Lập trình cho robot hàn almega ax-v6 để hàn một số đường cong phức tạp

Lập trình cho robot hàn almega ax-v6 để hàn một số đường cong phức tạp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -

Học viên: TRƯƠNG ĐÌNH LUÂN

Người HD khoa học : GS.TS TRẦN VĂN ĐỊCH

THÁI NGUYÊN - 2009

LỜI NÓI ĐẦU

- Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng

- Mục tiêu ứng dụng Robot trong công nghiệp là nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Sự cạnh tranh hàng hoá đặt ra một vấn đề thời sự là làm sao để hệ thống tự động hoá sản xuất phải có tính linh hoạt cao nhằm đáp ứng sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hoá cạnh tranh Robot công nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong việc tạo ra những hệ thống sản xuất linh hoạt đó

- Gần nửa thế kỷ có mặt trong sản xuất, Robot công nghiệp đã có một lịch sử phát triển hấp dẫn Ngày nay robot công nghiệp đã được dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực sản xuất Ở giai đoạn trước những năm 1990 hầu như trong nước ta hoàn toàn chưa du nhập về kỹ thuật robot, thậm chí còn chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnh vực này Từ năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập ngoại nhiều loại robot để phục vụ sản xuất như tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm gia công CNC, lắp giáp các linh kiện điện tử, thao tác ở các máy ép nhựa, hàn vỏ xe ôtô, xe máy, phun sơn v.v…

Ở nhiều trường đại học, cao đẳng và cao đẳng nghề đã bắt đầu giảng dạy về Robot Đặc biệt trong những năm gần đây xu thế nhập Robot công nghiệp ở các trường nghề ngày càng gia tăng để phục vụ cho học sinh, sinh viên thực tập, tiếp cận dần với nền sản xuất hiện đại Tuy nhiên sự chuyển giao công nghệ của nhà sản xuất chưa thật như ý muốn, chưa tận dụng khai thác triệt để của thiết bị Là một kỹ sư, đồng thời là một giáo viên tôi mong muốn góp phần nhỏ bé của mình vào công cuộc chung của nhà trường là đào tạo các công nhân trình độ cao, tôi mạnh dạn chọn đề tài này làm luận

văn tốt nghiệp: “Lập trình cho Robot hàn Almega AX-V6 để hàn một số đường cong phức tạp ”

- Tôi rất vinh dự được học tập và nghiên cứu tại khoá đào tạo thạc sỹ khoá 9 của trường, đề tài tốt nghiệp của tôi được hoàn thành đúng thời hạn với sự hướng dẫn tận tình của GS.TS Trần Văn Địch, các thầy cô giáo trong và ngoài nhà

trường, các bạn đồng nghiệp và sự nỗ lực của bản thân, và tôi hy vọng rằng đề tài của tôi sẽ được ứng dụng thực tế vào trong công tác đào tạo của trường Cao đẳng nghề NN&PTNT Phú Thọ, nơi tôi đang công tác

- Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô trong khoa Cơ khí, phòng đào tạo Sau đại học trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn Tôi lấy làm biết ơn trường Cao đẳng nghề NN&PTNT Phú Thọ đã tạo điều kiện cho tôi học tập, mở mang kiến thức Tôi xin chân thành cảm ơn

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RÔBÔT CÔNG NGHIỆP(IR)

Chương này giới thiệu lịch sử ra đời của Robot công nghiệp, định nghĩa, ứng dụng và phân loại Robot

1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp 1.2 Định nghĩa về Robot công nghiệp 1.3 Phân loại Robot

1.3.1 Phân loại theo hình học 1.3.2 Phân loại theo điều khiển

1.4 Ứng dụng của Robot công nghiệp trong sản xuất 1.5 Ứng dụng Robot trong ngành hàn

1.1 Sự ra đời của rôbốt công nghiệp (Inductrial robot)

Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi các ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất Xu hướng tạo ra những dây

chuyền về thiết bị có tính linh hoạt cao đang dần hình thành Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc thị trường luôn đòi hỏi mặt hàng thay đổi về chủng loại, tính năng, mỹ thuật, vv,… Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng về robot để tạo ra các hệ thống sản suất linh hoạt Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1892 trong tác phẩm “Rossum’

s Unicersal Robot” của Karel Capek Theo tiếng Séc thì robot là người tạp dịch Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người

Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những cánh tay máy bất kỳ điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ

Vào những năm 50 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thuỷ lực và điện từ, như tay máy Minotaur hoặc tay máy Handyman của General Electric Năm 1954 George C Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “ Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình” Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959 ở công ty Unimation Chỉ đến năm 1975 công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này

Chiếc Robot công nghiệp được đưa và ứng dụng đầu tiên năm 1961 , ở một nhà máy ôtô của General Motors tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kì (American Machine and Foundry Company) Đến năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như công ty Hitachi và công ty Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng

Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo loại robot lắp giáp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy vi tính để lắp giáp các máy in gồm 20 cụm chi tiết

Vào thời điểm này ở nhiều nước khác cũng tiến hành công trình nghiên cứu tương tự, tạo ra các robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và các thiết diện giao tiếp người với máy

Một lĩnh vực được nhiều người quan tâm là robot tự hành Các công trình nghiên cứu tạo ra robot tự hành theo hướng bắt chước chân người hoặc súc vật Các robot này còn chưa ứng dụng nhiều trong công nghiệp Tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng đưa vào hoạt động trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã ra tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy robot công nghiệp có vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

Ngày nay, chuyên ngành khoa học về robot “robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu, động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v…

1.2 Định nghĩa về robot công nghiệp

Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau

• Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) : Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, định hướng, di

chuyển các đối tượng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau • Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America) : Robot là một tay máy vạn

năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

• Định nghĩa theo GOCT 25686-85 (Nga) : Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

1.3 Phân loại Robot

- Có hai phương pháp phân loại robot Một là theo tính chất vật lý hay hình học của chúng Hai là theo cách chúng được điều khiển

1.3.1 Phân loại theo hình học

Ngành công nghiệp dùng các thiết kế các robot khác nhau với các ưu nhược điểm riêng Về cơ bản, một robot phải có 3 bậc tự do để tiếp cận tới tất cả các điểm trong không gian Tuy nhiên nó phải có 3 bậc tự do để kẹp 1 vật thể trong không gian Có 5 loại robot có tính chất không gian làm việc khác nhau, đó là:

1 Loại có dạng đề các (chữ nhật) (x,y,z) 2 Loại có dạng trụ (kiểu trụ) (r,θ,z)

3 Loại có dạng cầu (kiểu toạ độ cực) (r,θ,φ) 4 Kiểu nối (nhân hình hoá hay nhân tạo) (θ1,θ2,θ3) 5 SCARA (cánh tay máy có kết cấu lắp chọn) (θ1,θ2,θ3)

Mỗi loại robot trên được mô tả theo 3 khớp nối đầu tiên bao gồm bậc tự do của khớp Mỗi khớp có thể mô tả bằng toán học hoặc theo chính hệ toạ độ của chúng, mô tả này

có thể vẽ trong hệ toạ độ đề các Chú ý rằng chuyển động tịnh tiến và quay của cánh tay Robot bị hạn chế bởi thiết kế robot

1.Kiểu đề các (hình 1-1)

Robot kiểu này còn gọi là tay máy kiểu giàn, có các khớp dịch chuyển theo hướng dạng hình chữ nhật Đây là dạng mô hình hoá và về dạng toán học vì các hệ toạ độ tương ứng với hệ trục toạ độ đề các Robot này được dùng ở những nơi cần độ chính xác rất cao, tuy nhiên không gian làm việc của nó rất hạn chế

Hình 1-1: Robot có không gian làm việc dạng hình chữ nhật

2 Kiểu trụ: Robot này có một khớp quay và khớp tịnh tiến, 3 khớp đầu tiên của loại

này ứng với 3 biến cơ bản của hệ toạ độ trụ Chuyển động quay: θ

Chuyển động cao: h Tầm với: r

Hình 2-2: Robot có không gian làm việc dạng trụ

Nếu vị trí của điểm tham chiếu của tay ký hiệu là (θ,h,r), khi đó vị trí sẽ dễ dàng xác định tại tất cả các thời điểm, nhưng nếu vị trí được cho ở một thời điểm, tức là (x,y,z) như trong trường hợp bình thường, sau đó cần thực hiện một vài phép biến đổi tay 2 hệ trục toạ độ, áp dụng phép tiếp cận mềm và giải bài toán cho 3 khớp đầu tiên, trục z có vẻ giống như trục thẳng đứng của Robot:

z = h

Mặt phẳng xy vuông góc với trục z và do đó song song với mặt phẳng ở đó θ quay (quanh trục z) và khoảng cách r

x = rcosθ, y = rsinθ

Loại robot này đa năng hơn loại đề các Tuy nhiên nó có độ chính xác thấp hơn

3 Loại không gian làm việc hình cầu:

Loại robot này có một khớp tịnh tiến và 2 khớp quay, 3 khớp đầu tiên của robot này tương ứng với 3 biến cơ bản của một hệ toạ độ cầu

Hình 1-3: Robot có không gian làm việc dạng cầu

4 Loại robot thứ 4: (hình 1-4)

Loại này có 3 khớp quay Việc chuyển hệ toạ độ sang hệ trục đề các phức tạp hơn nhiều các trường hợp trước Robot rất linh hoạt Loại này có ưu điểm trong trường hợp robot phải tiếp cận các chi tiết qua các vật cản Tuy vậy độ chính xác của nó thấp hơn tất cả các loại khác

Hình 1-4

5 SCARA:(hình 1-5)

Loại robot này là loại có cấu trúc hình học mới nhất được giới thiệu trong mô hình hóa các loại robot Chuyển động của các khớp cơ bản quanh các trục thẳng đứng Cấu trúc này cho độ cứng cần thiết cho robot theo phương thẳng đứng trong khi cho phép quay trong mặt phẳng nằm ngang

Hình 1-5: Robot SCARA

Các chuyển động của tất cả các khớp chính là chyển động quay nên việc biểu diễn toán học không đơn giản Loại robot này có ưu điểm trong công việc lắp giáp đòi hỏi chính xác

1.3.2 Phân loại theo điều khiển

- Có 2 phương pháp điều khiển Robot Đó là kỹ thuật điều khiển không servo và kỹ thuật điều khiển servo Điều khiển không servo dùng phương pháp hãm cơ khí để cung cấp các phạm vi biên của chuyển động và khi lệnh dịch chuyển được sử dụng, khớp được dẫn động cho đến khi hãm cơ khí được chạm tới Kỹ thuật này hiện nay đã lỗi thời Kỹ thuật servo dùng cấu trúc phản hồi để đáp ứng với các thay đổi cục bộ của các khớp động của robot

- So 2 loại kỹ thuật điều khiển servo: kiểu đường đi điểm-tới-điểm (point-to-point) và liên tục Kỹ thuật điểm-tới-điểm dùng chuẩn của điểm đầu và điểm cuối (và các điểm trung gian) của chuyển động robot đòi hỏi một hệ thống điều khiển

đáp lại phản hồi ở những điểm này Kỹ thuật này được dùng trong hàn điểm, công việc nhặt-và-đặt vật thể và các công việc tương tự Phương pháp điều khiển liên tục đòi hỏi đầu chấp hành của robot theo một đường nhất định từ điểm đầu tới điểm cuối Kỹ thuật này dùng nhiều trong ứng dụng cần chuyển động theo đường biên như hàn hay phun sơn

- Các robot kiểu chuyển động liên tục thường theo chuỗi các điểm gần nhau trong không gian trên một đường và các điểm này được xác định bằng bộ điều khiển hơn là một chương trình Trong nhiều trường hợp, các đường giữa các điểm là các đường thẳng

1.4 Ứng dụng của robot công nghiệp trong sản xuất

- Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng nhiều trong lĩnh vực dưới góc độ thay thế con người Nhờ vậy dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả tăng lên rõ rệt

- Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào các khả năng to lớn của robot như:

+ Làm việc không biết mệt mỏi

+ Rất dễ chuyển nghề một cách thành thạo

+ Chịu được tia phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao

+ Thay thế con người trong các công việc đơn điệu mà dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn + …

- Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, công nghệ cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp giáp sản phẩm,

- Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với các robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức độ tự động hoá cao, mức

độ linh hoạt cao,…ở đây các máy và robot cùng được điều khiển một hệ thống chương trình

- Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, quốc phòng, chinh phục vũ trụ, công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội,…

- Rõ ràng khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt trội hơn khả năng của con người, do đó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt như con người, trong dây chuyền tự động, nếu một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người

1.5 Ứng dụng của Robot trong nghành hàn

- Như ta đã biết Robot công nghiệp được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau, trong đó có ngành hàn, hiện nay số lượng Robot hàn chiếm đến 25% tổng số Robot các loại Trong ngành công nghiệp sản xuất thì hàn đóng vai trò quan trọng, ví dụ như ngành công nghiệp ôtô, đóng tàu, Vì vậy số lượng Robot hàn được thay thế các phương pháp hàn khác rất nhiều, sở dĩ có được điều này là do tính năng vượt trội khi hàn bằng Robot như sau:

+ Có tính tự động cao và năng suất cao

+ Có thể thực hiện được các đường hàn phức tạp + Chất lượng mối hàn tốt và tính thẩm mỹ cao + Có thể thực hiện các thao tác lặp đi, lặp lại liên tục + Giải phóng người lao động khỏi tác động có hại khi hàn

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ HÀN

Trong chương này chúng ta tìm hiểu qua về công nghệ hàn

2.7 Ứng suất và biến dạng hàn

2.8 Khuyết tật mối hàn và phương pháp kiểm tra 2.9 Giới thiệu một số công nghệ hàn

2.1 Lịch sử phát triển của ngành hàn

- Thời kỳ đồ đồng, đồ sắt loài người đã biết hàn kim loại

- Năm 1802 nhà bác học người Nga Pêtơrốp đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện - Năm 1882 Kỹ sư Bênađớt đã sử dụng hồ quang điện cực than để hàn kim loại - Năm 1886 Tômsơn đã tìm ra phương pháp hàn tiếp xúc giáp mối và được áp dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp vào năm 1903

- Năm 1887 Bênađớt đã tìm ra phương pháp hàn điểm - Năm 1888 Slavianốp đã sử dụng điện cực kim loại để hàn

- Năm 1907 kỹ sư Kenbe người Thụy Điển đã sử dụng điện cực có thuốc bọc (que hàn) để hàn kim loại

- Cuối những năm 1930 - đầu những năm 1940 viện sỹ E.O.Patôn (Liên Xô cũ) tìm ra phương pháp hàn dưới lớp thuốc, phương pháp hàn tự động, bán tự động

- Cuối năm 1940, tìm ra phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ, đó là các khí ( Hêli, Argon ở Mỹ và khí Cacboníc ở Liên Xô)

- Năm 1949 B.O.Patôn (Kiev, Liên Xô) Tìm ra phương pháp hàn điện xỉ

Những năm tiếp theo hàng loạt các phương pháp hàn mới được ra đời như: Hàn bằng tia điện tử, hàn siêu âm, hàn ma sát,…và hiện nay trên thế giới có 120 phương pháp hàn khác nhau

Nói chung các phương pháp hàn ngày càng hoàn thiện và phát triển hơn Nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong kỹ thuật quốc phòng và đặc biệt là ngành hàng không – vũ trụ Có thể nói: Hàn là phương pháp gia công kim loại tiên tiến và hiện đại

- Ở nước ta, sau cách mạng tháng 8/1945 và đặc biệt sau khi hoà bình 1954 Dưới sự lãnh đạo của Đảng ngành hàn đã được quan tâm và thực sự phát triển, nhất là trong thời kỳ đổi mới Hiện nay với đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật hàn, công nhân hàn lành nghề ngày càng đông đảo với sự hợp tác khoa học với các nước

trên thế giới Chúng ta tin chắc rằng ngành hàn ở Việt Nam ngày càng phát triển và được ứng dụng ngày càng nhiều vào sản xuất

2.2 Bản chất, đặc điểm và ứng dụng của hàn kim loại

2.2.1 Bản chất

- Hàn là quá trình công nghệ nối 2 hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận) lại với nhau thành một khối bền vững không tháo rời bằng cách dùng nguồn nhiệt để nung nóng vị trí cần nối đến trạng thái hàn (trạng thái lỏng hoặc dẻo) sau đó kim loại lỏng tự kết tinh (trạng thái lỏng) hoặc dùng thêm ngoại lực ép chúng dính lại với nhau (trạng thái dẻo) để tạo thành mối hàn

So với đúc, hàn tiết kiệm 50% khối lượng kim loại

c Hàn cho phép chế tạo được các kết cấu phức tạp (siêu trọng, siêu trường) từ những vật liệu cùng loại, khác loại có tính chất khác nhau để phù hợp với các điều kiện, môi trường làm việc khác nhau

d Hàn tạo ra các liên kết có độ bền, độ kín cao đáp ứng nhu cầu làm việc của các kết cấu quan trọng như: Vỏ tàu, nồi hơi, thiết bị chịu áp lực,…

e Hàn có tính năng động và năng suất cao so với các công nghệ gia công khác, do vậy dễ cơ khí hoá, tự động hoá quá trình sản xuất

f Mức độ đầu tư cho quá trình sản xuất thấp Tuy nhiên do trong quá trình hàn vật liệu chịu tác động của nguồn nhiệt có công suất lớn, tập chung và thời gian hàn ngắn vì vậy liên kết hàn thường có nhược điểm sau:

+ Tổ chức và tính chất của kim loại tại vùng mối hàn và khu vực lân cận có thể bị thay đổi (đặc biệt là những vật liệu khó hàn) do vậy làm giảm khả năng chịu lực

của kết cấu Đặc biệt làm việc dưới tác động của tải trọng động, tải trọng biến đổi theo chu kỳ

+ Trong kết cấu hàn thường tồn tại trạng thái ứng suất và biến dạng dư, do vậy ảnh hưởng đáng kể đến hình dáng, kích thước, tính thẩm mỹ và khả năng làm việc của kết cấu

2.2.3 Ứng dụng

Mặc dù có những nhược điểm trên nhưng với tính kinh tế kỹ thuật cao Công nghệ hàn ngày càng được quan tâm phát triển hoàn thiện và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp của nền kinh tế quốc dân

2.3 Phân loại các phương pháp hàn

- Có nhiều cách phân loại phương pháp hàn Tuy nhiên thông dụng nhất có 2 cách phân loại đó là: Phân loại theo dạng năng lượng sử dụng và theo trạng thái kim loại mối hàn ở thời điểm hàn

2.3.1 Phân loại theo dạng năng lượng sử dụng

a Các phương pháp hàn điện: Bao gồm các phương pháp dùng điện năng biến thành nhiệt năng để cung cấp cho quá trình hàn (hàn điện hồ quang, hàn điện tiếp xúc, hàn TIG, MIC, MAG,…)

b Các phương pháp hàn cơ học: bao gồm các phương pháp dùng cơ năng để làm biến dạng kim loại tại khu vực cần hàn tạo ra liên kết hàn (hàn nguội, hàn ma sát, hàn siêu âm,…)

c Các phương pháp hàn hoá học: Bao gồm các phương pháp sử dụng năng lượng do các phản ứng hoá học tạo ra để nung nóng kim loại (hàn khí, hàn hoá nhiệt,…) d Các phương pháp hàn kết hợp: Bao gồm các phương pháp sử dụng kết hợp các phương pháp nêu trên (hàn điện cơ, hàn điện tiếp xúc,…)

2.3.2 Phân loại theo trạng thái kim loại mối hàn ở thời điểm hàn

- Theo cách phân loại này người ta chia tất cả các phương pháp hàn thành 2 nhóm: hàn nóng chảy và hàn áp lực (hình 2-1)

Hình 2-1: Phân loại các phương pháp hàn theo trạng thái hàn

Hàn áp lực Hàn kim loại

Hàn hồ quang

Hàn điện xỉ

Hàn khí

Hàn laze

Hàn Plasma

Hàn nổ

Hàn nguội

Hàn khí ép

Hàn ma sát Hàn

hoá nhiệt

Hàn chum tia điện tử

Hàn siêu âm

Hàn khuyếch tán

Hàn cao tần

Hàn rèn

Hàn điện tiếp xúc

Hàn nóng chảy

Hàn bằng điện cực nóng chảy có vỏ thuốc

Hàn bằng điện cực không nóng chảy trong khí trơ

Hàn bằng điện cực nóng chảy có khí trơ

Hàn bằng điện cực nóng chảy trong khí hoạt tính

Hàn bằng dây hàn có lõi thuốc Hàn dưới lớp thuốc bảo vệ

Hàn tiếp xúc giáp mối

Hàn tiếp xúc điểm

Hàn tiếp xúc đường

2.4 Phân loại các liên kết hàn 2.4.1 Khái niệm

Để tạo thành liên kết hàn với các phần tử (chi tiết, bộ phận) chúng cần phải có vị trí xác định tương đối với nhau trong không gian Nghĩa là chúng phải được sắp xếp gần nhau, tiếp xúc với nhau theo một dạng nào đó (như tiếp xúc điểm đường, mặt) Sau khi hàn ra được một liên kết hàn bao gồm mối hàn và kim loại cơ bản không bị thay đổi tổ chức dưới tác dụng của quá trình hàn Trong thực tế các loại liên kết đó được phân loại như sau:

2.4.2 Phân loại:

Một số liên kết hàn thường gặp bao gồm 4 loại (hình 2-2) a Liên kết hàn giáp mối

b Liên kết hàn góc c Liên kết hàn chữ T d Liên kết hàn chồng

Hình 2-2: Một số liên kết hàn thường gặp

2.5 Mối hàn và sự hình thành mối hàn

2.5.1 Mối hàn:

Là hỗn hợp giữa kim loại điện cực (que hàn) và kim loại cơ bản (vật hàn) sau khi nóng chảy kết tinh lại thành một khối không thể tháo rời ra được Trên mặt cắt ngang của một liên kết hàn giáp mối bao gồm 3 vùng (hình 2-3)

Hình 2-3: các vùng quy ước trên mặt cắt ngang của liên kết hàn giáp mối 1- vùng mối hàn; 2- vùng ảnh hưởng nhiệt; 3- vùng kim loại cơ bản

2.5.2 Chuyển dịch kim loại lỏng từ que hàn vào vũng hàn

Khi hàn hồ quang bằng bất cứ phương pháp nào và ở bất kỳ vị trí nào trong không gian kim loại lỏng cũng chuyển từ que hàn vào vũng hàn dưới dạng các giọt nhỏ riêng biệt có kích thước khác nhau chảy từ que hàn vào vũng hàn, điều này được giải thích bởi các nhân tố sau:

a Trọng lực của các giọt kim loại lỏng:

Những giọt kim loại hình thành ở mặt đầu que hàn và dịch chuyển theo phương thẳng đứng từ trên xuống dưới do lực hút của trái đất, lực này chỉ có khả năng làm dịch chuyển giọt kim loại vào bể hàn khi hàn sấp và có tác dụng ngược lại khi hàn trần Còn khi hàn đứng thì chỉ một phần kim loại dịch chuyển từ trên xuống

b Do sức căng bề mặt

Giọt kim loại được sinh ra do tác dụng của lực phân tử luôn luôn có khuynh hướng tạo cho bề mặt chất lỏng một năng lượng nhỏ nhất Vì vậy sức căng bề mặt tạo thành những giọt kim loại lỏng có dạng hình cầu Những giọt này mất đi khi chúng rơi vào bể hàn và sức căng của bề mặt bể hàn kéo vào thành dạng chung Nó tạo điều kiện khi hàn trần kim loại lỏng không bị rơi và hình thành mối hàn

c Do cường độ điện trường

Dòng điện đi qua khe hàn sinh ra một lực điện trường ép lên que hàn và có tác dụng làm giảm tiết diện ngang đến không lực này cắt kim loại lỏng ở đầu que hàn thành giọt do sức căng bề mặt và cường độ điện trường tiết diện ngang giảm, mật độ dòng điện tăng, mặt khác ở đây điện trở cao sinh nhiệt lớn kim loại lỏng đạt đến trạng thái sôi tạo ra áp lực đẩy giọt kim loại vào vũng hàn Lực điện trường làm dịch chuyển kim loại lỏng từ que hàn vào vũng hàn đối với tất cả vị trí hàn (hình 2-4)

Hình 2-4: Tác dụng nén của điện trường lên que hàn khi nóng chảy d Áp lực trong

Kim loại lỏng ở đầu que hàn bị quá nhiệt nhanh, các phản ứng hoá học sinh ra ở đó có các khí CO2 Thể tích tăng rất nhanh gây áp lực mạnh đẩy giọt kim loại lỏng tách khỏi que hàn và rơi vào vũng hàn

b Cấu tạo vũng hàn (hình 2-5)

Người ta quy ước chia vùng hàn thành 2 vùng

Vùng A: phần đầu mối hàn thực hiện quá trình làm nóng chảy kim loại vật hàn Vùng B: phần đuôi mối hàn thực hiện quá trình kết tinh tạo thành mối hàn

Hình 2-5: Sơ đồ vũng hàn A,B: phần đầu và phần đuôi của vũng hàn; h,b,a: chiều sâu, chiều rộng và chiều dài của vũng hàn; s: chiều dày của chi tiết hàn

2.5.4 Tổ chức kim loại mối hàn

Sau khi hàn xong kim loại que hàn và vật hàn nóng chảy kết tinh tạo thành mối hàn Mối hàn có tổ chức và thành phần khác với que hàn và vật hàn, thường tốt hơn vùng kim loại vật hàn quanh mối hàn Do ảnh hưởng nhiệt nên có sự thay đổi về tổ chức và tính chất gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt (phần kim loại lân cận mối hàn)

Kim loại nóng chảy hoàn toàn khi nguội có tổ chức tương tự như thỏi đúc vùng sát kim loại cơ bản do tản nhiệt nhạnh, tốc độ nguội lớn nên hạt nhỏ, vùng tiếp theo kim loại kết tinh theo hướng thẳng góc với mặt tản nhiệt nên có dạng nhánh cây kéo dài, vùng trung tâm mối hàn do nguội chậm nên hạt lớn có tạp chất (phi kim loại) (hình 2-6)

Hình 2-6: Sơ đồ kết tinh của kim loại mối hàn

2.5.5 Vùng ảnh hưởng nhiệt (hình 2-7)

a Khái niệm

Sau khi kim loại ở vùng hàn nguội kết tinh thành mối hàn, vùng kim loại quanh mối hàn do ảnh hưởng nhiệt nên có sự thay đổi về tổ chức và tính chất gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt Sự tạo thành vùng ảnh hưởng nhiệt là tất nhiên trong quá trình hàn nóng chảy, chiều rộng của nó phụ thuộc vào phương pháp và chế độ hàn, thành phần và chiều dày của kim loại vật hàn gồm các phần sau:

b Cấu tạo vùng ảnh hưởng nhiệt

Hình 2-7: Tổ chức vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn giáp mối thép ít các bon (1) Vùng viền chảy: Là vùng kim loại nóng chảy không hoàn toàn nằm giữa kim

loại mối hàn nóng chảy và kim loại vật hàn không nóng chảy Vùng này có kích thước bé Hạt kim loại nhỏ mịn và có ảnh hưởng tốt đến mối hàn

(2) Vùng quá nhiệt: Có nhiệt độ từ 1100oC đến gần nóng chảy kim loại chịu sự biến đổi về hình thù hạt Austenit phát triển mạnh, vùng này hạt kim loại to có độ dai và tính dẻo kém là vùng yếu nhất của mối hàn

(3) Vùng thường hoá: Là vùng kim loại bị nung nóng từ 900o

C-1100oC có tổ chức hạt Péclit, ferit nhỏ vì thế nó có cơ tính tương đối cao

(4) Vùng kết tinh lại không hoàn toàn: Là vùng có nhiệt từ 720o-900oC tổ chức hạt ferit thô và hạt Austenit nhỏ vì thế cơ tính của vùng này giảm do độ hạt không đồng đều

(5) Vùng kết tinh lại (vùng hoá già): Vùng này kim loại bị nung nóng từ 500o700oC diễn ra quá trình kết hợp giữa tinh thể nát vụn với nhau trong trạng thái biến dạng dẻo trong quá trình kết tinh lại phát sinh và phát triển những tinh thể mới Nếu giữ ở nhiệt độ này quá lâu thì không diễn ra quá trình kết hợp mà lại diễn ra quá trình phát triển mạnh các tinh thể Khi hàn kim loại không có biến dạng dẻo (như hợp kim đúc) và sẽ không xảy ra quá trình kết tinh lại Vùng này có độ cứng giảm tính dẻo tăng

-(6) Vùng giòn xanh: Là vùng kim loại được nung nóng từ 100o

-500oC trong qúa trình hàn vùng này không có thay đổi rõ về tổ chức nhưng do ảnh hưởng nhiệt nên tồn tại ứng suất dư

2.5.6 Phân loại mối hàn

a Phân loại mối hàn theo vị trí trong không gian (hình 2-8)

(1) Hàn bằng (hàn sấp): Là những mối hàn phân bố trên mặt phẳng nằm trong góc từ 0 – 60o

(2) Hàn đứng: Là những mối hàn phân bố trên những mặt phẳng nằm trong góc từ 60 – 120o theo phương bất kỳ trừ phương song song với mặt phẳng nằm ngang

(3)Hàn ngang: Là những mối hàn phân bố trên những mặt phẳng nằm trong góc 60 – 120o nhưng có phương song song với mặt phẳng nằm ngang

(4) Hàn trần (hàn ngửa): Là những mối hàn phân bố trên những mặt phẳng nằm trong góc từ 120 – 180o

Hình 2-8: Phân loại mối hàn theo vị trí trong không gian b Phân loại mối hàn theo phương ngoại lực tác dụng (hình 2-9)

(1) Mối hàn dọc: Là mối hàn có trục đối xứng song song với phương tác dụng của ngoại lực

(2) Mối hàn ngang: Là những mối hàn có trục đối xứng vuông góc với phương tác dụng của ngoại lực

(3) Mối hàn xiên: Là những mối hàn có trục đối xứng không vuông góc và không song song với phương tác dụng của ngoại lực

(4) Mối hàn hỗn hợp: Là tập hợp mối hàn trên và lực tác dụng theo phương bất kỳ

Hình 2-9: Phân loại mối hàn theo phương của ngoại lực

a mối hàn dọc; b mối hàn ngang; c.mối hàn xiên; d mối hàn hỗn hợp

b Phân loại mối hàn theo tính chất liên tục của đường hàn

(1) Mối hàn liên tục: Mốí hàn liên tục hình thành từ đầu đến cuối đường hàn (2) Mối hàn gián đoạn: Mối hàn giàn đoạn theo chu kỳ hoặc không theo chu kỳ

2.6 Hồ quang hàn

2.6.1 Khái niệm về hồ quang hàn

- Hồ quang là hiện tượng phóng điện mạnh và liên tục trong môi trường khí đã được ion hoá giữa các điện cực kèm theo sự toả nhiệt lớn và ánh sáng mạnh Việc sử dụng nhiệt độ của hồ quang để hàn được gọi là hồ quang hàn (hình 2-10) - Hồ quang có 2 đặc điểm chính là nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh

Hình 2-10: Cấu tạo của hồ quang

1- khu vực cực âm; 2-cột hồ quang; 3-khu vực cực dương

2.6.2 Sự cháy và phân bố nhiệt của hồ quang

a Sự cháy của hồ quang

Sau khi hồ quang phát sinh nếu duy trì khoảng cách từ 2÷4 mm giữa que hàn và vật hàn hồ quang sẽ cháy đều, liên tục và ổn định, sự cháy của hồ quang phụ thuộc vào: Điện thế giữa 2 điện cực khi máy hồ quang chưa làm việc, cường độ dòng điện hàn và khoảng cách giữa 2 điện cực

b Sự phân bố nhiệt của hồ quang

Trong hồ quang điện cực cácbon hàn bằng dòng 1 chiều nhiệt độ ở khu vực cực âm khoảng 32000

C, nhiệt lượng phóng ra là 38% tổng nhiệt lượng hồ quang Nhiệt độ ở khu vực cực dương khoảng 34000

C nhiệt lượng phóng ra là 42% của tổng nhiệt lượng hồ quang, nhiệt độ tại trung tâm cột hồ quang khoảng 60000

C nhưng ngược lại xung quanh cột hồ quang nhiệt độ lại thấp hơn nhiệt độ lại thấp hơn nhiệt lượng phóng ra khoảng 20% tổng nhiệt lượng hồ quang (hình 2-11)

Hình 2-11: Sự phân bố nhiệt của hồ quang

b Các nguyên nhân gây ra ứng suất và biến dạng hàn

- Do nung nóng không đều kim loại hàn: Khi hàn nung nóng chảy một khối lượng nhỏ kim loại tại vị trí hàn, sau đó được nguội dần Sự phân bố nhiệt theo hướng hàn khác nhau Sự thay đổi tinh thể kim loại vùng lân cận khác nhau tạo thành nội ứng suất trong mối hàn

- Độ ngót đúc kim loại nóng chảy của mối hàn

- Do biến đổi cấu trúc bên trong của kim loại tại vùng mối hàn: Là sự thay đổi về kích thước, vị trí sắp xếp các tinh thể kim loại, đồng thời kèm theo sự thay đổi thể tích của kim loại trong vùng ảnh hưởng nhiệt Sự thay đổi như vậy của thể tích kim loại dẫn đến tạo thành nội ứng suất

c Phân loại ứng suất và biến dạng

- Ứng suất và biến dạng dọc - Ứng suất và biến dạng ngang

- Khi hàn giáp mối ứng suất ngang xuất hiện đồng thời theo khuynh hướng của tấm bị biến dạng dọc tương tự như hàn đắp mối hàn trên mép dọc

c Sự phân bố ứng suất ngang

Nếu cắt chi tiết theo trục mối hàn thì độ cong vênh sẽ xảy ra đồng thời ứng suất ngang cực đại (kéo) sẽ tập chung vào phần giữa mối hàn (hình 2-14)

Hình 2-14: Sự xuất hiện các ứng suất ngang do độ co dọc của mối hàn

a) Mẫu hàn; b) Sự biến dạng khi cắt theo trục dọc của liên kết hàn; c) Biểu đồ ứng suất trong mối hàn: h là bề rộng tấm, d là bề rộng vùng đốt nóng

- Đại lượng và sự phân bố các ứng suất ngang phụ thuộc vào bề dày kim loại, tính chất kẹp của chi tiết hàn, thứ tự thực hiện mối hàn, sự tăng bề dày kim loại và số lớp hàn ứng xuất ngang sẽ tăng lên

- Khi hàn các tấm tự do, ta hàn từ giữa ra 2 đầu, sự phân bố ứng suất do có sự co ngang, được biểu diễn trên hình 2-15a Hai đầu là ứng suất kéo, còn giữa là ứng suất nén

- Nếu hàn từ 2 đầu vào sẽ tồn tại ứng suất kéo ở giữa mối hàn do có độ co ngang cộng với ứng suất kéo do độ co dọc có thể làm hỏng mối hàn (hình 2-15b)

Hình 2-15: Ảnh hưởng trình tự hàn đến việc phân bố các ứng suất ngang a) Hàn từ giữa ra 2 đầu; b) Hàn từ 2 đầu vào giữa

Hình 2-17: Biến dạng chung (a) và biến dạng cục bộ (b) của dầm chữ T

2.7.5 Các biện pháp giảm biến dạng và ứng suất khi hàn

- Khi hàn giáp mối nên chiều dày của tấm khác nhau thì cần phải vát bớt tấm dày hơn (hình 2-19)

Hình 2-18: a – đúng; b – sai

Hình 2-19:a – đúng; b – sai

- Với kết cấu phức tạp thì cần hàn chế tạo từng bộ phận riêng thì mới hàn lắp thành kết cấu lớn sẽ giảm bớt co ngang giữa các mối hàn và giảm ứng suất hàn - Các kết cấu hộp để giảm biến dạng cục bộ thì cần hàn thêm các gân chịu lực

b Các biện pháp công nghệ khi hàn

•

- Khi hàn các vật dày, các loại thép dễ bị tôi thì cần nung nóng sơ bộ vật hàn, giảm bớt cường độ dòng điện hàn hoặc công suất ngọn lửa để tránh nứt mối hàn Các biện pháp công nghệ trước khi hàn:

- Khi hàn các chi tiết bị kẹp chặt dễ sinh ra ứng suất lớn, do đó thứ tự hàn các mối hàn phải làm sao cho vật hàn luôn ở trạng thái tự do (hình 2-20)

Hình 2-21: Phương pháp hàn lùi dần a) Tiến hành từ một đầu: b)Tiến hành từ giữa ra

- Khi hàn mối hàn thứ 2 đối xứng với mối hàn thứ nhất thì phải tăng Ih để khử mômen uốn và biến dạng do mối hàn thứ nhất tạo ra

- Đối với hàn giáp mối vát mép chữ V để khử biến dạng góc thì trước khi hàn đặt 2 vật hàn ngược chiều bị biến dạng sau khi hàn (hình 2-22)

- Các đồ gá kẹp chặt phải đặt cách xa mối hàn và không được đặt trên mặt cắt ngang mối hàn

- Hàn theo phương pháp phân đoạn nghịch sẽ giảm được biến dạng Vì nội lực sinh ra chỉ ở từng khu vực nhỏ và nó có hướng về vùng lân cận đối diện (hình 2-21b)

- Để giảm cong vênh lượn sóng khi hàn các tấm rộng ta dùng đồ gá kẹp chặt mép hàn trong khuôn, sau đó nới lỏng để biến dạng tự do nếu không sẽ sinh ra ứng suất dư

Hình 2-22: Đặt vật hàn ngược chiều với chiều biến dạng

- Gõ nhẹ sau khi hàn: Gõ đều và mau xung quanh mối hàn ở nhiệt độ khoảng 5000C và dưới 3000C bằng búa đầu tròn có trọng lượng từ 0,5÷1,25 kg - Nắn nguội: ta tác dụng một lực vào phần bị co để đạt được kích thước, hình

dáng ban đầu thiết kế

- Nắn nóng: Dùng ngọn lửa khí nung nóng khu vực bị biến dạng nhằm tạo ra ứng lực làm biến dạng kết cấu theo chiều ngược lại Phương pháp này kinh tế, đơn giản và hiệu quả cao

2.8 Khuyết tật của mối hàn và phương pháp kiểm tra

2.8.1 Khuyết tật của mối hàn

a Khái niệm:

- Khuyết tật của mối hàn là những sai lệch về hình dạng và kích thước và tổ chức kim loại của kết cấu hàn so với tiêu chuẩn thiết kế và yêu cầu kỹ thuật nó có tác dụng xấu làm giảm độ bền và khả năng làm việc của kết cấu

b Các khuyết tật thường gặp

* Nứt: Là một trong những khuyết tật nghiêm trọng nhất của mối hàn Trong quá trình sử dụng nó phát triển mạnh khiến cho những cấu kiện bị hỏng Có 2 loại nứt là nứt trong và nứt ngoài (có thể có ở vùng ảnh hưởng nhiệt, hình 2-23)

Hình 2-23: Nứt

1- nứt ngoài; 2 - nứt trong; 3 - nứt ở khu vực ảnh hưởng nhiệt

- Nguyên nhân: + Hàm lượng C và S trong kim loại vật hàn và que hàn quá nhiều + Độ cứng của vật hàn lớn cộng thêm công ứng suất nhiệt sinh ra khi hàn cho mối hàn bị nứt

+ Dòng điện hàn quá lớn, rãnh hồ quang ở cuối mối hàn không đầy, khi nguội do ngót xuất hiện vết nứt

- Biện pháp khắc phục:

+ Chọn vật liệu có hàm lượng P, S thấp, chọn que hàn có tính chống nứt + Chọn trình tự và chế độ hàn hợp lý

+ Giảm tốc độ làm nguội vật hàn * Lỗ hơi:

Có nhiều thể hơi hoà trong kim loại nóng chảy không thoát khi vùng kim loại nóng chảy đông đặc tạo thành lỗ hơi (hình 2-24)

Hình 2-24: Lỗ hơi

1-Lỗ hơi tập chung; 2-lỗ hơi trên bề mặt; 3-lỗ hơi đơn; 4-lỗ hơi tập chung

- Nguyên nhân: + Do hàm lượng cácbon trong kim loại vật hàn và que hàn quá cao, khả năng tẩy ôxy của que hàn quá kém

+ Dùng que hàn ẩm, vật hàn ướt, có gỉ sắt, mỡ bẩn + Hồ quang dài, tốc độ hàn nhanh

+ Không gõ xỉ ngay, kéo dài thời gian giữ nhiệt vật hàn * Mối hàn lẫn xỉ (hình 2-25)

Có tạp chất nằm trong mối hàn, nó nằm trong hoặc trên mặt mối hàn, nó xuất hiện khi hàn góc hoặc khe hở nhỏ