Thiết kế chế tạo hệ thống bảo vệ điện cực và vũng hàn trong quá trình hàn thiết bị hàn orbital

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ ĐIỆN CỰC VÀ VŨNG HÀN TRONG QUÁ TRÌNH HÀN THIẾT BỊ HÀN ORBITAL MÃ SỐ: SV2020-118 SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ ĐIỆN CỰC VÀ VŨNG HÀN TRONG QUÁ TRÌNH HÀN THIẾT BỊ HÀN ORBITAL SV2020-118 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Trung Tín TP Hồ Chí Minh, Tháng 9/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ ĐIỆN CỰC VÀ VŨNG HÀN TRONG QUÁ TRÌNH HÀN THIẾT BỊ HÀN ORBITAL SV2020-118 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kĩ thuật SV thực hiện: Nguyễn Trung Tín Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16143152, Khoa ĐT CLC Ngành học: Công nghệ chế tạo máy Nam, Nữ: Nam Năm thứ: 04/Số năm đào tạo: 04 Người hướng dẫn: TS Đặng Hùng Sơn TP Hồ Chí Minh, Tháng 9/2020 Mục lục Phần I: Phần mở đầu Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Phương pháp nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phần II: Nội dung báo cáo Chương 1: Tổng quan công nghệ hàn 1.1 Lịch sử hàn orbital 1.2 Cơng nghệ hàn orbital ứng dụng công nghệ hàn orbital Chương 2: Cơ sở lý thuyết 16 2.1 Hàn TIG(Tungsten Inert Gas) 16 2.2 Tổ chức kim loại vùng cận mối hàn 22 2.3 Bảo vệ mối hàn 23 2.3.1 Nghiên cứu phương án bảo vệ kim loại hàn 23 2.3.2 Khí bảo vệ hàn TIG 24 Chương 3: Tính tốn thiết hệ thống bảo vệ điện cực hàn vũng hàn thiết bị hàn orbital 27 3.1 Thiết lập sơ đồ cấu tạo hệ thống bảo vệ điện cực vũng hàn 27 3.2 Tính tốn thời gian xả khí vào ống 39 3.3 Thiết kế hệ thống bảo vệ điện cực vũng hàn 30 3.3.1 Cụm chi tiết hệ thống bảo vệ điện cực vũng hàn thiết bị hàn orbital 30 3.3.2 Thiết kế chi tiết cụm chi tiết 32 3.3.3 Bộ xả khí bảo vệ vào ống 36 Chương 4: Lắp ráp thử nghiệm 39 4.1 Lắp ráp hệ thống bảo vệ điện cực vũng hàn 39 4.1.1 Lắp ráp cụm chi tiết đầu hàn 39 4.1.2 Lắp xả khí vào ống 40 4.1.3 Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống bảo vệ điện cực vũng hàn trình hàn orbital 41 4.2 Thử nghiệm 47 Chương 5: Kết luận kiến nghị 49 5.1 Kết luận 49 5.2 Kiến nghị 50 PHẦN I: MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Trong nước: Hiểu cách đơn giản cơng nghệ cắt ống hàn ống kim loại mà thiết bị di chuyển theo quỹ đạo tròn xoay quanh chi tiết cần gia công để thực việc gia công Với công nghệ cắt Orbital lưỡi cắt cắt từ từ vào vật liệu, xoay quanh chi tiết cắt làm phẳng bề mặt vết cắt, không để lại ba vớ (mẫu vật liệu thừa) Công nghệ hàn Orbital dựa cơng nghệ hàn TIG (Tungsten Inert Gas) khí Argon phương pháp hàn xoay quanh chi tiết hàn cho mối hàn sáng, đẹp quan trọng hết độ khít cao đồng Cơng nghệ dùng trong ngành công nghệ cao, thực phẩm y tế ngành địi hỏi cao độ tinh khiết vật chất truyền di đường ống, yêu cầu không nhiễm tạp chất, nhiễm khuẩn độ kín hồn hảo Cơng nghệ cắt ống Orbital công nghệ cắt nguội nên không sinh nhiều nhiệt, khơng làm ơxy hóa vật liệu, khơng gây rỉ sét vật liệu Vết cắt vát cách hoàn hảo cho bề mặt phẳng sạch, điều kiện cần thiết cho trình hàn Orbital Công nghệ hàn Orbital sử dụng công nghệ hàn TIG khí Argon chống q trình ơxy hóa vật liệu Phương pháp hàn với đầu hàn tự chuyển động tròn quanh chi tiết hàn, với hệ thống giải nhiệt kín làm giảm nhiệt độ vật liệu, cho phép hàn mà khơng làm biến đổi tính chất vật liệu Q trình xử lý cơng nghệ cắt Orbital nên khe hở chi tiết cực nhỏ giúp cho trình hàn Orbital đạt kết tối ưu thẩm mỹ độ khít mối hàn Ngoài nước: Sinh Dược : Việc hàn quỹ đạo sử dụng cho hệ thống đường ống khử ion DI (deionized) WFI (nước pha tiêm) ngành dược phẩm kể từ năm 1970 Ví dụ, hệ thống WFI sở Thú y Pfizer Missouri Hiện tại, hàn quỹ đạo sử dụng cho số sở dược phẩm Châu Mỹ Latinh Ngành sản xuất bia: Các nhà máy bia nhận từ đầu nhu cầu kiểm soát phát triển vi khuẩn đường ống xử lí họ Cơng ty Busch Brewery Anheuser Van Nuys, California hàn quỹ đạo đường ống dài 18 km với ống inch Việc hàn quỹ đạo đặc biệt quan trọng việc lọc bia lạnh bia tươi không tiệt trùng Miller Genuine Draft Rainier Hầu hết nhà máy bia lớn Mỹ số nước châu Mỹ Latinh bao gồm Mexico, Nicaragua, Argentina Brazil thực thành công thiết bị hàn quỹ đạo Nhà máy bia Kaiser Sao Paulo gần thay 3.000 mối hàn tay mối hàn quỹ đạo Công nghiệp thực phẩm: Một số nhà cung cấp ngành công nghiệp thực phẩm lớn bắt đầu sử dụng hàn quỹ đạo Kraft Foods mua hệ thống hàn quỹ đạo cho số nhà máy bao gồm Springfield, Missouri, Allentown, Pennsylvania New Ulm, Minnesota Họ nhận thấy thực cần phải có máy hàn quỹ đạo chỗ (on-site) cho công việc bảo trì cho sở nhỏ mà họ tự làm mà thuê nhà thầu Lý chọn đề tài: Việc nghiên cứu phát triển đề tài thuộc công nghệ hàn orbital cấp thiết Bởi cơng nghệ có tính ứng dụng cao, giá thành để mua dắt đỏ Vì cần nghiên cứu phát triển công nghệ rộng rãi nước Mục tiêu đề tài: - Thiết kế hệ thống bảo vệ điện cực hàn vũng hàn q trình hàn - Gia cơng chi tiết có hệ thống - Lắp ráp thử nghiệm hệ thống Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp định lượng q trình tính tốn, phân tích mơ kết hợp với thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết Dựa kết thất bại thực nghiệm, lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp, tối ưu hóa quy trình thu thập kết thí nghiệm Áp dụng quy trình thí nghiệm thiết kế khác cuộn dây (thiết kế 2D 3D) Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu vấn đề hệ thống bảo vệ điện cực vũng hàn thiết bị hàn orbital PHẦN II: NỘI DUNG BÁO CÁO Chương I: Tổng quan về công nghệ hàn orbital 1.1 Lich sử hàn orbital: Hàn quỹ đạo (orbital) sử dụng vào năm 1960 ngành công nghiệp hàng không nhận thấy cần thiết phải có kỹ thuật hàn ưu việt cho tồn đường ống thủy lực hàng không vũ trụ Một kết cấu khí phát triển hồ quang từ điện cực khơng nóng chảy quay quanh mối hàn ống Dòng điện hàn điều chỉnh qua hệ thống điều khiển tự động cho tồn q trình hàn Kết phương pháp xác hơn, đáng tin cậy phương pháp hàn tay thay Hàn quỹ đạo (orbital welding) trở nên thích hợp cho nhiều ngành công nghiệp vào đầu năm 1980 việc kết hợp hệ thống kiểm soát nguồn cấp phát triển để vận hành từ 110 VAC kích thước đủ nhỏ để mang từ nơi sang nơi khác cơng trình cho nhiều mối hàn chổ Ngày hệ thống hàn quỹ đạo orbital đại bao gồm hệ thống điều khiển máy tính nơi thơng số hàn lưu trữ nhớ cho nhiều ứng dụng hàn đa dạng Khi cần gọi lệnh cho ứng dụng cụ thể Kỹ thợ hàn bậc cao xây dựng vào hệ thống hàn, tạo số lượng mối hàn đồng lỗi, khuyết tật cách đáng kể 1.2 Cơng nghệ hàn orbital ứng dụng cơng nghệ hàn orbital Hiểu cách đơn giản công nghệ cắt ống hàn ống kim loại mà thiết bị di chuyển theo quỹ đạo trịn xoay quanh chi tiết cần gia cơng để thực việc gia công Công nghệ hàn Orbital dựa công nghệ hàn TIG (Tungsten Inert Gas) khí Argon phương pháp hàn xoay quanh chi tiết hàn cho mối hàn sáng, đẹp quan trọng hết độ khít cao đồng Thiết bị: Các thành phần hệ thống hàn quỹ đạo orbital điều khiển nguồn, đầu hàn, phận làm mát nước, cần (tùy trường hợp) cấu cấp dây hàn bù Có số lượng lớn yếu tố có ảnh hưởng tới kết hàn Bao gồm chiều dài hồ quang, cường độ tần số lặp xung dịng hàn, tốc độ hàn, khí trơ che chắn, vật liệu , vật liệu que bù, trình chuẩn bị hàn, độ dẫn nhiệt Cuối cùng, để có mối hàn chất lượng cao đạt thơng qua kiến thức thật chun sâu để điều chỉnh cách xác tất thông số cho công việc hàn riêng biệt Ứng dụng: Do khả hàn đạt kết độ tinh khiết cao , công nghệ hàn quỹ đạo orbital tìm thấy vị trí sản xuất thành phần cho ngành công nghiệp bán dẫn Ứng dụng mở rộng đến cơng trình hệ thống đường ống thiết bị cho ngành công nghiệp khác chế biến thực phẩm , dược phẩm, kỹ thuật hóa học , kỹ thuật tơ , cơng nghệ sinh học , đóng tàu hàng không vũ trụ Hàn TIG quỹ đạo tự động sử dụng việc xây dựng nhà máy điện ( nhà máy nhiệt điện ) Quá trình sử dụng ứng dụng khác nhau, từ ngành công nghiệp dược phẩm, sinh học, rượu bia nước giải khát, bán dẫn đến hóa dầu nhà máy điện để xử lý hóa chất hoạt động tinh luyện Hình 1: Thiết lập đầu hàn Orbiweld 76S Máy hàn quĩ đạo – hàn Orbital GTAW tự động thiết lập hồ quang điện cực Tungsten (Wonfram) không tiêu hao (đặt đầu hàn) vật liệu hàn, tạo vũng hàn Vũng điện cực hàn bao quanh chất khí che thơng qua đầu hàn để bảo vệ điện cực, vũng hàn nóng chảy, củng cố mối hàn kim loại khỏi bị khí xâm nhiễm Nhiệt sinh hồ quang làm tan chảy vật liệu bản, điện cực di chuyển dọc theo đường nối tan liên kết với vùng vật liệu bề mặt liền kề Hình 2: Đường hàn ống từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc - Nối dây từ chai khí qua cục bịt đầu ống sử dụng van đồng khóa xả khí bảo vệ Dây dẫn khí sử dụng dây ∅16 Hình 24: van đồng Hình 25: dây 38 Chương 4: Lắp ráp thử nghiệm 4.1 Lắp ráp hệ thống bảo vệ điện cực vũng hàn - Hệ thống bảo vệ điện cực vũng hàn bao gồm: chai khí, đồng hồ khí argon, dây cao su, máy hàn, cụm chi tiết đầu hàn, xả khí vào ống 4.1.1 Lắp ráp cụm chi tiết đầu hàn + Lắp chi tiết dẫn điện vào rãnh + Lắp chi tiết ma sát dẫn điện qua bánh C + Lắp ống dẫn khí vào vũng hàn + Lắp chi tiết nối dây khí vào đầu hàn + Lắp chi tiết đầu nối dây khí - Q trình lắp mơ tả qua hình 25 Hình 26: mơ tả lắp cụm chi tiết bảo vệ vũng hàn đầu hàn 39 4.1.2 Lắp xả khí vào ống - Quy trình lắp ráp xả khí vào ống: Chai khí Ống inox Hình 27: sơ đồ lắp đặt xả khí vào ống + Nối dây vào van điều áp + Nối đầu lại vào van đồng + Lắp van đồng vào cục bịt đầu ống có taro ren + Lắp cục bịt đầu ống vào ống Hình 28: bịt đầu ống có lỗ ren 40 Hình 29: bịt đầu ống 4.1.3 Lắp ráp hồn chỉnh hệ thống bảo vệ điện cực vũng hàn trình hàn orbital - Lắp van điều áp vào chai khí - Nối dây vào van điều áp Hình 30: van điều áp 41 - Chia ống khí làm nhánh Sử dụng tê đồng chuột hình chữ T để chia ống làm nhánh sử dụng cổ dể để siết chặt giảm thiểu rò rỉ khí Hình 31: chia ống dẫn làm nhánh 42 - Nhánh 1: - Nối dây khí vào máy hàn Hình 31: nối ống khí vào máy hàn 43 - Nối dây từ máy hàn lên đầu hàn Hình 33: nối dây khí từ máy hàn lên đầu hàn 44 - Nhánh 2: nối dây khí vào xả khí vào ống Hình 34: nối dây vào xả khí vào ống 45 - Sơ đồ lắp đặt hồn chỉnh hệ thống: Van điều áp Chai khí Máy hàn Cụm chi tiết đầu hàn Bộ xả khí vào ống Đầu hàn orbital Hình 35: sơ đồ lắp đặt hệ thống hoàn chỉnh 46 4.2 Thử nghiệm Đầu hàn orbital thiết bị bao gồm nhiều cụm chi tiết sau lắp ráp lại với bắt đầu tiến hành hàn thử nghiệm Kết cho là: + Mối hàn khơng có khí bảo vệ khí bảo vệ khơng đủ bị đen khơng đạt tiêu chuẩn nhìn mắt thường + Mối hàn có khí bảo vệ trắng đạt u cầu kiểm tra mắt Có thể dùng mơtj số phương pháp kiểm tra mối hàn để kiểm tra theo tiêu chuẩn y sinh Hình 36: hình ảnh mối hàn khí bảo vệ q 47 Hình 37: hình ảnh mối hàn sử dụng hệ thống cấp khí bảo vệ 48 Chương 5: Kết luận kiến nghị 5.1 Kết luận - Sau thuận lợi khó khăn thời gian vừa qua, nhóm hồn thành tốt đề tài nghiên cứu khoa học “ Thiết kế chế tạo hệ thống bảo vệ điện cực vũng hàn trình hàn thiết bị hàn orbital “ Đồng thời, nhóm chúng tơi đạt yêu cầu mục tiêu đề ra, bao gồm - Về mặt lý thuyết:  Tìm hiểu tổng quan nguyên lý hoạt động thiết bị hàn orbital ứng dụng tầm quan trọng thiết bị ngành công nghiệp đòi hỏi yêu cầu cao nghành thực phẩm…  Thiết kế mô phần mềm INVENTOR  Vận hành hàn thử nghiệm thiết bị hàn orbital  Đồng thời thành viên nhóm đạt kỹ tinh thần, thái độ phương thức làm việc nhóm, nghiêm túc phát huy sáng tạo công việc Tất điều tiền đề, hành trang để nhóm chúng em phát triển thêm sau - Về mơ hình:  Mơ hình gia cơng lắp ráp dựa sở mô  Tiến hành hàn thực tế sản phẩm mối hàn  Giúp hàn vị trí khó mà người không hàn điều kiện làm việc khó khăn 49 Hình 38: hệ thống bảo vệ điện cực vũng hàn sau hoàn thành 5.2 Kiến nghị Để tiếp tục phát triển đề tài nhằm nâng cao tính hồn thiện đề tài, hồn thiện đề tài nên phát triển theo hướng sau: - Thiết kế mơ hình gọn tối ưu - Thiết kế cải tiến hệ thống xả khí quay theo điện cực hàn - Nâng cấp xả khí vào ống 50 Tài liệu tham khảo - Công nghệ chế tạo máy - GS TS Trần Văn Địch - Vẽ kỹ thuật khí – Trần Văn Quế - Cơ sở cơng nghệ chế tạo máy – Phan Minh Thanh – Hồ Viết Bình - Giáo trình cơng nghệ hàn – Nguyễn Trúc Hà – Bùi Văn Hạnh – Võ Văn Phong 51 ... Thiết lập sơ đồ cấu tạo hệ thống bảo vệ điện cực vũng hàn Hệ thống bảo vệ điện cực vũng hàn thực chất hệ thống dẫn bảo vệ vào vị trí mối hàn ống y sinh thiết bị hàn orbital Giúp làm mát bảo vệ. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ ĐIỆN CỰC VÀ VŨNG HÀN TRONG QUÁ TRÌNH HÀN THIẾT BỊ HÀN ORBITAL. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BẢO VỆ ĐIỆN CỰC VÀ VŨNG HÀN TRONG QUÁ TRÌNH HÀN THIẾT BỊ HÀN ORBITAL