CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Hàn quỹ đạo là phương pháp hàn hàn ống tự động hiện đại sử dụng cơ cấu truyền động để quay điện cực 3600 quanh đường ống cần hàn. Có ba phương pháp hàn quỹ đạo chính là TIG, MIG và Plasma, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Dưới đây là các phân tích chi tiết hơn về từng phương pháp hàn quỹ đạo.
Hàn TIG quỹ đạo Hàn TIG quỹ đạo là phương pháp hàn được sử dụng rộng rãi nhất trong số các loại hàn quỹ đạo. Phương pháp này sử dụng điện cực vonfram để tạo hồ quang và nung nóng kim loại cần hàn. Hàn TIG quỹ đạo thường xuyên được áp dụng cho việc hàn inox và nhôm, và là lựa chọn tối ưu cho việc hàn các loại vật liệu mỏng do khả năng tạo mối hàn sạch. Tuy nhiên, hàn TIG quỹ đạo thường gây ra chi phí cao hơn so với các phương pháp khác như hàn MIG/MAG (hàn CO2) hoặc hàn cắt plasma., nguyên nhân chủ yếu về trang thiết bị chuyên dụng và độ hoàn thành mối hàn sẽ chậm hơn các phương pháp hàn khác.1: Hệ thống hàn TIG quỹ đạo của công ty Orbitec (Đức).com) Hàn MIG quỹ đạo Hàn MIG quỹ đạo sử dụng điện cực kim loại để tạo hồ quang, làm nóng và hàn kim loại.
Phương pháp này thích hợp cho việc hàn các vật liệu có độ dày lớn hơn bởi khả năng tạo mối hàn vững chắc. Tuy nhiên, chi phí cho hàn MIG quỹ đạo có thể cao hơn so với các phương pháp khác do yêu cầu về trang thiết bị chuyên dụng.2: Hệ thống hàn MIG quỹ đạo của HELIX® M85 (Trung Quốc).(Nguồn: uni-group) Hàn Plasma quỹ đạo Hàn Plasma quỹ đạo dùng điện cực plasma để tạo hồ quang, làm nóng kim loại cần hàn. Phương pháp này thường được ứng dụng cho việc hàn titan và các vật liệu có độ khó hàn cao. Nó cũng phù hợp cho hàn vật liệu mỏng do khả năng tạo mối hàn sạch.
Mặc dù hàn plasma quỹ đạo mang lại hiệu suất và chất lượng mối hàn vượt trội, nhưng điều này đồng nghĩa với việc đầu tư ban đầu cho thiết bị và công nghệ chuyên biệt có thể cao hơn so với các phương pháp hàn khác.3: Hệ thống hàn Plasma quỹ đạo (Trung Quốc). Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Hàn quỹ đạo là công nghệ hàn đột phá của thế kỷ 20, đã mang đến cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp hàn từ những năm 60. Đây là phương pháp hàn sử dụng hồ quang từ điện cực không nóng chảy quay xung quanh chi tiết cần hàn và dòng điện hàn được điều chỉnh tự động.
Ngày nay, công nghệ hàn quỹ đạo hiện đại đã tiến bộ đáng kể, cho phép hàn các chi tiết với độ chính xác cao và đường kính rất nhỏ, thậm chí chỉ vài milimét. Hàn quỹ đạo được sử dụng rộng rãi trong ngành sản xuất ngoài nước, đặc biệt là trong ngành thực phẩm và đồ uống, nơi độ thẩm mỹ và độ bền của mối hàn đóng vai trò quan trọng. Hệ thống hàn quỹ đạo orbital hiện đại có thể được điều khiển bằng những bộ điều khiển tiến tiến được tích hợp với máy tính để có thể lưu trữ các thông số hàn phục vụ cho nhiều ứng dụng hàn khác nhau. Người vận hành chỉ cần thao tác qua màn hình cảm ứng và hệ thống sẽ thực hiện quá trình hàn một cách tự động.
Hàn quỹ đạo là kết quả của sự nghiên cứu và cải tiến liên tục của các nhà khoa học và kỹ sư trên toàn thế giới. Các nhà sản xuất hàn quỹ đạo Orbital đến từ nhiều quốc gia khác nhau như: Châu Âu, Bắc Mĩ, Trung Quốc. đã không ngừng cải tiến và tích hợp những tính năng hiện đại nhằm đem lại sự thuận tiện và dễ dàng cho người sử dụng. Điển hình, Orbitalum Smart Welder OM180 (Hình 1.2) là một thiết bị hàn quỹ đạo có hệ thống điều khiển tiên tiến, cho phép nhập liệu và truy xuất dữ liệu quan trọng liên quan đến quá trình hàn.
Hệ thống này cũng hỗ trợ chia sẻ dữ liệu thông qua các kết nối mạng công nghiệp tương thích với xu hướng IoT và Industry 4. Thiết bị này có khả năng hoạt động với điện áp đầu vào từ 110V đến 230V và tần số 50/60Hz, hoặc sử dụng điện một pha mà không yêu cầu nguồn điện công nghiệp chuyên biệt. Thêm vào đó, bộ điều khiển do KEPUNI cung cấp có khả năng giảm thiểu phơi nhiễm bức xạ đối với người lao động, thông qua việc giảm bớt sự tiếp xúc trực tiếp của thợ hàn với thiết bị. Hệ thống này còn hỗ trợ người vận hành bằng cách tự động hóa việc cài đặt thông số hàn từ cơ sở dữ liệu chuyên gia, giúp người mới làm quen với công việc có thể thực hiện các mối hàn chất lượng cao một cách nhanh chóng.
Cuối cùng, nhà sản xuất của TITANIUM 230 AC/DC FV đã phát triển một giải pháp hàn đa năng, kết hợp giữa nguồn điện xoay chiều (AC) một pha và một chiều (DC), nhằm tăng cường hiệu suất hàn trên nhiều loại vật liệu như nhôm, thép, thép không gỉ, đồng và các hợp kim của chúng. Thiết bị này cũng được thiết kế để hỗ trợ nhiều phương pháp hàn khác nhau, bao gồm hàn giáp mép (BW), hàn nghiêng (FW), hàn góc trong (BP), hàn góc ngoài và hàn dây, đáp ứng nhu cầu đa dạng của các ứng dụng hàn công nghiệp.4: Bộ điều khiển của công ty Orbitalum (Đức).5: Bộ điều khiển của công ty KEPUNI (Trung Quốc). Tình hình nghiên cứu trong nước Việt Nam là một trong những quốc gia đang nỗ lực nghiên cứu và phát triển công nghệ hàn quỹ đạo. Trong đó, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã có những đóng góp quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển kỹ thuật này tại Việt Nam.
Các nhóm nghiên cứu, sinh viên của các trường đại học không ngừng sáng tạo và cải tiến các mẫu đầu hàn quỹ đạo hiện có, đồng thời tích hợp thêm những tính năng, công nghệ điều khiển chế độ hàn và quỹ đạo vào việc sản xuất các hệ thống thiết bị hàn tự động. Những nỗ lực này đã được ghi nhận qua các công bố khoa học và bài báo chuyên ngành.6: Hệ thống đầu hàn quỹ đạo được nghiên cứu thiết kế tại Trường Đại học Sư phạm kĩ thuật TP. Ngoài ra, Đại học Sao Đỏ cũng là một trong những nơi tiên phong phát triển công nghệ hàn quỹ đạo với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn Orbital tự động”. Mục tiêu của dự án là phát triển thiết bị hàn Orbital tự động giúp hỗ trợ công nhân trong việc hàn ở những điều kiện môi trường khó khăn, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và đảm bảo an toàn cho người vận hành.
Đồng thời, dự án cũng mở ra một hướng đi mới cho các nhà sản xuất máy hàn tại Việt Nam góp phần tiếp cận và làm chủ công nghệ mới, đảm bảo sự kết nối mật thiết giữa nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tiễn trong sản xuất.7: Hệ thống hàn quỹ đạo được nghiên cứu chế tạo tại Trường Đại học Sao Đỏ.gov) 5 Dự án này đánh dấu một bước tiến đáng kể trong ngành công nghệ hàn quỹ đạo ở Việt Nam, mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp hàn. Mặc dù vậy, vẫn còn đó những thách thức, rào cản và tiềm năng lớn chưa được khám phá hết. Để hiệu suất và tối ưu hóa chi phí trong sản xuất công nghiệp thì việc tăng cường đầu tư cho nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực hàn quỹ đạo là điều hết sức cần thiết. Lý do chọn đề tài Trong quá trình sản xuất các thiết bị bằng thép không gỉ, từ đường ống đến hệ thống xả khí trên xe hơi và các thiết bị dùng trong ngành công nghiệp hóa chất, phương pháp hàn quỹ đạo với khí bảo vệ được sử dụng khá phổ biến.
Trong đó, công nghệ hàn TIG quỹ đạo được biết đến với khả năng ứng dụng đa dạng và đem lại hiệu quả vượt trội. Vì vậy việc nghiên cứu và phát triển những thiết bị liên quan đến công nghệ này là một vấn đề cấp thiết. Trong lĩnh vực hàn TIG quỹ đạo, việc điều khiển các thông số hàn như cường độ dòng hàn, tốc độ hàn, thời gian xung hồ quang, vị trí bắt đầu hàn, và hướng quay đóng vai trò đặc biệt quan trọng vì những thông số này quyết định trực tiếp đến chất lượng mối hàn. Vì vậy việc đánh giá ảnh hưởng của các thông số này đến chất lượng mối hàn là một vấn đề cần thiết.
Hiện nay công nghệ TIG quỹ đạo đã phát triển đến một trình độ nhất định và hướng tới việc làm cho bộ điều khiển thông minh hơn, linh hoạt hơn và thích nghi tốt hơn với những ứng dụng trong công nghiệp bằng cách giám sát và điều chỉnh các thống số hàn theo thời gian thực hoặc điều chỉnh thông số hàn theo quy luật nhất định thông qua quá trình thực nghiệm. Một trong những yếu tố cần được đặc biệt quan tâm trong quá trình hàn đó chính là nhiệt độ mối hàn. Việc dự đoán các vị trí bị quá nhiệt, có thể dẫn đến khuyết tật, thông qua việc thu thập, quan sát và xử lý dữ liệu là rất cần thiết. Điều này cho phép chúng ta đưa ra các phương án điều chỉnh như tăng tốc độ hàn hoặc giảm dòng hàn dựa trên nhiệt độ thu được.
Vì vậy, nhóm chúng em đã chọn đề tài “Cải tiến bộ điều khiển đầu hàn ống tự động”. Đây là một giải pháp cải tiến hiệu suất và chất lượng của quá trình hàn tự động trong các ngành công nghiệp. Để thực hiện giải pháp này, chúng em sẽ nghiên cứu và phát triển các thuật toán và sử dụng phần mềm để tối ưu hóa năng suất và chất lượng hàn. Sự tối ưu này bao gồm đảm bảo độ chính xác cao, giảm thiểu thiệt hại cho vật liệu và cải thiện hiệu suất năng lượng.
Điều này không những giúp tiết kiệm chi phí và thời gian thi công, mà còn nâng cao độ đồng đều và độ bền của mối hàn 1. Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu và cải tiến một bộ điều khiển có khả năng điều chỉnh và giám sát ổn định các thông số hàn. - Thông qua các phương pháp thực nghiệm Taguchi và phần mềm Minitab, đánh giá mức độ ảnh hưởng đến các thông số như dòng hàn, vận tốc hàn và thời gian xung của hồ quang.