Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HÀN HỒ QUANG TỰ ĐỘNG
BẰNG RÔ BỐT TRONG CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT Ô TÔ
RESEARCH TO APPLICATION OF AUTOMATIC ARC WELDING TECHNOLOGY
BY ROBOT IN CAR INDUSTRIAL
PGS. TS. Bùi Văn Hạnh
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TÓM TẮT
Trong công nghiệp sản xuất ô tô công nghệ hàn được sử dụng khi chế tạo cabin, thùng
xe, sắt xi phụ và ống xả. Ở các nước có nền công nghiệp ô tô phát triển, các công đoạn này
đều được thực hiện bằng rô bốt. Cabin xe ô tô con và ô tô tải làm từ vật liệu có chiều dày nhỏ
nên sử dụng công nghệ hàn điểm. Các chi tiết còn lại đều sử dụng công nghệ hàn hồ quang vì
chiều dày vật liệu lớn, yêu cầu về khả năng chịu lực của mối hàn cao. Trong bài báo này, tác
giả trình bày các kết quả nghiên cứu xây dựng quy trình hàn (WPS) thùng xe tải và giải pháp
ứng dụng rô bốt hàn hồ quang để thực hiện các công việc này.
Từ khóa: rô bốt, hàn hồ quang, thùng xe tải.
ABSTRACT
In the automobile industry welding technology used to manufacture cabin, truck crate,
subframe and exhaust. In countries where the advanced automobile industry welding are done
by robots. Cabin of car and truck made from thin materials using spot welding technology.
The remaining details are used arc welding technology because thick material and highstrength welds. In this paper the author presents the research results to write Welding
Procedure Specification (WPS) for truck crate and application solutions for arc welding robot
to perform this tasks.
Keywords: Robot, arc welding, truck crate.
1. MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Trong bài báo này, tác giả giải quyết các vấn đề sau:
- Bằng việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xác định bộ thông số chế độ hàn
thùng xe tải với các số liệu đầu vào là vật liệu cơ bản, vị trí mối hàn, vật liệu hàn, các thông số
chế độ hàn và các số liệu đầu ra là các chỉ tiêu đánh giá cơ tính mối hàn theo TCVN [1] [2].

- Đưa ra được cách xác định và xác định được bộ thông số chế độ hàn hợp lý để hàn các
chi tiết của ô tô nói chung và thùng xe tải nói riêng đảm bảo năng suất và chất lượng cao.
2. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ HÀN
2.1. Phân tích, lựa chọn quá trình hàn
Hiện nay, trong chế tạo các chi tiết của xe ô tô thường sử dụng quy trình hàn hồ quang
tay (Hình 1) nên năng suất và chất lượng mối hàn chưa cao.

49


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 1. Hàn khung xương bửng hông và lòng thùng xe tải
Với nền công nghiệp hiện đại, ngày nay các quy trình hàn bán tự động, hàn tự động
được sử dụng rộng rãi. Đặc biệt là quy trình hàn sử dụng rô bốt hàn trong các nhà máy sản
xuất ôtô đã giúp chất lượng mối hàn được nâng cao, từ đó chất lượng sản phẩm ngày càng
được cải thiện. Mặt khác, với quy trình hàn bằng rô bốt, thời gian cho một quy trình hàn giảm
xuống bởi tốc độ và khả năng làm việc của rô bốt sẽ giúp nâng cao năng suất. Hàn trong môi
trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy trong khí bảo vệ CO 2 được sử dụng rộng rãi đối
với thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp [3].
Đặc điểm của phương pháp hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ CO 2 :
- Tính công nghệ cao hơn hẳn so với hàn dưới lớp thuốc vì có thể hàn được ở mọi vị trí
trong không gian.
- Bảo vệ tốt kim loại lỏng vũng hàn khỏi tác động của oxy và nitơ của môi trường khí
xung quanh. Mặt khác, sau khi hàn sản phẩm ít bị cong vênh vì vùng ảnh hưởng nhỏ do tốc độ
hàn lớn và nguồn nhiệt tập trung.
- Quan sát sự hình thành vũng hàn tốt hơn so với hàn dưới lớp thuốc.
- Năng suất hàn cao, giá thành hạ. So với hàn hồ quang tay, năng suất hàn tăng khoảng
2.5 lần.
- Điều kiện lao động tốt, quá trình hàn ít sinh khí độc hại.

- Giá thành khí CO 2 rẻ hơn so với khí Ar và He.
Qua các phân tích ở trên tác giả lựa chọn quy trình hàn GMAW tự động bằng rô bốt sử
dụng khí bảo vệ CO 2 [1].
2.2. Phân tích lựa chọn vật liệu hàn
2.2.1. Vật liệu cơ bản
Vật liệu cơ bản theo thiết kế đã chọn thép CT38 (SS400) với chiều dày 3÷5mm. Thép
CT38 là thép cacbon thấp, có nhiệt độ nóng chảy khoảng Tc=15200C và có khả năng dẫn
nhiệt tốt [4]. Thép CT38 thuộc loại nhóm thép cacbon kết cấu chất lượng thường. Thường
được dùng trong ngành xây dựng, giao thông và sản xuất ôtô. Nhóm thép thông thường này
hiện nay chiếm tới 80% khối lượng thép dùng trong thực tế, thường được cung cấp ở dạng cán
nóng (tấm, thanh, dây, thép hình).
2.2.2. Lựa chọn dây hàn
Trong công nghệ sản xuất dây hàn, kim loại đắp phải thỏa mãn cho việc kết tinh mối
hàn cùng với những mục tiêu cơ bản sau:
- Kim loại đắp tương xứng nhau về cơ tính và lý tính với kim loại cơ bản.
- Tạo ra mối hàn có độ liên kết liền, không có khuyết tật.
Đối với kim loại cơ bản là thép CT38 chọn dây hàn NA-70S của công ty CP công
nghiệp vật liệu hàn Nam Triệu là phù hợp. Dây hàn này được sử dụng rộng rãi trong nhiều
50


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
lĩnh lực như đóng tàu, kết cấu thép, và trong cả ngành công nghiệp sản xuất ôtô, hàn cho các
loại vật liệu cơ bản tương đương. Dây hàn này tương đối dễ hàn, tính hàn thích hợp với mọi vị
trí với độ lắng kim lại và độ ngấu cao, hồ quang mạnh, cháy êm và ổn định, không bị cháy
chân khi hàn, bề mặt mối hàn đẹp.
Dòng hàn: Sử dụng máy hàn một chiều.
Khí bảo vệ: Khí CO 2
Tổ chức đăng kiểm chứng nhận: VR, NK, ABS, BV, LR, GL, DNV, RS, SZU
Vị trí hàn: F, HF, H, OH, VU, PA, PB, PC, PE, PF.

Đường kính dây: 0,8mm; 0,9mm; 1,0mm; 1,2mm; 1,6mm.
Thông số hàn:
Bảng 1. Dòng điện hàn ứng với đường kính dây
Đường kính dây

0.8mm

0.9mm

1.0mm

1.2mm

1.6mm

F, HF, H

70-80

80-200

90-220

110-300

140-400

OH, V

50-140


60-140

80-160

100-250

120-350

3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1. Thực nghiệm trên mẫu tìm chế độ hàn hợp lý
Để tìm chế độ hàn hợp lý, tác giả đã tiến hành hàn thí nghiệm trên các mẫu từ thép
CT38 có chiều dày 4mm. Các mối hàn được thực hiện ở vị trí hàn sấp, liên kết hàn góc giống
như liên kết thực trên thùng xe tải (Hình 2). Sử dụng dây hàn NA-70S của công ty CP công
nghiệp vật liệu hàn Nam Triệu, khí bảo vệ CO 2 . Thiết bị thí nghiệm là rô bốt hàn AII-V6,
máy hàn DM350. Các kết quả thí nghiệm được đưa ra trong bảng 2.

Hình 2. Sơ đồ bố trí các mối hàn trên sàn thùng xe tải
51


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 2. Các chế độ hàn thí nghiệm

STT

Thông số chế độ hàn:
I-Dòng điện hàn (A), U-Điện áp
hàn (V), v-Vận tốc hàn (cm/ph),
F-Tần số lắc đầu hàn (Hz),

α-Góc nghiêng mỏ hàn (độ)
AS*

I= 140
U= 22.9

AE**

I= 130
U= 18.6

AS

I= 150
U= 23.5

AE

I= 130
U= 18.6

AS

I= 150
U= 23.5

AE

I= 130
U= 18.6


AS

I= 160
U= 24.1

AE

I= 130
U= 18.6

AS

I= 155
U= 23.8

v=45

AE

I= 140
U= 22.9

α=80

AS

I= 150
U= 23.5


v=45

AE

I= 140
U= 22.9

α=80

AS

I= 150
U= 23.5

v=45

AE

I= 140
U= 22.9

α=80
F=3.0 Hz

AS

I= 150
U= 23.5

v=45


AE

I= 140
U= 22.9

α=80
F=2.0 Hz

1

2

3

4

5

6

7

8

v=45

v=50

v=45


v=45

Kết quả

Mối hàn hơi lồi
Cạnh mối hàn K=4

Tốc độ hơi nhanh
K=4
Mối hàn ít lồi hơn

Mối hàn lồi
Tốc độ hơi nhanh
K=4

Dòng cao, có cháy
chân ở cuối đường
hàn
K=4
Mối hàn tương đối
phẳng (còn lồi), có
chút cháy chân
K=4
Mối hàn phẳng, chân
mối hàn không cháy
K=4

Mối hàn phẳng,
chỉnh lại vào tâm

trục đường hàn
K=4
Mối hàn cháy chân,
tốc độ hơi nhanh,
dòng điện lớn
K=4

52

Ghi chú


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
AS

I= 150
U= 23.5

v=50

AE

I= 140
U= 22.9

α=80
F=2.0 Hz

AS


I= 140
U= 22.9

v=50

AE

I= 140
U= 22.9

α=80
F=2.0 Hz

AS

I= 150
U= 23.5

v=50

AE

I= 140
U= 23.5

α=80

AS

I= 150

U= 23.5

v=45

AE

I= 150
U= 22.9

α=80
F=2.5 Hz

9

10

11

12

Mối hàn cháy chân ít
hơn, Bề mặt rộng
hơn
K=5
Lệch trục đường hàn
Hỏng

Lệch trục, cần chỉnh
lại cho mối hàn đẹp
hơn, dòng vẫn hơi

cao
Dòng vẫn hơi cao
Còn bắn tóe

* - Khi bắt đầu hàn; ** - Khi kết thúc hàn
Qua phân tích các kết quả nhận được, đối chiếu theo tiêu chuẩn Việt Nam về chất lượng
hàn TCVN 7472: 2005 [1] và TCVN 6115-1:2005 [2] tác giả tìm được bộ thông số hàn phù
hợp như trong bảng 4 với hình dáng mối hàn như trên Hình 3.

Bảng 4. Chế độ hàn hợp lý
I(A)

U(V)

V(cm/phút)

α (độ)

130

20

45

80
Hình 3. Hình dáng mối hàn đạt yêu cầu

3.2. Xây dựng quy trình hàn
Bước 1: Chuẩn bị các chi tiết theo bản vẽ chi tiết.
Bước 2: Tiến hành đặt các chi tiết vào vị trí bàn gá. Đảm bảo vị trí các dưỡng trên bàn

gá phù hợp với bản vẽ chi tiết sàn thùng.
Bước 3: Tiến hành hàn đính khung xương sàn xe.
Bước 4: Tiến hành hàn khung sàn xe: Đảm bảo mối hàn theo đúng kĩ thuật, các dầm
được hàn chắc chắn, đảm bảo trong quá trình chuyển xương sàn lên tấm sàn không bị thay đổi
kích thước; hàn các dầm với nhau theo chế độ hàn đã tính toán.
Bước 5: Tiến hành hàn khung sàn xe với tấm sàn: Di chuyển khung sàn xe lên tấm sàn
theo đúng vị trí và đảm bảo kích thước theo bản vẽ lắp; Đảm bảo sàn xe đúng vị trí so với rô
bốt hàn; Tiến hành hàn với rô bốt hàn bằng phương pháp GMAW theo chế độ hàn đã đưa ra.
53


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bố trí các đường hàn trong sàn thùng xe như hình sau:

Hình 4. Đồ gá khung xương sàn thùng xe
Từ bản vẽ chi tiết và với kích thước của sàn thùng xe, ta chia sàn thùng thành 4 phần để
tiến hành lập trình. Điều này sẽ đáp ứng khả năng làm việc cũng như phù hợp với nhiều loại
rô bốt công nghiệp hiện nay. Như vậy, rô bốt hàn phải di chuyển tới 4 vị trí để tạo chương
trình phù hợp với vùng làm việc của rô bốt. Ta phải tiến hành lập 4 chương trình cho rô bốt.
Với mỗi vị trí của rô bốt sẽ ứng với 1 chương trình. Việc sử dụng đồ gá sẽ giúp các chi tiết
được đặt đúng vị trí. Điều này giúp hạn chế việc lập trình lại các chương trình với mỗi sàn
thùng mới trong trường hợp hàn với số lượng nhiều. Với các chi tiết phụ như chi tiết số
12,13,14,15 có thể tiến hành hàn MAG bán tự động. Trong quá trình di chuyển rô bốt tới các
góc phần tư của sàn thùng xe, mỗi vị trí của rô bốt cũng sẽ có một cữ đánh dấu vị trí mà tại đó
rô bốt tiến hành hàn theo chương trình đã lập.
3.3. Hàn thử nghiệm thùng xe tải
3.3.1. Thiết bị thử nghiệm
Sử dụng rô bốt hàn hồ quang AII-V6 và máy hàn DM350 (Hình 6) tại Trung tâm Thực
hành công nghệ cơ khí Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội làm thiết bị thử nghiệm [5]. Máy
hàn DM350 là loại máy hàn Inventer điều khiển số được tích hợp hệ thống đồng bộ hóa dữ

liệu với rô bốt hàn AII-V6.
3.3.2. Vật liệu
Lựa chọn vật liệu
Vật liệu sử dụng trong thử nghiệm là thép CT38. Vật liệu này phổ biến trên thị trường
và có tính hàn với phương pháp hàn GMAW.
Chuẩn bị phôi
Tác giả lựa chọn một phần của thùng xe tải để tiến hành thử nghiệm, đảm bảo đủ các
loại mối hàn được lặp đi lặp lại nhiều lần trong thực tế (Hình 5).

54


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 6. Rô bốt hàn thử nghiệm

Hình 5. Bố trí mẫu thí nghiệm

Sử dụng các chi tiết phù hợp với bản vẽ thực tế với các chi tiết số 2, số 3, số 4 số 5 số 6.
Các chi tiết được bố trí giống với sản phẩm đầy đủ nhằm tạo không gian hoạt động thật,
giúp kiểm tra khả năng làm việc của rô bốt trong không gian thực.
Chi tiết số 2 được rút gọn với chiều dài là 594mm
Chi tiết số 4 được rút gọn với chiều dài là 592mm
Chi tiết số 4 được rút gọn với kích thước là 600x600mm
Chi tiết số 3 và số 6 được giữ nguyên kích thước
Sử dụng máy sấn tôn Sakura để tạo phôi các chi tiết theo thiết kế mẫu thử nghiệm.
Bố trí đường hàn thử nghiệm như trên Hình 7.

Hình 7. Bố trí đường hàn thử nghiệm


55


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3.3.3. Lập trình
Lập một chương trình giúp rô bốt hoạt động được trong không gian làm việc thực tế. Đầu
tiên, người lập chương trình cần hiểu về không gian hoạt động, phạm vi cùng làm việc của tay
máy rô bốt cũng như khả năng đưa mỏ hàn của rô bốt tới các vị trí hàn. Bên cạnh đó, từ bản vẽ
chi tiết vị trí cần hàn xác định được khả năng hàn được các vị trí đó của rô bốt, đưa ra vị trí các
đường hàn. Ngoài ra, cần có kiến thức về các bước thiết lập một chương trình tự động cho rô
bốt với những điểm an toàn, gây hồ quang, tạo dao động, tắt hồ quang, tắt dao động,… Từ
những kiến thức về công nghệ hàn thiết lập thông số hàn cho quá trình hàn của rô bốt.
Sử dụng những thao tác dạy cơ bản, các lệnh cơ bản và các phím chức năng trên bảng
dạy để lập chương trình. Khi các công việc chuẩn bị đã kết thúc, ta tiến hành dạy cho rô bốt.
Sử dụng chương trình hàn rô bốt trên để ứng dụng với các đường hàn trên phôi thử nghiệm.
Các đường hàn bao gồm hàn lấp góc và hàn chồng lấp góc, quỹ đạo là đường thẳng. Từ
bản thiết kế đường hàn, đánh số thứ tự các đường hàn khi lập trình (Hình 8). Việc thiết kế và
đánh số thứ tự các đường hàn sẽ giúp cho việc di chuyển rô bốt và mỏ hàn được thuận tiện và
giảm thời gian thao tác. Việc này sẽ làm tăng năng suất hàn.
Tổng số đường hàn cần lập trình cho rô bốt trong hàn thử nghiệm là 20 đường gồm:
- 10 đường hàn lấp góc số: 4,5,6,10,11,12,17,18,19,20
- 10 đường hàn chồng lấp góc: 1,2,3,7,8,9,13,14,15,16
3.3.4. Hàn thử nghiệm
Sau khi lập chương trình cho rô bốt và tiến hành chạy thử không gây hồ quang đảm bảo
các điều kiện an toàn, mỏ hàn không va chạm với phôi, ta tiến hành hàn với hồ quang. Khi
thao tác kiểm tra rô bốt có thể dừng lại ở mỗi bước sao cho vị trí và tư thế của nó ở mỗi bước
và đường dẫn di chuyển của nó giữa các bước có thể được kiểm tra. Nếu cần có thể thay đổi.

Hình 8. Bố trí các đường hàn thử nghiệm
3.3.5. Kết quả hàn thử nghiệm

- Chương trình hàn đã lập trên rô bốt AII-V6 gồm 175 bước (Hình 9).
56


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 9. Chương trình hàn thử nghiệm
- Thực hiện được 20 đường hàn với chiều dài từ 30-50mm cho mối hàn đẹp đều, không
cháy cạnh. Đảm bảo độ ngấu, không bắn tóe trong quá tình hàn.

Hình 10. Mối hàn thử nghiệm
Qua quá trình nghiên cứu thực nghiệm tìm chế độ hàn hợp lý và hàn thử nghiệm với chế
độ hàn này trên phôi tương thích với thùng xe tải trên thực tế, tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh
bản quy trình hàn thùng xe tải như sau:
QUY TRÌNH HÀN THÙNG XE Ô TÔ TẢI (WPS)

57


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Quy trình hàn này có thể ứng dụng vào thực tế để hàn thùng xe ô tải cho năng suất và
chất lượng mối hàn đạt tiêu chuẩn.
4. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, tác giả đã trình bày hoàn chỉnh nội dung thiết kế quy trình hàn thùng
xe tải, bao gồm:
- Xây dựng quy trình công nghệ hàn thùng xe tải, bao gồm: lựa chọn quá trình hàn, vật
liệu hàn, thiết bị hàn, chế độ hàn, gá lắp và hàn đính, hàn hoàn thiện. Quy trình này có thể ứng
dụng vào thực tế khi chế tạo thùng xe ô tô tải.
- Đưa ra bản thông số quy trình hàn thùng xe tải với các mối hàn điển hình.
- Các quy trình hàn đã được hàn kiểm nghiệm tại Trung tâm Thực hành công nghệ cơ

khí – Trường Đại học BáchKkhoa Hà Nội, kết quả đạt yêu cầu.
- Nghiên cứu công nghệ hàn các mối hàn điển hình thùng xe ô tô tải từ đó thiết kế quy
trình công nghệ hàn hợp lý bằng rô bốt; lập trình ứng dụng trên rô bốt hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở nhằm nâng cao năng suất và chất lượng trong công nghiệp sản xuất ô tô.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Việt Nam, TCVN 7472: 2005 Mức chất lượng
đối với khuyết tật hàn, 2005.
[2] Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Việt Nam, TCVN 6115-1:2005 Hàn và các
quá trình liên quan - Phân loại khuyết tật hình học ở kim loại, 2005.
[3] Nguyễn Thúc Hà, Bùi Văn Hạnh, Võ Văn Phong, Giáo trình Công nghệ hàn, NXB Giáo
dục, 2007. 14
[4] Ngô Trí Phúc, Trần Văn Địch, Sổ tay sử dụng thép thế giới, NXB KHKT, 2003.
[5] OTC Daihen Corporation, from />ĐỊA CHỈ LIÊN HỆ
PGS. TS. Bùi Văn Hạnh
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
DĐ: 0913 507 234
Email:

58