- Đặt phễu thuốc vào liờn kết và đặt lớp lút bằng vật liệu amiăng cỏch nhiệt vào bờn trong phễu thuốc;
Hỡnh 3.10. Định vị cõy thộp hàn Hỡnh 3.11. Đặt phễu thuốc hàn và lút lớp vật liệu chống chỏy lớp vật liệu chống chỏy
a) b)
Hỡnh 3.12. Đổ đầy thuốc hàn vào phễu thuốc hàn vào phễu thuốc
Hỡnh 3.13. Hỡnh ảnh cỏc mối hàn sau khi hàn điện xỉ - ỏp lực trong quỏ trỡnh thớ nghiệm - Đổ thuốc hàn đầy phễu thuốc, vỗ đều xung quanh phễu để thuốc hàn được lốn chặt một cỏch đồng đều bờn trong (hỡnh 3.12);
- Kẹp chặt mẫu cốt thộp hàn phớa trờn với điện cực dương của nguồn hàn;
3.3.3. Quỏ trỡnh hàn điện xỉ - ỏp lực
Sau khi gỏ định vị được cõy thộp hàn, cài đặt cỏc thụng số của mỏy hàn phự hợp, tiến hành quỏ trỡnh hàn theo trỡnh tự cỏc bước như đó trỡnh bày ở phần bộ điều khiển tự động:
- Tạo hồ quang - Tạo bể xỉ
- Quỏ trỡnh điện xỉ
- Tạo ỏp lực hỡnh thành mối hàn.
3.3.4. Xử lý mẫu thớ nghiệm sau khi hàn điện xỉ - ỏp lực
Sau khi kết thỳc thời gian tạo ỏp lực hàn (T3), cần giữ đồ gỏ hàn ở vị trớ cố định để đảm bảo làm nguội bể xỉ, nguội mối hàn, bảo vệ liờn kết hàn khụng bị ảnh hưởng khi mối hàn cũn núng đỏ. Sau khi đó thỏo bỏ thuốc hàn cũn dư, phễu thuốc được lấy ra để sử dụng cho thớ nghiệm tiếp theo. Khi xỉ hàn đó đúng rắn và nguội, tiến hành gừ xỉ và kiểm tra mối hàn bằng mắt thường (hỡnh 3.13).
Cỏc mẫu thớ nghiệm sau khi hàn điện xỉ - ỏp lực được cắt gọn thành cỏc mẫu thử phỏ hủy kộo (hỡnh 3.14, a) và mẫu khảo sỏt tổ chức thụ đại, tổ chức tế vi mối hàn tương ứng với từng chế độ quy hoạch thực nghiệm (hỡnh 3.14, b,c).
a)
b) c)
Hỡnh 3.14. Ảnh chụp một số thớ nghiệm để đo đạc kớch thước hỡnh học, xỏc định độ bền kộo và khảo sỏt tổ chức thụ đại, tổ chức tế vi mối hàn sau khi hàn điện xỉ -
ỏp lực: a) Mẫu thử phỏ hủy kộo ; b) Mặt bờn; c) Mặt đầu
3.4. Thiết bị và phương phỏp kiểm tra chất lượng mối hàn điện xỉ - ỏp lực
3.4.1. Thiết bị kiểm định cơ tớnh mối hàn
Cơ tớnh mối hàn điện xỉ - ỏp lực trờn cỏc mẫu thớ nghiệm theo phương phỏp quy hoạch thức nghiệm được kiểm tra bằng phương phỏp kộo đứt dọc trục cốt thộp hàn (hỡnh 3.15). Trong luận ỏn này đó sử dụng thiết bị kộo nộn thủy lực vạn năng nhập ngoại cú thương hiệu là Dly-100. Đặc tớnh kỹ thuật của mỏy thể hiện qua thụng số chớnh gồm: lực kộo lớn nhất đạt 1000 kN với
độ phõn giải lực ộp là 0,5 kN. Độ chớnh xỏc hệ thống đo: sai số tớch lũy tổng cộng gần bằng 1,0 %.
Thử kộo phỏ hủy mẫu theo hướng dọc cõy thộp hàn nhằm mục đớch xỏc định độ bền kộo của mối hàn và đặc điểm phỏ hủy của nú (hỡnh 3.15).
3.4.2. Thiết bị đo kiểm kớch thước mối hàn
Kiểm tra kớch thước hỡnh học mẫu: bằng cỏc dụng cụ đo lường cơ khớ thụng dụng như thước lỏ, thước cặp và palme.
3.4.3. Thiết bị khảo sỏt tổ chức vật liệu tại mối hàn, vựng ảnh hưởng nhiệt và đặc tớnh hỡnh học của mối hàn đặc tớnh hỡnh học của mối hàn
Để nghiờn cứu khảo sỏt cấu trỳc thụ đại và tổ chức tế vi vật liệu mối hàn cần sử dụng đến kớnh hiển vi quang học Axiovert 40 MAT cú tớch hợp tớn hiệu với mỏy tớnh điện tử (hỡnh 3.16).
Cỏc thớ nghiệm nghiờn cứu khảo sỏt chụp ảnh tổ chức thụ đại, tổ chức tế vi và phõn tớch SEM/EDX của mối hàn được thực hiện tại Trung tõm kiểm định đỏnh giỏ hư hỏng COMFA thuộc Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lõm KH&CN Việt Nam.
Hỡnh 3.15. Thiết bị thử kộo nộn sử dụng cho thớ nghiệm dụng cho thớ nghiệm
Hỡnh 3.16. Ảnh kớnh hiển vi quang học Axiovert 40 MAT Axiovert 40 MAT
Hỡnh 3.17. Ảnh mỏy đo độ cứng vật liệu mối hàn vật liệu mối hàn
Hỡnh 3.18. Ảnh thiết bị SEM/EDX EDX JEOL JSM-6490 EDX JEOL JSM-6490
Thớ nghiệm thử phỏ hủy mẫu được thực hiện tại Phũng thớ nghiệm Cơ học mỏy Richard (Vilas 30) trực thuộc Trung tõm Kiểm định và Thiết bị cụng nghiệp, Viện Nghiờn cứu Cơ khớ. Thớ nghiệm xỏc định đặc tớnh hỡnh thành mối hàn thụng qua tiờu chớ độ nở phỡnh theo hướng kớnh (d) ở mỗi một chế độ quy hoạch thực nghiệm N = 33 (N27) được thực hiện tại Viện Phỏt triển Kỹ thuật, Cụng nghệ tiờn tiến.
3.5. Điều kiện thực nghiệm và phương phỏp tiến hành
3.5.1. Điều kiện thực nghiệm theo quy hoạch trực giao
Theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm hiện đại cho phộp lựa chọn chiến lược nghiờn cứu tối ưu trong điều kiện cú thể giảm thiểu đỏng kể số lượng, thời gian thớ nghiệm và chi phớ. Đồng thời cú thể đỏnh giỏ được tỏc động qua lại giữa cỏc yếu tố đầu vào và ảnh hưởng của chỳng đến hàm mục tiờu đầu ra lựa chọn. Từ kết quả thớ nghiệm cú thể tớnh toỏn xõy dựng được mụ hỡnh toỏn học biểu diễn sự ảnh hưởng của cỏc thụng số đầu vào tới hàm mục tiờu đầu ra ở mức độ tin cậy cần thiết. Điều đú là cơ sở để kết hợp với một số điều kiện ràng buộc khỏc cũn cho phộp xỏc định miền tối ưu của chế độ cụng nghệ thay cho cỏch giải gần đỳng, tỡm tối ưu cục bộ như ở cỏc thực nghiệm thụ động.
Áp dụng phương phỏp quy hoạch thực nghiệm trực giao kiểu 2 mức 3 yếu tố (N = 23 + i, trong đú i = 1, 2, 3… mức thớ nghiệm cơ sở) hoặc kiểu 3 mức 3 yếu tố đầu vào (N = 33 = 27, với cỏc nỳt quy hoạch thớ nghiệm cú định hướng tịnh tiến tăng, đó được sử dụng rất phổ biến vỡ cú phạm vi mở rộng và độ tin cậy cao tại cỏc nước cụng nghiệp phỏt triển ở Liờn bang Nga và cỏc nước Liờn minh chõu Âu (EU) khỏc như: Solonin N. C.62); Kasandrova O.N, Lebedev V. V. 63; Nguyễn Minh Tuyển 5; Hà Minh Hựng, Orlov M. I., Atabekov E. U., Krupin Ju. A và Chidzikov V. I. 64 67 và gần đõy là một số cụng trỡnh nghiờn cứu khoa học cựng cỏc luận ỏn Tiến sĩ Kỹ thuật đó cụng bố tại Việt Nam.
Như đó phõn tớch ở mục 2.3 và 2.4, đó lựa chọn được 2 hàm mục tiờu cần nghiờn cứu đú là:
Y1 = Ϭk : Độ bền kộo của mối hàn (MPa)
Y3 = d : Độ nở phỡnh hướng kớnh của mối hàn (mm) Ba thụng số đầu vào cần nghiờn cứu đú là :
- Cường độ dũng điện hàn Ih (A);
- Thời gian hàn bằng tổng của 3 cụng đoạn hàn Th = T1 + T2+ T3 (s) - Áp lực hàn giữa hai đầu cốt thộp Ph (MPa)
Đường kớnh danh nghĩa cốt thộp hàn trong thớ nghiệm chọn dd.n=25 mm. Mỏc thộp sử dụng CB400-V
Ký hiệu mó húa cỏc chế độ thớ nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm N = 33 = 27 trong cụng trỡnh này cho trong Bảng 3.8.
3.5.2. Phương phỏp tiến hành thớ nghiệm
Việc giải bài toỏn tỡm cỏc chế độ hàn điện xỉ - ỏp lực thớch hợp để tạo ra cỏc mối hàn nối đối đầu cốt thộp xõy dựng trong cụng trỡnh này đó sử dụng phương phỏp quy hoạch thực nghiệm (QHTN) với số lượng thớ nghiệm nhỏ (n 30). Do vậy việc xỏc định mụ hỡnh thớ nghiệm là rất quan trọng, nú quyết định số lượng thớ nghiệm ở mức tối thiểu cần tiến hành, cũng như kiểu quy hoạch thực nghiệm cần thiết (trực giao, tịnh tiến, tõm xoay,…) 5, 6.
Đơn giản nhất là sử dụng quy hoạch trực giao kiểu N = qk + m, với: m = 1 (chỉ làm 1 thớ nghiệm ở mức cơ sở); q = 2 (kiểu 2 mức) hoặc q = 3 (kiểu 3 mức) - số thớ nghiệm lặp song song tại mỗi điểm nỳt QHTN; k = 3 5 – cỏc biến số độc lập (Xi) là những thụng số cụng nghệ chớnh cần khảo sỏt (X1 = Ih; X2 = Th; X3 = ph
với X4 = Th.q và X5 = dd.n ở hai mức cố định min/max cho trước). Trong đú: cú thể chọn 3 cặp thụng số xột đồng thời với nhau như: IhTh; Ih.ph; Th.ph và Ih.Th. ph với dd.n = const. Cỏc yếu tố được coi là điều kiện biờn như: thời gian hồ quang tạo bể xỉ (Th.q) và đường kớnh danh nghĩa cốt thộp hàn (dd.n) được coi là khụng đổi và lấy ở mức thớch hợp nhất tựy thuộc vào từng lụ thớ nghiệm.
Cỏc hàm mục tiờu chớnh cần tỡm: 1) Độ bền kộo kim loại mối hàn:
y1 = K = f(Ih, Th, ph) (3.1)
2) Độ nở phỡnh hướng kớnh mối hàn:
y3 = dt.b = f(Ih, Th, ph) (3.2)
Với cỏch đặt vấn đề nờu trờn, mụ hỡnh quy hoạch thực nghiệm với cỏc thụng số đầu vào, điều kiện biờn và thụng số đầu ra cho trờn hỡnh 3.19 dưới đõy.
Điều kiện biờn: X5; X6; …
Yếu tố độc lập (thụng số đầu vào): X1; X2; X3; X4…. X Y Đối tượng nghiên cứu Hàm mục tiờu (thụng số đầu ra):
y1; y2; y3, y4,…
Hỡnh 3.19. Mụ hỡnh quy hoạch thực nghiệm hàn nối đối đầu cốt thộp xõy dựng Đầu tiờn thớ nghiệm thử loạt 1 (QHTN 1), đõy là lụ mẫu quy hoạch rỳt gọn Đầu tiờn thớ nghiệm thử loạt 1 (QHTN 1), đõy là lụ mẫu quy hoạch rỳt gọn 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.