Tóm tắt luận án tiến sĩ nghiên cứu đặc tính của mối hàn ma sát quay hợp kim titan và tối ưu các thông số công nghệ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ THỊ MỸ NỮ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA MỐI HÀN MA SÁT QUAY HỢP KIM TITAN VÀ TỐI ƯU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ Chuyên ngành: Mã số chun ngành: Kỹ thuật khí 62520103 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2021 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc Người hướng dẫn 2: TS Lưu Phương Minh Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án họp vào lúc ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM - Thư viện Đại học Quốc gia Tp.HCM - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM GIỚI THIỆU Tính cấp thiết luận án Ti6Al4V hợp kim titan sử dụng rộng rãi, chiếm khoảng 45% tổng sản lượng titan tiêu thụ công nghiệp Ti6Al4V vật liệu nhẹ, bền sử dụng rộng rãi máy bay, thiết bị hàng không vũ trụ nhiều lĩnh vực khác chẳng hạn linh kiện xe hơi, dụng cụ y tế, ngành cơng nghiệp trang trí Trước đây, khối vật liệu titan hợp kim titan lớn sử dụng để gia công chi tiết máy thơng qua q trình cắt gọt vật liệu Tuy nhiên, kỹ thuật gia công gây lãng phí đáng kể phần lớn ngun liệu bị loại bỏ q trình gia cơng Để giảm thiểu chi phí, kết cấu chế tạo từ phương pháp hàn quan tâm, nhiên, việc hàn nóng chảy hợp kim titan độ bền cao thường dẫn đến tính Hàn ma sát phương pháp tiềm để đạt đặc tính học Bên cạnh đó, để hàn chi tiết trụ đặc (ví dụ trục tua bin khí máy bay) phương pháp hàn truyền thống khơng phù hợp Hiện nay, nghiên cứu hàn ma sát quay Ti6Al4V cơng bố cịn chưa báo cáo cách tổng thể tác động thơng số cơng nghệ đến tính mối hàn nghiên cứu thực nghiệm Hơn nữa, việc sử dụng phần mềm để mô số trình hàn ma sát quay Ti6Al4V cịn hạn chế Q trình mơ số nhằm xác định ảnh hưởng thơng số q trình đến tính mối hàn cách linh hoạt để tiết kiệm chi phí thực nghiệm Mục tiêu luận án Nghiên cứu đặc điểm tính chất mối hàn ma sát quay hợp kim Ti6Al4V, ảnh hưởng thông số cơng nghệ đến chất lượng mối hàn từ tìm miền thơng số làm việc phù hợp đảm bảo chất lượng mối hàn Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp lý thuyết công nghệ hàn ma sát quay, mơ hình hóa q trình sinh nhiệt, ứng xử - nhiệt vật liệu, lý thuyết biến dạng dẻo phần mềm CAE, phương pháp thử nghiệm tính, phân tích tổ chức tế vi mối hàn, phương pháp quy hoạch thực nghiệm tìm giá trị thơng số cơng nghệ tối ưu Trên sở kết hợp phương pháp nghiên cứu: Lý thuyết - Mô - Thực nghiệm để xác định thơng số tối ưu cho q trình hàn ma sát quay Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn luận án 4.1 Ý nghĩa khoa học Luận án xác định qui luật quan hệ ảnh hưởng thông số công nghệ hàn đến tính mối hàn ma sát quay hợp kim titan Ti6Al4V Kết luận án cho thấy phương pháp hàn ma sát quay phương pháp hàn phù hợp để hàn vật liệu hợp kim titan Ti6Al4V khó thực hàn phương pháp hàn nóng chảy 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Các kết kết luận nhận từ thực nghiệm sở ban đầu cho việc tiếp tục triển khai nghiên cứu áp dụng công nghệ hàn ma sát hợp kim Ti6Al4V vào thực tiễn nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng hợp kim titan Ti6Al4V Các điểm luận án 5.1 Luận án xây dựng mơ hình số để mơ q trình hàn ma sát quay Ti6Al4V sử dụng phần mềm CAE Kết đạt từ mô số giúp xác định vùng ảnh hưởng thông số hàn đến nhiệt độ, biến dạng ứng suất mối hàn ma sát quay Nó góp phần giảm chi phí nghiên cứu giảm thiểu phần lớn thực nghiệm 5.2 Luận án khảo sát tính mối hàn theo hai phương hướng tâm dọc trục, kết nghiên cứu chứng tỏ mối hàn ma sát quay có tính khơng đồng điểm mối hàn đưa giải pháp để giảm thiểu không đồng mối hàn 5.3 Luận án xác định miền thông số làm việc đảm bảo chất lượng mối hàn ma sát quay hợp kim Ti6Al4V Nội dung nghiên cứu Chất lượng mối hàn ma sát có liên quan chặt chẽ đến thơng số q trình, để sản phẩm hàn đạt chất lượng, thơng số q trình cần phải xem xét tối ưu hóa Điều thường thực thông qua thực nghiệm, phương pháp thực nghiệm có hiệu chi phí cao, đặc biệt cho hàn siêu hợp kim Vì vậy, luận án tiến hành nghiên cứu nội dung sau: Nội dung 1, luận án nghiên cứu xây dựng mơ hình số - nhiệt dùng để mơ q trình hàn ma sát quay nhằm dự báo nhiệt độ, ứng suất, độ rộng vùng chịu ảnh hưởng nhiệt Kết mô số đưa nội dung sở để lựa chọn thông số công nghệ hàn cho trình hàn ma sát quay Nội dung 2, luận án nghiên cứu thực nghiệm phân tích tổ chức tế vi mối hàn ma sát quay kiểm tra tính mối hàn ma sát độ cứng, độ bền kéo độ dai va đập mối hàn Từ kết thực nghiệm này, luận án xác định qui luật quan hệ ảnh hưởng thông số công nghệ hàn đến tính mối hàn ma sát quay hợp kim titan Ti6Al4V Nội dung 3, luận án đưa thông số cơng nghệ phù hợp cho q trình hàn ma sát quay Ti6Al4V xác định thông qua phương pháp qui hoạch thực nghiệm CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HÀN MA SÁT VÀ VẬT LIỆU TI6AL4V 1.1 Nguyên lý hàn ma sát quay Đây trình biến đổi thành nhiệt Một chi tiết kẹp chặt quay quanh trục chi tiết hàn khác kẹp chặt không quay di chuyển theo phương dọc trục để tiếp xúc với chi tiết quay Chi tiết ngừng quay đạt đến nhiệt độ nhiệt độ nóng chảy vật liệu tiếp tục tác động lực ép để hàn Trong q trình nhiệt tạo ma sát tập trung cục bề mặt tiếp xúc, cấu trúc hạt kết tinh lại q trình gia cơng nóng 1.2 Cơ chế hàn ma sát quay Chu kỳ hàn chia thành hai giai đoạn: giai đoạn cọ xát gia nhiệt giai đoạn hàn Nhiệt hàn sinh giai đoạn đầu mối hàn hình thành nguội giai đoạn thứ hai q trình hàn 1.3 Các thơng số q trình hàn ma sát quay Ba thơng số quan trọng tốc độ quay, áp lực hàn thời gian gia nhiệt có ảnh hưởng riêng kết hợp chúng để tạo mối hàn kim loại 1.4 Tình hình nghiên cứu giới nước hàn ma sát Ti6Al4V Tình hình nghiên cứu giới: nhiều cơng trình nghiên cứu hàn ma sát quay kim loại hợp kim titan công bố nhiều năm qua, phần nhiều trình bày kết đạt mà chưa phân tích ảnh hưởng thơng số cơng nghệ Đặc biệt, khác biệt tính theo phương hướng tâm mối hàn ma sát quay hợp kim titan cản trở ứng dụng phương pháp hàn ma sát quay Mặc dù, xét toàn cục mối hàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật ứng dụng, tồn vị trí cục mối hàn không đáp ứng tiêu chuẩn ứng dụng [45] Vì vậy, khảo sát tính mối hàn theo phương hướng tâm nhằm xác định vị trí khơng đồng tính mối hàn đưa giải pháp để hạn chế khơng đồng cần thiết Bên cạnh đó, mơ số cơng cụ tính tốn mạnh phù hợp để mơ q trình hàn ma sát phức tạp Nó cơng cụ hữu ích để nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn Nhưng mơ hình số chưa cung cấp đánh giá trọn vẹn kết hàn ma sát hợp kim titan khả hàn hợp kim titan, độ bền kéo mối hàn, thay đổi tổ chức tế vi phân bố độ cứng, mà đặc tính cần phải định lượng thông qua thực nghiệm Các nghiên cứu nước: Đã có số cơng trình nghiên cứu hàn ma sát nhà nghiên cứu nước công bố thời gian gần Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu hàn ma sát quay hợp kim titan Ti6Al4V cịn mẻ với tình hình nghiên cứu nước Kết luận chương Phương pháp hàn ma sát phương pháp hàn đầy hứa hẹn sử dụng để gia cơng chế tạo thành phần, phận ứng dụng hàng khơng vũ trụ dùng vật liệu titan Ti6Al4V nói riêng sản phẩm cơng nghiệp khác nói chung Trên sở tổng hợp nghiên cứu trên, nội dung nghiên cứu luận án chia thành phần sau: Mơ số q trình hàn ma sát quay để xác định ảnh hưởng thơng số q trình tốc độ quay, thời gian gia nhiệt, áp lực hàn đến trường phân bố nhiệt độ, ứng suất biến dạng chi tiết khảo sát Xác định ảnh hưởng thơng số q trình đến tính mối hàn ma sát quay khảo sát thực nghiệm so sánh kết với phần mô Xác định thơng số tối ưu q trình hàn ma sát quay Ti6Al4V kiểm tra tính mẫu hàn thông số tối ưu CHƯƠNG 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nguyên lý sinh nhiệt hàn ma sát quay Hàn ma sát trình hàn trạng thái rắn Nó liên quan đến nhiệt độ làm nóng biến dạng dẻo vật liệu gốc tốc độ biến dạng nhiệt độ mãnh liệt Nhiệt đầu vào trung bình đơn vị diện tích thời gian tính 𝑅 𝑞0 𝑀𝑟 𝑟 = ∫ 𝜇𝑃𝑣𝑑𝐴 = ∫ 𝜇𝑃𝑣𝑚𝑎𝑥 2𝜋𝑟𝑑𝑟 = 𝜇 𝑃𝑣𝑚𝑎𝑥 𝐴 𝐴 𝐴 𝑅 (2.4) Trong q0 cơng suất nhiệt (W), P áp lực (N/mm2), A diện tích mặt cắt (mm2), vmax vận tốc dài lớn (m/s) μ hệ số ma sát 2.2 Cơ chế hàn ma sát quay Chu kỳ hàn chia thành hai giai đoạn: giai đoạn cọ xát ma sát giai đoạn rèn Nhiệt hàn phát sinh giai đoạn đầu mối hàn hình thành làm nguội giai đoạn thứ hai trình hàn Các bước hàn ma sát quay minh họa Hình 2.1 Hình 2.2 Hình Sơ đồ pha hàn ma sát quay Hình 2 Các giai đoạn hàn ma sát quay thực tế a) Giai đoạn chuẩn bị (phôi quay); b) Giai đoạn gia nhiệt; c) Giai đoạn hàn 2.3 Đặc trưng mối hàn ma sát Ti6Al4V 2.3.1 Vùng hàn Vùng hàn gồm vùng hàn trung tâm (CWZ), vùng ảnh hưởng nhiệt học (TMAZ) vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trước đến vùng vật liệu gốc (PM) 2.3.2 Độ rộng vùng hàn Độ rộng vùng hàn định nghĩa khoảng cách giao diện mối hàn cạnh HAZ Các mối hàn quán tính xuất dạng đường cong, với vùng hàn bề mặt vật liệu dày so với vùng hàn trung tâm Đặc trưng mối hàn Ti6Al4V: Ti6Al4V có tính dẫn nhiệt nên vùng hàn độ rộng vùng hàn nhỏ so với kim loại khác 2.4 Cơ tính mối hàn ma sát quay 2.4.1 Độ cứng tế vi Kết đo độ cứng cho thấy có chênh lệch lớn độ cứng tế vi vùng bên bên mối hàn 2.4.2 Độ bền kéo Vùng hàn có độ bền kéo cao so với vật liệu gốc Ti6246 vá mẫu thử kéo bị đứt gãy vùng vật liệu gốc cách xa vùng hàn Sự tăng độ bền kéo vùng hàn cấu trúc vi mô mịn kết tinh lại 2.5 Dãy thông số công nghệ hàn ma sát cho vật liệu Ti6Al4V Để đưa thông số công nghệ hàn phù hợp, luận án tham khảo thông số công nghệ cơng trình nghiên cứu trước trình bày Bảng 2.1 Với công suất nhiệt 10 W/mm2 sau thời gian gia nhiệt từ s đến s nhiệt độ mặt tiếp xúc hợp kim titan Ti6Al4V đạt tới 400 oC đến 650 oC (Hình 2.7) đạt đến nhiệt độ để hàn ma sát, luận án đề xuất khoảng thông số hàn ma sát dùng cho mô số thực nghiệm luận án Bảng 2.2: Hình 2.6 Quan hệ áp lực tốc độ quay nhiệt lượng Hình 2.7 Nhiệt độ mặt tiếp xúc (z=0) theo thời gian Bảng 2.2 Dãy thông số công nghệ hàn ma sát dùng luận án Các thông số công nghệ Dãy giá trị Tốc độ quay (1 200 – 500) rpm Thời gian gia nhiệt (4 – 6) s Áp lực gia nhiệt (30 – 40) MPa Áp lực hàn (42,5 – 80) MPa Kết luận chương Hàn ma sát phương pháp hàn trạng thái rắn mà nhiệt độ trình hàn chưa đạt đến nhiệt độ nóng chảy vật liệu Trong giai đoạn gia nhiệt, lớp vật liệu giao diện hàn bị cọ xát trượt Đồng thời, tác động áp lực hàn phân tử khuếch tán qua giao diện hàn tạo nên mối hàn ma sát quay Hơn nữa, phần vật liệu bên vùng ảnh hưởng hàn chưa bị mềm hóa có vai trị định hướng dòng vật liệu bị biến dạng dẻo Sự thay đổi trường nhiệt trường ứng suất chi tiết hàn làm thay đổi mãnh liệt tổ chức tế vi vật liệu, đặc biệt vật liệu Ti6Al4V, tạo nên tổ chức tế vi hai pha Các thơng số cơng nghệ q trình hàn tốc độ quay, áp lực ép có ảnh hưởng lớn đến trình sinh nhiệt biến dạng mãnh liệt vật liệu Việc nghiên cứu ảnh hưởng thông số hàn ma sát đến tổ chức tế vi vật liệu tính mối hàn ma sát quan trọng để nâng cao chất lượng mối hàn phương trình nhiệt độ, ma sát, biến dạng dẻo xem xét q trình mơ Kỹ thuật chia lưới động cập nhật theo độ biến dạng vận hành để thích nghi với biến dạng lớn xảy mô Các điều kiện biên chuyển vị, áp lực, vận tốc quay thời gian gia nhiệt mơ hình chi tiết cố định tất bậc tự Chi tiết cịn lại tự di chuyển theo phương dọc trục Kết mơ cho thấy tính đối xứng phân bố nhiệt ứng suất chi tiết hàn Các kết trình hàn ma sát quay trình bày sau: Hình 3.5 Kết mơ phân bố nhiệt Hình 3.6 Kết mơ phân bố ứng suất von-Mises Hình Sự thay đổi nhiệt độ vị trí khác Hình 3.10 Ảnh hưởng thời gian ma sát đến nhiệt độ 10 Hình 3.11 Sự rút ngắn chiều dài chi tiết hàn Hình 3.14 Số vòng quay ảnh hưởng lên tốc độ tăng nhiệt Hình 3.16 Phân bố ứng suất theo chiều dài chi tiết Hình 3.17 Phân bố ứng suất theo phương hướng tâm chi tiết 3.6 Kết luận chương Mô số thực để đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến trình hàn ma sát quay Ti6Al4V Kết q trình mơ Chương dự đoán phân bố nhiệt độ ứng suất vùng hàn Tuy nhiên, mơ hình số chưa xét đến tính mối hàn độ bền kéo, độ dai va đập, độ cứng tế vi tổ chức tế vi, ảnh hưởng thông số công nghệ hàn ma sát quay đến độ bền kéo, độ dai va đập, độ cứng tế vi tổ chức tế vi mối hàn Như để đánh giá trọn vẹn chất lượng mối hàn, luận án tiến hành thực nghiệm phân tích chương 11 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM HÀN MA SÁT VÀ TỐI ƯU HĨA CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ 4.1 Phân tích thực nghiệm xác định qui luật ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đế tính mối hàn 4.1.1 Chuẩn bị mẫu thiết bị Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý máy hàn ma sát Hình 4.1 Mẫu hàn 4.1.2 Kết thảo luận 4.1.2.1 Nhiệt độ hàn Để hàn ma sát thành công, nhiệt độ phải nằm khoảng 800 °C 000 °C [34-37] Hình 4.7 trình bày hình ảnh chụp nhiệt độ dùng máy đo nhiệt hồng ngoại thời điểm t = s với thông số hàn ma sát là: tốc độ quay 500 rpm áp lực giai đoạn gia nhiệt 50 MPa, giai đoạn hàn 85 MPa Tại thời điểm t = s, nhiệt độ cao đo giao diện hàn 976 oC Kết tương đồng với kết mơ Hình 4.7 Nhiệt độ thời điểm t = s giao diện hàn 4.1.2.2 Tổ chức tế vi: Mẫu mối hàn số 03 sử dụng làm đại diện để khảo sát thay đổi tổ chức tế vi mối hàn ma sát Tổ chức tế vi mối hàn kiểm tra điểm 1, 2, 3, 5, Hình 4.8 12 Hình 4.9 Ảnh hưởng thời gian gia nhiệt tốc độ quay đến chiều rộng mối hàn Sample # 06 80 MPa Sample # 07 50 MPa mm mm Sự thay đổi độ rộng mối hàn theo áp lực chồn Sample # 07 50 MPa Sample # 06 80 MPa Hình 4.8 Tổ chức tế vi vị trí khác vùng hàn 10 mm Sự thay đổi chiều dài chi tiết hàn Hình 4.10 Ảnh hưởng áp lực hàn đến chiều rộng mối hàn 4.1.2.3 Ảnh hưởng thông số hàn ma sát đến tính mối hàn: Ảnh hưởng thời gian gia nhiệt tốc độ quay đến chiều rộng mối hàn Kết Hình 4.9 cho thấy mẫu hàn # 02 với thời gian gia nhiệt s có chiều rộng mối nối 0,8 mm mẫu hàn # 01 với thời gian gia nhiệt 4,5 s có chiều rộng 1,5 mm Để khảo sát tác động áp lực hàn lên bề rộng mối hàn, hai mẫu hàn, # 06 # 07 Hình 4.10, nghiên cứu phân tích Cả hai mẫu hàn có thơng số tốc độ quay, áp lực gia nhiệt thời gian gia nhiệt 500 rpm, 30 MPa s Mẫu hàn số #06 chế tạo với áp lực hàn 80 MPa mẫu hàn số 07 chế tạo với áp lực hàn 50 MPa 13 4.1.2.4 Ảnh hưởng thông số cơng nghệ đến độ cứng vi mơ Hình 4.11 Các vị trí sử dụng để đo độ cứng HV mối hàn Hình 4.12 Độ cứng theo trục x b) Độ cứng đo c) Độ cứng đo a) Độ cứng đo mẫu hàn #02 mẫu hàn #03 mẫu hàn # 01 Hình 4.13 Độ cứng đo theo phương hướng tâm x Hình 4.14 Mối quan hệ độ cứng vị trí qua tâm Hình 4.15 Mối quan hệ độ cứng vào vị trí theo phương hướng tâm Hàm xấp xỉ mô tả phụ thuộc độ cứng vào vị trí theo phương dọc trục: (4.1) Hàm phụ thuộc độ cứng vào vị trí phương hướng tâm: (4.2) 14 4.2.5 Ảnh hưởng thông số kỹ thuật đến độ bền kéo Hình 4.17 Các mẫu thử nghiệm độ bền kéo Hình 4.18 Đường cong ứng suấtHình 4.19 Vị trí mặt biến dạng mối hàn mẫu số 01 gãy lát cắt lát cạnh a) Ảnh hưởng b) Ảnh hưởng c) Ảnh hưởng số áp lực hàn thời gian gia nhiệt vịng quay Hình 4.21 Ảnh hưởng thơng số hàn ma sát lên độ bền kéo Hình 4.22 Ảnh hưởng thông số hàn ma sát lên mô đun đàn hồi a) Ảnh hưởng áp lực chồn; b) Ảnh hưởng thời gian ma sát; c) Ảnh hưởng số vịng quay Hình 4.23 Ảnh hưởng thơng số hàn ma sát lên độ giãn dài a) Ảnh hưởng áp lực hàn; b) Ảnh hưởng thời gian gia nhiệt; c) Ảnh hưởng tốc độ quay 15 4.2 Qui hoạch thực nghiệm Luận án sử dận án sửạch thực nghithể làm giảm chiều dài phận hàn Các cấu trúc tế vi khác khu vực hàn khác biệt thay đổi nhiệt độ Nội dung Chương khảo sát ảnh hưởng thông số công ốc đồ thị, nhân tố ảnh hưởng nhiều Trên sở thực nghiệm thiết kế theo phương pháp Taguchi với ba mức giá trị, luận án thực thêm 02 thí nghiệm tâm thu phương trình hồi quy bậc hai Sự kết hợp phương pháp Tagucgi phương trình hồi quy bậc hai cần tổng cộng 11 thực nghiệm số thực nghiệm trường hợp sử dụng túy phương pháp qui hoạch bậc hai đơn [68], có phân tích, đánh giá phương trình hồi quy thu theo tiêu chuẩn thống kê Lợi ích phương trình hồi quy cung cấp miền thơng số công nghệ hợp lý tối ưu để đạt mức đầu chấp nhận Lưu ý thực nghiệm thực để qui hoạch khơng hồn tồn giống thực nghiệm để phân tích ảnh hưởng thông số công nghệ mà luận án trình bày phần trước Các thực nghiệm qui hoạch cần tuân thủ qui luật quy hoạch thực nghiệm để đảm bảo tính hội tụ kết phân tích Luận án hồn thành thực nghiệm theo phương pháp Taguchi sở dãy thông số thông số công nghệ hàn kiểm nghiệm nội dung trước luận án 4.2.1 Phương pháp Taguchi Trên sở đánh giá ảnh hưởng riêng lẻ nhân tố, q trình tìm tổ hợp nhân tố cơng nghệ tối ưu cho kết đặc tính đầu mong muốn Do nhân tố có ba mức độ cho hai bậc tự Bảng 4.5 trình bày nhân tố đầu vào Bảng ma trận trực giao theo phương pháp Taguchi trình bày Bảng 4.5 Trên thực nghiệm ta tiến hành n = thí nghiệm lặp, giá trị kết thực nghiệm ma trận trực giao L9 xác định giá trị trung bình lần lặp trình bày Bảng 4.6 Phân tích tỉ lệ S/N: Kết thí nghiệm hàn ma sát nghiên cứu cách sử dụng S/N ANOVA Dựa phân tích ANOVA tỉ lệ S/N nhân tố tối ưu trình hàn ma sát xác định kiểm tra thực 16 nghiệm Bảng đáp ứng cho nhân tố giá trị phản hồi hiển thị Bảng 4.7 Nhân tố STT Bảng 4.5 Bảng mức giá trị nhân tố Ký hiệu Ký hiệu tự nhiên mã hóa Tốc độ quay, (rpm) Thời gian gia nhiệt,(s) Áp lực hàn, (MPa) n t p A B C Mức Mức sở 200 45 350 62,5 Mức Khoảng thay đổi 500 80 150 17,5 Bảng 4.6 Bảng ma trận quy hoạch L9 kết thực nghiệm Kết đo độ bền kéo Tự nhiên Mã hóa 1 1 200 Thời gian gia nhiệt t, (s) 2 200 62,5 3 200 80 002 004,0 2 350 62,5 002 001,0 997 000 2 350 80 016 009,0 020 015 1 350 45 989 990 3 500 80 1 500 45 3 500 62,5 Tốc độ quay n, (rpm) N A B C Mẫu Mẫu Mẫu Áp lực y1, y2, y3, hàn p, (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) 45 978 981,0 982 986,0 990 991,0 029 031,2 978 Giá trị trung bình, (MPa) 982 980,33 987 985 007 004,33 029 029,73 986,0 993 985,66 008 014,0 008 010 Hình 4.24 trình bày đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng nhân tố công nghệ đến độ bền kéo đạt sử dụng phương pháp Taguchi Nó cho thấy mức độ ảnh hưởng yếu tố qua độ dốc đồ thị, nhân tố ảnh hưởng nhiều Đồ thị cho thấy áp lực hàn có ảnh hưởng lớn đến độ bền kéo Nhân tố có mức độ ảnh hưởng thấp tốc độ quay cịn thời gian gia nhiệt có mức độ ảnh hưởng không đáng kể đến độ bền kéo Kết trùng khớp với kết thực nghiệm phân tích Độ bền kéo lớn điểm n3t1p3 nhỏ điểm n1t2p1 17 Bảng 4.7 Giá trị phản hồi trung bình Giá trị phản hồi trung bình Ký hiệu Nhân tố n Tốc độ quay t Thời gian gia nhiệt p Áp lực hàn Mức Mức Mức Delta Rank 989,9 001,7 008,5 18,6 003,4 995,2 001,4 8,1 985,3 998,3 016,4 31,0 Hình 4.24 Mức độ ảnh hưởng thông số đến độ bền kéo Phân tích phương sai (ANOVA): Kết phân tích ANOVA cho thấy áp lực hàn nhân tố có ảnh hưởng lớn (68,9%) đến độ bền kéo, mức độ ảnh hưởng tốc độ quay (23,5%) thời gian gia nhiệt nhân tố có mức độ ảnh hưởng đến độ bền kéo (5,3 %) 4.2.2 Phương trình hồi quy bậc Các kết thực nghiệm thu từ Bảng 4.9 bổ sung thực nghiệm tâm (N=11) đưa vào phần mềm xử lý số liệu Minitab để xử lý kết thực nghiệm (mô đun Response Surface với thí nghiệm lặp) Phân tích phương sai phương trình hồi quy từ phần mềm Minitab trình bày Bảng 4.10 Phương trình hồi quy bậc hai dạng tự nhiên từ số liệu thực nghiệm có dạng:  = 2267 – 1,393n – 284,5t + 11,08p + 0,000380n2 + 13,94t2 + 0,05388p2 + 0,1600nt – 0,007196np – 1,302tp (4.4) Phân tích ANOVA phương trình hồi quy: Xác định mức ý nghĩa hệ số phương trình hồi quy theo phép kiểm Student (T-test) Giá trị phân phối Student 18 tính tốn trình bày Bảng 4.10 cột T-value Giá trị R-square = 97,30% nên phương trình hồi quy thu thích hợp Hình 4.28 Các biểu đồ bề mặt phụ thuộc độ bền kéo vào thơng số cơng nghệ Hình 4.29 Miền giá trị tốc độ quay n áp lực hàn p t = 4s, 1030 ≥ σ ≥ 980MPa Hình 4.30 Miền giá trị tốc độ quay n áp lực hàn p t = 5s, 1030 ≥ σ ≥ 980 MPa Hình 4.31 Miền giá trị tốc độ quay n áp lực hàn p t = 6s, 1030 ≥ σ ≥ 980 MPa Từ phương trình hồi quy thu được, biểu đồ bề mặt trình bày Hình 4.28 Dựa sở phương trình hồi quy ta thu miền giá trị nhân tố công nghệ để độ bền kéo nằm khoảng giá trị cho trước Một vài trường 19 hợp thể Hình 4.29 4.30, 4.31 để minh họa cho nhận định Chẳng hạn, thời gian gia nhiệt chọn t = 4s để đạt độ bền kéo mối hàn lớn 1030 ≥ σ ≥ 980MPa áp lực hàn tốc độ quay chọn tương ứng Hình 4.29 Tương ứng t = 5s 6s - áp lực hàn tốc độ quay chọn tương ứng Hình 4.30, Hình 4.31 4.3 Thực nghiệm kiểm tra kết tối ưu Để đánh giá nhân tố công nghệ vùng tối ưu, mẫu hàn kiểm nghiệm thực với giá trị thơng số cơng nghệ sau: mẫu có tốc độ quay n = 500 rpm; thời gian gia nhiệt 6s, áp lực hàn 80 MPa; mẫu có tốc độ quay n = 350 rpm; thời gian gia nhiệt 5s, áp lực hàn 62,5 MPa 4.3.1 Cấu trúc tế vi mối hàn tối ưu (Hình 4.32) Kết chụp tổ chức tế vi cho thấy cấu trúc hạt thay đổi rõ nét đáng kể trình hàn ma sát quay Tại vùng hàn WZ, cấu trúc hạt mịn chứng tỏ độ cứng độ bền kéo tăng cao trình hàn ma sát quay Kết hoàn toàn tương đồng với kết thực nghiệm phân tích luận án Hình 4.32 Tổ chức tế vi mối hàn tối ưu với n = 350 rpm, t = s, P = 62,5 MPa 4.3.2 Kiểm tra độ dai va đập Các mẫu thử va đập thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM E23 Phương pháp thử nghiệm va đập Charpy sử dụng để xác định độ dai va đập mẫu hàn nhiệt độ phịng (27 oC) Búa sử dụng có công suất cực đại 292 J vận tốc cực đại 5,2 m/s Kết kiểm tra độ dai va đập trình bày 20 Hình 4.35 Vật liệu gốc Ti6Al4V có độ dai va đập 27 J, mẫu hàn có độ dai va đập 48 J, mẫu hàn hàn theo thống số tối ưu có độ dai va đập 58 J Kết đo độ dai va đập trình bày Hình 4.35 cho thấy độ dai va đập mẫu hàn ma sát quay tăng đáng kể so với mẫu kim loại gốc 40 va dap (J) 60 50 20 10 Nang luo ng 30 Ma u u Ma Va t li eu go c a) Độ dai va đập b) Tình trạng mẫu thử Hình 4.35 Độ dai va đập mẫu thử 4.3.3 Thử độ bền kéo Mối hàn số kiểm tra theo tiêu chí độ bền kéo kết cho thấy độ bền kéo đạt 1008 MPa so với 1012,05 MPa tính theo phương trình hồi quy Ngồi mối hàn bị phá hủy vị trí cách xa tâm mối hàn giống kết thử nghiệm độ bền kéo mẫu hàn trình bày Kết luận chương Có thể kết luận áp lực hàn yếu tố định chất lượng mối hàn Đối với hàn ma sát quay, độ bền kéo độ cứng xa tâm giảm Kết phân tích thực nghiệm cho thấy nhân tố có ảnh hưởng mạnh đến độ bền kéo mối hàn áp lực hàn, nhân tố lại tốc độ quay, thời gian gia nhiệt có mức độ ảnh hưởng đến độ bền kéo thấp so với áp lực hàn 21 KẾT LUẬN Luận án nghiên cứu xây dựng mơ hình số - nhiệt để dự báo nhiệt độ, ứng suất, độ rộng vùng chịu ảnh hưởng nhiệt Trên sở kết mô số, miền thông số hàn giới hạn để luận án tiến hành bước nghiên cứu thực nghiệm Hàng loạt thực nghiệm thực để đánh giá phân tích ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến tính mối hàn ma sát quay Ti6Al4V độ bền kéo, độ cứng HV, độ giãn dài va độ dai va đập theo cà hai phương hứơng kính dọc trục Ngồi ra, thơng số cơng nghệ tối ưu cho q trình hàn ma sát quay hợp kim Ti6Al4V xác định qua phương pháp Taguchi, phương trình hồi quy bậc hai phân tích phương sai (ANOVA) Các kết nghiên cứu đạt mục tiêu đề tài nghiên cứu Cụ thể kết đạt luận án sau: Mơ hình số cơ-nhiệt dựa mơ hình JC thiết lập để mơ số q trình hàn ma sát quay Ti6Al4V Quá trình biến thiên nhiệt độ điểm khác vùng hàn ma sát quay kết mơ số kết thực nghiệm có tương thích cao Điều mơ hình JC phù hợp để dùng mơ số q trình hàn ma sát quay Ti6Al4V Kết mơ số giúp tiết kiệm số lượng lớn thực nghiệm thực tế sản xuất, xác định giới hạn miền thông số công nghệ hàn ma sát quay để đạt tính mối hàn tốt Với hàn ma sát quay vật liệu Ti6Al4V độ cứng HV đường tâm mối hàn tăng cao nhiều so với vật liệu gốc: có giá trị từ khoảng 380 HV đến 400 HV so với độ cứng vật liệu gốc 320 MPa - 340 MPa Vùng có độ cứng cao vùng nằm khoảng từ giao diện hàn đến 1,5 mm Sự gia tăng độ cứng vi mô vật liệu bị nén trình hàn Quá trình hàn ma sát với tốc độ quay thấp áp lực cao tạo mối hàn có độ cứng vi mơ cao Tuy nhiên, áp lực hàn cao làm giảm chiều dài chi tiết hàn Do đó, chọn thơng số kỹ thuật cần phải cân đối hai yếu tố độ cứng HV chiều dài lại chi tiết sau hàn 22 Độ bền kéo mối hàn vùng mép nhỏ độ bền kéo mối hàn tâm khoảng % Trong thực nghiệm khảo sát độ bền kéo mối hàn dao động khoảng từ 971 MPa -1 031,2 MPa (Bảng 4.4) so với độ bền kéo vật liệu gốc từ 880 MPa - 920 MPa [22] Ngoài ra, độ bền kéo vùng tâm mối hàn lớn nhiều so với kim loại gốc có xu hướng giảm xa đường tâm hàn (Hình 4.20) Độ bền kéo tăng áp lực hàn tăng Điều với giá trị mơ đun đàn hồi E vị trí tâm mép biên mẫu hàn ma sát xấp xỉ 140 120 GPa, 150 142 GPa, 162 155 GPa Giá trị mô đun đàn hồi vùng trung tâm lớn vùng biên, điều giải thích vật liệu vùng trung tâm chịu nén nhiều vùng biên Kết thí nghiệm cho thấy mô đun đàn hồi tăng áp lực tăng, tăng thời gian gia nhiệt mô đun đàn hồi có xu hướng giảm Tất mẫu hàn ma sát quay Ti6Al4V bị phá hủy phần vật liệu gốc cách xa giao diện hàn thử nghiệm Có thể kết luận chất lượng mối hàn không đồng theo hướng hướng tâm trình hàn ma sát quay hợp kim Sự khác biệt hướng tâm trở nên đáng kể bán kính chi tiết hàn tăng lên Điều có nghĩa sử dụng cơng nghệ hàn ma sát quay phải giới hạn đường kính chi tiết hàn Thông số quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn áp lực hàn Yếu tố ảnh hưởng mạnh đến độ bền kéo, độ cứng vi mô, mô đun đàn hồi độ giãn dài mối hàn Xuất tổ chức tế vi khác khu vực hàn khác biệt nhiệt độ trình gia nhiệt làm nguội Đặc biệt chế tổ chức hai pha pha α β hình thành vùng vật liệu hàn cộng hưởng trình kết tinh động mối hàn làm cho tính mối hàn thay đổi mạnh so sới kim loại gốc hàn ma sát quay Nếu tốc độ quay thay đổi nhỏ 100 rpm ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn không đáng kể đường kính phần tử hàn nhỏ 15 mm 23 Luận án đưa phương pháp xác định miền thông số công nghệ tối ưu cho trình hàn ma sát quay hợp kim Ti6Al4V Hình 4.29 - 4.31 Chọn thơng số cơng nghệ miền Mẫu với tốc độ quay 1500 rpm, thời gian gia nhiệt s, áp lực hàn 80 MPa Mẫu với tốc độ quay 1350 rpm, thời gian gia nhiệt s, áp lực hàn 62,5 MPa để thực nghiệm kiểm chứng kết Với chế độ hàn tối ưu này, mối hàn ma sát quay hợp kim Ti6Al4V có độ bền kéo, độ dai va đập cao nhiều so với kim loại gốc Cụ thể, độ dai va đập vật liệu gốc Ti6Al4V 27 J [12], mẫu hàn hàn theo thống số tối ưu có độ dai va đập 58 J lớn xấp xỉ 2,5 lần so với vật liệu gốc Kết nghiên cứu luận án cho thấy nhiệt lượng cung cấp cho trình hàn ma sát quay yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng mối hàn Nguồn nhiệt phụ thuộc đồng thời thông số tốc độ quay, thời gian gia nhiệt áp lực hàn Có thể kết luận hàn ma sát quay phương pháp hàn phù hợp áp dụng cho hợp kim Ti6Al4V để mở rộng phạm vi ứng dụng loại vật liệu 24 ... hưởng thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn từ tìm miền thông số làm việc phù hợp đảm bảo chất lượng mối hàn Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp lý thuyết công nghệ hàn ma sát quay, ... khảo sát Xác định ảnh hưởng thông số trình đến tính mối hàn ma sát quay khảo sát thực nghiệm so sánh kết với phần mô Xác định thông số tối ưu trình hàn ma sát quay Ti6Al4V kiểm tra tính mẫu hàn. .. trình hàn ma sát phức tạp Nó cơng cụ hữu ích để nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn Nhưng mơ hình số chưa cung cấp đánh giá trọn vẹn kết hàn ma sát hợp kim titan khả hàn