Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến chất lượng liên kết hàn ống vi sinh

Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến chất lượng liên kết hàn ống vi sinh, cung cấp thông tin hữu ích cho ngành công nghiệp chế tạo.

• Tác giả: Trần Hữu Lộc
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Sơn Minh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Thông Số Hàn Đến Chất Lượng Liên Kết Hàn Ống Vi Sinh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Công nghệ hàn đường ống trong ngành thực phẩm theo quỹ đạo
• 1.2. Lịch sử phát triển của hàn ống theo quỹ đạo
• 1.3. Các ứng dụng của hàn y sinh theo quỹ đạo
• 1.4. Mục tiêu của đề tài
• 1.5. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.6. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Nghiên cứu đặc điểm chung và yêu cầu kỹ thuật của liên kết ống trong quá trình hàn theo quỹ đạo
• 2.2. Nghiên cứu các yêu cầu kỹ thuật của quá trình hóa lỏng kim loại tại vùng hàn
• 2.3. Nghiên cứu các phương pháp bảo vệ kim loại nóng chảy tại vùng hàn
• 2.4. Nghiên cứu các yêu cầu kỹ thuật của nguồn hàn
• 2.5. Công nghệ hàn TIG
• 2.5.1. Hàn TIG là gì?
• 2.5.2. Đặc điểm phương pháp hàn TIG
• 2.5.3. Kim loại đắp (dây hàn phụ)
• 2.5.4. Cường độ dòng điện khi hàn TIG
• 2.5.5. Khí bảo vệ
• 2.5.6. Nguyên lí hoạt động của máy hàn TIG
• 2.5.7. Ứng dụng của phương pháp hàn TIG
• 2.5.8. Ưu nhược điểm của phương pháp hàn TIG
• 2.5.9. Các loại vật liệu dùng hàn TIG
• 2.6. Phương pháp tăng cơ tính của mối hàn
• 2.6.1. Khái niệm độ hạt
• 2.6.2. Ý nghĩa của độ hạt
• 2.6.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt. Biện pháp làm nhỏ hạt
• 2.7. Các khuyết tật mối hàn
• 2.7.1. Chảy loang bề mặt mối hàn
• 2.7.2. Vết lõm mép hàn
• 2.7.3. Thiếu hụt cuối đường hàn (lõm đầu và cuối)
• 2.7.4. Hàn không ngấu
• 2.8. Các phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn
• 2.8.1. Quan sát bằng mắt
• 2.8.2. Chiếu xạ xuyên qua mối hàn (theo tiêu chuẩn của GOST 7512-75)
• 2.8.3. Phương pháp siêu âm (GOST 14782-76)
• 2.8.4. Phương pháp phát quang và chỉ thị màu (GOST 3241-69)
• 2.8.5. Phương pháp thẩm thấu bằng dầu hỏa
• 2.8.6. Thử bằng thủy tĩnh (GOST 3845-65) và có áp suất (GOST 1999-60)
• 2.8.7. Thử mẫu công nghệ
• 2.8.8. Xác định tính nhạy của mối hàn đối với sự ăn mòn tinh giới (GOST 6032-58)
• 2.8.9. Tổ chức tế vi
• 2.8.10. Kiểm tra cơ tính
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Chọn thông số thí nghiệm và mô hình toán
• 3.2. Chuẩn bị vật tư
• 3.3. Mô hình toán nhiệt độ hàn Tig
• 3.3.1. Phương trình và điều kiện ban đầu [19]
• 3.3.2. Mô hình nguồn nhiệt Gaussian [19]
• 3.4. Phương pháp phân tích kết quả
• 3.5. Phân tích kết quả thí nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Kết luận
• 4.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• CÔNG BỐ KHOA HỌC

Tóm tắt

I. Ảnh hưởng của thông số hàn đến chất lượng liên kết ống vi sinh

Phần này tập trung phân tích ảnh hưởng của các thông số hàn như nhiệt độ hàn, áp suất hàn, thời gian hàn, loại mối hàn, và vật liệu ống vi sinh đến chất lượng liên kết. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp Box-Behnken để xác định mối quan hệ giữa các thông số hàn và chất lượng liên kết, đo lường bằng độ bền kéo. Kết quả cho thấy việc tối ưu thông số hàn có thể đạt được độ bền kéo lên tới 93% so với độ bền của thép không gỉ 304. Quá trình hàn ống vi sinh đòi hỏi sự chính xác cao, do đó việc kiểm soát chặt chẽ thông số hàn là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng liên kết và an toàn trong hàn ống vi sinh. Kỹ thuật hàn ống vi sinh tiên tiến như hàn laser và hàn siêu âm cũng được xem xét để cải thiện chất lượng mối hàn.

1.1. Quá trình hàn ống vi sinh và các yếu tố ảnh hưởng

Quá trình hàn ống vi sinh bao gồm nhiều giai đoạn, từ chuẩn bị bề mặt đến hoàn thiện mối hàn. Các giai đoạn này đều chịu tác động của nhiều yếu tố, bao gồm thông số hàn, vật liệu ống vi sinh, và kỹ thuật hàn. Vật liệu ống vi sinh ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất mối hàn, ví dụ như độ bền, khả năng chống ăn mòn. Kỹ thuật hàn như hàn TIG, hàn MIG, hàn laser hay hàn siêu âm sẽ có những thông số khác nhau, ảnh hưởng đến hiệu quả và chất lượng mối hàn. Thông số hàn bao gồm cường độ dòng điện, áp suất hàn, tốc độ hàn, thời gian hàn, và loại khí bảo vệ. Việc lựa chọn và điều chỉnh các thông số hàn phù hợp là rất quan trọng để tạo ra mối hàn chất lượng cao, tránh các lỗi hàn như hàn không ngấu, chảy loang, hoặc vết nứt. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của thông số hàn đến chất lượng liên kết bằng các phương pháp mô phỏng và thử nghiệm thực tế.

1.2. Kiểm soát chất lượng liên kết ống vi sinh

Đảm bảo chất lượng liên kết ống vi sinh là rất quan trọng trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong công nghiệp thực phẩm và y tế. Kiểm soát chất lượng bao gồm việc kiểm tra các thông số hàn trước, trong và sau khi hàn. Các phương pháp kiểm tra được sử dụng bao gồm quan sát trực quan, kiểm tra siêu âm, kiểm tra độ bền kéo, và phân tích vi cấu trúc. Phát hiện lỗi hàn sớm giúp giảm thiểu chi phí sửa chữa và đảm bảo an toàn. Nghiên cứu này đề xuất việc sử dụng phương pháp Box-Behnken để tối ưu thông số hàn và giảm lỗi hàn. Việc xây dựng tiêu chuẩn chất lượng hàn là cần thiết để đảm bảo tính nhất quán và độ tin cậy của các mối hàn. Cải thiện chất lượng liên kết thông qua việc tối ưu thông số hàn và áp dụng công nghệ hàn tiên tiến là mục tiêu chính của nghiên cứu này. Đo đạc độ bền liên kết là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng mối hàn.

1.3. Tối ưu hóa thông số hàn và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tối ưu thông số hàn đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng liên kết ống vi sinh. Phương pháp Box-Behnken đã giúp xác định mối quan hệ giữa các thông số hàn và độ bền kéo của mối hàn. Việc áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sẽ giúp cải thiện hiệu suất sản xuất, giảm chi phí, và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc áp dụng công nghệ hàn tiên tiến vào sản xuất, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm và y tế. Cải thiện chất lượng liên kết dẫn đến tăng độ bền, độ tin cậy và tuổi thọ của sản phẩm. Nghiên cứu đề xuất sử dụng mô hình nguồn nhiệt Gaussian trong phần mềm Comsol để mô phỏng quá trình hàn. Tối ưu hóa quá trình hàn giúp giảm thiểu nguyên nhân gây lỗi hàn và đảm bảo an toàn trong hàn ống vi sinh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp thực phẩm hiện nay, việc sử dụng các đường ống vi sinh để vận chuyển hóa chất và thực phẩm đang ngày càng phổ biến, đồng thời nhu cầu thay thế, bảo trì và lắp đặt hệ thống mới cũng tăng cao. Theo ước tính, có khoảng 130 phương pháp hàn khác nhau được áp dụng trong công nghiệp, trong đó hàn orbital (hàn quỹ đạo) nổi bật với khả năng tự động hóa cao và chất lượng mối hàn đồng nhất. Hàn orbital sử dụng điện cực vonfram quay 360° quanh mối hàn, tạo ra các liên kết hàn có độ chính xác và độ bền cao, giảm thiểu lỗi và khuyết tật so với hàn thủ công.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá ảnh hưởng của các thông số hàn như cường độ dòng điện, vận tốc hàn và tốc độ cấp dây đến chất lượng liên kết hàn ống vi sinh, đặc biệt trong ngành kỹ thuật cơ khí phục vụ công nghiệp chế biến thực phẩm. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2018-2022 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi tập trung vào hàn ống inox 304 bằng phương pháp hàn TIG theo quỹ đạo orbital.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc làm chủ công nghệ hàn orbital, giúp nâng cao chất lượng mối hàn, đảm bảo các tiêu chuẩn quốc tế như ASME, AWS, và góp phần giảm chi phí, tăng năng suất trong sản xuất công nghiệp thực phẩm. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ các doanh nghiệp trong nước tiếp cận và ứng dụng hiệu quả công nghệ hàn tự động, đáp ứng yêu cầu khắt khe về vệ sinh và độ bền của hệ thống đường ống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về quá trình hóa lỏng kim loại trong hàn hồ quang và lý thuyết về bảo vệ kim loại nóng chảy tại vùng hàn. Quá trình hóa lỏng kim loại được mô tả qua các hiện tượng luyện kim như oxy hóa, khử oxy và hợp kim hóa diễn ra trong thời gian rất ngắn với lượng kim loại nóng chảy nhỏ. Yêu cầu kỹ thuật bao gồm làm sạch mép mối hàn, kiểm soát nhiệt độ môi trường và giới hạn biến dạng ống trong quá trình hàn.

Lý thuyết bảo vệ kim loại nóng chảy tập trung vào việc sử dụng khí trơ (Argon, Helium) và thuốc hàn để bảo vệ vũng hàn khỏi sự xâm nhập của không khí, đảm bảo hồ quang ổn định và mối hàn có chất lượng cao. Ngoài ra, các tiêu chuẩn kỹ thuật như hệ số độ bền mối hàn, góc uốn cho phép và trị số độ dai va đập cũng được áp dụng để đánh giá chất lượng mối hàn.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

• Hàn orbital (Orbital welding): Phương pháp hàn tự động với điện cực vonfram quay quanh mối hàn tạo liên kết đồng nhất.
• Thông số hàn: Bao gồm cường độ dòng điện, vận tốc hàn, tốc độ cấp dây, ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ và độ bền mối hàn.
• Phương pháp Box-Behnken: Thiết kế thực nghiệm dùng để xác định mối quan hệ giữa các thông số hàn và chất lượng mối hàn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm kết quả mô phỏng nhiệt độ hàn trên phần mềm COMSOL và các thí nghiệm thực tế đo độ bền kéo, quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm các mẫu inox 304 được hàn với các thông số khác nhau theo thiết kế Box-Behnken, nhằm tối ưu hóa các thông số hàn.

Phương pháp chọn mẫu là chọn các tổ hợp thông số hàn đại diện cho các mức cường độ dòng điện (60-80 A), vận tốc hàn (150-210 mm/phút) và tốc độ cấp dây, đảm bảo bao phủ phạm vi nghiên cứu. Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp hồi quy đa biến để xây dựng mô hình dự đoán ảnh hưởng của các thông số đến nhiệt độ và độ bền kéo.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2018 đến tháng 4/2022, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị vật tư, mô phỏng nhiệt độ, thực hiện thí nghiệm kéo, quan sát tổ chức tế vi và phân tích kết quả. Các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế như ASME, AWS được tham khảo để đánh giá chất lượng mối hàn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến nhiệt độ hàn: Mô phỏng COMSOL cho thấy khi tăng cường độ dòng điện từ 60 A lên 80 A, nhiệt độ vùng hàn tăng khoảng 15-20%, giúp kim loại nóng chảy sâu hơn, cải thiện độ ngấu mối hàn.

2. Tác động của vận tốc hàn đến độ bền kéo: Thí nghiệm kéo cho thấy vận tốc hàn thấp (150 mm/phút) tạo ra mối hàn có độ bền kéo cao hơn khoảng 10% so với vận tốc cao (210 mm/phút), do thời gian nung nóng đủ để kim loại liên kết tốt hơn.

3. Tối ưu hóa thông số hàn: Sử dụng phương pháp Box-Behnken, các thông số tối ưu được xác định là cường độ dòng điện 70 A, vận tốc hàn 180 mm/phút và tốc độ cấp dây phù hợp, đạt độ bền kéo tối đa khoảng 93% so với thép không gỉ 304 cơ bản.

4. Quan sát tổ chức tế vi: Hình ảnh kính hiển vi cho thấy mối hàn có cấu trúc hạt mịn, đồng nhất, không xuất hiện khuyết tật như rỗ khí hay nứt, chứng tỏ chất lượng mối hàn đạt yêu cầu kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự tăng nhiệt độ và độ bền mối hàn khi tăng cường độ dòng điện là do lượng nhiệt cung cấp lớn hơn, giúp kim loại nóng chảy sâu và liên kết chắc chắn hơn. Vận tốc hàn thấp hơn tạo điều kiện cho quá trình nguội chậm, giảm ứng suất nhiệt và tăng độ bền kéo.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đồng với báo cáo của nhóm tác giả nước ngoài về hiệu quả của hàn TIG-MIG hybrid trong việc ổn định hồ quang và cải thiện chất lượng mối hàn. Việc sử dụng mô hình Box-Behnken giúp tối ưu hóa các thông số hàn một cách khoa học, giảm thiểu thử nghiệm thực tế tốn kém.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ theo cường độ dòng điện và vận tốc hàn, cũng như bảng so sánh độ bền kéo tương ứng với các tổ hợp thông số. Điều này giúp trực quan hóa ảnh hưởng của từng yếu tố đến chất lượng mối hàn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng thông số hàn tối ưu: Khuyến nghị sử dụng cường độ dòng điện 70 A, vận tốc hàn 180 mm/phút và tốc độ cấp dây phù hợp để đạt chất lượng mối hàn cao nhất, giảm thiểu khuyết tật. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án hàn ống vi sinh.

2. Đào tạo vận hành thiết bị hàn orbital: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ thuật viên vận hành máy hàn orbital, nhằm nâng cao kỹ năng và hiểu biết về các thông số kỹ thuật. Chủ thể thực hiện: các trung tâm đào tạo kỹ thuật cơ khí, thời gian 3-6 tháng.

3. Đầu tư thiết bị hàn tự động: Khuyến khích doanh nghiệp đầu tư máy hàn orbital hiện đại, có khả năng lưu trữ và tái sử dụng thông số hàn, giúp tăng năng suất và chất lượng mối hàn. Thời gian thực hiện: 1-2 năm.

4. Nghiên cứu mở rộng: Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác như khí bảo vệ, vật liệu que hàn phụ đến chất lượng mối hàn, nhằm hoàn thiện quy trình hàn ống vi sinh. Chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học, thời gian 2-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và kỹ thuật viên ngành cơ khí: Nắm bắt kiến thức về công nghệ hàn orbital, tối ưu hóa thông số hàn để nâng cao chất lượng sản phẩm trong công nghiệp chế tạo.

2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị hàn: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển và cải tiến thiết bị hàn orbital phù hợp với yêu cầu thực tế tại Việt Nam.

3. Nhà quản lý và chuyên gia trong ngành thực phẩm: Hiểu rõ về công nghệ hàn ống vi sinh, đảm bảo hệ thống đường ống đạt tiêu chuẩn vệ sinh và an toàn thực phẩm.

4. Giảng viên và sinh viên kỹ thuật cơ khí: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ hàn tự động.

Câu hỏi thường gặp

1. Hàn orbital là gì và ưu điểm của nó?
   Hàn orbital là phương pháp hàn tự động với điện cực vonfram quay quanh mối hàn, tạo ra mối hàn đồng nhất, chất lượng cao và giảm lỗi so với hàn thủ công. Ví dụ, trong ngành thực phẩm, hàn orbital giúp đảm bảo mối hàn sạch, không có khe hở, ngăn ngừa vi khuẩn phát triển.

2. Các thông số hàn ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng mối hàn?
   Cường độ dòng điện, vận tốc hàn và tốc độ cấp dây ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ và độ bền mối hàn. Tăng cường độ dòng điện làm tăng nhiệt độ, vận tốc hàn thấp giúp mối hàn chắc hơn. Nghiên cứu cho thấy độ bền kéo đạt tối đa khi các thông số được tối ưu.

3. Phương pháp Box-Behnken được sử dụng để làm gì?
   Box-Behnken là thiết kế thực nghiệm giúp xác định mối quan hệ giữa các thông số hàn và chất lượng mối hàn, từ đó tìm ra tổ hợp thông số tối ưu mà không cần thử nghiệm quá nhiều lần, tiết kiệm thời gian và chi phí.

4. Tại sao sử dụng khí Argon trong hàn TIG?
   Argon là khí trơ, không phản ứng với kim loại nóng chảy, giúp bảo vệ vũng hàn khỏi oxy hóa và tạo hồ quang ổn định. Argon có độ dẫn nhiệt thấp hơn Helium, giúp tăng chiều sâu ngấu mối hàn, phù hợp với hàn inox 304.

5. Làm thế nào để kiểm tra chất lượng mối hàn?
   Chất lượng mối hàn được kiểm tra qua quan sát bề mặt, thử kéo, thử uốn, kiểm tra tổ chức tế vi và các phương pháp không phá hủy như siêu âm, chiếu xạ. Mối hàn đạt yêu cầu không có vết nứt, lỗ rỗng, độ bền kéo không thấp hơn 90% vật liệu nền.

Kết luận

• Nghiên cứu đã làm chủ công nghệ hàn orbital và xác định được ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn ống vi sinh.
• Mô phỏng nhiệt độ và thí nghiệm kéo cho thấy cường độ dòng điện và vận tốc hàn là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ bền mối hàn.
• Thông số hàn tối ưu đạt được độ bền kéo khoảng 93% so với thép không gỉ 304 cơ bản, đảm bảo chất lượng mối hàn theo tiêu chuẩn quốc tế.
• Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao năng lực công nghệ hàn tự động trong ngành cơ khí, đặc biệt phục vụ công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.
• Đề xuất các giải pháp đào tạo, đầu tư thiết bị và nghiên cứu mở rộng nhằm ứng dụng hiệu quả công nghệ hàn orbital tại Việt Nam.

Tiếp theo, các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên triển khai áp dụng các thông số tối ưu và tiếp tục nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng khác để hoàn thiện quy trình hàn ống vi sinh. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, quý độc giả có thể liên hệ trực tiếp với tác giả hoặc đơn vị nghiên cứu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1. Giới thiệu Hiện nay các đường ống vi sinh, vận chuyển hóa chất, thực phẩm trong công nghiệp đang có nhu cầu thay thế, bảo trì bảo dưỡng cũng như lắp đặt hệ thống mới khá nhiều. Việc này cần phải thiết kế theo từng hệ thống và yêu cầu của các nhà máy khác nhau 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 hàn phải có tay nghề cao và các thiết bị chuyên dùng mới có thể hoàn thành các liên kết hàn này.

Vì là con người hàn nên đôi khi cũng có một vài kết cấu hàn bị lỗi từ đó đặt ra yêu cầu thiết kế máy có thể hàn các kết cấu này với độ tin cậy cao. Thiết bị có thể được vận hành dễ dàng không yêu cầu cao về kinh nghiệm và tay nghề. 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 Hàn mới đã xuất hiện, các công nghệ mới đã được áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật Hàn.

Hiện nay, có khoảng 130 phương pháp hàn khác nhau được sử dụng rộng rãi. Với các 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,… Hàn hồ quang điện trong môi trường có khí bảo vệ (GMAW: Gas Metal Arc Welding) là công nghệ hàn được sử dung rất rộng rãi hiện nay. Trong nền công nghiệp hiện đại, hàn hồ quang bằng điện trong môi trường có khí bảo vệ chiếm một vị trí rất quan trọng với khả năng tạo các liên kết giữa các loại thép kết cấu thông thường, các loại thép hợp kim cao, kim loại màu và hợp kim của chúng.

Ngoài ra phương pháp hàn này không những có thể thao tác bằng tay mà còn có thể tự động hóa, tạo mối hàn có chất lượng cao đối với hầu hết các kim loại và hợp kim. 24 HVTH: Trần Hưu Lộc LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS. Phạm Sơn Minh Trong các phương pháp hàn thông dụng hiện nay, phương pháp hàn kim loại bằng hồ quang điện đã được sử dụng lần đầu vào đầu những năm 1920 để tăng hiệu quả của sản phẩm sau khi hàn và độ sạch của liên kết hàn. Trong những năm đầu 1950, phát hiện ra khí CO2 có thể được sử dụng như là một khí bảo vệ.

Phát hiện này và sự phát triển của nhiều que hàn làm tăng tính phổ biến của GMAW. Thiết bị hàn GMAW (Gas metal arc welding - GMAW) gồm nhiên liệu, đuốc hàn, que hàn phụ và khí bảo vệ. Oxi, Nitơ và Hidro ảnh hưởng nhiều đến quá trình hàn, chúng ngăn chặn việc hình thành vùng hàn. Khí trơ như Argon và Heli, không phản ứng với bất kỳ nguyên tố nào, chúng có ích như những khí bảo vệ trong hàn hồ quang.

Hàn GMAW có thể áp dụng bằng các quá trình bán tự động, cơ khí hóa hoặc tự động hóa. Tuy nhiên, nhằm đáp ứng nhu cầu hàn các vật liệu đặc biệt như thép không gỉ (Inox) với các dạng kết cấu mỏng, phương pháp hàn hồ quang có điện cực không nóng chảy (GTAW) thường được đề xuất. Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy Vonfram trong khí trơ bảo vệ kết hợp cả dòng điện xoay chiều (AC) hoặc dòng điện một chiều (DC). Chọn dòng AC hoặc DC dựa vào vật liệu hàn và thiết bị hàn.

Dòng điện hàn 1 chiều âm (DCEN) sử dụng cho vật liệu là kim loại đen. Dòng điện hàn xoay chiều cao tần (ACHF) dùng cho vật liệu là nhôm và kim loại màu. GTAW được phát triển vào đầu những năm 1930 từ việc hàn các chi tiết bằng Nhôm và Magie trong công nghiệp hàng không. Một bước đột phá của GTAW được phát hiện trong Thế chiến II khi dòng ACHF được phát hiện, dòng này cho kết quả mối hàn chất lượng hơn khi hàn Nhôm.Một thời gian sau, Heli là khí trơ, nhưng sau đó Argon thay thế Heli vì Argon rẻ hơn.

Nhìn chung, phương pháp hàn GTAW được sử dụng trong quá trình hàn các đường ống trong ngành công nghiệp thực phẩm với những ưu điểm như sau: • Hàn được nhiều loại vật liệu hàn: thép không gỉ (inox), các hợp kim niken, titan, nhôm, magie, đồng, đồng thanh, đồng thau và thậm chí là vàng. • GTAW cũng có thể dùng để hàn không đồng chất: ví dụ như đồng với đồng thau, thép không gỉ (inox) với thép cacbon thấp. 25 HVTH: Trần Hưu Lộc LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS. Phạm Sơn Minh • Hồ quang của thép tập trung nhiệt lượng cao nên vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp (nhất là đối với các kim loại dẫn nhiệt tốt như nhôm, đồng).

Vùng ảnh hưởng nhiệt là vùng có cơ tính thấp nên vùng ảnh hưởng nhiệt càng hẹp càng tốt. • Không tạo ra xỉ nên không tốn thời gian làm sạch sau khi hàn. • Không khói và hơi độc • 1.1 Công nghệ hàn đường ống trong ngành thực phẩm theo quỹ đạo Hàn các chi tiết dạng ống cho các dây chuyền công nghiệp là một quá trình tốn nhiều công sức, đòi hỏi thợ hàn có tay nghề cao. Tuy nhiên, để có thể tạo mối hàn chất lượng cao và chính xác bằng phương pháp hàn thủ công, kể cả khi người thợ hàn có nhiều kinh nghiệm, thì việc hàn các đường ống vẫn khó khăn và tốn nhiều thời gian.

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của liên kết hàn các ống thực phẩm này. Ví dụ: các kích thước khác nhau của vật thể được hàn, vị trí của vật thể và sự giới hạn về không gian hàn, … Từ các khó khăn trên, công nghệ và thiết bị hàn ống thực phẩm theo quỹ đạo được phát triển để giải quyết vấn đề lỗi vận hành trong các quá trình hàn hồ quang vonfram khí. Trong hàn quỹ đạo, quá trình điều khiển được vận hành bởi máy tính chạy với ít sự can thiệp từ người thợ. Quá trình này được sử dụng đặc biệt để hàn lặp lại nhiều mối hàn chất lượng cao.

Công nghệ hàn orbital Hàn orbital hay còn gọi là hàn quỹ đạo là một lĩnh vực chuyên sâu của ngành 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 trong quá trình quay điện cực sẽ phóng ra hồ quang và tạo thành mối hàn. 26 HVTH: Trần Hưu Lộc LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS. Phạm Sơn Minh Hình 1.

1: Thiết bị hàn orbital 1.2 Lịch sử phát triển của hàn ống theo quỹ đạo: Hàn ống quỹ đạo (orbital welding) lần đầu tiên được sử dụng trong những năm 1960 khi ngành công nghiệp hàng không vũ trụ nhận ra sự cần thiết cho một kỹ thuật nối các đường ống thủy lực của hàng không vũ trụ. Một thiết bị đã được phát triển, thiết bị đó có một điện cực vonfram được xoay quanh ống, tạo hồ quang và mối hàn nối được hình thành. Dòng hàn hồ quang được điều chỉnh với một hệ thống điều khiển do đó toàn bộ quá trình được tự động hóa. Kết quả là một phương pháp hàn chính xác và đáng tin cậy hơn phương pháp hàn thủ công.

Vào cuối những năm 1970, thiết bị hàn quỹ đạo cũng được điều chỉnh bởi ngành công nghiệp dược phẩm đã sử dụng nó như một phương tiện để loại trừ vi khuẩn thông qua các phương pháp chưng cất bằng hệ thống Clean-In-Place (CIP), vòng lặp Water-For- Injection (WFI), van chặn và đồng hồ đo áp suất. Hàn quỹ đạo trở nên phổ biến cho nhiều ngành công nghiệp vào đầu những năm 1980 khi các hệ thống cung cấp/ điều khiển điện kết hợp được phát triển hoạt động từ 110V AC và đủ nhỏ để được vận chuyển từ nơi này đến nơi khác trong một công trình cho nhiều chỗ mối hàn. Các hệ thống hàn quỹ đạo hiện đại được kiểm soát bằng máy tính, các thông số hàn được lưu trữ trong bộ nhớ cho nhiều ứng dụng có thể và được dùng khi cần cho một 27 HVTH: Trần Hưu Lộc LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS. Phạm Sơn Minh ứng dụng cụ thể.

Do đó, thiết bị tạo ra các mối hàn giống hệt nhau, các lỗi và khuyết tật được hạn chế tối đa. 2 : Một mối hàn được hàn bằng máy hàn orbital Ưu điểm của thiết bị hàn orbital Với các thiết bị được phát triển phục vụ cho công nghiệp hàn ống trong ngành thực phẩm, các ưu điểm 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 thợ hàn thủ công, phải trả cho chi phí cho thợ hàn nhiều lần còn với thiết bị hàn quỹ đạo thì trả cho lần đầu tư ban đầu. • Chất lượng: Chất lượng của mối hàn được tạo ra bởi một hệ thống hàn quỹ đạo với chương trình hàn chính xác sẽ cao hơn so với hàn thủ công. Trong các ứng dụng như hàn ống thực phẩm, hàn quỹ đạo là phương tiện duy nhất để đạt được các yêu cầu về chất lượng mối hàn.

• Tính nhất quán: Một khi chương trình hàn đã được thiết lập, hệ thống hàn quỹ đạo có thể liên tục thực hiện cùng một yêu cầu mối hàn hàng trăm lần, loại bỏ sự sai sót, không đồng nhất và khuyết tật của hàn thủ công. • Cấp độ kỹ năng. Các thợ hàn có tay nghề cao ngày càng khó tìm. Với thiết bị hàn quỹ đạo, qui trình hàn không cần một người thợ hàn có tay nghề cao.

Tất cả chỉ cần là một thợ cơ khí lành nghề với một khóa đào tạo sử dụng thiết bị. 28 HVTH: Trần Hưu Lộc LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS. Phạm Sơn Minh • Có thể sử dụng hàn quỹ đạo trong các ứng dụng mà không thể xoay ống hoặc ống hàn đặt trong không gian chật hẹp. • Có thể sử dụng hàn quỹ đạo trong các ứng dụng mà không gian làm việc giới hạn kích thước vật lý của thiết bị hàn.

Các đầu mối hàn có thể được sử dụng trong các hàng ống dẫn lò hơi, nơi thợ hàn thủ công sẽ khó sử dụng một ngọn đuốc hàn. Nhiều lý do khác để sử dụng thiết bị quỹ đạo thay cho hàn thủ công.