NGHIÊN cứu sự ẢNH HƯỞNG của góc NGHIÊNG đầu DỤNG cụ đến CHẤT LƯỢNG mối hàn MA sát KHUẤY TRÊN tấm NHÔM PHẲNG

Nghiên cứu này trình bày phương pháp chọn các thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm của quá trình hàn ma sát khuấy cho vật liệu nhôm hợp kim, trong đó thông số góc nghiê

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 1

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC NGHIÊNG ĐẦU DỤNG

CỤ ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY TRÊN TẤM

NHÔM PHẲNG

Học viên thực hiện: Thân Trọng Khánh Đạt

MSHV:

Giáo viên hướng dẫn đề nghị: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC

Khoa Cơ Khí, trường ĐH Bách Khoa TP HCM

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG I

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ii

Tóm tắt nghiên cứu iii

1 Giới thiệu 1

1.1 Lịch sử phát triển 1

1.2 Nội dung và mục tiêu của nghiên cứu 3

1.3 Lợi ích và ý nghĩa của đề tài 4

2 Cơ sở lý thuyết 5

2.1 Quá trình sinh nhiệt khi hàn 5

2.2 Dòng chảy vật liệu 8

2.3 Tổ chức hợp kim nhôm sau khi hàn 14

2.4 Kết luận 16

3 Phương pháp nghiên cứu 17

3.1 Mô hình tính toán, phân tích và chọn thông số thí nghiệm 17

3.2 Mô hình thí nghiệm 22

3.3 Phương pháp phân tích kết quả 24

3.4 Phương pháp đánh giá kết quả: 27

4 Kế hoạch nghiên cứu 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG II

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Sơ đồ mô tả quá trình hàn ma sát khuấy 1

Hình 2 1 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến quá trình sinh nhiệt 6

Hình 2 2 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình hàn 7

Hình 2 3 Khoảng cách giữa các bước hàn 9

Hình 2 4 Tổ chức kim loại mối hàn [15] (HAZ: heat affected zone; TMAZ: thermo-mechanically affected zone) 9

Hình 2 5 Sự hình thành các vòng dạng củ hành 10

Hình 2 6 Sự kết hợp giữa các dòng chảy [15] 11

Hình 2 7 Sự xen kẻ của hai dòng chảy [15] 11

Hình 2 8 Các vùng kim loại trong mô hình [15] 12

Hình 2 9 Sự bố trí lực trong hệ trục tọa độ 13

Hình 2 10 Ảnh hưởng của lực ép đến chất lượng mối hàn [15] 13

Hình 2 11 Các dòng chảy kim loại 14

Hình 3 1 Kích thước mặt cắt ngang vùng hàn 17

Hình 3 2 Nhiệt lượng phân bố trên đầu dụng cụ 18

Hình 3 3 Vi phân các bề mặt theo phương ngang, đứng, côn 18

Hình 3 4 Góc nghiêng đầu dao so với phôi 20

Hình 3 5 So sánh lực dọc trục khi hàn, tốc độ hàn 90mm/phút và số vòng quay là 500 rpm 20

Hình 3 6 Ứng suất kéo và % kéo giãn với các góc nghiêng đầu dao thay đổi (a) ứng suất kéo, (b) độ giãn dài của mối hàn tối đa khi kéo 21

Hình 3 7 Máy phay CNC 22

Hình 3 8 Kết cấu dao thí nghiệm 22

Hình 3 9 Phôi hàn 23

Hình 3 10 Phôi được gá đặt trên bàn máy 23

Hình 3 11 Bài toán hộp đen cho quá trình nghiên cứu 24

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3 1 Bảng chế độ hànP Zettler, S Lomolino, T Donath, F Beckmann, T Lippman and D Lohwasser 24

Bảng 3 2 Kết quả khảo nghiệm khi n thay đổi 25

Bảng 3 3 Bảng quả khảo nghiệm khi Vh thay đổi 25

Bảng 3 4 Bảng khảo nghiệm khi  thay đổi 25

Bảng 3 5 Bảng khảo nghiệm thực nghiệm toàn phần 3 yếu tố 25

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG III

TÓM TẮT NGHIÊN CỨU

Hàn ma sát khuấy (Friction stir welding) là một công nghệ mới để tạo ra các mối hàn có chất lượng tốt, đặc biệt là các vật liệu có tính chịu hàn kém mà các phương pháp hàn thông thường không có được, phổ biến hiện nay là các hợp kim nhôm Nghiên cứu này trình bày phương pháp chọn các thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm của quá trình hàn ma sát khuấy cho vật liệu nhôm hợp kim, trong đó thông số góc nghiêng đầu dụng cụ là nội dung chính của luận văn này Quá trình phân tích ảnh hưởng của góc nghiêng đầu dụng cụ được tiến hành bởi quá trình xây dựng mô hình toán học và thiết kế mô hình thực nghiệm Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp các chế độ công nghệ cho quá trình hàn ma sát khuấy trên tấm hợp kim nhôm đạt được độ tin cậy và hiệu quả cao

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 1

1 GIỚI THIỆU

Ngày nay vấn đề năng lượng, môi trường, vật liệu chế tạo đang được thế giới quan tâm và luôn hướng đến sự hoàn thiện về mọi mặt, do đó tất cả các ngành công nghiệp cũng cần nghiên cứu đổi mới công nghệ nhằm hạn chế tối đa năng lượng tiêu thụ và lượng khí thải khi sản xuất Ngòai ra lựa chọn vật liệu phải bền, nhẹ, đảm bảo tính công nghệ Trong lĩnh vực hàn các phương pháp hàn tiên tiến như hàn hồ quang dưới lớp thuốc hay trong môi trường khí bảo vệ, hàn bằng tia laser, phần nào đáp ứng được các yêu cầu trên Ðặc biệt phương pháp hàn ma sát khuấy (FSW) được xem là phương pháp rất hữu hiệu và đang được quan tâm nhất hiện nay

Hàn ma sát khuấy là bước tiến quan trọng nhất về lĩnh vực hàn trong thập niên qua, và là một công nghệ xanh do hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường So sánh với những công nghệ hàn trước đây thì FSW tiêu thụ ít năng lượng một cách đáng kể, không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóng chảy, không có khí độc khi hàn, không phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ, Do đó tạo môi trường trong sạch Ngoài ra FSW không cần sử dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, ít biến dạng và không nứt kêt tinh Bất kỳ hợp kim nhôm nào cũng có thể hàn được

mà không cần quan tâm đến sự đồng bộ của kim loại vật hàn, hơn nữa vật liệu composite có thể hàn với nhau một cách dễ dàng

1.1.Lịch sử phát triển

Hàn ma sát khuấy được phát minh vào năm 1991 bởi học Viện hàn của Vương Quốc Anh (TWI), là kỹ thuật hàn được liên kết ở trạng thái rắn (không nóng chảy) ban đầu được áp dụng cho hàn hợp kim nhôm Nguyên lý cơ bản của phương pháp này tương đối đơn giản: Dùng một dụng

cụ xoay không nóng chảy được thiết kế đặc biệt có một đầu khuấy (có ren hoặc không có ren) và phần vai để tiếp xúc với bề mặt của phôi hàn.Trước tiên dụng cụ này đi xuống, phần có ren xuyên vào phôi hàn (tương ứng với chiều sâu ngấu cần thiết), sau đó di chuyển dọc theo hướng hàn để tạo thành mối hàn, hình 1 Vật liệu bị mềm ra bởi nhiệt từ ma sát và lực ép từ vai dụng cụ sẽ liên kết vật liệu ở 2 bên đầu hàn với nhau Do vật liệu không chảy ra và đông lại nên tính chất mối hàn

sẽ tốt, cơ tính đảm bảo, loại trừ khuyết tật, rỗ

Hình 1 1 Sơ đồ mô tả quá trình hàn ma sát khuấy

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 2

1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Nguồn nhiệt vào khi hàn là một hàm gồm các thông số và được mô phỏng như một vòng tròn có đường kính bằng đường kính vai dụng cụ trên bề mặt vật hàn Mặc dù kết quả mô phỏng không so sánh với thực tế nhưng mô hình nhiệt này của MeClure đã được ứng dụng nhiều cho việc tính toán nhiệt độ phôi hàn

Chao và Qi đã nghiên cứu mô hình số sự tạo nhiệt dựa trên nhiệt độ của phôi, kết quả cho thấy dòng nhiệt trên bề mặt là rất lớn

Heurtier và Desrayaud cũng đã dùng mô hình phân tích để dự đoán nhiệt vào phôi nhưng sau đó đã chuyển sang dùng mô hình số để tăng khả năng chính xác của quá trình dự đoán nhiệt hàn

Năm 1998, Russell và Shercliff cũng đã dùng mô hình phân tích dựa trên phương trình tạo nhiệt của mình để dự đoán và xấp xỉ nhiệt độ tính toán Dòng nhiệt qua dụng cụ được xác định là khoảng 17% tổng năng lượng hàn [1]

Năm 2003, khi nghiên cứu mô hình số, Schmidt và Hayyel đã tính toán năng lượng sinh công vào dụng cụ bởi việc giảm lượng nhiệt vào dụng cụ bởi việc giảm lượng nhiệt vào phôi và khẳng định rằng 25% năng lượng cơ học cần thiết bởi tốc độ quay của trục chính sẽ đi vào dụng

cụ, còn lại 75% tập trung vào phôi tại mối hàn Cùng với nghiên cứu trên hai ông cũng đã sử dụng

mô hình số từ nguồn nhiệt do ma sát và nguồn nhiệt do biến dạng dẻo để tính nguồn nhiệt vao, trong đó 10% năng lượng sẽ đi vào dụng cụ, phần lớn lượng nhiệt vào vai dụng cụ sẽ tương ứng với kích thước đường kính vai Ngoài ta, Shi cũng đã tính toán nguồn nhiệt vào dụng cụ là khoảng 8% tổng năng lượng cơ học trong mô hình số của mình nhưng sau đó ông đã điều chỉnh cho đến khi tương đương với kết quả thực nghiệm

Một nghiên cứu khác của Langerman và Kvalvik đã dùng nguồn nhiệt hai chiều để xác định dòng vật liệu xung quanh đầu khuấy và dự đoán sự phân bố ứng suất dư trong phôi sau khi hàn Nguồn nhiệt sinh ra trong khi hàn có quan hệ tuyến tính với đường kính vai của dụng cụ

Song và Kovacevic [2] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ dụng cụ đến moment xoắn khi hàn bằng cách thực nghiệm thay đổi với nhiều tốc độ quay và tốc độ quay và tốc độ ăn dao của dụng cụ Tang [3] đã thay đổi tốc độ dụng cụ và chiều sâu dụng cụ khi tăng tốc độ xoay dụng cụ thì tăng nhiệt vào Tất cả nghiên cứu trên nhằm nêu lên sự thay đổi nhiệt độ vùng hàn và thông số hàn nhưng không dự đoán chất lượng đường hàn

Midling và Rorvik [4] đã tính toán lượng nhiệt và dựa vào chiều rộng HAZ Họ đã thay đổi

số vòng quay dụng cụ, tốc độ ăn dao, lực tác dụng vào dụng cụ và chứng minh lượng nhiệt vào (Heat input) giảm khi chiều sâu và số vòng quay của dụng cụ giảm, lượng gia nhiệt tăng khi giảm tốc độ hàn (Vh) Một số tác giả đã kết hợp việc đo nhiệt độ (bằng Thermocouples – TC) vùng hàn

và trùng HAZ Gould và Feng [5] quan sát khi thay đổi hai thông số hàn Frigaard [6] quan sát ở

ba tốc độ đi xuống của dụng cụ Song [7] nghiên cứu với ba tốc độ quay dụng cụ Cả ba tác giả trên đã cho thấy một mối liên hệ mật thiết giữa nhiệt độ lớn nhất và chiều rộng vùng HAZ

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 3

Linder đã chứng minh những hạn chế của phương pháp đo nhiệt bằng Thermocouples Trước hết là độ chênh lệch nhiệt độ trong FSW là thường rất phức tạp nên việc bố trí TC rất khó khăn, ngoài ra do quá trình FSW vật liệu biến dạng dẻo rất lớn nên kết quả đo khó chính xác và việc xác định vùng HAZ cần rất nhiều thời gian và công sức (Mẫu thử nghiệm phải đánh bóng và đánh dấu

kỹ lưỡng để tiện cho việc đo đạc)

Zahedul và KhandKar đã tính toán moment xoắn của quá trình hàn, kết quả là nó không đổi với mọi thông số [8], [9] Ngoài ra Schmidt và Leinart đã đo moment xoắn từ thực nghiệm và so sánh với kết quả tính toán, họ cũng khẳng định rằng moment xoắn không thay đổi với mọi thông

số hàn

Một số tác giả đã chứng minh rằng năng lượng hàn là một hàm của các thông số hàn Colegrove [10] đã trình bày năng lượng hàn của mình có liên quan đến tốc độ hàn nhưng bỏ qua tốc độ quay dụng cụ Ngược lại, tốc độ dụng cụ đã được chứng minh là có ảnh hưởng đáng kể đến lượng nhiệt vào bởi một số thực nghiệm có giá trị

Một phương pháp xác định lượng nhiệt vào nữa là bằng cách giảm số lượng những thông số

và đã kết hợp tốc độ dụng cụ với tốc độ đi xuống với một tên gọi là bước hàn(xác định bước tiến trên mỗi vòng quay dụng cụ) Họ chỉ nghiên cứu sơ bộ mối liên hệ giữa năng lượng hàn với bước hàn

Reynolds và Tang [3] đã kiểm tra sự ảnh hưởng của bước hàn đến năng lượng hàn một cách

rõ ràng hơn và cho thấy rằng bước hàn không thể là một thông số để xác định năng lượng hàn một cách chính xác Họ đã giữ tốc độ ăn dao và chiều sâu đầu khuấy không đổi trong khi đó thay đổi tốc độ quay dụng cụ để xác định lực hàn và cả lượng nhiệt vào

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam chúng ta, trong thời gian gần đây bắt đầu có những nghiên cứu về công nghệ hàn ma sát khuấy này Có thể kể đến một số nghiên cứu của các tác giả sau:

Luận văn Thạc sĩ của Mai Đăng Tuấn, nghiên cứu về một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trên tấm nhôm phẳng Trong đó tác giả đã quy hoạch thực nghiệm toàn phần 3 thông số: số vòng quay đầu khuấy, tốc độ hàn và đường kính vai đầu khuấy, từ đó rút

ra được bộ thông số tối ưu để đạt độ bền kéo lớn nhất

Luận văn Tốt nghiệp Đại học của Nguyễn Văn Thạnh, mô phỏng quá trình nhiệt trong quá trình hàn ma sát khuấy bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm Ansys

Luận văn Tốt nghiệp Đại học của Võ Văn Pho, tác giả đã trình bày sự ảnh hưởng đồng thời của 4 thông số (số vòng quay đầu khuấy, vận tốc hàn, chiều dài đầu khuấy và đường kính đầu khuấy) đến độ bền kéo, lực dọc trục theo phương ngang và phương đứng

1.2.Nội dung và mục tiêu của nghiên cứu

Quá trình hàn ma sát khuấy chịu ảnh hưởng của nhiều thông số, việc phân tích để xác định đúng các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy là cực kỳ quan trọng Do đó vấn

đề cần tiến hành:

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 4

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình hàn ma sát khuấy

 Dựa trên các nghiên cứu trong và ngoài nước, các đánh giá của chuyên gia để hạn chế

số thí nghiệm

 Quá trình làm dẻo kim loại là do ma sát giữa đầu hàn với phôi và lực ép giữa vai dụng

cụ với phôi, do vậy cần phải xây dựng phương trình cân bằng nhiệt để xác định các thông số ảnh hướng đến quá trình hàn Đồng thời tiến hành mô phỏng trên máy tính để đánh giá các thông số một cách dễ dàng

 Tiến hành thực nghiệm, sử dụng phương pháp thống kê và tối ưu hóa để phân tích dữ liệu, từ đó rút ra bộ thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm

1.3.Lợi ích và ý nghĩa của đề tài

Về tính khoa học, phương pháp hàn này là một trong những công nghệ hàn mới hiện nay, được nhiều nước và các hãng sản xuất lớn trên thế giới nghiên cứu ứng dụng, là một trong những yếu tố quan trọng cải thiện hiệu quả cơ tính, độ bền của sản phẩm

Sử dụng nguồn năng lượng hàn chủ yếu là từ nguồn nhiệt do ma sát giữa bề mặt phôi và dụng cụ và sự biến dạng dẻo mảnh liệt trong cấu trúc vật liệu, nét mới trong kỹ thuật cơ khí sinh học hiện nay

Trong điều kiện công nghiệp hóa hiện đại hóa ở nước ta, các ngành công nghiệp phát triển như đóng tàu; sản xuất thiết bị nồi hơi; sản xuất ô tô; chế tạo khuôn mẫu; thì việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp hàn ma sát khuấy là rất cần thiết, tạo điều kiện cho việc tiếp cận và từng bước ứng dụng có hiệu quả các công nghệ tiên tiến của thế giới

Do những lợi ích to lớn như vậy, với việc chọn được bộ thông số công nghệ tối ưu sẽ giúp nâng cao khả năng ứng dụng thực tiễn của phương pháp hàn ma sát khuấy, tiết kiệm năng lượng, tăng năng suất và hiểu quả của quá trình hàn

tổ chức tinh thể, thay đổi thể tích, biến dạng đàn - dẻo, Các quá trình này ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn và toàn bộ kết cấu nói chung

Nguồn nhiệt hàn được tạo thành do sự kết hợp của quá trình ma sát giữa dụng cụ-phôi và quá trình phân tán dẻo trong khi vật liệu bị biến dạng Cơ chế tạo nhiệt bị ảnh hưởng bởi: các thông

số hàn, tính dẫn nhiệt của vật liệu phôi, đầu khuấy và đe, đặc tính hình học của dụng cụ Thông thường thì điều kiện hàn nóng là hàn với số vòng quay (rpm) cao và vận tốc hàn (Vh) thấp; ngược lại, hàn với tốc độ hàn cao và rpm thấp thì được gọi là hàn lạnh Trường nhiệt độ xung quanh đầu khuấy là không đối xứng, trong vùng lùi của mối hàn có nhiệt độ hơi cao hơn nhiệt độ vùng tiến Điều này thể hiện khi thử phá hỏng do kéo vết nứt trên cạnh lùi trong vùng HAZ là xảy ra nhiều hơn Để tránh hiện tượng quá nhiệt trong vùng tâm hàn thì hạn chế số vòng quay của dụng cụ dưới 15000v/p

Những nghiên cứu thực nghiệm gần đây đã cho thấy rằng nguồn nhiệt sinh ra chủ yếu ở bề mặt vai và phôi [11] Điều khiển cơ chế tạo nhiệt là do ma sát và sự phân tán dẻo phụ thuộc vào điều kiện tiếp xúc giữa hai bề mặt Đặc trưng hình học của dụng cụ (đầu khuấy, vai) sẽ ảnh hưởng đến hai bề mặt trượt, dính hoặc giữa hai dạng trên, nhiệt độ tạo ra giữa đầu khuấy và phôi là không phải nhỏ và cũng nên đưa vào để xác định trường nhiệt Cơ chế tạo nhiệt giữa đầu khuấy và phôi cũng do ma sát và phụ thuộc vào điều kiện trượt hoặc dính ở bề mặt tiếp xúc, lượng nhiệt từ sự biến dạng nhiệt quanh dụng cụ khoảng từ 2  20%, nhiệt độ tối đa khi hàn các hợp kim nhôm là

từ 450oC đến 480oC [12]

Vùng gần sát với đầu khuấy là gần như đẵng nhiệt và nhiệt độ tối đa có thể ở tại ranh giới cắt [13] của kim loại xung quanh đầy khuấy Đối với các vật hàn dày thì nhiệt độ bị ảnh hưởng bởi chiều sâu của đầu khuấy, nhiệt độ cao nhất là tại bề mặt tiếp xúc giữa vai và bề mặt vật hàn Khi nhiệt độ vật liệu mối hàn tăng lên thì sẽ tiếp tục làm mềm kim loại, moment xoắn giảm

và một lượng nhiệt được truyền đi bởi công việc cơ học Điều này tạo thành một cơ chế nhiệt tương đối ổn định và tránh tối đa hiện tượng nóng chảy của kim loại mối hàn Điều khiển nhiệt độ có thể thực hiện bằng cách thay đổi điều kiện ở bề mặt chung giữa dính và trượt Khi kim loại nguội dưới nhiệt độ tới hạn, khi đó ứng xuất dòng biến dạng tăng lên trên giá trị ứng suất trượt Sự tác động giữa dụng cụ và phôi có thể chuyển từ biến dạng đến ma sát Nếu trượt xảy ra giữa dụng cụ và phôi, lượng nhiệt vào sẽ giảm và dẫn đến giảm nhiệt độ mối hàn Thay đổi điều kiện biên ở bề mặt tiếp xúc có thể dẫn đến sự mất ổn định về nhiệt độ và có thể dao động qua lại giữa hai hiện tượng dính và trượt Hình 2.1 minh họa điều kiện biên ở vai dụng cụ sẽ ảnh hưởng đến dòng vật liệu tâm hàn

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 6

Hình 2 1 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến quá trình sinh nhiệt

2.1.2 Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hàn

Như đã biết, vai dụng cụ cung cấp nhiệt và quyết định vùng tạo nhiệt, trong khi đó đầu khuấy tạo dáng dòng biến dạng để tạo thành mối hàn và cũng tạo ra sự cân đối thành phần nhiệt mối hàn (tùy thuộc vào kích thước của nó) Dụng cụ xoay ở tốc độ cao nhưng ở đây tốc độ vùng biên ngoài của vai và đầu khuấy cao hơn nhiều so với tốc độ di chuyển hàn Hàn FSW chủ yếu là dùng sự phân tán sệt trong vật liệu phôi điều khiển bởi ứng suất cắt lớn ở bề mặt giữa dụng cụ và phôi Tuy nhiên điều kiện biên trong mối hàn này là khá phức tạp Vật liệu ở bề mặt tiếp xúc có thể: một là bám dính vào dụng cụ, trong trường hợp đó có cùng vận tốc với vận tốc dụng cụ, hai là có thể trượt, trong trường hợp này vận tốc thấp hơn và không cùng chiều với dụng cụ Nhiệt độ và ứng suất tiếp xúc thay đổi lớn trên khắp dụng cụ, do đó không giống như điều kiện tiếp xúc đơn thuần Tiếp xúc có thể một phần bị trượt, một phần bị dính và nếu có hiện tượng nóng chảy cục bộ xảy

ra thì sẽ có sự kết hợp hiện tượng trượt, dính Nóng chảy cục bộ của phân tử pha thứ hai hoặc cấu trúc cùng tinh sẽ làm giảm nhanh chóng ứng suất cắt một cách hiệu quả dần đến giá trị không sẽ dẫn đến sự giảm mạnh ở lượng nhiệt sinh ra và sự gia nhiệt Do đó, sự tạo nhiệt có thể tự ổn định

ở nhiệt độ gần đường rắn, khối lượng kim loại nóng chảy được khống chế duy trì rất nhỏ nhằm giảm tối đa những vấn đề có liên quan như nứt kết tinh, rổ khí,

Để dễ dàng cho việc tính toán, có thể chia quá trình ma sát khuấy thành 5 giai đoạn sau:

Giai đoạn ban đầu (Plunge period): Trong giai đoạn này, dụng cụ xoay đến chạm vào vật

liệu phôi tại mối ghép Ban đầu hệ số ma sát cao (0,4  0,5), moment xoắn và lực đi xuống của dụng cụ cần đủ lớn để đầu khuấy xâm nhập hết vào phôi Bằng thực nghiệm thông thường thời gian để đầu khuấy hoàn toàn tiến sâu vào phôi là từ 2s  5s, tùy thuộc vào chiều dày phôi, số vòng quay và lực tác dụng

Giai đoạn quay tại chổ (Dwell): Khi vai vừa tiếp xúc vào phôi, giai đoạn dừng bắt đầu Lực

đi xuống giảm dần xuống dưới giá trị lực đi xuống chuyển tiếp Ban đầu lượng nhiệt tạo ra trong giai đoạn này là khá cao so với nhiệt độ tạo ra trong lúc dụng cụ di chuyển, khi vật liệu phôi được làm mềm, hệ số ma sát giảm đến 0,35 Vật liệu dưới vai được nung nóng và cùng với biến dạng dẻo trước khi hàn

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 7

Giai đoạn nhiệt không ổn định (Transient Heating): Lực đi xuống tăng khi vai đến tiếp xúc

với vật liệu mới Hệ số ma sát giảm đến 0,3 Nhiệt bắt đầu hình thành xung quanh vai cho đến khi trạng thái bảo hòa xảy ra

Giai đoạn chuẩn ổn định (Pseudo Steady State): Lực đi xuống và moment xoắn ổn định, 

duy trì ở 0,3, không có thêm nhiệt hình thành xung quanh vai Nhiệt độ gần như duy trì không đổi

Giai đoạn sau ổn định (Post Steady State): Gần cuối đường hàn nhiệt độ có thể phản hồi từ

cuối tấm dẫn đến tăng thêm nhiệt xung quanh vai dụng cụ

Để đạt được quá trình xử lý tốt, vật liệu trước dụng cụ phải được nung nóng trước cùng với quá trình biến dạng dẻo trong khi thực hiện Điều này có thể đạt được bằng cách tăng số vòng quay

n hoặc tăng bán kính vai RS Khi Vh tăng, nhiệt độ trước dụng cụ giảm, điều này xảy ra là do không

đủ thời gian để phân phối nhiệt

Hình 2 2 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình hàn

Mô hình bài toán nhiệt sẽ được trình bày cụ thể trong phần 3.1

2.1.3 Sự truyền nhiệt vào vật hàn

Sự truyền nhiệt chủ yếu xảy ra theo các định luật truyền nhiệt, mặc dù các dòng đối lưu trong kim loại gây ảnh hưởng nhất định đối với sự tải nhiệt ở gần vùng hàn, khối lượng vùng hàn càng lớn thì vai trò của chúng càng lớn

Trên cơ sở các nguyên tắc tác dụng cục bộ và tham gia có thể nhận thấy rằng các đặc điểm truyền nhiệt và khối lượng dòng kim loại phân tán sệt cũng như các sai số tức thời của công suất nguồn so với các giá trị trung bình, có ảnh hưởng hạn chế đối với trường nhiệt độ Sự phân tích

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 8

trường nhiệt độ trong vật hàn khi nguồn nhiệt hàn di động thông thường được thực hiện trong hệ tọa độ không gian di chuyển cùng với nó Sau một thời gian nhất định khi tốc độ hàn và công suất hiệu dụng ổn định, bắt đầu trạng thái ổn định, ở đó trường nhiệt độ di động hầu như không thay đổi

Thời gian bắt đầu trạng thái tĩnh định (thời gian của chu kỳ bảo hòa nhiệt) phụ thuộc vào tốc

độ hàn, khoảng cách giữa các khối lượng) được khảo sát và cường độ dẫn nhiệt của nó.Chu kỳ bảo hòa nhiệt được rút ngắn bởi sự giảm khoảng cách tới nguồn nhiệt, sự tăng tốc độ hàn và độ dẫn nhiệt của vật liệu, sự tăng thể tích vật thể và tốc độ truyền nhiệt vào môi trường xung quanh và sự giảm nhiệt dung của vật liệu

Trong hàn FSW, hầu hết nguồn nhiệt được phân bố trên khắp dụng cụ Dòng nhiệt phân bố trên một đơn vị diện tích của vai được xác định:

3

3 1

1 . 2

Ở đây q1 là một hàm của bán kính vai, cường độ nhiệt tăng khi bán kính r tăng vì Rp  r 

RS Tuy nhiên, để đơn giản xem như sự phân bố nhiệt trên cả bề mặt vai là đồng đều

p

p L R

Q q

. 22

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 9

Kim loại được mềm hóa sẽ di chuyển quay đầu khuấy theo chiều quay của dụng cụ và tụ lại phía sau đầu khuấy khi được vai ép xuống trước khi dụng cụ di chuyển tới dọc theo hướng hàn Vùng gần đầu khuấy chủ yếu là quay, tất cả vật liệu trải qua biến dạng Vùng xoay tạo ta đủ lớn chứa tất cả vật liệu bị biến dạng do đó vận tốc xoay - trồi phải bằng vận tốc di chuyển tới của dụng cụ

Mỗi bước trong dãy kim loại xếp khít nhau trong đường hàn thì tương đương với khoảng cách dịch chuyển của dụng cụ trong mỗi vòng quay khi đi tới

Hình 2 3 Khoảng cách giữa các bước hàn

Cấu trúc mối hàn trong mặt cắt ngang dưới đây thể hiện mối hàn được chia bốnvùng: vùng trung tâm mối hàn được bao bởi vùng ảnh hưởng nhiệt và vùng ảnh hưởng cơ nhiệt Dựa vào hình dáng hình học và cấu trúc mối hàn cho thấy quá trình dòng chảy vật liệu là không đối xứng Thể tích kim loại được quét phụ thuộc vào lượng nhiệt nung nóng để làm mềm vật liệu xung quanh dụng cụ Và qua đó nhận thấy rằng nhiệt độ vùng lùi cao hơn nhiệt độ vùng tiến của mối hàn Phần bề mặt rộng hơn phần đáy là do vai dụng cụ tạo nhiệt nhiều hơn đầu khuấy dụng cụ Trong vùng trung tâm mối hàn có những mẫu xếp liên tục nhau là do cấu hình ren của đầu khuấy

và bị biến mất là do sự trượt giữa bề mặt dụng cụ và phôi, ở nhiệt độ cao hơn khi lượng kim loại

bị trồi ra trong quá trình hàn, vùng trung tâm kéo dài ra về phía vùng tiến là do dòng chảy không liên tục trước khi đông đặc

Hình 2 4 Tổ chức kim loại mối hàn [15] (HAZ: heat affected zone; TMAZ:

thermo-mechanically affected zone)

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 10

Hình 2 5 Sự hình thành các vòng dạng củ hành

Mặc dù việc kết hợp giữa dòng chảy kim loại, quá trình tạo nhiệt, vật liệu chế tạo dụng cụ

và đặc điểm riêng của vai, đầu khuấy của dụng cụ sẽ gây nhiều phức tạp nhưng cần phải khái quát hóa những yếu tố có liên quan đến cơ chế của dòng chảy kim loại Hầu hết những lý thuyết về dòng chảy kim loại trong quá trình hàn ma sát khuấy là được rút ra từ việc nghiên cứu vết của các hạt kim loại (hoặc dây kim loại) đã được đánh dấu ở đường lắp ghép trước khi hàn

Dòng chảy là có trật tự xung quanh đầu khuấy của dụng cụ, chỉ có vài dòng chảy của kim loại bị ép xuống dưới bởi răng của đầu khuấy trong khi đó một số dòng chảy còn lại đi từ trước ra sau theo chiều quay của dụng cụ Ngoài ra những dòng chảy riêng biệt nêu trên còn phụ thuộc vào thông số hàn hoặc phụ thuộc vào vùng tiến và vùng lùi của mối hàn và còn phụ thuộc vào vùng kim loại được khuấy hoặc bị trồi ra xung quanh đầu khuấy của dụng cụ

Dựa vào những thực nghiệm nghiên cứu vết dùng bi và dây đã nêu trên, hai mô hình động học dưới đây mô tả sự ảnh hưởng của các thông số hàn và thông số hình học của dụng cụ hàn đến dòng chảy kim loại khi hàn ma sát khuấy

2.2.1 Mô hình động học thứ nhất

Khi đầu khuấy đi xuống và cắt vật liệu, phần vật liệu bị cắt sẽ xoay theo chiều quay của dụng

cụ Sau đó tạo thành vòng xoáy vật liệu xếp chồng nhau bao quanh đầu khuấy và được tạo bởi bước răng của đầu khuấy Hai dòng chảy này được giới hạn bởi vùng cắt và chuyển động đều xuống dưới vùng hàn Phần vật liệu không bị cuốn vào vòng xoáy sẽ quay quanh dụng cụ theo dòng chảy xuyên thẳng, còn những phần vật liệu bị cuốn theo vòng xoáy sẽ trải qua sự biến dạng

cơ nhiệt rất cao bởi vì chúng có thể quay nhiều vòng quanh đầu khuấy Sự thay đổi hướng ren (hoặc cấu hình đầu khuấy) sẽ dẫn đến sự thay đổi hướng lên hoặc hướng xuống của vật liệu Vật liệu trong cạnh lùi của mối hàn di chuyển từ phía trước đầu khuấy ra phía sau đầu khuấy rồi dừng lại là do tác dụng của dòng chảy xuyên thẳng của vật liệu Phần vật liệu trong cạnh tiến của mối hàn sau một thời gian quay quanh đầu khuấy bị kẹt lại bởi dòng chảy ly tâm của phần vật liệu ở dưới vai dụng cụ Dòng chảy ly tâm của vật liệu là một phần của dòng xoáy vật liệu lưu thông gây ra bởi ren của đầu khuấy Sự lưu thông của dòng xoáy sẽ chuyển vật liệu bị kẹt lại xuống

Sự xen kẻ của hai dòng chảy được thể hiện trong hình 2.7, sự xảy ra của các hiện tượng trượt, dính hoặc cả trượt và dính giữa bề mặt dụng cụ và phôi là nguồn gốc sự xen kẻ trên Dòng chảy xuyên thẳng sẽ chiếm lĩnh vùng lùi của mối hàn (vùng phía trên đầu khuấy) và dòng chảy xoáy nằm ở vùng tiến (dưới đầu khuấy)

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 12

ban đầu làm mềm kim loại, trong vùng này kim loại bị ép vào vai dụng cụ và sau đó bị đẩy xuống vùng trồi Ở vùng trồi, kim loại đã mềm ở phía trước di chuyển quanh đầu khuấy và ra phía sau của đầu khuấy lấp vào khoảng trống do đầu khuấy để lại khi di chuyển tới dọc theo đường hàn Phần kim loại được điền đầy là kết quả của sự đan xen giữa vùng trồi phía trên và phía dưới đầu khuấy Phần phía sau của vai dụng cụ sẽ đi qua vùng trồi, vùng ép và nhờ áp lực đủ lớn giúp cho quá trình đông đặc mối hàn Khi dụng cụ đi qua, kim loại được nguội dần tạo thành liên kết hàn,

và cứ như thế dọc theo chiều dài mối ghép tạo thành đường hàn

Hình 2 8 Các vùng kim loại trong mô hình [15]

Từ mô hình dòng chảy này có thể kết luận rằng:

 Nếu lực ép không đủ lớn thì sẽ bị lỗ hỏng theo chiều dài đường hàn

 Không đủ chiều sâu ngấu, là do chiều dài đầu khuấy không đủ

2.2.3 Đặc điểm của dòng chảy vật liệu

Dòng chảy kim loại phụ thuộc bởi lượng nhiệt vào, điều kiện bề mặt giữa dụng cụ, phôi, cấu hình của dụng cụ hàn và bởi lực tác dụng lên dụng cụ

Một số đặc điểm chủ yếu của dòng chảy:

 Dòng chảy bị phân chia trên cạnh tiến của mối hàn, vật liệu ở phía trước đầu khuấy được quét quanh cạnh lùi ra sau dụng cụ Quá trình này được quyết định bởi ứng suất cắt ở

bề mặt dụng cụ và phôi Cũng chính dòng vật liệu này, đôi khi lại tạo nên sự kết nối giữa những dòng chảy riêng biệt quanh vùng tiến và vùng lùi dẫn đến việc hình thành mối hàn trên vùng tiến

 Vận tốc của điểm ngoài cùng trên bề mặt của dụng cụ (cả vai và đầu khuấy) cao hơn tốc

độ dịch chuyển tới của dụng cụ

 Do điều kiện bề mặt giữa dụng cụ và phôi nên luôn có hai dòng chảy luân phiên nhau trong vùng hàn xung quanh đầu khuấy: dòng chảy hỗn hợp với sự biến dạng phân bố khắp vùng trung tâm, vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn và dòng chảy trượt ở bề mặt khi vận tốc của vật liệu ở bề mặt có thể bằng tốc độ của dụng cụ thì hiện tượng dính xảy

ra nhưng với hiện tượng trượt thì tốc độ của vật liệu thấp hơn tốc độ của dụng cụ

 Quá trình tạo nhiệt và tính dẫn nhiệt sẽ ảnh hưởng đến lượng vật liệu được làm mềm sự chênh lệch nhiệt độ dẫn đến sự xuất hiện vùng biến dạng gần bề mặt mối hàn

kỳ tuần hoàn tự nhiên và là kết quả của sự hội tụ của từng dòng vật liệu riêng biệt

Dòng vật liệu xuyên qua mỗi vùng và hội tụ một lần nữa ở bề mặt từng vùng, sự rối loạn của dòng kim loại cùng với sự hình thành các khuyết tật mối hàn là sự biểu hiện của sự dao động về

độ lớn, hướng của các lực và moment xoắn của dụng cụ

Hình 2 9 Sự bố trí lực trong hệ trục tọa độ

Độ lớn của lực ép và độ lớn của vai dụng cụ có ảnh hưởng rất lớn đến số lượng dòng kim loại xuyên qua mỗi vùng và sự hình thành khuyết tật của mối hàn

Hình 2 10 Ảnh hưởng của lực ép đến chất lượng mối hàn [15]

Như vậy điều khiển lực và moment xoắn của dụng cụ là cần thiết để duy trì mức nhiệt độ thích hợp và dòng chảy kim loại thích hợp để hạn chế sự hình thành khuyết tật