Thông số chính trong hàn ma sát khuấy vật liệu nhôm

Vũ Dương, Nguyễn Thanh Tùng / Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Duy Tân 4(53) (2022) 13-17 13 4(53) (2022) 13-17 Thơng số hàn ma sát khuấy vật liệu nhôm Main parameters of friction stir welding aluminium Vũ Dươnga*, Nguyễn Thanh Tùnga,b Vu Duonga*, Nguyen Thanh Tunga,b Trường Công Nghệ, Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng, Việt Nam School of Engineering Technology, Duy Tan University, 550000, Danang, Vietnam b Khoa Cơ khí, Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng, Việt Nam b Mechanical Engineering Faculty, Duy Tan University, 550000, Danang, Vietnam a a (Ngày nhận bài: 20/7/2022, ngày phản biện xong: 01/8/2022, ngày chấp nhận đăng: 7/8/2022) Tóm tắt Trong q trình hàn khuấy gây thay đổi tổ chức, ứng suất dư vùng khác ảnh hưởng đến tính chất lượng mối hàn Những thay đổi vùng phụ thuộc nhiều vào trình nhiệt hàn Bài báo tập trung nghiên cứu thông số thay đổi sở tốn quy hoạch thực nghiệm Từ khóa: Ma sát khuấy; quy hoạch; thực nghiệm; vật liệu hàn; mơ hình hóa Abstract The stir welding process will cause structural change, residual stress in different zones affecting the physical properties and quality of the weld Those changes in each zone are highly dependent on the thermomechanical process of welding The article focused on the experimental design to reveal the main parameters of this process Keywords: Friction stirring; planning; experiment; welding materials; modelling Đặt vấn đề Hàn ma sát khuấy dạng công nghệ hàn thân thiện với môi trường, tạo tác nhân gây ô nhiễm, xạ, khí độc hại Đặc biệt gần người ta tập trung nghiên cứu hàn ma sát khuấy hợp kim nhơm kết cấu có nhiều ứng dụng công nghiệp sản xuất ô tô, tàu thủy hàng không Bài báo tập trung nghiên cứu để đưa ảnh hưởng tương hỗ thông số q trình hàn ma sát khuấy hợp kim nhơm Hợp kim nhơm 6061 loại hợp kim có tính chống gỉ cao, khả dễ gia cơng, tỷ lệ độ bền/trọng lượng cao Đồng thời hợp kim có tính hàn cao, dạng thường dùng chế tạo kết cấu hàn Dùng quy hoạch thực nghiệm áp dụng để tìm yếu tố ảnh hưởng quy trình công nghệ, ảnh hưởng yếu tố đến đối tượng nghiên cứu, sai lệch quy trình cơng nghệ, vấn đề sai hỏng máy, lựa chọn thơng số, mơ hình hóa tốn học đối tượng nghiên cứu Dữ liệu thực nghiệm thu thập phân tích để tìm thơng số cơng nghệ tốt với số lượng thí nghiệm Vật liệu thí nghiệm Vật liệu hợp kim nhơm lựa chọn thí nghiệm mác 6061, có nhiều ứng dụng ngành đóng tàu, chế tạo máy bay, tơ, thiết bị lạnh, có độ bền giãn dài cao, độ 14 Vũ Dương, Nguyễn Thanh Tùng / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 4(53) (2022) 13-17 chịu mỏi tốt với trọng lượng riêng thấp Thành phần vật liêu hợp kim nhơm 6061 Bảng 2.1, tính vật liệu hợp kim nhôm 6061 thể Bảng 2.2 Bảng 2.1 Thành phần hóa học hợp kim nhơm 6061 Ngun tố Al Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Hàm lượng (%) Còn lại 0.40.8 0.7 0.150.4 0.15 0.81.2 0.040.35 0.25 Tổng nguyên tố khác 0.0-0.15 Bảng 2.2 Cơ tính hợp kim nhôm 6061 Độ bền kéo (MPa) 124 Độ bền chảy (MPa) 55 Phương pháp nghiên cứu Kích thước mẫu hàn có chiều dài 200mm, rộng 100mm, dày 5mm Quá trình hàn sử dụng dụng cụ đầu khuấy tiêu chuẩn có ren chế tạo từ thép dụng cụ H13 [1] Mơ hình thực nghiệm: - Hàm mục tiêu độ bền kéo Áp dụng mơ hình quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken [2;3] để xác định mức độ ảnh hưởng tối ưu hố thơng số q trình - Các thơng số thay đổi: tốc độ quay đầu hàn, ký hiệu n, đơn vị (v/ph); vận tốc hàn, ký hiệu Vh, đơn vị (mm/ph) đường kính vai hàn, ký hiệu d, đơn vị (mm) Thí nghiệm thực máy phay CNC VP 3000, cơng suất 5.5kW tốc độ quay Hình 3.1 Nguyên lý hàn ma sát khuấy Độ dãn dài tương đối (%) 25 lớn 3500 v/ph Nguyên lý hàn thể Hình 3.1 Máy phay CNC cài đặt tốc độ quay tốc độ hàn theo chương trình gia cơng lập trình sẵn Chỉ có lực dọc trục khó kiểm sốt máy phay thơng thường Trên máy phay, chiều sâu xâm nhập vai thay cho thông số lực dọc trục Khi tăng chiều sâu xâm nhập vai, lực dọc trục tăng theo phản lực vai dụng cụ vật liệu với đe hàn Hơn máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng, việc kiểm soát trì lực suốt trình hàn khó khăn, chiều sâu xâm nhập vai trì dễ dàng Do đó, ta sử dụng thơng số chiều sâu xâm nhập vai đại diện cho lực dọc trục Hình 3.2 Mối hàn góc Vũ Dương, Nguyễn Thanh Tùng / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 4(53) (2022) 13-17 Kết thực nghiệm bàn luận Mối hàn góc, phơi kẹp chặt đồ gá thép bàn chạy dao máy phay Hình 3.2 Bảng 4.1 Số liệu thực nghiệm STT n (v/ph) 1000 1400 1000 1400 1000 1400 1000 1400 1200 Vh (mm/ph) 70 70 110 110 90 90 90 90 70 d (mm) 12 12 12 12 10 10 14 14 10 10 11 12 13 14 15 1200 1200 1200 1200 1200 1200 110 70 110 90 90 90 15 10 14 14 12 12 12 Chế độ hàn thăm dò (Bảng 4.1) mức sở là: tốc độ quay dụng cụ (n) 1200 v/ph, vận tốc hàn (Vh) 90 mm/ph, đường kính vai dụng cụ (d) 12mm, chiều sâu xâm nhập vai vào bề mặt vật hàn 0,15mm Kết thực nghiệm kiểm tra thể Bảng 4.2, cho thấy thay đổi độ bền kéo phụ thuộc vào thơng số chế độ hàn khảo sát, ý nghĩa đề cập Kết luận Bảng 4.2 Kết thực nghiệm STT 10 11 12 13 14 15 Tốc độ quay (v/ph) Vận tốc hàn (mm/ph) Đường kính vai (mm) Kết thí nghiệm (MPa) Kết thí nghiệm (MPa) Kết thí nghiệm (MPa) Giá trị TB (MPa) n 1000 1400 1000 1400 1000 1400 1000 1400 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 Vh 80 80 120 120 100 100 100 100 80 120 80 120 100 100 100 d 12 12 12 12 10 10 14 14 10 10 14 14 12 12 12 Y1 210.774 193.825 213.354 217.774 223.912 208.021 204.542 204.025 209.375 221.092 196.563 208.708 209.75 212.417 212.333 Y2 212.888 194.375 215.813 218.761 225.255 207.708 203.5 204.931 207.803 223.765 194.958 210.133 212.042 211.708 209.208 Y3 213.729 192.617 214.729 215.223 226.129 210.333 205.792 203.125 211.292 222.587 197.958 209.833 210.958 208.042 210.833 Y 212.464 193.606 214.632 217.253 225.099 208.687 204.611 204.027 209.25 222.481 196.493 209.558 210.917 210.722 210.791 Kết tính tốn kiểm tra kết phần mềm Minitab giống Sau tính tốn kiểm tra xử lý số liệu phần mềm [5;6], mức độ ảnh hưởng thông số hàn giá trị tối ưu chúng thể Hình 4.1 -Hình 4.4 Vũ Dương, Nguyễn Thanh Tùng / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 4(53) (2022) 13-17 Ảnh hưởng nhân tố đến Y Giá trị Y 16 Hình 4.1 Mức ảnh hưởng thông số hàn Cao Tối ưu Thấp Y cưc đại Hình 4.2 Tối ưu thơng số hàn Hình 4.3 Mặt phẳng đáp ứng σ với tốc độ hàn (mm/ph) đường kính vai (mm) Vũ Dương, Nguyễn Thanh Tùng / Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Duy Tân 4(53) (2022) 13-17 Hình 4.4 Mặt phẳng đáp ứng 17 với vận tốc hàn (mm/ph) đường kính vai (mm) Thông số tối ưu yếu tố: n = 1000v/ph, v = 109.4949mm/ph d = 10mm,với giá trị độ bền kéo đạt 225.4247MPa Các mối hàn kiểm tra tính [4], soi tổ chức tế vi, đo độ cứng tế vi chụp tia X- để đánh giá bàn luận Kết luận Mối hàn thực máy phay CNC với điều kiện khác nhau, miền thông số xác định mối hàn hình thành tốt, khơng khuyết tật, đảm bảo tính tốt đạt tổ chức hạt mịn tương tự kết công bố [7] Qua kết thực nghiệm, tính tốn xử lý số liệu khẳng định độ xác mơ hình nhiệt, kết mô việc lựa chọn xác lập mơ hình để nghiên cứu q trình hàn Mặc dù có nhiều thơng số ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn trình bày phần trước qua kiểm tra (đặc biệt tổ chức tế vi độ bền kéo), đánh giá phân tích khẳng định ba thơng số (tốc độ quay dụng cụ hàn, vận tốc hàn chiều sâu xâm nhập vai dụng cụ vào vật hàn) có tác động nhiều đến chất lượng mối hàn Miền thơng số thích hợp cho mối liên kết hàn góc hợp kim nhơm 6061 có chiều dày 5mm tốc độ quay 1000 v/ph, vận tốc hàn 110 mm/ph, đường kính vai dụng cụ 10mm Hệ số WP từ - chiều sâu xâm nhập 0.1mm Tài liệu tham khảo [1] Trần Văn Dũng (2010), Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, NXB Bách Khoa Hà Nội [2] Nguyễn Hữu Lộc (2011), Quy hoạch phân tích thực nghiệm, ĐHQG TPHCM [3] Phan Đình Huấn (2011), Phương pháp phần tử hữu hạn, NXB Tp HCM [4] Hồng Trọng Bá (2006), Cơng nghệ Kim loại, NXB Tp HCM [5] Song, M and R Kovacevic (2003), Numerical and Experimental Study of the Heat Transfer Process in Friction Stir Welding, Proceedings of the Instn of Mechanical Engineer, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 217, 73-85 [6] Tang, W., X Guo, J.C McClure and L.E Murr (1998), Heat Input and Temperature Distribution in Friction Stir Welding, Journal of Materials Processing and Manufacturing Science, 7, p 163172 [7] Chao, Y J and Qi, X (1998), Thermal and thermomechanical modeling of friction stir welding of aluminum alloy 6061-T6, Journal of Materials Processing &Manufacturing Science, Vol 7, No 2, pp 215-233 Thermal Modeling of the Friction Stir Welding Process, Proceedings of the Second International Symposium on Friction Stir Welding, June 26–28, Gothenburg, Sweden  ... khẳng định ba thông số (tốc độ quay dụng cụ hàn, vận tốc hàn chiều sâu xâm nhập vai dụng cụ vào vật hàn) có tác động nhiều đến chất lượng mối hàn Miền thơng số thích hợp cho mối liên kết hàn góc hợp... vật liệu với đe hàn Hơn máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng, việc kiểm sốt trì lực suốt q trình hàn khó khăn, chiều sâu xâm nhập vai trì dễ dàng Do đó, ta sử dụng thông số chiều sâu xâm nhập vai đại... tốt với trọng lượng riêng thấp Thành phần vật liêu hợp kim nhôm 6061 Bảng 2.1, tính vật liệu hợp kim nhơm 6061 thể Bảng 2.2 Bảng 2.1 Thành phần hóa học hợp kim nhôm 6061 Nguyên tố Al Si Fe Cu