Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tổ chức mối hàn theo phương pháp FSW nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng của kết cấu hàn

Trong vùng trung tâm mối hàn có những mẫu xếp liên tục nhau là do cấu hình ren của đầu khuấy và bị biến mất là do sự trượt giữa bề mặt dụng cụ và phôi, ở nhiệt độ cao hơn khi lượng kim l

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CẤU HÀN

Chuyên ngành : Công Nghệ Chế Tạo Máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, Tháng 6 – 2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA T.P HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS LƯU PHƯƠNG MINH (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Cán bộ nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Cán bộ nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : Phạm Minh Thuận Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 11 - 05 - 1984 Nơi sinh : Bến Tre Chuyên ngành : Công Nghệ Chế Tạo Máy

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2008

1- TÊN ĐỀ TÀI : ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐỀN TỔ CHỨC MỐI HÀN THEO PHƯƠNG PHÁP FSW.NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NHẰM

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN :

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tổ chức tế vi mối hàn ma sát khuấy - Nghiên cứu các hỏng hóc xảy ra khi hàn ma sát khuấy, cách khắc phục - Nghiên cứu thông số công nghệ ảnh hưởng đến cơ tính mối hàn

- Thực nghiệm hàn với các thông số tối ưu, kiểm tra cơ sở lý thuyết rút ra kết luận thực tế trong điều kiện công nghệ có sẵn

- Tiến hành các phương pháp kiểm tra đánh giá chất lượng mối hàn - Đề xuất giải pháp nâng cao cơ tính mối hàn và hướng phát triển

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :TS Lưu Phương Minh

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

TS Lưu Phương Minh

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trên cơ sở chọn lọc những thành quả từ những đề tài trước về hàn ma sát khuấy, Tiến hành các nghiên cứu liên quan đến thông số công nghệ trong quá trình hàn FSW nhằm tìm ra các thông số tối ưu để có được mối hàn tốt nhât

Đề tài nghiên cứu sâu vào tổ chức mối hàn, các khuyết tật của mối hàn, các hỏng hóc có thể xảy ra trong quá trình hàn Từ đo suy luận ngược lên thông số công nghệ và nghiên cứu cách tối ưu các thông số đó

Tiến hành các thực nghiệm với loại vật liệu nhôm máy bay A2024 vốn rất khó hàn bằng các phương pháp hàn truyền thống, kết hợp các phương pháp kiểm tra nghiêm ngặt đã và đang được sử dụng kiểm tra cấu trúc máy bay Từ đó đưa ra giải pháp cho mối hàn tốt nhất trong điều kiện công nghệ có thể

Nội dung luận văn có kết cấu gồm 6 chương sau: Chương 1: Tổng quan về hàn ma sát khuấy Chương 2: Nghiên cứu tổ chức tế vi mối hàn ma sát khuấy với vật liệu nhôm A2024 T6 và A2024 T351

Chương 3: Thông số công nghệ ảnh hưởng đến cấu trúc mối hàn Chương 4: Sự hình thành khuyết tật trong mối hàn, các phương pháp nhằm nâng cao cơ tính mối hàn

Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu mở rộng cho đề tài.

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ là bước tiến không ngừng trong tất cả các lĩnh vực nói chung, lĩnh vực cơ khí nói riêng Việc cải tiến công nghệ hoặc tìm ra công nghệ mới đều có chung mục đích là làm cho những sản phẩm ngày càng tối ưu và giảm những chi phí cũng như tác hại từ các công nghệ trước đó Nhằm phục vụ cho đời sống con người cũng như sự phát triển tri thức của nhân loại

Đơn cử một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực công nghệ_Công nghệ hàn_Hàn ma sát khuấy, với rất nhiều sự phát triển không ngừng để đáp ứng nhu cầu sản xuất sản phẩm là mục tiêu của đề tài này góp phần làm tiền đề cho các nghiên cứu FSW trong tương lai

Tại Việt Nam, hàn ma sát khuấy đã được nghiên cứu trong thời gian gần đây nhưng khả năng ứng dụng, tự ứng dụng vẫn chưa được phát triển mạnh mẽ với nhiều l{ do khách quan liên quan đến công nghệ Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trên

Luận văn thạc sĩ” ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐỀN TỔ CHỨC MỐI HÀN THEO PHƯƠNG PHÁP FSW NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA KẾT CẤU

Xin chân thành cảm ơn thầy TS Lưu Phương Minh đã hướng dẫn tận tình, chu đáo và cung cấp các tài liệu quý giá trong quá trình thực hiện luận văn Khi thực hiện đề tài có rất nhiều vấn đề vướng mắc, khó khăn đôi lúc rơi vào bế tắt Tuy một số vấn

đề đã được giải quyết nhưng đâu đó vẫn còn một ít tồn động do nguyên nhân khách quan cũng như chủ quan mắc phải

Để thực hiện đề tài cần tham khảo rất nhiều tài liệu khác nhau nhằm tìm hiểu, rút ra những nội dung thích hợp và cũng như học hỏi lĩnh vực nghiên cứu thực nghiệm khác Tuy nhiên do điều kiện về máy móc thiết bị không chuyên dùng cho hàn ma sát khuấy Trong quá trình sử dụng máy có nhiều dè dặt nhằm tránh làm hỏng thiết bị Do đó không đem đến được kết quả như mong đợi Tuy nhiên trong quá trình thực hiện đề tài có sự kết hợp với các phương pháp kiểm tra mối hàn như: kiểm tra cấu trúc, kiểm tra không phá hủy đã phần nào làm sáng tỏ vấn đề cần tìm hiểu…Mặc dù rất cố gắng nhưng nội dung đề tài chắc chắn sẽ không tránh khỏi nhiều thiếu sót, trong cách trình bày sắp xếp, cũng như truyền tải ý tưởng, nội dung một cách thiếu rõ ràng, chính xác Rất mong được sự nhận xét đánh giá của quí Thầy Cô, các ý kiến quý báu không những giúp hiểu biết tốt hơn về vấn đề nghiên cứu mà còn là những lời chỉ dẫn rất có ích trong công việc nghiên cứu khoa học, cũng như trong công việc thực tế sau này

Xin chân thành cảm ơn và xin được chúc sức khỏe đến quý Thầy Cô

BẢNG CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT

FSW PFSW

FSP HAZ TMAZ

SZ BM 2XXX 7XXX SPD

GPB

Hàn ma sát khuấy Qui trình hàn ma sát khuấy Qui trình xử l{ vật liệu ma sát Vùng ảnh hưởng nhiệt

Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt Vùng tâm mối hàn

Vật liệu cơ bản Dòng hợp kim nhôm đồng Dòng hợp kim nhôm kẽm Biến đổi cơ tính vật liệu bằng phương pháp biến dạng

Vùng tan chảy

TEM WP Vq

Vt HI

PFZ FCG Kmin, Kmax

NDT VAECO

Kính hiển vi điện tử Hệ số năng lượng đầu vào Vận tốc quay

Vận tốc tiến dao Mức năng lượng đàu vào

Vùng kết tủa tự do Nứt do mỏi

Biên độ tải trọng Kiểm tra không phá hủy Công ty kỹ thuật máy bay

Tỷ số Vq/Vt

Cao, thấp hoặc trung bình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Tổng quan về hàn ma sát khuấy và cấu trúc mối hàn 1.2 Giới thiệu về hàn ma sát khuấy

Hàn ma sát khuấy (xoáy,v.v… ) FSW: là quá trình hàn trạng thái rắn được sử

dụng đối với các ứng dụng yêu cầu đặc tính của kim loại gốc phải được duy trì Quá trình này được ứng dụng chính cho hàn Nhôm, và thường cho các quá trình hàn mẫu lớn mà khó có thể xử lý nhiệt sau hàn để khôi phục đặc trưng tôi Quá trình hàn FSW được phát minh và kiểm chứng thực nghiệm bởi Wayne Thomas và một nhóm đồng nghiệp tại viện Hàn Châu Âu tháng 12 năm 1991

Năm 2005, TWI đã cấp giấy phép FSW cho các nước Bắc Mỹ, Châu Âu và Châu Á Ở Châu Âu 68% dùng trong lĩnh vực công nghiệp, ở Bắc Mỹ 36% là công nghiệp, 64% được cấp cho các phòng thí nghiệm của chính phủ; các nhà sản xuất thiết bị và các học viện Thống kê chung thì Châu Âu chiếm 33%, Châu Á chiếm 41%, còn lại 36% là Nam Mỹ

Bản chất trạng thái rắn của quá trình FSW là vùng khuấy (cũng gọi là vùng tái kết tinh động) là vùng vật liệu bị biến dạng rất mạnh tương ứng với từng vị trí của đầu khuấy trong quá trình hàn Biên hạt bên trong vùng khuấy là đẳng trục và thường có cấp hạt nhỏ hơn biên dạng hạt trong vật liệu chủ Tính chất độc đáo của vùng khuấy thường xuất hiện của nhiều đường tròn đồng tâm mà có liên quan đến cấu trúc vòng củ hành Nguồn gốc chính xác của các vòng này vẫn chưa có khẳng định chắc chắn, mặc dù có sự biến động về mật độ số hạt, kích thước biên hạt

Dụng cụ hàn vừa xoay vừa tịnh tiến xuống tiếp xúc với bề mặt vật hàn nhằm tạo nguồn nhiệt cần thiết ban đầu, kế tiếp là đi xuyên vào vật hàn (chiều sâu bằng với

chiều sâu ngấu) tạo những thay đổi về tổ chức vật liệu; làm cho quá trình biến dạng dẻo mãnh liệt ở vùng khuấy, sau đó di chuyển dọc theo hướng hàn tạo thành mối hàn (để lại phía sau dụng cụ phần kim loại vừa kết tinh lại, đẳng hướng, cấu trúc dạng hạt mịn)

Hình 1.1 Hàn Ma sát khuấy

1.3 Tính kinh tế

Theo khảo sát vào năm 2005 của hiệp hội hàn Hoa Kỳ, ước tính rằng công nghệ chế tạo của Mỹ phải tiêu tốn 34.4 tỉ USD hàng năm cho việc hàn hồ quang, công việc sửa chữa và bảo trì các kết cấu hàn mất 4.4 tỉ USD hàng năm, do đó phải tiêu tốn lớn về năng lượng, đồng thời thải ra lượng khí có hại đáng kể và một khối lượng chất thải rắn khổng lồ Phương pháp hàn ma sát khuấy sẽ khắc phục được những nhược điểm nói trên một cách có hiệu quả.[1]

Hàn ma sát khuấy là một trong những công nghệ hàn không nóng chảy tạo ra những liên kết hàn ưu việt nhất, nó hàn được: hợp kim nhôm, thép không rỉ, hợp kim đồng, Ni, Mg và hợp kim Titan, FSW cho mối hàn chịu lực cao, tăng giới hạn bền mỏi, giảm biến dạng, không bị khuyết tật

Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy rằng nếu chỉ 10% thị trường hàn của Mỹ được thay bằng FSW thì tiết kiệm được 12800 tỉ Btu năng lượng hàng năm và 500

triệu lb hàng năm về lượng khí thải, tạo ra lợi nhuận hàng năm là trên 4.9 tỉ USD

1.4 Tính thân thiện môi trường

Hàn ma sát khuấy là bước tiến quan trọng nhất về lĩnh vực hàn trong thập niên qua, và là một công nghệ xanh do hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường So sánh với những công nghệ hàn trước đây thì FSW tiêu thụ ít năng lượng một cách đáng kể, không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóng chảy, không có khí độc khi hàn, không phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ, Do đó tạo môi trường trong sạch Ngoài ra FSW không cần sử dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, ít biến dạng và không nứt Bất kỳ hợp kim nhôm nào cũng có thể hàn được mà không cần quan tâm đến sự đồng bộ của kim loại vật hàn, hơn nữa vật liệu composite có thể hàn với nhau một cách dễ dàng

Tương phản với phương pháp hàn ma sát truyền thống (hàn ma sát trực tiếp-đó là tiến trình hàn những phần tử đối xứng nhỏ được xoay hoặc ma sát bề mặt để sinh nhiệt, sau đó dùng lực ép vào nhau để tạo thành liên kết hàn) FSW được ứng dụng cho hầu hết các liên kết hàn khác nhau như: Hàn giáp mí, hàn chồng mí, hàn góc, hàn chữ

Hình 1.2 Một số dạng mối hàn [1]

1.5 Những ứng dụng liên quan FSW

Dựa trên nguyên lý cơ bản của việc tạo ma sát và phân tán dẻo, có các công nghệ sau

a) Hàn điểm ma sát khuấy (Friction Stir spot Welding):[1]

Tương tự như hàn ma sát khuấy đường thông thường nhưng ở đây chỉ hàn những mối hàn chồng mí và hàn tại từng điểm riêng biệt, trong năm năm gần đây FSSW đã phát triển mạnh và được dùng thay thế cho mối ghép đỉnh tán rất hữu hiệu Có hai phương pháp FSSW được dùng đó là phương pháp hàn điểm ma sát khuấy đâm xuyên

(plunge FSSW) được phát minh bởi công ty Mazda (2003) và phương pháp hàn điểm ma sát khuấy điền đầy được sáng chế bởi GKSS-GmbH (Đức) (2002)

Trong quá trình PFSW thì một dụng cụ cố định xoay và dụng cụ hàn đường thông thường) đâm xuyên vào tấm trên và tấm dưới của mối ghép chồng mí làm biến dạng dẻo cục bộ vật liệu và khuấy trộn vật liệu của cả 2 tấm lại Hạn chế phương pháp này để lại lổ thoát sau khi dụng cụ thoát ra khỏi mối hàn nhưng vẫn đảm bảo độ bền cần thiết

Hình 1.3 Quá trình hàn điểm ma sát khuấy có để lại lổ hàn (PFSW)

Ứng dụng hàn điểm ma sát khuấy được ứng dụng rất rộng rãi trong hàng không Đối với quá trình RFSW thì dụng cụ hàn với vai và đầu khuấy riêng biệt nhau, phần vật liệu bị đầu khuấy làm biến dạng ban đầu sẽ được giữ lại dưới vai trong nửa chu kỳ đầu và sau đó vai sẽ ép xuống tạo thành mối hàn trong khi đó đầu khuấy rút lên bằng với bề mặt vật hàn giúp cho mối hàn được điền đầy không bị lổ khuyết

Hình 1.5 Quá trình hàn điểm ma sát khuấy điền đầy lổ hàn [1]

b) Hàn ma sát khuấy vật liệu dẻo nhiệt

Được phát minh bởi Trường Đại học Brigham Young Nguyên lý hàn hoàn toàn giống với hàn khuấy kim loại nhưng ở đây chỉ hàn được vật liệu có chiều dày

(HDPE) Chất lượng mối hàn từ 83% (đối với PC) đến 95% (đối với HDPE) và 98% (đối với PP) khi so với phương pháp kết nối Polymer bằng sóng siêu âm, bằng lò điện, bằng phương pháp dán, Gần đây, trung tâm AMP đã cộng tác với cơ quan nghiên cứu không lực Kirtland đã dùng phương pháp này để kết nối những sợi quang, những hạt phân tán, và vật liệu dẻo nhiệt hạt nano hóa bền

c) Quá trình ma sát khuấy xử lý vật liệu (FSP)

Mục đích của quá trình này là nhằm làm thay đổi tính chất một phần chọn lọc hay toàn bộ của vật liệu chi tiết theo một mục tiêu đã đề ra bởi sự thay đổi và phục hồi tổ chức vật liệu, và loại bỏ ứng suất dư, nhằm tăng cơ tính và tăng độ bền của chi tiết So với hàn FSW thì quá trình FSP có những đặc điểm sau:

- Tăng sự siêu dẻo trên bề mặt chi tiết - Khắc phục những lổ hỏng và khuyết tật đúc của kim loại đúc và của những mối hàn hồ quang

- Lượng gia nhiệt thấp - kích thước hạt rất mịn trong vùng khuấy - Không có sự định hướng ngẫu nhiên của ranh giới hạt trong vùng khuấy - Khuấy trộn cơ học lớp bề mặt và lớp dưới

Siêu dẻo là khả năng của vật liệu kim loại được thể hiện ở độ giãn dài trên 200% Những đặc điểm tinh thể quan trọng mà quyết định đến toàn bộ ứng xử của siêu dẻo là:

+kích thước hạt mịn (< 5m) + Hình dạng hạt đẳng hướng + Có sự hiện diện của những phân tử pha thứ 2 làm giảm sự phát triển của hạt + Thành phần của ranh giới hạt góc cao

1.6 Nhƣợc điểm của hàn ma sát khuấy

Bên cạnh những ưu điểm có được của phương pháp hàn FSW vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như sau:

 Mối hàn mỏng hơn so với vật liệu nền  Để lại một lổ sau mối hàn

 Chưa có nghiên cứu nào hoàn chỉnh về đặc điểm cấu trúc của mối hàn sau thời gian dài

 Khó hàn 2 loại vật liệu khác nhau  Quá trình xử lý nhiệt , lực khá phức tạp

1.7 Các vùng kim loại mối hàn

Hình 1.6 Tổ chức kim loại mối hàn

Nhiệt do sự ma sát và sự biến dạng dẻo của phôi do tác dụng của dụng cụ đến vật liệu sẽ làm mềm hóa vùng vật liệu giới hạn bởi vai dụng cụ và vùng xung quanh đầu khuấy Thông số hàn cùng với cấu hình của dụng cụ và thành phần của vật liệu hàn sẽ quyết định đến khối lượng vật liệu được gia nhiệt và đến sự di chuyển của chúng trong quá trình hình thành mối hàn

Cấu trúc mối hàn trong mặt cắt ngang dưới đây thể hiện mối hàn được chia bốnvùng: vùng trung tâm mối hàn được bao bởi vùng ảnh hưởng nhiệt và vùng ảnh hưởng cơ nhiệt Dựa vào hình dáng hình học và cấu trúc mối hàn cho thấy quá trình dòng chảy vật liệu là không đối xứng Thể tích kim loại được quét phụ thuộc vào lượng

nhiệt nung nóng để làm mềm vật liệu xung quanh dụng cụ Và qua đó nhận thấy rằng nhiệt độ vùng lùi cao hơn nhiệt độ vùng tiến của mối hàn

Phần bề mặt rộng hơn phần đáy là do vai dụng cụ tạo nhiệt nhiều hơn đầu khuấy dụng cụ Trong vùng trung tâm mối hàn có những mẫu xếp liên tục nhau là do cấu hình ren của đầu khuấy và bị biến mất là do sự trượt giữa bề mặt dụng cụ và phôi, ở nhiệt độ cao hơn khi lượng kim loại bị trồi ra trong quá trình hàn, vùng trung tâm kéo dài ra về phía vùng tiến là do dòng chảy không liên tục trước khi đông đặc

Hình 1.7 Sự hình thành các vòng dạng củ hành

Cấu trúc tế vi của mối hàn ma sát khuấy Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn Sự thay đổi hướng ren sẽ làm thay đổi hướng dòng chảy vật liệu trong vùng xoáy từ sự di chuyển lên hoặc di chuyển xuống dọc đầu khuấy Hai dòng chảy trên sẽ quyết định lượng kim loại trải qua quá trình cơ nhiệt trong mỗi dòng chảy và sẽ quyết định đến chất lượng mối hàn

Hình 1.8 Sự kết hợp giữa các dòng chảy.[1]

Một số đặc điểm chủ yếu của dòng chảy:

1.7.1 Ảnh hưởng của lực ép

- Dòng chảy bị phân chia trên cạnh tiến của mối hàn, vật liệu ở phía trước đầu khuấy được quét quanh cạnh lùi ra sau dụng cụ Quá trình này được quyết định bởi ứng suất cắt ở bề mặt dụng cụ và phôi Cũng chính dòng vật liệu này, đôi khi lại tạo nên sự kết nối giữa những dòng chảy riêng biệt quanh vùng tiến và vùng lùi dẫn đến việc hình thành mối hàn trên vùng tiến

Như vậy điều khiển lực và moment xoắn của dụng cụ là cần thiết để duy trì mức nhiệt độ thích hợp và dòng chảy kim loại thích hợp để hạn chế sự hình thành khuyết tật

Hình 1.9 Ảnh hưởng của lực ép đến chất lượng mối hàn.[3]

1.7.2 Ảnh hưởng của vận tốc và số vòng quay của dụng cụ

Hình 1.12 Sự liên hệ giữa vận tốc hàn và số vòng quay dụng cụ [5]

Trong điều kiện hàn nóng (vòng quay lớn, Vh nhỏ) sự không cân bằng dòng vật liệu sẽ có thể tồn tại và làm cho vùng tâm hàn bị đổ sụp, nguyên nhân là do dòng vật liệu vượt quá từ vùng 3 điền vào cạnh tiến (vùng 1)

Trong điều kiện hàn nguội (tốc độ quay thấp, Vh cao) lổ hỏng dễ xảy ra, nguyên nhân là do vật liệu vùng tiến (vùng 1) không được đáp ứng đầy đủ, như đã miêu tả thì khuyết tật này sẽ giảm khi lực ép tăng

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của một số thông số hàn đến cỡ hạt sau khi hàn [2]

Vật liệu phôi Chiều dày(mm) Số vòng quay(v/p) Vận tốc hàn(mm/s) Cỡ hạt(µm)

7075Al-T6 6.35 300-1000 127 2-4

6061Al-T6 6.3 90-150 10

Al-Li-Cu 7.6 90 -150 16

7075Al-T651 6.35 350-400 102-152 3.8 6063Al-T4,T5 4 360 800 5.9 6013Al-T4,T6 4 1400 400 10

2024Al-T351 6 80 2-3 7010Al-T7651 6.35 180-450 95 1.7 7050Al-T651 6.35 350 15 1-4 Al-4Mg-1Zr 10 350 102 1.5 2024Al 6.35 200-300 25.4 2

7475Al 6.35 15.4 2.2 5083Al 6.35 400 25.4 6 2519Al-T87 25.4 275 102 2 -12

1.7.3 Ảnh hưởng của điều kiện làm sạch đến dòng chảy vật liệu

Màng oxyt trên bề mặt phôi và ở giữa bề mặt tiếp xúc của mối hàn sẽ ảnh hưởng đến dòng vật liệu và ảnh hưởng xấu đến chất lượng mối hàn Do đó làm sạch bề mặt phôi trước khi hàn là rất cần thiết Phương pháp đơn giản nhất là mài (bào, cắt, ), sau đó làm sạch các phoi vụn Nếu không làm sạch cẩn thận, các phoi vụn sẽ đi vào chu kỳ tuần hoàn dòng vật liệu và ngăn cản sự kết dính trong lúc các dòng chảy hội tụ lại Sự hiện diện của lớp oxyt và những mảnh vụn sẽ làm phát sinh những hạt lớn không bình thường, tuy nhiên đầu khuấy đã phá hủy hoàn toàn vùng này Những hạt lớn trong vùng trồi sẽ giảm độ dẻo dai, đặc biệt là vùng HAZ Trong khi hàn những cỡ hạt lớn không bình thường nói trên sẽ cản trở dòng vật liệu và ngăn cản sự

kết tinh lại trong vùng xoáy phía dưới đầu khuấy và dọc theo bề mặt trên của đường hàn trong vùng 3

1.8 Khuyết điểm trong cấu trúc mối hàn

Sự quá nhiệt ở vật liệu và làm mất độ bền của kim loại cơ bản trong vùng TMAZ hoặc HAZ Điều kiện hàn này chỉ áp dụng cho những mối hàn chịu lực thấp khi hàn quá nhiệt thì sẽ hình thành khuyết tật “chảy sệ” Nguyên nhân là do quá nhiều dòng vật liệu đến vùng 4 và sự ngấu vượt quá của dòng vật liệu đến cạnh sau ở dưới đỉnh đầu

khuấy Khuyết tật này liên quan đến độ bền liên kết hàn, giới hạn bền mỏi và độ dẻo dai khi uốn

Hình 1.13 Khuyết tật chảy sệ của mối hàn tạo nên vết nứt tế vi [3]

Một yếu tố nữa là khi hàn trong điều kiện hàn nóng, vật liệu ở vùng giữa vai và bề mặt vật hàn (vùng 3) có thể bám vào vai dụng cụ hàn cản trở quá trình hàn, mặt khác phần

vật liệu này có thể bị đẩy ra khỏi vai và hình thành khuyết tật ở bề mặt vật hàn (hình thành Bavia bề mặt) dẫn đến sự hao hụt vật liệu vùng hàn làm ảnh hưởng đến sự cân bằng của các dòng vật liệu ở những vùng khác, làm thiếu lực ép bề mặt và sinh

ra các khuyết tật khác

Hình 1.14 Sự thiếu hụt vật liệu bên ngoài và bên trong mối hàn [3]

Trong điều kiện hàn nguội (tốc độ quay thấp, Vh cao) hỏng hóc dễ xảy ra, nguyên nhân là do vật liệu vùng tiến (vùng 1) Khi lực ép quá thấp thì bề mặt (vùng 3) không được điền đầy Mặc dù khi lực ép tăng đến giá trị cần thiết thì vẫn có tình trạng

thiếu sự đông đặc ở bề mặt giữa vùng 1 và vùng 4 Những khuyết tật này biểu hiện ở sự hình thành vết nứt dọc theo dòng tuần hoàn của vật liệu

Hình 1.15 Sự tạo thành vết nứt dọc theo dòng tuần hoàn của vật liệu [3]

Những hạt lớn và sự thiếu của dòng kim loại hình thành dưới đầu khuấy sẽ gây

ra hiện tượng thiếu chiều sâu ngấu Với số lượng lớn những hạt lớn này thì sẽ phân tán rộng khắp theo diện tích đầu khuấy quét sẽ tạo điều kiện cho những hạt lớn đó sẽ còn lại trong vùng TMAZ và vùng trung tâm mối hàn dẫn đến giảm độ bền mối hàn

Hình 1.16 Sự tách lớp trong mối hàn tạo nên liên kết yếu thiếu bền vững [3]

1.9 Tình hình phát triển hàn ma sát khuấy ở nước ngoài thời gian gần đây

Năm 1998 hãng Izumi được ủy thác chế tạo toàn bộ từ kỹ thuật bàn giao của Toyota đã chế tạo thành công máy hàn ma sát NC , hiện tại máy hàn ma sát có khả năng hàn giữa 2 loại vật liệu khác nhau cụ thể là Drill sensor shaft với đường kính nhỏ nhất là 1.6mm

Hiện tại các hãng chế tạo máy Hàn ma sát xoay nổi tiếng là IZUMI Công Nghiệp, SAKAE Công nghiệp, TOYO, NITTO, SEIMITSU, TANAKA Seiki Sangyou (TANAKA Tinh Công Sản Nghiệp)

Các trường Đại học có phòng nghiên cứu về Hàn ma sát xoay nổi tiếng ở Japan là : Đại học OSAKA, Đại học KEIO, Đại học Công nghiệp HIMEJI, Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật HYOGO, Sở Nghiên cứu kỹ thuật Tổng hợp trực thuộc Bộ Giáo Dục Nhật

Năm 1998, Russell và Shercliff cũng đã dùng mô hình phân tích dựa trên phương trình tạo nhiệt của mình để dự đoán và xấp xỉ nhiệt độ tính toán Dòng nhiệt qua dụng cụ được xác định là khoảng 17% tổng năng lượng hàn.[25]

Năm 2003, khi nghiên cứu mô hình số, Schmidt và Hayyel đã tính toán năng lượng sinh công vào dụng cụ bởi việc giảm lượng nhiệt vào dụng cụ bởi việc giảm lượng nhiệt vào phôi và khẳng định rằng 25% năng lượng cơ học cần thiết bởi tốc độ quay của trục chính sẽ đi vào dụng cụ, còn lại 75% tập trung vào phôi tại mối hàn

Một nghiên cứu khác của Langerman và Kvalvik đã dùng nguồn nhiệt hai chiều để xác định dòng vật liệu xung quanh đầu khuấy và dự đoán sự phân bố ứng suất dư trong phôi sau khi hàn Nguồn nhiệt sinh ra trong khi hàn có quan hệ tuyến tính với đường kính vai của dụng cụ

Từ khi phát minh 1991 đến 1995 có trên 50 phát minh cải tiến Về thiết kế dụng cụ đã có sự phát triển bởi TWI, dụng cụ hàn được chiều dày lớn, hàn chồng, hàn được vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao, và tăng tốc độ hàn, trong năm 2005 công ty GKSS (Đức) đã thành công trong việc hàn siêu tốc 1980 cm/phút mối ghép đâu mí hợp kim nhôm mỏng Năm 1999 cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) cùng với trung tâm Marshall space và công ty Boeing đã phát triển dụng cụ có đầu khuấy rút được

vào vai khi cần thiết (thường ở cuối đường hàn) [1] Dụng cụ này đến nay có thể quay với số vòng quay lên đến hơn 50.000 v/p Ngoài ra còn sử dụng phương pháp hàn khuấy nhiệt và tích hợp với năng lượng siêu âm để hàn Trường Đại học Missouri – Columbia hàn FSW có sử dụng nguồn điện bởi có sự thêm nguồn điện trở Trường Đại học Wisconsin (Mỹ) thì kết hợp hàn FSW với nguồn laser đi trước dụng cụ hàn để nung nóng dự nhiệt vật liệu hợp kim nhôm

Viện khoa học Rocwell cùng với trung tâm Warfare đã liên kết với 13 Trường Đại học ở Mỹ đã từng bước cải tiến quá trình khuấy ma sát trên Al, Cu, Mg và hợp kim nền Ferít Công ty kỹ thuật đồng thời (Concurrent Technologies Corporation – CTC) đã cải tiến chất lượng mối hàn cho hợp kim nhôm dày 5083, 2195 và 2519 với việc dùng dụng cụ vật liệu là Polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) (Hảng Megastir)

Trong một số báo cáo gần đây về cấp độ hạn siêu mịn có ảnh hưởng đến tính chất vât liệu (SPD), việc nghiên cứu cấp độ hạt của mối hàn là thật sự cần thiết nhằm xác định cụ thể ứng dụng của từng loại mối hàn trong từng điều kiện cụ thể

Gần đây nhất một số nghiên cứu trên thế giới vế hàn ma sát khuấy đang tập trung nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc vật liệu của mối hàn của kim loại đồng nhất và của những hợp kim không đồng nhất về thành phần

Tháng 10 năm 2007 đại hoc quốc gia Sun Yat_Sen có bài nghiên cứu về mối

hàn ma sát khuấy ở cấp độ hạt nano

Tháng 8 năm 2008 Tiến sĩ Jeffery D Horschel thuộc đại học

Brigham Young University đã thực hiện một số nghiên cứu về sự mỏi và tính phá hủy trong cấu trúc mối hàn ma sát khuấy

Tháng 10 năm 2008 hàng loạt các báo cáo về cấu trúc hạt của mối hàn ma sát

khuấy đã được báo cáo.trong đó có báo cáo vế sự chống ăn mòn và bảo vệ mối hàn ma sát khuấy

Tháng 8 năm 2009 P L Threadgill cùng đồng sự bắt đầu nghiên cưu FSW với các loại vật liệu khó hàn

Năm 2010 hàng loạt các cuộc hội thảo diễn ra tại Đức, Đài Loan về vấn đề

Năm 2011 Các hãng hàng không hàng đầu thế giới đầu tư cho nghiên cứu và

ứng dụng hàn ma sát khuấy cho các dòng máy bay hiện đại

1.9.1 Tình hình phát triển hàn ma sát khuấy ở Việt Nam

Ở nước ta, hàn ma sát khuấy là một lĩnh vực khá mới Ðặc biệt trong các trường học và các trung tâm nghiên cứu, phương pháp hàn này chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu khái niệm mà thôi Theo khảo sát, hiện nay hầu như không có doanh nghiệp nào trong nước ứng dụng phương pháp hàn này vào sản xuất

Hình 1.17 bàn ăn trên máy bay dùng công nghệ hàn FSW

Tuy nhiên trên một số tàu bay mà Vietnam airlines đang sử dụng và khai thác như Boeing 777, Airbus A330.A320 một số các thiết bị bên trong cũng như bên ngoài như ghế ăn, các bộ phận trong động cơ, khung sườn, thùng nhiên liệu có sử dụng hàn FSW Các công ty có thể ứng dụng công nghệ hàn này một cách có hiệu quả như: sản xuất nồi hơi, các nhà máy đóng tàu vỏ hợp kim nhôm (Sông Cam Vinashin, 198 Bộ Quốc Phòng, Bourbon Long An, Strategic Marine Vũng Tàu ), nhưng các công ty nói trên vẫn chưa dám mạnh dạn đầu tư vì chưa hiểu rõ về công nghệ hàn này

Trong năm 2009 Học viên Mai Đăng Tuấn đã nghiên cứu tổng quan về ma sát khuấy, nghiên cứu một số mô hình thực nghiệm và tiến hành thí nghiêm trong điều kiện phù hợp với điều kiện của Việt Nam và đã đạt một số kết quả khả quan Tuy nhiên việc nghiên cứu sâu hơn vào cấu trúc mối hàn, những tính năng cơ bản mà một mối hàn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy cần có vẫn chưa được nghiên cứu sâu

rộng Và chưa thống kê hết những hư hại và độ bền thật sự của mối hàn trong từng điều kiện làm việc hay môi trường cụ thể

Mục tiêu của đề tài

 Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến tổ chức mối hàn như: - Ảnh hưởng của thông số lực ép

- Ảnh hưởng của số vòng quay - Ảnh hưởng của vận tốc hàn - Ảnh hưởng của chiều sâu vật hàn - Ảnh hưởng của điều kiện nhiệt Từ những ảnh hưởng trên gây ra những hư hỏng trong cấu trúc của mối hàn : - Sự mỏi xảy ra trong cấu trúc bị quyết định bởi dòng chảy vật liệu, - Vết nứt tế vi phát sinh trong sự hình thành các thể dòng chảy không đều - Sự phá hủy cấu trúc mối hàn

- Sự già hóa kim loại - Cấu trúc hạt to và kém bền  Đề ra giải pháp nhằm cải thiện cơ tính mối hàn

Trong năm 2010 Trần Trung Hoàng và Trần Hải Triều đã có nghiên cứu về tối hóa thông số công nghệ và mô phỏng nhiệt, lực quá trình hàn

Tính cấp thiết của đề tài

Việc ứng dụng hàn ma sát ở Việt Nam có được áp dụng và phát triển hay không phụ thuộc vào tính khả thi của công nghệ hàn ma sát khuấy, chất lượng mối hàn trong những điều kiện công nghệ khác nhau phù hợp với khả năng và trình độ phát triển

Bên cạnh đó ngày càng nhiều thiết bị, máy móc ở Việt Nam sử dụng vật liệu mới đặc biệt khó hàn như nhôm 2XXX ứng dụng trong xe otô., máy bay, nhôm 7XXX ứng dụng trong một số ngành xây dựng cao Về cơ bản một số chi tiết khi bị nứt hoặc hư hỏng phần lớn là thay thế, tuy nhiên giá cả rất cao, và thời gian đặt hàng rất lâu,

ảnh hưởng đến sản xuất Và công nghệ hàn FSW có khả năng giải quyết được khó khăn trên

Để đạt được mục tiêu đó thì vấn đề mấu chốt là khả năng thực hiện nhằm tạo ra mối hàn tốt đạt chất lượng cao với loại vật liệu “tương lai” là yếu tố tiên quyết tạo nên tính đột phá của công nghệ Do vậy đề tài

“ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐỀN TỔ CHỨC MỐI HÀN THEO PHƯƠNG PHÁP FSW.NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA KẾT CẤU HÀN ” thật sự cần thiết và cần được nghiên

cứu nhằm chứng minh cụ thể hơn tính khả thi trong việc áp dụng hàn ma sát khuấy tại Việt Nam

CHƯƠNG 2: TỔ CHỨC TẾ VI MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY ĐỐI VỚI HỢP KIM NHÔM 2024 T6_T351

Hình 2.1 cắt lớp các vùng mối hàn

Việc nghiên cứu đến tổ chức tế vi của mối hàn ma sát khuấy nhận thấy sự

biến đổi cấu trúc và biên giới hạt rất phức tạp, vừa phụ thuộc vào loại vật liệu ảnh

hưởng nhiệt, lực ép và vận tốc hàn do đó có thể phân chia thành sáu vùng tổ chức kim loại mối hàn Cấu trúc mối hàn trong mặt cắt ngang dưới đây thể hiện mối hàn

được chia sáu vùng ảnh hưởng:

Mỗi vùng ảnh hưởng có những đặc điểm về cấu trúc cũng như độ bền rất khác nhau sẽ được trình bài ở những chương tiếp theo

Sự liên kết về mặt cấu trúc giữa các vùng là vấn đề quyết định tính chất và độ bền của mối hàn ma sát khuấy

Hình 2.2 Các vùng kim loại mối hàn

Vùng 1: Như hình 2.2 ( vùng trung tâm mối hàn _vùng đầu vào) của mối hàn

được bao bởi vùng ảnh hưởng nhiệt và vùng ảnh hưởng cơ nhiệt Dựa vào hình dáng hình học và cấu trúc mối hàn cho thấy quá trình dòng chảy vật liệu là không đối xứng Trong vùng 1 kim loại lúc nào cũng trong trạng thái bị phân tán và bị một tác động gọi là SPD (server plastic deformation )[10] Cấu trúc hạt bị tách, bị trượt lẫn nhau,làm phá vỡ cấu trúc nền Kim loại trong vùng này bị nhiều tác động nên có cấu trúc hạt

dạng con nhộng dài và có xu hướng phân bố theo chiều xoay theo chiều quay của

dụng cụ

Hình 2.3 Cấu trúc phân bố hạt vùng 5_1 và 2_5 [6]

Vùng 2: Vùng lùi vật liệu, thể tích kim loại được quét phụ thuộc vào lượng

nhiệt nung nóng để làm mềm vật liệu xung quanh dụng cụ Và qua đó nhận thấy rằng nhiệt độ vùng lùi cao hơn nhiệt độ vùng tiến của mối hàn Do đó sự phân bố cấu trúc hạt ở vùng lùi không giống với vùng tiến (vùng vào vật liệu) Vật liệu ở vùng 2 là kết quả của quá trình luyện kim, vật liệu bị tác động của yếu tố cơ nhiệt trong toàn quá trình hàn, do đó cấu trúc tế vi của vật liệu ở vùng 2 bao gồm những trạng thái hạt

mịn, dạng cầu phân bố xếp chặt như hình 2.3 Sự hình thành biên giới hạt giảm rõ rệt,

hiện tượng cầu hóa hợp kim nhôm trong giai đoạn hình thành biên giới hạt bị già hóa tạo nên những thể biến cứng không hợp lý

Vùng 4: Trong điều kiện hàn nóng (vòng quay lớn, Vh nhỏ) sự không cân bằng dòng vật liệu sẽ có thể tồn tại và làm cho vùng tâm hàn bị đổ sụp, nguyên nhân là do dòng vật liệu vượt quá từ vùng 3 điền vào cạnh tiến (vùng 1)

Vùng 4 được hình thành chủ yếu do sự chảy sệ của dòng vật liệu và các mạng vật liệu trượt nhau, do đó vùng 4 được phân thành 2 loại kết cấu hạt

- Nếu mối hàn xuyên suốt bề dày vật liệu thì vùng 4 là vùng vật liệu hàn bị trượt tạo nên, cấu trúc hạt trong vùng đó có dạng tương tự vùng 1 nhưng do trải qua quá trình gia nhiệt và trượt từ vùng 1 sang vùng 4

Trong điều kiện hàn nguội (tốc độ quay thấp, Vh cao) lỗ hỏng dễ xảy ra, nguyên nhân là do vật liệu vùng tiến (vùng 1) không được đáp ứng đầy đủ, như đã miêu tả thì khuyết tật này sẽ giảm khi lực ép tăng

Hình 2.4 Mặt cắt ngang của mối hàn tại vùng 4 có kết cấu phức tạp nhất, vì nơi giao thoa cấu trúc của các vùng kim loại, và tại vùng này hình thành thêm nhiều dạng cấu

trúc hạt mới có ảnh hưởng tới từng vùng.[6]

Vùng 3 Sự hiện diện của lớp oxyt và những mảnh vụn sẽ làm phát sinh những

hạt lớn không bình thường, tuy nhiên đầu khuấy đã phá hủy hoàn toàn vùng này Những hạt lớn trong vùng trồi sẽ giảm độ dẻo dai, đặc biệt là vùng HAZ (Vùng ảnh hưởng nhiệt) Trong khi hàn những cỡ hạt lớn không bình thường sẽ cản trở dòng vật liệu và ngăn cản sự kết tinh lại trong vùng xoáy phía dưới đầu khuấy và dọc theo bề mặt trên của đường hàn trong vùng3

Sự quá nhiệt ở vật liệu và làm mất độ bền của kim loại cơ bản trong vùng TMAZ (Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt) hoặc HAZ (Vùng ảnh hưởng nhiệt) Điều kiện hàn này chỉ áp dụng cho những mối hàn chịu lực thấp khi hàn quá nhiệt thì sẽ hình thành khuyết tật “chảy sệ” Nguyên nhân là do quá nhiều dòng vật liệu đến vùng 4 và sự ngấu vượt quá giới hàn chảy của dòng vật liệu đến và ở dưới đỉnh đầu khuấy

Trong điều kiện hàn nguội (tốc độ quay thấp, Vh cao) lổ hỏng dễ xảy ra, nguyên nhân là do vật liệu vùng tiến (vùng 1) Khi lực ép quá thấp thì bề mặt (vùng 3) không được điền đầy Mặc dù khi lực ép tăng đến giá trị cần thiết thì vẫn có tình trạng thiếu sự kết tinh ở bề mặt giữa vùng 1 và vùng 4

Hình 2.5 Mô phỏng dòng xoáy kim loại dịch chuyển qua từng vùng kim loại của mối

hàn, đồng thời cho thấy sự phức tạp nhất tại vùng 4 [1]

Vùng 5 : hay còn gọi là vùng lân cận, vùng tiếp giáp, là vùng chịu ảnh hưởng cơ

nhiệt, và vùng hoàn toàn chịu ảnh hưởng nhiệt, đây là vùng có kết cấu vật liệu phức tạp nhất

Là vùng tiếp giáp với các vùng khác, nên vùng 5 có đặc trưng cơ l{ tính của vật liệu từng vùng, ứng với trạng thái pha vật liệu và trạng thái luyện kim

- Vùng 5-1 hình 2.6a Cấu trúc hạt bị bức phá dữ dội hình thành nên các pha

trung gian kích thước hạt chuyển dần nhỏ sang to từ trong vùng 1 sang vùng 5, và kích thước hạt vùng 5 lại là kết quả của sự phân cấp hạt từ vùng 1 sang vùng 6 Khi hàn 1 lần pass Thì vùng 5 có kết cấu không đồng đều dễ dẫn dến hiện tượng nứt tế vi và lõm cục bộ mối hàn do liên kết hạt từ cấp hạt nhỏ sang hạt to mà gian đoạn liên kết trung gian quá ít Để khắc phục điều đó trong một số giải pháp dưới đây là thực hiện nhiều lần hàn qua lại trên cùng một trục hàn

Hình 2.6 Cấu trúc phóng đại 10 lần của từng vùng kim loại mối hàn.[6]

- Vùng 5-2 hình 2.6b Vùng có dòng vật liệu được định nghĩa là dòng chảy rối,

tức là cạnh lùi của vật liệu và đến khi dòng vật liệu dừng hẳn Cư tưởng tượng khi 1 dòng nước ra khỏi vòi nước , dòng nước sẽ chuyển từ chảy tầng sang chảy rối, trong trường hợp vùng dòng chảy sau khi hết một vòng tròn dạng củ hành các hạt vật liệu tầng gần vùng 2 có dạng cầu và to dần khi ra đến vùng 5, Nhưng điểm khác biệt ở đây là biên giới hạt không rõ ràng như các vùng khác, do vậy vùng là chính là vùng thường xuất hiện các vết nức tế vi dạng dài chạy dọc theo biên giới của các nhóm biên hạt

- Vùng 5-4 hình 2.6d, e… Đây là vùng có vật liệu liên kết bền vững và ít khuyết

tật do có sự sấp xếp phân bố các mạng tinh thể theo hướng vào và ra của dòng vật liệu tùy theo hình dáng biên dạng của đầu khuấy dụng cụ mà vùng 5-4 có những đặc trưng cơ học khác nhau

Vùng 6 : Là vùng kim loại cơ bản của vật liệu hàn, là vùng ít chịu ảnh hưởng bởi

cơ và nhiệt Tuy nhiên tùy theo từng loại vật liệu cơ bản mà mối hàn có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau

2.2 Ảnh hưởng của vận tốc hàn đến cấu trúc tế vi 1.10 2.2.1 Phân tích các mặt cắt ngang cấu trúc tế vi của mối hàn theo hệ trục tọa độ

Nhiều nghiên cứu gần đây phân tích cấu trúc mối hàn theo các đặc trưng hình học sau đây:

Trong quá trình hình thành dải các mối hàn liên tiếp nhau, bước tiến của đầu khuấy tạo ra các vảy xếp chồng lên nhau gọi là từng (band(dải)) Chất lượng liên kết các band (dải) với nhau tùy thuộc vào tốc độ nhanh hay chậm của bước tiến dụng cụ, hay gọi là tốc độ hàn

Để hiểu sâu hơn người ta phân tích mối hàn theo ba trục tọa độ,tương ứng với mặt cắt ngang của mối hàn tại tâm và bề rộng tương ứng W cùng chiều cao H là kích thước bao tương đối của một mối hàn

Hình 2.7 Mô tả một vi phân mối hàn theo ba mặt cắt của ba trục toạ độ XYZ[6]

Việc phân tích được chia thành ba nhóm : nhóm cấu trúc mối hàn với tốc độ hàn nhanh, chậm, và trung bình

Hãy tưởng tượng cắt một đơn vị thể tích mối hàn theo ba trục tọa độ X , Y Z như hình….với H là chiều cao, W là bề rộng trung bình của mối hàn Sau khi sử dụng các biện pháp soi chiếu, phân tích, được kết quả như sau:

Nhìn chung mối hàn được tạo thành bởi các vảy xếp chồng lên nhau có dạng đường cong theo chiều xoay của đầu xoáy, chạy từ cạnh tiến sang cạnh lùi của dòng vật liệu

Với mỗi tốc độ hàn khác nhau tạo ra cấu trúc vảy hàn khác nhau.Và nhận thấy rằng với tốc độ tiến nhanh nhất thì có ít nhất 100 hạt xếp kề nhau trong một band (dải) Tương đương các hạt vào khoảng vài chục đến vài trăm micormet Và sự hình thành biên giới của các hạt có liên quan đến sự tạo thành các vảy hàn Các kết quả này được máy tính phân tích và tính toán

Từ hình 2.8 cho thấy với tốc độ hàn nhanh thì bước hàn hay khoảng cách giữa các vảy trở nên rộng hơn so với tốc độ vừa, Nhưng với tốc độ chậm thì việc hình thành các vẩy trở nên khó khăn và không được rõ ràng,

Để giải thích cho sự không rõ ràng sự đồng đều các vảy hay band (pha) mối hàn, là do trong quá trình hàn chậm một phần nhiệt truyền qua vùng ảnh hưởng nhiệt làm biến thiên cấu trúc hạt từ nhỏ sang to, Do vậy trong hình 2.8a trong cạnh lùi thì các vảy rõ ràng hơn cạnh tiến Có thể giải thích là trong quá trình dòng vật liệu vào khu vực cạnh tiến thì xảy ra hiện tượng trượt cục bộ các band (dải) với nhau, và trượt giữa các hạt với nhau, nên tạo nên các thể cầu hóa trong cấu trúc của vật liệu, và ra khỏi vùng lùi thì vật liệu gần như đồng nhất cấp hạt và nhỏ nhất, từ đó sự hình thành các vảy bị đồng hóa với vật liệu nền

Nhưng chung qui tốc độ hàn ảnh hưởng rất lớn đến việc hình thành các band (pha), độ lớn hạt vật liệu biên giới hạt giữa chúng

Hình 2.8 Tốc độ hàn càng cao sự phân vùng phân hoá cấu trúc diễn ra càng mạnh[6]

1.11 2.2.2 Phân tích cấu trúc tế vi của mối hàn theo vận tốc hàn

Khi nghiên cứu hợp kim nhôm AA 2024 Với số vòng quay của đầu khuấy không thay đổi, khiphân tích cấu trúc theo mặt cắt đứng theo hình 2.9 Người ta chia mặt cắt ngang thành 9 điểm có đặc trưng cấu trúc khác nhau hoặc đối xứng với nhau

Khi hàn ở vận tốc cao cấu trúc hạt ở khu vực 6,9 theo hình 2.9 to hơn cấu trúc hạt ở

khu vực trung tâm mối hàn, điều này có thể giải thích là do khi hàn với bước tiến nhanh, xảy ra sự cắt nhanh theo chiều dọc mối hàn, và tâm của mối hàn được hình

thành là nơi dừng hay điểm cuối cùng của cạnh lùi, nơi mà dòng vật liệu không chuyển động nữa, tạo nên tâm mối hàn

Giải thích theo nguyên l{ SPD như sau: Khi hàn ở tốc độ cao, dòng vật liệu dịch chuyển nhanh, tương tác giữa các hạt vật liệu là tương tác trượt xảy ra nhiều hơn là tương tác cắt do đó tại tâm mối hàn các band (dải) nối liền nhau thành một thể thống nhất trong khi đó các vùng 6 và 9 xảy ra hiện tượng cắt nhiều hơn là trượt, các hạt vật liệu ma sát cục bộ lẫn nhau, cắt nhau, kết hợp với lực nén của đầu khuấy làm cho hạt bị phân chia rõ rệt, kết quả là vùng 6,9 lại mang cấu trúc hạt nhỏ, tròn, nhưng không đồng đều, với vùng kim loại tại điểm 6, và 9 tuy kích thước hạt bé hơn nhưng hình thành các pha không rõ ràng, có các vết đường biên giới hạt liền nhau tạo thành dãy trượt, và có khả năng phát sinh thành các vết nứt trong khi mối hàn chịu tải trọng

Hình 2.9 Chín điểm cấu trúc tại mặt cắt ngang mối hàn.[6]

Bảng 2.1*6+ Kích thước hạt nhôm 2024 T351 với ba chế độ hàn

Từ hình 2.9 nhận thấy tại điểm 1 tức là vùng chịu lực ép trực tiếp từ vai của

đầu khuấy, hình dáng hình học của các hạt vật liệu có dạng cầu, hoặc tương đối tròn

đều, Tuy nhiên sức hiện cáng vùng sáng tối khác nhau, có các điểm đen xen kẻ với nền trắng sáng, đó là do sự tách liên kết của các kim loại kết hợp với kim loại cơ bản nhôm

Hình 2.10 Cấu trúc tế vi tại 9 điểm với chế độ hàn nhanh.[6]

Các điểm 7,8,4 có đặc điểm cấu trúc tương tự nhau và sẽ được phân tích trong các phần sau

Khi hàn vận tốc thấp quá trình hình thành cấp độ hạt có chiều hướng ngược

lại theo bảng 2.1

Hình 2.11 Cấu trúc tế vi tại 9 điểm với chế độ hàn chậm [6]

Khi phân tích các điểm liên kết trong cấu trúc tế vi của mối hàn, Cần thiết nghiên cứu sự liên kết hạt ở các vùng 5-1 và 5-2 tương ứng với các điềm 6 và 9 theo

hình2.11 cấu trúc tế vi của hợp kim nhôm A 2524 khi gia công hàn ở tốc độ thấp có sự khác biệt rõ rệt về cấu trúc hạt

Trong một đơn vị diện tích mặt cắt nhất định, cấu trúc tế vi ở các điềm 6 và 9 giảm đáng kể từ 7µ giảm xuống dưới 2 µ Sự đồng đều về tổ chức dần dần xảy ra trên toàn cấu trúc mối hàn, tạo nên sự biến cứng trong cấu trúc

Nhìn chung, khi hàn ở tốc độ thấp làm tăng khả năng biến cứng của mối hàn, do tổ chức tế vi nhỏ hơn đồng đều hơn nhưng sự mất cân đối về tính bền , dẻo giữa vật liệu nền, hay vật liệu cơ bản với vật liệu mối hàn tạo nên thể không đồng đều và chênh lệch quá lớn sẽ dẫn đến khả năng nứt, mỏi bên trong cấu trúc mối hàn khi phải chịu tải, hoặc chịu các dạng ứng suất

Khi gia công ở tốc độ chậm, nhiệt sinh ra nhiều, khả năng giải nhiệt chậm, nhiệt từ cơ năng biến thành nhiệt năng tăng thường gây ra hiện tượng quá nhiệt ở các vùng ảnh hưởng nhiệt, hoặc một phần của vùng chịu ảnh hưởng cơ nhiệt Từ đó quá trình kết tinh lại diễn ra vô cùng chậm, sự già hóa kim loại xuất hiện,

Một định nghĩa mới được nghiên cứu là sự hóa hơi kim loại hợp kim, ví dụ như hợp kim nhôm _Mg, thì thành phần Mg bị hóa hơi ở nhiệt độ cao tuy không bị thoát ra khỏi vật liệu nền nhưng các hạt Mg kết hợp trở thành thể các hạt có kích thước to, làm suy giảm độ bền uốn của vật liệu cơ bản,

2.4 Năng lƣợng liên kết trong cấu trúc mối hàn ,sự hình thành biên giới hạt

Kim loại được mềm hóa sẽ di chuyển theo chiều quay của dụng cụ và tụ lại phía sau đầu khuấy khi được vai ép xuống trước khi dụng cụ di chuyển tới dọc theo hướng hàn, hình thành đường hàn

Vùng gần đầu khuấy chủ yếu là xoay Tất cả vật liệu trải qua biến dạng Vùng xoay tạo ra đủ lớn chứa tất cả vật liệu bị biến dạng do vận tốc xoay phải bằng vận tốc di chuyển tới vai của dụng cụ

Mỗi bước trong dãy kim loại xếp khít nhau trong đường hàn thì tương đương với khoảng cách dịch chuyển của dụng cụ trong mỗi vòng quay khi đầu khuấy dịch chuyển tới ( hình 2.3)

Dựa vào hình dáng hình học và cấu trúc mối hàn cho thấy quá trình dòng chảy vật liệu là không đối xứng Thể tích kim loại được quét phụ thuộc vào lượng nhiệt nung nóng để làm mềm vật liệu xung quanh dụng cụ Và qua đó nhận thấy rằng nhiệt độ vùng lùi cao hơn nhiệt độ vùng tiến của mối hàn [25], (hình 2.4)

Phần bề mặt rộng hơn phần đáy là do vai dụng cụ tạo nhiệt nhiều hơn đầu khuấy dụng cụ Trong vùng trung tâm mối hàn có những mẫu xếp liên tục nhau là do cấu hình ren của đầu khuấy và bị biến mất là do sự trượt giữa bề mặt dụng cụ và phôi, ở nhiệt độ cao hơn khi lượng kim loại bị trồi ra trong quá trình hàn, vùng trung tâm kéo dài ra về phía vùng tiến là do dòng chảy không liên tục trước khi đông đặc

Quá trình nhiệt khi hàn là sự tăng nhiệt độ của vật hàn dưới ảnh hưởng của sự tạo nhiệt, sự truyền nhiệt vào vật hàn, sự thoát nhiệt vào môi trường xung quanh và vào tấm đỡ Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến một loạt các quá trình xảy ra đồng thời trong kim loại vật hàn Chuyển biến tổ chức tinh thể, thay đổi thể tích, biến dạng dẻo, đàn hồi Các quá trình này ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn và toàn bộ kết cấu nói chung

Nguồn nhiệt hàn được tạo thành do sự kết hợp của quá trình ma sát giữa dụng cụ-phôi và quá trình phân tán dẻo trong khi vật liệu bị biến dạng Những nghiên cứu thực nghiệm gần đây đã cho thấy rằng nguồn nhiệt sinh ra chủ yếu ở bề mặt vai và phôi

Vùng gần sát với đầu khuấy là gần như đẳng nhiệt với nhiệt độ tối đa tại ranh giới mặt cắt [2] của kim loại xung quanh đầy khuấy Đối với các vật hàn dày thì nhiệt độ bị ảnh hưởng bởi chiều sâu của đầu khuấy, nhiệt độ cao nhất là tại bề mặt tiếp xúc giữa vai và bề mặt vật hàn

Khi nhiệt độ vật hàn tăng lên làm mềm kim loại, moment xoắn giảm và một lượng nhiệt được truyền đi bởi công cơ học Điều này tạo thành một cơ chế nhiệt tương đối ổn định và tối đa hiện tượng nóng chảy của kim loại mối hàn Khi kim loại nguội dưới nhiệt độ tới hạn, khi đó ứng xuất dòng biến dạng tăng lên trên giá trị ứng suất trượt Sự tác động giữa dụng cụ và phôi có thể chuyển từ biến dạng đến ma sát Nếu hiện tượng trượt xảy ra giữa dụng cụ và phôi thì lượng nhiệt vào sẽ giảm và dẫn đến nhiệt độ giảm trên toàn mối hàn

Nhiệt độ và ứng suất tiếp thay đổi lớn trên khắp dụng cụ, do đó không giống như điều kiện tiếp xúc đơn thuần Tiếp xúc có thể một phần bị trượt, một phần bị dính và nếu có hiện tượng nóng chảy cục bộ xảy ra thì sẽ có sự kết hợp hiện tượng trượt, dính Nóng chảy cục bộ của phân tử pha thứ hai hoặc cấu trúc cùng tinh sẽ làm giảm nhanh chóng ứng suất cắt một cách hiệu quả dần dần đến giá trị không, điều đó làm giảm mạnh lượng nhiệt sinh ra Do đó, sự tạo nhiệt có thể tự ổn định ở nhiệt độ gần đường rắn, khối lượng kim loại nóng chảy được khống chế duy trì rất nhỏ nhằm giảm tối đa những vấn đề có liên quan như nứt, kết tinh, rổ khí

2.5 Khái quát hợp kim nhôm 2024 T6_T351 Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền đƣợc bằng nhiệt luyện:

Trong loạt hợp kim 2xxx, đồng là nguyên tố gây cứng chủ yếu Magiê được thêm vào để tăng độ hóa già tự nhiên và tăng độ bền kéo Các hợp kim có đặc tính chung là độ bền cao, chống ăn mòn kém, khả năng ép rất thấp (tốc độ phun ra thấp, 1 / 6 m / phút) và khả năng hàn bằng các kỹ thuật tổng hợp kém Về cơ bản các hợp kim này có độ bền rất cao nhờ sự hình thành các khu GPB (Vùng tan chảy) và sự kết

tủa của pha "S" (Al2MgCu) Khu vực GPB (Vùng tan chảy) là khu vực Cu-Mg

Guinier-Preston-Bagariastkij, S''và S 'là pha tiền thân của pha S ổn định siêu bền Khu vực

GPB (Vùng tan chảy) có hình trụ (dạng thanh), chiều rộng 1-2 nm, chiều dài 4 nm Sơ đồ đại diện của khu vực GPB (Vùng tan chảy) có hình thái và cấu trúc tinh thể được biểu diễn trên hình 2-10 Các pha Al2MgCu ổn định, được sắp xếp như pha S có cấu trúc lập phương tâm diện với các tham số cấu trúc mạng tinh thể a, b = 4,00, = 9,23

và c = 7,14 Å Hai cấu trúc trung gian (S''và S '), cả hai đều có cấu trúc S hơi bị bóp méo, mức độ khác nhau phụ thuộc vào ma trận kết tủa Ứng suất lớn được coi là nguyên nhân của sự gắn kết của pha S'' Các pha S’ có cấu trúc tương tự như pha S, nhưng các thông số mạng tinh thể hơi khác nhau, tức là a, b = 4,04, = 9,25 và c = 7.18Å

Hình 2-12 – Sơ đồ tinh thể đồng_ Mg trong tổ chức hợp kim nhôm đồng Mg[2]

Ngoài ra, giai đoạn của S đã được thể hiện để phát triển cùng với một cấu trúc dạng lát Bên cạnh đó, nghiên cứu kết tủa của hợp kim Al-Cu-Mg được hóa già nhân tạo trước khi hình thành các pha S ổn định cho thấy sự hiện diện của một giai đoạn siêu bền có tên là khu vực GPB (Vùng tan chảy)- II Các quan sát và phân tích nhiễu xạ HRTEM cho thấy rằng cấu trúc tinh thể của những khu vực GPB (Vùng tan chảy)-II là rõ ràng khác với khu vực GPB (Vùng tan chảy)

Hình 2-13 – Cấu trúc mạng tinh thể của khu vực GPB (Vùng tan chảy)-II.[6]