03. Lý do chọn đề tài
3.1. Mục đích thực nghiệm
Với những cơ sở lý thuyết, tác giả lựa chon loại bột hàn, tiến hành thực nghiệm, đƣa ra kết quả sơ bộ và điều chỉnh cho ra kết quả cuối cùng từ đó rút ra kết luận khoa học và khả năng ứng dụng vào thực tiễn của đề tài.
3.2. Kế hoạch thực nghiệm.
Từ yêu cầu cụ thể tác giả lên kế hoạch cho thực nghiệm
- Ở giai đoạn đầu tác giả đi khảo sát thiết bị hàn PTA và thiết bị đo kiểm tại các các đơn vị để chọn lựa nơi thực hiện thí nghiệm. Tác lên kế hoạch chọn thời gian để thực hiện thí nghiệm
- Giai đoạn thứ hai sau khi có kết quả thí nghiệm tác giả đo kiểm mẫu - Giai đoạn cuối tác giả đi phân tích mẫu và đƣa ra kết luận
3.3. Tiến hành thực nghiệm 3.3.1. Vật tƣ thực nghiệm
- Vật liệu nền: Trong các chi tiết máy vật liệu nền chủ yếu là dạng thép cabon trrung bình. Nhƣng trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, tác giả chọn kim loại nền là thép cacbon chất lƣợng tốt C45. Bảng 3.1. Thành phần hóa học của thép EN C45 Grade C(%)min- max Si(%)min- max Mn(%)min- max P(%)max S(%)ma x Cr(%)m in-max C45 0.42-0.50 0.15-0.35 0.50-0.80 0.025 0.025 0.20- 0.40 Bảng 3.2. Cơ tính thép C45
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 49 Học viên: Trần Tiến Dũng
Theo EN 10083 tấm thép C45
Bảng 3.3. So sánh các loại thép C45 theo các tiêu chuẩn khác
C45 EN 10083-2 Number:1.0503 So sánh các loại thép JIS G 4051 S 45 C DIN 17200 C 45 NFA 33-101 AF65-C 45 UNI 7846 C 45 BS 970 070 M 46 UNE 36011 C 45 k SAE J 403-AISI 1042/1045 - Lựa chọn khí hàn:
+ Một trong số các loại vật liệu hàn rất quan trọng của phƣơng pháp hàn đắp Plasma bột là khí hàn bao gồm: khí tạo hồ quang Plasma, khí cấp bột, khí bảo vệ hồ quang và vũng hàn. Khí hàn có ảnh hƣởng tới quá trình hình thành mối hàn, lớp đắp, tới chất lƣợng cũng nhƣ tính chất cơ học, hình dáng hình học lớp đắp và khả năng luyện kim trong vũng hàn nóng chảy. Đối với hàn Plasma nói chung, hàn Plasma bột nói riêng sử dụng khí Ar hoặc hỗn hợp khí Ar + Hidro, Ar + He hoặc He. Theo các nghiên cứu trên thế giới cũng nhƣ xuất phát từ thực tế của hệ thống hàn Plasma bột tác giả nghiên cứu và thực nghiệm tại Việt Nam:
+ Khí mang bột hạt sẽ là: Ar + Khí bảo vệ là: Ar.
+ Khí tạo hồ quang Plasma: Ar
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 50 Học viên: Trần Tiến Dũng
- Cơ sở lựa chọn loại bột hàn dựa trên các yếu tố về công nghệ (chất lƣợng sản phẩm, độ cứng, khả năng chịu mài mòn ở nhiệt độ cao, khả năng chịu nhiệt của lớp đắp, khả năng chịu độ dai va đập) còn có yếu tố kinh tế (giá thành hợp lý, độ hạt đều, khả năng hàn, khả năng đắp, năng suất đắp cao, ít bắn tóe, mất mát do bắn tóe nhỏ …). Việc lựa chọn bột hàn đắp phù hợp khi gia công phục hồi chi tiết có ý nghĩa rất quan trọng. Bởi hai yếu tố, thứ nhất là phù hợp với yêu cầu làm việc của bề mặt chi tiết, thứ hai là giảm đƣợc chi phí chế tạo. Trên thị trƣờng ngày nay có nhiều loại bột hàn khác nhau. Theo nghiên cứu tác giả nhận thấy trong thực tế có rất nhiều chi tiết máy cần đạt độ cứng cao từ 58 – 60 HRC trên bề mặt làm việc và tiếp xúc. Theo nghiên cứu của tác giả thì loại bột hàn DURMAX 505 PTA của hãng BURUM đem lại các thông số nhƣ mong muốn với yêu cầu sử dụng với độ cứng cao và tác giả nghiên cứu thấy giá thành cũng phù hợp hơn khi dùng các loại bột khác. Chính vì vậy tác giả quyết định lựa chọn loại bột DURMAX 505 PTA làm thực nghiệm.
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 51 Học viên: Trần Tiến Dũng
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 52 Học viên: Trần Tiến Dũng
- Điện cực hàn: Điện cực Vônfram-Thôri (W-Th) là loại điện cực không nóng
chảy đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong quá trình hàn PTA. Vì điện cực W-Th có ƣu điểm là dễ gây hồ quang, hồ quang cháy ổn định, khả năng phát xạ điện tử cao, công suất nhiệt hồ quang lớn hơn điện cực vônfram [2]. Điện cực W-Th với hàm lƣợng oxyt Thôri (ThO2) khoảng 2% thƣờng đƣợc sử dụng trong các công nghệ hàn PAW, GTAW, PTAW. Nó có nhiệt độ nóng chảy khoảng 34400C, khả năng phát xạ điện tử tốt. Đầu điện cực đƣợc mài nhọn bằng máy mài chuyên dùng với góc độ theo yêu cầu nhằm tạo điều kiện cho quá trình gây hồ quang và tăng sự tập trung hồ quang plasma.
Bảng 3.5. Các thông số của điện cực hàn không nóng chảy W-Th Loại đầu hàn Đƣờngkính điện cực (mm) Góc vát đầu điện cực (0) Chiều dài đoạn mài đầu điện cực (mm) Chiều dài điện cực (mm) Cực tính dòng hàn Cƣờng độ dòng hàn max (A) Mỏ hàn cầm tay 2.4 30 ÷ 45 5 50 ÷ 120 DCEN 250 Đầu hàn tự động 4.0 30 ÷ 45 8 450
Để nâng cao tuổi thọ cho điện cực, quá trình hàn sử dụng dòng hàn một chiều DC) đấu thuận (DCEN) nghĩa là cực âm (-) của nguồn hàn đƣợc nối với điện cực, còn cực dƣơng (+) đƣợc nối với miệng phun và vật hàn. Phƣơng pháp cấp dòng DCEN nhƣ trên sẽ tạo ra dòng plasma trực tiếp và làm tăng năng suất, hiệu suất hàn PTA.
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 53 Học viên: Trần Tiến Dũng
3.3.2. Thiết bị thực nghiệm 3.3.2.1. Thiết bị hàn
- Sau khi phân tích và lựa chọn đƣợc công nghệ hàn phục hồi bề mặt chi tiết đồng thời nghiên cứu về đặc điểm công nghệ của hàn Plasma bột tác giả sẽ phân tích để lựa chọn hệ thống thiết bị PTA sử dụng làm thực nghiệm.
- Theo khảo sát của tác giả: Công ty CP HTH Trƣờng Phát có địa chỉ : Số 59/124, Nguyễn Hoàng Tôn, Tây Hồ, Hà Nội. Địa chỉ nhà máy: Lô 49G - KCN Quang Minh - Mê Linh - Hà Nội. Công ty đƣợc thành lập ngày 25 tháng 1 năm 2008 . công ty chuyên phục hồi các chi tiết máy bằng công nghệ phun phủ và hàn Plasma bột.Và vào năm 2009 trở thành đại diện độc quyền của Durum Verschleiss Schutz GmbH - CHLB Đức tại Việt Nam.
- Để thuận lợi cho quá trình nghiên cứu và làm thí nghiệm, tác giả sẽ sử dụng hệ
thống máy hàn ( PTA) tại công ty Công ty CP HTH Trƣờng Phát - Là một hệ thống máy hàn PTA hiện đại do hãng astolin sản xuất nó bao gồm
những bộ phận chính nhƣ sau:
- Nguồn hàn: Máy hàn (DRWELD 3000/2 PTA). Sử dụng đƣợc cả dòng xoay chiều AC và một chiều DC
Các thông số của quá trình hàn có thể đƣợc cài đặt bằng chƣơng trình, đƣợc lƣu trữ và tải từ bộ nhớ của máy tính bằng phần mềm điều khiển PLC.
Có thể kết hợp với robot tạo thành một hệ thống hàn linh hoạt hơn Sử dụng công nghệ biến tần mới nhất để gây hồ quang Sử dụng dòng mồi hồ quang lớn hơn 100A Ứng dụng đƣợc cho cả một số công nghệ hàn khác nhƣ PAW, SAW…
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 54 Học viên: Trần Tiến Dũng
Hình 3.1. Hình ảnh của máy hàn (DRWELD 3000/2 PTA).
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 55 Học viên: Trần Tiến Dũng
Bảng 3.6. Bảng thông số máy hàn hàn (DRWELD 3000/2 PTA).
Hình 3.3. Hình ảnh các núm điều khiển mặt trước của máy hàn (DRWELD 3000/2 PTA).
- Mỏ hàn PTA: Mỏ hàn của máy hàn Plasma bột có cấu tạo phức tạp hơn các loại mỏ hàn của các phƣơng pháp hàn thông thƣờng khác (TIG, MIG, SAW...). Tùy thuộc từng mục đích sử dụng sẽ có các loại mỏ tƣơng ứng nhƣ: mỏ để đắp bên
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 56 Học viên: Trần Tiến Dũng
ngoài, mỏ đắp bên trong ống, bồn... Cấu tạo các loại mỏ của các hãng khác nhau có thể có những điểm khác nhau tuy nhiên chúng cùng có những điểm chung: có ống dẫn khí tạo hồ quang, ống dẫn khí bảo vệ (khí bảo vệ có thể là Ar, He hoặc hỗn hợp), ống dẫn nƣớc làm mát, ống dẫn bộ kim loại, ở đầu mỏ có một điện cực không nóng chảy (điện cực catot). Ngoài ra bắt buộc các mỏ đều phải có hệ thống dẫn điện.
Trên thế giới hiện nay có nhiều hãng sản xuất và cung cấp các loại mỏ hàn PTA. Ví dụ: các loại mỏ hàn của hãng Durweld, Castolin, Arcraft plasma, Isotectic, Kennametal Stellite.... Trong phạm vi luận văn tác giả xin giới thiệu về loại mỏ hàn PT 300M của hãng Durum
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 57 Học viên: Trần Tiến Dũng
Bảng 3.7. Bảng thông số mỏ hàn
Hình 3.5 Hình ảnh đầu ra của máy
- Hệ thống cấp bột hàn: Đối với hàn Plasma bột thì hệ thống cấp bột là một trong những bộ phận quan trọng. Cũng nhƣ nguồn hàn và mỏ hàn, hiện nay trên thế giới có nhiều loại của các hãng nhƣ: EP2 – Castolin, PGL – 10 – Alloys international,
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 58 Học viên: Trần Tiến Dũng
HGPF – 300 – L - Autowel, PF – 700 - Arcraft plasma, PM-PF-10 - Plasma master, Isotectic....
+ Nhƣ đã trình bày ở trên thì tất cả các hệ thống cấp bột đều có những đặc điểm chung nên tác giả sẽ chỉ chọn của hãng Durum. Bộ cấp bột bất kỳ đều có những hai bộ phận chính đó là phễu đựng bột và động cơ AC servo, để cấp bột thì động cơ sẽ quay và cuốn bột vào trong mỏ hàn sau đó nhờ áp lực của dòng khí sẽ mang bột tới vũng hàn. Bộ cấp bột này đi liền với bộ nguồn và mỏ hàn của hãng Durweld sẽ có thể sử dụng cho các ứng dụng của hàn Plasma bột. Bộ phận cấp bột có khả năng điều chỉnh lƣu lƣợng cấp bột một cách chính xác và tốc độ cấp bột đƣợc điều khiển thông qua tốc độ quay của bánh xe nhờ động cơ chúng có thể đƣợc điều chỉnh và lập trình bởi nguồn năng lƣợng cấp cho vũng hàn. Bộ cấp bột này sẽ cung cấp và điều chỉnh lƣu lƣợng khí plasma, khí bảo vệ và khí vận chuyển bột hàn. Đây là thết bị cấp bột định lƣợng theo kiểu mới, việc đo chính xác và có tính lặp lại cao đối với tốc độ cấp bột hàn do hệ thống truyền động bằng động cơ đảm nhiệm, có mạch phản hồi sử dụng máy tính điều khiển.
- Chai đựng khí (Ar, He, Ar + He, hỗn hợp nhiều khí...).
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 59 Học viên: Trần Tiến Dũng
- Hệ thống di chuyển đầu mỏ hàn và tạo dao động đầu hàn (chuyển động theo các trục X, Y, Z): nhờ động cơ Servo và hộp giảm tốc sau đó qua bộ truyền đai răng sẽ giúp cho quá trình chuyển động theo các trục của đầu mỏ hàn và nhờ động cơ bƣớc để tạo dao động đầu hàn. Hệ thống có thể di chuyển từng trục riêng lẻ hoặc di chuyển đồng thời phối hợp nhiều trục với nhau tùy thuộc từng trƣờng hợp hàn cụ thể.
- Đồ gá hàn: Phôi hàn đƣợc kẹp chặt trên đồ gá. Vị trí kẹp chặt là hai mặt bên của phôi. Đồ gá hàn có nhiệm vụ định vị và kẹp chặt chi tiết trong suốt quá trình hàn. Đồ gá và chi tiết hàn đƣợc đặt trên bàn hàn và ở vị trí hàn bằng.
Hình 3.7. Đồ gá hàn
Các vít điều chỉnh M16 trên đồ gá hàn sẽ giúp điều chỉnh lực kẹp phôi cho phù hợp. Kẹp chặt chi tiết khi hàn sẽ hạn chế đƣợc biến dạng sinh ra trong quá trình hàn.
3.3.2.2. Thiết bị đo.
Ngày nay, các phƣơng pháp đo độ cứng thƣờng sử dụng một đầu thử (có hình dạng đặc biệt và có độ cứng hơn mẫu đo) ấn tác động lên bề mặt mẫu thử. Theo đó trị số độ cứng đƣợc tính toán trên cơ sở lực tác động và độ sâu hoặc kích cỡ của vết lõm.
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 60 Học viên: Trần Tiến Dũng
Có 3 phƣơng pháp đo độ cứng đƣợc biết đến nhiều nhất là là Brinell, Vicker và Rockwell: Phƣơng pháp đo độ cứng Brinell: là phƣơng pháp đo độ cứng do J.A. Brinell đƣa ra vào năm 1900, sử dụng một viên bi thép đk 10mm với lực ấn 3000 kg ấn lõm vào bề mặt kim loại. Đối với các kim loại mềm, lực ấn sẽ đƣợc giảm xuống 500kg, và đối với các kim loại cực cứng, sẽ sử dụng đến bi thử cardbide tungsten giám thiếu biến dạng đầu thử. Lực tác động toàn phần sẽ đƣợc duy trì trong khoảng 10 - 15 giây đối với thử độ cứng của gang và thép, và tối thiểu 30 giây với các kim loại khác. Đƣờng kính của vết lõm trên bề mặt vật liệu thử đƣợc đo bằng kính hiển vi.
Độ cứng Brinell đƣợc xác định theo công thức: Thông số độ cứng Brinell thƣờng đƣợc viết liền với các điều kiện thử. Ví dụ 75HB 10/500/300 có nghĩa là độ cứng Brinel 75 đo đƣợc khi sử dụng bi thử đƣờng kính 10mm, lực thử 500 kg tác động trong vòng 30 giây. So với các phƣơng pháp thử độ cứng khác, bi thử Brinell tạo ra vết lõm sâu và rộng nhất, do đó phép thử sẽ bình quân đƣợc độ cứng trên một phạm vi rộng hơn của vật đo. Đây là phƣơng pháp tối ƣu để đô độ cứng khối hoặc hoặc độ cứng tổng thể của một loại vật liệu, đặc biệt là vật liệu có cấu trúc không đồng đều. Các vết xƣớc và độ nhám bề mặt hầu nhƣ không ảnh hƣởng tới phép thử Brinell. Các giá trị BHN tiêu biểu là Nhôm 35MPa, thép gió 120Mpa, thép không gỉ 1250Mpa. Tuy nhiên phƣơng pháp thử này không phù hợp với đo các vật thể nhỏ. Phƣơng pháp đo Độ cứng Vicker: đƣợc phát triển vào những năm 1920. Các tính toán của phƣơng pháp thử Vicker không thuộc với kích cỡ của đầu thử.
Đầu thử có thể sử dụng cho mọi loại vật liệu. Phép thử sử dụng một mũi thử kim cƣơng hình chóp 4 cạnh có góc giữa các mặt phẳng đối diện là 136o. Góc này xấp xỉ tỷ lệ lý thuyết của đƣờng kính vết lõm với đƣờng kính bi thử trong phƣơng pháp thử Brinell.
Giá trị độ cứng (thƣờng phiên âm DPH, VHN hoặc VPH) xác định bằng lực tác động chia cho diện tích mặt lõm theo công thức : Phƣơng pháp thử này có thể sử
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà 61 Học viên: Trần Tiến Dũng
dụng cho tất cả các loại kim loại. Với một lực thử cho trƣớc, nó cho kết quả một thang đo liên tục, từ kim loại mềm là 5DPH tới các kim loại cứng là 1500 DPH. Phƣơng pháp đo độ cứng Rockwell: là phƣơng pháp đo độ cứng bằng cách tác động làm lõm vật thử với một đầu thử kim cƣơng hình nón hoặc bi thép cứng. Quy trình đo cơ bản nhƣ sau : tác động đầu thử vào vật mẫu với một lực tối thiểu, thƣờng là 10kgf. Khi đạt độ cân bằng, thiết bị đo (theo dõi dịch chuyển đầu đo và các phản hồi về thay đổi chiều sâu tác động của đầu đo) ghi lại giá trị xác định. Tiếp đến, trong khi vẫn duy trì lực tác động tối thiểu, ngƣời ta tác động thêm một lực tối đa. Khi đạt đƣợc độ cân bằng, thôi tác động lực tối đa nhƣng vẫn duy trì lực tác động tối thiểu ban đầu. Khi lực tối đa đƣợc thu về, độ sâu vết lõm trên bề mặt vật thử sẽ đƣợc phục hồi một phần.
Độ sâu vết lõm còn lại (kết quả của phát và thu lực tối đa) đƣợc sử dụng để tính toán độ cứng Rockwell.
Có nhiều thang đo độ cứng Rockwell, ký hiệu là RA, RB, RC, ... tuỳ thuộc vào loại và kích thƣớc đầu đo cũng nhƣ giá trị lực tác dụng đƣợc sử dụng.
* HRA . . . . carbides, thép tôi cứng bề mặt
* HRB . . . . Phôi đồng đỏ, thép mềm, phôi nhôm, gang mềm...