Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HÀN HỒ QUANG TỰ ĐỘNG BẰNG RÔ BỐT TRONG CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT Ô TÔ RESEARCH TO APPLICATION OF AUTOMATIC ARC WELDING TECHNOLOGY BY ROBOT IN CAR INDUSTRIAL PGS TS Bùi Văn Hạnh Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hanh.buivan@hust.edu.vn TÓM TẮT Trong công nghiệp sản xuất ô tô công nghệ hàn sử dụng chế tạo cabin, thùng xe, sắt xi phụ ống xả Ở nước có công nghiệp ô tô phát triển, công đoạn thực rô bốt Cabin xe ô tô ô tô tải làm từ vật liệu có chiều dày nhỏ nên sử dụng công nghệ hàn điểm Các chi tiết lại sử dụng công nghệ hàn hồ quang chiều dày vật liệu lớn, yêu cầu khả chịu lực mối hàn cao Trong báo này, tác giả trình bày kết nghiên cứu xây dựng quy trình hàn (WPS) thùng xe tải giải pháp ứng dụng rô bốt hàn hồ quang để thực công việc Từ khóa: rô bốt, hàn hồ quang, thùng xe tải ABSTRACT In the automobile industry welding technology used to manufacture cabin, truck crate, subframe and exhaust In countries where the advanced automobile industry welding are done by robots Cabin of car and truck made from thin materials using spot welding technology The remaining details are used arc welding technology because thick material and highstrength welds In this paper the author presents the research results to write Welding Procedure Specification (WPS) for truck crate and application solutions for arc welding robot to perform this tasks Keywords: Robot, arc welding, truck crate MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Trong báo này, tác giả giải vấn đề sau: - Bằng việc nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm để xác định thông số chế độ hàn thùng xe tải với số liệu đầu vào vật liệu bản, vị trí mối hàn, vật liệu hàn, thông số chế độ hàn số liệu đầu tiêu đánh giá tính mối hàn theo TCVN [1] [2] - Đưa cách xác định xác định thông số chế độ hàn hợp lý để hàn chi tiết ô tô nói chung thùng xe tải nói riêng đảm bảo suất chất lượng cao PHÂN TÍCH LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ HÀN 2.1 Phân tích, lựa chọn trình hàn Hiện nay, chế tạo chi tiết xe ô tô thường sử dụng quy trình hàn hồ quang tay (Hình 1) nên suất chất lượng mối hàn chưa cao 49 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Hàn khung xương bửng hông lòng thùng xe tải Với công nghiệp đại, ngày quy trình hàn bán tự động, hàn tự động sử dụng rộng rãi Đặc biệt quy trình hàn sử dụng rô bốt hàn nhà máy sản xuất ôtô giúp chất lượng mối hàn nâng cao, từ chất lượng sản phẩm ngày cải thiện Mặt khác, với quy trình hàn rô bốt, thời gian cho quy trình hàn giảm xuống tốc độ khả làm việc rô bốt giúp nâng cao suất Hàn môi trường khí bảo vệ điện cực nóng chảy khí bảo vệ CO sử dụng rộng rãi thép cacbon thấp thép hợp kim thấp [3] Đặc điểm phương pháp hàn hồ quang môi trường khí bảo vệ CO : - Tính công nghệ cao hẳn so với hàn lớp thuốc hàn vị trí không gian - Bảo vệ tốt kim loại lỏng vũng hàn khỏi tác động oxy nitơ môi trường khí xung quanh Mặt khác, sau hàn sản phẩm bị cong vênh vùng ảnh hưởng nhỏ tốc độ hàn lớn nguồn nhiệt tập trung - Quan sát hình thành vũng hàn tốt so với hàn lớp thuốc - Năng suất hàn cao, giá thành hạ So với hàn hồ quang tay, suất hàn tăng khoảng 2.5 lần - Điều kiện lao động tốt, trình hàn sinh khí độc hại - Giá thành khí CO rẻ so với khí Ar He Qua phân tích tác giả lựa chọn quy trình hàn GMAW tự động rô bốt sử dụng khí bảo vệ CO [1] 2.2 Phân tích lựa chọn vật liệu hàn 2.2.1 Vật liệu Vật liệu theo thiết kế chọn thép CT38 (SS400) với chiều dày 3÷5mm Thép CT38 thép cacbon thấp, có nhiệt độ nóng chảy khoảng Tc=15200C có khả dẫn nhiệt tốt [4] Thép CT38 thuộc loại nhóm thép cacbon kết cấu chất lượng thường Thường dùng ngành xây dựng, giao thông sản xuất ôtô Nhóm thép thông thường chiếm tới 80% khối lượng thép dùng thực tế, thường cung cấp dạng cán nóng (tấm, thanh, dây, thép hình) 2.2.2 Lựa chọn dây hàn Trong công nghệ sản xuất dây hàn, kim loại đắp phải thỏa mãn cho việc kết tinh mối hàn với mục tiêu sau: - Kim loại đắp tương xứng tính lý tính với kim loại - Tạo mối hàn có độ liên kết liền, khuyết tật Đối với kim loại thép CT38 chọn dây hàn NA-70S công ty CP công nghiệp vật liệu hàn Nam Triệu phù hợp Dây hàn sử dụng rộng rãi nhiều 50 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV lĩnh lực đóng tàu, kết cấu thép, ngành công nghiệp sản xuất ôtô, hàn cho loại vật liệu tương đương Dây hàn tương đối dễ hàn, tính hàn thích hợp với vị trí với độ lắng kim lại độ ngấu cao, hồ quang mạnh, cháy êm ổn định, không bị cháy chân hàn, bề mặt mối hàn đẹp Dòng hàn: Sử dụng máy hàn chiều Khí bảo vệ: Khí CO Tổ chức đăng kiểm chứng nhận: VR, NK, ABS, BV, LR, GL, DNV, RS, SZU Vị trí hàn: F, HF, H, OH, VU, PA, PB, PC, PE, PF Đường kính dây: 0,8mm; 0,9mm; 1,0mm; 1,2mm; 1,6mm Thông số hàn: Bảng Dòng điện hàn ứng với đường kính dây Đường kính dây 0.8mm 0.9mm 1.0mm 1.2mm 1.6mm F, HF, H 70-80 80-200 90-220 110-300 140-400 OH, V 50-140 60-140 80-160 100-250 120-350 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Thực nghiệm mẫu tìm chế độ hàn hợp lý Để tìm chế độ hàn hợp lý, tác giả tiến hành hàn thí nghiệm mẫu từ thép CT38 có chiều dày 4mm Các mối hàn thực vị trí hàn sấp, liên kết hàn góc giống liên kết thực thùng xe tải (Hình 2) Sử dụng dây hàn NA-70S công ty CP công nghiệp vật liệu hàn Nam Triệu, khí bảo vệ CO Thiết bị thí nghiệm rô bốt hàn AII-V6, máy hàn DM350 Các kết thí nghiệm đưa bảng Hình Sơ đồ bố trí mối hàn sàn thùng xe tải 51 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Các chế độ hàn thí nghiệm STT Thông số chế độ hàn: I-Dòng điện hàn (A), U-Điện áp hàn (V), v-Vận tốc hàn (cm/ph), F-Tần số lắc đầu hàn (Hz), α-Góc nghiêng mỏ hàn (độ) AS* I= 140 U= 22.9 AE** I= 130 U= 18.6 AS I= 150 U= 23.5 AE I= 130 U= 18.6 AS I= 150 U= 23.5 AE I= 130 U= 18.6 AS I= 160 U= 24.1 AE I= 130 U= 18.6 AS I= 155 U= 23.8 v=45 AE I= 140 U= 22.9 α=80 AS I= 150 U= 23.5 v=45 AE I= 140 U= 22.9 α=80 AS I= 150 U= 23.5 v=45 AE I= 140 U= 22.9 α=80 F=3.0 Hz AS I= 150 U= 23.5 v=45 AE I= 140 U= 22.9 α=80 F=2.0 Hz v=45 v=50 v=45 v=45 Kết Mối hàn lồi Cạnh mối hàn K=4 Tốc độ nhanh K=4 Mối hàn lồi Mối hàn lồi Tốc độ nhanh K=4 Dòng cao, có cháy chân cuối đường hàn K=4 Mối hàn tương đối phẳng (còn lồi), có chút cháy chân K=4 Mối hàn phẳng, chân mối hàn không cháy K=4 Mối hàn phẳng, chỉnh lại vào tâm trục đường hàn K=4 Mối hàn cháy chân, tốc độ nhanh, dòng điện lớn K=4 52 Ghi Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV AS I= 150 U= 23.5 v=50 AE I= 140 U= 22.9 α=80 F=2.0 Hz AS I= 140 U= 22.9 v=50 AE I= 140 U= 22.9 α=80 F=2.0 Hz AS I= 150 U= 23.5 v=50 AE I= 140 U= 23.5 α=80 AS I= 150 U= 23.5 v=45 AE I= 150 U= 22.9 α=80 F=2.5 Hz 10 11 12 Mối hàn cháy chân hơn, Bề mặt rộng K=5 Lệch trục đường hàn Hỏng Lệch trục, cần chỉnh lại cho mối hàn đẹp hơn, dòng cao Dòng cao Còn bắn tóe * - Khi bắt đầu hàn; ** - Khi kết thúc hàn Qua phân tích kết nhận được, đối chiếu theo tiêu chuẩn Việt Nam chất lượng hàn TCVN 7472: 2005 [1] TCVN 6115-1:2005 [2] tác giả tìm thông số hàn phù hợp bảng với hình dáng mối hàn Hình Bảng Chế độ hàn hợp lý I(A) U(V) V(cm/phút) α (độ) 130 20 45 80 Hình Hình dáng mối hàn đạt yêu cầu 3.2 Xây dựng quy trình hàn Bước 1: Chuẩn bị chi tiết theo vẽ chi tiết Bước 2: Tiến hành đặt chi tiết vào vị trí bàn gá Đảm bảo vị trí dưỡng bàn gá phù hợp với vẽ chi tiết sàn thùng Bước 3: Tiến hành hàn đính khung xương sàn xe Bước 4: Tiến hành hàn khung sàn xe: Đảm bảo mối hàn theo kĩ thuật, dầm hàn chắn, đảm bảo trình chuyển xương sàn lên sàn không bị thay đổi kích thước; hàn dầm với theo chế độ hàn tính toán Bước 5: Tiến hành hàn khung sàn xe với sàn: Di chuyển khung sàn xe lên sàn theo vị trí đảm bảo kích thước theo vẽ lắp; Đảm bảo sàn xe vị trí so với rô bốt hàn; Tiến hành hàn với rô bốt hàn phương pháp GMAW theo chế độ hàn đưa 53 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bố trí đường hàn sàn thùng xe hình sau: Hình Đồ gá khung xương sàn thùng xe Từ vẽ chi tiết với kích thước sàn thùng xe, ta chia sàn thùng thành phần để tiến hành lập trình Điều đáp ứng khả làm việc phù hợp với nhiều loại rô bốt công nghiệp Như vậy, rô bốt hàn phải di chuyển tới vị trí để tạo chương trình phù hợp với vùng làm việc rô bốt Ta phải tiến hành lập chương trình cho rô bốt Với vị trí rô bốt ứng với chương trình Việc sử dụng đồ gá giúp chi tiết đặt vị trí Điều giúp hạn chế việc lập trình lại chương trình với sàn thùng trường hợp hàn với số lượng nhiều Với chi tiết phụ chi tiết số 12,13,14,15 tiến hành hàn MAG bán tự động Trong trình di chuyển rô bốt tới góc phần tư sàn thùng xe, vị trí rô bốt có cữ đánh dấu vị trí mà rô bốt tiến hành hàn theo chương trình lập 3.3 Hàn thử nghiệm thùng xe tải 3.3.1 Thiết bị thử nghiệm Sử dụng rô bốt hàn hồ quang AII-V6 máy hàn DM350 (Hình 6) Trung tâm Thực hành công nghệ khí Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội làm thiết bị thử nghiệm [5] Máy hàn DM350 loại máy hàn Inventer điều khiển số tích hợp hệ thống đồng hóa liệu với rô bốt hàn AII-V6 3.3.2 Vật liệu Lựa chọn vật liệu Vật liệu sử dụng thử nghiệm thép CT38 Vật liệu phổ biến thị trường có tính hàn với phương pháp hàn GMAW Chuẩn bị phôi Tác giả lựa chọn phần thùng xe tải để tiến hành thử nghiệm, đảm bảo đủ loại mối hàn lặp lặp lại nhiều lần thực tế (Hình 5) 54 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Rô bốt hàn thử nghiệm Hình Bố trí mẫu thí nghiệm Sử dụng chi tiết phù hợp với vẽ thực tế với chi tiết số 2, số 3, số số số Các chi tiết bố trí giống với sản phẩm đầy đủ nhằm tạo không gian hoạt động thật, giúp kiểm tra khả làm việc rô bốt không gian thực Chi tiết số rút gọn với chiều dài 594mm Chi tiết số rút gọn với chiều dài 592mm Chi tiết số rút gọn với kích thước 600x600mm Chi tiết số số giữ nguyên kích thước Sử dụng máy sấn tôn Sakura để tạo phôi chi tiết theo thiết kế mẫu thử nghiệm Bố trí đường hàn thử nghiệm Hình Hình Bố trí đường hàn thử nghiệm 55 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.3.3 Lập trình Lập chương trình giúp rô bốt hoạt động không gian làm việc thực tế Đầu tiên, người lập chương trình cần hiểu không gian hoạt động, phạm vi làm việc tay máy rô bốt khả đưa mỏ hàn rô bốt tới vị trí hàn Bên cạnh đó, từ vẽ chi tiết vị trí cần hàn xác định khả hàn vị trí rô bốt, đưa vị trí đường hàn Ngoài ra, cần có kiến thức bước thiết lập chương trình tự động cho rô bốt với điểm an toàn, gây hồ quang, tạo dao động, tắt hồ quang, tắt dao động,… Từ kiến thức công nghệ hàn thiết lập thông số hàn cho trình hàn rô bốt Sử dụng thao tác dạy bản, lệnh phím chức bảng dạy để lập chương trình Khi công việc chuẩn bị kết thúc, ta tiến hành dạy cho rô bốt Sử dụng chương trình hàn rô bốt để ứng dụng với đường hàn phôi thử nghiệm Các đường hàn bao gồm hàn lấp góc hàn chồng lấp góc, quỹ đạo đường thẳng Từ thiết kế đường hàn, đánh số thứ tự đường hàn lập trình (Hình 8) Việc thiết kế đánh số thứ tự đường hàn giúp cho việc di chuyển rô bốt mỏ hàn thuận tiện giảm thời gian thao tác Việc làm tăng suất hàn Tổng số đường hàn cần lập trình cho rô bốt hàn thử nghiệm 20 đường gồm: - 10 đường hàn lấp góc số: 4,5,6,10,11,12,17,18,19,20 - 10 đường hàn chồng lấp góc: 1,2,3,7,8,9,13,14,15,16 3.3.4 Hàn thử nghiệm Sau lập chương trình cho rô bốt tiến hành chạy thử không gây hồ quang đảm bảo điều kiện an toàn, mỏ hàn không va chạm với phôi, ta tiến hành hàn với hồ quang Khi thao tác kiểm tra rô bốt dừng lại bước cho vị trí tư bước đường dẫn di chuyển bước kiểm tra Nếu cần thay đổi Hình Bố trí đường hàn thử nghiệm 3.3.5 Kết hàn thử nghiệm - Chương trình hàn lập rô bốt AII-V6 gồm 175 bước (Hình 9) 56 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Chương trình hàn thử nghiệm - Thực 20 đường hàn với chiều dài từ 30-50mm cho mối hàn đẹp đều, không cháy cạnh Đảm bảo độ ngấu, không bắn tóe tình hàn Hình 10 Mối hàn thử nghiệm Qua trình nghiên cứu thực nghiệm tìm chế độ hàn hợp lý hàn thử nghiệm với chế độ hàn phôi tương thích với thùng xe tải thực tế, tác giả xây dựng hoàn chỉnh quy trình hàn thùng xe tải sau: QUY TRÌNH HÀN THÙNG XE Ô TÔ TẢI (WPS) 57 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Quy trình hàn ứng dụng vào thực tế để hàn thùng xe ô tải cho suất chất lượng mối hàn đạt tiêu chuẩn KẾT LUẬN Trong báo này, tác giả trình bày hoàn chỉnh nội dung thiết kế quy trình hàn thùng xe tải, bao gồm: - Xây dựng quy trình công nghệ hàn thùng xe tải, bao gồm: lựa chọn trình hàn, vật liệu hàn, thiết bị hàn, chế độ hàn, gá lắp hàn đính, hàn hoàn thiện Quy trình ứng dụng vào thực tế chế tạo thùng xe ô tô tải - Đưa thông số quy trình hàn thùng xe tải với mối hàn điển hình - Các quy trình hàn hàn kiểm nghiệm Trung tâm Thực hành công nghệ khí – Trường Đại học BáchKkhoa Hà Nội, kết đạt yêu cầu - Nghiên cứu công nghệ hàn mối hàn điển hình thùng xe ô tô tải từ thiết kế quy trình công nghệ hàn hợp lý rô bốt; lập trình ứng dụng rô bốt hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở nhằm nâng cao suất chất lượng công nghiệp sản xuất ô tô TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Việt Nam, TCVN 7472: 2005 Mức chất lượng khuyết tật hàn, 2005 [2] Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Việt Nam, TCVN 6115-1:2005 Hàn trình liên quan - Phân loại khuyết tật hình học kim loại, 2005 [3] Nguyễn Thúc Hà, Bùi Văn Hạnh, Võ Văn Phong, Giáo trình Công nghệ hàn, NXB Giáo dục, 2007 14 [4] Ngô Trí Phúc, Trần Văn Địch, Sổ tay sử dụng thép giới, NXB KHKT, 2003 [5] OTC Daihen Corporation, from http://www.daihen-usa.com/robotics ĐỊA CHỈ LIÊN HỆ PGS TS Bùi Văn Hạnh Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội DĐ: 0913 507 234 Email: hanh.buivan@hust.edu.vn 58 ... công nghệ hàn mối hàn điển hình thùng xe ô tô tải từ thiết kế quy trình công nghệ hàn hợp lý rô bốt; lập trình ứng dụng rô bốt hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở nhằm nâng cao suất chất lượng công. .. cho rô bốt Sử dụng chương trình hàn rô bốt để ứng dụng với đường hàn phôi thử nghiệm Các đường hàn bao gồm hàn lấp góc hàn chồng lấp góc, quỹ đạo đường thẳng Từ thiết kế đường hàn, đánh số thứ tự. .. mà rô bốt tiến hành hàn theo chương trình lập 3.3 Hàn thử nghiệm thùng xe tải 3.3.1 Thiết bị thử nghiệm Sử dụng rô bốt hàn hồ quang AII-V6 máy hàn DM350 (Hình 6) Trung tâm Thực hành công nghệ