Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ đến sự hình thành mối hàn khi hàn kết cấu thép tấm ở vị trí 1G

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC BẢO VỆ ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH MỐI HÀN KHI HÀN KẾT CẤU THÉP TẤM Ở VỊ TRÍ 1G ĐƠN VỊ CHỦ TRÌ: KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: NGUYỄN VĂN ĐỒNG Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2017 Trang MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Nhiệm vụ phạm vi nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Một số vấn đề lý thuyết hàn 2.1.1 Sự hình thành mối hàn 2.1.1.1 Khái niện mối hàn 2.1.1.2 Sự tạo thành bể hàn 2.1.1.3 Sự dịch chuyển kim loại lỏng từ điện cực vào bể hàn 2.1.2 Cấu trúc kim loại mối hàn 2.1.2.1 Vùng mối hàn 2.1.2.2 Vùng ảnh hưởng nhiệt yếu tố ảnh hưởng đến kích thước khu vực ảnh hưởng nhiệt 2.1.2.3 Đặc điểm 2.1.2.4 Phân loại hàn 2.2 Tổng quan phương pháp hàn tự động lớp thuốc 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý hàn tự động lớp thuốc 1 1 2 4 4 8 13 13 15 15 2.2.2 Đặc điểm trình hàn hồ quang lớp thuốc ứng dụng 16 2.2.2.1 Ưu điểm phương pháp hàn 2.2.2 Nhược điểm phương pháp hàn 2.2.2 Tổ chức kim loại hàn 2.2.3 Ảnh hưởng thơng số cơng nghệ hàn đến hình thành mối hàn 2.2.3.1 Ảnh hưởng dòng điện hàn 2.2.3 Ảnh hưởng điện áp hàn 2.2.3.3 Ảnh hưởng tiết diện điện cực 2.2.3 Ảnh hưởng tốc độ hàn 2.3 Thiết bị hàn tự động Trang 17 17 17 19 20 21 22 23 25 2.3.1 Bộ thiết bị hàn tự động lớp thuốc 2.3.2 Trang thiết bị hỗ trợ 2.4 Sự hình thành mối hàn khơng gian 2.4.1 Phân loại vị trí mối hàn khơng gian 2.4.2 Vị trí hàn theo tiêu chuẩn AWS 2.4.3 Vị trí hàn theo tiêu chuẩn Việt Nam CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 3.1 Vật liệu mẫu 3.2 Thiết bị dụng cụ đo kiểm 3.2.1 Thiết bị hàn 3.2.2 Dụng cụ đo kiểm 3.3 Chế độ hàn 3.3.1 Tính tốn chế độ hàn 3.3.2 Tính tốc độ hàn 3.4 Xây dựng kế hoạch thực nghiệm 3.4.1 Xác định yếu tố ảnh hưởng 3.4.2 Xác định số lượng mẫu thí nghiệm 3.4.3 Chuẩn bị phôi 3.4.4 Chọn tần số xác định khoảng biến thiên 3.4 5.Hàn mẫu 3.4 Đo kích thước mối hàn phôi mẫu 3.5 Xử lý số liệu thực nghiệm 3.6 Tính hệ số bj mơ hình chiều rộng mối hàn: 25 26 27 27 28 30 31 31 32 33 33 34 34 35 35 35 35 36 36 39 39 39 42 3.7 Kết thảo luận CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 4.1 Kết luận 4.2 Kiến nghị 4.3 Hướng phát triển đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 49 49 49 50 51 Trang CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Hiện ngành Hàn phát triển mạnh mẽ với đời phương pháp hàn mới, thiết bị hàn ngày đại nhằm giảm bớt sức lao động đem đến cho người sản phẩm với chất lượng ngày cao Một công nghệ hàn Việt Nam cơng nghệ hàn tự động lớp thuốc bảo vệ Phương pháp hàn có nhiều ưu điểm đặc biệt phù hợp với sản xuất lớn ứng dụng hàn tự động hàn kim loại, đường ống, bồn bể chứa có đường kính chiều dày lớn Tuy nhiên trình hàn kết cấu có kích thước lớn, hình thành mối hàn khác Để có mối hàn tương đối đồng kích thước, hình dáng q trình hàn ta phải điều chỉnh, thay đổi thơng số trình hàn để đạt hình dáng chất lượng mối hàn mong muốn Vì tác giả chọn đề tài nghiên “Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ công nghệ hàn tự động lớp bảo vệ đến hình thành mối hàn hàn kết cấu thép vị trí 1G” 1.2 Tình hình nghiên cứu K.Y Benyounis, et al “ Effect of welding parameters on heat input and weld bead profile ’’ 15 May 2005 K.Y Benyounis, et al.“ Optimizing the laser-welded butt joints of medium carbon steel using RSM ”, 15 May 2005 N B Mostafa and R S Parmar “Mathematical models to predict weld bead dimensions in FCAW’’ Dec 16- 19, 2007 Xác định ứng suất dư cho mối hàn ống chịu áp lực nhiễu xạ X – quang Luận văn thạc sĩ Lâm Văn Tường 2011 Trang Nghiên cứa ảnh hưởng chế độ hàn đến độ bền mối hàn Luận văn thạc sĩ Nguyễn Tấn Hải 2011 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu nâng cao hiệu trình hàn nhằm đạt chất lượng mối hàn thông qua việc lựa chọn chế độ hàn Trên sở nghiên cứu lý thuyết khảo sát thực nghiệm, xác định mức độ ảnh hưởng chế độ công nghệ hàn đến chất lượng mối hàn, thơng qua hình dạng mối hàn trường hợp hàn kết cấu thép tư 1G 1.4 Nhiệm vụ phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Nhiệm vụ đề tài - Tìm hiểu tổng quan cơng nghệ hàn tự động lớp thuốc bảo vệ, hình thành mối hàn, cấu trúc kim loại mối hàn - Đặc biệt sâu nghiên cứu cụ thể ảnh hưởng thông số lượng hàn, hàn tư 1G để chế tạo kết cấu thép thông dụng như: Bồn chứa, bể, thùng, … Có chiều dày thơng dụng 10 mm Những thơng số có ảnh hưởng định đến hình thành đến chất lượng mối hàn bao gồm: Cường độ dòng điện hàn Ih , Hiệu điện hàn Uh , Tốc độ hàn Vh 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu - Đề tài nghiên cứu hàn hồ quang điện với phương pháp hàn tự động lớp thuốc bảo vệ - Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định chế độ công nghệ hàn thông qua giá trị hình dạng mối hàn khảo sát Vật liệu nghiên cứu : - Thép bon thấp có kích thước phơi 250x100x10mm - chọn dây hàn E70S-G theo tiêu chuẩn AWS hãng sản xuất Kim Tín Việt Nam đường kính: ø1.2 mm 1.5 Phương pháp nghiên cứu Trang - Dựa lý thuyết công nghệ hàn tự động lớp thuốc bảo vệ - Lý thuyết kim loại học nhiệt luyện - Tham khảo tài liệu giới có liên quan đến cơng nghệ hàn - Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành chế tạo mẫu thử nghiệm, dùng quy hoạch thực nghiệm để kiểm tra đánh giá kết thu được, xác định mối tương quan yếu tố chế độ công nghệ hàn hình dạng mối hàn Trang CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Một số vấn đề lý thuyết hàn 2.1.1 Sự hình thành mối hàn 2.1.1.1 Khái niệm mối hàn Mối nối thực phương pháp hàn gọi mối hàn Mối hàn mối nối liền không tháo Vị trí nối chi tiết gọi mối hàn Trong hàn nóng chảy mối nối hàn gồm: Hình 2.1 Mối hàn + Mối hàn: Mối hàn gồm: kim loại kim loại điện cực (que hàn) sau nóng chảy kết tinh tạo thành + Vùng tiệm cận mối hàn Vùng kim loại nung nóng từ nhiệt độ 1000C đến nhiệt độ gần nhiệt độ nóng chảy + Kim loại Vùng kim loại khơng bị tác dụng nhiệt q trình hàn 2.1.1.2 Sự tạo thành bể hàn Trang Khi hàn nóng chảy, tác dụng nguồn nhiệt làm cạnh hàn kim loại phụ nóng chảy tạo nên bể kim loại lỏng Bể kim loại gọi bể hàn hay vũng hàn Trong trình hàn, nguồn nhiệt dịch chuyển theo kẻ hàn, đồng thời bể hàn dịch chuyển theo Bể hàn chia làm hai phần: phần đầu phần Hình 2.2 Bể hàn + Phần đầu bể hàn Ở phần xảy q trình nóng chảy kim loại kim loại điện cực Theo dịch chuyển nguồn nhiệt, tất kim loại ỏ phía trước bị nóng chảy + Phần bể hàn Ở phần xảy trình kết tinh kim loại lỏng bể hàn để tạo nên mối hàn Trong trình hàn, kim loại lỏng bể hàn chuyển động xáo trộn không ngừng Sự chuyển động kim loại lỏng bể hàn tác dụng áp lực dịng khí lên bề mặt kim loại lỏng tác dụng lực điện từ, làm cho kim loại lỏng bể hàn bị đẩy phía ngược với hướng chuyển dịch nguồn nhiệt tạo nên chỗ lõm bể hàn Trang Hình dạng kích thước bể hàn phụ thuộc vào:  Công suất nguồn nhiệt  Chế độ hàn  Tính chất lý nhiệt kim loại vật hàn Hình dạng bể hàn đặc trưng đại lượng: b- chiều rộng bể hàn h- Chiều sâu nóng chảy l- Chiều dài bể hàn Tỷ số chiều rộng chiều dài bể hàn gọi hệ số hình dạng bể hàn:  = b/ l Hệ số hình dạng bể hàn có ảnh hưởng lớn đến q trình kết tinh, ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Nếu b/l lớn (bể hàn rộng) điều kiện kết tinh tốt, sau kết tinh nhận mối hàn có chất lượng cao Ngược lai, b/L nhỏ sau kết tinh gây nứt trục mối hàn Hình 2.3 Hình dạng kích thước bể hàn 2.1.1.3 Sự dịch chuyển kim loại lỏng từ điện cực vào bể hàn Sự dịch chuyển kim loại lỏng từ điện cực bể hàn ảnh hưởng đến tạo thành mối hàn, mà ảnh hưởng đến thành phần chất lượng mối hàn Khi hàn hồ quang tay, dù hàn phương pháp hàn vị trí kim loại lỏng chuyển dịch từ que hàn vào bể hàn dạng Trang giọt kim loại có kích thước khác Sự chuyển dịch kim loại lỏng từ que hàn vào bể hàn yếu tố sau: + Trọng lực giọt kim loại lỏng Những giọt kim loại hình thành mặt đầu que hàn, tác dụng trọng lực dịch chuyển từ xuống theo phương thẳng đứng vào bể hàn Lực trọng trường có tác dụng làm chuyển dịch giọt kim loại lỏng vào bể hàn vị trí sấp, cịn hàn ngửa yếu tố hồn tồn khơng thuận lợi + Sức căng bề mặt Sức căng bề mặt sinh tác dụng lực phân tử Lực phân tử ln có khuynh hướng tạo cho bề mặt kim loại lỏng có lượng nhỏ nhất, tức làm cho bề mặt kim loại lỏng thu nhỏ lại Muốn giọt kim loại lỏng phải có dạng hình cầu Những giọt kim loại lỏng hình cầu chúng rơi vào bể hàn bị sức căng bề mặt bể hàn kéo vào thành dạng chung + Lực từ trường Dịng điện qua điện cực sinh từ trường Lực từ trường ép lên que hàn làm cho ranh giới phần rắn phần lỏng que hàn bị thắt lại Trang 10 Hình 3.5 Tiến hành hàn phôi mẫu Phôi hàn tiến hành hàn theo thơng số chế độ hàn Hình 3.6 Mối hàn mẫu thí nghiệm 3.4.6 Đo kích thước mối hàn phôi mẫu - Đo bề rộng mối hàn : Trang 42 Chọn vị trí, thực đo, ghi lại kết đo - Đo chiều cao mối hàn : Chọn vị trí, thực đo, ghi lại kết đo c b  Hình 3.7 Thí nghiệm đo hình dạng mối hàn 3.5 Xử lý số liệu thực nghiệm Tiến hành thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng chế độ cơng nghệ hàn tự động đến hình dạng mối hàn hàn kết cấu thép vị trí 1G Số lượng yếu tố ảnh hưởng: k=3 ( cường độ dòng điện, hiệu điện thế, vận tốc hàn) Ih – Cường độ dòng điện hàn Uh – Hiệu điện hàn Vh – Vận tốc hàn Chọn Y hàm hình dạng mối hàn  Phương trình biểu diễn mối quan hệ có dạng: Y = f(Ih, Uh, Vh ) Hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao Box – Wilson kế hoạch toàn phần (2k) Yi = b0 + b1X1 + b2X2 + b3X3 + b12X1X2 + b23X2X3 + b13X1X3 + b11X12 + b22X22 + b33X32 Ta có cơng thức : N= nk + 2k + Số lượng thí nghiệm Số mức khảo sát Số yếu tố ảnh hưởng Trang 43 Số thí nghiệm trung tâm  Số lượng thí nghiệm : N = 23 + 2*3 + = 15 ( thí nghiệm) Bảng 3.2 Giá trị mức biến thiên chế độn hàn Biến mã hoá Biến thực Cường độ Điện áp Vận tốc hàn dòng điện hàn Uh, Vh, hàn Ih, (A) (V) (cm/phút) Z1 Z2 Z3 Mức (Xj ma x = +1) 420 32 Mức sở (Xj = 0) 380 Mức (Xjmin = –1) Khoảng biến thiên ΔZi Các biến số X1 X2 X3 40 +1 +1 +1 28 34 0 340 24 28 –1 –1 –1 40 Để lập ma trận thực nghiệm, trước tiên chuyển Zj sang Xj theo công thức: Xj  Z j  Z 0j Z j № thí nghiệm Bảng 3.3 chuyển giá trị biến thực sang giá trị mã hóa Giá trị biến thực Các giá trị mã hóa Z1 Z2 Z3 X0 X1 X2 X3 120 18 24 +1 –1 –1 –1 Trang 44 180 18 24 +1 +1 –1 –1 120 26 24 +1 –1 +1 –1 180 26 24 +1 +1 +1 –1 120 18 32 +1 –1 –1 +1 180 18 32 +1 +1 –1 +1 120 26 32 +1 –1 +1 +1 180 26 32 +1 +1 +1 +1 Sau lập thí nghiệm đầy đủ Số thí nghiệm với k=3 N  2k  n0  2k  33   x3  15 N K   K 1   X 'J  X J2  15 x 21  22  1, 215 k  2  X J2  0, 73 N   Lập bảng tính tốn - Mơ hình chiều rộng mối hàn: Y1 - Mơ hình chiều cao mối hàn: Y2 Bảng 3.4 Kế hoạch thực nghiệm kết thu X1 X1 X2 X2 X3 X3 - + + - - - - + - + + + + - - N0 X0 X1 X2 X3 X’1 X’2 X’3 Y1 Y2 + - - + 0.270 0.270 0.270 20.5 2.3 + + - + 0.270 0.270 0.270 21.5 2.1 + - + - 0.270 0.270 0.270 21.7 2.2 - + - - 0.270 0.270 0.270 21.4 2.0 + + - - 0.270 0.270 0.237 20 2.7 Trang 45 + + - + + + - 0.270 0.270 0.270 21 2.6 + - + + - - + 0.270 0.270 0.270 21.7 2.5 + + + + - + + 0.270 0.270 0.270 21.8 2.4 + 0 0 0.747 -0.73 -0.73 20.8 2.3 10 + -α 0 0 0.747 -0.73 -0.73 20.4 2.4 11 + 0 0 -0.73 0.747 -0.73 19.6 2.5 12 + - 0 0 -0.73 0.747 -0.73 22 2.0 13 + 0 0 -0.73 -0.73 0.747 20.2 1.9 14 + 0 - 0 -0.73 -0.73 0.747 19.7 2.6 15 + 0 + 0 -0.73 -0.73 -0.73 20.7 2.3 3.6 Tính hệ số bj mơ hình chiều rộng mối hàn: Y1 Từ cơng thức tính hệ số: n b0  N X n Y U , bj  Y uj u u 1 n với hệ số hạng bật j  1, k X u 1 ? u 1 n  (X b ij   X uj ) yu ui u 1 n  (X với hệ số chéo ui  X uj ) u 1 n b ij  '  X  ( X ui X uj u 1 n với số hạng bậc ' ui ) u 1 Ta tính được: b0 = 14,88 b1= 0,470 b2= 0,564 b12 = - 0,100 b13 = - 0,05 b23= - 0,215 b22 = - 0,159 b33= - 0,362 b11= - 0,192 kết thí nghiệm tâm Trang 46 b3= - 0,439 Muốn tính phương sai tái sinh, dùng thí nghiệm tâm kết quả: Bảng 3.5 Kết thí nghiệm thu chiều rộng mối hàn tâm phương án N0 y10 Giá trị y10 20,3 y02 19.5 y03 19.2 Phương sai tái sinh s ts2  Y0 19.6 n0  (Y0t  Y0 )  0, 025 n  t 1 - Kiểm định hệ số: sts2 s   sb0  0, 04 N sts2 sb20  b0 n X uj  sb j  0, 0476 u 1 sts2 sb20  n (X ui  sbij  0, 056 X uj ) i 1 bjj s  sts2 n (X ' ui  sbij  0, 062 ) i 1 Các thống kê: tb0 = 372 tb1 =9,87 tb2= 9,58 tb12= - 1,58 tb13= - 0,89 tb11 = - 3,09 tb22 = - 2,96 tb3= - 9,22 t23 = - 4,51 tb33 = - 5,83 cho hệ số α = 0.05, bật tự n0 – = – = 2, tra bảng Student tα = 2.92 Trang 47 Vậy phương trình hồi quy thực nghiệm: Y1 = 20.1426 + 0,119974x1 + 0,594936x2 - 0,110248x3 - 0.275002x1x2 + 0.049999x1x3 + 0.175x2x3 + 0.43053x12 + 0,566012x22 – 0.00978x32 Kiểm tra tính phù hợp mơ hình Tính phương sai dư: sdu  n 1 n 3,31 ( Y  Y )  (Yi  Yi )   0, 472   i i N  ( K  1) i 1 15  i 1 S d2u F   6, s ts Bật tử m1 = N-(K+1) = 7, Bật mẫu n0 – = Chọn mức ý nghĩa α = 0.05, tra bảng Fisher Fα = 19.3 F 0.472  18,9 ⇒ F