Nghiên cứu công nghệ hàn đắp phục hồi trục cam động cơ ô tô bị hỏng do mài mòn

Nghiên cứu công nghệ hàn đắp phục hồi trục cam động cơ ô tô bị hỏng do mài mòn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-


 -

BÙI HUY TƯỞNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN ðẮP PHỤC

HỒI TRỤC CAM ðỘNG CƠ ÔTÔ

BỊ HỎNG DO MÀI MÒN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá

nông, lâm nghiệp

Mã số : 60.52.14

Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ HUY LÂN

HÀ NỘI - 2010

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa ñược ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân tr ọng cảm ơn Thày giáo TS Vũ Huy Lân, ñã trực tiếp hướng

d ẫn, tận tình giúp ñỡ tôi trong quá trình làm ñề tài và hoàn thành Luận văn

Tôi c ũng xin trân trọng cảm ơn tập thể các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ

v ật liệu – Khoa Cơ ðiện - trường ñại học Nông Nghiệp Hà Nội, bộ môn hàn

và công ngh ệ vật liệu viện Cơ khí trường ñại học Bách Khoa Hà Nội, PTN

tr ọng ñiểm công nghệ hàn và xử lý bề mặt ñã giúp ñỡ và tạo mọi ñiêu kiện

cho tôi trong quá trình th ực hiện ñề tài

Qua ñây tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các thày, cô giáo ñã giảng dạy tôi

trong su ốt quá trình học tập tại trường Cảm ơn ban giám hiệu, tập thể giáo

viên tr ường Cao ñẳng Công nghiệp Nam ðịnh, tập thể giáo viên khoa cơ khí

và b ạn bè ñồng nghiệp ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi và giúp ñỡ tôi hoàn

thành Lu ận văn này

Tác giả luận văn

Bùi Huy Tưởng

Chương I PHÂN TÍCH LỰA CHỌN QUY TRÌNH PHỤC HỒI TRỤC CAM 2

1.2 ðiều kiện làm việc và những hư hỏng thường gặp của trục

cam

4

1.4 Yêu cầu kỹ thuật ñối với trục cam sau khi sửa chữa 17

1.6 Ứng suất dư và biến dạng của chi tiết hàn có liên quan với

Chương II: LẬP QUY TRÌNH PHỤC HỒI CAM BỊ MÒN 39

Chương III KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG VÀ ðÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ 59

3.1.1 Qui trình kiểm tra ñánh giá sơ bộ bằng mắt thường 59

3.2 Kiểm tra biên dạng cam và ñộ biến dạng của trục cam 74

4.1.3 Xác ñịnh tỷ lệ K và kiểm tra tính chống nứt nguội 85

1.1 Thành phần hoá học của thép cacbon kết cấu 40Cr 3

1.5 Vật liệu hàn cần thiết ñể tạo ra 1 kg kim loại nóng chảy 15

1.7 Thành phần hoá học kim loại ñắp của que hàn E 10UM

-60GRZ

33

1.8 Cơ tính của mối hàn ñắp với que hàn E 10-UM-60-GRZ 33 1.9 Kích thước, dòng ñiện của que hàn E 10-UM-60-GRZ 34 1.10 Thành phần hoá học của que hàn lõi hợp kim Ni-Fe 35

3.1 Mức ñộ chấp nhận cho các chỉ thị 65

4.4 Mối quan hệ giữa chiều dày lớp trung gian và chiều cao ñắp 86 4.5 Thông số chế ñộ hàn ñắp que hàn Ni-Fe và que hàn UTP 87

DANH MỤC HÌNH

1.3 ðộng học của con ñội hình nấm trong giai ñoạn I 4 1.4 ðộng học của con ñội hình nấm trong giai ñoạn II 5

1.13 Sơ ñồ nguyên lý của máy hàn tự ñộng 12

1.17 Sự phân bố các tầng nhiệt ñộ theo mặt cắt ngang của trục khi hàn

Trong ñiều kiện kinh tế ñất nước ta hiện nay còn rất khó khăn về nhiều mặt thì việc áp dụng các công nghệ khác nhau vào việc phục hồi các thiết bị chi tiết máy ñể giảm giá thành là rất cần thiết Hàn và hàn ñắp là một trong những công nghệ chủ yếu ñóng vai trò quan trọng trong nhiệm vụ này, qua kinh nghiệm và số liệu tổng kết trên thực tế, chi tiết ñược phục hồi bằng công nghệ hàn chiếm từ 60 – 70% số chi tiết của ôtô, máy kéo, thiết bị cơ khí… cần sửa chữa, mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn trong sản xuất

Với nhiệm vụ “Nghiên cứu công nghệ hàn ñắp phục hồi trục cam ñộng cơ ô tô bị hỏng do mài mòn” ðây là một ñề tài thực tế, có tính ứng

dụng cao Trong quá trình thực hiện ñã có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian

và ñiều kiện hạn chế, do vậy bản luận văn của tôi còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận ñược sự góp ý của các thày và các bạn ñồng nghiệp

CHƯƠNG I PHÂN TÍCH LỰA CHỌN QUY TRÌNH PHỤC HỒI TRỤC CAM 1.1.Công dụng và vật liệu chế tạo trục cam

- Trục cam dùng ñể dẫn ñộng xupap ñóng mở theo quy luật nhất ñịnh, trục cam bao gồm các phần cam xả, cam nạp và các cổ trục Ngoài ra trong một số ñộng cơ trên trục cam còn có cam dẫn ñộng bơm xăng, cam dẫn ñộng bơm cao áp và bánh răng dẫn ñộng bơm dầu, bộ chia ñiện v.v…hình 1.2

- Vật liệu chế tạo trục cam thường là thép hợp kim thành phần cacbon thấp như thép 15X, 15MH, 12XH3A, 18XBA… hoặc thép cacbon thành phần cacbon trung bình như thép 40X hay thép 45

Hình 1.1 Cấu tạo truc cam

1) Các cổ trục; 2) Vấu cam; 3) Bánh răng Các mặt ma sát của trục cam (mặt làm việc của cam, cổ trục, mặt ñầu trục cam) ñều ñược thấm than và tôi cứng bề mặt ðộ sâu thấm than thường vào khoảng 0,7 ÷ 2mm, ñộ cứng ñạt HRC 52 ÷ 55, các bề mặt khác và lõi trục cam ñộ cứng thấp hơn, thường vào khoảng 30 ÷ 40 HRC

ðối với trục cam xe Bella, theo thông tin ñược cung cấp từ ñơn vị yêu cầu phục hồi sửa chữa, ñây là trục cam của xe Bella sản xuất từ liên xô cũ, ñộng cơ 4 kì, 6 xylanh xếp hình chữ V, ñơn trục cam

Dựa vào yêu cầu khi chế tạo trục và kinh nghiệm thực tế khi sửa chữa phục hồi trục cam thì loại vật liệu làm trục thường là thép kết cấu hợp kim 40X (GOST), thép 40Cr (TCVN), thành phần hoá học và cơ tính ñược thể hiện trong bảng 1.1 và bảng 1.2,

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của thép cacbon kết cấu 40Cr [5]

Hàm lượng của các nguyên tố,(%)

Giới hạn bền chảy qui ước

σ0,2 (MPa)

ðộ giãn dài tương ñối δ

%

ðộ dai va ñập

a k J/cm2

- Yêu cầu về cơ tính

+ Khảo sát ñộ cứng bề mặt của cam: Ta sử dụng máy ño ñộ cứng

Rockwell, ño tại 5 ñiểm, ñộ cứng trung bình ñạt ≈ 55 ÷ 60HRC

Hình 1.2 Phương pháp kiểm tra ñộ cứng

+ Khảo sát ñộ bóng bề mặt của cam: Qua kinh nghiệm thực tế khi sửa

chữa trục cam và tiêu chuẩn chung, khi tiến hành phục hồi sửa chữa trục cam, thì nhám bề mặt trục cam ñạt từ cấp 8 trở lên

1.2 ðiều kiện làm việc và những hư hỏng thường gặp của trục cam

Trục cam có các bộ phận chính là các cam và các cổ trục, các chi tiết của

cơ cấu phân phối khí ñược dẫn ñộng liên hoàn từ trục cam ñến xupap Quá trình làm việc của cam ñược diễn ra như sau: Mặt làm việc của cam gồm hai phần cung ρ và phần cung r Vì vậy quy luật ñộng học con ñội hình nấm hoặc hình trụ trên hai phần này cũng khác nhau Trong giai ñoạn 1, con ñội trượt trên mặt cam, từ A ñến A’ tương ứng với góc quay của cam từ θ = 0 ñến θ =

θmax Giai ñoạn 2 con ñội trượt trên cung r từ A’ñến C ứng với góc quay γ = γ max = =

2

ϕ

θmax ñến γ = 0

Hình 1.3 ðộng học của con ñội hình nấm trong giai ñoạn I [1]

- ðộng học của con ñội hình nấm trong giai ñoạn I

Chuyển vị của con ñội hình nấm khi con ñội trượt ñến một vị trí bất kỳ nào ñó ứng với góc θ ( trên hình vẽ) chuyển vị của con ñội hình nấm có thể xác ñịnh theo quan hệ sau: hθ = ab = ao – R1 = ρ - (ρ - R1) cosθ - R1

Hoặc hθ= (ρ - R1) (1- cosθ) (1.1) + Tốc ñộ của con ñội hình nấm: lấy ñạo hàm hai vế của phương trình (1.1) ñối với thời gian ta có tốc ñộ của con ñội hình nấm

dh dt

d d

dv dt

dv

j = = = − (1.3) Khi θ = 0 gia tốc ñạt trị số cực ñại :

jθmax = ( ρ - R1 ) ωk2 (1.4)

- ðộng học của con ñội hình nấm trong giai ñoạn II

+ Chuyển vị của con ñội hình nấm, khi con ñội hình nấm trượt ñến vị trí bất kỳ nào ứng với góc γ trên mặt cung r thì chuyển vị của con ñội ñều có thể tính theo quan hệ sau

Hình 1.4 ðộng học của con ñội hình trụ ( hình nấm) trong giai ñoạn II [1]

hγ = ab = ao – R1 = r + Dcosγ - R1 (1.5) + Tốc ñộ của con ñội hình nấm Lấy ñạo hàm hai vế của phương trình (1.5) ñối với thời gian ta có công thức tính tốc ñộ của con ñội hình nấm

γ ωγ

θ

γ γ

sin

dt

d d

dh dt

+ Gia tốc của con ñội hình nấm Lấy ñạo hàm hai vế của phương trình (1.6) ñối với thời gian ta có công thức tính gia tốc của con ñội:

D ρ

dv dt

- Cổ trục: bị mài mòn, xước cổ trục do ma sát với bạc lót

Hình 1.5 Một số dạng hỏng của trục cam

a) Cổ trục cam bị mòn, b) Vấu cam bị mòn, rỗ

- Trục cam: Một trong những hư hỏng của trục cam dẫn tới hệ thống phân phối khí làm việc không hiệu quả, có thể không làm việc ñược là do trục cam bị cong, dẫn tới pha phối khí bị sai lệch

ðường tâm trục khi bi cong ðường tâm trục thẳng bình thường

Hình 1.6 Dạng hỏng cong trục cam

- Vấu cam: làm việc trong ñiều kiện vừa chịu ma sát, chịu va ñập, vừa bị ñốt nóng ở nhiệt ñộ cao, ñặc biệt là với cam ñiều khiển ñóng mở xupap xả Ngoài ra trong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khi cháy tạo thành axít ăn mòn

Do ñó bề mặt làm việc của cam và ñáy xupap hay bị mài mòn, nứt, vấu cam

bị sứt mẻ, có thể còn bị cháy rỗ (hình 1.9b) Trong thực tế các cam của trục

cam thường mòn nhiều hơn so với cổ trục do các cam trong quá trình làm việc luôn luôn bị va ñập Khi trục cam phải ñem ra sửa chữa, thường là bề mặt các vấu cam ñã bị mòn trong khi ñó các cổ trục của cam vẫn ñảm bảo làm việc bình thường

1.3 Lựa chọn phương án phục hồi trục cam

Thông thường các hư hỏng do mài mòn lớp bề mặt, mất khả năng làm việc khi ñó cần thay thế, sửa chữa Vì vậy nhu cầu thay thế là rất lớn, mặt khác sản xuất mới và nhập ngoại ñôi khi không thể ñáp ứng kịp, gây trở ngại cho quá trình sản xuất

ðể ñạt ñược yêu cầu công nghệ phục hồi chi tiết máy, phương hướng nghiên cứu là:

+ Dùng các nguyên tố tạo cacbit, ñể nâng cao ñộ cứng lớp ñắp và các nguyên tố biến tính, ñể cải thiện thành phần hóa học và cấu trúc tổ chức lớp kim loại ñắp

+ Xác ñịnh chế ñộ công nghệ hàn, ñể ñảm bảo các yêu cầu về cơ tính và thành phần hóa học, cũng như khả năng làm việc của lớp ñắp

ðối với dạng hỏng này, ta phải ñắp lên bề mặt bị mài mòn một lượng kim loại, ñể bù lại kích thước ban ñầu và lượng dư gia công Lớp kim loại ñắp phải ñảm bảo các yêu cầu về cơ tính, ñiều kiện làm việc

Các phương pháp chủ yếu ñể phục hồi bề mặt bị mài mòn là:

+ Phun phủ kim loại

+ Hàn ñắp

1.3.1 Phun phủ kim loại

Do trục cam bị mài mòn không quá lớn, nên chỉ yêu cầu lớp phủ không cần quá dày Với phạm vi tạo lớp phủ ñạt ñược từ vài chục µm ñến vài mm thì bằng phương pháp phun phủ có thể tạo lớp phủ theo yêu cầu

Nguyên lý của phương pháp công nghệ này là kim loại lỏng ñược dòng không khí nén thổi làm phân tán kim loại thành các giọt kim loại rất nhỏ và ñược phun lên bề mặt chi tiết cần ñược phun phủ

Với phương pháp phun phủ bằng khí nhiệt sẽ không làm thay ñổi cấu trúc của kim loại cơ bản, không gây biến dạng, tạo ra lớp phủ có ñộ cứng cao, tính chống mài mòn tốt, hay có thể tạo nên lớp phủ ñặc biệt: các lớp phủ kim loại, các lớp phủ keramik…

Hình 1.7 Phương pháp phun phủ

Có 3 phương pháp phun phủ kim loại

- Phun phủ kim loại dùng ñầu phun bằng ñiện

ðầu phun hồ quang ñiện ñược sử dụng rộng rãi và có công suất lớn Nguyên lý làm việc của nó như hình vẽ Hai dây (1) (ñiện cực) ñược chuyển dịch bằng cặp bánh xe (3) ñi vào ống dẫn ñến vị trí tiếp xúc với nhau Vòi phun khí nén (2) ñược bố trí giữa hai ñiện cực

Hồ quang ñiện và dòng hạt kim loại lỏng

1

1

2

Hình 1.8 Sơ ñồ nguyên lý ñầu phun kim loại bằng hồ quang ñiện

1) Dây hàn 2) Dòng không khí nén 3) Con lăn cấp dây hàn

4) Lớp kim loại ñắp 5) Kim loại nền

- Phun phủ kim loại dùng ñầu phun bằng ngọn lửa khí cháy

Các ñầu phun kiểu ngọn lửa khí ñều sử dụng ngọn lửa hỗn hợp khí từ các khí cháy khác nhau với ôxy như axêtylen, mêtan, prôpan-butan, khí thiên nhiên, khí dầu hoả, vv Trong ñó ñại ña số các ñầu phun dùng ngọn lửa axêtylen và ôxy, ngọn lửa này cho nhiệt ñộ cao nhất, vì vậy nó có thể phun với vật liệu có nhiệt ñộ chảy cao ñến 2800oC ( hình 1.9)

Hình 1.9 Sơ ñồ súng phun khí-bột kim loại ROTOTEC-80 (Thụy Sỹ)

1) bột phun; 2) miệng phun; 3) chốt ñiều chỉnh lượng bột

4 ) buồng khí C2H2; 5) buồng hỗn hợp khí cháy; 6) lỗ dẫn bột;

7) cửa dẫn ôxy; 8) cửa dẫn C2H2; 9) cần ñiều khiển phun

Các ñầu phun hiện nay có rất nhiều loại, tuy nhiên chúng vẫn chưa ñáp ứng ñược những yêu cầu ñòi hỏi cao của kỹ thuật

- Phun phủ kim loại dùng ñầu phun plasma

Nguyên lý phun phủ plasma là dùng nguồn nhiệt plasma ñể làm chảy vật liệu bột và áp lực khí thổi các hạt phun lên bề mặt chi tiết phun Nhiệt ñộ của tâm nguồn nhiệt plasma rất cao có thể ñạt tới 60000C do ñó phun phủ plasma

có thể phun phủ ñược tất cả các vật liệu ( hình 2.4)

Ưu ñiểm của phương pháp phun phủ plasma:

- Có thể dùng ñể phun các loại vật liệu kim loại, hợp kim, ôxyt kim loại, cacbit, gốm

- Chất lượng lớp phủ ñạt cao

- Có thể dùng thay thế các phương pháp nói trên

- Có thể cơ khí hóa, tự ñộng hóa toàn bộ thiết bị ñể phun phủ trong các ñiều kiện khác nhau

Hình 1.10 Nguyên lý phun phủ plasma

Nhận xét: Về các phương pháp phun phủ trên: Khi chi tiết làm việc trong ñiều kiện chịu tải trọng va ñập thì nếu không ñủ ñộ bám dính thì sẽ có hiện tượng bong từng mảng, róc lớp phụ ngoài Trong trường hợp này bề mặt cam cần phục hồi là phần tiếp xúc của vấu cam với con ñội làm việc trong trạng thái vừa va ñập vừa có hiện tượng trượt, cho nên bề mặt bị mòn không bao kín chu vi biên dạng cam Nếu ta phun phục hồi lên bề mặt vấu cam thì khi lớp phun phủ nguội sẽ dẫn ñến sự co kéo không ñều, khả năng bám dính của lớp phun phủ với kim loại cơ bản thấp, trên thực tế thì phương pháp phun phủ rất ít ñược áp dụng ñể phục hồi trục cam

Hình 1.11 Bề mặt cam bị mòn

1.3.2 Hàn ñắp

Hàn ñắp là tạo ra lớp kim loại phủ trên bề mặt chi tiết nhằm tăng kích thước, tăng chất lượng bề mặt (ñộ cứng, khả năng, chống ăn mòn ) Hàn ñắp thường ñược dùng ñể phục hồi các chi tiết máy bị mòn

- Các phương pháp hàn ñắp ñể phục hồi trục cam

+ Hàn ñắp hồ quang tay: Hàn ñắp hồ quang tay là một phương pháp

hàn phục hồi ñầu tiên trong ngành sửa chữa phục hồi chi tiết máy, ñược sử dụng rất phổ biến, sử dụng ñiện cực nóng chảy ( hình 1.12)

Hình 1.12 Nguyên lý hàn hồ quang tay

Bề mặt nguyên thuỷ

Bề mặt bị mòn

Nó ñược áp dụng nhiều vì thiết bị ñơn giản, dễ vận hành, mất ít thời gian cho công tác chuẩn bị, thao tác hàn rất linh ñộng có thể phù hợp với tất cả chủng loại chi tiết, ñặc biệt là chi tiết có hình dạng phức tạp

+ Hàn ñắp tự ñộng dưới lớp thuốc bảo vệ:

Phương pháp này thường áp dụng hàn các chi tiết có bề mặt phẳng hoặc hình trụ, phương pháp này cho năng suất hàn ñắp tăng lên rõ rệt, ñiều kiện lao ñộng và chất lượng hàn ñắp ñược cải thiện, tiêu hao ñiện năng và vật liệu hàn

ít So với hàn tay, hàn ñắp tự ñộng có thể hợp kim hoá kim loại mối hàn ñạt tới 30%, do ñó có thể tăng cơ tính lớp hàn ñắp, tăng khả năng chịu mài mòn,

va ñập của chi tiết sau phục hồi Phương pháp này ñược áp dụng rất rộng rãi cho các chi tiết hình trụ như trục khuỷu, trục pistong máy búa, buồng công tác máy bơm, mũi khoan ñá, mũi khoan dầu khí , các chi tiết phẳng như má kẹp hàm, các mặt trượt chịu ma sát lớn, hàn bằng thép không rỉ cho các bề mặt chịu mài mòn…

Hình 1.13 Sơ ñồ nguyên lý của máy hàn tự ñộng

+ Hàn ñắp tự ñộng bằng dây lõi bột:

Trong hàn ñắp tự ñộng bằng dây lõi bột, kim loại lớp ñắp ñược hợp kim hoá bằng các nguyên tố chứa trong lõi dây hàn ở dạng hỗn hợp cơ học, lõi thuốc bột vừa có nhiệm vụ hợp kim hoá mối hàn vừa tạo ra môi trường khí bảo vệ mối hàn Trong một số trường hợp, ñể tăng khả năng bảo vệ mối hàn, người ta dùng khí bảo vệ kết hợp như CO2, Ar… quá trình hàn ñắp các chi tiết bằng dây lõi thuốc ñược dùng ñể phục hồi các chi tiết trong máy xây dựng và khai thác như lưỡi gạt máy ủi, hàm nhai nghiền ñá, cánh xoắn trục vít tải…

Ưu ñiểm chủ yếu của phương pháp này là có phạm vi ứng dụng khá rộng: tiết kiệm ñược các nguyên tố hợp kim ñồng thời kim loại lớp hàn ñắp có thể ñược hợp kim hoá 40%

+ Hàn ñắp hồ quang trong môi trường khí bảo vệ:

Hàn ñắp trong khí bảo vệ cho phép cơ khí hoá và tự ñộng hoá quá trình hàn trong bất kì vị trí không gian nào phù hợp với bề mặt chi tiết hàn ñắp kể

cả vị trí hàn trần Chúng ta cũng có thể cơ khí hoá cả việc hàn ñắp những chi tiết nhỏ, ñiều ñó làm tăng năng suất lao ñộng lên 3 ÷ 5 lần so với hàn tay

+ Hàn ñắp bằng Plasma bột:

Là phương pháp hàn tiên tiến có rất nhiều ưu ñiểm như nhiệt ñộ cao, tập

trung nhiệt lớn và có phần tham gia của kim loại cơ bản rất nhỏ và chiều dày vùng ảnh hưởng nhiệt bé Tuy nhiên, trường hợp trục cam ñang nghiên cứu với kết cấu và kích thước như trên, phương pháp hàn ñắp plasma bột không thật hợp lý và hiệu quả kinh tế thấp

1.3.3 Chọn lựa phương pháp hàn phục hồi

Trước khi lựa chọn một phương án hàn tối ưu nhất ta cần xem qua các ưu ñiểm cũng như nhược ñiểm của mỗi phương pháp hàn ñể chọn ra phương án hàn tốt nhất

Bảng 1.3 So sánh năng suất hàn:

Phương pháp hàn Dòng ñiện

(A)

Hệ số nóng chảy (g/Ah)

Hệ số sử dụng máy (%)

Năng suất (Kg/h) Hàn bán tự ñộng trong

60

60

1,58 3,13 Hàn bán tự ñộng dưới

Dây ∅ 1,2 mm Dây ∅ 2,0 mm

2,5 3,0

26

33 - 36 Hàn tự ñộng trong môi trường khí CO2 dây ∅ 5

Bảng 1.5 Vật liệu hàn cần thiết ñể tạo ra 1 kg kim loại nóng chảy

Vật liệu hàn cần thiết ñể tạo ra 1kg kim loại

nóng chảy Phương pháp hàn

Dây hàn (Kg)

Que hàn (Kg)

Khí hàn (m3)

Thuốc hàn (Kg) Hàn bán tự ñộng trong khí

CO2

Dây ∅ 1,2 mm

Dây ∅ 2,0 mm

1,10 1,15

0,06 0,12 Hàn tự ñộng CO2 dây ∅ 5

Bảng 1.6 Giá thành 1kg kim loại nóng chảy:

Gi¸ thµnh 1 Kg kim lo¹i nãng ch¶y Phương pháp hàn Dây

hàn

Que

Giá thành Hàn bán tự ñộng trong

khí CO2

Dây ∅ 1,2 mm

Dây ∅ 2,0 mm

0,30 0,25

0,13 0,3

0,033 0,088

0,33 0,22

0,913 0,858 Hàn tự ñộng CO2 dây

ðộ bền của trục cam là yếu tố quan trọng nhất ñể ñưa ra phương pháp phục hồi Nếu ta dùng phương pháp phun phủ, thì do ñiều kiện trục cam làm việc chịu tải trọng va ñập mạnh, và còn có hiện tượng trượt nên cần ñộ bám dính cao, khi phục hồi bằng phương pháp phun phủ thì ñộ bám dính chưa cao, theo yêu cầu (ñã gia công chế tạo) Nhưng với phương pháp hàn ñắp thì ñộ bám dính của lớp ñắp là rất cao do có hiện tượng khuếch tán các nguyên tử kim loại phủ vào phần kim loại cơ bản và lớp hàn ñắp Vì vậy khi áp dụng phương pháp hàn ñắp này thì khả năng làm việc của chi tiết không thua kém chi tiết mới Do ñó trong công nghệ phục hồi phụ tùng ô tô nói riêng thì người

ta thường sử dụng phương pháp hàn ñắp ñể phục hồi chi tiết

Khi lựa chọn phương pháp hàn ñắp Các phương pháp hàn ñắp tự ñộng

dưới lớp thuốc bảo vệ, hàn ñắp tự ñộng bằng dây lõi bột, hàn ñắp bằng Plasma thì ta thấy ñiều kiện lao ñộng ñược cải thiện ñáng kể Người thợ hàn

có thể làm việc trong ñiều kiện tốt, chất lượng lớp ñắp rất tốt, tiêu hao ít ñiện năng và vật liệu hàn, cơ tính của mối hàn ñược cải thiện rõ rệt, dễ cơ khí hóa

và tự ñộng hóa hơn so với phương pháp hàn hồ quang tay Tuy nhiên ñề tài ở ñây là phục hồi một trục cam ô tô Bella bị hỏng do mòn, nếu áp dụng các phương pháp phục hồi trên thì sẽ dẫn ñến rất tốn kém mất thời gian chuẩn bị

vì khối lượng công việc cũng như lượng hàn ñắp rất nhỏ (sản xuất ñơn chiếc)

Vậy ta chọn phương án hàn hồ quang tay ñể tiến hành hàn phục hồi

ðặc ñiểm của hàn hồ quang tay phục hồi:

+ Trong hàn hồ quang tay, phần kim loại cơ bản tham gia mối hàn thường từ 15% 35% Khi tỉ lệ này bị phá vỡ (ví dụ do tăng tốc ñộ chảy của que hàn) thì sự hình thành của mối hàn có thể bị ảnh hưởng

+ Hàn ñược ở mọi tư thế không gian khác nhau

+ Năng suất thấp do cường ñộ dòng ñiện hàn bị hạn chế

+ Hình dạng kích thước và thành phần hóa học mối hàn không ñồng ñều

do tốc ñộ hàn bị dao ñộng, làm cho phần kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn thay ñổi

+ Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt tương ñối lớn do tốc ñộ hàn nhỏ + ðiều kiện làm việc của thợ hàn mang tính ñộc hại (bức xạ hơi, khí ñộc…)

+ Các khuyết tật như lẫn xỉ, rỗ khí xuất hiện nhiều làm ảnh hưởng ñến quá trình gia công sau khi hàn

+ Năng suất hàn thấp, chất lượng mối hàn phụ thuộc vào người thợ + Ứng dụng phổ biến do chi phí ban ñầu thấp cũng như cách vận hành ñơn giản, thích hợp cho sản xuất nhỏ và vừa

Giải pháp cơ bản ñể nâng cao chất lượng hàn ñắp khi hàn hồ quang tay phục hồi:

+ Giảm phần tham gia của kim loại cơ bản: giảm Ih, tăng tốc ñộ hàn, chọn que hàn ñường kính nhỏ,…

+ Chọn hệ số ngấu ψn =b/h hợp lý ñể bảo ñảm hướng kết tinh của kim loại mối hàn ít gây nứt nóng

1.4 Yêu cầu kỹ thuật ñối với trục cam sau khi sửa chữa

1.4.1 Kiểm tra khe hở dầu của trục cam:

- Dùng panme ño trong xác ñịnh ñường kính cổ trục cam (Hình 1.14)

- Dùng panme ño ngoài ño ñường kính cổ trục cam

- Hiệu số hai kích thước trên ta ñược trị số khe hở dầu

- Trị số khe hở dầu ñược xác ñịnh bằng biểu thức, D = 0,007 nhân với căn bậc hai của ñường kính với d là ñường kính của cổ trục chính tính bằng (mm)

- Khe hở cho phép không vượt quá 0,1mm, nếu khe hở lớn chúng ta phải mài các cổ trục cam và thay các bạc lót mới

Hình 1.14 Kiểm tra khe hở ñầu trục cam

1.4.2 Kiểm tra ñộ cong và nắn thẳng trục cam

Việc kiểm tra trục cam trước hết, ñược thực hiện bằng quan sát ñể phát hiện những hỏng hóc như hỏng rãnh then, xước, tróc rỗ hoặc sứt mẻ các bề cổ trục và bề mặt cam Nếu trục cam có các hư hỏng không quá lớn cần kiểm tra

ñộ cong của trục, ñộ mòn của các cổ trục và vấu cam ñể sửa chữa Việc kiểm tra ñộ cong của trục cam ñược ño bằng ñồng hồ so

Việc kiểm tra ñược thực hiện bằng cách ñặt trục lên 2 khối V vào 2 cổ trục ở 2 ñầu và dùng ñồng hồ so tì vào cổ giữa ñể kiểm tra, ñồng hồ so ñược

gá trên then giá ñỡ ( Hình 1.14 )

Quay trục cam một vòng và quan sát ñộ dao ñộng của kim ñồng hồ ñể xác ñịnh ñộ cong của trục, ñộ cong bằng nửa khoảng dao ñộng kim ñồng hồ

ðộ cong cho phép thường là 0,05 mm Tuy nhiên, vì là trị số ñộ cong của trục khuỷu nên nếu trị số này nằm trong phạm vi ñộ ô van của các cổ trục thì không cần phải nắn lại ðộ ô van và ñộ mòn cho phép của cổ trục không ñược quá 0.025 mm, ñộ mòn và ñộ ô van của cổ trục ñược kiểm tra bằng panme Nếu trục bị cong ta thể nắn thẳng trên máy ép thuỷ lực:

1.4.4 Kiểm tra ñộ mòn và trạng thái bề mặt của vấu cam

Dùng Panme ño ngoài ñể kiểm tra ñộ mòn của cam bằng cách ño bề mặt

cơ sở B và chiều cao biên dạng cam A ( hình 1.16)

ðộ mòn của bề mặt cơ sở B không ñược vượt quá 0,25 mm

ðộ mòn của cam ñược xác ñịnh qua chiều cao của vấu cam H = A – B, chiều cao cho phép của vấu cam tùy thuộc vào từng ñộng cơ cụ thể và ñược cho trong các tài liệu hướng dẫn sử dụng và sửa chữa do nhà sản xuất cung cấp, nhưng nói chung, chiều cao vấu cam (lượng mòn δ) sau khi mòn thường

không thấp hơn 0,25 mm so với chiều cao của vấu cam nguyên thuỷ Nếu bề mặt cơ sở hoặc ñộ mòn của cam vượt quá giới hạn cho phép thì ta phải tiến hành hàn ñắp ñể bù lại lượng hao mòn

Hình 1.16 Kiểm tra vấu cam

Những yêu cầu chính ñối với trục cam sau khi sửa chữa:

+ ðộ ñảo của các ngõng trục so với ñường tâm không quá 0,05mm + ðộ mòn của bề mặt cơ sở B không ñược vượt quá 0,25 mm

+ Chiều cao vấu cam H sau khi mòn không thấp hơn 0,25 mm so với chiều cao của vấu cam nguyên thuỷ

+ ðộ bóng bề mặt gia công cấp 8 trở lên

+ Vấu cam ñúng biên dạng, ñảm bảo thải sạch và nạp ñầy

+ ðộ cứng bề mặt làm việc sau phục hồi ñạt ≈ 55 ÷ 60 HRC và ñảm bảo chiều dày lớp có ñộ cứng cao

1.5 Những khó khăn khi hàn ñắp phục hồi trục cam

Sau khi hàn ñắp thì việc làm giảm ứng suất và biến dạng là một việc vô cùng quan trọng trong việc phục hồi Mà trục cam yêu cầu rất cao về ñộ chính xác cũng như yêu cầu về ñộ bền

A

B H

Khi hàn ñắp xong, yêu cầu phục hồi hình dạng ban ñầu của cam là vô cùng quan trọng Chính vì vậy mà nguyên công mài trục cam sau khi hàn ñắp cần ñòi hỏi ñộ chính xác cao trong quá trình tiến hành Quá trình mài ñược tiến hành trên máy mài chép hình Chính vì vậy trong quá trình mài không ñược gá lắp 2 lần trước khi ñem mài phải ñược gá lắp cẩn thận tránh sai lệch kích thước, gây khó khăn cho quá trình thao tác hàn phục hồi

1.6 Ứng suất dư và biến dạng của chi tiết hàn có liên quan với trường nhiệt ñộ

Môi trường nhiệt ở trong vũng hàn và vùng lân cận, phải ñược giữ và ñược khống chế trong một giới hạn, nhằm mục ñích ñiều chỉnh ñược cấu trúc mạng tinh thể, các ñặc tính cơ học, ứng suất dư và biến dạng của chi tiết hàn

ðể ñạt ñược ñiều ñó phải ñặc biệt quan tâm ñến các yếu tố sau:

- Quá trình ñông ñặc của kim loại hàn

- Sự phân bố của vùng nhiệt cực ñại của kim loại hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

- Tốc ñộ nguội của vũng hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

1.6.1 Những ñặc trưng cơ bản của phương trình truyền nhiệt

Những ñặc trưng cơ bản của sự truyền năng lượng nhiệt từ hồ quang hàn tới chi tiết và sự truyền nhiệt trong bản thân chi tiết phụ thuộc chính vào ñộ dẫn nhiệt của vật hàn, nó ñược biểu diễn bằng phương trình sau:

t T C z

T T z y

T T y x

T T

ρ λ

λ

Trong ñó:

x: Tọa ñộ phương trùng với hướng hàn của mối hàn thẳng: (mm)

y: Tọa ñộ phương ngang trùng với hướng hàn: (mm)

z: Tọa ñộ phương vuông góc với bề mặt hàn: (mm)

T: Nhiệt ñộ tại ñiểm cần khảo sát của vật hàn:(oC)

λ(T): ðộ dẫn nhiệt của kim loại: (J/mm.s.oC)

ρ: Tỷ trọng của kim loại: (g/cm3)

C: Nhiệt lượng riêng của kim loại: (J/g.oC)

Sự hình thành trường nhiệt là một thông số rất quan trọng trong quá trình hàn, cung cấp nhiệt lượng cho các phần vật liệu ở bên dưới bề mặt hàn ðối với phương pháp hàn hồ quang tay, thường sử dụng mật ñộ năng lượng rất lớn ðầu tiên năng lượng ñược truyền trực tiếp vào bề mặt chi tiết, sự nung nóng bề mặt chi tiết ñược quyết ñịnh bởi sự phân bố dòng nhiệt q(x,y) trên một diện tích nhỏ của bề mặt chi tiết hơn là bởi sự hình thành trường nhiệt bên trong

q(x,y)=λ(T).∂ T/∂z (w/mm2) (1.9) Trong ñó q(x,y): sự phân bố dòng nhiệt trên bề mặt vật hàn

1.6.2.Năng lượng nhiệt truyền vào chi tiết hàn

Diện tích bề mặt mà năng lượng nhiệt truyền vào là rất nhỏ nếu so sánh với toàn bộ bề mặt trục Có 3 thông số cơ bản khống chế lượng nhiệt cung cấp cho bề mặt chi tiết và bên trong bề mặt hàn ñó là:

ðộ lớn của dải tốc ñộ truyền vào vật hàn ( năng lượng của nguồn cung cấp trong 1 ñơn vị thời gian),W

Sự phân bố của năng lượng

Tốc ñộ hàn: v :(mm/s)

Thông thường nhiệt lượng cung cấp ñựơc thể hiện bởi Q(J/mm)

) / (

.

1 J mm v

I U f

và tốc ñộ hàn phải ñược sử lý riêng biệt khi biểu diễn chu trình nhiệt ở vùng lân cận mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

1.6.3 Tốc ñộ nguội của mối hàn

Cấu trúc kim loại cuối cùng của mối hàn, ñược xác ñịnh bởi tốc ñộ nguội của liên kết hàn nhiệt ñộ ñỉnh trong suốt chu trình hàn Tốc ñộ nguội là một thông số ñặc biệt quan trọng ñối với những loại thép ñã qua nhiệt luyện trong quá trình chế tạo

ðối với thép hợp kim, nhiệt ñộ mà tại ñó cần tiến hành tính toán tốc ñộ nguội không phải là nhiệt ñộ tới hạn Nhiệt ñộ thường dùng ñể tính toán vào khoảng 550oC, nhiệt ñộ này thỏa mãn ñược hầu hết các loại thép hợp kim Ứng dụng thực tế của phương trình tốc ñộ nguội là ñể tính toán nhiệt ñộ nung nóng sơ bộ

Với các chi tiết dạng trục kích thước lớn, khi hàn phục hồi hoặc hàn nối thường phải hàn nhiều lớp, ñồng thời tốc ñộ nguội Vn ñược tính theo công thức của chi tiết dày:

Q

T T

n

2

) (

= πλ

(1.11)

Trong ñó:

Vn: Tốc ñộ nguội tại tâm mối hàn (oC/s)

λ: ðộ dẫn nhiệt của kim loại (J/mm.s.oC)

T0: Nhiệt ñộ ban ñầu của vật hàn (oC)

Tc: Nhiệt ñộ tại ñó tiến hành tính toán tốc ñộ nguội (oC)

Q : Nhiệt lượng truyền nhiệt vào mối hàn (J/mm)

Với các loại thép hợp kim thấp cường ñộ cao, ñộ dẫn nhiệt của chúng vào khoảng λ=0,028 J/mm.s.oC

Tuy nhiên tại nhiệt ñộ mà ta lấy làm nhiệt ñộ chuẩn tính toán tốc ñộ nguội (Tc=550oC), thì tại khu vực trung tâm mối hàn nhiệt ñộ chỉ cao hơn vùng lân cận (vùng biên kim loại chảy) một vài phần trăm Do vậy tại nhiệt

ñộ này, phương trình tốc ñộ nguội trên có thể áp dụng cho toàn bộ mối hàn

và vùng lân cận vùng ảnh hưởng nhiệt

Căn cứ vào công thức (1.11) ta thấy rằng, ñể giảm tốc ñộ nguội ta cần tăng nhiệt ñộ nung nóng trước T0 và tăng nhiệt lượng cung cấp Q, khống chế tốc ñộ nguội hợp lý là một vấn ñề rất quan trọng vì nó có ảnh hưởng trực tiếp

ñến cấu trúc mạng tinh thể, ñặc tính cơ học của kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt Với các phân tích trên ta nhận thấy rằng, có thể sử dụng phương trình tốc ñộ nguội (1.11) ñể tiến hành tính toán nhiệt ñộ nung nóng trước sao cho tốc ñộ nguội tính toán phải thấp hơn tốc ñộ nguội tới hạn cho phép của vật liệu

1.6.4 Nguyên tắc chung tính toán nhiệt ñộ khi hàn ñắp các chi tiết dạng trục

Theo lý thuyết về trường nhiệt của Rykalin thì quá trình nung nóng kim loại khi hàn các chi tiết dạng trục lớn có thể coi như quá trình tác dụng của nguồn nhiệt lên vật bán vô hạn Trường nhiệt ở trạng thái giới hạn (tức là ở thời ñiểm trường nhiệt ñộ ñạt ñược giá trị cân bằng ) cùng với sự tồn tại của nguồn nhiệt ñược tính toán theo công thức tổng quát sau:

'' exp ''

'' ' 2 exp ) 4 (

2 )

2 /

R a

t v t

dt a

vx a

C

Q t

)) ( 2 exp(

2 )

,

a

v R

Q x

R

πλ (1.13) Trong ñó: Q: Nhiệt lượng cung cấp của hồ quang (J)

R= + + (1.14) R: khoảng cách từ gốc tọa ñộ ñến ñiểm cần tính nhiệt ñộ

Trong trường hợp này ta tính toán nhiệt lượng cung cấp của hồ quang theo công thức sau:

Q = Qh.f1 = 0,23.k.f1.I.U (1.15)

Qh: Công suất nhiệt của hồ quang (J)

I: Cường ñộ dòng ñiện hàn (A)

U: ðiện áp hàn (V)

0,23: Hệ số biến ñổi năng lượng từ ñiện năng sang nhiệt năng (cal/w.s) k: Hệ số tính ñến ảnh hưởng của ñiện áp và cường ñộ dòng ñiện lên công suất nhiệt của hồ quang

ðối với dòng một chiều k=1

ðối với dòng xoay chiều k=0,7÷0,97

f1: Hiệu suất truyền nhiệt, và phụ thuộc vào phương pháp hàn:

+ Hàn ñiện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ: f1= 0,35÷0,6

+ Hàn ñiện cực nóng chảy với lớp thuốc bọc ổn ñịnh: f1=0,65÷0,75

+ Hàn ñiện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ: f1=0,75÷0,85 + Hàn tự ñộng dưới lớp thuốc hàn bảo vệ: f1=0,8÷0,9

Trong trường hợp nếu nguồn ñiện cấp cho một chi tiết dạng trục lớn là một nguồn nhiệt ñiểm Q không ñổi Khi ñó thay giá trị v = 0 vào công thức trên ta ñược:

R

Q R T

πλ

2 ) ( = (1.16)

Với cùng một loại vật liệu, thì sự phân bố các ñiểm ñẳng nhiệt này sẽ là một nửa bán cầu có tâm trùng với tâm nguồn nhiệt

Khi nguồn nhiệt cung cấp dịch chuyển dọc theo trục x-x, thì nhiệt ñộ các ñiểm nằm trên trục này nằm phía sau nguồn nhiệt (nơi có giá trị x<0) Khi ñó

không phụ thuộc vào tốc ñộ dịch chuyển của nguồn nhiệt và có giá trị bằng nhiệt ñộ của trạng thái tới hạn của nguồn nhiệt ñiểm Thật vậy, trong trường hợp này ta có:

R=-x và T(R)=Q/2πλR (1.17) Trên nửa trục dương nơi các ñiểm nằm phía trước nguồn nhiệt (nơi có giá trị R= x và x>0) phương trình xác ñịnh nhiệt có dạng:

T(R)=Q/(2πλR).e-vR/a (1.18) Như vậy e-vR/a luôn <1, hơn nữa nguồn nhiệt chuyển ñộng càng nhanh (v tăng) hoặc hệ số dẫn nhiệt ñộ a (phụ thuộc vào vật liệu ) càng nhỏ thì nhiệt ñộ tại các ñiểm sau nguồn nhiệt càng nhỏ ñi

Sự phân bố nhiệt ñộ theo trục y-y và trục oz ñối với chi tiết dạng trục kích thước lớn sẽ có dạng như sau:

T(R)=Q/(2πλR).e-vR/2a (1.19)

Ở vùng có kích thước R theo trục oy (hoặc oz), nhiệt ñộ bằng với nhiệt

ñộ ở vùng kích thước trên nửa trục âm ox nhân với hệ số e-vR/2a <1

Như vậy ta thấy rằng e-vR/2a > e-vR/a ñiều này khẳng ñịnh sự giảm nhiệt ñộ theo trục oy và oz, xảy ra chậm hơn so với nửa trục dương ox

1.6.5 Ảnh hưởng của ứng suất dư ñến chất lượng phục hồi các chi tiết dạng trục

Ảnh hưởng của ứng suất dư lên bất kỳ chi tiết hoặc kết cấu nào trong quá trình khai thác ñược xác ñịnh theo các yếu tố sau:

- ðặc tính trạng thái của ứng suất dư

- ðộ dẻo của kim loại vào thời ñiểm chịu tải

- Phương pháp tạo tải trọng và các ñặc tính tác ñộng của tải trọng

- Dạng kết cấu và trạng thái bề mặt sản phẩm tại những vùng có ứng suất

Sự xuất hiện và tồn tại của ứng suất dư dọc trục phân bố trên bề mặt của các trục khi hàn phục hồi sẽ làm giảm khả năng làm việc và chịu tải trọng của chúng Thêm vào ựó, sự tập trung ứng suất trong liên kết hàn dưới tác dụng của tải trọng cùng với ứng suất sẽ có ảnh hưởng rất lớn ựến ựộ bền của kết cấu hàn

Ứng suất dư ban ựầu sẽ không ảnh hưởng nhiều ựến ựộ bền của kết cấu hàn, nếu kim loại cơ bản có ựộ dẻo ựủ lớn Như vậy khi xét về ảnh hưởng của quá trình hàn, ta không chỉ quan tâm ựến ứng suất dư sinh ra trong quá trình hàn mà còn xét ựến biến dạng tổng hợp của chúng, bao gồm biến dạng dẻo và biến dạng ựàn hồi Mặt khác, khi tồn tại ứng suất dư thì ựộ dẻo của kim loại cũng giảm một cách ựáng kể, và như vậy khả năng ựàn hồi của kim loại cũng giảm

Ở những liên kết hàn, khi ứng suất dư không ựủ ựể phá vỡ các liên kết, song tắnh dẻo của kim loại giảm rất nhiều, thì chỉ cần tác ựộng một lực rất nhỏ cũng có thể xảy ra hiện tượng phá hủy dòn đó chắnh là hiện tượng phá hủy ựột ngột của các chi tiết sau khi hàn ựắp Trong những trường hợp như vậy, nguyên nhân chắnh của sự phá hủy dòn của kết cấu chắnh là sự xuất hiện của các vết nứt ở vùng xuất hiện cấu trúc máctenxit do ảnh hưởng nhiệt Khả năng xuất hiện phá hủy dòn tăng lên khi trong kết cấu hàn có sự tập trung ứng suất

dư và lượng khắ hydro tồn tại trong kim loại mối hàn có giá trị lớn

Một hiện tượng phá hủy ựột ngột khác sẽ xảy ra khi kim loại sau khi hàn

bị giảm tắnh dẻo, khi ựó dưới tác ựộng của tải trọng bên ngoài nội ứng suất sẽ tăng lên, khi ứng suất ựạt tới giá trị giới hạn chảy thì không thể xảy ra hiện tượng biến dạng dẻo, vì thế ứng suất sẽ tiếp tục tăng và khi vượt quá giới hạn bền thì chi tiết bị phá hủy ựột ngột

Chất lượng bề mặt của chi tiết hàn cũng ảnh hưởng rất lớn ựến khả năng phá huỷ của kết cấu Các khuyết tật sinh ra trong quá trình hàn như rỗ, ngậm

xỉ, và ựặc biệt là vết nứt tế vi ở lớp bên ngoài và lộ ra trên bề mặt của trục, sẽ

làm tăng ñáng kể khả năng gây phá hủy kết cấu, ñặc biệt là phá hủy mỏi ñối với các chi tiết làm việc dưới ñiều kiện tải trọng ñộng

Như vậy, ảnh hưởng của ứng suất dư ñến tuổi thọ và chất lượng của chi tiết là rất lớn, do vậy trong quá trình hàn phục hồi các chi tiết dạng trục kích thước lớn phải nghiên cứu kỹ sự phân bố và giá trị của trường ứng suất dư, và

ñó là cơ sở ñể khi thực hiện các công việc về hàn có thể ñưa ra các giải pháp phù hợp nhất kể từ khâu thiết kế tới việc lựa chọn các chế ñộ công nghệ và quy trình hàn ñể làm sao giảm ñược tối ña sự ảnh hưởng của ứng suất dư và biến dạng tới chất lượng kết cấu

1.6.6 Sự hình thành ứng suất tức thời và ứng suất dư

Nội ứng suất, bao gồm ứng suất tức thời và ứng suất dư, ñược hình thành

do trường nhiệt ñộ phân bố không ñồng nhất, khi nung nóng cục bộ bằng nhiệt hồ quang hàn Chính vì vậy, thông số và trạng thái của ứng suất tồn tại trong trục sau khi hàn phụ thuộc vào tính chất của trường nhiệt ñộ tạo thành trong quá trình hàn và quá trình làm nguội của trục sau khi hàn

Từ việc phân tích và xác ñịnh trường nhiệt khi hàn có thể xác ñịnh ñược trường nhiệt ñộ của các chi tiết hình trụ bên mặt cũng như mặt cắt ngang Khi

ñó, theo mặt cắt ngang có thể xác ñịnh ñược những giá trị nhiệt ñộ gần ñúng ở các tầng trục ñang hàn, khi căn cứ vào sự phân bố của các mặt phẳng nhiệt cũng như những ứng xử cơ học của vật liệu theo nhiệt ñộ thì có thể chia mặt cắt ngang của trục ra thành 4 tầng sau: (xem hình vẽ 1.17 )

Tầng I: Vùng lõi

Tại tầng này, bảo toàn ñược nhiệt ñộ ban ñầu khi làm nóng nhanh lớp bề ngoài Nhiệt ñộ của vùng này có giá trị bằng nhiệt ñộ nung nóng trước, trong trường hợp ñặc biệt là nhiệt ñộ môi trường

Tầng II: Vùng ñàn hồi

Nhiệt ñộ của tầng này tăng dần trong quá trình hàn, nhiệt ñộ vùng này thấp hơn 6000C, kim loại coi như vẫn bảo toàn ñược ñặc tính ñàn hồi

Tầng III: Vùng biến dạng dẻo

Tại tầng này nhiệt ñộ ñủ lớn ñể giới hạn chảy giảm xuống tới giá trị mà biến dạng dẻo có thể xảy ra Nhiệt ñộ của vùng này lớn hơn 6000C

Hình 1.17 Sự phân bố các tầng nhiệt ñộ theo mặt cắt ngang của trục khi hàn

ñắp không nung nóng trước và có nung nóng trước ở 366 oC

Tầng IV: Vùng nóng chảy

Ở vùng này trục có nhiệt ñộ ñược xác ñịnh bằng nhiệt ñộ nóng chảy của thép có giá trị gần bằng 1500 0C

Tại các vùng mà nhiệt ñộ cực ñại trong quá trình hàn không tăng quá

6000C, kim loại coi như bảo toàn ñược ñặc tính ñàn hồi của chúng trong suốt

quá trình tăng nhiệt, do vậy tại những vùng này ứng suất tức thời ñạt giá trị lớn nhất

Trong quá trình hàn, ở tầng II và tầng III kim loại giãn nở ra dưới tác dụng của nguồn nhiệt hàn với giá trị khá lớn, trong khi ñó lõi I không tăng nhiệt và không giãn nở Vì trục là một vật thể nguyên khối nên sự giãn nở của tầng II và tầng III không thể thực hiện ñược một cách tự do vì tầng lõi sẽ cản trở lại Kết quả là tầng II và tầng III không giãn nở một lượng ứng với nhiệt

ñộ chênh lệch mà nó có, còn tầng lõi I sẽ bị tầng II và III kéo giãn ra với một giá trị nào ñó Do vậy giữa vùng I và vùng II xuất hiện một ứng suất nhiệt tức thời do nén ép Tầng II và III sẽ bị nén và sẽ xuất hiện ứng suất nén, ứng suất này có thể ñạt tới giá trị giới hạn chảy của thép ở nhiệt ñộ tương ứng Còn trong tầng I sẽ xuất hiện ứng suất nén Tại tầng III với nhiệt ñộ lớn hơn 600

0C, lúc này giới hạn chảy của thép giảm xuống rất thấp và do tầng III giãn nở nhiệt lớn hơn tầng I và II nên sẽ xuất hiện biến dạng dẻo, do vậy ứng suất nén tại ñây có giá trị rất thấp Trong khi ñó, tại tầng IV kim loại vẫn tồn tại ở trạng thái lỏng nên không xuất hiện ứng suất tức thời ( hình 1.18a)

Sau ñó, trong quá trình nguội, kim loại lỏng ở vùng IV sẽ bị giảm thể tích do co ngót khi ñông ñặc, trong quá trình nguội tiếp theo thì thể tích vẫn tiếp tục giảm Trong quá trình nguội thì vùng III cũng bị giảm thể tích Nhưng

sự giảm thể tích ở vùng III và IV sẽ bị cản trở bởi vùng II và vùng I bởi vì hai vùng này có sự chênh lệch nhiệt ñộ nhỏ hơn nên co lại ít hơn Quá trình tạo thành ứng suất khi nguội sẽ giống như trong giai ñoạn nung nóng nhưng theo chiều ngược lại Tuy nhiên, tại vùng IV cũng sẽ xuất hiện ứng suất vì kim loại không còn ở trạng thái lỏng mà ñã ñông ñặc và nguội cùng các vùng khác Kết quả là ở tầng III và IV sẽ xuất hiện ứng suất kéo, trong ñó tầng IV có giá trị ứng suất lớn nhất do có ñộ co ngót lớn nhất Các tầng còn lại II và I sẽ xuất hiện ứng suất nén Sự phân bố ứng suất dư của trục sau khi nguội hoàn toàn ñược thể hiện bằng biểu ñồ ứng suất trên hình vẽ 1.18(b)

Hỡnh: 1.18 Sơ đồ tạo thành ứng suất tức thời và ứng suất d− ở trục khi hàn

a Sơ đồ ứng suất tức thời

b Sơ đồ ứng suất d−

Nhận xột: ðể phục hồi trục cam ta ủó chọn phương ỏn hàn hồ quang

tay, ủộ cứng phải ủảm bảo 55 ữ 60HRC, nhưng trong qua trỡnh hàn thường sinh ra ứng suất ðể khử ứng suất tức thời và ứng suất dư trong qua trỡnh hàn ủắp ta phải chọn cỏc giải phỏp hàn hợp lý

(a)

(b)

1.7 Chọn giải pháp công nghệ hàn

1.7.1 đánh giá sơ bộ tắnh hàn của thép (kim loại cơ bản)

Kim loại cơ bản là thép 40Cr có thành phần hoá học (theo bảng 1.1):

Thành phần cacbon tương ựương [7]

15 5

6

Ni Cu V Mo Cr Si Mn C

+ + + + + +

Trong ựó : CE thành phần các bon tương ựương

C, Si, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, V, B lần lượt là thành phần % của các nguyên

tố ựó có trong thép Thay vào công thức trên ta ựược:

Ni Si S P C

+ + +

10 100 25

3

0 , 1 8 , 0 3

100

3 , 0 25

0,4 0,4 1000

= +

ừ

(1.21)

Ta thấy HCS=2,235 < 4 vậy thép không bị nứt nóng

Kiểm tra hệ số nứt nguội:

Trong ựó: PCM: Hệ số ựặc trưng cho sự giòn vùng ảnh hưởng nhiệt do chuyển biến pha

B Mo V Ni Cu Cr Mn Si C

15 10 60 20

) (

+ + + +

= 0,4 + 0,3/30 +(0,7+1,0)/20 +0,25/60 = 0,499

HD: Lượng hydro khuếch tán tắnh bằng ml/100g kim loại ựắp, trong thực nghiệm HD= (1ọ 5)