BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ GIA NHIỆT CHO DÂY HÀN TRONG QUY TRÌNH HÀN TIG TỰ ĐỘ
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quát Hàn TIG
Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy hay còn gọi là hàn TIG là một quy trình sử dụng nhiệt của hồ quang điện được sinh ra giữa một điện cực Wonfram không nóng chảy và vật hàn Vùng ảnh hưởng nhiệt, vũng hàn và điện cực bằng Tungsten được bao bọc và bảo vệ bởi cột khí trơ Khí trơ (như Argon, Heli ) không tác dụng hóa học với kim loại nóng chảy, không cháy, không mùi, và trong suốt giúp cho thợ hàn có thể quan sát rõ quá trình hàn Có thể thêm vào một lượng nhỏ khí khác như Hydro để tăng vận tốc hàn.
Hình 1.1.1 Mô phỏng hàn TIG
Quy trình hàn TIG có thể sinh ra nhiệt độ lên đến 19.000°C Nguồn nhiệt trong quá trình hàn TIG chỉ dùng để nung chảy kim loại nền nên nếu mối hàn cần bổ sung thêm kim loại thì ta phải sử dụng que hàn phụ với kỹ thuật vào que
2.1.2 Ứng dụng Được dùng để hàn các vật liệu như hợp kim nhôm, thép không gỉ, hợp kim Niken,
Hàn các kim loại hoặc hợp kim như hàn Titan, Đồng đỏ, Magie,
Hàn các tấm kim loại mỏng hoặc các tấm kim loại khác nhau.
Có khả năng tập trung nhiệt lượng cao, vì thế có thể kiểm soát tốt nhiệt lượng đầu vào vật hàn Qua đó, tạo được độ ngấu cao và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nhỏ.
Không có xỉ hàn vì hàn TIG không dùng thuốc bảo vệ, thay vào đó là khí trơ được đưa vào trong quá trình hàn Vì không có thuốc bảo vệ nên có thể khắc phục được các khuyết tật từ thuốc vào vệ như lẫn xỉ, Ngoài ra, vì không có xỉ nên cũng không cần gõ vì thế tiết kiệm được thời gian.
Không có tia lửa điện và văng tóe vì phương pháp hàn này sử dụng điện cực không nóng chảy nên không có hiện tượng chuyển kim loại từ điện cực sáng vật hàn.
Tạo ra ít khói và khí hàn Hàn được nhiều vật liệu hàn như thép không gỉ, titan, nhôm, đồng, Là sự lựa chọn phù hợp cho phôi hàn mỏng Có thể ứng dụng để hàn 2 kim loại không đồng chất Tốc độ hàn chậm, năng suất thấp Yêu cầu tay nghề người thợ phải cao Khả năng điền đầy thấp nên phải sử dụng thêm que kim loại bù.
Cường độ hồ quang hàn trong hàn TIG rất mạnh làm tăng lượng tia cực tím, và từ đó tạo nên ozone và nitơ dioxide gây tổn hại cho mắt và da. Chi phí ban đầu cao (Chi phí cho các thiết bị)
Dễ xảy ra hiện tượng ngạt khí của công nhân nếu thực hiện quy trình hàn trong môi trường kín vì lúc này khí bảo vệ có thể nhiều hơn lượng oxi trong không khí.
Ngoài ra, việc bù kim loại trong hàn TIG cũng góp phần làm tăng độ khó cho việc vận hàn quy trình hàn này vì nó đòi hỏi sự đồng bộ giữa đôi tay của thợ hàn Qua đó, không thể đảm bảo được việc kim loại sẽ được bù đúng tốc độ và đồng nhất.
Tổng quát về hàn TIG tự động theo quỹ đạo
Hàn quỹ đạo là một quy trình hàn mà biên dạng di chuyển của chúng là hình tròn Có hai kiểu hàn quỹ đạo Thứ nhất là ống được gá cố định lên máy và các thiết bị đầu hàn quay 360 độ để thực hiện quy trình hàn Thứ hai là các thiết bị đầu hàn cố định và ống hàn sẽ được gá trên một motor quay 360 độ để thực hiện hàn Với thí nghiệm này chúng ta sử dụng loại thứ nhất.
Hàn quỹ đạo tự động là một điều kiện lý tưởng cho việc lặp lại một quy trình hàn với cùng một thông số nhiều lần Điều này phù hợp cho môi trường làm việc ở nhà máy khi họ yêu cầu nhiều mối hàn có cùng một thông số và chất lượng như nhau Chất lượng của một mối hàn TIG có độ xuyên thấu rất cao Vì quy trình hàn này được sử dụng trong một mối trường tự động nên sẽ hạn chế được các rủi ro như mối hàn không liên tục, kiểm soát khoảng cách từ điện cực đến bề mặt vật hàn, Ngoài ra, với quy trình này thì chúng an toàn hơn cho người vận hành và chi phí bảo trì thấp.
- Ứng dụng của hàn hàn quỹ đạo được dùng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.
- Dùng trong ngành công nghiệp thực phẩn, hàn các ống đẫn dung dịch thực phẩm.
- Dùng trong lĩnh vực y tế và công nghiệp y sinh.
- Chế tạo linh kiện bán dẫn.
- Ống dẫn dầu và các ống hạt nhân.
2.2.3 Những lợi ích của hàn TIG tự động theo quỹ đạo
Với các thiết bị được phát triển phục vụ cho công nghiệp hàn ống y sinh, 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 quỹ đạo với chương trình hàn chính xác sẽ cao hơn so với hàn thủ công Trong các ứng dụng như hàn ống vi sinh hoặc hàn ống dược 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, nơthợ hàn thủ công sẽ khó sử dụng một ngọn đuốc hàn.
Bộ cấp dây
Có được một bộ cấp dây phù hợp cho công việc là rất quan trọng Nó không chỉ có thể giúp cải thiện chất lượng mối hàn mà còn có thể hạ giá thành và tăng năng suất Bộ cấp dây phù hợp đảm bảo rằng người vận hành hàn dành nhiều thời gian hàn hơn thay vì chỉ để giải quyết các vấn đề liên quan đến cấp dây, điều này chắc chắn dẫn đến thời gian ngừng hoạt động không mong muốn.
Yếu tố đầu tiên cần xem xét khi chọn bộ cấp dây là tần suất sẽ sử dụng chúng, vì bộ cấp dây cần phải đủ bền để xử lý công việc Điều quan trọng không kém là yếu tố về loại và chiều dài súng hàn, cũng như loại và kích thước dây mà người vận hành hàn dự định sử dụng.
Ngoài ra, có ba dạng cơ bản của bộ cấp dây là hệ thống "đẩy", hệ thống "kéo" và hệ thống "đẩy-kéo" Trong hệ thống đẩy, dây được đẩy bởi bộ truyền động cấp dây, dây sẽ đi dọc theo ống dẫn đến mỏ hàn Đối với dây nhôm có thể bị mắc kẹt bên trong ống dẫn, dẫn đến việc cấp dây không đều ở mỏ hàn và trong những trường hợp nghiêm trọng, có một đoạn dây bị rối tại bộ phận cấp dây.
Hệ thống kéo sử dụng một tập hợp các cuộn dây trong tay cầm của mỏ hàn để kéo dây ra khỏi cuộn dây Sự sắp xếp này làm tăng trọng lượng của ngọn đuốc và không làm tăng khoảng cách mà dây có thể được cấp, điều này vẫn bị giới hạn trong khoảng 3,5 m, mặc dù tính nhất quán của nguồn cấp dây được cải thiện và có thể sử dụng đường kính dây xuống 0,8 mm.
Có ba loại bộ cấp dây chính để lựa chọn: cơ bản, trung cấp và nâng cao.
Trong đề tài này, chúng tôi đã sửa đổi thiết bị cấp dây phụ MIG bằng cách thêm hộp điều khiển tốc độ động cơ để thay đổi tốc độ của động cơ để đùn dây hàn Khi động cơ quay, ống cuộn dây sẽ quay và đưa kim loại bù ra ngoài với sự điều khiển của người dùng.
Thiết bị của do chúng tôi chế tạo bao gồm 3 bộ phận chính là: đầu bánh răng, động cơ và bộ điều khiển tốc độ theo tần số.
Que hàn phụ
Cuộn dây được sử dụng trong đề tài có đường kính của dây là 1mm. Các kiến thức về phần này được sử dụng trong bộ tiêu chuẩn AWS A5.9/A5.9M.
ER218: Thành phần gồm (tính theo %) 17Cr, 8.5Ni, 8Mn, 4Si và 0.13N Chủ yếu để hàn các kim loại cơ bản UNS S21800 Chúng là thép không gỉ Austenit được tăng cường nito để thê hiện độ bền cao và độ dẻo dai trong một phạm vi nhiệt độ rộng.
ER240: Thành phần gồm (tính theo %) 18Cr, 5Ni, 12Mn và 0.2N. Chủ yếu dùng để hàn các kim loại cơ bản UNS S24000 và UNS S24100. Các hợp kim này là thép không gỉ Austenit được tăng cường nitơ có độ bền cao và độ dẻo dai tốt trong một loạt các nhiệt độ.
ER308: Thành phần gồm (tính theo %) 21Cr, 10Ni Các thông số kỹ thuật thương mại cho kim loại phụ và kim loại cơ bản khác nhau trong các yêu cầu tái tạo hợp kim tối thiểu; do đó, các tên 18-8, 19-9 và 20-10 thường được liên kết với các kim loại phụ của loại này Loại này thường được sử dụng để hàn các kim loại cơ bản có thành phần tương tự, đặc biệt là Loại 304.
ER309: Thành phần gồm (tính theo %) 24Cr, 13Ni Các kim loại phụ thuộc phân loại này thường được sử dụng để hàn các hợp kim tương tự ở dạng rèn hoặc đúc Đôi khi, chúng được sử dụng để hàn loại 304 và các kim loại cơ bản tương tự, nơi có điều kiện ăn mòn nghiêm trọng đòi hỏi kim loại hàn hợp kim cao hơn Chúng cũng được sử dụng trong các mối hàn kim loại khác nhau, chẳng hạn như nối Loại 304 với thép cacbon, hàn mặt phủ của thép phủ loại 304 và áp dụng lớp lót tấm thép không gỉ cho vỏ thép cacbon.
ER309Mo: Phân loại này giống với ER309, ngoại trừ việc bổ sung 2,0 đến 3,0% denum molyb để tăng khả năng chống ăn mòn rỗ của nó trong môi trường chứa halogenua Ứng dụng chính cho kim loại phụ này là phủ bề mặt các kim loại cơ bản để cải thiện khả năng chống ăn mòn của chúng ER309Mo được sử dụng để đạt được lớp phủ một lớp bằng vật liệu tổng hợp hóa học tương tự như của thép không gỉ 316 Nó cũng được sử dụng cho lớp đầu tiên của lớp phủ nhiều lớp với kim loại phụ như thép không gỉ ER316 hoặc ER317 Nếu không có lớp 309Mo đầu tiên, các nguyên tố như crom và molypden có thể bị giảm đến mức không thể chấp nhận được trong các lớp liên tiếp bằng cách pha loãng từ kim loại cơ bản Các ứng dụng khác bao gồm hàn các lớp lót bằng thép không gỉ có chứa molypden với vỏ thép cacbon, nối các kim loại cơ bản bằng thép cacbon đã được phủ với thép không gỉ chứa molypden và nối các kim loại cơ bản khác nhau như thép cacbon thành loại thép không gỉ304.
Vật liệu SS304
Vật liệu SS304 là loại thép không gỉ thông dụng nhất Thép chứa cả crom (từ 18% đến 20%) và niken (từ 8% đến 10,5%) Là một loại thép không gỉ Austenit Chúng có tính dẫn điện và dẫn nhiệt kém hơn thép cacbon Điều đặc biệt của loại thép này là khả năng chống ăn mòn rất lơn và được sử dụng rộng rãi vì dễ dàng tạo thành các hình dạng khác nhau.
C, ≤ Si≤ Mn≤ P≤ S≤ Cr Ni Fe
Bang 1.5 Thành phần của thép không gỉ SS304
Vì vật liệu SS304 là một loại thép không gỉ nên chúng được sử dụng nhiều các lĩnh lực như chậu rửa chén nhà bếp, đồ gia dụng như dao; hộp đựng hóa chất để dự chữ hoặc vận chuyển; thiết bị chế biến thực phẩm trong nhà máy như bia, sữa, ; dùng để sản xuất linh kiện ô tô hoặc linh kiện của ngành hàng không vũ trụ; sử dụng để làm dụng cụ trong lĩnh vực y tế hoặc y sinh, v.v
Tiêu chuẩn AWS
Ngày nay, ngành công nghiệp hàn đang ngày một phát triển với tốc độ rất lớn Vì thế nhu cầu cấp bách là phải có một bộ tiêu chuẩn chung để đồng bộ hóa các tiêu chuẩn.
Tất cả các tiêu chuẩn AWS đều được phê duyệt bởi Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (ANSI) Khi phát triển tiêu chuẩn, AWS tuân theo một bộ quy tắc và yêu cầu nghiêm ngặt nhằm chi phối không chỉ quy trình phê duyệt tiêu chuẩn mà còn chi phối tất cả các ủy ban kỹ thuật chịu trách nhiệm duy trì chúng Các tiêu chuẩn AWS được hỗ trợ bởi các tình nguyện viên chuyên về các chuyên ngành khác nhau như kết cấu, hàng không vũ trụ, đường sắt, ô tô, robot, đóng tàu và hàng hải, cầu, thiết bị nặng, đường ống và ống, kim loại tấm, hàn, hàn, nhựa, phun nhiệt, các nhà sản xuất sản phẩm hàn và các ứng dụng chung.
AWS cũng xuất bản nhiều tiêu chuẩn và tài liệu về an toàn và sức khỏe trong lĩnh vực hàn.
Quy trình vận hành máy hàn TIG tự động theo quỹ đạo
Hình 1.7- Quy trình làm việc của máy hàn TIG tự động theo quỹ đạo.[3]
Với sơ đồ quy trình trên với trục hoành là mốc thời gian của chu trình và trục tung là các yêu tố trong quá trình vận hành.
Cường độ dòng hàn Đầu hàn
Bang 7.1 Kí hiệu và ý nghĩa của các thiết bị trên bộ hàn
1 Bắt đầu chu trình hàn
1 to 2 Che chắn dòng khí trong thời gian lập trình trước dòng chảy trước khi đánh lửa hồ quang
2 Sự bốc cháy của hồ quang và sự bắt đầu của dòng điện hàn xung.
2 to 3 Độ trễ của việc cấp dây
2 to 4 Độ trễ của vòng quay
4 Bắt đầu quay ngọn đuốc
5 Bắt đầu một khu vực mới nơi dòng điện hàn được sửa đổi
6 Kết thúc cấp dây Nói chung, điểm cuối cấp dây được đặt ở vị trí gần đúng 3600
7 Bắt đầu giảm dòng điện mối hàn trước khi hồ quang cuối cùng được tắt Nói chung, dây xuống được đặt ở vị trí 3600 + 50 đến
100 của chồng chéo để làm nóng chảy lại phần đầu của đường hàn và để đảm bảo mối nối hoàn hảo ở cuối mối hàn
7 to 8 Thời gian giảm dòng hàn để hoàn thành mối hàn mà không có vết nứt và hình thành miệng núi lửa
8 Dập tắt hồ quang và dừng quay
8 to 9 Khoảng thời gian sau dòng khí để bảo vệ vùng hàn của chi tiết gia công cho đến khi đạt đến nhiệt độ đủ thấp và để bảo vệ điện cực vonfram nóng chống lại oxy của khí quyển.
9 Che chắn khí dừng và kết thúc chu trình hàn.
Bang 1.7 Giai thích chu trình làm việc của máy hàn TIG tự động theo quỹ đạo.[3]
Nhiệt lượng đầu vào
Chúng ta không thể đo được nhiệt lượng đầu vào, thay vào đó chúng ta chỉ có thể tính toán được chúng Nhiệt lượng đầu vào ảnh hưởng nhiều đến tốc độ làm mát và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) Theo một số tài liệu nghiên cứu nhận định Nhiệt lượng đầu vào nhỏ sẽ làm giảm thời gian làm nguội hay nói cách khác là đông đặc nhanh Qua đó tránh được việc cấu trúc tế vi của vật liệu hàn bị thay đổi nên tránh được việc độ bền cơ học bị thay đổi.
Trong các phương pháp hàn thủ công, thì việc tính toán được nhiệt lượng đầu vào thực sự rất khó Tại nó yêu cầu tay nghề người thợ ở một mức độ rất cao để đảm bảo chiều dài hồ quang ở mức ổn định và liên tục. Ngoài ra, tốc độ di chuyển cũng ảnh hưởng rất lớn đến giá trị nhiệt lượng đầu vào. Để đánh giá chất lượng mối hàn, ta giựa vào nhiệt lượng đầu vào để tìm kiếm sự ảnh hưởng của nó đến chất lượng mối hàn.
Nhiệt lượng đầu vào được tính theo công thức [3]
HI: nhiệt lượng đầu vào.
S: tốc độ hàn hay tốc độ quay của đầu hàn.
Điện trở sấy (thanh gia nhiệt)
Thanh gia nhiệt (Điện trở một đầu) là thiết bị được ứng dụng nhiều trong máy ép nhựa, ngành công nghiệp nhựa, bao bì, dây, khuôn đúc - Làm nóng dao cắt giúp việc cắt dễ dàng hơn: Cắt dây điện, dây thừng, bao bì, cắt bên đẹp lấy ngay - Đun nóng nước, dung dịch - Tỏa nhiệt, làm khô vật liệu,sản phẩm khác.
Hình 1.9.1 Điện trở mẫu (Nguồn: Internet).
Công suất được xác định theo tải trọng bề mặt và kích thước Tải trọng bề mặt chung là:
Vượt quá tiêu chuẩn này, tải trọng bề mặt của ống gia nhiệt càng lớn, tuổi thọ càng ngắn.
Các vật liệu khác nhau được lựa chọn theo môi trường làm việc và nhiệt độ làm việc.
- Nhiệt độ làm việc khoảng 100-300 độ, và ống gia nhiệt có thể được làm bằng thép không gỉ 304.
- Nhiệt độ làm việc khoảng 400-500 độ, và vật liệu ống gia nhiệt có thể là thép không gỉ 321.
- Nhiệt độ làm việc khoảng 600-700 độ, và ống gia nhiệt có thể được làm bằng thép không gỉ 310S.
Lựa chọn hợp lý vật liệu làm thanh gia nhiệt có thể kiểm soát hiệu quả tuổi thọ của thanh gia nhiệt (Lưu ý: Nung khuôn có rung hay không,nếu có rung thì nên dùng dây niken-crom có độ mềm dẻo tốt
Khoảng cách giữa đường kính của thanh gia nhiệt và lỗ của khuôn mẫu
Do tác dụng cản trở dẫn nhiệt của không khí, khi khe hở giữa đường kính của thanh gia nhiệt và lỗ của khuôn mẫu quá lớn, nhiệt độ bề mặt của ống gia nhiệt không thể truyền kịp thời đến khuôn sẽ làm cho nhiệt độ bề mặt của khuôn ống sưởi điện tiếp tục tăng lên, do đó làm tăng nhiệt độ bên trong của ống điện sưởi ấm Khi nhiệt độ bên trong tăng đến một mức độ nhất định, thanh gia nhiệt sẽ cháy hết và thậm chí nổ. Đồng thời, khe hở giữa đường kính của thanh gia nhiệt và lỗ khuôn mẫu không được quá nhỏ, vì thanh gia nhiệt khuôn sẽ bị giãn nở do nguyên lý giãn nở nhiệt và co lại sau khi được lắp đặt và đóng điện vào nhiều khuôn không thể lấy ra ngoài khi thanh gia nhiệt bị hỏng Thông thường khoảng cách giữa đường kính thanh gia nhiệt và đường kính lỗ khuôn là 0.1 - 0.2 mm là tốt nhất.
Truyền nhiệt kim loại
Trong nhiệt học, dẫn nhiệt (hay tán xạ nhiệt, khuếch tán nhiệt) là việc truyền năng lượng nhiệt giữa các phân tử lân cận trong một chất, do một chênh lệch nhiệt độ Nó luôn luôn diễn ra từ vùng nhiệt độ cao hơn tới vùng nhiệt độ thấp hơn, theo định luật hai của nhiệt động học, và giúp cân bằng lại sự khác biệt nhiệt độ Theo định luật bảo toàn năng lượng, nếu nhiệt năng không bị chuyển thành dạng khác, thì trong suốt quá trình này, nhiệt năng sẽ không bị mất đi. Đại lượng đo lường sự dẫn nhiệt trong một vật chất nhất định nào đó là độ dẫn nhiệt.
Khác với đối lưu, trong dẫn nhiệt, sự trao đổi nhiệt năng không kèm theo bất kỳ sự chuyển động với số lượng lớn các phân tử vật chất.
Dẫn nhiệt diễn ra trong tất cả các dạng của vật chất, tức chất rắn, chất lỏng, khí và plasma Trong các chất rắn, đó là do sự kết hợp của dao động của các phân tử trong cấu trúc tinh thể và vận chuyển năng lượng của điện tử tự do Trong các chất khí và chất lỏng, dẫn nhiệt là do sự va chạm và khuếch tán của các phân tử trong chuyển động ngẫu nhiên của chúng.
Ngoài dẫn nhiệt và đối lưu, nhiệt năng cũng có thể được trao đổi bởi bức xạ, và thường là nhiều hơn một trong những quá trình này xảy ra trong một tình huống trao đổi nhiệt nhất định.
TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO
Tính toán niệt lượng đầu vào cho dây bù hàn
3.1.1 Từ thông số của công trình nghiên cứu:
Theo bài báo ‘On mechanical and morphological investigations of tungsten inert gas welded SS 304 thin pipe joints’
Dòng điện hàn và mức tốc độ hàn đã được chọn Dòng điện hàn dưới
60 A dẫn đến thiếu độ ngấu của mối hàn trong khi dòng điện hàn trên 90 A làm tan chảy đường ống dày 2,11 mm Do đó, dòng điện hàn là 60 đến 90
A và tốc độ hàn là 2-3 mm / s Đầu vào nhiệt hàn được tính toán như sau:
Vật liệu được sử dụng trong thí nghiệm này là hai phần ống có cùng đường kính bên ngoài (OD), bên trong đường kính (ID) và độ dày Vật liệu ống được sử dụng là SS 304 Hình 1 cho thấy đường ống SS 304 của Đường kính ngoài 84,22 mm, ID 80 mm và độ dày 2,11 mm Các vật liệu độn được sử dụng trong thí nghiệm này là ER 304 SS.
Từ các công thức trên, áp dụng tính toán thì tất cả các thông số hàn đều cóU=9.6 V.
Tuy nhiên các heat input trên chỉ là nhiệt để nung chảy hai khối kim loại hàn Còn nhiệt lượng để nung chảy thêm TIG rod thì chưa có, vì thế dự tính sẽ tính toán nhiệt lượng như sau:
3.1.2 Sử dụng các công thức tính toán:
Công thức tính nhiệt lượng:
Q = m c ∆t Trong đó: m: khối lượng vật (kg) c là nhiệt dung riêng của chất, được đo bằng J/kg.K
Q là nhiệt lượng mà vật thu vào hoặc toả ra Có đơn vị là Jun (J)
∆t là độ thay đổi nhiệt độ hay nói khác là biến thiên nhiệt độ (Độ C hoặc K)
Công thức tính khối lượng riêng:
D: khối lượng riêng (kg/m 3 ) m: khối lượng vật (kg)
Trước tiên ta áp dụng công thức tính nhiệt lượng: Được biết:
Ta xét khối lượng của SS304 là 1kg.
Nhiệt độ nóng chảy của SS304 là1400 � � ÷ 1450 � � = 1673.15 � � ÷ 1273.15 � �
Nhiệt độ phòng của SS304 là 30 � � ÷ 40 � � = 303.15 � � ÷ 313.15 � �
−→ nhiệt lượng để nung chảy 1Kg SS304 là Q = 685 KJ ÷ 705KJ
Thứ đến, dùng công thức tính khối lượng riêng để tìm được chiều dài của 1Kg SS340 với đường kính là 1 mm là bao nhiêu.
Ta có diện tích hình tròn hay diện tích mặt cắt của dây TIG rod là:
Khi dây được duỗi thẳng thì trông như một hình trụ đứng dài với diện tích đáy là S và chiều cao hay chiều dài là L.
Nhiệt lượng để nung chảy 1 thanh TIG rod với đường kinh là 1 mm là:
Với mỗi heatinput ta cộng thêm từ(4.266 ÷ 4.391) J/mm.
Vậy để đạt mục đích bù ít nhất 25% nhiệt lượng đầu vào cho dây bù hàn ta cần gia nhiệt cho dây bù hàn trước khi vào mối hàn phải đạt ít nhất là 400 độ C
Mô phỏng trên phầm mềm Ansys
3.2.1 Mô phỏng trường hợp sử dụng một thanh gia nhiệt
Hình 3.1.1Mô phỏng trường hợp sử dụng một thanh gia nhiệt
Với một thanh gia nhiệt ta thấy nhiệt độ đầu ra của dây bù hàn đạt từ112,99 – 154,52 °C.
3.2.2 Trường hợp mô phỏng 2 thanh gia nhiệt
Hình 3.1.2 Trường hợp mô phỏng 2 thanh gia nhiệt
Với 2 thanh gia nhiệt ta thấy nhiệt độ đầu ra của dây bù hàn đạt từ 154.29 –195.74°C
3.2.3 Trường hợp mô phỏng 3 thanh gia nhiệt
Hình 3.1.3 Trường hợp mô phỏng 3 thanh gia nhiệt
Với 3 thanh gia nhiệt ta thấy nhiệt độ đầu ra của dây bù hàn đạt từ154.21 – 195.62°C
3.2.4 Trường hợp mô phỏng 4 thanh gia nhiệt
Hình 3.1.4 Trường hợp mô phỏng 4 thanh gia nhiệt
Với 4 thanh gia nhiệt ta thấy nhiệt độ đầu ra của dây bù hàn đạt từ195.57 – 236.97 °C.
3.2.5 Tổng quan kết quả mô phỏng bằng phần mềm Ansys
10 mm 20 mm 30 mm 40 mm 50 mm
Bang 3.1.5 Kết qua mô phỏng phần mềm Ansys
Như vậy với trường hợp 4 thanh gia nhiệt sẽ cho nhiệt độ đầu ra của dây bù tối ưu nhất nên ta chọn sử dụng trường hợp trên cho thiết kế lần này. Để đạt được các thông số như tính toán.
Chúng tôi chế tạo bộ nung gia nhiệt bằng phương pháp nung với bộ phận bao gồm 4 thanh gia nhiệt và một bộ điều khiển, cảm biến.
Theo như thông số mong muống đạt được chúng tôi setup bộ điều khiển khi bộ gia nhiệt nung lên tới 400 độ C thì bộ điều khiển sẽ tự động ngắt ngưng nung và khi nhiệt độ xuống dưới 400 thì bộ gia nhiệt sẽ được kích hoạt trở lại.
Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý
Nguyên lý hoạt động của thiết bị Bật thiết bị: Bộ điều khiển nhiệt sẽ được nhận nguồn điện từ nguồn điện 220V Sau đó, tín hiệu điện sẽ truyền đến 4 thanh gia nhiệt, thanh gia nhiệt có tác dung nung nóng bộ gia nhiệt cho tới thi đạt nhiệt độ yêu cầu là 400 độ C lúc này cảm biến nhiệt sẽ truyền tính hiệu về bộ điền khiển đông thời ngắt tính hiệu cho thanh gia nhiệt không tiếp tục nung cho đến khi nhiệt độ của bộ là dưới 400 độ C thì cảm biến sẽ báo tính hiệu về bộ điều khiển đồng thời thanh gia nhiệt sẽ được cấp tính hiệu gia nhiệt trở lại.
Thanh gia nhiệt
Hình 3.3.1 Thanh gia nhiệt phi 10 (que điện trở sấy phi 10)
(Nguồn: Internet) Ở đây chúng tôi sử dụng 4 thanh gia nhiệt với đường khính phi 10 để có thể cho nhiệt độ đầu ra ở bộ gia nhiệt tới đa là 1000 độ C
Dây điện trở Cr20Ni80
Bột cách điện MgO Điện áp 220V.
Bang 3.3.1 Thông số thanh gia nhiệt
Bộ gia nhiệt
3.4.1 Nhu cầu thiết kế bộ gia nhiệt
Việc gia nhiệt dây kim loại bù vào quá trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo là một hướng nghiên cứu tiếp theo trong việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị hàn ống tự động nhằm tối ưu chất lượng đường hàn Vì thế, trong nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc tính toán, thiết kế và chế tạo bộ gia nhiệt với các mức nhiệt độ khác nhau cho dây kim loại trước khi vào vũng hàn được thực hàn bằng mô hình thiết bị hàn TIG tự động theo quỹ đạo đã có sẵng
Hình 3.4.1.1 Hình anh minh họa
(Nguồn: Internet) Để phù hợp với nhu cầu cũng như yêu cầu thiết kế của bộ chúng tôi chọn phương án thiết kế bộ gia nhiệt với hình dáng thanh chữ nhật dài gồm hai nắp trên và dưới ghép lại được khoét một đường rãnh phi 3 ở giữa để dây hàn đi qua và bốn lỗ phi 11 lắp thanh gia nhiệt được giữ lại bằng bạc chặng ở hai đầu và một đầu là đầu ra dây.
Một cảm biến được lắp trên thân bộ gia nhiệt để dễ kiểm soát nhiệt nhiệt của bộ
Hình 3.4.1.2 Hình dạng bộ gia nhiệt sơ khai
Hình 3.4.1.2 Hình anh bộ gia nhiệt thực tế
Bộ điều khiển nhiệt độ
Để điều khiển bộ gia nhiệt, chúng tôi sử dụng một bộ điều khiển nhiệt độ AX4-1a với thông số: BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ PID – DÒNG AX Màn hình LED 7 đoạn – Ngõ vào: K, J, R, T, Pt100
Nguồn cấp: 100 ~ 240VAC – Thời gian lấy mẫu: 0.1s – Điều khiển PID hoặc On/Off
Hình 2.3 Bộ điều khiển nhiệt độ AX4-
THỰC NGHIỆM
Các bước tiếng hành thực nghiệm
Bước 1 Chuẩn bị thiết bị
- Dây bù kim loại hàn SS304
- Bộ cấp dây cho thiết bị hàn obital
- Tấm chắng bộ gia nhiệt
- Máy tính sử lý ảnh từ camera nhiệt Bước 2 Chuẩn bị camera nhiệt và bộ bù dây hợp lý
- Camera nhiệt được bố trí phía trên vuông gốc với bộ gia nhiệt khi nung và cách khoảng 800-1000 mm để lấy được hình chính xác nhất.
- Bộ gia nhiệt được đặt lên mặt phẳng song song với góc máy của camera nhiệt, có tấm ngăn để camera nhiệt chỉ chụp được phần đầu dây bù khi ra khỏi bộ nung.
- Cho dây chạy qua bộ gia nhiệt theo tốc độ ở bảng thông số 4.2
Mãmẫu Tốc độ bù dây
(mm/s) Nhiệt độ bộ gia nhiệt (độ C)
Bang 4.2 Thông số gia nhiệt
Bước 4 Tiếng hành chụp bằng camera nhiệt và sử lý ảnh
- Mổi mã mẩu tiến hành chụp 3 lần để đảm bảo kết quả.
- Kết quả sẽ được cung cấp về máy tính và xử lý bằng phần mềm Fluke 480 Pro.
Vật liệu gia nhiệt
Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng vật liệu dây bù hàn tig SS304 Dây hàn có đường kính ngoài là 1mm Loại vật liệu này là vật liệu được sử dụng phổ biến ở Việt Nam Với khả năng ứng dụng rất cao thành phần của chúng được thể hiện ở bảng 3.2
C,≤ Si≤ Mn≤ P≤ S≤ Cr Ni Fe
Bang 3.2 Thành phần của vật liệu SS304.
Thông số thực nghiệm
Thí nghiệm này thực hiện với năm mẫu hàn ứng với năm tốc độ ra dây khác nhau và chúng được thể hiện trong hình dưới.
Mã mẫu Tốc độ bù dây (mm/s) Nhiệt độ bộ gia nhiệt (độ C)
Kết quả đạt được
Hình 3.5.1 Mã mẫu S4 Đây là mã mẩu cho ra kết không tốt nhất với nhiệt độ nung setup là
400 độ C và tốc độ ra dây là 6.4 mm/s qua đó ta có thể thấy được tốc độ càng nhanh nhiệt lượng được truyền đạt hiệu suất càng thấp.
Với tốc độ ra dây là 5.9 mm/s và nhiệt độ bộ nung là 400 độ C thì nhiệt độ đầu ra ở mã mẩu này được cải thiện hơn so với mã mẫu S4 cụ thể là 14 độ C.
Với nhiệt độ bộ nung không đổi là 400 độ C và tốc độ ra dây là 5.3mm/s thì nhiệt độ đầu dây ra ở lần này được cải thiện đáng kể cụ thể là tăng lên hơn 50 độ C so với mã mẩu S3 trước Nhưng vẩn chưa đạt được kết quả mong muốn là khoảng 200 độ C.
Hình 3.5.4 Mã mẫu S1 Đây là mã mẩu cho kết quả khả quan nhất cụ thể là 165.1 độ C với tốc độ ra dây là 4.4 mm/s và nhiệt độ bộ nung không đổi so với các mã mẩu trước là 400 độ C.
KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
Mô phỏng Ansys
(phần nhô ra của dây bù)
20 mm (phần nhô ra của dây bù)
30 mm (phần nhô ra của dây bù)
40 mm (phần nhô ra của dây bù)
50 mm (phần nhô ra của dây bù)
Qua bảng tổng kết của các kết quả mô phỏng ta có thể dễ dàng nhận thấy ở trường hợp sử dụng 4 thanh gia nhiệt thì nhiệt độ đầu ra của dây hàn có thể đạt xấp xỉ 240 độ C, và thấp nhất ở trường hợp sử dụng một thanh gia nhiệt với nhiệt độ đầu ra của dây bù là 113 độ C.
Thực nghiệm thực tế
Khi thực nghiệm thực tế với thông số ở bảng 4.2
Mã mẫu Tốc độ bù dây (mm/s) Nhiệt độ bộ gia nhiệt (độ C)
Nhiệt độ đầu dây ra (độ C)
Bang 5.2 Kết qua gia nhiệt.
Ta có thể nhận xét thấy kết quả là chênh lệt rất lớn so với mô phỏng Ansys với nhiệt độ đầu ra lớn nhất là mã mẩu S1 với nhiệt độ là 161.5 độ C ở tốc độ bù dây là 4.4 (mm/s) Nhiệt độ đầu ra nhỏ nhất ở mẫu S4 với nhiệt độ là 92 độ C.
Với nhiệt độ tốt nhất của thực nghiệm 161.5 độ C ta có
Vậy so với nhiệt lượng đặt ra cho dây bù trước khi vào mối hàn ở
400 độ C là 1.5 j / mm ta còn thiếu khoảng 3 lần.
So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng
Ta so sánh kết quả khả quan nhất của thực nghiệm với mô phỏng:
Với mẫu S1 có tốc độ bù dây 4.4(m/s), nhiệt độ bộ gia nhiệt 400 độ C thì nhiệt độ đầu ra 161.5 độ C còn mô phỏng cho ta kết quả nhiệt độ đầu ra tới 240 độ C.
Đánh giá kết quả
Khi so sánh tổng quan giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực tế đạt được ta nhận ra kết quả thực tế còn cách khá xa với kết quả mô phỏng qua phần mềm Ansys và không đạt được mục tiêu nhiệt độ đề ra là dây ra ở đầu dây ít nhất là 400 độ C và nhiệt lượng đầu vào còn kém khoảng 3 lần.
Kết quả này có thể do một số nguyên nhân tác động như sau:
- Khe hở thiết kế để dõy bự đi qua (ỉ3) là quỏ lớn so với kớch thước của dõy bự cụ thể là (ỉ1) dẩn đếm hiệu suất truyền nhiệt khụng được đảm bảo.
- Các thông số ngoại cảnh tác động của môi trường thực nghiệm không được tuyệt đối như mô phỏng.
- Tốc độ bù dây còn quá nhanh để sự truyền nhiệt được xảy ra hoàn hảo.
- Vật liệu vỏ bộ phận bù dây không đủ tốt để chiệu được nhiệt độ cao nên chỉ setup ở 400 độ C.
- Thao tác sử dụng camera nhiệt chưa được chuẩn dẫn đến kết quả không được chuẩn.