Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu hàn ma sát quay hai kim loại đồng nhôm

Bởi vì một số tính chất vật lý của Đồng - Nhôm, như độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao, cho phép ứng dụng phổ biến của chúng trong điện tử, kỹ thuật nhiệt và các lĩnh vực khác, dưới dạng lưỡng k

TỔNG QUAN HÀN MA SÁT QUAY HAI KIM LOẠI ĐỒNG – NHÔM

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay hàn hai kim loại không giống nhau là yêu cầu bức thiết trong nhiều lĩnh vực khác nhau đặc biệt là trong các ngành điện tử, y tế, hàng tiêu dùng, ô tô – xe máy…

Vì vậy ngày càng có nhiều nghiên cứu khác nhau về việc hàn nối các kim loại khác nhau Bởi vì một số tính chất vật lý của Đồng - Nhôm, như độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao, cho phép ứng dụng phổ biến của chúng trong điện tử, kỹ thuật nhiệt và các lĩnh vực khác, dưới dạng lưỡng kim do đó nghiên cứu cách liên kết hai chi tiết kim loại Đồng và Nhôm cũng là một trong những vẫn đề đang được quan tâm Vì vậy khi đề tài “Nghiên cứu quá trình hàn ma sát quay hai kim loại Đồng - Nhôm” được nghiên cứu thành công sẽ tạo nên một lựa chọn tốt cho việc liên kết hai kim loại Đồng – Nhôm nói riêng cũng như liên kết các kim loại khác nhau nói chung

Tuy nhiên quá trình hàn hai kim loại khác nhau gặp nhiều khó khăn do các kim loại khác nhau sẽ có tính chất cơ lý khác nhau như độ dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy

Do đó sẽ rất khó khăn khi hàn hai kim loại khác nhau ở cùng một nhiệt độ hàn Bên cạnh trường nhiệt độ khác nhau, khi hàn hai kim loại khác nhau còn cần chú ý tới nhiều yếu tố khác như:

- Hợp chất liên kim: các hợp chất này sẽ được hình thành trong vùng chuyển tiếp của quá trình hàn và thể hiện liên kết kim loại

- Khả năng hàn của kim loại: Khả năng hàn cho biết được các kim loại có thể hàn với nhau hay không, có tạo nên các vết nứt hay phản ứng tiêu cực nào khác tại mối hàn hay không Dựa vào độ hòa tan và các hợp chất liên kim loại có thể tính được khả năng hàn của kim loại Khả năng hàn sẽ không giống nhau đối với các kim loại khác nhau

- Giãn nở nhiệt: các kim loại khác nhau có độ giãn nở vì nhiệt khác nhau Nếu hai kim loại có sự chênh lệch quá lớn về khả năng giãn nở nhiệt thì sau khi mối hàn nguội sẽ gây ra ứng suất lớn bên trong mối hàn, làm ảnh hướng đến tuổi thọ của mối hàn

- Tốc độ nóng chảy của kim loại: Tương tự với sự giãn nở vì nhiệt, các kim loại khác nhau cũng có tốc độ nóng chảy khác nhau Vì vậy cần phải tính toán thời gian hợp lý để hai kim loại nóng chảy kết hợp với nhau trong quá trình hàn

- Ăn mòn: quá trình ăn mòn có thể xảy ra ở giữa khu vực chuyển tiếp của hai kim loại khác nhau Nếu hai kim loại nằm trên các phần cực kỳ khác nhau của thang đo điện hóa, sẽ gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến mỗi hàn do quá trình ăn mòn điện hóa

Vì vậy cần phải xem xét các yếu tố khác nhau trước khi cố gắng kết hợp hai kim loại khác nhau, vì điều này không chỉ xác định khả năng thành công của mối hàn mà còn xác định tuổi thọ của mối hàn

Có nhiều kỹ thuật hàn kim loại phổ biến hiện nay như hàn TIG, hàn MIG, hàn laze, hàn MMA, hàn plasma… Vì nhu cầu ngày càng lớn đối với việc liên kết các kim loại Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 8 không giống nhau nên có rất nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực này Hàn ma sát là một trong những nghiên cứu quan trong trong việc hàn các kim loại khác nhau Trong luận văn này sẽ nghiên cứu sử đụng hàn ma sát quay để liên kết hai kim loại Đồng và Nhôm.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Tìm được các thông số tối ưu của quá trình hàn ma sát quay hai kim loại Đồng – Nhôm

- Làm cơ sở cho việc nghiên cứu sâu hơn về hàn ma sát quay, cũng như làm tiền đề cho nghiên cứu hàn ma sát quay hai kim loại khác nhau sau này

- Tìm ra phương pháp để kết nối hai kim loại Đồng – Nhôm, ứng dụng trong điện tử, kỹ thuật nhiệt và các lĩnh vực khác, dưới dạng lưỡng kim

Tổng quan về hàn ma sát quay hai kim loại Đồng – Nhôm

1.3.1 T ổ ng quan v ề hàn ma sát quay a Khái niệm

Bản chất của quá trình hàn là kết nối hai hoặc nhiều phần kim loại với nhau Trong quá trình hàn các chi tiết kim loại đựơc liên kết với nhau bằng nhiệt hoặc áp lực hoặc kết hợp cả hai phương pháp nhiệt và áp lực

Hàn ma sát là quá trình hàn áp lực, sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, sau đó dùng lực ép để ép hai chi tiết lại với nhau làm cho kim loại mép hàn khuếch tán sang nhau tạo thành mối hàn

Nhiệt ma sát là nhiệt lượng sinh ra trong quá trình ma sát, do sự trượt tương đối của hai chi tiết với nhau Nhiệt ma sát phụ thuộc vào lực pháp tuyến của bề mặt ma sát và phụ thuộc vào hệ số ma sát giữa hai chi tiết, phụ thuộc vào vật liệu hàn và tốc độ chuyển động tương đối giữa hai chi tiết Trong quá trình hàn ma sát, phần lớn nhiệt ma sát làm nhiệm vụ nung kim loại mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, một phần truyền vào chi tiết hàn, phần còn lại truyền vào môi trường xung quanh

Có nhiều phương pháp hàn ma sát, trong đó một số phương pháp hàn ma sát chính thường được nghiên cứu và ứng dụng như: hàn ma sát quay, hàn ma sát tịnh tiến, hàn ma sát quỹ đạo, hàn ma sát khuấy… Trong luận văn nay sẽ nghiên cứu về hàn ma sát quay

Hình 1.1: Sơ đồ quá trình hàn ma sát quay [1] Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 9 Hàn ma sát quay là phương pháp hàn ma sát được ứng dụng để hàn hai chi tiết mà một trong hai có dạng trụ tròn xoay Trong quá trình hàn ma sát, hai chi tiết quay tương đối với nhau được ép lại sinh ra nhiệt ma sát làm mềm vật liệu tại vùng tiếp xúc, vật liệu hai phôi đưới lực ép lớn khuếch tán vào nhau tại mặt tiếp xúc sinh ra liên kết, tạo thành mối hàn như hình 1.1 b Các thông số cơ bản trong quá trình hàn ma sát quay

Hàn ma sát quay là quá trình chuyển trạng thái: Rắn sang chảy dẻo sau đó sang rắn của kim loại, do đó cơ tính của vật liệu cũng biến đổi theo từng giai đoạn của quá trình hàn Ứng với mỗi giai đoạn thì một hoặc một vài thông số nhất định sẽ ảnh hưởng chính đến chất lượng của mỗi hàn Đối với hàn ma sát truyền động trực tiếp (Direct-driver FWR), có 3 thông số chính điều khiển tính chất của hàn ma sát quay: Vận tốc quay (), thời gian hàn (t) và lực ép dọc trục (F) Tùy thuộc vào đặc tính của vật liệu, mỗi quan hệ với các thông số còn lại và yêu cầu đối với mối hàn mà giá trị các thông số chính biên thiên trong suốt quá trình hàn Do đó trùy thộc vào từng giai đoạn mà mỗi thông số chính có giá trị và tên gọi khác nhau nhằm nêu bật vai trò của thông số đó

- Vận tốc góc : Vận tốc góc của chi tiết quay so bới chi tiết cố định là thông số đầu vào điều khiển được và cũng là thông số chính Do đó vận tốc góc được xem như nhân tố tác động đến các thông số khác

- Thời gian hàn t: Là tổng thời gian cần thiết để thực hiện một mối hàn Bắt đầu từ lúc chi tiết bắt đầu quay cho đến khi kết thúc lực ép tạo mối hàn Thời gian này phụ thuộc vào đặc tính vật liệu của chi tiết hàn và yêu cầu đối với mối hàn Thời gian hàn được chia làm nhiều khoảng thời gian khác nhau trong suốt quá trình hàn tùy thuộc vào vai trò của các thông số khác (vận tốc và lực ép) trong mỗi giai đoạn hàn

- Lực ép dọc trục F: bao gồm cả lực ép tạo ma sát và lực ép tạo mối hàn Lực ép dọc trục quyết định đến chất lượng mối hàn thông qua lực ma sát sinh ra và sự trộn lẫn vật liệu hai chi tiết Lực ép dọc trục biến thiên tùy ý vào từng giai đoạn của quá trình hàn

- Bên cạnh các thông số điều khiển được thì tồn tại một số thông số khó hoặc không điều khiển được như rung động của các thiết bị xung quanh, nhiệt độ phòng… c Phân loại hàn ma sát quay

Có hai phương pháp hàn ma sát chính: hàn truyền động trực tiếp và hàn ma sát quán tính Hàn ma sát truyền động trực tiếp, đôi khi được gọi là hàn ma sát thông thường, sử dụng một động cơ chạy ở tốc độ không đổi để cung cấp năng lượng cho quá trình hàn Hàn ma sát quán tính, đôi khi được gọi là hàn ma sát bánh đà, sử dụng năng lượng được lưu trữ trong bánh đà để cung cấp năng lượng cho quá trình hàn Hai công nghệ hàn ma sát này tạo ra các hiệu ứng luyện kim khác nhau tại mặt liên kết chung d Ưu nhược điểm của hàn ma sát quay

- Ít hao phí vật liệu, tiết kiệm kim loại Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 10 - Thời gian hàn cực nhanh, năng suất cao

- Không phát xạ độc hại (khói độc, bắn tóe, bức xạ tử ngoại, )

- Khả năng chế tạo lại và điều khiển các thông số quá trình hàn tốt

- Không cần bổ xung kim loại phụ

- Dễ dàng tích hợp quá trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động

- Độ chính xác của các chi tiết hàn cao (kể cả khi hàn tiết diện đặc biệt)

- Hàn được các kim loại khác nhau với nhau

- Cơ tính mối hàn rất tốt

- Hàn được các loại tiết diện khác nhau

- Môi trường sản xuất sạch

- Không yêu cầu cao về tay nghề của công nhân

- Khuyết tật mối hàn hầu như không có

- Không cần yêu cầu tiết diện của 2 chi tiết phải giống nhau

- Là phương pháp hàn rất triển vọng trong tương lai

- Mối hàn lồi ba via mất công cắt bỏ (gia công cơ)

- Chiều dài của chi tiết hàn bị giảm

- Kích thước của chi tiết hàn bị hạn chế

- Không hàn được kết cấu quá phức tạp e Ứng dụng

Phương pháp hàn ma sát quay là phương pháp hàn nối, được ứng dụng hàn các chi tiết chỉ cần vật liệu chất lượng cao hoặc chế tạo đặc biệt tại một vài vị trí nhằm giảm chi phí vật liệu đầu vào Ðặc biệt là các chi tiết dạng trụ chịu tải cục bộ Ngoài ra phương pháp hàn ma sát quay còn ứng dụng chế tạo chi tiết bán thành phẩm, các chi tiết cần sự phối hợp cơ tính của hai loại vật liệu khác nhau Các chi tiết cần sự chính xác cao như van trong động cơ đốt trong, trục cánh quạt trong ngành hàng không vũ trụ, các chi tiết chịu tải lớn như trục gát dang, trục bánh răng, ống chịu lực, các chi tiết sử dụng trong thiết bị quốc phòng như xe pháo, xe tăng, súng ống,…

1.3.2 T ổ ng quan v ề hai kim lo ại Đồ ng – Nhôm

Do các tính chất vật lý đặc thù như độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn cao, độ dẻo cao… nên đồng và nhôm được ứng dụng nhiều trong cơ khí, điện, hóa học cả trong công nghiệp lẫn trong đời sống Do đó việc tồn tại mối liên kết giữa hai kim loại này là không thể thiếu Hàn ma sát quay là một trong những cách liên kết hai kim loại khác nhau Trong luận văn này sẽ nghiên cứu cách sử dụng hàn ma sát quay để liên kết kim loại Đồng và Nhôm a Tổng quan về Đồng:

- Đồng có tính dẫn nhiệt, dẫn điện cao Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 11 - Tính chống ăn mòn trong các môi trường thường gặp như khí quyển, nước, nước biển hay kiềm, axit hữu cơ khá tốt

- Tính dẻo rất cao do có mạng tinh thể lập phương tâm diện (A1) nên rất dễ biến dạng nóng và nguội, dễ chế tạo thành các bán thành phẩm dài, tiện cho sử dụng

Tình hình nghiên cứu về hàn ma sát quay đồng và nhôm

Hiện nay đã có một số nghiên cứu về hàn ma sát quay hai kim loại đồng và nhôm như:

“Ảnh hưởng của các thông số hàn ma sát lên các thuộc tính của phần Al-Cu” (2017) của Nada R Ratković [61] Nghiên cứu này phân tích lý thuyết và thực nghiệm về liên kết nhôm và đồng bằng hàn ma sát Các liên kết lưỡng kim Al-Cu được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn, công nghiệp, phân tích thực nghiệm trong nghiên cứu này được thực hiện trên các yếu tố cụ thể được sử dụng trong thiết bị điện tử Trong thực tế sự liên kết của hai vật liệu khác nhau rất phức tạp, vì các hiện tượng xuất hiện trong vùng liên kết hưởng lớn đến tính chất vật lý, cơ học và cấu trúc của các kim loại hàn so với kim loại cơ sở Bên cạnh việc phân tích lý thuyết các pha cơ bản và cơ chế của quá trình hàn ma sát, nghiên cứu còn bao gồm phân tích thực nghiệm các thay đổi hình học do biến dạng dẻo, sự thay đổi cấu trúc tế vi và độ cứng trong vùng liên kết, cũng như cơ tính, tính chất cơ bản của liên kết Al-Cu, chẳng hạn như độ bền kéo Nghiên cứu này trình bày một số kết quả đáng kể, cho thấy khả năng liên kết tốt của hai kim loại

“Phân tích cấu trúc vi mô trong hàn ma sát đồng và nhôm” (2015) của AG Wahyu Wibowo [52] Nghiên cứu này xem xét ảnh hưởng của lực ép, tốc độ quay và thời gian tiếp xúc trong hàn ma sát của Nhôm (Al) và Đồng (Cu) đến chất lượng của mối hàn

Quá trình hàn ma sát được thực hiện trên máy hàn ma sát được trang bị cơ cấu tải Các thông số được sử dụng là lực ép, tốc độ quay và thời gian ma sát Thực hiện xác định chất lượng hàn bằng cách kiểm tra độ bền kéo, độ cứng và cấu trúc tế vi trên mối hàn

Kết quả cho thấy chất lượng hàn ma sát rất tốt

“Ảnh hưởng của các thông số hàn đế tính chất của liên kết lưỡng kim Al / Cu”

(2016) của Veljko D Milasinovie [16] Mục tiêu của nghiên cứu này là xem xét ảnh hưởng của các thông số nhất định của quá trình hàn ma sát đến hình thái của liên kết nhôm - đồng Ảnh hưởng của các tham số sau được theo dõi: thời gian ma sát, áp suất ma sát, thời gian ép và áp lực ép Tốc độ quay không đổi và đạt 1500 phút Việc chuẩn Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 13 bị vật liệu hàn được thực hiện theo các điều kiện sản xuất công nghiệp Với phân tích SEM-EDS, người ta thấy rằng hình thái của mặt liên kết Al / Cu thay đổi một chút khi chúng ta thay đổi khoảng cách từ trục quay, bất kể sự kết hợp của các tham số hàn ma sát Ngoài ra, áp suất ma sát 48 MPa và áp suất ép 160 MPa đã gây ra sự thay đổi hình thái của mặt liên kết Al / Cu, trong thời gian hàn tại thời điểm hiệu ứng tăng áp để liên kết ảnh hưởng đáng kể đến việc thay đổi hình dạng mặt liên kết Al / Cu trong khoảng thời gian rất ngắn (chỉ vài giây)

“Liên kết vật liệu nhôm và đồng bằng hàn ma sát” (2009) của Mumin Sahin [11]

Trong nghiên cứu này, hai vật liệu đồng và nhôm được nối bằng hàn ma sát Các thông số tối ưu thu được bằng cách sử dụng phương pháp thống kê Sử dụng phương pháp kiểm tra độ bền kéo và độ cứng của mối hàn Kiểm tra bằng các ảnh chụp tế vi Phân tích sự phân tán năng lượng của tia X để xác định các pha xảy ra trong quá trình hàn

Quan sát thất một lớp màu xám xuất hiện tại các bề mặt phá hủy của mối hàn Nhận xét rằng lớp vật liệu này làm giảm độ bền của liên kết

 Nhận xét: Qua các nghiên cứu có thể thấy được việc nối Al và Cu có thể được thực hiện thành công bằng cách hàn ma sát; tuy nhiên, để có được mối hàn, đáp ứng tất cả các điều kiện kỹ thuật cần thiết, cần đặc biệt chú ý đến việc lựa chọn các tham số của quá trình hàn như vận tốc, thời gian, áp suất.

Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài

- Nghiên cứu sử dụng hàn ma sát quay để hàn hai kim loại Đồng và Nhôm Để làm được điều này cần tìm được các thông số chính của quá trình hàn Có 3 thông số chính điều khiển tính chất của hàn ma sát quay: Vận tốc quay (), thời gian hàn (t) và lực ép dọc trục (F) Tùy thuộc vào đặc tính của vật liệu, mỗi quan hệ với các thông số còn lại và yêu cầu đối với mối hàn mà giá trị các thông số chính khác nhau và biên thiên trong suốt quá trình hàn

 Với mục tiêu trên cần thực hiện các nhiệm vụ sau:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết phương pháp hàn ma sát quay

- Nghiên cứu tính chất của hai vật liệu hàn

- Dựa trên các nghiên cứu đã có, phân tích, đánh giá, tính toán cặn kẽ để hạn chế số thí nghiệm

- Xây dựng mô hình toán, phân tích và chọn thông số thí nghiệm

- Xây dựng mô hình thí nghiệm

- Phân tích và đánh giá kết quả Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 14

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nguyên lý hàn ma sát quay

Hình 2.1: Quá trình hàn ma sát điển hình [2]

Hàn ma sát quay là một quá trình hàn ở trạng thái rắn, trong đó nhiệt để hàn được tạo ra bởi chuyển động tương đối của hai mặt tiếp xúc Phương pháp này dựa vào việc chuyển đổi trực tiếp năng lượng cơ học thành năng lượng nhiệt để tạo thành mối hàn mà không cần ứng dụng nhiệt từ bất kỳ nguồn nào khác Trong điều kiện bình thường không có sự tan chảy xảy ra tại mặt liên kết Hình 2.1 cho thấy một mối hàn ma sát điển hình, trong đó một phôi được giữ cố định (không có chuyển động quay) và phôi còn lại quay dưới áp suất không đổi hoặc tăng dần cho đến khi mặt liên kết đạt đến nhiệt độ hàn Tốc độ quay, áp lực dọc trục và thời gian hàn là các biến số chính được kiểm soát nhằm cung cấp sự kết hợp cần thiết giữa nhiệt và áp suất để tạo thành mối hàn Các thông số này được điều chỉnh để mặt liên kết được làm nóng vào phạm vi nhiệt độ dẻo có thể tạo thành mối hàn Khi mặt liên kết được làm nóng, áp lực dọc trục được sử dụng để đưa các mặt liên kết hàn tiếp xúc chặc chẽ Trong giai đoạn cuối cùng của quá trình hàn, sự Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 15 khuếch tán nguyên tử xảy ra khi các mặt liên kết tiếp xúc với nhau, cho phép một liên kết liên kim hình thành giữa hai vật liệu

Hàn ma sát liên quan đến việc sinh nhiệt thông qua quá trình ma sát, tản nhiệt, biến dạng dẻo và khuếch tán Mối tương quan giữa các yếu tố này trong khi phát triển các mô hình dự đoán của quá trình hàn ma sát được tìm hiểu thông qua các nghiên cứu trong hàn ma sát và theo dữ liệu thử nghiệm trên nhiều loại vật liệu Năm yếu tố định tính ảnh hưởng đến chất lượng của mối hàn ma sát:

- Vận tốc tương đối - Áp suất tác dụng - Thời gian hàn - Nhiệt độ bề mặt - Vật liệu hàn - Điều kiện bề mặt hàn

Ba yếu tố đầu tiên có liên quan đến hàn ma sát, trong khi hai yếu tố cuối cùng liên quan đến tính chất của vật liệu được nối

Trong hàn ma sát, vận tốc tương đối, áp suất tác dụng và thời gian hàn là ba biến điều khiển được Nhiệt độ bề mặt là thông số quan trọng để đảm bảo chất lượng mối hàn và phụ thuộc vào điều kiện hàn và vật liệu được hàn Mặc dù nhiệt độ bề mặt không được đo chính xác hoặc kiểm soát trực tiếp, ảnh hưởng của nhiệt độ không đủ hoặc không quá mức thường rõ ràng thông qua kiểm tra trực quan mối hàn thành phẩm Các tính chất vật liệu hàn và tình trạng của các bề mặt hàn ảnh hưởng đến quá trình ma sát và đặc tính liên kết của vật liệu hàn a Kỹ thuật hàn ma sát

Hình 2.2: Biểu đồ hàn ma sát điều khiển trực tiếp [3] Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 16

Hình 2.3: Biểu đồ hàn ma sát quán tính [3]

Hình 2.4: Biểu đồ quá trình hàn tổ hợp [3]

Có 3 phương pháp hàn ma sát xoay : hàn ma sát điều khiển trưc tiếp, hàn ma sát quán tính và hàn mà sát tổ hợp

- Hàn ma sát điều khiển trực tiếp: Năng lượng hàn được truyền từ động cơ truyền động trực tiếp Ở biến thể này của hàn ma sát xoay, vận tốc quay được giữ không đổi suốt thời gian ma sát tạo nhiệt Lực ép dọc trục thường được phân ra ba mức khác nhau lần lượt là lực tiếp xúc, lực ép ma sát sinh nhiệt và cuối cùng là lực ép tạo liên kết như Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 17 sơ đồ hình 2.2 Quá trình hàn này được áp dụng tốt nhất cho các thanh có đường kính lên đến 250 mm

- Hàn ma sát quán tính: Ở hàn ma sát quán tính thì điều chỉnh vận tốc đến tốc độ cần thiết , sau đó tách động cơ ra khỏi trục chính, bánh đà sẽ tạo moment quán tính giữ cho trục chính tiếp tục quay để thực hiện quá trình hàn Vận tốc hàn, lực tác dụng và độ dài ép được thể hiện trong sơ đồ hình 2.3 Năng lượng hàn được lưu trữ trong bánh đà

Quá trình này được áp dụng tốt nhất cho các chi tiết có dạng hình ống lớn khi không cần phải xem xét kích thước của ổ trục chính Quá trình hàn này cũng được áp dụng cho hàn ống và kim loại tấm vì cần năng lượng cao ở đầu chu kỳ hàn để thâm nhập vào vật liệu tấm

Hàn ma sát tổ hợp: biến thể này của quá trình hàn kết hợp từ năng lượng hàn của quá trình hàn trực tiếp với hiệu ứng bánh đà của hàn quán tính Hình 2.4 thể hiện sự phân bố vận tốc hàn, lực tác dụng và độ dài ép trong suốt quá trình hàn Hàn ma sát tổ hợp được áp dụng tốt nhất cho việc gia nhiệt trước trên các vật liệu cần tốc độ hàn chậm, làm mát hoặc vật liệu dễ dãy ở nhiệt độ thường Quá trình hàn tổ hợp cũng được sử dụng để kết hợp các siêu hợp kim khác nhau như van động cơ diesel hoặc bộ tăng áp trong các tàu biển lớn

Các công nghệ hàn ma sát có thể được áp dụng thông qua các loại chuyển động tương đối khác nhau để tạo ra ma sát cần thiết để hình thành mối hàn Hình dạng hàn ma sát phổ biến nhất là trong hình 2.1, trong đó một thành phần hình trụ được giữ cố định và phần còn lại được xoay Tuy nhiên, trong các phương pháp khác, cả hai thành phần được quay theo hai hướng ngược nhau hoặc hai thành phần đứng yên được đẩy vào một phần xoay được định vị giữa chúng Các hình thức bổ sung của hàn ma sát, chẳng hạn như chuyển động xuyên tâm, quỹ đạo và chuyển động tịnh tiến tuyến tính, đã được phát triển cho hình học phần đặc biệt b Ứng dụng

Hàn ma sát có thể được sử dụng để liên kết một loạt các vật liệu giống nhau và không giống nhau Kim loại, gốm sứ, vật liệu tổng hợp ma trận kim loại (MMC) và polyme đều được hàn ma sát liên kết và nhiều tổ hợp kim loại khác nhau không thể liên kết bằng các kỹ thuật hàn nhiệt hạch thông thường đều có thể dễ dàng liên kết bằng phương pháp hàn ma sát c Yêu cầu mối hàn ma sát

Hai yêu cầu chung để hình thành các mối hàn ma sát tốt là: Các vật liệu được nối có thể rèn được và các vật liệu có thể tạo ra ma sát tại mặt liên kết mối hàn Yêu cầu đầu tiên loại bỏ các mối hàn kim loại trong các vật liệu giòn như gốm sứ, gang, và cacbua xi măng Tuy nhiên, vật liệu dẻo đôi khi có thể được nối với các vật liệu này Các yêu cầu thứ hai loại bỏ các vật liệu có chứa hợp kim cung cấp dầu bôi trơn khô như phụ gia gia công tự do cho thép, hợp kim có chứa than chì như gang và hợp kim chì Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 18

2.1.2 Phươn g pháp liên k ế t kim lo ạ i trong hàn ma sát quay

Liên kết kim loại trong hàn ma sát quay là liên kết khuêch tán a Nguyên tắc cơ bản của liên kết khuếch tán

Liên kết khuếch tán là một quá trình tạo ra sự kết hợp trạng thái rắn giữa hai vật liệu trong các điều kiện sau:

- Liên kết xảy ra dưới nhiệt độ nóng chảy (TM) của vật liệu liên kết, thường lớn hơn ẵ TM - Sự liên kết của các mặt tiếp xúc được tạo thành dưới tác động của lực là nguyên nhân gây biến dạng của chi tiết

Do đó, liên kết khuếch tán tạo điều kiện cho việc nối các vật liệu để tạo ra các thành phần không có sự gián đoạn đột ngột trong cấu trúc vi mô và với tối thiểu biến dạng b Cơ chế liên kết khuếch tán

Quá trình liên kết khuếch tán là việc sử dụng áp suất và nhiệt độ cho một mặt liên kết trong một khoảng thời gian quy định để điền đầy các khoảng trống ở bề mặt tiếp xúc giữa hai phôi hàn được Tuy lý thuyết quá trình liên kết khuếch tán có thể áp dụng phổ biến cho nhiều các kim loại, nhưng các kim loại chỉ được liên kết đối với các vật liệu có điều kiện bề mặt không có rào cản cản trở liên kết nguyên tử như không có oxit bề mặt hoặc khí hấp thụ ở bề mặt liên kết c Các bề mặt liên kết có chứa các oxit

Có thể hình thành liên kết khuếch tán đối với các vật liệu có lớp oxit trên bề mặt, tuy nhiên khả năng liên kết của các vật liệu này ít hơn đáng kể so với vật liệu gốc (vật liệu không có lớp oxit trên bề mặt) Hợp kim nhôm là một ví dụ điển hình của trường hợp này Nghiên cứu từ năm 1960 chứng minh hạn chế đến tính chất liên kết khuếch tán Mặc dù độ bền giao diện có thể được tăng lên đối với các vật liệu mang oxit, nhưng nó đòi hỏi phải mở rộng đáng kể bề mặt phân lớp liên kết để tạo ra dòng chảy dẻo cục bộ của kim loại và đồng thời phá vỡ lớp oxit Nói chung, lớp oxit không bị loại bỏ, mà chỉ được phân tán trên một diện tích bề mặt lớn hơn trong một môi trường kín, trong đó quá trình oxy hóa không thể tái diễn Do đó, ngay cả với biến dạng bề mặt đáng kể, chỉ một phần diện tích mặt liên kết góp phần tăng cường độ liên kết Tỷ lệ diện tích kim loại không có oxit phụ thuộc vào độ cứng tương đối của kim loại và lớp màng oxit của nó, cũng như các tính chất cơ học của oxit Loại liên kết này, mặc dù thường được coi là liên kết khuếch tán, được mô tả tốt hơn là liên kết biến dạng và không phù hợp với định nghĩa chặt chẽ của biến dạng thấp liên quan đến liên kết khuếch tán

Với thông tin phù hợp và thực hiện các thí nghiệm đầy đủ có thể xác định độ liên kết khuếch tán của hầu hết các vật liệu Sử dụng liên kết khuếch tán không thể luôn đạt được độ bền như đối với kim loại gốc, đặc biệt đối với các vật liệu có lớp oxit bề mặt, Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 19 nhưng độ bề liên kết có thể được tối đa hóa nếu hiểu được các nguyên tắc cơ bản của quy trình d Cơ chế liên kết khuếch tán

Hình 2.5: Các giai đoạn của quá trình liên kết khuếch tán [2]

(a) Tiếp xúc ban đầu: Hai mặt phẳng kim loại liên kết bị chặn tại những điểm nhấp nhô trên bề mặt (nhiệt độ phòng)

(b) Giai đoạn 1: Sự biến dạng của bề mặt nhấp nhô bởi dòng chảy dẻo và sự trượt

(c) Giai đoạn 2: sự sắp xếp và dịch chuyển các hạt tại ranh giới liên kết khuếch tán để giảm các khoảng trống giữa hai bề mặt liên kết

(d) Giai đoạn 3: Các hạt khuếch tán đến các lỗ trống hình thành liên kết giữa hai mặt kim loại

Các thông số đặc trưng của quá trình hàn ma sát quay

Hàn ma sát quay là quá trình chuyển trạng thái: rắn => chảy dẻo => rắn của kim loại, do đó cơ tính của vật liệu cũng biến đổi theo từng giai đoạn của quá trình hàn Ứng với mỗi giai đoạn thì một hoặc một vài thông số nhất định sẽ ảnh hưởng chính đến chất lượng của mối hàn Đối với hàn ma sát truyền động trực tiết, có 3 thông số chính điều khiển tính chất của hàn ma sát quay: Vận tốc quay (), thời gian hàn (t), lực ép dọc trục (F) Tùy vào đặc tính của vật liệu, mối quan hệ với các thông số còn lại và yêu cầu đối với mối hàn mà giá trị của các thông số chính biến thiên trong suốt quá trình hàn Do đó tùy thuộc vào từng giai đoạn mà mỗi thông số chính có giá trị và tên gọi khác nhau nhằm nêu bật vai trò của thông số đó

Vận tốc góc : vận tốc góc của chi tiết quay so với chi tiết cố định Là thông số đầu vào điều khiển được và cũng là thông số chính, do đó vận tốc góc được xem như nhân tố tác động đến các thông số khác Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 23

Thời gian hàn t: Là tổng thời gian cần thiết để thực hiện mối hàn Bắt đầu từ lúc chi tiết bắt đầu quay cho đến khi kết thúc lực ép tạo mối hàn Thời gian này phụ thộc vào đặc tính vật liệu của chi tiết hàn và yêu cầu đối với mối hàn Thời gian hàn được chia làm nhiều khoảng thời gian khác nhau trong suốt quá trình hàn, tùy thuộc vào vai trò của các thông số khác (vận tốc và lực ép) trong mỗi giai đoạn hàn

 t1: là khoảng thời gian trễ từ lúc chi tiết bắt đầu quay cho đến khi hai bề mặt hàn tiếp xúc với nhau (khi lực ép tạo ma sát bắt đầu tác dụng) Khoảng thời gian này giúp cho chi tiết quya đtạ được động năng nhất định nhằm tránh quá tải, sinh ra lượng nhiệt lớn tức thời tại bề mawyj tiếp xúc, tránh hiện tượng nóng chảy trong vùng vật liệu lớn xung quanh mối hàn

 t2: là khoảng thời gian ma sát lần thứ nhất Khoảng thời gian lực ép tạo ma sát từ F = F0 = 0 đạt đến giá trị F = F1 Khoảng thời gian này giúp tạo bavia đẩy tạo chất trên bề mặt hàn ra khỏi mối hàn

 t3: là khoảng thời gian ma sát lần thứ hai Đây là khaonrg thời gian sinh nhiệt ma sát lớn nhất Lượng nhiệt sinh ra làm chảy vùng vật liệu hàn, đồng thời giai chi tiết quay tuowg đối với nhau trong lúc vật liệu chảy dẻo giúp cho vật liệu của hai chi tiết trộn lẫn vào nhau hình thành lớp vật liệu mới Cùng với lực F2, t3 quyết định nhiệt độ của vùng vật liệu chảy dẻo, do đó quyết định cơ tính của mối hàn

 t4: là khoảng thời gian ép tạo mối hàn Đây là khoảng thời gian ép giúp cho vật liệu chảy dẻo của hai chi tiết trộn lẫn vào nhau Tuy nhiên t4 phụ thuộc vào nhiệt độ hiện tại của vùng hàn và hệ số truyền nhiệt của vật liệu

Lực ép dọc trục F: bao gồm lực ép tạo ma sát và lực ép tạo mối hàn Lực ép dọc trục quyết định đến chất lượng mối hàn thông qua lực ma sát sinh ra và khuếch tán vật liệ của hai chi tiết Lực ép dọc trục biến thiên tùy vào từng giai đoạn của quá trình hàn

 F1: lực ép tạo ma sát lần 1 Độ lớn của lực F1 nhỏ, nhằm tránh gây biến dạng lớn hoặc quá tải khi tiếp xúc hai chi tiết với nhau Đồng thời đây là thời gian tạo bavia làm sạch bề mặt hàn, nếu lực F1 lớn dẫn đến vùng chảy dẻo lớn sẽ đẩy chất bẩn vào mối hàn

 F2: lực ép tạo ma sát lần 2 Đây là lực ép chính tạo lực ma sát làm nóng vật liệu tạo mối hàn

 F3: Lực ép tạo mối hàn Lực ép F3 rất lớn giúp cho vật liệu của hai chi tiết hàn khuếch tán vào nhau Lực F2 tăng lên F3 khi vận tốc góc của chi tiết quay dần về 0, do đó thời gian tăng từ F2 lên F3 phải ngắn để tránh vùng vật liệu hàn bị nguội

Bên cạnh các thông số điều khiển được thì tồn tại một số thông số khó hoặc không điều khiển được như: rung động của các thiết bị xung quanh, nhiệt độ phòng… Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 24

Nhiệt độ trong quá trình hàn

Trong hàn ma sát, các bề mặt rắn cọ sát vào sinh ra nhiệt do quá trình ma sát Do quá trình này không ổn định và liên quan đến tình huống gia nhiệt đối xứng trục, nên việc xây dựng phân tích nhiệt trở nên cần thiết Trong phần này sẽ phân tích nhiệt dựa trên nhiệt sinh ra do ma sát, mất nhiệt tại mối hàn do dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt

Vật liệu rắn được hàn với nhau bằng cách cung cấp nhiệt lượng bằng cách gia nhiệt để làm nóng chảy hoặc làm mềm mặt liên kết giữa hai vật liệu sau đó kết nối hoặc ép chúng lại với nhau Ma sát là một trong những phương pháp tạo ra năng lượng nhiệt cần thiết cho quá trình hàn Khi các bề mặt rắn cọ xát với nhau, nhiệt được tạo ra do ma sát

Nhiệt sinh ra do ma sát sau đó khuếch tán qua các thành phần mà liệu rắn tiếp xúc (truyền nhiệt trong phôi rắn, đối lưu nhiệt với không khí…) Gia nhiệt là cách cần thiết để tạo các mối hàn, nó cũng ảnh hưởng đến các tính chất cơ học cũng như cấu trúc vi mô của vật liệu hàn trong vùng lân cận của giao diện hàn

Thực hiện phân tích nhiệt của hàn ma sát để xác định sự phân bố nhiệt độ xung quanh mặt liên kết của mối hàn và cho phép xác định hiệu ứng nhiệt độ cao đối với cấu trúc vi mô của vật liệu cũng như chất lượng của mối hàn

Ví dụ, xem xét hai vật thể rắn có bề mặt phẳng được ép với nhau bằng một lực F và có vận tốc trượt tương đối giữa hai mặt phẳng là V Công suất tiêu thụ đối với lực ma sát Ff = F được chuyển thành năng lượng nhiệt tại mặt liên kết Tốc độ tạo ra năng lượng nhiệt (công suất nhiệt) được tính bởi công thức ̇ = = (2.1)

Với là hệ số ma sát, nếu diện tích mặt liên kết là A thì công suất nhiệt sinh ra trên một đơn vị diên tích được tính theo công thức:

Nhiệt lượng được tạo ra tại mặt liên kết được qua các vật thể rắn Sự truyền nhiệt trong mỗi chất rắn phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của chất rắn

Sự phân bố nhiệt độ trong chất rắn có thể được xác định bằng cách giải phương trình dẫn nhiệt Nếu các tính chất vật lý nhiệt được giả định là không đổi và không có sự thay đổi pha (tức là không có sự nóng chảy của chất rắn) thì sẽ có phương trình dẫn nhiệt như sau:

= ∇ (2.3) Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 25 Trong đó = / là độ khuếch tán nhiệt, k là độ dẫn nhiệt, là khối lượng riêng và CP là nhiệt dung riêng

Trong nhiệt học, dẫn nhiệt (hay tán xạ nhiệt, khuếch tán nhiệt) là việc truyền năng lượng nhiệt giữa các phân tử lân cận trong một chất, do một chênh lệch nhiệt độ

Nó luôn luôn diễn ra từ vùng nhiệt độ cao hơn tới vùng nhiệt độ thấp hơn, theo định luật hai của nhiệt động học, và giúp cân bằng lại sự khác biệt nhiệt độ Theo định luật bảo toàn năng lượng, nếu nhiệt năng không bị chuyển thành dạng khác, thì trong suốt quá trình này, nhiệt năng sẽ không bị mất đi Đại lượng đo lường sự dẫn nhiệt trong một vật chất nhất định nào đó là độ dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt diễn ra trong tất cả các dạng của vật chất, tức chất rắn, chất lỏng, khí và plasma Trong các chất rắn, đó là do sự kết hợp của dao động của các phân tử trong cấu trúc tinh thể và vận chuyển năng lượng của điện tử tự do Trong các chất khí và chất lỏng, dẫn nhiệt là do sự va chạm và khuếch tán của các phân tử trong chuyển động ngẫu nhiên của chúng

Trên một quy mô nhỏ, dẫn nhiệt xảy ra khi các phân tử, nguyên tử hay các hạt nhỏ hơn (như electron) ở vùng nóng (dao động nhanh) tương tác với các hạt lân cận (ở vùng lạnh hơn, dao đông chậm hơn), chuyển giao một số động năng của dao động nhiệt từ hạt dao động nhanh sang những hạt dao động chậm Nói cách khác, sức nóng được trao đổi giữa các nguyên tử hay phân tử lân cận khi chúng dao động và va chạm với nhau (trong hầu hết vật chất, trao đổi này còn được coi như sự dịch chuyển của dòng phonon), hoặc là bởi electron dao động nhanh di chuyển từ một nguyên tử khác (trong kim loại)

Dẫn nhiệt đóng góp lớn vào truyền nhiệt trong một chất rắn hoặc giữa các vật thể rắn khi chúng tiếp xúc nhau Trong chất rắn, sự dẫn nhiệt xảy ra mạnh vì mạng lưới các nguyên tử nằm ở vị trí tương đối cố định và gần nhau, giúp việc trao đổi năng lượng giữa chúng thông qua dao động được dễ dàng Đị nh lu ậ t Fourier Định luật Fourier là định luật cơ bản cho hiện tượng dẫn nhiệt, nói rằng:

“Thông lượng nhiệt chảy qua một vật liệu trong một đơn vị thời gian là tỷ lệ thuận với trái dấu của gradien nhiệt độ theo chiều dòng nhiệt và với diện tích vuông góc với dòng nhiệt”

Có thể biểu diễn toán học cho định luật này ở dạng tích phân hoặc dạng vi phân

Trong biểu diễn ở dạng vi phân, thông lượng nhiệt địa phương q (nhiệt năng chảy qua một đơn vị diện tích bề mặt vuông góc với dòng chảy, trong một đơn vị thời gian) Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 26 , bằng với tích của độ dẫn nhiệt, k, và trái dấu của gradien nhiệt độ −∇

⃗ =− ∇ (2.4) với (trong hệ đo lường SI) là thông lượng nhiệt địa phương, đo bằng W/m 2 là độ dẫn nhiệt của vật liệu, đo bằng W/(mK)

TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT CÁC THÔNG SỐ HÀN MA SÁT QUAY HAI

Thông số cần tính toán

Vì chi tiết thực nghiệm có dạng hình trụ đặc, đường kích 16 mm nên theo phương pháp phân loại hàn ma sát được đề cập ở chương 1, trong luận văn này sẽ sử dụng phương pháp hàn ma sát quay trực tiếp để hàn kết nối hai chi tiết kim loại Al và Cu Các thông số của quá trình hàn ma sát được biểu diễn như trên hình 3.1

Hình 3.1: Các thông số quá trình hàn ma sát [1]

Như đã giới hạn ở chương 1, trong luận văn này sẽ sử dụng máy hàn ma sát quay hiện có tại phòng thí nghiệm của trường để tiến hành thực nghiệm Khi sử dụng máy này để hàn ma sát sẽ có hai giai đoạn chính:

- Giai đoạn ma sát: Trong giai đoạn này hai thanh kim loại sẽ ma sát và sinh nhiệt cho quá trình hàn Để tiến hành giai đoạn ma sát cần cung cấp các thông số đầu vào cơ bản như vận tốc quay n1, áp suất nén P1 và thời gian t1) Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 34 - Giai đoạn chồn: Hai thanh kim loại sau khi được gia nhiệt đến nhiệt độ hàn nhờ quá trình ma sát sẽ được ép lại với nhau tạo liên kết hàn Trong giai đoạn này các thông số đầu vào bao gồm vận tốc quay n2, áp suất nén P2 và thời gian t2

Nghĩa là thay vì tính toán các thông số cụ thể như trong sơ đồ hình 3.1 thì sẽ tiến hành các thông số thực nghiệm khi nghiên cứu hàn ma sát quay: n1, n2, P1, P2, t1, t2

 M ột vài điề u ki ện để rút g ọ n thông s ố thí nghi ệ m c ầ n tính:

- Vận tốc hàn đạt giá trị cố định tại thời điểm bắt đầu hàn và duy trì không đổi trong suốt quá trình ma sát tạo nhiệt Vì máy hàn ma sát hiện có tại phòng thì nghiệm có tốc độ quay lớn nhất: nmax = 1400 vòng/phút Do đó để phù hợp với điều kiện thí nghiệm thì chọn vận tốc quay của giai đoạn ma sát là n1 = 1400 vòng/phút

- Khi chuyển qua giai đoạn ép thì vận tốc sẽ giảm về 0, tức là n2 = 0

- Lực ép ở hai gia đoạn hàn khác nhau, tuy nhiên lực ép trong mỗi gia đoạn thì xem như không đổi Lực ép sẽ tăng dần từ 0 đến giá trị cần thiết và duy trì không đổi trong quá trình gia nhiệt hàn, khi kết thúc giai đoạn 1 (giai đoạn ma sát) thì lực ép sẽ tăng lên là suy trì một giá trị không đổi trong giai đoạn 2 (giai đoạn chồn) Lực ép ở giai đoạn 2 lớn hơn lực ép ở giai đoạn 1 tức là áp suất nén P2 > P1.

Các thông số của kim loại hàn

Để tạo thuận lợi cho quá trình toán ở chương tiếp theo, ta cần nghiên cứu kỹ thuộc tính cũng như các thông số cơ bản của kim loại hàn (Đồng và Nhôm)

3.2.1 Các thông s ố đặc trưng củ a Đồ ng:

Trong thực nghiệm hàn ma sát quay ở luận văn này sử dụng đồng gồm có các thành phần Cu, Ca, Co với tỷ lệ như trong bảng 3.1

Bảng 3.1: Các thành phần của đồng sử dụng cho thực nghiệm hàn ma sát

Thành phần Cu Ca Co

Tỷ lệ % 99,856 0,099 0,045 Đồng với tỷ lệ như trong bảng 3.1 còn được gọi là đồng tinh luyện Đây là hợp kim đồng có tỷ lệ đồng rất cao có khả năng làm việc rất tốt ở trạng thái nóng và lạnh, có khả năng rèn tốt Được chế tạo bằng các phương pháp: dập, đúc, kéo, chồn, rèn dập nóng, rèn khuôn, dập khuôn…

Công dụng tiêu biểu: Được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, kiến trúc (trang trí, chống thấm, đường ống, vật liệu lợp mái, che chắn…), ô tô (đệm lót, tản nhiệt…), điện ( thanh góp, tiếp điểm, các chi tiết trong radio, thiết bị chuyển mạch, thiết bị đầu cuối…), và một số ứng dụng khác như anot, thiết bị hóa học, ấm, chảo…Đồng này phù hợp để sử dụng khi không yêu cầu độ dẫn cao và nhiệt độ ủ thấp của đồng cường độ cao điện phân Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 35 Các thông số đặt trưng: khối lượng riêng 8890 kg/m 3 , nhiệt độ nóng chảy 1085 o C, hệ số dẫn nhiệt 377 W/mK, nhiệt dung riêng 385 j/kg.K, ứng suất chảy dẻo ở nhiệt độ thường là 305 MPa, ứng suất kéo là 330 MPa, nhiệt độ làm việc nóng 750-950 o C

Khi hàn nhiệt độ phôi đồng sẽ tăng lên, gây ảnh hưởng đến thông số ứng suất chảy như trong bảng 3.2

Bảng 3.2: Sự thay đổi các thông số cơ bản theo nhiệt độ của Đồng [63]

3.2.2 Các thông s ố đặc trưng c ủ a Nhôm:

Bảng 3.3: Các thành phần của nhôm sử dụng cho thực nghiệm hàn ma sát

Thành phần Al Si Fe Cu Zn Mn Cr Ti At Ni

Trong thực nghiệm hàn ma sát quay ở luận văn này sử dụng nhôm gồm có các thành phần Al, Si, Fe, Cu, Zn, Mn, Cr, Ti, At, Ni với tỷ lệ như trong bảng 3.3

Nhôm với tỷ lệ như trong bảng 3.3 còn được gọi là hợp kim nhôm A6061 Tuy mẫu có có một số tạp chất so với hợp kim nhôm A6061 tiêu chuẩn nhưng vẫn có những tính chất tương tự Nhôm A6061 có khả năng chống ăn mòn cao nhất trong số các hợp kim nhôm có qua xử lý nhiệt, có độ bền cao so với các seri nhôm hợp kim Nhôm A6061 có tính năng dễ gia công và dễ tạo hình, độ cứng cao và không bị han gỉ oxi hóa

Nhôm A6061 dễ hàn, dễ uốn, bề mặt anot bóng đẹp và có thể sơn phủ được Khả năng dẫn điện bằng 40% so với đồng

Công dụng tiêu biểu: Nhôm A6061 là loại nhôm hợp kim được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất, được sử dụng cho tất cả các ứng dụng kết cấu xây dựng cũng như công nghiệp Dùng cho linh kiện tự động hóa và cơ khí, khuôn gia công thực phẩm, khuôn gia công chế tạo bên cạnh đó còn sử dụng trong hàng không, bán dẫn, đồ gá lắp và cố định

Các thông số đặc trưng: khối lượng riêng 2700 kg/m 3 , nhiệt độ nóng chảy 580 o C, hệ số dẫn nhiệt 167 W/mK, nhiệt dung riêng 896 j/kg.K, ứng suất chảy dẻo là 305 MPa, ứng suất kéo là 340 MPa Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 36 Khi thay đổi nhiệt độ các thông số của nhôm sẽ có sự thay đổi nhất định Sự thay đổi này thể hiện ở bảng 3.4:

Bảng 3.4: Sự thay đổi các thông số cơ bản theo nhiệt độ của Nhôm [64]

Hệ số dẫn nhiệt (W/mK) 167 175 185 195 190 185

Nhiệt dung riêng (j/kg.k) 896 920 970 1000 1030 1080 Ứng suất chảy

Bên cạnh các thông số của đồng và nhôm cần tìm hiểu thêm một số thông số như hệ số ma sát, hệ số truyền nhiết đối lưu Hệ số ma sát của đồng và nhôm khoảng 0,4

Phôi nhôm chuyển động tịnh tiến nên hệ số truyền nhiệt đối lưu của phôi nhôm là hệ số truyền nhiệt đối lưu tự do h1 = 10 W/(m 2 K), phôi đồng chuyển động quay nên có hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức h2 = 1000 W/(m 2 K)

Bảng 3.3: Tổng hợp các thông số tính toán quá trinh hàn ma sát quay:

STT Tính chất Nhôm Đồng

2 Hệ số dẫn nhiệt (W/mK) 167 377

5 Hệ số truyền nhiệt đối lưu (W/(m 2 K)) 10 1000

11 Hệ số ma sát 0,4 Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 37

Tính toán thông số hàn ma sát

3.3.1 Các gi ả đị nh khi phân tích quá trình hàn ma sát: Để thuận tiện cho quá trình tính toán, ta giả định:

- Hình dạng các chi tiết không đổi trong quá trình hàn

- Nhiệt sinh ra do quá trình ma sát và áp suất được lan truyền đồng nhất ở giao diện (mặt tiếp xúc giữa hai thanh kim loại)

- Giả định các thanh kim loại hàn đồng nhất và đẳng hướng

- Nhiệt đầu vào được coi là không đổi trong suốt quá trình hàn

3.3.2 Phân tích nhi ệ t: a Nhiệt tạo ra do ma sát

Dựa trên giả thuyết phân bố lực là đồng nhất trên giao diện, nhiệt ma sát được tính toán thông qua phương pháp phân tích sau đây:

 Đầu tiên xét hình vòng ma sát với bán kính trong r, và chiều rộng hình là dr trên giao diện như hình 3.2 Vi phân công suất sinh nhiệt trong quá trình ma sát được tính theo công thức: ̇ = ( ) (3.1)

Hình 3.2: Bề mặt ma sát và vòng ma sát (dr) [1]

Với là vận tốc góc của thanh kim loại, dM là vi phân momen xoắn của phần tử cách tâm một khoảng r và được tính bằng công thức:

- Gọi P là áp suất không đổi tác dụng lên dao diện, diện tích vòng ma sát hình vành khăn là dA ( = (2 ) ) Biến đổi phương trình áp suất thành phương trình vi phân trong khu vực dA, thu được vi phân dF của lực tác dụng lên khu vực hình vành khăn dA Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 38 Với:

= ( ) (3.3) Đối với hình vành khăn có diện tích dA thì lực tác dụng:

Lực F tác dụng lên giao diện là áp lực do áp suất P tác dụng để ép hai thanh kim loại với nhau Lực F có phương vuông góc với giao diện và độ lớn bằng phản lực, cũng là lực sinh ra phản lực tạo ma sát tại giao diện giữa hai thanh kim loại Do đó lực ma sát dFf trên hình vành khăn được tính theo công thức:

Với là hệ số ma sát giữa hai kim loại hàn ma sát Thay (3.5) vào (3.2) được:

Thay (6) vào (1) được vi phân công suất sinh nhiệt khi xoay hình vành khăn có diện tích bán kính r: ̇ = = 2 ( ) (3.7)

Từ phương trình (7) suy ra công suất nhiệt ma sát được tạo ra khi ép hai thanh kim loại có bán kính giao diện R với áp suất P là: ̇ = 2 =2

Nhiệt sinh ra trên một điểm bất kỳ cách tâm một khoảng r: ̇( ) = ̇

2 = ( / ) (3.9) b Tính toán áp suất quá trình ma sát

Tiến hành hàn ma sát hai thanh kim loại đồng và nhôm đường kính 16mm, chiều dài thanh đồng là 120 mm, chiều dài thanh nhôm là 140 mm Vì thanh có chiều dài hữu hạn nên theo công thức 2.14 ta có thể tính được nhiệt lượng ̇ để bề mặt giao diện của hai thanh tăng lên đến nhiệt độ cần thiết bằng công thức:

1 tanh ( ) ( ) (3.10) Với = ta có: Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 39

- (0) là hàm nhiệt độ tại giao diện (K) - là nhiệt độ môi trường xung quanh (K) - ̇ là nhiệt lượng cần cung cấp để đạt nhiệt độ T(0) (W) - h là hệ số truyền nhiệt đối lưu (W/(m 2 K)

- k là hệ số dẫn nhiệt (W/mK) - p là chu vi của thanh (m) - A là tiết điện thanh (m 2 ) - L là chiều dài thanh kim loại (với thanh nhôm Ln = 140 mm = 0,14m, và thanh đồng Lđ = 120mm = 0,12m ) - Bán kính thanh kim loại R = 8 mm = 0.008 m (để đơn giản hóa quá trình tính toán, xem thanh kim loại là hình trị có cùng bán kính R) Làm thí nghiệm ở điều kiện nhiệt độ phòng thí nghiệm là 27 o C khi đó ta có:

Theo “Nguyên tắc cơ bản của liên kết khuếch tán” trình bày ở chương 2 thì nhiệt độ cần đạt được tại mặt liờn kết sau quỏ trỡnh ma sỏt thường lớn hơn ẵ nhiệt độ núng chảy Vì nhiệt độ nóng chảy của đồng lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của nhôm nên lấy nhiệt độ hàn lớn hơn ẵ nhiệt độ núng chảy của đồng và nhỏ hơn nhiệt độ núng chảy của nhôm Tạm thời tính toán nhiệt độ hàn cần đạt được là 550°

Vì đồng có hệ số dẫn nhiệt lớn hơn công với phôi đồng chuyển động quay nên hệ số truyền nhiệt đối lưu sẽ lớn hơn do đó sẽ mất nhiệt nhanh hơn Vì vật ta tính nhiệt lượng theo phôi đồng Thay các thông số vào phương trình ta có nhiệt lượng của quá trình ma sát theo thời gian đối với phôi đồng: Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 40 ̇ = 2 2ℎ tanh 2ℎ

Gọi P1 là áp suất tác dụng cần thiết để quá trình hàn ma sát đạt đến nhiệt lượng ̇ Tính P1 theo công thức: ̇ =2 3

(3.22) Áp suất tác dụng cần thiết để quá trình hàn ma sát đạt đến nhiệt lượng q là: ̇ =2 3

Tốc độ của động cơ là 1400 vòng/phút nên

→ = 32,34 (3.28) c Tính toán thời gian ma sát

Theo công thức (2.20) ở chương 2, ta có thời gian cần thiết để nhiệt độ tăng từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ hàn của đồng:

↔ ≈8 ( ) (3.33) d Các thông số trong giai đoạn ép (giai đoạn ép hình thành liên kết)

Khi bước vào giai đoạn ép thì áp lực ép tác dụng lên hai phôi hàn phải lớn hơn ứng suất chảy của hai phôi hàn này Theo như tính toán và giải thuyết thì nhiệt độ khi bước vào giai đoạn ép là 550 o C, mặt khác theo các thông số về vật liệu hàn (đồng và nhôm) ở bảng 3.2 và bảng 3.4 thì có ứng suất chảy của đồng ở nhiệt độ khoảng 500 o C là 85 MPa và ứng suất chảy của nhôm ở nhiệt độ khoảng 500 o C là 20 MPa Do đó lấy thông số ứng suất chảy của đồng để tính toán thông số áp suất giai đoạn ép hình thành liên kết hàn Áp suất giai đoạn ép cần lớn hơn 85 MPa Tạm thời lấy áp suất ép P2 = 85 MPa

Sau giai đoạn ma sát, hai kim loại sau khi được gia nhiệt lên đến nhiệt độ phù hợp được ép chặt với nhau dưới áp suất P2, trong thời gian t2 để tạo liên kết Trong giai đoạn này kim loại sẽ không tiếp tục được gia tốc nên n2 = 0.

Kết quả tính toán

Sau quá trình tính toán có tính toán sơ bộ các thông số của quá trình hàn ma sát hai kim loại đồng và nhôm: Áp suất quá trình ma sát P1 = 32,34 MPa và áp suất giai đoạn hàn P2 = 85 MPa, thời gian ma sát t1 = 8 s, vận tốc quay trong giai đoạn ma sát n100 vòng/phút, vận tốc quay trong giai đoạn ép bằng không Thông số còn lại là thời gian ép sẽ thông qua quá trình thực nghiệm để xác định Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 42

THỰC NGHIỆM HÀN MA SÁT QUAY HAI KIM LOẠI ĐỒNG - NHÔM

Đối tượng tiến hành thực nghiệm

 Trong luận phạm vi luận văn sẽ tiến hành nghiên cứu hàn ma sát quay hai kim loại đồng và nhôm có đặc điểm:

Hình 4.1: Hình dạng, kích thước phôi nhôm

Hình 4.2: Hình dạng, kích thước phôi đồng Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 43 a) Phôi nhôm b) Phôi đồng

Hình 4.3: Phôi thí nghiệm hàn ma sát quay

- Sử dụng hàn ma sát quay để hàn hai chi tiết từ vật liệu đồng và nhôm có hình dạng và kích thước như hình 4.1, hình 4.2 và hình 4.3 Đường kích bề mặt tiếp xúc là 16 mm, hạ bậc 14mm để trách phôi bị trượt theo chiều dọc trong quá trình hàn Mỗi thí nghiệm sử dụng 1 phôi đồng và 1 phôi nhôm, dựa vào số thí nghiệm dự tính để chuẩn bị số lượng phôi cho phù hơp.

Thiết bị thực nghiệm

Hình 4.4: Máy hàn ma sát quay

Sử dụng máy hàn ma sát quay (hình 4.4) tại phòng thí nghiệm trường đại học Bách Khoa TP HCM để tiến hành thực nghiệm hàn ma sát quay hai kim loại Đồng và Nhôm

Máy có cấu tạo gồm hai cụm chính là cụm quay có tác dụng tạo vân tốc quay tương đối của hai phôi hàn và cụm tịnh tiến có tác dụng tạo lực ép (lực ép ma sát và lực ép trong quá trình hàn) tại mặt tiếp xúc của hai phôi hàn

4.2.1 Các thông số trong quá trình ma sát đối với máy thí hàn ma sát tại phòng thí nghiệm Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 44

 Chia các giai đoạn hàn ma sát trong máy hàn ma sát quay:

Máy hàn ma sát quay hiện tại trong phòng thí nghiệm chi quá trình hàn ma sát thành hai giai đoạn chính là giai đoạn ma sát và giai đoạn ép

Giai đoạn ma sát có nhiệm vụ chính là sử dụng nhiệt sinh ra trong quá trình ma sát của hai phôi hàn để gia nhiệt cho phôi hàn, giúp phôi hàn đạt đến nhiệt độ hàn

Giai đoạn ép có nhiệm vụ chính là sử dụng lực ép dọc trục để tạo liên kết giữa hai phôi hàn sau khi hai phôi đã đạt đến nhiệt độ hàn

 Các thông số đối với từng giai đoạn hàn

Vì máy hàn ma sát chia quá trình hàn thành hai giai đoạn chính nên các thông số chính của từng giai đoạn hàn cũng được quy định lại

 Giai đoạn ma sát: trong giai đoạn này các thông số chính bao gồm:

- Vận tốc góc V1: vận tốc góc đối với máy hàn ma sát quay trong giai đoạn này được cố định là 1400 vòng/phút

- Thời gian ma sát T1: Do khoảng thời gian trễ t1 đã được mặc định trong máy nên ta chỉ cần nhập thời gian ma sát bằng tổng thời gian ma sát lần thứ nhất và lần thứ hai (t2 và t3)

- Áp suất ma sát P1: Áp suất ma sát để tạo lực ép dọc trục cho phôi hàn trong giai đoạn ma sát (F1 và F2)

 Giai đoạn ép: trong giai đoạn này các thông số chính bao gồm:

- Vận tốc góc V2: vận tốc góc đối với máy hàn ma sát quay trong giai đoạn này bằng 0

- Thời gian ép T1: là thời gian ép tạo mối hàn (t4) - Áp suất ép P1: Áp suất để tạo lực ép dọc trục (F3) cho phôi hàn trong giai đoạn ép giúp kim loại khuếch tán, tạo liên kết hàn

Vậy các thông số cần tìm để thực hiện thí nghiệm hàn ma sát quay với máy hàn ma sát quay tại trường bao gồm thời gian ma sát T1, thời gian ép T2, áp suất ma sát P1 và áp suất ép P2.

Các bước tiến hành hàn ma sát quay

Chuẩn bị các phôi hàn đồng và nhôm có kích thước như hình 4.1, hình 4.2

Bước 2: Làm sạch bề mặt phôi hàn

Dùng giấy nhám làm sạch bề mặt liên kết của cả phôi đồng và phôi nhôm như hình để loại bỏ tạp chất gây ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Hình 4.6 Thể là phôi hàn trước và sau khi làm sạch bề mặt Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 45

Hình 4.5: Sử dụng giấy nhám làm sạch bề mặt phôi hàn a) Phôi trước khi làm sạch bề mặt b) Phôi sau khi làm sạch bề mặt

Hình 4.6: Dụng cụ cố định phôi hàn Bước 3: Gắn phôi hàn lên đầu dao kẹp như hình 4.7

Hình 4.7: Gắn phôi hàn vào dụng cụ cố định phôi Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 46

Bước 4: Gắn phôi hàn lên máy hàn ma sát quay như hình 4.8

Hình 4.8: Gắn phôi hàn lên máy hàn ma sát quay

Hình 4.9: Bản điều khiển máy hàn ma sát quay

Hình 4.10: Kết quả mối hàn Đồng – Nhôm với những thông số đầu vào khác nhau Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 47

Bước 5: Điều chỉnh thông số hàn Hình 4.9 là bản điều khiển máy hàn ma sát quay

Vì không thay đổi tốc độ hàn nên chỉ điều chỉnh các hệ số thời gian ma sát (T1), thời gian ép (T2), áp suất ma sát (P1), áp suất ép (P2)

Bước 6: Bấm nút Auto để tiến hành quá trình hàn (nếu có sự cố bấm nút Reset để dừng máy hàn) Sau khi hàn sẽ thu được lên kết giữa hai phôi như hình 4.10

Bước 7: Dùng máy tiện để dọn sạch phôi thừa sẽ có được thành phẩm như hình

Hình 4.11: Mối hàn Đồng – Nhôm sau khi dọn phôi thừa

Bước 8: Sử dụng thành phẩm ở bước 7, tiến hành kéo để kiểm nghiệm độ bền của mối hàn, sau đó sử lý kết quả để tìm ra thông số hàn tốt nhất.

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm

4.4.1 M ục đích tiế n hành quy ho ạ ch th ự c nghi ệ m

Tìm ra các thông số hàn để thu được kết quả hàn tốt nhất Các thông số chính của quá trình hàn gồm có vận tốc ma sát, thời gian ma sát, áp suất ma sát, vận tốc ép, thời gian ép, áp suất ép để tối ưu quá trình thực nghiệm

4.4.2 L ự a ch ọn phương pháp quy hoạ ch th ự c nghi ệ m t ối ưu

Có nhiều phương pháp để tìm được thông số tối ưu cho quá trình thực nghiệm như:

- Phân tích mô hình hồi quy từ bài toán thực nghiệm Nếu mô hình nhận được là thích hợp, ta có thể sử dụng chúng để giải bài toán tối ưu

- Tìm điều kiện tối ưu trực tiếp bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Bài toán giải theo cách này sẽ đơn giản hơn nhiều so với việc đầu tiên phải xây dựng phương trình hồi quy sau đó mới giải bài toán tối ưu

Trong bài toán này ta cần tìm các thông số thời gian ma sát, áp suất ma sát, áp suất ép để mối hàn có giá trị ứng suất kéo lớn nhất Có nhiều phương pháp quy hoạch thực Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 48 nghiệm tối ưu với nhiều nhân tố như phương pháp tìm kiếm theo tọa độ, phương pháp độ dốc nhất, phương pháp đơn hình… Trong đó phương pháp độ dốc nhất là phương pháp hiệu quả nhất và sử dụng phổ biến nhất trong tối ưu thực nghiệm dựa trên cơ sở các phương pháp gradient tìm kiếm cực trị Trong luận văn này sẽ sử dụng phương pháp độ dốc nhất để tìm giá trị tối ưu của quá trình hàn ma sát hai kim loại Đồng – Nhôm.

Tiến hành quy hoạch thực nghiệm

Bài toán đặt ra là tìm các thông số hàn (thời gian ma sát, áp suất ma sát, áp suất ép) để ứng suất kéo của mối hàn là tốt nhất Để tạo thuân lợi trong thao tác thí nghiệm, sử dụng các thông số nhập vào máy hàn ma sát như thời gian ma sát, thời gian ép, áp suất ma sát, áp suất ép làm các thông số quy hoạch thực nghiệm Tiến hành quy hoạch thực nghiệm theo các bước sau:

4.5.1 Quy đổ i các thông s ố tính toán nh ậ p vào máy hàn ma sát

Sau khi hoàn thành quá trình tính toán ở chương 3, ta có các thông số sơ bộ của quá trình hàn ma sát hai kim loại đồng và nhôm Tiến hành quy đổi các thông số đã tính toán để nhập vào máy hàn ma sát Theo kết quả chương 3 thì có áp suất ma sát là P12,34 MPa và áp suất ép là P2 = 85 MPa, thời gian ma sát t1 = 8 s, vận tốc quay trong giai đoạn ma sát n100 vòng/phút, vận tốc quay trong giai đoạn ép bằng không

Giá trị áp suất tính toán được ở trên là áp suất tác dụng lên bề mặt phôi hàn có đường kính 16mm = 0,016 m Máy hàn ma sát sử dụng để thực nghiệm sử dụng xilanh có bore size 100 mm = 0,1 m nên áp suất cần nhập vào máy trong giai đoan ma sát là:

Khi đó áp suất cần nhập vào máy trong giai đoạn ép là:

Các thông số vừa tính toán được là thông số hàn ở điều kiện lý tưởng ứng với các điều kiện hàn và thông số hàn giả định cộng với giả thuyết vật liệu đồng nhất, các thông số của vật liệu như (kích thước, khối lượng riêng, hệ số ma sát, độ dẫn nhiệt…) không thay đổi theo nhiệt độ, để tạo thuận lợi cho quá trình tính toán, do đó thông số tính toán Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 49 sẽ có một số sai lệch so với các thông số hàn thực tế Để giảm chi phí thực nhiệm trước khi bước vào quá trình quy hoạch thực nghiệm chính thức ta sử dụng các thông số vừa tính toán làm cơ sở để thực hiện một số thí nghiệm thăm dò Sau đó sử dụng kết quả thực nghiệm thăm dò tốt nhất làm tâm thực nghiệm để tiến hành quy hoạch thực nghiệm

Tiến hành hàn các chi tiết đồng, nhôm có đường kính 16mm với các thông số hàn như bảng 4.1 (với T1 là thời gian ma sát, T2 là thời gian ép, P1may là áp suất ma sát nhập vào máy, P2may là áp suất ép nhập vào máy)

Thực nghiệm thăm dò đâu tiên, lấy các thông số tính toán để tiến hành thực nghiệm

Sau khi hàn hai thanh đồng và nhôm tiền hành phá hủy mối hàn, bề mặt hàn như hình 4.12 Nhận thấy tuy hai kim loại có liên kết được với nhau nhưng rất dễ bị phá hủy

Quan sát sơ bộ bề mặt liên kết của mối hàn nhận thấy tuy có hình thành lớp liên kim giữa hai kim loại nhưng lớp liên kim này không liên tục, chứng tỏ lực ép chưa đủ hoặc nhiệt độ ở giai đoạn ép chưa đủ Tiến hành thay đổi các thông số hàn như bảng 4.1 để tìm được mối hàn có độ bền tốt hơn

Hình 4.12: Bề mặt liên kết sau khi phá hủy mối hàn

Bảng 4.1: Thông số thực nghiệm thăm dò

STT T1 (s) T2 (s) P1may (MPa) P2may (MPa)

7 12 10 1,75 5.75 Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 50 Sau khi hàn tiến hành phá hủy mối hàn để tìm được thông số hàn tốt nhất Trong các thực nghiệm thì thực nghiệm 7 cho mối hàn khó phá hủy nhất, và khi quan sát sơ bộ thấy bề mặt lớp liên kim liên tục, nên sử dụng các thông số này làm tâm quy hoạch thực nghiệm Thời gian ép T2 là thời gian giữ áp suất ép P2 giúp quá trình khuếch tán diễn ra Sau khi nhiệt độ bề mặt liên kết giảm xuống dưới nhiệt độ hàn thì thời gian ép không còn tác dụng nhiều đến mối hàn do đó có thể lược bỏ thông số này để giảm số thí nghiệm trong quy hoạch thực nghiệm Trong quá trình thực nghiệm thăm dò, thời gian T2 bằng 10s thì quá trình hàn diễn ra bình thường, do đó trong quá trình quy hoạch thực nghiệm chọn T2, các thông số còn lại tìm bằng quy hoạch thực nghiệm

4.5.3 Quy ho ạ ch th ự c nghi ệ m Để thuận tiện cho quá trình tính toán, quy hoạch, gọi các thông số cần tìm là:

X1 (giây) – là thời gian ma sát X2 (MPa) – là áp suất ma sát (thông số nhập vào máy) X3 (MPa) – là áp suất ép (thông số nhập vào máy) Thông số tối ưu là giới hàn bền y (MPa) của mối hàn (cần tìm giá trị lớn nhất)

Từ kết quả tính toán ở chương 3 và các thí nghiệm thăm dò, chọn tâm quy hoạch là điểm:

( ) = 12 , ( ) = 1,75 , ( ) = 5,75 Khoảng thay đổi các nhân tố:

∆ = 1 , ∆ = 0,25 , ∆ = 0,25 Để đơn giản quá trình mã hóa, ta thay đổi các giá trị thực , , thành các giá trị mã hóa x1, x2, x3

 x3 = 1 khi = ( ) +∆ = 6 và x3 = -1 khi = ( ) − ∆ = 5,5 Vì có 3 nhân tố (3 biến) nên trong loạt thí nghiệm đầu tiên ta sử dụng thực nghiệm toàn phần với 2 3 = 8 thực nghiệm theo ma trận thực nghiệm X như sau:

Sau khi thực hiện thí nghiệm, tiến hành kiểm tra độ bền mối hàn và thu được kết quả như trong sơ đồ hình 4.13, hình 4.21 thể hiện phôi hàn sau khi thực hiện kiểm tra bền Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 51 Dựa vào lực bền mối hàn thu được từ máy đo độ bền và đường kính mối hàn, tìm được ứng suất bền được thông qua công thức:

Hình 4.13: Một số phôi hàn sau khi thực hiện kiểm tra bền

Hình 4.14: Kết quả kiểm nghiệm bền mẫu 1 Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 52

Hình 4.15: Kết quả kiểm nghiệm bền mẫu 2

Hình 4.16: Kết quả kiểm nghiệm bền mẫu 3 Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 53

Hình 4.17: Kết quả kiểm nghiệm bền mẫu 4

Hình 4.18: Kết quả kiểm nghiệm bền mẫu 5 Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 54

Hình 4.19: Kết quả kiểm nghiệm bền mẫu 6

Hình 4.20: Kết quả kiểm nghiệm bền mẫu 7 Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 55

Hình 4.21: Kết quả kiểm nghiệm bền mẫu 8

Từ các kết quả thu được, ta có kết quả quy hoạch thực nghiệm toàn phần như trong bảng 4.2

Bảng 4.2: Kết quả quy hoạch thực nghiệm toàn phần hàn ma sát quay Đồng-Nhôm

Lực bền Fb (KN) Đường kính mối hàn d (mm) ứng suất bền y (MPa)

8 1 -1 -1 -1 32,5 16 161,64 Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 56 Với kết quả thu được tính các hệ số của phương trình hồi quy theo quy hoạch thực nghiệm toàn phần Để tính toán hệ số phương trình hồi quy của thực nghiệm toàn phần ta sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất Tìm hệ số của phương trình hồi quy được viết dưới dạng mã hóa:

Sử dụng công thức 5.6 (sách Quy hoạch và phân tích thực nghiệm của thầy Nguyễn Hữu Lộc) để xác định các hệ số tuyến tính của phương trình hồi quy:

Vậy phương trình hồi quy ứng suất kéo của quá trình hàn sau loạt thí nghiệm đầu tiên:

Theo hàng 14 bảng 4.3 chỉ ra hệ số phương trình hồi quy của mô hình toán Nhân các hệ số này với khoảng thay đổi của các nhân tố tương ứng ta được hàng 15 của bảng 4.3

Ta chọn mức cơ sở là X1 vì | ∆ | > | ∆ | > | ∆ | Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 57 Chọn bước thay đổi của nhân tố này bằng =−1,5 (vì tìm cực đại nên cùng dấu với ) Nên chọn giá trị | | >∆ để trong thí nghiệm đầu tiên của độ dốc lớn nhất ở ngoài giới hạn miền giá trị các nhân tố

Xác định hệ số λ theo công thức λ ∆ = −1,5

Sau đó tìm các giá trị bước thay đổi đối với các nhân tố còn lại

=λ ∆ = 0,26 (−0,98) =−0,26 (4.19) Các thông số của thí nghiệm độ đốc nhất đầu tiên:

Kiểm tra tổ chức mối hàn

Sau khi tìm được thông số tối ưu, tiến hành soi tổ chức mối hàn để xem xét có hình thành các khuyết tật trong mối hàn như lỗ khí, tạp chất, nứt gãy xảy ra bên trong mối hàn hay không Nếu có sẽ tiếp tục cải thiện để giảm thiểu khuyết tật nhằm tăng chất lượng mối hàn Kết quả kiểm tra sẽ chỉ ra được mối hàn có thành công hay không, có cần phải điều chỉnh lại các thông số để tăng cơ tính của mối hàn, giảm khuyết tật hay không

4.6.2 Ki ể m tra t ổ ch ứ c m ố i hàn b ằng phương pháp soi tế vi:

Phương pháp này có thể kiểm tra được tổ chức mối hàn và đo chiều dày lớp liên kim Tiến hành soi tế vi mối hàn theo các bước sau:

Bước 1: Tiến hành cắt đôi chi tiết hàn như hình 4.20 để có thể quan sát mối hàn bên trong chi tiết

Hình 4.25: Hình ảnh mối hàn sau khi cắt đôi chi tiết hàn Bước 2: Tiến hành đánh bóng, tẩm thực chi tiết hàn

Bước 3: Tiến hành soi tế vi mối hàn tại 5 điểm như hình 4.21 và được kết quả như hình 4.22

Hinh 4.26: Các điểm kiểm tra tổ chức mối hàn Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 63

(a) Kiểm tra mối hàn tại a (b) Kiểm tra mối hàn tại b

(c) Kiểm tra mối hàn tại c (d) Kiểm tra mối hàn tại d

(e) Kiểm tra mối hàn tại e

Hinh 4.27: Kết quả soi tế vi kiểm tra tổ chức mối hàn Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 64 Theo kết quả soi tổ chức mối hàn như hình 4.27, nhận thấy giữa hai kim loại hình thành một lớp liên kim có chiều dày từ 14,129 đến 27,316 Lớp liên kim rõ ràng, liên tục không bị đứt quãng, trong vùng liên kim còn có những pha tối màu Những pha tối màu này có thể là những pha liên kim loại, tạp chất hoặc các vết nứt tế vi, khuyết tật mối hàn… Ở mục 4.6.3 sẽ tiến hành kiểm tra khuyết tật mối hàn nên hiện tại xem các pha tối này là các tạp chất

Trước khi tiến hành hàn kim loại đã làm sạch phần lớn tạp chất, oxit ở bề mặt liên kết của phôi đồng và nhôm, nên có thể nói những tạp chất này nằm trong kim loại hàn, vì vậy ảnh hưởng của tạp chất đối với mối hàn tương đương với ảnh hưởng đối với kim loại hàn Nghĩa là sẽ không ảnh hưởng đến độ bền tương đối của mối hàn đối với kim loại nền Bên cạnh đó những pha tối màu này ở xa tâm của mặt liên kết, đồng thời phân bố ở những vùng có lớp liên kim dày nên không ảnh hưởng đến sự liên kết của đồng và nhôm Đồng thời giữa đồng, lớp liên kim, nhôm có những vị trí khuếch tán vào nhau tăng diện tích tiếp xúc của mỗi hàn cũng đồng thời tăng khả năng liên kết của mối hàn

Sự liên kết giữa đồng và nhôm liên tục trong mặt liên kết

Bảng 4.4: Chiều dày trung bình lớp liên kim tại các điểm đo Điểm a b c d e

Bảng 4.4 thể hiện chiều dày của lớp liên kim tại các điểm đo Dễ dàng nhận thấy chiều dày lớp liên kim hẹp ở tâm chi tiết hàn và mở rộng dần khi ra phía bên ngoài chi tiết Nguyên nhân của việc này là do quá trình hàn sử dụng nhiệt sinh ra do ma sát để gia nhiệt cho chi tiết hàn Bên cạnh đó theo công thức 2.1 ( ̇ = = ) thì công suất nhiệt tỉ lệ thuận với vận tốc dài Vật có hình trụ nên cùng vận tốc góc tì vận tốc dài ở càng xa tâm sẽ có giá trị càng lớn dẫn đến nhiệt sinh càng nhanh Do đó phía bên ngoài mối hàn được gia nhiệt nhiều hơn tâm mối hàn Điều này cũng là nguyên nhân của sự biến đổi chiều day mối hàn dọc theo đường hàn

 Cấu trúc vùng vật liệu nền và vùng ảnh hưởng nhiệt của Nhôm:

Vùng vật liệu nền cấu trúc tinh thể có dạng hình hạt kéo dài (như hình 4.28) theo phương hướng kính chứng tỏ vật bị ép qua lỗ hình tròn (nhôm đùn) Vật liệu nền (phôi nhôm đùn) đã chịu biến dạng dẻo trong quá trình chế tạo, quá trình biến dạng dẻo này làm cho các hạt ban đầu của phôi có xu hướng kéo dài, bẹt ra theo hướng biến dạng Sau quá trình biến dạng dẻo này do mạng tinh thể bị xô lệch sẽ làm thay đổi cơ tính của nhôm như tăng độ bền, độ cứng tức có xu hướng biến cứng, hóa bền nhưng có xu hướng làm giảm độ dẻo, độ dai tức có xu hướng biến giòn Hiện tượng này gọi là hóa bền biến dạng Vì cả Đồng và Nhôm đều có mạng tinh thể A1 nên sẽ có hiệu ứng hóa bền rất mạnh Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 65 Tuy nhiên sau khi hàn, hình dạng và kích thước hạt của vùng ảnh hưởng nhiệt có thay đổi từ hình hạt kéo dài sang hình đa cạnh (như hình 4.29), chứng tỏ vật liệu đã có sự kết tinh lại Vật liệu sau kết tinh lại thường sẽ mềm và dẻo hơn bên cạnh đó độ cứng và độ bền giảm Tức là vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ mềm và dẻo hơn vùng kim loại nền

Quá trình kết tinh lại không làm thô hạt mà còn làm hạt nhỏ lại, đây là hiệu quả rất tốt sau kết tinh lại (hạt càng nhỏ càng tốt) Nguyên nhân của hiện tượng này là do trong quá trình kết tinh lại phôi nhôm đồng thời chịu ảnh hưởng của lực ép trong giai đoạn ép của quá trình hàn ma sát

Hình 4.28: Cấu trúc tại vùng vật liệu nền của Nhôm (f)

Hình 4.29: Cấu trúc tại vùng ảnh hưởng nhiệt của Nhôm (g)

 Cấu trúc vùng vật liệu nền và vùng ảnh hưởng nhiệt của Đồng:

Hình 4.30 thể hiện cấu trúc vùng kim loại nền và vùng ảnh hưởng nhiệt của phôi Đồng Khác với phôi Nhôm, các hạt của phôi Đồng không có dạng hạt kéo dài mà có dạng đa cạnh, kích thước không đều nhau Vùng ảnh hưởng nhiệt các hạt cũng có dạng Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 66 đa cạnh nhưng có kích thước lớn hơn kích thước hạt tại vùng vật liệu nền Nguyên nhân của hiện tượng này là do phôi đồng trong quá trình hàn đạt nhiệt độ trên nhiệt độ kết tinh lại dẫn tới xảy ra quá trình kết tinh lại ở vùng ảnh hưởng nhiệt của phôi đồng Tuy nhiên do ứng suất chảy của đồng lớn hơn nhiều so với nhôm nên áp suất ép trong giai đoạn ép không ảnh hưởng đến quá trình kết tinh lại của Đồng, dẫn tới các hạt đồng sau kết tinh lại có kích thước lớn Kích thước lớn cũng làm giảm cơ tính của vùng hảnh hưởng nhiệt của đồng

Hình 4.30: Cấu trúc tại vùng ảnh hưởng nhiệt (h) và vùng vật liệu nền (k) của Đồng

Sử dụng phương pháp chụp macro để kiểm tra mối hàn Phương pháp này tương tự với phương pháp soi cấu trúc mối hàn nhưng thay đổi dung dịch tẩm thực và giảm độ phân giải (vì các vết nứt cũng như khuyết tật mối hàn có kích thước lớn hơn rất nhiều so với kích thước hạt), với phương pháp này kết quả thu được chỉ có thể nhận biết được các pha tối và các vết nứt trong mối hàn và vùng vật liệu hàn xung quanh lớp liên kim

Tiến hành soi macro trên toàn bộ đường hàn và chụp tại những điểm tiêu biểu như hình 4.31 có kết quả như hình 4.32 Khi soi macro không nhận thấy các vết nứt cũng như khuyết tật mối hàn

Hinh 4.31: Các điểm chụp kiểm tra khuyết tật mối hàn Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 67

Hinh 4.32: Kết quả kiểm tra khuyết tật mối hàn

Theo hình ảnh thu được thì vùng liên kết giữa đồng vài nhôm ngoài sự một số pha tối thì cả hải bên kim loại đồng, nhôm và vùng liên kết đều rất mịn, không hề có vết nứt tế vi hay các khuyết tật khác

4.6.4 Ki ểm tra độ c ứ ng m ố i hàn:

Tiến hành kiểm tra độ cứng mối hàn theo các điểm như trên hình 4.33 và thu được kết quả như hình 4.34

Theo như kết quả đo độ cứng thu được ở đồ thị hình 4.34, thì độ cứng của nhôm giảm dần khi tiến lại gần mối hàn, nguyên nhân của hiện tượng này là do vùng ảnh hưởng nhiệt của nhôm sau khi hàn được kết tinh lại nên sẽ mềm và dẻo hơn Mặc khác độ cứng đo được ở phôi đồng không có chuyển biến nhiều, nguyên nhân là do nhiệt độ nóng chảy của đồng lớn nên vùng ảnh hưởng nhiệt của đồng cũng không rộng bằng vùng ảnh hưởng nhiệt của nhôm Tại vị trí hàn, độ cứng tăng đột biến (lớn hơn giá trị độ cứng của đồng và nhôm Nguyên nhân có thể do lớp liên kim làm tăng độ cứng của mối hàn Đặng Thị Mỹ Hạnh - 1670294 68

Hinh 4.33: Vị trí kiểm tra độ cứng mối hàn