Nghiên cứu phục hồi xupap động cơ M 530 bằng phương pháp hàn đắp

Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐOÀN THANH HƯỚNG

NGHIÊN CỨU PHỤC HỒI XUPAP ĐỘNG CƠ M–530
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN ĐẮP

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. NGUYỄN THÚC HÀ

Hà Nội – Năm 2016

HV: Đoàn Thanh Hướng

1

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tác giả dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt
kê, ngoại trừ các số liệu, các bảng, biểu đồ, công thức, đồ thị... đã được trích dẫn từ
tài liệu tham khảo, nội dung cơng bố cịn lại trong luận văn là của chính tác giả đưa

ra và chưa được cơng bố ở trong bất kỳ tài liệu nào. Nếu sai, tác giả xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2016
Tác giả

Đoàn Thanh Hướng

HV: Đoàn Thanh Hướng

2

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ...................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ ....................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................... 8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XUPAP ĐỘNG CƠ MÁY THỦY ...... 13
1.1. Khảo sát xupap động cơ máy thủy M-530. ....................................................13
1.1.1. Kết cấu của xupap động cơ M - 530 ........................................................15
1.1.1.1. Cấu tạo mặt làm việc của xupap .......................................................15
1.1.1.2. Kết cấu đỉnh nấm xupap....................................................................15
1.1.1.3. Kết cấu thân xupap ............................................................................16
1.1.1.4. Kêt cấu đuôi xupap ...........................................................................16
1.1.1.5. Cấu tạo mặt quy lat. ..........................................................................18
1.1.2. Phân tích điều kiện làm việc và những hư hỏng thường gặp của xupap .19

1.1.3. Tình hình nghiên cứu phục hồi xupap máy thủy trong và ngoài nước ....23
1.1.3.1. Các nghiên cứu trong nước: ..............................................................23
1.1.3.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ....................................................25
1.2. Nội dung nghiên cứu của đề tài. .....................................................................27
1.3. Phương pháp nghiên cứu. ...............................................................................28
1.4. Một số đóng góp khoa học mới của luận văn.................................................28
1.5. Lý do chọn đề tài. ...........................................................................................29

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHỤC HỒI XUPAP........ 32
2.1. Phân tích lựa chọn phương pháp phục hồi xupap ..........................................32
2.2. Công nghệ hàn PTA. ......................................................................................54
2.2.1. Nghiên cứu tổng quan công nghệ hàn PTA. ............................................54
2.2.1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ hàn PTA. ......................................54
2.2.1.2. Các đặc điểm của công nghệ hàn PTA. ............................................54
2.2.1.3. Nguyên lý của công nghệ hàn PTA. .................................................57
2.2.1.4. Cấu tạo một hệ thống thiết bị hàn Plasma bột. .................................59
HV: Đoàn Thanh Hướng

3

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
2.2.2. Phân tích lựa chọn thiết bị hàn thực nghiệm cho đề tài. ..........................60
2.2.3. Nghiên cứu lựa chọn vật liệu hàn ............................................................63
2.2.3.1. Phân tích, lựa chọn khí hàn. ..............................................................63
2.2.3.2. Nghiên cứu, lựa chọn bột hàn đắp ....................................................63
2.2.4. Kỹ thuật hàn Plasma bột. .........................................................................69
2.2.4.1. Ảnh hưởng của lưu lượng khí tạo hồ quang plasma và dịng điện hàn

plasma. ...........................................................................................................71
2.2.4.2. Ảnh hưởng của khoảng cách từ đầu điện cực đến bề mặt vật hàn:...73
2.2.4.3. Ảnh hưởng của kích thước hạt bột hàn đắp. .....................................74
2.2.4.4. Ảnh hưởng của lưu lượng khí bảo vệ, khí dẫn (khí mang bột). ........75
2.2.4.5. Nhiệt độ nung nóng sơ bộ: ................................................................76
2.2.4.6. Lựa chọn các thơng số chế độ công nghệ hàn. .................................77

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHỤC HỒI XUPAP M530 ............................................................................................................. 78
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀN ĐẮP PLASMA BỘT ............................. 78
3.1. Xác định các đặc tính của xupap M-530. .......................................................78

3.1.1. Phân tích thành phần hóa học xupap M-530................................... 78
3.1.2. Xác định cơ tính của xupap M-530. ........................................................81
3.1.3. Xác định kích thước của xupap M-530. ..................................................83
3.2. Quy trình cơng nghệ phục hồi xupap. ............................................................84
3.2.1. Mơ tả chung. ............................................................................................84
3.2.2. Quy trình phục hồi xupap ........................................................................84
3.2.2.1. Các điều kiện hàn ..............................................................................84
3.2.2.2. Tạo bề mặt lớp đắp ............................................................................89
3.2.2.3. Xử lý nhiệt truớc khi hàn ..................................................................90
3.2.2.4. Thực hiện hàn đắp PTA ....................................................................91
3.2.2.5. Xử lý nhiệt sau khi hàn .....................................................................94
3.2.2.6. Gia công cơ sau khi hàn hoàn thiện ..................................................97

CHƯƠNG 4: KIỂM TRA TỔ CHỨC, ĐỘ CỨNG CỦA SẢN PHẨM. 104
HV: Đoàn Thanh Hướng

4

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà

Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
4.1. Nghiên cứu tổ chức kim loại mối hàn đắp phục hồi xupap. .........................104
4.1.1. Chuẩn bị mẫu. ........................................................................................104
4.1.2. Tổ chức tế vi vùng kim loại mối hàn. ....................................................104
4.1.3. Tổ chức tế vi vùng kim loại cơ bản. ......................................................105
4.1.4. Tổ chức tế vi vùng giáp ranh giữa kim loại cơ bản và kim loại mối hàn .......106
4.2. Độ cứng của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt. ..........................................107
4.2.1. Độ cứng kim loại vùng mối hàn ............................................................107
4.2.2. Độ cứng kim loại vùng ranh giới giữa mối hàn với kim loại nền. ........108
4.2.3. Độ cứng kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt. ..............................................109
Kết luận chương 4: ..............................................................................................109

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ ................................................................... 110
Kết luận: ..............................................................................................................110
Kiến nghị: ............................................................................................................110

TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................... 112
TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT .....................................................................................112
TÀI LIỆU TIẾNG ANH......................................................................................113

PHỤ LỤC ................................................................................................ 117

HV: Đoàn Thanh Hướng

5

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà

Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

PTA

Plasma Transferred Arc

Hàn hồ quang Plasma bột

HVOF

High Velocity Oxy-Fuel

Phun nhiệt khí

PAW

Plasma Arc Welding

Hàn plasma

PWHT

Post Weld Heat Treatment

Xử lý nhiệt sau khi hàn

VAHN

Heat Affected Zone

Vùng ảnh hưởng nhiệt

TIG

Tungsten Inert Gas

MIG

Metal Inert Gas

SAW

Submerged Arc Welding

HV: Đoàn Thanh Hướng

Hàn bằng điện cực khơng nóng
chảy trong mơi trường khí trơ
Hàn bằng điện cực nóng chảy trong
mơi trường khí trơ

6

Hàn tự động dưới lớp thuốc

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ
Bảng 2. 1: Bột hàn nền Co của hãng Deloro Stellite. ...............................................65
Bảng 2. 2: Vật liệu bột của hãng Castolin – Thụy điển ............................................66
Bảng 2. 3: Vật liệu bột của hãng Daido – Nhật ........................................................66
Bảng 2. 4: Vật liệu bột của hãng Mishubishi – Nhật ................................................67
Bảng 2. 5: Vật liệu bột của hãng Eutectic – Mỹ .......................................................67
Bảng 2. 6: Vật liệu bột nền Co của hãng Bohler: .....................................................68
Bảng 2. 7: Vật liệu bột nền Co của hãng carpenter – Mỹ.........................................68
Bảng 2. 8: Vật liệu bột của Trung Quốc ...................................................................69

Bảng 3. 1: Thành phần hóa học của xupap mẫu (các nguyên tố chủ yếu). ..............79
Bảng 3. 2: Thành phần hóa học cơ bản của thép 40X9C2 .......................................79
Bảng 3. 3: Cơ tính của thép hợp kim bền nóng 40X9C2. .........................................79
Bảng 3. 4: Kết quả đo độ cứng kim loại nền .............................................................82
Bảng 3. 5: Thông số chế độ hàn. ...............................................................................89

Bảng 4. 1: Kết quả đo độ cứng của mối hàn. ..........................................................108
Bảng 4. 2: Kết quả đo độ cứng vùng ranh giới giữa kim loại mối hàn với kim loại cơ
bản. ..........................................................................................................................108
Bảng 4. 3: Kết quả đo độ cứng kim loại vùng AHN của mối hàn. ..........................109

HV: Đoàn Thanh Hướng

7

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1 1: Động cơ 4 kỳ của tàu thủy ........................................................................13
Hình 1 2: Các bộ phận chính của cơ cấu sinh cơng trong động cơ ...........................13
Hình 1 3: Sơ đồ chu trình đóng mở của xupap động cơ đốt trong 4 kỳ [07] ............14
Hình 1 4: Hình ảnh phóng đại khi cắt ngang bề mặt làm việc xupap [17] ...............14
Hình 1 5:Một số kết cấu đỉnh xupap (đỉnh nấm) ......................................................16
Hình 1 6: Một sơ kết cấu đi xupap ........................................................................17
Hình 1 7: Các quy định chuẩn về kích thước của xupap [30] ...................................17
Hình 1 8: Cấu tạo xupap............................................................................................18
Hình 1 9: Hình ảnh của mặt quy lát ..........................................................................19
Hình 1 10: sơ đồ phân bố nhiệt độ của xupap khi làm việc [15] ..............................19
Hình 1 11: Chu trình nhiệt của động cơ đốt trong [32].............................................19
Hình 1 12: Hình ảnh xupap mịn mặt cơn .................................................................21
Hình 1 13: Rỗ bề mặt tiếp xúc vơi buồng đốt ...........................................................21
Hình 1 14: Hình ảnh xupap bị mẻ phần đỉnh nấm ....................................................22
Hình 1 15: Hình ảnh xupap bị cháy thủng ................................................................23
Hình 1 16: Mẫu xupap đã qua sử dụng .....................................................................27
Hình 1 17: Mẫu xupap mới .......................................................................................27
Hình 2 1: Đầu phun hồ quang điện ...........................................................................34
Hình 2 2: Sơ đồ thiết bị phun hồ quang điện ............................................................35
Hình 2 3: Sơ đồ nguyên lý thiết bị phun phủ ngọn lửa .............................................36
Hình 2 4: Sơ đồ súng phun khí-bột kim loại ROTOTEC-80 (Thuỵ Sỹ) ...................36
Hình 2 5: Nguyên lý phun phủ plasma .....................................................................37

Hình 2 6: Nguyên lý hàn hồ quang tay .....................................................................41
Hình 2 7: Sơ đồ nguyên lý của máy hàn tự động ......................................................42
Hình 2 8: Sơ đồ nguyên lý hàn TIG ..........................................................................43
HV: Đoàn Thanh Hướng

8

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
Hình 2 9: Sơ đồ máy hàn tự động trong mơi trường khí bảo vệ ...............................45
Hình 2 10: Hàn hồ quang Plasma ..............................................................................46
Hình 2 11: So sánh hai phương pháp PTA và PAW .................................................48
Hình 2 12: Quá trình hàn PTA ..................................................................................49
Hình 2 13: Sự phân bố nhiệt ở các vùng của hồ quang hàn plasma .........................50
Hình 2 14: Lớp đắp của hai công nghệ hàn PAW và PTA .......................................55
Hình 2 15: Phân bố nhiệt hồ quang của hàn TIG và PTA [40] .................................56
Hình 2 16: Sơ đồ nguyên lý cơng nghệ hàn Plasma bột [49]....................................58
Hình 2 17: Sự tham gia của kim loại.........................................................................59
Hình 2 18: Hình ảnh mặt cắt ngang lớp đắp bằng cơng nghệ PTA [41] ...................59
Hình 2 19: Sơ đồ hệ thống hàn Plasma bột [53] .......................................................60
Hình 2 20: Các loại mỏ hàn phân loại theo cơng dụng .............................................61
Hình 2 21: Bộ cấp bột EP2 ........................................................................................62
Hình 2 22: Hệ thống hút khói hàn .............................................................................62
Hình 2 23: Hệ thống di chuyển và tạo dao động ngang đầu mỏ hàn ........................63
Hình 2 24: Phần tham gia của kim loại cơ bản khi hàn đắp plasma bột ...................70
Hình 2 25: Ứng dụng điển hình của cơng nghệ hàn Plasma bột ...............................70
Hình 2 26: Mặt cắt chiều sâu ngấu của lớp đắp ........................................................71
Hình 2 27: Ảnh hưởng của dịng điện plasma, lưu lượng khí plasma, tỷ lệ bột đắp

tới sự hịa tan của kim loại mối hàn ..........................................................................72
Hình 2 28: Ảnh hưởng của lưu lượng khí tạo hồ quang Plasma đến hình dạng lớp
đắp và sự hịa tan kim loại bột ..................................................................................73
Hình 2 29: Ảnh hưởng của khoảng cách làm việc đến sự hịa tan kim loại..............74
Hình 2 30: Ảnh hưởng của kích thước bột hàn đắp tới độ cứng và sự hịa tan ........75
Hình 2 31: So sánh tính chất lớp đắp của hai loại hình dạng bột đắp khác nhau .....76

Hình 3 1: Thiết bị phân tích thành phần hóa học kim loại PMI-MASTER PRO .....78
Hình 3 2: Vết phân tích trên xupap ...........................................................................78
Hình 3 3: Quan hệ của CE theo hàm lượng % các nguyên tố của vật liệu ...............80
HV: Đoàn Thanh Hướng

9

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
Hình 3 4: Máy đo độ cứng Struers Duramin .............................................................82
Hình 3 5: Các vị trí kiểm tra độ cứng trên kim loại nền mẫu xupap.........................82
Hình 3 6: Máy đo ba chiều 3D MEASUIE_CE-450 .................................................83
Hình 3 7: Quy trình cơng nghệ hàn đắp phục hồi xupap ..........................................84
Hình 3 8: Nguồn hàn .................................................................................................85
Hình 3 9: Các loại mỏ hàn phân loại theo chức năng ...............................................86
Hình 3 10: Bảng điều khiển cầm tay .........................................................................86
Hình 3 11: Hệ thống chai khí và địng hồ đo lưu lượng ...........................................87
Hình 3 12: Hình đồ gá hai trục quay .........................................................................87
Hình 3 13: Hình ảnh sau khi tiện xupap xuống 2-3mm ............................................90
Hình 3 14: Hình súng bắn nhiệt ................................................................................91
Hình 3 15: Hình ảnh mỏ nung ...................................................................................91

Hình 3 16: Hình thanh thép trịn sau khi hàn đính ....................................................91
Hình 3 17: Hình vành tản nhiệt sau khi hàn đính......................................................92
Hình 3 18: Hình mỏ nung..........................................................................................92
Hình 3 19: Hình đồ gá 2 trục xoay ............................................................................93
Hình 3 20: Hình ảnh xupap sau khi hàn đắp .............................................................93
Hình 3 21: Sơ đồ chu trình xử lý nhiệt sau khi hàn đắp............................................96
Hình 3 22: Hình cắt bỏ vành tản nhiệt sau khi hàn ...................................................97
Hình 3 23: Hình ảnh chấu kẹp thủy lực ....................................................................98
Hình 3 24: Hình ảnh dao cắt .....................................................................................98
Hình 3 25: Mài mặt cạnh của xupap .........................................................................99
Hình 3 26: Hình ảnh máy tiện .................................................................................100
Hình 3 27: Hình ảnh máy mài xupap ......................................................................100
Hình 3 28: Hình ảnh mỏ nung .................................................................................101
Hình 3 29: Hình ảnh q trình gia cơng lớp đắp bằng máy tiện .............................101
Hình 3 30: Đồ gá hai trục quay ...............................................................................101
Hình 3 31: Hình ảnh sau khi tiện xong ...................................................................101
Hình 3 32: Hình ảnh hệ thống hàn Plasma bột .......................................................102
HV: Đoàn Thanh Hướng

10

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
Hình 3 33: Hình ảnh xupap sau khi gia cơng xong .................................................102

Hình 4 1: Tổ chức tế vi vùng kim loại mối hàn ......................................................105
Hình 4 2: Cấu trúc kim loại vùng kim loại cơ bản. .................................................105
Hình 4 3: Cấu trúc kim loại tiếp giáp vùng kim loại cơ bản ...................................106

Hình 4 4: Cấu trúc kim loại vùng ranh giới giữa mối hàn với kim loại nền (OM,
x200)........................................................................................................................106

HV: Đoàn Thanh Hướng

11

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp

LỜI MỞ ĐẦU
Trong công cuộc đổi mới đất nước hiện nay, cơng nghiệp hố và hiện đại hố
là vấn đề được đặt lên hàng đầu. Trong đó, ngành cơng nghiệp cơ khí nói chung đã
có những bước phát triển vượt bậc, tuy nhiên phần lớn máy móc và thiết bị phục vụ
trong ngành cơ khí lại được sản xuất và nhập khẩu từ nước ngồi, có nhiều chủng
loại khác nhau. Trong q trình vận hành có thể xảy ra những sự cố hỏng hóc chi
tiết, nên chi phí để thay thế và sửa chữa sẽ rất lớn do chúng ta phải nhập chi tiết từ
nước ngoài hoặc làm mới hồn tồn.
Việc áp dụng các cơng nghệ khác nhau vào việc phục hồi các thiết bị chi tiết
máy để giảm giá thành là rất cần thiết. Hàn và hàn đắp là một trong các cơng nghệ
chủ yếu đóng vai trò quan trọng trong nhiệm vụ này, qua kinh nghiệm và số liệu
tổng kết trong thực tế, chi tiết được phục hồi bằng công nghệ hàn chiếm tỷ trọng lớn
số chi tiết của ôtô, máy kéo, tàu thủy, thiết bị cơ khí… cần sửa chữa, mang lại hiệu
quả kinh tế rất lớn trong sản xuất.
Với đề tài “Nghiên cứu phục hồi xupap động cơ M – 530 bằng công nghệ
hàn đắp”. Đây là một đề tài thực tế, có tính ứng dụng cao. Trong thời gian thực
hiện tác giả đã có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian và kiến thức cịn nhiều hạn
chế. Vì vậy, bản luận văn của tác giả cịn tồn tại nhiều thiếu sót, tác giả mong nhận

được sự góp ý của các thầy và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo trong bộ môn Hàn và Công nghệ kim
loại của trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ, chỉ bảo những kiến thức
chuyên môn trong thời gian vừa qua, đặc biệt là thầy hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn
Thúc Hà, đã rất nhiệt tình và tạo mọi điều kiện giúp đỡ để tác giả có thể hồn thành
luận văn một cách tốt nhất.

HV: Đoàn Thanh Hướng

12

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XUPAP ĐỘNG CƠ MÁY THỦY
1.1. Khảo sát xupap động cơ máy thủy M-530.
Giới thiệu xupap:
Xupap là một trong các bộ phận rất quan trọng của cơ cấu phối khí đối với
các động cơ đốt trong 4 kỳ sử dụng cơ cấu phối khí cam - xupap hoặc cơ cấu phối
khí trục cam – con đội - xupap. Đối với tàu thủy, quá trình hoạt động của chúng trên
biển lại càng quan trọng. Một trong số các bộ phận rất quan trọng của tàu là phần
động cơ. Động cơ đốt trong của máy tàu thủy sẽ sinh ra một lượng công (năng
lượng) rất lớn giúp cho các tàu thắng được sức cản của nước và tự trọng. Để thực
hiện q trình sinh cơng này, đó sẽ là một chu trình khép kín bao gồm hai hoặc bốn
quá trình. Đối với động cơ đốt trong 4 kỳ đó là 4 q trình “hút – nén – nổ - xả”.

Hình 1 1: Động cơ 4 kỳ của tàu thủy

Hình 1 2: Các bộ phận chính của cơ

cấu sinh công trong động cơ

Trong động cơ 4 kỳ nói chung và các động cơ tàu thủy nói riêng, việc nạp
mơi chất và thải sạch khí thải được thực hiện bởi các xupap hút và xupap xả.

HV: Đoàn Thanh Hướng

13

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp

Hình 1 3: Sơ đồ chu trình đóng mở của xupap động cơ đốt trong 4 kỳ [07]
Chiều rộng mặt
làm việc của
quy lát
Mặt làm việc
của quy lát

Chiều rộng
mặt làm việc
của xupap
Mặt làm việc
của xupap

Góc vát của
quy lát (450)

Góc vát
của xupap
(450)

Mặt quy lát
Diện tích
Tiếp xúc

Nâng
xupap

Xupap

Hình 1 4: Hình ảnh phóng đại khi cắt ngang bề mặt làm việc xupap [17]
Từ sơ đồ trên hình 1.3 ta thấy:
+ Các vị trí: 1 - Vị trí mở xupap nạp; 2 - Vị trí đóng xupap nạp; 3’ - Vị trí phun
nhiên liệu; 3 - Vị trí điểm chết trên; 4 - Vị trí cuối q trình cháy; 5’ - Vị trí mở
xupap thải; 6 - Vị trí đóng xupap thải.
HV: Đồn Thanh Hướng

14

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
+ Các góc φ: φ1 - Góc mở sớm của xupap nạp; φ2 - Góc đóng muộn của xupap nạp;
φ1-2 - Tồn bộ góc mở của xupap nạp; φ3 - Góc phun sớm; φ2-3 - Góc ứng với q
trình nén; φ3-4-5 - Góc ứng với q trình cháy và q trình giãn nở; φ5 - Góc mở
sớm của xupap thải; φ6 - Góc đóng muộn của xupap thải; φ5-6 - Tồn bộ góc mở của

xupap thải; φ1+ φ6 - Góc trùng của xupap thải và xupap nạp.
1.1.1. Kết cấu của xupap động cơ M - 530
1.1.1.1. Cấu tạo mặt làm việc của xupap
Mặt làm việc của xupap (nấm) là mặt cơn, góc cơn có thể thay đổi từ 15 –
450. Thơng thường góc cơn khoảng 40 – 450. Khi góc cơn càng nhỏ thì tốc độ lưu
thơng của dịng khí càng lớn, tuy nhiên khi góc cơn nhỏ thì mặt nấm càng mỏng, độ
cứng vững của mặt nấm càng kém do đó dễ bị cong vênh, tiếp xúc khơng kín khít
với đế xupap. Góc của mặt cơn trên nấm xupap thường làm nhỏ hơn góc cơn mặt
trên đế xupap khoảng 0,5 – 10 để xupap có thể tiếp xúc với đế theo vịng trịn ở mép
ngồi của mặt côn (nếu như mặt đế xupap rộng hơn mặt côn của xupap). Làm như
thế có đảm bảo tiếp xúc kín khít dù mặt nấm có bị biến dạng nhỏ.
1.1.1.2. Kết cấu đỉnh nấm xupap
Nấm bằng: Ưu điểm của loại nấm này là chế tạo đơn giản, có thể dùng cho
cả xupap nạp và xupap xả. Do đó đại đa số các loại động cơ dùng loại này.
Nấm lõm: Xupap nấm lõm có đặc điểm là bán kính góc lượn giữa phần thân
xupap và phần nấm là rất lớn. Kết cấu này có thể cải thiện được tình trạng lưu thơng
của dịng khí nạp vào xilanh đồng thời có thể tăng được độ cứng vững cho phần
nấm xupap. Để giảm trọng lượng của xupap khi tăng bán kính góc lượn, mặt dưới
của nấm được khoét lõm sâu vào thành dạng loa kèn. Nhược điểm của xupap lõm là
chế tạo khó và mặt chịu nhiệt của xupap lớn, xupap dễ bị quá nóng. Xupap lõm
thường dùng làm xupap nạp của động cơ máy bay và một số động cơ cường hóa.

HV: Đồn Thanh Hướng

15

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp

Nấm lồi: Dạng nấm lồi cải thiện được tình trạng lưu động của dịng khí thải
(vì bề mặt nấm lồi lên, nên hạn chế tối đa mức độ tạo thành dịng khí xốy khi thải
khí). Vì vậy xupap thải của tất cả các động cơ cường hóa đều làm theo nấm dạng
lồi. Để giảm trọng lượng của nấm, người ta cịn thường kht phía trên phần nấm.
Nhược điểm chủ yếu của loại này là khó chế tạo và bề mặt chịu nhiệt lớn.

Hình 1 5:Một số kết cấu đỉnh xupap (đỉnh nấm)
1.1.1.3. Kết cấu thân xupap
Thân xupap có nhiệm vụ dẫn hướng xupap. Thân xupap có đường kính vào
khoảng 0,16 – 0,25 lần đường kính đỉnh nấm. Khi trực tiếp dẫn động xupap lực
nghiêng tác dụng lên thân xupap lớn nhất nên đường kính có thể tăng lên đến 0,3 –
0,4 lần đường kính nấm xupap. Để tránh hiện tượng xupap bị kẹt trong ống dẫn
hướng khi bị đốt nóng, đường kính của thân xupap ở phần nối tiếp với nấm xupap
thường được làm nhỏ một ít hoặc khoét rộng lỗ của ống dẫn hướng phần này. Chiều
dài của thân xupap phụ thuộc vào cách bố trí xupap, nó thường nằm trong khoảng
2,5 – 3,5 đường kính nấm xupap.
1.1.1.4. Kêt cấu đi xupap
Đi xupap phải có kết cấu để lắp đĩa lị xo xupap. Thơng thường đi xupap
có mặt cơn hoặc rãnh vịng để lắp móng hãm. Kết cấu đơn giản nhất để lắp đĩa lò xo
là dùng chốt, tuy nhiên nó lại có nhược điểm là tạo ra ứng suất tập trung. Để đảm
bảo an toàn chốt phải được chế tạo bằng vật liệu có sức bền cao. Để tăng khả năng
HV: Đoàn Thanh Hướng

16

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
chịu mài mịn, bề mặt đi xupap ở một số động cơ được tráng lên một lớp thép hợp

kim cứng hoặc chụp vào phần đuôi một nắp bằng thép hợp kim cứng.

Hình 1 6: Một sơ kết cấu đi xupap

Hình 1 7: Các quy định chuẩn về kích thước của xupap [30]

HV: Đoàn Thanh Hướng

17

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp

Rãnh chặn

Đuôi xupap

Thân xupap
Bạc trượt
Rãnh lượn
Mặt làm việc

Cạnh nấm

Mặt tiếp xúc buồng
đốt
Hình 1 8: Cấu tạo xupap
1.1.1.5. Cấu tạo mặt quy lat.

Mặt làm việc của quy lát thông thường có cấu tạo từ loại vật liệu chịu mài
mịn và dai va đập. Đồng thời để giúp cho quá trình tiếp xúc của xupap và mặt của
nó trong q trình làm việc mặt làm việc của quy lát có ba mức cơn khác nhau.
Trong đó mức cơn trung bình của ba mức côn sẽ là một lớp hợp kim bột có khả
năng chịu mài mịn và chịu được độ dai va đập. Thông thường cũng như bề mặt làm
việc của xupap, bề mặt côn này được đắp bằng một loại bột hợp kim (có thể là nền
Co, Ni, Cr) bằng cơng nghệ hàn Plasma bột hoặc Laser bột. Góc côn của mặt quy
lát sẽ lớn hơn một chút so với góc cơn của xupap để hướng xu thế tiếp xúc điểm
điều đó sẽ làm cho q trình tiếp xúc tốt và động cơ không bị “tụt hơi”. Điều này
cũng giải thích cho việc tại sao các xupap bị mịn thường có dạng rãnh cong có bán
kính hướng ra ngồi xupap. Quá trình làm việc do mặt quy lát thường ít bị mịn hơn
mặt làm việc của xupap. Do đó chủ yếu phục hồi bề mặt làm việc của xupap sau đó
mài lại mặt làm việc của quy lát để xác định lại góc cơn sao cho phù hợp với góc
cơn của van đã phục hồi.

HV: Đồn Thanh Hướng

18

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
Mặt chịu va đập

Hình 1 9: Hình ảnh của mặt quy lát
1.1.2. Phân tích điều kiện làm việc và những hư hỏng thường gặp của xupap
Xupap, đặc biệt là xupap xả làm việc trong điều kiện khắc nghiệt: nhiệt độ
cao, môi trường làm việc xảy ra các phản ứng hóa học của mơi chất, các phản ứng
cháy, phản ứng ơxy hóa,…. thơng thường: áp suất làm việc khoảng 15Mpa, nhiệt độ

cao nhất khoảng 7500 - 8100C đối với van xả và khoảng 3400 – 4000C đối với bề
mặt tiếp xúc của quy lat và xupap.

Hình 1 10: sơ đồ phân bố nhiệt độ của

Hình 1 11: Chu trình nhiệt của động cơ

xupap khi làm việc [15]

đốt trong [32]

HV: Đoàn Thanh Hướng

19

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
Nhiệt độ cao nhất của van xả tập trung chủ yếu tại đỉnh van phía trong bề
mặt tiếp xúc với buồng đốt như hình 1.10. Để nghiên cứu về độ bền mỏi của xupap
người ta thường sử dụng hai thơng số đó là ứng suất lớn nhất tác dụng và số chu kỳ
tác dụng. Đặc trưng cho độ bền mỏi của xupap là đường cong mỏi thể hiện mối liên
hệ của ứng suất lớn nhất và chu kỳ chịu tải.
Từ hình 1.11 cho chúng ta thấy: Ở thời điểm đầu, khi van hút bắt đầu đóng
nghĩa là chu trình làm việc của động cơ đốt trong bắt đầu thì nhiệt độ trong xilanh
lúc đó chỉ khoảng 370C. Trong khi đó đến giai đoạn cuối của chu trình khi van xả
mở để thải mơi chất và các khí thải ra ngồi thì nhiệt độ của buồng đốt là rất cao,
khoảng 11500C. Cũng từ hình 1.11 cho chúng ta thấy: các xupap xả luôn làm việc
trong điều kiện nhiệt độ cao, khắc nghiệt nên thường xuyên bị mòn hoặc hỏng. Làm

việc trong điều kiện khắc nghiệt và nhiệt độ cao nên xupap, đặc biệt là xupap xả
thường xuất hiện một số dạng hỏng như sau:
Mịn mặt cơn (mặt tiếp xúc trực tiếp với quylat): Dạng hỏng này chủ yếu là
do chu kỳ va đập liên tục của hai chi tiết với áp lực lớn. Đồng thời do bề mặt quylat
thường được chế tạo bằng thép hợp kim hoặc gang đúc có độ cứng cao hơn so với
mặt cơn của nấm. Sau một khoảng thời gian làm việc, dưới tác dụng của tải trọng
biến đổi có chu kỳ thì van sẽ bị mỏi. Khi đạt đến giới hạn mỏi thì sẽ bị phá hủy gây
ra hư hỏng cần phải sửa chữa hoặc thay thế. Đây là dạng hư hỏng phổ biến nhất,
diễn ra nhanh, đặc biệt với các loại xupap không được kiểm sốt chặt chẽ trong quy
trình nhiệt luyện sau khi chế tạo. Với các loại hỏng này, thông thường ở các nước
tiên tiến sẽ thực hiện hàn đắp phục hồi. Đối với một số nước như Việt Nam, do
chưa có điều kiện để thực hiện hàn đắp phục hồi sẽ là thay thế xupap mới hoặc gửi
qua nước ngoài để phục hồi. Khi xảy ra hiện tượng mòn mặt côn sẽ làm giảm khả
năng sinh công và “tụt hơi” làm giảm khả năng làm việc của tàu. Ngoài ra q trình
mịn sẽ làm thay đổi thời gian đóng mở xupap làm ảnh hưởng đến khoảng thời gian
cháy giãn nở sinh công. Là dạng hư hỏng thường xuyên nhất, diễn ra có chu kỳ.

HV: Đồn Thanh Hướng

20

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp

Hình 1 12: Hình ảnh xupap mịn mặt côn
Rỗ bề mặt tiếp xúc với buồng đốt: Nguyên nhân chính của dạng hư hỏng này
chính là do buồng đốt có nhiệt độ rất cao khi cháy và nổ. Dung mơi là những chất
khi cháy sinh ra các loại khí ở điều kiện nhiệt độ cao tác dụng với mặt đáy nấm

xupap sẽ xảy ra các phản ứng hóa học ăn mòn bề mặt làm xuất hiện các vết rỗ (các
phản ứng cháy, oxi hóa). Tuy nhiên dạng hỏng này thường diễn ra chậm, có thể
kiểm sốt và dự đốn được.

Hình 1 13: Rỗ bề mặt tiếp xúc vơi buồng đốt
Mẻ phần đỉnh nấm xupap: Đây là hiện tượng hỏng hóc rất nguy hiểm, khi
xảy ra hiện tượng này rất có thể dẫn đến phá hủy các chi tiết máy liên quan hoặc
làm hỏng động cơ. Đối với trường hợp này thơng thường phải thay xupap mới.
HV: Đồn Thanh Hướng

21

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
Dạng hỏng này của xupap có cơ chế của phá hủy mỏi chi tiết máy. Quá trình va đập
liên tục với mặt quy lat sẽ làm xuất hiện các vết nứt tế vi, các vết nứt phát triển sẽ
tăng dần kích thước tới một giới hạn nhất định sẽ phá hủy kết cấu.

Hình 1 14: Hình ảnh xupap bị mẻ phần đỉnh nấm
Mòn cổ trục phần tiếp xúc với đỉnh nấm xupap: Nguyên nhân của hiện tượng
này chủ yếu do quá trình làm việc xupap liên tục được đóng mở do đó phần thân
này sẽ tiếp xúc với bạc trượt (bạc dẫn hướng). Quá trình tiếp xúc lâu do ma sát và
nhiệt độ cao dẫn tới hiện tượng mịn cổ trục. Thơng thường dạng hỏng này cũng có
thể được khắc phục bằng công nghệ hàn đắp.
Cháy thủng phần đỉnh valve (đỉnh nấm): Đây là dạng hư hỏng có nguyên
nhân là do quá trình làm việc lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt sẽ bị rỗ (xảy ra các
phản ứng hóa học, phản ứng ăn mịn điện hóa trong điều kiện nhiệt độ cao), ngồi ra
cịn phải kể tới xung lực của áp suất trong một khoảng thời gian rất ngắn và cường

độ rất mạnh liên tục đập vào bề mặt đỉnh nấm sẽ làm xuất hiện các vết nứt tế vi
dưới điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ cũng như có sự xuất hiện của các mơi chất sẽ
làm các vết nứt lớn dần lên và gây ra hiện tượng cháy thủng. Đây là một trong số
các dạng hỏng có thể dự đốn và biết trước được thời gian thay thế.

HV: Đoàn Thanh Hướng

22

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp

Hình 1 15: Hình ảnh xupap bị cháy thủng
1.1.3. Tình hình nghiên cứu phục hồi xupap máy thủy trong và ngoài nước
Xuất phát từ nhu cầu thực tế trong nước, hằng năm các công ty vận tải biển,
các tập đồn và tổng cơng ty đóng tàu phải nhập khẩu số lượng lớn xupap với số
tiền không nhỏ. Đồng thời tại Việt Nam hiện nay đã có nhiều thiết bị hàn tiên tiến,
đặc biệt là thiết bị hàn Plasma bột (PTA) và đội ngũ các nhà khoa học, các nhà
nghiên cứu cũng như phương tiện thơng tin để có thể nghiên cứu và hàn đắp – phục
hồi các chi tiết máy.
1.1.3.1. Các nghiên cứu trong nước:
Hiện nay tại Việt Nam theo các nguồn thông tin của tác giả biết thì có khơng
nhiều cơng trình nghiên cứu của các nhà khoa học tại các trường Đại học hay Viện
Nghiên cứu cho hướng của đề tài này. Mới có một số rất ít các cơng trình nghiên
cứu, bài báo khoa học, luận án về công nghệ hàn đắp hoặc phun phủ ứng dụng đắp
cứng bề mặt cho các chi tiết máy có điều kiện làm việc tương tự như bề mặt làm
việc của xupap bằng các công nghệ khác. Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, công ty
CP Việt Long – Hải Phịng, cơng ty TNHH Trường Phát - KCN Quang Minh - Hà

Nội,… đã có hệ thống thiết bị hàn Plasma bột (PTA), tuy nhiên hầu như chưa được
khai thác và sử dụng nhiều.
Trên cơ sở tìm hiểu, tổng hợp, nghiên cứu và phân tích tác giả nhận thấy như sau:
+ Bộ môn Hàn và Công nghệ kim loại – Viện Cơ khí – ĐH Bách Khoa Hà
Nội hằng năm thực hiện và triển khai nhiều các đề tài nghiên cứu khoa học các cấp.
Trong đó cũng có những đề tài nghiên cứu về lĩnh vực hàn đắp và phun phủ bằng
HV: Đoàn Thanh Hướng

23

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
các công nghệ hàn truyền thống như: hàn hồ quang tay, hàn tự động dưới lớp thuốc,
hàn điện xỉ... Tuy nhiên về các nghiên cứu ứng dụng các công nghệ hàn đắp – phục
hồi tiên tiến như: Plasma bột, Laser bột, … cho việc đắp – phục hồi các chi tiết máy
nói chung và xupap tàu thủy nói riêng thì chỉ có rất ít cơng trình nghiên cứu về lĩnh
vực này.
Năm 2004, đề tài khoa học mã số VLIR-HUT PJ04 thuộc chương trình hợp
tác giữa trường Đại học Bách khoa Hà Nội với cộng đồng các trường đại học khối
Flemish – Vương quốc Bỉ “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn đắp Plasma bột để
chế tạo các dụng cụ cắt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn và va đập cao” do
PGS.TS. Bùi Văn Hạnh (Bộ môn Hàn và Cơng nghệ kim loại, Viện Cơ khí, Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội) làm chủ nhiệm đã nghiên cứu quá trình hàn PTA ứng
dụng tạo phần lưỡi cắt của dao chặt mảnh sử dụng trong ngành công nghiệp sản
xuất bột giấy ở Việt Nam.
Năm 2011, TS. Hoàng Văn Châu (Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Cơng
Thương) đã thực hiện đề tài cấp Nhà nước, mã số ĐT-PTNTĐ.2011-G/08 “Nghiên
cứu ứng dụng công nghệ hàn plasma để chế tạo và phục hồi các chi tiết máy”. Đề

tài đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn PTA để phục hồi Dao xén giấy và Xupap
máy thủy bằng hợp kim bột WC104 của hãng Praxair Tafa.
Năm 2014, Thạc Sĩ Nguyễn Văn Anh đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu, phục
hồi bề mặt làm việc của xupap bằng công nghệ hàn Plasma bột” Đề tài đã nghiên
cứu, phân tích và lựa chọn được loại bột hàn sử dụng chế tạo lớp đắp cứng bề mặt,
lựa chọn được bộ thông số công nghệ hàn hợp lý trong điều kiện làm việc của
xupap, nhưng nội dung còn chung chung cho các loại xupap mà chưa cụ thể phục
hồi cho loại xupap nào.
Năm 2015, NCS Ngô Hữu Mạnh đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu tạo lớp
đắp chịu mài mòn trên nền thép các bon bằng công nghệ hàn plasma bột“ Đề tài đã
nghiên cứu chế tạo và phục hồi các dạng chi tiết làm việc trong mơi trường chịu mài
mịn ở điều kiện khơ.

HV: Đồn Thanh Hướng

24

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà


Nghiên cứu, phục hồi xupap động cơ M-530 bằng công nghệ hàn đắp
Trong những năm gần đây, do nhu cầu của thị trường, một số Doanh nghiệp
đã đầu tư thiết bị hàn PTA để sản xuất, chế tạo và phục hồi một số sản phẩm cơ khí
với yêu cầu kỹ thuật cao sử dụng trong các ngành công nghiệp như khai khống, xi
măng, giấy, dầu khí, mía đường, xây dựng, hóa chất,...Trong tương lai, PTA chắc
chắn sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn và có vị trí rõ ràng hơn.
1.1.3.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới, cũng đã có những cơng trình nghiên cứu về lĩnh vực hàn đắp,
phục hồi bề mặt các chi tiết máy bị hư hỏng cũng như chế tạo lớp đắp cứng bằng
công nghệ hàn Plasma bột. Hiện nay, trên thế giới điển hình là các nước có nền

cơng nghiệp và cơng nghệ hàn phát triển. Đứng đầu là Thụy Điển với tập đoàn
Castolin, hằng năm tập đoàn cung cấp cho thế giới một số lượng thiết bị, vật liệu
hàn Plasma bột rất lớn để phục hồi và chế tạo các chi tiết máy trong đó có việc phục
hồi xupap. Cũng cần kể đến Nhật Bản với hãng Mishubishi. Là một trong số các
hãng chế tạo và sản xuất bột cho hàn PTA hàng đầu trên thế giới với hai loại bột
điển hình là MS06 và MS1016 ứng dụng cho hàn đắp phục hồi các chi tiết máy. Ưu
điểm của loại bột này đó là giá thành rẻ hơn so với bột của Đức cịn chất lượng thì
chấp nhận được. Trong những năm trở lại đây Trung Quốc cũng đã, đang và sẽ
đóng góp thị phần nhiều hơn nữa trong lĩnh vực cung cấp vật liệu hàn nói chung và
bột hàn PTA nói riêng.
Tập đồn Welding alloy đã ứng dụng rất thành cơng công nghệ PTA cho
việc phục hồi các chi tiết máy, chế tạo các lớp đắp cứng bề mặt của các chi tiết có
điều kiện làm việc liên tục và nhiệt độ cao như: xupap, trục khuỷu, bề mặt cam, dao
xén, băm giấy, khuôn trong ngành gia công áp lực.
Trên thế giới cũng đã có những bào báo khoa học, cơng trình nghiên cứu và
một số luận văn nghiên cứu về công nghệ hàn cho phục hồi chi tiết máy và nghiên
cứu những dạng hỏng điển hình cho xupap, các biện pháp công nghệ nhằm nâng cao
độ bền làm việc và phục hồi chi tiết. Điển hình là một số cơng trình sau:
+ “Failure annalysis and metallurgical investigation of diesel engine exhaust
valves” [25] của các tác giả người Trung Quốc. Nội dung chính của nghiên cứu
HV: Đồn Thanh Hướng

25

GVHD: PGS. TS Nguyễn Thúc Hà