Nghiên cứu tính toán thiết kế mô phỏng động học và kết cấu cơ khí một số loại đồ gá hàn hồ quang bán tự động tự động dùng cho hàn ống và một số kết cấu hàn phức tạp

Xuất phát từ nhu cầu đó, trong luận văn, tôi được giao nhiệm vụ: “Nghiên cứu mô phỏng động học và thiết kế kết cấu cơ khí một số loại đồ gá hàn hồ quang bán tự động, tự động dùng cho hà

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những gì mà tôi viết ra trong luận văn này là do sự tìm hiểu và nghiên cứu của bản thân Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của các tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ

Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn Thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như nước ngoài và cho đến nay chưa hề được công bố trên bất kỳ phương tiện thông tin nào

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan trên đây

Hải Dương, ngày 27 tháng 02 năm 2012

Tác giả

Lê Văn Thuận

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới:

Thầy hướng dẫn: GVC TS Nguyễn Ngọc Thành đã tận tình chỉ dẫn, giúp

đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

Bộ môn Hàn - CNKL, Viện Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học đã tạo mọi điều kiện cho việc học tập, nghiên cứu, tiến hành luận văn của tác giả được hoàn thành đúng thời hạn

Gia đình và toàn thể anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Hải Dương, ngày 27 tháng 02 năm 2012

Tác giả

Lê Văn Thuận

MỤC LỤC

Trang CHƯƠNG 1- ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 12

1.1- Tổng quan về kết cấu hàn dạng ống và một số kết cấu hàn phức tạp 12

1.1.1- Một số kết cấu hàn dạng ống 12

1.1.2- Một số kết cấu hàn phức tạp 23

1.2- Tổng quan về đồ gá hàn kết cấu dạng ống và một số kết cấu phức tạp 24

1.2.1- Đồ gá hàn ống 24

1.2.2- Đồ gá hàn kết cấu phức tạp 27

1.2.3- Kết luận 29

1.3- Phạm vi nghiên cứu 30

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 32

CHƯƠNG 2 - ĐỒ GÁ HÀN TRONG HỆ THỐNG HÀN HỒ QUANG BÁN TỰ ĐỘNG, TỰ ĐỘNG 33

2.1- Khái niệm về hàn hồ quang bán tự động, tự động 33

2.1.1- Hàn hồ quang bán tự động 33

2.1.2- Hàn hồ quang tự động 34

2.2- Kỹ thuật, công nghệ hàn hồ quang bán tự động, tự động 37

2.2.1- Các thông số chế độ hàn 37

2.2.2- Một số đặc điểm động hình học cần lưu ý 40

2.3- Đồ gá hàn trong hệ thống hàn hồ quang bán tự động, tự động 40

2.3.1- Vai trò và một số đặc trưng cơ bản của ĐGH trong hệ thống 40

2.3.2- Lựa chọn dạng ĐGH thiết kế mô phỏng kết cấu động học 47

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 47

CHƯƠNG 3- NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ PHỎNG KẾT CẤU VÀ ĐỘNG HỌC ĐGH 48

3.1- Yêu cầu chung 48

3.2- Nghiên cứu thiết kế mô phỏng kết cấu và động học ĐGH chuyển

động thẳng liên tục 48

3.2.1- Quy trình công nghệ hàn đường thẳng 48

3.2.2- Thuật toán và chương trình 50

3.2.3- Kết quả mô phỏng 53

3.3- Nghiên cứu thiết kế mô phỏng kết cấu động học ĐGH chuyển động quay liên tục 55

3.3.1- Công nghệ hàn đường tròn 55

3.3.2- Thuật toán và chương trình 57

3.3.3 - Kết quả mô phỏng 60

3.4- Nghiên cứu thiết kế mô phỏng kết cấu và động học ĐGH chuyển động thẳng hàn kết cấu hộp 64

3.4.1- Công nghệ hàn các đoạn thẳng 64

3.4.2- Thuật toán và chương trình 66

3.4.3-Kết quả mô phỏng 76

3.5- Một số kết quả nghiên cứu thiết kế mô phỏng kết cấu và động học ĐGH hàn kết cấu phức tạp 77

3.5.1- Công nghệ hàn kết cấu phức tạp 77

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 79

KẾT LUẬN 80

HƯỚNG NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN TIẾP THEO 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO -*** -

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang Hình 1.1- Liên kết hàn giáp mối 12

Hình 1.2- Liên kết hàn giáp mối 13

Hình 1.3- Liên kết hàn giáp mối 13

Hình 1.4- Liên kết hàn giáp góc 13

Hình 1.5- Liên kết hàn giáp góc 14

Hình 1.6- Liên kết hàn giáp góc 14

Hình 1.7- Liên kết hàn giáp góc, giáp mối 14

Hình 1.8- Liên kết hàn giáp góc, giáp mối 15

Hình 1.9- Liên kết hàn chữ T 15

Hình 1.10- Liên kết hàn chữ T 16

Hình 1.11- Liên kết hàn chữ T 16

Hình 1.12- Một số tư thế hàn ống giáp mối theo tiêu chuẩn AWS 17

Hình 1.13- Một số tư thế hàn ống giáp mối theo tiêu chuẩn AWS 18

Hình 1.14- Một số tư thế hàn ống giáp mối theo tiêu chuẩn AWS 18

Hình 1.15- Một số tư thế hàn ống giáp mối theo tiêu chuẩn AWS 18

Hình 1.16- Các tư thế hàn theo tiêu chuẩn DIN EN IO 6947 19

Hình 1.17- Các tư thế hàn theo tiêu chuẩn DIN EN IO 6947 20

Hình 1.18- Các tư thế hàn theo tiêu chuẩn DIN EN IO 6947 21

Hình 1.19- Hàn đường thẳng 21

Hình 1.20- Hàn đường tròn 21

Hình 1.21- Hàn đường tròn 21

Hình 1.22- Hàn đường e líp cùng kích thước 22

Hình 1.23- Nối ống nghiêng với mặt bích nằm ngang 22

Hình 1.24- Nối hai ống cùng kích thước và vuông góc với nhau 22

Hình 1.25- Kết cấu cột chữ I 23

Hình 1.26- Kết cấu cột trụ có gân tăng cứng 23

Hình 1.27- Hàn bằng và hàn leo 24

Hình 1.28- Hàn leo 24

Hình 1.29- Đồ gá lăn điều chỉnh trượt 25

Hình 1.30- Đồ gá lăn tự lựa 26

Hình 1.31- Đồ gá lăn tự lựa đang làm việc 26

Hình 1.32- Một số đồ gá mặt bích 28

Hình 1.33- Đồ gá mặt bích 28

Hình 1.34- Đồ gá mặt bích 29

Hình 2.1- Hàn MAG bán tự động 33

Hình 2.2- Hàn tự động cứng (hồ quang chìm) 34

Hình 2.3- Mô đun hàn tự động mềm 35

Hình 2.4- Hàn tự động mềm 35

Hình 2.5- Dây chuyền hàn tự động 35

Hình 2.6- Ứng dụng đồ gá hàn tự động linh hoạt hàn vành ô tô 36

Hình 2.7- Ứng dụng đồ gá hàn tự động trong dây chuyền hàn tự động linh hoạt 37

Hình 2.8- Ảnh hưởng của góc nghiêng đến hình dạng và chất lượng mối hàn 39

Hình 2.9- Kỹ thuật gây hồ quang 39

Hình 2.10- Đồ gá hàn trong hệ thống hàn hồ quang bán tự động 41

Hình 2.11- Hệ thống hàn tự động (hàn đáy xi lanh thuỷ lực) 42

Hình 2.12- ĐGH thực hiện chuyển động phụ khi hàn trong hệ thống hàn tự động 43

Hình 2.13- ĐGH tự động 44

Hình 2.14- ĐGH thực hiện chuyển động phụ 45

Hình 2.15- ĐGH TĐ linh hoạt 46

Hình 2.16- ĐGH TĐ linh hoạt 47

Hình 3.1- Gá lắp phôi trên ĐGH để hàn đoạn thẳng AB 49

Hình 3.2- Đầu hàn chuyển động phụ từ P đến A thực hiện gây hồ quang 51

Hình 3.3- Đồ gá hàn chuyển động chính hàn đoạn AB 52

Hình 3.4- Hàn đoạn AB bằng chuyển động chính của bàn gá trên ĐGH 52

Hình 3.5- Đưa đầu hàn về điểm P, tháo phôi, kết thúc 53

Hình 3.6 – Khởi đầu đường hàn 54

Hình 3.7- Tiến hành hàn 54

Hình 3.8- Kết thúc đường hàn 55

Hình 3.9- Gá lắp phôi trên ĐGH để hàn đường tròn 56

Hình 3.10- Chuyển động phụ của đầu hàn tới vị trí A gây hồ quang 58

Hình 3.11- Chuyển động chính của mâm cặp hàn đường tròn 59

Hình 3.12- Chuyển động phụ đưa mỏ hàn về điểm P, tháo phôi 59

Hình 3.13 – Đưa chi tiết vào, kẹp chặt chuẩn bị hàn 60

Hình 3.14- Tiến hành hàn 61

Hình 3.15 – Kết thúc đường hàn, nhấc mỏ, tháo chi tiết 61

Hình 3.16- Hệ toạ độ và gá lắp phôi 62

Hình 3.17- Chuyển động phụ và gây hồ quang 62

Hình 3.18- Chuyển động chính hàn đường tròn 63

Hình 3.19- Chuyển động chính hàn đường tròn; kết thúc đưa mỏ hàn về điểm P 63 Hình 3.20-Gá lắp phôi trên ĐGH để hàn đoạn thẳng AB 65

Hình 3.21- Hệ toạ độ trên ĐGH và gá lắp phôi 67

Hình 3.22- Bắt đầu hàn 68

Hình 3.23- Đang hàn đoạn AB 69

Hình 3.24- Hàn xong đoạn AB 69

Hình 3.25- Gây hồ quang tại C 70

Hình 3.26a- Hàn đoạn CD 70

Hình 3.27- Đồ gá thực hiện các chuyển động phụ cặp và nâng phôi 70

Hình 3.28- Đồ gá thực hiện chuyển động phụ quay phôi 71

Hình 3.29- Mâm cặp hạ và định vị phôi lên bàn gá, sau đó bàn gá dịch chuyển về điểm chuẩn M 71

Hình 3.30- Gây hồ quang tại H 72

Hình 3.31- Bắt đầu hàn từ H 72

Hình 3.32- Hàn xong đoạn HG 72

Hình 3.33- Quá trình hàn từ điểm E đến điểm F và kết thúc 73

Hình 3.34 - Tiến hành hàn đường thứ nhất 76

Hình 3.35- Quá trình lật chi tiết 76

Hình 3.36 – Hàn đường hàn thứ tư 77

Hình 3.37- Hàn kết cấu phức tạp 78

Hình 3.38- Kết quả mô phỏng kết cấu và động học của ĐGH 78

Hình 3.39- Kết quả mô phỏng kết cấu và động học của ĐGH 78

Hình 3.40- Kết quả mô phỏng kết cấu và động học của ĐGH 78

Hình 3.41- Kết quả mô phỏng kết cấu và động học của ĐGH 78

Hình 3.42- Kết quả mô phỏng kết cấu và động học của ĐGH 79

Hình 3.43- Kết quả mô phỏng kết cấu và động học của ĐGH 79

Hình 3.44- Kết quả mô phỏng kết cấu và động học của ĐGH 79

Hình 3.45- Kết quả mô phỏng kết cấu và động học của ĐGH 79

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sản xuất cơ khí và sản xuất hàn, đồ gá có một vai trò quan trọng không thể thiếu được Hiệu quả khai thác, sử dụng các máy gia công được tận dụng tối đa là nhờ việc sử dụng đồ gá Đồ gá sẽ làm tăng khả năng công nghệ trên các thiết bị, máy gia công lên gấp nhiều lần Ngoài ra, đồ gá còn giúp việc nâng cao và ổn định chất lượng gia công các sản phẩm cơ khí (độ chính xác, độ nhám bề mặt, v.v.); tăng năng suất, cải thiện điều kiện làm việc cho người thợ

Khi hàn ống và các kết cấu hàn phức tạp, thường có nhiều loại liên kết hàn và các dạng đường hàn khác nhau trên một kết cấu (sản phẩm) hàn; nhất

là với sản lượng lớn, yêu cầu ổn định về chất lượng, năng suất cao, nếu hàn thủ công (dùng tay điều khiển mỏ hàn) sẽ không bảo đảm được các yêu cầu

đề ra Do đó phải áp dụng các biện pháp cơ khí hoá, tự động hoá thay cho hàn thủ công Trong đó không thể thiếu được việc sử dụng các loại ĐGH thích hợp cho từng loại kết cấu hàn

Xuất phát từ nhu cầu đó, trong luận văn, tôi được giao nhiệm vụ:

“Nghiên cứu mô phỏng động học và thiết kế kết cấu cơ khí một số loại

đồ gá hàn hồ quang bán tự động, tự động dùng cho hàn ống và một số kết cấu hàn phức tạp“

Để có thể hoàn thiện được đề tài này, về mặt chuyên môn, tôi đã xác định tập trung giải quyết các vấn đề chủ yếu sau:

- Tìm hiểu tổng quan về kết cấu hàn dạng ống và một số kết cấu hàn phức tạp

- Tìm hiểu tổng quan về ĐGH kết cấu dạng ống và một số kết cấu phức tạp

- Xác định các đặc điểm chính của các ĐGH vạn năng và ĐGH chuyên dùng

- Làm rõ các khái niệm về hàn hồ quang bán tự động, tự động

- Phân tích bản chất của các thống số chế độ hàn và các thao tác hàn (kỹ thuật hàn) thể hiện tính chất “bán tự động” hay “tự động” như thế nào (những thống số chế độ và thao tác hàn nào được thực hiện “tự động” hay “bằng tay”)

- Đưa ra những kết luận quan trọng về một số đặc điểm động hình học của

hệ thống hàn tự động

- Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích chi tiết quá trình làm việc của nhiều hệ thống hàn bán tự động và tự động, để rút ra được những đặc trưng cơ bản và quan trọng nhất của ĐGH Từ đó lựa chọn ra một số dạng ĐGH chuẩn bị cho thiết kế mô phỏng kết cấu và điều khiển động học đồ gá

- Thiết kế mô phỏng kết cấu, xây dựng thuật toán và chương trình mô phỏng điều khiển động học ĐGH: đường thẳng trên ống trụ; đường tròn nối ống với mặt bích tròn; các đoạn thẳng trên đoạn ống chữ nhật; đường thẳng, đường tròn nối ống với mặt bích tròn (kết cấu phức tạp)

Với sự nỗ lực, cố gắng của bản thân, tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo và các cán bộ trong Bộ môn Hàn - CNKL, Viện Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện và trang bị những kiến thức cho tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại Bộ môn Tác giả

đặc biệt cảm ơn thầy giáo GVC, TS Nguyễn Ngọc Thành là người đã trực

tiếp hướng dẫn tận tình tác giả để hoàn thiện đề tài luận văn này

Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả đã vận dụng những kiến thức đã học và tìm hiểu qua các tài liệu chuyên ngành liên quan Do những hạn chế

về kiến thức, kinh nghiệm và thời gian nên quá trình hoàn thiện không tránh khỏi những sai xót Tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy, cô và mọi người để đề tài được hoàn chỉnh hơn

Hà Nội ngày … tháng 12 năm 2012

Học viên

Lê Văn Thuận

có thể quy về các dạng liên kết hàn cơ bản sau:

Liên kết giáp mối (hình 1.1): được dùng để hàn các ống có kích thước đường

kính bằng nhau, chiều dày ống bằng nhau, được nối với nhau, trục của ống trùng nhau,

bề mặt ghép vuông góc với trục ống

Hình 1.1a- Liên kết hàn giáp mối

B - bề rộng mối hàn; e - phần nhô mối hàn;

h- chiều sâu ngấu; a- khe hở hàn; b – kích

thước mặt đáy; S chiều dày vật liệu

Hình 1.1b- Liên kết hàn giáp mối

Trong trường hợp này thường sử dụng các loại ống tiêu chuẩn, chiều dày vật liệu rất phong phú, từ vài mm đến vài chục mm, đường kính từ nhỏ tới lớn (Ф16 ÷ Ф600), chiều dài tùy thuộc vào loại sản phẩm Vật liệu sử dụng vô cùng phong phú phụ thuộc vào yêu cầu và tính chất kết cấu, có thể là thép các bon thấp có tính hàn tốt sử dụng với các kết cấu đơn giản, chịu tải trọng, áp suất nhỏ; hoặc là thép các bon trung bình, thép các bon cao, cá biệt có những trường hợp phải sử dụng các thép hợp kim đặc biệt để kết cấu chịu tải trọng lớn hoặc áp suất lớn, làm việc trong môi trường không thuận lợi

Với các đặc điểm trên, kết cấu hàn này được sử dụng phổ biến trong dân dụng và các ngành công nghiệp

Trường hợp đặc biệt của kết cấu hàn có đường hàn giáp mối nằm trong mặt phẳng không vuông góc với đường tâm ống (hình 1.2)

Hình 1.2a- Liên kết hàn giáp mối

B - bề rộng mối hàn; e - phần nhô mối hàn;

h- chiều sâu ngấu; a- khe hở hàn; b – kích

thước mặt đáy; S chiều dày vật liệu

Hình 1.2b- Liên kết hàn giáp mối

Trường hợp này ít được sử dụng, bởi chuẩn bị liên kết, quy trình gá lắp phức tạp, đặc biệt quỹ đạo đường hàn phức tạp dẫn đến thường xẩy ra khuyết tật hàn Chính vì thế nếu có thể người ta thường đưa về trường hợp đơn giản để thực hiện

Với các ống có kích thước lớn, các loại ống không chế tạo được bằng phương pháp đúc hoặc các ống phi tiêu chuẩn, người ta có thể chế tạo bằng phương pháp lốc sau đó thực hiện hàn ghép theo đường sinh ống (hình 1.3)

Hình 1.3a- Liên kết hàn giáp mối

B - bề rộng mối hàn; e - phần nhô mối hàn;

h- chiều sâu ngấu; a- khe hở hàn; b – kích

thước mặt đáy; S chiều dày vật liệu

Hình 1.3b- Liên kết hàn giáp mối

Do yêu cầu của sản phẩm, có trường hợp phải giảm đường kính ống, người ta tiến hành hàn nối giữa hai ống có kích thước khác nhau (hình 1.4)

Hình 1.4a- Liên kết hàn góc Hình 1.4b- Liên kết hàn góc

K- cạnh mối hàn; S chiều dày vật liệu

Liên kết hàn góc (hình 1.5): trường hợp khi cần nối các ống với nhau tạo thành

những đường ống dài hoặc tại các vị trí chịu tải trọng động cần phải có vòng đệm hoặc tại vị trí thường xuyên tháo lắp người ta phải sử dụng đến mặt bích

Hình 1.8- Liên kết hàn góc; giáp mối K- cạnh mối hàn; b- bề rộng mối hàn; e- phần

nhô mối hàn; h- chiều sâu ngấu

Hình 1.8 ở liên kết hàn góc này, các thông số liên kết hàn cũng có giá trị thay đổi tại từng vị trí của đường hàn

Trường hợp khi hàn nối hai ống có đường kích bằng nhau, đường tâm ống cắt và vuông góc với nhau gọi là dạng liên kết chữ T (hình 1.9), loại này ứng dụng nhiều trong các hệ thống các đường ống dẫn chất lỏng, chất khí như các dẫn dầu, xăng, nước sạch, v.v

dạng như vậy nên chiều dày ống sử dụng ở đây vô cùng phong phú, từ những vật liệu mỏng đến những vật liệu dày, đường kính ống cũng thay đổi tùy thuộc vào lưu lượng, yêu cầu chất lỏng, chất khí qua đường ống

Có nhiều trường hợp, để thay đổi hướng dòng chảy theo yêu cầu, người ta tạo ra các dạng liên kết chữ T giữa các ống một cách hợp lý, ví dụ như một số trường hợp dưới đây (hình 1.10, 1.11):

hình thành, dần dần được các hãng, công ty, quốc gia đúc kết và hoàn chỉnh thành các tư

thế hàn tiêu chuẩn, lấy đó để đánh giá chất lượng sản phẩm hàn và trình độ thợ hàn

Hiện nay, trên thế giới có khá nhiều tiêu chuẩn về các tư thế hàn đã được xây

dựng, ví dụ các tiêu chuẩn JIS (Nhật Bản), ΓOCT (Nga), DIN (Đức), v.v., dưới đây là

ví dụ về tiêu chuẩn AWS của hiệp hội Hàn Hoa Kỳ về các tư thế hàn ống và các tư

thế hàn tấm (các chi tiết dạng tấm, ống hình 1.12, …, 1.15) Mũi tên màu xanh thể

hiện hướng di chuyển của mỏ hàn, mũi tên màu đỏ thể hiện hướng quay chi tiết

Hình 1.13- Một số tư thế hàn tấm giáp mối theo tiêu chuẩn AWS

Đối với tiêu chuẩn DIN EN IO 6947, cách phân loại các tư thế hàndựa vào vị trí,

Hình 1.16- Các tư thế hàn theo tiêu chuẩn DIN EN IO 6947

hướng dịch chuyển kim loại điện cực hàn (mũi tên màu đen) vào vũng hàn và hướng di chuyển điện cực hàn (mũi tên màu xanh) Có thể minh họa các tư thế hàn như trên hình 1.16 và các hình 1.17, 1.18 dưới đây:

PA - Hàn bằng giáp mối ống, tấm phẳng và hàn góc tấm

PB - Hàn bằng góc ống với mặt bích, tấm với tấm

PC - Hàn ngang giáp mối ống, tấm

PE - Hàn trần giáp mối ống, tấm PD - Hàn trần góc tấm với tấm

Hình 1.17- Các tư thế hàn theo tiêu chuẩn DIN EN IO 6947

PF - Hàn leo giáp mối ống, tấm; hàn leo góc tấm với tấm

PG - Hàn giáp mối “leo ngược” ống, tấm; hàn góc “leo ngược” tấm với tấm (tư thế

hàn PG có kết cấu tương tự như hàn PF, nhưng hướng hàn bắt đầu từ trên xuống,

ngược với hàn leo)

H - Ngiêng 45o, hướng hàn đi lên J - Ngiêng 45o, hướng hàn đi xuống

Hình 1.18- Các tư thế hàn theo tiêu chuẩn DIN EN IO 6947

c - Nhận xét

Các dạng kết cấu hàn trình bày ở trên có quỹ đạo đường hàn thuộc hệ toạ độ hai chiều (mặt phẳng), hoặc có thể thuộc hệ toạ độ ba chiều (không gian) Về hình dáng - đường hàn gồm một trong các dạng sau: đường thẳng, đường gấp khúc, đường tròn, e líp, bán nguyệt, v.v., hoặc có thể là tổ hợp của nhiều đường có hình dạng phức tạp Do thời gian và phạm vi đề tài ở đây tác giả tập trung nghiên cứu các dạng cơ bản: đường thẳng, đường tròn và e líp

Quỹ đạo đường hàn có dạng đường thẳng khi hàn ống (hình 1.19):

Quỹ đạo đường hàn có dạng đường e líp khi hàn nối ống cùng kích thước (H 1.22):

Hình 1.23- Nối ống nghiêng với mặt bích nằm ngang

Quỹ đạo đường hàn có dạng e líp khi hàn nối hai ống cùng kích thước và vuông góc với nhau (hình 1.24):

Hình 1.24- Nối hai ống cùng kích thước và vuông góc với nhau

1.1.2- Một số kết cấu hàn phức tạp

a- Một số kết cấu hàn phức tạp

Các sản phẩm hàn có kết cấu phức tạp thường được hàn lắp ghép bởi nhiều chi tiết lại với nhau Các chi tiết được ghép ở dạng liên kết hàn giáp mối, góc hoặc liên kết hàn chồng, hoặc cũng có thể kết hợp các loại liên kết hàn khác nhau

Về phạm vi khối lượng, kích thước của các kết cấu trên cũng rất rộng (nhỏ, vừa, lớnvà siêu lớn)

Về vật liệu chế tạo các kết cấu cũng rất đa dạng, từ thép các bon thấp, thép các bon kết cấu đến các loại thép hợp kim, hợp kim đặc biệt có chất lượng tốt, v.v

Nhìn chung các kết cấu hàn phức tạp thường dễ phát sinh biến dạng và các khuyết tật khi hàn; tư thế hàn khó, đòi hỏi phải có quy trình hàn hợp lý, trong đó được trang bị đầy đủ các đồ gá hàn thích hợp để giảm bớt sự biến dạng và các khuyết tật, ổn định chất lượng; đồng thời tăng năng suất khi hàn

Dưới đây là một số dạng kết cấu hàn tương đối phức tạp thường gặp trong sản xuất (hình 1.25, 1.26, 1.27)

Kết cấu trên hình 1.25 được sử dụng

nhiều trong một số sản phẩm dạng cột,

khung, giàn, dầm, v.v hoặc cần nối dài

các dầm, cột, khung, giàn, hoặc cần lắp

ghép với các kết cấu khác Liên kết hàn

của kết cấu này là liên kết hàn góc, các

đường hàn là đường thẳng hoặc các đoạn

Trong phạm vi nghiên cứu, đề tài tập trung vào khảo sát, tìm hiểu các kết cấu có kích thước và khối lượng vừa và nhỏ, có ứng dụng nhiều trong công nghiệp và dân dụng

b- Các tư thế hàn được áp dụng

Khảo sát kết cấu trên hình 1.25 Để hàn được toàn bộ các đường hàn của kết cấu

này (bằng cách xoay, lật), tư thế hàn thuận lợi, dễ dàng nhất là tư thế hàn sấp (PB - thế

hàn bằng cho liên kết hàn góc); khi đó, kích thước, khối lượng của kết cấu phải không quá lớn để có thể xoay, lật dễ dàng, thuận lợi và khi hàn, mối hàn dễ hình thành, cho chất lượng tốt, ít khuyết tật

Trong thực tế, khi khối lượng, kích

thước của kết cấu tăng lên đến mức

không thể xoay, lật được, khi đó cần phải

thực hiện tư thế hàn leo (PF) cho một số

đường hàn trên kết cấu (hình 1.27), còn

lại có thể thực hiện ở tư thế hàn PB

Hình 1.28- Hàn leo.

Hình 1.27- Hàn bằng và hàn leo

Ngược lại, kết cấu trên hình 1.26 nếu

ở vị trí như hình 1.28 và không thể xoay, lật được khi hàn do kích thước, khối lượng quá lớn, hoặc do vị trí của kết cấu này ở trong không gian chật hẹp cũng không thể xoay, lật được, khi đó cần áp dụng tư thế hàn leo

1.2- Tổng quan về đồ gá hàn kết cấu dạng ống và một số kết cấu phức tạp

1.2.1- Đồ gá hàn ống

Hiện nay các kết cấu hàn được chế tạo từ ống vô cùng phong phú, vì vậy đồ gá dùng trong hàn các kết cấu này cũng rất đa dạng Chúng được chia thành nhiều loại,

loại đơn giản dùng để định vị, chẳng hạn: sử dụng các khối V, các cữ chặn, v.v và các loại đồ gá phức tạp hơn, có thể xoay được ống trong khi hàn để mối hàn luôn được thực hiện ở vị trí hàn bằng; hoặc có loại đồ gá có thể điều chỉnh được khoảng cách hướng kính để phù hợp với đường kính ống mỗi khi thay đổi, đồng thời điều chỉnh được tốc độ quay phù hợp để luôn đảm bảo chất lượng hàn Dưới đây là hình ảnh một

số loại đồ gá thường dùng trong sản xuất Hình 1.29 là loại đồ gá hàn các kết cấu hình trụ (rỗng hoặc đặc), còn gọi là đồ gá lăn điều chỉnh trượt, được chế tạo tại Trung Quốc Đồ gá này có những đặc tính kỹ thuật sau:

- Chuyên dùng để hàn các loại ống có đường kính và chiều dài lớn Khi đường kính ống thay đổi, có thể điều chỉnh khoảng cách hai con lăn trượt trên băng trượt của

1.1 giới thiệu các thông số kỹ

thuật của đồ gá này

Hình 1.29- Đồ gá lăn điều chỉnh trượt

Bảng 1.1- Các thông số kỹ thuật của đồ gá lăn điều chỉnh trượt

Đường kính con lăn

con lăn (m/h)

Công suất Motor (KW) Cao su Kim loại

HGK-10 10000 320÷2800 Ф300x120 2xФ290x25 6÷60 2x0.55 HGK-

20 20000 500÷3500 Ф350x120 2xФ340x30 6÷60 2x1.1 HGK-

40 40000 600÷4200 Ф400x120 2xФ390x40 6÷60 2x1.5 HGK-

60 60000 750÷4800 Ф450x120 2xФ440x50 6÷60 2x2.2

Tất cả sử dụng biến tấn AC để điều chỉnh vô cấp tốc độ qoay

Hình 1.30 là loại đồ gá hàn các kết cấu hình trụ (rỗng hoặc đặc, chủ yếu dùng để hàn các kết cấu trụ rỗng) Đây là đồ gá lăn tự lựa, được chế tạo tại Trung Quốc Đồ gá này có những đặc tính kỹ thuật sau:

Hình 1.30- Đồ gá lăn tự lựa Hình 1.31- Đồ gá lăn tự lựa đang làm việc

- Chuyên dùng để hàn các loại ống đường kính và chiều dài từ trung bình trở lên

- Kết cấu vững chắc, ổn định, chống được rung động khi làm việc

- Có cơ cấu đỡ - xoay tự lựa theo chu vi ống (các con lăn kép kết cấu dạng chữ V)

- Tốc độ điều chỉnh vô cấp phù hợp với tốc độ hàn

- Tương tự như đồ gá lăn điều chỉnh trượt, đồ gá này cũng được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, chẳng hạn: đóng tàu, dầu khí, gió điện, thủy điện, giao thông, xây dựng,.v.v Bảng 1.2 giới thiệu các thông số kỹ thuật của đồ gá này

Bảng 1.2- Các thông số kỹ thuật của đồ gá lăn tự lựa

1.2.2- Đồ gá hàn kết cấu phức tạp

Khi hàn các kết cấu phức tạp (kích thước, khối lượng từ trung bình trở xuống), hướng của trục và hướng chuyển động (theo đường hàn) của mỏ hàn thường phải thay đổi ứng với dạng đường hàn Khi đó, đồ gá (bàn hay mặt bích gá phôi) cần được thiết

kế, chế tạo thêm khả năng chuyển động thay đổi hướng trục quay đồ gá để đáp ứng được các yêu cầu trên Hình 1.32, 1.33 giới thiệu một số loại đồ gá này Ngoài chuyển động quay của mặt bích khi hàn, tuỳ theo hình dáng, kết cấu hàn cụ thể (hướng hàn và hướng chuyển động của trục mỏ hàn) mà trục quay của mặt bích được điều chỉnh (bởi chuyển động quay) ở một góc xác định Các đồ gá này có những đặc tính kỹ thuật sau:

- Dùng để hàn các kết cấu ống ngắn đặt nghiêng từ 00 ÷ 900, các kết cấu dạng hộp, v.v

- Chi tiết gá lên bàn quay bằng măm cặp dạng hoa mai, kẹp phôi bằng bu lông

- Tốc độ quoay mâm gá điều chỉnh vô cấp phù hợp với tốc độ hàn

- Ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất bồn bể, vỏ hộp giảm tốc, đường ống dẫn dầu, dẫn khí, v.v

Hình 1.34 giới thiệu một loại ĐGH

Kích thước bàn

Động cơ xoay

Động cơ nghiêng

Qua việc khảo sát một số loại ĐGH ống và ĐGH kết cấu phức tạp, có thể thấy

một số đặc điểm nổi bật như sau:

- Chuyển động chính của bàn gá hay các con lăn (khâu chấp hành cuối trên

ĐGH) gá phôi là chuyển động quay, được dẫn động trực tiếp bằng động cơ điện (có

thể là một trong số các động cơ: secrvô, xoay chiều ba pha, một chiều hay động cơ

bước, v.v.); hoặc thông qua bộ giảm tốc được thiết kế tiêu chuẩn Quy luật của chuyển

động quay có thể là quay tròn đều liên tục với vận tốc công nghệ (vận tốc được tính

toán theo vận tốc hàn ứng với vật liệu và chiều dày vật hàn); hoặc quay tròn đều gián

đoạn tuỳ thuộc kết cấu hàn cụ thể

- Khi dẫn động trực tiếp bằng động cơ điện, xích động học của ĐGH rất đơn giản,

chỉ là dẫn động của động cơ truyền trực tiếp cho bàn gá hay con lăn (gá phôi) Chúng

được gá lắp trên (hay nối với) trục động cơ điện

- Khi dẫn động thông qua bộ giảm tốc, xích động học của ĐGH phức tạp hơn; thường là hộp giảm tốc hai hoặc ba cấp bánh răng và được thiết kế theo tiêu chuẩn (của từng hãng, công ty, v.v.)

- Quy luật của chuyển động quay và vận tốc công nghệ được điều khiển bằng đặt trước hay lập trình (PLC hoặc CNC) thông qua bộ điều khiển hệ thống hàn (bán tự động hoặc tự động)

- Ngoài chuyển động công nghệ ra, đối với loại ĐGH có bàn gá quay, còn có

chuyển động thay đổi vị trí hay hướng hàn (có thể gọi là chuyển động phụ) của phôi

trên (cùng) bàn gá khi cần Chuyển động này thường được thiết kế bằng bộ truyền động cơ khí (trục vít - bánh vít); được điều khiển bằng tay quay hoặc điều khiển bằng điện - cơ, thậm chí có thể được điều khiển tự động trong hệ thống hàn bán tự động hay

tự động Loại ĐGH này được xếp vào loại ĐGH vạn năng

- Đối với loại ĐGH ống bằng hệ thống các con lăn, ngoài chuyển động chính quay tròn đều của các con lăn trên đồ gá, không có chuyển động phụ nào khác Loại

ĐGH này được xếp vào loại ĐGH chuyên dùng

- Cả hai loại ĐGH này thường được ghép nối với các máy hàn bán tự động hay tự động trong một hệ thống hàn tương ứng

Với những đặc điểm trên, ĐGH vạn năng có thể hàn được khá nhiều kết cấu ống

và nhiều kết cấu phức tạp

1.3- Phạm vi nghiên cứu

Hiện nay, các cơ sở sản xuất trong nước nhập về khá nhiều loại ĐGH, tuy nhiên, nhiều cơ sở gặp không ít các khó khăn trong việc khai thác sử dụng Một số khó khăn thường gặp là:

- Các loại đồ gá này, khi mua của các công ty, hãng nước ngoài, chỉ biết được hình ảnh (hình dáng, kết cấu bên ngoài), không có thiết kế kết cấu cơ khí đầy đủ và chi tiết, dẫn đến gặp khó khăn trong sử dụng (vận hành, khai thác sử dụng chưa hết tính năng, hiệu quả thấp), trong bảo trì và sửa chữa thay thế

- Giá thành mua của nước ngoài đắt

Do đó, phạm vi nghiên cứu của bản luận văn này là:

‘‘Nghiên cứu, tính toán, thiết kế mô phỏng động học và kết cấu cơ khí một số loại đồ gá hàn hồ quang bán tự động, tự động dùng cho hàn ống và một số kết cấu phức tạp ‘‘

Trong đó tập trung vào nghiên cứu thiết kế và mô phỏng kết cấu động học một loại ĐGH bán tự động và tự động có thể hàn được một số kết cấu ống và kết cấu phức

tạp

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Để chuẩn bị cho việc giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu tiếp theo ở các chương sau cũng như để đạt được các mục tiêu mà đề tài luận văn đặt ra, Chương 1 đã giải quyết được các vấn đề sau:

- Tìm hiểu tổng quan về kết cấu hàn dạng ống và một số kết cấu hàn phức tạp

- Tìm hiểu tổng quan về đồ gá hàn kết cấu dạng ống và một số kết cấu phức tạp

- Qua đó, xác định được các đặc điểm chính của các ĐGH vạn năng và ĐGH chuyên dùng

- Xác định rõ được nội dung chính của đề tài được giao

CHƯƠNG 2 - ĐỒ GÁ HÀN TRONG HỆ THỐNG HÀN HỒ QUANG

Hình 2.1 mô tả phương pháp hàn MAG bán tự động, trong đó:

Các yếu tố được thực hiện tự động gồm có:

- Quá trình cấp dây hàn và khí bảo vệ được đặt trước giá trị yêu cầu (tốc độ cấp dây và lưu lượng khí bảo vệ), khi hàn chúng được cấp tự động

- Điện áp và dòng hàn cũng được đặt trước và được điều chỉnh tự động dao động quanh giá trị đặt trước trong phạm vi nào đó (được thiết kế trước) khi tải ngoài thay đổi trong quá trình hàn

Hình 2.1- Hàn MAG bán tự động

Các yếu tố được thực hiện bằng tay gồm có:

- Các thao tác hàn (duy trì khoảng cách không đổi theo yêu cầu giữa đầu mỏ hàn với bề mặt vật liệu cơ bản, di chuyển mỏ hàn theo đường hàn yêu cầu, dao động mỏ hàn bảo đảm chiều rộng mối hàn)

Trong hệ thống hàn bán tự động này, ĐGH có thể là một trong các dạng sau:

- Đồ gá hàn vạn năng (trong đó có loại ĐGH vạn năng tĩnh và ĐGH vạn năng động)

- Đồ gá hàn chuyên dùng (trong đó có loại ĐGH chuyên dùng tĩnh và ĐGH chuyên dùng động)

2.1.2- Hàn hồ quang tự động

Hàn hồ quang tự động là phương pháp hàn - trong đó các thao tác hàn và các thông số chế độ hàn được lập trình từ trước (hay đặt trước) và được điều khiển tự động (không có sự can thiệp trực tiếp của người thợ) Ví dụ, một số phương pháp hàn tự động hiện đang được dùng rất rộng rãi trong các hoạt động sản xuất công nghiệp, đó là hàn hồ quang chìm như trên hình 2.2 Ở đây, các thao tác hàn và các thông số chế độ hàn đã được lập trình trước (đặt trước), người thợ chỉ việc “bấm máy” khởi động để bắt đầu quá trình hàn tự động Đặc điểm của dạng hàn tự động này là tự động cứng (chương trình cứng)

Hình 2.2- Hàn tự động cứng (hồ quang chìm)

Một ví dụ khác hay được ứng dụng trong sản xuất, đó là hàn hồ quang tự động bằng hệ thống rô bốt hàn (hình 2.3, 2.4), trong hệ thống này gồm có: rô bốt hàn - thiết

bị hàn - đồ gá hàn và bộ điều khiển hệ thống 2 Các phương pháp hàn hay dùng phối hợp trong hệ thống này thường là hàn MAG, MIG hay hàn TIG, v.v Đặc điểm của dạng hàn tự động này là tự động mềm (chương trình mềm)

Hình 2.3- Mô đun hàn tự động mềm

Hình 2.4- Hàn tự động mềm

Hình 2.4 cho thấy đồ gá hàn được

thiết kế, chế tạo trên cơ sở đặc điểm về

hình dạng, kết cấu sản phẩm hàn (trục

lệch tâm được hàn mặt bích)

Hình 2.5- Dây chuyền hàn tự động

Hàn tự động trên hình 2.3, 2.4 là hình thức hàn được tổ chức theo mô đun hàn tự động Còn trên hình hình 2.5 là hình thức hàn được tổ chức theo dây chuyền hàn tự động, khi đó ĐGH được thiết kế, chế tạo - ngoài việc dựa trên cơ sở đặc điểm về hình dạng, kết cấu sản phẩm hàn, mà còn dựa vào nhiều yếu tố khác, chẳng hạn quy mô sản xuất, ổn định chất lượng hàn, v.v

Một mức độ cao hơn nữa của hàn hồ quang tự động là hàn hồ quang tự động linh hoạt Trong hệ thống hàn này, phôi được gá lắp bằng một loại ĐGH đặc biệt, đó là rô bốt Bằng loại đồ gá này, có thể hàn được các kết cấu phức tạp, hướng hàn luôn thay đổi, đường hàn có dạng phức tạp, điểm hàn ở các vị trí khó hàn Hình 2.6, 2.7 là ứng dụng của đồ gá hàn tự động linh hoạt để hàn vành và hàn khung ô tô

Hình 2.6- Ứng dụng đồ gá hàn tự động linh hoạt hàn vành ô tô

Hình 2.7- Ứng dụng đồ gá hàn tự động trong dây chuyền hàn tự động linh hoạt

Trong hệ thống hàn tự động này, ĐGH có thể là một trong các dạng sau:

- Đồ gá hàn tự động vạn năng (trong đó có loại ĐGH vạn năng tĩnh và ĐGH vạn năng động)

- Đồ gá hàn tự động chuyên dùng (trong đó có loại ĐGH chuyên dùng tĩnh và ĐGH chuyên dùng động)

2.2- Kỹ thuật, công nghệ hàn hồ quang bán tự động, tự động

2.2.1- Các thông số chế độ hàn

Các thông số chế độ hàn hồ quang bán tự động trong môi trường khí bảo vệ

- Đường kính dây hàn - phụ thuộc chiều dày vật liệu, vị trí và dạng liên kết hàn

- Dòng điện hàn - phụ thuộc kích thước điện cực (dây hàn), dạng dịch chuyển

kim loại lỏng và chiều dày vật hàn

- Điện áp hàn - là thông số rất quan trọng trong hàn GMAW, quyết định dạng

dịch chuyển kim loại lỏng Điện áp hàn phụ thuộc chiều dày vật hàn, dạng liên kết, kích cỡ và thành phần vật liệu điện cực, thành phần khí bảo vệ, vị trí hàn, v.v

- Tốc độ hàn - phụ thuộc vào bản chất phương pháp hàn, trình độ tay nghề thợ

Tốc độ hàn quyết định chiều sâu ngấu của mối hàn và năng suất khi hàn

- Tốc độ cấp dây hàn - phụ thuộc vào dòng điện hàn

- Tầm với điện cực - là khoảng cách từ đầu điện cực tới mép của bép hàn Khi

tăng tầm với điện cực, nhiệt nung nóng đoạn dây hàn này sẽ tăng, dẫn tới làm giảm cường độ dòng điện hàn cần thiết để nóng chẩy điện cực theo tốc độ cấp dây nhất định

- Lưu lượng khí bảo vệ - phụ thuộc vào cường độ dòng điện, điện áp hàn Khi lưu

lượng khí quá lớn, làm mối hàn có thể rỗ khí, khi lưu lượng khí nhỏ, không đủ để bảo

vệ vùng hàn, làm cho không khí môi trường xâm nhập vào, do đó tạo ra khuyết tật rỗ khí, v.v

Trong các thông số trên, khi hàn hầu hết được thực hiện bằng cách đặt trước hoặc

tự động (lập trình điều khiển) và đều do các trang thiết bị hàn (máy hàn, súng hay tay hàn chuyên dùng hay rô bốt hàn) đảm nhận ĐGH không tham gia thực hiện (dẫn động

và điều khiển) bất cứ thông số nào của chế độ hàn

Kỹ thuật hàn

Để bảo đảm chất lượng mối hàn, có nhiều biện pháp kỹ thuật được áp dụng Ngoài việc thực hiện đúng các thông số chế độ hàn, các biện pháp kỹ thuật (các thao tác khi hàn) kèm theo thường là: bảo đảm đúng góc nghiêng trục mỏ hàn so với bề mặt vật hàn và hướng hàn, khoảng cách giữa đầu điện cực và bề mặt vật hàn (luôn giữ không đổi), cách thực hiện chuyển động dao động bảo đảm chiều rộng mối hàn, cách gây hồ quang khi bắt đầu hàn, kỹ thuật dao động, v.v Trong đó, việc bảo đảm góc nghiêng trục mỏ hàn luôn không đổi so với bề mặt vật hàn và hướng chuyển động của

mỏ khi hàn là yếu tố cơ bản và quan trọng, liên quan trực tiếp đến việc thiết kế đồ gá hàn Xét một số ví dụ dưới đây:

Hình 2.8 cho thấy hình dạng và chất lượng mối hàn khi thay đổi góc nghiêng và hướng hàn để hàn hai chi tiết cùng vật liệu, cùng độ dày Hình 2.8a có góc nghiêng và hướng hàn hợp lý, chất lượng mối hàn tốt nhất (chiều sâu ngấu, chiều rộng bảo đảm, hình dáng cân đối) Hình 2.8b có góc nghiêng không đúng, mối hàn không đảm bảo chất lượng; hình 2.8c góc nghiêng đúng, nhưng hướng hàn chưa hợp lý, làm cho nhiệt phân tán, nên mối hàn không ngấu, hình dáng không đạt tiêu chuẩn

Hình 2.8- Ảnh hưởng của góc nghiêng đến hình dạng và chất lượng mối hàn

Hình 2.9a mô tả kỹ thuật gây hồ quang khi bắt đầu hàn: gây hồ quang ở vị trí 1, sau khi có hồ quang, chuyển mỏ hàn sang vị trí 2 với góc nghiêng như hình vẽ và cách

Hình 2.9- Kỹ thuật gây hồ quang

cuối mối hàn và giữ mỏ hàn ở vị trí đó để khí bảo vệ tiếp tục bảo vệ mối hàn

Như vậy, các thao tác hàn trên - một số do súng hàn hay tay hàn tự động hay rô bốt hàn thực hiện, số còn lại do ĐGH thực hiện nhằm đảm bảo các thông số động hình

học yêu cầu

2.2.2- Một số đặc điểm động hình học cần lưu ý

Khi hàn, các thông số động hình học quan trọng nhất ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn (hình dáng, kích thước mối hàn, độ ngấu, các khuyết tật, v.v.) gồm có:

- Hướng trục mỏ hàn, là góc nghiêng α giữa trục mỏ hàn và bề mặt vật hàn

- Khoảng cách duy trì hồ quang l hq

- Vận tốc dịch chuyển của mỏ hàn v h

- Chuyển động dao động bảo đảm chiều rộng mối hàn b

Bốn thông số trên luôn được điều khiển “không đổi” khi hàn

- Độ chính xác dịch chuyển theo quỹ đạo đường hàn ±∆S (do các yếu tố cơ khí,

điện và điều khiển quyết định)

Với các đặc điểm trên, trong hệ thống hàn bán tự động hay tự động, ĐGH có vai

trò rất quan trọng trong việc phối hợp đảm bảo: góc nghiêng α, vận tốc dịch chuyển v h chuyển động dao động b và độ chính xác dịch chuyển ±∆S theo quỹ đạo đường hàn Như vậy, vai trò phối hợp đảm bảo các thông số động hình học sẽ là cơ sở quan

trọng để thiết kế mô phỏng kết cấu động học ĐGH ở Chương 3

2.3- Đồ gá hàn trong hệ thống hàn hồ quang bán tự động, tự động

2.3.1- Vai trò và một số đặc trưng cơ bản của ĐGH trong hệ thống

Hình 2.10 mô tả hệ thống thiết bị hàn hồ quang bán tự động bảo vệ dưới lớp khí

(hàn MAG), gồm các phần tử, thiết bị chủ yếu sau: nguồn hàn và bộ phận điều khiển (đặt) các thông số chế độ hàn, bộ cấp dây, súng hàn, bộ cấp khí bảo vệ, cáp hàn, cáp mát, ống dẫn khí bảo vệ, ĐGH