CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu theo lĩnh vực đề tài 1.1 Ngoài nước Với các ưu điểm của hàn theo quỹ đạo, tính đến nay, một số nghiên cứu đã được tiến hành và công bố như sau: - Đặc điểm hình dạng plasma trong hồ quang hèn TIG (Characterisation of the plasma shape of the TIG welding arc), nhóm tác giả: Janos Dobranszky (research group for Metals Technology of Hungarian Academy of Sciences). [1] Mục đích: Khảo sát sự ổn định của hồ quang cháy tự do ở dòng điện thấp cùng với sự gia tăng của dòng điện và các góc điện cực khác nhau để đánh giá kích thước mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt. Từ đó, phân tích dạng hình học plasma của hồ quang hàn Tig và xây dựng một phương pháp phân tích mới. Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng ba loại điện cực cho các thí nghiệm: 1,5% La2O3 chứa WL15 (mã màu: vàng), 1,0% LaO2 chứa WL10 (đen) và 2,0% ThO2 chứa WT20 (đỏ), đường kính trong đó là 1,6 mm.
Mười hai mảnh được mài từ cả ba loại điện cực. Các góc côn được chọn là 10º, 20º, 30º, 45º, 60º và 90º. Từ các điện cực có góc côn này, tạo ra 2–2 mẫu thí nghiệm. Một mẫu dung điện cực dạng đầu nhọn, sắc nhọn.
Mẫu còn lại dung điện cực mài cùn đầu. Số đo của sự cùn là 30% chiều cao hình nón.1: Các mẫu điện cực dùng trong thí nghiệm Kết quả phân tích hình ảnh: Các thông số chính đặc trưng cho hình dạng plasma được xác định trong các hình ảnh, được thực hiện trong các thí 1 Luan van nghiệm hàn. Các thông số này được kiểm tra trong quá trình phân tích hình ảnh như có thể thấy trong hình như sau: Hình 1.2: Hình dạng plasma Kết quả, thảo luận: Trong hình ảnh về các plasmas của các điện cực được mài sắc, chiều rộng B của plasma hoàn chỉnh được cho giới hạn dung sai TL = 50, và chiều rộng b của plasma bên trong được cho giới hạn dung sai TL = 10. Kích thước 'rdu' được đưa ra cho các đặc tính của plasma trong các hình là một 'đơn vị kỹ thuật số tương đối' được sử dụng để phân tích hình ảnh và điều này rất hữu ích trong việc so sánh các đặc điểm hình học; hoàn thành với hiệu chuẩn, các giá trị ‘rdu’ có thể được chuyển đổi thành giá trị thực.3: Chiều rộng plasma theo góc điện cực 2 Luan van - Khảo sát thực nghiệm và thông số quá trình của hàn ống theo quỹ đạo (Experimental and numerical investigations of pipe orbital welding process) của nhóm tác giả: Nitish Kumar Singh, Sharad K.
Mục đích: Tìm ra tỉ lệ ảnh hưởng của ba thông số đầu vào gồm dòng hàn, tốc độ hàn và chiều dài hồ quang đến độ bền kéo và nhiệt độ mối hàn giáp mối thép không gỉ AISI 316 L. Phương pháp nghiên cứu: Mô phỏng phần tử hữu hạn và khảo sát thực nghiệm quá trình hàn theo quỹ đạo trên thép không gỉ AISI 316 L với các thông số quá trình khác nhau. Thực nghiệm trên 9 mối hàn trên 3 thông số: dòng hàn, tốc độ hàn và chiều dài hồ quang. Nhiệt độ và độ bền kéo trong quá trình hàn được lấy làm thông số đầu ra.
Quá trình hàn quỹ đạo hoàn chỉnh được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS APDL để dự đoán sự phân bố nhiệt độ và ứng suất dư trong ống hàn giáp mép (xem Hình 1. Vùng hàn và khuyết tật của hàn được kiểm tra bằng Boroscope. Kiểm tra độ bền kéo được thực hiện trên tất cả các ống hàn để xác định độ bền kéo và độ giãn dài. Việc tối ưu hóa tham số quá trình được thực hiện bằng TAGUCHI và ANOVA thông qua phần mềm MINITAB.4: Đường cong nhiệt độ và thời gian của thí nghiệm Kết quả: Giá trị tối ưu của các thông số đầu vào để phân phối nhiệt độ trong quá trình hàn quỹ đạo là dòng điện 40A, tốc độ hàn 0,72 mm/s và chiều dài hồ quang 1,8 mm.
Người ta quan sát thấy rằng dòng điện hàn ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ tối đa 49,83% tiếp theo là tốc độ hàn 31,53%. Chiều dài hồ quang có sự ảnh hưởng thấp nhất, chỉ 8,83%. Giá trị tối ưu cho các thông số đầu vào cho độ bền kéo trong quá trình hàn theo quỹ đạo là dòng điện 40A, tốc độ hàn 1,08 mm/s và chiều dài hồ quang 1,6 mm. Trong đó, tốc độ 3 Luan van hàn ảnh hưởng đến độ bền kéo tối đa 35,19% tiếp theo là dòng hàn 21,23%, chiều dài hồ quang chỉ ảnh hưởng 7,97%.
Giá trị: Tìm ra được bộ thông số hàn tối ưu cho ra giá trị nhiệt và độ bền kéo tốt nhất, xử lí các khuyết tật hàn nhanh chóng.2 Trong nước Nhìn chung, trong lĩnh vực hàn vi sinh theo quỹ đạo, các nghiên cứu trong nước rất ít, chỉ có 3 đề tài nghiên cứu khoa học và đồ án tốt nghiệp cấp trường được công bố. Trong đó, chỉ có một đề tài về “Kiểm nghiệm, đánh giá chất lượng mối hàn ống inox” của nhóm sinh viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, thành phố Hồ Chí Minh: Mục đích: Đánh giá được chất lượng mối hàn ống inox thông qua tổ chức tế vi và kiểm tra độ bền kéo. Thiết kế / phương pháp tiếp cận: Phương pháp hàn Tig không bù dây bằng bộ hàn theo quỹ đạo hệ kín. Chỉ thực hiện một kiểm nghiệm trên một loại thép không gỉ 304 với đường kính là 76 mm và độ dày là 2 mm.
Kết quả: Nghiên cứu bộ tiêu chuẩn ASME IX, ASME PBE và ISO/IEC 17025:2015, phương pháp kiểm tra độ bền kéo. Từ đó đánh giá, nhận xét các mối hàn đạt tiêu chuẩn và dụng các kết quả kiểm nghiệm để phát triển đề tài, tìm ra được thông số có độ ngấu và độ bền kéo đạt tiêu chuẩn ASME IX. Ý nghĩa thực tiễn: Từ kết quả nghiên cứu có thể tập trung phát triển các thông số hàn đạt yêu cầu để tìm ra được thông số hàn tốt nhất, từ đó có thể suy ra được các thông số hàn khi thay đổi kích thước đường kính ống inox một cách chính xác. Giá trị: Góp phần cải thiện chất lượng mối hàn, phát triển công nghệ hàn theo quỹ đạo trong nước.2 Lý do chọn đề tài Hiện nay, nhu cầu sử dụng hệ thống đường ống trong các ngành công nghiệp ngày càng tăng, hàn ống theo quỹ đạo từ đó cũng dần trở nên phổ biến, do vậy việc tăng năng suất và đảm bảo chất lượng mối hàn là nhu cầu tất yếu.
Để đạt được điều này, ta tiến hành thực nghiệm khảo sát trên 5 thông số hàn làm ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn: góc độ điện cực, chiều dài hồ quang, cường độ dòng hàn, tốc độ hàn và thời gian xung. Chính vì vậy, “Nghiên cứu ảnh hưởng góc độ điện cực đến thông số mối hàn” là một đề tài có tính thực tế và cần sớm thực hiện, vì đó là bước đệm để giúp ta có thể khảo sát các thông số hàn khác, nhằm tìm ra bộ thông số tối ưu khi hàn theo quỷ đạo, để góp phần phát triển công nghệ hàn theo quỷ đạo trong nước.3 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc độ điện cực đến thông số mối hàn, từ đó phân tích đưa ra kết luận của sự ảnh hưởng của góc độ điện cực.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu, phân tích lý thuyết: dựa trên việc tham khảo, tìm kiếm các bài báo và các tài liệu trong nước và quốc tế, tìm hiểu các tiêu chuẩn đánh giá có liên quan đến hàn theo quỹ đạo (Orbital Welding). Phương pháp thực nghiệm: tiến hành thiết lập các thông số hàn có sẵn, vận hành máy để giải quyết vấn đề. Phương pháp thống kê số liệu: lập các bảng ghi thông số về hình dáng mối hàn, cấu trúc tế vi và độ bền kéo.
Phương pháp quan sát: kiểm tra hình dạng mối hàn, cấu trúc tế vi và độ bền kéo.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Phương pháp hàn theo quỹ đạo hệ kín. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc độ điện cực đối với ống inox 304 đường kính 76 mm dày 1,5 mm.2 Phạm vi nghiên cứu Khảo sát sự ảnh hưởng của góc độ điện cực đến thông số mối hàn khi hàn giáp mối ống inox. Kiểm tra độ bền kéo của ống inox khi hàn khi hàn giáp mối ống inox. 5 Luan van CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về công nghệ hàn theo quỹ đạo Hàn theo quỷ đạo (orbital welding) là công nghệ dùng để hàn các đường ống, các chi tiết dạng tròn,… được sử dụng với quy mô lớn dựa trên phương pháp hàn TIG và khí Argon để tạo ra mối hàn đẹp, sáng, quan trọng hơn hết là độ khít cao và đồng nhất.1: Mối hàn được hàn bằng công nghệ hàn theo quỷ đạo Công nghệ này lần đầu tiên được sử dụng vào những năm 1960 khi ngành công nghiệp hàng không nhận thấy sự cần thiết phải có một kỹ thuật hàn ưu việt hơn cho toàn bộ ống thủy lực trong hàng không vũ trụ.
Một thiết bị đã được thiết kế và phát triển, trong đó gồm điện cực vonfram xoay quanh ống, tạo hồ quang, làm nóng chảy kim loại nền và hình thành mối hàn nối. Cường độ dòng hàn được điều chỉnh bằng một hệ thống điều khiển, do đó toàn bộ quá trình được tự động hóa. Kết quả cho thấy đây là một phương pháp hàn chính xác và đáng tin cậy hơn phương pháp hàn thủ công. Hàn quỹ đạo dần trở nên phổ biến cho nhiều ngành công nghiệp vào đầu những năm 1980 khi các hệ thống cung cấp / điều khiển điện được phát triển, hoạt động từ 110V AC và bộ thiết bị đủ nhỏ để vận chuyển linh hoạt hơn.
Hệ thống hàn quỹ đạo hiện đại được kiểm soát hoàn toàn bằng máy tính, thông số hàn được lưu trữ trong bộ nhớ. Do đó, thiết bị tạo ra các mối hàn giống hệt nhau, lỗi và khuyết tật cũng được hạn chế tối đa [3]. Hiện tại, các ngành công nghiệp điển hình sử dụng hàn quỹ đạo bao gồm: hàng không vũ trụ; thực phẩm, sữa và đồ uống; nguyên tử; dược phẩm; và chất bán dẫn,… 6 Luan van Hình 2.2: Mặt cắt bên trong ống khi được hàn theo quỷ đạo Một số ứng dụng trong công nghệ hàn theo quỹ đạo: - Nghành công nghiệp thực phẩm, sữa nước giải khát: Các ngành này yêu cầu tất cả mối hàn phải có độ ngấu hoàn toàn. Hầu hết các hệ thống ống / đường ống trong ngành công nghiệp này đều có yêu cầu phải làm sạch và khử trùng tại chỗ.