MỞ ĐẦU 1. Tổng quan về công nghệ hàn theo quỹ đạo 1. Giới thiệu về công nghệ hàn TIG Hàn TIG (Tungsteng Inert Gas) còn có tên gọi khác là GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) là quy trình hàn hồ quang sử dụng điện cực không nóng chảy trong môi trường có khí trơ bảo vệ. Hồ quang điện được tạo ra giữa điện cực và bề mặt được hàn.
Nếu cần vật liệu độn, vật liệu này sẽ được đặt thủ công vào trong hạt hàn (que hàn) hoặc theo cách tự động (cấp dây tự động) [1]. Cấu tạo của một bộ thiết bị hàn TIG đầy đủ bao gồm: 1. Nguồn điện hàn 4. Đầu vào của khí bảo vệ 2.
Bộ điều khiển từ xa 5. Hệ thống làm mát 3. Đầu ra của khí bảo 9. Khí trơ bảo vệ vệ Hình 1.1: Cấu tạo bộ thiết bị hàn TIG Công nghệ hàn TIG được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất nhờ các ưu điểm vượt trội như: - Hàn được nhiều loại vật liệu: thép không gỉ (inox), các hợp kim niken, titan, nhôm, magie, đồng, đồng thanh, đồng thau và thậm chí là vàng.
3 Luan van - Hàn các vật liệu không đồng chất: ví dụ như đồng với đồng thau, thép không gỉ (inox) với thép cacbon thấp. - Hồ quang tập trung nhiệt lượng cao nên vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp (nhất là đối với các kim loại dẫn nhiệt tốt như nhôm, đồng). - Không tạo ra xỉ. - Không khói và hơi độc.
Đặc biệt phương pháp hàn này còn được áp dụng trong công nghệ hàn theo quỹ đạo, sử dụng hàn giáp mối trong các hệ thống đường ống thực phẩm, y sinh.2: Máy hàn TIG theo quỹ đạo Hình 1.3: Một mối hàn được hàn bằng công nghệ hàn TIG theo quỹ đạo 4 Luan van 1. Giới thiệu công nghệ hàn theo quỹ đạo Hàn theo quỹ đạo là công nghệ hàn các hệ thống đường ống được sử dụng với quy mô lớn cho các dây chuyền công nghiệp. Đây là phương pháp hàn tạo ra hàng loạt các mối hàn có chất lượng cao và độ nhất quán nhất định. Tuy nhiên hệ thống này vẫn tiềm ẩn nguy cơ bị rò rỉ tại các khớp nối, gây nhiễm khuẩn, hao hụt năng suất và sẽ rất nguy hiểm nếu đường ống được sử dụng để cung cấp khí đốt hoặc bất kỳ nguồn cung cấp chất lỏng có hại nào như axit,.
Để khắc phục những vấn đề này, công nghệ hàn theo quỹ đạo cần phải được cải tiến.4: Một hệ thống đường ống trong công nghiệp Hàn ống theo quỹ đạo (orbital welding) lần đầu tiên được sử dụng trong những năm 1960 và 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 [2]. Với các thiết bị được phát triển phục vụ cho công nghiệp hàn ống trong ngành thực phẩm, các ưu điểm nổi bậc của hệ thống này như sau: Năng suất: Một hệ thống hàn quỹ đạo sẽ hàn nhanh hơn rất nhiều so với các thợ hàn thủ công, phải trả cho chi phí cho thợ hàn nhiều lần còn với thiết bị hàn quỹ đạo thì trả cho lần đầu tư ban đầu.
Chất lượng: Chất lượng của mối hàn được tạo ra bởi một hệ thống hàn 5 Luan van quỹ đạo với chương trình hàn chính xác sẽ cao hơn so với hàn thủ công. Trong các ứng dụng như hàn ống thực phẩm, hàn quỹ đạo là phương tiện duy nhất để đạt được các yêu cầu về chất lượng mối hàn. Tính nhất quán: Một khi chương trình hàn đã được thiết lập, hệ thống hàn quỹ đạo có thể liên tục thực hiện cùng một yêu cầu mối hàn hàng trăm lần, loại bỏ sự sai sót, không đồng nhất và khuyết tật của hàn thủ công. Cấp độ kỹ năng.
Các thợ hàn có tay nghề cao ngày càng khó tìm. Với thiết bị hàn quỹ đạo, qui trình hàn không cần một người thợ hàn có tay nghề cao. Tất cả chỉ cần là một thợ cơ khí lành nghề với một khóa đào tạo sử dụng thiết bị. Có thể sử dụng hàn quỹ đạo trong các ứng dụng mà không thể xoay ống hoặc ống hàn đặt trong không gian chật hẹp.
Có thể sử dụng hàn quỹ đạo trong các ứng dụng mà không gian làm việc giới hạn kích thước vật lý của thiết bị hàn. Các đầu mối hàn có thể được sử dụng trong các hàng ống dẫn lò hơi, nơi thợ hàn thủ công sẽ khó sử dụng một ngọn đuốc hàn. Nhiều lý do khác để sử dụng thiết bị quỹ đạo thay cho hàn thủ công. Ví dụ là các ứng dụng mà mối hàn không thể kiểm tra bên trong được.
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,… - Ngành công nghiệp thực phẩm, sữa và 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. Để đạt hiệu suất hệ thống đường ống tối đa, bề mặt trong ống phải càng trơn càng tốt. Bất kỳ rỗ khí, khe hở, khe nứt của mối hàn khuyết tật sẽ tạo ra vị trí phát sinh vi khuẩn có hại trong đường ống.
- Ngành dược phẩm: Dây chuyền chế biến dược phẩm và hệ thống đường ống nước yêu cầu độ tinh khiết cao, đòi hỏi các mối hàn chất lượng tốt để đảm bảo nguồn nước từ các ống không bị nhiễm khuẩn, rỉ sét hoặc chứa các chất gây ô nhiễm khác. Hàn quỹ đạo sẽ giúp đảm bảo mối hàn hoàn toàn không bị quá nhiệt, có thể giảm khả năng chống ăn mòn của của các đường ống. Các nghiên cứu trong và ngoài nước Các công trình nghiên cứu ngoài nước: Với các ưu điểm của hàn theo quỹ đạo, tính đến nay, một số nghiên cứu đã 6 Luan van được tiến hành và công bố như sau: - Mô phỏng và tối ưu hóa các thông số hàn theo quỹ đạo (Finite element simulation and optimization of orbital welding process parameters) của nhóm tác giả: Ruparekha Patro, Sharad K. Mục đích: Tìm ra sự ảnh hưởng của các thông số quá trình như dòng hàn, điện áp, tốc độ hàn, tốc độ dòng khí đến thông số nhiệt độ đầu vào và thấy rằng nhiệt độ đỉnh tăng mạnh với các thông số đầu vào trên.
Bên cạnh đó, nghiên cứu còn chỉ ra rằng các mô hình mô phỏng có khả năng dự đoán kết quả với sai số rất thấp. Từ đó tạo dữ liệu để tìm ra thông số hàn tốt nhất. Phương pháp nghiên cứu: Để ước tính thông số quá trình tối ưu bằng phương pháp thực nghiệm là khá phức tạp, do đó kỹ thuật mô phỏng được sử dụng để dự đoán kết quả. Trong bài báo này, quá trình hàn quỹ đạo được mô phỏng bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm phân tích cơ học ANSYS APDL 14.
Mô hình phần tử hữu hạn ba chiều giả định nguồn nhiệt phân bố Gauss đã được sử dụng để khảo sát sự phân bố nhiệt độ và sự phân bố ứng suất dư. Các lần chạy thử nghiệm được thực hiện dựa trên mảng trực giao L27 của phương pháp TAGUCHI với ống thép không gỉ AISI 304. Kết quả: Nghiên cứu này chỉ ra rằng các yếu tố chính ảnh hưởng đến nhiệt độ đầu vào là dòng điện và tốc độ hàn. Đồng thời cho ra bộ thông số tối ưu cho nhiệt độ đầu và hiệu suất sản xuất.
Trong đó, cường độ dòng hàn là 175A, hiệu điện thế 10V, tốc độ khí 11lít/phút, tốc độ hàn 2,2m/s, chiều dài hồ quang 2mm, tạo nên nguồn nhiệt đầu vào là 1789,4K. Giá trị: Dự đoán, mô phỏng tìm ra bộ thông số hàn theo quỹ đạo tối ưu, tiết kiệm thời gian, chi phí và góp phần cải thiện chất lượng mối hàn, phát triển công nghệ hàn theo quỹ đạo. 7 Luan van Hình 1.5: Mô phỏng mối hàn bằng phần mềm ANSYS APDL 14.6: Hình ảnh trong quá trình hàn đường ống theo quỹ đạo - 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 8 Luan van 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.7: 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 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%.