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

Chuyên khảo 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 các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hàn
• 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

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
• 0.3. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
• 0.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 0.5. Kết cấu luận văn
• 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
• 4.2.2. Xây dựng phương trình truyền nhiệt
• 4.2.3. Tính toán hệ số trao đổi nhiệt phức tạp h
• 4.2.4. Xác định nhiệt độ hàn
• 4.2.5. Giải bài toán truyền nhiệt ổn định bằng giải tích và phương pháp số
• 4.2.6. 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 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
• 4.4.2. Đánh giá chất lượng mối hàn thí nghiệm đợt 1
• 4.4.2.1. Công tác chuẩn bị mẫu
• 4.4.2.2. Kết quả kiểm tra độ bền kéo của mối hàn và kim loại cơ bản
• 4.4.2.2.1. Kết quả kiểm tra độ bền kéo của thép các-bon AISI 1020
• 4.4.2.2.2. Kết quả kiểm tra độ bền kéo của thép không gỉ AISI 304
• 4.4.2.2.3. Kết quả kiểm tra độ bền kéo của mối hàn
• 4.4.3. Bố trí thí nghiệm đợt 2
• 4.4.3.1. Bố trí thí nghiệm ở chế độ 4
• 4.4.3.2. Bố trí thí nghiệm ở chế độ 5
• 4.4.3.3. Đánh giá chất lượng mối hàn thí nghiệm đợt 2
• 4.4.4. Bố trí thí nghiệm đợt 3
• 4.4.4.1. Bố trí thí nghiệm ở chế độ 6
• 4.4.4.2. Bố trí thí nghiệm ở chế độ 7
• 4.4.4.3. 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 xác định nhiệt độ hàn hiệu quả

Nghiên cứu xác định nhiệt độ hàn là một trong những yếu tố quan trọng trong quá trình hàn ma sát xoay. Nhiệt độ này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn mà còn quyết định đến các thông số hàn khác. Việc hiểu rõ về cơ chế sinh nhiệt và truyền nhiệt trong quá trình hàn sẽ giúp tối ưu hóa quy trình hàn giữa hai vật liệu khác nhau.

1.1. Cơ chế sinh nhiệt trong hàn ma sát

Cơ chế sinh nhiệt khi hàn ma sát xoay liên quan đến lực ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc. Nhiệt độ sinh ra từ ma sát sẽ làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc, tạo điều kiện cho việc kết nối hai vật liệu khác nhau.

1.2. Tầm quan trọng của nhiệt độ hàn

Nhiệt độ hàn không chỉ ảnh hưởng đến độ bền của mối hàn mà còn quyết định đến khả năng dẫn nhiệt và cấu trúc kim loại của vật liệu. Việc xác định chính xác nhiệt độ hàn là cần thiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

II. Thách thức trong việc xác định nhiệt độ hàn giữa hai vật liệu khác nhau

Việc xác định nhiệt độ hàn khi hàn hai vật liệu khác nhau gặp nhiều thách thức. Sự khác biệt về thành phần hóa học và tính chất vật lý của các vật liệu này có thể dẫn đến sự khác biệt lớn trong nhiệt độ nóng chảy và khả năng dẫn nhiệt.

2.1. Khó khăn trong việc giải bài toán truyền nhiệt

Bài toán truyền nhiệt không ổn định trong quá trình hàn ma sát xoay là một thách thức lớn. Cần phải có các phương pháp tính toán chính xác để xác định nhiệt độ hàn trong điều kiện không ổn định.

2.2. Ảnh hưởng của thông số hàn đến nhiệt độ

Các thông số như số vòng quay, áp lực ma sát và thời gian ma sát đều có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ hàn. Việc tối ưu hóa các thông số này là cần thiết để đạt được kết quả hàn tốt nhất.

III. Phương pháp xác định nhiệt độ hàn hiệu quả

Để xác định nhiệt độ hàn một cách chính xác, cần áp dụng các phương pháp tính toán và mô phỏng hiện đại. Việc sử dụng phần mềm như ANSYS giúp giải quyết bài toán truyền nhiệt một cách hiệu quả.

3.1. Sử dụng phần mềm ANSYS trong mô phỏng

Phần mềm ANSYS cho phép mô phỏng quá trình truyền nhiệt trong hàn ma sát xoay, từ đó xác định được nhiệt độ hàn cần thiết cho từng loại vật liệu.

3.2. Xây dựng phương trình truyền nhiệt

Xây dựng phương trình truyền nhiệt không ổn định là bước quan trọng trong việc xác định nhiệt độ hàn. Phương trình này giúp mô tả sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian và không gian trong quá trình hàn.

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

Kết quả nghiên cứu về nhiệt độ hàn có thể được áp dụng trong thực tiễn sản xuất, đặc biệt là trong ngành công nghiệp chế tạo máy. Việc xác định chính xác chế độ hàn sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

4.1. Kết quả thực nghiệm và đánh giá

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng phương pháp xác định nhiệt độ hàn đã mang lại hiệu quả cao, với độ bền của mối hàn đạt 94% so với kim loại cơ bản.

4.2. Tính khả thi trong sản xuất

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp xác định nhiệt độ hàn có thể giúp các doanh nghiệp tiết kiệm chi phí và nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu về nhiệt độ hàn

Nghiên cứu về nhiệt độ hàn và ảnh hưởng của các thông số đến nhiệt độ hàn khi hàn hai vật liệu khác nhau đã mở ra nhiều hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo. Việc tối ưu hóa quy trình hàn sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất.

5.1. Tương lai của nghiên cứu hàn ma sát

Nghiên cứu trong lĩnh vực hàn ma sát xoay sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều ứng dụng mới trong công nghiệp chế tạo và sản xuất.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các vật liệu mới và các phương pháp hàn khác nhau để tối ưu hóa quy trình hàn và nâng cao chất lượng sản phẩm.

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.