Thiết kế và ứng dụng hệ thống hỗ trợ rung siêu âm nâng cao chất lượng mối hàn MIG-MAG cho ống áp lực, hướng đi mới trong ngành hàn

Việc ứng dụng rung siêu âm trong quá trình hàn thép để cải thiện chất lượng mối hàn đã được nghiên cứu và triển khai trên thế giới từ những năm 2000. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc áp dụng rung siêu âm trong hàn ống chịu áp lực vẫn là một lĩnh vực mới mẻ. Hiện tại, chưa có đơn vị nghiên cứu lý thuyết về quá trình hàn thép ống áp lực với rung siêu âm, và các thiết bị hàn MIG-MAG tích hợp rung siêu âm cũng chưa có mặt trên thị trường. Hàn ống, một kỹ thuật hàn khó nhưng phổ biến trong các ngành công nghiệp như dầu khí, hóa chất, đòi hỏi chất lượng mối hàn cao. Do đó, nhóm nghiên cứu của Công ty TNHH Thiết bị siêu âm Việt Nam do ThS Chung Trần Thế Vinh làm chủ nhiệm đã thực hiện nghiên cứu công nghệ rung siêu âm trong quá trình hàn MIG-MAG với vật liệu thép ống áp lực là một hướng nghiên cứu mới, rất triển vọng trong ngành hàn ở nước ta hiện nay.

Hợp tác và ứng dụng thực tiễn: Đẩy mạnh chuyển giao công nghệ

Các doanh nghiệp sản xuất máy hàn MIG-MAG hiện nay đã đạt được nhiều tiến bộ, tạo ra sản phẩm hàn chất lượng tốt. Công nghệ truyền thống vẫn còn một số hạn chế trong việc kiểm soát tổ chức tế vi và nâng cao các tính chất cơ học của mối hàn. Việc tích hợp hỗ trợ rung siêu âm trong hàn không chỉ là giải pháp hiệu quả mà còn giúp mối hàn đạt chất lượng tương đương hoặc cao hơn vật liệu ban đầu với chi phí đầu tư thấp.

Nhóm nghiên cứu hiện đang hợp tác với công ty TNHH SX-TM PhaNa – một đơn vị sản xuất thiết bị y tế phục hồi chức năng – để áp dụng giải pháp này. Với định hướng cải tiến quy trình công nghệ mà không đòi hỏi đầu tư lớn, công nghệ hàn rung siêu âm đáp ứng tốt các yêu cầu của doanh nghiệp và có thể được triển khai ngay với một số điều chỉnh nhỏ. Giải pháp này kỳ vọng nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe nhất, đồng thời mở ra cơ hội lớn trong việc chuyển giao công nghệ và cải tiến dây chuyền sản xuất truyền thống.

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý 3D

Hình 2. Sơ đồ kết cấu

1-Động cơ; 2- Khuôn siêu âm; 3- Bàn trượt; 4- Khuôn siêu âm; 5- Khối V chặn; 6- Cụm chi tiết kẹp chặt; 7-Mỏ hàn; 8- Chi tiết điều chỉnh lực của khối V; 9- Phôi hàn; 10- Xylanh; 11- Cụm trục con lăn dẫn động phôi; 12- Biến tần; 13- Nguồn siêu âm

Kết quả mang tính bức phá

Dự án đã đạt được nhiều sản phẩm khoa học và công nghệ quan trọng. Trong đó, nổi bật là các mẫu hàn thép ống đúc DN25 và DN65, với cơ tính tăng 5%, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn kỹ thuật, cùng hệ thống hàn MIG-MAG tích hợp rung siêu âm hoạt động ở công suất 2kW và tần số 20kHz. Dự án cũng hoàn thành bản vẽ thiết kế chi tiết hệ thống, tập thuyết minh quy trình công nghệ, và bảng số liệu thực nghiệm với đầy đủ kết quả phân tích.

Hình 3. Khuôn siêu âm với tần số 20kHz

Hình 4. Sơ đồ động hệ thống

Về công bố khoa học, nhiệm vụ đã xuất bản một bài báo trên tạp chí khoa học trong nước và nhận chấp thuận cho hai bài báo tại hội nghị quốc tế MAMM2024. Về đào tạo, dự án hỗ trợ bảo vệ thành công 02 sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí và 01 nghiên cứu sinh Tiến sĩ. Đồng thời, giải pháp hữu ích liên quan đến thiết bị hàn MIG-MAG có hỗ trợ rung siêu âm đã được chấp nhận đơn hợp lệ bởi Cục Sở hữu trí tuệ. Những thành tựu này không chỉ khẳng định giá trị khoa học mà còn mở ra cơ hội ứng dụng thực tiễn, góp phần phát triển lĩnh vực hàn kim loại tại Việt Nam.

Nghiên cứu về công nghệ rung siêu âm trong hàn MIG-MAG mang đến tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thí nghiệm khoa học và nghiên cứu chuyên sâu, đồng thời trở thành nguồn tư liệu quý giá cho các luận văn của sinh viên và học viên cao học. Thiết bị và công nghệ này không chỉ mở ra cơ hội phát triển trong nước mà còn đặt nền tảng cho các ứng dụng thực tiễn, đặc biệt là trong nghiên cứu tổ chức tế vi và cơ tính mối hàn. Thành quả này không chỉ thúc đẩy lĩnh vực khoa học công nghệ mà còn góp phần đào tạo đội ngũ kỹ sư chuyên sâu, đáp ứng nhu cầu cấp thiết của ngành công nghiệp hiện đại.

Hình 5. Mô hình thí nghiệm

Công nghệ rung siêu âm trong quá trình hàn MIG-MAG là giải pháp tiên tiến, mang lại chất lượng mối hàn vượt trội mà không cần sử dụng hóa chất phụ gia, giúp bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng. Khi được áp dụng thực tiễn, công nghệ này tạo ra bước tiến mới trong sản xuất công nghiệp, đặc biệt là đối với các sản phẩm yêu cầu độ bền và tính an toàn cao như bồn chứa áp lực, bình khí nén hay phụ kiện trong ngành đóng tàu và ô tô. Không chỉ cải thiện tổ chức tế vi và cơ tính mối hàn, công nghệ này còn đảm bảo hiệu suất sản xuất ổn định, góp phần xây dựng ngành công nghiệp hiện đại, thân thiện với môi trường, phù hợp xu hướng phát triển bền vững trong tương lai.

Ứng dụng và phát triển công nghệ rung siêu âm trong hàn MIG-MAG cho ống áp lực: Tiềm năng và quy mô áp dụng

Kết quả của nghiên cứu về công nghệ rung siêu âm hỗ trợ trong quá trình hàn MIG-MAG có thể được ứng dụng và phát triển trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học, đặc biệt là trong các thí nghiệm và luận văn của sinh viên, học viên cao học, và nghiên cứu sinh. Điều này không chỉ đóng góp vào việc đào tạo các kỹ sư chuyên ngành hàn kim loại và hợp kim mà còn tạo cơ hội cho những nghiên cứu chuyên sâu hơn về công nghệ và thiết bị siêu âm trong hàn tại Việt Nam.

Nghiên cứu quá trình hàn MIG-MAG dưới tác động rung siêu âm trên thép cacbon thấp là nền tảng để nhóm nghiên cứu tiếp tục triển khai các công nghệ hàn khác, nhằm mở rộng ứng dụng trong các chi tiết và kết cấu kim loại khác. Thép cacbon thấp được chọn vì đây là vật liệu phổ biến, dễ hàn và đã được nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt trong công nghệ hàn MIG-MAG cho ống áp lực. Việc áp dụng rung siêu âm trong quá trình hàn MIG-MAG ống áp lực sẽ cải thiện chất lượng mối hàn, mang lại nhiều ưu điểm, đồng thời giảm chi phí đầu tư. Công nghệ này hứa hẹn tạo ra sản phẩm hàn chất lượng cao và cạnh tranh với các phương pháp hàn truyền thống, phù hợp với sản lượng thấp và trung bình.

Ngoài ra, việc hoàn thiện quy trình công nghệ ứng dụng siêu âm trong hàn MIG-MAG sẽ đóng góp vào các nghiên cứu chuyên sâu về các phương pháp cải thiện chất lượng mối hàn, đặc biệt khi hàn các vật liệu khác. Rung siêu âm là công nghệ phụ trợ sạch, không sử dụng hóa chất công nghiệp, giúp cải tiến chất lượng mối hàn mà vẫn bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng. Thành công của nghiên cứu có thể đưa vào sản xuất thực tế, đặc biệt trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm hàn cho các chi tiết trong ngành công nghiệp đóng tàu, ô tô, phụ kiện máy bay, và các bộ phận điều khiển.

Hệ thống hàn MIG-MAG hỗ trợ siêu âm cho thép ống chịu áp lực sẽ được thiết kế và chế tạo với quy mô phòng thí nghiệm. Mặc dù việc chuyển giao công nghệ này vào sản xuất thực tế là một quá trình lâu dài và phức tạp, hệ thống bước đầu đã có thể vận hành hiệu quả, mang lại mối hàn có chất lượng vượt trội so với hàn MIG-MAG truyền thống. Hệ thống cũng có thể được điều chỉnh để hàn các mẫu thử và chi tiết cơ khí kích thước nhỏ phục vụ cho các máy móc thông dụng.

Phương pháp chuyển giao công nghệ sẽ bao gồm đào tạo kỹ sư và kỹ thuật viên về cách vận hành và cải tiến quy trình công nghệ hàn hỗ trợ siêu âm. Hướng dẫn sẽ tập trung vào việc thay đổi thiết kế hàn và điều chỉnh công suất máy để phù hợp với sản xuất thực tế. Ngoài ra, công nghệ rung siêu âm trong quá trình hàn cũng có thể ứng dụng trong việc cải tiến dây chuyền sản xuất thiết bị y tế, giúp tăng chất lượng sản phẩm, giảm phế phẩm, và nâng cao hiệu quả kinh tế. Công ty TNHH SX-TM PhaNa, một đơn vị sản xuất thiết bị y tế với sản lượng hàng năm lớn, hoàn toàn có thể áp dụng công nghệ này để cải tiến quy trình hàn hiện tại. Kết quả nghiên cứu này sẽ được công bố trên các tạp chí khoa học trong nước và quốc tế, tạo tiền đề cho các ứng dụng tiếp theo trong ngành công nghiệp và nghiên cứu hàn tại Việt Nam.