Phân tích hỏng hóc trong lắp ráp vành bánh xe hàn của công ty ABC
Lĩnh vực ứng dụng | Structural/ vehicle | Ref.# | |
Phân loại hỏng hóc | Nứt ở vật liệu cơ bản | DGWTR# | APP0005 |
Sản phẩm | Welded wheel | Edit | Han Le Duy, WE, CWI, IWI-S |
Đề xuất giải pháp | Cải tiến quá trình sản xuất phôi | Reviewed | WP, IWE |
Liên kết / Vị trí | T-joint /2F | Completed | 4/22/2003 |
NỘI DUNG
Mẫu vành bánh xe hàn được sản xuất bởi công ty ABC được gửi tới Lincoln Electric thông qua người đại diện của hãng là ông Brook McClincy. Mẫu vành bánh xe gồm hai phần, thân bánh xe và phần ống trục trung tâm có chức năng như trục của bánh xe. Hai mối hàn góc khép kín được hàn để nối vành với ống trục. Liên kết hàn dạng chữ T.
Mẫu sản phẩm lỗi cho thấy có hỏng hóc ở ống trung tâm, có vết nứt xuất hiện xung quanh ống, gần vị trí của một trong hai mối hàn góc. Vành bánh xe được báo cáo là có khả năng làm việc kém (ví dụ: máy kéo mà có lắp vành bánh xe này bị xoay vòng quanh sàn trưng bày sản phẩm khi nó bị lỗi).
Báo cáo xác định rằng, có dấu vết của vết nứt xuất hiện ở trong ống trục khi nó được chế tạo ra, có vẻ như là khuyết tật của quá trình dập nóng. Mối hàn không thể làm gì với sai hỏng này, không có sự thay đổi nào về quá trình hàn có thể loại bỏ vấn đề này. Nghiên cứu về quá trình chế tạo ống trục để bảm đảm chất lượng. Quá trình bổ sung (như: cắt gọt) hoặc sửa chữa được gợi ý để bổ trợ cho quá trình dập nóng.
1. Giới thiệu chung
Mẫu vành bánh xe hàn được sản xuất bởi công ty ABC được gửi tới Lincoln Electric thông qua người đại diện của hãng là ông Brook McClincy. Mẫu vành bánh xe gồm hai phần, thân bánh xe và phần ống trục trung tâm có chức năng như trục của bánh xe. Hai mối hàn góc khép kín được hàn để nối vành với ống trục. Liên kết hàn dạng chữ T.
Mẫu sản phẩm lỗi cho thấy có hỏng hóc ở ống trung tâm, có vết nứt xuất hiện xung quanh ống, gần vị trí của một trong hai mối hàn góc. Vành bánh xe được báo cáo là có khả năng làm việc kém (ví dụ: máy kéo mà có lắp vành bánh xe này bị xoay vòng quanh sàn trưng bày sản phẩm khi nó bị lỗi).
Công ty ABC báo cáo rằng, có thể có nhiều kiểu ống trục được sử dụng trong quá trình lắp ráp. Ống trục được cung cấp bởi ít nhất hai nhà sản xuất. Giả thiết ban đầu của họ có thể là do sự khác nhau về thành phần hóa học.
Công ty ABC đã cung cấp cho Lincoln Electric một mẫu sản phẩm hỏng, và một mẫu không hỏng hóc được cắt đôi, và hai mẫu ống trục chưa hàn.
Thông qua đại diện của LE, ông Brook McClincy, công ty ABC mong muốn LE giúp phân tích nguyên nhân của hỏng hóc và đưa ra khuyến cáo khắc phục.
2. Quá trình kiểm tra hỏng hóc
Mẫu vành xe bị hỏng rất sạch (Hình 1, 2). Vành xe gần như nguyên gốc chưa qua sử dụng (không có bụi bản hay vết xước nào trên bề mặt sơn…) được gửi kèm theo phàn nàn của công ty ABC về khả năng chịu tải kém của vành xe. Tuy nhiên, đường kính trong (ID) của ống trục, cái mà được tiếp xúc trực tiếp với trục xe vẫn còn nguyên lớp sơn trên bề mặt. Nếu vành xe đã được sử dụng thì lớp sơn ở bên trong lòng ống trục sẽ phải bị mòn ở một vài vị trí.
Khi quan sát kỹ bề mặt của mối hàn, và vết nứt, DG Welding - vp miền bắc cty Double Good JSC nhận thấy vết nứt nằm ở gần phía chân của mối hàn hoặc ở giữa của mối hàn. Vết nứt ở phía chân có thể do tác động của vùng ảnh hưởng nhiệt (VAHN), và vết nứt ở tâm của mối hàn có thể do nứt nóng khi kết tinh. Vết nứt không chỉ nhìn rõ mà còn xác định rõ được vị trí.
Nứt do mỏi có thể xuất hiện từ phía chân của mối hàn, và ngoại dạng khá giống với nứt ở VANH, nhưng cơ chế và nguyên nhân thì hoàn toàn khác nhau. Tuy vết nứt ở phía chân chưa được xác định rõ ràng, nhưng nứt do mỏi là một lý giải chưa thỏa đáng, vì sản phẩm chưa trai qua thời gian làm việc theo chu kỳ trong thời gian dài.
Quan sát tại vị trí bên trong lòng của ống trục, cạnh vị trí mối hàn, chúng tôi có phát hiện vết khía hoặc rãnh. Có tới 02 vết khía xuất hiện, phân chia lòng ống vì đường kính ống trục khá nhỏ. Kiểm tra rất kỹ vị trí của vết khía và so sánh với ống trục chưa hàn, dẫn đến một giả thiết rằng chính vết khía ở trong lòng của ống trục là nguyên nhân và điểm khởi đầu của vết nứt.
Vết nứt bề mặt của vành bánh xe bị hỏng thì khá là đối xứng. Không có dấu hiệu của điểm bắt đầu và hướng nứt xuất hiện vòng quanh theo mối hàn chu vi. Đúng hơn là, nếu nhìn vào vết nứt gãy, và đánh dấu mẫu vành xe như mặt của đồng hồ, thì ngoại dạng ở 12h giống với vị trí 3, 6,9h như trong hình 2.
Hình 1: Mẫu vành xe hàn được gửi bởi công ty ABC để phần tích hỏng hóc
Hình 2: so sánh bề mặt ống trục khi chưa hàn với mẫu bị hỏng
Ngược lại, ngoại dạng vết nứt bên trong lòng ống trục trông khá là khác với so với tỷ lệ nứt theo chiều dày trung bình. Điều đó bổ trợ thêm giả thiết là hướng nứt xuất phát trừ bên trong lòng ống.
3. Kết quả và bàn luận
Quan sát bề mặt vết nứt:
Bề mặt vết nứt được đánh giá cẩn thận, sử dụng kính hiển vi quang học. Qua đó, quan sát ba vị trí như trong hình 3.
Hình 3: Hình ảnh phóng đại bề mặt vết nứt gãy tồn tại ở trên thân vành xe
Ở bên trong lòng ống trục, khoảng cách 10% tính từ bề mặt trong, vết nứt có màu thay đổi: vàng, nâu, xanh, tím. Khi xem ở vị trí khác ngoài lòng ống, phần tiếp giáp khá là phẳng mịn với bề mặt màu xám. Phía ngoài cùng, cách vết nứt khoảng 30%, có màu ánh bạc, bề mặt thô.
Phần tích thành phần hóa học:
Thành phần hóa học được xác định trên một ống trục. không có thành phần hóa học nào có tác dụng làm biến cứng thép để gây nứt ở VAHN. Thành phần hóa học phân tích như trong bảng 1 dưới đây.
Bảng 1: Thành phần hóa học của ống trục
Thành phần hóa học của ống trục gần giống với thép SAE 1018, và không xuất hiện điều gì bất thường.
Mặt cắt ngang của vành xe hàn, không sơn, và chưa sử dụng:
Công ty ABC cung cấp một vành xe được cắt đôi, song song với trục của ống. vành không được sơn và chưa qua sử dụng. vùng mối hàn được đánh bóng và tảm thực, sau khi kiểm tra xác định một vết nứt xuất hiện ở bên trong lòng ống, như hình 4.
Hình 4: Mặt cắt ngang mối hàn giữa ống trục với thân vành xe, mẫu chưa sơn và được gửi bởi công ty ABC để đánh giá. Hình ảnh cho thấy một vết nứt xuất hiện bên trong lòng ống ở phía trên một khoảng 0.1’’ so với chân mối hàn, và kéo dài khoảng 50% theo chiều dày ống.
Mặt cắt ngang ống chưa hàn:
Hai ống trục chưa hàn đã được cung cấp bởi công ty ABC. Mẫu ống thứ nhất được cắt ngang, sau đó tẩm thực va quan sát dưới kinh hiển vi quang học. Vết khía như vết nứt xuất hiện ở bên trong lòng ống được thấy rất rõ ràng, như hình 5.
Hình 5: Mặt cắt ngang mẫu ống trục số #1, hình ảnh cho thấy vết nứt xuất hiện ở điều kiện chưa hàn.
Theo như hình ảnh mặt cắt ngang ở hình 5, vết nứt kéo dài khoảng 50% theo chiều dày ống. Và lưu ý rằng, ống này chưa được hàn.
Qua bề mặt tẩm thực, một phát hiện thú vị về bố trí thớ vật liệu. Thớ vật liệu thông thường có hướng dọc, kéo dài tương ứng với việc chế tạo thép cán nóng hoặc cán nguội xuất hiện từ phía vết khía và trung tâm theo chiều dài ống. Tuy nhiên, canh vết khía và phần trung tâm, thớ hạt bị biến dạng và có biên dạng sóng. Có thể nói rằng, tại vị trí này là khuyết tật dạng nứt của phôi ống trục.
Mẫu ống trục thứ 2 cũng được kiểm tra tương tự, và kết quả mặt cắt ngang như trong hình 6. Trong trường hợp này, vết nứt thực tế kéo dài tới trên 80% so với chiều dày ống.
Hình 6: Mặt cắt ngang ống trục thứ #2, vết nứt xuất hiện ngay ở điều kiện khi chưa hàn.
Mặt cắt ngang của vành bánh xe bị hỏng:
Mẫu vành bánh xe đã sơn và bị hỏng được cắt sao cho vị trí của vết nứt dễ dàng xác định. Kết quả mặt cắt ngang như trong hình 7.
Hình 7: Mặt cắt ngang và quan sát gần vị trí bị phá hỏng của vành bánh xe. Hình ảnh cho thấy hướng vết nứt trùng với hướng khía của thớ kim loại. Mối hàn nằm ở phía dưới bên trái, và ống trục theo hướng thẳng đứng.
Ống trục bị hỏng ở vị trí 0.6-0.8’’ phía trên mối hàn. Trong hình 8, phóng đại hình ảnh vết nứt được thể hiện. Lưu ý rằng, thớ kim loại trong vùng này xác định điểm khởi đầu của vết nứt từ phía bên phải. và vết nứt sau cùng như ở phía trái.
Hình 8: Vị trí phóng đại vùng vết nứt ở trong hình số 7.
Kiểm tra độ cứng mặt cắt ngang của ống trục:
Độ cứng tế vi được kiểm tra ở một số vị trí trên mặt cắt ngang của hai ống trục. Kết quả kiểm tra trên ống trục số 1 được thể hiện như trong hình 9 và bảng 2.
Hình 9: Vị trí các điểm kiểm tra độ cứng trên ống trục số #1.
Bảng 2: Kết quả kiểm tra độ cứng trên ống trục số #1.
Tương tự, phép thử độ cứng trên ống trục số 2 được thể hiện như trong bảng 3 và hình 10 dưới đây:
Hình 10: Vị trí kiểm tra độ cứng trên ống trục thứ #2.
Bảng 3: Kết quả kiểm tra độ cứng trên ống trục thứ #2.
4. Phân tích và đánh giá
Bề mặt hỏng hóc:
Hình ảnh màu sắc ở phía chân (trong lòng ống) của vết nứt là “màu ram”. Màu ram là màu hình thành do oxy trong không khí tiếp xúc với bề mặt dễ bị oxi-hóa. Màu ram gồm các màu thông thường như: vàng, nâu, tím, xanh và đen. Màu thực tế phụ thuộc vào chiều dày của lớp oxit, và chiều dày này phụ thuộc vào nhiệt độ khi mà thép tiếp xúc trực tiếp với không khí.
Từ hình 4, có thể nhìn thấy các màu rơm, nâu, xanh và tím của lớp oxit. Những màu này tương ứng với thép bị oxi-hóa ở dải nhiệt độ 400-800 oF.
Sự xuất hiện của màu ram ở phía chân, gợi ý rằng vết nứt xuất hiện trước khi hàn, và năng lượng đường tăng lên làm tăng nhiệt độ thép tác dụng với oxy trong không khí tạo ra lớp oxit nhiều màu sắc.
Tỷ lệ màu xám nhạt ở bề mặt vết nứt khớp với chiều dài của vết khía/nứt ở trong ống khi chưa hàn. Điều này chỉ ra rằng vết nứt đã xuất hiện trước khi hàn.
Phần tỷ lệ màu sáng bạc trên bề mặt của vết nứt gãy thể hiện tỷ lệ vết nứt gãy xảy ra trên sàn trưng bày. Chỉ có khoảng 20% phần mặt cắt liên kết này thể hiện chịu tải khi vành bánh xe bị nứt gãy.
Một câu hỏi hiển nhiên được đặt ra là: tại sao bề mặt của vết nứt trước khi hàn kia lại không bị oxy-hóa tạo ra màu ram. Có thể nói rằng, vết nứt đủ nhỏ để oxy không thể xâm nhập vào bên trong và gây ra sự oxyhoa bề mặt bên trong của vết nứt.
Mặt cắt ngang của ống trục:
Thông tin về sản xuất chế tạo ống trục không được cung cấp cho Lincoln. Tuy nhiên, căn cứ trên hình ảnh mặt cắt ngang của ống, có thể nói rằng ống đã qua quá trình dập, để thay đổi về kích thước đường kính bên trong và bên ngoài ống. Theo đó, vật liệu sẽ bị ép từ hai đầu về phía giữa của ống, khi quá trình dập được thực hiện ở phía đối diện, thớ vật liệu cũng sẽ lại bị dồn về phía giữa.
Việc thớ vật liệu dồn về phía giữa của ống có thể gây ra thớ dạng sóng xuất hiện ở phía trung tâm của ống. Hơn nữa, một điều rất quan trọng, mặc dù việc thực hiện dập này rất nhẹ nhàng, nhưng làm thay đổi thớ vật liệu sau khi luyện kim và gây ra vết khía/nứt ở trong ống. Vết khía này mặc dù nhỏ nhưng sẽ gây ảnh hưởng tới cơ tính.
Có thể khẳng định rằng, vết khía/nứt xảy ra ở gần mối hàn, nên hướng nứt xuất hiện cạnh mối hàn. Nếu ở một vị trí khác, ống có thể vẫn có vết nứt.
Khi xét đến nguyên nhân hình thành của vết nứt, chúng tôi không biết rằng nếu một nhà cung cấp khác có thể làm giảm được vấn đề này không.
Giá trị độ cứng:
Ở trên cả ống trục số 1 và 2, có một xu thế tăng độ cứng ở trong vùng vết khía/nứt. Trên ống 1, ở xa vị trí vết nứt, điểm từ 1-9 có độ cứng Vicker (VHN) trong dải từ 250-280. Ở một số vị trí khác như điểm 10-11, độ cứng là 286 và 308. Trên ống trục thứ 2, vị trí 1-6 có giá trị độ cứng thấp trong dải từ 225-251 VHN, còn ở vị trí 13-16 giá trị là 240-260. Tuy nhiên, ở phía bên kia của vết nứt, vị trí 7-12, giá trị độ cứng trung bình cao hơn, trong dải từ 276-342.
Độ cứng liên quan trực tiếp tới độ bền, và độ dai. Kiểm tra độ cứng cục bộ cho thấy độ dai cục bộ có xu hướng giảm, khiến cho vùng đó dễ bị nứt.
5. Kết luận
- Các ống trục đã được chế tạo theo cách mà dễ tạo ra vết nứt/khía trong phôi. Quá trình chế tạo có vẻ như là dập.
- Phân tích tổng thể, xác định chỉ từ 01 mẫu, khoảng 80% diện tích mặt cắt ngang của ống trục có vết khía/nứt. Đây có thể là nguyên nhân gây tập trung ứng suất ở trong vật liệu hơn gấp 5 lần so với bình thường. Với vết khía ở phía chân, tập trung ứng suất dự đoán tăng thêm ít nhất gấp 3 lần. Bởi vậy, tập trung ứng suất được dự đoán gấp tới 15 lần so với trường hợp ống không có vết khía.
- Mối hàn không thể làm gì trong điều kiện hỏng hóc này. Không thể thay đổi gì về điều kiện hàn để loại bỏ được vấn đề này.
- Việc nghiên cứu phát triển quá trình chế tạo phôi ống trục sẽ khắc phục được vấn đề. Quá trình phụ trợ như cắt gọt hoặc cải tiến/sửa chữa cho quá trình dập là một gợi ý.
QUYỀN SỞ HỮU VÀ BẢO MẬT: Báo cáo này căn cứ trên các kết quả thử nghiệm của hãng Lincoln Electric, và được biên tập bởi Double Good JSC – Nhà phân phối sản phẩm và Dịch vụ ủy quyền của Lincoln Electric tại Việt Nam. Không được phép sao chép, lưu chuyển, sử dụng tài liệu này với bất kỳ mục đích nào nếu không được sự cho phép bằng văn bản của Double Good JSC.
Ghi chú: Tính đa dạng trong thiết kế, chế tạo và điều kiện làm việc của các sản phẩm thực tế sẽ ảnh hưởng tới kết quả thực nghiệm. Vì vậy các bên tự cân nhắc và chịu trách nhiệm khi áp dụng các thông tin trong báo cáo này vào công việc của mình.
