Nghiên cứu thiết kế, phát triển dụng cụ hàn (chốt hàn) ma sát khuấy ứng dụng hàn giáp mối tấm nhôm

Nghiên cứu thiết kế, phát triển dụng cụ hàn (chốt hàn) ma sát khuấy ứng dụng hàn giáp mối tấm nhôm Nghiên cứu thiết kế, phát triển dụng cụ hàn (chốt hàn) ma sát khuấy ứng dụng hàn giáp mối tấm nhôm Nghiên cứu thiết kế, phát triển dụng cụ hàn (chốt hàn) ma sát khuấy ứng dụng hàn giáp mối tấm nhôm

MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v ABSTRACT vi DANH MỤC CÁC HÌNH xii DANH MỤC CÁC BẢNG xvi CHƯƠNG MỞ ĐẦU Đặt vấn đề .2 Tính cấp thiết Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 3.1 Ý nghĩa khoa học 3.2 Ý nghĩa thực tiễn .3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 4.1 Mục tiêu chung 4.2 Mục tiêu cụ thể Đối tượng phạm vi nghiên cứu 5.1 Đối tượng .4 5.2 Phạm vi nghiên cứu 6.Kết cấu luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN .6 1.1 Hàn ma sát khuấy .6 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.2 Định nghĩa 1.1.3 Nguyên lý 1.1.4 Phân loại .8 1.1.5 Ứng dụng 10 1.2 Thiết bị hàn ma sát khuấy 14 1.2.1 Máy hàn ma sát khuấy .14 1.2.2 Dụng cụ hàn ma sát khuấy 16 Các nghiên cứu nước .22 vii 1.3.1 Nghiên cứu nước 22 1.3.2 Nghiên cứu nước 22 CHƯƠNG NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1 Nội dung nghiên cứu .24 2.2 Phương pháp nghiên cứu 24 2.2.1 Phương pháp kế thừa 24 2.2.2 Phương pháp thu thập thông tin 24 2.2.3 Phương pháp tính tốn thiết kế 24 2.2.4 Phương pháp thực nghiệm 24 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ CHỐT HÀN CHO HÀN MA SÁT KHUẤY .26 3.1 ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH HÀN MA SÁT KHUẤY 26 3.1.1 Đặc điểm chung 26 3.1.2 Đặc điểm trình sinh nhiệt 27 3.2 CÁC YÊU CẦU CHUNG VỀ CHỐT HÀN 29 3.2.1 Khả chịu tải chốt hàn 31 3.2.2 Những khuyết tật thường gặp hàn ma sát khuấy 33 3.2.3 Độ bền chốt hàn so với hiệu chi phí 34 3.2.4 Giải pháp khắc phục 35 3.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ CHỐT HÀN .36 3.3.1Tiêu chí chọn vật liệu làm dao 37 3.3.2 Một số vật liệu chế tạo chốt hàn phổ biến 40 3.3.2.1 Thép dụng cụ 41 3.3.2.2 Kim loại, hợp kim chịu nhiệt 41 3.3.2.3 Hợp kim gốc Niken hợp kim gốc Coban (Co) 42 3.3.2.4 Hợp kim cứng 42 3.3.2.5 So sánh vật liệu làm dao 43 3.3.3 Kết cấu chốt hàn ma sát khuấy 44 3.3.3.1 Các dạng vai chốt dụng cụ 45 3.3.3.2 Các dạng đầu chốt hàn dụng cụ 48 3.3.3.3 Các dạng mẫu chốt hàn thiết kế, tổng hợp phương pháp Taguchi 50 3.3.4 Tính tốn thiết kế chốt hàn 53 viii 3.3.4.1 Các bước thiết kế chốt hàn 53 3.3.4.2 Bước - Xác định đặc tính vật liệu hàn 53 3.3.4.3 Bước 2: Tính tốn kích thước sơ chốt hàn 54 3.3.4.4 Bước -Tính tốn nhiệt lượng sinh hàn .58 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 65 4.1 Thiết kế chốt hàn 65 4.1.1 Yêu cầu thiết kế 65 4.1.2 Thiết kế kết cấu dụng cụ hàn ma sát khuấy .65 4.2 Đề xuất công nghệ chế tạo chốt hàn 70 4.2.1 Công nghệ chế tạo vai 70 4.2.2 Công nghệ chế tạo chốt 74 4.2.3 Công nghệ nhiệt luyện .78 4.2.4 Kiểm tra chất lượng 79 4.3 Thiết bị thực nghiệm 80 4.3.1 Máy hàn ma sát khuấy .80 4.3.2 Vật liệu mẫu .81 4.3.3 Đồ gá hàn ma sát khuấy .82 4.4 Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn 85 4.5 Thiết kế thực nghiệm 86 4.6 Phương pháp thực nghiệm 88 4.7 Qui trình thực nghiệm 89 4.8 Kết thực nghiệm dụng cụ hàn 93 4.8.1 Kết thực nghiệm dụng cụ hàn T1 93 4.8.2 Kết thực nghiệm dụng cụ hàn T2 94 4.8.1 Kết thực nghiệm dụng cụ hàn T3 95 4.8.3 Kết thực nghiệm dụng cụ hàn T4 96 4.9 Đánh giá chất lượng mẫu hàn phương pháp trực quan 96 4.9.1 Đánh giá mẫu hàn dụng cụ T1 97 4.9.2 Đánh giá mẫu hàn dụng cụ T2 98 4.9.3 Đánh giá mẫu hàn dụng cụ T3 98 4.9.4 Đánh giá mẫu hàn dụng cụ T4 100 4.10 Đánh giá chất lượng mẫu hàn phương pháp kiểm tra độ bền kéo 100 ix 4.10.1 Chuẩn bị mẫu kéo 101 4.10.2 Máy kiểm tra phổ quát (UTM-Universal Testing Machine) 103 4.10.3 Phương pháp Taguchi 121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .127 1.Kết luận 127 Kiến nghị 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 PHỤC LỤC 132 x xi DANH MỤC HÌNH Hình 1 Các bước qui trình hàn ma sát [1] Hình Nguyên lý hàn ma sát khuấy [2] Hình Hàn ma sát thẳng [3] .9 Hình Hàn ma sát khuấy [3] Hình Hàn ma sát xoay[3] .10 Hình Chuỗi sản xuất hoàn toàn tự động phận xe ©SAPA, Sweden .10 Hình 1.7 Kích thước hình dáng đùn có thực tế ©SAPA, Sweden 11 Hình 1.8 Thiết bị hàn nhiều đầu cho nhơm đùn ©SAPA, Sweden 11 Hình 1.9 Các thiết kế khả thi để hàn nhơm đùn có dạng rỗng ©SAPA, Sweden 12 Hình 1.10 Thủy phi catamaran ứng dụng hàn ma sát khuấy©SAPA, Sweden 12 Hình 1.11.Máy hàn ma sát đứng Boeing Decatur, USA có khả hàn với chiều dài 12m đường kính hàn lến đến 5m ©SAPA, Sweden 13 Hình 1.12 Đơn vị nghiên cứu chế tạo thử nghiệm©SAPA, Sweden 14 Hình 1.13 Máy phay vạn năng[4] 14 Hình 1.14 Máy phay CNC tích hợp đầu hàn ma sát khuấy[4] 14 Hình 15 Hàn ma sát khuấy dựa robot công nghiệp [6] 15 Hình 1.16 Máy hàn ma sát khuấy chuyên dùng [7] 16 Hình 17 Các tiêu điểm khác dụng cụ Skew –Stir TM(Copyright © 2001, TWI Ltd) 16 Hình 18 Mẫu dụng cụ khơng đối xứng Skew-StirTM (Copyright © 2001, TWI Ltd) 17 Hình 19 Chi tiết dụng cụ A-Skew™(Copyright © 2001, TWI Ltd) 17 Hình 20 Mối hàn chồng sử dụng dụng cụ Skew-StirTM sau kiểm tra hiệu suất mỏi[8] 18 Hình 21 Các biến thể khác công cụ WhorlTM [9] 19 Hình 22 Nguyên mẫu dụng cụ Whorl TM mặt cắt ngang mối hàn nhôm AA6082 dày 75mm với hai lần hàn [9] 19 Hình 23 Mối hàn giáp mí hàn máy hai đầu với công cụ WhorlTM(TWI) 20 Hình 24 Cấu trúc mối hàn giáp mí nhôm 6082-T6 dày 25mm sử dụng cụ hàn WhorlTM với tốc độ hàn 4m/s[9] 20 xii Hình 25 Thiết kể dụng cụ TrifluteTM(T) 21 Hình 26 Hình dạng dụng cụ TrifluteTM(TWI) 21 Hình 27 Mặt cắt ngang mối hàn hợp kim nhơm AA5083 dày 6mm[9] 21 Hình Mặt cắt ngang mối hàn [17] .26 Hình Ảnh hưởng điều kiện trượt – dính đến q trình sinh nhiệt [10] .27 Hình 3 a Đi xuống tiếp xúc; b Chốt hàn quay chỗ; c Di chuyển dọc đường hàn; d Nhấc chốt kết thúc trình hàn [19] .28 Hình Các lực tác dụng lên chốt hàn, hệ trục tọa độ [11] 30 Hình Sơ đồ Ellingham cho số kim loại sử dụng chốt hàn FSW [10] 32 Hình Độ ngấu khơng đủ (a) vết gãy vị trí ngấu khơng đủ (b) [21] 33 Hình Lỗ trống hình thành quy trình hàn qua kính hiển vi [21] .34 Hình Khuyết tật vết đường hàn (a) oxit tạp chất gây khuyết tật (b) [16] 34 Hình a) Lưu lượng vật liệu chảy ngang; b) Lưu lượng vật liệu chảy dọc [29] 45 Hình 10 Quan hệ đường kính vai chốt nhiệt độ cao với số vịng quay đo tính tốn [29] 45 Hình 11 Các phận dụng cụ hàn ma sát khuấy [17] .46 Hình 12 Vai cuộn lồi hàn ma sát khuấy [17] 46 Hình 13 Các loại vai khác [17] 47 Hình 14 Cấu trúc loại đầu chốt hàn khác [28] 49 Hình 15 Đầu khuấy chốt hàn thu vào (dịch chuyển lên trên)[17] .49 Hình 16 Dụng cụ cuộn [29] 50 Hình 17 Những thiết kế đề xuất từ phương pháp Taguchi [30] 51 Hình 18 Nhiệt sinh mẫu chốt hàn [30] .52 Hình 19 Phân phối nhiệt chốt hàn 21: a phân phối 3D; b phân phối mặt cắt [30] .52 Hình 20 Phân phối nhiệt chốt hàn số 21 [30] .53 Hình 21.Các loại chốt hàn trơn .55 Hình 22.Các thơng số kích thước chốt hàn trơn .55 Hình 23.Các loại chốt hàn ren .57 Hình 24.Nhiệt lượng phân bố đầu khuấy .59 xiii Hình 25.Vi phân bề mặt theo phương a ngang; b đứng; c 60 Hình 26 Góc nghiêng đầu dao so với phôi hàn 64 Hình Kết cấu dụng cụ hàn ma sát khuấy 66 Hình Kết cấu vai đồng tâm .67 Hình Kết cấu vai rãnh 67 Hình 4 Kết cấu vai cuộn 68 Hình Kết cấu chốt dạng ren trụ thẳng .68 Hình Kết cấu chốt dạng ren trụ thẳng vát mặt .69 Hình Kết cấu chốt dạng ren trụ côn 69 Hình Kết cấu chốt dạng ren trụ côn vát mặt 70 Hình Kích thước phơi thơ 70 Hình 10 Kích thước phơi thơ cắt theo qui cách 71 Hình 11 a Vạt mặt; b Khoan tâm .71 Hình 12 a Tiện thô; b Tiện tinh 71 Hình 13 a Vạt mặt đạt kích thước L98; b Khoan tâm 72 Hình 14 a Tiện thô, tinh phi 38; b Tiện rãnh 72 Hình 15 Phương án định vị kẹp chặt gia công lỗ phi 12 73 Hình 16 a Khoan lỗ phi 11; b Doa lỗ phi 12 73 Hình 17 Gia công rãnh mặt vai .74 Hình 18 Phương án định vị kẹp chặt gia công mặt kẹp khoan lỗ 74 Hình 19 Kích thước phơi thơ chế tạo chốt 75 Hình 20 a.Vạt mặt tiện hình chốt dạng trụ thẳng; b Vạt mặt tiện hình chốt dạng trụ 75 Hình 21 a Tiện ren cắt đứt chốt trụ thẳng; b Tiện ren cắt đứt chốt trụ 76 Hình 22 Phương pháp định vị kẹp chặt gia công mặt cố định chốt .77 Hình 23 Phương pháp định vị kẹp chặt gia công mặt khuấy 77 Hình 24 Sơ đồ nhiệt luyện thép SKD61 .78 Hình 25 Vai, chốt hàn sau gia công .78 Hình 26 Vai, chốt hàn sau nhiệt luyện 79 Hình 27 Đo độ cứng dụng cụ hàn ma sát .80 Hình 28 Máy hàn ma sát khuấy 80 xiv Hình 29 Kích thước nhơm AA6061-T651 81 Hình 30 Đồ gá hàn ma sát khuấy 83 Hình 31 Bản vẽ chi tiết đế đồ gá hàn ma sát khuấy 84 Hình 32 Bản vẽ chi tiết ngàm kẹp đồ gá hàn ma sát khuấy 84 Hình 33 Sơ đồ kẹp chặt 85 Hình 34 Đánh giá chất lượng mẫu hàn áp dụng với dụng cụ T1 98 Hình 35 Đánh giá chất lượng mẫu hàn áp dụng với dụng cụ T2 98 Hình 36 Đánh giá chất lượng mẫu hàn áp dụng với dụng cụ T3 99 Hình 37 Đánh giá chất lượng mẫu hàn áp dụng với dụng cụ T4 100 Hình 38 Mẫu thử sơ đồ nguyên lý máy thử kéo-nén .101 Hình 39 Biểu đồ quan hệ lực kéo biến dạng kéo 101 Hình 40 Sơ đồ cắt mẫu kéo mẫu hàn 102 Hình 41 Kích thước mẫu kéo theo tiêu chuẩn ISO 6892-1 102 Hình 42 Mẫu chuẩn bị kiểm tra độ bền kéo .103 Hình 43 Máy kiểm tra phổ quát SANS Model CHT-4106 103 Hình 44 Đồ thị ảnh hưởng thơng số đầu vào hệ số S/N 126 xv DANH MỤC BẢNG Bảng Danh sách thuộc tính vật liệu cần thiết cho dụng cụ hàn ma sát khuấy 40 Bảng Một số vật liệu phổ biến chốt dành cho hợp kim cần hàn [22] 41 Bảng 3 Kết thí nghiệm độ bền kéo mối hàn đường kính vai chốt [29] 47 Bảng Các đặc tính số vật liệu thường sử dụng 54 Bảng Các đại lượng sử dụng công thức 60 Bảng Thành phần hóa học thép SKD61 65 Bảng 2: Thông số kỹ thuật máy hàn ma sát khuấy .81 Bảng 3: Tính chất học nhôm AA6061-T6 82 Bảng 4: Thành phần hóa học nhơm AA6061-T6 82 Bảng Tính chất vật lý nhơm AA6061-T6 82 Bảng 6.Thông số hàng mức giới hạn 86 Bảng 7.Thông số công nghệ đầu vào mức 87 Bảng Ma trận thực nghiệm 88 Bảng Kiểu dụng cụ tham gia trình hàn ma sát khuấy 88 Bảng 10.Qui trình thực nghiệm .92 Bảng 11 Kết thực nghiệm dụng cụ hàn T1 93 Bảng 12 Kết thực nghiệm dụng cụ hàn T2 94 Bảng 13 Kết thực nghiệm dụng cụ hàn T3 95 Bảng 14 Kết thực nghiệm dụng cụ hàn T4 96 Bảng 15 Kết thí nghiệm kéo mẫu L1 104 Bảng 16 Kết thí nghiệm kéo mẫu L2 105 Bảng 17 Kết thí nghiệm kéo mẫu L3 106 Bảng 18 Kết thí nghiệm kéo mẫu L4 107 Bảng 19 Kết thí nghiệm kéo mẫu L5 108 Bảng 20 Kết thí nghiệm kéo mẫu L6 109 Bảng 21 Kết thí nghiệm kéo mẫu L7 110 Bảng 22 Kết thí nghiệm kéo mẫu L8 111 Bảng 23 Kết thí nghiệm kéo mẫu L9 112 Bảng 24 Kết thí nghiệm kéo mẫu L10 .113 Bảng 25 Kết thí nghiệm kéo mẫu L11 .114 xvi PHỤC LỤC 132 RESEARCH DESIGN AND DEVELOPMENT OF FRICTION STIR WELDING TOOLS (WELDING PIN ) FOR ALUMINUM PLATE BUTT WELDING NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, PHÁT TRIỂN DỤNG CỤ HÀN (CHỐT HÀN) MA SÁT KHUẤY ỨNG DỤNG HÀN GIÁP MỐI TẤM NHƠM Đặng Thiện Ngơn1, Le Trung Quoc2 Khoa khí chế tạo máy Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Học viên Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Hàn ma sát khuấy phương pháp hàn trạng thái rắn, có nghĩa vật thể nối trước đạt nóng chảy.Với đặc điểm hàn ma sát khuấy phương pháp hàn tuyệt vời vật liệu khó hàn hàn nhơm với nhơm, đồng với nhơm…Tuy nhiên, để có chất lượng mối hàn đảm bảo yêu cầu mặt kỹ thuật( độ bền kéo, độ bền uốn, cấu trúc hạt…) hình dáng hình học dụng cụ đóng vai trị quan trọng Trên sở thu thập nguồn tài liệu liên quan đến hàn ma sát khuấy, số thiết kế vai-chốt phát thảo thiết kế với trợ giúp phần mềm Autodesk Inventor.Sau nghiên cứu , thiết kế chốt(chốt ren trụ,chốt ren côn, chốt ren trụ vát ba mặt, chốt ren côn vát ba mặt) thiết kế vai(vai rãnh cuộn, vai rãnh, vai rãnh đồng tâm) có nhiều ưu điểm hàn ma sát khuấy giáp mối hai hợp kim nhôm AA 6061-T651 thiết kế chế tạo Một thiết kế thực nghiệm thống kê thực nghiệm thực phương pháp Taguchi ứng với mảng trực giao L16 có tham số q trình(( tốc độ trục chính, tốc độ tiến dụng cụ, dụng cụ hàn ma sát khuấy) mức thực nhằm chọn tham số trình cho độ bền cao Trên sở tham số trình cho độ bền kéo cao chọn dụng cụ hàn phù hợp với nhơm hợp kim 6061 có chiều dày 10mm Từ khóa: Dụng cụ hàn ma sát khuấy;thông số hàn ma sát khuấy;phương pháp taguchi;phần mềm Minitab; ABSTRACT Friction stir welding is a solid state welding method, which means that objects are joined before melting is achieved With this feature, friction stir welding is an excellent welding method for materials that are difficult to weld such as welding aluminum with aluminum, copper with aluminum However, in order to have weld quality to ensure technical requirements (tensile strength, flexural strength, grain structure ) important role Based on the collection of resources related to friction stir welding, a number of shoulder-pin designs were drafted and designed with the help of Autodesk Inventor software After researching, dowel designs( cylindrical threaded pin, taper threaded pin, three-sided beveled cylindrical thread pin, three-sided beveled taper thread pin) and shoulder designs (roll groove shoulder, groove shoulder, concentric groove shoulder) have many advantages in friction stir welding AA 6061-T651 aluminum alloy two-plate joint is designed and fabricated An experimental design and experimental statistics were performed using the Taguchi method for an orthogonal array L16 with process parameters ((spindle speed, tool feed rate, friction stirrer) and levels are performed to select the process parameter for the highest strength.Based on the process parameter for the highest tensile strength to select the welding tool suitable for aluminum sheet with 10mm thickness 6061 aluminum alloy plate Keywords: Friction welding tools; parameter friction welding ; taguchi method; Minitab software; 1 thơng dịng vật liệu dẻo Bên cạnh thiết kế vai phải đủ sinh nhiệt làm mềm vật liệu thân dụng cụ thiết kế phù hợp với tất đầu kẹp máy hàn ma sát khuấy ĐẶT VẤN ĐỀ Hàn ma sát khuấy(Friction Stir Welding - FSW) phương pháp kết nối vật liệu trạng thái rắn có khả khắc phục số nhược điểm phương pháp hàn nóng chảy với nhiều ưu điểm bật thân thiện với mối trường, độ bền học mối hàn tốt, tiết kiệm nhiên liệu, hàn vật liệu có độ nóng chảy thấp, hàn vật liệu khác nhau…v.v Bên cạnh ưu điểm vượt trội mặt công nghệ, hàn ma sát đưa nhiều thách thức lớn mặt chi phí thiết bị máy hàn ma sát khuấy, dụng cụ hàn ma sát khuấy Trong dụng cụ hàn ma sát không lớn giá thành cao lĩnh vực cơng nghệ cao mang tính cạnh tranh cao nước Châu Âu Vì lẽ nên bí cơng nghệ thiết kế chế tạo bí mật nước Châu Âu, Châu Mĩ đặc biệt Việt Nam dường chưa tìm thấy cơng trình nghiên cứu thiết kế chế tạo chốt hàn ma sát khuấy.Nghiên cứu thiết kế, chế tạo dụng cụ hàn ma sát khuấy giáp mối nhôm AA6061-T651 có chiều dày 10mm phân tích ảnh hưởng thông số hàn đến độ bền kéo hợp kim nhơm AA6061-T651, để từ chọn dụng cụ hàn ứng với thông số hàn tối ưu cho độ bền kéo cao 2.3 Vật liệu dụng cụ hàn ma sát khuấy Vật liệu làm dụng cụ khuấy phải có đặc điểm sau: Độ bền nhiệt Độ cứng vững Tính chóng mịn Sốc nhiệt Độ bền mỏi Phản ứng hóa học Độ dẫn nhiệt Khả gia công 2.4 Các thông số dụng cụ hàn ma sát khuấy Ds=2.199t+7.318 Dp=Ds/a Lp=Dp/b   CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ DỤNG CỤ HÀN MA SÁT KHUẤY Đường kính vai Đường kính chốt Chiều dài chốt Độ côn chốt Độ lõm vai Trong đó: 2.1 Cấu tạo dụng cụ hàn ma sát khuấy a b   Dụng cụ hàn ma sát khuấy gồm có phần: Thân gá kẹp trục thơng qua đầu kẹp máy hàn ma sát khuấyVai sinh nhiệt tạo áp lực rèn vật liệu chảy dẻo.Chốt làm mềm vật liệu suốt trình hàn Nhơm 2.4 1.2÷1.5 Thép 2.3÷2.4 1.7÷2.0 0÷ 60° 0÷ 10° Titan 1.2÷3.8 1.4÷1.9 Ngồi thơng số trên, bán kính đầu chốt thêm vào nhằm giảm lực dọc trục, thân chốt có ren rãnh xoắn nhằm cải thiện dịng chảy dẻo vật liệu.Bên cạnh bề mặt vai thêm rãnh để tăng tốc dòng chảy dẻo vật liệu 2.2 Yêu cầu dụng cụ hàn ma sát khuấy Trong suốt trình hàn, chốt hàn thiết kế cho đảm bảo chụi tác động lực dọc, lực ngang, moment xoắn khả lưu Ý TƯỞNG-GIẢI PHÁP 3.1 Ý tưởng Các dụng cụ có giới có kết cấu nguyên khối Đồng nghĩa với việc chốt gãy phần thân không tận dụng a Vai rãnh Hình 1.Kết cấu dụng cụ nguyên khối 3.2 Giải pháp b.Vai Rãnh đ ng tâm c.Vai rãnh cu n Hình 3.Kết cấu vai Với ý tưởng trên, kết cấu dụng cụ hàn đề xuất gồm phần chốt thân( thân có vai) lắp ghép cố định thông qua bulong lục giác M8 3.3.3 Kết cấu chốt Với mục đích tăng dịng chảy vật liệu dẻo số thuộc tính ren , mặt vát thêm vào chốt trụ chốt côn thể hình Hình 2.Kết cấu dụng cụ rời 3.3 Thiết kế dụng cụ hàn ma sát khuấy 3.3.1 Kết cấu chung thân Kết cấu thân thiết kế cứng vững phù hợp với bầu gá NT50 C32 máy hàn ma sát khuấy Hình 4.Chốt ren trụ thẳng 3.3.2 Kết cấu mặt vai Với chức sinh nhiệt, số thuộc tính rãnh thêm vào vai nhằm tăng nhiệt, cải thiện dòng chảy dẻo thể hình Hình 5.Chốt ren trụ lần gá thể hình sau Hình 6.Chốt ren trụ vát mặt Hình 12.Qui trình gia cơng chốt lần gá Hình 7.Chốt ren vát mặt 3.4 Gia công chế tạo dụng cụ hàn ma sát khuấy Hình 13.Qui trình gia cơng chốt lần gá 3.4.1 Qui trình cơng nghệ chế tạo thânvai Trên sở thiết bị có, qui trình cơng nghệ gia cơng chế tạo thân vai đề xuất thực lần gá Hình 14.Qui trình gia cơng chốt lần gá 3.4.3 Nhiệt luyện dụng cụ hàn ma sát khuấy Quá trình xử lý nhiệt thép SKD61 sau gia công bao gồm nhiệt độ 1000 độ C ram 550 độ C Sau giữ nhiệt 30 phút làm nguội dầu Hình 8.Qui trình gia cơng vai lần gá Hình 9.Qui trình gia cơng vai lần gá Hình 15.Sơ đồ nhiệt luyện thép SKD61 Kết nhiệt luyện thể hình 16 hình 17 Hình 10.Qui trình gia cơng vai lần gá Hình 16.Thân-vai sau nhiệt luyện Hình 11.Qui trình gia cơng vai lần gá 3.4.2 Qui trình cơng nghệ chế tạo chốt Qui tình gia cơng chốt thực Hình 17.Chốt sau nhiệt luyện 3.4.4 Kiểm tra độ cứng chốt sau nhiệt luyện Bảng 3.Tính chất vật lý nhơm 6061-T651 Sau hồn thành trình nhiệt luyện việc kiểm tra đánh giá dụng cụ hàn ma sát thực máy đo độ cứng.Theo yêu cầu kỹ thuật, dụng cụ hàn nhiệt luyện đạt độ cứng từ 60-65HRC.Từ yêu cầu trên, trình đo thực máy đo độ cứng Trường ĐHSPKT, kết đo thể hình 18 4.2 Phạm vi thơng số q trình hàn Để tìm phạm vi cho thơng số trình quan trọng cho việc tiến hành thực nghiệm thí nghiệm tiến hành giới hạn làm việc.Để tìm giới hạn thơng số q trình, số thí nghiệm chạy thử thực với kết hợp khác Trên sở chất lượng mối hàn có được, giới hạn thông số làm việc thiết lập bảng Hình 18.Kiểm tra độ cứng dụng cụ hàn ma sát khuấy Bảng 4.Thông số hàn mức giới hạn KẾT QUẢ-THẢO LUẬN 4.3 Thiết kế thực nghiệm Thiết kế thực nghiệm áp dụng kỹ thuật Taguchi ứng với thông số đầu vào mức thể bảng 5,6 Bảng trình bày dụng cụ tham gia vào trình thực nghiệm 4.1 Vật liệu Như biết hợp kim nhôm 6061-T6 sử dụng rộng rãi công nghiệp ôtô hàng không với độ bền tương đối tính chống ăn mịn cao làm vật liệu mẫu thực nghiệm có kích thước hình 19 Tính chất học, hóa học thuộc tính vật lý trình bày bảng 1, bảng Bảng 5.Thông số đầu vào mức Hình 19.Kích thước nhơm 6061-T651 Bảng 1.Tính chất học nhơm 6061-T651 Bảng 6.Ma trận thực nghiệm Bảng 2.Tính chất hóa học nhơm 6061-T651 Bảng 7.Bảng mơ tả dụng cụ thực nghiệm 4.4 Kết hàn Hình 24.Sơ đồ cắt mẫu kéo Hình 20.Kết hàn dụng cụ T1 Hình 25.Kích thước mẫu kéo Hình 21.Kết hàn dụng cụ T2 Hình 26.Mẫu chuẩn bị kiểm tra độ bền kéo 4.6 Máy kiểm tra độ bền kéo Mẫu kiểm tra độ bền kéo thực máy kiểm tra phổ quát thủy lực SANS Moldel CHT-4106 với tải trọng 1000KN phịng thí nghiệm học Khoa Xây Dựng Trường ĐHSPKT TPHCM Hình 22.Kết hàn dụng cụ T3 Hình 23.Kết hàn dụng cụ T4 4.5 Chuẩn bị mẫu kéo Mẫu kéo gia công máy cắt dây CNC dựa mẫu hàn thực nghiệm hình 23, kích thước mẫu kéo theo tiêu chuẩn ISO 6892-1 thể hình 24 Hình 25 thể mẫu kéo chuẩn bị cho trình thử kéo Hình 27.Máy kiểm tra độ bền kéo 4.7 Kết kiểm tra độ bền kéo trung bình phân tích nhiễu Mục tiêu nghiên cứu chọn thơng số q trình(dụng cụ) để có độ bền kéo cao tốn cực nhiễu cực đại áp dụng - Bài toán cực đại (Larger better): SNL=-10lg10( ∑ ) (1) Bảng Hệ số nhiễu trung bình S/N ứng với mức Trong đó: u số thứ tự lần đo, n số lần đo thí nghiệm y độ bền kéo Từ công thức (1) ta áp dụng cho kết thí nghiệm độ bền kéo để xác định hệ số S/N trình bày bảng 8: Bảng 10 Hệ số nhiễu trung bình S/N ứng với mức Bảng 8.Kết kiểm tra độ bền kéo Từ bảng ta dự đốn mức hệ số tối ưu để đạt độ bền kéo cao 170,89 Mpa thí nghiệm với dụng cụ T1 có hệ số nhiễu cao ứng với tốc độ 1350 vòng/phút tốc độ di chuyển dụng cụ 10mm/phút.Tuy nhiên với kết đánh giá hiệu cụ thể biến đầu vào.Do giá trị trung bình hệ số nhiễu S/N đại diện cho tiêu hiệu hệ số đầu vào mức cần tính theo cơng thức sau: Mean(S/N) = ∑ l- Hình 28.Sơ đồ nhiễu mức thông số Với kết giá trị bảng 9,10 ta xác định cấp thơng số đầu vào ảnh hưởng đến độ bền kéo.Cụ thể trường hợp dụng cụ chiếm ưu nhất, sau đến tốc tiến dụng cụ cuối tốc độ quay.Đồ thị hình 28 cho thấy rằng, độ nhiễu tăng tốc độ quay tăng tốc độ di chuyển dụng cụ giảm thông số tối ưu xác định bảng 11 (2) m=4: Số phân tử mức, l : thông số đầu vào Dựa vào cơng thức (2) ta tính giá trị nhiễu trung bình S/N giá trị trung bình độ bền kéo ứng với mức.Kết thể bảng 10 Hình 27 trình bày sơ đồ nhiễu mức thơng số q trình Bảng 11 Bộ thơng số dự đoán cho kết độ bền kéo cao Bảng 11 thể thông số tối ưu nằm tổ hợp thực nghiệm Tuy nhiên có thơng số tối ưu nằm ngồi tổ hợp thực nghiệm Do để kiểm tra độ xác dự đốn thơng qua cơng thức sau: gần giống độ bền kéo dự đoán với độ chênh lệch 0,455% Yopt = T/N + (Popt –T/N) + ( Topt – T/N) +( Sopt – T/N) (3) Trong đó: KẾT LUẬN Với kết tính tốn ta khẳng định dụng cụ T1(chốt ren côn vát mặt, vai rãnh) với tốc độ 1350 vòng/ phút tốc độ di chuyển 10mm/phút cho kết độ bền kéo cao hàn nhơm hợp kim 6061T651 có chiều dày 10mm Yopt : Dự đoán hiệu suất tối ưu T/N: Tổng giá trị thực nghiệm ghi nhận N: Tổng số thực nghiệm ghi nhận Popt , Topt , Sopt: Trung bình giá trị ứng suất mức tối ưu tham số trình LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Đặng Thiện Ngôn, Quý Thầy/Cô Trường Đại học SPKT TP.HCM, Trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức hỗ trợ trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo dụng cụ hàn ma sát khuấy T/N= (2012,280+ 2108,980+ 1949,270)/48=126,469 Yopt = 126,469+ (129,135– 126,469) + (135,086– 126,469) + (158,832126,469)=170,115Mpa Từ kết 170,115 Mpa, ta thấy kết TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rajiv S Mishra, “Center for Friction Stir Processing”, University of Missouri-Rolla Murray W Mahoney, Rockwell Scientific Company, 2007 [2] Prof (Dr.) Bharat Raj Singh, “Force book Friction Stir Welding”, India, 2008 [3] H J H a J W Schmidt, "An analytical model for the heat generation in friction stir welding," Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, vol 12, no 1, p 143, 2004 [4] Russell M J and Shercliff H R 1st Int “Symp on Friction Stir Welding” (Thousand Oaks, California, USA), 1999 [5] Shercliff H R and Colgrove P A “Modelling Weld” Phenom 927–74, 2002 Math [6] Lockwood W D, Tomaz B and Reynolds “A P Mater Sci Eng” A 323 348–53, 2002 [7] A.J Leonard and S.A Lockyer, “Flaws in Friction Stir Welds, Proceedings of the Fourth International Conference on Friction Stir Welding” (Park City, UT), May 14–16, 2003 [8] Rajiv S Mishra, Murray W Mahoney; “Friction Stir Welding and Processing” ; 2007, chapter 1,2 [9] Microstructure and mechanical behaviour of friction stir welded etp copper http://www.aimnet.it/allpdf/pdf_pubbli/feb16/Sriragarajalu.pdf [10] T.S Mahmoud, Fouad H Mahmoud, T.A Khalifa; “Friction Stir Welding of dissimilar A319 & A356 aluminium cast alloys” ; June 2010, p.3 [11] J.A Querin, H.A Rubisoff, J.A Schneider; “Pin Tool Geometry Effects in Friction Stir Welding” [12] Rajiv Sharan Mishra, Partha Sarathi De Nilesh Kumar; “Friction Stir Welding and Processing - Science and Engineering” (Springer, 3319070428, 2014) [13] “Review: friction stir welding tools” ; 2011, vol 16, no.5 [14] T.J Lienert, W.L Stellwag, Jr., B.B Grimmett, and R.W Warke, Friction Stir Welding Studies on Mild Steel, Weld J., Jan 2003 [15] M.A Sutton, A.P Reynolds, J Yan, B Yang, and N Yuan, Microstructure and Mixed Mode I/II Fracture of AA2524-T351 Base Material and Friction Stir Welds, Eng Fract Mech., Vol 73 (No 4), 2006 [16] L Cederqvist, A Weld That Lasts for 100,000 Years: FSW of Copper Canisters, Proceedings of the Fourth International Conference on Friction Stir Welding (Park City, UT), May 14–16, 2003 [17] T Yasui, T Ishii, Y Shimoda, M Tsu baki, M Fukumoto, and T Shinoda, Friction Stir Welding Between Aluminum and Steel with High Welding Speed, Proceedings of the Fifth International Conference on Friction Stir Welding, Sept 14–16, 2004 [18] Reynolds A P, Deng X, Seidel T and Xu S Proc Joining of Advanced and Specialty Materials (St Louis, MO, ASM International) pp 172–7, 2000 [19] Ákos Meilinger, Imre Török; “The Importance of Friction Stir Welding Tool” ; vol 6, (2013), No [20] A Chandrashekar, B S Ajay Kumar and H N Reddappa; “Friction Stir Welding: Tool Material and Geometry”; vol.6, no.1 [21] International Journal of Advance Research; “Theoretical Analysis , Finite Element Method & Optimization Of Heat Generation In Friction Stir Welding From Different Probe & Shouder Profiles”; Volume 4, Issue 5, May 2016 [22] Russell M J and Shercliff H R 1st Int Symp on Friction Stir Welding (Thousand Oaks, California, USA), 199 [23] C.W Tan, Z.G Jiang, L.Q Li, Y.B Chen, X.Y Chen; “Materials & Design”; March/April 2013 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên:Lê Trung Quốc Đơn vị:Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy Trường CĐ Cơng Nghệ Thủ Đức Điện thoại:0909483318 Email:trungquocle@tdc.edu.vn 10 50 Các góc vát khơng ghi có giá trị 1x45~ Dung sai kích thước cịn lại `0.1 Nhiệt luyện 55HRC • • • 0,03 12 +- 0,00Deep25 r 0,02 P P 2,5 M10x1.5 b 0,05 P R1 Ghi chú: BD BD 60 6,5 16 BD-BD ( : ) N N 0,00 n 32 +- 0,05 30 Họ tên Thiết kế Lê Trung Quốc Duyệt 30 b 0,05 F 0,75 P P 0,03 n 12 +- 0,00 0,00 n 32 +- 0,05 Vai rãnh ,0 r 0,02 G Deep 25 12.5 G Ngày Kí tên Vật liệu: SKD61 KẾT CẤU VAI BẢN VẼ KẾT CÂU Số tờ: Khối lượng: b 0,05 G 2,5 M10x1.5 Lớp: CKM2018B Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy Trường ĐHSPKT TP.HCM Bản số: Tỉ lệ: : P-P ( : ) Spiral Pitch 40mm n ` 38 ĐỒ GÁ HÀN MA SÁT KHUẤY GIÁP MỐI TẤM NHƠM Kiểm tra PGS.TS Đặng Thiện Ngơn C.năng 25 n 15 2,5 M10x1.5 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, PHÁT TRIỂN DỤNG CỤ HÀN (CHỐT HÀN) MA SÁT KHUẤY ỨNG DỤNG HÀN GIÁP MỐI TẤM NHÔM 0,03 n 12 +- 0,00Deep r 0,02 F F N-N ( : ) Vai đồng tâm 50 10 Spiral Pitch 10mm 3.2 n 98 Vai cuộn 2C1 16 60 6,5 16 38 n R2 n 50 10 38 98 0,0 ` 3.2 1x45~ 16 60 6,5 16 30 05 25 0, ` 3.2 n n R2 13 - Nhiệt luyện đạt 62 HRC • BC C1 - Dung sai kích thước khơng ghi `0.1 0,02 • Ghi chú: n 12 +- 0,00 25 (34.96) 3.2 BC-BC ( : ) 1,5 60° 9.6 R9 Họ tên Thiết kế Lê Trung Quốc Duyệt n 12 +- 0,00 0,02 BD C1 13 25 (34.6) 3.2 BD-BD ( : ) 60° 9.6 1,5 Chốt ren trụ vát mặt Ngày Kí tên Vật liệu: SKD61 CHÔT KẾT CẤU Số tờ: Khối lượng: BD Lớp CKM2018B Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy Trường ĐHSPKT TP.HCM Bản số: Tỉ lệ: : R9 12.5 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, PHÁT TRIỂN DỤNG CỤ HÀN (CHỐT HÀN) MA SÁT KHUẤY ỨNG DỤNG HÀN GIÁP MỐI TẤM NHÔM Kiểm tra PGS TS ĐẶNG THIỆN NGÔN C.năng BC n1 Chốt ren trụ thẳng 13 25 34.96 - Nhiệt luyện đạt 62 HRC • BE C1 BE-BE ( : ) - Dung sai kích thước khơng ghi `0.1 0,02 60° 9.6 1,5 BE Họ tên Thiết kế Lê Trung Quốc Duyệt Kiểm tra PGS TS ĐẶNG THIỆN NGÔN C.năng n 12 +- 0,00 0,02 13 25 (34.96) 1,5 9.6 Ngày Kí tên Vật liệu: SKD61 CHỐT BẢN VẼ KẾT CẤU BF Số tờ: Khối lượng: 60° R9 10° Lớp CKM2018B Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy Trường ĐHSPKT TP.HCM Bản số: Tỉ lệ: : NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, PHÁT TRIỂN DỤNG CỤ HÀN (CHỐT HÀN) MA SÁT KHUẤY ỨNG DỤNG HÀN GIÁP MỐI TẤM NHÔM BF C1 BF-BF ( : ) Chốt ren trụ côn vát mặt Chốt ren trụ • Ghi chú: n 12 +- 0,00 10° 10° ... PHÁT TRIỂN DỤNG CỤ HÀN (CHỐT HÀN) MA SÁT KHUẤY ỨNG DỤNG HÀN GIÁP MỐI TẤM NHÔM” thực nhằm xây dựng sở tài liệu cho nhóm nghiên cứu phát triển hệ thống chốt hàn ma sát khuấy cho nhiều loại ứng dụng. .. Máy hàn ma sát khuấy chuyên dùng [7] 1.2.2 Dụng cụ hàn ma sát khuấy Dụng cụ hàn ma sát khuấy hay gọi chốt hàn thành phần vơ quan trọng cho q trình hàn ma sát khuấy Hiện nay, dụng cụ phát triển. .. công nghệ, hàn ma sát đưa nhiều thách thức lớn mặt chi phí thiết bị máy hàn ma sát khuấy, dụng cụ hàn ma sát khuấy Trong dụng cụ hàn ma sát khơng lớn giá thành cao lĩnh vực cơng nghệ cao mang tính