CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Hàn trạng thái rắn Nhờ sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, nhiều phương pháp hàn tiên tiến lần lượt được ra đời nhằm đáp ứng các yêu cầu gia công kim loại. Nhìn chung, hiện nay có hai nhóm hàn phổ biến là hàn nóng chảy và hàn ở trạng thái rắn.
Mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm riêng, dựa vào các yêu cầu gia công chi tiết để lựa chọn phương pháp hàn phù hợp. Trong quy trình hàn ở trạng thái rắn, các mối hàn được tạo ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại. Một số phương pháp hàn ở trạng thái rắn điển hình là hàn ma sát, hàn nổ, hàn rèn, hàn áp lực nóng và hàn siêu âm. Trong các phương pháp này, có ít khuyết tật hơn vì không xảy ra hiện tượng nóng chảy và đông đặc kim loại, đồng thời hạn chế các khuyết tật.
Do đó, các kim loại được hàn nối vẫn giữ được các đặc tính ban đầu 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP của chúng. Vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt rất hẹp so với kỹ thuật hàn nóng chảy, vì điều kiện nhiệt đầu vào thấp hơn. Hơn nữa, các kim loại khác nhau có thể được hàn ghép với nhau, do hệ số giãn nở nhiệt và hệ số dẫn nhiệt ít gây ra ảnh hưởng hơn trong các phương pháp này so với phương pháp hàn nóng chảy. cung cấp một số hình ảnh về các phương pháp hàn ở trạng thái rắn.
Một số phương pháp hàn ở trạng thái rắn: a) Hàn ma sát b) Hàn siêu âm c) Hàn nổ 1. Một số phương pháp hàn ma sát điển hình Hàn ma sát (Friction welding - FRW) là phương pháp hàn ở trạng thái rắn, thông thường nhiệt được sinh ra do ma sát cơ học giữa một chi tiết chuyển động và một chi tiết đứng yên, đồng thời tạo một ngoại lực lên chi tiết, để gây ra biến dạng dẻo vật liệu. Vì không có hiện tượng nóng chảy xảy ra, nên về mặt kỹ thuật, hàn ma sát không phải là một quá trình hàn theo nghĩa truyền thống. Phương pháp hàn này được sử dụng rộng rãi với kim loại và cả nhựa nhiệt dẻo.
Kỹ thuật hàn ma sát được ứng dụng rộng rãi trong các ngành hàng không-vũ trụ, công nghiệp ô tô năng lượng và nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác. Hàn ma sát được chia thành nhiều loại khác nhau, được giới thiệu trong các mục dưới đây. Hàn ma sát quay 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hàn ma sát quay (Rotary friction welding - RFW) là quy trình ma sát đầu tiên được phát triển và sử dụng trong sản suất thương mại. Có hai biến thể của hàn ma sát quay như sau: hàn ma sát quay truyền động trực tiếp và hàn ma sát quay tích trữ năng lượng.
Kỹ thuật đầu tiên là kỹ thuật thông thường nhất và được gọi đơn giản là “hàn ma sát”. Nó bao gồm hai thanh hình trụ được kẹp chặt thẳng, đồng tâm theo phương dọc trục. Thanh chuyển động được quay bởi một động cơ duy trì với tốc độ không đổi. Hai thanh tiếp xúc với nhau bởi một lực dọc trục cho trước trong một khoảng thời gian xác định.
Tiếp tục quay cho đến khi đạt được nhiệt độ mà kim loại vùng tiếp xúc đạt trạng thái dẻo. Sau đó thanh quay được dừng lại trong khi lực dọc trục được duy trì hoặc tăng lên nhằm hình thành mối hàn. minh họa cho các giai đoạn trong phương pháp hàn ma sát này. Nguyên lý phương pháp hàn ma sát quay [1] Một biến thể của hàn ma sát quay khác là quá trình hàn quay tích trữ năng lượng, thường được gọi là “hàn quán tính”.
Một thanh quay được gắn với bánh đà, quay với vận tốc tăng dần bởi động cơ cho đến khi đạt được tốc độ yêu cầu. Tại thời điểm này truyền động của bánh đà bị ngắt và bánh đà tiếp tục quay với năng lượng đã tích trữ trước đó, thanh quay bị ép ngược lại vào thành phần đứng yên. Kết quả tạo được nhiệt độ cần thiết cho quá trình biến dạng dẻo. Đôi khi áp lực được bổ sung để định hình mối hàn.
Bên cạnh đó với sự phát triển của khoa học công nghệ, một số phương pháp hàn ma sát khác được ra đời như hàn ma sát khuấy, hàn ma sát tuyến tính với những ưu điểm vượt trội. Các quy trình hàn này cho phép nối các thành phần hình học phức tạp. Trong khi hàn ma sát quay chỉ cho kết cấu có biên dạng tròn xoay. cung cấp hình ảnh thực tế mối ghép các chi tiết bằng phương pháp hàn ma sát quay.
12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP a) b) c) d) Hình 1. Mối ghép các chi tiết bằng phương pháp hàn ma sát quay Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vật liệu và thông số gia công tới sự hình thành mối ghép cũng như tối ưu quá trình gia công, các nhóm nghiên cứu đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để mô phỏng số toàn bộ quá trình hàn ma sát quay, điển hình như nghiên cứu của nhóm tác giả H. Nghiên cứu này đã đưa ra được sự phân bố nhiệt độ của mối ghép trong suốt quá trình hàn ma sát quay cũng như dự đoán hình dạng mối hàn sau khi quá trình hàn kết thúc. 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.
Mô hình hóa hàn ma sát quay bằng phần mềm mô phỏng số [2] 1. Hàn ma sát tuyến tính Giống như tất cả các kỹ thuật hàn ma sát khác, hàn ma sát tuyến tính (Linear friction welding - LFW) có thể nối các vật liệu dưới mức nhiệt độ nóng chảy của chúng. Tuy nhiên trong hàn ma sát tuyến tính, chuyển động tịnh tiến qua lại có nhiệm vụ cọ xát một chi tiết qua mặt của chi tiết thứ hai được kẹp chặt kết hợp một áp lực dọc trục, như mô tả trong Hình 1. Biên độ của chuyển động dao động tương đối nhỏ (từ 1mm đến 3mm) và tần số dao động nằm trong khoảng từ 25Hz đến 125Hz.
Ứng suất hàn dọc trục tối đa là khoảng 100MPa khi hàn hợp kim titan và tăng lên 459 MPa đối với Niken. cung cấp hình ảnh thực tế mối hàn các chi tiết bằng phương pháp hàn ma sát tuyến tính. Nguyên lý phương pháp hàn ma sát tuyến tính [3] 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP a) b) c) d) Hình 1. Mối hàn các chi tiết bằng phương pháp hàn ma sát tuyến tính Cũng như phương pháp hàn ma sát quay, việc nghiên cứu các phương pháp mô phỏng số cho quá trình hàn ma sát tuyến tính cũng thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu.
cung cấp một số hình ảnh kết quả của quá trình mô phỏng số bằng phần mềm ABAQUS của nhóm nghiên cứu S. Kết quả nghiên cứu đưa ra sự phân bố ứng suất và nhiệt độ mối hàn trong toàn bộ quá trình hàn ma sát tuyến tính. Bên cạnh đó sự hình thành biên dạng mối hàn cũng được dự đoán một cách trực quan. a) b) 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP c) Hình 1.
Mô hình hóa quá trình hàn ma sát tuyến tính bằng phần mềm ABAQUS [4] 1. Hàn ma sát khuấy 1. Nguyên lý hàn ma sát khuấy Từ nguyên lý sinh nhiệt từ ma sát của phương pháp hàn ma sát, người ta đã phát triển lên một loại phương pháp hàn không nóng chảy khác đó là hàn ma sát khuấy, tên tiếng Anh là: Friction Stir Welding – FSW. Viện hàn (The Welding Institute - TWI) tại Anh đã có nhiều năm thực hiện nhiều nghiên cứu phát triển và các hoạt động trong công nghiệp của hàn ma sát.
Wayne Thomas và đồng nghiệp của ông tại TWI đã trải qua thời gian làm việc và phát triển rất nhiều thí nghiệm về hàn ma sát. Năm 1991, Wayne Thomas thấy được công dụng của việc sử dụng một dụng cụ được làm từ vật liệu cứng, và có thể xoay được trên bề mặt của vật liệu cần hàn và làm cho nó chuyển sang trạng thái dẻo, và từ đây có thể ứng dụng nguyên lý này làm cho hai chi tiết đạt tới trạng thái dẻo và chúng trộn lẫn lại với nhau. Và đây là nền tảng cho sự phát triển của hàn ma sát khuấy sau này. Đây được coi là bước phát triển quan trọng nhất trong phương pháp hàn kim loại suốt hai thập kỷ qua.
Ban đầu, hàn ma sát khuấy không được chú ý nhiều nhưng giờ đây ứng dụng của nó được mở rộng sang các dạng kim loại cứng hơn và nhựa. Hàn ma sát khuấy (FSW) thực hiện quá trình hàn ghép hai chi tiết lại với nhau bằng phương pháp chuyển động quay tròn và tịnh tiến của dụng cụ hàn. Dụng cụ hàn làm mềm chi tiết hàn bằng nhiệt độ được sản sinh bởi ma sát giữa bề mặt dụng cụ hàn với bề mặt chi tiết và quá trình chuyển sang trạng thái dẻo của vật liệu, và tại trạng thái dẻo này vật liệu tại mối ghép được trộn lại với nhau để hình thành mối hàn. Hàn ma sát khuấy được chia thành 3 giai đoạn (như mô tả trong Hình 1.): Giai đoạn 1 (Plunging): Đầu khuấy quay và đi xuống.
Giai đoạn 2 (Dwelling): Đầu khuấy quay tại chổ. Giai đoạn 3 (Welding): Đầu khuấy quay và di chuyển dọc đường hàn. 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1. Sơ đồ minh họa 3 trạng thái trong quá trình hàn ma sát khuấy [5] Trọng tâm của quá trình hàn ma sát khuấy là hình dạng dụng cụ hàn.
Thường trong hàn ma sát khuấy, quá trình hàn về cơ bản được hiểu là một dụng cụ hàn hình trụ có vai, mà vai này sẽ nằm trên bề mặt chi tiết hàn, và một chốt có đường kính nhỏ, nó sẽ đi sâu vào chi tiết hàn. Vai này đống vai trò là không cho vật liệu bị biến dạng dẻo bay ra ngoài khi chốt xoay và ép vật liệu chạy dọc đường hàn. Chốt khuấy có nhiều biên dạng khác nhau và đống vai trò là đẩy vật liệu xung quanh đi xuống và giúp vật liệu được duy trì trong vùng hàn. Và có một lực hướng xuống tác dụng lên dụng cụ hàn để duy trì chiều sâu nhúng của chốt khuấy một cách hợp lý và cũng như làm cho vai của dụng cụ khuấy ép lên bề mặt chi tiết hàn.9 cung cấp hình ảnh một số biên dạng của dụng cụ hàn ma sát khuấy trong thực tế.
cung cấp hình ảnh thực tế các chi tiết được ghép nối bằng phương pháp hàn ma sát khuấy. a) b) 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP c) Hình 1. Một số biên dạng của dụng cụ hàn ma sát khuấy trong thực tế [6-7] a) b) c) d) 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP e) Hình 1.