Hệ thống được dựng để hàn nối cỏc đoạn ống cú đường kớnh lớn với nhau tạo thành tuyến đường ống phục vụ cho cỏc cụng trỡnh (vớ dụ như: cỏc tuyến ống ỏp lực cho cụng trỡnh thủy điện, ống dẫn dầu, khớ cho cỏc cụng trỡnh húa lọc dầu...).
Trờn cơ sở nhiệm vụ và mục tiờu của đề tài là thiết kế chế tạo thiết bị hàn ống khụng quay, cũng như sau khi đó phõn tớch đỏnh giỏ cụ thể về cỏc cụng nghệ hàn phổ biến ỏp dụng trong sản xuất, đề tài lựa chọn chế tạo thiết bị hàn tựđộng nối ống khụng quay phự hợp với cỏc biờn dạng ống khỏc nhau. Cụng nghệ hàn được lựa chọn là cụng nghệ hàn dõy lừi đặc (hoặc dõy lừi bột) trong mụi trường khớ bảo vệ (hoặc tự bảo vệ) với đường kớnh dõy hàn từ 0.8 - 1.6 mm. Điều này đảm bảo cho khả năng ỏp dụng phự hợp với hầu hết chiều dầy thộp (8 – 30 mm) của cỏc loại thộp làm ống trong thủy điện và thiết bị húa dầu thụng dụng [6, 8, 9].
Khớ bảo vệ mối hàn được dựng là khớ CO2 hoặc hỗn hợp Ar + CO2.đảm bảo đủđể mối hàn khụng bị tỏc động của mụi trường khi cũn đang hỡnh thành
Khi đó lắp đặt xong, cỏc thiết bị đó ở trạng thỏi sẵn sàng hoạt động, dựng cơ cấu định tõm trong để định tõm hai ống cần hàn và đảm bảo khe hở mối hàn đỳng theo yờu cầu cụng nghệ.
Dựng bảng điều khiển để nạp cỏc dữ liệu ban đầu gồm:
• Điện ỏp hàn
• Tốc độ hàn
• Đường kớnh ống
• Biờn độ dao động đầu hàn
• Số lớp hàn
Sau khi đủ cỏc số liệu cần thiết phỏt lệnh hàn lần lượt cụm hàn số 1 hoạt động trước theo cỏc bước sau:
- Bật nguồn hàn và cấp khớ bảo vệ
- Đầu cấp dõy hoạt động đưa dõy hàn vào vựng hàn tao ra hồ quang hàn
- Trễ một thời gian để ổn định hồ quang, xe hàn và động cơ tạo dao động bắt đầu hoạt động tạo ra đường hàn theo yờu cầu.
Khi cụm hàn số một hoạt động ổn định, cụm hàn số hai mới khởi động theo cỏc bước như cụm số 1.
Trong khi hàn trung tõm điều khiển luụn luụn theo dừi cỏc sensơ đo khoảng cỏch đó dịch chuyển của hai xe hàn (độ dài cỏc mối hàn đó được thực hiện) so sỏnh với chương trỡnh đó được cài đặt trước đểđưa ra cỏc lệnh điều khiển cỏc thụng số về hàn cho phự hợp với phương trỡnh cụng nghệ hàn đó cho trong toàn bộ quỹ đạo hàn. Trong quỏ trỡnh hàn, trung tõm điều khiển luụn luụn theo dừi sự sai lệch của đầu hàn qua cỏc đầu dũ để điều chỉnh sai lệch thụng qua cỏc cơ cấu định vịđầu hàn .
Khi xe hàn tới vị trớ cỏc cụng tỏc hành trỡnh được đặt trờn ray hàn, trung tõm điều khiển chỉ đạo động cơđiều chỉnh cao thấp nõng cao đầu hàn và tăng biờn độ dao động đầu hàn lờn một lượng nhất định đó được định sẵn phự hợp với cụng nghệ của lớp hàn kế tiếp sau, và đồng thời ghi nhớ đó thực hiện xong một lớp hàn.
Khi hàn đủ số lớp hàn đó đặt trước thiết bị sẽ tự động dừng theo cỏc bước sau:
- Dừng xe hàn, đầu tạo dao động - Dừng động cơ cấp dõy hàn
- Tắt nguồn hàn, trễ một khoảng thời gian sau đú ngưng cấp khớ bảo vệ
2.3. Yờu cầu kỹ thuật của cỏc cụm thiết bị. 2.3.1. Xe hàn.
Xe hàn được thiết kế chủ yếu cho cỏc dạng mối hàn trờn bề mặt theo chu vi ống. Ngoài ra cũng cú thể sử dụng để hàn cỏc đường hàn trờn mặt phẳng nằm ngang. Trong quỏ trỡnh chuyển động xe phải đảm bảo chuyển động ổn định, khụng bị lắc, tốc độ xe hàn đều và điều khiển được cho phự hợp với yờu cầu cụng nghệ.
Thụng thường khi hàn trờn mặt phẳng nằm ngang tốc độ từ 10 – 80 m/h, tốc độ hàn leo đối với cỏc mối hàn trờn bề mặt thẳng đứng 3 – 30 m/h, tổng khối lượng xe hàn mang là 46kg.
2.3.2. Bộ cấp dõy hàn.
Tựy thuộc vào phương phỏp hàn, ứng vào mỗi phương phỏp hàn ta cú tốc độ cấp dõy khỏc nhau. Thụng thường dải tốc độ cấp dõy từ 600 – 900 m/h. Trong đề tài này, đối với cụng nghệ hàn ống khụng quay sử dụng phương phỏp hàn theo đường trũn thỡ lựa chọn thiết bị cấp dõy với tốc độ cấp dõy tối đa 900 m/h, đường kớnh dõy hàn là 0.8 - 1.6 mm.
Bộ phận cấp dõy hàn phải đảm bảo cỏc yờu cầu sau:
- Tốc độđưa dõy phải đảm bảo độổn định cao, thay đổi vụ cấp. Trong thực tế thường sử dụng cỏc động cơ như:
- Động cơ một chiều kớch từđộc lập. - Động cơ servo.
Cơ cấu tạo ra dao động đầu hàn đảm bảo chiều rộng mối hàn theo đỳng cỏc tiờu chuẩn đề ra, cỏc yờu cầu chớnh của cơ cấu gồm:
Tần số lắc: Tựy thuộc vào kớch thước vỏt mộp của phụi hàn mà cú tần số lắc tương ứng. Dải điều chỉnh tần số lắc từ 0 – 60 Hz.
Biờn độ lắc: Biờn độ lắc phụ thuộc vào bề rộng rónh hàn. Khoảng điều chỉnh của biờn độ lắc là từ 0 – 25 mm. Khoảng dừng tối đa của cơ cấu lắc ở vị trớ: + Trỏi: 1,5 giõy + Phải: 1,5 giõy + Giữa: 1,5 giõy 2.3.4. Bộ phận cấp khớ bảo vệ vựng hàn.
Cú rất nhiều phương phỏp bảo vệ như: tự bảo vệ (sử dụng dõy hàn lừi thuốc khụng cần bảo vệ); bảo vệ bằng khớ (CO2, hoặc hỗn hợp Ar + CO2); bảo vệ bằng lớp trợ dung nấu chảy...
Trong đề tài này, do hàn theo phương phỏp hàn theo chu vi đường ống nờn ta chọn phương phỏp bảo vệ vựng hàn bằng khớ bảo vệ CO2, lưu lượng khớ bảo vệ thay đổi được theo yờu cầu cụng nghệ.
2.3.5. Bộ nguồn hàn.
Nguồn điện hàn trong hàn tự động và bỏn tự động đũi hỏi với đặc tớnh thoải hoặc cứng đảm bảo cung cấp dũng ổn định trong suốt quỏ trỡnh hàn. Là bộ nguồn hàn một chiều, điều khiển mềm cỏc thụng số cụng nghệ: + Điện ỏp hàn cực đại 30V.
+ Dũng hàn tối đa 400A.
2.3.6. Bộđịnh vịđầu hàn.
Kết cấu này cú nhiệm vụ đưa đầu hàn sang trỏi, phải, di chuyển lờn xuống để đầu hàn đỳng vào vị trớ cần hàn, đảm bảo chiều cao điện cực (ổn định hồ quang hàn, nõng cao chất lượng mối hàn).
Khoảng cỏch dịch chuyển tối đa:
+ Trỏi phải: 150mm + Lờn xuống: 150mm Tốc độ dịch chuyển tối đa : 180 mm/phỳt.
2.3.7. Đồ gỏ định tõm ống hàn.
Đồ gỏ định tõm ống hàn cú nhiệm vụ định tõm hai ống cần hàn cho đỳng hướng và chuẩn bị mối hàn, đảm bảo cỏc khe hở mối hàn đều, đỳng kớch thược yờu cầu cụng nghệ để tiến hành hàn tự động được thuận lợi, nõng cao năng suất chất lượng mối hàn.
Cỏc thụng số cơ bản của đồ gỏ định tõm.
• Đường kớnh ống : 72 inch (1829 mm) và 100 inch (2438 mm).
• Nắn được ống cú chiều dầy thộp tối đa : 30mm.
Hệ thống thủy lực linh hoạt, điều khiển chớnh xỏc, dễ dàng, độ tin cậy cao đảm bảo an toàn, ỏp lực tối đa 150 bar.
2.3.8. Hồ sơ thiết kế tổng thể.
Hồ sơ thiết kế tổng thểđược thiết lập theo cỏc bản vẽ thiết kế của cỏc cụm chi tiết cần chế tạo và được sắp đặt thứ tự như sau:
Bảng 2.1. Danh mục Hồ sơ tài liệu thiết kế tổng thể.
TT Ký hiệu bản vẽ Tờn gọi Số lượng Đơn vị 1 TBHOTĐ 01 00-00-000 Bộ thiết kế tổng thể 01 Bộ 2 TBHOTĐ 01 01-00-000 Xe hàn 01 Bộ 3 TBHOTĐ 01 02-00-000 Đầu cấp dõy hàn 01 Bộ 4 TBHOTĐ 01 03-00-000 Cơ cấu định vị đầu hàn 01 Bộ 5 TBHOTĐ 01 04-00-000 Lụ dõy 01 Bộ
6 TBHOTĐ 01 05-00-000 Đầu dao động đầu hàn 01 Bộ 7 TBHOTĐ 01 06-00-000 Bộ phận cấp khớ bảo vệ 01 Bộ 8 TBHOTĐ 01 07-00-000 Hệ thống điện 01 Bộ 9 TBHOTĐ 01 08-00-000 Hệ thống điều khiển 01 Bộ 10 TBHOTĐ 01 09-00-000 Đồ gỏ định tõm 01 Bộ
Cỏc cụm chi tiết chớnh được thiết kếđểđỏp ứng được cỏc yờu cầu đặt ra của cụng nghệ hàn như: tốc độ cấp dõy (dũng hàn), điện ỏp hàn, tốc độ hàn, tốc độ dao động đầu hàn, bảo vệ vựng hàn (khớ bảo vệ)... Như vậy, để đỏp ứng được cỏc yờu cầu trờn ta cần phải cú cỏc cơ cấu chấp hành thực hiện như: bộ cấp dõy, xe hàn, bộ dao động đầu hàn, hệ thống cấp khớ... 2.4. Cỏc yờu cầu cụng nghệ chớnh của cỏc cụm thiết bị. 2.4.1. Xe hàn [30].
Do yờu cầu sản phẩm của Đề tài là hàn trong khụng gian, hàn những biờn dạng phức tạp chủ yếu cỏc mối hàn là hàn trờn bề mặt ống theo đường trũn cho nờn xe hàn cần phải gọn, nhẹ, chạy ổn định, phự hợp với kết cấu biờn dạng hàn.
Để đỏp ứng được cỏc yờu cầu đú, nhúm đề tài lựa chọn đưa ra kết cấu của xe hàn như sau: Thõn xe, trục chuyển động, hộp giảm tốc, động cơ điện một chiều,.. Tất cảđược miờu tả chi tiết dưới đõy:
- Thõn xe cú kết cấu hỡnh hộp, đểđỏp ứng yờu cầu về sự nhỏ gọn và nhẹ nờn đó chọn vật liệu là hợp kim nhụm làm vật liệu của thõn xe. Trờn thõn xe cú cỏc lỗ và cỏc chi tiết cụng nghệ khỏc để tiện cho quỏ trỡnh lắp rỏp.
- Để chuyển động được thỡ thõn xe được đặt trờn hai trục, mỗi trục được gắn thờm 2 bộ puli tỳ cú tỏc dụng giữ xe trờn ray và chuyển động khi tỏc động lực. Trong đú, trục chủ động được gắn thờm bỏnh vớt đểăn khớp với bỏnh vớt của hộp giảm tốc cú tỏc dụng là truyền chuyển động. Trờn mỗi trục chủđộng và bị động cú bỏnh răng ăn khớp với răng trờn ray dẫn hướng cú tỏc dụng truyền chuyển động.
- Để xe chuyển động tự động được thỡ cần phải gắn thờm động cơ điện một chiều cú hộp giảm tốc trung gian hai cấp dạng trục vớt bỏnh vớt để tăng mụ men khởi động. Động cơ điện một chiều được điều khiển để điều chỉnh tốc độđộng cơ phự hợp với yờu cầu cụng nghệ hàn đề ra.
2.4.2. Cơ cấu cấp dõy [28, 30, 31].
Do cụng nghệ hàn sử dụng dõy hàn làm kim loại đắp cho nờn cần cú cơ cấu cấp dõy cho phự hợp với yờu cầu cụng nghệ đề ra. Cơ cấu cấp dõy gồm: động cơ chuyển động một chiều cú hộp giảm tốc được điều khiển mềm theo yờu cầu, hệ thống cỏc puli, cơ cấu kẹp,...
- Động cơ điện một chiều gắn liền hộp giảm tốc cú điều khiển chương trỡnh số để điều chỉnh được tốc độ theo yờu cầu cụng nghệ đề ra, dải điều chỉnh từ 0 – 900 m/h (tốc độ cấp dõy), điều khiển mềm.
- Hệ thống cỏc puli phự hợp với cỏc loại đường kớnh dõy khỏc nhau từ 0,8 – 1.6 mm. Hệ thống puli cú loại puli chủ động và bị động, trờn puli chủ động được gia cụng thờm một rónh cụn cú kớch thước tương ứng với mỗi loại đường kớnh dõy từ 0,8 đến 1,6mm. Rónh cụn cú tỏc dụng dẫn hướng cho dõy chạy thẳng vào ống dẫn dõy, đồng thời khụng cho dõy trượt ra khỏi puli. Puli chủ động được gắn với hộp giảm tốc động cơ cú tỏc dụng truyền chuyển động, cũn puli bị động gắn trờn cơ cấu kẹp cú tỏc dụng ộp dõy sỏt xuống puli chủđộng để khi động cơ chuyển động sẽđẩy dõy ra hoặc vào tựy thuộc chiều chuyển động của động cơ.
- Cơ cấu kẹp dẫn dõy nhờ lũ xo ộp puli bị động xuống sỏt puli chủđộng với một lực vừa đủ để truyền chuyển động dõy hàn. Cơ cấu kẹp cũng điều chỉnh được lực kẹp phự hợp với kớch thước đường kớnh dõy.
2.4.3. Hệ thống cấp khớ [28, 34].
Do yờu cầu cụng nghệ hàn sử dụng dõy hàn cú khớ bảo vệ khi hàn để trỏnh khuyết tật mối hàn, nờn cần cú hệ thống cấp khớ bảo vệ (khớ bảo vệ trong đề tài sử dụng là khớ CO2). Gồm cú:
- Bỡnh chứa khớ CO2 .
- Đồng hồđo ỏp lực khớ, đồng hồđo và van chỉnh lưu lượng khớ. - Bộ phận sấy khớ bằng điện.
- Van điện từ điều khiển tự động đúng mở van đảm bảo cấp khớ theo thời gian cần thiết trong cụng nghệ hàn như bật trước khi bật hồ quang và tắt sau khi tắt hồ quang.
- Cỏc đường ống dẫn khớ được lắp song song với đường ống cấp dõy hàn từđộng cơ cấp dõy tới đầu hàn.
2.4.4. Cơ cấu dao động đầu hàn [35].
Để đỏp ứng yờu cầu cụng nghệ và tạo dỏng mối hàn thỡ cần phải cú cơ cấu dao động đầu hàn. Cơ cấu bao gồm: Động cơ hộp giảm tốc, cơ cấu tay biờn thanh truyền.
- Động cơ hộp giảm tốc điều khiển số,điều khiển cỏc thụng số như tần số lắc và biờn độ lắc, thời gian dừng tại ba điểm: trỏi – giữa – phải của rónh hàn.theo cỏc thụng sốđó cho
- Cơ cấu tay biờn thanh truyền tạo chuyển động lắc đầu hàn theo ba điểm: trỏi – giữa – phải của rónh hàn.
2.4.5. Bộ nguồn hàn [24].
Để đảm bảo chất lượng mối hàn và thuận lợi cho việc kết hợp điều khiển chung, nguồn hàn đũi hỏi phải đạt được cỏc yờu cầu kỹ thuật sau.
Cỏc thụng số về hàn như dũng điện hàn, điện ỏp hàn phải ổn định, điều chỉnh dễ dàng và tuyến tớnh trong toàn bộ dải điều chỉnh cần thiết.
- Nguồn hàn phải cú đặc tớnh cứng hoặc thoải và độ tin cậy cao.
- Cú cỏc cổng để ghộp nối với trung tõm điều khiển, trờn cơ sở điều kiện ghộp nối của PLC
2.4.6. Bộđịnh vịđầu hàn.
Khối định vị đầu hàn, ngoài đỏp ứng cỏc thụng số kỹ thuật đó nờu càn phải cú kết cấu gọn nhẹ nhưng vững chắc, động cơ chuyển động nhẹ nhàng, tốc độđộng cơ thay đổi mềm dẻo trỏnh những dịch chuyển giật cục làm rung động đầu hàn, thay đổi chiều quay thường xuyờn liờn tục, ghộp nối dễ dàng với cỏc thiết bịđiều khiển.
2.4.7. Đồ gỏ định tõm ống hàn.
Đồ gỏ cần cú được độ cứng vững cao, đủ ỏp lực để đảm bảo sửa lại biờn dạng cỏc ống cú chiều dầy lớn (30 mm) đó bị biến dạng do di chuyển. Cỏc thiết bị định tõm ống hàn làm việc trong lũng ống, người vận hành thường khụng quan sỏt được hết cỏc hoạt động của thiết bị do vậy thiết bị cần cú độ tin cậy cao. Hệ thống thủy lực phải cú độ kớn cao điều khiển ỏp lực để nắn ống phải chớnh xỏc dễ dàng, sự dịch chuyển đồ gỏ định tõm trong lũng ống cần nhẹ nhàng chớnh xỏc, đảm bảo an toàn tin cậy khi vận hành. Cỏc hệ thống của đồ gỏ định tõm bao gồm:
+ Hệ thống cơ khớ, hệ thống này dựa trờn cơ sở cỏc kết cấu cơ khớ để tạo ra lực nắn ống và định tõm ống. Bao gồm cỏc cơ cấu con trượt, cỏc cỏnh tay đũn, cỏc chốt định vị, cỏc đĩa quay, cơ cấu dịch chuyển đồ gỏ định tõm.... + Hệ thống thủy lực, tạo ra năng lượng để cho hệ thống cơ khớ hoạt động theo cỏc yờu cầu cần thiết, hệ thống này bao gồm cỏc thiết bị như: hệ thống bơm dầu, cỏc xi lanh thủy lực, cỏc đường ống và cỏc van phõn phối.
+ Hệ thống điều khiển, bao gồm cỏc thiết bị điều khiển để điều khiển hệ thống thủy lực làn việc theo đỳng cỏc yờu cầu đó đặt trước
2.5. Tớnh toỏn thiết kế xe hàn.
Kết cấu đầu hàn là bộ phận quan trọng trong mọi hệ thống thiết bị hàn cũng như trong hệ thống thiết bị hàn tự động nối ống cú đường kớnh lớn ở trạng thỏi khụng quay. Bộ phận này cho phộp điều chỉnh chớnh xỏc đầu hàn đến những vị trớ yờu cầu và phải đảm bảo tớnh ổn định trong suốt quỏ trỡnh