- Luận án tiến sĩ của D. Ananthapadmanaban[8] nghiên cứu tính hàn của thép khơng gỉ AISI 304 và thép các bon thấp. Đề tài tập trung nghiên cứu sự ảnh hƣởng của 3 chế độ hàn: lực ma sát lực hàn và độ rút ngắn chiều dài chi tiết theo hƣớng trục đến cơ tính và cấu trúc tế vi của mối hàn. Tác giả tiến hành hàn chi tiết có đƣờng kính 15mm, chiều dài 75mm, thành phần hóa học và chế độ hàn đƣợc trình bày ở bảng 1.1 và 1.2.
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của vật liệu hàn thực nghiệm [10]
Thành phần hóa học C Si Mn Ni Cr Cu Fe
Thép các bon thấp 0.175 0.118 0.394 0.016 0.02 0.022 99.1 Thép không gỉ 0.092 0.29 8.8 0.418 14.08 1.24 74.535
Bảng 1.2 Chế độ hàn thực nghiệm [8]
Mẫu Lực ma sát MPa Lực hàn MPa Burn of mm
S1 80 160 1 S2 80 160 2 S3 160 160 1 S4 160 160 2 S5 80 280 1 S6 80 280 2 S7 160 280 1 S8 160 280 2
Tất cả các mẫu hàn có chất lƣợng mối hàn đều không đạt, cách thức hàn và thông số hàn đƣợc thay đổi để cho thấy có hay khơng bất kỳ sự thay đổi nào trong phạm vi nứt gãy của mối hàn. Mọi loại thép không cùng loại với hàm lƣợng các bon thấp và hàm lƣợng mangan cao thì cũng khơng đạt với mọi thơng số hàn khác nhau. Căn cứ trên kết quả không đạt trong mối hàn hay trong kim loại cơ bản, các thông số hàn và thành phần vật liệu đƣợc hiệu chỉnh nhƣ bảng 1.3 và bảng 1.4
Bảng 1.3: Thành phần hóa học của vật liệu hàn sử dụng trong thực nghiệm [8]
Chemical Composition C Si Mn Ni Cr Cu Fe
Low carbon steel
(w %) 0.175 0.118 0.394 0.016 0.02 0.022 99.1
AISI 304L Stainless Steel
Bảng 1.4: Chế độ hàn thực nghiệm đƣợc thay đổi [8]
Số Lực ma sát MPa Lực hàn MPa Burn off
mm RPM 1 120 180 6 2000 2 120 180 6 1000 3 120 180 2 2000 4 120 180 2 1000 5 120 127.5 6 2000 6 120 127.5 6 1000 7 120 127.5 2 2000 8 120 127.5 2 1000 9 40 180 6 2000 10 40 180 6 1000 11 40 180 2 2000 12 40 180 2 1000 13 40 127.5 6 2000 14 40 127.5 6 1000 15 40 127.5 2 2000 16 40 127.5 2 1000
Qua nghiên cứu tác giả đã tìm ra đƣợc bốn thơng số hàn chính ảnh hƣởng đến cơ tính và cấu trúc tế vi của mối hàn là: tốc độ quay v/ph, lực ma sát MPa, lực hàn MPa và độ rút ngắn chiều dài chi tiết theo hƣớng trục mm. Tuy nhiên, khi thay đổi dạng thép khơng gỉ 304L bằng loại 304, thì chất lƣợng của mẫu khơng ổn định đôi lúc sẽ khơng đạt ở phía thép cacbon thấp hoặc phía thép khơng gỉ. Do đó, có thể kết luận rằng phạm vi không đạt yêu cầu chất lƣợng phụ thuộc vào chế độ hàn. Đề tài cũng tìm đƣợc bảng thơng số hàn tốt nhất cho thép không gỉ và thép các bon thấp nhƣ bảng 1.5:
Bảng 1.5: Chế độ hàn tốt nhất khi hàn thép không gỉ và thép các bon thấp [8] Friction Pressure MPa Upset Pressure MPa Burn-off length mm Maximum UTS MPa Low Carbon - High
Manganese Steel 80 280 2 656
Low Carbon -
AISI304L Steel 120 127.5 2 632
Tuy nhiên tác giả khơng nêu rõ phƣơng pháp tính tốn khi chọn chế độ hàn thực nghiệm, chế độ hàn chỉ đƣợc tính cho chi tiết hàn có đƣờng kính là 15mm.
- Bài báo “Efficiency of Dissimilar Friction Welded Super Duplex Stainless Steel SAF 2507- Mild Steel Joints” của Ramadhan H Gardi nghiên cứu ảnh hƣởng
của lực ma sát, lực hàn lên độ bền kéo và cấu trúc tế vi của mối hàn khi hàn thép supper duplex stainless steel SAF250 và Mild Steel. Chi tiết hàn dạng thanh đặc có đƣờng kính 20mm chiều dài 60mm, tốc độ quay và thời gian ma sát đƣợc điều chỉnh cố định 1800 v/p, thời gian ma sát là 20 giây, lực ma sát và lực hàn qua 3 mức lần lƣợt là: 33MPa /80 MPa, 53MPa/90 MPa và 80MPa/134 MPa. Bài báo đã chỉ ra rằng:
+ Lƣợng giảm chiều dài dọc trục tăng khi tăng lực hàn và lực ma sát.
+ Độ bền kéo của mối hàn từ 66.12-79.17 % so với kim loại cơ bản.
+ Giới hạn độ bền kéo của mối hàn giảm khi tăng lực ma sát và lực hàn.
+ Vùng ảnh hƣởng nhiệt của thép các bon lớn hơn thép super duplex SAF2507.
a) Các chi tiết sau khi hàn thực nghiệm b) Biểu đồ biểu diễn lượng rút ngắn chiều dài theo hướng trục
Hình 1.9: Mối hàn thực nghiệm và biểu đồ về lượng rút ngắn chiều dài theo hướng trục
Hạn chế: bài báo chỉ nghiên cứu sự ảnh hƣởng của lực hàn và lực ma sát đến độ bền kéo và cấu trúc tế vi của mối hàn. Tác giả chƣa nêu cách thức tính tốn chế độ hàn trong hàn thực nghiệm. Bài báo chỉ giới hạn cho chi tiết hàn có đƣờng kính 20mm.
1.4.2.2 Các nghiên cứu về nhiệt hàn khi hàn ma sát xoay
- Mumin Shahin [24] đã đề cập đến cơng thức tính tỉ lệ nhiệt lƣợng khi hàn ma sát xoay cho hai thanh kim loại, và đã mô phỏng nhiệt khi hàn hai vật liệu. Tuy nhiên tác giả chƣa trình bày nguyên nhân và cơ chế sinh ra nhiệt, các lập luận và cơ sở lý thuyết về cách tính tỉ lệ nhiệt lƣợng sinh ra.
2 0Rd Q 2 P r dr
Bên cạnh đó việc trong q trình tính tốn tác giả đã mắc nhiều lỗi dẫn đến kết quả cuối cùng chƣa chính xác.
3
2 3
Q P R
Bài báo cũng chƣa chỉ ra cách lự chọn các thông số hàn thơng qua q trình mơ phỏng.
- Bekir Sami Yilbas và Ahmet Z.Shahin [10] đã đƣa ra phƣơng trình truyền nhiệt tổng quan khi hàn ma sát xoay hai vật liệu giống nhau và tìm nghiệm của phƣơng trình truyền nhiệt. Tuy nhiên tác giả không đề cập đến cách thức và phƣơng pháp xây dựng phƣơng trình truyền nhiệt, chỉ cơng bố kết quả của q trình nên các kết quả cho q trình truyền nhiệt khơng ổn định khó có thể kiểm chứng và độ tin cậy không cao. Hàm nhiệt độ do các tác giả cơng bố có dạng:
Cơng thức trên chỉ ra rằng T(x,t) là một hàm nghịch biến của t, tức là khi thời gian tăng thì nhiệt độ T giảm, điều này khơng phù hợp với thực tế.
Ngoài ra, các diễn giải mà tác giả đã trình bày về việc tìm nghiệm nhiệt độ T(x) ở trạng thái truyền nhiệt không ổn định chƣa đƣợc thuyết phục .
cosh ( ) ( ) sinh( ) q m L x T x T mL hpkA
1.5 Ý kiến thảo luận và đề xuất nhiệm vụ của đề tài 1.5.1 Ý kiến thảo luận 1.5.1 Ý kiến thảo luận
- Công nghệ hàn ma sát đã sớm đƣợc ứng dụng vào trong lĩnh vực gia cơng cơ khí để liên kết hai kim loại khác nhau. Tuy nhiên quá trình nhiệt diễn biến trong q trình ít đƣợc tập trung nghiên cứu và cơng bố. Hầu hết các quy trình hàn ma sát đều do các nhà cung cấp máy hàn chuyển giao và ứng dụng cụ thể cho mỗi chi tiết gia cơng khác nhau.
- Bên cạnh đó các nghiên cứu về hàn ma sát chủ yếu dựa vào thực nghiệm để tìm ra thơng số tối ƣu khi hàn. Mỗi khi yêu cầu vật liệu chi tiết gia công hay kích thƣớc chi tiết thay đổi, ta phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm lại để xây dựng quy trình mới. Việc này gây tốn kém về chi phí ban đầu, thời gian mỗi khi áp dụng.
1.5.2 Đề xuất nhiệm vụ của đề tài
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã khảo sát, các định hƣớng nghiên cứu để thực hiện nhiệm vụ đƣợc liệt kê nhƣ sau:
- Giải thích hiện tƣợng sinh nhiệt, xây dựng và giải phƣơng trình truyền nhiệt khi hàn ma sát
- Xác định các thông số hàn ma sát phù hợp
- Đề xuất phƣơng án thực nghiệm và đánh giá quá trình hàn ma sát cặp vật liệu thép các-bon AISI 1020 và thép không gỉ AISI 304.
Chƣơng 2
NỘI DUNG VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ chế sinh nhiệt khi hàn ma sát xoay hai vật liệu khác nhau. - Xác định nhiệt độ hàn, lực ma sát và số vòng quaybằng cách giải bài toán nhiệt ở trạng thái truyền nhiệt ổn định.
- Tính tốn thời gian ma sát bằng cách giải bài tốn nhiệt ở trạng thái truyền nhiệt khơng ổn định với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS.
- Đề xuất phƣơng án thực nghiệm và đánh giá quá trình hàn ma sát cặp vật liệu thép các-bon và thép không gỉ 304.
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1 Phƣơng pháp kế thừa 2.2.1 Phƣơng pháp kế thừa
Kế thừa các cơng trình, kết quả nghiên cứu đã cơng bố của các tác giả trong và ngồi nƣớc về máy hàn ma sát xoay, công nghệ hàn ma sát xoay nối hai vật liệu khác nhau.
2.2.2 Phƣơng pháp thu thập thông tin
- Tiếp cận các tài liệu nghiên cứu, các thông tin cần thiết có liên quan đến đề tài có trên các tạp chí khoa học, tài liệu chuyên ngành, qua các nguồn tin từ báo, đài, internet...
- Tiếp cận thực tiễn, tìm hiểu các ứng dụng của hàn ma sát trong thực tiễn.
2.2.3 Phƣơng pháp tính tốn
Phƣơng pháp tính tốn đƣợc thực hiện qua các bƣớc sau: - Bƣớc 1: Xác định cơ chế sinh nhiệt khi hàn ma sát xoay; - Bƣớc 2: Thiết lập phƣơng trình truyền nhiệt;
- Bƣớc 3: Giải bài tốn truyền nhiệt ở trạng thái ổn định tìm thơng số số vịng quay và áp lực ma sát;
2.2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu phục vụ thực nghiệm
Thực hiện tiến hành khảo nghiệm một cách chủ động, để đánh giá ảnh hƣởng của các thông số đến nhiệt độ hàn khi hàn ma sát xoay hai vật liệu khác nhau.
2.2.4.1 Vật liệu và trang thiết bị thực nghiệm a) Vật liệu thực nghiệm a) Vật liệu thực nghiệm
- Vật liệu thực nghiệm: Thép các-bon và thép không gỉ 304
- Địa điểm thực hiện: trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
b) Trang thiết bị phục vụ thực nghiệm
- Dụng cụ đo nhiệt độ FIRT 1600
Nhiệt độ tâm mối hàn đƣợc xác định bằng súng đo nhiệt (themormeter) GEO- FENEL, chủng loại FIRT 1600 (xuất xứ cộng hòa liên bang Đức).
Phạm vi đo lƣờng: -50oC đến 1600oC. Độ chính xác của thiết bị đo:
+ Từ -50oC đến 20oC: 2.5o C + Từ 20oC đến 400oC: 1 o C + Từ 400oC đến 800oC: 2 o C + Từ 800oC đến 1600oC: 2.5 %