Luận án tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu đặc tính mối hàn ma sát quay hợp kim titan và tối ưu các thông số công nghệ

Đề tài này nghiên cứu phương pháp hàn ma sát quay RFW cho Ti6Al4V, xem xét tính khả thi và ảnh hưởng của các thông số công nghệ của quá trình hàn hợp kim titan có độ bền cao bằng phương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Phản biện độc lập: PGS TS Nguyễn Trường An

Phản biện: PGS TS Đào Minh Ngừng

Phản biện: PGS TS Đinh Minh Diệm

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Chữ ký

Hồ Thị Mỹ Nữ

ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Việc lựa chọn và sử dụng hợp kim titan độ bền cao có vai trò quan trọng nâng cao hiệu suất vận hành của các chi tiết, bộ phận máy trong ngành hàng không vũ trụ Để gia công chi tiết máy có kích thước và hình dáng hình học thỏa mãn các yêu cầu công nghệ, các chi tiết máy thường phải qua nhiều nguyên công chế tạo trong đó nguyên công hàn là phổ biến Tuy nhiên, phương pháp hàn nóng chảy trên hợp kim titan độ bền cao thường tạo ra cơ tính kém Vì vậy, hàn ở trạng thái rắn hay còn gọi là hàn ma sát là một phương pháp hàn tiềm năng gia công các chi tiết có cấu trúc phức tạp mà vẫn đảm bảo các cơ tính tốt Đề tài này nghiên cứu phương pháp hàn ma sát quay (RFW) cho Ti6Al4V, xem xét tính khả thi và ảnh hưởng của các thông số công nghệ của quá trình hàn hợp kim titan có độ bền cao bằng phương pháp hàn ma sát quay Đề tài xây dựng mô hình cơ - nhiệt mô phỏng quá trình hàn ma sát quay Ti6Al4V, dự đoán sự phát triển của quá trình biến dạng và sự phân bố nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát quay Mô phỏng số dự đoán

sự biến thiên của nhiệt độ từ vùng trung tâm đến vùng biên ngoài của chi tiết hàn Nó cũng dự đoán sự phát triển của ứng suất trong chi tiết dưới tác động của quá trình hàn Kết quả mô phỏng số được sử dụng để định hướng tối ưu các thông số công nghệ của quá trình hàn ma sát quay nhằm giảm chi phí thử nghiệm Bên cạnh đó, đề tài khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ của quá trình hàn ma sát quay đến

cơ tính của mối hàn như áp lực dọc trục, tốc độ quay và thời gian gia nhiệt Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng chất lượng mối hàn về độ bền kéo và độ cứng giảm theo phương hướng tâm của chi tiết hàn Do đó, bán kính của các chi tiết được hàn trong hàn ma sát quay phải nằm trong mức giới hạn vì các khu vực nằm càng xa tâm trục có cơ tính càng kém Thông số ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền kéo và độ cứng của mối hàn ma sát quay của Ti6Al4V là áp lực dọc trục, bao gồm áp lực gia nhiệt và áp lực hàn Áp lực hàn cao tạo ra tổ chức hạt mịn, đồng đều và sự kết tinh lại xảy ra trong mối hàn làm dẫn đến độ bền kéo và độ cứng cao Ngoài ra, việc tăng áp lực hàn trong hàn ma sát quay sẽ giảm sự khác biệt về cơ tính của các vùng trong mối hàn và tạo ra mối hàn có cơ tính đồng đều hơn Cơ tính của mối hàn như độ bền kéo, độ dai va đập cũng được khảo sát

iii

ABSTRACT

Titanium alloy Ti6Al4V is a lightweight, high-strength material that is widely used in the aerospace industry Titanium alloys are also very important materials in other manufacturing fields, such as the automotive and medical device industries Components manufactured from an original block of material are expensive due to the proportionally large amount of material that is purchased compared to the amount that remains after machining However, conventional fusion welding of high-strength titanium alloys is generally conducive to poor mechanical properties Friction welding

is a potential method for intensifying the mechanical properties of suitable geometry components In this thesis, the rotary friction welding (RFW) method is used to study the feasibility of producing similar metal joints of high-strength titanium alloys To predict the upset and temperature and identify the safe and suitable range of parameters,

a thermomechanical model was developed The upset predicted by the finite element simulations was compared with the upset obtained by the experimental results The numerical results are consistent with the experimental results Particularly, high upset rates due to generated power density and forging pressure overload that occurred during the welding process were investigated The performances of the welded joints are evaluated by conducting microstructure studies and Vickers hardness at the joints The titanium rotary friction welds achieve a higher tensile strength than the base material The friction welding parameters, such as speed, axial pressure and friction time, have a great influence on the quality of the joint strength In addition, the microhardness and tensile strength at different locations in the welded area are not homogeneous, so it is necessary to determine the trend for the hardness distribution to find the weakest positions in a rotating friction weld The experimental results show that the weld quality,

in terms of the tensile strength and hardness, decreases radially Therefore, the radius of the welded parts that are viable for rotating friction welding is limited because the areas located far from the centre of the axis have poor mechanical properties The parameter that impacts the tensile strength and microhardness the most during rotary friction welding of Ti6Al4V is the axial pressure, which includes the friction pressure and forging pressure A high forging pressure produces fine, equiaxed, and recrystallized grain structures in the welded joint, resulting in a high tensile strength and

iv

microhardness In addition, an increased forging pressure can be used in rotary friction welding to reduce the radial differences in the mechanical properties of the welded joints

v

LỜI CÁM ƠN

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Thiết bị và Công nghệ Vật liệu Cơ khí, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố

Hồ Chí Minh đã hỗ trợ tôi thực hiện luận án này

Đồng thời xin chân thành cảm ơn TS Lưu Phương Minh, PGS TS Nguyễn Hữu Lộc

đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong Hội đồng chấm luận án đã dành thời gian đọc và góp những ý kiến quý báu để tôi hoàn thiện bản luận

án của mình, cũng như giúp tôi định hướng nghiên cứu

Ban giám hiệu và quý Thầy Cô trong Khoa Cơ khí Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi tập trung hoàn thành luận

án

Các Thầy Cô Phòng Đào tạo Sau đại học, Phòng Thư viện - Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

Tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn đến toàn thể gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những

người đã giúp đỡ, động viên tôi thực hiện công trình này

vi

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xiii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của luận án 1

2 Mục tiêu của luận án 1

3 Phương pháp nghiên cứu 1

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án 2

5 Các điểm mới của luận án 2

6 Nội dung nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HÀN MA SÁT VÀ VẬT LIỆU TI6AL4V 4

1.1 Vật liệu kim loại và hợp kim titan 4

1.2 Đặc tính của kim loại và hợp kim titan 5

1.2.1 Phân loại hợp kim Titan 9

1.2.2 Hợp kim Ti6Al4V 11

1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 15

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 15

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước 21

Kết luận Chương 1 21

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÀN MA SÁT QUAY 23

2.1 Nguyên lý hàn ma sát quay 23

2.2 Cơ chế hàn ma sát quay 23

2.2.1 Giai đoạn gia nhiệt 23

2.2.2 Giai đoạn hàn 24

2.3 Thông số quá trình hàn ma sát quay 24

2.3.1 Tốc độ quay 25

2.3.2 Áp lực trong quá trình hàn ma sát 26

2.3.3 Thời gian trong quá trình hàn ma sát 26

2.4 Mô hình phân bố nhiệt trong vùng HAZ 27

2.5 Mô hình phân bố tỉ lệ biến dạng trong vùng HAZ 31

2.6 Đặc trưng mối hàn ma sát Ti6Al4V 34

2.6.1 Vùng hàn 34

vii

2.6.2 Độ rộng của vùng hàn 35

2.6.3 Cơ tính của mối hàn ma sát quay 35

2.7 Dãy thông số công nghệ hàn ma sát cho vật liệu Ti6Al4V 35

Kết luận Chương 2 38

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH HÀN MA SÁT QUAY 39

3.1 Mô hình phần tử hữu hạn 41

3.2 Lựa chọn mô hình vật liệu 43

3.3 Kết quả mô phỏng hàn ma sát quay Ti6Al4V 50

3.3.1 Biến thiên nhiệt trong quá trình hàn ma sát quay của hợp kim Ti6Al4V 52

3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian gia nhiệt 56

3.3.3 Ảnh hưởng của áp lực trong giai đoạn hàn 56

3.3.4 Ảnh hưởng của nguồn nhiệt 58

3.3.5 Sự phân bố ứng suất 59

Kết luận Chương 3 61

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM HÀN MA SÁT VÀ TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ 63

4.1 Phân tích thực nghiệm xác định qui luật ảnh hưởng của các thông số công nghệ đế cơ tính mối hàn 63

4.1.1 Mẫu thử 63

4.1.2 Chuẩn bị mẫu và thiết bị 64

4.1.3 Nghiên cứu thực nghiệm 67

4.1.4 Kết quả và thảo luận 69

4.2 Qui hoạch thực nghiệm 89

4.2.1 Phương pháp Taguchi 90

4.2.2 Phương trình hồi quy bậc 2 93

4.3 Thực nghiệm kiểm tra kết quả tối ưu 100

4.3.1 Tổ chức tế vi 101

4.3.2 Kiểm tra độ dai va đập 102

4.3.3 Kiểm tra độ bền kéo 105

Kết luận Chương 4 105

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 106

Kết luận 106

Hướng phát triển đề tài 108

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 110

viii

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 PHỤ LỤC 1: MỐI QUAN HỆ GIỮA ÁP SUẤT THỦY LỰC CỦA MÁY VÀ ÁP LỰC TRÊN CHI TIẾT HÀN 117 PHỤ LỤC 2 SỐ LIỆU ĐO ĐỘ CỨNG (HV) 118

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu trúc và các pha khác nhau của hợp kim titan 5

Hình 1.2 Mặt phẳng trượt hình chóp bậc nhất và bậc hai trong ô cơ bản HCP 6

Hình 1.3 Giản đồ pha của chất ổn định Ti và -Ti với vị trí của một số hợp kim 7

Hình 1.4 Minh họa sự chuyển đổi từ HCP sang BCC trong titan nguyên chất 8

Hình 1.5 (a) Thành phần của pha α và β so với nhiệt độ trong hợp kim Ti64; (b)Lượng của Al và V trong từng pha so với nhiệt độ 10

Hình 1.6 Sơ đồ trình bày sự phát triển của tổ chức tế vi trong hợp kim α-β 12

Hình 1.7 Các vật liệu hàn được bằng phương pháp hàn ma sát 13

Hình 2.1 Sơ đồ các giai đoạn hàn ma sát quay 24

Hình 2.2 Các giai đoạn hàn ma sát quay thực tế 25

Hình 2.3 Mô men xoắn trong hàn ma sát quay 28

Hình 2.4 Các giai đoạn nhiệt trong quá trình hàn ma sát quay 28

Hình 2.5 Sơ đồ minh họa mô hình dòng chảy vật liệu trong hàn ma sát 32

Hình 2.6 Quan hệ giữa áp lực và tốc độ quay trên nhiệt lượng 36

Hình 2.7 Nhiệt độ tại mặt tiếp xúc (z=0) theo thời gian 36

Hình 3.1 Mô hình phần tử hữu hạn và lưới phần tử 42

Hình 3.2 Mô hình phần tử hữu hạn lập trong ABAQUS 50

Hình 3.3 Mô hình vật liệu thiết lập trong ABAQUS 51

Hình 3.4 Điều kiện biên thiết lập trong ABAQUS 51

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng về phân bố nhiệt 52

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng về phân bố ứng suất von-Mises 52

Hình 3.7 Biến thiên nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát quay 54

Hình 3.8 Sự thay đổi nhiệt độ tại mặt tiếp xúc của hai chi tiết hàn 55

Hình 3.9 Sự thay đổi nhiệt độ tại các vị trí khác nhau 55

Hình 3.10 Ảnh hưởng của thời gian gia nhiệt đến nhiệt độ 56

Hình 3.11 Sự rút ngắn chiều dài chi tiết hàn 57

Hình 3.12 Biến dạng chiều dài theo áp lực hàn 58

Hình 3.13 Ba via theo áp lực hàn 58

Hình 3.14 Tốc độ quay ảnh hưởng lên tốc độ tăng nhiệt 59

Hình 3.15 Trường ứng suất trong chi tiết hàn ma sát quay 60

Hình 3.16 Phân bố ứng suất theo chiều dài của chi tiết 61

Hình 3.17 Phân bố ứng suất theo phương hướng tâm của chi tiết 61

Hình 4.1 Mẫu chi tiết hàn 63

Hình 4.2 Kính hiển vi quang học 64

Hình 4.3 Máy đánh bóng tự động Struers Labopol-5 65

Hình 4.4 Máy đo độ cứng 65

Hình 4.5 Camera nhiệt hồng ngoại Flus-866 66

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý máy hàn ma sát quay 67

x

Hình 4 7 Nhiệt độ tại thời điểm t = 2 s tại giao diện hàn 70

Hình 4 8 Tổ chức tế vi tại các vị trí khác nhau trong vùng hàn 71

Hình 4 9 Ảnh hưởng của áp lực hàn đến chiều rộng mối hàn 74

Hình 4.10 Ảnh hưởng của áp lực hàn đến chiều rộng mối hàn 75

Hình 4.11 Các vị trí được sử dụng để đo độ cứng HV trong các mối hàn 76

Hình 4.12 Độ cứng theo phương dọc trục x 78

Hình 4.13 Độ cứng được đo theo phương hướng tâm 79

Hình 4.14 Mối quan hệ giữa độ cứng và vị trí theo phương dọc trục đi qua tâm 81

Hình 4.15 Mối quan hệ giữa độ cứng vào vị trí theo phương hướng tâm 81

Hình 4.16 Các thí nghiệm kiểm tra độ bền kéo khi nén 81

Hình 4.17 Mẫu kéo theo tiêu chuẩn theo TCVN 197-1:2014 82

Hình 4.18 Các mẫu thử nghiệm độ bền kéo 83

Hình 4.19 Đường cong ứng suất-biến dạng của các vị trí mối hàn trong mẫu số 01 83

Hình 4.20 Vị trí mặt gãy của các lát cắt ở giữa và biên trong quá trình thử độ bền kéo 84

Hình 4.21 Ảnh hưởng của thông số hàn ma sát lên độ bền kéo 85

Hình 4.22 Ảnh hưởng của thông số hàn ma sát lên mô đun đàn hồi 87

Hình 4.23 Ảnh hưởng của thông số hàn ma sát lên độ giãn dài 89

Hình 4.24 Mức độ ảnh hưởng các thông số đến độ bền kéo 95

Hình 4 25 Khả năng đánh giá đầu ra của các phương pháp qui hoạch thực nghiệm 97

Hình 4.26 Các điểm quy hoạch Taguchi kết hợp qui hoạch bậc 2 98

Hình 4.27 Các đường đồng mức 101

Hình 4.28 Các biểu đồ bề mặt phụ thuộc độ bền kéo vào các thông số công nghệ 102

Hình 4.29 Miền giá trị tốc độ quay n và áp lực hàn p khi t = 4s 103

Hình 4.30 Miền giá trị tốc độ quay n và áp lực hàn p khi t = 5s 103

Hình 4.31 Miền giá trị tốc độ quay n và áp lực hàn p khi t = 6s 103

Hình 4.32 Tổ chức tế vi mối hàn tối ưu với n = 1 350 rpm, t = 5 s, P = 62,5 MPa 105

Hình 4.33 Mẫu thử độ dai va đập 107

Hình 4.34 Thiết bị thử độ dai va đập 107

Hình 4.35 Độ dai va đập của các mẫu thử 108

xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thông số hàn ma sát hợp kim titan Ti6Al4V của một số công trình nghiên

cứu 35

Bảng 2.2 Dãy thông số công nghệ hàn ma sát dùng trong luận án 37

Bảng 2.3 Nhiệt dung riêng của Ti6Al4V 46

Bảng 3.1 Mô hình vật liệu JC cho hợp kim Ti6Al4V 47

Bảng 3.2 Hệ số dẫn nhiệt của Ti6Al4V 48

Bảng 3.3 Nhiệt dung riêng của Ti6Al4V 49

Bảng 4.1 Thành phần hóa học của Ti6Al4V 64

Bảng 4.2 Thông số thực nghiệm hàn ma sát quay 69

Bảng 4.3 Số liệu đo độ cứng HV tại các vị trí khác nhau của mẫu hàn 01 76

Bảng 4.4 Kết quả đo giới hạn bền kéo 82

Bảng 4.5 Bảng mức giá trị các nhân tố 90

Bảng 4.6 Bảng ma trận quy hoạch L9 và kết quả thực nghiệm 91

Bảng 4.7 Giá trị phản hồi trung bình 92

Bảng 4.8 Phân tích ANOVA 93

Bảng 4.9 Bảng ma trận quy hoạch và kết quả thực nghiệm 96

Bảng 4.10 Phân tích phương sai phương trình hồi quy 98

Bảng 4.11 Bảng thông số công nghệ thực nghiệm trong miền giá trị tối ưu 101

xii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CAE Computer-aided engineering Thiết kế kỹ thuật với sự hỗ trợ

của máy tính

TMAZ Thermo-Mechanically Affected Zone Vùng ảnh hưởng nhiệt cơ học

T m (oC) Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu

T r (oC) Nhiệt độ môi trường

T0 (oC) Nhiệt độ ban đầu

T max (oC) Nhiệt độ cực đại

z (mm) Khoảng cách tính từ giao diện hàn theo phương hướng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Ti6Al4V là một trong những hợp kim titan được sử dụng rộng rãi, chiếm khoảng 45% tổng sản lượng titan tiêu thụ trong công nghiệp Ti6Al4V là vật liệu nhẹ, bền được sử dụng rộng rãi trong máy bay, thiết bị hàng không vũ trụ và nhiều lĩnh vực khác chẳng hạn như linh kiện xe hơi, dụng cụ y tế, và các ngành công nghiệp trang trí Trước đây, một khối vật liệu titan hoặc hợp kim titan lớn được sử dụng để gia công các chi tiết máy thông qua các quá trình cắt gọt vật liệu Tuy nhiên, kỹ thuật gia công này gây ra sự lãng phí đáng kể vì phần lớn nguyên liệu bị loại bỏ trong quá trình gia công Để giảm thiểu chi phí, các kết cấu được chế tạo từ phương pháp hàn rất được quan tâm, tuy nhiên, việc hàn nóng chảy các hợp kim titan độ bền cao thường dẫn đến cơ tính kém Hàn ma sát là phương pháp tiềm năng để đạt được đặc tính cơ học Bên cạnh đó, để hàn các chi tiết trụ đặc (ví dụ như trục của tua bin khí của máy bay) thì các phương pháp hàn truyền thống là không phù hợp

Hiện nay, các nghiên cứu về hàn ma sát quay Ti6Al4V được công bố còn rất ít và chưa được báo cáo một cách tổng thể về sự tác động của các thông số công nghệ đến cơ tính mối hàn trong các nghiên cứu thực nghiệm Hơn nữa, việc sử dụng phần mềm để mô phỏng số quá trình hàn ma sát quay Ti6Al4V còn hạn chế Quá trình mô phỏng số này nhằm xác định

sự ảnh hưởng của các thông số quá trình đến cơ tính mối hàn một cách linh hoạt để tiết kiệm chi phí thực nghiệm

2 Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu đặc điểm và tính chất của mối hàn ma sát quay hợp kim Ti6Al4V, ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chất lượng mối hàn và từ đó tìm ra miền thông số làm việc phù hợp đảm bảo chất lượng mối hàn

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tổng hợp lý thuyết công nghệ hàn ma sát quay, mô hình hóa quá trình sinh nhiệt, ứng xử cơ - nhiệt của vật liệu, lý thuyết biến dạng dẻo bằng phần mềm CAE, phương

pháp thử nghiệm cơ tính, phân tích tổ chức tế vi của mối hàn, phương pháp quy hoạch thực nghiệm tìm các giá trị thông số công nghệ tối ưu Trên cơ sở kết hợp các phương pháp nghiên cứu: Lý thuyết - Mô phỏng - Thực nghiệm để xác định bộ thông số tối ưu cho quá trình hàn ma sát quay

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học:

Luận án đã xác định được qui luật quan hệ ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn đến

cơ tính của mối hàn ma sát quay hợp kim titan Ti6Al4V Kết quả của luận án cho thấy rằng phương pháp hàn ma sát quay là phương pháp hàn phù hợp để hàn vật liệu hợp kim titan Ti6Al4V vốn dĩ khó thực hiện hàn bằng phương pháp hàn nóng chảy

Ý nghĩa thực tiễn:

Các kết quả và kết luận nhận được từ thực nghiệm là cơ sở ban đầu cho việc tiếp tục triển khai nghiên cứu và áp dụng công nghệ hàn ma sát hợp kim Ti6Al4V vào thực tiễn nhằm

mở rộng phạm vi ứng dụng của hợp kim titan Ti6Al4V

5 Các điểm mới của luận án

5.1 Luận án đã xây dựng được mô hình số để mô phỏng quá trình hàn ma sát quay Ti6Al4V

sử dụng phần mềm CAE Kết quả đạt được từ mô phỏng số giúp xác định vùng ảnh hưởng của các thông số hàn đến nhiệt độ, biến dạng và ứng suất của mối hàn ma sát quay Nó góp phần giảm chi phí nghiên cứu khi giảm thiểu phần lớn các thực nghiệm

5.2 Luận án đã khảo sát cơ tính của mối hàn theo hai phương hướng tâm và dọc trục, kết quả nghiên cứu chứng tỏ rằng mối hàn ma sát quay có cơ tính không đồng nhất giữa các điểm trong mối hàn và đưa ra giải pháp để giảm thiểu sự không đồng đều của mối hàn

5.3 Luận án xác định được miền thông số làm việc đảm bảo chất lượng mối hàn ma sát quay hợp kim Ti6Al4V

6 Nội dung nghiên cứu

Chất lượng của mối hàn ma sát có liên quan chặt chẽ đến các thông số công nghệ hàn Sự thay đổi của một trong các thông số công nghệ hàn này có thể dẫn đến kết quả khác nhau của mối hàn Các thông số công nghệ hàn phù hợp thường được xác định thông qua nhiều thực nghiệm Phương pháp thực nghiệm có hiệu quả nhưng chi phí cao, đặc biệt đúng cho trong trường hợp hàn các vật liệu siêu hợp kim có giá thành cao Vật liệu hợp kim titan Ti6Al4V là vật liệu có nhiều ứng dụng phổ biến và có giá thành cao Vì vậy, để nghiên cứu quá trình hàn ma sát quay hợp kim titan Ti6Al4V, luận án đã tiến hành các nghiên cứu mô phỏng số kết hợp với phân tích thực nghiệm nhằm đưa ra các thông số công nghệ phù hợp cho loại hợp kim này Các nội dung nghiên cứu của luận án như sau:

Nội dung 1, luận án nghiên cứu xây dựng mô hình số cơ - nhiệt dùng để mô phỏng quá trình hàn ma sát quay nhằm dự báo nhiệt độ, ứng suất, độ rộng vùng chịu ảnh hưởng nhiệt Kết quả mô phỏng số được đưa ra trong nội dung là cơ sở để lựa chọn các thông số công nghệ hàn cho quá trình hàn ma sát quay

Nội dung 2, luận án nghiên cứu thực nghiệm và phân tích tổ chức tế vi của mối hàn ma sát quay và kiểm tra các cơ tính của mối hàn ma sát như độ cứng, độ bền kéo và độ dai va đập của mối hàn Từ kết quả thực nghiệm này, luận án sẽ xác định qui luật quan hệ ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn đến cơ tính của mối hàn ma sát quay hợp kim titan Ti6Al4V

Nội dung 3, luận án đưa ra bộ thông số công nghệ phù hợp cho quá trình hàn ma sát quay đối với Ti6Al4V được xác định thông qua phương pháp qui hoạch thực nghiệm

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HÀN MA SÁT VÀ

VẬT LIỆU TI6AL4V

1.1 Vật liệu kim loại và hợp kim titan

Kim loại và hợp kim titan là vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng cần độ bền cao, trọng lượng thấp đồng thời có khả năng chống ăn mòn cao Các thuộc tính của kim loại và hợp kim titan

có thể được điều chỉnh trong quá trình xử lý vật liệu dựa vào sự chuyển pha β (cấu trúc lập phương tâm khối) sang pha α (cấu trúc sáu phương xếp chặt) và ngược lại Vì vậy, phạm vi ứng dụng của hợp kim titan trong các thiết bị công nghiệp là rất rộng lớn Chúng được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng hàng không và vũ trụ, công nghiệp xe hơi, dụng cụ y tế

và các ngành công nghiệp trang trí Tuy nhiên, khả năng hàn kim loại và các hợp kim titan lại là trở ngại lớn để mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng trong công nghiệp Kim loại này phản ứng nhanh và mạnh với không khí ở trạng thái nóng chảy, vì vậy quá trình hàn thông thường cần khí bảo vệ mối hàn nếu qui trình hàn được thực hiện bằng phương pháp hàn nóng chảy thông thường Bên cạnh đó, tính dẫn nhiệt kém của titan làm cho thời gian hàn tăng lên nếu sử dụng các qui trình hàn có công suất nhiệt thấp ví dụ như quá trình hàn TIG (hàn hồ quang khí trơ) Các phương pháp hàn với chùm năng lượng cao, chẳng hạn như hàn laser hoặc hàn chùm tia điện tử sẽ khắc phục được nhược điểm này Tuy nhiên, tốc

độ gia tăng và suy giảm nhiệt độ lớn do quá trình nung nóng và làm nguội của vật liệu xảy

ra trong quá trình hàn năng lượng cao này có thể gây ra các vết nứt tế vi Do đó, kim loại

và hợp kim titan là một đối tượng phù hợp của phương pháp hàn ở trạng thái rắn, tiêu biểu

là phương pháp hàn ma sát

Ngày nay, các thành phần và thiết bị trong các ứng dụng hàng không, vũ trụ được làm từ vật liệu hợp kim titan ngày càng nhiều và vì vậy phương pháp hàn ma sát là phương pháp hàn đầy hứa hẹn có thể được sử dụng để gia công và chế tạo các thiết bị loại này Hợp kim titan được tìm thấy ở nhiều bộ phận trong máy bay và thiết bị vũ trụ như khung máy, các

bộ phận trong động cơ vì titan nhẹ nhưng có độ bền, độ dẻo dai cao [1] Phần lớn các bộ phận này như kết cấu của khung máy bay hoặc thiết bị vũ trụ, các ray ghế và các thành phần

khác trong động cơ turbo được gia công từ phương pháp hàn Động cơ turbo được sử dụng rộng rãi trên các máy bay thương mại để cải thiện hiệu suất quá trình đốt cháy nhằm cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu Động cơ turbo bao gồm 4 bộ phận chính, đó là: quạt, máy nén, buồng đốt và tuabin Tuabin và buồng đốt là các bộ phận có nhiệt độ làm việc cao hơn nên hợp kim niken hoặc hợp kim sắt được sử dụng Hợp kim titan chủ yếu được sử dụng cho các bộ phận quạt và máy nén là các bộ phận có nhiệt độ làm việc thấp hơn (dưới

600 °C) Các thành phần ở bộ phận này gồm các cánh dẫn của máy nén, các cánh quạt, đĩa quay trung tâm của máy nén và quạt, và có thể cả vỏ động cơ được chế tạo từ vật liệu Ti6Al4V Các cánh dẫn của máy nén khí hay cánh quạt của quạt được bố trí nằm xung quanh một đĩa quay trung tâm Phương pháp hàn ma sát được sử dụng để gắn những cánh dẫn hoặc các cánh quạt này vào đĩa làm việc chính của máy nén hoặc quạt Hàn ma sát khuấy dùng để hàn các tấm phẳng để làm vỏ động cơ, còn hàn ma sát quay và hàn ma sát thẳng được sử dụng để hàn các cánh dẫn hoặc cánh quạt vào đĩa quay trung tâm, bộ phận

này còn được gọi là đĩa công tác và nó là bộ phận quan trọng trong động cơ turbo

1.2 Đặc tính của kim loại và hợp kim titan

Titan là nguyên tố kim loại thuộc nhóm IV của hệ thống phân loại các nguyên tố hóa học

và có thể ở hai dạng thù hình: pha anpha (α) có cấu trúc mang tinh thể sáu phương xếp chặt (HCP) và pha beta (β) có cấu trúc mang tinh thể lập phương tâm khối (BCC) Titan và hợp kim của nó có thể sở hữu nhiều đặc tính khác nhau từ hai dạng thù nói trên Dạng thù hình (α) có cấu trúc HCP, có thể chuyển thành dạng thù hình (β) có cấu trúc BCC ở nhiệt độ cao hơn như Hình 1.1a [2]

Khả năng titan và hợp kim titan sở hữu các đặc tính này phụ thuộc vào sự ổn định, đặc tính vật lý và cơ tính của hai pha này trong khi độc lập hoặc kết hợp lẫn nhau trong cấu trúc tế

vi (tổ chức tế vi) Các hợp kim thuần α được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng mà không

có sự đòi hỏi quá đặc biệt về độ bền nhưng tập trung nhiều hơn vào khả năng chống ăn mòn Hợp kim α – β là hợp kim có độ bền, độ dẻo dai tốt ngay cả khi làm việc ở nhiệt độ cao khiến chúng trở nên hấp dẫn trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và các ứng dụng khác

a) Cấu trúc HCP (α) và BCC (β) của hợp kim Titan

b) Các loại biểu đồ pha titan được hình thành với các nguyên tố hợp kim khác nhau

Hình 1.1 Cấu trúc và các pha khác nhau của hợp kim titan [2]

Các giản đồ pha khác nhau của hợp kim titan được trình bày như Hình 1.1b Nó mô tả ảnh hưởng của các loại hợp kim khác lên đặc tính của hợp kim titan Giản đồ này cho thấy rằng

sự ổn định của alpha hoặc beta sẽ tăng nếu có sự bổ sung các hợp kim tương ứng

Do phần lớn tổ chức tinh thể của titan ở nhiệt độ phòng là pha α nên titan có kết cấu không đồng nhất do các chế độ trượt như được trình bày trong Hình 1.2 [3] Các tinh thể kim loại sáu phương xếp chặt có 2 chế độ trượt chính là mặt trượt lăng trụ (11̅00) hoặc mặt trượt

cơ bản (0001) Thông thường, nếu mặt trượt chính là cơ bản, thì chế độ trượt thứ cấp là mặt lăng trụ, và ngược lại Tuy nhiên, hai chế độ trượt có thể chỉ tạo ra ứng suất dọc theo hướng

〈0100〉 Do đó, nếu chỉ riêng hai hệ thống trượt này không đủ điều kiện cho biến dạng dẻo đồng nhất Tuy nhiên, sự kết tinh lại trong quá trình hàn ma sát hợp kim titan có thể ảnh hưởng cũng như tác động đến tổ chức tế vi ban đầu của vật liệu, dẫn đến thay đổi tổ chức

tế vi tại mối hàn và thay đổi cơ tính của vật liệu

a2

<1120>

(1100)c

Hình 1.2 Mặt phẳng trượt hình chóp bậc nhất và bậc hai trong ô cơ bản HCP [2] Như đã nói, titan và hợp kim của nó có ái lực mạnh với khí oxy, nitơ trong không khí và cả hydro nên quá trình hàn phải được bảo vệ để kim loại nóng chảy không tiếp xúc với chúng Trong quá trình hàn ma sát nhiệt được tạo ra trực tiếp tại giao diện hàn, nếu năng lượng đủ cao thì mối hàn được hàn thành công

Vì tính dẫn nhiệt của titan và hợp kim titan thấp, nên vùng vật liệu bị ảnh hưởng nhiệt trong hàn ma sát quay là rất nhỏ Quá trình hàn ma sát cũng tạo ra một vùng ảnh hưởng nhiệt cơ học tương đối hẹp Vùng ảnh hưởng nhiệt cơ học được định nghĩa là vùng vật liệu bị biến dạng do nhiệt và lực ép Vùng này nằm tiếp giáp với khu vực hàn Trong quá trình hàn ma sát, tổ chức tế vi của vật liệu vùng này có sự thay đổi đáng kể [4] Khi nhiệt độ thay đổi trong hai giai đoạn gia nhiệt và làm nguội của quá trình hàn ma sát, hợp kim titan có sự thay đổi từ pha α (HCP) qua pha β (BCC) và ngược lại

Hình 1.3 trình bày giản đồ pha của các loại hợp kim titan, khi nhiệt độ tăng lên đến nhiệt

độ thích hợp, các tinh thể chuyển sang pha β, khi nhiệt độ giảm tùy theo tốc độ giảm nhiệt,

tổ chức tinh thể có thể chuyển sang α hoặc α – β.Các pha có thể được phân loại theo các pha α, gần α, α + β, gần β và β [5] Sự phân chia giữa các các pha này có thể được hiểu theo mức độ của các chất ổn định α và β trong hợp kim mà nó được biểu thị bằng độ tương đương của nhôm và molypden Ở nhiệt độ phòng, kim loại titan có tổ chức sáu phương xếp

chặt và có tỉ lệ c/a = 1,587 Nó nhỏ hơn một ít so với tỉ lệ c/a lý tưởng của tổ chức sáu phương xếp chặt là c/a = 1,633 Sự trượt có thể xảy ra ở mặt cơ bản (0001), mặt trượt hình

chóp và mặt lăng trụ như Hình 1.2 Khi đạt đến nhiệt độ chuyển pha β khoảng 980 °C, titan trải qua quá trình thay đổi cấu trúc mạng tinh thể thành pha có tổ chức BCC như được trình bày trong Hình 1.4 Pha β này được giữ sự ổn định cho đến nhiệt độ nóng chảy của titan

Sự trượt đối với giai đoạn pha β là khá khác nhau Các mặt phẳng trượt trong hợp kimtitan

β là (110), (112) và (123), với vectơ Burgers thuộc loại <111> Điều này phù hợp với các chế độ trượt dự kiến trong vật liệu BCC [6]

Ti-5Al-2.5Sn Ti-8Al-1Mo-1V Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo Ti-6Al-4V Ti-6Al-6V-2Sn Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo Ti-8Mn

Ti-10V-2Fe-3Al

Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn Ti-15Mo-5Zr-3Al Ti-13V-11Cr-3Al

Kết cấu của pha HCP α được hình thành trong quá trình phân hủy của pha BCC β ở nhiệt

độ cao thường tuân theo một mối quan hệ trong đó có mười hai cách trượt có thể hình thành

từ một hạt pha β trước đó Sự biến đổi kết cấu đó phụ thuộc vào kết cấu ban đầu của pha β

và vào trường ứng suất và biến dạng cục bộ xuất hiện trong quá trình nguội [7] Hợp kim titan sẽ không biến đổi theo cách chính xác như titan nguyên chất Bất kỳ pha β nào được giữ lại trong tổ chức nhiệt độ phòng đều có thể ảnh hưởng đến sự biến đổi trong quá trình gia nhiệt [8]

1.2.1 Phân loại hợp kim Titan

Các nguyên tố hợp kim trong hợp kim titan bị chi phối bởi nhiệt độ chuyển pha β và do đó

nó cũng phụ thuộc vào sự biến đổi pha Nhiệt độ chuyển pha β được xem là nhiệt độ (thấp nhất) mà tại đó 100% pha β được hình thành [9]

1.2.1.1 Hợp kim titan α và gần α

Các hợp kim titan α chứa thuần một hoặc cả hai nguyên tố hợp kim α trung tính và α ổn định, trong khi các hợp kim gần α chứa các phần tử α ổn định cùng với một lượng nhỏ nguyên tố β dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ chuyển pha β của hợp kim titan gần α

Hình 1.4 Minh họa sự chuyển đổi từ HCP sang BCC trong titan nguyên chất [2]

Các hợp kim titan gần α thường được sử dụng trong các tua bin khí do có cơ tính tốt nếu nhiệt độ làm việc trên 400 °C Nếu những hợp kim này nguội nhanh chóng, các tổ chức hạt hình thoi mịn sẽ được xuất hiện, trong khi đó quá trình nguội chậm hơn dẫn đến các cấu trúc tấm α nhiều hơn [10]

1.2.1.2 Hợp kim titan α-β (α-β titanium alloys)

Các hợp kim titan α-β chứa hỗn hợp của cả hai pha α và β Đại diện về hợp kim này là Ti6Al4V và Ti6Al2Zn4Zr6 là những vật liệu rất phổ biến được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ và các ứng dụng cao cấp khác Chúng có đặc điểm của cả hợp kim α và hợp kim β, cả hai có khả năng định dạng tốt và có độ bền cao ở nhiệt độ phòng và thậm chí có

độ bền khá tốt ở nhiệt độ cao

Điều này có được là do ngoài pha α vật liệu được tăng cường thêm với (4 – 6) % pha β.Hợp kim titan α-β có cơ tính rất tốt ở nhiệt độ phòng và cả ở nhiệt độ thấp, điều này rất quan trọng đối với một số chi tiết cơ khí làm việc với chế độ khắc nghiệt như cánh quạt của động cơ máy bay Ngoài ra, chúng có khả năng chống ăn mòn rất tốt và do đó chi phí bảo trì rất thấp Sở dĩ hợp kim titan α-β sở hữu các tính chất đặc biệt này là do cấu trúc các tổ chức tế vi của hợp kim Để tạo thành hợp kim α- β với cơ tính cần thiết như mong muốn thì quá trình xử lý nhiệt được thực hiện theo qui trình thích hợp để điều khiển cấu trúc và trạng thái của pha β Tuy nhiên, nhược điểm của các hợp kimα-β này là khó hàn

Xử lý nhiệt và kiểm soát các quá trình xử lý nhiệt cho phép các hợp kim này được thiết kế

để phù hợp với nhiều nhu cầu, đó là lý do tại sao các hợp kim này rất được ưa chuộng để chế tạo các thiết bị cơ khí Nếu nhiệt độ làm nguội là trên nhiệt độ chuyển pha β sẽ hình thành mạng chính phương và các hợp kim này cũng có độ dẻo khá tốt so với mạng sáu phương [11]

1.2.1.3 Hợp kim titan β

Các hợp kim này thường chứa một lượng lớn kim loại là những phân tử được xem là pha β

ổn định cụ thể là vanadi (V) và molypden Các kim loại chuyển tiếp này giảm nhiệt độ chuyển pha β đồng thời cũng ổn định pha β Những hợp kim β có khả năng tạo hình tốt

bằng phương pháp gia công áp lực dù vậy cấu trúc BCC của chúng dễ bị giòn nên chúng khó sử dụng ở nhiệt độ thấp [10, 11]

1.2.2 Hợp kim Ti6Al4V

Ti6Al4V được gọi theo tên khác là Ti64, là hợp kim α-β được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ là đối tượng được nghiên cứu trong luận án này Ti6Al4V là vật liệu nhẹ, bền được sử dụng rộng rãi trong máy bay, thiết bị hàng không vũ trụ và nhiều lĩnh vực khác Ti6A14V cũng là loại vật liệu quan trọng trong các lĩnh vực khác của sản xuất công nghiệp, chẳng hạn như linh kiện xe hơi, dụng cụ y tế, và các ngành công nghiệp trang trí

Các ứng dụng điển hình cho titan Ti6Al4V là bình chứa nhiên liệu của các tên lửa, máy bay

và một số phụ tùng khác chịu tải lớn trong máy bay, động cơ tên lửa, cánh quạt phía trước trong động cơ máy bay, đĩa quay, đĩa máy nén Ngày nay, các bộ phận trong máy bay phần lớn được chế tạo từ Ti6A14V vì nó có cơ tính tốt hơn và có độ bền cao hơn hợp kim nhôm

1.2.2.1 Sự chuyển pha trong Ti64

Hình 1.5 cho thấy tỷ lệ phần trăm của mỗi pha trong hợp kim titan Ti64 so với nhiệt độ như Hình 1.5a và so với nồng độ Al và V trong mỗi pha như Hình 1.5b Sơ đồ trong Hình 1.5 được thiết lập với nhiệt độ chuyển pha β của hợp kim Ti64 là 995 °C với 100% β có mặt ở

1 000 °C [12] Hình 1.5b cho thấy khoảng 4% vanadi và 6% nhôm trong pha β ở 1000 °C

0 20 40 60 80 100

750 800 850 950 900

Alpha Beta

0

750 800 850 900 950 1000 2

4 6 8 10 12 14 16

Al trong pha anpha

V trong pha anpha

Al trong pha Beta

V trong pha Beta

T (oC) (b)

Hình 1.5 (a) Thành phần của pha α và β so với nhiệt độ trong hợp kim Ti64;

(b) Lượng của Al và V trong từng pha so với nhiệt độ [12]

Trong gia đoạn chuyển α- β nhôm bắt đầu chiếm pha α và vanadi rời khỏi pha α, vì thế lượng vanadi trong pha β tăng lên cùng với sự hình thành các kết tủa α

Quá trình nguội tạo nên các tấm mỏng α tồn tại trên nền βsong song trong nền β Tốc độ nguội nhanh sẽ tạo ra nhiều tấm mỏng α đồng thời kích thước của chúng cũng bị giảm đáng

kể Nếu tốc độ nguội tăng cao hơn nữa, ví dụ khi sử dụng nước để làm nguội, mactenxit sẽ

hình thành, như vậy tốc độ nguội ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức tế vi của hợp kim titan Như vậy, khi hợp kim titan được làm nguội chậm, tổ chức tế vi được hình thành với sự xuất hiện pha β Khi tốc độ nguội tăng, cấu trúc hai pha được hình thành Điều này rất có thể là

do (quá trình) nguội nhanh hơn đã ngăn chặn sự tăng trưởng của các pha α

Đối với hợp kim titan, nếu quá trình nguội diễn ra nhanh sẽ dẫn đến sự phân hủy các phân

tử β Lượng mactenxit được hình thành là kết quả của quá trình nguội nhanh phụ thuộc vào

các phần tử có mặt trong pha β Khi làm nguội bằng nước từ nhiệt độ phía trên nhiệt độ

chuyển pha β, mactenxit α’’ sẽ được hình thành Điều này cho thấy tầm quan trọng không

chỉ của việc gia nhiệt của các hợp kim titan mà quá trình nguội cũng rất quan trọng trong

việc hình thành tổ chức tế vi của hợp kim titan Điều đó có ảnh hưởng lớn đến cơ tính của hợp kim titan sau khi xử lý nhiệt Như minh họa trong Hình 1.6, các vùng tối hơn đại diện cho pha β (trong ảnh hiển vi quang học) nằm giữa các tấm α đã hình thành.Tổ chức tế vi cuối cùng của Ti6Al4V bao gồm các tấm α được phân định bởi pha β

Tốc độ nguội cũng sẽ ảnh hưởng đến độ dày và hướng của các tấm α Tốc độ nguội đủ

nhanh sẽ tạo ra sự biến đổi tổ chức tế vi mactenxit, được thể hiện bằng α’ hoặc α’’ tùy thuộc

vào cấu trúc tinh thể được định dạng theo kiểu mạng sáu phương hay mặt thoi tương ứng Trong thực tế, quá trình hàn ma sáy quay hợp kim Ti6Al4V sẽ tạo nên tổ chức tế vi hai pha bao gồm cả anpha và beta

1.2.2.2 Khả năng hàn ma sát quay hợp kim Ti6Al4V

J H Bevington giới thiệu ý tưởng sử dụng nhiệt ma sát để hàn kim loại lần đầu tiên tại Hoa

Kỳ vào năm 1891 [10] Tuy nhiên, A I Chudikov mới là người đã thành công với mối hàn kim loại chất lượng cao thông qua hàn ma sát vào năm 1956 [10] Kể từ đó, các nghiên cứu chuyên sâu về hàn ma sát đã được thực hiện Ứng dụng của nó có thể được tìm thấy trong toàn ngành sản xuất công nghiệp và rất nhiều bằng sáng chế đã được cấp để sử dụng trong máy móc nông nghiệp, ô tô, động cơ máy bay và kỹ thuật điện

Công nghệ hàn ma sát được sử dụng để tạo sự liên kết giữa vật liệu cùng loại và không cùng loại, ví dụ kim loại, gốm sứ, composite và nhựa Khả năng hàn của vật liệu được minh họa trong Hình 1.7 theo cẩm nang hàn của Hiệp hội Hàn Mỹ [4] Tuy nhiên, tài liệu này chỉ nên được sử dụng như một tài liệu tham khảo Mức độ hàn cụ thể phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Về mặt lý thuyết, hàn ma sát thành công khi có ít nhất một vật liệu có biến dạng lớn khi chịu tác động bởi lực ép

Một số kim loại không thích hợp trong hàn ma sát quay ví dụ kim loại như đồng và đồng thau có hàm lượng chì cao Một số liên kết giòn được tạo ra do các hợp chất liên kim hoặc liên quan đến sự khác biệt lớn trong nhiệt độ hàn nóng của hai kim loại được hàn Ví dụ là hợp kim nhôm được hàn với thép hoặc đồng, thép không gỉ với hợp kim titan [4] Tuy nhiên, kim loại và hợp kim titan bị oxy hóa rất mạnh ở nhiệt độ cao

Vì vậy, trong quá trình hàn cần lưu ý bảo vệ kim loại nóng chảy không tiếp xúc không khí trong khí quyển vì chỉ với một lượng oxy rất ít cũng sẽ tạo ra mối hàn có độ xốp Titan có thể được hàn với 4 loại phương pháp hàn như: hàn TIG, hàn khí trơ kim loại (MIG), hàn laze, hàn chùm tia điện tử chân không Nhưng các phương pháp này chỉ phù hợp cho hàn tấm hoặc ống hợp kim và với bề dày giới hạn, còn đối với các chi tiết trụ đặc (ví dụ như trục của tua bin khí của máy bay) thì các phương pháp trên là không phù hợp Hàn ma sát được chọn để chế tạo các chi tiết phức tạp từ hợp kim titan do nhiều tính năng ưu việt của

nó so với các phương pháp hàn khác, như năng lượng tiêu thụ thấp, năng suất cao, và quá

Steel (Maraging) Steel (Sintered) Steel (Stainless) Steel (Tool) Tantalum Thorium Titanium Titanium Alloys Tungsten Tungsten Carbide Cemented

Uranium Vanadium Valve Materials Zinconium Alloys

Hàn ma sát được

Có thể hàn ma sát được

Chưa được kiểm chứng

Hình 1.7 Các vật liệu hàn được bằng phương pháp hàn ma sát [4]

trình hàn này không tạo ra khói và bụi hàn, không cần vật liệu bồi đắp và không cần nguồn nhiệt từ bên ngoài [4]

Trong luận án này, tác giả giới thiệu phương pháp hàn hai chi tiết titan Ti6Al4V trụ đặc bằng phương pháp hàn ma sát quay Hai chi tiết hình trụ được hàn bởi nhiệt ma sát tạo ra tại mặt tiếp xúc Trong quá trình hàn ma sát quay, một chi tiết quay trong khi chi tiết còn lại đứng yên, quá trình này sinh ra nhiệt lượng tại giao diện tiếp xúc của hai chi tiết Khi vật liệu tại vùng tiếp xúc đạt đến trạng thái chảy dẻo do sự gia tăng nhiệt độ, quá trình quay

bị dừng lại cưỡng bức và lực ép được duy trì để ép và hàn hai chi tiết

Quá trình này được xem là hàn ở trạng thái rắn vì nhiệt độ trong quá trình hàn thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của vật liệu Titan và hợp kim của nó có độ dẫn nhiệt thấp nên vùng HAZ trong hàn ma sát là rất hẹp Quá trình hàn ma sát cũng tạo ra một vùng TMAZ là vùng biến dạng mở rộng tiếp giáp với vùng HAZ Theo đó, tổ chức tế vi được biến thể đáng kể

và được tạo ra trong khu vực này [13, 14] Trong quá trình hàn ma sát, nhiệt độ, ứng suất

và biến dạng thay đổi phụ thuộc vào các thông số của quá trình hàn Hiểu rõ mối quan hệ

và sự ảnh hưởng các thông số này đến cơ tính của mối hàn sẽ xác định được giá trị tối ưu các thông số của quá trình để cải thiện chất lượng các sản phẩm

1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.3.1.1 Mô phỏng số

Mô phỏng quá trình hàn ma sát sử dụng các mô hình giải tích được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Tuy nhiên, ảnh hưởng của đối lưu và bức xạ nhiệt thường không được xem xét trong các mô hình giải tích do khó khăn trong quá trình xây dựng [15] Ngoài ra, khi tính chất nhiệt của các vật liệu thay đổi, mà đặc biệt là các biến thay đổi theo nhiệt độ, phương trình truyền nhiệt trở thành phi tuyến tính mạnh nên khó thu được kết quả chính xác từ phương pháp giải tích Do đó, song song với các phương pháp giải tích, nhiều nghiên cứu

đã được thực hiện để phân tích quá trình hàn ma sát bằng phương pháp số

Mô hình số đầu tiên được đưa ra bởi C J Cheng [15], tác giả đã xây dựng mô hình 1D bằng phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) để mô phỏng hàn ma sát cho phôi thép hợp kim AISI 4140 Kết quả mô phỏng này cho thấy rằng có một lớp kim loại nóng chảy tại giao diện hàn và có sự chuyển động dọc theo trục chi tiết, tức là có sự rút ngắn của chi tiết theo phương dọc trục và có sự biến đổi tính chất cơ - nhiệt khi nhiệt độ thay đổi Tất cả yếu

tố này được Cheng xem xét trong mô hình Các kết quả tính toán từ mô hình được so sánh với dữ liệu thực nghiệm Kết quả giữa mô hình số và thực nghiệm cho thấy có sự trùng khớp tốt

K K Wang và P Nagapan đã nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ trong hàn ma sát quán tính của thanh thép AISI 1020 với mô hình FDM 2D [16] Nhiệt sinh ra tại các giao diện được dựa trên tốc độ quay và tổng thời gian hàn Các tác giả đã chứng minh rằng có sự khác biệt

rõ rệt trong các trường nhiệt độ giữa hàn ma sát quán tính và hàn ma sát liên tục Họ cũng cho biết rằng tổng thời gian hàn đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố nhiệt độ

Mô hình số quá trình hàn ma sát của các thanh đồng với thép được phân tích bởi A Z Sahin

và cộng sự với mô hình 2D dùng phần tử hữu hạn Trong mô hình, hệ số ma sát và tính chất nhiệt đều được giả định không thay đổi Kết quả tính toán của họ cho thấy nhiệt độ cực đại đạt được tại vị trí ngoại vi chứ không phải ở vị trí trung tâm của thanh [17]

Trong những năm gần đây, việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong phân tích hàn ma sát ngày càng trở nên phổ biến Người đầu tiên sử dụng FEM là A Sluzalec [18] Mô hình FEM cơ - nhiệt được xây dựng để mô phỏng hàn ma sát thép; sự phân bố nhiệt độ và hình dạng của ba via mối hàn đã được dự báo và so sánh với kết quả thực nghiệm Kết quả nhiệt độ được đo trong quá trình thực nghiệm và các giá trị dự báo trong giai đoạn đầu của hàn ma sát là trùng khớp Nhưng kết quả nhiệt trong giai đoạn ổn định

và nguội đã không được báo cáo trong nghiên cứu này

A Moal và E Massoni đã đề xuất một mô hình cơ - nhiệt để mô phỏng quán tính hàn ma sát cho hai chi tiết cùng vật liệu Vật liệu được sử dụng trong thực nghiệm là một siêu hợp kim gốc niken (NK17CDAT) Mô hình vật liệu Norton-Hoff trong đó các hệ số mô hình

phụ thuộc vào nhiệt độ được dùng cho mô phỏng, nhưng không có dữ liệu về mô hình vật liệu trong bài báo Sự hình thành của ba via, phân bố nhiệt độ và tốc độ biến dạng đều được minh họa bằng đồ họa Tuy nhiên, các ước lượng về giảm kích thước theo chiều dài trục là quá cao khi so sánh với giá trị đo từ thực nghiệm Các tác giả cho rằng nguyên nhân do các thông số không chính xác được sử dụng trong các mô hình vật liệu [19]

V Balasubramanian và cộng sự đã thực hiện phân tích nhiệt về hàn ma sát quay liên tục cho thép AISI 1045 sử dụng gói phần mềm thương mại FEM ABAQUS [20] Để cải thiện

độ chính xác của mô hình FEM, các tác giả sử dụng công thức cho hệ số ma sát trong đó

có xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ, tải trọng dọc trục và tốc độ quay Tuy nhiên, đối với từng vật liệu khác nhau cần phải thực hiện thêm một số thực nghiệm để xây dựng phương trình, điều đó có nghĩa là hầu như không có khả năng áp dụng phương pháp này chung cho tất cả các vật liệu Lee và cộng sự đã phát triển một mô hình 2D sử dụng gói phần mềm DEFORM [21] Mô hình của họ đã được xác nhận với dữ liệu thực nghiệm và giải tích Sự phát triển của yếu tố 2D trong DEFORM cung cấp sự tiện lợi lớn cho người dùng trong việc mô hình hóa quá trình hàn ma sát Tương tự như nghiên cứu của Lee, D’Alvise và cộng sự cũng đã viết một mã đặc biệt trong FORGE2 để mô phỏng quá trình hàn ma sát quán tính [22] Họ đã thực hiện phân tích cơ - nhiệt trong hàn ma sát hai vật liệu không giống nhau Phương pháp xác định lực ma sát đã được điều chỉnh từ nghiên cứu A Moal

và E Massoni Nhiệt độ, biến dạng và trường ứng suất dư được dự báo khá chính xác

L Fu và cộng sự đã phát triển một mô hình cơ - nhiệt hàn ma sát quán tính cho thép ống 36CrNiMo4 được sử dụng trong máy khoan dầu với gói phần mềm DEFORM [23] Mô hình đầu vào nhiệt ma sát của các tác giả giống như phương pháp Wang và Nagappan Nhiệt độ và ứng suất dư, trường biến dạng và hình dạng ba via đã được dự báo trong mô phỏng Các trường nhiệt độ được dự báo phù hợp với các giá trị đo được bằng máy đo nhiệt hồng ngoại Nhưng trong nghiên cứu này không có thực nghiệm nào được thực hiện để xác nhận kết quả của ứng suất

L Wang và cộng sự đã thực hiện một phân tích cơ học về hàn ma sát quán tính của các ống siêu hợp kim niken RR1000 bằng cách sử dụng gói phần mềm DEFORM [24] Trong mô hình của họ, hệ số ma sát được xác định chính xác bằng cách sử dụng phương pháp năng lượng Các giá trị của năng lượng đầu vào được lấy từ các giá trị đo mô men xoắn, tốc độ góc của phần chi tiết quay Quá trình thay đổi nhiệt độ và ứng suất dư ước lượng từ mô hình được xác thực bằng kết quả thực nghiệm Tuy nhiên, hiệu ứng xoắn không được đưa vào mô hình, do đó kết quả có thể khác hoàn toàn so với tình huống thực tế Q Z Zhang

và cộng sự đã thực hiện một mô phỏng 3D về hàn ma sát quay liên tục cho xi lanh sử dụng DEFORM Tuy nhiên, ưu điểm của việc sử dụng mô hình 3D đã không được xác định rõ ràng khi so với mô hình 2D [25]

Một số tác giả đã cố gắng mô phỏng quá trình hàn ma sát quay với các mô hình cơ học chất lỏng G J Bendzsak và cộng sự đã trình bày một mô hình gần đúng để nghiên cứu chế độ dòng chảy trong quá trình hàn ma sát của hợp kim nhôm Mô hình dòng chảy phức tạp được

mô tả bằng một giải pháp số của phương trình Navier-Stokes Kết quả cho thấy rằng một phần nhỏ của vật liệu quay trở lại các khu vực biến dẻo, điều này chưa thấy báo cáo bởi các nhà nghiên cứu khác [26] V K Stokes và A J Poslinski đã phân tích ảnh hưởng của độ nhớt đến màng nóng chảy trong giai đoạn hàn ổn định với mô hình thủy động lực học [27] Các mô phỏng cho thấy rằng độ dày của màng nóng chảy và tốc độ nóng chảy bị ảnh hưởng mạnh bởi biến độ nhớt Mô hình này có thể đóng vai trò quan trọng để phân tích hàn ma sát của kim loại

Dù các nhà khoa học đã nỗ lực nghiên cứu nhưng rất ít tiến bộ đã được thực hiện để xây dựng các mô hình lý thuyết hàn ma sát quay trọn vẹn và đầy đủ Hầu hết các mô hình tập trung phân tích nhiệt mà ít chú ý đến phân tích cơ học Cụ thể, dự báo về sự rút ngắn chi tiết sau khi hàn mà trong thực tế nó là một trong các thông số quan trọng, chưa bao giờ được thử bởi các mô hình này Các phương pháp số đặc biệt là các mô hình FEM có thể xem xét nhiều khía cạnh hơn và mô tả quy trình hàn chi tiết hơn Nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót, ví dụ, sự hình thành ba via, dòng vật chất trong vùng tiếp xúc bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng xoắn

1.3.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Cho đến nay, rất nhiều vật liệu, chẳng hạn như thép, đồng, hợp kim nhôm và thép không rỉ

đã được hàn thành công bằng cách hàn ma sát quay [28, 29] Tuy nhiên, rất ít các nghiên cứu về hàn ma sát quay của hợp kim titan được công bố dù rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hợp kim titan có thể hàn được bằng phương pháp hàn ma sát thẳng Các nhà nghiên cứu đã báo cáo rằng trong quá trình hàn ma sát thẳng hợp kim titan nếu tăng chuyển động tương đối giữa hai chi tiết sẽ tăng mật độ nhiệt, nhưng đồng thời giảm hệ số ma sát và tạo

ra tốc độ gia nhiệt thấp

Trong các nghiên cứu của mình về hàn ma sát thẳng hợp kim titan, Y Guo [30] và R Turner [31] nhận thấy rằng công suất nhiệt tối thiểu cần thiết để hàn Ti6Al4V phụ thuộc vào cả tần số và biên độ dao động P Wanjara và cộng sự [32] đã phân tích các thông số quá trình ảnh hưởng đến đặc điểm của đường hàn để xác định tần số và biên độ có tác động đến chất lượng mối hàn Họ quan sát thấy tổ chức tế vi α- β biến đổi trong vùng trung tâm mối hàn tại các vị trí cục bộ có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển pha β (995 °C) Nguyên nhân là do nó được kết hợp với biến dạng và nguội nhanh dẫn đến sự kết tinh lại cấu trúc hạt β J Romero và cộng sự [33] đã tìm thấy sự hình thành của hạt α ′ mactenxit trong khu vực đường hàn ma sát thẳng hợp kim Ti6Al4V Trong khi T J Ma và cộng sự [34] đã nghiên cứu tổ chức tế vi của các mối hàn ma sát thẳng Ti6Al4V để xác định cơ chế hồi phục và kết tinh mà họ khẳng định đó là kết quả của biến dạng dẻo và các quá trình làm nóng và làm nguội xảy ra nhanh trong quá trình hàn, và kết luận rằng cơ chế hồi phục động

là cơ chế chính trong biến dạng nhiệt của Ti6Al4V

Những năm gần đây, các công trình nghiên cứu về hàn ma sát quay của Ti6Al4V đã bắt đầu công bố cho giới khoa học Nhìn chung, các nghiên cứu đã công bố cho thấy rằng sự thay đổi trong các thông số quá trình có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của mối hàn ma sát hàn Ti6Al4V Việc lựa chọn các thông số quá trình không chính xác sẽ tạo ra một mối hàn với cơ tính kém [35] C G Nessler và cộng sự [36] đã khảo sát khả năng hàn hợp kim titan bằng phương pháp hàn ma sát quay Quá trình hàn thực hiện với nhiều tốc độ quay khác nhau tương ứng với nhiều áp lực dọc trục và hiệu suất của mối hàn được đánh giá

bằng cách tiến hành nghiên cứu tổ chức tế vi, độ cứng Vickers và độ bền kéo Kết quả cho thấy áp lực dọc trục và tốc độ quay có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng mối hàn Sự gia tăng tốc độ quay làm giảm cơ tính của mối hàn do hệ số ma sát giảm Nghiên cứu này cũng cho rằng năng lượng nhiệt tỷ lệ nghịch với áp lực gia nhiệt dọc trục

Điều này cũng được khẳng định trong nghiên cứu của Y U Pardhi [37] Tác giả báo cáo rằng hệ số ma sát sẽ giảm nếu tốc độ quay cao, dẫn tới thời gian nóng lâu hơn Ngoài ra, nghiên cứu của các tác giả cũng cho thấy rằng tốc độ dẫn nhiệt cao sẽ làm lượng vật liệu bị đẩy ra khỏi mối hàn tăng lên

Mặc dù các nhà nghiên cứu khác tin rằng sự thay đổi các thông số quá trình có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất mối hàn, A Yates [38] tin rằng tốc độ quay là thông số quá trình ít ảnh hưởng nhất và áp lực dọc trục không có ý nghĩa nếu nó không được thay đổi trong phạm vi rộng

Các nhà nghiên cứu cho rằng độ bền kéo của mối hàn ma sát gia tăng tỉ lệ thuận với sự gia tăng áp lực và thời gian gia nhiệt cho đến khi nó đạt đến một giá trị tới hạn, điều này có nghĩa là áp lực hàn không phải là thông số có thể tăng vô hạn Năm 2017, Y Guo [39] đã báo cáo rằng có mối quan hệ giữa các cơ tính hợp kim titan và tổ chức tế vi Mối quan hệ này hoàn toàn phụ thuộc vào quá trình xử lý vật liệu bao gồm xử lý nhiệt, làm nóng, làm nguội và phương pháp hàn

Tổ chức tế vi của Ti6Al4V có cả hai pha α và β trong đó nhôm chiếm khoảng 6% và vanadi chiếm khoảng 4% Ở nhiệt độ phòng, tổ chức tế vi của Ti6Al4V bao gồm chủ yếu là pha α với một ít pha β [39] Khi được giá nhiệt đến nhiệt độ xấp xỉ 980 oC, pha α biến đổi thành pha β Tổ chức tế vi hình thành phụ thuộc vào chế độ nguội Khi quá trình nguội nhanh, pha β không được chuyển đổi và như vậy pha β sẽ có nhiều hơn pha α Tuy nhiên, khi quá trình nguội chậm, pha β được chuyển thành pha α [40, 41] Các báo cáo cũng cho thấy rằng trong quá trình hàn ma sát quay, cấu trúc hạt tế vi thay đổi theo xu hướng được kéo dài hơn

Nó cũng thay đổi tổ chức tế vi (α + β) to thành hạt mịn và thon dài [41]

Huihong Liu và Hidetoshi Fujii tại đại học Osaka, Nhật Bản đã nghiên cứu thành công mối hàn ma sát quay giữa hợp kim titan Ti6Al4V và thép không gỉ SUS316L khi thực hiện quá trình hàn với tốc độ quay siêu nhỏ khoảng 40 rpm và áp lực lớn khoảng 450 MPa Tốc độ quay siêu thấp ngăn chặn hiệu quả sự hình thành hỗn hợp cơ học có hại tại các lớp Áp suất

ma sát cao đảm bảo nhiệt độ hàn thích hợp và biến dạng vật liệu SUS316L đủ lớn [42]

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước

Đã có một số các công trình nghiên cứu về hàn ma sát của các nhà nghiên cứu trong nước công bố trong thời gian gần đây Nhóm tác giả tại đại học Kỹ thuật Hưng Yên đã công bố nghiên cứu về khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của lực ép và thời gian ép đến độ bền kéo của mối hàn ma sát quay hợp kim C45 [43] Một nhóm nghiên cứu khác tại trường đại học SPKT TP HCM nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn đến mối hàn ma sát quay của thép không gỉ AISI 304 thép carbon thấp AISI 1020 [44] Hiện tại, tại Bộ môn Thiết bị và Công nghệ vật liệu của Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Bách Khoa Hà Nội và một số trường Đại học khác cũng đang được các sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh quan tâm và nghiên cứu Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu hàn ma sát quay hợp kim titan Ti6Al4V vẫn còn khá mới mẻ với tình hình nghiên cứu trong nước

Kết luận Chương 1

Phương pháp hàn ma sát là phương pháp hàn đầy hứa hẹn có thể được sử dụng để gia công

và chế tạo các thành phần, bộ phận trong các ứng dụng hàng không vũ trụ dùng vật liệu titan Ti6Al4V nói riêng và các sản phẩm công nghiệp khác nói chung Hàn ma sát quay đã được sử dụng để hàn thành công các cánh dẫn hoặc cánh quạt vào đĩa quay trung tâm của máy nén và quạt và nó là bộ phận quan trọng trong động cơ turbo dùng trong ngành hàng không Đã có nhiều các công trình nghiên cứu về hàn ma sát quay kim loại và hợp kim titan công bố trong nhiều năm qua, nhưng phần nhiều trình bày kết quả đạt được mà chưa phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ Đặc biệt, sự khác biệt cơ tính của mối hàn theo phương hướng tâm trong mối hàn ma sát quay hợp kim titan sẽ cản trở ứng dụng của phương

pháp hàn ma sát quay Mặc dù, xét toàn cục mối hàn có thể đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đang ứng dụng, nhưng tồn tại các vị trí cục bộ trong mối hàn không đáp ứng được tiêu chuẩn của ứng dụng đó [45] Vì vậy, nghiên cứu để tìm ra qui luật quan hệ ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn đến cơ tính của mối hàn ma sát quay hợp kim titan Ti6Al4V

và khảo sát cơ tính mối hàn theo phương hướng tâm nhằm xác định được vị trí không đồng đều về cơ tính của mối hàn để đưa ra giải pháp để hạn chế sự không đồng đều này là cần thiết

Bên cạnh đó, mô phỏng số là công cụ tính toán mạnh và phù hợp để mô phỏng quá trình hàn ma sát phức tạp Nó là công cụ hữu ích để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn Nhưng mô hình số chưa cung cấp một đánh giá trọn vẹn về kết quả hàn ma sát của hợp kim titan như khả năng hàn của hợp kim titan, độ bền kéo của mối hàn, sự thay đổi tổ chức tế vi và phân bố độ cứng, mà các đặc tính này cần phải định lượng thông qua thực nghiệm Trên cơ sở đó, nội dung nghiên cứu của luận án được chia thành 3 phần chính như sau:

1 Mô phỏng số quá trình hàn ma sát quay để xác định được ảnh hưởng của các thông số quá trình như tốc độ quay, thời gian gia nhiệt, áp lực hàn đến trường phân bố nhiệt độ, ứng suất và biến dạng của chi tiết được khảo sát

2 Xác định ảnh hưởng của các thông số quá trình đến cơ tính mối hàn ma sát quay được khảo sát thực nghiệm và so sánh kết quả với phần mô phỏng

3 Xác định bộ thông số tối ưu của quá trình hàn ma sát quay Ti6Al4V và kiểm tra cơ tính của mẫu hàn trong bộ thông số tối ưu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÀN MA SÁT QUAY

Hàn ma sát là quá trình hàn ở trạng thái rắn Hàn ma sát đã được nghiên cứu và ứng dụng

để hàn nhiều vật liệu kim loại và hợp kim khác nhau Trong chương này, luận án trình bày

cơ sở lý thuyết của quá trình hàn ma sát quay trên cơ sở mô hình sự phân bố nhiệt độ và tốc

độ biến dạng trong HAZ

2.1 Nguyên lý hàn ma sát quay

Nguyên lý của quá trình này là sự biến đổi cơ năng thành nhiệt năng Một chi tiết được kẹp chặt và quay quanh trục của nó trong khi chi tiết hàn khác được kẹp chặt và không quay nhưng di chuyển theo phương dọc trục để tiếp xúc với chi tiết quay Chi tiết sẽ ngừng quay khi đạt đến nhiệt độ dưới nhiệt độ nóng chảy của vật liệu và tiếp tục tác động lực ép để hàn Trong quá trình đó nhiệt được tạo ra do ma sát và được tập trung cục bộ tại bề mặt tiếp xúc, cấu trúc hạt được kết tinh lại trong quá trình gia công nóng

2.2 Cơ chế hàn ma sát quay

Chu kỳ hàn được chia thành hai giai đoạn: giai đoạn cọ xát hoặc gia nhiệt và giai đoạn hàn Nhiệt hàn được sinh ra trong giai đoạn đầu và mối hàn được hình thành và nguội trong giai đoạn thứ hai của quá trình hàn Các bước cơ bản của hàn ma sát quay được minh họa trong Hình 2.1 và Hình 2.2

2.2.1 Giai đoạn gia nhiệt

Trong giai đoạn này, một phôi được giữ cố định trong khi phôi còn lại được quay với tốc

độ không đổi như Hình 2.1a và 2.2a Đồng thời hai phôi được ép lại với nhau bằng lực dọc trục trong khoảng thời gian nhất định để sinh nhiệt và khi đạt được nhiệt độ cần thiết, chuyển động quay ngừng như Hình 2.1b và 2.2b Khi hai chi tiết tiếp xúc, bề mặt tiếp xúc

bị cọ xát dẫn đến lớp oxit titan bị đẩy ra ngoài Trong quá trình này, quá trình trượt diễn ra

và kim loại được chuyển từ bề mặt này sang bề mặt khác Khi tiếp tục cọ xát, cả mô men xoắn và nhiệt độ bề mặt đều tăng Kích thước của các mảng vật liệu bị đẩy ra ngoài lớn dần cho đến khi chúng trở thành một lớp kim loại dẻo liên tục Một màng lỏng sẽ hình thành ở

thời điểm này Trong khoảng thời gian này, mô men xoắn sẽ đạt cực đại và lại giảm đến

một giá trị nhỏ nhất nào đó do sự biến dạng của vật liệu và do kim loại bị nung nóng và ép

ra khỏi bề mặt phân cách trong khi chi tiết bị rút ngắn trục liên tục

2.2.2 Giai đoạn hàn

Cuối quá trình gia nhiệt, áp lực hàn được tác động lên phôi và giảm kích thước trục Trong

giai đoạn này, áp lực dọc trục được duy trì hoặc tăng lên để tạo mối hàn như Hình 2.1c và

2.2c Vì vậy, các biến quá trình chính của hàn ma sát là tốc độ quay, áp lực hàn, thời gian

gia nhiệt và thời gian hàn Các thông số này xác định tốc độ sinh nhiệt tại giao diện hàn và

năng lượng đầu vào của quá trình hàn

2.3 Thông số quá trình hàn ma sát quay

Ba thông số quan trọng là tốc độ quay, áp lực và thời gian hàn có ảnh hưởng riêng của từng

thông số hoặc là sự kết hợp giữa chúng để tạo ra mối hàn kim loại cơ bản Vì kim loại hàn

ở trạng thái rắn là hàn ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy nên khuyết tật gây ra ít hơn

Chuyển động áp sát

a)

b)

Chuyển động xoay

Khi hàn ở trạng thái rắn, các kim loại được hàn mà vẫn giữ được các đặc tính ban đầu của

chúng vì không xảy ra hiện tượng nóng chảy trong mối hàn trong khi vùng HAZ cũng rất

nhỏ so với kỹ thuật hàn nhiệt truyền thống mà tại đó thường giảm độ bền và độ dẻo

2.3.1 Tốc độ quay

Tốc độ quay có liên quan đến vật liệu được hàn và đường kính của mối hàn tại bề mặt tiếp

xúc Tốc độ có thể có những tác động khác nhau đến các đặc tính cơ học của mối hàn ma

sát quay Tăng tốc độ quay có thể dẫn đến nhiệt ma sát lớn hơn tại bề mặt giao diện do đó

dẫn đến việc làm mềm vật liệu nhanh hơn, mức độ kết tinh lại lớn hơn hoặc thậm chí tăng

sự liên kết giữa các kim loại Ngoài ra, tùy thuộc vào loại vật liệu được kết hợp hoặc chính

Hình 2.2 Các giai đoạn hàn ma sát quay thực tế a) Giai đoạn chuẩn bị; b) Giai đoạn gia nhiệt; c) Giai đoạn hàn