Chương 1 Tổng quan Trang. 23 Năm 2011 Các hãng hàng không hàng đầu thế giới đầu tư cho nghiên cứu và ứng dụng hàn ma sát khuấy cho các dòng máy bay hiện đại 1.1 Tình hình phát triển hàn ma sát khuấy ở Việt Nam Ở nước ta, hàn ma sát khuấy là một lĩnh vực khá mới. Ðặc biệt trong các trường học và các trung tâm nghiên cứu, phương pháp hàn này chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu khái niệm mà thôi. Theo khảo sát, hiện nay hầu như không có doanh nghiệp nào trong nước ứng dụng phương pháp hàn này vào sản xuất.17 bàn ăn trên máy bay dùng công nghệ hàn FSW Tuy nhiên trên một số tàu bay mà Vietnam airlines đang sử dụng và khai thác như Boeing 777, Airbus A330.A320 một số các thiết bị bên trong cũng như bên ngoài như ghế ăn, các bộ phận trong động cơ, khung sườn, thùng nhiên liệu có sử dụng hàn FSW.
Các công ty có thể ứng dụng công nghệ hàn này một cách có hiệu quả như: sản xuất nồi hơi, các nhà máy đóng tàu vỏ hợp kim nhôm (Sông Cam Vinashin, 198 Bộ Quốc Phòng, Bourbon Long An, Strategic Marine Vũng Tàu.nhưng các công ty nói trên vẫn chưa dám mạnh dạn đầu tư vì chưa hiểu rõ về công nghệ hàn này. Trong năm 2009 Học viên Mai Đăng Tuấn đã nghiên cứu tổng quan về ma sát khuấy, nghiên cứu một số mô hình thực nghiệm và tiến hành thí nghiêm trong điều kiện phù hợp với điều kiện của Việt Nam và đã đạt một số kết quả khả quan. Tuy nhiên việc nghiên cứu sâu hơn vào cấu trúc mối hàn, những tính năng cơ bản mà một mối hàn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy cần có vẫn chưa được nghiên cứu sâu HVTH : Phạm Minh Thuận GVHD: TS Lưu Phương Minh Chương 1 Tổng quan Trang. Và chưa thống kê hết những hư hại và độ bền thật sự của mối hàn trong từng điều kiện làm việc hay môi trường cụ thể.
Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến tổ chức mối hàn như: - Ảnh hưởng của thông số lực ép - Ảnh hưởng của số vòng quay - Ảnh hưởng của vận tốc hàn - Ảnh hưởng của chiều sâu vật hàn - Ảnh hưởng của điều kiện nhiệt. Từ những ảnh hưởng trên gây ra những hư hỏng trong cấu trúc của mối hàn : - Sự mỏi xảy ra trong cấu trúc bị quyết định bởi dòng chảy vật liệu, - Vết nứt tế vi phát sinh trong sự hình thành các thể dòng chảy không đều - Sự phá hủy cấu trúc mối hàn - Sự già hóa kim loại - Cấu trúc hạt to và kém bền Đề ra giải pháp nhằm cải thiện cơ tính mối hàn Trong năm 2010 Trần Trung Hoàng và Trần Hải Triều đã có nghiên cứu về tối hóa thông số công nghệ và mô phỏng nhiệt, lực quá trình hàn. Tính cấp thiết của đề tài Việc ứng dụng hàn ma sát ở Việt Nam có được áp dụng và phát triển hay không phụ thuộc vào tính khả thi của công nghệ hàn ma sát khuấy, chất lượng mối hàn trong những điều kiện công nghệ khác nhau phù hợp với khả năng và trình độ phát triển. Bên cạnh đó ngày càng nhiều thiết bị, máy móc ở Việt Nam sử dụng vật liệu mới đặc biệt khó hàn như nhôm 2XXX ứng dụng trong xe otô., máy bay, nhôm 7XXX ứng dụng trong một số ngành xây dựng cao.
Về cơ bản một số chi tiết khi bị nứt hoặc hư hỏng phần lớn là thay thế, tuy nhiên giá cả rất cao, và thời gian đặt hàng rất lâu, HVTH : Phạm Minh Thuận GVHD: TS Lưu Phương Minh Chương 1 Tổng quan Trang. 25 ảnh hưởng đến sản xuất. Và công nghệ hàn FSW có khả năng giải quyết được khó khăn trên. Để đạt được mục tiêu đó thì vấn đề mấu chốt là khả năng thực hiện nhằm tạo ra mối hàn tốt đạt chất lượng cao với loại vật liệu “tương lai” là yếu tố tiên quyết tạo nên tính đột phá của công nghệ Do vậy đề tài “ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐỀN TỔ CHỨC MỐI HÀN THEO PHƯƠNG PHÁP FSW.NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA KẾT CẤU HÀN.
” thật sự cần thiết và cần được nghiên cứu nhằm chứng minh cụ thể hơn tính khả thi trong việc áp dụng hàn ma sát khuấy tại Việt Nam. CHƯƠNG 2: TỔ CHỨC TẾ VI MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY ĐỐI VỚI HỢP KIM NHÔM 2024 T6_T351 2.1 Tổ chức tế vi của từng vùng mối hàn Tổ chức tế vi của mối hàn được phân chia theo nhiều vùng khác nhau. Có rất nhiều cách phân chia nhưng chủ yếu phân chia theo vùng ảnh hưởng nhiệt là chính. Khi xem xét phân tích các vùng mối hàn, cách phân chia vùng mối hàn theo tính toán nhiệt sẽ được phân thành bốn vùng ảnh hưởng nhiệt khác nhau.
Nhưng sự phân chia vùng mối hàn theo phân tích lực thông thường các nhà nghiên cứu phân thành 3 vùng chịu tải chính và một phân vùng chịu tải phụ Hình 2.1 cắt lớp các vùng mối hàn HVTH : Phạm Minh Thuận GVHD: TS Lưu Phương Minh Chương 1 Tổng quan Trang. 26 Việc nghiên cứu đến tổ chức tế vi của mối hàn ma sát khuấy nhận thấy sự biến đổi cấu trúc và biên giới hạt rất phức tạp, vừa phụ thuộc vào loại vật liệu ảnh hưởng nhiệt, lực ép và vận tốc hàn do đó có thể phân chia thành sáu vùng tổ chức kim loại mối hàn. Cấu trúc mối hàn trong mặt cắt ngang dưới đây thể hiện mối hàn được chia sáu vùng ảnh hưởng: Mỗi vùng ảnh hưởng có những đặc điểm về cấu trúc cũng như độ bền rất khác nhau sẽ được trình bài ở những chương tiếp theo. Sự liên kết về mặt cấu trúc giữa các vùng là vấn đề quyết định tính chất và độ bền của mối hàn ma sát khuấy.
Các vùng kim loại mối hàn. Vùng 1: Như hình 2.2 ( vùng trung tâm mối hàn _vùng đầu vào) của mối hàn được bao bởi vùng ảnh hưởng nhiệt và vùng ảnh hưởng cơ nhiệt. Dựa vào hình dáng hình học và cấu trúc mối hàn cho thấy quá trình dòng chảy vật liệu là không đối xứng. Trong vùng 1 kim loại lúc nào cũng trong trạng thái bị phân tán và bị một tác động gọi là SPD (server plastic deformation )[10] Cấu trúc hạt bị tách, bị trượt lẫn nhau,làm phá vỡ cấu trúc nền.
Kim loại trong vùng này bị nhiều tác động nên có cấu trúc hạt dạng con nhộng dài và có xu hướng phân bố theo chiều xoay theo chiều quay của dụng cụ HVTH : Phạm Minh Thuận GVHD: TS Lưu Phương Minh Chương 1 Tổng quan Trang.3 Cấu trúc phân bố hạt vùng 5_1 và 2_5 [6] Vùng 2: Vùng lùi vật liệu, thể tích kim loại được quét phụ thuộc vào lượng nhiệt nung nóng để làm mềm vật liệu xung quanh dụng cụ. Và qua đó nhận thấy rằng nhiệt độ vùng lùi cao hơn nhiệt độ vùng tiến của mối hàn. Do đó sự phân bố cấu trúc hạt ở vùng lùi không giống với vùng tiến (vùng vào vật liệu). Vật liệu ở vùng 2 là kết quả của quá trình luyện kim, vật liệu bị tác động của yếu tố cơ nhiệt trong toàn quá trình hàn, do đó cấu trúc tế vi của vật liệu ở vùng 2 bao gồm những trạng thái hạt mịn, dạng cầu phân bố xếp chặt như hình 2.3 Sự hình thành biên giới hạt giảm rõ rệt, hiện tượng cầu hóa hợp kim nhôm trong giai đoạn hình thành biên giới hạt bị già hóa tạo nên những thể biến cứng không hợp lý.
Vùng 4: Trong điều kiện hàn nóng (vòng quay lớn, Vh nhỏ) sự không cân bằng dòng vật liệu sẽ có thể tồn tại và làm cho vùng tâm hàn bị đổ sụp, nguyên nhân là do dòng vật liệu vượt quá từ vùng 3 điền vào cạnh tiến (vùng 1). Vùng 4 được hình thành chủ yếu do sự chảy sệ của dòng vật liệu và các mạng vật liệu trượt nhau, do đó vùng 4 được phân thành 2 loại kết cấu hạt - Nếu mối hàn xuyên suốt bề dày vật liệu thì vùng 4 là vùng vật liệu hàn bị trượt tạo nên, cấu trúc hạt trong vùng đó có dạng tương tự vùng 1 nhưng do trải qua quá trình gia nhiệt và trượt từ vùng 1 sang vùng 4 HVTH : Phạm Minh Thuận GVHD: TS Lưu Phương Minh Chương 1 Tổng quan Trang. 28 Trong điều kiện hàn nguội (tốc độ quay thấp, Vh cao) lỗ hỏng dễ xảy ra, nguyên nhân là do vật liệu vùng tiến (vùng 1) không được đáp ứng đầy đủ, như đã miêu tả thì khuyết tật này sẽ giảm khi lực ép tăng Hình 2.4 Mặt cắt ngang của mối hàn tại vùng 4 có kết cấu phức tạp nhất, vì nơi giao thoa cấu trúc của các vùng kim loại, và tại vùng này hình thành thêm nhiều dạng cấu trúc hạt mới có ảnh hưởng tới từng vùng.[6] Vùng 3 Sự hiện diện của lớp oxyt và những mảnh vụn sẽ làm phát sinh những hạt lớn không bình thường, tuy nhiên đầu khuấy đã phá hủy hoàn toàn vùng này. Những hạt lớn trong vùng trồi sẽ giảm độ dẻo dai, đặc biệt là vùng HAZ (Vùng ảnh hưởng nhiệt).
Trong khi hàn những cỡ hạt lớn không bình thường sẽ cản trở dòng vật liệu và ngăn cản sự kết tinh lại trong vùng xoáy phía dưới đầu khuấy và dọc theo bề mặt trên của đường hàn trong vùng3. Sự quá nhiệt ở vật liệu và làm mất độ bền của kim loại cơ bản trong vùng TMAZ (Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt) hoặc HAZ (Vùng ảnh hưởng nhiệt). Điều kiện hàn này chỉ áp dụng cho những mối hàn chịu lực thấp. khi hàn quá nhiệt thì sẽ hình thành khuyết tật “chảy sệ”.
Nguyên nhân là do quá nhiều dòng vật liệu đến vùng 4 và sự ngấu vượt quá giới hàn chảy của dòng vật liệu đến và ở dưới đỉnh đầu khuấy. Trong điều kiện hàn nguội (tốc độ quay thấp, Vh cao) lổ hỏng dễ xảy ra, nguyên nhân là do vật liệu vùng tiến (vùng 1) Khi lực ép quá thấp thì bề mặt (vùng 3) không được điền đầy. Mặc dù khi lực ép tăng đến giá trị cần thiết thì vẫn có tình trạng thiếu sự kết tinh ở bề mặt giữa vùng 1 và vùng 4 HVTH : Phạm Minh Thuận GVHD: TS Lưu Phương Minh Chương 1 Tổng quan Trang.