Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu thiết kế chế tạo dụng cụ và công nghệ hàn ma sát tự tương tác cho hợp kim nhôm biến dạng

Nghiêncứu này trình bày nghiên cứu thiết kế dụng cụ hàn ma sát với kết cau hai vai, đồng thờitrình bay phương pháp lựa chọn thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thínghiệm cho vật

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

NGUYÊN VĂN LŨY

NGHIÊN CỨU THIET KE CHE TẠO DỤNG CỤ

VÀ CÔNG NGHỆ HÀN MA SÁT TỰ TƯƠNG TÁC

CHO HOP KIM NHOM BIEN DẠNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA —DHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Lưu Phương Minh

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Phan Đình Huan

Cán bộ cham nhận xét 2 : TS Nguyễn Thanh Hải

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 08 tháng 07 năm 2016

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

I.PGS TS Đặng Vũ Ngoan- Chủ tịch hội đồng

2 TS Nguyễn Thanh Hải — Thư Kí

3 PGS.TS Phan Đình Huan

4 TS Lê Thanh Danh

5 TS Nguyễn Tường Long

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 TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

PGS.TS Đặng Vũ Ngoạn PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYEN VAN LŨY 6c cscscseseei MSHV: 13043044

Ngày, tháng, năm sinh: 04-10-1990 Ặ ccS Sex Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kĩ thuật cơ khí . «-+<<<s<<++ Mã số : 65020103

I TÊN DE TÀI:

NGHIÊN CUU THIẾT KE CHE TẠO DUNG CU VÀ CÔNG NGHE HAN MA

SAT TU TUONG TAC CHO HOP KIM NHOM BIEN DANG

H NHIEM VU VA NOI DUNG:

Tổng quan về công nghệ han ma sát khuấy

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình hàn ma sát khuấy

Nghiên cứu và thiết kế dụng cụ hàn ma sát khuấy

Thực nghiệm hàn và xử lý số liệu băng quy hoạch thực nghiệm

Kiểm tra không phá hủy mối hàn để đánh giá chất lượng

Ill NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :11/01/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016

V CÁN BỘ HƯỚNG DÂN : TS Lưu Phương Minh

Tp HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TS Lưu Phương Minh

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

LOI CAM ON

Trước nhất cho tôi kính gởi lời chân thành cảm ơn đến Thay hướng dẫn TS LưuPhương Minh đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đềtài luận văn này Ngay từ đầu thực hiện luận văn, Thay đã giúp đỡ va tao moi diéukiện dé tôi có đủ các máy móc thiết bị dé thực nghiệm, luôn đưa ra những ý kiến, lờikhuyên xác thực những lúc gặp khó khăn giúp tôi hoàn thành tốt nội dung

Đồng thời xin chân thành cảm ơn:

Qui Thay cô trong khoa Cơ Khí Trường Dai Hoc Bách khoa TP HCM và tat

cả quý Thay cô giảng day lớp Cao học khóa 2013 đã dạy cho tôi những kiếnthức bố ích trong suốt thời gian học Cao học tại trường Cũng như đã bỏ thờigian quý báu dé chấm nhận xét dé tai

Ban Giám Hiệu va quý Thay trong khoa cơ khí chế tạo máy Trường Cao đăng

Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long đã tạo điều kiện, giúp đỡ các trang thiết bị máy

móc, vận hành máy CNC đã giúp tôi hoàn thành thực nghiệm cũng như đóng

góp nhiều ý kiến rất thiết thực

Các Thay, Cô phòng Thư viện - Trường Dai Học Bách khoa TP HCM

Anh Mai Đăng Tuan đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thựchiện đề tài

Cha mẹ, những người thân trong gia đình và bạn bè đã hồ trợ, động viên tôitrong suốt quá trình thực hiện luận văn

Cuôi cùng xin chúc các quý Thay cô, cha me , bạn bè luôn luôn mạnh khỏe và thành công trong cuộc sông Xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, Ngày 10 tháng 06 năm 2015

Nguyễn Văn Lũy

TOM TAT LUẬN VĂN

Han ma sát khuấy là bước tiễn quan trọng nhất về lĩnh vực han trong thập niên

qua, và là một “công nghệ xanh” do hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường, tiêu

thụ ít năng lượng một cách đáng kể, không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóngchảy, không có khí độc khi hàn, không phát sinh tia hồ quang và năng lượng bứcxạ Do đó tao môi trường trong sạch Ngoài ra FSW không can sử dụng kim loại quehàn dé điền đầy mối han, co tính mối han tốt

Từ những ưu điểm vượt trội vừa nêu, việc nghiên cứu ứng dụng của phương pháphàn ma sát khuấy (FSW) có ý nghĩa rất thiết thực trong việc cải thiện chất lượng mỗihàn va tăng thêm tinh đa dạng về mặt công nghệ han trong giai đoạn hiện nay Nghiêncứu này trình bày nghiên cứu thiết kế dụng cụ hàn ma sát với kết cau hai vai, đồng thờitrình bay phương pháp lựa chọn thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thínghiệm cho vật liệu hợp kim nhôm biến dạng Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cácthông số công nghệ cho quá trình hàn ma sát khuấy trên hợp kim nhôm đạt độ tin cậy

Base on above advantages, the research on applicating FSW _ has great significance in advancing the weld joint quality and diversity of welding technology in the future This study presents the design of bobbin tool, it has two shoulders connected by a pin, the method of selecting the best technology parameters

in experimental conditions for formed aluminum alloy The results of this study will provide the optimization of the FSW process on alumium alloy to achive reliability and efficiency.

Keywords: Friction stir welding, Aluminium alloys, Plastic flow, Mechanical properties, Thermomechanically affected zone.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi, Nguyên Van Lũy xin cam đoan:

e Luận văn nay là sản phâm nghiên cứu của chính ban thân tôi

e So liệu trong luận văn là trung thực và chưa được một ai khác công bô

e Tôi xin chịu mọi trách nhiệm vê nghiên cứu của mình.

Học viên cao học

Nguyễn Văn Lũy

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ 22222222eccrrtstrEEEELkvee i LOT CAM ON 0 ccccccssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssesessssssssssssssssssssssssssssssnssessssssssssseeeee iii TOM TAT LUẬN VAN 0 cccccccccccsssssssssssssssseessssssssssssssssssssusssessssesesssssen iv LOT CAM ĐOAN 2222211111 ch cccee v

MỤC LUC oooccccccccccccssssssssssssssssssssssssssesssssssssssssssesessssssessesssssssssssssnseesssesesssssssesseseeee vi

DANH MỤC HINH ANH oouiiiiccccccsssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssceesseesesesssssseeeeee viii DANH MỤC BANG BIÊU 22222222222ccEEEEE22222210012 e6 xi

1 TONG QUAN oocccccccccccccsssssseescssssssscssesssssscssssssseesscssssssesssesssseesssssssuusessesssnneessesssee |

1.1 Giới thiệu -Sc tk SE TEETxETE 1111011111111 111 1111111111111 0111111 re | I.2 Tinh hình nghiÊn CỨU - G1 19999001011 re 4 [.I.I NGO al nƯỚC Gv 4 I.I[.2 Trong nƯỚC G0000 0 vớ 6

1.3 Ứng dụng của han ma sát khuấy trong công nghiệp . - - + 5252552552 7

14 Lý do lựa chọn TT eccecescececscececescscscscecsccscevscscececevevacaceceevevavacaceceeseavacececeeseves 9

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiÊn CỨU - - - - < << S991 11 193 993111 ng ke 10

1.6 Ý nghĩa thực tiễn và lợi ích của dé tải -¿ 5 - S2 2 SE2E SE Erkrkrrrrerees 10

| oy) Ge So ::::‹: 101.6.2 Thực tiễn -G- k1 TH TH TH ng ng ng 10

2 CƠ SỞ LÝ THUYÊTT -22222222E222111111111111522222etrrrrrrrrrrrrrrrrrrrriri 12

2.1 Các vùng kim loại mối hàn - ¿2© + 2+2 +E2E+E£EEEEEE£E£ESEEEEEEEEEEEEEEEErkrerree 122.2 Cơ tính mối hàn - + SE SE SE SE E19 E5 1115151515 111111515 11151111111 cve 132.3 Khuyết tật mối hàn ma sát khuấy - ¿25+ S2 SE2E£E£E2EEEEEEEEEEErsrkrerree 14

24 Quá trình sinh nhiệt khi hàn - 5-5 E2 22222333 29 1111111111111 1111 1 8 8 .v 19 24.1 Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình han ccceeesssneececeeesesneeeeeeeeeeees 19

24.2 Ứng suất trượt tiép XÚC - + SE E SE 1 1 1511 1211111151111 11 1111111111 23

28 Kết luận SG s11 1111211 H111 TT H111 11T 11g ng ru 33

3 THIET KE DUNG CỤ -22222222111115222tEEEE 1111210111111cccce 35

3.1 Cấu tao dụng cụ hàn 21220000101 ng ng và 353.2 Vật liệu chế tao 601560007757 a 363.3 Thiết kế dụng cụ hàn: (TOO) - + ¿6E S22 SE2E9 5E E21 1512515211111 E 1E cxe, 40

3.3.1 Vat ụng CỤ cGQ SH tk và 40

3.3.2 Thiết kế Pin - + hư 42

3.3.3 Kích thước dụng CỤ: ccS S199 ng vu 47 3.3.4 Phân tích lựa chọn dụng CỤ - 2v ng ng 48 3.3.5 Khoảng cách giữa hai Va1 - vn 50 3.3.6 Bộ gá dụng CỤ Gv 52

3.3.7 Dé xuất mô hình thiết kế dụng cụ . ¿ -¿- + 2 255+£+£+£z£ezezezeererered 54

4 THỰC NGHIỆM -.22222222122221100001100.010.11.1ee 57

4.1 Phương pháp thực nghiệm va phát biểu bài toán hộp đen -. 5- 55-52: 574.1.1 Giới hạn các thông số nghiên cứu thực nghiệm - 22-55 <2 se: 57

A1.2 Hàm mục tiêu của hệ thống ¿- - + + +E+E#ESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrkrrrree 574.1.3 Các thông số đầu vào ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu: 574.14 Cơ sở giới hạn các thông số nghiên cứu đầu vào: 2-55- 5s+cscsc: 574.1.5 Các yếu tô nghiên cứu đầu vảo - + 2522 tt EE2E SE EEEcErerrree, 584.1.6 Phát biểu bai toán hộp đen: - ¿+ - 5+ S2 S2 E*EEEEEEEES E2 rrrreee 58

42 Mô hình thí nghiệm thiết bị, phôi, dụng cụ hàn, đồ gá: -5- +: 59

4.2.1 Mô hình thí nghiỆm - - (<< 1 19993101101 19 990101 59

4.2.2 Thiết bị c2 HH Hee 59

4.2.3 Phôi Ặ QQQ TQ HH Họ 60

4.2⁄4 Dụng CỤ và 61

A25 Đồ gá vật liệu aN ees eececscsescscsesecscscscscscsvecsvecsssesssesesssssscecacsvetenenens 62

5 PHAN TÍCH KET QUẢ 2222222222E22511122222222222111112222222EExee 63

5.1 Thực nghiệm đơn yếu tỐ - - + 25+ E*E9EEESEEEEE9EEEE1211151511 2121115151 cxe, 635.1.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của số vòng quay dụng cụ 635.1.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc han 5-5-5 55555525252 645.1.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách vai 5- 55+: 655.2 Quy hoạch yếu tô thực nghiệm toàn phân + 225 + 2 2££+E+E+£z£zezeccee 655.2.1 Kiểm tra ý nghĩa của các hệ số phương trình hồi quy - - 5<: 685.2.2 Kiếm tra tính thích hop của phương trình hồi quy -5-55 5+: 695.2.3 Đồ thị biểu thị mỗi tương quan giữa ham mục tiêu và yếu tố ảnh hưởng 705.24 Tối ưu hóa các thông số công nghệ - 2 252 E+S+E2£2£E2E£EzEz£zcxrervee 73

5.3 Quan sát TPC QUAN 0000000 0 và 74

54_ Kiểm tra không phá hủy mối hàn - ¿©2652 2E +E+E+E+EEE£E£EeEeErErersrerree 76

6 KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ -22222222cc+cc222222222211112ecce 70

6.l Kết luận - G11 19111 111 5 11119111101 1110101011 11H11 1g ru 706.2 Kiến nghị -c + S1 1 1E 1111111121111 1111 111111110101 11 0101011121700 Tr re 79

TÀI LIEU THAM KHAO ooocccccccccccccsssscsscssssssssssssssssssssssssnsesessssssssseseeeee 81

PHU LUC -12222221111111122 tt 002200 cccee 83PHU LUC AA G SG SE E5 511151111151 5151515111 11111111 111111 1111111111111 11 11T EeTerrree 84

180809 9:12 85

PHU LUC C, - -G- E111 919193 91113 019113 11111 1g ng HT ng ngưng 87

PHU LUC ÏD G1 919113 91 113 10113 11g TT TT TT TH ng ngưng 88

LÝ LICH TRÍCH NGANG -22222221111111222 1.12212112111111 89

DANH MỤC HINH ANH

Hình 1.1: Hàn ma sát khuấy - - + 2566 E523 E915 5 1211151111121 11115 111111 c |Hình 1.2 Dụng cu hàn ma sát khuấy + ¿5 S252 S223 E9 5E 1211151 5212121117111 11 11x, 3Hình 1.3 Một số dạng dụng cụ trong han ma sát khuấy - 2 2 2555+5+c£z£s+szs+2 3Hình 1.4 Hàn ma sát khuấy tự tương tác dùng Bobbin tool [14] -. -5-55s5s+: 6Hình 1.5 Ung dụng của hàn ma sát khuấy trong công nghiệp - 225-552: 8Hình 1.6: Thiết bi hàn ma sát khuấy trong công nghiép cccccscsesessesesessssesesseeeseseees 9Hình 2.1 Các vùng kim loại mỗi hản - ¿5 5252 S626 2E9EEEEEEE£E£EEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrree 12Hình 2.2 Phân bố ứng suất dư trong mối han [2] ¿-5- 5 2 2 2+££S+£+£££££££EzEz£zzezsd 13Hình 2.3 So sánh giữa hàn MIG va hàn FSW đối với nhôm -. - 2 52525525522 14

Hình 2.4 Vung ảnh hưởng nhiệt của han FSW và han MIG << <<<<s+2 15

Hinh 2.5 Khuyét tật rỗ khí ang 1EN tlc NƯEŨŨŨ 16

Hình 2.6 Khuyết tật rổ khí dạng không liên tục w ccccecceccecscsesesescscscssesesesssssseseseessesens l6Hình 2.7 Khuyết tật do thiểu tỐCC ¿- - 5525629 SE SE E15 1 121111115151 21 71131111 cxe0 17Hình 2.8 Khuyết tật đứt Quang - - + SE E121 1115111111 111111 1121111111111, 17Hình 2.9 Khuyết tật bavia ¿5-5-5521 1 15 1 111 151151111 117115 1111011111101 01 01.01010111 re 18Hình 2.10 Khuyét tật chảy s@ cccccccccscscscscsssssscscscscscscscssscscsesesssscscscavsvecsvsvsvscsesesssssseseas 18Hình 2.11 Khuyết tật ngõ ra cocccccccccccccccscscssescscscsssscscscscsssssscscsssessescscsssssssscscssssseseseess 19Hình 2.12 Kích thước mặt cắt ngang vùng han - 2 25 S2 £2£E£E+EzEzrrererreree 21

Hình 2.13 Khoảng cách giữa các bước hàn - ng re 25 Hình 2.14 Dòng chảy vật liệu [ ÏÍ7] 019999010111 re 26

Hình 2 15 Mô hình 3D dòng chảy vật liệu bên trong mối hàn - 22-5555: 26

Hình 2.16 Dòng chảy vật liệu quanh Pin [17] << << + 1113339991 EESSSssseeeeeeree 27

Hình 2.17 Sự phân bố độ cứng trong mối hàn [ 16 ] - + 25-5 52 525*2£+£+£z£££z£zS+2 30Hình 2.18 Mối liên hệ giữa vận tốc han và năng lượng hàn.[ 16] 5-5- 55+: 30Hình 2.19 Ảnh hưởng của vận tốc hàn đến độ cứng kim loại mối hàn.[ 16] 31Hình 2.20 Ảnh hưởng của vận tốc han đến độ cúng vùng HAZ.[16] uu 32

Hình 3.1 Các dạng dụng cụ Bobbin - - - S1 1111000033111 99 11111 1v ng vờ 35 Hình 3.2 Các dạng hình học của vai dụng CỤ nh ng ng 2v 40

Hình 3.3 Một số cấu hình của vai dụng cụ Í] - - - 2 2 2 +2 SE+E+E£E£E£kekeEeesrerererree AlHình 3.4 Vai có ghờ hình xoắn Ốc + ¿6E + 2522123 E91 1 1211151151125 111 11311 E xe, AlHinh f6 0800/):0 180000001077 42Hình 3.6 Bảng tong hợp hình dáng các đầu Pin ¿-5- 52525222 E+EzESErEreererersred 43

Hình 3.7 Đầu khuấy hình trụ tron [4] ¿-¿-¿- 5E EE+E+E+E+E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrkrkrkrrrree 43Hình 3.8 Đầu khuấy hình nún cụt [4] ¿-¿- 5-5 +E+E+E+E£E£EEEEEEEEEEEEEEEEEErErkrkrkrkrrrree 44Hình 3.9 Đầu khuấy xoắn có bậc [4] ¿-¿- - 5k k+E*E+E+ESESEEEEEEEEEE TT greg 44Hình 3.10 Đầu khuấy có vat cạnh - - + 6566x213 1115 5 121111115111 11 711111 1E xe 45Hình 3.11 Dau khuấy có vòng gân xoăn.[9] ¿+ + 5+ 2+2 +E£E+E2ESEEEEEEEEEEEErkrkrerree 45Hình 3.12 Đầu khuấy ba cạnh [|] - - - + E+E+EE£EEEEEESESEEkEkEkEEEEEEEE5EE5 1111k ckrkd 46Hình 3.13 Đầu khuấy không răng [9] ¿-¿- - ¿52 226222 EEEE£E£E£ESEEEEEEEEEEEErErrkrkrkrree 46Hình 3.14 Đầu khuấy có hai vai tự chinh.[ Ï], - - + 2 2 2 SE SE+E+E£E‡EzkeEeEeterererersree 47Hình 3.15 Mô hình dụng cụ sử dụng trong dé tài - + 2525522 £EcEcEeErrxrkrkrree 50Hình 3.16 Ảnh hưởng của lực dọc trục [3] -c 1113333331113 11111111 rrrree 51Hình 3.17 Sơ đỗ tiếp xúc dụng cụ và Vat liệu ¿- 5-52 S223 3 SE E2 EErkrkerrret 51Hình 3.18 Mối han với các mức tiếp xúc [20] ¿-¿- 2-5-5 S+E+E+E+E+EeEeEeEEEErkrkrkrkrkeered 52Hình 3.19 Phản ứng của dụng cụ nỗi và có định ImM4 53Hình 3.20 Phản ứng của dụng cụ nỗi và cố định với tốc độ hàn thấp [17] 53

Hình 3.21 Vai dưới dụng cụ Bobbn - - - - S1 1100003333311 99111111 11 ng vờ 54 Hình 3.22 Vai trên dụng cụ Bobbin tool cc 1110002332 111v vn 55 Hình 3.23 Pin dụng cụ han 0002220221000 0101111 1 1 111 111 000010 ng và 55 Hình 3.24 Mô hình dụng cụ Bobbin sử dụng cho thí nghiệm - c+<<<<<+ 56

Hình 4.1 Bài toán hộp đen cho quá trình nghiÊn CỨU - << <5 5S £eeeeeees 58 Hình 4.2 Mo hình thực hiện thí nghiỆm - 1111111 1111111155552 59 Hình 4.3 May CNC thực hiện thí nghiỆệm - 0020111111111 1 1 1 1 1 1 1 x2 59

Hình 4.5 Vật liệu tam nhôm dùng trong thí nghiệm hàn ma sát khuấy 60Hình 4.6 Mau thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM E8 + 2522 3t SE 2E EErrrkrreg 61

Hình 4.7 Dung cu Bobbin dùng trong thí nghiỆm 55 5S 1+ Ssssseeerss 61 Hình 4.8 Bộ gá dụng cu Bobbin tool «<< + 1 1110010333311 99 11101111 1n vờ 62

Hình 4.9 Bộ kẹp giữ tắm hàn -¿- - - S222 S3 3 19 1 111111121511 1111 1115110101111 cxe 62

Hình 5.1 Biéu đồ thực nghiệm đơn yếu tố khi số vòng quay thay đổi 64Hình 5.2 Biểu đồ thực nghiệm đơn yếu tố khi tốc độ hàn thay đồi - 64Hình 5.3 Biéu đồ thực nghiệm đơn yếu tố khi tốc độ hàn thay đồi - 65Hình 5.4 Ứng suất kéo của mối hàn khi thay đối trục chính -. - 2 cesses 7IHình 5 5 Ứng suất kéo của mối hàn khi thay đổi tốc độ hàn -25-5- +: 7IHình 5.6 Ứng suất kéo của mối hàn khi thay đối tốc độ hàn . - -: 72Hình 5.7 Sự ảnh hưởng của số vòng quay và khoảng cách vai đến độ bền kéo 72

Hình 5.8 Sự ảnh hưởng của số vòng quay và khoảng cách vai đến độ bền kéo 73Hình 5.9 Sự ảnh hưởng của số vòng quay và khoảng cách vai đến độ bền kéo 73Hình 5.10 Mối hàn tương ứng với khoảng cách vai L=5mm, N=700 V/phút,

DANH MỤC BANG BIEU

Bang 3.1 Vật liệu dung cụ ứng với từng loại vật liệu hàn [1] - - - - +-<<<<<+ 37

Bảng 3.2 So sánh giữa các vật liệu dụng cụ (đối với mối hàn giáp mí) - 39Bang 3.3 Kích thước một số dụng CỤ . - - 2525662222 22321212 E111 E1 5E 1E rkee ATBảng 3.4 Ảnh hưởng của mức tiếp xúc đến các thông số [17] - - 2 c+s+ssss¿ 52Bang 4.1 Thông số vật liệu nhôm 606 Ï~TÓ6 - + ¿2-2 2 22 +E+E+E+E£E£E£E£EzEzEE£ErErereee 60Bang 4.2 Tinh chất vật liệu AA 606 Ï~ T6 ¿- 525 E3 E5 1215152121515 211115 11 x.e0 60Bang 5.1 Kết quả khảo nghiệm khi (n) thay đổi + 255-552 252 22+E+E+£z££scxceee 63Bảng 5.2 Kết quả khảo nghiệm khi (v) thay đỔi + 25555 5c 2£scEcEsEsrrsrereee 64Bảng 5.3 Kết quả khảo nghiệm khi (n) thay đổi + 25555 2S2£*2E+E+£zrrszereee 65Bang 5 4 Bảng kết quả khảo nghiệm ơ, khi n, v, L thay đồi -5 5- 66

Bang 5.5 Bang tinh toán phương sai tai hiỆn - G0 ke 68 Bang 5.6 Bảng tính các g1á tr] Íi HH re 68 Bang 5.7 Bảng tính phương sai thích hợp - 5c 5 01111 1 ng vn 69

BANG CÁC KY HIỆU

Ký hiệu Hệ số, đại lượng Don vị

A Tiết diện ngang mối hàn mmZ

t Chiéu day tam han mm

B Chiều rộng mối han mmQ1 Nhiét luong do vai trén sinh ra W Q; Nhiệt lượng do vai dưới sinh ra W Q3 Nhiét luong do Pin sinh ra W

to Ung suất trượt của vật liệu phôi Mpa

a) Vận tốc sóc của dụng cu Rad/s

Ok Giới hạn bền kéo MPa

Rs Bán kính vai dụng cụ mm

Rp Bán kính đầu khuấy mmHpin Chiéu dai Pin mm

Gup.Claown — thoát ra ngoài môi W

hụ,huown Hệ số nhiệt đối lưu W/m€

ụu Hệ số ma sát

-P Luc tac dung N

d Đường kính đầu khuấy mm

D Đường kính vai mm

n Số vòng quay dụng cụ v/p

Vụ Vận tốc hàn mm/phút

t Thoi gian han S

Y Giới hạn chảy Mpa

T Nhiệt độ làm việc °C t° Nhiệt độ phòng °C

C Nhiét dung riéng J/kg°C

M M6 men xoan N.m

k Hệ số dan nhiệt W/m“K

gây ảnh hưởng đền sức khỏe con người.

Hàn ma sát khuấy là một bước tiến mới trong công nghệ hàn Mối hàn ma sát khuấyđược tạo ra bởi một dụng cụ hình trụ quay xoáy vào vật liệu và di chuyển doc theo đườnghàn Nhiệt do ma sát được tạo ra bởi vai và Pin của dụng cụ với chi tiết hàn cùng vớinhiệt do biến dạng dẻo do vật liệu bị khuấy đảo làm vật liệu mềm và bị xáo trộn Quátrình liên kết xảy ra ở trạng thái rắn, chưa đạt đến trạng thái nóng chảy của vật liệu Dòngvật liệu dưới vai có cau trúc như vật liệu rèn, còn vật liệu chảy quanh Pin dụng cụ như

1 TÔNG QUAN

> Ưu điểm:

Hàn được tất cả các loại hợp kim, đặc biệt là hợp kim nhôm (có chiều dày lớn),

thép, Titan, đồng, composite, han được các vật liệu hoàn toàn khác nhau mà các

phương pháp hàn khác chưa hàn được.

Chat lượng môi hàn cao, không nứt kết tinh, giới hạn bên cao gap nhiều lần so với hàn hồ quang, và đạt gan băng độ bên của kim loại nên.

Ít tiêu thụ năng lượng một cách đáng kể, không tiêu thụ khí bảo vệ, thuốc han, vật

liệu hàn

Không phat sinh tia hỗ quang và các tia bức xạ

Không phụ thuộc va0 tay nghề của công nhân (han thủ công), máy móc thiết bị đơngiản hơn với robot hàn (hàn tự động) nhiều lần

An toàn cho con người, không làm 6 nhiêm môi trường.

> Nhược điểm:

Dé lại một 16 sau môi hàn.

Cơ tính của vùng tiếp giáp giữa vùng han va kim loại nền không tốt, tại vùng nayhay xảy ra nhiều khuyết tật

Đối với các mỗi hàn có chiều dày khác nhau cần một loại đầu pin khác nhau

Khi đường hàn cong thì thiết bị hàn đòi hỏi khả năng chuyển động phức tạp

Vật liệu đâu hàn cân cứng hơn vật liệu phôi hàn Do đó, khi hàn các kim loại có độ cứng cao yêu câu về vật liệu dau han rat khăt khe, đặc biệt ở nước ta vật liệu là một van dé hét sức nan giải.

Với những ưu điểm vượt trội, hàn ma sát khuấy đang được sử dụng ngày càng rông rãitrong ngành công nghiệp hiện nay Có thể nói công nghệ hàn ma sát khuấy là một bướctiễn quan trọng trong việc kết nối kim loại trong 2 thập kỉ gần đây Thời gian gần đây hàn

ma sát khuây tiêp tục được đâu tư nghiên cứu nhăm tạo ra môi hàn có cơ tính đạt được như

ý muôn.

> Dung cụ hàn ma sát khuấy

Về cơ bản dụng cụ han ma sát khuấy bao gồm hai phan chính: Vai và Pin dung cụ Vai

có tác dụng tiêp xúc với bê mặt phôi vật liệu han, sinh nhiệt do ma sát giữa hai bê mặt tiép xúc, ép vật liệu ở trạng thái dẻo đê tạo môi hàn Pin có tác dụng đầm xuyên vào vật liệu

hàn, cắt kim loại và khuấy đảo vật liệu, di chuyển vật liệu từ phía trước ra phía sau khi

dụng cụ di chuyền

Dựa theo đặc điểm của dụng cụ, hàn ma sát khuấy được chia thành hai loại dụng cụ

1 TÔNG QUAN

e Han ma sát khuấy thông thường (CFSW): Dung cụ với 1 vai duy nhất, được phátminh dau tiên trong các quá trình han thông thường

e Hàn ma sat khuấy với dụng cụ Bobbin Tool: Là dụng cụ được cải tiễn từ dụng cụ

thông thường Boobin tool gôm có hai vai, vai trên và vai dưới được kết nôi với

Boobin tool có nhiêu điêm ưu việt hơn so với dung cụ hàn truyền thông:

e Không cần lực dọc trục lớn, điều này sẽ loại bỏ cơ cầu đỡ phía dưới tắm hàn déchống lai lực dọc trục lớn từ dụng cụ thông thường Do đó không yêu câu máy có

độ cứng vững cao Vật liệu sẽ được ép nhờ tác dung của hai vai.

e Đầu han không cần nghiêng một góc, do đó kết cầu máy sẽ đơn giản hon

1 TÔNG QUAN

© Do cả hai vai ma sát ở hai bề mặt phôi nên nhiệt tạo ra lớn hơn, do đó tốc độ dichuyển hàn nhanh hơn, tăng năng suất

e Loại bỏ được khuyết tật đường ngầm khi Pin không xuyên thấu hết vật liệu han

e Mối hàn đi vào từ một cạnh của tâm hàn và không để lại lỗ sau khi hàn

e Câu trúc hạt và chất lượng mối hàn tốt hơn so với dụng cu thông thường

Năm 1998, Russel và Shercliff [1] cũng đã dùng mô hình phân tích dựa trên phương

trình tạo nhiệt của mình để dự đoán và xấp xi nhiệt độ tính toán Dòng nhiệt qua dụng cụđược xác định là khoảng 17% tông năng lượng han

Năm 2003, khi nghiên cứu mô hình số, Schmidt và Hattel [2] đã tính toán năng lượng

sinh công vào dụng cụ bởi việc giảm lượng nghiệt vào dụng cụ bởi việc giảm lượng nhiệt

vào phôi và khang đình rang 25% năng lượng cơ học can thiết bởi tốc độ quay của trụcchính sẽ đi vào dụng cụ, còn lại 75% tập trung vào phôi tại mối hàn Cùng với nghiên cứutrên hai ông cũng đã sử dung mô hình từ nguồn nhiệt do ma sát và nguồn nhiệt do biếndạng dẻo dé tính nguồn nhiệt vào, trong đó 10% năng lượng sẽ đi vào dung cụ, phần lớn

lượng nhiệt vào vai dụng cụ sẽ tương ứng với kích thước đường kính vai Ngoài ra, Shi

cũng đã tính toán nguồn nhiệt vào dụng cụ là khoảng 8% tong năng lượng cơ học trong môhình số của mình nhưng sau đó ông đã điều chỉnh đến khi tương đương với kết quả thực

nghiệm.

Song và Kovacevic [7] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ dụng cụ đến momentxoăn khi han bang cách thực nghiệm thay đổi với nhiều tốc độ quay va tốc độ ăn dao củadụng cu Tang [9] đã thay đối tốc độ dụng cụ va chiều sâu dụng cụ khi tăng tốc độ xoaydụng cu thì tăng nhiệt vào Tat cả nghiên cứu trên nhằm nêu lên sự thay đổi nhiệt độ vùnghàn và thông số hàn nhưng không dự đoán chất lượng đường hàn

Midling và Rorvik [8] đã tính toán lượng nhiệt và dựa vào chiều rộng HAZ Họ đãthay đối số vòng quay dụng cụ, tốc độ ăn dao, lực tác dụng vào dụng cụ và chứng minhlượng nhiệt vào (Heat input) giảm khi chiều sâu và số vòng quay của dụng cụ giảm, lượnggia nhiệt tăng khi giảm tốc độ hàn (Vh) Một số tác giả đã kết hợp việc đo nhiệt độ (băngThermocouples — TC) vùng hàn và vùng HAZ Gould và Feng [5] quan sát khi thay đổi 2thông số hàn Frigaard [6] [6] quan sát ở ba tốc độ đi xuống của dụng cụ Song nghiên cứuvới 3 tốc độ quay dụng cụ Cả ba tác giả trên đã cho thay một mối liên hệ mật thiết giữa

1 TÔNG QUAN

Zahedul va KhandKar [10] đã tính toán moment xoắn của quá trình hàn, kết quả là nókhông đổi với mọi thông số Ngoài ra Schmidt va Leinart đã đo moment xoăn từ thựcnghiệm và so sánh với kết quả tính toán, họ cũng khăng định răng moment xoắn khôngthay đôi với mọi thông số han

Một số tác giả đã chứng minh răng năng lượng hàn là một hàm của các thông số.Colegrove [12] đã trình bày năng lượng hàn của mình có liên quan đến tốc độ hàn nhưng

bỏ qua tốc độ quay dụng cụ Ngược lại, tốc độ dụng cụ đã được chứng minh là có ảnhhưởng đáng kê đến lượng nhiệt vào bởi một số thực nghiệm có giá trỊ

Một phương pháp xác định lượng nhiệt vào nữa là bang cách giảm số lượng nhữngthông số và đã kết hợp tốc độ dụng cụ với tốc độ đi xuống với một tên gọi là bước hàn(Xác định bước tiễn trên mỗi vòng quay dụng cụ) Họ chỉ nghiên cứu sơ bộ mối liên hệ

giữa năng lượng hàn với bước hàn.

Cuối cùng, Reynolds và Tang [9] đã kiểm tra sự ảnh hưởng của bước hàn đến nănglượng hàn một cách rõ ràng hơn và cho thấy răng bước hàn không thể là một thông số đểxác định năng lượng hàn một cách chính xác Họ đã giữ tốc độ ăn dao và chiều sâu đầukhuấy không đôi trong khi đó thay đối tốc độ quay dụng cụ để xác định lực hàn và cả

lượng nhiệt vào.

ve dụng cu hàn, từ khi phát minh 1991 đến 1995 có trên 50 phát minh cải tiễn 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 tyGKSS (Đức) đã thành công trong việc han 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 vảo vaikhi cần thiết (thường ở cuối đường hàn) [J.Ding and P.Oel goetz, Auto —Adjustable pintool for FSW, U.S.Patent 5,893507, April 13,1999] Dung cụ này dén nay co thé quay với

số vòng quay lên đến hơn 50.000 v/p Ngoài ra con sử dụng phương pháp hàn khuấy nhiệt

và tích hợp với năng lượng siêu âm để hàn Trường Đại học Missouri — Columbia hanFSW có sử dụng nguồn điện bởi có sự thêm nguồn điện trở Truong Dai học Wisconsin(Mỹ) thì kết hợp hàn FSW với nguồn laser đi trước dụng cụ han dé nung nóng dự nhiệt vật

liệu hợp kim nhôm.

Từ năm 2004, một phương pháp mới được áp dụng nhăm cải tiến khả năng hàn củaphương pháp FSW, hản tự tương tác Phương pháp này dùng một đầu hàn thứ hai thay chotắm dé trong phương pháp truyền thống Điều này cho phép hàn những chỉ tiết cơ cấu rấtkhó hoặc không thé ga đặt trên một tam dé

Tập đoàn MST đã thử nghiệm thành công mối han hop kim nhôm 2195 và 2219 có độday từ 4-25mm, trong đó bao gồm cả mối hàn khác vật liệu giữa 2195 và 2219 với độ dày

trong khoảng 8-16,5mm Từ thành công đó, Airbus Bremen, Germany and Eclipse

1 TÔNG QUAN

Aviation Corporation of Albuquerque, USA hai tập đoàn hàng không lớn trên thế giới đãtiễn hành nghiên cứu phát triển phương pháp này trong tương lai gần

Hình 1.4 Hàn ma sát khuấy tự tương tác dùng Bobbin tool [14]

M.K Sued, Dirk.Pons, J Lavroff, Ee-Hua Wong [3] đã nghiên cứu thiết kế các tinhnăng hình học của Bobbin tool ảnh hưởng đến chất lượng của mối hàn ma sát khuấy Họ

sử dụng 7 dụng cụ bobbin với các thông số kích thước và hình học khác nhau, thí nghiệmthực hiện với hop kim nhôm dạng tam Al-6082-T6, bể dày là 4mm Các thông số côngnghệ được lấy theo kinh nghiệm các nghiên cứu khác với mức tốc độ trục chính 700vòng/phút, tốc độ di chuyển 80 mm/phút

Các dụng cụ thay đổi về hình dáng Pin dụng cụ, đường kính pin, đường kính chân ren,đường kính đỉnh ren và bước ren Thí nghiệm chỉ ra rằng dụng cụ có Pin có cả ren trái vàphải gây ra dòng chảy phức tạp trong mối hàn Rung động lớn tạo ra ở cạnh tiễn của mối

hàn.

Ren trên Pin tạo ra nhiệt cao và dòng chảy vật liệu thăng đứng theo hướng của ren.Các rãnh chỉ tạo ra nhiệt, không tạo ra dòng chảy vật liệu theo hướng thăng đứng Nhiệt độ

quá cao xảy ra ở vật liệu ở giữa các rãnh.

Vai dụng cụ ảnh hưởng đến nhiệt tạo ra Đối với các tâm mỏng, nhiệt tạo ra bởi hai vai

đủ cần thiết cho mối hàn Trong trường hợp này, chuyển động thắng đứng của dòng vậtliệu không quan trọng Vì khoảng cách giữa hai vai có thé thiết lập dé tạo tác dụng nén vậtliệu, do đó tạo ra nhiệt ma sát và khuấy vật liệu nhiều hơn

1.1.2 Trong nước

Ở nước ta hàn ma sát khuấy van là công nghệ rat mới và rất ít nghiên cứu về han masát khuấy Do các điều kiện vẻ kinh tế, các nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu ảnhhưởng của các thông số công nghệ cụ thé đến chất lượng mối han Hiện nay trong nước tahầu như chưa có doanh nghiệp nao ứng dụng công nghệ này vào thực tiễn sản xuất

1 TÔNG QUAN

Luận văn thạc sĩ của Mai Đăng Tuan [21] đã nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông

số đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trên tâm hợp kim nhôm phăng Tác giả đã thựchiện quy hoạch toàn phan ba thông số công nghệ: số vòng quy đầu khuấy, tốc độ han vàđường kính vai đầu khuấy Từ đó rút ra được mối liên hệ giữa các thông số công nghệ vàrút ra được thông số toi ưu dé đạt chất lượng cao nhất

Luận văn thạc sĩ của Thân Trọng Khánh Đạt [23| đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc

nghiêng đầu khuấy dụng cụ đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trên tam nhôm phangA5052 Trong đó tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của ba thông số: tốc độ quay dụng cụ,tốc độ hàn và góc nghiên đầu khuấy Từ đó rút ra mối liên hệ giữa các thông số công nghệ

và đưa ra thông số tối ưu

Đối với hàn ma sát khuấy sử dụng Bobbin tool chưa có đơn vị nào trong nước tanghiên cứu về phương pháp này Bộ môn Thiết bị và Công nghệ vật liệu đang là đơn vịtiên phong nghiên cứu trong lĩnh vực này và đã chế tạo được dụng cu han, tuy nhiên mốihàn thực hiện chưa đạt chất lượng tốt và độ bền dụng cụ chưa cao

1.3 Ứng dụng của han ma sát khuấy trong công nghiệp

Hiện nay đã có gan 200 công ty được cấp giấy phép cho lĩnh vực công nghệ và thiết bihan ma sát khuấy Do chất lượng mối hàn cao nên được ứng dụng trong các ngành côngnghiệp đặc biệt quan trọng như thùng chứa phi thuyền con thoi, tau Boeing Delta II và

Delta IV, tên lửa Falcon 1.

Hãng hang không Airbus cũng đã ứng dụng phương pháp han ma sát khuấy cho cácthân và cánh của hai dòng sản phẩm Airbus A350 và A340 Trong năm 2000, hãng hàngkhông Eclipse (Eclipse Aviation) cũng đã dùng hàn ma sát khuấy để thay thế đỉnh tánđường ghép doc thân, đuôi và cửa số máy bay Eclipse 500

Ngoài việc hàn vật liệu hợp kim nhôm, thì những vật liệu như thép, thép không gi,

nikel, đồng, Titan cũng được hàn bang FSW thành công Với loại vat liệu dung cụ chịu

nhiệt cao PCBN (TWI sáng chế và Megastir cải tiến) đến loại chịu nhiệt cao (do TrườngĐại Học Nam Carolina nghiên cứu chế tạo) (W-Re) Tungsten - Rhenium han tốt với tat cả

các hợp kin Titan Năm 2005 Lockheed Martin đã thành công với việc hàn được hợp kim

Ti - 6AI - 4V chiều dài 5mm băng dụng cụ chịu nhiệt cao Tungsten hóa bền khuếch tán

Vật liệu dụng cụ này có khả năng hàn được đường hàn dài do giảm được hiện tượng dính.

Hiệu quả mỗi han đạt từ 98 + 100% kim loại cơ bản ở nhiệt độ -195 + 260°C

Đối với ngành công nghiệp đóng tau, han ma sát khuay được ứng dụng chế tạo các tampanel cho buông đông lạnh của tàu cá, các tắm panel lớn được chế tạo bang cach han cacthanh nhôm dun Các tam panel chế tạo vỏ pha cao tốc 1700 tam nhôm với chiều dài tongthé của mối hàn 110km đã được sản xuất và phan phối bởi Marine Aluminium ở

Haugesund (Norway) từ năm 1996-1999,

1 TÔNG QUAN

a Vỏ, dầm đỡ và khung máy bay b Hàn ma sát khuấy tâm vỏ tảu tại

Eclipse Aviation được han bang viện nghiên cứu Foundation

FSW thay thê cho rivit

c Khung nhôm của Ford GT sử d Ông đồng chứa chất thải của lò

dụng cả FSW và MIG phản ứng hạt nhân cua SKB được

chê tạo băng FSWHình 1.5 Ứng dụng của hàn ma sát khuấy trong công nghiệpThiết bị hàn ma sát khuấy:

a Robot hàn ma sát khuấy của b Máy hàn Tank nhiên liệu cho

TWI tên lửa day Delta II

Van dé môi trường va năng lượng, đặc biệt la chất lượng mối hàn đặt ra ngày càngcao trong nhiều ngành công nghiệp và sản xuất, với việc nghiên cứu ứng dụng phương

pháp hàn FSW đối với các kết cầu dạng tắm hợp kim nhằm tăng độ bên, giảm trọng lượng,

tiết kiệm chi phí sản xuất Qua nghiên cứu các bài báo gần đây về han ma sát khuấy chothấy được ý nghĩa thiết thực và tầm quan trọng của chúng trong công nghệ hàn các vật liệukim loại tắm

Ở nước ta, công nghiệp đóng tàu đóng vai trò rất lớn trong nền kinh tế quốc dân,trong đó nhu cầu ứng dụng các tâm hợp kim nhôm cho vỏ tàu, kho đông lạnh, các tampanel tường là rất lớn Công nghệ han ma sát khuấy là công nghệ tốt nhất hiện nay dé sanxuất các tâm này Do đó, việc nghiên cứu công nghệ hàn ma sát khuấy là rất quan trọng để

nước ta từng bước làm chủ công nghệ này và ứng dụng trong công nghiệp.

Hiện nay ở nước ta chưa có máy hàn chuyên dụng, các thí nghiệm được thực hiện chủ

yếu trên máy phay, máy CNC Yêu cầu máy đối với dụng cụ thông thường rất cao như lựcdọc trục lớn, góc nghiên đầu khuấy làm kết cau máy phức tap Do đó, nghiên cứu dụng

cụ Bobbin tool sẽ giúp đơn giản hóa thiết bị

Tiếp nối các nghiên cứu trước, việc nghiên cứu phát triển dụng cụ han và các thông

số công nghệ là yêu cầu quan trọng nhất Đây là các yếu tố chính ảnh hưởng trực tiếp đếnchất lượng mối han ma sát khay Từ những phân tích trên, đề tài “NGHIÊN CỨU THIET

1 TÔNG QUAN

KE CHE TẠO DỤNG CỤ VA CÔNG NGHỆ HAN MA SÁT TỰ TƯƠNG TAC CHO HỢPKIM NHÔM BIÊN DẠNG” là thực sự cần thiết và cần nghiên cứu để chứng minh tính khảthi trong việc áp dụng hàn ma sát khuấy tại Việt Nam

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu của dé tài là nghiên cứu thiết kế, chế tạo dụng cu Bobbin ứng dụng cho han

ma sát khuấy tam hợp kim nhôm phăng và nghiên cứu ảnh hưởng tổng hợp của các thông

số công nghệ đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trong đó phân tích ảnh hưởng của tốc

độ quay dụng cụ và tốc độ hàn là mục tiêu chính của luận văn

Quá trình hàn ma sát khuấy chịu ảnh hưởng của nhiều thông số, việc phân tích để xácđịnh đúng các yếu tổ ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy là rất quan trong

Do đó các van dé cần tiễn hành:

e Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình han ma sát khuấy

e Nghiên cứu thiết kế, chế tạo dụng cụ Bobbin

e Xác định các thông số cơ bản của quá trình hàn

e_ Quá trình làm dẻo kim loại là do ma sát giữa đầu hàn với phôi va lực ép giữa vaidụng cụ và phôi Do vậy xây dựng phương trình nhiệt để xác định ảnh hưởng củacác thông sé

e Tiến hành thực nghiệm, sử dụng phương pháp thông kê và quy hoạch thực nghiệm

để phân tích dữ liệu Từ đó rút ra bộ thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí

nghiệm.

1.6 Y nghĩa thực tiễn và lợi ích của đề tài

1.6.1 Khoa học

Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo thành công dụng cụ Bobbin giúp cải thiện năng suất

và chất lượng mối hàn ma sát khuấy, tạo tiền đề nghiên cứu và chế tạo thiết bị hàn ma sát

đưa vào thực tiễn sản xuất

Thông số công nghệ tốc độ vòng quay và tốc độ han là yếu tô thiết lập ban đầu của han

ma sát khuấy Do đó nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tô nay sẽ giúp đánh giá một cách

rõ rang và hoàn chỉnh sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mỗi han

1 TÔNG QUAN

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tính chất của mối hàn masát khuấy sẽ được ứng dụng trong công nghiệp, giúp nhanh chóng lựa chọn được thông sốtối ưu với từng vật liệu cụ thé

Ngày nay việc áp dụng robot han vào công nghiệp rất phố biến, do đó yêu cầu kết caurobot nhẹ, bền và hệ thống đồ ga đơn giản là rất quan trọng Những cải tiễn trong dụng cụ

có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng áp dụng robot hàn, mang lại những lợi ích về kinh tế,

năng lượng và môi trường cho xã hội.

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYET

Trong chương này tôi xin trình bày các cơ sở lý thuyết về các vùng kim loại của mối hàn,các khuyết tật hình thành trong quá trình hàn ma sát khuấy, tính toán quá trinh sinh nhiệt

và truyền nhiệt vào vật han, dòng chảy vật liệu trong mối han ma sát khuấy

2.1 Các vùng kim loại môi hàn

Trong mối hàn sử dung Bobbin tool, các vùng cau trúc mối hàn cũng giống như han

ma sát khuấy thông thường Các vùng cấu trúc của mối hàn:

Vùng Khuấy | Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) |

Hình 2.1 Các vùng kim loại mối han

e Vùng anh hưởng nhiệt (HAZ):

Nam gần trung tâm mối han, vật liệu đã trải qua chu kỳ nhiệt nên bị thay đổi cau trúcmang tinh thé và đặc tính cơ học, tuy nhiên trong vùng này chưa có sự biến dạng dẻo xảy

ra.

e Vung anh hưởng cơ nhiệt (TMAZ):

Vung nay da co su bién dạng dẻo vật liệu ma chưa có sự kết tinh lại, nhiệt độ trongquá trình hàn cũng có ảnh hưởng đến vật liệu, ở đây có ranh giới rõ rệt giữa vùng kết tinhlại và vùng biến dạng

e Vùng trung tâm hàn mỗi han-ving khuấy (SZ):

Vùng này kim loại kết tinh lại hoàn toàn, đôi khi cũng được gọi là vùng khuấy dé chỉvùng trước đó dụng cụ đó chiếm lĩnh, có cau trúc dạng hạt mịn, đăng hướng do sự biếndạng dẻo mãnh liệt và nhiệt sinh ra do quá trình ma sát giữa vai dụng cụ và bề mặt phôi

(kim loại chưa nóng chảy).

Ứng suất du sinh ra trong mối han rất quan trong vì nó tác động lên tính chất mỏi vàtính chất cơ học khác của tâm hàn Do đó hau hết các khuyết tật đều xảy ra ở TMAZ,HAZ và vùng tiếp giáp giữa TMAZ /HAZ.

Quá trình nghiên cứu ứng suất dư trong mối han cho thấy các đặc tinh sau:

> Trong vùng chuyên tiếp giữa vùng kết tinh hoàn toàn (SZ) và vùng kết tinh mộtphan (TMAZ-HAZ) ứng suất dư cao hơn han so với các vùng khác của mối hàn.Theo chiều dọc (song song với hướng hàn) ứng suất dư là ứng suất kéo và theophương ngang ứng suất dư là ứng suất nén

> Ứng suất dư theo chiều dọc luôn luôn cao hơn theo chiều ngang và phụ thuộc vàođường kính của Pin, vận tốc quay và vận tốc hàn Nghiên cứu của Nandan [14] đãchỉ ra rang khi tăng vận tốc han, ứng suất dư sẽ tăng lên

> Sự phân bô ứng suât dư trong môi hàn có dạng chữ “M” đôi xứng qua trục môi

2 CƠ SỞ LY THUYET

> Khităng tốc độ quay dụng cụ và giữ nguyên tốc độ di chuyển hàn sẽ không gâyảnh hưởng đáng ké lên sự phân phối ứng suất dư Tuy nhiên vùng ứng suất mởrộng hơn Ứng suất dư theo chiều dọc thay đổi không đáng kể theo chiều sâu,trong khi theo phương ngang thay đổi đáng kế theo độ dày vật liệu hàn Ứng suất

dư ở vùng trung tâm mối hàn nhìn chung là ứng suất kéo ở phía trên và nén ở phía

dưới.

2.3 Khuyết tật mối hàn ma sát khuay

Hầu hết các hợp kim nhôm đều có thể hàn được bằng các phương pháp hàn truyềnthống như han nóng chảy TIG, MIG, MAG hoặc han bang các phương pháp dùng nănglượng cao như hàn lazer, hàn băng dòng electron Mối hàn nhôm bằng phương pháphàn nóng chảy gặp rất nhiều khó khăn vì xuất hiện những oxit bên, dẫn nhiệt cao, hệ sốgiãn nở nhiệt cao, độ co ngót khi đông đặc gấp đôi các hợp kim loại màu khác, khoảngnhiệt nóng chảy tương đối rộng, độ hoả tan H rất cao đặc biệt là trong trạng thái nóng

chảy, và độ rỗ khí Cần phải làm sạch bề mặt, cạnh, dùng kim loại điền day, bảo vệ mối

hàn bằng khí trơ Rỗ khí có mặt ở tất cả hợp kim, (tuy nhiên với phương pháp nhiệt chỉ

có thé làm giảm bớt các mác nhôm sau 2xxx, 6xxx, 7xxx, ) cảng làm cho chúng thêm dé

xảy ra nut, và hàn nóng chảy càng khó khăn hơn [Cam,1999; Leinert T.J,2002[ bởi vì

ứng suất dư tạo ra khi các kim loại han kết tinh và làm lạnh Vết nứt có thế xảy ra trong

hợp kim nhôm bởi với sự giãn nở vì nhiệt cao khi hàn và sự co rút khi đông đặc.

với hàn hợp kim nhôm Các phương pháp hàn thông thường (TIG, MIG, GMAW) thường

có giá trị năng lượng khoảng 10° đến 10*W/cm?, cùng với vận tốc hàn thấp khoảng5mm/s Chính điều này làm cho nhiệt lượng han tác dụng lên mối han càng cao

2 CƠ SỞ LY THUYET

Nhiệt lượng han tác dụng lên mối han cao trong các phương pháp hàn nóng chảythông thường là nguyên nhân của việc xuất hiện một vùng hạt thô có cầu trúc nhánh cây,

một vùng ảnh hưởng nhiệt lớn.

Trường nhiệt độ cao tác dụng lên kim loại cơ bản như hàn lazer, hay hàn tia electron

rất ít làm nóng chảy kim loại nên nứt ít xảy ra hơn Vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp, nguồnnhiệt vào ít do đó cẫu trúc hạt thô cũng rất hạn chế Tuy nhiên ở nhiệt độ cao thì một sốnguyên tô như Mg rất dễ bốc hơi Điều này làm giảm tính bền vững của vật liệu Sự thayđối cấu trúc tế vi có thế diễn ra trong vũng han, tách rời các nguyên t6 hop kim, hìnhthành các hat thô, sự mat mát các nguyên tô tăng bền làm suy giảm co tính vật liệu rấtnhiều [Leinert TJ, 2002] Vùng ảnh hưởng nhiệt này không thể phục hồi lại cơ tính banđầu như kim loại nền băng các phương pháp xử lý nhiệt sau khi hàn, chủ yếu do mất mátcác nguyên tố tăng bền Các hạt thô quá già kết tủa làm giảm độ bền cho vững HAZ màkhông thé xử lý băng cách dùng kim loại điền đầy Hình 2.4 thé hiện rõ tính chất hànlazer với HAZ rất nhỏ

Weld bead

Base metal

Hinh 2.4 Vung anh huong nhiét cua han FSW va han MIG

Bién dang cua độ cứng chỉ ra mức độ và su phan bố nguồn nhiệt vào Độ cứng càngcao thì nguồn nhiệt vào sẽ cảng nhỏ Hình 4.3 thé hiện rõ tat cả các vùng có độ cứng thấpnhất thường xảy ra ở khoảng một vải milimet từ vùng ảnh hưởng nhiệt Trong trường hợpnày, hàn lazer có đặc điểm là sự chênh lệch nhiệt độ rất lớn giữa vùng kim loại nóng chảy

và vùng kim loại liền kề Ở đây hàn lazer có tốc độ đốt nóng và làm nguội rất nhanh so

với hàn ma sát hay hàn núng chảy vì vậy HAZ sẽ nhỏ hơn.

> Khuyét tật rõ khí

Khuyết tật rổ khí là dạng khuyết tật thường xuất hiện nhất trong mối hàn ma sát

khuấy Khuyết tật rỗ khí thường ton tại ở dang liên tục hoặc không liên tục Nguyên nhân

của khuyết tật r6 khí là phức tạp nhất trong các dạng khuyết tật của mối hàn ma sátkhuấy Nguyên nhân chính là do thông số công nghệ như: vận tốc hản và số vòng quaycủa trục hàn không phù hợp Ngoài ra các thông số như lực ép dọc trục và lực ép ngangảnh hưởng đáng kể tới chất lượng mối han

2 CƠ SỞ LY THUYET

Dạng liên tục là dạng khuyết tật được xếp vào dạng khuyết tật không chấp nhận dùkích thước lớn hay nhỏ đều không được chấp nhận do khả năng phát sinh thành vết nứt

và hình thành nên sự phá hủy cả mối hàn

Khuyết tật dạng liên tục sẽ hình thành dạng khuyết tật lớn hơn là khuyết tật đường

Hình 2.5 Khuyết tật ro khí dạng liên tụcDang thứ hai của khuyết tật rỗ khí là dạng không liên tục được hình thành theo cáchhình thành tương tự dạng liên tục nhưng với biên độ nhỏ và ít lặp đi lặp lại Dạng khuyếttật này được chấp nhận trong một số trường hợp các mối hàn không đòi hỏi chất lượngtuyệt đối và mối hàn không làm việc trong môi trường đặc biệt như chịu mài mòn, áp lựccao, trong môi trường tổn tại ứng suất dư cao hoặc môi trường có các chất gây ăn mòn

điện hóa.

Khi soi tổ chức tế vi của mối hàn có khuyết tật r6 khí như hình cho thay có sự chuyểnpha không đồng đều giữa các hạt vật liệu Khuyết tật r6 khí thường xuất hiện tại vùngchuyền giao vật liệu giữa kim loại mối hàn và kim loại nền Do sự không đồng đều tổ

chức hạt trong vùng biên và quá trình già hóa gián đoạn.

2 CƠ SỞ LY THUYET

> Khuyét tật din do thiểu tốc

Khuyết tật đùn được tạo bởi sự thiểu tốc, khi mà tốc độ di chuyển hàn quá chậm hoặctốc độ vòng quay quá lớn, sẽ xảy ra hiện tượng vật liệu bi din ép lẫn nhau xuất hiệntrong vùng 1 và xuất phát từ tâm của vùng tròn củ hành Khi đó dòng vật liệu sẽ tạo thànhcác pha xếp chồng lên nhau và tách rời nhau

Hình 2.7 Khuyết tật do thiếu tocMỗi một dạng khuyết tật đều có đặc điểm riêng, do đó trong quá trình thực nghiệm sẽphát sinh rất nhiều loại khuyết tật phát sinh

> Khuyết tật đứt quãng do quá tốc

Khuyết tật đứt quãng do quá tốc ngược hoàn toàn khuyết tật do thiểu tốc, khi tốc độhàn nhanh, kim loại của dòng chảy chưa kịp hình thành tổ chức pha mới, khi vận tốc tiếncủa dụng cụ quá nhanh Sự hình thành vết nứt đứt quãng kèm theo sự chảy lỏng của dòngkim loại bi ly tâm mạnh nhưng chưa kip tạo liên kết với dòng kim loại nên

Tùy theo tý lệ giữa tốc độ quay dụng cụ và tốc độ hàn mà sự đứt quãng diễn ra liêntục hay không liên tục đôi lúc sẽ tiếp nối với một mối han có bề ngoài tốt, nhưng trênthực tế đó xuất hiện hiệu ứng đường ngầm bên dưới mối hàn đó

Đề giải thích cho hiện tượng này một số nghiên cứu đã chỉ ra răng do tốc độ dịchchuyền của đầu khuấy nhanh nên dòng chảy kim loại bi đứt quãng, các liên kết không kịp

hình thành, nên hiện tượng đứt quãng có diện tích rộng kéo theo các sợi kim loại dài Khi

2 CƠ SỞ LY THUYET

tốc độ dịch chuyển của đầu khuấy nhỏ, nhưng số vũng quay lớn sẽ xảy ra hiện tượngchảy lỏng từ đó phát sinh đứt quãng với khe hở nhỏ, và lõm xuống dạng rãnh nước

> Khuyết tật dạng bavia

Khuyết tật bavia có 2 dạng là bavia một phía, và bavia hai phía

Bavia một phía xuất hiện hình dáng hình học của vai dụng cụ không thích hợp để giữvật liệu do Pin chiếm chỗ hoặc việc gá đặt phôi không phăng Tuy nhiên trong quá trình

gá đặt nếu lực ép tác dụng lên phôi là không đều thì trong quá trình hàn do ứng suất dưphôi sẽ bị cong vênh, cũng gây nên khuyết tật bavia, nhưng sẽ là bavia một phía và không

liên tục

Hình 2.9 Khuyết tật baviaMột dạng thứ hai của khuyết tật bavia là bavia hai bờ của mối hàn Có thể nói, gânnhư mối hàn ma sát khuấy nảo cũng tạo nên bavia Nhưng tùy theo điều kiện công nghệ

và tối ưu hóa các thông số công nghệ sẽ tạo nên bavia ít hoặc chấp nhận được Bavia haiphía có thé goi la khuyét tật khi nó phat triển quá rong, độ cao của bavia lớn, độ day cuabavia cũng lớn thì bavia dạng đó có thể gọi là khuyết tật

> Khuyết tật dạng chảy sé

Khuyết tật chảy sệ được xếp vao loại trung bình, tức là ít xảy ra, và xảy ra không đều

đặn, nguyên nhân chính của dạng khuyết tật này là sự quá nhiệt, hoặc giải nhiệt kém, Tuyđây là khuyết tật đơn giản nhưng rất khó giải thích rõ ràng cơ chế hình thành do lệ thuộc

2 CƠ SỞ LY THUYET

của kim loại vật hàn, đồng thời kèm theo sự biến đổi thông số công nghệ trong quá trình

hàn.

Khi soi tổ chức tế vi vùng chảy sệ có cấp hạt thô, to hơn cả vật liệu cơ bản, nguyên do

sự quá nhiệt làm phá vỡ cau trúc đường biên, đưa hạt gân hơn tạo nên pha mới kém bền

và cứng hơn pha ban đầu

> Khuyết tật ngõ ra hay gọi là khuyết tật cuối đường hàn

Có rất nhiều dạng khuyết tật xuất hiện trong quá trình nghiên cứu, tuy nhiên can lưutâm một số dạng khuyết tật ảnh hưởng chính tới cau trúc và tính bền của mối hàn, từ đótìm các biện pháp nhằm tối ưu hóa và nâng cao cơ tính của mối hàn

Khuyết tật được phân tích sau cùng là dạng khuyết tật cuối đường hàn, và gần nhưxảy ra trên tất cả các mối hàn ma sát khuấy

Có thể giải thích một cách đơn giản nhất đây là sự tương tác lẫn nhau giữa các điềukiện hàn, khi mà thông SỐ công nghệ, các điều kiện hàn cần được thay đôi đồng loạt để cóđường cuối của mối han trở nên tốt hon

Khuyết tật ở cuối mối hàn thường là một trong những dạng khuyết tật vừa nêu trênnhưng lại không theo một qui luật nhất định nào cả, đôi lúc xuất hiện đồng thời hàng loạtcác khuyết tật với nhiều dạng khác nhau

2.4 Quá trình sinh nhiệt khi hàn

2.4.1 Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hàn

Như đã biết, vai dụng cụ cung cấp nhiệt và quyết định vùng tạo nhiệt, trong khi đóđầu khuấy tao dáng dòng biến dạng dé tạo thành mối hàn và cũng tạo ra sự cân đối thànhphân nhiệt mối hàn (tùy thuộc vào kích thước của nó) Dụng cụ xoay ở tốc độ cao nhưng

ở đây tốc độ vùng biên ngoài của vai và đầu khuấy cao hơn nhiều so với tốc độ di chuyểnhàn Hàn FSW chủ yếu là dùng sự phân tán sệt trong vât liệu phôi điều khiển bởi ứngsuất cắt lớn ở bề mặt giữa dụng cụ và phôi Tuy nhiên điều kiện biên trong mối han này

2 CƠ SỞ LY THUYET

là khá phức tạp Vật liệu ở bề mặt tiếp xúc có thể: một là bám dính vào dụng cụ, trongtrường hợp đó có cùng vận tốc với vận tốc dụng cu, hai là có thể trượt, trong trường hợpnày vận tốc thấp hơn và không cùng chiều với dụng cụ Nhiệt độ và ứng suất tiếp xúcthay đối lớn trên khắp dung cụ, do đó không giống như điều kiện tiếp xúc đơn thuần.Tiếp xúc có thể một phan bị trượt, một phan bị dính và nếu có hiện tượng nóng chảy cục

bộ xảy ra thì sẽ có sự kết hợp giữa hiện tượng trượt, dính Nóng chảy cục bộ của phân tửpha thứ hai hoặc cau trúc cùng tinh sẽ làm giảm nhanh chóng ứng suất cắt một cách hiệuquả dần đến giá trị không sẽ dẫn đến sự giảm mạnh ở lượng nhiệt sinh ra và sự gia nhiệt

Do đó, sự tạo nhiệt có thé tự 6n định ở nhiệt độ gần đường ran, khối lượng kim loại nóngchảy được khống chế duy trì rất nhỏ nhằm giảm tối đa những van dé có liên quan như nứtkết tinh, rô khi,

Để xác định nhiệt sinh ra trong hàn ma sát khuấy, ta chia quá trình hàn thành các giai

đoạn Cũng tương tự như hàn ma sát khuấy thông thường, tuy nhiên vì Bobbin tool cómột vai thứ hai ở phía dưới dụng cụ Do đó dụng cụ không thể đi từ trên xuống đâmxuyên vào vật liệu Quá trình hàn có thể được chia thành 3 giai đoạn chính:

Giai đoạn ban dau: (Running-in step) Cũng giống như giai đoạn Plunging step nhưhàn ma sát khuấy thông thường, tuy nhiên có sự khác nhau là không thể đâm xuyên dụng

cụ vao phôi vì dụng cụ còn có vai dưới Do đó giai đoạn này BT-FSW được gọi là chạy

rà Có hai cách để bắt đầu mỗi hàn:

e Một là khoan một lỗ trên bề mặt tam phôi, đưa dụng cụ xuyên qua lỗ, sau đó lắpvai thứ 2 vào Pin Mối hàn được bat đầu bang cách quay dụng cụ và di chuyền từ

từ di chuyển han

e Hai là bat đầu mối han bang cách bat đầu từ một cạnh bên ngoài của phôi hàn KhiPin tiếp xúc với cạnh phôi, ta cần một khoảng thời gian chạy tại chỗ để ma sát sinhnhiệt đủ làm mềm vật liệu

Giai đoạn 2: Giai đoạn này cũng giống hàn ma sát khuấy thông thường Dụng cụ vừaquay vừa di chuyển dọc theo đường hản, nhiệt ma sát do vai tạo ra và do biến dạng dẻolàm vật liệu phôi đến trạng thái dẻo, hai vai của dụng cụ ép vật liệu tạo thành đường hàn,

Dụng cụ được di chuyền chậm sau đó gia tốc dé đạt tốc độ han mong muốn

Giai đoạn 3: Giai đoạn kết thúc Dụng cụ không thể rút lên như FSW thông thường

do vai dưới dụng cụ Ta cũng có hai cách: dụng cụ sẽ dừng lại ở cuối đường hàn, sau đóthao vai dưới va rút dung cụ lên khỏi bề mặt phôi, hoặc là dụng cụ di chuyển ra khỏiphôi Cách thứ nhất ít khả thi hơn vì pin dụng cụ dễ bị kẹt lại trong phôi rất khó để rút ra,chỉ có Pin có hình dáng đơn giản mới có thể áp dụng cách này

Nhiệt được tạo ra là do ma sát giữa các bề mặt dụng cụ và phôi, nhiệt do biến dạngdẻo do khuấy đảo vật liệu của đầu khuấy Cũng giống như dụng cụ thông thường, tuy

Mô hình tính toán được đề xuất bởi H Schmidt, J Hattel, and J Wert [2]

Với trường hop lý tưởng, phương trình vi phân nhiệt lượng tổng quát tạo ra ở các bê

mặt dưới tác dụng của tải dọc trục được tính:

dQ = a@dM = ordF = ort dA (2.2)

contact

Với:

dM: là vi phân moment xoan trén truc chinh dau dung cu

dF : là vi phân lực vòng của chuyển động quay đầu trục chính

dA : là vi phân diện tích bề mặt tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi han

2 : là vận tốc sóc của dụng cu

T

contact : là ứng suất trượt của vật liệu phôi hàn

2 CƠ SỞ LY THUYET

Như vậy chúng ta thay rang, nhiệt lượng tao ra với cùng một chế độ cắt thì phụ thuộc

vào diện tích bề mặt tạo ma sát của các thành phan cua dung cu va lực tác dụng giữadung cu và phôi Néu tat ca qua trinh cắt ở bề mat được chuyển đôi thành nhiệt ma sát,

lượng nhiệt vào trung bình trên mỗi đơn vị diện tích và thời gian trở thành:

Mặt phía dưới vai dung cu: Ta có thé phân ra thành hai thành phan lực tác dụng lên

bề mặt côn theo phương ngang va phương đứng:

dF, = dF \ ging + Wing (2.3)

Ta lai có:

dz = tanadr

dA yg = 1AOdz = rdØ tan adr (2.4)

dA, ange = 'dOdr

Nhu vay:

dF, — T contact Adune + Tao An eang (2.5)Thay vào ta được vi phân nhiệt lượng tao ra dưới vai:

dO, = OrdF, = OFT acl Odr (1+ tan ø ) (2.6)

Nhiệt lượng tao ra do vai là tích phan từ vùng ban kính R, (đầu khuấy) đến R, (vai)

được sinh ra được tính theo công thức:

2 z Hi

Q, = | | OT R°d@dz = 20T R’H (2.8)

0 0

contact” p contact” p pin

Do do nhiét luong tong tao ra boi dung cu:

hy và Mom là hệ số truyền nhiệt đối lưu tự nhiên

1) Nhiệt độ tham khảo

E là độ đen tuyệt đối của bề mặt phôi

ØZ Hang số Stefan- Boltzamann

Tian Nhiệt độ môi trường ngoài

2.4.2 Ung suất trượt tiếp xúc

Ung suất trượt cho diéu kiện dính: Phan vật liệu han bi đính va di chuyén cùng vớidụng cụ khi ứng suất ma sát trượt vượt quá ứng suất trượt giữa các lớp vật liệu Lớp vậtliệu năm giữa điểm vật liệu đứng yên và phần vật liệu di chuyển cùng với đầu khuấy sẽ

có vận tốc khác nhau Dùng công thức giới hạn trên để tính toán ứng suất cắt cho vùngbiến dạng này, ứng suất cắt này phụ thuộc vào độ rộng của lớp biến dạng Lớp biến dạngnày được thừa nhận: bắt đầu từ bề mặt ngoài của đầu khuấy rồi mở rộng ra khỏi vùnghàn, nó bị quyết định bởi mặt trượt (hay phương trượt) Vị trí của mặt trượt/ phương trượt

là rất gân với bề mặt tiếp xúc, vì thế, hình học của dụng cụ được dùng để biểu diễn nó

Ứng suất trượt chảy 7 được ghi nhận băng (với o / V3 là ứng suất chảy của vật liệu

yield yield tại nhiệt độ lam việc) Kêt qua nay có được bởi việc so sánh với tiêu chuân Von Mises

trong điều kiện kéo va cắt thuần túy trên một trục Ưng suat cat tiêp xúc:

Ø „

Tra = F yield = = (2.13)contact — Ÿ viela = 3

Ứng suất chảy không phụ thuộc vào áp lực, nhưng lại phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ.Nếu cùng một ứng suất trượt chảy được tác dụng lên tất cả bề mặt, giả sử đây là một quátrình đăng nhiệt Từ công thức (2.10) ta thu được điều kiện dính:

2 Osieia 3 3 2

Qui sau, == Tp ø(2(R)~ Rj)(I+ tanz)+3Ñ?H„) — (2.14)

Ứng suất tiếp cho điều kiện trượt: Khi ứng suất trượt tiếp xúc giữa dụng cụ và vật liệunhỏ hơn nhiều ứng suất trượt liên kết giữa các lớp vật liệu Luc ma sát giữa bề mặt đầukhuấy và vật liệu hàn chống lại sự trượt tương đối giữa chúng với nhau, ứng suất ma sát

Orne siting = = muPo(2(R =R))(I+tanz)+3R?H „ (2.16)

Ứng suất trượt cho điều kiện trượt/ dính: Để mô tả chính xác quá trình sinh nhiệtkhi hàn, cần đưa ra một phương trình mô ta cả hai điều kiện trượt/dính Tùy từng điềukiện trượt hay dính mà lượng nhiệt sinh ra sẽ được phân phối thông qua hệ số trạng thái

O (0 <ö< 1) Tùy thuộc vào hệ SỐ trạng thái mà phương trình sinh nhiệt sẽ trở thành:

O ital — OQ wai Sticking + (I a ở) Q ital sliding

= Sz ôn, +(1-5) uP |Jø| 2(R}— R})(I+ tana) +3R7H,,, | 6)

Với (0< ở <1), hiện tượng trượt hoàn toàn khi 6 =1 , dính hoàn toàn khi ö=0 và

từng phần khi 0< <1 Bảng 3.1 trình bay tong hợp các điều kiện khác nhau của tươngtác giữa đầu hàn và vật liệu nên

Bang 2.1 Xác định diéu kiện tiếp xúc, moi quan hệ với hệ số trạng thái

Điều kiện | Vận tốc kim loại | Vận tốc đầu hàn Ứng suất trượt | Hệ số trạng thái

Dính Vioot — OF T friction > " yield 6=1

Trượt/dính matrix ~ Vrool Vioot — OF T wriction = © yield 0<¿<l

Truot Vnairix = 9 Vioot — OF T friction Ÿ yield ö=0

2.5 Dòng chảy vật liệu

Cũng tương tự như dòng chảy vật liệu đối với dụng cụ thông thường Tuy nhiên đối

với Bobbin tool vì có thêm vai dưới nên dòng chảy vật liệu phức tạp hơn Tùy thuộc vào

hình dáng vai và Pin, kích thước dụng cụ và độ dày tam hàn mà dòng chảy vật liệu sẽthay đối Dưới đây trình bay một số dòng chảy chính xảy ra trong quá trình han ma sátkhuấy sử dụng Bobbin

Nhiệt do sự ma sát va sự biên dạng dẻo của phôi do tác dụng của dụng cụ đến vật liệu

2 CƠ SỞ LY THUYET

Thông số hàn cùng với cau hình của dụng cụ và thành phan của vật liệu hàn sẽ quyết địnhđến khối lượng vật liệu được gia nhiệt và đến sự di chuyển của chúng trong quá trìnhhình thành mối hàn

Kim loại được mềm hóa sẽ di chuyển quay đầu khuấy theo chiều quay của dụng cụ và

tụ lại phía sau đầu khuấy khi được vai ép xuống trước khi dụng cụ di chuyền tới doc theo

hướng hàn.

Vùng gần đầu khuấy chủ yếu là quay, tất cả vật liệu trải qua biến dạng Vùng xoaytạo ta đủ lớn chứa tất cả vật liệu bị biến dạng do đó vận tốc xoay - trôi phải bang vận tốc

di chuyền tới của dụng cụ

Mỗi bước trong dãy kim loại xếp khít nhau trong đường hàn thì tương đương vớikhoảng cách dịch chuyển của dụng cụ trong mỗi vòng quay khi đi tới

~ V/2

Hình 2.13 Khoảng cách giữa các bước hànCau trúc mối han trong mặt cắt ngang dưới đây thé hiện mối hàn được chia bốn vùng:vùng trung tâm mối hàn được bao bởi vùng ảnh hưởng nhiệt và vùng ảnh hưởng cơ nhiệt.Dựa vao hình dáng hình học và cấu trúc mối han cho thay quá trình dòng chảy vật liệu làkhông đối xứng Thể tích kim loại được quét phụ thuộc vào lượng nhiệt nung nóng đểlàm mềm vật liệu xung quanh dụng cụ Và qua đó nhận thấy răng nhiệt độ vùng lùi caohơn nhiệt độ vùng tiễn của mối hàn

> Dòng chảy vật liệu quanh Pin

Nếu dụng cụ đi vào từ cạnh của tắm hàn, vật liệu do Pin chiếm chỗ sẽ ra bên ngoàitắm hàn gây ra sự thiếu hụt vật liệu ở bên trong vùng khuấy Điều đó gây ra các khoảngtrồng hình thành ở bề mặt phía dưới cạnh tiến Điều này được giải thích như sau:

Khi dụng cụ quay theo chiều kim đồng hồ như hình 2.14 Do Pin có ren nên dòng vật

liệu được kéo lên phía trên Khi đó vật liệu được quét từ phía cạnh lùi và hòa trộn phức

tạp với vật liệu bên phía cạnh tiễn Phía cạnh lùi được bơm thăng lên phía trên cạnh tiến

Do đó phía cạnh tiễn (B) được điền day vật liệu đầu tiên Bước ren của Pin ảnh hưởngđến vận tốc dòng vật liệu, với bước ren nhỏ thì vận tốc đi lên sẽ thấp hon, do đó điền daytốt hơn khu vực bị thâm hụt (C)