Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP PHỤC HỒI CHI TIẾT TRÒN XOAY BẰNG HÀN LĂN TỰ ĐỘNG VỚI DÂY THÉP HỢP KIM RESEARCH HARDFACING TECHNOLOGY FOR ROTATE ITEMS BY AUTOMATIC SEAM WELDING WITH ALLOY STEEL WIRE ThS Nguyễn Minh Tân1a, ThS Lê Văn Thoài1b, TS Hoàng Văn Châu2c, PGS.TS Đào Quang Kế3d, PGS.TS Lê Thu Quý4e Trường ĐH SPKT Hưng Yên Hội KHKT Hàn Việt Nam Học viện Nông nghiệp Việt Nam PTN trọng điểm CN Hàn&XLBM – Viện Nghiên cứu Cơ khí a nguyenminhtan.utehy.2008@gmail.com, blethoai.utehy@gmail.com, c hvchauweld@gmail.com, ddqke@vnua.edu.vn, equylt@narime.gov.vn TÓM TẮT Bài báo giới thiệu công nghệ hàn lăn tự động với dây thép hợp kim tạo lớp đắp bề mặt chi tiết dạng trục Bằng công nghệ hàn đắp phục hồi làm cho độ cứng tính chống mài mòn lớp bề mặt chi tiết máy làm từ thép C45 tăng lên từ 1,4 đến 1,5 lần (đạt độ cứng từ 50 đến 55 HRC) Nhờ sử dụng dòng điện hàn có cường độ rất lớn, thời gian tác dụng ngắn nên suất hàn cao chi tiết hàn biến dạng Chất lượng mối hàn tốt, mối hàn xỉ, trình hàn không cần đến thuốc hàn hay khí bảo vệ Từ khóa: hàn lăn tự động, dây thép hợp kim, lớp đắp, trục, độ cứng, mài mòn, thép C45, dòng điện hàn, cường độ ABSTRACT The paper introduces automatic seam welding technology with alloy steel wire on to surface layer covering axial details By this hardfacing technology which can make the hardness and abrasion resistance of the surface layer of machine parts made from steel C45 increased from 1.4 to 1.5 times (achieved hardness from 50 to 55 HRC) Using welding currents have great intensity, short duration of action should high productivity and little deformation of machine parts Good quality welds, welds without slag, welding process unneeded flux or gas protection Keywords: automatic seam welding alloy steel wire cover layer axes hardness abrasion C45 steel welding current intensity ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ hàn lăn tiếp xúc phục hồi chi tiết máy dạng trục dây thép hợp kim tạo cho sản phẩm khí có độ bền, tính công nghệ cần thiết đáp ứng đòi hỏi ngày cao quy trình công nghệ sản xuất Rất nhiều loại chi tiết yêu cầu cần có độ dẻo bên đồng thời có độ cứng, độ chịu mài mòn tốt lớp Hàn lăn tiếp xúc phục hồi chi tiết máy dạng trục dây thép hợp kim phương pháp hàn có nguồn gốc trực tiếp từ hàn điện tiếp xúc đường Trong đó điện cực thiết kế lăn đồng, còn điện cực thứ hai chi tiết trục mà ta cần phải phục hồi Con lăn trục có quay tương đối dòng điện chạy qua tạo lực ép để ép dây kim loại hợp kim vào bề mặt trục cần phục hồi tạo lớp kim loại hàn đắp Hàn lăn tiếp xúc đường phục hồi chi tiết máy dạng trục trình liên tục – thông qua chuyển động tương đối điện cực bánh đồng phôi trục cần phục hồi [ 1, 3, 4] 36 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Nội dung báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm thăm dò chọn lựa thông số chế độ công nghệ hàn lăn tự động với dây thép hợp kim tạo lớp đắp bề mặt chi tiết dạng trục TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP PHỤC HỒI BẰNG HÀN LĂN TỰ ĐỘNG VỚI DÂY THÉP HỢP KIM Một phương pháp phục hồi chi tiết trục tiên tiến sử dụng phương pháp hàn lăn tự động với dây thép hợp kim Bề mặt liên kết dây hàn bù với kim loại hàn lăn tự động với dây thép hợp kim hình thành nhờ trình hàn tiếp xúc biến dạng dẻo dây hàn Phương pháp có lợi tác động nhiệt mức thấp kim loại bản, không đốt cháy nguyên tố hợp kim dây trình hàn [ ] Hình Hình ảnh số chi tiết máy phục hồi dây thép hợp kim Khi hàn lăn tự động với dây thép hợp kim, điện cực thứ nhất đóng vai trò lăn đồng, kim loại - điện cực thứ hai chi tiết trục cần phục hồi Con lăn trục có tốc độ quay tương đối dòng điện qua tạo lực ép để ép dây hợp kim vào bề mặt trục cần phục hồi tạo lớp kim loại hàn đắp Khác với hàn áp lực điểm hàn lăn đường phục hồi chi tiết trục trình liên tục thông qua chuyển động tương đối điện cực trục cần phục hồi Trục cần hàn phục hồi; Con lăn đồng; Dây hợp kim Lớp kim loại hàn đắp; Bề mặt liên kết hàn Hình Sơ đồ nguyên lý trình hàn lăn tự động với dây thép hợp kim 37 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Đặc điểm trình công nghệ hàn phục hồi chi tiết trục sử dụng công nghệ hàn lăn tự động với dây thép hợp kim: [ 2, ] - Dòng điện có cường độ rất lớn - Thời gian tác dụng ngắn - Không cần dùng que hàn phụ, thuốc hàn hay khí bảo vệ - Chất lượng mối hàn cao, mối hàn không có xỉ - Năng suất trình hàn cao, chi tiết hàn biến dạng - Dễ khí hóa tự động hóa trình hàn VẬT LIỆU, THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Vật liệu 3.1.1 Vật liệu trục Các chi tiết trục sử dụng kết cấu máy ôtô, máy công cụ, máy nông nghiệp… chế tạo từ thép C45 Để nghiên cứu thăm dò công nghệ tác giả lựa chọn nghiên cứu hàn đắp phục hồi trục thép C45 có đường kính Φ = 100mm Bảng Thành phần hoá học thép C45 (theo TCVN 8301:2009) Mác thép %C %Si %Mn %P  %S  %Cr %Ni C45 0,420,50 0,170,37 0,500,80 0,035  0,25 0,04  0,25 %Cu  0,25 Bảng Cơ tính thép C45 Cơ tính,  Mác thép C45 Độ cứng (HB) Độ bền kéo b (MPa) Giới hạn chảy t (MPa) Độ dãn dài  (%) Độ co thắt tương đối , % Độ dai va đập ak (J*cm-2) Cán nóng Ủ ram nhiệt độ cao 598 353 16 40 49 229 197 3.1.2 Vật liệu dây hàn hợp kim Theo yêu cầu kỹ thuật độ bền, độ cứng bề mặt độ chịu mài mòn trục cần phục hồi ta sử dụng loại dây hợp kim dây thép hàn 30KhGSA theo GOST 10543-98 dây thép lò xo 65G Trong thí nghiệm thăm dò tác giả sử dụng dây thép lò xo 65G theo GOST 9389-75, có đường kính 1,6 – 2,0 mm Bảng Thành phần hoá học thép 65G (theo GOST 9389-75) Mác thép %C %Si %Mn 65G 0.62 ~ 0.70 0.17 ~ 0.37 0.90 ~ 1.20 Mác thép 65G %P %S %Cr %Ni ≤ 0.035 ≤ 0.035 ≤ 0.25 ≤ 0.25 Bảng Cơ tính thép 65G Nhiệt luyện Cơ tính Nhiệt độ (oC) làm nguội Nhiệt độ ram (oC) Độ bền kéo b (MPa) Giới hạn chảy t (MPa) Độ dãn dài  (%) Độ cứng (HB) 830 - dầu 540 980 785 302 38 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.2 Thiết bị Máy hàn lăn sử dụng loại PE-SEAM CH Pháp Thiết bị quay đóng vai trò đồ gá cho trục hàn máy hàn xoay UD-417 thiết kế Viện Hàn Paton, CH Ukraina Hình Máy hàn lăn PE-Seam TT Hình Máy hàn xoay UD-417 (Ukraina) Bảng Thông số công nghệ máy hàn lăn PE-Seam hãng AERO – CH Pháp Thông số Đơn vị đo Giá trị Nguồn vào V 220V - 50Hz single-phase Công suất max kVA 100 Điện áp thứ cấp V 6,3 Dòng hàn ngắn hạn max kA 20 Dòng hàn max kA 16 Đường kính điện cực mm 220 Chiều dày điện cực mm 20 Khoảng dịch chuyển điện cực mm 3,5 ÷ Áp lực nước làm mát MPa 0,2 ÷ 0,6 10 Lưu lượng nước làm mát lít/giờ 800 TT Bảng Thông số công nghệ máy hàn xoay UD-417 – CH Ukraina Thông số Đơn vị đo Giá trị Nguồn vào V pha x 380V Chiều dài chi tiết hàn max mm 1.000 Đường kính chi tiết hàn max mm 630 Tốc độ quay mâm cặp vòng/phút ÷ 20 Bước tiến mm 0,5 ÷ 10 39 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.3 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm hàn đắp phục hồi trực tiếp mẫu Các thí nghiệm tiến hành mẫu có đường kính 100 mm thép C45 GOST 1050-88 (TCVN 8301:2009) Độ bền bám dính với kim loại xác định phương pháp kéo chốt Ngoài ra, đánh giá gián mức độ biến dạng đường kính dây hàn bù Cấu trúc tế vi, độ cứng độ cứng tế vi vùng hàn vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ nghiên cứu kính hiển vi, máy đo Rockwell, độ cứng tế vi đo máy Axiovert-100A Một phần đáng kể kết thí nghiệm thăm dò sở tiến hành quy hoạch thực nghiệm xác định thông số công nghệ tối ưu trình hàn KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Nghiên cứu thực nghiệm thăm dò tiến hành theo đơn yếu tố, đó tập trung vào thông số quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng liên kết hàn là: a) Cường độ dòng điện hàn; b) Lực ép điện cực hàn; c) Thời gian cấp xung điện; d) Tốc độ quay chi tiết e) Bước tiến hàn Trên sở thông tin tổng quan từ tài liệu tham khảo [ 2, 4, ] theo thông số kỹ thuật cụ thể thiết bị có, giá trị thí nghiệm thăm dò ban đầu thông số chế độ công nghệ hàn lựa chọn sau: - Dòng hàn: 6,0 – 6,5 – 7,0 kA - Thời gian xung điện: 0,025 – 0,040 – 0,055 s - Lực ép điện cực: 1,2 – 1,5 – 1,7 kN - Tốc độ quay chi tiết: 3,2 – 4,0 – 4,8 v/ph - Bước tiến hàn: 2,5 – 3,0 – 3,5 mm/vg Quá trình hàn đặc trưng dây kim loại bù nung nóng đến nhiệt độ gần với nhiệt độ nóng chảy, đó thuộc tính thép tiếp cận tính chất kim loại lỏng có độ chảy nhất định Khi nhiệt biến dạng dây hàn bù làm tăng bề mặt tiếp xúc trục điện cực lăn tương ứng, làm tăng lượng nhiệt thu hồi từ vùng lân cận để hình thành liên kết hàn Trong thực tế, hình thành liên kết hàn bắt đầu giá trị ứng suất xuất dây hàn bù khoảng 0,95 0,97 giá trị ứng suất biến dạng dẻo kim loại Các mẫu hàn trục thép C45 đánh giá theo tiêu như: độ bám dính với kim loại bản, mức độ biến dạng dây hàn bù đo độ cứng bề mặt chi tiết tương ứng với chế độ công nghệ hàn biến thiên đơn yếu tố Để so sánh nhóm nghiên cứu thực song song loạt thí nghiệm tương tự với vật liệu hàn bù dây hàn H 08A dùng hàn tự động thép kết cấu thông thường 4.1 Nghiên cứu cấu trúc tế vi Hình Hàn đắp dây 65G (30x) Hình Hàn đắp dây H 08A (30x) 40 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Vùng chuyển tiếp đường hàn với dây 65G (100x) Hình Vùng chuyển tiếp đường hàn với dây H 08A (100x) Trên hình ảnh chụp cấu trúc tế vi mối hàn, ta nhận thấy rằng: - Mẫu hàn gồm có ba vùng: kim loại bản, vùng ảnh hưởng nhiệt vùng kim loại hàn Trong đó, khác với hàn hồ quang nóng chảy thông thường, vùng chuyển tiếp kim loại kim loại hàn rất hẹp (quan sát thấy tương đối rõ hình hình 6) - Tổ chức tế vi vùng cho thấy liên kết hình thành rõ nét, kim loại hàn có liên kết khắp với kim loại (hình hình 8) thông qua lớp trung gian bao gồm lớp vật liệu nóng chảy hòa trộn phân lớp rõ rệt Điều đảm bảo cho liên kết có độ bền bám dính cần thiết kim loại bù kim loại 4.2 Đánh giá độ bền bám dính kim loại đắp Kết đo độ bền bám dính cho trường hợp, dây H 08A dây 65G: Bảng Kết đo độ bền bám dính Độ bền bám dính (MPa) TT Loại dây Giá trị trung bình (MPa) Lần đo Dây hàn bù H 08A 529 555 543 559 548 574,2 Dây hàn bù 65G 518 540 533 542 532 556,6 So sánh kết đo độ bền bám dính kim loại lớp đắp hai trường hợp, với dây hàn H 08A dây hàn bù 65G ta nhận thấy: - Độ bền bám dính kim loại đắp hai trường hợp có giá trị thấp (574,2 556,6 MPa) so với độ bền kéo kim loại thép C45 (598 MPa) - Dây hàn bù 65G có độ bền bám dính thấp so với dây hàn H 08A - Các giá trị độ bền bám dính giảm trung bình - % so với độ bền kéo kim loại giá trị chấp nhận được, đảm bảo cho điều kiện làm việc hiệu lớp đắp chiều dày lớp đắp nhỏ (≤ 0,5 mm) đóng vai trò lớp bọc lót toàn chu vi cổ trục trình làm việc 41 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 4.3 Đánh giá độ cứng tế vi vùng kim loại đắp, kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt: Kim loại đắp Kim loại Vùng ảnh hưởng nhiệt Độ cứng tế vi, HV 300 285 200 178 160 172 273 174 176 173 162 100 4567 Vị trí đo Hình Dải phân bố độ cứng tế vi hàn dây 65G - Độ cứng tế vi vùng kim loại đắp có giá trị cao nhất, tương ứng với chất kim loại bù 65G, sau đó vùng ảnh hưởng nhiệt, thấp nhất vùng kim loại - Vùng ảnh hưởng nhiệt vật liệu nóng chảy hòa trộn có oxyt kim loại hòa tan nên độ cứng tế vi tăng lên so với - Độ cứng bề mặt trục mẫu sau gia công đạt trung bình 52 HRC 4.4 Thảo luận - Với gia tăng lực ép điện cực, biến dạng dẻo dây hàn bù tăng cách đáng kể Tuy nhiên tác động dòng điện hàn, dây hàn bù nung nóng đến trạng thái gần chảy dẫn đến suy giảm đặc tính học kim loại bù giảm ứng suất từ phía bề mặt lăn – điện cực hàn Trạng thái biến dạng dẻo kim loại dây hàn bù thay đổi từ 15 đến 45 % liên kết hàn phụ thuộc vào lực ép cường độ dòng điện hàn - Độ bền bám dính dây hàn bù nhờ hình thành lớp trung gian bao gồm lớp vật liệu nóng chảy với oxyt hòa trộn phân lớp rõ rệt Giá trị cho dây hàn 65G trung bình 556,6 MPa, giảm – % so với độ bền kéo kim loại giá trị chấp nhận được, đảm bảo cho điều kiện làm việc hiệu lớp đắp chiều dày lớp đắp nhỏ (≤ 0,5 mm) lớp bọc lót toàn chu vi cổ trục trình làm việc - Độ cứng bề mặt trục mẫu sau gia công đạt trung bình 52 HRC Độ cứng tế vi vùng kim loại đắp có giá trị cao nhất, tương ứng với chất kim loại bù 65G, 42 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV sau đó vùng ảnh hưởng nhiệt, thấp nhất vùng kim loại nền.Vùng ảnh hưởng nhiệt vật liệu nóng chảy hòa trộn có oxyt kim loại hòa tan nên độ cứng tế vi tăng lên so với KẾT LUẬN Quá trình nghiên cứu thực nghiệm thăm dò tiến hành tập trung vào 05 thông số quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng liên kết hàn là: cường độ dòng điện hàn; lực ép điện cực hàn; thời gian cấp xung điện; tốc độ quay chi tiết bước tiến hàn Độ cứng bề mặt trục mẫu sau gia công đạt trung bình 52 HRC Độ cứng tế vi vùng kim loại đắp có giá trị cao nhất đạt 273-285 HV, tương ứng với chất kim loại bù thép 65G Độ bền bám dính dây hàn bù nhờ hình thành lớp trung gian bao gồm lớp vật liệu nóng chảy với oxyt hòa trộn phân lớp rõ rệt Giá trị cho dây hàn bù thép 65G trung bình 556,6 MPa, giảm – % so với độ bền kéo kim loại TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nafikov, M.Z Examination of the process of wear of a roller electrode in electric resistance surfacing with a wire [Text] / M.Z Nafikov, I.I Zagirov // Welding International – 2007 – Vol.21, №10 – P.757 – 759 [2] V.A Emel'yanov, L.M Shkol'nik & V.B Shlyapin Cyclic cracking resistance of shafts after electric resistance hardfacing with subsequent surface plastic deformation Welding International Volume 2, Issue 3, 1988 Pages 256-258 [3] V.A Dubrovskii & V.V Bulychev Electric resistance surfacing with a wire and with melting of the metals to be joined Welding International Volume 12, Issue 7, 1998 Pages 570-572 [4] Нафиков, М.З Параметры электроконтактной наплавки [Текст] / М.З Нафиков // Технология металлов – 2005 – №7 – С.29-31 [5] Нафиков, М.З Рекомендации по разработке технологических процессов восстановления изношенных деталей типа «вал» электроконтактной наплавкой (приваркой) стальных проволок / М.З Нафиков [и др.] // Уфа: ООО «Штайн», 2009 – 43 с THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ ThS Nguyễn Minh Tân Trường ĐH SPKT Hưng Yên Email: nguyenminhtan.utehy.2008@gmail.com; DĐ: 0978 452 890 ThS Lê Văn Thoài Trường ĐH SPKT Hưng Yên Email: lethoai.utehy@gmail.com; DĐ: 0912 206 388 TS Hoàng Văn Châu Hội KHKT Hàn Việt Nam Email: hvchauweld@gmail.com; DĐ: 0913 003 681 PGS.TS Đào Quang Kế Học viện Nông nghiệp Việt Nam Email: dqke@vnua.edu.vn.; DĐ: 0904 365 844 PGS.TS Lê Thu Quý PTN trọng điểm CN Hàn&XLBM – Viện Nghiên cứu Cơ khí Email: quylt@narime.gov.vn; DĐ: 0983 022 166 43 ... chi tiết dạng trục TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP PHỤC HỒI BẰNG HÀN LĂN TỰ ĐỘNG VỚI DÂY THÉP HỢP KIM Một phương pháp phục hồi chi tiết trục tiên tiến sử dụng phương pháp hàn lăn tự động với dây thép. .. cháy nguyên tố hợp kim dây trình hàn [ ] Hình Hình ảnh số chi tiết máy phục hồi dây thép hợp kim Khi hàn lăn tự động với dây thép hợp kim, điện cực thứ nhất đóng vai trò lăn đồng, kim loại - điện... thép hợp kim Bề mặt liên kết dây hàn bù với kim loại hàn lăn tự động với dây thép hợp kim hình thành nhờ trình hàn tiếp xúc biến dạng dẻo dây hàn Phương pháp có lợi tác động nhiệt mức thấp kim