Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về đề tài nghiên cứu Đồng và nhôm đã và đang được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp, với những tính năng như dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, khả năng chống ăn mòn, độ dẻo, và tính thẩm mỹ cao. Chúng rất phù hợp để gia công chi tiết máy, làm trang trí công nghiệp, thiết bị truyền dẫn điện, dẫn nhiệt. Để khai thác tối đa những ưu thế đó, thì tấm bimetal Al/Cu được sản xuất cũng đem lại hiệu quả kinh tế rất tốt.
Việc liên kết các kim loại có thành phần, cơ tính khác nhau cũng đang là hướng đi đang được các tập đoàn cũng như các cơ sở sản xuất quan tâm và chú trọng đầu tư. Với công nghệ kỹ thuật hiện nay, tấm bimetal Al/Cu được chế tạo phần lớn là phương pháp cán, dập, hàn nổ, hàn ma sát…cả hai kim loại được khuếch tán vào nhau tạo nên một khối không thể thách rời. Để góp phần đa dạng hóa các loại lưỡng kim này, rất nhiều nghiên cứu được đưa ra để tìm và giải quyết các vấn đề liên quan đến khả năng liên kết của các vật liệu khác nhau. Tuy nhiên để hiểu rõ cơ tính cũng như bản chất vật liệu tại vùng liên kết thì vẫn chưa có kết quả nghiên cứu cụ thể nào được nêu ra.
Đề tài nghiên cứu “ứng xử cơ học và tính năng truyền dẫn điện của tấm bimetal Al/Cu” cũng xuất phát từ mục đích này. Nó là một vấn đề khá mới, cho tới thời điểm hiện tại chưa có công trình nào công bố cụ thể, chi tiết về lĩnh vực mà tác giả đang nghiên cứu. Chỉ có một số công trình nghiên cứu về thông số của dụng cụ hàn có ảnh hưởng tới cơ tính mối hàn giữa nhôm và đồng [1] hoặc nghiên cứu về chế độ hàn và các chất liên kim (IMC) ảnh hưởng như thế nào đến tính chất liên kết của nhôm và đồng [2]. Ứng dụng vật liệu bimetal Al/Cu [3] Phần lớn vật liệu bimetal Al/Cu được ứng dụng phục vụ cho các ngành điện, nghành công nghiệp ô tô, các vật dụng dân dụng.
Cụ thể có một số chi tiết ứng dụng sau đây: Trang 2 Hình 1.1: Cốt nối, dây dẫn bimetal Al/Cu [19] Các loại cốt nối và dây dẫn bimetal Al/Cu được sử dụng rất hiệu quả trong nghành công nghiệp điện.2: Các loại ống lót, vòng bi bôi trơn [25] Ống lót dầu, vòng bi tráng bôi trơn. Nó được sử dụng rộng rãi trong các chi tiết như: Máy nén khí, thiết bị lái, tay lái trợ lực, vòng bi đạp, ống lót chân đế, pít-tông đuôi, thiết bị xử lý và nâng cơ, động cơ thủy lực, máy móc nông nghiệp, v. Giới thiệu phương pháp hàn ma sát khuấy Hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) được phát minh bởi học Viện hàn của Vương Quốc Anh (TWI) vào tháng 12 năm 1991. TWI đã được cấp bằng sáng chế thành công ở châu Âu, Mỹ, Nhật Bản và Úc.
Sau đó TWI đã thành lập TWI Group và được tài trợ bởi dự án 5651: “Sự phát triển của kỹ thuật hàn ma sát khuấy cho hàn nhôm” vào năm 1992 để tiếp tục nghiên cứu kỹ thuật này [4]. Về nguyên lý cơ bản của hàn ma sát khuấy được thể hiện thu gọn dựa vào sơ đồ sau: Trang 3 Hình 1.3: Sơ đồ mô tả quá trình hàn ma sát khuấy [4] Ưu nhược điểm của công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW)[4] + Ưu điểm So với các phương pháp hàn truyền thống như hàn TIG, hàn MIG thì hàn ma sát khuấy có những ưu điểm nổi bật sau: Không cần bổ sung kim loại phụ (que hàn), không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóng chảy. Không phát xạ độc hại: khói độc, bắn tóe, không phát sinh hồ quang, năng lượng bức xạ…, do đó tạo môi trường trong sạch. Có tính tự động hóa nên việc kiểm soát và điều khiển thông số dễ dàng, độ chính xác của chi tiết hàn được đảm bảo.
Cơ tính mối hàn tốt, ít biến dạng, ít khuyết tật. Thời gian hàn nhanh, năng suất cao, không đòi hỏi tay nghề cao của người công nhân. + Nhược điểm Khi hàn các vật liệu có độ nóng chảy cao (thép. Titanium…) cần sử dụng dụng cụ hàn phức tạp dẫn đến tốn chi phí.
Tính cơ động kém do không thể hàn trong không gian chật hẹp, những kết cấu phức tạp. Cần lực ấn xuống khá lớn (theo trục Z) do vậy cần đồ gá hàn và ngàm lót đáy khi hàn. Các nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước 1. Các nghiên cứu nước ngoài Dagur Ingi Ólafsson [1], Tác giả đã nghiên cứu trên hai vật liệu nhôm AA1050-H14 / 24 - CU-OF-04 có độ dày 6mm, sau các thử nghiệm sơ bộ, tác giả đã lựa chọn dụng cụ hàn có vai lõm ØD3 và đầu côn ren ØB N /A, đưa ra được 3 thông số: tốc độ di chuyển, vị trí mối hàn và vị trí bù của dụng cụ liên quan đến đường nối giữa các vật liệu cơ bản.
Các đặc tính của mối hàn được tối ưu hóa đến 84,8% Hiệu suất đối với độ bền kéo (GETS) và 40,8% độ bền uốn (GEB) so với AA1050-H14 / 24 và hiệu suất dẫn điện 97,2% so với một thành phần lưỡng kim lý tưởng được làm bằng cùng vật liệu không có điện trở tiếp xúc. Eka Febryansyah [5] Đã nghiên cứu ảnh hưởng của các loại chốt hàn hàn ma sát khuấy đến cơ tính mối hàn nhôm 5052 và đồng nguyên chất. Các thông số hàn được thực hiện với ba loại vai và chốt hàn khác nhau: hình trụ, hình côn và ren. Trước khi hàn, tấm đồng được gia nhiệt với nhiệt độ từ 25°C đến 200°C.
Các mối hàn được thực hiện ở tốc độ quay chốt 2800 vòng/phút, tốc độ di chuyển 2 mm/giây. Tất cả các mối hàn sau đó được thử nghiệm độ bền cơ học và quan sát cấu trúc hạt dưới kính hiển vi. Kết quả cho thấy tại vùng đồng được gia nhiệt cấu trúc tế vi thay đổi, tạo ra các pha Al/Cu làm tăng cơ tính của vật liệu. Khi sử dụng chốt hàn hình trụ dạng ren xoắn sẽ làm tăng độ bền kéo của mối hàn, thí nghiệm cho thấy, thông thường vị trí gãy xuất hiện tại vùng nhôm A5052.
Đã nghiên cứu tính chất cơ học của hỗn hợp vật liệu nhôm 96,2% và đồng 3,8%. Được điều chế bằng 0 quá trình nóng chảy ở nhiệt độ 1200 c và thêm vào dung dịch khoảng 12,5% đến 20% SiC trên bề mặt khảo sát. Và sau đó phân tích cấu trúc được kiểm tra bằng tia X-Ray máy đo nhiễu xạ (XRD), soi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử (SEM), độ cứng HRB đo bằng máy Vickers Kết quả cho thấy chính SiC là chất xúc tác làm cho bề mặt được khảo sát có độ cứng lớn hơn mặt còn lại khoảng 15%. Tedwors [7], đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số trong quá trình hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm 6063, 2015.
Trong nghiên cứu này mục đích chính là tìm ra thông số tối ưu gồm ba thông số chính là tốc độ quay của dụng cụ, tốc độ hàn và lực dọc trục khi hàn ma sát giáp mí để liên kết hai tấm hợp kim nhôm 6063 có độ dày 5 mm. Việc đánh giá chất lượng mối hàn được tác giả thực hiện thông qua kiểm tra cơ tính gồm kiểm tra độ bền, độ cứng. Kết quả thí nghiệm cơ tính của mối hàn cho thấy mối hàn đạt độ bền kéo lớn nhất là 101 Mpa với tốc độ quay của dụng cụ là 1000 vòng/phút, tốc độ hàn là 1 mm/giây và lực dọc trục là 6000 N. Bhatwadekar * Department of Production Engg, [8], đã nghiên cứu hàn ma sát khuấy các tấm nhôm AA6101 và đồng nguyên chất có độ dày 5mm được thực hiện ở tốc độ 700 vòng / phút và ở tốc độ di chuyển dao 11mm / phút với dụng cụ hàn H13.
Kiểm tra khuyết tật mối hàn và độ bền của mối nối được thực hiện bằng máy tính UTM. Họ nhận thấy rằng có một số các hợp chất liên kim như CuAl2, CuAl,Cu9Al4 cùng với một lượng nhỏ α-Al và dung dịch 0 rắn bão hòa của Al trong Cu. Đỉnh nhiệt độ đo được trong vùng hàn lên đến 580 C. Họ thực hiện các thí nghiệm với tốc độ quay của dụng cụ hàn trong khoảng 151- 1400 vòng/phút và tốc độ di chuyển trong khoảng 57-330 mm /phút.
FSW của hợp kim nhôm 6061 với đồng đã chứng minh khó khăn do tính chất giòn của kim loại các hợp chất hình thành trong mối hàn, Đồng và Nhôm tính chất vật liệu khác nhau nên khi liên kết chúng tạo ra độ giòn trên tiết diện vùng ảnh hưởng nhiệt. Các nghiên cứu trong nước Cho tới thời điểm bây giờ ở Việt Nam chưa tìm thấy tài liệu nào được chính thức công bố về đề tài nghiên cứu ứng xử cơ học và tính năng truyền dẫn điện của tấm bimetal Al/Cu. Chỉ có một số đề tài đã công bố về phương pháp hàn ma sát trên nền vật liệu hợp kim nhôm. Trần Hưng Trà, Dương Đình Hào, Vũ Công Hòa, Phí Công Thuyên [9].
Nhóm tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến sự phân bố nhiệt độ và cấu trúc mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075-T6. Trang 6 Thí nghiệm được thực hiện trên máy phay NC. Thông số đầu khuấy với đường kính mũi khuấy là 5.0mm, chiều dài mũi khuấy 4.5mm, mũi khuấy có bước xoắn 1. mũi khuấy được nghiêng một góc 20 so với mặt phôi.
Mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075-T6 được nghiên cứu tại trường Đại hoc Nha Trang. Kết quả khảo sát thực nghiệm cho thấy nhiệt độ cao nhất nằm ở vùng khuấy trong tất cả các trường hợp và có xu hướng tăng khi tỷ số tốc độ quay (ω) của đầu khuấy và tốc độ hàn tăng (v). Mối hàn đạt chất lượng khi tỷ số này (ω /v) nằm trong khoảng 4. Nghiên cứu chỉ ra rằng, khi tỷ số ω /v tăng thì kích thước hạt tại các vùng hàn cũng tăng.
Cấu trúc hạt thay đổi làm cơ tính thay đổi được thể hiện qua sự thay đổi độ cứng. Trần Hưng Trà, nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến cơ tính của mối hàn ma sát khuấy của hợp kim nhôm AA6063-T5 [10]. Ảnh hưởng của tốc độ quay của đầu khuấy và tốc độ hàn đến chu trình nhiệt, sự phân bố độ cứng, và ứng suất kéo của mối hàn được làm sáng tỏ trong thí nghiệm này. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng tỉ số giữa tốc độ quay và tốc độ hàn càng thấp thì nhiệt sinh ra cũng càng thấp, vùng biến dạng dẻo của chi tiết cũng hẹp lại và ứng suất kéo tăng lên.
