2. Đề nghị
2.2. Thành phần hoá học thép tấm CT3
Nguyên tố C Mn Si S P σT, MPa σB, MPa δ5, % Hàm l−ợng (%) 0,14 0,77 0,21 0,033 0,011 305 465 22 2.3. Thiết bị
Đối với dây lõi bột kim loại, cần phải dùng các thiế bị hàn tự động hoặc bán tự động có các yêu cầu sau:
Đối với nguồn hàn phải là nguồn một chiều, có đặc tính ngoài t−ơng đối cứng, với dải điện áp làm việc từ 10- 40V, thay đổi đ−ợc dễ ràng thuận lợi. Tuỳ cỡ dây mà có các chế độ về dòng hàn khác nhau, nhìn chung th−ờng chọn máy hàn có dòng hàn cho phép tới 500A.
Trong thực tế, ở Việt Nam th−ờng sử dụng các loại máy hàn sau: - LINCOLN CV500-1 do Mỹ chế tạo (Hình 2.2);
- OTC XD500, MOTOWEL 350 do Nhật chế tạo; - VĐU 506 do Nga chế tạo;
- MACPOL 630 do BaLan chế tạo; - MIGWEL D do Singapo chế tạo;
Ngoài ra còn có các loại máy hàn khác của các n−ớc khác sản xuất nh− Thụy Điển, Hàn Quốc,... Đ−ợc nhập về và đang hoạt động ở Việt Nam.
Các loại máy hàn tự động và bán tự động đó có cấu trúc chung tổng quát bao gồm các khối sau:
- Khối đầu vào:
Khối đầu vào có nhiệm vụ cung cấp năng l−ợng điện cho máy hàn và bảo vệ máy hàn, nhằm tránh các sự cố không an toàn cho máy và ng−ời sử dụng. Khối bao gồm các thiết bị cung cấp và bảo vệ nh−: Aptomat, khởi động từ, rơle nhiệt, quạt làm mát
- Khối biến thế hàn:
Khối biến thế hàn có nhiệm vụ biến đổi điện áp từ l−ới điện công nghiệp thành điện áp phù hợp với công nghệ hàn. Thông th−ờng là biến áp ba pha có điện áp vào sơ cấp 380V, điện áp ra thứ cấp là 36V.
- Khối chỉnh l−u hàn:
Khối chỉnh l−u hàn làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha thứ cấp biến thế hàn thành điện áp hàn một chiều bằng mạch chỉnh l−u cầ ba pha hoạc chỉnh l−u tia sáu pha có điều khiển để có thể thay đổi điện áp hàn liên tục, dễ ràng thuận lợi. Để thực hiện đ−ợc nhiệm vụ trên khối chỉnh l−u hàn dựa vào nguyên lý làm việc của Thirito là chỉ cho dòng điện chạy theo một chiều từ Anốt tới Catôt, giá trị điện áp ra trên Catôt phụ thuộc vào góc mở Thirto (phụ thuộc vào sự lệch pha của xung điều khiển đ−a vào cực điều khiển và điện áp Anốt của Thirto).
Do đặc điểm của các mạch chỉnh l−u, điện áp ra th−ờng có các sóng hài bội sáu do vậy để nâng cao chất l−ợng điện áp hàn một chiều, trong tất cả các máy hàn tự động và bán tự động đều có khâu lọc và thay đổi đặc tính ngoài.
- Khối lọc và thay đổi đặc tính ngoài:
Th−ờng là bộ lọc cảm kháng để chặn bớt các sóng hài soay chiều có tần số cao (bội sáu) làm cho điện áp hàn một chiều sau chỉnh l−u hàn có chất l−ợng cao hơn (Bằng phẳng hơn), và thay đổi đặc tính ngoài của nguồn hàn theo định luật Ôm tổng quát:
E = Un + Ut Un = E- Ut
Un = E- I*Rt
Trong đó; E : Là suất điện động của nguồn hàn
Un: Là điện áp ngoài nguồn hàn (Điện áp hồ quang hàn) Ut: Là điện áp sụt bên trong nguồn hàn
- Khối điều khiển và chỉ thị các thông số công nghệ hàn:
Khối này có nhiệm vụ tạo ra các xung mở điều khiển góc mở Thirito của khối chỉnh l−u hàn ,đồng thời giúp cho ng−ời vận hành điều khiển và quan sát các thông số công nghệ hàn dễ ràng thuận lợi. Khối này là các vỉ mạch điện tử bao gồm các khâu nhỏ sau:
+ Khâu đồng pha và tạo điện áp tựa: tạo ra các xung điện áp tựa răng c−a đồng pha với điện áp hình sin trên Anốt Thirto của pha t−ơng ứng.
+ Khâu so sánh: so sánh tín hiệu đ−ợc đặt tr−ớc (tín hiệu chủ đạo để định tr−ớc trị số về độ lớn của các tham số công nghệ) với tín hiệu tựa răng c−a để xác định thời điểm phát xung mở thirito. Quyết định góc mở cho Thirito.
+ Khâu phát xung: khi có tín hiệu từ khâu so sánh khâu phát xung sẽ phát ra xung vuông đ−a tới khuếch đai công suất mở Thirto.
+ Khâu công suất, khuếch đại xung vuông cho đủ năng n−ợng cần thiết đ−a tới cực điều khiển để mở Thirito.
+ Khâu logíc, giúp cho ng−ời vận hành thao tác dễ dàng thuận tiện, đúng thứ tự công nghệ, tạo ra những khoảng trễ bù vào đầu và cuối mối hàn tạo cho mối hàn không bị khuyết tật ở các đầu nút.
+ Các đồng hồ chỉ thị và các núm điều khiển, tạo cho ng−ời vận hành điều chỉnh và theo rõi các thông số công nghệ trong suốt quá trình hàn.
- Khối cấp dây hàn:
Khối có nhiệm vụ đ−a dây hàn đ4 đ−ợc chứa sẵn trong các lô dây vào vùng hàn, bổ xung kim loại cho mối hàn. Khối này thông th−ờng là cơ cấu cơ khí gồm các bánh xe tải dây hàn và bộ phận nắn dây hàn, đ−ợc d4n động bằng động cơ điện (th−ờng là động cơ secvo, hoặc động cơ một chiều) thay đổi tốc
độ vô cấp để thay đổi tốc độ ra dây, thông qua đó thay đổi đ−ợc dòng điện hàn cho phù hợp với công nghệ.
- Khối xe hàn:
Khối này để dịch chuyển đầu hàn theo mối hàn với một tốc độ cần thiết phù hợp với yêu cầu công nghệ. Phụ thuộc từng máy mà trên xe hàn có các bộ phận nh−: Xe hàn, đầu dao động (đầu lắc đầu dò) cũng nh− khối cấp dây hàn, khối này cũng th−ờng sử dụng các động cơ secvo hoặc động cơ một chiều cho dễ thay đổi tốc độ
Để nâng cao tính ổn định của các thông số về công nghệ hàn, trong các máy hàn cao cấp còn có các phản hồi để giữ ổn đinh các thông số công nghệ nh− dòng, điện áp, tốc độ hàn (I,U,V). Ngoài ra theo xu h−ớng chung của nền công nghiệp là tự động hoá các quá trình công nghệ. Máy hàn còn đ−ợc ghép nối với các thiết bị khác nh− đầu dò dẫn h−ớng, máy tính… thành tổ hợp thiết bị tự động tạo ra các sản phẩm có chất l−ợng cao và thay đổi chế độ công nghệ đ−ợc mềm dẻo.
Trong quá trình nghiên cứu đề tài, với các trang thiết bị sẵn có tại Phòng Thí nghiệm Trong điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí, chúng tôi chọn máy hàn là máy LINCOLN CV500-1 do Mỹ chế tạo (Hình 2.1)
Hình 2.1. Máy hàn dây hàn bột tự bảo vệLINCOLN CV 500-1 2.4. Ph−ơng pháp nghiên cứu
2.4.1. Nghiên cứu lý thuyết
- Lựa chọn ph−ơng pháp hàn, thiết bị hàn và vật liệu hàn; - Vật liệu thử nghiệm đ−ợc đánh sạch gỉ, vát mép 600
- áp dụng công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại trên cơ sở kinh nghiệm ngoài n−ớc trong điều kiện thiết bị hiện có ở Việt nam.
2.4.2. Ph−ơng pháp tiến hành nghiên cứu thực nghiệm a. Điều kiện thí nghiệm a. Điều kiện thí nghiệm
Để nghiên cứu sâu về công nghệ hàn bằng dây lõi bột kim loại, chúng tôi tiến hành một số thí nghiệm để nghiên cứu các yếu tố đầu vào, đầu ra của quá trình hàn và sự t−ơng quan giữa chúng. Trong luận văn này đối t−ợng là thép các bon thấp và thép hợp kim thấp do vậy mà các yếu đầu vào cần quan tâm là:
Ih : Dòng điện hàn trong khi hàn Uh : Điện áp hàn trong quá trình hàn Vh : Vận tốc hàn.
Các thành phần của mác thép kim loại cơ bản có ảnh h−ởng đến tính hàn và các yếu tố có liên quan nh− chiều dầy chi tiết hàn, t− thế hàn,…
Yếu tố đầu ra là mối hàn, để đánh giá chất l−ợng mối hàn cần xem xét các vấn đề nh− sau:
+ Tổ chức tế vi;
+ Chiều rộng, chiều cao và chiều sâu ngấu của mối hàn;
b. Ph−ơng pháp chọn hàm mục tiêu trong mô hình toán học mô phỏng chất l−ợng mối hàn
Cơ sở lý thuyết về ph−ơng pháp quy hoạch thực nghiệm và xử lí số lý số liệu thông kê toán học th−ờng dùng trong công nghệ chế tạo máy có thể đ−ợc khái quát nh− sau:
Khi nghiên cứu quá trình hàn bằng dây hàn bột trong quy mô phòng thí nghiệm, cần phải xác định đ−ợc là hàm mục tiêu có thể tuân theo định luật phân bố nào. Việc giải bài toán này đ−ợc thực hiện bằng cách xác lập mô hình toán học để đ−a ra mối t−ơng quan giữa chỉ tiêu đánh giá bằng số chất l−ợng mối hàn nh− một hàm số của các thông số độc lập gồm:
Y = f (V, L, τ , θd ... ) (2.1)
bằng ph−ơng pháp lựa chọn ng−ời ta giải bài toán xác lập mô hình, đồng thời xác định mối t−ơng quan giữa các chỉ tiêu đánh giá về chất l−ợng và số l−ợng của các giá trị lựa chọn đó. Ph−ơng pháp lựa chọn số cho phép đảm bảo độ tin cậy cao và độ chính xác cần thiết khi giải bài toán nghiên cứu trên với số l−ợng các thông số công nghệ (TSCN) lựa chọn khi tiến hành nghiên cứu lớn (n > 25). Tuy nhiên, trong quá trình hàn bằng dây lõi bột kim loại và các công đoạn tiếp theo, có nhiều khó khăn khi thực hiện các thí nghiệm lặp lại với các số l−ợng lớn. Khi đó ng−ời ta chọn ph−ơng pháp lựa chọn nhỏ (n ≤ 10).
Đối với giá trị từng thông số công nghệ đ−ợc lựa chọn đó cần phải tính toán giá trị trung bình X và Dispersi (ph−ơng sai) của thông số đó S2
x. Tiếp đó đối với một cặp đôi tác dụng đồng thời của hai thông số lựa chọn cần kiểm tra tiên đề về sự bằng nhau của các Dispersi theo tiêu chuẩn Fisher:
F = S2 1/ S2
2≤ Fbảng
Nếu tiên đề đó đ−ợc khẳng định thì có nghĩa là các thông số lựa chọn đó thuộc về mỗi một tập hợp lớn. Sau đó cần kiểm tra tiên đề về sự bằng nhau của các giá trị trung bình các thông số lựa chọn theo tiêu chuẩn Student.
Căn cứ vào mô hình toán học nhận đ−ợc ở dạng (2.1) có thể giới hạn đ−ợc phạm vi điều chỉnh các thông số công nghệ chủ yếu tùy theo các giá trị tính toán hàm mục tiêu yêu cầu, với hệ số qui hồi trong điều kiện thử nghiệm. Các chỉ tiêu cơ tính của lớp phủ phải đ−ợc khống chế từ điều kiện tối −u để quá trình hàn xẩy ra tốt nhất, đồng thời đảm bảo sản phẩm có chất l−ợng cao nhất. Chẳng hạn về chỉ tiêu chiều sâu ngấu của lớp hàn:
γMIN ≤ γ≤γMAX ; ρ≥ρMIN (2.2) Trong đó: γMAX – Giới hạn chiều sâu ngấu của lớp hàn tối đa đạt đ−ợc.
γMIN – Giới hạn chiều sâu ngấu của lớp hàn tối thiểu cho phép. ρMIN – Giới hạn chiều cao của lớp hàn tối thiểu cho phép. c. Ph−ơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm bằng thống kê toán học
Tính toán các giá trị trung bình của yếu tố lựa chọn X, độ lệch quân ph−ơng (Dispersi) S2
X, sai số tiêu chuẩn SX và sai số tích luỹ ∆XΣ nh− sau: - Nếu Xi là giá trị đo, thì:
Xi = (ai ±θi) (2.3)
ở đây: ai – số đo của Xi; θi – sai số của dụng cụ đo. i – chỉ số ký hiệu thông số đ−ợc đo.
- Sai số t−ơng đối trong tr−ờng hợp này là:
δi/ai (2.4) - Khi đó giá trị sai số tuyệt đối là:
∆Xi = δi.ai (2.5) - Xác định giá trị trung bình yếu tố lựa chọn :
1 n i i X X n = = ∑ ; n =1, 2, 3,... (2.6) - Độ lệch quân ph−ơng: 2 1 ( ) i X = − = − ∑n 2 x Xi S (n 1) ; n = 1 , 2 , 3 ... (2.7) - Sai số tiêu chuẩn:
Sx= ∑ = − − = n 1 i i 2 x X X n -1) S ( )2/( ; n = 1 , 2 , 3 ... (2.8)
- Sai số tính luỹ của yếu tố: ∆XΣ = {(t∝(k).S2
Trong đó; n là số thí nghiệm song song trong mỗi một thực nghiệm
t∝(K) là hệ số Student với mức độ có nghĩa ∝ = 0,9ữ0,99 (tra bảng) k = n – 1 là số bậc tự do.
d. Cơ sở lý thuyết để tính toán xây dựng hàm mục tiêu bằng quy hoạch thực nghiệm
Các thông số công nghệ chính cần thay đổi để nghiên cứu quá trình hàn dây lõi bột kim loại lên kim loại nền là: X1 = U (điện áp hàn, V); X2 = I (dòng điện hàn, A); X3 = V (vận tốc hàn, m/h). Ph−ơng án khảo sát ảnh h−ởng của ba thông số X1 = U; X2 = I ; X3= V đến chất l−ợng lớp hàn thì việc tính toán xây dựng mô hình toán học sẽ theo quy hoạch thực nghiệm N = PK.
Trong đó : N là số thí nghiệm cần làm.
P là số lần đo trên một mẫu (th−ờng là 2). K là số yếu tố ảnh h−ởng. ở đây K = 3.
Các b−ớc chủ yếu trong quá trình xây dựng mô hình toán học bao gồm: 1) Xác lập các ma trận số liệu thống kê các thông số công nghệ chủ yếu và kết quả đo đạc chỉ tiêu đánh giá chất l−ợng sản phẩm t−ơng ứng.
2) Xây dựng ma trận t−ơng đ−ơng chủ yếu đ4 chọn.
3) Tính các hệ số ẩn trong mô hình toán học mô phỏng hàm mục tiêu chất l−ợng lớp hàn.
4) Kiểm tra tính thích hợp của mô hình toán tối −u nhận đ−ợc theo tiêu chuẩn Fisher ở mức độ hiển nhiên đ4 chọn.
5) Kết luận về độ chính xác mô phỏng của mô hình toán học nhận đ−ợc so với kết quả thực nghiệm.
Sự phụ thuộc cần tìm của các giá trị Y vào các yếu tố không phụ thuộc X ở biểu thức (3.1) có thể đ−ợc tìm ở dạng đa thức theo công thức:
Với a1.ϕ0(X); a2.ϕ1(X) ; ... ; am.ϕm - 1(X) là các hàm số cho tr−ớc. Giá trị của các hệ số a1, a2, .... , am trong biểu thức (3.10) đ−ợc xác định từ điều kiện tối thiểu của các sai số nhận đ−ợc bằng thực nghiệm YK với sai số tính toán theo công thức: em = ∑ = m 1 k ω (XK) [Y (XK) − YK]2= min (2.11) Các hàm số biểu thị mối t−ơng quan giữa hai đại l−ợng trong hệ toạ độ phẳng ϕ1 = f(X). Ph−ơng pháp bình ph−ơng nhỏ nhất cần đ−ợc phát triển và liên hợp lại thể hiện trong hệ toạ độ lớn dạng ϕ1 = F(X;Y).
e. Xây dựng thuật toán để xác lập mô hình theo quy hoạch thực nghiệm kiểu N = 23
Chế độ thí nghiệm đối với tr−ờng hợp này cho trong bảng 3.15. Hàm mục tiêu mô hình hoá quá trình hàn dây lõi bột kim loại lên kim loại nền γO hoặc mật độ t−ơng ứng ρO (g/cm3), có thể triển khai ở dạng:
Y(V,M,L) ≅ aO+ a1X1 +a2X2 +a3X3 + a4X1X2 + a5X1X3 +a6X2X3 + a7X1X2X3 1 0 k i i y a k = = ∑ ; 1 0 k i i y a k = = ∑ , k = 1, 2, 3,... (2.12) Trong đó; k: số thí nghiệm song song trong từng điểm quy hoạch thực nghiệm.
Xét bài toán có sự t−ơng tác của các yếu tố công nghệ đang đ−ợc khảo sát, ma trận thực nghiệm với các điều kiện thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm (QHTN).
B−ớc tiếp theo là tính toán các hệ số thực nghiệm trong hàm hồi quy (2.12). Ph−ơng trình mô phỏng toán học thực nghiệm có thể viết d−ới dạng:
2 0 1 , 1 1 ( , , ) . . . . ... k k k i i ij i j i i i i j i Y V M L b b X b X X a X = = = ≅ +∑ +∑ +∑ + (2.13)
+ Các biến X1, X2, ..., Xk là độc lập và đ−ợc đo với sai số không đáng kể so với độ lệch quân ph−ơng S2
X.
+ Đ−a ra các giá trị m4 số hoá của các thông số Xj xác định bởi công thức: Xj = ( Xi - Xj 0) / λJ (2.14) Trong đó: Xj 0 - giá trị tự nhiên của mức biến thiên chính (ký hiệu là 0). λ - b−ớc biến thiên.
j - số thứ tự của thông số.
Các thông số công nghệ ở bảng 2.2 đ−ợc biến thiên ở hai mức:
+ Mức trên bằng tổng của mức chính và b−ớc biến thiên (ký hiệu là “+”); + Mức d−ới bằng hiệu của mức chính và b−ớc biến thiên (ký hiệu là “−”). Trong các quy hoạch thực nghiệm đầy đủ phải thực hiện tất cả các tổ hợp có thể có của các mức biến thiên thông số công nghệ. Nếu mỗi mức đó ứng với cận trên và cận d−ới, thì ta có QHTN kiểu N = 2k (bảng 2.2).
Sau khi nhận đ−ợc hàm mục tiêu (2.13) đ4 thay các hệ số thực nghiệm,