CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Quá trình sinh nhiệt khi hàn
2.1.3. Lực tác dụng trong quá trình hàn
2.1.3.1 Lực hướng kính Fx
Tác dụng vuông góc với phương trục chính. Lực này sinh ra do sự cản trở của dòng vật liệu trong quá trình hàn. Nếu lực này tăng lên quá lớn, dụng cụ hàn có thể bị hư hỏng nghiêm trọng hoặc thậm chí dẫn đến phá vỡ do sự kết hợp của ứng suất uốn và xoắn.
2.1.3.2 Lực tiếp tuyến Fy
Là lực tiếp tuyến, còn gọi là lực cắt chính hay là lực vòng tạo thành moment xoắn trượt.
Do đó, khi tính toán chế độ cắt vùng moment và công suất cắt trung bình cần xác định theo lực vòng trung bình.
Tải trọng ngang (Fx) là do dòng chảy vật liệu không đối xứng từ phôi (quanh dụng cụ), do sự kết hợp của tốc độ quay và tốc độ hàn, trong thực tế, tải trọng (Fx) là tải phản ứng
Hình 2.2 Sơ đồ lực hàn.
22
từ những hoạt động mà các dòng vật liệu chảy theo dụng cụ FSW. Tải ngang (Fy) tác dụng lên dụng cụ FSW vào phôi luôn hướng từ bên tiến vào bên lùi. Khi giá trị của tỷ lệ bước hàn giảm thì giá trị của tải ngang (Fy) sẽ tăng lên. Đôi khi tải ngang (Fy) có thể thay đổi vị trí của dụng cụ. Lực này làm xoắn và cong dụng cụ hàn.
2.1.3.3 Lực dọc trục Fz
Đây là một thông số quan trọng để vai và dụng cụ hàn ép chặt vào phôi (theo trục z). Áp lực này luôn phụ thuộc vào biên dạng dụng cụ (chủ yếu là đường kính vai) và vật liệu của phôi. Phạm vi chính xác của các giá trị cho tham số này cung cấp vùng nhớt dẻo vừa đủ để dòng chảy kim loại không nhanh quá mức, tránh để lại khuyết tật.
Lực dọc trục (Fz) đóng vai trò quan trọng trong FSW và cần được giữ ổn định ở một giá trị tối ưu. Việc mất mát (Fz) trong lúc hàn vì có thể dẫn đến dao động không kiểm soát được của dụng cụ gây ra bởi tải trọng ngang (Fy). Dụng cụ hàn dao động như vậy có thể làm giảm sự tiếp xúc giữa vai và bề mặt phôi.
Vì vậy, muốn mối hàn FSW thành công đòi hỏi phải kiểm soát các tải trọng tác dụng lên dụng cụ hàn nhằm đảm bảo tải trọng liên tục trong quá trình hàn hoặc máy phải đủ mạnh để ngăn chặn sự xê dịch trong lúc hàn.
Để dễ dàng cho việc tính toán, có thể chia quá trình ma sát khuấy thành 5 giai đoạn:
* Giai đoạn ban đầu (Plunge period): Trong giai đoạn này, dụng cụ di chuyển 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, tốc độ quay và lực tác dụng.
* Giai đoạn quay tại chỗ (Dwell): Khi vai vừa tiếp xúc vào phôi, giai đoạn dừng bắt đầu. Lực đi xuống giảm dần xuống thấp hơn 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.
23
* Giai đoạn nhiệt không ổn định (Transient Heating): Lực đi xuống tăng khi vai tiếp xúc với vật liệu mới. Hệ số ma sát giảm đến 0.3. Nhiệt bắt đầu hình thành xung quanh vai cho đến khi trạng thái bão hòa xảy ra.
* Giai đoạn ổn định (Pseudo Steady State): Lực đi xuống và moment xoắn ổn định, hệ số ma sát () duy trì ở 0.3, không có thêm nhiệt hình thành xung quanh vai. Nhiệt độ gần như duy trì không đổi.
* Giai đoạn sau ổn định (Post Steady State): Gần cuối đường hàn nhiệt độ có thể phản hồi từ cuối tấm đế đến làm tăng thêm nhiệt xung quanh vai dụng cụ.
Để đạt được quá trình xử lý tốt, vật liệu phía trước dụng cụ phải được nung nóng trước cùng với quá trình biến dạng dẻo trong khi thực hiện. Điều này có thể đạt được bằng cách tăng tốc độ quay n hoặc tăng bán kính vai RS. Khi vận tốc hàn (Vh) tăng, nhiệt phía trước dụng cụ giảm, điều này xảy ra là do không đủ thời gian để phân phối nhiệt.
Đường cong đặc trưng của lực dọc Fz và lực theo hướng di chuyển Fx của dụng cụ trong toàn bộ quá trình được hiển thị trong hình 2.3. Trong giai đoạn đầu khuấy đi xuống và dần dần được đưa vào phôi, lực Fz tăng nhanh trong giai đoạn đầu sau đó Fz tăng chậm trong một thời gian ngắn và sau đó tăng trở lại đạt giá trị tối đa khi các vai dụng cụ tiếp xúc với phôi. Trong giai đoạn dụng cụ dừng, lực Fz giảm một ít và bên lực hàn Fx vẫn
Hình 2.3 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình hàn [51].
24
không có thay đổi đáng kể. Trong giai đoạn hàn cuối, dụng cụ di chuyển dọc theo đường hàn để hoàn thành mối hàn, lực Fz giảm và dần dần đến một giá trị ổn định. Mặt khác, lực Fx tăng nhanh nhưng sau khoảng thời gian nhất định cũng đạt đến trạng thái ổn định.
Đầu tiên, lực dọc trục Fz chỉ có 1 đỉnh cao tồn tại khi hàn cho vật liệu khác nhau, trong khi có hai đỉnh cho hàn cùng hợp kim nhôm. Điều này có thể được giải thích từ các khía cạnh của đầu khuấy, khi hàn FSW đầu khuấy dần dần đưa vào để hàn cùng một vật liệu là nhôm, nhiệt sinh ra bởi biến dạng dẻo và ma sát sẽ tăng đến một điểm nhất định sau đó trở lực biến dạng của vật liệu sẽ giảm. Do đó, các lực cần thiết để đẩy đầu khuấy tiếp tục xuống có thể được giảm đáng kể. Một đỉnh thứ hai là sau khi cả vai của dụng cụ FSW tiếp xúc với bề mặt phôi hàn. Mặt khác, trong nghiên cứu này, thể tích của đầu khuấy xâm nhập vào phôi hàn ngày càng lớn trong quá trình chuyển động đi xuống của nó. Trở kháng biến dạng của thép là cao hơn nhiều so với nhôm (khi biến dạng dẻo và ma sát của nhôm tăng lên tới 1 điểm nhất định thì thép vẫn chưa tăng lên tới), có thể được chỉ ra bởi sự khác biệt trong độ bền kéo, nhiệt phát ra từ phía nhôm chỉ có thể bổ sung phần nào cho các lực cần để khuấy bên vùng thép. Do đó, một trạng thái cân bằng ngắn đã thu được, mà đã nhanh chóng bị phá vỡ khi vai của dụng cụ bắt đầu tiếp xúc với các bề mặt nhôm. Lực dọc trục có giá trị lớn nhất khi vai dụng cụ tiếp xúc với bề mặt vật hàn, lực Fz có thể được giảm đáng kể khoảng 35 - 60% [52] trong suốt quá trình hàn.