Tài liệu: Đề tài nckh thiết kế chế tạo cụm cấp dây tự động cho quy trình

Đề tài nckh thiết kế chế tạo cụm cấp dây tự động cho quy trình hàn tig tự động theo quỹ đạo có bù dây cho giáo dục đào tạo chuyên nghiệp

• Tác giả: Đinh Ngọc Huy
• 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 Cụm Cấp Dây Tự Động Cho Quy Trình Hàn TIG Tự Động Theo Quỹ Đạo Có Bù Dây
• Loại tài liệu: Báo Cáo Tổng Kết Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học 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 Cụm Cấp Dây

Đề tài nghiên cứu khoa học về thiết kế và chế tạo cụm cấp dây tự động là một hướng đi mới trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy. Đề tài này tập trung vào việc phát triển hệ thống cấp dây tự động cho quy trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây, một công nghệ hàn tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo. Nghiên cứu này thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM dưới sự hướng dẫn của Th.S Trần Ngọc Thiện. Mục tiêu chính là thiết kế một cụm cấp dây hiệu quả, giải quyết những nhược điểm của phương pháp hàn thủ công truyền thống và nâng cao chất lượng mối hàn. Đề tài không chỉ có ý nghĩa học thuật mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao cho ngành sản xuất.

1.1. Tính Cấp Thiết và Lý Do Chọn Đề Tài

Hàn TIG tự động là phương pháp hàn hiện đại nhưng gặp khó khăn trong việc kiểm soát tốc độ cấp dây. Đề tài được chọn để giải quyết bài toán tự động hóa quy trình hàn, đặc biệt là với vật liệu thép không gỉ SS304 được sử dụng phổ biến. Việc thiết kế một cụm cấp dây tự động có bù dây sẽ giúp ổn định chất lượng mối hàn, giảm sai sót thủ công và tăng năng suất sản xuất.

1.2. Mục Tiêu và Phạm Vi Nghiên Cứu

Mục tiêu chính của đề tài NCKH là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cụm cấp dây tự động hoạt động hiệu quả trong môi trường hàn TIG theo quỹ đạo. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích lý thuyết về quá trình hàn, lựa chọn linh kiện phù hợp, thiết kế cơ khí, lắp ráp, điều khiển tốc độ và thực nghiệm với các tiêu chuẩn AWS D18.1.

II. Cơ Sở Lý Thuyết về Hàn TIG Tự Động

Hàn TIG (Tungsten Inert Gas) là phương pháp hàn sử dụng điện cực wolfram không tiêu hao, bảo vệ bằng khí trơ. Phương pháp này nổi bật với chất lượng mối hàn cao, đặc biệt thích hợp cho các vật liệu mỏng và đòi hỏi độ chính xác cao. Hàn TIG tự động theo quỹ đạo là sự kết hợp giữa công nghệ hàn TIG và hệ thống điều khiển tự động theo quỹ đạo từ trước, giúp cải thiện hiệu suất hàn và đảm bảo tính nhất quán. Trong quy trình này, cụm cấp dây đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp que hàn phụ với tốc độ ổn định. Vật liệu SS304 là thép không gỉ phổ biến được sử dụng trong ứng dụng công nghiệp nhờ tính chất chống ăn mòn tốt.

2.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Hàn TIG Tự Động

Hàn TIG tự động hoạt động dựa trên nồng độ điện cực, dòng điện, khí bảo vệ và tốc độ cấp dây. Điện cực wolfram tạo ra cung điện, làm nóng chảy kim loại cơ sở. Que hàn phụ được cấp vào tự động thông qua cụm cấp dây với tốc độ được điều khiển. Hệ thống quỹ đạo điều chỉnh vị trí đầu hàn, trong khi hệ thống bù dây tự động điều chỉnh lượng que cấp dựa trên độ cao mối hàn.

2.2. Tiêu Chuẩn AWS D18.1 và Đánh Giá Ngoại Quan

Tiêu chuẩn AWS D18.1 quy định các yêu cầu kỹ thuật cho hàn TIG, bao gồm đánh giá ngoại quan, cường độ dòng hàn, nhiệt lượng đầu vào, và độ bền kéo. Mẫu hàn được đánh giá dựa trên các tiêu chí như độ sạch bề mặt, kích thước mối hàn, và không có khuyết tật. Độ bền kéo được kiểm tra theo tiêu chuẩn ISO 6892-1.

III. Thiết Kế và Chế Tạo Cụm Cấp Dây Tự Động

Quá trình thiết kế cụm cấp dây bắt đầu từ việc xác định yêu cầu kỹ thuật cụ thể như tốc độ cấp dây, sức cấp, và độ ổn định. Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn động cơ USM206-420W từ máy hàn MIG/MAG NBC 500F EDON làm nguồn động lực chính. Cặp đầu bánh răng loại 2GN12 được chọn để giảm tốc và tăng mô men xoắn. Hệ thống điều khiển tốc độ US-52 cho phép tinh chỉnh tần số từ 0-50Hz, tương ứng với tốc độ cấp dây từ 0-2000mm/min. Công trình thiết kế tập trung vào tối ưu hóa độ chính xác cơ khí, độ bền, và khả năng lắp ráp dễ dàng.

3.1. Lựa Chọn Linh Kiện Chính

Động cơ điều khiển tốc độ USM206-420W được chọn vì công suất phù hợp và khả năng điều chỉnh muyến. Đầu bánh răng 2GN12 cung cấp tỉ số giảm tốc 1:5, đảm bảo mô men xoắn đủ lớn để kéo que hàn. Bộ điều khiển US-52 sử dụng công nghệ inverter, cho phép điều chỉnh tần số, từ đó kiểm soát chính xác tốc độ cấp dây.

3.2. Quy Trình Chế Tạo và Lắp Ráp

Các chi tiết được chế tạo theo bản vẽ thiết kế sử dụng các máy CNC và dụng cụ gia công thông thường. Sau đó, các chi tiết được lắp ráp theo trình tự: chuẩn bị khung nền, lắp động cơ, lắp hộp giảm tốc, lắp cơ cấu cấp dây, kiểm tra chuyển động mền mại.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm và Đánh Giá

Thực nghiệm được tiến hành trên năm mẫu hàn sử dụng vật liệu SS304 với các thông số hàn được thiết lập theo tiêu chuẩn. Mối liên hệ giữa biến tần (Hz) và tốc độ cấp dây (mm/min) được xác định thông qua đo đạc trực tiếp. Kết quả cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa tần số và tốc độ cấp dây, với độ chính xác cao. Mẫu hàn được đánh giá ngoại quan theo tiêu chuẩn AWS D18.1 và không phát hiện khuyết tật đáng kể. Thử kéo theo tiêu chuẩn ISO 6892-1 cho thấy độ bền kéo của mối hàn đạt yêu cầu, với giá trị nằm trong khoảng chấp nhận. Quan sát tế vi của mẫu hàn cho thấy cấu trúc tinh thể đồng đều, không có rối loạn cấu trúc.

4.1. Đánh Giá Ngoại Quan và Độ Bền Mối Hàn

Đánh giá ngoại quan năm mẫu hàn cho thấy chất lượng bề mặt tốt, màu sắc đồng nhất, không có chi trích hay khuyết tật. Độ bền kéo tương đương với độ bền của vật liệu gốc, chứng tỏ cụm cấp dây hoạt động hiệu quả và cung cấp que hàn với tốc độ thích hợp.

4.2. Cấu Trúc Tế Vi và Kết Luận

Quan sát cấu trúc tế vi bằng kính hiển vi cho thấy các hạt austenite có kích thước tương đối đồng nhất, không có dấu hiệu oxy hóa hoặc nhiễm bẩn. Thiết kế cụm cấp dây đã thành công, có thể áp dụng trong thực tế để cải thiện chất lượng hàn TIG tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Hàn TIG tự động là một phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực có sử dụng đường ống làm phương tiện vận chuyển sản phẩm. Phương pháp này tạo ra mối hàn có độ tinh khiết rất cao.

Trong hàn TIG, để củng cố chất lượng mối hàn, người ta thường sử dụng thêm que hàn phụ hoặc cũng có thể không dùng tùy thuộc vào yêu cầu nhà sản xuất. Trong hàn TIG tự động theo quỹ đạo cũng vậy, que hàn phụ được đưa vào với mục đích làm gia cố mối hàn [10]. Các nghiên cứu ngoài cho thấy các thiết bị cấp dây trong hàn TIG là rất đa dạng. Ngoài ra, họ cũng cho ta nhìn thấy được tầm quan trọng trong của việc cấp dây ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng mối hàn.

Mặt khác, tình hình trong nước vẫn còn rất hạn chế những nghiên cứu về lĩnh vực hàn theo quỹ đạo này. Và cả trong nước và ngoài nước có rất ít bộ cấp dây chuyên dụng dùng cho hàn TIG theo quỹ đạo. Nếu có, họ sử dụng thiết bị cấp dây của hàn MIG/MAG để cấp dây cho hàn TIG theo quỹ đạo, việc này là không phù hợp khả năng lắng đọng kim loại của hai phương pháp này là khác nhau. Tính cấp thiết của đề tài.

Các sản phẩm về cấp dây tự động cho hàn TIG theo quỹ đạo trong nước là còn rất hạn chế. Ngoài ra, việc cấp kim loại một cách thủ công không thể đem đến một chất lượng mối hàn như mong muốn. Đăc biệt trong những công nghiệp nguy hiểm như hàng không vũ trụ, nhiên liệu hay hạt nhân, v. Đây là những ngành công nghiệp đòi hỏi chất lượng mối hàn rất cao, vì chỉ cần một sai xót hay khuyết tật trên đường ống dẫn thì hậu quả sẽ rất khó lường.

Nếu chỉ sử dụng hàn quỹ đạo mà không có cấp dây thì không thể đảm bảo được mối hàn có đủ chất lượng hay không. Những ngành công nghiệp sử dụng ống mỏng để vận chuyển thì việc cấp dây có thể không sử dụng. Nhưng với những ống có bề dày thành lớn và vận chuyển những chất nguy hiểm thì không thể thiếu việc cấp dây trong suốt quá trình hàn. Hơn thế nữa, việc cấp dây thủ công cũng tạo ra một sự khó khăn trong việc kiểm soát chất lượng mối hàn vì tính bất ổn định của chúng.

Vì vậy, một thiết bị cấp dây tự động và chính xác, khi kết hợp với các thông số hàn hợp lý như tốc độ hàn, cường độ dòng hàn, v.v sẽ tạo ra được mối hàn có chất lượng cao và đáp ứng được các vấn đề nêu trên. Lý do chọn đề tài. Sau khi tìm hiểu về tính cấp thiết của đề tài này. Chúng tôi đã quyết định thực hiện đề tài này với mong muốn sẽ chế tạo thành công một bộ cấp dây tự động cho quy trình TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây.

Ngoài ra, cũng mong muốn thiết bị này sẽ được bàn giao và kế thừa để tiếp tục cải tiến và phát triển chúng lên một mức giá trị cao hơn. Qua đó, nhờ đề tài này sẽ giúp giải quyết những vấn đề trong lĩnh vực hàn như tạo lập một bảng thông số phù hợp với từng loại mối hàn, hỗ trợ trong các lĩnh vực nghiên cứu như việc gia nhiệt cho dây kim loại bù. Mục tiêu đề tài. Với đề tài này, chúng tôi mong muôn chế tạo thành công một bộ cấp dây tự động cho quy trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo.

Một bộ cấp dây có tốc độ thay đổi theo sự thay đổi của tần số. Để làm được điều đó, chúng tôi phải tìm hiểu về phương pháp hàn TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây. Sau đó, đưa ra được sơ đồ nguyên lý của bộ thiết bị. Sau khi đã có được sơ đồ nguyên lý của bộ thiết bị, chúng tôi tiến hành việc thiết kế, chế tạo cụm cấp dây tự động cho quy trình hàn theo quỹ đạo.

Thực nghiệm các thông số hàn với năm mẫu thực nghiệm và tốc độ cấp dây để tìm ra sự ảnh chưởng của chúng. Đối tượng nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, chúng tôi thiết kế và chế tạo một bộ cấp dây tự động cho quy trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo. Nhằm đáp ứng nhu cầu cấp kim loại bù cho quy trình hàn tự động để tăng cơ tính của mối hàn.

Phạm vi nghiên cứu. Nghiên cứu được thực nghiệm trên vật liệu ống inox SS304, với đường kính ngoài là 76mm và bề dày thành ống là 2mm. Việc thử nghiệm thiết bị được thực hiện ở xưởng thực hành hàn trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, từ tháng 1 năm 2022 đến tháng 06 năm 2022. Vì thời gian và nguồn lực về tài chính có giới hạn.

Vì thế, trong đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu và chế tạo thành công bộ cấp dây tự động cho quy trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo. 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Tổng quát Hàn TIG 2. 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: Hình ảnh giới thiệu hàn TIG [11]. 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 cơ bản nên nếu mối hàn cần bổ sung thêm kim loại thì ta phải sử dụng que hàn phụ. 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.

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. Nhược điểm - 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. 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. Với thí nghiệm này chúng ta sử dụng loại thứ nhất [3].

Hàn quỹ đạo là phương pháp hôi tụ nhiều tư thế hàn. Trong đó có hàn trên mặt phẳng (1G), hàn đứng (3G), hàn qua đầu (4G).1: Hình vẽ thể hiện các vị trí của hàn quỹ đạo [3]. Giả như hình 1.1 là hình đại diện cho mặt cắt của biên dạng di chuyển của hàn quỹ đạo với bốn khoảng S1, S2, S3, S4, mỗi phần bao phủ 90 độ và bắt đầu hàn từ điểm D theo hướng mũi tên. Từ 0 độ đến 90 độ là tư thế hàn 1G, từ 90 độ đến 180 độ là tư thế 3G xuống, từ 180 độ đến 270 độ là tư thế hàn 4G, từ 270 độ đến 360 độ là tư thế hàn 3G leo.

Hàn quỹ đạo tự động là một điều kiện lý tưởng cho việc lặp lại một quy trình hàn với cùng một thông số nhiều lần. Điều này phù hợp cho môi trường làm việc ở nhà máy khi họ yêu cầu nhiều mối hàn có cùng một thông số và chất lượng như nhau. Chất lượng của một mối hàn TIG có độ xuyên thấu rất cao. Vì quy trình hàn này được sử dụng trong một mối trường tự động nên sẽ hạn chế được các rủi ro như mối hàn không 8 liên tục, kiểm soát khoảng cách từ điện cực đến bề mặt vật hàn,.

Ngoài ra, với quy trình này thì chúng an toàn hơn cho người vận hành và chi phí bảo trì thấp. - Ứng dụng của hàn hàn quỹ đạo được dùng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ [3]. Các mối hàn trong lĩnh vực này đòi hỏi chất lượng rất cao vì chung thường làm việc trong môi trường khắc nghiệt. Ngoài ra việc hàn các ống mỏng bằng phương pháp thủ công là rất khó khăn.

Vì thế mà việc sử dụng thiết bị hàn tự động theo quỹ đạo sẽ cho một mối hàn đạt chuẩn nếu kiểm soát tốt các thông số. - Dùng trong ngành công nghiệp thực phẩn, hàn các ống đẫn dung dịch thực phẩm [3].