Cỏc thụng số đầu vào và cỏc thụng số đầu ra của bài toỏn quy hoạch thực nghiệm nghiờn cứu ảnh hƣởng của vị trớ hàn đến hỡnh dạng và kớch thƣớc của mối hàn tổng đoạn vỏ tàu bao gồm:
- Thụng số đầu vào x là đại lƣợng đặc trƣng cho sự thay đổi của vị trớ hàn tƣơng ứng với mỗi cung:
1: vị trớ hàn trần (4G), tƣơng ứng gúc radian = 0
2: vị trớ hàn ở cung 6h 5h, tƣơng ứng gúc radian = 0.523599
3: vị trớ hàn ở cung 5h 4h, tƣơng ứng gúc radian = 1.047198
4: vị trớ hàn ở cung 4h 3h, tƣơng ứng gúc radian = 1.570797
5: vị trớ hàn đứng (3G), tƣơng ứng gúc radian = 2.094396
- Cỏc thụng số đầu ra y đặc trƣng cho cỏc thụng số kớch thƣớc của mối hàn đƣợc minh họa nhƣ trờn Hỡnh 4. 3:
y1: chiều cao phần lồi mặt trờn mối hàn (h), y2: chiều cao phần lồi mặt đỏy mối hàn (h1), y3: bề rộng mặt mối hàn (b),
y4: bề rộng mặt đỏy mối hàn (b1),
Do vị trớ hàn thay đổi theo biờn dạng của liờn kết nối tổng đoạn vỏ tàu đƣợc thể hiện nhƣ trờn Hỡnh 4. 6, nờn tỏc giả chọn hàm số biểu diễn mối quan hệ giữa vị trớ hàn với hỡnh dạng và kớch thƣớc của mối hàn tổng đoạn vỏ tàu là hàm bậc 3 một biến cú dạng nhƣ sau:
3 12 2 11 1 0 a x a x a x a yi (4- 1) Cỏc hệ số của phƣơng trỡnh hồi quy đƣợc xỏc định bằng phƣơng phỏp BPNN. Số lƣợng thực nghiệm xỏc định theo cụng thức sau [55]:
1 2 k
N (k là số biến đầu vào)
Do hàm chỉ phụ thuộc vào một biến đầu vào nờn k =1, thay số vào ta cú số thực nghiệm N 3. Nhƣ vậy, để thu đƣợc kết quả chớnh xỏc và tin cậy thỡ số lần làm thực nghiệm tối thiểu tại mỗi điểm cần khảo sỏt là 3 lần. Tƣơng ứng với mỗi vị trớ của mối ghộp hàn thay đổi từ cung (1) đến cung (5) đƣợc minh họa nhƣ trờn Hỡnh 4. 2. Tại mỗi cung ta sẽ làm 3 lần thực nghiệm tƣơng ứng với 3 liờn kết hàn, 5 vị trớ hàn sẽ cần 15 liờn kết hàn. Khối lƣợng thực nghiệm sẽ chia làm 3 lụ, mỗi lụ cần chuẩn bị tối thiểu 5 mối ghộp hàn.
Dựa vào mụ hỡnh thực nghiệm và hàm toỏn học đƣợc trỡnh bày ở trờn, xõy dựng bảng ma trận thụng số đầu vào đặc trƣng cho vị trớ hàn và bảng ma trận đầu ra tƣơng ứng với cỏc thụng số kớch thƣớc của mối hàn nhƣ sau:
Bảng 4- 3 Ma trận đầu vào
Giỏ trị đầu vào x 2
x x3
Cung 1 (radian) 0 0 0
64 Cung 3 (radian) 1.047198 1.096624 1.148382 Cung 4 (radian) 1.570797 2.467403 3.87579 Cung 5 (radian) 2.094396 4.386495 9.187057 Bảng 4- 4 Bảng ma trận đầu ra y1 y2 y3 y4 b h b1 h1 4.2.2. Quy trỡnh thực nghiệm
Bƣớc 1: Chế tạo liờn kết hàn theo bản vẽ nhƣ Hỡnh 4. 4,
Hỡnh 4. 5 Liờn kết hàn thực nghiệm
Bƣớc 2: Chế tạo đồ gỏ hàn theo bản vẽ nhƣ Hỡnh 4. 2, Bƣớc 3: Gỏ lắp cỏc liờn kết hàn lờn đồ gỏ,
Bƣớc 4: Dỏn gốm lút đỏy mối hàn,
65 Bƣớc 5: Lắp đặt mụ hỡnh vào vị trớ làm việc: Sau khi chế tạo xong mụ hỡnh thực nghiệm theo đỳng mục tiờu nghiờn cứu; lắp đặt mụ hỡnh vào vựng thao tỏc của Robot hàn hồ quang AX-V6, sao cho Robot cú khả năng thực hiện hàn đƣợc tất cả cỏc mối ghộp hàn ở cỏc vị trớ trờn mụ hỡnh thực nghiệm.
Bƣớc 6: Lập chƣơng trỡnh hàn đƣờng hàn đỏy ở cỏc vị trớ nhƣ hỡnh 4.2: 1 (hàn trần);
2 (6h5h); 3 (5h4h); 4 (4h3h) và 5 (hàn đứng), Bƣớc 7: Kiểm tra và hiệu chỉnh chƣơng trỡnh hàn, Bƣớc 8: Hàn đƣờng hàn đỏy,
Bƣớc 9: Làm sạch và kiểm tra đƣờng hàn đỏy,
Bƣớc 10: Lập chƣơng trỡnh hàn cỏc lớp hàn phủ ở cỏc vị trớ nhƣ: 1 (hàn trần); 2
(6h5h); 3 (5h4h); 4 (4h3h) và 5 (hàn đứng),
Bƣớc 11: Kiểm tra và hiệu chỉnh chƣơng trỡnh hàn lớp phủ, Bƣớc 12: Hàn lớp hàn phủ,
Bƣớc 13: Làm sạch và kiểm tra mối hàn, Bƣớc 14: Thỏo cỏc liờn kết hàn ra khỏi đồ gỏ,
Bƣớc 15: Lấy mẫu kiểm tra: Chiều dài liờn kết hàn 180 mm, cắt bỏ mỗi đầu 40 mm, chiều dài mẫu cũn lại 100 mm.
4.3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận 4.3.1. Kết quả thực nghiệm 4.3.1. Kết quả thực nghiệm
Để xỏc định cỏc kớch thƣớc tiết diện ngang của mối hàn, tỏc giả tiến hành qua cỏc bƣớc nhƣ sau:
- Mài và đỏnh búng vựng mặt cắt ngang của mối hàn bằng mỏy mài chuyờn dụng và giấy rỏp với độ nhỏm khỏc nhau đến giấy cú độ nhỏm 2/1000.
- Sử dụng dung dịch cồn với 3 - 4% Axit Niteric để thẩm thực bề mặt mẫu rồi rửa sạch và sấy khụ. Khi đú cú thể phõn biệt rừ vựng kim loại mối hàn và vựng kim loại cơ bản, từ đú cú thể quan sỏt hỡnh dạng, vựng kết tinh của đƣờng hàn và chụp ảnh,...
- Sử dụng thƣớc kẹp cú độ chớnh xỏc 0,05 mm để đo cỏc thụng số kớch thƣớc của mối hàn. Tại mỗi điểm đo trờn 3 mẫu, kết quả đo sẽ lấy trung bỡnh cộng và lập bảng thụng số kớch thƣớc của mối hàn.
Bảng 4- 5 Thụng số kớch thước của mối hàn tương ứng vị trớ mối hàn ở mỗi cung
TT Kớch thƣớc mối hàn Vị trớ mối hàn b (mm) h (mm) b1 (mm) h1 (mm) Gúc radian 1 Mối hàn cung 1 (hàn trần) 16,2 0,0 8,0 - 3,2 0.0 2 Mối hàn ở cung 2 (6h - 5h) 17,0 2,8 11,0 - 2,8 0.523599 3 Mối hàn ở cung 3 (5h - 4h) 18,5 2,7 12,0 0,0 1.047198 4 Mối hàn ở cung 4 (4h - 3h) 18,8 2,6 12,0 0,5 1.570797 5 Mối hàn ở cung 5 (hàn đứng) 19,5 2,5 13,0 2,2 2.094396
66 Hỡnh ảnh thụ đại và cỏc thụng số kớch thƣớc của mối hàn đƣợc minh họa trong cỏc hỡnh dƣới đõy.
1) Hỡnh dạng, kớch thƣớc và độ ngấu của mối hàn ở cung 1 (vi trớ hàn trần)
(b) Mặt trờn mối hàn (c) Mặt đỏy mối hàn (a) Mặt cắt ngang
Hỡnh 4. 7 Hỡnh dạng và kớch thước mối hàn ở vị trớ hàn trần 1
b = 16,2 mm; h =0 mm; b1 =8 mm; h1 =-3,2 mm
2) Hỡnh dạng, kớch thƣớc và độ ngấu của mối hàn ở cung 2 (6h đến 5h)
(b) Mặt trờn mối hàn (c) Mặt đỏy mối hàn (a) Mặt cắt ngang
Hỡnh 4. 8 Hỡnh dạng và kớch thước mối hàn ở cung 2
b = 17 mm; h =2,8 mm; b1 =11mm; h1 =-2,8 mm
3) Hỡnh dạng, kớch thƣớc và độ ngấu của mối hàn ở cung 3 (5h- 4h)
(b) Mặt trờn mối hàn (c) Mặt đỏy mối hàn (a) Mặt cắt ngang
Hỡnh 4. 9 Hỡnh dạng và kớch thước mối hàn ở cung 3
67 4) Hỡnh dạng, kớch thƣớc và độ ngấu của mối hàn ở cung 4 (4h- 3h)
(b) Mặt trờn mối hàn (c) Mặt đỏy mối hàn (a) Mặt cắt ngang
Hỡnh 4. 10 Hỡnh dạng và kớch thước mối hàn ở cung 4
b = 18,6 mm; h =2,6 mm; b1 =12 mm; h1 = 0,5 mm
5) Hỡnh dạng, kớch thƣớc và độ ngấu của mối hàn ở cung 5 (vị trớ hàn đứng)
(b) Mặt trờn mối hàn (c) Mặt đỏy mối hàn (a) Mặt cắt ngang
Hỡnh 4. 11 Hỡnh dạng và kớch thước mối hàn ở vị trớ đứng (5) b = 19,5 mm; h =2,5 mm; b1 =13 mm; h1 =2,2 mm
Nhận xột:
Dựa vào kết quả kiểm tra Macro 5 mẫu thực nghiệm tƣơng ứng với 5 vị trớ hàn khỏc nhau trong khụng gian, kết quả khảo sỏt cỏc thụng số kớch thƣớc của mối hàn; ỏp dụng cỏc tiờu chuẩn và quy phạm về chất lƣợng mối hàn để đỏnh giỏ hỡnh dạng, kớch thƣớc, độ ngấu và sự kết tinh của kim loại mối hàn cho thấy rằng:
- Mối hàn ở cung φ1 (vị trớ hàn trần): Bề rộng mặt mối hàn b bằng 16,2 mm; độ cao mặt mối hàn h bằng 0,0 mm; bề rộng mặt đỏy bằng b1 bằng 8,0 mm; độ cao mặt đỏy mối hàn h1bằng -3,2 mm; chõn mối hàn bị lừm, mối hàn khụng ngấu.
Hỡnh dạng, kớch thƣớc và độ ngấu của mối hàn này khụng đạt chất lƣợng.
- Mối hàn ở cung φ2 (vị trớ 6h – 5h): Bề rộng mặt mối hàn b bằng 17,0 mm; độ cao mặt mối hàn h bằng 2,8 mm; bề rộng mặt đỏy bằng b1 bằng 11,0 mm; độ cao mặt đỏy mối hàn h1bằng -2,8 mm; chõn mối hàn bị lừm, mối hàn khụng ngấu.
Độ cao và bề rộng mặt mối hàn đạt tiờu chuẩn; tuy nhiờn đỏy mối hàn bị lừm sõu nờn mối hàn khụng đạt độ ngấu và chiều dày thiết kế của mối hàn.
- Mối hàn ở cung φ3 (vị trớ 5h – 4h): Bề rộng mặt mối hàn “b” bằng 18,5 mm; độ cao mặt mối hàn h bằng 2,7 mm; bề rộng mặt đỏy bằng b1 bằng 12,0 mm; độ cao mặt đỏy mối
68 hàn h1bằng 0,0 mm; chõn mặt đỏy mối hàn bị lừm bằng 0,3 mm, mối hàn ngấu hoàn toàn, chiều dày thiết kế đạt.
Hỡnh dạng, kớch thƣớc và độ ngấu của mối hàn đạt tiờu chuẩn chất lƣợng.
- Mối hàn ở cung φ4 (vị trớ 4h – 3h): Bề rộng mặt mối hàn b bằng 18,8 mm; độ cao mặt mối hàn h bằng 2,6 mm; bề rộng mặt đỏy b1 bằng 12,0 mm; độ cao mặt đỏy mối hàn h1 bằng 0,5 mm; chõn mặt đỏy mối hàn bị lừm bằng 0,2 mm, mối hàn ngấu hoàn toàn, chiều dày thiết kế đạt.
Hỡnh dạng, kớch thƣớc và độ ngấu của mối hàn đạt tiờu chuẩn chất lƣợng.
- Mối hàn ở cung φ5 (vị trớ hàn đứng): Bề rộng mặt mối hàn “b” bằng 19,5 mm; độ cao mặt mối hàn “h” bằng 2,5 mm; bề rộng mặt đỏy bằng “b1” bằng 13,0 mm; độ cao mặt đỏy mối hàn “h1” bằng 2,2 mm; chõn mặt đỏy mối hàn bị lừm bằng 0,2 mm, mối hàn ngấu hoàn toàn, chiều dày thiết kế đạt.
Hỡnh dạng, kớch thƣớc và độ ngấu của mối hàn đạt tiờu chuẩn chất lƣợng ở mức cao nhất.
4.3.2. Ảnh hƣởng của vị trớ hàn đến hỡnh dạng và kớch thƣớc của mối hàn tổng đoạn
Từ cỏc kết quả thực nghiệm thu đƣợc trờn Bảng 4- 5, tiến hành xõy dƣng thuật toỏn và lập trỡnh chạy trờn phần mềm để xỏc định cỏc hệ số (a0, a1, a11, a12) của hàm số (4-1), đồng thời đỏnh giỏ độ lệch chuẩn R, tớnh tƣơng thớch của mụ hỡnh thực nghiệm Q và thiết lập cỏc phƣơng trỡnh hồi quy tƣơng ứng với mỗi vị trớ hàn trờn mỗi cung (từ cung φ1 đến cung φ5) nhƣ trờn mụ hỡnh thực nghiệm.
- Hàm hồi quy 1 biểu diễn mối quan hệ giữa vị trớ hàn đến bề rộng mặt trờn của mối hàn (b):
x
b 16.150 1.958 (4- 2)
Độ lệch chuẩn R = 0.97 lớn hơn hệ số tƣơng quan cho phộp => mụ hỡnh thỏa món. - Hàm hồi quy thứ 2 biểu diễn mối quan hệ giữa vị trớ hàn đến chiều cao phần nhụ mặt trờn của mối hàn (h) : 3 2 684 . 1 800 . 6 051 . 8 x x x h (4- 3)
Độ lệch chuẩn R = 0.96 lớn hơn hệ số tƣơng quan cho phộp => mụ hỡnh thỏa món. - Hàm hồi quy 3 biểu diễn mối quan hệ giữa vị trớ hàn đến bề rộng mặt đỏy của mối hàn (b1):
3 2
1 7.986 8.935 x 6.774 x 1.742 x
b (4- 4)
Độ lệch chuẩn R = 0.98 lớn hơn hệ số tƣơng quan cho phộp => mụ hỡnh thỏa món. - Hàm hồi quy 4 biểu diễn mối quan hệ giữa vị trớ hàn đến chiều cao mặt đỏy của mối hàn (h1):
3 2
1 3.340 0.668x 2.371x 0.697 x
h (4- 5)
Độ lệch chuẩn R = 0.97 lớn hơn hệ số tƣơng quan cho phộp => mụ hỡnh thỏa món. Từ cỏc phƣơng trỡnh hồi quy trờn, tiến hành thiết lập đồ thị nhƣ trờn Hỡnh 4. 12 để xỏc nhận kết quả thực nghiệm và biểu diễn mối quan hệ của vị trớ hàn đến hỡnh dạng và kớch thƣớc của mối hàn nối tổng đoạn vỏ tàu bằng quỏ trỡnh hàn Auto- FCAW với bộ thụng số cụng nghệ hàn nhƣ trong Bảng 4- 1 và Bảng 4- 2.
69 So sỏnh giỏ trị cỏc kết quả đầu ra thu đƣợc từ thực nghiệm Bảng 4- 5 với giỏ trị cỏc kết quả đầu ra tớnh theo hàm hồi quy Bảng 4- 6 cho thấy cỏc giỏ trị gần nhƣ tƣơng đồng nhau, sự sai lệch rất nhỏ. Kết quả này cho thấy rằng mụ hỡnh bài toỏn quy hoạch thực nghiệm phự hợp và tƣơng thớch với mụ hỡnh thực.
Hỡnh 4. 12 Ảnh hưởng của vị trớ hàn đến kớch thước mối hàn Bảng 4- 6 Giỏ trị đầu ra tớnh theo cỏc hàm hồi quy
Kớch thƣớc mối hàn Vị trớ hàn b h b1 h1 y1 y2 y3 y4 Mối hàn trần (1) 16.15 0.041 7.98 -3.34 Mối hàn 6h-5h (2) 17.20 2.63 11.05 -2.44 Mối hàn 5h-4h (3) 18.20 2.94 11.91 -0.24 Mối hàn 4h-3h (4) 19.00 2.43 12.05 0.85 Mối hàn đứng (5) 19.45 2.54 12.98 2.05 Khi hàn ở cỏc vị trớ hàn khỏc nhau với cựng bộ thụng số cụng nghệ hàn thỡ hỡnh dạng, kớch thƣớc và độ ngấu của mối hàn thay đổi tớnh theo phƣơng trỡnh hồi quy cụ thể nhƣ sau:
- Bề rộng mặt mối hàn “b” tăng lờn theo sự thay đổi vị trớ hàn: ở cung φ1,b = 16.15 mm; ở cung φ2, b = 17.20 mm; cung φ3, b = 18.20 mm; cung φ4, b = 19.00 mm và cung φ5, b = 19.45 mm.
- Độ cao mặt mối hàn “h” thay đổi theo vị trớ hàn: ở cung φ1, h= 0.0 mm; cung φ2, h = 2.8 mm; cung φ3, h = 2.43 mm và ở cung φ5, h = 2.54 mm.
70 - Bề rộng đỏy của mối hàn “b1” tăng dần theo sự thay đổi vị trớ hàn: ở cung φ1, b1 = 7.98 mm; ở cung φ2, b1 = 11.05 mm; cung φ3, b1 = 11.91 mm; cung φ4, b1 = 12.05 mm và ở cung φ5, b1 = 12.98 mm.
- Độ cao phần nhụ mặt đỏy của mối hàn “h1” tăng và giảm theo sự thay đổi vị trớ hàn: ở cung φ1, h1 = -3.34 mm; ở cung φ2,h1 = -2.44 mm; ở cung φ3,h1 = -0.24 mm; ở cung φ4, h1 = 0.85 mm và ở cung φ5, h1 = 2.05 mm.
Hỡnh 4. 13 Phạm vi gúc quay trục đường hàn
Khi hàn đƣờng hàn đỏy ở vị trớ hàn trần cú gốm lút, dõy hàn lừi thuốc E71T-1 với bộ thụng số cụng nghệ xỏc định nhƣ trờn cho thấy mối hàn thƣờng bị khuyết tật rỗ khớ. Nguyờn nhõn do khớ bảo vệ cấp vào, cỏc khớ sinh ra từ lừi thuốc chỏy và từ sự phõn li và phản ứng khử trong vựng hồ quang hàn,...khụng kịp thoỏt ra ngoài do bị cản trở bởi gốm lút phớa trờn và mặt rónh vỏt của mối ghộp. Vỡ vậy cỏc khớ này cú thể xõm nhập vào kim loại lỏng trong vũng hàn gõy ra khuyết tật rỗ khớ dọc theo đƣờng hàn đỏy; cũng hàn nhƣ vậy nhƣng khụng lút đỏy mối hàn bằng gốm nữa, thỡ hiện tƣợng rỗ khớ khụng xảy ra. Nhƣ vậy gốm lút khụng phỏt huy đƣợc chức năng của nú mà cũn cú thể ngăn cản khớ trong vựng hồ quang hàn thoỏt ra khỉ vựng hồ quang hàn.
Bằng thực nghiệm cho thấy khi hàn đƣờng hàn đỏy ở vị trớ trần bằng dõy hàn lừi thuốc (FCAW) việc hỡnh thành đƣờng hàn đỏy rất khú khăn, mặt đỏy của đƣờng hàn thƣờng bị lừm, khụng ngấu chõn,... Khi giảm khe hở đỏy mối ghộp từ 6 mm xuống 5 mm (cỏc thụng số cụng nghệ khỏc khụng đổi) thỡ điều kiện hỡnh thành đƣờng hàn đỏy thuận lợi hơn nhƣng mặt đỏy vẫn bị khuyết lừm. Nguyờn nhõn chớnh là khi hàn hồ quang dõy lừi thuốc (FCAW) kiểu dịch chuyển kim loại lỏng chủ yếu là giọt lớn (cầu) ngay cả khi phạm vi cƣờng độ dũng điện và điện ỏp ở mức cao. Với mật độ dũng điện hàn cao, sức căng bề mặt yếu, chiều chuyển dịch giọt kim loại lỏng ngƣợc với chiều tỏc dụng của lực trọng trƣờng,...
Từ việc nghiờn cứu cỏc tài liệu liờn quan cho thấy giải phỏp thƣờng dựng khi xõy dựng quy trỡnh hàn giỏp mối một phớa ở vị trớ hàn trần thỡ sử dụng cỏc phƣơng phỏp hàn GTAW và GMAW để hàn đƣờng hàn đỏy (root pass) cỏc lớp hàn tiếp theo sử dụng phƣơng phỏp hàn FCAW. Trong trƣờng hợp buộc phải thực hiện hàn đƣờng hàn đỏy bằng phƣơng phỏp hàn FCAW thỡ phải sử dụng nguồn hàn xung tần số cao để tạo ra dạng dịch
71 chuyển tia. Tuy nhiờn với mật độ dũng điện hàn rất cao nhƣng đũi hỏi nhiệt cấp vào vũng hàn thấp thỡ tốc độ hàn phải đủ nhanh, khe hở mối ghộp hàn hẹp tới mức cú thể.