Tổng quan nghiên cứu

Hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) là một công nghệ hàn tiên tiến được phát minh vào năm 1991, đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp chế tạo, đặc biệt là trong hàn các hợp kim nhôm. Hợp kim nhôm 5083 với thành phần chính gồm nhôm, magiê, mangan và các nguyên tố khác có khả năng chống ăn mòn cao và độ bền tốt, được sử dụng phổ biến trong ngành đóng tàu cao tốc và các thiết bị chịu môi trường biển khắc nghiệt. Tuy nhiên, các phương pháp hàn chảy truyền thống thường làm giảm tuổi thọ kết cấu của hợp kim này do ảnh hưởng tiêu cực đến cấu trúc và cơ tính vật liệu.

Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của chế độ hàn ma sát khuấy đến chất lượng mối hàn giáp mí trên tấm hợp kim nhôm 5083 dày 3 mm. Mục tiêu chính là xác định các thông số hàn tối ưu, bao gồm tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ tịnh tiến của chốt hàn, nhằm nâng cao chất lượng mối hàn về cấu trúc tế vi và các tính chất cơ học như độ cứng, độ bền kéo, độ bền uốn và khả năng chịu va đập. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Nha Trang trong năm 2019, với các thí nghiệm và phân tích chi tiết trên các mẫu mối hàn được chế tạo bằng máy NTU-FSW.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ hàn ma sát khuấy cho hợp kim nhôm 5083, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và độ bền của các kết cấu trong ngành đóng tàu và công nghiệp giao thông vận tải. Đồng thời, nghiên cứu cũng mở rộng cơ sở dữ liệu về thông số hàn cho các hợp kim nhôm nhóm 5xxx, hỗ trợ ứng dụng công nghệ FSW trong các lĩnh vực công nghiệp khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về hàn ma sát khuấy, trong đó có:

  • Nguyên lý hàn ma sát khuấy (FSW): Dụng cụ hàn xoay với chốt hàn và vai dụng cụ tạo ra nhiệt ma sát và biến dạng dẻo vật liệu tại mối ghép, kết hợp chuyển động tịnh tiến để tạo mối hàn liên tục ở trạng thái rắn, không làm nóng chảy vật liệu.

  • Cấu trúc tế vi mối hàn: Mối hàn FSW gồm ba vùng chính là vùng khuấy (Stirred Zone - SZ), vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo-mechanically Affected Zone - TMAZ) và vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat-Affected Zone - HAZ). Sự biến đổi cấu trúc hạt và các pha trong các vùng này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học của mối hàn.

  • Ảnh hưởng của thông số hàn: Tốc độ quay của dụng cụ (ω) và tốc độ tịnh tiến của chốt hàn (v) là hai thông số chủ yếu quyết định nhiệt độ sinh ra, sự biến dạng dẻo và chất lượng mối hàn. Tỉ số ω/v ảnh hưởng đến nhiệt độ ma sát và độ bền kéo của mối hàn.

Các khái niệm chính bao gồm: tốc độ quay dụng cụ, tốc độ tịnh tiến chốt hàn, góc nghiêng dụng cụ, lực dọc trục, cấu trúc tế vi vùng khuấy, và các loại khuyết tật thường gặp như lỗ rỗng, quá nhiệt, và "kissing bonds".

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng tấm hợp kim nhôm 5083 có kích thước 80×250×3 mm, được hàn giáp mí bằng máy hàn ma sát khuấy NTU-FSW tại Trường Đại học Nha Trang. Các mẫu mối hàn được chế tạo với nhiều chế độ hàn khác nhau, thay đổi tốc độ quay dụng cụ từ khoảng 800 đến 1200 vòng/phút và tốc độ tịnh tiến từ 30 đến 90 mm/phút.

  • Phương pháp phân tích: Sau khi chế tạo, các mẫu được kiểm tra khuyết tật bằng camera quan sát và kính hiển vi kim loại Olympus-CK40M. Cấu trúc tế vi được khảo sát qua ăn mòn điện hóa và quan sát dưới kính hiển vi. Độ cứng được đo bằng máy đo độ cứng Rockwell AR 10. Các tính chất cơ học như độ bền kéo, độ bền uốn và độ dai va đập được đánh giá trên máy kéo nén Instron-3366 và máy thử va đập Tinius Olsen IT-406E.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn chế tạo mối hàn, thí nghiệm cơ học, phân tích cấu trúc và tổng hợp kết quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi chế độ hàn được thực hiện ít nhất 3 mẫu để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên nhằm giảm thiểu sai số do biến thiên vật liệu và quá trình hàn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chất lượng mối hàn và khuyết tật: Mối hàn giáp mí trên tấm hợp kim nhôm 5083 dày 3 mm có thể đạt chất lượng rất tốt với khuyết tật không đáng kể, ngoại trừ hiện tượng "kissing bonds" xuất hiện ở một số mẫu. Tỉ lệ mối hàn đạt chất lượng trên 85% so với vật liệu nền.

  2. Cấu trúc tế vi: Vùng tâm mối hàn (Stirred Zone - SZ) có cấu trúc hạt mịn hơn nhiều so với vật liệu nền, do quá trình kết tinh lại và biến dạng dẻo mạnh trong quá trình hàn. Kích thước hạt giảm đáng kể, góp phần cải thiện tính chất cơ học tại vùng này.

  3. Độ cứng: Độ cứng tại vùng hàn giảm khoảng 10-15% so với vật liệu nền, do sự thay đổi cấu trúc và thành phần pha trong vùng khuấy. Độ cứng giảm nhiều nhất tại vùng TMAZ và HAZ, nơi chịu ảnh hưởng nhiệt và biến dạng dẻo nhưng không kết tinh lại hoàn toàn.

  4. Tính chất cơ học: Độ bền kéo và độ bền uốn của mối hàn tăng khi tăng tốc độ hàn, với độ bền kéo đạt trên 85% và độ bền uốn trên 84% so với vật liệu nền. Độ dai va đập tại tâm mối hàn thấp hơn so với các vùng khác, phản ánh sự tập trung các khuyết tật vi mô và cấu trúc hạt mịn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các biến đổi cấu trúc và tính chất cơ học là do sự sinh nhiệt ma sát và biến dạng dẻo trong quá trình hàn ma sát khuấy. Tốc độ quay dụng cụ cao tạo ra nhiệt độ lớn hơn, làm tăng kích thước hạt và cải thiện độ bền kéo, trong khi tốc độ tịnh tiến cao giúp giảm thời gian tiếp xúc, hạn chế quá nhiệt và khuyết tật.

So với các nghiên cứu trước đây trên hợp kim nhôm nhóm 5xxx, kết quả này phù hợp với xu hướng tăng độ bền kéo khi tăng tỉ số ω/v. Tuy nhiên, hiện tượng "kissing bonds" vẫn là thách thức cần khắc phục để nâng cao chất lượng mối hàn. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố độ cứng theo vị trí mối hàn, bảng so sánh độ bền kéo và uốn ở các chế độ hàn khác nhau, cũng như hình ảnh cấu trúc tế vi minh họa sự thay đổi kích thước hạt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thông số hàn: Khuyến nghị sử dụng tốc độ quay dụng cụ trong khoảng 1000-1200 vòng/phút và tốc độ tịnh tiến 60-90 mm/phút để đạt được độ bền kéo và uốn tối ưu trên 85% so với vật liệu nền trong vòng 6 tháng tới.

  2. Kiểm soát khuyết tật "kissing bonds": Áp dụng kỹ thuật kiểm tra không phá hủy và điều chỉnh góc nghiêng dụng cụ khoảng 2° để giảm thiểu hiện tượng này, thực hiện trong 3 tháng đầu của giai đoạn sản xuất.

  3. Nâng cao chất lượng dụng cụ hàn: Sử dụng vật liệu chế tạo dụng cụ có khả năng chịu mài mòn và ổn định nhiệt cao như thép dụng cụ H13 để tăng tuổi thọ và ổn định quá trình hàn, triển khai trong 12 tháng.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật hàn ma sát khuấy cho công nhân và kỹ sư vận hành máy hàn, nhằm nâng cao tay nghề và kiểm soát quy trình, thực hiện liên tục trong năm đầu tiên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ hàn: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích chi tiết về ảnh hưởng của thông số hàn đến chất lượng mối hàn hợp kim nhôm 5083, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình sản xuất.

  2. Doanh nghiệp đóng tàu và giao thông vận tải: Thông tin về chế độ hàn ma sát khuấy giúp nâng cao độ bền và tuổi thọ kết cấu tàu cao tốc, giảm chi phí bảo trì và tăng hiệu quả vận hành.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp thí nghiệm và kết quả phân tích sâu sắc về công nghệ hàn ma sát khuấy, làm tài liệu tham khảo học thuật.

  4. Nhà sản xuất dụng cụ hàn: Thông tin về cấu tạo, vật liệu và kích thước dụng cụ hàn giúp cải tiến thiết kế, nâng cao hiệu suất và chất lượng mối hàn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hàn ma sát khuấy có ưu điểm gì so với hàn truyền thống?
    FSW không cần kim loại phụ, không phát sinh khí độc, ít biến dạng và khuyết tật, phù hợp với hợp kim nhôm có tính chịu hàn kém.

  2. Tại sao hợp kim nhôm 5083 được ưu tiên trong đóng tàu?
    Vật liệu có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường biển, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của tàu cao tốc.

  3. Ảnh hưởng của tốc độ quay dụng cụ đến chất lượng mối hàn như thế nào?
    Tốc độ quay cao tạo nhiệt ma sát lớn, giúp hạt mịn và tăng độ bền kéo, nhưng quá cao có thể gây quá nhiệt và khuyết tật.

  4. Khuyết tật "kissing bonds" là gì và cách khắc phục?
    Là các vết nứt nhỏ không liên kết chắc chắn trong mối hàn, có thể giảm bằng cách điều chỉnh góc nghiêng dụng cụ và kiểm soát thông số hàn.

  5. Làm thế nào để đo độ cứng và độ bền của mối hàn?
    Sử dụng máy đo độ cứng Rockwell AR 10 và máy kéo nén Instron-3366 để đánh giá độ cứng và độ bền kéo, kết hợp máy thử va đập Tinius Olsen để kiểm tra độ dai va đập.

Kết luận

  • Hàn ma sát khuấy trên tấm hợp kim nhôm 5083 dày 3 mm có thể tạo ra mối hàn chất lượng cao với độ bền kéo và uốn đạt trên 85% so với vật liệu nền.
  • Cấu trúc tế vi vùng khuấy được tinh chỉnh với hạt mịn, góp phần cải thiện tính chất cơ học, mặc dù độ cứng giảm nhẹ so với vật liệu gốc.
  • Tốc độ quay dụng cụ và tốc độ tịnh tiến chốt hàn là hai thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn và sự hình thành khuyết tật.
  • Nghiên cứu cung cấp bộ thông số hàn tối ưu và các khuyến nghị kỹ thuật nhằm ứng dụng hiệu quả công nghệ FSW trong sản xuất công nghiệp.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng quy trình hàn đã tối ưu trong sản xuất thực tế và tiếp tục nghiên cứu khắc phục các khuyết tật còn tồn tại.

Hãy áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất trong ngành công nghiệp chế tạo hợp kim nhôm, đặc biệt là trong lĩnh vực đóng tàu và giao thông vận tải.