NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ hàn đắp PHỤC hồi CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG hàn lăn tự ĐỘNG với dây THÉP hợp KIM

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

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP PHỤC HỒI CHI TIẾT TRÒN XOAY
BẰNG HÀN LĂN TỰ ĐỘNG VỚI DÂY THÉP HỢP KIM
RESEARCH HARDFACING TECHNOLOGY FOR ROTATE ITEMS BY AUTOMATIC
SEAM WELDING WITH ALLOY STEEL WIRE
ThS. Nguyễn Minh Tân1a, ThS. Lê Văn Thoài1b, TS. Hoàng Văn Châu2c,
PGS.TS. Đào Quang Kế3d, PGS.TS. Lê Thu Quý4e
1
Trường ĐH SPKT Hưng Yên
2
Hội KHKT Hàn Việt Nam
3
Học viện Nông nghiệp Việt Nam
4
PTN trọng điểm CN Hàn&XLBM – Viện Nghiên cứu Cơ khí
a
, ,
c
, ,
TÓM TẮT
Bài báo giới thiệu công nghệ hàn lăn tự động với dây thép hợp kim tạo lớp đắp trên bề
mặt chi tiết dạng trục. Bằng công nghệ hàn đắp phục hồi này có thể làm cho độ cứng và tính
chống mài mòn của lớp bề mặt các chi tiết máy làm từ thép C45 tăng lên từ 1,4 đến 1,5 lần
(đạt được độ cứng từ 50 đến 55 HRC). Nhờ sử dụng dòng điện hàn có cường độ rất lớn, thời
gian tác dụng ngắn nên năng suất hàn cao và chi tiết hàn ít biến dạng. Chất lượng mối hàn tốt,
mối hàn không có xỉ, quá trình hàn không cần đến thuốc hàn hay khí bảo vệ.
Từ khóa: hàn lăn tự động, dây thép hợp kim, lớp đắp, trục, độ cứng, mài mòn, thép
C45, dòng điện hàn, cường độ
ABSTRACT
The paper introduces automatic seam welding technology with alloy steel wire on to

surface layer covering axial details. By this hardfacing technology which can make the
hardness and abrasion resistance of the surface layer of machine parts made from steel C45
increased from 1.4 to 1.5 times (achieved hardness from 50 to 55 HRC). Using welding
currents have great intensity, short duration of action should high productivity and little
deformation of machine parts. Good quality welds, welds without slag, welding process
unneeded flux or gas protection.
Keywords: automatic seam welding alloy steel wire cover layer axes hardness
abrasion C45 steel welding current intensity
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Công nghệ hàn lăn tiếp xúc phục hồi chi tiết máy dạng trục bằng dây thép hợp kim sẽ
tạo cho các sản phẩm cơ khí có độ bền, các tính năng công nghệ cần thiết đáp ứng đòi hỏi
ngày càng cao của các quy trình công nghệ sản xuất. Rất nhiều loại chi tiết yêu cầu cần có độ
dẻo ở bên trong và đồng thời có độ cứng, độ chịu mài mòn tốt ở lớp ngoài.
Hàn lăn tiếp xúc phục hồi chi tiết máy dạng trục bằng dây thép hợp kim là một phương
pháp hàn có nguồn gốc trực tiếp từ hàn điện tiếp xúc đường. Trong đó điện cực được thiết kế
như là con lăn đồng, còn điện cực thứ hai chính là các chi tiết trục mà ta cần phải phục hồi.
Con lăn và trục có sự quay tương đối để cho dòng điện chạy qua và tạo lực ép để ép các dây
kim loại hoặc hợp kim vào bề mặt trục cần phục hồi tạo ra lớp kim loại hàn đắp. Hàn lăn tiếp
xúc đường phục hồi chi tiết máy dạng trục là một quá trình liên tục – thông qua chuyển động
tương đối của điện cực bánh đồng và phôi trục cần phục hồi. [ 1, 3, 4].
36


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Nội dung bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm thăm dò và chọn lựa các
thông số cơ bản của chế độ công nghệ hàn lăn tự động với dây thép hợp kim tạo lớp đắp trên
bề mặt chi tiết dạng trục.
2. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP PHỤC HỒI BẰNG HÀN LĂN TỰ ĐỘNG
VỚI DÂY THÉP HỢP KIM
Một trong các phương pháp phục hồi chi tiết trục tiên tiến hiện nay là sử dụng phương

pháp hàn lăn tự động với dây thép hợp kim.
Bề mặt liên kết của dây hàn bù với kim loại cơ bản khi hàn lăn tự động với dây thép hợp
kim được hình thành nhờ quá trình hàn tiếp xúc và biến dạng dẻo của dây hàn. Phương pháp
này có lợi thế là một tác động nhiệt ở mức thấp trên kim loại cơ bản, không đốt cháy các
nguyên tố hợp kim của dây trong quá trình hàn. [ 2 ].

Hình 1. Hình ảnh một số chi tiết máy được phục hồi bằng dây thép hợp kim
Khi hàn lăn tự động với dây thép hợp kim, điện cực thứ nhất đóng vai trò là con lăn
đồng, còn kim loại nền - điện cực thứ hai là chi tiết trục cần phục hồi.
Con lăn và trục có tốc độ quay tương đối để cho dòng điện đi qua và tạo lực ép để ép
dây hợp kim vào bề mặt trục cần phục hồi tạo ra lớp kim loại hàn đắp. Khác với hàn áp lực
điểm là hàn lăn đường phục hồi chi tiết trục là một quá trình liên tục thông qua chuyển động
tương đối của các điện cực và trục cần phục hồi.

1. Trục cần hàn phục hồi; 2. Con lăn đồng; 3. Dây hợp kim
4. Lớp kim loại hàn đắp; 5. Bề mặt liên kết hàn
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn lăn tự động với dây thép hợp kim
37


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Đặc điểm của quá trình công nghệ hàn phục hồi chi tiết trục sử dụng công nghệ hàn lăn
tự động với dây thép hợp kim: [ 2, 5 ].
- Dòng điện có cường độ rất lớn.
- Thời gian tác dụng ngắn.
- Không cần dùng que hàn phụ, thuốc hàn hay khí bảo vệ.
- Chất lượng mối hàn cao, mối hàn không có xỉ.
- Năng suất quá trình hàn cao, chi tiết hàn biến dạng ít.
- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa quá trình hàn.
3. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1. Vật liệu
3.1.1. Vật liệu trục
Các chi tiết trục sử dụng trong các kết cấu máy như ôtô, các máy công cụ, máy nông
nghiệp… được chế tạo từ thép C45. Để nghiên cứu thăm dò công nghệ tác giả đã lựa chọn
nghiên cứu hàn đắp phục hồi trên trục thép C45 có đường kính Φ = 100mm.
Bảng 1. Thành phần hoá học của thép C45 (theo TCVN 8301:2009)
Mác thép %C
%Si
%Mn
%P  %S  %Cr %Ni
C45

0,420,50 0,170,37 0,500,80 0,035

 0,25

0,04

 0,25

%Cu
 0,25

Bảng 2. Cơ tính của thép C45
Cơ tính, 
Mác thép

C45

Độ cứng (HB)

Độ bền
kéo
b
(MPa)

Giới
hạn
chảy t
(MPa)

Độ dãn dài

(%)

Độ co thắt
tương đối
, %

Độ dai
va đập
ak
(J*cm-2)

Cán
nóng

Ủ hoặc
ram
nhiệt độ

cao

598

353

16

40

49

229

197

3.1.2. Vật liệu dây hàn hợp kim
Theo yêu cầu kỹ thuật về độ bền, độ cứng bề mặt và độ chịu mài mòn của trục cần phục
hồi ta có thể sử dụng các loại dây hợp kim như dây thép hàn 30KhGSA theo GOST 10543-98
hoặc dây thép lò xo 65G. Trong các thí nghiệm thăm dò tác giả sử dụng dây thép lò xo 65G
theo GOST 9389-75, có đường kính 1,6 – 2,0 mm.
Bảng 3. Thành phần hoá học thép 65G (theo GOST 9389-75)
Mác thép

%C

%Si

%Mn

65G

0.62 ~ 0.70

0.17 ~ 0.37

0.90 ~ 1.20

Mác
thép

65G

%P

%S

%Cr

%Ni

≤ 0.035 ≤ 0.035 ≤ 0.25 ≤ 0.25

Bảng 4. Cơ tính thép 65G
Nhiệt luyện
Cơ tính
Nhiệt độ tôi
(oC)
và làm nguội

Nhiệt độ
ram
(oC)

Độ bền kéo
b
(MPa)

Giới hạn
chảy t
(MPa)

Độ dãn
dài
 (%)

Độ
cứng
(HB)

830 - dầu

540

980

785

8

302

38


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3.2. Thiết bị
Máy hàn lăn được sử dụng là loại PE-SEAM của CH Pháp. Thiết bị quay và đóng vai
trò đồ gá cho trục hàn là máy hàn xoay UD-417 thiết kế của Viện Hàn Paton, CH Ukraina.

Hình 3. Máy hàn lăn PE-Seam

TT

Hình 4. Máy hàn xoay UD-417 (Ukraina)

Bảng 5. Thông số công nghệ máy hàn lăn PE-Seam hãng AERO – CH Pháp
Thông số
Đơn vị đo
Giá trị

1

Nguồn vào

V

220V - 50Hz single-phase

2

Công suất max

kVA

100

3

Điện áp thứ cấp

V

6,3

4

Dòng hàn ngắn hạn max

kA

20

5

Dòng hàn max

kA

16

6

Đường kính điện cực

mm

220

7

Chiều dày điện cực

mm

20

8

Khoảng dịch chuyển điện cực

mm

3,5 ÷ 6

9

Áp lực nước làm mát

MPa

0,2 ÷ 0,6

10

Lưu lượng nước làm mát

lít/giờ

800

TT

Bảng 6. Thông số công nghệ máy hàn xoay UD-417 – CH Ukraina
Thông số
Đơn vị đo
Giá trị

1

Nguồn vào

V

3 pha x 380V

2

Chiều dài chi tiết hàn max

mm

1.000

3

Đường kính chi tiết hàn max

mm

630

4

Tốc độ quay mâm cặp

vòng/phút

2 ÷ 20

5

Bước tiến

mm

0,5 ÷ 10

39

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3.3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm hàn đắp phục hồi trực tiếp
trên mẫu.
Các thí nghiệm được tiến hành trên các mẫu có đường kính 100 mm bằng thép C45
GOST 1050-88 (TCVN 8301:2009).
Độ bền bám dính với kim loại cơ bản được xác định bằng phương pháp kéo chốt. Ngoài
ra, còn đánh giá gián tiếp theo mức độ biến dạng đường kính của dây hàn bù.
Cấu trúc tế vi, độ cứng và độ cứng tế vi của vùng hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ
được nghiên cứu trên kính hiển vi, bằng các máy đo Rockwell, độ cứng tế vi đo trên máy
Axiovert-100A.
Một phần đáng kể kết quả của các thí nghiệm thăm dò sẽ là cơ sở tiến hành quy hoạch
thực nghiệm xác định các thông số công nghệ tối ưu của quá trình hàn.
4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
Nghiên cứu thực nghiệm thăm dò được tiến hành theo đơn yếu tố, trong đó tập trung
vào các thông số quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng liên kết hàn là: a) Cường
độ dòng điện hàn; b) Lực ép của điện cực hàn; c) Thời gian cấp xung điện; d) Tốc độ quay chi
tiết và e) Bước tiến hàn.
Trên cơ sở các thông tin tổng quan từ tài liệu tham khảo [ 2, 4, 5 ] và theo thông số kỹ
thuật cụ thể của các thiết bị hiện có, giá trị thí nghiệm thăm dò ban đầu của các thông số chế
độ công nghệ hàn được lựa chọn như sau:
- Dòng hàn: 6,0 – 6,5 – 7,0 kA.
- Thời gian xung điện: 0,025 – 0,040 – 0,055 s.
- Lực ép điện cực: 1,2 – 1,5 – 1,7 kN.
- Tốc độ quay chi tiết: 3,2 – 4,0 – 4,8 v/ph.
- Bước tiến hàn: 2,5 – 3,0 – 3,5 mm/vg.
Quá trình hàn đặc trưng là dây kim loại bù được nung nóng đến nhiệt độ gần với nhiệt độ
nóng chảy, khi đó các thuộc tính của thép tiếp cận tính chất của kim loại lỏng và có độ chảy
nhất định. Khi nhiệt và biến dạng của dây hàn bù làm tăng bề mặt tiếp xúc của trục và điện cực

lăn tương ứng, làm tăng lượng nhiệt thu hồi từ các vùng lân cận để hình thành liên kết hàn.
Trong thực tế, sự hình thành liên kết hàn bắt đầu ở giá trị ứng suất xuất hiện trong dây
hàn bù khoảng 0,95... 0,97 giá trị ứng suất biến dạng dẻo của kim loại cơ bản.
Các mẫu hàn trên trục thép C45 được đánh giá theo các chỉ tiêu như: độ bám dính với
kim loại cơ bản, mức độ biến dạng của dây hàn bù và đo độ cứng bề mặt chi tiết tương ứng
với các chế độ công nghệ hàn biến thiên đơn yếu tố.
Để so sánh nhóm nghiên cứu đã thực hiện song song một loạt thí nghiệm cũng tương tự
với vật liệu hàn bù là dây hàn H 08A dùng trong hàn tự động thép kết cấu thông thường.
4.1. Nghiên cứu cấu trúc tế vi

Hình 5. Hàn đắp dây 65G (30x)

Hình 6. Hàn đắp dây H 08A (30x)
40


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

Hình 7. Vùng chuyển tiếp 2 đường hàn với
dây 65G (100x)

Hình 8. Vùng chuyển tiếp 2 đường hàn với
dây H 08A (100x)

Trên các hình ảnh chụp cấu trúc tế vi mối hàn, ta nhận thấy rằng:
- Mẫu hàn gồm có ba vùng: kim loại cơ bản, vùng ảnh hưởng nhiệt và vùng kim loại
hàn. Trong đó, khác với hàn hồ quang nóng chảy thông thường, vùng chuyển tiếp giữa kim
loại cơ bản và kim loại hàn rất hẹp (quan sát thấy tương đối rõ trên hình 5 hoặc hình 6).
- Tổ chức tế vi các vùng cho thấy liên kết được hình thành rõ nét, kim loại hàn có liên
kết đều khắp với kim loại cơ bản (hình 7 và hình 8) thông qua một lớp trung gian bao gồm các

lớp vật liệu nóng chảy được hòa trộn và phân lớp rõ rệt. Điều này đảm bảo cho liên kết có
được độ bền bám dính cần thiết của kim loại bù và kim loại nền.
4.2. Đánh giá độ bền bám dính của kim loại đắp
Kết quả đo độ bền bám dính cho 2 trường hợp, dây H 08A và dây 65G:
Bảng 7. Kết quả đo độ bền bám dính
Độ bền bám dính
(MPa)
TT

Loại dây

Giá trị trung
bình (MPa)

Lần đo
1

2

3

4

5

1

Dây hàn bù H 08A

529

555

543

559

548

574,2

2

Dây hàn bù 65G

518

540

533

542

532

556,6

So sánh các kết quả đo độ bền bám dính của kim loại lớp đắp trong hai trường hợp, với
dây hàn H 08A và dây hàn bù 65G ta nhận thấy:
- Độ bền bám dính của kim loại đắp trong cả hai trường hợp có giá trị thấp hơn (574,2

và 556,6 MPa) so với độ bền kéo của kim loại nền là thép C45 (598 MPa).
- Dây hàn bù 65G có độ bền bám dính thấp hơn so với dây hàn H 08A.
- Các giá trị độ bền bám dính giảm trung bình 6 - 8 % so với độ bền kéo của kim loại
nền là các giá trị có thể chấp nhận được, đảm bảo cho điều kiện làm việc hiệu quả của lớp đắp
vì chiều dày của lớp đắp nhỏ (≤ 0,5 mm) và đóng vai trò lớp bọc lót trên toàn bộ chu vi của cổ
trục trong quá trình làm việc.

41


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
4.3. Đánh giá độ cứng tế vi vùng kim loại đắp, kim loại nền và vùng ảnh hưởng nhiệt:

Kim loại đắp

Kim loại nền
Vùng ảnh hưởng nhiệt
Độ cứng tế vi, HV

300

285

200

178
160

172

273

174 176
173

162

100

0
1

2

3

4567

8

9

Vị trí đo

Hình 9. Dải phân bố độ cứng tế vi khi hàn dây 65G
- Độ cứng tế vi của vùng kim loại đắp có giá trị cao nhất, tương ứng với bản chất của
kim loại bù trên nền 65G, sau đó là vùng ảnh hưởng nhiệt, thấp nhất là vùng kim loại nền.
- Vùng ảnh hưởng nhiệt do vật liệu nóng chảy hòa trộn và có thể còn có các oxyt kim
loại hòa tan nên độ cứng tế vi tăng lên so với nền.
- Độ cứng bề mặt của trục mẫu sau gia công đạt trung bình 52 HRC.

4.4. Thảo luận
- Với sự gia tăng lực ép trên điện cực, biến dạng dẻo của dây hàn bù tăng một cách đáng
kể. Tuy nhiên dưới tác động của dòng điện hàn, dây hàn bù sẽ được nung nóng đến trạng thái
gần chảy dẫn đến suy giảm đặc tính cơ học của kim loại bù và giảm ứng suất từ phía bề mặt
con lăn – điện cực hàn. Trạng thái biến dạng dẻo kim loại dây hàn bù có thể thay đổi từ 15
đến 45 % đối với liên kết hàn phụ thuộc vào lực ép và cường độ dòng điện hàn.
- Độ bền bám dính của dây hàn bù nhờ sự hình thành một lớp trung gian bao gồm các
lớp vật liệu nóng chảy với các oxyt được hòa trộn và phân lớp rõ rệt. Giá trị cho dây hàn 65G
trung bình là 556,6 MPa, giảm 6 – 8 % so với độ bền kéo của kim loại nền là các giá trị có thể
chấp nhận được, đảm bảo cho điều kiện làm việc hiệu quả của lớp đắp vì chiều dày của lớp
đắp nhỏ (≤ 0,5 mm) và là lớp bọc lót trên toàn bộ chu vi của cổ trục trong quá trình làm việc.
- Độ cứng bề mặt của trục mẫu sau gia công đạt trung bình 52 HRC. Độ cứng tế vi của
vùng kim loại đắp có giá trị cao nhất, tương ứng với bản chất của kim loại bù trên nền 65G,
42


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
sau đó là vùng ảnh hưởng nhiệt, thấp nhất là vùng kim loại nền.Vùng ảnh hưởng nhiệt do vật
liệu nóng chảy hòa trộn và có thể còn có các oxyt kim loại hòa tan nên độ cứng tế vi tăng lên
so với nền.
KẾT LUẬN
Quá trình nghiên cứu thực nghiệm thăm dò được tiến hành đã tập trung vào 05 thông số
quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng liên kết hàn là: cường độ dòng điện hàn; lực
ép của điện cực hàn; thời gian cấp xung điện; tốc độ quay chi tiết và bước tiến hàn.
Độ cứng bề mặt của trục mẫu sau gia công đạt trung bình 52 HRC. Độ cứng tế vi của
vùng kim loại đắp có giá trị cao nhất đạt 273-285 HV, tương ứng với bản chất của kim loại bù
trên nền thép 65G.
Độ bền bám dính của dây hàn bù nhờ sự hình thành lớp trung gian bao gồm các lớp vật
liệu nóng chảy cùng với các oxyt được hòa trộn và phân lớp rõ rệt. Giá trị này cho dây hàn bù
thép 65G trung bình là 556,6 MPa, giảm 6 – 8 % so với độ bền kéo của kim loại nền.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nafikov, M.Z. Examination of the process of wear of a roller electrode in electric
resistance surfacing with a wire [Text] / M.Z. Nafikov, I.I. Zagirov // Welding
International. – 2007. – Vol.21, №10. – P.757 – 759.
[2]. V.A. Emel'yanov, L.M. Shkol'nik & V.B. Shlyapin. Cyclic cracking resistance of shafts
after electric resistance hardfacing with subsequent surface plastic deformation. Welding
International. Volume 2, Issue 3, 1988. Pages 256-258.
[3]. V.A. Dubrovskii & V.V. Bulychev. Electric resistance surfacing with a wire and with
melting of the metals to be joined. Welding International. Volume 12, Issue 7, 1998.
Pages 570-572.
[4]. Нафиков, М.З. Параметры электроконтактной наплавки [Текст] / М.З. Нафиков //
Технология металлов. – 2005. – №7. – С.29-31.
[5]. Нафиков, М.З. Рекомендации по разработке технологических процессов
восстановления изношенных деталей типа «вал» электроконтактной наплавкой
(приваркой) стальных проволок / М.З. Нафиков [и др.] // Уфа: ООО «Штайн», 2009.
– 43 с.
THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ
1.

ThS. Nguyễn Minh Tân. Trường ĐH SPKT Hưng Yên.
Email: ; DĐ: 0978 452 890.

2.

ThS. Lê Văn Thoài. Trường ĐH SPKT Hưng Yên.
Email: ; DĐ: 0912 206 388.

3.

TS. Hoàng Văn Châu. Hội KHKT Hàn Việt Nam.

Email: ; DĐ: 0913 003 681.

4.

PGS.TS. Đào Quang Kế. Học viện Nông nghiệp Việt Nam.
Email: ; DĐ: 0904 365 844.

5.

PGS.TS. Lê Thu Quý. PTN trọng điểm CN Hàn&XLBM – Viện Nghiên cứu Cơ khí.
Email: ; DĐ: 0983 022 166.

43