Nghiên cứu thiết kế quy trình hàn ma sát gồm cả bản vẻ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
BỘ

GIÁO DỤC VÀ ĐÀO
TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập – Tự do –
Hạnh

phúc

ĐỀ
TÀI ĐỒ ÁN
TỐT
NGHIỆP
ĐẠI
H
Ọ
C
Họ
và tên:
Khóa:…
Khoa:
……
…Ngành:… ….
1. Đề

tài đồ

án:



Số liệu ban đầu
:



2. Nội dung các phần thuyết minh
và tính
toán:



3. Các bản vẽ và đồ thị (ghi rõ
loại bản vẽ và kích thuớ
c
bản
vẽ):



4. Cán bộ hướng dẫ
n:
Phần
Họ tên cán
bộ

5. Ngày giao đề tài đồ án:
…………………………………

6. Ngày hoàn thành đề tài đồ án:
…………………………
………… ……
Ngày tháng
năm
2012
CHỦ NHIỆM BỘ

MÔN
CÁN
BỘ HƯỚNG
DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)
(Ký, ghi rõ h͕ọ t
ên)
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 1
Khoa: Cơ Khí
1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
LỜI MỞ ĐẦU
Trong các ngành kĩ thuật cơ
khí hiện nay, ngành hàn giữ một
vai trò rất quan trọng, nhất là trong
công cuộc công nghiệp hoá- hiện
đại hoá ở nước ta hiện nay. Ngành
hàn đã và đang đươc ứng dụng rộng

rãi trong tất cả các ngành kĩ thuật
như: làm kết cấu nhà xưởng, xây
dựng công trình, lắp ghép các chi
tiết, đắp tạo các trục, thiết kế chế
tạo các sản phẩm cơ khí, phục hồi
các chi tiết máy sau một thời gian
làm việc, với nhiều tính năng ưu
việt, năng xuất chất lượng cao
trong thời đại ngày nay, với trình
độ khoa học ngày càng phát tiển
mạnh mẽ, thì ngành hàn đã gióp
phần không nhỏ trong việc đưa
nghành cơ khí lên vị thế quan trọng
trong cụng cuộc phát triển kinh tế,
nổi bật trong nghành hàn là phương
pháp hàn ma sát, tuy phương pháp
này khá phổ biến trên thế giới
nhưng ở Việt Nam thì chưa có sử
dụng rộng rãi.
Chúng em nhận đề tài này
khá mới lạ nhưng dưới sự giúp đỡ
hướng dẫn tận tình của Thầy
Nguyễn Đức Thắng và thầy Lê Văn
Thoài đối với nhóm đồ án chúng
em đã hoàn thành đúng tiến độ đồ
án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên
cứu thiết kế quy trình hàn ma
sát”.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều
nhưng do điều kiện thời gian không

cho phép, kiến thức, sự hiểu biết
còn hạn chế nên chắc chắn đồ án
của chúng em vẫn còn nhiều thiếu
sót là không thể tránh khỏi. Vì vậy,
chúng em rất mong được sự giúp
đỡ, những ý kiến đánh giá của các
thầy để đề tài của chúng em được
hoàn thiện hơn.
Một lần nữa, chúng em xin
được gửi lời cảm ơn chân thành tới
thầy Nguyễn Đức Thắng và thầy Lê
Văn Thoài đã tận tình hướng dẫn,
cũng như các thầy giáo trong Bộ
môn Công nghệ Hàn đã tạo điều
kiện giúp đỡ nhóm chúng em hoàn
thành đề tài đồ án tốt nghiệp này!
Chúng em xin chân thành
cảm ơn!
Hưng yên ngày…… tháng……năm

Sinh viên thực hiện

Trần Văn Thỏa
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 2
Khoa: Cơ Khí
2
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
Chương I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
HÀN MA SÁT
I. Giới thiệu chung

1.1 Khái niệm
Hàn ma sát là quá trình hàn
áp lực, trong đó nguồn nhiệt để
nung dẻo hai bề mặt cần hàn là lực
ma sát do chuyển động tương đối
giữa chúng. Sau đó được ép dưới
áp lực cao để tạo liên kết hàn.
Khi cho 2 vật liệu quay ở tốc
độ cao tiếp xúc với nhau và lợi
dụng nhiệt ma sát sinh ra để nối
chúng lại với nhau được gọi là kỹ
thuật hàn ma sát xoay.
1.2 Lịch sử nghiên cứu
Kỹ thuật này được một người
thợ tiện của Nga Xô tên là AI
Chudikov phát hiện vào năm 1954.
Sau nhiều lần thực nghiệm, ông đã
thành công.
Từ năm 1956, kỹ thuật này
đã được đưa vào nghiên cứu tại Sở
nghiên cứu kỹ thuật hàn Soviet
(VNIESO) và được coi là kỹ thuật
bí mật của Nga.
Năm 1960, thông tin về kỹ
thuật này lọt vào tay của Kỹ thuật
Điều tra Đoàn của Nhật bản trong
khi đoàn điều tra này đang ở Nga,
(trong những năm ở thập kỷ 70,
chính phủ Nhật hỗ trợ thành lập các
đoàn điều tra kỹ thuật, cử các kỹ sư

giỏi đi tham quan các xí nghiệp
ngoại quốc để học tập, thực ra là
một dạng điệp viên kinh tế), lập tức
các thông tin kỹ thuật được chuyển
về Tokyo và Hiệp hội nghiên cứu
kỹ thuật hàn của Anh Quốc
(BWRA).
Năm 1961 người Nhật công
bố kỹ thuật hàn ma sát xoay và bắt
đầu ứng dụng rộng rãi trong kỹ
thuật chế tạo phụ tùng xe hơi.
Năm 1962, hãng chế tạo máy
dệt Toyota bắt đầu đưa vào chế tạo
máy hàn ma sát xoay hàng loạt
dạng Brake.
Năm 1964, thiết lập Hội
nghiên cứu hàn ma sát, bắt đầu
nghiên cứu hàn ma sát trên nhiều
loại vật liệu khác nhau, tạo cơ sở lý
thuyết cho ra đời các quy chuẩn về
hàn ma sát JIS 3607
Năm 1998 hãng Izumi được
ủy thác chế tạo toàn bộ từ kỹ thuật
bàn giao của Toyota đã chế tạo
thành công máy hàn ma sát NC .
Máy hàn ma sát có khả năng hàn 2
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 3
Khoa: Cơ Khí
3
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT

loại vật liệu khác nhau với đường
kính nhỏ nhất là 1.6mm.
Hiện tại, các hãng chế tạo
máy hàn ma sát xoay nổi tiếng là
IZUMI Industry, SAKAE Industry,
TOYO , NITTO, SEIMITSU,
TANAKA Seiki Sangyou.
1.3 Đặc điểm cấu trúc:
Bản chất trạng thái rắn của
quá trình FSW, kết hợp công cụ
khác thường và có bản chất bất đối
xứng, dẫn đến vi cấu trúc đặc trưng
rất cao. Trong khi một số vùng là
chung đối với tất cả các dạng hàn,
một số khác rất đặc trưng theo công
nghệ này. Một khi thuật ngữ được
thay đổi những biểu diễn sau đã có
sự nhất trí:
Vùng khuấy (cũng gọi là
vùng tái kết tinh động) là vùng vật
liệu bị biến dạng rất mạnh tương
ứng với ùng vị trí của chốt trong
quá trình hàn. Biên hạt bên trong
vùng khuấy là đẳng trục và thường
có cấp độ độ lớn nhỏ hơn biên hạt
trong vật liệu chủ. Tính chất độc
đáo của vùng khuấy thường xuất
hiện của nhiều vòng ròn đồng tâm
mà có liên quan đến cấu trúc vòng
củ hành. Nguồn gốc chính xác của

các vòng này vẫn chưa có khẳng
định chắc chắn, mặc dù có sự biến
động về mật độ số hạt, kích thước
biên hạt và textua đã được đặt giả
thuyết.
Cánh chảy là vùng bề mặt
phía trên vùng hàn và có chứa vật
liệu bị kéo bởi vai trụ từ cạnh phía
sau của phần hàn, quanh rìa trục
quay, và lắng đọng lên cạnh phía
trước.
Vùng chịu ảnh hưởng cơ-
nhiệt (TMAZ) xuất hiện bên các
cạnh của vùng khuấy. Trong vùng
này, biến dạng và nhiệt độ lf thấp
hơn và ảnh hưởng của quá trình hàn
đến cấu trúc tuơng ứng nhỏ hơn.
Không như vùng khuấy cấu trúc rất
giống vật liệu chủ, mặc dù cũng bị
biến dạng và xoay đáng kể. Mặc dù
khái niệm kỹ thuật TMAZ liên
quan đến cả vùng biến dạng thường
được sử dụng để mô tả vùng bất kì
nhưng không giải thích được cho
vùng khuấy và cánh chảy.
Vùng chịu ảnh hưởng nhiệt
(HAZ) là chung cho tất cả các quá
trình hàn. Như đã chỉ thị bởi tên,
vùng này chịu ảnh hưởng của chu
kỳ nhiệt nhưng không bị biến dạng

trong quá trình hàn. Nhiệt độ thấp
hơn so với vùng TMZA nhưng có
ảnh hưởng đáng kể khi cấu trúc
không ổn định nhiệt. Thực tế, các
hợp kim nhôm hóa bền bằng hóa
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 4
Khoa: Cơ Khí
4
Fms
Chi tiết hàn
Kim loại vùng hàn
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
già vùng này biểu hiện tính chất cơ
học xấu nhất.
II. Quá trình hình thành liên kết
2.1. Quá trình hình thành mối
hàn
Được diễn ra theo ba giai đoạn
chính là:
- Nung nóng bề mặt cần hàn
bằng tác dụng của lực ma sát đến
trạng thái nóng dẻo.
- Ép hai bề mặt với nhau
bằng lực ép xác định.
- Khuếch tán tương hỗ giữa
hai phần, tạo ra liên kết hàn.
Sơ đồ tổng quát của hàn ma
sát như sau:
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hàn ma
sát

Với sơ đồ tổng quát trên ta
thấy rằng việc áp dụng hàn ma sát
là rất kém linh hoạt do:
- Các chi tiết liên kết phải có
kích thước phù hợp;
- Chỉ thực hiện được hàn
giáp mối;
- Khó hoàn thành đường hàn
dài;
- Quá trình hàn không liên
tục.
Do đó mô hình này chỉ áp
dụng hàn nối một số chi tiết đặc
biệt (ví dụ cán và nắp xu páp).
Để tăng cường khả năng áp
dụng hàn ma sát hiện nay chủ yếu
áp dụng loại sơ đồ hàn với đầu
xoay riêng biệt (gọi là hàn ma sát
xoay).
Sơ đồ hàn ma sát xoay như
sau:
Hình 1.2. Sơ đồ hàn ma sát xoay
Với sơ đồ này các bước tiến hành
hàn như sau:
- Trục mang đầu xoay quay
với tốc độ quay xác định;
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 5
Khoa: Cơ Khí
5
- Giai đoạn 3: Khuếch tán tương hỗ tạo liên

kết vững chắc
- Giai đoạn 2: Biến dạng dẻo đan xen giữa hai bề mặt
- Giai đoạn 1: Tiếp xúc cứng hai bề mặt trên các nhấp nhô tế vi
P
P
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
- Tạo lực ép cho hai chi tiết
trong liên kết hàn;
- Đầu xoay tiến đến vị trí bắt
đầu hàn;
- Dừng đầu xoay một thời
gian xác định đợi kim loại vùng
hàn nóng dẻo, đầu xoay tiến dọc
mối hàn với tốc độ xác định.
Với mô hình này có các ưu điểm
sau:
- Có thể áp dụng hàn tấm
lớn;
- Biến dạng, ứng suất hàn
nhỏ do không nung tới nhiệt độ quá
cao;
- Không gây ảnh hưởng đến
người hàn;
- Tránh được các khuyết tật
hàn như rỗ, nứt, đạt cơ tính cao;
- Hầu như không cần chuẩn
bị mép hàn;
- Không tiêu hao điện cực
hàn như hàn nóng chảy;
- Tiết kiệm điện năng;

- Có thể hàn giáp mối, hàn
chồng;
- Có thể tự động hoá toàn bộ
quá trình hàn.
2.2 Quá trình hình thành liên kết
ma sát
Ba giai đoạn hình thành liên kết
hàn ma sát:
Với sơ đồ này các bước tiến hành
hàn như sau:
- Trục mang đầu xoay quay
với tốc độ quay xác định;
- Tạo lực ép cho hai chi tiết
trong liên kết hàn;
- Đầu xoay tiến đến vị trí bắt
đầu hàn;
- Dừng đầu xoay một thời
gian xác định đợi kim loại vùng
hàn nóng dẻo, đầu xoay tiến dọc
mối hàn với tốc độ xác định.
Với mô hình này có các ưu điểm
sau:
- Có thể áp dụng hàn tấm
lớn;
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 6
Khoa: Cơ Khí
6
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
- Biến dạng, ứng suất hàn
nhỏ do không nung tới nhiệt độ quá

cao;
- Không gây ảnh hưởng đến
người hàn;
- Tránh được các khuyết tật
hàn như rỗ, nứt, đạt cơ tính cao;
- Hầu như không cần chuẩn
bị mép hàn;
- Không tiêu hao điện cực
hàn như hàn nóng chảy;
- Tiết kiệm điện năng;
- Có thể hàn giáp mối, hàn
chồng;
- Có thể tự động hoá toàn bộ
quá trình hàn.
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 7
Khoa: Cơ Khí
7
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
Chương II. MÔ HÌNH TÍNH
TOÁN HÀN MA SÁT
I. Thông số yêu cầu
- Đường kính hai chi tiết cần
hàn:
D = 20mm
- Lực ép P
- Tốc độ quay
II. Phương pháp tính toán
2.1. Phương pháp lý thuyết
Yêu cầu: Lực ép P phải tạo ra
ứng suất trên bề mặt tiếp xúc của

hai chi tiết tham gia liên kết hàn lớn
hơn giới hạn chảy của vật liệu. Để
đảm bảo có biến dạng dẻo:
[ ]
2
ch
cm/N
F
P
σ>
(2.1)
Ta đã biết:
[ ]
2
m
0
ch
cm/N
T
.k
σ
=σ
σ
(2.2)
Trong đó:
k
σ

: Hệ số tập trung
ứng suất

σ
0
: Giới hạn chảy của
vật liệu ở nhiệt độ thường
T : Nhiệt độ tại vị trí
liên kết hàn
m : Chỉ số mũ ảnh
hưởng (< 1).
Như vậy cần phải xác định
nhiệt độ nung.
Với vật liệu là thép, nhiệt độ
nung phải đảm bảo :
- Giảm mạnh E, G sao cho
σ
ch
≤ 12 KG/mm
2
- Tạo tổ chức một pha
Austenit có tính dẻo cao nhất.
Do vậy với thép trước cùng
tích:
T
nung
=
Ac
3
+ (20 ÷ 30)
0
C
(2.3)

Với thép sau cùng tích:
T
nung
=
Ac
m
+ (20 ÷ 30)
0
C (2.4)
Ta thấy thép sau cùng tích
(cỡ > 1,2%C) có nhiệt độ nung rất
cao do đó hạn chế năng suất và
không đảm bảo tính kinh tế, lẫn cơ
tính của mối hàn. Trong thực tế hàn
ma sát chỉ thích hợp hàn thép các
bon trung bình và thép hợp kim hoá
thấp.
Với vật liệu hợp kim màu:
nhiệt độ nung chọn lớn hơn hoặc
bằng nhiệt độ kết tinh lại tức là:
T
nung
=
(0,4 ÷ 0,45)T
nóng chảy
(2.5)
Để đảm bảo nhiệt độ nung ta
dựa vào bài toán cân bằng nhiệt:
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 8
Khoa: Cơ Khí

8
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
- Nhiệt sinh ra do lực ma sát
là:
Q
1
=
k
θ
.F
ms
.ω [J]
(2.6)
Trong đó:
k
θ
: Hệ số hình dạng,
nhấp nhô bề mặt
F
ms
: Lực ma sát trên
hai bề mặt (N)
ω: Tốc độ quay của
đầu xoay (vòng / phút).
Theo định luật Coulumb về
ma sát khô ta có:
F
ms
= f.P
[N] (2.7)

Trong đó:
f: Hệ số ma sát
P: Lực ép tạo ra [N].
Từ đó ta có:
Q
1
=
k
θ
.P.f.ω [J]
(2.8)
- Phân bố nhiệt lượng Q
1
là:
Q
1
= Q
2
+
Q
3
+ Q
4
(2.9)
Trong đó:
Q
2
: Lượng nhiệt truyền
cho vùng mối hàn;
Q

3
: Lượng nhiệt truyền
cho đầu xoay;
Q
4
: Lượng nhiệt truyền
cho môi trường.
Như vậy, với sơ đồ đơn giản,
tổng quát, lượng nhiệt hữu ích bao
gồm cả Q
2
, Q
3
. Với sơ đồ máy hàn
ma sát xoay, lượng nhiệt hữu ích
chỉ là Q
2
. Do đó cần phải giảm Q
3
,
Q
4
.
Theo thực nghiệm ta thường
lấy:
Q
2
+ Q
3
=

(0,8 ÷ 0,85)Q → đối với hàn thông
thường
Q
2
= (0,6
÷ 0,7)Q → đối với hàn ma sát xoay.
Ta có:
Q
2
=
0,65.k
θ
.P.f.ω [J]
(2.10)
Xác định nhiệt độ vùng
nung:
Q
2
= c.m.
(t
2
– t
1
)
(2.11)
Hay:
0,65.k
θ
.P.f.ω = c.m.(t
2

– t
1
)
(2.12)
Trong đó:
c : Nhiệt dung riêng
kim loại vùng hàn [J/Kg. độ]
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 9
Khoa: Cơ Khí
9
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
m : Khối lượng vùng
liên kết (theo hàn ma sát lấy có V=
1cm
3
) [g]
t
2
: Nhiệt độ nung
t
1
: Nhiệt độ ban đầu
(lấy bằng 25
0
C)
Từ đó ta có:
m.c
.f.P.k.65,0
tt
12

ω
=−
θ
(2.13)
[ ]
s/rad
f.P.k.65,0
m.c).tt(
12
θ
−
=ω
(2.14)
Như vậy với vật liệu cho
trước ta có thể cố định ω hoặc P và
tính thông số còn lại.
Nhận xét : Phương pháp lý
thuyết có một số hạn chế sau
- Các thông số ảnh hưởng
quá nhiều, do đó kết quả nếu muốn
chính xác phải dùng phương pháp
thống kê.
- Các hằng số vật lý khó xác
định.
- Khó xác định chế độ hàn
hợp lý.
2.2. Phương pháp thực nghiệm
Mô hình tổng quát tính nhiệt
khi hàn ma sát:
θ =

C
θ
.P
m
.R
z
u
.n
p
[J]
(2.15)
Trong đó :
C
θ

: Hệ số phụ thuộc
vật liệu hàn
P : Lực ép
R
z
: Chiều cao nhấp
nhô trung bình của hai bề mặt
n : Tốc độ vòng quay
của đầu xoay
m, u, p : Chỉ số mũ
ảnh hưởng (0 < m, u, p < 1)
Từ đó tính tương tự ta tìm
được n hoặc P phù hợp.
Sau đây ta có bảng chế độ
hàn ma sát cho một số vật liệu như

sau:
Bảng 2.1. Chế độ hàn ma sát cho
một số vật liệu thông dụng
Vật liệu hàn
Kiểu mối
hàn
Vật liệu đầu
xoay
P
[N/cm
2
Thép C thấp Giáp mối Thép X12M 120
Thép C trung
Giáp mối Thép X12M 140
Thép hợp kim
Giáp mối Thép X12M 160
Thép dụng cụ Giáp mối Thép X12M
180 ÷
200
Hợp kim Al Giáp mối Thép X12M
80 ÷ 100
Giáp mối Thép X12M
60 ÷ 80
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 10
Khoa: Cơ Khí
10
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
Chương III. LẬP QUY TRÌNH
HÀN MA SÁT
I. Nguyên lí và đặc điểm của hàn

ma sát
1.1. Nguyên lí
Trong các quá trình hàn trên,
nguồn năng lượng để hàn (cơ, điện,
hóa, từ, siêu âm…) được cung cấp
từ ngoài, nhưng trong hàn ma sát,
nguồn nhiệt được phát ra từ ma sát
tại giao diện của hai phần tử cần
hàn. Hàn ma sát là quá trình hàn áp
lực, sử dụng động năng biến thành
nhiệt năng. Ma sát được tạo ra giữa
các bề mặt hàn do chuyển động
quay tròn hoặc tịnh tiến sinh ra
nhiệt lớn nung chỗ hàn tới trạng
thái chảy dẻo, sau đó chi tiết dừng
lại nhanh sao cho vùng hàn không
bị phá hủy, đồng thời tác động lực
ép tạo thành mối hàn. Oxide và các
chất bẩn khác tại giao diện được
đẩy ra do sự chuyển động của kim
loại nóng chảy tạo thành xìa xờm
(bavia).
Trong hàn ma sát, một phần tử
đứng yên, trong khi phần tử kia,
quay với tốc độ cao. Áp suất tại
giao diện và ma sát tạo nên nhiệt đủ
làm kim loại chảy dẻo ra tạo thành
mối hàn. Vùng hàn thường được
giới hạn trong khu vực hẹp có kích
thước phụ thuộc vào các biến số

hàn là nhiệt lượng tạo ra, độ dẫn
nhiệt của vật liệu và cơ tính kim
loại tại nhiệt độ cao.
1.2. Đặc điểm
Hàn ma sát phù hợp hàn với
nhiều loại vật liệu có tính hàn xấu
(đồng và hợp kim đồng, nhôm và
hợp kim nhôm, thép hợp kim
cao ). Tiết diện hàn được có thể là
đặc hay rỗng, hình tròn, tam giác,
đa giác đều, đối xứng tâm. Nhiệt độ
hàn dưới nhiệt độ nóng chảy của
vật liệu. Ở máy hàn ma sát có bánh
đà lớn (20000 kN) có thể hàn các
chi tiết đường kính từ 3 – 350 mm.
Tốc độ của phần tử quay khá lớn
(đến 900 m/min.), cùng với sự kết
hợp giữa nhiệt và áp suất, tại giao
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 11
Khoa: Cơ Khí
11
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
diện có hiện tượng chồn đầu. Khi
hàn đòi hỏi phải bổ sung kích thước
chiều dài để bù lại sự ngắn đi do
nguyên liệu bị trào ra ngoài tạo
thàn bavia.
Trong thực tế một số biến thể
của hàn ma sát được sử dụng là:
Hàn ma sát quay/ trực tiếp; Hàn ma

sát quán tính; Hàn ma sát hướng
kính; Hàn ma sát khuấy/ngoáy; Hàn
ma sát khuấy điểm; Hàn ma sát tịnh
tiến/thẳng; Hàn ma sát quỹ đạo;
Hàn ma sát chốt.
Người ta thường chia các
phương pháp hàn ra thành ba nhóm
chính: hàn nóng chảy; hàn áp lực
(biến dạng dẻo); hàn vảy.
Khi hàn nóng chảy các mép
của những chi tiết cần hàn bị chảy
ra và khe hở giữa chúng được điền
đầy bằng kim loại nóng chảy; việc
hình thành liên kết không tháo
được xảy ra do quá trình nguội và
kết tinh đồng thời của kim loại vật
hàn và kim loại bổ sung.
Theo nguyên lí hàn áp lực xảy
ra trong phase rắn không có sự
nóng chảy kim loại; mối liên kết
không tháo được được tạo nên do
các vật hàn bị ép lại gần nhau đến
một khoảng cách rất nhỏ (tính khả
ước giữa các nguyên tử), khi đó
trong điều kiện đã cho, giữa các
điểm tiếp xúc của các bề mặt xuất
hiện mối liên kết bền vững tương tự
như lực tác động tương tác các
nguyên tử trong toàn khối kim loại.
Giá trị của mỗi liên kết này rất nhỏ,

mối hàn chỉ có thể được hình thành
khi có rất nhiều điểm tác động
tương hỗ với nhau.
Một trong những điều kiện cần
thiết (cũng là nhược điểm) để hình
thành mối hàn là tại bề mặt tiếp xúc
giữa các vật hàn độ dẻo phải cao.
Vài kim loại như đồng, nhôm, chì,
bạc có tính dẻo tốt nên ngay cả khi
nhiệt độ thấp cũng hàn áp lực được
(quá trình này được gọi là hàn
nguội).
Để hàn các kim loại khác
trong phase rắn cần phải nâng cao
tính dẻo một cách nhân tạo bằng
cách làm nóng bề mặt liên kết đến
nhiệt độ khá cao, song không vượt
quá nhiệt độ nóng chảy.
Các quá trình hàn khác như
hàn rèn, hàn nén khí, hàn nổ, hàn
điện tiếp xúc… cũng thuộc về
nhóm hàn áp lực.
Hàn bằng ma sát là biến thể
của hàn áp lực: liên kết hàn được
tạo thành do biến dạng dẻo, đồng
thời kim loại liên kết trong phase
rắn. Tuy nhiên hàn bằng ma sát
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 12
Khoa: Cơ Khí
12

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
khác với các phương pháp trên ở
chỗ đưa nhiệt vào vật hàn. Khi hàn
ma sát cơ năng trực tiếp biến thành
nhiệt năng, hơn nữa nhiệt lượng chỉ
phát ra cục bộ trong lớp kim loại
mỏng sát bề mặt. Dưới đây sẽ
chứng tỏ rằng đặc điểm này chính
là ưu điểm cơ bản của hàn ma sát.
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý quá
trình hàn bằng ma sát
Sơ đồ đơn giản nhất của hàn
ma sát được thể hiện trên hình 1.
Hai chi tiết cần hàn được kẹp chặt
đồng tâm trong đồ gá của máy; một
chi tiết cố định còn chi tiết kia quay
quanh trục của chúng. Khi ép hai
chi tiết lại với nhau bằng lực chiều
trục P, tại bề mặt tiếp xúc xuất hiện
lực ma sát. Công tiêu hao khi hai
chi tiết chuyển động quay tương
đối với nhau để thắng trở lực ma
sát biến thành nhiệt. Nhiệt lượng
hình thành tỏa ra trên bề mặt ma sát
và gây nên sự nung nóng tập trung
đến nhiệt độ cần thiết để tạo nên
mối hàn (đối với thép nhiệt độ này
trong khoảng 950 – 1300
o
C tùy

theo từng chế độ). Sau khi đạt nhiệt
độ cần thiết, cần dừng chuyển động
tương đối giữa các bề mặt càng
nhanh càng tốt. Khi chuyển động
dừng thì xảy ra quá trình tỏa nhiệt.
Quá trình tạo thành liên kết hàn
thông qua giai đoạn ”chồn”: lực ép
tác động vào các chi tiết đã ngừng
quay còn đang nóng một khoảng
thời gian nhất định. Trong và sau
khi chồn các chi tiết vẫn giảm nhiệt
độ một cách tự nhiên.
II. Quá trình ma sát hàn
Ban đầu, các bộ phận được đưa
vào thiết bị hàn ma sát. Thợ hàn ma
sát có kinh nghiệm kiểm soát quá
trình quay (ma sát) thông qua một
loạt các thông số: tốc độ quay, trục
lực và thời gian.
Sau khi ba tham số được thành
lập, họ đang ghi lại và lưu trữ để sử
dụng trong suốt toàn bộ dự án. Sử
dụng phương pháp này chất lượng
đảm bảo tính thống nhất lặp lại cho
mỗi mối hàn bổ sung được sản xuất
trên máy tính. Các quá trình 3 giai
đoạn được mô tả chi tiết dưới đây
.
2.1. Giai đoạn 1
Một thành phần được đặt trong

một kẹp trong giá cố định. Phần thứ
hai là vị trí trong trục quay, với một
tốc độ quay được xác định trước.
Khi đó, lực trục cũng được thiết lập
trước khi hàn.
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 13
Khoa: Cơ Khí
13
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
Hình 3.2. Giai đoạn 1
2.2. Giai đoạn 2
Những điều kiện này được duy
trì trong một thời gian định trước
cho đến khi nhiệt độ mong muốn và
trong giai đoạn này hai vật liệu dẻo
trở nên dễ uốn.
Hình 3.3. Giai đoạn 2
2.3. Giai đoạn 3
Tốc độ quay được dừng lại,
sau đó, gia tăng lực lượng trục được
áp dụng cho một thời gian định
trước - hoàn thành các mối hàn
Điều này cung cấp liên kết phân tử
và sàng lọc hạt thông qua các khu
vực hàn.
Hình 3.4. Giai đoạn hoàn thành
mối hàn
III. Phân loại hàn ma sát
3.1. Hàn ma sát quay/ trực
tiếp (rotational/direct

friction welding)
Hình 3.5. Hàn ma sát quay
Đây là phương pháp hàn được
sử dụng phổ biến nhất . Nó dựa trên
cơ sở tỏa nhiệt khi ma sát giữa hai
bề mặt đầu có trục quay đồng tâm.
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 14
Khoa: Cơ Khí
14
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
Phương pháp này được dùng để hàn
các chi tiết dạng thanh hoặc ống từ
vật liệu đồng chất hoặc khác nhau.
Nguyên công hàn có thể được phân
ra làm các bước sau:
Các phần tử hàn được kẹp
trong mâm cặp trên trục chính quay
và ngàm kẹp. Nếu các chi tiết hàn
không có đường tâm đối xứng thì
làm đồ gá đặc biệt cho chúng.
Trục chính quay với số vòng
cần thiết, để hai phần tử tiến lại gần
nhau rồi tác động lực chiều trục,
bắt đầu quá trình hàn. Lúc này do
ma sát, nhiệt độ tăng, độ bền vật
liệu giảm đi tạo nên biến dạng. Lực
tiếp tục ép làm kim loại dịch
chuyển.
Điều kiện này được giữ trong
một thời gian xác định cho đến khi

đạt được nhiệt độ cần thiết ứng với
bộ đôi vật liệu hàn. Ngừng quay
trục chính (tức thời) và tăng lực tác
dụng dọc trục cho đến khi kết thúc
quá trình hàn.
Hình 3.6. Các bước hàn ma sát
quay
Nếu máy có bàn dao tiện bổ sung
thì tiện lại phần rìa xờm mặt ngoài
mối hàn.
Lấy sản phẩm hàn ra khỏi máy.
Hình dạng tiết diện chi tiết cần hàn
làm hạn chế việc sử dụng hàn ma
sát trực tiếp. Ít nhất một phần tử
hàn cần phải quay quanh trục tâm
của mình (dạng thanh, ống), còn
phần tử kia có mặt phẳng. Các dạng
cơ bản của liên kết hàn trực tiếp
được chỉ ra trên hình 3.7
Hình 3.7. Các liên kết điển hình
được hàn bằng ma sát
Trong phase làm nóng, nhiệt tỏa ra
có thể được điều chỉnh theo tốc độ
quay trục chính cũng như lực ép
giữa các chi tiết tiếp xúc, điều này
được xác định bằng tính chất ma
sát và nhiệt vật lý của vật liệu cũng
như sự thay đổi của chúng khi làm
nóng. Đôi khi sự thay đổi giai đoạn
của lực được dùng trong lúc làm

nóng. Nhiệt lượng và đặc trưng toả
nhiệt khi ma sát, độ dẫn điện, phân
bố áp suất tại nơi tiếp xúc có tính
đến sự thay đổi cơ tính và thời gian
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 15
Khoa: Cơ Khí
15
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
hàn có ảnh hưởng đến hình dáng
mối hàn (h 3.8).
Hình 3.8. Ảnh hưởng của tốc độ
và áp suất đến hình dáng mối hàn
a) Áp suất cao tốc độ thấp; b) Tốc
độ cao áp suất thấp; c) Điều kiện
hàn tối ưu.
3.1.1. Ưu điểm
• Hàn các chi tiết dạng thanh,
ống tròn xoay hoặc không
tròn xoay
• chất lượng hàn cao, biến
dạng nhiệt nhỏ
• Năng suất cao
• Hàn các kim loại khác nhau
với nhau
3.1.2. Nhược điểm
• Lượng chùm của kim loại
mối hàn lớn
• Phải gia công cơ khí sau hàn
• Thiết bị đắt tiền
3.2. Hàn ma sát quán tính

(inertia friction welding)
Bề mặt tiếp xúc hàn được tách
rời trước khi bắt đầu hàn. Khi đạt
tới động năng lớn cùng với sự tiếp
sức của bánh đà, lực ép sẽ đẩy chi
tiết tiếp xúc (động cơ dẫn động
ngắt). Động năng của chuyển động
quay chuyển hoàn toàn thành nhiệt
năng thông qua ma sát ở bề mặt
tiếp xúc cho tới khi dừng hẳn sẽ tạo
thành mối hàn (sự tự phanh). Trong
quá trình hàn, lực nén dọc trục phần
lớn là không đổi (h. 3.9).
Hình 3.9. Hàn ma sát quán tính.
3.3 Hàn ma sát hướng kính
(radial friction welding)
Hàn ma sát hướng kính là biến
thể của hàn trực tiếp và được sử
dụng chủ yếu khi hàn ống. Ưu điểm
cơ bản của nó là các phần tử hàn
không quay. Liên kết được tạo
thành do nhiệt tỏa ra khi ma sát của
vòng hàn quay quanh chỗ giáp mối
của các ống hàn. Vòng hàn được
chế tạo từ vật liệu giống như vật
hàn. Đầu mút các chi tiết có dạng
vát mép chữ V và bề mặt trong của
vòng hàn có dạng tương ứng với
phần nhô (h. 3.10). Vòng hàn được
ép bằng các lực hướng kính. Thanh

gá làm từ vật liệu bền nhiệt được
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 16
Khoa: Cơ Khí
16
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
đặt ở bên trong và nó được rút ra
sau khi hàn xong. Khi cần thiết
phần lồi của vòng được cắt bỏ bằng
gia công cắt gọt (tiện, mài).
Phương pháp này được dùng
để hàn đường ống bằng thép carbon
hoặc thép không gỉ. So với hàn điện
hồ quang hoặc hàn khí thì hàn
hướng kính đảm bảo chất lượng cao
hơn.
Hình 3.10. Sơ đồ hàn ma sát
hướng kính.
3.4. Hàn ma sát thẳng và theo
quỹ đạo (linear friction & orbital
friction welding)
Hình 3.11. Hàn ma sát thẳng
Quá trình hàn ma sát thẳng
(tịnh tiến) trở thành công nghệ then
chốt của tạo hình liên kết hàn từ các
vật liệu khó hàn và được sử dụng
rộng rãi trong sửa chữa. Ưu điểm
của nó là hầu như không phải
chuẩn bị bề mặt trước khi hàn.
Trong quá trình chuyển động tịnh
tiến khứ hồi với tần số 60 Hz và

biên độ đến 3 mm, các phần tử hàn
được ép với nhau tạo nên tiếp xúc
chặt. Nhiệt sinh ra trong mặt phẳng
hàn tạo nên biến dạng dẻo vùng sát
bề mặt vật liệu hàn. Trong quá trình
hàn các lớp kim loại nhớt – dẻo
được khuấy trộn đến biên bề mặt
hàn. Khi đó các lớp màng oxide và
tạp chất trong vùng hàn bị đẩy ra
ngoài. Thời gian hàn ngắn chỉ vài
giây đảm bảo cho vùng ảnh hưởng
nhiệt nhỏ. Thời gian dừng quá trình
tịnh tiến khoảng 0,2 sec. Để đảm
bảo chất lượng hàn cần phải xem
xét trước các biện pháp nhằm tránh
cong vênh và sai số tương quan của
các bề mặt hàn. Quá trình tạo hình
mối hàn khá phức tạp và được xác
định bằng các tính chất tribology
(ma sát, bôi trơn, mài mòn) của chỗ
tiếp xúc, các đặc tính thời gian của
quá trình nội ma sát và biến dạng
dẻo, cũng như các khía cạnh về lí
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 17
Khoa: Cơ Khí
17
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
hóa và luyện kim. Ứng dụng điển
hình của chúng là hàn các cánh
quạt vào thân đĩa (h. 3.12). Phương

pháp này được xem là rất hiệu quả
để nối ghép các chi tiết rất khác
nhau.
Hình 3.12. Hàn ma sát thẳng may
ơ với cánh
a) Gá đặt chuẩn bị; b) Hàn xong.
Quá trình hàn ma sát theo quỹ
đạo (h. III.112) có hiệu quả đạt
được gần giống như hàn thẳng.
Trong thực tế sử dụng hai sơ đồ
hàn theo quỹ đạo:
• Chuyển động quay đồng thời các
phần tử hàn có trục quay song song
với tốc độ như nhau (h 3.13b);
• Một trong hai phần tử chuyển động
theo quỹ đạo (h13.c).
Hình 3.13. Hàn ma sát thẳng và
quỹ đạo
a) Thẳng; b) & c) Quỹ đạo.

3.4.1. Ưu điểm
• hàn các chi tiết dạng thanh,
ống không tròn xoay
• chất lượng hàn cao, biến
dạng nhiệt nhỏ
• ứng dụng rất nhiều trong hàn
chất dẻo
• hàn các kim loại khác nhau
với nhau
3.4.2. Nhược điểm

• lượng chùm của kim loại mối
hàn lớn
• phải gia công cơ khí sau hàn
• không thích hợp lắmđối với
vật liệu có hệ số dẫn nhiệt
cao
• thiết bị đắt tiền
3.5. Hàn ma sát chốt (friction
stitch/stud welding).
Hàn ma sát chốt có ưu điểm rõ
ràng khi hàn dưới nước hoặc hàn
các kết cấu mà các quá trình thông
thường như hàn hồ quang khó thực
hiện được. Sơ đồ quá trình này
được chỉ ra trên hình 14. Khoan lỗ
sơ bộ mà chốt quay có đường tâm
chịu tải đi vào tâm lỗ. Vật liệu chốt
quay đồng chất với vật liệu hàn.
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 18
Khoa: Cơ Khí
18
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
Hàn ma sát được bắt đầu từ thời
điểm tiếp xúc giữa chốt và đáy lỗ.
Do làm nóng, ma sát trong và biến
dạng dẻo của bề mặt ma sát nhanh
chóng theo lỗ dịch chuyển lên trên,
khi mà vật liệu dẻo chưa điền đầy
hoàn toàn lỗ. Quá trình hàn có chu
trình kéo dài 5 – 10 sec phụ thuộc

vào chiều dày vật liệu. Tiếp tục lặp
lại những tác động trên sẽ tạo thành
mối hàn.
Hình 3.14. Sơ đồ hàn ma sát chốt.
Hàn ma sát chốt là dạng hàn rất
hiệu quả trong sửa chữa nhất là khi
hàn vá các vết nứt. Người ta sử
dụng phương pháp hàn ma sát này
để hàn các kết cấu dưới nước bằng
các thiết bị chuyên dùng hoặc
robot.
3.6. Hàn ma sát ngoáy/ khuấy
(friction stir welding)
Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý hàn
ma sát khuấy
Hàn ma sát khuấy (FSW) là
một trong những phương pháp hàn
mới (bằng sáng chế năm 1991 ở
Anh). Nó được thực hiện bằng mặt
đầu của dụng cụ quay, khuấy theo
hướng hàn (h 3.15). Đường kính
dụng cụ được chọn nhỏ hơn chiều
sâu hàn. Bề mặt làm việc của dụng
cụ có profile đặc biệt (h. 3.15). Kim
loại được làm dẻo bẳng tỏa nhiệt do
lực ma sát ngoáy tương đối với trục
dụng cụ. Trong quá trình dịch
chuyển dụng cụ theo đường hàn
trên bề mặt xảy ra sự khuấy trộn và
dịch chuyển kim loại với việc hình

thành mối hàn. Hàn khuấy được
dùng thích hợp khi hàn vật liệu có
chiều dày 1,6 – 30 mm. Theo tài
liệu của TWI phương pháp hàn này
cho phép hàn tấm nhôm dày 75 mm
sau hai lượt hàn từ các phía khác
nhau. Công nghệ hàn khuấy được
sử dụng rộng rãi để hàn hợp kim
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 19
Khoa: Cơ Khí
19
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
nhôm. Các vật liệu khác có thể hàn
được bằng ma sát khuấy là đồng và
hợp kim của nó, chì, magnesium và
hợp kim, thép, hợp kim trên cơ sở
titan và nickel, chất dẻo nhiệt.
Dụng cụ để hàn khuấy được
chế tạo từ thép dụng cụ (hàn chất
dẻo và kim loại dễ chảy), thép gió
(nhôm và hợp kim magnesium),
hợp kim cứng và gốm, các vật liệu
composite. Khi chọn vật liệu dụng
cụ cần sử dụng lớp phủ đặc biệt để
tránh làm bẩn kim loại biến dạng
lên bề mặt dụng cụ.
Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lí hàn
ma sát khuấy.
Hình 3.17. Dụng cụ hàn ma sát
a) Hàn hợp kim Al-Li; b) Kết cấu

truyền thống; c) Mối hàn sâu; d)
Làm phẳng phần lồi.
Sự biến dạng và khuấy kim
loại trong phase rắn đôi khi tạo nên
cấu trúc vi mô có độ bền cao hơn
kim loại cơ bản. Có thể hàn khuấy
ở các tư thế khác nhau (đứng,
ngang, trần…), vì lực hấp dẫn trong
trường hợp này không đóng vai trò
gì. Chuyển động khuấy của dụng cụ
hoặc chi tiết có thể được thực hiện
theo các hướng khác nhau và được
điều khiển bằng chương trình. Quá
trình này là cuộc cách mạng trong
lĩnh vực hàn vật liệu tấm. Các
thông số cơ bản (biến số chính) của
hàn ma sát khuấy:
• Tốc độ quay của dụng cụ;
• Đặc trưng quay của dụng cụ (quay,
quay đảo chiều, hướng và tốc độ
quay của phần ngoài và trong dụng
cụ);
• Tốc độ hàn;
• Kết cấu, hình dạng và đặc trưng
hình học của phần dụng cụ làm
việc;
• Góc nghiêng giữa dụng cụ và bề
mặt chi tiết.
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 20
Khoa: Cơ Khí

20
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
Cấu tạo của mối hàn ma sát
khuấy có thể được chia ra thành các
vùng cơ bản: “nhân” hàn được tạo
thành từ biến dạng nhiệt dẻo; vùng
biến dạng dẻo nhiệt; vùng ảnh
hưởng nhiệt.
Với sơ đồ hàn ma sát khuấy
truyền thống, nhân hàn có cấu tạo
bất cân đối do vật liệu dịch chuyển
theo một hướng (h 3.18). Để tránh
mối hàn bất cân đối người ta cho
dụng cụ chuyển động khuấy đảo
chiều. Trong trường hợp này
chuyển động đảo chiều được thực
hiện qua vài vòng của dụng cụ.
Hình 18. Mối hàn ma sát khuấy
a) Quay một hướng; b) Quay đảo
chiều
Hình 19. Phần ngoài và trong dụng cụ
Để căn chỉnh cấu tạo mối hàn
cần sử dụng dụng cụ chuyên dùng
có phần ngoài và trong (h19).
Chuyển động quay của các phần
này theo các tốc độ khác nhau có
thể cùng hoặc ngược chiều. Phần
ngoài có vật liệu đồng chất với vật
liệu của chi tiết. Trong trường hợp
này nó đóng vai trò vật liệu bổ sung

dịch chuyển trên bề mặt chi tiết khi
hàn.
Các yếu tố cơ bản làm hạn chế
việc sử dụng hàn ma sát khuấy là:
Cần kẹp rất chặt các chi tiết hàn;
Xuất hiện lỗ tại cuối đường hàn;
Cần thiết kế và chế tạo các dụng cụ
chuyên dùng; Không thể hàn được
vật liệu có độ dẻo thấp cả khi ở
nhiệt độ cao, hoặc vật liệu bị mất
cơ tính vốn có do biến dạng nhiệt
dẻo.
3.6.1. Ưu điểm
• Hàn ma sát khuấy có ưu điểm cơ
bản: Độ bền mối hàn cao; Không
cần vật liệu bổ sung; Năng lượng
tiêu hao nhỏ; Không có rỗ; Không
bị cong vênh và biến dạng nhiệt;
Giảm chu trình làm việc đi 50 –
75% so với hàn thông thường;
Không cần chuẩn bị mép phôi trước
khi hàn và gia công sau hàn.
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 21
Khoa: Cơ Khí
21
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
• Hàn giáp mối các chi tiết dạng tấm
(phẳng hoặc định hình profil )đến
25mm
• Chất lượng hàn cao, biến

dạng nhiệt nhỏ
• Dễ cơ khí hóa, tự động hóa
(dung Robot)
• Hàn được các hợp kim đặc
biệt trong hang không, vú trụ
3.6.2. Nhược điểm
• Có hố lõm cuối đường hàn
• Thiết bị đắt tiền
• Cần phải đỡ ở mặt đối diện
3.7. Hàn điểm ma sát khuấy
(friction stir spot welding)
Một trong những biến thể của
hàn ma sát khuấy là hàn điểm bằng
ma sát (hình 3.20, 3.21). Đặc biệt
nó được sử dụng để hàn nhôm thay
cho hàn hồ quang và hàn điện tiếp
xúc, khi có khó khăn về công nghệ
do độ dẫn điện và nhiệt của nhôm
cao.
Khác với hàn điểm tiếp xúc,
hàn ma sát không cần dùng dung
dịch làm nguội hoặc khí nén, nên
giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ.
Vốn đầu tư cho thiết bị hàn ma sát
thấp hơn so với hàn điện tiếp xúc
khoảng 40%. Khi hàn ma sát không
phải làm sạch sơ bộ các bề mặt làm
việc, không bị bắn tóe kim loại
nóng chảy.
Hình 3.20. Các giai đoạn hàn

điểm ma sát và cấu trúc mối hàn.
3.7.1. Ưu điểm
Hàn ma sát có nhiều ưu điểm
quan trọng, đó là do bản chất của
quá trình tỏa nhiệt cục bộ trong các
lớp mỏng sát bề mặt kim loại phù
hợp với mục đích hàn.
Năng suất cao: Thể tích lớp
kim loại bị làm nóng (gia nhiệt)
nhỏ đến mức mà toàn bộ chu trình
nung nóng chỉ kéo dài từ vài giây
đến nửa phút tùy theo tính chất vật
liệu và tiết diện vật hàn, nên năng
suất của hàn bằng ma sát rất cao.
Về năng suất chỉ có quá trình hàn
điện tiếp xúc mới có thể cạnh tranh
được với hàn bằng ma sát.
Năng lượng và công suất cần
thiết cho hàn ma sát nhỏ: Thể tích
nhỏ kim loại được gia nhiệt trong
hàn ma sát, định trước đặc tính
năng lượng rất cao của quá trình.
Trên hình 21 ta thấy năng lượng và
công suất khi hàn bằng ma sát nhỏ
hơn khi hàn điện tiếp xúc từ 5 đến
10 lần. Nguồn động lực chính của
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 22
Khoa: Cơ Khí
22
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT

máy hàn ma sát thường là động cơ
không đồng bộ; cho nên công suất
được phân đều giữa ba phase của
lưới điện khi hàn và hệ số công suất
cao (cosφ= 0,8 – 0,85), trong khi
hàn điện phụ tải trên lưới thường
dồn vào một phase làm hệ số công
suất giảm mạnh.
Hình 3.21. Công suất cần thiết
khi hàn
1- Hàn điện tiếp xúc; 2- Hàn ma
sát
Chất lượng hàn cao: Một trong
những ưu điểm quan trọng của hàn
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 23
Khoa: Cơ Khí
23
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
ma sát là chất lượng sản phẩm hàn
cao. Khi chọn đúng chế độ hàn,
kim loại tại “vũng” hàn và vùng lân
cận có độ bền, độ dẻo không thua
kém so với kim loại cơ bản. Điều
này được giải thích như sau:
• Tất cả các oxide, màng tạp chất và
các phần tử ngoại lai khác luôn
bám trên bề mặt kim loại, chúng
xâm nhập và cản trở việc hình
thành mối hàn, tuy nhiên trong quá
trình hàn bằng ma sát chúng bị đẩy

từ vũng hàn ra ngoài rìa nhờ sự mài
mòn cơ học của các bề mặt tiếp xúc
khi ma sát và biến dạng kim loại
theo hướng kính, kết quả tạo nên
bavia đặc trưng “vòng xờm” (h
3.22). Sự tiếp xúc chặt kín giữa các
bề mặt ma sát sẽ ngăn cản các
màng oxide mới được tạo thành
trong quá trình hàn. Kết quả là mối
hàn luôn ngấu, thấu, không bị rỗ
khí, lẫn xỉ, nứt và các khuyết tật thô
đại khác.
Hình 3.22. Hàn ma sát đối đầu
các thanh có tạo nên vòng xờm
• Trong vũng hàn và vùng ảnh
hưởng nhiệt, kim loại có cấu trúc
hạt nhỏ đều và bị nghiền vụn (so
với kim loại cơ bản); cấu trúc (tổ
chức) này được hình thành là do
làm nóng nhanh cục bộ một thể tích
kim loại nhỏ và tốc độ nguội truyền
ra xung quanh kim loại nhanh khi
chịu áp suất lớn (30 – 50 MPa),
ngoài ra trong quá trình ma sát các
hạt bị nghiền cơ học.
Cấu trúc nhỏ mịn không bị khuyết
tật thô chính là chỉ tiêu cao về cơ
tính của liên kết hàn. Không chỉ có
vậy hàn bằng ma sát còn có những
ưu điểm không kém phần quan

trọng khác.
Hình 3.23. Cấu trúc tế vi khi hàn
ma sát thép ít carbon
a) Kim loại mối hàn; b) Kim loại
cơ bản.
Ổn định chất lượng liên kết
hàn: Sau khi điều chỉnh máy một
lần và tiến hành hàn ma sát một
nhóm chi tiết, người ta thấy rằng
chất lượng liên kết ổn định, các chỉ
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 24
Khoa: Cơ Khí
24
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT
tiêu kỹ thuật như độ bền kéo đứt,
góc uốn, độ dai va đập dao động
không vượt quá 7 – 10%. Điều này
được giải thích là các biến số chính
(thông số) của quá trình hàn như
tốc độ chuyển động tương đối,
cường độ lực chiều trục, thời gian
gia nhiệt không bị thay đổi. Ngoài
ra cũng thấy rằng tính chất của liên
kết hàn thực tế không phụ thuộc
vào các yếu tố tác động bên ngoài
như dao động điện áp lưới, chất
lượng vật liệu bổ sung, bậc thợ và
trạng thái mệt mỏi của thợ hàn…
như các quá trình hàn khác.
Độ ổn định cao về cơ tính mối

hàn là đặc điểm quan trọng của quá
trình hàn bằng ma sát, cho phép
kiểm tra xác suất các sản phẩm
bằng cách phá hủy vài chi tiết trong
loạt sản phẩm để phân tích kiểm
tra. Đây là biện pháp quan trọng vì
trong điều kiện sản xuất không phải
lúc nào cũng thực hiện được bằng
các phương pháp kiểm tra không
phá hủy (NDT) mối hàn.
Khả năng hàn các kim loại và
hợp kim trong các tổ hợp khác
nhau: Từ những kinh nghiệm được
tích lũy từ trong sản xuất có sử
dụng quá trình hàn bằng ma sát đã
chỉ ra rằng một trong những ưu
điểm quan trọng nhất là khả năng
thực hiện được các liên kết bền
vững không chỉ giữa các phần tử
đồng chất mà còn có thể hàn được
những chi tiết từ các vật liệu có đặc
tính nhiệt vật lý khác hẳn nhau.
Trong sản xuất cơ khí nhờ hàn ma
sát mà đã tạo được liên kết giữa các
bộ đôi vật liệu mà những dạng hàn
khác không thể hoặc rất khó thực
hiện, ví dụ như hàn nhôm – thép,
titan – nhôm, thép – đồng …
Khả năng hàn các chi tiết có
các bề mặt không được gia công:

Hàn bằng ma sát không bị ảnh
hưởng khi các mặt kẹp xung quanh
đã được gia công tinh hay để thô.
Việc này khác cơ bản so với
phương pháp khác như hàn điện
tiếp xúc, ở đó nguyên công làm
sạch bề mặt kẹp đã tốn khá nhiều
thời gian. Với các bề mặt tạo mối
hàn, trong đa số trường hợp nhất là
khi hàn vật liệu đồng nhất cũng
không có yêu cầu cao về làm sạch
và gia công chính xác. Độ không
vuông góc giữa mặt đầu và đường
tâm trong phạm vi 5 – 7
o
không ảnh
hưởng nhiều đến chất lượng. Khi
hàn chỉ không cho phép trên bề mặt
ma sát có vảy oxide, gỉ vì nó dẫn
đến việc tạo thành mối hàn chất
lượng không tốt.
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Trang 25
Khoa: Cơ Khí
25