Nghiên cứu thiết kế quy trình hàn ma sát gồm cả bản vẻ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT lại nhanh sao cho vùng hàn không bị phá hủy, đồng thời tác động lực ép tạo thành mối hàn. Oxide và các chất bẩn khác tại giao diện được đẩy ra do sự chuyển động của kim loại nóng chảy tạo thành xìa xờm (bavia). Trong hàn ma sát, một phần tử đứng yên, trong khi phần tử kia, quay với tốc độ cao. Áp suất tại giao diện và ma sát tạo nên nhiệt đủ làm kim loại chảy dẻo ra tạo thành mối hàn. Vùng hàn thường được giới hạn trong khu vực hẹp có kích thước phụ thuộc vào các biến số hàn là nhiệt lượng tạo ra, độ dẫn nhiệt của vật liệu và cơ tính kim loại tại nhiệt độ cao. Chương III. LẬP QUY TRÌNH HÀN MA SÁT I. Nguyên lí và đặc điểm của hàn ma sát 1.2. Đặc điểm Hàn ma sát phù hợp hàn với nhiều loại vật liệu có tính hàn xấu (đồng và hợp kim đồng, nhôm và hợp kim nhôm, thép hợp kim cao...). Tiết diện hàn được có thể là đặc hay rỗng, hình tròn, tam giác, đa giác đều, đối xứng tâm. Nhiệt độ hàn dưới nhiệt độ nóng chảy của vật liệu. Ở máy hàn ma sát có bánh đà lớn (20000 kN) có thể hàn các chi tiết đường kính từ 3 – 350 mm. Tốc độ của phần tử quay khá lớn (đến 900 m/min.), cùng với sự kết hợp giữa nhiệt và áp suất, tại giao 1.1. Nguyên lí Trong các quá trình hàn trên, nguồn năng lượng để hàn (cơ, điện, hóa, từ, siêu âm…) được cung cấp từ ngoài, nhưng trong hàn ma sát, nguồn nhiệt được phát ra từ ma sát tại giao diện của hai phần tử cần hàn. Hàn ma sát là quá trình hàn áp lực, sử dụng động năng biến thành nhiệt năng. Ma sát được tạo ra giữa các bề mặt hàn do chuyển động quay tròn hoặc tịnh tiến sinh ra nhiệt lớn nung chỗ hàn tới trạng thái chảy dẻo, sau đó chi tiết dừng Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí 11 Trang 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT diện có hiện tượng chồn đầu. Khi hàn đòi hỏi phải bổ sung kích thước chiều dài để bù lại sự ngắn đi do nguyên liệu bị trào ra ngoài tạo thàn bavia. trong điều kiện đã cho, giữa các điểm tiếp xúc của các bề mặt xuất hiện mối liên kết bền vững tương tự như lực tác động tương tác các nguyên tử trong toàn khối kim loại. Giá trị của mỗi liên kết này rất nhỏ, mối hàn chỉ có thể được hình thành khi có rất nhiều điểm tác động tương hỗ với nhau. Trong thực tế một số biến thể của hàn ma sát được sử dụng là: Hàn ma sát quay/ trực tiếp; Hàn ma sát quán tính; Hàn ma sát hướng kính; Hàn ma sát khuấy/ngoáy; Hàn ma sát khuấy điểm; Hàn ma sát tịnh tiến/thẳng; Hàn ma sát quỹ đạo; Hàn ma sát chốt. Một trong những điều kiện cần thiết (cũng là nhược điểm) để hình thành mối hàn là tại bề mặt tiếp xúc giữa các vật hàn độ dẻo phải cao. Vài kim loại như đồng, nhôm, chì, bạc có tính dẻo tốt nên ngay cả khi nhiệt độ thấp cũng hàn áp lực được (quá trình này được gọi là hàn nguội). Người ta thường chia các phương pháp hàn ra thành ba nhóm chính: hàn nóng chảy; hàn áp lực (biến dạng dẻo); hàn vảy. Để hàn các kim loại khác trong phase rắn cần phải nâng cao tính dẻo một cách nhân tạo bằng cách làm nóng bề mặt liên kết đến nhiệt độ khá cao, song không vượt quá nhiệt độ nóng chảy. Khi hàn nóng chảy các mép của những chi tiết cần hàn bị chảy ra và khe hở giữa chúng được điền đầy bằng kim loại nóng chảy; việc hình thành liên kết không tháo được xảy ra do quá trình nguội và kết tinh đồng thời của kim loại vật hàn và kim loại bổ sung. Các quá trình hàn khác như hàn rèn, hàn nén khí, hàn nổ, hàn điện tiếp xúc… cũng thuộc về nhóm hàn áp lực. Theo nguyên lí hàn áp lực xảy ra trong phase rắn không có sự nóng chảy kim loại; mối liên kết không tháo được được tạo nên do các vật hàn bị ép lại gần nhau đến một khoảng cách rất nhỏ (tính khả ước giữa các nguyên tử), khi đó Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Hàn bằng ma sát là biến thể của hàn áp lực: liên kết hàn được tạo thành do biến dạng dẻo, đồng thời kim loại liên kết trong phase rắn. Tuy nhiên hàn bằng ma sát 12 Trang 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT khác với các phương pháp trên ở chỗ đưa nhiệt vào vật hàn. Khi hàn ma sát cơ năng trực tiếp biến thành nhiệt năng, hơn nữa nhiệt lượng chỉ phát ra cục bộ trong lớp kim loại mỏng sát bề mặt. Dưới đây sẽ chứng tỏ rằng đặc điểm này chính là ưu điểm cơ bản của hàn ma sát. tương đối giữa các bề mặt càng nhanh càng tốt. Khi chuyển động dừng thì xảy ra quá trình tỏa nhiệt. Quá trình tạo thành liên kết hàn thông qua giai đoạn ”chồn”: lực ép tác động vào các chi tiết đã ngừng quay còn đang nóng một khoảng thời gian nhất định. Trong và sau khi chồn các chi tiết vẫn giảm nhiệt độ một cách tự nhiên. II. Quá trình ma sát hàn Ban đầu, các bộ phận được đưa vào thiết bị hàn ma sát. Thợ hàn ma sát có kinh nghiệm kiểm soát quá trình quay (ma sát) thông qua một loạt các thông số: tốc độ quay, trục lực và thời gian. Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn bằng ma sát Sơ đồ đơn giản nhất của hàn ma sát được thể hiện trên hình 1. Hai chi tiết cần hàn được kẹp chặt đồng tâm trong đồ gá của máy; một chi tiết cố định còn chi tiết kia quay quanh trục của chúng. Khi ép hai chi tiết lại với nhau bằng lực chiều trục P, tại bề mặt tiếp xúc xuất hiện lực ma sát. Công tiêu hao khi hai chi tiết chuyển động quay tương đối với nhau để thắng trở lực ma sát biến thành nhiệt. Nhiệt lượng hình thành tỏa ra trên bề mặt ma sát và gây nên sự nung nóng tập trung đến nhiệt độ cần thiết để tạo nên mối hàn (đối với thép nhiệt độ này trong khoảng 950 – 1300oC tùy theo từng chế độ). Sau khi đạt nhiệt độ cần thiết, cần dừng chuyển động Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Sau khi ba tham số được thành lập, họ đang ghi lại và lưu trữ để sử dụng trong suốt toàn bộ dự án. Sử dụng phương pháp này chất lượng đảm bảo tính thống nhất lặp lại cho mỗi mối hàn bổ sung được sản xuất trên máy tính. Các quá trình 3 giai đoạn được mô tả chi tiết dưới đây . 2.1. Giai đoạn 1 Một thành phần được đặt trong một kẹp trong giá cố định. Phần thứ hai là vị trí trong trục quay, với một tốc độ quay được xác định trước. Khi đó, lực trục cũng được thiết lập trước khi hàn. 13 Trang 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT Hình 3.2. Giai đoạn 1 Hình 3.4. Giai đoạn hoàn thành mối hàn 2.2. Giai đoạn 2 Những điều kiện này được duy trì trong một thời gian định trước cho đến khi nhiệt độ mong muốn và trong giai đoạn này hai vật liệu dẻo trở nên dễ uốn. III. Phân loại hàn ma sát 3.1. Hàn ma sát quay/ trực tiếp (rotational/direct friction welding) Hình 3.3. Giai đoạn 2 2.3. Giai đoạn 3 Tốc độ quay được dừng lại, sau đó, gia tăng lực lượng trục được áp dụng cho một thời gian định trước - hoàn thành các mối hàn.. Điều này cung cấp liên kết phân tử và sàng lọc hạt thông qua các khu vực hàn. Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Hình 3.5. Hàn ma sát quay Đây là phương pháp hàn được sử dụng phổ biến nhất . Nó dựa trên cơ sở tỏa nhiệt khi ma sát giữa hai bề mặt đầu có trục quay đồng tâm. 14 Trang 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT Phương pháp này được dùng để hàn các chi tiết dạng thanh hoặc ống từ vật liệu đồng chất hoặc khác nhau. Nguyên công hàn có thể được phân ra làm các bước sau: Nếu máy có bàn dao tiện bổ sung thì tiện lại phần rìa xờm mặt ngoài mối hàn. Các phần tử hàn được kẹp trong mâm cặp trên trục chính quay và ngàm kẹp. Nếu các chi tiết hàn không có đường tâm đối xứng thì làm đồ gá đặc biệt cho chúng. Hình dạng tiết diện chi tiết cần hàn làm hạn chế việc sử dụng hàn ma sát trực tiếp. Ít nhất một phần tử hàn cần phải quay quanh trục tâm của mình (dạng thanh, ống), còn phần tử kia có mặt phẳng. Các dạng cơ bản của liên kết hàn trực tiếp được chỉ ra trên hình 3.7 Lấy sản phẩm hàn ra khỏi máy. Trục chính quay với số vòng cần thiết, để hai phần tử tiến lại gần nhau rồi tác động lực chiều trục, bắt đầu quá trình hàn. Lúc này do ma sát, nhiệt độ tăng, độ bền vật liệu giảm đi tạo nên biến dạng. Lực tiếp tục ép làm kim loại dịch chuyển. Hình 3.7. Các liên kết điển hình được hàn bằng ma sát Điều kiện này được giữ trong một thời gian xác định cho đến khi đạt được nhiệt độ cần thiết ứng với bộ đôi vật liệu hàn. Ngừng quay trục chính (tức thời) và tăng lực tác dụng dọc trục cho đến khi kết thúc quá trình hàn. Trong phase làm nóng, nhiệt tỏa ra có thể được điều chỉnh theo tốc độ quay trục chính cũng như lực ép giữa các chi tiết tiếp xúc, điều này được xác định bằng tính chất ma sát và nhiệt vật lý của vật liệu cũng như sự thay đổi của chúng khi làm nóng. Đôi khi sự thay đổi giai đoạn của lực được dùng trong lúc làm nóng. Nhiệt lượng và đặc trưng toả nhiệt khi ma sát, độ dẫn điện, phân bố áp suất tại nơi tiếp xúc có tính đến sự thay đổi cơ tính và thời gian Hình 3.6. Các bước hàn ma sát quay Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí 15 Trang 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ QUY TRÌNH HÀN MA SÁT hàn có ảnh hưởng đến hình dáng mối hàn (h 3.8). sức của bánh đà, lực ép sẽ đẩy chi tiết tiếp xúc (động cơ dẫn động ngắt). Động năng của chuyển động quay chuyển hoàn toàn thành nhiệt năng thông qua ma sát ở bề mặt tiếp xúc cho tới khi dừng hẳn sẽ tạo thành mối hàn (sự tự phanh). Trong quá trình hàn, lực nén dọc trục phần lớn là không đổi (h. 3.9). Hình 3.8. Ảnh hưởng của tốc độ và áp suất đến hình dáng mối hàn a) Áp suất cao tốc độ thấp; b) Tốc độ cao áp suất thấp; c) Điều kiện hàn tối ưu. 3.1.1. 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 cao • Hàn các kim loại khác nhau với nhau 3.1.2. Nhược điểm • Lượng chùm của kim loại mối hàn lớn • Phải gia công cơ khí sau hàn • Thiết bị đắt tiền Hình 3.9. Hàn ma sát quán tính. 3.3 Hàn ma sát hướng kính (radial friction welding) Hàn ma sát hướng kính là biến thể của hàn trực tiếp và được sử dụng chủ yếu khi hàn ống. Ưu điểm cơ bản của nó là các phần tử hàn không quay. Liên kết được tạo thành do nhiệt tỏa ra khi ma sát của vòng hàn quay quanh chỗ giáp mối của các ống hàn. Vòng hàn được chế tạo từ vật liệu giống như vật hàn. Đầu mút các chi tiết có dạng vát mép chữ V và bề mặt trong của vòng hàn có dạng tương ứng với phần nhô (h. 3.10). Vòng hàn được ép bằng các lực hướng kính. Thanh gá làm từ vật liệu bền nhiệt được 3.2. Hàn ma sát quán tính (inertia friction welding) Bề mặt tiếp xúc hàn được tách rời trước khi bắt đầu hàn. Khi đạt tới động năng lớn cùng với sự tiếp Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí 16 Trang 16