Luận văn thạc sĩ Cơ kỹ thuật: Nghiên cứu ứng xử cơ học của mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm nhóm 7

Công nghệ này đã và đang được phát triển ứng dụng rất mạnh trong các hợpkim được xem là khó hàn với các phương pháp hàn chảy truyền thông.. Trong các ngành công nghiệp chế tạo, các hợp k

DƯƠNG ĐÌNH HẢO

NGHIÊN CỨU UNG XỬ CƠ HỌC CUA MOI HANMA SÁT KHUAY TAM HỢP KIM NHOM NHÓM 7

Chuyên ngành : Co học ky thuậtMã sô : 605202

TP HO CHI MINH, thang 12 năm 2014

Cán bộ hướng dẫn khoa học : 1 TS Trần Hưng Trà

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA

KHOA HOC UNG DUNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ tên học viên: DƯƠNG DINH HAO MSHV: 12884965

Ngày, tháng, năm sinh: 02/01/1986 Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật Mã số : 605202I TÊN ĐÈ TÀI: Nghiên cứu ứng xử cơ học của mối hàn ma sát khuấy tắm hợp kim

nhôm nhóm 7

Il NHIEM VU VÀ NỘI DUNG:

- Tim hiểu các nghiên cứu trong va ngoài nước có liên quan đến đề tai- Tim hiểu co sở lý thuyết

- - Nghiên cứu chế tạo mối han

- Thu nghiệm cơ tính và thảo luận

IH NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/01/2014IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 21/11/2014Vv CÁN BỘ HƯỚNG DAN: 1 TS Trần Hưng Trà

2 TS Vũ Công Hòa

Tp HCM, ngày 21 tháng 11 năm 2014CAN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

1 Hướng dẫn 1 :

2 Hướng dẫn 2 :

TRUONG KHOA KHOA HOC UNG DỤNG

(Họ tên va chữ ky)

Sau một thời gian thực hiện, đến nay đề tài của tôi đã hoàn thành Đề có đượckết quả này tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến TS Trần Hưng Trà và TS VũCông Hòa những người đã hướng dẫn hết sức nhiệt tình cho tôi trong suốt thời gianqua Đồng thời tôi cũng gửi lời cảm ơn đến:

- Tất cả quý Thay, Cô trong BM Cơ kỹ thuật của trường DH Bách khoa TP.HCM và trường ĐH Nha Trang đã cung cấp kiến thức và chia sẻ những kinhnghiệm quý báu để tôi thực hiện dé tai này

- Quý thầy cô trong thư viện ĐH Bách khoa TP HCM đã cung cấp cho tôi

những tài liệu tham khảo quý báu.

- Ban Giám hiệu và khoa Xây dựng trường ĐH Nha Trang đã tạo nhiều điềukiện thuận lợi để tôi thực hiện khóa học

- Quý thầy và đồng nghiệp tại xưởng thực tập Cơ khí, trường ĐH Nha Trangđã giúp tôi trong việc chế tạo phôi và các mẫu thí nghiệm

- Quý thay phòng thí nghiệm Vật liệu kỹ thuật, trường DH Nha Trang đã tạođiều kiện trong việc nhiệt luyện, chuẩn bị mẫu, quan sát cau trúc và đo độ cứngcũng như xác định độ bên kéo và uốn của mối han

- Quý thầy và nhân viên của Viện nghiên cứu chế tao tàu thủy, trường DH Nha

Trang đã giúp đỡ tôi trong quá trình xác định năng lượng va đập.

- Quý thầy cô của phòng thí nghiệm trọng điểm Polymer, khoa Công nghệ vậtliệu, tường DH Bách khoa TP HCM đã tạo điều kiện để tôi tìm hiểu máy đo độbền mỏi

Cuối cùng xin gửi đến gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp lời cảm ơnchân thành vì những hỗ trợ, động viên, chia sẻ cùng tôi trong suốt thời gian qua

Tác gia

Dương Đình Hảo

AA — : Aluminum alloys (Hợp kim nhôm)

ASTM: American Society for Testing and Materials (Bộ tiêu chuẩn của Hiệp hội

Vật liệu và Thử nghiệm My)

AV _ : Advancing side (Bên tiến)BM _ : Base metal (Vật liệu nền)FSW: Friction stir welding (Han ma sát khuấy)

HAZ: Heat affected zone (Vung ảnh hưởng nhiệt)HB : Độ cứng Brinell

HRA, HRB, HRC: Độ cứng Rockwell theo thang A, B, CHV : Độ cứng Vicker

MIG_ : Metal inert gas welding (Han MIG)RE: Retreating side (Bên lùi)

$Z : Stir zone (Vùng khuấy)

TIG : Tungsten inert gas (Han TIG)TWI_ : The Welding Institute (Viện han TWI)TMAZ: Thermo-mechanically affected zone (vung anh huong co nhiét)

Ø : Ứng suất, ứng suất phápƠp : Giới hạn bền

On : Giới hạn chảy vật lýOy : Giới hạn chảy quy ước

On — : Giới han đàn hôil2 : Biến dạng

T : Ung suat truot

: Độ giãn dài tương đối: Độ co thắt tiết diện: Diện tích tiết điệnm He & : Công pha hủy

M : Mô men uốnvl : Mô men quán tinh tiết diện

a) : Vận tốc quay của dung cụv : Vận tốc tinh tiễn của dụng cụ hay tốc độ hàn

œ⁄v : Tỉ sô giữa toc độ tinh tiên và toc độ quay

Hàn ma sát khuấy (FSW) là một trong những kỹ thuật hàn ở trạng thái rănđược sử dụng rộng rãi ở hop kim nhôm trong nhiều lĩnh vực như hang không vũ tru,đường sắt cao tốc, hang hai, ô tô và nhiều lĩnh vực quan trọng khác có tầm quantrọng trong thương mại vì những ưu điểm tuyệt đối mà nó mang lại Trong đó, hợpkim nhôm AA7xxx là một trong hai hợp kim không thể hàn bằng phương phápnóng chảy và cũng khó khăn khi hàn bằng FSW Luận văn nảy sẽ trình bày sơ lượcvề quá trình han ma sát khuấy cũng như ảnh hưởng của các thông số vào quá trình

hàn Một nghiên cứu quan trọng đó là ứng dụng của kỹ thuật hàn FSW vào hợp kim

nhôm AA7075 Sự ảnh hưởng của tốc độ quay @ va tốc độ tịnh tiễn y của dụng cụđược khảo sát lần lượt từ 600+1200 vòng/phút và 80+200 mm/phút bang cách kết

hợp chúng với nhau.

Kết quả nghiên cứu cho thấy rang với tỉ số ø⁄ năm trong khoảng từ 4+10vòng/mm thì chất lượng mối hàn đạt chất lượng Câu trúc hạt cũng như nhiệt độ tạicác vùng hàn là khác nhau trong đó nhiệt độ cao nhất và kích thước hạt nhỏ nhấtnăm tại tâm han (SZ) Độ bền kéo và độ dan dai của mối hàn lần lượt đạt 68% và76% so với vật liệu nên và tỉ lệ thuận theo tỉ số @/v Vị trí phá hủy khi kéo namngoải vùng hàn và tương ứng với vị trí có độ cứng thấp nhất (vùng ảnh hưởng nhiệt— HAZ) Năng lượng va đập thấp nhất tại tâm hàn và càng tăng khi cách xa vùnghàn Độ bền mỏi của mối hàn cũng được khảo sát so với vật liệu nên Tất cả nhữngnội dung này được trình bày cụ thể trong năm chương:

Chương 1: Tổng quanChương 2: Cơ sở lý thuyếtChương 3: Vật liệu — Thiết bị thí nghiệm và Phương pháp nghiên cứuChương 4: Kết quả nghiên cứu và Thảo luận

Chương 5: Kết luận và Kiến nghị

Friction stir welding (FSW) is a one of solid state joining technique that iswidely used for joining Aluminum alloys for many fields such as: aerospace,railway, marine, automotive and many other applications of commercial importancedue to absolute advantage that it provided In there, AA7xxx is one of AlloyAluminum that were considered difficult to be welded by conventional weldingtechniques The thesis will present background about process Friction stir weldingas well as effect of the parameter welding to quality of joint welding A importantstudy is application of FSW into Alloy Aluminum AA7075 The effect of toolrotational speed @ and weld speed v were investigated from 600+1200 rev/min and80+200 mm/min, respectively by combined them each other.

Results of the study indicated that if the ratio @/v ranged from 4 + 10 rev/mm,the joint welding will achieve quality Microstructure as well as the temperature inthe welding area is different in that the highest temperature and the smallest particlesize at the center of welding (SZ) The tensile strength and elongation of the FSWsare about 68% and 76% that of BM, respectively, and proportional to the ratio @/v.The tensile fracture locations were well agreement with the lowest hardnesslocations (HAZ) Impact energy was lowest in the center of welding and increasingthe center away from the weld Fatigue of welds were examined in comparison withbase material.

All contents are presented in five chapters detail:Chapter 1: Overview

Chapter 2: Theoretical basisChapter 3: Material — Experimental equipment and Studying methodsChapter 4: Result and Discussion

Chapter 5: Conclusion and Proposal

Trên đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi trong suốt thời gian qua Tất cảnhững số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trênbat kỳ tạp chí hay bài báo trong và ngoài nước nao.

Tác gia

Dương Đình Hảo

MO DAU 1Chương 1 TONG QQUANN 5 G- G5 << 1x hư gu gu eo 21.1 LICH SỬ PHAT TRIEN CUA CÔNG NGHỆ HAN - <5: 21.2 SỰ PHÁT TRIEN CUA CONG NGHỆ HAN MA SAT KHUẦY 31.3 UU NHƯỢC DIEM CUA PHƯƠNG PHAP HAN MA SAT KHUAY 41.3.1 Ưu did voce cccceccscccscscscscscscscsesesssesssesssssssscsescsesssesssssesssssssssaens 41.3.2 Nhược điỂm - ¿+ 2112332121 1 E111 515111 111110111 1101110101 1211 re 51.4 TINH HINH NGHIÊN CUU TRONG VA NGOÀI NƯỚC 5

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ccc cceceseseeeccecccceeeeeseecceeeeeaaeeees 51.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nưỚc - << << ss s11 3+sssssss 5

1.5 MỤC TIEU VA GIỚI HAN CUA DE TAL eeeeeeeescsescececseececsceseseeseseees 6Chương2_ CƠ SỞ LY THHUYÍẾTT <5 << se s9 s9 sex se 72.1 DAC DIEM CUA QUA TRINH HAN MA SÁT KHUAY : 7

2.1.1 Khi niỆm ceecccescceesccesccceuccccsscsessccesscseesceeuceseesceescseneceueecss 7

2.1.2 Nguyên lý hình thành liên kết khi han - G5 56 SE +£sEsEeeeeed 82.1.3 Các thông số chủ yếu của quá trình hàn ma sát khuấy 92.2 DỤNG CỤ HAN MA SÁT KHUẦY 5 S2 S2 SE ESESEeErkrkrkreeered 10

2.2.2 Vật liệu chế tạo -. ¿- -cSecSS 11111 1112111151511 21101011111 0101 0111010101 11

2.2.3 Hình dạng của dụng CỤ - 2S 11211111111 1 111 1 vs 122.2.4 Kích thước của dụng CỤ -. - c0 11111 S 111v 1 1n vs 16

2.3 QUÁ TRÌNH SINH NHIET KHI HAN FSW eececccccccececcececseceecsceessceevecees l6

2.3.1 Sự hình thành nhiệt - ¿6 <5 SESEEEEEESEEEESEEEEEEEEEEEkrkrkrrree 16

2.3.2 Su phan bố nhiệt độ trong mỗi hàn 2 Set Sa te v E333 csera 172.4 SỰ HÌNH THÀNH CÂU TRÚC TẾ VI CUA MOT HAN FSW 182.4.1 Cac giai đoạn chuyền bién của hop kim nhôm trong quá trình han 182.4.2 Quá trình nhiệt động ở vùng khuấy (stirred zone) s-scssss>ss¿ 19

2.4.3 Quá trình nhiệt động ở vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone) 20

2.5 MỘT SO UNG DUNG TRONG CONG NGHỆ HAN MA SAT KHUAY 212.5.1 Su phát triển ứng dụng trong công nghệ han ma sát khuấy 212.5.2 Ung dung thuc hién cac dang mỗi NAM eeeeeeccscescsscssesseseeseesseseeseeeseeseeees 222.5.3 Ứng dung trong lĩnh vực công nghệ thông tin 5 +5 secss¿ 222.5.3 Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất 6 tÔ - ¿c5 Sex vsesveeeeed 222.5.4 Ứng dụng trong công nghiệp đóng tàu - sex cevsEsteereed 232.5.5 Ứng dụng trong công nghiệp hang không vũ trụ - 2s s52 252.5.6 Ứng dụng trong ngành đường sắt - cv vs eereeed 262.6 MỘT SO ĐẶC TRUNG VÀ XÁC ĐỊNH CƠ TINH CUA VAT LIỆU 272.6.1 Độ bén (tĩnh) ccc xSsE St E111 11 111g HT ng ng ngư 27

"A9 0 e - 322.6.3 DO dal Va 0n 33

2.6.5 Độ DEM uiốn ¿: 5c: t2 2 E222 372.6.6 Độ BEN mỏi ¿-c: 5t x22 E2 tt re 382.7 MỘT SO ĐẶC TINH CUA NHOM VÀ HOP KIM NHÔM 402.7.1 Nhôm nguyên Chat ooo cccccecssessscsscsssccssssscescscsecsvssseesvscseesseessavsceeees 40

2.7.2 Hợp kim nhôm + + + «<< + 2 333881181153 11 1111111535111 111115555x2 41

2.7.3 Ứng dụng của hợp kim nhôm - + 6k +x St E+E+E£vE+EeEreEseeeeersed 43Chuong3 VAT LIEU, THIET BỊ THÍ NGHIEM VÀ PHƯƠNG PHÁPNGHIEN 50000057 453.1 HỢP KIM NHOM AA7075 5: 5t t2 2 2 t2 11.1 453.2 MỘT SO THIET BỊ SỬ DỤNG TRONG THÍ NGHIEM - 46

3.2.1 Lò nung Nabertherm L5/11/B170 - << << S331 3*ssssssss 463.2.2 Máy phay đứng CNCC LG LH ng ngờ 47

3.2.3 Máy cắt và đánh bóng mẫu ¿c1 1E SE gen se 483.2.4 Kính hiển vi kim tương - - + k1 1g ng ngư 49

3.2.5 Máy đo độ cứng kim loại RockwelÏ «<< sa 50

3.2.6 Thiết bị thử kéo và uốn :-c:+ct+rt+ttrrtrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrree 503.2.7 Thiết bị xác định năng lượng va đập (Impaet) ¿5 se csescsed 50

3.2.8 Thiết bị xác định độ bền mỏi - 5 2 2+2 +2 +2 £££zEzEzEzErerxrerered 513.2.9 Thiết bị xác định nhiệt độ mối hản - 2-2-2 2 2 +££z£zE+EzxzEzezszs2 513.3 QUÁ TRINH CHE TẠO MOI HAN ccccccccscccecsesessececseceecscsevsceecsececeeeceeees 523.3.1 Chế tạo bản a cccceccscscsccscesscescscescecsceccscscescecsesevscseeevacsacevscnevevaeeeees 523.3.2 Kiểm tra độ bền và độ cứng vững của hệ thong ban gá - 543.3.3 Chuẩn bị dụng cụ hàn - - s x1 S11 1g TH ng ni 563.3.4 Chon thông số hat ccccccccccsscsseccsccscscessssscescecscessssscesvecsecevsceesevaceeees 573.3.5 Chế tạo mối hàn it tt 3 S3 S93 893853858158 E58 158151153151 E81 E15 5E Eeere 573.4 QUA TRINH THÍ NGHIEM ccccccsececsececsececcececceececsececscsarscssceasscaevaceacaeees 58

3.4.1 Xác định nhiệt độ tại các vùng hản - <5 S311 ssssss 58

3.4.2 Quan sát cấu trúc tế vi va đo độ cứng mối han eee eeeeseeeeeeeees 59

3.4.3 Khao sát cơ tính chịu KéO .cc-c c1 c1 se ca 61

3.4.4 Xác định độ bền UGN ¿- ¿2< E2 E2 E5EEEEEEEEE£EEEEEEEEEEEEEErkrkred 62

3.4.5 Khảo sát khả năng chịu va dap - c-cc c2 S111 x1 vs 63

3.4.6 Mẫu thử độ bén mỏi ¿-¿- ¿2 2 SE 15113211321 1E E5 1E krkd 65Chương4 KET QUÁ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 674.1 ĐÁNH GIA CAM QUAN MOTHAN 5 Set SE SE sEserskserred 674.2 SỰ PHAN BO NHIỆT DO TẠI CAC VUNG HÀN 555 5< c5: 694.3 CÂU TRÚC TE VI CUA MOT HÀN 5 S2 Sz SE EEEvkrkrkrkrkeered 704.4 CƠ TINH CHIU KÉO CUA MỖI HÀN ¿- c5 2 222222223 E£EErsree 744.4.1 Vi trí phá hủy của mẫu Gv E32 SE HY SE ng ng 744.4.2 Ảnh hưởng của tốc độ quay và tốc độ tịnh tiễn đến cơ tính mối hản 774.4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cơ tính mối hàn - 2-2 5s se se £sss2 794.5 ĐỘ BEN UON MỖI HÀN E1 121 211115115 11511111 11111111111 te 80

4.5.1 Độ dẻo đai - 5 - E11 SỰ 5115151115111 111111 111101110111171 1111111111 grrkg 80

4.5.2 Độ bên uốn + + kẻ E5 1511111111111 1115251515111 11 11111 ck 834.6 ĐỘ CỨNG TE VI CUA MỎI HÀN - 5 S2 2 S2EEEEESEEeErkrkrkreeered 84

4.6.1 Độ cứng tại hai vi tri khảo sắt - c5 c1 1111111 1311111111111 22 84

4.6.2 Ảnh hưởng của các chế độ hàn đến độ cứng - ¿5 se se sxcsed 854.6.3 Quan hệ giữa độ cứng va độ bỂn - - - St ve seerersed 85

4.7 KHẢ NANG CHIU VA DAP CUA MỐI HẢÀN - 55552 scscsescee 864.7.1 Vị trí phá hủy của mẫu thử: G- + ExE+xE#kS SE #EEekesErkerkeskreersrd 86

4.7.2 Năng lượng va dap tại các vùng NaN eeeccccccccceeeseeececeeeeeasaeeeeees 86

4.7.3 Ảnh hưởng của thông số han đến năng lượng va đập - s- 874.8 ĐỘ BEN MOI CUA MỐI HÀN ou eecccccccscscscecssescecscscscssstscsesesesssesesesaes 88Chuong5 KẾT LUẬN VÀ KIEN NGHHỊ, 2 5 55 << 5s «sex eesese 905.1 KẾT LUẬẬN -c << 1111 1212151211511 15151515 21111110111 1101T1010101 1 re 905.2 KIÊN NGHỊ G52 2 1321 1 1 315 1 5151515151 11111110101 1101111101 110 grrkg 90

5.2.1 Nghiên cứu cơ bản - + + c1 2 2101111011103 1111111111 11111 va 915.2.2 Nghiên cứu ứng dụng - - «<< c1 0011110110131 111111111111 111 1 ve 91

DANH MỤC CAC CÔNG TRINH KHOA HỌC 5- 5 << s55 =s 92TÀI LIEU THAM IKHÁOO 5 << 5< <9 E1 x 9x vu cv gu xe 93

PHU ILỤCC 2-6 6° ° Sẻ + SS£ €9 SE EE€ SE E992 E999 381525292 09

Hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) được phát minh ra năm 1991bởi TWI (The Welding Institute) Do vượt trội về độ bên, hiệu quả kinh kế và thânthiện với môi trường (so với các phương pháp hàn truyền thống như TIG, MIG,TAW, v.v.) nên từ khi ra đời cho đến nay công nghệ hàn ma sát đã không ngừngcuốn hút các nhà nghiên cứu cùng với đó là số lượng công trình tăng vọt theo từngnăm Công nghệ này đã và đang được phát triển ứng dụng rất mạnh trong các hợpkim được xem là khó hàn với các phương pháp hàn chảy truyền thông Đặc biệt đốivới hợp kim nhôm, sự hiệu quả mà nó mang lại là rất lớn.

Hiện nay công nghệ hàn ma sát đang tập trung phát triển phục vụ trong lĩnhvực công nghiệp cao tốc như tau thủy cao tốc, công nghiệp hàng không, vũ trụ,đường sắt cao tốc v.v Do đó việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến như hàn ma sátkhuấy đang rất được trông đợi nhằm góp phân tích cực làm giảm giá thành sản xuấtvà nâng cao tuổi thọ cho các phương tiện nảy

Trong các ngành công nghiệp chế tạo, các hợp kim nhôm thuộc nhóm 5xxxhoặc 6xxx thường được ứng dụng vì các hợp kim này có thể hàn được băng phươngpháp han truyền thống như TIG hay MIG, tuy nhiên độ bền mối hàn không cao.Hiện nay, việc ứng dụng hàn ma sát FSW không những cho phép cải thiện đáng kểđộ bền mỗi hàn các hợp kim nhôm nhóm 5xxx hay 6xxx mà còn cho phép hàn rattốt các hợp kim nhôm có độ bền cao hơn thuộc nhóm 2xxx và 7xxx Day là hai hợpkim rất khó han bằng phương pháp hàn nóng chảy truyền thống Hơn nữa, việc sửdụng phương pháp hàn ma sát khuấy ở nước ta cũng rất hạn chế, chỉ chú trọng vảonhững nghiên cứu hợp kim nhôm có độ bên thấp mà ít chú ý đến hợp kim có độ bềncao như nhóm 7xxx Việc nghiên cứu ứng xử cơ học của mối hàn cũng chưa đượckhảo sát và giải thích cụ thể Với những lý do trên tôi đã đề xuất và thực hiện đề tài“Nghiên cứu ứng xử cơ học của mỗi hàn ma sát khuấy tam hop kim nhôm nhóm7” Nghiên cứu này hy vọng sẽ mang đến những kết quả khả quan cho việc ứngdụng trong thực tế

TỎNG QUAN

1.1 LICH SỨ PHÁT TRIEN CUA CÔNG NGHỆ HANKhoảng dau thời dai đồ đồng, đồ sắt loài người đã biết han kim loại Từ cuốithế ky 19, vật ly, hóa hoc và các ngành khoa học khác phat trién rất mạnh Năm1802 nhà bác học Nga Petorop đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện và chỉ rõ khảnăng sử dụng nhiệt năng của nó để làm nóng chảy kim loại Năm 1882 kỹ sư ngườiNga Bernardos đã dùng hồ quang cực than dé han kim loại Năm 1888 một kỹ su

người Nga khác là Slavianov đã áp dụng cực điện nóng chảy - cực điện kim loại vào

hồ quang điện!'.Hàn tiếp xúc xuất hiện và phát triển chậm hơn, năm 1886 Tomson tìm raphương pháp hàn tiếp xúc giáp mỗi Năm 1887 Bernardos tìm ra phương pháp hànđiểm, nhưng mãi đến năm 1903 thì hàn giáp mối mới dùng trong công nghiệp vàđặc biệt kế từ sau chiến tranh thế giới thứ hai hàn tiếp xúc mới phát triển mạnh mẽvà xuất hiện nhiều phương pháp hàn mới

Một đóng góp rất quan trọng cho sự phát triển hàn hồ quang là thành công củakỹ sư Thụy Điển O.Kjellberg năm 1907 về phương pháp 6n định quá trình phóng hỗquang và bảo vệ vùng hàn khỏi tác dụng của không khí chung quanh băng cách đắplên cực kim loại một lớp vỏ thuốc Việc ứng dụng que hàn bọc thuốc bảo đảm chất

lượng cao của mối hàn!”

Thời kỳ phát triển mới của môn hàn đã được mở ra vào những năm giữa thế ký20 với những công trình nồi tiếng của Viện sĩ E.O Paton về hàn dưới thuốc Phuongpháp hàn tự động và sau đó hàn nửa tự động dưới thuốc ra đời và được ứng dụng

rộng rãi trong công nghiệp Đó là thành tựu vô cùng to lớn của kỹ thuật hàn hiện

đại Từ khi ra đời cho đến nay hàn dưới thuốc vẫn là phương pháp cơ khí hóa cơ

bản trong kỹ thuật hàn!”

Năm 1991, phương pháp han ma sát khuấy ra đời bởi viện hàn TWI Được sửdụng phô biến đối với nhôm, hợp kim nhôm và một số kim loại màu Ngày nay,công nghệ hàn nảy được phát triển mạnh ở những nước phát triển Những năm gần

ma sát, han no, hàn siêu âm, v.v Hiện nay có hơn 120 phương pháp hàn khác

nhau Nói chung, các phương pháp hàn ngày càng được hoàn thiện hơn và được sử

dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong kỹ thuật quốc phòng và đặcbiệt là trong ngành du hành vũ trụ Có thể nói hàn là một phương pháp gia công kimloại tiên tiễn và hiện đại

Hàn ở Việt Nam cũng đã xuất hiện từ thời thượng cố, hồi đó ông cha ta đã biếtsử dụng han dé làm ra những dụng cụ can thiết phục vụ cho đời sống và cải tiễnđiều kiện lao động Tuy nhiên, một số công nghệ hàn tiên tiễn trên thế giới mang lạihiệu quả kinh tế cao chúng ta vẫn chưa thể ứng dụng được Một phần vì chúng tachưa đủ trình độ kỹ thuật, thiết bi và một phan vi sự không tin tưởng tuyệt đối vàocông nghệ hàn này! Í,

1.2 SỰ PHAT TRIEN CUA CÔNG NGHE HAN MA SÁT KHUAYHan ma sát khuấy được phát minh bởi Viện han TWI (U.K) năm 1991 Day làmột trong những công nghệ hàn mới đã được sử dung cho sản xuất từ năm 1996.Một ưu điểm khá lớn trong công nghệ nảy là nhiệt độ hàn thấp hơn nhiệt độ nóngchảy của vật liệu Do đó làm giảm đáng kế biến dang so với các phương pháp hannóng chảy truyền thống khác như TIG, MIG”!

TWI đã nộp bang sáng chế thành công ở châu Âu, Mỹ, Nhật Ban va Australiađồng thời thành lập TWI Group thực hiện dự án 5651: “Sự phát triển của kỹ thuậtma sát khuấy cho han nhôm” vào năm 1992 dé tiếp tục nghiên cứu công nghệ nay

Các dự án phát triển được thực hiện theo ba giai đoạn Giai đoạn I: chứngminh FSW là một kỹ thuật hàn có tính khả thi và thiết thực, đồng thời áp dụng hàngloạt cho hợp kim nhôm 6xxx Giai đoạn II: kiểm tra mức độ thành công của mỗi hanáp dụng cho hang không vũ trụ và tàu biển với hợp kim nhôm 2xxx và 5xxx, tươngứng Quá trình dung sai thông số, đặc điểm luyện kim, và tính chất cơ học cho cáctài liệu đã được thành lập Giai đoạn III: phát triển dữ liệu thích hợp cho FSWF?

Từ khi phát minh này ra đời, nó đã nhận được sự chú ý trên toàn thế gidi va

được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, sản xuât trong nhiêu lĩnh vực, bao gôm ca

chứa chất thải hạt nhân.FSW đã được chứng minh là một quá trình hiệu quả cho hàn nhôm, đồng vàcác hợp kim của nó cũng như các vật liệu nóng chảy ở nhiệt độ thấp khác Hiện nayFSW cũng đã được mở rộng trong các vật liệu nóng chảy ở nhiệt độ cao, chang hannhư thép không gi và hop kim Niken, Titan bang cách phát triển các công cụ có théchịu được nhiệt độ cao và áp lực cần thiết để có hiệu quả thích hợp.

Viện Thông tin Khoa học 120 =thông kê răng trong một thập kỷ 100 | \ i 3qua kê từ năm 1996, các tài liệu

80 L 4AR 2 L4 wn RK on < tk

xuât bản có liên quan đên việc 8 |

quôc tê) liên tục tăng (Hình “2 20} _"— :

1.1) Hiện nay, việc ứng dụng Po kA

¬ we el 1996 1998 2000 2002 2004 2006

công nghệ nay vào môi loại vật Năm xuất bản

liệu và chọn thông số hàn hợp lý — Hừn; 1.7: Tài liệu xuất bản trong 10 năm quai]là một trong những vấn đề nghiên cứu mà các nhà khoa học đang đầu tư để tạo rachất lượng mối han tốt nhất

1.3 UU NHƯỢC DIEM CUA PHƯƠNG PHÁP HAN MA SÁT KHUAY1.3.1 Uu diém

Hàn ma sát có những ưu điểm nổi bat so với những phương pháp han truyềnthống khác qua các tiêu chí saul!”:

a Về luyện kim:- Đây là quá trình hàn ở trạng thái rắn sếa TS- Độ biến dạng nhỏ (Hình 1.2) :

- Không cần bồ sung kim loại.- Co tính mối han tốt

- Không bị nứt khi đông rắn.- Hàn được tất cả các hợp kim nhôm Hình 1.2: So sánh độ biến dang

- Không yêu cau cao về tay nghề của công nhân, khuyết tật mối han ít.b VỀ môi trường:

- Không can kính chan bảo vệ cho mắt.- Bề mặt mối hàn sạch

- Không có khí thải độc hại.

c Về năng lượng:

- Giảm trọng lượng.- Giảm tiêu thụ nhiên liệu bởi trọng lượng nhẹ.

1.3.2 Nhược điểm- Yêu cầu gá đặt chính xác bởi lực chạy khá lớn.- Ít linh hoạt, gặp khó khăn khi hàn những chỉ tiết phức tạp.- Xuất hiện lỗ khuyết tật khi thoát dụng cụ!”!

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hiện nay, han ma sát là một trong những vấn dé nóng mà nhiều nha nghiêncứu khoa học trên thé giới đã và đang nghiên cứu va ứng dụng nó vao thực tế.Mishra và Mahoney!'°! đã tổng hợp rất nhiều các nghiên cứu để xuất bản một tàiliệu nghiên cứu FSW trong đó nói về phương pháp, thông số, dụng cụ hản Ở mộtsố nước tiên tiến, phương pháp hàn nay được sử dụng phổ biến trong các nganhcông nghiệp có độ chính xác cao như tàu cao tốc, hàng không vũ trụ, công nghệ ôtô, tàu thủy cao tốc Do đó, họ có những thiết bị dé tạo ra những mối han này Tấtcả những van dé nóng từ phương pháp han này đã được nghiên cứu từ dụng cu, chấtlượng mối hàn đến các thông số của quá trình han

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hàn ma sát khuấy ở Việt Nam là một phương pháp hàn rất mới Mặc dù ưuđiểm của nó là thấy rõ nhưng việc ứng dụng nó trong thực tế là hầu như không có vìnhiều nguyên nhân khác nhau Có một số đề tài ở trường Đại học bách khoa TP.HCM đã đi vào nghiên cứu về han ma sát khuấy nhưng cũng chỉ dừng lại ở dạngnghiên cứu ứng dụng cũng như khảo sát đặc tính kéo, uốn của nó bằng phương pháp

Chưa đánh giá được ảnh hưởng của thông số hàn đến chất lượng hay cơ tính củamối hàn Hơn nữa việc thực hiện trên hợp kim nhôm có độ bền cao và khó han bằngphương pháp hàn nóng chảy như hợp kim nhôm nhóm 7: AA7xxx vẫn chưa có đềtài nào thực hiện Trên đây là những van dé mà các nhà nghiên cứu trong nước đã

và chưa thực hiện được.

1.5 MỤC TIỂU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐÈ TÀIVới những nội dung được phân tích ở trên, dé tai nghiên cứu sẽ tập trung chếtạo mối hàn và từ đó phân tích đặc tính ứng xử cơ học của nó Tuy nhiên do thờigian, thiết bị và khả năng nghiên cứu còn hạn chế nên đề tài chỉ tập trung vào mộtsố nội dung như:

- Sự phân bố nhiệt độ mối hàn- Cau trúc té vi của mối hàn- Độ cứng mối hàn

- Độ bên kéo mỗi hàn- Độ bền uốn mối hàn- Khả năng chịu va đập của mối hàn- Độ bền mỏi mỗi hàn

- Ngoài ra, một vài thông số ảnh hưởng đến các đặc tính này cũng được khảosát và phân tích cụ thé

Chúng ta có thể sử dụng máy phay Lực dọcđứng kết hợp với một dụng cụ để thực

phay đứng) 2- Tốc độ quay va tinh tiến

của dụng cu han rất quan trọng trong Hình 2.2: Nguyên ly hàn ma sát khuấy!"

quá trình này và sự thay đôi phụ thuộc vào tính chất của kim loại hàn 3- Dụng cụ

đường han, đưa chúng vào tinh trạng mềm dẻo mà không làm tan chảy.Các vùng của mối hàn ma sát khuấy có thể được mô tả bởi bốn khu vực nhưhình 2.3 Vùng I là vùng vật liệu nền (base metal - BM), đó là khu vực mà vật liệuđủ xa tính từ tâm mối hàn nên không bị ảnh hưởng cơ nhiệt bởi quá trình hàn nảy.

Khu vực II (heat affected zone - HAZ) là vùng bi ảnh hưởng nhiệt, nơi ma vật liệu

đã trải qua một chu kỳ nhiệt mà không bi bién dạng dẻo Khu vực III

(thermo-mechanically affected zone - TMAZ) là vùng bi ảnh hưởng cơ nhiệt, nơi ma vật liệu

đã bị bién dạng dẻo bởi sự ma sát khuấy động do vai chốt hàn tạo nên Vung IV (stir

zone - SZ) là vùng khuấy, vùng mà vật liệu bị biến dang nặng né nhất trong quatrình hàn!!!!

Vinganh Vùng Vùng anh hưởng

Vật liệu hưởng nht khuấy cơ nhiệtnên ` \ \

Hình 2.3: Câu tao mat cắt ngang mối hàn

2.1.2 Nguyên lý hình thành liên kết khi hànCách thông dụng nhất là nung chảy vùng kim loại ở mép hàn trong điều kiệnhóa lý phù hop, sau đó vùng chảy sẽ đông ran lại dé tạo nên mối han Các phươngpháp hàn dùng nguyên lý hình thành mối hàn từ nguyên lý nóng chảy — đông rắn

thường được gọi là phương pháp hàn nóng chảy (fusion processes).

Đề có thể hình thành nên mối hàn, vùng tiếp giáp giữa hai mép hàn cần đạt đủnăng lượng dé các nguyên tử từ hai bề mặt có thé di chuyển và khuếch tán vào nhauhình thành nên các liên kết nguyên tử mới Nói cách khác, về bản chất liên kết hànlà liên kết nguyên tử

Tuy nhiên đối với phương pháp hàn ma sát khuấy, trạng thái của vật liệu tạivùng hàn không bị nóng chảy mà chỉ mềm dẻo (solid state) bởi nhiệt ma sát được

tạo ra bởi dụng cụ hàn (đầu khuấy) Dòng vật liệu sau khi được làm mềm ra sẽ đượcđầu khuấy trộn lẫn vào nhau và hình thành nên liên kết hàn sau khi nguội lại

Hình 2.5 cho thấy dòng chảy của vật liệu khi thực hiện đường hàn”

0.lmm u ——————-r—— N —— Pe ———— Mặt cắt ba 1.4mm | ————

Hình 2.4: Các vị trí mô phỏng! ”]

1.57e-011.49e-011.33e-011.26e-011.10e-01

~

-4719-02,

3.93e-02 a

~3.15e022.36e-021.92e-03

c) Tại mặt cắt b d) Tại mặt cắt cHình 2.5: Mô hình dòng chảy vật liệu khi thực hiện đường hàn!”

2.1.3 Các thông số chủ yếu của quá trình han ma sát khuấy!"*2?

a Luc doc:

Luc dọc trục có anh hưởng dang kế đến sự hình thành của các khuyết tật, kích

thước hạt và độ cứng của vùng khuấy cũng như đặc tính chịu kéo của mối han Nóảnh hưởng trực tiếp đến sự 6n định độ sâu của dụng cụ trong suốt quá trình hàn

Ngoài các thuộc tính của dụng cụ và vật liệu phôi, lực dọc trục quyết định đến hệ số

ma sát Do đó, nó đóng một vai trò quan trọng trong quá trình hàn ma sát khuấy

b Tốc độ quay của chốt hàn:Tốc độ quay @ của dụng cụ han cùng chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ sẽtạo ra nhiệt ma sát, làm mém dẻo vật liệu xung quanh nó Tốc độ quay cao sẽ tạo ra

nhiệt độ cao hơn vì nhiệt ma sát cao hơn và kết quả là khuấy mạnh hơn và trộn đều

hơn.

c Tốc độ tịnh tiến của chốt hàn:Tốc độ hàn y phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại hợp kim, tốc độ quay, chiềuday phôi và loại đường hàn Trong suốt quá trình dịch chuyển, nó làm mềm vật liệutừ vị trí đầu đến cuối đường hàn do sự quay và tịnh tiễn của dụng cụ

d Góc nghiêng của chốt han:Ngoài tốc độ quay và tốc độ tịnh tiễn của dụng cụ, một thông số quan trọngkhác của quá trình han là góc nghiêng Ø của trục chính đối với bề mặt phôi Góc

nghiêng phù hợp của trục chính theo hướng đường hàn sẽ giúp cho vai của dụng cụ

giữ được vật liệu bị khuấy bởi ren chốt hàn và di chuyển các vật liệu có hiệu quả từphía trước ra phía sau của chốt Dụng cụ nảy thường được đặc trưng bởi một gócnghiêng nhỏ (9) và khi nó được đưa vào tâm kim loại, vật liệu trải qua một quá trìnhđùn lên đến vai của dụng cụ Hơn nữa, độ sâu của chốt hàn vào tâm kim loại (còngọi là độ sâu mục tiêu) là rất quan trọng dé chế tao mối hàn

2.2 DUNG CU HAN MA SÁT KHUAY"”**?!

- Chịu mài mòn tốt

- Chịu nhiệt độ cao.

- Dat độ cứng va độ dẻo dai tốt.Vi vậy, khi thiết kế chốt hàn sẽ có hai yếu tố quan trọng của dụng cụ hàn đó làvật liệu và hình dạng!””!.

Các đặc tính sau đây cần được xem xét dé lựa chọn vật liệu:- Vật liệu nên

- Ôn định ở nhiệt độ cao

- Khả năng chịu mài mòn

- Đạt độ bền cao- Hệ số giãn nở nhiệt

- Khả năng gia công.

Một số vật liệu được dùng để chế tạo dụng cụ tùy thuộc vào vật liệu nên:- Thép dụng cụ: vật liệu thường được sử dụng nhất, dé tìm và khả năng chế tạo

tốt, độ bền mỏi cao, chịu mà mòn Thường sử dụng đối với nhôm và đồng

- Hop kim Nickel-Cobalt: độ bền cao, độ dẻo tốt, đạt độ cứng và độ bền rao).- Vat liệu khó nóng chảy (W, Mo): độ bền ở nhiệt độ cao (1000-1500°C), dattiền, gia công khó, dễ gãy

- Hop kim Volfram: độ bền tốt, hoạt động ở nhiệt độ cao, chi phí đắt (W-Re).Bang 2.1 trình bay một số loại vật liệu dụng cụ thường được sử dụng cho vật

liệu nên và độ dày khác nhau.

Bang 2.1: Một số loại vat liệu dụng cụt”)

Vật liệu đượchàn | Chiều dày (mm) Vật liệu dụng cụ

Hợp kim nhôm 3—50 Tool steels, Co-WC compositeHop kim Magie 3-10 Tool steel, WC composite

Hop kim đồng 3—50 Ni-alloys, W-alloys, PCBN, Tool steels

Hợp kim Titan 3-10 W-alloysThép không gi 3-10 PCBN, W-alloysHop kim Niken 3— 10 PCBN

2.2.3 Hình dạng của dụng cụ

Mỗi bộ phận của dụng cụ hàn ma sát khuấy (chốt và vai) đều có những chứcnăng khác nhau Vi vay, vai va chốt có thé được chế tạo bằng những vật liệu khácnhau Vật liệu phôi và dụng cụ, dạng đường hàn, các thông số hàn (tốc độ quay vàtịnh tiến của dụng cu), kinh nghiệm và sở thích của người sử dụng là những yếu tốcần chú ý khi thiết kế vai và chốt cho dụng cụ

Một yếu tô rất quan trọng trong việc thiết kế các dụng cụ này đó là dòng chảycủa vật liệu trong quá trình han Nhìn chung, lượng vật liệu để khuấy sẽ ảnh hưởngđến chất lượng mối hàn thu được, nhưng nó có tương quan chặt chẽ với các thôngsố kỹ thuật khác như tốc độ quay, tốc độ tịnh tiến Dòng chảy theo phương ngang(Hình 2.7a) chắc chắn xảy ra trong quá trình hàn, dòng chảy theo phương đứng(Hình 2.7b) sẽ rất quan trọng ở phương pháp hàn chồng Nếu dòng chảy đứngkhông xảy ra trong quá trình hàn, các oxit vẫn còn ton tại trong mối han va sẽ tao

nên khuyết tật môi hàn.

Vai

laa Chốt

| |

a) b)Hình 2.7: Dong chảy vật liệu xung quanh dung cụ hàn

a Vai dung cu:

Vai dung cu duoc thiét ké dé 900 [tạo ra nhiệt trên bề mặt và dưới bé

mat tai khu vuc han Vai dung cu tao ellra phân lớn các biên dạng va ma sat §

la ° la &.trong tâm mong, trong khi chôt tao 5

^ „ on ne 500 |ra một lượng lớn nhiệt trong phôi 2 asswph (tues

A 560 v/ph (thực tê)

day Vi vay, mot trong những thông = -= 560 v/ph (ly thuyét)

A A X ;z 14 ^ 40o ee TL có La

sô quan trọng nhât của vai là đường = == = = ro

, ¬ +r 2 2 z R ak Duong kinh vai, mm

kính vi nó ảnh hưởng đáng kê đến som ve

lượng nhiệt ma sát sinh ra Hình 2.8 Hành 2.8: Môi _ ÁN kính vai và

cho thầy môi quan hệ giữa đường kính vai và nhiệt độ ở các tôc độ quay khác nhautrong quá trình hàn nhôm.

Đường kính vai lớn sẽ làm tăng áp lực và thay đổi hình dạng mối hàn nên sẽảnh hưởng đến đặc tính cơ học của mối hàn Vì vậy lựa chọn đường kính vai đòihỏi phải xem xét can thận Bên cạnh đó hình dạng của vai cũng rất quan trọng

- Vai lim: Đó là dạng thiết kế đầu tiên, thường

được gọi là vai tiêu chuân Vai lõm tạo ra chât lượng

mối han và thiết kế đơn giản, có thé gia công dé dàng

Vai lõm được chế tạo bởi một góc nhỏ giữa vai va chốt Hình 2 9: Vai lõm

từ 6 đến 10° (Hình 2.9) Hoạt động phù hợp của loại này đòi hỏi dụng cụ phảinghiêng từ 2 đến 4° so với phương đứng! Ì

- Vai lôi: Các dụng cụ với vai lỗi thường day vậtchất ra khỏi chốt hàn Công cụ vai lỗi cho vật liệu dàychỉ được thực hiện với sự bổ sung của đường xoắn 6ctrên bề mặt vai (Hình 2.10) Các dạng xoăn này sẽ dichuyền vật liệu từ bên ngoài về phía chốt Dạng này cho |

phép một sự linh hoạt hơn trong khu vực tiếp xúc giữa Hình 2.10: Vai lồi

vai và phôi, cải thiện lôi đường hàn, thuận tiện với những đường hàn có chiêu dày

khác nhau và cải thiện khả năng hàn độ cong phức tạp.

- Một số dạng khác: Vai có thé có các tính năng như tăng số lượng biến dạngvật liệu dẫn đến tăng sự pha trộn phôi và tạo chất lượng mối hàn Do đó, nhữnghình dạng nay có thé bao gồm xoắn, núm, map mô, rãnh và vòng tròn đồng tâm(Hình 2.11) Dạng xoắn là những dạng vai thường thấy nhất

Hình dạng của chốt ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng cũng như khả năng hìnhthành mối han Do vậy, tùy theo từng yêu cầu của mối han và vật liệu mà hình dangvà kích thước của chốt cũng sẽ khác nhau Một số hình dạng được giới thiệu sauđây sẽ phản ánh điều này

Hình 2.12 trình bảy một số dạng dụng cụ đơn giản nhưng có tính chất cơ học tốt

ae TO FOP

oP

|||

a) Khôngren b) Có ren c) Hình côn đ) Dang vuông e) Tam giác

Hình 2.12: Một sô hình dang cơ bản”!

oat

Đề có thé han được các chỉ tiết có chiều dày vượt quá 60 mm, người ta thườngsử dụng các chốt hàn như hình 2.13.

Chot han Chốt han Chốt han Dang 3 Chot han

hinh tron dang canh tam giác cánh lõm ô van

2.2.4 Kích thước dung cu

Chiều dài chốt hàn được xác định theo độ dày phôi, độ nghiêng của dụng cụ.Đường kính chốt cần phải đủ lớn để không bị phá hủy khi chịu lực ngang nhưng

cũng phải đủ nhỏ để tạo sự gan kết vật liệu trước khi nguội! Ÿ!, Quan hệ kích thước

của chốt hàn với vai được thé hiện trong bảng 2.2:

Bảng 2.2: Quan hệ kích thước của dụng cụ hàn! °Ì

kính vải kính chỏi Wa Vật liệu hàn Độ mài

(D, mm) (d, mm)

13 5 2.6:1 | AA6061-T6 320-30 8-12 |2.5+1, 1.61 | AA7050, 2195, 5083, 2024, 7075 6.35

25 9 2.8:1 | AA5251 52.3 QUA TRINH SINH NHIET KHI HAN FSW

2.3.1 Su hinh thanh nhiét

Trong qua trinh han ma sat khuay, nhiệt được tao ra bởi sự kết hợp giữa ma sát

do vai và sự tản nhiệt trong suốt quá trình biến dạng của kim loại Quá trình sinhnhiệt bị ảnh hưởng bởi các thông số hàn, độ dẫn nhiệt của phôi, dụng cụ hàn và mặtgá phôi Nguyên tắc chung áp dụng để lựa chọn các thông số hàn là theo kinhnghiệm Nhiệt độ mối hàn cao ứng với tốc độ quay cao và tốc độ tịnh tiến thấp và

ngược lại.

Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng phân lớn quá trình sinh nhiệt thường

xảy ra tại mặt tiếp xúc giữa vai và phôi!””! Quá trình tạo nhiệt là do hai yếu tố: ma

sát và sự tản nhiệt, tùy thuộc vào điều kiện tiếp xúc giữa hai bề mặt Các dụng cụhàn như tính năng hình học của cả chốt và vai đều sẽ ảnh hưởng đến bề mặt trượtcũng như độ bám, hoặc thay đổi giữa hai chế độ Nhiều nghiên cứu gần đây phân

tích rằng nhiệt sinh ra giữa chốt hàn và phôi là không đáng kểt'°Ì.2.3.2 Sự phân bố nhiệt độ trong mối hàn

Các vùng nhiệt độ xung quanh chốt hàn là không đối xứng, với nhiệt độ cao

hơn một chút ở phía bên lùi được kí hiệu là RE (Retreating side) trong các hợp kim

nhôm Do đó khi thử nghiệm độ bền kéo, vị tri phá hủy thường xảy ra chủ yếu ở bênRE trong khu vực bị ảnh hưởng nhiệt (HAZ,)!'”

Việc đo nhiệt độ tại các vùng hàn được sử dụng cặp nhiệt độ (thermocouples).Việc thực hiện các phép đo bị ảnh hưởng bởi tính dẫn nhiệt của phôi, mặt gá và các

dụng cụ hàn Bảng 2.3 tóm tắt nhiệt độ cao nhất được ghi nhận trong các nghiên cứu

58, 59, 63 z Ae 1 oA z is-°?- 631 Các mối han được thực hiện trong các tâmthử nghiệm ở ba hợp kim nhôm!

có độ dày khác nhau và hình học dụng cụ cũng khác nhau Cặp nhiệt loại K đượcđính tại các vi trí khác nhau và kẹp sâu trong các phôi hàn.

Hình 2.16 trình bày nhiệt độ cao nhất (°C) được đo xung quanh vùng khuấy(xung quanh chốt hàn) ở những vi trí khác nhau xuyên qua độ day 6.35 mm của tam

hợp kim nhôm AA7075-T651 So đồ nhiệt cho thấy, nhiệt độ cao nhất nam ở vi trí

tiếp xúc với đầu khuấy va năm ở gần bề mặt trên (gần với vai dung cụ) Càng xuốngphía dưới, nhiệt độ càng giảm!”!,

Bảng 2.3: Nhiệt độ sinh ra trong quá trình hàn một số hợp kim nhômHợpkim | Chiều dày | Đường kính | Đường kính | Tốc độ quay | Tốc độ hàn | Nhiệt độ

nhôm (mm) vai (mm) chốt (mm) | (vòng/ph) (mm/s) (CC)

8.1 25.4 10 240 2.4 420

AA2195-T8 8.1 25.4 10 240 3.3 425

6.35 19 6.4 300 2 425AA6061-T6 |_ 6.35 19 6.4 400 2 450

6.35 19 6.4 1000 2 A477AATO75- 6.35 N/A N/A N/A 2.1 475

T651

° } 432 =S0 @ 284 @310 ®342 ®353 @382 @ 368 @392 @= 5 » >

Sos©®

Ss I 4154 6|®30s @ 328 @ 372 @ 378 @ 400 ®

2.4.1 Các giai đoạn chuyển biến của hợp kim nhôm trong quá trình hàn FSWa Hoi phục (recover):

Khi xảy ra biến dạng dẻo ở nhiệt độ thấp, trong hợp kim sẽ xảy ra các quátrình hồi phục Đó là các biến đối nhỏ trong mang tinh thé bị xô lệch như: giảm sailệch mạng (chủ yếu là lệch điểm và đặc biệt là nút trống), giảm mật độ lệch và ứngsuất bên trong , trong khi t6 chức tế vi chưa biến đổi (vẫn là các hạt bị kéo dài vớinhiều đường trượt) Tính chat vật lý có thay đổi chút ít nhưng cơ tinh thì hầu nhưchưa thay đổi: vẫn còn ở trạng thái hóa bên

b Kết tỉnh lại (recrystallization):Đây là giai đoạn quan trọng nhất với các đột biến về cau trúc mang tinh thé, tổchức tế vi va tinh chất cơ hoc của vật liệu Nghĩa là khi nung nóng cao hơn nhiệt độnhất định (gọi là nhiệt độ kết tinh lại), trong mạng tinh thé bị xô lệch có quá trìnhhình thành các hạt mới mà không có các sai lệch do biến dạng dẻo gây ra theo cơchế tạo mầm và phát triển mầm như kết tinh từ pha lỏng Quá trình này diễn ra dướinhiệt độ nóng chảy của vật liệu Kết tinh lại thường đi kèm với việc giảm độ bên vàđộ cứng đồng thời tăng tính dẻo của vat liệu!'”Ì.

Mam được sinh ra chủ yếu ở những vùng bị xô lệch mạnh nhất, năng lượng dự

trữ cao nhất nên kém 6n định nhất (như mặt trượt, biên hạt) do đó dễ trở về trạngthái cân bang với ít sai lệch nhất Nhu vậy kim loại bị bién dạng dẻo càng mạnh,mam kết tinh lại sẽ được tạo nên càng nhiều nên hạt càng nhỏ!” Sau khi kết thúckết tỉnh lại các hạt mới đa cạnh, đăng trục, mất hăn dạng hạt méo, kéo dài

c Kết tinh lại lan hai (second recrystallization)Sau khi kết tinh lại như trên (còn được gọi là kết tinh lại lần thứ nhất) nếu tiếp

tục nâng cao nhiệt độ hay kéo dài thời gian giữ nhiệt sẽ có quá trình sát nhập của

các hạt nhỏ hơn bao quanh vào hạt lớn, hay nói khác đi hạt lớn “nuốt” hạt bé làmhạt to lên Sự phát triển hạt là quá trình tự nhiên vi nó làm giảm tong biên giới hạtdo đó làm giảm tổng năng lượng dự trữ Quá trình này được gọi là kết tinh lại lần

thứ hai và thường phải tránh.

2.4.2 Quá trình nhiệt động ở vùng khuấy (stirred zone — SZ)Vùng khuấy là khu vực điển hình chịu ảnh hưởng của quá trình nhiệt động vàtrải qua biến dạng ở nhiệt độ cao nên xảy ra quá trình kết tinh lại Khu vực này sẽhẹp hơn với các hợp kim khó tái kết tinh so với những hợp kim dé dang tái kết tinh(ví dụ như AA2195 so với AA6061) Hai thông số quan trọng để xác định các tính

chất của vật liệu trong vùng khuấy là nhiệt độ cao nhất và tốc độ làm nguội từ nhiệt

độ đó.

Kích thước hạt hình thành trong khu vực SZ này được xác định chủ yếu bởinhiệt độ cao nhất, nhiệt độ càng cao kích thước hạt càng lớn!°!, Các thông số han vìvậy cũng ảnh hưởng đến kích thước hạt thông qua nhiệt độ mà nó tạo ra trong quá

trình hàn Vì vậy, ta có thể điều chỉnh kích thước hạt băng cách thay đổi thông sốhàn Hình 2.17 thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc quay với kích thước hạt trong hợpkim nhôm AA2524!'”!, Khi vận tốc quay tăng thì kích thước hat cũng tăng lên.

Trong các hợp kim xử lý nhiệt, quá trình này có thể phức tạp hơn tùy thuộcvào sự kết hợp giữa các thông số hàn với các hợp kim khác nhau Tùy thuộc vàothông số hàn và độ kết tinh của hop kim, vùng khuấy có thé quá già hoặc tạo thànhpha đơn dung dịch rắn Cấu trúc tinh thé vùng tâm hàn có thé được đánh giá trựctiếp hoặc gián tiếp qua việc xử lý hóa gia sau khi hàn! ”!

8

7 +6 +3

Kích thước hạt, um

0 + LJ * l LJ l M

100 200 300 400 500 600 700 800 900

Tốc độ quay, vòng/phútHình 2.17: Ảnh hưởng của tốc độ quay đến kích thước hạt trong hợp kim nhôm AA2524

FSW là một quá trình diễn ra ở trạng thái rắn trong những vật liệu không đồngnhất, do đó có những vùng nóng chảy thấp được phân bồ trong khối nóng chảy cao.Trong một vài trường hợp, biến dạng nhiệt trong toàn khối có thể sẽ vượt qua nhiệtđộ nóng chảy của một vài pha thấp Điều này sẽ gây nên sự nóng chảy tại các ranhgiới hạt nên làm cấu trúc trở nên giòn hơn trong vùng han''*!, Hiện tượng này được

gọi là quá nhiệt khi hàn.2.4.3 Quá trình nhiệt động ở vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone - HAZ)

Vùng HAZ là vùng không bị biến dạng cơ, vì vậy quá trình xảy ra trong vùngHAZ là ảnh hưởng bởi nhiệt độ Sự ảnh hưởng nhất thời nay sẽ lớn hơn khi gần VỚI

tâm hàn và càng giảm khi càng ra xa Tại một sô khoảng cách từ tâm môi han, sự

anh hưởng này sẽ không đáng kế do phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt.Do đó, vùng HAZ sẽ chuyển sang vật liệu cơ bản!'”!,

Trong các hợp kim xử lý nhiệt, quá trình này cũng sẽ phụ thuộc vào đặc tính

gia nhiệt ban dau Đối với những hợp kim T6, T7, T8 thường có một vùng giảm độcứng năm trong vùng HAZ Trong vùng nay, sự hấp thụ nhiệt làm cho cỡ hạt thôhơn so với các vùng còn lại vì thế độ cứng của nó cũng sẽ nhỏ Tùy thuộc vào cácthông số hàn mà vùng có độ cứng nhỏ nhất sẽ được tìm thấy ở những vị trí khácnhau tính từ tâm hàn và sẽ có độ sâu khác nhau (giá trị độ cứng nhỏ nhất)” Độcứng tối thiểu HAZ có thé tương tự như độ cứng trong vùng hàn hoặc mềm hơn tùythuộc vào quá trình cơ nhiệt trong vùng hàn Nếu hợp kim được han trong điều kiệnhóa già tự nhiên thì tình huống có thể phức tạp hơn

2.5 MỘT SO UNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ HAN MA SÁT KHUAY2.5.1 Sự phát triển ứng dụng trong công nghệ hàn ma sát khuấy

Hàn ma sát khuấy là một công nghệ mới, nhưng đã được sử dụng trong sảnxuất ứng dụng từ năm 1996 ở châu Âu Các ứng dụng đầu tiên là hàn đùn ép để tạothành các tam trong ứng dụng hang hải Ké từ đó, quá trình nay đã được thương maihóa trong nhiều ứng dụng khác, bao gồm đường sắt, ô tô, hàng không vũ trụ, xe tảihạng nang, các ứng dụng y tế Hiệu quả kinh tế mà nó mang lại từ việc giảm khốilượng thiết bị có thể thấy trong hình 2.18

100000

Tên lửa

@

10000 +1000 3

Ngày nay, công nghệ nay dang được ứng dụng vao việc chế tạo lắp rap phứctap, làm cho năng suất, chất lượng và chi phí được cải thiện đáng kể Quá trình nàyđang phát triển mạnh nên các nhà chế tao dang lợi dụng nó bang cách thiết kế các

sản phâm đặc biệt cho quá trình FSW?*®?,

2.5.2 Ứng dụng thực hiện các dạng mối hàn

Hàn ma sát khuấy có thể được sử dụng ở nhiều vị trí hàn khác nhau như mối

hàn chồng, các mối hàn có độ dày tam khác nhau, han vat mép như được thé hiện

trong hình 2.19.

/ = ? xa | Í

a) Hàn giáp mí b) Hàn chồng c) Chiều day khác

nhauCN], —

2.5.3 Ung dụng trong lĩnh vực công nghệ

thông tin

Apple đã sử dụng han ma sát khuấy détạo các bề mặt nhôm của thế hệ iMac Các kỹsư tại Apple phải đối mặt với một thách thứclớn với thiết kế của iMac là làm thé nào để hàn _ /7zz 2.20: Ứng dụng trên máy tínhmặt trước và mặt sau Phương pháp hàn truyền thống như hàn điểm sẽ cho mối hànkhông chính xác và khó nhìn ở bên ngoài của máy tinh Han ma sát khuấy cho phépApple có thé tao ra các mối hàn đáng tin cậy và người dùng không thé thay đượccác mối hàn đó

2.5.4 Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất ô tôTất cả các kết cấu của chiếc xe được chế tạo bằng hợp kim nhôm đều có thể sửdụng được phương pháp hàn ma sát khuấy như: dam giảm chan, tam hướng gió phíasau, bánh xe hợp kim, 6 trục, đầu xi lanh Trong phương tiện vận tải đường dai,

phạm vi ứng dụng thậm chí còn rộng hơn và dễ dàng hơn Trong hình 2.21 và 2.22

cho ta thấy được các vị trí và chỉ tiết của xe khi ứng dụng công nghệ FSW

Hình 2.21: Ung dụng của FSW cho xe tail”?!

2.5.5 Ứng dung trong công nghiệp đóng tauQuá trình han ma sát khuấy đã duoc sử dung rộng rãi trong việc xây dựng cáctàu biển, tau thương mại đặc biệt là sử dụng công nghệ hàn các tam nhôm panelsthân tau Tau Super Liner Ogasaware (Hình 2.23), được thiết kế bởi MitsuiEngineering và đóng ở Nhật Bản được cho là con tàu lớn nhất được áp dụng côngnghệ nay Tàu có thé đạt tốc độ tối da 42.8 hải ly và có thé vận chuyền lên đến 740khách và 210 tấn hàng hóa

eee ———

Hinh 2.23: Tau Super Liner Ogasaware

Nichols Brothers Boat Builders ở Freeland (Washington, Mỹ) sử dụng FSW

cho tàu quân sự vỏ hợp kim nhôm lớp X-Craft với tốc độ 55 hải lý mà gần đây được

đặt tên là Sea Fighter (Hình 2.24).

Ứng dụng của FSW trong sản xuất hàng loạt sẽ làm giảm khối lượng côngviệc hàn tại xưởng đóng tàu Nó làm thay đổi từ công nghệ đóng tàu thủ công sangdây chuyên sản xuất Do đó, hiệu quả sản xuất của ngành đóng tàu được cải thiệnrất nhiều Hơn nữa, ứng suất dư của mối han trong các tam hop kim nhôm là rấtthấp và biến dạng là rất nhỏ Các bộ phận của tàu do đó có thể được lắp ráp chínhxác hơn, và hình dạng cuối cùng của con tàu được cải thiện dang kể

Ngày nay, các tam sản xuất sẵn bởi côngnghệ FSW được sử dụng phố biến ở các xưởng

đóng tàu tại Đại Liên, Thượng Hải, Vũ Hán,

Quảng Tây, Quảng Châu Những tam lớn đãđược sử dụng trong nhiều dự án đóng tàu, baogồm các tàu được thiết kế và chế tạo tại Trung LQuốc xuất khẩu sang Việt Nam và Liên bang Hinh 2.25: Tàu hợp kim nhôm

Micronesia (Hình 2.25) của Trung Quốc sử dụng FSW

Việc ứng dụng công nghệ hàn này đã được thực hiện tại trường Đại học Nha

Trang trong việc hàn nối các thanh hợp kim nhôm AA5083 (Hình 2.26) được dùng

làm các thanh răng ở câu cảng Chât lượng môi hàn cũng đã được đôi tác châp nhận.

Hình 2.26: Hàn nỗi các thanh hợp kim nhôm AA5083

2.5.6 Ung dụng trong công nghiệp hàng không vũ trụHợp kim nhôm là vật liệu nhẹ và có độ bền cao nhưng lại khó hàn bangphương pháp han nóng chảy truyền thống Do đó, việc ứng dụng công nghệ han masát để chế tạo và lắp ráp máy bay cũng như các tàu vũ trụ là rất cần thiết và đượccác nha sản xuất ứng dụng khá phổ biến

NASA đã sử dụng công nghệ này đểhàn hai phần mô-đun của phi hành đoàn

trong tàu vũ trụ Orion với 425 inch đường

hàn FSW cho phép NASA tạo ra mối hàn cóđộ bền cao với hợp kim nhôm siêu nhẹ, vậtliệu mà không thể sử dụng phương pháp hànnóng chảy thông thường Mối hàn ma sát

khuây cho độ cứng cao và có kha năng chịu

được môi trường khắc nghiệt trong chuyến bay không gian

Hình 2.28: Dong máy bay phản lực Eclipse 500

Dòng máy bay phan lực Eclipse 500 được sử dụng công nghệ FSW thay thécông nghệ dùng đinh tán để liên kết các nẹp gia cường dọc theo phan thân máy bayphía sau va gan nẹp gia cường tai các vị trí cửa số (Hình 2.28) Việc sử dụng FSWsẽ thay thế cho hàng ngàn đỉnh tán và kết quả là chất lượng tốt hơn, chắc hơn và nhẹhơn đồng thời giảm chỉ phí lắp ráp.

2.5.7 Ứng dụng trong ngành đường sắtCác nhà máy đùn nhôm Sapa và Hydro Marine là nơi đầu tiên ở châu Âu ápdụng các quá trình hàn ma sát khuấy dé sản xuất các tam panels nhôm cho mái tau.Từ năm 1997, Alstom LHB tại Salzgitter (Đức) đã mua các tam đúc sẵn cho xe lửangoại 6 Copenhagen (Hình 2.29) Ké từ đầu năm 2001 họ đã sử dụng han ma sátkhuấy cho tam nhôm bên hông và từ năm 2002 cho tam sàn xe lửa ở ngoại 6Munich Những tâm này được chế tạo bởi Sapa

Hình 2.29: Ứng dụng FSW cho các xe lửa ở Munich

Công ty Hitachi tại Nhật Bản thiết kế các tam panel nhôm được ứng dụng từhàn ma sát khuấy Một trong những lý do để sử dụng phương pháp này là sự biếndạng đặc biệt thấp của quá trình FSW Điều này trái ngược hoàn toàn với sự biếndạng có thé xảy ra khi han hồ quang Cho đến nay, Hitachi đã cung cấp một loạt cácphương tiện cho cả tàu thường và tàu cao tốc (Hình 2.30) và điều này đã được công

nhận tại Nhật Bản bởi các giải thưởng uy tín Okouchi cùng với Hitachi và TWI.

Nippon Sharyo của Nhật Bản đã sử dụng công nghệ hàn ma sát khuấy để chếtạo các tam sản của tau Shinkansen do Sumitomo Light Metal Industries sản xuất(Hình 2.31) Một số tàu này hoạt động ở tốc độ lên đến 285 km/h Nippon LightMetals cũng đã sử dụng hàn ma sát khuấy cho ray tàu điện ngầm Vào năm 1998, họ

báo cáo rằng hơn 3 km đường hàn đã được chế tạo Chất lượng mối hàn được xác

nhận là đảm bảo dựa trên câu trúc tê vi, kiêm tra X-Quang và kiêm tra độ bên kéo.

Hình 2.31: Sàn tàu được sử dụng công nghệ FSW

2.6 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG VÀ XÁC ĐỊNH CƠ TÍNH CÚA VẬT LIỆUCơ tính của vật liệu được biéu thị bởi các đặc trưng cơ học, chúng cho biết khảnăng chịu tải của vật liệu trong từng điều kiện cụ thể, là cơ sở để tính toán độ bền

khi sử dụng và khi so sánh các vật liệu với nhau Các chỉ tiêu này được xác định

bằng các phương pháp thử nghiệm trên các mẫu có kích thước theo tiêu chuân nhất

đi nhIÊ79!,

2.6.1 Độ bền (tĩnh)Độ bên là khả năng vật liệu chịu được tải trọng cơ học tinh mà không bi phahủy Căn cứ vào tải trọng tác dụng lên vật liệu mà người ta phân biệt độ bền kéo, độbên nén, độ bền uốn và độ bên xoắn Các gia tri của độ bên và độ dẻo được xác địnhbăng phương pháp thử kéo trên máy theo một tiêu chuẩn nhất định”!