Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ hàn đóng vai trò then chốt trong ngành công nghiệp chế tạo cơ khí với nhiều ưu điểm như đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp và khả năng tự động hóa cao. Trong đó, hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc bảo vệ (Submerged Arc Welding - SAW) được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các kết cấu thép lớn như bồn chứa, dầm thép và công nghiệp đóng tàu. Tại Việt Nam, mặc dù công nghệ hàn SAW đã được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 1980, việc đầu tư thiết bị phục vụ đào tạo và sản xuất vẫn còn hạn chế do chi phí cao và thiết bị nhập khẩu đắt đỏ.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị di chuyển đầu hàn nhằm thực hiện hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc cho các mối hàn ở vị trí 2FR với bán kính cong lớn hơn 2 mét, vật liệu thép CT3 dày 8 mm. Mục tiêu cụ thể là phát triển thiết bị có khả năng di chuyển theo biên dạng xác định, đồng thời xác định chế độ hàn tối ưu để đảm bảo chất lượng mối hàn và năng suất cao. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và các cơ sở thực nghiệm liên quan trong năm 2016.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí đầu tư thiết bị so với máy nhập khẩu mà còn góp phần đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật hàn chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu phát triển công nghiệp trong nước. Các chỉ số hiệu quả như năng suất hàn tăng gấp 2 lần so với hàn MAG và chất lượng mối hàn ổn định được kỳ vọng đạt được qua thiết bị và quy trình chế tạo mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (MAG) và lý thuyết hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc bảo vệ (SAW).

  • Lý thuyết hàn MAG: Quá trình hàn sử dụng điện cực nóng chảy trong môi trường khí hoạt tính CO2, tạo ra hồ quang ổn định, phù hợp với nhiều vị trí hàn và vật liệu thép cacbon. Các khái niệm chính bao gồm dòng điện hàn, điện áp hàn, tốc độ hàn, tầm với điện cực và lưu lượng khí bảo vệ.

  • Lý thuyết hàn SAW: Quá trình hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc bảo vệ, trong đó hồ quang được che phủ hoàn toàn bởi lớp thuốc hàn, giúp tăng chất lượng mối hàn, giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao an toàn lao động. Các khái niệm quan trọng gồm kích thước điện cực, loại thuốc hàn, chế độ hàn (dòng điện, điện áp, tốc độ), và vị trí hàn 2FR.

Ngoài ra, luận văn áp dụng mô hình thiết kế cơ cấu cơ khí cho thiết bị di chuyển đầu hàn, bao gồm cơ cấu cấp dây, bộ phận điều chỉnh chế độ hàn, cơ cấu định vị biên dạng và bộ phận chứa thuốc hàn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thuộc dạng nghiên cứu – triển khai – thực nghiệm, gồm các bước:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực nghiệm từ quá trình hàn thử nghiệm trên vật liệu thép CT3 dày 8 mm tại vị trí 2FR, sử dụng thiết bị hàn MIG/MAG 350 kết hợp thiết bị di chuyển đầu hàn tự chế tạo.

  • Phương pháp phân tích: Kiểm tra ngoại dạng mối hàn, phân tích cấu trúc tế vi mối hàn bằng phương pháp kiểm tra kim loại học, so sánh chất lượng mối hàn giữa công nghệ hàn MAG và hàn SAW. Sử dụng bảng chế độ hàn và các thông số kỹ thuật để xác định chế độ hàn tối ưu.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong 2 năm, từ thiết kế, chế tạo thiết bị đến thực nghiệm và đánh giá kết quả tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên năm 2015-2016.

Cỡ mẫu thực nghiệm gồm 6 mẫu hàn: 3 mẫu hàn SAW và 3 mẫu hàn MAG, được lựa chọn để so sánh chất lượng mối hàn và đánh giá hiệu quả thiết bị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế chế tạo thành công thiết bị di chuyển đầu hàn: Thiết bị có khả năng di chuyển theo quỹ đạo đường thẳng và đường cong với bán kính lớn hơn 2 mét, phù hợp với vị trí hàn 2FR. Thiết bị cải tiến từ máy hàn MIG/MAG 350 với chi phí chỉ bằng 1/2 đến 1/3 so với máy nhập khẩu.

  2. Xác định chế độ hàn SAW tối ưu: Dòng điện hàn khoảng 300 A, điện áp 30 V, vận tốc hàn 350 mm/phút và tầm với điện cực 8-10 mm được xác định là chế độ phù hợp cho vật liệu thép CT3 dày 8 mm tại vị trí 2FR, đảm bảo mối hàn có chiều sâu ngấu và bề rộng mối hàn đồng đều.

  3. So sánh chất lượng mối hàn giữa hàn SAW và MAG: Mối hàn SAW có ngoại dạng mối hàn mịn, ít khuyết tật, độ ngấu sâu hơn 15% so với mối hàn MAG. Cấu trúc tế vi mối hàn SAW đồng nhất, ít rỗ khí và nứt nguội hơn, phù hợp cho các kết cấu chịu tải trọng cao.

  4. Hiệu quả kinh tế và an toàn lao động: Thiết bị hàn SAW giảm thiểu ô nhiễm hồ quang, bảo vệ sức khỏe công nhân, đồng thời tăng năng suất lao động gấp 2 lần so với hàn MAG, góp phần giảm chi phí sản xuất.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc cải tiến thiết bị hàn MIG/MAG thành thiết bị hàn SAW tự động dưới lớp thuốc là khả thi và hiệu quả về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế. Việc lựa chọn chế độ hàn hợp lý dựa trên các thông số dòng điện, điện áp và vận tốc hàn đã giúp tối ưu hóa chất lượng mối hàn, giảm thiểu khuyết tật như rỗ khí và nứt nguội.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ thực hiện được vị trí hàn 1G, 1F và 2F, thiết bị mới đã mở rộng khả năng hàn đến vị trí 2FR với bán kính cong lớn hơn 2 mét, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của các kết cấu bồn chứa và bình chịu áp lực. Dữ liệu thực nghiệm được trình bày qua bảng so sánh ngoại dạng và cấu trúc tế vi mối hàn, minh họa rõ sự vượt trội của công nghệ hàn SAW.

Ngoài ra, việc giảm chi phí đầu tư thiết bị so với máy nhập khẩu giúp các cơ sở đào tạo nghề và doanh nghiệp nhỏ có thể tiếp cận công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc, góp phần nâng cao chất lượng nguồn nhân lực và năng lực sản xuất trong nước.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng thiết bị di chuyển đầu hàn SAW trong sản xuất công nghiệp: Khuyến khích các doanh nghiệp chế tạo kết cấu thép áp dụng thiết bị để nâng cao năng suất và chất lượng mối hàn, đặc biệt trong các công trình bồn chứa và nhà thép tiền chế. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, chủ thể là các nhà máy cơ khí.

  2. Đầu tư trang thiết bị và đào tạo kỹ thuật viên vận hành thiết bị hàn SAW: Các trường cao đẳng nghề, trung cấp nghề cần trang bị thiết bị cải tiến và tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ hàn SAW, nâng cao tay nghề cho học viên. Thời gian triển khai 6-12 tháng.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng thiết bị cho các vị trí hàn phức tạp khác: Tiếp tục cải tiến thiết bị để đáp ứng các vị trí hàn khó như hàn leo, hàn trần, nhằm đa dạng hóa ứng dụng trong công nghiệp. Chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học, thời gian 2-3 năm.

  4. Xây dựng quy trình công nghệ hàn SAW chuẩn hóa cho từng loại vật liệu và vị trí hàn: Thiết lập bảng chế độ hàn chi tiết, hướng dẫn vận hành thiết bị nhằm đảm bảo chất lượng mối hàn đồng nhất và ổn định. Chủ thể là các chuyên gia công nghệ hàn, thời gian 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí và chế tạo kết cấu thép: Nghiên cứu giúp cải tiến quy trình hàn, giảm chi phí đầu tư thiết bị và nâng cao chất lượng sản phẩm, đặc biệt trong lĩnh vực bồn chứa và nhà thép tiền chế.

  2. Các cơ sở đào tạo nghề và kỹ thuật viên hàn: Cung cấp kiến thức và thiết bị thực hành công nghệ hàn SAW, giúp nâng cao tay nghề và đáp ứng nhu cầu tuyển dụng của thị trường lao động.

  3. Viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành cơ khí, hàn: Là tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo về thiết kế thiết bị hàn tự động và tối ưu hóa quy trình hàn.

  4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp: Hỗ trợ xây dựng chính sách đầu tư phát triển công nghệ hàn tự động trong ngành công nghiệp chế tạo, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị di chuyển đầu hàn SAW có thể áp dụng cho những vị trí hàn nào?
    Thiết bị được thiết kế để hàn các vị trí 1G, 1F, 2F và đặc biệt là vị trí 2FR với bán kính cong lớn hơn 2 mét, phù hợp cho các kết cấu bồn chứa và bình chịu áp lực.

  2. Chế độ hàn SAW tối ưu cho thép CT3 dày 8 mm là gì?
    Chế độ hàn gồm dòng điện khoảng 300 A, điện áp 30 V, vận tốc hàn 350 mm/phút và tầm với điện cực 8-10 mm, đảm bảo mối hàn có độ ngấu sâu và bề rộng đồng đều.

  3. So sánh chất lượng mối hàn giữa công nghệ SAW và MAG như thế nào?
    Mối hàn SAW có ngoại dạng mịn, ít khuyết tật, độ ngấu sâu hơn khoảng 15% so với MAG, cấu trúc tế vi đồng nhất và ít rỗ khí, phù hợp cho các kết cấu chịu tải trọng cao.

  4. Lợi ích kinh tế khi sử dụng thiết bị hàn SAW tự chế tạo là gì?
    Thiết bị có chi phí đầu tư chỉ bằng 1/2 đến 1/3 so với máy nhập khẩu, tăng năng suất lao động gấp 2 lần so với hàn MAG, giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  5. Thiết bị có thể được ứng dụng trong đào tạo nghề không?
    Có, thiết bị phù hợp để trang bị cho các trường cao đẳng nghề và trung cấp nghề, giúp học viên thực hành công nghệ hàn SAW, nâng cao kỹ năng và đáp ứng yêu cầu tuyển dụng.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị di chuyển đầu hàn tự động cho công nghệ hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc, đáp ứng vị trí hàn 2FR với bán kính cong lớn hơn 2 mét.
  • Xác định được chế độ hàn SAW tối ưu cho thép CT3 dày 8 mm, đảm bảo chất lượng mối hàn và năng suất cao.
  • So sánh thực nghiệm cho thấy mối hàn SAW vượt trội hơn hàn MAG về ngoại dạng và cấu trúc tế vi.
  • Thiết bị cải tiến có chi phí đầu tư thấp hơn nhiều so với máy nhập khẩu, phù hợp cho doanh nghiệp và cơ sở đào tạo trong nước.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thiết bị trong sản xuất và đào tạo, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các vị trí hàn phức tạp hơn.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các doanh nghiệp và cơ sở đào tạo đầu tư thiết bị, tổ chức đào tạo vận hành và tiếp tục nghiên cứu cải tiến để nâng cao hiệu quả công nghệ hàn SAW trong nước.