6. Kết cấu luận văn
1.2.3 Quá trình hàn ma sát xoay
Hàn ma sát xoay bao gồm hai trục đƣợc bố trí đồng tâm với nhau, một trục quay đƣợc truyền động từ động cơ với tốc độ khơng đổi, trục cịn lại có thể quay ngƣợc chiều hoặc đứng yên đƣợc cho tiếp xúc với nhau bởi một lực ép dọc trục trong một khoảng thời gian nhất định nhằm tạo ma sát ở vùng tiếp xúc, qua đó phát sinh nhiệt. Chuyển động quay đƣợc duy trì cho đến khi nhiệt sinh ra đủ để nung nóng kim loại tại vùng tiếp xúc đến trạng thái dẻo, giúp quá trình khuyếch tán kim loại của hai vật hàn từng bƣớc hình thành nên mối hàn. Sau một khoảng thời gian, chuyển động quay dừng lại trong khi áp lực đƣợc duy trì hoặc tăng thêm để đảm bảo mối hàn đƣợc hình thành hình 1.3 và hình 1.1[17]. Nguyên lý của máy và các giai đoạn của quá trình hàn ma sát xoay đƣợc trình bày ở hình 1.4, 1.5.
1 Động cơ truyền động; 2. Bộ hãm; 3a. Bộ kẹp quay; 3b. Bộ kẹp cố định; 4a. Chi tiết hàn quay; 4b. Chi tiết hàn cố định; 5. Xy-lanh đẩy;
Hình 1.4: Nguyên lý thiết bị hàn ma sát xoay [17]
Lực hướng trục
Lượng giảm kích thước theo
phương dọc trục
Tốc độ quay
1) Lượng giảm kích thước dọc trục của quá trình hàn ma sát
2) Thời gian ma sát 3) Thời gian hãm
4) Thời gian hình thành mối hàn 5) Lượng giảm kích thước dọc trục
1.2.3.1 Các giai đoạn xảy ra trong quá trình ma sát
Q trình hàn ma sát xoay có thể đƣợc chia thành ba giai đoạn chính nhƣ sau: giai đoạn ma sát (friction phase), giai đoạn dừng (stopping phase) và giai đoạn hình thành mối hàn (forge phase). Các giai đoạn này đƣợc vận hành theo các mức độ yêu cầu để đảm bảo hình thành mối hàn đạt chất lƣợng mong muốn [17], [8].
Giai đoạn ma sát: Giai đoạn này bắt đầu khi hai bề mặt của chi tiết tiếp xúc
với nhau đến khi tốc độ trục chính đƣợc ngắt. Giai đoạn này đƣợc quyết định bởi ba thông số: tốc độ quay, áp lực tạo ma sát và thời gian ma sát. Áp lực ma sát và tốc độ quay phụ thuộc vào kích thƣớc và vật liệu chi tiết hàn. Để chuyển qua giai đoạn tiếp theo thì thời gian ma sát phải đủ để sinh ra lƣợng nhiệt cần thiết tại vùng kết nối. Thông thƣờng giai đoạn này nên đƣợc duy trì liên tục đến khi các tạp chất trên bề mặt hai chi tiết đƣợc loại bỏ hoàn toàn để tạo thành mối hàn [17].
Giai đoạn dừng: Giai đoạn này bắt đầu khi ngắt chuyển động của trục chính
đến khi tốc độ trục chính bằng khơng. Mục đích của giai đoạn này là để dừng chuyển động quay. Thời gian dừng phải đƣợc kiểm soát để khi chuyển sang giai đoạn hình thành mối hàn có đƣợc chất lƣợng mối hàn cao [17]; [6].
Giai đoạn hình thành mối hàn: giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào áp lực
hình thành mối hàn. Một lực hàn yếu không đủ để loại bỏ các tạp chất ở vùng tiếp xúc mối hàn, ngƣợc lại nếu lực hàn quá lớn sẽ làm chi tiết hàn bị biến dạng và gây tiêu hao nhiều kim loại. Trong trƣờng hợp lực ma sát lớn hơn lực hàn cần thiết, chi tiết hàn sẽ bị thu ngắn theo chiều dọc trục (do kim loại bị đùn nhiều). Ngoài ra giai đoạn này một phần cũng phục thuộc vào dạng mối ghép, độ bền của mối hàn [17]; [6]; [21].
Áp lực cần thiết để hình thành mối hàn phụ thuộc vào độ cứng vững của các chi tiết hàn và sức bền của vùng vật liệu tại nhiệt độ hàn. Áp lực thấp thì khơng đủ để loại bỏ các tạp chất ra khỏi mối hàn, áp lực hàn lớn thì dẫn đến việc xoắn trong cấu trúc tế vi. Áp lực hàn không đƣợc gây nên cong vênh chi tiết, áp lực hàn phải đƣợc duy trì trong một khoảng thời gian đủ để hình thành nên mối hàn.
1.2.3.2 Ảnh hƣởng của các thông số đến chất lƣợng mối hàn
Tốc độ quay, áp lực ma sát, thời gian ma sát, áp lực hàn, thời gian hàn là các thơng số chính ảnh hƣởng đến chất lƣợng mối hàn [8], [12],
Tốc độ v m/ph cần phải đủ để hình thành nên mối hàn, và có thể thay đổi tuỳ
thuộc vào vật liệu và kích thƣớc phôi. Tốc độ v thông thƣờng nằm trong khoảng 75- 105 m/ph. Tốc độ v thấp tạo khơng đƣợc khuyến khích vì tạo mơ-men xoắn cao gây ra các vấn đề với cơ cấu kẹp, trong khi tốc độ v cao thì vùng ảnh hƣởng nhiệt rộng hơn.Tốc độ v ảnh hƣởng quan trọng đến sự ổn định của quá trình gia nhiệt. Tỉ lệ
giữa lƣợng nhiệt sinh ra và lƣợng nhiệt phát tán phải cân bằng với nhau và bằng một giá trị ổn định, tỉ lệ này phụ thuộc vào việc cài đặt chế độ hàn, cụ thể là tốc độ
v. Hệ số này đóng vai trị quan trọng trong việc hàn hai kim loại khác nhau tại nơi
mà vùng liên kết đƣợc hình thành. Giảm tốc độ v là cách tơt nhất để làm giảm nhiệt độ giới hạn [21] .
Đối với thép, tốc độ v phải lớn hơn 78 m/ph đƣợc áp dụng cho cả thanh thép
đặc và thép ống. Trong sản xuất, thông thƣờng thiết bị hàn ma sát xoay đƣợc thiết kế có tốc độ quay từ 300-650 vịng/ph. Ví dụ một máy hàn vận hành với số vịng quay trục chính 600 vịng/phút có thể dùng để hàn thép có đƣờng kính 50-100 mm, tốc độ thay đổi từ 96-192 m/ph [6].
Áp lực ma sát P1 Pa: Áp lực ma sát là một thông số quan trọng, không chỉ ảnh
hƣởng đến hƣớng phát triển nhiệt độ trong quá trình hàn mà cịn ảnh hƣởng đến mơ- men và công suất dẫn động. Áp lực ma sát phải đƣợc chọn sao cho đủ để duy trì sự tiếp xúc bề mặt để tránh sự xâm nhập của khơng khí. Áp lực ma sát tối ƣu phụ thuộc vào vật liệu đƣợc hàn và kích thƣớc của chúng. Áp lực ma sát quá thấp làm tăng vùng ảnh hƣởng nhiệt vì cơng suất đầu vào thấp, ngƣợc lại áp lực cao làm đùn nhanh lớp vật liệu biến dạng dẻo, chỉ còn phần vật liệu cứng (cold material) tiếp xúc với nhau, gây nên thiếu kết dính tại mối hàn [21]. Áp lực ma sát đƣợc lựa chọn phụ thuộc vào mỗi loại vật liệu và hình dạng mối nối. Nó cũng cịn có thể đƣợc sử dụng để bù lƣợng nhiệt mất cân bằng khi hàn hai vật liệu có khối lƣợng khác nhau, ví dụ
sát thấp giới hạn nhiệt độ làm cho kim loại bị đùn, dẫn đến lƣợng giảm dài của chi tiết không đáng kể hoặc không thể xảy ra. Áp lực ma sát cao làm cho vật liệu ở nhiệt độ thấp có thể bị chuyển vị và làm tăng lƣợng giảm dài của chi tiết. Đối với thép các-bon trung bình, tốc độ co ngắn dọc trục tỉ lệ với áp lực ma sát. [21].
Thời gian ma sát t1 s: Thời gian ma sát đƣợc thiết lập trong khi điều chỉnh
máy hoặc dựa vào kinh nghiệm. Thời gian ma sát vƣợt quá mức giới hạn gây lãng phí vật liệu, thời gian gia cơng, năng lƣợng và có thể ảnh hƣởng đến chất lƣợng mối hàn. Thời gian ma sát khơng đủ thì vùng vật liệu liên kết sẽ không đủ nhiệt do không loại bỏ đƣợc ô-xit. Với một lƣơng giảm dài xác định, thời gian ma sát ảnh hƣởng đáng kể bở áp lực ma sát và tốc độ quay. Áp lực ma sát tăng làm cho thời gian ma sát giảm, trong khi số vòng quay giảm làm cho thời gian ma sát giảm. [21]
Trong quá trình ma sát, thời gian ma sát là yếu tố căn bản thứ 3, phụ thuộc vào tốc độ quay và áp lực ma sát. Thời gian ma sát là thời gian chuyển hóa năng lƣợng nhiệt cho chi tiết. Do đó thời gian này bị khống chể bởi sự biến dạng dẻo của vật liệu, thông số này đôi lúc cũng đƣợc khảo sát thông qua lƣợng giảm dài của chi tiết trong quá trình ma sát. Kỹ thuật này cũng cho phép kiểm soát đƣợc khoảng dịch chuyển chiều dài đến 0.1 mm [21].
Thời gian ma sát tối ƣu đƣợc lựa chọn phụ thuộc vào loại vật liệu, kích thƣớc, lực ma sát và tốc độ quay. Nếu thời gian ma sát vƣợt quá thời gian tối ƣu không chỉ làm giảm năng suất và lƣợng kim loại tiêu hao mà còn dẫn đến cấu trúc hạt thơ và có thể hình thành cấu trúc liên kết dịn trong mối hàn khi hàn hai vật liệu khác nhau do nhiệt sinh ra lớn [8].
Áp lực hàn P2 Pa: Áp lực hàn lớn hơn lực ma sát sẽ làm tăng lƣợng kim loại
đùn. Ảnh hƣởng của việc tăng áp lực hàn phụ thuộc vào điều kiện của bề mặt liên kết ở cuối giai đoạn ma sát. Do sự chà xát, trƣờng nhiệt độ (temperature gradient, K/m) gần bề mặt mối hàn cao hơn, tạo ra vùng hẹp có cấu trúc hạt bị quá nhiệt và làm cho cấu trúc hạt thơ hóa. Độ thô và vùng ảnh hƣởng của hạt sẽ phát triển khi thời gian ma sát kéo dài. Áp lực hàn cao thì khơng những loại bỏ đƣợc hạt quá nhiệt (hạt thơ) mà cịn làm mịn chúng nhờ nhiệt độ cao. Tuy nhiên việc sử dụng áp lực
hàn vƣợt mức cũng gây ra bất lợi cho sự thay đổi kim loại cơ bản [8]. Áp lực hàn đủ, bao gồm hai khả năng phá vỡ và phát tán hoàn tồn cấu trúc yếu thơng qua mạng mềm.Trong mối nối của hai vật liệu khác nhau, Áp lực hàn cao hơn áp lực ma sát thì nâng cao chất lƣợng mối hàn trong mọi điều kiện. Điều này không phải do sự loại bỏ hoặc giảm bớt độ dày lớp hợp kim hình thành, nhƣng điều này có thể dẫn đến sự trải rộng của lớp chảy dẻo và nâng cao sức bền của mối nối nhờ mở rộng vùng kết dính và biến dạng dẻo [21].
Thời gian hàn t4 s: là khoảng thời gian áp dụng lực hàn. Thời gian hàn cần
phải đủ để kim loại khuếch tán vào nhau, nhƣng nếu thời gian hàn quá dài thì làm giảm năng suất hàn.