Chế tạo thành công hệ thống hàn cao tần không tiếp xúc phục vụ sản xuất ống thép

Kết quả từ nhiệm vụ khoa học công nghệ do nhóm kỹ sư, chuyên gia Đại học Nguyễn Tất Thành (Tp.HCM) triển khai được kỳ vọng giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào máy nhập ngoại trong sản xuất ống thép hàn, tiết kiệm chi phí đầu tư. 
Theo định hướng phát triển, ngành thép Việt Nam đang từng bước tập trung vào mục tiêu chủ động và tự sản xuất các loại thép đặc thù, thay vì "chạy đua" vào những nhóm sản phẩm thép đang dư thừa cũng như giảm thiểu lượng thép nhập khẩu. Do đó, việc sản xuất ống thép được xác định là "lối thoát" cho ngành thép trong nước, nhằm phục vụ thị trường nội địa lẫn xuất khẩu. 

Được biết, trước giai đoạn năm 2019, doanh nghiệp cơ khí - điện tử công nghiệp Việt Nam hoàn toàn có thể chế tạo hệ thống cho khâu kéo và tạo hình ống trong tổng thể một dây chuyền sản xuất ống thép hàn, nhưng riêng đối với thiết bị hàn ống cao tần thì vẫn phải nhập ngoại, từ đó dẫn đến sự phụ thuộc công nghệ và hạn chế ngành sản xuất ống thép hàn đối với doanh nghiệp trong nước. 

"Đây là bộ phận quan trọng nhất của dây chuyền sản xuất ống thép hàn, có ảnh hưởng chính đến chất lượng ống thép hàn", TS. Ngô Mạnh Dũng nhận xét. 

Gỡ nút thắt nhập ngoại

TS Ngô Mạnh Dũng, chủ nhiệm nhiệm vụ khoa học và công nghệ "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống hàn cao tần không tiếp xúc công suất 250kW cho dây chuyền sản xuất ống thép hàn" do Đại học Nguyễn Tất Thành (TP.HCM) chủ trì thực hiện, cho biết các kết quả khảo sát, phân tích cho thấy tất cả máy hàn cao tần chế tạo trong nước chủ yếu là lắp ráp các board điều khiển và board công suất theo mẫu nhập của Trung Quốc, chất lượng không cao, thường không ổn định và hư hỏng do cháy nổ phần công suất, ảnh hưởng đến quá trình sản xuất liên tục.

"Việc sử dụng board nhập khẩu để lắp ráp, không làm chủ được công nghệ, mỗi lần máy hàn hư hỏng phải chờ nhập board điện tử, thời gian chờ nhập ít nhất 2 tuần, làm cho cả dây chuyền sản xuất ống thép hàn phải đình trệ, gây thiệt hại lớn về kinh tế", TS. Ngô Mạnh Dũng phân tích.

Chưa dừng lại ở đó, các nhà sản xuất dây chuyền sản xuất ống thép hàn trong nước hiện chủ yếu sử dụng các thiết bị hàn cao tần nhập ngoại (đa số từ Đài Loan, và Trung Quốc) với giá thành rất đắt, và khó có điều kiện bảo hành thiết bị công suất tại chỗ. Trong khi đó, thiết bị hàn cao tần ống thép công suất 250kW có giá thành khoảng 30.000USD, chiếm đến 30-40% giá thành hệ thống sản xuất ống thép hàn cao tần, và điều này cho thấy vai trò quan trọng của thiết bị hàn cao tần trong dây chuyền.

"Do đó, mục tiêu cốt lõi mà nhóm nghiên cứu đặt ra chính là thiết kế, chế tạo thiết bị hàn cao tần công suất, nhằm hỗ trợ khả năng sản xuất trọn bộ dây chuyền sản xuất cho các doanh nghiệp chế tạo máy vừa và nhỏ trong nước", TS. Dũng nhấn mạnh.

Thực tế cho thấy, hàn ống thép có 3 dạng là hàn lò, hàn điện (hồ quang) và hàn cao tần không tiếp xúc. Trong đó, công nghệ hàn cao tần không tiếp xúc hiện nay được ứng dụng rộng rãi vì phù hợp cho dây chuyền sản xuất liên tục không gián đoạn, đảm bảo năng suất cao.

Hàn ống thép bằng dòng cao tần (trái), và cấu hình các cuộn dây công tác cao tần thường được sử dụng trong hàn ống thép

Làm chủ hoàn toàn công nghệ 

Thực tế cho thấy, hàn cao tần là công đoạn then chốt và quan trọng trong sản xuất ống thép hàn từ băng thép phẳng (cán nóng). Hệ thống hàn cảm ứng thực hiện truyền năng lượng không cần tiếp xúc. 

Nguyên tắc hàn cao tần cảm ứng là đưa ống thép qua “lò” nhiệt tạo bởi cuộn dây đồng có dòng điện xoay chiều cao tần chạy qua. Dòng cao tần này tạo ra từ trường phát triển xung quanh cuộn dây, một phần của nó trực giao với ống thép hở. Kết quả tạo ra một điện trường trên bề mặt ngoài của ống, từ đó tạo ra sự chênh lệch điện áp trên các cạnh rìa ống thép. Hiệu ứng “bề mặt” giới hạn dòng điện trong một vài phần nghìn inch trên bề mặt. Kết quả là có một dòng điện chạy trên bề mặt ống theo các cạnh chưa ghép của dải ống và dòng điện bên trong lòng ống chảy theo hướng ngược lại.

Dòng điện cao tần chảy trên bề mặt ống theo các cạnh rìa ống, làm nóng chảy các cạnh rìa ống, được ép lại với nhau và được hàn tại điểm hàn. Ở tần số được sử dụng cho hàn cảm ứng, sự tương tác giữa điện trường và từ trường có thể khiến dòng điện chạy theo những cách không mong muốn. 

"Vì vậy, điểm mấu chốt để vận hành hiệu quả máy hàn tần số cao là hướng phần lớn dòng điện dọc theo các rìa cạnh ống, để dòng điện này nung nóng các cạnh rìa ống và giảm thiểu dòng ký sinh lãng phí chảy quanh bề mặt bên trong của ống", đại diện nhóm nghiên cứu khuyến nghị, "Và để làm điều đó, cần phải đảm bảo sao cho trở kháng của đoạn chữ V thấp so với trở kháng bề mặt bên trong của ống".

Nguyên lý hàn cao tần đối với ống thép cuộn tròn

Đại diện nhóm nghiên cứu cũng thông tin thêm, nguyên tắc hàn cảm ứng là đưa ống qua  “lò” với nhiệt độ cao (vài ngàn độ C). Một lò nung cảm ứng đơn giản gồm một cuộn dây đồng mang một dòng điện xoay chiều cao tần (ống làm rỗng để dẫn nước giải nhiệt). Các đối tượng được gia nhiệt là đặt ở tâm (lõi) của cuộn dây. Thiết bị làm việc theo nguyên lý này thường gọi là lò nung cao tần.

Khi dòng điện ở cao tần (thường trong khoảng 80-250kHz) chạy qua một cuộn dây, các electron trong kim loại đặt trong vùng từ trường sẽ bị dòng xoáy từ trường cuốn trong các chuyển động có định hướng, liên tục đổi chiều với cao tần hàng trăm ngàn lần trong một giây, chúng va chạm với nhau và sinh nhiệt (dòng Fuco). Kim loại sẽ nóng chảy nếu dòng cảm ứng chạy bên trong (kim loại) đủ mạnh. Người ta sử dụng hiệu ứng này để làm bếp từ, hàn vật liệu, nung nóng chảy kim loại, hoặc tôi các loại vật liệu bằng kim loại.  

Cấu trúc hàn ống thép bằng dòng cao tần

Đặc điểm của hàn cao tần là có hiệu ứng bề mặt - làm nóng tức thời bề mặt vật liệu cần hàn (ống thép). Ngoài ra, độ sâu của lớp gia nhiệt có thể điều chỉnh bằng tần số dòng điện qua cuộn tạo từ trường. Tốc độ hàn có thể đạt từ 20-70m/phút. Đây chính là những đặc điểm phù hợp cho công nghệ hàn ống thép.

Cấu hình hệ thống hàn cao tần không tiếp xúc được nhóm chuyên gia, kỹ sư Đại học Nguyễn Tất Thành triển khai

Bên cạnh "trọng tâm" là cuộn cảm ứng cao tuần phục vụ hàn ống thép, nhóm nghiên cứu cũng đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo nhiều thành phần liên quan, như Bàn điều khiển (giúp người vận hành thao tác điều khiển máy và giám sát các thông số vận hành máy); Tủ chỉnh lưu công suất lớn giải nhiệt nước (chuyển AC thứ cấp máy biến áp thành DC ổn định giúp cho mối hàn đẹp và chất lượng hàn ổn định); Tủ công suất dùng nước giải nhiệt để đảm bảo hoạt động bền bỉ và không chiếm nhiều không gian bố trí; Tủ nghịch lưu công suất lớn giải nhiệt nước (chuyển nguồn DC từ tủ chỉnh lưu thành tín hiệu AC cao tần, cấp cho cuộn dây đồng tạo từ trường ổn định, tủ công suất dùng nước giải nhiệt để đảm bảo hoạt động bền bỉ và không chiếm nhiều không gian bố trí).

Được biết, trọn bộ hệ thống hàn cao tần không tiếp xúc với thép ống tròn do TS. Ngô Mạnh Dũng và các cộng sự phát triển sau giai đoạn hoàn thiện tổng thể cũng đã được đưa vào vận hành thử nghiệm tại một số nhà máy sản xuất ống thép tại TP.HCM và Long An, ghi nhận kết quả khả quan với độ ổn định và hiệu suất cao.

Đại diện nhóm nghiên cứu khẳng định, trong quá trình nghiên cứu và chế tạo các bộ phận, thành phần liên quan, đề tài đã đồng thời ứng dụng các kỹ thuật về điện tử công suất, sử dụng các linh kiện mới, tiến hành thiết kế, chế tạo thiết bị điện tử cao tần tới 320kHz, công suất cao làm việc ở 250kW, với hệ số công suất đạt tới 0,85, độ mấp mô sóng nhỏ hơn mức 2%.

TS Ngô Mạnh Dũng khẳng định, kết quả của nhiệm vụ khoa học công nghệ vừa được Sở KH&CN TP.HCM nghiệm thu trong năm 2021 cũng đã khẳng định trình độ của kỹ sư Việt Nam ở lĩnh vực cơ khí chính xác, điều khiển tự động và một số ngành liên quan khác như điện, điện tử,… hoàn toàn đủ sức để triển khai "trọn gói" một số giải pháp mà qua đó giúp các ngành sản xuất công nghiệp từng bước làm chủ công nghệ được chế tạo hoàn toàn trong nước, nâng cao năng suất chất lượng cũng như giảm thiểu đến mức tối đa sự phụ thuộc vào máy móc, phụ tùng nhập ngoại.

Tựu trung, TS. Ngô Mạnh Dũng khẳng định, khả năng thương mại hóa trọn bộ giải pháp hệ thống hàn cao tần không tiếp xúc trong sản xuất ống thép với năng suất lên đến 60-80 mét/phút, hoàn toàn có thể được đón nhận bởi các nhà máy sản xuất thép quy mô từ trung bình đến lớn, đồng thời nhóm thực hiện nhiệm vụ khoa học công nghệ và các đơn vị liên quan như Đại học Nguyễn Tất Thành cũng cho biết sẵn sàng chuyển giao, phát triển thêm một số tính năng mới và tùy chỉnh giải pháp cho từng nhu cầu cụ thể của khách hàng trong thời gian tới.

Thông tin liên hệ:

Trường Đại học Nguyễn Tất Thành 

Địa chỉ: 300A Nguyễn Tất Thành, Q.4, TP.HCM

Điện thoại: 0919796497 - (028) 39411189          

Email: nmdung@nttu.edu.vn