Nghiên cứu hệ thống điều khiển hàn tự động theo vị trí sử dụng PLC s7 300

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CƠNG TRÌNH

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HÀNTỰ ĐỘNG
THEO VỊ TRÍ SỬ DỤNG PLC S7-300

Giảng viên hướng dẫn

: ThS. Trần Kim Khuê

Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Văn Anh

Mã sinh viên

: 1451082565

Lớp

: 59 - CĐT

Khóa học

: 2014 - 2018

Hà Nội - 2018

[Pick the date]

GVHD: ThS. Trần Kim Khuê
LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay công nghệ phát triểnhàn là một phương pháp lắp ghép khơng thể thiếu, có
phạm vi ứng dụng trong hầu hết các ngành cơng nghiệp, từ cơ khí, năng lượng, dầu
mỏ, giao thông vận tải, cho đến xây dựng, hàng không, hóa chất...Do tính phổ qt
và tầm quan trọng trong nền kinh tế, hàn đã và đang phát triển rất nhanh, từ kỹ
thuật, công nghệ, đến trang thiết bị nhằm đáp ứng yêu cầu năng suất, chất lượng
ngày càng cao trong thực tiễn. Hàn là cơng nghệ phức tạp địi hỏi kiến thức lý
thuyết vềvật lý, hóa học, cơ khí, luyện kim, điện, điện tử, tự động hóa…nhưng cũng
yêu cầu về tính sáng tạo và kỹ năng, kỹ xảo. Xuất hiện nhiều thiết bị hàn hiện đại,
hàn công nghệ cao, ROBOT hàn…làm năng suất hàn tăng lên gấp nhiều lần,song
bên cạnh đó việc tính tốn chế độ hàn cũng cũng gặp nhiều bất cập là phải tính tốn
chế độ hàn theo kinh nghiệm. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, với kiến thức đã
được học tại trường là một sinh viên ngành cơ điện tử, thông qua việc thiết kế đồ án
giúp chúng tơi bước đầu có những kinh nghiệm về lập trình PLC S7-300. Chính vì
vậy, tơi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển hàntự động theo vị trí
sử dụng PLC S7-300” làm đề tài tốt nghiệp. Bố cục của khóa luận gồm 03 chương:
Chương 1: Tổng quan về hàn tự động
Chương 2: Xây dựng hệ thống hàn tự độngsử dụng PLC S7 300
Chương 3: Viết chương trình điều khiển mơ phỏng trên PLC S7 300
Do thời gian làm khóa luận ngắn và kinh nghiệm bản thân cịn hạn chế, nên
đề tài khơng tránh khỏi những khỏi những thiếu sót, tơi rất mong nhận được những
ý kiến đóng góp q báu của các thầy, cơ và bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn.
Hà Nội,ngày 10 tháng 05năm 2018
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Anh

[Pick the date]

GVHD: ThS. Trần Kim Khuê

NHẬN XÉT
(Của giảng viên hướng dẫn)
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................

...... ..............................................................................................................................
...... ..............................................................................................................................

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(chữ ký, họ tên)


[Pick the date]

GVHD: ThS. Trần Kim Khuê

NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
(Chữ ký, họ tên)


[Pick the date]

GVHD: ThS. Trần Kim Khuê
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .........................................1
1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến đề tài khóa luận ..........................1
2. Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến đề tài khóa luận ............................1
3. Mục tiêu của đề tài, nhiệm vụ..................................................................................1
4. Nội dung nghiên cứu...............................................................................................1
5. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................1
6. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................1
PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN ......................................................................2
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HÀN TỰ ĐỘNG ....................................................2

1.1. Tổng quan về hệ thống hàn ..................................................................................2
1.2. Lựa chọn công nghệ hàn .......................................................................................2
1.2.1.HànMIG/MAG ...................................................................................................2
1.2.2. Vật liệu hàn dùng trong MIG –MAG ................................................................8
1.2.3. Hàn TIC ...........................................................................................................10
1.2.4. Công nghệ hàn plasma ....................................................................................11
1.3. Các phương pháp điều khiển hàn tự động ..........................................................13
1.3.1. Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ: là phương pháp hàn sử dụng
lớp thuốc để bảo vệ mối hàn. ....................................................................................14
1.3.2. Hàn hồ quang trong mơi trường khí bảo vệ ....................................................15
1.4.Điều khiển hàn tự động bằng PLC ......................................................................16
1.4.1.Giới thiệu về PLC (Programmable Logic Control) (Bộ điều khiển logic
khảtrình)........: ...........................................................................................................16
1.4.2. Cấu trúc phần cứng PLC họ S7 .......................................................................19
Chương 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG HÀN TỰ ĐỘNG SỬ DỤNGPLC S7
300.......... ...................................................................................................................24
2.1. Xây dựng mơ hình điều khiển hàn tự động ........................................................24
2.1.1. Một số yêu cầu khi hàn điểm ..........................................................................25


GVHD: ThS. Trần Kim Khuê

[Pick the date]

2.2. Lựa chọn máy hàn ..............................................................................................27
2.2.1. Cấu tạo của máy hàn điểm ..............................................................................27
2.3. Tính chọn các thiết bị mơ hình điều khiển .........................................................30
2.3.1. Các thiết bị dùng trong mơ hình......................................................................30
Chương 3: VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MƠ PHỎNG TRÊNS7
300........ .....................................................................................................................32

3.1. Xây dựng bài tốn điều khiển ............................................................................32
3.1.1. Gán các địa chỉ đầu vào, ra .............................................................................32
3.1.2. Sơ đồ đấu PLC: ...............................................................................................33
3.2. Mô phỏng hoạt động của mơ hình .....................................................................34
3.3. Thiết kế chương trình mơ phỏng trên S7 300 ...................................................36
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Địa chỉ đầu vào .........................................................................................32
Bảng 3.2: Địa chỉ đầu ra ...........................................................................................32


DANH MỤCCÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hàn MIG/MAG ..................................................................................................... 3
Hình 1.2: Trạm hàn MIG/MAG ............................................................................................. 4
Hình 1.3:Thiết bị hàn GMAW ............................................................................................... 5
Hình 1.4:Trạm hàn GMAW tự động...................................................................................... 5
Hình 1.5:Ống dẫn, súng, van ................................................................................................. 6
Hình 1.6:Đặc tính V-A của thiết bị CC và CV ...................................................................... 8
Hình 1.7: Đường kính dây hàn............................................................................................... 9
Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý hàn TIG ..................................................................................... 10
Hình 1.9:Đặc tính V-A khi hàn plasma ............................................................................... 12
Hình 1.10:Hồ quang hàn TIG .............................................................................................. 12
Hình 1.11:Hồ quang hàn plasma.......................................................................................... 13
Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ ......................... 14
Hình 1.13: Thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ ....................................... 14
Hình 1.14: Các thông số đặc trưng của mối hàn .................................................................. 15

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý hàn tự động trong mơi trường khí bảo vệ ............................... 15
Hình 1.16: Sơ đồ hàn tự động trong mơi trường khí bảo vệ ................................................ 16
Hình 1.17:Chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ PLC ........................................ 17
Hình 1.18: Hệ thống điều khiển dùng PLC ......................................................................... 18
Hình 1.19: Các module của S7 200 ..................................................................................... 19
Hình 1.20: Các module mở rộng.......................................................................................... 21
Hình 2.21:Cấu trúc phần cứng của PLC S7 300 .................................................................. 21
Hình 1.22:Mơ phỏng dùng Simulink ................................................................................... 22
Hình 1.23 Khai các biến sử dụng ......................................................................................... 22
Hình 1.24: Mở khối OB1 và viết chương trình điều khiển động cơ .................................... 23
Hình 1.25: Chọn run mơ phỏng ........................................................................................... 23
Hình 1.26: Tải và mơ phỏng chương trình........................................................................... 23
Hình 2.1:Mối hàn bằng phương pháp hàn điểm .................................................................. 25
Hình 2.2: Cấu tạo của máy hàn điểm .................................................................................... 28
Hình 2.3: Phương pháp hàn điểm ........................................................................................ 29
Hình 2.4:Máy biến áp .......................................................................................................... 30
Hình 2.5:Nguồn ni ........................................................................................................... 30
Hình 2.6:Tụ lọc và chỉnh lưu cầu ........................................................................................ 30


Hình 2.7:Đèn báo ................................................................................................................. 31
Hình 2.8:Động cơ một chiều ................................................................................................ 31
Hình 3.1:Cách đấu đầu vào PLC ......................................................................................... 33
Hình 3.2:Cách đấu đầu ra PLC ............................................................................................ 33
Hình 3.3: Mạch điều khiển .................................................................................................. 33
Hình 3.4: Lưu đồ thuật tốn ................................................................................................ 35


PHẦN 1:TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến đề tài khóa luận

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và tin học
ứng dụng đã thúc đẩy sự phát triển của ngành tự động hóa lên một tầm cao mới.
Trong các nhà máy, xí nghiệp yêu cầu về chất lượng của sản phẩm ngày càng cao, yêu
cầu về số lượng của sản phẩm ngày càng lớn, nên địi hỏi doanh nghiệp nước ngồi đầu
tư phát triển công nghệ điều khiển tự động để nâng cao chất lượng sản xuất.
2. Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến đề tài khóa luận
Những nhà nghiên cứu trong nước khơng dừng lại ở đó, nhiều thiết bị, phần
mềm ra đời chun phục vụ cho ngành cơng nghiệp, tính năng ưu biệt luôn được
nâng cao. Một trong những thiết bị phải kể đến đó là bộ PLC từ đó phát triển ứng
dụng robot hàn tự động trong công nghiệp lập trình điều khiển để đưa đất nước phát
triển theo công nghiệp 4.0 thúc đẩy phát triển ứng dụng của khoa học công nghệ.
3. Mục tiêu của đề tài, nhiệm vụ
Xây dựng được chương trình điều khiển hàn tự động theo vị trí sử dụng PLC
S7 300
4. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về công nghệ hàn tự động
- PLC S7-300
- Phần mềm S7- Manager
5. Đối tượng nghiên cứu
- Máy hàn điểm tự động
- Cách lập trình PLC S7 300
6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về hàn tự động
- Cách lập trình điều khiển ứng dụng PLC trong công nghệ điều khiển hàn tự động

1


PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN
Chương 1:TỔNG QUAN VỀ HÀN TỰ ĐỘNG

1.1. Tổng quan về hệ thống hàn
Hàn là quá trình cơng nghệ sản xuất các kết cấu khơng tháo được từ kim loại,
hợp kim và các vật liệu khác.
Nguyên lí của hàn: Khi hàn nóng chảy kim loại ở mối hàn hàn đạt tới trạng
thái lỏng. Sự nóng chảy cục bộ của kim loại cơ bản được thực hiện tại các mép của
phần tử ghép. Có thể hàn bằng cách làm chảy kim loại cơ bản hoặc làm chảy kim
loại cơ bản và vật liệu bổ sung nóng chảy tự rót vào bể hàn và tẩm ướt bề mặt rắn
của các phần tử ghép. Khi tắt nguồn đốt nóng kim loại lỏng nguội và đông đặc, kết
tinh, sau khi bể hàn kết tinh tạo thành mối hàn nguyên khối với cấu trúc liên kết hai
chi tiết làmmột.
-

Ưu nhược điểm của hàn:
Ưu điểm:Hàn là q trình cơng nghệ được ứng dụng rộng rãi để chế tạo và

phục hồi các kết cấu và chi tiết. Tính ưu việt bao gồm: Tiêu tốn ít kim loại, giảm chi
phí lao động, rút ngắn thời gian sản xuất.
Nhược điểm: Trong quá trình hàn xảy ra sự bay hơi và oxi hoá một số
nguyên tố, sự hấp thụ và hồ tan các chất khí của bể kim loại cũng như những thay
đổi của vùng nhiệt ảnh hưởng nhiệt. Kết quả thành phần và cấu trúc của mối hàn
khác với kim loại. Các biến dạng của kết gây bởi ứng suất dư có thể làm sai lệch
kích thước và hình dáng của nó và ảnh hưởng tới độ bền của mối ghép.
1.2. Lựa chọn công nghệ hàn
1.2.1.HànMIG/MAG
Phương pháp này có tên gọi là hàn hồ quang kim loại trong mơi trường khí
bảo vệ hoặc tên thơng dụng là hàn dây, hàn CO , tên gọi quốc tế là GMAW (Gas
Metal ArcWelding).
Các thuật ngữ MIG (Metal inert gas): Khí "trơ" sử dụng khi hàn thép hợp kim
và

kim

loại

màu.

MAG(Metalactivegas):Khí"hoạthóa"khihànthépthường,théphợpkimthấp. Khí trơ chủ
yếu

là

Argon

hoặc

helium

(khí

trộnthêm).Khíhoạthóathườnglà(CO )hoặcArgoncótrộnthêmOxy(
(

).
2

dùng

pha

)đơikhi

Hydro


Khí hoạt hóa là khí CO hoặc khí trộn có chỉ số oxy hóa lớn hơn 2.

Hình 1.1: Hàn MIG/MAG
GMAW sử dụng hồ quang được thiết lập giữa dây điện cực nóng chảy và
được cấp tự động vào chi tiết hàn. Hồ quang này sẽ được bảo vệ bằng dòng khí trơ
hoặc khí có tính khử. Sự cháy của hồ quang được duy trì nhờ các hiệu chỉnh đặc
tính điện của hồ quang. Chiều dài hồ quang và cường độ dịng điện hàn được duy trì
tự động trong khi tốc độ hàn và góc điện cực được duy trì bởi thợ hàn.
Ba bộ phận kiểm sốt q trình hàn:
- Súng hàn và cáphàn
- Thiết bị cấpdây
- Nguồn điệnhàn
Súng hàn và cáp hàn đảm nhiệm vai trị cung cấp khí bảo vệ cho vùng hàn,
dẫn hướng dây điện cực từ bộ phận cấp dây đến ống tiếp điện (contact tip) trên súng
hàn, dẫn điện từ nguồn điện hàn đến súng hàn. Khi nhấn cơng tắc trên súng hàn,
khí, dịng điện hàn và dây hàn đồng thời được khởi động, hồ quang được mồi và duy
trì tự động. Bộ phận cấp dây cùng với bộ nguồn sẽ phối hợp các đặc tính với nhau
để hiệu chỉnh tự động chiều dài hồ quang và dòng điện hàn. Sự hiệu chỉnh này thực
hiện được là nhờ sử sụng bộ nguồn áp không đổi (CV) phối hợp với bộ cấp dây tốc
độ khơngđổi. GMAW có thể được thực hiện bán tự động hoặc tự động. Ngày nay
chúngđượcsửdụngrộngrãichocáccôngviệchànnhờvàoưuđiểm:
- Năng suấtcao
- Giá thànhthấp
3

- Năng lượng hàn thấp, ít biến dạngnhiệt
- Hàn được hầu hết các kimloại
- Dễ tự động hóa

Hình 1.2: Trạm hàn MIG/MAG
Trang bị hàn:Q trình GMAW có thể thực hiện tự động hoặc bán tự động.
Các trang bị cơ bản gồm có:
- Súnghàn
- Bộ cấp dâyhàn
- Bộ điều khiển
- Nguồn điệnhàn
- Van giảmáp
- Các trang bị cần thiết cho dây điện cực, giá đỡ cuộn dây, contact tip, ống
dẫnhướng
- Cápđiệnvàcácđườngdẫnkhíbảovệ,nướclàmnguội.
Các loại súng hàn khác nhau được thiết kế nhằm cung cấp hiệu quả tối đa cho công
việc hàn. Chúng bao gồm súng hàn công suất cao, loại nhẹ dùng hàn ở mọi vị trí,
loại thiết kế đặc biệt cho các mối hàn đặc biệt. Có loại làm nguội bằng nước, có loại
làm

nguội

bằng

khí,

loại

mỏ

thẳng,

loại

mỏcong.Loạilàmnguộibằngkhíthườngcóphạmviứngdụngchodịnghàn nhỏ hơn 600A.
Khi hàn trên các dây chuyền công nghệ chúng ta thườngdùng loại làm nguội
bằngnước.

4


Hình 1.3:Thiết bị hàn GMAW

Hình 1.4:Trạm hàn GMAW tự động
Súng hàn bao gồm các chi tiết sau:
- Ống dây dẫn và contacttip
- Mỏ phunkhí
- Ống dẫn dây điệncực
- Ống dẫn khí bảovệ
- Ốngdẫnnướclàmnguội(đối với loại làm nguội bằngnước)
- Dây dẫn điện hàn
- Công tắc điềukhiển

5


Hình 1.5:Ống dẫn, súng, van
Contact tip thường được chế tạo bằng đồng hoặc hợp kim đồng nó có nhiệm
vụ tiếp điện cho dây hàn. Contact tip nối với nguồn điện hàn nhờ vào dây dẫn điện
hàn. Mặt phía trong của contact tip rất quan trọng bởi vì nó vừa bảo đảm dẫn điện

tốt vừa bảo đảm dây hàn đi qua dễ dàng. Khi hàn cần chọn contact tip phù hợp với
cỡ dây hàn, contact tip cần được gá đặt nhẹ nhàng vào súng hàn nhờ vào côn siết và
phải đặt đúng tâm của mỏ phun khí. Mỏ phun khí bảo vệ có nhiệm vụ cung cấp
dịng khí bảo vệ vũng hàn. Chế độ dòng chảy trong mỏ phun rất quan trọng vì nó
bảo đảm cho việc bảo vệ vùng hàn khỏi sự xâm nhập của các khí có hại, các cỡ mỏ
phun

khác

nhau

đượcchọnchophùhợpvớicơngviệc,cỡ

lớndùngchodịnghànlớn,bềrộng mối lớn, cỡ nhỏ dùng cho dịng hàn nhỏ. Ống dẫn
dây

hàn

là

bộ

phận

định

vị

vàhướngdẫndâyhàntừbánhxecấpdâyđếncontacttip.Trongquátrìnhhàn cần bảo đảm
việc cấp dây điều đặn thì hồ quang mới cháy ổnđịnh. Dây hàn bị vặn xoắn, gấp

khúc phải loại bỏ không được dùng để tránh bị kẹt dây. Đường kính và vật liệu ống
dẫn dây rất quan trọng đối với quá trình hàn, ống dẫn bằng thép dùng cho các vật
liệu cứng như thép, inox trong khi ống nilon được dùng cho các vật liệu mềm như
nhôm, magnesium, đồng, khi hàn cần chú ý tránh bẻ gấp khúc ống dẫn để không bị
kẹt dây. Đối với mỗi cỡ dây cần dùng ống dẫn thích hợp, bộ cấp dây kiểu đẩy
thường được dùng song khoảng cách từ thiết bị hàn đến nơi hàn không quá 3 – 4
mét. Cấp dây kiểu kéo thường được bố trí trong súng hàn và nó cho phép khoảng
cách đến thiết bị hàn xa hơn. Khi phải hàn trên cao hoặc khơng thể bố trí thiết bị
gần nơi cần hàn có thể sử dụng loại súng hàn có gắn cuộn dây (spool on gun).
Motor cấp dây thường là loại có tốc độ điều chỉnh vô cấp. Bộ cấp dâytốcđộ không
6


đổi có trang bị mạch điện tử để điều khiển q trình mồi hồ quang, tự động hiệu
chỉnh khi có sự thay đổi điện áp nguồn, tự hiệu chỉnh khi xảy ra
sựtrượtdây.Kếtquảlàhồquangmồivàcháyổnđịnhhơn,hạnchếđángkể lượng văng tóe.
Thiết bị được bố trí trong hộp kín để hạn chế bụi bặm, tăng tuổi thọ và giảm nhu
cầu bảo trì tốc độ cấp dây biến thiên từ 1,9 – 25 m/min (75 - 980m/min). Bộ cấp dây
có trang bị hệ thống hãm động lực cho phép dừng cấp dây tức thời mỗi khi nhả
contact điềukhiển. Bộ điều khiển hàn và bộ cấp dây thường được liên kết khối với
nhau. Nó có chức năng điều khiển tốc độ cấp dây. Tốc độ motor được xác lập
trướctheo khoảng giá trị dòng hàn. Mạch điều khiển sẽ hiệu chỉnh q trình khởi
động và dừng cấp dây. Khí bảo vệ, nước làm nguội và dòng điện hàn thường được
gắn với nguồn cung cấp thông qua bộ điều khiển. Lưu lượng khí bảo vệ và nước
được hiệu chỉnh đồng bộ với việc khởi động và và dừng quá trình hàn nhờ vào các
van điện từ (solenoids). Thường thì bộ điều khiển được trang bị các
bộđịnhthìchosựphunkhítrướcvàsaukhihàn.Việckhởiđộngdịnghàncó thể kích hoạt
trực tiếp từ bộ điều khiển hoặc thông qua điện áp hồquang. Van chỉnh áp khí bảo
vệ, thiết bị hàn cần cung cấp khí bảo vệ với áp suất và lưu lượng khơng đổi van
chỉnh áp đảm nhiệm vai trị đó. Có các loại van một cấp hoặc hai cấp, có hay khơng

trang bị lưu lượng kế. Loại hai cấp cho áp suất và lưu lượng khí cung cấp đều hơn
loại mộtcấp. Nguồn điện hàn quá trình GMAW được dùng với nguồn DC kiểu điện
áp khơng đổi (CV), điện cực dương. Có nghĩa là súng hàn được gắn vào cực dương
còn chi tiết hàn được đấu cực âm, điện cực DC âm không thích hợp do hồ quang
khơng ổn định. Ưu điểm chính của thiết bị kiểu CV là điện áp hồ quang khơng đổi
trong suốt q trình hàn. Dịng hàn sẽ tự động tăng hoặc giảm khi chiều dài hồ
quang thay đổi, từ đó làm tăng hoặc giảm tốc độ chảy của dây hàn nhờ đó mà điện áp
hồ quang được duy trì khơng đổi. Như vậy, thiết bị GMAW điều chỉnh dịng điện hàn
thơng qua bộ cấp dây. Đường đặc tính ngồi của thiết bị CV có dạng nằm ngang, nên
ứng với sự thay đổi nhỏ về điện áp cũng dẫn tới sự thay đổi lớn về dịng điện. Nói cách
khác, độ nhạy rất cao trong khi thiết bị CC thì hầu như dịng khơng thay đổi khi thay
đổi điện áp.

7


Khi tăng khoảng cách giữa contact tip và chi tiết, điện áp hàn và chiều dài hồ
quang tăng lên, dòng điện hàn sẽ giảm xuống như đặc tính đã mơ tả, khi đótốc độ
chảy của dây hàn giảm tương ứng, vì tốc độ cấp dây là hằng nên lúc này sẽ lớn hơn
tốc độ chảy kết quả là hồ quang sẽ bị ngắn lại. Quá trình ngược lại sẽ diễn ra khi
giảm điện áp hồ quang.

Hình 1.6:Đặc tính V-A của thiết bị CC và CV
1.2.2. Vật liệu hàn dùng trong MIG –MAG:
a) Khí bảo vệ:
Nhìn chung mọi kim loại đều có xu hướng kết hợp với oxy để tạo nên các
oxyt kim loại. Một số ít lại kết hợp với nitơ tạo ra các nitric kim loại, oxy cũng kết
hợp với carbon để tạo ra khí monoxide carbon. Tất cả các phản ứng này là trở ngại
chính cho cơng việc hàn bởi chúng hình thành nên các khuyết tật như rỗ khí, làm
giịn kim loại hàn. Mặc khác khơng khí lại chứa 80% nitơ và 20% oxy nên lẽ tự

nhiên là khơng thể tiến hành hàn mà khơng có biện pháp nào để bảo vệ vũng chảy.
Nhiệm vụ của khí bảo vệ trong hàn GMA là tạo ra khí quyển có tính trơ hoặc khử
để ngăn chặn các khí có hại từ khơng khí vào trong vũnghàn. Đồng thời khí bảo vệ
còn đảm nhiệm các vai tròsau:
- Mồi hồ quang dễ dàng và hồ quang cháy ổnđịnh
- Tác động đến các kiểu chuyển dịch kim loại trong hồ quanghàn
- Ảnh hưởng đến độ ngấu và tiết diện ngang của mốihàn
- Tốc độ hàn
- Khả năng tạo ra các khuyết biên(undercut)
- Tẩy sạch bề mặt và biên đườnghàn

8


b) Dây hàn:
Dâyhànthépcarbonlàdâyrắncóhàmlượnghợpkimthấp,đượckéovớiđộ
chínhxáccaocóđườngkínhtừØ0,6mmđếnØ2,4mm.Dâyhànđượcquấn
thànhcuộn15đến20kghoặcchứasẳntrongthùng(trườnghợphàntựđộng. Dây hàn được
mạ một lớp đồng để dẫn điện và chống oxy hóa. Thành phần dây hàn như sau:
carbon (C: 0,06 đến 0,08 %), mangan (Mn: 1,0 đến 1,5 %), silic (Si: 0,6 đến 0,9 %),
Lưu huỳnh (S: 0,025 %) và phospho (P: 0,025 %). Mật độ dịng điện:
Mậtđộdịngđiệnlàcườngđộđiqua1

tiếtdiệndâyhàn. Ví dụ:

Cường độ 150 A sử dụng với dây đường kính Ø 0,8 mm so với Ø 1,6 mm

Hình 1.7: Đường kính dây hàn
Như vậy dây Ø 0,8 mm cung cấp nhiều nhiệt hơn cho chi tiết và dây hàn q
nóng. Nên chọn cỡ dây hàn thích hợp với cường độ hàn. Tiêu chuẩn dây hàn theo

AWS

A5.18

gồm

các

loại

phổ

biến

sau:

ER70S-

2loạicóchứacácchấtkhửđặcbiệtchomốihànchấtlượngcao, tương thích hầu hết các loại
mác thépcarbon ER70S-3 dây hàn đa dụng. Silicon và mangan là hai thành phần
khử oxyt chủ yếu thích hợp cho cơng việc hàn ở vị trí nghịch với kiểu chuyển dịch
ngắn mạch dùng khí bảo vệ là Ar khí

. Hàn tốt trên thép cán và thép bị rỉ sét với

. ER70S-6 hàm lượng các chất khử oxyt mangan và silicon cao nhất,

chophép hàn trong
hợp Ar -

với dịng điện cao nhất. Đồng thời cũng có thể hàn với hỗn

. Khả năng hàn bám tốt, thích hợp khi hàn các mối hàn ở vị trí nghịch

với kiểu chuyển dịch ngắnmạch.
c) Thông số hàn:
- Tốc độ đắp, tốc độhàn
- Tốc độ cấp dây ( cường độhàn)
- Điện áp hồquang
- Độ nhú điệncực
Tốc độ đắp là lượng kim loại thực sự đắp vào mối hàn trong một đơnvị thời
gian đơn vị là kg/h. Cần cân bằng tốc độ đắp và vận tốc hàn bởi vì sự cân bằng tốt
sẽ giúp tốc độ đắp đạt giá trị tối ưu. Các yếu tố sau đây sẽ ảnh hưởng đến sự cân
9


bằng giữa tốc độ hàn và tốc độ cấp dây:
- Kích thước mối hàn
- Kiểu mối hàn
- Số lượng các lớp hàn
- Tốc độ hàn tối đa khoảng 600 mm/phút. Nhìn chung tốc độ hàn càng cao thì
mối hàn có kích thước càng nhỏ.
Dịng điện hàn, tốc độ cấp dây, sau khi xác định tốc độ đắp tối ưu, bước kế
tiếp là xác định tốc độ cấp dây và độ nhú điện cực. Cường độ dịng điện được xác
lập thơng qua các thơng số này. Khi hàn thì chúng ta xác định tốc độ đắp thông qua
tốc độ cấp dây và dòng điện hàn là giá trị danh nghĩa. Điện áp hàn liên quan chặc chẻ
đến chiều dài hồ quang xác lập khi cháy ổn định. Chúng ta cần chọn điện áp hàn phù
hợp với tốc độ cấp dây để hạn chế văng tóe.Stick out cịn gọi là độ nhú điện cực các
thông số cơ bản khi hàn với dây hàn có điện trở lớn phụ thuộc rỏ ràng vào độ nhú
điện cực. Sự thay đổi độ nhú sẽ thay đổi sự cân bằng điện trên hồ quang hàn. Khi

tăng độ nhú dây hàn bị đốt nóng do điện trở sẽ làm thay đổi tốc độ chảy của dây ở
trị số dòng điện xác lập. Sự cân bằng giữa tốc độ chảy và tốc độ cấp dây thay đổi
sẽthayđổiđiềukiệnhàn.Giữđộnhúkhơngđổicũngnhưgócđiệncực khơng đổi là một kỹ
năng của thợhàn.
1.2.3. Hàn TIC
Hàn TIG (Tungsten Inert gas) cịn có tên gọi khác là hàn hồ quang bằng điện
cực khơng nóng chảy (tungsten) trong mơi trường khí bảo vệ - GTAW (
GasTungstenArcWelding)thườngđượcgọivớitênhànArgonhoặcWIG(
InertGas).

Hình 1.8: Sơ đồ ngun lý hàn TIG
10

Wonfram


- Hồ quang cháy giữa điện cực tungsten khơng nóng chảy và chi tiết hàn
được bảo vệ bởi dịng khí thổi qua mỏ phun, sẽ cung cấp nhiệt làmnóng chảy mép
chi tiết, sau đó có hoặc khơng dùng que đắp tạo nên mốihàn.
- Kim loại đắp (que hàn có đường kính Ø 0,8 mm đến Ø 4,0mm) được bổ
sung vào vũng chảy bằng tay hoặc nhờ thiết bị tự động khi dùngdây cuộn (cuộn dây
có đường kính từ Ø 0,8 mm đến Ø 2,0 mm).
- Vũng chảy được bảo vệ bằng dịng khí trơ (lưu lượng 5 đến 25 lit/phút) Argon
hoặc Argon + Hélium, khi hàn tự động có thể dùng Argon +

.

Ưu điểm:
- Có thể hàn được kim loại mỏng hoặc
- Hànđượchầuhếtcáckimloạivàhợpkimvớichấtlượngcao, dày do thơng số hàn

có phạm vi điều chỉnh rộng ( từ vài ampe đến vài trămampe).
- Hàn được hầu hết các kim loại và hợp kim với chất lượng cao.
- Mối hàn sạch đẹp, không lẫn xỉ và văng tóe.
Nhược điểm:
- Năng suất thấp.
- Địi hỏi thợ có tay nghề cao.
- Giá thành tương đối cao do năng suất thấp, thiết bị và nguyên liệu đắt tiền.
Công dụng:
- Là phương pháp hiệu quả khi hàn nhôm, inox và hợp kim nicken.
- Thường dùng hàn lớp ngấu trong qui trình hàn ống áp lực.
- Hàn các kim loại, hợp kim khó hàn như titan, đồng đỏ.
1.2.4. Cơng nghệ hàn plasma
- Nhiệt độ hồ quang trong hàn plasma cao lên tới 1500 − 2000

, không

như hồ quang trong hàn tự do có dạng hình cơn tri rộng trên chi tiết, hồ quang trong
hàn plasma có dạng hình trụ, do đó nó có khả năng xuyên sâu vào bể hàn, nên các
mép hàn vật dày không cần vát mép lớn
- Bằng hàn hồ quang plasma có thể kết nối các kim loại đen và mầu khác
nhau: Nhôm và hợp kim titan, thép cacbon thấp và thép không gỉ, đồng, đồng thau,
niken và các vật liệu không đồng dạng với chúng
- Hồ quangplasma
Tạobởiđầuphunđượclàmmátmạnhmẽởvùngphụcậnliềnkềcủacực âm (cathode)
11


làm thay đổi đặc tính do đó nó chỉ có độ dốc âm nhỏ. Đặc tính
nàycắtngangđườngđặctínhthẳngđứngcủanguồndịngđiệntạicácđiểm
đượcxácđịnhrõràngbiểuthịhoạtđộngổnđịnhtạicácgiátrịdịngđiệnnhỏ hơn5A

Hình 1.9:Đặc tính V-A khi hàn plasma
So sánh hồ quang hàn TIG và hồ quang hànplasma
Hồ quang plasma có những ưu thế hơn hẳn so với hồ quang hàn TIG:
- Nhiệt độ cao
- Chùm tia tậptrung
- Năng lượng hồ quang plasma cao, do đó năng suất hàncao
Hồ

quang

điện

(hànTIG):Hồquang

hìnhnónvàmộttỷlệđángkểnănglượngbịtiêuhaoởvùngphụcận vùng nhiệt độ cao, rất gần
cathode khơng được sửdụng

Hình 1.10:Hồ quang hàn TIG

12


Hồ quangplasma

Hình 1.11:Hồ quang hàn plasma
- Hồ quang này tỏa ra một phần nhỏ bên cạnh hồ quang tập trung tại trung
tâm của đầu phun. Vùng nhiệt độ 10 000 -16 000°K được truyền tới vật hàn bằng
chùm tia tập trung. Đường đẳng nhiệt trong sơ đồ ở trên cho biết năng lượng được
phân bổ khác nhau như thế nào trong hồ quang plasma:

- Vùng nhiệt độ16 000 đến 24 000°K mở rộng vượt q đầuphun
- Vùngnhiệtđộ10000 đến16000°Kđượctruyềntồnbộtớichitiết.Trong khi đó,
ở quy trình hồ quang điện, vùng nhiệt độ cao rất gần với cathode là có thể sử
dụngđược.
- Vùng nhiệt độ 4000 đến 10 000°K hẹp trong quy trình hàn plasma và rộng
hơn trong quy trình hàn TIG.
1.3. Các phương pháp điều khiển hàn tự động
Trong hàn hồ quang tự động người ta thường căn cứ vào môi trường bảo vệ
kim loại để phân loại phương pháp hàn, có 2 phương pháp hàn là hàn hồ quang tự
động có khí bảo vệ và hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc

13


1.3.1. Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ:là phương pháp hàn sử dụng
lớp thuốc để bảo vệ mối hàn.

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ
Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ là phương pháp hàn hồ quang
chìm, q trình hàn nóng chảy do hồ quang cháy giữa dây hàn và vật hàn dưới một
lớp thuốc bảo vệ. Dưới tác dụng nhiệt của hồ quang, mép hàn, dây hàn và một phần
thuốc hàn sát hồ quang bị nóng chảy tạo thành vũng hàn. Dây hàn được đẩy vào
vũng hàn bằng một cơ cấu đặc biệt với tốc độ phù hợp với tốc độ cháy củanó. Hàn
hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ có thể tự động được cả hai khâu cấp dây vào vùng
hồ quang và chuyển động hồ quang theo trục mối hàn, nên được gọi là hàn hồ quang
tự động dưới lớp thuốc bảo vệ. Thiết bị hàn hồ quang dưới lớp thuốc bảo vệ rất đa
dạng, song hầu hết giống nhau về nguyên lý cấu tạo và một số bộ phận chính.

Hình 1.13: Thiết bị hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ
Công nghệ hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc có tính chất quyết định đến

14


chất lượng mối hàn.
Trước tiên, chế độ hàn ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn.
c

Hình 1.14: Các thơng số đặc trưng của mối hàn
h- chiều sâu nóng chảy của kim loại cơ bản.
c- chiều cao thêm của mốihàn.
b- chiều rộng mốihàn.
1.3.2. Hàn hồ quang trong mơi trường khí bảo vệ
Thực chất của hàn trong mơi trường khí bảo vệ là dùng những chất khí khác
nhau để bảo vệ cho hồ quang cháy ổn định, chống sự xâm nhập có hại của môi
trường. Hàn trong lớp thuốc bảo vệ như ta đã biết: Trong thuốc hàn thường có
những ơxyt nên dễ gây ơxy hố một số hợp kimđối với những hợp kim dễ bị oxy
hố như vậy thì hàn trong khí bảo vệ rất thích hợp và thu được chất lượng mối hàn
tốt. Các loại khí bảo vệ gồm có: N2, H2, CO, CO2 và các loại khí trơ như He, Ar...
nhưng thường dùng là khí CO2, khí Ar. Sơ đồ ngun lý hàn tự động trong mơi
trường khí bảo vệ:

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý hàn tự động trong môi trường khí bảo vệ
15


Thiết bị hàn:Sơ đồ hàn tự động trong môi trường khí acgơng

Hình 1.16: Sơ đồ hàn tự động trong mơi trường khí bảo vệ
1. Bình khí 2.Van giảm áp 3.Đồng hồ đo áp 4.Van tiết lưu 5.Máyphát1
chiều6.Động cơ quay cơ cấu cấp dây 7. Dây hàn 8.Cơ cấu cấp dây 9.Đường dẫn

khí 10.Màng khí bảo vệ 11.Vật hàn 12.Biếntrở.
Cơ cấu đưa dây hàn dùng động cơ điện cỡ nhỏ lắp vào bên trong có cán tay
nắm tạo thành cơ cấu đưa dây kiểu kéo dây hàn. Trong tay nắm lắp cần dẫn điện,
miệng dẫn điện và ống dẫn hơi, tay nắm nối với ống mềm đặc biệt. Ống mềm đặc
biệt dùng để đưa dây hàn và truyền dòng điệnhàn. Nguồn điện hàn dùng loại máy
hàn

điện

một

chiều

để

ổn

định

U

khi

I

tăng.

Hệthốngcungcấpkhígồmbìnhchứabằngthép,bộphậnsấy,vangiảmáp, đồng hồ lưu
lượng.
Kỹ thuật hàn: Hàn bảo vệ bằng thể khí CO2 nói chung đều dùng phương

pháp

đấu

nghịch

điệnmộtchiều,hồquangtươngđốiổnđịnh.Chếđộhànảnhhưởngđếnkích thước mối hàn
giống như hàn tự động dưới lớpthuốc.
1.4. Điều khiển hàn tự động bằng PLC
1.4.1. Giới thiệu về PLC (Programmable Logic Control) (Bộ điều khiển logic
khảtrình)
HìnhthànhtừnhómcáckỹsưhãngGeneralMotorsnăm1968vớiýtưởng ban đầu là
thiết kế một bộ điều khiển thoả mãn các u cầusau:
- Lập trình dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễhiểu.
16