Nghiên cứu và thiết kế đồ gá hàn nhằm giảm ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ i

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

TRầN quốc mạnh

NGHIÊN CứU Và THIếT Kế Đồ Gá HàN NHằM GIảM
ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chữ i

luận văn thạc sĩ KHOA HọC

Ngời hớng dẫn khoa học: pgs.ts nguyễn thúc hà

Hà NộI - 2010


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào
hiện đang sử dụng và các công trình đã được công bố (ngoại trừ các bảng biểu
số liệu tham khảo và những kiến thức cơ bản trong các tài liệu học tập và nghiên
cứu được phép sử dụng).
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.
Hà Nội, tháng 10 năm 2010
Tác giả

Nguyễn Quốc Mạnh

_3_

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành của mình tới PGS. TS
Nguyễn Thúc Hà, người đã hướng dẫn trực tiếp và giúp đỡ tận tình trong việc
định hướng nghiên cứu, tổ chức thực hiện đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận
văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Viện Cơ Khí và Viện
đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận
lợi để hoàn thành bản Luận văn này.
Tác giả trân trọng cảm ơn PGS. TS. Bùi Văn Hạnh – Phó Viện trưởng
Viện Cơ Khí đã có những gợi ý trong việc thay đổi thiết kế đồ gá nhằm đảm bảo
sự linh hoạt trong quá trình gia công dầm hàn.
Tác giả trân trọng cảm ơn Văn phòng dự án Asia – link; Th.S, KSHQT
Vũ Đình Toại và Th.S, KSHQT Võ Văn Phong – Trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội đã hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành phần mô
phỏng trên phần mềm Sysweld và phần mềm Ansys được trình bày trong bản
Luận văn này.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn khó tránh khỏi sai
sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy/ Cô giáo, các
nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp.
Hà Nội, tháng 10 năm 2010
Tác giả

Nguyễn Quốc Mạnh

_4_


MỤC LỤC

Lời cam đoan

3

Lời cảm ơn

4

Mục lục

5

Các ký hiệu sử dụng trong luận văn

8

Hệ thống danh mục các hình vẽ

9

Phần mở đầu

12

1. Lý do chọn đề tài
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu

13

2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3. Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả

13

4. Phương pháp nghiên cứu

14

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

15

1.1. Tổng quan về các loại đồ gá hàn

15

1.2. Đặc điểm công nghệ, tính chất làm việc của các loại đồ gá hàn

20

1.3. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo đồ gá hàn
để giảm ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chứ I

22

1.3.1. Tính kinh tế

22

1.3.2 Tính công nghệ

22

Kết luận chương 1

24

Chương 2: Ứng suất, biến dạng khi hàn dầm chữ I; lựa chọn

25

phương án thiết kế đồ gá
2.1. Sơ lược về việc sử dụng dầm trong ngành cơ khí

25

2.2. Ảnh hưởng của các thông số đến biến dạng khi hàn dầm

27

2.2.1. Chế độ hàn

27

2.2.2. Dạng liên kết hàn

27

2.2.3. Trình tự thực hiện các mối hàn

_5_

28


2.2.4. Việc sử dụng đồ gá hàn

28

2.3. Lựa chọn phương án thiết kế đồ gá hàn

28

2.3.1. Khung đồ gá

28

2.3.2. Các cơ cấu dẫn động

29

2.3.3. Cơ cấu kẹp chặt

29

2.3.4. Cơ cấu định vị

29

2.3.5. Cơ cấu đẩy phôi khi hàn

29

2.3.6. Cơ cấu thay đổi vị trí của dầm

29

2.4. Ứng suất và biến dạng hàn khi hàn dầm

31

2.4.1. Ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn chữ T

31

2.4.2. Ứng suất và biến dạng do co dọc khi dầm hàn chữ I

38

2.4.3. Ví dụ về tính toán ứng suất và biến dạng của dầm

44

3.4.4. Tính toán giá trị biến dạng góc sau khi hàn

47

Kết luận chương 2

49

Chương 3 : Tính toán và thiết kế đồ gá hàn

49

3.1. Lựa chọn phần mềm tính toán

50

3.1.1. Giới thiệu về phần mềm ANSYS
3.2. Xây dựng sơ đồ tính toán cho kết cấu

50
53

3.2.1. Phân tích kết cấu cần chế tạo

53

3.2.3. Lựa chọn dạng liên kết hàn

54

3.2.4. Lựa chọn chế độ hàn: Như mục 3.4.3

55

3.3. Thiết kế sơ bộ các bộ phận chính của đồ gá

55

3.3.1. Thiết kế chi tiết các cụm của đồ gá

56

3.3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển đồ gá

62

3.3.2.1. Thiết kế hệ thống điều khiển lực kẹp

62

3.3.2.2. Tính toán lực kẹp của đồ gá bằng mềm Ansys

64

3.3.2.3. Lựa chọn piston sử dụng trong đồ gá

72

3.3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển của đồ gá

73

3.3.3.1. Thiết kế mạch điều khiển cho đồ gá

73

_6_

3.3.3.2. Điều khiển các chuyển động của đồ gá

78

3.3.3.3. Thiết kế trình tự thực hiện các chuyển động của đồ gá khi hàn

79

Kết luận chương 3

81

Kết luận và kiến nghị

83

1. Kết luận

83

2. Kiến nghị

85

Tóm tắt luận văn

87

Tài liệu tham khảo

91

Phụ lục 1

93

Phụ lục 2

106

Phụ lục 3

111

Phụ lục 4

117

Phụ lục 5

122

_7_


CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu

Đơn vị

b

[mm]

Kích thước các vùng tính toán

δ

[mm]

Chiều dày vật liệu

h

[mm]

Kích thước các chi tiết

F

2

[mm ]

P

[N]

J

[mm]

Mô men quán tính

б

[N/m2]

Ứng suất pháp

τ

[N/m2]

Ứng suất tiếp

E

[N/m2]

Mô đun đàn hồi

γ

[g/cm3]

Khối lượng riêng

µ

Nội dung

Diện tích tiết diện
Lực tác dụng

Hệ số Possion

YA

[mm]

Chuyển vị

F

[mm2]

Diện tích

V

[mm3]

Thể tích

m

[kg]

Khối lượng

δ

[%]

Độ dãn dài tương đối

ak

[kp.m/cm2]

M

(Nm)

k

mm

Cạnh mối hàn

Ih

(A)

Cường độ dòng điện hàn

Uh

(V)

Điện áp hàn

Vh

(mm/p)

Tốc độ/ vận tốc hàn

qđ

(cal/s)

Năng lượng đường

Độ dai va đập
Mômen

_8_


HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hệ thống đồ gá trong sản xuất kết cấu thép

15

Hình 1.2. Đồ gá chuyên dùng và robot hàn

16

Hình 1.3. Đồ gá tự động trong ngành công nghiệp ô tô

19

Hình 1.4. Đồ gá tự động trong sản xuất hàn

20

Hình 2.1. Dầm được sử dụng trong ngành cầu đường

25

Hình 2.2. Các loại dầm có biên độ không đổi trong thực tế sản xuất

26

Hình 2.3. Một loại dầm có biên dạng thay đổi trong thực tế sản xuất

26

Hình 2.4. Dầm hàn tổ hợp chữ I

26

Hình 2.5. Ảnh hưởng của góc vát tới liên kết hàn

27

Hình 2.6. Các kích thước của liên kết hàn chữ T

31

Hình 2.7. Phân bố nội lực trong tiết diện dầm hàn

32

Hình 2.8. Biểu đồ ứng suất khi hàn liên kết chữ T

33

Hình 2.9. Các dạng tồn tại trọng tâm của liên kết

35

Hình 2.10. Biến dạng do co dọc khi hàn liên kết chữ T

36

Hình 2.11. Biến dạng khi hàn dầm Công xôn

38

Hình 2.12. Ứng suất trong liên kết dầm chữ I

39

Hình 2.13. Hàn từng cặp mối hàn giáp mối biên

40

Hình 2.14. Các mối hàn được thực hiện chéo nhau

42

Hình 2.15. Hàn đồng thời hai mối hàn cũng một phía

43

Hình 2.16. Bản vẽ chế tạo dầm hàn chữ I

44

Hình 2.17. Mô hình tính toán giá trị biến dạng

48

Hình 3.1. Bản vẽ chi tiết hàn

53

Hình 3.2. Dạng liên kết hàn

55

Hình 3.3. Mô hình thiết kế sơ bộ đồ gá hàn dầm chữ I

55

Hình 3.4. Khung đồ gá

56

Hình 3.5. Cơ cấu thay đổi vị trí của dầm khi hàn

57

Hình 3.6. Cơ cấu chuyển động của đồ gá

57

_9_


Hình 3.7. Cơ cấu định vị, kẹp chặt và chống biến dạng của dầm

58

Hình 3.8. Cơ cấu cụm gối đỡ

59

Hình 3.9. Hệ thống điều khiển

59

Hình 3.10. Đồ gá nhìn từ cạnh phải

60

Hình 3.11. Đồ gá nhìn từ cạnh trái

60

Hình 3.12. Đồ gá khi chưa phối mầu

61

Hình 3.13. Đồ gá khi đã phối mầu

61

Hình 3.14. Hệ thống điều khiển lực kẹp

63

Hình 3.15. Xây dựng mô hình cần tính toán

64

Hình 3.16. Chia lưới và đặt tải cho mô hình

65

Hình 3.17. Chạy chương trình tính toán lần thứ nhất

65

Hình 3.18. Chạy chương trình tính toán các lần tiếp theo

66

Hình 3.19. Xuất kết quả tính toán

66

Hình 3.20. Xây dựng mô hình kết cấu cho quá trình chạy mô phỏng hàn

67

Hình 3.21. Tạo mô hình đầy đủ của kết cấu

67

Hình 3.22. Mô hình kết cấu sau khi chia lưới

68

Hình 3.23. Mô hình kết cấu sau khi đặt tải và các điều kiện biên

68

Hình 3.24. Đặt điều kiện gá kẹp khi hàn

69

Hình 3.25. Trường nhiệt độ khi chạy chương trình tại bước 2

69

Hình 3.26. Trường nhiệt độ khi chạy các bước tiếp theo

70

Hình 3.27. Xuất kết quả mô phỏng

71

Hình 3.28. Piston được sử dụng trong đồ gá

72

Hình 3.29. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển của đồ gá

74

Hình 3.30. Mosfet

75

Hình 3.31. Dùng Mosfet trên kênh N điều khiển motor DC

76

Hình 3.32. Mạch cầu dùng Mosfet

77

Hình 3.33. Bo mạch điều khiển đồ gá

78

Hình 3.34. Đồ gá khi ở vị trí Set 0 (cân bằng)

79

Hình 3.35. Đồ gá khi thực hiện mối hàn số 1

79

_10_


Hình 3.36. Đồ gá khi thực hiện mối hàn số 2

80

Hình 3.37. Đồ gá khi thực hiện mối hàn số 3

80

Hình 3.38. Đồ gá khi thực hiện mối hàn số 4

81

Hình 3.39. Sự biến thiên nhiệt độ tại toạ độ (0,0,300)

122

Hình 3.40. Sự biến thiên nhiệt độ tại toạ độ (0,0,1500)

122

Hình 3.41. Sự biến thiên nhiệt độ tại toạ độ (0,0,2000)

123

Hình 3.42. Sự biến thiên nhiệt độ tại toạ độ (0,0,3000)

123

Hình 3.43. Ứng suất theo phương y tại toạ độ (0,0,1500).

124

Hình 3.44. Ứng suất theo phương y tại toạ độ (0,0,50)

124

Hình 3.45. Ứng suất theo phương y tại toạ độ (0,0,550)

125

Hình 3.46. Ứng suất theo phương y tại toạ độ (0,0,2000)

125

Hình 3.47. Ứng suất theo phương y tại toạ độ (0,0,3500)

126

_11_


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong nền sản xuất cơ khí, ngành Hàn đã và đang đóng một vai trò đặc
biệt quan trọng. Tại một số lĩnh vực như: Đóng tàu, sản xuất kết cấu thép, sản
xuất Ô tô, …. không thể thiếu hàn vì nó chiếm một khối lượng rất lớn trong tổng
công việc cần hoàn thành. Hiện nay ngành Hàn đang phát triển rất mạnh mẽ với
sự ra đời của các phương pháp hàn mới, các thiết bị ngày càng hiện đại nhằm giải
phóng sức lao động và đem đến cho con người những sản phẩm mới với chất
lượng ngày càng có tính ưu việt.
Để có được những sản phẩm đạt yêu cầu theo thiết kế, trong sản xuất cơ
khí nói chung và sản xuất hàn nói riêng đồ gá đóng một vai trò đặc biệt quan
trọng, nó giúp cho quá trình gia công được thuận tiện, giúp các thiết bị máy móc
làm việc linh hoạt và chính xác, các sản phẩm sản xuất ra đảm bảo các yêu cầu
kỹ thuật, mỹ thuật và kinh tế. Ý tưởng về đồ gá hàn đã được hình thành ngay từ
khi ngành Hàn ra đời, nó đã trở thành một trong ba bộ phận chính và không thể
tách rời trong hệ thống sản xuất hàn: Nguồn hàn – Thiết bị hàn và Đồ gá.
Đồ gá Hàn không chỉ có tác dụng định vị và kẹp chặt chi tiết trong quá
trình gia công mà nó còn có nhiệm vụ giảm ứng suất và biến dạng trong hàn,
giúp nâng cao tuổi thọ cho kết cấu khi sử dụng. Sự phong phú và đa dạng của đồ
gá hàn phụ thuộc vào quy mô sản xuất và việc ứng dụng các phương pháp hàn
khác nhau, do đó có thể sử dụng đồ gá đơn chiếc (dùng cho sản xuất nhỏ lẻ) hay
đồ gá chuyên dùng (dùng trong sản xuất hàng loạt)…
Trong sản xuất cơ khí hàn nói chung và sản xuất kết cấu thép nói riêng
nhu cầu về chế tạo các loại dầm hàn là vô cùng lớn cả về số lượng cũng như
chủng loại. Do dầm cán thường có kích thước nhỏ và độ cứng vững không cao

nên nó ít được sử dụng trong công nghiệp mà nhường chỗ cho các loại dầm có
khối lượng và kích thước lớn được tổ hợp hay sản xuất bằng phương pháp hàn.

_12_


Chất lượng của các tổ hợp dầm hàn thường phụ thuộc rất lớn vào hệ
thống hàn. Hiện nay, trong sản xuất tại các doanh nghiệp đã xuất hiện rất nhiều
máy hàn hiện đại, nguồn hàn là vấn đề dễ dàng xử lý còn đồ gá hàn lại là vấn đề
phức tạp đối với hầu hết các doanh nghiệp sản xuất thiết bị vì đồ gá vừa phải phù
hợp với thiết bị hàn, phù hợp với các chi tiết phức tạp, thao tác dễ dàng, thuận lợi
và tối ưu hơn là có thể thích ứng với sự thay đổi của mẫu mã sản phẩm.
Xuất phát từ tính cấp thiết và yêu cầu nêu trên, tác giả tiến hành chọn đề
tài:
“Nghiên cứu và thiết kế đồ gá hàn nhằm giảm ứng suất và biến dạng
khi hàn dầm chữ I”.
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu các yếu tố công nghệ chế tạo dầm hàn chữ I trong thực tế sản
xuất, từ đó lựa chọn phương án thiết kế đồ gá hàn hợp lý.
Khảo sát chất lượng sản phẩm dầm hàn chữ I tại các doanh nghiệp sản
xuất kết cấu cơ khí.
Đưa ra phương án thiết kế đồ gá phù hợp với điều kiện thực tế của các
doanh nghiệp, đảm bảo tính linh hoạt khi sử dụng và kinh tế khi chế tạo.
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là:
- Chất lượng sản phẩm dầm hàn chữ I;
- Ảnh hưởng của yếu tố công nghệ đến chất lượng sản xuất dầm chữ I;
- Đồ gá hàn dầm trong thực tế sản xuất.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là dựa vào quá trình khảo sát thực tế tại

các doanh nghiệp sản xuất kết cấu thép và thiết bị cơ khí, phân tích và đánh giá
từ đó tìm phương án thiết kế đồ gá dầm hàn chữ I phù hợp với điều kiện thực tế.
3. Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả
Toàn bộ nội dung nghiên cứu được thể hiện trong các phần sau đây:

_13_


- Nghiên cứu khái quát về việc sử dụng dầm hàn trong thực tế, quá trình
đồ gá trong việc chế tạo kết cấu thép ở Việt Nam;
- Nghiên cứu khái quát về ứng suất và biến dạng hàn;
- Thiết kế đồ gá hàn dầm chữ I phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt
Nam;
- Xây dựng mô hình và kiểm tra bền kết cấu dầm hàn chữ I trên phần
mềm Ansys;
- Thiết kế đồ gá hàn dầm chữ I nhằm giảm ứng suất và biến dạng sau khi
hàn;
Với ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tế của luận văn sau khi hoàn thành
sẽ có những đóng góp đáng kể cho các doanh nghiệp và nhà sản xuất kết cấu
thép.
Ý nghĩa khoa học: Bằng cơ sở lý thuyết kết hợp với quá trình thực
nghiệm tại các cơ sở sản xuất, luận văn đưa ra được phương án thiết kế đồ gá hàn
dầm chữ I có thể hạn chế được ứng suất cũng như biến dạng sau khi hàn.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của tác giả sẽ đóng góp thêm vào
việc nâng cao chất lượng của sản phẩm dầm hàn chữ I tại các doanh nghiệp, rút
ngắn đáng kể về thời gian và các công đoạn trong quá trình sản xuất;
Làm cơ sở cho việc nghiên cứu, tính toán và thiết kế đồ gá cho các sản
phẩm cơ khí khác;
Đạt được năng suất cao nhất khi sản xuất dầm chữ I nhưng vẫn đảm bảo
chất lượng của sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật.

4. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp
với thực nghiệm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết;
- Tiến hành thực nghiệm tại các doanh nghiệp và xử lý các số liệu;
- Thiết kế đồ gá để hạn chế ứng suất và biến dạng sau khi hàn;
- Mô phỏng quá trình tính toán lực kẹp và quá trình hàn.

_14_


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về các loại đồ gá hàn
Trong nền sản xuất cơ khí, sản lượng sản xuất bằng công nghệ hàn hoặc
liên quan đến hàn chiếm một tỷ trọng rất lớn. Công nghệ hàn đã và đang đóng
một vai trò đặc biệt quan trọng trong ngành sản xuất cơ khí. Tại một số ngành, có
thể nói công nghệ hàn là không thể thiếu vì nó chiếm khối lượng rất lớn. Điển
hình là các ngành công nghiệp như: Đóng tàu, Ôtô,… và theo sự phát triển của
khoa học kỹ thuật, ngành hàn đã và đang phát triển rất mạnh mẽ. Các phương
pháp hàn mới được nghiên cứu và thử nghiệm, các thiết bị hàn ngày càng hiện đại
về công nghệ và tính năng sử dụng đã đem lại cho nền sản xuất cơ khí những sản
lượng khổng lồ với chất lượng ngày càng vượt trội, đồng thời giải phóng rất nhiều
sức lao động cho con người thậm chí có những phương pháp không cần có sự
tham gia trực tiếp của con người (điển hình là các dây truyền sản xuất ô tô tại một
số nước có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, Đức, Nhật…).

Hình 1.1. Hệ thống đồ gá trong sản xuất kết cấu thép

_15_

Để sản xuất được những sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật, trong sản xuất
cơ khí nói chung, đồ gá đóng vai trò quan trọng. Đồ gá giúp cho quá trình gia
công được thuận lợi, giúp các thiết bị máy móc làm việc linh hoạt và chính xác.
Tương tự như trong sản xuất cơ khí, ý tưởng về đồ gá hàn đã được hình thành
ngay từ khi ngành hàn ra đời. Nó đã cùng với các loại thiết bị hàn khác làm nên
những sản phẩm có chất lượng cao, đảm bảo về tính kỹ thuật, giảm chi phí cho
quá trình chế tạo. Các loại đồ gá hàn tham gia vào hầu hết việc chế tạo các chi
tiết và kết cấu, từ đơn giản cho đến phức tạp. Theo sự phát triển của các thiết bị
máy móc, các phương pháp hàn và đồ gá hàn cũng ngày càng phát triển, phong
phú về chủng loại, đa dạng về ứng dụng. Ứng với mỗi dạng của kết cấu cần chế
tạo hay mỗi loại thiết bị hàn, đồ gá hàn cũng được chế tạo cho tương thích và phù
hợp, từ đồ gá đơn chiếc sử dụng cho sản xuất đơn chiếc cho đến đồ gá sử dụng
cho sản xuất hàng loạt, sản xuất dây chuyền. Đồ gá và hệ thống đồ gá đã trở
thành vấn đề quan tâm đặc biệt trong sản xuất cơ khí nói chung và các ngành sản
xuất có sự tham gia của công nghệ hàn nói riêng.
Đồ gá hàn, ngoài tác dụng để kẹp chặt và định vị chi tiết khi hàn, nó còn
có một nhiệm vụ cũng rất quan trọng đó là Giảm tối đa ứng suất và biến dạng
trong và sau khi hàn.
Đồ gá hàn rất phong
phú, đa dạng và. Nó được sử
dụng tuỳ theo loại hình, quy
mô sản xuất, từng phương
pháp hàn khác nhau. Có
những trường hợp nó chỉ là
một

thanh

chống

thông

thường khi hàn các sản phẩm
nhỏ lẻ hoặc đơn chiếc, nhưng
có trường hợp nó là cả một tổ
hợp đồ gá khi sử dụng cho

Hình 1.2. Đồ gá chuyên dùng và Robot hàn

_16_


sản xuất hàng loạt và mang tính chuyên dùng.
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồ gá trong ngành cơ khí nói chung và
ngành hàn nói riêng đã và đang trở thành một vấn đề cực kỳ quan trọng trong nền
sản xuất cơ khí hiện nay. Trong sản xuất hàn, đồ gá luôn là 1 trong 3 bộ phận
chính không thể thiếu và tách rời của một dây chuyền sản xuất tiên tiến: Nguồn
hàn – Máy hàn – Đồ gá. Để hệ thống hàn làm việc thực sự hiệu quả thì ba bộ
phận trên phải luôn đảm bảo tính đồng bộ cao.
Hiện nay, trên thế giới đã nghiên cứu và cho ra đời rất nhiều thiết bị hàn
hiện đại. Nguồn hàn là vấn đề dễ dàng được xử lý, còn đồ gá hàn lại là vấn đề rất
phức tạp đối với hầu hết các tập đoàn cũng như các công ty sản xuất thiết bị. Bởi
vì: Đồ gá hàn không những luôn cần sự phong phú, đa dạng cùng với các loại
máy hàn. Quan trọng hơn, nó ngày càng phát triển đa dạng và mạnh mẽ vì càng
ngày càng xuất hiện những sản phẩm mới có độ phức tạp cao và yêu cầu kỹ thuật
khắt khe, đảm bảo tính hoán đổi cao khi lắp ráp và tổ hợp. Bên cạnh đó xu thế xã
hội ngày càng quan tâm nhiều đến việc giảm thiểu sự can thiệp trực tiếp sức lao
động của con người vào quá trình sản xuất.

Tuy nhiên vấn đề quan trọng hơn của đồ gá trong quá trình hàn là: Với
số lượng không nhỏ chi tiết, kết cấu hàn mà chỉ với người thợ đơn thuần không
thực hiện được hoặc thực hiện với kết quả không cao hoặc mức độ đạt yêu cầu là
hạn chế. Những trường hợp đó hệ thống hàn đồng bộ sẽ giải quyết được triệt để.
Đặc biệt trong hàn tự động và bán tự động thì đồ gá thực sự cần thiết cần được
nghiên cứu và chế tạo với yêu cầu cao về tính đồng bộ của cả hệ thống sản xuất,
mang tính chuyên dùng và chỉ đạt hiệu quả cao khi đưa vào sản xuất hàng loạt.
Ta có thể phân loại đồ gá hàn như sau:
* Theo quy mô sản xuất:
- Đồ gá đơn chiếc: Là loại đồ gá được sử dụng với mục đích sản xuất các
mặt hàng mang tính đơn chiếc. Loại đồ gá này là không cố định về thiết kế, sự
thay đổi của nó tuân theo sự thay đổi của các mặt hàng sản xuất. Chẳng hạn: Khi
hàn dầm, ta có thể sử dụng các thanh vật liệu thừa với kích thước đủ lớn rồi gá

_17_


vào bản bụng và bản cánh của dầm để làm đồ gá. Tuy nhiên, “đồ gá” này chỉ
đảm bảo được hai yếu tố là định vị các chi tiết lại với nhau và hạn chế biến dạng
cho dầm sau khi quá trình tổ hợp hoàn thành.
- Đồ gá chuyên dùng: Là loại đồ gá sử dụng cho sản suất mang tính hàng
loạt. Loại đồ gá này được thiết kế với sự ổn định cao, không có sự thay đổi về
cấu tạo cũng như hình dáng, đồng thời nó được chế tạo với hình thức hệ thống
(thường tạo thành dây chuyền). Ví dụ: Hệ thống đồ gá sử dụng trong ngành công
nghiệp sản xuất ôtô, xe máy, thiết bị điện, điện tử…
* Theo khả năng tự làm việc:
- Đồ gá điều khiển thủ công: Là loại đồ gá chỉ làm việc khi có sự điều
khiển trực tiếp của con người. Mỗi bước làm việc, mỗi di chuyển của đồ gá đều
do con người thực hiện. Loại đồ gá này mang tính thô sơ và sử dụng để chế tạo
các kết cấu hàn có yêu cầu kỹ thuật không cao và tính phức tạp không cao.

- Đồ gá bán tự động và tự động: Đây là loại đồ gá đang được nghiên cứu,
phát triển mạnh và ngày càng được sử dụng rộng rãi. Nó được tích hợp điều khiển
các hoạt động của mình bằng hệ thống điều khiển thông minh với sự tham gia của
các phần tử điện, cơ khí và công nghệ thông tin. Nó không những không đòi hỏi
sự can thiệp thường xuyên của con người trong quá trình làm việc mà nó còn
mang đến sự chính xác rất cao cho kết cấu hàn.
Loại đồ gá này đặc biệt mang lại hiệu quả cao khi hàn những kết cấu có
hình dạng phức tạp, cần thực hiện hàn ở các vị trí mà người thợ khó thực hiện
được thì việc lựa chọn đồ gá tự động kết hợp với máy hàn tự động sẽ là giải pháp
tốt nhất để sản xuất.
Bên cạnh đó, đồ gá tự động luôn mang lại hiệu quả cao cả về sản lượng
lẫn chất lượng. Tuy nhiên, đồ gá tự động và bán tự động có cấu tạo phức tạp mà
không phải khi nào cũng có thể chế tạo được ngay theo ý đồ thiết kế ban đầu,
thậm chí có những đồ gá rất khó chế tạo nếu như không nói là không thể chế tạo.
Việt Nam là một nước có sử dụng rất nhiều đồ gá trong sản xuất cơ khí nói chung
và sản xuất hàn nói riêng. Những loại đồ gá đó phần lớn là nhập khẩu hoặc sản

_18_


xuất trong nước. Với những chủng loại đồ gá nhập khẩu, tính hiệu quả trong sản
xuất được đảm bảo nhưng giá thành nhập khẩu những thiết bị đó thường rất cao,
không phải doanh nghiệp nào cũng có điều kiện để nhập nguyên chiếc. Mặt khác,
với các thiết bị nhập khẩu thông thường các doanh nghiệp không chủ động được
về mặt công nghệ khi mẫu mã sản phẩm có sự thay đổi.

Hình 1.3. Đồ gá tự động trong ngành công nghiệp ôtô
Với những đồ gá hiện nay được các doanh nghiệp sử dụng chủ yếu được
thiết kế và sản xuất ở mức độ cơ khí hoá và tự động hoá thấp, mang tính tạm
thời, chưa mang lại hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật.

Đây chính là vấn đề mà ngành cơ khí nói chung và ngành hàn nói riêng
hiện nay có mức quan tâm đặc biệt vì nó không những mang lại tính hiệu quả
trong sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu sự can thiệp trực tiếp
của người lao động trong quá trình sản xuất. Đã có rất nhiều dự án, đề tài nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo đồ gá tự động và bán tự động trong ngành công nghệ hàn.
Chỉ có con đường duy nhất đó mới có được các sản phẩm chất lượng cao, giảm
giá thành và nhân công cho các sản phẩm và phát huy tối đa khả năng làm việc
của các đồ gá.

_19_


1.2. Đặc điểm công nghệ, tính chất làm việc của các loại đồ gá hàn
Phần lớn các sản phẩm được chế tạo bằng công nghệ hàn thường có khối
lượng rất lớn và có kết cấu phức tạp. Vì vậy đồ gá hàn cũng cần phải có kết cấu
đủ lớn, đủ độ cứng vững hay nói cách khác là nó phải chịu được hoàn toàn tải
trọng của kết cấu gia công trong quá trình gá đính và hàn hoàn thiện sản phẩm.
Bên cạnh đó, gia công bằng công nghệ hàn là một phương pháp gia công
sinh ra sự biến dạng lớn về hình dáng, lực gây ra biến dạng có cường độ rất cao.
Trong và sau khi hàn, chi tiết hay kết cấu thường bị biến dạng ngoài ý muốn do
có sự co ngót kim loại khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Vì vậy,
đồ gá hàn cũng cần phải có kết cấu đảm bảo bền để thắng được lực biến dạng gây
ra trong và sau khi hàn. Khi gia công, chế tạo các chi tiết, kết cấu khác nhau
thường có sự thay đổi về vật liệu, sự thay đổi về kích thước và chủng loại vật
liệu. Với mỗi sự thay đổi chủng loại vật liệu như vậy sẽ dẫn đến sự thay đổi về
ứng suất và biến dạng tương ứng. Do đó, đồ gá làm việc trong điều kiện nào nó
sẽ có những yêu cầu cụ thể cho phù hợp.

Hình 1.4. Đồ gá tự động trong sản xuất hàn

_20_


Như đã trình bầy ở trên, công nghệ hàn là một phương pháp gia công
được sử dụng rất nhiều trong ngành công nghiệp sản xuất cơ khí, vì vậy khi hàn
rất cần đến tính chính xác của từng sản phẩm, nói cách khác các sản phẩm hàn
cũng cần phải đạt được một mức độ chính xác nhất định. Qua đó ta thấy đồ gá
hàn có tác dụng rất lớn đến mức độ chính xác khi gia công, chế tạo các sản phẩm.
Đồ gá phải đạt được sự chính xác và liên hoàn cùng với các thiết bị hàn khác.
Khi có sự kết hợp đồng bộ giữa máy hàn và đồ gá, những sản phẩm chế tạo ra
không những sẽ đảm bảo được tính chính xác mà còn nâng cao tuổi thọ cho thiết
bị.
Khi chế tạo kết cấu có sử dụng các phương pháp hàn, vật liệu hàn khác
nhau cũng sẽ dẫn đến sự thay đổi của đồ gá. Điều này càng thể hiện rõ trong các
dây chuyền sản xuất mang tính hiện đại và liên tục, ở đó đồ gá hàn được chế tạo
với độ chính xác cao, luôn đảm bảo sự linh hoạt và ổn định trong quá trình vận
hành. Trình tự làm việc của các bộ phận trong hệ thống đồ gá đảm bảo liên hoàn
và có tính logic và linh hoạt cao.
Mặt khác, đồ gá hàn cần phải thực hiện một chức năng cũng rất quan
trọng đó là phải thay đổi vị trí của sản phẩm gia công trong suốt quá trình hàn
sao cho vị trí hàn của sản phẩm luôn luôn ở vị trí thuận lợi nhất cho cho sự hình
thành mối hàn, giúp cho toàn bộ hệ thống hàn vận hành một cách trơn chu.
Nói tóm lại, cho dù khi hàn các sản phẩm đơn giản hay phức tạp. Khi sản
xuất đơn chiếc hay sản xuất hàng loạt, hoặc hàn bất cứ vật liệu nào hay phương
pháp hàn nào, thì đồ gá hàn cần phải đạt các yêu cầu sau:
- Yêu cầu về định vị: Đồ gá hàn phải cố định được vị trí của chi tiết hàn
hay kết cấu hàn trong suốt quá trình hàn.
- Yêu cầu kẹp chặt: Đồ gá hàn phải kẹp chặt được các chi tiết rời rạc
trong quá trình lắp ghép hay kết cấu hàn vì nếu như đồ gá không kẹp chặt được
thì nó sẽ định vị được các chi tiết hay kết cấu.

- Yêu cầu về chống biến dạng kết cấu trong quá trình hàn: Để đồ gá có
thể chống được biến dạng của chi tiết hay kết cấu hàn thì đồ gá phải đảm bảo đủ

_21_


bền để có thể thắng được lực biến dạng sẽ gây ra trong và sau quá trình hàn. Như
vậy ta có thể thấy rằng ba yêu cầu của đồ gá hàn có sự liên quan chặt chẽ với
nhau. Tuy nhiên với những kết cấu hàn đơn giản: Hàn các dầm nhỏ hay hàn giáp
mối,… thì đồ gá hàn có thể không cần tính đến sự kẹp chặt chi tiết hay kết cấu vì
trước khi hàn, kết cấu đã được hàn đính và có tính toán đến sự biến dạng ngược.
Để nâng cao chất lượng của sản phẩm hay năng suất của quá trình sản
xuất trong quá trình hàn, đồ gá hàn được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo với các
kết cấu và công nghệ khác nhau. Ở đó ta có thể kết hợp thuỷ lực, khí nén hoặc
điều khiển điện tử hay các dạng điều khiển tiên tiến hơn.
1.3. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo đồ gá hàn để giảm
ứng suất và biến dạng khi hàn dầm chứ I
1.3.1. Tính kinh tế
Để hệ thống đồ gá hàn dầm hoạt động có hiệu quả thì hệ thống gồm ba
bộ phận chính trong hệ thống hàn là: Nguồn hàn – Máy hàn – Đồ gá hàn phải
luôn đảm bảo sự đồng bộ trong quá trình hoạt động.
Như đã trình bày ở phần trên, nguồn hàn có thể xử lý một cách dễ dàng,
nhưng đối với đồ gá hàn, do hình dáng của các chủng loại sản phẩm ngày càng
đa dạng về kết cấu, hình dáng cũng như yêu cầu làm việc khác nhau. Vì vậy đồ
gá hàn cũng có những yêu cầu chế tạo tương ứng. Nói cách khác, đồ gá không
giống nguồn hàn nên rất khó để có thể lắp lẫn với nhau. Do đó yêu cầu nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo đồ gá hàn là một việc cần phải được đầu tư nhiều hơn
nữa về thời gian nếu như các doanh nghiệp muốn đạt được năng suất và hiệu quả
sản xuất cao.
Từ đó ta thấy được lý do tại sao giá thành chế tạo đồ gá hàn hiện nay là

rất đắt so với giá trị của các thiết bị hàn khác. Điều này không chỉ xảy ra tại Việt
Nam mà nó còn là tình trạng chung của toàn thế giới.
1.3.2 Tính công nghệ
- Sản xuất bằng công nghệ hàn là một phương pháp gia công có độ biến
dạng rất lớn. Vì vậy trong và sau khi gia công, các chi tiết hoặc kết cấu thường bị

_22_


thay đổi về cả hình dáng cũng như kích thước. Vấn đề này sẽ được nhiệm vụ
“định vị và kẹp chặt” của đồ gá hạn chế đến mức tối đa.
- Bên cạnh đó, trong thực tế sản xuất, có nhiều dạng chi tiết hay kết cấu
có những đường hàn phức tạp, có biên dạng đặc biệt mà nếu đơn thuần người
công nhân dù tay nghề rất cao cũng rất khó hoặc không thực hiện được một cách
tốt nhất. Vấn đề này sẽ được đồ gá hàn giải quyết bởi nhiệm vụ: “Luôn đưa chi
tiết hàn về vị trí thuận lợi nhất” để thực hiện công việc hàn.
- Trong sản xuất cơ khí nói chung và sản xuất hàn nói riêng, khi sử dụng
đồ gá, không những sẽ nâng cao được chất lượng của các sản phẩm mà nó còn
mang lại năng suất lao động rất cao.
Khác với các ngành công nghiệp khác, trong ngành công nghiệp hàn, để
đưa đồ gá vào sản xuất đạt hiệu quả nhất, ngành hàn phải chế tạo được đồ gá đảm
bảo các yêu cầu sau:
- Chuyển động của đồ gá phải đồng bộ và thích hợp với chức năng của
nguồn hàn.
- Đồ gá cần phải có kết cấu vững chắc, các cơ cấu kẹp chặt và kẹp định
vị đòi hỏi phải thao tác nhanh và đủ lực kẹp cần thiết để hạn chế tối đa biến dạng
sinh ra khi hàn và giảm được ứng suất dư sau khi hàn.
- Đồ gá sử dụng cho hàn dầm thường có kết cấu khá lớn vì các dầm hàn
thường được thiết kế lớn để đảm bảo độ cứng vững trong suốt quá trình sử dụng,
đo đó đồ gá thường có kết cấu phức tạp và đòi hỏi phải chịu được tải trọng cao.

Từ những yêu cầu trên ta thấy việc nghiên cứu và thiết kế đồ gá hàn nói
chung và đồ gá sử dụng cho hàn dẫm chữ I nói riêng là một trong những yêu cầu
cấp bách cần thực hiện.
Ở Việt Nam hiện nay, hầu hết tại các Công ty, các doanh nghiệp sản xuất
kết cấu thép vẫn đang sử dụng những đồ gá hàn có kết cấu đơn giản, những đồ gá
mang tính hiện đại và tự động thường ít được sử dụng. Những đồ gá dạng này
hầu hết đều nằm trong các doanh nghiệp nước ngoài hoặc các doanh nghiệp liên
doanh với nước ngoài. Bởi vì cho đến nay, đồ gá hiện đại có giá thành rất cao, có

_23_


những trường hợp cao hơn rất nhiều so với thiết bị, máy hàn. Mặt khác, những đồ
gá có tính năng như vậy không dễ dàng đặt hàng là có thể mua ngay được. Để
giải quyết vấn đề này chúng ta rất cần có sự đầu tư nhiều hơn nữa cho việc
nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và nội địa hoá các đồ gá nhằm giảm chi phí đầu tư
ban đầu cho các doanh nghiệp.
Kết luận chương 1
Trong chương 1, tác giả đã hoàn thành được các nội dung sau:
1. Khái quát về các loại đồ gá hàn, tình hình sử dụng hệ thống đồ gá hàn tại các
nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng.
2. Phân tích được đặc điểm công nghệ và tính năng ưu việt của đồ gá hàn trong
sản xuất.
3. Từ những phân tích đó tác giả đi đến kết luận về tính cấp thiết của công việc
nghiên cứu và chế tạo đồ gá hàn và tìm nội dung nghiên cứu phù hợp với khuôn
khổ luận văn của mình.

_24_

Chương 2
ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG KHI HÀN DẦM CHỮ I,
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ĐỒ GÁ
2.1. Sơ lược về việc sử dụng dầm trong ngành cơ khí
Dầm đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trong ngành công nghiệp cơ
khí, nhất là các ngành sản xuất có sự tham gia của công nghệ hàn như ngành
công nghiệp đóng tàu, xây dựng công nghiệp và dân dụng,… Ở mỗi ngành công
nghiệp đó nó có thể có hình dạng (chữ I, U, V, hộp,…) và vai trò khác nhau (cột,
sà, ray, cầu trục,…).

Hình 2.1. Dầm được sử dụng tại các cây cầu
Hiện nay dầm thường được chế tạo bằng hai phương pháp là cán và hàn.
Đối với dầm cán, kích thước của dầm thường là nhỏ, nó được sử dụng chủ yếu
trong các kết cấu không đòi hỏi cao về tính chịu lực, chế tạo đơn giản và thường
được sử dụng để chế tạo các kết cấu nhỏ. Dầm tổ hợp bằng công nghệ hàn
thường có kích thước lớn hơn dầm cán, nó đa dạng về hình dáng, phù hợp với
nhiều dạng kết cấu khác nhau cũng như các yêu cầu sản xuất, có thể chịu tải cao,
thường được chế tạo hình chữ I, chữ H, chữ U và dầm hộp (trong đó dầm chữ I là

_25_


loại dầm được sử dụng chủ yếu). Tuy nhiên, khi chế tạo dầm bằng tổ hợp hàn cần
phải đặc biệt quan tâm tới các yếu tố như: Hình dáng, kết cấu để đảm bảo sau khi
chế tạo xong sự biến dạng và tồn tại ứng suất trong dầm là nhỏ nhất.

a)

b)

c)

Hình 2.2. Các loại dầm có biên dạng không đổi trong thực tế sản xuất
a) Dầm chữ T

b) Dầm chữ I

c) Dầm chữ H

Hình 2.3. Một loại dầm có biên dạng thay đổi trong thực tế sản xuất

a
b
c

Hình 2.4. Dầm hàn tổ hợp chữ I
a) Bản cánh

b) Bản bụng

_26_

c) Liên kết hàn