Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ dao động đầu hàn đến biên dạng mối hàn khi hàn góc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------------------NGUYỄN HỮU CHẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG ĐẦU HÀN
ĐẾN BIÊN DẠNG MỐI HÀN KHI HÀN GÓC

Chuyên ngành: Công nghệ hàn

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ HÀN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. BÙI VĂN HẠNH

Hà Nội - 2011


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sỹ "Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ dao động đầu hàn đến
biên dạng mối hàn khi hàn góc" được hoàn thành bởi tác giả Nguyễn Hữu Chấn,
học viên lớp Cao học Hàn, khoá 2009 - 2011, khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội.
Tôi xin cam đoan bản luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Phần
cơ sở lý thuyết được tham khảo các tài liệu mới nhất và có chọn lọc. Các thông số
thí nghiệm, sản phẩm được thực hiện trên Robot hàn AX-V6 phòng thí nghiệm
trường Đại học Sao Đỏ. Các kết quả nêu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực

và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2011
Tác giả luận văn

Nguyễn Hữu Chấn

Nguyễn Hữu Chấn

1

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa ...............................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ......................................................................6
Danh mục các bảng .....................................................................................................7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị......................................................................................8
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................12
Chương I - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN BÁN TỰ ĐỘNG, HÀN TỰ
ĐỘNG BẰNG ĐIỆN CỰC NÓNG CHẢY TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ
...................................................................................................................................15
1.1. Tổng quan về công nghệ hàn điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ
(hàn MAG/MIG) ......................................................................................................15

1.1.1. Thực chất đặc điểm và phạm vi ứng dụng ................................................15
1.1.1.1. Thực chất đặc điểm..............................................................................15
1.1.1.2. Phạm vi ứng dụng ...............................................................................17
1.1.2. Thiết bị hàn MAG .....................................................................................17
1.1.2.1. Máy hàn bán tự động ................................................................................17
1.1.2.2. Máy hàn tự động ................................................................................ 21
1.2. Tổng quan về robot hàn ..................................................................................23
1.2.1. Lịch sử phát triển của robot ......................................................................23
1.2.2. Ứng dụng của robot ..................................................................................25
1.2.3. Giới thiệu về Robot hàn AX-V6 ...............................................................29
1.2.3.1. Thân Robot ..............................................................................3030
1.2.3.2. Bộ điều khiển ........................................................................................31
1.2.3.3. Bảng điều khiển ....................................................................................32
1.2.3.4. Hộp thao tác ..........................................................................................32
1.2.4. Các thông số dao động đầu hàn của robot hàn .........................................33
1.2.4.1. Tần số dao động (f) .............................................................................33

Nguyễn Hữu Chấn

2

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

1.2.4.2. Biên độ dao động (A) ..........................................................................33
1.2.4.3. Góc nghiêng mỏ hàn (α) .....................................................................34

1.2.4.4. Thời gian dừng (t) ...............................................................................34
Chương 2 - NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ HÀN
ĐẾN HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC MỐI HÀN GÓC ...........................................35
2.1. Cơ sở của việc tính toán, thiết kế mối hàn góc ..............................................35
2.1.1. Các yêu cầu và tiêu chuẩn đánh giá ..........................................................35
2.1.2. Ảnh hưởng của sự chuyển tiếp kim loại đến hình dạng, kích thước mối hàn .......38
2.1.2.1. Sự tạo thành mối hàn, các nhân tố ảnh hưởng đến sự tạo thành mối
hàn ...........................................................................................................................38
2.1.2.2. Khả năng chịu tải của mối hàn góc .....................................................46
2.2. Ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình dạng mối hàn góc ...........55
2.2.1. Ảnh hưởng của điện áp hàn ......................................................................55
2.2.2. Ảnh hưởng của vận tốc hàn ......................................................................57
2.2.3. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn ..................................................59
2.2.3.1. Mật độ dòng điện hàn .........................................................................60
2.2.3.2. Vận tốc điện cực và cường độ dòng điện hàn .....................................60
2.3. Ảnh hưởng của chế độ dao động đầu hàn đến hình dạng mối hàn góc ..........62
2.3.1. Ảnh hưởng của tần số dao động ...............................................................62
2.3.2. Ảnh hưởng của phương pháp dao động ....................................................62
2.3.3. Ảnh hưởng của biên độ dao động .............................................................63
2.3.4. Ảnh hưởng của góc nghiêng đầu hàn .......................................................63
2.3.4.1. Góc nghiêng mỏ hàn ...........................................................................64
2.3.4.2. Góc dao động ......................................................................................64
2.3.5. Ảnh hưởng của thời gian dừng .................................................................65
Chương 3 - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CHẾ
ĐỘ DAO ĐỘNG ĐẦU HÀN TỐI ƯU ....................................................................66
3.1. Quy hoạch thực nghiệm .................................................................................66
3.1.1. Khái niệm quy hoạch thực nghiệm ...........................................................66

Nguyễn Hữu Chấn

3

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

3.1.2. Mục đích của quy hoạch thực nghiệm ......................................................66
3.1.3. Đối tượng nghiên cứu ...............................................................................67
3.1.4. Các nguyên tắc trong quy hoạch thực nghiệm .........................................68
3.1.4.1. Nguyên tắc không lấy toàn bộ trạng thái ban đầu ..............................68
3.1.4.2. Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học .......................................68
3.1.4.3. Nguyên tắc đối chứng với nhiễu .........................................................68
3.1.4.4. Nguyên tắc ngẫu nhiên hóa (sử dụng tối ưu không gian các yếu tố)...69
3.1.4.5. Nguyên tắc tối ưu của quy hoạch thực nghiệm .................................. 69
3.1.5. Cơ sở lý thuyết của phương pháp .............................................................70
3.1.5.1. Kế hoạch thực nghiệm toàn phần .......................................................70
3.1.5.2. Tối ưu hóa tìm cực trị (Phương pháp leo dốc Box-Wilson) ................72
3.1.6. Các bước tiến hành của phương pháp quy hoạch thực nghiệm ................73
3.1.6.1. Chọn thông số nghiên cứu ..................................................................73
3.1.6.2. Lập kế hoạch thực nghiệm ..................................................................74
3.1.6.3. Tiến hành thí nghiệm nhận thông tin ..................................................74
3.1.6.4. Xây dựng và kiểm tra mô hình thực nghiệm ......................................74
3.1.6.5. Tối ưu hóa hàm mục tiêu ....................................................................75
3.1.7. Ý nghĩa của quy hoạch thực nghiệm ........................................................75
3.2. Nghiên cứu thực nghiệm tìm chế độ dao động đầu hàn tối ưu .......................76
3.2.1. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát .......................................................................76
3.2.2. Sơ đồ nghiên cứu trong đề tài....................................................................77

3.3. Xây dựng mô hình hàm mục tiêu ....................................................................77
3.3.1. Hình dạng mô hình ....................................................................................77
3.3.2. Giới thiệu phương pháp xác định hệ số của mô hình ................................78
3.4. Xác định hàm mục tiêu....................................................................................80
3.4.1. Lựa chọn các biến số .................................................................................81
3.4.2. Chọn tần số và xác định khoảng biến thiên...............................................82
3.4.3. Tiến hành thí nghiệm xác định các thông số chế độ dao động đầu hàn. ..83
3.4.4. Tính toán số liệu và kết quả thí nghiệm ....................................................84

Nguyễn Hữu Chấn

4

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

Chương 4 - THỰC NGHIỆM ÁP DỤNG TRÊN ROBOT HÀN HỒ QUANG AXV6 .............................................................................................................................88
4.1. Xây dựng quy trình thực nghiệm ...................................................................88
4.1.1. Chuẩn bị……………………………………………………………………..……….88
4.1.2. Lập chương trình trên robot hàn AX-V6 ..................................................89
4.1.2.1. Ghi bước 1 (điểm gốc làm việc) .........................................................90
4.1.2.2. Ghi bước 2 (ngay trước vị trí robot bắt đầu thực hiện công việc) .......91
4.1.2.3. Ghi bước 3 (vị trí bắt đầu thao tác hàn) ...............................................92
4.1.2.4. Ghi bước 4 (kết thúc thao tác hàn).......................................................93
4.1.2.5. Ghi bước 5 (vị trí ở xa phôi) ................................................................89
4.1.2.6. Ghi bước 6 (trùng với vị trí bước 1) ..................................................96

4.1.2.7. Ghi lệnh kết thúc (lệnh chức năng END) ............................................97
4.2. Chèn lệnh hồ quang.........................................................................................98
4.3. Chèn lệnh dao động ........................................................................................99
4.4. Chạy tự động .................................................................................................100
4.5. Kết quả thu được ...........................................................................................100
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................102
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................104
PHỤ LỤC................................................................................................................105

Nguyễn Hữu Chấn

5

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu viết tắt

Viết đầy đủ tiếng Việt

MIG

Hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ

MAG

Hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí hoạt tính

JIRA

Hiệp hội robot công nghiệp Nhật bản

CNC

Điều khiển bằng máy tính

AX-V6

Robot hàn hồ quang

TCXDVN

Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

PA

Vị trí hàn bằng

PB

Vị trí hàn bằng góc

PC

Vị trí hàn ngang

PD

Vị trí hàn ngửa góc

PE

Vị trí hàn ngửa tấm

PF

Vị trí hàn leo

PG

Vị trí hàn rơi

DIN 18800

Tiêu chuẩn của Đức về chế tạo thép

DS 804

Tiêu chuẩn cầu đường sắt

JIONT

Nội suy theo điểm

LIN

Nội suy theo đường

CIR

Nội suy theo cung tròn

SPD

Tốc độ

ACC

Cấp chính xác

REC

Ghi lệnh

INTERP/COORD

Thay đổi kiểu nội suy/hệ tọa độ

O.WRITE

Ghi đè lệnh

FN

Lệnh chức năng

END

Lệnh kết thúc

Nguyễn Hữu Chấn

6

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Hệ số βf và βs ..........................................................................................36
Bảng 2.2. Sự phân bố nhiệt khi hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo
vệ ..............................................................................................................................38
Bảng 2.3. Hệ số sức căng bề mặt của các kim loại khác nhau .....................................39
Bảng 2.4. Hệ số m phụ thuộc vào đường kính dây hàn ..........................................49
Bảng 2.5. Cường độ dòng điện hàn, tốc độ cấp dây khi hàn trong môi trường khí
CO2 ............................................................................................................................51
Bảng 2.6. Dải vận tốc điện cực (và cường độ dòng điện hàn tương ứng) tiêu biểu
cho hàn trong môi trường khí CO2 .........................................................................61
Bảng 3.1. Bảng giá trị tổng quát của các hệ số ......................................................78
Bảng 3.2. Khoảng biến thiên của các thông số dao động .......................................83
Bảng 3.3. Mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng với biên dạng mối hàn ............84
Bảng 3.4. Ma trận kế hoạch thí nghiêm ..................................................................89

Bảng 3.5. Ma trận kế hoạch thí nghiệm với biến mã hoá .......................................89
Bảng 3.6. Kết quả các hệ số trên phần mềm Modde ...............................................89
Bảng 4.1. Chế độ hàn ..............................................................................................88
Bảng 4.2. Chế độ dao động đầu hàn ....................................................................100

Nguyễn Hữu Chấn

7

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. Sản phẩm giá chuyển hướng toa xe .............................................................11
Hình 2. Dầm hàn chịu lực .........................................................................................12
Hình 3. Liên kết hàn chịu lực....................................................................................12
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ ..16
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý của nguồn hàn Inverter ..................................................18
Hình 1.3. Máy hàn MAG có sử dụng nguồn hàn Inverter của hãng Migatronic ......18
Hình 1.4. Bảng mặt bộ điều khiển của máy hàn MAG.............................................19
Hình 1.5. Bộ cấp dây hàn MAG loại để bên trong hộp.............................................19
Hình 1.6. Van giảm áp khí CO2 loại dùng đồng hồ đo lưu lượng khí tiêu hao.........20
Hình 1.7. Súng hàn và phụ kiện ................................................................................21
Hình 1.8. Máy hàn MAG tự động kết nối với robốt hàn ..........................................22
Hình 1.9. Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi........................................25
Hình 1.10. Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC ........................................26

Hình 1.11. Đầu hàn có trang bị cảm biến dò tìm đường đi bằng laser theo không
gian ba chiều .............................................................................................................27
Hình 1.12. Thân Robot ............................................................................................30
Hình 1.13. Bộ điều khiển Robot .............................................................................31
Hình 1.14. Bảng điều khiển Robot ..........................................................................32
Hình 1.15. Hộp thao tác trên Robot ........................................................................32
Hình 1.16. Các thông số dao động đầu hàn của Robot ...........................................33
Hình 1.17. Biên độ dao động ..................................................................................33
Hình 1.18. Góc nghiêng mỏ hàn .............................................................................34
Hình 1.19. Thời gian dừng ......................................................................................89
Hình 2.1. Tiết diện tính toán của đường hàn góc ....................................................35
Hình 2.2. Đường hàn góc chịu mô men tác dụng trong mặt phẳng bổ trợ đường hàn
...................................................................................................................................37
Hình 2.3. Sơ đồ dịch chuyển ngắn mạch ....................................................................41
Hình 2.4. Sơ đồ dịch chuyển giọt lớn.........................................................................42

Nguyễn Hữu Chấn

8

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

Hình 2.5. Sơ đồ hình thành giọt kim loại ở đầu điện cực với dịch chuyển tia dọc trục
...................................................................................................................................43
Hình 2.6. Sơ đồ dịch chuyển xung tia và xung ngắn mạch ..........................................45

Hình 2.7. Dịch chuyển xung tia cho phép giảm cường độ dòng điện hàn ...................45
Hình 2.8. Ứng suất pháp trong mối hàn......................................................................46
Hình 2.9. Ứng suất cắt song song trong mối hàn ........................................................47
Hình 2.10. Ứng suất cắt vuông góc trong mối hàn .....................................................47
Hình 2.11. Chiều dầy các dạng mối hàn góc ..............................................................48
Hình 2.12. Kích thước mối hàn góc ...........................................................................48
Hình 2.13. Quan hệ giữa cường độ dòng điện hàn và vận tốc hàn theo hình dạng bề
mặt mối hàn...............................................................................................................49
Hình 2.14. Chiều cao toàn bộ của kim loại đắp khi hàn nhiều lớp ...........................50
Hình 2.15. Ứng suất do lực ngang và lực dọc...........................................................52
Hình 2.16. Ứng suất do mô men uốn ........................................................................52
Hình 2.17. Ứng suất do mô lực ngang ......................................................................53
Hình 2.18. Ứng suất mối hàn tổng thể ......................................................................54
Hình 2.19. Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của điện áp hàn....................................56
Hình 2.20. Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của tốc độ hàn......................................58
Hình 2.21. Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn ................59
Hình 2.22. Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của các mật độ dòng điện hàn vận tốc
điện cực, cường độ dòng điện hàn khi hàn trong môi trường CO2 ..............................61
Hình 2.23. Ảnh hưởng của tần số dao động..............................................................62
Hình 2.24. Các kiểu dao động...................................................................................62
Hình 2.25. Biên độ dao động ....................................................................................63
Hình 2.26. Góc nghiêng của mỏ hàn.........................................................................89
Hình 2.27. Góc dao động của mỏ hàn.......................................................................89
Hình 2.28. Thời gian dừng của mỏ hàn.....................................................................65
Hình 4.1. Liên kết hàn góc ........................................................................................88
Hình 4.2. Chuẩn bị liên kết hàn góc .........................................................................88

Nguyễn Hữu Chấn

9

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

Hình 4.3. Các bước lập trình trên robot AX-V6 .......................................................89
Hình 4.4. Góc nghiêng của mỏ hàn...........................................................................89
Hình 4.5. Ghi điểm gốc làm việc ..............................................................................90
Hình 4.6. Ghi bước 2 gần vị trí bắt đầu thao tác hàn ................................................91
Hình 4.7. Ghi bước 3 vị trí bắt đầu thao tác hàn .......................................................92
Hình 4.8. Ghi bước 4 vị trí kết thúc thao tác hàn......................................................93
Hình 4.9. Ghi bước 5 vị trí ở xa phôi ........................................................................89
Hình 4.10. Ghi bước 6 vị trí kết thúc chương trình...................................................96
Hình 4.11. Kiểm tra chương trình trước khi chạy tự động .....................................100
Hình 4.12. Sản phẩm sau khi hàn............................................................................101

Nguyễn Hữu Chấn

10 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

MỞ ĐẦU
Hiện nay các nước Đông nam Á đang có dự án nối liền đường sắt xuyên qua

các nước này. Từ trước đến nay mỗi nước Đông nam Á đều sử dụng một bộ tiêu
chuẩn riêng cho đường sắt và toa xe do vậy sẽ gây khó khăn cho dự án nối liền
đường sắt giữa các nước. Khi đó hành khách đi từ nước này sang nước khác sẽ phải
chuyển tàu vừa tốn thời gian mà lại gây không ít phiền phức cho họ. Do vậy ngành
đường sắt phải có một bộ tiêu chuẩn riêng thống nhất giữa các nước về đường ray
và toa xe. Hiện nay trong bộ tiêu chuẩn này toa xe của Việt Nam và nhiều nước
không phù hợp. Do đó yêu cầu đóng mới toa xe cho các nước Đông nam Á là rất
lớn để thay thế các toa xe không phù hợp và bổ sung cho các nước đã phù hợp với
tiêu chuẩn. Để nâng cao năng suất, chất lượng nhằm thoả mãn nhu cầu của các nước
thì vấn đề sản xuất toa xe cần phải được chuyên môn hoá cao trong đó mỗi nước sẽ
đảm nhận sản xuất một bộ phận của toa xe. Tổng Công ty đường sắt Việt Nam sẽ
đảm nhận việc sản xuất giá chuyển hướng toa xe. Hợp đồng sản xuất giá chuyển
hướng toa xe bước đầu khoảng 500 tỷ Việt Nam đồng. Để sản xuất được giá chuyển
hướng toa xe với năng suất và chất lượng cao đáp ứng đươc yêu cầu của các nước
Asean thì ngành đường sắt Việt Nam cần phải có chiến lược đổi mới công nghệ,
đưa tự động hoá sản xuất vào trong sản xuất giá chuyển hướng toa xe.

Hình 1. Sản phẩm giá chuyển hướng toa xe

Nguyễn Hữu Chấn

11 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

Hình 2. Dầm hàn chịu lực
Trong giá chuyển hướng toa xe bộ phận quan trọng nhất là hai dầm chịu lực

chữ I với tiết diện thay đổi. Nó quyết định khả năng hoạt động của toa xe, được lắp
ghép bằng liên kết hàn góc. Vì vậy các nhà máy toa xe sẽ đầu tư dây chuyền Hàn tự
động hoàn toàn hai dầm chịu lực này. Hệ thống gồm một Robot hàn và đồ gá hoạt
động đồng bộ với Robot.

K2

450

R

K1

K1
K2

R

450

Hình 3. Liên kết hàn góc chịu lực

Nguyễn Hữu Chấn

12 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

Tính cấp thiết của đề tài
Trong lĩnh vực tự động hóa quá trình sản xuất Cơ khí thì tự động hóa quá
trình hàn có ý nghĩa đặc biệt vì:
Nâng cao và ổn định chất lượng quá trình hàn: Với sự phát triển của khoa
học kỹ thuật nhiều kết cấu hàn được thiết kế để đảm nhận những công việc rất quan
trọng như tàu vũ trụ, máy bay, tàu thuỷ, dàn khoan trên biển, đường ống dẫn dầu
xuyên qua đại dương,… trong các kết cấu hàn này mối hàn yêu cầu phải có chất
lượng rất cao mà chỉ có các quá trình hàn tự động hoá hoàn toàn mới có thể đáp ứng
được.
Cải thiện điều kiện lao động: tự động hoá quá trình hàn loại trừ được những
nguy hiểm do kim loại lỏng bắn toé, khói hàn, tia cực tím làm ảnh hưởng tới sức
khoẻ của công nhân.
Hàn là phương pháp gia công quan trọng không thể thiếu được trong nhiều
ngành công nghiệp mũi nhọn.
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng, năng suất hàn thì bên cạnh
việc đầu tư các thiết bị công nghệ hiện đại, tiên tiến vấn đề nghiên cứu, sử dụng có
hiệu quả các thiết bị nhằm khai thác được tối đa công suất mà vẫn đảm bảo được
những yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật và những ràng buộc liên quan về chế độ hàn
đang là một bài toán rất cần phải nghiên cứu để tìm ra lời giải.
Trong thực tế khi hàn mối hàn góc trong các kết cấu thép như dầm giá
chuyển hướng toa xe hay các kết cấu dầm chịu lực, cần tính toán được các thông số
chế độ hàn cũng như lựa chọn các thông số chế độ dao động đầu hàn hợp lý nhất.
Tùy theo bề dày, tính chất của vật liệu cơ bản, vị trí của mối hàn... Mà ta có thể
tính toán và chọn ra một chế độ hàn tương ứng và kiểm chứng trong sổ tay công
nghệ hàn. Tuy nhiên việc chọn được các thông số chế độ dao động đầu hàn hợp lý để
tránh làm lãng phí đến mục tiêu kinh tế và đảm bảo tính kỹ thuật công nghệ của kết cấu
hàn là rất cần thiết.
Xây dựng và giải được bài toán tối ưu hóa chế độ dao động đầu hàn sẽ giải
quyết được tất cả các vấn đề nêu trên.Vì vậy việc nghiên cứu tối ưu hóa chế độ dao

Nguyễn Hữu Chấn

13 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

động đầu hàn cho robot hàn để hàn được mối hàn góc đảm bảo sự chuyển tiếp kim
loại tốt nhất, góp phần nâng cao tính chịu lực của kết cấu đồng thời nâng cao chất
lượng, tiết kiệm lượng kim loại đắp trở thành vấn đề cấp thiết.
Mục tiêu của đề tài
Thiết lập được chế độ dao động đầu hàn tối ưu nhằm đảm bảo sự chuyển tiếp
giữa kim loại cơ bản và kim loại mối hàn tốt nhất làm tăng khả năng chịu tải trọng
biến đổi của liên kết hàn góc.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ dao dộng đầu hàn đến biên
dạng mối hàn.
- Xây dựng quy trình thực nghiệm trên Robot hàn hồ quang AX-V6
- Nghiên cứu thực nghiệm, xử lý số liệu, đưa ra chế độ dao động đầu hàn tối
ưu
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ dao dộng
đầu hàn đến biên dạng mối hàn góc trên Robot hàn hồ quang AX-V6.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được nghiên cứu dựa trên cơ sở phương pháp nghiên cứu tài liệu,
phương pháp tổng hợp, phương pháp phân tích, phương pháp nghiên cứu thực
nghiệm đưa ra số liệu…
Kết cấu của luận văn

Ngoài phần mở đầu, phụ lục, kết luận và kiến nghị. Nội dung của luận văn
gồm bốn chương:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ hàn bán tự động, hàn tự động bằng điện
cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ.
Chương 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến hình
dạng, kích thước mối hàn góc.
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số chế độ dao động
đầu hàn tối ưu.
Chương 4: Thực nghiệm áp dụng trên robot hàn hồ quang AX - V6

Nguyễn Hữu Chấn

14 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN BÁN TỰ ĐỘNG, HÀN TỰ ĐỘNG
BẰNG ĐIỆN CỰC NÓNG CHẢY TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ
1.1. Tổng quan về công nghệ hàn điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo
vệ (hàn MAG/MIG)
1.1.1. Thực chất đặc điểm và phạm vi ứng dụng
1.1.1.1. Thực chất đặc điểm
Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ là quá trình hàn nóng
chảy trong đó nguồn nhiệt hàn được cung cấp bởi hồ quang tạo ra giữa điện cực
nóng chảy (dây hàn) và vật hàn. Hồ quang và kim loại nóng chảy được bảo vệ khỏi
tác dụng của ôxy và nitơ trong môi trường xung quanh bởi một loại khí hoặc hỗn

hợp khí.
Khi hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ hồ quang liên
tục nung chảy điện cực và mép hàn. Dây hàn được cấp vào vùng hồ quang thông
qua cơ cấu cấp dây với tốc độ bằng tốc độ chảy của dây hàn (với điều kiện chiều dài
trung bình của hồ quang không đổi).
Phần điện cực được nung chảy chuyển dịch vào vũng hàn theo một trong các
loại cơ chế dịch chuyển kim loại vào vũng hàn và phụ thuộc vào cường độ dòng
điện hàn, đường kính điện cực, chiều dài hồ quang, nguồn điện hàn và loại khí bảo
vệ. Khi điện cực hàn hay dây hàn được cung cấp tự động vào vùng hồ quang thông
qua cơ cấu cấp dây hàn còn việc dịch chuyển dây hàn dọc theo mép hàn được thao
tác bằng tay gọi là hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ. Nếu tự động hoá
cả hai khâu trên thì gọi là hàn tự động trong môi trường khí bảo vệ.
Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ (Ar, He) gọi
là phương pháp hàn MIG (Metal Inert Gas). Vì các loại khí trơ có giá thành cao nên
không được ứng dụng rộng rãi, chỉ dùng để hàn kim loại màu và thép hợp kim.
Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí hoạt tính (CO2 ; CO2
+ O2...) gọi là hàn MAG (Metal Active Gas) sử dụng khí bảo vệ CO2 được phát
triển rộng rãi vì có các ưu điểm sau:

Nguyễn Hữu Chấn

15 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Lun vn Thc s

B mụn hn & Cụng ngh kim loi

- CO2 d sn xut v giỏ thnh thp.
- Nng sut hn trong CO2 cao gp 2,5 ln so vi hn h quang tay.

- Tớnh cụng ngh khi hn trong CO2 cao hn so vi hn di lp thuc vỡ cú
th hn mi v trớ khỏc nhau.
- Cht lng hn cao, sn phm ớt cong vờnh, tc hn nhanh, nhit tp
trung, hiu sut s dng ngun nhit ln, vựng nh hng hp.
- iu kin lm vic tt hn so vi hn h quang tay khi hn ớt cú khúi c.

Dây hàn
cấp tự động

Mô tơ cấp dây
Khí bảo vệ

Chụp khí
Bép tiếp điện
Nguồn điện hàn một chiều
Hồ quang

Khí bảo vệ

Kimm loại cơ bản

Kim loại cơ bản
Nguồn điện hàn
Khí bảo vệ
Kempo

Cuộn dây hàn
Chụp khí

Mỏ hàn

+

Bộ cấp dây
Vật hàn
Cáp hàn

b)

Sơ
đồ nguyên
hàn
hồ quang
nóngh
chảy
trongnúng
môi trờng
Hỡnh
1.1. Slý
nguyờn
lý hn
quang
chy khí bảo vệ
a) Sơ
đồ trng
nguyên lý
b) Sơv
đồ thiết bị
trong
mụi
khớ; bo

Nguyn Hu Chn

16 Trng i hc Bỏch khoa H Ni


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

1.1.1.2. Phạm vi ứng dụng
Trong nền công nghiệp hiện đại hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường
khí bảo vệ chiếm một vị trí quan trọng. Nó không những có thể hàn các loại thép
thông thường mà còn có thể hàn các loại thép không gỉ, thép chịu nhiệt, các thép
hợp kim đặc biệt. Các hợp kim Nhôm Magiê, Niken, Đồng, các kim loại có ái lực
mạnh với ôxy. Phương pháp hàn này hàn được ở mọi vị trí trong không gian.
- Khi chiều dày vật hàn từ (0.4 ÷ 0.8) mm thì chỉ cần hàn một lớp mà không
phải vát mép.
- Khi chiều dày vật hàn từ (1.6 ÷ 10) mm thì hàn một lớp có vát mép còn từ
(16 ÷ 25) mm thì hàn nhiều lớp.
1.1.2. Thiết bị hàn MAG
1.1.2.1. Máy hàn bán tự động
Máy hàn MAG bán tự động được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp do
có tính cơ động và linh hoạt cao, chất lượng mối hàn tốt, gọn nhẹ, tháo lắp đơn giản,
thao tác được ở mọi vị trí, ít độc hại... hiện đang là một phương án thay thế hiệu quả
cho phương pháp hàn hồ quang tay truyền thống.
a. Nguồn điện hàn
Nguồn điện hàn dùng cho máy hàn MAG thường là nguồn điện 1 chiều DC,
cực dương (+) được nối với điện cực còn cực âm (-) được nối với vật hàn. Nguồn
điện hàn một chiều nối thuận hay nguồn xoay chiều ít dùng vì hồ quang hàn không

ổn định, kim loại bắn tóe nhiều. Đặc tính ngoài của nguồn điện thông thường là
đường đặc tính cứng (điện áp không đổi) được dùng với tốc độ cấp dây hàn không
đổi, cho phép điều chỉnh tự động chiều dài hồ quang.
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, các
nguồn điện của máy hàn MAG thế hệ mới đã có những cải tiến rõ rệt đó là: từ việc
sử dụng nguồn hàn Thyristor chuyển sang dùng nguồn hàn Inverter rất gọn nhẹ và
có hồ quang êm, hình dáng mối hàn đẹp, ít bắn tóe kim loại, điều chỉnh các thông số
hàn chính xác, dễ thao tác hàn, máy hàn gọn, nhẹ hơn ...

Nguyễn Hữu Chấn

17 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

1. Công tắc chính.

5. Biến áp cao tần.

2. Chỉnh lưu sơ cấp.

6. Chỉnh lưu thứ cấp.

3. Cuộn cảm sơ cấp và tụ lọc

7. Cuộn cảm thứ cấp.

4. Bộ biến tần IGBT.

8. Mạch điều khiển.

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý của nguồn hàn Inverter

Hình 1.3. Máy hàn MAG có sử dụng nguồn hàn Inverter của hãng Migatronic
b. Bộ phận điều khiển
Thông thường bộ điều khiển các thông số hàn đi liền với nguồn điện hàn,
được bố trí ở panel mặt trước của máy hàn và có các núm đặt chương trình hàn.
Mỗi một chương trình hàn đều tương ứng với một phương pháp, một loại và cỡ
dây cụ thể. Bộ điều khiển thường dùng để khống chế: việc cấp dây hàn (bắt đầu

Nguyễn Hữu Chấn

18 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

hay tạm dừng), khí bảo vệ, khí hoặc nước làm mát, dòng điện hàn,... theo trình tự
đặt trước bằng tay.
Tùy theo từng quy trình hàn cụ thể mà chọn chương trình phù hợp nhằm
đảm bảo quá trình hàn ổn định và đạt chất lượng cao nhất nhờ sự khoanh vùng các
thông số điều khiển thông qua việc chọn chương trình hàn tương ứng.

Hình 1.4. Bảng mặt bộ điều khiển của máy hàn MAG.
c. Bộ cấp dây hàn

Bộ cấp dây hàn có nhiệm vụ đưa dây vào vùng hàn với tốc độ tương ứng với
dòng điện đã chọn. Tốc độ cấp dây hàn được tính toán khi thiết kế máy hàn sao cho
ứng với mỗi giá trị của dòng điện hàn tốc độ cấp dây sẽ tương ứng với tốc độ nóng
chảy của nó nhằm đảm bảo hồ quang cháy ổn định, mối hàn đạt chất lượng cao và
đồng đều.

Hình 1.5. Bộ cấp dây hàn MAG loại để bên trong hộp.

Nguyễn Hữu Chấn

19 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

Trên bộ cấp dây hàn có các puli nắn thẳng và puli đẩy dây hàn. Lực ép của
các puli này được điều chỉnh tùy theo loại dây, đường kính dây và được chỉ dẫn
ngay trên mặt nhìn thấy của puli. Chú ý lực ép của puli khi hàn dây lõi đặc lớn hơn
khi hàn dây lõi bột. Các bộ phận của bộ cấp dây máy hàn MAG có loại dây hàn để
bên trong, có loại để bên ngoài, thường được bố trí ở bên trong hộp cấp dây để các
chuyển động khỏi tác động của bụi và thời tiết.
d. Van giảm áp cho khí bảo vệ
Van giảm áp có nhiệm vụ cung cấp liên tục khí bảo vệ đã giảm áp cho súng
hàn ở áp suất làm việc cố định. Van giảm áp có thể là một hoặc hai cấp (áp suất khí
ổn định hơn) và có thể kèm lưu lượng kế. Đối với khí CO2 còn có thêm bộ nung
nóng để chống đóng băng khí được gắn cùng vào cụm van giảm áp, thường sấy
bằng điện. Phía mặt nhìn giữa hai đồng hồ đo áp suất của van giảm áp có dập nổi
hoặc in chữ CO2.

Hình 1.6. Van giảm áp khí CO2 loại dùng đồng hồ đo lưu lượng khí tiêu hao
e. Súng hàn và phụ kiện
Có nhiều loại và cỡ súng hàn nhằm tạo hiệu suất hàn tối đa. Theo cấu tạo,
chụp khí bảo vệ có thể thẳng hoặc cong, được làm mát bằng nước hoặc bằng khí.
Thông thường được làm mát bằng khí.
Các phụ kiện cơ bản của một súng hàn bao gồm:
- Ống tiếp điện (pép hàn), thân ống tiếp điện, thân súng hàn.
- Chụp khí bảo vệ.
- Ống dẫn dây hàn (lò xo ruột gà )

Nguyễn Hữu Chấn

20 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

- Ống dẫn khí bảo vệ.
- Ống dẫn nước làm mát (nếu có).
- Cáp hàn.
- Công tắc điều khiển (cò súng).

Hình 1.7. Súng hàn và phụ kiện
1.1.2.2. Máy hàn tự động
Mặc dù thiết bị cồng kềnh, phức tạp, chi phí cao hơn thiết bị hàn bán tự
động, công nhân phải được đào tạo chuyên sâu nhưng sử dụng có hiệu quả thiết bị
hàn này khi có thể đưa vật hàn vào phân xưởng hoặc khi có khối lượng hàn lớn. Với

hàn MAG tự động chất lượng của mối hàn và năng suất rất cao vì quá trình hàn
được thực hiện chính xác do tự động hóa, giảm thời gian và sức lao động của thợ
hàn.
Về cơ bản thiết bị hàn tự động sử dụng trong hàn MAG giống như thiết bị
hàn bán tự động tuy nhiên có sự khác biệt chủ yếu giữa chúng như sau:
- Nguồn điện hàn: nhờ có việc áp dụng những thành tựu mới nhất của công
nghiệp điện tử và tin học nên thiết bị hàn MAG tự động sử dụng nguồn điện hàn
điều khiển bằng kỹ thuật số. Nguồn điện hàn này tăng khả năng kết nối với các thiết
bị ngoại vi (rô bốt, bộ cấp dây hàn, bộ điều khiển từ xa...) giúp cho việc xử lý quá
trình hàn có độ chính xác và tính lặp lại cao, dễ quan sát và điều chỉnh các thông số
hàn trên bảng điều khiển hoặc trên bộ điều khiển từ xa, dịch chuyển kim loại từ dây
hàn vào vũng hàn tối ưu, dễ gây và ổn định hồ quang hàn, tổ hợp các thông số hàn

Nguyễn Hữu Chấn

21 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

tối ưu do nguồn điện tự chọn, giảm lượng kim loại bị bắn tóe, mối hàn ít bị lỗi ở
điểm đầu và điểm cuối... so với hàn MAG bán tự động.
- Súng hàn: thường được lắp trực tiếp vào bộ cấp dây hàn, tay cầm súng hàn
và công tắc của súng hàn.
- Bộ phận điều khiển hàn: được lắp riêng biệt với bộ cấp dây hàn và có sử
dụng hộp điều khiển từ xa. Đồng thời sử dụng kỹ thuật biến tần trong nguồn điện
hàn và điều khiển dòng hàn, các thiết bị hàn tự động hiện đại còn áp dụng các
thành tựu khoa học kỹ thuật mới nhất về toán học, công nghệ vật liệu, trí khôn nhân

tạo để tạo điều kiện thuận lợi nhất cho hàn tự động và hàn bằng người máy có điều
khiển thích nghi (không cần phải lập trình cho hành trình phức tạp của đầu hàn theo
hình dạng thực tế)
Các thiết bị phụ trợ: có thể sử dụng như giá chứa chuyển động của xe hàn
cùng bộ điều khiển, đồ gá định vị vật hàn hoặc tay máy, người máy. Thông thường
trên xe hàn có lắp bộ cấp dây hàn, động cơ cấp dây hàn, bảng điều khiển chế độ
hàn....

Hình 1.8. Máy hàn MAG tự động kết nối với robốt hàn.

Nguyễn Hữu Chấn

22 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

1.2. Tổng quan về robot hàn
1.2.1. Lịch sử phát triển của robot
Viện Nghiên cứu robot Hoa Kỳ đưa ra một định nghĩa về robot như sau:
“Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động,
được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công
việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục
đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng” (Schlussel, 1985).
Định nghĩa robot còn được Mikell P.Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu
trong lĩnh vực robot, mở rộng hơn như sau: “Robot công nghiệp là những máy, thiết
bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như
ở con người”.

Định nghĩa của M.P.Groover về robot không dừng lại ở tay máy mà mở rộng
ra cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự như con người như là suy
nghĩ, có khả năng đưa ra quy định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận được đặc
điểm của vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý. Theo Artobolevski I.I.,
Vorobiov M.V. và các nhà nghiên cứu khác thì phát biểu rằng: “Robot công
nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển theo chương trình để thực
hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự
động hoá các quá trình sản xuất”.
Sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa nêu trên ở đặc điểm “điều khiển
theo chương trình”. Đặc điểm này của robot được thực hiện nhờ sự ra đời của
những bộ vi xử lý (microprocessors) và các vi mạch tích hợp chuyên dùng được là
“chip” trong những năm 70.
Không lâu sau khi xuất hiện robot được điều khiển theo chương trình, người
ta đã thực hiện được những robot tự hành. Hơn nữa, với những bước phát triển
nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin học, hiện nay người ta đã sáng tạo nhiều
robot cảm xúc và có khả năng xử lý thông tin. Do đó định nghĩa robot cũng có
những thay đổi bổ sung.
Hiệp Hội robot Công nghiệp Nhật Bản (JIRA - Japan Industrial Robot

Nguyễn Hữu Chấn

23 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Luận văn Thạc sỹ

Bộ môn hàn & Công nghệ kim loại

Association) đã phân loại robot thành sáu hạng, từ những tay máy do con người trực
tiếp điều khiển từng động tác đến những robot thông minh được trang bị trí tuệ nhân

tạo (theo Schlussel, 1985). Những robot hay tay máy dùng các cơ cấu cam trong hệ
thống điều khiển có được thừa nhận hay không là không quan trọng ; điều quan
trọng là chúng đã đóng vai trò đáng kể trong việc tự động hoá sản xuất ở các nhà
máy. Những robot, tay máy nói trên còn được gọi một cách hình tượng là “tự động
hoá cứng”, ngược lại với “tự động hoá linh hoạt”, mà đại diện của chúng là những
robot công nghiệp được điều khiển bằng chương trình, thay đổi được nhiệm vụ thao
tác đặt ra một cách nhanh chóng.
Một số nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực robot của Nhật Bản đưa ra
những định nghĩa về robot dưới dạng những yêu cầu như sau:
- Theo Giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một robot
công nghiệp phải thoả mãn yếu tố sau:
- Có khả năng thay đổi chuyển động;
- Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác;
- Có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao;
- Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động;
- Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài.
- Theo Giáo sư Masahiro Mori (Viện công nghệ Tokyo) thì robot công
nghiệp phải có các đặc điểm sau:
- Có khả năng thay đổi chuyển động;
- Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ);
- Có tính vạn năng;
- Có những đặc điểm của người và máy.
Các robot đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác
nhau; tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm,
an toàn lao động và giải phóng con người khỏi những công việc cực nhọc, tẻ nhạt.
Tất nhiên, trong tương lai còn nhiều vấn đề nảy sinh khi robot ngày càng thay thế
các hoạt động của con người, nhưng trong việc đem lại lợi ích cho con người, khám

Nguyễn Hữu Chấn

24 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội