- Tiêu chuẩn th kéo: ASTM E8-08.
- Thi t b thí nghi m: Máy th kéo nén INSTRON. - Ph ơng pháp th : Kéo trực ti p đ n lúc phá h ng. - K t qu th kéo đính kèm phần ph l c.
Hình 4.18: Thử kỨo trên máy INSTRON
Hình 4.19: Các mẫu thử sau khi kỨo đ t
Từ k t qu th kéo cho thấy ng suất kéo c a tất c các m i hàn đều l n hơn ng suất kéo cho phép c a v t li u cơ b n ([]k = ch / n, n: là h s an toàn, n > 1)
4.4 Ki m tra t ch c m i hàn (phân tích kim t ng) 4.4.1 Nguyên lý và quy trình
Phân tích kim t ơng đ c s d ng để phát hi n các đặc điểm vĩ mô và vi mô c a m i hàn bằng vi c kh o sát các lát c t theo ti t di n ngang. Vi c kh o sát các bề mặt tinh và s ch tr c hoặc sau tẩm thực đ c thực hi n trực ti p bằng m t th ng hoặc các d ng c quang h c. Kính hiển vi quang h c dùng để phân tích kim t ơng có độ phóng đ i t i đa là 1000.
Mẫu cần phân tích đ c c t theo tiêu chuẩn, mài thô, sau đó mài và đánh bóng đ n m c sáng nh g ơng để ph n chi u ánh sáng chính xác. Sau khi đánh bóng, mẫu đ c tẩm thực. Thực chất c a quá trình tẩm thực là bôi lên mặt mẫu sáng bóng một dung d ch có kh năng ăn mòn. V t li u khác nhau đòi h i chất tẩm thực khác nhau. Các phần c a cấu trúc có m c độ ăn mòn khác nhau, đ c ph n ánh d i kính hiển vi, nh th mà xác đ nh đ c cấu trúc mẫu.
M c đích c a phân tích kim t ơng để kiểm tra chất l ng s n phẩm, đánh giá độ bền m i hàn, xác đ nh s l ng, kiểu lo i và sự phân b các t p chất phi kim lo i trong m i hàn, kiểm tra s l ng và sự s p x p các đ ng hàn, cấu trúc t vi trong vùng nóng ch y, vùng nh h ng nhi t và độ thấm sâu m i hàn. Phân tích kim t ơng m i hàn theo tiêu chuẩn DIN EN 1321.
Nơi kiểm tra: Phòng thí nghi m V t li u h c, tr ng Đ i h c S ph m Kỹ thu t TP.HCM.
Thi t b thí nghi m: Kính hiển vi quang h c IMF 300.
Chuẩn b mẫu th :
- V t li u cơ b n là thép CT3, v t li u hàn là ER-70S-2, kích th c mẫu th : 18x20x60.
- Mẫu th đ c phay c b n mặt, sau đó mài và đánh bóng hai mặt (v trí ti t di n ngang m i hàn) cho đ n khi đ t yêu cầu (CR 12361). Trong quá trình phay, mài, đánh bóng, mẫu th đ c t i nguội liên t c để tránh làm nh h ng xấu đ n bề mặt.
- Thành phần chất tẩm thực: Do v t li u cơ b n là thép cácbon nên ta ch n chất tẩm thực là dung d ch 4% HNO3 trong cồn 900.
- Ph ơng pháp tẩm thực: Quét chất tẩm thực lên bề mặt mẫu kiểm, sau đó r a s ch và sấy khô mẫu th .
- Th i gian tẩm thực: Từ 10 đ n 20 giây.
Hình 4.20: Hình dáng mặt cắt ngang mối hàn sau khi tẩm thực
4.4.2 T ch c vi mô:
Cấu trúc vi mô đ c nghiên c u trên các lát mài sau khi đánh bóng và tẩm thực sâu từ 5 ậ 10 m bằng kính hiển vi quang h c v i độ phóng đ i từ 100 đ n 400 lần để tìm khuy t t t và so sánh độ h t c a các vùng trên tổ ch c m i hàn.
Hình 4.21: Tổ ch c vi mô vùng mối hàn a) Độ phóng đại 100 lần; b) Độ phóng đại 400 lần
Hình 4. 22: Tổ ch c vi mô vùng tiếp giáp (vùng viền chảy) a) Độ phóng đại 100 lần; b) Độ phóng đại 400 lần
Hình 4.23: Tổ ch c vi mô vùng ảnh h ởng nhiệt (HAZ) a) Độ phóng đại 100 lần; b) Độ phóng đại 400 lần
Hình 4.24: Tổ ch c vi mô vùng kim loại cơ bản a) Độ phóng đại 100 lần; b) Độ phóng đại 400 lần
a b
a b
K t qu là tổ ch c vi mô c a vùng m i hàn, vùng ti p giáp (vùng viền ch y) và vùng nh h ng nhi t (HAZ) không phát hi n các v t n t và rỗ vi mô, không có tổ ch c ferit hình kim (Vit-man-tét) có h i cho cơ tính m i hàn hình thành trong ba vùng trên, độ h t k t tinh không l n lên quá m c so v i v t li u cơ b n.
4.5 K t lu n
Kiểm tra chất l ng m i hàn là công vi c b t buộc ph i thực hi n sau khi hàn. Lựa ch n ph ơng pháp kiểm tra thích h p s t o điều ki n thu n l i trong quá trình thực nghi m. Qua k t qu siêu âm, th kéo và kiểm tra tổ ch c vi mô m i hàn cho thấy m i hàn đ t chất l ng tuy t đ i. Sau khi kiểm tra xong cần x lý s li u để nghiên c u nh h ng c a các thông s ch độ hàn đ n năng suất và chất l ng m i hàn nhằm tìm ra ph ơng án t i u giúp các doanh nghi p thấy rõ hi u qu c a ph ơng pháp hàn này.
Ch ng 5
QUY HO CH TH C NGHI M 5.1 Gi i h n các thông s nghiên c u th c nghi m
V i quá trình hàn ForceArc, năng suất hàn và chất l ng hàn là ch tiêu quan tr ng nhất. Nh ng do tính chất ph c t p cũng nh do tính khá m i c a nó nên các nghiên c u và tính toán về lý thuy t đôi khi không đ thông tin và độ tin c y để gi i quy t bài toán, vì v y mô hình bài toán s ph i xây dựng dựa trên các k t qu nghiên c u thực nghi m t c là xây dựng mô hình bài toán hộp đen để xác đ nh các y u t và tr ng s c a các y u t này tác động đ n hàm m c tiêu c a h th ng.
V i quá trình hàn ForceArc nói riêng và các quá trình công ngh khác nói chung, các y u t nh h ng là rất nhiều và rất ph c t p, vì v y ch một s thông s quan tr ng và có thể điều khiển đ c m i đ c xét đ n, các thông s còn l i s đ c xem là các y u t ngẫu nhiên, và s đ c xem xét đ n qua các h s hi u ch nh hoặc các h s kinh nghi m.
5.2 Hàm m c tiêu của h th ng
Sau khi hàn thì năng suất hàn và chất l ng hàn là quan tr ng nhất. đây ta đư thấy rõ vi c gi m góc vát c nh s gi m s l p hàn khi đó s gi m th i gian hàn góp phần tăng năng suất c a quá trình hàn ForceArc. Vì v y, vấn đề cần quan tâm là chất l ng m i hàn, đây gi i h n bền kéo và gi i h n bền u n s đ c ch n làm hàm m c tiêu c a h th ng. Nh ng trong thực t các k t cấu hàn ch y u là ch u lực kéo nên y u t gi i h n bền u n thì không đ c xét đây. Vì v y, y u t gi i h n bền kéo k đ c xem là hàm m c tiêu c a mô hình bài toán.
5.3 Các thông s đầu vào nh h ng đ n quá trình nghiên c u
- Các thông s hình h c: C ng độ dòng đi n hàn , kích th c đ ng hàn, tầm v i đi n cực.
- Các thông s động h c: T c độ cấp dây hàn, v n t c hàn.
- Các thông s nh h ng đ n độ sâu nóng ch y: C ng độ dòng đi n hàn, đi n áp hàn.
- Các thông s đặc tr ng c a đ i t ng nghiên c u: Góc vát c nh c a phôi hàn, kích th c phôi hàn, …
5.4 C s gi i h n các thông s nghiên c u đầu vào
Dựa trên cơ s lý thuy t và mô hình nghiên c u, khi nghiên c u các thông s đầu vào thì nó ph i tho mưn các yêu cầu sau đây:
- Tr ng s c a thông s đ c xét ph i đ m c độ nh h ng đ n hàm m c tiêu c a h th ng.
- Các thông s có tr ng s nh h ng nh thì coi nh là các bi n c ngẫu nhiên khi thí nghi m.
- Các thông s đ c xét ph i là đ i l ng có thể đo l ng đ c.
- Các thông s đ c xét ph i điều khiển và hi u ch nh đ c trong quá trình thí nghi m hoặc làm vi c.
- Các thông s này s đ c xem xét một cách trực ti p theo từng y u t đơn lẻ (thực nghi m đơn y u t ) và theo nh h ng tổng h p c a toàn bộ các y u t (thực nghi m đa y u t ).
5.5 Các y u t nghiên c u đầu vào
Dựa vào cơ s lý thuy t đư phân tích, các thông s nghiên c u đầu vào đ c ch n bao gồm:
- Góc vát c nh c a phôi hàn . - C ng độ dòng đi n hàn Ih. - Đi n áp hàn Uh.
5.6 Phát bi u bài toán h p đen
Mô hình th ng kê cho quá trình nghiên c u năng suất t i u c a h th ng ph thuộc góc vát c nh c a phôi hàn (độ), c ng độ dòng đi n hàn Ih (A) và đi n áp hàn Uh (V). Mô hình bài toán đ c thể hi n nh hình 5.1.
Hình 5.1: Mô hình hộp đen cho quá trình nghiên c u
5.7 Qui ho ch th c nghi m đ n y u t
Sau khi xác đ nh các y u t đầu vào bằng sự tính toán lý thuy t và mư hoá cho phù h p v i mô hình thực nghi m, ti n hành thực nghi m y u t đơn phần lần l t các thông s : góc vát c nh c a phôi hàn, c ng độ dòng đi n hàn và đi n áp hàn nhằm xác đ nh m c độ nh h ng c a chúng đ n gi i h n bền c a m i hàn.
Ngày thí nghi m hàn: 10 tháng 07 năm 2013
Đ a điểm thí nghi m: X ng hàn, Công ty Schindler, Khu Công nghi p Bình Chiểu, Qu n Th Đ c, TP. Hồ Chí Minh.
Lần l t thí nghi m v i các y u t đ c xét, các y u t khác đ c gi nguyên m c cơ s . Miền quy ho ch c a các thông s đầu vào đ c gi i h n nh sau:
- Góc vát c nh phôi hàn : 300; 400; 500.
- C ng độ dòng đi n hàn Ih: 240 A; 255 A; 270 A. - Đi n áp hàn Uh: 28 V; 30 V; 32 V.
5.7.1 K t qu nghiên c u nh h ng của góc vát c nh
Cho góc vát c nh () thay đổi ba m c: m c thấp min 0 1 30 Z , m c cơ s 0 0 1 40 Z và m c cao max 0 1 50 Z , c ng độ dòng đi n hàn (Ih) và đi n áp hàn (Uh) gi m c cơ s (c ng độ dòng đi n hàn Z0 255A 2 , đi n áp hàn V Z0 30 3 ).
Bảng 5.1: Kết quả thí nghiệm khi thay đổi STT Góc vát c nh (độ) Gi i h n bền kéo k (MPa) 1 30 390,63 2 40 412,63 3 50 418,48
X lý s li u trên bằng công c Scatter c a phần mềm Excel 2010, ta tìm đ c d ng ph ơng trình c a hàm m c tiêu khi góc vát thay đổi và h s xác đ nh R2 nh hình 5.2 (màu xanh ch d ng đồ th ph ơng trình theo s li u, màu đen ch d ng đồ th ph ơng trình t ơng đ ơng tìm đ c).
Hình 5.2: Dạng ph ơng trình khi thay đổi góc vát
+Nh n xét: Từ k t qu đo đ c, ta thấy rằng v i góc vát càng l n thì gi i h n bền kéo c a m i hàn càng tăng.
5.7.2 K t qu nghiên c u nh h ng của c ng đ dòng đi n hàn
Cho c ng độ dòng đi n hàn (Ih) thay đổi ba m c: m c thấp
A Zmin 240 2 , m c cơ s Z0 255A 2 và m c l n caoZmax 270A 2 , góc vát c nh () và đi n áp hàn (Uh) gi m c cơ s (góc vát c nh 0 0 1 40 Z , đi n áp hàn V Z0 30 3 ). b b
K t qu c a quá trình đo đ c thể hi n trong b ng s li u sau:
Bảng 5.2: Kết quả thí nghiệm khi Ihthay đổi
STT C ng độ dòng đi n hàn Ih (A) Gi i h n bền kéo k (MPa) 1 240 405,54 2 255 408,40 3 270 398,15
X lý s li u trên bằng công c Scatter c a phần mềm Excel 2010, ta tìm đ c d ng ph ơng trình khi c ng độ dòng đi n hàn thay đổi và h s xác đ nh R2 nh hình 5.3.
Hình 5.3: Dạng ph ơng trình khi thay đổi c ờng độ dòng điện Ih
+Nh n xét: Từ k t qu đo đ c, ta thấy nh h ng c a c ng độ dòng đi n hàn đ n gi i h n bền kéo c a m i hàn theo quy lu t phi tuy n.
5.7.3 K t qu nghiên c u nh h ng của đi n áp hàn
Cho đi n áp hàn (Uh) thay đổi ba m c: m c thấp Zmin 28V
3 , m c cơ s Z0 30V 3 và m c caoZmax 32V 3 , góc vát c nh () và c ng độ dòng đi n hàn (d) gi m c cơ s (góc vát c nh 0 0 1 40 Z , c ng độ dòng đi n hàn A Z0 255 ). b Ih
K t qu c a quá trình đo đ c thể hi n trong b ng s li u sau:
Bảng 5.3: Kết quả thí nghiệm khi Uh thay đổi
STT Đi n áp hàn Uh (V) Gi i h n bền kéo k (MPa) 1 28 407,50 2 30 414,54 3 32 422,38
X lý s li u trên bằng công c Scatter c a phần mềm Excel 2010, ta tìm đ c d ng ph ơng trình khi đi n áp hàn thay đổi và h s xác đ nh R2 nh hình 5.4.
Hình 5.4: Dạng ph ơng trình khi thay đổi điện áp hàn Uh
+Nh n xét: Từ k t qu đo đ c, ta thấy rằng v i đi n áp hàn càng l n thì gi i h n bền kéo c a m i hàn càng tăng.
K t qu x lý s li u:
Từ các s li u đo đ c b ng 5.1; 5.2; 5.3, ta rút ra hai k t lu n sau: - Các thông s , Ih, Uh thực sự nh h ng độc l p đ n hàm m c tiêu. - Hàm m c tiêu có thể là hàm tuy n tính.
b
5.8 Quy ho ch th c nghi m y u t toàn phần 5.8.1 Mô hình hàm m c tiêu 5.8.1 Mô hình hàm m c tiêu
V i phần thực nghi m đơn y u t trên, chúng ta m i ch xác đ nh đ c m c độ nh h ng đơn lẻ c a từng y u t thành phần đ n hàm m c tiêu. Trong thực t c a quá trình hàn, hàm m c tiêu luôn b nh h ng b i các y u t đồng th i, chính vì v y chúng ta ph i thực nghi m v i sự tham gia đồng th i c a các y u t m i có thể thấy đ c sự nh h ng c a các y u t ngẫu nhiên, đó chính là m c đích c a phần thực nghi m đa y u t .
Qua phân tích trên, ban đầu ta s ch n mô hình hàm m c tiêu có d ng tuy n tính. N u sau khi kiểm đ nh sự t ơng thích c a ph ơng trình hàm m c tiêu không phù h p thì ta ti n hành nâng b c ph ơng trình.
Mô hình bài toán đ c ch n có d ng:
0 0 1 1 2 2 3 3 * x b x b x b x b y (5.1) Trong đó x0 là bi n gi , x0 = 1.
Để tính các h s bj, ta dùng ph ơng pháp bình ph ơng nh nhất theo tài li u [1] c a PGS. TS. Phùng Rân, khi đó: n i i i i i i n i i i y y b x bx b x b x y 1 2 3 3 2 2 1 1 0 0 1 2 *) ( ) ( (5.2)
yi: là các giá tr c a hàm m c tiêu đ c xác đ nh từ thực nghi m.
yi*: là các giá tr c a hàm m c tiêu đ c xác đ nh sau khi tìm ra công th c lý thuy t (hay mô hình c a bài toán).