Luận văn Tối ưu hóa chế độ công nghệ hàn hồ quang tự động cho robot hàn AX-C

ng thời vẫn hàn đƣợc ở tƣ thế hàn đứng từ dƣới lên trên. Điều này cho phép nhanh chóng hoàn vốn đã đầu tƣ vào thiết bị hàn xung sau 4 tháng. Hình 3.6: Dịch chuyển xung tia cho phép giảm cƣờng độ dòng điện hàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65 Sau đây là một số ƣu thế của các máy hàn xung:  Tiết kiệm dây hàn và khí bảo vệ. Máy hàn xung thƣờng có dải giá trị thông số rộng vì chúng mở rộng dải giá trị thông số cho từng cỡ đƣờng kính dây hàn. Ví dụ, với máy hàn không có xung, ngƣời ta phải dự trữ sẵn trong kho vật tƣ các dây hàn đƣờng kính 0,9 mm, 1,1 mm, và 1,3 mm cho một số ứng dụng khác nhau tại xƣởng hàn. Sau khi chuyển sang dùng máy hàn có khả năng hàn ở chế độ có xung, chỉ cần dùng một loại đƣờng kính dây hàn 1,2 mm là đủ cho tất cả các ứng dụng nói trên (giảm đƣợc chi phí lƣu kho và chi phí thay loại dây, chi phí thay thế phụ tùng hay hao mòn nhƣ súng hàn, miệng phun khí, ống lót dây). Với khí bảo vệ, thƣờng cũng chi cần một loại khí bảo vệ là đủ.  Giảm lƣợng kim loại bắn tóe và khói hàn. So với chế độ hàn thồng dụng không có xung, hàn có xung cho phép giảm bắn tóe và khói hàn. Khi lƣợng kim loại bắn tóe giảm, chi phí dây hàn cũng giảm (không tốn chi phí kim loại vào bề mặt vật hàn và bề mặt đồ gá hàn, không tốn thời gian làm sạch các bề mặt đó). Lƣợng khói hàn giảm tạo ra môi trƣờng an toàn và trong sạch hơn cho toàn bộ xƣởng hàn.  Giảm lƣợng nhiệt. Chế độ hàn có xung cho phép khống chế đƣợc năng lƣợng đƣờng, dẫn đến ít xảy ra biến dạng và hình dạng mối hàn đƣợc cải thiện. Điều này đặc biệt quan trọng khi hàn các vật liệu nhƣ thép không gỉ, niken, hoặc những hợp kim nhạy cảm với chu trình nhiệt hàn.  Năng suất hàn đƣợc cải thiện. Chế độ hàn có xung cho năng suất đắp cao. Việc đào tạo để hàn ở chế độ có xung cũng nhanh hơn đối với hàn ở chế độ không có xung do thiết bị dễ sử dụng và thích nghi.  Chất lƣợng mối hàn tốt hơn. Những ƣu điểm nêu trên dẫn đến sự cải thiện chung về chất lƣợng hồ quang (độ ổn định) và mối hàn. Điều kiện lao động của thợ hàn cũng đƣợc cải thiện đáng kể (không phải hít khói hàn, không phải làm sạch kim loại bắn tóe. Mặc dù có những ƣu thế hiển nhiên, việc áp dụng hàn dạng xung cần đƣợc cân nhắc thận trọng xem có thích hợp với ứng dụng cụ thể hay không. Những ứng dụng thích hợp nhất cho hàn xung là ứng dụng hàn dùng dạng dịch chuyển ngắn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 66 mạch để hàn các tấm thép mỏng có chiều dày từ 2 đến 10 mm (tự động hoặc bán tự động). Khi đó năng suất hàn sẽ tăng, lƣợng bắn tóe giảm đáng kể và hình dạng mối hàn đƣợc cải thiện. Điều quan trọng khi quyết định dùng chế độ hàn xung là phải tiến hành nghiên cứu chi phí hàn (thiết bị hàn xung thƣờng đắt tiền), xây dựng đƣợc quy trình hàn và hàn thử xem có khả thi hay không cho ứng dụng dự kiến. So sánh bốn cơ chế dịch chuyển kim loại vào vũng hàn ta thấy: - Cơ chế ngắn mạch thì dây hàn tiếp xúc vũng hàn và làm mạch điện hàn bị ngắn mạch. Đây là dạng dịch chuyển "nguội nhất ' trong khi vẫn duy trì sự nóng chảy cần thiết. Cho phép hàn các tấm dày lẫn mỏng ở mọi tƣ thế hàn. Vũng hàn nhỏ, dễ kết tinh. Tốc độ cấp dây và tốc độ đắp nhỏ là nhƣợc điểm. Có nguy cơ "hàn không ngấu' các tấm dày (khi năng lƣợng không đủ làm nóng chảy kim loại). So với các dạng dịch chuyển kim loại khác, lƣợng kim loại bắn tóe là cao nhất. - Cơ chế giọt lớn thì dạng dịch chuyển giọt lớn là dạng dịch chuyển ngắn mạch không kiểm soát. Đặc trƣng của nó là dây hàn cung cấp một lƣợng lớn kim loại cho mối hàn. Dạng dịch chuyển này cũng tạo ra một lƣợng lớn kim loại bắn tóe và năng lƣợng đƣờng cao. Ngoài ra, chỉ có thể hàn ở tƣ thế hàn sấp và hàn ngang các mối hàn góc. Dễ xảy ra hàn không ngấu do kim loại bắn tóe cản trở vũng hàn. Ngoài ra, do tốn nhiều dây hàn, dạng dịch chuyển này kém hiệu quả. Trong các ƣu thế, tốc độ cấp dây và cƣờng độ dòng điện hàn cao cho phép hàn ngấu sâu kim loại tấm dày. Ngoài ra có thể sử dụng khí CO2 rẻ tiền. Đƣợc sử dụng chủ yếu khi không cần bề mặt mối hàn đẹp. - Dạng tia là quá trình hàn sử dụng thiết bị hàn có đặc tuyến thoải thuần túy, cần đến cƣờng độ dòng điện hàn đủ lớn để đây hàn liên tục cung cấp kim loại nóng chảy cho vũng hàn. Các ƣu điểm là tốc độ đắp cao, .nhiều sâu chảy lớn, nung chảy tốt, hình dạng mối hàn tốt và ít bắn tóe. Các nhƣợc điểm là năng lƣợng đƣờng cao, số tƣ thế hàn bị hạn chế và dễ cháy thủng tấm mỏng. Dạng xung tia là một dạng dịch chuyển tiên tiến tận dụng đƣợc mọi ƣu điểm của các dạng dịch chuyển khác nhƣng giảm thiểu hoặc loại bỏ đƣợc nhƣợc điểm của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67 chúng. Khác với dịch chuyển ngắn mạch, nó không gây bắn tóe hoặc hiện tƣợng nguội mối hàn. Có thể hàn ở mọi tƣ thế hàn, tƣơng tự nhƣ hàn ở chế độ giọt lớn hoặc chế độ dịch chuyển tia.Có thể điều chỉnh chế độ hàn để hàn đƣợc các tấm mỏng mà không gây ra hiện tƣợng cháy thủng tấm mỏng. Trên hình 3.7 là các dải giá trị điện áp và cƣờng độ đòng điện hàn tiêu bịểu đối với các chế độ dịch chuyển khác nhau. Vai trò của các loại khí đối với dịch chuyển kim loại điện cực vào vũng hàn: Oxi có tác dụng giảm sức căng bề mặt của kim loại, do đó khi nồng độ oxi trong argon tăng, dòng tới hạn sẽ giảm. Để nâng cao đặc tính công nghệ của hồ quang khi hàn thép, có thể bổ sung 4  5% oxi vào argon. Khi đó hồ quang cháy ổn định ngay cả khi cƣờng độ dòng điện hàn tƣơng đối nhỏ (dễ hàn các tấm mỏng). Hồ quang ở chế độ dịch chuyển tia ít gây bắn tóe hơn và mối hàn cũng đƣợc tạo dáng tốt hơn. Ni tơ làm tăng sức căng bề mặt kim loại, do đó khi tăng nồng độ ni tơ trong argon, kích thƣớc giọt kim loại sẽ tăng ở cùng một trị số dòng điện hàn. Khi hàn trong môi trƣờng ni tơ, xảy ra hiện tƣợng dịch chuyển giọt lớn đi kèm bắn tóe mạnh. Hydro làm tăng trị số dòng tới hạn. Ở nồng độ không cao (5  10%) hydro, các giọt đạt tới giá trị lớn và có dạng cầu. Khi hàn trong argon có chứa trên 20% hydro, dịch chuyển kim loại điện cực đi kèm với bắn toé mạnh. Oxit cacbonic làm tăng sức căng bề mặt. Khi bổ sung CO2 vào argon, trị số dòng tới hạn Ik và kích thƣớc giọt kim loại sẽ tăng. Khi argon chứa 5% CO2 dịch chuyển tia xảy ra tại trị số dòng hàn nhỏ hơn 1015A so với trong argon. Bổ sung thêm 20% CO2 vào argon làm tăng mạnh kích thƣớc các giọt kim loại. Bắn tóe kim loại điện cực: Hình 3.7: Các dải giá trị cƣờng độ và điện áp hàn tiêu biểu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 68 Bắn tóe kim loại điện cực là hiện tƣợng các giọt kim loại của điện cực dịch chuyển ra khỏi ranh giới của vũng hàn. Hiện tƣợng này phụ thuộc vào các thồng số của chế độ hàn, thành phần khí bảo vệ, thành phần điện cực và kim loại cơ bản. Khi hàn trong môi trƣờng argon, lƣợng bắn tóe chỉ vào khoảng 2  3%. Các thành phần khí phân tử trong argon làm tăng mạnh sự bắn tóe khi hàn, và trong trƣờng hợp sử dụng khí bảo vệ thuần túy dƣới dạng phân tử, ví dụ CO2 việc giảm hoặc loại trừ mức độ bắn tóe có ý nghĩa rất quan trọng về mặt công nghệ. Khi hàn trong CO2 bắn tóe kim loại xảy ra dƣới dạng các hạt nhỏ tản mát ra xung quanh vùng hồ quang do cổ nối kim loại nóng chảy giữa giọt và đầu điện cực bị nổ, do tách kim loại nóng chảy dƣ ra khỏi điện cực, do vũng hàn bị bắn phá, do các giọt lớn bị tách ra khỏi điện cực, và do phần đầu nóng chảy của điện cực bị tóe ra khi hình thành hồ quang. Khi hàn bằng hồ quang dài, hiện tƣợng bắn tóe xảy ra do các phản ứng luyện kim trong kim loại nóng chảy, đi liền với sự xuất hiện khí của phản ứng, và do phản lực của kim loại bay hơi và của khí phân ly đẩy các giọt kim loại ra khỏi khu vực vũng hàn. Nguyên nhân cơ bản gây bắn tóe kim loại khi hàn bằng hồ quang ngắn (dịch chuyển ngắn mạch) là cầu nối giữa vũng hàn và giọt kim loại ở đầu điện cực bị nổ. Bắn tóe tăng khi tăng điện áp hồ quang, đặc biến trong vùng dòng điện hàn có trị số trung bình (200  350A). Các bịện pháp chính giảm bắn tóe dẫn đến việc: dùng các nguồn điện hàn có đặc tính động nhất định, bảo đảm đạt tới tốc độ tăng dòng hàn ngắn mạch một cách tối ƣu; hàn bằng tốc độ tối ƣu; khống chế cố định chiều dài hồ quang thồng qua ổn định điện áp nguồn điện hàn; làm sạch gỉ trên dây hàn (nung ở 200  250oC trong 2 giờ). Việc sử dụng điện cực chứa các chất hoạt tính cũng có tác dụng tăng độ ổn định của hồ quang và giảm bắn tóe khi hàn trong môi trƣờng CO2. Khi xảy ra bắn tóe, các giọt kim loại có thể bám dính vào bề mặt trong của chụp khí và bề mặt ngoài của ống tiếp xúc, gây cản trở dòng khí bảo vệ. Để giảm mức độ bám dính của các giọt kim loại bắn tóe, có thể sử dụng các bịện pháp nhƣ làm mát nhanh chụp khí Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69 hoặc bôi các chất chống bám dính (loại mỡ đặc biệt) lên bề mặt trong của chụp khí, bề mặt ngoài của ống tiếp xúc và bề mặt kim loại cơ bản gần mối hàn. 3.1.2. Chế độ hàn và ảnh hưởng của chế dộ hàn đến hình dạng và chất lượng mối hàn: Để bảo đảm đạt đƣợc mối hàn có chất lƣợng cần thiết, cần chọn đúng các thông số của chế độ hàn và điều kiện hàn. Trong quá trình hàn, cần đảm bảo sự ổn định của các thông số đã đặt trƣớc. Trong phần lớn trƣờng hợp, năng suất hàn mang tầm quan trọng hàng đầu tuy nhiên, cũng không thể bỏ qua các yêu cầu về chất lƣợng. Ngƣời thợ vận hành chịu trách nhiệm đặt chế độ hàn thích hợp cho thiết bị hàn bán tự động và tự động và phải hiểu đƣợc ảnh hƣởng của các đại lƣợng và tƣơng tác giữa chúng. Khi hàn bán tự động, thợ hàn có thể gây ảnh hƣởng đáng kể lên năng suất và chất lƣợng hàn. Khi hàn tự động, thiết bị tự giữ nguyên các thông số đã đặt trƣớc. Các thông số quan trọng cần đặt của chế độ hàn là cƣờng độ dòng hàn, điện áp hàn và tốc độ hàn. Thông qua các thông số này, có thể tính mức năng lƣợng đƣờng. Ngoài ra, còn có các thông số và điều kiện hàn khác cũng có ảnh hƣởng lên hình dạng và kích thƣớc mối hàn (giống nhƣ 3 thông số vừa nêu) nhƣ: mật độ dòng điện hàn, đƣờng kính dây hàn, cực hàn, tầm với điện cực, tƣ thế hàn và góc nghiêng điện cực (dây hàn), thành phần kim loại cơ bản và kim loại dây hàn, thành phần khí bảo vệ, nhiệt độ nung nóng sơ bộ (nếu có), hình dạng và kích thƣớc bề mặt sẽ hàn. Đối với hình dạng và kích thƣớc mối hàn, ảnh hƣởng toàn bộ của các thông số và điều kiện hàn có thể đƣợc biểu thị qua hệ số hình dạng mối hàn ngấu m (tỷ số giữa chiều rộng và chiều cao đắp của mối hàn, còn gọi là hệ số hình dạng bên ngoài) và hệ số ngấu n (tỷ số giữa chiều rộng và chiều sâu chảy của mối hàn, còn gọi là hệ số hình dạng bên trong). Khi hàn, điều quan trọng là có đƣợc hệ số ngấu thích hợp (thƣờng là với các chiều sâu chảy lớn, do đó giá trị n nhỏ, thƣờng là 1 đến 1,2. Với hàn đắp, đại lƣợng này có thể lớn hơn). Sau đây là ảnh hƣởng của các thông số vừa nêu lên các thông số hình học của mối hàn. * Dòng điện hàn: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 70 Trong trƣờng hợp hàn cũng nhƣ hàn đắp, cƣờng độ dòng điện hàn có ảnh hƣởng lớn nhất lên hình dạng mối hàn. Dòng điện hàn tăng dẫn đến tăng mật độ dòng, kích thƣớc vùng hàn, hệ số chảy, và tốc độ chảy, hình 3.8 Hình 3.8: : Hình dạng mối hàn và ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện hàn Khi tăng cƣờng độ dòng điện hàn, chiều sâu chảy tăng mạnh, chiều cao đắp mối hàn tăng không nhiều, chiều rộng mối hàn tăng ít (chiều rộng mối hàn chịu ảnh hƣởng của điện áp hàn và tốc độ hàn là chính). Khi cƣờng độ dòng điện hàn tăng quá mức, sẽ xảy ra bắn tóe và có nguy cơ cháy thủng tấm. Khi chọn cƣờng độ dòng điện hàn, ngƣời ta thƣờng chọn bằng cách tăng dần cƣờng độ dòng hàn với chiều dày nhất định của tấm, với điều kiện có xét tới tốc độ cấp dây (nếu thiết bị có tốc độ cấp dây cố định). Khi hàn đắp, không nên chọn cƣờng độ dòng điện hàn ở giá trị lớn (tránh tăng lƣợng kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn), đặc biệt với lớp đắp đầu tiên. Thông qua thay đổi cƣờng độ dòng điện hàn, ta có thể tác động lên đặc trƣng dịch chuyển kim loại vào vũng hàn. Cƣờng độ dòng điện hàn tăng sẽ làm: • Tần suất dịch chuyển các giọt kim loại tăng (đặc biệt dây cỡ nhỏ), Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71 • Thay đổi các lực tác động lên các giọt kim loại, tùy theo thành phần khí bảo vệ. • Giảm thể tích các giọt kim loại (dây cỡ lớn). Tuy nhiên, không thể tăng vô tận giá trị của cƣờng độ dòng điện hàn. Thông thƣờng, giá trị tối đa là 800 đến 900 A. * Mật độ dòng điện hàn Mật độ dòng điện hàn tăng khi giảm đƣờng kinh điện cực (dây hàn). Mật độ dòng điện hàn có ảnh hƣởng lên hình dạng mối hàn tƣơng tự nhƣ cƣờng dòng điện hàn, hình 3.9. Mật độ dòng điện hàn tăng làm tăng tốc độ chảy điện cực và chiều sâu chảy của mối hàn. Mật dòng điện hàn giảm sẽ làm tăng chiều rộng mối hàn, giảm chiều sâu chảy và chiều cao đắp của mối hàn. Có thể dùng mật độ dòng điện hàn gây ảnh hƣởng lên phần kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn. Các dây hàn nhỏ (đƣờng kính 0,8 ÷ 1,2mm) có ƣu thế về mặt dải mật độ dòng lớn hơn so với các dây đƣờng kính lớn; điều này cho phép giảm góc rãnh hàn, và hàn thuận lợi ở nhiều tƣ thế hàn khác nhau. * Vận tốc điện cực và cường độ dòng điện hàn Sau khi xác định tốc độ đắp tối ƣu cho mối hàn, bƣớc tiếp theo là xác định vận tốc điện cực và cƣờng độ dòng điện hàn (là hai đại lƣợng liên quan trực tiếp với nhau, khi sử dụng các máy hàn có đặc tuyến thoải và tốc độ cấp dây không đổi) tại tầm với điện cực nhất định để đạt đƣợc tốc độ đắp đó. Trên thực tế, ngƣời ta không sử dụng cƣờng độ dòng điện hàn mà sử dụng vận tốc điện cực để đặt, duy trì và đo tốc độ đắp (vì nhƣ vậy sẽ chính xác hơn so với sử dụng cƣờng độ dòng điện hàn). Dòng điện hàn trong dải thích hợp đƣợc chọn theo đƣờng kính dây hàn, dạng dịch chuyển kim loại và chiều dày kim loại cơ bản. Dòng điện hàn quá thấp sẽ dẫn đến hàn không ngấu. Dòng điện hàn quá cho sẽ gây nên bắn tóe, rỗ khí, hình dạng mối hàn kém. Với nguồn hàn có đặc tuyến thoải, cƣờng độ dòng điện hàn tỷ lệ thuận với vận tốc điện cực (vận tốc điện cực chọn trƣớc, khi các thông số khác giữ nguyên). Với đƣờng kính dây hàn cho trƣớc, khi tăng cƣờng độ dòng điện hàn trong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 72 dải cho phép, chiều sâu chảy và chiều rộng mối hàn tăng; tốc độ chảy tăng; kích thƣớc mối hàn tăng.: Hình 3.9: Hình dạng mối hàn và ảnh hƣởng của các mật độ dòng điện hàn vận tốc điện cực, cƣờng độ dòng điện hàn khi hàn trong môi trƣờng CO2 Bảng 3.3: Dải vận tốc điện cực (và cường độ dòng điện hàn tương ứng) tiêu biểu cho hàn trong môi trường khí CO2  Dịch chuyển tia (30  45V) Dịch chuyển ngắn mạch (16  22V) 0,8 mm 5,0 ÷ 15 m/min (150250 A) 2,5 ÷ 7,5 m/min (60 ÷ 160 A) 1,2mm 5,0 ÷ 15 m/min (200 ÷ 350A) 2,0 ÷ 3,8 m/min (100 175 A) 1,6mm 5,0 ÷ 8,8 m/min (150 ÷ 250A) 1,5 ÷ 2,0 m/min (120 180 A) 2,4mm 3,8 ÷ 7,5 m/min (150 ÷ 250A) 1,25 ÷ 1,6m/min (150 200 A) * Điện áp hàn Điện áp hồ quang thay đổi theo chiều dài cột hồ quang. Điện áp hồ quang không ảnh hƣởng nhiều đến tốc độ chảy nhƣng ảnh hƣởng chủ yếu đến chiều rộng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 73 mối hàn. Khi cƣờng độ dòng điện hàn không thay đôi, chiều sâu cháy có xu hƣớng giảm. Vì theo đặc tuyến của máy hàn, cƣờng độ dòng điện hàn thay đổi theo sự thay đổi điện áp hồ quang, chiều sâu chảy cũng thay đồi theo tỷ lệ thuận với sự thay đối điện áp hồ quang( hình 3.10) tuy không mạnh bằng sự thay đổi chiều rộng mối hàn. Hình 3.10: Hình dạng mối hàn và ảnh hƣởng của điện áp hàn Tại máy hàn, có khả năng điểu chỉnh theo nấc các giá trị của điện áp không tải (lớn hơn điện áp thực tế của hồ quang. Khi đặt giá trị cho điện áp không tải cho hàn CO2 cần chọn giá trị khoảng 2 ÷ 3V cao hơn so với chọn cho hỗn hợp khí của argon). Điện áp hồ quang có ảnh hƣởng quan trọng đến việc đạt đƣợc các giá tri tối ƣu trong khả năng tự điều chỉnh của hồ quang. Tuy nhiên, chỉ có thể thay đổi giá trị điện áp hồ quang hàn một cách hạn chế. Trong thực tế, khi chọn giá trị điện áp hàn, cần chọn theo chỉ dẫn của nhà chế tạo thiết bị hàn, sau đó điều chỉnh thêm cho chính xác vì các giá trị hƣởng dẫn đó chỉ mang tính định tính. Việc chọn điện áp quá lớn sẽ làm tăng xác suất cháy các nguyên tố hợp kim, rỗ khí và bắn tóe. Ngoài ra, làm tăng kích thƣớc vũng hàn cũng làm khả năng hàn ở các tƣ thế hàn trở nên khó khăn. Chọn điện áp quá thấp lại làm cho hồ quang kém ổn định, mối hàn hẹp và lồi quá, dẫn đến hàn không ngấu các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 74 cạnh hàn. Khi hàn trong môi trƣờng CO2 có thể coi U = 15 + 0,04.I với chế độ dịch chuyển ngắn mạch (với d = 0,6 ÷ l,2 mm) và U = 20 + 0,03.I với chế độ dịch chuyển tia (d = 1,2 mm trở lên). Điện áp hồ quang (liên quan đến chiều dài hồ quang) đƣợc thiết lập để duy trì độ ổn định của hồ quang tại tốc độ cấp dây (cƣờng độ dòng điện hàn) đã chọn và để duy trì mức bắn tóe tối thiểu. Điện áp hồ quang cũng quyết định dạng dịch chuyển của kim loại điện cực. Vì vậy điện áp hồ quang phụ thuộc vào chiều dày kim loại cơ bản, thành phần hóa học mối hàn, loại liên kết, thành phần và kích thƣớc điện cực thành phần khí bảo vệ, tƣ thế hàn, v.v. Để có giá trị chính xác của điện áp khi hàn cụ thể, cần hàn thử vì không có giá trị cụ thể nào thích hợp với mọi ứng dụng hàn. Trong dải giá trị ở chế độ hàn tiêu biểu (bảng đã nêu), khi điện áp hàn tăng sẽ làm tăng chiều rộng mối hàn. Khi giảm điện áp hàn, chiều cao đắp và chiều sâu chảy của mối hàn đều tăng. Khi điện áp hàn cao hơn dải giá trị trên, sẽ xẩy ra hiện tƣợng rỗ khí, bắn toé, và không ngấu mép rãnh hàn. Điện áp hàn 16.22V thích hợp với mọi tƣ thế hàn trong trƣờng hợp hàn tấm tƣơng đối mỏng, ở chế độ dịch chuyển ngắn mạch và đƣờng kính dây hàn nhỏ. Chiều sâu chảy là tối thiểu. Điện áp hàn 30 ÷ 45V đƣợc sử dụng chủ yếu cho hàn tự động theo dạng dịch chuyển tia, khi liên kết các tấm dày, tƣ thế hàn sấp, dây hàn lớn và dòng điện hàn cao để có chiều sâu chảy lớn và tốc độ đắp lớn. Dải điện áp hàn 24 ÷ 30V: có đặc điểm của cả hai loại trên, dùng cho hàn bán tự động và tự động, với chiều dày tấm trung bình * Tốc độ hàn Đây là đại lƣợng quan trọng thứ ba có ảnh hƣởng đến năng lƣợng đƣờng và thƣờng đƣợc dùng để tăng năng suất hàn. Việc chọn đúng tốc độ hàn phụ thuộc vào hình dạng mối hàn cũng nhƣ điều kiện nung và nguội vật hàn. Tốc độ hàn tăng làm tăng lƣợng nhiệt đƣa vào vật hàn phía trƣớc hồ quang, do đó cần ít nhiệt hơn để nung nóng trƣớc cạnh hàn. Ngoài ra, cùng với tăng tốc độ hàn, tốc độ nguội sau khi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 75 hàn cũng tăng, có thể làm tăng khá năng bị nứt với một số loại thép có tính thấm tôi cao. Với thép kết cấu thông dụng, tốc độ hàn thƣờng nằm trong khoảng 10 ÷ 60cm/min; với hàn tự động, tốc độ hàn có thể lên đến 120 cm/min. Trên hình 3.11 A, C là ảnh hƣởng của tốc độ hàn lên hình dạng mối hàn, trong đó, c là chiều cao đắp của mối hàn, h là chiều sâu chảy của mối hàn. Hình 3.11: Hình dạng mối hàn và ảnh hƣởng của tốc độ hàn Tốc độ đắp là lƣợng kim loại đắp vào mối hàn trong một đơn vị thời gian (kg/h). Tốc độ đắp cần đƣợc cân đối với tốc độ hàn (tốc độ dịch chuyển của hồ quang). Sự cân đối đó phụ thuộc vào: • Kích thƣớc mối hàn, • Loại liên kết hàn, • Số lƣợng đƣờng hàn, • Khả năng của thợ hàn (tốc độ hàn tối đa thƣờng vào khoảng 0.6m/min). Nói chung, tốc độ hàn càng cao khi kích thƣớc mối hàn càng nhỏ, chiều dài mối hàn càng nhỏ và hàn theo đƣờng thẳng, khi chất lƣợng hàn tối ƣu không quan trọng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 76 Tốc độ hàn ảnh hƣởng đến kích thƣớc mối hàn và chiêu sâu chảy và có một dải giá trị tốc độ hàn trong đó đạt đƣợc chiều sâu chảy tối đa (dải xung quanh điểm P trên hình 3.11B). Nếu giảm giá trị này, vũng hàn sẽ rộng và nông hơn và hồ quang tác động chủ yếu lên vũng hàn, thay vì lên kim loại cơ bản. Khi tăng tốc độ hàn, chiều sâu chảy giảm, chiều rộng mối hàn cũng giảm. * Đường kính dây hàn Đƣờng kính dây hàn càng lớn thì dòng điện hàn cũng càng phải lớn. Khi cƣờng độ dòng điện hàn nhƣ nhau, dây hàn nhỏ hơn có tốc độ chảy lớn hơn. Việc lựa chọn đƣờng kính dây hàn xuất phát từ chiều dày tấm cần hàn, loại liên kết và tƣ thế hàn. Các đƣờng kính đƣợc sử dụng nhiều nhất là 1,0 và 1,2mm. Lý do là chúng có tốc độ chảy lớn, nhất là các lớp đầu, dễ hàn nhiều lớp và ít bắn tóe. Các dây hàn nhỏ hơn đƣợc dùng chủ yếu để hàn các tấm mỏng. * Tầm với điện cực Tầm với điện cực (Giá trị B trên hình 3.12) là khoảng cách từ đầu dây hàn (điện cực) đến đầu giá kẹp điện cực (ống tiếp xúc). Tầm với điện cực đặc biệt quan trọng khi dây hàn thuộc loại vật liệu có tính dẫn nhiệt thấp và điện trở riêng lớn (ví dụ thép không gỉ). Tầm với điện cực tỷ lệ thuận với lƣợng nhiệt Joule-lentz sinh ra (I 2 R). Nói chung, đƣờng kính dây hàn và loại khí bảo vệ có ảnh hƣởng đến giá trị của tầm với điện cực. Tầm với điện cực quá lớn khiến điều kiện bảo vệ vũng hàn bị xấu đi, đặc biệt khi nghiêng súng hàn. Khi dây hàn có đƣờng kính nhỏ, tầm với điện cực quá lớn cũng làm giảm tính ổn định của dây hàn. Ngoài ra, tầm với điện cực tăng sẽ làm tăng mức độ bắn tóe khi hàn. Tầm với điện cực quá nhỏ sẽ làm ống tiếp xúc bị quá tải về nhiệt và làm các giọt kim loại bắn toé dính vào miệng chụp khí của súng hàn. Giá trị của tầm với điện cực phụ thuộc vào đƣờng kính điện cực và loại khí bảo vệ. Khi hàn trong CO2 có thể dùng công thức thực nghiệm lv = 5 + 5.d [mm], trong đó lv là tầm với điện cực, d là đƣờng kính điện cực [mm]. Khi hàn trong Hình 3.12 Tầm với điện cực B Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 77 hỗn hợp khí trơ, do chiều dài hồ quang lớn hơn, cần tăng tầm với điện cực thêm 2 ÷ 3mm. Bảng 3.4 : Chế độ hàn tiêu biểu cho hàn thép 3.1.3. Xây dựng phương pháp xác định chế độ hàn cho ROBOT hàn AX-C ROBOT hàn AX-C sử dụng phƣơng pháp hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ nên phƣơng pháp xác định chế độ hàn của ROBOT hàn AX-C là phƣơng pháp xác định chế độ hàn của phƣơng pháp hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ. Xác định chế độ hàn phải phù hợp với từng loại mối hàn. Sau đây ta xem xét xác định chế độ hàn trƣờng hợp hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ cho mối hàn giáp mối. Theo [ 6] ta có các bƣớc tính toán chế độ hàn theo các bƣớc sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 78 Bƣớc 1: xác định chiều sâu nóng chảy cần thiết (h) theo các thông số kích thƣớc mối hàn đã cho Bƣớc 2: tính dòng điện hàn đảm bảo chiều sâu chảy đó, cƣờng độ dòng điện hàn cho lớp đó. Có thể sử dụng công thức sau để tính toán : I = (80100).h (3.2) Bƣớc 3: Chọn đƣờng kính dây hàn: : d = 2.(I / .j)0,5 [mm] (3.3) trong đó: j- mật độ dòng điện hàn tối đa: d[mm] 1 2 3 4 5 6 j[A/mm 2 ] 90400 65200 4590 3560 3050 2545 Bƣớc 4: Tính tốc độ hàn: V= I 2 / k.h [m/h] (3.4) trong đó: I = [A]; h = [mm]; k = 0,22.10 4 khi h  9 mm và k = 0,49.10 4 khi h > 9mm Bƣớc 5:Tính điện áp hàn: U = 15 + 0,04I, [V] (3.5) Bƣớc 6: Tính vận tốc điện cực công thức 2.16: Vđc = dc nc F F.V , [m/h] trong đó: d - đƣờng kính điện cực, [ mm] Fnc - diện tích tiết diện ngang kim loại nóng chảy [mm 2 ] Fnc = .n .h 2 /4 nên: Vđc = 2 2 n 2 d.k.h h..I  = 2 n 2 d.k h..I  (3.6) Bƣớc 7: Điều chỉnh tính toán ( xác định năng lƣợng đƣờng và kiểm tra các kích thƣớc cơ bản của mối hàn):. Để có hình dạng tối ƣu của mối hàn, cần xác định mối quan hệ giữa các thông số và kích thƣớc mối hàn. Kích thƣớc và hình dạng mối hàn đƣợc xác định từ lƣợng nhiệt đƣa vào kim loại cơ bản và đặc trƣng truyền nhiệt đó. Nếu sử dụng sơ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 79 đồ nguồn nhiệt điểm chuyển động nhanh thì bình phƣơng khoảng cách từ nguồn nhiệt tới đƣờng đẳng nhiệt của kim loại chảy (đƣờng chảy), hình 3-13 sẽ là: r 2 = max d T.c..e. q2  (3.7) trong đó: Tmax là nhiệt độ tối đa (nhiệt độ đƣờng chảy, 1500 0 C) Hình 3.13: Sơ đồ tính toán kích thƣớc mối hàn Theo sơ đồ nguồn nhiệt điểm, diện tích tiết diện ngang của phần kim loại cơ bản nóng chảy đƣợc giới hạn bởi đƣờng đẳng nhiệt nóng chảy sẽ là một nửa hình tròn bán kính r ( đƣờng đứt nét 1 ) và đƣợc tính nhƣ sau: 2 2 2 2 2 4 ch n b h b h F h      .h 2 (3.8) Trên thực tế, tiết diện ngang này không có hình dạng nhƣ vừa mô tả. Khi dòng điện hàn I lớn và điện áp hàn U nhỏ thì nó đƣợc giới hạn bởi đƣờng cong 2. Trong trƣờng hợp ngƣợc lại thì đó sẽ là đƣờng cong 3. Để đơn giản hóa tính toán, có thể coi hình dạng tiết diện ngang của phần kim loại nóng chảy là một nửa hình Elip và có tiết diện ngang bằng nửa hình tròn. Lúc đó: 2 ax2 d ch m q F r c eT     (3.9) Kết hợp hai công thức vừa nêu trên, sau khi biến đổi ta có: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 80 n max d kt . T.e..c q .2h    (3.10) Biết chiều sâu chảy h, có thể xác định đƣợc chiều rộng mối hàn: b = h. n Hệ số ngấu *n = f( U,I) có thể đƣợc cho trƣớc hoặc xác định bằng thực nghiệm: *n = k’.(19 – 0,01.I).d.(U/I) (3.11) Trong đó đƣờng kính dây hàn d = [mm] , cƣờng độ dòng điện hàn I = [A]; điện áp hàn U = [V] Khi hàn bằng dòng xoay chiều: k’ = 1 Khi hàn bằng dòng một chiều cực thuận: k’ = 1,12 nếu j ≥ 120 [A/ mm2] Và k’ = 2,82j 0,1925 nếu j < 120 [A/ mm2] Khi hàn bằng dòng một chiều cực nghịch k’ = 0,92 nếu j ≥ 120 [A/ mm2] Và k’ = 0,367j 0,1925 nếu j < 120 [A/ mm2] Nếu hệ số ngấu *n <<n thì phải điều chỉnh các thông số tính toán của chế độ hàn bằng cách tăng tốc độ hàn v cho tới khi có đƣợc chiều rộng yêu cầu của mối hàn, nếu *n >>n thì giảm tốc độ hàn. Bƣớc 8: Tính thời gian hàn:để đơn giản cho việc tính toán thời gian hàn, ta dùng công thức gần đúng sau: T h = Tcb + Tph + Tpv + Tn Th = p Tcb ; Tcb = L/V nhƣ vậy: Th = L/p.v (3.12) Th: Thời gian hàn Tcb: Thời gian hàn cơ bản Tph: Thời gian phụ Tpv: Thời gian tổ chức phục vụ Tn: Thời gian nghỉ ngơi tự nhiên của ngƣời thợ p: hệ số tính đến điều kiện tổ chức sản xuất: Tổ chức kém p  0,3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 81 Tổ chức sản xuất trung bình p = 0,3 đến 0,4 Tổ chức sản xuất tốt p = 0,6 đến 0,7 Ví dụ: Xác định chế độ hàn cho mối hàn ống xả xe máy SUZUKI như hình 3. 14 Hình 3.14: Kích thƣớc mặt cắt ngang mối hàn giáp mối không vát mép, không có khe đáy Từ sơ đồ mối hàn ta xác định được các thông số kích thước mối hàn là: chiều sâu nóng chảy h=2,5mm, chiều rộng mối hàn b= 4mm, hệ số nóng chảy n = b/h = 4/2,5 = 1,6 chiều dài đường hàn: L = 100+ .d + .D + 80+100 = 3,14.(40 + 82) + 280 = 663mm hàn một lớp. Ta xác định chế độ hàn theo các bước sau: - Cường độ dòng điện cho h là: I = 100.h= 100.2,5 = 250A - Chọn đường kính dây hàn: d = 2.(I / .j)0,5 = 2.(250/3,14.300)0,5 = 1 mm - Tính tốc độ hàn: V = I 2 / k.h = 250 2 / 0,22.10 4 .2,5 = 11,4 m/h - Điện áp hồ quang: U = 15 + 0,04.I = 15+ 0,04.250 = 25V - Tính vận tốc điện cực:: Vđc = 2 2 n d h..V = 2 2 1 5,2.6,1.4,11 = 114 [m/h] Kiểm tra hệ số ngấu: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 82 *n = k ' .(19- 0,01.I).d.(U/I) = 0,92.(19 - 0,01.250).1.(25/250) = 1,6 = n Do vậy ta không cần điều chỉnh các thông số chế độ hàn. - Tính thời gian hàn: Th = L/p.V = 0,663/0,7.11,4 = 0,26h = 116 giây 3.2. Xây dựng mô hình toán học bài toán tối ƣu chế độ hàn cho ROBOT AX-C: Muốn tối ƣu hoá chế độ hàn cần phải dựa vào các mối quan hệ kinh tế, kỹ thuật đƣợc thiết lập dựa trên bản chất vật lý của quá trình hàn và đặc trƣng của từng phƣơng pháp hàn, từng loại mối hàn (nhƣ hàn tự động dƣới lớp thuốc bảo vệ, hàn trong môi trƣờng khí bảo vệ, hàn bằng điện cực nóng chảy, điện cực không nóng chảy...mối hàn sấp, hàn ngửa, hàn đứng...). Các mô hình toán học mô tả quan hệ giữa với các thông số công nghệ với mục tiêu cần tối ƣu là cơ sở thực hiện tối ƣu hoá quá trình hàn. Cơ sở kinh tế-kỹ thuật có ý nghĩa quan trọng khi tối ƣu hóa quá trình hàn. Bởi vì xét cho đến cùng thì trong sản xuất cơ khí nói chung và quá trình hàn nói riêng đều phải đạt đƣợc hiệu quả kinh tế, nhất là trong cơ chế kinh tế thị trƣờng. Cơ sở kinh tế-kỹ thuật quyết định ta tối ƣu hoá cái gì, tối ƣu hoá nhƣ thế nào? Tối ƣu hoá chế độ hàn về thực chất là tìm giá trị các thông số của chế độ hàn trên cơ sở đạt đƣợc mục tiêu tối ƣu cực trị thoả mãn các hệ ràng buộc về kinh tế-kỹ thuật khi hàn. Để xây dựng bài toán tối ƣu chế độ hàn, phải giải quyết các vấn đề sau: - Xuất phát từ chỉ tiêu tối ƣu, ta xây dựng hàm mục tiêu để từ đó xác định đƣợc giá trị cực trị của bài toán. - Xuất phát từ các điều kiện hàn, ta xây dựng các hàm giới hạn để lập miền xác định của hàm mục tiêu tức là miền chứa điểm mà hàm mục tiêu có cực trị, còn gọi là điều kiện biên. Đối với các phƣơng pháp hàn khác nhau thì các thông số công nghệ cần tối ƣu là khác nhau. Phƣơng pháp hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ nhƣ đã trình bày ở trên ta có các thông số hiệu điện thế hàn U, đƣờng kính que hàn d; vận tốc hàn V, vận tốc điện cực Vđc, thời gian hàn Th... đều đƣợc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 83 tính qua thông số cƣờng độ dòng điện hàn I vì vậy thông số công nghệ hàn cần tối ƣu là cƣờng độ dòng điện hàn I. Bài toán tối ƣu chế độ hàn khi hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ đã trở thành bài toán xác định cƣờng độ dòng điện hàn I tối ƣu trên cơ sở ràng buộc về điều kiện hàn nhằm đảm bảo năng suất hàn là cao nhất và chi phí hàn nhỏ nhất. Khi xây dựng các hàm mục tiêu và ràng buộc cần lƣu ý các điểm sau: - Các hàm đó phải phù hợp với phương pháp hàn cụ thể mà ta nghiên cứu (ở đây là hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ). - Các hàm đó phải đơn giản, thuận lợi cho việc giải bài toán tối ưu. 3.2.1- Xác định các chỉ tiêu tối ưu và hàm mục tiêu khi tối ưu chế độ hàn: Các chỉ tiêu tối ƣu khi hàn có thể chọn : - Chi phí hàn thấp nhất. - Thời gian hàn nhỏ nhất - Chất lượng hàn tốt nhất - Số lượng sản phẩm hàn trong một đơn vị thời gian là lớn nhất. - .v.v. Thông thƣờng ta hay chọn chỉ tiêu tối ƣu là chi phí hàn nhỏ nhất nhƣng chi phí hàn đƣợc xây dựng trên cơ sở thời gian hàn, để đơn giản ở đây ta chọn chỉ tiêu tối ƣu là thời gian gia công là nhỏ nhất. Hàm mục tiêu xác định chế độ hàn tối ƣu sẽ có dạng là: F(x1, x2,...xn)  MIN(MAX) (3.13) gj (x1,x2,..xn) <,= bj ; j = 1, m (3.14) Trong đó: F(x1, x2,...xn) gọi là hàm mục tiêu gj (x1,x2,..xn) gọi là hệ phƣơng trình ràng buộc Từ công thức tính thời gian hàn: T h = Tcb + Tph + Tpv + Tn (3.15) Th: Thời gian hàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 84 Tcb: Thời gian hàn cơ bản = L/V Tph: Thời gian phụ Tpv: Thời gian tổ chức phục vụ Tn: Thời gian nghỉ ngơi tự nhiên của ngƣời thợ hay có thể tính: Th = p Tcb (3.16) p: hệ số tính đến điều kiện tổ chức sản xuất Lại có vận tốc hàn, theo công thức 3.5: V = I 2 / k.h [m/h] Nhƣ vậy: Th = 2I.p h.k.L trong đó: L - Chiều dài mối hàn. Đặt A = L.k.h/p Từ đây ta có hàm mục tiêu: Th = A/I 2  min (3.17) 3.2.2- Các điều kiện ràng buộc: Hệ phƣơng trình ràng buộc phụ thuộc vào các giới hạn về thông số kỹ thuật trên ROBOT hàn AX-C về chế độ hàn. Các thông số công nghệ cần tối ƣu đƣợc xác định trên các điều kiện gia công cụ thể nhƣ: - Phƣơng tiện gia công gồm ROBOT hàn AX-C, que hàn, trang bị công nghệ... - Phôi liệu gia công : vật liệu, hình dáng, kích thƣớc . - Sản phẩm cần đạt : độ chính xác kích thƣớc, độ chính xác hình học, độ chính xác vị trí tƣơng quan:kích thƣớc chiều cao, chiều rộng mối hàn, độ kín, độ bền kéo, độ dãn dài... Hệ phƣơng trình ràng buộc: I = (80100).h  [Icp] (3.18) U = 15 + 0,04I  [Ucp] (3.19) dq = 2.(I / .j) 0,5  [dq] (3.20) V = I 2 / k.h  [Vcp] (3.21) Vđc = 2 n 2 d.k h..I   [Vcp đc ] (3.22) *n = k ' .(19- 0,01.I).d.(U/I) = n (3.23) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 85 3.2.3- Bài toán tối ưu chế độ hàn Qua các công thức về hàm mục tiêu và hệ phƣơng trình ràng buộc đã xây dựng ở trên ta lập đƣợc bài toán tối ƣu chế độ hàn là : Hàm mục tiêu: t = A/I 2  min (3.24) Hệ phƣơng trình ràng buộc: I  Imax = 350 (3.25) I  Imin = 40 (3.26) U  Umax = 60 (3.27) dq  dmax = 2,6 (3.28) V  Vmax = 72 (3.29) Vđc  Vcp đc = 900 (3.30) *n = n (3.31) 3.3. Xác định phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu chế độ hàn: Từ mô hình toán học bài toán tối ƣu chế độ hàn của phƣơng pháp hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ ta xác định đƣợc phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu nhƣ sau: Bƣớc 1: Xác định các thông số mối hàn b, h, n và các điều kiện ràng buộc của máy hàn dmax, Umax, j, Imax, Vđcmax, Vmax Bƣớc 2:Xác định các giá trị cho phép của cƣờng độ dòng điện: Cƣờng độ dòng điện hàn cho phép theo dmax: [ Id ] = dmax 2 .j./4 Cƣờng độ dòng điện hàn cho phép theo Umax: [ IU ] = ( U - 15 )/ 0,04 Cƣờng độ dòng điện hàn cho phép theo Vđcmax: [ IVđc] = h. d.92,0.V n 2 maxmaxdc  Cƣờng độ dòng điện hàn cho phép theo Vmax: [ IV] = max 4 V.h.10.49,0 Cƣờng độ dòng điện hàn cho phép : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 86 [ Icp ] = min([ Id ], [ IU ], [ IVđc], [ IV], Imax ) Bƣớc 3: Tính I = 100.h Kiểm tra I < [ Icp] , nếu sai đặt I = Imax , tính các giá trị U, V, Vđc, Th; nếu đúng thực hiện tiếp bƣớc 4 Bƣớc 4: Tính V = I2/ 0,22.104.h Bƣớc 5: Tính *n = k ' .(19- 0,01.I).d.(U/I) Bƣớc 6: Kiểm tra | n - *n|   , nếu đúng tính các giá trị U, V, Vđc, Th ; nếu sai thực hiện tiếp bƣớc 7 Bƣớc 7: Kiểm tra *n < n Nếu đúng giảm V = V - V. ; nếu sai tăng V = V + V. thực hiện tiếp bƣớc 8 Bƣớc 8: Tính I = V.h.10.49,0 4 Bƣớc 9: Kiểm tra I < [ Icp ] nếu đúng quay trở lại bƣớc 5; nếu sai đặt I = [ Icp] tính các giá trị U, V, Vđc, Th , In các giá trị U, V, Vđc, Th Kết thúc chƣơng trình. Từ đó ta xác định đƣợc giải thuật giải bài toán tối ƣu chế độ hàn của phƣơng pháp hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ cho mối hàn giáp mối nhƣ hình 3. 15: Hình 3.15: Giải thuật giải bài toán tối ƣu chế độ hàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 87 Start Nhập h, b, n, dmax, Umax, j, Imax, Vđcmax, Vmax I = 100.h I = [ Icp] I < [ Icp] v = I 2 / 0,22.10 4 .h U < Umax Đ Đ S [ Id ] = dmax 2 .j./4 [ IU ] = ( U - 15 )/ 0,04 [ IVđc] = h. d.92,0.V n 2 maxmaxdc  [ IV] = max 4 V.h.10.49,0 [ Icp ] = min([ Id ], [ IU ], [ IVđc], [ IV], Imax ) *n = k ' .(19-0,01.I).d.(U/I) 2 3 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 88 V = V - .V Đ 1 n-*n   *n < n S S V = V + .V Đ I = V.h.10.49,0 4 I < [ Icp] S I = [ Icp] U = 15 + 0,04I V = I 2 / k.h  Vđc = 2 n 2 d.k h..I  Th = 2I.p h.k.L End 2 3 Đ In I, U, V, Vđc, Th Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 89 Ví dụ: Xác định chế độ hàn cho mối hàn ống xả xe máy SUZUKI: Có các thông số kích thước mối hàn là: chiều sâu nóng chảy h=2,5mm, chiều rộng mối hàn b=3,5 mm, hệ số nóng chảy n =b/h=3,5/2,5=1,4; chiều dài đường hàn: L = 100+ .d + .D + 80+100 = 3,14.(40 + 82) + 280 = 663mm, hàn một lớp. Xác định [Icp]: [ Id ] = dmax 2 .j./4 = 2,6 2.300.3,14/4 = 1590 A [ IU ] = ( U - 15 )/ 0,04 = ( 60 - 15 )/ 0,04 = 1125 A [ IVđc] = h. d.10.49,0.V n 2 max 4 maxdc  = 5,2.2 6,2.10.49,0.900 24 = 2440 A [ IV] = max 4 V.h.10.49,0 = 72.5,2.10.49,0 4 = 939 A Vậy: [ Icp ] = min([ Id ],[ IU ],[ IVđc],[ IV],Imax ) = min( 1590, 1125, 2440, 939, 350)=350A Ta xác định chế độ hàn: - Cường độ dòng điện cho là: I = 100.h= 100.2,5 = 250A < [Icp] - Tốc độ hàn: V = I 2 / k.h = 250 2 / 0,22.10 4 .2,5 = 11,4 m/h Kiểm tra hệ số ngấu: *n = k ' .(19- 0,01.I).d.(U/I) = 0,92.(19 - 0,01.250).1.(25/250) = 1,6 > n Do vậy ta cần điều chỉnh các thông số chế độ hàn:  = *n - n = 0,2 sai số 14% Lần 1:Ta tăng V 14 % : V = 11,4.114% = 13 m/h tính lại I = h.k.v = 5,2.10.22,0.13 4 = 267 A *n = k ' .(19- 0,01.I).d.(U/I) = 0,92.(19 - 0,01.267).1.(25/267) = 1,4 = n Vậy ta chọn V = 13 m/h, I = 267A - Điện áp hồ quang: U = 15 + 0,04.I = 15+ 0,04.267 = 25V - Tính vận tốc điện cực: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 90 Vđc = 2 n 2 d.k h..I  = 24 2 1.10.22,0 5,2.4,1.267 = 113 [m/h] - Tính thời gian hàn: Th = L/p.V = 0,663/0,7.13 = 0,073h = 4,5 min Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 91 CHƢƠNG IV KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ - KỸ THUẬT TÍNH TOÁN TỐI ƢU CHẾ ĐỘ HÀN Để đánh giá, kiểm nghiệm các kết quả nghiên cứu ở trên ta thực hiện hàn chi tiết ống xả xe SUZUKI với chế độ hàn tra bảng, tính toán theo công thức và chế độ hàn tối ƣu, từ đó so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật 4.1. Xây dựng bài toán thực nghiệm: Chi tiết cổ ống xả xe SUZUKI nhƣ hình 4.1: Các thông số kỹ thuật: Vật liệu thép hợp kim thấp, chiều dày 3mm, hàn giáp mối một lƣợt không vát mép, chiều sâu ngấu 2,5mm. Hình 4.1: Chi tiết ống xả xe máy SUZUKI Sơ đồ đƣờng hàn nhƣ hình 4.2: Mỏ hàn sẽ dịch chuyển theo đƣờng từ điểm gốc 0 đến 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 quay về 9 trùng điểm gốc 0. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 92 Hình 4.2: Sơ đồ hàn chi tiết cổ ống xả xe SUZUKI Hình 4.3: Quá trình chuẩn bị phôi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 93 Bài toán ở đây sẽ đƣợc giải bằng ba cách: - Xác định chế độ hàn theo bảng của tài liệu hƣớng dẫn sử dụng ROBOT AX -C và lập chƣơng trình cài đặt cho ROBOT hàn AX-C chạy tự động theo kết quả xác định chế độ hàn này. - Xác định chế độ hàn theo các công thức kinh nghiệm và lập chƣơng trình cài đặt cho ROBOT hàn AX-C chạy tự động theo kết quả vừa xác định. - Tính toán chế độ hàn theo kết quả của bài toán tối ƣu và lập chƣơng trình cài đặt cho ROBOT hàn AX-C chạy tự động theo chế độ hàn đã đƣợc tối ƣu. Cài đặt chương trình hàn cho đường hàn đi qua các điểm từ 0,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 hình 4.2: Từ vị trí bắt đầu thực hiện cài đặt, sử dụng các phím vận hành trục để di chuyển ROBOT đến bƣớc 1(Nội suy điểm JOINT sẽ đƣợc sử dụng đối với phƣơng pháp chuyển động về bƣớc 1 với tốc độ 80% tốc độ an toàn < 250cm/s). Bƣớc 1: Tại bƣớc 1 ấn đồng thời ENABLE và INTERP/COORD (có thể ấn liên tục ) để đặt kiểu nội suy trong thanh trạng thái về JOINT. Nhấn SPD, xuất hiện màn hình Modify speed, nhập 80 rồi ấn ENTER: 80% đƣợc hiển thị trên thanh trạng thái ghi. Nhấn ACC để chọn mức chính xác A1(mỗi lần ấn ACC mức chính xác lại thay đổi 1 lần từ A1 đến A8) Nhấn O.WRITE/REC, bƣớc 1 đƣợc ghi lại (Hình 4.4). Hình 4.4: Lập trình chạy bƣớc 1 Sử dụng các phím vận hành di chuyển ROBOT đến bƣớc 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 94 Bƣớc 2: ấn đồng thời ENABLE và INTERP/COORD để đặt kiểu nội suy trong thanh trạng thái về về LIN. Nhấn SPD, xuất hiện màn hình Modify speed, nhập 250 rồi ấn ENTER: tốc độ 250cm/m đƣợc hiển thị trên thanh trạng thái ghi. Nhấn ACC để chọn mức chính xác A1. Nhấn O.WRITE/REC, bƣớc 2 đƣợc ghi lại (hình 4.5). Hình 4.5: Lập trình chạy bƣớc 2 Sử dụng các phím vận hành di chuyển ROBOT đến bƣớc 3 Bƣớc 3: ấn đồng thời ENABLE và INTERP/COORD để đặt kiểu nội suy trong thanh trạng thái về về CIR1. Nhấn SPD, xuất hiện màn hình Modify speed, nhập 200 rồi ấn ENTER:tốc độ 200cm/m hiển thị trên thanh trạng thái ghi. Nhấn ACC để chọn mức chính xác A1. Nhấn O.WRITE/REC, bƣớc 3 đƣợc ghi lại (hình 4.6). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 95 Hình 4.6: Lập trình chạy bƣớc 3 Sử dụng các phím vận hành di chuyển ROBOT đến bƣớc 4 Bƣớc 4: Nhấn đồng thời ENABLE và INTERP/COORD để đặt kiểu nội suy trong thanh trạng thái về về CIR2. Nhấn SPD, xuất hiện màn hình Modify speed, nhập 200 rồi ấn ENTER: tốc độ 200cm/m hiển thị trên thanh trạng thái ghi. Nhấn ACC để chọn mức chính xác A1. Nhấn O.WRITE/REC, bƣớc 4 đƣợc ghi lại (hình 4.7). Hình 4.7: Lập trình chạy bƣớc 4 Sử dụng các phím vận hành di chuyển ROBOT đến bƣớc 5 Bƣớc 5: ấn đồng thời ENABLE và INTERP/COORD để đặt kiểu nội suy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 96 trong thanh trạng thái về về LIN. Nhấn SPD, xuất hiện màn hình Modify speed, nhập 250 rồi ấn ENTER: tốc độ 250cm/m đƣợc hiển thị trên thanh trạng thái ghi. Nhấn ACC để chọn mức chính xác A1 Nhấn O.WRITE/REC, bƣớc 5 đƣợc ghi lại (hình 4.8). Hình 4.8: Lập trình chạy bƣớc 5 Sử dụng các phím vận hành di chuyển ROBOT đến bƣớc 6 Bƣớc 6: ấn đồng thời ENABLE và INTERP/COORD để đặt kiểu nội suy trong thanh trạng thái về CIR1. Nhấn SPD, xuất hiện màn hình Modify speed, nhập 200 rồi ấn ENTER: tốc độ 200cm/m đƣợc hiển thị trên thanh trạng thái ghi. Nhấn ACC để chọn mức chính xác A1. Nhấn O.WRITE/REC, bƣớc 6 đƣợc ghi lại (hình 4.9). Sử dụng các phím vận hành di chuyển ROBOT đến bƣớc 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 97 Hình 4.9: Lập trình chạy bƣớc 6 Bƣớc 7: ấn đồng thời ENABLE và INTERP/COORD để đặt kiểu nội suy trong thanh trạng thái về CIR2. Nhấn SPD, xuất hiện màn hình Modify speed, nhập 200 rồi ấn ENTER: tốc độ 200cm/m đƣợc hiển thị trên thanh trạng thái ghi. Nhấn ACC để chọn mức chính xác A1. Nhấn O.WRITE/REC, bƣớc 7 đƣợc ghi lại (hình 4.10). Sử dụng các phím vận hành di chuyển ROBOT đến bƣớc 8 Hình 4.10: Lập trình chạy bƣớc 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 98 Bƣớc 8: ấn đồng thời ENABLE và INTERP/COORD để đặt kiểu nội suy trong thanh trạng thái về LIN. Nhấn SPD, xuất hiện màn hình Modify speed, nhập 250 rồi ấn ENTER: tốc độ 250cm/m đƣợc hiển thị trên thanh trạng thái ghi. Nhấn ACC để chọn mức chính xác A1. Nhấn O.WRITE/REC, bƣớc 8 đƣợc ghi lại (hình 4.11). Hình 4.11: Lập trình chạy bƣớc 8 Sử dụng các phím vận hành di chuyển ROBOT đến bƣớc 9 tức là bƣớc 0 Bƣớc 9: ấn đồng thời ENABLE và INTERP/COORD để đặt kiểu nội suy trong thanh trạng thái về JOINT. Nhấn SPD, xuất hiện màn hình Modify speed, nhập 100 rồi ấn ENTER: 100% tốc độ đƣợc hiển thị trên thanh trạng thái ghi. Nhấn ACC để chọn mức chính xác A1. Nhấn O.WRITE/REC, bƣớc 9 đƣợc ghi lại (hình 4.12). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 99 Hình 4.12: Lập trình chạy bƣớc 9 Nhấn Playback để ROBOT di chuyển về vị trí xuất phát (bƣớc 0). Bƣớc 10: Nhấn END (hoặc FN92) để kết thúc chƣơng trình. Lúc này màn hình của Bảng dạy sẽ hiện lên nhƣ hình 4.13: Hình 4.13: Chƣơng trình chạy đƣờng hàn cổ ống xả SUZUKI Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 100 Hình 4.14: Hàn đính, gá lắp trên ROBOT: Hình 4.15: Quá trình hàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 101 Bài toán: Xác định chế độ hàn cho mối hàn ống xả xe máy SUZUKI: Có các thông số kích thước mối hàn là: chiều sâu nóng chảy h=2,5mm, chiều rộng mối hàn b=3,5 mm, hệ số nóng chảy n =b/h=3,5/2,5=1,4; chiều dài đường hàn: L = 100+ .d + .D + 80+100 = 3,14.(40 + 82) + 280 = 663mm, hàn một lớp. Ta xác định chế độ hàn theo tài liệu hướng dẫn [9]: - Đường kính dây hàn: Với thép 3mm ta chọn đường kính dây hàn d = 1mm - Cường độ dòng điện: chọn I trong khoảng cho phép = 250A - Điện áp hồ quang: U = 15 + 0,04.I = 15+ 0,04.250 = 25V - Tính vận tốc điện cực: Vđc = 2 n 2 d.k h..I  = 24 2 1.10.22,0 5,2.4,1.250 = 99 [m/h] - Tốc độ hàn: V = Vđc.Fđc / Fnc = Vđc. d 2 / n.h 2 = 99/1,4.2,5 2 = 11,3 m/h - Tính thời gian hàn: Th = L/p.V = 0,663/0,7.11,3 = 0,083 h = 5 min Xác định chế độ hàn theo công thức kinh nghiệm và bảng tra: -Cường độ dòng điện: I = hnc /k = 100/15,1 5,2 = 217 A với n =1,4 chọn U =24V - Vận tốc điện cực: Vđc = 24 2 1.10.22,0 5,2.4,1.217 = 75 [m/h] - Tốc độ hàn: V = 75 / 1,4.2,52 = 8,6 m/h - Thời gian hàn: Th = 0,663/0,7.8,6 = 0,1h = 6 min Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 102 Bảng 4.1: So sánh kết quả tính toán chế độ hàn theo các phương pháp Thông số chế độ hàn Đƣờng kính dây hàn (mm) I (A) U (V) Vđc (m/h) V (m/h) Th (min) Kết quả theo tra bảng tài liệu [9] 1,0 250 25 99 11,3 5 Kết quả theo công thức kinh nghiệm và tra bảng 1,0 217 24 75 8,6 6 Kết quả theo tối ƣu 1,0 267 25 113 13 4,5 So sánh kết quả tính toán về thời gian hàn với kết quả tính toán tối ƣu: Kết quả theo tra bảng tài liệu [9]: (5 - 4,5)/ 4,5 = 11% Kết quả theo công thức kinh nghiệm và tra bảng:( 6 - 4,5)/4,5 = 33% 4.2. Kết quả và đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật: Qua sự so sánh kết quả tính toán tối ƣu chế độ hàn cho ROBOT hàn AX-C, kết quả tính toán chế độ hàn theo bảng hƣớng dẫn sử dụng ROBOT hàn AX-C và kết quả tính toán chế độ hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ theo các công thức kinh nghiệm đã cho ta thấy ý nghĩa rất lớn của phƣơng pháp tính toán tối ƣu chế độ hàn. Phƣơng pháp tính toán tối ƣu chế độ hàn cho ROBOT hàn AX-C đã giảm đƣợc thời gian gia công: 11% so với kết quả tính toán và tra bảng theo tài liêu [9] và 33% so với kết quả tính toán theo các công thức kinh nghiệm. Từ đó giảm chi phí gia công so với 2 phƣơng pháp tính toán chế độ hàn theo bảng hƣớng dẫn sử dụng ROBOT hàn AX-C và phƣơng pháp tính toán chế độ hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 103 Sở dĩ phƣơng pháp tính toán tối ƣu chế độ hàn cho ROBOT hàn AX-C đem lại những kết quả tốt hơn cho bài toán kinh tế so với hai phƣơng pháp tính toán chế độ hàn theo bảng hƣớng dẫn sử dụng ROBOT hàn AX-C và phƣơng pháp tính toán chế độ hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ là do phƣơng pháp này cho phép ta tận dụng hết các khả năng cho phép của ROBOT hàn AX-C, tận dụng hết công suất của ROBOT và của hệ thống công nghệ để tăng tối đa vận tốc hàn nâng cao năng suất hàn. Chính vì vậy phƣơng pháp tính toán tối ƣu chế độ hàn cho ROBOT hàn AX-C này đặc biệt mang lại hiệu quả cao đối với công nghệ hàn trên ROBOT hàn AX-C. Những kết quả nghiên cứu của luận văn cho ta thấy phƣơng pháp và giải thuật tính toán tối ƣu chế độ hàn và cho phép chúng ta hoàn toàn tự động xác định các thông số chế độ hàn một cách nhanh chóng, hiệu quả từ đó có thể phát huy tính hiệu quả kinh tế của loại máy hàn có công nghệ cao và chi phí vốn đầu tƣ lớn này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận: Qua các kết quả nghiên cứu đạt đƣợc trình bày trong luận văn,có thể đánh giá về các kết quả nghiên cứu nhƣ sau: * Về mặt lý thuyết: Đã nghiên cứu, xây dựng đƣợc cơ sở lý thuyết cho bài toán tối ƣu chế độ hàn cho Robot AX-C. Kết quả nghiên cứu lý thuyết quan trọng là xây dựng mô hình toán học bài toán tối ƣu chế độ hàn, thiết lập đƣợc giải thuật tính toán tối ƣu chế độ hàn cho ROBOT hàn AX-C xác định phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu hóa chế độ hàn * Về mặt thực tiễn: Giải đƣợc bài toán kinh tế cho robot hàn AX - C thông qua sự lựa chọn các thông số tối ƣu của chế độ công nghệ hàn cho ROBOT hàn đã đƣợc nghiên cứu. Mở rộng đƣợc khả năng làm việc của ROBOT hàn AX - C Việc nghiên cứu tối ƣu hóa chế độ công nghệ hàn cho ROBOT hàn AX-C có ý nghĩa rất lớn cho công tác đào tạo các tay nghề thợ hàn trình độ cao. Đồng thời có ý nghĩa rất lớn cho các nhà máy, xí nghiệp, tạo điều kiện cho công tác thiết kế, công tác chuẩn bị sản xuất thực hiện một cách nhanh chóng, đem lại hiệu quả kinh tế cao Kiến nghị: Với thời gian và kiến thức có hạn, bản luận văn vẫn còn nhiều hạn chế: Việc tối ƣu hóa các thông số chế độ hàn vẫn cần phải nghiên cứu sâu hơn nữa và quan tâm đến các vấn đề cần phải tối ƣu hóa nhƣ: Các phƣơng pháp hàn, vị trí của các mối hàn, cách lập và phƣơng pháp giải các bài toán tối ƣu hóa. Sau đó tổng hợp lại theo hệ thống, viết thành phần mềm, có kết nối và lập trình trên máy tính để thuận lợi hơn cho việc điều khiển. Kết quả này cho phép tiếp tục nghiên cứu phát triển thành hệ tự động hóa thiết kế tối ƣu chế độ công nghệ hàn trên ROBOT hàn.Muốn vậy, cần phải có thêm thời gian và sự đầu tƣ nghiên cứu ở mức độ cao hơn nữa. Rất mong đƣợc sự đóng góp ý kiến xây dựng của các Thầy và các bạn đồng nghiệp để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. GS.TS Trần Văn Địch (2001), Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và sản xuất tích hợp CIM 2. Nguyễn Đăng Bình, Vũ Đình Trung- Kỹ thuật hàn và cắt kim loại. 3. Trần Văn Niên, Trần Thế San (2007),Thực hành hàn - Nhà xuất bản Đà Nẵng . 4. Nguyễn Bá An (2003), Sổ tay thợ hàn - Nhà xuất bản xây dựng. 5. Nguyễn Tiến Đào, Công nghệ chế tạo phôi - Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật 6. Ngô Lê Thông (2007), Công nghệ hàn điện nóng chảy tâp 1+ 2, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật 7. Guided User Panaonic industrial ROBOT VR 006 CII 8. . GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc-Ngƣời máy công nghiệp và sản xuất tự động linh hoạt 9. DAIHEN Corporation ( 2007), Vận hành ROBOT Almega AX-C 10. Tạ Duy Liêm (1999)-Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ. 11. Nguyễn Văn Thông (1998),Vật liệu và công nghệ hàn, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật.