4. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước
1.3.1 Nghiên cứu trong nước
Ở nước ta, hàn ma sát nói chung và hàn ma sát khuấy nói riêng vẫn còn là lĩnh vực mới mẽ. Có một số công trình nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến sự phân bố nhiệt độ và cấu trúc của mối hàn ma sát khuấy của đại học Nha Trang. Tuy nhiên đây cũng chỉ là những bài báo nghiên cứu vềứng suất của vật liệu trong quá trình sử dụng cho các vật liệu đặt biệt mà chưa thật sựđi sâu vào quá trình thiết kế, chế tạo chốt hàn ma sát khuấy.
Luận văn Thạc sĩ của Mai Đăng Tuấn nghiên cứu một số thông sốảnh hưởng đến chất lượng mối hàn trên tấm nhôm phẳng: số vòng quay, tốc độ hàn và đường kính vai đầu chốt hàn. Từđó đưa ra bộ thông số tối ưu nhất đểđạt được độ bền kéo tốt nhất.
Luận văn Thạc sĩ của Thân Trọng Khánh Đạt ( ĐHBK TP.HCM ) nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng đầu công cụđến đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trên tấm nhôm phẳng từđó chỉ ra góc nghiêng có thể làm nên thẩm mỹ cũng như tạo ra khuyết tật hàn.
Đối với các doanh nghiệp Việt Nam, hàn ma sát khuấy là một phương pháp gia công xa lạ. Một số doanh nghiệp có nhu cầu và khả năng đầu tư nhưng chưa mạnh dạn do chưa có cơ hội tiếp cận và lo ngại về nguồn chất xám tại chổ khi họđầu tư công nghệ. Từ những phân tích trên ta thấy rằng thiết kế, chế tạo chốt hàn phục vu cho việc hàn ma sát khuấy là một hướng đi đầy tiềm năng trong lĩnh vực hàn ở Việt Nam ở cả hai khía cạnh nghiên cứu và ứng dụng. Trong tương lai gần, hàn ma sát sẽ góp phần làm đa dạng sự lựa chọn khi gia công các chi tiết chất lượng cho ngành chế tạo Việt Nam, và góp phần đưa công nghệ chúng ta dần bắt kịp công nghệ tiên tiến trên thế giới.
1.3.2 Nghiên cứu ngoài nước
Theo tài liệu Hiệp Hội Hàn của Mỹ thì hàn ma sát được cấp bằng sáng chế năm 1891. Trong những năm 1920 đến 1942 hàng loạt bằng sáng chế công nghệ hàn ma sát quay được cấp tại Châu Âu, và tại Liên Xô là năm 1956. Trong thập niên 60 của thế kỷ XX, hàn ma sát quay phát triển mạnh mẽ tại Mỹ. Đặt biệt trong thời kỳ chiến tranh lạnh, hàn ma sát nói chung và hàn ma sat quay nói riêng được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật quân sự. Hầu hết thiết bị được sản xuất trong giai đoạn này do các công ty AMF, Caterpillar, và Rockwell International nghiên cứu chế tạo.
Ngày nay, hàn ma sát quay được phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp chế tạo. Tại các trường đại học, rất nhiều nghiên cứu
về hàn ma sát quay đã được thực hiện ở nhiều khía cạnh khác nhau. Các vài nghiên cứu chuyên sâu về ma sát quay đã được thực hiện trên thế giới: “hiện tượng cơ-nhiệt trong quá trình hàn ma sát đối với corundum ceramics và nhôm” (Thermo-mechanical phenomena in the process of friction welding of corundum ceramics and aluminium) do Z.Lindemann, K. Skalski, W. Wosin Ski, và J. Zimmerman thực hiện tại khoa thiết kế chế tạo trường đại học Warsaw Phần Lan; “nghiên cứu hàn ma sát quán tính đối với hợp kim nickel ứng dụng trong ngành hàng không” (inertia friction welding of nickel base superalloys for aerospace applications) do G.J. Baxter, M. Preuss và P.J. Withers nghiên cứu tại viện nghiên cứu vật liệu tự nhiên Manchester, Anh; “hàn ma sát đối với hợp kim nhôm và thép”(Friction Welding of Aluminum Alloy and Steel) do H. Ochi nghiên cứu tại trung tâm nghiên cứu Hàn, viện nghiên cứu kỹ thuật Osaka, Osaka, Nhật cùng với K. Ogawa tại cao đẳng Tự Nhiên và Mỹ Thuật, trường đại học quận Osaka, Sakai, Nhật;… Ngoài các vật liệu truyền thống (kim loại), ngay nay hàn ma sát quay còn được ứng dụng trong các loại vật liệu phi truyền thống (đối với hàn ma sát) như nhựa, polymer, hợp chất giữa kim loại và phi kim,… Tuy nhiên, các nghiên cứu trên thế giới đều do các công ty hoặc hợp tác giữa công ty với các trường đại học nên hầu hết các nghiên cứu đều không được công bố rộng rãi, đồng thời phạm vi ứng dụng lớn nên hàn ma sát quay vẫn còn là đề tài mới mẽđối với Việt Nam cũng như chúng ta.
CHƯƠNG 2 NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về ma sát khuấy, ứng dụng ma sát khuấy ở Việt Nam - Cơ sở lý thuyết thiết kế chốt hàn.
- Thiết kế, chế tạo chốt hàn và đồ gá hàn ma sát khuấy giáp mối tấm nhôm 6061-T651 có chiều dày 10mm.
- Phương pháp thực nghiệm và thống kê thực nghiệm đánh giá dụng cụ hàn - Xác định chếđộ hàn hợp lí cho ứng dụng cụ thể.
2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp kế thừa 2.2.1 Phương pháp kế thừa
Kế thừa các công trình, kết quả nghiên cứu đã công bố của các tác giả trong và ngoài nước về lĩnh vực nghiên cứu thiết kế chế tạo chốt hàn ma sát khuấy nhằm chủ động động công nghệ thiết kế chế tạo đáp ứng nhu cầu, điều kiện thiết bị trong nước.
2.2.2 Phương pháp thu thập thông tin
Sưu tầm và nghiên cứu sách báo, tài liệu, công trình có liên quan đến phương pháp hàn ma sát khuấy. Dựa vào các thí nghiệm đi trước chọn ra thông số hàn phù hợp với điều kiện thực nghiệm cho phép. Các bài báo khoa học uy tín cho những thông tin xác thực và mới nhất trên thế giới cũng như trong nước, góp phần làm cơ sởđể phát triển đề tài.
2.2.3. Phương pháp tính toán thiết kế
Phương pháp tính toán thiết kếđược thực hiện theo các bước như sau: - Xác định đặc tính vật liệu hàn.
- Tính toán các kích thước sơ bộ của chốt hàn. - Tính toán nhiệt lượng sinh ra khi hàn.
2.2.4. Phương pháp thực nghiệm
Thiết kế thực nghiệm được áp dụng phương pháp Taguchi nhằm đưa số lần thực nghiệm ít nhất và chính xác. Trên cơ sở kết quả thực nghiệm, phương pháp Taguchi cũng được áp dụng đểđánh giá mức độảnh hưởng của từng yếu tốđầu vào và đưa ra bộ thông số tối ưu để có chất lượng đầu ra tốt nhất.
Bằng phương pháp trực quan, quá trình thực nghiệm được theo dõi và kiểm soát chặt chẻđể có sựđiều chỉnh phù hợp về các biến động có thể xảy ra trong quá trình thực nghiệm.
Trên cơ sở thực nghiệm giúp kiểm nghiệm lại lý thuyết và đánh giá được chất lượng chốt hàn trong điều kiện cho phép.
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ CHỐT HÀN
CHO HÀN MA SÁT KHUẤY
3.1 ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH HÀN MA SÁT KHUẤY 3.1.1 Đặc điểm chung 3.1.1 Đặc điểm chung
Quá trình sinh nhiệt của mối hàn đã chia vùng hàn ra thành 4 vùng được thể hiện trong mặt cắt ngang dưới đây:
Hình 3. 1. Mặt cắt ngang của mối hàn [17]
PM: Vùng kim loại nền (Parent Metal - PM)
Vùng vật liệu nền là vùng vật liệu ở xa mối hàn, do đó tổ chức tế vi không bị biến dạng, tính chất cơ học cũng không bịảnh hưởng bởi nhiệt sinh ra do mối hàn trong suốt quá trình.
HAZ: Vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone - HAZ)
Nằm gần vùng trung tâm mối hàn. Quá trình sinh nhiệt đã làm biến đổi tổ chức tế vi và tính chất cơ học của vật liệu. Tuy nhiên, nhiệt sinh ra không đủ làm biến dạng dẻo với vật liệu.
TMAZ: Vùng chịu ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo ÷ mechanically affected zone - TMAZ)
Trong vùng này, vật liệu đã bị chốt hàn làm biến dạng dẻo. Nếu là nhôm, sẽ có sự rõ rệt về dòng kim loại có kết tinh và vùng biến dạng dẻo.
NZ: Vùng khuấy (Nugget zone - NZ)
Kim loại được kết tinh hoàn toàn trong vùng này, thường là vùng mà có chứa đầu chốt hàn mỗi khi nó đi qua. Biến dạng dẻo mạnh nhất khiến tế bào tế vi ởđây trông mịn hơn nhưng không nóng chảy.
Hình 3. 2. Ảnh hưởng điều kiện trượt – dính đến quá trình sinh nhiệt [10] Vùng khuấy được bao bởi vùng chịu ảnh hưởng nhiệt và vùng chịu ảnh hưởng cơ nhiệt. Dựa vào hình dáng hình học và cấu trúc mối hàn cho thấy quá trình dòng chảy vật liệu không đối xứng. Thể tích kim loại được quét phụ thuộc vào lượng nhiệt tạo ra để làm mềm vật liệu xung quanh đầu chốt hàn. Diện tích mặt trên rộng hơn mặt đáy do vai tạo nhiệt nhiều hơn đầu chốt hàn. Trong vùng khuấy có những lớp xếp liên tục nhau do sự dịch chuyển của đầu chốt hàn và bị biến mất do quá trình trượt giữa vai với phôi ở nhiệt độ cao khi lượng kim loại trồi ra trong quá trình hàn. Vùng khuấy kéo dài ra về phía vùng tiến vì dòng chảy không liên tục trước khi kết tinh.
Các nghiên cứu thực nghiệm gần đây cho thấy nguồn nhiệt được sinh ra chủ yếu ở bề mặt vai chốt hàn và phôi. Điều khiển nhiệt độ từ ma sát và phân tán vật liệu dẻo phụ thuộc vào điều kiện tiếp xúc giữa hai bề mặt. Đặc trưng hình học của chốt hàn (đầu, vai) sẽảnh hưởng đến sự dịch chuyển của vai chốt và phôi, nhiệt độ tạo ra giữa đầu chốt với phôi tương đối lớn và được đưa vào để xác định trường nhiệt. Cơ chế tạo nhiệt giữa chốt hàn và phôi do ma sát, phụ thuộc vào điều kiện trượt hoặc dính ở bề mặt tiếp xúc, lượng nhiệt từ sự biến dạng nhiệt quanh chốt hàn khoảng từ 2 đến 20% [10].
Vùng gần sát với đầu chốt hàn gần nhưđẳng nhiệt và nhiệt độ tối đa ở tại ranh giới cắt của kim loại xung quanh đầy chốt hàn. Đối với phôi hàn dày thì nhiệt độ chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi chiều dài của đầu chốt hàn, với phôi hàn mỏng thì nhiệt độ chịu ảnh hưởng bởi đường kính vai.
3.1.2 Đặc điểm quá trình sinh nhiệt
Vật liệu ở bề mặt tiếp xúc chốt có thể: hoặc bám dính vào chốt hàn, cùng chiều cùng vận tốc dao; hoặc trượt nếu vận tốc thấp hơn vận tốc chốt hàn. Tiếp xúc có thể 1 phần bị trượt 1 phần bị dính và nếu nóng chảy cục bộ xảy ra thì sẽ có hiện tượng kết hợp 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 0 sẽ dẫn đến sự giảm mạnh lượng nhiệt sinh ra và sự gia nhiệt. Do đó sự tạo nhiệt có thể tựổn định ở nhiệt độ gần đường rắn, khối lượng kim loại nóng chảy được duy trì rất nhỏ nhằm giảm tối đa những vấn đề có thể xảy ra như nứt kết tinh, rỗ khí.
Hình 3. 3. a. Đi xuống và tiếp xúc; b. Chốt hàn quay tại chỗ; c. Di chuyển dọc đường
hàn; d. Nhấc chốt và kết thúc quá trình hàn [19]
Một trong những thuận lợi của quá trình hàn FSW là mối hàn có thể hạn chếđược một số khuyết tật và ảnh hưởng của môi trường đến tính chất mối hàn. Trong mối hàn khi hàn nóng chảy có rất nhiều các yếu tố phải được kiểm soát, chẳng hạn như thanh lọc khí, điện áp và cường độ dòng điện, tốc độ hàn, khí bảo vệ, mồi hồ quang... Tuy nhiên trong quy trình hàn ma sát khuấy thì chỉ cần kiểm soát một vài thông số sau: tốc độ quay, tốc độ dịch chuyển, lực ép cần thiết nhờ đó tăng khả năng kết dính của mối hàn và đạt được độ bền cao. Có thể chia quá trình hàn ma sát khuấy thành 5 giai đoạn như sau :
a. Giai đoạn ban đầu: trong giai đoạn này, chốt hàn đi xuống chạm vào vật liệu phôi tại mối ghép. Moment xoắn và lực đi xuống của chốt hàn cần đủ lớn để đầu chốt xâm nhập hết vào phôi và phá vỡ liên kết cấu trúc vật liệu, càng xuống sâu lực đi xuống càng giảm do vật liệu phôi được truyền nhiệt. Thời gian để chốt hàn hoàn toàn xâm nhập vào phôi phụ thuộc vào chiều dày phôi, tốc độ quay, lực tác dụng và loại vật liệu.
b. Giai đoạn quay tại chỗ: khi vai chốt vừa tiếp xúc vào phôi, giai đoạn này bắt đầu. Lượng nhiệt tạo ra trong giai đoạn này cao hơn so với nhiệt được tạo ra trong lúc chốt hàn di chuyển.
c. Giai đoạn nhiệt không ổn định: lực đi xuống tăng khi vai tiếp xúc với vật liệu mới lúc bắt đầu di chuyển. Nhiệt bắt đầu hình thành xung quanh vai cho đến khi trạng thái bão hòa xảy ra.
d. Giai đoạn ổn định: lực đi xuống và moment xoắn ổn định, không có thêm nhiệt hình thành xung quanh vai. Nhiệt độ gần như duy trì không đổi.
e. Giai đoạn sau ổn định: gần cuối đường hàn nhiệt độ phôi xung quanh vai chốt hàn tăng thêm do ảnh hưởng truyền nhiệt từ các giai đoạn trước đây.
Để đạt được mối hàn chất lượng, vật liệu trước đó phải được chốt hàn làm nóng bằng cách quay tại chỗ giúp vật liệu biến dạng dẻo trong khi hàn. Điều này có thểđạt được bằng cách tăng số vòng quay n hoặc tăng đường kính vai DS. Khi Vh tăng nhiệt độ trước chốt hàn giảm, điều này xảy ra là do không đủ thời gian để phân phối nhiệt. Nhiệt tạo ra mạnh hơn do ma sát ở dưới bề mặt vai và biến dạng ở phần kim loại xung quanh chốt hàn, nên vai có diện tích bề mặt lớn hơn. Nhiệt lượng tạo ra tối thiểu phải lớn hơn hoặc bằng với mức năng lượng cần thiết để vượt qua các lực tiếp xúc giữa chốt hàn và phôi.
3.2 CÁC YÊU CẦU CHUNG VỀ CHỐT HÀN
Dụng cụ hàn ma sát khuấy (chốt hàn ma sát khuấy) là một dạng dao cắt được thiết kế riêng dành cho phương pháp hàn ma sát. Chốt hàn thường được gá lên máy chuyên dụng và có khả năng quay ở tốc độ cao, làm chảy dẻo vật liệu cần hàn và di chuyển theo đường hàn. Chốt hàn có ba thành phần chủ yếu đó là [20]:
- Đầu chốt: đây là thành phần quan trọng nhất của chốt, nó có khả năng làm mềm vật liệu và khuấy kim loại trong suốt quá trình hàn.
- Vai khuấy: nhiệm vụ chính của vai là tạo nhiệt bằng cách làm nóng ma sát và đặt một áp lực đủ(lực ép xuống) lên phôi trong quá trình hàn. Chức năng khác là đưa vật liệu dẻo về phía đầu dò, nơi đầu dò sẽ có khả năng khuấy nguyên liệu.Vai cũng có ảnh hưởng đến dòng nguyên liệu và cấu trúc vi mô phần trên của mối hàn.
- Thân: cốđịnh chốt hàn lên máy hàn ma sát.
Hình 3. 4. Các lực tác dụng lên chốt hàn, hệ trục tọa độ [11]
Lực dọc Fy
Là lực tác dụng đi ngang và song song với chuyển động của chốt hàn theo chiều dương của chuyển động. Khi xuất hiện lực dọc X sẽ dẫn đến sự cản trở của vật liệu đến đến chuyển động của chốt hàn. Tuy nhiên lực này sẽ giảm dần khi nhiệt độ vật liệu xung quanh tăng lên. Ngoài vật liệu ra, còn hướng thớ kim loại và một số yếu tố khác ảnh hưởng đến đến lực dọc Y. Do đó, có nhiều nghiên cứu đã chỉ ra, nếu biết vật liệu là gì thì lực dọc trục X trong thiết kế có thể xác định được.
Lực Fx
Các lực ngang tác động vuông góc với hướng di chuyển của chốt hàn và được định nghĩa như là chiều dương cạnh tiến của mối hàn. Một mômen xoắn là cần thiết để quay chốt hàn, giá trị đó sẽ phụ thuộc vào lực xuống và hệ số ma sát (ma sát trượt) hoặc độ bền dòng vật liệu trong vùng xung quanh (ma sát dính).
Những lực này kết hợp với ảnh hưởng nhiệt có thể gây biến dạng đồ gá, tấm vật liệu đã gia công và tác động làm hao mòn dụng cụ. Những ảnh hưởng đó về sau sẽ phức tạp hơn, sự hình thành ứng suất dư trong quá trình hàn hoặc ảnh hưởng đến tuổi thọ của chốt hàn.
Lực Fz
Tác dụng của lực dọc trục Z rất cần thiết cho việc duy trì vị trí chốt hàn tại độ sâu nó đang đạt được bên trong bề mặt vật liệu. Bởi chốt hàn cần được cài đặt trước về vị