1.4.2.1. Hàn ma sát ngoáy/ khuấy
Hàn ma sát khuấy là một trong những phương pháp hàn mới (bằng sáng chế năm 1991 ở Anh). Nó được thực hiện bằng mặt đầu của dụng cụ quay, khuấy theo hướng hàn (h. 19). Đường kính dụng cụ được chọn nhỏ hơn chiều sâu hàn. Bề mặt làm việc của dụng cụ có profile đặc biệt (h.20). Kim loại được làm dẻo bẳng tỏa nhiệt do lực ma sát ngoáy tương đối với trục dụng cụ. Trong quá trình dịch chuyển dụng cụ theo đường hàn trên bề mặt xảy ra sự khuấy trộn và dịch chuyển kim loại với việc hình thành mối hàn. Hàn khuấy được dùng 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 khác nhau. 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), hợp kim cứng và gốm, các vật liệu composite. Khi chọn vật liệu dụng cụ cần sử dụng lớp phủ đặc biệt để tránh làm bẩn kim loại biến dạng lên bề mặt dụng cụ.
Hàn ma sát khuấy có ưu điểm cơ bản: Độ bền mối hàn cao; Không cần vật liệu bổ sung; Năng lượng tiêu 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 trước khi hàn và gia công sau hàn.
Hình 4.7. Dụng cụ hàn ma sát
a) Hàn hợp kim Al-Li; b) Kết cấu truyền thống; c) Mối hàn sâu; d) Làm phẳng phần lồi.
Sự biến dạng và khuấy kim loại trong giai đoạn rắn đôi khi tạo nên cấu trúc vi mô có độ bền cao hơn kim loại cơ bản. Có thể hàn khuấy ở các tư thế khác nhau (đứng, ngang, trần…), vì lực hấp dẫn trong trường hợp này không đóng vai trò gì. Chuyển động khuấy của dụng cụ hoặc chi tiết có thể được thực hiện theo các hướng khác nhau và được điều khiển bằng chương trình. Quá trình này là cuộc cách mạng trong lĩnh vực hàn vật liệu tấm. Các thông số cơ bản (biến số chính) của hàn ma sát khuấy:
- 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. 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.
1.4.2.2 Hàn ma sát quán tính
Bề mặt tiếp xúc hàn được tách rời trước khi bắt đầu hàn. Khi đạt tới động năng lớn cùng với sự tiếp sức của bánh đà, lực ép sẽ đẩy chi tiết tiếp xúc (động cơ dẫn động ngắt). Động năng của chuyển động quay chuyển hoàn toàn thành nhiệt năng thông qua ma sát ở bề mặt tiếp xúc cho tới khi dừng hẳn sẽ tạo thành mối hàn (sự tự phanh). Trong quá trình hàn, lực nén dọc trục phần lớn là không đổi (h. III.109).
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lí hàn ma sát quán tính
1.4.2.3. Hàn ma sát quay/ trực tiếp
Đây là phương pháp hàn được sử dụng phổ biến nhất (h.22). Nó dựa trên cơ sở tỏa nhiệt khi ma sát giữa hai bề mặt đầu có trục quay đồng tâm. Phương
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 trục chính (tức thời) và tăng lực tác dụng dọc trục cho đến khi kết thúc quá trình hàn.
Hình 4.9: Các bước hàn ma sát quay
- Nếu máy có bàn dao tiện bổ sung thì tiện lại phần rìa xờm mặt ngoài mối hàn. - Lấy sản phẩm hàn ra khỏi máy.
Hình dạng tiết diện chi tiết cần hàn làm 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 23
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 có ảnh hưởng đến hình dáng mối hàn (h.24).
Hình 4.11: Ảnh hưởng của tốc độ và áp suất đến hình dáng mối hàn:
a) Áp suất cao tốc độ thấp; b) Tốc độ cao áp suất thấp; c) Điều kiện hàn tối ưu.
Với những ưu điểm vượt hơn hẳn các phương pháp khác, hàn ma sát quay được chúng em chọn làm phương pháp hàn 2 chi tiết hình trụ trong mũi khoan.
Kết luận chung: Chúng em sử dụng phương pháp hàn ma sát quay để thực
hiện hàn 2 chi tiết hình trụ trong mũi khoan.
1.5. Lựa chọn chế độ hàn
có được là do tích lũy kinh nghiệm nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm. Những bảng dưới đây đưa ra chế độ khuyến cáo được tham khảo để giới hạn khả năng lựa chọn chế độ. Những kinh nghiệm này hiện vẫn chưa được nghiên cứu bằng công cụ toán học để xác định chế độ tối ưu bằng tính toán. Nếu có chỉ là bước ban đầu.
Các thực nghiệm cho phép xác định được công suất cần thiết của động cơ theo các thông số của quá trình với độ chính xác đảm bảo. Hoặc ngược lại từ máy đã cho có thể biết được chế độ hàn với chi tiết nhất định.
Tuy nhiên các công thức cũng chưa thể đáp ứng những yêu cầu cao hơn, như xác định bộ thông số tối ưu để hàn loại vật liệu nào đó.
Hiện nay cơ sở lý thuyết vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ không chỉ về hàn ma sát mà một số quá trình hàn áp lực nữa. Các thử nghiệm thực tế rất quan trọng và bổ ích để tạo nên những khái niệm, kiến thức đầy đủ về cơ chế tạo nên mối hàn trong giai đoạn rắn và diễn giải toán học của chúng.
Cần phải có các xử lý toán học để đảm bảo tính chính xác của công thức để có thế tìm được mối quan hệ tương hỗ giữa các thông số xác định sự hình thành liên kết trong hàn áp lực, nói riêng là xác định thời gian hàn.
Thực tế xuất hiện của các công thức phải xem như là bước tiến. Tuy nhiên sử dụng trong thực tế các công thức đó hiện nay có thể chưa đủ khả năng vì chính các tác giả cho rằng việc đưa các biến vào công thức làm các hằng số và điều kiện ban đầu có thể bị thay đổi. Khi đó các kết quả tính toán theo công thức bị sai đi, rõ ràng như vậy không thể thỏa mãn thực tế.
Trên cơ sở lí thuyết kim loại hiện đại, М. Х. Шоршоров cùng cộng sự đã đề xuất giả thuyết về sự tạo thành liên kết trong giai đoạn rắn đã trình bày ở chương 2. Sau thời gian nghiên cứu và chỉnh sửa, tác giả đã phát triển trên cơ sở dùng công cụ toán học cho phép thực hiện được một số tính toán dùng trong các quá trình hàn áp lực.
Tuy nhiên, do đặc điểm riêng của hàn ma sát, hiện nay không cho phép sử dụng công cụ toán học của giả thuyết trên để tính toán cho hàn ma sát.
trong mối hàn theo các thông số quá trình và tính chất vật liệu. Ngược lại từ nhiệt độ đã cho tìm thông số cơ bản đối với bộ đôi vật liệu.
Các phép giải gần đúng bài toán này đã được thực hiện, nếu chấp nhận các điều kiện:
- Suất tỏa nhiệt trên bề mặt ma sát không đổi theo thời gian;
- Các hằng số nhiệt vật lý của vật liệu hàn trong khoảng nhiệt độ hàn không đổi;
- Dòng nhiệt từ mối hàn vào vật thể hàn song song với đường tâm các chi tiết (không có trao đổi nhiệt với môi trường và mất nhiệt ra vòng xờm), các thanh là vật thể bán vô hạn;
- -Nhiệt độ ban đầu trong các thanh bằng không
В. П. Воинов đã thực hiện thành công thử nghiệm liên hệ giữa các đặc tính cơ học của kim loại hàn với thông số quá trình tỏa nhiệt. Ông đã tiến hành hàn trên mẫu ống mỏng để loại trừ ảnh hưởng thay đổi bán kính và tốc độ chuyển động tương đối giữa hai bề mặt coi như không đổi trên toàn bộ bề mặt ma sát.
Phát triển ý kiến về quan hệ giữa moment được xác lập (phase thứ ba làm nóng) với độ bền cắt mối hàn, tác giả đã chứng minh được rằng ứng suất phá hủy khi cắt trong trường hợp này có thể được xác định từ công thức:
τn=2Mxl/SoDtb
Trong đó: Mxl – giá trị moment được xác lập trong phase thứ ba;
So – diện tích tiết diện ban đầu của ống mẫu;
Dtb – đường kính trung bình tiết diện.
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ dài chuyển động tương đối của mẫu v đến giá trị moment Mxl thấy rằng với các ống đường kính khác nhau (Ø18*3; Ø30*3; Ø35*3) thấy rằng đường kính và tốc độ quay độc lập với nhau. Quan hệ giữa ứng suất cắt τn với tốc độ dài v theo. Quan hệ giữa nhiệt độ trong mối hàn với tốc độ dài v khi áp suất làm nóng khác nhau được thể hiện trên
Kết hợp về mặt đồ thị của các giá trị này và đưa vào đồ thị thông số thời gian tn-xl (thời gian làm nóng cho đến khi đạt được giá trị moment xác lập)