Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn hồ quang bằng dây hàn lõi thuốc (fcaw) đến kích thước và hình dạng mối hàn giáp mối một phía

khác nhau sẽ dẫn đến vận tốc cấp dây của điện cực khác nhau nhưng tầm với điện cực không đổi. VD: Đối với dây hàn E71-T7 với cùng cường độ dòng điện hàn I = 200A nhưng đối với dây hàn kích thước 2,4mm thì vận tốc cấp dây điện cực là 91 in/mm (4cm/s); đối với dây hàn kích thước 1,6mm thì Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 36 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà vận tốc cấp dây điện cực là 130 in/mm (5,5cm/s). Tầm với điện cực của cả hai loại dây này đều là 25mm. Hình 2.5. Đồ thị quan hệ giữa tầm với điện cực với cường độ dòng điện hàn, vận tốc cấp dây và đường kính dây điện cực Như trên đồ thị ta thấy đường kính điện cực giống nhau nhưng hai loại dây hàn khác nhau thì cường độ dòng điện hàn khác nhau và tốc độ cấp dây điện cực, tầm với điện cực là khác nhau. 2.5. Ảnh hưởng của tốc độ hàn Tốc độ hàn (tốc độ di chuyển của hồ quang dọc mối hàn) tăng sẽ làm giảm tiết diện mối hàn và chiều sâu ngấu. Tốc độ hàn quá thấp sẽ làm tăng mức độ nung nóng kim loại cơ bản và gây cháy thủng các tấm mỏng. Nó cũng gây nên hiện tượng Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 37 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà mối hàn có bề mặt thô và lẫn xỉ. Tốc độ hàn quá cao làm cho hình dạng mối hàn không đều. 2.6. Góc nghiêng điện cực Khi hàn mối hàn giáp mối và mối hàn góc ở tư thế hàn sấp và hàn ngang, cần giữ súng hàn nghiêng một góc thích hợp, sao cho lực của hồ quang giúp tạo dáng mối hàn một cách thích hợp và ngăn xỉ hàn chảy về phía trước, tránh bị lẫn vào kim loại mối hàn. Khi hàn có khí bảo vệ, góc nghiêng này nên có giá trị trong khoảng 20 -150 (hình 2-6), (quá 150 hiệu quả bảo vệ sẽ giảm). Khi hàn bằng dây tự bảo vệ, góc nghiêng khoảng 200 - 450 và góc lớn hơn ứng với các liên kết tấm mỏng. Hình 2.6. Góc nghiêng mỏ hàn khi hàn giáp mối 2.7. Lưu lượng khí bảo vệ Đối với khí bảo vệ thông thường, lưu lượng khí phải được đặt ở mức thích hợp. Lưu lượng thấp sẽ làm mối hàn bị rỗ khí và ôxy hóa. Lưu lượng quá cao sẽ gây chảy rối, tạo điều kiện cho không khí thâm nhập vùng hồ quang. Lưu lượng khí bảo vệ được đặt tùy thuộc vào loại và kích thước chụp khí, khoảng cách từ miệng chụp khí đến bề mặt vật hàn và điều kiện hút gió khi hàn. Khi hàn trong điều kiện lặng gió, lưu lượng 14-19 l/phút là đủ, nhưng khi có gió lùa và tấm điện cực lớn hơn bình thường, lưu lượng có thể lên đến 26 l/phút Góc làm việc Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 38 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà mới đủ bảo vệ vùng hàn.Miệng chụp khí phải luôn được duy trì không bị bám kim loại bắn tóe. Do đó có thể quan sát mối hàn khi hàn, kỹ thuật hàn bằng dây lõi thuốc hầu như không khác kỹ thuật hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy thông thường. Tuy nhiên, việc hình thành một lớp xỉ mỏng trên bề mặt vũng hàn mà trong một số trường hợp có thể chảy vào khe hở giữa các mép hàn và vào vùng phía trước vũng hàn có thể làm cho việc hàn ngấu hết đáy mối hàn trở nên khó khăn. Khi hàn nhiều lớp, cần làm sạch xỉ hàn của lớp trước rồi mới hàn lớp tiếp theo. Trên bảng 2.1 là chế độ hàn tiêu biểu cho dây hàn E70T-1 với dòng một chiều đấu nghịch. Loại liên kết Chiều dài S(mm) Khe đáy a(mm) Số đường hàn Đường kính dây hàn (mm) Điện áp (V) Cường độ dòng điện (A) Loại liên kết hàn giáp mối một phía ở vị trí bằng (Hàn bán tự động) 6 13 3 6 1 2 2,0 2,4 30 32 425 450 13 25 0 0 2 6 2,4 2,4 30 32 480 480 16 25 5 5 3 6 2,4 2,4 32 32 480 480 Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 39 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 25 51 0 0 6 14 2,4 2,4 32 32 450 450 Hàn giáp mối một phía ở vị trí ngang (Hàn bán tự động) 13 25 3 3 6 18 2,0 2,0 28 28 350 350 Hàn giáp mối một phía ở vị trí đứng (Hàn bán tự động) 10 13 0 0 2 3 1,6 1,6 23 23 220 220 Hàn giáp mối một phía ở vị trí bằng (Hàn tự động) 6 13 3 6 1 2 2,4 2,4 30 30 450 450 Bảng 2.1. Chế độ hàn tiêu biểu đối với dây hàn E70T-1 - Chế độ hàn FCAW theo đường kính dây điện cực, vị trí hàn, hàn với dòng điện một chiều đấu nghịch đối với loại dây điện cực hàn có khí bảo vệ CO2 hoặc khí trộn. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 40 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà TT Đường kính điện cực (mm) Vị trí hàn bằng Vị trí hàn ngang Vị trí hàn đứng Dòng điện (A) Điện áp (V) Dòng điện (A) Điện áp (V) Dòng điện (A) Điện áp (V) 1 1.2 150 - 225 22 - 27 150 - 225 22 - 26 125 - 200 21 - 25 2 1.6 175 - 300 24 - 29 175 - 275 25 - 28 150 - 200 24 - 27 3 2.0 200 - 400 25 - 30 200 - 375 26 - 30 175 - 225 25 - 29 4 2.4 300 - 500 25 - 32 300 - 450 25 - 30 - - 5 2.8 400 - 525 26 - 33 - - - - 6 3.2 450 - 650 28 - 34 - - - - Bảng 2.2. Chế độ hàn tiêu biểu đối với dây hàn E7XT-1 2.8. Kỹ thuật hàn Khi hàn giáp mối hoặc hàn góc ở tư thế hàn sấp bằng dây hàn thuộc hệ xỉ TiO2-CaF2 và CaF2 có khí bảo vệ CO2, có thể thực hiện dao động ngang so với trục mối hàn. Thông thường khi hàn, điện cực nghiêng tối đa 150 so với trục thẳng đứng. Khi hàn các kết cấu quan trọng, đặc biệt là các liên kết hàn giáp mối có chiều dày tấm lớn, cần kết thúc hàn tại các bản dẫn (được hàn đính vào cuối đường hàn, tương tự như hàn dưới lớp thuốc) để tránh hiện tượng nứt miệng hàn lúc kết thúc hồ quang. Dao động ngang của điện cực thực hiện như theo kiểu bán nguyệt hoặc răng cưa đối với hàn một lượt. Khi hàn nhiều lớp, lớp thứ nhất có thể thực hiện hàn mà không cần dao động ngang điện cực; Các lớp tiếp theo thực hiện dao động ngang. Khi hàn các liên kết chữ T, góc giữa điện cực và bản bụng (tấm vách) từ 30-450 . Nếu hàn ở chế độ ngấu sâu, đặc biệt khi có khe hở giữa các tấm, hồ quang không hướng vào đỉnh của góc mà lệch về phía bản cánh (tấm biên) khoảng 2-3 mm. Khi hàn nhiều lớp, phải làm sạch xỉ hàn của lớp trước rồi mới hàn lớp tiếp theo. Không cho phép kết thúc hồ quang tại cùng một vị trí hàn khi hàn nhiều lớp. Khi hàn từ hai phía (liên kết hàn giáp mối và hàn chữ T có ngấu toàn bộ), cần phải khoét đáy mối hàn từ phía thứ nhất (hoặc nung chảy lại nó bằng mỏ cắt đặc biệt) và làm sạch trước khi tiến hành hàn từ phía thứ hai. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 41 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Khi hàn giáp mối một phía ở vị trí đứng, lớp hàn thứ nhất thì thực hiện dao động ngang theo kiểu bán nguyệt vòng xuống và dừng dao động ở hai bên mép mối ghép hàn; Các lớp tiếp theo thì dao động ngang theo kiểu tam giác hoặc bán nguyệt vòng lên để mối hàn không bị tách lớp và tạo dáng mối hàn tốt. Khi hàn lấp góc ở vị trí đứng lớp hàn thứ nhất nên dao động đầu dây điện cực theo kiểu tam giác xếp; Các lớp hàn tiếp theo thì thực hiện dao động theo kiểu răng cưa hoặc bán nguyệt vòng lên. 2.8.1 Hàn dây điện cực tự bảo vệ Do tính chất đơn giản, dễ thao tác, năng suất cao và khó xuất hiện các khuyết tật ba chiều như rỗ khí, phương pháp này là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi. Dây hàn tự bảo vệ thuộc hệ xỉ TiO2 chất hữu cơ là loại bảo đảm ít rỗ khí khi hàn, thậm chí khi bề mặt vật hàn có chứa hơi ẩm và gỉ. Vì vậy, khi sử dụng các dây hàn loại này, không cần phải làm sạch bề mặt cần hàn kỹ như đối với các loại dây khác. Khe đáy cũng có thể có dung sai lớn hơn. Điều này đặc biệt quan trọng khi hàn trong điều kiện lắp ráp ngoài hiện trường. Khi hàn, điện cực nghiêng về phía sau theo hướng hàn vì nếu làm khác đi, chiều sâu ngấu giảm, chiều rộng mối hàn tăng, và xuất hiện rỗ khí. Trước khi gây hồ quang, tầm với điện cực được 3 2.0 200 - 400 25-30 200 - 375 26-30 175-225 25-29 4 2.4 300 - 500 25-32 300 - 450 25-30 - - 5 2.8 400 - 525 26-33 - - - - 6 3.2 450 - 650 28-34 ---- đặt ở 15-20mm (giá trị cao hơn sẽ làm vỏ điện cực bị nung nóng quá mức khiến chất hữu cơ trong lõi dây hàn bị cháy, mất tác dụng bảo vệ, gây rỗ khí mối hàn). Nhược điểm của dây hàn loại hệ xỉ này là chúng không cho năng suất hàn cao hơn so với hàn hồ quang tay (hạn chế về tầm với điện cực không cho phép tăng nhiều giá trị cường độ dòng điện hàn). Ví dụ với dây hàn có đường kính 2,8mm, cường độ dòng hàn tối đa là 320 - 350A và tốc độ cấp dây 110-170m/h. Các dây hàn tự bảo vệ thuộc hệ xỉ TiO2 -CaF2 hoặc hệ xỉ CaF2 (dây Nga PP-2DSK) khắc phục nhược điểm nói trên, cho phép tăng đáng kể năng suất hàn, và trên thực tế được sử dụng rộng rãi hơn cả. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 42 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 2.8.2 Hàn dây điện cực có sử dụng khí bảo vệ Khí bảo vệ được sử dụng rộng rãi nhất là CO2. Phương pháp này cho phép dùng dây có giá thành thấp hơn so với dây tự bảo vệ và đặc biệt thích hợp trong điều kiện hàn trong xưởng (ít có gió mùa), nhất là khi có kết hợp sử dụng các đồ gá cơ giới hóa. Mọi dây hàn phổ biến nhất là E7XT-1, cho hồ quang ổn định, tạo dáng mối hàn tốt, xỉ dễ bong, bắn tóe ít. 2.9 Kết luận Hình dạng và kích thước của đường hàn là thông số quan trọng của chất lượng hàn. Trong quá trình hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc để tạo thành mối hàn với hình dạng và kích thước tiêu chuẩn và thiết kế là rất quan trọng. Hình dạng và kích thước của mối hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật như: cường độ dòng điện hàn Ih (hay vận tốc cấp dây điện cực Vd), điện áp hồ quang Uh, vận tốc hàn Vh, tần số dao động đầu hàn, thời gian dừng dao động ở hai mép liên kết hàn, góc độ mỏ hàn, tầm với điện cực, thời gian dừng tại các vị trí 1/4 và 3/4 chu kỳ dao động mỏ hàn (td) dọc theo mép hàn, tính chất lý nhiệt của vật liệu... Các thông số chế độ hàn có ảnh hưởng chính, trực tiếp đến hình dạng, kích thước và chất lượng của mối hàn đó là: Cường độ dòng điện hàn (Ih), vận tốc hàn (Vh), tần số dao động đầu hàn fd. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 43 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN FCAW TỚI HÌNH DÁNG VÀ KÍCH THƯỚC MỐI HÀN 3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm là phân tích và lựa chọn các thông số kỹ thuật mà cần phải được nghiên cứu. Trong thực tế rất nhiều các thông số công nghệ có ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước của mối hàn. Tuy nhiên, cần thiết lựa chọn các thông số chính ảnh hưởng đến kết quả điều tra, các thông số công nghệ khác được coi là không đổi. Các thông số cố định: điện áp Arc (Uh), tốc độ cấp dây, góc độ mỏ hàn, hướng hàn, chiều dài nhô ra của đầu dây, khoảng cách từ đầu hàn đến các phôi, các chế độ di chuyển của mỏ hàn , thời gian dừng lại trong 1/4 và 3/4 chu kỳ, tính chất nhiệt của vật liệu và các thông số của hàn chung như: bao gồm góc (α), khe hở mối ghép (a), kích thước mặt đáy, ... Các thông số cần được nghiên cứu và tối ưu hóa: Dòng điện hàn (Ih), tốc độ hàn (Vh), tần số dao động của đầu hàn (fd); 3.2. Các khái niệm cơ bản về quy hoạch thực nghiệm 3.2.1. Quy hoạch thực nghiệm Quy hoạch thực nghiệm là cơ sở phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm hiện đại, trong đó công cụ toán học giữ vai trò tích cực. Quy hoạch thực nghiệm là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến lược làm thực nghiệm từ giai đoạn đầu đến giai đoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu đối tượng một cách chủ động và tích cực. 3.2.2. Đối tượng nghiên cứu Do đối tượng nghiên cứu của quy hoạch thực nghiệm thường là những hệ phức tạp và người nghiên cứu chưa hiểu biết đầy đủ nhờ các mô hình lý thuyết, nên có thể hình dung chúng như một “hộp đen” trong hệ thống điều khiển gồm các tín hiệu đầu vào và đầu ra. - Các biến đầu vào được chia thành các nhóm: Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 44 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà + Các biến kiểm tra được và điều khiển được, biểu diễn bằng vectơ: Z = [Z1, Z2, , Zk] + Các biến kiểm tra được, nhưng không điều khiển được, biểu diễn bằng véc tơ: T = [T1, T2, , Th] + Các biến kiểm tra được và điều khiển được, biểu diễn bằng vectơ: E = [E1, E2, , Ef] - Các biến (chỉ tiêu) đầu ra dùng để đánh giá đối tượng được biểu diễn bằng vectơ: Y = [y1, y2, , yq] Các chỉ tiêu này thường được gọi là các hàm mục tiêu, biểu diễn hình học của các hàm mục tiêu được gọi là các mặt đáp trị (bề mặt biểu diễn). Đối tượng nghiên cứu chính của lý thuyết quy hoạch thực nghiệm là các thực nghiệm tích cực. Đó là các thực nghiệm chỉ bao gồm các yếu tố thuộc nhóm các biến kiểm tra được và điều khiển được Z = [Z1, Z2, , Zk], người nghiên cứu chủ động thay đổi chúng theo kế hoạch thực nghiệm đã vạch sẵn. 3.2.3. Kế hoạch thực nghiệm Kế hoạch thực nghiệm bao gồm các điểm thí nghiệm, còn gọi là các điểm của kế hoạch. Đó là miền không gian chứa các điểm thí nghiệm của các yếu tố đầu vào Z. Tại điểm thứ i của kế hoạch, bộ kết hợp các giá trị Zji bao gồm giá trị cụ thể của k yếu tố đầu vào: Zji = [Z1i, Z2i, , Zki] Tập hợp chung các vectơ Zji (i = 1, 2, , n). N là số lượng thí nghiệm của kế hoạch, phụ thuộc vào loại mô hình, số yếu tố đầu vào và loại kế hoạch thực nghiệm. 3.2.4. Các mức giá trị và khoảng biến thiên của yếu tố đầu vào 3.2.4.1. Số mức của yếu tố trong quy hoạch: Các giá trị cụ thể của yếu tố đầu vào Z được ấn định tại các điểm kế hoạch thực nghiệm gọi là các mức của yếu tố. Mức của các yếu tố không giống nhau và số mức của các yếu tố trong kế hoạch thực nghiệm cũng khác nhau. Số mức của yếu tố trong kế hoạch phổ biến như sau: Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 45 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà - Kế hoạch 2 mức; - Kế hoạch 3 mức; Việc lựa chọn số mức của yếu tố trong kế hoạch thực nghiệm rất quan trọng, có liên quan trực tiếp đến số lượng thí nghiệm và điều này càng rõ khi số lượng yếu tố tăng lên. Ví dụ: đối với mô hình đa thức bậc k yếu tố đầu vào, số lượng thí nghiệm trong trường hợp kế hoạch toàn phần là: + Kế hoạch 2 mức: N = 2k ; + Kế hoạch 3 mức: N = 3k. trong đó: k - là số yếu tố đầu vào (số biến vào). Theo biểu thức trên số lượng thí nghiệm theo kế hoạch 3 mức sẽ tăng lên rất nhiều so với kế hoạch thực nghiệm 2 mức, điều này càng thể hiện rõ khi số lượng yếu tố đầu vào tăng lên. Do vậy, thức tế ứng dụng phổ biến kế hoạch 2 mức có bổ sung một số điểm thí nghiệm đặc trưng và những vấn đề giới thiệu tiếp theo trong tài liệu này sẽ lấy ví dụ về kế hoạch 2 mức (hai mức tối ưu). 3.2.4.2. Các mức giá trị và khoảng biến thiên của yếu tố đầu vào trong kế hoạch 2 mức: Khái niệm mức của yếu tố đầu vào được dùng để miêu tả các điểm đặc trưng trong miền kế hoạch thực nghiệm. Trong kế hoạc 2 mức yếu tố đầu vào gồm có: mức trên, mức dưới, ngoài ra còn bổ sung mức cơ sở, các mức “sao” (điểm sao). Thông thường kế hoạch thực nghiệm bao gồm các điểm thí nghiệm, còn gọi là các điểm của kế hoạch. Đó là một bộ (còn gọi là phương án) kết hợp các giá trị cụ thể của các yếu tố đầu vào Z. Khi đó tên gọi các mức của yếu tố như sau: - Mức trên: Zj max – là giá trị thực mức trên của yếu tố đầu vào thứ j; - Mức dưới: Zj min – là giá trị thực mức dưới của yếu tố đầu vào thứ j; - Mức cơ sở Z0j của các yếu tố đầu vào là điểm thí nghiệm rất quan trọng. Vectơ yếu tố đầu vào tại mức cơ sở Z0 = [Z01, Z02, , Z0k] chỉ ra trong không gian yếu tố một điểm đặc biệt quan trọng gọi là tâm kế hoạch thực nghiệm, mà vùng xung quanh nó phân bố toàn bộ các điểm của kế hoạch thực nghiệm. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 46 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Các tọa độ Z0j (giá trị thực của yếu tố tại mức cơ sở) của vectơ Z0 được xác định theo công thức [7]: 0jZ = 2 maxmin jj ZZ  (3.1) - Khoảng biến thiên (hay bước thay đổi, điều chỉnh) ∆Zj của các yếu tố đầu vào so với mức cơ sở được xác định theo công thức [7]: ∆Zj = 2 minmax jj ZZ  (3.2) - Các biến mã hóa: Để tiện cho việc xác định các hệ số của phương trình hồi quy thực nghiệm và các bước xử lý số liệu khác, trong các kế hoạch thực nghiệm quy định chỉ ghi các mức yếu tố theo giá trị đã được mã hóa. Giá trị mã hóa của các yếu tố là đại lượng không thứ nguyên, quy đổi từ các mức giá trị thực (biến thực) của các yếu tố đầu vào theo quan hệ [7]: xj = j jj Z ZZ   0 ; j = 1, 2, , k (3.3) Trong đó : Zj – là giá trị thực của yếu tố đầu vào thứ j; xj – là giá trị mã hóa của yếu tố đầu vào thứ j. Như vậy, theo tỷ lệ quy chuẩn, mức cơ sở của biến mã hóa đầu vào x0j = 0, tức là gốc tọa độ của các biến xj trùng với tâm thực nghiệm, còn bước biến thiên của các biến mã hóa xj ứng với các bước ∆xj = 1 [7]. ∆xj = j jj Z ZZ   2 minmax = 1 (3.4) 3.2.5. Các bước của bài toán quy hoạch thực nghiệm và tìm cực trị (tối ưu hóa) 3.2.5.1. Chọn yếu tố đầu vào và hàm mục tiêu để nghiên cứu Giai đoạn này bao gồm chọn các yếu tố ảnh hưởng đầu vào thuộc nhóm Z và lựa chọn các hàm mục tiêu yi. 3.2.5.2. Lập kế hoạch thực nghiệm Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 47 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Yêu cầu cơ bản của giai đoạn này là chọn được dạng kế hoạch thực nghiệm phù hợp với điều kiện thí nghiệm và đặc điểm của hàm mục tiêu. 3.2.5.3. Tiến hành thí nghiệm nhận thông tin Tiến hành thí nghiệm theo kế hoạch thực ngiệm đã được lập ở trên, đồng thời xử lý nhanh các thông tin trong quá trình thí nghiệm. 3.2.5.4. Xây dựng và kiểm tra mô hình thực nghiệm Sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất và các nội dung phân tích hồi quy, phân tích phương sai để xác định các hệ số của phương trình hồi quy (dạng đa thức). Tùy theo mô hình thực nghiệm có dạng (dạng đa thức bậc nhất) tuyến tính [7]:    n k kknn xaxaxaxaay 0 221101 ....... (3.5) hay đa thức bậc hai (phi tuyến) [7]: yi = b0 + b1x1 + .... + bix i + b12x1x2 + ..+ b11x12 +.+ biixi2 (3.6) Các hệ số phương trình hồi quy B = [b0, b1, b2, , bk, b11, b12, , bjj ] được xác định theo công thức tổng quát dưới dạng ma trận [7]: B = [X*X]-1 X*Y (3.7) Trong đó: X – ma trận kế hoạch; X* – ma trận chuyển vị của ma trận kế hoạch; X*X – ma trận thông tin; [X*X]-1 – ma trận nghịch đảo của ma trận thông tin [X*X] (hay còn gọi là ma trận tương quan); Y - ma trận cột (kết quả). Để tồn tại ma trận nghịch đảo thì ma trận thông tin (X*X) phải không suy biến. Muốn thỏa mãn điều kiện đó các biến x1, x2, xk cần độc lập tuyến tính. Ý nghĩa của các hệ số phương trình hồi quy thường được kểm tra theo tiêu chuẩn Student, còn sự tương thích (phù hợp) của phương trình hồi quy thực nghiệm được kiểm tra theo tiêu chuẩn thông kê Fisher và có thể tham khảo thêm hệ số tương quan R cho thấy mức độ phù hợp của mô hình. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 48 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 3.2.5.5. Phân tích và biểu diễn hình học các bề mặt mô tả Từ phương trình hồi quy nhận được xây dựng các đường (2D) và bề mặt đặc trưng (3D) biểu diễn sự phụ thuộc hình học của hàm mục tiêu vào các yếu tố đầu vào và rút ra kết luận khoa học. 3.2.5.6. Tối ưu hóa hàm mục tiêu (tìm cực trị) Đây là nội dung đặc trưng và phức tạp của quy hoạch cực trị. Căn cứ vào các hàm mục tiêu đã lập, có thể dùng các phương pháp tối ưu như phương pháp giải tích, phương pháp quy hoạch, để tìm ra các chế độ tối ưu. 3.3. Nội dung 3.3.1. Quy hoạch thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn Trong liên kết hàn giáp mối một phía, mối hàn nhiều đường - nhiều lớp thì đường hàn đáy là đường hàn đầu tiên được hình thành trong rãnh khe hở ở đáy mối ghép. Do điều kiện duy trì hồ quang ở giữa khe đáy là rất khó khăn, các khuyết tật hàn cũng thường xảy ra khi hàn đường hàn này nên đòi hỏi các yếu tố công nghệ phải rất hợp lý và kỹ thuật hàn cao nhất. Về mặt chất lượng đường hàn đáy phải thỏa mãn các chỉ tiêu về chất lượng hàn như: Độ ngấu, hình dạng và kích thước hợp lý, độ đồng nhất của kim loại mối hàn, các giá trị về cơ tính... Chất lượng đường hàn đáy là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng của toàn bộ mối hàn (về nguyên tắc, chỉ khi nào đường hàn đáy đạt chất lượng thì mới được phép hàn các đường hàn (lớp hàn) tiếp theo). Việc kiểm soát chất lượng của từng lớp hàn, đặc biệt là đường hàn đáy, trong suốt quá trình hàn nhằm phát hiện và xử lý kịp thời các khuyết tật hàn để tránh phải sửa chữa khuyết tật sau khi hàn; công việc sửa chữa khuyết tật hàn là rất phức tạp dẫn đến tăng chi phí sản xuất, chậm tiến độ và làm giảm chất lượng của liên kết hàn. Đối với trường hợp những khuyết tật hàn tồn tại trong liên kết hàn không được phát hiện và sửa chữa kịp thời, sẽ tồn tại những nguy cơ có thể dẫn đến phá hủy kết cấu hàn trong quá trình làm việc, gây ra mất an toàn và những hậu quả nghiêm Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 49 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà trọng. Vì vậy công tác đảm bảo chất lượng hàn phải được tiến hành từ trước khi hàn, trong khi hàn và cả sau khi hàn theo hệ thống tiêu chuẩn/quy phạm chấp nhận khuyết tật hàn và quy trình hàn đã được phê chuẩn. Các thông số đặc trưng cho hình dạng và kích thước của đường hàn đáy gồm bề rộng mặt trên b, bề rộng mặt đáy b1, chiều cao đường hàn h sẽ được xác định bằng phương pháp kiểm tra trực quan, Macro với sự hỗ trợ của các dụng cụ đo thích hợp và đánh giá chất lượng hàn theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 21/BGTVT, ISO 5817,... Dựa trên các nghiên cứu lý thuyết công nghệ hàn FCAW và phân tích các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến các thông số hình học của đường hàn như đã nêu ở trên cho thấy rằng, hầu hết các thông số chế độ hàn như: cường độ dòng điện hàn Ih (hay vận tốc cấp dây điện cực Vd), điện áp hồ quang Uh, vận tốc hàn Vh, tần số dao động đầu hàn, thời gian dừng dao động ở hai mép liên kết hàn, góc độ mỏ hàn, tầm với điện cực, tính chất lý nhiệt của vật liệu,... đều ảnh hưởng đến hình dạng, kích thước và chất lượng của mối hàn. ®- êng hµn ®¸ y Sø lãt VËt hµn 1 3 bd1 h d bd 1 3 Hình 3.1 Hình dạng và kích thước đường hàn đường hàn đáy Vật hàn Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 50 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 150 2 5 0 1 36  Hình 3.2 Mô hình mối ghép thực nghiệm theo AWS D1.1 Tuy nhiên trong phạm vi đề tài của mình tác giả không thể cùng một lúc nghiên cứu nhiều thông số công nghệ hàn, việc nghiên cứu sẽ rất phức tạp. Vì vậy đề tài sẽ kế thừa kết quả của các công trình nghiên cứu đã có được phân tích trong các phần tổng quan và phần cơ sở lý thuyết để chọn ra các thông số chế độ hàn có ảnh hưởng chính, trực tiếp đến hình dạng, kích thước và chất lượng của mối hàn đó là: Cường độ dòng điện hàn (Ih), vận tốc hàn (Vh), tần số dao động đầu hàn fd để nghiên cứu ảnh hưởng của chúng đến hình dáng và kích thước của mối hàn. Các thông số công nghệ khác được xác định theo các kết quả nghiên cứu đã có hoặc thông qua thực nghiệm sơ bộ để xác định giá trị của các thông số này. 3.3.1.1. Xây dựng mối quan hệ toán học giữa các thông số chế độ hàn với hình dạng và kích thước của mối hàn Như đã trình bày ở trên 3 thông số chế độ hàn chính được lựa chọn cho nghiên cứu gồm: Cường độ dòng điện hàn (Ih), vận tốc hàn (Vh), tần số dao động đầu hàn (fd) là các thông số đầu vào. Các thông số đặc trưng cho hình dạng và kích thước của đường hàn đáy (hd, bd, bd1) là các thông số đầu ra của bài toán quy hoạch thực nghiệm. - Quy ước ký hiệu các thông số chế độ hàn chính (đầu vào) như sau: Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 51 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà x1 - cường độ dòng điện hàn Ih [A] x2 - vận tốc hàn (tốc độ di chuyển mỏ hàn) Vh [cm/ph] x3 - tần số dao động đầu hàn fd [Hz] - Quy ước ký hiệu các thông số đầu ra đặc trưng cho hình dạng và kích thước của đường hàn đáy như sau: y1 - là chiều cao của đường hàn đáy (hd) [mm] y2 - bề rộng mặt trên của đường hàn đáy (bd) [mm] y3- bề rộng mặt đáy của đường hàn đáy (bd1) [mm] Theo kết quả của một số nghiên cứu được công bố và khảo sát kết quả thực nghiệm sơ bộ cho thấy rằng: Các thông số kích thước của đường hàn (chiều cao h, bề rộng mặt trên b và bề rộng mặt đáy b1) phụ thuộc tuyến tính và qua lại vào các thông số chế độ hàn (cường độ dòng điện hàn Ih; vận tốc hàn Vh; tần số dao động đầu hàn fh). Hàm số tương có dạng như sau:    jiij k j jji xxaxaay 1 0 . (1  i  j k) (3-8) Trong đó: yi là các hàm mục tiêu đầu ra (hd, bd và bd1 của đường hàn đáy); xj là các thông số chế độ hàn khảo sát (Ih, Vh, fd); a0 là hệ số tự do, aj, aij là nhận dạng của mô hình thống kê. Dựa vào các kết quả thực nghiệm sẽ xác định được các giá trị a0, ai, aij và nhận được phương trình hồi quy tương ứng với bộ n thực nghiệm. Sự phù hợp của mô hình được đánh giá bằng hệ số tương quan R (mô hình được coi là phù hợp chỉ khi R  [R]) Hệ số tương quan được tính theo công thức sau                m i i m i yy yy R 1 2 1 2 2 (3-9) Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 52 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Trong đó: R là hệ số tương quan của mô hình; [R] là hệ số tương quan cho phép (thường chọn [R] = 0,9); m:số lần thực nghiệm;  y : giá trị mô hình tại điểm thứ i; iy : giá trị thực nghiệm tại điểm thứ i; y : giá trị trung bình của m thực nghiệm. Thông qua các hàm toán học yi tìm được sẽ đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình dạng, kích thước của đường hàn đáy và qua đó cũng sẽ xác định được vùng thông số chế độ hàn hợp lý. Đảm bảo hình thành đường hàn đáy với hình dạng, kích thước và độ ngấu thỏa mãn các tiêu chuẩn/quy phạm chất lượng hàn như ISO5817, kiểm tra MACRO... Để đảm bảo độ tin cậy của các số liệu thu thập được từ thực nghiệm, mỗi thực nghiệm được thực hiện 3 lần; giá trị sử dụng là giá trị trung bình của 3 lần đo (sau khi đã loại bỏ các sai số thô) theo công thức sau: 3 321 yyyy   (3-10) 3.3.1.2. Khoanh vùng các thông số chế độ hàn Dựa trên cơ sở lý thuyết công nghệ hàn FCAW, xác định sơ bộ giá trị của các thông số chế độ hàn rồi tiến hành thực nghiệm sơ bộ và đánh giá các kết quả thực nghiệm theo tiêu chuẩn chấp nhận mức khuyết tật hàn để xác định khoảng biến thiên của các thông số. Trong quá trình thực nghiệm, các thông số công nghệ hàn cơ bản được cố định khi hàn đường hàn đáy như sau: - Thép tấm A 36. - Vị trí hàn đứng (3G-PE). - Liên kết hàn giáp mối một phía: vát mép chữ “V”, góc vát  = 450, khe hở mối ghép a = 6 mm, kích thước mặt đáy bằng 0 mm. - Sử dụng gốm lót chân mối hàn: loại WS – 601B. - Chống biến dạng co ngang bằng mã chữ “C”. - Thời gian dừng ở các biên độ dao động td = 0,4s Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 53 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà - Góc độ mỏ hàn (được xác định bằng thực nghiệm sơ bộ): góc làm việc 900 và góc di chuyển là 70 -750 (góc hợp bởi giữa trục mỏ hàn với trục đường hàn về phía chưa hàn). Hình 3.3. Góc độ mỏ hàn - Tầm với điện cực: 25 mm; - Dao động đầu mỏ hàn theo kiểu răng cưa, biên độ dao động bằng 2.9 mm (Tâm dao động trùng với trục đường hàn); Hình 3.4. Dao động đầu hàn theo kiểu răng cưa - Điện áp hàn Uh = 22 [V],... Thông qua quá trình thực nghiệm sơ bộ và kết quả thu được thỏa mãn các mục tiêu đặt ra của bài toán quy hoạch thực nghiệm, xác định được khoảng biến thiên của các thông số chế độ hàn như mô tả trong Bảng 3.1 Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 54 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Mức thay đổi Các thông số đầu vào Ih (A) x1 Vh (cm/phút) x2 fh (hz) x3 Mức trên (Zi=+1) 135 28 2,8 Mức cơ bản (Zi=0) 130 25 3,0 Mức dưới (Zi=-1) 125 22 3,2 Khoảng biến thiên xi 5 3 0,2 Bảng 3.1. Giá trị và khoảng biến thiên của các thông số đầu vào - Cường độ dòng điện hàn cơ bản Ih = 130 A, khoảng biến thiên Ih = 5A là khoảng giá trị phù hợp để hàn đường hàn đáy ở vị trí đứng nhằm đảm bảo đường hàn đáy hình thành liên tục, không bị cháy thủng và khuyết tật không ngấu chân. - Vận tốc hàn cơ bản là Vh = 25 cm/phút với khoảng biến thiên Vh = 3 cm/phút đảm bảo hồ quang hàn di chuyển không quá nhanh vượt ra khỏi bể hàn và đầu dây hàn chọc vào rãnh gốm lót hoặc không quá chậm để hồ quang không tập trung được ở phía đáy của mối ghép. - Khoảng biến thiên tần số dao động đầu hàn fh = 0,2 Hz, phạm vi tần số dao động ngang đầu hàn theo kiểu răng cưa bằng 2,8  3,2 Hz để đảm bảo cho bước dao động của đầu dây hàn di chuyển dọc theo trục đường hàn nằm trong khoảng 2  3 mm giữ cho tốc độ di chuyển của đầu dây hàn phù hợp với tốc độ dâng lên của bể hàn cũng như tốc độ kết tinh của kim loại mối hàn. Theo dự kiến mô hình có dạng tuyến tính bậc nhất nên ta bố trí số điểm thực nghiệm 822 3  kN , với k là số biến cần khảo sát. Để tăng tính chính xác của mô hình tác giả tiến hành thêm thực nghiệm ở tâm. Như vậy số thực nghiệm cần thiết n = 9. Thiết lập bảng ma trận kế hoạch thực nghiệm như Bảng 3.2 trong đó, để thu được kết quả tin cậy và chính xác thì tại mỗi điểm thực nghiệm ta sẽ tiến hành hàn 3 lần. Như vậy sẽ thực hiện 3 lô thực nghiệm, mỗi lô gồm 9 liên kết hàn theo bản vẽ như trong Hình 3.3 tổng số liên kết hàn tối thiểu cần chuẩn bị là 27. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 55 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà TT Biến thực Biến mã hóa Ih (A) x1 Vh (Cm/phút) x2 fh (Hz) x3 Z1 Z2 Z3 1 125 22 3,2 -1 -1 -1 2 135 22 3,2 +1 -1 -1 3 125 28 3,2 -1 +1 -1 4 135 28 3,2 +1 +1 -1 5 125 22 2,8 -1 -1 +1 6 135 22 2,8 +1 -1 +1 7 125 28 2,8 -1 +1 +1 8 135 28 2,8 +1 +1 +1 9 130 25 3,0 0 0 0 Bảng 3.2 Ma trận kế hoạch thực nghiệm 3.3.2. Vật liệu, trang thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 3.3.2.1. Kim loại cơ bản Vật liệu được chọn trong thí nghiệm là thép A 36. Thành phần hóa học và các tính chất cơ học thép A 36 như sau - Thành phần hóa học Mác thép A 36 Quy cách khử ô xi Lặng và xử lý hạt mịn Thành phần hóa học max (%) C Si Mn P S Cu Cr Ni Mo Als Nb V Ti 0.18 0.10  0.50 1.2  1.6 0.035 0.035 0.35 0.20 0.40 0.08 0.015  0.08 0.02  0.05 0.05  0.10 0.02 Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 56 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Hàm lượng C tương đương max (%) t  50 mm 50 < t  100 mm 100 < t  150 mm 0.38 0.40 0.42 Bảng 3.3 Thành phần hóa học và quy cách khử ôxi của thép độ bền cao A36 [1] - Cơ tính Cấp thép Giới hạn chảy nhỏ nhất (N/mm2) Độ bền kéo (N/mm2) Độ giản dài nhỏ nhất (%) Năng lượng va đập trung bình (J) t  50 Theo thớ dọc Theo thớ ngang A 36  355 490  630 21 34 24 Bảng 3.4 Cơ tính của thép độ bền cao A36 [1] 3.3.2.2. Vật liệu hàn Theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 21/BGTVT ta chọn dây hàn lõi thuốc E71T-1 (AWS A5.20) dùng để hàn thép A36. Đây là loại dây hàn dùng kết hợp với khí bảo vệ CO2 hoặc khí trộn CO2 + Ar. Dạng dịch chuyển kim loại lỏng đặc trưng khi sử dụng dây hàn này là dịch chuyển giọt lớn và giọt nhỏ. Loại dây hàn này phù hợp ở tất cả các vị trí hàn trong không gian và mối hàn nhiều lớp, thích hợp cho hàn ở điều kiện ngoài trời có gió thổi và độ ẩm cao... Dây hàn lõi thuốc sử dụng trong thí nghiệm này là dây SF-71 (HUYNDAI) tương đương với dây hàn E71T-1; đường kính dây 1.2 mm; cấp vật liệu: AW1 theo QCVN 21/BGTVT hoặc IIIYMS theo DNV; hãng sản xuất: HUYNDAI; khí bảo vệ sử dụng trong đề tài nghiên cứu này là khí CO2. Các tính chất và thông số kỹ thuật cơ bản của dây lõi thuốc SF-71 như sau Mác dây E71T-1 Thành phần hóa học (%) C Si Mn P S  0.04  0.49  1.75  0.01  0.009 Cơ tính của kim loại mối hàn Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 57 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Giới hạn chảy (N/mm2) Giới hạn bền (N/mm2) Độ giãn dài tương đối (%) Năng lượng va đập (J)  548  582  28 00C  86 Dải cường độ dòng điện hàn khuyến cáo áp dụng của nhà sản xuất Đường kính dây hàn F HF H VU, OH VD  1.2 120 - 300A 120 - 300A 120 - 280A 120 - 260A 200 - 300A Bảng 3.5 Các tính chất của dây hàn lõi thuốc SF-71 (E 71T-1) 3.3.2.3. Thiết bị hàn Trong đề tài của mình tác giả chọn Robot hàn AX-V6 của hãng OTC Daihen - Nhật Bản và hệ thống thiết bị hàn tự động với nguồn điện hàn Inverter điều khiển số DM 350 có tại phòng thí nghiệm Robot hàn C206 - Trường ĐHSPKT Nam Định để làm thí nghiệm. * Robot hàn hồ quang AX-V6: Hình 3.5. Robot hàn AX-V6 Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 58 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Đây là loại robot hàn được thiết kế chuyên dụng cho quá trình hàn GMAW/FCAW. Robot này có 6 bậc tự do (toàn khớp quay) với diện tích mặt phẳng vùng hoạt động cánh tay là 3.14m2x3400. Có trục được điều khiển bằng động cơ Servo, trục thứ 6 có gắn đầu công nghệ hàn. Ưu điểm của hệ thống này: - Tính linh hoạt cao, không gian làm việc rộng. - Kiểm soát được chế độ hàn (U, I) - Kiểm soát được vận tốc hàn (v) - Kiểm soát được chiều dài hồ quang; - Tự động quá trình hàn. - Có thể mang mỏ hàn di chuyển theo các quỹ đạo đường hàn từ đơn giản đến phức tạp ở mọi vị trí hàn trong không gian như hàn bằng, hàn leo, hàn ngang, hàn trần. * Tủ điều khiển Hình 3.6. Tủ điều khiển robot Hệ thống điều khiển thực chất là một CPU gồm hai phần chính Hardware và Spftware, phục vụ điều khiển các động cơ truyền động thực hiện các quá trình được lập trình sẵn Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 59 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà * Bảng dạy Hình 3.7. Bảng dạy Bảng dạy là bộ phận giao tiếp giữa Robot và người sử dụng robot. Nó cung cấp cho người sử dụng các phím chức năng và các lệnh phục vụ cho việc lập trình, chỉnh sửa và chạy chương trình. * Máy hàn GMAW/FCAW Inverter điều khiển số DM 350 Hình 3.8. Máy hàn Inventer DM350 Máy hàn GMAW/FCAW Inverter DM350 có đặc tính đầu ra của nguồn điện hàn là đặc tính cứng. Có khả năng kết nối với máy tính và tủ điều khiển của robot, vì vậy có thể lập trình và điều khiển thông số chế độ hàn thông qua máy tính và các thiết bị ngoại vi. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 60 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Ưu điểm của loại máy hàn này: - Có thể ghi lại, gọi lại được chương trình hàn với chế độ hàn tốt nhất đã chọn; - Khả năng gây và ổn định hồ quang tốt. - Tự động ổn định độ ngấu. - Điều khiển hồ quang cháy ổn định trong phạm vi rộng tương ứng với phạm vi cường độ dòng điện hàn từ 30  350 [A]. - Điều khiển dòng điện hàn dạng sóng với độ chính xác cao khi ngắn mạch làm cho quá trình hàn ít bắn toé kim loại nóng chảy, giảm sự tổn thất kim loại khi hàn và hồ quang cháy ổn định. - Đồng bộ hóa dữ liệu với rôbốt hàn AX-MV6. - Tùy thuộc vào vật liệu hàn mà ta có thể thay đổi chương trình hàn cho phù hợp để đảm bảo chất lượng hàn cao nhất. * Đồ gá hàn MAC PS-1F Đồ gá hàn được sử dụng tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định là đồ gá MAC-35 WR. Nó được thiết kế để kẹp phôi hàn cho quá trình hàn tự động. Tốc độ quay mâm cặp có thể thay đổi từ 0 đến 60 vòng/phút, có khả năng đảo chiều quay. Mâm cặp có 3 chấu định tâm, đóng mở bằng tay quay, có rãnh ren hình thang giúp kẹp phôi hàn chặt, ổn định và không bị trượt trong quá trình hàn; điều chỉnh quay mâm cặp quanh trục ngang bằng tay với góc quay từ 00  900 để thay đổi vị trí liên kết hàn. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 61 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Hình 3.9. Đồ gá hàn MAC-35 WR * Bộ cấp dây Hình 3.10. Bộ cấp dây hàn Bộ cấp dây được sử dụng là bộ cấp dây 2 cặp puli tiêu chuẩn, công suất lớn cho phép ổn định tốc độ cấp dây và tăng khả năng linh hoạt của tay máy. Kiểu hồi tiếp bằng Encoder thế hệ mới điều khiển quán tính, hiệu chỉnh được việc cấp dây với độ chính xác cao, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ xung quanh. * Lót đáy mối hàn Trên thị trường hiện nay có nhiều loại gốm lót với đặc tính kỹ thuật khác nhau dùng trong công nghệ hàn một phía phù hợp với các quá trình hàn, vị trí hàn, Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 62 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà kiểu liên kết hàn khác nhau. Tác giả đã chọn loại sứ WS - 601B như Hình 3 để làm sứ lót cho thí nghiệm của mình. Các thông số kích thước của gốm lót gồm: Bề rộng 27 mm. Bề rộng rãnh lót 8 mm. Độ sâu rãnh lót 1,2 mm. Hình 3.11. Gốm lót dùng trong hàn giáp mối một phía 3.3.3. Quy trình thực nghiệm Ta tiến hành quy trình thực nghiệm hàn đường hàn đáy với các bước như sau: Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 63 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà - Chuẩn bị các mối ghép giáp mối một phía (như Hình 3.2). Hàn tấm công nghệ hai đầu mối ghép và mã chống biến dạng co ngang trong quá trình hàn, lót đáy mối ghép bằng gốm. - Gá kẹp mối ghép hàn lên đồ gá MAC PS-1F ở vị trí hàn đứng. - Lập chương trình hàn với các thông số công nghệ đã xác định như trong bảng ma trận kế hoạch thực nghiệm (như Bảng 3.2). - Chạy thử, kiểm tra và hiệu chỉnh chương trình hàn. - Thực hiện hàn. - Tháo các liên kết hàn ra khỏi đồ gá. - Làm sạch, kiểm tra đường hàn. - Lấy mẫu kiểm tra bằng cách cắt bỏ hai đầu của liên kết hàn (mỗi đầu cắt đi 50 mm), chiều dài mẫu còn lại là 150 mm. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 64 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Hình 3.12. Chuẩn bị liên kết hàn thực nghiệm 3.4. Kết quả thí nghiệm Để khảo sát độ ngấu, hình dạng và đo được các kích thước tiết diện ngang của đường hàn đáy, tác giả tiến hành các bước như sau: - Mài và đánh bóng vùng mặt cắt ngang của đường hàn bằng giấy ráp có độ nhám khác nhau đến 2/1000; - Tẩm thực bề mặt mẫu bằng dung dịch cồn với 3-4% Axit Nitơric sau đó rửa sạch và sấy khô. Khi đó có thể phân biệt rõ vùng kim loại mối hàn và vùng kim loại cơ bản; - Quan sát hình dạng các vùng của liên kết hàn và sử dụng các thước thép thẳng, thước cặp có độ chính xác 0,05 mm và các dưỡng đo mối hàn chuyên dùng để đo các kích thước của đường hàn theo tiết diện ngang và lập thành bảng thông số kích thước của mối hàn (Bảng 3-6); - Chụp ảnh cấu trúc thô đại của liên kết hàn; - Hình ảnh tổ chức thô đại và các thông số kích thước của đường hàn đáy được minh họa (với 9 mẫu thực nghiệm điển hình) trong các hình dưới đây: Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 65 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà STT Mẫu thử Chế độ Mẫu số 1 Hình 3.13: Ih=125 A Vh=22 Cm/phút fh =3.2 Hz hd = 10,1 mm bd = 12,8 mm bd1 = 8,2 mm Mẫu số 2 Hình 3.14: Ih=135 A Vh =22 Cm/phút fh =3,2 Hz hd = 9,3 mm bd = 11,6 mm bd1 = 9,9 mm Mẫu số 3 Hình 3. 15: Ih=125 A Vh =28 Cm/phút fh =3,2 Hz hd = 9,4 mm bd = 11,7 mm bd1 = 9,6 mm Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 66 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà STT Mẫu thử Chế độ Mẫu số 4 Hình 3.16: Ih=135 A Vh =28 Cm/phút fh =3,2 Hz hd = 9,1 mm bd = 11,7 mm bd1 = 9,8 mm Mẫu số 5 Hình 3.17: Ih=125 A Vh =22 Cm/phút fh =2,8 Hz hd = 9.2 mm bd = 11.4 mm bd1 = 8.5 mm Mẫu số 6 Hình 3.18: Ih=135 A Vh =22 Cm/phút fh =2,8 Hz hd = 7.8 mm bd = 11.1 mm bd1 = 11.2 mm Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 67 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà STT Mẫu thử Chế độ Mẫu số 7 Hình 3. 19: Ih=125 A Vh =28 Cm/phút fh =2,8 Hz hd = 7.7 mm bd = 10.9 mm bd1 = 11 mm Mẫu số 8 Hình 3.20: Ih=135 A Vh =28 Cm/phút fh =2,8 Hz hd = 7.6 mm bd = 10.7 mm bd1 = 11.1 mm Mẫu số 9 Hình 3.21: Ih=130 A Vh =25 Cm/phút fh =3,0 Hz, hd = 9,3 mm bd = 11,7 mm bd1 = 9,7 mm Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 68 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Kết quả thực nghiệm: TT Thông số công nghệ hàn Kích thước mối hàn tương ứng (mm) Ih [A] Vh [Cm/ph] fh [Hz] hd bd bd1 1 125 22 3.2 10.1 12.8 8.2 2 135 22 3.2 9.3 11.6 9.9 3 125 28 3.2 9.4 11.7 9.6 4 135 28 3.2 9.1 11.5 9.8 5 125 22 2.8 9.2 11.4 8.5 6 135 22 2.8 7.8 11.1 11.2 7 125 28 2.8 7.7 10.9 11 8 135 28 2.8 7.6 10.8 11.1 9 130 25 3.0 9.3 11.7 9.7 Bảng 3.6. Kết quả thực nghiệm Dựa trên kết quả kiểm tra Macro các mẫu thực nghiệm và các kết quả thu được ở trên; tuân theo các tiêu chuẩn/quy phạm về chất lượng mối hàn để đánh giá ngoại dạng, kích thước, độ ngấu và sự kết tinh của đường hàn đáy Mẫu thực nghiệm đạt tiêu chuẩn ở mức cao nhất (chất lượng tốt nhất) là các mẫu 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9. Mẫu thực nghiệm bị khuyết tật hàn là mẫu 1 và mẫu 5 bị lõm chân từ 0,3 đến 0,5 mm. Tuy nhiên khuyết tật lõm chân này nằm trong phạm vi cho phép ở mức B của tiêu chuẩn ISO 5817 (mức chất lượng cao nhất). Từ những kết quả thực nghiệm trong bảng 3.6, sử dụng phần mềm xử lý số liệu thực nghiệm Modde 5.0 tìm được các hệ số (a0, aj, aij), độ lệch chuẩn R và tính tương thích của mô hình thực nghiệm Q như sau: Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 69 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà hd (y1) Hệ số bd (y2) Hệ số bd1 (y3) Hệ số x0 = 1 a0 = 9,3 x0 = 1 a0 = 11,7 x0 = 1 a0 = 9,7 x1 a1 = -0,325 x1 a1 = -0,225 x1 a1 = 0,587 x2 a2 = -0,325 x2 a2 = -0,25 x2 a2 = 0,462 x3 a3 = 0,7 x3 a3 = 0,425 x3 a3 = -0,537 x1*x2 a12 = 0,225 x1*x2 a12 = 0,15 x1*x2 a12 = -0,512 x1*x3 a13 = 0,05 x1*x3 a13 = -0,125 x1*x3 a13 = -0,112 x2*x3 a23 = 0,099 x2*x3 a23 = -0,49 x2*x3 a23 = -0,137 N = 9 Q =0,642 N = 9 Q =0,604 N = 9 Q =0,550 DF = 1 R =0,969 DF = 1 R =0,969 DF = 1 R =0,954 Bảng 3.7. Hệ số hồi quy thu được từ kết quả thực nghiệm chạy trên phần mềm Modde 5.0 Các phương trình hồi quy biểu diễn sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ Ih (x1), Vh (x2), fh (x3) đến các thông số kích thước của mối hàn như sau: Chiều cao đường hàn đáy hd (y1) 323121321 099,005,0225,07,0325,0325,03,9 xxxxxxxxxhd  (3-11) Bề rộng mặt trên của đường hàn đáy bd (y2) 323121321 049,0125,015,0425,025,0225,07,11 xxxxxxxxxbd  (3-12) Bề rộng mặt đáy của đường hàn đáy bd1 (y3) 3231213211 137,0112,0512,05377,0462,0587,07,9 xxxxxxxxxbd  (3-13) Các phương trình hồi quy trên đã phản ánh tính chính xác của độ lệch chuẩn R và tính tương thích của mô hình thực nghiệm Q thu được từ thực nghiệm. Từ 3 phương trình hồi quy trên ta tiến hành vẽ các đồ thị biểu diễn mối quan hệ của các thông số công nghệ đầu vào (Ih, Vh, fd) đến hình dạng và kích thước (hd, bd, bd1) của đường hàn đáy ta thu được các kết quả sau. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 70 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 3.4.1. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến hình dạng và kích thước mối hàn Hình 3.22: Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn đến kích thước của mối hàn Đồ thị trên hình 3.22 cho ta thấy rằng: Khi tăng cường độ dòng điện hàn thì chiều cao h và bề rộng mặt trên b của đường hàn đáy giảm, trong khi đó bề rộng mặt dưới của đường hàn đáy b1 lại tăng. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 71 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 3.4.2. Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn Đồ thị biểu diễn trên hình 3.23 cho thấy: Khi tốc độ hàn tăng thì dẫn đến chiều cao hd và bề rộng mặt trên của đường hàn đáy bd giảm, nhưng bề rộng mặt đáy bd1 của đường hàn đáy lại tăng. Rõ ràng rằng khi hàn đường hàn đáy với khe hở mối ghép bằng 6 mm, góc rãnh hàn 450 và hàn ở vị trí đứng thì tốc độ hàn là một trong những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hình dạng và kích thước của đường hàn đáy. Hình 3.23 Ảnh hưởng của vận tốc hàn đến kích thước của mối hàn Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 72 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 3.4.3. Ảnh hưởng của tần số dao động đầu hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn Hình 3.24 Ảnh hưởng của tần số dao động đầu hàn đến kích thước của của mối hàn Đồ thị biểu diễn trên Hình 3.24 cho thấy: khi tăng tần số dao động đầu hàn dẫn đến chiều cao h và bề rộng mặt trên b của đường hàn đáy tăng, nhưng bề rộng mặt đáy b1 giảm. Tần số dao động đầu hàn quyết định đến bước tiến của đầu hàn và quan hệ nghịch với nhau, tần số dao động giảm thì bước tiến đầu hàn tăng và ngược lại. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 73 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 3.4.4. Ảnh hưởng đồng thời giữa Ih và Vh đến hình dạng và kích thước của mối hàn Hình 3.25 cho thấy rằng khi vận tốc hàn giảm thì chiều cao đường hàn hd tăng lên mạnh trong khi dòng điện hàn giảm; ngược lại khi dòng điện hàn tăng và vận tốc hàn cũng tăng theo cường độ dòng điện hàn thì chiều cao đường hàn hd giảm, nhưng bề rộng đáy bd1 của đường hàn tăng lên tương ứng, trong khi đó bề rộng mặt đường hàn bd giảm không đáng kể. Chiều cao của đường hàn hd luôn tỷ lệ nghịch với bề rộng đáy bd1của đường hàn. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 74 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà Hình 3.25: Ảnh hưởng đồng thời của Ih và Vh đến hình dạng và kích thước của của mối hàn Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 75 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN - Đề tài đã khảo sát công nghệ hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc và nghiên cứu áp dụng cho các liên kết hàn giáp mối một phía. - Đánh giá được ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn FCAW như: cường độ dòng điện hàn, điện áp hàn, tầm với điện cực, tốc độ hàn, thời gian dừng tại các vị trí 1/4 và 3/4 chu kỳ dao động mỏ hàn (td), góc nghiêng điện cực, lưu lượng khí bảo vệ và kỹ thuật hàn đến hình dáng và kích thước của mối hàn. Tuy nhiên trong phạm vi của đề tài, tác giả đã phân tích và lựa chọn các thông số công nghệ hàn có ảnh hưởng chính, trực tiếp đến hình dạng, kích thước và chất lượng của mối hàn đó là: Cường độ dòng điện hàn (Ih), vận tốc hàn (Vh), tần số dao động đầu hàn fd. - Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm tác giả đã xây dựng được các mô hình toán học đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ Ih (x1), Vh (x2), fh (x3) đến kích thước của mối hàn hd (y1), bd (y2), bd1 (y3) như sau: Chiều cao đường hàn đáy hd (y1) 323121321 099,005,0225,07,0325,0325,03,9 xxxxxxxxxhd  (3-11) Bề rộng mặt trên của đường hàn đáy bd (y2) 323121321 049,0125,015,0425,025,0225,07,11 xxxxxxxxxbd  (3-12) Bề rộng mặt đáy của đường hàn đáy bd1 (y3) 3231213211 137,0112,0512,05377,0462,0587,07,9 xxxxxxxxxbd  (3-13) - Các quan hệ toán học nghiên cứu cũng được biểu diễn dưới dạng đồ thị một cách trực quan, các kết quả nghiên cứu và cho thấy mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến các kích thước mối hàn. - Các kết quả có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất nơi có nhu cầu ứng dụng công nghệ hàn hồ quan dây hàn lõi thuốc. Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 76 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Th.s Vũ Văn Ba, PGS.TS Nguyễn Thúc Hà, PGS.TS Bùi Văn Hạnh (2013), “Ảnh hưởng của vị trí hàn đến hình dạng và kích thước của mối hàn tổng đoạn trong chế tạo vỏ tàu”, Tạp chí cơ khí Việt Nam, (7). [2]. Th.s Vũ Văn Ba, PGS.TS Nguyễn Thúc Hà, PGS.TS Bùi Văn Hạnh (2013), “Nghiên cứu mô phỏng trường nhiêt độ liên kết hàn giáp mối một phía bằng quá trình hàn Auto FCAW”, Tạp chí cơ khí Việt Nam, (12). [3]. Vũ Văn Ba, Nguyễn Thúc Hà, Bùi Văn Hạnh (2013), “Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hình dạng và kích thước của mối hàn giáp mối một phía khi ghép nối tổng đoạn vỏ tàu thủy bằng hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc tự động”, Tạp chí khoa học và công nghệ các trường đại học kỹ thuật, (97). [4]. TS. Ngô Lê Thông (2009), Công nghệ hàn điện nóng chảy, tập 1: Cơ sở lý thuyết, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [5]. TS. Ngô Lê Thông (2009), Công nghệ hàn điện nóng chảy, tập 2: Ứng dụng, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [6]. Nguyễn Văn Thông, Vật liệu và Công nghệ hàn; Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội 1998. [7]. Nguyễn Minh Tuyển, Quy hoạch thực nghiệm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2005. [8]. Vũ Huy Lân, Bùi Văn Hạnh. Giáo trình Vật liệu hàn. NXB Bách Khoa - Hà Nội, 2010. [9]. TS. Vũ Huy Lân (2008), Bài giảng vật liệu hàn tiên tiến, Hà Nội. [10]. AWS D1.1/D1.1M (2006), Structural Welding Code – Steel. [11]. AWS Welding Handbook, 9th Edition, 2001. [12]. Naidu D.S, Moore K.L., Yender R., Tyler J., 1997. Gas metal arc welding control: Part 1- modeling and analysis. Nonlinear Analysis, Methods and Applications. [13]. Lincoln Electric. 1994. The Procedure Handbook of Arc Welding. Cleveland: Lincoln Electric. [14]. M.St. Weglowski, Y. Huang, Y.M. Zhang, Effect of welding current on metal transfer in GMAW, Archives of Materials Science and Engineering, 2008, Luận văn Thạc sỹ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội HVTH: Nguyễn Đăng Hoàng 77 GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà [15]. Klas Weman, welding Processes handbook, Woodhead Pulishing limited, 2003. [16]. Kobelco Welding Handbook – Kobe Steel LTD., Japan 2009. [17]. R.L.O’Brien, Welding Handbook, Volume 2 welding Processes, American Welding Society, 1998. [18]. Lincoln Welding Handbook , Lincoln Welding Co., LTD., USA 2005. [19].Lincoln Electric. 1994. The Procedure Handbook of Arc Welding. Cleveland: Lincoln Electric. [20]. Ed, C.. 1991. “Gas Metal Arc & Flux Cored Welding Parameters”. [M], Chicago: Weldtrain.