Chương 1. 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 phần 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 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. 1 Cơ năng chuyển Vật liệu vùng hàn Vật liệu tại vùng thành nhiệt năng dẻo. hàn khuyết tán vào nhau dưới lực ép.
1: Sơ đồ nhiệt sinh ra trong quá trình ma sát.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 lượng 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). 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 được ép vào nhau tạo mối hàn. 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.
3 Hai chi tiết được hàn bằng ma sát đường. 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. 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.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 ép xuống mối hàn nhờ vai của dao. Hàn ma sát đảo được ứng dụng hàn các hai tấm phẳng hoặc đường ống, tuy nhiên phương pháp này giới hạn mặt cắt chi tiết tại mối hàn phải đạt chiều dày nhất định và bề mặt tại mối hàn của hai chi tiết phải nằm trên một mặt phẳng. 4: Sơ đồ ma sát khuấy (ngoái). 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.
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.
Nhược điểm: - Có hố lõm cuối đường hàn. - Thiết bị đắt tiền. 4 - Cần phải đỡ ở mặt đối diện.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 đều có 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. 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. Nhược điểm: - Lượng chùn của kim loại mối hàn lớn.
- Phải gia công cơ khí sau hàn. - Thiết bị đắt tiền. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới. 5 Theo tài liệu Hiệp Hội Hàn của Mỹ, hàn ma sát xoay được cấp bằng sáng chế năm 1891.
Trong những năm 1920 đến 1942 hàng loạt bằng sáng chế công nghệ hàn ma sát xoay được cấp tại Châu Âu và tại Liên Xô là năm 1956. Trong thập niên 60 của thế kỷ XX, hàn ma sát xoay phát triển mạnh mẽ tại Mỹ. Đặt biệt trong thời kỳ chiến tranh lạnh, hàn ma sát nói chung và hàn ma sát xoay nói riêng được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật quân sự. Hầu hết thiết bị được sản xuất trong giai đoạn này do các công ty AMF, Caterpillar, và Rockwell International nghiên cứu chế tạo.
Ngày nay, hàn ma sát xoay được phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp chế tạo. Tại các trường đại học, rất nhiều nghiên cứu về hàn ma sát xoay đã được thực hiện ở nhiều khía cạnh khác nhau. Có vài nghiên cứu chuyên sâu về ma sát xoay đã được thực hiện trên thế giới. Máy hàn ma sát xoay: - “Friction Welding on Lathe Machine with special Fixture” do Gourav sardana bộ môn kỹ thuật cơ khí và phó giáo sư Ajay Lohan viện công nghệ và quản trị Om, Hissar Ấn Độ.
Đã nghiên cứu đồ gá đặt biệt hàn ma sát trên máy tiện. Đăng trên Tạp chí khoa học kỹ thuật và đổi mới công nghệ (IJIET). - “Fabrication of Friction Welding on Centre Lathe: A Case Study” Một nghiên cứu sự chế tạo của hàn ma sát trên máy tiện có mũi tâm () do Jagroop Singh, Karamdeep Singh bộ môn kỹ thuật cơ khí, ACEM, K apur thala, Punjab, Ấn Độ. Đã nghiên cứu hàn ma sát xoay trên máy tiện có mũi chống tâm.
Đăng trên tạp chí Quốc tế về nghiên cứu kỹ thuật công nghệ cơ khí. 146 InternatIonal Journal of research In MechanIcal Engineering & Technology (IJRMET) Vol. 4, Issu E2, May- October 2014. - “Design and Development of Micro Friction Welding Machine and Investigation of Welding Parameters for Similar Materials” do P A Thakare, Lt Randheer Singh đã Thiết kế và phát triển vi máy hàn ma sát xoay và thực nghiệm 6 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, June-2014.
Hiện tượng cơ nhiệt trong quá trình hàn ma sát xoay: - “Thermo-mechanical phenomena in the process of friction welding of corundum ceramics and aluminium” do Z. Wosin Ski, và J. Zimmerman thực hiện tại khoa thiết kế chế tạo trường đại học Warsaw Phần Lan đã nghiên cứu Hiện tượng cơ-nhiệt trong quá trình hàn ma sát đối với gốm sứ corundum và nhôm; - “A Study on the Effect of External Heating of the Friction Welded Joint” do Ruma Mohd Abdul Wahed, Mohammed Farhan thực hiện. Đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt bên ngoài mối hàn ma sát đăng trên Tạp chí quốc tế về công nghệ mới nổi và kỹ thuật cao, Volume 3, Issue 5, May 2013.
- “Experimental study on the effect of heating time on mechanical properties of nylon-6 joints produced by friction welding” do Jatinder Gill, Jagdev Singh Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian gia nhiệt trên tính chất cơ học của sản phẩm khớp nối nylon bởi hàn ma sát đăng trên Tạp chí quốc tế về nghiên cứu kỹ thuật nâng cao và nghiên cứu khoa học E-ISSN2249–8974. - “Experimental Determination of Temperature during Rotary Friction Welding of Dissimilar Materials” do Eder Paduan Alves, Chen Ying AN, Francisco Piorino Neto, Eduardo dos Ferro Santos4, 2012 tiến hành Thực nghiệm xác định nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát xoay của các vật liệu khác nhau đăng tên tạp chí nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. - “Study of Heat Affected Zone (HAZ) in Friction Welding Process” do Ali Moarrefzadeh, thành viên khoa kỹ thuật cơ khí, Mahshahr Branch, trường đại học hồi giáo Azad, Mahshahr, Iran, đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt trong quá trình hàn ma sát, đăng trên tạp chí cơ khí 2012. 7 - “Experimental determination of temperature during rotary friction welding of aa1050 aluminum with aisi 304 stainless steel” do Eder Paduan Alves, Francisco Piorino Neto, Chen Ying An, Euclides Castorino da Silva đã tiến hành Khảo sát thực nghiệm nhiệt độ Trong thời gian hàn ma sát xoay của AA1050 nhôm với AISI 304 thép không gỉ c.