nghiên cứu hàn ma sát khuấy mối hàn giáp mối tấm kim loại mỏng 3mm

Nội dung chính của đồ án: - Tìm hiểu, khảo sát các nguyên lý, quy trình công nghệ và thiết bị hàn ma sát khuấy; - Khảo sát quá trình hàn MSK các tấm kim loại mỏng 3mm; - Xác định các thô

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, công nghệ hàn được phát triển mạnh với hàng loạt các phương pháp khác nhau như TIG, MIG/MAG, hàn hồ quang Các phương pháp hàn trên là các phương pháp hàn nóng chảy với công nghệ đơn giản, chi phí thấp có thể áp dụng cho hầu hết các vật liệu, đồng thời ứng dụng cho tất cả các dạng sản xuất khác nhau Công nghệ càng ngày càng phát triển, việc giảm bớt khối lượng máy, chi phí, bảo vệ môi trường là việc cấp thiết trong sản xuất chế tạo máy Nên các vật liệu nhẹ như nhôm, đồng, magiê, titan ngày càng được ưu tiên trong sản xuất chế tạo máy

Các phương pháp hàn truyền thống TIG, MIG, hàn hồ quang sử dụng quá nhiều năng lượng đầu vào đồng thời cũng tạo ra nhiều khí độc hại ảnh hưởng đến môi trường Hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding) là phương pháp hàn mới đã và đang được phát triển trong nhiều năm qua Là phương pháp hàn trạng thái rắn, không tạo ra khí thải trong quá trình hàn, không tạo ra tia bức xạ, không cần dùng kim loại phụ để điền vào mối hàn cũng như mức độ sử dụng năng lượng đầu vào thấp Và đặc biệt có thể hàn được các kim loại nhẹ như Al, Cu, Ti, hàn các loại vật liệu không đồng chất với nhau Điều mà các phương pháp hàn nhiệt khó có thể thực hiện

Cho đến nay hàn ma sát khuấy ở nước ta vẫn còn là một công nghệ xa lạ Việc nghiên cứu, ứng dụng FSW mới chỉ dừng ở trong phòng thí nghiệm, chưa được đưa ra ứng dụng cho sản xuất thực tế Trên cơ sở đó, đề tài nghiên cứu này tập trung, phân tích, nghiên cứu và hệ thống hoá các kiến thức về công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW), chế tạo dụng cụ hàn, đồ gá chuyên dụng trong hàn nhôm A6061, và đồng C1100 nhằm làm sáng tỏ lý thuyết và các kiến thức về FSW trong phạm vi đề tài Các kết quả đạt được sẽ làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo để ứng dụng công nghệ này vào sản xuất Góp phần đưa công nghệ mới này phổ biến trong ngành sản xuất của Việt Nam.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Đề xuất được kết cấu dụng cụ khuấy phù hợp cho phép hàn giáp mối tấm kim loại nhôm dày 3mm

 Đề xuất chế độ hàn cho mối hàn giáp mối tấm kim loại 3mm

 Đồ gá, kết cấu và quá trình công nghệ gia công dụng cụ khuấy có thể ứng dụng vào thực tiễn sản xuất

 Chế độ hàn tấm mỏng 3mm có thể được tham khảo để ứng dụng vào thực tế hàn tấm mỏng.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu thiết kế đồ gá, đề xuất thông số hàn cho quá trình giáp mối tấm mỏng nhôm 3mm sử dụng kỹ thuật mô phỏng và thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Dụng cụ hàn ma sát khuấy

- Chế độ hàn khi hàn ma sát khuấy tấm nhôm mỏng

- Nghiên cứu chế tạo dụng cụ hàn ma sát khuấy cho tấm nhôm 3mm

- Hàn thực nghiệm kiểm chứng kết quả mô phỏng trên tấm nhôm 3mm.

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

- Phương pháp kế thừa: Kế thừa từ những công trình, kết quả nghiên cứu có sẵn của các tác giả trong và ngoài nước về lĩnh vực nghiên cứu và phát triển hàn ma sát khuấy

- Phương pháp thu thập thông tin: Sưu tầm và nghiên cứu sách báo, tài liệu liên quan đến phương pháp hàn ma sát khuấy Dựa vào các thí nghiệm chọn ra các thông số hàn phù hợp

- Phương pháp tính toán thiết kế :

 Xác định đặc tính vật liệu hàn

 Tính toán các kích thước sơ bộ đầu khuấy

 Tính toán nhiệt lượng hàn sinh ra khi hàn

- Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng máy hàn FSW để thực nghiệm đưa ra được thông số hàn hợp lý

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

 Tìm hiểu về các bài báo, hình ảnh, công trình nghiên cứu đã được công bố trong và ngoài nước từ đó nắm vững được phương pháp, quá trình hàn

 Đọc các tài liệu về các vấn đề liên quan đến hàn ma sát khuấy, tỷ lệ sinh phân bố nhiệt khi hàn ma sát, đặc tính của vật liệu nhôm, đồng , thép hợp kim dụng cụ,…

 Tính toán và đọc các nguyên cứu tương đồng để tìm ra chế độ hàn phù hợp khi hàn 2 tấm nhôm, 2 tấm nhôm- đồng

 Mô phỏng quá trình hàn trên phần mềm Abaqus

 Sử dụng máy CNC để gia công dụng cụ hàn, đồ gá để hàn ma sát khuấy

 Hàn thử nghiệm 2 tấm nhôm A6061, có độ dày 3mm trên máy hàn ma sát khuấy do nhóm nghiên cứu Kỹ thuật Cơ khí và Môi trường(REMELab) thuộc ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh nghiên cứu và chế tạo

 Đánh giá chất lượng các mối hàn

 Tổng hợp kết quả, đánh giá chất lượng đầu khuấy, xác định được chế độ hàn khi hàn giáp mối hợp kim nhôm A6061.

Kết cấu đồ án

Chương I: Giới thiệu hàn ma sát khuấy

Chương II: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương III: Cơ sở lý thuyết

Chương IV: Kết quả nghiên cứu

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Lịch sử phát triển hàn ma sát khuấy

Hàn ma sát khuấy (FSW) là một trong những kỹ thuật hàn trạng thái rắn Nó được phát minh và cấp bằng sáng chế vào năm 1991 bởi viện hàn(TWI) để hàn giáp mí và hàn chồng các tấm kim loại đen, kim loại màu và nhựa Ban đầu FSW được áp dụng để hàn cho tấm hợp kim nhôm vì những lợi ích như: Ít gây ô nhiễm môi trường; ít biến dạng hơn và cải thiện độ bền cũng như các đặc tính mỏi so với hàn nhiệt hạch Hiện nay FSW được sử dụng phần lớn trong các ngành công nghiệp như ô tô, hàng không vũ trụ, đường sắt và hàng hải Qua hơn 30 năm nghiên cứu và phát triển, các nhà nghiên cứu đã không ngừng thử nghiệm và phát triển nhằm mục đích mở rộng phạm vi hàn cho FSW, bao gồm các mối hàn vật liệu khác nhau như Mg-, Cu-, Ti-, Al- , chì, thép không gỉ, nhựa nhiệt dẻo và các vật liệu khác Những vật liệu và hầu như các phương pháp hàn truyền thống đều không thể làm được

Trong các ngành như công nghiệp vận tải đường bộ, đường sắt, đường thuỷ, hàn không vũ trụ thì kết cấu, vật liệu và thiết kế đóng vai trò rất quan trọng góp phần giảm bớt chi phí nhiên liệu Nên việc sử dụng hợp kim nhôm, Ti là phổ biến trong các ngành này Để hàn các vật liệu này có thể dùng 2 phương pháp hàn MIG, TIG hoặc các mối nối bằng đinh tán Tuy nhiên quá trình hàn MIG và TIG yêu cầu lượng nhiệt đầu vào cao gây ra các biến dạng nhiệt và hình thành các oxit nhôm Các cụm đinh tán thì có giá thành cao, trọng lượng lớn, mối hàn không kín Vì vậy sự ra đời của hàn Ma Sát Khuấy đã giải quyết được tất cả các vấn đề này.

Khái niệm hàn ma sát khuấy

Hàn ma sát khuấy là một phương pháp hàn phi truyền thống và chủ yếu được ứng dụng để hàn giáp mối các chi tiết dạng tấm Việc tạo ra mối hàn cần một năng lượng nhiệt và được tạo ra do sự tiếp xúc ma sát giữa đầu hàn chuyên dụng (đầu khuấy) và vật liệu cần hàn [1]

Hình 2.1 Hàn ma sát khuấy [1]

Nguyên lý hoạt động của hàn ma sát khuấy

Hai bề mặt hàn được tiếp xúc với nhau, dụng cụ hàn (đầu khuấy) sẽ chạy ở giữa hai bề mặt hàn, lượng nhiệt do ma sát sẽ làm nóng chảy vật liệu hàn tại vị trí tiếp xúc, phoi nóng chảy được ép xuống tạo thành mối hàn nhờ vai của dụng cụ hàn

Hình 2.2.Nguyên lý hoạt động của hàn ma sát khuấy [1]

Nguyên lý hoạt động của hàn ma sát khuấy chia làm các bước như sau:

- Bước 1: Ghép 2 tấm kim loại lại với nhau

- Bước 2: Dụng cụ hàn xoay đến chạm vào vật liệu phôi tại mối ghép, đâm xuống và ngừng đâm xuống khi đạt được độ sâu cần thiết

- Bước 3: Dụng cụ hàn xoay tại chỗ để đạt nhiệt cần thiết làm chảy dẻo vật liệu sau đó di chuyển theo đường mí hàn để hàn vật liệu

- Bước 4: Cho dụng cụ hàn đi lên

Đặc điểm của quá trình hàn ma sát khuấy

Quá trình sinh nhiệt của mối hàn chia vùng hàn làm 4 loại thể hiện qua mặt cắt dưới:

Hình 2.3.Mặt cắt vùng hàn [1]

PM: Vùng kim loại nền (Parent Metal - PM) Vùng vật liệu nền là vùng vật liệu ở xa mối hàn, do đó tổ chức tế vi không bị biến dạng, tính chất cơ học cũng không bị ảnh hưởng bởi nhiệt sinh ra do mối hàn trong suốt quá trình

HAZ: Vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone - HAZ) Nằm gần vùng trung tâm mối hàn Quá trình sinh nhiệt đã làm biến đổi tổ chức tế vi và tính chất cơ học của vật liệu Tuy nhiên, nhiệt sinh ra không đủ làm biến dạng dẻo với vật liệu

TMAZ: Vùng chịu ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo ÷ mechanically affected zone - TMAZ) Trong vùng này, vật liệu đã bị chốt hàn làm biến dạng dẻo Nếu là nhôm, sẽ có sự rõ rệt về dòng kim loại có kết tinh và vùng biến dạng dẻo

SZ: Vùng khuấy (Stir zone - SZ) Kim loại được kết tinh hoàn toàn trong vùng này, thường là vùng mà có chứa đầu chốt hàn mỗi khi nó đi qua Biến dạng dẻo mạnh nhất khiến tế bào tế vi ở đây trông mịn hơn nhưng không nóng chảy

- Một số ưu, nhược điểm của hàn ma sát khuấy:

• Thân thiện với môi trường, không tạo ra khói và các chất ô nhiễm

• Ít hao phí vật liệu, tiết kiệm kim loại

• Hàn được các kim loại khác loại với nhau

• Cơ tính mối hàn tốt

• Không yêu cầu tiết diện của 2 chi tiết phải giống nhau

• Chiều dài của chi tiết hàn bị giảm

• Không hàn được các kết cấu quá phức tạp

• Luôn có viết lõm ở cuối đường hàn

- Một số khuyết tật hàn thể hiện ở bảng 2.1

Bảng 2.1.Khuyết tật hàn ma sát khuấy [2]

Kiểu khuyết tật Nguyên nhân Hình ảnh minh họa

Tỷ lệ giữa tốc độ chảy dẻo vật liệu và tốc độ quay của đầu khuấy Nhiệt độ quá cao dẫn đến nóng chảy bề mặt vật liệu

Vật liệu khi hàn trộn lại không đều Độ dày không đều

Sự tiếp xúc giữa dụng cụ hàn và vật liệu hàn không đều tạo nên ma sát không đều

Lỗi giảm mặt cắt ngang của FSW

Do tác dụng lực quá mạnh, dẫn đến dụng cụ hàn ăn sâu quá nhiều vào vật liệu

Gờ FSW Do sự phóng điện của vật liệu hàn lên cạnh của mối hàn

Lỗ hổng ở mặt đáy mối hàn Đầu khuấy quá ngắn hoặc phần dầu khuấy ăn quá sâu

Ứng dụng của hàn ma sát khuấy

2.5.1 Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ

Viện hàn vương quốc Anh TWI đã cấp giấy phép FSW và cung cấp hỗ trợ kỹ thuật cho Eclipse Aviation để sản xuất máy bay phản lực Eclipse 500 Eclipse đã thực hiện 128m hàn khuấy ma sát trên mỗi khung máy bay, thay thế khoảng 7000 đinh tán FSW cũng được Spirit Aero Systems sử dụng trong sản xuất dầm rào cản mũi cho máy bay vận tải Boeing 747, với trọng lượng tiết kiệm 14,4lbs cho mỗi bộ 5 dầm TWI cũng đang hỗ trợ Embraer giới thiệu FSW vào sản xuất các tấm thân phía trước trên máy bay Legacy 450 và 500

Hàn khuấy ma sát được sử dụng trong sản xuất các bộ phận tạo nên thùng nhiên liệu của tên lửa Artemis SLS

Các thùng nhiên liệu của tên lửa chủ yếu là thứ tạo nên tầng lõi của tên lửa Hệ thống hàn khuấy ma sát được sử dụng trong sản xuất thùng, mái vòm và cụm liên bể tạo nên các thành phần của thùng nhiên liệu của Hệ thống phóng không gian (SLS) của NASA Khi thử nghiệm, tên lửa chịu được hơn 260% tải trọng bay dự kiến trước khi bị vênh và vỡ

Hình 2 5.Tên lửa và hệ thống phóng Artemis SLS của NASA [4]

2.5.2 Trong lĩnh vực hàng hải

Trung Quốc từ lâu đã sử dụng tấm FSW đúc sẵn để đóng tàu tại các nhà máy đóng tàu ở Đại Liên, Thượng Hải, Vũ Hán, Quảng Tây và Quảng Châu vì vậy sản lượng tàu vận tải của họ đã vươn lên vị trí hàng đầu so với bản đồ thế giới (chiếm 44,2% so với toàn cầu)

Hình 2.6 FSW được sử dụng trên tàu hợp kim nhôm của Trung Quốc [5]

Có rất ít mối hàn thẳng-dài trong xe ô tô, do đó việt áp dụng FSW chủ yếu dành cho các bộ phận treo, bánh xe, cửa, linh kiện chỗ ngồi…

 Honda Accord 2013 (khung phụ phía trước)

 2007 Audi R8 (một phần của khung xe)

 2006 Mazda MX-5 Miata (cốp và mui xe)

 2005 Ford GT (một phần của khung xe)

 2004 Mazda RX-8 (cửa sau và mui xe)

 2003 Lincoln Town Car L (hệ thống treo)

FSW được ứng dụng để hàn tấm tản nhiệt đồng và khung nhôm Mặc dù có thể chế tạo cụm chi tiết bằng đồng tuy nhiên đồng có chi phí khá đắt và có khối lượng lớn hơn nhiều so với hợp kim nhôm

Hình 2 7 Tấm tản nhiệt dùng trong các hệ thống điện[5]

Hình 2 8.Bộ tản nhiệt bằng hợp kim nhôm được hàn theo phương pháp FSW và Phương pháp hàn truyền thống [5]

2.5.5 Trong lĩnh vực thực phẩm

Hình 2.9 Hệ thống chưng cất [6]

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Xác định đặc tính của vật liệu hàn

Bảng 3 1.Thông số vật liệu hàn[7]

Vật liệu Nhiệt độ nóng chảy (℃) Độ cứng Brinell (HB) Độ bền kéo (MPa) Ghi chú

Nhôm A6061 là hợp kim nhôm biến dạng hoá bền của Al với Mg và Si Có độ bền cao, tính chống ăn mòn và có tính hàn tốt Đặc tính T6 được thu bằng cách hoá già nhân tạo Nhôm A6061-T6 được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất Trong lĩnh vực cơ khí A6061-T6 được ứng dụng làm khung, dụng cụ, bộ gá, tấm đỡ, các chi tiết máy hoặc than van thuỷ lực

Bảng 3 2.Tính chất vật lý của nhôm A6061-T6

Tính chất vật lý Giá trị

Nhiệt độ nóng chảy(oC) 650 Độ giản nở nhiệt 23,4.10-6

Hệ số dẫn nhiệt(W/m.K) 166 Điện trở (Ω.m) 0,004.10-6

Bảng 3 3.Tính chất cơ học của nhôm A6061

Tính chất cơ học Giá trị Ứng xuất phá huỷ (MPa) 240 Ứng xuất kéo (MPa) 260 Độ cứng (HB) 95

Phân tích sơ bộ đầu khuấy

- Đầu khuấy có ba loại :

 Đầu khuấy tự điều chỉnh

Hình 3.1 Các loại đầu khuấy [8]

Bảng 3 4.Tóm tắt đầu khuấy

Các loại đầu khuấy Đặc điểm đầu khuấy Hình ảnh minh họa đầu khuấy Đầu khuấy cố định

- Có 1 bộ phận duy nhất là vai và chốt

- Do chiều dài đầu khuấy là cố định, loại đầu khuấy này chỉ sử dụng để hàn phôi có về dày không đổi Đầu khuấy điều chỉnh

- Bao gồm 2 bộ phận vai và chốt độc lập với nhau

- Do chiều dài chốt điều chỉnh được thuận lợi hàn cho nhiều chi tiết khác nhau Đầu khuấy tự điều chỉnh

- Bao gồm 3 bộ phận: vai trên vai dưới, chốt hàn

- Công cụ tự điều chỉnh hoạt động vuông góc với bề mặt dưới của phôi, ngược lại với ác dụng cụ cố định và điều chỉnh có thể nghiêng theo chiều dọc và chiều ngang của phôi

Bảng 3 5.Phân loại đầu khuấy

Các loại vai đầu khuấy Đặc điểm Hình ảnh minh họa

Hình dạng phẳng, tăng tiếp xúc bề mặt giữa vai và chi tiết gia công

Hình dạng phẳng có rãnh xoắn ốc giúp vai đầu khuấy ăn vào vật liệu, tăng khả năng làm vật liệu nóng chảy

Vai lòi Vai lòi trơn

Hình dạng đầu lồi giúp đẩy vật liệu ra khỏi chốt

Hình dạng đầu lòi có rãnh, thiết kế này cho phép linh hoạt giữa các vùng tiếp xúc giữa vai và chi tiết cần gia công, cho phép hàn nhưng bề mặt phức tạp

Vai lõm trơn Độ lõm của vai được tạo ra bởi một góc nhỏ hợp bởi mép vai và chốt nằm trong khoảng 60-100

Có độ lõm để vật liệu sau khi đầu khuấy đâm xuống,nóng chảy hòa vào đường chạy của chốt

Vai lõm ren Độ lõm có ren giúp vật vật liệu theo ren giúp làm nóng chảy vật liệu theo đường ren

 Đối với vai phẳng khi hàn tạo ra áp lực lớn vật liệu hàn sẽ bị tràng ra ngoài [9]

 Đối với vai lồi dung cho 2 tấm có độ dày khác nhau và hàn biên dạng 3d [9]

 Đối với vai lõm hàn cho tấm mỏng [9]

- Độ lõm, lồi vai (): là yếu tố tạo nên dạng vai của chốt hàn.[9]

 Nếu = 0, chốt hàn có dạng vai thẳng

 Nếu > 0, chốt hàn có dạng vai lõm Độ lõm có thể chọn trong khoảng (6 ÷10°)

 Nếu  < 0, chốt hàn có dạng vai lồi Độ lồi vai có thể chọn trong khoảng (6÷10°)

 Đối với hàn 2 tấm kim loại 3mm sử dụng vãi lõm trơn

- Đường kính vai khuấy (Ds): Việc chọn đường kính chốt phụ thuộc vào chiều dày tấm nhôm cần hàn

Hình 3 2.Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa bề dày vật liệu và đường kính vai [10]

Công thức tổng quát: Ds= 1,3412x+10,726 (3-1)

 Ds là đường kính vai đầu khuấy

 x là bề dày vật liệu

Dụng cụ hàn ma sát khuấy hay còn gọi là chốt hàn là thành phần vô cùng quan trọng cho quá trình hàn ma sát khuấy Hiện nay, dụng cụ này đã và đang được phát triển rất nhiều trên thế giới tại các nước đang phát triển – nơi mà công nghệ hàn ma sát khuấy được xem là phổ biến

Hiện nay dụng cụ hàn FSW được chia làm các loại sau:

Hình 3 3.Phân loại chốt hàn [8]

Bảng 3 6.Phân loại chốt hàn

Các loại chốt hàn Đặc điểm Hình ảnh

Chốt trụ có đầu phẳng khi hàn lực dâm xuống lớn, đầu hàn có thể bị biến dạng lớn nhưng đầu phẳng tạo ra đường hàn sáng mịn đẹp Đầu tròn Đầu tròn của chốt giúp giảm độ mài mòn của dụng cụ khi hàn và cải thiện chất lượng mối hàn bên dưới đáy chốt Bán kính đầu chốt tốt nhất được chỉ định bằng 75% đường kính chốt[5]

Chốt hàn có biên dạng trụ lực đâm xuống lớn,đường hàn khuấy đều

Chốt có các rãnh dọc theo chiều dài chốt làm giảm 70% khối lượng dịch chuyển của một đầu khuấy hình trụ đường kính tương ứng và làm tăng biến dạng ở dòng kim loại hàn.[1] [8]

Trụ có biên dạng hình học

Chốt trụ có biên dạng khác nhau như: lục giác, tứ giác, tam giác, …

Chốt được tiện ren, thông thường bước ren được lấy trùng với bước ren của đường kính chốt

Ví dụ: chốt có đường kính 6mm, thì chốt có ren

Chốt có biên dạng lưỡi cắt xoắn tương tự như dao phay ngón Chốt làm giảm thể tích dịch chuyển so với chốt hình trụ là 70% đồng thời làm tăng biến dạng hàn, tăng tốc độ tiến bàn máy Thường được sử dụng để hàn các tấm nhôm có độ dày lớn.[1]

Trụ biên dạng hình học có ren

Chốt trụ có biên dạng hình học giúp bề mặt tiếp xúc giữa chốt hàn và mẫu hàn nhiều hơn có thể giúp khuấy vật liệu tốt hơn

Chốt côn trơn giảm bề mặt tiếp xúc giữa chốt hàn và mẫu hàn Chốt có biên dạng tựa như mũi khoan đâm xuống vật liệu dễ dàng hơn ,tốc độ hàn được cải thiện [9]

Chốt có hình côn có rãnh giúp khuấy đều vật liệu tốt hơn bên cạnh đó có rãnh trên chốt làm vật liệu có thể bám lên chốt hàn [8]

Côn có biên dạng hình học

Chốt có biên dạng đa giác không có ren, giúp giảm lực ngang Fx từ 18-25% và giảm 12% lực rèn so với chốt dạng Triflute TmM Người ta thường sử dụng chốt này để hàn các loại vật liệu có cơ tính cao như titan, thép,… vì nó ít bị mài mòn.[1] [9]

Chốt có biên dạng nón cụt giúp giảm lực ngang

FX tác dụng lên chốt

Việc gia công ren trên chốt giúp giảm lực tác động ngang lên chốt giúp cải thiện vận tốc hàn.[1] [13]

Chốt có biên dạng xoắn ốc và ren giúp giảm áp lực khi dâm xuống

Có ren giúp khuấy vật liệu tốt hơn nhưng vật liệu dễ bám lên chốt hàn

Côn dạng hình học có ren

Chốt hàn có biên dạng là hình học (tam giác, tròn…) giúp tối ưu tốc độ hàn và có ren giúp khuấy vật liệu tốt hơn cải thiện tốc độ hàn

3.2.3 Tính các thông số chốt hàn

Hình 3 4.Thông số kích thước chốt hàn

- Đường kính đầu khuấy chốt hàn (Dp): độ rộng lớn nhất của đầu chốt (đường kính lớn nhất của phần đầu chốt hàn) Để tính đường kính đầu chốt hàn, áp dụng công thức:

Hình 3 5.Biểu diễn mối quan hệ giữa bề dày vật liệu với đường kính chốt hàn [10]

 Dp là đường kính chốt đầu khuấy

 x là bề dày vật liệu

- Chiều dài đầu khuấy chốt hàn (Lp): là độ dài tính từ phần bắt đầu tiếp xúc vật liệu hàn đến phần tiếp xúc vai chốt

Hình 3 6.Hình biểu diễn mối tương quan giữa bề dày vật liệu với chiều dài của chốt hàn [10]

 Lp là chiều dài chốt đầu khuấy

 x là bề dày vật liệu

- Độ côn ( ): là yếu tố quyết định hình dạng đầu chốt là dạng trụ hay dạng côn[1]

 Nếu = 0 thì đầu chốt hàn có dạng trụ

 Nếu > 0 thì đầu chốt hàn có dạng côn Độ côn tốt nhất nằm trong khoảng (30÷ 60°)

Bảng 3 7.Phân tích biên dạng chốt cho từng tấm tấm vật liệu

Vật liệu Độ cứng Độ dày Chốt hàn

Kim loại cứng (thép, titan)

-Côn có biên dạng hình học

- Trụ có biên dạng hình học [16],[17] -Côn có ren [15]

Kim loại mềm (nhôm, đồng, magie)

- Côn ren -Trụ biên dạng có ren [18],[8],[15]

Kim loại không đồng chất

>3mm -Côn có biên dạng hình học

-Trụ rãnh có ren -Côn rãnh có ren -Côn có ren [8]

Vật liệu làm đầu khuấy

Chọn vật liệu giữ được sự ổn định về kích thước và không mấy đi các tính năng hoặc vết nứt trong quá trình hàn Yêu cầu vật liệu cần có:

- Độ bền cơ học tốt: ở nhiệt độ phòng và chủ yếu ở nhiệt độ cao Quá trình hàn được thực hiện khoảng 70% đến 90% nóng chảy của vật liệu Vì vậy điều quan trọng là vật liệu làm đầu khuấy phải đủ độ bền nếu không sẽ bị hỏng

- Khả năng chống mài mòn: Sự mài mòn đáng kể của dụng cụ sẽ làm tăng chi phí của quá trình FSW

- Độ dẻo dai: dụng cụ bắt buộc phải chống lại hư hỏng xảy ra trong thời gian lao xuống và dừng

- Hệ số giãn nở nhiệt thấp: Nhiệt độ phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của dụng cụ Giá trị thích hợp của độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào các biến số của quy trình, vật liệu phôi và một số tính chất của dụng cụ

- Khả năng gia công tốt: Khả năng gia công tốt rất quan trọng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo các chi tiết phức tạp trên bề mặt vai và chốt

Góc nghiêng hàn ma sát khuấy

Theo thực nghiệm của Reshad và các cộng sự nghiên cứu góc nghiêng của dụng cụ đến FSW của ti tan nguyên chất thì họ đã rút ra kết luận: Góc 1° là góc nghiêng tốt nhất để hàn không bị khuyết tật với các đặc tính cơ học cao

Long và các cộng sự đã thực nghiệm sự ảnh hưởng ba góc nghiêng (0° ,1°,2°) của dụng cụ đối với nhôm AA6061-T6 thì họ đã đưa ra kết luận: Góc 2° là góc nghiêng tốt nhất và làm cho tốc độ chảy của dòng vật liệu được tăng cường

Hình 3 7.Góc nghiêng của dụng cụ hàn [3]

Độ lệch tâm

Một yếu tố quan trọng khi hàn 2 tấm không đồng chất là độ lệch tâm của dụng cụ hàn Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh rằng việc đặc lệch dụng cụ hàn đóng vai trò rất quan trọng đối với tuổi thọ của dao và chất lượng của mối hàn Thay vì đặc tâm dụng cụ hàn trùng với tâm mối hàn khi hàn 2 tấm đồng chất thì khi hàn hai tấm khác chất tâm dụng cụ hàn phải đặt lệch về phía vật liệu có độ cứng thấp hơn

Hình 3 8 Hình biểu diễn độ lệch tâm khi hàn [10]

Trong thí nghiệm của Y N Wei và các cộng sự khi hàn 2 tấm Cu và A1050 dày 10mm Với thông số đường kính vai D%mm, đường kính chốt d=8mm, chiều dài chốt l=9,6mm Khảo sát lần lược với 3 trường hợp bù dao là 1mm, 2mm, 3mm thì kết quả cho thấy rằng khi bù dao 3mm so với tâm mối hàn tức 37,5% đường kính chốt sẽ cho được mối hàn tốt nhất.[17]

Hình 3.9.Độ lệch tâm và chất lượng mối hàn [20]

Trong nghiên cứu của Sare Celik và Recep Cakir [15], hợp kim 1050 Al và Cu nguyên chất được thử nghiệm ở ba tốc độ quay dụng cụ khác nhau (630, 1330, 2440 vòng/phút) và ba tốc độ di chuyển ngang dụng cụ khác nhau (20, 30, 50 mm/phút) với bốn vị trí đặc lệch tâm dụng cụ khác nhau (0,1,1,5, 2 mm) bằng phương pháp hàn ma sát khuấy Khi đánh giá hiệu suất hàn của các mối hàn ma sát khuấy, giá trị tối đa thu được là 89,55% với tốc độ quay dao 1330

25 vòng/phút, tốc độ di chuyển ngang 20 mm/phút và cấu hình vị trí dao 1 mm (tức 25% đường kính chốt) Độ bền kéo cao hơn là do sự tăng cường phân tán của các hạt Cu mịn phân bố trên vật liệu Al trong vùng vùng khuấy

Cùng độ lệch dao là 1mm khảo sát của Salman Nourouzi [20] khi hàn hợp kim thép C1050 và nhôm A1100 độ dày 3mm cũng cho ra được mối hàn tối ưu nhất

Vậy có thể kết luận rằng: Khi hàn ma sát khuấy 2 tấm khác chất, độ lệch tâm dụng cụ hàn so với tâm mối hàn nằm trong khoảng từ 25%-37,5% so với đường kính chốt hàn( đường kính lớn đối với chốt côn ) về phía vật liệu có độ cứng thấp hơn sẽ cho ra được mối hàn có chất lượng tốt nhất Tuy nhiên độ lệch tâm quá cao sẽ không tốt vì thiếu liên kết giữa Cu và Al trong quá trình hàn

Chế độ hàn

Trong quá trình hàn ma sát khuấy, tốc độ quay n, bước tiến ngang f, lực dọc trục Fz, lực hàn Fy, góc nghiêng giữa dụng cụ hàn và phôi tạo thành các thông số hàn Với tốc độ quay của dụng cụ, vậ liệu đã trộ sẽ được đẩy từ trước ra phía sau Điều cực kỳ quan trọng là dụng cụ hàn phải quay với tốc độ phù hợp, đưa dụng cụ hàn di chuyển dọc theo mối hàn với tốc độ phù hợp, tiếp xúc vai của dụng cụ hàn với phôi để sinh nhiệt [21]

Khi dụng cụ hàn quay quá nhanh, tạo ra nhiệt nhiều hơn mức cần thiết xung quanh mối hàn, gây ra dòng chảy hỗn loạn trong khu vực đường hàn Điều này tạo ra các khoảng trống tế ti trong vùng trộn, dẫn đến giảm độ bền mối hàn Ngược lại tốc độ quay thấp khiến nhiệt sinh ra không đủ để đảm bảo liên kết, tạo ra liên kết yếu và giá trị độ bền mối hàn thấp Suresha và các cộng sự [22] cho rằng tốc độ quay của dụng cụ hàn là thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến tính chất cơ học của mối hàn giáp mối tấm hợp kim nhôm A7075 bằng phương pháp FSW

Tốc độ hàn hay còn gọi là bước tiến dao là tốc dộ mà dụng cụ hàn di chuyển dọc theo chiều dài của mối hàn Lượng nhiệt trên một đơn vị chiều dài của mối hàn giảm khi tốc độ hàn tăng nên nên vùng hàn không được khuấy đều dẫn đến độ bền kéo thấp hơn Bước tiến f cũng tạo ra khoản trống trong vùng hàn gây ra các khuyết tật hàn Ngược lại ở tốc độ hàn thấp, vùng hàn có cấu trúc hạt mịn do sự khuấy trộn của dụng cụ hàn Nó cũng làm giảm độ bền do sự khuấy trộn không đúng cách [23]

Phân tích lực tác dụng và nhiệt lượng khi hàn ma sát khuấy

3.7.1 Lực tác dụng lên đầu khuấy

Hình 3 10.Lực tác dụng lên dụng cụ hàn [1]

- Fx: là lực song song và ngược chiều với chiều chuyển động dao Sinh ra do lực cản của vật liệu với chiều chuyển động của dao

- Fy: là lực tác động vuông góc với chiều tịnh tiến dao, cùng chiều với momen quay của trục, Fy tạo ra ứng suất dư nguyên nhân chính gây hao mòn dao

- Fz: Là lực hướng xuống để duy trì khoảng cách giữa vai đầu hàn và mặt phẳng vật liệu

Trong hàn ma sát khuấy, hầu hết nguồn nhiệt được phân bố khắp dụng cụ Dòng nhiệt phân bố trên 1 diện tích được xác định [9]:

+ q1 là 1 hàm bán kính vai, cường độ nhiệt tăng theo bán kính r tăng vì R p   r R s

Tuy nhiên để đơn giản như sự phân bố nhiệt trên cả bề mặt và vai bằng nhau thì 2 s p

R R r + Đối với đầu khuấy lượng nhiệt vào có thể phân bố khắp thể tích của nó:

(3-5) Ngoài ra theo Schmidt [9] tỉ số nhiệt từ đầu khuấy và sự tạo nhiệt bởi vai là 0,128

Q (3-6) Nhiệt được tao ra do ma sát giữa các bề mặt của dụng cụ, bao gồm mặt dưới của vai, bề mặt đầu khuấy , mặt dưới của đầu khuấy tương ứng với nhiệt lượng được sinh ra là Q1,Q2, Q3

Hình 3.11.Lượng nhiệt phân bố trên đầu khuấy [24]

- Nhiệt lượng tổng hợp tạo ra [9]:

Hình 3 12 Phân tích nhiệt lượng trên đầu khuấy [24]

- Phương trình vi phân nhiệt lượng tạo ra tổng quát ở tất cả các bề mặt [24]: contact dQ= dM = rdF=  r dA (3-7)

Từ phương trình vi phân thấy được nhiệt lượng tao ra cùng với một chế độ cắt phù hợp phụ thuộc vào diện tích bề mặt tạo ma sát của các thành phần của dụng cụ

Thực hiện phương pháp tích phân ta tính toán được nhiệt lượng ở các bề mặt của dụng cụ:

Phần này chịu tác dụng của lực, moment theo phương thẳng đứng, cho nên vi phân nhiệt lượng tạo ra có dạng [9]:

3 1 3 contact 3 contact dQ =  dM =  rdF =   r dA =   r d dr  (3-8)

Phần này chịu lực tác dụng của lực và mômen theo phương ngang, cho nên vi phân nhiệt lượng tạo ra có dạng:

2 2 2 contact 2 contact dQ = dM = rdF =  r dA =  r d dz  (3-9)

 Trên bề mặt phía dưới đầu khuấy hình côn [21]

Chia ra 2 phần lực tác dụng lên phần mặt côn này theo phương ngang và phương đứng:

1 ngang dung dF = dF + dF

Ta lại có: tan dung tan ngang dz dr dA rd dz rd dr dA rd dr

Thay vào vi phân ta được

1 1 contact (1 tan ) dQ =  rdF =   r d dr  + 

- Nhiệt lượng tạo ra vai [9]

Tích phân theo phương trình trên ta có trong vùng bán kính R1(đầu khuấy) đến R2 ta được:

- Nhiệt lượng tạo ra do đầu khuấy [9]

- Nhiệt lượng tạo ra phía dưới đầu khuấy [9]

- Nhiệt lượng tổng tạo ra khi đầu dao vuông góc là [9]:

- Nhiệt lượng tổng tạo ra khi đầu dao nghiêng 1 góc θ là[9]:

=>Từ phương trình trên thì ta nhận thấy khi tăng góc nghiêng đầu dao thì nhiệt lượng sẽ tăng, nhiệt lượng càng lớn thì dễ làm vật liệu chảy dẻo

Bề mặt mối hàn

Bên cạnh các yếu tố như thông số hàn, góc nghiêng, hình dạng dụng cụ hàn,v.v Bề mặt của vật liệu hàn cũng là yếu tố quan trọng gây ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Vì phải sử dụng chính vật liệu nền để tạo mối hàn, nên trước khi hàn cần phải được làm sạch vết bẩn Đối với mối hàn giáp mối sau khi làm sạch cần phải phay phẳng cạnh cần hàn nhằm mục đích khử các khoảng hở tránh bị mất áp lực hàn gây ra các khuyết tật hàn

Hình 3 13 Phay cạnh bên vật liệu cho mối hàn

Các phương pháp đánh giá chất lượng mối hàn

3.9.1 Đánh giá mẫu hàn bằng phương pháp trực quan

Một trong những phương pháp thường được sử dụng trong số các phương pháp kiểm tra không phá huỷ là kiểm tra trực quan Cơ sở của quy trình kiểm tra trực quan là kiểm tra bằng mắt thường, xem liệu vật liệu có lỗi hay không bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp có tính đến các tiêu chí được xác định trước và liệu có cần cải tiến trong sản xuất hay không

Trong phương pháp này, cả khuyết tật bề mặt vật liệu và khuyết tật hàn đều có thể được phát hiện Đây là phương pháp kiểm tra đơn giản và rất kinh tế nhưng nhược điểm lớn là chỉ phát

30 hiện được những lỗi có thể nhìn thấy được, không thể phát hiện được các khuyết tật nằm sâu bên trong

3.9.2 Đánh giá mẫu hàn bằng phương pháp kiểm tra độ bền kéo Để xác định giá trị độ bền kéo của kim loại và hợp kim trước khi chế tạo mẫu vật liệu đó Mẫu được chế tạo theo tiêu chuẩn từng nước Ở mẫu thử độ bền kéo được quy định theo tiêu chuẩn TCVN 8310:2010 Quy trình kiểm tra cơ tính của thép thông thường bao gồm: mẫu được giữ và cố định bằng ngàm, sau đó đặc tải trọng vào hai đầu, tang dần tải trọng cho đến khi mẫu bị kéo đứt Ghi lại các tham số tại các điểm biến dạng và đánh giá kết quả

Hình 3 14 Mẫu thử kéo dùng cho tấm theo chuẩn TCVN 8310:2010

Hình 3 15.Máy thử kéo nén

Việc kiểm nghiệm độ bền kéo giúp đánh giá được chất lượng của mối hàn, kiểm tra được tuổi thọ và độ bền của sản phẩm Đồng thời giúp so sánh giữa các phương pháp hàn với nhau hoặc giữa vật liệu nền với mối hàn

Một phương pháp để kiểm tra chất lượng mối hàn mà không làm phá huỷ vật liệu chính là phương pháp Scanning Electron Microscope hay còn gọi là SEM SEM là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chum các electron hẹp quét trên bề mặt mẫu Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật Việc sử dụng phương pháp này giúp phát hiện ranh giới hạt,các khuyết tật bên trong mối hàn mà không cần phải phá huỷ chúng

Hình 3 16.Ảnh chụp SEM cho mối hàn FSW

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Thiết kế đầu khuấy

4.1.1 Lựa chọn vật liệu làm đầu khuấy

Vì dụng cụ hàn làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao và độ mài mòn lớn nên chọn thép hợp kim dụng cụ 40Cr5W4VSiMo theo tiêu chuẩn TCVN 1823-1993 về thép hợp kim dụng cụ để chế tạo dụng cụ hàn

Bảng 4 1.Thành phần hoá học của thép 40Cr5W4VSiMo [25]

Nguyên tố C Mn Si Cr W V Mo

4.1.2 Cơ tính vật liệu làm đầu khuấy

Bảng 4.2.Cơ tính chọn vật liệu đầu khuấy [26]

4.1.3 Thiết kế dụng cụ hàn

4.1.3.1 Thiết kế đầu khuấy vai phẳng a) Thiết kế vai đầu khuấy cho tấm 3mm

- Đối với vật liệu mỏng (3mm) theo bảng 2.2 chọn được vai phẳng

- Độ lõm của vai đầu khuấy nằm trong khoảng (6° − 10°), chọn góc ∝ = 0°

- Theo công thức (3-1) ta có đường kính đầu khuấy:

Ds= 1,3412x+10,726= 𝟏, 𝟑𝟒𝟏𝟐 𝟑 + 𝟏𝟎 𝟕𝟐𝟓 ≈15 mm b) Thiết kế chốt hàn

- Đối với vật liệu mỏng 3mm theo bảng 2.4 chọn được chốt hàn dạng trụ trơn

Trung bình Thành phần hóa học (Trọng lượng %) Điểm nóng chảy (o C)

Tỷ lệ Poisson Độ dẫn điện (W/m o C)

- Độ côn  của chốt hàn nằm trong khoảng (30° − 𝟔𝟎°), chọn góc côn  =0

- Đường kính chốt hàn theo thức (3-2) ta có :

- Chiều dài chốt hàn theo công thức (3-3) ta có:

Hình 4 1 Thiết kế đầu khuấy Bảng 4 3.Bảng tóm tắt thông số dụng cụ vai phẳng

Hình 4 2 Đầu khuấy vai phẳng chốt trơn

Thông số Ds(mm) Dp(mm) Lp(mm)

Hình 4 3 Bản vẽ đầu khuấy vai phẳng chốt trơn

- ∅17ℎ6 lắp ghép trung gian tra bảng 7(trang 280,27) thì được dung sai ∅17 −0,011 0

- Dung sai 2,5 −0.01 +0.01 tra bảng 1 Trang 267 (27)

4.1.3.2 Thiết kế đầu khuấy vai lõm a) Thiết kế vai đầu khuấy cho tấm 3mm

- Đối với vật liệu mỏng (3mm) theo bảng 2.2 chọn được vai lõm

- Độ lõm của vai đầu khuấy nằm trong khoảng (6° − 10°), chọn góc ∝ = 7°

- Theo công thức (3-1) ta có đường kính đầu khuấy:

Ds= 1,3412x+10,726= 𝟏, 𝟑𝟒𝟏𝟐 𝟑 + 𝟏𝟎 𝟕𝟐𝟓 ≈15 mm b) Thiết kế chốt hàn

- Đối với vật liệu mỏng 3mm theo bảng 2.4 chọn được chốt hàn dạng trụ trơn

- Độ côn  của chốt hàn nằm trong khoảng (30° − 𝟔𝟎°), chọn góc côn  =0

- Đường kính chốt hàn theo thức (3-2) ta có :

- Chiều dài chốt hàn theo công thức (3-3) ta có:

Hình 4 4 Thiết kế đầu khuấy vai lõm Bảng 4 4.Thông số thiết kế vai lõm

Thông số DP DS LP ∝

Hình 4 5 Thiết kế vai lõm

Hình 4.6.Bản vẽ thiết kế vai lõm

- ∅17ℎ6 lắp ghép trung gian tra bảng 7(trang 280,27) thì được dung sai ∅17 −0,011 0

- Dung sai 2,5 −0.01 +0.01 tra bảng 1 Trang 267 (27)

Xác định mẫu hàn

4.2.1 Mẫu vật liệu cần nghiên cứu

Hai loại vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu này là hợp kim nhôm AA6061-T6, hợp kim đồng C11000 được mô hình hóa Kích thước hình học của mỗi tấm là 36[mm] x 223 [mm] và độ dày tấm 3mm

Hình 4 7 Hình dạng mẫu hàn

4.2.2 Cơ tính của mẫu hàn

Vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu này là: đồng C11000 và nhôm AA6061-T6, ta có cơ tính của mẫu hàn theo bảng 3.1

Bảng 4 5.Cơ tính mẫu hàn[28]

Tính toán sơ bộ chế độ cắt

4.3.1 Tính toán chế độ cắt cho tấm 3 mm

- Tính toán chế độ cắt theo khoan

Trung bình Thành phần hóa học %) Điểm nóng chảy (o C)

Tỷ lệ Poisson Độ dẫn điện ( W/m o C )

37 Áp dụng công thức tính N cho mũi khoan ta có:

  b = 45 kg/mm 2 : giới hạn bền của nhôm A6061

Tra bảng 3-3 chế độ cắt gia công cơ ta có:

Bảng 4 6.Thông số ảnh hưởng đến chế độ khoan [29]

Cv Cp Zv Zp Yv Yp m xv Kmp

 Tính toán chế độ hàn theo phay

+ Chọn Sz = 0,02 mm/răng => S = Sz.N = 0,02.1200 = 24 mm/ phút

Thông số Sz ở trên được tra trên thông số của dao phay ngón D=8mm Vì dụng cụ hàn là dao có dạng đặc biệt có D=4,5mm nên nhóm giảm đi 56% lượng chạy dao

- Tính toán chế độ cắt theo phay

Tra bảng 1-5 chế độ cắt gia công cơ:

Bảng 4 7 Thông số ảnh hướng đến chế độ phay [29]

Cp qv xv Yv uv pv ωp

Bảng 4 8 Số vòng quay và bước tiến

Thông số hàn Số vòng quay (n) Bước tiến F

- Nhiệt lượng trong điều kiện bám dính

Ta có theo công thức (2-13)

- Nhiệt lượng trong điều kiện trượt

Vì khi tịnh tiến theo phương X lực cắt tác dụng lên bề mặt chốt theo phương vuông góc nên áp lực tác dụng lên bề mặt chốt bằng tích lực cắt và diện tích xung quanh của chốt:

Hình 4 8 Phân tích lực tác dụng lên chốt khi di chuyển theo phương X

- Tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình hàn là:

- Tỷ lệ nhiệt lượng sinh ra là:

 Từ kết quả trên ta thấy vai góp phần chủ yếu nhất vào sự phát sinh nhiệt và sự phát sinh nhiệt từ đầu khuấy là không đáng kể so với tổng nhiệt có trong quá trình.

Thiết kế Holder cho đầu khuấy

- Tối ưu hóa chiều dài của đầu khuấy

- Giúp gá đặt đầu khuấy với đầu BT

Hình 4 10.Bản vẽ thiết kế Holder

- ∅17𝐻6 lắp ghép trung gian tra bảng 6 (trang 273,23) thì được dung sai ∅17 0 +0.018

- Dung sai ∅32 −0.016 0 tra bảng 7 Trang 280 (23)

Thiết kế đồ gá

- Tấm đế: sử dụng vật liệu C45

Hình 4 11.Tấm Base đồ gá

- Cơ cấu kẹp nhanh: Khối lượng 133g, lực kẹp 100 kg

Hình 4 12.Cơ cấu kẹp nhanh GH-201-C

Hình 4 13 Tổng thể 3D đồ gá

Mô phỏng bằng phần mềm Abaqus

4.6.1 Thông số phôi đầu vào

- 2 tấm mẫu với kích thước 36x200x3 (mm)

Hình 4 14.Phôi đầu vào Abaqus

- Ghép 2 tấm mẫu lại tạo thành 1 tấm

- Vị trí đầu khuấy nằm giữa mí 2 tấm hàn, mặt đầu của chốt hàn chạm với mặt tấm mẫu

Hình 4 15.Lắp ghép trong Abaqus

4.6.3 Thông số vật liệu nhập vào Abaqus

Bảng 4 9 Thông số vật liệu nhập vào Abaqus

Thông số vật liệu của aluminum (A6061)

Thông số vật liệu của đồng

Thông số vật liệu của Thép

 Bước tạo nhiệt: Đầu khuấy quay và đâm xuống với vận tốc quay và bước tiến

 Bước dừng: Đầu khuấy quay tại vị trí dâm xuống một khoảng thời gian để tạo nhiệt

 Bước hàn: Đầu khuấy chuyển động tịnh tiến theo mí ghép giữa 2 vật mẫu

Hình 4.16.Các bước trong Abaqus

- Đối với mô phỏng , sự tiếp xúc giữa các mặt có thể gây biến dạng và đầu khuấy được đặt là tiếp xúc chung và hệ số ma sát được đặt ở mức 0.3 đối với nhôm và 0.4 đối với đồng Tương tác được tạo ra nhờ quá trình hàn được đặt ở nhiệt độ phòng là 20 o C sau đó gán những bề mặt cần thiết

Hình 4 17.Mối quan hệ giữa các mặt gây biến dạng

- Việc mô phỏng quá tình FSW cần thiết tạo ra 4 điều kiện :

 Sự tiếp xúc giữa bề mặt vật mẫu với bề mặt vai của đầu khuấy

Hình 4 18 Mặt tiếp xúc giữa 2 mẫu hàn

 Sự tiếp xúc giữa bề mặt chốt hàn và mí hàn (2 tấm mẫu ghép lại tạo ra một mí hàn)

Hình 4 19.Tiếp xúc giữa bề mặt chốt hàn và mí hàn

 Điều kiện biên cho đầu khuấy

Hình 4 20.Điều kiện biên cho đầu khuấy

Hình 4 21.Hệ số ma sát trong abaqus

- Chia lưới cho 2 tấm mẫu

Hình 4 22.Chia lưới cho 2 tấm mẫu

- Chia lưới cho đầu khuấy

Hình 4 23.Chia lưới đầu khuấy

- Lực tác dụng khi dâm xuống

Hình 4 24.Mô phỏng lực đâm xuống

- Tạo ra 2 sự chuyển dộng cho mô phỏng

Hình 4 25.Mô phỏng bước tiến

Hình 4 26.Mô phỏng số vòng quay

- Tạo nhiệt cho môi trường ngoài

Hình 4 27.Điều kiện nhiệt độ môi trường ngoài

4.6.8.1 Kết quả mô phỏng cho hàn tấm nhôm

Bảng 4 10.Nhiệt độ của tấm hàn qua từng vị trí

Các bước Hình ảnh mô phỏng minh họa Nhận xét

Vị trí ban đầu Đâm xuống

Chốt hàn bắt đầu thâm nhập vào mối hàn,tạo ra nhiệt nhưng chưa cao

Tại vị trí quay tại chỗ, nhiệt độ mối hàn là cao nhất

Nhiệt độ tại cuối hành trình hàn đã bị giảm so với ban đầu, nhưng vẫn đảm bảo điều kiện hàn

- Nhiệt độ của tấm kim nhôm A6061 được thể hiện ở các hình trên, có thể thấy nhiệt độ xung quanh mối hàn nằm trong khoảng 745℃-890℃, như vậy với chế độ hàn là n00 vòng/phút và fmm/phút đáp ứng được nhiệt độ nóng chảy của nhôm

- Nhiệt độ tại đầu mối hàn là 817℃-890℃, nhiệt độ tại cuối mối hàn là 715℃-817℃ Mối hàn đã bị giảm nhiệt độ trong quá trình hàn, tuy nhiên vẫn đảm bảo được nhiệt độ nóng chảy của nhôm

4.6.8.2 Kết quả mô phỏng hàn tấm đồng với tấm nhôm

Bảng 4 11.Mô phỏng hàn tấm đồng với tấm nhôm

Vị trí đầu khuấy Hình ảnh minh họa Ghi chú Đầu khuấy trùng với mí hàn

Nhiệt độ không đủ để là chảy tấm đồng Đầu khuấy lệch sang bên tấm đồng 10%

Nhiệt độ không đủ để làm chảy tấm đồng Đầu khuấy lệch sang bên tấm đồng 20%

Nhiệt độ không đủ để làm chảy tấm đồng

52 Đầu khuấy lệch sang bên tấm đồng 30%

Nhiệt độ đủ để làm chảy tấm đồng Đầu khuấy lệch sang bên tấm đồng 40%

Nhiệt độ tại tấm đồng quá cao, có thể gây xốp mối hàn khi hàn thực nghiệm

- Theo kết luận ở mục 3.5 khi hàn ma sát khuấy 2 tấm khác chất, độ lệch tâm dụng cụ hàn so với tâm mối hàn nằm trong khoảng từ 25%-37,5% so với đường kính chốt hàn về phía vật liệu có độ cứng thấp hơn sẽ cho ra được mối hàn có chất lượng tốt nhất Như vậy việc đặt lệch tâm dụng cụ hàn về phía tấm đồng là hợp lý

- Để làm rõ kết luận trên, nhóm đã làm thí nghiệm mô phỏng trên phần mềm Abaqus bằng cách đặt lệch tâm dụng cụ hàn về phía tấm đồng C1100 với các giá trị 0%, 10%, 20%, 30%, 40% Từ kết quả mô phỏng trên ta thấy được

- Tại các các giá trị 0% và 10% nhiệt độ tại tấm đồng là thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của đồng C1100(1084 o c), chưa đạt điều kiện hàn

- Tại các giá trị 20%-30% nhiệt độ tại tấm đồng là từ 1105 o c-1289 o c, đủ điều kiện hàn

- Tại giá trị 40% nhiệt độ cao nhất tại tấm đồng là 1348 o c, nhiệt độ như vậy là quá cao, đồng thời giá trị đặt lệch là quá lớn có thể không hàn được khi thí nghiệm thực tế

- Ta có thể thấy nhiệt độ tại các giá trị là ít biến động, tuy nhiên ở các giá trị từ 20-26% có diện tích vùng nhiệt trên 1084 nhỏ Diện tích vùng nhiệt trên nhỏ có thể làm cho mối hàn bị thiết nhiệt độ gây khuyết tật đường hầm ở chân mối hàn

Bảng 4 12 Vị trí đặt đầu khuấy khi hàn tấm đồng với tấm nhôm (Abaqus)

Vị trí off set Hình ảnh mô phỏng Nhận xét Đầu khuấy lệch sang bên tấm đồng 22%

1084 0 C tại chân chốt hàn nhỏ Đầu khuấy lệch sang bên tấm đồng 24%

1084 0 C tại chân chốt hàn nhỏ Đầu khuấy lệch sang bên tấm đồng 26%

1084 0 C tại chân chốt hàn lớn Khi hàn thực tế mối hàn sẽ ngấu hết Đầu khuấy lệch sang bên tấm đồng 28%

1084 0 C tại chân chốt hàn lớn Khi hàn thực tế mối hàn sẽ ngấu hết

- Sau khi thực hiện mô phỏng, ta thấy được rằng tại giá trị n= 1200 vòng/phút và fmm/phút cơ bản đã đủ điều kiện hàn với cả 2 trường hợp, 2 tấm A6061, 2 tấm A6061-C1100 Khi hàn 2 tấm A6061-C1100 việc đặt lệch tâm dụng cụ hàn về phía đồng C1100 là bắt buộc, giá trị đặt lệch tối ưu khi hàn là 28% và 30%

- Việc thử nghiệm trên phần mềm mô phỏng giúp làm rõ kết luận ở mục 3.5, thể hiện được quá trình sinh nhiệt và vùng nhiệt được tạo ra xung quanh mối hàn Tuy nhiên việc mô phỏng có thể còn nhiều thiếu sót do còn thiếu các điều kiện thực tế Để có được kết quả chính xác hơn ta cần thực hiện thêm các thí nghiệm thực tế trên máy CNC

Thực nghiệm

Hình 4 28 Đầu khuấy thực tế

Hình 4 30 Đồ gá thực tế

Hình 4 31.Máy CNC 3 trục HASS

Bước 1: Lắp đặt đồ gá lên ê tô

Hình 4 32.Lắp đặt đồ gá lên Ê Tô Bước 2: Sử dụng đồng hồ so để kiểm tra độ đồng phẳng của đồ gá

Hình 4 33.Đo độ đồng phẳng Bước 3: Lắp đặt mẫu hàn lên đồ gá

Hình 4 34.Lắp đặt mẫu lên đồ gá

Bước 4 Lập trình máy để chạy chương trình hàn ma sát

Hình 4 35.Lập Trình Máy CNC Bước 5: Lấy mẫu hàn ra sau khi chạy xong chương trình

Hình 4 36.Lấy mẫu hàn ra khỏi đồ gá

Bảng 4 13 Thông số thực nghiệm

Loại vai STT n(vòng/phút) f(mm/phút) Độ sâu

Hình 4 37.Kết quả hàn đầu khuấy vai phẳng và đầu khuấy vai lõm

- Nhóm thực hiện thí nghiệm trên 20 mẫu

- Theo như tính toán ở mục 4.3 Nhóm đã thực hiện thành công mối hàn với n00 vòng/phút và fmm/phút bằng chốt hàn vai phẳng.Về mặt ngoại quan, mối hàn đã

59 ngấu hết, không có khuyết tật ở chân mối hàn Tuy nhiên ở chế độ này bề mặt mối hàn bị nhám, mối hàn xuất hiện nhiều bavia và mặt sau mối hàn bị cháy

- Với cùng chế độ trên khi hàn với chốt vai lõm mối hàn thu được có độ ngấu không đồng đều, bavia xuất hiện nhiều hơn so với chốt vai phẳng

Như vậy đối với chế độ đã tính toán, ta thu được mối hàn thành công đối với chốt hàn vai phẳng.Để tìm ra giới hạn phá huỷ trên, dưới cho mối hàn Bằng cách thay đổi tốc độ quay n, bước tiến f và chiều sâu đâm xuống của chốt hàn:

- Đối với chốt vai phẳng

 Bằng cách tăng tốc độ quay từ 1000, 1200, 1500, 2000 ta thấy rằng chất lượng bề mặt được cải thiện đáng kể, với các dải tốc độ 1000,1200, mối hàn có bề mặt nhám, xuất hiện nhiều ba via Ở tốc độ n00, 2000, mối hàn có chất lượng bề mặt sáng bóng, có ít ba via

 Bên cạnh đó việc tăng dần bước tiến f cũng ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng của mối hàn, ở các bước tiến 11,13 Mối hàn đã ngấu hết không bị rỗng chân ở cuối mối hàn.Ở các bước tiến f= 30, 80, 120, 200, 250 mối hàn xuất hiện hiện tượng rỗng chân mối hàn, do có bước tiến quá lớn đầu khuấy tạo không đủ nhiệt trong quá trình hàn dẫn đến mối hàn không ngấu hết ở cuối đường hàn

 Độ sâu đâm xuống của chốt hàn cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của mối hàn, nhóm thử nghiệm với 3 giá trị lần lượt là 2.7mm, 2.6mm, 2.55mm Từ kết quả thực nghiệm trên ta có thể bavia xuất hiện nhiều ở 2 giá trị 2.7 và 2.6 và ít bavia ở giá trị 2.55

 Ta thấy rằng khi hàn với tốc độ quay n 00 thì cho ra mối hàn có chất lượng bề mặt sáng bóng hơn so với khi hàn ở các tốc độ 1000, 1200, 1500

 Ở các bước tiến f, 13 mối hàn tạo ra không đều, do tỷ lệ n/f của mối hàn bé dẫn đến hiện tượng mối hàn quá nóng, làm rổ và không đồng đều mặt trên mối hàn

 Đối với vai lõm do bù trừ khoảng cách vai nên các giá trị đâm xuống tại chốt này thấp hơn và được thử nghiệm lần lược tại các giá trị 2.7mm, 2mm và 1.9mm Từ kết quả thực nghiệm ta có thể thấy tất cả các giá trị đâm xuống đều tạo ra bavia nhiều hơn so với chốt hàn vai phẳng

Sau khi làm thực nghiệm, nhóm thu được kết quả :

- Kết quả tính toán ở trên cho ra được mối hàn thành công đối với chốt hàn vai phẳng

- Về mặt ngoại quan các mối bằng chốt vai phẳng có bề mặt sáng bóng, mối hàn ít có bavia, so với mối hàn của chốt vai lõm

- Khi tăng tốc độ quay n 00 vòng/phút sẽ thu được mối hàn có chất lượng bề mặt tốt nhất, không bị nhám bề mặt mối hàn

- Với các giá trị bước tiến lớn 80, 120, 150, 200, 250 mm/phút tất cả các mối hàn đều xảy ra hiện tượng rỗng chân mối hàn do mối hàn chưa ngấu hết

- Việc giảm giá trị đâm xuống sẽ làm giảm lượng bavia xuất hiện trên mối hàn ở cả

2 trường hợp, tuy nhiên do cấu trúc vai lõm nên lượng bavia của chốt này chỉ giảm được 1 phần nhỏ không đáng kể so với lượng bavia của chốt hàn vai phẳng

Bảng 4 14.Phân tích và nhận xét từng mẫu hàn

TN Thông số hàn Hình ảnh minh họa Nhận xét

- Bề mặt mối hàn nhám

- Mối hàn có nhiều ba via

- Mối hàn đã ngấu hết, mặt sau mối hàn bị cháy

- Bề mặt mối hàn nhám

- Mối hàn xuất hiện nhiều ba via

- Mối hàn đã ngấu hết, mặt sau mối hàn bị cháy

- Bề mặt mối hàn nhám

- Ba via xuất hiện nhiều ở 1/3 cuối hành trình

- Mối hàn không ngấu hết, có rỗng ỏ chân mối hàn

- Bề mặt mối hàn nhám

- Ba via xuất hiện đều trên mối hàn

- Mối hàn đã ngấu hết, mặt sau mối hàn bị cháy

- Bề mặt mối hàn nhám

- Ba via xuất hiện đều trên mối hàn

- Mối hàn đã ngấu hết, mặt sau mối hàn bị cháy

- Bề mặt mối hàn mịn

- Ba via xuất hiện đều trên mối hàn

- Mối hàn chưa ngấu hết, xuất hiện lỗ rỗng ở chân mối hàn

- Bề mặt mối hàn không đều, có vân xoáy xuất hiện ở đầu và cuối mối h àn

- Mối hàn chưa ngấu hết, có xuất hiện lỗ rổng tại chân mối hàn

- Bề mặt mối hàn mịn, sáng mịn

- Ba via đường hàn không còn

- Xuất hiện hiện tượng rỗng chân mối hàn

- Bề mặt mối hàn sáng đều

- Ba via hai bên đường hàn ít

- Xuất hiện hiện tượng rỗng chân mối hàn

- Có hiện tượng chảy rỗ

- Mặt sau không có hiện tượng cháy

- Chiều sâu đâm xuống nhiều không khuấy đều vật liệu xuất hiện ba via lớn

- Đường hàn ngấu không đồng đều

- Mặt sau đường hàn bị cháy

- Mối hàn bị nhám tạo nhiều ba via

- Cuối đường hàn có xuất hiện rỗng ở cuối đường hàn

- Mối hàn không đều tạo nhiều ba via

-2bên đường hàn còn tập trung quá nhiều vật liệu

- Cuối chân đường hàn bị rỗng

- Chiều sâu đâm xuống ít, mối hàn đẹp

- Tạo nhiều ba via hai bên

- Mặt sau ít bị cháy

- Tốc độ bước tiến nhanh tạo nhiều ba via

- Mặt sau không bị cháy

- Đường hàn mịn sáng bóng

- Mối hàn ngấu nhưng vẫn còn hiện tượng rỗng chân mối hàn

- Ba via mối hàn vẫn còn

17 n 00(v/p) f0(mm/p) Z= 1.9(mm) t (s) Đường hàn mịn sáng bóng

- Mối hàn ngấu nhưng vẫn còn hiện tượng rỗng chân mối hàn

- Ba via mối hàn vẫn còn

-Đường hàn mịn sáng bóng

- Mối hàn ngấu nhưng vẫn còn hiện tượng rỗng chân mối hàn

- Ba via mối hàn ít

- Tốc độ nhanh cùng với đâm xuống sâu làm tạo nhiều ba via lớn

- Mặt sau bị cháy dính với đồ gá

- Tốc độ nhanh cùng với đâm xuống sâu tạo lỗ hổng chân hàn

- Xuất hiện đường hầm trên mối hàn

- Tạo nhiều bavia trên đường hàn

- Đường hàn bị cháy không khuấy được

- Mối hàn xốp tạo đường hầm