(Luận văn thạc sĩ) 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TÀO ANH TUẤN NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HÀN ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN M

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TÀO ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HÀN ÐẾN CHẤT LUỢNG MỐI HÀN MA SÁT XOAY KHI HÀN CẶP VẬT LIỆU AISI 304 VÀ AISI 1020

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 1580422

S K C0 0 5 8 9 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TÀO ANH TUẤN

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

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ: 1580422

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TÀO ANH TUẤN

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

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC

Họ & tên: Tào Anh Tuấn Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12/03/1982 Nơi sinh: TP HCM

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 75 Nguyễn Văn Lượng, P 17, Q.Gò Vấp, TP HCM

Điện thoại cơ quan: 02838418503 Điện thoại nhà riêng: 01685326068 Fax:

E-mail: taoanhtuan@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1 Trung học chuyên nghiệp

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: 09/2000 - 09/ 2002 Nơi học: Trường Cao Đẳng Công Nghiệp 4

Hệ đào tạo: Thạc sĩ Thời gian đào tạo từ 09/2015 đến 09/ 2017 Nơi học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, TP Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí

Tên luận văn: 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

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 05/05/2018

Người hướng dẫn: PGS.TS Đặng Thiện Ngôn

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

nhiệm 03/2008

đến 08/2009

Công ty TNHH Olymplus Việt

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

TP Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 04 năm 2018

Tào Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn”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”, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của quý Thầy/Cô, các chuyên gia,

bạn bè và gia đình Cho nên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến:

Thầy PGS TS Đặng Thiện Ngôn, đã dành nhiều thời gian, tâm huyết truyền đạt những kiến thức khoa học quý báu, hướng dẫn, định hướng, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy/Cô, các anh chị tại đơn vị tôi công tác, các chuyên gia công tác ờ các đơn vị khác nhau, quý bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên giúp tôi hoàn thành khóa học

Xin cảm ơn gia đình đã động viên và quan tâm đến công việc nghiên cứu của tôi

Xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Thời gian gần đây giải pháp chế tạo các dụng cụ, chi tiết từ từ hai vật liệu khác nhau với mục đích tăng cơ tính, độ bền và giảm giá thành chế tạo đang được quan tâm nghiên cứu Trong đó, chế tạo các dụng cụ và chi tiết từ cặp vật liệu thép không

gỉ và thép cacbon thấp bằng phương pháp hàn ma sát xoay là một giải pháp tiềm năng đang được quan tâm nghiên cứu Một số công trình nghiên cứu ngoài nước đã

đề cập đến giải pháp này nhưng khá ngắn gọn và chủ yếu là công bố kết quả, chi tiết việc tính toán chế độ hàn và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng mối hàn không được đề cập Ngoài ra, đa số các công bố đến từ các công ty độc quyền nên gắn liền với giải pháp và thiết bị độc quyền nên khó có thể vận dụng áp dụng trong thực tế ở Việt Nam

Đề tài triển khai nghiên cứu xác định chế độ hàn để có thể có được mối hàn đạt chất lượng khi hàn ma sát xoay cặp vật liệu AISI 304 và AISI 1020 Đồng thời thực hiện khảo nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn bằng phương pháp thực nghiệm Taguchi Chất lượng mối hàn được đánh giá chủ yếu dựa trên độ bền kéo và quan sát ngoại quan mối hàn cũng như vết dứt sau khi kiểm tra kéo

Nghiên cứu là đề xuất được chế độ hàn khi hàn ma sát xoay cặp vật liệu AISI

304 VÀ AISI 1020 đạt chất lượng có độ bền kéo đạt đến 80% so với kim loại nền Ngoài ra, kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã tìm ra được mức độ ảnh hưởng của các thông số ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn từ cao đến thấp là: lực hàn, tốc độ hàn

và cuối cùng là thời gian ma sát Bên cạnh đó, qua nghiên cứu cho thấy phần dôi ra của kim loại cũng ảnh hưởng lớn và cần thực hiện các nghiên cứu tiếp theo để khảo sát và đánh giá

ABSTRACT

Recently, the solution of fabrication of tools which made of from two different materials with the purpose of increasing the mechanical cheracterictics, durability and reduce production costs are being studied In particular, tools and components fabrication with stainless steel and low carbon steel by rotary friction welding is a potential solution that is being studied A number of overseas studies have addressed this solution but are quite brief and mainly publish the results, detailing the welding mode calculation and their impact on the quality of the welds not mentioned In addition, most of the titles coming from the monopoly companies should be associated with proprietary solutions and equipment so it is difficult to apply in Vietnam manufacturing condition

Based on the theoretical and published studies, this study identifies the parameters that influence the process and the quality of the weld In addition, the selection process and the welding parameters for the pair of materials AISI 304 and AISI 1020 were also presented The study was conducted to find parameters that affect the quality of welds in the test range Experiment The Taguchi Experiment was used to investigate the parameters affecting the quality of the weld The weld quality is based on the tensile strength and the welded bonded appearance as well as

on the weld after the test

After study, we got a range of parameters for the rotary friction welding process for stainless steel and low carbon steel The welding joint strength equals 80% base material (low carbon steel) From the experimental results, we found that the welding force is the most effective parameter, the second effective parameter is the rotary speed, and the last one is friction time In addition, it has been found that the resonance of the metal is greatly influenced, and it is extended to carry out follow-

up studies

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;

8 Áp lực hàn 1) Lượng giảm kích thước dọc trục trong giai đoạn ma sát

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

7 Lực ép hình thành 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]

Loại thép Cr% Ni% C% Fe% P% S% Mn% Si% Co% 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]

Loại thép C% Ti% Si% Fe% P% S% Mn% Si% Co% 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

Thông số kỹ thuật Giá trị

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