Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hội nhập và phát triển công nghiệp hiện nay, việc sử dụng các chi tiết và sản phẩm chế tạo từ nhiều phần vật liệu liên kết với nhau ngày càng phổ biến nhờ chi phí thấp và phương pháp gia công dễ dàng. Đặc biệt, thép cacbon thấp được ứng dụng rộng rãi trong các mối hàn cơ khí do tính chất cơ lý phù hợp và chi phí hợp lý. Tuy nhiên, biến dạng vật hàn trong quá trình hàn hồ quang tự động CNC vẫn là một thách thức lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ chính xác của sản phẩm. Theo ước tính, biến dạng do vị trí kẹp chặt khác nhau có thể làm giảm chất lượng mối hàn từ 10% đến 30%, gây ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ sản phẩm.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí kẹp chặt đến biến dạng của vật hàn trong quá trình hàn hồ quang tự động CNC, với mục tiêu cụ thể là xác định vị trí kẹp chặt tối ưu nhằm giảm thiểu biến dạng, nâng cao chất lượng mối hàn và hiệu quả sản xuất. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mối hàn đấu mí và mối hàn góc chữ T trên thép CT3 kích thước 50mm x 200mm x 3mm, sử dụng máy hàn MIG/MAG và phần mềm mô phỏng SysWeld 12.0. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2016 đến tháng 4/2019 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở lý luận và dữ liệu thực nghiệm hỗ trợ các cơ sở chế tạo cơ khí trong việc thiết kế quy trình hàn hiệu quả, giảm thiểu biến dạng không mong muốn, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm chi phí sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết biến dạng hàn và lý thuyết định vị, kẹp chặt trong quá trình gia công hàn. Lý thuyết biến dạng hàn mô tả sự hình thành ứng suất và biến dạng do sự nung nóng không đều và co ngót kim loại trong quá trình hàn, đặc biệt là sự phân bố nhiệt độ không đồng đều quanh mối hàn gây ra ứng suất dư và biến dạng vật liệu. Lý thuyết định vị và kẹp chặt tập trung vào ảnh hưởng của vị trí và phương pháp kẹp chặt chi tiết hàn đến sự biến dạng, sai số gá đặt và ứng suất phát sinh.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Ứng suất dư hàn: ứng suất tồn tại trong vật liệu sau khi hàn do sự co ngót không đều.
  • Biến dạng hàn: sự thay đổi hình dạng hoặc kích thước của vật hàn do ứng suất dư.
  • Vị trí kẹp chặt: điểm hoặc vùng trên vật hàn được cố định trong quá trình hàn để hạn chế biến dạng.
  • Mối hàn đấu mí và mối hàn góc chữ T: hai dạng liên kết hàn phổ biến trong cơ khí chế tạo.

Phần mềm SysWeld 12.0 được sử dụng để mô phỏng quá trình hàn, tính toán phân bố nhiệt độ, ứng suất và biến dạng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), giúp dự báo chính xác biến dạng vật hàn theo các vị trí kẹp chặt khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm số liệu thực nghiệm từ 8 mẫu hàn (6 mẫu đấu mí và 2 mẫu chữ T) được thực hiện trên thép CT3 với kích thước chuẩn 50mm x 200mm x 3mm, sử dụng máy hàn MIG/MAG KR II500 và đồng hồ so điện tử Mitutoyo 543-390B để đo biến dạng với độ chính xác ±0.003mm. Phương pháp chọn mẫu là chọn các vị trí kẹp chặt khác nhau (cách mối hàn 50mm, 100mm, 150mm; kẹp một bên, hai bên và giữa) nhằm đánh giá ảnh hưởng vị trí kẹp đến biến dạng.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Mô phỏng quá trình hàn bằng phần mềm SysWeld 12.0, thiết lập mô hình nhiệt và cơ học, phân tích ứng suất và biến dạng.
  • Thực nghiệm hàn các mẫu với các vị trí kẹp chặt khác nhau, đo biến dạng thực tế.
  • So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá độ chính xác và rút ra kết luận.
  • Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2016 đến tháng 4/2019, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế thí nghiệm, thực hiện mô phỏng, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng vị trí kẹp chặt đến biến dạng mối hàn đấu mí: Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy vị trí kẹp gần mối hàn nhất làm giảm biến dạng tối đa xuống còn khoảng 0.12mm, thấp hơn 35% so với vị trí kẹp cách xa mối hàn 150mm (biến dạng khoảng 0.18mm). Vị trí kẹp hai bên cho biến dạng nhỏ nhất trong các trường hợp kẹp hai bên và giữa, với biến dạng trung bình 0.10mm, giảm 40% so với kẹp giữa.

  2. Biến dạng mối hàn chữ T: Vị trí kẹp hai bên mối hàn chữ T cho kết quả biến dạng nhỏ hơn 25% so với vị trí kẹp ở giữa, với biến dạng trung bình lần lượt là 0.14mm và 0.19mm. Điều này cho thấy việc phân bố lực kẹp đều hai bên giúp hạn chế biến dạng hiệu quả hơn.

  3. Độ tương thích giữa mô phỏng và thực nghiệm: Sai số giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm nằm trong khoảng 5-10%, cho thấy mô hình mô phỏng SysWeld 12.0 có độ tin cậy cao trong dự báo biến dạng vật hàn.

  4. Ảnh hưởng của khoảng cách kẹp đến biến dạng: Biến dạng tăng dần khi vị trí kẹp cách xa mối hàn, đặc biệt khi khoảng cách vượt quá 100mm, biến dạng tăng trung bình 20% so với khoảng cách 50mm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của biến dạng là do ứng suất dư phát sinh từ sự co ngót không đều của kim loại trong vùng ảnh hưởng nhiệt quanh mối hàn. Vị trí kẹp chặt gần mối hàn giúp hạn chế sự giãn nở tự do của vật liệu, từ đó giảm biến dạng. Kẹp hai bên tạo lực cân bằng, hạn chế biến dạng uốn cong và xoắn, phù hợp với các mối hàn đấu mí và chữ T dạng tấm.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này tương đồng với báo cáo của một số nghiên cứu gần đây về ảnh hưởng của vị trí kẹp đến biến dạng hàn, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm cụ thể cho thép CT3 và công nghệ hàn hồ quang tự động CNC. Biểu đồ so sánh biến dạng theo vị trí kẹp có thể minh họa rõ ràng sự giảm biến dạng khi kẹp gần mối hàn và kẹp hai bên.

Ý nghĩa của kết quả là giúp các kỹ sư và nhà sản xuất lựa chọn vị trí kẹp chặt tối ưu trong quy trình hàn, giảm thiểu biến dạng, nâng cao chất lượng sản phẩm và tiết kiệm chi phí sửa chữa, tái chế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu vị trí kẹp chặt: Khuyến nghị sử dụng vị trí kẹp hai bên gần mối hàn (cách mối hàn khoảng 50mm) để giảm biến dạng vật hàn xuống mức thấp nhất. Thời gian áp dụng: ngay trong các quy trình hàn hiện tại. Chủ thể thực hiện: kỹ sư công nghệ và công nhân vận hành.

  2. Áp dụng mô phỏng SysWeld trong thiết kế quy trình hàn: Sử dụng phần mềm mô phỏng để dự báo biến dạng trước khi thực hiện hàn thực tế, giúp điều chỉnh vị trí kẹp và các thông số công nghệ phù hợp. Thời gian áp dụng: trong vòng 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu và phát triển, kỹ sư thiết kế.

  3. Đào tạo nâng cao kỹ năng gá đặt và kẹp chặt: Tổ chức các khóa đào tạo cho công nhân và kỹ thuật viên về kỹ thuật gá đặt, kẹp chặt đúng vị trí nhằm giảm thiểu sai số và biến dạng. Thời gian áp dụng: 3 tháng đầu năm. Chủ thể thực hiện: bộ phận nhân sự và đào tạo.

  4. Đầu tư thiết bị gá kẹp tự động: Khuyến khích các doanh nghiệp đầu tư hệ thống gá kẹp tự động hoặc bán tự động để đảm bảo vị trí kẹp chính xác và ổn định trong quá trình hàn. Thời gian áp dụng: kế hoạch 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: ban lãnh đạo doanh nghiệp và phòng kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ hàn và kỹ thuật viên vận hành máy CNC: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về ảnh hưởng vị trí kẹp đến biến dạng, giúp họ thiết kế và vận hành quy trình hàn hiệu quả hơn, giảm lỗi sản phẩm.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành cơ khí chế tạo: Thông tin trong luận văn giúp họ đưa ra quyết định đầu tư thiết bị gá kẹp và đào tạo nhân lực phù hợp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, chuyên ngành hàn: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ hàn tự động CNC và biến dạng vật liệu.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ hàn: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng để phát triển các giải pháp công nghệ mới, nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong sản xuất hàn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vị trí kẹp chặt ảnh hưởng như thế nào đến biến dạng vật hàn?
    Vị trí kẹp chặt gần mối hàn giúp hạn chế biến dạng do ứng suất dư, giảm biến dạng lên đến 40% so với vị trí kẹp xa. Ví dụ, kẹp hai bên cách mối hàn 50mm cho biến dạng nhỏ nhất trong các thử nghiệm.

  2. Phần mềm SysWeld có độ chính xác như thế nào trong mô phỏng biến dạng hàn?
    Kết quả mô phỏng bằng SysWeld có sai số khoảng 5-10% so với thực nghiệm, cho thấy độ tin cậy cao trong dự báo biến dạng và ứng suất dư, hỗ trợ hiệu quả trong thiết kế quy trình hàn.

  3. Loại thép nào được sử dụng trong nghiên cứu và tại sao?
    Thép CT3, loại thép cacbon thấp phổ biến trong công nghiệp chế tạo, được chọn do tính chất cơ lý phù hợp và ứng dụng rộng rãi trong các chi tiết máy và kết cấu hàn.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại mối hàn khác không?
    Mặc dù nghiên cứu tập trung vào mối hàn đấu mí và chữ T, nguyên lý ảnh hưởng của vị trí kẹp chặt có thể áp dụng tương tự cho các loại mối hàn khác, tuy nhiên cần thực nghiệm bổ sung để xác nhận.

  5. Làm thế nào để giảm biến dạng hàn trong sản xuất thực tế?
    Ngoài việc tối ưu vị trí kẹp chặt, cần kết hợp điều chỉnh chế độ hàn, sử dụng thiết bị gá kẹp chính xác, đào tạo kỹ thuật viên và áp dụng mô phỏng để dự báo biến dạng trước khi sản xuất.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng của vị trí kẹp chặt đến biến dạng vật hàn trong quá trình hàn hồ quang tự động CNC trên thép CT3.
  • Vị trí kẹp hai bên gần mối hàn (cách 50mm) là tối ưu, giúp giảm biến dạng vật hàn đến 40% so với các vị trí khác.
  • Mô hình mô phỏng SysWeld 12.0 có độ chính xác cao, phù hợp để dự báo biến dạng và hỗ trợ thiết kế quy trình hàn.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí chế tạo.
  • Đề xuất áp dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế quy trình hàn, đào tạo nhân lực và đầu tư thiết bị gá kẹp tự động trong vòng 1-2 năm tới.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ khác như chế độ hàn, loại vật liệu và hình dạng mối hàn. Hành động ngay hôm nay để áp dụng các giải pháp tối ưu vị trí kẹp chặt sẽ giúp nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất trong ngành hàn tự động CNC.