Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn ma sát xoay khi hàn cặp vật liệu AISI 304 và AISI 1020

Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn ma sát xoay khi hàn cặp vật liệu AISI 304 và AISI 1020 Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn ma sát xoay khi hàn cặp vật liệu AISI 304 và AISI 1020 Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn ma sát xoay khi hàn cặp vật liệu AISI 304 và AISI 1020

MỤC LỤC

TRANG BÌA i

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI 2

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 3

LÝ LỊCH KHOA HỌC 4

LỜI CAM ĐOAN 6

LỜI CẢM ƠN 7

TÓM TẮT 8

MỤC LỤC 10

DANH SÁCH HÌNH 13

MỞ ĐẦU 16

1 Đặt vấn đề 16

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 18

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 18

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 19

5 Kết cấu luận văn 19

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 21

1.1 Giới thiệu hàn ma sát xoay 21

1.2 Thiết bị hàn ma sát xoay 25

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của hàn ma sát xoay 26

1.4 Các ứng dụng của hàn ma sát xoay 27

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 28

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35

2.1 Nội dung nghiên cứu 35

2.2 Phương pháp nghiên cứu 35

2.2.1 Phương pháp kế thừa 35

2.2.2 Phương pháp thu thập thông tin 35

2.2.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 35

2.3 Phương pháp đo đạc thực nghiệm 38

2.4 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 38

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 44

3.1 Lý thuyết về ma sát 44

3.1.1 Ma sát nghỉ 44

3.1.2 Ma sát động 45

3.2 Lưu chất 45

3.2.1 Áp suất chất lỏng 45

3.2.2 Định luật Pascal 46

3.3 Lý thuyết Nhiệt 46

3.3.1 Nội năng 46

3.3.2 Nhiệt dung và truyền nhiệt 46

3.3.3 Truyền nhiệt 47

3.4 Tính toán nhiệt trong hàn ma sát 47

3.4.1 Mối liên hệ giữa mô-men xoắn và năng lượng nhiệt 47

3.4.2 Truyền nhiệt trong thanh 49

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 55

4.1 Ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng quá trình hàn ma sát xoay 55

4.2 Nghiên cứu xác định chế độ hàn khi hàn ma sát xoay cặp vật liệu thép AISI 304 – AISI 1020 58

4.2.1 Tính gia công và tính hàn của thép cácbon thấp 58

4.2.2 Tính gia công và tính hàn của thép không gỉ 59

4.2.3 Gá lắp phôi khi hàn 59

4.2.4 Dự đoán nhiệt độ khi hàn và chọn thông số hàn 60

4.2.5 Quy trình hàn ma sát thép cácbon thấp và thép không gỉ 62

4.2.5.1 Các bước thiết lập quy trình hàn ma sát 62

4.2.5.2 Thiết lập quy trình 63

4.2.5.3 Chọn các thông số hàn 63

4.2.5.4 Loại bỏ phần thừa của mối hàn 65

4.2.5.5 Xử lý nhiệt sau khi hàn 65

4.2.5.6 Lựa chọn các phương pháp kiểm tra 65

4.2.5.7 Kiểm tra độ bền uốn mối hàn ma sát cho chi tiết dạng thanh đặc 65

4.3 Thực nghiệm, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn 67

4.3.1 Chọn các thông số cho mẫu thí nghiệm 67

4.3.1.1 Vật liệu của mẫu 67

4.3.1.2 Kích thước mẫu 67

4.3.1.3 Lựa chọn các thông số 68

4.3.1.4 Chọn bảng trực giao 70

4.3.2 Tiến hành thực nghiệm 71

4.3.2.1 Gá mẫu lên máy 71

4.3.2.2 Các bước tiến hành hàn 72

4.3.2.3 Kiểm tra mối hàn bằng thử độ bền kéo 74

4.3.3 Xử lý số liệu sau khi nhận được kết quả của thực nghiệm 75

4.3.3.1 Tính toán S/N từ kết quả thực nghiệm 75

4.3.3.2 Hình ảnh tại bề mặt đứt của các mẫu 76

4.3.4 Phân tích phương sai (ANOVA) 78

4.3.5 Dự đoán giá trị bền kéo trong thực nghiệm 78

4.3.5.1 Ước lượng khoảng tin cậy cho các thông số cho ra giá trị tốt nhất 79

4.3.5.2 Thực ghiệm để kiểm chứng: 80

4.3.6 Đánh giá kết quả thực nghiệm 80

4.3.6.1 Đánh giá ngoại quan 80

4.3.6.2 Đánh giá theo kết quả kiểm tra độ bền kéo của mối hàn: 81

4.3.6.3 Đánh giá kết quả bằng phân tích phương sai ANOVA 82

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC 88

DANH SÁCH HÌNH

Trang

Hình 1: Ứng dụng hàn ma sát trong ghép nối thép xây dựng 17

Hình 1.1: Các bước cơ bản của kỹ thuật hàn ma sát xoay [3] 21

Hình 1.2: Sơ đồ phân loại hàn ma sát xoay [5] 22

Hình 1.3: Nguyên lý cơ bản của thiết bị hàn ma sát truyền động liên tục [5] 23

Hình 1.4: Quá trình ma sát xoay truyền động liên tục [5] 23

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động máy hàn ma sát truyền động gián đoạn [5] 24

Hình 1.6: Quá trình ma sát xoay truyền động gián đoạn [5] 24

Hình 1.7: Sơ đồ cấu tạo một máy hàn ma sát điển hình [7] 26

Hình 1.8: Chế tạo vũ khí: bom, súng cối [6] 27

Hình 1.9: Chế tạo chi tiết máy: hàn các bánh răng, bánh xích vào trục [6] 28

Hình 1.10: Chế tạo chi tiết máy: hàn các khớp nối các đăng [6] 28

Hình 1.11: Chế tạo dụng cụ cắt [6] 28

Hình 1.12: Kết nối thép kết cấu xây dựng và đầu nối ren [14] 28

Hình 1.13: Ba dạng mối ghép khi hàn thực nghiệm [11] 30

Hình 1.14: Sản phẩm sau khi hàn và kết quả kiểm tra dộ bền kéo [11] 30

Hình 1.15: Biểu đồ biểu diễn giới hạn độ bền kéo các mẫu thử nghiệm [10] 31

Hình 1.16: Mối hàn thực nghiệm và biểu đồ về lượng co theo hướng trục [12] 32

Hình 1.17: Kết quả kiểm tra độ bền kéo các mẫu hàn thực nghiệm [7] 33

Hình 1.18: Kết quả kiểm tra độ bền kéo mối hàn [13] 33

Hình 2.1: Chi tiết hàn 36

Hình 2.2: Máy hàn ma sát xoay (REME Lab) 37

Hình 2.3: Máy kiểm tra cơ tính kéo Universal Testing Machine WEW-1000B 38

Hình 3.1: Bề mặt ma sát và vòng xuyến ma sát (vi phân dr) [16] 48

Hình 3.2: Sự thay đổi nhiệt độ của thanh theo phương dọc trục với nguồn nhiệt theo thiết diện phẳng là 1kW và di chuyển với vận tốc là 1mm/s theo phương x [17] 50

Hình 3.3: Sự thay đổi nhiệt độ trong thanh (2 cm, nguồn nhiệt cố định 1 kW) [17]

51

Hình 3.4: Nhiệt độ phân bố trong thanh ở các thời điểm 10, 20, 30, 40, 50 s [17] 52 Hình 3.5: Biến thiên của nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc [17] 52

Hình 3.6: Sự thay đổi nhiệt độ (D = 10 cm, 10 kW, 1 kW/m2K) [17] 53

Hình 4.1: Mối liên hệ giữa lượng co và lực ma sát [9] 56

Hình 4.2: Mối liên hệ giữa thời gian ma sát và lực ma sát [9] 56

Hình 4.3: Mối quan hệ giữa lượng co với góc uốn và đường kính vật hàn [21] 58

Hình 4.4: Giản đồ trạng thái sắt-cacbon [18] 61

Hình 4.5: Giản đồ trạng thái của hệ Fe-Cr-Ni với 70% sắt [18] 61

Hình 4.6: 12 mẫu thực tế của thép không gỉ sau khi gia công 68

Hình 4.7: 12 mẫu thực tế thép cacbon thấp sau khi gia công 68

Hình 4.8: Gá phôi inox lên mâm cặp trục chính máy (phần xoay) 71

Hình 4.9: Cử chặn giới hạn vị trí của mẫu A: giới hạn vị trí cố định của phôi inox, các cữ còn lại xác định vị trí của phôi thép cacbon thấp 71

Hình 4.10: Gá phôi thép cacbon thấp lên mâm cặp (phần cố định) 72

Hình 4.11: Các bước tiến hành hàn mẫu 73

Hình 4.12: Các mẫu sau khi tiến hành hàn thí nghiệm 73

Hình 4.13: Biểu đồ thể hiện mức độ ảnh hưởng của các thông số theo S/N 76

Hình 4.14: Mặt dứt của các mẫu 78

Hình 4.15: Các phần điển hình trên mặt đứt của mối hàn 81

Hình 4.16: Vùng ảnh hưởng nhiệt và phần kim loại bị đùn ra từ 2 phía của mối hàn 81

Hình 4.17: Ảnh hưởng của các thông số lên chất lượng mối hàn 82

DANH SÁCH BẢNG

Trang

Bảng 1.1: Chế độ tốt nhất khi hàn thép cacbon thấp và 2 loại thép không gỉ 31

Bảng 2.1: Thành phần hóa học của thép không gỉ AISI304 [19] 36

Bảng 2.2: Thành phần hóa học của thép các bon thấp AISI1020 36

Bảng 2.3: Độ bền kéo của thép các bon thấp AISI 304 và AISI 1020 36

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của máy hàn ma sát xoay sử dụng hàn thực nghiệm 37 Bảng 4.1: Thông số hàn đề xuất .64

Bảng 4.2: Các phương pháp kiểm tra không phá hủy [3] 66

Bảng 4.3: Các phương pháp kiểm tra phá hủy [3] 66

Bảng 4.4: Kết quả thực tế độ thử độ bền kéo thép không gỉ 304 67

Bảng 4.5: Kết quả thực tế độ thử độ bền kéo thép cacbon thấp 67

Bảng 4.6: Bảng so sánh giá trị tính toán với khả năng của thiết bị 69

Bảng 4.7: Thông số được lựa chọn để khảo sát 69

Bảng 4.8: Khoảng thông số được lựa chọn để khảo sát 70

Bảng 4.9: Bảng trực giao của thực nghiệm 70

Bảng 4.10: Ký thiệu thứ tự thực nghiệm 71

Bảng 4.11: Kết quả sau khi kéo các mẫu trên 74

Bảng 4.12: Kết quả thử kéo sau khi thực hiện lại ở chế độ A, C 75

Bảng 4.13: Tổng hợp kết quả thử kéo 75

Bảng 4.14: Kết quả tính toán S/N từ phần mềm minitab 75

Bảng 4.15: Kết quả phân tích phương sai 78

Bảng 4.16: Bảng thông số mà cho ra kết quả kéo tốt nhất 79

Bảng 4.17: Kết quả bền kéo thí nghiệm kiểm chứng 80

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện tại nước ta đa phát triển xây dựng cơ sở hạ tầng để phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt của nhân dân và phát triển kinh tế Chất lượng công trình và thời gian thi công là hai chỉ tiêu mà mọi công trình đều mong muốn đạt được tốt nhất Một công đoạn quan trọng cho việc thi công là kết nối các thanh thép gia cường trong kết cấu

bê tông Có rất nhiều phương pháp để thực hiện công đoạn này chẳng hạn như dùng tay buộc dây kẽm, hàn điện, bấm nối thủy lực và một số phương pháp khác Nhưng hiện tại, các công trình với yêu cầu cao về chất lượng thì dùng đầu nối ren là lựa chọn hàng đầu Đây là giải pháp đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật cho kết cấu bê tông, mặt khác đối với một số công trình như cầu cảng hoặc các công trình xây dựng gần biển thì với đầu nối ren bằng thép không gỉ có thể khắc phục được tình trạng ăn mòn kết cấu do ăn mòn hóa học từ ảnh hưởng của hơi muối Trong tất cả các phương pháp liên kết ống nối ren vào thanh thép thì hàn ma sát là phương pháp có năng suất cao nhất và tiết kiệm được nguyên vật liệu hơn thế nửa nó còn đáp ứng được yêu cầu cao

về chất lượng Bài toán giải quyết vấn đề về chất lượng và chi phí gia công đồng thời đưa ứng dụng vào sản xuất ở điều kiện nước ta là một vấn đề hết sức cấp bách và có

ý nghĩa thực tiễn

Hàn ma sát nối ống ren trong thép xây dựng đã và đang được sử dụng ở các nước phát triển Với điều kiện ở nước ta thì chưa thấy đơn vị nào ứng dụng công nghệ này cho việc nối ống ren Đây là bước cải tiến lớn nếu chúng ta áp dụng được phương pháp này vào gia công đầu nối thanh thép Góp phần lớn vào việc tăng năng suất lao động và chất lượng công trình thay thế cho việc nối các thanh thép thủ công

là nối chồng và buộc bằng tay hoặc hàn điện

Hàn ma sát là phương pháp gia công chuyên dụng, do việc ứng dụng của nó ở nước ta còn hạn chế Hầu hết chỉ tập trung tại các công ty có vốn đầu tư nước ngoài hoặc công ty thuộc bộ quốc phòng Việc làm chủ công nghệ và phát triển các ứng

dụng của hàn ma sát là rất cần thiết với các doanh nghiệp trong nước để cạnh tranh

và đưa ra những sản phẩm có tỷ lệ hàm lượng công nghệ cao hơn

Hình 1: Ứng dụng hàn ma sát trong ghép nối thép xây dựng

Hàn ma sát là phương pháp kết nối kim loại dựa trên nhiệt lượng sinh ra do ma sát hai chi tiết với nhau Ngoài các yếu tố là khả năng của thiết bị và đặc điểm của chi tiết quyết định đến chất lượng mối hàn còn có rất nhiều thông số và điều kiện khác ảnh hưởng đến mối hàn mà không được đề cập hoặc đề cập rất ít trong các nghiên cứu trong nước Những yếu tố này chỉ được khảo sát qua điều kiện thực nghiệm Chính vì vậy đối với một số công ty hoặc tổ chức nghiên cứu quy trình hàn

ma sát của một sản phẩm nhất định dược xem là bí mật công nghệ của họ Chính vì

lý do đó, việc tìm hiểu những thông số căn bản nhất và tìm hiểu một quy trình hàn

cụ thể rất cấp thiết với tình hình phát triển của nước ta hiện nay Dựa vào đó các doanh nghiệp trong nước có thể phát triển và xây dựng nên quy trình tối ưu cho sản phẩm của họ Và cũng có thể phát triển hoặc nâng cấp thiết bị của họ để phục vụ cho ứng dụng sản xuất

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

2.1 Mục tiêu tổng quát

Đề tài được thực hiện với mục đích chính là nghiên cứu, xác định thông số hàn

ma sát xoay cho cặp vật liệu thép không gỉ và thép cácbon thấp và qua đó nghiên cứu ảnh hưởng của chúng đến chất lượng mối hàn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Liên quan đến đề tài nghiên cứu, các đối tượng sau sẽ được tập trung khảo sát, nghiên cứu:

- Máy hàn ma sát xoay, công nghệ hàn ma sát xoay;

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

4.1 Ý nghĩa khoa học

- Xác định được các thông số chính ảnh hưởng đến quá trình hàn, chất lượng mối hàn ma sát xoay Từ đó có thể xác định được phạm vi giá trị của các thông số hàn để có được chất lượng mối hàn như mong muốn trong thực tế

- Đề xuất được chế độ hàn (thông số hàn) ma sát xoay cho cặp vật liệu thép không gỉ (AISI 304) và thép cácbon thấp (AISI 1020)

- Xác định được vai trò và ảnh hưởng của từng thông số hàn đến chất lượng mối hàn ma sát xoay khi hàn cặp vật liệu thép AISI 304 – AISI 1020

- Xác định được vai trò và ảnh hưởng của từng thông số hàn và phạm vi giá trị của chúng đến chất lượng mối hàn ma sát xoay khi hàn cặp vật liệu thép AISI 304 – AISI 1020 Kết quả này giúp các kỹ sư nhanh chóng thiết lập được chế độ hàn cũng như chủ động trong việc giải quyết bài toán kinh tế và chất lượng mối hàn

5 Kết cấu luận văn

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, thuyết minh nghiên cứu của đề tài

có kết cấu gồm các chương, mục với các nội dung cụ thể như sau:

- Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Trong chương này, trình bầy danh sách nội dung của luận văn và phương pháp nghiên cứu để thực hiện luận văn

- Chương 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

- Chương 4: Kết quả nghiên cứu

Đưa ra các thông số ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát xoay Trình bày các bước để xây dựng quy trình hàn ma sát cho cặp vật liệu thép không

gỉ và thép cacbon thấp Trình bày phương pháp taguchi, các bước thực nghiệm và kết quả của thực nghiệm

- Kết luận và kiến nghị;

- Tài liệu tham khảo;

- Phụ lục

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Các chi tiết với vật liệu là hai hợp kim khác nhau được ứng dụng nhiều trong một số ngành công nghiệp Do đó việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp để nối kết hai hợp kim khác nhau đã và đang được thực hiện Trong đó hàn ma sát là phương pháp mang lại hiệu quả cao trong việc nối hai loại hợp kim khác nhau Trên thế giới, có rất nhiều công trình nghiên cứu về hàn ma sát mà đặc biệt là hàn nối hai hợp kim không cùng loại, mục đích để tìm ra quy trình tối ưu để ứng dụng vào sản xuất và phát triển sản phẩm Các công trình đó cũng là tiền đề để các nhà nghiên cứu phát triển ứng dụng tùy thuộc vào điều kiện của từng ngành và địa phương

1.1 Giới thiệu hàn ma sát xoay

1.1.1 Định nghĩa

Hàn ma sát xoay là phương pháp liên kết các chi tiết nhờ năng lượng ma sát sinh ra khi các bề mặt chi tiết chuyển động tương đối với nhau dưới tác động của lực

ép dọc trục Khi đó, tại bề mặt tiếp xúc của chi tiết, nhiệt độ sinh ra nhờ năng lượng

ma sát làm nóng các bề mặt chi tiết đến trạng thái dẻo, và dưới tác dụng của lực ép làm cho kim loại khuếch tán vào nhau tạo thành mối hàn [3] Như vậy quá trình hàn

ma sát diễn ra ở nhiệt độ dưới nhiệt độ nóng chảy [4]

Hình 1.1: Các bước cơ bản của kỹ thuật hàn ma sát xoay [3]

1.1.2 Nguyên lý

Về cơ bản, phương pháp hàn ma sát xoay được thực hiện như sau:

- Một chi tiết chuyển động quay tròn và một chi tiết đối diện được cố định

(đứng yên) đồng trục với chi tiết xoay (hình 1.1A)

- Khi đạt đến một tốc độ xác định, bề mặt hai chi tiết tiếp xúc với nhau dưới tác dụng của lực ép dọc trục (hình 1.1B)

- Lực 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 (hình 1.1C)

- Lúc này chuyển động quay dừng lại, lực ép dọc trục được duy trì hoặc tăng lên trong một khoảng thời gian giúp mối hàn được hình thành (hình 1.1D)

Chất lượng mối hàn phụ thuộc vào công việc chuẩn bị phôi và chỉnh đặt các thông số hàn như: tốc độ quay, lực ép dọc trục, thời gian và các thông số khác [3]

1.1.3 Phân loại hàn ma sát xoay

Hàn ma sát xoay được chia thành các loại sau:

Hình 1.2: Sơ đồ phân loại hàn ma sát xoay [5]

1.1.3.1 Hàn ma sát xoay truyền động liên tục

Hàn ma sát xoay truyền động liên tục (continuous drive/direct drive) là kỹ thuật

hàn phổ biến nhất bao gồm hai trục được bố trí đồng tâm với nhau, trong đó một trục quay được truyền động từ động cơ với tốc độ không đổi, trục còn lại có thể quay ngược chiều hoặc đứng yên và được 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 xoay được 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 khuếch tán kim loại của hai vật hàn tạo nên mối hàn Sau một khoảng thời gian, chuyển động xoay dừng lại trong khi áp lực được duy trì hoặc tăng thêm để đảm bảo mối hàn được hình thành tốt [5]

1 Động cơ truyền động;

2 Bộ hãm; 3a Bộ kẹp quay; 3b Bộ kẹp cố định;

4a Chi tiết hàn quay; 4b Chi tiết hàn cố định;

2) Thời gian ma sát

3) Thời gian dừng

4) Thời gian hình thành mối hàn

5) Lượng giảm kích thước dọc trục trong giai đoạn hình thành mối hàn

6) Tổng lượng giảm kích thước dọc trục của quá trình hàn ma sát

Hình 1.4: Quá trình ma sát xoay truyền động liên tục [5]

1.1.3.2 Hàn ma sát xoay truyền động gián đoạn

Hàn ma sát xoay truyền động gián đoạn (stored energy) còn được biết đến với

tên gọi hàn ma sát quán tính Trục quay được gắn vào một bánh đà và truyền động bởi một động cơ cho đến khi tốc độ xoay của bánh đà đạt đến một tốc độ tính toán trước Tại thời điểm này truyền động từ động cơ đến bánh đà bị ngắt, bánh đà chỉ còn xoay nhờ lực quán tính, dưới tác dụng của một lực ép dọc trục làm hai chi tiết hàn tiếp xúc vào nhau Ma sát tại hai bề mặt chi tiết sẽ tạo ra nguồn nhiệt cần thiết cho quá trình hàn Lực ép có thể được duy trì hoặc tăng thêm để đảm bảo mối hàn được hình thành [5]

1 Động cơ truyền động;

2 Bánh đai quán tính; 3a Bộ kẹp quay;

3b Bộ kẹp cố định; 4a Chi tiết hàn quay; 4b Chi tiết hàn cố định;

5 Xy lanh đẩy

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động máy hàn ma sát truyền động gián đoạn [5]

1 Lực hướng trục

2 Lượng giảm kích thước theo phương dọc trục

3 Tốc độ quay

4 Giai đoạn ma sát

5 Lực ép ma sát

6 Giai đoạn hình thành mối hàn

mối hàn

1) Tổng lượng giảm kích thước dọc trục của quá trình hàn ma sát

2) Thời gian ma sát

3) Thời gian hình thành mối hàn

Hình 1.6: Quá trình ma sát xoay truyền động gián đoạn [5]

1.1.3.3 So sánh hàn ma sát xoay truyền động gián đoạn và liên tục

Những ưu điểm của phương pháp hàn ma sát xoay truyền động gián đoạn so với hàn ma sát xoay truyền động liên tục [6]:

- Vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ hơn;

- Thời gian hàn ngắn hơn;

- Nhờ những đường chảy xoắn và nhiệt độ làm việc cao ở cuối quá trình hàn giúp cho mối hàn có sức bền tốt hơn;

- Dễ dàng trong việc giám sát quá trình hàn với chỉ hai thông số chính là tốc

độ vòng quay và lực ép;

- Dễ dàng xác định trước thông số hoạt động của hầu hết các loại vật liệu và hình dạng Bằng phương pháp tính toán theo tỷ lệ, do đó có thể dùng chi tiết nhỏ để tính toán cho những chi tiết lớn hơn

- Không cần khớp nối và phanh;

- Mô-men xoắn có thể được tính toán thông qua tốc độ quay;

Những ưu điểm của phương pháp hàn ma sát xoay truyền động liên tục so với hàn ma sát xoay truyền động gián đoạn [6]:

- Lực hàn thấp hơn cho những chi tiết dạng đặc Vì vậy các chi tiết lớn hơn có thể hàn trên dòng máy này

- Mô-men xoắn thấp khi phanh ở cuối quá trình hàn Do đó bộ phận kẹp giữ chi tiết không yêu cầu cao về độ cứng vững

- Tốc độ quay khi hàn chi tiết đặc thấp hơn

trục (tốc độ ép) trong giai đoạn ma sát, lượng giảm chiều dài chi tiết trong quá trình

ma sát, thời gian dừng quay, điểm đặt lực hàn, ứng suất và mô-men quán tính [5]

1 Thân máy; 2 Động cơ chính; 3 Mâm cặp; 4 Mâm cặp truyền động; 5 Dây dai

6 Hệ thống thủy lực; 7 Hệ thống hãm; 8 Hộp điện điều khiển; 9 Bộ điều khiển;

10 Máy tính; 11 Thiết bị đo nhiệt

Hình 1.7: Sơ đồ cấu tạo một máy hàn ma sát điển hình [7]

Ngoài ra máy hàn ma sát còn có thể được trang bị các tính năng khác như: bộ phận tháo lắp phôi, bộ phận di chuyển cho chi tiết tiếp xúc nhau, thiết bị loại bỏ phần thừa của mối hàn hoặc thiết bị gia công tạo hình mối hàn, bộ nhớ mở rộng để lưu trữ chương trình hàn, bộ phận định hướng góc, thiết bị theo dõi, nhận dạng, giám sát [5]

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của hàn ma sát xoay

- Phương pháp hàn này không cần sử dụng điện cực hàn, que hàn phụ, khí bảo

vệ, thuốc hàn, dễ dàng điều khiển, kiểm soát các thông số hàn cơ bản, khả năng tự động hóa cao

- Cho phép hàn các vật liệu khác nhau về cơ tính, hóa học, tính truyền nhiệt…

mà các phương pháp hàn khác không thể thực hiện được Liên kết chính xác, ít biến dạng nhiệt

- Dễ dàng điều khiển chế độ hàn, chi phí sản xuất thấp, chu kỳ hàn ngắn, khả năng lập lại cao nên rất tiết kiệm so với các phương pháp hàn khác

- Có thể ứng dụng hàn tại mọi địa điểm, không đòi hỏi tay nghề người thợ hàn

có tay nghề cao

1.4 Các ứng dụng của hàn ma sát xoay

Khi mới phát triển, hàn ma sát đã được dùng trong ngành ô tô, xe máy Cho đến nay, ứng dụng của hàn ma sát phát triển nhanh chóng cả về số lượng và loại chi tiết trong nhiều ngành công nghiệp Nó được dùng vào việc hàn các vật liệu khác nhau trong các ngành công nghiệp điện, hóa chất, hạt nhân, đóng tàu Việc kết hợp những kim loại khác nhau, chẳng hạn như nhôm với thép không gỉ hoặc thép hợp kim với đồng đang được ứng đụng rất nhiều vì tiết kiệm nguyên vật liệu và nguyên công lao động [8]

Các hình bên dưới trình bày một số sản phẩm điển hình được chế tạo bằng phương pháp hàn ma sát xoay

Hình 1.8: Chế tạo bom, đạn súng cối [6]

Hình 1.9: Chế tạo các chi tiết bánh răng, bánh xích vào trục [6]

Hình 1.10: Chế tạo các chi tiết khớp nối các đăng [6]

Hình 1.11: Chế tạo dụng cụ cắt [6]

Hình 1.12: Kết nối thép kết cấu xây dựng và đầu nối ren.[14]

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Ngành công nghệ hàn ma sát nói chung, ma sát xoay ở Việt Nam còn non trẻ

so với thế giới nên khả năng ứng dụng công nghệ hàn ma sát xoay ở nước ta còn khá hạn chế Các đề tài về hàn ma sát trong nước chủ yếu là các nghiên cứu về hàn ma

sát khuấy (Friction stir welding) cho mối hàn hai vật liệu giống nhau như:

- Luận văn thạc sĩ của Thân Trọng Khánh Đạt, ĐHBK TP.HCM (2014) [1], nghiên cứu về ảnh hưởng góc nghiêng của đầu dụng cụ hàn ma sát khuấy đến chất lượng mối hàn nhôm Bằng phương pháp thực nghiệm tác giả đã nghiên cứu góc nghiêng đầu dụng cụ hàn ảnh hưởng đến đến lượng nhiệt sinh ra khi hàn nhôm, qua

đó tác giả đề ra góc nghiêng phù hợp cho đầu hàn ma sát khuấy khi hàn tấm nhôm

- Bài báo “Ảnh hưởng của thông số hàn đến độ bền uốn của mối hàn ma sát

khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075-T6” của Dương Đình Hảo và cộng sự [2], đã

nghiên cứu chế tạo thử nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số hàn đến độ bền uốn Kết quả khảo sát thực nghiệm cho thấy mối hàn đạt chất lượng với độ bền uốn khá cao Trong đó có mối hàn chịu được uốn với góc uốn khá lớn đạt đến 90 độ

và không bị phá hủy cũng như khả năng chịu uốn của mối hàn còn tốt hơn cả vật liệu nền

Do giới hạn về nghiên cứu trong nước, hạn chế về nguồn tài liệu tham khảo, hiện tại chưa tìm thấy công trình nghiên cứu hay đề tài nào về hàn ma sát xoay hai vật liệu khác nhau được công bố ở trong nước Ngoài ra cũng chưa tìm thấy các thông tin liên quan đến các sản phẩm chế tạo từ hai vật liệu khác nhau của các doanh nghiệp trong nước

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Các nghiên cứu về lĩnh vực hàn ma sát được bắt đầu từ những năm 1891 [3]

Từ đó đến nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng hàn ma sát trên các vật liệu khác nhau Phần trình bày sau đây đề cập đến một số công trình nghiên cứu tiêu biểu ở ngoài nước có liên quan đến hàn ma sát xoay với hai loại vật liệu trong nghiên cứu này

- Bài báo “Fatigue Life Evaluation of Joint Designs for Friction Welding of

Mild Steel and Austenite Stainless Steel” của Chennakesava Reddy (2013) [11],

nghiên cứu ảnh hưởng của ba dạng mối ghép: chữ V (vee-joint), vuông

(square-joint), phẳng (plain joint) đến độ bền kéo, độ cứng, tuổi thọ trung bình và vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn Đề tài tiến hành hàn thép cacbon thấp với thép không gỉ austenite bằng phương pháp hàn ma sát xoay truyền động trực tiếp Qua nghiên cứu tác giả đã kết luận rằng, dạng mối ghép chữ V cho độ bền kéo, độ cứng, tuổi thọ trung bình của mối hàn cao hơn các dạng mối ghép còn lại Bài báo cũng chứng minh được dạng mối ghép chữ V giúp nhiệt phân bố trên bề mặt tiếp xúc đều hơn Hạn chế: không đề cập đến cách thức tính toán để chọn thông số hàn khi hàn thực nghiệm

Hình 1.13: Ba dạng mối ghép khi hàn thực nghiệm [11]

a) Mối hàn ma sát giữa thép không gỉ và

thép cacbon thấp

b) Biểu đồ so sánh độ bền kéo mối hàn

Hình 1.14: Sản phẩm sau khi hàn và kết quả kiểm tra dộ bền kéo [11]

- Luận án tiến sĩ của D Ananthapadmanaban (2012) [10], nghiên cứu tính hàn của thép không gỉ ferrite và austenite AISI 304L và thép cacbon thấp Đề tài tập trung nghiên cứu sự ảnh hưởng của 3 thông số hàn là lực ma sát, lực hàn và độ rút ngắn chiều dài chi tiết theo hướng trục đến cơ tính và cấu trúc tế vi của mối hàn Tác giả tiến hành hàn chi tiết có đường kính 15 mm, chiều dài 75 mm Nghiên cứu đã tìm ra các thông số hàn tốt nhất như trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Chế độ hàn tốt nhất khi hàn thép cacbon thấp và 2 loại thép không gỉ

a) Chế độ hàn cho Low Carbon và

high Manganese Steel

b) Chế độ hàn cho Low Carbon và

AISI304L Steel

Hình 1.15: Biểu đồ biểu diễn giới hạn độ bền kéo các mẫu thử nghiệm [10]

Tuy nhiên nghiên cứu không nêu rõ phương pháp tính toán khi chọn chế độ hàn thực nghiệm, chế độ hàn chỉ được tính cho chi tiết hàn có đường kính là 15mm

- Bài báo “Efficiency of Dissimilar Friction Welded (Super Duplex Stainless

Steel SAF 2507- Mild Steel) Joints” của Ramadhan H Gardi (2011) [12], nghiên cứu

ảnh hưởng của lực ma sát, lực hàn lên độ bền kéo và cấu trúc tế vi của mối hàn khi hàn thép SAF250 và thép cacbon thấp Chi tiết hàn dạng thanh đặc có đường kính 20

mm chiều dài 60 mm, tốc độ quay và thời gian ma sát được điều chỉnh cố định 1800

v/p, thời gian ma sát là 20 giây, lực ma sát và lực hàn qua 3 mức lần lượt là: 33 MPa

/80 MPa, 53 MPa/90 MPa và 80 MPa/134 MPa Bài báo đã chỉ ra rằng:

+ Lượng giảm chiều dài dọc trục tăng khi tăng lực hàn và lực ma sát

+ Độ bền kéo của mối hàn từ 66,12 – 79,17% so với kim loại cơ bản + Giới hạn độ bền kéo của mối hàn giảm khi tăng lực ma sát và lực hàn + Vùng ảnh hưởng nhiệt của thép cacbon lớn hơn thép SAF2507

a) Các chi tiết sau khi hàn thực nghiệm b) Biểu đồ biểu diễn lượng co theo

hướng trục

Hình 1.16: Mối hàn thực nghiệm và biểu đồ về lượng co theo hướng trục [12]

Hạn chế: bài báo chỉ nghiên cứu sự ảnh hưởng của lực hàn và lực ma sát đến độ bền kéo và cấu trúc tế vi của mối hàn ma sát giữa thép không gỉ AISI 2205 và thép cacbon thấp Tác giả chưa nêu cách thức tính toán chế độ hàn trong hàn thực nghiệm Bài báo chỉ giới hạn cho chi tiết hàn có đường kính 20 mm

- Bài báo “Effect of welding parameters on the fatigue properties of dissimilar

AISI 2205–AISI 1020 joined by friction welding” của Serdar Mercan và cộng sự

(2015) [7], nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hàn đến độ bền mỏi của mối hàn

ma sát xoay truyền động liên tục giữa thép mác AISI 2205 và thép cacbon thấp AISI

1020 Tác giả tiến hành hàn thanh thép đường kính 12 mm, dài 70 mm, kết quả như sau:

+ Độ bền kéo lớn nhất là 633,790 MPa ứng với mẫu S6 ứng với tốc độ quay

1300 v/ph, lực ma sát 50 MPa, thời gian ma sát 8s, lực hàn 100 MPa, thời gian hàn 4s

+ Độ bền mỏi lớn nhất là 280 MPa ứng với mẫu S7 có số vòng quay là 1500 v/ph, lực ma sát 30 MPa, thời gian ma sát 4s Độ bền mỏi thấp nhất là 170 MPa ứng với mẫu S4 có số vòng quay là 1300 v/phút, lực ma sát 50 MPa, thời gian ma sát 8s

+ Tốc độ quay cao, thời gian và lực ma sát thấp có thể làm tăng độ bền mỏi mối hàn

+ Độ bền kéo và giới hạn bền mỏi giảm khi tăng thời gian ma sát

a) Các mẫu thử độ bền kéo b) Biểu đồ kéo các mẫu hàn thực nghiệm

Hình 1.17: Kết quả kiểm tra độ bền kéo các mẫu hàn thực nghiệm [7]

Hạn chế ở đây là không đề cập cách thức tính toán thông số hàn khi hàn thực nghiệm, không nghiên cứu được bộ thông số hàn tốt nhất cho mối hàn giữa hai loại vật liệu trên, và chỉ giới hạn cho chi tiết thanh có đường kính 12 mm Ngoài ra hình thức và độ bền kéo mối hàn khó đánh giá do gia công lại mẫu hàn sau khi hàn

- H ATES và cộng sự (2014) [13] đã nghiên cứu ảnh hưởng của lực ma sát và lực hàn đến độ bền kéo, độ cứng và cấu trúc tế vi của mối hàn giữa thép cacbon thấp (AISI 1060) với thép không gỉ (AISI 304) Ở đây, chi tiết hàn có dạng thanh đường kính 20 mm, dài 160 mm được tiến hành hàn trên máy hàn ma sát xoay truyền động liên tục với công suất 300 kN, tốc độ quay 2000 v/ph, thời gian ma sát 5s, lực ma sát

P1 lần lượt là 30, 40 và 50 MPa, lực hàn P2 lần lượt là 50 và 70 MPa Kết quả nghiên cứu đã cho thấy rằng khi tăng lực ma sát và lực hàn thì độ cứng, độ bền kéo của mối hàn tăng, sự gia tăng độ cứng sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc tế vi của mối hàn, biến dạng

và các vết nứt thường xuất hiện trong vùng ảnh hưởng nhiệt của thép AISI 1060 Đề tài cũng tìm được bộ thông số hàn tối ưu khi hàn hai mẫu chi tiết là: lực ma sát 50 MPa, lực hàn 70 MPa, thời gian hàn 5s Tuy nhiên đề tài không nêu rõ cách thức tính toán thông số hàn khi hàn thực nghiệm

Hình 1.18: Kết quả kiểm tra độ bền kéo mối hàn [13]

1.5.3 Ý kiến thảo luận và định hướng nghiên cứu

1.5.3.1 Ý kiến thảo luận

Đối với các bài báo trong nước thì chưa thấy công trình nghiên cứu về hàn ma

sát xoay cho cặp vật liệu thép không gỉ và thép cacbon thấp Các bài nghiên cứu đa

số tập trung chủ yếu cho hàn ma sát khuấy Còn với các công trình nghiên cứu của

nước ngoài, thì đã có nhiều nghiên cứu về hàn ma sát xoay Đối với cặp vật liệu là

thép không gỉ và thép cacbon thấp thì các kết quả đã đạt được là: dạng mối ghép chữ

V cho độ bền kéo, độ cứng, tuổi thọ trung bình của mối hàn cao hơn dạng mối ghép

phẳng và dạng vuông [11] Ảnh hưởng của lực ma sát và lực hàn đến độ bền kéo, độ

cứng và cấu trúc tế vi của mối hàn giữa thép cacbon thấp (AISI 1060) với thép không

gỉ (AISI 304) [10] Ảnh hưởng của lực ma sát, lực hàn lên độ bền kéo và cấu trúc tế

vi của mối hàn khi hàn thép SAF250 và thép cacbon thấp [12] Nghiên cứu ảnh hưởng

của các thông số hàn đến độ bền mỏi của mối hàn ma sát xoay truyền động liên tục

giữa thép mác AISI 2205 và thép cacbon thấp AISI 1020 [7]

Hạn chế tồn tại của các nghiên cứu trên là hầu hết các chế độ hàn sử dụng khi

hàn thực nghiệm được lựa chọn trên cơ sở các chế độ hàn được công bố từ trước

hoặc từ kinh nghiệm thực tế, chưa thấy các tác giả công bố cách thức tính toán để

lựa chọn chế độ hàn Với đa số các thí nghiệm thử kéo thì mẫu được gia công theo

tiêu chuẩn như vậy không đánh giá được trọn vẹn tính liên kết của mối hàn

1.5.3.2 Định hướng nghiên cứu:

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã khảo sát, các định

hướng nghiên cứu để thực hiện nhiệm vụ có thể kể đến như sau:

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về hàn ma sát xoay như là nguyên lý hoạt động,

thông số ảnh hưởng đến quy trình hàn và các ứng dụng của hàn ma sát xoay trong

thực tế

- Nghiên cứu xác định bộ thông số hàn ma sát xoay đối với cặp vật liệu là thép

không gỉ và thép cacbon thấp (AISI 304 – AISI 1020)

- Đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng mối hàn, thông qua

thực nghiệm Ở đây chất lượng mối hàn được đánh giá bằng độ bền kéo của mẫu

Chương 2

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nội dung nghiên cứu

Các nội dung chính sau đây sẽ được tập trung nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan về hàn ma sát xoay, công nghệ hàn ma sát xoay

- Nghiên cứu xác định các thông số chính ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn

ma sát xoay, mối hàn ma sát xoay hai vật liệu khác nhau

- Nghiên cứu xác định chế độ hàn (thông số hàn) khi hàn ma sát xoay cặp vật liệu thép AISI 304 – AISI 1020

- Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn ma sát xoay khi hàn cặp vật liệu thép AISI 304 – AISI 1020 sử dụng phương pháp Taguchi

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp kế thừa

Kế thừa các công trình, kết quả nghiên cứu đã công bố của các tác giả trong

và ngoài nước về lĩnh vực nghiên cứu hàn ma sát xoay

2.2.2 Phương pháp thu thập thông tin

Tiếp cận các tài liệu nghiên cứu, các thông tin cần thiết có liên quan đến đề tài

có trên các tạp chí khoa học, tài liệu chuyên ngành, qua các nguồn tin từ báo, đài, internet,

2.2.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Thực hiện tiến hành thực nghiệm theo phương pháp Taguchi, để có thể tối thiểu hóa số thí nghiệm cần thiết mà vẫn đảm bảo mức độ tin cậy để nhận được mô hình toán học thực nghiệm phù hợp Với phương pháp này cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố, xác định được điều kiện tối ưu của đối tượng nghiên cứu

2.2.3.1 Vật liệu và địa điểm thực nghiệm

Vật liệu hàn được chọn để phục vụ nghiên cứu bao gồm:

+ Thép không gỉ AISI 304

+ Thép cácbon thấp AISI 1020

Bảng 2.1: Thành phần hóa học của thép không gỉ AISI304 [19]

AISI 304 19.720 7.796 0.046 68.913 0.020 0.012 1.598 0.437 0.145

Bảng 2.2: Thành phần hóa học của thép các bon thấp AISI1020 [19]

AISI 1020 0.341 0.053 0.209 98.712 0.012 0.013 0.586 0.209 0.007

Bảng 2.3: Độ bền kéo của thép các bon thấp AISI 304 và AISI 1020

Loại thép Tensile Strength MPa (ksi) Yeild strength MPa (ksi)

Kích thước phôi: hai loại phôi thép có dạng thanh được cắt thô trên máy cắt đá, sau đó được gia công đúng kích thước bằng máy tiện có giải nhiệt bằng dung dịch như ở hình 2.1

a) Chi tiết dạng 2D b) Chi tiết dạng 3D

Hình 2.1: Chi tiết hàn

- Đường kính chi tiết hàn Ø20 mm, dài L = 110 mm

- Địa điểm thực hiện thí nghiệm: phòng thí nghiệm REME Lab (trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

2.2.3.2 Trang thiết bị phục vụ thực nghiệm

- Thiết bị thực nghiệm

Máy hàn ma sát của phòng thí nghiệm REME Lab của Trường Đại Học Sư

Phạm TP HCM Đây là máy hàn ma sát dạng truyền động liên tục với hình ảnh (hình 2.2) thông số như ở bảng 2.4

Hình 2.2: Máy hàn ma sát xoay (REME Lab) Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của máy hàn ma sát xoay sử dụng hàn thực nghiệm

Tốc độ quay trục chính tối đa (v/ph) 1500

Lực ép dọc trục tối đa (MPa) 100

Thời gian ma sát tối đa (s) 30

- Thiết bị kiểm tra kéo

Thiết bị kiểm tra độ bền kéo sử dụng trong thực nghiệm là Universal Testing Machine WEW- 1000B, Đây là máy đo độ bền kéo với kiểu thiết kế hai cột để bàn,

cung cấp khả năng kiểm tra sức bền vật liệu theo tiêu chuẩn cho hầu hết mọi ứng dụng Máy có khả năng thực hiện kéo và nén trên cùng một khoang thử và được thiết

kế cho các yêu cầu kiểm tra theo tiêu chuẩn về lực kéo, lực nén Các kiểu thử nghiệm kiểm tra của máy bao gồm: kiểm tra lực kéo đứt, kiểm tra lực nén, lực uốn cong, lực cắt, lực xé, hoặc lực ma sát trượt, …

Hình 2.3: Thiết bị kiểm tra độ bền kéo Universal Testing Machine WEW- 1000B 2.3 Phương pháp đo đạc thực nghiệm

Các số liệu thí nghiệm cần xác định có hai loại: số liệu đo đạc trực tiếp và số liệu xác định gián tiếp Các số liệu đo đạc trực tiếp gồm tốc độ trục chính, thời gian,

và áp lực của xylanh, khoảng dịch chuyển của xylanh Còn lại hầu hết các số liệu kỹ thuật đều xác định bằng các công thức tính toán bằng phần mềm Minitab và excel sau khi đã đo đạc trực tiếp các số liệu thành phần

2.4 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm

Trong nghiên cứu này phương pháp thực nhiệm Taguchi đã được lựa chọn Đây

là phương pháp đánh giá cho phép nhận được kết quả nhanh chóng với số lượng thí nghiệm hợp lý nhất để đưa ra kết luận chất lượng của quy trình

2.4.1 Giới thiệu phương pháp Taguchi

Mục đính chính của phương pháp Taguchi là để hạn chế phạm vi của các thông

số trong quy trình ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm để tạo ra những sản phẩm chất lượng cao với giá thành hợp lý Phương pháp này được phát triển bởi Genichi

Taguchi với khái niệm cho rằng: những sản phẩm có chất lượng xấu không những ảnh hưởng đến nhà sản xuất mà còn ảnh hưởng đến xã hội

Taguchi đã phát triển một phương pháp quy hoặch thực nghiệm để kiểm tra

và tìm hiểu bằng cách nào và như thế nào mà các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến giá trị trung bình và phương sai đặc tính sản phẩm Phương pháp quy hoặch thực nghiệm được đề xuất bởi Taguchi sử dụng bảng trực giao để sắp xếp các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình và các mức của các yếu tố này Bảng trực giao thu thập các thông tin cần thiết để xác định các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và đảm bảo tiết kiệm tối đa mức độ chi phí và thời gian cho thực nghiệm Cùng với phân tích phương sai, quy hoạch thực nghiệm của Taguchi có thể tìm ra các cách thức và giải pháp mới để tối ưu hóa các đặc tính sản phẩm [22]

2.4.2 Tóm tắt phương pháp

Các bước tổng quát của phương pháp Taguchi:

- Bước 1: Xác định mục tiêu của quá trình, hoặc cụ thể hơn là giá trị mục tiêu của quá trình ví dụ như tốc độ dòng chảy, nhiệt độ, tốc độ quay… Mục tiêu của quy trình có thể là giá trị lớn nhất hoặc nhỏ nhất, ví dụ như mục tiêu là tối đa tốc độ dòng chảy hoặc năng suất Độ sai lệch tính chất sản phẩm từ giá trị mục tiêu được dùng để xác định hàm số thiệt hại của quá trình

- Bước 2: Xác định các yếu tố mà ảnh hưởng đến quy trình Yếu tố là các biến

số của quy trình ảnh hưởng đến chất lượng như là nhiệt độ, áp lực… và có thể dễ dàng thay đổi được mức độ Ta cũng cần xác định số cấp độ của các yếu tố ở bước này, ví dụ như nhiệt độ ở mức giá trị cao 800C hoặc thấp 400C Khi số cấp độ của các yếu tố tăng sẽ làm cho số lần thực nghiệm tăng lên tương ứng

- Bước 3: Tạo bảng trực giao để chỉ rõ điều kiện cụ thể cho mỗi thí nghiệm

- Bước 4: Thực hiện thực nghiệm được chỉ rõ trong bảng trực giao để thu thập

dữ liệu kết quả thực nghiệm

- Bước 5: Phân tích dữ liệu để xác định sự ảnh hưởng của các yếu tố đến tính chất của sản phẩm Kết luận và đưa ra hướng giải quyết, hướng phát triển cho sản phẩm

2.4.3 Hàm số thiệt hại Taguchi

Mục tiêu của phương pháp thực nghiệm Taguchi là giảm giá thành cho sản xuất

và xã hội bằng việc giảm sự biến đổi (sự không ổn định) trong quá trình sản xuất Taguchi tìm ra độ lệch giữa giá trị mục tiêu và tính chất sản phẩm τ, và giá trị đo được y theo công thức sau:

l(y) = kc

Những hàm thiệt hại này là thiệt hại của khách hàng trên một đơn vị sản phẩm Bằng cách tính toán hàm chức năng này, thì tổng thiệt hại của của xả hội cũng có thể tính được

2.4.4 Xác định thông số cho bảng trực giao

Taguchi đã đề xuất sử dụng bảng trực giao để thể hiện các tính chất của thông

số kiểm nghiệm Một khi, chúng ta xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình thì số mức độ của chúng cần phải được xác định cụ thể Để xác định thông số

và các mức của các yếu tố đó đòi hỏi phải có kiến thức sâu về quy trình muốn kiểm tra Nếu sự chênh lệch giữa giá trị nhỏ nhất và lớn nhất lớn thì giá trị kiểm tra cách

xa nhau rất lớn do đó cần thêm giá trị để kiểm tra Còn nếu giá trị gần nhau thì không nhất thiết cần nhiều giá trị được kiểm tra vì giá trị đã rất gần nhau Ví dụ như nhiệt

độ của nước làm mát có giá trị từ 200 C và 800C, và giá trị hiện tại là 500C thì 3 mức giá trị được chọn là: 200, 500, và 800C Đồng thời cần lưu ý đến chi phí khi chọn số

cấp độ giá trị của thông số Thông thường, số lượng cấp độ của tất cả các thông số trong thực nghiệm phải bằng nhau để giúp chọn lựa đúng bảng trực giao cho phù hợp

2.4.5 Phân tích tỷ lệ S/N

Tỷ lệ S/N (Signal to Noise) là một trong những đóng góp quan trọng của Taguchi cho chuyên ngành kỹ thuật chất lượng Tỷ lệ này với cách viết tắt là S/N để đại diện cho ký tự Hy Lạp sigma (σ) Như là một công cụ để xác định mức độ tin cậy, và nó là thành phần quan trọng trong việc quy hoặch các thông số Giá trị S/N dựa trên giá trị độ lệch bình phương trung bình MSD (mean square deviation) trong phân tích các kết quả lập lại Biểu thức MSD kết hợp những biến đổi xung quanh mục tiêu đã biết và phù hợp với mục tiêu chất lượng của Taguchi Do đó công thức MSD được viết như sau:

MSD = 1

n∑ Yi2 n

i=1

(2.5) Trong đó: MSD - độ lệch bình phương trung bình

n - số lần lặp lại

Yi - giá trị nhận được Với việc phân tích S/N, tập trung vào việc xử lý, tính toán giá trị trung bình (mean) và sự sai khác (variation) giữa các kết quả thí nghiệm Do đó chúng ta có thể cho rằng phân tích S/N theo 2 chiều còn đối với các phân tích thông thường thì chỉ

có 1 chiều Từ phân tích này chúng ta có thể xác định thông số cài đặt hoặc mức độ

mà không những tạo ra kết quả tốt nhất dưới những điều kiện được điều chỉnh đúng

mà còn tạo ra những kết quả mong muốn nhất Kết luận từ thực nghiệm liên quan đến các tính chất chất lượng cho chúng ta biết giá trị cài đặt tốt nhất để đạt kết quả mong muốn Về mặt tính chất chất lượng thì giá trị S/N được diễn giải theo các trường hợp sau:

- Càng nhỏ càng tốt:

SN

- Càng lớn càng tốt:

SN

⁄ = −10 log ( 1

- Giá trị biết trước là tốt nhất:

SN

⁄ = 10 log (MSD

2.4.6 Kiểm chứng lại kết quả thí nghiệm

2.4.6.1 Dự đoán giá trị ở chế độ tốt nhất trong thực nghiệm

Sau khi dùng tỷ lệ S/N để đánh giá các thông số trong quy trình ta xác định được bộ thông số mà ở đó kết quả đạt được là tốt nhất Với bộ thông số đó và xác định độ tin cậy cho thực nghiệm Trong phương pháp taguchi cho phép ta dự đoán được khoảng giá trị của kết quả với một bộ thông số và độ tin cậy được xác định trước

2.4.6.2 Ước lượng khoảng tin cậy cho các thông số tốt nhất của t/nghiệm

Dựa vào giá trị thông số sau khi đánh giá S/N và theo lý thuyết của Taguchi ta tính được giá trị trung bình theo công thức với các giá trị của chế độ tốt nhất ( ví dụ trong trường hợp với bộ thông số: Ax, By, Cz, thì ta đạt giá trị kết quả lớn nhất trong khoảng thí nghiệm và tiến hành theo các công thức bên dưới

(2.10) Trong đó:

+ Fa ; (1,fe) Tỷ lệ số F với độ rủi ro  = 0.05;

+ fe: Bậc tự do của sai số;

+ Ve Phương sai sai số

+ neff Giá trị hiệu dụng của các lần lặp được tính theo công thức

𝑛𝑒𝑓𝑓 = 𝑁

+ R Số lần thực nghiệm của kiểm nghiệm kiểm chứng

CI của quá trình trong khoảng:

[𝜇𝐴2𝐵2𝐶2− 𝐶𝐼] < 𝜇𝐴2𝐵2𝐶2 < [𝜇𝐴2𝐵2𝐶2+ 𝐶𝐼] (2.12) Cuối cùng là thực hiện thí nghiệm kiểm chứng với số lượng thí nghiệm đã chọn

là R và so sánh với khoảng CI, nếu các thí nghiệm nằm trong khoảng này thì kết luận thí nghiệm đáng tin cậy với tỷ lệ của độ tin cậy đã chọn Và ngược lại thì thí nghiệm

không tin cậy và phải lên phương án làm lại thí nghiệm

Lực ma sát làm chuyển hóa động năng của chuyển động tương đối giữa các bề mặt thành năng lượng ở dạng khác Việc chuyển hóa năng lượng thường là do va chạm giữa phân tử của hai bề mặt gây ra năng lượngnhiệthoặcthế năngdự trữ trong khi vật bị biến dạng tại bề mặt hay chuyển động của các electron được tích lũy một phần thànhđiện nănghayquang năng Trong đa số trường hợp trong thực tế, động năng của các bề mặt được chuyển hóa chủ yếu thànhnhiệt năng

3.1.1 Ma sát nghỉ

Ma sát nghỉ (hay còn được gọi là ma sát tĩnh) là lực xuất hiện giữa hai vật tiếp xúc mà vật này có xu hướng chuyển động so với vật còn lại nhưng vị trí tương đối của chúng chưa thay đổi Ví dụ như, lực ma sát nghỉ ngăn cản một vật định trượt (chuẩn bị trượt nhưng vị trí tương đối vẫn chưa thay đổi nhiều - thay đổi ít) trên bề mặt nghiêng, hoặc trên bề mặt phẳng dưới tác động của ngoại lực lên hệ Hệ số của

ma sát nghỉ, thường được ký hiệu là kt, thường lớn hơn so với hệ số của ma sát động Lực ban đầu làm cho vật chuyển động thường bị cản trở bởi ma sát nghỉ Giá trị lớn nhất của lực ma sát nghỉ, khi vật bắt đầu chuyển động, hay ma sát nghỉ cực đại, được tính bằng công thức:

Trong đó: k t là hệ số ma sát nghỉ

F0 là lực mà vật tác dụng lên mặt phẳng

3.1.2 Ma sát động

Ma sát động xuất hiện khi một vật chuyển động so với vật còn lại và có sự cọ xát giữa chúng Hệ số của ma sát động thường nhỏ hơn hệ số ma sát nghỉ Mỗi loại

ma sát động lại có một ký hiệu khác nhau Các loại ma sát động:

- Ma sát trượt xuất hiện khi hai vật thể trượt trên nhau, ví dụ như đẩy một quyển sách trên mặt bàn.Lực ma sát trượt cản trở làm cho vật đó không trượt nữa

- Ma sát nhớt là sự tương tác giữa một vật thể rắn và một chất lỏng hoặc một chất khí, ví dụ như một vật thể di chuyển qua môi trường lỏng hoặc khí Lực ma sát của không khí tác dụng lên máy bay hay của nước tác dụng lên người thợ lặn đều là các ví dụ về lực ma sát nhớt Loại lực ma sát này không chỉ xuất hiện do sự cọ xát - trường hợp này tạo ra lực ma sát có phương trùng với tiếp tuyến của bề mặt tiếp xúc giống như lực ma sát trượt

- Ma sát lăn là lực ngăn cản lại sự lăn của một bánh xe hay các vật có dạng hình tròn trên mặt phẳng bởi sự biến dạng của vật thể hoặc của bề mặt (có thể cũng không nhất thiết là có dạng hình tròn) Lực ma sát lăn nhỏ hơn các lực ma sát động khác Hệ số ma sát lăn thường có giá trị là 0,001 Ví dụ điển hình nhất của lực ma sát lăn là sự di chuyển của bánh các loại xe cộ trên đường

3.2 Lưu chất

Vật chất tồn tại dưới 3 dạng căn bản là: rắn, lỏng, khí Chất rắn có hình dạng

và thể tích xác định Các chất lỏng và khí được gọi là lưu chất vì nó có hình dạng của vật chứa chất khí thì được phân biệt là lưu chất mà điền đầy toàn bộ vật chứa trong khi đó chất lỏng hình thành bề mặt ngăn cách ví dụ như đổ nửa can nước thì trong can sẽ có một bề mặt nước ngăn cách giữa nước và khí Áp suất trong lưu chất đóng vai trò quan trọng đối với trạng thái của chất lưu

Khi một lực có độ lớn F áp lên một diện tích bề mặt A, thì áp suất được tính như sau:

ρ là khối lượng riêng của chất lỏng

g là gia tốc trọng trường, thường được lấy giá trị xấp xỉ 9.81 m/s2

h là khoảng cách tính từ bề mặt chất lỏng đến điểm cần xét

3.3 Lý thuyết nhiệt

3.3.1 Nội năng

Tất cả các vật chất không kể ở dạng nào đều chứa các phân tử, nguyên tử chúng

di chuyển rất nhanh động năng của các hạt này được gọi là nội năng của vật thể Nhiệt độ của một vật thể được tính bằng trung bình động năng của các hạt vật chất

đó Nhiệt lượng là nội năng thay đổi, khi nhiệt lượng được thêm vào vật thể thì nội năng tăng và ngược lại khi nhiệt lượng thoát ra khỏi vật thể thì nội năng giảm và đồng thời nhiệt độ giảm [15]

3.3.2 Nhiệt dung và truyền nhiệt

Khi nhiệt lượng được thêm vào một vật chất thì nó làm vật càng ngày càng nóng nếu vật chất vẫn giữ nguyên pha của nó (không chuyển qua pha khác chẳng hạn như lỏng, khí) Lượng thay đổi nhiệt độ phụ thuộc vào khối lượng của chất và loại vật chất Nhiệt lượng cần thiết để làm tăng một chất lên 1 độ C được gọi là nhiệt dung Do đó nhiệt lượng Q làm tăng 1 lượng nhiệt ∆T cho vật chất có khối lượng m được tính theo công thức sau:

Q = mcT (3.5)

3.3.3 Truyền nhiệt

Trao đổi nhiệt là sự truyền dẫn nhiệt năng khi có sự chênh lệch nhiệt độ Lượng nhiệt năng trong quá trình trao đổi được gọi là nhiệt lượng và là một quá trình biến thiên Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra theo hướng chuyển nhiệt năng từ nơi có nhiệt

độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp

Cần phân biệt trao đổi nhiệt với cân bằng nhiệt, là quá trình trao đổi nhiệt giữa hai hoặc nhiều vật chất tới khi đạt được một nhiệt độ chung Đại lượng vật lý mô tả

sự trao đổi nhiệt là dòng nhiệt Q̇ Sự trao đổi nhiệt tại một bề mặt (ví dụ ranh giới rắn/lỏng, rắn/khí) được biểu diễn thông qua hệ số truyền nhiệt (α hoặc h)

Dẫn nhiệt là sự truyền động năng giữa các nguyên tử hay phân tử lân cận mà không có hiện tượng sự trao đổi phần tử vật chất Hình thức trao đổi nhiệt luôn diễn

ra từ vùng có mức năng lượng cao hơn (với nhiệt độ cao hơn) đến vùng có mức năng lượng thấp hơn (với nhiệt độ thấp hơn) Sự truyền nhiệt trong kim loại thông qua sự chuyển động của các electron cũng là sự dẫn nhiệt

𝐻 =𝑑𝑄

𝑑𝑡 = −𝑘𝐴𝑑𝑇

3.4 Tính toán nhiệt trong hàn ma sát

3.4.1 Mối liên hệ giữa mô-men xoắn và năng lượng nhiệt

Trong hàn ma sát, việc tiếp xúc và tạo áp lực giữa các bề mặt do đó năng lượng nhiệt được sinh ra có thể được tính qua các giả thiết: áp lực ma sát trãi rộng đồng nhất trên bề mặt mối ghép Nhiệt lượng được sinh ra và sự biến thiên của nó có thể được xác định bằng các thông số của quá trình vận hành (áp lực, tốc độ) và các kích thước của chi tiết Năng lượng nhiệt có thể được thể hiện qua công thức sau [16]:

Hình 3.1: Bề mặt ma sát và vòng xuyến ma sát (vi phân dr) [16]

Khi lấy tích phân tới R ta được tổng năng lượng nhiệt sinh ra tại bề mặt chi tiết:

3.4.2 Truyền nhiệt trong thanh

3.4.2.1 Phương trình truyền nhiệt

Nhiệt độ phân bổ trong các thanh đặc có thể được xác định bằng phương trình truyền nhiệt Nếu các đặc tính nhiệt của vật liệu được cho là không thay đổi và không

có hiện tượng đổi pha thì phương truyền nhiệt được thể hiện theo sau [17]:

+ ρ là tỷ trọng (density)

+ Cp là nhiệt xác định (specific heat)

Nghiệm của phương trình này với điều kiện bắt đầu và điều kiện biên thích hợp xác định được trường phân bổ nhiệt trong các khối đặc

3.4.2.2 Nguồn nhiệt cố định trong thanh đặc với chiều dài vô hạn

Nguồn nhiệt cố định được hiểu là không thay đổi theo thời gian, và thanh đặc

có chiều dài được xem là vô hạn

Cùng với điều kiện trong trường hợp nguồn nhiệt theo thiết diện phẳng chuyển động theo phương dọc trục của một thanh dài (được xem là vô hạn) Nghiệm của phương trình được trình bày theo: