Thiết kế thiết bị hỗ trợ đoạn dây hàn thòi ra khỏi béc hàn dài thêm nhằm giảm chi phí khi hàn các tấm thép dày trên 10mm

Khi khoảng stick out vượt giới hạn này, với dòng điện và điện áp quá cao hoặc quá thấp sẽ không tạo ra được hồ quang hàn, xét ví dụ khi hàn 2 tấm thép có chiều dày 20mm, góc vát mở 15 độ

Thông tin công ty

Hình 1.1-Logo công TNHH công nghệ Hồ Quang

- Tên công ty: Công ty TNHH công nghệ Hồ Quang

- Tên quốc tế: Arc technology company limited

- Địa chỉ: 373/1 Thống Nhất, Phường 11, Quận Gò Vấp, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam

Giới thiệu về công ty

Công ty TNHH công nghệ Hồ Quang được thành lập từ năm 2005, là đối tác và nhà phân phối độc quyền của các nhãn hiệu như: Orbitec(Đức), Midwest fasteners INC(Mỹ), Selco(Ý)

Là công ty chuyên nghiên cứu và tư vấn về các công nghệ hàn như: MIG/MAG, hàn MIG-O-MAT(GERMANY), hàn STUD,… đồng thời cung cấp các dòng máy hàn, máy cắt plasma với chất lượng cao nhất.

Máy hàn MIG/MAG

Hình 2.1-Mẫu PROMIG-200SYN Pulse và 250SYN Dpulse

Chương 2: Một số dòng sản phẩm của công ty

3 Hình 2.2-Mẫu PROMIG-360SYN Dpulse và PROMIG-500SYN Dpulse

Máy hàn TIG

Các mẫu máy DC TIG và AC TIG(500A MAX)

Máy hàn Micro Plasma

Máy hàn STUD

Máy hàn quỹ đạo(Orbital Welding)

Nhật ký thực tập

Tuần Nội dung thực tập

1 - Tìm hiểu về công nghệ hàn mig

- Tham gia thực tập tại xưởng

- Tìm hiểu về các loại máy hàn: Micro Plasma, STUD

- Tìm hiểu về các loại máy hàn:

MIG/MAG, Micro Plasma, STUD

- Tìm hiểu về các loại máy hàn:

MIG/MAG, Micro Plasma, STUD

- Thực hành vận hành và sửa chữa máy hàn

- Thực hành vận hành sửa chữa máy hàn

- Nghiên cứu về stick out

7 - Tham gia thực tập tại xưởng

- Thực hành vận hành sửa chữa máy hàn

- Nghiên cứu về stick out

- Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng

8 - Tham gia thực tập tại xưởng

- Viết báo cáo thực tập Bảng 3.1-Nhật ký thực tập

Chương 3: Nội dung thực tập

Hình ảnh một số hoạt động thực tập

Hình 3.1-Một số máy móc tại xưởng

Hình 3.2-Máy hàn MAG 350 không xung

10 Hình 3.3-Máy hàn MIG/MAG 200 có xung

12 Hình 3.6-Kiểm tra máy hàn MAG

3.2.2 Tìm hiểu và thực hành bảo trì một số loại máy hàn a Máy hàn Micro Plasma

Hình 3.7-Máy hàn Micro Plasma model 50

Hình 3.8-Vệ sinh và kiểm tra máy hàn Micro Plasma

14 Hình 3.9-Kết nối máy hàn Micro Plasma với súng hàn và hệ thống cấp khí và nước

Hình 3.10-Vận hành kiểm tra sự ổn định của tia Pilot và tia Plasma

15 Hình 3.11-Hàn Micro Plasma trên phôi mỏng 0.25mm

16 b Máy hàn bu lông(máy hàn stud)

Hình 3.12-Kiểm tra board điều khiển máy hàn STUD

Hình 3.13-Kiểm tra SCR đầu ra

17 Hình 3.14-Kiểm tra áp ra sau khi sửa chữa

18 Hình 3.15-Hàn bu lông với máy hàn STUD

Hình 3.16-Vận hành máy hàn Laser

Hình 3.17-Mối hàn của máy hàn Laser với công suất 30%, vật liệu Inox

Lý do chọn đề tài

- Khoảng stick out của máy hàn thông thường(khi sử dụng với dây hàn lõi đặc) có chiều dài trong khoảng 6-13mm Khi khoảng stick out vượt giới hạn này, với dòng điện và điện áp quá cao hoặc quá thấp sẽ không tạo ra được hồ quang hàn, xét ví dụ khi hàn 2 tấm thép có chiều dày 20mm, góc vát mở 15 độ

+ Với khoảng stick out tối đa 13mm, không thể điền đầy kim loại cho mối hàn Do đó ta có hai hướng giải quyết : lựa chọn đầu chụp nhỏ hơn hoặc mở góc vát lớn hơn

+ Khi mở góc vát lớn hơn:

Chương 4: Cơ sở lý thuyết và giải pháp tăng khoảng stick out

Với góc vát lớn hơn sẽ hàn được với stick out nhỏ, tuy nhiên lượng kim loại điền đầy và số lớp hàn sẽ tăng lên đáng kể, kèm theo đó với góc vát lớn lượng khí sẽ không đủ để bảo vệ mối hàn, ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Ngoài ra lượng nhiệt tập trung sẽ gây cháy đầu chụp súng hàn nhanh chóng

=> Do đó cần tăng khoảng stick out để vẫn giữ được góc vát nhỏ mà mối hàn vẫn đảm bảo được chất lượng

- Sau đây là những ưu điểm khi gia tăng được khoảng stick out:

+ Giảm góc vát và thể tích điền đầy

+ Hàn được những góc khó, góc hẹp

+ Thích hợp cho trường hợp hàn ống và tấm dày

=> Stick out tăng giúp giảm được nguyên vật liệu(dây hàn), thời gian hàn, công sức, đặc biệt đối với những sản phẩm có độ dày lớn hơn 10mm.

Công nghệ hàn MIG/MAG và nguồn hàn inverter

4.2.1 Công nghệ hàn MIG/MAG a Khái niệm

Hàn MIG/MAG là phương pháp hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ trong đó nguồn nhiệt hàn được cấp bởi hồ quang tạo ra giữa điện cực nóng chảy(dây hàn) vật hàn, hồ quang và kim loại nóng chảy được bảo vệ khỏi tác dụng của oxy và nitơ trong môi trường xung quanh bởi một loại khí hoặc một hỗn hợp khí.Tên tiếng Anh của phương pháp này gọi là GMAW (Gas Metal Arc Welding) b Các thiết bị sử dụng trong hệ thống hàn MIG/MAG

Hình 4.3-Sơ đồ hàn MIG/MAG Trên đây là sơ đồ của một hệ thống hàn MIG/MAG cơ bản, bao gồm:

- Nguồn điện hàn: nguồn tuyến tính được chỉnh lưu và ổn áp hoặc nguồn xung một chiều

=> Nguồn điện đóng vai trò cấp dòng điện và điện áp đủ lớn để tạo và duy trì được hồ quang

- Khí bảo vệ: CO2/ Ar/Ar+CO2

- Van điều áp và bộ phận cấp dây

=> Van điều áp duy trì mức áp suất thích hợp cho hệ thống, bộ phận cấp dây có nhiệm vụ cấp dây cho hệ thống hoạt động

- Mỏ hàn: Thao tác trực tiếp trên mối hàn, cấp dây, cấp khí cho mối hàn, trên súng hàn có cò súng để gây hồ quang và cấp dây c Dịch chuyển kim loại điện cực vào vũng hàn

Dịch chuyển ngắn mạch xảy ra ở chế độ hàn có mức năng lượng thấp Kim loại dịch chuyển hoàn toàn từ điện cực vào vũng hàn khi điện cực - dây hàn tiếp xúc với bề mặt vũng hàn với tần số từ 90 đến 200 lần trong một giây, tạo ra sự ngắn mạch tức thời, sau đó mật độ dòng điện tăng làm cho hồ quang hình thành

Với dịch chuyển ngắn mạch, tốc độ cấp dây, điện thế hàn và tốc độ chảy thường thấp hơn các chế độ chuyển dịch khác ví dụ như chuyển dịch tia Dạng chuyển dịch này rất linh hoạt cho người thợ hàn thao tác với vật liệu mỏng và dày ở mọi tư thế hàn

Hình 4.4-Dịch chuyển ngắn mạch

Hạn chế của chuyển dịch ngắn mạch là:

+ Tốc độ chảy của dây hàn tương đối thấp

+ Không ngấu sâu với vật hàn dày

+ Nhiều bắn tóe Ưu điểm:

+ Hàn được ở mọi vị trí, bao gồm cả hàn bằng, hàn ngang, hàn đứng (hàn tuột và hàn leo) và hàn qua đầu

+ Thích hợp cho hàn sửa chữa và hàn lớp lót cho hàn ống

+ Nhiệt lượng truyền vào mối hàn thấp nên giảm được biến dạng do nhiệt

+ Yêu cầu tay nghề cao và dễ sử dụng

+ Hiệu suất sử dụng dây hàn cao, lớn hơn 93%

- Giới hạn của chuyển dịch ngắn mạch:

+ Giới hạn về bề dày vật hàn và không hàn được mối ghép hở khi hàn các vật hàn dày và có tiết diện lớn

+ Mối hàn không ngấu tốt

+ Văng tóe nhiều và do đó làm tăng chi phí vệ sinh mối hàn

+ Nhằm tránh bị thổi khí bảo vệ khi hàn ngoài trời phải có màng chắn gió

- Chuyển dịch cầu giọt lớn

Kim loại dịch chuyển trong hồ quang dưới dạng các giọt lớn, có kích thước không đều Các thông số chế độ hàn của dạng dịch chuyển này lớn hơn so với dịch chuyển ngắn mạch

Hình 4.5-Dịch chuyển cầu giọt lớn

+ Chỉ hàn những mối hàn phẳng và đứng

- Dịch chuyển dạng tia dọc trục

Chuyển dịch dạng tia dọc trục là chuyển dịch kim loại có mức năng lượng cao, trong đó kim loại dây hàn nóng chảy ở mức năng lượng cao, kết quả là tạo ra một dòng các giọt kim loại nóng chảy nhỏ Các giọt kim loại này bị đẩy dọc theo trục của hồ quang hàn hay kim loại đi vào vũng hàn thành một dòng các giọt kim loại nóng chảy, nhỏ qua cột hồ quang từ dây hàn

Dịch chuyển dạng tia dọc trục là dịch chuyển có mức năng lượng cao của hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ - GMAW Để đạt được kiểu chuyển dịch này, hỗn hợp khí bảo vệ bao gồm Argon + 1-5% Oxygen hoặc Argon + CO2, với hàm lượng thành phần CO2 nhỏ hơn 18%

Chuyển dịch dọc trục dạng tia thường được dùng với loại dây hàn đặc hoặc dây hàn lõi thuốc Các thông số chế độ hàn lớn Để đạt được kiểu chuyển dịch này cần dùng khí bảo vệ giàu Argon (trên 80%)

Hình 4.6- Dịch chuyển tia dọc trục Ưu điểm

+ Mối hàn nóng chảy và ngấu tốt

+ Có thể dùng dây hàn đường kính lớn

+ Chỉ hàn được vật hàn dày từ 3mm trở lên (hàn bán tự động)

+ Chỉ hàn phẳng và đứng

Cấu tạo của hệ thống hàn MIG/MAG bao gồm các thành phần chính đó là: nguồn hàn, dây hàn, khí bảo vệ, mỏ hàn, thiết bị chuyển dây hàn

Hình 4.7-Hệ thống hàn MIG/MAG

Trong đó, thành phần quan trọng nhất của hệ thống hàn MIG là nguồn hàn, là thiết bị có nhiệm vụ chính tạo ra điện áp và dòng điện gây nên hồ quang Có 2 loại nguồn hàn chính được sử dụng trong các thiết bị hàn MIG/MAG: nguồn tuyến tính và nguồn điện tử(nguồn xung) Trong bài viết này em xin đề cập tới nguồn xung

Tương tự như các loại máy hàn khác, máy hàn MIG/MAG có bản chất là một nguồn xung công suất lớn, chuyển đổi nguồn 220V-AC thành điện áp/ dòng điện hàn Dưới đây là sơ đồ chung của một bộ nguồn:

Hình 4.8-Sơ đồ khối nguồn xung máy hàn

+ Điện áp nguồn 220V AC sẽ được chỉnh lưu kết hợp với mạch lọc để nắn thành điện một chiều phẳng, điện áp một chiều khoảng 310V Mặc khác điện áp xoay chiều 220V cũng được đi qua mạch tạo ra nguồn điện áp một chiều cấp cho mạch điều khiển.

+ Nguồn điện một chiều điện áp cao DC (310V) này sau đó được nghịch lưu bằng các linh kiện công suất là IGBT hay Mosfet Điện áp này sau đó được đặt vào một biến áp hàn để tăng khả năng chịu dòng ngõ ra đồng thời giảm điện áp để duy trì công suất.

+ Ở thứ cấp của biến áp điện áp này được chỉnh lưu và lọc một lần nửa thành điện áp một chiều có giá trị thường nhỏ hơn 60V.

+ Ngoài ra còn có bộ phận hồi tiếp như dòng điện, nhiệt độ để máy hoạt động ổn định đồng thời bảo vệ các bộ phận công suất tránh hư hỏng

Tìm hiểu về “stick out”

Hình 4.9-Sơ đồ các thông số của súng hàn

Một trong những thông số ảnh hưởng đến chất lượng và sự ổn định của hồ quang hàn là khoảng cách từ contact tip đến điểm bắt đầu của hồ quang, được định nghĩa là khoảng ló ra của điện cực hàn(ở đây là dây hàn)

- Khoảng stick out có những đặc điểm sau:

+ Khoảng cách đối với dịch chuyển ngắn mạch: 6-13mm; khoảng cách đối với các loại dịch chuyển giọt hồ quang khác: 13-25mm

+ Khi khoảng cách này tăng lên, bản thân trở kháng của điện cực tăng lên và điều này dẫn đến nhiệt độ của điện cực cũng tăng lên, khi đạt đến giới hạn điện cực sẽ bị chảy và hồ quang hàn bị tắt

+ Khi sử dụng một bộ nguồn hàn với điện áp ổn định, khoảng stick out tăng lên cũng đồng thời làm sụt áp giữa contact tip và vật liệu hàn tăng lên Khi đó để giữ được hồ quang ổn định, bộ nguồn sẽ phải điều chỉnh sự tương quan điện áp và dòng điện phù hợp, cụ thể là giảm dòng hàn xuống Khi dòng hàn giảm xuống, đồng nghĩa hồ quang sẽ yếu hơn và mức độ ngấu của mối hàn sẽ giảm xuống

=> Vậy khi khoảng stick out giảm xuống ta sẽ được: giảm nhiệt độ của điện cực, tăng được dòng hàn từ đó tăng độ ngấu mối hàn

- Trong thực tế, có những trường hợp cần khoảng stick out lớn hơn mức bình thường, ta có bảng so sánh ưu nhược điểm khi tăng hoặc giảm khoảng stick out:

Stick out giảm Stick out tăng Ưu điểm - Giảm điện trở điện cực

- Giảm nhiệt độ sinh ra trên điện cực

- Tăng dòng hàn và hiệu suất

- Dễ dàng duy trì và kiểm soát hồ quang ổn định

- Giảm góc vát và thể tích điền đầy

- Thời gian hàn giảm=> giảm bớt công sức và nguyên vật liệu

- Hàn được những góc khó, góc hẹp

- Thích hợp cho trường hợp hàn ống và tấm dày

Nhược điểm - Khó khăn trong việc thao tác những góc hàn hẹp

- Số lớp hàn tăng lên

- Rất khó kiểm soát, hệ thống kiểm soát phức tạp và độ ổn định hồ quang không cao, khả năng duy trì cột hồ quang phụ thuộc vào độ chính xác của hệ thống điều khiển

- Điện trở điện cực tăng=>dễ nóng chảy điện cực, hồ quang không ổn định

- Để duy trì hồ quang cần giảm dòng điện hàn=>độ ngấu giảm

Bảng 4.1-So sánh stick out tăng hoặc giảm

=> Để tối ưu hóa quá trình hàn, cần tối ưu khoảng “stick out” Để thực hiện được điều này cần có một hệ thống bao gồm: bộ nguồn và bộ phận cấp dây có khả năng khống chế được khoảng stick out phù hợp dựa trên sự thay đổi điện áp và dòng điện hàn.

Điện áp và dòng điện trong máy hàn MIG điện tử

4.3.1 Vai trò của điện áp

- Điện áp hàn ảnh hưởng trực tiếp đến chiều dài của hồ quang hàn(arc length), khi chiều dài hồ quang tăng lên, hồ quang có xu hướng không đi theo hướng thẳng do đó gây cản trở đến sự bảo vệ mối hàn của khí bảo vệ và ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn

- Trong công nghệ hàn MIG, điện áp gây hồ quang hàn có vai trò quyết định đến độ ngấu, bề dày của giọt cũng như độ cứng của giọt

- Khi điện áp hàn tăng lên, hình dạng của giọt hồ quang sẽ trở nên mỏng hơn và rộng hơn, độ thẩm thấu tối ưu đạt được chỉ khi đạt được một điện áp phù hợp Điện áp hàn thấp giọt hồ quang sẽ có khoảng cách gần hơn và có hình dạng lồi hơn Tuy nhiên điện áp hàn quá thấp sẽ gây hiện tượng rỗ mối hàn, chồng lấn lên nhau ở vùng rìa

=> Điện áp hàn quá thấp hoặc quá cao đều gây ảnh hưởng đến hồ quang hàn, làm cho hồ quang hàn trở nên mất ổn định và chất lượng mối hàn kém đi

Hình 4.10-Tác động của điện áp và dòng điện tới hồ quang hàn

Quan sát hình ảnh, ta thấy được sự khác biệt giữa điện áp hàn bình thường(normal weld) và trường hợp điện áp cao(arc too long), giọt hồ quang trở nên dài và mỏng hơn bình thường và mối hàn trở nên không ổn định

4.3.2 Vai trò của dòng điện

- Dòng điện có vai trò quyết định đến sự tỉ lệ bồi đắp của mối hàn, kích cỡ của giọt hồ quang, hình dạng mối hàn và độ ngấu vì dòng điện là yếu tố quyết định mức nhiệt tối đa tác động đến bề mặt làm việc Do đó cũng tác động trực tiếp đến độ ngấu của mối hàn

- Khi những yếu tố khác giữ nguyên, thay đổi dòng điện sẽ làm thay đổi bề rộng mối hàn và mức độ ngấu sâu(dòng điện càng tăng độ ngấu càng tăng)

- Thông thường trong một hệ thống, tốc độ ra dây và dòng điện được điều chỉnh bằng 1 núm chỉnh chung

- Khi dòng điện tăng quá cao, bề rộng mối hàn và nhiệt độ tại vùng hồ quang tăng lên có thể gây thủng bề mặt làm việc Ngược lại dòng điện quá thấp sẽ không gây được hồ quang hoặc hồ quang quá yếu, mối hàn không đạt độ ngấu

Hình 4.11-Ảnh hưởng của điện áp tới mối hàn

Quan sát hình ảnh, nhận thấy bề rộng của mối hàn nhỏ khi điện áp thấp và rộng khi điện áp cao

4.3.3 Nguyên lý thay đổi dòng điện/điện áp trên máy hàn MIG điện tử a Nguyên lý hoạt động nguồn xung Inverter

Bản chất khối nguồn là một bộ nguồn xung, sau đây là ví dụ đơn giản phần cứng của 1 bộ nguồn xung cầu H(đối với máy hàn tùy công suất mà nhà sản xuất sẽ lựa chọn dạng nguồn xung phù hợp)

Sơ đồ nguồn xung cầu H + Các diode từ D1 đến D7 làm nhiệm vụ chỉnh lưu điện áp 3 pha 380V thành điện áp 1 chiều

+ Sơ đồ gồm 4 chuyển mạch T1, T2, T3, T4 là 4 IGBT công suất đầu vào được kết nối với biến áp xung theo dạng cầu H

+ Biến áp công suất gồm 3 cuộn dây, trong đó có 1 cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp được quấn ngược chiều nhau

+ Thứ cấp gồm 2 diode chỉnh lưu đầu ra D7 và D8

- Hoạt động của bộ nguồn tuân thủ đúng theo nguyên tắc đảo chiều sử dụng cầu H:

+ Giả sử tại nửa chu kỳ đầu tiên, Q1 và Q4 (hay T1 T4) được mở, Q2 Q3 tắt, dòng điện sẽ đi theo chiều mũi tên

Hình 4.12-Nửa chu kỳ đầu

+ Ở nửa chu kỳ còn lại, xung đổi chiều khóa Q1 và Q4, mở Q2 và Q3, dòng điện sẽ đổi chiều như hình:

Hình 4.13-Nửa chu kỳ sau

=> Quá trình lặp đi lặp lại tạo nên sự biến thiên điện áp trên cuộn sơ cấp, tạo ra từ trường biến thiên, trên cuộn thứ cấp sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng, thông qua nắn lọc chỉnh lưu tạo ra áp DC Do dòng điện AC được chỉnh lưu thành dòng điện DC, qua mạch công suất sử dụng

33 phương pháp PWM, điện áp DC lại được nghịch lưu thành điện áp AC cao tần và chỉnh lưu lần 2 thành điện áp hàn DC, nên đây là đặc trưng của công nghệ inverter Ưu điểm của phương pháp này có thể truyền tải gián tiếp công suất rất lớn mà vẫn tối ưu hóa về kích thước b Phương pháp điều chế độ rộng xung(PWM)

- Dạng xung PWM điều khiển các chuyển mạch

Hình 4.14-Hai chuỗi xung điều khiển các cặp chuyển mạch

+ Trong quá trình điều khiển luôn có 2 chuỗi xung ngược nhau cấp cho các cặp chuyển mạch, điện áp và dòng điện đầu ra có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi thời gian xung cạnh lên kéo dài(Duty cycle), điện áp đầu ra tính theo công thức: out in on in on off

 Trong đó: + Vout-Điện áp ra(V)

+ D: Duty cycle(độ rộng xung) (%)

Hình 4.15-Phương pháp điều chế độ rộng xung

=> Độ rộng xung thay đổi sẽ làm điện áp thay đổi

T là chu kỳ xung, ti là thời duty cycle

- Đối với từng dòng IC điều khiển PWM(gọi là IC lái, đối với các máy hàn thông thường là KA3525 hoặc UC3846) sẽ có các phương pháp tác động khác nhau để thay đổi được 2 giá trị điện áp và dòng điện.

Giải pháp tăng khoảng “stick out”

- Như đã phân tích ở trên, khoảng stick out cần được duy trì ở một mức độ phù hợp để có được chất lượng mối hàn tốt nhất Khoảng stick out có mối liên hệ trực tiếp đến điện áp và dòng điện của nguồn hàn, do vậy muốn tăng được khoảng stick out cần có sự điều chỉnh phù hợp giữa điện áp và dòng điện hàn hợp lý

- Sau đây là ý tưởng tăng khoảng stick out:

+ Giảm dòng điện hàn(ở phạm vi cho phép)

+ Tăng điện áp hàn(ở phạm vi cho phép)

+ Khống chế tốc độ ra dây-chiều ra dây-khoảng cách từ dây hàn tới điện cực kết hợp thay đổi dòng điện và điện áp hàn

Giảm dòng hàn Tăng điện áp hàn Kết hợp Ưu điểm - Giảm được nhiệt độ điện cực, tránh làm thay đổi hình dạng điện cực cũng như chảy điện cực trong quá trình sinh hồ quang

- Giảm được sụt áp giữa điện cực và vật liệu hàn=> giảm nhiệt độ điện cực

- Kết hợp được ưu điểm của 2 phương pháp giảm dòng hàn và tăng điện áp hàn

- Chủ động kiểm soát các thông số hàn, đạt độ ổn định cao

Nhược điểm - Độ ngấu giảm

- Bề rộng mối hàn giảm nếu dòng điện giảm quá thấp

- Giọt hồ quang dài hơn và mất ổn định

- Hệ thống điều khiển phức tạp

- Mức độ ổn định phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Bảng 4.2-So sánh các phương pháp tăng khoảng stick out

=> Vậy phương pháp kết hợp sự thay đổi điện áp, dòng điện và kiểm soát chiều cao béc hàn, tốc độ ra dây, chiều ra dây là phương pháp tối ưu cho việc gia tăng khoảng stick out mà vẫn kiểm soát được sự ổn định của hồ quang và chất lượng mối hàn.

Tìm hiểu hệ thống kiểm soát “stick out”

Bộ nguồn DC có khả năng thay đổi điện áp và dòng điện dựa trên tín hiệu hồi tiếp từ hệ thống hàn như sơ đồ:

Hình 4.16-Sơ đồ khối của hệ thống kiểm soát stick out

36 a Nhiệm vụ các khối chức năng

- Khối nguồn DC: Tạo ra nguồn hàn DC bằng công nghệ inverter(được đề cập ở dưới), khối nguồn DC bao gồm cả khối CPU xử lý trung tâm

+ Hệ thống motor chịu trách nhiệm ra dây và rút dây khi có sự sai lệch khoảng stick out, hệ thống motor điều khiển trục Z(CNC)

+ Lấy mẫu: điện áp, dòng điện, độ sụt áp từ contact tip đến phôi hàn, tốc độ ra dây

- Khối tiếp nhận và khuếch đại(tranducer and transmitter): Lọc nhiễu và khuếch đại tín hiệu nhận được

- Khối ADC: chuyển đổi tín hiệu sang tín hiệu số đưa về CPU xử lý b Giải thích nguyên lý hoạt động

+ Điện áp và dòng điện/tốc độ ra dây/khoảng stick out mong muốn được chọn bởi người sử dụng

+ Kích cỡ dây hàn, vật liệu hàn, các thông số tiêu chuẩn

- Tín hiệu đầu vào: Điện áp và dòng điện tại súng hàn, sụt áp so với mass

- Tín hiệu đầu ra: Điện áp và dòng điện hàn, tín hiệu điều khiển tốc độ ra dây

+ Bản chất hệ thống này là một hệ điều khiển vòng kín, hoạt động dựa trên nguyên tắc kiểm soát gần đúng khoảng cách stick out từ contact tip đến phôi hàn bằng cách đo sụt áp giữa điện cực và phôi hàn, kết hợp với thông số dòng điện, điện áp hàn, tốc độ ra dây thực tế để đưa về bộ xử lý trung gian(tín hiệu feed back), càng nhiều thông tin đầu vào khả năng xử lý của hệ thống càng chính xác

+ Ban đầu người dùng nhập thông tin cơ bản: vật liệu, kích cỡ dây hàn, loại khí sử dụng đồng thời điều chỉnh điện áp hàn và dòng điện hàn Từ thông tin về vật liệu, kích cỡ dây hàn, loại khí, hệ thống điều khiển sẽ lấy được thông tin về khoảng dòng điện, khoảng điện áp, khoảng stick out cho phép

+ Những tín hiệu đầu vào được xử lý và đưa về bộ xử lý trung tâm làm tín hiệu chuẩn để so sánh với tín hiệu chuẩn, từ đó bộ xử lý quyết định tăng hoặc giảm điện áp/dòng điện/tốc độ ra

37 dây/khoảng cách từ điện cực đến phôi hàn để đảm bảo khoảng stick out lớn hơn hoặc nhỏ hơn nhưng vẫn có chất lượng mối hàn tốt

+ Vì những sự thay đổi về điện áp và dòng điện là trong khoảng thời gian rất nhỏ(ms) nên sẽ không gây ảnh hưởng nhiều đến chất lượng mối hàn

Hình 4.17-Lưu đồ hệ thống 1

Cụ thể của quá trình này:

Hình 4.18-Lưu đồ hệ thống 2

4.5.2 Khối nguồn DC và khối xử lý trung tâm

Sau đây là sơ đồ khối của khối nguồn DC và xử lý trung tâm:

Hình 4.19-Khối nguồn DC và xử lý trung tâm

- Về mặt nguyên lý, hệ thống nguồn DC tương tự các bộ nguồn sử dụng công nghệ inverter + Điện áp AC được chỉnh lưu và nắn lọc qua khối chỉnh lưu, một phần điện áp AC được cấp cho khối tạo nguồn cấp trước(24V) để nuôi khối xử lý trung tâm, một phần đưa vào khối công suất(có thể sử dụng dạng nguồn xung half bridge, cầu H hoặc switching)

+ Khối xử lý khi có điện sẽ lấy thông tin nhập từ người dùng và xuất tín hiệu PWM(phương pháp điều chế độ rộng xung) lái khối công suất nhằm truyền tải công suất gián tiếp thông qua biến áp công suất

+ Khối công suất hoạt động tạo ra điện áp AC tần số cao, thông qua các diode công suất đầu ra nắn nửa chu kỳ thành điện áp DC Đối với máy MIG/MAG có chế độ tạo xung đầu ra, có thể áp dụng phương pháp băm xung đầu ra bằng SCR công suất lớn

+ Khi hệ thống hoạt động sẽ tạo ra các tín hiệu phản hồi: Tín hiệu phản hồi là các tín hiệu bảo vệ và tín hiệu dòng điện/điện áp/sụt áp sẽ được đưa về bộ xử lý trung tâm

+ Bộ xử lý trung tâm xử lý và điều chỉnh điện áp/dòng điện/tốc độ ra dây

4.5.3 Hệ thống điều chỉnh độ cao béc hàn a Khái niệm

Bộ điều khiển chiều cao: là một hệ thống kiểm soát độ cao Plasma bằng bộ vi xử lý dựa trên đó đặt một cách chính xác chiều cao đánh thủng ban đầu và kiểm soát khoảng cách tia plasma đến phôi cắt của tia Plasma trong quá trình cắt b Nguyên lý hoạt động

Hình 4.20-Sơ đồ hệ thống THC

+ Trên đây là sơ đồ đấu nối phần điều khiển của hệ thống THC Bản chất hệ thống THC sẽ đo điện áp đầu ra của máy cắt(khoảng 110V), tín hiệu này là tín hiệu thô ban đầu sẽ được xử lý và đưa vào bộ điều khiển THC

+ Khi bắt đầu sinh ra hồ quang, sẽ có sự thay đổi điện áp tùy thuộc vào loại vật liệu, hình dạng,…tại đầu ra, đây chính là sụt áp giữa điện cực và phôi

+ Thông qua sự so sánh với tín hiệu chuẩn, khoảng cách sẽ được điều chỉnh sao cho sụt áp này giảm thiểu và kết quả của quá trình này là đầu bép cắt sẽ luôn giữ được một khoảng cách nhất định với phôi bất chấp sự thay đổi về vật hay hình dạng mặt phẳng làm việc

=> áp dụng tính chất này của hệ thống THC, khi kết hợp 1 hệ thống THC với 1 hệ thống điều khiển thay đổi điện áp và tốc độ ra dây c Ứng dụng THC trong tăng khoảng “stick out”

Hệ thống THC sẽ lấy mẫu điện áp thời gian thực tại đầu ra máy hàn, luôn theo dõi và kiểm soát sụt áp, gửi thông tin đến khối điều khiển hàn Hệ thống THC được tích hợp trong khối điều khiển hàn Hoạt động của hệ thống như sau:

Hình 4.21-Hoạt động hệ thống THC

Các thông số thay đổi khi tăng khoảng “stick out”

4.7.1 Trường hợp khoảng stick out tăng

Dòng điện Điện áp Độ cao Tốc độ ra dây

Bảng 4.3-Sự thay đổi các thông số khi stick out tăng

4.7.2 Trường hợp khoảng stick out giảm

Dòng điện Điện áp Độ cao Tốc độ ra dây

X Bảng 4.4-Sự thay đổi các thông số khi stick out tăng

Kết cấu thiết bị

Thiết bị có thể có nhiều hơn 3 trục tùy thuộc mục đích và độ phức tạp của chi tiết cần hàn Trong trường hợp chỉ thao tác đối với các tấm thép, ta sẽ thử nghiệm với thiết bị có 3 trục cơ bản X, Y và Z

5.1.1 Yêu cầu về hoạt động của thiết bị

+ Có thể chuyển động tịnh tiến theo 2 trục X, Y

+ Có thể lên xuống theo trục Z

+ Có thể dao động đầu mỏ hàn

Thiết kế thiết bị có 3 trục máy chính: X, Y, Z và một trục máy phụ A

- Lựa chọn phương án kết cấu:

Hình 5.1-Phác thảo kết cấu thiết bị

Chương 5: Thiết kế thiết bị

5.1.3 Lựa chọn kích thước và vật liệu a Vật liệu

Khung thiết bị được làm bằng nhôm định hình, với ưu điểm khối lượng nhẹ, dễ lắp ráp với các phụ kiện được bán sẵn, đa dạng về số lượng và độ bền phù hợp với các máy CNC cỡ nhỏ b Kích thước

Thiết bị có mục đích chính hàn các chi tiết có kết cấu dạng khung cỡ nhỏ ( cấp trực tiếp cho máy hàn

- Khối driver: Khối công suất điều khiển động cơ các trục

- Motor các trục: Cơ cấu chấp hành

- Khối trung gian: Chuyển đổi lệnh thành tín hiệu analog điều khiển máy hàn

- Khối lấy mẫu: Lấy các thông số thời gian thực như đã đề cập ở chương 4

5.4.2 Khối điều khiển CNC a Lựa chọn nền tảng điều khiển

Hiện nay trên thị trường có hai dạng module(loại phổ thông):

Loại module Module CNC tích hợp driver

Module CNC đơn (chỉ có phần điều khiển) Ưu điểm

- Khả năng tùy biến cao

- Có nhiều dạng module khác nhau được tùy biến cho các dạng máy, số lượng IO nhiều hơn

- Công suất động cơ điều khiển thấp

- Chi phí cao hơn khi phải mua thêm driver rời=> Bộ nguồn phải có công suất lớn hơn

=>Đối với thiết bị hỗ trợ hàn MIG, cần sử dụng các motor có công suất cao nhằm đảm bảo chuyển động của thiết bị được ổn định cũng như cần số lượng IO tùy biến nhiều(như các công tắc hành trình, cảm biến tiệm cận, điều khiển các thiết bị ngoại vi, ) Do đó Module CNC đơn kèm driver rời là thích hợp

Hình 5.12-Board Mach3 CNC Trên thị trường hiện nay cũng có nhiều biến thể của module Mach3(từ 3 trục tới 6 trục), do thiết bị chỉ có 4 trục nên lựa chọn loại module có khả năng điều khiển 4 trục đầu ra

Module này có các tính năng chính cơ bản sau:

 4 cổng điều khiển động cơ X, Y, Z, A(có thể mở rộng tới 5 trục)

 3 relay on/off biến tần cho spindle

 1 cổng analog từ 0~10V cho biến tần

 1 cổng PWM 0-5V cho các spindle DC

 Tính năng “Charge Pump” đảm bảo an toàn cho máy khi khởi động máy tính

 5 tín hiệu đầu vào(Estop, Litmit, Home X, Y, Z) được cách ly

 Bổ sung tính năng Laser Mode

 Sản phẩm có tính năng chống tĩnh điện ESD, lọc nhiễu EMI

- Khối điều khiển hàn là một khối đóng vai trò quyết định đến hoạt động của hệ thống, kết hợp với khối CNC để điều chỉnh khoảng cách đối với điện cực và trực tiếp điều khiển dòng điện /điện áp/tốc độ-chiều ra dây

- Khối điều khiển hàn bản chất là một khối tổng hợp bao gồm các khối nhỏ: khối vi điều khiển xử lý thông tin, khối THC, khối ADC, DAC, khối nguồn,…

- Do tính chất công việc không yêu cầu quá cao về tốc độ nên sử dụng nền tảng STM32 a Nền tảng STM32

STM32 là chip vi điều khiển 32 bit lõi Arm Cortex với cấu hình mạnh mẽ cho dù với phân khúc thấp nhất STM32F0x cũng có thể hoạt động lên tới 48Mhz, 64kB Flash, 16kB RAM, 8 bộ Timer 16 bit, 1 bộ Timer 32 bit, 10 bộ ADC 12 bit, 8 bộ USART, 2 bộ SPI, 2 bộ I2C b KIT STM32F411

- Kit STM32 có 100 I/O nhập xuất dữ liệu như hình, tất cả các vi điều khiển dòng STM32 của

ST được lập trình bằng ngôn ngữ C(với IDE Keil u vision 5) và trình Cube MX hỗ trợ thiết lập liên quan đến: pinout, clock, timer, ADC, DAC, UART, I2C,…

- Khối điều khiển hàn sẽ được thiết kế dựa trên kit STM32F411, ngoài ra cần có các khối phụ trợ để thực hiện các chức năng cụ thể như: Nhập xuất, hiển thị, THC, giao tiếp máy tính,

Thời gian thực tập tại công ty đã giúp em mở mang được nhiều kiến thức tổng hợp, biết cách vận dụng lý thuyết vào công việc cũng như rèn luyện được kỹ năng chọn lọc, khai thác thông tin phục vụ đáp ứng yêu cầu công việc Ngoài ra em cũng học được cách vận dụng các kiến thức nền tảng và các kiến thức liên ngành nhằm giải quyết một vấn đề đặt ra

Các kỹ năng đạt được:

+ Kỹ năng đọc hiểu bản vẽ cơ khí

+ Kỹ năng mô hình hóa 3D các chi tiết cơ khí

+ Kỹ năng vận hành, sử dụng các công cụ gia công cơ khí

+ Kỹ năng tư duy hệ thống

+ Kỹ năng vận hành, sử dụng các loại máy hàn

+ Kỹ năng bảo trì, sửa lỗi các thiết bị máy hàn

Tiêu đề	Thiết Kế Thiết Bị Hỗ Trợ Đoạn Dây Hàn Thòi Ra Khỏi Béc Hàn Dài Thêm Nhằm Giảm Chi Phí Khi Hàn Các Tấm Thép Dày Trên 10Mm
Tác giả	Kiều Hà Quân
Người hướng dẫn	TS. Trần Khắc Tuân, TS. Nguyễn Hải Đăng
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Khoa Cơ Khí
Thể loại	Báo Cáo Thực Tập Ngoài Trường
Năm xuất bản	2023
Thành phố	TP. HCM

Định dạng
Số trang	65
Dung lượng	5,61 MB