CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Các chi tiết với vật liệu là hai hợp kim khác nhau được ứng dụng nhiều trong một số ngành công nghiệp. Do đó việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp để nối kết hai hợp kim khác nhau đã và đang được thực hiện. Trong đó hàn ma sát là phương pháp mang lại hiệu quả cao trong việc nối hai loại hợp kim khác nhau. Trên thế giới, có rất nhiều công trình nghiên cứu về hàn ma sát mà đặc biệt là hàn nối hai hợp kim không cùng loại, mục đích để tìm ra quy trình tối ưu để ứng dụng vào sản xuất và phát triển sản phẩm.
Các công trình đó cũng là tiền đề để các nhà nghiên cứu phát triển ứng dụng tùy thuộc vào điều kiện của từng ngành và địa phương.1 Giới thiệu hàn ma sát xoay 1.1 Định nghĩa Hàn ma sát xoay là phương pháp liên kết các chi tiết nhờ năng lượng ma sát sinh ra khi các bề mặt chi tiết chuyển động tương đối với nhau dưới tác động của lực ép dọc trục. Khi đó, tại bề mặt tiếp xúc của chi tiết, nhiệt độ sinh ra nhờ năng lượng ma sát làm nóng các bề mặt chi tiết đến trạng thái dẻo, và dưới tác dụng của lực ép làm cho kim loại khuếch tán vào nhau tạo thành mối hàn [3]. Như vậy quá trình hàn ma sát diễn ra ở nhiệt độ dưới nhiệt độ nóng chảy [4].1: Các bước cơ bản của kỹ thuật hàn ma sát xoay [3] 1.2 Nguyên lý Về cơ bản, phương pháp hàn ma sát xoay được thực hiện như sau: - Một chi tiết chuyển động quay tròn và một chi tiết đối diện được cố định 21 (đứng yên) đồng trục với chi tiết xoay (hình 1. - Khi đạt đến một tốc độ xác định, bề mặt hai chi tiết tiếp xúc với nhau dưới tác dụng của lực ép dọc trục (hình 1.
- Lực ma sát tại bề mặt tiếp xúc sinh ra nhiệt làm nóng cục bộ chi tiết và làm giảm chiều dài dọc trục chi tiết (hình 1. - Lúc này chuyển động quay dừng lại, lực ép dọc trục được duy trì hoặc tăng lên trong một khoảng thời gian giúp mối hàn được hình thành (hình 1. Chất lượng mối hàn phụ thuộc vào công việc chuẩn bị phôi và chỉnh đặt các thông số hàn như: tốc độ quay, lực ép dọc trục, thời gian và các thông số khác [3].3 Phân loại hàn ma sát xoay Hàn ma sát xoay được chia thành các loại sau: Hình 1.2: Sơ đồ phân loại hàn ma sát xoay [5] 1.1 Hàn ma sát xoay truyền động liên tục Hàn ma sát xoay truyền động liên tục (continuous drive/direct drive) là kỹ thuật hàn phổ biến nhất bao gồm hai trục được bố trí đồng tâm với nhau, trong đó một trục quay được truyền động từ động cơ với tốc độ không đổi, trục còn lại có thể quay ngược chiều hoặc đứng yên và được tiếp xúc với nhau bởi một lực ép dọc trục trong 22 một khoảng thời gian nhất định nhằm tạo ma sát ở vùng tiếp xúc, qua đó phát sinh nhiệt. Chuyển động xoay được 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 khuếch tán kim loại của hai vật hàn tạo nên mối hàn.
Sau một khoảng thời gian, chuyển động xoay dừng lại trong khi áp lực được duy trì hoặc tăng thêm để đảm bảo mối hàn được hình thành tốt [5]. Động cơ truyền động; 2. Bộ kẹp quay; 3b. Bộ kẹp cố định; 4a.
Chi tiết hàn quay; 4b. Chi tiết hàn cố định; 5. Xy-lanh đẩy Hình 1.3: Nguyên lý cơ bản của thiết bị hàn ma sát truyền động liên tục [5] 1. Lực hướng trục 2.
Lượng giảm kích thước theo phương dọc trục 3. Giai đoạn ma sát 5. Giai đoạn dừng 7. Giai đoạn hình thành mối hàn 8.
Áp lực hàn 1) Lượng giảm kích thước dọc trục trong giai đoạn ma sát 2) Thời gian ma sát 3) Thời gian dừng 4) Thời gian hình thành mối hàn 5) Lượng giảm kích thước dọc trục trong giai đoạn hình thành mối hàn 6) Tổng lượng giảm kích thước dọc trục của quá trình hàn ma sát.4: Quá trình ma sát xoay truyền động liên tục [5] 23 1.2 Hàn ma sát xoay truyền động gián đoạn Hàn ma sát xoay truyền động gián đoạn (stored energy) còn được biết đến với tên gọi hàn ma sát quán tính. Trục quay được gắn vào một bánh đà và truyền động bởi một động cơ cho đến khi tốc độ xoay của bánh đà đạt đến một tốc độ tính toán trước. Tại thời điểm này truyền động từ động cơ đến bánh đà bị ngắt, bánh đà chỉ còn xoay nhờ lực quán tính, dưới tác dụng của một lực ép dọc trục làm hai chi tiết hàn tiếp xúc vào nhau. Ma sát tại hai bề mặt chi tiết sẽ tạo ra nguồn nhiệt cần thiết cho quá trình hàn.
Lực ép có thể được duy trì hoặc tăng thêm để đảm bảo mối hàn được hình thành [5]. Động cơ truyền động; 2. Bánh đai quán tính; 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 1.5: Nguyên lý hoạt động máy hàn ma sát truyền động gián đoạn [5] 1.
Lực hướng trục 2. Lượng giảm kích thước theo phương dọc trục 3. Giai đoạn ma sát 5. Lực ép ma sát 6.
Giai đoạn hình thành mối hàn 7. Lực ép hình thành mối hàn 1) Tổng lượng giảm kích thước dọc trục của quá trình hàn ma sát 2) Thời gian ma sát 3) Thời gian hình thành mối hàn Hình 1.6: Quá trình ma sát xoay truyền động gián đoạn [5] 24 1.3 So sánh hàn ma sát xoay truyền động gián đoạn và liên tục Những ưu điểm của phương pháp hàn ma sát xoay truyền động gián đoạn so với hàn ma sát xoay truyền động liên tục [6]: - Vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ hơn; - Thời gian hàn ngắn hơn; - Nhờ những đường chảy xoắn và nhiệt độ làm việc cao ở cuối quá trình hàn giúp cho mối hàn có sức bền tốt hơn; - Dễ dàng trong việc giám sát quá trình hàn với chỉ hai thông số chính là tốc độ vòng quay và lực ép; - Dễ dàng xác định trước thông số hoạt động của hầu hết các loại vật liệu và hình dạng. Bằng phương pháp tính toán theo tỷ lệ, do đó có thể dùng chi tiết nhỏ để tính toán cho những chi tiết lớn hơn. - Không cần khớp nối và phanh; - Mô-men xoắn có thể được tính toán thông qua tốc độ quay; Những ưu điểm của phương pháp hàn ma sát xoay truyền động liên tục so với hàn ma sát xoay truyền động gián đoạn [6]: - Lực hàn thấp hơn cho những chi tiết dạng đặc.
Vì vậy các chi tiết lớn hơn có thể hàn trên dòng máy này. - Mô-men xoắn thấp khi phanh ở cuối quá trình hàn. Do đó bộ phận kẹp giữ chi tiết không yêu cầu cao về độ cứng vững. - Tốc độ quay khi hàn chi tiết đặc thấp hơn.2 Thiết bị hàn ma sát xoay Thiết bị hàn ma sát xoay không yêu cầu khắt khe về môi trường làm việc.
Chúng được chế tạo phụ thuộc vào từng ứng dụng hàn cụ thể và phải đảm bảo các tiêu chuẩn về độ chính xác, độ ổn định, và các thông số đặc biệt khác theo yêu cầu của ứng dụng [5]. Tùy thuộc vào từng ứng dụng hàn mà các thông số của thiết bị hàn như: lực ép dọc trục, tốc độ quay, thời gian hàn… cần được lựa chọn phù hợp. Ngoài ra, một số thông số khác cũng ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn như: tốc độ chuyển động dọc 25 trục (tốc độ ép) trong giai đoạn ma sát, lượng giảm chiều dài chi tiết trong quá trình ma sát, thời gian dừng quay, điểm đặt lực hàn, ứng suất và mô-men quán tính [5]. Động cơ chính; 3.
Mâm cặp truyền động; 5. Hệ thống thủy lực; 7. Hộp điện điều khiển; 9. Bộ điều khiển; 10.
Thiết bị đo nhiệt Hình 1.7: Sơ đồ cấu tạo một máy hàn ma sát điển hình [7] Ngoài ra máy hàn ma sát còn có thể được trang bị các tính năng khác như: bộ phận tháo lắp phôi, bộ phận di chuyển cho chi tiết tiếp xúc nhau, thiết bị loại bỏ phần thừa của mối hàn hoặc thiết bị gia công tạo hình mối hàn, bộ nhớ mở rộng để lưu trữ chương trình hàn, bộ phận định hướng góc, thiết bị theo dõi, nhận dạng, giám sát [5].3 Ưu điểm và nhược điểm của hàn ma sát xoay 1.1 Ưu điểm So với các phương pháp hàn nóng chảy và không nóng chảy khác, hàn ma sát xoay có các ưu điểm sau [3]: - Đây là một trong những phương pháp hàn thân thiện với môi trường do quá trình hàn không phát sinh khói, khí thải, chất thải, kim loại văng tóe, hồ quang… - Phương pháp hàn này không cần sử dụng điện cực hàn, que hàn phụ, khí bảo vệ, thuốc hàn, dễ dàng điều khiển, kiểm soát các thông số hàn cơ bản, khả năng tự động hóa cao. 26 - Cho phép hàn các vật liệu khác nhau về cơ tính, hóa học, tính truyền nhiệt… mà các phương pháp hàn khác không thể thực hiện được. Liên kết chính xác, ít biến dạng nhiệt. - Dễ dàng điều khiển chế độ hàn, chi phí sản xuất thấp, chu kỳ hàn ngắn, khả năng lập lại cao nên rất tiết kiệm so với các phương pháp hàn khác.
- Có thể ứng dụng hàn tại mọi địa điểm, không đòi hỏi tay nghề người thợ hàn có tay nghề cao.4 Các ứng dụng của hàn ma sát xoay Khi mới phát triển, hàn ma sát đã được dùng trong ngành ô tô, xe máy. Cho đến nay, ứng dụng của hàn ma sát phát triển nhanh chóng cả về số lượng và loại chi tiết trong nhiều ngành công nghiệp. Nó được dùng vào việc hàn các vật liệu khác nhau trong các ngành công nghiệp điện, hóa chất, hạt nhân, đóng tàu. Việc kết hợp những kim loại khác nhau, chẳng hạn như nhôm với thép không gỉ hoặc thép hợp kim với đồng đang được ứng đụng rất nhiều vì tiết kiệm nguyên vật liệu và nguyên công lao động [8].
Các hình bên dưới trình bày một số sản phẩm điển hình được chế tạo bằng phương pháp hàn ma sát xoay.8: Chế tạo bom, đạn súng cối [6] 27 Hình 1.9: Chế tạo các chi tiết bánh răng, bánh xích vào trục [6] Hình 1.10: Chế tạo các chi tiết khớp nối các đăng [6] Hình 1.11: Chế tạo dụng cụ cắt [6] Hình 1.12: Kết nối thép kết cấu xây dựng và đầu nối ren.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.