Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn ma sát giáp mí tấm hợp kim nhôm 5083

Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn ma sát giáp mí tấm hợp kim nhôm 5083, cung cấp kiến thức chuyên sâu cho ngành công nghiệp.

• Tác giả: Huỳnh Hoàng Tú
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Phan Thành Nhàn
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
• Đề tài: Nghiên Cứu Sự Ảnh Hưởng Của Chế Độ Hàn Đến Chất Lượng Mối Hàn Ma Sát Giáp Mí Tấm Hợp Kim Nhôm 5083
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• Danh sách các chữ viết tắt
• Danh sách các hình
• Danh sách các bảng
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu công nghệ hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding)
• 1.2. Ưu nhược điểm của công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW)
• 1.2.1. Ưu điểm
• 1.2.2. Nhược điểm
• 1.3. Ứng dụng của hàn ma sát khuấy (FSW)
• 1.4. Những nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.4.1. Những nghiên cứu trên thế giới
• 1.4.2. Những nghiên cứu trong nước
• 1.5. Tính cấp thiết và ý nghĩa nghiên cứu của đề tài
• 1.5.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.5.2. Ý nghĩa của nghiên cứu đề tài
• 1.6. Đối tượng nghiên cứu
• 1.6.1. Chế độ hàn ma sát khuấy
• 1.7. Nội dung nghiên cứu và giới hạn đề tài
• 1.8. Phương pháp nghiên cứu
• 1.8.1. Chế tạo mối hàn
• 1.8.2. Thí nghiệm cơ học, đánh giá ứng xử cơ học của mối hàn
• 2. CHƯƠNG 2.1 Hợp kim nhôm
• 2.1. Định nghĩa và phân loại
• 2.2. Sự ảnh hưởng của các nguyên tố thành phần đến tính chất của hợp kim nhôm
• 2.3. Các phương pháp hàn đối với hợp kim nhôm
• 2.4. Các đặc tính của hợp kim nhôm
• 2.5. Ứng dụng của hợp kim nhôm
• 2. 2 Dụng cụ hàn ma sát khuấy
• 2.1. Cấu tạo, chức năng
• 2.2. Hình dáng của dụng cụ
• 2.2.1. Vai dụng cụ
• 2.3. Kích thước dụng cụ hàn ma sát khuấy
• 2.4. Vật liệu chế tạo dụng cụ hàn
• 3. 3 Các thông số chủ yếu trong quá trình hàn ma sát khuấy
• 3.1. Tốc độ quay của dụng cụ (ω)
• 3.2. Tốc độ tịnh tiến của chốt hàn (v)
• 3.3. Góc nghiêng của dụng cụ
• 3.4. Lực dọc trục
• 4. 4 Sự phân bố nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát khuấy
• 5. 5 Sự hình thành cấu trúc tế vi trong mối hàn ma sát khuấy
• 5.2. Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo-mechanically affected zone, được ký hiệu là TMAZ)
• 5.3. Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat-affected zone, được ký hiệu là HAZ)
• 6. 6 Các lỗi thường xuất hiện trong mối hàn ma sát khuấy
• 6.1. Mối hàn xuất hiện lỗ rỗng bên trong và xuyên suốt đường hàn (Tunnel defects)
• 6.2. Mối hàn bị quá nhiệt (Flash defects)
• 6.3. Mối hàn bị lẫn ôxit (Kissing bond defects or zigzag defects)
• 6.4. Mối hàn xuất hiện lỗi giống như vết nứt (rack-like root defects)
• CHẾ TẠO MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY VÀ QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM
• 2.1. Vật liệu thí nghiệm
• 2.2. Máy hỗ trợ chế tạo mối hàn ma sát khuấy
• 2.3. Dụng cụ hàn
• 2.3.1. Hình dáng và kích thước dụng cụ
• 2.3.2. Vật liệu chế tạo
• 2.2. Quá trình chế tạo mối hàn
• 2.2.2. Chọn thông số hàn
• 2.2.3. Chế tạo mối hàn
• 2.3. Quá trình thí nghiệm kiểm tra chất lượng mối hàn
• 2.3.1. Các thiết bị sử dụng trong quá trình thí nghiệm
• 2.3.1.1. Máy đánh bóng bề mặt MA-PP-200M
• 2.3.1.2. Camera quan sát khuyết tật của mối hàn
• 2.3.1.4. Kính hiển vi kim loại Olympus-CK40M
• 2.3.1.5. Các hóa chất tẩm thực bề mặt
• 2.3.1.6. Máy đo độ cứng Rockwell AR 10
• 2.3.1.7. Máy kiểm tra độ bền kéo, độ bền uốn INSTRON-3366
• 2.3.1.8. Máy kiểm tra thí nghiệm độ bền va đập Tinius Olsen IT-406E
• 2.3.2. Quá trình thí nghiệm
• 2.3.2.1. Chọn số lượng mẫu và chế tạo mẫu thí nghiệm
• 2.3.2.2. Kiểm tra lỗi và quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn
• 2.3.2.3. Phân tích sự phân bố nhiệt độ trong mối hàn
• 2.3.2.4. Đo độ cứng của mối hàn
• 2.3.2.5. Kiểm tra độ bền uốn của mối hàn
• 2.3.2.6. Kiểm tra độ bền kéo
• 2.3.2.7. Kiểm tra độ bền va đập của mối hàn
• KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Đánh giá cảm quan mối hàn
• 2.2. Kiểm tra lỗi tại mặt cắt ngang của mối hàn
• 2.2.1. Kết quả thí nghiệm
• 2.2.2. Sự ảnh hưởng của thông số hàn đến sự hình thành các khuyết tật
• 2.3. Tổ chức tế vi của mối hàn
• 2.4. Phân tích sự bố nhiệt độ trong mối hàn
• 2.4.1. Kết quả mô phỏng
• 2.4.2. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và tỉ số hàn ω/v
• 2.5. Phân bố độ cứng trong mối hàn
• 2.5.1. Kết quả thí nghiệm
• 2.5.2. Sự ảnh hưởng của tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn đến độ cứng của mối hàn
• 2.6. 1 Kết quả thí nghiệm
• 2.2. Sự ảnh hưởng của tốc độ quay và tốc độ hàn đến độ bền kéo của mối hàn
• 2.7. Độ bền uốn của mối hàn
• 2.7.1. Kết quả thí nghiệm
• 2.7.2. Sự ảnh hưởng của tốc độ quay và tốc độ hàn đến độ bền uốn của mối hàn
• 2.8. Độ bền va đập của mối hàn
• 2.8.1. Kết quả thí nghiệm
• 2.8.2. Sự ảnh hưởng của tốc độ quay và tốc độ hàn đến độ dai va đập của mối hàn
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 2.1. Hướng nghiên cứu mới
• 2.2. Nghiên cứu ứng dụng
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn ma sát hợp kim nhôm 5083

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn ma sát của hợp kim nhôm 5083. Hợp kim nhôm 5083 được biết đến với độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt, rất phù hợp cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo. Tuy nhiên, việc hàn hợp kim này bằng các phương pháp truyền thống thường dẫn đến giảm tuổi thọ của kết cấu. Do đó, hàn ma sát khuấy (FSW) đã được áp dụng như một giải pháp hiệu quả.

1.1. Giới thiệu về hợp kim nhôm 5083 và ứng dụng của nó

Hợp kim nhôm 5083 là một trong những loại hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo, đặc biệt là trong lĩnh vực hàng hải. Với tính năng chống ăn mòn và độ bền cao, hợp kim này thường được sử dụng để chế tạo các phương tiện vận tải đường thủy. Nghiên cứu này sẽ làm rõ hơn về các đặc tính của hợp kim nhôm 5083 và lý do tại sao nó lại được ưa chuộng.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu chế độ hàn ma sát

Chế độ hàn ma sát khuấy là một công nghệ tiên tiến giúp cải thiện chất lượng mối hàn. Nghiên cứu này sẽ chỉ ra tầm quan trọng của việc tối ưu hóa chế độ hàn để đạt được mối hàn có chất lượng tốt nhất, từ đó nâng cao tuổi thọ và độ bền của kết cấu hàn.

II. Vấn đề và thách thức trong hàn hợp kim nhôm 5083

Hàn hợp kim nhôm 5083 gặp phải nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc duy trì chất lượng mối hàn. Các vấn đề như khuyết tật trong mối hàn, độ bền kéo và độ bền uốn thường là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Nghiên cứu này sẽ phân tích các vấn đề chính và thách thức trong quá trình hàn.

2.1. Các khuyết tật thường gặp trong mối hàn ma sát

Trong quá trình hàn ma sát, các khuyết tật như 'kissing bonds' và lỗ rỗng có thể xuất hiện, ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Nghiên cứu sẽ chỉ ra nguyên nhân và cách khắc phục các khuyết tật này.

2.2. Ảnh hưởng của thông số hàn đến chất lượng mối hàn

Thông số hàn như tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ tịnh tiến có ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn. Nghiên cứu sẽ phân tích mối quan hệ giữa các thông số này và chất lượng mối hàn để tìm ra chế độ hàn tối ưu.

III. Phương pháp nghiên cứu chế độ hàn ma sát khuấy

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp hàn ma sát khuấy để chế tạo mối hàn giữa hai tấm hợp kim nhôm 5083. Các thông số hàn sẽ được điều chỉnh và kiểm tra để đánh giá ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Phương pháp này không chỉ giúp cải thiện chất lượng mà còn giảm thiểu khuyết tật trong mối hàn.

3.1. Quy trình chế tạo mối hàn ma sát

Quy trình chế tạo mối hàn ma sát sẽ được mô tả chi tiết, bao gồm các bước chuẩn bị vật liệu, thiết lập thông số hàn và thực hiện hàn. Nghiên cứu sẽ chỉ ra các yếu tố cần thiết để đạt được mối hàn chất lượng cao.

3.2. Thiết bị và dụng cụ hàn sử dụng trong nghiên cứu

Thiết bị hàn ma sát khuấy và dụng cụ hàn sẽ được giới thiệu, bao gồm các thông số kỹ thuật và cách thức hoạt động. Nghiên cứu sẽ làm rõ vai trò của thiết bị trong việc đảm bảo chất lượng mối hàn.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa chế độ hàn có thể cải thiện đáng kể chất lượng mối hàn ma sát của hợp kim nhôm 5083. Độ bền kéo và độ bền uốn của mối hàn tăng lên khi tăng tốc độ hàn. Nghiên cứu sẽ trình bày chi tiết các kết quả đạt được và ứng dụng thực tiễn của chúng.

4.1. Đánh giá chất lượng mối hàn sau thí nghiệm

Chất lượng mối hàn sẽ được đánh giá thông qua các tiêu chí như độ bền kéo, độ bền uốn và cấu trúc tế vi. Nghiên cứu sẽ cung cấp số liệu cụ thể để minh chứng cho chất lượng mối hàn đạt được.

4.2. Ứng dụng của kết quả nghiên cứu trong công nghiệp

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là trong ngành chế tạo tàu biển và hàng không. Nghiên cứu sẽ chỉ ra cách thức ứng dụng các kết quả này vào thực tiễn sản xuất.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng chế độ hàn ma sát có ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn hợp kim nhôm 5083. Kết quả đạt được mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc tối ưu hóa các thông số hàn để nâng cao chất lượng mối hàn. Hướng nghiên cứu tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển công nghệ hàn mới và cải tiến quy trình hàn.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã khẳng định vai trò quan trọng của chế độ hàn trong việc nâng cao chất lượng mối hàn. Nghiên cứu sẽ tóm tắt các điểm chính và kết luận từ các kết quả đạt được.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải tiến công nghệ hàn và áp dụng cho các loại hợp kim khác. Nghiên cứu sẽ đề xuất các phương pháp mới để nâng cao hiệu quả và chất lượng mối hàn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế tạo phương tiện thủy cao tốc hiện đại, hơn 70% kết cấu vỏ tàu sử dụng hợp kim nhôm nhóm 5xxx, đặc biệt là hợp kim nhôm 5083 với hàm lượng magiê từ 4,0% đến 4,9%. Hợp kim này sở hữu độ bền kéo danh định 310 MPa và khả năng chống ăn mòn nước biển vượt trội. Tuy nhiên, việc áp dụng các phương pháp hàn nóng chảy truyền thống như hàn TIG hay MIG thường gây ra vùng ảnh hưởng nhiệt lớn, làm suy giảm từ 35% đến 50% độ bền cơ học và tạo nhiều khuyết tật rỗ khí, nứt nóng.

Để giải quyết triệt để vấn đề trên, đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) trên mối hàn giáp mí tấm hợp kim nhôm 5083 có chiều dày 3,0 mm. Mục tiêu cụ thể là xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu gồm tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn tịnh tiến, từ đó đánh giá sự biến đổi cấu trúc tế vi, sự phân bố nhiệt độ và các chỉ tiêu cơ tính như độ bền kéo, độ bền uốn, độ cứng và độ dai va đập.

Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được triển khai trong giai đoạn 2018 đến 2019 trên hệ thống máy phay CNC hiện đại tại khu vực Nha Trang và Thành phố Hồ Chí Minh. Ý nghĩa then chốt của công trình thể hiện ở việc nâng cao hiệu suất liên kết mối hàn lên trên 85% độ bền kéo và 84% độ bền uốn so với vật liệu gốc, đồng thời tiết kiệm 100% chi phí kim loại phụ và khí bảo vệ, tạo cơ sở kỹ thuật vững chắc cho ngành cơ khí đóng tàu tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết nhiệt ma sát biến dạng dẻo do Viện Hàn Hoàng gia Anh TWI phát minh năm 1991 kết hợp với lý thuyết kết tinh lại động (Dynamic Recrystallization). Mô hình nghiên cứu khảo sát sự tương tác nhiệt - cơ giữa dụng cụ hàn thép H13 và phôi hợp kim nhôm 5083 dưới tác động của lực dọc trục và góc nghiêng dụng cụ 2 độ.

Ba khái niệm cấu trúc cốt lõi định hình chất lượng mối hàn bao gồm: Vùng khuấy (Stirred Zone - SZ) đặc trưng bởi các hạt tinh thể siêu mịn được kết tinh lại hoàn toàn; Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo-mechanically Affected Zone - TMAZ) chịu tác động đồng thời của nhiệt độ và lực cắt cơ học nhưng chưa kết tinh lại; Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat-Affected Zone - HAZ) chỉ chịu biến đổi nhiệt độ mà không chịu biến dạng dẻo. Tỉ số công nghệ giữa tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến đóng vai trò quyết định mật độ năng lượng nhiệt cung cấp cho mối hàn trong suốt quá trình nối ghép ở trạng thái rắn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm đối chứng kết hợp mô phỏng trường nhiệt độ. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 15 mẫu hàn giáp mí tấm hợp kim nhôm 5083 kích thước tiêu chuẩn 80x250x3,0 mm, gia công trên máy phay đứng CNC Mazak V550. Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng nhằm khảo sát toàn diện các cấp tốc độ quay từ 800 đến 1500 vòng/phút và dải tốc độ hàn từ 40 đến 120 mm/phút với hai loại dụng cụ có đường kính vai 16 mm và 20 mm.

Hệ thống phân tích cơ tính và tổ chức tế vi bao gồm máy kéo nén vạn năng Instron-3366 với cảm biến tải trọng 10 kN, máy đo độ cứng Rockwell AR 10, máy thử va đập Tinius Olsen IT-406E và kính hiển vi quang học Olympus-CK40M độ phóng đại 1000 lần sau khi tẩm thực bề mặt bằng hóa chất chuyên dụng. Phương pháp này được lựa chọn vì đảm bảo độ chính xác cơ học theo tiêu chuẩn quốc tế ASTM, giúp lượng hóa tương quan giữa tổ chức tế vi và cơ tính trong mốc thời gian nghiên cứu 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, độ bền kéo của mối hàn ma sát khuấy đạt giá trị vượt trội, đạt trên 85% so với kim loại nền 5083, tương đương ứng suất kéo cực đại khoảng 265 MPa so với 310 MPa của kim loại gốc.

Thứ hai, độ bền uốn của mối hàn đạt trên 84% so với vật liệu gốc, góc uốn đạt 180 độ mà không xuất hiện vết nứt bề mặt ở các chế độ hàn có tốc độ tịnh tiến cao.

Thứ ba, cấu trúc tế vi tại vùng khuấy (SZ) có sự tinh vi hóa vượt bậc, kích thước hạt tinh thể giảm từ 35-40 micromet ở kim loại nền xuống dưới 5-8 micromet tại tâm mối hàn nhờ hiện tượng kết tinh lại động liên tục.

Thứ tư, độ dai va đập tại tâm mối hàn (SZ) ghi nhận mức giảm khoảng 15% đến 20% so với kim loại nền, trong khi vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (TMAZ) và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) duy trì độ dai va đập cao hơn từ 5% đến 10% so với vùng tâm.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng độ bền kéo và độ bền uốn khi tăng tốc độ tịnh tiến được giải thích bởi sự giảm nhiệt lượng tích lũy, hạn chế hiện tượng ủ mềm và hạn chế sự phát triển thô đại của hạt tinh thể. Dữ liệu thực nghiệm khi biểu diễn trên biểu đồ nhiệt độ cho thấy phân bố nhiệt độ bất đối xứng, trong đó nhiệt độ bên tiến (Advancing Side) luôn cao hơn bên lùi (Retreating Side) khoảng 15 đến 30 độ C do ma sát trượt cộng hưởng với hướng chuyển động tịnh tiến.

Đường cong phân bố độ cứng trên mặt cắt ngang mối hàn thể hiện dạng lòng chảo chữ V, với giá trị độ cứng thấp nhất tập trung tại ranh giới giữa vùng SZ và TMAZ do sự phân tán các pha tăng bền. So với nghiên cứu của Balasubramanian năm 2012 trên hợp kim nhẹ đạt hiệu suất 83% và nghiên cứu của Dương Đình Hảo năm 2015 trên hợp kim nhôm 7075 đạt 76%, kết quả trên 85% trong công trình này khẳng định tính ưu việt của việc tối ưu hóa vai dụng cụ 20 mm và góc nghiêng 2 độ cho tấm mỏng 3,0 mm. Khuyết tật đường ôxit ngậm (kissing bonds) chỉ xuất hiện cục bộ khi nhiệt độ hàn dưới 350 độ C và hoàn toàn biến mất ở chế độ thông số thích hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

Một là, thiết lập và chuẩn hóa chế độ hàn tối ưu với tốc độ quay dụng cụ trong khoảng 1000 đến 1200 vòng/phút kết hợp tốc độ hàn tịnh tiến 60 đến 80 mm/phút, nhằm duy trì tỉ số nhiệt năng ổn định, nâng tỷ lệ độ bền kéo thực tế đạt mốc 88% trong lộ trình 3 tháng tới.

Hai là, áp dụng thiết kế dụng cụ hàn thép H13 tôi thấm cacbon với đường kính vai 20 mm lõm góc 6 độ và chốt hàn ren côn, giảm thiểu 95% khuyết tật lỗ rỗng (tunnel defect) và khuyết tật quá nhiệt (flash), do các kỹ sư vận hành nhà máy cơ khí triển khai ngay trong quý tiếp theo.

Ba là, chuyển giao và thử nghiệm công nghệ hàn FSW cho các cơ sở đóng tàu thủy vỏ nhôm tại Hải Phòng, Đà Nẵng và Thành phố Hồ Chí Minh, đặt mục tiêu chế tạo thành công phân đoạn vỏ tàu cao tốc 3,0 mm trước năm 2027 nhằm tăng tuổi thọ kết cấu lên thêm 30%.

Bốn là, mở rộng nghiên cứu mô phỏng phần tử hữu hạn 3D kết hợp cơ chế làm mát cưỡng bức bằng khí nitơ lỏng hoặc phun sương nước trong vòng 6 tháng, do các nhóm nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật chủ trì để kiểm soát hoàn toàn vùng giảm cứng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế và thi công vỏ tàu thủy: Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình công nghệ hàn tấm nhôm 5083 mỏng 3,0 mm, giúp tối ưu hóa kết cấu đóng tàu cao tốc, tăng độ kín khít và giảm khối lượng kết cấu khoảng 15%.

Nhóm chuyên gia và kỹ sư công nghệ hàn: Tài liệu mang lại bộ thông số chế độ hàn thực nghiệm chính xác, hướng dẫn cách lựa chọn hình học vai - chốt dụng cụ và giải pháp loại bỏ triệt để khuyết tật kissing bonds trên dây chuyền sản xuất công nghiệp.

Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật vật liệu: Cung cấp khung phương pháp luận hoàn chỉnh về phân tích cấu trúc tế vi, đo đạc phân bố nhiệt độ thực nghiệm và cơ chế chuyển pha tế vi trong hợp kim nhôm Al-Mg biến dạng.

Doanh nghiệp chế tạo thiết bị hàng không, đường sắt và bồn bể áp lực: Tham khảo dữ liệu cơ tính và kinh nghiệm vận hành FSW trên máy phay CNC tiêu chuẩn nhằm tiết kiệm 40% chi phí đầu tư máy hàn chuyên dụng đắt tiền.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ hàn ma sát khuấy FSW có ưu điểm vượt trội gì so với hàn TIG và MIG truyền thống?

Hàn FSW là quá trình liên kết ở trạng thái rắn, không làm nóng chảy kim loại nên loại bỏ hoàn toàn các khuyết tật nứt nóng, rỗ khí và cong vênh nhiệt. Công nghệ này giúp mối hàn đạt trên 85% độ bền kim loại gốc, tiết kiệm 100% que hàn và khí argon bảo vệ, đồng thời không phát sinh khói độc hại hay bức xạ hồ quang.

Tại sao hợp kim nhôm 5083 lại được ứng dụng phổ biến trong chế tạo vỏ tàu cao tốc?

Hợp kim nhôm 5083 chứa 4,0% đến 4,9% magiê cùng các nguyên tố mangan và crom, mang lại độ bền kéo 310 MPa cùng khả năng chống ăn mòn tuyệt hảo trong môi trường nước biển. Khối lượng riêng nhẹ của nhôm giúp giảm 45% trọng lượng thân tàu so với thép, từ đó nâng cao tốc độ di chuyển và tiết kiệm nhiên liệu vận hành.

Tại sao cấu trúc hạt tại tâm mối hàn (SZ) lại mịn hơn vật liệu gốc nhưng độ cứng lại giảm?

Dưới tác dụng khuấy đảo cơ học mãnh liệt và nhiệt độ cao, vùng SZ diễn ra quá trình kết tinh lại động tạo thành các hạt tinh thể siêu mịn kích thước dưới 8 micromet. Tuy nhiên, nhiệt lượng ma sát làm hòa tan một phần các pha kết tủa hóa bền và giải tỏa mật độ lệch biến cứng ban đầu, dẫn đến độ cứng tế vi tại tâm mối hàn bị giảm nhẹ.

Khuyết tật kissing bonds trong hàn FSW là gì và cách khắc phục như thế nào?

Kissing bonds là khuyết tật lớp màng ôxit nhôm tự nhiên không được khuếch tán triệt để, tạo thành các đường liên kết yếu dạng zigzag trên mặt cắt ngang. Để loại bỏ khuyết tật này, kỹ sư cần tăng tốc độ quay của dụng cụ lên trên 1000 vòng/phút kết hợp góc nghiêng 2 độ nhằm tối đa hóa dòng chảy dẻo và nhiệt ma sát phá vỡ màng ôxit.

Có thể thực hiện công nghệ hàn ma sát khuấy trên các máy phay CNC thông thường không?

Hoàn toàn khả thi khi sử dụng máy phay đứng CNC có độ cứng vững cao như hệ thống Mazak V550 kết hợp đồ gá kẹp chặt chuyên dụng. Giải pháp này giúp các xưởng cơ khí tận dụng trang thiết bị sẵn có để chế tạo mối hàn tấm mỏng 3,0 mm chất lượng cao mà không cần đầu tư máy FSW chuyên dụng trị giá hàng tỷ đồng.

Kết luận

• Công trình đã làm chủ công nghệ hàn ma sát khuấy trên hợp kim nhôm 5083 tấm mỏng 3,0 mm với mối hàn đạt độ bền kéo trên 85% và độ bền uốn trên 84%.
• Xác định được quy luật biến đổi cấu trúc tế vi với hạt siêu mịn tại vùng khuấy SZ và làm rõ bức tranh phân bố nhiệt độ bất đối xứng giữa bên tiến và bên lùi.
• Đề xuất bộ thông số công nghệ chuẩn xác trên máy CNC Mazak V550, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị và vật liệu tiêu hao.
• Cung cấp cơ sở khoa học để loại bỏ các khuyết tật cơ bản, nâng cao độ tin cậy của kết cấu cơ khí chịu tải trọng động.
• Đóng góp giải pháp kỹ thuật cốt lõi phục vụ ngành đóng tàu thủy cao tốc và công nghiệp giao thông vận tải hiện đại tại Việt Nam.

Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2026-2027 là hoàn thiện mô hình tự động hóa đường hàn không gian và kiểm thử độ bền mỏi chu kỳ cao trong môi trường sương muối biển. Các đơn vị sản xuất và cơ sở nghiên cứu hãy kết nối và ứng dụng ngay bộ giải pháp công nghệ này để nâng tầm chất lượng sản phẩm kết cấu nhôm chuyên dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.