Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TẠ VĂN RẢNH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÀN MA SÁT XOAY NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 4 6 1 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TẠ VĂN RẢNH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÀN MA SÁT XOAY NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ CHÍ CƯƠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. SƠ LƯỢC LÝ LỊCH Họ và tên: TẠ VĂN RẢNH Giới tính: Nam Ngày tháng năm sinh: 27/10/1981. Nơi sinh: Vĩnh Long Quê quán: Ấp Phú An, xã Trung Thành Đông, huyện Vũng Liêm, tỉnh Vĩnh Long. Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Phó Hiệu trưởng, Trường Trung cấp nghề Ngã Bảy. Địa chỉ liên lạc: 3567A, QL1A, Phường Hiệp Thành, TX Ngã Bảy, tỉnhHậu Giang. Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0984511624. Email: Ranhvl@yahoo.com Ranhvl81@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Giáo viên dạy nghề: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: Tháng 10/2001- 2/2005. Nơi học: Trường Cao đẳng Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long. Ngành học: Cơ khí chế tạo máy. 2. Đại học: Hệ đào tạo: Tại chức Thời gian đào tạo: tháng 10/2009- 10/2011. Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Ngành học: Cơ khí chế tạo máy. Tên luận án tốt nghiệp: Thiết kế quy trình công nghệ gia công xy lanh Bảo vệ luận án tốt nghiệp: Năm 2011. Giáo viên hướng dẫn: TS.Phan Minh Thanh. 3. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: tháng 10/2013- 10/2015. Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. i
4. Ngành học: Kỹ thuật cơ khí. Tên luận văn: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn ma sátxoay”. Ngày và nơi bảo vệ: 24/10/2015, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Chí Cương. 4. Ngoại ngữ: Tiếng Anh, B1 (Khung châu Âu). III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC. Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2011 Trường Trung cấp nghề tỉnh Hậu Giang Phó Trưởng phòng Đào tạo Trưởng phòng Công tác 6/2013 Trường Trung cấp nghề tỉnh Hậu Giang Học sinh – Sinh viên. 3/2014 Trường Trung cấp nghề Ngã Bảy Phó Hiệu Trưởng. IV. CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ: XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày 19 tháng9 năm 2015 Người khai Tạ Văn Rảnh ii
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 9 năm 2015 Người cam đoan Tạ Văn Rảnh iii
6. CẢM TẠ Trong thời gian thực hiện luận văn “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay” tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ thầy cô, các chuyên gia, các công ty, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè. Lời nói đầu tiên cho tôi gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Lê Chí Cương, thầy đã dành nhiều thời gian trong việc định hướng, dẫn dắt tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy PGS.TS Đặng Thiện Ngôn, thầy đã có nhiều ý kiến đóp góp và tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất tốt nhấtđểtôi thực hiện việc chế tạo thiết bị hàn ma sát. Xin cảm ơn quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã nhiệt tình giảng dạy và trang bị những kiến thức bổ ích cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Xin chân thành cảm ơn cáccông ty, cơ sở sản xuất đã nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ về mặt thiết bị để tôi có điều kiện chế tạo các chitiếtlắp ráp trên thiết bị hàn ma sát. Xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp, bạn bè đã tạo điều kiện vàgiúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Cảm ơn ba ẹm , anh chị em và gia đình luôn động viên và ủng hộ tôi trong suốt thời gian học tập. Xin chân thành cảm ơn! iv
7. TÓM TẮT Đề tài Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị hàn ma sátxoay Trong ngành cơ khí, hàn là phương pháp gia công được sử dụng rất rộng rãi và không thể thiếu trong lĩnh vực chế tạo, lắp ghép và sửa chữa chi tiết.Hàn không những là phương pháp kết nối hai hay nhiều chi tiết một cách nhanh nhất mà cònlà sự kiết nối ổn định nhất. Hiện nay có rất nhiều phương pháp hàn khácnhau như: Hàn hồ quang, hàn mig, hàn max, hàn .điểm Mỗi phương pháp hàn đều có ưu điểm và nhược điểm riêng của nó. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệthì kết cấu mối hàn cũng yêu cầu độ bền cao hơn vàcơ tính mối hàn tốt hơn. Hàn ma sát được xem là phương pháp hàn mà kết cấu mối hàn ổn định nhất và bền nhất so với cácphương pháp hàn đốt nóng chảy vật liệu. Đây là phương pháp hàn hữu hiệu và đầy tiềmnăng đã đượcnghiên cứu và áp dụng rộng rãi ở các nước phát triển trên thếgiới từ những thập niên 90. Ngoài ưu điểm vượt trội về mặt đảm bảo cơ tính mối hàn, một ưuđiểm mà các phương pháp hàn khác không thực hiện được đó làhàn ma sát kết nối được các vật liệu khác nhau thông qua quá trình ma sátcác vật lệu được khuyết tán vào nhau. SUMMARY In mechanical engineering, the welding method is using weidly and indispensable in the fields of manufacturing, assembly and repair of machine parts. Welding is not only a method of connecting two or more quickly as possible, but also the most stable connection fetters. There are so many different welding methods such as: Arc welding, mig welding, soldering max, spot welding .Each welding methods have advantages and disadvantages. v
8. Nowadays, with the development of science and technology, the structural welds also require higher reliability and better mechanical properties of the weld. Friction Welding method of welding is considered that structural welds the most stable and reliable than other methods of burning molten solder material. This is an effective method of welding and potential have been studied and widely applied in developed countries in the world since the 90s. In addition to advantages in terms of mechanical properties ensure welds, an advantage that the other welding methods that do not perform friction welding connections are of different materials through friction and dissipative material data on each other. vi
9. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xiv Chương 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Giới thiệu. 1 1.2 Các phương pháp hàn ma sát. 2 1.2.1. Hàn ma sát thẳng (linear friction welding): 2 1.2.2 Hàn ma sát đảo/ngoáy (friction stir welding): 3 1.2.3 Hàn ma sát xoay (Rotative friction welding): 5 1.3. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. 5 1.3.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới 5 1.3.2 Kết quả nghiên cứu trong nước. 11 1.4. Các vấn đề còn tồn tài cần nghiên cứu để giải quyết. 12 1.5. Tính cấp thiết của đề tài. 12 1.6. Ý nghĩa khoaọ h c và thực tiển của đề tài 13 1.6.1 Ý nghĩa khoa học. 13 1.6.2. Tính thực tiễn. 14 1.7. Mục đích nghiên ức u, khách thể và đối tượng nghiên cứu 16 1.7.1. Mục đích nghiên cứu. 16 1.7.2 Khách thể, ốđ i tượng nghiên cứu 17 1.8 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài 17 1.8.1 Nhiệm vụ nghiên cứu. 17 1.8.2 Giới hạn đề tài. 17 1.9.1 Cơ sở phương pháp luận: 18 1.9.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể: 18 vii
10. 1.10. Kế hoạch thực hiện. 18 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 2.1. Lịch sử hàn ma sát. 20 2.2. Các thông số công nghệ hàn ma sát xoay. 22 2.2.1. Tốc độ quay: 25 2.2.2. ÁP lực ma sát và áp lực rèn (áp lực chồn). 27 2.2.3. Lựa chọn lượng co gia nhiệt (làm nóng) 28 2.2.4. Thời gian nung (thời gian ma sát) 29 2.2.5. Sự tương quan giữa mô men và nhiệt năng: 32 2.3. Nguyên lý hoạt động hàn ma sát xoay. 34 2.4. Đặc điểm của hàn ma sát 35 2.5. Quy trình hàn ma sát xoay. 37 Chương 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU 39 3.1 Thông số thiết kế. 39 3.2 Phát thảo nguyên lý hoạt động 39 3.2.1 Nguyên lý yêu cầu 39 3.2.2 Nguyên lý hoạt động. 39 3.3. Phương án thiết kế. 40 3.3.1 Phương án 1: Hàn ma sát trên máy tiện. 40 3.3.2 Phương án 2: Máy hàn ma sát thông thường 40 3.3.3 Phương án 3: Máy hàn ma sát quán tính 40 3.3.4 Phương án 4: Máy hàn ma sátề đi u khiển tự động. 41 3.4.1 Phương án 1: Hàn ma sát trên máy tiện. 41 3.4.2 Phương án 2: Hàn ma sát thường 42 3.4.3 Phương án 3: Hàn ma sát quán tính. 42 3.4.4 Phương án 4: Hàn ma sát ềđi u khiển tự động. 42 3.5 Các bộ phận máy hàn ma sát xoay. 43 3.6. Đề xuất chế tạo máy hàn. 44 Chương 4. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU 45 4.1 Phương án thiết kế thân đế. 45 4.1.1 Phương án 1 45 4.1.2 Phương án 2: Chế tạo khung đỡ cho máy. 46 4.2 Phương án thiết kế hệ thống đỡ trục chính mang mâm cặp quay. 47 4.2.1 Phương án 1: Chế tạo hộp tốc độ chứa trục chính 47 viii
11. 4.2.2 Phương án 2. Sử dụng hộp tốc độ máy tiện. 48 4.3 Phương án thiết kế hệ thống kẹp chặt chi tiết đứng yên 48 4.3.1 Phương án 1. Thiết kế cụm chi tiết sử dụng mâm cặp ba chấu tự định tâm 48 4.3.2 Phương án 2. Cơ cấu kẹp chặt bằng khối V tự định tâm. 49 4.4. Phương án thiết kế hệ thống trượt mang cơ cấu kẹp cố định. 50 4.4.1 Phương án 1: Sử dụng băng trượt máy tiện, gia công thêm bàn bàn trượt. 50 4.4.2 Phương án 2: Sử dụng thanh dẫn trượt (SLIDE GUIDE), 51 4.5 Phương án thiết kế hệ thống đẩy bàn trượt bằng xy – lanh thủy lực 53 4.5.1 Phương án 1: Hai xy lanh đẩy nối tiếp nhau. 54 4.5.2 Phương án 2: Sử dụng hai xy lanh kế hợp với đòn bẩy 55 4.5.3 Phương án 3: Sử dụng 1 xy lanh, dùng van điện từ solenoid 56 4.6. Phương án điều khiển tốc độ động cơ 57 4.6.1 Phương án 1: Sử dụng puley 57 5.6.2 Phương án 2: Sử dụng biến tần 58 Chương 5. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, VẬN HÀNH 60 5.1 Kết cấu tổng thể 60 5.2 Tính toán phần cơ khí 61 5.2.1 Tính công suất máy (Chi tiết xem Phục lục 01) 61 5.2.2 Tốc độ quay của trục chính (Chi tiết xem phụ lục 02) 61 5.2.3 Tính toán bộ truyền đai (Chi tiết xem phụ lục 03) 61 5.2.4 Tính toán xy lanh thủy lực (Chi tiết xem phụ lục 04) 62 5.2.5 Mômen xoắn: 64 5.2.6 Khoản cách hai đầu kẹp: 64 5.3. Chế tạo thiết bị hàn ma sát xoay 65 5.3.1. Chế tạo khung đỡ 65 5.3.2. Lắp ráp bộ phận gá trục chính mang mâm cặp quay 66 5.3.3. Chế tạo cơ cấu mang mâm cặp không quay. 66 5.3.4. Chế tạo hệ thống trượt. 67 5.3.5. Chế tạo bộ phận gá lắp xy lanh thủy lực 68 5.4 Vận hành thiết bị. 70 Chương 6. THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ 72 6.1. Vật liệu thử nghiệm. 72 6.1.2. Mẫu thử nghiệm 74 6.1.3. Thông số thử nghiệm 74 ix
12. 6.2. Thử nghiệm. 75 6.2.1. Chuẩn bị mẫu thử nghiệm 75 6.2.2. Tiến hành thử nghiệm. 76 6.3. Sản phẩm thử nghiệm hàn ma sát. 78 6.3.1. Thép không gỉ 304 78 6.3.2 Nhôm AA1050 79 6.3.3 Thép CT3 79 6.4. Đánh giá chất lượng mẫu hàn. 79 6.4.1. Kiểm tra độ bền kéo mẫu hàn. 81 6.4.2. Đánh giá chất lượng mối hàn. 88 Chương 7. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 89 7.1. Kết luận: 89 7.2. Kiến nghị: 89 PHỤ LỤC 01. TÍNH CÔNG SUẤT MÁY 96 PHỤ LỤC 02. TÍNH TỐC ĐỘ QUAY TRỤC CHÍNH 97 PHỤ LỤC 03. TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN ĐAI 98 PHỤ LỤC 04. TÍNH TOÁN LY LANH THỦY LỰC 98 PHỤ LỤC 05. ĐƯỜNG KÍNH CỦA ĐƯỜNG ỐNG 102 x
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1. 1: Sơ đồ nhiệt sinh ra trong quá trình ma sát. 2 Hình 1. 2: Sơ đồ han ma sát xoay 2 Hình 1. 3 Hai chi tiết được hàn bằng ma sát đường. 3 Hình 1. 4: Sơ đồ ma sát khuấy (ngoái). 4 Hình 1. 5: Sơ đồ ma sát khuấy (ngoái). 4 Hình 1. 6: Sơ đồ hàn ma sát xoay 5 Hình 1. 7: Vết nứt trên mối hàn hồ quang. 13 Hình 1. 8: Mối hàn bị lẫn xỉ Hình 1. 9: Mối hàn không ngấu 13 Hình 1. 10: Một số sản phẩm điển hình. 16 Hình 1. 11: Sản phẩm của công ty ANGEN . 16 Hình 2. 1: Sơ đồ các thông số quá trình hàn. 22 Hình 2. 2: Quan hệ giữa thời gian làm nóng và tốc độ quay. 25 Hình 2. 3: Biểu đồ thể hiện quanệ h giữa thời gian làm nóng đến tốc độ quay 26 Hình 2. 4: Biểu đồ cho thấy công suất phụ thuộc vào tốc độ quay 26 Hình 2. 5: Các dạng điển hình của đồ thị thay đổi áp suất theo thời gian 27 Hình 2. 6: Quan hệ giữa góc uốn với lượng co. 29 Hình 2. 7: Mối quan hệ giữa lượng co khi với đường kính chi tiết hàn 29 Hình 2. 8: Sơ đồ nguyên lý hàn ma sát xoay. 34 Hình 2. 9: Sơ đồ nguyên lý hàn ma sát xoay 35 Hình 2. 10: Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn bằng ma sát 37 Hình 2. 11: Quy trình hàn ma sát xoay. 38 Hình 3. 1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hàn ma sát xoay [43] trang 3.7 39 Hình 3. 2: Hàn ma sát xoay trên máy tiện [7]. 41 Hình 3. 3: Hàn ma sát xoay thường 42 Hình 3. 4: Hàn ma sát xoay quán tính 42 Hình 3. 5: Máy hàn ma sát xoay CNC 43 Hình 4. 1: Khung máy tiện 46 Hình 4. 2: Khung đỡ máy hàn 47 Hình 4. 3: Mâm cặp 3 vấu tự định tâm 49 Hình 4. 4: Khối V kẹp tự định tâm 49 Hình 4. 5: Bàn trượt trên băng trượt máy tiện 50 Hình 4. 6: Cách đọc ký hiệu thanh dẫn trượt. 51 Hình 4. 7: Bản vẽ kích thước thanh dẫn trượt 51 Hình 4. 8: Thanh trượt. 53 Hình 4. 9: Xy lanh ghép gu-rông 54 Hình 4. 10: Hai Xy lanh lắp ốn i tiếp nhau. 54 Hình 4. 11: Sử dụng 2 xy lanh kết hợp với cơ cấu đòn bẩy 55 xi
14. Hình 4. 12: Hệ thống sử dụng 1 xy lanh, điều khiển bằng solenoil 56 Hình 4. 13: Biến tần điều khiển tốc độ động cơ 59 Hình 5. 1: Kết cấu tổng thể của máy hàn ma sát xoay. 60 Hình 5. 2: Động cơ 3 pha công suất 7.5 KW 61 Hình 5. 3: Mạch điều khiển thủy lực 64 Hình 5. 4: Mạch điều khiển điện thủy lực 64 Hình 5. 5: Mô hình máy hàn 2D. 64 Hình 5. 6: Gia công khung đỡ bằng phương pháp hàn hồ quang 65 Hình 5. 7: Lắp tấm thép lên khung chính 66 Hình 5. 8: Lắp hợp trục chính mang mâm cặp quay lên bàn máy 66 Hình 5. 9: Chế tạo cơ cấu mang mâm cặp không quay. 67 Hình 5. 10: Thanh trượt 68 Hình 5. 11: Tấm đế trước 68 Hình 5. 12: Tấm đế sau 68 Hình 5. 13: Xy lanh thủy lực dùng để đẩy bàn trượt 69 Hình 5. 14: Hệ thống xy lanh thủy lực được gá lắp lên bàn máy 69 Hình 5. 15: Máy hàn ma sát hoàn chỉnh 69 Hình 5. 16: Chi tiết được kẹp trên 2 mâm cặp, quay và không quay. 70 Hình 6. 1: Mẫu thép không gỉ 304 75 Hình 6. 2: Mẫu thép không gỉ 304 (dạng ống) 76 Hình 6. 3: Mẫu thép cacbon CT3 76 Hình 6. 4: Mẫu thép cacbon thấp 76 Hình 6. 5: Mẫu nhôm 76 Hình 6. 6: Cấp nguồn 77 Hình 6. 7: Kiểm tra hệ thống thủy lực 77 Hình 6. 8: Quá trình ma sát Hình 6. 9: Quá trình rèn 78 Hình 6. 10: Sản phẩm hàn thép không gỉ 78 Hình 6. 11: Sản phẩm hàn thép không gỉ 78 Hình 6. 12: Sản phẩm nhôm 79 Hình 6. 13: Sản phẩm thép cacbon 79 Hình 6. 14: Mối hàn chưa đảm bảo độ kết dính 79 Hình 6. 15: Sự kết dính vật liệu chưa đều 80 Hình 6. 16: Vật liệu chỉ kết dính ở tâm chi tiết 81 Hình 6. 17: Mẫu kiểm tra độ bền kéo. 82 Hình 6. 18: Hình Máy kéo nén vạn năng 100T 82 Hình 6. 19: Mẫu trước khi kéo 84 Hình 6. 20: Mẫu thử đã bị kéo đứt. 84 Hình 6. 21: Đồ thi thể hiện quá trình kéo đứt của mẫu 20 85 Hình 6. 22: Báo cáo kết quả thu được từ phần mềm tính toán trên máy tính 85 Hình 6. 23: Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất với biến dạng 85 xii
15. Hình 6. 24: Mẫu trước khi kéo 86 Hình 6. 25: Mẫu thử đã bị kéo đứt. 86 Hình 6. 26: Thể hiện quá trình kéo đứt mẫu 19 86 Hình 6. 27: Báo cáo kết quá kéo mẫu 19 87 Hình 6. 28: Đường biểu diễn quan hệ giữa ứng suất kéo với biến dạng 87 xiii
16. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1. 1: Bảng kế họch thực hiện 19 Bảng 2. 1: Bảng thống kê thông số hàn ma sát của các vật liệu. 24 Bảng 2. 2: Bảng thống kê các vật liệu có thể sử dụng hàn ma sát. 24 Bảng 2. 4: Bảng thống kê số liệu áp dụng cho quy trình hàn ma sát. 32 Bảng 3. 1: Bảng so sánh các phương án hàn ma sát 43 Bảng 4. 1: So sánh các tiêu chí chọn khung máy 47 Bảng 4. 2: Bảng so sánh tiêu chí lựa chonn cơ cấu kẹp 50 Bảng 4. 3: Bảng kích thước thanh trượt 52 Bảng 4. 4: Bảng thể hiện thông số kỹ thuật của thanh dẫn trượt 52 Bảng 4. 5: Bảng so sánh tiêu chí lựa chọn thanh trượt. 53 Bảng 4. 6: Bảng so sánh phương án lắp xy lanh 57 Bảng 4. 7: Bảng so sánh hệ thống thay đổi tốc độ trục chính 59 Bảng 5. 1: Bảng liệt kê các bộ phận cơ bản của thiết bị hàn ma sátxoay 60 Bảng 6. 1: Độ bền của thép 72 Bảng 6. 2: Độ bền của thép không gỉ 73 Bảng 6. 3: Thành phần hóa học của thép không gỉ 73 Bảng 6. 4: Thành phần hóa hợp của kim nhôm 1050 73 Bảng 6. 5: Tính chất vật lý của hợp kim nhôm 1050 73 Bảng 6. 6: Các mẫu vật liệu hàn ma sát. 74 Bảng 6. 7: Thông số hàn. 75 Bảng 6. 8: Thông số mẫu thử kéo. 82 Bảng 6. 9: Bảng tổng hợp quả mẫu thử sau khi kéo 87 Bảng 6. 10: Bảng tổng hợp tính chất vật lý sau khi thử kéo 88 Bảng 6. 11: Bảng so sánh tính chất của mẫu hàn so với vật liệu 88 xiv
17. Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu. Trong ngành kĩ thuật cơ khí, hàn giữ một vai trò rất quan trọng, nhất là trong công cuộc công nghiệp hoá – hiện đại hoá ở nước ta hiện nay. Hàn đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực kỹ thuật như: Làm kết cấu nhà xưởng, xây dựng công trình, lắp ghép các chi tiết, đắp tạo các trục, thiết kế chế tạo các sản phẩm cơ khí, phục hồi các chi tiết máy sau một thời gian làm việc , với nhiều tính năng ưu việt, năng xuất chất lượng cao. Trong thời đại ngày nay, với trình độ khoa học ngày càng phát tiển mạnh mẽ, thì hàn đã gióp ầph n không nhỏ trong việc đưa nghành cơ khí lên vị thế quan trọng trong công cuộc phát triển kinh tế, trong các phương pháp hàn hiện nay, hàn ma sát là một phương pháp hàn mới đầy tiềm năng với chất lượng mối hàn vượt trội, ổn định khi làm việc và đặt biệt là thân thiện với môi trường. Hàn ma sát là quá trình hàn áp lực, sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, sau đó dùng lực ép để ép hai chi tiết lại với nhau làm cho kim loại mép hàn khuếch tán sang nhau 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 ợlư ng 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. 1
18. Cơ năng chuyển Vật liệu vùng hàn Vật liệu tại vùng thành nhiệt năng dẻo. hàn khuyết tán vào nhau dưới lực ép. Hình 1. 1: Sơ đồ nhiệt sinh ra trong quá trình ma sát. 1.2 Các phương pháp hàn ma sát. Hàn ma sát là quá trình hàn áp lực, sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, sau đó dùng lực ép để ép hai chi tiết lại với nhau làm cho kim loại mép hàn khuếch tán sang nhau tạo thành mối hàn 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 ợlư ng cơ học sẽ chuyển thành nhiệt năng. Ma sát trong hàn là ma sát khô. Trong đó có 3 phương pháp hàn ma sát được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo: Hàn ma sát thẳng (linear friction welding), hàn ma sát đảo/ngoáy (friction stir welding), và hàn ma sát xoay (rotative friction welding). 1.2.1. Hàn ma sát thẳng (linear friction welding): Hai chi tiết hàn chuyển động tương đối với nhau theo phương của bề mặt tiếp xúc sinh ra nhiệt ma sát làm vật liệu bề mặt tiếp xúc nóng chảy, hai chi tiết đượcép vào nhau tạo mối hàn. Hàn ma sát thẳng được ứng dụng hàn các chi tiết khối đặc, đặt biệt các chitiết có tiết diện ngang hình chữ nhật. 2
19. 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. - Thiết bị đắt tiền. - 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): Hai bề mặt hàn được đặt tiếp xúc với nhau, dao sẽ chạy giữa hai bề mặt hàn, nhiệt ma sát sẽ làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc, phoi nóng chảy được épxuống mối hàn nhờ vai của dao. Hàn ma sát đảo được ứng dụng hàn các hai tấm phẳng hoặc đường ống, tuynhiên phương pháp này giới hạn mặt cắt chi tiết tại mối hàn phải đạt chiều dày nhấtđịnh và bề mặt tại mối hàn của hai chi tiết phải nằm trên một mặt phẳng. 3
20. 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. - Thiết bị đắt tiền. 4
21. - Cần phải đỡ ở mặt đối diện. 1.2.3 Hàn ma sát xoay (Rotative friction welding): Hai chi tiết quay tương đối với nhau sinh ra nhiệt ma sát làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc, hai chi tiết được ép vào nhau tạo mối hàn. Hàn ma sát xoay được ứng dụng hàn các chi tiết dạng trụ. Tuy công nghệ và đặc tính khác nhau nhưng các phương pháp hàn ma sát đềucó điểm chung là sử dụng nhiệt năng sinh ra từ cơ năng, từ đó làm dẻo vùng vật liệu cần hàn. Dưới đây là nguyên lý hàn ma sát: 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. - Năng suất rất cao. - 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. - Thiết bị đắt tiền. 1.3. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. 1.3.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới. 5
22. S K L 0 0 2 1 5 4