Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ công nghệ hàn ma sát các chi tiết dạng trục
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.09 MB, 113 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
VŨ HỒNG THUẬN
NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ HÀN MA SÁT
CÁC CHI TIẾT DẠNG TRỤC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Hà Nội – Năm 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ HỒNG THUẬN
NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ HÀN MA SÁT
CÁC CHI TIẾT DẠNG TRỤC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS BÙI VĂN HẠNH
Hà Nội – Năm 2017
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tác giả dưới
sự hướng dẫn của PGS.TS Bùi Văn Hạnh và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt
kê, ngoại trừ các số liệu, các bảng biểu, đồ thị, công thức... đã được trích dẫn trong
tài liệu tham khảo, nội dung cơng bố cịn lại trong luận văn là của chính tác giả đưa
ra và chưa được công bố ở trong bất kỳ tài liệu nào. Nếu sai, tác giả xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 28tháng 03 năm 2017
Học viên
Vũ Hoàng Thuận
1
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 8
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .......................................................................................... 8
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI
NGHIÊN CỨU ............................................................................................................8
3. CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚI CỦA TÁC GIẢ ................. 8
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................................................... 9
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HÀN MA SÁT ................................................... 10
1.1. Giới thiệu chung về hàn ma sát .......................................................................... 10
1.1.1. Tổng quan đặc điểm hàn ma sát ................................................................ 10
1.1.2. Phân loại hàn ma sát ................................................................................. 10
1.1.2.1. Hàn ma sát quay/ trực tiếp (rotational/direct friction welding) ...................10
1.1.2.2. Hàn ma sát quán tính (inertia friction welding) ...........................................13
1.1.2.3. Hàn ma sát thẳng và theo quỹ đạo (linear friction & orbital friction
welding) .....................................................................................................................13
1.1.2.4. Hàn ma sát chốt (friction stitch/stud welding). ............................................15
1.1.2.5. Hàn ma sát ngoáy/ khuấy (friction stir welding)..........................................16
1.1.2.6. Hàn điểm ma sát khuấy (friction stir spot welding) .....................................19
1.2. Tình hình nghiên cứu ma sát quay trên thế giới và khả năng phát triển ở Việt
Nam. ..........................................................................................................................20
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ..................................................................20
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ....................................................................22
2.1. Quá trình hàn ma sát quay. .................................................................................28
CHƯƠNG III - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÀN TỐI
ƯU CÁC CHI TIẾT DẠNG TRỤC ..........................................................................59
3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm..................................................................... 59
3.2. Tổng quan cơ bản về quy hoạch thực nghiệm ...................................................59
3.2.1. Quy hoạch thực nghiệm ..................................................................................59
2
3.2.2. Đối tượng nghiên cứu......................................................................................59
3.2.3. Kế hoạch thực nghiệm ....................................................................................60
3.2.4. Các mức giá trị và khoảng biến thiên của yếu tố đầu vào ..............................60
3.2.4.1. Số mức của yếu tố trong quy hoạch: ............................................................60
3.2.4.2. Các mức giá trị và khoảng biến thiên của yếu tố đầu vào trong kế hoạch 2
mức: ...........................................................................................................................61
3.2.5. Các bước của bài toán quy hoạch thực nghiệm và tìm cực trị (tối ưu hóa) ....62
3.2.5.1. Chọn yếu tố đầu vào và hàm mục tiêu để nghiên cứu ................................62
3.2.5.2. Lập kế hoạch thực nghiệm ...........................................................................62
3.2.5.3. Tiến hành thí nghiệm nhận thông tin ...........................................................62
3.2.5.4. Xây dựng và kiểm tra mơ hình thực nghiệm ...............................................63
3.2.5.5. Phân tích và biểu diễn hình học các bề mặt mơ tả .......................................63
3.2.5.6. Tối ưu hóa hàm mục tiêu (tìm cực trị) .........................................................64
3.3. Quy hoạch thực nghiệm xác định các thông số chế độ hàn ma sát xoay các chi
tiết dạng trục. .............................................................................................................64
3.3.1. Xây dựng mơ hình thực nghiệm......................................................................64
3.3.1.1. Lựa chọn thơng số nghiên cứu. ....................................................................64
3.3.1.2. Lập kế hoạch thực nghiệm. ..........................................................................66
3.3.2. Tiến hành thực nghiệm....................................................................................69
3.3.2.1. Kim loại cơ bản ............................................................................................69
3.3.2.2. Thiết bị hàn ..................................................................................................71
3.4. Kết quả thí nghiệm .............................................................................................76
3.4.1. Lấy mẫu thí nghiệm ........................................................................................76
3.4.2. Thống kê và xử lý số liệu thực nghiệm ...........................................................78
3.4.3. Xây dựng mơ tả tốn học ................................................................................80
3.4.4. Kiểm tra tính tương thích của mơ hình đã thiết lập ......................................85
3.4.5. Xác định thông số chế độ hàn tối ưu ...............................................................86
3.4.6. Kết luận 93
CHƯƠNG 4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ......................................... 94
3
4.1. Hàn kiểm tra thử nghiệm....................................................................................94
4.2. Kiểm tra cơ tính mối hàn....................................................................................95
4.3. Kiểm tra tổ chức kim loại mối hàn.....................................................................99
4.4. Đánh giá kết quả kiểm tra ................................................................................104
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................111
4
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ ngun lý q trình hàn bằng ma sát ..............................................10
Hình 1.2. Hàn ma sát quay ........................................................................................11
Hình 1.2. Các bước hàn ma sát quay.........................................................................11
Hình 1.3. Các liên kết điển hình được hàn bằng ma sát............................................12
Hình 1.4. Ảnh hưởng của tốc độ và áp suất đến hình dáng mối hàn ........................12
Hình 1.5. Hàn ma sát qn tính. ................................................................................13
Hình 1.6. Hàn ma sát thẳng .......................................................................................13
Hình 1.7. Hàn ma sát thẳng may ơ với cánh .............................................................14
Hình 1.8. Hàn ma sát thẳng và quỹ đạo ....................................................................15
Hình 1.9. Sơ đồ hàn ma sát chốt ...............................................................................16
Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý hàn ma sát khuấy..........................................................16
Hình 1.11. Sơ đồ ngun lí hàn ma sát khuấy. .........................................................17
Hình 1.12. Dụng cụ hàn ma sát .................................................................................17
Hình 1.13. Mối hàn ma sát khuấy .............................................................................18
Hình 1.14. Phần ngồi và trong dụng cụ: ..................................................................18
Hình 1.15. Các giai đoạn hàn điểm ma sát và cấu trúc mối hàn. ..............................19
Hình 1.20. Thiết bị hàn ma sát quay của công ty Shenja ..........................................21
Hình 1.22. Thiết bị hàn ma sát quay của cơng ty Ultrametal. ..................................22
Hình 1.23. Đầu cos nối điện ......................................................................................24
Hình 1.24. Ứng dụng trong ngành cơng nghệ ơ tơ ....................................................24
Hình 1.25. Một số sản phẩm điển hình được hàn bằng phương pháp hàn ma sát quay
Hình 2.1. Chế độ hàn ma sát .....................................................................................28
Hình 2.2. Biểu đồ áp suất nén mặt đầu và tương tác cố định của thanh trịn ............29
Hình 2.3.Trường nhiệt độ trong lớp kim loại sát bề mặt. .........................................30
Hình 2.4. Sự thay đổi theo thời gian của momen lực M và tốc độ quay n khi hàn ma
sát. .............................................................................................................................33
5
Hình 2.5. Mơ hình sóng và nhấp nhơ tế vi bề mặt của vật thể thực. Các điểm tiếp
xúc vật lý thực; diện tích đường viền (nét gạch); diện tích danh nghĩa Sn...............36
Hình 2.6. Mơ hình bề mặt ma sát ..............................................................................39
Hình 2.7. Quan hệ giữa hệ số ma sát với tốc độ trượt...............................................43
Hình 2.8. Trường nhiệt độ trong lớp kim loại sát bề mặt : a - trong không gian ;b theo chiều sâu x .........................................................................................................44
Hình 2.9. Biểu đồ cơng suất tỏa nhiệt khi hàn ma sát với giả thiết p,f=const ..........47
Hình 2.10. Biểu đồ áp suất nén mặt đầu và tương tác cố định của thanh trịn ..........49
Hình 2.11. Biểu đồ công suất tỏa nhiệt khi hàn ma sát với giả thiết f=const: 1)
pm/pkr=0; 2) pm/pkr=2; 3) pm/pkr=6; 4) pm/pkr= ∞. .............................................50
Hình 2.12. Cấu trúc thơ đại cắt qua đường kính của mẫu hàn ma sát. .....................53
Hình 2.13. Sơ đồ phân bố áp suất theo tiết diện mẫu tròn có vịng xờm pa»pkr ......54
Hình 2.14. Sự phụ thuộc độ bền mối hàn vào nhiệt độ khi áp suất khác nhau. ........57
Hình 3.8. Mơ hình máy hàn ma sát có tại trường ĐH SPKT Nam Định ........................72
Hình 3.10. Khoảng cách Phần nhơ ra của phơi hàn. .................................................74
Hình 3.11. Chuẩn bị liên kết hàn thực nghiệm ........................................................76
Hình 3.12. Mẫu thí nghiệm .......................................................................................77
Hình 3.12. Quan hệ giữa thời gian làm nóng và tốc độ quay. ..................................88
Hình 3.13. Quan hệ giữa thời gian giai đoạn khác nhau của q trình làm nóng đến
tốc độ quay. ............................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.14. Cơng suất phụ thuộc vào tốc độ quay .....................................................91
Hình 3.5. Các dạng điển hình của đồ thị thay đổi áp suất theo thời gian .................92
Hình 4.1. Thử kéo trên máy thí nghiệm thủy lực vạn năng ......................................97
Hình 4.2. Hình ảnh các mẫu mối hàn sau khi thử kéo (các mũi tên chỉ vào vị trí đứt
của mẫu thử) ..............................................................................................................99
Hình 4.3. Hình ảnh mẫu hàn sau khi cắt và tẩm thực .............................................100
Hình 4.4. Ảnh phóng đại kim loại mối hàn (x5) .....................................................101
Hình 4.5. Kim loại cơ bản (x40) .............................................................................102
Hình 4.6. Kim loại cơ bản và vùng ảnh hưởng nhiệt (x40) ....................................102
6
Hình 4.7. Vùng ảnh hưởng nhiệt và kim loại mối hàn (x40) ..................................103
BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 3.1. Bảng kế hoạch tiến hành thí nghiệm ........................................................68
Bảng 3.2. Thơng số kích thước phơi .........................................................................69
Bảng 3.3: Thành phần hóa học của CT38 .................................................................70
Bảng 3.4 Cơ tính của thép CT38 [1] ........................................................................71
Bảng 3.5. Bảng kế hoạch tiến hành thí nghiệm ........................................................78
Bảng 3.6. Bảng ma trận kế hoạch thí nghiệm ...........................................................79
Bảng 3.7. Ma trận kế hoạch mở rộng với biến số hằng ............................................81
Bảng 3.8. Kết quả các thí nghiệm ở tâm ...................................................................83
Bảng 3.9. Đánh giá các hệ số phương trình hồi quy .................................................84
Bảng 3.10. Giá trị hàm hồi quy .................................................................................85
Bảng 4.1. Thông số các mối hàn thử nghiệm............................................................95
Bảng 4.2. Độ bền kéo của thanh thép .......................................................................95
Bảng 4.3. Kết quả thử kéo mối hàn ...........................................................................97
7
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Cùng với sự phát triển của khoa học và cơng nghệ thì ngành cơ khí nói
chung và ngành hàn nói riêng đang phát triển hết sức mạnh mẽ đồng thời cũng
khẳng định vị trí của mình trong sự nghiệp phát triển. Nổi bật trong nghành hàn là
phương pháp hàn ma sát, nó được sử dụng nhiều trong quá trình sản xuất và đặc biệt
là các chi tiết dạng trục. Hàn ma sát các chi tiết dạng trục là giải pháp công nghệ
hợp lý đang được ứng dụng phổ biến trên thế giới nhưng ở Việt Nam thì chưa có sử
dụng rộng rãi. Bởi vậy, việc nghiên cứu Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ công nghệ
hàn ma sát là hết sức cần thiết.
Được sự đồng ý của Viện Cơ Khí - Bộ mơn Hàn và Công Nghệ Kim
Loại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Đặc biệt là sự hướng dẫn của PGS.TS.
Bùi Văn Hạnh tác giả thực hiện luận văn với tên sau:
Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cơng nghệ hàn ma sát các chi tiết dạng trục.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI
NGHIÊN CỨU
- Mục đích và đối tượng nghiên cứu:
Luận văn này đi sâu nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ
đến chất lượng liên kết hàn khi hàn ma sát. Chọn được bộ thơng số hàn tối ưu cho
q trình hàn ma sát các chi tiết dạng trục để đưa ra được quy trình hàn ma sát các
chi tiết dạng trục có thể ứng dụng được trên thực tế.
- Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu tổng quan về hàn ma sát, sự ảnh hưởng của các thông số chế độ
hàn đến chất lượng liên kết hàn và thực nghiệm để xác định chế độ hàn tối ưu.
3. CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚI CỦA TÁC GIẢ
- Đi vào nghiên cứu lý thuyết tổng quan về hàn ma sát
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định chế độ hàn tối ưu
- Thử nghiệm, đánh giá kết quả
8
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài được thực hiện bằng cách kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, thực tế và
phân tích tổng hợp để tìm ra những thơng số hợp lý nhất phục vụ cho việc chọn chế
độ hàn tối ưu cho quá trình hàn ma sát chi tiết dạng trục.
9
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HÀN MA SÁT
1.1. Giới thiệu chung về hàn ma sát
1.1.1. Tổng quan đặc điểm hàn ma sát
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 giai đoạn(phase) rắn. Tuy nhiên hàn
bằng 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 1.1. 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 – 1300oC
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 cịn đang nóng một khoảng thời gian nhất định.
Trong và sau khi chồn các chi tiết vẫn giảm nhiệt độ một cách tự nhiên.
1.1.2. Phân loại hàn ma sát
1.1.2.1. Hàn ma sát quay/ trực tiếp (rotational/direct friction welding)
10
Hình 1.2. 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. Phương pháp này được
dùng để hàn các chi tiết dạng thanh hoặc ống từ vật liệu đồng chất hoặc khác nhau.
Ngun cơng 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 khơng có đường tâm đối xứng thì làm đồ gá đặc biệt cho chúng.
Trục chính quay với số vịng 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 đơi 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 1.2. Các bước hàn ma sát quay
- Nếu máy có bàn dao tiện bổ sung thì tiện lại phần rìa xờm mặt ngồi 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,
11
ống), cịn phần tử kia có mặt phẳng. Các dạng cơ bản của liên kết hàn trực tiếp được
chỉ ra trên hình 1.3.
Hình 1.3. Các liên kết điển hình được hàn bằng ma sát
Trong phần 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. Đơi 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 hàn có ảnh hưởng đến hình dáng
mối hàn (hình 1.4).
Hình 1.4. 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.
* Ưu điểm:
-
Hàn các chi tiết dạng thanh, ống trịn xoay hoặc khơng trịn xoay;
-
Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ;
-
Năng suất cao;
-
Hàn các kim loại khác nhau với nhau.
* Nhược điểm:
-
Lượng chùm của kim loại mối hàn lớn;
-
Phải gia cơng cơ khí sau hàn;
12
-
Thiết bị đắt tiền.
1.1.2.2. 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 khơng đổi (h. 1.5).
Hình 1.5. Hàn ma sát quán tính.
1.1.2.3. Hàn ma sát thẳng và theo quỹ đạo (linear friction & orbital friction
welding)
Hình 1.6. Hàn ma sát thẳng
Quá trình hàn ma sát thẳng (tịnh tiến) trở thành cơng 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 khơng 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
13
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 giây.
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, bơi trơn, mài mịn) của
chỗ tiếp xúc, các đặc tính thời gian của q trình nội ma sát và biến dạng dẻo, cũng
như các khía cạnh về lí hóa và luyện kim. Ứng dụng điển hình của chúng là hàn các
cánh quạt vào thân đĩa (hình 1.7). Phương pháp này được xem là rất hiệu quả để nối
ghép các chi tiết rất khác nhau.
Hình 1.7. Hàn ma sát thẳng may ơ với cánh
a) Gá đặt chuẩn bị; b) Hàn xong.
Quá trình hàn ma sát theo quỹ đạo (hình 1.7) 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 (hình 1.8b).
-
Một trong hai phần tử chuyển động theo quỹ đạo (hình 1.8c).
14
Hình 1.8. Hàn ma sát thẳng và quỹ đạo
a) Thẳng; b) & c) Quỹ đạo
* Ưu điểm:
-
Hàn các chi tiết dạng thanh, ống khơng trịn 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.
* Nhược điểm:
-
Lượng chùm của kim loại mối hàn lớn;
-
Phải gia cơng cơ khí sau hàn;
-
Khơng thích hợp lắmđối với vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao;
-
Thiết bị đắt tiền.
1.1.2.4. 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 q trình thơng thường như hàn hồ quang khó thực hiện được. Sơ đồ q
trình này được chỉ ra trên hình 1.9. 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. 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 hồn tồn lỗ. Q trình hàn có chu trình kéo dài 5 – 10 giây
phụ thuộc vào chiều dày vật liệu. Tiếp tục lặp lại những tác động trên sẽ tạo thành
mối hàn.
15
Hình 1.9. Sơ đồ hàn ma sát chốt
1.1.2.5. Hàn ma sát ngốy/ khuấy (friction stir welding)
Hình 1.10. Sơ đồ ngun 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 (hình 1.10). Đường kính dụng cụ được chọn nhỏ hơn chiều
sâu hàn. Bề mặt làm việc của dụng cụ có profile đặc biệt (hình 1.10). 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. Cơng
nghệ hàn khuấy được sử dụng rộng rãi để hàn hợp kim nhơm. 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 (nhơm và hợp kim magnesium), hợp kim cứng và gốm, các vật
16
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 1.11. Sơ đồ ngun lí hàn ma sát khuấy.
Hình 1.12. 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 mơ
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 khơng đóng vai trị 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);
17
-
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.
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 (hình 1.13). 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 vịng của dụng cụ.
Hình 1.13. Mối hàn ma sát khuấy
Hình 1.14. Phần ngồi và trong dụng cụ:
a) Quay một hướng; b) Quay đảo chiều
a) Quay cùng chiều; b) Quay ngược chiều
Để căn chỉnh cấu tạo mối hàn cần sử dụng dụng cụ chun dùng có phần
ngồi và trong (hình 1.14). Chuyển động quay của các phần này theo các tốc độ
khác nhau có thể cùng hoặc ngược chiều. Phần ngồi 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 dụng;
18
Khơng 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.
*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; Khơng có rỗ; Khơng 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;
-
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 (dùng Robot);
-
Hàn được các hợp kim đặc biệt trong hàng không, vũ trụ.
* Nhược điểm:
-
Có hố lõm cuối đường hàn
-
Thiết bị đắt tiền
-
Cần phải đỡ ở mặt đối diện
1.1.2.6. 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
1.15). Đặc biệt nó được sử dụng để hàn nhôm thay cho hàn hồ quang và hàn điện
tiếp xúc, khi có khó khăn về cơng 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, khơng bị bắn tóe kim loại nóng chảy.
Hình 1.15. Các giai đoạn hàn điểm ma sát và cấu trúc mối hàn.
19
1.2. Tình hình nghiên cứu ma sát quay trên thế giới và khả năng phát triển ở
Việt Nam.
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
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 loại vật liệu khác nhau với đường kính nhỏ nhất là 1,6mm.
Ngày nay, hàn ma sát quay được phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu
ngày càng cao của ngành công nghiệp chế tạo. Tại các trường đại học, rất nhiều
nghiên cứu về hàn ma sát quay đã được thực hiện ở nhiều khía cạnh khác nhau. Các
vài nghiên cứu chuyên sâu về ma sát quay đã được thực hiện trên thế giới: “hiện
tượng cơ - nhiệt trong quá trình hàn ma sát đối với corundum ceramics và nhôm”
(Thermo-mechanical phenomena in the process of friction welding of corundum
20
ceramics and aluminium) do Z.Lindemann, K. Skalski, W. Wosin Ski, và J.
Zimmerman thực hiện tại khoa thiết kế chế tạo trường đại học Warsaw Phần Lan:
“Nghiên cứu hàn ma sát quán tính đối với hợp kim nickel ứng dụng trong ngành
hàng không” (inertia friction welding of nickel base superalloys for aerospace
applications) do G.J. Baxter, M. Preuss và P.J. Withers nghiên cứu tại viện nghiên
cứu vật liệu tự nhiên Manchester, Anh; “hàn ma sát đối với hợp kim nhôm và thép”
(Friction Welding of Aluminum Alloy and Steel) do H. Ochi nghiên cứu tại trung
tâm nghiên cứu Hàn, viện nghiên cứu kỹ thuật Osaka, Osaka, Nhật cùng với K.
Ogawa tại cao đẳng Tự Nhiên và Mỹ Thuật, trường đại học quận Osaka, Sakai,
Nhật;… Ngoài các vật liệu truyền thống (kim loại), ngay nay hàn ma sát quay còn
được ứng dụng trong các loại vật liệu phi truyền thống (đối với hànma sát) như
nhựa, polymer, hợp chất giữa kim loại và phi kim,… Tuy nhiên, các nghiên cứu trên
thế giới đều do các công ty hoặc hợp tác giữa công ty với các trường đại học nên
hầu hết các nghiên cứu đều không được công bố rộng rãi, đồng thời phạm vi ứng
dụng lớn nên hàn ma sát quay vẫn còn là đề tài mới mẽ đối với Việt Nam cũng như
chúng ta.
Hình 1.20. Thiết bị hàn ma sát quay của công ty Shenja
21
Hình 1.22. Thiết bị hàn ma sát quay của cơng ty Ultrametal.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở nước ta, hàn ma sát nói chung và hàn ma sát quay nói riêng vẫn cịn là lĩnh
vực mới mẽ. Chỉ có một số cơng trình nghiên cứu của đại học Nha Trang kết hợp
với Nhật đã được thực hiện: “Những kết quả bước đầu vè ứng xử mỏi của kết cấu
hàn ma sát giữa hai siêu hợp kim M247-INC718” 6]; “Tập trung biến dạng và ứng
suất trong mối hàn ma sát giữa hai siêu hợp kim M247 và INC718; “Sự phát triển
vết nứt trong mối hàn ma sát hai siêu hợp kim M240 và INC718 trong điều kiện
mỏi lão”[5]. Tuy nhiên đây cũng chỉ là những bài báo nghiên cứu về ứng xử của vật
liệu trong quá trình sử dụng cho các vật liệu đặt biệt mà chưa thật sự đi sâu vào q
trình hàn các vật liệu thơng dụng (quan hệ giữa các thông số, ứng xử của vật liệu
trong và sau khi hàn,… đây mới chính là mối quan tâm thật sự của chúng ta khi
nghiên cứu hàn ma sát quay), đồng thời không đưa ra công nghệ cũng như khả năng
ứng dụng cho các chi tiết hoặc dạng chi tiết cụ thể.
Đối với các doanh nghiệp Việt Nam, hàn ma sát là một phương pháp gia
công xa lạ. Một số doanh nghiệp có nhu cầu và khả năng đầu tư nhưng chưa mạnh
22
dạn do chưa có cơ hội tiếp cận và lo ngại về nguồn chất xám tại chổ khi họ đầu tư
cơng nghệ.
Từ những phân tích trên ta thấy rằng hàn ma sát quay là một hướng đi đầy
tiềm năng trong lĩnh vực hàn ở Việt Nam ở cả hai khía cạnh nghiên cứu và ứng
dụng. Trong tương lai gần, hàn ma sát sẽ góp phần làm đa dạng sự lựa chọn khi gia
công các chi tiết chất lượng cho ngành chế tạo Việt Nam, và góp phần đưa cơng
nghệ chúng ta dần bắt kịp công nghệ tiên tiến trên thế giới.
1.3. Ứng dụng của hàn ma sát quay.
Phương pháp hàn ma sát là phương pháp hàn nối, được ứng dụng hàn các chi
tiết chỉ cần vật liệu chất lượng cao hoặc chế tạo đặt biệt tại một vài vị trí nhằm giảm
chi phí vật liệu đầu vào. Đặt biệt các chi tiết dạng trụ chịu tải cục bộ.
Ngoài ra phương pháp hàn ma sát quay còn được ứng dụng để chế tạo các
chi tiết bán thành phẩm. Các chi tiết cần sự phối hợp cơ tính của hai loại vật liệu
khác nhau. Các chi tiết cần sự chính xác cao như van trong động cơ đốt trong, trục
cánh quạt trong ngành hàng không vũ trụ; các chi tiết chịu tải lớn như trục gát đăng,
trục bánh răng, ống chịu lực; các chi tiết trong thiết bị quốc phòng như pháo, xe
tăng, súng,…
Hàn ma sát được sử dụng thích hợp trong các trường hợp sau:
-
Chế tạo các chi tiết tiết diện trịn có bậc theo chiều dài profile (bằng cách hàn
các chi tiết thành phần từ các thanh ngắn đường kính khác nhau cùng với tiện hoặc
rèn từ một khối);
- Chế tạo các chi tiết từ hai-ba kim loại khác nhau với mục đích tiết kiệm kim
loại quý hiếm;
- Khi cần chế tạo chi tiết ở dạng tổ hợp từ các kim loại có tính chất khác nhau
nên khó liên kết hoặc không tạo ra được liên kết bằng các quá trình hàn khác.
- Trong quá trình chế tạo chi tiết có hình dáng phức tạp bằng cách hàn ma sát
các phần tử là phôi rèn, dập, đúc, hàn.
Trong một số trường hợp thiết bị để hàn ma sát khá phức tạp và đắt tiền, năng
suất cao. Cho nên hiệu quả kinh tế của hàn ma sát là áp dụng cho dạng sản xuất loạt
23
