Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cơ tính và tổ chức mối hàn ma sát khuấy cho các kết cấu phẳng bằng hợp kim nhôm biến dạng

- Cơ tính mối hàn (độ bền kéo) giảm tỉ số WP tăng, tỉ số MỞ ĐẦU khoảng đến 12 (tùy vùng mà có thay đổi đôi chút) Trong khoảng mối hàn đảm bảo tính 70% so với kim loại - Đã xây dựng hàm thực nghiệm thông số hàn tốc độ quay, vận tốc hàn, Công nghệ hàn ma sát khuấy phát triển để chế tạo chi tiết kết chiều sâu xâm nhập vai dụng cụ cấu dạng tấm, mối hàn hình thành liên kết trạng thái rắn (khơng nóng - Khuyết tật mối hàn hình thành phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quay vận tốc chảy), công nghệ hàn ma sát khuấy ứng dụng rộng rãi nhiều ngành hàn Với tốc độ quay 900 - 1200 v/ph WP phải chọn lớn nhỏ đóng tàu, tơ, hàng khơng vũ trụ,… loại hình cơng nghệ có ứng dụng 10 mối hàn đạt tính tốt, với tốc độ quay lớn 1200 – 1600 v/ph thực tế cao WP nhỏ đến 12, tức vận tốc hàn lớn vùng phía Nghiên cứu q trình hàn nghiên cứu biến số: ma sát, biến dạng, tốc độ – vùng có tốc độ quay thấp Đây sở để nhà sản xuất lựa chọn biến dạng, thay đổi ứng suất, thơng số hình học dụng cụ hàn tác thông số công nghệ trình hàn ma sát khuấy cho chi tiết dạng động đồng thời đến trình sinh nhiệt theo thời gian Để giải toán hợp kim nhơm biến dạng đòi hỏi kết hợp phương pháp: Mơ hình hóa - Mơ - Thực Luận án cho thấy thông số có ảnh hưởng lớn đến q trình hàn ma nghiệm sát khuấy là: tốc độ quay dụng cụ hàn, vận tốc hàn chiều sâu xâm nhập vai dụng cụ hàn lên bề mặt phôi, việc chọn lựa thơng số hàn phù hợp nguồn nhiệt sinh trình hàn cho biến dạng lớp vật liệu vùng hàn đồng đều, từ tác động tích cực đến tính tổ chức mối hàn, mối hàn đảm bảo chất lượng không bị khuyết tật Đã nghiên cứu lý thuyết, mô số thực nghiệm, xây dựng biểu đồ Lý chọn đề tài: Luận án có tính cấp thiết thiết thực cho việc ứng dụng phương pháp sản xuất tiên tiến, cho suất cao, thân thiện môi trường vào sản xuất công nghiệp nước ta Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến trình hàn, tối giới hạn cơng nghệ cho hợp kim nhơm 6061 có chiều dày khoảng (3 – 5) ưu hóa thơng số nhằm nâng cao chất lượng mối hàn, loại bỏ khuyết tật mm (hình 5.44) Hướng phát triển mối hàn, tăng suất khả ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy - Nghiên cứu cho loại hợp kim nhôm biến dạng có tính hàn khó hợp kim AA 2xxx AA 7xxx Chi tiết dạng phẳng, liên kết hàn giáp mối hợp kim nhôm 6061 - Tối ưu cho miền mô nhiệt Nghiên cứu trình sinh nhiệt ma sát biến dạng dẻo dụng cụ hàn - Thực nghiệm cho vật liệu dày, hàn hai phía vật hàn - Nghiên cứu dạng liên kết hàn khác như: hàn chồng, hàn góc, hàn chữ “T” Mối liên hệ thông số hàn, ảnh hưởng thông số hàn đến tổ - Nghiên cứu trình xử lý nhiệt sau hàn chức tế vi tính chất học mối hàn, nhằm xác lập miền thông số hàn Đối tượng phạm vi nghiên cứu tối ưu, đảm bảo chất lượng mối hàn tốt 24 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết công nghệ hàn ma sát khuấy, lý thuyết mơ hình hóa q trình sinh nhiệt, ứng xử - nhiệt vật liệu, lý thuyết biến dạng dẻo Từ kết hợp phương pháp nghiên cứu: Lý thuyết - Mô - Thực nghiệm nhằm kiểm sốt thơng số q trình cơng nghệ hàn ma sát khuấy Nghiên cứu tiến hành phòng thí nghiệm kiểm tra Khoa Cơ khí Trường ĐHBK – ĐHQG Tp HCM, Cơng ty Quatest 3, Buehler,… Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn luân án Trên sở kết nghiên cứu, nhà sản xuất lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp, nâng cao chất lượng sản phẩm hiệu kinh tế Ngoài ra, luận án tài liệu tham khảo lĩnh vực hàn, tạo hình vật liệu Ứng dụng mơ hình tốn, mơ hình vật lý để tính tốn phân tích trình 5.11 Kết luận Kết thực nghiệm khẳng định độ xác mơ hình, kết mơ việc lựa chọn xác lập mơ hình để nghiên cứu q trình hàn cho kết xác Qua kiểm tra (đặc biệt tổ chức tinh thể độ bền kéo), đánh giá phân tích khẳng định ba thơng số (tốc độ quay dụng cụ hàn, vận tốc hàn chiều xâu xâm nhập vai dụng cụ vào vật hàn) có tác động nhiều đến chất lượng mối hàn Miền thơng số thích hợp cho mối hàn có chiều dày mm tốc độ quay 700 – 1600 (v/ph), vận tốc hàn 100 – 400 (mm/ph), WP từ - chiều sâu xâm nhập 0.1 mm Miền thơng số thích hợp cho mối hàn có chiều dày mm tốc độ quay 800 – 1600 (v/ph), vận tốc hàn 100 – 400 (mm/ph), WP từ - chiều sâu xâm nhập 0.1 mm Miền thơng số thích hợp cho mối hàn có chiều dày mm tốc độ quay 900 – 1600 (v/ph), vận tốc hàn 50 – 350 (mm/ph), WP từ 16- chiều sâu xâm nhập 0.2 mm sinh nhiệt hàn Xây dựng công thức lý thuyết thực nghiệm, hệ thống KẾT LUẬN CHUNG hóa làm phong phú thêm sở lý thuyết áp dụng cho công nghệ hàn ma sát khuấy nước ta Những đóng góp luận án Luận án phân tích mơ hình vật liệu, mơ hình đàn dẻo vật liệu, mơ hình Những kết đạt đóng góp luận án Luận án phân tích mơ hình vật liệu, mơ hình đàn dẻo vật liêu, mơ hình hóa mơ q trình, so sánh với kết thực nghiệm cho thấy phù hợp tương thích cao hóa mơ q trình, so sánh với kết thực nghiệm cho thấy phù hợp tương thích cao Bằng việc phân tích, xác lập sử dụng mơ hình nhiệt hợp lý thành lập miền thông số hàn mô phỏng, từ thành lập miền thơng số thực Mơ số q trình hàn thưc hiện, kết mô xác định thiết kế, triển khai quy trình cơng nghệ hàn cho cho hợp kim nhơm thơng số q trình công nghệ Dựa vào miền thông số vừa xác lập, tiến hành AA6061 thực nghiệm hàn nhôm 6061 dày 3, 4, mm, mối hàn kiểm tra phương pháp kiểm tra không phá hủy (chụp X-Ray), phương pháp kiểm tra phá hủy (soi tổ chức tế vi) kiểm tra tính (độ bền kéo) để kiểm tra chất lượng mối hàn, từ tìm miền thơng số cơng nghệ thích hợp cho cơng nghệ hàn - Miền thơng số thích hợp cho AA6061 có tốc độ quay từ 700 – 1600 (v/ph), vận tốc hàn khoảng 100 – 350 (mm/ph), hệ số WP từ đến 12 Với tốc độ quay thấp 900 – 1200 (v/ph) WP – 9, với tốc độ quay 1200 – 1600 (v/ph) WP – 12 23 5.9.3.3 Khuyết tật thiếu độ xâm nhập dụng cụ: Khuyết tật sinh chiều dài đầu khuấy không phù hợp với chiều dày phơi, đặc biệt sử đầu khuấy có chiều dài cố định mà vật liệu có chiều dày thay đổi dọc theo đường hàn Kết nghiên cứu cho thấy việc lựa chọn mơ hình nhiệt xây dựng sở giải toán truyền nhiệt phơi hàn sau sử dụng kết trường nhiệt độ để tính tốn ứng suất biến dạng theo mơ hình vật liệu rắn dẻo nhớt Zener - Holoman, việc lựa chọn phần mềm mô mơ hình thực nghiệm thực hồn tồn xác, mang lại hiệu cao Nội dung luận án Luận án gồm chương: Hình 5.42 Ảnh tế vi mối hàn thiếu độ xâm nhập đầu khuấy 5.10 Miền thông số thực nghiệm Dựa vào giá trị độ bền đo được, giá trị 70% kim loại [79], miền thơng số chọn hình 5.44 Chương 1: Giới thiệu cơng nghệ hàn ma sát khuấy Chương 2: Trình bày sở lý thuyết hình thành nhiệt ma sát biến dạng dẻo vật liệu kim loại trình hàn ma sát khuấy Chương 3: Phân tích xác lập mơ hình truyền nhiệt q trinh hàn ma sát khuấy Chương 4: Sử dụng mô hình có vào mơ số, đưa miền thơng số q trình hàn Chương 5: Thực nghiệm theo kết mơ phỏng, kiểm tra, phân tích để xác định miền thông số tối ưu công nghệ hàn Kết luận kết đạt định hướng nghiên cứu Hình 5.43 Miền thơng số thực so với miền thông số mô mm tương lai CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN Giới thiệu hình hàn ma sát khuấy: Hàn ma sát khuấy phương pháp hàn khơng nóng chảy tạo liên kết hàn ưu việt nhất, hàn loại hợp kim nhôm mà phương pháp hàn truyền thống không hàn Công nghệ hàn cho mối hàn chịu lực cao, tăng giới hạn bền mỏi, giảm biến dạng, khơng bị khuyết tật Hình 5.44 Miền thơng số thực hợp kim nhôm AA6061 22 1.1.1 Nguyên lý hàn ma sát khuấy Nguyên lý phương pháp hàn ma sát khuấy tương đối đơn giản: Dùng dụng cụ xoay thiết kế đặc biệt có đầu khuấy (có ren khơng có ren) phần vai để tiếp xúc với bề mặt phơi hàn Hình 1.1 Dụng cụ xuống bắt đầu hàn [1] 1.1.2 Hình 5.37 Ảnh chụp X-Ray mối hàn với n=700 v/ph Vh=150 mm/ph Hình 5.38 Ảnh chụp mối hàn bị khuyết tật thiếu nhiệt Các thơng số q trình Lực dọc trục, tốc độ quay vận tốc hàn, hệ số tỉ số tốc độ quay vận tốc hàn WP 1.2 Hình 5.39 Mối hàn hình thành điều kiện thiếu nhiệt Tổ chức tế vi mối hàn Quá trình hàn ma sát khuấy thực pha rắn điểm nóng chảy vật liệu, từ hình thành hạt kết tinh lại nhỏ mịn, tổ chức nhỏ mịn cho tính tốt [1] 5.9.3.2 Mối hàn bị hình thành ba-via dư nhiệt: Khi hàn với tốc độ vòng quay lớn 1500 v/ph, vận tốc hàn nhỏ 150 mm/ph mối hàn hình thành ba-via Tuy nhiên, hàn ma sát khuấy tượng dư nhiệt khó dễ dàng phân biệt mắt thường cho tất loại vật liệu Đối với việc hàn nhôm hợp kim kim thành phần hóa học khác dẫn tính chất nhiệt lý khác ví dụ khác nhiệt độ đường rắn nhiệt dẫn suất Hình 1.6 Các vùng tổ chức tế vi mối hàn ma sát khuấy [47] 1.3 Kết luận Qua nghiên cứu tổng quan tài liệu lý thuyết công nghệ hàn cho thấy công nghệ hàn ma sát khuấy phương pháp hàn tiên tiến Mặc dù có nhiều ưu điểm Hình 5.40 Hiện tượng kim loại trồi khỏi vai hình thành ba-via công nghệ chưa ứng dụng Việt Nam Tuy nhiên, cơng nghệ thiếu nghiên cứu, tài liệu hướng dẫn đầy đủ thông số quy trình cơng nghệ, khuyết tật học biện pháp loại bỏ khuyết tật học hình thành trình hàn Hình 5.41 Ảnh tế vi mối hàn bị dư nhiệt 21 5.9.2 5.9.2.1 Tổ chức tế vi Các nghiên cứu cho thấy tính tổ chức kim loại mối hàn phụ thuộc Tổ chức thô đại: chủ yếu vào thông số công nghệ hàn tính chất vật liệu hàn Hình thể cấu trúc tế vi điều kiện hàn thích hợp, điều kiện hàn Tuy nhiên nghiên cứu hạn chế định, áp dụng nóng hàn nguội cho cơng trình riêng mà chưa có thơng số chế độ công nghệ Tổ chức tế vi mối hàn chất lượng tốt trình bày hình 5.20 Hình a tổ chức kim loại bản, hình b thể vùng tâm mối hàn có cấu trúc hạt mịn, hình c vùng ảnh hưởng nhiệt ảnh hưởng nhiệt, hình d ranh giới vùng tâm hàn vùng ảnh hưởng cơ-nhiệt hàn cụ thể Đặc biệt nước chưa có cơng trình nghiên cứu cơng bố Vì vấn đề đươc lựa chọn để nghiên cứu luận án Để nghiên cứu vấn đề trên, luận án tập trung giải quyết: - Nghiên cứu sở lý thuyết trình sinh nhiệt, truyền nhiệt hàn, xác định rõ thơng số q trình hàn, mối liên hệ sinh nhiệt đầu khuấy vai dụng cụ hàn, phân tích mơ hình dòng chảy vật liệu ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn, số đặc điểm chúng yếu tố ảnh hướng đến hình thành mối hàn - Phân tích, lựa chọn, xác lập mơ hình nhiệt q trình hàn - Mơ số q trình hàn, tiến hành thực nghiệm kiểm chứng mơ hình Hình 5.19 Mặt cắt mối hàn điều kiện hàn khác - Áp dụng mơ hình nhiệt mơ hình số xác định miền thơng số hàn, thực nghiệm tối ưu thông số hàn, xây dựng miền thơng số thích hợp q trình hàn CHƯƠNG Hình 5.20 Các vị trí soi kim cương 2.1 2.1.1 5.9.3 5.9.3.1 Sự hình thành khuyết tật CƠ SỞ LÝ THUYẾT Quá trình sinh nhiệt hàn: Đặc điểm chung Quá trình nhiệt hàn tăng nhiệt độ vật hàn ảnh hưởng Mối hàn thiếu nhiệt tạo nhiệt, truyền nhiệt vào vật hàn nhiệt vào mơi trường xung Khi hàn với tốc độ vòng quay nhỏ 700 v/ph, vận tốc hàn 50 mm/ph mối hàn quanh (và vào đe dưới) khơng hình thành Hình 2.1 Ảnh hưởng điều kiện trượt - dính đến q trình sinh nhiệt [1] Hình 5.36 Hiện tượng thiếu nhiệt hàn 20 2.1.2 Lượng nhiệt sinh trình hàn 5.9.1.1 * Nhiệt sinh lúc hàn: Các mối hàn thực độ bền kéo đạt 60% đến 85% so với kim Với trường hợp lý tưởng, moment xoắn cần thiết để quay dụng cụ bề mặt phôi tác dụng tải dọc trục tính [1]: R Ảnh hưởng thông số hàn đến độ bền kéo loại Với kết đo độ bền kéo, thấy hàn với hệ số n/v (WP) nhỏ độ bền kéo cao ngược lại R 2 o dM  o P(r )2r dr  pRS (2.1) Với: M: moment xoắn, : hệ số ma sát, R: bán kính vai P(r): lực phân bố bề mặt (ở xem khơng đổi) Nếu tất q trình cắt bề mặt chuyển đổi thành nhiệt ma sát, lượng nhiệt vào trung bình đơn vị diện tích thời gian trở thành: R R o o Q1   dM    2 Pr dr Hình 5.13 Mối liên hệ thông WP đến độ bền kéo mối hàn nhơm mm (2.2) Trong đó: Q1: lượng có ích [W] (cơng suất hiệu dụng)  = 2n : vận tốc góc [rad/s] , n: tốc độ quay/giây Từ đó, phương trình 2.2 trở thành: R Q1   4  P.n.r dr   PnRS3 o (2.3) Sự tạo nhiệt đầu khuấy ước tính cách dùng điều kiện ma sát dính Với đầu khuấy có bán kính Rp chiều dài Lp, quay với vận tốc góc  lượng nhiệt sinh tính theo cơng thức: Q2  2 k  L p R p2 Hình 5.17 Mối liên hệ lực kéo biến dạng kim loại mối hàn 5.9.1.2 Ảnh hưởng thông số hàn đến độ cứng tế vi Độ cứng mối hàn có dạng chữ “W”[1] hình 5.18 (2.9) Trong đó: Q2: Lượng nhiệt đo đầu khuấy tạo 2.1.3 Sự truyền nhiệt vào vật hàn: Trong hàn FSW, hầu hết nguồn nhiệt phân bố khắp dụng cụ Dòng nhiệt phân bố đơn vị diện tích vai xác định [1]: Q r q1  3 [W/m2] 2 RS  R p (2.10) Hình 5.18 Mối liên hệ hệ số WP đến độ cứng mối hàn Đối với đầu khuấy lượng nhiệt vào phân bố khắp thể tích nó: 19 5.7 Phương pháp phân tích kết q2  Sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm Box - Behnken, xác lập phương trình hồi quy xác định giá trị tối ưu trình hàn Bảng 5.4 Bảng thơng số hàn kết kiểm tra mối hàn nhôm dày mm STT 10 11 12 13 14 15 5.8 Tốc độ quay (v/ph) n 800 1200 800 1200 800 1200 800 1200 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 Vận tốc hàn (mm/ph) v 50 50 150 150 100 100 100 100 50 150 50 150 100 100 100 Chiều sâu ép (mm) h 0.15 0.15 0.15 0.15 0.1 0.1 0.2 0.2 0.1 0.1 0.2 0.2 0.15 0.15 0.15 Kết thí nghiệm (Mpa) y1 184.3 210.1 203.6 222.3 198.5 202.4 199.8 208.5 190.7 220.3 215.4 211.1 216.8 218.5 216.7 Kết thí nghiệm (Mpa) y2 184.2 208.6 202.3 220.9 198.5 201.4 204.2 212.4 191.5 224.1 216.4 211.4 217.2 218.7 214.4 Kết thí nghiệm (Mpa) y3 185.666 208.717 207.996 230.738 207.437 196.263 206.833 209.475 196.551 228.308 222.167 206.873 220.873 222.593 224.526 Giá trị TB (Mpa) Y 184.722 209.139 204.632 224.646 201.479 200.021 203.611 210.125 192.917 224.236 218.139 209.791 218.291 219.931 218.542 Xác định miền thông số thực nghiệm thích hợp Bảng 5.15 Thơng số hàn xác định miền thông số thực Tốc độ quay(v/ph) 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Mức 50 50 50 50 50 50 50 50 50 Mức 100 100 100 100 100 100 100 100 100 Mức 150 150 150 150 150 150 150 150 150 Vận tốc hàn (mm/ph) Mức Mức Mức 200 250 x 200 250 x 200 250 300 200 250 300 200 250 300 200 250 300 200 250 300 200 250 300 200 250 300 Mức x x x 350 350 350 350 350 350 2.2 Q2  R p2 L p [W/m3] (2.12) Kết luận Quá trình sinh nhiệt hàn vấn đề quan trọng q trình hàn, xác định rõ thơng số trình hàn, mối liên hệ sinh nhiệt đầu khuấy vai dụng cụ cần thiết CHƯƠNG 3.1 MƠ HÌNH NHIỆT Mơ hình truyền nhiệt Nhiệt tạo thành hàn ma sát khuấy bị chi phối hai chế Một ma sát biến dạng dẻo, với nhiệt truyền vào phôi theo định luật truyền nhiệt Fourier Trong phân tích số, trường nhiệt độ tức thời T (là hàm theo thời gian tọa độ khơng gian (x,y,z)), xác định từ phương trình truyền nhiệt phi tuyến 3D với hệ tọa độ di chuyển theo hướng di chuyển dụng cụ hàn y dương:  T   T    T    T  ɺ T   VT  kx    ky    kz   Q  C p   x  x  y  y  z  z   t y   Mức x x x x x 400 400 400 400 Với  , Cp, k khối lượng riêng, nhiệt dung riêng hệ số dẫn ɺ tốc độ sinh nhiệt, nhiệt có hướng phơi, Q VT vận tốc hàn Biểu thức điều kiện ban đầu cho việc tính toán là: (3.2) T ( x , y , z , 0)  Ti 5.9 Kết Các mối hàn kiểm tra tính, soi tổ chưc tế vi chụp X-Ray để đánh giá phân tích 5.9.1 Ảnh hưởng thơng số hàn đến tính mối hàn Kiểm tra độ bền kéo máy kéo nén vạn theo tiêu chuẩn ASTM- E8, phôi hàn cắt mẫu để kiểm tra đoạn đầu, cuối đường hàn 18 (3.1) Hình 3.1 Miền tính toán biên tương tác [53] Suy ra, phương trình truyền nhiệt tức thời điều chỉnh hệ trục tọa độ di chuyển là:   T    T    T  ɺ T  k    kz  kx    Q    C pVT x  x      z  z   3.2 (3.7) Phương trình bảo tồn động lượng khối lượng trạng thái tức thời biểu diễn dạng vectơ [54] sau:  V  t Và CHƯƠNG 5.1 Mơ hình dòng vật liệu   Miền thơng số dự đốn có xu hướng mở rộng phía tốc độ quay tốc độ hàn cao, nhiên giới hạn khả vận hành thiết bị nên giá trị cao không xem xét   V V   .  F  (3.8) THỰC NGHIỆM Máy thơng số hàn: Thí nghiệm thực máy phay CNC VP3000, công suất 7.5 HP tốc độ quay lớn 4000 vòng/phút 5.2 Phương pháp hàn chế độ hàn Mối hàn giáp mí, phôi kẹp chặt đồ gá thép bàn chạy dao (3.9) .V  máy phay hình 5.2 T    T Với     v toán tử gradient, V  u v w vận tốc dòng kim  x y z  loại,  tensor ứng suất tổng,  khối lượng riêng vật liệu, F vector lực toàn phần, t biến thời gian Tensor ứng suất tổng phương trình (3.8) biễu diễn theo định luật Stoke [55]:         V  .V  Với P áp lực thủy tĩnh, T   PI  (3.10)  độ nhớt vật liệu I ma trận đơn vị Từ Hình 5.2 Gá kẹp phôi hàn 5.3 Giới hạn thông số nghiên cứu thực nghiệm Với trình hàn FSW, chất lượng hàn thời gian hàn tiêu quan trọng phương trình 3.8 3.9, với hiệu chỉnh phù hợp dụng cụ di chuyển, 5.4 phương trình bảo tồn động lượng viết thành: Dụng cụ có đầu khuấy hình trụ, có ren, góc lõm vai 30, chế tạo  V     V V   P    V  .V   t      T     U .V  F  (3.11) Phương trình điều khiển tổng quát truyền nhiệt hệ tọa độ Descartes:  T   kT  Qɺ   C p   U T  V T   t     (3.12) Giả sử điểm 'A' phơi bán kính r góc θ so sới phương vận tốc hàn VT Vật liệu quay tốc độ quay ω Các thành phần vận tốc tuyến tính biên bề mặt vai dụng cụ biểu diễn sau: v   r sin   VT ; u   rcos , R p  r  Rs Phôi dụng cụ hàn thép SKD 11 5.5 Quy hoạch thực nghiệm Bảng 5.4 thể các thông số giá trị thực nghiệm 5.6 Hàm mục tiêu hệ thống (3.13) Vận tốc chu vi đầu khuấy là: v   Rp sin   VT ; u   R p cos , R p  r ;0  h  H p (3.14) Hình 5.4 Bài tốn hộp đen cho q trình hàn FSW 17 4.6 Kết luận Mơ hình nhiệt xây dựng sở giải tốn truyền nhiệt phơi hàn sau sử dụng kết trường nhiệt độ để tính tốn ứng suất biến dạng theo mơ hình vật liệu rắn dẻo nhớt Zener - Holoman Nguồn nhiệt mơ hình tính tốn tạo thành ma sát biến dạng bề mặt tiếp xúc dụng cụ phôi Nhiệt sinh vai dụng cụ phôi giả thiết Hình 3.2 Điều kiện biên vận tốc hàn ma sát khuấy điều kiện dính (lực ma sát cắt), hai bề mặt lại coi có tiếp xúc trượt (ma sát Coulomb) Dữ liệu thực nghiệm mô thống kê để Điều kiện biên vận tốc bề mặt đỉnh đầu khuấy là: ước lượng sai số nhiệt độ thí nghiệm mô kết chênh lệch nằm khoảng từ – % - Nhiệt độ cao thu tâm hàn xung quanh đầu khuấy dụng cụ Nhiệt độ đỉnh mối hàn tăng tăng tốc độ quay, giảm vận tốc hàn v   r sin   VT ; u   rcos ,  r  Rp (3.15) Với Rs, Rp Hp bán kính vai, bán kính đầu khấy chiều cao đầu khuấy dụng cụ dạng trụ Nếu bỏ qua chuyển động tiến dụng cụ, tức dụng cụ đứng yên, điều kiện biên trở thành : VT=0 Vì dòng vật liệu có tính chất dẻo nhớt phi Newton, độ nhớt tính tốn theo mơ hình đơn giản Hart [56], với ứng suất chảy chia thành hai thành phần dẻo nhớt sau: e   p   y (3.16) Với thành phần nhớt đại diện cho trở lực ma sát gây nên xô lệch trượt thành phần dẻo đại diện cho cản trở dòng chảy gây nên xô lệch rối Mối tương quan theo thực nghiệm thành phần nhớt dẻo sau:   b   (3.17)  p  K exp        ɺ   1/ M Và  v  G  ɺ  (3.18) a Hình 4.31 Miền thơng số mơ nhơm 6061 dày mm Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian suốt trình hàn cho thấy độ dốc nhánh gia nhiệt tăng chứng tỏ tốc độ sinh nhiệt tăng tăng tốc độ quay tốc độ hàn Nhiệt độ cao thu vị trí thời điểm dụng cụ vượt qua khỏi vị trí đo, điều hợp lý kết mô cho thấy miền nhiệt độ mở rộng phía sau dụng cụ chuyển động tiến dụng cụ 16 N Với b  b0  K  exp   Q  (3.19) G  RT  ɺ tốc độ biến dạng G, Q, Q0, a0, b0, λ, N M thông số vật liệu xác định từ thí nghiệm [57] 3.2.1 Nguồn nhiệt đứng yên (không xét ảnh hưởng vận tốc hàn) Xét hệ số ηQ hệ số chuyển đổi nhiệt [63], tổng lượng nhiệt sinh trình hàn ma sát khuấy - Qt viết theo lượng tạo từ dụng: Qt  Q Pa  W  , Q   0, 1 (3.36) Năng lượng phụ thuộc vào tốc độ góc ω moment xoắn Mt, nên lượng (3.40) (3.41) Trong dFt vi phân lực tác dụng, r khoảng cách đến phân tố, dA diện tích phân tố, τc ứng suất cắt tiếp xúc vật liệu Biến trạng thái tiếp xúc δ giả thiết thay đổi tuyến tính theo khoảng cách Hình 4.20 Trường nhiệt độ với mối hàn 700 v/ph, 150 mm/ph 400 Nhiệt độ 0C nhiệt tổng sinh là: Qt   M t Và dQt   dM t   rdFt   r c dA 300 200 đến tâm dụng cụ, ta có: (3.42) mô 360 320 280 240 200 160 120 80 40 Nhiệt độ cuối nhiệt độ 132 144 156 108 120 nhiệt độ đầu Thời gian (s) R p  r  Rs q2 ( )  [ y ( Rp  Vsin )  (1   ) p] r  Rp ;  h  H p (3.58) (3.59) Với η hệ số hiệu suất chuyển đổi lượng thành nhiệt Thơng lượng nhiệt tính trực tiếp nút với góc θ tương ứng Q trình thay đổi nhiệt độ vị trí đầu, cuối đường hàn ghi lại cặp nhiệt điện K cho mối hàn: 320 280 240 200 160 120 80 40 Cách 15mm Cách 30mm Cách 45mm 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 128 136 144 152 160 q1 ( )  [ y ( r  Vsin )  (1   )  p ] (3.57) Hình 4.29 Kết nhiệt độ điểm song song với đường hàn theo thời gian Tốc độ quay 900 v/ph tốc độ hàn 100 mm/ph Nhiệt độ (0C) Như tốc độ sinh nhiệt đơn vị diện tích hàm theo góc θ:  r  Rp Mức thí nghiệm (3.43) Với µ hệ số ma sát, p áp lực tiếp xúc, τyield (giới hạn cắt) độ bền chảy y dẻo vật liệu  y  với σy giới hạn chảy phụ thuộc vào nhiệt độ 3.2.2 Nguồn nhiệt chuyển động q3 ( )  [ y ( r  Vsin )  (1   )  p] Hình 4.28 Kết mô thực nghiệm đo bề mặt Lượng nhiệt ma sát biến dạng vật liệu sinh phương trình 3.41 ứng suất cắt tiếp xúc [20]: µp, sinh nhiệt ma sát Τ = τ , sinh nhiệt biến dạng vật liệu 84 96 từ ma sát Ngược lại, δ=0 nhiệt tạo thành hồn tồn từ biến dạng dẻo 60 72 đó, δ=1 khơng có vật liệu dính lên dụng cụ tất lượng nhiệt tạo 36 48 Với Vm vận tốc biên vật liệu phôi Vt vận tốc biên dụng cụ Do 12 24 Vm Vt Nhiệt độ (0C)   1 Thực nghiệm 100 Thời gian (s) Hình 4.30 Kết đo nhiệt độ theo khoảng cách so với tâm hàn Tốc độ quay 900 v/ph tốc độ hàn 100 mm/ph 10 15 CHƯƠNG 4.1 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Phương trình phần tử hữu hạn Để giải tốn truyền nhiệt dòng vật liệu hàn ma sát khuấy, ta Hình 4.16 Bố trí cặp nhiệt điện vị trí ( đầu, giữa, cuối) dọc theo đường hàn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 4.1.1 Mơ hình truyền nhiệt Áp dụng phương pháp phần dư có trọng Galerkin cho phương trình điều khiển dạng thơng thường là:    T  Hình 4.17 Bố trí cặp nhiệt điện vị trí vng góc với đường hàn 4.5   T    T     x  k x   y  k y   z  k z   Qɺ  C Kết mô trường nhiệt độ trường vận tốc  p T  d   z  (4.5) Kết mô hợp kim nhôm 6061 cho thấy nhiệt độ cao xung 4.1.2 Mơ hình dòng vật liệu quanh tâm hàn từ 300 – 600 oC so với nhiệt độ nóng chảy nhôm 6061 Phương pháp sai số chọn lựa để đưa phương trình liên tục thơng số 582 - 652 oC sai lệch là:   Máy đo nhiệt độ hồng ngoại ghi lại nhiệt độ biên vai suốt trình P u v w (4.20)    0   x y z  Tiến hành rời rạc hóa phần tử để viết phương trình bảo tồn động lượng hàn Kết thu lại giá trị nhiệt độ cao tương ứng với mối dạng tuyến tính theo phương x, y, z hàn 4.1.3 4.5.1 Kết đo nhiệt độ bề mặt máy đo hồng ngoại Mơ hình tương tác – nhiệt Ngồi phương pháp động học lưu chất, trường vận tốc thu từ mơ hình tương tác nhiệt Phương trình cân lực là:  ij , j  bi  0, (4.54)  ij   ji Hình 4.18 Trường nhiệt độ với mối hàn 700 v/ph, 50 mm/ph Với  ij tensơ ứng suất, bi lực khối, ρ mật độ phân bố lực Phương trình quan hệ cho mơ hình nhiệt đàn dẻo biểu diễn theo dạng ứng suất tăng theo biến dạng với phương pháp Lagrange Ứng suất chảy tính tốn thơng qua mơ hình phụ thuộc nhiệt độ tốc độ biến dạng Zener-Hollomon [1] Hình 4.19 Trường nhiệt độ với mối hàn 700 v/ph, 100 mm/ph 14 1/ n    Q  1  Z  Z  ɺexp   ;   sinh     RT A       11 (4.64) 4.3 4.3.1 Mơ q trình hàn thực nghiệm so sánh với giá trị tương ứng mô để đánh giá mô Sơ lược phần mềm phần tử hữu hạn Có phương pháp tiếp cận là: Phương pháp học vật rắn phần tử hữu hạn (FEM) với việc áp dụng mơ hình tính tốn Lagrangian hình phần tử hữu hạn 4.4.1 Máy thông số hàn ma sát khuấy Thí nghiệm thực máy phay CNC VP3000 công suất 7.5 HP tốc độ quay lớn 4000 vòng/phút (Hình 4.7) Phương pháp động lực học lưu chất (CFD) tảng thể tích hữu hạn (FVM) với việc áp dụng mơ hình tính tốn Eulerian 4.3.2 Mơ q trình hàn ma sát khuấy phần mềm HyperWork Sử dụng giả thiết sau: 90% lượng chuyển hóa thành Hình 4.7 Máy phay CNC lượng hàn Các điều kiện biên sử dụng giả thuyết 4.4.1.1 Colegrove [16] Thí nghiệm đo nhiệt Giới hạn khả thi thông số lựa chọn cách quan sát khuyết tật hàn hình thành mẫu thử, vùng chọn vùng khơng có khuyết tật nhìn thấy Hình 4.2 Dụng cụ phơi hàn 4.4.1.2 Bố trí thực nghiệm phương pháp đo Giá trị nhiệt độ ghi lại theo thời gian hàn Hình 4.14 đến hình 4.17 biểu diễn vị trí lắp cặp nhiệt điện: Hình 4.14 Bố trí máy đo nhiệt dọc theo đường hàn Hình 4.3 Chia lưới cho mơ hình 4.4 Thực nghiệm kiểm chứng mơ hình nhiệt mơ hình nhiệt Kết mô thực nghiệm kiểm chứng độ tin cậy từ sử dụng mơ hình để dự đốn kết nhiệt mà việc thực nghiệm đo lường khó tiến hành Hình 4.15 Sơ đồ bố trí cặp nhiệt điện đo nhiệt độ bên phơi Mục tiêu mơ hình thực nghiệm đo nhiệt độ suốt q trình hàn ma sát khuấy hợp kim nhơm AA 6061 vị trí xác định Kết 12 13 ... suất Hình 1.6 Các vùng tổ chức tế vi mối hàn ma sát khuấy [47] 1.3 Kết luận Qua nghiên cứu tổng quan tài liệu lý thuyết công nghệ hàn cho thấy công nghệ hàn ma sát khuấy phương pháp hàn tiên tiến... thành trình hàn Hình 5.41 Ảnh tế vi mối hàn bị dư nhiệt 21 5.9.2 5.9.2.1 Tổ chức tế vi Các nghiên cứu cho thấy tính tổ chức kim loại mối hàn phụ thuộc Tổ chức thô đại: chủ yếu vào thơng số cơng... hàn Kết luận kết đạt định hướng nghiên cứu Hình 5.43 Miền thông số thực so với miền thông số mô mm tương lai CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN Giới thiệu hình hàn ma sát khuấy: Hàn ma sát khuấy phương pháp hàn