Nội dung nghiên cứu sẽ tập trung xác định thành phần mẻ liệu thuốc hàn, đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế với số lượng thí nghiệm ít nhất. Nội dung nghiên cứu sẽ tối ưu theo thứ tự các mô đun sau đây:
- Tối ưu hóa thành phần nền tạo xỉ theo tính cơng nghệ hàn;
- Tối ưu hóa các chất khử và hợp kim hóa theo thành phần hóa học và cơ tính mối hàn;
- Tối ưu hóa lượng huỳnh thạch và chế độ thiêu kết theo lượng hiđrô yêu cầu. Sơ đồ thuật tốn các bước tối ưu hóa [21, 22, 23, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34] như sau:
Hình 2.4 Sơ đồ thuật tốn tối ưu hóa thành phần thuốc hàn thiêu kết Nhập dữ liệu các chất tạo xỉ chính Các phương trình hồi quy về tính cơng nghệ Nhập các giá trị ràng buộc
Kết quả tối ưu: giá trị các chất tạo xỉ Nhập dữ liệu các chất
hợp kim hóa Các phương trình hồi quy
về thành phần hóa học Nhập các giá trị ràng
buộc Kết quả tối ưu: giá trị chất hợp kim hóa
Nhập dữ liệu CaF2 và chế độ thiêu kết Các phương trình hồi quy về lượng H2 Nhập các giá trị ràng buộc Kết quả tối ưu: CaF2 và chế độ thiêu kết
CaF2
In kết quả
Sai Đúng
Để giải quyết bài tốn này cần có phương pháp nghiên cứu khoa học, sau đây sẽ giới thiệu những nét cơ bản nhất sẽ được thực hiện:
- Sử dụng cơ sở lý thuyết kết hợp với các dữ liệu thực nghiệm của nhiều cơng trình khoa học để xác định nền tạo xỉ cho mác thuốc hàn, sau đó lựa chọn các nguyên liệu đầu vào hợp lý (các biến đầu vào).
- Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm và xử lý số liệu để nghiên cứu ảnh hưởng của các chất chủ yếu đến các nhóm chỉ tiêu và tính năng kỹ thuật của thuốc hàn.
- Giải bài toán tối ưu hóa thành phần mẻ liệu thuốc hàn có điều kiện ràng buộc, đảm bảo hài hòa các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế.
- Công cụ là sử dụng các phần mềm chuyên dụng để thực hiện các nhiệm vụ sau:
+ Xây dựng các phương trình hồi quy mơ tả sự phụ thuộc của các hàm mục tiêu là các chỉ tiêu kỹ thuật vào thành phần thuốc hàn và các thông số công nghệ sấy thiêu kết thuốc hàn.
+ Giải bài tốn tối ưu hóa thành phần – tính chất thuốc hàn – giá thành. Trên cơ sở đó xác định được thành phần thuốc hàn đảm bảo các tiêu chí đề ra một cách tốt nhất.
- Kiểm tra đánh giá chất lượng thuốc hàn với thành phần thông qua các chỉ tiêu về thành phần hóa học, cơ tính kim loại mối hàn và hàm lượng hiđrô khuếch tán trong kim loại và vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn theo các tiêu chuẩn.
- Tiến hành sản xuất thử nghiệm thuốc hàn theo thành phần đơn thuốc và chế độ công nghệ đã được kiểm tra trên các thiết bị sản xuất thuốc hàn thử nghiệm.
Hàm mục tiêu:
Biến đầu ra gọi là hàm mục tiêu. Hàm mục tiêu thường là các chỉ tiêu (tiêu chí) phổ biến sau đây:
+ Chỉ tiêu số lượng: năng suất, hiệu suất, tốc độ, …
+ Chỉ tiêu chất lượng: tính năng kỹ thuật (cơ tính, hóa tính, …) + Chỉ tiêu kinh tế: giá thành, chi phí năng lượng, …
+ Các chỉ tiêu tổng hợp khác.
Hàm mục tiêu cần nghiên cứu thường kí hiệu – hàm số yi.
Các biến số đầu vào:
- Lựa chọn các biến số đầu vào (yếu tố, cấu tử,…):
Hàm mục tiêu cần nghiên cứu yi thường phụ thuộc vào một yếu tố (hàm một biến) hay một số yếu tố đầu vào (xi) (hàm đa biến, nhiều biến). Giá trị hàm mục tiêu thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố, tuy nhiên để giải bài toán thực tế cố gắng chọn
số biến đầu vào là tối thiểu. Nguyên tắc lựa chọn số các biến đầu vào phải thỏa mãn những yêu cầu nhất định.
Yêu cầu đối với các yếu tố được chọn làm biến số đầu vào:
+ Các biến phải độc lập, tức là sự biến thiên của một biến nào đó khơng làm thay đổi biến còn lại.
+ Các biến là các yếu tố định lượng và giá trị có thể điều khiển được. + Sự thay đổi của biến độc lập ảnh hưởng rõ nét đến giá trị hàm mục tiêu.
- Lựa chọn loại mơ hình tốn học:
Mơ hình tốn học của hàm mục tiêu phụ thuộc một biến số hay nhiều biến số có thể có dạng đa thức (đa thức bậc 1 hoặc đa thức bậc cao) hay phi đa thức (hàm logarit, hàm mũ, hàm lũy thừa, …)
Theo các tài liệu tham khảo và kết quả tiên nghiệm, ảnh hưởng của các MgO, Al2O3, CaF2, TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn đến chiều dài hồ quang tới hạn (Lhq) có dạng đa thức bậc hai.
Do vậy, mơ hình tổng qt có dạng dưới đây:
yi = b0 + b1x1 + .... + bixi + b12x1x2 + …..+ b11x12 +….+ biixi2 (2.1)
Trong đó:
+ yi – là các hàm mục tiêu (chiều dài hồ quang tới hạn), mm.
+ xi – là các biến đầu vào (hàm lượng CaO, MgO, Al2O3, CaF2, TiO2 trong mẻ liệu thuốc hàn), %.
Để xác định được mơ hình thì phải xác định được các hệ số bi và bậc của đa thức. Phương pháp xác định các hệ số của các phương trình hồi quy dựa trên phương pháp bình phương nhỏ nhất.
Chọn kế hoạch thực nghiệm:
Trong trường hợp này nghiên cứu mơ hình: Thành phần – tính chất. Các biến đầu vào có điều kiện ràng buộc đặc trưng :
Điều kiện: Zi = 100% hoặc Xi = 1.
Trong số các loại kế hoạch thực nghiệm thường áp dụng cho trường hợp này là quy hoạch Đơn hình dựa theo giản đồ trạng thài 3 nguyên hoặc cao hơn (khi số cấu tử k > 3). Trong kế hoạch loại này lấy các giá trị biên của các biến số là Xi = 0 và Xi = 1. Tuy nhiên, để tăng tính chính xác của các hàm mục tiêu thường chọn miền biến thiên của các biến số thu hẹp dạng đa diện. Trong luận án này đã chọn kế hoạch thực nghiệm Max Lean – Anderson [21, 22, 23, 25, 27], vùng nghiên cứu là đa diện hạn chế. Đây là kế hoạch thực nghiệm khơng bão hịa, có thể kiểm tra sự tương thích của các phương trình hồi quy theo chuẩn số Fisher.
Chọn các mức giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố:
Khái niệm mức của yếu tố đầu vào được dùng để miêu tả các điểm đặc trưng trong miền kế hoạch thực nghiệm. Trong kế hoạch 2 mức yếu tố đầu vào gồm có: mức trên, mức dưới, ngồi ra cịn bổ sung mức cơ sở, các mức “sao” (điểm sao). Trong kế hoạch thực nghiệm bao gồm các điểm thí nghiệm, cịn gọi là các điểm của kế hoạch. Đó là một bộ (cịn gọi là phương án) kết hợp các giá trị cụ thể của các yếu tố đầu vào Zj. Khi đó tên gọi các mức của yếu tố như sau:
- Mức trên: Zj max – là giá trị thực mức trên của yếu tố đầu vào thứ j; - Mức dưới: Zj min – là giá trị thực mức dưới của yếu tố đầu vào thứ j; - Mức cơ sở Z0j của các yếu tố đầu vào là điểm thí nghiệm rất quan trọng.
Vectơ yếu tố đầu vào tại mức cơ sở Z0 = [Z01, Z02, …, Z0k] chỉ ra trong
không gian yếu tố một điểm đặc biệt quan trọng gọi là tâm kế hoạch thực nghiệm, mà vùng xung quanh nó phân bố tồn bộ các điểm của kế hoạch thực nghiệm.
Các tọa độ Z0j (giá trị thực của yếu tố tại mức cơ sở) của vectơ Z0 được xác định theo công thức: Z0j = 2 max min j j Z Z (2.2)
- Khoảng biến thiên (hay bước thay đổi, điều chỉnh) ∆Zj của các yếu tố đầu
vào so với mức cơ sở được xác định theo công thức:
∆Zj = 2 min max j j Z Z (2.3) - Các biến mã hóa:
Để tiện cho việc xác định các hệ số của phương trình hồi quy thực nghiệm và các bước xử lý số liệu khác, trong các kế hoạch thực nghiệm quy định chỉ ghi các mức yếu tố theo giá trị đã được mã hóa.
Giá trị mã hóa của các yếu tố là đại lượng khơng thứ nguyên, quy đổi từ các mức giá trị thực (biến thực) của các yếu tố đầu vào theo quan hệ:
xj = j j j Z Z Z 0 ; j = 1, 2, …, k (2.4) Trong đó: Zj – là giá trị thực của yếu tố đầu vào thứ j;
xj – là giá trị mã hóa của yếu tố đầu vào thứ j.
Như vậy, theo tỷ lệ quy chuẩn, mức cơ sở của biến mã hóa đầu vào x0j = 0,
tức là gốc tọa độ của các biến xj trùng với tâm thực nghiệm, còn bước biến thiên của các biến mã hóa xj ứng với các bước ∆xj = 1.
∆xj = j j j Z Z Z 2 min max = 1 (2.5)
- Mức cơ sở của các yếu tố (các biến đầu vào):
+ Mức cơ sở (Xi0) của các yếu tố là tâm miền quy hoạch của chúng. Kết hợp các mức cơ sở này tạo thành tâm của kế hoạch thực nghiệm. Nhà nghiên cứu đều muốn là chọn được tâm kế hoạch càng gần với tâm bề mặt đẳng trị của hàm mục tiêu càng tốt (miền tối ưu D).
+ Cách xác định mức cơ sở: dựa vào các kết quả nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thăm dị, các thí nghiệm sàng lọc. Nên chọn mức cơ sở trùng hoặc gần với điểm cực trị dự báo của yếu tố.
- Chọn khoảng biến thiên (ΔZi):
Nguyên tắc chọn khoảng (bước) biến thiên:
Chọn bước biến thiên phụ thuộc vào miền quy hoạch và số mức thay đổi của các yếu tố.
Bước biến thiên trong nhiều trường hợp quyết định đến độ lớn của miền quy hoạch.
- Với mức cơ sở, bước biến thiên và số mức đã xác định thì miền quy hoạch của mỗi yếu tố coi như được xác định. Hoặc ngược lại, với miền quy hoạch đã sớm được xác định và bước biến thiên của các yếu tố ΔZi khơng được phép thay đổi tùy ý thì buộc phải chọn dạng kế hoạch, chọn số yếu tố và số mức thay đổi một cách phù hợp.
Hệ số các phương trình hồi quy được xác định theo phương pháp bình phương nhỏ nhất. Sự tương thích của các phương trình hồi quy được kiểm tra theo chuẩn số Fisher và hệ số tương quan R2 [27].
2.2.2 Nghiên cứu xác định thành phần đơn thuốc hàn
a) Sơ đồ nghiên cứu tổng quát thuốc hàn:
- Sơ đồ mơ hình nghiên cứu tổng quát ở đây là xác định mối quan hệ toán học giữa các biến đầu vào tác động lên các hàm mục tiêu đầu ra. Qua các phương trình hồi quy có thể thực hiện được các nội dung sau đây:
+ Mô tả các quan hệ này một cách định lượng bằng các mơ hình tốn học; + Biểu diễn các đặc trưng này bằng các dạng hình học 2D và 3D;
+ Phân tích, rút ra các kết luận khoa học;
+ Giải bài tốn tối ưu có ràng buộc để tìm ra được thành phần thuốc hàn và các thông số công nghệ quan trọng đáp ứng các mục tiêu đề ra một cách tổng hợp nhất.
- Cơ sở đánh giá chất lượng thuốc hàn hệ bazơ thường dựa vào các chỉ tiêu chung cơ bản như sau:
+ Đảm bảo về cơ tính của kim loại mối hàn.
+ Đảm bảo thành phần hóa học cần thiết cho kim loại mối hàn.
+ Đảm bảo hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt theo yêu cầu.
+ Đảm bảo tính cơng nghệ hàn theo u cầu. + Giá thành sản phẩm hạ.
Vậy, sơ đồ mơ hình nghiên cứu tổng quát như sau [14, 21, 24, 25]:
Hình 2.5 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát thuốc hàn
Trong số những chỉ tiêu cơ bản ở sơ đồ nghiên cứu tổng quát thuốc hàn, có những chỉ tiêu đan xen nhau và có nội dung mang tính độc lập tương đối. Để nghiên cứu đạt được các chỉ tiêu trên cần chia ra một số nhóm dưới đây:
1. Thành phần mẻ liệu thuốc 2. Dây hàn
Thuốc hàn & dây hàn
Các hàm mục tiêu Cơ tính kim loại mối hàn Đặc tính cơng nghệ hàn Hàm lượng hiđrơ Giá thành Thành phần hố học % C , Mn, S i, S , P Đ ộ bề n ch , k , đ ộ dãn dài, đ ộ da i va đ ập, đ ộ cứ ng C hi ề u dà i h ồ qua ng tớ i h ạ n
- Nhóm tính cơng nghệ hàn.
- Các chỉ tiêu cơ tính sẽ đạt được do nhóm thành phần hóa học kim loại mối hàn.
- Nhóm hàm lượng hiđrơ trong mối hàn và VAHN.
- Các chỉ tiêu còn lại sẽ được xét đến khi lựa chọn các giá trị tối ưu liên quan đến 3 nhóm chỉ tiêu chính nêu trên.
Ngồi ra, trong những trường hợp cụ thể có thể bổ sung các chỉ tiêu về những đặc tính kỹ thuật (làm việc) như tính chống mài mịn, tính chống ăn mịn, bền nhiệt,…. khi đó việc tính tốn mẻ liệu thuốc hàn cần phải xét đến các yếu tố này.
Như vậy cần nghiên cứu 3 tiêu chí cơ bản nêu trên. Trong mỗi tiêu chí này lại bao gồm một hoặc một số các tiêu chí riêng theo từng lĩnh vực. Tiêu chuẩn đánh giá các tiêu chí nêu trên sẽ được thực hiện theo các tiêu chuẩn quốc tế và các mẫu thuốc hàn chuẩn.
Công cụ nghiên cứu dựa vào Quy hoạch thực nghiệm để thiết lập mơ hình và xử lý số liệu. Việc xử lý số liệu sẽ sử dụng phần mềm chuyên dụng để đạt được các kết quả nhanh chóng và chính xác.
b) Các chỉ tiêu cơ bản của thuốc hàn
Các chỉ tiêu chung của thuốc hàn:
Thuốc hàn dùng trong hàn tự động, bán tự động dưới lớp thuốc kết hợp với dây hàn phải đạt được 5 chỉ tiêu chung cơ bản như sau:
- Đảm bảo về cơ tính của kim loại mối hàn: gồm độ bền chảy σc tối thiểu, độ bền kéo σk, độ giãn dài tương đối δ, độ dai va đập Ak, độ cứng.
Các chỉ tiêu cơ tính của kim loại mối hàn đối với mác thuốc hàn theo AWS A5.17-80 [1, 2] như bảng dưới đây:
Bảng 2.4 Các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn với cặp thuốc hàn – dây hàn
theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80
Thuốc hàn và dây hàn theo AWS A5.17-80 Độ bền kéo σk Độ bền chảy σc tối thiểu Độ giãn dài tương đối δ, (%) Độ dai va đập Ak tối thiểu theo Charpy V,
J ở nhiệt độ (oC) ksi MPa ksi MPa
F7A4-EM12K 70-95 480-660 58 400 22 27 (-40 oC)
Các chỉ tiêu cơ tính kim loại mối hàn được kiểm tra theo tiêu chuẩn ANSI/AWS B4.0, Standard Methods for Mechanical Testing of Welds.
- Đảm bảo thành phần hóa học cần thiết cho kim loại mối hàn: gồm hàm lượng các nguyên tố C, Mn, Si, S, P.
Các chỉ tiêu thành phần hóa học của kim loại mối hàn đối với mác thuốc hàn theo AWS A5.17-80 như bảng dưới đây:
Bảng 2.5 Các chỉ tiêu thành phần hóa học kim loại mối hàn với các cặp thuốc hàn
– dây hàn nghiên cứu theo tiêu chuẩn AWS A5.17-80
Thuốc hàn và dây hàn theo AWS A5.17-80
Thành phần hóa học của kim loại mối hàn, %
C Si Mn P S Kim loại
cơ bản
Chiều dày (mm) F7A4-EM12K 0.07 0.35 1.40 0.012 0.010 SM 400 25
Ghi chú: SM 400 – thép cacbon kết cấu hàn theo JIS G3106 -1999 tương đương ASTM A573.
Chỉ tiêu thành phần hóa học kim loại mối hàn được kiểm tra theo tiêu chuẩn ANSI/AWS B4.0, Standard Methods for Mechanical Testing of Welds.
- Đảm bảo hàm lượng hiđrô trong kim loại mối hàn và VAHN theo yêu cầu. Tùy thuộc yêu cầu đối với các cặp thuốc hàn – dây hàn cụ thể, hàm lượng hiđrô trong mối hàn phụ thuộc vào các chỉ tiêu về cơ tính, mà chủ yếu là chỉ tiêu về độ dai va đập và độ giãn dài tương đối của kim loại mối hàn mà lựa chọn hàm lượng hiđrơ thích hợp với mức độ u cầu (rất thấp, thấp, trung bình,…) theo tiêu chuẩn. Trong trường hợp này nguyên tắc tối ưu là vừa đảm bảo tính kỹ thuật và tính kinh tế:
Y = %H ≤ HX (2.6) - Đảm bảo đặc tính công nghệ hàn theo yêu cầu: chiều dài hồ quang tới hạn. - Giá thành sản phẩm hạ.
2.2.3 Nghiên cứu tính cơng nghệ hàn
a) Sơ đồ nghiên cứu