nhằm mục đớch kiểm định lại cụng nghệ đề xuất với miền khảo sỏt chọn ở cụng trỡnh đề tài nghiờn cứu khoa học cấp Sở KH&CN Hà Nội do nghiờn cứu sinh làm chủ nhiệm 7) với chế độ hàn điện xỉ - ỏp lực ở một số điểm nỳt quy hoạch thực nghiệm khi lựa chọn bộ 3 thụng số Ih; Th và Ph với cỏc giỏ trị trong dải rộng.
Mẫu thớ nghiệm được chế tạo cú kớch thước chọn trong bảng 3.7 dưới đõy.
Bảng 3.7. Kớch thước mẫu cốt thộp làm thớ nghiệm hàn điện xỉ - ỏp lực
Ký hiệu lụ mẫu thớ nghiệm Mỏc thộp sử dụng Đường kớnh danh nghĩa, ddn, mm
Chiều dài thanh nối, mm
Ở cỏc chế độ này cỏc mẫu thớ nghiệm sau hàn điện xỉ - ỏp lực đều được đo độ bền kộo, độ nở phỡnh hướng kớnh của mối hàn và một vài mẫu được khảo sỏt tổ chức tế vi vật liệu mối hàn.
Sau khi cú kết quả đỏnh giỏ cỏc mẫu thớ nghiệm loạt 1, cần tiến hành bước thớ nghiệm cú điều chỉnh cỏc thụng số cụng nghệ Ih; Th và ph.
Trong cỏc lụ thớ nghiệm đầy đủ (QHTN 2 - hiệu chỉnh cụng nghệ), xỏc định lại giỏ trị của cỏc biến đầu vào tại cỏc điểm nỳt sao cho gần với giỏ trị tối ưu nhất của hàm mục tiờu đầu ra.
Cỏc mẫu thớ nghiệm cũng được nghiờn cứu như đối với cỏc mẫu kiểm định ở trờn. Cỏc kết quả thực nghiệm được xử lý bằng mỏy tớnh, sử dụng phần mềm xử lý số liệu thống kờ toỏn học thực nghiệm chuyờn dụng để tớnh toỏn xõy dựng cỏc mụ hỡnh toỏn học mụ tả cỏc hàm mục tiờu đầu ra.
Điều kiện QHTN đầy đủ hiệu chỉnh cụng nghệ kiểu 3 mức với 3 biến số độc lập cho trong bảng 3.7. Ký hiệu mó húa cỏc chế độ thớ nghiệm tương ứng với cỏc điểm nỳt quy hoạch thực nghiệm kiểu 3 mức 3 yếu tố (N = 33 = 27) được viết ở dạng ma trận thớ nghiệm trục giao và cho trong bảng 3.8.
Bảng 3.8. Ký hiệu mó số hoỏ tổ hợp bộ 3 thụng số cụng nghệ hàn điện xỉ - ỏp lực (ma trận thực nghiệm) theo quy hoạch thực nghiệm kiểu N = 33 = 27
Cỏc yếu tố khảo sỏt X2 (mức 0) X2 (mức 1) X2 (mức 2) X3 (mức 0) X1 (mức 0) 000 010 020 X1 (mức 1) 100 110 120 X1 (mức 2) 200 210 220 X3 (mức 1) X1 (mức 0) 001 011 021 X1 (mức 1) 101 111 121 X1 (mức 2) 201 211 221 X3 (mức 2) X1 (mức 0) 002 012 022 X1 (mức 1) 102 112 122 X1 (mức 2) 202 212 222
Phương phỏp xỏc định cỏc hàm mục tiờu
a. Độ bền kộo liờn kết hàn
Độ bền kộo kim loại mối hàn (K, MPa) là tiờu chớ quan trọng nhất của mối hàn điện xỉ - ỏp lực, quyết định độ cứng vững của kết cấu cốt thộp hàn, được xỏc định bằng cỏch thử phỏ hủy bằng phương phỏp kộo dọc mối hàn theo hướng đường kớnh cốt thộp và xỏc định theo cụng thức sau: 2 . 1 . 4 b t mh K d P S P y (3.3)
trong đú: K – Độ bền kộo mối hàn, MPa;
y1 – Hàm mục tiờu thứ nhất cần tỡm;
P – Lực kộo tại thời điểm mẫu thử bị phỏ hủy, N;
Smh – Diện tớch mặt cắt ngang của mẫu thử phỏ hủy tại mối hàn, mm2; dt.b – Giỏ trị đường kớnh trung bỡnh của cốt thộp hàn, mm;
Vỡ thộp vằn cú đường kớnh khụng đồng đều, mặt khỏc tại mối hàn đường kớnh cốt thộp phỡnh to nờn khi kộo thường khụng đứt tại mối hàn. Do vậy, để xỏc định chớnh xỏc kớch thước đường kớnh cũng như đo được độ bền kộo tại mối hàn, ta tiến hành tiện nhỏ đường kớnh cốt thộp tại khu vực mối hàn nối sao cho đường kớnh thử nhỏ hơn đường kớnh danh nghĩa của cõy thộp hàn.
b. Độ nở phỡnh theo phương hướng kớnh
Độ nở phỡnh ra theo hướng kớnh cốt thộp hàn của kim loại tại mối hàn (dt.b) là một tiờu chớ đỏnh giỏ tớnh chất mối hàn rất quan trọng. Nú khụng chỉ thể hiện khả năng chịu tải và khả năng liờn kết với bờ tụng, mà cũn đỏnh giỏ tớnh hiệu quả kinh tế của phương phỏp hàn (cú thể tỡm hiểu theo quy định cụ thể trong tiờu chuẩn JGS 18 - 2003 đó trớch dẫn trong cụng trỡnh [7]). Như vậy, cú thể xỏc định độ nở phỡnh của mối hàn điện xỉ - ỏp lực như một hàm mục tiờu đầu ra cần tỡm, tớnh theo cụng thức sau: n d d y d n i n d i b t 2 ) ( 1 . 3 . (3.4) ở đõy:
dt.b - Độ nở phỡnh hướng kớnh trung bỡnh của mối hàn điện xỉ - ỏp lực, mm; y3 - Hàm mục tiờu thứ hai cần tỡm;
di - Giỏ trị đo tại cỏc điểm quy ước theo đường kớnh của mối hàn theo sơ đồ đo trờn hỡnh 3…., mm;
dd.n - Đường kớnh danh nghĩa cõy thộp hàn, mm;
i - Số thứ tự lần đo ở cỏc vị trớ đo tương ứng (theo mặt ngang đường kớnh mối hàn), i = 1, 2, 3, 4, 5, 6... ;
n - Số lượng cỏc vị trớ đo.
Trong cỏc thớ nghiệm tiến hành đo mối mẫu ở 6 vị trớ cỏch nhau 300, sau đú lấy giỏ trị trung bỡnh của chỳng để tớnh toỏn.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
1. Vật liệu, trang thiết bị thớ nghiệm được sử dụng đó được kiểm chuẩn cú độ chớnh xỏc và tin cậy cao. Thộp hàn được chọn CB400-V với đường kớnh D = 25mm là loại thộp được sử dụng rộng rói trong xõy dựng nhà cao tầng hiện tại ở Việt Nam. Thuốc hàn HJ431 cũng được lựa chọn là loại thuốc phổ biến trờn thị trường và cú giỏ thành hợp lý.
2. Đó nghiờn cứu, thiết kế và chế tạo đồ gỏ hàn tự động sử dụng động cơ bước cựng khớp ly hợp chuyờn dụng, được tớch hợp với mụ đun điều khiển PLC. Đồ gỏ đảm bảo đảo chiều chuyển động một cỏch nhanh chúng, chớnh xỏc giỳp khống chế hành trỡnh và tốc độ di chuyển lờn - xuống của cốt thộp hàn, cài đặt chớnh xỏc thời gian hàn và ỏp lực hàn trong phạm vi miền khảo sỏt dự kiến theo quy hoạch thực nghiệm với độ tin cậy cao.
3. Đó lựa chọn cỏc thụng số chớnh cần khảo sỏt gồm : Ih, Th và Ph với dd.n=25mm. Hàm mục tiờu đầu ra để đỏnh giỏ chất lượng và hỡnh dỏng mối hàn điện xỉ - ỏp lực được chọn trong cụng trỡnh này là độ bền kộo mối hàn (K, Mpa) và độ nở phỡnh hướng kớnh mối hàn (d, mm). Việc tiến hành lập ma trận thực nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm kiểu 3 mức 3 yếu tố đầu vào N27 (tổng số thớ nghiệm là N = 33 = 27) với giới hạn miền khảo sỏt của chỳng dựa trờn kết quả nghiờn cứu lý thuyết và một số thớ nghiệm định hướng cụng nghệ tại Việt Nam là cú cơ sở khoa học.
Chương 4.
NGHIấN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN ĐẶC TÍNH MỐI HÀN ĐIỆN XỈ - ÁP LỰC
4.1. Lựa chọn miền điều chỉnh cỏc thụng số hàn theo quy hoạch thực nghiệm trực giao N27. nghiệm trực giao N27.
Trước khi tiến hành thớ nghiệm đầy đủ theo quy hoạch thực nghiệm N27 cần tham khảo cỏc nghiờn cứu trước đõy và thực hiện một số thớ nghiệm hàn điện xỉ ỏp lực trờn hệ thống thớ nghiệm đó tớch hợp phần điều khiển tự động để lựa chọn miền điều chỉnh của cỏc thụng số nghiờn cứu đầu vào.
4.1.1. Lựa chọn miền điều chỉnh dũng hàn Ih (X1)
Từ cỏc kết quả thớ nghiệm và kết quả nghiờn cứu ở cụng trỡnh TC- CN/01-08-2 7, dẫn đến lựa chọn miền điều chỉnh của cỏc thụng số nghiờn cứu đầu vào Ih để tiến hành lập ma thực nghiệm trực giao N27 với đầy đủ cỏc nỳt thớ nghiệm cho trong Bảng 3.8 như sau:
Dũng điện hàn Ih (A), ký hiệu: X1
Theo kết quả nghiờn cứu trong nước và quốc tế, phạm vi dũng hàn khi hàn thộp D25mm là 400-500A. Tuy nhiờn, chất lượng và hỡnh dỏng mối hàn vẫn chưa ổn định. Cú trường hợp mối hàn quỏ to do dũng lớn quỏ, cú trường hợp mối hàn chưa ngấu do dũng nhỏ quỏ. Do vậy ta mở rộng thờm miền điều chỉnh dũng hàn xuống mức dưới và lờn mức trờn 100A với mức ở tõm là 450A.
Mức khảo sỏt lựa chọn X1: Mức 0: 300A, Mức 1: 450A, Mức 2: 600A. Bước điều chỉnh 1= 150A.
4.1.2. Lựa chọn miền điều chỉnh thời gian hàn Th (X2) Thời gian hàn Th (s), ký hiệu X2 Thời gian hàn Th (s), ký hiệu X2
Thời gian hàn được xỏc định trong cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu trước đõy nằm trong phạm vi 25-38s. Tuy nhiờn, trong thực tế khi hàn với chế độ trờn 35s mối hàn cú kớch thước lớn hơn nhiều so với quy định. Trong khi hàm mục tiờu của quy hoạch thực nghiệm là khống chế kớch thước độ nở phỡnh ở giới hạn gần nhất với tiờu chuẩn để nhằm nõng cao hiệu quả kinh tế. Do vậy thời gian hàn khụng cần khảo sỏt ở mức trờn 35s.
4.1.3. Khảo sỏt lựa chọn miền điều chỉnh của ỏp lực hàn Ph (X3)
Áp lực hàn là thụng số chưa được nghiờn cứu định lượng trước đõy, do vậy cần tiến hành khảo sỏt ảnh hưởng của ỏp lực hàn đến độ bền mối hàn để làm cơ sở cho việc lựa chọn miền điều chỉnh của thụng số nghiờn cứu đầu vào ỏp lực hàn Ph trong quỏ trỡnh nghiờn cứu thực nghiệm.
Cỏc thụng số chế độ hàn khỏc khi làm thớ nghiệm được chọn ở mức cố định gồm: Ih = 400 5,0 A; Th = 25 0,5 s và dd.n = 25 mm, mỏc thộp CB400-V.
Thụng số ỏp lực hàn được thay đổi từ Ph = 1,5 – 7,5MPa với bước điều chỉnh = 1,0 MPa dựa trờn cơ sở ỏp lực hàn thụng thường khi hàn bằng tay với người cụng nhõn bỡnh thường là 2,5 - 3,5 MPa, ta mở rộng miền khảo sỏt xuống phớa dưới một bậc và chủ yếu là phớa trờn nhằm tỡm ra miền mối hàn cú độ bền lớn nhất. Kết quả thớ nghiệm được thể hiện trờn Bảng 4.1.
Bảng 4.1. Kết quả thực nghiệm khảo sỏt ảnh hưởng của ỏp lực hàn (Ph) đến tớnh chất mối hàn Đặc tớnh mối hàn Thụng số cụng nghệ ỏp lực hàn Ph (MPa) 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 Độ bền kộo, K, MPa 399 562 613 625 637 645 650
Từ số liệu thực nghiệm ở bảng 4.1, xõy dựng được đồ thị ảnh hưởng của ỏp lực hàn đến độ bền kộo (K) khi cố định cỏc thụng số Th, Ih và dd.n ở mức cho trước nờu trờn, được thể hiện trờn Hỡnh 4.1 với đặc tớnh thay đổi theo quy luật hàm phi tuyến.
Phõn tớch số liệu ở bảng 4.1 và hỡnh 4.1 trờn đõy cho thấy: độ bền kộo (K) tăng tỷ lệ thuận cựng với chiều tăng của ỏp lực hàn và cú giỏ trị từ 399 MPa đến 650 MPa theo quy luật phi tuyến với cường độ tăng mạnh trong khoảng ỏp lực hàn Ph = 2,5 ữ 6,5 MPa.
Ta nhận thấy độ bền tăng khụng đỏng kể trong khoảng Ph = 6,5 ữ 7,5 MPa. Với ỏp lực hàn Ph = 1.5 ữ 2,5MPa , độ bền kộo thấp K = 399MPa ữ 562MPa, khụng bảo đảm độ bền yờu cầu của cốt thộp (b = 570MPa). Do vậy, sẽ khụng lựa
Hỡnh 4.1. Đồ thị ảnh hưởng của ỏp lực hàn đến độ bền kộo mối hàn điện xỉ - ỏp lực ở chế độ hàn Ih = 400 5,0 A; Th = 25 0,05 s và dd.n = 25 mm
Kết quả phõn tớch đỏnh giỏ ảnh hưởng độc lập của yếu tố ỏp lực hàn (Ph)
trờn 07 chế độ thớ nghiệm núi trờn cho phộp rỳt ra kết luận lựa chọn vựng khảo sỏt ảnh hưởng của thụng số cụng nghệ này đến chất lượng mối hàn trong miền quy hoạch thực nghiệm đầy đủ kiểu N = 33 = 27 ở 3 mức cơ bản:
Mức khảo sỏt lựa chọn X3 : Mức 0 2,5MPa, Mức 1: 4,5MPa, Mức 2: 6,5 MPa. Bước điều chỉnh 3 = 2,0 MPa.
Như vậy, ta lựa chọn miền điều chỉnh của cỏc thụng số nghiờn cứu đầu vào để tiến hành lập ma thực nghiệm trực giao N27 với đầy đủ cỏc nỳt thớ nghiệm với cỏc mức như trong bảng 4.2.
Bảng 4.2. Điều kiện thớ nghiệm hiệu chỉnh cụng nghệ theo quy hoạch N27
Thụng số cụng nghệ chớnh (biến thực) Ký hiệu Mức 0 Mức 1 Mức 2 Bước điều chỉnh, i Cường độ dũng điện hàn, Ih, (A) X1 300 450 600 150,0 Thời gian hàn Th , (s) X2 25,0 30,0 35,0 5,0
4.2. Kết quả nghiờn cứu thực nghiệm hàn điện xỉ - ỏp lực và bàn luận khoa học Cỏc tớnh chất đặc trưng cho mối hàn điện xỉ - ỏp lực nhận được tựy thuộc Cỏc tớnh chất đặc trưng cho mối hàn điện xỉ - ỏp lực nhận được tựy thuộc
vào chế độ hàn theo quy hoạch thực nghiệm đầy đủ kiểu N27 cú thể được xỏc định trờn cỏc mẫu thớ nghiệm trong cụng trỡnh này gồm cú:
1) Độ bền kộo mối hàn theo hướng dọc trục cốt thộp hàn (y1 = K), MPa; 2) Độ nở phỡnh hướng kớnh mối hàn y3 = dt.b = 0,5(dt.b - dd.n), mm;
Hàn điện xỉ - ỏp lực cốt thộp xõy dựng là quỏ trỡnh rất phức tạp bởi nú tớch hợp nhiều cụng đoạn với đặc tớnh lý húa khỏc nhau gồm: tạo bể xỉ, quỏ trỡnh điện xỉ và tạo ỏp lực hỡnh thành mối hàn với nhiều mức điều chỉnh đó lựa chọn. Do vậy, để đưa ra được mụ hỡnh toỏn học thực nghiệm biểu diễn quy luật ảnh hưởng của cỏc thụng số cụng nghệ hàn đến cỏc tiờu chớ xỏc định chất lượng của mối hàn trong cụng trỡnh này đưa ra cỏc phõn tớch đỏnh giỏ sự ảnh hưởng đồng thời của hai và 3 thụng số cụng nghệ chớnh đó chọn đến chất lượng mối hàn như đó liệt kờ ở trờn (cơ tớnh và kớch thước hỡnh dỏng mối hàn).
Tớnh chất đặc trưng của mối hàn điện xỉ - ỏp lực được đỏnh giỏ bởi kớch thước hỡnh học (độ nở phỡnh theo hướng kớnh mối hàn dt.b ), tớnh chất cơ học (độ bền kộo liờn kết hàn) và đặc điểm cấu trỳc thụ đại cũng như tổ chức tế vi vật liệu ở tõm của mối hàn và vựng ảnh hưởng nhiệt lõn cận nú.
Để dễ phõn tớch đỏnh giỏ mức độ ảnh hưởng của 3 thụng số đầu vào khảo sỏt trong miền quy hoạch thực nghiệm N27 đến cỏc hàm mục tiờu đầu ra cần tỡm (y1 = K; y3 = dt.b ), cú thể tỏch ra cỏc trường hợp xột ảnh hưởng cặp đụi của chỳng trong sự tương tỏc tổng hũa của tất cả 3 thụng số được khảo sỏt khi cố định một thụng số trong số đú:
+ Khi cố định thụng số ỏp lực hàn (Ph) ta xột ảnh hưởng đồng thời của hai thụng số Th và Ih, dẫn đến hàm mục tiờu đầu ra f(Th, Ih) ở 3 mức ph khỏc nhau;
+ Khi cố định thụng số thời gian hàn (Th) ta xột ảnh hường đồng thời của hai thụng số Ph và Ih, dẫn đến hàm mục tiờu đầu ra f(Ph, Ih) ở 3 mức Th khỏc nhau;
+ Khi cố định thụng số cường độ dũng điện hàn (Ih) ta xột ảnh hưởng đồng thời của hai thụng số Ph và Th, dẫn đến hàm mục tiờu đầu ra f(Ph, Th) ở 3 mức Ih khỏc nhau.
Kết quả thực nghiệm theo 3 phương ỏn xột ảnh hưởng đồng thời của 2 trong 3 yếu tố đầu vào đến hàm mục tiờu đầu ra lựa chọn được trỡnh bày dưới đõy:
4.2.1. Ảnh hưởng của chế độ hàn đến độ bền kộo mối hàn điện xỉ - ỏp lực
Tiến hành hàn thớ nghiệm cỏc mẫu thộp hàn cú đường kớnh danh nghĩa D25mm theo chế độ hàn như trong Bảng 4.2.
Đối với mối hàn nối điện xỉ - ỏp lực, mặt cắt ngang mối hàn đều lớn hơn đường kớnh danh nghĩa cốt thộp nờn khi thử độ bền kộo của liờn kết hàn đều đứt tại vựng kim loại cơ bản. Do vậy, để kiểm tra được độ bền kộo của kim loại mối hàn, tiến hành gia cụng giảm đường kớnh tại khu vực mối hàn nhỏ xuống D=15mm theo tiờu chuẩn TCVN 197 : 2002: Vật liệu kim loại – Thử kộo ở nhiệt độ thường [3].
Hỡnh ảnh cỏc mẫu thớ nghiệm được thể hiện ở trờn hỡnh 4.2
Hỡnh 4.2. Mẫu thớ nghiệm thử độ bền kộo mối hàn
Kết quả thử phỏ hủy mẫu nhận được theo quy hoạch thực nghiệm trực giao N27 và tớnh toỏn độ bền kộo (ki) mối hàn điện xỉ - ỏp lực cho trong bảng 4.3.
Từ cỏc số liệu thực nghiệm nhận được trong bảng 4.3 cú thể phõn tớch đỏnh giỏ sự ảnh hưởng đồng thời của cỏc cặp đụi trong ba thụng số cụng nghệ