NGHIÊN cứu sự ẢNH HƯỞNG của góc NGHIÊNG đầu DỤNG cụ đến CHẤT LƯỢNG mối hàn MA sát KHUẤY TRÊN tấm NHÔM PHẲNG

Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 1 NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC NGHIÊNG ĐẦU DỤNG CỤ ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY TRÊN TẤM NHÔM PHẲNG Học viên thực hiện: Thân Trọng Khánh Đạt MSHV: Giáo viên hướng dẫn đề nghị: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC Khoa Cơ Khí, trường ĐH Bách Khoa TP HCM. Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG I MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH ii DANH MỤC BẢNG BIỂU ii Tóm tắt nghiên cứu iii 1. Giới thiệu 1 1.1. Lịch sử phát triển. 1 1.2. Nội dung và mục tiêu của nghiên cứu. 3 1.3. Lợi ích và ý nghĩa của đề tài. 4 2. Cơ sở lý thuyết 5 2.1. Quá trình sinh nhiệt khi hàn 5 2.2. Dòng chảy vật liệu 8 2.3. Tổ chức hợp kim nhôm sau khi hàn 14 2.4. Kết luận 16 3. Phương pháp nghiên cứu 17 3.1. Mô hình tính toán, phân tích và chọn thông số thí nghiệm. 17 3.2. Mô hình thí nghiệm 22 3.3. Phương pháp phân tích kết quả. 24 3.4. Phương pháp đánh giá kết quả: 27 4. Kế hoạch nghiên cứu 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG II DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 1 Sơ đồ mô tả quá trình hàn ma sát khuấy. 1 Hình 2. 1 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến quá trình sinh nhiệt 6 Hình 2. 2 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình hàn. 7 Hình 2. 3 Khoảng cách giữa các bước hàn 9 Hình 2. 4 Tổ chức kim loại mối hàn. [15] (HAZ: heat affected zone; TMAZ: thermo-mechanically affected zone). 9 Hình 2. 5 Sự hình thành các vòng dạng củ hành 10 Hình 2. 6 Sự kết hợp giữa các dòng chảy [15] 11 Hình 2. 7 Sự xen kẻ của hai dòng chảy [15] 11 Hình 2. 8 Các vùng kim loại trong mô hình [15] 12 Hình 2. 9 Sự bố trí lực trong hệ trục tọa độ 13 Hình 2. 10 Ảnh hưởng của lực ép đến chất lượng mối hàn [15]. 13 Hình 2. 11 Các dòng chảy kim loại 14 Hình 3. 1 Kích thước mặt cắt ngang vùng hàn 17 Hình 3. 2 Nhiệt lượng phân bố trên đầu dụng cụ 18 Hình 3. 3 Vi phân các bề mặt theo phương ngang, đứng, côn. 18 Hình 3. 4 Góc nghiêng đầu dao so với phôi 20 Hình 3. 5 So sánh lực dọc trục khi hàn, tốc độ hàn 90mm/phút và số vòng quay là 500 rpm. 20 Hình 3. 6 Ứng suất kéo và % kéo giãn với các góc nghiêng đầu dao thay đổi. (a) ứng suất kéo, (b) độ giãn dài của mối hàn tối đa khi kéo. 21 Hình 3. 7 Máy phay CNC 22 Hình 3. 8 Kết cấu dao thí nghiệm 22 Hình 3. 9 Phôi hàn 23 Hình 3. 10 Phôi được gá đặt trên bàn máy 23 Hình 3. 11 Bài toán hộp đen cho quá trình nghiên cứu 24 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3. 1 Bảng chế độ hànP. Zettler, S. Lomolino, T. Donath, F. Beckmann, T. Lippman and D. Lohwasser 24 Bảng 3. 2 Kết quả khảo nghiệm khi n thay đổi. 25 Bảng 3. 3 Bảng quả khảo nghiệm khi V h thay đổi. 25 Bảng 3. 4 Bảng khảo nghiệm khi  thay đổi. 25 Bảng 3. 5 Bảng khảo nghiệm thực nghiệm toàn phần 3 yếu tố 25 Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG III TÓM TẮT NGHIÊN CỨU Hàn ma sát khuấy (Friction stir welding) là một công nghệ mới để tạo ra các mối hàn có chất lượng tốt, đặc biệt là các vật liệu có tính chịu hàn kém mà các phương pháp hàn thông thường không có được, phổ biến hiện nay là các hợp kim nhôm. Nghiên cứu này trình bày phương pháp chọn các thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm của quá trình hàn ma sát khuấy cho vật liệu nhôm hợp kim, trong đó thông số góc nghiêng đầu dụng cụ là nội dung chính của luận văn này. Quá trình phân tích ảnh hưởng của góc nghiêng đầu dụng cụ được tiến hành bởi quá trình xây dựng mô hình toán học và thiết kế mô hình thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp các chế độ công nghệ cho quá trình hàn ma sát khuấy trên tấm hợp kim nhôm đạt được độ tin cậy và hiệu quả cao. Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 1 1. GIỚI THIỆU Ngày nay vấn đề năng lượng, môi trường, vật liệu chế tạo đang được thế giới quan tâm và luôn hướng đến sự hoàn thiện về mọi mặt, do đó tất cả các ngành công nghiệp cũng cần nghiên cứu đổi mới công nghệ nhằm hạn chế tối đa năng lượng tiêu thụ và lượng khí thải khi sản xuất. Ngòai ra lựa chọn vật liệu phải bền, nhẹ, đảm bảo tính công nghệ. Trong lĩnh vực hàn các phương pháp hàn tiên tiến như hàn hồ quang dưới lớp thuốc hay trong môi trường khí bảo vệ, hàn bằng tia laser, phần nào đáp ứng được các yêu cầu trên. Ðặc biệt phương pháp hàn ma sát khuấy (FSW) được xem là phương pháp rất hữu hiệu và đang được quan tâm nhất hiện nay. 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 kêt tinh. 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. 1.1.Lịch sử phát triển. Hàn ma sát khuấy được phát minh vào năm 1991 bởi học Viện hàn của Vương Quốc Anh (TWI), là kỹ thuật hàn được liên kết ở trạng thái rắn (không nóng chảy) ban đầu được áp dụng cho hàn hợp kim nhôm. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này tương đối đơn giản: Dùng một dụng cụ xoay không nóng chảy được thiết kế đặc biệt có một đầu khuấy (có ren hoặc không có ren) và phần vai để tiếp xúc với bề mặt của phôi hàn.Trước tiên dụng cụ này đi xuống, phần có ren xuyên vào phôi hàn (tương ứng với chiều sâu ngấu cần thiết), sau đó di chuyển dọc theo hướng hàn để tạo thành mối hàn, hình 1. Vật liệu bị mềm ra bởi nhiệt từ ma sát và lực ép từ vai dụng cụ sẽ liên kết vật liệu ở 2 bên đầu hàn với nhau. Do vật liệu không chảy ra và đông lại nên tính chất mối hàn sẽ tốt, cơ tính đảm bảo, loại trừ khuyết tật, rỗ. Hình 1. 1 Sơ đồ mô tả quá trình hàn ma sát khuấy. Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 2 1.1.1. Tình hình nghiên cứu nước ngoài. Nguồn nhiệt vào khi hàn là một hàm gồm các thông số và được mô phỏng như một vòng tròn có đường kính bằng đường kính vai dụng cụ trên bề mặt vật hàn. Mặc dù kết quả mô phỏng không so sánh với thực tế nhưng mô hình nhiệt này của MeClure đã được ứng dụng nhiều cho việc tính toán nhiệt độ phôi hàn. Chao và Qi đã nghiên cứu mô hình số sự tạo nhiệt dựa trên nhiệt độ của phôi, kết quả cho thấy dòng nhiệt trên bề mặt là rất lớn. Heurtier và Desrayaud cũng đã dùng mô hình phân tích để dự đoán nhiệt vào phôi nhưng sau đó đã chuyển sang dùng mô hình số để tăng khả năng chính xác của quá trình dự đoán nhiệt hàn. 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 [1]. 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. Cùng với nghiên cứu trên hai ông cũng đã sử dụng mô hình số từ nguồn nhiệt do ma sát và nguồn nhiệt do biến dạng dẻo để tính nguồn nhiệt vao, trong đó 10% năng lượng sẽ đi vào dụng cụ, phần lớn lượng nhiệt vào vai dụng cụ sẽ tương ứng với kích thước đường kính vai. Ngoài ta, Shi cũng đã tính toán nguồn nhiệt vào dụng cụ là khoảng 8% tổng năng lượng cơ học trong mô hình số của mình nhưng sau đó ông đã điều chỉnh cho đến khi tương đương với kết quả thực nghiệm. 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. Song và Kovacevic [2] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ dụng cụ đến moment xoắn khi hàn bằng cách thực nghiệm thay đổi với nhiều tốc độ quay và tốc độ quay và tốc độ ăn dao của dụng cụ. Tang [3] đã thay đổi tốc độ dụng cụ và chiều sâu dụng cụ khi tăng tốc độ xoay dụng cụ thì tăng nhiệt vào. Tất cả nghiên cứu trên nhằm nêu lên sự thay đổi nhiệt độ vùng hàn và thông số hàn nhưng không dự đoán chất lượng đường hàn. Midling và Rorvik [4] đã tính toán lượng nhiệt và dựa vào chiều rộng HAZ. Họ đã thay đổi số vòng quay dụng cụ, tốc độ ăn dao, lực tác dụng vào dụng cụ và chứng minh lượng nhiệt vào (Heat input) giảm khi chiều sâu và số vòng quay của dụng cụ giảm, lượng gia nhiệt tăng khi giảm tốc độ hàn (V h ). Một số tác giả đã kết hợp việc đo nhiệt độ (bằng Thermocouples – TC) vùng hàn và trùng HAZ. Gould và Feng [5] quan sát khi thay đổi hai thông số hàn. Frigaard [6] quan sát ở ba tốc độ đi xuống của dụng cụ. Song [7] nghiên cứu với ba tốc độ quay dụng cụ. Cả ba tác giả trên đã cho thấy một mối liên hệ mật thiết giữa nhiệt độ lớn nhất và chiều rộng vùng HAZ. Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 3 Linder đã chứng minh những hạn chế của phương pháp đo nhiệt bằng Thermocouples. Trước hết là độ chênh lệch nhiệt độ trong FSW là thường rất phức tạp nên việc bố trí TC rất khó khăn, ngoài ra do quá trình FSW vật liệu biến dạng dẻo rất lớn nên kết quả đo khó chính xác và việc xác định vùng HAZ cần rất nhiều thời gian và công sức (Mẫu thử nghiệm phải đánh bóng và đánh dấu kỹ lưỡng để tiện cho việc đo đạc). Zahedul và KhandKar đã tính toán moment xoắn của quá trình hàn, kết quả là nó không đổi với mọi thông số [8], [9]. Ngoài ra Schmidt và Leinart đã đo moment xoắn từ thực nghiệm và so sánh với kết quả tính toán, họ cũng khẳng định rằng moment xoắn không thay đổi với mọi thông số hàn. Một số tác giả đã chứng minh rằng năng lượng hàn là một hàm của các thông số hàn. Colegrove [10] 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 ảnh hưởng đáng kể đến lượng nhiệt vào bởi một số thực nghiệm có giá trị . Một phương pháp xác định lượng nhiệt vào nữa là bằng cách giảm số lượng những thông số và đã kết hợp tốc độ dụng cụ với tốc độ đi xuống với một tên gọi là bước hàn(xác định bước tiến trên mỗi vòng quay dụng cụ). Họ chỉ nghiên cứu sơ bộ mối liên hệ giữa năng lượng hàn với bước hàn. Reynolds và Tang [3] đã kiểm tra sự ảnh hưởng của bước hàn đến năng lượng hàn một cách rõ ràng hơn và cho thấy rằng bước hàn không thể là một thông số để xác định năng lượng hàn một cách chính xác. Họ đã giữ tốc độ ăn dao và chiều sâu đầu khuấy không đổi trong khi đó thay đổi tốc độ quay dụng cụ để xác định lực hàn và cả lượng nhiệt vào. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước. Ở Việt Nam chúng ta, trong thời gian gần đây bắt đầu có những nghiên cứu về công nghệ hàn ma sát khuấy này. Có thể kể đến một số nghiên cứu của các tác giả sau: Luận văn Thạc sĩ của Mai Đăng Tuấn, nghiên cứu về một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trên tấm nhôm phẳng. Trong đó tác giả đã quy hoạch thực nghiệm toàn phần 3 thông số: số vòng quay đầu khuấy, tốc độ hàn và đường kính vai đầu khuấy, từ đó rút ra được bộ thông số tối ưu để đạt độ bền kéo lớn nhất. Luận văn Tốt nghiệp Đại học của Nguyễn Văn Thạnh, mô phỏng quá trình nhiệt trong quá trình hàn ma sát khuấy bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm Ansys. Luận văn Tốt nghiệp Đại học của Võ Văn Pho, tác giả đã trình bày sự ảnh hưởng đồng thời của 4 thông số (số vòng quay đầu khuấy, vận tốc hàn, chiều dài đầu khuấy và đường kính đầu khuấy) đến độ bền kéo, lực dọc trục theo phương ngang và phương đứng. 1.2.Nội dung và mục tiêu của nghiên cứu. Quá trình hàn ma sát khuấy chịu ảnh hưởng của nhiều thông số, việc phân tích để xác định đúng các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy là cực kỳ quan trọng. Do đó vấn đề cần tiến hành: Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 4  Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình hàn ma sát khuấy.  Dựa trên các nghiên cứu trong và ngoài nước, các đánh giá của chuyên gia để hạn chế số thí nghiệm.  Quá trình làm dẻo kim loại là do ma sát giữa đầu hàn với phôi và lực ép giữa vai dụng cụ với phôi, do vậy cần phải xây dựng phương trình cân bằng nhiệt để xác định các thông số ảnh hướng đến quá trình hàn. Đồng thời tiến hành mô phỏng trên máy tính để đánh giá các thông số một cách dễ dàng.  Tiến hành thực nghiệm, sử dụng phương pháp thống kê và tối ưu hóa để phân tích dữ liệu, từ đó rút ra bộ thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm. 1.3.Lợi ích và ý nghĩa của đề tài. Về tính khoa học, phương pháp hàn này là một trong những công nghệ hàn mới hiện nay, được nhiều nước và các hãng sản xuất lớn trên thế giới nghiên cứu ứng dụng, là một trong những yếu tố quan trọng cải thiện hiệu quả cơ tính, độ bền của sản phẩm. Sử dụng nguồn năng lượng hàn chủ yếu là từ nguồn nhiệt do ma sát giữa bề mặt phôi và dụng cụ và sự biến dạng dẻo mảnh liệt trong cấu trúc vật liệu, nét mới trong kỹ thuật cơ khí sinh học hiện nay. Trong điều kiện công nghiệp hóa hiện đại hóa ở nước ta, các ngành công nghiệp phát triển như đóng tàu; sản xuất thiết bị nồi hơi; sản xuất ô tô; chế tạo khuôn mẫu; thì việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp hàn ma sát khuấy là rất cần thiết, tạo điều kiện cho việc tiếp cận và từng bước ứng dụng có hiệu quả các công nghệ tiên tiến của thế giới. Do những lợi ích to lớn như vậy, với việc chọn được bộ thông số công nghệ tối ưu sẽ giúp nâng cao khả năng ứng dụng thực tiễn của phương pháp hàn ma sát khuấy, tiết kiệm năng lượng, tăng năng suất và hiểu quả của quá trình hàn. Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 5 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Quá trình sinh nhiệt khi hàn 2.1.1. Đặc điểm chung 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 và sự thoát nhiệt vào môi trường xung quanh (và vào đe dưới). Sự thay đổi nhiệt độ xác định 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 đàn - dẻo, 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. Cơ chế tạo nhiệt bị ảnh hưởng bởi: các thông số hàn, tính dẫn nhiệt của vật liệu phôi, đầu khuấy và đe, đặc tính hình học của dụng cụ. Thông thường thì điều kiện hàn nóng là hàn với số vòng quay (rpm) cao và vận tốc hàn (V h ) thấp; ngược lại, hàn với tốc độ hàn cao và rpm thấp thì được gọi là hàn lạnh. Trường nhiệt độ xung quanh đầu khuấy là không đối xứng, trong vùng lùi của mối hàn có nhiệt độ hơi cao hơn nhiệt độ vùng tiến. Điều này thể hiện khi thử phá hỏng do kéo vết nứt trên cạnh lùi trong vùng HAZ là xảy ra nhiều hơn. Để tránh hiện tượng quá nhiệt trong vùng tâm hàn thì hạn chế số vòng quay của dụng cụ dưới 15000v/p. Những nghiên cứu thực nghiệm gần đây đã cho thấy rằng nguồn nhiệt sinh ra chủ yếu ở bề mặt vai và phôi [11]. Điều khiển cơ chế tạo nhiệt là do ma sát và sự phân tán dẻo phụ thuộc vào điều kiện tiếp xúc giữa hai bề mặt. Đặc trưng hình học của dụng cụ (đầu khuấy, vai) sẽ ảnh hưởng đến hai bề mặt trượt, dính hoặc giữa hai dạng trên, nhiệt độ tạo ra giữa đầu khuấy và phôi là không phải nhỏ và cũng nên đưa vào để xác định trường nhiệt. Cơ chế tạo nhiệt giữa đầu khuấy và phôi cũng do ma sát và phụ thuộc vào điều kiện trượt hoặc dính ở bề mặt tiếp xúc, lượng nhiệt từ sự biến dạng nhiệt quanh dụng cụ khoảng từ 2  20%, nhiệt độ tối đa khi hàn các hợp kim nhôm là từ 450 o C đến 480 o C [12]. Vùng gần sát với đầu khuấy là gần như đẵng nhiệt và nhiệt độ tối đa có thể ở tại ranh giới cắt [13] 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 liệu mối hàn tăng lên thì sẽ tiếp tục làm mềm kim loại, moment xoắn giảm và một lượng nhiệt được truyền đi bởi công việc cơ học. Điều này tạo thành một cơ chế nhiệt tương đối ổn định và tránh tối đa hiện tượng nóng chảy của kim loại mối hàn. Điều khiển nhiệt độ có thể thực hiện bằng cách thay đổi điều kiện ở bề mặt chung giữa dính và trượt. 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 trượt xảy ra giữa dụng cụ và phôi, lượng nhiệt vào sẽ giảm và dẫn đến giảm nhiệt độ mối hàn. Thay đổi điều kiện biên ở bề mặt tiếp xúc có thể dẫn đến sự mất ổn định về nhiệt độ và có thể dao động qua lại giữa hai hiện tượng dính và trượt. Hình 2.1 minh họa điều kiện biên ở vai dụng cụ sẽ ảnh hưởng đến dòng vật liệu tâm hàn. Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 6 Hình 2. 1 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến quá trình sinh nhiệt 2.1.2. 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 đó đầu khuấy tạo dáng dòng biến dạng để tạo thành mối hàn và cũng tạo ra sự cân đối thành phần 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 chuyển hàn. Hàn FSW chủ yếu là dùng sự phân tán sệt trong vật liệu phôi điều khiển bởi ứng suất cắt lớn ở bề mặt giữa dụng cụ và phôi. Tuy nhiên điều kiện biên trong mối hàn này là khá phức tạp. Vật liệu ở bề mặt tiếp xúc có thể: một là bám dính vào dụng cụ, trong trường hợp đó có cùng vận tốc với vận tốc dụng cụ, hai là có thể trượt, trong trường hợp này vận tốc thấp hơn và không cùng chiều với dụng cụ. Nhiệt độ và ứng suất tiếp xúc 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 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 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, Để dễ dàng cho việc tính toán, có thể chia quá trình ma sát khuấy thành 5 giai đoạn sau: Giai đoạn ban đầu (Plunge period): Trong giai đoạn này, dụng cụ xoay đến chạm vào vật liệu phôi tại mối ghép. Ban đầu hệ số ma sát cao (0,4  0,5), moment xoắn và lực đi xuống của dụng cụ cần đủ lớn để đầu khuấy xâm nhập hết vào phôi. Bằng thực nghiệm thông thường thời gian để đầu khuấy hoàn toàn tiến sâu vào phôi là từ 2s  5s, tùy thuộc vào chiều dày phôi, số vòng quay và lực tác dụng. Giai đoạn quay tại chổ (Dwell): Khi vai vừa tiếp xúc vào phôi, giai đoạn dừng bắt đầu. Lực đi xuống giảm dần xuống dưới giá trị lực đi xuống chuyển tiếp. Ban đầu lượng nhiệt tạo ra trong giai đoạn này là khá cao so với nhiệt độ tạo ra trong lúc dụng cụ di chuyển, khi vật liệu phôi được làm mềm, hệ số ma sát giảm đến 0,35. Vật liệu dưới vai được nung nóng và cùng với biến dạng dẻo trước khi hàn. [...]... vùng, sự rối loạn của dòng kim loại cùng với sự hình thành các khuyết tật mối hàn là sự biểu hiện của sự dao động về độ lớn, hướng của các lực và moment xoắn của dụng cụ Hình 2 9 Sự bố trí lực trong hệ trục tọa độ Độ lớn của lực ép và độ lớn của vai dụng cụ có ảnh hưởng rất lớn đến số lượng dòng kim loại xuyên qua mỗi vùng và sự hình thành khuyết tật của mối hàn Hình 2 10 Ảnh hưởng của lực ép đến chất lượng. .. nghiêng đầu dao, chúng ta sẽ chọn thông số này để thực nghiệm Sức bền kéo, MPa Nghiên cứu của H.-B Chen và cộng sự [16], đã đưa ra biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của góc nghiêng đầu dao đến ứng suất kéo và độ giãn dài của mối hàn: Độ giãn dài (%) Góc nghiêng dụng cụ (độ) Góc nghiêng dụng cụ (độ) Hình 3 6 Ứng suất kéo và % kéo giãn với các góc nghiêng đầu dao thay đổi (a) ứng suất kéo, (b) độ giãn dài của mối. .. xử của vật liệu dưới tác dụng của nhiệt độ và quá trình biến dạng trong khi hàn Đặc tính của hợp kim có ảnh hưởng rất lớn đến sự thay đổi tổ chức, đặc biệt là trong vùng ảnh hưởng nhiệt Thông số hàn (số vòng quay dụng cụ, tốc độ hàn, góc nghiêng dụng cụ, tốc độ hàn, tỉ số ăn dao,…) nói lên đặc tính hình học của dụng cụ hàn và điều kiện biên của sự tạo nhiệt, nhiệt độ và quá trình biến dạng của vật hàn. .. Dòng chảy vật liệu 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 THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG... định đến chất lượng mối hàn Sự xen kẻ của hai dòng chảy được thể hiện trong hình 2.7, sự xảy ra của các hiện tượng trượt, dính hoặc cả trượt và dính giữa bề mặt dụng cụ và phôi là nguồn gốc sự xen kẻ trên Dòng chảy xuyên thẳng sẽ chiếm lĩnh vùng lùi của mối hàn (vùng phía trên đầu khuấy) và dòng chảy xoáy nằm ở vùng tiến (dưới đầu khuấy) Hình 2 6 Sự kết hợp giữa các dòng chảy [15] Hình 2 7 Sự xen kẻ của. .. của dụng cụ Ngoài ra những dòng chảy riêng biệt nêu trên còn phụ thuộc vào thông số hàn hoặc phụ thuộc vào vùng tiến và vùng lùi của mối hàn và còn phụ thuộc vào vùng kim loại được khuấy hoặc bị trồi ra xung quanh đầu khuấy của dụng cụ Dựa vào những thực nghiệm nghiên cứu vết dùng bi và dây đã nêu trên, hai mô hình động học dưới đây mô tả sự ảnh hưởng của các thông số hàn và thông số hình học của dụng. .. khi hàn là vấn đề quan trọng nhất của quá trình hàn, xác định rõ các thông số cơ bản trong quá trình hàn, mối liên hệ của sự sinh nhiệt của đầu tạo ma sát, vai dụng cụ, các thông số tốc độ trục chính, vận tốc hàn và góc nghiêng dụng cụ là rất cần thiết cho đề tài THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 16 Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Mục đích chính là xác định sự. .. ngấu, là do chiều dài đầu khuấy không đủ 2.2.3 Đặc điểm của dòng chảy vật liệu Dòng chảy kim loại phụ thuộc bởi lượng nhiệt vào, điều kiện bề mặt giữa dụng cụ, phôi, cấu hình của dụng cụ hàn và bởi lực tác dụng lên dụng cụ Một số đặc điểm chủ yếu của dòng chảy:  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... 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  Vận tốc của điểm ngoài cùng trên bề mặt của dụng cụ (cả vai và đầu khuấy) cao hơn tốc độ dịch chuyển tới của dụng cụ  Do điều kiện bề mặt giữa dụng cụ và phôi nên luôn có hai dòng chảy luân phiên nhau trong vùng hàn. .. quanh đầu khuấy: dòng chảy hỗn hợp với sự biến dạng phân bố khắp vùng trung tâm, vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn và dòng chảy trượt ở bề mặt khi vận tốc của vật liệu ở bề mặt có thể bằng tốc độ của dụng cụ thì hiện tượng dính xảy ra nhưng với hiện tượng trượt thì tốc độ của vật liệu thấp hơn tốc độ của dụng cụ  Quá trình tạo nhiệt và tính dẫn nhiệt sẽ ảnh hưởng đến lượng vật liệu được làm mềm sự chênh . PHÚC THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 1 NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC NGHIÊNG ĐẦU DỤNG CỤ ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY TRÊN TẤM NHÔM PHẲNG Học viên thực hiện: Thân Trọng Khánh. cứu của các tác giả sau: Luận văn Thạc sĩ của Mai Đăng Tuấn, nghiên cứu về một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trên tấm nhôm phẳng. Trong đó tác giả đã quy hoạch thực. vai dụng cụ có ảnh hưởng rất lớn đến số lượng dòng kim loại xuyên qua mỗi vùng và sự hình thành khuyết tật của mối hàn. Hình 2. 10 Ảnh hưởng của lực ép đến chất lượng mối hàn [15]. Như vậy