ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
LẬP TRÌNH CHO ROBOT HÀN ALMEGA AX-V6
ĐỂ HÀN MỘT SỐ ĐƯỜNG CONG PHỨC TẠP
Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số:23.04.3898
Học viên: TRƯƠNG ĐÌNH LUÂN
Người HD khoa học : GS.TS. TRẦN VĂN ĐỊCH
THÁI NGUYÊN - 2009
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
1
LỜI NÓI ĐẦU
- Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá sản
xuất có vai trò đặc biệt quan trọng.
- Mục tiêu ứng dụng Robot trong công nghiệp là nhằm nâng cao năng suất dây
chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm,
đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hàng hoá đặt ra một vấn đề
thời sự là làm sao để hệ thống tự động hoá sản xuất phải có tính linh hoạt cao
nhằm đáp ứng sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hoá cạnh tranh.
Robot công nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong việc tạo ra những
hệ thống sản xuất linh hoạt đó.
- Gần nửa thế kỷ có mặt trong sản xuất, Robot công nghiệp đã có một lịch sử phát
triển hấp dẫn. Ngày nay robot công nghiệp đã được dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh
vực sản xuất. Ở giai đoạn trước những năm 1990 hầu như trong nước ta hoàn
toàn chưa du nhập về kỹ thuật robot, thậm chí còn chưa nhận được nhiều thông
tin kỹ thuật về lĩnh vực này. Từ năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu
nhập ngoại nhiều loại robot để phục vụ sản xuất như tháo lắp dụng cụ cho các
trung tâm gia công CNC, lắp giáp các linh kiện điện tử, thao tác ở các máy ép
nhựa, hàn vỏ xe ôtô, xe máy, phun sơn v.v…
Ở nhiều trường đại học, cao đẳng và cao đẳng nghề đã bắt đầu giảng dạy về Robot.
Đặc biệt trong những năm gần đây xu thế nhập Robot công nghiệp ở các trường nghề
ngày càng gia tăng để phục vụ cho học sinh, sinh viên thực tập, tiếp cận dần với nền
sản xuất hiện đại. Tuy nhiên sự chuyển giao công nghệ của nhà sản xuất chưa thật như
ý muốn, chưa tận dụng khai thác triệt để của thiết bị. Là một kỹ sư, đồng thời là một
giáo viên tôi mong muốn góp phần nhỏ bé của mình vào công cuộc chung của nhà
trường là đào tạo các công nhân trình độ cao, tôi mạnh dạn chọn đề tài này làm luận
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
2
văn tốt nghiệp: “Lập trình cho Robot hàn Almega AX-V6 để hàn một số đường cong
phức tạp .”
- Tôi rất vinh dự được học tập và nghiên cứu tại khoá đào tạo thạc sỹ khoá 9 của
trường, đề tài tốt nghiệp của tôi được hoàn thành đúng thời hạn với sự hướng
dẫn tận tình của GS.TS Trần Văn Địch, các thầy cô giáo trong và ngoài nhà
trường, các bạn đồng nghiệp và sự nỗ lực của bản thân, và tôi hy vọng rằng đề
tài của tôi sẽ được ứng dụng thực tế vào trong công tác đào tạo của trường Cao
đẳng nghề NN&PTNT Phú Thọ, nơi tôi đang công tác.
- Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô trong khoa Cơ khí,
phòng đào tạo Sau đại học trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã
giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn. Tôi
lấy làm biết ơn trường Cao đẳng nghề NN&PTNT Phú Thọ đã tạo điều kiện cho
tôi học tập, mở mang kiến thức. Tôi xin chân thành cảm ơn.
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
3
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RÔBÔT CÔNG NGHIỆP(IR)
Chương này giới thiệu lịch sử ra đời của Robot công nghiệp, định nghĩa, ứng dụng và
phân loại Robot
1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp
1.2 Định nghĩa về Robot công nghiệp
1.3 Phân loại Robot
1.3.1 Phân loại theo hình học
1.3.2 Phân loại theo điều khiển
1.4 Ứng dụng của Robot công nghiệp trong sản xuất
1.5 Ứng dụng Robot trong ngành hàn
1.1 Sự ra đời của rôbốt công nghiệp (Inductrial robot)
Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi các ứng
dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây
chuyền về thiết bị có tính linh hoạt cao đang dần hình thành. Các thiết bị này đang thay
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
4
thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc thị trường
luôn đòi hỏi mặt hàng thay đổi về chủng loại, tính năng, mỹ thuật, vv,… Vì thế ngày
càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng về robot để tạo ra các hệ thống sản suất linh hoạt.
Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1892 trong tác phẩm “Rossum
’
s
Unicersal Robot” của Karel Capek. Theo tiếng Séc thì robot là người tạp dịch. Trong
tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra chiếc máy gần giống như
con người để hầu hạ con người.
Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực. Ngay sau
chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những cánh tay máy bất kỳ điều
khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ.
Vào những năm 50 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại
tay máy chép hình thuỷ lực và điện từ, như tay máy Minotaur hoặc tay máy Handyman
của General Electric. Năm 1954 George C. Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “ Cơ
cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình”. Đến năm 1956 Devol cùng với
Joseph F. Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại robot
công nghiệp đầu tiên năm 1959 ở công ty Unimation. Chỉ đến năm 1975 công ty
Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này.
Chiếc Robot công nghiệp được đưa và ứng dụng đầu tiên năm 1961 , ở một nhà
máy ôtô của General Motors tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF
của Hoa Kì (American Machine and Foundry Company). Đến năm 1990 có hơn 40
công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như công ty Hitachi và công ty
Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng.
Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến
sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc. Tại
trường đại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo loại robot lắp giáp tự động điều khiển
bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác. Vào thời
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
5
gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều
khiển bằng máy vi tính để lắp giáp các máy in gồm 20 cụm chi tiết.
Vào thời điểm này ở nhiều nước khác cũng tiến hành công trình nghiên cứu tương
tự, tạo ra các robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và các
thiết diện giao tiếp người với máy.
Một lĩnh vực được nhiều người quan tâm là robot tự hành. Các công trình nghiên
cứu tạo ra robot tự hành theo hướng bắt chước chân người hoặc súc vật. Các robot này
còn chưa ứng dụng nhiều trong công nghiệp. Tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại
nhanh chóng đưa vào hoạt động trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt.
Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật
về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã ra tăng, giá thành
giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy robot công nghiệp có
vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
Ngày nay, chuyên ngành khoa học về robot “robotics” đã trở thành một lĩnh vực
rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu, động học, động lực học, lập
trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v…
1.2 Định nghĩa về robot công nghiệp
Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau
• Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) : Robot công nghiệp là một cơ cấu
chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các
chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, định hướng, di
chuyển các đối tượng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp . . . theo những hành trình
thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác
nhau.
• Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America) : Robot là một tay máy vạn
năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết,
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
6
dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động
có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.
• Định nghĩa theo GOCT 25686-85 (Nga) : Robot công nghiệp là một máy tự
động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ
thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức
năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất
1.3 Phân loại Robot
- Có hai phương pháp phân loại robot. Một là theo tính chất vật lý hay hình học
của chúng. Hai là theo cách chúng được điều khiển.
1.3.1 Phân loại theo hình học
Ngành công nghiệp dùng các thiết kế các robot khác nhau với các ưu nhược điểm
riêng. Về cơ bản, một robot phải có 3 bậc tự do để tiếp cận tới tất cả các điểm trong
không gian. Tuy nhiên nó phải có 3 bậc tự do để kẹp 1 vật thể trong không gian. Có 5
loại robot có tính chất không gian làm việc khác nhau, đó là:
1. Loại có dạng đề các (chữ nhật) (x,y,z)
2. Loại có dạng trụ (kiểu trụ) (r,
θ
,z)
3. Loại có dạng cầu (kiểu toạ độ cực) (r,
φθ
,
)
4. Kiểu nối (nhân hình hoá hay nhân tạo) (
321
,,
θθθ
)
5. SCARA (cánh tay máy có kết cấu lắp chọn) (
321
,,
θθθ
)
Mỗi loại robot trên được mô tả theo 3 khớp nối đầu tiên bao gồm bậc tự do của khớp.
Mỗi khớp có thể mô tả bằng toán học hoặc theo chính hệ toạ độ của chúng, mô tả này
có thể vẽ trong hệ toạ độ đề các. Chú ý rằng chuyển động tịnh tiến và quay của cánh
tay Robot bị hạn chế bởi thiết kế robot.
1.Kiểu đề các (hình 1-1)
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
7
Robot kiểu này còn gọi là tay máy kiểu giàn, có các khớp dịch chuyển theo hướng
dạng hình chữ nhật. Đây là dạng mô hình hoá và về dạng toán học vì các hệ toạ độ
tương ứng với hệ trục toạ độ đề các. Robot này được dùng ở những nơi cần độ chính
xác rất cao, tuy nhiên không gian làm việc của nó rất hạn chế.
Hình 1-1: Robot có không gian làm việc dạng hình chữ nhật
2. Kiểu trụ: Robot này có một khớp quay và khớp tịnh tiến, 3 khớp đầu tiên của loại
này ứng với 3 biến cơ bản của hệ toạ độ trụ.
Chuyển động quay:
θ
Chuyển động cao: h
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
8
Tầm với: r
Hình 2-2: Robot có không gian làm việc dạng trụ
Nếu vị trí của điểm tham chiếu của tay ký hiệu là (
rh,,
θ
), khi đó vị trí sẽ dễ dàng xác
định tại tất cả các thời điểm, nhưng nếu vị trí được cho ở một thời điểm, tức là (x,y,z)
như trong trường hợp bình thường, sau đó cần thực hiện một vài phép biến đổi tay 2 hệ
trục toạ độ, áp dụng phép tiếp cận mềm và giải bài toán cho 3 khớp đầu tiên, trục z có
vẻ giống như trục thẳng đứng của Robot:
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
9
z = h
Mặt phẳng xy vuông góc với trục z và do đó song song với mặt phẳng ở đó
θ
quay
(quanh trục z) và khoảng cách r.
x = rcos
θ
, y = rsin
θ
Loại robot này đa năng hơn loại đề các. Tuy nhiên nó có độ chính xác thấp hơn.
3. Loại không gian làm việc hình cầu:
Loại robot này có một khớp tịnh tiến và 2 khớp quay, 3 khớp đầu tiên của robot này
tương ứng với 3 biến cơ bản của một hệ toạ độ cầu.
Hình 1-3: Robot có không gian làm việc dạng cầu
Chuyển động quay:
1
φ
Chuyển động quay vuông góc với mặt phẳng của
φ
(quay quanh trục z):
θ
Tầm với: z
Để biết vị trí của tay robot, phải giữ nguyên các giá trị (
r,,
θφ
). Tuy nhiên nếu chúng ta
có vị trí tay robot ở dạng (x,y,z), chúng ta phải thực hiện phép chuyển hệ.
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
10
Theo cách ít chặt chẽ hơn giống như trong trường hợp của robot loại 2, chúng ta có
thể xác định toạ độ khớp (
r,,
θφ
) phải nằm vị trí của tay máy ở một điểm đề các cụ thể.
Phần bổ xung của khớp quay thứ 2 tăng tính mềm dẻo của robot này. Tuy nhiên nó làm
giảm độ chính xác.
4. Loại robot thứ 4: (hình 1-4)
Loại này có 3 khớp quay. Việc chuyển hệ toạ độ sang hệ trục đề các phức tạp hơn
nhiều các trường hợp trước. Robot rất linh hoạt. Loại này có ưu điểm trong trường hợp
robot phải tiếp cận các chi tiết qua các vật cản. Tuy vậy độ chính xác của nó thấp hơn
tất cả các loại khác.
Hình 1-4
5. SCARA:(hình 1-5)
Loại robot này là loại có cấu trúc hình học mới nhất được giới thiệu trong mô hình hóa
các loại robot. Chuyển động của các khớp cơ bản quanh các trục thẳng đứng. Cấu trúc
này cho độ cứng cần thiết cho robot theo phương thẳng đứng trong khi cho phép quay
trong mặt phẳng nằm ngang.
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
11
Hình 1-5: Robot SCARA
Các chuyển động của tất cả các khớp chính là chyển động quay nên việc biểu diễn toán
học không đơn giản. Loại robot này có ưu điểm trong công việc lắp giáp đòi hỏi chính
xác.
1.3.2 Phân loại theo điều khiển
- Có 2 phương pháp điều khiển Robot. Đó là kỹ thuật điều khiển không servo và
kỹ thuật điều khiển servo. Điều khiển không servo dùng phương pháp hãm cơ
khí để cung cấp các phạm vi biên của chuyển động và khi lệnh dịch chuyển
được sử dụng, khớp được dẫn động cho đến khi hãm cơ khí được chạm tới. Kỹ
thuật này hiện nay đã lỗi thời. Kỹ thuật servo dùng cấu trúc phản hồi để đáp ứng
với các thay đổi cục bộ của các khớp động của robot.
- So 2 loại kỹ thuật điều khiển servo: kiểu đường đi điểm-tới-điểm (point-to-
point) và liên tục. Kỹ thuật điểm-tới-điểm dùng chuẩn của điểm đầu và điểm
cuối (và các điểm trung gian) của chuyển động robot đòi hỏi một hệ thống điều
khiển đáp lại phản hồi ở những điểm này. Kỹ thuật này được dùng trong hàn
điểm, công việc nhặt-và-đặt vật thể và các công việc tương tự. Phương pháp
điều khiển liên tục đòi hỏi đầu chấp hành của robot theo một đường nhất định từ
điểm đầu tới điểm cuối. Kỹ thuật này dùng nhiều trong ứng dụng cần chuyển
động theo đường biên như hàn hay phun sơn.
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
12
- Các robot kiểu chuyển động liên tục thường theo chuỗi các điểm gần nhau trong
không gian trên một đường và các điểm này được xác định bằng bộ điều khiển
hơn là một chương trình. Trong nhiều trường hợp, các đường giữa các điểm là
các đường thẳng.
1.4 Ứng dụng của robot công nghiệp trong sản xuất
- Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng nhiều trong lĩnh vực dưới góc độ
thay thế con người. Nhờ vậy dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu
quả tăng lên rõ rệt.
- Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền
công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm
đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào các khả
năng to lớn của robot như:
+ Làm việc không biết mệt mỏi
+ Rất dễ chuyển nghề một cách thành thạo
+ Chịu được tia phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao
+ Thay thế con người trong các công việc đơn điệu mà dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn
+ …
- Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ
hàn, công nghệ cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi,
lắp giáp sản phẩm,
- Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC
với các robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức độ tự động hoá cao, mức
độ linh hoạt cao,…ở đây các máy và robot cùng được điều khiển một hệ thống
chương trình.
- Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc
khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, quốc phòng, chinh phục vũ
trụ, công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội,…
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
13
- Rõ ràng khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt trội hơn khả
năng của con người, do đó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao
năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc
hại. Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt như con người, trong dây
chuyền tự động, nếu một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây
chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người.
1.5. Ứng dụng của Robot trong nghành hàn
- Như ta đã biết Robot công nghiệp được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác
nhau, trong đó có ngành hàn, hiện nay số lượng Robot hàn chiếm đến 25% tổng số
Robot các loại. Trong ngành công nghiệp sản xuất thì hàn đóng vai trò quan trọng,
ví dụ như ngành công nghiệp ôtô, đóng tàu, Vì vậy số lượng Robot hàn được thay
thế các phương pháp hàn khác rất nhiều, sở dĩ có được điều này là do tính năng
vượt trội khi hàn bằng Robot như sau:
+ Có tính tự động cao và năng suất cao
+ Có thể thực hiện được các đường hàn phức tạp
+ Chất lượng mối hàn tốt và tính thẩm mỹ cao
+ Có thể thực hiện các thao tác lặp đi, lặp lại liên tục
+ Giải phóng người lao động khỏi tác động có hại khi hàn.
CHƯƠNG II GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ HÀN
Trong chương này chúng ta tìm hiểu qua về công nghệ hàn
2.1 Lịch sử phát triển của nghành hàn
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
14
2.2 Bản chất, đặc điểm, ứng dụng của hàn kim loại
2.3 Phân loại các phương pháp hàn
2.4 Phân loại các liên kết hàn
2.5 Mối hàn và sự hình thành mối hàn
2.6 Hàn hồ quang
2.7 Ứng suất và biến dạng hàn
2.8 Khuyết tật mối hàn và phương pháp kiểm tra
2.9 Giới thiệu một số công nghệ hàn
2.1 Lịch sử phát triển của ngành hàn
- Thời kỳ đồ đồng, đồ sắt loài người đã biết hàn kim loại
- Năm 1802 nhà bác học người Nga Pêtơrốp đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện
- Năm 1882 Kỹ sư Bênađớt đã sử dụng hồ quang điện cực than để hàn kim loại.
- Năm 1886 Tômsơn đã tìm ra phương pháp hàn tiếp xúc giáp mối và được áp dụng
rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp vào năm 1903.
- Năm 1887 Bênađớt đã tìm ra phương pháp hàn điểm
- Năm 1888 Slavianốp đã sử dụng điện cực kim loại để hàn.
- Năm 1907 kỹ sư Kenbe người Thụy Điển đã sử dụng điện cực có thuốc bọc (que
hàn) để hàn kim loại.
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
15
- Cuối những năm 1930 - đầu những năm 1940 viện sỹ E.O.Patôn (Liên Xô cũ) tìm
ra phương pháp hàn dưới lớp thuốc, phương pháp hàn tự động, bán tự động
- Cuối năm 1940, tìm ra phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ, đó là các
khí ( Hêli, Argon ở Mỹ và khí Cacboníc ở Liên Xô)
- Năm 1949 B.O.Patôn (Kiev, Liên Xô). Tìm ra phương pháp hàn điện xỉ.
Những năm tiếp theo hàng loạt các phương pháp hàn mới được ra đời như: Hàn
bằng tia điện tử, hàn siêu âm, hàn ma sát,…và hiện nay trên thế giới có 120 phương
pháp hàn khác nhau.
Nói chung các phương pháp hàn ngày càng hoàn thiện và phát triển hơn. Nó
được sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong kỹ thuật quốc phòng
và đặc biệt là ngành hàng không – vũ trụ. Có thể nói: Hàn là phương pháp gia công
kim loại tiên tiến và hiện đại.
- Ở nước ta, sau cách mạng tháng 8/1945 và đặc biệt sau khi hoà bình 1954. Dưới
sự lãnh đạo của Đảng ngành hàn đã được quan tâm và thực sự phát triển, nhất là
trong thời kỳ đổi mới. Hiện nay với đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật hàn, công
nhân hàn lành nghề ngày càng đông đảo với sự hợp tác khoa học với các nước
trên thế giới. Chúng ta tin chắc rằng ngành hàn ở Việt Nam ngày càng phát triển
và được ứng dụng ngày càng nhiều vào sản xuất.
2.2 Bản chất, đặc điểm và ứng dụng của hàn kim loại
2.2.1 Bản chất
- Hàn là quá trình công nghệ nối 2 hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận) lại với
nhau thành một khối bền vững không tháo rời bằng cách dùng nguồn nhiệt để nung
nóng vị trí cần nối đến trạng thái hàn (trạng thái lỏng hoặc dẻo) sau đó kim loại
lỏng tự kết tinh (trạng thái lỏng) hoặc dùng thêm ngoại lực ép chúng dính lại với
nhau (trạng thái dẻo) để tạo thành mối hàn.
2.2.2 Đặc điểm
a. Liên kết hàn: Là liên kết cứng không tháo dời ra được
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
16
b. Tiết kiệm kim loại: với cùng khả năng làm việc
So với liên kết bằng bu lông, đinh tán, hàn tiết kiệm từ 10-20% khối lượng kim
loại
So với đúc, hàn tiết kiệm 50% khối lượng kim loại
c. Hàn cho phép chế tạo được các kết cấu phức tạp (siêu trọng, siêu trường) từ
những vật liệu cùng loại, khác loại có tính chất khác nhau để phù hợp với các điều
kiện, môi trường làm việc khác nhau.
d. Hàn tạo ra các liên kết có độ bền, độ kín cao đáp ứng nhu cầu làm việc của các
kết cấu quan trọng như: Vỏ tàu, nồi hơi, thiết bị chịu áp lực,…
e. Hàn có tính năng động và năng suất cao so với các công nghệ gia công khác, do
vậy dễ cơ khí hoá, tự động hoá quá trình sản xuất.
f. Mức độ đầu tư cho quá trình sản xuất thấp. Tuy nhiên do trong quá trình hàn vật
liệu chịu tác động của nguồn nhiệt có công suất lớn, tập chung và thời gian hàn
ngắn vì vậy liên kết hàn thường có nhược điểm sau:
+ Tổ chức và tính chất của kim loại tại vùng mối hàn và khu vực lân cận có thể
bị thay đổi (đặc biệt là những vật liệu khó hàn) do vậy làm giảm khả năng chịu lực
của kết cấu. Đặc biệt làm việc dưới tác động của tải trọng động, tải trọng biến đổi
theo chu kỳ.
+ Trong kết cấu hàn thường tồn tại trạng thái ứng suất và biến dạng dư, do vậy
ảnh hưởng đáng kể đến hình dáng, kích thước, tính thẩm mỹ và khả năng làm việc
của kết cấu.
2.2.3 Ứng dụng
Mặc dù có những nhược điểm trên nhưng với tính kinh tế kỹ thuật cao. Công
nghệ hàn ngày càng được quan tâm phát triển hoàn thiện và được ứng dụng rộng rãi
trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp của nền kinh tế quốc dân.
2.3 Phân loại các phương pháp hàn
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
17
- Có nhiều cách phân loại phương pháp hàn. Tuy nhiên thông dụng nhất có 2 cách
phân loại đó là: Phân loại theo dạng năng lượng sử dụng và theo trạng thái kim loại
mối hàn ở thời điểm hàn.
2.3.1 Phân loại theo dạng năng lượng sử dụng
a. Các phương pháp hàn điện: Bao gồm các phương pháp dùng điện năng biến
thành nhiệt năng để cung cấp cho quá trình hàn (hàn điện hồ quang, hàn điện tiếp
xúc, hàn TIG, MIC, MAG,…)
b. Các phương pháp hàn cơ học: bao gồm các phương pháp dùng cơ năng để làm
biến dạng kim loại tại khu vực cần hàn tạo ra liên kết hàn (hàn nguội, hàn ma sát,
hàn siêu âm,…)
c. Các phương pháp hàn hoá học: Bao gồm các phương pháp sử dụng năng lượng
do các phản ứng hoá học tạo ra để nung nóng kim loại (hàn khí, hàn hoá nhiệt,…)
d. Các phương pháp hàn kết hợp: Bao gồm các phương pháp sử dụng kết hợp các
phương pháp nêu trên (hàn điện cơ, hàn điện tiếp xúc,…)
2.3.2 Phân loại theo trạng thái kim loại mối hàn ở thời điểm hàn
- Theo cách phân loại này người ta chia tất cả các phương pháp hàn thành 2 nhóm:
hàn nóng chảy và hàn áp lực (hình 2-1)
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
18
Hình 2-1: Phân loại các phương pháp hàn theo trạng thái hàn
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
Hàn áp lực
Hàn kim loại
Hàn
hồ
quang
Hàn
điện
xỉ
Hàn
khí
Hàn
laze
Hàn
Plasma
Hà
n
nổ
Hàn
nguội
Hàn
khí
ép
Hàn
ma
sát
Hàn
hoá
nhiệt
Hàn
chu
m
tia
điện
tử
Hàn
siêu
âm
Hàn
khu
yếc
h
tán
Hàn
cao
tần
Hàn
rèn
Hàn
điện
tiếp
xúc
Hàn nóng chảy
19
Hàn bằng điện cực nóng chảy có vỏ
thuốc
Hàn bằng điện cực không nóng chảy
trong khí trơ
Hàn bằng điện cực nóng chảy có khí
trơ
Hàn bằng điện cực nóng chảy trong
khí hoạt tính
Hàn bằng dây hàn có lõi thuốc
Hàn dưới lớp thuốc bảo vệ
Hàn tiếp xúc giáp mối
Hàn tiếp xúc điểm
Hàn tiếp xúc đường
2.4 Phân loại các liên kết hàn
2.4.1 Khái niệm
Để tạo thành liên kết hàn với các phần tử (chi tiết, bộ phận) chúng cần phải có vị trí
xác định tương đối với nhau trong không gian. Nghĩa là chúng phải được sắp xếp gần
nhau, tiếp xúc với nhau theo một dạng nào đó (như tiếp xúc điểm đường, mặt). Sau khi
hàn ra được một liên kết hàn bao gồm mối hàn và kim loại cơ bản không bị thay đổi tổ
chức dưới tác dụng của quá trình hàn. Trong thực tế các loại liên kết đó được phân loại
như sau:
2.4.2 Phân loại:
Một số liên kết hàn thường gặp bao gồm 4 loại (hình 2-2)
a. Liên kết hàn giáp mối
b. Liên kết hàn góc
c. Liên kết hàn chữ T
d. Liên kết hàn chồng
Hình 2-2: Một số liên kết hàn thường gặp
2.5 Mối hàn và sự hình thành mối hàn
2.5.1 Mối hàn:
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
20
Là hỗn hợp giữa kim loại điện cực (que hàn) và kim loại cơ bản (vật hàn) sau khi
nóng chảy kết tinh lại thành một khối không thể tháo rời ra được. Trên mặt cắt
ngang của một liên kết hàn giáp mối bao gồm 3 vùng (hình 2-3)
Hình 2-3: các vùng quy ước trên mặt cắt ngang của liên kết hàn giáp mối.
1- vùng mối hàn; 2- vùng ảnh hưởng nhiệt; 3- vùng kim loại cơ bản
2.5.2 Chuyển dịch kim loại lỏng từ que hàn vào vũng hàn
Khi hàn hồ quang bằng bất cứ phương pháp nào và ở bất kỳ vị trí nào trong không
gian kim loại lỏng cũng chuyển từ que hàn vào vũng hàn dưới dạng các giọt nhỏ
riêng biệt có kích thước khác nhau chảy từ que hàn vào vũng hàn, điều này được
giải thích bởi các nhân tố sau:
a. Trọng lực của các giọt kim loại lỏng:
Những giọt kim loại hình thành ở mặt đầu que hàn và dịch chuyển theo phương
thẳng đứng từ trên xuống dưới do lực hút của trái đất, lực này chỉ có khả năng làm
dịch chuyển giọt kim loại vào bể hàn khi hàn sấp và có tác dụng ngược lại khi hàn
trần. Còn khi hàn đứng thì chỉ một phần kim loại dịch chuyển từ trên xuống.
b. Do sức căng bề mặt
Giọt kim loại được sinh ra do tác dụng của lực phân tử luôn luôn có khuynh
hướng tạo cho bề mặt chất lỏng một năng lượng nhỏ nhất. Vì vậy sức căng bề mặt
tạo thành những giọt kim loại lỏng có dạng hình cầu. Những giọt này mất đi khi
chúng rơi vào bể hàn và sức căng của bề mặt bể hàn kéo vào thành dạng chung. Nó
tạo điều kiện khi hàn trần kim loại lỏng không bị rơi và hình thành mối hàn.
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
21
c. Do cường độ điện trường
Dòng điện đi qua khe hàn sinh ra một lực điện trường ép lên que hàn và có tác
dụng làm giảm tiết diện ngang đến không lực này cắt kim loại lỏng ở đầu que
hàn thành giọt do sức căng bề mặt và cường độ điện trường tiết diện ngang
giảm, mật độ dòng điện tăng, mặt khác ở đây điện trở cao sinh nhiệt lớn kim
loại lỏng đạt đến trạng thái sôi tạo ra áp lực đẩy giọt kim loại vào vũng hàn. Lực
điện trường làm dịch chuyển kim loại lỏng từ que hàn vào vũng hàn đối với tất
cả vị trí hàn (hình 2-4)
Hình 2-4: Tác dụng nén của điện trường lên que hàn khi nóng chảy
d. Áp lực trong
Kim loại lỏng ở đầu que hàn bị quá nhiệt nhanh, các phản ứng hoá học sinh ra ở đó
có các khí CO
2
. Thể tích tăng rất nhanh gây áp lực mạnh đẩy giọt kim loại lỏng tách
khỏi que hàn và rơi vào vũng hàn.
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
22
2.5.3 Sự tạo thành vũng hàn
a. Sự tạo thành vũng hàn
- Trong hàn nóng chảy kim loại que hàn và mép kim loại vật hàn nóng chảy hòa trộn
vào nhau tạo thành vũng hàn (bể hàn).
- Trong quá trình hàn vũng hàn chuyển dịch cùng nguồn nhiệt theo tốc độ hàn, kim
loại lỏng trong bể hàn ở trạng thái chuyển động và xáo trộn không ngừng. Sự chuyển
động đó gây ra áp suất của dòng khí tác động lên bề mặt kim loại lỏng trong vùng tác
dụng nhiệt khi hàn (vùng A). Đồng thời do những yếu tố khác (lực điện trường trong
hồ quang), kim loại lỏng được đẩy ra từ vùng tác dụng của nguồn nhiệt hướng ngược
chiều với chiều chuyển động của nó và tạo nên phần lõm trong bể hàn.
b. Cấu tạo vũng hàn (hình 2-5)
Người ta quy ước chia vùng hàn thành 2 vùng
Vùng A: phần đầu mối hàn thực hiện quá trình làm nóng chảy kim loại vật hàn.
Vùng B: phần đuôi mối hàn thực hiện quá trình kết tinh tạo thành mối hàn.
Hình 2-5: Sơ đồ vũng hàn. A,B: phần đầu và phần đuôi của vũng hàn; h,b,a: chiều
sâu, chiều rộng và chiều dài của vũng hàn; s: chiều dày của chi tiết hàn
2.5.4 Tổ chức kim loại mối hàn
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
23
Sau khi hàn xong kim loại que hàn và vật hàn nóng chảy kết tinh tạo thành mối hàn.
Mối hàn có tổ chức và thành phần khác với que hàn và vật hàn, thường tốt hơn vùng
kim loại vật hàn quanh mối hàn. Do ảnh hưởng nhiệt nên có sự thay đổi về tổ chức và
tính chất gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt (phần kim loại lân cận mối hàn)
Kim loại nóng chảy hoàn toàn khi nguội có tổ chức tương tự như thỏi đúc vùng sát
kim loại cơ bản do tản nhiệt nhạnh, tốc độ nguội lớn nên hạt nhỏ, vùng tiếp theo kim
loại kết tinh theo hướng thẳng góc với mặt tản nhiệt nên có dạng nhánh cây kéo dài,
vùng trung tâm mối hàn do nguội chậm nên hạt lớn có tạp chất (phi kim loại) (hình 2-
6)
Hình 2-6: Sơ đồ kết tinh của kim loại mối hàn
2.5.5 Vùng ảnh hưởng nhiệt (hình 2-7)
a. Khái niệm
Sau khi kim loại ở vùng hàn nguội kết tinh thành mối hàn, vùng kim loại quanh mối
hàn do ảnh hưởng nhiệt nên có sự thay đổi về tổ chức và tính chất gọi là vùng ảnh
hưởng nhiệt. Sự tạo thành vùng ảnh hưởng nhiệt là tất nhiên trong quá trình hàn nóng
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
24
chảy, chiều rộng của nó phụ thuộc vào phương pháp và chế độ hàn, thành phần và
chiều dày của kim loại vật hàn gồm các phần sau:
b. Cấu tạo vùng ảnh hưởng nhiệt
Hình 2-7: Tổ chức vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn giáp mối thép ít các bon
(1) Vùng viền chảy: Là vùng kim loại nóng chảy không hoàn toàn nằm giữa kim
loại mối hàn nóng chảy và kim loại vật hàn không nóng chảy. Vùng này có kích
thước bé. Hạt kim loại nhỏ mịn và có ảnh hưởng tốt đến mối hàn.
(2) Vùng quá nhiệt: Có nhiệt độ từ 1100
o
C đến gần nóng chảy kim loại chịu sự biến
đổi về hình thù hạt Austenit phát triển mạnh, vùng này hạt kim loại to có độ dai
và tính dẻo kém là vùng yếu nhất của mối hàn.
Lu n v n t t nghi p Tr ng ình Luân ậ ă ố ệ ươ Đ
25
