NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ hàn đắp PHỤC hồi CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG hàn lăn tự ĐỘNG với dây THÉP hợp KIM

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP PHỤC HỒI CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG HÀN LĂN TỰ ĐỘNG VỚI DÂY THÉP HỢP KIM RESEARCH HARDFACING TECHNOLOGY FOR ROTATE ITEMS BY AUTOMATIC SEAM WELDING WITH ALLOY

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP PHỤC HỒI CHI TIẾT TRÒN XOAY

BẰNG HÀN LĂN TỰ ĐỘNG VỚI DÂY THÉP HỢP KIM

RESEARCH HARDFACING TECHNOLOGY FOR ROTATE ITEMS BY AUTOMATIC

SEAM WELDING WITH ALLOY STEEL WIRE

1Trường ĐH SPKT Hưng Yên

2Hội KHKT Hàn Việt Nam

3Học viện Nông nghiệp Việt Nam

4PTN trọng điểm CN Hàn&XLBM – Viện Nghiên cứu Cơ khí

a nguyenminhtan.utehy.2008@gmail.com, b lethoai.utehy@gmail.com,

c hvchauweld@gmail.com, d dqke@vnua.edu.vn, e quylt@narime.gov.vn

TÓM TẮT

Bài báo giới thiệu công nghệ hàn lăn tự động với dây thép hợp kim tạo lớp đắp trên bề mặt chi tiết dạng trục Bằng công nghệ hàn đắp phục hồi này có thể làm cho độ cứng và tính chống mài mòn của lớp bề mặt các chi tiết máy làm từ thép C45 tăng lên từ 1,4 đến 1,5 lần (đạt được độ cứng từ 50 đến 55 HRC) Nhờ sử dụng dòng điện hàn có cường độ rất lớn, thời gian tác dụng ngắn nên năng suất hàn cao và chi tiết hàn ít biến dạng Chất lượng mối hàn tốt, mối hàn không có xỉ, quá trình hàn không cần đến thuốc hàn hay khí bảo vệ

Từ khóa: hàn lăn tự động, dây thép hợp kim, lớp đắp, trục, độ cứng, mài mòn, thép

C45, dòng điện hàn, cường độ

ABSTRACT

The paper introduces automatic seam welding technology with alloy steel wire on to surface layer covering axial details By this hardfacing technology which can make the hardness and abrasion resistance of the surface layer of machine parts made from steel C45 increased from 1.4 to 1.5 times (achieved hardness from 50 to 55 HRC) Using welding currents have great intensity, short duration of action should high productivity and little deformation of machine parts Good quality welds, welds without slag, welding process unneeded flux or gas protection

Keywords: automatic seam welding alloy steel wire cover layer axes hardness

abrasion C45 steel welding current intensity

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Công nghệ hàn lăn tiếp xúc phục hồi chi tiết máy dạng trục bằng dây thép hợp kim sẽ tạo cho các sản phẩm cơ khí có độ bền, các tính năng công nghệ cần thiết đáp ứng đòi hỏi ngày càng cao của các quy trình công nghệ sản xuất Rất nhiều loại chi tiết yêu cầu cần có độ dẻo ở bên trong và đồng thời có độ cứng, độ chịu mài mòn tốt ở lớp ngoài

Hàn lăn tiếp xúc phục hồi chi tiết máy dạng trục bằng dây thép hợp kim là một phương pháp hàn có nguồn gốc trực tiếp từ hàn điện tiếp xúc đường Trong đó điện cực được thiết kế như là con lăn đồng, còn điện cực thứ hai chính là các chi tiết trục mà ta cần phải phục hồi Con lăn và trục có sự quay tương đối để cho dòng điện chạy qua và tạo lực ép để ép các dây kim loại hoặc hợp kim vào bề mặt trục cần phục hồi tạo ra lớp kim loại hàn đắp Hàn lăn tiếp xúc đường phục hồi chi tiết máy dạng trục là một quá trình liên tục – thông qua chuyển động tương đối của điện cực bánh đồng và phôi trục cần phục hồi [ 1, 3, 4]

Nội dung bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm thăm dò và chọn lựa các thông số cơ bản của chế độ công nghệ hàn lăn tự động với dây thép hợp kim tạo lớp đắp trên

bề mặt chi tiết dạng trục

2 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP PHỤC HỒI BẰNG HÀN LĂN TỰ ĐỘNG VỚI DÂY THÉP HỢP KIM

Một trong các phương pháp phục hồi chi tiết trục tiên tiến hiện nay là sử dụng phương pháp hàn lăn tự động với dây thép hợp kim

Bề mặt liên kết của dây hàn bù với kim loại cơ bản khi hàn lăn tự động với dây thép hợp kim được hình thành nhờ quá trình hàn tiếp xúc và biến dạng dẻo của dây hàn Phương pháp này có lợi thế là một tác động nhiệt ở mức thấp trên kim loại cơ bản, không đốt cháy các nguyên tố hợp kim của dây trong quá trình hàn [ 2 ]

Hình 1 Hình ảnh một số chi tiết máy được phục hồi bằng dây thép hợp kim

Khi hàn lăn tự động với dây thép hợp kim, điện cực thứ nhất đóng vai trò là con lăn đồng, còn kim loại nền - điện cực thứ hai là chi tiết trục cần phục hồi

Con lăn và trục có tốc độ quay tương đối để cho dòng điện đi qua và tạo lực ép để ép dây hợp kim vào bề mặt trục cần phục hồi tạo ra lớp kim loại hàn đắp Khác với hàn áp lực điểm là hàn lăn đường phục hồi chi tiết trục là một quá trình liên tục thông qua chuyển động tương đối của các điện cực và trục cần phục hồi

1 Trục cần hàn phục hồi; 2 Con lăn đồng; 3 Dây hợp kim

4 Lớp kim loại hàn đắp; 5 Bề mặt liên kết hàn

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn lăn tự động với dây thép hợp kim

Đặc điểm của quá trình công nghệ hàn phục hồi chi tiết trục sử dụng công nghệ hàn lăn

tự động với dây thép hợp kim: [ 2, 5 ]

- Dòng điện có cường độ rất lớn

- Thời gian tác dụng ngắn

- Không cần dùng que hàn phụ, thuốc hàn hay khí bảo vệ

- Chất lượng mối hàn cao, mối hàn không có xỉ

- Năng suất quá trình hàn cao, chi tiết hàn biến dạng ít

- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa quá trình hàn

3 VẬT LIỆU, THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Vật liệu

3.1.1 Vật liệu trục

Các chi tiết trục sử dụng trong các kết cấu máy như ôtô, các máy công cụ, máy nông nghiệp… được chế tạo từ thép C45 Để nghiên cứu thăm dò công nghệ tác giả đã lựa chọn nghiên cứu hàn đắp phục hồi trên trục thép C45 có đường kính Φ = 100mm

Bảng 1 Thành phần hoá học của thép C45 (theo TCVN 8301:2009)

C45 0,420,50 0,170,37 0,500,80 0,035 0,04  0,25  0,25  0,25

Bảng 2 Cơ tính của thép C45

Mác thép

Độ bền kéo

b

(MPa)

Giới hạn

(MPa)

Độ dãn dài



(%)

Độ co thắt tương đối

, %

Độ dai

va đập

a k

Cán nóng

Ủ hoặc ram nhiệt độ cao

3.1.2 Vật liệu dây hàn hợp kim

Theo yêu cầu kỹ thuật về độ bền, độ cứng bề mặt và độ chịu mài mòn của trục cần phục hồi ta có thể sử dụng các loại dây hợp kim như dây thép hàn 30KhGSA theo GOST 10543-98 hoặc dây thép lò xo 65G Trong các thí nghiệm thăm dò tác giả sử dụng dây thép lò xo 65G theo GOST 9389-75, có đường kính 1,6 – 2,0 mm

Bảng 3 Thành phần hoá học thép 65G (theo GOST 9389-75)

65G 0.62 ~ 0.70 0.17 ~ 0.37 0.90 ~ 1.20 ≤ 0.035 ≤ 0.035 ≤ 0.25 ≤ 0.25

Bảng 4 Cơ tính thép 65G Mác

thép

Nhiệt độ tôi

( o C)

và làm nguội

Nhiệt độ ram ( o C)

Độ bền kéo

b

(MPa)

Giới hạn

(MPa)

Độ dãn dài

 (%)

Độ cứng (HB)

65G 830 - dầu 540 980 785 8 302

3.2 Thiết bị

Máy hàn lăn được sử dụng là loại PE-SEAM của CH Pháp Thiết bị quay và đóng vai trò đồ gá cho trục hàn là máy hàn xoay UD-417 thiết kế của Viện Hàn Paton, CH Ukraina

Hình 3 Máy hàn lăn PE-Seam Hình 4 Máy hàn xoay UD-417 (Ukraina)

Bảng 5 Thông số công nghệ máy hàn lăn PE-Seam hãng AERO – CH Pháp

1 Nguồn vào V 220V - 50Hz single-phase

8 Khoảng dịch chuyển điện cực mm 3,5 ÷ 6

9 Áp lực nước làm mát MPa 0,2 ÷ 0,6

10 Lưu lượng nước làm mát lít/giờ 800

Bảng 6 Thông số công nghệ máy hàn xoay UD-417 – CH Ukraina

2 Chiều dài chi tiết hàn max mm 1.000

3 Đường kính chi tiết hàn max mm 630

4 Tốc độ quay mâm cặp vòng/phút 2 ÷ 20

3.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm hàn đắp phục hồi trực tiếp trên mẫu

Các thí nghiệm được tiến hành trên các mẫu có đường kính 100 mm bằng thép C45

GOST 1050-88 (TCVN 8301:2009)

Độ bền bám dính với kim loại cơ bản được xác định bằng phương pháp kéo chốt Ngoài

ra, còn đánh giá gián tiếp theo mức độ biến dạng đường kính của dây hàn bù

Cấu trúc tế vi, độ cứng và độ cứng tế vi của vùng hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ được nghiên cứu trên kính hiển vi, bằng các máy đo Rockwell, độ cứng tế vi đo trên máy Axiovert-100A

Một phần đáng kể kết quả của các thí nghiệm thăm dò sẽ là cơ sở tiến hành quy hoạch thực nghiệm xác định các thông số công nghệ tối ưu của quá trình hàn

4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Nghiên cứu thực nghiệm thăm dò được tiến hành theo đơn yếu tố, trong đó tập trung vào các thông số quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng liên kết hàn là: a) Cường

độ dòng điện hàn; b) Lực ép của điện cực hàn; c) Thời gian cấp xung điện; d) Tốc độ quay chi tiết và e) Bước tiến hàn

Trên cơ sở các thông tin tổng quan từ tài liệu tham khảo [ 2, 4, 5 ] và theo thông số kỹ thuật cụ thể của các thiết bị hiện có, giá trị thí nghiệm thăm dò ban đầu của các thông số chế

độ công nghệ hàn được lựa chọn như sau:

- Dòng hàn: 6,0 – 6,5 – 7,0 kA

- Thời gian xung điện: 0,025 – 0,040 – 0,055 s

- Lực ép điện cực: 1,2 – 1,5 – 1,7 kN

- Tốc độ quay chi tiết: 3,2 – 4,0 – 4,8 v/ph

- Bước tiến hàn: 2,5 – 3,0 – 3,5 mm/vg

Quá trình hàn đặc trưng là dây kim loại bù được nung nóng đến nhiệt độ gần với nhiệt độ nóng chảy, khi đó các thuộc tính của thép tiếp cận tính chất của kim loại lỏng và có độ chảy nhất định Khi nhiệt và biến dạng của dây hàn bù làm tăng bề mặt tiếp xúc của trục và điện cực lăn tương ứng, làm tăng lượng nhiệt thu hồi từ các vùng lân cận để hình thành liên kết hàn Trong thực tế, sự hình thành liên kết hàn bắt đầu ở giá trị ứng suất xuất hiện trong dây hàn bù khoảng 0,95 0,97 giá trị ứng suất biến dạng dẻo của kim loại cơ bản

Các mẫu hàn trên trục thép C45 được đánh giá theo các chỉ tiêu như: độ bám dính với kim loại cơ bản, mức độ biến dạng của dây hàn bù và đo độ cứng bề mặt chi tiết tương ứng với các chế độ công nghệ hàn biến thiên đơn yếu tố

Để so sánh nhóm nghiên cứu đã thực hiện song song một loạt thí nghiệm cũng tương tự với vật liệu hàn bù là dây hàn H 08A dùng trong hàn tự động thép kết cấu thông thường

4.1 Nghiên cứu cấu trúc tế vi

Hình 7 Vùng chuyển tiếp 2 đường hàn với

dây 65G (100x)

Hình 8 Vùng chuyển tiếp 2 đường hàn với

dây H 08A (100x)

Trên các hình ảnh chụp cấu trúc tế vi mối hàn, ta nhận thấy rằng:

- Mẫu hàn gồm có ba vùng: kim loại cơ bản, vùng ảnh hưởng nhiệt và vùng kim loại hàn Trong đó, khác với hàn hồ quang nóng chảy thông thường, vùng chuyển tiếp giữa kim

loại cơ bản và kim loại hàn rất hẹp (quan sát thấy tương đối rõ trên hình 5 hoặc hình 6)

- Tổ chức tế vi các vùng cho thấy liên kết được hình thành rõ nét, kim loại hàn có liên kết đều khắp với kim loại cơ bản (hình 7 và hình 8) thông qua một lớp trung gian bao gồm các lớp vật liệu nóng chảy được hòa trộn và phân lớp rõ rệt Điều này đảm bảo cho liên kết có

được độ bền bám dính cần thiết của kim loại bù và kim loại nền

4.2 Đánh giá độ bền bám dính của kim loại đắp

Kết quả đo độ bền bám dính cho 2 trường hợp, dây H 08A và dây 65G:

Bảng 7 Kết quả đo độ bền bám dính

Độ bền bám dính

bình (MPa)

Lần đo

1 Dây hàn bù H 08A 529 555 543 559 548 574,2

2 Dây hàn bù 65G 518 540 533 542 532 556,6

So sánh các kết quả đo độ bền bám dính của kim loại lớp đắp trong hai trường hợp, với dây hàn H 08A và dây hàn bù 65G ta nhận thấy:

- Độ bền bám dính của kim loại đắp trong cả hai trường hợp có giá trị thấp hơn (574,2

và 556,6 MPa) so với độ bền kéo của kim loại nền là thép C45 (598 MPa)

- Dây hàn bù 65G có độ bền bám dính thấp hơn so với dây hàn H 08A

- Các giá trị độ bền bám dính giảm trung bình 6 - 8 % so với độ bền kéo của kim loại nền là các giá trị có thể chấp nhận được, đảm bảo cho điều kiện làm việc hiệu quả của lớp đắp

vì chiều dày của lớp đắp nhỏ (≤ 0,5 mm) và đóng vai trò lớp bọc lót trên toàn bộ chu vi của cổ trục trong quá trình làm việc

4.3 Đánh giá độ cứng tế vi vùng kim loại đắp, kim loại nền và vùng ảnh hưởng nhiệt:

Vùng ảnh hưởng nhiệt

Độ cứng tế vi, HV

300 285 273

200 178 174 176

160 172 173 162

100

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vị trí đo

Hình 9 Dải phân bố độ cứng tế vi khi hàn dây 65G

- Độ cứng tế vi của vùng kim loại đắp có giá trị cao nhất, tương ứng với bản chất của

kim loại bù trên nền 65G, sau đó là vùng ảnh hưởng nhiệt, thấp nhất là vùng kim loại nền

- Vùng ảnh hưởng nhiệt do vật liệu nóng chảy hòa trộn và có thể còn có các oxyt kim

loại hòa tan nên độ cứng tế vi tăng lên so với nền

- Độ cứng bề mặt của trục mẫu sau gia công đạt trung bình 52 HRC

4.4 Thảo luận

- Với sự gia tăng lực ép trên điện cực, biến dạng dẻo của dây hàn bù tăng một cách đáng

kể Tuy nhiên dưới tác động của dòng điện hàn, dây hàn bù sẽ được nung nóng đến trạng thái gần chảy dẫn đến suy giảm đặc tính cơ học của kim loại bù và giảm ứng suất từ phía bề mặt con lăn – điện cực hàn Trạng thái biến dạng dẻo kim loại dây hàn bù có thể thay đổi từ 15 đến 45 % đối với liên kết hàn phụ thuộc vào lực ép và cường độ dòng điện hàn

- Độ bền bám dính của dây hàn bù nhờ sự hình thành một lớp trung gian bao gồm các lớp vật liệu nóng chảy với các oxyt được hòa trộn và phân lớp rõ rệt Giá trị cho dây hàn 65G trung bình là 556,6 MPa, giảm 6 – 8 % so với độ bền kéo của kim loại nền là các giá trị có thể chấp nhận được, đảm bảo cho điều kiện làm việc hiệu quả của lớp đắp vì chiều dày của lớp đắp nhỏ (≤ 0,5 mm) và là lớp bọc lót trên toàn bộ chu vi của cổ trục trong quá trình làm việc

- Độ cứng bề mặt của trục mẫu sau gia công đạt trung bình 52 HRC Độ cứng tế vi của vùng kim loại đắp có giá trị cao nhất, tương ứng với bản chất của kim loại bù trên nền 65G,

sau đó là vùng ảnh hưởng nhiệt, thấp nhất là vùng kim loại nền.Vùng ảnh hưởng nhiệt do vật liệu nóng chảy hòa trộn và có thể còn có các oxyt kim loại hòa tan nên độ cứng tế vi tăng lên

so với nền

KẾT LUẬN

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm thăm dò được tiến hành đã tập trung vào 05 thông số quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng liên kết hàn là: cường độ dòng điện hàn; lực

ép của điện cực hàn; thời gian cấp xung điện; tốc độ quay chi tiết và bước tiến hàn

Độ cứng bề mặt của trục mẫu sau gia công đạt trung bình 52 HRC Độ cứng tế vi của vùng kim loại đắp có giá trị cao nhất đạt 273-285 HV, tương ứng với bản chất của kim loại bù trên nền thép 65G

Độ bền bám dính của dây hàn bù nhờ sự hình thành lớp trung gian bao gồm các lớp vật liệu nóng chảy cùng với các oxyt được hòa trộn và phân lớp rõ rệt Giá trị này cho dây hàn bù thép 65G trung bình là 556,6 MPa, giảm 6 – 8 % so với độ bền kéo của kim loại nền

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nafikov, M.Z Examination of the process of wear of a roller electrode in electric

resistance surfacing with a wire [Text] / M.Z Nafikov, I.I Zagirov // Welding International – 2007 – Vol.21, №10 – P.757 – 759

[2] V.A Emel'yanov, L.M Shkol'nik & V.B Shlyapin Cyclic cracking resistance of shafts

after electric resistance hardfacing with subsequent surface plastic deformation Welding International Volume 2, Issue 3, 1988 Pages 256-258

[3] V.A Dubrovskii & V.V Bulychev Electric resistance surfacing with a wire and with

melting of the metals to be joined Welding International Volume 12, Issue 7, 1998

Pages 570-572

[4] Нафиков, М.З Параметры электроконтактной наплавки [Текст] / М.З Нафиков // Технология металлов – 2005 – №7 – С.29-31

[5] Нафиков, М.З Рекомендации по разработке технологических процессов восстановления изношенных деталей типа «вал» электроконтактной наплавкой (приваркой) стальных проволок / М.З Нафиков [и др.] // Уфа: ООО «Штайн», 2009 – 43 с

THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ

1 ThS Nguyễn Minh Tân Trường ĐH SPKT Hưng Yên

Email: nguyenminhtan.utehy.2008@gmail.com; DĐ: 0978 452 890

2 ThS Lê Văn Thoài Trường ĐH SPKT Hưng Yên

Email: lethoai.utehy@gmail.com; DĐ: 0912 206 388

3 TS Hoàng Văn Châu Hội KHKT Hàn Việt Nam

Email: hvchauweld@gmail.com; DĐ: 0913 003 681

4 PGS.TS Đào Quang Kế Học viện Nông nghiệp Việt Nam

Email: dqke@vnua.edu.vn.; DĐ: 0904 365 844

5 PGS.TS Lê Thu Quý PTN trọng điểm CN Hàn&XLBM – Viện Nghiên cứu Cơ khí

Email: quylt@narime.gov.vn; DĐ: 0983 022 166