Nghiên cứu xác định nhiệt độ hàn và ảnh hưởng của các thông số đến nhiệt độ hàn khi hàn hai vật liệu khác nhau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG ĐẠT NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ HÀN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐẾN NHIỆT ĐỘ HÀN KHI HÀN HAI VẬT LIỆU KHÁC NHAU NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ SKC007472 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG ĐẠT NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ HÀN VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐẾN NHIỆT ĐỘ HÀN KHI HÀN HAI VẬT LIỆU KHÁC NHAU NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hƣớng dẫn khoa học: PGS TS ĐẶNG THIỆN NGƠN Tp Hồ Chí Minh, tháng 09/2017 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ & tên: Lê Quang Đạt Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 21/04/1991 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Điện thoại: 01682840210 E-mail: lequangdat.ckm@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 07/2013 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Tp HCM Ngành học: Công nghệ chế tạo máy Tên đồ án tốt nghiệp: “Xây dựng thiết bị thí nghiệm, tập trang bị điện điện tử-CDIO” Ngày & nơi bảo vệ đồ án thi tốt nghiệp: 07/2013 trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Đặng Thiện Ngơn III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian 8/2013 – 5/2015 8/2015 đến 08/2016 9/2016 đến 05/2017 5/2017 đến Nơi công tác Công ty TNHH công nghiệp nặng Doosan Vina Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM Công việc đảm nhiệm Kỹ sƣ thiết kế Trợ giảng Công ty TNHH Schindler Việt Nam Kỹ sƣ thiết kế Cơng ty TNHH Martech Trƣởng nhóm thiết kế i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 08 năm 2017 Lê Quang Đạt ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn “Nghiên cứu xác định nhiệt độ hàn ảnh hưởng thông số đến nhiệt độ hàn hàn hai vật liệu khác nhau”, nhận đƣợc nhiều quan tâm giúp đỡ quý thầy cô, công ty, nhà trƣờng, bạn bè gia đình Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Thầy PGS TS Đặng Thiện Ngôn, dành nhiều thời gian, tâm huyết truyền đạt kiến thức khoa học quý báu, hƣớng dẫn, định hƣớng, động viên tơi q trình thực luận văn - Quý thầy, cô Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức tảng, chuyên môn cho thời gian học tập trƣờng - Học viên cao học nghiên cứu sinh phịng thí nghiệm REME - Gia đình, anh em, bạn bè đồng nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ để yên tâm học tập LÊ QUANG ĐẠT iii TÓM TẮT Chế độ hàn ma sát xoay bao gồm nhiều thông số, nhiệt độ hàn thơng số có ý nghĩa quan trọng sở để xác định thông số khác Tuy nhiên, việc xác định nhiệt độ hàn hàn ma sát xoay hai vật liệu khác khó khăn, nhiều thời gian phải giải tốn truyền nhiệt khơng ổn định Luận văn “Nghiên cứu xác định nhiệt độ hàn ảnh hưởng thông số đến nhiệt độ hàn hàn hai vật liệu khác nhau” đƣợc triển khai thực với định hƣớng đề xuất cách thức tính tốn nhiệt hàn, xác định chế độ hàn ma sát xoay với nội dung: - Cơ chế sinh nhiệt truyền nhiệt hàn ma sát xoay hai vật liệu khác - Đề xuất cách thức giải tốn truyền nhiệt khơng ổn định - Xác định chế độ hàn hàn ma sát xoay - Thực nghiệm đánh giá kết Kết đạt đƣợc: - Xây dựng phƣơng trình sinh nhiệt hàn ma sát xoay hai chi tiết hình trụ q -  R 45 P1n Xây dựng phƣơng trình truyền nhiệt không ổn định hàn ma sát xoay hp k  2  2  m ;   ;  T  T  m   ; với kA C x  t - Giải phƣơng trình truyền nhiệt khơng ổn định phần mềm Ansys Từ kết mô cho thấy để đạt đến nhiệt độ 1169,9oC, ta cần chọn số vòng quay n= 1335 (vòng/phút) áp lực ma sát P1=60 (MPa), thời gian ma sát 21.3 (s) - Ở chế độ hàn thực nghiệm độ bền mối hàn 94% độ bền kim loại iv ABSTRACT The process of rotary friction welding includes many parameters In this ones, the welding temperature is an important parameter from that we can determine the other parameters However, it is so difficult to determine the welding temperature when we conduct the friction welding between two different materials, because the response from unsteady heat transfer equation is complex Thesis "Research on determine the welding temperature and influence of the other parameters on welding temperature when welding two different materials" has been proposed with the orientation to show the method for calculating welding teaperature, the friction welding’s mode is determined with the contents: - Build the mechanism of heat generation equation and heat transfer when two different materials were welded each other by rotary friction welding method - Suggest the way to solve the unsteady heat transfer equation - Determine the pertinent rotary friction welding parameter - Conduct the experiment and comment the result Results: - Build the heat flux generation equation when two cylindrical parts were welded by the rotary friction welding q -  R 45 P1n Build the transient heat transfer equation when welded by rotary friction welding hp k  2  2  m ;   ;  T  T  m   ; với kA C x  t - Solve the transient heat transfer by the ansys software support, to reach 1169,9oC, we need to set up the parameters as below: the turn n= 1335 (rpm), friction pressure P1=60 (MPa), friction time 21.3 (s) At the finding parameters, the UTS analys show that the strength of welding joint is equal 0.94 strength of base material v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC HÌNH x DANH SÁCH BẢNG xiii MỞ ĐẦU .1 Đặt vấn đề Tính cấp thiết đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 4 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài Kết cấu luận văn Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu hàn ma sát 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.2 Phạm vi ứng dụng 1.1.3 Ƣu, nhƣợc điểm 1.2 Hàn ma sát xoay 1.2.1 Định nghĩa nguyên lý hoạt động 1.2.1.1 Định nghĩa 1.2.1.2 Nguyên lý hoạt động 1.2.2 Thiết bị hàn ma sát xoay 1.2.3 Quá trình hàn ma sát xoay 10 1.2.3.1 Các giai đoạn xảy trình ma sát 12 1.2.3.2 Ảnh hƣởng thông số đến chất lƣợng mối hàn 13 vi 4.7.2 Bố trí thí nghiệm chế độ Số vòng quay n = 1335 vòng/phút, áp lực ma sát P1 = 60 MPa, áp lực hàn P2 = 80 MPa thời gian ma sát 21 s, thời gian hàn s Kết thí nghiệm Bảng 4.15: Mối quan hệ thời gian ma sát nhiệt độ tâm mối hàn hàn ma sát hai kim loại chế độ Thời gian s T19 o T20 o T21 o Ttb o 12 164 778 241 768 327 810 244 785 C C C C 13 358 788 339 778 412 869 370 812 14 433 794 403 804 479 884 438 827 15 464 798 483 821 511 884 486 834 16 523 857 521 873 557 918 534 883 17 563 864 558 892 608 931 576 896 18 595 904 578 892 654 936 609 941 19 631 932 618 938 703 950 651 940 20 653 980 621 978 742 980 672 979 10 21 711 101 627 1022 750 1043 696 1028 11 740 735 777 751 1200 1000 800 t T19 600 T20 T21 400 200 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Hình 4.29: Biểu đồ thể mối quan hệ nhiệt độ thời gian ma sát hàn chế độ 68 4.8 Đánh giá chất lƣợng mối hàn thí nghiệm đợt Để đánh giá ảnh hƣởng nhiệt độ đến chất lƣợng mối hàn, tác giả tiến hành kiểm tra độ bền kéo mối hàn so với kim loại Bảng 4.16: Kết kiểm tra độ bền kéo mối hàn Ứng Chiều Đƣờng kính Tiết diện Ứng Lực chảy suất Lực bền Mức thực đo thực đo suất bền STT dài chảy thí nghiệm mm mm mm kN MPa kN MPa 16 210 12.2 116.9 69.22 592.14 12.8 128.68 75.97 590.38 Chế độ 17 210 12.8 128.68 18 210 76.89 597.53 12.6 124.69 19 210 82.40 660.84 Chế độ 20 210 12.7 126.68 84.66 668.31 12.7 126.68 21 210 85.6 675.73 Vị trí đứt Mối hàn Mối hàn Mối hàn Mối hàn Mối hàn Mối hàn Hình 4.30: Hình ảnh mẫu thép sau kiểm tra cường độ kéo mối hàn thép bon thép không gỉ 304 69 Kết thí nghiệm cho thấy biến dạng cạnh bên (hƣớng kính) mẫu hàn nhỏ so với kim loại Vì thời gian gia nhiệt ngắn nên vùng hàn có cấu trúc hạt thơ khơng đồng nên mối hàn có tính giịn cao độ dãn dài thấp kim loại Kết thí nghiệm kiểm tra độ bền kéo mối hàn chế độ cho thấy độ bền mối hàn 94% độ bền kim loại Kết minh chứng độ bền mối hàn chấp nhận đƣợc xem xét ứng dụng công nghệ hàn ma sát xoay hai vật liệu thép không gỉ AISI 304 AISI 1020 thực tế Kết thực nghiệm cho thấy khoảng thời gian từ 15 đến 21 s, thời gian ma sát tăng nhiệt độ tâm mối hàn tăng Tại thời điểm 15 s, 18 s, 21s nhiệt độ tâm mối hàn 885, 920, 1028 oC Kêt thực nghiệm cho ta thấy thời gian ma sát tăng nhiệt độ tâm mối hàn tăng Kết thực nghiệm phù hợp với kết mơ phần mềm Ansys (hình 4.13), thời gian ma sát tăng nhiệt độ tâm mối hàn tăng 70 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết Luận Quá trình nghiên cứu thực đề “Nghiên cứu xác định nhiệt độ hàn ảnh hưởng thông số đến nhiệt độ hàn hàn hai vật liệu khác nhau” tài tác giả đạt đƣợc kết sau đây: - Tìm hiểu tổng hợp thông tin công nghệ hàn ma sát xoay, ứng dụng nghiên cứu nƣớc - Tìm hiểu ứng dụng cơng nghệ hàn ma sát xoay chế tạo đặc biệt đƣợc hàn từ hai loại vật liệu khác - Xây dựng phƣơng trình sinh nhiệt phƣơng trình truyền nhiệt hàn ma sát xoay trạng thái truyền nhiệt ổn định khơng ổn định Phƣơng trình sinh nhiệt ma sát hàn ma sát hai kim loại hình trụ: q  R3 Pn 45 Phƣơng trình truyền nhiệt ổn định hàn ma sát hai kim loại hình trụ:  2  m2 x Với: hp  m2 ;  T  T kA Phƣơng trình truyền nhiệt khơng ổn định hàn ma sát hai kim loại hình trụ:  2   m2  x  t Với: hp k  m2 ;   ;  T  T kA C 71 - Giải phƣơng trình truyền nhiệt khơng ổn định phần mềm Ansys, để đạt đến nhiệt độ 1169.9 oC, ta cần chọn số vòng quay n= 1335 vòng/phút áp lực ma sát P1=60 MPa, thời gian ma sát 21.3 s Hình 5.1: Biểu đồ thể mối quan hệ nhiệt độ thời gian ma sát mơ q trình hàn ma sát thép các-bon AISI 1020 thép không gỉ AISI 304 Với chế độ hàn tìm đƣợc nhờ việc xây dựng, tính tốn lý thuyết, thực nghiệm ta tìm đƣợc mối quan hệ thời gian nhiệt độ tâm mối hàn khoảng thời gian 21 s nhƣ sau: 72 1200 1000 800 t 600 Ttb 400 200 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Hình 5.2: Biểu đồ thể mối quan hệ nhiệt độ thời gian ma sát hàn ma sát thép các-bon AISI 1020 thép không gỉ AISI 304 - Ở chế độ hàn thực nghiệm độ bền mối hàn 94% độ bền kim loại - Đo nhiệt độ tâm mối hàn thực nghiệm chế độ khác nhau, qua thấy đƣợc ảnh hƣởng nhiệt độ đến độ bền mối hàn - Để hàn chi tiết hình trụ thép các-bon AISI 1020 thép không gỉ AISI 304, tác giả đề xuất chế độ hàn nhƣ sau: n = 1335 vòng/phút, P1 = 60 MPa, t1 = 21 s, P2 = 80 MPa, t2 = s, độ bền mối hàn = 94% độ bền kim loại 5.2 Kiến Nghị Trong trình thực luận văn, đề tài giải đƣợc phần lớn vấn đề đặt Tuy nhiên thời gian thực đề tài khả kinh phí có hạn nên ngồi kết đạt đƣợc để hoàn thiện vấn đề nghiên cứu tác giả kiến nghị vấn đề sau: - Giải tốn truyền nhiệt khơng ổn định (phƣơng trình vi phân truyền nhiệt khơng ổn định) phƣơng pháp đại số - Xây dựng phƣơng trình truyền nhiệt theo phƣơng hƣớng tâm 73 - Tìm đƣợc mối quan hệ hệ số ma sát nhiệt độ hai vật liệu thép các-bon AISI 1020 thép khơng gỉ AISI 304 - Giải tốn truyền nhiệt theo hai phƣơng hệ số ma sát thay đổi 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dƣơng Đình Hảo, “Ảnh hƣởng thông số hàn đến độ bền uốn mối hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm AA7075-T6” , hội nghị khí ĐHSPKT TP HCM 2015 [2] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú, Truyền Nhiệt, Nhà xuất giáo dục, 2004 [3] Hồng Đình Tín, Truyền Nhiệt Tính Tốn Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2007 [4] Thân Trọng Khánh Đạt, “Nghiên cứu ảnh hƣởng góc nghiêng đầu dụng cụ hàn ma sát khuấy đến chất lƣợng mối hàn nhôm”, luận văn thạc sĩ đại học bách khoa TP Hồ Chí Minh, 2014 [5] A Chennakesava Reddy, “Fatigue Life Evaluation of Joint Designs for Friction Welding of Mild Steel and Austenite Stainless Steel” International Journal of Science and Research, Volume Issue 2, Feb 2015 [6] American Welding Society, Welding Hanbook, Volume3: Welding Processes, Part 2, 9th Edition, AWS, 2007 [7] Andrzej Sluzalec, Theory of Thermomechanical Processes in Welding, 1st Edition, Springer, 2005 [8] Antonio M Mateo García, InTech-Blisk fabrication by linear friction welding, CIEFMA - Universitat Politècnica de CatalunyaSpain, 2011 [9] Anil Kumar Sinha, Physical Metallurgy Handbook, The McGraw-Hill Companies, Inc., 2003 [10] Bekir Sami Yillbas, Ahmet Z Sahin Friction Welding Thermal and Metallugical characteristics, Springer Berlin Heidelberg, 2014 [11] Cuauhtemoc Maldonado Zapeda, The effect interlayer on dissimilar friction weld properties, thesis for degree of doctor, Toronto university, Canada, 2011 75 [12] D Ananthapadmanaban, Studies on friction weldability of low carbon steel with stainless steel and aluminium with copper, international society of thesis publication, 2012 [13] D Gandy, Carbon Steel Handbook, Final Report, EPRI - Electric Power Research Institute, Inc., March 2007 [14] Experimental Study of Friction Stir Welding of Aluminium Alloy (A1100& A6101), International Journal of Advances in Science and Technology (IJAST) Vol I Issue I (December 2013 [15] Eder Paduan Alves, Francisco Piorino Neto, Chen Ying An, Euclides Castorino da Silva, “Experimental Determination of Temperature During Rotary Friction Welding of AA1050 Aluminum with AISI304 Stainless Steel” J Aerosp Technol Mâng, Sao Jose dos Campos, vol.4, No 1, pp 6167, Jan-Mar, 2012 [16] Frank Kreith, Raj M Manglik, Mark S Bohn, Principle of Heat Transfer, Cengage Leaning, 2011 [17] ISO 15620:2000 Welding Friction welding of metallic materials, International Organization for Standardzation, September 2000 [18] John C Lippold, Damian J Kotecki, Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels, 1st Edition, Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005 [19] Manufacturing Technology, Inc, Friction Welding, MTI, 1999 [20] Mumin SHAHIN, “Friction Welding of Different Materials” International Scientic Conference, Gabrovo, November 2010 [21] Narasimha, IWS, Friction Welding Stir Welding Course material, International Center forAdvancement ofManufacturing Technology, 2011 [22] William D Callister, Materials Science and Engineering, John Willey & Son, New York, 2006 [23] Sindo Kou, Welding Metallurgy, 2nd Edition, Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2003 76 [24] Study of Friction Welding, the thesis, Department of Mechanical Engineering, National Institu of Technology Roukela, 2007 [25] The American Society of Mechanical Engineers, Boiler and Pressure Vessel Code II-Materrial-Part-D-Properties (Metric), Two Part Avenue, New York, 2013 77 Đính kèm 78 79 80 81 S K L 0 ... định Luận văn ? ?Nghiên cứu xác định nhiệt độ hàn ảnh hưởng thông số đến nhiệt độ hàn hàn hai vật liệu khác nhau? ?? đƣợc triển khai thực với định hƣớng đề xuất cách thức tính tốn nhiệt hàn, xác định. .. hợp hàn ma sát xoay hai vật liệu khác nhau, đề tài ? ?Nghiên cứu xác định nhiệt độ hàn ảnh hưởng thông số đến nhiệt độ hàn hàn hai vật liệu khác nhau? ?? đƣợc triển khai thực Đề tài góp phần vào việc... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG ĐẠT NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ HÀN VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐẾN NHIỆT ĐỘ HÀN KHI HÀN HAI VẬT