Tài liệu Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị di chuyển đầu hàn để hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc

i .. ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VIẾT DUẨN Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị di chuyển đầu hàn để hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc THÁI NGUYÊN 2016 iii LỜI CAM ĐOAN Họ và tên: Nguyễn Viết Duẩn Học viên lớp cao học: K16 Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. Nơi công tác: Trường Trung cấp nghề Hà Tĩnh. Đề tài luận văn Thạc sỹ: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị di chuyển đầu hàn để hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc”. Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 60520103 Sau hai năm học tập, nghiên cứu, em đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị di chuyển đầu hàn để hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc” để thực hiện luận văn tốt nghiệp, với sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn và sự nổ lực của bản thân, đề tài đã hoàn thành, nội dung của đề tài đã đáp ứng được các yêu cầu đặt ra đối với chuyên ngành kỹ thuật cơ khí. Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân em. Các số liệu, kết quả có trong đề tài nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố ở bất kỳ một tạp chí hay công trình nghiên cứu khoa học nào, trừ công bố của chính tác giả./. Thái Nguyên, ngày 05 tháng 05 năm 2016 Học viên Nguyễn Viết Duẩn iv LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học công nghiệp Thái Nguyên, cũng như trong suốt quá trình thực hiện đề tài, em đã được sự hướng dẫn, chỉ dạy tận tình của tập thể sư phạm Nhà trường, trực tiếp là tập thể các bộ giáo viên khoa cơ khí, quý thầy cô giáo cùng bạn bè đồng nghiệp. Lời đầu tiên em xin trân trọng cảm ơn đến Ban giám hiệu Nhà trường, tổ đào tạo sau đại học – Phòng đào tạo Trường Đại học công nghiệp Thái Nguyên, quý thầy cô giáo thuộc các bộ môn tham gia giảng dạy và hướng dẫn đề tài, quý thầy cô giáo quản lý, hường dẫn thuộc trung tâm thí nghiệm vật liệu Trường Đại học công nghiệp Thái Nguyên. Em cũng xin trân trọng cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn người đã tận tình trao đổi, chỉ dạy, hướng dẫn để em thực hiện tốt nội dung của đề tài khoa học này. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tập thể sư phạm, Ban giám hiệu Nhà trường, khoa cơ khí và bạn bè đồng nghiệp Trường trung cấp nghề Hà Tĩnh, nơi em đang công tác. Đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, trang thiết bị và thời gian trong suốt thời gian em tham gia học tập và nghiên cứu đề tài. Trong quá trình học tập nghiên cứu đề tài , mặc dù bản thân đã hết sức cố gắng, song du kinh nghiệm nghiên cứu khoa học còn hạn chế, kinh nghiệm chuyên môn chưa sâu vì vậy nội dung của đề tài không tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót, rất mong được sự trao đổi, đóng góp ý kiến của quý thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp để đề tài ngày càng được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Học viên v MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................................x LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HÀN HỒ QUANG .................................................3 1.1. Sự phát triển của ngành hàn và vai trò của nó trong công nghiệp ...........................3 1.1.1. Lịch sử phát triển của ngành hàn ...........................................................................3 1.1.2. Vai trò của công nghệ hàn trong các ngành công nghiệp ......................................4 1.2. Phân loại các phương pháp hàn ................................................................................4 1.2.1. Theo trạng thái hàn ................................................................................................4 1.2.2. Theo năng lượng sử dụng .....................................................................................5 1.2.3. Theo mức độ tự động hóa .....................................................................................5 1.3. Phương pháp hàn nóng chảy ....................................................................................6 1.3.1 Hàn hồ quang tay ....................................................................................................6 1.3.2. Hàn điện xỉ.............................................................................................................6 1.3.3. Hàn hồ quang điện cực nóng chảy (MIG/MAG) trong môi trường khí bảo vệ ....7 1.3.4. Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ (hàn TIG) ....9 1.3.5. Hàn hồ quang tự động và bán tự động ................................................................10 1.3.6. Hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc bảo vệ (Submerged Arc Welding - SAW) .11 1.4. Tình hình nghiên cứu về hàn SAW ........................................................................12 1.4.1. Trong nước ..........................................................................................................12 1.4.2. Ngoài nước ..........................................................................................................14 1.5. Vấn đền nghiên cứu ................................................................................................14 1.5.1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................14 1.5.2. Mục tiêu của nghiên cứu .....................................................................................16 vi 1.5.3. Dự kiến kết quả đạt được.....................................................................................17 1.5.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.............................................................17 1.5.5. Phương pháp và phương pháp luận .....................................................................17 1.6. Kết luận chương 1 ..................................................................................................18 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ HÀN MAG VÀ HÀN HỒ QUANG CHÌM DƯỚI LỚP THUỐC .......................................................................19 2.1. Quá trình hàn MIG/MAG .......................................................................................19 2.1.1. Bản chất ...............................................................................................................19 2.1.2. Đặc điểm, ứng dụng của hàn MAG .....................................................................20 2.1.3. Thiết bị, vật liệu ...................................................................................................21 2.1.4. Công nghệ hàn MAG...........................................................................................25 2.2. Quá trình hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc bảo vệ (SAW).................................28 2.2.1. Bản chất ...............................................................................................................28 2.2.2. Khả năng ứng dụng..............................................................................................29 2.3.4. Kích thước lớp thuốc phủ ....................................................................................34 2.3.5. Loại dòng và cực tính. .........................................................................................34 2.2.6. Vật liệu hàn hồ quang dưới lớp thuốc .................................................................35 2.2.7. Hình dạng kích thước mối hàn ............................................................................40 2.2.8. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ..................................................................44 2.2.9. Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu .......................................................................45 2.2.10. Xác định chế độ hàn ..........................................................................................46 2.2.11. Liên kết hàn và chuẩn bị liên kết trước khi hàn ................................................49 2.2.12. Kỹ thuật hàn ......................................................................................................51 2.2.13. Kỹ thuật hàn tự động tấm phẳng .......................................................................52 2.2.14. Các loại khuyết tật mối hàn ...............................................................................53 2.3. Kết luận chương 2 ..................................................................................................55 vii CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẢI TIẾN HỆ THỐNG THIẾT BỊ ...............................56 3.1 Thiết bị hàn MAG trước cải tiến .............................................................................56 3.2. Thiết bị hàn sau thiết kế cải tiến .............................................................................56 3.2. 1. Xe hàn .................................................................................................................58 3.2.2. Mỏ hàn .................................................................................................................59 3.2.3. Cơ cấu cấp dây hàn ..............................................................................................60 3.2.4. Bộ phận điều chỉnh chế độ hàn và điều khiển quá trình hàn ...............................61 3.2.5. Bộ phận cấp và chứa thuốc hàn ...........................................................................62 3.2.6. Cơ cấu điều chỉnh đầu hàn (mỏ hàn) ...................................................................63 3.2.7. Cơ cấu định vị biên dạng R .................................................................................64 3.3. Quy trình kỹ thuật vận hành và hàn hồ quang chìm dười lớp thuốc trên thiết bị đã được cải tiến ..................................................................................................................65 3.3.1. Công tác an toàn khi vận hành thiết bị ................................................................65 3.3.2. Kiểm tra tình trạng của thiết bị ............................................................................66 3.3.3. Quy trình vận hành thiết bị ..................................................................................66 3.4. Kết luận chương 3 ..................................................................................................67 CHƯƠNG 4.THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .........................................................68 4.1. Thực nghiệm ...........................................................................................................68 4.1.1. Kiểm tra ngoại dạng mối hàn MAG ....................................................................68 4.1.2. Kiểm tra ngoại dạng mối hàn SAW ....................................................................71 4.1.3. Cấu trúc tế vi mối hàn MAG và mối hàn SAW ..................................................75 4.2. Kết luận chương 4 ..................................................................................................81 1. Kết luận chung ...........................................................................................................83 2. Hướng nghiên cứu tiếp theo ......................................................................................83 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................84 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký Đơn vị Giải nghĩa hiệu Dd mm Đường kính dây hàn (điện cực hàn) Ih Uh Vh Pco2 A V (mm/phút) (lít/phút) Cường độ dòng điện hàn Điện áp hàn Vận tốc hàn Lưu lượng khí CO2 Le Vd J mm Kg/phút A/mm2 Tầm với điện cực Khối lượng thuốc bảo vệ Mật độ dòng điện hàn Fd mm Tổng diện tích tiết diện ngang kim loại đắp của mối hàn Fx mm Diện tích tiết diện ngang kim loại đắp của toàn bộ các lớp hàn từ lớp thứ hai trở đi. Fd1 mm n h1 Diện tích tiết diện ngang kim loại đắp của lớp thứ nhất. Số lớp hàn tiếp theo là n = Fx/ Fn mm Ký hiệu Ar (He) Ar + 1% O2 Ar + 2% O2 Ar + 5% O2 Ar + 20% CO2 Chiều sâu chảy lớp thứ nhất với phía hàn thứ nhất Giải nghĩa Khí argon hoặc khí heli Khí argon chứa 1% khí ôxy Khí argon chứa 2% khí ôxy Khí argon chứa 5% khí ôxy Khí argon chứa 20% khí ôxy Ar + 15% CO2+ 5% O2 Khí argon chứa 5% khí ôxy và 15% khí CO2 Khí carbonic MAG Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí hoạt tính. MIG Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ. SAW Hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc bảo vệ TIG Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ Hệ số hình dạng bên trong. n = b/h m=b/c j Hệ số hình dạng bên ngoài Mật độ dòng điện hàn ix Fd Diện tích tiết diện ngang lớp đắp f  Chiều sâu vát mép Góc mép hàn (1/2 góc rãnh hàn) H a Chiều cao toàn bộ mối hàn Khe hở đáy b 1F Chiều rộng mối hàn Hàn góc chữ T vị trí bằng Hàn góc chữ T vị trí ngang 2F 2FR 1G 2G Hàn góc chữ T vị trí ngang có bán kính cong. Hàn giáp mối vị trí bằng. Hàn giáp mối vị trí ngang. x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1: Các phương pháp hàn. .................................................................................4 Hình1 – 2:Nguyên lý hàn hồ quang tay. ......................................................................6 Hình 1 – 3:Phân loại hàn trong môi trường khí bảo vệ. ............................................7 Hình1 – 4:Sơ đồ hàn hồ quang điện cực nóng chảy ...................................................8 trong môi trường khí bảo vệ. ........................................................................................8 Hình 1- 5:Sơ đồnguyên lý hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ. ...............................................................................................................9 Hình 1- 6: Vùng hồ quang và vũng hàn hồ quang nóng chảy .................................10 trong môi trường khí trơ.............................................................................................10 Hình 1-7:Sơ đồ hàn dưới lớp thuốc bảo vệ................................................................11 Hình 1- 8: Máy hàn dưới lớp thuốc bảo vệ. ..............................................................12 Hình1 - 9: Kết cấu hàn vị trí 2FR. .............................................................................16 Hình 2 – 1: Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang nóng chảy .............................................19 trong môi trường khí bảo vệ. ......................................................................................19 Hình 2 – 2: Hệ thống thiết bị hàn. ..............................................................................21 Hình 2 – 3: Bộ cấp dây hàn MAG. .............................................................................21 Hình 2 – 4: Mỏ hàn MAG. ..........................................................................................22 Hình 2 – 5: Đồng hồ, van giảm áp và bộ sấy khí CO2. .............................................22 Hình 2 – 6: Dây hàn MAG. .........................................................................................23 Hình 2 – 7: Khí bảo vệ hàn MAG. .............................................................................24 Hình 2-8 Liên kết trước khi hàn. ...............................................................................25 Hình 2 – 9:a) Tầm với điện cự; b) quan hệ giữa tầm với điện cực và dòng điện. ..26 Hình 2-10: Lưu lượng khí CO2 ...................................................................................27 Hình 2 -11: Phương pháp hàn dưới lớp thuốc SAW. ...............................................28 Hình 2 – 13: Thể hiện sự ảnh hưởng của đường kính điện cực ..............................30 tới hình dáng và kích thước mối. ...............................................................................30 Hình 2 – 14: Hình vẽ mô tả ảnh hưởng của điện áp đến hình dáng, ......................30 tiết diện và bề mặt mối hàn .........................................................................................30 Hình 2 – 15: Hình vẽ mô tả các vết nứt khi tăng điện áp hàn .................................31 Hình 2 - 16: Thể hiện cường độ dòng điện hàn ảnh hưởng .....................................32 tới hình dáng và kích thước mối ................................................................................32 xi Hình 2- 17: Thể hiện sự ảnh hưởng của vận tốc hàn đến ........................................32 hình dáng kích thước của mối hàn. ............................................................................32 Hình 2- 18: Thể hiện sự ảnh hưởng của vận tốc đến mức độ ..................................33 khuyết cạnh của mối hàn. ...........................................................................................33 Hình 2- 19: Thể hiện tầm với của điện cực. ..............................................................33 Hình 2 – 20: Cực tính dương DC+đựơc sử dụng. .....................................................34 Hình 2– 21: Các kích thước đặc trưng của mối hàn ................................................40 Hình 2– 22: Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo cường độ dòng điện hàn. ..........41 Hình 2– 23: Sự thay đổi hình dạng mối hàn và mức ................................................41 tiêu thụ thuốc hàn theo điện áp hàn...........................................................................41 Hình 2– 24: Sự thay đổi hình dạng ............................................................................42 mối hàn theo tiết diện điện cực ...................................................................................42 Hình 2– 25: Ảnh hưởng của tốc độ hàn lên sự phân bố lực trong hồ quang a), hình dạng mối hàn b), và mức độ tiêu thụ thuốc hàn c). .........................................43 Hình 2- 26: Góc nghiêng dây hàn và ảnh hưởng của góc ........................................43 nghiêng về phía trước lên hình dạng mối hàn ..........................................................43 Hình 2– 27: Góc nghiêng vật hàn và hình dạng mối hàn .........................................44 Hình 2 – 28: Vị trí dây hàn khi hàn các mối hàn vòng ............................................45 đường kính nhỏ và cường độ dòng điện hàn tối đa. .................................................45 Hình 2 – 29: Ảnh hưởng của góc rãnh hàn và ..........................................................45 khe đáy lên hình dạng mối hàn ..................................................................................45 Hình 2– 30: Kích thước mối hàn giáp ........................................................................47 mối có vát mép hàn từ hai phía ..................................................................................47 Hình 2– 31: Kích thước mối hàn giáp mối ................................................................48 có rãnh hàn, hàn nhiều lớp. ........................................................................................48 Hình 2– 32: Yêu cầu đối với độ chính xác lắp ráp....................................................49 đối với hàn dưới lớp thuốc. .........................................................................................49 Hình 2– 33: Bản dẫn để bắt đầu và kết thúc .............................................................50 mối hàn đường thẳng. .................................................................................................50 Hình 2–34: Các kỹ thuật lót đáy. ...............................................................................50 Hình 2– 35:Hình ảnh gây hồ quang bằng phoi thép. ...............................................51 Hình 2– 36:Hình ảnh gây hồ quang bằng phương pháp..........................................51 xii cắt vát nhọn điện cực hàn. ..........................................................................................51 Hình 2 – 37: Liên kết hàn giáp mối. ...........................................................................52 Hình 3 -2: Hính ảnh thiết bị hàn MIG/MAG trước cải tiến. ...................................56 Hình 3 -3: Hệ thống thiết bị hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc. ...........................56 Hình 3 – 4: Mô hình thiết bị hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc(SAW) được thiết kế cải tiến trên cơ sở thiết bị hàn MIG/MAG DRAGON 350 .................................57 Hình 3 – 6: Hình ảnh mỏ hàn MIG/MAG DRAGON. .............................................59 Hình 3 – 5: Hình ảnh kết cấu xe hàn sau khi được cải tiến. ....................................59 Hình 3 – 7: Hình ảnh mỏ hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc(SAW) được thiết kế cải tiến trên cơ sở mỏ hàn MIG/MAG DRAGON 350. ............................................60 Hình 3 – 8: Hình ảnh cơ cấu cấp dây hàn MIG/MAG DRAGON. .........................60 Hình 3 – 9: Hình ảnh cơ cấu cấp dây hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc(SAW) được thiết kế cải tiến trên cơ sở cơ cấu cấp dây hàn MIG/MAG DRAGON 350. 61 Hình 3 – 10: Hình ảnh cơ cấu điều khiển chếhàn MIG/MAG 350. ........................61 Hình 3 – 11: Hình ảnh bộ phận điều chỉnh chế độ hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc(SAW) được thiết kế chế tạo mới......................................................................62 Hình 3 – 12: Hình ảnh Bộ phận chứa và cấp thuốc hàn được thiết kế chế tạo mới. .......................................................................................................................................63 Hình 3 – 13: Hình ảnh cơ cấu điều chỉnh mỏ hàn (đầu hàn) hồ quang chìm dưới lớp thuốc(SAW) được thiết kế chế tạo mới. ..............................................................63 Hình 3 – 14: Hình ảnh cơ cấu định vị biên dạng đường hàn được .........................64 thiết kế chế tạo mới. .....................................................................................................64 Hình 3 – 15: Hình ảnh hệ thống thiết bị hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc(SAW) sau khi thiết kế cải tiến. ...............................................................................................65 Hình 4 – 1: Hình ảnh chuẩn bị phôi hàn. ..................................................................69 Hình 4 – 4: Hình ảnh mẫu 01a, 02a, 03a sau khi đã hàn hoàn ................................69 Hình 4 -5: Hình mối hàn số 01a. .................................................................................70 Hình 4 – 9. Hình ảnh chuẩn bị kết cấu hàn. ..............................................................72 Hình 4 – 10: Hình ảnh chuẩn bị kết cấu hàn và số liệu đầu vào. ............................73 Hình 4 – 11: Hình ảnh mối hàn khi chưa bóc xỉ hàn. ..............................................73 Hình 4 – 12: Hình ảnh mẫu 01a, 02a, 03a sau khi đã hàn hoàn. .............................73 Hình 4 - 13: Hình mối hàn số 01b. .............................................................................74 Hình 4 - 14: Hình mối hàn số 02b. .............................................................................74 Hình 4 - 15: Hình mối hàn số 03b. .............................................................................75 xiii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2 – 1: Giới thiệu một sốloại dây hàn thép các bon thông dụng theo AWS. ..23 Bảng 2 – 2: Thành phần hoá học của một số loại dây hàn thông dụng theo AWS. .......................................................................................................................................24 Bảng 2 – 3: Giới thiệu ứng dụng một số loại khí và hỗn hợp khí bảo vệ. ..............24 Bảng 2 – 4: Bảng tra chế độ hàn thép cac bon và hợp kim thấp - kiểu hàn sấp. ...27 Bảng 3 – 1: Thông số của thiết bị sau khi được cải tiến. ..........................................66 Bảng 4 – 1: Bảng thông số chế độ hàn của các cặp mẫu. .........................................68 Bảng 4 – 2: Bảng so sánh kết quả ngoại dạng mối hàn của các cặp mẫu. ..............79 Bảng 4 – 3: Bảng so sánh kết quả cấu trúc tế vi mối hàn của các cặp mẫu. ..........80 1 LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ hàn đóng vai trò rất quan trọng. Do nó có những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp chế tạo cơ khí khác. Vì công nghệ đơn giản dễ thực hiện, không cần phải thiết bị hiện đại, mối hàn bền, cơ tính tốt, đảm bảo độ kín tốt, công nghệ hàn có thể nối được những kim loại khác nhau, công nghệ hàn dễ cơ khí hoá, tự động hoá, giá thành chế tạo rẻ, tính kinh tế cao. Do công nghệ hàn có nhiều ưu điểm như vậy nên nó được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: Ngành đóng tàu, chế tạo thiết bị cơ khí, Ngành lắp máy, Ngành xây dựng, Ngành công nghiệp ô tô vv...Nhờ có công nghệ hàn mà các ngành công nghiệp khác cũng được phát triển và công nghệ hàn đã đóng vai trò không thể thiếu được trong các ngành công nghiệp. Trong đó công nghệ hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc hiện nay đang được ứng dụng rộng rải. Trong những năm qua việc ứng dụng công nghệ hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc bảo vệ vào sản xuất ở nước ta đang có những bước phát triển mới, nhận thứcđược những ưu điểm vượt trội của công nghệ hàn hồ quang chìm, nên nhiều Công ty, Xí nghiệp, Nhà máy đã mạnh dạn đầu tư, đổi mới công nghệ, mua sắm thiết bị hàn hồ quang chìm để sản xuất các kết cấu hàn có yêu cầu cao về chất lượng và năng suất hàn, như hàn các kết cấu nhà thép tiền chế, hàn các bồn chứa nhiên liệu, hóa chất tại một số công trình trọng điểm. Tuy nhiên, các Trường Cao đẳng nghề, Trung cấp nghề và các Trung tâm dạy nghề chưa được đầu tư tương xứng để đáp ứng với nhu cầu đòi hỏi của các doanh nghiệp tuyển dụng thơ hàn. Vì vậy, học sinh, sinh viên sau khi tốt nghiệp chưa đáp ứng được nhu cầu của doanh nghiệp trong lĩnh vực công nghệ hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc bảo vệ. Do thiết bị hàn có giá thành cao vượt ngoài khả năng đầu tư của các đơn vị đào tạo nghề. Trước yêu cầu bức thiết nêu trên và xuất phát từ ý tưởng nghiên cứu em đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị di chuyển đầu hàn để hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc” Mục tiêu của nghiên cứu Thiết kế chế tạo thành công thiết bị di chuyển đầu hàn để hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc. Xác định chế độ hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc hợp lý để hàn thép CT3 ở vị trí 2FR có bán kính R > 2 mét, với chiều dày vật liệu 8 (mm), mối hàn đảm bảo chất lượng và yêu cầu kỹ thuật. Dự kiến kết quả đạt được - Nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công thiết bị di chuyển đầu hàn dịch chuyển theo biên dạng xác định. - Xác định được bảng chế độ hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc bảo vệ hợp lý khi hàn kết cấu góc ở vị trí 2FR, vật liệu chế tạo là thép CT3, chiều dày 8 (mm) 2 Phương pháp nghiên cứu Đề tài thuộc dạng nghiên cứu – triển khai – thực nghiệm. *Nghiên cứu - Thiết kế chế tạo thiết bị di chuyển đầu hàn theo quỹ đạo xác định - Chọn được chế độ hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc SAW hợp lý *Việc triển khai Nguồn hàn (biến áp hàn) MIG/MAG 350 kết hợp với thiết bị di chuyển đầu hàn sẽ tạo thành hệ thống thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc bảo vệ (SAW) để hàn kết cấu góc ở vị trí 2FR. Máy sau khi thiết kế chế tạo hoàn chỉnh sẽ vận hành để kiểm chứng các giả thiết khoa học trước đó. * Thực nghiệm Hàn kết cấu góc ở vị trí 2FR, vật liệu là thép CT3 chiều dày 8 (mm) bằng công nghệ hàn SAW, để chọn chế độ hàn phù hợp (3 mẫu). Hàn kết cấu góc ở vị trí 2FR, vật liệu là thép CT3 chiều dày 8 (mm) bằng công nghệ MAG, để so sánh chất lượng mối hàn với công nghệ hàn SAW (3 Mẫu). Phương pháp nghiên cứu *Phương pháp luận sử dụng trong đề tài là hệ thống lý luận Lý thuyết hàn MIG/MAG và lý thuyết hàn tự động dưới lớp thuốc, vấn đề này thuộc chuyên ngành hàn nóng chảy. Phương pháp luận còn là hệ thống lý luận về kiểm tra chất lượng mối hàn bằng phương pháp: Kiểm tra trúc cấu tế vi của mối hàn; kiểm tra ngoại dạng mối hàn. Nội dung nghiên cứu Nội dung chính của đề tài bao gồm: Chương 1. Tổng quan về hàn hồ quang Chương 2. Nghiên cứu lý thuyết về hàn MAG và hàn hồ quang chìm dươi lớp thuốc bảo vệ (SAW) Chương 3. Thiết kế cải tiến hệ thống thiết bị Chương 4. Thực nghiệm và kết quả Ý nghĩa thực tiễn Ứng dụng công nghệ hàn hồ quang chim dưới lớp không chỉ nâng cao được năng suất lao động mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm, giá thành sản phẩm giảm so với sử dụng các các công nghệ hàn khác. Hàn hồ quang chìm dưới lớp thuốc bảo vệ, hồ quang hàn sẽ được che kín bằng lớp thuốc bảo vệ, vì thế nó sẽ nâng cao hệ số an toàn cho công nhân vận hành thiết bị, giảm thiểu ô nhiễm do hồ quang hàn gây ra cho công nhân và môi trường xung quanh. Do quá trình thiết kế chế tạo sẽ tính đến các tình huống khác nhau trong sản xuất. Nên thiết bị sau khi chế tạo có thể hàn được các mối hàn ở các vị trí 1G, 1F, 2F, 2FR. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HÀN HỒ QUANG 1.1. Sự phát triển của ngành hàn và vai trò của nó trong công nghiệp 1.1.1. Lịch sử phát triển của ngành hàn Năm 1802, viện sĩ Nga V.V Pê-tơ-rốp đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện và chỉ rõ khả năng sử dụng nhiệt năng của nó để làm nóng chảy kim loại, mở ra thời kỳ hàn hồ quang. Năm 1888, N.G Sla-vi-a-nốp đã áp dụng điện cực nóng chảy - điện cực kim loại vào hồ quang điện, đến năm 1907, kỹ sư Thủy Điển Kenbbécgơ đã phát hiện ra phương pháp ổn định quá trình phóng hồ quang và bảo vệ vùng hàn khỏi tác động của không khí xung quanh bằng cách bọc lên điện cực kim loại một lớp thuốc. Việc ứng dụng que hàn có bọc thuốc đã bảo đảm chất lượng của mối hàn trong ngành công nghiệp lúc bấy giờ. Năm 1928, Alecxanđerơ (Mỹ) tìm ra phương pháp hàn hồ quang trong khí bảo vệ và đưa vào sản xuất. Hàn trong khí bảo vệ làm tăng vọt chất lượng mối hàn và hiện nay là một trong những phương pháp hàn được sử dụng rộng rãi với những ưu điểm về chất lượng mối hàn và đặc biệt là khả năng sử dụng dễ dàng ở mọi tư thế hàn và mọi vị trí hàn khác nhau. Năm 1929, người ta đã tìm ra phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc trong điều kiện thí nghiệm. Thời kỳ phát triển cao của công nghệ hàn tàu đã được mở ra vào những năm cuối thập kỷ 30 và đầu thập kỷ 40 sau những công trình nổi tiếng của viện sĩ E.O.Pa-ton về hàn dưới lớp thuốc. Phương pháp hàn này được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đóng tàu, đó là thành tựu vô cùng to lớn của kỹ thuật hàn hiện đại. Cho đến nay, hàn dưới thuốc vẫn là phương pháp cơ khí hoá cơ bản trong kỹ thuật hàn trong ngành công nghiệp với những ưu điểm vượt trội về hiệu suất và chất lượng của mối hàn. Năm 1949 đã ra đời phương pháp hàn nóng chảy đặc biệt - hàn điện xỉ. Đó là một phát minh nổi tiếng nữa của tập thể Viện hàn điện B.O Pa-tô. Hàn điện xỉ được nghiên cứu và đưa vào sản xuất trong ngành công nghiệp từ những năm 50 để chế tạo các thiết bị nặng như lò hơi, tua bin, máy tời… Các phương pháp hàn ngày càng được nghiên cứu và cải tiến để nâng cao năng suất, hiệu quả và chất lượng mối hàn cũng như nâng cao khả năng tự động hóa. Từ cuối đại chiến thế giới lần thứ II, người ta đã tìm ra hai phương pháp công nghệ hàn trong khí bảo vệ: MIG (Metal - Iner - Gas) và TIG (Tungsten - Iner - Gas). Đặc trưng của hai phương pháp hàn MIG và TIG là trong quá trình hàn, hồ quang và bể hàn được bảo vệ bằng khí trơ (Ar, He). TIG là hàn bằng điện cực không nóng chảy (volfram hoặc grafit). MIG là hàn bằng điện cực nóng chảy (dây kim loại). Khí bảo vệ (khí trơ) công nghệ sản xuất rất phức tạp, nên cuộc tìm kiếm khí bảo vệ rẻ hơn để thay thế đã thu hút nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu. Thành tựu của nhiều công trình nghiên cứu đã cho ra đời 4 phương pháp hàn MAG (Metal - Active - Gas). Công cuộc tìm kiếm của các nhà nghiên cứu khoa học vẫn tiếp tục và họ đã đạt được những thành tựu to lớn đó là phương pháp hàn MAG có thể dùng 100% khí CO2 làm khí bảo vệ trong quá trình hàn điện cực nóng chảy. Từ năm 1953 ở Liên Xô đã chính thức ứng dụng công nghệ hàn trong môi trường khí bảo vệ là CO2 và sau đó lần lượt năm 1955 - 1956 ở các nước phương Tây, Mỹ, Canada, Anh, Đức... cũng đã ứng dụng thành công và rất hiệu quả của công nghệ hàn trong môi trường khí bảo vệ là CO2. Công nghệ hàn MAG đối với thế giới là một quá trình nghiên cứu, ứng dụng và dần hoàn thiện từng bước, đến nay đã phát triển đến mức độ cao, ứng dụng rất rộng rãi và hiệu quả trong các ngành công nghiệp. 1.1.2. Vai trò của công nghệ hàn trong các ngành công nghiệp Công nghệ hàn đóng vai trò rất quan trọng. Do nó có những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp chế tạo cơ khí khác như: Công nghệ đơn giản dễ thực hiện, không cần phải thiết bị hiện đại, mối hàn bền, cơ tính tốt, đảm bảo độ kín tốt, công nghệ hàn có thể nối được những kim loại khác nhau, công nghệ hàn dễ cơ khí hoá, tự động hoá, giá thành chế tạo rẻ, tính kinh tế cao. Do công nghệ hàn có nhiều ưu điểm như vậy nên nó được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: Ngành đóng tàu, chế tạo thiết bị cơ khí, Ngành lắp máy, Ngành xây dựng, Ngành công nghiệp ô - tô vv..... Nhờ có công nghệ hàn mà các ngành công nghiệp khác cũng được phát triển và công nghệ hàn đã đóng vai trò không thể thiếu được trong các ngành công nghiệp. 1.2. Phân loại các phương pháp hàn 1.2.1. Theo trạng thái hàn Ngày nay hàn đã có hàng trăm phương pháp khác nhau theo trạng thái hàn có thể chia ra 2 nhóm: 1. Hàn laser; Hình 1-1: Các phương pháp hàn. 2. Hàn hồ quang plasma; 5 2. Hàn chùm tia điện tử; 4. Hàn hồ quang điện; 5. Hàn điện xỉ; 7. Hàn nhiệt nhôm; 6. Hàn khí; 8. Hàn hồquang tay; 9. Hàn tự động và bán tự động dưới lớp 10. Hàn hồquang trong môi trường thuốc; 12. Hàn hồ quang tay điện cực không 11. Hàn hồ quang tay điện cực nóng nóng chảy; chảy; 14. Hàn trong môi trường khí Hêli; 13. Hàn trong môi trường khí Argon; 16. Hàn trong môi trường khí CO2; 15. Hàn trong môi trường khí Nitơ; 18. Hàn nổ; 17. Hàn siêu âm; 20. Hàn điện tiếp xúc; 19 . Hàn nguội; 21. Hàn ma sát; 22.Hàn khuếch tán trong chân không; 24. Hàn rèn; 23. Hàn cao tần; 25. Hàn giáp mối; 27. Hàn đường; 26. Hàn điểm; 28. Hàn bằng điện cực giả; 29. Hàn điểm bằng tụ. Ngoài ra, một vài năm gần đây còn xuất hiện phương pháp hàn nhiệt. + Hàn nóng chảy. Khi hàn nóng chảy, kim loại mép hàn được nung đến trạng thái nóng chảy kết hợp với kim loại bổ sung từ ngoài vào điền đầy khe hở giữa hai chi tiết hàn, sau đó đông đặc tạo thành mối hàn. Khi hàn nóng chảy, các khí xung quanh nguồn nhiệt có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình luyện kim và hình thành mối hàn. Do đó, để điều chỉnh quá trình hàn theo chiều hướng tốt thì phải ứng dụng các biện pháp công nghệ nhất định: dùng thuốc bảo vệ, khí bảo vệ, hàn trong chân không,… + Hàn áp lực. Khi hàn bằng áp lực kim loại ở vùng mép hàn được nung nóng đến trạng thái dẻo, sau đó hai chi tiết được ép lại với lực ép đủ lớn, tạo ra mối hàn. + Hàn nhiệt. Hàn nhiệt là sử dụng nhiệt của các phản ứng hóa học phát nhiệt để nung kim loại mép hàn đến trạng thái nóng chảy đồng thời kết hợp với lực ép để tạo ra mối hàn. 1.2.2. Theo năng lượng sử dụng - Điện năng: Hàn hồ quang, hàn điện tiếp xúc - Hóa năng: Hàn khí, hàn nhiệt - Cơ năng: Hàn ma sát, hàn nguội 1.2.3. Theo mức độ tự động hóa - Hàn bằng tay. - Hàn bán tự động 6 - Hàn tự động 1.3. Phương pháp hàn nóng chảy Các phương pháp hàn nóng chảy được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đóng tàu, cơ khí chế tạo, sản xuất kết cấu thép, xây dựng, giao thông vận tải… Phương pháp hàn nóng chảy thường chia ra các loại sau: - Hàn hồ quang tay; - Hàn điện xỉ; - Hàn hồ quang điện cực nóng chảy (MIG/MAG) trong môi trường khí bảo vệ; - Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy (TIG) trong môi trường khí trơ; - Hàn hồ quang chìm tự động và bán tự động (hàn dưới lớp thuốc). 1.3.1 Hàn hồ quang tay Là phương pháp hàn hồ quang có điện cực là que hàn. Trong quá trình hàn các chuyển động như gây hồ quang, dịch chuyển que, dịch chuyển hồ quang theo dọc mối hàn được thực hiện bằng tay. Phương pháp công nghệ hàn này được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Mặc dù đã có những phương pháp mới có năng suất, chất lượng cao; nhưng phương pháp hàn hồ quang tay vẫn không thể thiếu trong các dạng sản xuất sửa chữa, sản xuất loạt nhỏ, đặc biệt ở những qui trình công nghệ hàn không thể tiến hành cơ khí hóa và tự động hóa. Chất lượng của mối hàn phụ thuộc chủ yếu vào tay nghề của người thợ cũng như dòng điện hàn. Hình1 – 2:Nguyên lý hàn hồ quang tay. 1.3.2. Hàn điện xỉ Phương pháp hàn điện xỉ là một phương pháp có nhiều ưu việt nhất trong các phương pháp hàn điện vì nó không gây biến dạng góc, không cần vát mép hàn, khe hở giữa hai mép hàn 12 mm tạo điều kiện thuận lợi cho lắp ráp, giảm tiêu hao năng lượng điện, tiêu hao xỉ hàn… do đó ngày càng được sử dụng rộng rãi. 7 1.3.3. Hàn hồ quang điện cực nóng chảy (MIG/MAG) trong môi trường khí bảo vệ Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ là phương pháp hàn thích ứng với mọi kết cấu hàn và cho năng suất và chất lượng hàn cao. Phương pháp công nghệ này có thể phân loại thành các phương pháp sau (Hình 1 – 3). Hình 1 – 3:Phân loại hàn trong môi trường khí bảo vệ Ở các phương pháp hàn này, bể hàn được bảo vệ khỏi sự tác dụng của môi trường bên ngoài (chủ yếu là ôxy và nitơ). Môi trường bảo vệ có thể là khí hoạt tính hoặc khí trơ. Môi trường khí trơ không có phản ứng hóa học với bể hàn. Môi trường khí hoạt tính có phản ứng hóa học với bể hàn; những tác động xấu đó lại được khắc phục bằng thành phần hóa học thích hợp của vật liệu hàn (dây hàn). Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ là quá trình hàn nóng chảy trong đó nguồn nhiệt hàn được cung cấp bởi hồ quang tạo ra giữa điện cực nóng chảy (dây hàn) và vật hàn; hồ quang và kim loại nóng chảy được bảo vệ khỏi sự tác dụng của ôxy và nitơ trong môi trường xung quanh bởi một loại khí hoặc một hỗn hợp khí. Tiếng Anh phương pháp này gọi là GMAW (Gas Metal Arc Welding).