Tài liệu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chất lượng mối hàn ma sát quay cho hai vật liệu khác nhau

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- HUỲNH VINH LỢI ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CHÍNH ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN MA SÁT QUAY CHO HAI VẬT LIỆU KHÁC NHAU Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số:60.52.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. LƯU PHƯƠNG MINH ....................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS. LƯU THANH TÙNG ..................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. PHẠM SƠN MINH ................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . . Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. PGS. TS. NGUYỄN HỮU LỘC…….….………… 2. PGS. TS. TRẦN DOÃN SƠN ……………………. 3. PGS. TS. LƯU THANH TÙNG ….………………. 4. TS. PHẠM SƠN MINH …………………………... 5. TS. HỒ TRIẾT HƯNG ……………………………. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HUỲNH VINH LỢI MSHV: 13041059 Ngày, tháng, năm sinh: 12/01/1980 Nơi sinh: An Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số : 60520103 I. TÊN ĐỀ TÀI: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CHÍNH ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN MA SÁT QUAY CHO HAI VẬT LIỆU KHÁC NHAU II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của hàn ma sát quay. - Nghiên cứu các thông số chính ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát quay của Thép kết cấu C45 và Thép dụng cụ HSS. - Thực nghiệm hàn ma sát quay trên hai vật liệu trên. -Đánh giá kết quả và đưa ra nhận xét của quá trình nghiên cứu. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/2017 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. LƯU PHƯƠNG MINH Tp. HCM, ngày …. tháng ….. năm ……… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên và chữ ký) LỜI CẢM ƠN Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến Thầy TS. Lưu Phương Minh là một người thầy rất tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn học viên và truyền đạt những kiến thức, những kinh nghiệm của thầy trong suốt quá trình dạy học và hướng dẫn tôi thực hiện đề tài luận văn này. Cám ơn các bạn học viên cùng khóa 2013 đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên tôi trong thời gian học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn. Bên cạnh đó, tôi cũng xin gởi lời cám ơn đến quý Thầy, Cô của Khoa Cơ khí đã giảng dạy và truyền đạt những kiến thức, những kinh nghiệm thực tế trong suốt thời gian tôi tham gia học tập tại trường. Xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm, ủng hộ tôi trong thời gian qua. Tôi tin rằng có thể tiếp tục phát huy những kết quả đạt được trong thời gian qua để đóng góp cho nơi công tác và cho cộng đồng. Trân trọng biết ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 11 năm 2017 HUỲNH VINH LỢI I TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày các thông số công nghệ chính ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát quay cho hai vật liệu khác nhau. Đối tượng được nghiên cứu là Thép kết cấu C45 và Thép dụng cụ HSS bằng phương pháp thực nghiệm hàn ma sát trên máy hàn ma quay. Dựa trên các kết quả nghiên cứu để kiểm tra và đánh giá chất lượng mối hàn. Qua đó đề xuất các biện pháp hữu hiệu nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm và các hướng nghiên cứu tiếp theo cho công nghệ hàn ma sát quay đối với các loại vật liệu khác nhau. ABSTRACT The thesis presents the main technology parameters affecting the quality of rotation friction welding for two different materials. The object being studied is structural Steel C45 and high speed steel HSS by experimental research method of friction welding on rotation friction welding machine. Based on the results of research to test and evaluate the quality of welds. Then the proposes effective measures to improve product quality and further research directions for rotary friction welding technology for different material types. II LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Huỳnh Vinh Lợi , tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy TS. Lưu Phương Minh. Các số liệu và các kết quả nêu trong luận văn hoàn toàn trung thực do chính tôi thu thập và xây dựng. Tài liệu tham khảo và nội dung trích dẫn đảm bảo tính nguyên bản với nguồn gốc rõ ràng. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Tp HCM, ngày 29 tháng 11 năm 2017 Tác giả luận văn HUỲNH VINH LỢI III MỤC LỤC Lời cảm ơn .......................................................................................................... I Tóm tắt luận văn thạc sĩ .....................................................................................II Lời cam đoan .................................................................................................... III Mục lục............................................................................................................. IV Danh mục hình vẽ ........................................................................................... VII Danh mục bảng biểu......................................................................................... IX Chương 1 : Mở đầu .......................................................................................... 1 1.1 Lý do chọn đề tài...................................................................................... 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................ 1 1.3 Đối tượng nghiên cứu .............................................................................. 1 1.4 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 2 1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................. 2 Chương 2: Tổng quan ...................................................................................... 3 2.1 Giới thiệu về công nghệ hàn ma sát ......................................................... 3 2.1.1 Lịch sử phát triển ............................................................................... 3 2.1.2 Định nghĩa hàn ma sát ....................................................................... 4 2.1.3 Các từ khóa của hàn ma sát ............................................................... 4 2.1.4 Các phương pháp hàn ma sát ............................................................. 5 2.1.5 Ưu nhược điểm của hàn ma sát.......................................................... 7 2.2 Phạm vi ứng dụng của hàn ma sát quay................................................... 8 2.3 Các nghiên cứu liên quan.................................................................... 11 2.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................. 11 2.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................... 13 2.4 Sự kết hợp các loại vật liệu trong hàn ma sát ........................................ 14 2.5 Giới thiệu về máy hàn ma sát quay ........................................................ 16 2.6 Kết luận ................................................................................................. 18 Chương 3: Cơ sở lý thuyết hàn ma sát quay ............................................... 19 3.1 Khái niệm ............................................................................................... 19 3.2 Phân loại ................................................................................................. 19 3.3 Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 22 IV 3.4 Các bước trong quá trình hàn ma sát ..................................................... 23 3.5 Các giai đoạn trong quá trình hàn ma sát............................................... 25 3.6 Các chuyển động quay trong hàn ma sát ............................................... 27 3.7 Các kiểu hình dạng chi tiết và mối hàn .................................................. 28 3.8 Các khuyết tật mối hàn .......................................................................... 29 3.8.1 Thiếu liên kết ................................................................................... 29 3.8.2 Vết nứt.............................................................................................. 30 3.8.3 Lớp kẹp phi kim loại ....................................................................... 31 3.8.4 Pha tích tụ liên kim loại ................................................................... 32 3.9 Sự phối hợp vật liệu trong hàn ma sát quay........................................... 32 3.9.1 Hai chi tiết cùng đặt tính vật liệu ..................................................... 32 3.9.2 Hai chi tiết khác đặt tính vật liệu ..................................................... 33 3.10 Phân tích nhiệt...................................................................................... 33 3.10.1 Tính toán đầu vào nhiệt hàn ma sát ............................................... 34 3.10.2 Phân bố nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát ................................. 35 3.10.3 Phương trình cho mô hình truyền nhiệt ......................................... 36 3.10.4 Nghiên cứu dòng nhiệt .................................................................. 38 3.10.5 Công thức cho giải pháp phân tích phương trình nhiệt ................. 39 Chương 4: Các thông số và các phương pháp kiểm tra hàn ma sát quay 41 4.1 Các thông số của hàn ma sát kim loại .................................................... 41 4.2 Các thông số chính của hàn ma sát quay ............................................... 42 4.3 Ảnh hưởng của các thông số đến hàn ma sát quay ................................ 44 4.4 Các phương pháp kiểm tra mối hàn ....................................................... 49 4.4.1 Kiểm tra bằng phương pháp phá hủy............................................... 50 4.4.2 Kiểm tra bằng phương pháp không phá hủy.................................... 53 Chương 5: Thực nghiệm hàn ma sát quay .................................................. 58 5.1 Nghiên cứu thực nghiệm ........................................................................ 58 5.1.1 Xác định các thông số hàn ............................................................... 58 5.1.2. Vật liệu thực nghiệm....................................................................... 58 5.1.3 Thiết bị thực nghiệm ........................................................................ 62 V 5.2 Các bước thực hiện thực nghiệm ........................................................... 63 5.3 Tiến hành thực nghiệm .......................................................................... 65 5.3.1 Chuẩn bị vật liệu .............................................................................. 65 5.3.2 Gá đặt phôi ....................................................................................... 65 5.3.3 Cài đặt thông số cho máy................................................................. 66 5.3.4 Tiến hành hàn ................................................................................... 67 5.4 Kiểm tra cơ tính mối hàn ....................................................................... 69 5.4.1 Phân tích cấu trúc tế vi ..................................................................... 69 5.4.2 Phân tích thử kéo ............................................................................. 72 Chương 6: Tổng kết ....................................................................................... 78 6.1 Kết luận .................................................................................................. 78 6.2 Hướng phát triển của đề tài .................................................................... 78 Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 80 Phụ lục .............................................................................................................. 82 Lý lịch trích ngang ............................................................................................... VI DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Bề mặt tiếp xúc trước và sau khi chà xát ............................................ 4 Hình 2.2 Các phương pháp hàn ma sát .............................................................. 5 Hình 2.3 Chi tiết hàn ma sát quay ...................................................................... 8 Hình 2.4 Sản phẩm điển hình của hàn ma sát quay ........................................... 9 Hình 2.5 Đầu cosse nối nhôm đồng .................................................................. 9 Hình 2.6 Ứng dụng của hàn ma sát trong ngành hàng không .......................... 10 Hình 2.7 Hàn mũi khoan và dao phay.............................................................. 10 Hình 2.8 Ứng dụng của hàn ma sát trong quân đội ......................................... 11 Hình 2.9 Máy hàn ma sát quay của công ty SHENJA ………………………16 Hình 2.10 Máy hàn ma sát quay của công ty ULTRAMETAL………...……16 Hình 2.11 Máy hàn ma sát quay của Trung Quốc ……………….…………..17 Hình 3.1 Hàn ma sát quay ................................................................................ 19 Hình 3.2 Hàn ma sát quay trực tiếp ................................................................. 20 Hình 3.3 Biểu đồ hàn ma sát quay truyền động trực tiếp ................................ 20 Hình 3.4 Hàn ma sát quay quan tính ................................................................ 21 Hình 3.5 Biểu đồ hàn ma sát quay quán tính ................................................... 21 Hình 3.6 Sơ đồ hàn ma sát quay hướng kính .................................................. 22 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý hàn ma sát ............................................................. 23 Hình 3.8 Biểu đồ mối quan hệ vận tốc và áp lực qua 6 bước .......................... 23 Hình 3.9 Các dạng chuyển động quay ............................................................. 27 Hình 3.10 Hàn ma sát quay trục ô tô................................................................ 28 Hình 3.11 Các hình dạng chi tiết hàn ma sát quay........................................... 28 Hình 3.12 Mối hàn có góc tiếp xúc góc cone .................................................. 29 Hình 3.13 Thiếu liên kết trong một mối hàn ma sát ........................................ 29 Hình 3.14 Vết nứt tại khu vực đường nẹp chuyển tiếp của bavia hàn ............ 30 Hình 3.15 Vết nứt bên trong bavia hàn ............................................................ 31 Hình 3.16 Vết nứt bên trong trên bề mặt tiếp xúc cần nối .............................. 31 Hình 3.17 Lớp kẹp phi kim loại nằm giữa bề mặt cần nối ............................. 31 Hình 3.18 Pha liên kim loại trong bề mặt tiếp xúc ......................................... 32 Hình 3.19 Pha liên kim loại dọc theo bề mặt tiếp xúc .................................... 32 VII Hình 3.20 Mô hình nhiệt cơ khí được sử dụng trong các tính toán ................ 34 Hình 4.1 Ảnh hưởng của tốc độ và áp suất đến hình dáng mối hàn ............... 46 Hình 4.2 Biểu đồ các giai đoạn của hàn ma sát quay truyền động trực tiếp.... 46 Hình 4.3 Quá trình hàn ma sát trực tiếp .......................................................... 47 Hình 4.4 Đồ thị thời gian của tốc độ, mô-men xoắn và sự giảm chiều dài trong quá trình hàn ma sát quay trực tiếp của pha ma sát ........................................ 48 Hình 4.5 Sơ đồ minh họa của các vùng khác nhau trong HAZ của các mối hàn ma sát................................................................................................................ 49 Hình 4.6 Ảnh hưởng của lực ép đến mối hàn ................................................. 50 Hình 4.7 Cắt ngang chi tiết ............................................................................. 51 Hình 4.8 Phổ điện hồng ngoại khi tiến hành mối hàn ..................................... 51 Hình 4.9 Mẫu đồng Ф40 sau khi hàn ma sát, bỏ rìa xờm và uốn ................... 52 Hình 4.10 Mẫu thử uốn nhanh khi hàn ống nhôm – thép ................................ 53 Hình 5.1 Kết cấu máy hàn ma sát quay .......................................................... 62 Hình 5.2 Sơ đồ gá đặt phôi............................................................................... 65 Hình 5.3 Gá đặt phôi trên hai mâm cặp .......................................................... 66 Hình 5.4 Kiểm tra độ đồng tâm trên hai phôi ................................................. 66 Hình 5.5 Màn hình điều khiển ......................................................................... 68 Hình 5.6 Sản phẩm sau khi hàn ma sát quay .................................................. 68 Hình 5.7 Các mặt của mối hàn sau khi được cắt dọc ...................................... 69 Hình 5.8 Máy đánh bóng.................................................................................. 70 Hình 5.9 Các mặt của mối hàn sau khi mài và thấm dung dịch....................... 70 Hình 5.10 Kim loại nền ................................................................................... 70 Hình 5.11 Vết xướt trên kim loại sau khi hàn ................................................. 71 Hình 5.12 Khuyết tật thiếu liên kết trước khi mài ........................................... 71 Hình 5.13 Khuyết tật thiếu liên kết sau khi mài .............................................. 71 Hình 5.14 Sản phẩm sau khi hàn nối thêm ..................................................... 72 Hình 5.15 Máy thử độ kéo .............................................................................. 72 Hình 5.16 Sản phẩm được kẹp trên ngàm của máy thử kéo ........................... 73 Hình 5.17 Sản phẩm sau khi bị kéo đứt .......................................................... 73 Hình 5.18 Mặt cắt của sản phẩm sau khi bị kéo đứt ....................................... 73 VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng thống kê các vật liệu có thể hàn ma sát ................................... 15 Bảng 5.1 Thành phần hóa học của thép Cacbon C45 ..................................... 61 Bảng 5.2 Cơ tính của thép Cacbon C45 ........................................................... 61 Bảng 5.3 Cấp bền của thép Cacbon C45.......................................................... 61 Bảng 5.4 Thành phần hóa học của thép dụng cụ HSS .................................... 61 Bảng 5.5 Thông số kỹ thuật của máy .............................................................. 62 Bảng 5.6 Thông số kích thước phôi ............................................................... 65 Bảng 5.7 Các thông số hàn ma sát ................................................................. 67 Bảng 5.8 Thông số chế độ hàn ma sát xoay hai chi tiết cùng vật liệu ............ 74 Bảng 5.9 Thông số chế độ hàn ma sát xoay hai chi tiết khác vật liệu ............ 75 IX CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài Vấn đề chất lượng mối hàn và khí thải gây ô nhiễm môi trường đang được quan tâm trong kỹ thuật khi gắn kết kim loại lại với nhau. Chất lượng mối hàn quyết định đến độ bền của sản phẩm được sản xuất ra, khi hàn kim loại sẽ thải ra một lượng khói ảnh hưởng đến môi trường gây ra hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trên toàn cầu dẫn đến môi trường sống bị ô nhiễm và làm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của người gia công. Trong nghề hàn kim loại, các công nghệ mới luôn được nghiên cứu và phát triển theo hướng làm tăng chất lượng mối hàn, giảm năng lượng tiêu thụ, giảm khí thải gây ô nhiễm môi trường, giảm ảnh hưởng đến con người. Các phương pháp hàn nóng chảy truyền thống như hàn hồ quang, hàn TIG, MIG, MAG,… do phải sử dụng thuốc và khí bảo vệ là nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến chất lượng sống của con người. Bên cạnh đó, mối hàn chỉ kết dính bên ngoài của hai chi tiết nên chất lượng của mối hàn cũng không cao vì vậy không sử dụng được cho những sản phẩm đòi hỏi độ chính xác cao. Hàn ma sát quay là một bước tiến quan trọng trong công nghệ hàn. Đó là sự ma sát giữa hai chi tiết tròn xoay với nhau tạo thành một mối hàn để tạo ra một chi tiết với chất lượng mối hàn tốt, nâng cao chất lượng của sản phẩm, giảm lượng khí thải, nhiệt, hồ quang, giảm thời gian hàn và có thể được điều khiển một cách tự động trong quá trình hàn. 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu các thông số công nghệ chính ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát quay cho hai loại vật liệu khác nhau. 1.3 Đối tượng nghiên cứu - Hình dạng chi tiết : dạng tròn đặc. - Vật liệu : thép C45 và thép gió HSS. 1 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU - Thiết bị thực hiện thực nghiệm : máy hàn ma sát quay của bộ môn Thiết bị và công nghệ vật liệu, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. 1.4 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết : - Tổng quan về hàn ma sát và các phương pháp hàn ma sát. - Cơ sở lý thuyết của hàn ma sát quay. - Các thông số ảnh hưởng đến hàn ma sát quay. - Các phương pháp kiểm tra chất lượng hàn. Nghiên cứu thực nghiệm : - Lựa chọn vật liệu. - Xác định các thông số hàn ma sát phù hợp với vật liệu được chọn. - Thực nghiệm hàn trên máy hàn ma sát quay. - Kiểm tra chất lượng mối hàn. 1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Hiện nay, ngành cơ khí trong nước đang được đầu tư và phát triển mạnh nhằm góp phần vào quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Vì vậy việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản xuất là điều tất yếu. Việc nghiên cứu hàn ma sát quay trong nước chỉ ở giai đoạn đầu, mới được nghiên cứu trong các trường Đại học và chưa được phổ biến rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp do thiết bị đắt tiền và các doanh nghiệp chưa thấy được tầm quan trọng của hàn ma sát. Do đó, luận văn sẽ đóng góp một phần nhỏ trong lĩnh vực này. Tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về hàn ma sát quay cho các loại vật liệu khác nhau và tìm ra được các thông số tối ưu cho quá trình hàn ma sát quay. 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu về công nghệ hàn ma sát 2.1.1 Lịch sử phát triển Hàn ma sát lần đầu tiên được phát triển ở Liên Xô (Nga) với những thí nghiệm đầu tiên diễn ra vào năm 1956. Năm 1960, thông tin về kỹ thuật này lọt vào tay của Kỹ thuật Điều tra Đoàn của Nhật bản trong khi đoàn điều tra này đang ở Nga, lập tức các thông tin kỹ thuật được chuyển về Tokyo. Năm 1961 người Nhật công bố kỹ thuật hàn ma sát quay và bắt đầu ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật chế tạo phụ tùng xe hơi. Năm 1962, hãng chế tạo máy dệt Toyota bắt đầu đưa vào chế tạo máy hàn ma sát quay hàng loạt dạng Brake. Bằng cách thay đổi hàn ma sát, Công ty Caterpillar Tractor của Mỹ đã phát triển phương pháp hàn ma sát quán tính vào năm 1962. Năm 1964, thiết lập Hội nghiên cứu hàn ma sát, bắt đầu nghiên cứu hàn ma sát trên nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo cơ sở lý thuyết cho ra đời các quy chuẩn về hàn ma sát JIS 3607 Năm 1998 hãng Izumi được ủy thác chế tạo toàn bộ từ kỹ thuật bàn giao của Toyota đã chế tạo thành công máy hàn ma sát NC . Máy hàn ma sát có khả năng hàn 2 loại vật liệu khác nhau với đường kính nhỏ nhất là 1.6mm. Một số trường Đại học ở Nhật có phòng nghiên cứu về Hàn ma sát quay là: Đại học OSAKA, Đại học KEIO, Đại học Công nghiệp HIMEJI, Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật HYOGO, Sở Nghiên cứu kỹ thuật Tổng hợp trực thuộc Bộ giáo dục Nhật. Các công ty Mỹ, Caterpillar, Rockwell International, và American Foundry đều phát triển máy móc cho quá trình này. Bằng sáng chế cũng được ban hành trên toàn châu Âu và Liên Xô cũ. 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN Hiện tại, các hãng chế tạo máy hàn ma sát quay nổi tiếng là IZUMI Industry, SAKAE Industry, TOYO , NITTO, SEIMITSU, TANAKA Seiki Sangyou. Người ta xem hàn ma sát là quá trình hàn của Nga và hàn ma sát quán tính là quá trình của Công ty Caterpillar. Việc áp dụng hàn ma sát vào sản xuất đã đem lại nhiều hiệu quả rõ rệt và được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển. 2.1.2 Định nghĩa hàn ma sát Định nghĩa hàn ma sát trong cuốn tài liệu hàn American Society (AWS) được hiểu như sau: Hàn ma sát là một quá trình sáp nhập ở trạng thái rắn của vật liệu dưới lực nén ở dạng phôi xoay hoặc di chuyển tương đối với nhau nhằm sản sinh ra nhiệt tạo biến dạng dẻo. Trong điều kiện bình thường, các bề mặt tiếp xúc không tan chảy mà chỉ ở trạng thái dẻo. Hình 2.1 Bề mặt tiếp xúc trước và sau chà xát a) Ma sát khô b) Dòng chảy dẻo 2.1.3 Các từ khóa của hàn ma sát Tiếng Anh : Friction welding Tiếng Pháp : Soudage par friction Tiếng Đức : ReibschweiBen - Số hiệu theo ISO 15620 : 2000 : Friction welding of metallic materials - Số hiệu theo ISO 4063-42 : 2009 : Friction welding 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1.4 Các phương pháp hàn ma sát Một số phương pháp hàn ma sát được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo: Hàn ma sát thẳng (linear friction welding) Hàn ma sát khuấy (friction stir welding) Hàn ma sát quay (rotative friction welding). Hàn ma sát quỹ đạo (Orbital) 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN Hàn ma sát quỹ đạo Hình 2.2 Các phương pháp hàn ma sát 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 cho vật liệu ở bề mặt tiếp xúc bị nóng chảy và hai chi tiết được ép vào nhau tạo mối hàn. Hàn ma sát thẳng được ứng dụng hàn các chi tiết khối đặc, các chi tiết có tiết diện ngang hình chữ nhật. Hàn ma sát khuấy (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. Hàn ma sát quay (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 và hai chi tiết được ép vào nhau tạo thành mối hàn. Hàn ma sát quay được ứng dụng hàn các chi tiết dạng trụ. 6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN Hàn ma sát quỹ đạo (Orbital) : Hai chi tiết cùng thực hiện một chuyển động quay quanh quỹ đạo dọc trục xung quanh của nó tương tự nhau với tốc độ không đổi. Hai trục dọc song song ngoại trừ một bù đắp nhỏ (biên độ). Khi chuyển động của hai chi tiết chấm dứt thì hai chi tiết cần phải được sắp xếp một cách chính xác để tạo thành mối hàn. 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 làm dẻo vùng vật liệu cần hàn. 2.1.5 Ưu nhược điểm hàn ma sát Ưu điểm : • Chất lượng mối hàn cao do toàn bộ bề mặt tiếp xúc được hàn. • Ít hao phí vật liệu, tiết kiệm kim loại. • Thời gian hàn nhanh, năng suất cao. • Các thông số được giám sát dễ dàng. • Cơ tính mối hàn rất tốt. • Không nứt kết tinh, giới hạn bền cao và đạt gần bằng độ bền của kim loại nền. • Độ chính xác cao, có khả năng tự động hóa để loại trừ khả năng sai sót do con người gây ra. • Chất lượng mối hàn không phụ thuộc vào tay nghề của người vận hành. • Hàn hai chi tiết có vật liệu khác nhau (vật liệu có nhiệt tính gần giống nhau và hệ số ma sát đủ lớn) phù hợp cho các sản phẩm cần sự phối hợp cơ tính của hai loại vật liệu khác nhau. • Không dùng thuốc hàn do đó không tạo ra vẩy kim loại, khí độc hay tia nguy hiểm và không tạo ra khói ảnh hưởng đến sức khỏe người vận hành. • Môi trường sản xuất sạch. 7 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN • Khuyết tật mối hàn rất ít. • Giảm chi phí dẫn đến hạ giá thành, nâng cao sức cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường. Nhược điểm : • Mối hàn lồi ra lượng bavia nên mất thời gian cắt bỏ. • Thiết bị đắt tiền. • Ngoài chi tiết trụ tròn các chi tiết khác phải chế tạo đồ gá cho từng loại phù hợp . • Không hàn được các chi tiết có kết cấu quá phức tạp. Hình 2.3 Chi tiết hàn ma sát quay 2.2 Phạm vi ứng dụng của hàn ma sát quay Phương pháp hàn ma sát quay là phương pháp hàn nối, được ứng dụng để hàn các chi tiết tại một vài vị trí nhằm giảm chi phí vật liệu đầu vào. Đặc biệt các chi tiết dạng trụ chịu tải cục bộ. Ngoài ra phương pháp hàn ma sát quay còn dùng để chế tạo chi tiết bán thành phẩm hoặc các chi tiết cần sự phối hợp cơ tính của hai loại vật liệu khác nhau. Các chi tiết cần sự chính xác cao như van trong động cơ đốt trong, trục cánh quạt trong ngành hàng không vũ trụ, các chi tiết chịu tải lớn như trục gát đăng, trục bánh răng, ống chịu lực, các chi tiết sử dụng trong thiết bị quốc phòng như xe pháo, xe tăng, súng,… 8