Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chất lượng mối hàn ma sát quay cho hai vật liệu khác nhau

Qua đó đề xuất các biện pháp hữu hiệu nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm và các hướng nghiên cứu tiếp theo cho công nghệ hàn ma sát quay đối với các loại vật liệu khác nhau.. Đó là sự ma

Tổng quan

Gi ới thiệu về công nghệ hàn ma sát

Hàn ma sát lần đầu tiên được phát triển ở Liên Xô (Nga) với những thí nghiệm đầu tiên diễn ra vào năm 1956

Năm 1960, thông tin về kỹ thuật này lọt vào tay của Kỹ thuật Điều tra Đoàncủa Nhật bản trong khi đoàn điều tra này đang ở Nga, lập tức các thông tin kỹ thuật được chuyển về Tokyo

Năm 1961 người Nhật công bố kỹ thuật hàn ma sát quay 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 quay hàng loạt dạng Brake

Bằng cách thay đổi hàn ma sát, Công ty Caterpillar Tractor của Mỹ đã phát triển phương pháp hàn ma sát quán tính vào năm 1962

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

Một số trường Đại học ở Nhật có phòng nghiên cứu về Hàn ma sát quay là: Đại học OSAKA, Đại học KEIO, Đại học Công nghiệp HIMEJI, Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật HYOGO, Sở Nghiên cứu kỹ thuật Tổng hợp trực thuộc Bộ giáo dục Nhật

Các công ty Mỹ, Caterpillar, Rockwell International, và American Foundry đều phát triển máy móc cho quá trình này Bằng sáng chế cũng được ban hành trên toàn châu Âu và Liên Xô cũ

Hiện tại, các hãng chế tạo máy hàn ma sát quay nổi tiếng là IZUMI Industry, SAKAE Industry, TOYO , NITTO, SEIMITSU, TANAKA Seiki Sangyou

Người ta xem hàn ma sát là quá trình hàn của Nga và hàn ma sát quán tính là quá trình của Công ty Caterpillar Việc áp dụng hàn ma sát vào sản xuất đã đem lại nhiều hiệu quả rõ rệt và được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển

2.1.2 Định nghĩa hàn ma sát Định nghĩa hàn ma sát trong cuốn tài liệu hàn American Society (AWS) được hiểu như sau:

Hàn ma sát là một quá trình sáp nhập ở trạng thái rắn của vật liệu dưới lực nén ở dạng phôi xoay hoặc di chuyển tương đối với nhau nhằm sản sinh ra nhiệt tạo biến dạng dẻo Trong điều kiện bình thường, các bề mặt tiếp xúc không tan chảy mà chỉ ở trạng thái dẻo

Hình 2.1 Bề mặt tiếp xúc trước và sau chà xát a) Ma sát khô b) Dòng chảy dẻo

2.1.3 Các từ khóa của hàn ma sát

Tiếng Anh : Friction welding Tiếng Pháp : Soudage par friction Tiếng Đức : ReibschweiBen

- Số hiệu theo ISO 15620 : 2000 : Friction welding of metallic materials

2.1.4 Các phương pháp hàn ma sát

Một số phương pháp hàn ma sát được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo:

Hàn ma sát thẳng (linear friction welding) Hàn ma sát khuấy (friction stir welding) Hàn ma sát quay (rotative friction welding)

Hàn ma sát quỹ đạo (Orbital)

Hàn ma sát quỹ đạo

Hình 2.2 Các phương pháp hàn ma sát

Hàn ma sát thẳng (linear friction welding) :

Hai chi tiết hàn chuyển động tương đối với nhau theo phương của bề mặt tiếp xúc sinh ra nhiệt ma sát làm cho vật liệu ở bề mặt tiếp xúc bị nóng chảy và hai chi tiết được ép vào nhau tạo mối hàn

Hàn ma sát thẳng được ứng dụng hàn các chi tiết khối đặc, các chi tiết có tiết diện ngang hình chữ nhật

Hàn ma sát khuấy (friction stir welding):

Hai bề mặt hàn được đặt tiếp xúc với nhau, dao sẽ chạy giữa hai bề mặt hàn, nhiệt ma sát sẽ làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc, phoi nóng chảy được ép xuống mối hàn nhờ vai của dao

Hàn ma sát đảo được ứng dụng hàn các hai tấm phẳng hoặc đường ống, tuy nhiên phương pháp này giới hạn mặt cắt chi tiết tại mối hàn phải đạt chiều dày nhất định và bề mặt tại mối hàn của hai chi tiết phải nằm trên một mặt phẳng

Hàn ma sát quay (rotative friction welding):

Hai chi tiết quay tương đối với nhau sinh ra nhiệt ma sát làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc và hai chi tiết được ép vào nhau tạo thành mối hàn

Hàn ma sát quỹ đạo (Orbital) :

Hai chi tiết cùng thực hiện một chuyển động quay quanh quỹ đạo dọc trục xung quanh của nó tương tự nhau với tốc độ không đổi Hai trục dọc song song ngoại trừ một bù đắp nhỏ (biên độ) Khi chuyển động của hai chi tiết chấm dứt thì hai chi tiết cần phải được sắp xếp một cách chính xác để tạo thành mối hàn

Tuy công nghệ và đặc tính khác nhau nhưng các phương pháp hàn ma sát đều có điểm chung là sử dụng nhiệt năng sinh ra từ cơ năng làm dẻo vùng vật liệu cần hàn

2.1.5 Ưu nhược điểm hàn ma sát Ưu điểm :

• Chất lượng mối hàn cao do toàn bộ bề mặt tiếp xúc được hàn

• Ít hao phí vật liệu, tiết kiệm kim loại

• Thời gian hàn nhanh, năng suất cao

• Các thông số được giám sát dễ dàng

• Cơ tính mối hàn rất tốt

• Không nứt kết tinh, giới hạn bền cao và đạt gần bằng độ bền của kim loại nền

• Độ chính xác cao, có khả năng tự động hóa để loại trừ khả năng sai sót do con người gây ra

• Chất lượng mối hàn không phụ thuộc vào tay nghề của người vận hành

• Hàn hai chi tiết có vật liệu khác nhau (vật liệu có nhiệt tính gần giống nhau và hệ số ma sát đủ lớn) phù hợp cho các sản phẩm cần sự phối hợp cơ tính của hai loại vật liệu khác nhau

• Không dùng thuốc hàn do đó không tạo ra vẩy kim loại, khí độc hay tia nguy hiểm và không tạo ra khói ảnh hưởng đến sức khỏe người vận hành

• Môi trường sản xuất sạch

• Khuyết tật mối hàn rất ít

• Giảm chi phí dẫn đến hạ giá thành, nâng cao sức cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường

• Mối hàn lồi ra lượng bavia nên mất thời gian cắt bỏ

• Ngoài chi tiết trụ tròn các chi tiết khác phải chế tạo đồ gá cho từng loại phù hợp

• Không hàn được các chi tiết có kết cấu quá phức tạp

Hình 2.3 Chi tiết hàn ma sát quay

Ph ạm vi ứng dụng của hàn ma sát quay

Phương pháp hàn ma sát quay là phương pháp hàn nối, được ứng dụng để hàn các chi tiết tại một vài vị trí nhằm giảm chi phí vật liệu đầu vào Đặc biệt các chi tiết dạng trụ chịu tải cục bộ

Ngoài ra phương pháp hàn ma sát quay còn dùng để chế tạo chi tiết bán thành phẩm hoặc 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 sử dụng trong thiết bị quốc phòng như xe pháo, xe tăng, súng,…

Hình 2.4 Sản phẩm điển hình của hàn ma sát quay

Hình 2.5 Đầu cosse nối nhôm đồng

Hình 2.6 Ứng dụng của hàn ma sát trong ngành hàng không

Hình 2.7 Hàn mũi khoan và dao phay

Hình 2.8 Ứng dụng của hàn ma sát trong quân đội

Các nghiên c ứu liên quan

a) Nghiên cứu về dòng nhiệt:

- Y Jarny, M.N Ozisik, J.B Bardon, Phương pháp tối ưu hóa sử dụng chung một phương trình liên hợp để giải quyết dẫn nhiệt đa chiều, Int

- H.M Park, O.Y Chung, J.H Lee, Với các giải pháp của vấn đề _ truyền nhiệt sử dụng phương pháp Karhunen–Loeve Galerkin method,

- Y.C Yang, SS Chu, WJ Chang, Nhiệt gây ra hiệu ứng quang học trong quang học xơ bằng phương pháp nghịch đảo, J Appl Phys 95 (2004) 5159-5165

- W.L Chen, Y.C Yang, H.L Lee, Inverse problem in determining convection heattransfer coefficient of an annular fin, Energy Convers

- O.M Alifanov, Xác định tải nhiệt từ một giải pháp của phi tuyến vấn đề nghịch đảo, nhiệt độ cao 15 (1977) 498-504

- O.M Alifanov, NV Kerov, Xác định các thông số tải nhiệt bên ngoài bằng cách giải quyết các vấn đề dẫn nhiệt đa chiều nghịch đảo hai chiều, J Eng Phys 41 (1981) 581-586

- O.M Alifanov, Vấn đề truyền nhiệt nghịch đảo, Springer-Verlag, New York, 1994

- O.M Alifanov, E.A Artyukhin, S.V Rumyantsev, Extreme phương pháp giải quyết đặt ra vấn đề với các ứng dụng để nghịch đảo vấn đề truyền nhiệt, Begell House, New York, Wallingford (Anh) năm 1995 b) Nguyên cứu về hàn hai kim loại khác nhau:

- 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 kĩ thuật Osaka, Osaka-Nhật, cùng với K.Ogawa tại cao đẳng tự nhiên và mỹ thuật, Sakai Nhật.”

- Murti KGK, Sundaresan S (1983) parameter optimization in friction welding dissimilar materials Metal construct June, pp331-335 Tối ưu hoá thông số khi hàn lưỡng kim

- Mümin ŞAHİN Friction welding of different materials In

International Scientific Conference 19 -20 November, GABROVO

Hàn ma sát xoay đối với những kim loại khác nhau

- Hàn thép không gỉ vào nhôm bằng cách hàn ma sát Sahin, M 2009, International Journal of Advanced Manufacturing Technologies, pp

487-497 c) Nguyên cứu về lực và moment xoắn:

- Ứng suất dư và lực của ma sát hàn khớp xương gốm / kim loại Weiss, R Weinheim, Germany: sn, tháng 3 năm 1998, welding research supplement

- Effects of interfacial microstructure on friction-bonded strength of low carbon steel to Al-Mg alloy (AA5083) Naotsugu Yamamoto, Makoto Takahashi, Masatoshi Aritoshi, Kenji Ikeuchi Japan : sn, 2004, pp 296-299 IX-2104-04

- Ảnh hưởng của lớp phản ứng bề trên cường độ liên kết của phần ma sát ngoại quan của Al alloyto steel Naotsugu Yamamoto, Makoto Takahashi, Masatoshi Aritoshi, Kenji Ikeuchi Nhật Bản: sn, 2005

- A KOBAYASHI, M Machida, T MATSUDA, và N Nishiwaki, Nghiên cứu đặc tính mô-men xoắn ban đầu của hàn ma sát, cơ sở dữ liệu IIW, Doc III-1150-00 (2000), 1-9

- K NAKAMURA và S Nakahara, Nghiên cứu về hàn ma sát - Mô- men xoắn ởquá trình ma sát và các điều kiện tối ưu cho hàn thép carbon , The Phòng thí nghiệm cơ của chính phủ Nhật Bản (1965), 1- 18

- H ATES, M Türker, và A KURT, Ảnh hưởng của áp lực ma sát trên các thuộc tính của ma sát hàn MA956 superalloy sắt dựa trên vật liệu và thiết kế, 28 (2007), 948- 953

2.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Một số công trình nghiên cứu về cơ tính của vật liệu trong hàn ma sát của đại học Nha Trang kết hợp với Nhật đã được thực hiện như :

- “Những kết quả bước đầu của ứng xử mỏi kết cấu hàn ma sát giữa hai siêu hợp kim M247-INC718” ,

- “Tập trung biến dạng và ứng suất trong mối hàn ma sát giữa hai siêu hợp kim M247-INC718”,

- “Sự phát triển vết nứt trong mối hàn ma sát hai siêu hợp kim M240 và INC718 trong điều kiện mỏi lão”

- Nguyễn Đăng Đại, “Hàn ma sát quay đối với các chi tiết trụ tròn xoay - Hợp kim nhôm A5052” Luận văn thạc sĩ Khoa Cơ khí, Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2008

- Tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, có luận văn thạc sĩ của Tạ Văn Rảnh “ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay” (2014) Đối với các doanh nghiệp Việt Nam, hàn ma sát quay vẫn là một phương pháp hàn chưa phổ biến.

S ự kết hợp các loại vật liệu trong hàn ma sát

Theo tiêu chuẩn ISO 15620 : 2000, hàn ma sát có thể kết hợp các loại vật liệu khác nhau như bảng sau :

Bảng 2.1 Bảng thống kê các vật liệu có thể hàn ma sát

Gi ới thiệu về máy hàn ma sát quay

Hiện tại, các hãng chế tạo máy hàn ma sát quay nổi tiếng là SHENJA, ULTRAMETAL,…

Hình 2.9 Máy hàn ma sát quay của công ty SHENJA

Hình 2.10 Máy hàn ma sát quay của công ty ULTRAMETAL

Hình 2.11 Máy hàn ma sát quay của Trung Quốc

Hình 2.12 Máy hàn ma sát quay HL8-C của Trung Quốc

Thông số kỹ thuật HL8-C:

- Lực ép ma sát: max 8000 kg

- Tốc độ tối đa của trục chính: 2600 vòng/phút

- Đường kính vật liệu hàn đối với thép carbon trung bình: 8 – 18 mm

- Chiều dài của chốt xoay: 10 – 500 mm

- Chiều dài của chốt di động: 10 – 500 mm

- Chiều dài tối đa của trục trượt: 200 mm

- Áp lực khí nén max: 8 Kg

- Năng suất làm việc: 300 cái/giờ

K ết luận

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 cho cả hai khía cạnh nghiên cứu và ứng dụng của hàn ma sát quay

Trong tương lai gần, hàn ma sát quay sẽ góp phần làm đa dạng sự lựa chọn khi gia công các chi tiết chất lượng cao cho ngành cơ khí chế tạo ở Việt Nam và đưa nước ta từng bước theo kịp các công nghệ gia công tiên tiến trên thế giới.

Cơ sở lý thuyết hàn ma sát quay

Khái ni ệm

Hàn ma sát quay là quá trình hàn áp lực, sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, sau đó dùng lực ép để ép hai chi tiết lại với nhau làm cho kim loại mép hàn khuyết tán sang nhau tạo thành mối hàn, mối hàn được định hình bằng lực ép dọc trục

Hình 3.1 Hàn ma sát quay

Hàn khi hai bề mặt của vật thể chuyển động tương đối với nhau dưới tác dụng của lực ép thì năng lượng cơ học sẽ chuyển thành nhiệt năng Ma sát trong hàn là ma sát khô.

Phân lo ại

Có các loại hàn ma sát quay như sau : hàn ma sát quay truyền động trực tiếp, hàn ma sát quay quán tính và hàn ma sát hướng kính

Hàn ma sát quay truy ền động trực tiếp (rotational / direct friction welding) ( FRW-DD) : vận tốc quay được giữ không đổi suốt thời gian ma sát tạo nhiệt Lực ép dọc trục thường được phân ra ba mức khác nhau lần lượt là lực tiếp xúc, lực ép ma sát sinh nhiệt và cuối cùng là lực ép tạo liên kết

Các phần tử hàn được kẹp trong mâm cặp trên trục chính quay và ngàm kẹp Nếu các chi tiết hàn không có đường tâm đối xứng thì làm đồ gá đặc biệt cho chúng

Trục chính quay với số vòng cần thiết, để hai phần tử tiến lại gần nhau rồi tác động lực chiều trục, bắt đầu quá trình hàn

Hình 3.2 Hàn ma sát quay trực tiếp

Hình 3.3 Biểu đồ hàn ma sát quay truyền động trực tiếp

• Hàn các chi tiết dạng ống tròn xoay hoặc không tròn xoay

• Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ

• Hàn các kim loại khác nhau với nhau

• Tạo ra lượng bavia mối hàn lớn

• Phải gia công cơ khí sau hàn

Hàn ma sát quay quán tính (inertia friction welding) ( FRW-I) : điều chỉnh v ận tốc đến tốc độ cần thiết , sau đó tách động cơ ra khỏi trục chính Bánh đà sẽ tạo moment quán tính gi ữ cho trục chính tiếp tục quay để thực hiện quá trình hàn L ực nén d ọc trục phần lớn là không đổi 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

Hình 3.4 Hàn ma sát quay quán tính

Hình 3.5 Biểu đồ hàn ma sát quay quán tính

• Giảm gá đặt và thời gian chế tạo

• Yêu cầu về tính đối xứng giữa các phôi hàn cao

Hàn ma sát quay hướng kính (radial friction welding): là biến thể của hàn trực tiếp và được sử dụng chủ yếu khi hàn ống Liên kết được tạo thành do nhiệt tỏa ra khi ma sát của vòng hàn xoay quanh chỗ giáp mối của các ống hàn

Vòng hàn được chế tạo từ vật liệu giống như vật hàn Đầu mút các chi tiết có dạng vát mép chữ V và bề mặt trong của vòng hàn có dạng tương ứng với phần nhô

Vòng hàn được ép bằng các lực hướng kính Thanh gá làm từ vật liệu bền nhiệt được đặt ở bên trong và nó được rút ra sau khi hàn xong

Phương pháp này được dùng để hàn đường ống bằng thép carbon hoặc thép không gỉ

Hình 3.6 Sơ đồ hàn ma sát quay hướng kính

• Hàn các chi tiết có dạng ống tròn

• Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ

• So với hàn điện hồ quang hoặc hàn khí thì hàn hướng kính đảm bảo chất lượng cao hơn

• Tạo ra lượng bavia mối hàn lớn

• Phải gia công cơ khí sau hàn

Nguyên lý ho ạt động

Một chi tiết được kẹp trong mâm cặp quay và một chi tiết được kẹp trong mâm cặp không quay

Mâm cặp quay tăng tốc đến tốc độ n (vòng/phút) cho trước và mâm cặp không quay được tịnh tiến đến để hai chi tiết tiếp xúc với một lực ép nhỏ

Lực ép P1 từ mâm cặp không quay tăng lên từ từ và lúc này lượng nhiệt

Một phần vật liệu ở đầu của hai chi tiết bị chảy dẻo và chúng được ép đùn lại Sau một khoảng thời gian t cho trước thì toàn bộ bề mặt tiếp xúc giữa hai bề mặt của chi tiết đã chuyển sang trạng thái dẻo đủ lớn thì ta phanh đột ngột trên mâm cặp quay và tiếp tục đẩy một lực ép P2 lớn hơn P1 trên mâm cặp không quay vào mâm cặp quay (lúc này đã dừng lại) để vật liệu của hai chi tiết khuếch tán vào nhau tạo thành mối hàn

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý hàn ma sát quay

3.4 Các bước trong quá trình hàn ma sát quay :

Quá trình hàn được chia làm 6 bước chính và mối quan hệ giữa các bước được thể hiện trên hình 3.8 :

Hình 3.8 Biểu đồ mối quan hệ giữa vận tốc và áp lực qua 6 bước

Bước 1: Một chi tiết quay, chi tiết còn lại được đẩy đến để tiếp xúc

Bước 2: Nhiệt sinh ra tại vùng tiếp xúc nhưng không xảy ra hiện tượng nóng chảy do nhiệt độ được duy trì dưới nhiệt độ nóng chảy của vật liệu

Bước 3: Vật liệu nóng chảy bắt đầu được đẩy ra khỏi bề mặt tiếp xúc khi tăng lực ép

Bước 4: Vật liệu nóng chảy tiếp tục được đẩy ra tạo thành hình vòng khuyên đồng thời mang theo các tạp chất có trên bề mặt tiếp xúc

Bước 5: Tăng lực ép, nhiệt ma sát sinh ra làm nóng chảy phần lớn vùng vật liệu hàn Vật liệu vùng hàn hai chi tiết trộn lẫn vào nhau

Bước 6: Ngừng quay chi tiết, tiếp tục tăng lực ép đẩy vật liệu nóng chảy của hai chi tiết hoà vào nhau

3.5 Các giai đoạn trong quá trình hàn ma sát quay : Để tạo điều kiện dễ dàng khi phân tích và kết hợp các thông số với nhau, vì vậy dựa trên hình dạng đường cong moment ma sát ta chia quá trình hàn ra làm ba giai đoạn chính :

Bảng 3.1 Các giai đoạn hàn ma sát

TT Quá trình hàn Hình ảnh

1 Giai đoạn 1: Ma sát khô xảy ra trong một khu vực hình khuyên tại bề mặt tiếp xúc tiếp xúc

Trên một vùng hình khuyên một lớp dẻo bắt đầu được hình thành Kích thước của lớp dẻo này phụ thuộc vào áp lực ma sát đặt vào và tăng theo thời gian ma sát cùng với mô-men xoắn

Sự giảm chiều dài của các vật liệu hàn bắt đầu vào cuối giai đoạn này

2 Giai đoạn 2: Các vật liệu của khu vực dẻo bất đầu chuyển động như một loại vật liệu nhớt

Vùng tiếp xúc hình khuyên được mở rộng và mô-men xoắn giảm cho đến khi nó đạt giá trị cân bằng

Khi đó có một khối lượng vật liệu hàn có kèm theo tạp chất bị đẩy ra phía ngoài mối hàn dẫn đến giảm chiều dài hai phôi hàn và tạo ra vành bavia điển hình của mối hàn ma sát

Khu vực lớp nhớt tăng kích thước và giảm độ dày Sự dịch chuyển xuyên tâm là vào bên trong

3 Giai đoạn 3: Ngừng quay phôi hàn để tiến hành ép tạo nên mối hàn, khi đó các lớp nhớt bao phủ gần hết các bề mặt tiếp xúc

Sự dịch chuyển của kim loại theo hướng xuyên tâm ra ngoài

Mô-men xoắn lại đạt đến một giá trị cực đại thứ hai

Mối hàn ma sát có chất lượng tốt cần có sự phân phối đầy đủ của lớp nhớt trên bề mặt tiếp xúc theo Duffin và Bahrani nhận xét rằng : giai đoạn 3 của quá trình hàn ma sát đóng một vai trò quan trọng bởi sự phân phối của khu vực lớp nhớt này trên toàn khu vực tiếp xúc và do ảnh hưởng của các tính chất vật liệu hàn (Duffin và Bahrani 1976).

Các chuy ển động quay trong hàn ma sát

Hàn ma sát quay được tạo ra là do 1 chi tiết được kẹp giữ cố định và một hoặc hai chi tiết kia cùng quay Bề mặt của chi tiết gia công có dạng hình trụ (đặc hoặc rỗng) hay dạng vành khuyên

Các dạng chuyển động điển hình :

Hình 3.9 Các dạng chuyển động quay

Hình A – thông dụng nhất đối với phương pháp hàn ma sát quay, một trong hai chi tiết quay và chi tiết còn lại đứng yên

Hình B – hai chi tiết cùng quay ngược chiều nhau, cách bố trí này để bố trí cho những phôi cần tốc độ cao để tạo ra nhiệt

Hình C – chi tiết ở giữa quay và hai chi tiết còn lại tịnh tiến vào chi tiết giữa

Hình D – chi tiết ở giữa đứng yên và hai chi tiết ở hai đầu quay

Hình E – vòng hàn bọc trên hai chi tiết quay ở 2 phôi 2 đầu

Hình 3.10 Hàn ma sát quay trục ôtô

Các ki ểu hình dạng chi tiết và mối hàn

Trong hàn ma sát quay hình dạng của chi tiết hàn ngoài hình trụ, còn có thể kết hợp giữa một chi tiết hình trụ và một chi tiết hình dạng tấm, giữa một chi tiết dạng ống và một chi tiết hình trụ đặc, Tuy nhiên vẫn phải có một chi tiết tròn đóng vai trò chủ đạo Một số dạng như sau :

Hình 3.11 Các hình dạng chi tiết hàn ma sát quay Bên cạnh mối hàn ma sát tiếp xúc thẳng hoặc vuông góc với nhau, còn có những mỗi hàn có góc cone như sau :

Hình 3.12 Mối hàn có góc tiếp xúc góc cone

Các khuy ết tật mối hàn

Hàn ma sát cũng có khuyết tật gián đoạn kim loại đặc trưng riêng Gián đoạn vật liệu trong hàn ma sát có lthể suất phát từ việc không chuẩn bị tốt bề mặt tiếp xúc, tham số hàn không hợp lý, khuyết tật trong phôi hoặc là sự tổng hợp các yếu tố trên Gián đoạn vật liệu tại tâm mặt cắt thường xảy ra chế độ hàn không hợp lý, không tạo đủ nhiệt lượng để làm mềm kim loại tại tâm mối hàn

Trong loại khuyết tật này không có đủ liên kết giữa các bề mặt cần nối, thể hiện trong hình

Hình 3.13 Thiếu liên kết trong một mối hàn ma sát Điều này là do tốc độ quay thấp hoặc do chuẩn bị không đúng bề mặt tiếp xúc hoặc do thời gian nung nóng không đủ (thời gian ma sát)

Lỗi này có thể được ngăn ngừa bằng cách cải thiện chuẩn bị bề mặt và bằng cách tối ưu các biến số hàn

Vết nứt gặp phải trong một số khu vực cụ thể, được đưa ra như sau:

• Trong HAZ hoặc khu vực ranh giới của nó

• Ở đường nẹp bề mặt chuyển tiếp bavia hàn

• Bên trong bavia hàn theo phương hướng trục

• Bên trong bề mặt tiếp xúc cần nối

Các vết nứt trong vùng HAZ hoặc trong khu vực ranh giới của nó là do sự hình thành của các bua thô trong các khu vực này

Khắc phục hậu quả bằng cách ảnh hưởng đến chất lượng của cacbua bởi sự nung nóng trước phần làm việc giảm tốc độ làm nguội sau khi hàn

Vết nứt tại khu vực đường nẹp chuyển tiếp ở bavia hàn thể hiện trong hình 3.14 là do việc sử dụng các áp lực rèn cao Do đó, điều này có thể được ngăn ngừa bằng cách giảm áp lực rèn và điều chỉnh các biến số hàn là một bước để phòng ngừa những loại khuyết tật

Hình 3.14 Vết nứt tại khu vực đường nẹp chuyển tiếp của bavia hàn [2]

Vết nứt bên trong bavia hàn, theo phương hướng trục như trong hình 3.15 cũng là do áp lực rèn cao và nhiệt độ phát sinh không đủ cao trong quá trình này

Bằng cách tăng tốc độ quay và kiểm soát thời gian chu kỳ hàn để tạo ra nhiệt đủ trước khi đặt áp lực rèn cuối cùng

Hình 3.15 Vết nứt bên trong bavia hàn [2]

Vết nứt bên trong xảy ra khi hàn các vật liệu có thành phần giống nhau thể hiện trong hình 3.16, có thể loại bỏ bằng cách kiểm soát trạng thái của các hợp chất liên kim ở bề mặt cần nối

Hình 3.16 Vết nứt bên trong trên bề mặt tiếp xúc cần nối [2]

3.8.3 Lớp kẹp phi kim loại :

Tạp chất phi kim loại xâm nhập vào bên trong bề mặt tiếp xúc dẫn đến khiếm khuyết trong hàn ma sát, được gọi là lớp kẹp phi kim loại, như thể hiện trong hình 3.17

Hình 3.17 Lớp kẹp phi kim loại nằm giữa bề mặt cần nối [2]

Những tạp chất có thể bao gồm lớp rỉ sét, dung dich cắt, dầu mỡ, vv trên các bề mặt nối Những dị tật này cũng có thể được gây ra bởi lỗ định tâm bị bẩn khi hàn ma sát Làm sạch bề mặt rèn và lỗ định tâm là giải pháp để phòng ngừa khiếm khuyết này

3.8.4 Pha tích tụ liên kim loại :

Pha tích tụ liên kim loại hình thành và làm tổn hao vật liệu trên diện tích tiếp xúc được thể hiện trong hình 3.18 Thông số hàn không chính xác và thành phần vật chất không giống nhau là lý do chính cho sự xuất hiện của nó.Các biện pháp phòng ngừa bao gồm tối ưu các thông số hàn như tốc độ quay, chu kỳ thời gian và áp lực rèn và lựa chọn đúng vật liệu cấu thành

Hình 3.18 Pha liên kim loại trong bề mặt tiếp xúc [2]

Hình 3.19 Pha liên kim loại dọc theo bề mặt tiếp xúc [2]

Cacbua, oxit và nitrit cũng có thể tích lũy trong vùng liên kết dọc theo bề mặt tiếp xúc như thể hiện trong hình 3.19 Đây là nguyên nhân do chuẩn bị phôi không đúng Phòng ngừa bằng cách đồng nhất lớn hơn thành phần vật liệu được hàn, lựa chọn thích hợp và điều chỉnh các biến hàn để đạt được mối hàn mong muốn.

S ự phối hợp vật liệu trong hàn ma sát quay

Một mối hàn ma sát được hình thành tốt nhất là khi hai vật liệu kết dính lại với nhau bằng rèn dập và có hệ số ma sát lớn tại bề mặt tiếp xúc

Các loại vật liệu như gốm, sứ, gang, không thể hàn với nhau

Hầu hết các kim loại và hợp kim đều có thể hàn với chính nó bằng công nghệ hàn ma sát là do tính chất của vật liệu như khả năng sinh nhiệt, truyền nhiệt, khả năng biến dạng, nhiệt độ nóng chảy,… tại vùng hàn của hai chi tiết hoàn toàn giống nhau

Các mối hàn của hai chi tiết cùng vật liệu sẽ có cơ tính rất tốt

3.9.2 Hai chi tiết khác đặt tính vật liệu :

Do yêu cầu kỹ thuật và do tính kinh tế nên đòi hỏi sự phối hợp của hai loại vật liệu có đặc tính khác nhau

Các phương pháp hàn khác rất khó thực hiện vì vậy phương pháp hàn ma sát là phương pháp được lựa chọn khi hàn hai loại vật liệu khác nhau

Hai vật liệu khác nhau thì nhiệt độ nóng chảy hoàn toàn khác nhau hoặc sẽ bị lệch phase khi hàn nóng chảy

Khi hàn hai vật liệu khác nhau thì bề mặt hàn cần phải chuẩn bị thật kỹ Ví dụ : khi hàn thép không rỉ với hợp kim nhôm, lớp ôxit nhôm (nước, chất bẩn, ,…)bám chặt tại bề mặt sẽ làm thay đổi cấu trúc tại vùng hàn dẫn đến chất lượng mối hàn giảm

Sự hình thành pha chảy chậm : một số vật liệu có điểm nóng chảy thấp, sự hình thành các phase này trong quá trình hàn ảnh hưởng xấu đến tổ chức cơ tính vật liệu sau hàn Ví dụ : hàn ma sát giữa hợp kim nhôm với hợp kim magie.

Phân tích nhi ệt

Để thuận tiện cho việc phân tích nhiệt, một mô hình của quá trình hàn ma sát sẽ được thiết lập Trong thực tế, hình dạng của phôi hàn là quan trọng Miễn là có tính đối xứng xuyên tâm, hình dạng phức tạp có thể hàn được, nhưng thông thường là một ống mỏng tròn và điều này sẽ được giả định trong phần này Nó sẽ được giả định rằng hai ống hình học giống hệt nhau để được hàn, vật liệu giống hệt nhau Để mô phỏng quá trình hàn của phần này và để đơn giản hóa việc phân tích nhiệt, ảnh hưởng của bức xạ và đối lưu dọc theo bề mặt bên ngoài và bên trong của ống sẽ không được xem xét Điều này sẽ đúng nếu quá trình hàn được hoàn thành trong một thời gian ngắn Chiều dài của phần được thực hiện là dài bán vô hạn kể từ khi nó được kẹp cứng ở một đầu

Do đó, một mô hình dẫn nhiệt một vật hàn có chiều dài bán vô hạn được sử dụng Để tạo thuận lợi cho phân tích cơ học trong các phần sau, hệ tọa độ trụ được thành lập để phân tích các quá trình hàn Tọa độ x đại diện cho hướng trục, θ đại diện cho hướng quayvà r đại diện cho phương hướng xuyên tâm

Mối hàn nằm tại gốc x = 0, lúc đó một điều kiện biên nhiệt độ cố định hoặc nhiệt thông đã được quy định, như minh họa trong hình 3.20 Chỉ có một nửa của mối hàn được mô hình hóa

Hình 3.20 Mô hình nhiệt cơ khí được sử dụng trong các tính toán

(a) Một ống tròn với điều kiện biên nhiệt chỉ thị, (b) Một bộ phận bên trong nó

3.10.1 Tính toán đầu vào nhiệt hàn ma sát:

Sự phân bố nhiệt độ trong mối hàn ma sát được xác định bởi các yếu tố như công suất đầu vào, các tính chất nhiệt của vật liệu hàn và sự hình thành bavia Một vấn đề quan trọng trong mô hình hóa các quá trình hàn ma sát là mô tả chính xác của nhiệt sinh ra tại đường hàn Trong ma sát trượt, sự sinh nhiệt đã được mô tả bằng phương trình 3.1:

Trong đó Q (W) là năng suất sinh nhiệt trong quá trình ma sát trượt, à là hệ số ma sỏt, P(N) là tải trọng ứng dụng, và V(ms -1 ) là vận tốc (Johnson 1985)

Năng suất sinh nhiệt (𝑄̇)=được thể hiện bởi phương trình 3.2:

Trong đú n là tốc độ quay (rpm), r là bỏn kớnh, à là hệ số ma sỏt, và P (r) là ỏp lực phõn phối Hệ số ma sỏt (à) và ỏp lực phõn phối P (r) bị ảnh hưởng bởi tốc độ cọ xát, nhiệt độ bề mặt, độ cứng vật liệu và chất lượng bề mặt (Wang 1975)

Khi mô-men xoắn T được đặt vào các bề mặt tiếp xúc, thì khi đó nhiệt trung bình đầu vào là: q 0 A 1 A � àPV max r R

Với q 0 /A(W/mm -2 ) là công suất có ích, P (MPa) là áp lực ma sát, và Vmax (ms -1 ) là tốc độ tối đa ở ngoại vi của các thành phần quay Phương trình

1.11 là cơ sở cho việc tính toán sự sinh nhiệt tại đường liên kết (Grong 1994) Tuy nhiên, phương trình 3.3 chỉ có hiệu lực cho giai đoạn 1 của pha ma sát Khi vận tốc tương đối giữa các bề mặt tiếp xúc là bằng không, nhiệt được tạo ra chủ yếu bởi một cơ chế tản nhớt

3.10.2 Phân bố nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát :

Các yếu tố xác định sự phân bố nhiệt độ trong mối hàn ma sát theo nghiên cứu của một số nhà khoa học (Cheng 1963, Rich và Roberts 1971 b, Sluzalec và Sluzalec 1993, Midling và Grong 1994) Mô hình ban đầu được đề xuất bởi Rikalin, mô hình này xem xét một nguồn nhiệt liên tục ở mặt phẳng một thanh trụ (Midling và Grong 1994) xem hình bên dưới Trong mô hình này thì nhiệt độ của bề mặt tiếp xúc vào cuối giai đoạn nóng là Th,phân bố nhiệt độ được cho bởi phương trình 3.4:

Th = nhiệt độ vào cuối giai đoạn nóng, O C, T = nhiệt độ môi trường xung quanh, O C, t = thời gian hàn, s, t h ′ = thời gian của giai đoạn nung nóng, s, x = khoảng cách đến bề mặt tiếp xúc, mm, a= một khả năng dẫn nhiệt , mm 2 s -1

Phương trình 3.4 mô tả nhiệt độ ở những khoảng cách khác nhau từ bề mặt tiếp xúc trong suốt thời gian làm nóng (Midling và Grong 1994)

3.10.3 Phương trình cho mô hình truyền nhiệt :

Phương trình truyền nhiệt một chiều được thể hiện như sau,

∂x 2 0 < 𝑥 < ∞ (3.5) Trong đó T, x, t lần lượt là nhiệt độ, khoảng cách và thời gian tương ứng κ = K /ρc là hệ số khuếch tán nhiệt, với K, ρ, c lần lượt là độ dẫn nhiệt, mật độ, nhiệt dung của vật liệu hàn Các điều kiện ban đầu được thể hiện như sau :

Trong đó f {x} là hàm số đại diện cho các điều kiện ban đầu, tức là, việc quy định nhiệt độ tại mọi điểm trong phôi hàn khi t = 0 Các điều kiện biên được sử dụng để tính toán trong quá trình làm nóng được thể hiện như sau

T{0, t} = g{t} t > 0 (3.7) Nhiệt độ quy định tại biên là :

∂x{0, t} = q{t} t > 0 (3.8) Với g {t} là sự phân bố nhiệt độ biên, và q {t} là nhiệt thông tại biên

Việc tính toán nhiệt độ được thực hiện theo ba bước riêng biệt

Trong giai đoạn đầu tiên, nhiệt độ tại các đường hàn tăng lên nhanh chóng, để đơn giản hóa việc tính toán, một nhiệt thông không đổi q {t} được sử dụng trong giai đoạn này

Trong giai đoạn thứ hai, nhiệt độ bề mặt tại dòng hàn (x = 0) được giả định là không đổi

Cuối cùng, trong giai đoạn làm nguội dòng nhiệt tại bề mặt được thiết lập về không phù hợp với một sự không gia nhiệt ở mặt phẳng đối xứng dọc theo đường hàn

Nhiệt độ ban đầu ở các bề mặt tiếp xúc được giả định là một hằng số

T0 Trong giai đoạn nung nóng, T0 được giả định là 0 ◦ C, tức là, f {x} = 0 Điều này giúp đơn giản hoá việc tính toán và làm cho ít có sai số trong kết quả Nhiệt độ ban đầu cho giai đoạn 2 được thực hiện vào cuối giai đoạn nung nóng Công thức cho giai đoạn nung nóng là

Trong đó q là thông lượng nhiệt, K là độ dẫn nhiệt, t, x lần lượt là thời gian và tọa độ tương ứng, và κ là khả năng dẫn nhiệt Các hàm giới hạn erfc {x} là hàm sai bù, nó được định nghĩa như sau : erfc{x} = 2

Cho giai đoạn thứ hai :

Các thông số và các phương pháp kiểm tra hàn ma sát quay 41

Các thông s ố của hàn ma sát kim loại

Theo tiêu chuẩn ISO 15620:2000(en) thì hàn ma sát kim loại gồm có các thông số sau :

- Lực dọc trục : lực dọc giữa các bộ phận hàn - Áp lực trục : áp lực trên bề mặt đang ghép chặt

- Lực tiếp xúc : lực dọc khi tiếp xúc của các chi tiết

- Độ dài cháy : chiều dài của phôi mất đi trong pha ma sát

- Tỷ lệ cháy : Tỷ lệ rút ngắn của các bộ phận trong quá trình áp dụng lực ma sát

- Moment xoắn : moment phản ứng khi ma sát bắt đầu

- Phanh bên ngoài : làm giảm tốc độ quay

- Bề mặt ghép kín : một bề mặt của một chi tiết sẽ được tiếp xúc với bề mặt của một chi tiết khác để tạo thành một khớp

- Lực ép rèn : là lực tác dụng đến mặt ghép kín khi chuyển động tương đối giữa chi tiết đang ngừng hoặc đã ngưng

- Chiều dài rèn : khoảng cách mà tổng chiều dài của các chi tiết bị giảm trong quá trình thực hiện rèn

- Tốc độ rèn :tỷ lệ rút ngắn của các bộ phận trong quá trình áp dụng lực giả mạo

- Pha ma sát : trong chu kỳ hàn ma sát, khoảng nhiệt cần thiết để tạo ra mối hàn được tạo ra bởi chuyển động tương đối và lực ma sát giữa các thành phần, tức là từ tiếp xúc của các thành phần đến khi bắt đầu quá trình giảm tốc

- Áp lực ma sát : là áp lực trên bề mặt khép kín do lực ma sát dọc

- Thời gian ma sát : thời gian trong đó chuyển động tương đối giữa các bộ phận diễn ra ở tốc độ quay và dưới áp lực ma sát

- Chiều dài nhô ra : là khoảng cách nhô ra của hai chi tiết khi tiết xúc hàn ma sát quay

- Tốc độ quay : số vòng quay mỗi phút của máy

- Vận tốc góc : là vận tốc góc tương đối của chi tiết quay so với chi tiết cố định

- Dừng pha : trong chu trình hàn ma sát khoảng thời gian mà chuyển động tương đối của các thành phần được giảm tốc về 0

- Thời gian dừng : là thời gian yêu cầu của bộ phận di chuyển để giảm tốc từ tốc độ ma sát đến tốc độ bằng không

- Đường cong moment xoắn : đặc tính mô-men xoắn giữa hai giao diện dựa trên thời gian (tiếp xúc, cân bằng, mô men xoắn cuối cùng)

- Tổng chiều dài mất : là khoảng chiều dài xảy ra do kết quả ma sát ma sát, tức là tổng của chiều dài cháy và chiều dài rèn

- Tổng thời gian hàn : thời gian trôi qua giữa tiếp xúc của bộ phận và kết thúc giai đoạn rèn.

Các thông s ố chính của hàn ma sát quay

Hàn ma sát quay là quá trình chuyển chuyển trạng thái từ rắn sang chảy dẻo và cuối cùng chuyển về trạng thái rắn như ban đầu Cơ tính của vật liệu cũng sẽ biến đổi theo từng giai đoạn của quá trình hàn Đối với hàn ma sát quay điều khiển trực tiếp thì có 3 thông số chính điều khiển tính chất của hàn ma sát quay là vận tốc quay 𝜔, thời gian hàn t và lực ép dọc trục F

Tùy thuộc vào đặc tính của vật liệu và mối quan hệ giữa các thông số còn lại cùng với yêu cầu đối với mối hàn mà giá trị các thông số chính biến thiên trong suốt quá trình hàn Do đó, tùy thuộc vào từng giai đoạn mà mỗi thông số chính có giá trị và tên gọi khác nhau nhằm nêu rõ vai trò của thông số đó

Một số thông số chính ảnh hưởng đến quá trình hàn là vận tốc góc 𝜔, thời gian ép tạo ma sát, thời gian ép tạo mối hàn, thời gian gia nhiệt, thời gian dừng trục chính, thời gian rèn, lực ép tạo ma sát, hệ số ma sát

- Vận tốc góc : Vận tốc góc tương đối của chi tiết quay so với chi tiết ố định Là thông số đầu vào điều khiển được và cũng là thông số chính Do đó, vận tốc góc được xem là nhân tố tác động đến các nhân tố khác

- Thời gian t: Là tổng thời gian cần thiết để thực hiện mối hàn Bắt đầu từ lúc chi tiết bắt đầu quay cho đến kết thúc lực ép tạo mối hàn

Thời gian này phụ thuộc vào đặc tính vật liệu của chi tiết hàn, và yêu cầu đối với mối hàn Thời gian hàn được chia làm nhiều khoảng thời gian khác nhau trong suốt quá trình hàn tùy thuộc vào vai trò của các thông số khác ( vận tốc góc và lực ép) trong mỗi giai đoạn hàn

- t1: Khoảng thời gian trễ từ lúc chi tiết bắt đầu quay cho đến khi 2 bề mặt hàn tiếp xúc với nhau Khoảng thời gian này giúp cho chi tiết quay đạt được động năng nhất định nhằm tránh quá tải, sinh ra nhiệt lượng lớn tức thời tại bề mặt tiếp xúc tránh hiện tượng nóng chảy trong vùng vật liệu lớn xung quanh mối hàn

- t2: Khoảng thời gian ma sát lần thứ nhất Khoảng thời gian lực ép tạo ma sát từ F= Fo=0 đạt giá trị F= F1 Khoảng thời gian giúp tạo bavia đẩy tạp chất trên bề mặt hàn ra khỏi mối hàn

- t 3 : Khoảng thời gian ma sát lần thứ hai: đây là khoảng thời gian sinh nhiệt ma sát lớn nhất Lượng nhiệt sinh ra làm chảy vùng vật liệu hàn, đồng thời hai chi tiết quay tương đối với nhau trong lúc vật liệu chảy dẻo giúp cho vật liệu của hai chi tiết trộn lẫn vào nhau, hình thành lớp vật liệu mới Cùng với lực F2, t3 quyết định nhiệt độ của vùng vật liệu chảy dẻo, do đó quyết định cơ tính của mối hàn

- t 4 : Khoảng thời gian ép tạo mối hàn Đây là khoảng thời gian ép giúp cho vật liệu nóng chảy của hai chi tiết trộn lẫn vào nhau Tuy nhiên t4 phụ thuộc vào nhiệt độ hiện tại của vùng hàn và hệ số truyền nhiệt của vật liệu

- Lực ép dọc trục F: Bao gồm cả lực ép tạo ma sát và lực ép tạo mối hàn Lực ép dọc trục quyết định đến chất lượng mối hàn thông qua lực ma sát sinh ra và sự trộn lẫn vật liệu hai chi tiết Lực ép dọc trục biến thiên tùy vào từng giai đoạn của quá trình hàn

- F1: Lực ép tạo ma sát lần 1 Độ lớn của lực F1 nhỏ, nhằm tránh gây biến dạng lớn hoặc quá tải khi tiếp xúc hai chi tiết với nhau Đồng thời đây là thời gian tạo bavia làm sạch bề mặt hàn, nếu lực F1 lớn dẫn đến vùng chảy dẻo lớn sẽ đẩy chất bẩn vào mối hàn

- F2: Lực ép tạo ma sát lần 2 Đây là lực ép để gia nhiệt để vật liệu đến trạng thái chảy dẻo

- F3: Lực ép tạo mối hàn, Lực ép F3 rất lớn giúp vật liệu của hai chi tiết hàn trộn lẫn vào nhau Lực F2 tăng lên F3 khi vận tốc góc của chi tiết quay gần về 0, do đó thời gian tăng từ F2 lên F3 phải ngắn để tránh vùng vật liệu hàn bị nguội

Bên cạnh các thông số điều khiển được thì tồn tại một số thông số khó hoặc không điều khiển được như rung động của các thiết bị xung quanh, nhiệt độ phòng, …

4.3 Ảnh hưởng của của các thông số đến hàn ma sát quay :

- Các biến số chính trong hàn ma sát quay :

• Số vòng quay của trục chính

• Áp suất dùng để ép chặt

• Thời gian hãm động cơ

Các thông số trên đều tác động đến chất lượng của mối hàn, tùy theo từng loại vật liệu mà ta lựa chọn thông số cho phù hợp

- Trong pha làm nóng, nhiệt tỏa ra có thể được điều chỉnh theo tốc độ quay trục chính 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 Đôi khi sự thay đổi giai đoạn của lực được dùng trong lúc làm 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 (h 4.1)

Các phương pháp kiểm tra mối hàn

Việc kiểm tra mối hàn trong hàn ma sát là rất quan trọng có 2 loại kiểm tra mối hàn là kiểm tra phá hủy và không phá hủy Tuỳ theo yêu cầu chất lượng, giám sát tiến trình có thể thực hiện phép kiểm tra từ đơn giản như quan sát bên ngoài đến các phép kiểm tra nâng cao như kiểm soát nhiệt hồng ngoại

Hình 4.7 Cắt ngang chi tiết

Hình 4.8 Phổ điện hồng ngoại khi tiến hành mối hàn

4.4.1 Kiểm tra bằng phương pháp phá hủy :

- Kiểm tra cơ tính của mối hàn

Mục đích của việc kiểm tra này là so sánh cơ tính của liên kết hàn với cơ tính của kim loại cơ bản Qua đó để đánh giá trình độ tay nghề của người thợ hàn một cách chính xác hơn

Căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật, khả năng thiết bị kiểm tra, quy trình

• Kiểm tra thử kéo + Xác định các đặc trưng cơ học cơ bản của vật liệu

+ Xây dựng đường cong đặc tính của vật liệu nhờ cơ cấu vẽ cơ học

+ Khi uốn, thớ ngoài của chi tiết chịu ứng suất lớn hơn giới hạn chảy của kim loại cơ bản Đồng thời khi uốn độ dẻo mối hàn được kiểm tra đầy đủ vì khi đó thớ ngoài chịu biến dạng đáng kể

Hình 4.9 Mẫu đồng Ф40 sau khi hàn ma sát, bỏ rìa xờm và uốn (không nhiệt luyện)

+ Công ty ВНИИЭСО đã tiến hành thử uốn các mẫu là thanh đặc, nếu độ dẻo cho phép sẽ thực hiện chặt chẽ hơn so với tiêu chuẩn ГОСТ: mẫu được uốn (H 4.11) đi 180 o cho đến khi bẹt ra Khi thử các chi tiết liên kết ống sau khi cắt bỏ vòng xờm, thường người ta cắt dọc ống theo từng dải rộng 5- 10 mm tùy theo đường kính vả chiều dày, đem các dải đó đi thử uốn Để cắt được đơn giản không cần thiết thực hiện trên suốt chiều dài ống, nhưng phải làm sao để cắt qua mối hàn, sau đó sẽ uốn mỗi dải đi một góc, khi đó xuất hiện vết nứt đầu tiên Phương pháp này cũng thường được sử dụng trong các nhà máy

Hình 4.10 Mẫu thử uốn nhanh khi hàn ống nhôm – thép

Khi thử uốn góc tới hạn, mà tại đó bắt đầu xuất hiện vết nứt tại mối hàn không nhỏ hơn tại kim loại cơ bản (≥180 o )

• Kiểm tra độ dai va đập

Việc thử nghiệm phá hủy kéo, uốn, xoắn, dai va đập… các liên kết hàn bằng ma sát luôn luôn cho kết quả tốt nếu quy trình hàn được thực hiện đúng Thông thường độ bền kéo tạm thời của mối hàn lớn hơn so với kim loại cơ bản

Khi thử xoắn đa số trường hợp chỗ bị phá hủy không thuộc về mối hàn

Những tính chất này của kim loại mối hàn được giải thích là do trong mối hàn không có khuyết tật lớn và cấu tạo rất đặc thù của kim loại mối hàn

- Kiểm tra cấu trúc của liên kết hàn

Gồm có hai dạng là: Kiểm tra thô và kiểm tra tế vi

• Kiểm tra thô Kiểm tra thô được tiến hành trực tiếp với các mẫu thử kim loại hàn, mài bóng và tẩy sạch bằng dung dịch axit nitric 25% rồi dùng kính lúp hoặc mắt thường để phát hiện khuyết tật của liên kết hàn, có thể khoan lấy mẫu ngay trên kim loại đắp để nghiên cứu Mũi khoan lấy mẫu có đường kính rộng hơn chiều rộng của mối hàn 3mm để lấy cả phần kim loại cơ bản và kim loại mối hàn

• Kiểm tra cấu trúc tế vi

Kiểm tra cấu trúc tế vi được tiến hành dưới loại kính lúp có độ phóng đại lớn (100-500 lần), nhờ vậy có thể xác định được dễ dàng và chính xác chất lượng kim loại của liên kết hàn

4.4.2 Kiểm tra bằng phương pháp không phá hủy :

- Kiểm tra bằng mắt thường

• Kiểm tra trước khi hàn

 Kiểm tra bản vẽ, các tiêu chuẩn đặt ra cho liên kết hàn

 Kiểm tra chứng chỉ vật liệu được sử dụng có đủ và phù hợp với yêu cầu không

 Kiểm tra gia công gá lắp, khe hở và mép vát có đúng với thiết kế không

 Kiểm tra độ sạch của liên kết hàn

• Kiểm tra trong khi hàn

 Kiểm tra các thông số của quy trình hàn

 Loại vật liệu hàn tiêu hao

 Nhiệt độ nung nóng trước khi hàn (nếu được yêu cầu)

 Vị trí hàn và chất lượng bề mặt vật hàn

 Xử lý các mối hàn đính và vệ sinh giữa các lớp hàn

 Kích thước liên kết hàn

 Nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt sau khi hàn

• Kiểm tra sau khi hàn

 Làm sạch bề mặt liên kết hàn (bề mặt mối hàn và vùng kim loại cơ bản)

 Quan sát kỹ bằng mắt thường hoặc bằng kính lúp

 Kiểm tra kích thước của mối hàn so với bản vẽ thiết kế

- Kiểm tra bằng dung dịch chỉ thị màu Đây là phương pháp sử dụng các dung dịch để thẩm thấu vào các vết nứt, rỗ khí nhỏ của liên kết hàn mà không thể quan sát được bằng mắt thường, sau đó dùng các chất hiển thị màu phát hiện ra vị trí mà dung dịch thẩm thấu còn nằm lại ở các vết nứt cũng như rỗ khí

Lưu ý : phương pháp này chỉ phát hiện được các khuyết tật mở ra trên bề mặt vật liệu cần kiểm tra

Thông thường sử dụng 3 loại dung dịch và được tiến hành theo các bước sau:

• Dùng dung dịch làm sạch để tẩy sạch bề mặt mối hàn

• Phun dung dịch thẩm thấu lên bề mặt mối hàn

• Sau khi đủ thời gian để dung dịch thẩm thấu vào các vết nứt, rỗ khí, thì lau sạch bề mặt mối hàn

• Dùng dung dịch hiển thị màu phun lên vùng mối hàn vừa thực hiện các bước trên để phát hiện khuyết tật

Phương pháp này có tính ưu việt là đơn giản, dễ thực hiện, phát hiện được cả các khuyết tật nhỏ không quan sát được bằng mắt thường một cách nhanh chóng, tuy nhiên nó không phát hiện được những khuyết tật nằm bên trong của liên kết hàn và chiều sâu của khuyết tật

- Kiểm tra bằng từ tính

Dùng bột sắt từ rắc trong trường của nam châm tự nhiên hay điện từ thì nó sẽ phân bố theo quy luật của các đường sức từ Quy luật này trước tiên phụ thuộc vào sự đồng nhất của cấu trúc sắt từ, nếu như trên đường đi các đường sức từ gặp phải các vết nứt, khe hở… thì quy luật phân bố của về độ thẩm từ Khi gặp các khuyết tật các đường sức từ tản ra bao xung quanh lấy các khuyết tật đó

Dựa vào nguyên lý đó người ta tiến hành kiểm tra bằng cách rắc bột sắt lên bề mặt mối hàn, sau đó đặt kết cấu hàn vào trong một từ trường rồi nhìn vào sự phân bố các đường sức từ để có thể phát hiện và phân biệt được khuyết tật Phương pháp này chỉ áp dụng đối với các vật liệu từ tính, nó cho phép phát hiện các khuyết tật nứt bề mặt có kích thước rất nhỏ, các khuyết tật ở phía dưới bề mặt liên kết hàn như:

• Nứt ở vùng ảnh hưởng nhiệt

• Nứt phía dưới bề mặt

- Kiểm tra bằng tia phóng xạ (Rơn-ghen và gamma)

Tia X và tia Gamma là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn, tần số dao động và năng lượng rất cao có thể đi xuyên qua khối kim loại dày

Một phần bức xạ tia X và tia gamma bị hấp thụ, một phần sẽ đi qua mẫu kiểm \tra, lượng hấp thụ và lượng đi qua được xác định theo chiều dày của mẫu Khi có khuyết tật bên trong, chiều dày hấp thục bức xạ sẽ giảm, điều này tạo phần khác biệt trong phần hấp thụ, được ghi lại trên phim ở dạng hình ảnh bóng gọi là ảnh bức xạ Giải đoán phim sẽ cho phép phát hiện các khuyết tật bên trong vật hàn một cách chính xác

Phương pháp này cho phép phát hiện được tất cả các loại khuyết tật trừ các vết nứt vi nhỏ

- Kiểm tra bằng siêu âm

Sóng siêu âm là dạng sóng âm thanh dao động đàn hồi trong môi trường vật chất nhất định, khi truyền qua biên giới giữa các môi trường vật chất khác nhau sóng siêu âm sẽ bị khúc xạ hay phản trở lại Dựa vào đặc tính đó, người ta đã chế tạo được các loại máy dò siêu âm để phát hiện các khuyết tật nằm sâu trong lòng kim loại

Thực nghiệm hàn ma sát quay

Nghiên c ứu thực nghiệm

Các thông số chính của quá trình hàn ma sát quay: Đối với hàn ma sát quay truyền động trực tiếp ta có 3 thông số chính điều khiển tính chất của hàn ma sát quay là tốc độ quay n, thời gian hàn t và lực ép dọc trục P

- Tốc độ quay n : là thông số đầu vào điều khiển được và cũng là thông số chính tác động đến các nhân tố khác

- Thời gian t : là tổng thời gian cần thiết để thực hiện mối hàn

- t o : là khoảng thời gian trễ từ lúc chi tiết bắt đầu quay cho đến khi 2 bề mặt hàn tiếp xúc với nhau

- tf : là khoảng thời gian ma sát

- tu : là khoảng thời gian ép tạo mối hàn

- P: Lực ép tạo mối hàn gồm cả lực ép tạo ma sát và lực ép chồn

- Pf : Lực ép tạo ma sát - Pu : Lực ép chồn

Bên cạnh các thông số chính vẫn còn một số thông số khác ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hàn như : rung động của các thiết bị xung quanh, nhiệt độ phòng, sự đồng đều hoặc có lẫn tạp chất bên trong vật liệu, …

5.1.2 Vật liệu thực nghiệm : Thép kết cấu : là loại thép dùng cho ngành chế tạo máy, có chất lượng tốt Khả năng làm việc tốt sau khi nhiệt luyện

Chế tạo dụng cụ cắt, dụng cụ đo, đồ gá và khuôn mẫu người ta dùng các loại thép cacbon chất lượng trung bình, thép cacbon chất lượng và thép hợp kim kết cấu

Loại thép này thường pha với các nguyên tố : Cr, Mn, Si, Ni, Ti, Mo,… với lượng nhỏ (từ 1- 2 %) để tạo thành thép hợp kim nhằm làm tăng cơ tính cho vật liệu

- Cacbon : Hàm lượng cacbon nằm trong khoảng 0,3 – 0,5% để thép có sự kết hợp hài hoà giữa độ bền và độ dẻo dai

- Các nguyên tố hợp kim : Thường dùng các nguyên tố Cr, Mn, Si, Ni với hàm lượng khoảng 1% mỗi nguyên tố với mục đích làm tăng độ thấm tôi

Ngoài ra, các nguyên tố Mo (