Máy hàn orbital là gì và nó hoạt động như thế nào?

Trong hướng dẫn này, bạn sẽ tìm hiểu các yếu tố cần thiết khi hàn quỹ đạo. Từ các ứng dụng và công nghiệp cho đến chuẩn bị và lập trình mối hàn, 3N Tech sẽ chia sẻ tất cả những gì bạn cần biết về hàn quỹ đạo.

Hàn quỹ đạo là gì

Hàn quỹ đạo là hàn tự động hay tự động hoá quy trình hàn các ống hay đường ống tại chỗ với một điện cực quay (kim hàn) 360 độ xung quanh phôi. Hàn quỹ đạo có thể được tiến hành hàn trên ống với phương pháp hàn nóng chảy hoặc hàn có dây hàn bù.

Vào những năm 1950, ngành công nghiệp hàng không vũ trụ đã phát triển kỹ thuật hàn quỹ đạo để thay thế mối ghép và khớp nối hàn thủ công. Loại hàn này thuộc hàn TIG (Tungsten Inert Gas). Như bạn có thể thấy trong hình bên dưới, TIG chỉ chiếm 3% lượng hàn trên toàn thế giới. Sau đó, chỉ có khoảng 5% hàn TIG bao gồm hàn TIG quỹ đạo.

Mặc dù hàn quỹ đạo chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong các ứng dụng, nhưng việc tạo ra nó rất quan trọng đối với các tiêu chuẩn ngày càng phát triển và sự thành công của nhiều ngành công nghiệp.

Hàn thủ công có thể không đáng tin cậy và khối lượng công việc thường có thể trở nên lớn hơn mức mà ngay cả những thợ hàn lành nghề nhất cũng có thể xử lý. Với hệ thống hàn quỹ đạo, các mối hàn đồng nhất có thể được tạo ra một cách nhanh chóng với rủi ro do lỗi của con người được giảm thiểu. 

Quá trình hàn quỹ đạo được thiết kế để tạo ra các mối hàn đáp ứng các tiêu chí chấp nhận ASME BPE. Kích thước nhất quán và khả năng ngấu hoàn toàn tạo ra các bề mặt nhẵn giúp ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn và khả năng gây nhiễm bẩn sản phẩm. Điều này đặc biệt có lợi trong các ứng dụng quan trọng như trong ngành dược phẩm hoặc thực phẩm và đồ uống.

•  Tăng tốc độ và hiệu quả quy trình
•  Chất lượng mối hàn - Độ chính xác và nhất quán
•  Khả năng lặp lại mối hàn
•  Độ sạch của mối hàn
•  Tính linh hoạt cho các ứng dụng độc đáo - chẳng hạn như phôi ống không thể xoay được, có tầm nhìn kém hoặc ở khu vực khó tiếp cận
•  Tài liệu và lịch sử mối hàn

•  Không ngấu hoặc độ ngấu kém
•  Thiếu độ nóng chảy
•  Kỹ thuật xông khí kém

Bất kỳ ống hoặc đường ống nào có vật liệu chạy qua đều có khả năng được hàn bằng máy hàn quỹ đạo.

Các ứng dụng

Ống vi sinh (tube)

•  Hàn ống nối ống
•  Hàn ống với khớp nối (fittings)
•  Hàn khớp nối với khớp nối

Ống tube

•  Hàn ống nối ống
•  Hàn ống với khớp nối (fittings)

Ứng dụng hàn hợp kim ngoại lai

Ứng dụng hàn chùm ống

Ứng dụng hàn phủ

Ngành bán dẫn

Công nghệ sinh học

Dược phẩm

Mỹ phẩm

Chế Biến Thực Phẩm & Sữa

Nhà máy bia, nước giải khát & Nhà máy rượu

Thiết bị điện tử

Hóa chất

Hàng không vũ trụ

Đường ống hạt nhân

Một hệ thống hàn quỹ đạo bao gồm ba phần: nguồn hàn+ điều khiển, bộ làm mát nước và đầu hàn orbital.

Nguồn hàn, còn được gọi là nguồn điện hoặc bộ điều khiển orbital, là nơi tiến hành lập trình mối hàn. Những bộ nguồn này dựa trên bộ vi xử lý và kiểm soát tất cả các thông số mối hàn. Nó điều khiển tốc độ mối hàn, cường độ dòng điện, thời gian xung, thời gian xông khí, v.v. đến đầu mối hàn. Bộ nguồn có khả năng cấp dây có thêm các điều khiển bổ sung. Ở mức tối thiểu, điều này sẽ bao gồm tốc độ cấp dây bù và khả năng cấp hoặc rút dây hàn bù. Bộ nguồn cũng ghi lại các mối hàn, lưu trữ các chương trình để sử dụng trong tương lai và có một máy in cho các mục đích lập tài liệu sau mỗi mối hàn. Lịch trình hàn của hệ thống giúp tạo ra các mối hàn nhất quán và có thể lặp lại.

Bộ làm mát nước là một thành phần quan trọng của hệ thống hàn quỹ đạo. Nó kết nối với đầu mối hàn và giữ chất lỏng làm mát. Chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng bình chứa chất làm mát/chất chống đông có độ dẫn điện thấp chứa glycol. Bằng cách sử dụng một máy bơm, bộ làm mát nước chảy chất làm mát qua các đường dẫn chất làm mát đầu mối hàn và vào đầu mối hàn. Điều này cho phép đầu mối hàn chạy ở chu kỳ làm việc 100% và ngăn không cho các bộ phận bên trong quá nóng trong quá trình hàn.

Các đầu mối hàn quỹ đạo kết nối với nguồn điện và bộ làm mát nước thông qua một loạt các kết nối cáp. Có hai lựa chọn khi nói đến đầu hàn: đầu hàn kín và đầu hàn hở.

Hàn ống quỹ đạo - Đầu hàn kín (Enclosed Weld Heads)

Đầu hàn kín thường được gọi là đầu hàn dạng đóng hoặc hàn nóng chảy. Chúng được đóng kín lại, đúng như tên gọi, tạo ra một buồng khí trơ bao quanh mối hàn. Chúng cung cấp một tấm chắn liên tục với khí trơ thổi cho toàn bộ mối hàn trong quá trình xông khí, trình tự hàn và xông khí sau khi hàn xong, cho phép làm mát mối hàn trước khi tiếp xúc với không khí. Môi trường kín này giúp tạo ra các mối hàn nóng chảy và giảm thiểu nguy cơ các khuyết tật hoặc các hư hại khác. Điều này đặc biệt quan trọng đối với việc hàn vi sinh dây chuyền chế biến trong các ngành công nghiệp như dược phẩm, thực phẩm, đồ uống, v.v.

Không cần kính hàn ( mặt nạ hàn) khi tiến hành hàn. Loại đầu hàn này thường được sử dụng để hàn ống quỹ đạo và có thể được sử dụng trên ống có độ dày mỏng. Với đầu mối hàn kín, ống và/hoặc các bộ phận, chẳng hạn như khớp nối, được giữ đúng vị trí bằng cách sử dụng các miếng kẹp hay các collets có đường kính ống chính xác được lắp ở cả hai bên của đầu mối hàn. Rotor đầu mối hàn giữ điện cực vonfram tại chỗ và được căn thẳng hàng với mối nối. Hồ quang được đánh và kim hàn quay xung quanh ống, tạo ra một mối hàn nóng chảy. Sau khi nhấn nút BẮT ĐẦU, toàn bộ quá trình sẽ hoàn toàn tự động.

Hàn ống quỹ đạo - Đầu hàn hở (Open Weld Heads)

Các đầu mối hàn này thường được sử dụng nhiều nhất cho các ứng dụng hàn ống khi cần có dây hàn bù và cần thực hiện nhiều lần để hoàn thành mối hàn. Có hai kiểu đầu mối hàn được cung cấp trong thiết kế hở để hàn ống.

•  Đầu kiểu kẹp sử dụng hệ thống kẹp để gắn vào phôi

•  Đầu hàn dạng thấp chạy trên ray tròn dạng vòng dẫn hướng sử dụng hệ thống theo dõi phôi hàn và gắn vào đường ray. 

Với các đầu khung mở này, khí bảo vệ được giới hạn ở điện cực và vũng hàn ngay bên dưới điện cực. Kết quả là mối hàn có sự đổi màu do nhiệt nhiều hơn đáng kể trên bề mặt đường kính ngoài (OD) so với đầu quỹ đạo orbital kín.

Đối với đầu khung mở, các chi tiết mối nối để hàn phải được hàn đính cố định tại chỗ trước hoặc sử dụng kẹp bắc cầu. Mỗi bên mối hàn đều cần kẹp để giữ ống. Đầu phải được căn chỉnh chính xác đối với mối hàn và góc của dây hàn bù cũng như khoảng cách của dây so với mối nối. Hàn quỹ đạo với nguồn cấp dây bù không hoàn toàn tự động. Có thể cần một số điều chỉnh như chèo lái mỏ hàn để khớp theo mối nối cần hàn hoặc điều chỉnh khe hở hồ quang. Điều này đòi hỏi kỹ năng của người vận hành nhiều hơn đáng kể so với hàn vi sinh tự động. 

Giới hạn kích thước máy hàn quỹ đạo

Khi nói đến OD, bạn có thể hàn quỹ đạo nóng chảy từ tối thiểu 3 mm đến 170 mm. Thông thường, ống vi sinh không bao giờ lớn hơn 6”, nhưng luôn có những trường hợp ngoại lệ. Một khi bạn sử dụng các kích thước lớn hơn đó, điều quan trọng là phải nhận ra rằng việc lắp ráp thường không hoàn toàn vuông vắn – sẽ có một số mối hàn bị cao thấp do hình dạng thuôn dài của các ống được sử dụng, khiến việc hàn nóng chảy trở nên khó khăn và dây phụ trở nên lý tưởng.

Độ dày ống tối đa cơ bản đối với hàn nóng chảy là 3 mm

Như mọi khi, mức tối đa phụ thuộc vào ứng dụng. Kích thước lớn hơn có thể được hàn, nhưng ống càng dày, bạn sẽ bắt đầu thấy nhiều vết lõm hơn. Chúng tôi đã có những khách hàng thành công với độ dày lên đến 4,7 mm. Chúng đạt được độ ngấu hoàn toàn và được hàn ở vị trí thẳng đứng để giảm thiểu độ lõm. Lưu ý rằng ứng dụng trong tài liệu tham khảo không cần mối hàn phẳng hoàn toàn ở bên trong.

Bạn có thể hàn ống quỹ đạo từ tối thiểu 12,7 mm OD mà không giới hạn mức tối đa. Kiểu kẹp thường nằm trong khoảng từ 12,7 mm đến khoảng 170 mm. Có thể sử dụng các đầu biên dạng thấp, hay đầu kiểu ray dẫn hướng từ 12,7 mm và hơn thế nữa . Bạn có thể mua các vòng/ray dẫn hướng ở các kích thước ống cơ bản theo các phần để phù hợp với ứng dụng của bạn. Đối với các kích thước đặc biệt, các ray tùy chỉnh có thể được sản xuất.

Có thể thêm dây bù khi hàn ống có độ dày lớn hơn 3mm. Không có độ dày tối đa. Dây có thể được thêm qua nhiều lần để phù hợp với độ dày ống của bất kỳ ứng dụng nào. Hãy nhớ rằng độ dày cao hơn yêu cầu nhiều lớp pass hơn, dẫn đến thời gian hàn lâu hơn.

Quy trình hàn quỹ đạo

Trước khi bạn bắt đầu hàn, có một số bước quan trọng để đảm bảo rằng phôi ống hàn đã sẵn sàng cho hàn orbital.

Trước khi căn chỉnh ống hoặc đầu ống, trước tiên chúng cần được cắt. Cắt quỹ đạo orbital xoay đều xung quanh ống, tạo ra vết cắt sạch và đều. Điều này thường được sử dụng trên đường ống vi sinh và đường ống nhỏ có độ dày thấp.

Đối với các ứng dụng lớn hơn, hãy sử dụng hệ thống cắt ngoàm kẹp để cắt (và thậm chí vát). Một lưỡi dao của máy dạng này chắc chắn sẽ chia nhỏ cả đường ống cứng nhất để sẵn sàng cho các mối hàn.

Nếu bạn không có dạng cắt kẹp, có thể sử dụng cưa vòng.

Ống có độ dày mỏng: Sau khi cắt, sử dụng máy xoa mặt ống (racing machine) để loại bỏ các gờ và các khuyết điểm khác. Mặc dù nó thường bị bỏ qua, nhưng việc tạo ra sự liên kết hoàn hảo là một phần quan trọng để tạo ra một mối hàn tốt, trong cả hàn quỹ đạo và hàn tay. Các gờ trong mối hàn có thể tạo ra không gian cho vi khuẩn sinh sôi và gây ô nhiễm trong tương lai.

Ống dày: Sử dụng dụng cụ vát ống cầm tay trước khi hàn ống quỹ đạo. Một góc vát là cần thiết để tạo ra độ ngấu hoàn toàn trên đường ống có thành dày. Mặc dù có một số loại vát, nhưng  “Vát J” là một trong những loại phổ biến nhất cho loại hàn tự động này. Dây hàn bù sau đó được thêm vào trong quá trình hàn để bù cho vật liệu bị thiếu.

Bước này cực kỳ quan trọng, đặc biệt là trong hàn ống inox vi sinh. Làm sạch ống hay đường ống sẽ loại bỏ các chất gây ô nhiễm tiềm ẩn và giúp bạn có được cơ sở tốt nhất để hàn thành công.

Bước 4. Kim hàn Vonfram

Để hàn hồ quang một vòng cung, bạn sẽ cần một điện cực. Trong trường hợp này, nó sẽ là kim hàn vonfram ceriated. Kích thước và chiều dài tùy thuộc vào ứng dụng của bạn – kích thước đường kính và độ dày ống là một số yếu tố cần xem xét. Mỗi kim hàn dùng được cho số lượng bao nhiêu mối hàn phụ thuộc vào chất lượng của kim hàn cũng như vật liệu ống và đường kính ngoài O.D.

Ngay sau khi bạn đã chuẩn bị ống phù hợp, hãy đặt kim hàn vào đầu mối hàn và gá kim cố định. 

Bước 5. Căn chỉnh

Trong hàn quỹ đạo orbital loại hàn nóng chảy, việc lắp ráp ống là cực kỳ quan trọng để đạt độ ngấu của mối hàn. Đặt hai đầu ống inox muốn hàn cạnh nhau bên trong đầu mối hàn, đảm bảo chúng thẳng góc với kim hàn. Sau đó, chỉ cần kẹp cả hai bên lại.

Nếu bạn đang hàn bằng dây hàn bù, bạn sẽ cần phải hàn đính hai mảnh lại với nhau hoặc sử dụng thiết bị kẹp để đặt hai ống lại với nhau. Sau đó, đầu mối hàn sẽ cần được căn chỉnh với mối hàn. Kim hàn, góc cấp dây bù và khoảng cách cấp dây bù có thể được điều chỉnh khi cần thiết với remote cầm tay điều khiển từ xa.

Bước 6. Xông khí

Sau khi căn chỉnh, làm sạch oxy từ bên trong đường ống, sử dụng argon hoặc khí bảo vệ hỗn hợp. Nếu bạn cố gắng thực hiện một mối hàn mà không làm sạch, oxy hiện có sẽ gây ra sự đổi màu, cháy nhiệt và các khuyết tật ảnh hưởng lớn đến tính toàn vẹn của mối hàn orbital. Làm sạch xông khí argon cũng giúp giữ cho mối hàn không bị lõm vào với các các ứng dụng hàn thêm dây bù nhờ duy trì áp suất ở bên trong đường ống.

Sử dụng các nút bịt xông khí để khuếch tán đều khí trơ đã chọn vào đường ống. Việc xông khí cơ bản có thể được thực hiện bằng băng chịu nhiệt. Khi phôi của bạn đã được loại bỏ mọi dấu vết của oxy bên trong, bạn đã sẵn sàng để bắt đầu hàn orbital.

BƯỚC 7. Chương trình hàn orbital

Bộ điều khiển nguồn ngày nay có công nghệ lập trình tự động. Nó đơn giản như nhập đầu mối hàn đang được sử dụng, vật liệu được hàn, O.D. kích thước, và độ dày ống vào bộ điều khiển. Nguồn điện sau đó sẽ tạo ra một chương trình được phát triển trước. Thường thì sẽ cần rất ít điều chỉnh để tạo ra một chương trình hàn chính xác. Nếu không, người vận hành sẽ cần lập trình như sau để phát triển chương trình:

•  4 hoặc nhiều cấp độ hàn trở lên (nhưng phải bao gồm đủ thời gian để mối hàn chồng lên nhau trước khi downslope - giảm dần đều dòng điện).
•  Kiểm soát tốc độ hàn.
•  Điều chỉnh cường độ dòng điện để mối hàn ngấu hoàn toàn.

Để hiểu đầy đủ nhu cầu lập trình, hãy lên lịch đào tạo hàn quỹ đạo orbital. Bạn sẽ nhận được thông tin chi tiết chuyên sâu và kinh nghiệm thực tế khi học hỏi từ một chuyên gia hàn quỹ đạo.