Bảng 3.4. Cỏc thụng số cơ bản của mỏy hàn điện xỉ dựng cho thớ nghiệm [7]
TT Tờn cỏc thụng số kỹ thuật Đơn vị đo Giỏ trị danh nghĩa
1 Điện ỏp đầu vào V 380
2 Điện ỏp đầu ra khi cú tải V 25 45
3 Điện ỏp đầu ra khụng tải V 70 80
4 Dũng điện hàn A 200 630
5 Đường kớnh danh nghĩa cố
thộp hàn mm 14 36
6 Khoảng điều chỉnh thời gian
hàn s 1 99
7 Chiều dài mối hàn mm 20 5
8 Kớch thước nguồn hàn mm 610 x 460 x 550
9 Kớch thước hộp điều khiển mm 365 x 280 x 240
10 Khối lượng nguồn hàn kg 320
11 Khối lượng hộp điều khiển kg 25
Từ cỏc số liệu trong bảng 3.4 cho thấy:
- Nguồn hàn đủ cụng suất để hàn được cốt thộp cú đường kớnh dd.n = 14 36 mm và dũng điện hàn đảm bảo điều khiển thay đổi được từ 200A đến 630A.
- Mỏy hàn cú thể thiết kế cung cấp điện ỏp 1 chiều hoặc xoay chiều. Trong trường hợp này chọn nguồn xoay chiều để giảm thiểu hiện tượng ngắn mạch dễ phỏ huỷ cỏc thiết bị chỉnh lưu điện ỏp trong quỏ trỡnh hàn tại cụng trường cú thể xẩy ra.
- Điện ỏp nguồn hàn cung cấp khi cú tải tựy theo từng bước cụng nghệ sẽ ở trong dải 25 45 V. Việc thay đổi điện ỏp được nguồn hàn tự điều chỉnh một cỏch tự động. Trong quỏ trỡnh đỏnh hồ quang tạo bể xỉ, điện ỏp hàn điều chỉnh như hàn hồ quang thụng thường ở ức 40-45V. Khi bắt đầu quỏ trỡnh điện xỉ, nguồn hàn gần như bị ngắn mạch mà điện trở chớnh là bể xỉ lỏng, lỳc này điện ỏp nguồn hàn tự giảm xuống cũn 20-25V.
- Để bảo đảm việc điều khiển tốt cần chọn thiết kế mỏy hàn điện xỉ - ỏp lực theo kết cấu bỏn tự động: cú thể tự động ngắt theo thời gian; điều chỉnh được dũng hàn giỏn tiếp thụng qua hệ thống điều khiển lừi từ của biến ỏp; đo và hiển thị dũng hàn khi hàn. Ngoài ra, người vận hành cú thể lựa chọn và thiết lập được cỏc chương trỡnh hàn theo mong muốn tuỳ thuộc vào đường kớnh và chất lượng cốt thộp. Tay điều khiển từ xa giỳp người vận hành điều khiển quỏ trỡnh hàn thuận tiện tức thỡ, khụng phải di chuyển nhiều.
- Dũng điện hàn được điều khiển theo nguyờn tắc thay đổi khe hở từ trong mạch từ của mỏy biến ỏp đạt cỏc giỏ trị mong muốn. Khe hở từ sẽ tỷ lệ thuận với dũng điện hàn (khi khe hở càng lớn thỡ dũng điện càng cao). Do đú, sử dụng động cơ hộp số làm khõu truyền động để thay đổi khe hở từ theo nguyờn lý: động cơ quay bỏnh vớt của lừi từ phụ làm cho khe hở giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp của mỏy biến ỏp thay đổi dẫn đến dũng điện thay đổi.
- Kết cấu thiết bị hàn gọn nhẹ dễ dịch chuyển, thuận tiện trong thao tỏc vận hành sử dụng tại cụng trường.
3.2.2. Đồ gỏ hàn điện xỉ - ỏp lực
Trong trường hợp hàn điện xỉ ỏp lực, đồ gỏ hàn cú nhiệm vụ rất quan trọng trong suốt quỏ trỡnh hàn. Tớnh năng và yờu cầu kỹ thuật của đồ gỏ hàn như sau:
- Định vị chớnh xỏc hai cõy thộp vào đỳng vị trớ hàn. Hai cõy thộp phải ở vị trớ đối đầu và đồng tõm với nhau. Do vậy hai mỏ kẹp định vị cõy thộp cú dạng chữ V với chiều rộng hợp lý để dễ định vị đồng tõm và đủ lực kẹp với cỏc đường kớnh thộp hàn khỏc nhau.
- Cõy thộp hàn phải được kẹp chặt khụng bị lỏng hoặc vẫy sau khi kẹp. - Bảo đảm độ đồng tõm của 2 cõy thộp <0,1D hoặc <2mm [8].
- Đồ gỏ hàn cú chức năng làm thay đổi khoảng cỏch giữa 2 đầu cốt thộp để tạo hồ quang cũng như thực hiện cỏc quỏ trỡnh hàn. Do vậy một mỏ kẹp sẽ được cố định (mỏ tĩnh) và một mỏ kẹp khỏc (mỏ động) được di chuyển bằng trục vớt me trờn hai sống trượt cú tõm song song với tõm cõy cốt thộp cần hàn. Để thuận lợi cho việc chế tạo và sử dụng, sống trượt nờn được thiết kể ở dạng ống trũn.
- Tạo lực ộp lờn hai đầu cõy thộp hàn khi kết thỳc quỏ trỡnh hàn. Lực ộp cần thiết đối với đối với loại cốt thộp thụng dụng trong xõy dựng dd.n = 14 36 mm là khoảng 2.000 4.000 N.
- Định vị phễu thuốc để tạo bể xỉ trong quỏ trỡnh hàn. Khoảng cỏch giữa hai sống trượt và giữa 2 mỏ kẹp phải đủ rộng để cú thể gỏ được phễu thuốc mà khụng làm cản trở quỏ trỡnh di chuyển của mỏ kẹp động. Khoảng cỏch tối thiểu giữa 2 mỏ kẹp là 250 mm, khoảng dịch chuyển của mỏ kẹp động về 2 phớa tối thiểu là 30 mm;
- Đồ gỏ hàn được sử dụng tại chỗ trờn cụng trường nờn phải gọn nhẹ đến mức tối thiểu (đồ gỏ xỏch tay) và thuận tiện cho việc lắp rỏp, sử dụng. Đồ gỏ phải nhỏ gọn để hàn được những cõy thộp ở cạnh nhau mà khụng chạm vào nhau. Cỏc thụng số cơ bản của đồ gỏ hàn cốt thộp điện xỉ ỏp lực cho trong bảng 3.5.
Đồ gỏ được thiết kế phục vụ cho cụng việc hàn đối đầu cỏc thanh thộp lại với nhau dựa trờn yờu cầu về cỏc tớnh năng kỹ thuật trong bảng 3.5.
Bảng 3.5. Cỏc thụng số cơ bản của đồ gỏ hàn điện xỉ - ỏp lực 7
Thụng số kỹ thuật Đơn vị đo Giỏ trị danh nghĩa
Khoảng điều chỉnh lực ộp N 500 3000
Hỡnh dạng của cỏc mỏ kẹp - Dạng khối V
Gúc nghiờng Độ 90
Chiều dài mỏ kẹp mm 100
Khoảng dịch chuyển của mỏ kẹp động, Lmin,
mm 300
Tốc độ di chuyển của mỏ kẹp động, v m/phỳt 1 50
Đường kớnh cốt thộp cú thể kẹp, dd.n mm 12 36
Sơ đồ nguyờn lý kết cấu đồ gỏ hàn điện xỉ - ỏp lực cho trờn hỡnh 3.7.
Ảnh chụp tổng quỏt toàn bộ đồ gỏ hàn điện xỉ - ỏp lực sau khi chế tạo và lắp rỏp hoàn chỉnh để chuẩn bị thớ nghiệm cho trờn hỡnh 3.8.
Hỡnh 3.7. Sơ đồ nguyờn lý kết cấu đồ gỏ thớ nghiệm hàn điện xỉ - ỏp lực trong luận ỏn: 1) Hộp kỹ thuật; 2) Bỏnh răng cụn; 3) Trục dẫn; 4) Mỏ kẹp động;
5) Hệ vớt kẹp; 6) Ống chứa thuốc hàn; 7) Mỏ kẹp tĩnh
Để bảo đảm cài đặt và điều khiển chớnh xỏc cỏc thụng số hàn điện xỉ - ỏp lực cũng như tạo được mức ỏp lực như ý muốn thỡ khụng thể điều khiển đồ gỏ hàn bằng tay quay theo sự vận hành của người cụng nhõn. Thay cho tay quay, ta gắn vào đú một động cơ bước nối với trục vớt me điều chỉnh mỏ kẹp bằng một li hợp đặc biệt cài đặt mụ men quỏ tải.
Động cơ bước cựng với bộ điều khiển PLC sẽ điều khiển đồ gỏ một cỏch chớnh xỏc cả về chiều chuyển động và thời gian cụng nghệ.
Li hợp đặc biệt sẽ giỳp ta khống chế được lực ộp tối đa giữa 2 cõy thộp bằng cỏch đặt trước mụ men trượt của li hợp tương ứng với lực ộp cần cài đặt. Lực ộp sẽ tăng dần và khi đạt giỏ trị yờu cầu thỡ li hợp giữ nguyờn giỏ trị lực cho đến khi động cơ ngừng hoạt động.
Bảng 3.6. Bảng quy đổi ỏp lực hàn và mụ men khớp li hợp
Đường kớnh thộp hàn (mm) Áp lực Ph (Mpa) Lực ộp dọc trục F (N) Mụ men (Nmm)
Cụng suất tiờu hao (W)
25 2.5 1.225 245 32
25 4.5 2.205 442 58
25 6.5 3.185 638 83
3.2.3. Bộ điều khiển thiết bị hàn điện xỉ - ỏp lực
Bộ điện điều khiển mỏy hàn điện xỉ - ỏp lực phải đảm bảo yờu cầu điều khiển toàn bộ hệ thống thớ nghiệm gồm mỏy hàn điện xỉ - ỏp lực tương ứng với đồ gỏ hàn và phạm vi điều chỉnh hẹp của thời gian điện xỉ.
Để ỏp ứng được cỏc tớnh năng và nhiệm vụ của đồ gỏ hàn, như đó nờu ở phần trờn, đồ gỏ được gắn thờm một động cơ hộp số và khớp li hợp cài đặt mo men quỏ tải nhằm điều khiển chu trỡnh làm việc của đồ gỏ hàn một cỏch chớnh xỏc và đặt được lực ộp giữa hai đầu cốt thộp.
3.2.3.1. Tớnh cụng suất của động cơ điện
Nđm = Nlv /η
Nlv = (M.nhs)/9550 (kw) Trong đú:
Nlv : Cụng suất làm việc của động cơ điện (kw) M: Mụ men phụ tải tỏc động lờn động cơ (Nm) nhs: Số vũng quay của động cơ, nhs = 1.450 v/ph
η : Hiệu suất truyền động, với bộ truyền vớt me tự hóm η = 0,4 Mụ men phụ tải:
M = Mtv / ihs Trong đú:
Mtv: Mụ men xoắn tỏc động lờn trục vớt me ihs : tỉ số truyền của hộp số, ihs= 30
Ta chọn lực ộp tối đa giữa 2 đầu cốt thộp Pmax = 5.000N Mụ men xoắn trờn trục vớt :
Mtv = Pmax x tgα x d/2
Trong đú α : Gúc nghiờng của trục vớt me : α = 11039’. d: Đường kớnh trục vớt, d = 20mm = 0.02m
Vậy Mtv = 5000 x tg 11039’ x 0,01 = 5000 x 0,203 x 0,01 = 10,15 Nm M = 10,15 : 30 = 0,338 Nm
Ta cú : Nlv = (0,338 x 1450)/9550 = 0,052 kw = 52W. Cụng suất định mức của động cơ là:
Nđm = N/η = 52 /0.4 = 130W
Vậy ta chọn cụng suất động cơ là Nđc = 200W
3.2.3.2. Bộ điều khiển tự động thiết bị hàn điện xỉ - ỏp lực
Việc điều khiển thời gian và tốc độ dịch chuyển của cõy thộp hàn thụng qua đồ gỏ hàn trước đõy được thực hiện bằng tay quay của đồ gỏ hàn. Việc vận hành bằng tay sẽ rất thuận lợi cho quỏ trỡnh sử dụng và hạ giỏ thành. Tuy nhiờn, để thiết lập chớnh xỏc chế độ hàn khi hàn sẽ rất khú khăn và độ ổn định khụng cao dẫn đến chất lượng và hỡnh dỏng mối hàn sẽ khụng ổn định. Do vậy, việc tự động húa quỏ trỡnh hàn điện xỉ ỏp lực là rất cần thiết.
Từ những đặc điểm của quỏ trỡnh hàn điện xỉ ỏp lực, ta sẽ sử dụng động cơ bước để thay cho tay quay của đồ gỏ hàn. Động cơ bước sẽ giỳp ta khống chế vận tốc và thời gian di chuyển của cõy thộp với thời gian tối ưu nhất. Mặt khỏc động cơ bước cũng sẽ thực hiện việc đảo chiều chuyển động một cỏch nhanh chúng và chớnh xỏc.
Để điều khiển động cơ bước và nguồn hàn thực hiện đỳng cỏc bước của chu trỡnh hàn với chế độ cụng nghệ tối ưu được đặt sẵn, chỳng ta dựng Driver để điều khiển trực tiếp động cơ và PLC điều khiển toàn bộ quỏ trỡnh hàn.
Để đỏp ứng được cỏc bước cụng nghệ của quỏ trỡnh hàn điện xỉ ỏp lực, bộ điều khiển hoạt động tuần tự như sau:
Hỡnh 3.9. Sơ đồ nguyờn lý điện điều khiển mỏy hàn điện xỉ - ỏp lực
Bước 1: Định vị thộp hàn
Hai cõy thộp hàn được định vị vào đồ gỏ hàn bằng cỏc thao tỏc thụng thường. Sau đú tiến hành lắp phễu thuốc và đổ đầy thuốc hàn.
Để an toàn cho cụng nhõn và thiết bị, bộ điều khiển và mỏy hàn chưa được cấp nguồn, chưa cú điện ỏp ra 2 đầu cõy thộp hàn.
Bước 2: Tạo hồ quang
Bật Aptomat A cấp điện ỏp 380VAC chờ sẵn cho mỏy hàn và cấp điện cho bộ ổn ỏp 24VDC.
Ấn nỳt Start, khởi động từ K làm việc cấp nguồn cho mỏy hàn.
Lỳc này đầu 2 cõy thộp hàn được nguồn hàn cấp điện ỏp hàn, quỏ trỡnh đỏnh hồ quang ngay lập tức diễn ra giữa 2 đầu cõy thộp thụng qua tấm mồi hồ quang.
Điện ỏp hồ quang được hiển thị trờn đồng hồ V khoảng 45V.
Bước 3: Tạo bể xỉ
Sau khi tạo được hồ quang, đồng hồ V sẽ truyền tớn hiệu điện ỏp đến đầu vào của bộ biến đổi tương tự - số A/D.
Khi đú PLC sẽ xuất ra tớn hiệu Y1 với thời gian và tốc độ tương ứng là T1 và V1.
Tớn hiệu Y1 được truyền đến đầu vào +Cw của Driver để điều khiển động cơ bước đi lờn trờn với tốc độ V1 trong thời gian T1.
Bể xỉ được tạo thành trong thời gian T1 và được duy trỡ qua tớn hiệu của vụn kế V.
Nếu vỡ lý do gỡ đú mà tắt hồ quang, dẫn đến khụng cú tớn hiệu điện ỏp hồ quang từ vụn kế V, lỳc đú PLC sẽ ngừng hoạt động và khụng xuất tớn hiệu Y1 nữa, động cơ sẽ dừng hoạt động, quy trỡnh phải quay lại từ bước 1.
Bước 4: Quỏ trỡnh điện xỉ
Sau khi hết thời gian T1, PLC sẽ ngắt tớn hiệu Y1, đồng thời cổng Y2 sẽ xuất tớn hiệu tương ứng với tốc độ và thời gian V2, T2 truyền đến đầu vào +CCw của Driver để đảo chiều động cơ đi xuống với tốc độ V2 trong thời gian T2.
Lỳc này đầu của cõy thộp đó ngập trong bể xỉ, do vậy khụng cũn hồ quang và chỉ số của đồng hồ vụn kế V bằng 0.
T2 chớnh là thời gian điện xỉ, đầu của 2 cõy thộp sẽ được nung chảy trong bể xỉ lỏng.
Bước 5: Tạo ỏp lực hỡnh thành mối hàn
Sau khi hết thời gian T2, PLC sẽ điều khiển ngắt khởi động từ K để ngắt nguồn điện của mỏy hàn. Lỳc này cổng Y2 của PLC sẽ ngắt tớn hiệu T2, V2 và xuất tớn hiệu V3 đến cổng +CCw của Driver để điều khiển động cơ bước đi xuống nhanh với tốc độ V3 trong thời gian khụng hạn chế cho đến khi ộp chặt đầu 2 cõy thộp với nhau.
Lỳc này dũng làm việc của động cơ tăng lờn cho đến khi xuất hiện tớn hiệu O.Heat từ động cơ truyền đến Driver, lỳc đú Driver sẽ ngắt động cơ và kết thỳc chu trỡnh hàn.
Như vậy, bộ điều khiển tự động đó điều khiển động cơ của đồ gỏ hàn thay thế người cụng nhõn để thực hiện cỏc bước của quỏ trỡnh hàn với cỏc thụng số hàn tối ưu đặt trước.
Khi muốn thay đổi thụng số hàn trong thớ nghiệm cũng như sản xuất, chỉ cần thay đổi cỏc tham số của bộ PLC, sau đú Driver sẽ điều khiển động cơ vận hành chớnh xỏc cỏc thụng số đó đặt.
Ngoài cỏc thiết bị chớnh như mỏy hàn, đồ gỏ hàn và bộ điều khiển nờu trờn, để thuận tiện cho việc tiến hành thớ nghiệm và đo đạc thu kết quả thớ nghiệm, cần thờm một số mỏy múc cơ khớ phụ trợ như: mỏy mài cầm tay, mỏy cắt, mỏy đo dũng ampe kỡm, đo điện ỏp, thước kẹp, đồng hồ bấm giờ,…
3.3. Quy trỡnh hàn điện xỉ - ỏp lực nối đầu mẫu cốt thộp xõy dựng trong phũng thớ nghiệm phũng thớ nghiệm
Việc thực hiện thớ nghiệm hàn điện xỉ - ỏp lực nối đầu cỏc mẫu cốt thộp xõy dựng trong phũng thớ nghiệm được thực hiện theo trỡnh tự cỏc bước như sau:
3.3.1. Cụng đoạn chuẩn bị mẫu và thiết bị thớ nghiệm
3.3.1.1. Chuẩn bị cốt thộp hàn:
Cốt thộp hàn tựy theo đường kớnh danh nghĩa lựa chọn được cắt ra thành từng đoạn ngắn từ 500 600 mm trờn mỏy chặt để tạo cho bề mặt cắt của nú cú độ nhỏm và lồi lừm, đỏp ứng cho việc tạo hồ quang trong quỏ trỡnh hàn tốt hơn so với cắt bằng mỏy cưa hoặc mỏy mài cắt. Nếu cốt thộp đó để lõu chưa sử dụng và cú xuất hiện gỉ sắt trờn bề mặt cắt của nú thỡ cần phải làm sạch. Ngoài ra, cần kiểm tra thanh thộp cú bị cong vờnh hay khụng, nếu cú thỡ nắn lại để bảo đảm đồng tõm khi hàn. Tiếp đú, cần làm sạch mẫu cốt thộp hàn tại những vị trớ mỏ kẹp điện cực hàn tiếp xỳc với thanh thộp để đảm bảo dẫn điện tốt nhất.
3.3.1.2. Chuẩn bị thuốc hàn:
Thuốc hàn thương hiệu HJ431 cần được làm sạch bụi bẩn và sấy khụ trong lũ ở nhiệt độ 250 OC trong khoảng thời gian 2h. Sau đú thuốc được để trong khay thộp, đặt nơi khụ rỏo.
Kiểm tra đồ gỏ hàn để đảm bảo hoạt động lờn xuống ổn định, kiểm tra độ