Cha đẻ của phương pháp hàn ống tự động quỹ đạo ( orbital welding)

Vào năm 1957. Walter Spivak, kỹ sư trưởng tại Phân khu Los Angeles của North American Aviation, đã triệu tập một cuộc họp để thảo luận về máy bay nghiên cứu tên lửa X-15. X-15 được thiết kế để bay với tốc độ 4.500 dặm một giờ và đạt độ cao hơn 350.000 feet để nghiên cứu mọi khía cạnh của chuyến bay siêu thanh có người lái.

Được mời đến cuộc họp là đại diện của một số phòng thiết kế và sản xuất. Cũng tham dự cuộc họp là phi công thử nghiệm huyền thoại Scott Crossfield. Scott sẽ là phi công đầu tiên lái chiếc máy bay tiên tiến này. Scott đã có mặt tại cuộc họp để bày tỏ mối quan ngại của mình về nhiên liệu và chất lỏng thủy lực chảy ra và rò rỉ trong và xung quanh hệ thống ống của động cơ tên lửa đẩy 12.000 pound. Có khoảng 30 kỹ sư và những người khác xếp thành hình móng ngựa dọc theo các bức tường xung quanh phòng họp. Sau khi Crossfield đưa ra lời kêu gọi khắc phục các vết rò rỉ có khả năng gây thảm họa, Spivak đã hỏi liệu có ý tưởng nào về cách giải quyết vấn đề rất nghiêm trọng này không. Sau khoảng thời gian tưởng chừng như vô tận, Rod Rohrberg, một thành viên của nhóm sản xuất, đã thốt lên "Tại sao chúng ta không hàn nó một cách tự động ". Điều này khiến những người cùng thời của ông sửng sốt vì Rod mới chỉ 32 tuổi và vẫn chưa tạo được dấu ấn tại North American.

Spivak nhìn quanh phòng và hỏi có ý tưởng nào khác không? Khi không ai lên tiếng, Spivak nhìn và chỉ vào Rod rồi nói anh có hai tuần để đưa cho tôi một đề xuất. Khi quản lý của Rod phát hiện ra những gì Rod đã nói trong cuộc họp, ông ấy nói "anh đã cam kết với chúng tôi điều gì!" Rod phác thảo một vài ý tưởng và một số mốc thời gian sơ bộ để hoàn thành mục tiêu. Ông cũng nộp danh sách các thiết bị, cơ sở vật chất và nhân sự cần thiết. Ông trình bày đề xuất này cho Spivak và các quản lý cấp cao khác tại văn phòng của Spivak. Rod cho biết thật buồn cười khi xem nhóm đọc và nói chuyện với nhau về nội dung của đề xuất. Sau khoảng 15 phút, Spivak hỏi cả nhóm rằng họ nghĩ gì về đề xuất này. Rod cho biết mỗi người đều có cơ hội càu nhàu và gật đầu. Sau đó Spivak nói "Được thôi, hãy làm thôi" và thế là dự án đã được triển khai.

Rod mất khoảng 3-4 tuần để thiết kế và chế tạo đơn vị thử nghiệm đầu tiên. Thiết bị hàn mẫu là một thiết bị thô sơ sử dụng máy phay Bridgeport làm cơ cấu truyền động. Một ống cố định được lắp trong vỏ cách điện. Vỏ chứa một đường ray dẫn có bộ phận gá điện cực được lắp bên trong. Bộ gá có một dây cáp điện được gắn vào, đầu kia được kết nối với nguồn điện. Vỏ được lắp vào bàn máy phay và dây cáp điện được gắn vào trục máy phay. Điện cực di chuyển xung quanh ống bằng cách xoay tay cầm trục X ra khỏi trục chính. Thao tác này di chuyển vỏ ra khỏi trục chính và lần lượt kéo đồ gá xung quanh ống. Vỏ cũng đóng vai trò là phương tiện chứa khí argon và cung cấp đường dẫn nối đất.

Phải mất nhiều lần thử để đánh và duy trì hồ quang. Khi hồ quang ổn định, Rod xoay tay cầm máy phay và kéo điện cực xung quanh ống tạo thành mối hàn quỹ đạo tại chỗ đầu tiên. Với thiết bị thô sơ này, Rod đã chứng minh được tầm nhìn của mình về việc tạo ra mối hàn tự động.

Máy hàn orbital

Rod đã thực hiện bản mẫu ý tưởng này vào ngày 4 tháng 10 năm 1957. Đây là lời nhắc nhở rõ ràng về chiến tranh lạnh, vì đây cũng là ngày Liên Xô phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên có tên Sputnik vào quỹ đạo Trái đất thấp. Vụ phóng này đã khiến Lầu Năm Góc và toàn bộ Washington DC phải rùng mình, vì điều này có nghĩa là Liên Xô có thể thay thế Sputnik bằng vũ khí hạt nhân.

Bây giờ công việc khó khăn mới bắt đầu.

Có rất nhiều thách thức cần vượt qua. Rod cần thiết kế; một hệ thống kẹp để giữ các đầu ống lại với nhau, một cách để giữ điện cực (rôto) và quay quanh ống trong khi vẫn duy trì khoảng cách hồ quang không đổi, phải cung cấp luồng điện liên tục cho rôto, thiết kế rôto cho phép tháo ống hàn ra khỏi đồ gá, cách điện đấu mát, chứa khí argon, thiết kế hệ thống truyền động. Tất cả những điều này trong khi thiết kế đồ gá giữ đủ nhỏ để vừa với các khu vực hạn chế trong và xung quanh động cơ và thân máy bay.

Tất cả những điều này đều được thực hiện dưới sự giám sát (tò mò) của ban quản lý Bắc Mỹ. NASA, Bộ Không quân, Bộ Hải quân và các bên liên quan khác cũng giám sát chặt chẽ dự án này. Rod và ban quản lý North Americans chịu rất nhiều áp lực để thực hiện vì kỳ vọng vào khả năng mới này rất cao. Ngoài những khó khăn rõ ràng phía trước, còn có những vấn đề phát sinh ngay tại quê nhà. Có những người hoài nghi, phản đối và phá hoại muốn thấy công ty mới nổi này thất bại. Cũng có những cuộc chiến giành lãnh thổ giữa thiết kế, chế tạo, nghiên cứu và phát triển với các công đoàn. Không có gì là dễ dàng.

Rod đã nhận được sự hợp tác của các công đoàn bằng cách nhờ đến sự giúp đỡ của Harry Heckler. Harry là một thợ máy tài năng đã biến các thiết kế của Rod trở nên sống động. Harry cũng là thành viên của công đoàn. Thỏa thuận khiến công đoàn tham gia là Harry sẽ được nêu tên trên bằng sáng chế.

Máy hàn orbital

Việc thiết kế nguyên mẫu giống như một điệu nhảy phức tạp. Mỗi tính năng đều tương tác với mọi tính năng khác giống như một điệu nhảy trong phòng khiêu vũ. Nếu một tính năng không đồng bộ với các tính năng khác, hệ thống sẽ không hoạt động hết tiềm năng mà hàn ống tự động được cho là có. Thật không may, nỗ lực này bắt đầu quá muộn để áp dụng trên X-15. Khi ban quản lý và khách hàng của North Americans nhìn thấy khả năng của quy trình mới này, họ đã bắt Rod bận rộn với các ứng dụng mới và khó hơn. Khi rõ ràng là hàn tự động sẽ không sẵn sàng cho X-15, Rod cũng đã phát triển phương pháp hàn cảm ứng tại chỗ để giảm số lượng nước rỉ và nhỏ giọt trong X-15. Kiểu nối Brazing, mặc dù ít được mong muốn hơn hàn, nhưng dễ phát triển hơn nhiều vì nó không có bất kỳ bộ phận chuyển động nào. Rod đã học được rất nhiều điều và vượt qua nhiều trở ngại trong khi thiết kế nguyên mẫu, tuy nhiên nó không chứa động cơ truyền động tích hợp. Hệ thống truyền động chứa mọi thứ để xoay điện cực xung quanh ống nhưng không có động cơ. Rod đã sử dụng động cơ bên ngoài để chạy đầu nguyên mẫu. Việc kết hợp động cơ tích hợp tại thời điểm này sẽ cần phải thiết kế lại hoàn toàn. Vào ngày 30 tháng 3 năm 1962, North American đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho "Máy hàn ống tự động" đầu tiên. Theo ngôn ngữ bằng sáng chế, nó có tên là "Kết nối hàn, Phương pháp và Phương tiện". Không còn nghi ngờ gì nữa, đây chính là Đầu hàn quỹ đạo đầu tiên!

Bằng sáng chế cho Phương pháp và Thiết bị hàn quỹ đạo đầu tiên. Các nhà phát minh Roderick G. Rohrberg & Henry J. Heckler.

Ban đầu, phương pháp hàn quỹ đạo được bắt đầu như một cách để giảm thiểu rò rỉ chất lỏng xung quanh động cơ tên lửa, nhưng sau đó đã trở nên hơn thế nữa. Bằng cách hàn hệ thống ống, bạn có thể giảm đáng kể số lượng khớp nối loe, chữ T, khuỷu tay và các thành phần được ép trong hệ thống nhiên liệu, thủy lực và oxy. Điều mà Rod ban đầu không nghĩ đến là giảm kích thước toàn bộ hệ thống, tiết kiệm trọng lượng đáng kể và tăng tính toàn vẹn của cấu trúc.

Rod đã áp dụng những gì ông học được trong quá trình phát triển nguyên mẫu và bắt đầu thiết kế Đầu hàn quỹ đạo orbital thế hệ tiếp theo. Ông đã thiết kế nó thân thiện với người dùng và linh hoạt hơn so với nguyên mẫu. Đầu hàn này có hai thành phần chính: Kẹp trên và dưới giữ các đầu ống, chứa rôto điện cực và chứa khí argon, và một tay cầm có thể tháo rời chứa động cơ truyền động, nguồn điện, dây nối đất và dây điều khiển động cơ và ống dẫn khí. NAA cũng đã phát triển bộ cấp nguồn và bộ lập trình hàn quỹ đạo đầu tiên.

Rod đặt tên cho hệ thống này là “Máy hàn hồ quang quỹ đạo”

Orbit Arc có một họ đầu hàn và tay cầm truyền động bao phủ nhiều kích cỡ từ .250 đến 4.00

Trong khi X-15 là máy bay được phát triển công nghệ hàn tự động, thì XB-70 Tri-Sonic Bomber là nền tảng đầu tiên được sử dụng rộng rãi. Hệ thống hàn ống hồ quang quỹ đạo đã tiết kiệm được hơn 3.000 pound trọng lượng trên Valkyrie. Tức là thêm 3.000 pound nhiên liệu hoặc nhiều vũ khí hơn.

Nhờ thành tích này, Rod đã được vinh danh là người chiến thắng toàn quốc của “Giải thưởng hàn Airco” đầu tiên. Giải thưởng này được trao hàng năm cho cá nhân thể hiện tính độc đáo và sáng tạo lớn nhất trong các sản phẩm mới thông qua việc sử dụng các kỹ thuật hàn. Rod cũng là chủ đề của nhiều bài viết trên bản tin “Skywriter” của Bắc Mỹ nêu chi tiết về nhiều thành tựu của ông.

Bộ trưởng Không quân lúc bấy giờ, Eugene Zuckert, cũng trích dẫn sự phát triển của Máy hàn hồ quang quỹ đạo là một trong 17 ví dụ về những đóng góp quan trọng cho Công nghệ hàng không và Vũ trụ và Phương tiện phóng.

Có những người khác tuyên bố sai sự thật rằng họ là người đầu tiên phát minh ra Hàn ống quỹ đạo. Tuy nhiên, khái niệm, phát minh, cải tiến, thiết kế và phát triển đầu hàn tự động ban đầu chỉ là thành tựu của riêng Rod Rohrberg. Những người tuyên bố rằng đây là sáng tạo của họ là những cựu nhân viên của NAA đã từng làm việc ở các bộ phận khác nhau của công ty và có quyền truy cập vào các thiết kế, ý tưởng và phần cứng của Rod. Điều này không có nghĩa là theo thời gian họ không có những đóng góp giá trị cho ngành, nhưng Rod đã đi tiên phong trong khái niệm Hàn ống quỹ đạo và Đầu hàn quỹ đạo.

Nguồn tham khảo: https://creativepathways.com/history-of-orbital-welding-2/