Giải pháp hàn chế tạo trụ điện gió năng suất cao (LSO)

Giải pháp chế tạo trụ điện gió năng suất cao bằng công nghệ hàn SAW TANDEM LONG STICK OUT (LSO) sử dụng máy hàn công nghệ cao của Lincoln Electric Power wave AC/DC 1000SD. Mời quý bạn đọc cùng theo dõi trong bài viết để hiểu rõ hơn công nghệ hàn này.

Nội dung: 

1. Thách thức đối với năng lượng điện gió
2. Quy trình chế tạo trụ điện gió 
3. Giải pháp hàn tổng thể
4. Vật liệu hàn 
5. Bộ thông số quy trình hàn (WPS) 
6. Giải pháp cho liên kết hàn 
7. Vật liệu cơ bản 
8. Giải pháp tăng năng suất bằng công nghệ hàn SAW Tandem LSO
9. Phân tích chi phí hàn
10. Nhận biết các dạng khuyết tật hàn SAW 
11. Thiết bị hàn 
12. Khuyến cáo vật liệu hàn (Dây hàn/Thuốc hàn) 

1. Thách thức đối với năng lượng điện gió

Khi dân số thế giới đạt gần 8 tỷ, mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu đang tăng theo cấp số nhân. Để chống lại sự nóng lên toàn cầu, năng lượng sạch ngày càng phổ biến. Do đó, số lượng các trang trại điện gió đang tăng mạnh trên toàn cầu.

Đồng thời, các chính phủ đang giảm hoặc loại bỏ trợ cấp cho năng lượng sạch và do đó ngành công nghiệp điện gió bị thách thức với việc sản xuất với chi phí thấp hơn. Để duy trì lợi nhuận, cách duy nhất trong tương lai gần là tăng năng suất trong khi vẫn phải bảo đảm duy trì chất lượng.

Dự báo mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu tăng theo sự phát triển của dân số.

Phân bố các dự án điện gió onshore trên toàn thế giới trong giai đoạn 2016-2020. 1620 dự án onshore, công suất phát điện đạt 350GW tương ứng khoảng 115,000 trụ điện gió.

2. Quy trình chế tạo trụ điện gió

Cấu tạo cơ bản của một trụ điện gió như thể hiện trong hình dưới với hầu hết các vị trí đều phải sử dụng phương pháp hàn. Đặc thù liên kết ở đây là có chiều dày lớn và yêu cầu kiểm soát chất lượng chặt chẽ nên quá trình hàn/phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc (SAW) được chủ yếu áp dụng. Qua đó cho thấy, để tăng năng suất chế tạo trụ thì cần tập trung vào các giải pháp nâng cao năng suất hàn SAW.

Các bộ phận chính của trụ điện gió lắp đặt trên đất liền (onshore)

Về năng suất hàn, Lincoln Electric có sản phẩm, kiến thức, kinh nghiệm và đội ngũ chuyên gia hỗ trợ để giúp các nhà sản xuất trụ điện gió đạt được mục tiêu của họ. Đặc biệt, quy trình hàn SAW Tandem Long Stick Out (LSO) có thể mang lại sự tiết kiệm rất đáng kể.

3. Giải pháp hàn tổng thể

Quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc trong thực tế có một số tên gọi khác như “hàn hồ quang chìm”, “hàn tự động”, “hàn hồ quang kín”,…hay đơn giản là “hàn SAW”. Mỗi tên gọi đều nhằm mô tả bản chất hiện tượng của quá trình hàn một cách đơn giản nhất, tuy nhiên có thể hiểu một cách chi tiết đây là một quá trình hàn hồ quang (Arc Welding) bằng điện cực là dây hàn được cấp liên tục vào vùng hàn nhằm duy trì hồ quang cũng như bổ sung kim loại cho mối hàn. 

Dây hàn thường ở dạng đặc (solid) và trong một số trường hợp cần tăng năng suất đắp cũng như hợp kim hóa kim loại mối hàn có thể dùng loại lõi bột kim loại (metal cored) hoặc lõi thuốc (flux cored). Toàn bộ hồ quang và vũng hàn được phủ bởi lớp thuốc hàn (flux).

Hàn SAW được xem như là một quá trình hàn năng suất cao, song cũng như các quá trình hàn khác, khuyết tật hàn vẫn có nguy cơ xuất hiện.

Khuyết tật hàn có thể hạn chế hoặc ngăn chặn được bằng cách kiểm soát chặt chẽ quá trình hàn, đặc biệt là công tác chuẩn bị trước khi hàn. Để làm tốt việc này, trước tiên cần hiểu được quá trình hàn diễn ra như thế nào và yếu tố công nghệ nào là nguyên nhân hình thành khuyết tật cũng như mức độ ảnh hưởng của chúng.

Quá trình hàn SAW thông thường được cơ khí hóa – tự động hóa, tuy nhiên trong một số trường hợp vẫn có thể thực hiện bằng mỏ hàn cầm tay. So với các quá trình/phương pháp hàn khác, hàn SAW có những thế mạnh sau:

• Chất lượng mối hàn cao
• Tốc độ đắp cao (High deposition rate)
• Ngấu sâu (Deep penetration)
• Hàn ở tốc độ cao đối với tấm mỏng.
• Gần như không phát sinh khói và hồ quang hàn.

Không có gì là hoàn hảo và hàn SAW cũng có những giới hạn nhất định. Quá trình hàn này chỉ phù hợp với các vị trí hàn bằng hoặc hàn ngang với một số trang bị hỗ trợ và không quan sát được hồ quang trong quá trình hàn. Với lý do đó mà hàn SAW chủ yếu được ứng dụng trong một số lĩnh vực như đóng tàu, chế tạo trụ tháp gió, nồi hơi bình áp lực (ASME), chế tạo ống và dầm tổ hợp trong kết cấu thép.

4. Vật liệu hàn (Consumables)

Thuốc hàn SAW

Thuốc hàn (Flux) có vai trò quyết định cơ tính của kim loại mối hàn, khử ôxy trong quá trình kết tinh hình thành mối hàn và bảo vệ vùng kim loại lỏng khỏi sự xâm nhập của không khí bên ngoài. Khi kết thúc quá trình kết tinh (đông đặc), một lớp xỉ hàn được hình thành trên bề mặt mối hàn và có thể dễ dàng tách rời ra. Thuốc hàn SAW được chia thành hai hệ chính đó là Neutral (trung tính) và Active (hoạt tính). 

Nhiều loại thuốc có chức năng hợp kim hóa Si và Mn vào kim loại mối hàn trong khi một số loại khác thì bị tan chảy mất (melt off). Mức độ hợp kim hóa phụ thuộc vào chất lượng thuốc và sự phù hợp về mặt kim loại học với dây hàn.

Tăng điện áp hay chiều dài hồ quang sẽ dẫn đến tăng mức độ hợp kim hóa hoặc mức độ tan chảy những thành phần hợp kim.

Thuốc hệ trung tính (Neutral Flux) được dùng cho hàn nhiều lớp đối với liên kết có chiều dày lớn không giới hạn. Việc hợp kim hóa, đặc biệt là Si và Mn cần phải kiểm soát một cách cẩn thận.

Thuốc hệ hoạt tính (Active Flux) có chứa một lượng nhỏ Si và Mn với vai trò khử ô xy trong quá trình kết tinh của kim loại mối hàn. Loại thuốc này có tác dụng ngăn ngừa rỗ khí và nâng cao chất lượng bề mặt cũng như độ dai va đập của mối hàn. Thuốc hoạt tính phù hợp cho hàn một lớp hoặc nhiều lớp nhưng có giới hạn về chiều dày, thông thường tối đa 3 đến 5 lớp.

5. Thông số quy trình hàn (WPS)

Quá trình hàn SAW có thể sử dụng nguồn điện hàn một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC). Nguồn điện hàn một chiều được sử dụng chủ yếu do hồ quang ổn định và dễ kiểm soát, ngoại trừ có nguy cơ xảy ra hiện tượng thổi lệch hồ quang khi hàn ở dòng điện cao. 

Trong hàn DC có hai dạng cực tính DC+ (dây hàn cực tính dương) và DC- (dây hàn cực tính âm). Cực tính DC+ thường được sử dụng do cho độ ngấu tốt hơn. Cực tính DC- cho độ ngấu giảm khoảng 25% so với cực tính DC+ và chủ yếu dùng cho ứng dụng hàn đắp hoặc cho những liên kết có điều kiện gá lắp không tốt.

Hàn SAW bằng dòng xoay chiều (AC) cho phép hoán đổi cực tính giữa DC+ và DC- theo chu kỳ và giúp khắc phục được hiện tượng thổi lệch hồ quang do từ trường đổi hướng liên tục.

• Cường độ Dòng điện (Amps) ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ đắp và chiều sâu ngấu. Tăng dòng điện hàn đồng nghĩa với việc tăng cả tốc độ đắp và chiều sâu ngấu.

• Điện áp hồ quang (Volt) là hiệu điện thế đo được trên chiều dài hồ quang, tỷ lệ nghịch với chiều sâu ngấu và tỷ lệ thuận với bề rộng mối hàn. Tăng điện áp hồ quang, hay nói cách khác, tăng chiều dài hồ quang sẽ dẫn đến giảm chiều sâu ngấu và tăng bề rộng mối hàn.

• Tốc độ hàn (Travel Speed) là đại lượng thể hiện tốc độ di chuyển của hồ quang dọc theo đường hàn. Tốc độ hàn liên quan đến bề rộng mối và chiều sâu ngấu. Giảm tốc độ hàn đồng nghĩa với tăng chiều sâu ngấu và bề rộng mối hàn.

• Đường kính dây hàn cũng có ảnh hưởng đến tốc độ đắp và chiều sâu ngấu. Ở một mức dòng điện, dây hàn đường kính nhỏ cho tốc độ đắp lớn hơn so với dây hàn có đường kính lớn. Lý do được giải thích ở đây là tốc độ đắp (tốc độ nóng chảy của dây hàn) tỷ lệ thuận với mật độ dòng điện. Với tiết diện nhỏ hơn, mật độ dòng điện đi qua nó lớn hơn và do đó tốc độ nóng chảy lớn hơn.

• Tầm với điện cực - Electrode extention (một số tài liệu kỹ thuật kí hiệu là CTWD – Contact Tip to Work Distance) là khoảng cách tính từ đầu pép hàn tới bề mặt vật hàn. Một nguyên tắc cơ bản, tầm với điện cực được lấy bằng 8 lần đường kính dây hàn. Ví dụ, dây hàn (điện cực) có đường kính 1/8 in (3.2mm) thì CTWD sẽ là 1 in (~25mm). Tăng CTWD sẽ dẫn đến làm giảm chiều sâu ngấu và tăng tốc độ đắp. Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này là do dây hàn được nung nóng sơ bộ bằng nhiệt năng Q=I²R hình thành trên phần dây hàn đi ra khỏi pép hàn. Lincoln Electric đã phát triển công nghệ hàn LSO (Long Stick Out) cho ứng dụng cần tăng năng suất đắp bằng nguồn hàn POWER WAVE ACDC 1000 SD kết hợp với bộ điều khiển Maxsa 10 và đầu cấp dây Maxsa 29. Công nghệ này cho năng suất đắp vượt trội (đạt tới 19 kg/giờ với một hồ quang) trong khi vẫn bảo đảm chiều sâu ngấu.

• Số lớp hàn – Độ dai va chạm của liên kết được cải thiện khi tăng số lớp hàn.

• Năng lượng đường (Heat Input) – Khi hàn ở bộ thông số cho năng lượng đường cao sẽ dẫn đến giảm tốc độ nguội và kết quả là làm tăng kích thước hạt thép không mong muốn. Điều này đồng nghĩa với việc làm giảm độ dai va đập của kim loại mối hàn.

  “Tăng Heat Input sẽ làm giảm độ dai va đập”

6. Liên kết hàn (Dạng vát mép)

7. Thành phần hóa học của kim loại cơ bản

Bảng dưới là một số mác thép phổ biến dùng cho chế tạo trụ điện gió với nhiều thành phần hợp kim cần được kiểm soát.

Độ dai va đập của kim loại mối hàn chịu ảnh hưởng bởi thành phần hóa học và tỷ lệ tham gia của kim loại cơ bản vào quá trình hình thành mối hàn.

8. Tăng năng suất bằng công nghệ hàn SAW Tandem Long stick out (LSO)

Trong quá trình hàn SAW, tầm với điện cực (“Stick out” / “CTWD”) là khoảng cách tính từ đầu pép hàn tới bề mặt vũng hàn (hay bề mặt phôi hàn). Tăng khoảng cách này lên đồng nghĩa với tăng chiều dài phần dây hàn nhô ra khỏi pép hàn. Phần dây nhô ra có một điện trở nhất định và theo hiệu ứng Joules, nó được nung nóng sơ bộ bằng chính dòng điện hàn trước khi nóng chảy bởi hồ quang hàn. Dây hàn được nung nóng sơ bộ sẽ nóng chảy nhanh hơn, kết quả làm tăng năng suất đắp so với trường hợp chiều dài hồ quang tiêu chuẩn.

Stick Out tiêu chuẩn thường được lấy bằng 8 lần đường kính dây hàn, trong khi ở giải pháp LSO nó có giá trị lên đến 125 mm.

Sử dụng giải pháp LSO còn mang lại một số lợi ích như sau:

• Mỏ hàn dễ lắp đặt và nâng cấp trên dầu hàn thông thường.
• Giảm số lượng lớp hàn do đó giúp cải thiện độ dai va đập của kim loại mối hàn.
• Giảm đáng kể lượng tiêu hao thuốc hàn.
• Khi áp dụng cho hàn SAW Tandem, năng suất đắp có thể dễ dàng đạt được trên 40 kg/h với dây hàn đường kính 4mm.

Hình bên là chiều dày thành trụ điện gió tương ứng với độ cao. Phần dưới có chiều dày thông thường từ 35 đến 40mm và phần trên cùng nhỏ nhất là 14mm.

Công nghệ hàn Tandem LSO có thể áp dụng cho các chiều dàu khác nhau ở hai dạng cơ bản đó là :

• 14 đến 20 mm: Hàn hai mặt, mỗi mặt một lớp và không gouging.
• Trên 20 mm: Hàn nhiều lớp với dạng vát mép V lệch và không gouging.

Báo cáo thực nghiệm giải pháp hàn SAW TANDEM LSO

Ứng dụng:                  Thép trụ điện gió S355G10+M có chiều dày 40mm. (mẫu hàn có chiều dài 1m)

Phạm vi Heat input: 3.3 – 3.6 kJ/mm

Vật liệu hàn:              Thuốc hàn Oerlikon OP128TT kết hợp với dây hàn OE-SD3 (EH12K) đường kính 4mm.

Công nghệ hàn SAW Tandem LSO giảm lượng tiêu hao thuốc hàn

• Công nghệ LSO tăng năng suất đắp (tăng tốc độ nóng chảy dây hàn) với cùng tốc độ hàn so với hàn SO, do đó lượng thuốc hàn sẽ giảm khi tính trên cùng một lượng lim loại đắp.
• Lượng kim loại đắp tăng mạnh trong khi lượng xỉ hàn tạo ra tăng không đáng kể.

9. Phân tích chi phí hàn

10. Nhận biết các dạng khuyết tật trong hàn SAW

Trong hầu hết các trường hợp thì một khuyết tật hàn SAW sẽ có nhiều hơn một nguyên nhân tạo ra nó và tương ứng là nhiều hơn một hành động cần thực hiện để khắc phục. Việc ngăn chặn khuyết tật chủ yếu được làm ngược lại với nguyên nhân tạo ra nó. Ví dụ, nếu nguyên nhân đến từ việc dòng điện quá cao thì cách xử lý đơn giản chỉ là hạ thấp xuống. 

Tuy nhiên, việc xác định được biện pháp khắc phục phù hợp phụ thuộc rất nhiều vào cách quan sát đánh giá của bạn. Đơn cử như hiện tượng cháy thủng (lủng) có thể khắc phục bằng nhiều cách như giảm dòng điện hàn, tăng tốc độ hàn hoặc giảm góc vát mép của liên kết. Thường thì việc giảm góc vát là lựa chọn không thực tế nên bạn phải hoặc là giảm dòng điện, hoặc là tăng tốc độ hàn. Một góc nhìn khác, như đề cập ở phần trên thì quá trình hàn SAW là hướng đến năng suất cao cho hầu hết các ứng dụng, vậy thay vì giảm dòng điện, lựa chọn tăng tốc độ hàn sẽ là hợp lý nhất.

Một số dạng khuyết tật hàn SAW thường gặp như sau:

• Không thấu/ thiếu ngấu (Hình 1). Nguyên nhân là do
  • dòng điện hàn thấp,
  • điện áp hàn cao,
  • tốc độ hàn cao, và/hoặc
  • dạng liên kết không phù hợp.

Hình 1: Khuyết tật hàn không thấu/thiếu ngấu

• Cháy thủng. Nguyên nhân là do
  • dòng điện hàn cao,
  • lượng vát mép quá lớn,
  • độ cùn mép vát để quá nhỏ,
  • khe hở hàn quá rộng, và/hoặc
  • tốc độ hàn chậm.

• Rỗ khí (bọt khí). Nguyên nhân chính là do
  • bề mặt liên kết hàn bẩn,
  • lẫn tạp chất như dầu mỡ hoặc ẩm ướt,
  • đáy mối hàn chính không ngấu tới mối hàn lót mặt sau (backing weld)
  • tấm lót đáy bẩn, lẫn tạp chất
  • gá lắp liên kết kém chất lượng hoặc không phù hợp,
  • thuốc hàn quá mịn, và/hoặc
  • thuốc hàn bị ẩm.

Hình 2 thể hiện một dạng khuyết tật rỗ khí với nguyên nhân là do liên kết hàn bị bẩn hoặc hàn trong điều kiện độ ẩm không khí cao. à Cách khắc phục có thể lựa chọn là chuyển sang sử dụng thuốc có mức độ hoạt tính cao hơn (active flux) hoặc gia nhiệt (preheat) trước khi hàn.

Hình 2: Khuyết tật rỗ khí với nguyên nhân chủ yếu là do tồn tại hơi ẩm trong mối hàn

• Rỗ bề mặt (Surface Pock Marks) : Nguyên nhân thường là do
  • liên kết hàn bẩn,
  • dính tạp chất,
  • bề mặt bị ẩm ướt, và/hoặc
  • thuốc hàn ẩm.

Biện pháp khắc phục/ngăn chặn đó là

• chuyển sang dùng thuốc hàn hệ hoạt tính (active flux),
• nung nóng sơ bộ (gia nhiệt) – preheat liên kết trước khi hàn, và
• sấy thuốc hàn ở nhiệt độ 250-300 ^oF (120 ^oC – 150 ^oC).

Hình 3: Rỗ bề mặt – Surface Pock Marks

• Thổi lệch hồ quang. Nguyên nhân chủ yếu là do hiện tượng từ trường không cân bằng xung quanh vật hàn. Hồ quang bị thổi lệch khi hàn ở dòng điện DC cường độ cao. Do vậy biện pháp khắc phục là
  • giảm dòng điện hàn,
  • chuyển sang dùng dòng điện xoay chiều AC, và
  • khử từ liên kết/đồ gá.

• Mối hàn quá lồi. Nguyên nhân chính là do dòng điện hàn cao, điện áp hàn và tốc độ hàn thấp.

• Cháy cạnh (Undercut). Xảy ra khi không đủ kim loại mối hàn bổ sung cho vũng hàn để điền vào phần bị đánh lõm trên bề mặt kim loại cơ bản do nguyên nhân điện áp hàn cao – Hình 4. Cách khắc phục đơn giản nhất là giảm tốc độ hàn, tăng cường độ dòng điện, hoặc giảm điện áp. Căn chỉnh lại góc độ/vị trí dây hàn cũng là một biện pháp cần xem xét.

Hình 4: Cháy cạnh (Undercut)

• Lẫn xỉ (kẹt xỉ). Xỉ hàn luôn có khuynh hướng kẹt lại trong rãnh của liên kết hàn giáp mối, đặc biệt khi bề mặt mối hàn ở dạng lõm (concave). Biện pháp ngăn ngừa chủ yếu là giảm điện áp hàn. Tăng tốc độ hàn và giảm dòng điện hàn cũng có thể được xem xét áp dụng.

11. Thiết bị hàn

Sơ đồ công nghệ power wave acdc 1000sd

12. Vật liệu hàn khuyến cáo

Vật liệu hàn khuyến cáo cho ứng dụng điện gió

Trên đây là những chia sẻ về giải pháp chế tạo trụ điện gió năng suất cao bằng công nghệ hàn SAW TANDEM LONG STICK OUT (LSO) sử dụng máy hàn công nghệ cao của Lincoln Electric Power wave AC/DC 1000SD, hy vọng đã cung cấp tới bạn đọc thông tin hữu ích. Nếu doanh nghiệp bạn có nhu cầu tư vấn về giải pháp này, vui lòng liên hệ cho DG Welding - vp miền bắc cty Double Good JSC chúng tôi theo số hotline 0908895299.

QUYỀN SỞ HỮU VÀ BẢO MẬT: Báo cáo này căn cứ trên các kết quả thử nghiệm của hãng Lincoln Electric, và được biên tập bởi Double Good JSC – Nhà phân phối sản phẩm và Dịch vụ ủy quyền của Lincoln Electric tại Việt Nam. Không được phép sao chép, lưu chuyển, sử dụng tài liệu này với bất kỳ mục đích nào nếu không được sự cho phép bằng văn bản của Double Good JSC.

Ghi chú: Tính đa dạng trong thiết kế, chế tạo và điều kiện làm việc của các sản phẩm thực tế sẽ ảnh hưởng tới kết quả thực nghiệm. Vì vậy các bên tự cân nhắc và chịu trách nhiệm khi áp dụng các thông tin trong báo cáo này vào công việc của mình.