Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ dao động đầu hàn đến biên dạng mối hàn khi hàn góc

Tính cấp thiết của đề tài Trong lĩnh vực tự động hóa quá trình sản xuất Cơ khí thì tự động hóa quá trình hàn có ý nghĩa đặc biệt vì: Nâng cao và ổn định chất lượng quá trình hàn: Với sự

NGUYỄN HỮU CHẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG ĐẦU HÀN

ĐẾN BIÊN DẠNG MỐI HÀN KHI HÀN GÓC

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn thạc sỹ "Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ dao động đầu hàn đến

biên dạng mối hàn khi hàn góc" được hoàn thành bởi tác giả Nguyễn Hữu Chấn,

học viên lớp Cao học Hàn, khoá 2009 - 2011, khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan bản luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Phần

cơ sở lý thuyết được tham khảo các tài liệu mới nhất và có chọn lọc Các thông số thí nghiệm, sản phẩm được thực hiện trên Robot hàn AX-V6 phòng thí nghiệm trường Đại học Sao Đỏ Các kết quả nêu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực

và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2011

Tác giả luận văn

Nguyễn Hữu Chấn

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

LỜI CAM ĐOAN 1

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8

MỞ ĐẦU 12

Chương I - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN BÁN TỰ ĐỘNG, HÀN TỰ ĐỘNG BẰNG ĐIỆN CỰC NÓNG CHẢY TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ .15

1.1 Tổng quan về công nghệ hàn điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (hàn MAG/MIG) .15

1.1.1 Thực chất đặc điểm và phạm vi ứng dụng 15

1.1.1.1 Thực chất đặc điểm 15

1.1.1.2 Phạm vi ứng dụng 17

1.1.2 Thiết bị hàn MAG 17

1.1.2.1 Máy hàn bán tự động 17

1.1.2.2 Máy hàn tự động 21

1.2 Tổng quan về robot hàn 23

1.2.1 Lịch sử phát triển của robot 23

1.2.2 Ứng dụng của robot .25

1.2.3 Giới thiệu về Robot hàn AX-V6 29

1.2.3.1 Thân Robot 3030

1.2.3.2 Bộ điều khiển 31

1.2.3.3 Bảng điều khiển 32

1.2.3.4 Hộp thao tác 32

1.2.4 Các thông số dao động đầu hàn của robot hàn .33

1.2.4.1 Tần số dao động (f) 33

1.2.4.2 Biên độ dao động (A) 33

1.2.4.3 Góc nghiêng mỏ hàn (α) 34

1.2.4.4 Thời gian dừng (t) 34

Chương 2 - NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC MỐI HÀN GÓC .35

2.1 Cơ sở của việc tính toán, thiết kế mối hàn góc .35

2.1.1 Các yêu cầu và tiêu chuẩn đánh giá 35

2.1.2 Ảnh hưởng của sự chuyển tiếp kim loại đến hình dạng, kích thước mối hàn .38

2.1.2.1 Sự tạo thành mối hàn, các nhân tố ảnh hưởng đến sự tạo thành mối hàn .38

2.1.2.2 Khả năng chịu tải của mối hàn góc .46

2.2 Ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình dạng mối hàn góc .55

2.2.1 Ảnh hưởng của điện áp hàn .55

2.2.2 Ảnh hưởng của vận tốc hàn .57

2.2.3 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn 59

2.2.3.1 Mật độ dòng điện hàn .60

2.2.3.2 Vận tốc điện cực và cường độ dòng điện hàn 60

2.3 Ảnh hưởng của chế độ dao động đầu hàn đến hình dạng mối hàn góc 62

2.3.1 Ảnh hưởng của tần số dao động 62

2.3.2 Ảnh hưởng của phương pháp dao động 62

2.3.3 Ảnh hưởng của biên độ dao động 63

2.3.4 Ảnh hưởng của góc nghiêng đầu hàn .63

2.3.4.1 Góc nghiêng mỏ hàn .64

2.3.4.2 Góc dao động 64

2.3.5 Ảnh hưởng của thời gian dừng 65

Chương 3 - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG ĐẦU HÀN TỐI ƯU 66

3.1 Quy hoạch thực nghiệm 66

3.1.1 Khái niệm quy hoạch thực nghiệm 66

3.1.2 Mục đích của quy hoạch thực nghiệm 66

3.1.3 Đối tượng nghiên cứu 67

3.1.4 Các nguyên tắc trong quy hoạch thực nghiệm 68

3.1.4.1 Nguyên tắc không lấy toàn bộ trạng thái ban đầu 68

3.1.4.2 Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học 68

3.1.4.3 Nguyên tắc đối chứng với nhiễu 68

3.1.4.4 Nguyên tắc ngẫu nhiên hóa (sử dụng tối ưu không gian các yếu tố) 69

3.1.4.5 Nguyên tắc tối ưu của quy hoạch thực nghiệm 69

3.1.5 Cơ sở lý thuyết của phương pháp .70

3.1.5.1 Kế hoạch thực nghiệm toàn phần 70

3.1.5.2 Tối ưu hóa tìm cực trị (Phương pháp leo dốc Box-Wilson) 72

3.1.6 Các bước tiến hành của phương pháp quy hoạch thực nghiệm 73

3.1.6.1 Chọn thông số nghiên cứu 73

3.1.6.2 Lập kế hoạch thực nghiệm 74

3.1.6.3 Tiến hành thí nghiệm nhận thông tin 74

3.1.6.4 Xây dựng và kiểm tra mô hình thực nghiệm 74

3.1.6.5 Tối ưu hóa hàm mục tiêu .75

3.1.7 Ý nghĩa của quy hoạch thực nghiệm 75

3.2 Nghiên cứu thực nghiệm tìm chế độ dao động đầu hàn tối ưu 76

3.2.1 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát 76

3.2.2 Sơ đồ nghiên cứu trong đề tài 77

3.3 Xây dựng mô hình hàm mục tiêu 77

3.3.1 Hình dạng mô hình 77

3.3.2 Giới thiệu phương pháp xác định hệ số của mô hình 78

3.4 Xác định hàm mục tiêu 80

3.4.1 Lựa chọn các biến số 81

3.4.2 Chọn tần số và xác định khoảng biến thiên 82

3.4.3 Tiến hành thí nghiệm xác định các thông số chế độ dao động đầu hàn 83

3.4.4 Tính toán số liệu và kết quả thí nghiệm 84

Chương 4 - THỰC NGHIỆM ÁP DỤNG TRÊN ROBOT HÀN HỒ QUANG

AX-V6 88

4.1 Xây dựng quy trình thực nghiệm 88

4.1.1 Chuẩn bị……… ……….88

4.1.2 Lập chương trình trên robot hàn AX-V6 89

4.1.2.1 Ghi bước 1 (điểm gốc làm việc) 90

4.1.2.2 Ghi bước 2 (ngay trước vị trí robot bắt đầu thực hiện công việc) 91

4.1.2.3 Ghi bước 3 (vị trí bắt đầu thao tác hàn) 92

4.1.2.4 Ghi bước 4 (kết thúc thao tác hàn) 93

4.1.2.5 Ghi bước 5 (vị trí ở xa phôi) 89

4.1.2.6 Ghi bước 6 (trùng với vị trí bước 1) .96

4.1.2.7 Ghi lệnh kết thúc (lệnh chức năng END) 97

4.2 Chèn lệnh hồ quang 98

4.3 Chèn lệnh dao động 99

4.4 Chạy tự động 100

4.5 Kết quả thu được 100

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

PHỤ LỤC 105

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu viết tắt Viết đầy đủ tiếng Việt

MIG Hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ

MAG Hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí hoạt tính JIRA Hiệp hội robot công nghiệp Nhật bản

CNC Điều khiển bằng máy tính

AX-V6 Robot hàn hồ quang

TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

DIN 18800 Tiêu chuẩn của Đức về chế tạo thép

DS 804 Tiêu chuẩn cầu đường sắt

JIONT Nội suy theo điểm

LIN Nội suy theo đường

CIR Nội suy theo cung tròn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Hệ số βf và βs .36

Bảng 2.2 Sự phân bố nhiệt khi hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ 38

Bảng 2.3 Hệ số sức căng bề mặt của các kim loại khác nhau .39

Bảng 2.4 Hệ số m phụ thuộc vào đường kính dây hàn .49

Bảng 2.5 Cường độ dòng điện hàn, tốc độ cấp dây khi hàn trong môi trường khí CO2 51

Bảng 2.6 Dải vận tốc điện cực (và cường độ dòng điện hàn tương ứng) tiêu biểu cho hàn trong môi trường khí CO2 .61

Bảng 3.1 Bảng giá trị tổng quát của các hệ số .78

Bảng 3.2 Khoảng biến thiên của các thông số dao động .83

Bảng 3.3 Mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng với biên dạng mối hàn .84

Bảng 3.4 Ma trận kế hoạch thí nghiêm .89

Bảng 3.5 Ma trận kế hoạch thí nghiệm với biến mã hoá .89

Bảng 3.6 Kết quả các hệ số trên phần mềm Modde .89

Bảng 4.1 Chế độ hàn .88

Bảng 4.2 Chế độ dao động đầu hàn .100

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 Sản phẩm giá chuyển hướng toa xe 11

Hình 2 Dầm hàn chịu lực 12

Hình 3 Liên kết hàn chịu lực 12

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ 16

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của nguồn hàn Inverter 18

Hình 1.3 Máy hàn MAG có sử dụng nguồn hàn Inverter của hãng Migatronic 18

Hình 1.4 Bảng mặt bộ điều khiển của máy hàn MAG 19

Hình 1.5 Bộ cấp dây hàn MAG loại để bên trong hộp 19

Hình 1.6 Van giảm áp khí CO2 loại dùng đồng hồ đo lưu lượng khí tiêu hao 20

Hình 1.7 Súng hàn và phụ kiện 21

Hình 1.8 Máy hàn MAG tự động kết nối với robốt hàn 22

Hình 1.9 Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi 25

Hình 1.10 Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC 26

Hình 1.11 Đầu hàn có trang bị cảm biến dò tìm đường đi bằng laser theo không gian ba chiều 27

Hình 1.12 Thân Robot .30

Hình 1.13 Bộ điều khiển Robot .31

Hình 1.14 Bảng điều khiển Robot .32

Hình 1.15 Hộp thao tác trên Robot .32

Hình 1.16 Các thông số dao động đầu hàn của Robot .33

Hình 1.17 Biên độ dao động .33

Hình 1.18 Góc nghiêng mỏ hàn .34

Hình 1.19 Thời gian dừng .89

Hình 2.1 Tiết diện tính toán của đường hàn góc .35

Hình 2.2 Đường hàn góc chịu mô men tác dụng trong mặt phẳng bổ trợ đường hàn 37

Hình 2.3 Sơ đồ dịch chuyển ngắn mạch 41

Hình 2.4 Sơ đồ dịch chuyển giọt lớn 42

Hình 2.5 Sơ đồ hình thành giọt kim loại ở đầu điện cực với dịch chuyển tia dọc trục

43

Hình 2.6 Sơ đồ dịch chuyển xung tia và xung ngắn mạch 45

Hình 2.7 Dịch chuyển xung tia cho phép giảm cường độ dòng điện hàn 45

Hình 2.8 Ứng suất pháp trong mối hàn 46

Hình 2.9 Ứng suất cắt song song trong mối hàn 47

Hình 2.10 Ứng suất cắt vuông góc trong mối hàn 47

Hình 2.11 Chiều dầy các dạng mối hàn góc 48

Hình 2.12 Kích thước mối hàn góc 48

Hình 2.13 Quan hệ giữa cường độ dòng điện hàn và vận tốc hàn theo hình dạng bề mặt mối hàn 49

Hình 2.14 Chiều cao toàn bộ của kim loại đắp khi hàn nhiều lớp 50

Hình 2.15 Ứng suất do lực ngang và lực dọc 52

Hình 2.16 Ứng suất do mô men uốn 52

Hình 2.17 Ứng suất do mô lực ngang 53

Hình 2.18 Ứng suất mối hàn tổng thể 54

Hình 2.19 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của điện áp hàn 56

Hình 2.20 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của tốc độ hàn 58

Hình 2.21 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn 59

Hình 2.22 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của các mật độ dòng điện hàn vận tốc điện cực, cường độ dòng điện hàn khi hàn trong môi trường CO2 61

Hình 2.23 Ảnh hưởng của tần số dao động 62

Hình 2.24 Các kiểu dao động 62

Hình 2.25 Biên độ dao động 63

Hình 2.26 Góc nghiêng của mỏ hàn 89

Hình 2.27 Góc dao động của mỏ hàn 89

Hình 2.28 Thời gian dừng của mỏ hàn 65

Hình 4.1 Liên kết hàn góc 88

Hình 4.2 Chuẩn bị liên kết hàn góc 88

Hình 4.3 Các bước lập trình trên robot AX-V6 89

Hình 4.4 Góc nghiêng của mỏ hàn 89

Hình 4.5 Ghi điểm gốc làm việc 90

Hình 4.6 Ghi bước 2 gần vị trí bắt đầu thao tác hàn 91

Hình 4.7 Ghi bước 3 vị trí bắt đầu thao tác hàn 92

Hình 4.8 Ghi bước 4 vị trí kết thúc thao tác hàn 93

Hình 4.9 Ghi bước 5 vị trí ở xa phôi 89

Hình 4.10 Ghi bước 6 vị trí kết thúc chương trình 96

Hình 4.11 Kiểm tra chương trình trước khi chạy tự động 100

Hình 4.12 Sản phẩm sau khi hàn 101

MỞ ĐẦU Hiện nay các nước Đông nam Á đang có dự án nối liền đường sắt xuyên qua các nước này Từ trước đến nay mỗi nước Đông nam Á đều sử dụng một bộ tiêu chuẩn riêng cho đường sắt và toa xe do vậy sẽ gây khó khăn cho dự án nối liền đường sắt giữa các nước Khi đó hành khách đi từ nước này sang nước khác sẽ phải chuyển tàu vừa tốn thời gian mà lại gây không ít phiền phức cho họ Do vậy ngành đường sắt phải có một bộ tiêu chuẩn riêng thống nhất giữa các nước về đường ray

và toa xe Hiện nay trong bộ tiêu chuẩn này toa xe của Việt Nam và nhiều nước không phù hợp Do đó yêu cầu đóng mới toa xe cho các nước Đông nam Á là rất lớn để thay thế các toa xe không phù hợp và bổ sung cho các nước đã phù hợp với tiêu chuẩn Để nâng cao năng suất, chất lượng nhằm thoả mãn nhu cầu của các nước thì vấn đề sản xuất toa xe cần phải được chuyên môn hoá cao trong đó mỗi nước sẽ đảm nhận sản xuất một bộ phận của toa xe Tổng Công ty đường sắt Việt Nam sẽ đảm nhận việc sản xuất giá chuyển hướng toa xe Hợp đồng sản xuất giá chuyển hướng toa xe bước đầu khoảng 500 tỷ Việt Nam đồng Để sản xuất được giá chuyển hướng toa xe với năng suất và chất lượng cao đáp ứng đươc yêu cầu của các nước Asean thì ngành đường sắt Việt Nam cần phải có chiến lược đổi mới công nghệ, đưa tự động hoá sản xuất vào trong sản xuất giá chuyển hướng toa xe

Hình 1 Sản phẩm giá chuyển hướng toa xe

Hình 2 Dầm hàn chịu lực

Trong giá chuyển hướng toa xe bộ phận quan trọng nhất là hai dầm chịu lực chữ I với tiết diện thay đổi Nó quyết định khả năng hoạt động của toa xe, được lắp ghép bằng liên kết hàn góc Vì vậy các nhà máy toa xe sẽ đầu tư dây chuyền Hàn tự động hoàn toàn hai dầm chịu lực này Hệ thống gồm một Robot hàn và đồ gá hoạt động đồng bộ với Robot

450

Tính cấp thiết của đề tài

Trong lĩnh vực tự động hóa quá trình sản xuất Cơ khí thì tự động hóa quá trình hàn có ý nghĩa đặc biệt vì:

Nâng cao và ổn định chất lượng quá trình hàn: Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nhiều kết cấu hàn được thiết kế để đảm nhận những công việc rất quan trọng như tàu vũ trụ, máy bay, tàu thuỷ, dàn khoan trên biển, đường ống dẫn dầu xuyên qua đại dương,… trong các kết cấu hàn này mối hàn yêu cầu phải có chất lượng rất cao mà chỉ có các quá trình hàn tự động hoá hoàn toàn mới có thể đáp ứng được

Cải thiện điều kiện lao động: tự động hoá quá trình hàn loại trừ được những nguy hiểm do kim loại lỏng bắn toé, khói hàn, tia cực tím làm ảnh hưởng tới sức khoẻ của công nhân

Hàn là phương pháp gia công quan trọng không thể thiếu được trong nhiều ngành công nghiệp mũi nhọn

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng, năng suất hàn thì bên cạnh việc đầu tư các thiết bị công nghệ hiện đại, tiên tiến vấn đề nghiên cứu, sử dụng có hiệu quả các thiết bị nhằm khai thác được tối đa công suất mà vẫn đảm bảo được những yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật và những ràng buộc liên quan về chế độ hàn đang là một bài toán rất cần phải nghiên cứu để tìm ra lời giải

Trong thực tế khi hàn mối hàn góc trong các kết cấu thép như dầm giá chuyển hướng toa xe hay các kết cấu dầm chịu lực, cần tính toán được các thông số chế độ hàn cũng như lựa chọn các thông số chế độ dao động đầu hàn hợp lý nhất Tùy theo bề dày, tính chất của vật liệu cơ bản, vị trí của mối hàn Mà ta có thể tính toán và chọn ra một chế độ hàn tương ứng và kiểm chứng trong sổ tay công nghệ hàn Tuy nhiên việc chọn được các thông số chế độ dao động đầu hàn hợp lý để tránh làm lãng phí đến mục tiêu kinh tế và đảm bảo tính kỹ thuật công nghệ của kết cấu hàn là rất cần thiết

Xây dựng và giải được bài toán tối ưu hóa chế độ dao động đầu hàn sẽ giải quyết được tất cả các vấn đề nêu trên.Vì vậy việc nghiên cứu tối ưu hóa chế độ dao

động đầu hàn cho robot hàn để hàn được mối hàn góc đảm bảo sự chuyển tiếp kim loại tốt nhất, góp phần nâng cao tính chịu lực của kết cấu đồng thời nâng cao chất lượng, tiết kiệm lượng kim loại đắp trở thành vấn đề cấp thiết

Mục tiêu của đề tài

Thiết lập được chế độ dao động đầu hàn tối ưu nhằm đảm bảo sự chuyển tiếp giữa kim loại cơ bản và kim loại mối hàn tốt nhất làm tăng khả năng chịu tải trọng

biến đổi của liên kết hàn góc

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ dao dộng đầu hàn đến biên dạng mối hàn

- Xây dựng quy trình thực nghiệm trên Robot hàn hồ quang AX-V6

- Nghiên cứu thực nghiệm, xử lý số liệu, đưa ra chế độ dao động đầu hàn tối

ưu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ dao dộng đầu hàn đến biên dạng mối hàn góc trên Robot hàn hồ quang AX-V6

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu dựa trên cơ sở phương pháp nghiên cứu tài liệu, phương pháp tổng hợp, phương pháp phân tích, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đưa ra số liệu…

Kết cấu của luận văn

Ngoài phần mở đầu, phụ lục, kết luận và kiến nghị Nội dung của luận văn gồm bốn chương:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ hàn bán tự động, hàn tự động bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ

Chương 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình dạng, kích thước mối hàn góc

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số chế độ dao động đầu hàn tối ưu

Chương 4: Thực nghiệm áp dụng trên robot hàn hồ quang AX - V6

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN BÁN TỰ ĐỘNG, HÀN TỰ ĐỘNG BẰNG ĐIỆN CỰC NÓNG CHẢY TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ 1.1 Tổng quan về công nghệ hàn điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo

Khi hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ hồ quang liên tục nung chảy điện cực và mép hàn Dây hàn được cấp vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây với tốc độ bằng tốc độ chảy của dây hàn (với điều kiện chiều dài trung bình của hồ quang không đổi).

Phần điện cực được nung chảy chuyển dịch vào vũng hàn theo một trong các loại cơ chế dịch chuyển kim loại vào vũng hàn và phụ thuộc vào cường độ dòng điện hàn, đường kính điện cực, chiều dài hồ quang, nguồn điện hàn và loại khí bảo

vệ Khi điện cực hàn hay dây hàn được cung cấp tự động vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây hàn còn việc dịch chuyển dây hàn dọc theo mép hàn được thao tác bằng tay gọi là hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ Nếu tự động hoá

cả hai khâu trên thì gọi là hàn tự động trong môi trường khí bảo vệ

Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ (Ar, He) gọi

là phương pháp hàn MIG (Metal Inert Gas) Vì các loại khí trơ có giá thành cao nên không được ứng dụng rộng rãi, chỉ dùng để hàn kim loại màu và thép hợp kim Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí hoạt tính (CO2 ; CO2+ O2 ) gọi là hàn MAG (Metal Active Gas) sử dụng khí bảo vệ CO2 được phát triển rộng rãi vì có các ưu điểm sau:

- CO2 dễ sản xuất và giỏ thành thấp

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

- Tớnh cụng nghệ khi hàn trong CO2 cao hơn so với hàn dưới lớp thuốc vỡ cú thể hàn ở mọi vị trớ khỏc nhau

- Chất lượng hàn cao, sản phẩm ớt cong vờnh, tốc độ hàn nhanh, nhiệt tập trung, hiệu suất sử dụng nguồn nhiệt lớn, vựng ảnh hưởng hẹp

- Điều kiện làm việc tốt hơn so với hàn hồ quang tay khi hàn ớt cú khúi độc

Kimm loại cơ bản Kim loại cơ bản

Mô tơ cấp dây Dây hàn

Nguồn điện hàn một chiều Khí bảo vệ

Bép tiếp điện Chụp khí

Cuộn dây hàn Khí bảo vệ

Vật hàn

+ Kempo

b)

a) Sơ đồ nguyên lý ; b) Sơ đồ thiết bị

Hỡnh 1.1 Sơ đồ nguyờn lý hàn hồ quang núng chảy

trong mụi trường khớ bảo vệ

1.1.1.2 Phạm vi ứng dụng

Trong nền công nghiệp hiện đại hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ chiếm một vị trí quan trọng Nó không những có thể hàn các loại thép thông thường mà còn có thể hàn các loại thép không gỉ, thép chịu nhiệt, các thép hợp kim đặc biệt Các hợp kim Nhôm Magiê, Niken, Đồng, các kim loại có ái lực mạnh với ôxy Phương pháp hàn này hàn được ở mọi vị trí trong không gian

- Khi chiều dày vật hàn từ (0.4 ÷ 0.8) mm thì chỉ cần hàn một lớp mà không phải vát mép

- Khi chiều dày vật hàn từ (1.6 ÷ 10) mm thì hàn một lớp có vát mép còn từ (16 ÷ 25) mm thì hàn nhiều lớp

1.1.2 Thiết bị hàn MAG

1.1.2.1 Máy hàn bán tự động

Máy hàn MAG bán tự động được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp do

có tính cơ động và linh hoạt cao, chất lượng mối hàn tốt, gọn nhẹ, tháo lắp đơn giản, thao tác được ở mọi vị trí, ít độc hại hiện đang là một phương án thay thế hiệu quả cho phương pháp hàn hồ quang tay truyền thống

a Nguồn điện hàn

Nguồn điện hàn dùng cho máy hàn MAG thường là nguồn điện 1 chiều DC, cực dương (+) được nối với điện cực còn cực âm (-) được nối với vật hàn Nguồn điện hàn một chiều nối thuận hay nguồn xoay chiều ít dùng vì hồ quang hàn không

ổn định, kim loại bắn tóe nhiều Đặc tính ngoài của nguồn điện thông thường là đường đặc tính cứng (điện áp không đổi) được dùng với tốc độ cấp dây hàn không đổi, cho phép điều chỉnh tự động chiều dài hồ quang

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, các nguồn điện của máy hàn MAG thế hệ mới đã có những cải tiến rõ rệt đó là: từ việc

sử dụng nguồn hàn Thyristor chuyển sang dùng nguồn hàn Inverter rất gọn nhẹ và

có hồ quang êm, hình dáng mối hàn đẹp, ít bắn tóe kim loại, điều chỉnh các thông số hàn chính xác, dễ thao tác hàn, máy hàn gọn, nhẹ hơn

1 Công tắc chính 5 Biến áp cao tần

2 Chỉnh lưu sơ cấp 6 Chỉnh lưu thứ cấp

3 Cuộn cảm sơ cấp và tụ lọc 7 Cuộn cảm thứ cấp

4 Bộ biến tần IGBT 8 Mạch điều khiển

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của nguồn hàn Inverter

hay tạm dừng), khí bảo vệ, khí hoặc nước làm mát, dòng điện hàn, theo trình tự đặt trước bằng tay

Tùy theo từng quy trình hàn cụ thể mà chọn chương trình phù hợp nhằm đảm bảo quá trình hàn ổn định và đạt chất lượng cao nhất nhờ sự khoanh vùng các thông số điều khiển thông qua việc chọn chương trình hàn tương ứng

Hình 1.4 Bảng mặt bộ điều khiển của máy hàn MAG

c Bộ cấp dây hàn

Bộ cấp dây hàn có nhiệm vụ đưa dây vào vùng hàn với tốc độ tương ứng với dòng điện đã chọn Tốc độ cấp dây hàn được tính toán khi thiết kế máy hàn sao cho ứng với mỗi giá trị của dòng điện hàn tốc độ cấp dây sẽ tương ứng với tốc độ nóng chảy của nó nhằm đảm bảo hồ quang cháy ổn định, mối hàn đạt chất lượng cao và đồng đều

Hình 1.5 Bộ cấp dây hàn MAG loại để bên trong hộp

Trên bộ cấp dây hàn có các puli nắn thẳng và puli đẩy dây hàn Lực ép của các puli này được điều chỉnh tùy theo loại dây, đường kính dây và được chỉ dẫn ngay trên mặt nhìn thấy của puli Chú ý lực ép của puli khi hàn dây lõi đặc lớn hơn khi hàn dây lõi bột Các bộ phận của bộ cấp dây máy hàn MAG có loại dây hàn để bên trong, có loại để bên ngoài, thường được bố trí ở bên trong hộp cấp dây để các chuyển động khỏi tác động của bụi và thời tiết

d Van giảm áp cho khí bảo vệ

Van giảm áp có nhiệm vụ cung cấp liên tục khí bảo vệ đã giảm áp cho súng hàn ở áp suất làm việc cố định Van giảm áp có thể là một hoặc hai cấp (áp suất khí

ổn định hơn) và có thể kèm lưu lượng kế Đối với khí CO2 còn có thêm bộ nung nóng để chống đóng băng khí được gắn cùng vào cụm van giảm áp, thường sấy bằng điện Phía mặt nhìn giữa hai đồng hồ đo áp suất của van giảm áp có dập nổi hoặc in chữ CO2

Hình 1.6 Van giảm áp khí CO 2 loại dùng đồng hồ đo lưu lượng khí tiêu hao

e Súng hàn và phụ kiện

Có nhiều loại và cỡ súng hàn nhằm tạo hiệu suất hàn tối đa Theo cấu tạo, chụp khí bảo vệ có thể thẳng hoặc cong, được làm mát bằng nước hoặc bằng khí Thông thường được làm mát bằng khí

Các phụ kiện cơ bản của một súng hàn bao gồm:

- Ống tiếp điện (pép hàn), thân ống tiếp điện, thân súng hàn

- Chụp khí bảo vệ

- Ống dẫn dây hàn (lò xo ruột gà )

Về cơ bản thiết bị hàn tự động sử dụng trong hàn MAG giống như thiết bị hàn bán tự động tuy nhiên có sự khác biệt chủ yếu giữa chúng như sau:

- Nguồn điện hàn: nhờ có việc áp dụng những thành tựu mới nhất của công nghiệp điện tử và tin học nên thiết bị hàn MAG tự động sử dụng nguồn điện hàn điều khiển bằng kỹ thuật số Nguồn điện hàn này tăng khả năng kết nối với các thiết

bị ngoại vi (rô bốt, bộ cấp dây hàn, bộ điều khiển từ xa ) giúp cho việc xử lý quá trình hàn có độ chính xác và tính lặp lại cao, dễ quan sát và điều chỉnh các thông số hàn trên bảng điều khiển hoặc trên bộ điều khiển từ xa, dịch chuyển kim loại từ dây hàn vào vũng hàn tối ưu, dễ gây và ổn định hồ quang hàn, tổ hợp các thông số hàn

tối ưu do nguồn điện tự chọn, giảm lượng kim loại bị bắn tóe, mối hàn ít bị lỗi ở điểm đầu và điểm cuối so với hàn MAG bán tự động

- Súng hàn: thường được lắp trực tiếp vào bộ cấp dây hàn, tay cầm súng hàn

và công tắc của súng hàn

- Bộ phận điều khiển hàn: được lắp riêng biệt với bộ cấp dây hàn và có sử dụng hộp điều khiển từ xa Đồng thời sử dụng kỹ thuật biến tần trong nguồn điện hàn và điều khiển dòng hàn, các thiết bị hàn tự động hiện đại còn áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật mới nhất về toán học, công nghệ vật liệu, trí khôn nhân tạo để tạo điều kiện thuận lợi nhất cho hàn tự động và hàn bằng người máy có điều khiển thích nghi (không cần phải lập trình cho hành trình phức tạp của đầu hàn theo hình dạng thực tế)

Các thiết bị phụ trợ: có thể sử dụng như giá chứa chuyển động của xe hàn cùng bộ điều khiển, đồ gá định vị vật hàn hoặc tay máy, người máy Thông thường trên xe hàn có lắp bộ cấp dây hàn, động cơ cấp dây hàn, bảng điều khiển chế độ

hàn

Hình 1.8 Máy hàn MAG tự động kết nối với robốt hàn

1.2 Tổng quan về robot hàn

1.2.1 Lịch sử phát triển của robot

Viện Nghiên cứu robot Hoa Kỳ đưa ra một định nghĩa về robot như sau:

“Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng” (Schlussel, 1985)

Định nghĩa robot còn được Mikell P.Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực robot, mở rộng hơn như sau: “Robot công nghiệp là những máy, thiết

bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như

ở con người”

Định nghĩa của M.P.Groover về robot không dừng lại ở tay máy mà mở rộng

ra cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự như con người như là suy nghĩ, có khả năng đưa ra quy định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận được đặc điểm của vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý Theo Artobolevski I.I.,

Vorobiov M.V và các nhà nghiên cứu khác thì phát biểu rằng: “Robot công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển theo chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hoá các quá trình sản xuất”

Sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa nêu trên ở đặc điểm “điều khiển theo chương trình” Đặc điểm này của robot được thực hiện nhờ sự ra đời của những bộ vi xử lý (microprocessors) và các vi mạch tích hợp chuyên dùng được là

“chip” trong những năm 70

Không lâu sau khi xuất hiện robot được điều khiển theo chương trình, người

ta đã thực hiện được những robot tự hành Hơn nữa, với những bước phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin học, hiện nay người ta đã sáng tạo nhiều robot cảm xúc và có khả năng xử lý thông tin Do đó định nghĩa robot cũng có những thay đổi bổ sung

Hiệp Hội robot Công nghiệp Nhật Bản (JIRA - Japan Industrial Robot

Association) đã phân loại robot thành sáu hạng, từ những tay máy do con người trực tiếp điều khiển từng động tác đến những robot thông minh được trang bị trí tuệ nhân tạo (theo Schlussel, 1985) Những robot hay tay máy dùng các cơ cấu cam trong hệ thống điều khiển có được thừa nhận hay không là không quan trọng ; điều quan trọng là chúng đã đóng vai trò đáng kể trong việc tự động hoá sản xuất ở các nhà máy Những robot, tay máy nói trên còn được gọi một cách hình tượng là “tự động hoá cứng”, ngược lại với “tự động hoá linh hoạt”, mà đại diện của chúng là những robot công nghiệp được điều khiển bằng chương trình, thay đổi được nhiệm vụ thao tác đặt ra một cách nhanh chóng

Một số nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực robot của Nhật Bản đưa ra những định nghĩa về robot dưới dạng những yêu cầu như sau:

- Theo Giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một robot công nghiệp phải thoả mãn yếu tố sau:

- Có khả năng thay đổi chuyển động;

- Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác;

- Có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao;

- Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động;

- Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài

- Theo Giáo sư Masahiro Mori (Viện công nghệ Tokyo) thì robot công nghiệp phải có các đặc điểm sau:

- Có khả năng thay đổi chuyển động;

- Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ);

- Có tính vạn năng;

- Có những đặc điểm của người và máy

Các robot đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác nhau; tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm,

an toàn lao động và giải phóng con người khỏi những công việc cực nhọc, tẻ nhạt Tất nhiên, trong tương lai còn nhiều vấn đề nảy sinh khi robot ngày càng thay thế các hoạt động của con người, nhưng trong việc đem lại lợi ích cho con người, khám

phá vũ trụ, và khai thác các nguồn lợi đại dương, robot đã thực sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn Trước khi đi vào phân tích những nội dung tiếp theo,

để bạn đọc có sự nhận dạng một cách thống nhất trong quá trình khảo sát

1.2.2 Ứng dụng của robot

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Những ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn kim loại ở nhiệt độ cao Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt

độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp này Robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường độchại như trong lò đúc, xưởng rèn và xưởng hàn Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ

Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di chuyển khắp nhà máy Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần hàn, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước (hình 1.9)

Hình 1.9 Robot hàm điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi

Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của con người, nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot Ngoài ra, con người phải mất hơn hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn lành nghề trong khi robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ trong vài giờ và có khả năng

lặp lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp Điều đó thể hiện một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất và chất lượng cũng như cải thiện chế

độ làm việc cho con người trong môi trường độc hại Tất cả robot phun sơn đều được ‘dạy’ bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng đường; đường đi đó được ghi lại; và khi robot thực hiện công việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn đó Như thế, robot phun sơn phải có các khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng Ứng dụng này đưa đến sự phát triển một loại tay robot dạng ‘vòi voi’ có độ linh hoạt cao

Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như phục vụ cho máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển trung gian Ở mục sau, ba ứng dụng của robot trong công nghiệp được khảo sát ở các giai đoạn nghiên cứu khác nhau

Ứng dụng robot trong công nghệ hàn đường (hàn theo vết hoặc đường dẫn liên tục)

Hình 1.10 Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC

Hàn đường thường được thực hiện bằng tay Tuy nhiên năng suất thấp do yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môi trường khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn Không giống kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn trong kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại Những hệ thống hàn đường thực tế (hình 1.10) phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác chi tiết được hàn, và sau đó robot di chuyển dọc theo quĩ đạo được lập trình trước Ưu điểm duy nhất so với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn định Có thể thực hiện

tăng năng suất bằng cách trang bị hàn định vị quay nhờ đó người vận hành có thể kẹp chặt một chi tiết trong khi thực hiện việc hàn chi tiết khác Tuy nhiên, luôn có vấn đề khó khăn trong việc lắp khít chi tiết do dung sai trong chế tạo, chi tiết bị cong vênh và các thiết kế cần lắp ghép theo đường cong không đồng dạng Các vấn

đề đó làm cho việc kẹp chặt chi tiết khó khăn, đặc biệt là đối với các chi tiết lớn và lắp tấm kim loại mỏng Hơn nữa, đường hàn có thể không xử lý được với mỏ hàn vì

nó bị che khuất bởi chi tiết khác Thợ hàn tay phải xử lý khó khăn nhiều loại mối nối và vị trí các chi tiết khác nhau Gần đây các nghiên cứu tập trung vào phương pháp dò vết đường hàn với mục đích giảm bớt yêu cầu định vị chính xác, và do đó giảm chi phí hàn trong khi chất lượng mối hàn lại tăng Cảm biến trang bị trên các robot hàn đường phải có khả năng xác định vị trí đúng của đường hàn Như vậy, để mối hàn được đặt chính xác, đúng yêu cầu về hình dáng và kích thước thì robot phải giữ điện cực theo hướng đúng của đường hàn với khoảng cách đúng từ đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với tốc độ không đổi sao cho lượng vật liệu chảy vào mối nối không đổi Xác định đường hàn cho các vật thể ba chiều thì phức tạp hơn cho các tấm phẳng vì thường cần phải mô hình hoá hình học để định ra đường di chuyển của robot (Hình 1.11) trình bày một robot có trang bị cảm biến laser để dò đường đi của đầu hàn

Thông thường để đào tạo một thợ hàn bậc cao phải mất nhiều năm, nhưng việc đưa robot vào sản xuất nhà máy tạo khả năng có thể thu nhận công nhân cả trẻ lẫn lớn tuổi, có kinh nghiệm nghề nghiệp rất khác nhau Hàn đường, một lĩnh vực tiềm năng cho việc ứng dụng robot, được xếp vào lĩnh vực kỹ thuật cao

Hình 1.11 Đầu hàn có trang bị cảm biến dò tìm đường đi bằng laser theo

không gian ba chiều

Ứng dụng robot trong lắp ráp

Một kỹ thuật sản xuất có mục tiêu lâu dài là nhà máy tự động hoàn toàn, ở đó một bản thiết kế được thể hiện tại một trạm thiết kế bằng máy tính, không có sự can thiệp của con người vào quá trình sản xuất Hãy thử hình dung một môi trường sản xuất tự động hoàn toàn; từ ý tưởng sản phẩm, gồm các chỉ tiêu kỹ thuật cấp cao, người ta thiết kế ra sản phẩm; sau đó đặt vật liệu, lập ra chương trình gia công, lập

ra chiến lược đường đi của chi tiết trong nhà máy; điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các máy gia công CNC và các robot tĩnh và robot di động

Những thành tựu của một môi trường sản xuất như thế đã và đang được đầu

tư nghiên cứu phát triển trong nhiều năm qua Hiện nay các nhà máy lớn hiện đại đều áp dụng mô hình tự động hoá hoàn toàn, đặc biệt là phần thiết kế ở cấp cao và phần xử lý chi tiết ở cấp thấp Một trong những trở ngại chính là liên kết các tầng với nhau Một khó khăn khác là nhu cầu phương pháp xuất ra các đặc tả thủ tục từ

mô hình máy tính của sản phẩm Ví dụ, việc lập ra một cách tự động trình tự lắp ráp các chi tiết với nhau trong khâu lắp ráp

Robot lắp ráp mạch in có hệ thống camera quan sát được dùng để xác định vị trí chân trên bản mạch in Robot được sử dụng để tự động hoá quá trình lắp ráp trong những nhà máy như thế Khâu này tập trung nhiều lao động và khó hơn nhiều

so với dự tính Ví dụ, cầm một cái mỏ hàn tay đơn giản và tháo nó ra từng phần Có bao nhiêu chi tiết? Có bao nhiêu cách lắp ráp nó? Bạn có thể lắp ráp nó bằng một tay hay không? Bạn có thể nhắm mắt lắp được nó hay không? Bây giờ bạn đang gặp phải sự giới hạn của robot Sự phát triển của cảm biến và sự ứng dụng nó vào robot

là yếu tố quan trọng cơ bản để ứng dụng robot trong lắp ráp Lấy ví dụ, đầu mỏ hàn

là một vật thể nhỏ, nên để lắp ráp nó chúng ta cần tập trung mọi chi tiết lại, tìm vị trí

và hướng lắp ráp cho từng chi tiết, lấy chi tiết đầu tiên và đặt nó vào cơ cấu kẹp chặt, lấy một chi tiết nữa theo đúng thứ tự và lắp vào chi tiết đầu tiên

Việc lắp ráp còn liên quan đến nhiều xử lý khác nhau: đưa một chi tiết vào một chi tiết kia, đặt một chi tiết trên một chi tiết khác, siết chặt đai ốc, siết vít, hay

phun keo, v.v Tuy nhiên, tuỳ trường hợp cụ thể để quyết định có sử dụng robot trong công đoạn lắp ráp hay không Trong thực tế, khi sản phẩm được thiết kế khéo léo thì người công nhân có thể lắp ráp sản phẩm trong một thời gian rất ngắn

Ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất

Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động hoá hoàn toàn: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn có khả năng hiệu chỉnh các công việc của mình, hầu như ở đây không cần sự giúp đỡ của con người trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện tử Chỉ với vài người giám sát công việc; các máy móc này có thể hoạt động suốt ngày đêm; các robot làm tất cả các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tới công đoạn sản xuất khác kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm vào kho

Các nhà máy lớn thì thường sản xuất một số mặt hàng nhất định trên các dây chuyền hiện đại Các nhà máy cỡ vừa và nhỏ, như nhà máy sản xuất phụ tùng xe đạp chẳng hạn, thì thường sản xuất sản phẩm đa dạng với số lượng không lớn Robot không phải lúc nào cũng thích hợp với những công việc như vậy, nhưng nhà máy loại này có thể giải quyết vấn đề đó bằng cách trang bị nhiều thiết bị đa dạng cho tay gấp của robot nhằm cho phép robot có khả năng điều chỉnh nhanh chóng thiết bị công nghệ đáp ứng linh hoạt với nhiều dạng công việc khác nhau

1.2.3 Giới thiệu về Robot hàn AX-V6

Robot hàn AX-V6 của hãng DAIHEN được Trường Đại học Sao Đỏ đầu tư trang bị cho khoa Cơ khí nhằm nâng cao chất lượng đào tạo cho ngành hàn, đáp ứng với yêu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Robot hàn AX-V6 là một thiết bị hàn hồ quang tự động trong môi trường khí bảo vệ Robot hoạt động với 6 bậc tự do và là loại được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp của ngành hàn

Kết cấu chung của Robot công nghiệp:

- Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt

và phần công tác để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

- Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng

- Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các

cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

- Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là các máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot

- Các thiết bị chấp hành khác: nguồn hàn, thiết bị phun, thiết bị kẹp…

1.2.3.1 Thân Robot

Thân robot là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot, là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng các khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc của robot như tầm với (hay trường công tác), số bậc tự

do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp

Hình 1.12 Thân Robot

Các khâu của ROBOT thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:

Chuyển động tịnh tiến theo hướng x,y,z trong không gian Descarde, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic)

Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation)

Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thường gặp của ROBOT là ROBOT kiểu tọa độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ tọa độ góc (phỏng sinh)

ROBOT hàn AX-C gồm 6 bậc tự do vận hành theo hai hệ tọa độ thường dùng là hệ tọa độ trục và hệ tọa độ của máy:

1.2.3.3 Bảng điều khiển

Hình 1.14 Bảng điều khiển Robot 1.2.3.4 Hộp thao tác

Hộp thao tác bao gồm các công tắc và nút ấn ( khởi động, dừng khẩn cấp, chạy

tự động, chạy bằng tay) được kết nối với bộ điều khiển để điều khiển cánh tay robot từ

xa, chuyển đổi các chế độ điều khiển bằng tay và chạy tự động

Hộp thao tác được trang bị với số lượng nút ấn tối thiểu cần thiết để thực hiện các điều khiển cơ bản đối với robot như bật

nguồn động cơ, khởi động hay ngừng vận hành

1.2.4 Các thông số dao động đầu hàn của robot hàn

Trong quá trình chuyển động Robot sẽ thực hiện các chuyển động khiến cho đầu hàn sẽ dịch chuyển theo một quỹ đạo nhất định Như hình răng cưa (Linear), hình tròn (Circle) hay hình sine (sine wave) Trong tất cả các chuyển động đó thì robot luôn quan tâm tới các thông số dao động chính Các thông số dao động đó là: Tần số dao động, biên độ dao động, góc nghiêng mỏ hàn và thời gian dừng

Hình 1.16 Các thông số dao động đầu hàn của Robot 1.2.4.1 Tần số dao động (f)

Tần số dao động là số lần dao động của đầu hàn trong một khoảng thời gian Nếu tần số dao động lớn sẽ làm tăng lượng kim loại đắp khiến cho mối hàn lồi hơn

1.2.4.2 Biên độ dao động (A)

Biên độ dao động là khoảng cách từ

trục đường hàn sang hai bên mép hàn Với

cùng một chế độ hàn nếu biên độ dao động

lớn sẽ làm tăng bề rộng mối hàn Đồng thời

giảm chiều sâu ngấu, mối hàn có thể bị thiếu

hụt kim loại

- Biên độ dao động trái (Left

amplitude; Left radius)

- Biên độ dao động phải (Right

amplitude; Right radius)

Left radius Right radius

Left amplitude Right amplitude

Hình 1.17 Biên độ dao động

1.2.4.3 Góc nghiêng mỏ hàn (α)

Góc nghiêng của mỏ hàn sẽ ảnh

hưởng rất lớn đến hình dáng, kích thước mối

hàn cũng như sự chuyển tiếp kim loại của

mối hàn góc Nếu góc nghiêng mỏ hàn nhỏ

thì mối hàn sẽ lồi hơn, chiều sâu ngấu ít hơn

Ngược lại nếu góc nghiêng mỏ hàn lớn mối

hàn sẽ thấp hơn và chiều sâu nóng chảy sẽ

tốt hơn

- Góc kéo (Drag angle)

- Góc đẩy (Push angle)

1.2.4.4 Thời gian dừng (t)

Thời gian dừng ở hai bên mép hàn cũng rất quan trọng nó sẽ quyết định tới chất lượng mối hàn Nếu thời gian dừng hai bên mép hàn nhỏ mối hàn sẽ dễ bị khuyết hay cháy cạnh Ngược lại nếu thời gian dừng tại hai mép hàn hay ở tâm lâu quá mối hàn sẽ dễ bị lồi do lượng kim loại nóng chảy nhiều hay làm tăng kích thước chiều rộng mối hàn và mối hàn dễ bị chảy xệ

Hình 1.19 Thời gian dừng

3/4 period stop time

Center stop time 1/4 period stop time

Right amplitude

Left amplitude dvance direction

Main path

Hình 1.18 Góc nghiêng mỏ hàn

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN

HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC MỐI HÀN GÓC 2.1 Cơ sở của việc tính toán, thiết kế mối hàn góc

2.1.1 Các yêu cầu và tiêu chuẩn đánh giá

Theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXDVN) 338 : 2005 "Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế" ban hành theo quyết định số 17/2005/QĐ-BXD ngày 31 tháng

5 năm 2005 Thì liên kết hàn góc được tính toán căn cứ như sau :

- Liên kết hàn dùng đường hàn góc, chịu tác dụng của lực dọc và lực cắt được kiểm tra bền (cắt qui ước) theo hai tiết diện:

2 1

Hình 2.1 - Sơ đồ tiết diện tính toán của đường hàn góc

1 – Tiết diện theo kim loại đường hàn

2 – Tiết diện theo kim loại ở biên nóng chảy

+ Theo kim loại đường hàn (tiết diện 1 trên hình 2.1):

h f - chiều cao của đường hàn góc; βf và βs - các hệ số lấy như sau: khi các

cấu kiện được hàn là thép có giới hạn chảy f y ≤ 530 N/mm2, lấy theo bảng 2.1; khi f y

> 530 N/mm2 không phụ thuộc vào phương pháp hàn, vị trí đường hàn và đường

Giá trị của các hệ số ứng với chế độ hàn tiêu chuẩn

- Liên kết hàn dùng đường hàn góc chịu mômen:

+ Khi mômen tác dụng nằm trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng bố

trí đường hàn, độ bền của đường hàn được tính theo công thức:

Theo kim loại đường hàn:

c wf f

f W

Theo kim loại ở biên nóng chảy:

c ws s

f W

Trong đó:

W f , Ws - mô đun chống uốn của tiết diện tính

toán theo kim loại đường hàn và theo biên

nóng chảy của thép cơ bản

+ Khi mômen tác dụng nằm trong

mặt phẳng bố trí đường hàn, độ bền của

đường hàn được tính theo công thức:

Theo kim loại đường hàn:

c wf yw

xw

f y x I I

+

2 2

Theo kim loại ở biên nóng chảy:

c ws ys

xs

f y x I I

+

2 2

Trong đó:

I xw ,I yw - các mômen quán tính của tiết diện tính toán theo kim loại đường

hàn đối với các trục chính x-x, y-y của nó;

I xs , I ys - cũng như trên nhưng theo kim loại ở biên nóng chảy của thép cơ

bản;

x, y - các toạ độ của những điểm xa nhất so với gốc tọa độ trọng tâm theo

các trục chính x-x, y-y (Hình 2.2)

- Đường hàn góc chịu đồng thời tác dụng của lực dọc, lực cắt và mômen

được kiểm tra bền theo các công thức:

τwf và τws - các ứng suất trong tiết diện tính toán theo kim loại đường hàn và kim loại ở biên nóng chảy, bằng tổng hình học các ứng suất gây bởi lực dọc, lực cắt

và mômen

2.1.2 Ảnh hưởng của sự chuyển tiếp kim loại đến hình dạng, kích thước mối hàn

2.1.2.1 Sự tạo thành mối hàn và các nhân tố ảnh hưởng đến sự tạo thành mối hàn

Khi hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ thì nhiệt lượng sinh ra của hồ quang được phân bố theo bảng 2.2

Bảng 2.2 Sự phân bố nhiệt khi hàn bằng điện cực nóng chảy

trong môi trường khí bảo vệ

20% môi trường (+ 0,5% bắn tóe) 26% giọt kim loại (- 0,5% bắn tóe)

24% kim loại dây hàn

30,5% kim loại cơ bản

=

80% công suất nhiệt hiệu dụng của hồ quang

=

100% công suất nhiệt của

a Lực điện từ

Lực điện từ xuất hiện do có từ trường xung quanh dây dẫn khi dòng điện chạy qua dây Các lực này có tác dụng ép lên dây dẫn, cũng như lên giọt kim loại hình thành

đầu điện cực Sự ép này của từ trường tạo thành một cổ nối ở đầu điện cực và có xu hướng bứt giọt kim loại khỏi điện cực để di chuyển vào vũng hàn Cùng với sức căng

bề mặt, lực điện từ tạo nên thành phần lực hướng trục, quyết định sự tạo thành hình dáng giọt kim loại điện cực và dịch chuyển nó vào vũng hàn

Khi mức độ nung chảy điện cực đủ lớn, giọt kim loại ở đầu điện cực đủ lớn đạt tới thể tích cho phép cân bằng trọng lượng với sức căng bề mặt của nó, khiến nó rời khỏi điện cực, đi vào vũng hàn

b Trọng lực của giọt kim loại

Trọng lực của giọt hướng nó theo chiều thẳng đứng xuống phía dưới Nó làm cho giọt kim loại dịch chuyển qua hồ quang khi hàn sấp, nhưng cản lại dịch chuyển của giọt khi hàn ở các tư thế khác Đối với đường kính dây hàn cụ thể, trọng lực chỉ

có ý nghĩa thực tế khi dòng hàn tương đối nhỏ Dòng hàn tăng làm giảm vai trò của trọng lực đối với sự hình thành các giọt kim loại lỏng, nhưng tác dụng của lực điện

từ lại tăng Vì vậy, theo mức độ tăng của dòng hàn kích thước giọt kim loại giảm và đặc trưng dịch chuyển kim loại chuyển từ giọt lớn sang giọt nhỏ và tia

c Ảnh hưởng của sức căng bề mặt

Sức căng bề mặt hình thành do lực kéo giữa các phân tử Nó có xu hướng làm cho giọt kim loại nóng chảy ở đầu điện cực có dạng hình cầu Kích thước của giọt càng lớn thì sức căng bề mặt của nó càng lớn Giọt kim loại này khi đến vũng hàn sẽ

bị sức căng bề mặt của vũng hàn kéo vào Sức căng bề mặt của các kim loại khác nhau được thể hiện theo hệ số sức căng bề mặt σ như bảng 2.3:

Bảng 2.3 Hệ số sức căng bề mặt của các kim loại khác nhau

Kim

Thép 0,02%N2

Thép 0,23%N2

σ

[N/m] 0,65 0,90 0,77 1,15 1,22 1,51 2,25 2,68 1,10 2,50