Chương 1 Trang 16 Chương 2: Cơ sở lý thuyết của quá trình hàn ma sát khuấy và ứng dụng vào các loại vật liệu 2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình hàn ma sát khuấy: 2.1 Quá trình truyền nhiệt trong khi hàn: 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.[19] Những nghiên cứu thực nghiệm gần đây đã cho thấy rằng nguồn nhiệt sinh ra chủ yếu ở bề mặt vai và phôi. 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 Chương 2 Trang 17 nhiệt quanh dụng cụ khoảng từ 2 20%, nhiệt độ tối đa khi hàn các hợp kim nhôm là từ 450oC đến 480oC.[21] Vùng gần sát với đầu khuấy là gần như đẳng nhiệt và nhiệt độ tối đa có thể ở tại ranh giới cắt [4] 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 .1Lượng 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. 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. Đối với mối hàn thông thường bắt đầu từ ngoài vùng vật liệu hàn, có thể chia quá trình hàn ma sát khuấy thành 3 giai đoạn sau: Giai đoạn đầu mối hàn: Trong giai đoạn này, dụng cụ xoay từ ngoài vùng vật liệu, chạm vào vật liệu phôi cần hàn tại mối ghép. Ban đầu do cần phải tác dụng một lực lớn để thắng ma sát nghỉ, hệ số ma sát cao (0,4 ÷ 0,5), moment xoắn và lực tịnh tiến tới của dụng cụ cần đủ lớn để đầu khuấy có thể xâm nhập vào phía trong của phôi.
Do hệ số ma sát cao nên trong giai đoạn này lượng nhiệt truyền từ dụng cụ hàn đến chi tiết gia công lớn, vật liệu ngay tại vị trí tiếp xúc được nung nóng trước tiên và truyền nhiệt vào phía trong. Vật liệu tiếp xúc được nung nóng và chảy dẻo, di chuyển theo chiều quay của dụng cụ hàn. Chương 2 Trang 18 Giai đoạn mối hàn ổn định: Sau khi dụng cụ hoàn toàn vào phía trong vật liệu hàn, giai đoạn hàn trở nên ổn định. Hệ số ma sát lúc này cũng giảm xuống (khoảng 0.3), lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu hàn cũng ổn định, bao gồm lượng nhiệt được truyền từ đầu khuấy dụng cụ và vai dụng cụ và thêm phần nhiệt truyền ngược trở lại từ tấm lót bên dưới.1 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình hàn [27] Giai đoạn cuối mối hàn: Giai đoạn cuối lượng nhiệt cung cấp từ vai dụng cụ và từ đầu khuấy của dụng cụ giảm đi do bề mặt tiếp xúc giảm đi, nhưng trong khoảng thời gian ngắn, lượng nhiệt cung cấp cho chi tiết hàn hầu như không thay đổi, do phần lớn lượng nhiệt được truyền ngược trở lại từ tấm lót.
Với trường hợp lý tưởng, moment xoắn cần thiết để quay dụng cụ trên bề mặt phôi dưới tác dụng của tải dọc trục được tính: R R dM P(r )2r dr 2 o o 2 pR S3 3 (2.1) Với: M: là moment xoắn. Chương 2 Trang 19 : hệ số ma sát. R: là bán kính vai. Nếu tất cả quá trình cắt ở bề mặt được chuyển đổi thành nhiệt ma sát, lượng nhiệt vào trung bình trên mỗi đơn vị diện tích và thời gian trở thành: R R Q1 dM 2 Pr 2 dr o o (2.2) Trong đó: Q1: là năng lượng có ích [W](Công suất hiệu dụng) : Vận tốc góc [rad/s] Mà = 2n n: số vòng quay/giây R Từ đó: Q1 4 2 .3) 3 Từ phương trình trên, nhận thấy rằng sự gia nhiệt phụ thuộc vào tốc độ quay và bán kính vai dụng cụ dẫn đến sự tạo nhiệt không đồng nhất trong lúc hàn.
Những thông số này giữ vai trò quan trọng trong quá trình FSW. Chia vai dụng cụ ra làm nhiều phân đoạn nhỏ, như hình vẽ: Hình 2.2 Đường kính vai được chia ra nhiều phân đoạn. Chương 2 Trang 20 Khi đó,nguồn nhiệt sinh ra từ vai dụng cụ là tổng của các thành phần: 4 n Q1 2 Pn ( Ri3 Ri31 ) 3 i 1 (2.4) Ở đây, Ri và Ri -1 được xác định như hình vẽ.5) Như vậy, năng lượng được tạo thành từ vị trí Ri – 1 đến Ri, được tính: 4 Q1 2 Pn( Ri3 Ri31 ) 3 (2.6) Với điều kiện tiếp xúc trượt: 4 Q1(t ) 2 PnRS3 3 (2.7) Để tính giới hạn ma sát dính thì P được thay thế bởi ứng xuất chảy khi cắt k=P vì thế năng lượng trung bình là: 4 Q1( d ) 2 .8) Áp lực dưới vai dụng cụ có thể lấy từ thực nghiệm (đo trực tiếp lực ép theo phương Z). Hệ số ma sát tuỳ thuộc vật liệu.
Sự tạo nhiệt của đầu khuấy cũng có thể được ước tính bằng cách dùng điều kiện ma sát dính (trong trường hợp này lực ép không đơn giản). Với đầu khuấy có bán kính Rp và chiều dài Lp, quay với vận tốc góc thì sự lượng nhiệt được sinh ra được tính theo công thức: Q2 2 .2Sự 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. Chương 2 Trang 21 Trong hàn FSW, hầu hết nguồn nhiệt được phân bố trên khắp dụng cụ. Theo tài liệu [15] dòng nhiệt phân bố trên một đơn vị diện tích của vai được xác định: 3 Q .10) 2 RS R p 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. RS R p r 2 Đối với đầu khuấy lượng nhiệt vào có thể phân bố khắp thể tích của nó: Q2 q2 [W/m3] (2.L p Ngoài ra, theo Schmidt [22], tỉ số của sự tạo nhiệt từ đầu khuấy và sự tạo nhiệt bởi vai là bằng 0,128.13) Q1 Từ đó, dòng nhiệt trên một đơn vị thể tích của đầu khuấy q2 cũng bằng 0,128 lần q1.2 Dòng chảy vật liệu khi hàn: 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 quanh đầu khuấy 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 ra 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. Chương 2 Trang 22 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.3 Khoảng cách giữa các bước hàn Cấu trúc mối hàn trong mặt cắt ngang 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.