thiết kế, chế tạo đồ gá hàn trong môi trường khí bảo vệ để hàn mối ghép khe hở hẹp

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 60.52.01.03 Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về công nghệ hàn khe hở hẹp; - Phân tích ảnh hưởng c

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

PHẠM ĐĂNG LỘC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐỒ GÁ HÀN TRONG MÔI TRƯỜNG

KHÍ BẢO VỆ ĐỂ HÀN MỐI GHÉP KHE HỞ HẸP

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đào Quang Kế

TS Tống Ngọc Tuấn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Tôi cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm

ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả luận văn

Phạm Đăng Lộc

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành quá trình thực tập tốt nghiệp, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự quan tâm giúp đỡ nhiệt tình của các tập thể, cá nhân trong và ngoài trường

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo Khoa Cơ Điện, Viện đào tạo sau đại học trường Học Viện Nông nghiệp Việt Nam đã giúp đỡ tôi hoàn thành quá trình thực tập tốt nghiệp

Đặc biệt, tôi xin chân thành cám ơn đến Thầy giáo PGS TS Đào Quang Kế đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo,

Bộ môn Công nghệ Cơ khí, Khoa Cơ Điện - Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cám ơn Ban giám đốc, các Trưởng phòng và các bạn bè đồng nghiệp của Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí, nơi tôi đang làm việc, đã tạo điều kiện về thời gian, các trang thiết

bị để tôi được học tập và tiến hành các thí nghiệm cho luận văn của mình

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn chân thành tới gia đình, người thân và bạn bè

đã khích lệ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả luận văn

Phạm Đăng Lộc

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục viết tắt vi

Danh mục bảng biểu ix

Danh mục hình ảnh x

Trích yếu luận văn xii

Thesis Abstract xiii

Phần 1 Mở đầu 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Giả thuyết khoa học 2

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học hoặc thực tiễn 3

1.6 Kết luận phần 1 3

Phần 2 Tổng quan tài liệu 4

2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 4

2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 7

2.3 Sơ đồ nguyên lý hàn khe hở hẹp 8

2.3.1 Sơ đồ cấu tạo thiết bị hàn khe hở hẹp trong khí bảo vệ 8

2.3.2 Nguyên lý hàn khe hở hẹp trong môi trường khí bảo vệ 9

2.3.3 Đặc điểm, ưu nhược điểm của hàn khe hở hẹp 9

2.4 Các phương pháp hàn khe hở hẹp trong môi trường khí bảo vệ 11

2.4.1 Hàn TIG 11

2.4.2 Hàn MIG, Hàn MAG 12

2.4.3 Lựa chọn phương pháp hàn để hàn khe hở hẹp 14

2.5 Các thông số cơ bản của hàn khe hở hẹp 15

2.5.1 Dòng hàn 15

2.5.2 Điện áp hàn 16

2.5.3 Tốc độ hàn 16

2.5.4 Tốc độ cấp dây 17

2.5.5 Tốc độ dịch chuyển các chuyển động của đồ gá hàn 18

2.6 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn đến hình dạng, chất lượng mối hàn 19

2.6.1 Dòng hàn 19

2.6.2 Điện áp hàn 19

2.6.3 Tốc độ hàn 19

2.6.4 Tốc độ cấp dây hàn 20

2.6.5 Đồ gá hàn 20

2.7 Lựa chọn các thông số trong hàn khe hở hẹp 21

2.8 Kết luận phần 2 22

Phần 3: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 23

3.1 Địa điểm nghiên cứu 23

3.2 Thời gian nghiên cứu 23

3.3 Đối tượng, vật liệu nghiên cứu 23

3.3.1 Đối tượng nghiên cứu 23

3.3.2 Vật liệu nghiên cứu 23

3.4 Nội dung nghiên cứu 23

3.5 Phương pháp nghiên cứu 24

3.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 24

3.5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo đồ gá hàn khe hở hẹp 24

3.6 Kết luận phần 3 37

Phần 4 Kết quả và thảo luận 38

4.1 Kết quả của luận văn 38

4.2 Tiến hành hàn thử nghiệm 38

4.2.1 Thử nghiệm lần 1 38

4.2.2 Qua nhiều lần thử nghiệm 38

4.3 Kết quả các mẫu thử 39

4.3.1 Kết quả đo độ cứng và chụp ảnh tổ chức tế vi 39

4.3.2 Kết quả thử nghiệm kéo 45

4.3.3 Kết quả thử độ dai va đập 47

4.4 Kết luận phần 4 48

Phần 5 Kết luận và kiến nghị 49

5.1 Kết luận 49

5.2 Kiến nghị 49

Tài liệu tham khảo 50

Phụ lục 51

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Nghĩa tiếng việt

TIG (Tungsten inert gas welding) Công nghệ hàn TIG

MIG (Metal inert gas) Công nghệ hàn MIG

MAG (Metal active gas) Công nghệ hàn MAG

NGW (Narrow Groove Welding) Hàn khe hở hẹp

GTAW (Gas tungsten arc welding) Hàn điện cực không nóng chảy GMAW (Gas metal arc welding) Hàn điện cực nóng chảy

h (mm) Chiều cao mối hàn (mm)

J (A/mm2) Năng lượng (A/mm2)

PLC Programmable Logic Controller

(Bộ điều khiển lập trình logic)

kW Kilo oát (Đơn vị đo công suất)

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 So sánh phương pháp hàn MAG với hàn TIG 14

Bảng 2.2 So sánh phương pháp hàn MAG với hàn điện xỉ 15

Bảng 2.3 Các thông số hàn khe hở hẹp 21

Bảng 3.1 Thành phần vật liệu hợp kim nhôm 6061 của Hàn Quốc 39

Bảng 4.1 Kết quả đo độ cứng 46

Bảng 4.2 Kết quả thử lực kéo 46

Bảng 4.3 Kết quả đo độ dai va đập 48

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Thiết bị hàn khe hở hẹp của Nga 18

Hình 2.2 Đầu hàn khe hở hẹp của Mỹ 19

Hình 2.3 Mối hàn khe hở hẹp khi hàn xong 20

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hàn khe hở hẹp 21

Hình 2.5 Hàn khe hở hẹp với nhiều lượt hàn 22

Hình 2.6 Mối hàn khe hở hẹp 23

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý của hàn TIG trong hàn khe hở hẹp 24

Hình 2.8 Ngọn lửa hồ quang trong hàn TIG 25

Hình 2.9 Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy 26

Hình 2.10 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hàn 28

Hình 2.11 Ảnh hưởng của điện áp hàn 29

Hình 2.12 Ảnh hưởng của tốc độ hàn 30

Hình 2.13 Ảnh hưởng của tốc độ cấp dây hàn 18

Hình 2.14 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn 19

Hỉnh 2.15 Hình dạng mối hàn ảnh của điện áp hàn 19

Hình 2.16 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của tốc độ hàn 20

Hình 2.17 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của tốc độ cấp dây 20

Hình 3.1 Hệ thống thiết bị hàn khe hở hẹp 37

Hình 3.2 Sơ đồ khối quá trình thiết kế 40

Hình 3.3 Bản vẽ ray hàn 31

Hình 3.4 Sơ đồ kết cấu 47

Hình 3.5 Sơ đồ trục 48

Hình 3.6 Sơ đồ biểu diễn lực trên trục 50

Hình 4.1 Mẫu hàn thử nghiệm lần 1 52

Hình 4.2 Mẫu thử nghiệm qua nhiều lần 38

Hình 4.3 Mẫu hàn thử nghiệm hàn xong 39

Hình 4.4 Các vùng đo độ cứng và chụp ảnh tổ chức tế vi 40

Hình 4.5 Ảnh tổ chức tế vi vùng 1, a) 100 lần; b) 500 lần 40

Hình 4.6 Ảnh tổ chức tế vi vùng 2, a) 100 lần; b) 500 lần 41

Hình 4.7 Ảnh tổ chức tế vi vùng 3, a) 100 lần; b) 500 lần 41

Hình 4.8 Tổ chức kim loại của khu vực ảnh hưởng nhiệt 56

Hình 4.9 Tổ chức các vùng của vùng mối hàn 58

Hình 4.10 Mẫu thử bền kéo 59

Hình 4.11 Biểu đồ kéo 60

Hình 4.12 Mẫu thử độ dai va đập 47

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Tên tác giả: Phạm Đăng Lộc

Tên luận văn: “Thiết kế, chế tạo đồ gá hàn trong môi trường khí bảo vệ để hàn mối ghép khe hở hẹp”

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 60.52.01.03

Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam

Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ hàn khe hở hẹp;

- Phân tích ảnh hưởng của các thông số, đồng thời lựa chọn các thông số hàn phù hợp cho hàn khe hở hẹp;

- Từ các thông số hàn cho khe hở hẹp => thiết kế, chế tạo đồ gá hàn phù hợp cho hàn khe hở hẹp sử dụng khí bảo vệ

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp thu thập và xử lý số liệu thí nghiệm

- Phương pháp đo đạc, cách xác định các thông số, chỉ tiêu nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu

- Đã xác định được các dải thông hàn phù hợp với hàn khe hở hẹp;

- 01 bản vẽ thiết kế, chế tạo cụm đồ gá hàn phù hợp với hàn khe hở hẹp;

+ Giảm kim loại đắp vào mối hàn;

+ Giảm chi phí nhân công;

+ Thuận lợi cho việc hàn các tấm thép dày

- Trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết đã xác định được các dải thông số phù hợp cho hàn khe hở hẹp:

+ Tốc độ ngoáy đầu hàn: 0 ÷ 40 vòng/phút;

THESIS ABSTRACT

Master candidate: Pham Dang Loc

Thesis title: “Design, fabrication welding fixtures in protective gas atmosphere to

a narrow gap welding joints”

Major: Mechanical techniques Code: 60.52.01.03

Educational organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA) Research purposes

- Research overview narrow gap welding technology

- Analyze the impact of the parameters, and selection of appropriate welding parameters for narrow gap welding

- From the welding parameters for narrow gap => design, fabrication welding fixtures suitable for narrow gap welding using protective gas

Research Methods

- Theoretical research methods

- Empirical research methods

- Methods of collecting and processing experimental data

- Methods of measuring, specifying the parameters, criteria for research

+ Reduced metal covered to welding

+ Reduced labor costs

+ Advantages for welding of thick steel plates

- On the basis of theoretical research results have identified some suitable parameter ranges for narrow gap welding:

+ welded Picking head speed: 0 ÷ 40 cycles /minute

+ Cruising Speed: 0 ÷10 m/h

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong thời đại công nghiệp hoá diễn ra trên toàn thế giới, việc nghiên cứu ứng dụng phổ biến công nghệ được phát triển ở tất cả các quốc gia, đặc biệt là ở các nước công nghiệp phát triển; Anh, Pháp, Mỹ, Nga, Italia, Thụy Điển, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc…

Trong ngành công nghiệp cơ khí được đánh giá là có tốc độ nhanh, công nghệ ngày càng đổi mới, vì vậy một số lượng lớn trang thiết bị, công nghệ được nhập khẩu từ nước ngoài, trong đó có thiết bị hàn khe hở hẹp nối các tấm thép có chiều dày lớn

Trong công nghệ hàn khe hở hẹp có thể sử dụng nhiều phương pháp hàn khác nhau để áp dụng, điển hình là các phương pháp hàn TIG (Tungsten inert gas welding), hàn MIG (metal inert gas) và hàn MAG (metal active gas) [1]

Đây là 3 phương pháp hàn chủ yếu để thực hiện hàn khe hở hẹp với các tấm thép có chiều dày lớn mà yêu cầu không cần vát mép

Từ việc lựa chọn phương pháp hàn phù hợp sau đó thiết kế, chế tạo đồ gá hàn tích hợp được các chuyển động để hàn nối các tấm thép có chiều dày lớn bằng phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ với mối ghép không vát mép

Hàn khe hở hẹp nối các tấm thép có chiều dày lớn và không vát mép việc hàn là rất khó khăn chính vì thế đòi hỏi phải có thiết bị đồ gá hàn chuyên dụng để thuận tiện cho quá trình hàn

Đồ gá hàn phải đảm bảo sự cứng vững trong quá trình hàn và được tích hợp được các chuyển động khác nhau như: chuyển động quay bép hàn, chuyển động dọc mối hàn, chuyển động lên xuống

Với đề tài: “Thiết kế, chế tạo đồ gá hàn trong môi trường khí bảo vệ để hàn mối ghép khe hở hẹp” Trong giới hạn của luận văn, tác giả đã thiết kế chế tạo đồ gá hàn được tích hợp với nhau giữa các chuyển động để có thể ứng dụng hàn các tấm thép dày với khe hở hẹp

1.2 GIẢ THUYẾT KHOA HỌC

Dựa trên những công trình đã nghiên cứu và các tài liệu đã công bố, tác giả tiến hành nghiên cứu, thiết kế chế tạo cụm đồ gá hàn trong môi trường khí bảo vệ để hàn mối ghép khe hở hẹp không vát mép

Để xác định các giải thông số hàn phù hợp tới quá trình hàn mối ghép khe

hở hẹp, tác giả tiến hành thí nghiệm hàn thử trên nhiều mẫu từ đó rút ra được giải thông số cơ bản và các chuyển động của đồ gá hàn ảnh hưởng đến quá trình hàn 1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu công nghệ hàn khe hở hẹp không vát mép để nối các tấm thép có chiều dày lớn

- Thiết kế, chế tạo thiết bị và đồ gá hàn sử dụng phương pháp hàn trong khí bảo vệ để hàn các tấm thép có chiều dày lớn không vát mép

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

 Phạm vi nghiên cứu:

Trong giới hạn của luận văn, tác giả tập trung nghiên cứu những nội dung sau:

1 – Nghiên cứu tổng quan về phương pháp hàn khe hở hẹp không vát mép

để nối tấm thép có chiều dày lớn

2 – Nghiên cứu đặc tính của thiết bị và vật liệu hàn

3 – Phân tích, lựa chọn các thông số chế độ công nghệ hàn phù hợp

4 – Thiết kế, chế tạo thiết bị và đồ gá hàn sử dụng phương pháp hàn trong khí bảo vệ để hàn các mối ghép khe hở hẹp

5 – Xây dựng quy trình công nghệ hàn để hàn thử nghiệm

6 – Hàn thử nghiệm mẫu và có đánh giá của các cơ quan chức năng

 Đối tượng nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết: nhằm chuẩn bị cơ sở lý thuyết cho việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, ứng dụng

- Nghiên cứu thực nghiệm: dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm

để xác đinh dải thông số phù hợp với đồ gá hàn đang nghiên cứu

 Thời gian nghiên cứu:

Từ tháng 06 năm 2015 đến tháng 06 năm 2016

 Địa điểm nghiên cứu:

- Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – Viện nghiên cứu Cơ khí

- Khoa Cơ Điện trường Học viện Nông nghiệp Việt Nam

1.5 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC HOẶC THỰC TIỄN

Về công nghệ và thiết bị hàn khe hở hẹp bằng phương pháp hàn trong khí bảo vệ ứng dụng để hàn các tấm thép có chiều dày lớn không vát mép đến nay đã

có một số công bố: Đề tài cấp Bộ Công Thương năm 2014, mã số 105.14.RĐ/HĐ-KHCN: “Nghiên cứu, ứng dụng Công nghệ Hàn khe hở hẹp nối các tấm thép có chiều dày lớn bằng phương pháp hàn khe hở hẹp trong môi trường khí bảo vệ”, việc chế tạo ứng dụng thành công đồ gá hàn sẽ giúp các nhà sản xuất hàn được các tấm thép dày và không cần vát mép đem lại hiệu quả cao

về kinh tế: đỡ tốn nhân công, giảm tiêu hao vật tư, năng suất cao

1.6 KẾT LUẬN PHẦN 1

Trong phần 1 tác giả đã đưa ra:

Các giả thuyết khoa học;

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC

Mặc dù công nghệ hàn khe hở hẹp (NGW) đã tạo ra mối quan tâm lớn trong công nghệ hàn nói chung và đã là chủ đề của nhiều công trình nghiên cứu trong hơn hai mươi năm qua, vẫn còn một số ý kiến khác nhau xung quanh một định nghĩa thích hợp cho kỹ thuật hàn này Hầu hết các tác giả đồng ý rằng công nghệ hàn khe hở hẹp được thực hiện cho các chi tiết dày sử dụng một mép hàn được chuẩn bị là góc vuông với khe hở nhỏ (Henderson năm 1978, Baxter năm

1979, Nazarchuk và Sterenbogen 1984) Các tác giả Bicknell và Patchett (1985) cho rằng một tỉ lệ chung (giữa chiều dày chi tiết và chiều rộng khe hở) gấp 5 lần

sẽ được coi là một quá trình hàn "khe hở hẹp" [1]

NGW có liên quan chỉ với các quá trình hàn hồ quang, ví dụ, hàn hồ quang khe hở hẹp với khí bảo vệ (GMAW-NG) hoặc hàn hồ quang tự động khe

hở hẹp dưới lớp thuốc (SAW-NG)

Hàn hồ quang kim loại với khí bảo vệ là quá trình đầu tiên được sử dụng trong hàn khe hở hẹp

NGW và nó vẫn là một trong những công nghệ phổ biến nhất liên quan đến kỹ thuật này Ưu điểm là quá trình này có liên quan đến việc hồ quang dễ dàng quan sát được, rãnh hàn tương đối hẹp, chất lượng hàn cao, năng suất cao

và hiệu quả chi phí thấp (Malin 1987) Tuy nhiên, khi hàn GMAW-NG dễ bị hình thành khuyết tật ở thành mối hàn, lượng bắn tóe lớn và hay bị thiếu hụt khí bảo vệ Những vấn đề này, trong đó có liên quan đến khó khăn trong việc cấp dây hàn và cung cấp một vùng phủ khí bảo vệ thích hợp vào một đường rãnh mép hàn hẹp và sâu, để có được sự nung nóng cân bằng giữa hồ quang các thành bên và bên dưới của mối nối là nguyên nhân để công nghệ hàn khe hở hẹp không được ứng dụng rộng rãi Để khắc phục những hạn chế này, một số biện pháp cấp dây hàn và thiết kế đầu hàn kiểu mới đã được đề xuất, phát triển và đã được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp từ khi áp dụng công nghệ hàn khe hở hẹp Dưới đây là thiết bị hàn khe hở hẹp của Nga (Hình 2.1)

Hình 2.1 Thiết bị hàn khe hở hẹp của Nga Hàn khe hở hẹp (còn gọi là hàn rãnh hẹp) đã được nghiên cứu và cấp bằng sáng chế tại Mỹ và được phát triển tại Viện hàn Paton, Kiev, Ukraina để hàn các tấm thép có chiều dày lớn bằng phương pháp hàn điện xỉ từ năm 1940 Đến năm

1959, phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi trong ngành đóng tàu, xây dựng cầu và các ngành công nghiệp sử dụng thép có chiều dày lớn Tuy nhiên, phương pháp hàn điện xỉ có những nhược điểm nhất định: thiết bị, đồ gá cồng kềnh, không linh hoạt, chi phí cho mối hàn cao…[1]

Vì vậy, bằng nhiều công trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã phát minh

kỹ thuật hàn khe hở hẹp được áp dụng bởi phương pháp hàn hồ quang chìm (SAW), trong khí bảo vệ (MIG/ MAG, GMAW) và điện cực Vonfram trong khí trơ Dưới đây đầu hàn khe hở hẹp của Mỹ (Hình 2.2)

Hình 2.2 Đầu hàn khe hở hẹp của Mỹ

JW Nelson người Mỹ đã đăng ký đề tài nghiên cứu về qua trình khe hở hẹp vào ngày 29 tháng 06 năm 1963 và được cấp bằng sáng chế ngày 27 tháng 06 năm 1967

Tuy nhiên, hàn khe hở hẹp đòi hỏi phải có thiết bị chuyên dùng Kỹ thuật hàn này đem lại lợi ích kinh tế tốt hơn cho hàn các vật liệu kim loại dày (thường với chiều dày hơn 50 mm) Vì vậy, ở các nước công nghiệp phát triển, hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như đóng tàu, cầu đường, xây dựng và các ngành công nghiệp sử dụng kết cấu thép có chiều dày lớn [1]

Có thể nói, công nghệ hàn khe hở hẹp đã đáp ứng được các tiêu chuẩn chất lượng và năng suất trong nhiều ngành công nghiệp có sử dụng thép chiều dày lớn Hàn khe hở hẹp có những lợi thế đáng kể, bao gồm tốc độ hàn tăng và biến dạng hàn thấp Dưới đây là mối hàn khe hở hẹp (Hình 2.3)

Hình 2.3 Mối hàn khe hở hẹp khi hàn xong

 Định nghĩa hàn khe hở hẹp

Các tác giả Bicknell and Patchet (1985) cho rằng một tỉ lệ giữa chiều dày chi tiết và chiều rộng khe hở gấp 5 lần sẽ được coi là một quá trình hàn

"khe hở hẹp"

2.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC

Việt Nam là một nước đang quá trình phát triển, tuy công nghệ và thiết

bị trong những năm qua đã có chuyển biến về chất lượng cũng như số lượng tuy nhiên đa phần là nhập ngoại từ các nước, trong khi đó nền công nghiệp đóng tàu, xây dựng đang phát triển khá mạnh chúng ta cần nâng cao công nghệ, để đẩy nhanh tiến độ Công nghệ hàn khe hở hẹp là một công nghệ hoàn toàn mới ở nước ta, chúng ta cần nghiên cứu để đưa công nghệ này vào sử dụng Tuy nhiên, việc chế tạo ra đồ gá hàn để tích hợp các chuyển động trong hàn khe hở hẹp là tính cấp thiết của việc ứng dụng hàn khe hở hẹp vào thử

2.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HÀN KHE HỞ HẸP

2.3.1 Sơ đồ cấu tạo thiết bị hàn khe hở hẹp trong khí bảo vệ

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hàn khe hở hẹp

Sơ đồ hàn khe hở hẹp gồm các bộ phận chính sau:

1- Động cơ quay cụm đầu hàn; 5- Bép hàn;

2- Bộ phận đưa dây; 6- Kim loại vũng hàn;

3- Ống dẫn dây; 7- Kim loại cơ bản

4- Chụp khí;

2.3.2 Nguyên lý hàn khe hở hẹp trong môi trường khí bảo vệ

Bộ phận đưa dây và bép hàn được nối với máy hàn Khi hàn, động cơ đưa dây hàn cung cấp dây hàn từ cuộn dây hàn đồng thời khí bảo vệ cùng đưa xuống rãnh hàn để bảo vệ mối hàn

Hình 2.4, sử dụng phương pháp sự thay đổi đặt ống Bên vách nóng chảy

là giá trị đo được bằng sự thay đổi tiếp xúc ống, tiếp xúc đầu góc bép hàn từ 3o

đến 15o hướng tới trục mỏ hàn Cơ cấu quy cụm đầu hàn được sử dụng là động

cơ một chiều có tỷ số truyền phù hợp với hàn khe hở hẹp qua hệ thống bánh răng của hộp số vô cấp và bánh răng trong quá trình chuyển động quay đầu hàn 2.3.3 Đặc điểm, ưu nhược điểm của hàn khe hở hẹp

Hình 2.5 Hàn khe hở hẹp với nhiều lượt hàn

Hình 2.6 Mối hàn khe hở hẹp b) Ưu điểm

- Phương pháp này làm giảm thiểu tối đa được lượng kim loại đắp vào mối hàn

- Kết quả của kim loại mối hàn cho chất lượng tốt do vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ vì năng lượng cấp vào thấp

c) Nhược điểm

- Chi phí chế tạo thiết bị cao hơn, nhất là cho sự kiểm soát cụm đầu hàn

- Khả năng gây khuyết tật ở mối hàn tăng do chiều dày mối hàn lớn vì vậy

mà khó tiếp cận trong việc xử lý mối hàn

- Khả năng sửa chữa khuyết tật mối hàn khó khăn hơn

 Sự khác nhau giữa hàn khe hở hẹp với khác phương pháp hàn khác:

- Giảm thời gian hàn;

- Chi phí tiêu hao thấp hơn;

- Giảm thời gian loại bỏ xỉ hàn;

- Giảm chi phí chuẩn bị;

- Giảm xử lý nhiệt sau khi hàn;

- Cải thiện độ dai va đập;

- Giảm biến dạng góc của chi tiết khi hàn

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN KHE HỞ HẸP TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ

2.4.1 Hàn TIG

Đây là phương pháp hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ (Gar tungsten arc welding – GTAW) trong đó nguồn nhiệt điện cung cấp bởi hồ quang được tạo thành giữa điện cực không nóng chảy và vũng hàn Vùng hồ quang được bảo vệ bằng môi trường khí trơ (Ar, He hoặc Ar + He)

để ngăn cản những tác động có hại của oxi và nitơ trong không khí Điện cực không nóng chảy thường dùng là volfram, nên phương pháp hàn này tiếng Anh gọi là hàn TIG (Tungsten Inert Gas)

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý của hàn TIG trong hàn khe hở hẹp

Các bộ phận chính của hàn khe hở hẹp với phương pháp hàn TIG:

1- Cơ cấu chuyển động lên xuống; 6- Kim loại cơ bản;

2- Cơ cấu chuyển động ngang; 7- Hệ thống cung cấp dây bù;

3- Nguồn điều khiển; 8- Nguồn điều khiển cho bộ phận đưa dây; 4- Nước làm mát tuần hoàn; 9- Ống dẫn dây;

5- Điện cực hàn; 10- Dây bù

Hình 2.8 Ngọn lửa hồ quang trong hàn TIG

Hồ quang trong hàn TIG có nhiệt độ rất cao có thể đạt tới hơn 6100oC Kim loại mối hàn có thể tạo thành chỉ từ kim loại cơ bản khi hàn những chi tiết mỏng với liên kết gấp mép, hoặc được bổ sung từ que hàn phụ Toàn bộ vũng hàn được bao bọc bởi khí trơ thổi ra từ chụp khí

Đặc điểm hàn TIG:

- Tạo mối hàn có chất lượng cao đối với hầu hết kim loại và hợp kim

- Mối hàn không phải làm sạch sau khi hàn

- Hồ quang và vũng hàn có thể quan sát được trong khi hàn

- Không có kim loại bắn tóe

- Có thể hàn ở mọi vị trí trong không gian

- Nhiệt tập trung cho phép tăng tốc độ hàn, giảm biến dạng của liên kết hàn 2.4.2 Hàn MIG, Hàn MAG

Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (Gas metal arc welding - GMAW) phân thành 2 loại MAG (Metal active gas welding) và MIG (metal inert gas welding) là quá trình hàn nóng chảy trong đó nguồn nhiệt hàn được cung cấp bởi hồ quang tạo ra giữa điện cực nóng chảy (dây hàn) và vật hàn: hồ quang và kim loại nóng chảy được bảo vệ khỏi tác dụng của oxi và nitơ trong môi trường xung quanh bởi một loại khí hoặc một hỗn hợp khí (hình 2.9)

Hình 2.9 Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy Các bộ phận chính của quá trình hàn khe hở hẹp bằng điện cực nóng chảy:

CO2+O2; CO2 + Ar, ) có tác dụng chiếm chỗ và đẩy không khí ra khỏi vùng hàn

để hạn chế các khuyết tật cho mối hàn

Có 4 phương pháp dịch chuyển kim loại vào vũng hàn: hình cầu, ngắn mạch, phun và xung phun mỗi dạng có đặc tính khác biệt riêng

Đặc điểm của hàn MAG:

- Vì các loại khí trơ có giá thành cao nên không được ứng dụng rộng rãi, chỉ dùng để hàn kim loại mầu và thép hợp kim

- Phương pháp hàn MAG sử dụng khí bảo vệ CO2 được ứng dụng rộng rãi

do có rất nhiều ưu điểm:

- CO2 là loại khí dễ kiếm, dễ sản xuất và giá thành thấp;

- Năng suất hàn trong CO2 cao, gấp hơn 2,5 lần so với hàn hồ quang tay;

- Tính công nghệ của hàn trong CO2 cao hơn so với hàn hồ quang dưới lớp

- Chất lượng hàn cao, sản phẩm hàn ít bị cong vênh do tốc độ hàn cao, nguồn nhiệt tập trung, hiệu suất sử dụng nhiệt lớn, vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp;

- Điều kiện lao động tốt hơn so với hàn hồ quang tay và trong quá trình hàn không phát sinh khí độc

Phạm vi ứng dụng:

- Phương pháp hàn này có thể sử dụng được ở mọi vị trí trong không gian

- Không thích hợp cho hàn ngoài trời, vì sự chuyển động của không khí xung quanh có thể làm ảnh hưởng tới khí bảo vệ và mối hàn Nên sử dụng trong trong ngành xây dựng khá hạn chế

- Được dùng phổ biến trong hàn tự động và bán tự động

2.4.3 Lựa chọn phương pháp hàn để hàn khe hở hẹp

Theo các phương pháp hàn khảo sát ở trên chúng ta thấy rằng để hàn khe

hở hẹp trong khí bảo vệ hàn TIG và hàn MIG không thích hợp vì khí bảo vệ trong hai loại hàn này là khí trơ (Ar, He) giá thành đắt nên ít được sử dụng trong thực tế nên tác giả lựa chọn phương pháp hàn MAG sử dụng khí CO2 để làm khí bảo vệ

Các ưu điểm của phương pháp hàn MAG so với các phương pháp hàn khác:

 Với phương pháp hàn TIG

Bảng 2.1 So sánh phương pháp hàn MAG với hàn TIG

Phương pháp hàn MAG Phương pháp hàn TIG

Năng suất hàn cao Năng suất hàn thấp

Yêu cầu kỹ năng hàn thấp Đòi hỏi tay nghề thợ hàn cao

Thiết bị, nguyên liệu rẻ tiền Thiết bị, nguyên liệu đắt tiền

Thích hợp cho hàn thép hợp kim thấp Thích hợp cho hàn hợp kim cao, kim loại màu Sản phẩm ít cong vênh biến dạng Sản phẩm hay bị cong vênh biến dạng

 Với phương pháp hàn điện xỉ

Bảng 2.2 So sánh phương pháp hàn MAG với hàn điện xỉ

Phương pháp hàn MAG Phương pháp hàn điện xỉ

Mối hàn có cấu trúc hạt mịn Mối hàn có cấu trúc hạt lớn

Độ bền mối hàn tương đối cao Độ bề mối hàn thấp

Hàn được mọi vị trí trong không gian Chỉ áp dụng cho vị trí hàn đứng (hàn leo)

2.5 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HÀN KHE HỞ HẸP

2.5.1 Dòng hàn

Cường độ dòng điện hàn ảnh hưởng lớn nhất đến hình dạng mối hàn Dòng điện hàn tăng dẫn đến tăng mật độ dòng, kích thước vũng hàn, hệ số chảy, tốc độ chảy

Hình 2.10 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hàn

Nhìn vào đồ hình 2.10 Ta thấy khi điện áp hàn không đổi, dòng điện hàn tăng dẫn đến chiều sâu chảy tăng, và chiều cao mối hàn tăng Khi dòng hàn tăng đến một giá trị nhất định mà chiều sâu chảy không tăng và chiều cao mối hàn không

2.5.2 Điện áp hàn

Điện áp hồ quang thay đổi theo chiều dài cột hồ quang Điện áp hồ quang không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ chảy nhưng ảnh hưởng chủ yếu đến chiều rộng mối hàn [1, 2]

Hình 2.11 Ảnh hưởng của điện áp hàn Nhìn vào đồ thị hình 2.11 Ta thấy khi dòng điện không đổi, tăng điện áp hàn, thì bề rộng mối hàn tăng, và chiều sâu chảy mối hàn giảm Khi điện áp tăng đến một giá trị nhất định thì bề rộng mối hàn không tăng, chiều sâu chảy không giảm Khi đó ta xác định được thông số điện áp hàn đạt max 40V [1, 2]

2.5.3 Tốc độ hàn

Đây là đại lượng quan trọng thứ 3 có ảnh hưởng đến năng lượng đường và thường để tăng năng suất hàn Việc chọn đúng tốc độ hàn phụ thuộc vào hình dạng mối hàn cũng như điều kiện nung và nguội vật hàn [1, 2]

Hình 2.12 Ảnh hưởng của tốc độ hàn

Từ đồ thị hình 2.12 Ta thấy tốc độ hàn tăng, thì bề rộng của mối hàn giảm, chiều sâu chảy của mối hàn tăng Khi V = 60cm/min thì bề rộng mối hàn vẫn giảm, chiều sâu chảy của mối hàn bắt đầu giảm Tiếp tục tăng vận tốc hàn, thì bề rộng mối hàn vẫn giảm, và chiều sâu chảy tiếp tục giảm Tiếp tục tăng vận tốc hàn đến một giá trị nhất định thì bề rộng, chiều sâu chảy của mối hàn không giảm nữa [1, 2]

2.5.4 Tốc độ cấp dây

Sau khi xác định tốc độ đắp tối ưu cho mối hàn, bước tiếp theo là xác định tốc độ cấp dây và cường độ dòng điện hàn (là hai đạị lượng tương quan trực tiếp với nhau, khi sử dụng các máy hàn có đặc tuyến thoải và tốc độ cấp dây không đổi) tại tầm với điện cực nhất định để đạt được tốc độ đắp đó [1, 2]

Hình 2.13 Ảnh hưởng của tốc độ cấp dây hàn

Từ đồ thị hình 2.13 ta thấy: khi tốc độ cấp dây tăng, thì bề rộng mối hàn giảm, chiều sâu chảy tăng, chiều cao mối hàn tăng Tiếp tục tăng vận tốc hàn đến một giá trị nhất định, thì bề rộng mối không giảm nữa, chiều sâu chảy không tăng nữa, chiều cao mối hàn không tăng nữa, khi đó ta xác định được tốc độ cấp dây

Các đồ thị trên được tham khảo trong cuốn công nghệ hàn nóng chảy (TS Ngô Lê Thông) [1, 2]

2.5.5 Tốc độ dịch chuyển các chuyển động của đồ gá hàn

Trong quá trình hàn, các chuyển động của đồ gá hàn cần được phối hợp nhịp nhàng giữa tốc độ ngoáy của bép hàn, tốc độ chuyển động dọc mối hàn, chuyển động lên xuống, chuyển động sang trái, phải để đảm bảo độ sâu ngấu, bề rộng và chiều cao của mối hàn