Nghiên cứu thiết kế quy trình hàn ma sát gồm cả bản vẻ

LỜI MỞ ĐẦUTrong các ngành kĩ thuật cơ khí hiện nay, ngành hàn giữ một vai trò rất quan trọng, nhất là trong công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá ở nước ta hiện nay. Ngành hàn đã và đang đươc ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành kĩ thuật như: làm kết cấu nhà xưởng, xây dựng công trình, lắp ghép các chi tiết, đắp tạo các trục, thiết kế chế tạo các sản phẩm cơ khí, phục hồi các chi tiết máy sau một thời gian làm việc, với nhiều tính năng ưu việt, năng xuất chất lượng cao... trong thời đại ngày nay, với trình độ khoa học ngày càng phát tiển mạnh mẽ, thì ngành hàn đã gióp phần không nhỏ trong việc đưa nghành cơ khí lên vị thế quan trọng trong cụng cuộc phát triển kinh tế, nổi bật trong nghành hàn là phương pháp hàn ma sát, tuy phương pháp này khá phổ biến trên thế giới nhưng ở Việt Nam thì chưa có sử dụng rộng rãi.Chúng em nhận đề tài này khá mới lạ nhưng dưới sự giúp đỡ hướng dẫn tận tình của Thầy Nguyễn Đức Thắng và thầy Lê Văn Thoài đối với nhóm đồ án chúng em đã hoàn thành đúng tiến độ đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu thiết kế quy trình hàn ma sát”.Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do điều kiện thời gian không cho phép, kiến thức, sự hiểu biết còn hạn chế nên chắc chắn đồ án của chúng em vẫn còn nhiều thiếu sót là không thể tránh khỏi. Vì vậy, chúng em rất mong được sự giúp đỡ, những ý kiến đánh giá của các thầy để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn.Một lần nữa, chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Đức Thắng và thầy Lê Văn Thoài đã tận tình hướng dẫn, cũng như các thầy giáo trong Bộ môn Công nghệ Hàn đã tạo điều kiện giúp đỡ nhóm chúng em hoàn thành đề tài đồ án tốt nghiệp nàyChúng em xin chân thành cảm ơnMỤC LỤCLỜI MỞ ĐẦU2Chương I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÀN MA SÁT3I. Giới thiệu chung31.1 Khái niệm31.2 Lịch sử nghiên cứu31.3 Đặc điểm cấu trúc:4II. Quá trình hình thành liên kết42.1. Quá trình hình thành mối hàn42.2 Quá trình hình thành liên kết ma sát6Chương II. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN HÀN MA SÁT8I. Thông số yêu cầu8II. Phương pháp tính toán82.1. Phương pháp lý thuyết82.2. Phương pháp thực nghiệm102.3. Cấu tạo của đầu xoay112.4. Các vật liệu chế tạo đầu xoay122.4.1. Thép đàn hồi122.4.2. Thép ổ lăn142.4.3. Thép dao cắt năng suất thấp152.4.5. Bột mài19Chương III. LẬP QUY TRÌNH HÀN MA SÁT21I. Nguyên lí và đặc điểm của hàn ma sát211.1. Nguyên lí211.2. Đặc điểm21II. Quá trình ma sát hàn232.1. Giai đoạn 1232.2. Giai đoạn 2232.3. Giai đoạn 324III. Phân loại hàn ma sát243.1. Hàn ma sát quay trực tiếp (rotationaldirect friction welding)243.1.1. Ưu điểm263.1.2. Nhược điểm263.2. Hàn ma sát quán tính (inertia friction welding)263.3 Hàn ma sát hướng kính (radial friction welding)273.4. Hàn ma sát thẳng và theo quỹ đạo (linear friction orbital friction welding)273.4.1. Ưu điểm293.4.2. Nhược điểm293.5. Hàn ma sát chốt (friction stitchstud welding).293.6. Hàn ma sát ngoáy khuấy (friction stir welding)293.6.1. Ưu điểm323.6.2. Nhược điểm323.7. Hàn điểm ma sát khuấy (friction stir spot welding)333.7.1. Ưu điểm333.7.2. Nhược điểm37CHƯƠNG 4. KHẢO SÁT HÀN MŨI DOA (MŨI KHOAN) BẰNG MA SÁT: ĐƯỜNG KÍNH 2040I.Quy trình hàn401.1.Khái quát chung về thép kết cấu401.2.Chuẩn bị vật liệu hàn421.2.1. Phần mũi khan: Thép gió r18 20421.2.2. Phần cán: Thép C45 20451.2.3. Chuẩn bị phôi hàn451.3. Chuẩn bị máy hàn ma sát.471.3.1. Cải tạo lại máy trang bị đồ gá và không sử dụng trực tiếp máy công cụ.481.3.2.Sử dụng máy hàn ma sát chuyên dùng.491.4.Chọn phương pháp hàn521.4.1.Đặc điểm của hàn ma sát.521.4.2 Các phương pháp hàn ma sát thường được sử dụng trong sản xuất521.4.2.1. Hàn ma sát ngoáy khuấy521.4.2.2 Hàn ma sát quán tính541.4.2.3. Hàn ma sát quay trực tiếp551.5.Lựa chọn chế độ hàn56II. Các bước thực hiện hàn ma sát592.1.Gá phôi592.2.Lựa chọn các thông số hàn:612.3.Quá trình hàn ma sát quay:67III.Kiểm tra độ bền743.1. Kiểm tra độ bền mối hàn743.2. Kiểm tra liên kết hàn.763.3. Kiểm tra bền uốn79IV. Các thí nghiệm kiểm tra chất lượng liên kết hàn bằng phương pháp phá hủy813.1. Thí nghiệm kéo chi tiết813.1.1. Mục đích thí nghiệm.813.1.2. Thiết bị813.1.3. Mẫu thí nghiệm813.1.4.Tiến hành thí nghiệm823.1.5. Kết quả843.2. Thí nghiệm thử mỏi chi tiết843.2.1. Mục đích thí nghiệm.843.2.2. Cơ sở lý thuyết.843.2.3. Mẫu thí nghiệm.843.2.4. Máy thí nghiệm.853.2.5. Thông số thí nghiệm863.2.6. Tiến hành thí nghiệm863.2.7. Kết quả thí nghiệm863.3. Thí nghiệm thử uốn chi tiết863.3.1.Thiết bị863.3.2. Tiến hành thử873.3.3.Tính toán kết quả:88CHƯƠNG 5. PHẠM VI ÁP DỤNG HÀN MA SÁT89I.Chế tạo dụng cụ891.1. Chế tạo dụng cụ cắt891.2. Chế tạo dụng cụ đo và mũi tâm quay của máy tiện90II. Chế tạo chi tiết máy922.1. Chế tạo máy cắt điện không khí cao áp922.2. Chế tạo cylinder thủy lực và khí nén cho máy hàn922.3. Chế tạo xupap động cơ đốt trong.932.4. Chế tạo942.5. Sử dụng hàn ma sát trong nhà máy chế tạo máy kéo.942.6. Chế tạo bu lông962.7. Chế tạo chi tiết bimetal từ thép và nhôm96KẾT LUẬN98TÀI LIỆU THAM KHẢO99MỤC LỤC100Nghiên cứu thiết kế quy trình hàn ma sát gồm cả bản vẻ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -

Số liệu ban đầu:

2 Nội dung các phần thuyết minh

và tính toán:

3 Các bản vẽ và đồ thị (ghi rõ loại bản vẽ và kích thuớc bản vẽ):

4 Cán bộ hướng dẫn:

Phần

Họ tên cán bộ

5 Ngày giao đề tài đồ án:

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ h͕ọ tên)

LỜI MỞ ĐẦU

Trong các ngành kĩ thuật cơ

khí hiện nay, ngành hàn giữ một

vai trò rất quan trọng, nhất là trong

công cuộc công nghiệp hoá- hiện

đại hoá ở nước ta hiện nay Ngành

hàn đã và đang đươc ứng dụng rộng

rãi trong tất cả các ngành kĩ thuật

như: làm kết cấu nhà xưởng, xây

dựng công trình, lắp ghép các chi

tiết, đắp tạo các trục, thiết kế chế

tạo các sản phẩm cơ khí, phục hồi

các chi tiết máy sau một thời gian

làm việc, với nhiều tính năng ưu

việt, năng xuất chất lượng cao

trong thời đại ngày nay, với trình

độ khoa học ngày càng phát tiển

mạnh mẽ, thì ngành hàn đã gióp

phần không nhỏ trong việc đưa

nghành cơ khí lên vị thế quan trọng

trong cụng cuộc phát triển kinh tế,

nổi bật trong nghành hàn là phương

pháp hàn ma sát, tuy phương pháp

này khá phổ biến trên thế giới

nhưng ở Việt Nam thì chưa có sử

dụng rộng rãi

Chúng em nhận đề tài này

khá mới lạ nhưng dưới sự giúp đỡ

hướng dẫn tận tình của Thầy

Nguyễn Đức Thắng và thầy Lê Văn

Thoài đối với nhóm đồ án chúng

em đã hoàn thành đúng tiến độ đồ

án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên

cứu thiết kế quy trình hàn ma sát”.

Mặc dù đã cố gắng rất nhiềunhưng do điều kiện thời gian khôngcho phép, kiến thức, sự hiểu biếtcòn hạn chế nên chắc chắn đồ áncủa chúng em vẫn còn nhiều thiếusót là không thể tránh khỏi Vì vậy,chúng em rất mong được sự giúp

đỡ, những ý kiến đánh giá của cácthầy để đề tài của chúng em đượchoàn thiện hơn

Một lần nữa, chúng em xinđược gửi lời cảm ơn chân thành tớithầy Nguyễn Đức Thắng và thầy LêVăn Thoài đã tận tình hướng dẫn,cũng như các thầy giáo trong Bộmôn Công nghệ Hàn đã tạo điềukiện giúp đỡ nhóm chúng em hoànthành đề tài đồ án tốt nghiệp này!

Chúng em xin chân thànhcảm ơn!

Hưng yên ngày…… tháng……năm

Sinh viên thực hiện

Trần Văn Thỏa

Chương I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

HÀN MA SÁT

I Giới thiệu chung

1.1 Khái niệm

Hàn ma sát là quá trình hàn

áp lực, trong đó nguồn nhiệt để

nung dẻo hai bề mặt cần hàn là lực

ma sát do chuyển động tương đối

giữa chúng Sau đó được ép dưới

áp lực cao để tạo liên kết hàn

Khi cho 2 vật liệu quay ở tốc

độ cao tiếp xúc với nhau và lợi

dụng nhiệt ma sát sinh ra để nối

chúng lại với nhau được gọi là kỹ

thuật hàn ma sát xoay

1.2 Lịch sử nghiên cứu

Kỹ thuật này được một người

thợ tiện của Nga Xô tên là AI

Chudikov phát hiện vào năm 1954

Sau nhiều lần thực nghiệm, ông đã

thành công

Từ năm 1956, kỹ thuật này

đã được đưa vào nghiên cứu tại Sở

nghiên cứu kỹ thuật hàn Soviet

(VNIESO) và được coi là kỹ thuật

bí mật của Nga

Năm 1960, thông tin về kỹ

thuật này lọt vào tay của Kỹ thuật

Điều tra Đoàn của Nhật bản trong

khi đoàn điều tra này đang ở Nga,

(trong những năm ở thập kỷ 70,chính phủ Nhật hỗ trợ thành lập cácđoàn điều tra kỹ thuật, cử các kỹ sưgiỏi đi tham quan các xí nghiệpngoại quốc để học tập, thực ra làmột dạng điệp viên kinh tế), lập tứccác thông tin kỹ thuật được chuyển

về Tokyo và Hiệp hội nghiên cứu

kỹ thuật hàn của Anh Quốc(BWRA)

Năm 1961 người Nhật công

bố kỹ thuật hàn ma sát xoay và bắtđầu ứng dụng rộng rãi trong kỹthuật chế tạo phụ tùng xe hơi

Năm 1962, hãng chế tạo máydệt Toyota bắt đầu đưa vào chế tạomáy hàn ma sát xoay hàng loạtdạng Brake

Năm 1964, thiết lập Hộinghiên cứu hàn ma sát, bắt đầunghiên cứu hàn ma sát trên nhiềuloại vật liệu khác nhau, tạo cơ sở lýthuyết cho ra đời các quy chuẩn vềhàn ma sát JIS 3607

Năm 1998 hãng Izumi được

ủy thác chế tạo toàn bộ từ kỹ thuậtbàn giao của Toyota đã chế tạothành 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

Hiện tại, các hãng chế tạo

máy hàn ma sát xoay nổi tiếng là

IZUMI Industry, SAKAE Industry,

TOYO , NITTO, SEIMITSU,

TANAKA Seiki Sangyou

rất cao Trong khi một số vùng là

chung đối với tất cả các dạng hàn,

một số khác rất đặc trưng theo công

nghệ này Một khi thuật ngữ được

thay đổi những biểu diễn sau đã có

sự nhất trí:

Vùng khuấy (cũng gọi là

vùng tái kết tinh động) là vùng vật

liệu bị biến dạng rất mạnh tương

ứng với ùng vị trí của chốt trong

quá trình hàn Biên hạt bên trong

vùng khuấy là đẳng trục và thường

có cấp độ độ lớn nhỏ hơn biên hạt

trong vật liệu chủ Tính chất độc

đáo của vùng khuấy thường xuất

hiện của nhiều vòng ròn đồng tâm

mà có liên quan đến cấu trúc vòng

củ hành Nguồn gốc chính xác của

các vòng này vẫn chưa có khẳng

định chắc chắn, mặc dù có sự biến

động về mật độ số hạt, kích thướcbiên hạt và textua đã được đặt giảthuyết

Cánh chảy là vùng bề mặtphía trên vùng hàn và có chứa vậtliệu bị kéo bởi vai trụ từ cạnh phíasau của phần hàn, quanh rìa trụcquay, và lắng đọng lên cạnh phíatrước

Vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (TMAZ) xuất hiện bên cáccạnh của vùng khuấy Trong vùngnày, biến dạng và nhiệt độ lf thấphơn và ảnh hưởng của quá trình hànđến cấu trúc tuơng ứng nhỏ hơn.Không như vùng khuấy cấu trúc rấtgiống vật liệu chủ, mặc dù cũng bịbiến dạng và xoay đáng kể Mặc dùkhái niệm kỹ thuật TMAZ liênquan đến cả vùng biến dạng thườngđược sử dụng để mô tả vùng bất kìnhưng không giải thích được chovùng khuấy và cánh chảy

cơ-Vùng chịu ảnh hưởng nhiệt(HAZ) là chung cho tất cả các quátrình hàn Như đã chỉ thị bởi tên,vùng này chịu ảnh hưởng của chu

kỳ nhiệt nhưng không bị biến dạngtrong quá trình hàn Nhiệt độ thấphơn so với vùng TMZA nhưng cóảnh hưởng đáng kể khi cấu trúckhông ổn định nhiệt Thực tế, cáchợp kim nhôm hóa bền bằng hóa

- Khuếch tán tương hỗ giữa

hai phần, tạo ra liên kết hàn

Sơ đồ tổng quát của hàn ma

là rất kém linh hoạt do:

- Các chi tiết liên kết phải có

kích thước phù hợp;

- Chỉ thực hiện được hàngiáp mối;

- Khó hoàn thành đường hàndài;

- Quá trình hàn không liêntục

Do đó mô hình này chỉ ápdụng hàn nối một số chi tiết đặcbiệt (ví dụ cán và nắp xu páp)

Để tăng cường khả năng ápdụng hàn ma sát hiện nay chủ yếu

áp dụng loại sơ đồ hàn với đầuxoay riêng biệt (gọi là hàn ma sátxoay)

Sơ đồ hàn ma sát xoay nhưsau:

- Giai đoạn 3: Khuếch tán tương hỗ tạo liên kết vững chắc

- Giai đoạn 2: Biến dạng dẻo đan xen giữa hai bề mặt

- Giai đoạn 1: Tiếp xúc cứng hai bề mặt trên các nhấp nhô tế vi

PP

- Tạo lực ép cho hai chi tiết

trong liên kết hàn;

- Đầu xoay tiến đến vị trí bắt

đầu hàn;

- Dừng đầu xoay một thời

gian xác định đợi kim loại vùng

hàn nóng dẻo, đầu xoay tiến dọc

hàn như rỗ, nứt, đạt cơ tính cao;

- Hầu như không cần chuẩn

Với mô hình này có các ưu điểm sau:

- Có thể áp dụng hàn tấmlớn;

hàn như rỗ, nứt, đạt cơ tính cao;

- Hầu như không cần chuẩn

Chương II MÔ HÌNH TÍNH

TOÁN HÀN MA SÁT

I Thông số yêu cầu

- Đường kính hai chi tiết cần

Yêu cầu: Lực ép P phải tạo ra

ứng suất trên bề mặt tiếp xúc của

hai chi tiết tham gia liên kết hàn lớn

hơn giới hạn chảy của vật liệu Để

đảm bảo có biến dạng dẻo:

ch N / cm F

k σ

=

(2.2)Trong đó:

kσ : Hệ số tập trungứng suất

σ0 : Giới hạn chảy củavật liệu ở nhiệt độ thường

T : Nhiệt độ tại vị tríliên kết hàn

m : Chỉ số mũ ảnhhưởng (< 1)

Như vậy cần phải xác địnhnhiệt độ nung

Với vật liệu là thép, nhiệt độnung phải đảm bảo :

- Giảm mạnh E, G sao cho

σch ≤ 12 KG/mm2

- Tạo tổ chức một phaAustenit có tính dẻo cao nhất

Do vậy với thép trước cùngtích:

Tnung =Ac3 + (20 ÷ 30)0C

(2.3)Với thép sau cùng tích:

Tnung =Acm + (20 ÷ 30)0C (2.4)

Ta thấy thép sau cùng tích(cỡ > 1,2%C) có nhiệt độ nung rấtcao do đó hạn chế năng suất vàkhông đảm bảo tính kinh tế, lẫn cơtính của mối hàn Trong thực tế hàn

ma sát chỉ thích hợp hàn thép cácbon trung bình và thép hợp kim hoáthấp

Với vật liệu hợp kim màu:nhiệt độ nung chọn lớn hơn hoặcbằng nhiệt độ kết tinh lại tức là:

Tnung =(0,4 ÷ 0,45)Tnóng chảy

(2.5)

Để đảm bảo nhiệt độ nung tadựa vào bài toán cân bằng nhiệt:

Fms: Lực ma sát trênhai bề mặt (N)

ω: Tốc độ quay củađầu xoay (vòng / phút)

Theo định luật Coulumb về

(2.9)

Trong đó:

Q2 : Lượng nhiệt truyền

cho vùng mối hàn;

Q3 : Lượng nhiệt truyền

cho đầu xoay;

Q4 : Lượng nhiệt truyềncho môi trường

Như vậy, với sơ đồ đơn giản,tổng quát, lượng nhiệt hữu ích baogồm cả Q2, Q3 Với sơ đồ máy hàn

ma sát xoay, lượng nhiệt hữu íchchỉ là Q2 Do đó cần phải giảm Q3,Q4

Theo thực nghiệm ta thườnglấy:

Q2 + Q3 =(0,8 ÷ 0,85)Q → đối với hàn thôngthường

Q2 = c.m.(t2 – t1)

(2.11)Hay:

0,65.kθ.P.f.ω = c.m.(t2 – t1)

(2.12)Trong đó:

c : Nhiệt dung riêngkim loại vùng hàn [J/Kg độ]

m : Khối lượng vùngliên kết (theo hàn ma sát lấy có V=

1cm3) [g]

t2 : Nhiệt độ nungt1 : Nhiệt độ ban đầu(lấy bằng 250C)

Từ đó ta có:

m c

f.

P k 65

P

Cθ : Hệ số phụ thuộcvật liệu hàn

P : Lực ép

Rz : Chiều cao nhấpnhô trung bình của hai bề mặt

n : Tốc độ vòng quaycủa đầu xoay

m, u, p : Chỉ số mũảnh hưởng (0 < m, u, p < 1)

Từ đó tính tương tự ta tìmđược n hoặc P phù hợp

Sau đây ta có bảng chế độhàn ma sát cho một số vật liệu nhưsau:

Bảng 2.1 Chế độ hàn ma sát cho một số vật liệu thông dụng

Vật liệu hàn Kiểu mối hàn Vật liệu đầu xoay [N/cm P 2

200

Chương III LẬP QUY TRÌNH

HÀN MA SÁT

I Nguyên lí và đặc điểm của hàn

ma sát

1.1 Nguyên lí

Trong các quá trình hàn trên,

nguồn năng lượng để hàn (cơ, điện,

hóa, từ, siêu âm…) được cung cấp

từ ngoài, nhưng trong hàn ma sát,

nguồn nhiệt được phát ra từ ma sát

tại giao diện của hai phần tử cần

hàn Hàn ma sát là quá trình hàn áp

lực, sử dụng động năng biến thành

nhiệt năng Ma sát được tạo ra giữa

các bề mặt hàn do chuyển động

quay tròn hoặc tịnh tiến sinh ra

nhiệt lớn nung chỗ hàn tới trạng

thái chảy dẻo, sau đó chi tiết dừng

lại nhanh sao cho vùng hàn không

bị phá hủy, đồng thời tác động lực

ép tạo thành mối hàn Oxide và cácchất bẩn khác tại giao diện đượcđẩy ra do sự chuyển động của kimloại nóng chảy tạo thành xìa xờm(bavia)

Trong hàn ma sát, một phần tửđứng yên, trong khi phần tử kia,quay với tốc độ cao Áp suất tạigiao diện và ma sát tạo nên nhiệt đủlàm kim loại chảy dẻo ra tạo thànhmối hàn Vùng hàn thường đượcgiới hạn trong khu vực hẹp có kíchthước phụ thuộc vào các biến sốhàn là nhiệt lượng tạo ra, độ dẫnnhiệt của vật liệu và cơ tính kimloại tại nhiệt độ cao

1.2 Đặc điểm

Hàn ma sát phù hợp hàn vớinhiều loại vật liệu có tính hàn xấu(đồng và hợp kim đồng, nhôm vàhợp kim nhôm, thép hợp kimcao ) Tiết diện hàn được có thể làđặc hay rỗng, hình tròn, tam giác,

đa giác đều, đối xứng tâm Nhiệt độhàn dưới nhiệt độ nóng chảy củavật liệu Ở máy hàn ma sát có bánh

đà lớn (20000 kN) có thể hàn cácchi tiết đường kính từ 3 – 350 mm.Tốc độ của phần tử quay khá lớn(đến 900 m/min.), cùng với sự kếthợp giữa nhiệt và áp suất, tại giao

diện có hiện tượng chồn đầu Khi

hàn đòi hỏi phải bổ sung kích thước

chiều dài để bù lại sự ngắn đi do

nguyên liệu bị trào ra ngoài tạo

của những chi tiết cần hàn bị chảy

ra và khe hở giữa chúng được điền

đầy bằng kim loại nóng chảy; việc

hình thành liên kết không tháo

được xảy ra do quá trình nguội và

kết tinh đồng thời của kim loại vật

hàn và kim loại bổ sung

Theo nguyên lí hàn áp lực xảy

ra trong phase rắn không có sự

nóng chảy kim loại; mối liên kết

không tháo được được tạo nên do

các vật hàn bị ép lại gần nhau đến

một khoảng cách rất nhỏ (tính khả

ước giữa các nguyên tử), khi đó

trong điều kiện đã cho, giữa cácđiểm tiếp xúc của các bề mặt xuấthiện mối liên kết bền vững tương tựnhư lực tác động tương tác cácnguyên tử trong toàn khối kim loại.Giá trị của mỗi liên kết này rất nhỏ,mối hàn chỉ có thể được hình thànhkhi có rất nhiều điểm tác độngtương hỗ với nhau

Một trong những điều kiện cầnthiết (cũng là nhược điểm) để hình thành mối hàn là tại bề mặt tiếp xúcgiữa các vật hàn độ dẻo phải cao Vài kim loại như đồng, nhôm, chì, bạc có tính dẻo tốt nên ngay cả khi nhiệt độ thấp cũng hàn áp lực được (quá trình này được gọi là hàn nguội)

Để hàn các kim loại kháctrong phase rắn cần phải nâng caotính dẻo một cách nhân tạo bằngcách làm nóng bề mặt liên kết đếnnhiệt độ khá cao, song không vượtquá nhiệt độ nóng chảy

Các quá trình hàn khác nhưhàn rèn, hàn nén khí, hàn nổ, hànđiện tiếp xúc… cũng thuộc vềnhóm hàn áp lực

Hàn bằng ma sát là biến thểcủa hàn áp lực: liên kết hàn đượctạo thành do biến dạng dẻo, đồngthời kim loại liên kết trong phaserắn Tuy nhiên hàn bằng ma sát

khác với các phương pháp trên ở

chỗ đưa nhiệt vào vật hàn Khi hàn

ma sát cơ năng trực tiếp biến thành

nhiệt năng, hơn nữa nhiệt lượng chỉ

phát ra cục bộ trong lớp kim loại

mỏng sát bề mặt Dưới đây sẽ

chứng tỏ rằng đặc điểm này chính

là ưu điểm cơ bản của hàn ma sát

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý quá

trình hàn bằng ma sát

Sơ đồ đơn giản nhất của hàn

ma sát được thể hiện trên hình 1

Hai chi tiết cần hàn được kẹp chặt

đồng tâm trong đồ gá của máy; một

chi tiết cố định còn chi tiết kia quay

quanh trục của chúng Khi ép hai

chi tiết lại với nhau bằng lực chiều

trục P, tại bề mặt tiếp xúc xuất hiện

lực ma sát Công tiêu hao khi hai

chi tiết chuyển động quay tương

đối với nhau để thắng trở lực ma

sát biến thành nhiệt Nhiệt lượng

hình thành tỏa ra trên bề mặt ma sát

và gây nên sự nung nóng tập trung

đến nhiệt độ cần thiết để tạo nên

mối hàn (đối với thép nhiệt độ này

trong khoảng 950 – 1300oC tùy

theo từng chế độ) Sau khi đạt nhiệt

độ cần thiết, cần dừng chuyển động

tương đối giữa các bề mặt càngnhanh càng tốt Khi chuyển độngdừng thì xảy ra quá trình tỏa nhiệt.Quá trình tạo thành liên kết hànthông qua giai đoạn ”chồn”: lực éptác động vào các chi tiết đã ngừngquay còn đang nóng một khoảngthời gian nhất định Trong và saukhi chồn các chi tiết vẫn giảm nhiệt

độ một cách tự nhiên

II Quá trình ma sát hàn

Ban đầu, các bộ phận được đưavào thiết bị hàn ma sát Thợ hàn masát có kinh nghiệm kiểm soát quátrình quay (ma sát) thông qua mộtloạt các thông số: tốc độ quay, trục

lực và thời gian.

Sau khi ba tham số được thànhlập, họ đang ghi lại và lưu trữ để sửdụng trong suốt toàn bộ dự án Sửdụng phương pháp này chất lượngđảm bảo tính thống nhất lặp lại chomỗi mối hàn bổ sung được sản xuấttrên máy tính Các quá trình 3 giaiđoạn được mô tả chi tiết dưới đây

2.1 Giai đoạn 1Một thành phần được đặt trongmột kẹp trong giá cố định Phần thứhai là vị trí trong trục quay, với mộttốc độ quay được xác định trước.Khi đó, lực trục cũng được thiết lậptrước khi hàn

Hình 3.2 Giai đoạn 1

2.2 Giai đoạn 2

Những điều kiện này được duy

trì trong một thời gian định trước

cho đến khi nhiệt độ mong muốn và

trong giai đoạn này hai vật liệu dẻo

trở nên dễ uốn

Hình 3.3 Giai đoạn 2

2.3 Giai đoạn 3

Tốc độ quay được dừng lại,

sau đó, gia tăng lực lượng trục được

áp dụng cho một thời gian định

trước - hoàn thành các mối hàn

Điều này cung cấp liên kết phân tử

và sàng lọc hạt thông qua các khu

Hình 3.5 Hàn ma sát quay

Đây là phương pháp hàn được

sử dụng phổ biến nhất Nó dựa trên

cơ sở tỏa nhiệt khi ma sát giữa hai

bề mặt đầu có trục quay đồng tâm

Phương pháp này được dùng để hàn

các chi tiết dạng thanh hoặc ống từ

vật liệu đồng chất hoặc khác nhau

Nguyên công hàn có thể được phân

ra làm các bước sau:

Các phần tử hàn được kẹp

trong mâm cặp trên trục chính quay

và ngàm kẹp Nếu các chi tiết hàn

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 Lúc này do

ma sát, nhiệt độ tăng, độ bền vật

liệu giảm đi tạo nên biến dạng Lực

tiếp tục ép làm kim loại dịch

chuyển

Điều kiện này được giữ trong

một thời gian xác định cho đến khi

đạt được nhiệt độ cần thiết ứng với

bộ đôi vật liệu hàn Ngừng quay

Lấy sản phẩm hàn ra khỏi máy

Hình dạng tiết diện chi tiết cần hànlàm hạn chế việc sử dụng hàn ma sát trực tiếp Ít nhất một phần tử hàn cần phải quay quanh trục tâm của mình (dạng thanh, ống), còn phần tử kia có mặt phẳng Các dạng

cơ bản của liên kết hàn trực tiếp được chỉ ra trên hình 3.7

Hình 3.7 Các liên kết điển hình được hàn bằng ma sát

Trong phase làm nóng, nhiệt tỏa ra

có thể được điều chỉnh theo tốc độ quay trục chính cũng như lực ép giữa các chi tiết tiếp xúc, điều này được xác định bằng tính chất ma sát và nhiệt vật lý của vật liệu cũng như sự thay đổi của chúng khi làm nóng Đôi khi sự thay đổi giai đoạn của lực được dùng trong lúc làm nóng Nhiệt lượng và đặc trưng toả nhiệt khi ma sát, độ dẫn điện, phân

bố áp suất tại nơi tiếp xúc có tính đến sự thay đổi cơ tính và thời gian

• Hàn các chi tiết dạng thanh,

ống tròn xoay hoặc không

tròn xoay

• chất lượng hàn cao, biến

dạng nhiệt nhỏ

• Hàn các kim loại khác nhau

rời trước khi bắt đầu hàn Khi đạt

tới động năng lớn cùng với sự tiếp

sức của bánh đà, lực ép sẽ đẩy chitiết tiếp xúc (động cơ dẫn độngngắt) Động năng của chuyển độngquay chuyển hoàn toàn thành nhiệtnăng thông qua ma sát ở bề mặttiếp xúc cho tới khi dừng hẳn sẽ tạothành mối hàn (sự tự phanh) Trongquá trình hàn, lực nén dọc trục phầnlớn là không đổi (h 3.9)

Hình 3.9 Hàn ma sát quán tính.

3.3 Hàn ma sát hướng kính

(radial friction welding)

Hàn ma sát hướng kính là biếnthể của hàn trực tiếp và được sửdụng chủ yếu khi hàn ống Ưu điểm

cơ bản của nó là các phần tử hànkhông quay Liên kết được tạothành do nhiệt tỏa ra khi ma sát củavòng hàn quay quanh chỗ giáp mốicủa các ống hàn Vòng hàn đượcchế tạo từ vật liệu giống như vậthàn Đầu mút các chi tiết có dạngvát mép chữ V và bề mặt trong củavòng hàn có dạng tương ứng vớiphần nhô (h 3.10) 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 Khi cần thiết

phần lồi của vòng được cắt bỏ bằng

gia công cắt gọt (tiện, mài)

Phương pháp này được dùng

bề mặt vật liệu hàn Trong quá trìnhhàn các lớp kim loại nhớt – dẻođược khuấy trộn đến biên bề mặthàn Khi đó các lớp màng oxide vàtạp chất trong vùng hàn bị đẩy rangoài Thời gian hàn ngắn chỉ vàigiây đảm bảo cho vùng ảnh hưởngnhiệt nhỏ Thời gian dừng quá trìnhtịnh tiến khoảng 0,2 sec Để đảmbảo chất lượng hàn cần phải xemxét trước các biện pháp nhằm tránhcong vênh và sai số tương quan củacác bề mặt hàn Quá trình tạo hìnhmối hàn khá phức tạp và được xácđịnh bằng các tính chất tribology(ma sát, bôi trơn, mài mòn) của chỗtiếp xúc, các đặc tính thời gian củaquá trình nội ma sát và biến dạngdẻo, cũng như các khía cạnh về lí

hóa và luyện kim Ứng dụng điển

hình của chúng là hàn các cánh

quạt vào thân đĩa (h 3.12) Phương

pháp này được xem là rất hiệu quả

để nối ghép các chi tiết rất khác

nhau

Hình 3.12 Hàn ma sát thẳng may

ơ với cánh

a) Gá đặt chuẩn bị; b) Hàn xong.

Quá trình hàn ma sát theo quỹ

đạo (h III.112) có hiệu quả đạt

được gần giống như hàn thẳng

Trong thực tế sử dụng hai sơ đồ

hàn theo quỹ đạo:

• Chuyển động quay đồng thời các

phần tử hàn có trục quay song song

với tốc độ như nhau (h 3.13b);

• Một trong hai phần tử chuyển động

theo quỹ đạo (h13.c)

• hàn các kim loại khác nhau với nhau

3.4.2 Nhược điểm

• lượng chùm của kim loại mốihàn lớn

• phải gia công cơ khí sau hàn

• không thích hợp lắmđối với vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao

• thiết bị đắt tiền

3.5 Hàn ma sát chốt (friction stitch/stud welding).

Hàn ma sát chốt có ưu điểm rõràng khi hàn dưới nước hoặc hàncác kết cấu mà các quá trình thôngthường như hàn hồ quang khó thựchiện được Sơ đồ quá trình nàyđược chỉ ra trên hình 14 Khoan lỗ

sơ bộ mà chốt quay có đường tâmchịu tải đi vào tâm lỗ Vật liệu chốtquay đồng chất với vật liệu hàn

Hàn ma sát được bắt đầu từ thời

điểm tiếp xúc giữa chốt và đáy lỗ

Do làm nóng, ma sát trong và biến

dạng dẻo của bề mặt ma sát nhanh

chóng theo lỗ dịch chuyển lên trên,

khi mà vật liệu dẻo chưa điền đầy

hoàn toàn lỗ Quá trình hàn có chu

trình kéo dài 5 – 10 sec phụ thuộc

vào chiều dày vật liệu Tiếp tục lặp

lại những tác động trên sẽ tạo thành

để hàn các kết cấu dưới nước bằng

các thiết bị chuyên dùng hoặc

cụ có profile đặc biệt (h 3.15) Kimloại được làm dẻo bẳng tỏa nhiệt dolực ma sát ngoáy tương đối với trụcdụng cụ Trong quá trình dịchchuyển dụng cụ theo đường hàntrên bề mặt xảy ra sự khuấy trộn vàdịch chuyển kim loại với việc hìnhthành mối hàn Hàn khuấy đượcdùng thích hợp khi hàn vật liệu có

chiều dày 1,6 – 30 mm Theo tài

liệu của TWI phương pháp hàn này

cho phép hàn tấm nhôm dày 75 mm

sau hai lượt hàn từ các phía khácnhau Công nghệ hàn khuấy được

sử dụng rộng rãi để hàn hợp kim

nhôm Các vật liệu khác có thể hàn

được bằng ma sát khuấy là đồng và

hợp kim của nó, chì, magnesium và

hợp kim, thép, hợp kim trên cơ sở

titan và nickel, chất dẻo nhiệt

Dụng cụ để hàn khuấy được

chế tạo từ thép dụng cụ (hàn chất

dẻo và kim loại dễ chảy), thép gió

(nhôm và hợp kim magnesium),

Sự biến dạng và khuấy kimloại trong phase rắn đôi khi tạo nêncấu trúc vi mô có độ bền cao hơnkim loại cơ bản Có thể hàn khuấy

ở các tư thế khác nhau (đứng,ngang, trần…), vì lực hấp dẫn trongtrường hợp này không đóng vai trò

gì Chuyển động khuấy của dụng cụhoặc chi tiết có thể được thực hiệntheo các hướng khác nhau và đượcđiều khiển bằng chương trình Quátrình này là cuộc cách mạng tronglĩnh vực hàn vật liệu tấm Cácthông số cơ bản (biến số chính) củahàn ma sát khuấy:

• Tốc độ quay của dụng cụ;

• Đặc trưng quay của dụng cụ (quay, quay đảo chiều, hướng và tốc độ quay của phần ngoài và trong dụng cụ);

• Tốc độ hàn;

• Kết cấu, hình dạng và đặc trưng hình học của phần dụng cụ làm việc;

• Góc nghiêng giữa dụng cụ và bề mặt chi tiết

Cấu tạo của mối hàn ma sát

khuấy có thể được chia ra thành các

vùng cơ bản: “nhân” hàn được tạo

thành từ biến dạng nhiệt dẻo; vùng

biến dạng dẻo nhiệt; vùng ảnh

hưởng nhiệt

Với sơ đồ hàn ma sát khuấy

truyền thống, nhân hàn có cấu tạo

bất cân đối do vật liệu dịch chuyển

theo một hướng (h 3.18) Để tránh

mối hàn bất cân đối người ta cho

dụng cụ chuyển động khuấy đảo

chiều Trong trường hợp này

chuyển động đảo chiều được thực

hiện qua vài vòng của dụng cụ

Các yếu tố cơ bản làm hạn chếviệc sử dụng hàn ma sát khuấy là:Cần kẹp rất chặt các chi tiết hàn;Xuất hiện lỗ tại cuối đường hàn;Cần thiết kế và chế tạo các dụng cụchuyên dùng; Không thể hàn đượcvật liệu có độ dẻo thấp cả khi ởnhiệt độ cao, hoặc vật liệu bị mất

cơ tính vốn có do biến dạng nhiệtdẻo

3.6.1 Ưu điểm

• Hàn ma sát khuấy có ưu điểm cơbản: Độ bền mối hàn cao; Khôngcần vật liệu bổ sung; Năng lượngtiêu hao nhỏ; Không có rỗ; Không

bị cong vênh và biến dạng nhiệt;Giảm chu trình làm việc đi 50 –75% so với hàn thông thường;Không cần chuẩn bị mép phôi trướckhi hàn và gia công sau hàn

• Hàn giáp mối các chi tiết dạng tấm

(friction stir spot welding)

Một trong những biến thể của

hàn ma sát khuấy là hàn điểm bằng

ma sát (hình 3.20, 3.21) Đặc biệt

nó được sử dụng để hàn nhôm thay

cho hàn hồ quang và hàn điện tiếp

xúc, khi có khó khăn về công nghệ

do độ dẫn điện và nhiệt của nhôm

cao

Khác với hàn điểm tiếp xúc,

hàn ma sát không cần dùng dung

dịch làm nguội hoặc khí nén, nên

giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ

Vốn đầu tư cho thiết bị hàn ma sát

thấp hơn so với hàn điện tiếp xúc

khoảng 40% Khi hàn ma sát không

phải làm sạch sơ bộ các bề mặt làm

việc, không bị bắn tóe kim loại

nóng chảy

Hình 3.20 Các giai đoạn hàn điểm ma sát và cấu trúc mối hàn.

3.7.1 Ưu điểm

Hàn ma sát có nhiều ưu điểm quan trọng, đó là do bản chất của quá trình tỏa nhiệt cục bộ trong các lớp mỏng sát bề mặt kim loại phù hợp với mục đích hàn

Năng suất cao: Thể tích lớpkim loại bị làm nóng (gia nhiệt)nhỏ đến mức mà toàn bộ chu trìnhnung nóng chỉ kéo dài từ vài giâyđến nửa phút tùy theo tính chất vậtliệu và tiết diện vật hàn, nên năngsuất của hàn bằng ma sát rất cao

Về năng suất chỉ có quá trình hànđiện tiếp xúc mới có thể cạnh tranhđược với hàn bằng ma sát

Năng lượng và công suất cầnthiết cho hàn ma sát nhỏ: Thể tíchnhỏ kim loại được gia nhiệt tronghàn ma sát, định trước đặc tínhnăng lượng rất cao của quá trình.Trên hình 21 ta thấy năng lượng vàcông suất khi hàn bằng ma sát nhỏhơn khi hàn điện tiếp xúc từ 5 đến

10 lần Nguồn động lực chính của

máy hàn ma sát thường là động cơ

không đồng bộ; cho nên công suất

được phân đều giữa ba phase của

lưới điện khi hàn và hệ số công suất

cao (cosφ= 0,8 – 0,85), trong khi

hàn điện phụ tải trên lưới thường

dồn vào một phase làm hệ số công

Chất lượng hàn cao: Một trong

những ưu điểm quan trọng của hàn

ma sát là chất lượng sản phẩm hàn

cao Khi chọn đúng chế độ hàn,

kim loại tại “vũng” hàn và vùng lân

cận có độ bền, độ dẻo không thua

kém so với kim loại cơ bản Điều

này được giải thích như sau:

• Tất cả các oxide, màng tạp chất và

các phần tử ngoại lai khác luôn

bám trên bề mặt kim loại, chúng

xâm nhập và cản trở việc hình

thành mối hàn, tuy nhiên trong quá

trình hàn bằng ma sát chúng bị đẩy

từ vũng hàn ra ngoài rìa nhờ sự mài

mòn cơ học của các bề mặt tiếp xúc

khi ma sát và biến dạng kim loại

theo hướng kính, kết quả tạo nên

bavia đặc trưng “vòng xờm” (h

3.22) Sự tiếp xúc chặt kín giữa các

bề mặt ma sát sẽ ngăn cản các

màng oxide mới được tạo thành

trong quá trình hàn Kết quả là mối

hàn luôn ngấu, thấu, không bị rỗ

ra xung quanh kim loại nhanh khi

chịu áp suất lớn (30 – 50 MPa),

ngoài ra trong quá trình ma sát cáchạt bị nghiền cơ học

Cấu trúc nhỏ mịn không bị khuyết tật thô chính là chỉ tiêu cao về cơ tính của liên kết hàn Không chỉ có vậy hàn bằng ma sát còn có những

ưu điểm không kém phần quan trọng khác

tiêu kỹ thuật như độ bền kéo đứt,

góc uốn, độ dai va đập dao động

không vượt quá 7 – 10% Điều này

được giải thích là các biến số chính

(thông số) của quá trình hàn như

tốc độ chuyển động tương đối,

cường độ lực chiều trục, thời gian

gia nhiệt không bị thay đổi Ngoài

ra cũng thấy rằng tính chất của liên

kết hàn thực tế không phụ thuộc

vào các yếu tố tác động bên ngoài

như dao động điện áp lưới, chất

lượng vật liệu bổ sung, bậc thợ và

trạng thái mệt mỏi của thợ hàn…

như các quá trình hàn khác

Độ ổn định cao về cơ tính mối

hàn là đặc điểm quan trọng của quá

trình hàn bằng ma sát, cho phép

kiểm tra xác suất các sản phẩm

bằng cách phá hủy vài chi tiết trong

loạt sản phẩm để phân tích kiểm

tra Đây là biện pháp quan trọng vì

trong điều kiện sản xuất không phải

lúc nào cũng thực hiện được bằng

các phương pháp kiểm tra không

phá hủy (NDT) mối hàn

Khả năng hàn các kim loại và

hợp kim trong các tổ hợp khác

nhau: Từ những kinh nghiệm được

tích lũy từ trong sản xuất có sử

dụng quá trình hàn bằng ma sát đã

chỉ ra rằng một trong những ưu

điểm quan trọng nhất là khả năng

thực hiện được các liên kết bềnvững không chỉ giữa các phần tửđồng chất mà còn có thể hàn đượcnhững chi tiết từ các vật liệu có đặctính nhiệt vật lý khác hẳn nhau.Trong sản xuất cơ khí nhờ hàn masát mà đã tạo được liên kết giữa các

bộ đôi vật liệu mà những dạng hànkhác không thể hoặc rất khó thựchiện, ví dụ như hàn nhôm – thép,titan – nhôm, thép – đồng …

Khả năng hàn các chi tiết cócác bề mặt không được gia công:Hàn bằng ma sát không bị ảnhhưởng khi các mặt kẹp xung quanh

đã được gia công tinh hay để thô.Việc này khác cơ bản so vớiphương pháp khác như hàn điệntiếp xúc, ở đó nguyên công làmsạch bề mặt kẹp đã tốn khá nhiềuthời gian Với các bề mặt tạo mốihàn, trong đa số trường hợp nhất làkhi hàn vật liệu đồng nhất cũngkhông có yêu cầu cao về làm sạch

và gia công chính xác Độ khôngvuông góc giữa mặt đầu và đườngtâm trong phạm vi 5 – 7o không ảnhhưởng nhiều đến chất lượng Khihàn chỉ không cho phép trên bề mặt

ma sát có vảy oxide, gỉ vì nó dẫnđến việc tạo thành mối hàn chấtlượng không tốt

Vệ sinh an toàn của quá trình:

Mức độ vệ sinh an toàn của hàn ma

sát khác hẳn với các quá trình hàn

khác: không có bức xạ cực tím,

không tỏa khí độc hại, không

vương vãi kim loại ra nền… Điều

này cho phép nhiều nhà máy đặt

thiết bị hàn ma sát trong các dây

chuyền gia công cơ khí để không

cần vận chuyển phôi, bán thành

phẩm qua lại giữa các phân xưởng

tạo nên hiệu quả kinh tế đáng kể

Dễ cơ khí hóa và tự động hóa:

Các thông số chế độ hàn bằng ma

sát được lập trình khá dễ dàng

Thực tế từ trước đến nay thấy rằng

các thiết bị hàn ma sát hoặc là bán

tự động rất ít sử dụng chân tay hoặc

tự động hoàn toàn không cần người

vận hành

Mức độ cơ khí hóa tự động

hóa cao kết hợp với mức độ vệ sinh

an toàn làm cải thiện cơ bản quá

kích thước tiết diện của chi tiết

Với chuyển động quay hàn ma

sát chỉ cho phép nhận được kết quả

tốt khi một trong hai chi tiết có

hình dạng quay quanh tâm (thanh

hoặc ống), mà đường tâm của nótrùng với trục quay, còn chi tiết kia

có mặt phẳng tiếp giáp với đầu mútchi tiết trước Đặc điểm này củaquá trình dẫn đến các dạng liên kếtsau được thực hiện bằng hàn ma sát(h 3.21): đối đầu thanh, đối đầuống, đối đầu thanh - ống, liên kếtchữ T giữa thanh hoặc ống với mặtphằng (tấm) Trường hợp liên kếtvới mặt phẳng về kích thước theoquan điểm công nghệ hàn thì không

có gì khác nhau, chỉ có điều phảichọn kết cấu của đồ gá tương ứngvới vật hàn

200 mm (diện tích tiết diện trên

tiết nhỏ như vậy cần có thiết bị

chuyên dùng với số vòng quay trục

định khi thanh chịu uốn dọc, cũng

như độ không đồng tâm phải khống

chế chặt chẽ Do những khó khăn

như vậy, trong thực tế sản xuất hiện

nay chỉ hàn những thanh có đường

kính quá 6 mm.

Từ những tính toán lý thuyết

và kinh nghiệm thực hiện cũng như

thực tế đòi hỏi cho phép rút ra kết

luận là diện tích tiết diện thích hợp

đã chế tạo ra các thiết bị tinh xảo đểhàn các thanh và ống có đường

kính ngoài từ 0,75 - 1,55 mm với số

vòng quay tương ứng là 38000 –

20000 vg/ph.

Tuy có những hạn chế tronglĩnh vực sử dụng hàn ma sát liênquan đến hình dạng và tiết diện vậthàn, song không làm giảm xuhướng và khối lượng công việc cóứng dụng hàn bằng ma sát Vì trongchế tạo máy cũng như các lĩnh vựckhác, đa số vật hàn có tiết diện trònvới diện tích tiết diện nằm trongkhoảng khuyến cáo ở trên

Kinh nghiệm thực tế chỉ rarằng so với các quá trình hàn truyềnthống, nhiều khi hàn bằng ma sátđem lại lợi ích đáng kể Hiệu quả rõrệt được đánh giá tại các nhà máychế tạo dụng cụ cắt gọt khi tạo racác bộ phận hàn – rèn, đúc – hàn,dập – hàn, cũng như khi hàn cácmảnh cắt bằng vật liệu quý hiếmvào thân dao

Thời gian gần đây đang triểnkhai các công việc cho phép mởrộng khả năng sử dụng của hànbằng ma sát, cũng như dùng nhiệt

ma sát trong các lĩnh vực gia công

vật liệu khác Trong một số trường

hợp khi hàn ma sát các chi tiết lớn,

việc thực hiện quay khi bắt đầu và

hãm tức thời ở cuối quá trình rất

khó hoặc không thực hiện được

Lúc đó phải dùng quá trình hàn

bằng ma sát nhờ chi tiết phụ (vật

thứ ba) Chi tiết này quay giữa hai

chi tiết cần được hàn đang đứng

yên (h.23a) Sơ đồ này cũng cho

phép thực hiện hàn hai chi tiết cần

đó một chi tiết hàn thực hiện dao

động tịnh tiến nhanh với biên độ

nhỏ trên bề mặt ma sát Trong

trường hợp này do không còn

chuyển động quay sẽ cho phép hàn

bằng ma sát các chi tiết có tiết diệnkhông chỉ tròn xoay mà còn có hìnhdạng bất kỳ

Cùng với hàn bằng ma sáthiện nay bắt đầu xuất hiện “hànđắp” bằng ma sát Nhiệt do ma sátcũng được sử dụng để tạo hình cácchi tiết bằng kim loại trong một sốtrường hợp khác

Nhược điểm hàn ma sát: Mối

hàn lồi bavia nên mất công cắt bỏ.Chiều dài của chi tiết hàn bịgiảm.Thiết bị hàn đắt tiền Kíchthước của chi tiết hàn bị hạn chế ,không hàn được kết cấu quá phứctạp

Như vậy sau một thời gian tương đối ngắn, hàn bằng ma sát đãđược sử dụng rộng rãi Hàn và các quá trình liên quan mà sử dụng nhiệt ma sát đang được phát triển không ngừng

dạng nhưng khối lượng sử dụng

trong công nghiệp không nhiều

Khả năng làm việc của chúng sẽ

được phát huy tối đa sau nhiệt

luyện Thép này thường được hợp

kim hoá bằng các nguyên tố : Cr,

Mn, Si, Ni, Ti, Mo (W),…với

lượng nhỏ (thường từ 1-2%; cá

biệt, có thép từ 6-7%) để nâng cao

độ thấm tôi (cải thiện khả năng

nhiệt luyện) và hoá bền ferrite

Thép kết cấu được chia thành

các nhóm sau:

- Thép thấm cácbon : Là loại

thép có thành phần cácbon thấp (≤

0,25% C), ở trạng thái cung cấp có

độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền

thấp Để cải thiện độ bền và nâng

cao độ cứng bề mặt, có thể áp dụng

công nghệ thấm cácbon, tôi và ram

thấp

- Thép hoá tốt : Là thép cóthành phần cácbon vào khoảng 0,3– 0,5%, cơ tính ở trạng thái cungcấp tương đối cao Sau nhiệt luyện

(tôi và ram cao), chúng sẽ có cơtính tổng hợp cao nhất Để nângcao khả năng chống mài mòn bềmặt của thép này, sau nhiệt luyệnhoá tốt phải tôi bề mặt và ram thấp

- Thép đàn hồi : Là thép cóhàm lượng cácbon tương đối cao(0,5 – 0,7%), chuyên dùng để chếtạo các chi tiết đàn hồi : nhíp, lòxo… Để có giới hạn đàn hồi caonhất thì phải qua tôi và ram trungbình

a) Thép thấm cácbon

Thép thấm cácbon là loại thép

có hàm lượng cácbon thấp (0,1 –0,25%), dùng để chế tạo các chi tiếtyêu cầu lõi dẻo, dai, chịu được vađập còn bề mặt có độ cứng cao đểchịu mài mòn

Thành phần hoá học:

- Cácbon : hàm lượng cácbonthường nằm trong giới hạn 0,1 –0,25% để lõi chi tiết có độ dẻo vàdai cao Với các chi tiết lớn, đểnâng cao độ bền lõi, hàm lượngcácbon có thể đến 0,3%

- Các nguyên tố hợp kim: Hợp

kim hoá cho thép thấm cácbon

nhằm hai mục đích : tăng độ thấm

tôi và thúc đẩy quá trình thấm

cácbon vào thép Các nguyên tố tạo

cácbít thường được dùng cho mục

đích này Ngoài ra, vì quá trình

thấm xảy ra ở nhiệt độ cao và trong

thời gian dài nên các nguyên tố hợp

kim phải không làm hạt lớn Các

không nên có Si, Co và các nguyên

tố này đẩy C ra khỏi thép, ngăn cản

quá trình thấm

Các mác thép – ứng dụng và

nhiệt luyện thép thấm cácbon:

Bảng sau cho thông tin về một

Thành phần hoá học:

- Cácbon : Hàm lượng cácbonnằm trong khoảng 0,3 – 0,5% đểthép có sự kết hợp hài hoà giữ độbền và dẻo dai

- Các nguyên tố hợp kim :Thường dùng các nguyên tố Cr,

Mn, Si, Ni với hàm lượng khoảng1% mỗi nguyên tố với mục đíchlàm tăng độ thấm tôi Ngoài ra, cácnguyên tố Mo (<0,3%) và Ti(<0,1%) cũng được dùng để giữ hạtnhỏ và chống giòn ram (hay gặptrong thép Ni) Cũng có thể dùng Bvới lượng rất nhỏ (< 0,005%) đểtăng độ thấm tôi

Các mác thép – ứng dụng vànhiệt luyện thép hoá tốt: Bảng sautrình bày kí hiệu, thành phần hoáhọc (theo TCVN), ứng dụng vàcách nhiệt luyện một số mác théphoá tốt

giới thiệu một số thông tin về một

số mác thép kết cấu, như vậy chọn

vật liệu nào phù hợp với yêu cầu

làm việc, khả năng thi công, quá

cứng lớn, loại thép này bao gồm

các mác thép hợp kim hóa cao,

được dùng chủ yếu để làm các

dụng cụ cắt gọt Thép gió có đặc

tính đặc biệt đó là có thể tôi (nhiệt

luyện) trong gió, đây cũng có lẽ

nguyên nhân của từ thép gió..Ở đa

số các quốc gia khác thép gió được

gọi là "thép cắt nhanh" vì thép này

khi làm dụng cụ cắt gọt cho phéplàm việc với tốc độ rất cao màkhông giảm độ cứng của dụng cụcắt gọt, có đặc tính bền, chống màimòn, độ cứng nóng cao

 Thành phần hóa học của thép gió:

• Cacbon: 0,7-1,5%: đảm bảo

đủ hoà tan vào mactenxit tạo thànhcacbit với các nguyên tố tạo thànhcacbit mạnh là Volfram, mô lip đen

ta đặt tên là thép gió), tôi thâu vớitiết diện bất kỳ và có thể áp dụngtôi phân cấp

• Vanadi: Nguyên tố tạo thànhcác bít rất mạnh Mọi thép gió đều

có ít nhất 1%V, khi cao hơn 2%tính chống mài mòn tăng lên, tuynhiên không lên dùng quá 5% vìlàm giảm tính mài

• Coban: Không tạo thành cácbít, nó chỉ hoàn tan vào sắt ở dạngdung dịch rắn, với hàm lượngkhông vượt quá 5% tính cứng nóngcủa thép gió tăng lên rõ rệt

 Thép gió được chia làm 2 nhóm

- Nhóm thép có năng suất

thường gồm các thép vonfram

(P18, P12, P9, P9Co5) và thép

Vonfram-môlipđen (P6M3,P6M5)

có khả năng duy trì độ cứng không

thấp hơn 58HRC nhiệt độ làm việc

đến 6200C Cùng với độ chịu nóng

như nhau các mác thép này khác

nhau chủ yếu ở cơ tính và tính công

mài mòn, nhưng lại thua về dộ bền

và độ dẻo Các thép có năng suất

cao được dung để gia công các thép

cao Để giảm giá thành người ta tìm

cách hạn chề kim loại quý như W,

mác thép P6M5 đang được sử dụng

rộng rãi nhất Hiên nay đang có rất

nhiều các công trình nghiên cứuthép gió không sử dụng W

 Nhiệt luyện thép gió:

Nhiệt luyện thép gió thường

là tôi+ram để quyết định độ cứng,tính chống mài mòn và đặc biệt làtính cứng nóng theo yêu cầu

+) Tôi thép gió:

Tôi là nguyên công quyết định

độ cứng của thép gió với đặc điểm

là tôi ở nhiệt độ rất cao (gần1300°C) với khoảng giao động hẹp(10°C)

+) Ram thép gió:

Ram thép gió nhằm làm mấtứng suất bên trong, khử bỏ austenit

dư, tăng độ cứng (độ cứng tăng 2÷3HRC, hiện tượng này gọi là độcứng thứ hai) Thép gió được ram2-4 lần ở 550C-570°C mỗi lầntrong vòng 1 giờ

 Như vậy, dựa vào các đặc tính nổi bật của thép gió ta có thể chọn thép gió làm phần cắt của mũi khoan

Hình 4.1: Mũi khoan chế tạo bằng thép gió

Phần chuôi mũi khoan cũng cóthể chế tạo bằng thép gió nhưng dogiá thành sản phẩm cao, khả năng

sử dụng không triệt để và cũng có

thể thay thế được bằng các loại

thép khác có tính năng phù hợp với

khả năng sử dụng của sản phẩm

Trên thị trường có rất nhiều

loại thép đạt được khả yêu cầu của

Độ bền mỏi của mối hàn (chịu

uốn đổi dấu trong quá trình xoắn

mẫu) Với 107 chu kì chịu tải độ

bền mỏi của liên kết thép gió P18

với thép C45 là 210 – 220 MPa cho

cả mẫu hàn ma sát và hàn điện tiếp

xúc Tuy nhiên đó là mẫu hàn điện

tiếp xúc được hàn trong phòng thí

nghiệm còn mẫu hàn ma sát lấy bất

kỳ từ các mẻ sản xuất trong xưởng

Kết quả thử nghiệm hàn ma

sát dụng cụ (dao phay ngón, trụ,

mũi khoan) trong điều kiện làm

việc bình thường nhưng khi chịu tải

cao hơn định mức: dao phay ngón

thử với lượng chạy dao cao hơn

bốn lần tiêu chuẩn, tốc độ cắt gấp

hai lần; dao phay trụ tốc độ cắt gấp

đôi và lượng chạy dao gấp 5 -7 lần

Tất cả các dao phay thử tải đều bị

sứt mẻ ở vùng cắt nhưng không códao nào bị phá hủy ở vùng hàn.Mũi khoan được hàn ma sát chịumomen xoắn gấp bảy lần so vớimoment cần để khoan thép có độ

bền 750 MPa với chế độ cắt chuẩn

Thép gió R18 với C45 không

có cấu trúc (tổ chức) đặc trưng củahàn điện tiếp xúc là ledeburite.Đồng thời quan sát tẩm thực trướckhi ủ phát hiện ra các dải austenitehạt nhỏ (cơ tính tốt) Sự tạo thànhhạt nhỏ liên quan đến thời gian kimloại ở nhiệt độ cao ngắn và tốc độnguội nhanh

1.2.2 Phần cán: Thép C45 ∅20

Thép 45 là thép cácbon kếtcấu.kí hiệu theo tiêu chuẩn nga.cóhàm lượng 0,45%C

Đây là loại thép có hàm lượngcácbon trung bình có cơ tính tổnghợp chịu kéo chịu nén tốt dùng đểchế tạo các chi tiết máy chịu va đậptrung bình: như trục các hộp tốc độ,các vít nâng,

Chế tạo các dụng cụ khoancắt, chịu được uốn xoắn,giá thànhhợp lý, có bán và sử dụng rộng rãitrên thị trường

Hình 4.2: hình vẽ mũi khoan

⇒ Từ các thông tin và cách đánh giá

khách quan khá phù hợp với hoàn

cảnh làm việc của chi tiết,chúng

em đã đi đến thống nhất chọn vật

liệu làm sản phẩm, đối với chuôi

của chi tiết (mũi khoan) ta chế tạo

có thể dẫn đến thiếu thời gian chocác giai đoạn khác hoặc gây rakhông ổn định khi làm nóng Điềunày dẫn đến tỏa nhiệt không đềulàm giảm chất lượng mối hàn

Để khắc phục hiện tượngkhông mong muốn này có thểchuyển sang quy trình làm nóngtheo lượng co cùng với quy trìnhtheo thời gian Nếu quy trình mớivẫn không đảm bảo thì phải làmsạch vật hàn trước khi hàn Ví dụdùng bàn chải sắt hoặc giẻ lau làmsạch bề mặt, thậm chí phải dùng cảhóa chất tẩy dầu mỡ

Ảnh hưởng của màng dầu mỡ,chất bẩn đến chất lượng hàn thểhiện rõ khi tốc độ quay thấp và thờigian Cho nên tăng tốc độ quaytương đối tạo điều kiện thuận lợi đểlàm ổn định chất lượng khi làmsạch không tốt Việc tăng áp lực

làm nóng cũng có ảnh hưởng thuận

lợi đến chất lượng

Khi hàn vật liệu đồng chất, lớp

màng mỏng oxide trên bề mặt

không gây hai cho liên kết và hầu

như không ảnh hưởng đến quá trình

làm nóng Chúng nhanh chóng bị

phá hủy khi ma sát và các mảnh

vụn bị đẩy khỏi vũng hàn theo

hướng kính ra vùng rìa xờm

Tuy nhiên trên bề mặt ma sát

không được có vảy sắt Các chi tiết

đã được tạo phôi bằng gia công

nóng như rèn, dập, đúc, nhiệt luyện

có thể bị vảy sắt rơi vào, trước khi

nhất không đòi hỏi cao Từ các

kinh nghiệm thực tế có được, có thể

cho phép tiến hành hàn ma sát hai

thanh có độ không vuông góc giữa

mặt đầu và đường tâm quay đến 5 –

7o mà không ảnh hưởng đáng kể

đến chất lượng mối hàn Tất nhiên

điều này chỉ có lợi về thời gian

Phần lõi tâm không được tiện đứt

hoặc các dạng bavia kể cả lớn như

khi cưa cũng không ảnh hưởng lớn

đến quá trình và chất lượng hàn.Tất cả những phần lồi lõm nhỏ trênmặt đầu gần như bị san phẳng tứcthời ngay khi bắt đầu hàn

Bảng 4.3: Thành phần hóa học

của C45

Thành phần hóa học

CMnPSCrNiSi

1.3 Chuẩn bị máy hàn ma sát.

Hình 4.3 Cấu tạo máy hàn ma

sát và mối hàn.

10 Thiết bịtạo lực ép

11 Lực ép

12 Bavia hàn

13 Vật hàn

14 Vùng nhiệt độ cao

thực hiên bằng tay hàn các thanh đường kính 30 mm bằng thép carbon thấp, sau đó đã hàn các thanh đường kính 50 mm Khi đó một phôi được kẹp trên

bàn dao hoặc ụ sau, còn phôi kia được kẹp vào mâm cặp trên trục chính Việc

sử dụng như thế trong thời kỳ đầu rất lôi cuốn, tuy nhiên khi quan sát cẩn thậnchúng có vẻ không được tốt

Quy trình hàn ma sát là lực chiều trục lớn tốc độ quay khá cao nên thựchiện trên máy công cụ không thích hợp Thứ nhất rung động hướng kính xuấthiện ở giai đoạn đầu quá trình hàn khá lớn Mặt khác không phải tất cả máycông cụ đều đảm bảo được chế độ hàn cả về tốc độ quay lẫn lực chiều trục.Cuối cùng máy công cụ có khối lượng phần quay (quán tính) lớn và khôngđược trang bị phanh hoặc li hợp chuyên dùng để ngắt trục chính khỏi cácphần tử dẫn động Nên trục chính không thể dừng được ngay ảnh hưởng xấuđến sự hình thành mối hàn, thậm chí đôi khi không hàn dính được

Vì vậy dùng máy công cụ để hàn ma sát là không thể được

1.3.1 Cải tạo lại máy trang bị đồ gá và không sử dụng trực tiếp máy công cụ.

- Khi cải tạo các máy này chỉ ít bộ phận (bệ máy, ụ sau) được sử dụng, trongkhi đó các bộ phận khác hoặc phải thay thế mới, hoặc cải tạo hay chế tạo lại

Rõ ràng như vậy kinh phí sửa chữa sẽ đắt hơn mua mới Cải tạo lại máy tiệnthành máy hàn ma sát là nhiệm vụ khó khăn và tốn kém không ít hơn so vớichế tạo máy hàn ma sát mới chuyên dùng

- Việc cải tạo các máy công cụ này thường được thực hiện đơn chiếc với laođộng thủ công Ví dụ tại các phân xưởng sửa chữa của nhà máy nơi mà người

ta quan tâm Sản xuất định hướng tập trung các thiết bị chuyên dùng, thứ nhất

có lợi hơn đáng kể, sau đó là cho phép đảm bảo các thiết bị được chế tạo theoquy trình công nghệ cao hơn, có những đặc điểm thích hợp hơn để hàn ma sát

so với các máy được cải tạo

Đôi khi có những ý tưởng về “hiện đại hóa quy mô nhỏ” máy tiện cầnchi phí không lớn và áp dụng vào một nhà máy chế tạo máy công cụ nào đó.Kết quả là hầu như tất cả các nguyên công của chu trình hàn thậm chí khôngđược cơ khí hóa Cụ thể là điều chỉnh lực và hãm máy bằng tay, không có

đặc trưng cơ khí được xác định theo kỹ năng và kinh nghiệm người thợ.Những thiết bị như vậy không phải lúc nào cũng xác định được quy trình hàncần thiết, nhất là cường độ lực ép Kết quả là không đủ nhiệt làm nóng nêncần tăng thời gian hàn, dẫn đến kim loại mối hàn có cấu trúc hạt thô Tổ chứckim loại như vậy cũng như lực chồn không đủ dẫn đến việc tạo thành mối hàn

có độ bền và độ dẻo thấp “Hiện đại hóa quy mô nhỏ” như vậy chỉ có thể ápdụng trong các trường hợp khi hàn các chi tiết yêu cầu chất lượng không caovới số lượng nhỏ

Theo xu hướng phát triển của hàn ma sát thì rõ ràng cần phải có thiết bịchuyên dùng cho quá trình này

 Cấu tạo và nguyên lý kết cấu của máy hàn ma sát

Các máy hàn ma sát hiện đại khá phức tạp, nhiều chủng loại Chúng gồmcác phần tử cơ cấu và chi tiết máy hàn được chọn ở đây để hàn hai chi tiết

Hình 4.4 Máy bán tự động MФ-327 để hàn dụng cụ cắt

Các bộ phận chính của máy hàn

1 2

8

9 6

Hình 4.5 Sơ đồ cấu tạo động học của máy hàn ma sát

Máy hàn ma sát thường gồm các bộ phận cơ bản sau: hai ngàm (mâmcặp) 5 và 7 để đỡ các chi tiết 6, trong đó một chi tiết quay Ụ trước 4 có trụcchính mang ngàm 5 cùng quay; bệ 8 trên đó đặt ngàm 7 không quay Truyềnđộng quay của trục chính được dẫn từ động cơ 1, qua bộ truyền đai 2 Li hợp

ma sát 3 để cho trục chính ăn khớp với bộ phận truyền động cũng như đểphanh hãm Cylinder thủy khí 9 đảm bảo tạo ra áp lực làm việc cần thiết Cácphần khác là sơ đồ điều khiển thủy khí, sơ đồ điều khiển điện, thân máy, tủđiều khiển…

+) Hai sơ đồ nguyên lý kết cấu động học của máy vạn năng

Tùy theo công dụng của máy có thể thực hiện theo một trong hai sơ đồkết cấu động học sau:

- Chuyển động quay và dịch chuyển dọc trục được truyền cho một chi tiết,đồng thời chi tiết kia đứng im trong không gian;

- Chuyển động quay truyền cho chi tiết này còn chuyển động tịnh tiến dọc trụccho chi tiết kia

Trong tính toán khả năng hàn những chi tiết này, sơ đồ này dựa trên cơ sở từbốn loại tiêu chuẩn máy, người ta đã thiết kế và chế tạo được các máy này.

Sơ đồ thứ hai tính cho hàn hai chi tiết ngắn Trong trường hợp này đồ gákẹp có thể có ổ chặn nhận phản lực dọc trục Nhưng trong máy này ngoài sựdịch chuyển của ngàm kẹp khi co cũng cần phải xét đến khả năng ngàm kẹpchuyển đến vị trí mới sau khi hàn

Các máy được chế tạo theo sơ đồ đầu có cấu tạo ụ trước phức tạp hơn vìtrục chính không chỉ quay mà còn chuyển động dọc trục cùng ổ Muốn vậycác ổ này được bố trí trong máy có khả năng dịch chuyển trong thân ụ trướcnhờ cylinder thủy lực-khí nén đặt trong đó Các cơ cấu khác tương đối đơngiản vì ngàm kẹp thứ hai – cố định – được gắn cứng trên thân máy Trong cácmáy có cấu tạo như thế này phía trên cần có độ cứng vững và độ bền cao vì

nó cần chống lại momen uốn tác động theo mặt phẳng thẳng đứng do lựcchiều trục gây ra, cũng như momen chống xoắn – momen phản lực ma sát Cảhai tải trọng này có đặc trưng động lực

Các máy được chế tạo theo sơ đồ thứ hai, ở đó ngàm kẹp không quaycần dịch chuyển một khoảng xác định theo phương dọc trục Ụ trước có cấutạo đơn giản vì nó chỉ gồm trục chính và thân, nhưng các phần khác của máy

có kết cấu phức tạp hơn Dịch chuyển dọc trục của ngàm kẹp không quay cóthể được thực hiện theo sống trượt dạng đuôi én, hoặc hai-ba thanh tròn.Phương án sống trượt tròn được ưa thích hơn vì trong trường hợp này trục củahai dẫn hướng và trục máy nằm trong cùng mặt phặng, hạn chế khả năngtruyền momen uốn đến thân máy Tuy thế trong trường hợp này máy phải có

độ cứng vững cao, vì phần trên tiếp nhận momen xoắn; ngoài ra lúc đó động

cơ đặt dưới bên cạnh làm rung phần trên trong quá trình làm việc, nên độcứng vững các phần còn lại cũng phải lớn

1.4. Chọn phương pháp hàn

1.4.1. Đặc điểm của hàn ma sát.

Hàn ma sát phù hợp hàn với nhiều loại vật liệu có tính hàn xấu (đồng vàhợp kim đồng, nhôm và hợp kim nhôm, thép hợp kim cao ) Tiết diện hànđược có thể là đặc hay rỗng, hình tròn, tam giác, đa giác đều, đối xứng tâm