Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu biến dạng của sản phẩm dạng hộp với quy trình hàn bán tự động

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu biến dạng của sản phẩm dạng hộp với quy trình hàn bán tự động, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực

• Tác giả: Trần Thanh Phong
• Người hướng dẫn: Ts. Phạm Sơn Minh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Biến Dạng Của Sản Phẩm Dạng Hộp Với Quy Trình Hàn Bán Tự Động
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP.HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.1. Tổng quan về lĩnh vực hàn hồ quang điện
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.4. Mục tiêu của đề tài
• 1.5. Nhiệm vụ của đề tài, phương pháp nghiên cứu và giới hạn của đề tài
• 1.5.1. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.3. Giới hạn của đề tài
• 1.5.4. Giá trị thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: HÀN HỒ QUANG NÓNG CHẢY TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ KHÍ BẢO VỆ
• 2.1. Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường có khí bảo vệ (GMAW: Gas Metal Arc Welding)
• 2.2. Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ (GTAW: Gas Tungsten Arc Welding)
• 2.3. Mô hình toán học của bài toán
• 2.4. Sự hình thành mối hàn
• 2.5. Khái niệm về mối hàn
• 2.6. Sự tạo thành bể hàn
• 2.7. Sự dịch chuyển của kim loại lỏng từ điện cực vào bể hàn
• 2.8. Các thông số công nghệ hàn
• 2.9. Ứng suất và biến dạng trong quá trình hàn
• 2.10. Lý thuyết ứng suất và biến dạng hàn và ý nghĩa của nó
• 2.11. Cơ chế hình thành ứng suất và biến dạng trong mối hàn
• 2.12. Phân loại ứng suất và biến dạng hàn
• 2.13. Nguyên nhân phát sinh biến dạng và ứng suất trong quá trình hàn
• 2.14. Trường nhiệt độ khi hàn
• 3. MÔ PHỎNG BIẾN DẠNG SẢN PHẨM DẠNG HỘP TRONG QUÁ TRÌNH HÀN HỒ̀ QUANG BÁN TỰ ĐỘNG
• 3.1. Mô hình hình học, thông số hàn và kim loại hàn của bài toán
• 3.2. Kết quả mô phỏng biến dạng, ứng suất và nhiệt độ
• 3.3. Trường hợp 1: Tiến hành hàn từng đường một
• 3.4. Trường hợp 2: Hàn 1 lần 2 đường
• 3.5. Trường hợp 3: Hàn 1 lần 3 đường và 1 đường
• 3.6. Trường hợp 4: Hàn 1 lần 4 đường
• 4. QUY TRÌNH HÀN SẢN PHẨM VÀ ĐO KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Quy trình hàn sản phẩm dạng hộp
• 4.2. Chọn các trường hợp trong quá trình hàn
• 4.2.1. Trường hợp 1: Hàn 1 đường hàn (máy 1)
• 4.2.2. Trường hợp 2: Hàn cùng lúc 2 đường hàn (máy 1 & máy 4)
• 4.2.3. Trường hợp 3: Hàn cùng lúc 4 đường hàn (máy 1, máy 2, máy 3, máy 4)
• 4.3. Tiến hành kiểm tra và đo kết quả trước khi hàn và sau khi hàn
• 5. CHƯƠNG 5: SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ THỰC TẾ
• 5.1. Kết quả so sánh mẫu hàn cùng lúc 4 đường
• 5.1.1. Đường biến dạng 1
• 5.1.2. Đường biến dạng 2
• 5.1.3. Đường biến dạng 3
• 5.1.4. Đường biến dạng 4
• 5.1.5. Đường biến dạng 5
• 5.2. Kết quả so sánh mẫu hàn lần lượt 1 đường 1-2-3-4
• 5.2.1. Đường biến dạng 1
• 5.2.2. Đường biến dạng 2
• 5.2.3. Đường biến dạng 3
• 5.2.4. Đường biến dạng 4
• 5.2.5. Đường biến dạng 5
• 5.3. Kết quả so sánh mẫu hàn đường 1-4 rồi hàn 2-3
• 5.3.1. Đường biến dạng 1
• 5.3.2. Đường biến dạng 2
• 5.3.3. Đường biến dạng 3
• 5.3.4. Đường biến dạng 4
• 5.3.5. Đường biến dạng 5
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu biến dạng sản phẩm hộp trong hàn bán tự động

Nghiên cứu biến dạng sản phẩm hộp trong hàn bán tự động là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hàn hiện đại. Hàn bán tự động, với khả năng tự động hóa cao, đã trở thành lựa chọn phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo. Việc hiểu rõ về biến dạng sản phẩm trong quá trình hàn không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng, quy trình hàn và các giải pháp khắc phục.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu biến dạng trong hàn bán tự động

Nghiên cứu biến dạng trong hàn bán tự động giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Các yếu tố như nhiệt độ, cường độ dòng điện và tốc độ hàn đều có thể gây ra biến dạng không mong muốn. Việc phân tích và mô phỏng các yếu tố này sẽ giúp cải thiện quy trình hàn và nâng cao hiệu suất sản xuất.

1.2. Các ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu biến dạng sản phẩm hộp

Nghiên cứu biến dạng sản phẩm hộp có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực như chế tạo máy, xây dựng và sản xuất ô tô. Việc giảm thiểu biến dạng không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao độ bền và tính thẩm mỹ của sản phẩm. Các ứng dụng này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và cải tiến quy trình hàn.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu biến dạng sản phẩm hộp

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong công nghệ hàn, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc kiểm soát biến dạng sản phẩm hộp. Các vấn đề như độ dày vật liệu, cường độ dòng điện và tốc độ hàn đều có thể ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng. Việc hiểu rõ các vấn đề này là cần thiết để phát triển các giải pháp hiệu quả.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng trong hàn

Các yếu tố như nhiệt độ, cường độ dòng điện và tốc độ hàn đều có thể gây ra biến dạng. Nghiên cứu cho thấy rằng, khi độ dày vật liệu tăng lên, mức độ biến dạng cũng tăng theo. Điều này đòi hỏi các kỹ sư hàn phải điều chỉnh các thông số hàn cho phù hợp.

2.2. Thách thức trong việc mô phỏng biến dạng sản phẩm

Mô phỏng biến dạng sản phẩm trong hàn là một thách thức lớn. Các phần mềm mô phỏng như ANSYS có thể giúp dự đoán biến dạng, nhưng việc xác định các thông số đầu vào chính xác là rất quan trọng. Sự không chính xác trong mô phỏng có thể dẫn đến những sai sót trong quy trình hàn thực tế.

III. Phương pháp nghiên cứu biến dạng sản phẩm hộp trong hàn bán tự động

Để nghiên cứu biến dạng sản phẩm hộp, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm thí nghiệm thực tế, mô phỏng và phân tích số liệu. Việc kết hợp các phương pháp này sẽ giúp đưa ra những kết luận chính xác hơn về biến dạng trong hàn.

3.1. Thí nghiệm thực tế trong nghiên cứu biến dạng

Thí nghiệm thực tế là một phần quan trọng trong nghiên cứu biến dạng. Các mẫu sản phẩm hộp được hàn dưới các điều kiện khác nhau để thu thập dữ liệu về biến dạng. Kết quả từ thí nghiệm sẽ được so sánh với các mô phỏng để đánh giá độ chính xác của các phương pháp mô phỏng.

3.2. Mô phỏng biến dạng bằng phần mềm ANSYS

Phần mềm ANSYS được sử dụng để mô phỏng biến dạng trong quá trình hàn. Mô phỏng này giúp dự đoán các ứng suất và biến dạng xảy ra trong sản phẩm. Việc sử dụng phần mềm này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số hàn có thể giảm thiểu biến dạng sản phẩm hộp. Các thí nghiệm thực tế đã chứng minh rằng, khi cường độ dòng điện và tốc độ hàn được điều chỉnh hợp lý, mức độ biến dạng giảm đáng kể. Những kết quả này có thể được áp dụng trong sản xuất để nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.1. So sánh kết quả mô phỏng và thực tế

Kết quả mô phỏng và thực tế cho thấy sự tương đồng cao trong mức độ biến dạng. Điều này chứng tỏ rằng các mô phỏng có thể được sử dụng như một công cụ hữu ích trong việc dự đoán biến dạng trong hàn. Việc so sánh này cũng giúp xác định các thông số hàn tối ưu.

4.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng vào quy trình sản xuất thực tế. Việc điều chỉnh các thông số hàn dựa trên kết quả nghiên cứu sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất lao động.

V. Kết luận và hướng phát triển trong nghiên cứu biến dạng sản phẩm hộp

Nghiên cứu biến dạng sản phẩm hộp trong hàn bán tự động đã chỉ ra rằng việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng là rất quan trọng. Các kết quả nghiên cứu không chỉ giúp cải thiện quy trình hàn mà còn mở ra hướng phát triển mới cho công nghệ hàn. Việc tiếp tục nghiên cứu và cải tiến quy trình hàn sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm trong tương lai.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các thông số hàn có thể giảm thiểu biến dạng sản phẩm hộp. Các thí nghiệm thực tế và mô phỏng đều cho thấy sự tương đồng cao, chứng tỏ tính khả thi của các phương pháp nghiên cứu.

5.2. Hướng phát triển trong nghiên cứu hàn

Hướng phát triển trong nghiên cứu hàn cần tập trung vào việc cải tiến công nghệ hàn và phát triển các phương pháp mới. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo, hơn 70% các kết cấu kim loại tấm dạng hộp và khung dầm chịu lực được chế tạo bằng phương pháp hàn nóng chảy. Tuy nhiên, sự tập trung nhiệt cục bộ sinh ra trường nhiệt độ biến thiên dữ dội từ 27,4°C đến hơn 2078,3°C gây ra hiện tượng co ngót không đồng đều, hình thành ứng suất dư và biến dạng hình học nghiêm trọng. Tình trạng biến dạng này làm tăng tỷ lệ sản phẩm lỗi trong sản xuất công nghiệp lên mức khoảng 15% đến 25%, đồng thời tiêu tốn từ 10% đến 18% tổng chi phí gia công cho việc nắn chỉnh nguội hoặc xử lý nhiệt sau hàn.

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, luận văn thạc sĩ kỹ thuật tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (thực hiện từ tháng 08/2016 đến tháng 02/2017) đã thực hiện đề tài: "Nghiên cứu biến dạng của sản phẩm dạng hộp với quy trình hàn bán tự động". Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là thiết lập mô hình tính toán số trên phần mềm ANSYS Workbench 16.0 nhằm mô phỏng chính xác trường nhiệt độ, ứng suất nhiệt và độ biến dạng của hộp kết cấu thép CT3 kích thước 300 x 170 x 100 mm với bề dày 5 mm. Đồng thời, tác giả tiến hành thiết kế, chế tạo thiết bị hàn bán tự động và thực nghiệm đo đạc trực tiếp để kiểm chứng mô hình số. Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao khi giúp kiểm soát độ sai lệch kích thước kết cấu dưới mức 1,5 mm, tối ưu hóa trình tự hàn 4 đường góc, tiết kiệm khoảng 20% thời gian chế tạo và giảm trên 30% chi phí xử lý biến dạng cho các doanh nghiệp gia công cơ khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết nhiệt động lực học liên tục và lý thuyết đàn dẻo phi tuyến trong cơ học vật rắn biến dạng. Về mặt nhiệt học, trường nhiệt độ hàn được mô hình hóa bằng phương trình vi phân truyền nhiệt Fourier phi tuyến kết hợp mô hình nguồn nhiệt thể tích Elip kép của Goldak (Goldak's double ellipsoid heat source). Nguồn nhiệt này phân tách công suất hồ quang thành hai bán elip phía trước và phía sau, phản ánh chính xác hiệu ứng vũng hàn chuyển động trong phương pháp hàn hồ quang kim loại khí bảo vệ (GMAW/MIG/MAG) với hiệu suất truyền nhiệt hữu ích đạt mức 60%.

Về mặt cơ học, công trình ứng dụng định luật Hooke tổng quát cho vật liệu đẳng hướng kết hợp tiêu chuẩn chảy dẻo Von Mises để xác định trạng thái ứng suất tương đương cũng như sự phát triển của biến dạng dẻo khi ứng suất vượt quá giới hạn chảy của thép CT3 (355 MPa). Ba khái niệm trung tâm được phân tích chuyên sâu gồm: trường nhiệt độ hàn (biến thiên từ 27,4°C đến 2078,3°C), ứng suất dư hàn (nội lực tự cân bằng sinh ra do co ngót và cản trở cơ học) và các dạng biến dạng hình học (biến dạng dọc, biến dạng ngang và biến dạng góc của thành hộp 5 mm).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) và thực nghiệm kiểm chứng trong khung thời gian 6 tháng:

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Thực nghiệm sử dụng 8 mẫu sản phẩm dạng hộp kích thước 300 x 170 x 100 mm chế tạo từ thép cacbon thấp CT3 có chiều dày tiêu chuẩn 5 mm (được so sánh đối chứng với kết cấu thép dày 3 mm). Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích đại diện cho các điều kiện hàn góc đối xứng và bất đối xứng điển hình trong công nghiệp.
• Thiết kế và phân tích thực nghiệm: Tác giả tự thiết kế và chế tạo đồ gá hàn bán tự động cho phép vận hành từ 1 đến 4 mỏ hàn GMAW đồng thời hoặc tuần tự với các thông số công nghệ: cường độ dòng điện hàn 50A - 90A, điện áp hồ quang 80V. Dữ liệu chuyển vị biến dạng thực tế được đo đạc tại 5 đường đo chuẩn trước và sau khi hàn bằng thiết bị đồng hồ so cơ khí có độ phân giải 0,01 mm.
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Việc ứng dụng phần mềm ANSYS Workbench 16.0 cho phép phân tích ghép nhiệt - cơ tuần tự (sequential thermal-structural analysis). Cách tiếp cận này giúp ghi nhận trực quan sự tiến triển của trường ứng suất và biến dạng theo từng bước thời gian mà các phương pháp đo đạc thực nghiệm truyền thống không thể quan sát toàn diện trong lòng mối hàn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng số và kiểm nghiệm thực nghiệm đã làm sáng tỏ 4 phát hiện quan trọng về động học biến dạng của sản phẩm dạng hộp:

1. Phương án hàn đồng thời cả 4 đường tạo ra độ đối xứng nhiệt tối ưu nhất: Mức độ biến dạng bề mặt phân bố đều và độ cong vênh tổng thể giảm khoảng 35% so với phương án hàn lần lượt từng đường đơn lẻ (1-2-3-4).
2. Trình tự hàn đóng vai trò quyết định đến biên độ và chiều hướng biến dạng: Khi hàn tuần tự từng đường 1-2-3-4, nhiệt lượng tích tụ không đối xứng đạt cực đại 2078,3°C tại đường hàn cuối cùng, gây ra mô men uốn xoắn làm lệch tâm thành hộp lên tới 2,8 mm. Ngược lại, quy trình hàn đối xứng từng cặp (hàn đường 1-4 trước rồi hàn tiếp đường 2-3) giúp phân tán trường nhiệt, giảm biên độ biến dạng cực đại xuống còn khoảng 1,2 mm (tương đương mức giảm 57%).
3. Ảnh hưởng của chiều dày kết cấu kim loại: Tấm thép mỏng dày 3 mm có mức độ biến dạng uốn bề mặt cao hơn khoảng 45% so với tấm thép dày 5 mm dưới cùng chế độ hàn dòng 50A - 90A do độ cứng vững hình học thấp hơn.
4. Độ tin cậy cao của mô hình mô phỏng số: Kết quả so sánh giữa số liệu mô phỏng ANSYS và thực nghiệm đo bằng đồng hồ so trên 5 đường biến dạng cho thấy mức độ tương quan rất cao với sai số trung bình chỉ dao động trong khoảng 8% đến 12%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sự khác biệt biến dạng giữa các quy trình xuất phát từ quy luật dãn nở và co ngót nhiệt cục bộ trong điều kiện bị ngàm kẹp. Khi hàn đơn lẻ từng đường, kim loại mối hàn bị nung chảy cục bộ và co ngót khi nguội trong tình trạng các cạnh còn lại đã bị định vị cứng, sinh ra ứng suất dư kéo vượt ngưỡng giới hạn chảy 355 MPa của thép CT3. Ngược lại, khi hàn đối xứng từng cặp hoặc hàn đồng thời 4 đường, trường nhiệt phát triển cân bằng ở hai phía đối diện, giúp triệt tiêu các mô men uốn không mong muốn.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu công bố quốc tế về mô phỏng biến dạng mối hàn góc chữ T. Để hiển thị trực quan các tương quan phức tạp này, toàn bộ dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng được trình bày rõ ràng qua các biểu đồ đường phân bố biến dạng trên 5 mặt cắt trắc nghiệm và bảng so sánh chuyển vị tương ứng (chẳng hạn bảng giá trị dịch chuyển nút từ 0 mm đến 300 mm dọc thân hộp). Việc kết hợp đồ thị đường đẳng nhiệt 3D và biểu đồ ứng suất tương đương Von Mises giúp kỹ sư dễ dàng định vị các vùng tập trung ứng suất nguy hiểm để bố trí gá kẹp chuẩn xác.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng và thực nghiệm, 4 giải pháp công nghệ cụ thể được khuyến nghị áp dụng trong sản xuất:

1. Chuẩn hóa quy trình hàn đối xứng trong gia công kết cấu hộp: Ban kỹ thuật sản xuất tại các nhà máy cơ khí cần áp dụng ngay quy trình hàn phân đoạn đối xứng (hàn đồng thời cặp đường 1-4 rồi chuyển sang cặp 2-3 hoặc hàn 4 mỏ đồng thời) trong vòng 3 tháng tới. Giải pháp này giúp khống chế độ biến dạng thành hộp dưới 1,0 mm và giảm 30% ứng suất dư nhiệt cục bộ.
2. Thiết kế và chế tạo hệ thống đồ gá kẹp chặt định vị bán tự động: Bộ phận thiết kế đồ gá phối hợp cùng xưởng chế tạo hoàn thiện hệ thống gá chuyên dụng có khả năng tạo biến dạng ngược sơ bộ trong quý 1 năm tới, đặt mục tiêu nâng cao năng suất hàn thêm 40% và rút ngắn thời gian gá đặt phôi xuống dưới 5 phút mỗi sản phẩm.
3. Tối ưu hóa chế độ thông số công nghệ hàn: Đội ngũ kỹ sư hàn cần thiết lập quy chuẩn kiểm soát dòng điện hàn ổn định trong khoảng 60A - 80A, duy trì điện áp hồ quang thích hợp và tốc độ cấp dây đồng đều nhằm đảm bảo hiệu suất truyền nhiệt hồ quang duy trì ở mức 60%, hạn chế phát sinh nhiệt thừa gây biến dạng thép CT3.
4. Tích hợp công cụ mô phỏng số vào giai đoạn thiết kế quy trình: Phòng nghiên cứu và phát triển (R&D) của các doanh nghiệp kết cấu kim loại cần triển khai ứng dụng phần mềm ANSYS Workbench trong lộ trình 6 tháng. Mục tiêu là dự báo chính xác trên 88% các vị trí biến dạng có hại trước khi tiến hành gia công thực tế, giúp tiết kiệm ít nhất 20% chi phí thử nghiệm và phôi liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn thạc sĩ là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

1. Kỹ sư công nghệ hàn và kết cấu kim loại: Nắm vững phương pháp bố trí thứ tự đường hàn tối ưu cho các sản phẩm dạng hộp và kết cấu khung dầm chữ nhật, giúp giảm trực tiếp 35% tỷ lệ phế phẩm do biến dạng nhiệt tại phân xưởng.
2. Giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Cơ khí chế tạo máy: Khai thác tài liệu như một ca nghiên cứu điển hình về mô hình hóa đa vật lý nhiệt - cơ trên phần mềm ANSYS Workbench 16.0, phục vụ công tác giảng dạy và thực hiện các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về cơ học hàn.
3. Doanh nghiệp gia công cơ khí chính xác và chế tạo thiết bị: Ứng dụng bản vẽ thiết bị gá hàn bán tự động và quy trình công nghệ hàn đối xứng để nâng cao hơn 25% năng suất lao động và cắt giảm chi phí nắn chỉnh sản phẩm sau hàn.
4. Kỹ sư phân tích mô phỏng CAE/FEM: Tiếp cận phương pháp thiết lập điều kiện biên phi tuyến, mô hình nguồn nhiệt Goldak với hiệu suất 60% và thuật toán đàn dẻo Von Mises để áp dụng tính toán cho hơn 10 dạng liên kết hàn kết cấu phức tạp khác.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao sản phẩm dạng hộp có chiều dày 3 mm lại biến dạng nhiều hơn loại 5 mm? Độ cứng uốn của tấm kim loại tỷ lệ thuận với bậc ba chiều dày bản thép. Dưới tác động nhiệt từ hồ quang 50A - 90A, tấm thép 3 mm có khả năng chống uốn thấp hơn khoảng 45% so với tấm 5 mm, dẫn đến hiện tượng oằn bề mặt và biến dạng góc lớn hơn rõ rệt trong thực tế hàn.

2. Mô hình nguồn nhiệt Goldak's double ellipsoid có ưu điểm gì trong mô phỏng hàn? Mô hình Goldak mô phỏng chính xác sự phân bố mật độ công suất nhiệt theo dạng khối elip kép phía trước và phía sau vũng hàn. Với việc thiết lập hiệu suất hữu ích 60%, mô hình tái hiện chuẩn xác trường nhiệt cực đại 2078,3°C, giúp kết quả tính toán nhiệt và ứng suất khớp với thực nghiệm trên 88%.

3. Trình tự hàn nào mang lại hiệu quả chống biến dạng tốt nhất cho sản phẩm dạng hộp? Phương án hàn đồng thời cả 4 đường hoặc hàn đối xứng từng cặp (hàn đường 1-4 trước rồi hàn tiếp đường 2-3) là tối ưu nhất. Quy trình này phân bố nhiệt đối xứng qua trục tâm, giúp giảm biên độ biến dạng cực đại từ 2,8 mm xuống 1,2 mm (mức giảm đạt trên 57%).

4. Thép CT3 có các đặc tính cơ lý nào cần lưu ý khi tính toán ứng suất nhiệt? Thép CT3 có giới hạn chảy đạt 355 MPa, mô đun đàn hồi Young 210 GPa tại 20°C và nhiệt độ nóng chảy 1505°C theo tiêu chuẩn TCVN 1651-85. Khi ứng suất nhiệt vượt quá ngưỡng 355 MPa trong quá trình nguội, biến dạng dẻo vĩnh viễn sẽ hình thành và tạo ra ứng suất dư.

5. Sai số giữa kết quả mô phỏng ANSYS và thực nghiệm đo bằng đồng hồ so là bao nhiêu? Dữ liệu kiểm chứng trên 5 đường đo biến dạng thực tế cho thấy sai số trung bình giữa mô phỏng ANSYS 16.0 và đo đạc thực nghiệm dao động từ 8% đến 12%. Mức sai số này nằm hoàn toàn trong phạm vi cho phép của các tiêu chuẩn mô phỏng cơ học kết cấu công nghiệp.

Kết luận

Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán kiểm soát biến dạng nhiệt trong quy trình hàn bán tự động sản phẩm dạng hộp bằng việc kết hợp hiệu quả giữa mô phỏng số và thực nghiệm:

• Xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn trên ANSYS Workbench 16.0 mô phỏng trường nhiệt độ cực đại 2078,3°C và trường biến dạng với độ chính xác đạt trên 88%.
• Chế tạo thành công hệ thống thiết bị và đồ gá hàn bán tự động cho phép hàn linh hoạt từ 1 đến 4 mỏ hàn đồng thời.
• Khẳng định quy trình hàn đối xứng cặp đường (1-4 và 2-3) giúp giảm tới 57% độ biến dạng so với quy trình hàn tuần tự truyền thống.
• Thiết lập bộ dữ liệu thực nghiệm đo đạc biến dạng chuẩn xác trên 5 đường đo cho kết cấu hộp thép CT3 dày 5 mm.
• Đề xuất giải pháp công nghệ nâng cao năng suất hàn lên hơn 25% và tiết kiệm 30% chi phí xử lý nhiệt hoặc nắn chỉnh nguội sau hàn.

Trong lộ trình 12 tháng tới, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ mở rộng mô phỏng cho các loại thép hợp kim cường độ cao và tích hợp cánh tay robot hàn tự động. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm hãy ứng dụng ngay mô hình mô phỏng số và quy trình hàn đối xứng này vào dự án chế tạo của mình nhằm tối ưu hóa chất lượng sản phẩm và giảm thiểu tối đa chi phí sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. Tổng quan về lĩnh vực hàn hồ quang điện. Hàn hồ quang là phương pháp hàn nóng chảy dùng nhiệt của ngọn lửa hồ quang sinh ra giữa các điện cực hàn.

Hồ quang hàn là dòng chuyển động của các điện tử và ion về hai điện cực, kèm theo sự phát nhiệt lớn và phát sáng mạnh. Trong các điều kiện bình thường, không khí không dẫn điện, giữa 2 điện cực của các loại máy hàn hồ quang có điện áp không tải nhỏ thua 80 vôn, vì vậy không có sự phóng điện giữa chúng.Để gây hồ quang, người ta gây ra hiện tượng đoản mạch lúcđó mật độ dòng điện tại chổ tiếp xúc của 2 điện cực rất lớn, theo định luật Jun-lenc thì Q = 0,24 RI2t, nhiệt lượng này được các điện tử tự do ở mặt đầu catốt hấp thụ. Sau khi nhận được năng lượng dưới dạng nhiệt các điện tử này có thế năng lớn và bứt ra khỏi quỹ đạo của mình và phóng về anốt, trên đường đi chúng sẽ bắn phá lên các nguyên và phân tử chất khí bảo hoà để cho hoặc lấy đi của chúng một vài điện tử (tuỳ theo hoá trị của chúng) và biến chúng thành những ion. Môi trường ion là môi trường dẫn điện rất tốt cho nên quá trình gây hồ quang chỉ xảy ra ở giai đoạn ban đầu.

Hàn hồ quang điện trong môi trường có khí bảo vệ (GSAW: Gas Shielded Arc Welding) là công nghệ hàn được sử dung rất rộng rãi hiện nay. Trong nền công nghiệp hiện đại hàn hồ quang bằng điện trong môi trường có khí bảo vệ chiếm một vị trí rất quan trọng. Nó không những có thể hàn các loại thép kết cấu thông thường mà còn có thể hàn 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, 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 1 Hàn, từ chỗ chủ yếu sử dụng công nghệ hàn hồ quang tay, đến nay có khoảng 130 phương pháp hàn khác nhau được sử dụng rộng rãi. Có thể chia công nghệ hàn thành 2 nhóm như sau: Hình 1.1 : Sơ đồ về công nghệ hàn 1. Tình hình nghiên cứu trong nước.

Đề tài “Nghiên cứu độ dai va đập của mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao bằng phương pháp hàn MIG/MAG” - Bộ môn Kỹ thuật Công nghiệp – Khoa Cơ khí máy - Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM. Đề tài nghiên cứu vào năm 2015 do Th.sĩ Hồ Sỹ Hùng nghiên cứu. - Nội dung đề tài nghiên cứu độ dai va đập của mối hàn giáp mối thép ASTM A36 bằng phương pháp hàn MIG/MAG. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng mối hàn thép.

 Thực nghiệm 2 - Vật liệu hàn: Thép ASTM A36 - Thông số hàn MIG/MAG: - Trang thiết bị hàn: GENEGYS 400W – FRANCE - Dây hàn: GEMINI (GMS-70S), 1.2 mm - Dòng điện hàn: (210÷250) A - Lưu lượng khí bảo vệ: (12 ÷15) l/ph - Tốc độ dây: (7.5 ÷10) m/ph - Kỹ thuật hàn a) Mặt cắt ngang b) Mặt cắt dọc Hình 1.2 : Gốc độ điện cực hàn hồ quang - Mẫu thử độ dai va đập Hình 1.3 : Mẫu thử độ dai va đập Mẫu có tiết diện đầy đủ: 10x8 [mm2]; Còn có các loại mẫu có tiết diện rút gọn: 10x7,5 và 10x5 3 - Phương pháp thử Hình 1.4 : Phương pháp thử độ va đập 1. Đề tài “ Thiết kế đồ gá nâng cao khả năng công nghệ hàn ống thép Ø(60-350) bằng phương pháp hàn Mig/ Mag. ” - Bộ môn Kỹ thuật Công nghiệp – Khoa Cơ khí máy - Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM. Đề tài nghiên cứu vào năm 2015 do Th.sĩ Võ Đông Lao nghiên cứu.

- Nội dung đề tài nghiên cứu và thiết kế chế tạo đồ gá nâng cao khả năng công nghệ hàn ống thép (60÷350) bằng phương pháp hàn MIG/MAG. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao năng suất, đáp ứng nhu cầu thực tế.5: Đồ gá hàn ống hai trục quay 1. Đề tài “ Nghiên cứu một số thông số cơ bản ảnh hưởng tới quá trình hình thành mối hàn và quá trình luyện kim trong hàn MIG, MAG ” - Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM. Đề tài được nghiên cứu vào năm 2004 do Th.s Phạm Văn Điều thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS.

- Nội dung của đề tài là xem xét ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến việc tạo dáng mối hàn và ảnh hưởng tới quá trình hàn. Dựa trên các cơ sở lý thuyết và các kết quả thí nghiệm để đánh giá khi các thông số hàn thay đổi thì thành phần phần trăm các nguyên tố tổ chức kim loại mối hàn thay đổi thế nào, dẫn đến cơ tính của chúng bị tác động ra sao. Từ đó tác giả đưa ra kết luận về việc lựa chon các thông số cơ bản của công nghệ hàn MIG, MAG một cách tối ưu, để đảm bảo chất lượng mối hàn tốt nhất áp dụng trong sản xuất. Đề tài “ Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho mối hàn ống chịu áp lực bằng nhiễu xạ X- Quang” - Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật.

Đề tài được nghiên cứu vào năm 2011 do Th.s Nguyễn Văn Tường thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Lê Chí Cương. - Nội dung nghiên cứu đề tài là nghiên cứu lý thuyết không phá hủy (X – quang), áp dụng vào việc xác định các ứng suất dư các mối hàn ống giáp mối 5 hàn theo phương pháp lót TIG phủ điện và tiến hành đo đạc thực nghiệm để xác định ứng suất dư trên mẫu hàn ống, khảo sát so sánh hàm hấp thụ của mặt mối hàn ống so với mặt phẳng mà thiết bị hiện đang áp dụng. Thiện thực nghiệm dưới dạng chọn mẫu và đo nhiễu xạ, xử lý kết quả đạt được và tiến hành tính toán ứng suất dư.

- Kết quả mà luận văn đã đạt được là trình bày 1 cách đầy đủ và cô đọng lý thuyết tương đối mới về xác định ứng suất dư cho vật liệu hàn, kết cấu hàn. Quá trình thực nghiệm đã xác định được ứng suất dư của mối hàn ống chịu áp lực vật liệu A106 – GrB (theo ASTM) kích thước mẫu O.D = 114mm và dày t = 8.56 mm tiến hành hàn theo qui trình LiLAMA 2 – 08, áp dụng tiêu chuẩn ASME – IX. Từ đó chứng minh được phương pháp có thể áp dụng để kiểm tra cho các kết cấu hàn đang được sử dụng tại các nhà máy nhiệt điện phục vụ cho công tác sửa chữa bảo dưỡng hệ thống đường ống chịu áp có chứa mối hàn là nơi có thể bị hư hỏng do ứng suất dư tồn tại. Đề tài “ Khảo sát tình trạng phân bố ứng suất dư trong mối hàn ma sát hợp kim nhôm 1060 dùng nhiễu xạ X – quang” – Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật.

Đề tài được nghiên cứu vào năm 2011 do Th.s Nguyễn Thị Kim Uyên thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Lê Chí Cương. - Nội dung đề tài là dùng phương pháp hàn ma sát và nhiễu xạ tia X để khảo sát phân bố ứng suất dư trên hợp kim nhôm. Từ đó cho thấy các ưu điểm vượt trội của phương pháp này, làm cơ sở để nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam.

Máy đo nhiễu xạ là loại máy cố định đặt tại Trung Tâm Hạt Nhân Tp. Hồ Chí Minh, sử dụng phương pháp đo Omega và tính toán ứng suất được dựa trên phương pháp. - Kết quả thực nghiệm cho thấy trên mối hàn ma sát hợp kim nhôm 1060 ứng suất thay đổi trong khoảng từ -31 ÷ 0.99 MPa và trong giới hạn bền của vật liệu. Sự thay đổi ứng suất trước và sau khi hàn là khoảng 31% và phân bố trong vùng ảnh hưởng nhiệt.

Từ đó rút ra được những ưu điểm mà hàn ma sát vượt trội hơn so với các phương pháp hàn khác. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Modeling of MIG/MAG welding with experimental validationusing an active contour algorithm applied on high speed movies Jean-Pierre Planckaert - Bài báo này điều tra một số vấn đề trong mô hình hóa vật lý kim loại khí trơ / kim loại hoạt độngGas (MIG / MAG) trong quá trình hàn hồ quang ngắn. Trong chế độ này, một nguồn cung cấp kim loại là nóng chảy trong trạng thái hồ quang và sau đó chuyển sang bể hàn trong trạng thái ngắn mạch.

Hybrid Laser Arc Welding of X80 Steel: Influence of Welding Speed and Preheating on the Microstructure and Mechanical Properties - Bài báo này nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các thông số hàn hồ quang laser trên cấu trúc vi và các tính chất cơ học của Hàn cụ thể là ảnh hưởng của tốc độ hàn và nhiệt độ sơ bộ đến tốc độ làm mát, cấu trúc vi và độ cứng. Theo thứ tự Để đạt được năng suất tối đa, tốc độ hàn tối ưu cho việc hàn hồ quang laser X80 thép dày 14 mm với Và không có quá nóng sơ bộ đã được xác định. Simulation and experimental study on distortion of butt and T-joints using WELD PLANNER Mohd Shahar Sulaiman, Yupiter HP Manurung, Esa Haruman, Mohammad Ridzwan Abdul Rahim, Mohd Ridhwan Redza, Robert Ngendang Ak. Lidam, Sunhaji Kiyai Abas, Ghalib Tham1 and Chan Yin Chau (June 23, 2011) - Bài báo này sử dụng phần mềm weld planner để mô phỏng biến dạng của vật hàn và so sánh kết quả với thực nghiệm trong cả hai trường hợp mối hàn giáp mí có kích thước (150x50x4 ) mm, và mối hàn góc có kích thước (150x50x4 )mm.

Multippurpose ANSYS FE procedure for welding processes simulation Andrea Capriccioli, Paolo Frosi (2009) - Bài báo này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn đa chức năng của phần mềm ANSYS để mô phỏng nhiệt độ và biến dạng cơ trong hàn TIG và hàn laser. Modeling, Simulation and Experimental Studies of Distortions, Residual Stresses and Hydrogen Diffusion During Laser Welding of As-Rolled Steels T. Spelleken (2012) - Bài báo này chủ yếu xây dựng mô hình toán và phương pháp số để giải bài toán nhiệt và mô phỏng quá trình hàn ghép mí trên tấm mỏng có kích thước (75 X 50 X 1.8 ) mm đồng thời phân tích sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng suất không đi sâu vào độ biến dạng .