4.3. Thực nghiệm kiểm chứng mô hình nhiệt và mô hình cơ nhiệt
4.3.2. Máy và các thông số hàn ma sát khuấy
Thí nghiệm được thực hiện trên máy phay CNC VP3000 công suất 5.5 (kW) và tốc độ quay lớn nhất 4000 v/ph (Hình 4.7).
Máy phay CNC có thể cài đặt được tốc độ quay và tốc độ hàn theo chương trình gia công được lập trình sẵn. Chỉ có lực dọc trục là khó có thể kiểm soát được trên máy phay thông thường.
Trên máy phay, chiều sâu xâm nhập của vai có thể thay thế cho thông số lực dọc trục.
Khi tăng chiều sâu xâm nhập của vai, lực dọc trục sẽ tăng theo do phản lực giữa vai dụng cụ và vật liệu với đe hàn.
Hơn nữa trên những máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng, việc kiểm soát và duy trì lực trong suốt quá trình hàn cũng hết sức khó khăn, trong khi đó chiều sâu xâm nhập của vai có thể được duy trì dễ dàng [71]. Do đó, ta có thể sử dụng thông số chiều sâu xâm nhập của vai đại diện cho lực dọc trục.
Hình 4.7 Máy phay CNC.
66 4.3.2.1. Thí nghiệm đo nhiệt độ
Nhiệt độ được đo trong quá trình hàn tại các điểm theo khoảng cách tính từ tâm đường hàn, nhiệt độ dưới bề mặt được đo bằng cặp nhiệt điện loại K và nhiệt độ trên bề mặt sử dụng máy đo nhiệt độ hồng ngoại ghi lại nhiệt độ trong suốt quá trình hàn.
Máy đo nhiệt độ bằng hồng ngoại EXTECH VIR50, có gắn kèm camera để chụp ảnh và quay video, và sử dụng máy ảnh nhiệt Fluke Ti400 để kiểm tra nhiệt độ mối hàn. Sử dụng phần mềm Fluke SmartView® để xử lý video và ảnh nhiệt.
Để giới hạn dãy thông số ban đầu để thực hiện thí nghiệm, tiến hành phép thử ban đầu bằng cách thay đổi một trong các thông số và giữ các thông số còn lại tại một giá trị không đổi. Giới hạn khả thi của các thông số sẽ được lựa chọn bằng cách quan sát các khuyết tật hàn hình thành trên các mẫu thử (vùng được chọn là vùng không có khuyết tật nhìn thấy). Vùng được chọn là vùng không có khuyết tật thấy được. Giới hạn trên của một yếu tố được mã hóa là +2 và giới hạn dưới là -2. Các giá trị mã hóa trung gian tính từ công thức:
( max min) ( max min)
2 2 /
Xi = X− X +X X −X (4.65)
Với Xi là giá trị mã hóa cho biến X, và X là giá trị trong khoảng từ Xmin đến Xmax, Xmin
và Xmax là giới hạn dưới và giới hạn trên của dãy thông số.
Hình 4.8 Máy đo nhiệt độ EXTECH VIR50.
Hình 4.9 Khuyết tật bavia do lực ép quá lớn, tốc độ quay cao gây quá nhiệt.
67
Các thông số như tốc độ quay, tốc độ hàn sẽ được thay đổi, ngoài ra các thông số khác như chiều sâu xâm nhập của vai, biên dạng vai và đầu khuấy đều được được chọn cố định như nhau cho mọi lần hàn. Dải thông số để thực hiện thí nghiệm đo nhiệt độ được chọn theo các nghiên cứu trước đó. Các thông số hình học của dụng cụ hàn là đường kính đầu khuấy, tỉ lệ giữa đường kính vai và đường kính đầu khuấy, chiều dài đầu khuấy và biên dạng đầu khuấy [72]. Đối với nhôm, mối hàn ma sát khuấy có thể được thực hiện thành công với vận tốc hàn từ 1-10 mm/s và tốc độ quay từ 400 - 1200 v/ph [67].
Ứng với mỗi thông số sẽ thực nghiệm với ba mức. Thông số thực nghiệm và các mức tương ứng trong bảng 4.2:
Theo phương pháp thực nghiệm toàn nhân tố thì số thực nghiệm được tiến hành là 9 thí nghiệm:
Hình 4.11 Sần sùi bề mặt do thiếu độ thâm nhập của vai và vết đường hàn do thiếu nhiệt và thiếu lực ép.
Bảng 4.2 Các thông số và mức thực nghiệm.
Thông số Mức 1 Mức 2 Mức 3 Tốc độ quay (v/ph) 700 900 1100 Vận tốc hàn (mm/ph) 50 100 150
Hình 4.10 Vết nứt bề mặt do quá nhiệt và thiếu độ sâu xâm nhập của vai.
68
Để nghiên cứu trường nhiệt tạo ra trong quá trình hàn ma sát khuấy, thực nghiệm hàn và đo nhiệt độ được thực hiện trên tấm hợp kim nhôm 6061 có độ dày 4 mm. Bảng 4.4 và 4.5 tóm tắt thành phần hoá học, tính chất nhiệt lý và cơ tính của nhôm 6061 ở nhiệt độ phòng (20°C). Vật liệu này có tính hàn tốt, dễ biến dạng nguội, tính chống ăn mòn cao và dễ gia công phù hợp ứng dụng trong kết cấu phổ biến như ô tô và các ứng dụng ngành hóa.
Bảng 4.3 Các thông số và các giá trị thực nghiệm.
STT Tốc độ quay (v/ph) Vận tốc hàn (mm/ph)
1 700 50
2 900 50
3 1100 50
4 700 100
5 900 100
6 1100 100
7 700 150
8 900 150
9 1100 150
Bảng 4.4 Thành phần vật liệu hợp kim nhôm 6061.
Nguyên tố Al Cu Mg Si Fe Cr Mn Zn Ti
Hàm lượng (%)
95,8- 98,6
0,15- 0,4
0,8- 1,2
0,4- 0,8
Max 0,7
0,04- 0,35
Max 0,15
Max 0,25
Max 0,15
Bảng 4.5 Tính chất vật liệu hợp kim nhôm 6061.
Thông số
Nhiệt độ đường lỏng
Nhiệt độ đường rắn
Nhiệt độ kết tinh lại
Nhiệt dẫn suất
Giới hạn kéo
Giới hạn chảy
Hệ số Poission Giá
trị 652OC 582OC 529OC 167 W/m-K 303,8 MPa 221,02 MPa 0.33
69
Kích thước mẫu hàn có chiều dài 200 mm, rộng 75 mm và dày 4 mm. Quá trình hàn sử dụng dụng cụ có đầu khuấy dạng trụ trơn được chế tạo từ thép dụng cụ H13.
Thành phần hóa học thép dụng cụ H13 như bảng 4.6:
4.3.2.2. Bố trí thực nghiệm và phương pháp đo
Trong quá trình hàn ma sát khuấy nhiệt được tạo ra tại vai và đầu khuấy dụng cụ nên nhiệt độ tại xung quanh đầu khuấy và dưới vai là cao nhất, tuy nhiên để đo được nhiệt độ này rất khó khăn vì chuyển động của dụng cụ sẽ gây va chạm và phá hủy thiết bị đo.
Do đó để đánh giá mô hình mô phỏng thì giá trị nhiệt độ tại vị trí cách tâm đường hàn một khoảng cách lớn hơn bán kính vai sẽ được ghi lại và so sánh với cùng vị trí trong kết quả mô phỏng.
Hình 4.12 Kích thước mẫu hàn dùng trong thí nghiệm.
Bảng 4.6 Thành phần hóa học thép dụng cụ (H13).
Nguyên tố C Mn Si Cr Ni Mo V Cu S Fe
Thành phần % khối lượng 0.32 - 0.45
0.20 - 0.50
0.80 - 1.20
4.75 -
5.50 0.3 1.1 - 1.75
0.8 -
1.2 0.25 0.03 còn lại
Hình 4.13 Bản vẽ điển hình và các dụng cụ hàn đã dùng.
70
Nhiệt độ trên bề mặt phôi được đo bằng máy đo nhiệt hồng ngoại trong suốt quá trình hàn. Vị trí điểm đo dọc theo đường hàn, cách tâm đường hàn 15 mm về bên tiến. Máy đo nhiệt hồng ngoại được gá nghiêng một góc 300 so với trục chính máy phay. Giá trị nhiệt độ cao nhất trong quá trình đo sẽ được ghi lại. Hình 4.14 biểu diễn cách gá đặt máy đo nhiệt hồng ngoại. Để nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ bên trong vật liệu trong quá trình hàn, các cặp nhiệt điện loại K đường kính 5 mm được sử dụng và bố trí tại 3 vị trí tương ứng ba giai đoạn khi hàn cách tâm đường hàn 15 mm và cắm vào phôi với chiều sâu 2 mm từ bề mặt. Giá trị nhiệt độ được ghi lại theo thời gian hàn. Hình 4.14, 4.15 biểu diễn vị trí lắp cặp nhiệt điện.