Chương 1: Tổng Quan - Chương 2. Cơ sở Lý thuyết - Chương 3: Kết quả nghiên cứu - Chương 4: Đề xuất, kiến nghị 1.5 GIỚI THIỆU VỀ MA SÁT KHUẤY 1.1 Lịch sử phát triển Xuất phát từ việc khó khăn lớn để tạo ra các mối hàn có độ bền cao, chịu mỏi tốt và không bị gãy trong hơp kim nhôm phục vụ hàng không vũ trụ, như các các dòng hợp kim nhôm 2XXX và 7XXX được hợp kim hóa cao. Từ lâu đã hạn chế việc sử dụng phương pháp hàn trong hàng không vũ trụ vì do các hợp kim này thường có cấu trúc hóa rắng và độ xốp kém trong khu vực nhiệt hạch. [2] Hàn khuấy ma sát là một kỹ thuật nối trạng thái rắng được phát minh bởi W.
Thomas của Viện hàn (TWI) vào tháng 12 năm 1991, W. Thomas và các cộng sự đã thấy được công dụng của việc sử dụng một dụng cụ được làm từ vật liệu có độ cứng cao xoay được trên bề mặt của vật liệu cần hàn khiến chúng chuyển sang trạng thái dẻo từ đó có thể ứng dụng Hình 1. 1: Đường hàn ma sát khuấy [1] 5 nguyên lý này làm cho vật liệu hai chi tiết trộn lẫn lại với nhau đây là nền tảng cho sự phát triển của hàn ma sát khuấy sau này [2] Các ưu điểm của hàn ma sát khuấy (FSW) [1] có được nhờ mối hàn được thực hiện ở trạng thái dẻo tại nhiệt độ dưới điểm nóng chảy của vật liệu. xác định là vượt trội hơn so với phương pháp hàn truyền thống: - Chất lượng mối hàn cao, cơ tính tốt.
Giảm chi phí gia công bề mặt sau khi hàn. - An toàn cho người thợ hàn vì không có khói độc, hồ quang hay tia nhiệt phát ra trong quá trình vật liệu nóng chảy; - Không tiêu tốn que hàn hay khí bảo vệ, tiết kiệm được rất nhiều chi phí; - Hàn được các kim loại khác nhau và nó không tan chảy vật liệu nhờ thuộc tính ban đầu; - Biến dạng do nhiệt thấp cũng như ít chịu tác động từ môi trường; - Co ngót thấp; - Không cần tay nghề của người thợ hàn quá cao; - Hàn được trong tất cả các vị trí trong không gian; - Dễ dàng tự động hóa và khả năng tương thích cho việc sử dụng robot. Chi phí lắp đặt và đào tạo nhân công thấp; - Trong mối hàn chảy, có nhiều yếu tố quá trình phải được kiểm soát - chẳng hạn như khí tẩy, điện áp và cường độ dòng điện, nguồn cấp dây, tốc độ di chuyển, khí che chắn, khe hở hồ quang. Tuy nhiên, trong Mối hàn ma sát khuấy chỉ có ba biến số quá trình để điều khiển: tốc độ quay, tốc độ di chuyển và áp suất, tất cả đều được điều khiển dễ dàng Tuy nhiên hàn ma sát khuấy (FSW) cũng có các hạn chế sau: - Thiết bị hàn đắt tiền; - Lỗ thoát còn lại do dụng cụ hàn khi rút lên gây mất thẩm mỹ và ảnh hưởng đến đặc tính của sản phẩm; - Yêu cầu lực kẹp lớn để giữ các tấm hàn với nhau; - Ít linh hoạt so với phương pháp hàn hồ quang ( khó khăn khi các tấm có chiều dày thay đổi và các đường hàn không thẳng); - Không thể tạo mối hàn ma yêu cầu lắng kim loại.
( Ví dụ: hàn góc); 6 - Tốc độ di chuyển theo đường hàn chậm so với các kỹ thuật hàn chảy. Phạm vi ứng dụng của hàn ma sát khuấy 1.1 Trong công nghiệp đóng tàu và hàng hải Đây là hai ngành đầu tiên ứng dụng kỹ thuật hàn ma sát khuấy. Quy trình hàn được ứng dụng vào [4]: - Các tấm bano của boong, các vách ngăn và sàn. - Vỏ tàu và các kiến trúc thượng tầng.
- Bãi đáp cho trực thăng trên tàu. 2 : Nền công nghiệp đóng tàu [8] 1.2 Trong công nghiệp hàng không vũ trụ Boeing của Mỹ được cho là một trong số những công ty đầu tiên chế tạo thùng nhiên liệu tên lửa trong không gian bằng công nghệ hàn ma sát khuấy, bằng cách thay đổi phương pháp hàn TIG thông thường qua phương pháp hàng ma sát khuấy, các nghiên cứu cho thấy, sử dụng phương pháp hàn ma sát khuây giảm được 90% khuyết tật so với các phương pháp bình thường. 3 Tàu vũ trụ [8] Máy bay đầu tiên sử dụng công nghệ hàn ma sát khuấy trong khung máy là máy bay phản lực kinh doanh Eclipse 500 trong đó gần 8000 con ốc vít được thay thế bởi gần 300 mối hàn ma sát khuấy.2 Trong công nghiệp đường sắt Các loại xe lửa bằng nhôm có tốc độ cao tại Nhật Bản được chế tạo bằng sự đùn ép phức hợp hai lớp hợp kim, các mối hàn có thể dài đến hơn 25m và thẳng vì vậy công nghệ hàn ma sát khuấy là một phương án lý tưởng, việc biến dạng rất ít mang lại lợi ích lớn cho ngành công nghiệp này. 5 Tàu điện chạy tại Nhật Bản [10] 1.
Trong lĩnh vực sản xuất ô tô Có tương đối ít các mối hàn giám mối dài và thẳng trong các chi tiết ô tô, vì vậy công nghệ hàn ma sát khuấy chủ yếu được dành cho các bộ phận treo như bánh xe, hộp giảm xốc, linh kiện chỗ ngồi…Hàn ma sát khuấy cũng đang được sử dụng chế tạo vỏ của các loại xe bọc thép nhẹ với độ dày vật liệu vào khoảng 25mm – 40mm Hình 1. 6 Nền công nghiệp sản xuất ô tô ứng dụng Hà ma sát khuấy [10] 1. TỒN TẠI VÀ THỰC TRẠNG HÀN MA SÁT KHUẤY TẠI VIỆT NAM 9 Tại Việt Nam, công nghệ hàn ma sát khuấy xuất hiện khiêm tốn và hầu như không có sự xuất hiện của thiết bị chuyên dụng về hàn ma sát khuấy. Các doanh nghiệp ở Việt Nam và các doanh nghiệp nước ngoài có nhà máy tại Việt Nam trong lĩnh vực được nêu trong phần phạm vi ứng dụng cũng chưa mạnh dạng đầu tư các máy chuyên dụng do chi phí lớn.
CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 Ngoài nước: Viện hàn (TWI) tại Anh đã có nhiều năm thực hiện nhiều loại nghiên cứu, phát triển với các hoạt động của công nghệ của hàn ma sát khuấy. Hiện nay Viện hàn đã cấp giấy phép cho hơn 200 công ty hoạt động trong lĩnh vực công nghệ và thiết bị hàn ma sát khuấy. Năm 2004, hãng ôtô Ford đã sản xuất hơn vài ngàn chiếc Ford GT với việc lắp khung sườn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy và đã cải thiện được sự biến dạng, tăng độ chính xác về kích thước, vị trí và tăng bền khoảng 30% so với hàn MIG Sau đây là một vài nghiên cứu về hàn ma sát khuấy ở ngoài nước: - H. Schmidt, "An analytical model for the heat generation in friction stir welding," Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, vol 12, no.– Nghiên cứu về sự sinh nhiệt trong hàn ma sát khuấy trong đó nghiên cứu sâu về kết quả của các cơ chế tạo nhiệt khác nhau bởi các điều kiện tiếp xúc khác nhau từ đó xác định được lực hàn và moment xoắn diễn ra trong các điều kiện tiếp xúc - A.
Lockyer, “Flaws in Friction Stir Welds, Proceedings of the Fourth International Conference on Friction Stir Welding” (Park City, UT), May 14– 16, 2003.– Nghiên cứu về các lỗ hỏng trong mối hàn ma sát khuấy do các nguyên nhân thiết kế dụng cụ, tốc độ quay và tốc độ di chuyển của dao, độ sâu của gót dao và góc nghiêng, khoảng cách hàn, độ dày không phù hợp và độ dày của tấm. Mahmoud, Fouad H Mahmoud, T. Khalifa; “Friction Stir Welding of dissimilar A319 & A356 aluminium cast alloys” ; June 2010.– Khảo sát về sự khác nhau 10 giữa hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm đúc A319 & A356 về tính chất, kết cấu mối hàn, các lỗ hổng trong quá trình hàn. Schneider; “Pin Tool Geometry Effects in Friction Stir Welding”.– Nghiên cứu về hình dáng hình học của các dụng cụ hàn ma sát khuấy (chốt hàn), mục đích nghiên cứu là để cô lập hiệu ứng mà các thuộc tính chốt hàn khác nhau có trên các đường dẫn được truyền trên vật liệu.
- Rajiv Sharan Mishra, Partha Sarathi De Nilesh Kumar; “Friction Stir Welding and Processing - Science and Engineering” (Springer, 3319070428, 2014).– Nghiên cứu về hàn ma sát khuấy, tình hình phát triển của công nghệ hàn ma sát khuấy trên thế giới thời điểm hiện tại đặc biệt về cấu trúc vi mô của các mối hàn được tạo ra bằng phương pháp hàn ma sát khuấy. Warke, Friction Stir Welding Studies on Mild Steel, Weld.– Nghiên cứu hàn ma sát khuấy trên vật liệu thép nhẹ, chứng minh tính khả thi của công nghệ hàn ma sát khuấy trên vật liệu thép nhẹ, đề nghị thay đổi kích thước dụng cụ Các nghiên cứu từ các tài liệu trên cho thấy, hàn ma sát khuấy được nghiên cứu khá rộng và sâu. Các nghiên cứu đa số cũng được thực nghiệm trên máy phay. Mặc dù hiện nay trên thị trường cũng có một số máy hàn ma sát khuấy chuyên dùng nhưng các thông tin liên quan về kết cấu, thiết kế chi tiết không được công bố.
Trong nước Công nghệ hàn ma sát khuấy ở Việt Nam vẫn còn đang khá mới, đặc biệt tại các trung tâm nghiên cứu cũng như các trường đại học, cao đẳng, phương pháp này mới chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu khái niệm.Mặc dù đã có một số các nghiên cứu nhỏ, chủ yếu dưới dạng các bài báo cáo nhưng chưa được biệt đến rộng rãi. Đặc biệt, tại Việt Nam hầu như chưa có một cơ sở nào đưa phương pháp này vào sản xuất - Chưa tìm thấy công bố nghiên cứu về chế tạo máy hàn ma sát khuấy chuyên dùng. - Ở nước ta, hàn ma sát khuấy là một lĩnh vực còn khá mới mẻ. Sau đây là một vài nghiên cứu về hàn ma sát khuấy ở trong nước: 11 - Nghiên cứu công nghệ hàn ma sát khuấy ứng dụng hàn giáp mối nhôm A1100 của TS.
Vũ Văn Ba Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Nam Định. – Nghiên cứu tổng quan về công nghệ hàn ma sát, nghiên cứu thực nghiệm về hàn ma sát khuấy nhôm A1100. - Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075 của Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Công Hòa trên Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản - Kết quả khảo sát thực nghiệm cho thấy, khi tỉ số w/v nằm trong khoảng từ 4.0 vòng/mm thì mối hàn đạt chất lượng với độ bền kéo và độ biến dạng cao nhất lần lượt là 76% và 68% so với vật liệu nền. Trong tất cả các chế độ, vị trí phá hủy của mẫu thử khi kéo đều nằm ngoài vùng hàn nơi có độ cứng thấp nhất.