Tổng quan nghiên cứu

Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy (TIG) là một trong những công nghệ hàn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong các lĩnh vực đòi hỏi chất lượng mối hàn cao như hàng không vũ trụ, y sinh, thực phẩm và dầu khí. Theo ước tính, có hơn 200 phương pháp hàn khác nhau được sử dụng, trong đó hàn TIG tự động theo quỹ đạo nổi bật với khả năng tạo mối hàn có độ tinh khiết cao, năng suất và tính nhất quán vượt trội so với hàn thủ công. Tuy nhiên, việc cấp dây kim loại bù trong quy trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo hiện còn nhiều hạn chế, đặc biệt là thiếu các bộ cấp dây chuyên dụng phù hợp với đặc điểm kỹ thuật của phương pháp này.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và chế tạo cụm cấp dây tự động cho quy trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây, nhằm nâng cao chất lượng mối hàn và ổn định quá trình hàn. Nghiên cứu được thực hiện trên vật liệu ống thép không gỉ SS304 với đường kính ngoài 76 mm và độ dày thành ống 2 mm, tại xưởng thực hành hàn của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2022. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả kỹ thuật trong công nghiệp hàn mà còn có ý nghĩa quan trọng trong đào tạo, phát triển công nghệ và đảm bảo an toàn lao động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết hàn TIG (Tungsten Inert Gas): Phương pháp hàn sử dụng điện cực vonfram không nóng chảy và khí trơ bảo vệ (Argon, Helium) để tạo mối hàn có độ ngấu cao, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, phù hợp với các vật liệu như thép không gỉ SS304, nhôm, titan.

  • Mô hình hàn TIG tự động theo quỹ đạo: Quá trình hàn điện cực vonfram quay 360° quanh mối hàn, tạo ra mối hàn đồng nhất, chất lượng cao, giảm thiểu sự phụ thuộc vào tay nghề người thợ.

  • Khái niệm bộ cấp dây tự động: Thiết bị cung cấp dây kim loại bù với tốc độ ổn định, liên tục, có thể điều chỉnh theo yêu cầu kỹ thuật của quy trình hàn TIG tự động.

Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt lượng đầu vào (HI), tốc độ cấp dây, tiêu chuẩn đánh giá ngoại quan mối hàn theo AWS D18.1, và các thông số kỹ thuật của vật liệu SS304.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các tài liệu chuyên ngành về hàn TIG, tiêu chuẩn AWS, ISO, các tài liệu kỹ thuật về động cơ và bộ điều khiển tốc độ, cùng với các kết quả thực nghiệm tại xưởng hàn của trường.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Thiết kế và chế tạo: Sử dụng bộ cấp dây của máy hàn MIG/MAG được cải tiến với động cơ AC loại USM206-420W, đầu bánh răng 2GN12.5K và bộ điều khiển tốc độ US-52 để điều chỉnh tốc độ cấp dây phù hợp với đặc điểm hàn TIG.

  • Thực nghiệm: Thực hiện trên 5 mẫu hàn ống SS304, đánh giá ảnh hưởng của tốc độ cấp dây và các thông số hàn đến chất lượng mối hàn qua kiểm tra độ bền kéo theo tiêu chuẩn ISO 6892-1 và quan sát cấu trúc tế vi.

  • Phân tích số liệu: So sánh tốc độ cấp dây, nhiệt lượng đầu vào và chất lượng mối hàn, sử dụng các tiêu chí đánh giá ngoại quan theo AWS D18.1.

Thời gian nghiên cứu kéo dài 6 tháng, từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2022, với cỡ mẫu 5 mẫu hàn thực nghiệm được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu có chủ đích nhằm đảm bảo tính đại diện cho vật liệu và quy trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hoàn thiện thiết kế bộ cấp dây tự động: Bộ cấp dây được chế tạo thành công với khả năng cấp dây ổn định trong khoảng tốc độ 150-700 mm/phút, phù hợp với đặc điểm lắng đọng kim loại của hàn TIG. Động cơ AC USM206-420W kết hợp đầu bánh răng 2GN12.5K giúp giảm tốc độ quay từ 1600 vòng/phút xuống còn khoảng 27-126 vòng/phút, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

  2. Ảnh hưởng của tốc độ cấp dây đến chất lượng mối hàn: Thực nghiệm trên 5 mẫu hàn cho thấy tốc độ cấp dây ảnh hưởng rõ rệt đến độ bền kéo và cấu trúc tế vi. Mẫu hàn với tốc độ cấp dây khoảng 500 mm/phút đạt độ bền kéo cao nhất, tăng khoảng 15% so với mẫu có tốc độ cấp dây thấp nhất (150 mm/phút).

  3. Đánh giá ngoại quan mối hàn theo tiêu chuẩn AWS D18.1: Tất cả các mẫu hàn đều đạt các tiêu chí về độ lệch chiều dày, độ lõm, độ lồi và bề rộng mối hàn, với độ lệch tối đa không vượt quá 15% bề dày thành ống, đảm bảo chất lượng mối hàn đồng nhất.

  4. Tính ổn định và liên tục của bộ cấp dây: Thiết bị vận hành ổn định trong suốt quá trình hàn, không xảy ra hiện tượng kẹt dây hay gián đoạn cấp dây, góp phần nâng cao năng suất và giảm thiểu lỗi vận hành.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng bộ cấp dây tự động chuyên dụng cho hàn TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây giúp kiểm soát chính xác tốc độ cấp dây, từ đó cải thiện chất lượng mối hàn và tính nhất quán của sản phẩm. So với việc cấp dây thủ công hoặc sử dụng bộ cấp dây của hàn MIG/MAG không điều chỉnh được tốc độ phù hợp, thiết bị mới giảm thiểu các khuyết tật như nứt, rỗ khí và không đồng nhất trong mối hàn.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả của kỹ thuật bù dây trong nâng cao chất lượng mối hàn TIG tự động. Việc áp dụng bộ điều khiển tốc độ tần số giúp điều chỉnh linh hoạt tốc độ cấp dây theo yêu cầu thực tế, đồng thời giảm thiểu hao phí vật liệu và thời gian vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ cấp dây và độ bền kéo, cũng như bảng tổng hợp đánh giá ngoại quan mối hàn theo tiêu chuẩn AWS D18.1 để minh họa sự đồng nhất và chất lượng mối hàn đạt được.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng bộ cấp dây tự động trong sản xuất công nghiệp: Khuyến nghị các nhà máy sử dụng thiết bị cấp dây tự động cho quy trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo nhằm nâng cao chất lượng mối hàn và giảm thiểu lỗi vận hành. Thời gian áp dụng dự kiến trong vòng 6 tháng, chủ thể thực hiện là các phòng kỹ thuật và quản lý sản xuất.

  2. Nâng cấp và phát triển thiết bị cấp dây với tính năng gia nhiệt dây hàn: Đề xuất nghiên cứu tiếp theo nhằm tích hợp chức năng gia nhiệt dây kim loại bù để cải thiện khả năng lắng đọng và chất lượng mối hàn, dự kiến hoàn thành trong 12 tháng, do nhóm nghiên cứu kỹ thuật thực hiện.

  3. Đào tạo nhân lực vận hành thiết bị mới: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho thợ hàn và kỹ sư vận hành về sử dụng bộ cấp dây tự động và quy trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo, nhằm nâng cao trình độ và giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành. Thời gian đào tạo 3 tháng, do phòng đào tạo và phát triển nguồn nhân lực đảm nhiệm.

  4. Xây dựng bảng thông số kỹ thuật chuẩn cho từng loại vật liệu và mối hàn: Thiết lập hệ thống dữ liệu kỹ thuật về tốc độ cấp dây, cường độ dòng hàn, nhiệt lượng đầu vào phù hợp với từng loại vật liệu và yêu cầu mối hàn, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất. Chủ thể thực hiện là bộ phận nghiên cứu và phát triển, thời gian hoàn thành 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ hàn: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế bộ cấp dây tự động và quy trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo, giúp cải tiến công nghệ và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Kỹ thuật Hàn: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến công nghệ hàn tự động và thiết bị hỗ trợ.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và gia công kim loại: Các nhà máy sản xuất ống thép không gỉ, thiết bị y sinh, thực phẩm và dầu khí có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo chất lượng mối hàn.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật: Thông tin về tiêu chuẩn AWS, ISO và các quy trình vận hành hàn TIG tự động giúp xây dựng và cập nhật các tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp với thực tiễn công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ cấp dây tự động có thể điều chỉnh tốc độ cấp dây như thế nào?
    Bộ cấp dây sử dụng bộ điều khiển tốc độ tần số US-52 kết hợp động cơ AC USM206-420W và đầu bánh răng giảm tốc, cho phép điều chỉnh tốc độ cấp dây trong khoảng 150-700 mm/phút, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của hàn TIG tự động.

  2. Tại sao không thể sử dụng bộ cấp dây của hàn MIG/MAG cho hàn TIG tự động?
    Do đặc điểm lắng đọng kim loại và tốc độ cấp dây của hai phương pháp khác nhau, bộ cấp dây MIG/MAG không đáp ứng được yêu cầu tốc độ và độ ổn định cần thiết cho hàn TIG, dẫn đến chất lượng mối hàn không đảm bảo.

  3. Vật liệu SS304 có đặc điểm gì phù hợp cho nghiên cứu này?
    SS304 là thép không gỉ Austenit có khả năng chống ăn mòn cao, độ bền dẻo tốt và dễ hàn bằng các phương pháp hồ quang, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi mối hàn chất lượng cao.

  4. Tiêu chuẩn AWS D18.1 được áp dụng như thế nào trong đánh giá mối hàn?
    Tiêu chuẩn AWS D18.1 quy định các tiêu chí về độ lệch chiều dày, độ lõm, độ lồi và bề rộng mối hàn, giúp đánh giá ngoại quan mối hàn một cách khách quan và chính xác, đảm bảo chất lượng mối hàn đạt yêu cầu kỹ thuật.

  5. Làm thế nào để đảm bảo an toàn lao động trong quá trình hàn TIG tự động?
    Người vận hành cần trang bị đầy đủ đồ bảo hộ như mặt nạ hàn, kính bảo vệ mắt, găng tay cách nhiệt và quần áo bảo hộ, đồng thời giữ khu vực làm việc sạch sẽ, có bình chữa cháy và tuân thủ các quy định an toàn lao động nghiêm ngặt.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công bộ cấp dây tự động phù hợp với quy trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về tốc độ và độ ổn định cấp dây.
  • Thực nghiệm trên vật liệu SS304 với 5 mẫu hàn cho thấy tốc độ cấp dây ảnh hưởng tích cực đến chất lượng mối hàn, đặc biệt về độ bền kéo và cấu trúc tế vi.
  • Mối hàn đạt các tiêu chí ngoại quan theo tiêu chuẩn AWS D18.1, đảm bảo tính đồng nhất và chất lượng cao.
  • Thiết bị có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đòi hỏi mối hàn chất lượng cao như y sinh, thực phẩm, dầu khí và hàng không vũ trụ.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm nâng cấp thiết bị, đào tạo nhân lực và xây dựng bảng thông số kỹ thuật chuẩn để tối ưu hóa quy trình hàn tự động.

Khuyến khích các đơn vị sản xuất và nghiên cứu tiếp tục ứng dụng và phát triển công nghệ này nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp hàn.