3.3.1. Đối tượng nghiên cứu
Qua phần tổng quan về vấn đề nghiên cứu ta có thể thấy đề tài sẽ tập trung vào một số đối tượng nghiên cứu sau:
- Công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc.
- Chi tiết máy nông nghiệp chế tạo bằng phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc.
- Mô hình thí nghiệm tích hợp hệ thống thiết bị, đồ gá và công nghệ hàn tự động thể thiết lập bộ thống số chế độ hàn.
- Một số phương pháp đánh giá chất lượng mối hàn.
3.3.2. Vật liệu nghiên cứu
Vật liệu được ứng dụng để chế tạo một số chi tiết trong các máy móc nông nghiệp: thép hợp kim thấp độ bền cao Q345B.
Thuốc hàn sử dụng trong quá trình hàn là thuốc hàn gốm Automelt A55 phù hợp khi sử dụng cùng với dây hàn thép cacbon thấp và với vật liệu có hàm lượng cacbon thấp.
Dây hàn EL-12 đảm bảo chất lượng của liên kết mối hàn tốt, đồng đều, năng suất cao và tiết kiệm được dây hàn. Đường kính dây hàn sử dụng là 1,6 mm.
- Chi tiết máy ứng dụng công nghệ hàn: Bánh xe của máy trồng khoai tây sử dụng vật liệu thép Q345B, đường kính vành bánh xe là 455 mm, trên vành của bánh xe có hàn rất nhiều gân tạo ra nhiều mối liên kết hàn chữ T. Lựa chọn dạng
chi tiết đơn giản để giảm thời gian chuẩn bị phôi trước khi hàn mà vẫn đánh giá được khả năng ứng dụng của công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc với bộ thông số đã nghiên cứu và tính toán.
3.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc.
Các loại vật liệu hàn (dây hàn, thuốc hàn) dùng cho hàn tự động dưới lớp thuốc.
Máy hàn tự động đang có tại Khoa Cơ – Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam.
Vật liệu có tính hàn tốt được ứng dụng trong cơ khí nông nghiệp, cụ thể là vật liệu thép hợp kim thấp độ bền cao Q345B.
Phương pháp bố trí thí nghiệm để ứng dụng cho việc hàn thực nghiệm. Ứng dụng phần mềm Minitab 17.3.1 và Modde 11.0.1 trong xử lý số liệu, xây dựng đồ thị.
Ứng dụng công nghệ hàn tự động với máy hàn hiện có để tiến hành quá trình hàn thực nghiệm với các mẫu hàn và chi tiết máy nông nghiệp tại phòng thí nghiệm.
Một số phương pháp đánh giá chất lượng mối hàn.
3.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Thu thập, phân tích và tổng hợp các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài; Phân tích và hệ thống lại các kiến thức về công nghệ hàn tự động dưới lớp thuốc, máy hàn tự động dưới lớp thuốc, vật liệu hàn (dây hàn và thuốc hàn ) và thiết bị phục vụ cho quá trình ứng dụng công nghệ hàn; nghiên cứu lý thuyết về phương pháp thiết kế thí nghiệm và nghiên cứu ứng dụng phần mềm Minitab 17.3.1 và Modde 11.0.1.
Tiến hành quá trình hàn thực nghiệm với các thông số đầu vào, các khoảng giá trị đã được xác định thông qua nghiên cứu lý thuyết, thông qua hàn thực nghiệm bước đầu. Tiến hành hàn với các cặp mẫu để hàn, với mô hình mối ghép cụ thể và vị trí hàn phù hợp. Cắt cặp mẫu hàn, kiểm tra kích thước mối hàn. Tiến hành phương pháp quy hoạch thực nghiệm, phân tích số liệu và sử dụng phần mềm Modde 11.0.1 để xác định ra bộ thông số chế độ hàn hợp lý để tiến hành quá trình hàn trên cặp mẫu trước khi tiến hành hàn trên chi tiết cụ thể. Sau khi tiến hành hàn trên các cặp mẫu với bộ thông số
chế độ hàn đã tính toán ra, tiến hành cắt mẫu để đánh giá chất lượng mối hàn, phân tích tổ chức vật liệu.
Các thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm thuộc Khoa Cơ – Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Để tiến hành được thí nghiệm, thiết kế và chế tạo đồ gá phù hợp với kích thước của các cặp mẫu hàn, chi tiết máy và đảm bảo vị trí hàn theo như yêu cầu. Gá đặt máy hàn và cặp mẫu hàn, chi tiết máy đã được hàn đính lên đồ gá và tiến hành quá trình hàn.
PHẦN 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. KẾT QUẢ
4.1.1. Mô hình thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình dạng và kích thước mối hàn khi hàn giáp mối đến hình dạng và kích thước mối hàn khi hàn giáp mối
4.1.1.1. Các thông số của mô hình thực nghiệm
Xây dựng mô hình nghiên cứu phù hợp với liên kết hàn giáp mối một phía không có lót đáy, hàn ở vị trí hàn bằng, thép chế tạo chi tiết máy nông nghiệp là thép Q345B dày 5 mm bằng quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc (SAW).
Thuốc hàn gốm Automelt A55 và dây hàn EL12
Dưới đây sẽ trình bày một số thông số liên quan đến kích thước tấm kim loại hàn thực nghiệm và mô hình mối ghép thực nghiệm để xem xét ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu đến hình dạng và kích thước của mối hàn từ đó lựa chọn ra mô hình hàn thực nghiệm thích hợp: b c h a Hình 4.1. Hình dạng và kích thước mối hàn 200.0 12 5. 0 0.0 ÷ 1.0 20 0. 0 60°±5° 100.0 5. 0 2 ± 1 Hình 4.2. Kích thước của tấm kim loại hàn thực nghiệm
Hình 4.3. Mô hình mối ghép thực nghiệm khe hở nhỏ
5. 0 1,5 ÷ 2 60°±5° 20 0. 0 2 ± 1 125.0 1.5 ÷ 2.0 125.0 5.0 20 0. 0
Đề tài sử dụng loại dây hàn thép cacbon thấp có bọc đồng, với đường kính dây là 1,6 mm được quấn trên ống cuộn của máy hàn.
Với chế độ hàn nhất định, hình dạng mối hàn hầu như không thay đổi theo loại liên kết hàn. Hình dạng mối hàn chỉ thay đổi theo chế độ hàn (chiều rộng mối hàn, chiều cao toàn bộ mối hàn). Loại liên kết hàn, góc rãnh hàn và khe đấy ảnh hưởng đến phần kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn. Kết hợp với vấn đề giảm giảm thiểu khâu chuẩn bị trước khi hàn tác giả lựa chọn mối hàn giáp mối không vát mép, có khe hở (hình 3.5).
Tầm với điện cực (độ nhô ra của điện cực dây hàn) 30 mm (Blodget O. et al., 1999).
Điện áp hàn 25 V
Thông qua quá trình thực nghiệm và thông qua các tài liệu hướng dẫn tác giả đã chọn ra vùng khảo sát như sau:
x1= 410 – 430 A x2= 15 – 19 m/h
4.1.1.2. Xây dựng mối quan hệ toán học
Như đã trình bày ở trên, mặc dù trong quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước mối hàn như các thông số của chế độ hàn (cường độ dòng điện, điện áp hàn, tốc độ hàn, ảnh hưởng của tiết diện điện cực), các yếu tố công nghệ góc nghiên của dây hàn, góc nghiên của vật hàn, loại dòng điện hàn, loại thuốc hàn) và các yếu tố kết cấu (loại liên kết hàn, góc rãnh hàn, khe hở đáy). Trên cơ sở tài liệu ta thấy rằng khi muốn
Hình 4.4. Mô hình mối ghép thực nghiệm có khe hở và vát mép
Hình 4.5. Mô hình mối ghép thực nghiệm có khe hở
xác định các thông số của chế độ hàn ta có thể áp dụng các công thức tính để tìm ra một khoảng giá trị nhất định, nhưng qua quá thực nghiệm sàng lọc ta thấy rằng, nếu cứ áp dụng theo công thức để tìm ra các giá trị đó và áp dụng vào hàn chi tiết chi thể thì việc tìm ra được giá trị phù hợp và đáp ứng được mong muốn là một điều rất khó khăn. Trên cơ sở những vấn đề đã nghiên cứu đề tài lựa chọn các thông số của chế độ hàn để nghiên cứu gồm: Cường độ dòng điện hàn (Ih), tốc độ hàn (Vh). Các thông số chế độ hàn khác như điện áp hàn xác định theo cường độ dòng điện hàn nhằm đạt được hệ số ngấu mối hàn cần thiết, đường kính dây hàn là 1,6 mm phù hợp với thiết bị đầu cấp dây hàn hiện có (bép hàn). Các thông số đặc trưng cho hình dạng và kích thước của mối hàn: Chiều cao mối hàn (hd), chiều rộng mối hàn (bh).
- Quy ước các thông số đầu vào (thông số chế độ hàn chính) như sau: x1 – cường độ dòng điện hàn Ih [A]
x2 – tốc độ hàn (tốc độ di chuyển mỏ hàn) Vh [m/h]
- Quy ước các thông số đầu ra (hình dạng và kích thước của mối hàn) như sau: y1 – chiều sâu ngấu mối hàn h [mm]
y2 – chiều cao đắp c [mm] y3 – chiều rộng mối hàn b [mm]
Theo các kết quả nghiên cứu và trong các tài liệu đã được công bố (Kumanan, S. et al.,2007; Yang, L. et al., 1993),…cũng như sự khảo nghiệm kết quả sơ bộ cho thấy rằng: Các thông số kích thước mối hàn (chiều sâu ngấu, chiều cao đắp, chiều rộng mối hàn) phụ thuộc tuyến tính và qua lại với các thông số chế độ hàn (cường độ dòng điện hàn và vận tốc hàn).
Hàm số tương đương có dạng: yi = a0 + a1x1 + a2x2 + a12x1x2
Bảng 4.1. Giá trị và khoảng biến thiên của thông số đầu vào
Mức thay đổi Các thông số đầu vào
Ih (A) x1 Vh (m/h) x2
Mức trên (Zi=+1) 430 19
Mức cơ bản (Zi=0) 420 17
Mức dưới (Zi=-1) 410 15
Theo dự kiến mô hình có dạng tuyến tính bậc nhất nên ta bố trí số điểm thực nghiệm N 2k = 22 = 4, với k là số biến cần khảo sát. Để tăng thêm tính chính xác mỗi thí nghiện tác giả sẽ tiến hành 3 lần và lấy giá trị trung bình và tiến hành thêm 3 thực nghiệm ở tâm.
Bảng 4.2. Ma trận kế hoạch thực nghiệm
TT
Biến thực Biến mã hóa
Ih (A) x1 Vh (m/h) x2 Z1 Z3 1 410 15 -1 -1 2 430 15 +1 -1 3 410 19 -1 +1 4 430 19 +1 +1 5 420 17 0 0 6 420 17 0 0 7 420 17 0 0 4.1.1.3. Quy trình thực nghiệm
- Chuẩn bị mẫu hàn: mài bề mặt mối hàn, đặc biệt ở vị trí tiếp giáp giữa các tấm để hàn để đảm bảo tốt chất lượng mối hàn.
Hình 4.6. Chuẩn bị mẫu để hàn
- Thiết kế, chế tạo đồ gá hàn để phục vụ cho quá trình hàn - Tiến hành gá đặt
Hình 4.7. Quá trình gá đặt trước khi hàn
- Nhập các thông số máy hàn theo bảng ma trận kế hoạch thực nghiệm - Chạy thử, kiểm tra và hiệu chỉnh chương trình hàn
- Thực nghiệm quá trình hàn
Hình 4.8. Quá trình hàn thực nghiệm
- Tháo liên kết hàn
- Làm sạch và kiểm tra mối hàn
b)
Hình 4.9. Kiểm tra mối hàn a – mặt trên mối hàn; b – mặt dưới mối hàn
- Lấy mẫu kiểm tra bằng cách cắt bỏ hai đầu của liên kết hàn.
a) b)
Hình 4.10. Kiểm tra lắp ghép mối giáp mối [24]
a – quy cách chuẩn bị kiểm tra mối hàn; b – cắt mẫu để kiểm tra mối hàn
4.1.1.4. Kết quả thực nghiệm
Để xác định các kích thước tiết diện ngang của mối hàn, tác giả sẽ tiến hành thực nghiệm qua các bước sau:
- Mài và đánh bóng vùng mặt cắt ngang của mối hàn bằng máy mài chuyên dùng và giấy ráp với độ nhám khác nhau.
- Sử dụng dung dịch cồn với 3 – 4 % dung dịch axit Nitơric để thẩm thực bề mặt mẫu rồi rửa sạch và sấy khô. Trên cơ sở đó ta có thể phân biệt được vùng kim loại mối hàn và vùng kim loại cơ bản, từ đó ta cũng có thể quan sát được hình dạng, vùng kết tinh của mối hàn và chụp ảnh.
- Sử dụng thước đo có độ chính xác cao để đo các thông số kích thước của mối hàn. Tại mỗi điểm đo trên 3 mẫu, kết quả đo sẽ lấy trung bình cộng và lập bảng thông số kích thước của mối hàn.
Hình ảnh tổ chức thô đại và cách kiểm tra thông số kích thước của mối hàn được thể hiện trong các hình dưới đây:
Hình 4.11. Hình ảnh thô đại và cách kiểm tra kích thước mối hàn
Kết quả thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình dạng và kích thước mối hàn được cho trong bảng dưới đây:
Bảng 4.3. Kết quả thực nghiệm
TT Thông số công nghệ hàn
Kích thước mối hàn tương ứng
(mm) Ghi chú Ih (A) Vh (m/h) h c b 1 410 15 4,3 1,9 13,5 2 430 15 5,7 3,2 14,3 3 410 19 3,5 2,4 11,4 4 430 19 5,1 3,6 12,0
Bảng 4.4. Kết quả thực nghiệm ở tâm
TT Thông số công nghệ hàn Kích thước mối hàn tương ứng (mm)
Ghi chú
Ih (A) Vh (m/h) h c b
1 420 17 3,9 2,7 12,6
2 420 17 4,6 3,3 11,9
3 420 17 4,2 2,8 12,8
(Giá trị trung bình ở m lần đo) 4,23 2,93 12,43
Sử dụng phần mềm Minitab 17.1 (phụ lục 2) ta xác định được các hệ số của hàm hồi quy thực nghiệm (Bảng 4.5)
Bảng 4.5. Hệ số hồi quy thu được từ kết quả thực nghiệm
a0 a1 a2 a12
h(y1) 4,65 0,75 -0,35 0,05
c(y2) 2,775 0,625 0,225 -0,025
b(y3) 12,8 0,35 -1,1 -0,05
Từ các kết quả ở trên ta có phương trình hồi quy thực nghiệm có dạng: y1 (h) = 4,65 + 0,75x1 – 0,35x2 + 0,05x1x2
y2 (c) = 2,775 + 0,625x1 + 0,225x2 - 0,025x1x2
Dựa vào kết quả khi chạy trên phần mềm Minitab 17.1 (phụ lục 2) ta thu được phương trình hồi quy thực nghiệm khi đã loại bỏ các giá trị mà có p lớn hơn rất nhiều lần so với mức ý nghĩa α (0,05).
y1 = 4,65 + 0,75x1 – 0,35x2 y2 = 2,775 + 0,625x1 + 0,225x2 y3 = 12,8 + 0,35x1 – 1,1x2 430 410 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 4.4 4.2 4.0 1 9 1 5 Ih M ea n of h Vh Main Effects Plot for h
Fitted Means
Hình 4.12. Đồ thị biểu diễn các ảnh hưởng chính của Ih và Vh
đến chiều sâu ngấu y1 (h)
430 41 0 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1 9 15 Ih M ea n of c Vh Main Effects Plot for c
Fitted Means
Hình 4.13. Đồ thị biểu diễn các ảnh hưởng chính của x1(Ih)và x2(Vh)
430 41 0 1 4.0 1 3.5 1 3.0 1 2.5 1 2.0 1 9 15 Ih M ea n of b Vh
Main Effects Plot for b
Fitted Means
Hình 4.14. Đồ thị biểu diễn các ảnh hưởng chính của x1(Ih)và x2(Vh) đến chiều rộng mối hàn y3 (b)
Nhận xét: Các yếu tố ảnh hưởng chính có thể được xác định một cách
định tính thông qua đồ thị các ảnh hưởng chính (Nguyễn Văn Dự và Ngô Đăng Bình, 2011). Nhận thấy trên đồ thị, khi Ih thay đổi từ 410 ÷ 430A, hàm mục tiêu thay đổi như sau: h thay đổi từ 3,9 ÷ 5,4 mm (có thể xác định giá trị chính xác của các số liệu này bằng cách rê chuột trên điểm mút của đồ thị khi sử dụng phần mềm Minitab 17), độ dốc là (5,4 – 3,9)/2 = 0,75; c thay đổi từ 2,15 ÷ 3,4 mm, độ dốc là (3,4 – 2,15)/2 = 0,625; b thay đổi từ 12,45 ÷ 13,15 mm, khi đó độ dốc của đồ thị này là (13,15 -12,45)/2 = 0,35. Khi Vh thay đổi từ 15 ÷ 19 m/h, hàm mục tiêu thay đổi như sau: h thay đổi từ 4,3 ÷ 5 mm, độ dốc là (5 – 4,3)/2 = 0,35; c thay đổi từ 2,55 ÷ 3,0 mm, độ dốc là (3,0 – 2,55)/2 = 0,225; b thay đổi từ 11,7 ÷ 13,9 mm, khi đó độ dốc của đồ thị này là (13,9 – 11,7)/2 = 1,1. So sánh một cách định tính thông qua giá trị độ dốc đối với hàm mục tiêu h thì Ih có ảnh hưởng lớn nhất; đối với hàm mục tiêu c thì Ih có ảnh hưởng lớn nhất và đối với hàm mục tiêu b thì Vh có ảnh hưởng lớn nhất.
Dựa vào đồ thị (hình 3.12; 3.13; 3.14) và phương trình hồi quy thực nghiệm nhận thấy rằng: Hệ số ảnh hưởng của Ih đến giá trị của mối hàn h, c, b theo chiều dương (+0,75; +0,625 và +0,35), nghĩa là khi tăng Ih thì h, c, b tăng theo. Đối với Vh thì hệ số ảnh hưởng đến h, b theo chiều âm (-0,35; -1,1) và hệ số ảnh hưởng đến c (+0,225) theo chiều dương, nghĩa là khi Vh tăng thì h, b giảm, còn c sẽ tăng.
19 15 14 13 12 11 430 410 14 13 12 11 Vh Vh * Ih Ih * Vh Ih 41 0 430 Ih 1 5 1 9 Vh M ea n of b
Interaction Plot for b
Fitted Means
Hình 4.15. Đồ thị các ảnh hưởng tương tác của Ih và Vh đến chiều rộng mối hàn b 19 15 3.6 3.2 2.8 2.4 2.0