Nghiên cứu thiết kế chế tạo dụng cụ và công nghệ hàn ma sát tự tương tác cho hợp kim nhôm biến dạng

Nghiên cứu này trình bày nghiên cứu thiết kế dụng cụ hàn ma sát với kết cấu hai vai, đồng thời trình bày phương pháp lựa chọn thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm cho v

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ -

NGUYỄN VĂN LŨY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO DỤNG CỤ

VÀ CÔNG NGHỆ HÀN MA SÁT TỰ TƯƠNG TÁC

CHO HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Nguyễn Thanh Hải

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 08 tháng 07 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Đặng Vũ Ngoạn- Chủ tịch hội đồng

2 TS Nguyễn Thanh Hải – Thư Kí

3 PGS.TS Phan Đình Huấn

4 TS Lê Thanh Danh

5 TS Nguyễn Tường Long

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

PGS.TS Đặng Vũ Ngoạn PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN LŨY MSHV: 13043044 Ngày, tháng, năm sinh: 04-10-1990 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Kĩ thuật cơ khí Mã số : 65020103

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO DỤNG CỤ VÀ CÔNG NGHỆ HÀN MA

SÁT TỰ TƯƠNG TÁC CHO HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Tổng quan về công nghệ hàn ma sát khuấy

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

Nghiên cứu và thiết kế dụng cụ hàn ma sát khuấy

Thực nghiệm hàn và xử lý số liệu bằng quy hoạch thực nghiệm

Kiểm tra không phá hủy mối hàn để đánh giá chất lượng

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :11/01/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Lưu Phương Minh

TS Lưu Phương Minh

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN Trước nhất cho tôi kính gởi lời chân thành cảm ơn đến Thầy hướng dẫn TS Lưu Phương Minh đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề

tài luận văn này Ngay từ đầu thực hiện luận văn, Thầy đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi có đủ các máy móc thiết bị để thực nghiệm, luôn đưa ra những ý kiến, lời khuyên xác thực những lúc gặp khó khăn giúp tôi hoàn thành tốt nội dung

Đồng thời xin chân thành cảm ơn:

Quí Thầy cô trong khoa Cơ Khí Trường Đại Học Bách khoa TP HCM và tất

cả quý Thầy cô giảng dạy lớp Cao học khóa 2013 đã dạy cho tôi những kiến thức bổ ích trong suốt thời gian học Cao học tại trường Cũng như đã bỏ thời gian quý báu để chấm nhận xét đề tài

Ban Giám Hiệu và quý Thầy trong khoa cơ khí chế tạo máy Trường Cao đẳng

Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long đã tạo điều kiện, giúp đỡ các trang thiết bị máy móc, vận hành máy CNC đã giúp 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

Anh Mai Đăng Tuấn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Cha mẹ, những người thân trong gia đình và bạn bè đã hổ trợ, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng xin chúc các quý Thầy cô, cha mẹ , bạn bè luôn luôn mạnh khỏe và thành công trong cuộc sống Xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, Ngày 10 tháng 06 năm 2015

Nguyễn Văn Lũy

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hàn ma sát khuấy là bước tiến quan trọng nhất về lĩnh vực hàn trong thập niên qua, và là một “công nghệ xanh” do hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường, tiêu thụ ít năng lượng một cách đáng kể, không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóng chảy, không có khí độc khi hàn, không phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ, Do đó tạo môi trường trong sạch Ngoài ra FSW không cần sử dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, cơ tính mối hàn tốt

Từ những ưu điểm vượt trội vừa nêu, việc nghiên cứu ứng dụng của phương pháp hàn ma sát khuấy (FSW) 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 Nghiên cứu này trình bày nghiên cứu thiết kế dụng cụ hàn ma sát với kết cấu hai vai, đồng thời trình bày phương pháp lựa chọn thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm cho vật liệu hợp kim nhôm biến dạng Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp các thông số công nghệ cho quá trình hàn ma sát khuấy trên hợp kim nhôm đạt độ tin cậy cao

Từ khóa: Hàn ma sát khấy, Hợp kim nhôm, dòng chảy vật liệu, cơ tính, vùng ảnh

hưởng nhiệt

Friction stir welding is an important advance in welding technology, a “Green technology” due to its energy eficiency and enviromental friendliness, low power comsumption, no gas shielding for welding aluminium, no fusion process, no arc or fumes and no radiation energy In addition, no need filler wire required, excellent mechanical properties in fatigue, tensile and bend tests

Base on above advantages, the research on applicating FSW has great significance in advancing the weld joint quality and diversity of welding technology in the future This study presents the design of bobbin tool, it has two shoulders connected by a pin, the method of selecting the best technology parameters

in experimental conditions for formed aluminum alloy The results of this study will provide the optimization of the FSW process on alumium alloy to achive reliability and efficiency

Keywords: Friction stir welding, Aluminium alloys, Plastic flow, Mechanical

properties, Thermomechanically affected zone

v

LỜI CAM ĐOAN

Tôi, Nguyễn Văn Lũy xin cam đoan:

 Luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của chính bản thân tôi

 Số liệu trong luận văn là trung thực và chưa được một ai khác công bố

 Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên cao học

Nguyễn Văn Lũy

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iv

LỜI CAM ĐOAN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tình hình nghiên cứu 4

1.1.1 Ngoài nước 4

1.1.2 Trong nước 6

1.3 Ứng dụng của hàn ma sát khuấy trong công nghiệp 7

1.4 Lý do lựa chọn đề tài 9

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 10

1.6 Ý nghĩa thực tiễn và lợi ích của đề tài 10

1.6.1 Khoa học 10

1.6.2 Thực tiễn 10

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

2.1 Các vùng kim loại mối hàn 12

2.2 Cơ tính mối hàn 13

2.3 Khuyết tật mối hàn ma sát khuấy 14

vii

2.4 Quá trình sinh nhiệt khi hàn 19

2.4.1 Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hàn 19

2.4.2 Ứng suất trượt tiếp xúc 23

2.5 Dòng chảy vật liệu 24

2.6 Quá trình cơ nhiệt xảy ra ở trung tâm mối hàn 27

2.7 Sự thay đổi tổ chức tinh thể của một số hợp kim nhôm điển hình 29

2.7.1 Hợp kim không xử lý nhiệt 29

2.7.2 Hợp kim xử lý nhiệt quá già 29

2.7.3 Hợp kim nhôm hóa già nhân tạo 32

2.8 Kết luận 33

3 THIẾT KẾ DỤNG CỤ 35

3.1 Cấu tạo dụng cụ hàn 35

3.2 Vật liệu chế tạo dụng cụ: 36

3.3 Thiết kế dụng cụ hàn: (Tool) 40

3.3.1 Vai dụng cụ 40

3.3.2 Thiết kế Pin 42

3.3.3 Kích thước dụng cụ: 47

3.3.4 Phân tích lựa chọn dụng cụ 48

3.3.5 Khoảng cách giữa hai vai 50

3.3.6 Bộ gá dụng cụ 52

3.3.7 Đề xuất mô hình thiết kế dụng cụ 54

4 THỰC NGHIỆM 57

4.1 Phương pháp thực nghiệm và phát biểu bài toán hộp đen 57

4.1.1 Giới hạn các thông số nghiên cứu thực nghiệm 57

4.1.2 Hàm mục tiêu của hệ thống 57

4.1.3 Các thông số đầu vào ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu: 57

4.1.4 Cơ sở giới hạn các thông số nghiên cứu đầu vào: 57

4.1.5 Các yếu tố nghiên cứu đầu vào 58

4.1.6 Phát biểu bài toán hộp đen: 58

4.2 Mô hình thí nghiệm, thiết bị, phôi, dụng cụ hàn, đồ gá: 59

4.2.1 Mô hình thí nghiệm 59

4.2.2 Thiết bị 59

4.2.3 Phôi 60

4.2.4 Dụng cụ 61

4.2.5 Đồ gá vật liệu hàn 62

5 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 63

5.1 Thực nghiệm đơn yếu tố 63

5.1.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của số vòng quay dụng cụ 63

5.1.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc hàn 64

5.1.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách vai 65

5.2 Quy hoạch yếu tố thực nghiệm toàn phần 65

5.2.1 Kiểm tra ý nghĩa của các hệ số phương trình hồi quy 68

5.2.2 Kiểm tra tính thích hợp của phương trình hồi quy 69

5.2.3 Đồ thị biểu thị mối tương quan giữa hàm mục tiêu và yếu tố ảnh hưởng 70

5.2.4 Tối ưu hóa các thông số công nghệ 73

5.3 Quan sát trực quan 74

5.4 Kiểm tra không phá hủy mối hàn 76

6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

ix

6.1 Kết luận 79

6.2 Kiến nghị 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 83

PHỤ LỤC A 84

PHỤ LỤC B 85

PHỤ LỤC C 87

PHỤ LỤC D 88

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 89

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hàn ma sát khuấy 1

Hình 1.2 Dụng cụ hàn ma sát khuấy 3

Hình 1.3 Một số dạng dụng cụ trong hàn ma sát khuấy 3

Hình 1.4 Hàn ma sát khuấy tự tương tác dùng Bobbin tool [14] 6

Hình 1.5 Ứng dụng của hàn ma sát khuấy trong công nghiệp 8

Hình 1.6: Thiết bị hàn ma sát khuấy trong công nghiệp 9

Hình 2.1 Các vùng kim loại mối hàn 12

Hình 2.2 Phân bố ứng suất dư trong mối hàn [2] 13

Hình 2.3 So sánh giữa hàn MIG và hàn FSW đối với nhôm 14

Hình 2.4 Vùng ảnh hưởng nhiệt của hàn FSW và hàn MIG 15

Hình 2.5 Khuyết tật rổ khí dạng liên tục 16

Hình 2.6 Khuyết tật rổ khí dạng không liên tục 16

Hình 2.7 Khuyết tật do thiểu tốc 17

Hình 2.8 Khuyết tật đứt quãng 17

Hình 2.9 Khuyết tật bavia 18

Hình 2.10 Khuyết tật chảy sệ 18

Hình 2.11 Khuyết tật ngõ ra 19

Hình 2.12 Kích thước mặt cắt ngang vùng hàn 21

Hình 2.13 Khoảng cách giữa các bước hàn 25

Hình 2.14 Dòng chảy vật liệu [17] 26

Hình 2 15 Mô hình 3D dòng chảy vật liệu bên trong mối hàn 26

Hình 2.16 Dòng chảy vật liệu quanh Pin [17] 27

Hình 2.17 Sự phân bố độ cứng trong mối hàn.[16] 30

Hình 2.18 Mối liên hệ giữa vận tốc hàn và năng lượng hàn.[16] 30

Hình 2.19 Ảnh hưởng của vận tốc hàn đến độ cứng kim loại mối hàn.[16] 31

Hình 2.20 Ảnh hưởng của vận tốc hàn đến độ cúng vùng HAZ.[16] 32

Hình 3.1 Các dạng dụng cụ Bobbin 35

Hình 3.2 Các dạng hình học của vai dụng cụ 40

Hình 3.3 Một số cấu hình của vai dụng cụ.[1] 41

Hình 3.4 Vai có ghờ hình xoắn ốc 41

Hình 3.5 Cấu hình vai lồi 42

Hình 3.6 Bảng tổng hợp hình dáng các đầu Pin 43

ix

Hình 3.7 Đầu khuấy hình trụ tròn [4] 43

Hình 3.8 Đầu khuấy hình nún cụt [4] 44

Hình 3.9 Đầu khuấy xoắn có bậc[4] 44

Hình 3.10 Đầu khuấy có vát cạnh 45

Hình 3.11 Đầu khuấy có vòng gân xoắn.[9] 45

Hình 3.12 Đầu khuấy ba cạnh [9] 46

Hình 3.13 Đầu khuấy không răng [9] 46

Hình 3.14 Đầu khuấy có hai vai tự chỉnh.[1] 47

Hình 3.15 Mô hình dụng cụ sử dụng trong để tài 50

Hình 3.16 Ảnh hưởng của lực dọc trục [30] 51

Hình 3.17 Sơ đồ tiếp xúc dụng cụ và vật liệu 51

Hình 3.18 Mối hàn với các mức tiếp xúc [20] 52

Hình 3.19 Phản ứng của dụng cụ nỗi và cố định [17] 53

Hình 3.20 Phản ứng của dụng cụ nỗi và cố định với tốc độ hàn thấp [17] 53

Hình 3.21 Vai dưới dụng cụ Bobbin 54

Hình 3.22 Vai trên dụng cụ Bobbin tool 55

Hình 3.23 Pin dụng cụ hàn 55

Hình 3.24 Mô hình dụng cụ Bobbin sử dụng cho thí nghiệm 56

Hình 4.1 Bài toán hộp đen cho quá trình nghiên cứu 58

Hình 4.2 Mô hình thực hiện thí nghiệm 59

Hình 4.3 Máy CNC thực hiện thí nghiệm 59

Hình 4.5 Vật liệu tấm nhôm dùng trong thí nghiệm hàn ma sát khuấy 60

Hình 4.6 Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM E8 61

Hình 4.7 Dụng cụ Bobbin dùng trong thí nghiệm 61

Hình 4.8 Bộ gá dụng cụ Bobbin tool 62

Hình 4.9 Bộ kẹp giữ tấm hàn 62

Hình 5.1 Biểu đồ thực nghiệm đơn yếu tố khi số vòng quay thay đổi 64

Hình 5.2 Biểu đồ thực nghiệm đơn yếu tố khi tốc độ hàn thay đổi 64

Hình 5.3 Biểu đồ thực nghiệm đơn yếu tố khi tốc độ hàn thay đổi 65

Hình 5.4 Ứng suất kéo của mối hàn khi thay đổi trục chính 71

Hình 5 5 Ứng suất kéo của mối hàn khi thay đổi tốc độ hàn 71

Hình 5.6 Ứng suất kéo của mối hàn khi thay đổi tốc độ hàn 72

Hình 5.7 Sự ảnh hưởng của số vòng quay và khoảng cách vai đến độ bền kéo 72

Hình 5.8 Sự ảnh hưởng của số vòng quay và khoảng cách vai đến độ bền kéo 73

Hình 5.9 Sự ảnh hưởng của số vòng quay và khoảng cách vai đến độ bền kéo 73

Hình 5.10 Mối hàn tương ứng với khoảng cách vai L=5mm, N=700 V/phút, V=20mm/phút 74

Hình 5.11 Mối hàn tương ứng với khoảng cách vai L=5mm, N=700 V/phút, V=40mm/phút 75

Hình 5.12 Mối hàn tương ứng với khoảng cách vai L=4.8mm, N=700 V/phút, V=30mm/phút 75

Hình 5.13 Mối hàn tương ứng với khoảng cách vai L=4.6mm, N=700 V/phút, V=30mm/phút 76

Hình 5.14 NDT mẫu hàn 700-30-5 76

Hình 5.14 NDT mẫu hàn 700-30-4.8 77

Hình 5.14 NDT mẫu hàn 700-30-4.8 77

xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Vật liệu dụng cụ ứng với từng loại vật liệu hàn [1] 37

Bảng 3.2 So sánh giữa các vật liệu dụng cụ (đối với mối hàn giáp mí) 39

Bảng 3.3 Kích thước một số dụng cụ 47

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của mức tiếp xúc đến các thông số [17] 52

Bảng 4.1 Thông số vật liệu nhôm 6061-T6 60

Bảng 4.2 Tính chất vật liệu AA 6061-T6 60

Bảng 5.1 Kết quả khảo nghiệm khi (n) thay đổi 63

Bảng 5.2 Kết quả khảo nghiệm khi (v) thay đổi 64

Bảng 5.3 Kết quả khảo nghiệm khi (n) thay đổi 65

Bảng 5 4 Bảng kết quả khảo nghiệm kkhi n, v, L thay đổi 66

Bảng 5.5 Bảng tính toán phương sai tái hiện 68

Bảng 5.6 Bảng tính các giá trị ti 68

Bảng 5.7 Bảng tính phương sai thích hợp 69

BẢNG CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu Hệ số, đại lượng Đơn vị

Q1 Nhiệt lượng do vai trên sinh ra W

Q2 Nhiệt lượng do vai dưới sinh ra W

qup,qdown Dòng nhiệt thoát ra ngoài môi

Hàn ma sát khuấy là một bước tiến mới trong công nghệ hàn Mối hàn ma sát khuấy được tạo ra bởi một dụng cụ hình trụ quay xoáy vào vật liệu và di chuyển dọc theo đường hàn Nhiệt do ma sát được tạo ra bởi vai và Pin của dụng cụ với chi tiết hàn cùng với nhiệt do biến dạng dẻo do vật liệu bị khuấy đảo làm vật liệu mềm và bị xáo trộn Quá trình liên kết xảy ra ở trạng thái rắn, chưa đạt đến trạng thái nóng chảy của vật liệu Dòng vật liệu dưới vai có cấu trúc như vật liệu rèn, còn vật liệu chảy quanh Pin dụng cụ như vật liệu đùn

Hình 1.1: Hàn ma sát khuấy

1 TỔNG QUAN

 Ưu điểm:

 Hàn được tất cả các loại hợp kim, đặc biệt là hợp kim nhôm (có chiều dày lớn), thép, Titan, đồng, composite, hàn được các vật liệu hoàn toàn khác nhau… mà các

phương pháp hàn khác chưa hàn được

 Chất lượng mối hàn cao, không nứt kết tinh, giới hạn bền cao gấp nhiều lần so với hàn hồ quang, và đạt gần bằng độ bền của kim loại nền

 Ít tiêu thụ năng lượng một cách đáng kể, không tiêu thụ khí bảo vệ, thuốc hàn, vật liệu hàn

 Không phát sinh tia hồ quang và các tia bức xạ

 Không phụ thuộc và0 tay nghề của công nhân (hàn thủ công), máy móc thiết bị đơn giản hơn với robot hàn (hàn tự động) nhiều lần

 An toàn cho con người, không làm ô nhiễm môi trường

 Nhược điểm:

 Để lại một lỗ sau mối hàn

 Cơ tính của vùng tiếp giáp giữa vùng hàn và kim loại nền không tốt, tại vùng này hay xảy ra nhiều khuyết tật

 Đối với các mối hàn có chiều dày khác nhau cần một loại đầu pin khác nhau

 Khi đường hàn cong thì thiết bị hàn đòi hỏi khả năng chuyển động phức tạp

 Vật liệu đầu hàn cần cứng hơn vật liệu phôi hàn Do đó, khi hàn các kim loại có độ cứng cao yêu cầu về vật liệu đầu hàn rất khắt khe, đặc biệt ở nước ta vật liệu là một vấn đề hết sức nan giải

Với những ưu điểm vượt trội, hàn ma sát khuấy đang được sử dụng ngày càng rông rãi trong ngành công nghiệp hiện nay Có thể nói công nghệ hàn ma sát khuấy là một bước tiến quan trọng trong việc kết nối kim loại trong 2 thập kỉ gần đây Thời gian gần đây hàn

ma sát khuấy tiếp tục được đầu tư nghiên cứu nhằm tạo ra mối hàn có cơ tính đạt được như

ý muốn

 Dụng cụ hàn ma sát khuấy

Về cơ bản dụng cụ hàn ma sát khuấy bao gồm hai phần chính: Vai và Pin dụng cụ Vai

có tác dụng tiếp xúc với bề mặt phôi vật liệu hàn, sinh nhiệt do ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc, ép vật liệu ở trạng thái dẻo để tạo mối hàn Pin có tác dụng đâm xuyên vào vật liệu hàn, cắt kim loại và khuấy đảo vật liệu, di chuyển vật liệu từ phía trước ra phía sau khi dụng cụ di chuyển

Dựa theo đặc điểm của dụng cụ, hàn ma sát khuấy được chia thành hai loại dụng cụ hàn:

Hình 1.2 Dụng cụ hàn ma sát khuấy

Ngoài ra dựa vào đặc tính hình học của Pin và vai dụng cụ còn có rất nhiều loại khác nhau như Pin hình nón, Pin có ren, rãnh xoắn, tam giác, vai có rãnh,…

Hình 1.3 Một số dạng dụng cụ trong hàn ma sát khuấy

Boobin tool có nhiều điểm ưu việt hơn so với dụng cụ hàn truyền thống:

 Không cần lực dọc trục lớn, điều này sẽ loại bỏ cơ cấu đỡ phía dưới tấm hàn để chống lại lực dọc trục lớn từ dụng cụ thông thường Do đó không yêu cầu máy có

độ cứng vững cao Vật liệu sẽ được ép nhờ tác dụng của hai vai

 Đầu hàn không cần nghiêng một góc, do đó kết cấu máy sẽ đơn giản hơn

1 TỔNG QUAN

 Do cả hai vai ma sát ở hai bề mặt phôi nên nhiệt tạo ra lớn hơn, do đó tốc độ di chuyển hàn nhanh hơn, tăng năng suất

 Loại bỏ được khuyết tật đường ngầm khi Pin không xuyên thấu hết vật liệu hàn

 Mối hàn đi vào từ một cạnh của tấm hàn và không để lại lỗ sau khi hàn

 Cấu trúc hạt và chất lượng mối hàn tốt hơn so với dụng cụ thông thường

1.2 Tình hình nghiên cứu

1.1.1 Ngoài nước

Hàn ma sát khuấy đã được nghiên cứu rất nhiều, đặc biệt tập trung vào ảnh hưởng của dụng cụ và các thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn ma sát cho các hợp kim khác nhau

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

Năm 2003, khi nghiên cứu mô hình số, Schmidt và Hattel [2] đã tính toán năng lượng sinh công vào dụng cụ bởi việc giảm lượng nghiệt vào dụng cụ bởi việc giảm lượng nhiệt vào phôi và khẳng đình rằng 25% năng lượng cơ học cần thiết bởi tốc độ quay của trục chính sẽ đi vào dụng cụ, còn lại 75% tập trung vào phôi tại mối hàn Cùng với nghiên cứu trên hai ông cũng đã sử dụng mô hình 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, phần lớn lượng nhiệt vào vai dụng cụ sẽ tương ứng với kích thước đường kính vai Ngoài ra, Shi cũng đã tính toán nguồn nhiệt vào dụng cụ là khoảng 8% tổng năng lượng cơ học trong mô hình số của mình nhưng sau đó ông đã điều chỉnh đến khi tương đương với kết quả thực nghiệm

Song và Kovacevic [7] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ dụng cụ đến moment xoắn khi hàn bằng cách thực nghiệm thay đổi với nhiều tốc độ quay và tốc độ ăn dao của dụng cụ Tang [9] đã thay đổi tốc độ dụng cụ và chiều sâu dụng cụ khi tăng tốc độ xoay dụng cụ thì tăng nhiệt vào Tất cả nghiên cứu trên nhằm nêu lên sự thay đổi nhiệt độ vùng hàn và thông số hàn nhưng không dự đoán chất lượng đường hàn

Midling và Rorvik [8] đã tính toán lượng nhiệt và dựa vào chiều rộng HAZ Họ đã thay đổi số vòng quay dụng cụ, tốc độ ăn dao, lực tác dụng vào dụng cụ và chứng minh lượng nhiệt vào (Heat input) giảm khi chiều sâu và số vòng quay của dụng cụ giảm, lượng gia nhiệt tăng khi giảm tốc độ hàn (Vh) Một số tác giả đã kết hợp việc đo nhiệt độ (bằng Thermocouples – TC) vùng hàn và vùng HAZ Gould và Feng [5] quan sát khi thay đổi 2 thông số hàn Frigaard [6] [6] quan sát ở ba tốc độ đi xuống của dụng cụ Song nghiên cứu với 3 tốc độ quay dụng cụ Cả ba tác giả trên đã cho thấy một mối liên hệ mật thiết giữa nhiệt độ lớn nhất và chiều rộng HAZ

1 TỔNG QUAN

Zahedul và KhandKar [10] đã tính toán moment xoắn của quá trình hàn, kết quả là nó không đổi với mọi thông số Ngoài ra Schmidt và Leinart đã đo moment xoắn từ thực nghiệm và so sánh với kết quả tính toán, họ cũng khẳng định rằng moment xoắn không thay đổi với mọi thông số hàn

Một số tác giả đã chứng minh rằng năng lượng hàn là một hàm của các thông số Colegrove [12] đã trình bày năng lượng hàn của mình có liên quan đến tốc độ hàn nhưng

bỏ qua tốc độ quay dụng cụ Ngược lại, tốc độ dụng cụ đã được chứng minh là có ảnh hưởng đáng kể đến lượng nhiệt vào bởi một số thực nghiệm có giá trị

Một phương pháp xác định lượng nhiệt vào nữa là bằng cách giảm số lượng những thông số và đã kết hợp tốc độ dụng cụ với tốc độ đi xuống với một tên gọi là bước hàn (Xác định bước tiến trên mỗi vòng quay dụng cụ) Họ chỉ nghiên cứu sơ bộ mối liên hệ giữa năng lượng hàn với bước hàn

Cuối cùng, Reynolds và Tang [9] đã kiểm tra sự ảnh hưởng của bước hàn đến năng lượng hàn một cách rõ ràng hơn và cho thấy rằng bước hàn không thể là một thông số để xác định năng lượng hàn một cách chính xác Họ đã giữ tốc độ ăn dao và chiều sâu đầu khuấy không đổi trong khi đó thay đổi tốc độ quay dụng cụ để xác định lực hàn và cả lượng nhiệt vào

Về dụng cụ hàn, từ khi phát minh 1991 đến 1995 có trên 50 phát minh cải tiến Về thiết kế dụng cụ đã có sự phát triển bởi TWI, dụng cụ hàn được chiều dày lớn, hàn chồng, hàn được vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao, và tăng tốc độ hàn, trong năm 2005 công ty GKSS (Đức) đã thành công trong việc hàn siêu tốc 1980 cm/phút mối ghép đâu mí hợp kim nhôm mỏng Năm 1999 cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) cùng với trung tâm Marshall space và công ty Boeing đã phát triển dụng cụ có đầu khuấy rút được vào vai khi cần thiết (thường ở cuối đường hàn) [J.Ding and P.Oel goetz, Auto –Adjustable pin tool for FSW, U.S.Patent 5,893507, April 13,1999] Dụng cụ này đến nay có thể quay với

số vòng quay lên đến hơn 50.000 v/p Ngoài ra còn sử dụng phương pháp hàn khuấy nhiệt

và tích hợp với năng lượng siêu âm để hàn Trường Đại học Missouri – Columbia hàn FSW có sử dụng nguồn điện bởi có sự thêm nguồn điện trở Trường Đại học Wisconsin (Mỹ) thì kết hợp hàn FSW với nguồn laser đi trước dụng cụ hàn để nung nóng dự nhiệt vật liệu hợp kim nhôm

Từ năm 2004, một phương pháp mới được áp dụng nhằm cải tiến khả năng hàn của phương pháp FSW, hàn tự tương tác Phương pháp này dùng một đầu hàn thứ hai thay cho tấm đế trong phương pháp truyền thống Điều này cho phép hàn những chi tiết cơ cấu rất khó hoặc không thể gá đặt trên một tấm đế

Tập đoàn MST đã thử nghiệm thành công mối hàn hợp kim nhôm 2195 và 2219 có độ dày từ 4-25mm, trong đó bao gồm cả mối hàn khác vật liệu giữa 2195 và 2219 với độ dày trong khoảng 8-16,5mm Từ thành công đó, Airbus Bremen, Germany and Eclipse

1 TỔNG QUAN

Aviation Corporation of Albuquerque, USA hai tập đoàn hàng không lớn trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu phát triển phương pháp này trong tương lai gần

Hình 1.4 Hàn ma sát khuấy tự tương tác dùng Bobbin tool [14]

M.K Sued, Dirk.Pons, J Lavroff, Ee-Hua Wong [3] đã nghiên cứu thiết kế các tính năng hình học của Bobbin tool ảnh hưởng đến chất lượng của mối hàn ma sát khuấy Họ

sử dụng 7 dụng cụ bobbin với các thông số kích thước và hình học khác nhau, thí nghiệm thực hiện với hợp kim nhôm dạng tấm Al-6082-T6, bề dày là 4mm Các thông số công nghệ được lấy theo kinh nghiệm các nghiên cứu khác với mức tốc độ trục chính 700 vòng/phút, tốc độ di chuyển 80 mm/phút

Các dụng cụ thay đổi về hình dáng Pin dụng cụ, đường kính pin, đường kính chân ren, đường kính đỉnh ren và bước ren Thí nghiệm chỉ ra rằng dụng cụ có Pin có cả ren trái và phải gây ra dòng chảy phức tạp trong mối hàn Rung động lớn tạo ra ở cạnh tiến của mối hàn

Ren trên Pin tạo ra nhiệt cao và dòng chảy vật liệu thẳng đứng theo hướng của ren Các rãnh chỉ tạo ra nhiệt, không tạo ra dòng chảy vật liệu theo hướng thẳng đứng Nhiệt độ quá cao xảy ra ở vật liệu ở giữa các rãnh

Vai dụng cụ ảnh hưởng đến nhiệt tạo ra Đối với các tấm mỏng, nhiệt tạo ra bởi hai vai

đủ cần thiết cho mối hàn Trong trường hợp này, chuyển động thẳng đứng của dòng vật liệu không quan trọng Vì khoảng cách giữa hai vai có thể thiết lập để tạo tác dụng nén vật liệu, do đó tạo ra nhiệt ma sát và khuấy vật liệu nhiều hơn

1.1.2 Trong nước

Ở nước ta hàn ma sát khuấy vẫn là công nghệ rất mới và rất ít nghiên cứu về hàn ma sát khuấy Do các điều kiện về kinh tế, các nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cụ thể đến chất lượng mối hàn Hiện nay trong nước ta hầu như chưa có doanh nghiệp nào ứng dụng công nghệ này vào thực tiễn sản xuất

1 TỔNG QUAN

Luận văn thạc sĩ của Mai Đăng Tuấn [21] đã nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông

số đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trên tấm hợp kim nhôm phẳng Tác giả đã thực hiện quy hoạch toàn phần ba thông số công nghệ: số vòng quy đầu khuấy, tốc độ hàn và đường kính vai đầu khuấy Từ đó rút ra được mối liên hệ giữa các thông số công nghệ và rút ra được thông số tối ưu để đạt chất lượng cao nhất

Luận văn thạc sĩ của Thân Trọng Khánh Đạt [23] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc nghiêng đầu khuấy dụng cụ đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trên tấm nhôm phẳng A5052 Trong đó tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của ba thông số: tốc độ quay dụng cụ, tốc độ hàn và góc nghiên đầu khuấy Từ đó rút ra mối liên hệ giữa các thông số công nghệ

và đưa ra thông số tối ưu

Đối với hàn ma sát khuấy sử dụng Bobbin tool chưa có đơn vị nào trong nước ta nghiên cứu về phương pháp này Bộ môn Thiết bị và Công nghệ vật liệu đang là đơn vị tiên phong nghiên cứu trong lĩnh vực này và đã chế tạo được dụng cụ hàn, tuy nhiên mối hàn thực hiện chưa đạt chất lượng tốt và độ bền dụng cụ chưa cao

1.3 Ứng dụng của hàn ma sát khuấy trong công nghiệp

Hiện nay đã có gần 200 công ty được cấp giấy phép cho lĩnh vực công nghệ và thiết bị hàn ma sát khuấy Do chất lượng mối hàn cao nên được ứng dụng trong các ngành công nghiệp đặc biệt quan trọng như thùng chứa phi thuyền con thoi, tàu Boeing Delta II và Delta IV, tên lửa Falcon 1

Hãng hàng không Airbus cũng đã ứng dụng phương pháp hàn ma sát khuấy cho các thân và cánh của hai dòng sản phẩm Airbus A350 và A340 Trong năm 2000, hãng hàng không Eclipse (Eclipse Aviation) cũng đã dùng hàn ma sát khuấy để thay thế đinh tán đường ghép dọc thân, đuôi và cửa sổ máy bay Eclipse 500

Ngoài việc hàn vật liệu hợp kim nhôm, thì những vật liệu như thép, thép không gỉ, nikel, đồng, Titan cũng được hàn bằng FSW thành công Với loại vật liệu dụng cụ chịu nhiệt cao PCBN (TWI sáng chế và Megastir cải tiến) đến loại chịu nhiệt cao (do Trường Đại Học Nam Carolina nghiên cứu chế tạo) (W-Re) Tungsten - Rhenium hàn tốt với tất cả các hợp kin Titan Năm 2005 Lockheed Martin đã thành công với việc hàn được hợp kim

Ti - 6Al - 4V chiều dài 5mm bằng dụng cụ chịu nhiệt cao Tungsten hóa bền khuếch tán Vật liệu dụng cụ này có khả năng hàn được đường hàn dài do giảm được hiện tượng dính Hiệu quả mối hàn đạt từ 98  100% kim loại cơ bản ở nhiệt độ -195  260oC

Đối với ngành công nghiệp đóng tàu, hàn ma sát khuấy được ứng dụng chế tạo các tấm panel cho buồng đông lạnh của tàu cá, các tấm panel lớn được chế tạo bằng cách hàn các thanh nhôm đùn Các tấm panel chế tạo vỏ phà cao tốc 1700 tấm nhôm với chiều dài tổng thể của mối hàn 110km đã được sản xuất và phan phối bởi Marine Aluminium ở Haugesund (Norway) từ năm 1996-1999

a Vỏ, dầm đỡ và khung máy bay

Eclipse Aviation được hàn bằng

FSW thay thế cho rivit

b Hàn ma sát khuấy tấm vỏ tàu tại viện nghiên cứu Foundation

c Khung nhôm của Ford GT sử

Vấn đề môi trường và năng lượng, đặc biệt là chất lượng mối hàn đặt ra ngày càng cao trong nhiều ngành công nghiệp và sản xuất, với việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp hàn FSW đối với các kết cấu dạng tấm hợp kim nhằm tăng độ bền, giảm trọng lượng, tiết kiệm chi phí sản xuất Qua nghiên cứu các bài báo gần đây về hàn ma sát khuấy cho thấy được ý nghĩa thiết thực và tầm quan trọng của chúng trong công nghệ hàn các vật liệu kim loại tấm

Ở nước ta, công nghiệp đóng tàu đóng vai trò rất lớn trong nền kinh tế quốc dân, trong đó nhu cầu ứng dụng các tấm hợp kim nhôm cho vỏ tàu, kho đông lạnh, các tấm panel tường là rất lớn Công nghệ hàn ma sát khuấy là công nghệ tốt nhất hiện nay để sản xuất các tấm này Do đó, việc nghiên cứu công nghệ hàn ma sát khuấy là rất quan trọng để nước ta từng bước làm chủ công nghệ này và ứng dụng trong công nghiệp

Hiện nay ở nước ta chưa có máy hàn chuyên dụng, các thí nghiệm được thực hiện chủ yếu trên máy phay, máy CNC Yêu cầu máy đối với dụng cụ thông thường rất cao như lực dọc trục lớn, góc nghiên đầu khuấy… làm kết cấu máy phức tạp Do đó, nghiên cứu dụng

cụ Bobbin tool sẽ giúp đơn giản hóa thiết bị

Tiếp nối các nghiên cứu trước, việc nghiên cứu phát triển dụng cụ hàn và các thông

số công nghệ là yêu cầu quan trọng nhất Đây là các yếu tố chính ảnh hưởng trực tiếp đến

chất lượng mối hàn ma sát khấy Từ những phân tích trên, đề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT

c Máy hàn tấm Panel của ESAB

1 TỔNG QUAN

KẾ CHẾ TẠO DỤNG CỤ VÀ CÔNG NGHỆ HÀN MA SÁT TỰ TƯƠNG TÁC CHO HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG” là thực sự cần thiết và cần nghiên cứu để chứng minh tính khả

thi trong việc áp dụng hàn ma sát khuấy tại Việt Nam

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế, chế tạo dụng cụ Bobbin ứng dụng cho hàn

ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm phẳng và nghiên cứu ảnh hưởng tổng hợp của các thông

số công nghệ đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy, trong đó phân tích ảnh hưởng của tốc

độ quay dụng cụ và tốc độ hàn là mục tiêu chính của luận văn

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

Do đó các vấn đề cần tiến hành:

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

 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo dụng cụ Bobbin

 Xác định các thông số cơ bản của quá trình hàn

 Quá trình làm dẻo kim loại là do ma sát giữa đầu hàn với phôi và lực ép giữa vai dụng cụ và phôi Do vậy xây dựng phương trình nhiệt để xác định ảnh hưởng của các thông số

 Tiến hành thực nghiệm, sử dụng phương pháp thông kê và quy hoạch thực nghiệm

để phân tích dữ liệu Từ đó rút ra bộ thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm

1.6 Ý nghĩa thực tiễn và lợi ích của đề tài

1.6.1 Khoa học

Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo thành công dụng cụ Bobbin giúp cải thiện năng suất

và chất lượng mối hàn ma sát khuấy, tạo tiền đề nghiên cứu và chế tạo thiết bị hàn ma sát đưa vào thực tiễn sản xuất

Thông số công nghệ tốc độ vòng quay và tốc độ hàn là yếu tố thiết lập ban đầu của hàn

ma sát khuấy Do đó nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố này sẽ giúp đánh giá một cách

rõ ràng và hoàn chỉnh sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn

ma sát khuấy

1.6.2 Thực tiễn

Áp dụng dụng cụ mới Bobbin vào thực tiễn sản xuất sẽ tăng chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất, tiết kiệm chi phí sản xuất Đây là xu hướng phát triển chung của thế giới

1 TỔNG QUAN

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tính chất của mối hàn ma sát khuấy sẽ được ứng dụng trong công nghiệp, giúp nhanh chóng lựa chọn được thông số tối ưu với từng vật liệu cụ thể

Ngày nay việc áp dụng robot hàn vào công nghiệp rất phổ biến, do đó yêu cầu kết cấu robot nhẹ, bền và hệ thống đồ gá đơn giản là rất quan trọng Những cải tiến trong dụng cụ

có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng áp dụng robot hàn, mang lại những lợi ích về kinh tế, năng lượng và môi trường cho xã hội

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong chương này tôi xin trình bày các cơ sở lý thuyết về các vùng kim loại của mối hàn, các khuyết tật hình thành trong quá trình hàn ma sát khuấy, tính toán quá trinh sinh nhiệt

và truyền nhiệt vào vật hàn, dòng chảy vật liệu trong mối hàn ma sát khuấy

2.1 Các vùng kim loại mối hàn

Trong mối hàn sử dụng Bobbin tool, các vùng cấu trúc mối hàn cũng giống như hàn

ma sát khuấy thông thường Các vùng cấu trúc của mối hàn:

Hình 2.1 Các vùng kim loại mối hàn

 Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ):

Nằm gần trung tâm mối hàn, vật liệu đã trải qua chu kỳ nhiệt nên bị thay đổi cấu trúc mạng tinh thể và đặc tính cơ học, tuy nhiên trong vùng này chưa có sự biến dạng dẻo xảy

ra

 Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (TMAZ):

Vùng này đã có sự biến dạng dẻo vật liệu mà chưa có sự kết tinh lại, nhiệt độ trong quá trình hàn cũng có ảnh hưởng đến vật liệu, ở đây có ranh giới rõ rệt giữa vùng kết tinh lại và vùng biến dạng

 Vùng trung tâm hàn mối hàn-vùng khuấy (SZ):

Vùng này kim loại kết tinh lại hoàn toàn, đôi khi cũng được gọi là vùng khuấy để chỉ vùng trước đó dụng cụ đó chiếm lĩnh, có cấu trúc dạng hạt mịn, đẳng hướng do sự biến dạng dẻo mãnh liệt và nhiệt sinh ra do quá trình ma sát giữa vai dụng cụ và bề mặt phôi (kim loại chưa nóng chảy)

Vùng Khuấy

Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (TMAZ)

Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)

Ứng suất dư sinh ra trong mối hàn rất quan trọng vì nó tác động lên tính chất mỏi và tính chất cơ học khác của tâm hàn Do đó hầu hết các khuyết tật đều xảy ra ở TMAZ, HAZ và vùng tiếp giáp giữa TMAZ /HAZ

Quá trình nghiên cứu ứng suất dư trong mối hàn cho thấy các đặc tính sau:

 Trong vùng chuyển tiếp giữa vùng kết tinh hoàn toàn (SZ) và vùng kết tinh một phần (TMAZ-HAZ) ứng suất dư cao hơn hẳn so với các vùng khác của mối hàn Theo chiều dọc (song song với hướng hàn) ứng suất dư là ứng suất kéo và theo phương ngang ứng suất dư là ứng suất nén

 Ứng suất dư theo chiều dọc luôn luôn cao hơn theo chiều ngang và phụ thuộc vào đường kính của Pin, vận tốc quay và vận tốc hàn Nghiên cứu của Nandan [14] đã chỉ ra rằng khi tăng vận tốc hàn, ứng suất dư sẽ tăng lên

 Sự phân bố ứng suất dư trong mối hàn có dạng chữ “M” đối xứng qua trục mối hàn

Hình 2.2 Phân bố ứng suất dư trong mối hàn [15]

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

 Khi tăng tốc độ quay dụng cụ và giữ nguyên tốc độ di chuyển hàn sẽ không gây ảnh hưởng đáng kể lên sự phân phối ứng suất dư Tuy nhiên vùng ứng suất mở rộng hơn Ứng suất dư theo chiều dọc thay đổi không đáng kể theo chiều sâu, trong khi theo phương ngang thay đổi đáng kể theo độ dày vật liệu hàn Ứng suất

dư ở vùng trung tâm mối hàn nhìn chung là ứng suất kéo ở phía trên và nén ở phía dưới

2.3 Khuyết tật mối hàn ma sát khuấy

Hầu hết các hợp kim nhôm đều có thể hàn được bằng các phương pháp hàn truyền thống như hàn nóng chảy TIG, MIG, MAG… hoặc hàn bằng các phương pháp dùng năng lượng cao như hàn lazer, hàn bằng dòng electron… Mối hàn nhôm bằng phương pháp hàn nóng chảy gặp rất nhiều khó khăn vì xuất hiện những oxit bền, dẫn nhiệt cao, hệ số giãn nở nhiệt cao, độ co ngót khi đông đặc gấp đôi các hợp kim loại màu khác, khoảng nhiệt nóng chảy tương đối rộng, độ hoà tan H rất cao đặc biệt là trong trạng thái nóng chảy, và độ rỗ khí Cần phải làm sạch bề mặt, cạnh, dùng kim loại điền đầy, bảo vệ mối hàn bằng khí trơ Rỗ khí có mặt ở tất cả hợp kim, (tuy nhiên với phương pháp nhiệt chỉ

có thế làm giảm bớt các mác nhôm sau 2xxx, 6xxx, 7xxx, ) càng làm cho chúng thêm dễ xảy ra nứt, và hàn nóng chảy càng khó khăn hơn [Cam,1999; Leinert T.J,2002] bởi vì ứng suất dư tạo ra khi các kim loại hàn kết tinh và làm lạnh Vết nứt có thế xảy ra trong hợp kim nhôm bởi với sự giãn nở vì nhiệt cao khi hàn và sự co rút khi đông đặc

Hình 2.3 So sánh giữa hàn MIG và hàn FSW đối với nhôm

Mức độ biến đổi bản chất của vùnng ảnh hưởng nhiệt HAZ cũng là một vấn đề đối với hàn hợp kim nhôm Các phương pháp hàn thông thường (TIG, MIG, GMAW) thường

có giá trị năng lượng khoảng 103 đến 104W/cm2, cùng với vận tốc hàn thấp khoảng 5mm/s Chính điều này làm cho nhiệt lượng hàn tác dụng lên mối hàn càng cao

Vận tốc hàn

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nhiệt lượng hàn tác dụng lên mối hàn cao trong các phương pháp hàn nóng chảy thông thường là nguyên nhân của việc xuất hiện một vùng hạt thô có cấu trúc nhánh cây, một vùng ảnh hưởng nhiệt lớn

Trường nhiệt độ cao tác dụng lên kim loại cơ bản như hàn lazer, hay hàn tia electron rất ít làm nóng chảy kim loại nên nứt ít xảy ra hơn Vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp, nguồn nhiệt vào ít do đó cấu trúc hạt thô cũng rất hạn chế Tuy nhiên ở nhiệt độ cao thì một số nguyên tố như Mg rất dễ bốc hơi Điều này làm giảm tính bền vững của vật liệu Sự thay đổi cấu trúc tế vi có thế diễn ra trong vũng hàn, tách rời các nguyên tố hợp kim, hình thành các hạt thô, sự mất mát các nguyên tố tăng bền làm suy giảm cơ tính vật liệu rất nhiều [Leinert TJ, 2002] Vùng ảnh hưởng nhiệt này không thể phục hồi lại cơ tính ban đầu như kim loại nền bằng các phương pháp xử lý nhiệt sau khi hàn, chủ yếu do mất mát các nguyên tố tăng bền Các hạt thô quá già kết tủa làm giảm độ bền cho vững HAZ mà không thể xử lý bằng cách dùng kim loại điền đầy Hình 2.4 thể hiện rõ tính chất hàn lazer với HAZ rất nhỏ

Hình 2.4 Vùng ảnh hưởng nhiệt của hàn FSW và hàn MIG

Biến dạng của độ cứng chỉ ra mức độ và sự phân bố nguồn nhiệt vào Độ cứng càng cao thì nguồn nhiệt vào sẽ càng nhỏ Hình 4.3 thể hiện rõ tất cả các vùng có độ cứng thấp nhất thường xảy ra ở khoảng một vài milimet từ vùng ảnh hưởng nhiệt Trong trường hợp này, hàn lazer có đặc điểm là sự chênh lệch nhiệt độ rất lớn giữa vùng kim loại nóng chảy

và vùng kim loại liền kề Ở đây hàn lazer có tốc độ đốt nóng và làm nguội rất nhanh so với hàn ma sát hay hàn núng chảy vì vậy HAZ sẽ nhỏ hơn

 Khuyết tật rổ khí

Khuyết tật rổ khí là dạng khuyết tật thường xuất hiện nhất trong mối hàn ma sát khuấy Khuyết tật rổ khí thường tồn tại ở dạng liên tục hoặc không liên tục Nguyên nhân của khuyết tật rổ khí là phức tạp nhất trong các dạng khuyết tật của mối hàn ma sát khuấy Nguyên nhân chính là do thông số công nghệ như: vận tốc hàn và số vòng quay của trục hàn không phù hợp Ngoài ra các thông số như lực ép dọc trục và lực ép ngang

ảnh hưởng đáng kể tới chất lượng mối hàn

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Dạng liên tục là dạng khuyết tật được xếp vào dạng khuyết tật không chấp nhận dù kích thước lớn hay nhỏ đều không được chấp nhận do khả năng phát sinh thành vết nứt

và hình thành nên sự phá hủy cả mối hàn

Khuyết tật dạng liên tục sẽ hình thành dạng khuyết tật lớn hơn là khuyết tật đường ngầm hay đường hầm

Hình 2.5 Khuyết tật rổ khí dạng liên tục

Dạng thứ hai của khuyết tật rổ khí là dạng không liên tục được hình thành theo cách hình thành tương tự dạng liên tục nhưng với biên độ nhỏ và ít lặp đi lặp lại Dạng khuyết tật này được chấp nhận trong một số trường hợp các mối hàn không đòi hỏi chất lượng tuyệt đối và mối hàn không làm việc trong môi trường đặc biệt như chịu mài mòn, áp lực cao, trong môi trường tồn tại ứng suất dư cao hoặc môi trường có các chất gây ăn mòn điện hóa

Hình 2.6 Khuyết tật rổ khí dạng không liên tục

Khi soi tổ chức tế vi của mối hàn có khuyết tật rổ khí như hình cho thấy có sự chuyển pha không đồng đều giữa các hạt vật liệu Khuyết tật rổ khí thường xuất hiện tại vùng chuyển giao vật liệu giữa kim loại mối hàn và kim loại nền Do sự không đồng đều tổ chức hạt trong vùng biên và quá trình già hóa gián đoạn

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

 Khuyết tật đùn do thiểu tốc

Khuyết tật đùn được tạo bởi sự thiểu tốc, khi mà tốc độ di chuyển hàn quá chậm hoặc tốc độ vòng quay quá lớn, sẽ xảy ra hiện tượng vật liệu bị đùn ép lẫn nhau, xuất hiện trong vùng 1 và xuất phát từ tâm của vùng tròn củ hành Khi đó dòng vật liệu sẽ tạo thành các pha xếp chồng lên nhau và tách rời nhau

Hình 2.7 Khuyết tật do thiểu tốc

Mỗi một dạng khuyết tật đều có đặc điểm riêng, do đó trong quá trình thực nghiệm sẽ phát sinh rất nhiều loại khuyết tật phát sinh

 Khuyết tật đứt quãng do quá tốc

Khuyết tật đứt quãng do quá tốc ngược hoàn toàn khuyết tật do thiểu tốc, khi tốc độ hàn nhanh, kim loại của dòng chảy chưa kịp hình thành tổ chức pha mới, khi vận tốc tiến của dụng cụ quá nhanh Sự hình thành vết nứt đứt quãng kèm theo sự chảy lỏng của dòng kim loại bị ly tâm mạnh nhưng chưa kịp tạo liên kết với dòng kim loại nền

Hình 2.8 Khuyết tật đứt quãng

Tùy theo tỷ lệ giữa tốc độ quay dụng cụ và tốc độ hàn mà sự đứt quãng diễn ra liên tục hay không liên tục đôi lúc sẽ tiếp nối với một mối hàn có bề ngoài tốt, nhưng trên thực tế đó xuất hiện hiệu ứng đường ngầm bên dưới mối hàn đó

Để giải thích cho hiện tượng này một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng do tốc độ dịch chuyển của đầu khuấy nhanh nên dòng chảy kim loại bị đứt quãng, các liên kết không kịp hình thành, nên hiện tượng đứt quãng có diện tích rộng kéo theo các sợi kim loại dài Khi

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

tốc độ dịch chuyển của đầu khuấy nhỏ, nhưng số vũng quay lớn sẽ xảy ra hiện tượng chảy lỏng từ đó phát sinh đứt quãng với khe hở nhỏ, và lõm xuống dạng rãnh nước

 Khuyết tật dạng bavia

Khuyết tật bavia có 2 dạng là bavia một phía, và bavia hai phía

Bavia một phía xuất hiện hình dáng hình học của vai dụng cụ không thích hợp để giữ vật liệu do Pin chiếm chỗ hoặc việc gá đặt phôi không phẳng Tuy nhiên trong quá trình

gá đặt nếu lực ép tác dụng lên phôi là không đều thì trong quá trình hàn do ứng suất dư phôi sẽ bị cong vênh, cũng gây nên khuyết tật bavia, nhưng sẽ là bavia một phía và không liên tục

 Khuyết tật dạng chảy sệ

Hình 2.10 Khuyết tật chảy sệ

Khuyết tật chảy sệ được xếp vào loại trung bình, tức là ít xảy ra, và xảy ra không đều đặn, nguyên nhân chính của dạng khuyết tật này là sự quá nhiệt, hoặc giải nhiệt kém, Tuy đây là khuyết tật đơn giản nhưng rất khó giải thích rõ ràng cơ chế hình thành do lệ thuộc

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

của kim loại vật hàn, đồng thời kèm theo sự biến đổi thông số công nghệ trong quá trình hàn

Khi soi tổ chức tế vi vùng chảy sệ có cấp hạt thô, to hơn cả vật liệu cơ bản, nguyên do

sự quá nhiệt làm phá vỡ cấu trúc đường biên, đưa hạt gần hơn tạo nên pha mới kém bền

và cứng hơn pha ban đầu

 Khuyết tật ngõ ra hay gọi là khuyết tật cuối đường hàn

Có rất nhiều dạng khuyết tật xuất hiện trong quá trình nghiên cứu, tuy nhiên cần lưu tâm một số dạng khuyết tật ảnh hưởng chính tới cấu trúc và tính bền của mối hàn, từ đó tìm các biện pháp nhằm tối ưu hóa và nâng cao cơ tính của mối hàn

Khuyết tật được phân tích sau cùng là dạng khuyết tật cuối đường hàn, và gần như xảy ra trên tất cả các mối hàn ma sát khuấy

Có thể giải thích một cách đơn giản nhất đây là sự tương tác lẫn nhau giữa các điều kiện hàn, khi mà thông số công nghệ, các điều kiện hàn cần được thay đổi đồng loạt để có đường cuối của mối hàn trở nên tốt hơn

Hình 2.11 Khuyết tật ngõ ra

Khuyết tật ở cuối mối hàn thường là một trong những dạng khuyết tật vừa nêu trên nhưng lại không theo một qui luật nhất định nào cả, đôi lúc xuất hiện đồng thời hàng loạt các khuyết tật với nhiều dạng khác nhau

2.4 Quá trình sinh nhiệt khi hàn

Như đã biết, vai dụng cụ cung cấp nhiệt và quyết định vùng tạo nhiệt, trong khi đó đầu khuấy tạo dáng dòng biến dạng để tạo thành mối hàn và cũng tạo ra sự cân đối thành phần nhiệt mối hàn (tùy thuộc vào kích thước của nó) Dụng cụ xoay ở tốc độ cao nhưng

ở đây tốc độ vùng biên ngoài của vai và đầu khuấy cao hơn nhiều so với tốc độ di chuyển hàn Hàn FSW chủ yếu là dùng sự phân tán sệt trong vât liệu phôi điều khiển bởi ứng suất cắt lớn ở bề mặt giữa dụng cụ và phôi Tuy nhiên điều kiện biên trong mối hàn này

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

là khá phức tạp Vật liệu ở bề mặt tiếp xúc có thể: một là bám dính vào dụng cụ, trong trường hợp đó có cùng vận tốc với vận tốc dụng cụ, hai là có thể trượt, trong trường hợp này vận tốc thấp hơn và không cùng chiều với dụng cụ Nhiệt độ và ứng suất tiếp xúc thay đổi lớn trên khắp dụng cụ, do đó không giống như điều kiện tiếp xúc đơn thuần Tiếp xúc có thể một phần bị trượt, một phần bị dính và nếu có hiện tượng nóng chảy cục

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

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

Để xác định nhiệt sinh ra trong hàn ma sát khuấy, ta chia quá trình hàn thành các giai đoạn Cũng tương tự như hàn ma sát khuấy thông thường, tuy nhiên vì Bobbin tool có một vai thứ hai ở phía dưới dụng cụ Do đó dụng cụ không thể đi từ trên xuống đâm xuyên vào vật liệu Quá trình hàn có thể được chia thành 3 giai đoạn chính:

Giai đoạn ban đầu: (Running-in step) Cũng giống như giai đoạn Plunging step như

hàn ma sát khuấy thông thường, tuy nhiên có sự khác nhau là không thể đâm xuyên dụng

cụ vào phôi vì dụng cụ còn có vai dưới Do đó giai đoạn này BT-FSW được gọi là chạy

rà Có hai cách để bắt đầu mối hàn:

 Một là khoan một lỗ trên bề mặt tấm phôi, đưa dụng cụ xuyên qua lỗ, sau đó lắp vai thứ 2 vào Pin Mối hàn được bắt đầu bằng cách quay dụng cụ và di chuyển từ

từ di chuyển hàn

 Hai là bắt đầu mối hàn bằng cách bắt đầu từ một cạnh bên ngoài của phôi hàn Khi Pin tiếp xúc với cạnh phôi, ta cần một khoảng thời gian chạy tại chỗ để ma sát sinh nhiệt đủ làm mềm vật liệu

Giai đoạn 2: Giai đoạn này cũng giống hàn ma sát khuấy thông thường Dụng cụ vừa

quay vừa di chuyển dọc theo đường hàn, nhiệt ma sát do vai tạo ra và do biến dạng dẻo làm vật liệu phôi đến trạng thái dẻo, hai vai của dụng cụ ép vật liệu tạo thành đường hàn, Dụng cụ được di chuyển chậm sau đó gia tốc để đạt tốc độ hàn mong muốn

Giai đoạn 3: Giai đoạn kết thúc Dụng cụ không thể rút lên như FSW thông thường

do vai dưới dụng cụ Ta cũng có hai cách: dụng cụ sẽ dừng lại ở cuối đường hàn, sau đó tháo vai dưới và rút dụng cụ lên khỏi bề mặt phôi, hoặc là dụng cụ di chuyển ra khỏi phôi Cách thứ nhất ít khả thi hơn vì pin dụng cụ dễ bị kẹt lại trong phôi rất khó để rút ra, chỉ có Pin có hình dáng đơn giản mới có thể áp dụng cách này

Nhiệt được tạo ra là do ma sát giữa các bề mặt dụng cụ và phôi, nhiệt do biến dạng dẻo do khuấy đảo vật liệu của đầu khuấy Cũng giống như dụng cụ thông thường, tuy nhiên đối với Bobbin có hai vai, do đó lượng nhiệt sinh ra bởi vai dụng cụ gấp hai lần so

Mô hình tính toán được đề xuất bởi H Schmidt, J Hattel, and J Wert [2]

Với trường hợp lý tưởng, phương trình vi phân nhiệt lượng tổng quát tạo ra ở các bề

mặt dưới tác dụng của tải dọc trục được tính:

contact

dQdM rdF  r dA (2.2) Với:

dM: là vi phân moment xoắn trên trục chính đầu dụng cụ

dF : là vi phân lực vòng của chuyển động quay đầu trục chính

dA : là vi phân diện tích bề mặt tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi hàn

Vai dưới

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Như vậy chúng ta thấy rằng, nhiệt lượng tạo ra với cùng một chế độ cắt thì phụ thuộc

vào diện tích bề mặt tạo ma sát của các thành phần của dụng cụ và lực tác dụng giữa

dụng cụ và phôi Nếu tất cả quá trình cắt ở bề mặt được chuyển đổi thành nhiệt ma sát,

lượng nhiệt vào trung bình trên mỗi đơn vị diện tích và thời gian trở thành:

Mặt phía dưới vai dụng cụ: Ta có thể phân ra thành hai thành phần lực tác dụng lên

bề mặt côn theo phương ngang và phương đứng:

Nhiệt lượng tạo ra do đầu khuấy: Sự tạo nhiệt của đầu khuấy cũng có thể được ước

tính bằng cách dùng điều kiện ma sát dính (trong trường hợp này lực ép không đơn giản)

Với đầu khuấy có bán kính Rp và chiều dài Hpin, quay với vận tốc gúc  thì lượng nhiệt

được sinh ra được tính theo công thức:

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Ngoài ra các tấm kim loại hàn bị mất nhiệt ra môi trường xung quanh bằng hình thức đối lưu và bức xạ nhiệt Dòng nhiệt thoát ra ngoài môi trường có thể được biểu thị bởi hai công thức sau:

Nhiệt độ tham khảo

 là độ đen tuyệt đối của bề mặt phôi

 Hằng số Stefan- Boltzamann

amb

T

Nhiệt độ môi trường ngoài

Ứng suất trượt cho điều kiện dính: Phần vật liệu hàn bị dính và di chuyển cùng với

dụng cụ khi ứng suất ma sát trượt vượt quá ứng suất trượt giữa các lớp vật liệu Lớp vật liệu nằm giữa điểm vật liệu đứng yên và phần vật liệu di chuyển cùng với đầu khuấy sẽ

có vận tốc khác nhau Dùng công thức giới hạn trên để tính toán ứng suất cắt cho vùng biến dạng này, ứng suất cắt này phụ thuộc vào độ rộng của lớp biến dạng Lớp biến dạng này được thừa nhận: bắt đầu từ bề mặt ngoài của đầu khuấy rồi mở rộng ra khỏi vùng hàn, nó bị quyết định bởi mặt trượt (hay phương trượt) Vị trí của mặt trượt/ phương trượt

là rất gần với bề mặt tiếp xúc, vì thế, hình học của dụng cụ được dùng để biểu diễn nó Ứng suất trượt chảy yieldđược ghi nhận bằng (với yield 3 là ứng suất chảy của vật liệu

tại nhiệt độ làm việc) Kết quả này có được bởi việc so sánh với tiêu chuẩn Von Mises trong điều kiện kéo và cắt thuần túy trên một trục Ứng suất cắt tiếp xúc:

3

yield contact yield



Ứng suất chảy không phụ thuộc vào áp lực, nhưng lại phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ Nếu cùng một ứng suất trượt chảy được tác dụng lên tất cả bề mặt, giả sử đây là một quá trình đẳng nhiệt Từ công thức (2.10) ta thu được điều kiện dính:

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

trượt friction được trình bày trong công thức (2.15) Chọn định luật Coulomb để miêu tả

ứng suất trượt cần thiết để chống lại ứng suất ma sát trượt cho điều kiện trượt:

contact friction P

Áp lực dưới vai dụng cụ có thể lấy từ thực nghiệm (đo trực tiếp lực ép theo phương Z) Hệ số ma sát có thể điều chỉnh từ 0,2  0,5 như đã trình bày ở phần trước, ứng suất chảy khi cắt sẽ lấy bằng nửa ứng suất chảy khi kéo ở nhiệt độ gần đường rắn và cũng có thể điều chỉnh bằng thực nghiệm Từ đó với điều kiện trượt, tổng lượng nhiệt tạo ra:

Ứng suất trượt cho điều kiện trượt/ dính: Để mô tả chính xác quá trình sinh nhiệt

khi hàn, cần đưa ra một phương trình mô tả cả hai điều kiện trượt/dính Tùy từng điều kiện trượt hay dính mà lượng nhiệt sinh ra sẽ được phân phối thông qua hệ số trạng thái

Với 0  1, hiện tượng trượt hoàn toàn khi  1 , dính hoàn toàn khi  0 và

từng phần khi 0  1 Bảng 3.1 trình bày tổng hợp các điều kiện khác nhau của tương tác giữa đầu hàn và vật liệu nền

Bảng 2.1 Xác định điều kiện tiếp xúc, mối quan hệ với hệ số trạng thái

Điều kiện Vận tốc kim loại Vận tốc đầu hàn Ứng suất trượt Hệ số trạng thái

Trượt/dính v matrix v tool v tool r frictionyield 0  1

Trượt v matrix 0 v tool r frictionyield  0

2.5 Dòng chảy vật liệu

Cũng tương tự như dòng chảy vật liệu đối với dụng cụ thông thường Tuy nhiên đối với Bobbin tool vì có thêm vai dưới nên dòng chảy vật liệu phức tạp hơn Tùy thuộc vào hình dáng vai và Pin, kích thước dụng cụ và độ dày tấm hàn mà dòng chảy vật liệu sẽ thay đổi Dưới đây trình bày một số dòng chảy chính xảy ra trong quá trình hàn ma sát khuấy sử dụng Bobbin

Nhiệt do sự ma sát và sự biến dạng dẻo của phôi do tác dụng của dụng cụ đến vật liệu

sẽ làm mềm hóa vùng vật liệu giới hạn bởi vai dụng cụ và vùng xung quanh đầu khuấy

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Thông số hàn cùng với cấu hình của dụng cụ và thành phần của vật liệu hàn sẽ quyết định đến khối lượng vật liệu được gia nhiệt và đến sự di chuyển của chúng trong quá trình hình thành mối hàn

Kim loại được mềm hóa sẽ di chuyển quay đầu khuấy theo chiều quay của dụng cụ và

tụ lại phía sau đầu khuấy khi được vai ép xuống trước khi dụng cụ di chuyển tới dọc theo hướng hàn

Vùng gần đầu khuấy chủ yếu là quay, tất cả vật liệu trải qua biến dạng Vùng xoay tạo ta đủ lớn chứa tất cả vật liệu bị biến dạng do đó vận tốc xoay - trồi phải bằng vận tốc

di chuyển tới của dụng cụ

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

Hình 2.13 Khoảng cách giữa các bước hàn

Cấu trúc mối hàn trong mặt cắt ngang dưới đây thể hiện mối hàn được chia bốn vùng: vùng trung tâm mối hàn được bao bởi vùng ảnh hưởng nhiệt và vùng ảnh hưởng cơ nhiệt Dựa vào hình dáng hình học và cấu trúc mối hàn cho thấy quá trình dòng chảy vật liệu là không đối xứng Thể tích kim loại được quét phụ thuộc vào lượng nhiệt nung nóng để làm mềm vật liệu xung quanh dụng cụ Và qua đó nhận thấy rằng nhiệt độ vùng lùi cao hơn nhiệt độ vùng tiến của mối hàn

 Dòng chảy vật liệu quanh Pin

Nếu dụng cụ đi vào từ cạnh của tấm hàn, vật liệu do Pin chiếm chỗ sẽ ra bên ngoài tấm hàn gây ra sự thiếu hụt vật liệu ở bên trong vùng khuấy Điều đó gây ra các khoảng trống hình thành ở bề mặt phía dưới cạnh tiến Điều này được giải thích như sau:

Khi dụng cụ quay theo chiều kim đồng hồ như hình 2.14 Do Pin có ren nên dòng vật liệu được kéo lên phía trên Khi đó vật liệu được quét từ phía cạnh lùi và hòa trộn phức tạp với vật liệu bên phía cạnh tiến Phía cạnh lùi được bơm thẳng lên phía trên cạnh tiến

Do đó phía cạnh tiến (B) được điền đầy vật liệu đầu tiên Bước ren của Pin ảnh hưởng đến vận tốc dòng vật liệu, với bước ren nhỏ thì vận tốc đi lên sẽ thấp hơn, do đó điền đầy tốt hơn khu vực bị thâm hụt (C)