Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ trong gia công hàn ma sát khuấy chi tiết dạng ống trụ hợp kim nhôm a5052

Mô hình này được sử dụng để dự đoán độ tin cậy các thông số tốc độ quay của dụng cụ, tốc độ hàn và khoảng lệch tâm dụng cụ trong các điều kiện hàn ma sát khuấy dạng ống trụ.. Hàn ma sát

ỐNG TRỤ HỢP KIM NHÔM A5052

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thiên Phúc

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày……tháng……năm……

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

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

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

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 TẤN LỰC MSHV: 7140909

Ngày, tháng, năm sinh: 15/05/1987 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TRONG GIA CÔNG HÀN MA SÁT KHUẤY CHI TIẾT DẠNG ỐNG TRỤ HỢP KIM NHÔM A5052

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Thực nghiệm trên ống nhôm A5052

- Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số vận tốc hàn, tốc độ quay trục chính, và khoảng lệch tâm dụng cụ

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài 04/07/2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 04/12/2016 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):

PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC

Tp HCM, ngày 12 tháng 12 năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….………

(Họ tên và chữ ký)

Mã ngành: 60 52 01 03

LỜI CẢM ƠN

Lời đâu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Trần Thiên Phúc đã giúp đỡ,

hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này Thầy đã cho tôi những lởi động viên và những lời khuyên kịp thời khi có những vướng mắc và khó khăn xảy ra

Sau thời gian học tập, tôi đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức quý báu từ các thầy cô để có thể hoàn thành đề tài này và vững bước trên con đường mình đã chọn

Một lần nữa tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Trần Thiên Phúc và quý

Thầy/Cô trong xưởng C1, trong phòng thí nghiệm sức bền vật liệu, bộ môn Kỹ thuật nhiệt, phòng thí nghiệm đo lường đã luôn giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi thực hiện các thí nghiệm Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của các thầy cô thì tôi nghĩ bài luận văn này rất khó có thể hoàn thiện được

Tôi xin cám ơn đến những anh chị, bạn bè và đặc biệt là các thành viên lớp cao học ngành Kỹ Thuật Cơ Khí – Khóa 2/2014 đã cùng chia sẽ giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Và lời cảm ơn cuối cùng, tôi sẽ luôn biết ơn sâu sắc đến bố mẹ, tất cả những người thân trong gia đình tôi đã luôn giúp đỡ, động viên và hổ trợ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc Gia TP.HCM

Chân thành cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Tấn Lực

TÓM TẮT

Nghiên cứu này thực hiện thí nghiệm hàn ma sát khuấy (FSW) trên mô hình ống hình trụ bằng hợp kim nhôm A 5052 (được thực hiện trên máy phay vạn năng ENSHU RA2 tại xưởng C3, Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM

Hai đoạn ống có cùng đường kính ngoài 100mm, chiều dày 5mm, chiều dài

40mm được gá chặt trên một hệ thống được thiết kế riêng biệt có khả năng tự quay hàn

ở các mốc tốc độ khác nhau, dễ dàng lắp đặt và điều chỉnh Mô hình này được sử dụng

để dự đoán độ tin cậy các thông số tốc độ quay của dụng cụ, tốc độ hàn và khoảng

lệch tâm dụng cụ trong các điều kiện hàn ma sát khuấy dạng ống trụ Nghiên cứu này

sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số trên đến độ bền kéo và lực dọc trục của mối hàn FSW Quá trình phân tích ảnh hưởng của các thông số trên được tiến hành bởi quá trình xây dựng mô hình toán học và thiết kế mô hình thực nghiệm

Từ khóa: Hàn ma sát khuấy, ống nhôm A5052, số vòng quay trục chính, khoảng

lệch tâm dụng cụ, ứng suất kéo

ABSTRACT

This study aimed to experimentally explore the friction stir welding (FSW) on the aluminum alloy A5052 pipe (made on milling machine ENSHU RA2 C3, the University of Technology in HCM City, Vietnam) Two pipe sections have the same outer diameter of 100mm, thickness 5mm, length 40mm is tightly hinged on a system specifically designed to be capable of rotation in the mold welding different speed,

the axial force of joint produced by the FSW process The process of analyzing the impact of the above parameters was carried out by the process of mathematical modeling and experimental design model

Keywords: Friction Stir Welding, A5052- Pipe, tool rotational velocity,

side-view of offset tool , tensile strength

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên : Nguyễn Tấn Lực

MSHV: 7140909

Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào tạo Sau đại hoc, Đại học

Bách Khoa Tp.HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “ Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Các Thông Số Công Nghệ Trong Gia Công Hàn Ma Sát Khuấy Chi Tiết

Dạng Ống Trụ Hợp Kim Nhôm A5052 ” dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Trần

Thiên Phúc

Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học của riêng tôi, số liệu trong luận văn là thực, thực hiên luận văn đúng theo quy định của phòng Đào tạo sau đại học

và theo hướng dẫn của Thầy PGS.TS Trần Thiên Phúc

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu luận văn của mình

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016

Học viên

Nguyễn Tấn Lực

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 4

TÓM TẮT 5

LỜI CAM ĐOAN 7

DANH SÁCH HÌNH VẼ 11

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 14

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 15

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 16

1.1 Giới thiệu 16

1.2 Phạm vi ứng dụng 18

1.3 Tình hình các nghiên cứu trên thế giới 20

1.3.1 Các nghiên cưu tiêu biểu 20

1.3.2 Một số Patent liên quan 21

1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước 23

1.5 Nhận xét và lý do chọn đề tài 25

1.6 Ý nghĩa và mục tiêu của nghiên cứu 26

1.6.1 Mục tiêu của nghiên cứu 26

1.6.2 Ý nghĩa của nghiên cứu 26

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ HÀN MA SÁT KHUẤY (FSW) 28

2.1 Quá trình sinh nhiệt khi hàn 28

2.1.1 Đặc điểm chung 28

2.1.3 Quá trình truyền nhiệt vào vật hàn 32

2.2 Hai mô hình động học 34

2.2.1 Mô hình thứ I 34

2.2.2 Mô hình thứ II 35

2.3 Lực trong quá trình hàn ma sát khuấy 37

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 39

3.1 Mô hình bài toán sinh nhiệt 39

3.1.1 Mô hình bài toán nhiệt của đầu dụng cụ khuấy hình trụ 39

3.1.2 Mô hình bài toán nhiệt của đầu dụng cụ khuấy trên ống trụ 43

3.1.3 Kết luận 45

3.2 Xây dựng mô hình mẫu vật liệu và đồ gá chi tiết 45

3.3 Phân tích và chọn thông số thực nghiệm 52

3.3.1 Phân tích 52

3.3.2 Chọn thông số đầu vào thực nghiệm 53

3.4 Phương pháp hàn 56

3.5 Phương pháp kiểm tra độ bền kéo chi tiết 60

3.6 Phương pháp kiểm tra lực dọc trục Fz 62

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 64

4.1 Thực nghiệm khảo sát miền giá trị thô hệ thống 64

4.2 Thực nghiệm đơn yếu tố 68

4.3.3 Kiểm tra sự tương thích của phương trình hồi quy: 76

4.4 Đồ thị thể hiện mối tương quan của hàm mục tiêu với từng cặp yếu tố ảnh hưởng 78

4.4.1 Đối với lực dọc trục Fz (N) 78

4.4.2 Đối với ứng suất kéo k(Mpa) 83

4.5 Kết quả tối ưu hóa các thông số 87

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 88

5.1 Nhận xét và đánh giá nghiên cứu 88

5.2 Hướng phát triển trong tương lai 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC 92

A BẢN VẼ DỤNG CỤ HÀN 93

B THÔNG SỐ CÁC CHI TIẾT ĐỒ GÁ HỆ THỐNG 94

C LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 96

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hàn ma sát khuấy trên ống 16

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo hàn ma sát khuấy 17

Hình 1.3 Hàn FSW trong đóng tàu 18

Hình 1.4 Hàn FSW trong lĩnh vực hàn không 19

Hình 1.5 Hàn FSW trên ô tô 20

Hình 1.6 Hệ thống hàn tự động trên ống 22

Hình 1.7 Hệ thống chịu lực bên trong chi tiết 23

Hình 2.1 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến quá trình sinh nhiệt [12] 29

Hình 2.2 Các biên dạng của đầu dụng cụ hàn 30

Hình 2.3 Khoảng cách giữa các bước tiến của dụng cụ hàn 30

Hình 2.4 Tổ chức vùng sinh nhiệt trong mối hàn ma sát khuấy 34

Hình 2.5 Mô hình các vùng trong hàn ma sát khuấy trong tấm phẳng 36

Hình 2.6 Mô hình các vùng trong hàn ma sát khuấy trong ống trụ [3] 36

Hình 2.7 Các lực trong quá trình hàn 38

Hình 3.1 Phân bố nhiệt tại bề mặt dụng cụ hàn 39

Hình 3.2 Mặt cắt thể hiện phân bố nhiệt vi phân trên chốt và vai 40

Hình 3.3 Mô hình mối hàn trên ống trụ 43

Hình 3.4 Mô hình hàn mẫu ống trụ hợp kim nhôm 46

Hình 3.5 Kích thước mặt cắt ngang vùng hàn 47

Hình 3.6 Mẫu vật liệu gá đặt 47

Hình 3.7 Gia công đồ gá và phôi ống nhôm 48

Hình 3.8 Trục, đe đỡ và ổ đỡ trục 50 49

Hình 3.11 Thông số và mẫu dụng cụ khuấy 51

Hình 3.12 Gá đặt hệ thống chi tiết lên máy phay 52

Hình 3.13 Thông số cơ sở thiết bị và máy phay 54

Hình 3.14 Sử dụng thiết bị đo tốc độ SKF TMOT6 calip lại các thông số đầu vào 54

Hình 3.15 Mẫu hàn do không đủ nhiệt gây hiện tượng dính mũi khuấy 55

Hình 3.16 Khoảng lệch tâm dụng cụ khi hàn 56

Hình 3.17 Trình tự hình thành mối hàn 57

Hình 3.18 Tháo lắp chi tiết 58

Hình 3.19 Các mẫu hàn ống nhôm thực nghiệm thô miền giá trị 58

Hình 3.20 Các mẫu hàn ống nhôm thực nghiệm toàn phần 59

Hình 3.21 Mẫu hàn ống nhôm do thiếu nhiệt 59

Hình 3.22 Mẫu hàn ống nhôm do thiếu nhiệt 60

Hình 3.23 Kích thước mẫu thử kéo 61

Hình 3.24 Tính diện tích mẫu thử kéo 61

Hình 3.25 Thiết kế đồ gá kẹp thử ứng suất kéo mối hàn trên ống 62

Hình 3.26 Quá trình kiểm tra ứng suất được thực hiện trên máy MALICET ET BLIN 62 Hình 3.27 Hệ thống đo lực 63

Hình 4.1 Đồ thị ảnh hưởng tốc độ hàn đến ứng suất kéo 64

Hình 4.2 Đồ thị ảnh hưởng tốc độ hàn đến lực dọc trục Fz 65

Hình 4.3 Bề mặt mối hàn ở các mức tốc độ hàn 65

Hình 4.4 Đồ thị ảnh hưởng khoảng lệch tâm đến ứng suất kéo 66

Hình 4.5 Đồ thị ảnh hưởng khoảng lệch tâm đến lực dọc trục 67

Hình 4.6 Bề mặt mối hàn ở các khoảng lệch tâm dụng cụ 67

Hình 4.7 Ảnh hưởng khoảng lệch tâm đến ứng suất kéo 69

Hình 4.8 Ảnh hưởng tốc độ quay dụng cụ đến ứng suất kéo 70

Hình 4.9 Ảnh hưởng tốc độ hàn đến ứng suất kéo 71

Hình 4.10 Ảnh hưởng của vận tốc hàn và tốc độ quay dụng cụ đến lực dọc trục Fz 79

Hình 4.11 Ảnh hưởng của vận tốc hàn và khoảng lệch tâm dụng cụ đến lực dọc trục Fz.

80

Hình 4.12 Ảnh hưởng của khoảng lệch tâm và tốc độ quay dụng cụ đến lực dọc trục Fz 80

Hình 4.13 Mô phỏng Matlab ảnh hưởng của vận tốc hàn và tốc độ quay dụng cụ đến lực dọc trục Fz 81

Hình 4.14 Mô phỏng Matlab ảnh hưởng của vận tốc hàn và khoảng lệch tâm dụng cụ đến lực dọc trục Fz 82

Hình 4.15 Mô phỏng Matlab ảnh hưởng của tốc độ quay trục chính và khoảng lệch tâm dụng cụ đến lực dọc trục Fz 82

Hình 4.16 Ảnh hưởng của vận tốc hàn và tốc độ quay dụng cụ đến ứng suất kéo 83

Hình 4.17 Ảnh hưởng của vận tốc hàn và khoảng lệch tâm đến ứng suất kéo 84

Hình 4.18 Ảnh hưởng của tốc độ quay trục chính và khoảng lệch tâm đến ứng suất kéo 84

Hình 4.19 Mô phỏng Matlab ảnh hưởng của vận tốc hàn và tốc độ quay dụng cụ đến ứng suất kéo 85

Hình 4.20 Mô phỏng Matlab ảnh hưởng của khoảng lệch tâm và tốc độ quay dụng cụ đến ứng suất kéo 86

Hình 4.21 Mô phỏng Matlab ảnh hưởng của khoảng lệch tâm và tốc độ quay dụng cụ đến ứng suất kéo 86

Hình B.1 Động cơ hộp giảm tốc và thiết bị biến tầng 200W 94

Hình B.2 Hộp giảm tốc REYON LW 60 95

Hình B.3 Thiết bị đo tốc độ SKF TMOT6 95

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Khảo sát miền giá trị tương ứng với thông số hiện có của hệ thống hàn trên

ống trụ 56

Bảng 4.1 Kết quả thực nghiệm miền giá trị tốc độ hàn (mm/ph) 64

Bảng 4.2 Kết quả thực nghiệm miền giá trị khoảng lệch tâm (mm) 66

Bảng 4.3 Miền giá trị giới hạn 68

Bảng 4.4 Khảo nghiệm đơn yếu tố khi khoảng lệch tâm dụng cụ thay đổi 68

Bảng 4.5 Khảo nghiệm đơn yếu tố khi số vòng quay dụng cụ thay đổi 69

Bảng 4.6 Khảo nghiệm đơn yếu tố khi tốc độ hàn thay đổi 70

Bảng 4.7 Bảng quy hoạch toàn phần 72

Bảng 4.8 Kết quả thực nghiệm ở tâm 74

Bảng 4.9 Các giá trị của phương trình hồi quy y1 74

Bảng 4.10 Xác định các thông số 75

Bảng 4.11 Các thông số xác đinh tiêu chuẩn Fisher 77

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

Fz : Lực dọc trục (Lực hướng xuống của đầu khuấy) (N)

k

 Ứng suất kéo ( Mpa)

Q1 là nhiệt lượng được sinh ra tại bề mặt phía dưới của vai

Q2 là nhiệt lượng sinh ra tại mặt bên của chốt khuấy

Q3 là nhiệt lượng sinh ra tại mặt đầu của chốt

 ứng suất trượt chảy

σ yield Ứng suất chảy của vật liệu tại nhiệt độ làm việc

P: Áp lực tiếp xúc (W)

t: Thời gian (s)

HAZ : Vùng chịu nhiệt

TMAZ : Vùng chịu nhiệt của dụng cụ hàn

FSW : Hàn ma sát khuấy

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 GIỚI THIỆU

Hàn ma sát khuấy được phát minh vào năm 1991 bởi Wayne Thomas [1] của Viện hàn của Vương Quốc Anh (TWI), là kỹ thuật hàn được liên kết ở trạng thái rắn (không nóng chảy) ban đầu được áp dụng cho hàn hợp kim nhôm

Hàn ma sát khuấy (FSW) nổi tiếng nhất trong ngành hàng không và ngành hóa dầu FSW được coi như một quá trình xanh mà không tạo hồ quang và khói, và không yêu cầu các loại phụ khí che chắn Hàn ma sát khuấy là một trong những công nghệ hàn không nóng chảy tạo ra những liên kết hàn có tính chất ưu việt, đặc biệt là các kim loại hay hợp kim có tính chịu hàn kém như hợp kim nhôm, hợp kim đồng… Dụng cụ hàn vừa xoay vừa tịnh tiến xuống tiếp xúc với bề mặt vật hàn nhằm tạo nguồn nhiệt cần thiết ban đầu, kế tiếp là đi xuyên vào vật hàn (chiều sâu bằng với chiều sâu ngấu) tạo những thay đổi về tổ chức vật liệu; làm cho quá trình biến dạng dẻo mảnh liệt ở vùng khuấy, sau đó di chuyển dọc theo hướng hàn tạo thành mối hàn

Đến nay, vật liệu đạt được ứng dụng và đạt được nhiều thành công nhất trong hàn ma sát khuấy là hợp kim nhôm Nguyên nhân là vì việc hàn nhôm dễ và nó được

sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp Và một nguyên nhân đặc biệt là do việc hàn hợp kim nhôm bằng các phương pháp hàn nóng chảy là rất khó khăn, ví dụ như trong ngành công nghiệp máy báy, trong khi hàn plasma với tỉ lệ hư hỏng tới 90%, còn hàn

ma sát khuấy đã giảm tỉ lệ này xuống gần như bằng không [2] Nhiệt độ tối đa trong toàn bộ quá trình hàn là dưới nhiệt độ nóng chảy, đối với hầu hết hợp kim nhôm là thấp hơn 6600

C

So sánh với những công nghệ hàn trước đây thì FSW tiêu thụ ít năng lượng một cách đáng kể, không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóng chảy, không có khí độc khi hàn, không phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ Vấn đề năng lượng, môi trường, vật liệu chế tạo đang được thế giới quan tâm và luôn hướng đến sự hoàn thiện

về mọi mặt, do đó tất cả các ngành công nghiệp cũng cần nghiên cứu đổi mới công nghệ nhằm hạn chế tối đa năng lượng tiêu thụ và lượng khí thải khi sản xuất Trong lĩnh vực hàn các phương pháp hàn tiên tiến như hàn hồ quang dưới lớp thuốc hay trong môi trường khí bảo vệ, hàn bằng tia laser, phần nào đáp ứng được các yêu cầu trên Ðặc biệt phương pháp hàn ma sát khuấy (FSW) được xem là phương pháp rất hữu hiệu

và đang được quan tâm nhất hiện nay

1.2 P ạ v ứ dụ

c ệ đ ả :

Đây là hai ngành đầu tiên ứng dụng kỹ thuật hàn ma sát khuấy Quy trình hàn được ứng dụng vào các mảng như :Các tấm bano của boong, các vách ngăn và sàng ,vỏ tàu và các cấu trúc thượng tầng, bãi đáp cho trực thăng trên tàu

Hình 1.3 Hàn FSW trong đóng tàu

c ệ ụ

Nhiều ứng dụng tiềm năng trong ngành công nghiệp hàng không như sửa chữa những máy bay cũ, những cấu trúc đúc s n, và dụng cụ cho việc ghép nối các cấu trúc của máy bay lại với nhau thì hàn ma sát khuấy đang dần đáp ứng được các yêu cầu đó Ngày nay, các ngành công nghiệp về hàn không đã ứng dụng hàn ma sát khuấy vào chế tạo một số mẫu Các mối hàn dọc giáp mối và hàn các chi tiết trụ của hợp kim nhôm cho các bình chúa nhiên liệu của máy bay thì hàn ma sát khuấy đạt được nhiều thành công

`

Hình 1.4 Hàn FSW trong lĩnh vực hàn không

Phương pháp hàn ma sát khuấy được sử dụng cho việc hàn các bồn nhiên liệu của tàu con thoi, các chi tiết lớn nhất của tàu Hàn ma sát khuấy có thể ứng dụng vào hàn các chi tiết như:

- Cánh máy bay, thân máy bay, các bộ phân thăng bằng

- Bình chứa nhiên liệu…

c ệ ô-tô

Hàn ma sát khuấy được ứng dụng trong hàn các tấm hợp kim nhôm của thân xe, mâm xe, khung xe

Hình 1.5 Hàn FSW trên ô tô

1.3 TÌNH HÌNH CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI

1.3.1 Các ê cưu t êu b ểu

T á 2 ă 2011, DH Lammlein , BT Gibson, DR DeLapp [3] hàn ma sát

khuấy trên ống trụ hợp kim nhôm 6061-T6 có có đường kính 106 mm và dày 5 mm Sử dụng các phương pháp thử nghiệm và số, nghiên cứu chứng minh rằng hàn ma sát khuấy có thể được thực hiện trên mô hình ống có đường kính nhỏ tại một loạt các thông số Kết quả thử nghiệm mối hàn có độ bền kéo cao và tin cây Các tác giả khuyến cáo sử dụng điều khiển lực và dùng các phương pháp thí nghiệm đảm bảo sự tiếp xúc cần thiết giữa bề mặt phôi và dụng cụ khuấy để đảm bảo chất lượng mối hàn tốt

Nă 2013, Mok tar Awa , Hasa Fawad [4] sử dụng và cố định trên máy

phay CNC Bridgeport 2216 để hàn ống nhôm hợp kim 6063 Ống nhôm có đường kính

89 mm, chiều dày danh nghĩa 5mm dụng cụ khuấy được làm bằng thép carbon cao Họ

đã sử dụng ở các mốc số vòng quay 900, 1200, 1500 rpm và tốc độ hàn 1,2; 1,8; 2,4

A M K ours d và I Sabry ( ă 2013) [5] thử nghiệm hàn ma sát khấy dạng

ống hợp kim nhôm 6063 được thực hiện bằng cách sử dụng trên máy khoan Các công

cụ quay với tốc độ 485, 710, 910, 1120 và 1400 rpm với một tốc độ hàn 4 mm / phút Các tính chất cơ học của mối hàn đã được nghiên cứu bằng các xét nghiệm cơ học khác nhau bao gồm kiểm tra độ bền kéo, độ cứng và cấu trúc vi mô Qua đó họ đã trình bày việc tối ưu hóa và cũng nhấn mạnh ảnh hưởng của vi cấu trúc và cơ thuộc tính của hàn

ma sát khuấy trên ống hợp kim nhôm 6063

Tháng 1 2016 Mokhtar Awang và Mohd Afendi Rojan [6] đã nghiên cứu phân

tích đường cong nhiệt độ đặc trưng trong các giai đoạn của tốc độ quay dụng cụ hàn

ma sát khuấy trên ống hợp kim nhôm AA6063-T6 có đường kính nhỏ Bốn điểm vị trí được lựa chọn trên cả cạnh tiến và cạnh lùi được đo bằng 4 cặp nhiệt điện loại K và ghi lại bằng cách sử dụng NI Signal Express trên máy tính xách tay Nghiên cứu cho thấy nhiệt độ tăng lên với sự tăng của tốc độ quay, có sự khác biệt về nhiệt độ giữa cạnh tiến cao hơn cạnh lùi tại trung tâm mối hàn và thay đổi từ 5% đến 25% Nhiệt độ cao nhất

từ cạnh tiến trong 24 giây được ghi nhận tại 1700 rpm cho 378oC

1.3.2 Một số Patent liên quan

Patents số US9242308 B2 Out of position friction stir welding of casing and

small diameter tubing or pipe [14]

phù hợp với kích thước bên trong ống và có thể mở rộng chịu lực để ngăn chặn sự biến dạng trong quá trình hàn

Hình 1.7 Hệ thống chịu lực bên trong chi tiết

Tóm tắt: Trục gá được cung cấp lực để chịu áp lực từ bên ngoài trong quá trình hàn Các trục gá được mở rộng thông qua việc sử dụng một nêm và được vận hành bằng thủy lực Hệ thống thủy lực được điều khiển phù hợp với áp lực dụng cụ khuấy bên ngoài

Patents số US20070175967 A1 High integrity welding and repair of metal

Trong thời gian gần đây,chúng ta bắt đầu có những nghiên cứu về công nghệ hàn

ma sát khuấy, nhưng hiện tại chưa có nghiên cứu nào đi sâu về vấn đề hàn ma sát khuấy dạng ống trụ đường kính nhỏ Một số nghiên cứu về hàn ma sát khuấy trên tấm nhôm phẳng của một số tác giả sau:

Nhóm tác giả Dươ Đì Hảo, Trầ Hư Trà và Vũ Cô Hòa (2015) [7]

Nghiên cứuảnh hưởng của thông số hàn đến độ bền uốn của mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075-T6 Kết quả khảo sát thực nghiệm cho thấy mối hàn đạt chất lượng với độ bền uốn khá cao khi tỉ số giữa tốc độ quay chốt hàn và tốc độ hàn (ω/v) nằm trong khoảng từ 4.0-10.0 vòng/mm Trong đó có mối hàn chịu được uốn với góc uốn khá lớn đạt đến 90o và không bị phá hủy cũng như khả năng chịu uốn của mối hàn còn tốt hơn cả vật liệu nền

Ma Đă Tuấn [8], luận văn Thạc sĩ, nghiên cứu về một số thông số ảnh hưởng

đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trên tấm nhôm phẳng Trong đó tác giả đã quy hoạch thực nghiệm toàn phần 3 thông số: số vòng quay đầu khuấy, tốc độ hàn và đường kính vai đầu khuấy, từ đó rút ra được bộ thông số tối ưu để đạt độ bền kéo lớn nhất

Võ Vă P o, Thân Trọ K á Đạt [9], tác giả đã trình bày sự ảnh hưởng

đồng thời của 4 thông số (số vòng quay đầu khuấy, vận tốc hàn, chiều dài đầu khuấy và đường kính đầu khuấy) đến độ bền kéo, lực dọc trục theo phương ngang và phương đứng

Trần Trọng Thuyết [10] nghiên cứu trình bày phương pháp gia nhiệt trước cho

đường hàn để từ đó nghiên cứu sự ảnh hưởng tới các thông số lực trong suốt quá trình hàn tấm nhôm phẳng Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp các thông số công nghệ cho quá trình hàn ma sát khuấy có gia nhiệt trên tấm nhôm đạt độ tin cậy và hiệu quả hơn

1.5 NHẬN XÉT VÀ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Sau khi nghiên cứu các tài liệu hiện có, một số hạn chế đã được quan sát thấy

trong phương pháp hàn ma sát khuấy với hợp kim nhôm:

• Đa số các nghiên cứu được thực hiện trên tấm nhôm phẳng nhưng rất ít nghiên cứu được tìm thấy cho ống nhôm và các dạng hình ống của nó Đặc biệt ở Việt Nam vẫn chưa có nghiên cứu nào về hàn ma sát khuấy trên ống trụ

• Nhìn chung các nghiên cứu trên đã chứng minh và đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Khó khăn ở hàn ma sát khuấy trên ống trụ là biên dạng

bề mặt tiếp xúc cong so với vai của dụng cụ khuấy và độ cứng vững hệ thống đồ gá Qua các nghiên cứu trên vẫn chưa thấy thực nghiệm chứng minh rõ nét sự ảnh hưởng

bề mặt tiếp xúc của biên dạng ống trụ với dụng cụ khuấy

• Việc so sánh hàn ma sát khuấy với hàn TIG và hàn MIG trên hợp kim nhôm chỉ dừng lại ở kết quả ứng suất mà chưa so sánh tổng quan hết các yếu tố khác

Hàn ma sát khuấy là bước tiến quan trọng nhất về lĩnh vực hàn trong thập niên qua,

và là một công nghệ xanh do hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường So sánh với những công nghệ hàn trước đây thì FSW tiêu thụ ít năng lượng một cách đáng kể, không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóng chảy, không có khí độc khi hàn, không phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ,

Qua các tài liệu trên, c ú đã ến hành nghiên cứu sự ả ưởng của các

thông số công nghệ trong quá trình ứng dụng hàn ma sát khuấy trên ống hợp kim nhôm A5052 c đường kính nhỏ

1.6 Ý NGHĨA VÀ MỤC TIÊU CỦA NGHIÊN CỨU

1.6.1 MỤC TIÊU CỦA NGHIÊN CỨU

Trong quá trình hàn ma sát khuấy (FSW), một số lượng đáng kể các nghiên cứu được thực hiện trên tấm nhôm phẳng nhưng rất ít nghiên cứu được tìm thấy cho ống nhôm và các dạng hình ống của nó Phương pháp hàn này là một trong những công nghệ hàn mới hiện nay, được nhiều nước và các hãng sản xuất lớn trên thế giới nghiên cứu ứng dụng, là một trong những yếu tố quan trọng cải thiện hiệu quả cơ tính, độ bền của sản phẩm

Quá trình FSW trên ống trụ cần phải phân tích ảnh hưởng các thông số công nghệ trong điều kiện thí nghiệm của quá trình hàn cho vật liệu nhôm hợp kim được tiến hành bởi quá trình xây dựng mô hình toán học và thiết kế mô hình thực nghiệm

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình hàn ma sát khuấy Dựa trên các nghiên cứu trong và ngoài nước, các đánh giá của chuyên gia để hạn chế số thí nghiệm cần phải xây dựng phương trình cân bằng nhiệt để xác định các thông số ảnh hướng đến quá trình hàn Tiến hành thực nghiệm, sử dụng phương pháp thống kê và tối ưu hóa để phân tích dữ liệu, từ đó rút ra bộ thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn với vật liệu ống hợp kim nhôm A5052 có đường kính ngoài 100mm, chiều dày 5mm, với tốc độ trục chính 1322-1844 vòng/phút, tốc độ hàn từ 26-125 mm/phút, khoảng lệch tâm từ 0 đến 10mm

1.6.2 Ý NGHĨA CỦA NGHIÊN CỨU

Trong điều kiện công nghiệp hóa hiện đại hóa ở nước ta, các ngành công nghiệp phát triển như hàng không, đóng tàu, ô tô, chế tạo khuôn mẫu, dầu khí thì việc nghiên

cứu ứng dụng phương pháp hàn ma sát khuấy là rất cần thiết, tạo điều kiện cho việc tiếp cận và từng bước ứng dụng có hiệu quả các công nghệ tiên tiến của thế giới

Nghiên cứu này giúp ta có thể mở rộng trong việc ứng dụng vào dầu khí, hóa dầu

và các ngành công nghiệp khí đốt tự nhiên mà khối lượng mối hàn ống cao giúp tăng năng suất trong sản xuất Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp các chế độ công nghệ cho quá trình hàn ma sát khuấy trên ống hợp kim nhôm đạt được độ tin cậy và đưa ra một

dự đoán hợp lý của các thông số cần được dự kiến trong các điều kiện hàn ma sát khuấy khác nhau

Trong mối hàn trên ống trụ, ngoài hai thông số cơ bản là tốc độ quay trục chính,

vận tốc hàn thì khoảng lệch tâm dụng cụ cũng là một yếu tố quan trọng quyết định

đến chất lượng của mối hàn

Đối với các vật hàn dày thì nhiệt độ bị ảnh hưởng bởi chiều sâu của đầu khuấy, nhiệt độ cao nhất là tại bề mặt tiếp xúc giữa vai và bề mặt vật hàn Khi nhiệt độ vật liệu mối hàn tăng lên thì sẽ tiếp tục làm mềm kim loại, moment xoắn giảm và một lượng nhiệt được truyền đi bởi công việc cơ học Điều này tạo thành một cơ chế nhiệt tương đối ổn định và tránh tối đa hiện tượng nóng chảy của kim loại mối hàn Điều khiển nhiệt độ có thể thực hiện bằng cách thay đổi điều kiện ở bề mặt chung giữa dính và trượt

Hình 2.1 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến quá trình sinh nhiệt [12]

Khi kim loại nguội dưới nhiệt độ tới hạn, khi đó ứng xuất dòng biến dạng tăng lên trên giá trị ứng suất trượt Sự tác động giữa dụng cụ và phôi có thể chuyển từ biến dạng đến ma sát Nếu trượt xảy ra giữa dụng cụ và phôi, lượng nhiệt vào sẽ giảm và dẫn đến giảm nhiệt độ mối hàn

Trọng tâm của quá trình hàn ma sát khuấy là hình dạng dụng cụ hàn Thường trong hàn ma sát khuấy, quá trình hàn về cơ bản được hiểu là một dụng cụ hàn hình trụ có vai, mà vai này sẽ nằm trên bề mặt chi tiết hàn, và một chốt có đường kính nhỏ, nó sẽ

đi sâu vào chi tiết hàn Vai này đống vai trò là không cho vật liệu bị biến dạng dẻo bay

ra ngoài khi chốt xoay và ép vật liệu chạy dọc đường hàn

Chốt khuấy có nhiều biên dạng khách nhau và đống vai trò là đẩy vật liệu xung quanh đi xuống và giúp vật liệu được duy trì trong vùng hàn Và có một lực hướng xuống tác dụng lên dụng cụ hàn để duy trì chiều sâu nhúng của chốt khuấy một cách hợp lý và cũng như làm cho vai của dụng cụ khuấy ép lên bề mặt chi tiết hàn

Hình 2.2 Các biên dạng của đầu dụng cụ hàn

2.1.2 Quá trình nhiệt sinh ra trong quá trình hàn

Hàn ma sát khuấy chủ yếu là dùng sự phân tán sệt trong vật liệu phôi điều khiển bởi ứng suất cắt lớn ở bề mặt giữa dụng cụ và phôi.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 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

Hình 2.3 Khoảng cách giữa các bước tiến của dụng cụ hàn

Tuy nhiên điều kiện biên trong mối hàn này là khá phức tạp Vật liệu ở bề mặt tiếp xúc có thể: một là bám dính vào dụng cụ, trong trường hợp đó có cùng vận tốc với vận tốc dụng cụ, hai là có thể trượt, trong trường hợp này vận tốc thấp hơn và không cùng chiều với dụng cụ Nhiệt độ và ứng suất tiếp xúc thay đổi lớn trên khắp dụng cụ, do đó không giống như điều kiện tiếp xúc đơn thuần Tiếp xúc có thể một phần bị trượt, một phần bị dính và nếu có hiện tượng nóng chảy cục bộ xảy ra thì sẽ có sự kết hợp hiện tượng trượt, dính Nóng chảy cục bộ của phân tử pha thứ hai hoặc cấu trúc cùng tinh sẽ làm giảm nhanh chóng ứng suất cắt một cách hiệu quả dần đến giá trị không sẽ dẫn đến

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

5 giai đoạn của quá trình hàn ma sát khuấy:[2]

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

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

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

đầu Lực đi xuống giảm dần xuống dưới giá trị lực đi xuống chuyển tiếp Ban đầu lượng nhiệt tạo ra trong giai đoạn này là khá cao so với nhiệt độ tạo ra trong lúc dụng

cụ di chuyển, khi vật liệu phôi được làm mềm, hệ số ma sát giảm đến 0,35 Vật liệu dưới vai được nung nóng và cùng với biến dạng dẻo trước khi hàn

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

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

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

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

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

Để đạt được quá trình xử lý tốt, vật liệu trước dụng cụ phải được nung nóng trước cùng với quá trình biến dạng dẻo trong khi thực hiện Điều này có thể đạt được bằng cách tăng số vòng quay n hoặc tăng bán kính vai Khi Vh tăng, nhiệt độ trước dụng cụ giảm, điều này xảy ra là do không đủ thời gian để phân phối nhiệt

2.1.3 Quá trình truyền nhiệt vào vật hàn

Trên cơ sở nguyên tắc tác dụng cục bộ và tham gia có thể nhận thấy rằng các đặc điểm truyền nhiệt và khối lượng dòng kim loại phân tán sệt cũng như các sai số tức thời của công suất nguồn so với các giá trị trung bình, có ảnh hưởng hạn chế đối với trường nhiệt độ Sự truyền nhiệt chủ yếu xảy ra theo các định luật truyền nhiệt, mặc dù các dòng đối lưu trong kim loại gây ảnh hưởng nhất định đối với sự tải nhiệt ở gần vùng hàn, khối lượng vùng hàn càng lớn thì vai trò của chúng càng lớn

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

Thời gian bắt đầu trạng thái tĩnh định (thời gian của chu kỳ bảo hòa nhiệt) phụ thuộc vào tốc độ hàn, khoảng cách giữa các khối lượng) được khảo sát và cường độ dẫn nhiệt của nó.Chu kỳ bảo hòa nhiệt được rút ngắn bởi sự giảm khoảng cách tới

tốc độ truyền nhiệt vào môi trường xung quanh và sự giảm nhiệt dung của vật liệu 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 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 Phần bề mặt rộng hơn phần đáy là do vai dụng cụ tạo nhiệt nhiều hơn đầu khuấy dụng cụ Trong vùng trung tâm mối hàn có những mẫu xếp liên tục nhau là do cấu hình ren của đầu khuấy và bị biến mất là do sự trượt giữa bề mặt dụng cụ và phôi, ở nhiệt độ cao hơn khi lượng kim loại bị trồi ra trong quá trình hàn, vùng trung tâm kéo dài ra về phía vùng tiến là do dòng chảy không liên tục trước khi đông đặc

Hình 2.4 Tổ chức vùng sinh nhiệt trong mối hàn ma sát khuấy

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

2.2 HAI MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC

2.2.1 Mô hình thứ I

Khi đầu khuấy đi xuống và cắt vật liệu, phần vật liệu bị cắt sẽ xoay theo chiều quay của dụng cụ Sau đó tạo thành vòng xoáy vật liệu xếp chồng nhau bao quanh đầu

vùng cắt và chuyển động đều xuống dưới vùng hàn Phần vật liệu không bị cuốn vào vòng xoáy sẽ quay quanh dụng cụ theo dòng chảy xuyên thẳng, còn những phần vật liệu bị cuốn theo vòng xoáy sẽ trải qua sự biến dạng cơ nhiệt rất cao bởi vì chúng có thể quay nhiều vòng quanh đầu khuấy Sự thay đổi hướng ren (hoặc cấu hình đầu khuấy) sẽ dẫn đến sự thay đổi hướng lên hoặc hướng xuống của vật liệu Vật liệu trong cạnh lùi của mối hàn di chuyển từ phía trước đầu khuấy ra phía sau đầu khuấy rồi dừng lại là do tác dụng của dòng chảy xuyên thẳng của vật liệu Phần vật liệu trong cạnh tiến của mối hàn sau một thời gian quay quanh đầu khuấy bị kẹt lại bởi dòng chảy

ly tâm của phần vật liệu ở dưới vai dụng cụ Dòng chảy ly tâm của vật liệu là một phần của dòng xoáy vật liệu lưu thông gây ra bởi ren của đầu khuấy Sự lưu thông của dòng xoáy sẽ chuyển vật liệu bị kẹt lại xuống dưới đầu khuấy Sự xoáy của dòng vật liệu quay quanh đầu khuấy và dòng vật liệu hướng xuống đầu khuấy càng thể hiện rõ hơn khi đầu khuấy di chuyển đi tới (ra khỏi vùng khuấy) Sự thay đổi hướng ren sẽ làm thay đổi hướng dòng chảy vật liệu trong vùng xoáy từ sự di chuyển lên hoặc di chuyển xuống dọc đầu khuấy

Hai dòng chảy trên sẽ quyết định lượng kim loại trải qua quá trình cơ nhiệt trong mỗi dòng chảy và sẽ quyết định đến chất lượng mối hàn Sự xen kẻ của hai dòng chảy được thể hiện trong hình 2.4, sự xảy ra của các hiện tượng trượt, dính hoặc cả trượt và dính giữa bề mặt dụng cụ và phôi là nguồn gốc sự xen kẻ trên Dòng chảy xuyên thẳng sẽ chiếm lĩnh vùng lùi của mối hàn (vùng phía trên đầu khuấy) và dòng chảy xoáy nằm ở vùng tiến (dưới đầu khuấy)

2.2.2 Mô hình thứ II

Gồm năm vùng: vùng nung nóng trước (1), vùng biến dạng ban đầu (2), vùng

Hình 2.5 Mô hình các vùng trong hàn ma sát khuấy trong tấm phẳng

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

Mối hàn được hình thành từ những dòng kim loại hội tụ lại ở phía sau dụng cụ, mức dòng chảy và hướng các đường trượt dọc của dọc chảy sẽ quyết định kiểu vùng biến dạng, ứng suất thủy tĩnh và vectơ vận tốc tại vùng biến dạng Dòng vật liệu xuyên qua mỗi vùng và hội tụ một lần nữa ở bề mặt từng vùng, sự rối loạn của dòng kim loại cùng với sự hình thành các khuyết tật mối hàn là sự biểu hiện của sự dao động về độ lớn, hướng của các lực và moment xoắn của dụng cụ

2.3 Lực trong quá trình hàn ma sát khuấy

Lực trong hàn ma sát khuấy, cũng như momen xoắn và năng lượng được tạo ra bởi các thông số hàn, như là: hình dạng dụng cụ hàn, vật liệu và thông số của quá trình hàn, chúng đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình hàn Lực và momen xoắn có thể được xem là chỉ số trực tiếp đánh giá đến chất lượng mối hàn, mà từ đó chúng ta điều chỉnh sao cho các giá trị này nằm trong vùng an toàn để thu được mối hàn không

có khuyết tật

Trong quá trình hàn thì dụng cụ thực hiện hai chuyển động chính đó là quay và tịnh tiến, lực trong quá trình hàn theo ba hướng đó là:

Ngoài ra, trong chuyển động quay của dụng cụ, momen xoắn cũng được tạo ra Các lực nảy được thể hiện ở hình 2.13

Hình 2.7 Các lực trong quá trình hàn

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

Để xác định sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn, đầu tiên ta phải xây dựng phương trình cân bằng nhiệt của quá trình hàn với các yêu cầu giống như mô hình thực nghiệm Bên cạnh đó cần phải thí nghiệm trên mô hình thực tế, từ đó phân tích và đánh giá dữ liệu có được để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy

3.1 MÔ HÌNH BÀI TOÁN SINH NHIỆT

3.1.1 Mô hình bài toán nhiệt của đầu dụng cụ khuấy hình trụ

Nhiệt độ sinh ra trong quá trình hàn ma sát khuấy là sự tiếp xúc giữa dụng cụ hàn và bề mặt chi tiết cần hàn Nhiệt độ sinh ra tại nhiều vị trí khác nhau trên dụng cụ hàn, và có thể phân chia làm ba vùng chính (theo hình 4.2)[13]

Trong đó:

- Q1 là nhiệt lượng được sinh ra tại bề mặt phía dưới của vai (W)

- Q2 là nhiệt lượng sinh ra tại mặt bên của chốt khuấy (W)

- Q3 là nhiệt lượng sinh ra tại mặt đầu của chốt (W)

- R1 là bán kính chốt dụng cụ khuấy

- R2 là bán kính vai dụng cụ khuấy

Vì vậy tổng nhiệt lượng do dụng cụ sinh ra là Qtotal = Q1 + Q2 + Q3

Để xác định giá trị cho mỗi nhiệt lượng, ta có công thức sau:

Trong đó :

- : vận tốc gốc

- dF : lực tác dụng lên bề mặt tại khoảng cách r từ tâm của dụng cụ hàn

Hình 3.2 Mặt cắt thể hiện phân bố nhiệt vi phân trên chốt và vai

Bề mặt dọc của chốt khuấy được thể hiện ở hình 3.2a một tiết diện vi phân của

bề mặt này là dA  r d dr  bị tác dụng bởi lực hay moment theo phương đứng và tạo

ra một nhiệt độ vi phân Q3 như sau:

2