Công nghệ robot hàn

CÔNG NGHỆ ROBOT HÀN

Các quá trình hàn

Hàn là phương pháp rẻ tiền và hiệu quả nhất để nối cứng hai chi tiết kim loại với nhau. Một mối hàn được tạo ra bằng cách đốt nóng kim loại tới điểm nóng chảy trong đó có hoặc không dùng lực tác dụng và kim loại điền đầy. Có nhiều quá trình hàn khác nhau, sử dụng nhiều loại nguồn nhiệt khác nhau. Hai phương pháp hàn chính là hàn hồ quang và hàn điểm (hàn đối kháng).

Công nghệ robot hàn

Các quá trình hàn

Hình 1: Robot hàn điểm

Hàn là phương pháp rẻ tiền và hiệu quả nhất để nối cứng hai chi tiết kim loại với nhau. Một mối hàn được tạo ra bằng cách đốt nóng kim loại tới điểm nóng chảy trong đó có hoặc không dùng lực tác dụng và kim loại điền đầy. Có nhiều quá trình hàn khác nhau, sử dụng nhiều loại nguồn nhiệt khác nhau. Hai phương pháp hàn chính là hàn hồ quang và hàn điểm (hàn đối kháng).

Hàn được coi là khâu phức tạp nhất trong các quá trình chế tạo. Để tự động hóa quá trình hàn, cần phải hiểu những nguyên lý khoa học đằng sau nó.

Hàn hồ quang

Hàn hồ quang là phương pháp nối hai miếng kim loại bằng cách làm nóng chảy chúng hoặc một dây kim loại trung gian, nhiệt sinh ra từ một hồ quang điện giữa các vật hàn và đầu que hàn. Qúa trình hàn có thể cần hoặc không cần kim loại điền đầy. Điện cực có thể là dây kim loại tự tiêu hoặc que các-bon hay que tăng-xtan không tự tiêu. Khi dùng điện cực không tự tiêu, kim loại điền đầy có thể lấy từ một dây kim loại phụ. Còn điện cực tự tiêu vừa mang dòng điện hàn, vừa nóng chảy và điền đầy kim loại vào mối hàn.

Hình 2: Hàn hồ quang

Che chắn hồ quang

Một trong những vấn đề chính trong quá trình hàn là khi kim loại nóng lên, chúng sẽ tương tác hóa học với không khí. Có nhiều phương pháp cách ly vật hàn khỏi không khí xung quanh. Nếu dùng khí trơ thì quá trình hàn gọi là hàn hồ quang khí trơ. Hàn hồ quang lõi thuốc giống như hàn hồ quang khí trơ, chỉ khác ở điện cực. Kỹ thuật hàn này dùng để nối các miếng kim loại dày, như ở các bình cao áp, ống cống, ống gas. Hàn hồ quang tăng-xtan khí trơ và hàn hồ quang plasma cũng là những kỹ thuật hàn được dùng phổ biến.

Mạch hàn cơ bản

Hồ quang được tạo ra giữa khe hở khi chạm điện cực vào vật hàn rồi nhấc ra nhưng vẫn giữ tiếp xúc gần. Hồ quang sinh ra nhiệt độ khoảng 3600oC tại đầu que hàn. Nhiệt này làm nóng chảy cả kim loại nền và điện cực, tạo ra một vũng kim loại nóng chảy, nó đông cứng sau khi điện cực di chuyển tới vị trí tiếp theo dọc mối hàn.

Hình 3: Mạch hàn cơ bản

Các tham số của quá trình hàn hồ quang khí trơ

Trong các quá trình hàn hồ quang, có một số tham số ảnh hưởng tới kích thước, hình dạng, chất lượng và độ bền của mối hàn.

Các tham số chính gồm:

Dòng điện hàn
Điện áp hồ quang
Tốc độ di chuyển điện cực

Các tham số phụ gồm:

Góc giữa điện cực và vật hàn
Góc giữa các vật hàn
Độ dày của lớp thuốc
Độ dài của hồ quang.

Kích thước và kiểu điện cực trong hàn hồ quang kim loại có cách ly xác định các yêu cầu về điện áp hồ quang và cường độ dòng điện. Dòng điện có thể là một chiều hoặc xoay chiều, nhưng nguồn điện phải có thể thay đổi điện áp, cường độ để phản ứng với các biến phức tạp của chính quá trình hàn. Ở cường độ thấp, dòng một chiều hiệu quả hơn nên dùng để hàn các tấm kim loại mỏng. Hầu hết các điện cực có lớp thuốc hoạt động tốt nhất với dương cực (phân cực ngược), cho khả năng xuyên sâu nhất. Trong khi đó âm cực lại tạo ra tốc độ nóng chảy cao hơn.

Cường độ dòng điện

Cách xác định cường độ hợp lý cho một điệ n cực nhất định tùy thuộc vào kích thước và kiểu điện cực đó. Thậm chí còn phải tính đến kiểu nối và vị trí mối hàn. Qúa trình đòi hỏi cường độ dòng điện đủ lớn để làm chảy cả điện cực và một lượng vừa đủ lớp kim loại nền. Cường độ càng lớn, thì độ xuyên thấu càng sâu. Cường độ cao có thể dẫn tới các vấn đề như quá nhiều vẩy hàn, quá nhiệt hoặc nứt gãy điện cực.

Điện áp hồ quang

Điện áp hồ quang thay đổi ít hơn so với dòng điện hàn. Nó ảnh hưởng tới hình dạng và độ rộng của ngọn lửa hồ quang. Điện áp càng cao thì ngọn lửa hồ quang càng rộng và dẹt. Phải tránh điện áp quá cao vì nó gây ra nứt gãy. Điện áp thấp sinh ra hồ quang hẹp hơn, xuyên sâu hơn.

Tốc độ di chuyển

Tốc độ di chuyển điện cực dọc mối hàn có ảnh hưởng trực tiếp tới hình dạng ngọn lửa hồ quang, độ sâu nóng chảy, tính thẩm mỹ (bề mặt), và sức nóng truyền vào kim loại nền. Tốc độ di chuyển nhanh tạo ra đường hàn hẹp hơn nhưng ít sâu hơn. Cách này thích hợp để hàn các tấm kim loại. Tốc độ di chuyển cũng ảnh hưởng tới sức nóng, do vậy ảnh hưởng tới cấu trúc luyện kim của kim loại. Tốc độ làm nguội tăng hay giảm phải tỷ lệ với tốc độ di chuyển. Ngoài ra, vùng chịu nhiệt sẽ tăng kích thước trong khi tốc độ nguội giảm. Tốc độ di chuyển và làm nguội quá nhanh dẫn tới xu hướng làm xốp vì mối hàn đông cứng nhanh hơn.

Độ dài hồ quang

Độ dài hồ quang là khoảng cách từ đầu nóng chảy của lõi điện cực tới vũng hàn nóng chảy. Nói chung, độ dài này tăng khi kích thước điện cực và cường độ dòng điện hàn tăng. Độ dài hồ quang thường được giới hạn bằng đường kính lõi điện cực.

Hàn điểm

Hàn điểm là một trong những phương pháp hàn lâu đời nhất. Nó được dùng ở nhiều ngành công nghiệp, điển hình là trong các dây chuyền lắp ráp xe hơi. Đây là một kiểu hàn đối kháng, mối hàn điểm được tạo ra giữa các tấm kim loại xếp chồng. Hàn điểm chủ yếu để hàn các tấm dày khoảng 3mm. Độ dày của các vật hàn bằng nhau hoặc không vượt quá tỷ lệ 3:1. Lực tác dụng vào mối hàn phụ thuộc vào số lượng và kích thước điểm hàn. Đường kính điểm hàn khoảng từ 3 mm tới 12.5 mm.

Hàn điểm thực hiện như thế nào ?

Hàn điểm là một kiểu hàn đối kháng, ở đó hai hay nhiều tấm kim loại được hàn với nhau mà không cần kim loại điền đầy. Mỗi hàn tạo ra nhờ lực và sức nóng tác dụng vào vùng hàn. Hàn điểm dùng để nối các tấm kim loại và dùng các điện cực bằng đồng hình trụ để nén và truyền dòng điện hàn qua các vật hàn. Trong tất cả các kiểu hàn đối kháng, vật hàn chỉ bị nung nóng cục bộ. Vật liệu giữa các điện cực dính vào nhau, nóng chảy và phá hủy ranh giới giữa các vật hàn.

Để tạo ra nhiệt, các điện cực đồng truyền một dòng điện qua các vật hàn. Nhiệt sinh ra phụ thuộc vào cường độ dòng điện, điện trở của kim loại, và thời gian tác dụng của dòng điện:

E = I^2.R.t

Điện cực được làm bằng đồng do nó có trở kháng nhỏ, độ dẫn nhiệt cao so với hầu hết kim loại khác. Điều này đảm bảo nhiệt được sinh ra trong các vật hàn, chứ không phải ở các điện cực.

Hình 4: Hàn điểm

Hình 5: Mối hàn điểm

Vật liệu nào thích hợp cho hàn điểm?

Thép có trở kháng cao, độ dẫn nhiệt thấp hơn đồng nên hàn điểm khá dễ dàng. Thép các-bon thấp thích hợp nhất cho hàn điểm. Thép các-bon cao hơn hoặc thép hợp kim khó tạo ra các mối hàn vững chắc. Nhôm có trở kháng và độ dẫn nhiệt gần bằng đồng. Tuy nhiên, điểm nóng chảy của nhôm lại thấp hơn đồng rất nhiều, vì thế hàn điểm cho nhôm cũng thích hợp. Cường độ dòng hàn cho nhôm cần lớn hơn do trở kháng của nó thấp.

Thép mạ (thí dụ mã kẽm để chống ăn mòn) cần hàn theo cách khác với thép không mạ. Lớp mạ kẽm phải được làm nóng chảy, bong ra trước khi thép dính vào nhau. Kẽm có điểm nóng chảy thấp hơn, nên có thể làm tan lớp mạ kẽm với một nhịp thăng giáng của dòng hàn. Trong qúa trình hàn, mạ kẽm có thể tan vào thép và hạ thấp trở kháng. Vì thế, cần cường độ dòng hàn cao để hàn thép mạ.

Các tham số hàn điểm gồm:

Lực điện cực
Đường kính tiếp diện của điện cực
Thời gian nén (squeeze time)
Thời gian hàn (weld time)
Thời gian giữ (hold time)
Dòng điện hàn

Việc xác định các tham số thích hợp cho hàn điểm là một vấn đề rất phức tạp. Thay đổi nhỏ ở một tham số cũng ảnh hưởng tới tất cả các tham số khác. Điều này, cộng thêm với thực tế là tiếp diện điện cực dần dần tăng lên, khiến rất khó xây dựng bảng tham số tối ưu cho hàn điểm.

Lực điện cực

Tác dụng của lực điện cực là ép các tấm kim loại vào nhau. Việc này đòi hỏi một lực tác dụng lớn nếu không chất lượng mối hàn sẽ không tốt. Tuy nhiên, lực quá lớn cũng gây ra những vấn đề khác. Khi lực điện cực tăng, nhiệt lượng sẽ giảm. Điều này nghĩa là lực điện cực cao thì cần dòng hàn lớn hơn. Khi dòng hàn quá cao, sẽ sinh ra vẩy hàn giữa điện cực và các tấm kim loại, làm điện cực dính vào chúng.

Giá trị trung bình của lực điện cực là 90 N/m2. Một vấn đề là trong quá trình hàn, mặt tiếp xúc sẽ rộng ra. Để đảm bảo ổn định điều kiện trong suốt quá trình hàn, phải tương ứng tăng dần lực điện cực. Do khó thay đổi lực điện cực theo cùng tốc độ biến dạng của nó, nên người ta thường chọn một giá trị trung bình.

Đường kính tiếp diện của điện cực

Một tiêu chuẩn chung của hàn điểm đối kháng là mối hàn có đường kính gấp 5 lần căn bậc hai của độ dày tấm hàn. Do vậy, một mối hàn giữa 2 tấm dày 1 mm phải có đường kính 5mm theo luật trên. Đường kính tiếp diện của điện cực phải nhỉnh hơn chút ít so với đường kính điểm hàn. Thí dụ, khi hàn điểm hai tấm dày 1mm như trên thì đường kính tiếp diện của điện cực dài khoảng 6mm. Trên thực tế, 6 mm là đường kính tiếp diện theo chuẩn ISO cho các tấm kim loại dày từ 0.5 tới 1.25 mm.

Thời gian nén

Thời gian nén tính từ lúc bắt đầu tác dụng lực điện cực lên các vật hàn tới lúc bắt đầu áp dụng dòng hàn. Thời gian nén là cần thiết để làm trễ dòng hàn cho tới khi lực điện cực đạt được độ lớn mong muốn.

Thời gian hàn

Thời gian hàn là thời gian dòng điện hàn tác dụng tới các tấm kim loại. Thời gian hàn được đo và điều chỉnh theo số chu kỳ điện áp tuyến tính (cũng như tất cả các hàm thời gian khác). Một chu kỳ là 1/50 giây trong một hệ thống điện 50 Hz. Do thời gian hàn ít nhiều liên quan tới những yêu cầu về điểm hàn, nên rất khó xác định được giá trị tối ưu.

Một số tiêu chí là:

Thời gian hàn càng ngắn càng tốt để điện cực chịu tác động ít nhất.
Khi hàn các tấm dày, nếu thời gian hàn càng dài thì đường kính điểm hàn càng lớn.
Trong trường hợp thiết bị hàn không đáp ứng được những yêu cầu về dòng điện và lực điện cực thì cần thời gian hàn dài hơn.
Thời gian hàn cần phải điều chỉnh tương ứng với chế độ bọc đầu tự động, ở đó kích thước tiếp diện điện cực luôn được duy trì không đổi (tức là thời gian hàn ngắn hơn).

Khi hàn các tấm dày hơn 2mm có thể phải chia thời gian hàn thành một số pha lên xuống để tránh tăng nhiệt lượng. Phương pháp này cho mối hàn đẹp mắt song độ bền có thể kém hơn.

Thời gian hàn tối ưu có thể tính bằng 10 lần độ dày tấm hàn. Thí dụ hai tấm dày 1 mm thì thời gian hàn là 10 chu kỳ (50 Hz).

Thời gian giữ (thời gian làm nguội)

Thời gian giữ là thời gian, sau khi hàn, khi các điện cực vẫn tác dụng vào tấm hàn để làm nóng mối hàn. Xét về khía cạnh kỹ thuật, thời gian giữ là tham số đáng quan tâm nhất. Thời gian giữ cần thiết để cho phép mối hàn đóng cứng trước khi nhả các vật hàn ra, nhưng phải không quá dài vì nếu không nhiệt sẽ lan ra điện cực và làm nóng nó lên. Điện cực sau đó sẽ phải bọc lại nhiều hơn. Ngoài ra, nếu thời gian giữ quá dài thì hàm lượng carbon của vật liệu sẽ tăng cao (hơn 0.1 %), có nguy cơ mối hàn bị giòn. Khi hàn thép carbon mạ kẽm, thời gian giữ phải dài hơn.

Dòng hàn

Cường độ dòng hàn nói chung càng thấp càng tốt. Người ta từ từ tăng dòng hàn cho tới khi vẩy hàn xuất hiện giữa các tấm kim loại. Ngoài ra còn phụ thuộc vào tỷ lệ dùng cho điều khiển.

SCCK.TK

Related Posts by Categories