lượng nhỏ nhất Vì vậy sức căng bề mặt tạo thành những giọt kim loại lỏng có dạng hình cầu Những giọt này mất đi khi chúng rơi vào bể hàn và sức căng của

bề mặt bể hàn kéo vào thành dạng chung Nó tạo điều kiện khi hàn trần kim loại lỏng không bị rơi và hình thành mối hàn

c Do cường độ điện trường

Dòng điện đi qua khe hàn sinh ra một lực điện trường ép lên que hàn

và có tác dụng làm giảm tiết diện ngang đến không lực này cắt kim

điện trường tiết diện ngang giảm, mật độ dòng điện tăng, mặt khác ở đây điện trở cao sinh nhiệt lớn kim loại lỏng đạt đến trạng thái sôi tạo

ra áp lực đẩy giọt kim loại vào vũng hàn Lực điện trường làm dịch chuyển kim loại lỏng từ que hàn vào vũng hàn đối với tất cả vị trí hàn (Hình 2-4)

Hình 2-4: Tác dụng nén của điện trường lên que hàn khi nóng chảy

d Áp lực trong

Kim loại lỏng ở đầu que hàn bị quá nhiệt nhanh, các phản ứng hoá học sinh ra ở đó có cả khí CO2 Thể tích tăng rất nhanh gây áp lực mạnh đẩy giọt kim loại lỏng tách khỏi que hàn và rơi vào vũng hàn

2.5.3 Sự tạo thành vũng hàn

a Sự tạo thành vũng hàn

Trong hàn nóng chảy kim loại que hàn và mép kim loại vật hàn nóng chảy hoà trộn vào nhau tạo thành vũng hàn (bể hàn)

Trong quá trình hàn vũng hàn chuyển dịch cùng nguồn nhiệt theo tốc

độ hàn, kim loại lỏng trong bể hàn ở trạng thái chuyển động và xáo trộn không ngừng sự chuyển động đó gây ra áp suất của dòng khí tác động lên bề mặt kim loại lỏng trong vùng tác dụng nhiệt khi hàn (Vùng A) Đồng thời do những yếu tố khác (lực điện trường trong hồ

quang), kim loại lỏng được đẩy ra từ vùng tác dụng của nguồn nhiệt hướng ngược chiều với chiều chuyển động của nó và tạo nên phần lõm trong bể hàn

b Cấu tạo vũng hàn (Hình 2-5)

Người ra quy ước chia vùng hàn thành 2 vùng

Vùng A: phần đầu mối hàn thực hiện quá trình làm nóng chảy kim loại vật hàn

Vùng B: phần đuôi mối hàn thực hiện quá trình kết tinh tạo thành mối hàn

Hình 2-5: Sơ đồ vũng hàn; A,B: Phần đầu và phần đuôi của vũng hàn; h,b,a: Chiều sâu, chiều rộng và chiều dài của vũng hàn; s:

Chiều dày của chi tiết hàn

2.5.4 Tổ chức kim loại mối hàn

Sau khi hàn xong kim loại que hàn và vật hàn nóng chảy kết tinh tạo thành mối hàn Mối hàn có tổ chức và thành phần khác với que hàn và vật hàn, thường tốt hơn vùng kim loại vật hàn quanh mối hàn Do ảnh hưởng nhiệt nên có sự thay đổi về tổ chức và tính chất gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt (phần kim loại lân cận mối hàn)

Kim loại nóng chảy hoàn toàn khi nguội có tổ chức tương tự như thỏi đúc vùng sát kim loại cơ bản do tản nhiệt nhanh, tốc độ nguội lớn nên hạt nhỏ, vùng tiếp theo kim loại kết tinh theo hướng thẳng góc với mặt tản

nhiệt nên có dạng nhánh cây kéo dài, vùng trung tâm mối hàn do nguội

chậm nên hạt lớn có tạp chất (phi kim loại) (Hình 2-6)

Hình 2-6: Sơ đồ kết tinh của kim loại mối hàn

b Cấu tạo vùng ảnh hưởng nhiệt (Hình 2-7)

Hình 2-7: Tổ chức vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn giáp mối thép ít

Cacbon (1)- Vùng viền chảy: Là vùng kim loại nóng chảy không hoàn toàn nằm giữa kim loại mối hàn nóng chảy và kim loại vật hàn không nóng chảy Vùng này có kích thước bé Hạt kim loại nhỏ mịn và có ảnh hưởng tốt đến mối hàn

(2)- Vùng quá nhiệt: Có nhiệt độ từ 1100 0 C đến gần nóng chảy kim loại chịu sự biến đổi về hình thù hạt Austenit phát triển mạnh, vùng này hạt kim loại to có độ dai và tính dẻo kém là vùng yếu nhất của mối hàn

(3)- Vùng thường hoá: Là vùng kim loại bị nung nóng từ 900 0 C –

1100 0 C có tổ chức hạt Pecli, Ferit nhỏ vì thế nó có cơ tính tương đối cao

(4) Vùng kết tinh lại không hoàn toàn: Là vùng có nhiệt từ 720 0 C –

900 0 C tổ chức hạt Ferit thô và hạt Austenit nhỏ vì thế cơ tính của vùng này giảm do độ hạt không đồng đều

(5)- Vùng kết tinh lại (vùng hoá giả): Vùng này kim loại bị nung nóng

từ 500 0 C – 700 0 C diễn ra quá trình kết hợp giữa tinh thể nát vụn với nhau trong trạng thái biến dạng dẻo trong quá trình kết tinh lại phát sinh và phát triển những tinh thể mới Nếu giữ ở nhiêt độ này quá lâu thì không diễn ra quá trình phát triển mạnh các tinh thể Khi hàn kim loại không có biến dạng dẻo (như hợp kim đúc) và sẽ không xảy ra quá trình kết tinh lại Vùng này có độ cứng giảm tính dẻo tăng

(6)- Vùng giòn xanh: Là vùng kim loại được nung nóng từ 100 0 C –

500 0 C trong quá trình hàn vùng này không có thay đổi rõ về tổ chức nhưng do ảnh hưởng nhiệt nên tồn tại ứng suất dư

2.5.6 Phân loại mối hàn

a Phân loại mối hàn theo vị trí trong không gian (Hình 2-8)