Luận văn Nghiên cứu chế tạo đầu hàn ma sát khuấy để hàn giáp mối hợp kim nhôm A5052
i
MỤC LỤC
MỤC LỤC.........................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG..............................................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ........................................................................................vii
MỞ ĐẦU..........................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................2
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu................................................................................2
4. Các phương pháp nghiên cứu ...................................................................................2
1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước..........................................................................3
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ..........................................................................5
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.................................................................................................6
2.1. Tổng quan về công nghệ hàn ma sát khuấy...........................................................7
2.1.1. Khái niệm............................................................................................................7
2.1.3. Khả năng ứng dụng .........................................................................................8
2.2.2. Các quá trình cơ nhiệt khi hàn FSW .............................................................13
2.2.2.1. Quá trình sinh nhiệt khi hàn..................................................................13
ii
2.2.2.2. Dòng chảy vật liệu khi hàn ...................................................................16
2.2.3. Thiết bị và đầu hàn ma sát khuấy..................................................................19
2.4. Quy trình hàn ma sát khuấy nhôm.......................................................................31
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2...............................................................................................33
* Mục tiêu thực nghiệm:.............................................................................................34
3.1 Thiết kế và chế tạo đầu hàn ma sát khuấy............................................................34
3.1.2. Chế tạo đầu hàn ma sát khuấy.......................................................................38
3.2.1. Mục tiêu thực nghiệm....................................................................................44
3.2.2. Hàn thực nghiệm nối nhôm A5052 ...............................................................44
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3...............................................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................59
iii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn do tôi nghiên
cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn, không có sự sao
chép kết quả của người khác. Ngoài các số liệu, bảng biểu, đồ thị ....đã được trích dẫn
trong các tài liệu tham khảo, các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng
được công bố trong các công trình nào khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình.
Nam Định, ngày tháng năm 2021
Người cam đoan
Vũ Trọng Nghĩa
iv
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của thầy TS.
Nguyễn Thanh Tú và thầy TS. Vũ Văn Ba, Các Thầy cô trong Khoa Cơ khí, trường
Đại học SPKT Nam Định; Các bạn đồng nghiệp tại trường Cao đẳng Cơ điện xây dựng
Việt Xô đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài luận văn: “Nghiên cứu chế tạo
đầu hàn ma sát khuấy để hàn giáp mối hợp kim nhôm A5052”. Tác giả cũng xin
trân trọng cảm ơn tất cả ban lãnh đạo Trường Đại học SPKT Nam Định và Trường Cao
đẳng Cơ Điện Xây dựng Việt Xô đã tạo điều kiện cơ sở vật chất để tác giả thực hiện
các thí nghiệm nhằm hoàn thành luận văn này.
Do kinh nghiệm của bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót. Tôi
rất mong nhận được ý kiến nhận xét, góp ý của quý thầy cô và bạn bè đồng nghiệp để
luận văn của tôi được hoàn thiện hơn./.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Nam Định, ngày
tháng
năm 2021
Học viên
Vũ Trọng Nghĩa
v
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT
Ký hiệu/ viết tắt
Ý nghĩa
Quá trình hàn hồ quang bằng điện cực nóng
chảy trong môi trường khí bảo vệ
Quá trình hàn hồ quang bằng điện cực không
nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ
Quá trình hàn sát khuấy
Hiệp hội hàn Mỹ
1
MIG/MAG
TIG/GTAW
2
3
FSW
AWS
SZ
4
5
Vùng khuấy
6
HAZ
TMAZ
Q
Vùng ảnh hưởng nhiệt
Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt
Nhiệt ma sát
7
8
9
Hệ số ma sát
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
N
Tốc độ quay của dụng cụ
Lực dọc trục
F’
K
Hệ số công cụ
F
Tốc độ hàn ma sát khuấy
Chiều sâu khuấy
Z
T
Thời gian dừng ban đầu
Nhiệt tạo ra bởi đầu khuấy
Nhiệt tạo ra bởi vai tì đầu khuấy
Mô men
Q1
Q2
Moment
Vhan
v/ph
TWI
FSW Tool
Vận tốc hàn
Vòng/phút
Học Viện hàn của Vương Quốc Anh
Đầu hàn ma sát khuấy
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Thành phần hóa học nhôm A5052 (%)[10]...................................................35
Bảng 3.3 Thành phần hóa học của thép SKD61[1]........................................................37
Bảng 3.4 Tính chất cơ học của thép SDK61[1] .............................................................37
Bảng 3.5. Bảng thông số của các đầu khuấy..................................................................38
Bảng 3.6. Thông số máy tiện CNC HAAS ST2020.......................................................42
Bảng 3.9. Số liệu thực nghiệm và kết quả thử kéo ........................................................50
Bảng 3.10. Kết quả thử kéo và số liệu tính toán ............................................................51
Bảng 3.11.Kết quả tỉ lệ S/N của từng yếu tố tại từng mức ............................................51
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Nguyên lý hàn ma sát khuấy............................................................................7
Hình 2.2. Tàu nhôm lớn nhất thế giới của Nhật bản........................................................8
Hình 2.3. Thùng nhiên liệu tên lửa chế tạo bằng FSW....................................................9
Hình 2.4. Các loại tàu tại Nhật bản được chế tạo bằng FSW ..........................................9
Hình 2.5. Các vùng mối hàn ma sát khuấy ....................................................................10
Hình 2.6. Sơ đồ các giai đọan của quá trình hàn............................................................15
Hình 2.7. Các vùng kim loại trong mô hình...................................................................16
Hình 2.8. Sự kết hợp giữa các dòng chảy ......................................................................17
Hình 2.9. Sự xen kẽ của hai dòng chảy..........................................................................18
Hình 2.10. Cấu tạo chung của dụng cụ hàn ma sát khuấy .............................................19
Hình 2.11. Các dạng vòng xoắn cơ bản trên đầu ngoáy ................................................20
Hình 2.12. Đầu ngoáy MX-Triflute ...............................................................................21
viii
Hình 2.23. Biểu diễn cấu tạo của đầu hàn với hai đầu khuấy........................................27
Twin-Stir™ ....................................................................................................................28
Tandem Twin-Stir™ ......................................................................................................28
ngoáy (Tandem Twin-stir™) .........................................................................................29
Hình 2.28. Độ bền kéo (MPa) của nhôm 5059 .............................................................31
Hình 2.30. Kéo dài phần bắt đầu và kết thúc mối hàn...................................................32
Hình 3.1. Cấu tạo của một đầu khuấy đơn giản.............................................................38
Hình 3.2. Hình ảnh thiết kế các loại đầu khuấy.............................................................39
Hình 3.3. Các kích thước cơ bản của đầu khuấy số 1....................................................39
Hình 3.4. Các kích thước cơ bản của đầu khuấy số 2....................................................40
Hình 3.5. Các kích thước cơ bản đầu khuấy số 3...........................................................40
Hình 3.6. Hình ảnh đầu khuấy dùng trong thực nghiệm................................................41
Hình 3.7. Máy tiện CNC HAAS ST20 có trục C...........................................................41
Hình 3.8. Phôi dùng trong thực nghiệm.........................................................................44
Hình 3.9. Máy phay dùng để hàn thực nghiệm..............................................................44
Hình 3.10. Đồ gá dùng trong thực nghiệm.....................................................................45
Hình 3.11. Kích thước mẫu thử kéo...............................................................................48
Hình 3.12. Mẫu thử kéo .................................................................................................49
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, công nghệ
hàn được phát triển mạnh với sự ra đời của hàng loạt các phương pháp hàn khác
nhau. Tuy nhiên vấn đề con người quan tâm là công nghệ phát triển phải gắn liền
với các vấn đề như năng lượng, môi trường, vật liệu … và tiến tới hoàn thiện về
nhiều mặt. Do đó tất cả các ngành cần nghiên cứu đổi mới công nghệ nhằm hạn chế
tối đa mức năng lượng tiêu thụ, lượng khí thải khi sản xuất, vật liệu bền, nhẹ, đảm
bảo tính công nghệ, phạm vi sử dụng ngày càng rộng hơn.
Một số các quá trình hàn nóng chảy thông dụng như TIG, MIG/MAG, hàn tự
động dưới lớp thuốc …chỉ phần nào đáp ứng được các yêu cầu trên. Hàn ma sát
khuấy – Friction Stir Welding (FSW) là một lĩnh vực rất mới đang dần có những
bước tiến trong thập kỷ qua, là một công nghệ hàn thân thiện với môi trường, hiệu
quả năng lượng do không có quá trình nóng chảy không tạo khí độc khi hàn, không
phát tia hồ quang và năng lượng bức xạ. Ngoài ra, FSW khắc phục được rất nhiều
khó khăn mà những biện pháp hàn truyền thống mắc phải, không cần dùng kim loại
phụ để điền đầy mối hàn, hầu như không biến dạng và không có nứt kết tinh.
Nhôm và hợp kim của nó là một trong những vật liệu khó hàn khi hàn nóng
chảy, tuy nhiên nó có khả năng thích nghi tốt khi hàn FSW. Xét về mặt ưu điểm nó
là vật liệu nhẹ nên ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hàng
không, vận tải, đóng tàu và các thiết bị quân sự và dân dụng.
Cho đến nay, ở trong nước việc nghiên cứu chưa được cập nhật đầy đủ các
thông tin về công nghệ hàn FSW; cũng như có ít đề tài nghiên cứu ứng dụng công
nghệ hàn FSW vào quá trình sản xuất thực tế, mới chỉ dừng ở nghiên cứu thử
nghiệm trong phòng thí nghiệm. Trên cơ sở đó, đề tài nghiên cứu này sẽ tập trung
phân tích, nghiên cứu và hệ thống hóa các kiến thức công nghệ hàn FSW và chế tạo
đầu hàn FSW ứng dụng trong hàn nhôm A5052 nhằm làm sáng tỏ kiến thức lý
thuyết và các kiến thức thực nghiệm về công nghệ hàn FSW trong phạm vi đề tài
nghiên cứu này; các kết quả đạt được sẽ làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo để
ứng dụng công nghệ hàn này vào sản xuất.
2
Tên của đề tài: “Nghiên cứu chế tạo đầu hàn ma sát khuấy để hàn giáp mối
hợp kim nhôm A5052”.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu công nghệ, thiết bị, vật liệu hàn ma sát khuấythông số công nghệ của
quá trình hàn khi hàn hợp kim nhôm;
- Nghiên cứu chế tạo đầu hàn ma sát khuấy để hàn giáp mối hợp kim nhôm A5052;
- Hàn thí nghiệm để đánh giá chất lượng đầu hàn và chất lượng mối hàn ma sát
khuấy hợp kim nhôm A5052;
- Xây dựng bộ thông số công nghệ hàn ma sát khuấy khi hàn hợp kim nhôm.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Đối tượng: Công nghệ hàn ma sát khuấy nhôm và hợp kim nhôm; đặc điểm
công nghệ đầu hàn ma sát khuấy;
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu cơ sở lý thiết về công nghệ, thiết bị, vật liệu hàn ma sát khuấy khi hàn
hợp kim nhôm;
- Nghiên cứu chế tạo đầu hàn ma sát khuấy để hàn giáp mối hợp kim nhôm A5052;
4. Các phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết:
Tìm hiểu về các công trình đã được công bố, tổng hợp và phân tích các tài
liệu trước đó về phương pháp này, từ đó nắm vững được quá trình hàn.
Đọc tài liệu về các vấn đề liên quan đến hàn ma sát khuấy, nhiệt hàn ma sát,
đặc tính vật liệu nhôm…
Nghiên cứu thực nghiệm:
Sử dụng máy CNC để gia công đầu hàn ma sát khuấy,
Hàn thử nghiệm hàn nhôm A5052 trên máy phay vạn năng 6P82 - 7,5 KW
Đánh giá chất lượng liên kết hàn
Tổng hợp kết quả, đánh giá chất lượng đầu khuấy, xác định được bộ thông số
công nghệ hàn hợp lý nhất khi hàn giáp mối hợp kim nhôm A5052 có chiều dày 5
mm đảm bảo chất lượng mối hàn
3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN MA SÁT KHUẤY
1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Hàn ma sát khuấy được phát minh và thực nghiệm bởi John Wayne và các
đồng sự vào năm 1991 bởi học Viện hàn của Vương Quốc Anh(The Welding
Institude TWI)
Kể từ khi TWI phát minh ra vào năm 1991, hàn ma sát khuấy (Friction Stir
Welding - FSW) đã trở thành một lĩnh vực đóng góp lớn cho ngành hàng không,
đường sắt và đóng tàu đặc biệt là trong việc chế tạo các kết cấu hợp kim nhôm. Quá
trình sử dụng một đầu khuấy ít bị ăn mòn để tạo ra sức nóng ma sát trong phôi.
Trên thế giới, có thể kể đến một số nghiên cứu điển hình sau [2]:
Năm 1998, Russell và Shercliff cũng đã dùng mô hình phân tích dựa trên
phương trình tạo nhiệt của mình để dự đoán và xấp xỉ nhiệt độ tính toán. Dòng nhiệt
qua dụng cụ được xác định là khoảng 17% tổng năng lượng hàn.
Năm 2003, khi nghiên cứu mô hình số, Schmidt và Hayyel đã tính toán năng
lượng sinh công vào dụng cụ bởi việc giảm lượng nhiệt vào dụng cụ và việc giảm
lượng nhiệt vào phôi và khẳng định rằng 25% năng lượng cơ học cần thiết bởi tốc
độ quay của trục chính sẽ đi vào dụng cụ, còn lại 75% tập trung vào phôi tại các
mối hàn. Cùng với nghiên cứu trên hai ông cũng đã sử dụng mô hình số từ nguồn
nhiệt do ma sát và nguồn nhiệt do biến dạng dẻo để tính nguồn nhiệt vào, trong đó
10% năng lượng sẽ đi vào dụng cụ, 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 cho đến khi tương đương với kết quả thực nghiệm.
Một nghiên cứu khác của Langerman và Kvalvik đã dùng nguồn nhiệt hai
chiều để xác định dòng vật liệu xung quanh đầu khuấy và dự đoán sự phân bố ứng
suất dư trong phôi sau khi hàn. Nguồn nhiệt sinh ra trong khi hàn có quan hệ tuyến
tính với đường kính vai của dụng cụ.
Song và Kovacevic 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 đã thay đổi tốc độ dụng cụ và chiều sâu dụng cụ khi
4
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 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 quan
sát khi thay đổi hai thông số hàn. Frigaard quan sát ở ba tốc độ đi xuống của dụng
cụ. Song nghiên cứu với ba tốc độ quay dụng cụ. Cả ba tác giả trên đã cho thấy một
mối liên hệ mật thiết giữa nhiệt độ lớn nhất và chiều rộng vùng HAZ.
Linder đã chứng minh những hạn chế của phương pháp đo nhiệt bằng
Thermocouples. Trước hết là độ chênh lệnh nhiệt độ trong FSW là thường rất phức
tạp, vật liệu biến dạng dẻo rất lớn nên kết quả đo khó chính xác và việc xác định
vùng HAZ cần rất nhiều thời gian và công sức (mẫu thử nghiệm phải đánh bóng và
đánh dấu kĩ lưỡng để tiện cho việc đo đạc)
Zahedul và KhandKar đã tính toán moment xoắn của quá trình hàn, kết quả
là nó không đổi với mọi thông số. Ngoài ra Schmidt và Leinart đã đo moment xoắn
từ thực nghiệm và so sánh với kết quả tính toán, họ cũng khẳng định rằng moment
xoắn không thay đổi với mọi thông số hàn.
Một số tác giả đã chứng minh rằng năng lượng hàn là một hàm của các thông
số hàn. Colegrove 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 quay 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 tên gọi là
bước hàn (xác định bước tiến trên mỗi vòng quay dụng cụ). Họ chỉ nghiên cứu sơ
bộ mối liên hệ giữa năng lượng hàn với bước hàn. Reynolds và Tang đã kiểm tra sự
ảnh hưởng của bước hàn đến năng lượng hàn một cách rõ ràng hơn và cho thấy rằng
5
bước hàn không thể là một thông số để xác định năng lượng hàn một cách chính
xác. Họ đã giữ tốc độ ăn dao và chiều sâu đầu khuấy không đổi trong khi đó thay
đổi tốc độ quay dụng cụ để xác định lực hàn và cả lượng nhiệt vào.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Công nghệ hàn ma sát khuấy ở Việt Nam vẫn còn đang mới, đặc biệt tại các
trung tâm nghiên cứu cũng như các trường đại học, cao đẳng, phương pháp này mới
chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu khái niệm. Mặc dù đã có một số các nghiên cứu
nhỏ, chủ yếu dưới dạng các bài báo nhưng chưa được biết đến rộng rãi. Đặc biệt, tại
Việt Nam hầu như chưa có một cơ sở nào đưa phương pháp hàn này vào sản xuất.
Trong đó có một số nghiên cứu điển hình về hàn ma sát khuấy như sau:
Tạp chí khoa học và công nghệ thủy sản của tác giả Dương Đình Hảo, Trần
Hưng Trà, tại trường Đại học Nha Trang nghiên cứu về sự ảnh hưởng của thông số
hàn đến sự phân bố nhiệt độ và cấu trúc mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm
AA 7075 [5]. Bài báo đã khẳng định sự ảnh hưởng của tỉ số /v = 4-10 vòng/mm
thì mối hàn đạt chất lượng mà mối hàn đạt biến dạng dẻo cao nhất lần lượt là 76%
và 68% so với vật liệu nền. Trong tất cả các chế độ cho thấy, tất cả các mẫu thử kéo
đều có vị trí phá hủy nằm ngoài vùng mối hàn, nơi có độ cứng thấp nhất. Và khi tỉ
số /v tăng thì giới hạn bền kéo cũng tăng theo, tuy nhiên độ biến dạng giảm
xuống.
Báo cáo tại Hội nghị Khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - động lực
2016, các tác giả Đỗ Thanh Tùng , Nguyễn Thúc Hà , Lê Đăng Thắng, Trần Văn
Châu Đại học bách khoa Hà Nội [4] đã nghiên cứu chế tạo đầu hàn ma sát khuấy
đối với hợp kim nhôm. Vật liệu đầu khuấy được lựa chọn là thép C45, tôi cải thiện
và tôi cao tần đạt độ cứng cần thiết và ứng dụng vào hàn ma sát khuấy nhôm A5052
dày 6mm. Nhưng đối với đầu hàn là thép C45 sau tôi để hàn khuấy hợp kim nhôm
A5052 xảy ra hiện tượng mòn đầu hàn khi hàn với đường hàn dài và liên tục, do
thép C45 sau tôi chỉ chịu được độ bền mòn ở giới hạn nhất định, kh nhiệt độ tăng
lên khi hàn khuấy do ma sát làm cho độ bền mòn của đầu khuấy thép C45 tôi giảm
nhanh.
6
Nhóm nghiên cứu Mai Đăng Tuấn, Lê Bảo Phụng, TS. Lưu Phương Minh,
TS. Trần Thiên Phúc trường ĐHBK TPHCM tại hội nghị khoa học công nghệ năm
2012 đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng mối hàn ma sát
khuấy trên tấm nhôm phẳng. Bài báo đã trình bày một phương pháp lựa chọn chế độ
công nghệ cho hàn ma sát khuấy mối hàn giáp mối trên nền vật liệu hợp kim nhôm
1050.
Hay gần đề tài nghiên cứu Luận văn thạc sỹ của Vũ Thị Thanh Ga nghiên
cứu về công nghệ hàn ma sát khuấy trên nhôm A1100.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trên cơ sở tìm hiểu tổng quan về nghiên cứu công nghệ hàn ma sát khuấy
trong và ngoài nước tác giả nhận thấy các nghiên cứu đó tập trung chủ yếu vào các
thông số của quy trình hàn nhôm và hợp kim nhôm, đồng thời cũng tìm ra và nghiên
cứu ban đầu về một số loại đầu khuấy sử dụng thép C45 sau tôi. Từ đó, tác giả đã
xác định được hướng nghiên cứu và mục tiêu của đề tài của luận văn, tập trung
nghiên cứu chế tạo đầu khuấy và hàn giáp mối hợp kim nhôm để tìm ra các thông số
phù hợp của đầu hàn và chế độ hàn đối với vật liệu nhôm hợp kim A5052.
7
Chương 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ CÔNG NGHỆ HÀN MA SÁT
KHUẤY
2.1. Tổng quan về công nghệ hàn ma sát khuấy
2.1.1. Khái niệm
Hàn ma sát khuấy là quá trình sử dụng đầu khuấy quay ở tốc độ nhất định,
tạo ra nhiệt ma sát trong phôi. Bằng cách tác động của đầu khuấy trên một đường
định trước trên phôi hàn, kim loại cơ bản nóng lên làm chúng chảy dẻo, khuếch tán
vào nhau tao ra đường hàn sau khi đầu khuấy đi qua. [1]
2.1.2. Nguyên lý
Hệ thống hàn ma sát khuấy được thể hiện trên hình 1.1 [1]
Hình 2.1. Nguyên lý hàn ma sát khuấy
Bằng cách giữ cho đầu hàn xoay và di chuyển dọc theo đường hàn để thực
hiện quá trình hàn, vật liệu mềm ra khuấy trộn với nhau tạo thành một mối hàn mà
không nóng chảy. Những mối hàn này yêu cầu năng lượng đầu vào thấp, không cần
sử dụng vật liệu phụ và hầu như không biến dạng.
Phương pháp này ban đầu được ứng dụng cho vật liệu kim loại màu như
nhôm, bằng cách sử dụng vật liệu đầu hàn thích hợp, sau đó đã được mở rộng đến
các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao hơn như thép, hợp kim titan và đồng. Từ
8
quan niệm của mình vào năm 1991, TWI đã có đáng kể những tiến bộ trong công
nghệ hàn như việc tìm ra vật liệu chế tạo đầu khuấy và chế tạo các loại đầu khuấy
có hình dánh phức tạp, hiệu qua hơn phù hợp vói các kim loại được hàn, đồng thời
quá trình hàn cũng được dần tự động hóa và kiểm soát tốt hơn nhờ công nghệ số
phát triển.
2.1.3. Khả năng ứng dụng
Lĩnh vực hàng hải: Người ta tin rằng việc áp dụng thương mại đầu tiên của
FSW là sự kết hợp của ép đùn hợp kim 6xxx để sử dụng trong các nhà máy chế tạo
khoang đóng băng cá cho tàu cá. Đã có rất nhiều ứng dụng của quá trình gia công
nhôm đúc 6xxx để kết hợp trong vách ngăn và sàn tàu trong các loại tàu nhôm tốc
độ cao khác nhau và trong các tàu du lịch bằng thép lớn hiện nay thường có cấu trúc
siêu nhẹ. Trong các ứng dụng như vậy, các tấm dùng hàn FSW rất phẳng do sự biến
dạng thấp, chúng được cắt và hàn thành các tấm lớn hơn, mà trước đây thường là do
hàn MIG. Máy khuấy bằng ma sát đã được sử dụng rộng rãi trong các thân nhôm
của các tàu du lịch như 'Seven Seas Navigator' có chứa nhiều mối hàn ma sát khuấy,
chủ yếu là các lớp ép đùn 6xxx. Tàu nhôm lớn nhất thế giới, phà 'Ogasawara' của
Nhật đã ra mắt vào năm 2004, sử dụng rộng rãi FSW trong cấu trúc thượng tầng.
Hình 2.2. Tàu nhôm lớn nhất thế giới của Nhật bản
Lĩnh vực hàng không, vũ trụ: Boeing ở Mỹ là một trong số những công ty
đầu tiên chế tạo thùng nhiên liệu tên lửa được sử dụng trong không gian của mình
9
bằng FSW (hình 2.3). Bằng cách thay đổi từ phương pháp hàn TIG thông thường
sang hàn FSW, công ty này đã giảm được 99% chi phí hàn – một điều đáng kinh
ngạc. Rõ ràng, quá trình này có khả năng tuyệt vời và do đó nó được phát triển
nhanh chóng, cải thiện các công cụ và tìm kiếm các vật liệu mới trong các ứng dụng
của nó.
Hình 2.3. Thùng nhiên liệu tên lửa chế tạo bằng FSW
Các nhà sản xuất (Boeing) cũng đã báo cáo hầu như không có khuyết tật hàn
và hầu như tất cả các nhà sản xuất khung máy bay lớn đều đang điều tra việc sử
dụng FSW (cùng với các quy trình hàn khác như hàn laser) để thay thế cho nhiều
đinh tán trong cấu trúc hiện tại. Máy bay đầu tiên sử dụng rộng rãi FSW trong
khung máy bay, máy bay phản lực kinh doanh Eclipse 500, hơn 7300 ốc vít (khoảng
60% tổng số) được thay thế bởi 263 mối hàn ma sát khuấy.
Lĩnh vực đường sắt:
Các loại xe lửa bằng nhôm
tốc độ cao như Shinkansen
Nhật Bản thường được chế
tạo từ sự ép đùn hai lớp phức
hợp trong các hợp kim 6xxx.
Vì mối hàn này dài có thể lên
đến 25m và thẳng, FSW là
một quá trình lý tưởng, và
biến dạng rất thấp được coi
là một lợi ích lớn (hình 2.4)
Hình 2.4. Các loại tàu tại Nhật bản được chế tạo bằng FSW
10
Lĩnh vực sản xuất ô tô: Có rất ít các mối hàn thẳng - dài trong xe ô tô, do
đó việc áp dụng FSW chủ yếu dành cho các bộ phận như bộ phận treo, bánh xe, linh
kiện chỗ ngồi, hộp giảm xóc ... ở đó một số công ty hàng đầu đã sử dụng quá trình
sản xuất. Nhu cầu của ngành ô tô đã thúc đẩy sự phát triển của robot tự hành, để đối
phó với những hình dạng phức, ví dụ trên chiếc xe thể thao Mazda Rx-8, nơi nó
được sử dụng trên nắp đậy bằng nhôm và cửa sau. Hàn ma sát khuấy cũng đang
được phát triển cho các xe bọc thép nhẹ với vật liệu có độ dày khoảng 25-40mm.
2.2. Công nghệ hàn ma sát khuấy nhôm và hợp kim nhôm
2.2.1. Đặc điểm công nghệ hàn ma sát khuấy nhôm
Lớp oxit ban đầu trên các bề mặt tấm trong quá trình hàn ma sát (FSW) chỉ
như một mô hình dây chằng yếu trên mặt cắt ngang trong khi với các phương pháp
hàn nóng chảy, nó là vật cản rất lớn. Khi các lớp oxit còn sót lại thường ảnh hưởng
bất lợi đến các tính chất cơ học trong mối hàn.
Mối Hàn FSW thường bao gồm bốn vùng, khác với mối hàn "thông thường" chỉ
gồm ba vùng (hình 2.5)
Hình 2.5. Các vùng mối hàn ma sát khuấy
Các vùng khác nhau như trong hình 2.5. a) Kim loại cơ bản không bị ảnh
hưởng nhiệt; b) Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ); c) Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt
(TMAZ) và (d) vùng khuấy bằng ma sát (FSP). Sự hình thành các vùng này bị ảnh
hưởng bởi sự chuyển động của dòng chảy vật liệu dưới tác động của công cụ không
11
tiêu hao. Các chuyển động dòng chảy chịu ảnh hưởng lớn bởi các thông số hình học
của công cụ FSW và các thông số quá trình hàn [8,10].
Vùng trung tâm mối hàn (nugget - SZ): Vùng này kim loại kết tinh lại
hoàn toàn, đôi khi còn gọi là vùng khuấy để chỉ vùng mà trước đó dụng cụ đã 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 [2]
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 [2]
Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ): Nằm gần trung tâm mối hàn, vật liệu đã trải
qua chu trình nhiệt nên bị thay đổi cấu trúc mạng tinh thể và đặc tính cơ học đặc
biệt là độ cứng, tuy nhiên trong vùng này chưa có sự biến dạng dẻo xảy ra [2]
Vùng kim loại cơ bản (Base metal): Là vùng nằm xa tâm mối hàn nhất, tại
vùng này có nhiệt độ thấp nên kim loại chưa có sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể
và cũng không có biến dạng dẻo xảy ra.
* Ưu nhược, điểm khi hàn FSW nhôm [3]
- Ưu điểm:
+ Là một quá trình hàn ở trạng thái rắn nên nó được áp dụng cho tất cả các
hợp kim nhôm mà lại tránh được các vấn đề nứt nóng, rỗ khí, mất mát phần tử, vv
phổ biến cho quá trình hàn nhiệt nhôm;
+ Quá trình hàn như một quá trình cơ học, ít có sự can thiệp thủ công nên nó
ít phụ thuộc vào tay nghề của người thợ hàn;
+ Không cần sử dụng khí bảo vệ và kim loại phụ;
+ Giảm thiểu sự co ngót kim loại so với hàn nóng chảy khi đông đặc và làm
nguội, do đó giảm đáng kể biến dạng khi hàn;
+ Linh hoạt trong việc có thể hàn nối cùng lúc với một, hai, ba chi tiết và có
thể hàn ở mọi vị trí khác nhau;
+ Đặc tính cơ học tuyệt vời khi so sánh với các phương pháp hàn khác;
+ Thân thiện với môi trường: không có tia UV hoặc các mối nguy hại về bức
xạ điện từ khi không có hồ quang; quy trình này không gây tiếng ồn hơn máy phay
12
có công suất tương tự, và không tạo ra khói và các chất ô nhiễm khác;
+ Năng lượng yêu cầu tại mối hàn cho FSW nằm trong khoảng hàn laser (đòi
hỏi ít năng lượng hơn) và hàn kim loại trong môi trường khí trơ (MIG);
+ Tốc độ hàn cao: Trong các mối hàn đơn lẻ với vật liệu mỏng hơn (độ dày 0
đến ≤ 5 mm), FSW có tốc độ hàn lớn hơn các phương pháp hàn nhiệt khác; Trong
vật liệu dày hơn, FSW có thể được thực hiện trong một lần hàn (ví dụ đầu khuấy 50
mm), trong khi các quy trình khác cần nhiều lần mới có thể hàn xong. Điều này dẫn
đến FSW có tỷ lệ hoàn thành mối ghép cao hơn, mặc dù tốc độ hàn có thể thấp hơn.
- Nhược điểm:
Ngoài những ưu điểm vượt trội kể trên, FSW cũng có một số tồn tại sau:
+ Do quá trình hàn được cơ giới hóa nên hạn chế ứng dụng trong những
trường hợp mối hàn nhỏ lẻ khác;
+ Tồn lại một vết lõm cuối đường hàn;
+ Khó ngăn chặn một phần vật liệu theo dòng xoáy thoát lên trên bề mặt.
Bảng 2.1. Các khuyết tật thường gặp khi hàn FSW nhôm [3]
Kiểu khuyết tật
Vị trí
Phía cạnh tiến
Nguyên nhân
Lực dọc trục yếu. Tốc độ hàn quá cao.
Tấm không được kẹp đủ chặt hoặc khe
hở quá rộng
1. Khoảng trống
Dưới bề mặt đầu mối hàn
Dọc đáy mối hàn
Tốc độ hàn quá cao dẫn đến oxit trên
bề mặt bị phá vỡ bởi đầu khuấy bị trộn
lẫn vào theo dòng chảy vật liệu
2. Vết dài trong
mối hàn
Đầu khuấy quá ngắn hoặc tính toán
phần đầu khuấy ăn sâu vào vật liệu
chưa đúng, giữ đầu khuấy yếu
3. Lỗ hổng ở đáy
mối hàn
4. Còn lại vết
đường liên kết
chung
Chưa loại bỏ oxit từ mép tấm hoặc
dụng cụ phá vỡ và loại bỏ oxit chưa
triệt để
Danh giới giữa các tấm
Tải về để xem bản đầy đủ
68 trang
20660
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu chế tạo đầu hàn ma sát khuấy để hàn giáp mối hợp kim nhôm A5052", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_che_tao_dau_han_ma_sat_khuay_de_han_giap.pdf
