TỔNG QUAN
Giới thiệu
Trong ngành kỹ thuật cơ khí, hàn đóng vai trò quan trọng trong công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa tại Việt Nam Hàn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật như làm kết cấu nhà xưởng, xây dựng công trình, lắp ghép chi tiết, và phục hồi các chi tiết máy Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, hàn đã góp phần nâng cao vị thế của ngành cơ khí trong phát triển kinh tế Trong số các phương pháp hàn hiện nay, hàn ma sát nổi bật với chất lượng mối hàn vượt trội, ổn định và thân thiện với môi trường Hàn ma sát là quá trình sử dụng nhiệt ma sát tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tương đối, nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo và sử dụng lực ép để tạo thành mối hàn.
Khi 2 bề mặt của vật thể chuyển động tương đối với nhau dưới tác dụng của lực ép thì năng lượng cơ học sẽ chuyển thành nhiệt năng Ma sát trong hàn là ma sát khô Nhiệt ma sát là nhiệt lượng sinh ra trong quá trình ma sát, do sự trượt tương đối của hai chi tiết với nhau Nhiệt ma sát phụ thuộc vào lực ép pháp tuyến của bề mặt ma sát và phụ thuộc vào hệ số ma sát giữa hai chi tiết, phụ thuộc vào vật liệu hàn và tốc độ chuyển động tương đối giữa hai chi tiết Trong quá trình ma sát, phần lớn nhiệt ma sát làm nhiệm vụ nung kim loại mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, một phần truyền vào chi tiết hàn, phần còn lại truyền vào môi trường xung quanh
Hình 1 1: Sơ đồ nhiệt sinh ra trong quá trình ma sát.
Các phương pháp hàn ma sát
Hàn ma sát là quá trình hàn áp lực, trong đó nhiệt ma sát được tạo ra tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tương đối Nhiệt này nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, sau đó sử dụng lực ép để kết nối hai chi tiết lại với nhau Quá trình này giúp kim loại ở mép hàn khuếch tán vào nhau, tạo thành mối hàn chắc chắn.
Hình 1 2: Sơ đồ han ma sát xoay
Khi 2 bề mặt của vật thể chuyển động tương đối với nhau dưới tác dụng của lực ép thì năng lượng cơ học sẽ chuyển thành nhiệt năng Ma sát trong hàn là ma sát khô
Trong ngành chế tạo, có ba phương pháp hàn ma sát phổ biến là hàn ma sát thẳng (linear friction welding), hàn ma sát đảo/ngoáy (friction stir welding) và hàn ma sát xoay (rotative friction welding) Các phương pháp này được ứng dụng rộng rãi nhờ vào hiệu quả và độ bền cao trong việc kết nối các vật liệu khác nhau.
1.2.1 Hàn ma sát thẳng (linear friction welding):
Hai chi tiết khi chuyển động tương đối theo phương bề mặt tiếp xúc sẽ sinh ra nhiệt ma sát, làm nóng chảy vật liệu bề mặt tiếp xúc Khi hai chi tiết này được ép chặt vào nhau, chúng tạo thành một mối hàn vững chắc.
Hàn ma sát thẳng được ứng dụng hàn các chi tiết khối đặc, đặt biệt các chi tiết có tiết diện ngang hình chữ nhật
Cơ năng chuyển thành nhiệt năng
Vật liệu vùng hàn dẻo
Vật liệu tại vùng hàn khuyết tán vào nhau dưới lực ép
Hình 1 3 Hai chi tiết được hàn bằng ma sát đường a Ưu điểm:
- Hàn các chi tiết dạng thanh, ống không tròn xoay (VD: Cánh turbin bằng Ti)
- Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ
- Ứng dụng rất nhiều trong hàn chất dẻo
- Hàn các kim loại khác nhau với nhau b Nhược điểm:
- Lượng chùn của kim loại mối hàn lớn
- Phải gia công cơ khí sau hàn
- Không thích hợp lắm đối với vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao
1.2.2 Hàn ma sát đảo/ngoáy (friction stir welding):
Khi hai bề mặt hàn tiếp xúc với nhau, dao sẽ chạy giữa chúng, tạo ra nhiệt ma sát làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc Phôi nóng chảy sẽ được ép xuống mối hàn nhờ vào vai của dao.
Hàn ma sát đảo có thể được ứng dụng để hàn các tấm phẳng hoặc ống, nhưng phương pháp này yêu cầu mặt cắt chi tiết tại mối hàn phải đạt chiều dày nhất định Đồng thời, bề mặt tại mối hàn của hai chi tiết cũng cần phải nằm trên một mặt phẳng.
Hình 1 4:Sơ đồ ma sát khuấy (ngoái)
Hình 1 5: Sơ đồ ma sát khuấy (ngoái)
1) Một dụng cụ vận hành bằng máy đẩy đầu xoay hay đầu dò vào kim loại
2) Tốc độ quay và tuyến tính của đầu xoay rất quan trọng trong quá trình này và thay đổi phụ thuộc vào tính chất của kim loại
3) Đầu xoay tạo ra nhiệt và gắn kết kim loại với nhau
4) Ma sát làm mềm kim loại dọc theo đường hàn, đưa chúng vào tình trạng mềm nhão mà không làm tan chảy a Ưu điểm:
- Hàn giáp mối các chi tiết dạng tấm (phẳng hoặc định hình profil) đến 25mm
- Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ
- Dễ cơ khí hóa, tự động hóa (dùng Robot)
- Hàn được các hợp kim đặc biệt trong hàng không, vũ trụ b Nhược điểm:
- Có hố lõm cuối đường hàn
- Cần phải đỡ ở mặt đối diện
1.2.3 Hàn ma sát xoay (Rotative friction welding):
Hai chi tiết khi quay tương đối sẽ sinh ra nhiệt ma sát, làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc Quá trình này xảy ra khi hai chi tiết được ép chặt vào nhau, tạo thành mối hàn chắc chắn.
Hàn ma sát xoay được ứng dụng hàn các chi tiết dạng trụ
Mặc dù công nghệ và đặc tính khác nhau, các phương pháp hàn ma sát đều chung một nguyên lý là sử dụng nhiệt năng sinh ra từ cơ năng để làm dẻo vùng vật liệu cần hàn Nguyên lý hàn ma sát này đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các vật liệu một cách hiệu quả và bền vững.
Hình 1 6: Sơ đồ hàn ma sát xoay a Ưu điểm:
- Hàn các chi tiết dạng thanh, ống tròn xoay hoặc không tròn xoay
- Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ
- Hàn các kim loại khác nhau với nhau b Nhược điểm:
- Lượng chùn của kim loại mối hàn lớn
- Phải gia công cơ khí sau hàn
Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
1.3.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới
Hàn ma sát xoay được cấp bằng sáng chế lần đầu tiên vào năm 1891 theo tài liệu của Hiệp Hội Hàn của Mỹ Từ những năm 1920 đến 1942, nhiều bằng sáng chế công nghệ hàn ma sát xoay đã được cấp tại Châu Âu và Liên Xô vào năm 1956 Trong thập niên 60 của thế kỷ XX, hàn ma sát xoay phát triển mạnh mẽ tại Mỹ, đặc biệt trong thời kỳ Chiến tranh Lạnh, khi công nghệ này được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật quân sự Hầu hết thiết bị sản xuất trong giai đoạn này được phát triển bởi các công ty như AMF, Caterpillar và Rockwell International.
Ngày nay, hàn ma sát xoay đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp chế tạo Nhiều nghiên cứu về hàn ma sát xoay đã được thực hiện tại các trường đại học, khám phá nhiều khía cạnh khác nhau Một số nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ hàn ma sát xoay đã được tiến hành trên toàn cầu.
Gourav Sardana và phó giáo sư Ajay Lohan từ Viện Công nghệ và Quản trị Om, Hissar, Ấn Độ, đã nghiên cứu về hàn ma sát trên máy tiện với đồ gá đặt biệt Nghiên cứu này được công bố trên Tạp chí Khoa học Kỹ thuật và Đổi mới Công nghệ (IJIET).
Nghiên cứu "Chế tạo hàn ma sát trên máy tiện có mũi tâm" của Jagroop Singh và Karamdeep Singh thuộc bộ môn kỹ thuật cơ khí, ACEM, Kapurthala, Punjab, Ấn Độ, đã tập trung vào việc nghiên cứu hàn ma sát xoay trên máy tiện có mũi chống tâm Bài viết được đăng trên Tạp chí Quốc tế về Nghiên cứu Kỹ thuật Công nghệ Cơ khí, số 146.
In MechanIcal Engineering & Technology (IJRMET) Vol 4, Issu E2, May- October
The article titled "Design and Development of Micro Friction Welding Machine and Investigation of Welding Parameters for Similar Materials" by P.A Thakare and Lt Randheer Singh details the design and development process of a micro friction welding machine It emphasizes the experimental investigation of welding parameters specifically tailored for similar materials, showcasing advancements in welding technology and its applications in precision engineering.
Bài viết "7 các thông số hàn ma sát các vật liệu giống nhau" đăng trên Tạp chí quốc tế nghiên cứu về khoa học và kỹ thuật, Volume 5, Issue 6, tháng 6 năm 2014, đề cập đến hiện tượng cơ nhiệt trong quá trình hàn ma sát xoay Nội dung bài viết phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình hàn, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa các thông số hàn để nâng cao chất lượng mối hàn.
Nghiên cứu "Hiện tượng cơ-nhiệt trong quá trình hàn ma sát của gốm sứ corundum và nhôm" do Z Lindemann, K Skalski, W Wosiński và J Zimmerman thực hiện tại Khoa Thiết kế Chế tạo, Trường Đại học Warsaw, Phần Lan, đã tập trung vào việc phân tích các hiện tượng thermo-mechanical trong quá trình hàn ma sát giữa gốm sứ corundum và nhôm.
Nghiên cứu “Ảnh hưởng của nhiệt bên ngoài đến mối hàn ma sát” do Ruma Mohd Abdul Wahed và Mohammed Farhan thực hiện đã chỉ ra tác động của việc gia nhiệt bên ngoài lên mối hàn ma sát Kết quả nghiên cứu được công bố trên Tạp chí quốc tế về công nghệ mới nổi và kỹ thuật cao, Tập 3, Số 5, tháng 5 năm 2013.
Nghiên cứu thực nghiệm của Jatinder Gill và Jagdev Singh đã chỉ ra ảnh hưởng của thời gian gia nhiệt đến tính chất cơ học của các khớp nối nylon-6 được sản xuất bằng phương pháp hàn ma sát Bài viết được đăng trên Tạp chí quốc tế về nghiên cứu kỹ thuật nâng cao và nghiên cứu khoa học, E-ISSN 2249–8974, mang lại cái nhìn sâu sắc về cách tối ưu hóa quy trình hàn để cải thiện độ bền và hiệu suất của sản phẩm nylon.
In the 2012 study titled "Experimental Determination of Temperature during Rotary Friction Welding of Dissimilar Materials," authors Eder Paduan Alves, Chen Ying An, Francisco Piorino Neto, and Eduardo dos Ferro Santos conducted experiments to measure temperature variations during the rotary friction welding process involving different materials The findings were published in a scientific and technical journal, contributing valuable insights into the thermal dynamics of dissimilar material welding.
Nghiên cứu về vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong quá trình hàn ma sát của Ali Moarrefzadeh, thành viên khoa kỹ thuật cơ khí tại Trường Đại học Hồi giáo Azad, Mahshahr, Iran, đã chỉ ra tác động của nhiệt độ trong hàn ma sát Bài viết được đăng trên tạp chí cơ khí năm 2012.
The experimental study conducted by Eder Paduan Alves, Francisco Piorino Neto, Chen Ying An, and Euclides Castorino da Silva focuses on the determination of temperature during the rotary friction welding process of AA1050 aluminum and AISI 304 stainless steel This research aims to enhance the understanding of thermal dynamics involved in friction welding, which is crucial for optimizing welding parameters and improving joint quality in dissimilar metal combinations.
304 thép không gỉ c Hàn vật liệu khác nhau:
- “Friction Welding of Aluminum Alloy and Steel” do H Ochi nghiên cứu tại trung tâm nghiên cứu Hàn, viện nghiên cứu kỹ thuật Osaka, Osaka, Nhật cùng với
K Ogawa tại trường cao đẳng Tự Nhiên và Mỹ Thuật, trường đại học quận Osaka, Sakai, Nhật;… đã nghiên cứu tính chất của mối hàn hai vật liệu là nhôm và thép
Hàn ma sát là phương pháp hiệu quả để nối các vật liệu nhôm và thép không gỉ, được thực hiện bởi Shubhavardhan R.N và Surendran tại Madras, Chennai, Tamil Nadu Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí quốc tế về ngành luyện kim và tạp chí khoa học kỹ thuật với mã ISSN 2278-2516, Vol 2, Số 3, tháng 9 năm 2012, trang 53-73.
Nghiên cứu của M B Uday, M.N Ahmad Fauzi, Zuhailawati H., và A.B Ismail tại Trường Đại học Vật liệu và Tài nguyên Khoáng sản Cơ khí, Kỹ thuật Campus, Malaysia, đã phân tích ảnh hưởng của tốc độ hàn đến độ bền cơ học của mối hàn ma sát giữa composite YSZ-Alumina và hợp kim nhôm 6061 Bài viết, được đăng trên tạp chí Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật A 528 (2011) từ trang 4753 đến 4760, cung cấp những đánh giá quan trọng về hiệu suất hàn ma sát trong ứng dụng công nghiệp.
Các vấn đề còn tồn tài cần nghiên cứu để giải quyết
Mặc dù hàn ma sát xoay đã được nghiên cứu và sản xuất tại nhiều quốc gia tiên tiến như Mỹ, Nga, Nhật, Đức, Pháp, Ấn Độ từ những thập niên 90, nhưng các máy hàn này thường có kích thước lớn và chi phí cao Trong bối cảnh sản xuất tại Việt Nam hiện nay, cần thiết phải phát triển các máy hàn ma sát xoay nhỏ gọn, đa năng với chi phí chế tạo thấp, có khả năng vừa hàn ma sát vừa tiện Do đó, việc chế tạo các bộ phận lắp trên máy tiện để chuyển đổi thành máy hàn ma sát, đồng thời vẫn giữ nguyên chức năng của máy tiện khi tháo rời, là một yêu cầu quan trọng.
Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ hàn đóng vai trò quan trọng trong ngành chế tạo, với hầu hết máy móc và thiết bị đều liên quan đến việc hàn kết nối các vật liệu Trong lĩnh vực sửa chữa, hàn được thực hiện thường xuyên hơn Tuy nhiên, các phương pháp hàn như hàn hồ quang và hàn nóng chảy có thể ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu, dẫn đến những khuyết tật như nứt nóng, nứt nguội, nứt tế vi, cùng với các vấn đề khác như rỗ khí, lẫn xỉ, hàn không ngấu, lệm chân, chảy loang và sai lệch về hình dáng bên ngoài Những khuyết tật này có tác động lớn đến hiệu suất và độ bền của chi tiết trong quá trình sử dụng.
Máy hàn ma sát được chế tạo để khắc phục những nhược điểm của phương pháp hàn nóng chảy, như chi phí cao, tiêu tốn điện năng và gây ô nhiễm môi trường Với khả năng chịu tải trọng, ứng suất và kéo nén tốt, máy hàn ma sát không chỉ giúp giảm thiểu chất thải và khí độc hại mà còn nâng cao năng suất và chất lượng mối hàn.
Hình 1 7 : Vết nứt trên mối hàn hồ quang
Hình 1 8: Mối hàn bị lẫn xỉ Hình 1 9: Mối hàn không ngấu
Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài
Hàn ma sát xoay là một trong những phương pháp hàn tiên tiến và công nghệ hàn mới hiện nay Nhiều quốc gia và các hãng sản xuất lớn trên thế giới đã đầu tư nghiên cứu và ứng dụng hàn ma sát xoay, mang lại hiệu quả cao trong thực tiễn.
Hàn ma sát là một trong những phương pháp hàn thân thiện với môi trường, sử dụng nguồn năng lượng nhiệt từ ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc của chi tiết hàn Nguồn nhiệt này giúp bề mặt chi tiết chảy dẻo mạnh mẽ trong cấu trúc vật liệu, đánh dấu một nét mới trong kỹ thuật cơ khí sinh học hiện nay.
- Nguyên lý hàn hoàn toàn mới do đó cần rất nhiều công trình nghiên cứu từ căn bản đến chuyên sâu
- Tổ chức vật liệu tại mối hàn thay đổi so với vật liệu gốc, có thể đạt được cấu trúc nano tại mối hàn
- Vật liệu tại mối hàn có ý nghĩa trong ngành vật liệu mới
- Khả năng ứng dụng thực tế cao nên đây là nguồn đề tài hữu ích cho ngành chế tạo của Việt Nam
Yêu cầu thiết bị thí nghiệm đơn giản và cơ sở lý thuyết gói gọn trong ngành cơ khí rất phù hợp với điều kiện nghiên cứu hiện tại tại các trường đại học.
- Tiếp cận và từng bước hoà nhập vào các lĩnh vực gia công tiên tiến trên thế giới
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lĩnh vực hàn đang được đầu tư nghiên cứu và cải tiến để đáp ứng nhu cầu phát triển công nghệ cao Các ngành công nghiệp như đóng tàu, dầu khí, hàng không, quân sự và ô tô yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe về độ bền va đập, độ bền mỏi, cũng như giảm chi phí và giá thành sản xuất Do đó, nghiên cứu và ứng dụng hàn ma sát xoay là rất cần thiết, giúp từng bước áp dụng hiệu quả công nghệ tiên tiến trên thế giới.
Hàn ma sát xoay mang lại nhiều lợi ích kinh tế, bao gồm chi phí sản xuất thấp nhờ tiêu hao năng lượng ít, khả năng giải quyết các chi tiết có kết cấu phức tạp, và giảm giá thành sản phẩm bằng cách kết nối hai vật liệu khác nhau trên cùng một chi tiết mà vẫn đảm bảo tính ổn định và hiệu quả sử dụng.
15 ứng dụng đa dạng cho nhiều loại vật liệu, từ phi kim như nhựa và polymer đến kim loại như hợp kim nickel, thép cacbon thấp và trung bình, thép đã được thấm carbon và nitơ, thép chống ăn mòn, titan, và hợp kim nhôm Những vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau, nhờ vào tính năng vượt trội và khả năng đáp ứng nhu cầu kỹ thuật cao.
Vật liệu hai chi tiết hàn có thể khác nhau về nhiệt độ nóng chảy nhưng cần có hệ số ma sát đủ lớn, điều này rất phù hợp cho các chi tiết yêu cầu sự phối hợp cơ tính của hai loại vật liệu khác nhau.
Hàn là một quá trình phức tạp, sử dụng nhiều vật liệu khác nhau, mang lại ứng dụng rộng rãi Với độ chính xác cao và khả năng tự động hóa, hàn giúp loại trừ sai sót do con người gây ra, đảm bảo chất lượng mối hàn không phụ thuộc vào kỹ năng hay tư thế của công nhân trong quá trình sản xuất.
Các thông số được giám sát một cách dễ dàng
Mối hàn chất lượng cao được đảm bảo nhờ toàn bộ bề mặt tiếp xúc hoàn hảo khi hàn Việc không sử dụng thuốc hàn giúp tránh tình trạng xỉ và rỗ khí, mang lại sự hoàn thiện cho mối hàn.
Oxit kim loại và tạp chất trên bề mặt tiếp xúc được đẩy ra khỏi mối hàn cùng với bavia
Phương pháp hàn ma sát xoay được ứng dụng để chế tạo các chi tiết bán thành phẩm, yêu cầu sự phối hợp cơ tính của hai loại vật liệu khác nhau Các chi tiết này cần độ chính xác cao, như van trong động cơ đốt trong, trục cánh quạt trong ngành hàng không vũ trụ, và các chi tiết chịu tải lớn như trục gát đăng, trục bánh răng, ống chịu lực Ngoài ra, phương pháp này còn được sử dụng trong các thiết bị quốc phòng như pháo, xe tăng và súng.
Hình 1 10: Một số sản phẩm điển hình.
Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu về cơ cấu lực đẩy của hệ thống thủy lực, lực ma sát
Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị hàn ma sát xoay
1.7.2 Khách thể, đối tượng nghiên cứu
- Nguyên lý hàn ma sát
- Kết cấu thiết bị hàn ma sát
- Sản phẩm hàn ma sát.
Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài
- Nghiên cứu nguyên lý và kết cấu máy hàn ma sát xoay
- Nghiên cứu cơ cấu kẹp chặt và cơ cấu tạo lực đẩy
Lĩnh vực hàn hiện nay còn khá mới mẻ đối với các nhà nghiên cứu, và do hạn chế về tài chính, nên nghiên cứu chỉ tập trung vào việc hàn các chi tiết có đường kính nhỏ hơn 18mm đối với chi tiết đặc và 30mm đối với chi tiết rỗng Quá trình hàn không được tự động hóa hoàn toàn, mà chỉ tự động hóa phần điều khiển lực nén Trong quá trình này, việc lựa chọn mẫu hàn cũng rất quan trọng, bao gồm hàn thanh với thanh và hàn ống với ống, cùng với việc lựa chọn vật liệu hàn phù hợp.
Chọn vật liệu cho mẫu hàn ma sát xoay dựa trên các thí nghiệm đã được công bố trên các tạp chí khoa học quốc tế, liên quan đến nhiều loại vật liệu có khả năng hàn qua phương pháp hàn ma sát.
3) Thép không gỉ với thép không gỉ
1.9.1 Cơ sở phương pháp luận:
- Dựa vào tình hình thực tế việc ứng dụng các phương pháp hàn truyền thống hiện nay như Hàn hồ quan, Hàn khí, Hàn áp lực…
- Dựa vào nhu cầu các dây chuyền công nghệ có thể ứng dùng Hàn ma sát
- Dựa vào khả năng công nghệ có thể chế tạo được thiết bị hàn ma sát xoay
1.9.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể: Để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu, người thực hiện sử dụng một số phương pháp chủ yếu sau:
Phương pháp nghiên cứu tài liệu tập trung vào việc tìm kiếm và tham khảo các bài báo khoa học quốc tế và trang web liên quan đến các phương pháp hàn ma sát, đánh giá tính chất mối hàn ma sát Ngoài ra, người thực hiện cũng nghiên cứu các đoạn phim tài liệu về công nghệ hàn ma sát xoay và tài liệu hướng dẫn lập hệ thống điều khiển thủy lực.
Phương pháp phân tích là bước quan trọng sau khi tham khảo tài liệu và thu thập số liệu cần thiết Việc phân tích các số liệu và tài liệu liên quan giúp rút ra những kết luận chính xác và hỗ trợ cho quá trình nghiên cứu hiệu quả.
Phương pháp mô hình hóa là mục tiêu chính của đề tài, giúp kiểm nghiệm lý thuyết và sửa chữa những sai sót mà phương pháp lý thuyết không thể phát hiện Việc chế tạo mô hình đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác và tính khả thi của các giả thuyết nghiên cứu.
Phương pháp thực nghiệm bao gồm việc chế tạo và thử nghiệm thiết bị hàn ma sát xoay, kiểm tra hoạt động của nó, cũng như đánh giá chất lượng sản phẩm và hoàn thiện thiết kế.
Kế hoạch thực hiện
Phương pháp hàn này là một kỹ thuật mới chưa được áp dụng rộng rãi trong thực tế và hiện chưa có tài liệu hay bài báo nào công bố về cấu trúc của máy hàn cũng như công nghệ chế tạo máy hàn ma sát Tất cả thông tin hiện có chỉ dựa trên các đoạn video trên mạng và một số bài viết liên quan.
Để thiết kế và chế tạo thiết bị hàn ma sát hiệu quả, cần thực hiện 19 phân tích liên quan đến nhiệt độ và chi tiết sản phẩm hàn Việc xây dựng kế hoạch thực hiện là rất quan trọng để đảm bảo quy trình diễn ra suôn sẻ và đạt được chất lượng mong muốn.
TT Nội dung thực hiện Thời gian Ghi chú
Bắt đầu Hoàn thành
01 Nghiên cứu nguyên lý hàn ma sát 6/2014 8/2014
Video, tìm kiếm các bài báo đăng trên tạp chí khoa học
Tổng hợp kết quả nghiên cứu về hàn ma sát
8/2014 10/2014 Đọc, dịch các bài báo và ghi nhận các thông số cần thiết
03 Xây dựng đề cương nghiên cứu 10/2014 12/2014
Báo cáo trước Hội đồng trường về hướng nghiên cứu
04 Thiết kế mô hình máy tiện 12/2014 3/2015 Thiết kế trên phần mềm Creo 3.0
05 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế 3/2015 4/2015
06 Chuẩn bị các nguyên vật liệu 4/2015 5/2015
07 Chế tạo các bộ phận thiết bị 5/2015 7/2015
08 Lắp ráp điều chỉnh thiết bị 7/2015 8/2015
Tiến hành thử nghiệm thiết bị, và hàn chỉnh thiết kế
Bảng 1 1: Bảng kế họch thực hiện
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lịch sử hàn ma sát
Hàn ma sát mang lại lợi ích kinh tế cao, giảm thiểu nhân công và tiết kiệm năng lượng, đồng thời đảm bảo độ bền của mối hàn Quá trình hàn ma sát đã tồn tại từ lâu, nhưng sự phát triển vượt bậc bắt đầu từ Nga và Mỹ vào những năm 1950, sau đó lan rộng tại Anh Công nghệ này được A I Chudikov đề xuất xem xét những ý tưởng trước đây.
Vào năm 1954, công nghệ hàn đã được phát triển tại Viện Hàn của Nga, nơi chuyên nghiên cứu khoa học, lập kế hoạch, thiết kế và phát triển thiết bị hàn Công nghệ này cho phép hàn các vật liệu giống và khác nhau một cách hiệu quả.
Năm 1960, Viện hàn được thành lập, thiết bị hàn đầu tiên được chứng minh tiềm năng của quá trình hàn thanh lên đến đường kính 1 inch
Hàn ma sát xoay là phương pháp hàn đầu tiên được phát triển và áp dụng trong thương mại, bao gồm hai quá trình biến thể: hàn ma sát xoay thông thường và hàn ma sát xoay quán tính Máy hàn ma sát thông thường có cấu trúc đơn giản, trong đó hai thanh được cố định; một thanh quay trong khi thanh còn lại đẩy vào tiếp xúc dưới áp lực dọc trục đã được xác định Quá trình quay liên tục trong một khoảng thời gian nhất định giúp đạt được nhiệt độ cho phép, khiến vật liệu ở vùng kết nối chuyển sang trạng thái chảy dẻo Sau khi đạt trạng thái chảy dẻo, trục quay sẽ dừng lại và lực ép được tăng cường để kết nối các khớp lại với nhau.
Vào năm 1954, AI Chudikov từ Liên Xô đã đạt được thành công trong thí nghiệm hàn ma sát, sử dụng máy tiện sửa đổi và các thanh kim loại tròn Từ năm 1956, VNIIESO (Viện Nghiên cứu Liên Xô về Máy hàn điện) đã nảy ra ý tưởng và bắt đầu nghiên cứu, phát triển công nghệ hàn này.
Năm 1957, Viện phát triển đã công bố máy hàn ma sát MST-1, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ hàn Sau sự kiện này, nhiều quốc gia đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển công nghệ hàn ma sát cho các ứng dụng thực tế.
Năm 1958, Sự phát triển ở Liên Xô bước vào giai đoạn mà công nghệ hàn ma sát đã được giới thiệu trong các quá trình sản xuất
Năm 1958, Hiệp hội Nghiên cứu Hàn Anh (BWRA) đã thành công trong việc sản xuất mẫu thử nghiệm máy hàn ma sát, cùng năm đó, AMF Corp của Mỹ cũng giới thiệu một nguyên mẫu tương tự.
Năm 1960, tác phẩm "Mối hàn kiểu ma sát của kim loại" của VILL thuộc VNIIESO đã được giới thiệu tại Nhật Bản như một dữ liệu nghiên cứu quan trọng, kích thích sự điều tra mạnh mẽ và thúc đẩy các nghiên cứu về ma sát.
Năm 1960, Một nhóm nghiên cứu máy công cụ mang lại thông tin hữu ích từ Liên Xô
Năm 1962, Tập đoàn công nghiệp Toyota Industries phát triển ban đầu trong nước một loại phanh ma sát máy hàn như là thiết bị sản xuất hàng loạt
Năm 1964, Hội nghị nghiên cứu mối nối kiểu ma sát được thành lập, sau đó được đổi tên thành Khoa học đối với nghiên cứu mối hàn kiểu ma sát Hiện nay, Hiệp hội mối hàn kiểu ma sát vẫn tiếp tục hoạt động và phát triển.
Hàn quán tính, được phát triển tại Mỹ vào năm 1965, là một biến thể của hàn thông thường, trong đó các phần quay được gắn vào bánh đà để tăng tốc độ quay đã được định sẵn Trong quá trình này, chuyển động của bánh đà bị cắt, khiến bánh đà quay phải dừng lại, từ đó tạo ra hoạt động hãm sinh ra nhiệt hàn cần thiết.
Năm 1973, Izumi bắt đầu sản xuất lô hàng của máy hàn ma sát theo thỏa thuận với tập đoàn công nghiệp Toyota
Năm 1994, Tiêu chuẩn IS 3607 cho gia công các mối nối kiểu ma sát của thép carbon đã được ban hành
Năm 1998, Sự phát triển của giai đoạn điều khiển NC máy hàn ma sát cho các ứng dụng thực tế
Năm 2002, Sự phát triển một máy hàn ma sát đường kính siêu nhỏ đối với ứng dụng thực tế
Năm 2003, Hàn ma sát kim loại vô định hình
Năm 2004, Mối nối chảy dẽo bởi hàn ma sát
Năm 2006, Thông số công nghệ đặc biệt được sử dụng để nghiên cứu hàn ma sát
Năm 2009, Sử dụng lớp kẹp suốt quá trình hàn
Năm 2011, Phương pháp đặc trưng bề mặt được sử dụng để nghiên cứu hàn ma sát.
Các thông số công nghệ hàn ma sát xoay
Hàn ma sát xoay là một quá trình hàn rèn, trong đó nhiệt cần thiết được tạo ra nhờ lực ma sát giữa hai bề mặt Nhiệt này được chuyển giao dưới áp lực dọc trục, và khi đạt đủ nhiệt, phần quay sẽ dừng lại để áp dụng lực rèn Các thông số chính của quá trình hàn ma sát thường được hiển thị dưới dạng hàm của thời gian Quá trình này có thể tự động hóa dễ dàng và cho phép kết nối các vật liệu khác nhau mà không thể hàn bằng các phương pháp hàn thông thường.
Hình 2 1: Sơ đồ các thông số quá trình hàn
Ngoài phương pháp hàn truyền thống, hàn ma sát cho phép kiểm soát một số thông số quan trọng như đường kính chi tiết hàn, tốc độ quay, áp lực ma sát, thời gian ma sát, thời gian hãm, áp lực rèn và thời gian rèn Những yếu tố này đóng vai trò quyết định trong việc cải thiện chất lượng và hiệu quả của quá trình hàn.
Các thông số như hình học của bộ phận và tính chất vật liệu rất quan trọng trong quá trình hàn Tốc độ quay, thời gian ma sát, lực ma sát và lực rèn là những yếu tố cần thiết để tối ưu hóa quá trình hàn Một quá trình hàn thành công chỉ có thể đạt được khi các thông số này được tối ưu hóa.
Giảm tốc độ quay của bộ phận quay sẽ tạo ra mômen lớn và dẫn đến sự gia nhiệt không đồng bộ bên trong Ngược lại, việc điều chỉnh tốc độ quay ở mức tối thiểu có thể hình thành các hợp chất liên kim Khi tốc độ quay tăng, ITAB sẽ được mở rộng và cung cấp điện mà không bị ảnh hưởng Để ngăn ngừa quá nhiệt trong vùng hàn, cần kiểm soát chặt chẽ áp lực ma sát và thời gian ma sát.
Giá trị áp suất trong quá trình hàn có vai trò quan trọng, vì nó điều chỉnh sự chênh lệch nhiệt độ và ảnh hưởng đến mô-men quay cũng như công suất.
Lực ma sát và lực rèn có mối liên hệ chặt chẽ với hình học và tính chất vật liệu của các bộ phận hàn, ảnh hưởng lớn đến quy trình và chất lượng hàn.
Hàn ma sát, giống như hàn thông thường, có nhiều tham số quan trọng để tạo ra mối hàn chất lượng Một trong những thách thức lớn nhất trong hàn ma sát là tối ưu hóa các thông số cho các loại kim loại khác nhau, đặc biệt là khi làm việc với hợp chất kim loại đa dạng Các yếu tố ảnh hưởng chính trong hàn ma sát bao gồm áp lực ma sát, thời gian ma sát, áp lực chồn và tốc độ quay.
Vật liệu cơ bản Đường kính (mm)
Lực ép dọc trục Chiều dài chồn (mm)
Carbon steel to Stainless steel 18 1.500 80 160 2
Bảng 2 1: Bảng thống kê thông số hàn ma sát của các vật liệu
Bảng 2 2: Bảng thống kê các vật liệu có thể sử dụng hàn ma sát
Công suất cần thiết và năng suất trong quá trình hàn phụ thuộc vào tốc độ quay tương đối Kích thước lớp sinh nhiệt và trường nhiệt độ trong vật hàn cũng bị ảnh hưởng bởi tốc độ quay này Nghiên cứu cho thấy mối liên hệ giữa tốc độ và kích thước lớp sinh nhiệt có thể làm thay đổi tính chất liên kết hàn Chẳng hạn, khi tăng tốc độ quay khi hàn mẫu thép C45, độ dai và độ đập của mối hàn sẽ tăng lên Thêm vào đó, tăng tốc độ quay giúp giảm thời gian hàn, giảm co ngắn và lượng kim loại bị đẩy ra vùng rìa xơm Tuy nhiên, một số nghiên cứu khác lại chỉ ra rằng hàn với tốc độ quay thấp cũng mang lại nhiều ưu điểm.
Tuy nhiên với chế độ hàn vừa phải theo quy trình lập từ trước được sử dụng trong các nhà máy sẽ cho kết quả tốt
Hình 2 2: Quan hệ giữa thời gian làm nóng và tốc độ quay
Tốc độ quay rất thấp ở giai đoạn 1 và 2 có vai trò chủ đạo trong cân bằng chung về thời gian hàn, theo biểu đồ 2.6 Thời gian tổng của các giai đoạn này phụ thuộc nhiều vào trạng thái bề mặt ban đầu Do đó, tốc độ quay thấp, đặc biệt trong quy trình làm nóng theo thời gian, có thể tạo ra liên kết hàn với cơ tính rất khác nhau giữa vùng hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt.
Hình 2 3: Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa thời gian làm nóng đến tốc độ quay ở các giai đoạn khác nhau
Khi kim loại được quay với tốc độ thấp, nhiệt độ sinh ra tại lớp kim loại dày sẽ làm cho kim loại đạt đến trạng thái dẻo Quá trình này dẫn đến việc kim loại bị chảy tràn, làm giảm chiều dài của nó.
Khi tốc độ quay tương đối thấp, tiêu hao công suất tăng, đồng thời năng suất giảm;
Khi tốc độ quay của máy hàn tăng cao, công suất tiêu hao cần giảm, tuy nhiên, các ổ đỡ và vòng bi phải chịu tải nặng hơn so với tốc độ tối ưu.
Biểu đồ cho thấy mối quan hệ giữa công suất và tốc độ quay, liên quan đến chất lượng mối hàn Theo tác giả, chất lượng khi hàn thép carbon thấp không bị ảnh hưởng nhiều bởi tốc độ quay, và tốc độ này có thể thay đổi trong một phạm vi rộng.
- Tăng tốc độ cho phép giảm thời gian hàn
- Khi tăng tốc độ lượng co làm nóng và thể tích kim loại bị đẩy ra vòng xờm giảm, giảm thời gian cho nguyên công cắt bavia
Mặc dù những lý lẽ này có thể đúng, nhưng nếu lượng co nhỏ thì việc tiện mặt đầu trước khi hàn có thể tốn thời gian hơn Các tính toán cho thấy rằng trong phần lớn các trường hợp, việc tăng tốc độ lại không mang lại hiệu quả kinh tế.
Phân tích cho thấy rằng chế độ hàn với tốc độ vừa phải là lựa chọn hợp lý nhất Chỉ nên thay đổi tốc độ khi có điều kiện cần thiết, trong trường hợp đó, tốc độ quay 1000 vòng/phút có thể được áp dụng.
2.2.2 ÁP lực ma sát và áp lực rèn (áp lực chồn) Áp suất đóng vai trò quan trọng khi làm nóng chi tiết đặc biệt là trong giai đoạn thứ tư của quá trình hàn, khi tác động vào vật hàn ngoại lực để ép tối đa các bề mặt lại với nhau Tương tự như hàn rèn, giai đoạn thứ tư của quá trình hàn ma sát gọi là chồn Sau giai đoạn làm nóng đến độ dẻo cao, chất lượng mối hàn phụ thuộc nhiều vào lực ép (chồn) kim loại Áp suất khi làm nóng và áp suất chồn (vật liệu khác nhau) không bằng nhau và chu trình áp suất có đặc trưng bậc
Nguyên lý hoạt động hàn ma sát xoay
Trước khi tiếp xúc, một chi tiết được kẹp trong mâm cặp quay và chi tiết còn lại trong mâm cặp không quay Mâm cặp quay tăng tốc đến tốc độ n, trong khi mâm cặp không quay tiến tới tiếp xúc với lực nhẹ Lực ép P1 từ mâm cặp không quay tăng lên, làm nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết tăng, gây ra sự trượt tương đối Một phần vật liệu ở đầu chi tiết hàn chảy dẻo và được ép chùn lại Quá trình ma sát tiếp tục cho đến khi bề mặt chảy dẻo được đẩy ra Khi toàn bộ bề mặt tiếp xúc chuyển sang trạng thái chảy dẻo và đủ lớn, ta phanh để ngăn các chi tiết chuyển động tương đối và tăng lực ép P2 (P2>P1) để hai chi tiết khuyết tán vào nhau, hoàn tất giai đoạn rèn và hàn lại với nhau.
Hình 2 8: Sơ đồ nguyên lý hàn ma sát xoay
Đặc điểm của hàn ma sát
Hàn ma sát là phương pháp hàn hiệu quả cho nhiều loại vật liệu có tính hàn xấu như đồng, hợp kim đồng, nhôm, hợp kim nhôm, thép cacbon và thép hợp kim cao Tiết diện hàn có thể có hình dạng đặc hoặc rỗng, bao gồm hình tròn, tam giác, và đa giác đối xứng Nhiệt độ hàn được duy trì dưới nhiệt độ nóng chảy của vật liệu Máy hàn ma sát sử dụng bánh đà lớn (20000 kN) có khả năng hàn các chi tiết với đường kính từ 3 đến 350 mm Tốc độ quay của phần tử có thể đạt tới 900 m/phút, kết hợp với nhiệt và áp suất tạo ra hiện tượng chồn đầu tại giao diện Khi hàn, cần bổ sung kích thước chiều dài để bù lại sự ngắn đi do nguyên liệu bị trào ra ngoài, tạo thành bavia.
Trong thực tế, có một số biến thể của hàn ma sát được áp dụng, bao gồm: hàn ma sát quay hoặc trực tiếp, hàn ma sát quán tính, hàn ma sát hướng kính, hàn ma sát khuấy/ngoáy, hàn ma sát khuấy điểm, hàn ma sát tịnh tiến/thẳng, hàn ma sát quỹ đạo và hàn ma sát chốt.
Người ta thường chia các phương pháp hàn ra thành ba nhóm chính: Hàn nóng chảy; hàn áp lực (biến dạng dẻo); hàn vảy
Khi hàn nóng chảy, các mép của chi tiết cần hàn bị chảy ra, tạo ra khe hở được lấp đầy bằng kim loại nóng chảy Quá trình nguội và kết tinh đồng thời của kim loại vật hàn và kim loại bổ sung dẫn đến việc hình thành liên kết không tháo được.
Nguyên lý hàn áp lực diễn ra trong pha rắn mà không cần nóng chảy kim loại, tạo ra liên kết không thể tháo rời giữa các vật hàn khi chúng được ép lại gần nhau đến khoảng cách rất nhỏ Trong điều kiện này, tại các điểm tiếp xúc của bề mặt, xuất hiện mối liên kết bền vững tương tự như lực tác động giữa các nguyên tử trong khối kim loại Giá trị của mỗi liên kết rất nhỏ, và mối hàn chỉ có thể hình thành khi có nhiều điểm tác động tương hỗ.
Một trong những điều kiện cần thiết để hình thành mối hàn là độ dẻo cao tại bề mặt tiếp xúc giữa các vật hàn Một số kim loại như đồng, nhôm, chì, bạc có tính dẻo tốt, cho phép hàn áp lực ngay cả ở nhiệt độ thấp (quá trình này được gọi là hàn nguội) Đối với các kim loại khác trong pha rắn, cần nâng cao tính dẻo một cách nhân tạo bằng cách làm nóng bề mặt liên kết đến nhiệt độ cao, nhưng không vượt quá nhiệt độ nóng chảy.
Các quá trình hàn khác như hàn rèn, hàn nén khí, hàn nổ, hàn điện tiếp xúc… cũng thuộc về nhóm hàn áp lực
Hàn bằng ma sát là một biến thể của hàn áp lực, trong đó liên kết hàn được hình thành qua biến dạng dẻo của kim loại trong pha rắn Phương pháp này khác biệt ở chỗ năng lượng cơ học được chuyển đổi trực tiếp thành nhiệt năng, và nhiệt lượng chỉ được phát ra cục bộ trong lớp kim loại mỏng sát bề mặt Đặc điểm này chính là ưu điểm cơ bản của hàn ma sát, giúp tối ưu hóa quá trình hàn và cải thiện chất lượng liên kết.
Hình 2 10: Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn bằng ma sát
Sơ đồ đơn giản nhất của hàn ma sát thể hiện hai chi tiết được kẹp chặt đồng tâm trong đồ gá của máy Một chi tiết cố định trong khi chi tiết còn lại quay quanh trục của chúng Khi hai chi tiết được ép lại với nhau bằng lực chiều trục, quá trình hàn ma sát diễn ra.
P, tại bề mặt tiếp xúc xuất hiện lực ma sát Công tiêu hao khi hai chi tiết chuyển động quay tương đối với nhau để thắng trở lực ma sát biến thành nhiệt Nhiệt lượng hình thành tỏa ra trên bề mặt ma sát và gây nên sự nung nóng tập trung đến nhiệt độ cần thiết để tạo nên mối hàn (đối với thép nhiệt độ này trong khoảng 950 – 1300 o C tùy theo từng chế độ) Sau khi đạt nhiệt độ cần thiết, cần dừng chuyển động tương đối giữa các bề mặt càng nhanh càng tốt Khi chuyển động dừng thì xảy ra quá trình tỏa nhiệt Quá trình tạo thành liên kết hàn thông qua giai đoạn “chồn”: lực ép tác động vào các chi tiết đã ngừng quay còn đang nóng một khoảng thời gian nhất định Trong và sau khi chồn các chi tiết vẫn giảm nhiệt độ một cách tự nhiên.
Quy trình hàn ma sát xoay
Bước1: Một chi tiết cố định trên mâm cặp quay (trước) và một chi tiết cố định trên mâm cặp không quay (sau)
Bước 2: Cho mâm cặp trước quay và mâm cặp sau tịnh tiến và ma sát nhẹ
Bước 3: Lực ép P1 làm cho hai bề mặt chi tiết ma sát với nhau và sinh nhiệt
Bước 4: Nhiệt tại bề mặt tiếp xúc tăng và hiện tượng chảy dẻo xuất hiện
Bước 5: Hãm tốc độ quay và tăng áp lực rèn để kết nối hai chi tiết
Bước 6: Quá trình hàn ma sát kết thúc
Hình 2 11: Quy trình hàn ma sát xoay.
![Hình 3. 1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hàn ma sát xoay [43] trang 3.7 - (Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay](https://media.store123doc.com/figures/006/481/hi-so-do-nguyen-hoa-do-xoay-trang-6481860.webp)