NGHIÊN cứu THIẾT kế CHẾ tạo máy hàn NGUỘI

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

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY HÀN NGUỘI
RESEARCH DESIGN AND MANUFACTURE OF COLD WELDING MACHINE
TS. Vũ Ngọc Thương
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định

TÓM TẮT
Hàn nguội là một trong những công nghệ hàn tiên tiến đã được nghiên cứu và ứng dụng ở
các nước công nghiệp phát triển. Ở nước ta hiện nay đã xuất hiện nhiều chi tiết, sản phẩm liên
quan đến hàn nguội, tuy vậy các chi tiết này chủ yếu được nhập ngoại vì trong nước chưa có
thiết bị hàn nguội. Nội dung bài báo cáo tổng hợp kết quả đề tài nghiên cứu chế tạo máy hàn
nguội đã được tác giả tiến hành và hoàn thiện trong năm 2014 tại trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Nam Định, nội dung nghiên cứu dựa trên cơ sở phát triển hướng nghiên cứu của tác giả đã
thực hiện tại Liên Bang Nga. Máy hàn nguội được nghiên cứu chế tạo tại Việt Nam nhưng đã
đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, sau khi chế tạo máy hoạt động tốt đúng nguyên lý, hàn thử
nghiệm các mối hàn cho liên kết tốt đảm bảo chất lượng và yêu cầu kỹ thuật.
Từ khóa: công nghệ hàn nguội, máy hàn nguội, liên kết hàn nguội, áp lực, vật liệu hàn
ABSTRACT
Cold welding is one of the advanced welding technology has been studied and applied
in industrialized countries. In our country now appears more details, products related to
welding cold, however the details are mostly imported because domestic no cold welding
equipment. The contents of the article synthesize research results manufacture cold welder
was the author conducted and completed in 2014 at the Nam Dinh University of technology
and education, research-based content development facilities Author's research was done in
Russia. Welders are researching and manufacturing cooled in Vietnam but has met the
technical requirements, after mechanical working well right principles, weld testing welds for
cohesion and quality assurance requirements technical.
Keywords: cold welding technology, welding machine cold, cold welding affiliate,
pressure, welding materials
Máy hàn nguội được thiết kế, chế tạo trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về các loại máy

và thiết bị hàn nguộitrên thế giới, kết hợp với kết quả nghiên cứu lý thuyết về liên kết hàn
nguội đã được công bố tại hội thảo khoa học quốc tế ở Liên Bang Nga.Từ việc nghiên cứu
phân tích đã lựa chọn phương án thiết kế chế tạo máy. Máy hàn nguội được thiết kế gồm ba
bộ phận chính, đó là kết cấu cơ khí, khuôn mẫu và bộ phận điều khiển.
1. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KẾT CẤU CƠ KHÍ
1.1. Lựa chọn phương án thiết kế chế tạo kết cấu cơ khí của máy
Máy hàn nguội hoạt động trên nguyên lý tạo áp lực để ép các chi tiết kim loại lại với nhau.
Để tạo lực ép trong cơ cấu cơ khí có rất nhiều phương pháp khác nhau như cơ cấu trục vít, trục
cam, thủy lực v..v. Máy ép dạng trục vít thì năng suất cho ra sản phẩm cao nhưng các máy móc
trang thiết bị lại phức tạp, khó thiết kế chế tạo, ngoài ra chi phí bảo trì, sửa chữa cao. Máy ép thủy
lực có thể tạo ra lực ép lớn thiết bị lại khá gọn nhẹ dễ điều chỉnh áp suất, lực ép. Phân tích ưu
nhược điểm của các phương pháp ta chọn phương án thiết kế chế tạo máy hàn nguội là dạng máy
ép thủy lực.
179


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
1.2. Thiết kế khung, bệ máy
Đối với hệ khung, trước hết cần tính toán đường kính trụ theo điều kiện bền của thanh
chịu kéo đúng tâm. Ngoài ra, đối với kết cấu của hệ khung cố định là có hai trụ chịu lực, do
đó, trạng thái ứng suất nguy hiểm cho các trụ của nó là khi tải tác dụng lệch tâm theo phương
vuông góc với đường nối tâm giữa hai trụ, lúc này các trụ của hệ khung cố định cũng bị kéo
lệch tâm. Vì vậy sau khi xác định được đường kính trụ của hệ khung cố định cần kiểm tra lại
điều kiện bền của thanh chịu kéo lệch tâm.

P

P

P

P

Hình 1. Kết cấu tính toán hệ khung
Xét về kết cấu chịu lực của hệ khung cố định trong máy ép thì xà ngang có độ cứng
vững lớn hơn rất nhiều lần so với độ cứng vững của cột. Do đó trong quá trình tính toán, để
đơn giản ta xem lực tác dụng tại tâm của xà ngang sẽ được chia đều cho hai cột chịu lực. Lúc
này trụ (cột) sẽ được tính toán sức bền như một thanh chịu kéo đúng tâm. Vì vậy cần tính toán
thiết diện trụ sao cho thoả mãn điều kiện bền.
Điều kiện bền:
Lực P t tác dụng lên hệ khung: P t = 20T
P t = 20T = 20.103 (KG) = 20.104 (N)
Với kết cấu gồm hai trụ, vì vậy mỗi trụ sẽ chịu tác dụng của lực P có giá trị
P =10.104 (N)
Lực dọc N z trong trụ:
N z =10.104 (N)
Theo điều kiện bền thanh chịu kéo nén đúng tâm: muốn đảm bảo sự làm việc an toàn
của thanh chịu kéo nén đúng tâm thì ứng suất lớn nhất trên mặt cắt ngang không vượt quá ứng
suất cho phép:
𝜎𝜎𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 =

Trong đó:

Nz
𝐹𝐹

≤ [𝜎𝜎]

(1)

𝜎𝜎𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 : ứng suất lớn nhất trên bề mặt cắt ngang

F: diện tích mặt cắt ngang. Ở đây trụ có tiết diện tròn. Vì vậy:
F=

𝜋𝜋𝑑𝑑2
4

(d: đường kính trụ)

[𝜎𝜎]: ứng suất cho phép của vật liệu và [𝜎𝜎] được tính theo công thức:
[𝜎𝜎] =

𝜎𝜎0
𝑛𝑛

Trong đó: 𝜎𝜎 0 : ứng suất nguy hiểm
R

n: hệ số an toàn, chọn n = 1,5
180

(2)

(3)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Kiểm tra ứng suất trong trụ khi chịu tác dụng của tải trọng lệch tâm:
Đối với hệ khung cố định gồm hai trụ chịu lực thì trường hợp nguy hiểm nhất là khi tải

trọng tác động lệch tâm theo phương vuông góc với đường nối tâm giữa hai trụ. Vì vậy cần
kiểm tra lại giá trị ứng suất phát sinh trong trụ ở trường hợp này.
Khi tải trọng tác động lệch tâm theo phương vuông góc với đường nối tâm giữa hai trụ
thì trạng thái ứng suất trong mỗi trụ là chịu nén lệch tâm. Lúc này trụ chịu lực của hệ khung
cố định vừa chịu uốn vừa chịu nén.
Ta có công thức tính ứng phát sinh trong trụ ở trường hợp chịu kéo lệch tâm là:
𝑁𝑁

𝑀𝑀𝑢𝑢

𝜎𝜎 max = 𝐹𝐹 +

0,1𝑑𝑑3

𝑃𝑃

2𝑒𝑒

R

Đối với máy ép kiểu 2 cột thì nguy hiểm nhất là độ lệch tâm theo hướng trục y. Khi đó
ứng suất ở các cột của máy ép hai cột là:

Trong đó:

𝜎𝜎 = 2𝐹𝐹𝑡𝑡 �1 + 𝑊𝑊 +
𝑦𝑦

8𝑒𝑒
𝑑𝑑

�

(4)

P t : Tải trọng tác dụng lớn nhất, P t = 2.105 (N)
F: Diện tích mặt cắt ngang của trụ F = π.d2/4
W x : mô men chống uốn, đối với mặt cắt ngang hình tròn ta có W x = π.d3/32
Tính toán dầm ngang trên bằng phần mềm RDM 6.16

Hình 2. Sơ đồ tính toán
Theo phần mềm tính toán ta được mô men tại mặt cắt nguy hiểm (tại hai đầu):
M x = 7.107 N.mm
Theo điều kiện bền của thanh chịu uốn ta có:
𝜎𝜎𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 =

𝑀𝑀𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥
𝑊𝑊𝑋𝑋

≤ [𝜎𝜎]

𝑀𝑀𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥
7. 107
→ 𝑊𝑊𝑋𝑋 ≥
=
= 291,7. 103 𝑚𝑚𝑚𝑚3
[𝜎𝜎]
240

(5)

Trong quá trình tính toán lực tác dụng Q (trọng lượng phần trên của máy) sẽ được chia
đều cho sáu cột chịu lực. Lúc này trụ (cột) sẽ được tính toán sức bền như một thanh chịu nén
đúng tâm. Vì vậy cần tính toán sao cho thoả mãn điều kiện bền.
181


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Sau khi tính toán khả năng chịu lực của khung máy. Sử dụng phần mềm solidwork để
thiết kế các chi tiết kết cấu cơ khí của máy

1.Tấm trên N2
2.Tấm trên N3
3.Trụ máy
4.Tấm dưới N4
5.Tấm dưới N5
6.Tấm dưới N6
7.Thanh khung phần bệ máy

Hình 3. Mô hình khung và bệ máy

Hình 4. Bản vẽ lắp phần khung và bệ máy hàn
2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHUÔN HÀN
Khuôn hàn nguội hoạt động trên nguyên lý nén ép hai chi tiết kim loại lại với nhau. Tuy
vậy, khuôn hàn cũng có những đặc điểm riêng khác so với các loại khuôn dập nguội thông
thường. Khuôn được chế tạo đảm bảo khả năng chịu kéo nén đáp ứng các điều kiện bền và
đảm bảo các thông số hình học cần thiết phù hợp với việc hình thành liên kết mối hàn.
Chọn vật liệu làm khuôn: SKD11
Đặc trưng: Tính chịu mài mòn tốt, độ giãm kích thước sau khi tôi thấm thấp,
chuyên dụng để chế tạo khuôn dập nguội.

182


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bộ khuôn hàn dùng để hàn mối hàn điểm:
0,5

0,5

Hình 6. Chi tiết khuôn dưới

Hình 5. Chi tiết khuôn trên

3. THIẾT KẾ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN HÀNH TRÌNH
Máy hàn nguội được thiết kế theo dạng máy ép thủy lực, do đó hệ thống điện điều khiển
của máy được tính toán và thiết kế phù hợp với hệ thống thủy lực. Quá trình vận hành thiết bị
sẽ được thực hiện trên cơ sở điều khiển hệ thống thủy lực. Xuất phát từ việc nghiên cứu
nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực sẽ tính toán và xây dựng được hệ thống điện.
Hệ thống điều khiển thủy lực bao gồm các phần tử điều khiển và cơ cấu chấp hành được
kết nối với nhau thành hệ thống hoàn chỉnh để thực hiện theo yêu cầu diều khiển chuyển động
lên xuống của xy lanh thủy lực. Hệ thống được mô tả như hình 7:

Hình 7. Sơ đồ khối hệ điều khiển thủy lực
Tín hiệu đầu ra được phản hồi để so sánh với tín hiệu đầu vào. Độ chênh lệch của 2 tín
hiệu vào ra được thông báo cho thiết bị điều khiển, để thiết bị này tạo ra tín hiệu điều khiển
tác dụng lên đối tượng điều khiển sao cho giá trị thực luôn đạt được như mong muốn. Để đảm
bảo yêu cầu điều khiển và yêu cầu công nghệ của hệ thống ép nguội, đề tài này sử dụng hệ
thống điều khiển vòng kín (có hồi tiếp). Hình 8 minh họa hệ thống điều khiển vị trí của
chuyển động ép pittong xy lanh thủy lực.
183

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

Hình 8. Sơ đồ hệ điều khiển xy lanh thuỷ lực vòng kín (có hồi tiếp)

Hình 9. Sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển

Hình 10. Màn hình điều khiển máy hàn
4. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA MÁY
4.1. Máy chạy không tải
Vận hành thiết bị và cho máy chạy ở chế độ không tải, kiểm tra hệ thống thủy lực quan
sát đồng hồ áp suất xem có đảm bảo đủ áp suất không. Đặt thử áp suất không tải: 70 Par, quan
sát hệ thống ống dẫn về mức độ an toàn. Hệ thống điện quan sát tủ điện và các đèn báo nếu tất
cả ở chế độ làm việc thì hệ thống đảm bảo an toàn khi tiến hành vận hành máy.
4.2. Máy chạy có tải
Đặt chi tiết cần hàn và cho máy hàn thử, quan sát và theo dõi sự hoạt động của máy.
Máy hoạt động ổn định không có sự cố về kết cấu cơ khí. Hệ thống thủy lực đảm bào an toàn,
hệ thống điều khiển điện an toàn là những điều kiện cơ bản khẳng định khả năng làm việc của
184


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
máy. Qua quá trình hàn thử nghiệm, sản phẩm mẫu cho kết quả tốt, máy hoạt động ổn định,
đảm bảo yêu cầu kỹ thuật theo thiết kế.

Hình 11. Máy hàn nguội sau khi chế tạo hoàn thiện
4.3. Hàn mối hàn mẫu và thử nghiệm mối hàn sau khi hàn
4.3.1. Hàn mẫu thử nghiệm
Vật liệu: Phôi nhôm A5052, độ bền kéo 230 MPa. Chiều dày vật liệu 1,5mm. Chiều dày

mối ghép hàn 3mm.
Chế độ hàn ép: Lựa chọn chày ép đưởng kính 8mm. Áp suất ép 50Bar.

Hình 12. Mẫu mối hàn sau khi hàn thực nghiệm
4.3.2.Kiểm tra đánh giá ngoại dạng mối hàn
Mối hàn nguội được kiểm tra đánh ngoại dạng thông qua việc đo mức độ biến dạng của
vật liệu tại vị trí hàn của các mẫu thử sau khi hàn. Kết quả đánh giá được tổng hợp ở bảng 1.
Bảng 1. Kết quả đánh giá ngoại dạng mối hàn nguội
Mẫu 1
Mẫu 2

Mẫu 3

Chiều dày vật liệu ban đầu (mm)

3

3

3

Chiều dầy liên kết sau khi hàn (mm)

1

0,8

0,5

66%

80%

83%

Mức độ biến dạng%

Đối với vật liệu nhôm mức độ biến dạng để hình thành liên kết hàn nguội từ (60-70) % [1]. Với
kích thước thiết diện ngang tương đương kích thước của chày ép, mức độ biến dạng trung bình
của các mẫu thử đạt trên 70 đảm bảo mức độ hình thành liên kết tốt.. Những kết quả này đảm bảo
được yêu cầu đối với máy hàn nguội.
185


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
4.3.3. Kiểm tra thử độ bền kéo của mối hàn
Sử dụng máy thử kéo nén (WEW-600D TIME GROUP INC) tại phòng thí nghiệm vật
liệu 103 A5 trường Đại học SPKT Nam Định để làm thí nghiệm thử kéo mối hàn

Hình 13. Máy thử kéo nén WEW-600D TIME GROUP INC

.
Hình 14. Biểu đồ thử kéo
. Thực nghiệm đo độ bền kéo của mối hàn được tiến hành với 3 mẫu thử và kết quả
được tổng hợp trong bảng 2. Trên biểu đồ hình 14 cho ta thấy kết quả thử kéo mẫu số 3 với
lực kéo lớn nhất là 9,04 (kN).
Bảng 2. Tổng hợp kết quả thí nghiệm thử kéo
M1
M2
Lực kéo lớn nhất(kN)

M3

7,15

8,76

9,04

Thiết diện liên kết hàn (mm2)

50

50

50

Độ bền kéo lớn nhất của liên kết hàn (MPa)

143

175,2

180,8

So sánh kết quả thử độ bền kéo của các liên kết hàn với độ bền kéo của nhôm A5052 ta
có kết quả:
Mẫu liên kết hàn số 1. 143/230 *100% = 62,1%
Mẫu liên kết hàn số 2. 175,1/230 *100% = 76,1%
Mẫu liên kết hàn số 3. 180,8/230 *100% = 78,6%

Theo kết quả nghiên cứu về liên kết hàn nguội vật liệu nhôm [2] ta nhận thấy với diện
tích liên kết 50mm2 mối hàn chịu được lực kéo trong khoảng 3KN đến 7KN, độ bền kéo lớn nhất
lên đến 140Mpa, khá tương đồng với kết quả thí nghiệm độ bền kéo của liên kết hàn nguội vật
liệu nhôm A5052 mà tác giả đã thực hiện tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định.
186


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Như vậy sau khi hàn thử nghiệm và kiểm tra các mẫu mối hàn nguội bằng phương pháp
ngoại dạng và thử kéo đã cho kết quả tốt, khả quan. Điều này khẳng định máy hàn nguội được
chế tạo đã hoạt động đúng nguyên lý, hàn được sản phẩm đáp ứng được mục tiêu, phạm
vinhiệm vụ nghiên cứu của đề tài đã đề ra.
5. KẾT LUẬN
Máy hàn nguội được chế tạo trên cơ sở kết hợp giữa cơ cấu cơ khí, thủy lực và hệ thống điện
điều khiển tự động, Máy có đặc điểm mớiso với các máy hiện có, đó là khả năn gnhận biết và kiểm
soát được các thông số công nghệ. Với những ưu điểm này máy rất phù hợp cho công tác đào tạo,
nghiên cứu khoa học.
Vận hành thử nghiệm và xây dựng được quy trình vận hành thiết bị đảm bảo mức độ an toàn
cao. Đánh giá khả năng làm việc của máy trên cơ sở vận hành không tải, có tải, máy đã hoạt động tốt
đáp ứng yêu cầu đặt ra.
Thực hiện hàn thử nghiệm các mối hàn, kiểm tra ngoại dạng và thử độ bền kéo đảm bảo yêu
cầu kỹ thuật: Mức độ biến dạng đạt trên 70%. Độ bền kéo so với kim loại cơ bản trên 60%. Đây chính
là kết quả khẳng định chất lượng, hiệu quả của máy sau khi chế tạo.
Từ những kết quả nghiên cứu ban đầu đã ứng dụng thử nghiệm trong sản xuất tại công ty
TNHH Đại Thành thuộc khu công nghiệp An Xá thành phố Nam Định cho kết quả khả quan.
Với những kết quả bước đầu đã đạt được, nhóm nghiên cứu đề xuất mở rộng phạm vi nghiên
cứu theo các hướng nâng cao hiệu suất làm việc của máy, nâng cao chất lượng mối hàn, chế tạo máy
chuyên dụng phục vụ sản xuất. Từng bước ứng dụng kết quả nghiên cứu vào công tác đào tạo và
thương mại hóa sản phẩm phục vụ sản xuất công nghiệp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Стройман И. М.Холодная сварка металлов. 1985.
[2]. М.Б Баранов холодная сварка пластичных металле, 1969
[3]. Ву Нгок Тхыонг. Устройство для холодной сварки алюминиевой проволоки // Известия
ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2013. Вып. 7. Ч. 2. С. 32 -35.
[4]. Ву Нгок Тхыонга.Холодная сварка давлением алюминиевых деталей, соединяемых
внахлестку, кандидатской диссертации 2013
[5]. Евдокимов А.К, Ву Нгок Тхыонг. Герметизация алюминиевых капсул
холодной сваркой давлением // Известия ТулГУ. Серия. Технические науки.
Тула: Изд-во ТулГУ. 2013. Вып. 4. С. 108-110.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
TS. Vũ Ngọc Thương
Phó Trưởng bộ môn Cơ khí hàn, Khoa Cơ khí – Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định.
Đường Phù Nghĩa, Phường Lộc Hạ, Thành phố Nam Định
Email: ;DĐ: 0945887668

187