THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ GIA NHIỆT CHO DÂY HÀN TRONG QUY TRÌNH HÀN TIG TỰ ĐỘNG CÓ BÙ DÂY SV2022-181

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG 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 ĐỘNG CÓ BÙ DÂY SV2022-181 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TRÀ ẤN DƯƠNG 18143015 TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG 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 ĐỘNG CĨ BÙ DÂY SV2022-181 Thuộc nhóm nhành khoa học: Kỹ thuật - Ứng dụng SV thực hiện: Trà Ấn Dương Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp: 18143CLA3 Năm thứ: 4/Số năm đào tạo: Ngành học: Công Nghệ Chế Tạo Máy Người hướng dẫn: Th.S Trần Ngọc Thiện TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2022 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Cách tiếp cận 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quát Hàn TIG 2.1.1 Phương pháp hàn TIG 2.1.2 Ứng dụng 2.1.3 Ưu điểm 2.2 Tổng quát hàn TIG tự động theo quỹ đạo 2.2.1 Khái niệm 2.2.2 Ứng dụng .7 2.2.3 Những lợi ích hàn TIG tự động theo quỹ đạo .7 2.3 Bộ cấp dây 2.4 Que hàn phụ 2.5 Vật liệu SS304 2.6 Tiêu chuẩn AWS 2.7 Quy trình vận hành máy hàn TIG tự động theo quỹ đạo 2.8 Nhiệt lượng đầu vào 2.9 Điện trở sấy (thanh gia nhiệt) 2.10 Truyền nhiệt kim loại CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO 3.1 Tính tốn niệt lượng đầu vào cho dây bù hàn 3.1.1 Từ thơng số cơng trình nghiên cứu: 18 3.1.2 Sử dụng công thức tính tốn: .19 3.1.3 Nhiệt lượng cần bù .21 3.2 Mô phầm mềm Ansys 3.2.1 Mô trường hợp sử dụng gia nhiệt 22 3.2.2 Trường hợp mô gia nhiệt 23 3.2.3 Trường hợp mô gia nhiệt 24 3.2.4 Trường hợp mô gia nhiệt 25 3.2.5 Tổng quan kết mô phần mềm Ansys .26 3.2 Sơ đồ nguyên lý 3.3 Thanh gia nhiệt 3.4 Bộ gia nhiệt 3.4.1 Nhu cầu thiết kế gia nhiệt .29 3.5 Bộ điều khiển nhiệt độ CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM 4.1 Các bước tiếng hành thực nghiệm 4.2 Vật liệu gia nhiệt 4.3 Thông số thực nghiệm 4.4 Kết đạt CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Mô Ansys 5.2 Thực nghiệm thực tế 5.3 So sánh kết thực nghiệm mô .38 5.4 Đánh giá kết CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 6.1 Kiến thức 6.2 Ứng dụng thực tế gia nhiệt 6.3 Đánh giá mặt hạn chế gia nhiệt 6.4 Kết đạt 6.5 Hướng phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt AC ANSI API Ý nghĩa Alternative Current American National Standards Institute Amarican Petroleum Institute ASME American Engineers AWS American Welding Society DC Society of Mechanical Direct Current DCEN Direct Current Electrode Negative DCEP Direct Current Electrode Positive DIN GTAW HAZ Deutschs Institute for Normung Gas Tungsten Arc Welding Heat Affect Zone HI Heat Input ISO International Standarization Organization MIG/MAG Metal Inert Gas/Metal Active Gas SS Stanless Steel TIG Tungsten Inert Gas for DANH MỤC BẢNG Bảng 1.5 Thành phần thép không gỉ SS304 Bảng 7.1 Kí hiệu ý nghĩa thiết bị hàn Bảng 1.7 Giải thích chu trình làm việc máy hàn TIG tự động theo quỹ đạo [3] Bảng 3.1.5 Kết mô phần mềm ansys Bảng 3.2 Thành phần vật liệu SS304 Bảng 4.1 Mô ansys Bảng 4.2 Thông số gia nhiệt DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1.1 Mơ hàn TIG Hình 1.7- Quy trình làm việc máy hàn TIG tự động theo quỹ đạo.[3] Hình 1.9.1 Điện trở mẫu Hình 2.1 Thanh gia nhiệt phi 10 (que điện trở sấy phi) Hình 2.3 Bộ điều khiển nhiệt độ AX4-1a Hình 3.1.1Mơ trường hợp sử dụng gia nhiệt Hình 3.1.2 Trường hợp mơ gia nhiệt Hình 3.1.3 Trường hợp mơ gia nhiệt Hình 3.1.4 Trường hợp mơ gia nhiệt Hình 3.5.1 Mã mẫu S4 Hình 3.5.2 Mã mẩu S3 Hình 3.5.3 Mã mẫu S3 Hình 3.5.4 Mã mẫu S1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo gia nhiệt cho dây hàn quy trình hàn TIG tự động có bù dây - Chủ nhiệm đề tài: Trà Ấn Dương - Lớp: 18143CLA3 Mã số SV: 1814305 Khoa: Đào Tạo Chất Lượng Cao - Thành viên đề tài: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Trà Ấn Dương 18143005 18143CLA3 Đào Tạo Chất Lượng Cao Nguyễn Văn Hưng 20143342 20143CL3B Đào Tạo Chất Lượng Cao Nguyễn Tây 20143387 20143CL3B Đào Tạo Chất Lượng Cao Trần Minh Khôi 20143350 20143CL3B Đào Tạo Chất Lượng Cao - Người hướng dẫn: Th.S Trần Ngọc Thiện Mục tiêu đề tài: -Tìm hiểu phương pháp hàn TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây -Tính tốn, thiết kế chế tạo gia nhiệt dây kim loại bù -Thực nghiệm mức gia nhiệt dây khác Tính sáng tạo: Ứng dụng kiến thức học tìm hiểu Để chế tạo lên gia nhiệt cho dây hàn TIG vật liệu SS304 Tạo gia nhiệt cho dây bù hàn TIG Đặt mục tiêu gia nhiệt trình hàn thiện tính mối hàn tig Kết nghiên cứu: Hoàn thành chế tạo gia nhiệt Thực nghiệm tìm ảnh hưởng mơi trường truyền nhiệt lên giây hàn Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Ngày tháng năm Người hướng dẫn (kí, họ tên) 3.2 Sơ đồ nguyên lý Hình 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý Nguyên lý hoạt động thiết bị Bật thiết bị: Bộ điều khiển nhiệt nhận nguồn điện từ nguồn điện 220V Sau đó, tín hiệu điện truyền đến gia nhiệt, gia nhiệt có tác dung nung nóng gia nhiệt thi đạt nhiệt độ yêu cầu 400 độ C lúc cảm biến nhiệt truyền tính hiệu điền khiển đơng thời ngắt tính hiệu cho gia nhiệt không tiếp tục nung nhiệt độ 400 độ C cảm biến báo tính hiệu điều khiển đồng thời gia nhiệt cấp tính hiệu gia nhiệt trở lại 27 3.3 Thanh gia nhiệt Hình 3.3.1 Thanh gia nhiệt phi 10 (que điện trở sấy phi 10) (Nguồn: Internet) Ở sử dụng gia nhiệt với đường khính phi 10 nhiệt độ đầu gia nhiệt tới đa 1000 độ C Kích thước Ø10x100 (mm) Vật liệu thân Ø10, SUS304 Dây điện trở Cr20Ni80 Bột cách điện MgO Điện áp 220V Công suất 1500W Nhiệt độ sử dụng ≤ 300°C Bảng 3.3.1 Thông số gia nhiệt 28 3.4 Bộ gia nhiệt 3.4.1 Nhu cầu thiết kế gia nhiệt Việc gia nhiệt dây kim loại bù vào trình hàn TIG tự động theo quỹ đạo hướng nghiên cứu việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị hàn ống tự động nhằm tối ưu chất lượng đường hàn Vì thế, nghiên cứu tập trung vào việc tính tốn, thiết kế chế tạo gia nhiệt với mức nhiệt độ khác cho dây kim loại trước vào vũng hàn thực hàn mơ hình thiết bị hàn TIG tự động theo quỹ đạo có sẵng Hình 3.4.1.1 Hình ảnh minh họa (Nguồn: Internet) Để phù hợp với nhu cầu yêu cầu thiết kế chọn phương án thiết kế gia nhiệt với hình dáng chữ nhật dài gồm hai nắp ghép lại khoét đường rãnh phi để dây hàn qua bốn lỗ phi 11 lắp gia nhiệt giữ lại bạc chặng hai đầu đầu đầu dây Một cảm biến lắp thân gia nhiệt để dễ kiểm soát nhiệt nhiệt 29 Hình 3.4.1.2 Hình dạng gia nhiệt sơ khai Hình 3.4.1.2 Hình ảnh gia nhiệt thực tế 30 3.5 Bộ điều khiển nhiệt độ Để điều khiển gia nhiệt, sử dụng điều khiển nhiệt độ AX4-1a với thông số: BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ PID – DỊNG AX Màn hình LED đoạn – Ngõ vào: K, J, R, T, Pt100 Nguồn cấp: 100 ~ 240VAC – Thời gian lấy mẫu: 0.1s – Điều khiển PID On/Off Kích thước: 48 x 48 SSR + Relay + Relay Hình 2.3 Bộ điều khiển nhiệt độ AX4(Nguồn: Internet) 31 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM 4.1 Các bước tiếng hành thực nghiệm Bước Chuẩn bị thiết bị - Camera nhiệt độ - Bộ gia nhiệt - Dây bù kim loại hàn SS304 - Nguồn điện 220V - Bộ cấp dây cho thiết bị hàn obital - Tấm chắng gia nhiệt - Giá đở camera nhiệt - Máy tính sử lý ảnh từ camera nhiệt Bước Chuẩn bị camera nhiệt bù dây hợp lý - Camera nhiệt bố trí phía vng gốc với gia nhiệt nung cách khoảng 800-1000 mm để lấy hình xác - Bộ gia nhiệt đặt lên mặt phẳng song song với góc máy camera nhiệt, có ngăn để camera nhiệt chụp phần đầu dây bù khỏi nung Bước Tiếng hành nung - Cho dây chạy qua gia nhiệt theo tốc độ bảng thông số 4.2 - Tiếng hành nung Mã mẫu Tốc độ bù dây (mm/s) Nhiệt độ gia nhiệt (độ C) S1 4.4 400 S2 5.3 400 S3 5.9 400 S4 6.4 400 Bảng 4.2 Thông số gia nhiệt 32 Bước Tiếng hành chụp camera nhiệt sử lý ảnh - Mổi mã mẩu tiến hành chụp lần để đảm bảo kết - Kết cung cấp máy tính xử lý phần mềm Fluke 480 Pro 4.2 Vật liệu gia nhiệt Trong thí nghiệm này, sử dụng vật liệu dây bù hàn tig SS304 Dây hàn có đường kính ngồi 1mm Loại vật liệu vật liệu sử dụng phổ biến Việt Nam Với khả ứng dụng cao thành phần chúng thể bảng 3.2 Thành phần thép SS 304 (%) C, ≤ Si ≤ Mn ≤ P≤ S≤ Cr Ni Fe 0.08 0.75 0.04 0.03 18-20 8-12 Balance Bảng 3.2 Thành phần vật liệu SS304 4.3 Thông số thực nghiệm Thí nghiệm thực với năm mẫu hàn ứng với năm tốc độ dây khác chúng thể hình Mã mẫu Tốc độ bù dây (mm/s) Nhiệt độ gia nhiệt (độ C) S1 4.4 400 S2 5.3 400 S3 5.9 400 S4 6.4 400 33 Bảng 4.2 Thông số gia nhiệt 4.4 Kết đạt Mã mẫu S4 Hình 3.5.1 Mã mẫu S4 Đây mã mẩu cho kết không tốt với nhiệt độ nung setup 400 độ C tốc độ dây 6.4 mm/s qua ta thấy tốc độ nhanh nhiệt lượng truyền đạt hiệu suất thấp Mã mẩu S3 Hình 3.5.2 Mã mẩu S3 Với tốc độ dây 5.9 mm/s nhiệt độ nung 400 độ C nhiệt độ đầu mã mẩu cải thiện so với mã mẫu S4 cụ thể 14 độ C 34 Mã mẩu S2 Hình 3.5.3 Mã mẫu S3 Với nhiệt độ nung không đổi 400 độ C tốc độ dây 5.3mm/s nhiệt độ đầu dây lần cải thiện đáng kể cụ thể tăng lên 50 độ C so với mã mẩu S3 trước Nhưng vẩn chưa đạt kết mong muốn khoảng 200 độ C Mã mẩu S1 Hình 3.5.4 Mã mẫu S1 Đây mã mẩu cho kết khả quan cụ thể 165.1 độ C với tốc độ dây 4.4 mm/s nhiệt độ nung không đổi so với mã mẩu trước 400 độ C 35 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Mô Ansys 10 mm (phần nhô dây bù) 20 mm (phần nhô dây bù) 30 mm (phần nhô dây bù) 40 mm (phần nhô dây bù) 50 mm (phần nhô dây bù) 195.57 – pins 236.97 195.56236.96 195.57 236.97 195.56236.96 195.56236.96 154.21 – pins 195.62 154.22195.62 154.22 – 195.65 154.22195.62 154.21195.62 154.29 – pins 195.74 154.31195.74 154.3 195.73 154.3- 154.3- 195.75 195.75 pin 112.86154.34 113.05 154.57 112.86153.34 112.86154.34 112.99 – 154.52 Bảng 4.1 Mô Ansys Qua bảng tổng kết kết mơ ta dễ dàng nhận thấy trường hợp sử dụng gia nhiệt nhiệt độ đầu dây hàn đạt xấp xỉ 240 độ C, thấp trường hợp sử dụng gia nhiệt với nhiệt độ đầu dây bù 113 độ C 36 5.2 Thực nghiệm thực tế Khi thực nghiệm thực tế với thông số bảng 4.2 Mã mẫu Tốc độ bù dây (mm/s) Nhiệt độ gia nhiệt Nhiệt độ đầu dây (độ C) (độ C) S1 4.4 400 161.5 S2 5.3 400 154.7 S3 5.9 400 105.2 S4 6.4 400 92.0 Bảng 5.2 Kết gia nhiệt Ta nhận xét thấy kết chênh lệt lớn so với mô Ansys với nhiệt độ đầu lớn mã mẩu S1 với nhiệt độ 161.5 độ C tốc độ bù dây 4.4 (mm/s) Nhiệt độ đầu nhỏ mẫu S4 với nhiệt độ 92 độ C Với nhiệt độ tốt thực nghiệm 161.5 độ C ta có Q0=m c ∆t=1 kg × 0.5 HI = KJ × ( 434.65−303.15 ) K=65 KJ Kg K Q0 65000 = =0.5 J / mm L 160559.8417 Vậy so với nhiệt lượng đặt cho dây bù trước vào mối hàn 400 độ C 1.5 j / mm ta thiếu khoảng lần 37 5.3 So sánh kết thực nghiệm mô Ta so sánh kết khả quan thực nghiệm với mô phỏng: Với mẫu S1 có tốc độ bù dây 4.4(m/s), nhiệt độ gia nhiệt 400 độ C nhiệt độ đầu 161.5 độ C cịn mơ cho ta kết nhiệt độ đầu tới 240 độ C 5.4 Đánh giá kết Khi so sánh tổng quan kết mô kết thực tế đạt ta nhận kết thực tế cách xa với kết mô qua phần mềm Ansys không đạt mục tiêu nhiệt độ đề dây đầu dây 400 độ C nhiệt lượng đầu vào khoảng lần Kết số nguyên nhân tác động sau: - Khe hở thiết kế để dây bù qua (Ø3) lớn so với kích thước dây bù cụ thể (Ø1) dẩn đếm hiệu suất truyền nhiệt không đảm bảo - Các thông số ngoại cảnh tác động môi trường thực nghiệm không tuyệt đối mơ - Tốc độ bù dây cịn q nhanh để truyền nhiệt xảy hoàn hảo - Vật liệu vỏ phận bù dây không đủ tốt để chiệu nhiệt độ cao nên setup 400 độ C - Thao tác sử dụng camera nhiệt chưa chuẩn dẫn đến kết không chuẩn 38 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 6.1 Kiến thức Sau thực đề tài có kiến thức sâu hàn TIG, hàn quỹ đạo, truyền nhiệt kim loại Thu đuộc kết liên quan nhiệt độ đầu dây bù tốc độ cấp dây 6.2 Ứng dụng thực tế gia nhiệt Là phận gia nhiệt cho dây bù hàn giúp tăng tính mối hàn hiệu suất tiêu thụ điện trình hàn giảm cải thiện qua góp phần tăng lợi nhuận sản xuất doanh nghiệp ứng dụng Dần phát triển thành in 3D kim loại với chi phí rẻ thị trường 6.3 Đánh giá mặt hạn chế gia nhiệt 6.3.1 Về ứng dụng Chưa thể ứng dụng chưa đạt nhiệt độ yêu cầu, trọng lượng lớn so với moment quay thiết bị hàn obital 6.3.2 Về thiết kế Thiết bị chưa đáp ứng nhu cầu sử dụng thực tế cồng kềnh trọng lượng nặng Nhiệt độ đầu dây hàn chưa đạt yêu cầu đề Chưa sử dụng công nghệ tốt để trình gia nhiệt diển hiệu 6.4 Kết đạt Hoàn thành chế tạo gia nhiệt Thực nghiệm tìm ảnh hưởng môi trường truyền nhiệt lên giây hàn Đặt móng để thiết kế hồng thiện tương lai 6.5 Hướng phát triển Trong trình tiếng hành thực nghiệm nhận thấy kết đạt thấp so với mô mục tiêu đạt 39 Định hướng phát triển đề tài thời gian tới tối ưu hóa thiết bị để nhận lại kết tốt Cải tiến thiết kế lại cấp dây với trọng lượng thấp để tính linh hoạt ứng dụng nhiều Đóng góp cho trình nghiên cứu khoa học nói chung lĩnh vực gia nhiệt cho hàn dây hàn TIG nói riêng 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Subodh Kumar, A.S Shahi Effect of heat input on the microstructure and mechanical properties of gas tungsten arc welded AISI 304 stainless steel joints Materials and Design 32 (2011) 3617–3623 [2] AWS D18.1 [3] The orbital welding handbook PN-0509078 [4] ANSI/AWS A5.12A5.12M-98 [5] AWS A5.9/A5M:2006 [6] N.Jeyaprakash, Adisu Haile, M.Arunprasath The Parameters and Equipments Used in TIG Welding: A Review The International Journal Of Engineering And Science (IJES), Vol.4, Issue.2, PP.11-20, 2015 41 ... chế tạo lên gia nhiệt cho dây hàn TIG vật liệu SS304 Tạo gia nhiệt cho dây bù hàn TIG Đặt mục tiêu gia nhiệt trình hàn thiện tính mối hàn tig Kết nghiên cứu: Hoàn thành chế tạo gia nhiệt Thực... pháp hàn TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây -Tính tốn, thiết kế chế tạo gia nhiệt dây kim loại bù -Thực nghiệm mức gia nhiệt dây khác 3 Tính sáng tạo: Ứng dụng kiến thức học tìm hiểu Để chế tạo. .. vũng hàn thực hàn mơ hình thiết bị hàn TIG tự động theo quỹ đạo 1.3 Mục tiêu đề tài - Tìm hiểu phương pháp hàn TIG tự động theo quỹ đạo có bù dây - Tính tốn, thiết kế chế tạo gia nhiệt dây kim