CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Công nghệ hàn
Nguyễn Thúc Hà và nhóm tác giả cho rằng: “Thực chất của hàn là quá trình công nghệ nối (2 hoặc nhiều chi tiết, bộ phận) thành một khối thống nhất bằng cách dùng nguồn nhiệt nung nóng chỗ cần nối đến trạng thái lỏng (hoặc dẻo), sau đó kim loại tự kết tinh (hoặc dùng lực ép) tạo thành mối hàn.” [2]
Trạng thái hàn: có thể ở dạng lỏng, dẻo và còn có thể là nguội bình thường Nếu hàn đến trạng thái lỏng thì không cần lực ép mà mối hàn vẫn có thể hình thành [2]
Liên kết khi hàn được tính là liên kết liên tục và nguyên khối Đó là liên kết khối và không tháo rời như liên kết bulong được Liên kết hàn thì tiết kiệm từ 10 – 20% vật liệu so với liên kết bulong Bên cạnh đó liên kết hàn có độ bền và độ kín cao có thể đảm bảo yêu cầu làm việc của các kết cấu quan trọng như vỏ tàu, nồi hơi,…
1.1.2 Phân loại các phương pháp hàn
Nguyễn Thúc Hà và nhóm tác giả cho rằng:
“Căn cứ vào dạng năng lượng sử dụng có các nhóm phương pháp hàn sau: Các phương pháp hàn điện: hàn hồ quang, điện tiếp xúc
Các phương pháp hàn cơ học: hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm
Các phương pháp hàn hóa học: hàn khí, hàn hóa nhiệt
Các phương pháp kết hợp: kết hợp các phương pháp trên.” [2]
Căn cứ theo trạng thái của mối hàn tại thời điểm hàn:
Hình 2.1 Phân loại các phương pháp hàn theo trạng thái
1.1.3 Sự tạo thành mối hàn và tổ chức kim loại
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển dịch kim loại lỏng từ điện cực vào vũng hàn:
Tác dụng của trọng lực giọt kim loại lỏng luôn có xu hướng đi về phía vũng hàn
Sức căng bề mặt được tạo nên do tác dụng của lực phân tử và lun có xu hướng làm cho bề mặt chất lỏng thu nhỏ lại Bên cạnh còn làm cho các giọt kim loại lỏng có dạng hình cầu và giữ trạng tháng này trong suốt quá trình chuyển vào vũng hàn và khi vào sẽ tạo thành một khối thống nhất
Lực từ trường sinh ra xung quanh điện cực khi có dòng điện chạy qua que hàn và vật hàn Lực này tác dụng lên kim loại lỏng điện cực làm giảm tiết diện ngang Trong khi đó Ih = const, nên tại chỗ thắt mật độ dòng điện J tăng lên nhanh chóng làm kim loại lỏng đạt đến nhiệt độ sôi, cắt đứt phần kim loại lỏng khỏi điện cực Mặt khác vì diện tích vũng hàn lớn nên cường độ từ trường trên bề mặt vũng hàn rất nhỏ và mật độ dòng điện J nhỏ, do đó kim loại lỏng luôn có xu hướng đi vào vũng hàn ở mọi vị trí hàn Áp lực khí do nhiệt độ hồ quang cao, các phản ứng xảy ra rất mạnh, thuốc bọc que hàn (thuốc hàn) nóng chảy sẽ sinh ra nhiều khí, tạo nên áp lực đẩy kim loại lỏng từ điện cực vào vũng hàn (có tác dụng lớn đối với mối hàn trong không gian) [2]
Nhóm vật liệu tham gia trực tiếp vào quá trình hàn:
Dây hàn, các điện cực nóng chảy khi hàn trong khí trơ, lớp thuốc hàn và hàn điện xỉ Dây hàn phụ và các vật liệu kim loại khác trong các phương pháp hàn nóng chảy
Que hàn là dạng điện cực kim loại, thường có 2 loại là que hàn trần và que hàn thuốc bộc Que hàn trần dùng để bổ sung kim loại cho vũng hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực không nóng chảy Que hàn thuốc bộc chứa các chất tạo khí, tạo xỉ, ổn định hồ quang,…
Dây hàn là dạng điện cực kim loại có tiết diện tròn và đặc, được tạo bằng phương pháp cán hoặc kéo Dùng để hàn trong môi trường khí bảo vệ và hàn dưới lớp thuốc
Hình 2.2 Dây hàn Lincoln Điện cực Vonfram thường được chế tạo từ phương pháp luyện kim bột từ oxit vonfram hoàn nguyên Trong lúc chế tạo còn được bổ sung 1,5 đến 2% các chất như ZnO2, ThO2, vào vật liệu điện cực và được sử dụng cho hàn trong môi trường khí trơ
Hình 2.3 Điện cực hàn Tungsten Electrodes
Nhóm vật liệu không tham gia trực tiếp:
Các loại điện cực không nóng chảy (điện cực vonfram, điện cực cacbon, ) Các loại khí trơ (khí bảo vệ): Argon, Heli
Trong hàn có nhiều loại khí trơ có tác dụng bảo vệ nhưng khí Ar và He được sử dụng nhiều nhất vì chúng có trữ lượng dồi dào và giá thành tương đối thấp
Bảng 2.1 So sánh đặc điểm của khí argon và heli
- Dễ mồi hồ quang do năng lượng ion thấp
- Nhiệt độ hồ quang thấp hơn
- Bảo vệ tốt hơn do nặng hơn
- Lưu lượng cần thiết thấp hơn
- Điện áp hồ quang thấp hơn nên năng lượng hàn thấp hơn
- Chiều dài hồ quang ngắn, mối hàn hẹp
- Có thể hàn chi tiết mỏng
- Khó mồi hồ quang do năng lượng ion hóa cao
- Nhiệt độ hồ quang cao hơn
- Bảo vệ kém hơn do nhẹ hơn
- Lưu lượng sử dụng cao hơn
- Điện áp hồ quang cao hơn nên năng lượng hàn lớn hơn
- Chiều dài hồ quang dài, mối hàn rộng
- Thường hàn chi tiết dày, dẫn nhiệt tốt
Sự trộn hai khí Ar và He có ý nghĩa thực tiển rất lớn nó cho phép kiểm soát chặt chẽ năng lượng hàn cũng như hình dạng của tiết diện mối hàn Khi hàn chi tiết dày, hoặc tản nhiệt nhanh, sự trộn He vào Ar cải thiện đáng kể quá trình hàn
Hình 2.4 Màu của bình chứa khí
Lựa chọn khí bảo vệ Không có một quy tắc nào khống chế sự lựa chọn khí bảo vệ đối với một công việc cụ thể Ar, He hoặc hổn hợp của chúng đều có thể sử dụng một cách thành công đối với đa số các công việc hàn, với sự ngoại lệ là khi hàn trên những vật cực mỏng thì phải sử sụng khí Ar Ar thường cung cấp hồ quang êm hơn là
He Thêm vào đó, chi phí đơn vị thấp và những yêu cầu về lưu lượng thấp của Ar đã làm cho Ar được ưa chuộng hơn từ quan điểm kinh tế
Hình 2.5 Khoảng cách chiều dài hồ quang
Chiều dài hồ quang là khoảng cách từ vũng hàn đến đầu điện cực Phụ thuộc vào cường độ hàn và sự ổn định hồ quang Trong quá trình hàn ta cố gắng giữ chiều dài hồ quang không đổi Qui tắc là khi hàn ta chọn chiều dài hồ quang cở 0,5 ÷ 3mm
Tốc độ hàn là tốc độ di chuyển điện cực nó sẽ phụ thuộc vào tốc độ điền đầy vũng chảy và bề dày chi tiết hàn Thông thường thì tốc độ hàn sẽ từ 100 đến 250mm/phút
Các hệ thống hàn tự động
Ngày nay, giải pháp hàn tự động đã được phát minh và sử dụng nhiều trong công nghiệp thay thế cho hàn truyền thống Trong nên công nghiệp 4.0 hiện nay thì toàn bộ quá trình hàn gần như được hàn tự động bằng cách lập trình sẳn người thợ hàn chỉ tham gia rất nhỏ trong quá trình hàn Các thiết bị hàn tự động hiện nay có thể kể đến như các loại rùa hàn, robot, xe hàn tự động hoặc bàn máy hàn CNC
Dựa vào kỹ thuật hàn, có thể chia các hệ thống hàn tự động thành 2 loại:
Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ: Đây là phương pháp hàn mà trong quá trình hàn hồ quang và kim loại nóng chảy được bảo vệ bởi khí trơ Đặc điểm chung là nguồn nhiệt hàn đảm bảo, khả năng biến dạng sau khi hàn thấp, hiệu quả bảo vệ kim loại cao, đặc biệt là không cần dùng thuốc hàn
Phân loại theo điện cực ta chia thành 2 phương pháp:
Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy: khi loại khí bảo vệ là khí hoạt tính (hàn MAG), khi loại khí bảo vệ là khí trơ (hàn MIG)
Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy: thường sử dụng điện cực vonfram và khí bảo vệ là khí trơ (hàn TIG)
Hàn hồ quang plasma là một quá trình gần giống như hàn điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ
Hàn TIG (Tungsten Inert Gas) còn có tên gọi khác là hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy (Tungsten) trong môi trường khí bảo vệ - GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) thường được gọi với tên hàn Argon hoặc WIG (Wonfram Inert Gas) Vùng ảnh hưởng nhiệt, vũng hàn và điên cực được bao bọc và bảo vệ bởi khí trơ như: Argon, Heli, Argon + Heli, Argon + Hidro hoặc Argon + Oxy [3] Đặc điểm:
Hàn điện cực không nóng chảy
Không tạo xỉ do không sử dụng thuốc hàn
Dễ dàng quan sát và kiểm soát hồ quang và vũng chảy
Nguồn điện tập trung có nhiệt độ cao
Có thể hàn được kim loại mỏng hoặc dày do thông số hàn có phạm vi điều chỉnh rộng
Hàn được hầu hết kim loại và hợp kim với chất lượng cao Mối hàn sạch đẹp, không lẫn xỉ và văng tóe Kiểm soát được độ ngấu và hình dạng của vũng hàn dễ dàng
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hàn TIG [3] Ưu điểm:
Hàn được các kim loại và hợp kim có chất lượng cao
Có thể hàn được kim loại mỏng hoặc dày do thông số hàn có phạm vi điều chỉnh rộng
Kiểm soát được hình dạng và độ ngấu của vũng hàn dễ dàng
Mối hàn sạch đẹp, không lẫn xỉ và văng tóe
Có thể sử dụng hoặc không sử dụng que đắp để tạo nên mối hàn
Hệ số điền đầy thấp nên trong một số trường hợp phải sử dụng que hàn phụ để bổ sung kim loại cho mối hàn
Kỹ thuật để vào que hàn phụ khó nên càng cần người thợ hàn lành nghề
Cường độ hồ quang trong hàn Tig rất mạnh dẫn đến làm tăng lượng tia cực tím từ đó tạo nên ozon và khí nitơ đioxide Cho nên cần phải có biện pháp bảo vệ da và mắt khỏi tác hại khi hàn
Giá thành thiết bị tương đối cao
Hàn MIG là phương pháp hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí trơ còn được gọi là hàn dây hoặc hàn CO2 Trong quá trình hàn thì điện cực hàn sẽ nóng chảy và ngay lập tức nó sẽ được bảo vệ bởi khí trơ
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý hàn MIG [3] Ưu điểm:
Sử dụng khí bảo vệ là khí CO2 nên gia thành khá thấp do dễ sản xuất
Hiệu suất làm việc cao gấp 2,5 lần so với hàn hồ quang tay
Chất lượng mối hàn cao, tốc độ hàn cao nên sản phẩm ít bị cong vênh, nguồn nhiệt được tập trung
Có thể hàn được nhiều kim loại: inox, thép cacbon, nhôm,…
Tính linh hoạt kém không thể di chuyển nhiều
Bức xạ nhiệt độ khá cao
Cần hàn trong môi trường ít gió vì có thể khí bảo vệ sẽ bị thổi lệch
Hàn hồ quang plasma là quá trình tương tự như hàn điện cực nóng chảy Có tính chất đặc biệt chủ yếu do thiết kế của mỏ hàn, có khả năng dẫn điện và plasma có thể xem là trạng thái thứ tư (sau rắn, lỏng, khí)
Khi hàn hồ quang plasma thì điện cực vonfram được định hướng qua một ống dẫn khí trơ Ống dẫn khí này được bố trí giữa điện cực và kim loại nền có tác dụng tránh sự khuếch tán hồ quang do dó dòng hồ quang được tập trung, tăng nhiệt độ và điện áp hồ quang
Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý hàn PLASMA [3] Ưu điểm:
Mức độ tập trung năng lượng khi hàn cao hơn
Hồ quang khi hàn có độ ổn định cao và cường độ dòng điện khi hàn thấp
Dòng khí plasma có tốc độ cao
Hiện tượng nhiễm vật liệu điện cực vào vật hàn sẽ không xảy ra
Yêu cầu đối với kỹ năng của thợ hàn thấp
Giá thành thiết bị cao
Vòi phun có tuổi thọ thấp
Thợ hàn phải có hiểu biết sâu về hàn plasma
Mức độ tiêu hao khí bảo vệ cao
Một số thiết bị hàn tự động
Một số thiết bị hàn tự động (robot hàn, xe hàn tự động, bàn máy hàn CNC)
Robot hàn tự động:
Robot hàn tự động được tạo ra để đáp ứng nhu cầu hàn nhiều loại chi tiết một cách hàng loạt mà năng suất làm việc gấp 3-5 lần so với việc hàn thủ công Bên cạnh đó thì các thao tác hàn đạt độ chính xác và mối hàn đạt chuẩn cao do robot hàn được lập trình sẳn Giảm thiểu được sự ảnh đối với người thợ hàn so với trước do phải làm việc liên tục trong môi trường khí độc, điện giật, dễ cháy nổ,…
Hình 2.11 Robot hàn ABB 1520ID [4]
Robot hàn tự động được vận hành liên tục đáp ứng được nhu cầu sản xuất Tuy nhiên chi phí đầu tư ban đầu sẽ lớn nhưng bên cạnh sẽ giảm được các chi phí chăm sóc sức khỏe của công nhân cho doanh nghiệp
Robot được ứng dụng trong thi công các sản phẩm bằng sắt, thép, inox có kết cấu từ đơn giản đến phức tạp như két bạc, chi tiết cơ khí, khung xe máy, ô tô… Hiện nay, loại công cụ này đang có xu hướng xuất hiện ngày càng nhiều trong các công xưởng, nhà máy sản xuất tại Việt Nam bởi hiệu quả năng suất và chất lượng tuyệt vời mà nó mang lại, đồng thời cũng giải quyết triệt để bài toán kinh tế, vốn là vấn đề khiến các doanh nghiệp đau đầu
Xe hàn tự động (rùa hàn tự động):
Xe hàn được thiết kế có khả năng tịnh tiến để hàn các mối thẳng Hiệu suất của xe hàn sẽ tỉ lệ thuận độ dài của đường hàn cần hàn và đảm bảo được chất lượng mối hàn Do được lập trình sẳn nên khi đặt thiết bị vào mối hàn thì nó sẽ chạy theo hành trình được lập trình Sau khi hàn xong thì phải tiến hành cài đặt lại hành trình cho thiết bị
Hình 2.12 Rùa hàn tự động [4]
Một bàn máy hàn CNC tiêu chuẩn gồm 2 phần:
Thiết bị cài đặt phần mềm gia công CNC và board mạch điều khiển Để gia công một chi tiết hàn, đầu tiên người thợ hàn sẽ đưa bản vẽ thiết kế của chi tiết đó lên thiết bị và cài đặt các lệnh để gia công Chương trình sẽ dựa vào bản vẽ để tạo ra mã dưới dạng G-code, sau đó thông qua các lệnh G-code để vận hành quá trình hàn của bàn máy Mỏ hàn sẽ di chuyển đến tọa độ chính xác tương tự như các máy phay CNC
Hình 2.13 Bàn máy hàn CNC [4] Ưu điểm của giải pháp hàn tự động này là có tốc độ hàn rất nhanh, vị trí hàn chính xác cho ra sản phẩm mối hàn đều và đẹp, đảm bảo thẩm mỹ và chất lượng như ý Cách thức vận hành đơn giản, giá thành phù hợp với điều kiện kinh tế của nhiều cơ sở sản xuất, cho năng suất, sản lượng cao và tiết kiệm thời gian, chi phí hoạt động cho doanh nghiệp Bàn máy hàn CNC thường được ứng dụng trong thi công các mối hàn phẳng Hạn chế duy nhất của thiết bị này là không hàn được các mối hàn có phương thẳng đứng
Cơ cấu chung là thường gồm có đầu hàn, bộ phận làm mát, bộ phận điều khiển và có thể có hoặc không cơ cấu cấp dây bù
Động cơ và bộ truyền bánh răng
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Động cơ bước (Step Motor) có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Step motor quay theo từng bước một nên có độ chính xác cao về mặt điều khiển Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử, các mạch sẽ đưa tín hiệu của lệnh điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số
Trục của động cơ quay qua một góc cố định cho mỗi xung rời rạc Khi một chuỗi xung được áp dụng, nó sẽ được chuyển qua một góc nhất định Góc mà trục động cơ bước quay cho mỗi xung được gọi là góc bước, thường được biểu thị bằng độ Các góc bước có thể lớn tới 90 và nhỏ đến 0,72, tuy nhiên, các góc bước thường được sử dụng là step motor 2 pha 1,8; step motor 3 pha 1,2; step motor 5 pha 0,72
Hình 2.14 Một số động cơ bước Động cơ bước được phân loại theo nhiều cách:
- Theo số pha: có các loại động cơ bước 2 pha, 3 pha và 5 pha
- Theo cực: động cơ bước lưỡng cực và động cơ bước đơn cực Ưu điểm của động cơ bước:
- Do cấu trúc bên trong, động cơ bước không cần cảm biến để phát hiện vị trí động cơ Khi động cơ di chuyển chỉ cần đếm các bước là có thể xác định vị trí động cơ tại bất kỳ vị trí nào
- Độ chính xác điều khiển cao, khi di chuyển trục đạt độ chính xác lên tới khoảng 0.007
- Động cơ bước cung cấp momen xoắn tốt ở tốc độ thấp, tốt cho việc giữ vị trí và duy trì thời gian sử dụng
Bên cạnh đó động cơ bước cũng có một số nhược điểm sau:
- Có thể bị lỡ bước khi momen xoắn tải quá cao
- Luôn tiêu hao dòng điện ngay cả khi không hoạt động gây ra hiệu suất kém và bị quá nhiệt
- Có momen xoắn thấp và gây ồn khi hoạt động ở tốc độ cao Động cơ bước được ứng dụng trong các máy công nghiệp như máy CNC, các loại máy ảnh, máy in 3D,… cần độ chính xác điều khiển cao
Chọn động cơ: Trong bộ truyền động yêu cầu điều khiển vị trí và tốc độ của bánh răng C mang điện cực hàn một cách chính xác nên ta chọn động cơ bước cho bộ truyền động
1.3.2 Bộ truyền bánh răng
Truyền động bánh răng dùng để truyền chuyển động giữa các trục, thường có kèm theo sự thay đổi về trị số và chiều của vận tốc hoặc momen
Tùy theo vị trí tương đối giữa các trục, có 2 loại truyền động bánh răng thường gặp là:
- Truyền động bánh răng trụ (răng thẳng, răng nghiêng, răng chữ V) để truyền chuyển động giữa các trục song song
- Truyền động bánh răng côn (răng thẳng, răng nghiêng, răng cung tròn) để truyền chuyển động giữa các trục giao nhau
Thông số quan trọng nhất của bánh răng là modun Tất cả các thông số bánh răng có thể được tính qua modun
Hình 2.15 Các thông số cơ bản của bánh răng
Bánh răng trụ răng thẳng Đây là loại bánh răng phổ biến và dễ tìm thấy nhất trong truyền động giữa hai trục song song nhau Ưu điểm của bánh răng trụ răng thẳng là:
- Hiệu suất truyền lực cao
- Chế tạo dễ dàng, giá thành rẻ, độ chính xác cao
Hạn chế của bánh răng trụ răng thẳng:
- Ồn khi chạy tốc độ cao
Chính vì những ưu điểm như vậy nên bánh răng trụ răng thẳng được sử dụng nhiều trong bộ truyền động của hộp số xe máy, máy tiện, máy cắt kim loại, bơm bánh răng,…
Hình 2.16 Bánh răng trụ răng thẳng
Sử dụng bộ truyền bánh răng côn khi truyền chuyển động giữa hai trục giao nhau Răng của bánh răng côn được hình thành trên mặt côn, vì vậy kích thước của răng và mô đun thay đổi theo chiều dài của răng, càng về phía đỉnh nón thì kích thước của răng và module càng nhỏ
Bánh răng côn có hai loại: Bánh răng côn thẳng và bánh răng côn xoắn
Bánh răng côn thẳng có tác dụng chuyển hướng chuyển động từ hai trục cắt nhau một góc 40-120, phổ biến nhất là 90
Hình 2.17 Bánh răng côn thẳng.
Khuyết tật hàn
Có rất nhiều nguyên nhân có thể gây ra khuyết tật khi hàn như các yếu tố:
Gây ra các sai lệch về hình dạng, kích thước sẽ dẫn đến độ bền của mối hàn cũng như cơ tính của toàn bộ kết cấu
Hình 2.18 Các khuyết tật hàn [3]
1.4.2 Các loại khuyết tật hàn
- Không thấu chân: xảy ra khi phần dưới của vùng hàn không chạm tới chân của mối nối để hàn bề mặt đối diện của chi tiết
- Nứt: xuất hiện trên bề mặt mối hàn, gồm có nứt nóng (khi nhiệt độ cao trên 1000 độ); nứt nguội (khi nhiệt độ dưới 1000 độ khi kết thúc quá trính hàn)
- Rỗ khí: xảy ra do hàn khí trong kim loại mối hàn không kịp thoát ra ngoài khi kim loại mối hàn đông đặc
- Lẫn xỉ: đây là loại khuyết tật dễ xuất hiện nhất, có thế xuất hiện bên trong bên trên và cả chỗ giáp ranh giữa kim loại mối hàn và phần kim loại cơ bản
- Không ngấu: đây là khuyết tật nghiêm trọng có thể dẫn đến nứt
- Cháy chân: hay còn gọi là lỏm chân gây giảm tiết diện làm việc của mối hàn tạo sự tập trung ứng suất cao
- Chảy loang: là hiện tượng kim loại lỏng chảy loang trên bề mặt liên kết hàn
- Bắn tóe: xảy ra khi dòng điện cao làm các giọt hàn nóng chảy bắn ra khỏi mối hàn
Hình 2.19 Một số khuyết tật hàn
THIẾT KẾ MODULE HÀN ỐNG CÓ DAO ĐỘNG NGANG
Đặt vấn đề
Yêu cầu của thiết kế: Thiết kế máy hàn orbital có module chuyển động ngang Kích thước ống yêu cầu từ 200-280mm
Biên độ dao động từ 0-10mm
Hình 3.1 Tiêu chuẩn ống thép từ DN100 đến DN600
Từ dữ liệu trên ta lọc ra lấy kích thước 2 loại ống có kích thước danh nghĩa là ỉ219 và ỉ273 đờ̉ làm đối tượng thử nghiệm
Chiều dài thử nghiệm mỗi loại ống là 1m
Yêu cầu thời gian làm việc 8h/ngày.
Phương án thiết kế đầu hàn
2.2.1 Yêu cầu Điện cực hàn phải hướng tâm vật liệu hàn
Thiết kế phải có tấm ngăn phải làm từ vật liệu cách điện để đảm bảo an toàn Phần ống dẫn dây phải phải có góc vào dây khoảng 45 độ
Yêu cầu đề ra là chiều rộng mối hàn phải từ 0-20mm tùy vào từng kích thước của đường ống cần hàn nên ta phải thiết kế hệ truyền động ngang Hệ truyền động này ta sẽ sử dụng động cơ bước được lập trình và điều khiển bởi driver để canh chỉnh phù hợp với chiều rộng mối hàn
2.2.3 Thiết kế từng bộ phận Phần cụm đầu hàn:
- Thân đế L cách điện
Thân đế L ta chọn vật liệu cách điện để làm tấm ngăn cách là nhựa Phíp (hay còn gọi là tấm nhựa bakelite) Vật liệu này có khả năng chịu nhiệt, cách điện tốt
Hình 3.2 Vật liệu nhựa Phíp
Phần thân đế ta khoét 2 rảnh để có thể để khớp chữ T trượt và kẹp chặt phần kẹp sứ bằng bulong lục giác
Phần kẹp sứ có lỗ ren để ta sử dụng núm vặn điều chỉnh được khoảng cách của điện cực hàn với vật liệu hàn để tạo ra được chiều dài hồ quang lí tưởng
Hình 3.4 Thiết kế điều chỉnh mỏ hàn
Cơ cấu đảm bảo khoảng cách điện cực hàn:
Gồm các chi tiết: bulong có gắn bi cầu, Đối với các dạng ống khi tiến hàn hàn có thể bề mặt của ống hàn không được phẳng mà bị lỗi ovan do tác động bên ngoài, thiết kế này được đưa ra nhằm đảm bảo được khoảng cách của điện cực hàn và ống hàn lun nằm trong khoảng qui đinh để mối hàn đạt chuẩn
Ta sử dụng bulong loại có gắn bi cầu ở đầu nhằm giúp có thể lăn trên mặt ống
Hình 3.6 Kẹp giữ bi
Phần trên ta sử dụng trục bậc có tiện ren đầu để liên kết với thân đế và sử dụng lò xo để giúp khi bánh xe lăn qua những vị trí lõm thì phần thân đế vẫn được ép xuống nhằm đảm bảo khoảng cách điện cực hàn
Hình 3.7 Lò xo đầu hàn.
Phương án thiết kế bộ truyền động ngang
Yêu cầu đề ra là chiều rộng mối hàn phải từ 0- 20mm tùy vào từng kích thước của đường ống cần hàn nên ta phải thiết kế hệ truyền động ngang Hệ truyền động này ta sẽ sử dụng động cơ bước được lập trình và điều khiển bởi driver để canh chỉnh phù hợp với chiều rộng mối hàn
2.3.2 Phương án thiết kế Cấu tạo gồm: Động cơ step, driver điều khiển
Cơ cấu chuyển đổi từ chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến có biên độ xác định Để đầu hàn có thể duy chuyển ổn định khi thực hiện dao động ngang ta dùng 2 trục được liên kết 1 đầu với phần đầu hàn bằng liên kết ren, phần trục sẽ trược trên ống lót
Có 2 phương án được đề ra để thiết kế được bộ dao động ngang là:
- Phương án 1: đặt động cơ nằm ngang, trục động cơ được lắp với bánh cam Sử dụng cơ cấu tay quay thanh truyền để biến chuyển động quay thành tịnh tiến Biên độ dao động sẽ được điều chỉnh bằng bulong liên kết giữa bánh cam và thanh thượt Vị trí 0 sẽ được điều chỉnh bằng cơ cấu bánh răng thanh răng
- Phương án 2: đặt động cơ thẳng đứng, trục động cơ gắn với khớp nối, khớp nối gắn với bulong, bulong được gắn với thanh truyền (thanh truyền loại khớp nối có thể điều chỉnh vị trí 0) Bulong gắn với khớp nối có đai ốc điều chỉnh biên độ dao động
Bảng 3.1 So sánh giữa 2 ý tưởng:
Phương án 1 Phương án 2 Ưu điểm Có thể điều chỉnh vị trí 0 dễ Động cơ và thanh truyền được đặt đồng trục giúp cho tải trọng không bị lệch về 1 phía
Thiết kế bộ thanh truyền có khả năng điều chỉnh vị trí 0
Nhược điểm Động cơ bị nằm về 1 phía
Sử dụng nhiều cơ cấu mà không đồng trục
Quá trình điều chỉnh phải vặn nhiều bulong
Dựa vào so sánh và tính thực dụng dễ thao tác khi vận hành mà vẫn đảm bảo được các yêu cầu đề ra ta chọn phương án 2
2.3.3 Thiết kế từng bộ phận
Cơ cấu dao động ngang gồm:
- Động cơ step và driver điều khiển
- Roll end bearings-Link ball L type
- Khớp nối trục, và khớp L
- 2 trục trượt liên kết ren với đầu hàn
- Ổ đỡ và part đỡ động cơ
- Trục ren điều chỉnh biên độ dao động
Thanh điều chỉnh có 2 đầu được tiện ren phải và ren trái và được liên kết với roll and bearings-link ball L type giúp ta có thể điều chỉnh được vị trí 0
Hình 3.8 Thiết kế thanh truyền Để có thể điều chỉnh được biên độ dao động thì ta sử dụng một thanh ren xỏ xuyên qua khớp nối trục và liên kết với khớp xoay L bằng liên kết ren điều chỉnh bằng
42 đai ốc Cơ cấu này thì thanh ren này có tác dụng rất quan trọng trong việc tối ưu điều chỉnh biên độ dao động Để đảm bảo phần truyện động ngang ổn định thì ngoại trừ khớp L nối với với roll and bearings-link ball L type thì ta còn cần phải sử dụng 2 trục trượt; 2 trục này liên kết vs phần đầu hàn bằng liên kết ren và được lắp trượt trên ổ đỡ
Hình 3.9 Thiết kế bệ trục trượt Động cơ bước được lập trình sẽ giúp chúng ta kiểm soát được tốc độ của chu kỳ hàn
Hình 3.10 Đầu hàn ở vị trí 0.
Thiết kế bộ gá kẹp ống
Dựa trên yêu cầu ống cần kẹp có đường kính từ 220-280 mm Ý tưởng đưa ra là sẽ bộ kẹp kình tròn sử dụng các con bulong lục giác chìm để kẹp chặt
Bộ kẹp này lấy ý tưởng thiết kế từ nhóm đồ án Thiết kế chế tạo mô hình di chuyển đầu hàn và được nhóm thiết kế lại phần kẹp nhanh
Thiết kế bộ truyền động chính
2.5.1 Chọn bánh răng Thiết kế ban đầu dựa trên đồ án Đề tài Thiết kế chế tạo mô hình di chuyển đầu hàn Ta chọn cặp bánh răng côn răng thẳng với số răng là 28 răng modul 1.5; cặp bánh
44 răng thẳng có tỉ số truyền 1:10 là 35:350 răng với modul 1 để đảm bảo được vận tốc hàn
2.5.2 Chọn động cơ: Để động thiết bị có thể khởi động và hoạt động ổn định trong lúc vận hành thì động cơ cần chọn phải có moment xoắn lớn hơn xo với moment xoắn cần thiết
Ta có các số liệu để chọn động cơ:
Tải trọng của cụm xoay là 10kg, cụm trượt là 2kg (khối lượng được đo trên phần mềm Inventor)
Hệ số ma sát là à= 0,15 Thời gian làm việc: 8h/ngày Nguồn điện đầu vào 220V-50Hz Tỉ số truyền của cặp bánh răng côn răng thẳng là 1:1 (28:28 răng) Tỉ số truyền của cặp bánh răng thẳng là 1:10 (35:350 răng)
Tỉ số truyền chung của hệ là:
35 = 10 Vận tốc hàn 100-250mm/phút
250 = 1224 (𝑁 𝑚𝑚) Vậy động cơ cần chọn phải có moment xoắn > 1,224 N.m
Ta chọn động cơ loại Step Motor để có thể lập trình bằng driver điều kiển tốc độ quay Mã động cơ HSTM 60-1.8-S-88-8-2, moment xoắn 3N.m
Hình 3.12 Thông số động cơ
Hình 3.13 Catalog động cơ
HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN
Thiết kế chương trình điểu khiển
Hình 4.1 Tủ điện điều khiển
Tủ điện điều khiển bao gồm: PLC FX3G, CB tổng, relay, nguồn tổ ong, driver DMA860H, driver TB6600, màn hình Delta DOP-107BV, các nút nhấn start, stop và dừng khẩn cấp
Bảng 4.1 Input/Output Mitsubishi FX3G
R1 Y4 MY4N-GS Relay trung gian
R2 Y5 MY4N-GS Relay trung gian
Hình 4.2 Sơ đồ nguồn của hệ thống
Hình 4.3 Sơ đồ Input/Output của PLC
Hình 4.4 Sơ đồ step driver và màn hình HMI
3.1.2 Lưu đồ nguyên lí hoạt động và hướng dẫn điều khiển màn hình
Lưu đồ nguyên lí hoạt động:
Hình 4.5 Lưu đồ nguyên lí hoạt động
Sau khi nhập các thông số và sét vị trí cho hai động cơ, ta nhấn nút “ON” để chạy động cơ và súng hàn bắt đầu hàn Có 2 chế độ chạy:
Chế độ dual: Cả động cơ 1 và động cơ 2 đều chạy
Chế độ singel: Chỉ có động cơ 1 chạy, động cơ 2 không hoạt động (tắt hệ thống giao động ngang)
Khi động cơ 1 quay đủ một vòng đã được lập trình sẵn thì hai động cơ dừng, súng hàn cũng sẽ ngừng hàn
Hướng dẫn điều khiển màn hình:
Hình 4.6 Màn hình ở giao diện Home
Nút ON: Khơi động máy chạy
Nút OFF: Tạm dừng máy
Nút MODE: Điểu chỉnh chế độ dual hoặc single
Nút UP: Tăng tốc độ động cơ
Nút DW (DOWN): Giảm tốc độ động cơ
Nút HOME: Đưa động cơ quay về vị trí 0 đã set ban đầu
Hình 4.7 Màn hình ở giao diện Setting
Nút RESET FACTORY: Reset toàn bộ hệ thống
Nút DIR: Đổi chiều quay của động cơ
Nút RESET POSITION: Lưu nhớ vị trí của động cơ
Nút JOG: Điều chỉnh động cơ chạy đến vị trí mong muốn
Nút SPEED BACK HOME: Điều chỉnh tốc độ của động cơ khi về vị trí 0
Nút SPEED RUN JOG M1 & M2: Hiệu chỉnh tốc độ quay của động cơ khi nhấn nút JOG
Khung POSITION: Hiển thị vị trí của động cơ
Ngoài ra, trên màn hình còn có các nút khác như:
Nút BRIGHT: Điều chỉnh độ sáng của màn hình
Nút LOGIN: Để đăng nhập tài khoản được trao quyền sử dụng máy
Nút LOGOUT: Để đăng xuất tài khoản
Nút ADMIN: Để đăng nhập tài khoản của admin
Ngoài các nút nhấn trên màn hình còn có 3 nút nhấn khác là nút “chạy”, “dừng”,
“khẩn cấp” Hai nút “chạy”, “dừng” tương tự nút “ON”, “OFF” ở màn hình giao diện HOME Nút “khẩn cấp” để dừng khẩn cấp Lưu ý, khi nhấn nút “khẩn cấp” thì toàn bộ hệ thống sẽ bị ngưng hoạt động dù cho có xoay mở nút nhấn này Để máy trở lại hoạt động, ta phải nhấn nút “RESET POSITION” của motor 2 ở giao diện setting hoặc nhấn nút “HOME” ở giao diện home.
KẾT QUẢ CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ AN TOÀN KHI HÀN
Kết quả chế tạo
4.1.1 Kết quả chế tạo từng bộ phận
Chế tạo phần đầu hàn:
Hình 5.1 Lắp ráp phần đầu hàn
Chế tạo phần đế chân:
Hình 5.2 Part đỡ Hình 5.3 Thân đế cách điện
Hình 5.4 Bệ đỡ trục trượt
Hình 5.5 Lắp ráp thân đế Hình 5.6 Lắp bệ đỡ trục
Hình 5.7 Lắp phần đầu hàn
Hình 5.8 Các chi tiết lắp ráp.
Mô hình
4.2.1 Mô hình thiết kế hoàn thiện
Hình 5.9 Mô hình thiết kế
4.2.2 Mô hình thực tế
Hình 5.10 Mô hình thực tế
Bảng 5.1 Bảng thực nghiệm hàn ống ỉ273:
Tốc độ hàn Tốc độ động cơ nhỏ (v/ph)
Tốc độ cấp dây (ipm) Điện áp hàn (V) Cường độ dòng điện (A)
Hình 5.11 Hàn bị lỗi không đạt yêu cầu
Hình 5.12 Mối hàn gần đạt yêu cầu
Hình 5.13 Mối hàn đạt yêu cầu
Hình 5.14 Mối hàn đạt yêu cầu.
An toàn khi hàn
Khi hàn phải đảm bảo các yêu cầu về an toàn lao động
Không được tiến hành hàn khi vị trí hàn không đảm bảo về ánh sáng, có độ cao mà không có vật che chắn Không thực hiện hàn ở nơi nguy hiểm và đặc biệt khi thời tiết xấu Khu vực làm việc phải khô ráo không được có nhiều dầu mở, các vật dụng dễ cháy
Trước khi bắt đầu công việc thì người thợ hàn phải kiểm tra:
Cách điện của dây hàn
Thay kim hàn hoặc dây hàn
Chỉ được mồi hồ quang ở vị trí cho phép
Khi thay điện cực hàn phải có gang tay bảo vệ
Chú ý ngắt điện máy hàn trước khi thay dây trong bộ phận cấp dây Cắt dây hàn phải dùng kìm có bộc cách điện
Hình 5.15 Đảm bảo an toàn khi hàn
Ngoài ra còn cần phải kiểm tra kỹ lưỡng lại độ kín của thiết bị hàn và bình khí, điện áp của máy hàn không quá 42V, hệ thống nối mát
Chú ý kiểm tra vật liệu hàn, nếu vật liệu hàn là bình chứa các chất nguy hiểm như thùng hóa chất thì cần phải làm sạch cặn hoặc các chất còn dư bên trong.