Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu công nghệ hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding) 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 [1]. Hàn ma sát khuấy là kỹ thuật hàn liên kết ở trạng thái rắn (không nóng chảy), ban đầu được áp dụng phổ biến cho hợp kim nhôm.
Nguyên lý cơ bản của phương pháp này tương đối đơn giản (hình 1.1): dùng một dụng cụ xoay có thiết kế đặc biệt và có nhiệt độ nóng chảy cao hơn so với vật liệu hàn. Dụng cụ xoay gồm có hai phần chính là phần chốt hàn và phần vai, khi làm việc phần chốt hàn được xuyên vào phần cạnh tiếp giáp (mối ghép) giữa hai tấm vật liệu với chiều sâu nhất định, nhiệt độ sinh ra do ma sát giữa chuyển động xoay của chốt hàn và vật liệu hàn làm cho vật liệu bị biến dạng dẻo (một phần ba) xung quanh chốt hàn và bề mặt tiếp xúc giữa vai và bề mặt vật liệu. Phần vai dụng cụ cũng tạo ra ma sát với bề mặt vật liệu và cung cấp nhiệt độ làm biến dạng dẻo vật liệu và giữ cho vật liệu bị biến dạng dẻo không bị tách khỏi mối hàn. Trong suốt quá trình vật liệu bị biến dạng dẻo cục bộ bởi nhiệt sinh ra do ma sát giữa dụng cụ và phôi kết hợp với chuyển động xoay của dụng cụ sẽ di chuyển dòng vật liệu ở trạng thái dẻo từ phía trước ra phía sau của chốt hàn.
Dụng cụ xoay di chuyển dọc theo mối ghép và kết quả là tạo ra mối hàn liên tục ở trạng thái rắn [2]. Hiện nay hàn ma sát khuấy (FSW) đã có nhiều bước tiến quan trọng, việc ứng dụng không chỉ riêng cho hợp kim nhôm và nó cho phép ứng dụng chế tạo mối hàn trên nhiều loại vật liệu khác nhau như thép, đồng, kẽm, titan, composite kim loại, và công nghệ hàn ma sát khuấy có thể hàn được vật liệu có độ dày từ 0,5 - 75 mm [2].1: Sơ đồ mô tả quá trình hàn ma sát khuấy [2] 1.2 Ưu nhược điểm của công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW) [3 - 5] 1.1 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.2 Nhược điểm Chi phí cao trong việc đầu tư trang thiết bị, máy móc. Tính cơ động kém, khó thực hiện cho các mối hàn trong không gian chật hẹp, những kết cấu phức tạp. Tạo ra vết lõm sâu cuối đường hàn.3 Ứng dụng của hàn ma sát khuấy (FSW) 2 Với những ưu điểm nổi bật nên hàn ma sát khuấy được ứng dụng khá rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo cụ thể như: Trong công nghiệp đóng tàu biển, tàu cao tốc, các tàu thương mại thì công nghệ hàn ma sát khuấy được ứng dụng trong việc hàn các tấm nhôm panel vỏ tàu.
Tàu du lịch “The World” của Fosen Mek – Mỹ (hình 1.2) đã ứng dụng công nghệ hàn ma sát trong việc hàn các tấm nhôm panel cho phần sàn của con tàu [6]. Tàu Supper Liner Ogsaware (hình 1.3) được thiết kế bởi Mitsui Engineering và đóng tại Nhật Bản, con tàu được công bố là con tàu lớn nhất được áp dụng công nghệ hàn ma sát khuấy. Con tàu có thể đạt tốc độ 42,8 hải lý / giờ và có thể vận chuyển tới 740 hành khách và 210 tấn cước vận chuyển [7].2: Tàu The World ứng dụng công nghệ FSW [6] Hình 1.3: Tàu Supper Liner Ogsaware ứng dụng công nghệ FSW Trong công nghiệp hàng không, vũ trụ thì vật liệu trong việc chế tạo được chọn lựa rất khắt khe với những yêu cầu đặc biệt như nhẹ, có độ bền cao nên hợp kim nhôm 3 luôn là sự lựa chọn hàng đầu tuy nhiên hợp kim nhôm có nhược điểm là vật liệu có tính chịu hàn kém nên việc ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy trong việc chế tạo trong công nghiệp hàng không vũ trụ đã giải quyết được những khó khăn mà trước đây các phương pháp truyền thống gặp phải. Tàu vũ trụ Orion của NASA (hình 1.4) đã ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy trong việc hàn nối hai mô-đun của phi hành đoàn với 425 inch đường hàn [7].
Trong kỹ thuật chế tạo máy bay TWI đã cấp giấy phép FSW và cung cấp hỗ trợ kỹ thuật cho Eclipse Aviation để sản xuất máy bay kinh doanh Eclipse 500. Eclipse đã ứng dụng công nghệ hàn ma sát với 128 m đường hàn cho mỗi khung máy bay, thay thế khoảng 7. TWI cũng hỗ trợ Embraer giới thiệu FSW vào sản xuất tấm thân trên máy bay Legacy 450 và 500 [8].4: Tàu vũ trụ Orion ứng dụng công nghệ FSW [7] Trong công nghiệp giao thông vận tải, FSW cũng được ứng dụng trong việc chế tạo các chi tiết cho ô tô, tàu lửa…Hãng xe Ford (Mỹ) đã ứng dụng công nghệ FSW trong việc chế tạo một chi tiết cho xe hơi bằng hợp kim nhôm (hình 1. Hãng Hitachi (Nhật Bản) đã ứng dụng công nghệ FSW để hàn những tấm sàn cho tàu lửa Shinkansen (hình 1.5: Ứng dụng FSW trong chế tạo chi tiết xe hơi [9] 4 Hình 1.6: Tàu lửa Shinkansen ứng dụng FSW [9] Hiện nay công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW) đã có nhiều bước phát triển vượt bậc và cũng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, vật liệu ứng dụng cũng đa hơn không chỉ áp dụng duy nhất với hợp kim nhôm mà còn đối với các vật liệu như thép, thép hợp kim, titan, đồng, hay có thể hàn các kim loại khác nhau.4 Những nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Những nghiên cứu trên thế giới A.
Balasubramanian [10] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ hàn ma sát khuấy đến độ bền kéo tấm hợp kim Magiê AZ61A, 2012. Trong nghiên cứu này tác giả đã khảo sát năm tốc độ hàn khác nhau từ 30 đến 150 mm/phút trên tấm hợp kim AZ61A có độ dày 6 mm. Qua kết quả thí nghiệm về độ bền kéo kết hợp với khảo sát cấu trúc tế vi thì tác giả nhận thấy tại tốc độ hàn 90 mm/phút và tốc độ quay của dụng cụ là 1200 vòng/phút, lực dọc trục là 5 kN thì độ bền kéo cao nhất đạt 224 MPa (83% so với vật liệu nền) và cấu trúc tế vi của mối hàn ở tốc độ này có hạt nhỏ hơn và mịn hơn so với các mối hàn ở các tốc độ hàn đã khảo sát, qua đó tác giả đã kết luận được tốc độ hàn có ảnh hưởng đến việc hình thành cấu trúc tế vi và quyết định đến độ cứng của mối hàn. Deepati Anil Kumar, Pankaj Biswas, Sujoy Tikader, M.
Mandal [11] đã nghiên cứu hàn ma sát trên tấm hợp kim nhôm có độ dày 12 mm, 2013. Trong nghiên cứu này tác giả đã khảo sát hai thông số hàn là tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn trên hai chốt hàn khác nhau (chốt hàn dạng côn, chốt hàn dạng 5 hình thang), qua kết quả thí nghiệm về độ bền kéo và độ dẻo dai của mối hàn, tác giả nhận thấy ở tốc độ quay của dụng cụ là 2000 vòng/phút, tốc độ hàn khoảng 28 mm/phút và đối với chốt hàn có dạng hình thang cho chất lượng cơ tính tốt nhất. RajKumar và các cộng sự [12] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của dụng cụ hàn và thông số hàn trong hàn ma sát khuấy hai hợp kim nhôm AA5052 và AA6061, 2014. Trong nghiên cứu này tác giả đã khảo sát chế độ hàn với sự kết hợp giữa hai thông số là tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn, trong đó tốc độ quay của dụng cụ được cố định là 710 vòng/phút và tốc độ hàn lần lượt là 20 mm/phút và 28 mm/phút.
Qua kết quả thí nghiệm tác giả đã nhận thấy cấu trúc tế vi của mối hàn tốt nhất ở tốc độ hàn nhỏ hơn, về cơ tính thì độ bền của mối hàn ở cả hai tốc độ hàn là tương đương nhau nhưng độ dẻo dai tốt hơn ở mối hàn có tốc độ hàn nhỏ hơn. Tedwors [13], 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. Balasubramanian [14] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ hàn đến độ bền kéo của mối hàn với vật liệu là tấm hợp kim nhôm AA2519-T87 bằng phương pháp hàn ma sát khuấy trong hai trường hợp là làm nguội mối hàn bằng không khí và làm nguội bằng nước, 2016. Trong nghiên cứu này đối tượng nghiên cứu chính của tác giả là tốc độ hàn ma sát khuấy và vật liệu là tấm hợp kim nhôm AA2591-T87 có độ dày 6 mm và khảo sát chất lượng mối hàn (độ bền kéo) trong hai trường hợp là làm nguội mối hàn trong không khí và làm nguội mối hàn trong nước.