Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn ma sát ngoáy đối với hợp kim nhôm

Tổng quan hàn ma sát, công nghệ hàn ma sát ngoáy, công nghệ hàn hợp kim nhôm, tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FSW đối với vật liệu hợp kim nhôm. Nghiên cứu thực nghiệm, kết quả thí nghiệm đầu hàn FSW đối với hợp kim nhôm tự chế tạo,... Tổng quan hàn ma sát, công nghệ hàn ma sát ngoáy, công nghệ hàn hợp kim nhôm, tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FSW đối với vật liệu hợp kim nhôm. Nghiên cứu thực nghiệm, kết quả thí nghiệm đầu hàn FSW đối với hợp kim nhôm tự chế tạo,...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 4

LỜI CÁM ƠN 5

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 10

1 Lý do lựa chọn đề tài 10

2 Lịch sử nghiên cứu và ứng dụng công nghệ FSW 11

3 Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của luận văn 11

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 12

5 Phương pháp nghiên cứu 12

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 13

1.1 Hàn ma sát 13

1.1.1 Khái niệm 13

1.1.2 Lịch sử phát triển 13

1.1.3 Phân loại 14

1.1.3.1 Hàn ma sát quay 14

1.1.3.2 Hàn ma sát tịnh tiến 16

1.1.2.3 Hàn ma sát ngoáy 17

Hàn điểm ma sát ngoáy 18

1.2 Công nghệ hàn ma sát ngoáy 18

1.2.1 Nguyên lý hàn ma sát ngoáy 19

1.2.2 Đặc điểm của FSW 20

1.2.3 Ứng dụng của FSW 21

1.3 Công nghệ hàn hợp kim nhôm 23

1.3.1 Nhôm và hợp kim nhôm 23

1.3.2 Tính hàn của nhôm và hợp kim nhôm 26

ảy nhôm và hợp kim nhôm 27

1.3.3.1 Hàn hồ 27

1.3.3.2 Hàn TIG (GTAW) 28

1.3.3.3 Hàn MIG (GMAW) 28

1.3.3.4 Hàn plasma (PAW) 29

1.4 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam 32

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng FSW trên thế giới 32

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 39

Chương 2: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FSW ĐỐI VỚI VẬT LIỆU HỢP KIM NHÔM 42

2.1 Sự hình thành liên kết hàn FSW 42

2.2 Thông số ảnh hưởng công nghệ FSW 46

2.3 Đánh giá ảnh hưởng của các thông số cơ bản của chế độ hàn đến chất lượng của liên kết hàn 46

2.4 Đầu hàn FSW và ảnh hưởng của hình dạng kích thước hình học đến chất lượng mối hàn 47

2.4.1 Vai tỳ 49

2.4.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo đầu hàn FSW 49

2.4.3 Thiết kế đầu hàn FSW 51

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 54

3.1 Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm 54

3.2 Chế tạo đầu hàn 54

3.3 Máy, thiết bị phụ trợ và đồ gá thí nghiệm FSW 55

3.3.1 Máy hàn 55

3.3.2 Thiết bị ghi đo nhiệt độ quá trình hàn FSW 58

3.4 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 59

3.5 Chọn giá trị thông số hàn cơ bản để khảo sát 61

3.6 Các bước tiến hành thí nghiệm 63

3.6.1 Các bước thực hiện FSW đối hợp kim nhôm 63

3.6.2 Thực hiện công việc thí nghiệm FSW 64

3.6.3 Kiểm tra đánh giá sự hình thành liên kết hàn 66

3.6.4 Thực hiện đo nhiệt độ mối hàn 68

3.7 Một số kết quả nghiên cứu 69

3.7.1 Kết quả thí nghiệm đầu hàn FSW đối với hợp kim nhôm tự chế tạo 69

3.7.2 Kết quả thí nghiệm FSW với hợp kim nhôm A5052 71

3.7.3 Kết quả kiểm tra cơ tính 76

3.7.4 Kết quả khảo sát ghi đo nhiệt độ mối hàn 81

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 87

1 Kết luận 87

2 Kiến nghị 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan ngoại trừ các số liệu được trích dẫn từ tài liệu tham khảo thì nội dung còn lại là công trình nghiên cứu và tính toán của riêng tôi Các số liệu tính toán là trung thực và chưa được ai công bố Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2018

Người cam đoan

ĐỖ THANH TÙNG

LỜI CÁM ƠN

Tác giả chân thành cám ơn PGS.TS Nguyễn Thúc Hà và TS Hà Xuân Hùng

đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện về tài liệu và động viên tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin trân trọng cám ơn các Thầy, Cô trong Bộ môn Hàn và Công nghệ Kim loại – Viện Cơ Khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và động viên tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận văn này

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn

và Xử lý bề mặt và Trung tâm Công nghệ – Học viện kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở thiết bị máy móc phục vụ thí nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình tiến hành thực nghiệm

Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Bố, Mẹ và các thành viên gia đình tác giả đã luôn động viên, ủng hộ và tạo điều kiện trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này

Tác giả

ĐỖ THANH TÙNG

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

môi trường khí trơ/ hoạt tính

chảy trong môi trường khí trơ

Quốc

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Thành phần hoá học của Al 5052 60

Bảng 3.2: Tính chất vật lý và cơ tính Al 5052 60

Bảng 3.3 Lựa chọn giá trị thông số quy trình FSW 62

Bảng 3.4 Các bước công nghệ quá trình FSW 63

Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm khảo sát đầu hàn FSW đối với hợp kim nhôm 70

Bảng 3.6 Kết quả kiểm tra ngoại dạng mối hàn giáp mối FSW đối với hợp kim nhôm tấm A 5052 dày 6 mm 72

Bảng 3.7 Kết quả kiểm tra độ bền kéo 79

Bảng 3.8 Thống kê kết quả thí nghiệm 80

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hàn ma sát quay 14

Hình 1.2 Các bước hàn ma sát quay 15

Hình 1.3 Hàn ma sát tịnh tiến 16

Hình 1.4 Hàn ma sát tịnh tiến may ơ với cánh 16

Hình 1.5 Hàn ma sát ngoáy 17

Hình 1.6 Hàn điểm ma sát ngoáy và cấu trúc mối hàn 18

Hình 1.7 Nguyên lý hình thành mối hàn FSW 19

1.8 27

1.9 N 28

28

Hình 1.11 Sơ đồ mỏ hàn hàn hồ quang plasma 30

Hình 1.12 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động laze sử dụng hồng ngọc 31

Hình 1.13 Hàn vỏ nhôm máy tính 34

Hình 1.14 Một số hãng xe ứng dụng FSW vào sản xuất chế tạo 35

Hình 1.15 Gầm trung tâm xe Ford GT 36

Hình 1.16 Tàu điện cao tốc 37

Hình 1.17 Tàu vũ trụ Orion - Nasa 37

Hình 1.18 Phi thuyền Super Liner Ogasawara 38

Hình 1.19 Hộp đồng chứa rác thải hạt nhân 39

Hình 2.1 Sơ đồ hình thành mối hàn FSW 42

Hình 2.2 Mô hình tạo liên kết hàn bằng FSW 42

Hình 2.3 Các vùng mối hàn FSW 43

Hình 2.5 Phân loại đầu hàn FSW 48

Hình 2.6 Bề mặt vai tỳ đầu hàn FSW 49

Hình 2.7 Đầu hàn với đầu ngoáy hình nón, vai tỳ dạng cuộn phẳng 51

Hình 2.8 Đầu hàn với đầu ngoáy côn ren và vai tỳ phẳng 52

Hình 3.1 Đầu hàn FSW chế tạo bằng S45C 54

Hình 3.2 Đầu hàn FSW chế tạo bằng thép gió 55

Hình 3.3 Máy phay CNC URAWA UB-75-2sp 55

Hình 3.4 Đồ gá phôi hàn FSW 57

Hình 3.5 Sơ đồ xử lý tín hiệu trong hệ thống đo 58

Hình 3.6 Giao diện chương trình khi mới khởi động 59

Hình 3.7 Chuẩn bị các phôi hàn theo kích thước 150x80 mm 61

Hình 3.8 Gá phôi vào đồ gá 64

Hình 3.9 Gá phôi và dây can nhiệt vào đồ gá hàn FSW 65

Hình 3.10 Gá phôi hàn, đồ gá lên máy và lắp đặt cảm biến nhiệt 65

Hình 3.11 Gá lắp đầu hàn lên máy phay CNC 66

Hình 3.12 Cài đặt chế độ và kiểm tra các nguyên công gá lắp 66

3.13 Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn 67

Hình 3.14 Máy thử độ bền kéo, nén, uốn UH-25S 68

Hình 3.15 Sơ đồ bố trí cặp nhiệt K 69

Hình 3.16 Mẫu thử độ bề kéo mối hàn 77

Hình 3.17 Gá lắp các mẫu kéo lên máy thử kéo 78

Hình 3.18 Mẫu thử kéo trên máy sau kéo đứt 78

Hình 3.19 Các mẫu thử kéo sau khi kéo kiểm tra độ bền kéo 79

a Ghi đo nhiệt độ mối hàn với w=500 vòng/phút 82

b Ghi đo nhiệt độ mối hàn với w= 600 vòng/phút 82

c Ghi đo nhiệt độ mối hàn với w= 700 vòng/phút 83

d Ghi đo nhiệt độ mối hàn với w= 800 vòng/phút 83

e Ghi đo nhiệt độ mối hàn với w= 900 vòng/phút 84

Hình 3.20 Kết quả ghi đo nhiệt độ mối hàn theo thời gian thực 84

Hình 3.21 Ảnh hưởng của tốc độ quay đầu hàn đến nhiệt độ 85

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Đã từ lâu, những khó khăn trong việc tạo ra các mối hàn có khả năng chống gãy, mỏi và có độ bên cao trong các hợp kim nhôm sử dụng trong hàng không vũ trụ, hàng hải, ô tô, làm cho chúng ta ít sử dụng kỹ thuật hàn để hàn nối các hợp kim nhôm với nhau Nói chung, những hợp kim nhôm này thường được xếp vào loại khó hàn vì vi cấu trúc ở trạng thái đông đặc kém và các rỗ xốp trong vùng nóng chảy Ngoài ra, sự các tính chất cơ học so với vật liệu nền giảm đi rất đáng kể Những yếu tố này làm cho việc hàn nối các hợp kim nhôm bằng quá trình hàn thông thường ít được quan tâm nghiên cứu Một số hợp kim nhôm có thể được hàn điện trở, nhưng việc chuẩn bị bề mặt đắt tiền, trong đó hiện tượng oxi hóa bề mặt là một vấn đề khó khăn lớn

Hàn ma sát ngoáy (FWS - Friction Sitr Welding) là bước tiến quan trọng nhất về lĩnh vực hàn trong thập niên qua và là một công nghệ xanh hiệu quả trong tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường So sánh với những công nghệ hàn trước đây thì hàn ma sát ngoáy tiêu thụ ít năng lượng một cách đáng kể, không sử dụng khí hàn, 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 hàn ma sát ngoáy không cần sử dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, ít biến dạng và không nứt kết tinh

Ở nước ta hiện nay công nghệ hàn ma sát ngoáy còn rất mới mẻ, đã có một

số nghiên cứu về công nghệ hàn ma sát ngoáy như nghiên cứu thông số chế độ hàn, trường nhiệt, góc nghiêng đầu ngoáy ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Các công trình này đã bước đầu thành công trong việc nghiên cứu và thực nghiệm đánh giá công nghệ hàn ma sát ngoáy Các thông số hàn và thông số về nhiệt cũng được nghiên cứu đánh giá thực nghiệm Các kết quả đạt được của các nghiên cứu được các tác giả thực nghiệm trên máy phay với đầu hàn chế tạo trong nước, do điều kiện máy hàn ma sát ngoáy chưa có ở Việt Nam

mình và các doanh nghiệp có điều kiện tốt hơn trong việc ứng dụng công nghệ

ản xuất, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm cũng như hạ giá thành sản phẩm Tác giả đã lựa chọn hướng nghiên cứu về hàn ma sát

ngoáy với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn ma sát ngoáy (FSW) đối

với hợp kim nhôm” Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu công nghệ FSW về thông số

chế độ, đầu hàn FSW và thực hiện các thí nghiệm hàn ma sát ngoáy với hợp kim nhôm Từ đó, làm chủ được quá trình FSW, đồng thời luận văn có thể là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đề tài nghiên cứu về quá trình hàn ma sát ngoáy trong nước ta sau này

2 Lịch sử nghiên cứu và ứng dụng công nghệ FSW

Hàn ma sát ngoáy (Friction Stir Welding - FSW) là phương pháp hàn trạng thái rắn thích hợp được phát triển bởi The Welding Institute (TWI) của Anh Quốc vào năm 1991 Quy trình FSW ban đầu được áp dụng cho nhôm và các hợp kim của

nó và được sử dụng rộng rãi trong việc gia nhập Al, Mg, Cu và các hợp kim của chúng Sau đó, nó đã được sử dụng để hàn các kim loại tương đối cứng hơn bao gồm vật liệu composite và chất dẻo Kỹ thuật FSW rất đơn giản, thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và trở thành điểm thu hút chính cho nhiều ngành công nghiệp như ô tô, hàng không [1]

Hiện nay, FSW đang nổi lên như là một kỹ thuật hàn trạng thái rắn rất hiệu quả Trong một thời gian tương đối ngắn sau khi phát minh, một vài ứng dụng thành công của FSW đã được chứng minh như vỏ tên lửa, thân vỏ tàu thủy, máy bay, tàu điện bằng hợp kim nhôm, Bên cạnh đó, FSW còn được ứng dụng nhiều trong các công nghiệp hạt nhân để xử lý rác thải phóng xạ

3 Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của luận văn

Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FSW để hàn giáp mối hợp kim kim nhôm

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu lý thuyết công nghệ FSW, thiết kế chế tạo đầu hàn FSW, nghiên cứu thực nghiệm hàn giáp mối hợp kim nhôm

A 5052 để đánh giá chất lượng mối hàn

Phạm vi nghiên cứu của luận văn: nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số chế độ chính tới sự hình thành liên kết hàn giáp mối hợp kim nhôm tấm A5052 dày

6 mm

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Về tính khoa học, phương pháp FSW 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

Với nghiên cứu của mình tác giả đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn ma sát ngoáy để liên kết hàn hợp kim nhôm tấm

Trong nghiên cứu của mình tác giả đã lựa chọn máy phay CNC 3 trục, thiết

kế chế tạo đầu hàn chuyên dụng và đố gá hàn phù hợp để thực hiện các thí nghiệm ứng dụng FSW hàn giáp mối hợp kim nhôm tấm A5052

Đã chế tạo thành công các loại đầu hàn FSW phù hợp để hàn hợp kim nhôm dày 6 mm với vật liệu S45C và P6M5

Thực hiện các thí nghiệm khảo sát chất lượng đầu hàn chế tạo mới, các thí nghiệm hàn giáp mối hai tấm hợp kim nhôm A5052 dày 6 bằng công nghệ FSW và kiểm tra đánh giá bằng phương pháp kiểm tra ngoại dạng, cơ tính của các mối hàn thí nghiệm, đồng thời khảo sát ghi đo nhiệt độ khi thay đổi tốc độ quay đầu hàn

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu tài liệu về công nghệ FSW trong nước và trên thế giới;

Nghiên cứu tài liệu về hàn hợp kim nhôm;

Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính trong quá trình hàn FSW

Nghiên cứu thực nghiệm

Lựa chọn thiết bị và thiết bị phụ trợ phù hợp để tiến hành thực nghiệm hàn giáp mối hợp kim nhôm tấm;

Thực hiện các thí nghiệm hàn giáp mối hợp kim nhôm tấm A 5052 dày 6 mm Kiểm tra và đánh giá chất lượng liên kết hàn;

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hàn ma sát

1.1.1 Khái niệm

Hàn ma sát là một trong những dạng hàn áp lực, trong đó nhiệt năng cung cấp cho quá trình hàn nhận được từ hiệu ứng ma sát khi các bề mặt chuyển động tương đối với nhau của hai chi tiết dưới áp lực ép hai chi tiết với nhau làm cho vật liệu khuếch tán vào nhau và tạo ra liên kết Quá trình hình thành liên kết diễn ra ở trạng thái rắn (thường ở trạng thái chảy dẻo)

1.1.2 Lịch sử phát triển

Lịch sử phát triển của hàn ma sát bắt đầu từ hàn ma sát xoay, bằng cách cho

2 vật liệu quay ở tốc độ cao tiếp xúc với nhau và lợi dụng nhiệt ma sát sinh ra trên

bề mặt và áp lực để liên kết chúng lại với nhau Công nghệ hàn ma sát xoay được phát hiện bởi một người thợ tiện của Nga tên là AI Chudikov vào năm 1954 Sau nhiều lần thực nghiệm, ông đã tạo thành công các mối nối từ vật liệu kim loại Từ năm 1956, kỹ thuật này đã được đưa vào nghiên cứu tại Sở nghiên cứu kỹ thuật hàn Soviet (VNIESO) và được coi là kỹ thuật bí mật của Nga Năm 1960, thông tin về

kỹ thuật này lọt vào tay của Nhật bản khi họ đến khảo sát kỹ thuật tại Nga Được biết vào thời gian này, chính phủ Nhật hỗ trợ thành lập các đoàn khảo sát kỹ thuật,

cử các kỹ sư giỏi đi tham quan các xí nghiệp ngoại quốc để học tập, thực ra là một dạng điệp viên kinh tế, lập tức các thông tin kỹ thuật được chuyển về Tokyo và Hiệp hội nghiên cứu kỹ thuật hàn của Anh Quốc (BWRA)

Ngay từ năm 1961 người Nhật đã có những công bố kỹ thuật về hàn ma sát xoay và bắt đầu ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật chế tạo phụ tùng xe hơi

Năm 1962, hãng chế tạo máy dệt Toyota bắt đầu đưa vào chế tạo máy hàn

ma sát xoay hàng loạt dạng phanh

Năm 1964, Nhật thiết lập Hội nghiên cứu hàn ma sát, bắt đầu nghiên cứu hàn

ma sát trên nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo cơ sở lý thuyết cho ra đời các quy chuẩn về hàn ma sát sau này, ví dụ JIS 3607

Trong các năm thập kỷ 70, với yêu cầu cao hơn về hàn các biên dạng tấm phẳng, có kích thước lớn, đòi hỏi các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ hàn ma sát Ma sát tịnh tiến ra đời để đáp ứng nhu cầu trên

Năm 1991 TWI đã phát minh thêm một phương pháp hàn ma sát mới, là hàn

ma sát ngoáy Với các nghiên cứu ban đầu là hàn các vật mềm dẻo như nhôm,

polyme

Năm 1998 hãng Izumi được ủy thác chế tạo toàn bộ từ kỹ thuật bàn giao của Toyota đã chế tạo thành công máy hàn ma sát bán tự động Máy hàn ma sát có khả năng hàn 2 loại vật liệu khác nhau với đường kính nhỏ nhất là 1,6 mm Hiện tại, các hãng chế tạo máy hàn ma sát xoay nổi tiếng là IZUMI Industry, SAKAE Industry, TOYO , NITTO, SEIMITSU, TANAKA Seiki Sangyou Các trường Đại học có phòng nghiên cứu về Hàn ma sát xoay nổi tiếng ở Nhật là: Đại học OSAKA, Đại học KEIO, Đại học Công nghiệp HIMEJI, Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật HYOGO, Sở Nghiên cứu kỹ thuật Tổng hợp trực thuộc Bộ Giáo Dục Nhật

Cho đến nay các phương pháp hàn ma sát vẫn được nghiên cứu và phát triển với các yêu cầu kỹ thuật cao hơn về thiết bị hàn cũng như mở rộng phạm vi ứng dụng phương pháp hàn ma sát cho nhiều dạng vật liệu khó hàn

Đây là phương pháp hàn được sử dụng phổ biến nhất Nó dựa trên cơ sở tỏa nhiệt khi ma sát giữa hai bề mặt đầu có trục quay đồng tâm Phương pháp này được dùng để hàn các chi tiết dạng thanh hoặc ống từ vật liệu đồng chất hoặc khác nhau Nguyên công hàn có thể được phân ra làm các bước sau:

Các phần tử hàn được kẹp trong mâm cặp trên trục chính quay và ngàm kẹp Nếu các chi tiết hàn không có đường tâm đối xứng thì làm đồ gá đặc biệt cho chúng Trục chính quay với số vòng cần thiết, để hai phần tử tiến lại gần nhau rồi tác động lực chiều trục, bắt đầu quá trình hàn Lúc này do ma sát, nhiệt độ tăng, độ bền vật liệu giảm đi tạo nên biến dạng Lực tiếp tục ép làm kim loại dịch chuyển

Điều kiện này được giữ trong một thời gian xác định cho đến khi đạt được nhiệt độ cần thiết ứng với bộ đôi vật liệu hàn Ngừng quay trục chính (tức thời) và

tăng lực tác dụng dọc trục cho đến khi kết thúc quá trình hàn

Hình 1.2 Các bước hàn ma sát quay

* Ưu điểm:

- Hàn các chi tiết dạng thanh, ống tròn xoay hoặc không tròn xoay;

- Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ;

- Năng suất cao;

- Hàn các kim loại khác nhau với nhau

* Nhược điểm:

- Lượng chùm của kim loại mối hàn lớn;

- Phải gia công cơ khí sau hàn;

- Thiết bị đắt tiền

như hình 1.4

* Ưu điểm [2]:

- Hàn các chi tiết dạng thanh, ống không tròn xoay;

- Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ;

- Ứng dụng rất nhiều trong hàn chất dẻo;

- Hàn các kim loại khác nhau với nhau

* Nhược điểm [2]:

- Lượng chùm của kim loại mối hàn lớn;

- Phải gia công cơ khí sau hàn;

- Không thích hợp lắmđối với vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao;

- Hàn giáp mối các chi tiết dạng tấm (phẳng hoặc định hình profil) đến 25mm;

- Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ;

- Dễ cơ khí hóa, tự động hóa (dùng Robot);

- Hàn được các hợp kim đặc biệt trong hàng không, vũ trụ

Hàn điểm ma sát ngoáy

Một trong những biến thể của hàn ma sát ngoáy là hàn điểm bằng ma sát (hình 1.6) Đặc biệt nó được sử dụng để hàn nhôm thay cho hàn hồ quang và hàn điện tiếp xúc, khi có khó khăn về công nghệ do độ dẫn điện và nhiệt của nhôm cao

Khác với hàn điểm tiếp xúc, hàn ma sát không cần dùng dung dịch làm nguội hoặc khí nén, nên giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ Vốn đầu tư cho thiết bị hàn ma sát thấp hơn so với hàn điện tiếp xúc khoảng 40% Khi hàn ma sát không phải làm sạch sơ bộ các bề mặt làm việc, không bị bắn tóe kim loại nóng chảy

Hình 1.6 Hàn điểm ma sát ngoáy và cấu trúc mối hàn

1.2 Công nghệ hàn ma sát ngoáy

Hàn ma sát ngoáy là một trong những công nghệ hàn mà vật liệu cơ bản

nhiều các loại vật liệu như: hợp kim nhôm, thép không rỉ, hợp kim đồng, niken, magie và hợp kim titan, và các kim loại khác nhau FSW không cần kim loại bổ

trong thập niên qua và là một công nghệ xanh do hiệu quả năng lượng và bảo vệ

ộc khi hàn, không phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ, …

hàn với nhau bằng FSW với một chế độ hàn hợp lý và đầu hàn chuyên dụng [3]

1.2.1 Nguyên lý hàn ma sát ngoáy

Hình 1.7 Nguyên lý hình thành mối hàn FSW Nguyên lý hình thành mối hàn FSW (hình 1.7):

Dùng một dụng cụ xoay (đầu hàn) được thiết kế đặc biệt gồm: đầu ngoáy và vai tỳ Trước tiên, đầu hàn vừa quay vừa đi xuống, phần đầu ngoáy xuyên vào phôi hàn (tương ứng với chiều sâu ngấu cần thiết), vai tỳ đầu hàn tỳ sát vào bề mặt phôi, sau đó di chuyển dọc theo hướng hàn để hình thành mối hàn Với nhiệt ma sát sinh

ra làm vật liệu phôi hàn phía dưới vai tỳ chuyển sang trạng thái chảy dẻo, vùng vật liệu này được đầu ngoáy ngoáy trộn vào nhau Sau khi nguội vị trí vật liệu chảy dẻo chuyển sang trạng thái rắn và hình thành đường hàn FSW Do vật liệu không ở trạng thái nóng chảy rồi đông lại nên tính chất mối hàn sẽ tốt, cơ tính đảm bảo, loại trừ khuyết tật, rỗ [3]

Nhiệt ma sát được sinh giữa vai tỳ và đầu ngoáy của đầu hàn với các phôi hàn có tính chịu mài mòn cao Nhiệt này, giống như nhiệt từ quá trình hòa trộn cơ học và là đoạn nhiệt trong vật liệu, gây bởi vật liệu bị xoắn chuyển từ rắn sang mềm

mà chưa đạt đến điểm chảy (quá trình trạng thái rắn) Quá trình hàn của vật liệu được dễ dàng nhờ biến dạng dẻo khốc liệt ở trạng thái rắn có xảy ra quá trình tái kết tinh động của vật liệu hàn

1.2.2 Đặc điểm của FSW

Trái ngược với công nghệ hàn truyền thống, FSW có thể thực hiện được với nhiều kim loại có thông số nhiệt nóng chảy khác nhau Không chỉ có thể hàn nhôm với nhôm mà FSW có thể hàn thép với nhôm hoặc nhiều kim loại khác Trước khi công nghệ này xuất hiện, việc kết hợp này rất tốn kém về thời gian và chi phí mặc

dù kết quả đạt được là mối hàn thường nhanh giòn và độ bền không cao

Dựa trên nguyên lý hàn nối ở trạng thái rắn (kim loại không bị nóng chảy trong quá trình hàn), phương pháp này được ứng dụng cho các kim loại có đặc tính phải duy trì nhiệt trong suốt quá trình hàn Công nghệ này chủ yếu sử dụng để hàn nhôm và hầu hết là các tấm nhôm lớn mà không thể dễ dàng xử lý nhiệt sau khi hàn

để phục hồi đặc tính ban đầu Điển hình là các hợp kim nhôm 2XXX đến 7XXX, magiê và đồng

Một số ưu - nhược điểm của công nghệ FSW:

Ưu điểm: Các ưu điểm của FSW như sau:

- Độ biến dạng và co ngót thấp, ngay cả trong các mối hàn dài;

- Tính chất cơ lý tuyệt vời trong các kiểm tra mỏi, kéo nén và uốn cong;

- Không có phát sinh tia hồ quang, năng lượng bức xạ và khói độc;

- Không có độ xốp;

- Có thể hoạt động ở tất cả các vị trí;

- Tiết kiệm năng lượng;

- Một công cụ thường được sử dụng cho đến 1000 m chiều dài mối hàn trong hợp kim nhôm;

- Không sử dụng vật liệu hàn bù;

- Không sử dụng khí che chắn mối hàn trong quá trình hàn;

- Một số dung sai đối với các chế phẩm hàn không hoàn hảo - các lớp mỏng oxit có thể được chấp nhận;

- Không cần gia công làm sạch bề mặt mối hàn trong sản xuất hàng loạt, có thể hàn nhôm và đồng > 75 mm độ dày trong một lần

Nhược điểm: bên cạnh những ưu điểm thì hàn FSW cũng có những nhược

điểm đó là chi phí thực hiện cao, thiết bị hàn được thiết kế chế tạo cho từng đối tượng hàn, tùy theo biên dạng, kiểu lắp ghép và tính chất vật liệu vật hàn

Các yếu tố cơ bản làm hạn chế việc sử dụng hàn FSW là:

- Cần kẹp rất chặt các chi tiết hàn;

- Xuất hiện lỗ tại cuối đường hàn;

- Cần thiết kế và chế tạo các đầu hàn chuyên dụng;

liệu bị mất cơ tính vốn có do biến dạng nhiệt dẻo

1.2.3 Ứng dụng của FSW

Với nhưng ưu điểm vượt trội so với các phương pháp hàn hàn khác FSW đang được triển khai ứng dụng nhiều vào dây chuyền sản xuất thiết bị công nghiệp, trong số đó FSW cho hợp kim nhôm, đồng đã và đang được ứng dụng mạnh mẽ trong các ngành công nghiệp, điển hình như:

Ngành công nghiệp đóng tàu và hàng hải là hai trong số những ngành đầu tiên đã áp dụng quy trình hàn FSW cho các ứng dụng thương mại

Quá trình này phù hợp với các ứng dụng sau:

- Tấm sàn, mặt bích, tấm áp và sàn nhà;

- Thân và vỏ thượng tầng;

- Cơ cấu hàng hải và vận tải;

- Cột buồm, ví dụ như cho thuyền buồm;

- Nhà máy lạnh

Hiện nay, ngành công nghiệp hàng không vũ trụ là ngành đầu tiên áp dụng công nghệ với nguyên liệu sản xuất bằng cách hàn FSW Các ứng dụng công nghệ

để hàn vỏ tàu đến thân tàu, khung xương và các chuỗi chi tiết chính sử dụng trong máy bay quân sự và dân sự Điều này mang lại những lợi ích đáng kể so với việc gia công chế tạo trước đây, chẳng hạn như tiết kiệm chi phí sản xuất và giảm trọng

lượng tàu Mối hàn theo chiều dọc trong thùng nhiên liệu hợp kim nhôm cho các phương tiện không gian đã được gia công bằng công nghệ hàn FSW và được sử dụng thành công Quá trình này cũng có thể được sử dụng để tăng kích thước của các tấm có sẵn thương mại bằng cách hàn chúng trước khi hình thành

Quá trình hàn FSW có thể được xem xét:

- Cánh, thân máy bay, đuôi máy bay;

- Thùng nhiên liệu cryogenic cho xe không gian;

- Thùng nhiên liệu hàng không;

- Tên lửa quân sự và khoa học;

- Sửa chữa các mối hàn MIG sai;

- Máy bay trực thăng hạ cánh;

Hiện nay trên thế giới đã sản xuất thương mại các đoàn tàu cao tốc làm từ nhôm ép đùn, có thể được gia công bằng công nghệ hàn FSW

Quá trình hàn FSW hiện đang được sử dụng thương mại và cũng đang được đánh giá bởi một số công ty và nhà cung cấp ô tô

Các ứng dụng hiện tại và tiềm năng bao gồm:

- Chân máy và khung gầm;

- Xe tăng giáp;

- Tàu chở dầu;

- Toa xe di động;

- Xe buýt và xe vận tải hàng không

1.3 Công nghệ hàn hợp kim nhôm

1.3.1 Nhôm và hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống, việc sử dụng nhôm hiện nay có thể đã vượt qua những kim loại khác, chính vì vậy trong nền kinh

tế, nhôm có một vị trí nhất định không thể thay thế Với nhôm nguyên chất sẽ có sức chịu kéo thấp, nhôm có thể tạo ra nhiều hợp kim với nhiều nguyên tố như kẽm, magiê, đồng, mangan và silic Sau đây là những ứng dụng quan trọng của nhôm và hợp kim nhôm để các bạn biết được tầm quan trọng:

- Nhôm được dùng để làm vỏ phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu nhằm tăng nhiệt độ nhờ nhôm có tính hấp thụ bức xạ điện từ Mặt Trời khá tốt

- Với tính chất nhẹ và bền hợp kim nhôm được dùng trong ngành công nghiệp chế tạo, cụ thể là tạo ra các chi tiết cho xe ô tô, xe tải, tàu hỏa, tàu biển và cả máy bay,…

- Có công dụng trong việc đóng gói như can, giấy gói,…

- Đặc biệt với nhôm siêu tinh khiết (SPA) có chứa 99,980%-99,999% được

sử dụng trong công nghiệp điện từ, sản xuất đĩa CD,…

- Với nhôm dạng bột thì dùng vào việc tạo màu bạc trong sơn, bông nhôm dùng trong sơn lót trong việc xử lý gỗ để kháng nước

- Còn có nhôm dương cực hóa chống ôxi hóa thường được sử dụng nhiều trong ngành xây dựng với nhiều lĩnh vực

- Các bộ tản nhiệt CPU trong máy tính và laptop thường làm từ nhôm

- Có ôxít nhôm trong tự nhiên ở dạng corunđum, emery, ruby và saphia được dùng để sản xuất thủy tinh Ruby và saphia tổng hợp trong ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả năng giao thoa

- Nhôm khi ôxi hóa sẽ tạo nhiệt độ cao, chính vậy nên được dùng làm nguyên liệu rắn cho tên lửa, các thành phần trong hóa học

- Nhôm có phản ứng nhiệt dùng điều chế những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như crôm Cr Vonfarm W,…

Trên là những ứng dụng của nhôm và hợp kim nhôm, điều đó cho thấy nhôm

là một vật liệu có ảnh hưởng rất lớn trong mỗi ngành Nhôm là nguyên tố hoá học với ký hiệu Al với số nguyên tử bằng 13 Nguyên tử khối bằng 25 dvC Khối lượng riêng 2,7g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy là 6600C Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ 3 (sau oxy và silic) và là kim loại phổ biến nhất trong vỏ trái đất Nhôm chiếm 8% khối lớp rắn trái đất Kim loại nhôm hiếm phản ứng hoá học mạnh với các mẫu quặng và có hạn chế trong các môi trường khử mạnh [4] Tuy vậy, nó vẫn được tìm thấy ở dạng hợp chất trong hơn 270 loại khoáng vật khác nhau [5] Quặng chính chứa nhôm là boxit Thuộc tính của nhôm là một kim loại mềm, nhẹ với màu xám bạc ánh kim mờ, vì có một lớp oxit tạo thành rất nhanh khi để ở môi trường bình thường, dễ uốn và dễ dàng gia công, không nhiễm từ và không cháy khí ở ngoài không khí [4]

Nhằm tăng cường các thuộc tính có lợi để ứng dụng trong sản xuất nhiều hơn, trong quá trình luyện nhôm, nhôm thỏi được nấu chảy và trôn them các kim loại khác như magnesium, silica, đồng, manganese,…[4] để tạo thành hợp kim nhôm Hợp kim nhôm có những tính chất nổi bật: tỉ trọng thấp, tính chống ăn mòn trong khí quyển do đó có thể sử dụng đa ngành mà không cần sơn bảo vệ, tính dẫn điện được ứng dụng rất nhiều trong ngành điện lực, tính dẻo cao nên khả năng gia công cơ khí dễ dàng

Tính chống mài mòn của nhôm tùy vào lớp màng oxide mỏng và cứng bên ngoài Lớp màng này có thể dày tới 0.2 milimet

Nhôm có tính dẫn nhiệt cao thích hợp cho những nơi làm việc cần trao đổi nhiệt như bộ phận làm mát của tủ lạnh và các thành phần của động cơ Nhôm được định hình theo hình dạng thích hợp cho những bộ phận cần dẫn nhiệt

Nhôm không có từ tính nên được dùng cho các thiết bị điện áp cao như tấm chắn kĩ thuật điện

Nhôm dễ định hình tạo hình dáng khác nhau, nhôm có độ bền vào độ dẻo tốt

có thể uốn lại nếu như bị móp mép Có nhiều cách để định hình nhôm, uốn, ép, kéo

Các loại nhôm và hợp kim nhôm thường gặp:

- Nhôm nguyên chất (1XXX series)

- Hợp kim nhôm-đồng (2XXX series)

- Hợp kim nhôm-mangan (3XXX series)

- Hợp kim nhôm-silic (4XXX series)

- Hợp kim nhôm-magiê (5XXX series)

- Hợp kim nhôm-magiê-silicon (6XXX series)

- Hợp kim nhôm-kẽm-magiê (7XXX series)

- Các hợp kim khác (8XXX series)

Trong đó hợp kim nhôm – magiê (5XXX series) được ứng dụng rộng rãi tại

các nước phát triển trong các ngành xây dựng, công nghiệp đóng tàu, hàng không,

A 5052 là một loại hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng xử lý nhiệt Tính hàn tốt, dễ định hình và chống ăn mòn (bao gồm cả khả năng chống nước muối) Hợp kim nhôm A 5052 được sử dụng nhiều trong công nghiệp chế tạo như: thân xe ôtô, các cấu trúc tiếp xúc với môi trường biển, các ứng dụng công nghiệp, tủ bếp, những chiếc thuyền nhỏ, máy làm đá gia đình, thùng sữa, ống máy bay, hàng rào, và các thiết bị khác Với những ứng dụng trên, hợp kim nhôm A

5052 được tác giả lựa chọn làm mẫu thí nghiệm hàn giáp mối với công nghệ FSW

1.3.2 Tính hàn của nhôm và hợp kim nhôm

Khối lượng riêng của Al : 2,7 g/cm3; Al2O3: 3,6 g/cm3

nhôm bằng một trong các biện pháp sau đây [6]:

- Cơ học: mài dũa, chải bằng bàn chải có sợi thép không gỉ

- Hóa học: thuốc hàn tạo thành các chất dễ bay hơi:

Al2O3+ 6KCl 2AlCl3 + 3K2O Dung dịch axit kiềm

ồ

- Hồ quang: hiệu ứng bắn phá catot của hồ quang

Tại nhiệt độ cao, độ bền giảm nhanh, làm nhôm bị sụt khi hàn Độ chảy loãng cao, nhôm dễ bị chảy ra khỏi chân mối hàn Ngoài ra nhôm không bị đổi màu khi hàn nên thợ hàn khó phân biệt và điều chỉnh kích thước vũng hàn

Hệ số dãn nở nhiệt cao, module đàn hồi thấp, nhôm dễ bị biến dạng khi hàn (cần nguồn nhiệt lớn và tập chung,

Hydrô là nguồn gây rỗ khí chủ yếu khi hàn nhôm, cần phải loại bỏ các hợp chất chứa khí Hydrô trên bề mặt hàn Độ hòa tan củ

hydro sẽ hình thành "bong bóng" và bị mắc kẹt trong mối hàn tạo thành rỗ xốp

Nhôm dẫn nhiệt tốt nên khi hàn phải dùng nguồn nhiệt có công suất lớn hoặc nguồn xung

Ngày nay công nghệ hàn nhôm đã phát triển khá mạnh và phương pháp hàn nhôm cũng trở nên khá đa dạng Trong đó các phương pháp hàn thường được sử

1.3.3.1 Hàn hồ

1.8

sử dụng điện cực dưới dạng que hàn (thường có vỏ bọc), trong đó tất cả các thao tác (gây hồ quang, dịch chuyển que hàn, thay que hàn, ) đều do người thợ hàn thực hiện bằng tay

Khi ứng dụng vào hàn nhôm sẽ có một số khó khăn là mối hàn không được liên tục do phải thay que hàn, khi đó nguồn nhiệt sẽ bị gián đoạn gây ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn Phương pháp hàn này gây bắn tóe nên cũng gây khó khăn cho khâu vệ sinh sau khi hàn

1.3.3.2 Hàn TIG (GTAW)

1.9 NHàn TIG hay còn gọi là hàn hồ quang điện cực không nóng chảy (tungsten) trong môi trường khí trơ bảo vệ

Phương pháp này ứng dụng trong hàn nhôm khá nhiề

Ưu điểm [6]:

- Phương pháp này có đặc điểm là dây hàn được cấp một cách liên tục, do đó quá trình thực hiện bằng MIG/MAG sẽ nhanh hơn so với quá trình hàn TIG hay SMAW

- Nó có thể thực hiện được các liên kết hàn với chiều sâu ngấu chảy lớn

- Nó có thể hàn được cả tấm mỏng lẫn tấm dày

- Quá trình hàn MIG/MAG cho hệ số đắp kim loại rất lớn

- Quá trình này dễ dàng thực hiện (vận hành)

- Không cần sử dụng thuốc hàn, sản phẩm hàn MIG/MAG mịn, đẹp, gọn

giúp cho làm giảm tổng chi phí hàn

- Có thể hàn với tốc độ cao, VAHN nhỏ, làm giảm nguy cơ biến dạng khi hàn

Nhược điểm [6]:

và kỹ càng để có thể đưa ra được một mối hàn có kết quả tốt

- Khí bảo vệ có thể dễ dàng phát tán nếu điều kiện che chắn không được tốt,

do đó hàn MIG/MAG sẽ gặp rất nhiều khó khăn trong điều kiện hàn ở ngoài trời nếu không được che chắn tốt

-Tốc độ nguội của kim loạ

1.3.3.4 Hàn plasma (PAW)

Quá trình hàn Plasma được xem là một dạng cải tiến của quá trình hàn điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GTAW) Giống với quá trình GTAW, quá trình PAW cũng sử dụng điện cực không nóng chảy, tuy nhiên, điểm

khác biệt ở chỗ mỏ hàn của PAW tạo ra một buồng khí nén xung quanh điện cực Nhiệt của hồ quang sẽ làm nóng dòng khí đi qua buồng nén ở nhiệt độ cao khiến cho các phân tử khí bị ion hóa và dẫn điện, tạo thành dòng Plasma Dòng Plasma đi

Hình 1.11 Sơ đồ mỏ hàn hàn hồ quang plasma

Ưu điểm:

- Mức độ tập trung năng lượng cao hơn;

- Độ ổn định hồ quang cao, đặc biệt ở chế độ cường độ dòng điện hàn thấp;

- Dòng khí plasma có tốc độ cao hơn;

- Các thông số của vũng hàn ít phụ thuộc và sự thay đổi khoảng cách làm việc;

- Không xảy ra hiện tượng nhiễm vật liệu điện cực vonfram vào vật hàn;

- Yêu cầu đối với kỹ năng thợ hàn thấp hơn khi hàn tay

Nhược điểm

- Thiết bị đắt tiền hơn;

- Vòi phun có tuổi thọ thấp;

- Thợ hàn phải có hiểu biết sâu về quá trình hàn này;

- Mức độ tiêu thụ khí bảo vệ cao

1.3.3.5 Hàn laser (LBW)

Đây là phương pháp hàn đặc biệt thuộc nhóm hàn nóng chảy, trong đó kim loại ở chỗ nối được nung chảy bằng tia laze tập trung công suất lớn do máy phát lượng tử quang học tạo ra LBW thường dùng để nối các chi tiết lắp ở những chỗ khó chạm tới, hàn các chi tiết rất nhỏ, hàn vật liệu có độ chảy cao (như gốm)

Hình 1.12 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động laze sử dụng hồng ngọc

1 Bộ cung cấp và điều khiển điện; 2 Buồng phản xạ ánh sáng; 3 Đèn phát xung;

4 Thanh hồng ngọc; 5 Gương phản xạ toàn phần; 6 Gương phản xạ bán phần;

7 Thấu kính hội tụ; 8 Chi tiết; 9 Bàn gá; 10 Tế bào quang điện

Ưu điểm:

- Có thể hàn lazer cho các mối hàn cùng hoặc khác chất liệu;

- Tia lazer có thể kiểm soát được độ chính xác cao, điểm hàn cũng có thể đặt được chính xác;

- Tốc độ nung nóng cũng như làm nguội cao, vùng ảnh hưởng nhiệt là nhỏ do

đó hàn lazer tốt cho các vị trí hàn có liên kết với các bộ phận dễ ảnh hưởng bởi nhiệt;

- Quy trình hàn thu được mối hàn sạch và thường ít phải làm sạch mối hàn

Nhược điểm:

- Tốc độ hàn chậm ( từ 25->250mm/phút );

- Tốc độ nguội nhanh có thể gây ra các vấn đề với mỗi hàn thép cacbon cao;

- Giá thành trong thiết bị là cao so với các phương pháp hàn khác

Tuy nhiên, với các phương pháp hàn nóng chảy tạo ra mối hàn có cơ tính đạt được giá trị không cao, chỉ khoản 65% so với cơ tính kim loại cơ bản, trong quá trình hàn, chi tiết hàn bị biến dạng khá lớn Do đó, đòi hỏi nghiên cứu một phương pháp hàn phù hợp để tăng độ bền mối hàn và giảm biến dạng Hàn ma sát ngoáy là phương pháp tối ưu nhất có thể giải quyết được những đòi hỏi trên, do đó, sau khi được phát minh năm 1991, FSW giành được sự quan tâm của rất nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới

1.4 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng FSW trên thế giới

Các nghiên cứu ban đầu tạo ra những đầu hàn với kết cấu đơn giản, còn hạn chế nhiều về việc tạo nhiệt ma sát và sự ngoáy trộn vật liệu Do đó vật liệu được hàn chủ yếu là vật liệu mềm như nhôm và hợp kim nhôm Với sự đầu tư nghiên cứu tập chung thì các nghiên cứu hiện nay đã đạt được rất nhiều kết quả tiến bộ: hàn được nhiều loại vật liệu cứng hơn như thép, titan,…và các vật liệu khác nhau đều có thể liên kết được với những đầu hàn được thiết kế đặc biệt

Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ thế giới, tính đến thời điểm hiện tại có rất nhiều các nghiên cứu, báo cáo khoa học về công nghệ hàn FSW từ các nước phát triển trên thế giới như: Anh, Mỹ, Nhật, Nga, Các kết quả từ các công trình nghiên cứu bao gồm nhiều mảng như: nghiên cứu về nhiệt hàn, đầu hàn, thông số hàn, hàn các vật liệu khác nhau, đánh giá chất lượng mối hàn, ứng dụng công nghệ hàn FSW

Các tác giả R S Mishra, Z Y Ma đã nghiên cứu về cơ chế hình thành mối liên kết bằng FSW và kết cấu vi mô của mối hàn, Họ cũng nêu lên sự ảnh hưởng của các thông số hàn đến cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của FSW Mặc dù phần

lớn thông tin có liên quan đến hợp kim nhôm, nhưng kết quả quan trọng hiện nay đã

có cho các kim loại và hợp kim khác [1]

Năm 2014 tác giả M-K Besharati-Givi_ Parviz Asadi đã mô tả bức tranh toàn diện về sự phát triển FSW và ứng dụng của nó trong tài liệu [3], với hơn 10 chương cuốn sách bao hàm các nội dung về ứng dụng công nghệ, thiết kế chế tạo đầu hàn, vật liệu và dòng nhiệt, tiến hóa vi mô, tính chất cơ học, cơ chế mài mòn, mô phỏng, FSW cho polyme, [3]

Deqing, W., Shuhua, L., Zhaoxia trong nghiên cứu của mình về FSW cho hợp kim nhôm đã thí nghiệm hàn cho một tâm nhôm hóa nhiệt với các tốc độ hàn khác nhau, tốc độ vòng quay đầu hàn và lực ép khác nhau Kết quả thí nghiệm cho thấy kích thước đầu hàn rất quan trọng để tạo ra mối hàn, cấu trúc vi mô của mối hàn đặc trưng bởi độ hạt khi soi, độ bền kéo thấp hơn vật liệu hàn 20 %, Hơn nữa, tốc độ di chuyển của đầu pin hàn có ảnh hưởng mạnh tới độ cứng và độ bền kéo của mối hàn FSW, và tỷ lệ tốc độ quay và tốc độ di chuyển của đầu cần ở một phạm vi hợp lý để đạt được các mối hàn hiệu năng cao [7]

Nghiên cứu thiết kế chế tạo các dạng đầu hàn FSW cũng giành được nhiều

sự quan tâm từ các trung tâm nghiên cứu lớn như NaSa – Cơ quan Hàng không và

Vũ trụ Hoa Kỳ, TWI - Viện hàn Anh quốc, Honda, ESAB, điển hình các sáng chế

số US 7,401,723 B2 ngày 22/ 7/ 2008 “nâng cao công cụ hàn FSW” của tác giả” Israel Stol, Pittsburgh, PA (US) và John W.Cobes, Lower Burrell, PA (US); sáng chế số 6,029,323 A 02/2000 tác giả Cocks; 6,516,992 B1 2/2003 tác giả Colligan;… Và các nghiên cứu như: “mô phỏng hàn FSW” của tác giả Mokhtar Awong năm 2007, “Hàn FSW bằng robots ứng dụng cho công nghiệp ô tô, hàng không” của tác giả Jeroen De Backer và Bert Verheyden năm 2009 Các nghiên cứu cũng đã đi sâu vào phân tích về các ảnh hưởng của thông số hình học, biên dạng, kiểu dáng của đầu ngoáy cũng như vật liệu chế tạo đến chất lượng mối hàn và thích ứng của vật liệu cần hàn

Bên cạnh việc nghiên cứu thì ứng dụng công nghệ hàn FSW vào sản xuất đang được phổ biến và rộng rãi ở các ngành công nghiệp ô tô, đóng tàu, hàng không, tàu cao tốc, quân sự

Kể từ khi phát minh ra FSW của The Welding Institute năm 1991, công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất và kỹ thuật FSW cung cấp cho các nhà sản xuất nhiều lợi ích hơn các phương pháp hàn thông thường bao gồm các mức lỗi thấp hơn, cải thiện tính thẩm mỹ trong sự xuất hiện của mối hàn và chi phí lắp đặt và vận hành thấp hơn sau khi đầu tư ban đầu Sau đây là một loạt các ứng dụng ma sát ngoáy từ điện tử tiêu dùng đến vận chuyển công cộng tốc độ cao

Công nghiệp điện tử [4]

Hình 1.13 Hàn vỏ nhôm máy tính Thế hệ kế tiếp của Apple iMac, Apple sử dụng ma sát ngoáy hàn để liên tục

tham gia các bề mặt nhôm của iMac thế hệ tiếp theo của họ Các kỹ sư của Apple phải đối mặt với một thách thức lớn với thiết kế của iMac - làm thế nào để tham gia vào các phần trước và sau Các phương pháp hàn truyền thống như hàn điểm sẽ dẫn đến các mối hàn không chính xác và không đẹp trên toàn bộ bề ngoài của máy tính Máy hàn FSW cho phép Apple tạo ra các mối nối đáng tin cậy mạnh mà người dùng cuối không thấy được

Công nghiệp chế tạo ô tô [4]

Năm 2006, hãng xe Mazda đã sử dụng FSW để gắn những khung sắt vào bảng điều khiển nhôm của mẫu xe MX-5 Miata Cũng giống như vậy, khung phụ phía trước của mẫu xe Honda Accord có tác dụng nâng đỡ động cơ và một số thành phần hệ thống treo, là sự kết hợp của nhôm và sắt Các chi tiết được phân chia riêng biệt mặc dù Honda cho biết đây là lần đầu tiên sử dụng mối hàn ma sát quay liên tục

và dài trong thành phần kết cấu lưỡng kim trên một chiếc xe sản xuất Hai nửa chồng chéo lên nhau và mối hàn nằm giữa hai thành phần Một rào chắn giữa hai chất liệu nhôm và sắt làm giảm bớt sự ăn mòn Honda hứa hẹn một hợp chất hóa học sắt-nhôm với tên gọi Fe4A113, được định hình trong suốt quá trình hàn ma sát xoay

Hình 1.14 Một số hãng xe ứng dụng FSW vào sản xuất chế tạo Công nghệ hàn mới mẻ đã được ứng dụng trên nhiều bộ phận của xe hơi

Hình 1.15 Gầm trung tâm xe Ford GT Ford áp dụng ma sát ngoáy hàn vào gầm trung tâm của mô hình GT 2005 của

họ Gầm trung tâm gia cố bằng FSW phục vụ hai chức năng, trước tiên nó cung cấp

độ cứng kết cấu và thứ hai nó cung cấp không gian cho bồn chứa nhiên liệu nằm ở

vị trí trung tâm của phương tiện để tránh bị hư hỏng do va chạm Máy hàn FSW cung cấp một phương pháp tự động hiệu quả và tiết kiệm chi phí để đáp ứng nhu cầu hàn của các nhà sản xuất ô tô ngày nay

Tàu cao tốc của Trung Quốc

Máy hàn FSW được sử dụng trong sản xuất toa xe lửa trên toàn thế giới Mạng lưới đường sắt cao tốc của Trung Quốc sử dụng công nghệ Powerstir FSW của Tập đoàn Công nghiệp nặng Precision Technologies Group để kết nối các thanh treo dài 30 mét được sử dụng cho thân xe toa Trung Quốc tự hào có mạng lưới đường sắt dài nhất thế giới vào khoảng 5.800 dặm của các tuyến đường phục

vụ và có kế hoạch tăng lên tới một mạng lưới 16.000 dặm vào năm 2020

Hình 1.16 Tàu điện cao tốc

Công nghiệp hàng không vũ trụ

Hình 1.17 Tàu vũ trụ Orion - Nasa Hai phần của mô-đun phi hành đoàn trong Tàu vũ trụ Orion của NASA đã được hợp nhất cùng với một mối hàn dao động trong độ bền 425 inch FSW cho phép Nasa tạo ra những mối hàn cường độ cao với một hợp kim nhôm siêu nhẹ mà

sẽ không thể sử dụng các phương pháp hàn thông thường FSW cho độ cứng cơ bản tối ưu, có thể chịu được các môi trường khắc nghiệt kinh nghiệm trong chuyến bay không gian

Hàng hải và công nghiệp đóng tàu

Hình 1.18 Phi thuyền Super Liner Ogasawara Quy trình FSW đã được sử dụng rộng rãi trong việc xây dựng các tàu biển Các tàu lót thương mại đặc biệt sử dụng công nghệ này để hàn bảng pano của

vỏ alumina Các siêu Liner Ogasaware, được xây dựng bởi Mitsui Kỹ thuật và Đóng tàu tại Nhật Bản được báo cáo là con tàu lớn nhất được xây dựng thông qua FSW Con tàu có thể đạt tốc độ 42,8 hải lý / giờ và có thể vận chuyển tới 740 hành khách và 210 tấn cước vận chuyển

Công nghiệp hạt nhân

Van hút chân không và bình chứa được sản xuất bởi FSW tại các công ty Nhật Bản và Thụy Sỹ FSW cũng được sử dụng trong việc đóng gói chất thải hạt nhân tại Thụy điển bằng các hộp đồng dày 50 mm

Hình 1.19 Hộp đồng chứa rác thải hạt nhân Việc áp dụng FSW trong rất nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng thể hiện

sự linh hoạt của phương pháp hàn sáng tạo này Viện hàn đã báo cáo rằng có hơn

3000 bằng sáng chế và các ứng dụng bằng sáng chế trên toàn cầu liên quan đến quy trình FSW cho thấy cả ngành công nghiệp và học viện đang tích cực phát triển các lĩnh vực mới, nơi công nghệ có thể được áp dụng

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, với nhu cầu sử dụng vật liệu hợp kim nhôm để thay thế thép trong các ngành công nghiệp đóng tàu, ô tô, thiết bị gia dụng Phương pháp hàn

ma sát ngoáy trở nên ưu việt trong quá trình hàn hợp kim nhôm Thời gian gần đây

đã có một số nghiên cứu về công nghệ hàn ma sát ngoáy đối với một số vật liệu nhưng kết quả còn rất hạn chế Mặt khác, ở Việt Nam chưa có thiết bị FSW chuyên dụng nên công nghệ FSW chưa được ứng dụng phổ biến vào thực tế sản xuất

Một số nghiên cứu trong nước đáng chú ý:

Với hơp kim nhôm AA7075 - T6 , tác giả Dương Đình Hảo và cộng sự đã có một số báo cáo khoa học về FSW như: nghiên cứu về ảnh hưởng của thông số hàn FSW đến độ bền uốn của mối hàn ma sát ngoáy tấm hợp kim nhôm AA7075-T6,