Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật cơ khí, hàn hồ quang điện trong môi trường khí bảo vệ (GSAW) là công nghệ chủ đạo để tạo liên kết không tháo rời cho các sản phẩm kim loại, đặc biệt là sản phẩm dạng hộp. Theo ước tính, có khoảng 130 phương pháp hàn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại, trong đó hàn bán tự động MIG/MAG chiếm ưu thế nhờ năng suất cao và chất lượng mối hàn ổn định. Tuy nhiên, biến dạng sản phẩm trong quá trình hàn vẫn là vấn đề kỹ thuật quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu quả sản xuất.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu biến dạng của sản phẩm dạng hộp kích thước 300x170x100 mm, vật liệu thép CT3, trong quy trình hàn bán tự động sử dụng phương pháp hàn hồ quang có khí bảo vệ. Mục tiêu chính là mô phỏng và thực nghiệm đo đạc biến dạng, ứng suất dư tập trung do nhiệt độ cao trong quá trình hàn, từ đó đề xuất quy trình hàn tối ưu nhằm giảm thiểu biến dạng không mong muốn. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8/2016 đến tháng 2/2017 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua khả năng dự báo trước biến dạng, giúp kỹ sư hàn thiết kế quy trình phù hợp, tiết kiệm chi phí và nâng cao năng suất lao động. Kết quả nghiên cứu cũng đóng góp tài liệu tham khảo quý giá cho các học viên, sinh viên ngành cơ khí, đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ hàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết hàn hồ quang điện trong môi trường khí bảo vệ (GSAW): Bao gồm hai phương pháp chính là hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy (GMAW) và hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy (GTAW). Các đặc điểm như nguồn nhiệt tập trung, hiệu suất cao, khả năng tự động hóa và chất lượng mối hàn được phân tích chi tiết.

  • Mô hình toán học cân bằng nhiệt động lực học: Sử dụng các phương trình cân bằng khối lượng, động lượng và năng lượng để mô phỏng quá trình truyền nhiệt và biến dạng trong vật liệu hàn. Phương trình truyền nhiệt được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FE) với mô hình nguồn nhiệt Goldak's double ellipsoid, mô phỏng chính xác sự phân bố nhiệt độ trong quá trình hàn.

  • Lý thuyết ứng suất và biến dạng trong hàn: Áp dụng định luật Hooke cho vật liệu đàn hồi đẳng hướng, kết hợp với mô hình biến dạng dẻo và giới hạn chảy Von Mises để xác định ứng suất và biến dạng dư phát sinh trong quá trình hàn. Các khái niệm chính gồm ứng suất Von Mises, biến dạng toàn phần, biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo.

  • Khái niệm về mối hàn và sự hình thành bể hàn: Mối hàn gồm kim loại cơ bản và kim loại điện cực nóng chảy, bể hàn là vùng kim loại lỏng được tạo thành dưới tác dụng của nguồn nhiệt hồ quang. Các yếu tố vật lý như trọng lực, sức căng bề mặt, lực từ trường và áp lực khí ảnh hưởng đến sự chuyển dịch kim loại lỏng và hình thành mối hàn.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu chuyên ngành về kỹ thuật hàn, tiêu chuẩn công nghệ hàn, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến biến dạng sản phẩm hàn. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ các mẫu hàn hộp thực tế với các trường hợp hàn khác nhau.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm ANSYS Workbench 16.0 để mô phỏng quá trình hàn và biến dạng sản phẩm dạng hộp. Mô phỏng bao gồm các trường hợp hàn từng đường, hàn đồng thời nhiều đường hàn với các vị trí khác nhau nhằm đánh giá ảnh hưởng của quy trình hàn đến biến dạng.

  • Phương pháp thí nghiệm: Tiến hành hàn bán tự động bằng phương pháp MIG CO2 trên các mẫu hộp thép CT3 dày 3 mm và 5 mm. Đo đạc biến dạng thực tế trước và sau khi hàn bằng đồng hồ so và các thiết bị đo chính xác. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng để đánh giá độ chính xác và hiệu quả của mô hình.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong 6 tháng, từ tháng 8/2016 đến tháng 2/2017, bao gồm các giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế mô hình, mô phỏng, thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng độ dày vật liệu đến biến dạng: Mẫu hàn thép dày 3 mm có mức độ biến dạng bề mặt cao hơn khoảng 15% so với mẫu dày 5 mm. Điều này cho thấy vật liệu mỏng dễ bị biến dạng hơn do nhiệt độ cao trong quá trình hàn.

  2. Ảnh hưởng cường độ dòng điện và vận tốc hàn: Biến dạng sản phẩm phụ thuộc rõ rệt vào cường độ dòng điện I (A) và vận tốc hàn V (mm/s). Khi tăng cường độ dòng điện từ 210 A lên 250 A, biến dạng tăng khoảng 12%. Tăng vận tốc hàn từ 7.5 m/phút lên 10 m/phút giúp giảm biến dạng khoảng 8%.

  3. Ảnh hưởng quy trình hàn nhiều đường: Hàn đồng thời 4 đường hàn cùng lúc gây biến dạng lớn hơn khoảng 20% so với hàn lần lượt từng đường. Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự phân bố ứng suất dư không đồng đều, tập trung nhiều ở các vị trí giao nhau của các đường hàn.

  4. Độ tương thích giữa mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả mô phỏng biến dạng bằng phần mềm ANSYS có độ sai lệch trung bình dưới 10% so với kết quả thực nghiệm, chứng tỏ mô hình mô phỏng có độ tin cậy cao trong dự báo biến dạng sản phẩm dạng hộp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân biến dạng chủ yếu do sự giãn nở nhiệt không đồng đều trong quá trình hàn, đặc biệt tại các đường hàn và vùng tiếp giáp. Độ dày vật liệu ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ và phân tán nhiệt, dẫn đến biến dạng khác nhau. Cường độ dòng điện và vận tốc hàn điều chỉnh lượng nhiệt cung cấp, từ đó ảnh hưởng đến mức độ biến dạng.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng biến dạng tăng khi nhiệt lượng hàn tăng và giảm khi vận tốc hàn tăng. Việc mô phỏng bằng ANSYS giúp dự báo chính xác biến dạng và ứng suất dư, hỗ trợ thiết kế quy trình hàn hiệu quả hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh biến dạng theo từng vị trí hàn, bảng số liệu biến dạng thực nghiệm và mô phỏng, cũng như hình ảnh phân bố ứng suất dư trên sản phẩm dạng hộp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh thông số hàn: Khuyến nghị giảm cường độ dòng điện xuống khoảng 210 A và tăng vận tốc hàn lên 10 m/phút để giảm biến dạng sản phẩm khoảng 10-15% trong vòng 3 tháng tới. Chủ thể thực hiện là kỹ sư công nghệ hàn tại nhà máy.

  2. Tối ưu quy trình hàn nhiều đường: Áp dụng hàn lần lượt từng đường thay vì hàn đồng thời nhiều đường để giảm biến dạng khoảng 20%, thực hiện trong 6 tháng. Đội ngũ kỹ thuật và quản lý sản xuất chịu trách nhiệm triển khai.

  3. Sử dụng mô phỏng ANSYS trong thiết kế quy trình: Đưa mô phỏng biến dạng và ứng suất dư vào quy trình thiết kế và kiểm soát chất lượng hàn nhằm dự báo và điều chỉnh kịp thời, áp dụng ngay trong năm 2024. Bộ phận nghiên cứu và phát triển công nghệ đảm nhận.

  4. Đào tạo nâng cao kỹ năng vận hành thiết bị hàn bán tự động: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về điều chỉnh thông số hàn và vận hành thiết bị để giảm thiểu sai sót kỹ thuật, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, thực hiện trong 12 tháng. Phòng nhân sự và đào tạo phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ hàn: Nghiên cứu giúp hiểu rõ ảnh hưởng các thông số hàn đến biến dạng sản phẩm, từ đó thiết kế quy trình hàn tối ưu, giảm chi phí và nâng cao chất lượng.

  2. Sinh viên và học viên ngành cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết hàn hồ quang, mô phỏng biến dạng và thực nghiệm, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

  3. Nhà quản lý sản xuất trong ngành cơ khí chế tạo: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng sản phẩm để điều chỉnh kế hoạch sản xuất, nâng cao hiệu quả và giảm phế phẩm.

  4. Nhà nghiên cứu công nghệ hàn: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng, làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về công nghệ hàn bán tự động và biến dạng sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao biến dạng sản phẩm lại quan trọng trong hàn bán tự động?
    Biến dạng ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng và chất lượng mối hàn, gây sai lệch sản phẩm, tăng chi phí sửa chữa và giảm năng suất. Ví dụ, biến dạng hộp thép có thể làm mất tính đồng bộ trong lắp ráp.

  2. Phần mềm ANSYS có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    ANSYS giúp mô phỏng quá trình truyền nhiệt và biến dạng, dự báo ứng suất dư, từ đó hỗ trợ thiết kế quy trình hàn hiệu quả, giảm thiểu biến dạng thực tế.

  3. Các thông số hàn nào ảnh hưởng nhiều nhất đến biến dạng?
    Cường độ dòng điện và vận tốc hàn là hai thông số chính ảnh hưởng đến lượng nhiệt cung cấp, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng sản phẩm.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại vật liệu khác không?
    Nghiên cứu tập trung vào thép CT3, tuy nhiên phương pháp mô phỏng và phân tích có thể điều chỉnh để áp dụng cho các vật liệu thép khác hoặc hợp kim kim loại tương tự.

  5. Làm thế nào để giảm biến dạng khi hàn nhiều đường hàn?
    Nên hàn lần lượt từng đường thay vì hàn đồng thời nhiều đường để giảm tích tụ nhiệt và ứng suất dư, từ đó giảm biến dạng sản phẩm.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã mô phỏng và thực nghiệm thành công biến dạng sản phẩm dạng hộp trong quy trình hàn bán tự động, với sai số mô phỏng dưới 10% so với thực tế.
  • Độ dày vật liệu, cường độ dòng điện và vận tốc hàn là các yếu tố chính ảnh hưởng đến biến dạng.
  • Hàn lần lượt từng đường hàn giúp giảm biến dạng đáng kể so với hàn đồng thời nhiều đường.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế quy trình hàn tối ưu, tiết kiệm chi phí và nâng cao năng suất.
  • Đề xuất áp dụng mô phỏng ANSYS trong thiết kế quy trình hàn và đào tạo kỹ thuật viên vận hành thiết bị hàn bán tự động.

Next steps: Triển khai điều chỉnh thông số hàn, áp dụng mô phỏng trong quy trình sản xuất và tổ chức đào tạo kỹ thuật. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp thực hiện để nâng cao hiệu quả công nghệ hàn.

Call to action: Các kỹ sư và nhà quản lý trong ngành cơ khí nên áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến quy trình hàn, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các loại vật liệu và sản phẩm khác.