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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưatừng 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 CơĐiện, Viện đào tạo sau đại học trường Học Viện Nông nghiệp Việt Nam đã giúp đỡ tôihoàn thành quá trình thực tập tốt nghiệp

Đặc biệt, tôi xin chân thành cám ơn đến Thầy giáo PGS TS Đào Quang Kế đãtận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốtquá 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 tậntình 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 đồngnghiệp của Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – ViệnNghiên 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

2.4.1 Hàn TIG 112.4.2 Hàn MIG, Hàn MAG 122.4.3 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 chảyGMAW (Gas metal arc welding) Hàn điện cực nóng chảy vVận tốc

h (mm) Chiều cao mối hàn (mm)

b (mm) Bể rộng mối hàn (mm) U

(V) Điện áp (Vol)

I (A) Dòng điện (Ampe)

J (A/mm2) Năng lượng (A/mm2) Al

l Đơn vị ký hiệu chiều dài

ASTM Tiêu chuẩn Mỹ TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam at

Đơn vị áp suất

bar Đơn vị áp suất Pa

Đơn vị pascal MPa

Mega pascal

% Phần trăm

HB Đơn vị đo độ cứng

PLC Programmable Logic Controller

(Bộ điều khiển lập trình logic)

σb Ứng suất bền σch

Ứng suất chảy σk

Ứng suất kéo

E Mô đun đàn hồi

Ix Mô men quán tính

Wx Mô men chống uốn với trục x xk

Tọa độ chịu kéo

N Công suất truyền

kW Kilo oát (Đơn vị đo công suất)

o

C Nhiệt độ

NXB Nhà xuất bản

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

47Hình 3.5 Sơ đồ trục

48Hình 3.6 Sơ đồ biểu diễn lực trên trục

50Hình 4.1 Mẫu hàn thử nghiệm lần 1

52Hình 4.2 Mẫu thử nghiệm qua nhiều lần

38Hình 4.3 Mẫu hàn thử nghiệm hàn xong 39Hình 4.4 Các vùng đo độ cứng và chụp ảnh tổ chức tế vi 40Hình 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;

+ Tốc độ di chuyển: 0 ÷10 m/h

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.Research results

- Have determined the parameter ranges welding parameters for narrow gap welding

- 01 design drawings, manufacturing cluster welding fixtures fit the narrow gap welding

- 01 process welding technology

- 01 Final Report

Conclusion

- The creation of clusters welding jigs used for narrow gap welding to connect the thick steel plate was partly brought about economic efficiency as:

+ 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

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 nghiêncứu ứng dụng phổ biến công nghệ được phát triển ở tất cả các quốc gia, đặcbiệt 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, côngnghệ ngày càng đổi mới, vì vậy một số lượng lớn trang thiết bị, công nghệ đượcnhập 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 hànkhác nhau để áp dụng, điển hình là các phương pháp hàn TIG (Tungsten inertgas 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 cáctấm 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 dàylớn bằng phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ với mối ghép không vátmép

Hàn khe hở hẹp nối các tấm thép có chiều dày lớn và không vát mép việchàn 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 tíchhợp được các chuyển động khác nhau như: chuyển động quay bép hàn, chuyểnđộng dọc mối hàn, chuyển động lên xuống

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

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 môitrường 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 đượcgiải thông số cơ bản và các chuyển động của đồ gá hàn ảnh hưởng đến quá trìnhhàn

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

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

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

1.4 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 vátmép 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 hàntrong 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

- Nghiên cứu lý thuyết: nhằm chuẩn bị cơ sở lý thuyết cho việc nghiêncứu, 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

 Địa điểm nghiên cứu:

- Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – Việnnghiên 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 trongkhí bảo vệ ứng dụng để hàn các tấm thép có chiều dày lớn không vát mép đếnnay 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 nốicác tấm thép có chiều dày lớn bằng phương pháp hàn khe hở hẹp trongmôi trường khí bảo vệ”, việc chế tạo ứng dụng thành công đồ gá hàn sẽ giúp cácnhà sản xuất hàn được các tấm thép dày và không cần vát mép đem lại hiệuquả 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 lớntrong công nghệ hàn nói chung và đã là chủ đề của nhiều công trình nghiên cứutrong hơn hai mươi năm qua, vẫn còn một số ý kiến khác nhau xung quanh mộtđịnh nghĩa thích hợp cho kỹ thuật hàn này Hầu hết các tác giả đồng ý rằng côngnghệ hàn khe hở hẹp được thực hiện cho các chi tiết dày sử dụng một mép hànđược 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 hồquang 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 dụngtrong hàn khe hở hẹp

NGW và nó vẫn là một trong những công nghệ phổ biến nhất liên quanđến kỹ thuật này Ưu điểm là quá trình này có liên quan đến việc hồ quang dễdàng quan sát được, rãnh hàn tương đối hẹp, chất lượng hàn cao, năng suấtcao 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 hụtkhí bảo vệ Những vấn đề này, trong đó có liên quan đến khó khăn trong việccấp dây hàn và cung cấp một vùng phủ khí bảo vệ thích hợp vào một đườngrãnh mép hàn hẹp và sâu, để có được sự nung nóng cân bằng giữa hồ quang cácthành bên và bên dưới của mối nối là nguyên nhân để công nghệ hàn khe hởhẹp không được ứng dụng rộng rãi Để khắc phục những hạn chế này, một sốbiện 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

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 cấpbằng sáng chế tại Mỹ và được phát triển tại Viện hàn Paton, Kiev, Ukraina đểhàn 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 Tuynhiên, phương pháp hàn điện xỉ có những nhược điểm nhất định: thiết bị, đồ gácồng 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 khítrơ 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 hởhẹp 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 thuậthàn này đem lại lợi ích kinh tế tốt hơn cho hàn các vật liệu kim loại dày (thườngvới chiều dày hơn 50 mm) Vì vậy, ở các nước công nghiệp phát triển, hiện nayđang được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như đóng tàu, cầuđường, xây dựng và các ngành công nghiệp sử dụng kết cấu thép có chiềudày lớn [1]

Có thể nói, công nghệ hàn khe hở hẹp đã đáp ứng được các tiêuchuẩn chất lượng và năng suất trong nhiều ngành công nghiệp có sử dụngthép chiều dày lớn Hàn khe hở hẹp có những lợi thế đáng kể, bao gồm tốc độhàn 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 chiềudày chi tiết và chiều rộng khe hở gấp 5 lần sẽ được coi là một quá trìnhhàn "khe hở hẹp"

2.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC

Việt Nam là một nước đang quá trình phát triển, tuy công nghệ vàthiết bị trong những năm qua đã có chuyển biến về chất lượng cũng như sốlượng tuy nhiên đa phần là nhập ngoại từ các nước, trong khi đó nền côngnghiệp đóng tàu, xây dựng đang phát triển khá mạnh chúng ta cần nângcao công nghệ, để đẩy nhanh tiến độ Công nghệ hàn khe hở hẹp là một côngnghệ hoàn toàn mới ở nước ta, chúng ta cần nghiên cứu để đưa công nghệnày vào sử dụng Tuy nhiên, việc chế tạo ra đồ gá hàn để tích hợp các chuyểnđộng trong hàn khe hở hẹp là tính cấp thiết của việc ứng dụng hàn khe hở hẹpvào thử nghiệm, sản xuất [1]

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 đưadây hàn cung cấp dây hàn từ cuộn dây hàn đồng thời khí bảo vệ cùng đưaxuống rãnh hàn để bảo vệ mối hàn

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

động cơ một chiều có tỷ số truyền phù hợp với hàn khe hở hẹp qua hệ thốngbánh răng của hộp số vô cấp và bánh răng trong quá trình chuyển động quayđầu hàn

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

rãnh hàn được điền đầy kim loại bằng nhiều lớp

- Vùng ảnh hưởng nhiệt thường rất nhỏ do năng lượng đầu vào

thấp

- 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 môitrường khí trơ (Gar tungsten arc welding – GTAW) trong đó nguồn nhiệt điệncung cấp bởi hồ quang được tạo thành giữa điện cực không nóng chảy và vũnghàn 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 cựckhông nóng chảy thường dùng là volfram, nên phương pháp hàn này tiếng Anhgọi 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

Kim loại mối hàn có thể tạo thành chỉ từ kim loại cơ bản khi hàn những chi tiếtmỏng với liên kết gấp mép, hoặc được bổ sung từ que hàn phụ Toàn bộvũng 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 (Gasmetal arc welding - GMAW) phân thành 2 loại MAG (Metal active gaswelding) và MIG (metal inert gas welding) là quá trình hàn nóng chảy trong đónguồn 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 dụngcủa oxi và nitơ trong môi trường xung quanh bởi một loại khí hoặc một hỗn hợpkhí (hình 2.9)

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

1- Dây hàn; 4- Chụp khí;

2- Bộ phận định hướng dây hàn; 5- Ống dẫn khí bảo vệ;

3- Bộ phận nắn dây hàn; 6- Ống dẫn dây

Khí bảo vệ có thể là khí trơ (Ar, He hoặc hỗn hợp Ar + He) không tác

để hạn chế các khuyết tật cho mối hàn

Có 4 phương pháp dịch chuyển kim loại vào vũng hàn: hình cầu, ngắnmạch, 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

do có rất nhiều ưu điểm:

thuốc vì có thể tiến hành ở mọi vị trí không gian khác nhau;

- 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 quátrình 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 khíxung quanh có thể làm ảnh hưởng tới khí bảo vệ và mối hàn Nên sử dụng trongtrong 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 hànkhe 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

làm khí bảo vệ

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

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 màuSản 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

không tăng Khi đó ta có thể xác định được giá trị của dòng điện đạt max 800A[1, 2].

2.5.2 Điện áp hàn

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

Hình 2.11 Ảnh hưởng của điện áp hànNhìn vào đồ thị hình 2.11 Ta thấy khi dòng điện không đổi, tăng điện áphàn, thì bề rộng mối hàn tăng, và chiều sâu chảy mối hàn giảm Khi điện áp tăngđến một giá trị nhất định thì bề rộng mối hàn không tăng, chiều sâu chảy khônggiảm 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 vàohình 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 hàngiảm, chiều sâu chảy của mối hàn tăng Khi V = 60cm/min thì bề rộng mối hànvẫn 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 vậntốc hàn đến một giá trị nhất định thì bề rộng, chiều sâu chảy của mối hàn khônggiảm 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 địnhtốc độ cấp dây và cường độ dòng điện hàn (là hai đạị lượng tương quan trựctiếp với nhau, khi sử dụng các máy hàn có đặc tuyến thoải và tốc độ cấp dâykhông 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 hàngiảm, chiều sâu chảy tăng, chiều cao mối hàn tăng Tiếp tục tăng vận tốc hàn đếnmột giá trị nhất định, thì bề rộng mối không giảm nữa, chiều sâu chảy khôngtăng nữa, chiều cao mối hàn không tăng nữa, khi đó ta xác định được tốc độ cấpdây

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 hợpnhịp 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

2.6 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ HÀN ĐẾN HÌNH DẠNG, CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN

2.6.1 Dòng hàn

Khi tăng cường độ dòng hàn, chiều sâu chảy tăng mạnh, chiều cao đắp mốihàn tăng không nhiều chiều rộng mối hàn tăng ít, chiều rộng mối hàn chịu ảnhhưởng của điện áp hàn và tốc độ hàn là chính [1, 2]

Hình 2.14 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn2.6.2 Điện áp hàn

Khi cường độ dòng điện hàn không đổi, chiều sâu có xu hướng giảm Vìtheo đặc tuyến của máy hàn, cường độ dòng điện hàn thay đổi theo sự thay đổiđiện áp hồ quang, chiều sâu chảy cũng thay đổi theo tỷ lệ thuận với sự thay đổiđiện áp hồ quang [1, 2]

Hỉnh 2.15 Hình dạng mối hàn ảnh của điện áp hàn2.6.3 Tốc độ hàn

Tốc độ hàn tăng làm tăng lượng nhiệt đưa vào vật hàn phía trước

hồ quang, do đó cần ít nhiệt hơn để nung nóng trước cạnh hàn Ngoài ra cùngvới

tốc độ hàn, tốc nguội sau khi hàn cũng tăng, có thể làm tăng khả năng bị nứt với một số loại thép có tính thấm tôi cao [1, 2].

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

2.6.4 Tốc độ cấp dây hàn

Trên thực tế, người ta không sử dụng dòng điện hàn mà sử dụng tốc độdây để đặt, duy trì và đo tốc độ đắp, vì vậy sẽ chính sác hơn so với sử dụngcường độ dòng điện hàn Dòng điện hàn trong giải thích hợp được chọn theođường kính dây hàn, dạng dịch chuyển kim loại và chiều dày kim loại cơ bản.Dòng hàn quá thấp sẽ dẫn đến hàn không ngấu [1, 2, 3, 4]

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

2.6.5 Đồ gá hàn

Ngoài các yếu tố về công nghệ trong quá trình hàn, đối với phương pháphàn khe hở hẹp đồ gá hàn có vai trò rất quan trọng trong quá trình hàn, đồ gáhàn được tích hợp rất nhiều chuyển động khác nhau như: chuyển động lênxuống, chuyển động dọc mối hàn, chuyển động quay đầu bép hàn:

- Đảm bảo độ cứng vững trong quá trình hàn;

- Với các mối hàn có chiều cao lớn và có bề rộng hẹp không thể đưa đầusúng hàn xuống đúng vị trí cần hàn;

- Tốc độ ngoáy và tốc độ chuyển động chạy dọc mối hàn được điều chỉnhhợp lý để đảm bảo độ ngấu, bề rộng, chiều sâu ngấu của mối hàn, các vẩy hàn

Do vậy, trong quá trình thực nghiệm tác giả đã lựa chọn được dải tốc độphù hợp với quá trình hàn để chế tạo đồ gá hàn.

2.7 LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ TRONG HÀN KHE HỞ HẸP

Trong thực tế, khi chọn giá trị dòng điện, điện áp hàn, cần theo chỉdẫn của nhà chế tạo thiết bị, sau đó điều chỉnh thêm cho chính xác vì cácgiá trị hướng dẫn chỉ mang tính định tính Việc chọn điện áp quá lớn sẽ làm tăngxác suất cháy các nguyên tố hợp kim, rỗ khí và bắn tóe Ngoài ra, làm tăngkích thước vũng hàn cũng làm khả năng hàn ở các tư thế hàn trở nên khó khăn.Chọn điện áp quá thấp lại làm cho hồ quang kém ổn định, mối hàn hẹp và lồi

thể coi:

U = 15 + 0.04.I với chế độ dịch chuyển ngắn mạch (với d= 0,6 ÷ 1,2 mm) và

U = 20 + 0.03.I với chế độ dịch chuyển tia (d= 1,2mm trở lên)

suất(KVA)

làmviệc

ngoáy(v/p)

dichuyển

ápkhông

lượngkhíbản

Tốc độ di chuyển đầu hàn: 0 ÷ 10 m/h