Nghiên cứu xác định nhiệt độ hàn và ảnh hưởng của các thông số đến nhiệt độ hàn khi hàn hai vật ...

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

TÓM TẮT Chế độ hàn ma sát xoay bao gồm nhiều thông số, trong đó nhiệt độ hàn là thông số có ý nghĩa quan trọng và là cơ sở để xác định các thông số khác. Tuy nhiên, việc xác định nhiệt độ hàn khi hàn ma sát xoay hai vật liệu khác nhau khá khó khăn, mất nhiều thời gian do phải giải bài toán truyền nhiệt không ổn định. Luận văn “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” đã đƣợc triển khai thực hiện với định hƣớng đề xuất một cách thức tính toán nhiệt hàn, xác định chế độ hàn ma sát xoay với các nội dung: - Cơ chế sinh nhiệt và truyền nhiệt khi hàn ma sát xoay hai vật liệu khác nhau - Đề xuất cách thức giải bài toán truyền nhiệt không ổn định - Xác định chế độ hàn khi hàn ma sát xoay - Thực nghiệm và đánh giá kết quả Kết quả đã đạt đƣợc: - Xây dựng phƣơng trình sinh nhiệt khi hàn ma sát xoay hai chi tiết hình trụ  2 R 3 q P1n 45 - Xây dựng phƣơng trình truyền nhiệt không ổn định khi hàn ma sát xoay.  2 1  hp k  m 2   ; với  m 2 ;   ;  T  T x 2  t kA C - Giải phƣơng trình truyền nhiệt không ổn định bằng phần mềm Ansys. Từ kết quả mô phỏng cho thấy để đạt đến nhiệt độ 1169,9oC, ta cần chọn số vòng quay n= 1335 (vòng/phút) áp lực ma sát P1=60 (MPa), thời gian ma sát 21.3 (s) - Ở chế độ hàn thực nghiệm độ bền của mối hàn bằng 94% độ bền của kim loại cơ bản. iv ABSTRACT The process of rotary friction welding includes many parameters. In this ones, the welding temperature is an important parameter from that we can determine the other parameters. However, it is so difficult to determine the welding temperature when we conduct the friction welding between two different materials, because the response from unsteady heat transfer equation is complex Thesis "Research on determine the welding temperature and influence of the other parameters on welding temperature when welding two different materials" has been proposed with the orientation to show the method for calculating welding teaperature, the friction welding’s mode is determined with the contents: - Build the mechanism of heat generation equation and heat transfer when two different materials were welded each other by rotary friction welding method. - Suggest the way to solve the unsteady heat transfer equation. - Determine the pertinent rotary friction welding parameter - Conduct the experiment and comment the result. Results: - Build the heat flux generation equation when two cylindrical parts were welded by the rotary friction welding.  2 R 3 q P1n 45 - Build the transient heat transfer equation when welded by rotary friction welding .  2 1  hp k  m 2   ; với  m 2 ;   ;  T  T x 2  t kA C - Solve the transient heat transfer by the ansys software support, to reach 1169,9oC, we need to set up the parameters as below: the turn n= 1335 (rpm), friction pressure P1=60 (MPa), friction time 21. At the finding parameters, the UTS analys show that the strength of welding joint is equal 0.94 strength of base material. v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC . i LỜI CAM ĐOAN . ii LỜI CẢM ƠN . vi DANH SÁCH CÁC HÌNH .x DANH SÁCH BẢNG . xiii MỞ ĐẦU . Tính cấp thiết của đề tài . Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài . Mục tiêu nghiên cứu đề tài . Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài . Kết cấu luận văn .5 Chƣơng 1 TỔNG QUAN .1 Giới thiệu hàn ma sát .1 Lịch sử phát triển .2 Phạm vi ứng dụng.3 Ƣu, nhƣợc điểm .2 Hàn ma sát xoay .1 Định nghĩa và nguyên lý hoạt động .2 Nguyên lý hoạt động .2 Thiết bị hàn ma sát xoay.3 Quá trình hàn ma sát xoay .1 Các giai đoạn xảy ra trong quá trình ma sát .2 Ảnh hƣởng của các thông số đến chất lƣợng mối hàn .3 Hàn ma sát hai vật liệu khác nhau .4 Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .1 Các nghiên cứu trong nƣớc .2 Nghiên cứu ngoài nƣớc .1 Hàn ma sát xoay cặp vật liệu thép các-bon và thép không gỉ .2 Các nghiên cứu về nhiệt hàn khi hàn ma sát xoay .5 Ý kiến thảo luận và đề xuất nhiệm vụ của đề tài .1 Ý kiến thảo luận .2 Đề xuất nhiệm vụ của đề tài .25 Chƣơng 2 NỘI DUNG VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .1 Nội dung nghiên cứu .2 Phƣơng pháp nghiên cứu .1 Phƣơng pháp kế thừa .2 Phƣơng pháp thu thập thông tin .3 Phƣơng pháp tính toán.4 Phƣơng pháp nghiên cứu phục vụ thực nghiệm .1 Vật liệu và trang thiết bị thực nghiệm .27 Chƣơng 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Cơ sở lý thuyết sinh nhiệt do ma sát.2 Đinh luật truyền nhiệt Fourier .3 Trao đổi nhiệt đối lƣu .3 Bức xạ nhiệt .5 Định luật Flank .6 Định luật Stefan-Boltzman về bức xạ nhiệt .33 Chƣơng 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .1 Nghiên cứu cơ chế sinh nhiệt khi hàn ma sát xoay .2 Tính toán nhiệt sinh ra khi hàn ma sát .2 Xác định nhiệt độ hàn, lực ma sát và số vòng quay .1 Xây dựng phƣơng trình truyền nhiệt .2 Tính toán hệ số trao đổi nhiệt phức tạp h .3 Xác định nhiệt độ hàn .4 Giải bài toán truyền nhiệt ổn định bằng giải tích và phƣơng pháp số .5 Xác định chế độ hàn .3 Tính toán thời gian ma sát .1 Xây dựng phƣơng trình truyền nhiệt không ổn định .2 Giải bài toán truyền nhiệt truyền nhiệt không ổn định bằng phƣơng pháp giải tích và phƣơng pháp số.4 Thực nghiệm hàn ma sát xoay cặp vật liệu thép các-bon AISI 1020– không gỉ AISI 304.4 Bố trí thí nghiệm đợt 1.1 Bố trí thí nghiệm ở chế độ 1.2 Bố trí thí nghiệm ở chế độ 2.3 Bố trí thí nghiệm ở chế độ 3.5 Đánh giá chất lƣợng mối hàn thí nghiệm đợt 1.1 Công tác chuẩn bị mẫu: .2 Kết quả kiểm tra độ bền kéo của mối hàn và kim loại cơ bản .1 Kết quả kiểm tra độ bền kéo của thép cácbon AISI 1020 .2 Kết quả kiểm tra độ bền kéo của thép không gỉ AISI 304 .3 Kết quả kiểm tra độ bền kéo của mối hàn .6 Bố trí thí nghiệm đợt 2.1 Bố trí thí nghiệm ở chế độ 4.2 Bố trí thí nghiệm ở chế độ 5.3 Đánh giá chất lƣợng mối hàn thí nghiệm đợt 2.7 Bố trí thí nghiệm đợt 3.1 Bố trí thí nghiệm ở chế độ 6.2 Bố trí thí nghiệm ở chế độ 7.8 Đánh giá chất lƣợng mối hàn thí nghiệm đợt 3.69 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .73 TÀI LIỆU THAM KHẢO .75 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Một số ứng dụng hàn ma sát [19] .2: Các bƣớc cơ bản của kỹ thuật hàn ma sát xoay[6] .3: Sơ đồ kết cấu của một máy hàn ma sát xoay điển hình [19] .4: Nguyên lý thiết bị hàn ma sát xoay [17] .5: Các giai đoạn hình thành mối hàn khi hàn ma sát xoay [6] .6: Khả năng hàn ma sát các vật liệu khác nhau [6] .7: Ba dạng mối ghép khi hàn thực nghiệm [5] .8: Kết quả kiểm tra độ bền kéo mối hàn .9: Mối hàn thực nghiệm và biểu đồ về lƣợng rút ngắn chiều dài theo hƣớng trục .1: Dụng cụ đo nhiệt độ FIRT 1600 .2: Máy hàn ma sát xoay .3: Máy kéo uốn WE-1000B .1: Tỉ lệ nhiệt lƣợng sinh ra tại mối hàn .2: Quá trình truyên nhiệt ổn định [11] .3: Giản đồ pha Fe – C [9] .4: Giản đồ trạng thái Fe-Cr-Ni [2] . Mối quan hệ giữa các pha rắn đến loại cấu tử[2] .6 Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-18%Cr-8%Ni với sự khác nhau của thành phần C [20] . Hình ảnh chia lƣới khi mô phỏng quá trình truyền nhiệt ổn định . Xác lập các điều kiện biên khi mô phỏng quá trình truyền nhiệt . Hộp thoại nhập thông số khi mô phỏng cho thép các-bon AISI 1020– không gỉ AISI 304 ở trạng thái truyền nhiệt ổn định . Kết quả mô phỏng hàn ma sát xoay cặp vật liệu thép các-bon AISI 1020 – thép không gỉ AISI 304 ở trạng thái truyền nhiệt ổn định ứng với tỉ lệ nhiệt lƣợng q = 292.11 Quá trình truyền nhiệt không ổn định [18] . Hộp thoại nhập thông số khi mô phỏng cho thép các-bon AISI 1020– không gỉ AISI 304 ở trạng thái truyền nhiệt không ổn định.13 Kết quả mô phỏng trong thời gian 32 (s) khi hàn ma sát xoay giữa thép các-bon AISI 1020 và thép không gỉ AISI 304 .14: Kết quả mô phỏng hàn ma sát xoay giữa thép các-bon AISI 1020 và thép không gỉ AISI 304 ứng với thời gian ma sát 32(s), tỉ lệ nhiệt lƣợng q=877,5 (W) .15: Mẫu thí nghiệm phân tích thành phần hóa học .16 Mẫu thí nghiệm .17: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian ma sát khi hàn ở chế độ 1 .18: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian ma sát khi hàn ở chế độ 2 .19: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian ma sát khi hàn ở chế độ 3 .20: Bản vẽ mẫu thí nghiệm .21: Mẫu thí nghiệm kiểm tra cƣờng độ kéo của mối hàn thép các bon và thép không gỉ 304 .22: Hình ảnh mẫu thép sau khi kiểm tra cƣờng độ kéo thép các bon AISI 1020 .23: Hình ảnh mẫu thép sau khi kiểm tra cƣờng độ kéo thép không gỉ AISI 304 .24 Hình ảnh mẫu thép sau khi kiểm tra cƣờng độ kéo của mối hàn thép các-bon AISI 1020 và thép không gỉ AISI 304 .25: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian ma sát khi hàn ở chế độ 4 .26: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian ma sát khi hàn ở chế độ 5 .27: Hình ảnh mẫu thép sau khi kiểm tra cƣờng độ kéo của mối hàn thép các- bon AISI 1020 và thép không gỉ AISI 304 .28: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian ma sát khi hàn ở chế độ 6 .29: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian ma sát khi hàn ở chế độ 7 .30: Hình ảnh mẫu thép sau khi kiểm tra cƣờng độ kéo của mối hàn thép các bon và thép không gỉ 304.1: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian ma sát khi mô phỏng quá trình hàn ma sát thép các-bon AISI 1020 và thép không gỉ AISI 304.2: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian ma sát khi hàn ma sát thép các-bon AISI 1020 và thép không gỉ AISI 304 .73 xii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.