Nghiên cứu xác định nhiệt độ hàn và ảnh hưởng của các thông số trong hàn ma sát xoay

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu xác định nhiệt độ hàn và ảnh hưởng của các thông số đến nhiệt độ hàn khi hàn hai vật, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Lê Quang Đạt
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Thiện Ngôn
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM
• Đề tài: Nghiên cứu xác định nhiệt độ hàn và ảnh hưởng của các thông số đến nhiệt độ hàn khi hàn hai vật liệu khác nhau
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu hàn ma sát
• 1.1.1. Lịch sử phát triển
• 1.1.2. Phạm vi ứng dụng
• 1.1.3. Ưu, nhược điểm
• 1.2. Hàn ma sát xoay
• 1.2.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động
• 1.2.2. Nguyên lý hoạt động
• 1.2.3. Thiết bị hàn ma sát xoay
• 1.3. Quá trình hàn ma sát xoay
• 1.3.1. Các giai đoạn xảy ra trong quá trình ma sát
• 1.3.2. Ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng mối hàn
• 1.3.3. Hàn ma sát hai vật liệu khác nhau
• 1.3.4. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3.4.1. Các nghiên cứu trong nước
• 1.3.4.2. Nghiên cứu ngoài nước
• 1.3.4.2.1. Hàn ma sát xoay cặp vật liệu thép các-bon và thép không gỉ
• 1.3.4.2.2. Các nghiên cứu về nhiệt hàn khi hàn ma sát xoay
• 1.5. Ý kiến thảo luận và đề xuất nhiệm vụ của đề tài
• 1.5.1. Ý kiến thảo luận
• 1.5.2. Đề xuất nhiệm vụ của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ CÁC 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 tính toán
• 2.2.4. Phương pháp nghiên cứu phục vụ thực nghiệm
• 2.2.4.1. Vật liệu và trang thiết bị thực nghiệm
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Cơ sở lý thuyết sinh nhiệt do ma sát
• 3.2. Định luật truyền nhiệt Fourier
• 3.3. Trao đổi nhiệt đối lưu
• 3.4. Bức xạ nhiệt
• 3.5. Định luật Flank
• 3.6. Định luật Stefan-Boltzman về bức xạ nhiệt
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Nghiên cứu cơ chế sinh nhiệt khi hàn ma sát xoay
• 4.2. Tính toán nhiệt sinh ra khi hàn ma sát
• 4.2.1. Xác định nhiệt độ hàn, lực ma sát và số vòng quay
• 4.2.1.1. Xây dựng phương trình truyền nhiệt
• 4.2.1.2. Tính toán hệ số trao đổi nhiệt phức tạp h
• 4.2.1.3. Xác định nhiệt độ hàn
• 4.2.1.4. Giải bài toán truyền nhiệt ổn định bằng giải tích và phương pháp số
• 4.2.1.5. Xác định chế độ hàn
• 4.3. Tính toán thời gian ma sát
• 4.3.1. Xây dựng phương trình truyền nhiệt không ổn định
• 4.3.2. Giải bài toán truyền nhiệt không ổn định bằng phương pháp giải tích và phương pháp số
• 4.4. Thực nghiệm hàn ma sát xoay cặp vật liệu thép các-bon AISI 1020 – không gỉ AISI 304
• 4.4.1. Bố trí thí nghiệm đợt 1
• 4.4.1.1. Bố trí thí nghiệm ở chế độ 1
• 4.4.1.2. Bố trí thí nghiệm ở chế độ 2
• 4.4.1.3. Bố trí thí nghiệm ở chế độ 3
• 4.5. Đánh giá chất lượng mối hàn thí nghiệm đợt 1
• 4.5.1. Công tác chuẩn bị mẫu
• 4.5.2. Kết quả kiểm tra độ bền kéo của mối hàn và kim loại cơ bản
• 4.5.2.1. Kết quả kiểm tra độ bền kéo của thép các-bon AISI 1020
• 4.5.2.2. Kết quả kiểm tra độ bền kéo của thép không gỉ AISI 304
• 4.5.2.3. Kết quả kiểm tra độ bền kéo của mối hàn
• 4.6. Bố trí thí nghiệm đợt 2
• 4.6.1. Bố trí thí nghiệm ở chế độ 4
• 4.6.2. Bố trí thí nghiệm ở chế độ 5
• 4.6.3. Đánh giá chất lượng mối hàn thí nghiệm đợt 2
• 4.7. Bố trí thí nghiệm đợt 3
• 4.7.1. Bố trí thí nghiệm ở chế độ 6
• 4.7.2. Bố trí thí nghiệm ở chế độ 7
• 4.7.3. Đánh giá chất lượng mối hàn thí nghiệm đợt 3
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu nhiệt độ hàn và hàn ma sát xoay

Nghiên cứu về nhiệt độ hàn và hàn ma sát xoay là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hàn hiện đại. Hàn ma sát xoay là phương pháp hàn tiên tiến, cho phép kết nối hai vật liệu khác nhau mà không cần sử dụng vật liệu hàn. Nhiệt độ hàn là yếu tố quyết định đến chất lượng mối hàn, ảnh hưởng đến độ bền và tính ổn định của sản phẩm. Việc xác định chính xác nhiệt độ hàn là cần thiết để tối ưu hóa quy trình hàn và đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ hàn đến chất lượng mối hàn

Nhiệt độ hàn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn. Nếu nhiệt độ quá thấp, mối hàn có thể không đạt yêu cầu về độ bền. Ngược lại, nếu nhiệt độ quá cao, có thể gây ra hiện tượng biến dạng hoặc hư hỏng vật liệu. Do đó, việc xác định nhiệt độ hàn tối ưu là rất quan trọng.

1.2. Lịch sử phát triển của hàn ma sát xoay

Hàn ma sát xoay đã được phát triển từ cuối thế kỷ 19 và đã trải qua nhiều cải tiến. Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo, đặc biệt là trong sản xuất các chi tiết máy có yêu cầu cao về độ bền và độ chính xác.

II. Thách thức trong việc xác định nhiệt độ hàn khi hàn ma sát xoay

Việc xác định nhiệt độ hàn trong hàn ma sát xoay gặp nhiều thách thức. Các yếu tố như vật liệu hàn, áp lực ma sát, và thời gian ma sát đều ảnh hưởng đến nhiệt độ hàn. Hơn nữa, việc tính toán nhiệt độ hàn trong điều kiện không ổn định là một bài toán phức tạp. Các nghiên cứu hiện tại vẫn chưa đưa ra được phương pháp tính toán chính xác và khả thi cho các điều kiện thực tế.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ hàn

Nhiệt độ hàn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như thông số hàn, loại vật liệu, và điều kiện môi trường. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp cải thiện quy trình hàn và nâng cao chất lượng sản phẩm.

2.2. Khó khăn trong việc mô phỏng quá trình hàn

Mô phỏng quá trình hàn ma sát xoay là một thách thức lớn do tính chất không ổn định của quá trình truyền nhiệt. Các phần mềm mô phỏng hiện tại chưa hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu thực tế, dẫn đến khó khăn trong việc dự đoán nhiệt độ hàn.

III. Phương pháp xác định nhiệt độ hàn trong hàn ma sát xoay

Để xác định nhiệt độ hàn, cần áp dụng các phương pháp tính toán và mô phỏng hiện đại. Một trong những phương pháp hiệu quả là sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng quá trình truyền nhiệt. Phương pháp này cho phép xác định nhiệt độ hàn trong điều kiện không ổn định và đưa ra các thông số hàn tối ưu.

3.1. Sử dụng phần mềm ANSYS trong mô phỏng

Phần mềm ANSYS được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền nhiệt trong hàn ma sát xoay. Qua đó, có thể xác định được nhiệt độ hàn và các thông số hàn khác một cách chính xác.

3.2. Xác định chế độ hàn tối ưu

Việc xác định chế độ hàn tối ưu bao gồm việc lựa chọn số vòng quay, áp lực ma sát và thời gian ma sát. Những thông số này cần được điều chỉnh để đạt được nhiệt độ hàn mong muốn và đảm bảo chất lượng mối hàn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu nhiệt độ hàn

Nghiên cứu về nhiệt độ hàn và hàn ma sát xoay có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp chế tạo. Các sản phẩm hàn từ hai vật liệu khác nhau như thép các-bon và thép không gỉ đang ngày càng được ưa chuộng. Việc áp dụng các phương pháp xác định nhiệt độ hàn sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

Hàn ma sát xoay được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các chi tiết máy, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không. Việc xác định chính xác nhiệt độ hàn giúp cải thiện độ bền và tính ổn định của sản phẩm.

4.2. Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng phương pháp xác định nhiệt độ hàn đã mang lại hiệu quả cao trong sản xuất. Các mối hàn đạt yêu cầu về độ bền và chất lượng, góp phần nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về nhiệt độ hàn và hàn ma sát xoay đã chỉ ra tầm quan trọng của việc xác định chính xác nhiệt độ hàn trong quy trình sản xuất. Các phương pháp hiện tại cần được cải tiến để đáp ứng tốt hơn yêu cầu thực tiễn. Tương lai, nghiên cứu này có thể mở ra nhiều hướng đi mới trong công nghệ hàn, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp tính toán mới, cải tiến mô phỏng quá trình hàn để đạt được độ chính xác cao hơn trong việc xác định nhiệt độ hàn.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực hàn mà còn có thể áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác trong ngành công nghiệp chế tạo, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ hàn ma sát bắt đầu từ năm 1891 và liên tục phát triển để trở thành giải pháp đột phá trong liên kết kim loại dị chất. Trong ngành cơ khí chế tạo hiện đại, việc kết hợp giữa thép không gỉ cao cấp và thép các-bon kinh tế giúp giảm từ 30% đến 45% chi phí nguyên vật liệu cho các kết cấu dạng trục như trục bơm nước thải, trục bơm nước biển hay thân van công nghiệp.

Các phương pháp hàn nóng chảy truyền thống như hàn hồ quang TIG hay MIG bộc lộ nhiều hạn chế khi ghép nối kim loại khác loại. Quy trình cũ đòi hỏi vát mép phôi góc 30 độ đến 45 độ, yêu cầu gia nhiệt cục bộ phức tạp, tiêu tốn vật tư phụ và khó kiểm soát độ đồng tâm của chi tiết trụ tròn. Hàn ma sát xoay khắc phục hoàn toàn các nhược điểm trên nhờ chu trình tự động hóa cao và biến dạng nhiệt cục bộ thấp. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất nằm ở việc xác định trường nhiệt độ hàn và chế độ công nghệ tối ưu do đặc tính dẫn nhiệt và cơ lý tính của hai kim loại có sự chênh lệch lớn.

Đề tài nghiên cứu khoa học do tác giả Lê Quang Đạt thực hiện dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư Đặng Thiện Ngôn tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh năm 2017 đã giải quyết trọn vẹn thách thức này. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là thiết lập mô hình tính toán nhiệt hàn, mô phỏng quá trình truyền nhiệt không ổn định và xác định bộ thông số hàn tối ưu cho cặp vật liệu thanh tròn đường kính 20 mm, chiều dài 150 mm gồm thép các-bon AISI 1020 và thép không gỉ AISI 304. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi rút ngắn thời gian gia công xuống còn 21,3 giây và đạt độ bền kéo mối hàn tương đương 94% kim loại cơ bản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ học tiếp xúc và nhiệt động lực học vật rắn. Cơ chế sinh nhiệt ma sát tiếp xúc dựa trên định luật ma sát Coulomb với phương trình thông lượng nhiệt q = (2 * pi * mu * P1 * n * R^3) / 45. Trong mô hình này, nguồn nhiệt sinh ra tại bề mặt tiếp xúc phụ thuộc tuyến tính vào áp lực ma sát P1, tốc độ quay n và tỷ lệ với lũy thừa bậc ba của bán kính phôi R = 10 mm.

Hiện tượng truyền nhiệt trong vật thể được phân tích thông qua định luật truyền nhiệt Fourier và phương trình vi phân truyền nhiệt một chiều ở trạng thái không ổn định. Quá trình trao đổi nhiệt phức tạp ra môi trường không khí xung quanh được mô hình hóa bằng sự kết hợp giữa định luật bức xạ Stefan-Boltzmann và định luật tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức. Kết quả tính toán nhiệt lý thuyết xác định hệ số truyền nhiệt bức xạ hr đạt khoảng 66 W/m2K ở nhiệt độ 1150 độ C và hệ số đối lưu cưỡng bức hc xấp xỉ 14 W/m2K khi trục quay đạt 1500 vòng/phút. Tổng hệ số tỏa nhiệt phức tạp h trên bề mặt thanh phôi đạt giá trị 80 W/m2K.

Các khái niệm then chốt bao gồm nhiệt độ biến dạng dẻo cận nóng chảy, pha liên kết khuếch tán kim loại, trường nhiệt độ không ổn định và lượng co ngót dọc trục.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa toán học giải tích, mô phỏng số trên phần mềm Ansys và phương pháp thực nghiệm đa biến đối chứng.

Quy mô thực nghiệm sử dụng 7 bộ chế độ hàn với hơn 20 mẫu phôi tròn đường kính chuẩn 20 mm và chiều dài 150 mm. Phương pháp lấy mẫu thực nghiệm phân tầng được lựa chọn có chủ đích nhằm khảo sát toàn diện ảnh hưởng của từng thông số độc lập gồm áp lực ma sát, tốc độ quay và thời gian gia nhiệt. Lý do lựa chọn giải pháp mô phỏng số Ansys kết hợp phân tích phần tử hữu hạn là nhằm trực quan hóa trường nhiệt độ biến thiên phi tuyến theo thời gian từ 0 đến 32 giây, giúp tiết kiệm tối đa phôi mẫu thử nghiệm đắt tiền và kiểm soát chính xác độ dốc nhiệt độ.

Hệ thống thiết bị thực nghiệm chuyên dụng bao gồm máy hàn ma sát xoay tại phòng thí nghiệm REME với dải tốc độ 0 đến 1500 vòng/phút, áp lực dầu thủy lực 0 đến 100 bar và thời gian hãm dừng cực nhanh 0,7 giây. Nhiệt độ tại tâm mối hàn được đo kiểm bằng súng hồng ngoại FIRT 1600 của CHLB Đức với dải đo từ -50 độ C đến 1600 độ C và sai số dưới 2,5 độ C. Độ bền kéo cơ học được kiểm chứng trên máy kéo nén vạn năng WE-1000B có dải tải trọng lên tới 1000 kN với sai số tiêu chuẩn 1%. Toàn bộ lộ trình thu thập và xử lý dữ liệu được tiến hành trong chu kỳ 12 tháng năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã tìm ra bộ thông số công nghệ tối ưu cho cặp vật liệu AISI 1020 và AISI 304. Khi cài đặt tốc độ quay n = 1335 vòng/phút kết hợp áp lực ma sát P1 = 60 MPa và thời gian ma sát 21,3 giây, nhiệt độ tại tâm bề mặt tiếp xúc đạt giá trị 1169,9 độ C. Đây là mức nhiệt độ nung dẻo hoàn hảo, nằm sát dưới nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho quá trình khuếch tán nguyên tử.

Thứ hai, cơ tính mối hàn đạt độ tin cậy vượt trội. Kết quả thử nghiệm kéo phá hủy cho thấy giới hạn bền kéo của mối ghép đạt 94% so với độ bền kim loại cơ bản của thép các-bon AISI 1020. Mức cơ tính này tăng từ 25% đến 30% so với các chế độ hàn có áp lực ma sát thấp dưới mức 40 MPa.

Thứ ba, động thái gia nhiệt diễn ra theo quy luật phi tuyến rõ rệt. Trong 5 giây đầu tiên, nhiệt độ vùng tiếp xúc tăng vọt từ 22 độ C lên vượt mức 600 độ C, chiếm hơn 50% tổng lượng nhiệt cần đạt. Sau đó, tốc độ tăng nhiệt giảm dần và tiệm cận trạng thái ổn định ở khoảng 1150 độ C đến 1170 độ C từ giây thứ 20 trở đi.

Thứ tư, lượng giảm kích thước dọc trục biến thiên trong khoảng 2 mm đến 6 mm. Lượng biến dạng này tỷ lệ thuận với áp lực ma sát và thời gian hàn, giúp đẩy sạch hoàn toàn màng oxit và tạp chất bề mặt ra ngoài dưới dạng vành ba-via đồng đều.

Thảo luận kết quả

Sự phân bố trường nhiệt độ lệch về phía thép không gỉ AISI 304 do tính dẫn nhiệt của vật liệu này chỉ khoảng 16 W/mK, thấp hơn nhiều so với mức 50 W/mK của thép các-bon AISI 1020. Dòng nhiệt tích tụ mạnh tại đầu thanh inox làm lớp kim loại này nhanh chóng đạt trạng thái dẻo. Việc duy trì số vòng quay 1335 vòng/phút tạo ra mô-men xoắn đủ lớn để kích hoạt quá trình chuyển dịch pha và đan kết tinh thể mà không làm cháy biên hạt.

Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng được biểu diễn trực quan qua đồ thị gia nhiệt phi tuyến và các biểu đồ phân bố trường nhiệt độ 2D/3D trong không gian phôi. Bảng tổng hợp so sánh độ bền kéo giữa 7 chế độ thí nghiệm minh chứng rõ nét rằng thời gian ma sát ngắn dưới 15 giây khiến mối hàn thiếu nhiệt ngấu, trong khi thời gian kéo dài trên 30 giây làm hạt tinh thể bị thô hóa.

So với các công trình quốc tế cùng thời kỳ, nghiên cứu đã khắc phục triệt để sai số lý thuyết trong phương trình truyền nhiệt nghịch biến của một số tác giả tiền nhiệm. Đồng thời, tỷ lệ độ bền 94% của mối nối vượt xa mức hiệu suất 66,17% từng được công bố trong các nghiên cứu hàn thép không gỉ dị chất trước đây.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, ban hành và chuyển giao quy trình công nghệ hàn ma sát xoay chuẩn hóa với bộ thông số kỹ thuật gồm tốc độ quay 1335 vòng/phút, áp lực ma sát 60 MPa và thời gian gia nhiệt 21,3 giây cho các cơ sở chế tạo trục cơ khí. Giải pháp này giúp cắt giảm 35% chi phí gia công và nâng cao sản lượng từ quý 1 đến quý 3 năm tới, do nhóm kỹ sư công nghệ phối hợp cùng viện nghiên cứu thực hiện.

Thứ hai, ứng dụng mô hình số hóa truyền nhiệt trên phần mềm Ansys để dự báo trường nhiệt độ cho các chi tiết dạng trụ có đường kính lớn từ 25 mm đến 60 mm. Biện pháp này giúp giảm 80% thời gian thử nghiệm phôi thực tế trong thời gian 6 tháng triển khai, do các kỹ sư tính toán mô phỏng đảm nhiệm.

Thứ ba, nâng cấp hệ thống điều khiển máy hàn ma sát xoay bằng việc tích hợp cảm biến đo nhiệt hồng ngoại thời gian thực và van tỷ lệ thủy lực nhằm khống chế sai lệch nhiệt độ dưới 2% trong vòng 9 tháng, do các chuyên gia tự động hóa nhà máy chủ trì.

Thứ tư, thiết lập bộ tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng không phá hủy kết hợp kiểm tra độ bền kéo định kỳ với chỉ tiêu nghiệm thu đạt tối thiểu 90% cơ tính phôi cơ bản trong chu kỳ 12 tháng, do phòng quản lý chất lượng QA/QC phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư cơ khí và chuyên gia công nghệ hàn: Nắm bắt phương pháp tính toán chế độ công nghệ hàn ma sát xoay tối ưu, ứng dụng trực tiếp vào dây chuyền sản xuất chi tiết trục bơm dẫn môi chất ăn mòn đường kính 20 mm đạt độ bền kéo 94%.

Nhóm nhà khoa học và học viên cao học ngành luyện kim, kỹ thuật vật liệu: Kế thừa khung lý thuyết truyền nhiệt không ổn định và thuật toán giải số Ansys để mở rộng nghiên cứu cho các cặp vật liệu dị chủng phức tạp như nhôm với thép hoặc đồng với inox trong lộ trình 1 đến 2 năm.

Nhóm doanh nghiệp sản xuất phụ tùng công nghiệp và cơ khí chính xác: Khai thác giải pháp công nghệ mới nhằm thay thế phương pháp hàn hồ quang truyền thống, giúp tiết kiệm từ 30% đến 40% chi phí nhập khẩu cụm chi tiết máy đắt tiền.

Nhóm giảng viên và sinh viên kỹ thuật cơ khí: Sử dụng tài liệu làm học liệu tham khảo chuyên sâu cho các môn học công nghệ kim loại, tính toán mô phỏng nhiệt và thí nghiệm kiểm tra cơ tính trên máy thử tải 1000 kN.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao hàn ma sát xoay vượt trội hơn hàn nóng chảy khi ghép thép các-bon với thép không gỉ? Hàn ma sát xoay tạo liên kết ở trạng thái biến dạng dẻo dưới điểm nóng chảy, cụ thể ở mức nhiệt 1169,9 độ C. Nhờ không làm nóng chảy kim loại, phương pháp này loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nứt nóng, bọt khí và không cần dùng que hàn hay khí bảo vệ, giúp tiết kiệm hơn 30% chi phí sản xuất trong thực tế.

Làm thế nào để xác định chính xác thời gian ma sát khi hàn cặp vật liệu AISI 1020 và AISI 304? Thời gian ma sát tối ưu 21,3 giây được xác định bằng cách giải phương trình truyền nhiệt không ổn định trên Ansys và kiểm chứng qua súng đo nhiệt FIRT 1600. Khoảng thời gian này đảm bảo nhiệt lượng vượt ngưỡng 1150 độ C để khuếch tán kim loại hoàn hảo mà không làm biến dạng phôi quá mức hay gây thô hạt.

Những thông số công nghệ nào quyết định trực tiếp đến nhiệt độ mối hàn? Tốc độ quay trục chính n = 1335 vòng/phút và áp lực ma sát P1 = 60 MPa là hai yếu tố cốt lõi quyết định thông lượng nhiệt sinh ra tại mặt phân cách. Sự kết hợp chính xác giữa áp lực ma sát và áp lực rèn giúp tống khứ tạp chất oxit, đảm bảo mối nối đạt độ bền kéo thực tế bằng 94% kim loại cơ bản.

Mối hàn giữa thép các-bon và thép không gỉ có đảm bảo khả năng chịu lực kéo uốn không? Thử nghiệm trên máy kéo vạn năng WE-1000B với sai số dưới 1% chứng minh độ bền kéo mối hàn đạt 94% so với thép AISI 1020. Nhờ kiểm soát tốt hệ số tỏa nhiệt bề mặt 80 W/m2K, vùng ảnh hưởng nhiệt rất hẹp và không xuất hiện các vết nứt tế vi gây phá hủy giòn kết cấu.

Mô hình tính toán nhiệt trong nghiên cứu có thể áp dụng cho các kim loại khác không? Phương trình vi phân truyền nhiệt và thuật toán mô phỏng số hoàn toàn có thể áp dụng cho các cặp vật liệu khác như titan với inox hoặc nhôm với đồng. Kỹ sư chỉ cần thay đổi các thông số nhiệt vật lý đầu vào và hiệu chỉnh tốc độ quay từ 500 đến 2000 vòng/phút theo kích thước thanh phôi.

Kết luận

• Thiết lập thành công mô hình giải tích nguồn nhiệt ma sát và phương trình truyền nhiệt không ổn định cho cặp phôi trụ đường kính 20 mm.
• Xác định bộ thông số hàn ma sát xoay tối ưu gồm tốc độ quay 1335 vòng/phút, áp lực 60 MPa và thời gian ma sát 21,3 giây để đạt nhiệt độ 1169,9 độ C.
• Kiểm chứng thực nghiệm độ bền kéo mối ghép đạt 94% kim loại cơ bản trên hệ thống thử nghiệm tải trọng 1000 kN.
• Mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt khi giúp các doanh nghiệp tiết kiệm từ 30% đến 45% chi phí nguyên vật liệu chế tạo chi tiết máy.
• Đề ra định hướng phát triển trong 12 đến 24 tháng tới về việc tự động hóa kiểm soát nhiệt độ và mở rộng cho phôi đường kính trên 50 mm.

Hãy áp dụng ngay quy trình công nghệ hàn ma sát xoay tiên tiến này vào thực tiễn sản xuất để tối ưu hóa chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm cơ khí của bạn!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Giới thiệu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. - Chƣơng 1: Tổng quan Giới thiệu máy hàn ma sát, phương pháp hàn ma sát xoay, hàn ma sát hai vật liệu khác nhau, các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan. Trên cơ sở đó, phân tích tổng hợp để đi đến định hướng nghiên cứu. - Chƣơng 2: Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu Đề cập các nội dung nghiên cứu và thực hiện của đề tài cùng các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài.

- Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết Trình bày các cơ sở lý thuyết cần thiết, hệ thống công thức tính toán sử dụng trong đề tài. - Chƣơng 4: Kết quả nghiên cứu Xây dựng cơ sở lý thuyết, trình bày, phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu triển khai thực hiện đề tài. - Kết luận và kiến nghị; - Tài liệu tham khảo; - Phụ lục. 5 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu hàn ma sát 1.1 Lịch sử phát triển Vào năm 1891, quy trình sử dụng nhiệt trong hiện tƣợng ma sát để hàn nối dây dẫn điện lần đầu tiên đƣợc đăng ký bằng sáng chế tại Mỹ.

Sau đó một thời gian khá dài, đến tận những năm của thập niên 20 của thể kỷ XX, theo sau những nghiên cứu ở Anh, một số bằng sáng chế liên quan về hàn ma sát đã đƣợc đăng ký tại Đức. Nhờ những nền tảng ấy một loạt sáng chế đã đƣợc công bố trong khoảng từ 1941 đến 1944. Tới tận 1956, tại Liên Xô cũ, một bằng sáng chế về hàn ma sát đã đƣợc đăng ký. Nhờ những thành tựu này mà có hàng loạt nghiên cứu và ứng dụng trong sản xuất tại các nƣớc phát triển nhƣ ở Cộng Hòa Séc, Nhật, Anh, Mỹ, Đức, Liên Xô cũ [19].

Hàn ma sát ngày nay có hai phƣơng pháp hàn thông dụng là hàn ma sát khuấy và hàn ma sát xoay.2 Phạm vi ứng dụng Khi mới phát triển, hàn ma sát đã đƣợc đƣa vào ứng dụng để hàn nhiều sản phẩm trong ngành ô tô, xe máy. Cho đến nay, ứng dụng của hàn ma sát gia tăng nhanh chóng cả về số lƣợng và loại chi tiết trong nhiều ngành công nghiệp. Ngoài những ứng dụng để hàn nối kim loại đen, còn có rất nhiều ứng dụng vào việc hàn các vật liệu khác nhau đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp điện, hóa chất, hạt nhân, đóng tàu. Việc kết hợp những kim loại khác nhau chẳng hạn nhƣ nhôm với thép không gỉ hoặc thép hợp kim với đồng đang đƣợc ứng đụng rất nhiều vì tiết kiệm nguyên vật liệu và nguyên công lao động.

Trong ngành ô tô xe máy, phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng để chế tạo các trục truyền động nhƣ: trục các đăng, trục lái và các chi tiết khác. Trong ngành công nghiệp khai thác dầu-khí, thăm dò khoáng sản, phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng để chế tạo các thân van, mặt bích hàn vào thân van, liên kết các khớp vào trục khoan. Trong ngành hóa điện, hàn ma sát đƣợc ứng dụng vào sản xuất những mối nối 6 lƣỡng cực đƣợc dùng để cung cấp điện năng, hàn các móc treo nhôm vào chân đế kim loại, hàn hợp kim nhôm với ống thép không gỉ đƣợc sử dụng trong môi trƣờng lạnh. Trong lĩnh vực chế tạo dụng cụ cắt thì đƣợc ứng dụng để hàn nối thép gió và thép cacbon trung bình và nhiều loại vật liệu khác.

Trong ngành công nghiệp hạt nhân dùng để hàn zirconium với nhôm hoặc thép không gỉ, hoặc hàn nối kẽm với thép hợp kim hoặc thép không gỉ và hàn thép không gỉ với nhôm. Trong ngành công nghiệp hàng không thì đƣợc ứng dụng để hàn nối đĩa tua-bin hợp kim niken với trục của động cơ tua-bin khí, hàn nối đầu phun nhiên liệu trong động cơ phản lực. Trong ngành nông nghiệp và máy công cụ, phƣơng pháp này dùng để chế tạo trục cam, hàn nối bánh răng, đĩa xích với trục, bình chứa, bộ tản nhiệt,. Một số sản phẩm điển hình đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp hàn ma sát: a) Hàn ma sát khuấy nối hai tấm tản nhiệt b) Hàn ma sát khuấy nối bình chứa a) Hàn ma sát xoay nối trục, khớp b) Hàn ma sát xoay nốidụng cụ cắt Hình 1.1: Một số ứng dụng hàn ma sát [19] 7 1.3 Ƣu, nhƣợc điểm Hàn ma sát đƣợc ứng dụng rộng rãi nhờ vào những ƣu điểm sau: - Phƣơng pháp hàn thân thiện với môi trƣờng do quá trình hàn không phát sinh khói, khí thải, chất thải, kim loại văng tóe, hồ quang,.

- Không sử dụng que hàn, khí bảo vệ, thuốc hàn, dễ dàng điều khiển, kiểm soát các thông số hàn cơ bản, khả năng tự động hóa cao [6]; [7]. - Cho phép hàn các vật liệu khác nhau về cơ tính, hóa học, tính truyền nhiệt,… mà các phƣơng pháp hàn khác không thể thực hiện đƣợc. Mối liên kết chính xác, ít biến dạng nhiệt, độ bền mỏi cao hơn so với kim loại cơ bản [6]; [7]. - Vận hành dễ dàng, chi phí sản xuất thấp, chu kỳ hàn ngắn, khả năng lập lại cao nên khá kinh tế so với các phƣơng pháp hàn khác [7].

- Có thể ứng dụng tại mọi địa điểm, không đòi hỏi tay nghề ngƣời thợ hàn cao [7]. Bên cạnh các ƣu điểm trên thì hàn ma sát tồn tại những nhƣợc điểm sau [7]: - Chi tiết hàn thƣờng phải có dạng đối xứng, có thể quay quanh trục, chi tiết hàn cần đơn giản. - Chi phí đầu tƣ thiết bị cao, một số phụ tùng, linh kiện có giá thành cao nên khi ứng dụng vào sản xuất ngắn hạn có thể không kinh tế. - Một số chi tiết cần phải xử lý nhiệt trƣớc và sau khi hàn để tránh xuất hiện các khuyết tật nứt.

- Mối hàn thƣờng xảy ra các khuyết tật nhƣ thiếu ngấu, nứt,… - Một số vật liệu cần phải xử lý bề mặt trƣớc khi hàn nhƣ: nhôm, đồng,… 1.2 Hàn ma sát xoay 1.1 Định nghĩa và nguyên lý hoạt động 1.1 Định nghĩa Hàn ma sát xoay là một quá trình liên kết các chi tiết hàn nhờ năng lƣợng ma sát sinh ra khi các bề mặt chi tiết hàn chuyển động tƣơng đối với nhau dƣới tác động của lực ép. Khi đó, tại bề mặt tiếp xúc, nhiệt độ sinh ra nhờ năng lƣợng ma sát, làm nóng các bề mặt chi tiết đến trạng thái dẻo, cũng dƣới tác dụng của lực ép 8 làm cho kim loại khuếch tán vào nhau tạo thành mối hàn [6]. Nhƣ vậy quá trình hàn ma sát diễn ra ở nhiệt độ dƣới nhiệt độ nóng chảy [7] .2 Nguyên lý hoạt động Về cơ bản, quá trình hàn ma sát xoay đƣợc thực hiện nhƣ sau [6]: - Một chi tiết chuyển động quay tròn và một chi tiết đối diện đƣợc cố định đồng trục với chi tiết quay (hình 2.3A) - Khi đạt đến một tốc độ xác định, hai chi tiết tiếp xúc với nhau dƣới tác dụng của lực dọc trục (hình 2.3B) - Sự 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 hàn, (hình 2.3C) - Lúc này chuyển động quay dừng, lực ép dọc trục đƣợc duy trì hoặc tăng thêm trong một khoảng thời gian giúp mối hàn đƣợc hình thành (hình 2.2: Các bước cơ bản của kỹ thuật hàn ma sát xoay[6] 1.2 Thiết bị hàn ma sát xoay Thiết bị hàn ma sát không yêu cầu khắt khe về môi trƣờng làm việc và đƣợc sử dụng rộng rãi trong các nhà máy. Chúng đƣợc chế tạo phụ thuộc vào từng ứng dụng hàn cụ thể và phải đảm bảo các điều kiện về độ chính xác, ổn định [17].

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 1.3: Sơ đồ kết cấu của một máy hàn ma sát xoay điển hình [19] Tùy thuộc vào từng ứng dụng hàn của thiết bị mà các thông số nhƣ: áp lực, tốc độ quay, và thời gian hàn cần đƣợc lựa chọn phù hợp với từng thiết kế. Các thông số khác cũng ảnh hƣởng đến thiết kế nhƣ tốc độ ép trong trong giai đoạn ma sát, mức độ giảm kích thƣớc dài của chi tiết trong quá trình ma sát, thời gian dừng quay, điểm đặt áp lực hàn (hình thành mối hàn), ứng suất và mô-men quán tính. Việc thay đổi của các thông số hàn cần đƣợc kiểm tra khi máy đang hoạt động.3 Quá trình hàn ma sát xoay Hàn ma sát xoay bao gồm hai trục đƣợc bố trí đồng tâm với nhau, một trục quay đƣợc truyền động từ động cơ với tốc độ không đổi, trục còn lại có thể quay ngƣợc chiều hoặc đứng yên đƣợc cho tiếp xúc với nhau bởi một lực ép dọc trục trong một khoảng thời gian nhất định nhằm tạo ma sát ở vùng tiếp xúc, qua đó phát sinh nhiệt.

Chuyển động quay đƣợc 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 khuyếch tán kim loại của hai vật hàn từng bƣớc hình thành nên mối hàn. Sau một khoảng thời gian, chuyển động quay dừng lại trong khi áp lực đƣợc duy trì hoặc tăng thêm để đảm bảo mối hàn đƣợc hình thành hình 1. Nguyên lý của máy và các giai đoạn của quá trình hàn ma sát xoay đƣợc trình bày ở hình 1. 10 1 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 1.4: Nguyên lý thiết bị hàn ma sát xoay [17]  Lực hướng trục 1) Lượng giảm kích thước dọc trục  Lượng giảm kích thước theo của quá trình hàn ma sát phương dọc trục 2) Thời gian ma sát  Tốc độ quay 3) Thời gian hãm 4) Thời gian hình thành mối hàn 5) Lượng giảm kích thước dọc trục của quá trình hàn ma sát Hình 1.5: Các giai đoạn hình thành mối hàn khi hàn ma sát xoay [6] 11 1.1 Các giai đoạn xảy ra trong quá trình ma sát Quá trình hàn ma sát xoay có thể đƣợc chia thành ba giai đoạn chính nhƣ sau: giai đoạn ma sát (friction phase), giai đoạn dừng (stopping phase) và giai đoạn hình thành mối hàn (forge phase). Các giai đoạn này đƣợc vận hành theo các mức độ yêu cầu để đảm bảo hình thành mối hàn đạt chất lƣợng mong muốn [17], [8]. Giai đoạn ma sát: Giai đoạn này bắt đầu khi hai bề mặt của chi tiết tiếp xúc với nhau đến khi tốc độ trục chính đƣợc ngắt. Giai đoạn này đƣợc quyết định bởi ba thông số: tốc độ quay, áp lực tạo ma sát và thời gian ma sát.