Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ hàn orbital, một phương pháp hàn tự động với đầu hàn di chuyển theo quỹ đạo tròn quanh chi tiết, đã trở thành giải pháp tối ưu trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ tinh khiết và chất lượng mối hàn cao như thực phẩm, dược phẩm và y tế. Theo ước tính, công nghệ này giúp tạo ra mối hàn có độ khít cao, đồng nhất và thẩm mỹ, đồng thời giảm thiểu ôxy hóa và rỉ sét vật liệu nhờ sử dụng khí Argon bảo vệ trong quá trình hàn TIG. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn trong thiết bị hàn orbital nhằm nâng cao chất lượng mối hàn, đặc biệt trong các ứng dụng y sinh và thực phẩm.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế hệ thống bảo vệ khí cho điện cực và vũng hàn trong quá trình hàn orbital, với các phép tính lưu lượng khí, thời gian xả khí và cấu tạo chi tiết cụm bảo vệ. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2020, với các thử nghiệm thực tế trên thiết bị hàn orbital. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc giảm chi phí đầu tư thiết bị nhập khẩu đắt đỏ, đồng thời phát triển công nghệ hàn orbital trong nước, góp phần nâng cao năng lực sản xuất và kiểm soát chất lượng mối hàn trong các ngành công nghiệp công nghệ cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: công nghệ hàn TIG (Tungsten Inert Gas) và công nghệ hàn orbital. Hàn TIG sử dụng điện cực tungsten không nóng chảy, kết hợp khí trơ Argon hoặc Helium để bảo vệ hồ quang và vũng hàn khỏi ôxy hóa, đảm bảo mối hàn sạch, đẹp và có độ ngấu cao. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Điện cực tungsten: vật liệu chịu nhiệt cao, ổn định hồ quang, phân loại theo tiêu chuẩn AWS với các loại như tungsten nguyên chất, tungsten thorium, zirconium, cerium và lanthanum.
  • Khí bảo vệ: Argon và Helium là khí trơ phổ biến, với Argon có ưu điểm bảo vệ tốt hơn do nặng hơn không khí, Helium có nhiệt độ hồ quang cao hơn giúp hàn chi tiết dày.
  • Hàn orbital: kỹ thuật hàn tự động với đầu hàn quay quanh chi tiết, kiểm soát chặt chẽ các thông số như dòng điện, tốc độ hàn, lưu lượng khí bảo vệ, giúp tạo mối hàn đồng nhất, lặp lại và hiệu quả cao.

Ngoài ra, nghiên cứu còn áp dụng các mô hình tính toán lưu lượng khí rò rỉ và thời gian xả khí dựa trên công thức:

$$ Q_{rr} = 1.34 \times S \times \sqrt{DP} $$

trong đó $Q_{rr}$ là lưu lượng khí rò rỉ (dm³/s), $S$ là tiết diện khe hở (dm²), và $DP$ là độ chênh áp (Pa).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp định lượng kết hợp mô phỏng và thực nghiệm. Cỡ mẫu bao gồm các chi tiết cơ khí của hệ thống bảo vệ khí, được thiết kế và mô phỏng trên phần mềm INVENTOR, sau đó gia công và lắp ráp hoàn chỉnh. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các chi tiết tiêu biểu trong hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn để phân tích và thử nghiệm.

Phân tích dữ liệu dựa trên các phép đo lưu lượng khí, thời gian xả khí, và quan sát chất lượng mối hàn qua kiểm tra bằng mắt thường và các tiêu chuẩn y sinh. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, bao gồm các giai đoạn: tổng quan lý thuyết, thiết kế mô hình, gia công chi tiết, lắp ráp hệ thống, thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế hệ thống bảo vệ khí hiệu quả: Hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn được thiết kế với lưu lượng khí bảo vệ 15 lít/phút, thời gian xả khí vào ống inox đường kính 76 mm, chiều dài 300 mm là khoảng 5,2 giây, đảm bảo khí bảo vệ đầy đủ và liên tục trong quá trình hàn.

  2. Cấu tạo chi tiết đồng dẫn điện và dẫn khí: Các chi tiết như đầu nối dây khí, ống dẫn khí, chi tiết tiếp xúc bánh răng chữ C được làm từ vật liệu đồng có độ dẻo cao và tính dẫn điện tốt, giúp duy trì hồ quang ổn định và bảo vệ vũng hàn hiệu quả.

  3. Kết quả thử nghiệm mối hàn: Mối hàn không có khí bảo vệ hoặc khí bảo vệ không đủ bị đen, không đạt tiêu chuẩn. Khi sử dụng hệ thống cấp khí bảo vệ, mối hàn trắng sáng, đạt yêu cầu về thẩm mỹ và chất lượng theo tiêu chuẩn y sinh.

  4. Tính đồng nhất và lặp lại cao: Hệ thống hàn orbital với bộ điều khiển tự động giúp duy trì các thông số hàn ổn định, giảm thiểu lỗi và khuyết tật, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi mối hàn đồng nhất như ngành thực phẩm và dược phẩm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện chất lượng mối hàn là do hệ thống bảo vệ khí được thiết kế tối ưu, đảm bảo khí trơ Argon được cung cấp liên tục và đủ lưu lượng, ngăn ngừa ôxy hóa và nhiễm bẩn mối hàn. So với các nghiên cứu trước đây về hàn orbital nhập khẩu, hệ thống trong nghiên cứu này có ưu điểm về chi phí thấp và khả năng tùy chỉnh linh hoạt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lưu lượng khí theo thời gian và bảng so sánh chất lượng mối hàn với và không có khí bảo vệ, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của hệ thống. Kết quả cũng khẳng định tầm quan trọng của việc kiểm soát khí bảo vệ trong hàn TIG orbital, phù hợp với các báo cáo ngành về ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và y tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hệ thống cấp khí bảo vệ: Cải tiến thiết kế bộ xả khí để giảm thiểu rò rỉ khí, nâng cao hiệu quả sử dụng khí trơ, hướng tới giảm chi phí vận hành. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: nhóm kỹ thuật và nghiên cứu.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển tự động: Nâng cấp bộ điều khiển để tự động điều chỉnh lưu lượng khí và dòng điện theo đặc tính vật liệu và kích thước chi tiết hàn, tăng tính linh hoạt và độ chính xác. Thời gian: 1 năm, chủ thể: phòng công nghệ thông tin và kỹ thuật.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành và bảo trì hệ thống hàn orbital, đảm bảo kỹ năng và kiến thức cho người sử dụng, giảm thiểu lỗi vận hành. Thời gian: liên tục, chủ thể: nhà trường và doanh nghiệp.

  4. Mở rộng ứng dụng trong công nghiệp: Khuyến khích áp dụng hệ thống bảo vệ khí trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và y tế trong nước, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu. Thời gian: 2 năm, chủ thể: các doanh nghiệp và cơ quan quản lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Công nghệ chế tạo máy: Nghiên cứu cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế và chế tạo hệ thống bảo vệ khí trong hàn orbital, hỗ trợ học tập và phát triển kỹ năng chuyên môn.

  2. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ hàn: Tài liệu chi tiết về thiết kế, tính toán lưu lượng khí và thử nghiệm thực tế giúp nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì thiết bị hàn orbital.

  3. Doanh nghiệp sản xuất trong ngành thực phẩm, dược phẩm, y tế: Tham khảo để áp dụng công nghệ hàn orbital nội địa, giảm chi phí đầu tư và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  4. Cơ quan quản lý và đào tạo kỹ thuật: Là nguồn tài liệu tham khảo để xây dựng chương trình đào tạo, chính sách phát triển công nghệ hàn tự động trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hàn orbital khác gì so với hàn tay truyền thống?
    Hàn orbital sử dụng đầu hàn tự động quay quanh chi tiết, kiểm soát chính xác các thông số hàn, tạo mối hàn đồng nhất, đẹp và ít khuyết tật hơn hàn tay. Ví dụ, trong ngành dược phẩm, hàn orbital giúp đảm bảo độ kín và sạch của đường ống.

  2. Tại sao cần hệ thống bảo vệ khí trong hàn TIG orbital?
    Khí bảo vệ như Argon ngăn ngừa ôxy hóa và nhiễm bẩn mối hàn, giữ cho vũng hàn sạch và tăng độ bền mối hàn. Thiếu khí bảo vệ sẽ làm mối hàn bị đen, giảm chất lượng.

  3. Làm thế nào để tính lưu lượng khí bảo vệ phù hợp?
    Lưu lượng khí được tính dựa trên tiết diện khe hở và độ chênh áp khí trong hệ thống, theo công thức $Q_{rr} = 1.34 \times S \times \sqrt{DP}$. Ví dụ trong nghiên cứu, lưu lượng 15 lít/phút được xác định phù hợp cho ống inox đường kính 76 mm.

  4. Các loại điện cực tungsten nào phù hợp cho hàn orbital?
    Tùy thuộc vào vật liệu hàn và dòng điện, các loại điện cực như tungsten thorium (dùng cho dòng một chiều thép, inox) hoặc tungsten nguyên chất (dùng cho dòng xoay chiều nhôm) được lựa chọn để đảm bảo hồ quang ổn định và tuổi thọ điện cực.

  5. Hệ thống hàn orbital có thể áp dụng cho những ngành nào?
    Công nghệ này phù hợp với các ngành đòi hỏi mối hàn sạch, đồng nhất như thực phẩm, dược phẩm, y tế, bán dẫn, hóa dầu và đóng tàu. Ví dụ, các nhà máy bia lớn đã sử dụng hàn orbital để kiểm soát vi khuẩn trong đường ống.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn cho thiết bị hàn orbital, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và chất lượng mối hàn.
  • Hệ thống bảo vệ khí Argon với lưu lượng 15 lít/phút và thời gian xả khí 5,2 giây đảm bảo mối hàn sạch, đồng nhất, phù hợp tiêu chuẩn y sinh.
  • Các chi tiết dẫn điện và dẫn khí được làm từ đồng có tính dẫn điện và dẻo cao, góp phần duy trì hồ quang ổn định.
  • Thử nghiệm thực tế chứng minh mối hàn có khí bảo vệ đạt chất lượng cao, trong khi thiếu khí bảo vệ gây khuyết tật mối hàn.
  • Đề xuất phát triển hệ thống, đào tạo kỹ thuật viên và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp nhằm nâng cao hiệu quả và giảm chi phí đầu tư.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào tối ưu hóa hệ thống cấp khí và phát triển phần mềm điều khiển tự động, đồng thời phối hợp với doanh nghiệp để ứng dụng rộng rãi công nghệ hàn orbital trong nước. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp triển khai và áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm.