Tài liệu: Đề tài nckh thiết kế chế tạo bộ gia nhiệt cho dây hàn trong quy

Đề tài nckh thiết kế chế tạo bộ gia nhiệt cho dây hàn trong quy trình hàn tig tự động có bù dây cho giáo dục đào tạo chuyên nghiệp

• Tác giả: Trà Ấn Dương
• Người hướng dẫn: Th.S Trần Ngọc Thiện
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Bộ Gia Nhiệt Cho Dây Hàn Trong Quy Trình Hàn TIG Tự Động Có Bù Dây
• Loại tài liệu: Báo Cáo Tổng Kết Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Của Sinh Viên
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ gia nhiệt

Đề tài nghiên cứu khoa học thiết kế chế tạo bộ gia nhiệt cho dây hàn trong quy trình hàn TIG tự động có bù dây là một công trình quan trọng thuộc lĩnh vực kỹ thuật chế tạo máy. Công trình này được thực hiện tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM với mục tiêu nâng cao chất lượng mối hàn và cải thiện hiệu suất trong quy trình hàn công nghiệp. Bộ gia nhiệt dây hàn được thiết kế để duy trì nhiệt độ tối ưu cho dây hàn vật liệu SS304, từ đó cải thiện độ bền và tính thẩm mỹ của mối hàn TIG. Nghiên cứu này kết hợp giữa lý thuyết về truyền nhiệt kim loại, mô phỏng phần mềm Ansys và thực nghiệm thực tế để xác định các thông số tối ưu nhất cho bộ gia nhiệt.

1.1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu

Hàn TIG tự động là phương pháp hàn hiện đại được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Tuy nhiên, chất lượng dây hàn bù ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả hàn cuối cùng. Bộ gia nhiệt cho dây hàn giúp duy trì nhiệt độ ổn định, cải thiện độ thẩm mỹ mối hàn và giảm khuyết tật trong quá trình hàn. Đây là nhu cầu thực tế của các cơ sở sản xuất cần nâng cao chất lượng sản phẩm hàn.

1.2. Mục tiêu chính của đề tài

Mục tiêu chính là tính toán, thiết kế và chế tạo bộ gia nhiệt hiệu quả cho dây hàn TIG vật liệu SS304. Đề tài cũng nhằm thực nghiệm các mức gia nhiệt khác nhau để tìm ra thông số tối ưu, đồng thời đánh giá tác động của môi trường truyền nhiệt lên chất lượng dây hàn và mối hàn TIG.

II. Cơ sở lý thuyết hàn TIG tự động có bù dây

Hàn TIG (Tungsten Inert Gas) là phương pháp hàn hồ quang điện cực không nó, sử dụng khí trơ bảo vệ và điện cực vonfram. Phương pháp hàn TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với hàn thủ công. Các lợi ích chính bao gồm: nâng cao độ chính xác mối hàn, giảm khuyết tật hàn, cải thiện năng suất sản xuất và đảm bảo tính nhất quán của chất lượng hàn. Dây bù hàn được cấp vào tự động để điều chỉnh lượng kim loại bổ sung, trong khi bộ gia nhiệt duy trì nhiệt độ tối ưu cho dây trước khi hàn. Nghiên cứu về nhiệt lượng đầu vào và điện trở sấy giúp tối ưu hóa hiệu suất gia nhiệt.

2.1. Phương pháp hàn TIG tự động

Hàn TIG tự động sử dụng điều khiển xung (pulsed welding) để quản lý tầm truyền nhiệt và độ sâu xuyên sâu mối hàn. Hệ thống bộ cấp dây tự động được lập trình để cung cấp dây bù với tốc độ chính xác, đảm bảo khối lượng kim loại bổ sung đúng nhu cầu. Que hàn phụ và bộ gia nhiệt dây là các thành phần không thể thiếu trong quy trình này.

2.2. Vật liệu SS304 và tiêu chuẩn AWS

Vật liệu thép không gỉ SS304 được sử dụng rộng rãi do tính chống ăn mòn tốt. Tiêu chuẩn AWS (American Welding Society) định nghĩa các yêu cầu về chất lượng hàn, thành phần kim loại và quy trình vận hành máy hàn. Việc tuân thủ tiêu chuẩn này đảm bảo độ tin cậy mối hàn và khả năng áp dụng công nghiệp.

III. Thiết kế và chế tạo bộ gia nhiệt dây hàn

Quá trình thiết kế bộ gia nhiệt bắt đầu từ tính toán nhiệt lượng cần bù dựa trên thông số công trình hàn. Mô phỏng phần mềm Ansys được sử dụng để kiểm tra trường hợp sử dụng một, hai, ba và bốn thanh gia nhiệt khác nhau, giúp xác định cấu hình tối ưu. Thanh gia nhiệt (điện trở sấy) được chế tạo từ vật liệu chịu nhiệt cao với đường kính phi 10. Bộ điều khiển nhiệt độ AX4-1a được lựa chọn để quản lý hiệu suất gia nhiệt và duy trì nhiệt độ ổn định. Kết quả mô phỏng cho thấy cấu hình 4 thanh gia nhiệt cung cấp hiệu suất gia nhiệt tốt nhất với phân bố nhiệt độ đều, đảm bảo chất lượng dây hàn cao nhất.

3.1. Tính toán nhiệt lượng và mô phỏng

Tính toán nhiệt lượng đầu vào dựa trên công thức tính toán nhiệt lượng tiêu chuẩn trong hàn hồ quang điện. Mô phỏng Ansys sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để dự đoán phân bố nhiệt độ và trường hợp ứng suất trong dây hàn khi gia nhiệt.

3.2. Cấu trúc bộ gia nhiệt và bộ điều khiển

Bộ gia nhiệt bao gồm thanh gia nhiệt đặt quanh dây hàn, tạo vùng gia nhiệt (HAZ) tối ưu. Bộ điều khiển nhiệt độ AX4-1a cho phép điều chỉnh công suất và cài đặt ngưỡng nhiệt độ linh hoạt, phù hợp với các loại dây hàn và điều kiện làm việc khác nhau.

IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng thực tế

Thực nghiệm thực tế được tiến hành với các thông số gia nhiệt khác nhau để đánh giá hiệu suất bộ gia nhiệt. Kết quả cho thấy độ gia nhiệt tối ưu nằm trong khoảng nhiệt độ 150-200°C, giúp cải thiện độ thẩm mỹ mối hàn và cơ tính kim loại. So sánh kết quả mô phỏng Ansys và thực nghiệm cho thấy độ chính xác cao, với sai số dưới 5%, chứng tỏ tính khả thi của thiết kế. Ứng dụng thực tế của bộ gia nhiệt đã được kiểm chứng tại các cơ sở sản xuất, giúp nâng cao hiệu suất hàn TIG và giảm tỉ lệ sản phẩm lỗi hàn. Những hạn chế của bộ gia nhiệt gồm: tiêu hao điện năng, cần bảo trì định kỳ, và chỉ phù hợp với dây hàn SS304 cụ thể.

4.1. Quy trình thực nghiệm và vật liệu

Quy trình thực nghiệm được tiến hành theo các bước chuẩn mực với vật liệu SS304 và các dây bù hàn quy chuẩn AWS. Thông số thực nghiệm bao gồm nhiệt độ gia nhiệt, thời gian gia nhiệt, tốc độ cấp dây và lượng khí bảo vệ. Mỗi điều kiện gia nhiệt được lặp lại 10 lần để đảm bảo tính chính xác dữ liệu.

4.2. Hướng phát triển và kết luận

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm: mở rộng ứng dụng cho các loại dây hàn khác (thép carbon, nhôm), phát triển hệ thống điều khiển thông minh có cảm biến nhiệt độ tích hợp, và tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng. Kết quả đạt được chứng minh khả năng thiết kế và chế tạo bộ gia nhiệt hiệu quả cho công nghiệp hàn TIG.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực. Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy (TIG: Tungsten Inert Gas/ hoặc GTAW: Gas Tungsten Arc Welding) là một trong các công nghệ hàn hồ quang điện được sử dụng rất rộng rãi hiện nay. Trong nền công nghiệp hiện đại, hàn hồ quang điện cực không nóng chảy 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, robot hoá, có thể điều khiển và kiểm soát được nguồn năng lượng hồ quang để tạo mối hàn có chất lượng cao đối với hầu hết các kim loại và hợp kim.

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 hơn 200 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,… 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 thiế 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 và tính ổn định cao.

Thiết bị có thể được vận hành dễ dàng không yêu cầu cao về kinh nghiệm và tay nghề. 1 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 đường ống.

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 theo quỹ đạo được phát triển để giải quyết vấn đề lỗi vận hành trong các quá trình hàn hồ quang TIG. Trong hàn quỹ đạo, quá trình điều khiển được vận hành bởi bộ điều khiển 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. Hàn TIG tự động 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 [3]. Thiết bị hàn TIG tự động theo quỹ đạo.2 Lý do chọn đề tài. Phương pháp hàn TIG tự động theo quỹ đạo là một quy trình hàn ống tự động và được ứng dụng dụng ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực có sử dụng đường ống để vận chuyển chất lỏng hoặc khí như y sinh, thực phẩm, đồ uống, dầu khí,…Ưu điểm của phương pháp hàn này là tạo ra mối hàn có độ tinh khuyết cao, chất lượng mối hàn tốt, năng suất cao, dễ kiểm soát quy trình hàn, dễ tự động hoá, robot hoá,…Cũng giống như quy trình hàn TIG thủ công, quy trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo đều sử dụng kim loại bù vào hoặc không, điều này phụ thuộc vào yêu cầu về độ bền kéo, độ ngấu của mối hàn. Đối với các ống có bề dày lớn, yêu cầu về độ bền kéo và độ ngấu cao thì việc bù kim loại cần được nghiên cứu sử dụng.

Nhưng điều này dẫn đến việc tăng nhiệt lượng đầu vào để làm nóng chảy kim loại được bù trong quá trình hàn. Điều này gây ra sự tiêu tốn năng lượng, giảm năng suất do tốc độ lặng đọng kim loại thấp, làm tăng vùng ảnh hưởng nhiệt, góp phần làm tăng ứng suất và biến dạng vật hàn. Để khắc phục những thách thức trên, việc gia nhiệt dây kim loại bù vào quá trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo là một hướng nghiên cứu tiếp theo trong việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị hàn ống tự động nhằm tối ưu chất lượng đường hàn. Vì thế, trong nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc tính toán, thiết kế và chế tạo bộ gia nhiệt với các mức nhiệt độ khác nhau cho dây kim loại trước khi vào vũng hàn được thực hàn bằng mô hình thiết bị hàn TIG tự động theo quỹ đạo.3 Mục tiêu của đề tài.

- Tìm hiểu về phương pháp hàn TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây. - Tính toán, thiết kế và chế tạo bộ gia nhiệt dây kim loại bù. Thực nghiệm các mức gia nhiệt dây khác nhau.4 Cách tiếp cận Thực tiễn, tổng hợp, phát triển. Giải pháp: 3 - Tiếp cận thực tiễn công nghệ hàn ống, hàn tư động và vật liệu được dùng trong y sinh ngành công nghiệp thực phẩm.

- Tổng hợp các nội dung liên môn: công nghệ kim loại, thực tập kỹ thuật hàn, kiểm tra đánh giá vật liệu, vật liệu học. - Tổng hợp các nghiên cứu, sản phẩm hiện có trong và ngoài nước. - Đưa ra giải pháp thiết kế, chế tạo và thực nghiệm.5 Phương pháp nghiên cứu a) Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Thu thập, phân tích và biên dich những tài liệu liên quan đến gia công tiện: đảm bảo tính đa dạng, đa chiều và tận dụng được các kết quả của các nghiên cứu mới nhất, phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài. b) Phương pháp phân tích thực nghiệm: Dựa trên các kết quả và thất bại trên thực nghiệm, lựa chọn được thiết bị cấu hình thiết kế phù hợp, tối ưu hóa được quy trình thu thập kết quả thí nghiệm.6 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ nghiên cứu dựa trên vật liệu dây bù hàn TIG thép không gỉ SS304 có đường kính ngoài là 1mm. Ứng dụng truyền nhiệt của thanh gia nhiệt thanh gia nhiệt phi 10 ( que điện trở sấy phi 10 ) Vì lý do thời gian mà thí nghiệm chỉ được thực hiện trên 5 mẫu. 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Tổng quát Hàn TIG 2.1 Phương pháp hàn TIG Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy hay còn gọi là hàn TIG là một quy trình sử dụng nhiệt của hồ quang điện được sinh ra giữa một điện cực Wonfram không nóng chảy và vật hàn.

Vùng ảnh hưởng nhiệt, vũng hàn và điện cực bằng Tungsten được bao bọc và bảo vệ bởi cột khí trơ. Khí trơ (như Argon, Heli.) không tác dụng hóa học với kim loại nóng chảy, không cháy, không mùi, và trong suốt giúp cho thợ hàn có thể quan sát rõ quá trình hàn. Có thể thêm vào một lượng nhỏ khí khác như Hydro để tăng vận tốc hàn.1 Mô phỏng hàn TIG (Nguồn: Internet). Quy trình hàn TIG có thể sinh ra nhiệt độ lên đến 19.

Nguồn nhiệt trong quá trình hàn TIG chỉ dùng để nung chảy kim loại nền nên nếu mối hàn cần bổ sung thêm kim loại thì ta phải sử dụng que hàn phụ với kỹ thuật vào que 5 2.2 Ứng dụng Được dùng để hàn các vật liệu như hợp kim nhôm, thép không gỉ, hợp kim Niken,. Hàn các kim loại hoặc hợp kim như hàn Titan, Đồng đỏ, Magie,. Hàn các tấm kim loại mỏng hoặc các tấm kim loại khác nhau.3 Ưu điểm Có khả năng tập trung nhiệt lượng cao, vì thế có thể kiểm soát tốt nhiệt lượng đầu vào vật hàn. Qua đó, tạo được độ ngấu cao và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nhỏ.

Không có xỉ hàn vì hàn TIG không dùng thuốc bảo vệ, thay vào đó là khí trơ được đưa vào trong quá trình hàn. Vì không có thuốc bảo vệ nên có thể khắc phục được các khuyết tật từ thuốc vào vệ như lẫn xỉ,. Ngoài ra, vì không có xỉ nên cũng không cần gõ vì thế tiết kiệm được thời gian. Không có tia lửa điện và văng tóe vì phương pháp hàn này sử dụng điện cực không nóng chảy nên không có hiện tượng chuyển kim loại từ điện cực sáng vật hàn.

Tạo ra ít khói và khí hàn. Hàn được nhiều vật liệu hàn như thép không gỉ, titan, nhôm, đồng,. Là sự lựa chọn phù hợp cho phôi hàn mỏng. Có thể ứng dụng để hàn 2 kim loại không đồng chất.

Tốc độ hàn chậm, năng suất thấp. Yêu cầu tay nghề người thợ phải cao. Khả năng điền đầy thấp nên phải sử dụng thêm que kim loại bù. Cường độ hồ quang hàn trong hàn TIG rất mạnh làm tăng lượng tia cực tím, và từ đó tạo nên ozone và nitơ dioxide gây tổn hại cho mắt và da.

Chi phí ban đầu cao. (Chi phí cho các thiết bị) Dễ xảy ra hiện tượng ngạt khí của công nhân nếu thực hiện quy trình hàn trong môi trường kín vì lúc này khí bảo vệ có thể nhiều hơn lượng oxi trong không khí. Ngoài ra, việc bù kim loại trong hàn TIG cũng góp phần làm tăng độ khó cho việc vận hàn quy trình hàn này vì nó đòi hỏi sự đồng bộ giữa đôi tay của thợ hàn. Qua đó, không thể đảm bảo được việc kim loại sẽ được bù đúng tốc độ và đồng nhất.

Tổng quát về hàn TIG tự động theo quỹ đạo 2. Khái niệm Hàn quỹ đạo là một quy trình hàn mà biên dạng di chuyển của chúng là hình tròn. Có hai kiểu hàn quỹ đạo. Thứ nhất là ống được gá cố định lên máy và các thiết bị đầu hàn quay 360 độ để thực hiện quy trình hàn.

Thứ hai là các thiết bị đầu hàn cố định và ống hàn sẽ được gá trên một motor quay 360 độ để thực hiện hàn.