Luận văn thạc sĩ hcmute nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn ma sát xoay khi hàn cặp vật liệu aisi 304 và aisi 1020

Luận văn thạc sĩ phân tích hcmute nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn ma sát xoay khi, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Tào Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Thiện Ngôn
• Trường học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Thông Số Hàn Đến Chất Lượng Mối Hàn Ma Sát Xoay Giữa AISI 304 Và AISI 1020
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu hàn ma sát xoay
• 1.2. Thiết bị hàn ma sát xoay
• 1.3. Ưu điểm và nhược điểm của hàn ma sát xoay
• 1.4. Các ứng dụng của hàn ma sát xoay
• 1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp kế thừa
• 2.2.2. Phương pháp thu thập thông tin
• 2.2.3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 2.2.4. Phương pháp đo đạc thực nghiệm
• 2.2.5. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Lý thuyết về ma sát
• 3.1.1. Áp suất chất lỏng
• 3.1.2. Định luật Pascal
• 3.2. Nhiệt dung và truyền nhiệt
• 3.3. Tính toán nhiệt trong hàn ma sát
• 3.3.1. Mối liên hệ giữa mô-men xoắn và năng lượng nhiệt
• 3.3.2. Truyền nhiệt trong thanh
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng quá trình hàn ma sát xoay
• 4.2. Nghiên cứu xác định chế độ hàn khi hàn ma sát xoay cặp vật liệu thép AISI 304 – AISI 1020
• 4.2.1. Tính gia công và tính hàn của thép cácbon thấp
• 4.2.2. Tính gia công và tính hàn của thép không gỉ
• 4.2.3. Gá lắp phôi khi hàn
• 4.2.4. Dự đoán nhiệt độ khi hàn và chọn thông số hàn
• 4.2.5. Quy trình hàn ma sát thép cácbon thấp và thép không gỉ
• 4.2.5.1. Các bước thiết lập quy trình hàn ma sát
• 4.2.5.2. Thiết lập quy trình
• 4.2.5.3. Chọn các thông số hàn
• 4.2.5.4. Loại bỏ phần thừa của mối hàn
• 4.2.5.5. Xử lý nhiệt sau khi hàn
• 4.2.5.6. Lựa chọn các phương pháp kiểm tra
• 4.2.5.7. Kiểm tra độ bền uốn mối hàn ma sát cho chi tiết dạng thanh đặc
• 4.3. Thực nghiệm, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn
• 4.3.1. Chọn các thông số cho mẫu thí nghiệm
• 4.3.1.1. Vật liệu của mẫu
• 4.3.1.2. Kích thước mẫu
• 4.3.1.3. Lựa chọn các thông số
• 4.3.1.4. Chọn bảng trực giao
• 4.3.2. Tiến hành thực nghiệm
• 4.3.2.1. Các bước tiến hành hàn
• 4.3.2.2. Kiểm tra mối hàn bằng thử độ bền kéo
• 4.3.3. Xử lý số liệu sau khi nhận được kết quả của thực nghiệm
• 4.3.3.1. Tính toán S/N từ kết quả thực nghiệm
• 4.3.3.2. Hình ảnh tại bề mặt đứt của các mẫu
• 4.3.4. Phân tích phương sai (ANOVA)
• 4.3.5. Dự đoán giá trị bền kéo trong thực nghiệm
• 4.3.5.1. Ước lượng khoảng tin cậy cho các thông số cho ra giá trị tốt nhất
• 4.3.5.2. Thực nghiệm để kiểm chứng
• 4.3.6. Đánh giá kết quả thực nghiệm
• 4.3.6.1. Đánh giá ngoại quan
• 4.3.6.2. Đánh giá theo kết quả kiểm tra độ bền kéo của mối hàn
• 4.3.6.3. Đánh giá kết quả bằng phân tích phương sai ANOVA
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hàn ma sát xoay

Hàn ma sát xoay là một phương pháp hàn tiên tiến, sử dụng nhiệt lượng sinh ra từ ma sát giữa hai chi tiết để kết nối chúng lại với nhau. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc hàn các vật liệu khác nhau, như thép không gỉ AISI 304 và thép cacbon thấp AISI 1020. Thông số hàn như lực hàn, tốc độ hàn và thời gian ma sát đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng mối hàn. Nghiên cứu này nhằm mục đích xác định các thông số tối ưu để đạt được mối hàn có độ bền kéo cao nhất. Theo một số nghiên cứu trước đây, hàn ma sát xoay có thể đạt được độ bền kéo lên đến 80% so với kim loại nền, điều này cho thấy tiềm năng lớn của phương pháp này trong ngành công nghiệp chế tạo.

II. Các thông số hàn và ảnh hưởng của chúng

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các thông số hàn như lực hàn, tốc độ hàn và thời gian ma sát có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng mối hàn. Cụ thể, lực hàn là yếu tố quan trọng nhất, tiếp theo là tốc độ hàn và cuối cùng là thời gian ma sát. Việc điều chỉnh các thông số này có thể giúp tối ưu hóa quá trình hàn, từ đó nâng cao độ bền và tính ổn định của mối hàn. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc tăng lực hàn có thể làm tăng độ bền kéo của mối hàn, trong khi tốc độ hàn quá cao có thể dẫn đến hiện tượng nứt hoặc giảm chất lượng mối hàn. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu và xác định các thông số hàn phù hợp cho từng loại vật liệu.

III. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong đề tài này bao gồm phương pháp thực nghiệm Taguchi để khảo sát ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn. Các mẫu thử nghiệm được chế tạo từ thép không gỉ AISI 304 và thép cacbon thấp AISI 1020, với kích thước tiêu chuẩn. Sau khi thực hiện hàn, các mẫu được kiểm tra độ bền kéo để đánh giá chất lượng mối hàn. Kết quả thu được từ các thí nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng phương pháp Taguchi giúp xác định được các thông số tối ưu một cách hiệu quả, từ đó có thể đưa ra các khuyến nghị cho quy trình hàn trong sản xuất thực tế.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng chất lượng mối hàn giữa AISI 304 và AISI 1020 có thể được cải thiện đáng kể thông qua việc tối ưu hóa các thông số hàn. Đặc biệt, lực hàn và tốc độ hàn là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền kéo của mối hàn. Các thí nghiệm cho thấy rằng mối hàn đạt được độ bền kéo tối đa khi lực hàn được điều chỉnh ở mức tối ưu. Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc kiểm soát thời gian ma sát là cần thiết để đảm bảo chất lượng mối hàn. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu lý thuyết mà còn có thể áp dụng trực tiếp vào thực tiễn sản xuất, giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

V. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về thông số hàn và chất lượng mối hàn mà còn mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng hàn ma sát xoay trong ngành công nghiệp chế tạo. Việc xác định được các thông số tối ưu sẽ giúp các kỹ sư có thể thiết lập quy trình hàn hiệu quả, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Hơn nữa, nghiên cứu cũng góp phần vào việc phát triển công nghệ hàn tiên tiến tại Việt Nam, giúp các doanh nghiệp trong nước có thể cạnh tranh tốt hơn trên thị trường quốc tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp cơ khí và xây dựng tại Việt Nam, việc nâng cao chất lượng và hiệu quả của các mối hàn đóng vai trò then chốt trong đảm bảo độ bền và an toàn công trình. Theo ước tính, hàn ma sát xoay là một trong những phương pháp hàn tiên tiến, được ứng dụng rộng rãi trên thế giới để kết nối các vật liệu khác nhau, đặc biệt là thép không gỉ và thép cacbon thấp. Tuy nhiên, tại Việt Nam, công nghệ này vẫn còn hạn chế về mặt ứng dụng và nghiên cứu chuyên sâu. Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn ma sát xoay khi hàn cặp vật liệu AISI 304 (thép không gỉ) và AISI 1020 (thép cacbon thấp), với mục tiêu xác định chế độ hàn tối ưu nhằm đạt được độ bền kéo mối hàn đạt khoảng 80% so với kim loại nền.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc khảo sát các thông số hàn như lực hàn, tốc độ quay và thời gian ma sát trên mẫu phôi dạng thanh có đường kính 20 mm và chiều dài 110 mm, thực hiện tại phòng thí nghiệm REME Lab, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ hàn ma sát xoay tại Việt Nam, góp phần nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất trong ngành cơ khí chế tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về ma sát, truyền nhiệt và cơ học vật liệu để phân tích quá trình hàn ma sát xoay. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết ma sát: Giải thích lực ma sát nghỉ và ma sát động giữa hai bề mặt tiếp xúc, trong đó lực ma sát sinh ra nhiệt lượng làm nóng chảy bề mặt vật liệu đến trạng thái dẻo, tạo điều kiện cho quá trình khuếch tán kim loại và hình thành mối hàn. Hệ số ma sát và áp lực tiếp xúc là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến nhiệt lượng sinh ra.

2. Lý thuyết truyền nhiệt: Mô tả sự phân bố nhiệt độ trong vật liệu trong quá trình hàn, dựa trên các phương trình truyền nhiệt dẫn và trao đổi nhiệt. Nhiệt lượng sinh ra từ ma sát được truyền vào vùng tiếp xúc, ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của mối hàn.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: lực hàn (axial force), tốc độ quay (rotational speed), thời gian ma sát (friction time), độ bền kéo (tensile strength), và phương pháp Taguchi trong thiết kế thực nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với phân tích thống kê theo phương pháp Taguchi nhằm tối ưu hóa số lượng thí nghiệm và xác định ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn.

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm hàn ma sát xoay trên mẫu phôi thép AISI 304 và AISI 1020 tại phòng thí nghiệm REME Lab, sử dụng máy hàn ma sát xoay truyền động liên tục với công suất 6,5 kW, tốc độ quay tối đa 1500 vòng/phút, lực ép tối đa 100 MPa.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng bảng trực giao Taguchi để thiết kế thí nghiệm với ba yếu tố chính: lực hàn, tốc độ quay, thời gian ma sát, mỗi yếu tố có ba mức khác nhau. Kết quả được đánh giá dựa trên độ bền kéo của mối hàn và quan sát ngoại quan bề mặt mối hàn. Phân tích phương sai (ANOVA) được áp dụng để xác định mức độ ảnh hưởng của từng thông số.

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 09/2015 đến tháng 04/2018, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế thí nghiệm, tiến hành thực nghiệm, xử lý số liệu và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của lực hàn: Lực hàn là thông số có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng mối hàn. Khi lực hàn tăng từ mức thấp đến cao, độ bền kéo của mối hàn tăng rõ rệt, đạt đến khoảng 80% so với kim loại nền. Kết quả phân tích S/N cho thấy lực hàn chiếm tỷ lệ ảnh hưởng cao nhất, trên 50%.

2. Ảnh hưởng của tốc độ quay: Tốc độ quay có ảnh hưởng thứ hai đến chất lượng mối hàn. Tăng tốc độ quay giúp tăng nhiệt lượng sinh ra, cải thiện độ dẻo của vật liệu tại vùng tiếp xúc, từ đó nâng cao độ bền kéo. Tuy nhiên, tốc độ quay quá cao có thể gây ra hiện tượng quá nhiệt, làm giảm chất lượng mối hàn.

3. Ảnh hưởng của thời gian ma sát: Thời gian ma sát có ảnh hưởng thấp nhất trong ba thông số nghiên cứu. Thời gian ma sát quá dài không làm tăng đáng kể độ bền kéo mà còn có thể gây biến dạng nhiệt không mong muốn.

4. Phần dôi ra của kim loại (flash): Quan sát thực tế cho thấy phần kim loại bị đùn ra hai bên mối hàn ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn và cần được kiểm soát chặt chẽ trong quy trình hàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân lực hàn có ảnh hưởng lớn nhất là do lực ép dọc trục trực tiếp tác động lên bề mặt tiếp xúc, làm tăng áp suất và nhiệt lượng sinh ra, thúc đẩy quá trình khuếch tán kim loại hiệu quả hơn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về hàn ma sát xoay trên cặp vật liệu thép không gỉ và thép cacbon thấp.

Tốc độ quay và thời gian ma sát cũng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian gia nhiệt, ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của mối hàn. Việc điều chỉnh hợp lý các thông số này giúp tránh hiện tượng quá nhiệt hoặc nhiệt không đủ, đảm bảo mối hàn có độ bền và độ dẻo cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ ảnh hưởng các thông số đến độ bền kéo, biểu đồ S/N và bảng phân tích phương sai ANOVA để minh họa mức độ ảnh hưởng và tương tác giữa các yếu tố.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa lực hàn: Đề nghị các doanh nghiệp và kỹ sư vận hành máy hàn ma sát xoay ưu tiên điều chỉnh lực hàn trong khoảng từ 70 đến 100 MPa để đạt độ bền kéo tối ưu, áp dụng trong vòng 6 tháng đầu triển khai.

2. Kiểm soát tốc độ quay: Khuyến cáo duy trì tốc độ quay trong khoảng 1200-1500 vòng/phút để cân bằng giữa nhiệt lượng sinh ra và tránh quá nhiệt, giúp nâng cao chất lượng mối hàn, thực hiện đồng thời với việc tối ưu lực hàn.

3. Giới hạn thời gian ma sát: Thời gian ma sát nên được kiểm soát trong khoảng 10-20 giây để đảm bảo đủ nhiệt lượng cho quá trình hàn mà không gây biến dạng nhiệt, giúp giảm thiểu lỗi mối hàn.

4. Quản lý phần dôi ra của kim loại: Cần thiết kế và sử dụng thiết bị loại bỏ phần kim loại thừa (flash) sau hàn để đảm bảo tính thẩm mỹ và chất lượng mối hàn, đồng thời giảm thiểu hao hụt vật liệu.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho công nhân và kỹ sư vận hành máy hàn ma sát xoay, đồng thời xây dựng quy trình chuẩn để áp dụng rộng rãi trong ngành cơ khí chế tạo trong vòng 1 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ hàn: Nghiên cứu giúp hiểu rõ ảnh hưởng của các thông số hàn ma sát xoay đến chất lượng mối hàn, từ đó thiết kế quy trình hàn tối ưu cho các sản phẩm cơ khí.

2. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí và chế tạo máy: Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao năng suất, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm, đặc biệt trong việc hàn các chi tiết từ vật liệu khác nhau.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ hàn ma sát xoay và ứng dụng thực tế.

4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển công nghệ hàn tiên tiến trong nước, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành cơ khí Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Hàn ma sát xoay là gì và ưu điểm của phương pháp này?
   Hàn ma sát xoay là kỹ thuật kết nối kim loại bằng nhiệt lượng sinh ra do ma sát giữa hai bề mặt chuyển động tương đối dưới lực ép dọc trục. Ưu điểm gồm không phát sinh khói, khí thải, không cần que hàn hay khí bảo vệ, khả năng tự động hóa cao và có thể hàn các vật liệu khác nhau với chất lượng cao.

2. Tại sao chọn cặp vật liệu AISI 304 và AISI 1020 để nghiên cứu?
   Hai loại thép này phổ biến trong công nghiệp, có tính chất cơ học và hóa học khác biệt, đại diện cho thép không gỉ và thép cacbon thấp. Việc hàn hiệu quả cặp vật liệu này giúp mở rộng ứng dụng trong sản xuất các chi tiết kết hợp tính bền và chống ăn mòn.

3. Phương pháp Taguchi giúp gì trong nghiên cứu này?
   Phương pháp Taguchi giúp thiết kế thí nghiệm hiệu quả, giảm số lượng thí nghiệm cần thiết nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy cao, từ đó xác định được ảnh hưởng và mức độ ưu tiên của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn.

4. Làm thế nào để đánh giá chất lượng mối hàn trong nghiên cứu?
   Chất lượng được đánh giá chủ yếu qua độ bền kéo của mối hàn so với kim loại nền, kết hợp quan sát ngoại quan bề mặt mối hàn và vết đứt sau khi thử kéo để phát hiện các khuyết tật.

5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này vào sản xuất thực tế không?
   Hoàn toàn có thể. Kết quả cung cấp bộ thông số hàn tối ưu và quy trình kiểm soát chất lượng, giúp các doanh nghiệp trong nước làm chủ công nghệ hàn ma sát xoay, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Kết luận

• Đã xác định được bộ thông số hàn ma sát xoay tối ưu cho cặp vật liệu AISI 304 và AISI 1020, với độ bền kéo mối hàn đạt khoảng 80% so với kim loại nền.
• Lực hàn là thông số ảnh hưởng lớn nhất, tiếp theo là tốc độ quay và thời gian ma sát.
• Phần kim loại dôi ra (flash) ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng mối hàn và cần được kiểm soát.
• Phương pháp Taguchi giúp tối ưu hóa quy trình thí nghiệm và xác định chính xác ảnh hưởng của các thông số hàn.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và đào tạo nhằm ứng dụng rộng rãi công nghệ hàn ma sát xoay trong ngành cơ khí Việt Nam.

Next steps: Triển khai áp dụng quy trình hàn đã đề xuất vào sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố khác như cấu trúc vi mô và xử lý nhiệt sau hàn.

Call-to-action: Các doanh nghiệp và kỹ sư trong ngành cơ khí nên tiếp cận và áp dụng công nghệ hàn ma sát xoay để nâng cao chất lượng sản phẩm và năng lực cạnh tranh trên thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 Luan van (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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van - 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 Luan van 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.