Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cụm mỏ hàn hồ quang tay cho hệ thống thiết bị hàn hồ quang ảo

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

TRẦN ÁNH VIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM MỎ HÀN HỒ
QUANG TAY CHO HỆ THỐNG THIẾT BỊ HÀN HỒ QUANG ẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2014


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

TRẦN ÁNH VIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM MỎ HÀN HỒ
QUANG TAY CHO HỆ THỐNG THIẾT BỊ HÀN HỒ QUANG ẢO

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT C

KH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN TIẾN DƯ NG

Hà Nội – 2014


MỤC LỤC
TRANG
MỤC LỤC...................................................................................................................................
LỜI CẢM

N ..............................................................................................................

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................
MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................1
CHƯ NG 1 TỔNG QUAN.....................................................................................4
1.1. Nhu cầu về nhân lực ngành hàn..................................................................................... 4
1.2. Đào tạo nhân lực ngành hàn ........................................................................................... 4
1.3. Chi phí đào tạo hàn hồ quang........................................................................................ 5
1.4. Thực trạng đào tạo thực hành hàn và giải pháp ......................................................... 5
1.4.1. Thực trạng đào tạo thực hành hàn .............................................................5
1.4.2. Giải pháp trong đào tạo thực hành nghề hàn .............................................6
1.4.3. Ưu điểm của hàn hồ quang ảo ...................................................................7
1.5. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới về thiết bị hàn hồ quang ảo..... 8
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về thiết bị hàn hồ quang ảo ................8
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về thiết bị hàn hồ quang ảo ........................8
1.6. Kết luận chương 1........................................................................................................... 10
CHƯ NG 2. NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ ..........................................11
KỸ THUẬT HÀN HỒ QUANG TAY ...................................................................11
2.1. Nguyên lý, đặc điểm và ứng dụng của hàn hồ quang tay ........................................ 11

2.1.1. Thực chất .................................................................................................11
2.1.2. Nguyên lý của hàn hồ quang tay..............................................................11
2.1.3. Đặc điểm của hàn hồ quang tay ...............................................................13
2.1.4. Ứng dụng của hàn hồ quang tay ..............................................................13
2.2. Phân loại các tư thế hàn................................................................................................. 15
2.2.1. Tư thế hàn tấm phẳng đối với mối hàn giáp mối .....................................16
2.2.2. Tư thế hàn tấm phẳng đối với mối hàn góc .............................................17


2.3. Hệ thống trang thiết bị trong hàn hồ quang tay ....................................................... 18
2.4. Mỏ hàn và que hàn ......................................................................................................... 19
2.4.1. Vai trò của mỏ hàn (kìm hàn) và que hàn................................................19
2.4.2. Cấu tạo của que hàn .................................................................................19
2.4.3. Cấu tạo của mỏ hàn..................................................................................20
2.4.4. Cách lắp que hàn vào mỏ hàn ..................................................................20
2.5. Các thông số chế độ hàn ................................................................................................ 21
2.5.1. Đường kính que hàn.................................................................................21
2.5.2. Cường độ dòng điện hàn ..........................................................................22
2.5.3. Điện áp hàn ..............................................................................................22
2.5.4. Số lớp hàn ................................................................................................23
2.5.5. Tốc độ hàn ...............................................................................................23
2.5.6. Năng lượng đường ...................................................................................24
2.6. Kỹ thuật hàn hồ quang tay............................................................................................ 24
2.6.1. Các chuyển động cơ bản của que hàn ......................................................24
2.6.2. Góc nghiêng que hàn ...............................................................................28
2.6.3. Chiều dài hồ quang ..................................................................................28
2.6.4. Kỹ thuật gây hồ quang hàn ......................................................................29
2.6.5. Kỹ thuật kết thúc hồ quang hàn. ..............................................................30
2.6.6. Kỹ thuật hàn đính mối hàn.......................................................................31
2.6.7. Kỹ thuật hàn cho các loại tư thế hàn........................................................32

2.7. Kết luận chương 2........................................................................................................... 46
CHƯ NG 3. BỘ THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN ......................................................47
QUÁ TRÌNH HÀN HỒ QUANG TAY ẢO ..........................................................47
3.1. Các thông số điều khiển liên quan đến chế độ hàn ................................................... 47
3.1.1. Bộ thông số chế độ hàn ............................................................................47
3.1.2. Bộ thông số điều khiển chế độ hàn ..........................................................47
3.2. Các thông số điều khiển liên quan đến kỹ thuật hàn ..................................................... 48
3.2.1. Bộ thông số liên quan đến kỹ thuật hàn ...................................................48
3.2.2. Bộ thông số điều khiển liên quan đến kỹ thuật hàn .................................48
3.3. Tổng hợp bộ thông số điều khiển quá trình hàn hồ quang tay ảo.......................... 49
3.3.1. Thông số điều khiển thao tác gây hồ quang ............................................49
3.3.2. Thông số điều khiển các góc nghiêng của que hàn .................................50
3.3.3. Thông số điều khiển chuyển động dọc theo đường hàn ..........................53
3.3.4. Thông số điều khiển chuyển động dọc trục que hàn ...............................53
3.3.5. Thông số điều khiển thao tác kết thúc hồ quang .....................................54


3.3.6. Thông số điều khiển kỹ thuật mồi lại hồ quang ......................................54
3.4. Sơ đồ thuật toán và các chương trình con .................................................................. 55
3.4.1. Sơ đồ thuật toán .......................................................................................55
3.4.2. Các chương trình con ...............................................................................56
3.5. Thiết kế các cửa sổ menu............................................................................................... 57
3.5.1. Khởi động chương trình ...........................................................................58
3.5.2. Chọn phương pháp hàn ............................................................................58
3.5.3. Chọn loại mối hàn ....................................................................................59
3.5.4. Chọn tư thế hàn cho mối hàn giáp mối ....................................................60
3.5.5. Chọn tư thế hàn cho mối hàn góc ............................................................61
3.5.6. Chọn tốc độ hàn .......................................................................................62
3.5.7. Các thông số hàn đ chọn ........................................................................63
3.5.8. Lựa chọn “Bắt đầu hàn”...........................................................................63

3.5.9. Lựa chọn kết thúc thực hành hàn và hiển thị “Kết quả bài thực hành” ..64
3.6. Kết luận chương 3........................................................................................................... 66
CHƯ NG 4. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM MỎ HÀN HỒ
QUANG TAY CHO HỆ THỐNG THIẾT BỊ HÀN HỒ QUANG ẢO...............67
4.1. Hệ thống thiết bị hàn hồ quang ảo ............................................................................... 67
4.1.1. Máy chủ .......................................................................................................................... 68
4.1.2. Cụm mô đun cho người dạy ......................................................................................... 68
4.2. Cấu tạo của hệ thống thiết bị hàn hồ quang ảo ......................................................... 69
4.3. Cấu tạo của mỏ hàn hồ quang tay thật ....................................................................... 72
4.4. Tính toán thiết kế cụm mỏ hàn hồ quang tay ảo ....................................................... 72
4.4.1. Cơ sở thiết kế cụm mỏ hàn hồ quang tay ảo ............................................72
4.4.2. Cấu tạo của mỏ hàn hồ quang tay ảo .......................................................73
4.5. Thiết kế các chi tiết của mỏ hàn hồ quang tay ảo .................................................. 76
4.5.1. Cụm truyền động .....................................................................................76
4.5.2. Tay cầm....................................................................................................77
4.5.3. Các bánh ma sát .......................................................................................78
4.5.4. Cơ cấu kẹp que hàn ..................................................................................79
4.5.5. Que hàn ảo ...............................................................................................80
4.5.6. Các chi tiết phụ khác................................................................................81
4.6. Kết luận chương 4........................................................................................................... 81


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................82
1) Kết luận ................................................................................................................82
2) Kiến nghị

..82

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................83

LỜI CẢM

N

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các quý thầy, cô đ giảng dạy
trong chương trình học cao học ngành công nghệ hàn , Viện cơ khí- Trường Đại học
bách khoa Hà Nội. Những người đ truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng hữu
ích về chuyên ngành Công nghệ hàn để làm cơ sở cho tôi thực hiện luận văn này.
Đặc biệt tôi cũng xin chân thành cảm ơn PGS. TS Nguyễn Tiến Dương,
thầy đ tận tình hướng dẫn cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn. Mặc dù trong
thời gian làm luận văn cũng có lúc không được thuận lợi, nhưng với sự nhiệt tình
và kinh nghiệm của thầy đ tạo điều kiện thúc đẩy giúp đỡ tôi trong thời gian thực
hiện đề tài.
Qua đây tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy, cô đang giảng
dạy tại Viện Cơ Khí- Trường Đại học bách khoa Hà Nội đ tận tình giúp đỡ tôi
trong quá trình học tập, nghiên cứu và xưởng thực hành hàn đ tạo điều kiện cho
tôi chế tạo cụm mỏ hàn hồ quang tay của đề tài luận văn.
Do thời gian có hạn và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học chưa nhiều nên
luận văn tôi thực hiện còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến của quý thầy/
cô và các bạn đồng nghiệp góp ý.
Hà Nội, Ngày ……tháng …...năm 2014
Học viên

Trần Ánh Viên


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu luận văn của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của PGS. TS Nguyễn Tiến Dương. Các số liệu kết quả trong luận văn

là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ đề tài nghiên cứu nào khác.
Nếu sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, Ngày ….. tháng …. năm 2014
Học viên

Trần Ánh Viên


MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký
hiệu
SMAW

Tên tiếng Anh
Shielded Metal Arc

Tên tiếng việt
Hàn hồ quang tay.

Welding
MIG

Metal Inert Gas

Hàn bằng điện cực nóng chảy
trong môi trường khí trơ.

MAG

Metal Active Gas

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

TIG

Tungsten Inert Gas

Hàn bằng điện cực không
nóng chảy trong môi trường
khí trơ.

PA

1G theo ASME

Hàn sấp

PG

3Gd theo ASME

Hàn đứng từ trên xuống

PF

3Gu theo ASME

Hàn đứng từ dưới lên

PC

2G theo ASME

Hàn ngang

PE

4G theo ASME

Hàn trần

PA

1F theo ASME

Hàn sấp

PG

3Fd theo ASME

Hàn đứng từ trên xuống

PF

3Fu theo ASME

Hàn đứng từ dưới lên

PB

2F theo ASME

Hàn ngang

PD

4F theo ASME

Hàn trần


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Hình ảnh mô phỏng của phương pháp hàn hồ quang tay
Hình 2.2. Hình ảnh mô phỏng quá trình hàn hồ quang tay
Hình 2.3. Một số hình ảnh ứng dụng của hàn hồ quang tay
Hình 2.4. Sơ đồ vị trí mối hàn trong không gian
Hình 2.5. Ký hiệu tư thế hàn các mối hàn tấm phẳng
Hình 2.6. Hình ảnh mô phỏng hệ thống thiết bị hàn hồ quang tay
Hình 2.7. Hệ thống thiết bị hàn hồ quang tay
Hình 2.8. Mỏ hàn (Kìm hàn)
Hình 2.9. Cấu tạo của que hàn có lớp thuốc bọc
Hình 2.10. Các loại mỏ hàn
Hình 2.11. Cách lắp que hàn vào mỏ hàn
Hình 2.12. Sơ đồ các chuyển động của que hàn
Hình 2.13. Chuyển động que hàn theo đường thẳng
Hình 2.14. Dao động que hàn kiểu đường thẳng đi lại
Hình 2.15. Dao động que hàn hình răng cưa

Hình 2.16. Dao động que hàn theo hình bán nguyệt
Hình 2.17. Dao động que hàn theo hình tam giác
Hình 2.18. Dao động que hàn hình vòng tròn
Hình 2.19. Dao động que hàn theo hình số 8
Hình 2.20. Góc nghiêng que hàn
Hình 2.21. Chiều dài hồ quang hàn
Hình 2.22. Chiều dài hồ quang hàn quá ngắn
Hình 2.23. Hồ quang hàn quá dài
Hình 2.24. Các phương pháp mồi hồ quang hàn
Hình 2.25. Kỹ thuật kết thúc hồ quang hàn
Hình 2.26. Hàn đính mối hàn
Hình 2.27. Góc nghiêng que hàn khi hàn sấp giáp mối
Hình 2.28. Tư thế hàn


Hình 2.29. Vị trí mồi hồ quang khi hàn giáp mối
Hình 2.30. Góc độ que hàn
Hình 2.31. Chiều dài hồ quang hàn
Hình 2.32. Kỹ thuật hàn điền đầy liên kết hàn
Hình 2.33. Góc độ que hàn vị trí 2G.
Hình 2.34. Góc vát hợp lý
Hình 2.35. Các lớp hàn
Hình 2.36. Bố trí các lớp hàn và góc độ que hàn
Hình 2.37. Kỹ thuật hàn các lớp hàn
Hình 2.38. Góc nghiêng mỏ hàn
Hình 2.39. Quá trình di chuyển que hàn
Hình 2.40. Hàn mối hàn góc
Hình 2.41. Những khuyết tật sinh ra trong khi hàn góc
Hình 2.42. Góc độ que hàn khi hàn góc
Hình 2.43. Góc nghiêng que hàn khi hàn góc

Hình 2.44. Nối que hàn
Hình 2.45. Góc độ mỏ hàn
Hình 2.46. Vị trí gây hồ quang
Hình 2.47. Dao động que hàn
Hình 2.48. Ngắt hồ quang điền đầy r nh hàn
Hình 3.1. Tư thế hàn 1G
Hình 3.2. Tư thế hàn 1F
Hình 3.3. Tư thế hàn 2G
Hình 3.4. Tư thế hàn 2F
Hình 3.5. Tư thế hàn 3G
Hình 3.6. Tư thế hàn 3F
Hình 3.7: Sơ đồ thuật toán cho chương trình hàn hồ quang ảo
Hình 3.8. Cửa sổ số 1
Hình 3.9. Cửa sổ số 2


Hình 3.10. Cửa sổ số 3
Hình 3.11. Cửa sổ sổ 4
Hình 3.12. Cửa sổ số 5
Hình 3.13. Cửa sổ số 6
Hình 3.14. Cửa sổ số 7
Hình 3.15. Cửa sổ hiển thị mối hàn giáp mối ở tư thế hàn sấp
Hình 3.16. Cửa sổ hiển thị mối hàn góc ở tư thế hàn ngang
Hình 3.17. Cửa sổ hiển thị kết quả bài thực hành
Hình 3.18. Cửa sổ kết thúc
Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thiết bị hàn hồ quang ảo
Hình 4.2. Các bộ phận cơ bản của hệ thống thiết bị hàn hồ quang ảo
Hình 4.3. Mỏ hàn (kìm hàn) dùng cho hàn hồ quang tay
Hình 4.4. Mỏ hàn MIG/MAG (súng hàn)
Hình 4.5. Mỏ hàn TIG

Hình 4.6. Cấu tạo mỏ hàn hồ quang thật
Hình 4.7. Hình dạng của mỏ hàn ảo dựa trên mỏ hàn thật
Hình 4.8. Hình ảnh bộ phận cơ cấu dịch chuyển que hàn
Hình 4.9. Cấu tạo của mỏ hàn hồ quang tay ảo và các bộ phận cơ bản
Hình 4.10. Hình ảnh quá trình hàn của mỏ hàn hồ quang ảo
Hình 4.11. Các chi tiết của mỏ hàn hồ quang tay ảo
Hình 4.12. Cụm truyền động
Hình 4.13. Tay cầm
Hình 4.14. Bánh xe chủ động
Hình 4.15. Bánh xe bị động
Hình 4.16. Cơ cấu kẹp que hàn
Hình 4.17. Que hàn hồ quang ảo


PHẦN MỞ ĐẦU
1) Tính cấp thiết của đề tài
- Hàn được ứng dụng trong các ngành công nghiệp như: Cầu đường, xây
dựng, các nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện hạt nhân, các nhà máy sản xuất hóa
chất, công nghiệp xi măng, công nghiệp dầu khí, ngành công nghiệp đóng tàu, chế
tạo máy bay, ô tô, xe máy, … Với khối lượng công trình kết cấu thép hàn ngày càng
tăng, đặc biệt hàn cho phép chế tạo các kết cấu siêu trường, siêu trọng, vì vậy ngành
công nghiệp chế tạo kết cấu bằng hàn ngày càng phát triển với tốc độ rất cao.
- Ở Việt Nam, hiện nay chúng ta đ và đang triển khai rất nhiều công trình
lớn như: Chế tạo giàn khoan, đường ống dẫn dầu, các nhà máy thủy điện, nhiệt điện
và t ới đây là các nhà máy điện hạt nhân, .... Hiện ở Việt Nam có khoảng 18.000
công nhân hàn. Chúng ta đang thiếu hụt trầm trọng thợ hàn được đào tạo bài bản
theo tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế.
- Trong hàn hồ quang, do ảnh hưởng của cường độ ánh sang hồ quang cực
mạnh và các khí độc do kim loại nóng chảy, hóa hơi ảnh hưởng đến người thợ hàn,
đặc biệt là những người mới học nghề. Để nâng cao chất lượng đào tạo, giảm thời

gian và những ảnh hưởng độc hại đối với người học hàn, cần thiết phải nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo ra các hệ thống thiết bị hàn hồ quang ảo. Đó là hệ thống thiết bị
cho phép người giáo viên dạy thực hành hàn cũng như thợ hàn không phải tiếp xúc
trực tiếp với môi trường độc hại thông qua các thiết bị mô phỏng và ghi lại các lựa
chọn, các thao tác duy trì chế độ hàn, gây và ổn định hồ quang, dịch chuyển hồ
quang theo đường hàn để thực hiện quá trình hàn. Khi hàn trên thiết bị hàn ảo cho
phép người thợ hàn làm quen với các thao tác hàn và quan sát được các thao tác
cũng như biết được các lỗi của mình mắc phải trong quá trình hàn, từ đó cùng với
sự trợ giúp của người dạy để tìm ra các nguyên nhân để khắc phục. Hệ thống thiết
bị hàn ảo còn cho phép người dạy hàn có thể hướng dẫn trực tiếp và quan sát các
thao tác của người thợ hàn giúp họ thực hiện các thao tác hàn đúng yêu cầu. Ngoài
ra với hệ thống thiết bị hàn ảo còn cho phép tiết kiệm được năng lượng, nguyên vật
liệu, giảm chi phí đào tạo.

1


- Hiện ở Việt Nam có khoảng hơn 1.100 cơ sở đào tạo nghề trong đó có nghề
hàn. Như vậy nhu cầu về thiết bị hàn phục vụ cho đào tạo nghề hàn là rất lớn. Để
giảm chi phí đào tạo, một số cở sở đào tạo đ nhập các thiết bị hàn ảo được sản xuất
ở nước ngoài với giá thành rất cao, kinh phí đào tạo chuyển giao công nghệ rất tốn
kém làm tiêu tốn một lượng lớn ngoại tệ của quốc gia.Qua phân tích ở trên ta thấy,
việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị hàn ảo là nhu cầu cấp thiết.
Ngoài việc giảm chi phí đào tạo, tiết kiệm được năng lượng, nguyên vật liệu và
ngoại tệ cho đất nước, nó còn cho phép chúng ta làm c hủ công nghệ, chủ động
trong việc chuyển giao công nghệ, bảo hành, bảo trì và sửa chữa sau này mà không
phụ thuộc vào nước ngoài.
2) Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu công nghệ và kỹ thuật hàn hồ quang tay để làm cơ sở cho việc xây
dựng phần mềm hàn hồ quang tay ảo.

- Nghiên cứu hệ thống thiết bị hàn hồ quang tay thật và hệ thống hàn hồ quang tay ảo.
- Nghiên cứu chế tạo mỏ hàn hồ quang tay để có thể kết nối với hệ thống thiết bị
hàn hồ quang ảo cho phép người học thực hành hàn thực hiện các thao tác như khi
hàn hồ quang tay thật.
3) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a) Đối tượng nghiên cứu
- Công nghệ và kỹ thuật hàn hồ quang tay;
- Cụm mỏ hàn hồ quang tay cho hệ thống thiết bị hàn hồ quang ảo.
b) Phạm vi nghiên cứu
- Qua khảo sát tình hình thực tế về tình hình sử dụng thiết bị hàn hồ quang cho đào
tạo thực hành hàn và đào tạo nghề hàn để từ đó thấy được ưu và nhược điểm của hệ
thống thiết bị hàn thực qua đó cho thấy sự cần thiết của hệ thống thiết bị hàn hồ
quang ảo trong đào tạo nghề hàn.

2


- Nghiên cứu công nghệ, kỹ thuật và cụm mỏ hàn hồ quang tay để từ đó làm cơ sở
để thiết kế cụm mỏ hàn hồ quang ảo cho phương pháp hàn hồ quang tay để có thể
hàn được các tư thế khác nhau cho liên kết hàn giáp mối và liên kết hàn góc.
- Chế tạo được cụm mỏ hàn hồ quang tay kết nối với hệ thống thiết bị hàn hồ quang
ảo cho phép thực hiện được phương pháp hàn hồ quang tay.
4) Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu về việc đào tạo thực hành hàn cho sinh viên và đào tạo nghề hàn tại các
cơ sở đào tạo, thu thập các tài liệu khoa học liên quan trong nước và thế giới làm cơ
sở cho việc nghiên cứu, thiết kế.
- Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ hàn hồ quang tay và cấu tạo của mỏ hàn hồ
quang thật, và các tiêu chuẩn liên quan để từ đó xây dựng được yêu cầu đối với
công nghệ và kỹ thuật hàn các phương pháp hàn này làm cơ sở để xây dựng phần
mềm cho thực hành hàn hồ quang tay ảo.

- Dựa trên nguyên lý cấu tạo của mỏ hàn hồ quang tay thật, nghiên cứu thiết kế và
chế tạo ra mỏ hàn hồ quang tay.

3


CHƯ NG 1 TỔNG QUAN

1.1. Nhu cầu về nhân lực ngành hàn
Thực tế tại Việt Nam chúng ta đ và đang sản xuất rất nhiều công trình
lớn như: Chế tạo các kết cấu thép xây dựng, giàn khoan, đường ống dẫn dầu, các
nhà máy thủy điện, nhiệt điện, trong tương lai sắp tới là nhà máy điện hạt
nhân,...Trong khi đó Việt Nam chỉ có khoảng 18.000 công nhân Hàn. Chúng ta
đang thiếu hụt trầm trọng thợ Hàn được đào tạo theo tiêu chuẩn trong nước và
Quốc Tế. Vì vậy đào tạo nguồn nhân lực ngành hàn đóng vai trò rất quan trọng
trong việc phát triển ngành cơ khí nói chung và các ngành kết cấu thép xây dựng
nói riêng.

1.2. Đào tạo nhân lực ngành hàn
Trong phương pháp hàn hồ quang, do ảnh hưởng của cường độ ánh sáng
hồ quang cực mạnh và sản sinh ra các khí độc hại do kim loại nóng chảy, hóa hơi
ảnh hưởng đến người thợ hàn, đặc biệt là những người mới học nghề. Đây cũng
chính là sự bất lợi đối với nghề hàn. Để nâng cao chất lượng đào tạo, tạo tâm lý
hứng thú cho người học, giảm chi phí, thời gian và những độc hại đối với người
học nghề hàn, cần thiết phải nghiên cứu thiết kế và chế tạo ra các hệ thống thiết bị
hàn hồ quang ảo; Trong đó có cụm mỏ hàn là một trong những chi tiết trong hệ
thống thiết bị. Đó là chi tiết cho phép người giáo viên dạy thực hành hàn cũng như
người thợ hàn không phải tiếp xúc trực tiếp với môi trường độc hại thông qua các
thiết bị mô phỏng và ghi lại các lựa chọn, các thao tác duy trì chế độ hàn, gây và
duy trì ổn định hồ quang hàn khi cháy. Dịch chuyển hồ quang theo đường hàn để

thực hiện quá trình hàn. Khi hàn trên thiết bị hàn ảo cho phép người thợ hàn làm
quen với các thao tác hàn và quan sát được các thao tác cũng như biết được các lỗi
của mình khi mắc phải trong quá trình hàn, từ đó cùng với sự trợ giúp của người

4


dạy để tìm ra các nguyên nhân để khắc phục. Hệ thống thiết bị hàn ảo còn cho
phép người dạy hàn có thể hướng dẫn trực tiếp và quan sát các thao tác của người
thợ hàn giúp họ thực hiện các thao tác hàn đúng yêu cầu kỹ thuật . Ngoài ra với hệ
thống thiết bị hàn ảo còn cho phép tiết kiệm được năng lượng điện, nguyên vật liệu,
giảm cho chí đào tạo hàn.
Hiện nay ở Việt Nam có khoảng hơn 1000 cơ sở đào tạo nghề trong đó có
nghề hàn. Nhu cầu đầu tư mua sắm thiết bị hàn hồ quang ảo là rất lớn để phục vụ
đào tạo một lực lượng công nhân hàn đông về số lượng, và có chất lượng tay nghề
đạt chuẩn quốc gia và quốc tế để đáp ứng nhu cầu sản xuất thực tế của các nhà
máy, công ty...

1.3. Chi phí đào tạo hàn hồ quang
- Qúa trình đào tạo thợ hàn hồ quang tay chi phí cho vật tư tiêu hao, thiết bị
đào tạo và công giáo viên giảng dạy rất tốn kém. Đặc biệt thời gian đào tạo để hình
thành kỹ năng tay nghề cho học viên là rất lâu. Khi hàn giáo viên và học viên
thường xuyên tiếp xúc với khí hàn độc hại, ánh sáng hồ quang, kim loại nóng chảy
bắn tóe nguy hiểm, khi đó hiệu suất lao động đạt được thì không cao. Thời gian học
tập kéo dài, học viên mới có kết quả tay nghề hàn tốt. Trên đây cũng là sũy nghĩ của
nhiều nhà chuyên môn, mong muốn và có phương pháp đào tạo bằng thiết bị hàn
hiện đại đạt hiệu quả cao trong đào tạo, với thiết bị hàn hồ quang tay ảo ra đời là
giải pháp bước ngoặc lớn nhất trong lịch sử phát triển công nghệ hiện nay. Nó đ
giải quyết được môi trường làm việc xanh, an toàn, hiệu quả, tạo điều kiện tốt cho
giáo viên và người học viên học nghề Hàn. Tạo hứng thú cho người học, giảm chi

phí về vật tư tiêu hao trong đào tạo.

1.4. Thực trạng đào tạo thực hành hàn và giải pháp
1.4.1. Thực trạng đào tạo thực hành hàn

5


Trong quá trình đào tạo ngành hàn nói chung và thực hành hàn nói riêng tại
các cơ sở đào tạo đang chiếm một vai trò vị trí quan trọng. Để phát triển ngành hàn
mũi nhọn cung cấp nguồn lao động lớn cho các nhà máy đóng tàu, công ty sản xuất
cơ khí… Cần phải đào tạo, bồi dưỡng số lượng lớn công nhân có tay nghề đáp ứng
được quá trình sản xuất đó. Hiện nay các cơ sở đào tạo nghề đang phải tiêu hao một
lượng lớn về vật tư hàn, tốn kém tiền của rất nhiều, mặt khác sức khỏe của người
thợ đôi khi còn bị tổn thất. Thực tế quá trình hàn là quá trình sinh ra nhiệt lớn, ánh
sáng mạnh, kim loại nóng chảy, bắn tóe kim loại, khói hàn…Từ những ảnh hưởng
trên người học luôn có cảm giác suy nghĩ về nghề. Chấp nhận với nghề đang theo
học là độc hại và nguy hiểm.
Trong đào tạo thực hành nghề là những người giáo viên luôn tư vấn về an
toàn lao động một cách tốt nhất không để học sinh phải suy nghĩ về nghề mình theo
học.

1.4.2. Giải pháp trong đào tạo thực hành nghề hàn
Từ những khó khăn và tồn tại trên một công nghệ mới đ chế tạo ra thiết bị
hàn hồ quang ảo phục vụ trong đào tạo là máy đào tạo hàn hồ quang thực tế ảo.
Máy tính này dựa trên hệ thống đào tạo là một công cụ học tập được thiết kế cho
phép sinh viên thực hành kỹ thuật hàn trong một môi trường mô phỏng. Nó đẩy
mạnh việc chuyển giao hiệu quả kỹ năng hàn và giảm l ng phí vật liệu so với
phương pháp dạy nghề hàn truyền thống. Kết hợp giữa sự mô phỏng vũng hàn và
tiếng hàn hồ quang cùng với thao tác của thợ hàn tạo nên một trải nghiệm đào tạo

thực hành thực tế và thú vị. Hiện nay các cơ sở đào tạo đang có một nhu cầu lớn về
việc đầu tư, mua sắm các thiết bị hàn hồ quang ảo trên để phục vụ đào tạo nghề hàn
với mục đích giảm chi phí nguyên vật liệu, không độc hại cho người sử dụng và
không ô nhiễm môi trường xung quanh có một ý nghĩa rất lớn cho người giảng dạy
và người học .
- Giảm chi phí đào tạo;
- Tuyển dụng và giữ lại thế hệ thợ hàn mới có tay nghề cao;

6


- Cải thiện hình ảnh của công nghệ hàn;
- Tạo hứng thú cho người học hàn;
- Đào tạo thợ hàn nhanh hơn;
- Giảm chi phí nguyên vật liệu trong quá trình hàn;
- Tiết kiệm được năng lượng điện;
- Tạo ra chương trình hàn “xanh”, không ô nhiễm môi trường

1.4.3. Ưu điểm của hàn hồ quang ảo
- Hàn hồ quang ảo giảm được vật liệu tiêu hao trong quá trình đào tạo
thực hành hàn;
- Học sinh có thể thực hành hàn và thực hiện qúa trình hàn một cách
không giới hạn mà không sợ mắc sai lầm;
- Học viên mồi hồ quang trên các mẫu hàn ở các vị trí hàn khác nhau;
- Giá hàn được định vị theo nhiều cách khác nhau để mô phỏng nhiều vị
trí hàn.
- Có thể dùng kỹ thuật hàn khác nhau và ghi điểm;
- Mô phỏng vũng hàn thực một cách chặt chẽ tượng trưng cho sự di
chuyển vũng hàn;
- Kỹ thuật hàn kém cho kết quả nhìn thấy là mối hàn không đều, như rỗ

khí và cháy chân mối hàn…
- Âm thanh hàn gắn với chuyển động hàn;
- Kỹ thuật hàn tốt cho kết quả là tiếng hồ quang rõ nét với tiếng nổ dài;
- Giáo viên có thể tăng thời gian thực hành cho người học bằng cách trình
bày một quá trình hàn thực tế, trực tiếp đến tất cả các học viên cùng một thời
gian.

7


1.5. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế
giới về thiết bị hàn hồ quang ảo
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về thiết bị hàn hồ
quang ảo
- Do nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực hàn, đặc biệt là thợ hàn ngày càng lớn
và góp phần giảm chi phí đào tạo, tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu ô nhiễ m, độc
hại nên một số nước công nghiệp phát triển như Anh, Mỹ, Đức, Pháp, Nhật,
Canađa, Estonia, … đ đầu tư nghiên cứu và chế tạo thành công các thiết bị hàn hồ
quang ảo. Ví dụ một số h ng sản xuất thiết bị hàn đ chế tạo thiết bị hàn hồ quang
ảo: H ng Lincoln (Mỹ), H ng Eurolaager (Estonia), …
- Nhiều cơ sở đào tạo ở các nước phát triển đ đầu tư trang bị các thiết bị
hàn hồ quang ảo phục vụ cho việc hướng dẫn sinh viên thực hành, đào tạo thợ
hàn. Các cơ sở đào tạo nghề ở nhiều nước chưa phát triển, chưa chế tạo được các
hệ thống thiết bị hàn hồ quang ảo nhưng họ đ nhập các thiết bị hàn hồ quang ảo
phục vụ cho việc đào tạo nguồn nhân lực hàn.
- Tổng kinh phí cho một bộ thiết bị hàn hồ quang ảo bao gồm cả chi phí
chuyển giao công nghệ và bảo hành có giá dao dộng từ 24.000 USD đến trên 90.000
USD.

1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về thiết bị hàn hồ quang ảo

- Ở Việt Nam, hiện nay chưa có cơ sở nào chế tạo được hệ thống thiết bị
hàn hồ quang ảo. Được sự quan tâm của nhà nước, một số trường đào tạo nghề đ
được trang bị thiết bị hàn ảo. Điều này tạo điều kiện cho học viên được thực hành
nhiều hơn trong khi không tốn phôi liệu và năng lượng (năng lượng điện). Bên cạnh
đó nó còn cho phép người dạy tự luyện tập để nâng cao tay nghề, đặc biệt là với cán
bộ hướng dẫn trẻ, chưa có nhiều kinh nghiệm. Ngoài ra việc đào tạo sử dụng thiết bị

8


hàn ảo cho phép giảm thiểu độc hại với cả người học và người dạy, giảm thiểu ô
nhiễm môi trường do không tạo ra các khí độc.
- Tuy nhiên do kinh phí đầu tư hạn hẹp nên thiết bị, chuyên môn và nhân lực
chưa được đầu tư đồng bộ dẫn đến hiệu quả khai thác thiết bị chưa cao. Sau một
thời gian đi vào hoạt động, các hệ thống thiết bị đ bọc lộ một số nhược điểm, chưa
thích ứng với điều kiện của ta.
- Các thiết bị nhập ngoại nên thường gặp khó khăn trong việc sửa chữa, bảo
dưỡng và rất tốn kém kinh phí do phải thuê chuyên gia từ các h ng. Nhiều thiết bị
hỏng nhẹ cũng phải ngừng hoạt động trong một thời gian dài để chờ đợi các chuyên
gia từ các nước cung cấp thiết bị sang sửa chữa. Đấy là chưa nói nếu thiết bị bị hỏng
nặng, không có kinh phí thuê chuyên gia sửa chữa, còn phải xếp bỏ gây l ng phí
lớn. Mặt khác, linh kiện thay thế, sửa chữa không có sẵn trong nước nên thời gian
cung cấp kéo dài ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác thiết bị.
- Vì thiết bị nhập ngoại giá thành cao nên hiện nay một vài cơ sở đào tạo
mới chỉ được trang bị một bộ thiết bị hàn ảo nên khả năng đáp ứng nhu cầu giảng
dạy thực hành hàn là chưa cao, hiệu quả giảng dạy chưa cao dẫn đến chưa có hiệu
quả kinh tế.
- Để nâng cao hiệu quả giảng dạy và đào tạo thực hành hàn, mỗi cán bộ một lúc
có thể hướng dẫn khoảng 5 học viên, thì như vậy mỗi cơ sở đào tạo cũng cần tối thiểu 5
bộ thiết bị hàn hồ quang ảo. Với hơn 1.100 cơ sở đào tạo hàn trong cả nước thì nhu cầu

trong nước là rất lớn (tới 5.000 đến 6.000). Nếu như tất cả số thiết bị đó được nhập từ
nước ngoài thì chúng ta mất một lượng ngoại tế đến vài trăm triệu USD.

9


1.6. Kết luận chương 1
Xuất phát từ thực tiễn về nhu cầu nhân lực ngành hàn hiện nay, với sự phát
triển của khoa học kỹ thuật nói chung cũng như trong sản xuất cơ khí chế tạo bằng
hàn nói riêng, lĩnh vực cơ khí xây dựng, cơ khí đóng tàu, hàng không, thủy điện…
chúng ta thấy nhu cầu ứng dụng hàn hồ quang ảo phục vụ đào tạo nghề trong các
cơ sở đào tạo nghề đóng vai trò rất quan trọng. Đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế
tạo cụm mỏ hàn hồ quang tay cho hệ thống thiết bị hàn hồ quang ảo” mang tính
thiết thực của nhu cầu đào tạo nghề hàn đó. Chi phí trong đào tạo giảm được
nguyên vật liệu tiêu hao trong khi hàn, và luôn luôn tạo ra môi trường hàn xanh,
không phát sinh khói, khí hàn độc trong quá trình hàn. Học viên thực hành trên cụm
mỏ hàn hồ quang ảo có cảm giác an toàn, hứng thú trong quá trình luyện tập. Vì
hình dáng và cấu tạo gần như mỏ hàn hồ quang tay thật nên người học thực hành
khi chuyển từ học trên thiết bị ảo sang cầm mỏ hàn hồ quang tay thật không có cảm
giác khác nhau nhiều .

10


CHƯ NG 2. NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ
KỸ THUẬT HÀN HỒ QUANG TAY

2.1. Nguyên lý, đặc điểm và ứng dụng của hàn hồ
quang tay
2.1.1. Thực chất

+ Hàn hồ quang tay là một trong những phương pháp hàn nóng chảy dùng
năng lượng của hồ quang điện nung nóng kim loại chỗ cần nối đến trạng thái chảy
sau khi kết tinh sẽ tạo thành mối hàn nối các chi tiết thành một liên kết bền vững.
+ Trong quá trình hàn, mọi thao tác như: Gây hồ quang, dịch chuyển que
hàn để duy trì chiều dài hồ quang, dao động để tạo ra chiều rộng cần thiết cho mối
hàn cũng như chuyển động dọc trục để hàn hết đường hàn đều do người thợ thực
hiện bằng tay.

2.1.2. Nguyên lý của hàn hồ quang tay

Hình 2.1. Hình ảnh mô phỏng của phương pháp hàn hồ quang tay
Hồ quang hàn là nguồn nhiệt lớn tập trung dùng để làm nóng chảy kim loại
khi hàn.

11


Hồ quang là sự phóng điện liên tục giữa hai điện cực trong môi trường khí
bị ion hoá. Khi cháy đạt đến nhiệt độ 61500C (ở tâm cột hồ quang). Năng lượng
điện mà hồ quang tiêu thụ phần lớn chuyển thành nhiệt năng. Ánh sáng hồ quang
phát ra rất mạnh gây ra viêm giác mạc và hỏng da. Ở trong môi trường các đìêu
kiện bình thường, không khí không dẫn điện, dòng điện chỉ có thể qua khi môi
trường khí có các phần tử tích điện như các ion âm, ion dương và điện tử tự do.

Hình 2.2. Hình ảnh mô phỏng quá trình hàn hồ quang tay
Quá trình tạo ra các ion gọi là sự ion hoá, còn môi trường khí chứa ion gọi
là môi trường bị ion hoá. Để cho một điện tử thoát ra khỏi nguyên tử và tạo ra
ion cần phải tốn một năng lượng nhất định, năng lượng này đặc trưng bởi điện
thế ion hoá và phụ thuộc vào một số yếu tố sau: Điện tích hạt nhân, bán kính
nguyên tử và sự tác động tương hỗ giữa các điện tử trong điện trường. Các

nguyên tố thuộc nhóm kiềm có điện thế ion nhỏ nhất, nên được dùng để chế tạo
thuốc bọc que hàn tạo điều kiện cho dễ mồi hồ quang và cháy ổn định hơn.
Thường điện thế của máy hàn lúc chưa gây hồ quang khoảng 50 ÷ 80V là phù
hợp, với điện thế ion hoá của các nguyên tố dùng để mồi hồ quang.
Khi hàn bằng dòng điện một chiều điện cực nối với cực âm của nguồn gọi là
Katốt, cực dương là Anốt còn khi hàn bằng dòng xoay chiều thì cực bị thay đổi lúc

12


là Anốt lúc là Katốt. Khoảng không gian giữa hai điện cực chứa hồ quang gọi là
chiều dài cột hồ quang (Lhq).
Trong quá trình hàn mọi thao tác như gây hồ quang, dịch chuyển que hàn
để duy trì hồ quang cháy ổn định, dao động lắc ngang để hàn hết chiều rộng mối
hàn và duy chuyển dọc để hàn hết chiều dài đường hàn đều được thực hiện bằng
tay nên nó được gọi là hàn hồ quang tay.

2.1.3. Đặc điểm của hàn hồ quang tay
+ Được sử dụng rộng r i ở tất cả các nước do có tính linh động cao, tiện
lợi và đa năng.
+ Cho phép hàn được mọi vị trí trong không gian.
+ Thiết bị hàn dễ vận hành, sửa chữa, bảo dưỡng, mức độ đầu tư thấp.
+ Năng suất hàn không cao do thao tác bằng tay, chất lượng mối hàn phụ
thuộc vào tay nghề người thợ.
+ Điều kiện làm việc không tốt (do chịu tác động trực tiếp của môi trường
khói và ánh sáng của hồ quang)…

2.1.4. Ứng dụng của hàn hồ quang tay
- Công nghiệp hạt nhân và hàng không;
- Chế tạo cơ khí, đóng tàu và đường sắt;

- Giàn khoan và đường ống;
- Bảo dưỡng, thay thế và sửa chữa;

13