Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lịch sử hàn ma sát khuấy và phạm vi ứng dụng 1.1 Lịch sử hàn ma sát khuấy Từ rất lâu, có nhiều phương pháp để nối các chi tiết lại với nhau, phương pháp hàn là một thành công trong ngành công nghiệp sản xuất từ những năm 1800. Sự phát triển này nhờ vào khám phá và cải tiến quan trọng như: ống thổi axetilen và oxiaxetilen đã đưa ra sự ra đời của hàn gas, hồ quang giữa hai điện cực carbon dẫn tới sự ra đời của hàn hồ quang, và nhiệt do điện trở là nền tảng cho sự ra đời của hàn điện. Trong khi hàn gió đá (Hình 1.1) được đưa vào ứng dụng trong thực tế một cách rộng rãi từ những năm 1900, hàn hồ quang (Hình 1.2) sau đó cũng từ từ trở nên phổ biến. Hàn bằng gió đá và hồ quang là hai phương pháp hàn nóng chảy, nghĩa là tại một vị trí cục bộ của vật hàn sẽ bị nóng chảy vào nhau và sau đó sẽ đông đặc lại.1 Phương pháp hàn hồ quang [6] Hình 1.2 Phương pháp hàn gas [6] Vào những năm 1950, dựa trên nền tảng của hàn hồ quanG thì phương pháp hàn plasma (Hình 1.3) được ra đời, phương pháp hàn này tạo ra được nguồn nhiệt lớn hơn so với hai phương pháp được đề cập ở trên.3 Máy hàn Plasma [6] 18 Luan van Và cũng trong những năm 1950, với việc phát minh ra tia laser, một phương pháp hàn mới ra đời, đó là hàn bằng tia laser, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp với khả năng hàn các loại vật liệu dày với vùng chảy rất nhỏ, và chất lượng mối hàn cao.
Ngoài ra còn nhiều phương pháp hàn nóng chảy đã được phát minh ra. Bên cạnh đó còn có phương pháp hàn không nóng chảy, đại diện đó là hàn ma sát (Hình 1. Trong quá trình hàn, hai chi tiết được ép sát lại với nhau và giữa hai bề mặt hàn có sự chuyển động tương đối, từ đó một nguồn nhiệt được tạo ra do ma sát và vật liệu tại hai bề mặt bị mềm ra và trộn lẫn lại với nhau, từ đó mối ghép được hình thành.4 Phương pháp hàn ma sát [6] Vận dụng nguyên lý sinh nhiệt từ ma sát của phương pháp hàn ma sát, một phương pháp hàn mới đã được phát triển đó là hàn ma sát khuấy, tên tiếng Anh là: Friction Stir Welding (FSW) (Hình 1. Viện hàn (TWI) tại Anh đã có nhiều năm thực hiện nhiều loại nghiên cứu, phát triển với các hoạt động của công nghệ của hàn ma sát.
Wayne Thomas và cộng sự của ông tại TWI đã trải qua thời gian nghiên cứu và phát triển rất nhiều loại 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 có độ cứng cao xoay được trên bề mặt của vật liệu cần hàn khiến chúng chuyển sang trạng thái dẻo từ đó có thể ứng dụng nguyên lý này làm cho vật liệu hai chi tiết trộn lẫn lại với nhau đây là nền tảng cho sự phát triển của hàn ma sát khuấy sau này.5 Quá trình hàn ma sát khuấy [6] Hàn ma sát khuấy không làm chảy vật liệu nó có ý nghĩa hết sức quan trọng vì nó có thể loại bỏ một số khuyết điểm của quá trình hàn nóng chảy vật liệu như rỗ xốp, có vết 19 Luan van nứt, và bị biến dạng chi tiết hàn. Hơn thế nữa, phương pháp này không cần sử dụng khí bảo vệ, không phát ra ánh sáng hồ quang, không có khói. Đặc biệt không cần vật liệu điền đầy.
Đến nay, hàn ma sát khuấy được ứng dụng và đạt được nhiều thành tựu là hàn hợp kim nhôm. Việc hàn nhôm dễ dàng và được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp. Hơn thế việc hàn hợp kim nhôm bằng các phương pháp hàn nóng chảy gặp rất nhiều khó khăn, điển hình trong ngành công nghiệp máy bay, phương pháp hàn plasma có tỉ lệ hư hỏng lên tới 90%, trong khi đó hàn ma sát khuấy đã giảm tỉ lệ này xuống gần như bằng không [1]. Nhiệt độ lớn nhất trong toàn bộ quá trình hàn dưới nhiệt độ nóng chảy đối với hầu hết hợp kim nhôm là thấp hơn 6600C.
Về nguyên lý, hàn ma sát khuấy có thể ứng dụng cho hầu hết các vật liệu kim loại. Tuy nhiên, đối với các kim loại có độ cứng cao thì giới hạn của hàn ma sát khuấy là bảo đảm được tính toàn vẹn của dụng cụ khuấy. Ví dụ, trong suốt quá trình hàn ma sát khuấy với vật liệu là thép, nhiệt độ tại vùng hàn lên đến 1100-12000C [1] để vật liệu hàn chuyển sang trạng thái dẻo. Hàn ma sát khuấy không chỉ là một công nghệ hàn mà nó còn là một công nghệ mở.
Với những bước đầu phát triển của ngành công nghiệp hàn ma sát khuấy, nó được ứng dụng cho ngành công nghiệp đóng tàu. Với ứu điểm là loại bỏ biến dạng do xoắn, vào năm 2000, công ty Hitachi ứng dụng hàn ma sát vào dây chuyền sản xuất thân xe ô-tô [1]. Tuy nhiên, điều đáng chú ý lớn nhất là trong ngành công nghiệp hàn không, khởi đầu của phát triển hàn ma sát khuấy là vào những năm đầu của thập niên 90. Mà trong đó công ty Boeing sử dụng trong hàn bình nhiên liệu của tên lửa Delta, hàn cấu trúc thân máy của Airbus, thùng chứa nhiên liệu của các con tàu thám hiểm vũ trụ của NASA.2 Phạm vi ứng dụng 1.1 Trong công nghiệp đóng tàu và hàng hải Đây là hai ngành đầu tiên ứng dụng kỹ thuật hàn ma sát khuấy.
Quy trình hàn được ứng dụng vào: - Các tấm bano của boong, các vách ngăn và sàn. - Vỏ tàu và các kiến trúc thượng tầng. - Bãi đáp cho trực thăng trên tàu.6 Ứng dụng trong đóng tàu [6] 1.2 Trong ngành vũ trụ 20 Luan van Phương pháp hàn ma sát khuấy được sử dụng cho việc hàn các bồn nhiên liệu của tàu con thoi và các chi tiết lớn của tàu. Vào năm 1993, NASA đã đề suất công ty Lockheed Martin phát triển một loại vật liệu có độ bền cao, nhẹ để thay thế cho hợp kim nhôm 2219, mà được sử dụng cho bình chứa của tàu con thoi.
Và một loại hợp kim nhôm mới được tạo ra đó là Al-Li 2195, nhưng với các phương pháp hàn hiện tại thời điểm này đòi hỏi chi phí cao hơn mà mối hàn có nhiều khuyết tật. Phương pháp hàn ma sát khuấy được đưa vào để thay thế và cho hiệu quả cao, mối hàn bền hơn và hàn dễ dàng hơn.7 Tàu con thoi NASA [6] 1.3 Trong ngành công nghiệp hàng không Hàn ma sát khuấy có nhiều ứng dụng tiềm năng trong ngành công nghiệp hàng không. Việc thay thế, sửa chữa, ghép nối các chi tiết trong máy bay thì phương pháp hàn ma sát khuấy đáp ứng rất tốt cho các nhiệm vụ này. Ngày nay, việc chế tạo một số mẫu trong ngành công nghiệp hàng không đã được ứng dụng phương pháp hàn ma sát khuấy.
Các mối hàn dọc giáp mối và hàn các chi tiết trụ của hợp kim nhôm cho các bình chứa nhiên liệu của máy bay phương pháp hàn ma sát khuấy cho nhiều ưu điểm. Hàn ma sát khuấy có thể ứng dụng vào hàn các chi tiết như: - Cánh máy bay, thân máy bay, các bộ phân thăng bằng. - Bình chứa nhiên liệu. 21 Luan van Hình 1.8 Các bộ phận máy bay được hàn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy[6] 1.4 Trong ngành công nghiệp ô-tô Phương pháp hàn ma sát khuấy được ứng dụng trong việc ghép các tấm hợp kim nhôm của thân xe, mâm xe và khung xe.9 Phần khung của một bộ phân trên ô tô [6] 1.5 Trong ngành đường sắt Từ năm 1997 phần vỏ cùa tàu điện ngầm được chế tạo từ hợp kim nhôm và được hàn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy.
Tàu điện của Bombardier’s Electrostar tại Sapa Group sử dụng tấm panel được hàn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy của Hitachi. 22 Luan van Hình 1.10 Tàu Hitachi’s A-Train của ngành đường sắt Anh [6] 1.2 Nguyên lý hàn ma sát khuấy, ưu – khuyết điểm 1.1 Nguyên lý hàn ma sát khuấy 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, tại trạng thái dẻo này vật liệu tại mối ghép được trộn lại với nhau để hình thành mối hàn. Quá trình hàn ma sát có thể chia làm ba giai đoạn [4]: - Giai đoạn 1: Đi xuống của đầu khuấy.
- Giai đoạn 2: Đầu khuấy quay tại chỗ. - Giai đoạn 3: Đầu khuấy di chuyển dọc đường hàn.11 Các giai đoạn trong quá trình hàn ma sát khuấy [5] Ở giai đoạn đầu, đầu khuấy quay tại chỗ (hình 1.11a), tiếp theo sau đó đầu khuấy sẽ đi xuống từ từ đến khi mặt đầu của chốt khuấy sẽ chạm bề mặt của vật hàn (hình 1.11b), đi sâu vào trong vật liệu hàn, một khi đầu khuấy đi xuống đạt được chiều sâu mong muốn thì sẽ ngừng lại (hình 1.11 c), việc dừng lại này giúp tăng nhiệt độ do ma sát, nhiệt độ này đạt tới giá trị dẻo chứ chưa tới nhiệt độ nóng chảy. Sau khi đạt tới trạng thái dẻo như mong muốn thì chuyển sang giai đoạn ba là đầu khuấy di chuyển 23 Luan van dọc đường hàn (hình 1.12 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 đóng vai trò cản không cho vật liệu bị biến dạng dẻo bay ra ngoài khi chốt khuấy và ép vật liệu chạy dọc đường hàn. Chốt khuấy có nhiều biên dạng khách nhau và đóng vai trò đẩy vật liệu xung quanh đi xuống và giúp vật liệu được duy trì trong vùng hàn. Trong quá trình hàn 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.13 Các biên dạng của đầu hàn [9] Thông thường trong FSW, chốt phải đi sâu vào trong chi tiết hàn và cách bề mặt đối diện khoảng 0,5 mm [1] để đảm bảo toàn bộ bề mặt mối ghép được hàn.