Untitled BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH S K C 0 0 3 9 5 9 CÔNG TRÌNH Tp Hồ Chí Minh, MÃ SỐ S KC0 0 7 6 5 9 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM K[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH 1*+,ầ1&8.+2$+&&$6,1+9,ầ1 7,8+ẽ$7+é1*6+ơ1 S K C 0 9 MÃ SỐ:69 &+Ӫ1+,ӊ0Ĉӄ7¬, 3+Ҥ00,1+0Ү1 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, WKiQJ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN TỐI ƯU HĨA THƠNG SỐ HÀN Mã số đề tài: SV2021-172 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực 1: Huỳnh Thị Tuyết Linh Nam, Nữ: Nữ Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 17144CL2A Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Năm thứ: 4/Số năm đào tạo: Ngành học: Công nghệ kỹ thuật khí SV thực 2: Nguyễn Quang Vinh Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 17144CL2A Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Năm thứ: 4/Số năm đào tạo: Ngành học: Công nghệ kỹ thuật khí Người hướng dẫn: TS Nguyễn Vinh Dự Tp Thủ Đức, tháng 06 năm 2021 MỤC LỤC MỤC LỤC .i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH viii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI .1 CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan công nghệ hàn theo quỹ đạo 1.1.1 Giới thiệu công nghệ hàn TIG 1.1.2 Giới thiệu công nghệ hàn theo quỹ đạo 1.1.3 Các nghiên cứu nước .6 1.2 Tính cấp thiết đề tài .13 1.3 Mục tiêu đề tài 14 1.4 Phương pháp nghiên cứu 14 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 14 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 14 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 14 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .15 2.1 Vật liệu hàn 15 2.2 Cơ sở lý thuyết thông số hàn theo quỹ đạo 15 2.2.1 Cường độ dòng hàn 15 2.2.2 Điện cực vonfram .16 2.2.3 Chiều dài hồ quang 17 2.2.4 Tốc độ hàn 17 2.2.5 Thời gian xung .17 2.2.6 Khí bảo vệ 18 2.3 Tiêu chuẩn kiểm nghiệm mối hàn 19 2.3.1 Tiêu chuẩn ASME IX kiểm tra độ bền kéo mối hàn .19 i 2.3.2 Tiêu chuẩn ASME BPE ASME IX kiểm tra kim tương mối hàn 20 2.4 Phương pháp tối ưu hóa 22 2.4.1 Đặt vấn đề tối ưu hóa 22 2.4.2 Phương pháp TAGUCHI .22 2.4.3 Thiết kế quy trình TAGUCHI 23 2.5 Giới thiệu phần mềm Minitab 19 .26 2.5.1 Giới thiệu tổng quan 26 2.5.2 Ứng dụng 26 2.5.3 Thao tác giao diện phần mềm Minitab 19 28 2.6 Phân tích phương sai ANOVA 30 2.6.1 Khái niệm ANOVA .30 2.6.2 Các bước phân tích phương sai 30 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM – KIỂM NGHIỆM 33 3.1 Thiết lập bảng thông số hàn 33 3.2 Quy trình thực nghiệm .37 3.2.1 Chuẩn bị vật tư .37 3.2.2 Vận hành thiết bị hàn theo quỹ đạo .38 3.2.3 Gá ống hàn thực nghiệm 39 3.4 Quy trình kiểm nghiệm .40 3.4.1 Tiến hành kiểm tra độ bền kéo mối hàn .40 3.4.2 Tiến hành kiểm tra kim tương mối hàn 48 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 52 4.1 Kim tương mối hàn 52 4.3 Độ bền kéo mối hàn 69 4.4 Ứng dụng phương pháp TAGUCHI 88 4.4.1 Tối ưu hóa thơng số hàn đến độ bền kéo .88 4.4.2 Tối ưu hóa thơng số hàn đến độ ngấu bề rộng mối hàn 94 4.5 Phân tích kết tối ưu hóa phương sai ANOVA phần mềm ii Minitab 19 96 4.5.1 Thông số hàn đến độ bền kéo 97 4.5.2 Thông số hàn đến bề rộng độ ngấu mối hàn 101 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 5.1 Kết luận 105 5.2 Kiến nghị 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIG: Tungsteng Inert Gas GMAW: Gas Metal Arc Welding GTAW: Gas Tungsten Arc Welding ASME: American Society of Mechanical Engineers QW: Qualification Welding QB: Qualification Brazing HAZ: Heat Affected Zone HI: Heat input iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thành phần hóa học Inox 304[7] 15 Bảng 2.2: Độ bền kéo kim loại để đánh giá chất lượng 20 Bảng 2.3: Đánh giá bề rộng mối hàn theo tiêu chuẩn ASME IX .21 Bảng 3.1: Bảng thông số đầu vào 36 Bảng 4.1: Yêu cầu hình dáng hình học mối hàn ống dày 1,5mm 52 Bảng 4.2: Kết kim tương mối hàn số 52 Bảng 4.3: Kết kim tương mối hàn số 53 Bảng 4.4: Kết kim tương mối hàn số 53 Bảng 4.5: Kết kim tương mối hàn số 54 Bảng 4.6: Kết kim tương mối hàn số 55 Bảng 4.7 Kết kim tương mối hàn số 56 Bảng 4.8: Kết kim tương mối hàn số 56 Bảng 4.9: Kết kim tương mối hàn số 57 Bảng 4.10: Kết kim tương mối hàn số .57 Bảng 4.11: Kết kim tương mối hàn số 10 .58 Bảng 4.12: Kết kim tương mối hàn số 11 .59 Bảng 4.13: Kết kim tương mối hàn số 12 .59 Bảng 4.14: Kết kim tương mối hàn số 13 .60 Bảng 4.15: Kết kim tương mối hàn số 14 .61 Bảng 4.16: Kết kim tương mối hàn số 15 .61 Bảng 4.17: Kết kim tương mối hàn số 16 .62 Bảng 4.18: Kết kim tương mối hàn số 17 .63 Bảng 4.19: Kết kim tương mối hàn số 18 .63 Bảng 4.20: Kết kim tương mối hàn số 19 .64 Bảng 4.21: Kết kim tương mối hàn số 20 .65 Bảng 4.22: Kết kim tương mối hàn số 21 .66 Bảng 4.23: Kết kim tương mối hàn số 22 .66 v Bảng 4.24: Kết kim tương mối hàn số 23 .67 Bảng 4.25: Kết kim tương mối hàn số 24 .67 Bảng 4.26: Kết kim tương mối hàn số 25 .68 Bảng 4.27: Bảng kết thử kéo mẫu số 69 Bảng 4.28: Bảng kết thử kéo mẫu số 69 Bảng 4.29: Bảng kết thử kéo mẫu số 71 Bảng 4.30: Bảng kết thử kéo mẫu số 71 Bảng 4.31: Bảng kết thử kéo mẫu số 71 Bảng 4.32: Bảng kết thử kéo mẫu số 72 Bảng 4.33: Bảng kết thử kéo mẫu số 74 Bảng 4.34: Bảng kết thử kéo mẫu số 74 Bảng 4.35: Bảng kết thử kéo mẫu số 75 Bảng 4.36: Bảng kết thử kéo mẫu số 10 .75 Bảng 4.37: Bảng kết thử kéo mẫu số 11 .76 Bảng 4.38: Bảng kết thử kéo mẫu số 12 .78 Bảng 4.39: Bảng kết thử kéo mẫu số 13 .78 Bảng 4.40: Bảng kết thử kéo mẫu số 14 .79 Bảng 4.41: Bảng kết thử kéo mẫu số 15 .79 Bảng 4.42: Bảng kết thử kéo mẫu số 16 .81 Bảng 4.43: Bảng kết thử kéo mẫu số 17 .81 Bảng 4.44: Bảng kết thử kéo mẫu số 18 .82 Bảng 4.45: Bảng kết thử kéo mẫu số 19 .82 Bảng 4.46: Bảng kết thử kéo mẫu số 20 .84 Bảng 4.47: Bảng kết thử kéo mẫu số 21 .84 Bảng 4.48: Bảng kết thử kéo mẫu số 22 .85 Bảng 4.49: Bảng kết thử kéo mẫu số 23 .85 Bảng 4.50: Bảng kết thử kéo mẫu số 24 .87 Bảng 4.51: Bảng kết thử kéo mẫu số 25 .87 vi Bảng 4.52: Tổng hợp kết kiểm tra kim tương kiểm tra độ bền kéo 25 mẫu Error! Bookmark not defined Bảng 4.54: Tổng hợp kết mối hàn đạt tiêu chuẩnError! Bookmark not defined vii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu tạo thiết bị hàn TIG Hình 1.2: Máy hàn TIG theo quỹ đạo Hình 1.3: Một mối hàn hàn cơng nghệ hàn TIG theo quỹ đạo Hình 1.4: Một hệ thống đường ống công nghiệp Hình 1.5: Mơ mối hàn phần mềm ANSYS APDL 14.5 Hình 1.6: Hình ảnh trình hàn đường ống theo quỹ đạo Hình 1.7: Đường cong nhiệt độ thời gian thí nghiệm Hình 1.8: Các thí nghiệm giá trị dự đoán .10 Hình 1.9: Biên dạng mẫu thí nghiệm 12 Hình 1.10: Thơng số đầu vào .12 Hình 2.1: Góc điện cực ảnh hưởng đến biên dạng mối hàn 16 Hình 2.2: Trọng lực tác dụng lên vũng hàn 18 Hình 2.3: Ảnh hưởng góc độ điện cực hỗn hợp khí trơ đến độ ngấu 18 Hình 2.4: Vị trí cắt mẫu dạng ống .19 Hình 2.5: Biên dạng mẫu thử kéo dạng ống 19 Hình 2.6: Đánh giá sai lệch hình dáng hình học mối hàn theo tiêu chuẩn ASME BPE 21 Hình 3.1: Cắt ống phương pháp cắt dây 37 Hình 3.2: Sự dụng clamp đính ống để đảm bảo độ đồng tâm ống 38 Hình 3.3: Dùng kiểm tra khe hở ống 38 Hình 3.4: Dùng cữ mài để đo góc điện cực 38 Hình 3.6: Nối máy hàn theo sơ đồ .39 Hình 3.7: Gá mẫu lên thiết bị hàn tự động 39 Hình 3.8: Nhập thông số đầu vào 40 Hình 3.9: Vị trí cắt đôi ống 40 Hình 3.10: Mẫu số sau cắt đôi 41 Hình 3.11: Mẫu số sau cắt đôi 41 viii Đồ thị sau phân tích: Kết tối ưu dựa vào đồ thị phân tích: -Từ đồ thị ta thấy tham số có giá trị SN(Signal-to-noise) lớn tốt -Từ ta có thơng số tối ưu ứng với giá trị đầu vào: Angle ARC LENGTH AMPERAGE SPEED PULSE 45 (độ) 2mm 90% 144 mm/min 30 (x0.01s) 4.4.2 Tối ưu hóa thơng số hàn đến độ ngấu bề rộng mối hàn Vì bề rộng độ ngấu biến có hàm mục tiêu “Bình thường tốt nhất” khác với độ bền kéo, nên ta xây dựng phương pháp TAGUCHI với biến đầu Tương tự ta đổi biến đầu bề rộng độ ngấu mối hàn: 94 Vào Option, chọn hàm mục tiêu “Normal is best”: Sau nhấn “OK”, phần mềm cho ta biết phản hồi tỷ số S/N 95 Dựa vào bảng phản hồi, ta có thơng số sau: Angle ARC LENGTH AMPERAGE SPEED PULSE 60 (độ) 1.25 mm 90% 180 mm/min 10 (x0.01s) 4.5 Phân tích kết tối ưu hóa phương sai ANOVA phần mềm Minitab 19 96 4.5.1 Thơng số hàn đến độ bền kéo Phân tích phương sai ANOVA nhằm đánh giá tầm quan trọng thông số xác định ảnh hưởng chúng đến độ bền kéo Bước 1: Nhập thông số sau q trình phân tích Taguchi Bước 2: Chọn phân tích ANOVA 97 Bước 3: Chọn yếu tố Trong đó: Response: Biến định lượng Factors: Biến định tính Thiết lập độ tin cậy theo yêu cầu 95% 98 Bảng kết sau phân tích Tra giá trị [F]: α = 0.05 Độ tin cậy 95% 99 k1 = Bậc tự yếu tố (Dựa vào bẳng ANOVA – Giá trị “DF”) k2 = 24 Tổng bậc tự (Dựa vào bảng ANOVA - giá trị “Total”) Tra bảng giá trị [F] = 2.776 Nhận xét: - Giá trị R – sq = 89.23% >50% có giá trị thống kê - Từ bảng ANOVA ta thấy giá trị P-value biến: góc điện cực, chiều dài hồ quang, cường độ dòng hàn, tốc độ hàn, thời gian xung lớn 0.05 nên thông số ảnh hưởng đáng kể đến Độ bền kéo độ tin cậy 95% Đồng thời tất yếu tố có giá trị F-value nhỏ giá trị [F]=2.776 nên tham số tham số không ảnh hưởng nhiều đến độ bền kéo, đặc biệt thông số chiều dài hồ quang với giá trị F – value nhỏ Ngồi P-Value cịn phản ánh độ tin cậy thông số Giá trị P-value 0.05 chứng tỏ độ tin cậy thông số 95%, từ ta xây dựng phương trình hồi quy xác, tiệm cận với đường giá trị lý tưởng Song, ta dùng phương trình 100 để áp dụng cho thực tế tìm thông số phù hợp tiết diện, bề dày ống INOX304 Qua đồ thị với 25 thơng số thí nghiệm, ta nhận thấy thơng số chưa có liên kết rõ ràng, số thông số rời xa đường giá trị lý tưởng Đây kết yếu tố: số lượng thí nghiệm cịn thơ, chưa đủ để hình thành đường nội suy lý tưởng hai quy trình thí nghiệm cịn chưa lý tưởng, thiết bị lỗi yếu tố ngồi phụ khác Mức độ tin cậy thơng số tối ưu khơng đảm bảo, biết số cường độ dịng hàn có xu hướng ảnh hưởng nhiều đến độ bền kéo Tuy nhiên, thơng số chiều dài hồ quang góc điện cực dường khơng ảnh hưởng đến độ bền kéo, nên bỏ qua Vì thế, ta cần tăng số thí nghiệm, chia nhỏ, phân bổ thơng số theo vùng phù hợp cải thiện chất lượng thiết bị để đạt kết tin cậy - Phương trình hồi quy tuyến tính: 4.5.2 Thông số hàn đến bề rộng độ ngấu mối hàn Tương tự thao tác trên, ta đổi Responses thành thông số độ ngấu bề rộng 101 Ta thu bảng phân tích ANOVA cho bề rộng độ ngấu: Bề rộng: Độ ngấu: Với giá trị [F] = 2.776 α = 0.05 Độ tin cậy 95% Nhận xét: - Bề rộng mối hàn: 102 - Giá trị R – sq = 89.23% >50% có giá trị thống kê - Từ bảng ANOVA ta thấy giá trị P-value biến: góc điện cực, chiều dài hồ quang, tốc độ hàn lớn 0.05 nên thơng số khơng có ảnh hưởng đáng kể đến Bề rộng mối hàn độ tin cậy 95% Giá trị P-value cường độ dòng hàn thời gian xung nhỏ nên có ảnh hưởng yếu tố đến độ ngấu Đồng thời tham số có giá trị F-value nhỏ giá trị [F]=2.776 tham số không ảnh hưởng nhiều đến bề rộng mối hàn đặc biệt thơng số góc điện cực với giá trị F – value nhỏ Ta thấy tham số gần tiệm cận với đường lý tưởng Tuy nhiên phân bổ thơng số cịn thưa thớt, chưa liền mạch nhiễu - Độ ngấu mối hàn: - Giá trị R – sq = 89.23% >50% có giá trị thống kê - Từ bảng ANOVA ta thấy giá trị P-value biến: góc điện cực, chiều dài hồ quang, tốc độ hàn lớn 0.05 nên thơng số khơng có ảnh hưởng đáng kể đến Độ ngấu mối hàn độ tin cậy 95% Giá trị P-value cường độ dòng hàn thời gian xung nhỏ nên có ảnh hưởng yếu tố đến độ ngấu 103 Đồng thời tham số có giá trị F-value nhỏ giá trị [F]=2.776 tham số không ảnh hưởng nhiều đến bề rộng mối hàn đặc biệt thơng số góc điện cực với giá trị F – value nhỏ Ta thấy tham số gần tiệm cận với đường lý tưởng Tuy nhiên phân bổ thơng số cịn thưa thớt, chưa liền mạch nhiễu - Phương trình hồi quy tuyến tính: 104 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Với mục đích tối ưu hóa thơng số hàn nhằm xét việc ảnh hưởng thông số đầu vào: Cường độ dòng hàn, chiều dài hồ quang, góc điện cực, tốc độ hàn, thời gian xung đến độ bền kéo bề rộng, độ ngấu mối hàn phương pháp TAGUCHI kiểm nghiệm phân tích phương sai ANOVA, ta có nhận xét: - Các thơng số cịn thơ, chưa thể ảnh hưởng rõ rệt đến giá trị đầu độ bền kéo Tuy nhiên với giá trị đầu bề rộng độ ngấu mối hàn, ta thấy giá trị cường độ dòng hàn thời gian cấp xung có tác động rõ rệt, khách quan đến thơng số đầu dù số lượng thí nghiệm 25 thông số - Thông số chiều dài hồ quang góc điện cực thơng số mẻ Sự xuất thông số cịn rời rạc, chưa khảo sát xác ảnh hưởng chúng - Thông số tối ưu độ bền kéo có độ tin cậy bình qn bé 50%, khơng đủ tin cậy Chỉ biết chiều dài hồ quang gần không ảnh hưởng đến độ bền kéo, xem số số cho nghiên cứu sau - Thông số tối ưu độ ngấu bền rộng có độ tin cậy bình qn từ 50 – 70%, khơng đủ tin cậy Chỉ kết luận thơng số cường độ dịng hàn thời gian cấp xung thông số ảnh hưởng lớn đến độ ngấu bề rộng, cần trọng phân bổ số lượng thí nghiệm tập trung vào thơng số để tăng độ tin cậy cho thông số tương lai 5.2 Kiến nghị Để tiếp tục hoàn thiện đề tài, số kiến nghị nghiên cứu sau: - Để tăng độ tin cậy kết nghiên cứu, thông số hàn nên hàn nhiều mối hàn - Việc kiểm tra kim tương mối hàn đòi hỏi tốn nhiều thời gian, cần nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị thơng minh đánh giá chất lượng mối hàn sau hàn ống inox mà khơng cần kiểm tra kim tương tăng hiệu suất công việc tập trung nghiên cứu sâu đề tài - Tập trung phát triển thơng số hàn đạt u cầu để tìm thơng số hàn tốt nhất, từ suy thơng số hàn thay đổi kích thước đường kính ống inox cách xác - Cần đa dạng bề dày vật liệu để đánh giá xác chất lượng 105 mối hàn dựa quy trình hàn, thơng số hàn đề xuất - Cần tiến hành lựa chọn vùng thông số chi tiết hơn, tập trung vào thông số quan trọng thực nhiều thí nghiệm - Cần cải tiến thiết bị hoạt động ổn định hơn, tránh việc vận hành bị lỗi gây nhiễu ảnh hưởng đến kết đánh giá, giảm độ tin cậy thông số - Nên sử dụng tối thiểu cấp độ hàn, với cấp giảm cường độ dòng điện hàn cấp thứ đặt 80 phần trăm cường độ dòng điện cấp để khắc phục vấn đề cháy thủng cuối chu trình hàn 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] Innovative Orbital Solutions, “Orbital TIG welding HANDBOOK” Omkar Joshi, Dr Arunkumar (2015), “Overview of Orbital Welding Technology”, IJISET - International Journal of Innovative Science, Engineering & Technology, Vol Issue 12 Ruparekha patro, Sharad K Pradhan (2017), “Finite element simulation and optimization of orbital welding process parameters”, Elsevier, Materials Today: Proceedings (2018) 12886–12900 Nitish Kumar Singh, Sharad K Pradhan (2020), “Experimental and numerical investigations of pipe orbital welding process”, Elsevier, Materials Today: Proceedings [5] A Balaram Naik, A Chennakeshava Reddy (2018), “Optimization of tensile strength in TIG welding using the Taguchi method and analysis of variance (ANOVA)”, Department of Mechanical Engineering, Jawaharlal Nehru Technological University Hyderabad, Kukatpally, Telangana, India [6] G Shanmugasundara, B Karthikeyanb, P Santhosh Ponvellc, V Vigneshd (2019) “Optimization of Process Parameters in TIG Welded Joints of AISI 304L-Austenitic Stainless Steel using Taguchi’s Experimental Design MMetho” Stainless Steel: Tables of Technical Properties, Euro Inox Elderfield & Hall / Pro-Fusion, “Setting up and determining parameters for orbital tube welding” Diamond Ground Products (Nineth Printing: June 2013), “TUNGSTEN GUIDEBOOK” “ASME Boiler & Pressure Vessel Code”, section IX, 2015 Barbara K.Henon, Ph.D, “Orbital Welding in Compliance with the New ASME Bioprocessing Equipment (BPE) 1997 Standard”, The Official Journal of ISPE, Vol 19, No.1 [7] [8] [9] [10] [11] 107 S K L 0