HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM PHẠM ĐĂNG LỘC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐỒ GÁ HÀN TRONG MƠI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ ĐỂ HÀN MỐI GHÉP KHE HỞ HẸP Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 60.52.01.03 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đào Quang Kế TS Tống Ngọc Tuấn NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa sử dụng để bảo vệ học vị Tôi cam đoan rằng, giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tn trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận văn Phạm Đăng Lộc i năm 2016 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành q trình thực tập tốt nghiệp, ngồi nỗ lực thân, tơi nhận quan tâm giúp đỡ nhiệt tình tập thể, cá nhân trường Trước hết, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy, cô giáo Khoa Cơ Điện, Viện đào tạo sau đại học trường Học Viện Nông nghiệp Việt Nam giúp đỡ tơi hồn thành q trình thực tập tốt nghiệp Đặc biệt, xin chân thành cám ơn đến Thầy giáo PGS TS Đào Quang Kế tận tình hướng dẫn, dành nhiều cơng sức, thời gian tạo điều kiện cho suốt trình học tập thực đề tài Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ môn Công nghệ Cơ khí, Khoa Cơ Điện - Học viện Nơng nghiệp Việt Nam tận tình giúp đỡ tơi q trình học tập, thực đề tài hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cám ơn Ban giám đốc, Trưởng phòng bạn bè đồng nghiệp Phòng Thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ Hàn Xử lý bề mặt – Viện Nghiên cứu Cơ khí, nơi làm việc, tạo điều kiện thời gian, trang thiết bị để học tập tến hành thí nghiệm cho luận văn Cuối tơi xin gửi lời cám ơn chân thành tới gia đình, người thân bạn bè khích lệ tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận văn Phạm Đăng Lộc ii năm 2016 MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục viết tắt vi Danh mục bảng biểu ix Danh mục hình ảnh x Trích yếu luận văn xii Thesis Abstract xiii Phần Mở đầu 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Giả thuyết khoa học 1.3 Mục têu nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học thực tễn 1.6 Kết luận phần Phần Tổng quan tài liệu 2.1 Tình hình nghiên cứu nước 2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 2.3 Sơ đồ nguyên lý hàn khe hở hẹp 2.3.1 Sơ đồ cấu tạo thiết bị hàn khe hở hẹp khí bảo vệ 2.3.2 Nguyên lý hàn khe hở hẹp mơi trường khí bảo vệ 2.3.3 Đặc điểm, ưu nhược điểm hàn khe hở hẹp 2.4 11 Các phương pháp hàn khe hở hẹp mơi trường khí bảo vệ 2.4.1 Hàn TIG 11 2.4.2 Hàn MIG, Hàn MAG 12 2.4.3 14 Lựa chọn phương pháp hàn để hàn khe hở hẹp 2.5 15 Các thông số hàn khe hở hẹp 2.5.1 15 Dòng hàn 2.5.2 Điện áp hàn 16 2.5.3 Tốc độ hàn 16 2.5.4 Tốc độ cấp dây 17 2.5.5 Tốc độ dịch chuyển chuyển động đồ gá hàn 18 2.6 Ảnh hưởng thông số công nghệ hàn đến hình dạng, chất lượng mối hàn 19 2.6.1 Dòng hàn 19 2.6.2 Điện áp hàn 19 2.6.3 Tốc độ hàn 19 2.6.4 Tốc độ cấp dây hàn 20 2.6.5 Đồ gá hàn 20 2.7 Lựa chọn thông số hàn khe hở hẹp 21 2.8 Kết luận phần 22 Phần 3: Vật liệu phương pháp nghiên cứu 23 3.1 Địa điểm nghiên cứu 23 3.2 Thời gian nghiên cứu 23 3.3 Đối tượng, vật liệu nghiên cứu 23 3.3.1 Đối tượng nghiên cứu 23 3.3.2 Vật liệu nghiên cứu 23 3.4 Nội dung nghiên cứu 23 3.5 Phương pháp nghiên cứu 24 3.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 24 3.5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo đồ gá hàn khe hở hẹp 24 3.6 Kết luận phần 37 Phần Kết thảo luận 38 4.1 Kết luận văn 38 4.2 Tiến hành hàn thử nghiệm 38 4.2.1 Thử nghiệm lần 38 4.2.2 Qua nhiều lần thử nghiệm 38 4.2.3 Các lần thử nghiệm tếp theo 39 4.3 Kết mẫu thử 39 4.3.1 Kết đo độ cứng chụp ảnh tổ chức tế vi 39 4.3.2 Kết thử nghiệm kéo 45 4.3.3 Kết thử độ dai va đập 47 4.4 Kết luận phần 48 Phần Kết luận kiến nghị 49 5.1 Kết luận 49 5.2 Kiến nghị 49 Tài liệu tham khảo 50 Phụ lục 51 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng việt TIG (Tungsten inert gas welding) Công nghệ hàn TIG MIG (Metal inert gas) Công nghệ hàn MIG MAG (Metal actve gas) Công nghệ hàn MAG NGW (Narrow Groove Welding) Hàn khe hở hẹp GTAW (Gas tungsten arc welding) Hàn điện cực khơng nóng chảy GMAW (Gas metal arc welding) Hàn điện cực nóng chảy v Vận tốc h (mm) Chiều cao mối hàn (mm) b (mm) Bể rộng mối hàn (mm) U (V) Điện áp (Vol) I (A) Dòng điện (Ampe) J (A/mm ) Năng lượng (A/mm ) Al Nhơm Mg Magie Ar Khí Argon He Khí Heli O2 Khí oxy CO2 Cu Khí cacbonic Đồng Zn Kẽm Sn Thiếc Ti Titan Ni Nikel Si Silic Cr Crôm Fe Sắt C45 Thép cacbon C45 Φ (mm) Đường kính (mm) v/p Vòng/phút m/h Met/giờ KVA Công suất mm Milimet mm cm 2 Milimet vuông Centmet vuông l Đơn vị ký hiệu chiều dài ASTM Tiêu chuẩn Mỹ TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam at Đơn vị áp suất bar Đơn vị áp suất Pa Đơn vị pascal MPa Mega pascal % Phần trăm HB Đơn vị đo độ cứng PLC Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển lập trình logic) σb Ứng suất bền σch Ứng suất chảy σk Ứng suất kéo vii σkn Ứng suất kéo nén σy Độ bền dẻo lo Bán kính cong yt Độ võng G Trọng lực E Mô đun đàn hồi Ix Mơ men qn tính Wx Mơ men chống uốn với trục x xk Tọa độ chịu kéo N Cơng suất truyền kW Kilo ốt (Đơn vị đo cơng suất) n Số vòng quay m Khối lượng a Gia tốc g Gia tốc trọng trường F Lực Fmax Lực lớn M Mômen Mxoắn Mômen xoắn R Bán kính DC Động chiều i1, i2 Tỷ số truyền thứ nhất, thứ cos Φ Hệ số công suất o Nhiệt độ NXB Nhà xuất C Hình 4.9 Tổ chức vùng vùng mối hàn + Vùng (1) Ở vùng tản nhiệt nhanh nên kim loại lỏng vũng hàn kết tnh với tốc độ nguội lớn Do vậy, sau kết tnh nhận tổ chức kim loại với hạt tnh thể nhỏ mịn + Vùng trung gian (2) Kim loại lỏng vùng trung gian kết tnh với tốc độ nguội lớn vùng Các tnh thể kết tinh theo phương tản nhiệt có -5 -6 chiều ngược lại có kích thước ngang từ 10 đến 10 cm Do tốc độ nguội tương đối chậm nên sau kết tinh nhận hạt tinh thể dài có trục vng góc với mặt tản nhiệt + Vùng trung tâm (3) Kim loại lỏng vùng trung tâm kết tnh với tốc độ nguội chậm vùng kim loại lỏng có nhiệt độ giống nhau, chúng kết tnh gần đồng thời hướng tỏa nhiệt theo phương Sau kết tnh nhận tổ chức kim loại gồm cac hạt trục Trong vùng trung tâm có tạp chất phi kim loại – xỉ Tùy thuộc vào tốc độ nguội mà tổ chức kim loại mối hàn có khơng có vùng trung gian vùng trung tâm - Nếu tốc độ nguội lớn tnh thể hạt dài phát triển sâu vào trung tâm bể hàn, kim loại mối hàn có vùng: vùng ngồi với hạt nhỏ mịn vùng trung gian với hạt tinh thể dài - Nếu tốc độ nguội chậm vùng tnh thể hạt dài (vùng trung gian) khơng có b) Kết đo độ cứng Phương pháp: TCVN 258-1:2008; Thiết bị: AVK-CO/Mitutoyo Tên mẫu Bảng 4.1 Kết đo độ cứng Kết đo độ cứng, HV10 Lần đo Lần đo Lần đo Lần đo Lần đo Giá trị đo trung bình Vùng 133 138 137 138 135 136,2 Vùng ảnh hưởng nhiệt 155 157 157 156 152 155,4 Vùng hàn 159 159 160 161 159 159,6 Từ bảng 4.1 ta thấy: Kết đo độ cứng vùng hàn lớn sau đến vùng ảnh hưởng nhiệt cuối vùng 4.3.2 Kết thử nghiệm kéo  Mẫu thử nghiệm kéo: Hình 4.10 Mẫu thử bền kéo  Kết thử nghiệm kéo: Phương pháp: TCVN 197: 2002; Thiết bị: Super L120/TO Bảng 4.2 Kết thử lực kéo Tên mẫu Thép C45 Mẫu Kích thước Đường kính thử d Lực chảy Thử nghiệm kéo Ứng suất Lực Ứng chảy bền suất bền Độ giãn dài tương đối Fe Re Fm Rm A mm kN MPa kN MPa % #1 10,0 23,3 296 36,4 463 13,8 #2 10,1 28,8 313 36,7 462 16,3 Kết cho thấy lực ứng suất mẫu thử cho kết tương đối Phương pháp thử kéo trình quan trọng để xác định độ bền, độ đàn hồi, độ dẻo mối hàn Độ bền: khả kim loại mối hàn chống lại tác dụng lực bên ngồi mà khơng bị phá hỏng Độ dẻo: khả biến dạng vĩnh cửu kim loại mối hàn tác dụng lực bên ngồi mà khơng bị phá hỏng Biểu đồ kéo: Hình 4.11 Biểu đồ kéo Trục tung biểu thị lực kéo (σb), trục hoành biểu thị giá trị độ giãn dài mẫu thử (%) ứng với giá trị lực kéo Đoạn OA biểu đồ đoạn thẳng, chứng tỏ độ giãn dài tỷ lệ thuận với lực kéo Nếu tăng lực tiếp tục độ giãn dài lực kéo không tỷ lệ thuận mà độ giãn dài tăng nhanh lực kéo, ứng suất PA giới hạn đài hồi vật liệu, σđh = PA/F0 Tăng lực kéo mẫu thử tiếp tục giãn dài, từ điểm E kim loại có tượng chảy tức lực kéo không tăng mẫu thử giãn dài thêm Ứng suất điểm E giới hạn chảy vật liệu, σch = PE/F0 Nhưng thực tế nhiều vật liệu giòn khó xác định giới hạn chảy nên người ta qui ước σch = 0,2, tức ứng suất bỏ tải trọng có độ biến dạng dư 0,2% so với chiều dài ban đầu mẫu Qua điềm E tếp tục tăng lực kéo, mẫu thử tếp tục giãn dài B có tượng thắt nhỏ lại điểm mẫu đứt hẳn C, B lực kéo lớn nhất, vị trí điểm B ứng với giới hạn bền kéo vật liệu PB, có σb = PB/Fo 4.3.3 Kết thử độ dai va đập  Mẫu thử độ dai va đập: Hình 4.12 Mẫu thử độ dai va đập  Kết thử độ dai va đập: Phương pháp: ASTM E23; Thiết bị: RKP-450/Zwick Bảng 4.3 Kết đo độ dai va đập Kích thước Tên mẫu Mẫu thử Rộng x Dày Thí nghiệm va đập Nhiệt độ mm x mm Thép C45 o Năng lượng hấp thụ C J #1 10.20 x 9.05 198 #2 10.63 x 8.18 158 #3 9.57 x 8.80 #4 10.54 x 8.75 220 #5 9.83 x 8.42 178 25 178 Kết mẫu thử va đập có chênh lệch lớn, đặc biệt mẫu mẫu Kết lượng hấp thụ trung bình: ETB = (198 + 158 +178 + 220 + 178) : = 186,4 (J) 4.5 KẾT LUẬN PHẦN Đề tài tến hành thực nghiệm thành công hàn khe hở hẹp nối thép có chiều dày lớn phương pháp hàn mơi trường khí CO2 với mối ghép không vát mép sử dụng đồ gá hàn thiết kế, chế tạo - Với phương pháp hàn hàn chi tết dày không cần vát mép làm mà tháo dỡ kết cấu mà đảm bảo chất lượng kết cấu - Tốc độ hàn nhanh, biến dạng nhiệt - Đề tài tến hành thực nghiệm thành công hàn khe hở hẹp nối thép có chiều dày 150mm, khe hở hàn 25mm PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Đề tài nghiên cứu thiết kế đồ gá hàn phù hợp để hàn dày, đồ gá hàn kết hợp chuyển động: - Chuyển động tròn có tác dụng để bám biên làm ngấu mép hàn - Chuyển động dọc mối hàn xe hàn thực hiện, chuyển động phải đảm bảo thẳng xuốt trình hàn - Chuyển động thẳng đứng để trì lớp hàn nhau, để đảm bảo khơng có độ xốp mối hàn Nghiên cứu thực nghiệm: hàn thử mẫu thử nghiệm để thử tnh mối hàn như: tổ chức tế vi vùng hàn, độ cứng, thử va đập thử kéo => Đồ gá hàn chế tạo hàn tốt 5.2 KIẾN NGHỊ Tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm thông số phương pháp hàn khe hở hẹp để tối ưu thơng số hàn chế tạo đồ gá xác tốc độ dịch chuyển, tốc độ ngoáy cụm đầu hàn Xuất phát từ đề tài nghiên cứu việc áp dụng phương pháp hàn khe hở hẹp cho thép có chiều dày lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO * Tiếng Việt: Đề tài nghiên cứu cấp Bộ Công Thương (2014) mã số 105.14.RĐ/HĐ- KHCN: “Nghiên cứu, ứng dụng Công nghệ Hàn khe hở hẹp nối thép có chiều dày lớn phương pháp hàn khe hở hẹp mơi trường khí bảo vệ” Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn Xử lý bề mặt – Viện nghiên cứu Cơ khí Ngơ Lê Thơng (2007) Cơng nghệ hàn điện nóng chảy, tập NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Thúc Hà Hoàng Tùng (2007) Sổ tay hàn NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Văn Thông (1997) Vật liệu công nghệ hàn NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh: Blackman S.A, Dorling D.V and Howard R (2002) High-speed tandem GMAW for pipeline welding Internatonal Pipeline Conference, Calgary, Paper IPC02-27295 Kenji Kitano, Hiromi Shiraishi, Tatsuya Kasatani (1996) Development of fully Automatc Both-Side Welding (GMAW) for Pipeline Automaton Technology of Arc Welding pp II-151  II-156 Japan Paton B.E and Pokhodnya I.K (1980) Automatc positon but welding of large diameter pipes with self-shielded flux-cored wire by using Styk complex Internatonal Pipeline Conference, Calgary, Supplementary Paper, Session Widgery D.J Mechanised welding of pipelines and Svetsaren (2005) The ESAB welding and cutting journal vol.60 Yuji Sugitani, Yukio Kobayashi and Masatoshi Murayama (1996) Development of Highly Effcient and Unmanned Welding System for Pipeline Constructon Automaton Technology of Arc Welding pp II-157  II-160 Japan 50 PHỤ LỤC Phụ lục biên Phụ lục quy trình chế tạo số chi tiết điển hình Phụ lục hồ sơ vẽ thiết kế Phụ lục quy trình công nghệ hàn 51 52 53 54 55 56 57 58 ... giả tến hành nghiên cứu, thiết kế chế tạo cụm đồ gá hàn mơi trường khí bảo vệ để hàn mối ghép khe hở hẹp không vát mép Để xác định giải thơng số hàn phù hợp tới q trình hàn mối ghép khe hở hẹp, ... Sơ đồ nguyên lý hàn khe hở hẹp 2.3.1 Sơ đồ cấu tạo thiết bị hàn khe hở hẹp khí bảo vệ 2.3.2 Nguyên lý hàn khe hở hẹp mơi trường khí bảo vệ 2.3.3 Đặc điểm, ưu nhược điểm hàn khe. .. cấp thiết việc ứng dụng hàn khe hở hẹp vào thử nghiệm, sản xuất [1] 2.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HÀN KHE HỞ HẸP 2.3.1 Sơ đồ cấu tạo thiết bị hàn khe hở hẹp khí bảo vệ Hình 2.4 Sơ đồ ngun lý hàn khe hở hẹp