Khảo Sát Ảnh Hưởng Của Biên Dạng Chốt Hàn Đến Độ Bền Kéo Trong Hàn Ma Sát

Tài liệu nghiên cứu Khảo sát ảnh hưởng của biên dạng chân đến độ bền kéo của hàn khuấy ma sát, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Tra Ngoc Tien Dat
• Người hướng dẫn: Ass. PhD Vu Cong Hoa
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Engineering Mechanics
• Đề tài: Khảo Sát Ảnh Hưởng Của Biên Dạng Chốt Hàn Đến Độ Bền Kéo Trong Hàn Ma Sát
• Loại tài liệu: master thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• ABSTRACT
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• GUARANTEE
• 1. CHAPTER 1: Background
• 1.1. Problem statement
• 1.2. Scope
• 1.3. Work Plan and Objectives
• 1.4. Organization of the Thesis
• 2. Literature Review
• 2.1. Fundamentals of Friction Stir Welding
• 2.2. Friction Stir Welding Tool
• 2.3. Coupled Eulerian Lagrangian Formulation
• 2.3.1. Lagrangian and Eulerian Analysis
• 2.3.2. Using Coupled Eulerian – Lagrangian Formulation in FSW
• 2.4. Evaluation of FSW Weld Properties
• 2.5. FSW Quality-related Parameters
• 2.6. Tool Pin Profile Design
• 2.7. Contact Interaction and Boundary Conditions
• 2.8. Mass Scaling Technique
• 2.9. Fabrication of FSWed butt-joint
• 2.10. Tensile and bending test
• 3. RESULT AND DISCUSSION
• 3.1. Numerical Model Validation
• 3.2. Inspection of the butt-joints
• 3.3. Tensile Strength Testing Result
• 3.4. Bend Testing Result
• 4. CONCLUSION AND FUTURE WORK
• 4.1. Summary the Results
• 4.2. Recommendation for Future Work
• APPENDIX A - Al6061_T6 Material Certification
• APPENDIX B – FSW Tool Drawing
• Glossary of Term

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hàn Ma Sát Giải Pháp Kết Nối Vật Liệu Tiên Tiến

Hàn ma sát khuấy (FSW) là một quy trình hàn trạng thái rắn quan trọng, được phát minh tại Viện Hàn (TWI) ở Anh vào năm 1991. Ban đầu, nó được áp dụng cho hợp kim nhôm. FSW kết nối vật liệu mà không cần nung chảy, sử dụng nhiệt từ ma sát và biến dạng dẻo. Các bề mặt được khuấy và kết nối ở trạng thái rắn, giúp tăng chất lượng mối hàn so với hàn nóng chảy. FSW giảm thiểu các vấn đề như thay đổi thể tích, độ hòa tan khí, biến dạng và ứng suất dư. FSW có nhiều ưu điểm khác, bao gồm giảm phát thải khói độc hại và khả năng hàn ở mọi hướng. Quá trình này thường được cơ giới hóa bằng lực dọc trục lớn, đòi hỏi chi phí thiết bị cao hơn nhưng giảm yêu cầu về kỹ năng và chi phí của người vận hành. Theo Thomas và cộng sự (1991), FSW mở ra nhiều khả năng mới để tạo ra các mối hàn chất lượng cao, tránh các khuyết tật thường gặp trong hàn nóng chảy.

1.1. Nguyên Lý Cơ Bản Của Hàn Ma Sát Khuấy FSW

FSW là một kỹ thuật hàn trạng thái rắn, nghĩa là nó kết nối vật liệu mà không làm chúng nóng chảy. Quá trình này sử dụng một dụng cụ không tiêu hao quay bên trong vật liệu cần hàn để làm mềm chúng cục bộ bằng nhiệt tạo ra từ ma sát và biến dạng dẻo. Khi đã mềm, các bề mặt mối nối được khuấy và kết nối, vẫn ở trạng thái rắn của chúng, vì vật liệu không đạt đến nhiệt độ nóng chảy. Điều này làm tăng chất lượng mối hàn so với hàn nóng chảy vì nó tránh được nhiều vấn đề liên quan đến quá trình hàn nóng chảy, chẳng hạn như thay đổi thể tích, độ hòa tan khí, biến dạng và ứng suất dư.

1.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Hàn Ma Sát So Với Các Phương Pháp Hàn Truyền Thống

FSW có nhiều lợi ích khác không liên quan đến chất lượng mối hàn. Nó gần như giảm thiểu việc phát thải khói độc hại trong quá trình hàn, do đó có tác động ít hơn đến môi trường so với các kỹ thuật hàn truyền thống khác. Quá trình này có thể được sử dụng ở mọi hướng vì trọng lực có tác động không đáng kể trong FSW. Quá trình này thường được cơ giới hóa bằng lực dọc trục cao của máy nên đòi hỏi chi phí thiết bị cao nhưng giảm yêu cầu về kỹ năng và chi phí của người vận hành.

II. Thách Thức Nghiên Cứu Về Biên Dạng Chốt Hàn Trong FSW

Trong thập kỷ qua, nhiều nhà nghiên cứu đã thực hiện các nghiên cứu về các thông số FSW khác nhau. Để có được quy trình FSW tối ưu, các thông số như tốc độ quay, tốc độ di chuyển, lực dọc trục, hình dạng dụng cụ đã được đánh giá trong nhiều nghiên cứu. Một số trong số đó tập trung vào biên dạng chốt hàn. Elangovan và cộng sự đã có nhiều nghiên cứu về biên dạng chốt trên hợp kim nhôm. Họ đã nghiên cứu ảnh hưởng của biên dạng chốt và tốc độ quay, tốc độ di chuyển, đường kính vai và lực dọc trục đến sự hình thành vùng xử lý ma sát khuấy. Hơn nữa, có nhiều nhà nghiên cứu khác đã nghiên cứu ảnh hưởng của biên dạng chốt đến các tính chất vi cấu trúc và cơ học của mối hàn. Không chỉ các công trình thử nghiệm, mà một số nhà nghiên cứu còn tập trung vào nghiên cứu số.

2.1. Tầm Quan Trọng Của Biên Dạng Chốt Hàn Đến Chất Lượng Mối Hàn

Hình dạng của chốt hàn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của mối hàn. Nó ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt, dòng chảy vật liệu và sự hình thành các khuyết tật. Việc tối ưu hóa hình dạng chốt hàn có thể cải thiện đáng kể độ bền kéo, độ bền mỏi và các tính chất cơ học khác của mối hàn.

2.2. Các Nghiên Cứu Về Ảnh Hưởng Của Biên Dạng Chốt Đến Tính Chất Cơ Học

Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của các hình dạng chốt khác nhau đến tính chất cơ học của mối hàn. Các nghiên cứu này thường sử dụng các phương pháp thử nghiệm như thử nghiệm kéo, thử nghiệm uốn và thử nghiệm độ cứng để đánh giá chất lượng của mối hàn.

2.3. Ứng Dụng Mô Phỏng Số Để Nghiên Cứu Biên Dạng Chốt Hàn

Các nhà nghiên cứu đã cố gắng mô hình hóa các hình dạng chốt khác nhau và nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng chốt, cũng như các thông số khác trong FSW, đến sự sinh nhiệt, phân bố ứng suất và các tính chất cơ học của mối hàn FSW. Với phân tích số, nó đã tiết kiệm được một lượng lớn thời gian, công sức và tiền bạc trong việc giảm số lượng thí nghiệm.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Mô Phỏng Thí Nghiệm Hàn Ma Sát

Nghiên cứu này kết hợp cả mô phỏng số và thí nghiệm thực tế để đánh giá ảnh hưởng của biên dạng chốt hàn đến độ bền kéo trong hàn ma sát. Mô hình số được xây dựng bằng phần mềm Abaqus, sử dụng kỹ thuật Coupled Eulerian Lagrangian (CEL). Thí nghiệm được thực hiện trên hợp kim nhôm AA6061-T6 với bốn biên dạng chốt khác nhau. Nhiệt độ trong quá trình hàn được theo dõi và so sánh với kết quả mô phỏng để xác thực mô hình. Các tính chất cơ học và vi cấu trúc của mối hàn được phân tích để đánh giá chất lượng.

3.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Số Bằng Kỹ Thuật CEL

Kỹ thuật CEL cho phép mô phỏng chính xác sự biến dạng lớn và dòng chảy vật liệu trong quá trình FSW. Mô hình bao gồm cả dụng cụ hàn và phôi, với các điều kiện biên và tương tác tiếp xúc được xác định cẩn thận. Vật liệu được mô hình hóa bằng các mô hình vật liệu phù hợp, bao gồm cả ảnh hưởng của nhiệt độ.

3.2. Thiết Kế Thí Nghiệm Với Các Biên Dạng Chốt Hàn Khác Nhau

Bốn biên dạng chốt khác nhau được chọn dựa trên các nghiên cứu trước đây và khả năng gia công. Các thông số hàn được giữ cố định để đảm bảo so sánh công bằng giữa các biên dạng chốt. Thí nghiệm được thực hiện trên máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng.

3.3. Đánh Giá Chất Lượng Mối Hàn Thông Qua Thử Nghiệm Kéo Phân Tích Vi Cấu Trúc

Thử nghiệm kéo được thực hiện để xác định độ bền kéo của mối hàn. Phân tích vi cấu trúc được thực hiện bằng kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét để quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn và các vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Biên Dạng Chốt Đến Độ Bền Kéo

Kết quả nghiên cứu cho thấy biên dạng chốt hàn có ảnh hưởng đến độ bền kéo của mối hàn, mặc dù sự khác biệt không quá lớn. Mô hình mô phỏng cho kết quả phân bố nhiệt độ khá chính xác so với thí nghiệm. Phân tích vi cấu trúc cho thấy sự khác biệt về kích thước hạt và hình dạng ở các vùng khác nhau của mối hàn. Hiệu suất mối hàn đạt khoảng 78%.

4.1. So Sánh Kết Quả Mô Phỏng Thí Nghiệm Về Phân Bố Nhiệt Độ

Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố nhiệt độ tương tự như kết quả thí nghiệm, với nhiệt độ cao nhất tập trung ở vùng khuấy. Sự khác biệt giữa mô phỏng và thí nghiệm có thể do các yếu tố như ma sát giữa dụng cụ và phôi, và sự truyền nhiệt đến môi trường xung quanh.

4.2. Phân Tích Vi Cấu Trúc Mối Hàn Với Các Biên Dạng Chốt Khác Nhau

Phân tích vi cấu trúc cho thấy vùng khuấy có cấu trúc hạt mịn hơn so với vùng ảnh hưởng nhiệt và kim loại cơ bản. Kích thước hạt và hình dạng hạt khác nhau tùy thuộc vào biên dạng chốt hàn, cho thấy ảnh hưởng của biên dạng chốt đến quá trình biến dạng dẻo và tái kết tinh.

4.3. Đánh Giá Độ Bền Kéo Hiệu Suất Mối Hàn Với Từng Biên Dạng Chốt

Kết quả thử nghiệm kéo cho thấy độ bền kéo của mối hàn khác nhau tùy thuộc vào biên dạng chốt hàn. Một số biên dạng chốt cho độ bền kéo cao hơn so với các biên dạng chốt khác. Hiệu suất mối hàn đạt khoảng 78%, cho thấy chất lượng mối hàn tốt.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Triển Vọng Của Nghiên Cứu Hàn Ma Sát

Nghiên cứu này cung cấp thông tin hữu ích cho việc tối ưu hóa biên dạng chốt hàn trong hàn ma sát hợp kim nhôm. Kết quả có thể được sử dụng để cải thiện chất lượng mối hàn và tăng độ bền kéo. Nghiên cứu này cũng mở ra hướng nghiên cứu mới về ảnh hưởng của các thông số hàn khác đến chất lượng mối hàn.

5.1. Ứng Dụng Kết Quả Nghiên Cứu Để Tối Ưu Hóa Quy Trình Hàn Ma Sát

Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để lựa chọn biên dạng chốt hàn phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể. Việc tối ưu hóa biên dạng chốt có thể giúp cải thiện chất lượng mối hàn, giảm thiểu khuyết tật và tăng độ bền kéo.

5.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Hàn Ma Sát Biên Dạng Chốt

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hàn khác, chẳng hạn như tốc độ quay, tốc độ di chuyển và lực dọc trục, đến chất lượng mối hàn. Ngoài ra, có thể nghiên cứu các biên dạng chốt phức tạp hơn để cải thiện hơn nữa độ bền kéo và các tính chất cơ học khác của mối hàn.

VI. Kết Luận Tối Ưu Biên Dạng Chốt Hàn Nâng Cao Độ Bền Kéo

Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của biên dạng chốt hàn đến độ bền kéo trong hàn ma sát hợp kim nhôm AA6061-T6. Kết quả cho thấy biên dạng chốt có ảnh hưởng đến độ bền kéo, và việc tối ưu hóa biên dạng chốt có thể giúp cải thiện chất lượng mối hàn. Mô hình mô phỏng cho kết quả phân bố nhiệt độ khá chính xác so với thí nghiệm.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Chính Về Ảnh Hưởng Của Biên Dạng Chốt

Các biên dạng chốt khác nhau tạo ra các vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và vùng khuấy (SZ) khác nhau, ảnh hưởng đến độ bền kéo của mối hàn. Một số biên dạng chốt tạo ra mối hàn có độ bền kéo cao hơn so với các biên dạng chốt khác.

6.2. Đề Xuất Các Bước Tiếp Theo Để Nghiên Cứu Sâu Hơn Về Hàn Ma Sát

Nghiên cứu sâu hơn có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số hàn khác, chẳng hạn như tốc độ quay, tốc độ di chuyển và lực dọc trục, để cải thiện hơn nữa chất lượng mối hàn. Ngoài ra, có thể nghiên cứu các vật liệu khác và các ứng dụng khác của hàn ma sát.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hợp kim nhôm AA6061-T6 sở hữu giới hạn bền kéo 296 MPa, giới hạn chảy 242 MPa và độ giãn dài 14%, đóng vai trò then chốt trong các ngành công nghiệp hàng không, đóng tàu, đường sắt và chế tạo ô tô. Tuy nhiên, khi sử dụng các phương pháp hàn nóng chảy truyền thống như MIG hoặc TIG, vật liệu này thường gặp phải các khuyết tật nghiêm trọng như rỗ khí, nứt nóng và suy giảm cơ tính tới 40% đến 50% tại vùng chịu ảnh hưởng nhiệt. Công nghệ hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW), được phát minh bởi Viện Hàn Hoàng gia Anh (TWI) năm 1991, là phương pháp liên kết thể rắn không làm nóng chảy kim loại nền, giúp hạn chế triệt để hiện tượng bay hơi nguyên tố và biến dạng nhiệt.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là khảo sát sự ảnh hưởng của biên dạng chốt hàn (tool pin profile) đến quá trình sinh nhiệt, dòng chảy dẻo của kim loại và độ bền kéo của liên kết hàn giáp mối nhôm AA6061-T6 dày 3 mm. Mục tiêu cụ thể bao gồm việc thiết kế, chế tạo 4 loại đầu chốt hàn khác nhau, xây dựng mô hình mô phỏng số nhiệt - cơ bằng kỹ thuật Coupled Eulerian Lagrangian (CEL) trên phần mềm Abaqus, đồng thời tiến hành thực nghiệm kiểm chứng tại Phòng thí nghiệm Hàn ma sát khuấy, Trường Đại học Nha Trang và Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM trong giai đoạn từ tháng 9/2022 đến tháng 12/2022. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng chuẩn xác, ghi nhận hiệu suất mối hàn đạt khoảng 78% độ bền kim loại gốc, hỗ trợ đắc lực cho việc làm chủ công nghệ FSW trong sản xuất cơ khí chính xác tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết biến dạng dẻo kim loại ở trạng thái thể rắn và truyền nhiệt phi tuyến trong quá trình ma sát khuấy. Hành vi chảy dẻo của hợp kim nhôm AA6061-T6 chịu tác động đồng thời của nhiệt độ và tốc độ biến dạng lớn được mô tả thông qua mô hình vật liệu Johnson-Cook với các thông số đặc trưng: giới hạn chảy ban đầu A = 324 MPa, hệ số tăng bền biến dạng B = 114 MPa, số mũ biến cứng n = 0.42, hệ số nhạy tốc độ biến dạng C = 0.002, số mũ làm mềm nhiệt m = 1.34 tại nhiệt độ phòng 24°C và nhiệt độ nóng chảy 583°C.

Về mô hình hóa số, phương pháp phần tử hữu hạn tương tác Euler - Lagrange kết hợp (Coupled Eulerian Lagrangian - CEL) được triển khai trên nền tảng Abaqus/Explicit. Kỹ thuật CEL gán lưới Euler cho phôi nhôm (31.900 phần tử EC3D8RT kết hợp nhiệt - cơ 8 nút) và lưới Lagrange cho dụng cụ hàn bằng thép H13 (11.540 đến 16.516 phần tử C3D10). Sự sinh nhiệt được xác định qua định luật dẫn nhiệt Fourier, trong đó hệ số chuyển đổi công ma sát thành nhiệt lượng đạt 100% (hệ số ma sát Coulomb 0.8) và tỷ lệ chuyển đổi biến dạng dẻo thành nhiệt đạt 90%. Quá trình trao đổi nhiệt môi trường được kiểm soát với hệ số đối lưu 25 W/m²K ở mặt trên và 4000 W/m²K tại bề mặt tiếp xúc tấm lót đáy. Cấu trúc mối hàn được phân tích theo 4 vùng chuyển tiếp: Kim loại gốc (BM), Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), Vùng ảnh hưởng nhiệt - cơ (TMAZ) và Vùng khuấy (SZ/Weld Nugget).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp song song giữa mô phỏng phần tử hữu hạn và thực nghiệm trên máy phay đứng CNC Mazak V550 có công suất trục chính 30 HP. Vật liệu thực nghiệm là tấm nhôm AA6061-T6 dày 3 mm với kích thước phôi 130 x 110 x 5 mm (bao gồm 2 mm vùng không gian trống để bắt bavia). Dụng cụ hàn được gia công từ thép hợp kim H13 nhiệt luyện đạt độ cứng 50-55 HRC.

Bốn biên dạng chốt hàn được thiết kế và khảo sát gồm: Dụng cụ 1 (trụ ren - Cylindrical thread), Dụng cụ 2 (côn ren - Tapered thread), Dụng cụ 3 (tam giác vát phẳng côn ren - Tri-flat tapered thread) và Dụng cụ 4 (trụ trơn - Cylindrical). Chế độ công nghệ hàn được thiết lập chuẩn xác: tốc độ quay trục chính 800 vòng/phút, tốc độ dịch chuyển bàn máy 100 mm/phút, tốc độ cắm chốt 5 mm/phút, thời gian dừng xoay ổn định 2 giây và tổng chu kỳ thực hiện 60 giây. Nhiệt độ phân bố được đo đạc trực tiếp bằng 2 can nhiệt tiếp xúc loại K (Thermocouple type K) kết nối bộ ghi dữ liệu Data logger tại vùng SZ và HAZ. Cơ tính cơ học được đánh giá qua mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM E8-04, thử uốn 3 điểm và đo độ cứng tế vi Micro Vickers với tải trọng 200 gf trong 10 giây. Phương pháp phân tích CEL và kỹ thuật phóng đại khối lượng (Mass Scaling hệ số 10^5) được lựa chọn để triệt tiêu hiện tượng méo lưới khi biến dạng cực hạn và rút ngắn thời gian tính toán mô phỏng hơn 70%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, mô hình mô phỏng số CEL tái hiện chính xác diễn biến trường nhiệt độ thực tế trong suốt chu trình hàn 60 giây. Nhiệt độ đỉnh tại vùng khuấy (SZ) đạt giá trị cực đại từ 380°C đến 480°C (tương đương 65% đến 82% nhiệt độ nóng chảy của nhôm 583°C), trong khi tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) dao động quanh mức 250°C đến 320°C. Dụng cụ 3 (tam giác vát phẳng côn ren) tạo ra mức nhiệt cao nhất do diện tích quét động lớn và ma sát tăng cường.

Thứ hai, tất cả các mẫu hàn đối đầu đều đạt chất lượng liên kết tốt, bề mặt vảy hàn đều đặn, không xuất hiện khuyết tật lỗ hổng ngầm (tunnel defect) hoặc rãnh khuyết bề mặt. Thử nghiệm kéo cơ học ghi nhận độ bền kéo trung bình của các mối hàn đạt xấp xỉ 230 MPa, đạt hiệu suất liên kết khoảng 78% so với độ bền 296 MPa của kim loại gốc AA6061-T6. Vị trí phá hủy kéo đều tập trung tại vùng ranh giới TMAZ/HAZ phía bên lùi (Retreating Side).

Thứ ba, sự sai khác về độ bền kéo tĩnh giữa 4 biên dạng chốt hàn ở cùng chế độ công nghệ 800 vòng/phút và 100 mm/phút là không đáng kể (chênh lệch dưới 4%), chứng minh thể tích vật liệu chảy dẻo trong vùng khuấy đối với tấm mỏng 3 mm đã đạt trạng thái bão hòa điền đầy.

Thứ tư, biên dạng độ cứng tế vi dọc tiết diện ngang thể hiện quy luật hình chữ "W" kinh điển. Độ cứng thấp nhất ghi nhận tại vùng HAZ và TMAZ (đạt khoảng 55-65 HV), giảm khoảng 28% đến 35% so với kim loại gốc 90 HBN, phản ánh hiện tượng hòa tan và thô đại hóa pha tiết biến cứng Mg2Si dưới tác động nhiệt.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng sinh nhiệt trong công nghệ FSW chủ yếu được điều khiển bởi lực ma sát của vai hàn (shoulder) chiếm khoảng 80% đến 85% tổng nhiệt lượng, trong khi chốt hàn (pin) đóng vai trò chủ đạo trong việc cắt gọt, thúc đẩy dòng chảy dẻo và tái cấu trúc hạt. Dữ liệu nhiệt độ theo thời gian (0-60 giây) từ mô phỏng CEL và thực nghiệm can nhiệt type K có độ tương thích cao với sai số dưới 8%, khẳng định độ tin cậy của mô hình số.

Các kết quả kiểm tra tổ chức tế vi quang học cho thấy vùng khuấy (SZ) xuất hiện các hạt tinh thể đẳng trục siêu mịn (kích thước khoảng 3-8 µm) được hình thành nhờ quá trình tái kết tinh động liên tục (Dynamic Recrystallization), trái ngược với cấu trúc hạt thô dài của kim loại nền (BM). Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu trước đây trên hợp kim nhôm hệ Al-Mg-Si. Biểu đồ ứng suất - biến dạng kéo và biểu đồ lực - chuyển vị uốn 3 điểm minh chứng các mối hàn đều đạt góc uốn 180 độ mà không xuất hiện vết nứt tế vi ở mặt chân và mặt gốc mối hàn.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng thực tiễn của công nghệ hàn ma sát khuấy trên hợp kim nhôm, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị then chốt:

1. Mở rộng ma trận thực nghiệm theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm (DOE): Các kỹ sư và nhà nghiên cứu nên khảo sát thêm dải thông số tốc độ quay từ 600 đến 1500 vòng/phút và tốc độ hàn từ 50 đến 250 mm/phút. Việc nới rộng phạm vi thông số sẽ giúp phân hóa rõ rệt hơn hiệu quả khuấy trộn cơ học của chốt tam giác vát phẳng so với chốt trụ tròn truyền thống.

2. Áp dụng quy trình xử lý nhiệt sau hàn (Post-Weld Heat Treatment - PWHT): Doanh nghiệp sản xuất cần triển khai nhiệt luyện nhân tạo trạng thái T6 (nung ở 175°C trong 8 giờ) sau khi hàn. Giải pháp này giúp tái kết tủa các hạt phân tán mịn Mg2Si, nâng mục tiêu hiệu suất mối hàn từ 78% lên trên 88% - 92% trong vòng 3 đến 6 tháng thử nghiệm sản xuất.

3. Tối ưu hóa bề mặt và vật liệu dụng cụ hàn: Sử dụng công nghệ phủ màng mỏng TiAlN hoặc thấm nitơ plasma cho thép H13 để tăng độ cứng bề mặt lên trên 65 HRC. Mục tiêu nhằm gia tăng tuổi thọ làm việc của đầu chốt hàn đạt trên 1200 mét chiều dài đường hàn liên tục, giảm thiểu chi phí hao mòn khuôn mẫu.

4. Phát triển mô hình mô phỏng CEL tích hợp ứng suất dư: Các nhóm nghiên cứu cơ học tính toán cần mở rộng mô hình Abaqus/Explicit sang giai đoạn nguội hoàn toàn để dự đoán trường ứng suất dư và độ cong vênh kết cấu của tấm nhôm sau hàn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là nguồn tài liệu chuyên sâu và thực tế cho 4 nhóm đối tượng:

• Kỹ sư thiết kế và công nghệ hàn trong ngành đóng tàu, ô tô và hàng không: Nắm vững nguyên lý thiết kế chốt hàn ma sát khuấy, thông số vận hành máy CNC để thay thế công nghệ hàn nóng chảy, giảm 30% trọng lượng kết cấu và triệt tiêu khuyết tật nứt.
• Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Cơ kỹ thuật, Cơ học vật rắn: Khai thác phương pháp thiết lập mô phỏng Coupled Eulerian Lagrangian (CEL) trong phần mềm Abaqus, áp dụng mô hình Johnson-Cook và kỹ thuật Mass Scaling để giải quyết bài toán tiếp xúc phi tuyến biến dạng lớn.
• Quản lý kỹ thuật tại các nhà máy chế tạo cơ khí chính xác: Tham khảo các tiêu chuẩn thử nghiệm cơ tính (ASTM E8-04, uốn 3 điểm, đo độ cứng Micro Vickers) để xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng (QA/QC) mối hàn tấm nhôm kết cấu mỏng.
• Giảng viên và cơ sở đào tạo chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí / Khoa học Vật liệu: Bổ sung nguồn tài liệu tham khảo bài giảng thực tiễn về công nghệ hàn thể rắn tiên tiến và kỹ thuật mô phỏng số nhiệt - cơ kết hợp.

Câu hỏi thường gặp

• Công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW) mang lại ưu thế gì vượt trội so với hàn hồ quang truyền thống trên hợp kim nhôm AA6061-T6? FSW là công nghệ hàn thể rắn hoạt động ở nhiệt độ 380°C - 480°C, thấp hơn điểm nóng chảy 583°C của nhôm. Phương pháp này loại bỏ hoàn toàn các khuyết tật nóng chảy như rỗ khí, nứt nóng và cháy thủng, đồng thời giúp liên kết đạt hiệu suất chịu kéo xấp xỉ 78% mà không cần khí bảo vệ hay kim loại điền đầy.

• Vì sao kỹ thuật Coupled Eulerian Lagrangian (CEL) lại được ưu tiên sử dụng trong mô phỏng FSW trên Abaqus? Kỹ thuật CEL cho phép phôi nhôm chảy dẻo tự do qua lưới Euler mà không làm biến dạng hay méo phần tử, trong khi dụng cụ hàn được mô hình hóa bằng miền Lagrange cứng. Phương pháp này mô tả chính xác tương tác tiếp xúc ma sát, sự sinh nhiệt và dòng chảy kim loại mà phương pháp CFD hay ALE truyền thống khó đạt được.

• Bốn loại biên dạng chốt hàn được khảo sát trong nghiên cứu gồm những loại nào? Bốn biên dạng được chế tạo từ thép H13 gồm: Chốt trụ ren (Tool 1), Chốt côn ren (Tool 2), Chốt tam giác vát phẳng côn ren (Tool 3) và Chốt trụ trơn (Tool 4). Các biên dạng này được lựa chọn dựa trên sự khác biệt về tỷ lệ thể tích động/thể tích tĩnh nhằm tối ưu hóa khả năng khuấy trộn vật liệu.

• Tại sao độ bền kéo giữa 4 loại chốt hàn không có sự khác biệt quá lớn trong kết quả thực nghiệm? Ở chế độ hàn cố định (800 vòng/phút và 100 mm/phút) trên tấm mỏng 3 mm, cả 4 chốt đều tạo đủ nhiệt lượng và áp lực nén để vật liệu đạt độ dẻo hoàn hảo, không sinh ra lỗ rỗng bên trong. Do đó, độ bền kéo tĩnh đều đạt ngưỡng bão hòa xấp xỉ 230 MPa với hiệu suất đồng đều khoảng 78%.

• Kỹ thuật phóng đại khối lượng (Mass Scaling) đóng vai trò gì trong quá trình tính toán mô phỏng? Kỹ thuật Mass Scaling nhân tỷ trọng giả định lên 100.000 lần (10^5) kết hợp hiệu chỉnh nhiệt dung riêng tương ứng để duy trì hằng số thời gian nhiệt. Giải pháp này làm tăng bước thời gian tích phân ổn định của bộ giải Abaqus/Explicit, giúp giảm hơn 70% thời gian tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác trường nhiệt.

Kết luận

• Chế tạo thành công 4 loại dụng cụ hàn ma sát khuấy từ thép H13 đạt độ cứng 50-55 HRC và thực hiện mối hàn giáp mối hoàn chỉnh trên nhôm AA6061-T6 dày 3 mm.
• Mối hàn đạt chất lượng liên kết cơ học cao, bề mặt đồng đều, độ bền kéo trung bình đạt xấp xỉ 230 MPa (tương đương hiệu suất 78% so với kim loại gốc 296 MPa).
• Mô hình mô phỏng số Coupled Eulerian Lagrangian (CEL) trên Abaqus dự đoán trường phân bố nhiệt độ chính xác với sai số dưới 8% so với thực nghiệm can nhiệt type K (nhiệt độ đỉnh 380°C - 480°C).
• Phân tích tế vi và độ cứng làm rõ cấu trúc hạt tái kết tinh siêu mịn (3-8 µm) tại vùng khuấy (SZ) và biên dạng độ cứng chữ "W" với độ cứng suy giảm 28-35% tại vùng HAZ/TMAZ.
• Khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng máy phay CNC Mazak V550 trong công nghệ hàn FSW, mở ra tiềm năng thương mại hóa rộng rãi cho các ngành công nghiệp phụ trợ.

Trong giai đoạn tiếp theo (6-12 tháng tới), các đơn vị sản xuất và viện nghiên cứu nên đẩy mạnh thử nghiệm tối ưu hóa đa thông số trên các chiều dày phôi nhôm lớn hơn, kết hợp xử lý nhiệt T6 sau hàn nhằm đưa công nghệ hàn ma sát khuấy vào dây chuyền chế tạo kết cấu thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY TRA NGOC TIEN DAT INVESTIGATION ON THE EFFECT OF PIN PROFILE ON TENSILE STRENGTH OF FRICTION STIR WELDING Major Subject: Engineering Mechanics Codes: 8520101 MASTER THESIS HO CHI MINH CITY, January 2023 THIS RESEARCH IS COMPLETED AT HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU HCM Instructor: Ass. PhD Vu Cong Hoa PhD. Duong Dinh Hao Examiner 1: PhD. Mai Duc Dai Examiner 2: PhD.

Nguyen Tuong Long Master’s thesis is defended at HCMC University of Technology, VNU HCM on January 11, 2023. The Board of Master’s thesis defense council includes: 1. PhD Ngo Kieu Nhi 2. Pham Bao Toan 3.

Counter-Argument member 1: PhD. Mai Duc Dai 4. Counter-Argument member 2: PhD. Pham Tan Hung 5.

Council Member: PhD. Nguyen Tuong Long Verification of the chairman of the master’s thesis defense council and the Dean of the Faculty of Applied Science after the thesis is correct (if any). DEAN OF FACULTY OF CHAIRMAN OF THE COUNCIL APPLIED SCIENCE (Full name and signature) (Full name and signature) i VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HCMC SOCIALIST REPULIC OF VIETNAM VNUHCM UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Independent – Liberty – Happiness MASTER’S THESIS ASSIGNMENTS Full name: Tra Ngoc Tien Dat Leaner ID: 2070067 Date of birth: 10/10/1997 Place of birth: Quang Ngai Major: Engineering mechanics Major ID: 8520101 I. TITLE: INVESTIGATION ON THE EFFECT OF PIN PROFILE ON TENSILE STRENGTH OF FRICTION STIR WELDING/ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG BIÊN DẠNG CHỐT HÀN ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY II.

ASSIGMENTs: - Research about the principle of friction stir welding process. - Design and fabricate friction stir welding tools with different pin profile. - Initialize the simulation model for friction stir welding process in Abaqus software. - Conduct the friction stir welding experiment with aluminum alloy AA6061- T6.

- Evaluate and analyze the effect of pin profiles on the tensile strength of the welds and other mechanical properties. ASSIGMENT DELIVERY DATE: September 05, 2022 IV. ASSIGMENT COMPLETING DATE: December 18, 2022 V. PhD VU CONG HOA PhD DUONG DINH HAO Ho Chi Minh City, January 11, 2023 INSTRUCTOR 1 INSTRUCTOR 2 (Full name and signature) (Full name and signature) Ass.

PhD Vu Cong Hoa PhD. Duong Dinh Hao ii HEAD OF DEPARTMENT DEAN OF FACULTY (Full name and signature) (Full name and signature) Ass. PhD Vu Cong Hoa. PhD Truong Tich Thien iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn đến hai người thầy đã hướng dẫn tôi trong luận văn này là PGS TS Vũ Công Hoà và TS Dương Đình Hảo.

Cảm ơn hai thầy đã cho tôi những định hướng, phương pháp nghiên cứu, cũng như sự hỗ trợ hết sức nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến: - Bộ môn Cơ kỹ thuật, khoa Khoa học ứng dụng, trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã cung cấp những kiến thức và kinh nghiệm trong thời gian 2 năm tôi theo học tại đây. TS Trần Hưng Trà và phòng thí nghiệm Hàn ma sát khuấy, trường Đại học Nha Trang, đã hỗ trợ trong việc thực hiện thí nghiệm hàn, cũng như việc đánh giá chất lượng mối hàn.

- Những đồng nghiệp, bạn bè ở Khoa Cơ khí, cũng như trường Đại học Bách Khoa, đã hỗ trợ trong việc thiết kế, chế tạo các chốt hàn. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đén gia đình, người thân, đã luôn đồng hành, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian qua. Người thực hiện Trà Ngọc Tiến Đạt iv ABSTRACT Friction stir welding is now widely applied in material joining applications, in many fields such as aerospace, marine, railway. In this method, tool pin profile has great impact on the quality of the weld.

This study will present the investigation on the effect of different pin profiles on the quality of FSW joint, particularly in tensile strength. The numerical model is developed with Coupled Eulerian Lagrangian technique in Abaqus software. The heat generation is validated by experimental work. The evaluation of mechanical properties of the weld, including tensile strength, bending strength and hardness was performed.

The macrostructure and microstructure analysis were also conducted. As a result, FSW joint had been successful made in which investigated tools with joint efficiency around 78%. However, the effect of different tool pin profiles on the tensile strength is not clearly observed. The numerical model is good for prediction the temperature distribution in FSW process with a quite accuracy compared with experimental results.

v TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Hàn ma sát khuấy ngày càng được áp dụng rộng rãi trong ứng dụng hàn hay kết nối vật liệu với nhau, ứng dụng trong các ngành hàng không, vũ trụ, tàu thuỷ, … Trong phương pháp hàn ma sát, biên dạng chốt hàn đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra một mối hàn đạt chất lượng. Luận văn này sẽ trình bày khảo sát ảnh hưởng của các biên dạng chốt hàn khác nhau lên chất lượng của mối hàn ma sát, cụ thể là độ bền kéo. Mô hình mô phỏng số cũng được xây dựng bằng phần mềm Abaqus, sử dụng kỹ thuật mô hình hoá Coupled Eulerian Lagrangian. Sự sinh nhiệt trong quá trình hàn, sẽ được kiểm tra bằng kết quả thí nghiệm.

Cơ tính mối hàn, gồm độ bền kéo, độ bền uốn và độ cứng mối hàn được đánh giá. Việc khảo sát cấu trúc thô đại và cấu trúc tế vi của mối hàn cũng đã được thực hiện. Với các biên dạng đầu hàn dùng trong khảo sát này, các mối hàn ma sát khuấy đã được tạo ra với chất lượng đạt yêu cầu, với hiệu suất hàn khoảng 78%. Tuy nhiên, ảnh hưởng của các biên dạng chốt hàn khác nhau chưa được thấy rõ.

Mô hình mô phỏng đã cho ra sự phân bố nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát khuấy với độ tin cậy cao. vi GUARANTEE I hereby declare that the master’s thesis, “Investigation on The Effect of Pin Profile on Tensile Strength of Friction Stir Welding” is my independent scientific study. The numerical and experimental data in this thesis was conducted based on my effort, with strong support from Assoc. Vu Cong Hoa and Dr.

Duong Dinh Hao. All references have been clearly cited. The research data in the topic is honest and absolutely not copy or use the results of other research topics. If there is a copy found, I will fully assume all responsibility.

Author Tra Ngoc Tien Dat vii CONTENT CONTENT. vii List of Figures .x List of Tables. Work Plan and Objectives:. Organization of the Thesis.

Fundamentals of Friction Stir Welding. Heat Generation in Friction Stir Welding. Friction Stir Welding Tool. Coupled Eulerian Lagrangian Formulation.

Lagrangian and Eulerian Analysis [13]. Using Coupled Eulerian – Lagrangian Formulation in FSW. Evaluation of FSW Weld Properties. FSW Quality-related Parameters.

Tool Pin Profile Design. Contact Interaction and Boundary Conditions. Mass Scaling Technique. Fabrication of FSWed butt-joint.

Tensile and bending test. RESULT AND DISCUSSION. Numerical Model Validation. Inspection of the butt-joints.

Tensile Strength Testing Result. Bend Testing Result. CONCLUSION AND FUTURE WORK. Summary the Results.

Recommendation for Future Work .54 APPENDIX A - Al6061_T6 Material Certification.56 APPENDIX B – FSW Tool Drawing .57 x List of Figures Figure 2-1 A schematic drawing of friction stir welding in a butt joint configuration .6 Figure 2-2 Typical conventional FSW transverse section in 25.4-mm thick 2195 aluminum-lithium plate.8 Figure 2-3 Schematic of FSW process.8 Figure 2-4 Image courtesy of Stirweld company.10 Figure 2-5 Shoulder geometries [10] .11 Figure 2-6 FSW Pin Profiles .12 Figure 2-7 DOE FSW Process schematic .16 Figure 2-8 Specimen dimension for tensile testing.17 Figure 2-9 3-point flexure test [19] .17 Figure 3-1 Investigated tool pin profiles .18 Figure 3-2 Tool and workpiece assembly with void and material assigned regions.19 Figure 3-3 Eulerian Mesh (Workpiece) .21 Figure 3-4 Velocity boundary conditions on the workpiece .23 Figure 4-1 Aluminum plates before welding.26 Figure 4-2 Fabricated FSW Tools.27 Figure 4-3 Mazak V500 machine .28 Figure 4-4 Overview of fabricating FSWed butt-joint.28 Figure 4-5 Image of FSW process.29 Figure 4-6 Temperature measurement equipment: (a) Datalogger; (b) Thermocouple type K .29 Figure 4-7 Microstructure analysis equipment.30 Figure 4-8 Hardness measurement in Nha Trang University .30 Figure 4-9 Cutting layout for testing specimens.31 Figure 4-10 Tensile strength testing specimens.31 Figure 4-11 Specimens for bend testing.32 Figure 4-12 Tensile testing process .32 xi Figure 4-13 Bending testing process .32 Figure 5-1 Temperature recording position.33 Figure 5-2 Heat generation - Tool 1.33 Figure 5-3 Heat generation - Tool 2.34 Figure 5-4 Heat generation - Tool 3.34 Figure 5-5 Heat generation - Tool 4.35 Figure 5-6 Modeling of the temperature distribution at 31s (a) Tool 1, (b) Tool 2, (c) Tool 3, (d) Tool 4 .36 Figure 5-7 Modeling of the temperature distribution at 31s (a) Tool 1, (b) Tool 2, (c) Tool 3, (d) Tool 4 .36 Figure 5-8 Modeling of the temperature distribution at 60s (a) Tool 1, (b) Tool 2, (c) Tool 3, (d) Tool 4 .37 Figure 5-9 Temperature distribution along the cross-section at the end of plunging phase (step time: 31s) .37 Figure 5-10 Experimental result and FEM result comparison.38 Figure 5-11 A finished FSW joint .40 Figure 5-12 Face of the welds .41 Figure 5-13 Root of the welds.41 Figure 5-14 Macrostructure of cross-section of the welds .42 Figure 5-15 Representative microstructures of cross-section of specimen produced by Tool 3. (a) Cross-section macrostructure; (b) Microstructure of Base metal zone; (c) Microstructure of Stir zone; (d) Microstructure of Thermal-mechanically affected zone; (e) Microstructure of Heat affected zone.42 Figure 5-16 Comparison in microstructure at SZ and HAZ produced by various tools.43 Figure 5-17 Hardness distribution measured along center weld at various tools.44 Figure 5-18 Stress-strain curve of specimens produced by various tools.45 Figure 5-19 Fracture position of tested specimens (welded by Tool 1) .45 Figure 5-20 Fracture position of tested specimens (welded by Tool 2) .46 Figure 5-21 Fracture position of tested specimens (welded by Tool 3) .46 xii Figure 5-22 Fracture position of tested specimens (welded by Tool 4) .46 Figure 5-23 Tensile strength property comparison and joint efficiency of the welds.47 Figure 5-24 After bending specimens - Face bend .48 Figure 5-25 After bending specimens – Root bend .48 Figure 5-26 Force – Displacement Bending Curve of Tool 1 .49 Figure 5-27 Force – Displacement Bending Curve of Tool 2 .49 Figure 5-28 Force – Displacement Bending Curve of Tool 3 .50 Figure 5-29 Force – Displacement Bending Curve of Tool 4 .50 Figure 5-30 Bending properties of FSW joints with 4 pin profiles.51 xiii List of Tables Table 1 Dynamic/static volume of tool pin profiles.18 Table 2 Constants used in the Johnson Cook material model [21] .20 Table 3 Variation of the physical properties of AA6061-T6 with temperature [20] 20 Table 4 H13 steel properties [22] .21 Table 5 Chemical composition of AA6061-T6 (mass percentage) .26 Table 6 Mechanical properties of AA6061-T6 .26 Table 7 Mazak V550 specifications .27 Table 8 Numerical and experimental result of temperature .38 Table 9 Tensile strength test results (in MPa).47 Table 10 Bend testing results (in MPa) .51 xiv Glossary of Term FSW – Friction Stir Welding CEL – Coupled Eulerian – Lagrangian AA – Alloy Aluminum HAZ – Heat-affected zone TMAZ – Thermal-mechanically affected zone BM – Base metal SZ – Stirring zone MZ – Mix zone EVF – Eulerian Volume Fraction L – Length W – Width T – Thickness 1 CHAPTER 1. Background Metals joining processes can be divided into four basis categories: fusion welding; brazing and soldering; adhesive bonding; and solid-state bonding.