NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC NGHIÊNG ĐẦU …rvn-vallet.org/wp-content/uploads/rvn2014/rp_khanhdat... · · 2014-05-071.3. Lợi ích và ý nghĩa của đề

Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC

THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG 1

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC NGHIÊNG ĐẦU DỤNG CỤ ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY TRÊN TẤM

NHÔM PHẲNG

Học viên thực hiện: Thân Trọng Khánh Đạt

MSHV:

Giáo viên hướng dẫn đề nghị: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC

Khoa Cơ Khí, trường ĐH Bách Khoa TP HCM.


THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG I

MỤC LỤC

MỤC LỤC .............................................................................................................................. i

DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................................... ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................... ii

Tóm tắt nghiên cứu ............................................................................................................... iii

1. Giới thiệu ...................................................................................................................... 1

1.1. Lịch sử phát triển. .................................................................................................. 1

1.2. Nội dung và mục tiêu của nghiên cứu. .................................................................. 3

1.3. Lợi ích và ý nghĩa của đề tài. ................................................................................. 4

2. Cơ sở lý thuyết .............................................................................................................. 5

2.1. Quá trình sinh nhiệt khi hàn .................................................................................. 5

2.2. Dòng chảy vật liệu ................................................................................................. 8

2.3. Tổ chức hợp kim nhôm sau khi hàn .................................................................... 14

2.4. Kết luận................................................................................................................ 16

3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 17

3.1. Mô hình tính toán, phân tích và chọn thông số thí nghiệm. ................................ 17

3.2. Mô hình thí nghiệm ............................................................................................. 22

3.3. Phương pháp phân tích kết quả. .......................................................................... 24

3.4. Phương pháp đánh giá kết quả: ........................................................................... 27

4. Kế hoạch nghiên cứu................................................................................................... 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 29


THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG II

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1. 1 Sơ đồ mô tả quá trình hàn ma sát khuấy. ........................................................................ 1

Hình 2. 1 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến quá trình sinh nhiệt ...................................... 6

Hình 2. 2 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình hàn. ............................................................................ 7

Hình 2. 3 Khoảng cách giữa các bước hàn ...................................................................................... 9

Hình 2. 4 Tổ chức kim loại mối hàn. [15] (HAZ: heat affected zone; TMAZ: thermo-mechanically affected zone). ................................................................................................................................. 9

Hình 2. 5 Sự hình thành các vòng dạng củ hành ........................................................................... 10

Hình 2. 6 Sự kết hợp giữa các dòng chảy [15] .............................................................................. 11

Hình 2. 7 Sự xen kẻ của hai dòng chảy [15] ................................................................................. 11

Hình 2. 8 Các vùng kim loại trong mô hình [15] .......................................................................... 12

Hình 2. 9 Sự bố trí lực trong hệ trục tọa độ ................................................................................... 13

Hình 2. 10 Ảnh hưởng của lực ép đến chất lượng mối hàn [15]. .................................................. 13

Hình 2. 11 Các dòng chảy kim loại ............................................................................................... 14

Hình 3. 1 Kích thước mặt cắt ngang vùng hàn .............................................................................. 17

Hình 3. 2 Nhiệt lượng phân bố trên đầu dụng cụ .......................................................................... 18

Hình 3. 3 Vi phân các bề mặt theo phương ngang, đứng, côn. ..................................................... 18

Hình 3. 4 Góc nghiêng đầu dao so với phôi .................................................................................. 20

Hình 3. 5 So sánh lực dọc trục khi hàn, tốc độ hàn 90mm/phút và số vòng quay là 500 rpm. ..... 20

Hình 3. 6 Ứng suất kéo và % kéo giãn với các góc nghiêng đầu dao thay đổi. (a) ứng suất kéo, (b) độ giãn dài của mối hàn tối đa khi kéo. ......................................................................................... 21

Hình 3. 7 Máy phay CNC.............................................................................................................. 22

Hình 3. 8 Kết cấu dao thí nghiệm .................................................................................................. 22

Hình 3. 9 Phôi hàn ......................................................................................................................... 23

Hình 3. 10 Phôi được gá đặt trên bàn máy .................................................................................... 23

Hình 3. 11 Bài toán hộp đen cho quá trình nghiên cứu ................................................................. 24

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3. 1 Bảng chế độ hànP. Zettler, S. Lomolino, T. Donath, F. Beckmann, T. Lippman and D. Lohwasser ................... 24

Bảng 3. 2 Kết quả khảo nghiệm khi n thay đổi. ............................................................................ 25

Bảng 3. 3 Bảng quả khảo nghiệm khi Vh thay đổi. ....................................................................... 25

Bảng 3. 4 Bảng khảo nghiệm khi thay đổi. ................................................................................ 25

Bảng 3. 5 Bảng khảo nghiệm thực nghiệm toàn phần 3 yếu tố ..................................................... 25


THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT TRANG III

TÓM TẮT NGHIÊN CỨU

Hàn ma sát khuấy (Friction stir welding) là một công nghệ mới để tạo ra các mối hàn có chất lượng tốt, đặc biệt là các vật liệu có tính chịu hàn kém mà các phương pháp hàn thông thường không có được, phổ biến hiện nay là các hợp kim nhôm. Nghiên cứu này trình bày phương pháp chọn các thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm của quá trình hàn ma sát khuấy cho vật liệu nhôm hợp kim, trong đó thông số góc nghiêng đầu dụng cụ là nội dung chính của luận văn này. Quá trình phân tích ảnh hưởng của góc nghiêng đầu dụng cụ được tiến hành bởi quá trình xây dựng mô hình toán học và thiết kế mô hình thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp các chế độ công nghệ cho quá trình hàn ma sát khuấy trên tấm hợp kim nhôm đạt được độ tin cậy và hiệu quả cao.



1. GIỚI THIỆU

Ngày nay vấn đề năng lượng, môi trường, vật liệu chế tạo đang được thế giới quan tâm và luôn hướng đến sự hoàn thiện về mọi mặt, do đó tất cả các ngành công nghiệp cũng cần nghiên cứu đổi mới công nghệ nhằm hạn chế tối đa năng lượng tiêu thụ và lượng khí thải khi sản xuất. Ngòai ra lựa chọn vật liệu phải bền, nhẹ, đảm bảo tính công nghệ. Trong lĩnh vực hàn các phương pháp hàn tiên tiến như hàn hồ quang dưới lớp thuốc hay trong môi trường khí bảo vệ, hàn bằng tia laser,...phần nào đáp ứng được các yêu cầu trên. Ðặc biệt phương pháp hàn ma sát khuấy (FSW) được xem là phương pháp rất hữu hiệu và đang được quan tâm nhất hiện nay.

Hàn ma sát khuấy là bước tiến quan trọng nhất về lĩnh vực hàn trong thập niên qua, và là một công nghệ xanh do hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường. So sánh với những công nghệ hàn trước đây thì FSW tiêu thụ ít năng lượng một cách đáng kể, không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóng chảy, không có khí độc khi hàn, không phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ,...Do đó tạo môi trường trong sạch. Ngoài ra FSW không cần sử dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, ít biến dạng và không nứt kêt tinh. Bất kỳ hợp kim nhôm nào cũng có thể hàn được mà không cần quan tâm đến sự đồng bộ của kim loại vật hàn, hơn nữa vật liệu composite có thể hàn với nhau một cách dễ dàng.

1.1.Lịch sử phát triển.

Hàn ma sát khuấy được phát minh vào năm 1991 bởi học Viện hàn của Vương Quốc Anh (TWI), là kỹ thuật hàn được liên kết ở trạng thái rắn (không nóng chảy) ban đầu được áp dụng cho hàn hợp kim nhôm. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này tương đối đơn giản: Dùng một dụng cụ xoay không nóng chảy được thiết kế đặc biệt có một đầu khuấy (có ren hoặc không có ren) và phần vai để tiếp xúc với bề mặt của phôi hàn.Trước tiên dụng cụ này đi xuống, phần có ren xuyên vào phôi hàn (tương ứng với chiều sâu ngấu cần thiết), sau đó di chuyển dọc theo hướng hàn để tạo thành mối hàn, hình 1. Vật liệu bị mềm ra bởi nhiệt từ ma sát và lực ép từ vai dụng cụ sẽ liên kết vật liệu ở 2 bên đầu hàn với nhau. Do vật liệu không chảy ra và đông lại nên tính chất mối hàn sẽ tốt, cơ tính đảm bảo, loại trừ khuyết tật, rỗ.

Hình 1. 1 Sơ đồ mô tả quá trình hàn ma sát khuấy.



1.1.1. Tình hình nghiên cứu nước ngoài. Nguồn nhiệt vào khi hàn là một hàm gồm các thông số và được mô phỏng như một vòng

tròn có đường kính bằng đường kính vai dụng cụ trên bề mặt vật hàn. Mặc dù kết quả mô phỏng không so sánh với thực tế nhưng mô hình nhiệt này của MeClure đã được ứng dụng nhiều cho việc tính toán nhiệt độ phôi hàn.

Chao và Qi đã nghiên cứu mô hình số sự tạo nhiệt dựa trên nhiệt độ của phôi, kết quả cho thấy dòng nhiệt trên bề mặt là rất lớn.

Heurtier và Desrayaud cũng đã dùng mô hình phân tích để dự đoán nhiệt vào phôi nhưng sau đó đã chuyển sang dùng mô hình số để tăng khả năng chính xác của quá trình dự đoán nhiệt hàn.

Năm 1998, Russell và Shercliff cũng đã dùng mô hình phân tích dựa trên phương trình tạo nhiệt của mình để dự đoán và xấp xỉ nhiệt độ tính toán. Dòng nhiệt qua dụng cụ được xác định là khoảng 17% tổng năng lượng hàn [1].

Năm 2003, khi nghiên cứu mô hình số, Schmidt và Hayyel đã tính toán năng lượng sinh công vào dụng cụ bởi việc giảm lượng nhiệt vào dụng cụ bởi việc giảm lượng nhiệt vào phôi và khẳng định rằng 25% năng lượng cơ học cần thiết bởi tốc độ quay của trục chính sẽ đi vào dụng cụ, còn lại 75% tập trung vào phôi tại mối hàn. Cùng với nghiên cứu trên hai ông cũng đã sử dụng mô hình số từ nguồn nhiệt do ma sát và nguồn nhiệt do biến dạng dẻo để tính nguồn nhiệt vao, trong đó 10% năng lượng sẽ đi vào dụng cụ, phần lớn lượng nhiệt vào vai dụng cụ sẽ tương ứng với kích thước đường kính vai. Ngoài ta, Shi cũng đã tính toán nguồn nhiệt vào dụng cụ là khoảng 8% tổng năng lượng cơ học trong mô hình số của mình nhưng sau đó ông đã điều chỉnh cho đến khi tương đương với kết quả thực nghiệm.

Một nghiên cứu khác của Langerman và Kvalvik đã dùng nguồn nhiệt hai chiều để xác định dòng vật liệu xung quanh đầu khuấy và dự đoán sự phân bố ứng suất dư trong phôi sau khi hàn. Nguồn nhiệt sinh ra trong khi hàn có quan hệ tuyến tính với đường kính vai của dụng cụ.

Song và Kovacevic [2] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ dụng cụ đến moment xoắn khi hàn bằng cách thực nghiệm thay đổi với nhiều tốc độ quay và tốc độ quay và tốc độ ăn dao của dụng cụ. Tang [3] đã thay đổi tốc độ dụng cụ và chiều sâu dụng cụ khi tăng tốc độ xoay dụng cụ thì tăng nhiệt vào. Tất cả nghiên cứu trên nhằm nêu lên sự thay đổi nhiệt độ vùng hàn và thông số hàn nhưng không dự đoán chất lượng đường hàn.

Midling và Rorvik [4] đã tính toán lượng nhiệt và dựa vào chiều rộng HAZ. Họ đã thay đổi số vòng quay dụng cụ, tốc độ ăn dao, lực tác dụng vào dụng cụ và chứng minh lượng nhiệt vào (Heat input) giảm khi chiều sâu và số vòng quay của dụng cụ giảm, lượng gia nhiệt tăng khi giảm tốc độ hàn (Vh). Một số tác giả đã kết hợp việc đo nhiệt độ (bằng Thermocouples – TC) vùng hàn và trùng HAZ. Gould và Feng [5] quan sát khi thay đổi hai thông số hàn. Frigaard [6] quan sát ở ba tốc độ đi xuống của dụng cụ. Song [7] nghiên cứu với ba tốc độ quay dụng cụ. Cả ba tác giả trên đã cho thấy một mối liên hệ mật thiết giữa nhiệt độ lớn nhất và chiều rộng vùng HAZ.



Linder đã chứng minh những hạn chế của phương pháp đo nhiệt bằng Thermocouples. Trước hết là độ chênh lệch nhiệt độ trong FSW là thường rất phức tạp nên việc bố trí TC rất khó khăn, ngoài ra do quá trình FSW vật liệu biến dạng dẻo rất lớn nên kết quả đo khó chính xác và việc xác định vùng HAZ cần rất nhiều thời gian và công sức (Mẫu thử nghiệm phải đánh bóng và đánh dấu kỹ lưỡng để tiện cho việc đo đạc).

Zahedul và KhandKar đã tính toán moment xoắn của quá trình hàn, kết quả là nó không đổi với mọi thông số [8], [9]. Ngoài ra Schmidt và Leinart đã đo moment xoắn từ thực nghiệm và so sánh với kết quả tính toán, họ cũng khẳng định rằng moment xoắn không thay đổi với mọi thông số hàn.

Một số tác giả đã chứng minh rằng năng lượng hàn là một hàm của các thông số hàn. Colegrove [10] đã trình bày năng lượng hàn của mình có liên quan đến tốc độ hàn nhưng bỏ qua tốc độ quay dụng cụ. Ngược lại, tốc độ dụng cụ đã được chứng minh là có ảnh hưởng đáng kể đến lượng nhiệt vào bởi một số thực nghiệm có giá trị .

Một phương pháp xác định lượng nhiệt vào nữa là bằng cách giảm số lượng những thông số và đã kết hợp tốc độ dụng cụ với tốc độ đi xuống với một tên gọi là bước hàn(xác định bước tiến trên mỗi vòng quay dụng cụ). Họ chỉ nghiên cứu sơ bộ mối liên hệ giữa năng lượng hàn với bước hàn.

Reynolds và Tang [3] đã kiểm tra sự ảnh hưởng của bước hàn đến năng lượng hàn một cách rõ ràng hơn và cho thấy rằng bước hàn không thể là một thông số để xác định năng lượng hàn một cách chính xác. Họ đã giữ tốc độ ăn dao và chiều sâu đầu khuấy không đổi trong khi đó thay đổi tốc độ quay dụng cụ để xác định lực hàn và cả lượng nhiệt vào.

1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước. Ở Việt Nam chúng ta, trong thời gian gần đây bắt đầu có những nghiên cứu về công nghệ

hàn ma sát khuấy này. Có thể kể đến một số nghiên cứu của các tác giả sau:

Luận văn Thạc sĩ của Mai Đăng Tuấn, nghiên cứu về một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trên tấm nhôm phẳng. Trong đó tác giả đã quy hoạch thực nghiệm toàn phần 3 thông số: số vòng quay đầu khuấy, tốc độ hàn và đường kính vai đầu khuấy, từ đó rút ra được bộ thông số tối ưu để đạt độ bền kéo lớn nhất.

Luận văn Tốt nghiệp Đại học của Nguyễn Văn Thạnh, mô phỏng quá trình nhiệt trong quá trình hàn ma sát khuấy bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm Ansys.

Luận văn Tốt nghiệp Đại học của Võ Văn Pho, tác giả đã trình bày sự ảnh hưởng đồng thời của 4 thông số (số vòng quay đầu khuấy, vận tốc hàn, chiều dài đầu khuấy và đường kính đầu khuấy) đến độ bền kéo, lực dọc trục theo phương ngang và phương đứng.

1.2.Nội dung và mục tiêu của nghiên cứu.

Quá trình hàn ma sát khuấy chịu ảnh hưởng của nhiều thông số, việc phân tích để xác định đúng các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy là cực kỳ quan trọng. Do đó vấn đề cần tiến hành:



Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình hàn ma sát khuấy. Dựa trên các nghiên cứu trong và ngoài nước, các đánh giá của chuyên gia để hạn chế

số thí nghiệm. Quá trình làm dẻo kim loại là do ma sát giữa đầu hàn với phôi và lực ép giữa vai dụng

cụ với phôi, do vậy cần phải xây dựng phương trình cân bằng nhiệt để xác định các thông số ảnh hướng đến quá trình hàn. Đồng thời tiến hành mô phỏng trên máy tính để đánh giá các thông số một cách dễ dàng.

Tiến hành thực nghiệm, sử dụng phương pháp thống kê và tối ưu hóa để phân tích dữ liệu, từ đó rút ra bộ thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm.

1.3.Lợi ích và ý nghĩa của đề tài.

Về tính khoa học, phương pháp hàn này là một trong những công nghệ hàn mới hiện nay, được nhiều nước và các hãng sản xuất lớn trên thế giới nghiên cứu ứng dụng, là một trong những yếu tố quan trọng cải thiện hiệu quả cơ tính, độ bền của sản phẩm.

Sử dụng nguồn năng lượng hàn chủ yếu là từ nguồn nhiệt do ma sát giữa bề mặt phôi và dụng cụ và sự biến dạng dẻo mảnh liệt trong cấu trúc vật liệu, nét mới trong kỹ thuật cơ khí sinh học hiện nay.

Trong điều kiện công nghiệp hóa hiện đại hóa ở nước ta, các ngành công nghiệp phát triển như đóng tàu; sản xuất thiết bị nồi hơi; sản xuất ô tô; chế tạo khuôn mẫu;...thì việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp hàn ma sát khuấy là rất cần thiết, tạo điều kiện cho việc tiếp cận và từng bước ứng dụng có hiệu quả các công nghệ tiên tiến của thế giới.

Do những lợi ích to lớn như vậy, với việc chọn được bộ thông số công nghệ tối ưu sẽ giúp nâng cao khả năng ứng dụng thực tiễn của phương pháp hàn ma sát khuấy, tiết kiệm năng lượng, tăng năng suất và hiểu quả của quá trình hàn.



2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Quá trình sinh nhiệt khi hàn

2.1.1. Đặc điểm chung Quá trình nhiệt khi hàn là sự tăng nhiệt độ của vật hàn dưới ảnh hưởng của sự tạo nhiệt, sự

truyền nhiệt vào vật hàn và sự thoát nhiệt vào môi trường xung quanh (và vào đe dưới). Sự thay đổi nhiệt độ xác định một loạt các quá trình xảy ra đồng thời trong kim loại vật hàn. Chuyển biến tổ chức tinh thể, thay đổi thể tích, biến dạng đàn - dẻo, ... Các quá trình này ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn và toàn bộ kết cấu nói chung.

Nguồn nhiệt hàn được tạo thành do sự kết hợp của quá trình ma sát giữa dụng cụ-phôi và quá trình phân tán dẻo trong khi vật liệu bị biến dạng. Cơ chế tạo nhiệt bị ảnh hưởng bởi: các thông số hàn, tính dẫn nhiệt của vật liệu phôi, đầu khuấy và đe, đặc tính hình học của dụng cụ. Thông thường thì điều kiện hàn nóng là hàn với số vòng quay (rpm) cao và vận tốc hàn (Vh) thấp; ngược lại, hàn với tốc độ hàn cao và rpm thấp thì được gọi là hàn lạnh. Trường nhiệt độ xung quanh đầu khuấy là không đối xứng, trong vùng lùi của mối hàn có nhiệt độ hơi cao hơn nhiệt độ vùng tiến. Điều này thể hiện khi thử phá hỏng do kéo vết nứt trên cạnh lùi trong vùng HAZ là xảy ra nhiều hơn. Để tránh hiện tượng quá nhiệt trong vùng tâm hàn thì hạn chế số vòng quay của dụng cụ dưới 15000v/p.

Những nghiên cứu thực nghiệm gần đây đã cho thấy rằng nguồn nhiệt sinh ra chủ yếu ở bề mặt vai và phôi [11]. Điều khiển cơ chế tạo nhiệt là do ma sát và sự phân tán dẻo phụ thuộc vào điều kiện tiếp xúc giữa hai bề mặt. Đặc trưng hình học của dụng cụ (đầu khuấy, vai) sẽ ảnh hưởng đến hai bề mặt trượt, dính hoặc giữa hai dạng trên, nhiệt độ tạo ra giữa đầu khuấy và phôi là không phải nhỏ và cũng nên đưa vào để xác định trường nhiệt. Cơ chế tạo nhiệt giữa đầu khuấy và phôi cũng do ma sát và phụ thuộc vào điều kiện trượt hoặc dính ở bề mặt tiếp xúc, lượng nhiệt từ sự biến dạng nhiệt quanh dụng cụ khoảng từ 2 20%, nhiệt độ tối đa khi hàn các hợp kim nhôm là từ 450oC đến 480oC [12].

Vùng gần sát với đầu khuấy là gần như đẵng nhiệt và nhiệt độ tối đa có thể ở tại ranh giới cắt [13] của kim loại xung quanh đầy khuấy. Đối với các vật hàn dày thì nhiệt độ bị ảnh hưởng bởi chiều sâu của đầu khuấy, nhiệt độ cao nhất là tại bề mặt tiếp xúc giữa vai và bề mặt vật hàn ...

Khi nhiệt độ vật liệu mối hàn tăng lên thì sẽ tiếp tục làm mềm kim loại, moment xoắn giảm và một lượng nhiệt được truyền đi bởi công việc cơ học. Điều này tạo thành một cơ chế nhiệt tương đối ổn định và tránh tối đa hiện tượng nóng chảy của kim loại mối hàn. Điều khiển nhiệt độ có thể thực hiện bằng cách thay đổi điều kiện ở bề mặt chung giữa dính và trượt. Khi kim loại nguội dưới nhiệt độ tới hạn, khi đó ứng xuất dòng biến dạng tăng lên trên giá trị ứng suất trượt. Sự tác động giữa dụng cụ và phôi có thể chuyển từ biến dạng đến ma sát. Nếu trượt xảy ra giữa dụng cụ và phôi, lượng nhiệt vào sẽ giảm và dẫn đến giảm nhiệt độ mối hàn. Thay đổi điều kiện biên ở bề mặt tiếp xúc có thể dẫn đến sự mất ổn định về nhiệt độ và có thể dao động qua lại giữa hai hiện tượng dính và trượt. Hình 2.1 minh họa điều kiện biên ở vai dụng cụ sẽ ảnh hưởng đến dòng vật liệu tâm hàn.



Hình 2. 1 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến quá trình sinh nhiệt

2.1.2. Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hàn Như đã biết, vai dụng cụ cung cấp nhiệt và quyết định vùng tạo nhiệt, trong khi đó đầu khuấy

tạo dáng dòng biến dạng để tạo thành mối hàn và cũng tạo ra sự cân đối thành phần nhiệt mối hàn (tùy thuộc vào kích thước của nó). Dụng cụ xoay ở tốc độ cao nhưng ở đây tốc độ vùng biên ngoài của vai và đầu khuấy cao hơn nhiều so với tốc độ di chuyển hàn. Hàn FSW chủ yếu là dùng sự phân tán sệt trong vật liệu phôi điều khiển bởi ứng suất cắt lớn ở bề mặt giữa dụng cụ và phôi. Tuy nhiên điều kiện biên trong mối hàn này là khá phức tạp. Vật liệu ở bề mặt tiếp xúc có thể: một là bám dính vào dụng cụ, trong trường hợp đó có cùng vận tốc với vận tốc dụng cụ, hai là có thể trượt, trong trường hợp này vận tốc thấp hơn và không cùng chiều với dụng cụ. Nhiệt độ và ứng suất tiếp xúc thay đổi lớn trên khắp dụng cụ, do đó không giống như điều kiện tiếp xúc đơn thuần. Tiếp xúc có thể một phần bị trượt, một phần bị dính và nếu có hiện tượng nóng chảy cục bộ xảy ra thì sẽ có sự kết hợp hiện tượng 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 không sẽ dẫn đến sự giảm mạnh ở lượng nhiệt sinh ra và sự gia nhiệt. Do đó, sự tạo nhiệt có thể tự ổn định ở nhiệt độ gần đường rắn, khối lượng kim loại nóng chảy được khống chế duy trì rất nhỏ nhằm giảm tối đa những vấn đề có liên quan như nứt kết tinh, rổ khí, ...

Để dễ dàng cho việc tính toán, có thể chia quá trình ma sát khuấy thành 5 giai đoạn sau:

Giai đoạn ban đầu (Plunge period): Trong giai đoạn này, dụng cụ xoay đến chạm vào 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, số vòng quay và lực tác dụng.

Giai đoạn quay tại chổ (Dwell): Khi vai vừa tiếp xúc vào phôi, giai đoạn dừng bắt đầu. Lực đi xuống giảm dần xuống dưới 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.



Giai đoạn nhiệt không ổn định (Transient Heating): Lực đi xuống tăng khi vai đến 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 bảo hòa xảy ra.

Giai đoạn chuẩn ổn định (Pseudo Steady State): Lực đi xuống và moment xoắn ổn định, 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 dẫn đến tăng thêm nhiệt xung quanh vai dụng cụ.

Để đạt được quá trình xử lý tốt, vật liệu 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 số vòng quay n hoặc tăng bán kính vai RS. Khi Vh tăng, nhiệt độ trước dụng cụ giảm, điều này xảy ra là do không đủ thời gian để phân phối nhiệt.

Hình 2. 2 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình hàn.

Mô hình bài toán nhiệt sẽ được trình bày cụ thể trong phần 3.1.

2.1.3. Sự truyền nhiệt vào vật hàn Sự truyền nhiệt chủ yếu xảy ra theo các định luật truyền nhiệt, mặc dù các dòng đối lưu trong

kim loại gây ảnh hưởng nhất định đối với sự tải nhiệt ở gần vùng hàn, khối lượng vùng hàn càng lớn thì vai trò của chúng càng lớn.

Trên cơ sở các nguyên tắc tác dụng cục bộ và tham gia có thể nhận thấy rằng các đặc điểm truyền nhiệt và khối lượng dòng kim loại phân tán sệt cũng như các sai số tức thời của công suất nguồn so với các giá trị trung bình, có ảnh hưởng hạn chế đối với trường nhiệt độ. Sự phân tích



trường nhiệt độ trong vật hàn khi nguồn nhiệt hàn di động thông thường được thực hiện trong hệ tọa độ không gian di chuyển cùng với nó. Sau một thời gian nhất định khi tốc độ hàn và công suất hiệu dụng ổn định, bắt đầu trạng thái ổn định, ở đó trường nhiệt độ di động hầu như không thay đổi.

Thời gian bắt đầu trạng thái tĩnh định (thời gian của chu kỳ bảo hòa nhiệt) phụ thuộc vào tốc độ hàn, khoảng cách giữa các khối lượng) được khảo sát và cường độ dẫn nhiệt của nó.Chu kỳ bảo hòa nhiệt được rút ngắn bởi sự giảm khoảng cách tới nguồn nhiệt, sự tăng tốc độ hàn và độ dẫn nhiệt của vật liệu, sự tăng thể tích vật thể và tốc độ truyền nhiệt vào môi trường xung quanh và sự giảm nhiệt dung của vật liệu.

Trong hàn FSW, hầu hết nguồn nhiệt được phân bố trên khắp dụng cụ. Dòng nhiệt phân bố trên một đơn vị diện tích của vai được xác định:

33

11

..23

pS RRrQq

[W/m2] (2.1)

Ở đây q1 là một hàm của bán kính vai, cường độ nhiệt tăng khi bán kính r tăng vì Rp r RS. Tuy nhiên, để đơn giản xem như sự phân bố nhiệt trên cả bề mặt vai là đồng đều.

2pS RR

r

(2.2)

Đối với đầu khuấy lượng nhiệt vào có thể phân bố khắp thể tích của nó:

pp LRQq

.. 22

2

[W/m3] (2.3)

Ngoài ra, theo Schmidt [14], tỉ số của sự tạo nhiệt từ đầu khuấy và sự tạo nhiệt bởi vai là bằng 0,128.

128,0

1

2 QQ

(2.4)

Từ đó, dòng nhiệt trên một đơn vị thể tích của đầu khuấy q2

2 10,128Q Q (2.5)

2.2. Dòng chảy vật liệu

Nhiệt do sự ma sát và sự biến dạng dẻo của phôi do tác dụng của dụng cụ đến vật liệu sẽ làm mềm hóa vùng vật liệu giới hạn bởi vai dụng cụ và vùng xung quanh đầu khuấy. Thông số hàn cùng với cấu hình của dụng cụ và thành phần của vật liệu hàn sẽ quyết định đến khối lượng vật liệu được gia nhiệt và đến sự di chuyển của chúng trong quá trình hình thành mối hàn.



Kim loại được mềm hóa sẽ di chuyển quay đầu khuấy theo chiều quay của dụng cụ và tụ lại phía sau đầu khuấy khi được vai ép xuống trước khi dụng cụ di chuyển tới dọc theo hướng hàn.

Vùng gần đầu khuấy chủ yếu là quay, tất cả vật liệu trải qua biến dạng. Vùng xoay tạo ta đủ lớn chứa tất cả vật liệu bị biến dạng do đó vận tốc xoay - trồi phải bằng vận tốc di chuyển tới của dụng cụ.

Mỗi bước trong dãy kim loại xếp khít nhau trong đường hàn thì tương đương với khoảng cách dịch chuyển của dụng cụ trong mỗi vòng quay khi đi tới.

Hình 2. 3 Khoảng cách giữa các bước hàn

Cấu trúc mối hàn trong mặt cắt ngang dưới đây thể hiện mối hàn được chia bốn vùng: vùng trung tâm mối hàn được bao bởi vùng ảnh hưởng nhiệt và vùng ảnh hưởng cơ nhiệt. Dựa vào hình dáng hình học và cấu trúc mối hàn cho thấy quá trình dòng chảy vật liệu là không đối xứng. Thể tích kim loại được quét phụ thuộc vào lượng nhiệt nung nóng để làm mềm vật liệu xung quanh dụng cụ. Và qua đó nhận thấy rằng nhiệt độ vùng lùi cao hơn nhiệt độ vùng tiến của mối hàn.

Phần bề mặt rộng hơn phần đáy là do vai dụng cụ tạo nhiệt nhiều hơn đầu khuấy dụng cụ. Trong vùng trung tâm mối hàn có những mẫu xếp liên tục nhau là do cấu hình ren của đầu khuấy và bị biến mất là do sự trượt giữa bề mặt dụng cụ và phôi, ở nhiệt độ cao hơn khi lượng kim loại bị trồi ra trong quá trình hàn, vùng trung tâm kéo dài ra về phía vùng tiến là do dòng chảy không liên tục trước khi đông đặc.

Hình 2. 4 Tổ chức kim loại mối hàn. [15] (HAZ: heat affected zone; TMAZ: thermo-

mechanically affected zone).



Hình 2. 5 Sự hình thành các vòng dạng củ hành

Mặc dù việc kết hợp giữa dòng chảy kim loại, quá trình tạo nhiệt, vật liệu chế tạo dụng cụ và đặc điểm riêng của vai, đầu khuấy của dụng cụ sẽ gây nhiều phức tạp nhưng cần phải khái quát hóa những yếu tố có liên quan đến cơ chế của dòng chảy kim loại. Hầu hết những lý thuyết về dòng chảy kim loại trong quá trình hàn ma sát khuấy là được rút ra từ việc nghiên cứu vết của các hạt kim loại (hoặc dây kim loại) đã được đánh dấu ở đường lắp ghép trước khi hàn.

Dòng chảy là có trật tự xung quanh đầu khuấy của dụng cụ, chỉ có vài dòng chảy của kim loại bị ép xuống dưới bởi răng của đầu khuấy trong khi đó một số dòng chảy còn lại đi từ trước ra sau theo chiều quay của dụng cụ. Ngoài ra những dòng chảy riêng biệt nêu trên còn phụ thuộc vào thông số hàn hoặc phụ thuộc vào vùng tiến và vùng lùi của mối hàn và còn phụ thuộc vào vùng kim loại được khuấy hoặc bị trồi ra xung quanh đầu khuấy của dụng cụ.

Dựa vào những thực nghiệm nghiên cứu vết dùng bi và dây đã nêu trên, hai mô hình động học dưới đây mô tả sự ảnh hưởng của các thông số hàn và thông số hình học của dụng cụ hàn đến dòng chảy kim loại khi hàn ma sát khuấy.

2.2.1. Mô hình động học thứ nhất. Khi đầu khuấy đi xuống và cắt vật liệu, phần vật liệu bị cắt sẽ xoay theo chiều quay của dụng

cụ. Sau đó tạo thành vòng xoáy vật liệu xếp chồng nhau bao quanh đầu khuấy và được tạo bởi bước răng của đầu khuấy. Hai dòng chảy này được giới hạn bởi vùng cắt và chuyển động đều xuống dưới vùng hàn. Phần vật liệu không bị cuốn vào vòng xoáy sẽ quay quanh dụng cụ theo dòng chảy xuyên thẳng, còn những phần vật liệu bị cuốn theo vòng xoáy sẽ trải qua sự biến dạng cơ nhiệt rất cao bởi vì chúng có thể quay nhiều vòng quanh đầu khuấy. Sự thay đổi hướng ren (hoặc cấu hình đầu khuấy) sẽ dẫn đến sự thay đổi hướng lên hoặc hướng xuống của vật liệu.

Vật liệu trong cạnh lùi của mối hàn di chuyển từ phía trước đầu khuấy ra phía sau đầu khuấy rồi dừng lại là do tác dụng của dòng chảy xuyên thẳng của vật liệu. Phần vật liệu trong cạnh tiến của mối hàn sau một thời gian quay quanh đầu khuấy bị kẹt lại bởi dòng chảy ly tâm của phần vật liệu ở dưới vai dụng cụ. Dòng chảy ly tâm của vật liệu là một phần của dòng xoáy vật liệu lưu thông gây ra bởi ren của đầu khuấy. Sự lưu thông của dòng xoáy sẽ chuyển vật liệu bị kẹt lại xuống



dưới đầu khuấy. Sự xoáy của dòng vật liệu quay quanh đầu khuấy và dòng vật liệu hướng xuống đầu khuấy càng thể hiện rõ hơn khi đầu khuấy di chuyển đi tới (ra khỏi vùng khuấy).

Sự thay đổi hướng ren sẽ làm thay đổi hướng dòng chảy vật liệu trong vùng xoáy từ sự di chuyển lên hoặc di chuyển xuống dọc đầu khuấy. Hai dòng chảy trên sẽ quyết định lượng kim loại trải qua quá trình cơ nhiệt trong mỗi dòng chảy và sẽ quyết định đến chất lượng mối hàn.

Sự xen kẻ của hai dòng chảy được thể hiện trong hình 2.7, sự xảy ra của các hiện tượng trượt, dính hoặc cả trượt và dính giữa bề mặt dụng cụ và phôi là nguồn gốc sự xen kẻ trên. Dòng chảy xuyên thẳng sẽ chiếm lĩnh vùng lùi của mối hàn (vùng phía trên đầu khuấy) và dòng chảy xoáy nằm ở vùng tiến (dưới đầu khuấy).

Hình 2. 6 Sự kết hợp giữa các dòng chảy [15]

Hình 2. 7 Sự xen kẻ của hai dòng chảy [15]

2.2.2. Mô hình động học thứ hai. Được nghiên cứu như một quá trình gia công kim loại, gồm năm vùng: vùng nung nóng

trước (1), vùng biến dạng ban đầu (2), vùng trồi (3), vùng ép (4) và vùng nguội (5). (Hình 2.8).

Nguồn nhiệt được tạo thành bởi dụng cụ quay nung dự nhiệt phần kim loại ở phía trước theo hướng đi tới của dụng cụ hàn chuyển động quay của dụng cụ hàn sẽ hình thành vùng biến dạng



ban đầu làm mềm kim loại, trong vùng này kim loại bị ép vào vai dụng cụ và sau đó bị đẩy xuống vùng trồi. Ở vùng trồi, kim loại đã mềm ở phía trước di chuyển quanh đầu khuấy và ra phía sau của đầu khuấy lấp vào khoảng trống do đầu khuấy để lại khi di chuyển tới dọc theo đường hàn. Phần kim loại được điền đầy là kết quả của sự đan xen giữa vùng trồi phía trên và phía dưới đầu khuấy. Phần phía sau của vai dụng cụ sẽ đi qua vùng trồi, vùng ép và nhờ áp lực đủ lớn giúp cho quá trình đông đặc mối hàn. Khi dụng cụ đi qua, kim loại được nguội dần tạo thành liên kết hàn, và cứ như thế dọc theo chiều dài mối ghép tạo thành đường hàn.

Hình 2. 8 Các vùng kim loại trong mô hình [15]

Từ mô hình dòng chảy này có thể kết luận rằng: Nếu lực ép không đủ lớn thì sẽ bị lỗ hỏng theo chiều dài đường hàn.

Không đủ chiều sâu ngấu, là do chiều dài đầu khuấy không đủ.

2.2.3. Đặc điểm của dòng chảy vật liệu Dòng chảy kim loại phụ thuộc bởi lượng nhiệt vào, điều kiện bề mặt giữa dụng cụ, phôi, cấu

hình của dụng cụ hàn và bởi lực tác dụng lên dụng cụ.

Một số đặc điểm chủ yếu của dòng chảy:

Dòng chảy bị phân chia trên cạnh tiến của mối hàn, vật liệu ở phía trước đầu khuấy được quét quanh cạnh lùi ra sau dụng cụ. Quá trình này được quyết định bởi ứng suất cắt ở bề mặt dụng cụ và phôi. Cũng chính dòng vật liệu này, đôi khi lại tạo nên sự kết nối giữa những dòng chảy riêng biệt quanh vùng tiến và vùng lùi dẫn đến việc hình thành mối hàn trên vùng tiến.

Vận tốc của điểm ngoài cùng trên bề mặt của dụng cụ (cả vai và đầu khuấy) cao hơn tốc độ dịch chuyển tới của dụng cụ.

Do điều kiện bề mặt giữa dụng cụ và phôi nên luôn có hai dòng chảy luân phiên nhau trong vùng hàn xung quanh đầu khuấy: dòng chảy hỗn hợp với sự biến dạng phân bố khắp vùng trung tâm, vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn và dòng chảy trượt ở bề mặt khi vận tốc của vật liệu ở bề mặt có thể bằng tốc độ của dụng cụ thì hiện tượng dính xảy ra nhưng với hiện tượng trượt thì tốc độ của vật liệu thấp hơn tốc độ của dụng cụ.

Quá trình tạo nhiệt và tính dẫn nhiệt sẽ ảnh hưởng đến lượng vật liệu được làm mềm sự chênh lệch nhiệt độ dẫn đến sự xuất hiện vùng biến dạng gần bề mặt mối hàn.



Cấu hình của dụng cụ và những yếu tố động học của dòng chảy xung quanh dụng cụ sẽ sinh ra một số dòng chảy riêng biệt trong suốt chiều dày vật hàn.

Mối hàn được hình thành từ những dòng kim loại hội tụ lại ở phía sau dụng cụ, mức dòng chảy và hướng các đường trượt dọc của dọc chảy sẽ quyết định kiểu vùng biến dạng, ứng suất thủy tĩnh và vectơ vận tốc tại vùng biến dạng. Colegrove đã chứng minh rằng các lực tỉ số biến dạng của quá trình hàn là hàm của đặc tính hình học của dụng cụ, điều kiện trượt dính, ứng suất chảy dẻo vật liệu, thông số hàn, chiều rộng vùng trồi, thể tích dụng cụ quét. Dòng kim loại là một chu kỳ tuần hoàn tự nhiên và là kết quả của sự hội tụ của từng dòng vật liệu riêng biệt.

Dòng vật liệu xuyên qua mỗi vùng và hội tụ một lần nữa ở bề mặt từng vùng, sự rối loạn của dòng kim loại cùng với sự hình thành các khuyết tật mối hàn là sự biểu hiện của sự dao động về độ lớn, hướng của các lực và moment xoắn của dụng cụ.

Hình 2. 9 Sự bố trí lực trong hệ trục tọa độ

Độ lớn của lực ép và độ lớn của vai dụng cụ có ảnh hưởng rất lớn đến số lượng dòng kim loại xuyên qua mỗi vùng và sự hình thành khuyết tật của mối hàn.

Hình 2. 10 Ảnh hưởng của lực ép đến chất lượng mối hàn [15].

Như vậy điều khiển lực và moment xoắn của dụng cụ là cần thiết để duy trì mức nhiệt độ thích hợp và dòng chảy kim loại thích hợp để hạn chế sự hình thành khuyết tật.



Trong điều kiện hàn nóng (vòng quay lớn, Vh nhỏ) sự không cân bằng dòng vật liệu sẽ có thể tồn tại và làm cho vùng tâm hàn bị đổ sụp, nguyên nhân là do dòng vật liệu vượt quá từ vùng 3 điền vào cạnh tiến (vùng 1). Điều này cho thấy sự quá nhiệt ở vật liệu và làm mất độ bền của kim loại cơ bản trong vùng TMAZ hoặc HAZ. Điều kiện hàn này chỉ áp dụng cho những mối hàn chịu lực thấp.

Ngoài ra, khi hàn quá nhiệt thì sẽ hình thành khuyết tật “chảy xệ”. Nguyên nhân là do quá nhiều dòng vật liệu đến vùng 4 và sự ngấu vượt quá của dòng vật liệu đến cạnh sau ở dưới đỉnh đầu khuấy. Khuyết tật này liên quan đến độ bền liên kết hàn, giới hạn bền mỏi và độ dẻo dai khi uốn.

Một yếu tố nữa là khi hàn trong điều kiện hàn nóng, vật liệu ở vùng giữa vai và bề mặt vật hàn (vùng 3) có thể bám vào vai dụng cụ hàn cản trở quá trình hàn, mặt khác phần vật liệu này có thể bị đẩy ra khỏi vai và hình thành khuyết tật ở bề mặt vật hàn (hình thành Bavia bề mặt) dẫn đến sự hao hụt vật liệu vùng hàn làm ảnh hưởng đến sự cân bằng của các dòng vật liệu ở những vùng khác, làm thiếu lực ép bề mặt và sinh ra các khuyết tật khác.

Trong điều kiện hàn nguội (tốc độ quay thấp, Vh cao) lỗ hỏng dễ xảy ra, nguyên nhân là do vật liệu vùng tiến (vùng 1) không được đáp ứng đầy đủ, như đã miêu tả thì khuyết tật này sẽ giảm khi lực ép tăng. Khi lực ép quá thấp thì bề mặt (vùng 3) không được điền đầy. Mặc dù khi lực ép tăng đến giá trị cần thiết thì vẫn có tình trạng thiếu sự đông đặc ở bề mặt giữa vùng 1 và vùng 4. Những khuyết tật này biểu hiện ở sự hình thành vết nứt dọc theo dòng tuần hoàn của vật liệu.

Hình 2. 11 Các dòng chảy kim loại

2.3. Tổ chức hợp kim nhôm sau khi hàn

Cấu trúc tinh thể và sự thay đổi tính chất vật lý sau khi hàn FSW của hợp kim nhôm phụ thuộc vào các yếu tố: thành phần hợp kim, tính chất hợp kim, thông số hàn, chiều dày vật hàn và những yếu hình học khác, hay đúng hơn là phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ sinh ra trong lúc hàn. Thành phần hợp kim quyết định cơ chế hóa bền hữu ích và ứng xử của vật liệu dưới tác dụng của nhiệt độ và quá trình biến dạng trong khi hàn. Đặc tính của hợp kim có ảnh hưởng rất lớn đến sự thay đổi tổ chức, đặc biệt là trong vùng ảnh hưởng nhiệt. Thông số hàn (số vòng quay dụng cụ, tốc độ hàn, góc nghiêng dụng cụ, tốc độ hàn, tỉ số ăn dao,…) nói lên đặc tính hình học của dụng cụ hàn và điều kiện biên của sự tạo nhiệt, nhiệt độ và quá trình biến dạng của vật hàn. Chiều dày vật hàn và các yếu tố hóa học khác (đường kính vai dụng cụ, chế độ làm nguội, sự gá kẹp trong khi



hàn,...) có thể ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt trong vùng hàn và đặc biệt là trong suốt chiều dày của phôi hàn.

2.3.1. Quá trình cơ nhiệt kết hợp với FWS Sự khác nhau cơ bản giữa FSW và hàn hồ quang là trong hàn hồ quang nhiệt độ cao nhất

cho kim loại kết tinh là nhiệt độ nóng chảy, do đó vùng ranh giới vũng hàn không được xác định rõ ràng rằng nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ nóng chảy của hợp kim. Trong FSW nhiệt độ cao nhất mà mối hàn nhận được có thể thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy. Tiềm năng cho sự thay đổi nhiệt độ đỉnh trong FSW có thể giúp tạo ra nhiều loại cấu trúc và đặc tính mà trong hàn hồ quang không đạt được. Tiến trình xảy ra trong những vùng hàn của FSW sẽ tùy thuộc vào nhiệt độ tối đa đạt được trong mối hàn.

2.3.2. Quá trình cơ nhiệt xảy ra ở vùng trung tâm mối hàn Vùng trung tâm mối hàn được xem là vùng ảnh hưởng cơ nhiệt, ở đó trãi qua sự biến dạng

đáng kể ở nhiệt độ cao làm phát sinh quá trình kết tinh lại. Vùng này sẽ hẹp hơn trong những hợp kim chưa kết tinh lại (RX-Resistant) so với những hợp kim đã kết tinh lại (2195 và 6061). Hai sự thay đổi chủ yếu quyết định đến tính chất vật liệu vùng này là: nhiệt độ tối đa và mức độ đông đặc từ nhiệt độ đó.

Thông số hạt được kết tinh lại trong vùng tâm hàn được xác định chủ yếu là tùy thuộc vào nhiệt độ đỉnh của mối hàn, nhiệt độ đỉnh càng cao thì cở hạt càng lớn. Tốc độ hàn cũng có liên quan nhưng vì cở hạt (sự phát triển hạt tĩnh) là phi tuyến với nhiệt độ và tuyến tính với thời gian, trong đó nhiệt độ đỉnh là yếu tố tác động nhiều nhất. Mối quan hệ giữa thời gian, nhiệt độ, cở hạt cũng được dự tính cho quá trình kết tinh lại năng động liên tục. Độ lớn của cở hạt trong vùng tâm hàn có thể đạt được theo mong muốn bằng cách điều khiển thông số hàn. Theo thứ tự cở hạt: 1m đến 10 m.

Những quá trình quan trọng xảy ra trong vùng tâm hàn (khác với kết tinh lại) sẽ có khác biệt tùy thuộc vào từng loại hợp kim. Những hợp kim không xử lý nhiệt, chỉ có quá trình nhiệt duy nhất trong vùng tâm hàn là chu kỳ nung nóng lại (ủ). Nếu đặc tính ban đầu của kim loại là “0” thì tính chất của vùng kim loại mối hàn sẽ tương tự như kim loại cơ bản. Tùy thuộc vào kích thước hạt trong tâm hàn có thể có từng mức độ hóa bền khác nhau. Nếu kim loại hàn ở điều kiện hóa bền cơ học thì vùng tâm kết tinh lại sẽ thường biểu hiện sự giảm đáng kể về độ cứng so với kim loại cơ bản.

Trong hợp kim xử lý nhiệt thì những quá trình diễn ra trong tâm hàn có thể phức tạp hơn nhiều. Tùy thuộc vào sự kết tinh đặc biệt của hợp kim và thông số hàn, vùng tâm hàn có thể để lại một đặc tính quá già, một phần trong điều kiện xử lý nhiệt hòa tan hoặc pha đơn dung dịch rắn. Cấu trúc tinh thể vùng tâm hàn có thể được đánh giá trực tiếp hoặc gián tiếp do sự thể hiện của việc xử lý hóa già sau khi hàn. Nếu vùng tâm hàn quá già thì chắc rằng việc xử lý hóa già sẽ có: một là không ảnh hưởng, một là ảnh hưởng đến sự giảm độ cứng tâm hàn. Nếu vùng tâm hàn được xử lý nhiệt hòa tan từng phần thì việc hóa cứng cho kết quả hóa già sau khi hàn. Nếu tâm hàn đã được để lại trong điều kiện dung dịch rắn thì việc hóa già sau khi hàn có thể phục hồi tính chất của nó tương tự như kim loại cơ bản.



Có thể có những vùng nóng chảy thấp phần bố bên trong khối nóng chảy cao hơn. Trong vài trường hợp, biến dạng nhiệt trong toàn khối có thể cho kết quả nhiệt độ vượt quá nhiệt độ nóng chảy của một vài pha nóng chảy thấp. Điều này dẫn đến sự nóng chảy ranh giới hạt và hình thành cấu trúc giòn bên trong mối hàn. Hiện tượng nóng chảy cục bộ này được xem như hiện tượng quá nhiệt khi hàn.

2.3.3. Quá trình nhiệt trong vùng ảnh hưởng nhiệt Vùng HAZ là vùng không biến dạng cơ học. Vì thế quá trình xảy ra ở vùng này chỉ là kết

quả của sự hấp thu nhiệt. Dĩ nhiên, sự hấp thu nhiệt sẽ mãnh liệt hơn ở vùng gần tâm hàn và kém hơn khi ra xa tâm hàn. Ở khoảng cách từ tâm hàn thì lại tùy thuộc vào nhiệt độ tối đa và thời gian tạm thời của sự hấp thu nhiệt, ảnh hưởng của sự hấp thu nhiệt sẽ được bỏ qua và vì thế vùng HAZ sẽ dần đến với kim loại cơ bản. Quá trình nhiệt trong HAZ sẽ tùy thuộc vào từng loại hợp kim cụ thể.

Hợp kim không xử lý nhiệt trong đặc tính “0” thường sẽ không ảnh hưởng của sự hấp thu nhiệt. Vật liệu đã được làm mềm mà thêm nhiệt thì sẽ không làm giảm độ cứng, tuy nhiên có thể do việc hấp thu nhiệt sẽ dẫn đến sự tăng cở hạt. Nếu đặc tính của hợp kim là hóa bền cơ học, thì thông thường sẽ có một sự thay đổi lớn về cấu trúc mạng tinh thể, với sự phụ thuộc căn cứ vào khoảng cách từ tâm hàn. Gần tâm hàn, vật liệu hóa bền cơ học sẽ có khả năng kết tinh lại hoàn toàn. Lượng vật liệu kết tinh lại sẽ giảm dần về không khi khoảng cách từ tâm đường hàn càng tăng, tại điểm đó thường sẽ có một vùng phục hồi chuyển tiếp đến kim loại cơ bản.

Đối với hợp kim xử lý nhiệt, quá trình này cũng sẽ tùy thuộc vào đặc tính ban đầu. Những hợp kim trong điều kiện nhiệt độ tối đa hoặc điều kiện quá già (T6, T7 hoặc T8) thường sẽ có một vùng giảm độ cứng (liên quan đến kim loại cơ bản) nằm trong HAZ. Trong vùng này, sự hấp thu nhiệt như là một sự phân bố phân tán đã làm thô cở hạt rất nhiều, việc quá già hợp kim cũng diễn ra. Tùy thuộc vào thông số hàn, vùng có độ cứng thấp nhất sẽ là những vùng ở những khoảng cách khác nhau tính từ tâm hàn sẽ có độ sâu thay đổi. Độ cứng tối thiểu trong HAZ có thể có cùng độ cứng với vùng tâm hàn (và cùng kế cận) hoặc có thể thấp hơn nhiều tùy thuộc vào quá trình cơ nhiệt diễn ra tại tâm hàn. Nếu hợp kim được hàn ở điều kiện hóa già tự nhiên thì tình huống sẽ phức tạp hơn. Những vật liệu hóa già tự nhiên sẽ có thể có hai vùng độ cứng tổi thiểu xung quanh vùng độ cứng lớn hơn. Trong vùng tối thiểu (sát với vùng hàn) việc quá già là một quá trình được thực hiện (T6, T7 và T8). Vùng có độ cứng lớn nhất xảy ra là do kết quả của sự phân tán của pha hóa bền do quá trình hóa già nhân tạo (với thời gian hóa già rất ngắn). Cơ chế hình thành vùng có độ cứng tối thiểu bên ngoài HAZ có thể là do vùng hòa tan lại (Re-Solution) của những vùng Guinier - Preston hoặc do sự phục hồi từ công việc làm nguội (trong những vật liệu T3).

2.4. Kết luận

Quá trình sinh nhiệt khi hàn là vấn đề quan trọng nhất của quá trình hàn, xác định rõ các thông số cơ bản trong quá trình hàn, mối liên hệ của sự sinh nhiệt của đầu tạo ma sát, vai dụng cụ, các thông số tốc độ trục chính, vận tốc hàn và góc nghiêng dụng cụ là rất cần thiết cho đề tài.



3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mục đích chính là xác định sự ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng mối hàn do đó đầu tiên ta xây dựng phương trình cân bằng nhiệt của quá trình hàn với các yêu cầu giống như mô hình thực nghiệm. Do quá trình hàn chịu sự ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố không kiểm soát được, dp vậy cần phải thực nghiệm trên mô hình thực tế, từ đó phân tích và đánh giá dữ liệu có được.

3.1. Mô hình tính toán, phân tích và chọn thông số thí nghiệm.

Mẫu thí nghiệm được làm bằng hợp kim nhôm 5052, các thông số ban đầu:

Chiều rộng chi tiết: w = 100 mm.

Chiều dài: l = 250 mm.

Nhiệt độ dẻo của nhôm 4820C.

Nhiệt độ phòng t0 = 270 C.

Nhiệt dung riêng của nhôm: c = 880 J/Kg.độ

Hình 3. 1 Kích thước mặt cắt ngang vùng hàn

Nhiệt được tạo ra là do ma sát giữa các bề mặt của dụng cụ, bao gồm : mặt dưới của vai, bề mặt đầu khuấy, mặt dưới của đầu khuấy, tương ứng với các bề mặt, nhiệt lượng sinh ra là Q1, Q2, Q3.



Hình 3. 2 Nhiệt lượng phân bố trên đầu dụng cụ

Nhiệt lượng tổng tạo ra:

1 2 3totalQ Q Q Q (3.1)

Hình 3. 3 Vi phân các bề mặt theo phương ngang, đứng, côn.

Phương trình vi phân nhiệt lượng tạo ra tổng quát ở tất cả các bề mặt:

contactdQ dM rdF r dA (3.2)

Như vậy chúng ta thấy rằng, nhiệt lượng tạo ra với cùng một chế độ cắt thì phụ thuộc vào diện tích bề mặt tạo ma sát của các thành phần của dụng cụ.

Thực hiện phép tích phân, ta tính toán được lượng nhiệt ở các bề mặt là:

Phía dưới đáy dụng cụ: Phần này chịu tác dụng lực hay moment theo phương đứng, cho nên vi phân nhiệt lượng tạo

ra có dạng, hình 3.3a:

3 1 3 3contact contactdQ dM rdF r dA r d dr (3.3)



Trên mặt của đầu khuấy: Phần bề mặt này chịu tác dụng lực/moment theo phương ngang, cho nên vi phân nhiệt lượng

tạo ra có dạng, hình 2.4b:

2 2 2 2contact contactdQ dM rdF r dA r rd dz (3.4)

Trên bề mặt phía dưới đầu khuấy hình côn: Ta có thể phân ra 2 thành phần lực tác dụng lên phần mặt côn này theo phương ngang và

phương đứng, hình 2.4c.

1 ngang dungdF dF dF (3.5)

Ta lại có:

tan

tandung

ngang

dz drdA rd dz rd drdA rd dr

(3.6)

Như vậy:

1 contact dung contact ngangdF dA dA (3.7)

Thay vào ta được, vi phân nhiệt lượng tao ra phía dưới vai:

21 1 (1 tan )contactdQ rdF r d dr (3.8)

Nhiệt lượng tạo ra do vai: Tích phân phương trình () trong vùng bán kính R1(đầu khuấy) đến R2(vai) ta được:

2

1

22

10

3 32 1

(1 tan )

2 ( )(1 tan )3

R

contactR

contact

Q r d dr

R R

(3.9)

Nhiệt lượng tao ra do đầu khuấy: Nhiệt tạo ra từ đầu khuấy có dạng trụ trơn (mặt xung quanh):

2

2 22 1 1

0 0

2probeH

contact contact probeQ R d dz R H

(3.10)

Nhiệt tạo ra phía dưới đầu khuấy:

12

2 33 1

0 0

23

R

contact contactQ r d dr R

(3.11)

Nhiệt lượng tổng cộng tạo ra:



3 3 3 21 2 3 2 1 1 1

2 ( )(1 tan ) 33tong contact probeQ Q Q Q R R R R H (3.12)

Ảnh hưởng của thông số góc nghiêng đầu dao:

Với đầu dao có góc nghiêng là (độ) , hình 2.8, thì nhiệt lượng tạo ra theo tài liệu [16]:

3 3 3 21 2 3 2 1 1 13

2 1( )(1 tan ) 33 ostong contact probeQ Q Q Q R R R R H

c

(3.13)

Từ phương trình trên ta nhận thấy rằng, khi tăng góc nghiêng đầu dao thì một mặt nhiệt

lượng tạo ra sẽ tăng, lượng nhiệt càng lớn thì càng làm vật liệu dễ đạt trạng thái dẻo (với

cùng một chế độ hàn)

Hình 3. 4 Góc nghiêng đầu dao so với phôi

Nghiên cứu của [12] cho thấy rằng, khi có góc nghiêng đầu dao thì lực dọc trục sẽ nhỏ

hơn so với không có góc nghiêng đầu dao:

Lực

theo

hướ

ng h

àn (N

)

2,50 0 Góc nghiêng (độ)

Đẳng nhiệtBất Đẳng nhiệt

Hình 3. 5 So sánh lực dọc trục khi hàn, tốc độ hàn 90mm/phút và số vòng quay là 500 rpm.



Như vậy, đề xác định sự ảnh hưởng một cách rõ ràng của thông số góc nghiêng đầu dao, chúng ta sẽ chọn thông số này để thực nghiệm.

Nghiên cứu của H.-B. Chen và cộng sự [16], đã đưa ra biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của góc nghiêng đầu dao đến ứng suất kéo và độ giãn dài của mối hàn:

Sức

bền

kéo,

MPa

Góc nghiêng dụng cụ (độ)

Góc nghiêng dụng cụ (độ)

Độ

giãn

dài

(%)

Hình 3. 6 Ứng suất kéo và % kéo giãn với các góc nghiêng đầu dao thay đổi. (a) ứng suất

kéo, (b) độ giãn dài của mối hàn tối đa khi kéo.

Kết luận:

Các thông số hình học: Kích thước và biên dạng đầu tạo ma sát, kích thước đường hàn,

quan hệ hình học giữa đường kính, chiều dài đầu tạo ma sát và đường kính vai.



Các thông số động học: Tốc độ quay của đầu tạo ma sát, vận tốc hàn, lực ép khi hàn,…

Các thông số đặc trưng của đối tượng nghiên cứu: Kích thước của phôi, hệ số ma sát,…

Từ mô hình bài toán được xây dựng ở mục 3.1 và tham khảo các nghiên cứu trong và ngoài

nước, tôi đưa ra 3 thông số đế thực nghiệm là: Số vòng quay dụng cụ, tốc độ hàn và góc

nghiêng đầu dao.

3.2. Mô hình thí nghiệm

3.2.1. Thiết bị dùng để thí nghiệm Thực hiện hàn trên máy phay vạn năng ENSHU RA2 tại xưởng C3, Trường Đại Học Bách

Khoa Tp HCM.

Hình 3. 7 Máy phay CNC.

3.2.2. Phôi và dụng cụ

Hình 3. 8 Kết cấu dao thí nghiệm



Dụng cụ có đầu khuấy hình trụ, có ren (phải), chiều dài đầu khuấy thay đổi được, đường kính là 5, 6, 7mm, đường kính vai là 15mm, góc lõm ở vai là 50. Hình dưới đây là các dụng cụ được dùng:

Vật liệu phôi là hợp kim nhôm 5052, chiều dài 250mm, chiều rộng 100mm, chiều dày 5mm.

Hình 3. 9 Phôi hàn

3.2.3. Phương pháp hàn và chế độ hàn Mối hàn giáp mí, phôi được kẹp chặt trên một mặt đế bằng thép có gắn hệ thống đo lực trong

quá trình hàn như hình 4.8.

Hình 3. 10 Phôi được gá đặt trên bàn máy

Chế độ hàn được giới hạn bởi thông số của máy, bảng 2.1 thể hiện các chế độ hàn ứng với các mức thấp, cơ sở và mức cao trong quy hoạch thực nghiệm.



Bảng 3. 1 Bảng chế độ hàn

-1 Mức cơ sỡ (0) +1 Số vòng quay (rpm) 1250 1500 1800

Góc nghiêng dụng cụ (0) 1 2 3

Vận tốc hàn (mm/phút) 40 57 78

3.3. Phương pháp phân tích kết quả.

Thực nghiệm đơn yếu tố để đánh giá sự ảnh hưởng đơn lẽ của mỗi thông số đến hàm mục tiêu.

Sau đó tiến hành thực nghiệm đa yếu tố toàn phần, để đánh giá sử ảnh hưởng tổng thể của cả 3 yếu tố đến hàm mục tiêu, loại trừ sự ảnh hưởng ngẫu nhiên.

Sử dụng phương pháp thống kê 3 mức độ, với giá trị thay đổi của mỗi thông số như sau:

1. Tốc độ hàn V(mm/phút): 40, 57 và 78

2. Số vòng quay dụng cụ n (vòng/phút): 1250, 1500 và 1800

3. Góc nghiêng đầu dao (độ): 1,2,3.

Hàm mục tiêu của hệ thống: Sau khi hàn thì chất lượng mối hàn là quan trọng nhất, ở đây giới hạn bền kéo và giới hạn

bền uốn sẽ được chọn là hàm mục tiêu của hệ thống. Nhưng với yếu tố giới hạn bền uốn thì không cần xét, bởi vì qua thử uốn thì các giá trị đều đạt và gần như nhau (góc uốn đều lớn hơn 900), vì vậy yếu tố giới hạn bền kéo σk được xem là hàm mục tiêu của mô hình bài toán. Ngoài ra, hai thông số lực trong quá trình hàn là lực dọc trục và lực theo hướng hàn cũng được khảo sát.

Quá Trình Hàn Ma Sát

Khuấy

Tốc độ quay n – x1

Vận tốc hàn Vh – x2

Góc nghiêng đầu dao – x3

Ứng suất kéo của mối hàn σK – y1

Lực dọc trục – y2

Lực dọc hướng hàn – y3

Hình 3. 11 Bài toán hộp đen cho quá trình nghiên cứu

Các bảng số liệu cần thực nghiệm cần thực hiện: Tiến hành thí nghiệm đơn yếu tố để kiểm tra sự phụ thuộc của mỗi thông số đến ứng suất

kéo. Khi tiến hành mỗi yếu tố thì các yếu tố khác để ở mức cơ sỡ (mức trung bình).



Bảng 3. 2 Kết quả khảo nghiệm khi n thay đổi.

stt Tốc độ quay

n(v/ph) Ứng suất kéo

σk(Mpa) Lực dọc trục

(N) Lực dọc hướng

hàn(N) 1 1250

2 1500

3 1800

Bảng 3. 3 Bảng quả khảo nghiệm khi Vh thay đổi.

Stt vận tốc hàn Vh(mm/ph)

Ứng suất kéo σk(Mpa)

Lực dọc trục (N)

Lực dọc hướng hàn(N)

1 40

2 57

3 78

Bảng 3. 4 Bảng khảo nghiệm khi thay đổi.

stt Góc nghiêng

đầu dao (độ) Ứng suất kéo

σk(Mpa) Lực dọc trục

(N) Lực dọc hướng

hàn(N)

1 1

2 2

3 3

Bảng 3. 5 Bảng khảo nghiệm thực nghiệm toàn phần 3 yếu tố

STT x1 v/ph

x2 mm/ph

x3 độ

y1 MPa

y2 N

y3 N

1 1250 40 1

2 1500 40 1

3 1800 40 1

4 1250 57 1

5 1500 57 1

6 1800 57 1

7 1250 78 1

8 1500 78 1

9 1800 78 1



10 1250 40 2

11 1500 40 2

12 1800 40 2

13 1250 57 2

14 1500 57 2

15 1800 57 2

16 1250 78 2

17 1500 78 2

18 1800 78 2

19 1250 40 3

20 1500 40 3

21 1800 40 3

22 1250 57 3

23 1500 57 3

24 1800 57 3

25 1250 78 3

26 1500 78 3

27 1800 78 3

Để kiểm tra tính thích hợp của phương trình hồi quy, tiến hành thực nghiệm 7 thí nghiệm lặp ở tâm để đánh giá các hệ số của phương trình hồi quy.

Stt y1 1y

y2 2y y3 3y

1

2

3

4

5

6

7



3.4. Phương pháp đánh giá kết quả:

Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để đánh giá dữ liệu và phương pháp tối ưu hóa để lựa chọn được bộ thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm



4. KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU

Bảng 4. 1 Bảng phân bố thời gian thực hiện luận văn

Tháng 12/2013 2/2014 4 6 8 10 12

Hoàn thành đề cương

Đồng ý luận văn

Thí nghiệm

Phân tích & xử lý kết quả

Viết báo cáo tốt nghiệp

Hoàn thành báo cáo



TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] M. a. H. S. Russell, "An analytical model of of microstructure development in friction stir welding," International Symposium on Friction Stir Welding, 1999.

[2] R. S. a. R. Kovacevic, "Thermo model of friction stir welding in a moving coordinate system and its validation," in International Symposium of Machine Tools and Manufacturing, 2003.

[3] X. G. a. J. M. W Tang, "Heat input and temperature distribution in Friction stir welding," in International Symposium on Friction Stir Welding, 1999.

[4] O. a. G. R. Midling, "Effect of Tool Shoulder Material on Heat Input During Friction Stir Welding," in 1st International Symposium on Friction Stir Welding, Thousand Oaks, CA, USA, 1999.

[5] J. a. Z. F. Gould, "Heat Flow Model for Friction Stir Welding of Aluminum Alloys," Journal of Materials Processing and Manufacturing Science, vol. 7, pp. 185-194, 1998.

[6] O. O. G. B. B. a. O. M. Frigaard, "Modelling of the Thermal and Microstructure Fields during Friction Stir Welding of Aluminum Alloys," in 1st International Symposium on Friction Stir Welding, Thousand Oaks, CA, USA, 14-16 June 1999.

[7] M. R. K. J. O. a. M. V. Song, "A Detailed Three Dimensional Transient Heat Transfer Model For Friction Stir Welding," in 6th International Trends in Welding Research Conference Proceedings, Pine Mountain, GA, 15-19 April 2002.

[8] K. Z. K. J. K. W. T. a. A. R. Linder, "Rationalization of hardness distribution in alloy 7050 friction stir welds based on weld energy, weld power, and time/temperature history," in 4th International Symposium on Friction Stir Welding, Park City, UT, USA., 14-16 May 2003.

[9] M. H. K. J. K. a. A. P. Zahedul, in 6th International Trends in Welding Research Conference Proceedings, Pine Mountain, GA, USA., 15-19 April 2002.

[10] P. a. H. S. Colegrove, "Experimental and numerical analysis of aluminium alloy 7075-T7351 friction stir welds.," Science and Technology of Welding and Joining., vol. 8, no. 5, pp. 360-368, 2003.

[11] W. X. G. J. C. M. L. E. M. a. A. N. Tang, "Heat input and temperature distribution in friction stir welding," Journal of Materials Processing and Manufacturing Science, vol. 7, pp. 163-172, 1998.



[12] P. A. a. H. R. S. Colegrove, "3-Dimensional CFD modelling of flow round a threaded friction stir welding tool profile," Journal of Materials Processing Technology, vol. 169, no. 2, pp. 320-327, 2005.

[13] H. K. D. H. Bhadeshia, "Joining of commercial aluminium alloys," INCAL 3, vol. 1, pp. 195-203, 2003.

[14] H. J. H. a. J. W. Schmidt, "An analytical model for the heat generation in friction stir welding," Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, vol. 12, no. 1, p. 143, 2004.

[15] T. Khaled, "An outsider looks at friction stir welding," Fed Aviat Admin, 2005.

[16] K. Y. L. S.-B. C. C.-Y. J. Y. Z. Hua-Bin Che, "The investigation of typical welding defects for 5456 aluminum alloy friction stir welds," Materials Science and Engineering A, vol. 433, pp. 64-69, 2006.

Documents

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC NGHIÊNG ĐẦU …rvn-vallet.org/wp-content/uploads/rvn2014/rp_khanhdat... · · 2014-05-071.3. Lợi ích và ý nghĩa của đề