Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cơ tính và tổ chức mối hàn ma sát khuấy cho các kết cấu phẳng bằng hợp kim nhôm biến dạng

HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA MAI ĐĂNG TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CƠ TÍNH VÀ TỔ CHỨC MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY CHO CÁC KẾT CẤU PHẲNG BẰNG HỢP KIM NHÔM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MA SÁT KHUẤY CHO CÁC KẾT CẤU PHẲNG

BẰNG HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH, 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MAI ĐĂNG TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CƠ TÍNH VÀ TỔ CHỨC MỐI HÀN

MA SÁT KHUẤY CHO CÁC KẾT CẤU PHẲNG

BẰNG HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH VẬT LIỆU

MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 62520405

Phản biện độc lập 1: PGS TS LÊ CHÍ CƯƠNG

Phản biện độc lập 2: PGS TS BÙI VĂN HẠNH

Phản biện 1: PGS TS ĐÀO MINH NGỪNG

Phản biện 2: PGS TS NGUYỄN HỮU LỘC

Phản biện 3: TS NGUYỄN ĐẠI ĐOÀN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất

kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Mai Đăng Tuấn

TÓM TẮT LUẬN ÁN Hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) là một bước tiến quan trọng nhất về

lĩnh vực hàn trong những thập niên qua, và là một “công nghệ xanh” do hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường, 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, Ngoài ra ma sát khuấy không cần sử dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, mối hàn chịu lực cao, tăng giới hạn bền mỏi, ít biến dạng, ít khuyết tật và không nứt kết tinh

Hàn ma sát khuấy là phương pháp hàn không nóng chảy có thể hàn được các loại hợp kim nhôm mà các phương pháp hàn truyền thống không hàn được

Từ những ưu điểm vượt trội vừa nêu, việc nghiên cứu ứng dụng của phương pháp hàn

ma sát khuấy có ý nghĩa rất thiết thực trong việc cải thiện chất lượng mối hàn và tăng thêm tính đa dạng về mặt công nghệ hàn trong giai đoạn hiện nay

Nội dung luận án gồm 5 chương và phần kết luận chung, cụ thể như sau:

Chương 1: Giới thiệu công nghệ hàn ma sát khuấy, các thông số hàn cơ bản, các dạng

khuyết tật của công nghệ này Những công trình nghiên cứu đã được công bố trong nước

và trên thế giới Trên cơ sở đó, luận án tập trung nghiên cứu về tối ưu thông số công nghệ, ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn

Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết về sự hình thành nhiệt do ma sát và biến dạng dẻo

vật liệu kim loại của quá trình hàn

Chương 3: Phân tích và xác lập mô hình truyền nhiệt của quá trình hàn

Chương 4: Sử dụng mô hình đã có vào mô phỏng số, đưa ra miền thông số của quá

trình hàn

Chương 5: Thực nghiệm theo kết quả mô phỏng, kiểm tra, phân tích để xác định miền

thông số tối ưu của công nghệ hàn

Kết luận: Nêu những kết quả đạt được và định hướng nghiên cứu phương pháp hàn ma

sát khuấy trong tương lai

ABSTRACT

Friction Stir Welding (FSW) is an important invention in the welding field over the past decades, and is an "eco-friendly technology" because of its energy efficiency and environmental protection, low energy consumption, no gas shielding, peak temperatures below the melting point, no toxic gas when welding, no arc formation and radiation, etc

In addition, the FSW method does not require the filler wire but provides the excellent mechanical properties in fatigue, tensile and bend tests

FSW is a solid-state welding process which can afford a high quality of welds even for aluminum alloys that are unmanageable with conventional welding

From these outstanding advantages, the research and application of FSW method have practical significance in improving weld quality and increasing the diversity of welding technology in the current period

The thesis consists of 5 chapters and the conclusion section, specifically as follows:

Chapter 1: Introduction to FSW method, the basic parameters, the defects types of this

technology The literature review with these studies published domestically and internationally Based on these researches, the thesis focuses on optimizing process parameters, the impact of technological parameters on weld quality

Chapter 2: Presentation of theoretical basis of heat formation due to friction and plastic

deformation of material during welding process

Chapter 3: Analysis and construction of heat transfer model of the welding process

Chapter 4: Using the existing model in numerical simulation to export the parameter

area of the welding process

Chapter 5: Conducting experiments from the results of simulation, testing and

analyzing to determine the optimal parameter area of welding technology

Conclusion: Presenting the achieved results and research orientation of FSW method

in the future

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Thiết bị và Công nghệ Vật

liệu Cơ khí, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp tôi thưc hiện luận án này

Đồng thời xin chân thành cảm ơn TS Lưu Phương Minh, PGS TS Hoàng Trọng Bá

đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng luận án

đã dành thời gian đọc và góp những ý kiến quý báu để tôi hoàn thiện bản luận án của mình, cũng như giúp tôi định hướng nghiên cứu

Ban Giám Hiệu và quý Thầy trong Khoa Cơ khí Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi hoàn thành thực nghiệm cũng như đóng góp nhiều ý kiến rất thiết thực

Các Thầy cô phòng Thư viện - Trường Đại Học Bách khoa TP HCM

Giám đốc Công ty cung cấp thiết bị hàn Hân Anh.Co,ltd đã cung cấp tài liệu và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng, có giá trị

Tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn đến toàn thể gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người đã giúp đỡ, động viên tôi thực hiện công trình này

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN iv

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xv

MỞ ĐẦU xvii

1 Lý do chọn đề tài: xvii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

Giới thiệu quá hình hàn ma sát khuấy: 1

1.1.1 Nguyên lý hàn ma sát khuấy: 1

1.1.2 Các thông số cơ bản của quá trình 4

Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn: 7

Quá trình sinh nhiệt trong FSW: 8

Mô hình truyền nhiệt và dòng vật liệu 11

Tổ chức tế vi mối hàn 14

Khuyết tật hàn 15

Kết luận: 17

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19

2.1 Quá trình sinh nhiệt khi hàn: 19

2.1.1 Đặc điểm chung: 19

2.1.2 Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hàn: 20

2.1.3 Lực tác dụng trong quá trình hàn: 21

2.1.4 Nhiệt sinh ra khi hàn: 24

2.1.5 Sự truyền nhiệt vào vật hàn: 27

2.2 Dòng chảy vật liệu: 28

2.3 Sự thay đổi tổ chức của hợp kim nhôm sau khi hàn: 30

2.3.1 Sự luyện kim của hợp kim nhôm: 30

2.4 Kết luận: 33

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH NHIỆT 34

3.1 Mô hình truyền nhiệt 34

3.2 Mô hình dòng vật liệu 36

3.3 Quá trình sinh nhiệt 42

3.3.1 Mô hình phân tích ước lượng nhiệt sinh ra 42

3.3.2 Xác định lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hàn ma sát khuấy 43

3.3.3 Nguồn nhiệt đứng yên (không xét ảnh hưởng của vận tốc hàn) 44

3.3.4 Nguồn nhiệt chuyển động 48

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 50

4.1 Phương trình phần tử hữu hạn 50

4.1.1 Mô hình truyền nhiệt 50

4.1.2 Mô hình dòng vật liệu 52

4.1.3 Mô hình tương tác cơ – nhiệt 57

4.2 Mô phỏng quá trình hàn 59

4.2.1 Sơ lược về các phần mềm phần tử hữu hạn 59

4.2.2 Mô phỏng quá trình hàn ma sát khuấy trên phần mềm Hyper Works 61

4.3 Thực nghiệm kiểm chứng mô hình nhiệt và mô hình cơ nhiệt 64

4.3.1 Quy hoạch thực nghiệm 64

4.3.2 Máy và các thông số hàn ma sát khuấy 65

4.4 Kết quả mô phỏng 70

4.5 Kết quả đo nhiệt độ bề mặt bằng máy đo hồng ngoại 77

4.6 Kết luận 79

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM 82

5.1 Máy và các thông số hàn: 83

5.2 Phương pháp hàn và chế độ hàn: 83

5.3 Giới hạn các thông số nghiên cứu thực nghiệm: 84

5.4 Phôi và dụng cụ hàn: 84

5.5 Quy hoạch thực nghiệm 85

5.6 Hàm mục tiêu của hệ thống: 85

5.7 Phương pháp phân tích kết quả 85

5.7.1 Đối với mối hàn 3 mm 88

5.8 Thực nghiệm xác định miền thông số thực 108

5.9 Kết quả 108

5.9.1 Ảnh hưởng của thông số hàn đến cơ tính mối hàn 108

5.9.2 Tổ chức kim loại mối hàn: 112

5.9.3 Sự hình thành khuyết tật: 131

5.10 Nhận dạng và khắc phục các khuyết tật thường gặp 137

5.11 Miền thông số thực nghiệm 142

5.12 Kết luận 143

KẾT LUẬN 144

Những đóng góp mới của luận án 144

Hướng phát triển 145

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 146

TÀI LIỆU THAM KHẢO 148

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Dụng cụ đi xuống và bắt đầu hàn 1

Hình 1.2 Các giai đoạn của quá trình hàn 2

Hình 1.3 Dụng cụ đi dọc hướng hàn tạo thành mối hàn 2

Hình 1.4 Các loại mối hàn ma sát khuấy 3

Hình 1.5 Các thành phần cơ bản của dụng cụ hàn ma sát khuấy 3

Hình 1.6 Các vùng tổ chức tế vi trong mối hàn ma sát khuấy 14

Hình 1.7 Các khuyết tật thông thường 15

Hình 1.8 Khuyết tật vết đường hàn 16

Hình 1.9 Các loại khuyết tật bề mặt thông dụng 16

Hình 2.1 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến quá trình sinh nhiệt 20

Hình 2.2 Sơ đồ lực hàn 21

Hình 2.3 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình hàn 23

Hình 2.4 Đường kính vai được chia ra nhiều phân đoạn 25

Hình 2.5 Khoảng cách giữa các bước hàn 28

Hình 2.6 Tổ chức kim loại mối hàn 29

Hình 2.7 Sự hình thành các vòng dạng xoắn ốc 29

Hình 3.1 Miền tính toán và các biên tương tác 34

Hình 3.2 Điều kiện biên vận tốc trong hàn ma sát khuấy 38

Hình 3.3 a) Sơ đồ thể hiện mối liên hệ giữa nhiệt sinh ra và các thông số, b) Sơ đồ giải thuật cho quá trình tính toán sinh nhiệt 43

Hình 3.4 Các thông số hình học dụng cụ điển hình 46

Hình 3.5 Phân bố thông lượng nhiệt trên dụng cụ 48

Hình 4.1 Lựa chọn đơn vị cho quá trình tính toán 61

Hình 4.2 Dụng cụ và phôi hàn 62

Hình 4.3 Chia lưới cho mô hình 62

Hình 4.4 Gán vật liệu cho dụng cụ và phôi hàn 63

Hình 4.5 Cài đặt điều kiện biên cho quá trình 63

Hình 4.6 Giải mô hình trên HyperXtrude Solver 63

Hình 4.7 Máy phay CNC 65

Hình 4.8 Máy đo nhiệt độ EXTECH VIR50 66

Hình 4.9 Khuyết tật bavia do lực ép quá lớn, tốc độ quay cao gây quá nhiệt 66

Hình 4.10 Vết nứt bề mặt do quá nhiệt và thiếu độ sâu xâm nhập của vai 67

Hình 4.11 Sần sùi bề mặt do thiếu độ thâm nhập của vai và vết đường hàn do thiếu nhiệt và thiếu lực ép 67

Hình 4.12 Kích thước mẫu hàn dùng trong thí nghiệm 69

Hình 4.13 Bản vẽ điển hình và các dụng cụ hàn đã dùng 69

Hình 4.14 Bố trí máy đo nhiệt dọc theo đường hàn 70

Hình 4.15 Sơ đồ bố trí cặp nhiệt điện đo nhiệt độ bên trong phôi 70

Hình 4.16 Bố trí cặp nhiệt điện tại 3 vị trí ( đầu, giữa, cuối) dọc theo đường hàn 71

Hình 4.17 Bố trí cặp nhiệt điện tại 3 vị trí vuông góc với đường hàn 71

Hình 4.18 Trường nhiệt độ với mối hàn 700 v/ph, 50 mm/ph 71

Hình 4.19 Trường nhiệt độ với mối hàn 700 v/ph, 100 mm/ph 72

Hình 4.20 Trường nhiệt độ với mối hàn 700 v/ph, 150 mm/ph 72

Hình 4.21 Trường nhiệt độ với mối hàn 900 v/ph, 50 mm/ph 73

Hình 4.22 Trường nhiệt độ với mối hàn 900 v/ph, 100 mm/ph 73

Hình 4.23 Trường nhiệt độ với mối hàn 900 v/ph, 150 mm/ph 74

Hình 4.24 Trường nhiệt độ với mối hàn 1100 v/ph, 50 mm/ph 74

Hình 4.25 Trường nhiệt độ với mối hàn 1100 v/ph, 100 mm/ph 75

Hình 4.26 Trường nhiệt độ với mối hàn 1100 v/ph, 150 mm/ph 75

Hình 4.27 Mối liên hệ giữa n, v và nhiệt hàn 77

Hình 4.28 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đo bề mặt 78

Hình 4.29 Kết quả đo nhiệt độ tại 3 điểm song song với đường hàn theo thời gian 78

Hình 4.30 Kết quả đo nhiệt độ theo khoảng cách so với tâm hàn 78

Hình 4.31 Miền thông số mô phỏng nhôm tấm 6061 dày 4 mm 80

Hình 5.1 Các bước quá trình thực nghiệm 82

Hình 5.2 Gá kẹp phôi khi hàn 83

Hình 5.3 Một số mối hàn (3 mm, 4 mm, 5 mm) đã hàn 84

Hình 5.4 Bài toán hộp đen cho quá trình hàn FSW 86

Hình 5.5 Kiểm tra phương trình hồi qui trong Minitab 99

Hình 5.6 Mức ảnh hưởng của các thông số hàn 106

Hình 5.7 Tối ưu các thông số hàn 106

Hình 5.8 Mức ảnh hưởng của các thông số hàn 4 mm 107

Hình 5.9 Tối ưu các thông số hàn 4 mm 107

Hình 5.10 Mức ảnh hưởng của các thông số hàn 5 mm 108

Hình 5.11 Tối ưu các thông số hàn 5 mm 108

Hình 5.12 Kích thước mẫu thử kéo 109

Hình 5.13 Một số mẫu thử kéo 109

Hình 5.14 Mối liên hệ giữa hệ số WP đến độ bền kéo mối hàn nhôm 3 mm 110

Hình 5.15 Mối liên hệ giữa hệ số WP đến độ bền kéo mối hàn nhôm 4 mm 110

Hình 5.16 Mối liên hệ giữa hệ số WP đến độ bền kéo mối hàn nhôm 5 mm 110

Hình 5.17 Mối liên hệ giữa hệ số WP đến độ bền kéo, nhiệt độ mối hàn nhôm 4 mm 111

Hình 5.18 Mối liên hệ giữa lực kéo và biến dạng của kim loại cơ bản và mối hàn 111

Hình 5.19 Mối liên hệ giữa hệ số WP đến độ cứng mối hàn 111

Hình 5.20 Mặt cắt mối hàn ở các điều kiện hàn khác nhau 113

Hình 5.21 Các vị trí soi kim tương 113

Hình 5.22 Tổ chức tế vi ở các vị trí của mối hàn, chế độ hàn hợp lý, 3 mm 114

Hình 5.23 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn nhiệt cao, 3 mm 115

Hình 5.24 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn nhiệt thấp, 3 mm 116

Hình 5.25 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn hợp lý, 4 mm 117

Hình 5.26 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn nhiệt cao, 4 mm 118

Hình 5.27 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn nhiệt thấp, 4 mm 119

Hình 5.28 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn hợp lý, 5 mm 120

Hình 5.29 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn nhiệt cao, 5 mm 121

Hình 5.30 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn nhiệt thấp, 5 mm 122

Hình 5.31 Tổ chức tế vi tại các vị trí tâm hàn, mối hàn 3 mm 123

Hình 5.32 Tổ chức tế vi tại các vị trí tâm hàn, mối hàn 4 mm 124

Hình 5.33 Tổ chức tế vi tại các vị trí tâm hàn, mối hàn 5 mm 125

Hình 5.34 Tổ chức tế vi ở các vùng của mối hàn, mối hàn 3 mm 126

Hình 5.35 Tổ chức tế vi ở các vùng của mối hàn, mối hàn 4 mm 127

Hình 5.36 Tổ chức tế vi ở các vùng của mối hàn, mối hàn 5 mm 128

Hình 5.37 Hiện tượng thiếu nhiệt khi hàn 131

Hình 5.38 Ảnh chụp X-Ray mối hàn với n=700 v/ph và Vh=150 mm/ph 131

Hình 5.39 Ảnh chụp mối hàn bị khuyết tật do thiếu nhiệt 133

Hình 5.40 Mối hàn hình thành trong điều kiện thiếu nhiệt 134

Hình 5.41 Hiện tượng kim loại trồi khỏi vai hình thành ba-via 134

Hình 5.42 Ảnh tế vi mối hàn bị dư nhiệt 136

Hình 5.43 Ảnh tế vi mối hàn thiếu độ xâm nhập của đầu khuấy 137

Hình 5.44 Khuyết tật bavia và co rút tâm hàn 138

Hình 5.45 Miền thông số thực so với miền thông số mô phỏng tấm 4 mm 142

Hình 5.46 Miền thông số thực hợp kim nhôm 6061 143

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các loại khuyết tật, nguyên nhân sinh ra khuyết tật trong hàn ma sát khuấy 17

Bảng 4.1 Khả năng mô phỏng của một số phần mềm cho hàn ma sát khuấy 60

Bảng 4.2 Các thông số và mức thực nghiệm 67

Bảng 4.3 Các thông số và các giá trị thực nghiệm 68

Bảng 4.4 Thành phần vật liệu hợp kim nhôm 6061 68

Bảng 4.5 Tính chất vật liệu hợp kim nhôm 6061 68

Bảng 4.6 Thành phần hóa học thép dụng cụ (H13) 69

Bảng 4.7 Số liệu mô phỏng 76

Bảng 4.8 Kết quả đo nhiệt bằng máy đo hồng ngoại 77

Bảng 5.1 Các thông số và mức thực nghiệm 83

Bảng 5.2 Các thông số và các giá trị thực nghiệm 86

Bảng 5.3 Bảng thông số hàn và kết quả kiểm tra các mối hàn nhôm dày 3 mm 87

Bảng 5.4 Bảng thông số hàn và kết quả kiểm tra các mối hàn nhôm dày 4 mm 88

Bảng 5.5 Bảng thông số hàn và kết quả kiểm tra các mối hàn nhôm dày 5 mm 89

Bảng 5.6 Mã hoá thông số hàn 89

Bảng 5.7 Ma trận qui hoạch thực nghiệm X 90

Bảng 5.8 Kiểm tra tính thích hợp 94

Bảng 5.9 Mã hoá thông số hàn 95

Bảng 5.10 Ma trận qui hoạch thực nghiệm X 96

Bảng 5.11 Kiểm tra tính thích hợp 99

Bảng 5.12 Mã hoá thông số hàn 101

Bảng 5.13 Ma trận qui hoạch thực nghiệm X 102

Bảng 5.14 Kiểm tra tính thích hợp 105

Bảng 5.15 Thông số hàn xác định miền thông số thực 109

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

FSW Friction Stir Welding Hàn ma sát khuấy

FSP Friction Stir Processing Quá trình ma sát khuấy

TWI The Welding Institude Viện hàn châu Âu

HAZ Heat Affected Zone Vùng ảnh hưởng nhiệt

TMAZ Thermo Mechanically Affected Zone Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt

SAZ Shoulder Affected Zone Vùng ảnh hưởng vai dụng cụ hàn

UST Ultimate Tensile Strength Giới hạn độ bền kéo

SD Shoulder Diameter Đường kính vai dụng cụ hàn

TRS Tool Rotary Speed Tốc độ quay dụng cụ hàn

FEM Finite-Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FVM Finite-Volume Method Phương pháp thể tích hữu hạn FDM Finite-Difference Method Phương pháp sai phân hữu hạn CFD Computational Fluid Dynamics Tính toán động học lưu chất

ALE Arbitrary Lagrangian-Eulerian Tùy biến Lagrangian Eulerian FEA Finite-Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn

NSRM Node Substitution and Replacement

TEM Transmission Electron Microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét

DOE Design Of Experiments Quy hoạch thực nghiệm

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Công nghệ hàn ma sát khuấy được phát triển để chế tạo các chi tiết và các kết cấu dạng tấm, mối hàn hình thành được liên kết ở trạng thái rắn (không nóng chảy), công nghệ hàn ma sát khuấy được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành như đóng tàu, ô tô, hàng không vũ trụ,… loại hình công nghệ này có ứng dụng thực tế cao

Đây là phương pháp hàn tiên tiến cho năng suất cao, tiết kiệm vật liệu, có thể tự động hóa dễ dàng Khi 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, Ngoài ra hàn

ma sát khuấy không cần sử dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, ít biến dạng và không nứt kết 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 và gần như không bị biến dạng, cho mối hàn chịu lực cao, tăng giới hạn bền mỏi

Để đảm bảo yêu cầu của mối hàn ma sát khuấy về cơ tính, tổ chức và mối hàn không bị khuyết tật cơ học hình thành trong quá trình hàn thì cần phải có các thông số chế độ hàn cho phù hợp Trên cơ sở đó, việc nghiên cứu nhằm tối ưu các thông số chế độ hàn, nghiên cứu nguyên nhân hình thành dạng khuyết tật có ý nghĩa rất thiết thực nhằm nâng cao chất lượng, loại bỏ các sai hỏng mối hàn sẽ mở ra khả năng ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy vào thực tế sản xuất công nghiệp tại Việt Nam

Trong quá trình hàn dụng cụ hàn phải đáp ứng ba chức năng cần thiết, đó là tạo nhiệt cho vật liệu phôi, di chuyển và ép vật liệu để tạo mối hàn, ngăn chặn vật liệu phía dưới vai không bị trồi ra Nhiệt được tạo ra trong phôi là do sự ma sát của cả đầu khuấy và vai dụng cụ hàn với phôi cùng với sự biến dạng dẻo mãnh liệt của vật liệu trong vùng khuấy Phần vật liệu được nhiệt làm mềm cục bộ xung quanh đầu khuấy chuyển động theo chiều quay của đầu khuấy làm cho vật liệu di chuyển từ phía trước ra phía sau đầu khuấy và điền đầy vào khoảng trống của dụng cụ hàn khi nó đi tới phía trước Vai dụng

cụ hàn khống chế kim loại không bị trồi ra khỏi mối hàn nhằm giữ cho chiều cao mối hàn tương đương với bề mặt phôi ban đầu Nghiên cứu quá trình hàn là nghiên cứu các biến số: ma sát, biến dạng, tốc độ biến dạng, sự thay đổi ứng suất, các thông số hình học của dụng cụ hàn tác động đồng thời đến quá trình sinh nhiệt theo thời gian Để giải quyết bài toán đòi hỏi sự kết hợp giữa các phương pháp: Mô hình hóa- Mô phỏng- Thực nghiệm

Mô hình hóa cho phép nghiên cứu các bài toán vật lý bằng một phương trình toán học tổng quát các biến số tác động vào quá trình Khi giá trị của các biến số thay đổi, mô hình cũng sẽ mô tả đầy đủ ứng xử của vật liệu đến quá trình sinh nhiệt Nhờ vậy việc phân tích quá trình sẽ đơn giản hơn rất nhiều Sử dụng phần mềm mô phỏng số sẽ tiết kiệm thời gian và giảm chi phí nguyên vật liệu, Thực nghiệm để kiểm chứng mô hình hóa thông qua kết quả mô phỏng Như vậy, việc kết hợp các phương pháp nghiên cứu trên sẽ đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy mang lại hiệu quả kinh tế cao Luận án

“Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cơ tính và tổ chức mối hàn

ma sát khuấy cho các kết cấu dạng tấm bằng hợp kim nhôm biến dạng” có tính cấp

thiết và thiết thực cho việc ứng dụng các phương pháp sản xuất tiên tiến, cho năng suất cao, thân thiện môi trường vào sản xuất công nghiệp tại nước ta

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của từng thông số công nghệ (tốc độ quay dụng cụ hàn n, vận tốc hàn Vh, chiều sâu xâm nhập của vai vào vật hàn h) đến quá trình hàn, tối ưu hóa các thông số nhằm nâng cao chất lượng mối hàn, loại bỏ các khuyết tật mối hàn, tăng năng suất và khả năng ứng dụng của công nghệ hàn ma sát khuấy

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Xác định miền thông số để loại bỏ sai hỏng cho các chi tiết dạng tấm bằng hợp kim nhôm AA6061 T6 có chiều dày là 3 mm, 4 mm và 5 mm

Nhôm 6061 là hợp kim nhôm có thành phần chủ yếu là magie và silic có tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn cao, dễ hàn và định hình trong điều kiện ủ và điều kiện

độ cứng T4 Đặc tính của T6 có thể thu được bằng cách hóa già nhân tạo

Hợp kim này được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không, cơ khí, tự động hoá, bán dẫn, gia công thực phẩm, khuôn gia công chế tạo, có độ bền cao, chống ăn mòn tốt và

có tính hàn tốt được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất

4 Phương pháp nghiên cứu

• Tổng quan tài liệu: kế thừa và vận dụng kiến thức

• Phân tích các dữ liệu, xây dựng mô hình toán

• Sử dụng phần mềm HyperWords để mô phỏng

• Xây dựng mô hình thực nghiệm và tiến hành thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết công nghệ hàn ma sát khuấy, lý thuyết mô hình hóa quá trình sinh nhiệt, ứng xử cơ- nhiệt của vật liệu, lý thuyết biến dạng dẻo Từ đó kết hợp các phương pháp nghiên cứu: Lý thuyết - Mô phỏng - Thực nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, đã xác định miền thông số công nghệ, từ đó các nhà sản xuất có thể lựa chọn, ứng dụng sao cho phù hợp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm

và hiệu quả kinh tế Ngoài ra, luận án còn là tài liệu tham khảo trong lĩnh vực hàn, tạo hình vật liệu

6 Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án

Luận án đã phân tích các mô hình vật liệu, mô hình đàn hồi dẻo vật liệu, mô hình hóa

và mô phỏng quá trình, so sánh với kết quả thực nghiệm cho thấy sự phù hợp và tương thích cao

Mô phỏng số quá trình hàn đã được thưc hiện, kết quả mô phỏng xác định được các thông số quá trình công nghệ Dựa vào miền thông số vừa xác lập, tiến hành thực nghiệm hàn trên nhôm tấm 6061 dày 3, 4, 5 mm, các mối hàn này được kiểm tra bằng phương pháp kiểm tra không phá hủy (chụp X-Ray), phương pháp kiểm tra phá hủy (soi tổ chức

tế vi) và kiểm tra cơ tính (độ bền kéo) để kiểm tra chất lượng mối hàn Từ đó tìm miền thông số công nghệ thích hợp của công nghệ hàn

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc lựa chọn mô hình cơ nhiệt được xây dựng trên cơ sở giải quyết bài toán truyền nhiệt trong phôi hàn sau đó sử dụng kết quả trường nhiệt độ

để tính toán ứng suất và biến dạng theo mô hình vật liệu rắn dẻo nhớt Zener- Holoman, việc lựa chọn phần mềm mô phỏng và mô hình thực nghiệm đã thực hiện là hoàn toàn chính xác, mang lại hiệu quả cao

Nội dung của luận án

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình sinh nhiệt, truyền nhiệt khi hàn, xác định rõ các thông số cơ bản trong quá trình hàn, mối liên hệ của sự sinh nhiệt của đầu khuấy và vai dụng cụ hàn, phân tích các mô hình của dòng chảy vật liệu ảnh hưởng đến chất lượng của mối hàn, một số đặc điểm của chúng cũng như các yếu tố ảnh hướng đến sự hình thành mối hàn

- Phân tích, lựa chọn, xác lập mô hình nhiệt của quá trình hàn

- Mô phỏng số quá trình hàn, tiến hành thực nghiệm kiểm chứng mô hình

- Áp dụng mô hình nhiệt và mô hình số xác định miền thông số hàn, thực nghiệm và tối

ưu các thông số hàn, xây dựng miền thông số thích hợp của quá trình hàn

Luận án gồm 5 chương và phần kết luận chung:

Chương 1: Giới thiệu công nghệ hàn ma sát khuấy, các thông số cơ bản, các dạng

khuyết tật của công nghệ hàn này Những công trình nghiên cứu đã được công bố trong nước và trên thế giới Trên cơ sở đó, luận án tập trung nghiên cứu về tối ưu thông số công nghệ và ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng của mối hàn

Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết về sự hình thành nhiệt do ma sát và biến dạng dẻo

vật liệu kim loại của quá trình hàn ma sát khuấy

Chương 3: Phân tích và xác lập mô hình truyền nhiệt của quá trinh hàn ma sát khuấy

Chương 4: Sử dụng mô hình đã có vào mô phỏng số, đưa ra miền thông số của quá

trình hàn

Chương 5: Thực nghiệm theo kết quả mô phỏng, kiểm tra, phân tích để xác định miền

thông số tối ưu của công nghệ hàn

Kết luận: Nêu những kết quả đạt được và định hướng nghiên cứu trong tương lai

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Giới thiệu quá hình hàn ma sát khuấy:

Hàn ma sát khuấy là phương pháp hàn không nóng chảy tạo ra những liên kết hàn ưu việt nhất, có thể hàn được các loại hợp kim nhôm mà các phương pháp hàn truyền thống không hàn được

Công nghệ hàn này cho mối hàn chịu lực cao, tăng giới hạn bền mỏi, giảm biến dạng, không bị khuyết tật

1.1.1 Nguyên lý hàn ma sát khuấy:

Nguyên lý cơ bản của phương pháp hàn ma sát khuấy 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 hàn 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 Dụng cụ hàn vừa xoay vừa tịnh tiến xuống tiếp xúc với bề mặt vật hàn nhằm tạo nguồn nhiệt cần thiết ban đầu, kế tiếp là đi xuyên vào vật hàn (chiều sâu bằng với chiều sâu ngấu) tạo những thay đổi về tổ chức vật liệu; làm cho quá trình biến dạng dẻo mãnh liệt

ở vùng khuấy, sau đó di chuyển dọc theo hướng hàn tạo thành mối hàn (để lại phía sau dụng cụ hàn phần kim lọai vừa kết tinh lại, đẳng hướng, cấu trúc dạng hạt mịn)

Hình 1.1 Dụng cụ đi xuống và bắt đầu hàn [1]

A Đầu khuấy đi vào vật hàn, B Di chuyển dọc đường hàn

Có hai khái niệm cần có sự hiểu biết, đó là cạnh tiến và cạnh lùi của mối hàn Để xác định đúng cần phải biết chiều quay của dụng cụ và hướng hàn Trong hình 1.1 dụng cụ hàn quay ngược chiều kim đồng hồ và hướng hàn đi vào trong trang giấy Cũng trong hình 1.1 thì cạnh tiến nằm bên phải, ở đó hướng xoay của dụng cụ cùng hướng với hướng hàn (ngược với chiều của dòng chảy vật liệu) và cạnh lùi nằm bên trái mối hàn,

ở đó hướng xoay của dụng cụ ngược hướng với hướng hàn (song song với chiều của dòng chảy vật liệu)

Dụng cụ hàn ma sát khuấy gồm 2 phần là vai và đầu khuấy (Hình 1.5), đầu khuấy sẽ thâm nhập vào phôi và vai sẽ ép lên bề mặt phôi Tiếp xúc giữa vai và vật liệu sẽ sinh nhiệt do ma sát, trong khi đầu khuấy sẽ khuấy vật liệu và tạo ra mối hàn Các hình dạng điển hình của đầu khuấy gồm dạng tam giác, trụ, vuông, côn,… ngoài ra đầu khuấy còn được tạo ren để ngăn ngừa sự hình thành khuyết tật hàn và tạo điều kiện thuận lợi cho dòng vật liệu di chuyển tốt hơn

Hình 1.2 Các giai đoạn của quá trình hàn

Hình 1.3 Dụng cụ đi dọc hướng hàn tạo thành mối hàn

Dụng cụ hàn ma sát khuấy được làm bằng vật liệu có độ cứng cao như Molipden (Mo), Vonfram (W), Carbide Vonfram (WC) Những loại vật liệu này chống được sự mài mòn

và biến dạng khi chịu lực lớn và tốc độ quay cao Thép là vật liệu được ưu tiên làm dụng

cụ để hàn nhôm có thể tạo ra được mối hàn có chất lượng và độ bền tốt với tốc độ mòn dụng cụ thấp tại các thông số phù hợp [1]

Dụng cụ hàn phải đáp ứng ba chức năng cần thiết, đó là tạo nhiệt cho vật liệu phôi, di chuyển và ép vật liệu để tạo mối hàn, ngăn chặn vật liệu phía dưới vai không bị trồi ra Nhiệt được tạo ra trong phôi là do sự ma sát của cả đầu khuấy và vai dụng cụ với phôi cùng với sự biến dạng dẻo mãnh liệt của vật liệu trong vùng khuấy Phần vật liệu được nhiệt làm mềm cục bộ xung quanh đầu khuấy chuyển động theo chiều quay của đầu khuấy làm cho vật liệu di chuyển từ phía trước ra phía sau đầu khuấy và điền đầy vào khoảng trống của dụng cụ khi nó đi tới phía trước Vai dụng cụ hàn khống chế kim loại

Hình 1.4 Các loại mối hàn ma sát khuấy

(a) Hàn giáp mí, (b) Hàn chồng, (c) Hàn chữ T, (d) Hàn góc

Hình 1.5 Các thành phần cơ bản của dụng cụ hàn ma sát khuấy

không bị trồi ra khỏi mối hàn nhằm giữ cho chiều cao mối hàn tương đương với bề mặt phôi ban đầu

1.1.2 Các thông số cơ bản của quá trình

Đại lượng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng cơ tính mối hàn là nhiệt lượng đầu vào Đại lượng này được điều khiển bởi các thông số chính như sau: lực ép dọc trục P, tốc

độ quay dụng cụ hàn n, vận tốc hàn Vh, chiều dày vật hàn, vật liệu hàn, thông số hình học, góc nghiêng của dụng cụ hàn…Trong đó, ba thông số P, n, Vh có mối liên hệ rất chặt chẽ với nhau và được xem là chế độ hàn trong phương pháp hàn FSW

Kim [2] đã đưa ra mối quan hệ giữa các yếu tố trên thông qua phương trình sau:

Trong đó:

Q: Nhiệt lượng trên một đơn vị độ dài (J/mm)

α: Hiệu suất nhiệt đầu vào

Khi hàn ma sát mới được phát triển, ba thông số quan trọng nhất, được quan tâm nhiều nhất là chiều sâu xâm nhập của dụng cụ hàn, vận tốc hàn, tốc độ quay trục chính Các thông số này được điều khiển một cách độc lập nhau trong quá trình hàn Trong ba yếu

tố thì rõ ràng chiều sâu xâm nhập của dụng cụ vào vật hàn có ảnh hưởng lớn đến lực dọc

trục Dụng cụ hàn xuống càng sâu thì lực dọc trục càng tăng và ngược lại

Trong quá trình hàn, phôi hàn được nung nóng đến mức vật liệu mềm đi đến trạng thái chảy dẻo, qua đó sẽ làm giảm lực dọc trục cần thiết của dụng cụ hàn Tuy vậy, ngay cả khi thử nghiệm với những kim loại điển hình cho phương pháp hàn ma sát khuấy như nhôm thì lực dọc trục cần thiết vẫn rất lớn Để dụng cụ hàn đi xuống vài milimet thì lực dọc trục sinh ra có thể lên đến vài ngàn N Chẳng hạn theo nghiên cứu của Zhao và cộng

sự [3] thử nghiệm với 2 mối hàn có độ dày là 4,2 mm và 5,2 mm Kết quả cho thấy, lực dọc trục dao động từ 3000N đến 5000N, tốc độ quay trục chính dao động trong khoảng

1300 v/ph đến 1900 v/ph, và vận tốc hàn tăng từ 2 mm/s đến 3,2 mm/s Qua kết quả của nghiên cứu trên ta có thể tìm được một phương trình thực nghiệm có thể tính được lực dọc trục qua các thông số hàn và thông số hình học dụng cụ hàn Phương trình có dạng như sau [3]:

F = 0.204d 1.84 (2.4) với d là đường kính dụng cụ hàn

Trong giai đoạn chuyển tiếp, dụng cụ hàn lấn sâu một khoảng rất bé có thể sinh ra một lực dọc trục rất lớn và lớn hơn rất nhiều so với lực dọc trục sinh ra trong trạng thái ổn định Mặt khác, lực dọc trục tăng lên gấp 3 đến 5 lần so với trạng thái tĩnh

Trong quá trình hàn, từ lúc đầu khuấy bắt đầu tiếp xúc đến khi vai dụng cụ bắt đầu tiếp xúc với mặt trên của vật hàn lực dọc trục tăng lên đến giá trị cực đại Khi dụng cụ hàn bắt đầu di chuyển đến khi kết thúc hành trình thì lực dọc trục gần như là một giá trị không đổi

Để có được sự điều khiển chính xác đối với thông số lực dọc trục, trên thực tế một số hệ thống đo lực đơn giản được lắp đặt cùng với tấm đế Việc làm này rất quan trọng vì nó

sẽ quyết định rất nhiều đến chất lượng bề mặt và cấu trúc tinh thể của mối hàn

1.1.2.2 Tốc độ quay dụng cụ và vận tốc hàn

Trong các yếu tố thì nhiệt chính là yếu tố tác động trực tiếp đến chất lượng, cơ tính mối hàn, quyết định khuyết tật của mối hàn Yếu tố này lại là hàm số của rất nhiều thông số khác, trong đó hai thông số cơ bản nhất là tốc độ quay trục chính và vận tốc hàn

Khi tốc độ quay của trục chính tăng lên, nhiệt sinh ra trên đường hàn tăng dẫn đến vật liệu hàn sẽ mềm hơn nên yêu cầu của lực dọc trục giảm xuống Tuy nhiên khi ta tăng giá trị tốc độ quay trục chính sẽ gặp một số hạn chế như sinh ra bavia trên đường hàn

do vật liệu hàn bị tách ra và đẩy ra dưới vai dụng cụ hàn Nên trong quá trình hàn ta phải lựa chọn giá trị lực dọc trục phù hợp cho chất lượng mối hàn và độ cứng vững của máy công cụ

Khi tốc độ quay trục chính (n) trong một đơn vị thời gian tăng, kéo theo diện tích tiếp xúc giữa dụng cụ hàn và vật liệu tăng lên Nếu hệ số ma sát coi như không đổi, nhiệt lượng đầu vào trên một đơn vị thể tích sẽ tăng lên Ngược lại, khi vận tốc hàn tăng (Vh), thể tích vật liệu cần gia nhiệt sẽ tăng lên, lượng nhiệt đầu vào chỉ thay đổi ít, do đó nhiệt lượng trên đơn vị thể tích giảm

Hai thông số này có liên hệ chặt chẽ với nhau và cũng ảnh hưởng đến thông số lực dọc trục Khi n và Vh tăng thì đều làm lực dọc trục tăng Đặc biệt, khi V tăng, dụng cụ hàn

và trục chính phải chịu lực uốn tương ứng

Xác định tối ưu hai thông số trên là một quá trình rất khó khăn Để khắc phục, người ta nghiên cứu thêm mối quan hệ giữa chúng và đưa ra một đại lượng có tên là hệ số WP,

sẽ được trình bày ở phần tiếp theo

Hệ số WP là tỉ số giữa tốc độ quay và vận tốc hàn của dụng cụ hàn

Từ đó, thấy được khi WP càng lớn thì thời gian thực hiện mối hàn càng lớn, có nghĩa là nhiệt tạo ra càng lớn

Trong quá trình hàn, hệ số WP này có thể thay đổi tùy theo nhu cầu nhiệt của từng giai đoạn Thường thì, một đường hàn ta chia ra làm ba giai đoạn Giai đoạn đầu, khi dụng

cụ hàn được khoan sâu vào lớp vật liệu, ta cần nhiệt đầu vào lớn để có thể gia nhiệt cho lớp vật liệu đạt đến nhiệt độ chảy dẻo Kết thúc giai đoạn đầu, khi nhiệt độ mối hàn đã

ổn định, chỉ cần bổ sung thêm một lượng nhiệt ít hơn vì lớp vật liệu đã được gia nhiệt

từ trước, do đó hệ số WP cũng giảm xuống

Trong suốt quá trình này, hệ số WP thường không đổi Giai đoạn kết thúc, khi dụng cụ hàn được rút ra khỏi mối hàn, hệ số WP lại tăng lên

Độ lớn của hệ số WP còn phụ thuộc vào chiều dày của phôi hàn Phôi hàn càng dày thì nhiệt đầu vào cần thiết càng lớn, hệ số WP càng lớn

Do đại lượng này ảnh hưởng trực tiếp lên nhiệt lượng đầu vào mối hàn nên nó quyết định đến tổ chức tế vi, độ cứng, độ bền

Hệ số WP thực chất chỉ là một mối quan hệ giữa hai thông số hàn Vh và n, nó sẽ giúp quá trình chọn lựa chế độ hàn dễ dàng hơn, đồng thời giúp hiểu rõ bản chất của sự thay đổi cơ tính và tổ chức mối hàn khi chế độ hàn thay đổi

Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn:

Song và Kovacevic [5] 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 hàn và tốc độ quay và tốc độ đi xuống của dụng cụ

Tang [6] đã thay đổi tốc độ dụng cụ và chiều sâu dụng cụ khi tăng tốc độ quay 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

A.K Lakshmirayana đã tìm ra vùng thông số tối ưu cho các hợp kim nhôm có độ cứng cao và rất khó hàn 2219 – T87 Hợp kim nhôm 2xxx này được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp cực kì quan trọng như: hàng không, vũ trụ…[7]

Yuh J Chao, Shu Liu and Chi – Hui Chien đã mở rộng hướng nghiên cứu sang các mối hàn có độ dày lớn Nhóm nghiên cứu này đã thực hiện mối hàn hợp kim nhôm AA 6061 – T6 có chiều dày lên tới 37.6 mm Chế độ hàn được áp dụng trong nghiên cứu này là

tốc độ quay trục chính 350 v/ph, vận tốc hàn 2.5 mm/s [8]

Yuhua Chen, Changhua Liu and Geping Liu, 2011, đã hàn thành công hai hợp kim nhôm LF6 và hợp kim titan TC1 Ở chế độ tốc độ quay trục chính 950 v/ph và tốc độ hàn 118 mm/s mối hàn cho độ cứng cao nhất Quá trình hàn hai hợp kim này khó khăn hơn và

dễ xảy ra khuyết tật hơn rất nhiều so với hàn hai hợp kim cùng loại Thành công trên càng minh chứng cho tính ưu việt của phương pháp hàn ma sát khuấy [9]

Peel M năm 2003 đã nghiên cứu về tổ chức tế vi, tính chất cơ học và ứng suất dư trong mối hàn ma sát khuấy như một hàm của vận tốc hàn cho hàn nhôm AA5083 Nghiên cứu cho thấy rằng đặc tính của mối hàn chịu ảnh hưởng từ nhiệt cấp vào hơn là biến dạng cơ học bởi dụng cụ hàn Kim loại kết tinh lại trong vùng hàn có độ cứng và giới hạn chảy thấp hơn so với kim loại gốc Độ lớn của ứng suất dọc trục tăng lên khi tăng tốc độ hàn

Tran Hung Tra [80] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ quay dụng cụ và tốc độ hàn đến các tính chất cơ học của mối hàn AA6063-T5 Ảnh hưởng của tỷ số tốc độ quay dụng cụ và tốc độ hàn đến nhiệt hàn, độ cứng và độ bền kéo của mối hàn

Như vậy, các nghiên cứu chỉ xét mối liên hệ giữa các thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn mà hầu như không đề cập đến việc tính toán mô phỏng để dự đoán miền thông

số nhằm tạo cơ sở cho các bước công nghệ tiếp theo của quá trình hàn

Quá trình sinh nhiệt trong FSW:

Sự hình thành nhiệt và sự truyền nhiệt là một vấn đề được nghiên cứu nhiều liên quan đến hàn ma sát khuấy trong suốt những năm 1990 Tuy nhiên, để hiểu được quá trình hình thành nhiệt và truyền nhiệt trong hàn ma sát khuấy cần phải hiểu nhiều quá trình vật lý: vật liệu chảy xung quanh dụng cụ hàn, áp lực tiếp xúc gây ra bởi dụng cụ hàn, hệ

số ma sát, mòn, sự thay đổi tính chất cơ nhiệt và hệ số truyền nhiệt,… Nandan và cộng

sự [10] đã trình bày tổng quan về quá trình nhiệt trong hàn ma sát khuấy từ lúc phát minh đến năm 2008

Chao và Qi [11] đã giới thiệu một mô hình truyền nhiệt 3D trong hàn ma sát khuấy với nhiệt đầu vào không đổi Dòng nhiệt không đổi tại vai và đầu khuấy, áp lực tiếp xúc không đổi và định luật ma sát Coulomb thuần túy để ước lượng ứng suất cắt và nhiệt làm giả định chính của mô hình Các thí nghiệm hàn tấm được thực hiện trên hợp kim

nhôm 6061-T6 và ước lượng quá trình sinh nhiệt của tấm Nhiệt đầu vào được thay đổi (theo nguyên lý thử dần) cho đến khi nhiệt độ tính toán và thực nghiệm trùng khớp với nhau Như vậy mô hình này là mô hình đầu tiên dùng để ước lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hàn ma sát khuấy Frigaard và Grong [12] trình bày một mô hình dòng nhiệt với giả thuyết rằng nhiệt được tạo thành chỉ bởi ma sát tại bề mặt trên của vai và đầu khuấy Nhiệt đầu vào và hệ số ma sát được điều chỉnh trong suốt quá trình hàn để đảm bảo nhiệt độ tính toán luôn nằm dưới điểm nóng chảy của vật liệu Nhiệt đầu vào là một nguồn nhiệt di chuyển với dòng nhiệt phân bố tuyến tính tại bề mặt tiếp xúc Gould và Feng [13], và sau đó là Russell và Shercliff [14] đã áp dụng phương trình Rosenthal [15]

để mô tả nguồn nhiệt di chuyển, sự phân bố dòng nhiệt và sự truyền nhiệt trong phôi, dụng cụ hàn và các vùng lân cận Mô hình chỉ xem xét nhiệt ma sát tại vai và sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải các phương trình nhiệt Russell và Shercliff [14] dựa trên sự hình thành nhiệt với ứng suất ma sát không đổi và bằng với ứng suất cắt tới hạn tại nhiệt độ cao và bằng khoảng 5% ứng suất chảy ở nhiệt độ phòng Nguồn nhiệt đầu vào là nguồn nhiệt dạng điểm và dạng đường Colegrove và cộng sự [16] đã sử dụng một phân tích ước lượng về sự hình thành nhiệt trên dụng cụ hàn với đầu khuấy ren để ước lượng sự phân bố nhiệt tạo thành Kết quả cho thấy rằng lượng nhiệt tạo ra bởi đầu khuấy có giá trị bằng khoảng 20% tổng lượng nhiệt.Shercliff và Colegrove [17] phát triển một mô hình dòng vật liệu và nghiên cứu ảnh hưởng của biên dạng ren trên đầu khuấy đến dòng vật liệu Một mô hình vật liệu nhớt được đưa ra và ảnh hưởng của các điều kiện tiếp xúc khác nhau xem như là điều kiện biên đã được phân tích Họ cũng đã trình bày một báo cáo hoàn chỉnh về sự hình thành nhiệt trong hàn ma sát khuấy và ảnh hưởng của dòng vật liệu đối với sự hình thành nhiệt Khankar và cộng sự [18] giới thiệu

mô hình nhiệt đầu vào dựa trên moment đo được qua thực nghiệm và xem đó là nguồn nhiệt Khankar đã mô hình hóa sự truyền nhiệt trong quá trình hàn ma sát khuấy với nhiệt đầu vào từ ma sát và biến dạng Song và Kovacevic [19] đã nghiên cứu ảnh hưởng của giai đoạn tạo nhiệt ban đầu (pre-heat) đến trường nhiệt độ trong hàn ma sát khuấy Điều kiện trượt của dụng cụ hàn trên vật liệu được giả định và ảnh hưởng của hệ số ma sát cũng như lực ép được đưa vào biểu thức nguồn nhiệt Schmidt và Hattel [20] đã đưa

ra một mô hình phân tích để ước lượng nhiệt tạo ra trong quá trình hàn ma sát khuấy, trong đó thừa nhận vai và đầu khuấy của dụng cụ hàn như là nguồn nhiệt và kết luận

rằng khoảng 89% nhiệt tạo thành tại vai Nhiệt gồm 2 thành phần ma sát và biến dạng,

và nhiệt toàn phần là tổng của 2 thành phần trên có tính đến ảnh hưởng của các biến số

về điều kiện tiếp xúc [20], [21] Ảnh hưởng của hệ số ma sát được sử dụng trong tính toán Độ tin cậy của các nghiên cứu trên và nguyên lý hình thành nhiệt được Nandan và cộng sự tổng hợp [22], Nandan thực hiện hàn ma sát khuấy trên nhiều hợp kim nhôm khác nhau và kết quả cho thấy rằng biến trạng thái tiếp xúc cho ra giá trị gần với điều kiện dính

Một bước phát triển lớn trong việc mô hình hóa sự tạo nhiệt là áp dụng phân tích phần

tử hữu hạn (FEA) cho hàn ma sát khuấy Ulysse [23] đã đưa một mô hình phân tích phần

tử hữu hạn dẻo nhớt 3D sử dụng phần mềm FIDAP Nhiệt tạo thành được xác định là sản phẩm của ứng suất hiệu dụng và tốc độ biến dạng hiệu dụng Kết quả cho thấy rằng,

mô hình đã dự đoán nhiệt độ đo được một cách thích hợp từ những chuyển biến cơ bản của vật liệu trong hàn ma sát khuấy Steuwer và cộng sự [24] đã sử dụng năng lượng cơ thu được từ thực nghiệm như là năng lượng đầu vào cho mô hình Sự ảnh hưởng của tải tác dụng từ dụng cụ hàn đến ứng suất dư đã được nghiên cứu Chao và cộng sự [25] đã thừa nhận 2 vấn đề về điều kiện biên trong truyền nhiệt: truyền nhiệt trong dụng cụ hàn

ở trạng thái ổn định, trong khi đó sự truyền nhiệt trong phôi là tức thời Lượng nhiệt truyền vào dụng cụ hàn sẽ quyết định đến tuổi thọ và khả năng hàn Có thể thấy rằng phần lớn nhiệt tạo ra từ ma sát, trong đó khoảng 95% thì truyền vào phôi và chỉ có 5% truyền vào dụng cụ hàn, và 80% công biến dạng dẻo chuyển hóa thành nhiệt Heurtier

và cộng sự [26] đưa ra mô hình 3D dựa trên trường vận tốc lưu chất trong đó vai dụng

cụ hàn và vật liệu biến dạng dẻo xung quanh là nguồn nhiệt Mô hình đã cho thấy sự phù hợp về kết quả tính toán và thí nghiệm Santiago và cộng sự [27] đã đưa ra một mô hình với vật liệu ở trạng thái rắn và dẻo nhớt trong đó các tấm di chuyển theo hướng quay của dụng cụ hàn và vật liệu chảy tại bề mặt tiếp xúc được xác lập như là điều kiện biên Kết quả được ước lượng từ mô hình phù hợp với trạng thái ổn định của quá trình hàn ma sát khuấy đã được đề xuất bởi Chao [25] Schimdt đã thông qua một mô hình phân tích động học cơ nhiệt đầy đủ cũng nhằm để đạt được trạng thái ổn định hàn trong mođun Explicit của Abaqus [28]

Colligan [29] đã đưa ra một mô hình lý thuyết mô tả các thông số ảnh hưởng đến sự tạo

thành nhiệt bao gồm báo cáo chi tiết về các nghiên cứu trước đó và nguyên lý của các quá trình vật lý cụ thể trong hàn ma sát khuấy như hệ số ma sát Kalya và cộng sự [30]

đã nghiên cứu moment xoắn, năng lượng và nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát khuấy

và đã đưa ra mối tương quan giữa moment xoắn, tốc độ góc và tốc độ hàn Kết quả là

có một sự tương quan đơn giản giữa hệ số ma sát và moment xoắn trong mô hình toán Kumar và cộng sự [31] đã thiết lập một thí nghiệm để xác định hệ số ma sát cho từng vật liệu, nhiệt độ và áp lực tiếp xúc khác nhau Nhiều kết quả cho thấy rằng hệ số ma sát thay đổi từ 0.1 đến 1.4 Colligan [32] đã nghiên cứu về dòng vật liệu xung quanh dụng cụ hàn sử dụng các vật liệu làm dấu và kỹ thuật dừng Các kết quả thể hiện rõ chuyển động của dòng vật liệu, ảnh hưởng của ren đến dòng vật liệu, ảnh hưởng của chiều quay của dụng cụ hàn cũng như một số đặc điểm về luyện kim và truyền nhiệt trong vùng vật liệu biến dạng Nandan và cộng sự [33] đưa ra một số kết quả ước lượng

về dòng vật liệu dẻo nhớt, truyền nhiệt, sự thay đổi độ nhớt và sự bồi đắp vật liệu phía sau dụng cụ hàn Ouyang và Kovacevic [34] đã chỉ ra rằng dòng vật liệu luôn không giống nhau dọc theo đường hàn khi hàn cùng hoặc khác vật liệu Hình dạng dòng vật liệu có thể dễ dàng được phát hiện trong tổ chức tâm hàn có dạng xoắn ốc Vật liệu trong tâm hàn chịu biến dạng dẻo mãnh liệt, kết tinh lại do nhiệt, và đóng vai trò như nguồn nhiệt Lorrain [35] đã giải thích chi tiết các lớp cắt vật liệu và hình dạng dòng vật liệu xung quanh đầu khuấy không có ren Sự tồn tại của các lớp vật liệu xoay xung quanh dụng cụ, và kết luận rằng vật liệu ít bị dịch chuyển hơn so với khi sử dụng dụng cụ hàn

có ren Sự thiếu dịch chuyển vật liệu có ảnh hưởng đến độ bền mối hàn

Tóm lại, các nghiên cứu trên tập trung nghiên cứu, phân tích dựa vào điều kiện biên, cơ chế sinh nhiệt và truyền nhiệt, tỉ lệ sinh nhiệt, hệ số ma sát,…các kết quả tính toán chỉ mang tính ước lượng mà chưa đi sâu vào xác định miền giá trị mô phỏng và thực nghiệm tương thích với nhau

Mô hình truyền nhiệt và dòng vật liệu

Các mô hình dựa trên các chuyển động trong hàn ma sát khuấy thường xét chỉ cho phân tích dòng vật liệu, còn khi tính toán truyền dẫn nhiệt thì không cần xét đến các yếu tố dịch chuyển vật liệu để đơn giản hóa và giảm thiểu thời gian tính toán Tuy nhiên, mô hình truyền nhiệt chỉ có thể dự đoán được sự phân bố nhiệt độ và tốc độ nguội mà không thể tìm được trường dòng vật liệu Do đó cần giải kết hợp thêm các phương trình bảo

toàn khối lượng, động lượng và năng lượng để tìm ra trường biến dạng và tốc độ biến dạng Mô hình truyền nhiệt được xem xét ở đây là một mô hình 3D trong hệ tọa độ Descartes có thể biểu diễn cho cả trạng thái tức thời và trạng thái xem như ổn định Biểu thức lý thuyết phân tích truyền nhiệt và dòng vật liệu trong điều kiện tức thời và ổn định

sẽ được trình bày trong phần này Phương trình điều khiển và điều kiện biên được mô

tả và mô hình toán sẽ giúp hiểu rõ được bản chất vật lý của quá trình hàn ma sát khuấy

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 sinh ra bởi dụng

cụ hàn được xác định là khoảng 17% tổng năng lượng hàn [14]

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 1998 đã được ứng dụng nhiều cho việc tính toán nhiệt độ phôi hàn [8]

Năm 2003, khi nghiên cứu mô hình số, Schmidt và Hattel [36] đã tính toán năng lượng sinh công vào dụng cụ hàn bởi việc giảm lượng nhiệt vào phôi và khẳng định 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 vào, trong đó 10% năng lượng sẽ đi vào dụng cụ hàn, 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 hàn 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 vào năm 2003 của Langerman và Kvalvik [37] 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

Năm 2003 Lindner [38] đã chứng minh những hạn chế của phương pháp đo nhiệt bằng cặp nhiệt điện Trước hết là độ chênh lệch nhiệt độ trong FSW là thường rất phức tạp nên việc bố trí 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 phải đánh bóng và đánh dấu kỹ lưỡng để tiện cho việc đo đạc)

Trong mô hình của Chao và Qi vào năm 2003 [39], sự sinh nhiệt từ giả thiết về ma sát trượt, định luật Coulomb được dùng để tính lực cắt và lực ma sát tại bề mặt tiếp xúc Năm 2007, Zhao Zhang và Hongwu Zhang [40] đã nghiên cứu về dòng nhiệt trong quá trình hàn ma sát khuấy chủ yếu được sinh ra nhờ quá trình biến dạng và ma sát Nhiệt

độ đó được truyền vào cả dụng cụ hàn và phôi liệu Lượng nhiệt này ảnh hưởng trực tiếp, quyết định sự thành công của quá trình hàn ma sát khuấy, chất lượng mối hàn, hình dạng mối hàn, cấu trúc tế vi của mối hàn, cũng như ứng suất dư và sự biến dạng của mối hàn Lượng nhiệt được truyền tới dụng cụ, ảnh hưởng đến độ bền và khả năng làm việc của dụng cụ trong quá trình hàn Trong trường hợp ma sát không đủ nhiệt độ có thể làm nứt, gãy dụng cụ do chưa đủ độ mềm Dòng nhiệt phải giữ cho lượng nhiệt tối đa đủ cao

để làm mềm vật liệu nhưng cũng phải đủ thấp để vật liệu không bị nung chảy [6]

Sự sinh nhiệt trong hàn FSW phát sinh từ 2 nguồn chính: sự biến dạng của vật liệu xung quanh đầu hàn và ma sát trên bề mặt của vai Khó khăn chính là sự xác định giá trị của

hệ số ma sát cho phù hợp

Năm 2007 Scialpi [41] có một bài viết, nếu FSW là một quá trình hàn rắn, nhiệt độ tối

đa thấp hơn nhiệt độ nóng chảy, thì vùng mối hàn bị ép sẽ cản trở sự co nhiệt của vùng trung tâm mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt trong cả hai chiều dọc và ngang [5] Do đó xuất hiện ứng suất dư Ảnh hưởng của ứng suất dư lên độ bền mỏi của mối hàn là một vấn đề khá phức tạp: về chất lượng thì các ảnh hưởng phụ thuộc vào mối quan hệ giữa ứng suất dư và ứng suất hiệu dụng Nếu ứng suất hiệu dụng tương đối lớn, thì ứng suất

dư sẽ không có ảnh hưởng gì nghiêm trọng và nhanh chóng được giảm xuống, nhưng nếu ứng suất hiệu dụng tiến gần đến giới hạn mỏi thì lúc đó ảnh hưởng của ứng suất dư mới đáng kể Nói chung, ứng suất dư làm thay đổi ứng suất hiệu dụng và đóng vai trò quyết định trong việc xác định độ bền kết cấu của mối hàn

Heurtier và Desrayaud [42], [43] 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 2012, một nghiên cứu sự sinh nhiệt trong quá trình hàn ma sát khuấy phát sinh từ hai nguồn chính: biến dạng của vật liệu xung quanh dụng cụ hàn và ma sát ở bề mặt vai dụng cụ

Để xác định chính xác hệ số ma sát thường gặp rất nhiều khó khăn Các điều kiện biên của dụng cụ, điều kiện tiếp xúc của dụng cụ và phôi là rất khó xác định Các thông số này được sử dụng như là các thông số điều chỉnh, mô hình được tính toán lại từ việc đo

dữ liệu nhiệt để có được một mô hình mô phỏng vùng nhiệt hợp lý Phương pháp này là

có ích cho quá trình tạo mô hình để dự đoán Xấp xỉ toán học cho tổng nhiệt tạo ra bởi vai dụng cụ được sử dụng để cân bằng cho quá trình biến dạng sinh nhiệt, điều này có thể được thực hiện bằng cách điều chỉnh hệ số ma sát Ma sát là một hiện tượng vật lý phức tạp phụ thuộc vào các thông số như: vật liệu, độ nhám bề mặt, dầu bôi trơn, nhiệt

độ và áp lực Những ảnh hưởng của ma sát trong mô phỏng định hình kim loại thường được xác định bởi mô hình ma sát Coulomb Giả định điều kiện trượt, các hệ số ma sát được điều chỉnh để hiệu chỉnh mô hình cho hợp lý

Năm 2012, Mijajlovic đã có một nghiên cứu và đưa ra một phát biểu: trong suốt chu kỳ

hàn, nhiệt độ của phôi thay đổi và nó có thể đạt tối đa khoảng 80% nhiệt độ nóng chảy của nguyên vật liệu [44]

Tổ chức tế vi mối hàn

Quá trình hàn ma sát khuấy được thực hiện ở pha rắn dưới điểm nóng chảy của vật liệu,

từ đó hình thành các hạt kết tinh lại nhỏ mịn, các tổ chức nhỏ mịn này cho ra một cơ tính tốt [1] Vì hàn ma sát khuấy là quá trình hàn ở trạng thái rắn nên khắc phục được tất cả các vấn đề về rỗ khí, nứt nóng mà thường xảy ra trong hàn nóng chảy [45] Trong hàn ma sát khuấy dụng cụ quay tạo ra đủ nhiệt để làm mềm dẻo vật liệu dưới vai và xung quanh đầu khuấy Nhiệt và biến dạng dẻo được tạo ra trong quá trình hàn sẽ làm hình thành 4 vùng tổ chức tế vi rõ rệt trên mặt cắt ngang Những vùng đó là vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (TMAZ), vùng kết tinh lại động học (DRZ) hoặc tâm hàn và vùng vật liệu không chịu ảnh hưởng Threadgill [46] đã phân loại các vùng tổ chức của mối hàn trên hợp kim nhôm Uzun Huseyin (2007) [47] đã nghiên cứu về các vùng tổ chức mối hàn trên tấm nhôm dày 6 mm (Hình 1.9) thể hiện các vùng tổ chức khác nhau trong mối hàn ma sát khuấy trên hợp kim nhôm

Hình 1.6 Các vùng tổ chức tế vi trong mối hàn ma sát khuấy [47]

Vùng không ảnh hưởng (kim loại ban đầu), phần vật liệu nằm ở vị trí xa mối hàn, không

bị biến dạng và ảnh hưởng bởi nhiệt nên tổ chức tế vi và cơ tính không thay đổi

Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) là vùng vật liệu gần với tâm hàn hơn, chịu một chu kì nhiệt, tổ chức tế vi và cơ tính bị thay đổi và không xảy ra quá trình biến dạng dẻo Vùng này nằm giữa vùng không ảnh hưởng và vùng ảnh hưởng cơ nhiệt

Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (TMAZ) trong vùng này vật liệu bị biến dạng dẻo bởi dụng

cụ hàn và nhiệt làm ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu Vật liệu nhôm có thể bị biến dạng lớn ở nhiệt độ cao mà không xảy ra quá trình kết tinh lại và giữa vùng kết tinh lại

và giữa vùng biến dạng có ranh giới rõ rệt

Tâm hàn (Weld Nugget) là vùng kết tinh lại nằm trong vùng ảnh hưởng cơ nhiệt trên hợp kim nhôm Vùng này ngay dưới vai dụng cụ hàn và có cấu trúc hạt khác với các vùng còn lại của vùng TMAZ Tổ chức tế vi bị ảnh hưởng bởi lực ma sát từ vai và tốc

độ nguội của vật liệu

Khuyết tật hàn

Trong vấn đề khuyết tật có một số định nghĩa sau đây: sai hỏng là một đặc điểm chất lượng chủ yếu của một chi tiết hàn ma sát khuấy từ điều kiện cho trước Những sai hỏng

có thể được phát hiện bằng phương pháp kiểm tra không phá hủy được gọi là khuyết tật

Một khuyết tật có kích thước đáng kể, có hình dạng xác định, có vị trí hoặc tính chất dẫn đến phải loại bỏ chi tiết hàn được gọi là “khuyết tật phế phẩm” [48] Khuyết tật thể tích hoặc lỗ hổng là những khoảng hở trong mối hàn

Những sai hỏng khác như khuyết tật đường bên trong của mối hàn hoặc khuyết tật tại chân đường hàn có liên quan đến vết của đường giáp mối ban đầu Sự thiếu liên kết dọc

Hình 1.7 Các khuyết tật thông thường (a) Khuyết tật lỗ hổng, (b) Khuyết tật đường trong mối hàn [48]

theo đường hàn hoặc một đoạn đường hàn được tạo ra như Hình 1.7 (b) Vết đường hàn

là một khuyết tật do sự phân bố của oxit trên chiều dày tấm phôi hàn dẫn đến làm yếu liên kết như hình 1.8

Bavia quá nhiều cũng là một khuyết tật mà do dư nhiệt đầu vào quá mức nên kim loại

bị trào ra khỏi vùng hàn Kim và cộng sự (2006) [49] đã nói về các khuyết tật mối hàn như bavia quá nhiều, lỗ hỗng gây ra bởi sự thiếu nhiệt và bởi sự thay đổi quá trình khuấy bất thường

Một bảng thống kê những khuyết tật trong hàn ma sát khuấy được đưa ra bởi Leonard

và Lockyer (2003) [45] trong (Bảng 1.1) Từ đó chỉ ra rằng các sai hỏng như rỗ khí hoặc nứt nóng thì không xuất hiện trong hàn ma sát khuấy Các khuyết tật được nghiên cứu

là lỗ hổng, khuyết tật chân và vết đường hàn

Tất cả các sai hỏng về khuyết tật trong mối hàn ma sát khuấy đều có ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính của mối hàn vì khi xuất hiện những sai hỏng thì sẽ có khả năng làm nứt gãy mối hàn do đó cần phải đánh giá mối hàn để đảm bảo rằng không có sai hỏng hoặc ít nhất là không có những khuyết tật đáng kể

Hình 1.8 Khuyết tật vết đường hàn [45]

Hình 1.9 Các loại khuyết tật bề mặt thông dụng (a) Bavia, (b) Lỗ hổng bề mặt [50]

Kết luận:

Qua nghiên cứu tổng quan tài liệu về lý thuyết và công nghệ hàn cho thấy công nghệ hàn ma sát khuấy là phương pháp hàn tiên tiến Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng công nghệ này vẫn chưa được ứng dụng tại Việt Nam Các công trình mới nghiên cứu ở mức

độ tìm hiểu trong đồ án tốt nghiệp đại học, luận văn thạc sĩ ở các trường, các học viện

và bài báo hội nghị Công nghệ hàn này lần đầu tiên được biết đến tại Việt Nam qua đề tài nghiên cứu ứng dụng cấp Sở Khoa học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh do Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh chủ trì và đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu thiết kế

và chế tạo thiết bị hàn ma sát khuấy” của Đại học Bách Khoa Hà Nội Tuy nhiên, công nghệ này còn thiếu những nghiên cứu, tài liệu hướng dẫn đầy đủ về thông số và quy trình công nghệ, khuyết tật cơ học và biện pháp loại bỏ khuyết tật cơ học hình thành trong quá trình hàn

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn về mặt làm chủ công nghệ hàn ma sát khuấy trong các ứng dụng trong công nghiệp, hàn ma sát khuấy tiếp tục là đề tài được tập trung nghiên

Bảng 1.1 Các loại khuyết tật, nguyên nhân sinh ra khuyết tật trong hàn ma sát khuấy

Lỗ hổng Bên tiến tại biên của tâm

- Không làm sạch oxit ở mặt bên phôi

- Dụng cụ không có khả năng phá hủy

và phân tán oxit một cách thích hợp

- Tăng tốc độ hàn

- Tăng đường kính vai

Khuyết tật chân đường hàn

Tâm đường hàn; kéo dài từ chân mối hàn, tại bề mặt đáy của phôi

- Đầu khuấy quá ngắn

- Chiều sâu xâm nhập không phù hợp

- Vị trí dụng cụ không phù hợp với đường hàn

cứu để phát triển về lý thuyết cũng như công nghệ nhất là đối với hợp kim nhôm Một trong những vấn đề còn tồn tại trong hàn ma sát khuấy trên hợp kim nhôm là vấn đề phân tích cơ chế hình thành khuyết tật trong mối hàn và xác định miền công nghệ hợp

lý tiến đến lựa chọn các thông số tối ưu tạo ra mối hàn đạt chất lượng mong muốn Các thông số chính sử dụng để hàn là: tốc độ quay dụng cụ, vận tốc hàn và lực ép của dụng cụ hàn vào phôi hàn - những yếu tố này có vai trò quyết định đến chất lượng mối hàn cần phải được lựa chọn tối ưu Quá trình hàn không đúng sẽ dẫn đến việc mối hàn không hình thành, sai hỏng về kích thước, hình dạng và đặc biệt là chất lượng mối hàn không đảm bảo yêu cầu Các nghiên cứu cho thấy rằng cơ tính và tổ chức kim loại mối hàn phụ thuộc chủ yếu vào các thông số công nghệ hàn cũng như tính chất của vật liệu hàn Tuy nhiên những nghiên cứu trên vẫn còn những hạn chế nhất định, chỉ áp dụng cho những công trình riêng mà chưa có một bộ thông số chế độ công nghệ hàn cụ thể Đặc biệt ở trong nước chưa có công trình nghiên cứu nào được công bố

Vì vậy vấn đề này được lựa chọn để nghiên cứu trong luận án Để nghiên cứu vấn đề trên, luận án tập trung giải quyết:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình sinh nhiệt, truyền nhiệt khi hàn, xác định rõ các thông số cơ bản trong quá trình hàn, mối liên hệ của sự sinh nhiệt của đầu khuấy và vai dụng cụ hàn, phân tích các mô hình của dòng chảy vật liệu ảnh hưởng đến chất lượng của mối hàn, một số đặc điểm của chúng cũng như các yếu tố ảnh hướng đến sự hình thành mối hàn

- Phân tích, lựa chọn, xác lập mô hình nhiệt của quá trình hàn

- Mô phỏng số quá trình hàn, tiến hành thực nghiệm kiểm chứng mô hình

- Áp dụng mô hình nhiệt và mô hình số xác định miền thông số hàn, thực nghiệm và tối

ưu các thông số hàn, xây dựng miền thông số thích hợp của quá trình hàn