Chương 1.1 Giới thiệu Tổng quan về tấm Bimetal Cu/Al Tấm bimetal Al/Cu là một vật liệu kỹ thuật mới, dựa trên nhu cầu của các ngành công nghiệp khác nhau, được hình thành dựa vào công nghệ kỹ thuật tiên tiến như cán, hàn, phủ, nó được sử dụng cho tất cả các loại sản xuất linh kiện điện như: bộ phận ngắt mạch nhỏ, chuyển tiếp contactor, kết nối, chuyển mạch, và tản nhiệt ôtô, vv. Trong các ứng dụng điện, tấm Bimetal Cu/Al cho phép kết hợp vật liệu nhôm với đồng có điện trở thấp, với đặc tính ổn định hơn và chống ăn mòn trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn, độ cứng cao. Nhiều ngành công nghiệp khác nhau không ngừng nỗ lực cải thiện khả năng cạnh tranh của mình, với các sản phẩm hiệu suất cao hơn được thực hiện với quy trình hiệu quả với tác động môi trường thấp. Hầu hết các phát triển được hỗ trợ bởi tối ưu hóa vật liệu đòi hỏi giải pháp tiên tiến cho sản xuất, trong đó việc kết hợp các vật liệu kỹ thuật khác nhau thường là quá trình thách thức nhất.
Về phạm vi này, hàn khuấy ma sát (FSW) [ 1 ] là một kỹ thuật nối vật liệu trạng thái rắn hiện đại, mở ra khả năng sản xuất các mối nối của các vật liệu khác nhau mà phương pháp hàn nung chảy thông thường khó, hoặc thậm chí không thể làm được. Trong FSW, nhiệt chủ yếu được tạo ra bởi sự tiêu tán ma sát trong quá trình biến dạng dẻo bên trong, và do đó vật liệu không đạt đến nhiệt độ nóng chảy của chúng khi tự sinh nhiệt cục bộ giảm xuống do nhiệt độ tăng có xu hướng nóng chảy [ 3 , 4 ]. Điều này có nghĩa là khi FSW của các vật liệu khác nhau, nhiệt độ cục bộ là yếu tố cho phép biến dạng dẻo cục bộ do dụng cụ cứng, điều kiện gá lắp và các thông số quá trình áp đặt dựa trên kết quả từ việc theo dõi nhiệt độ trong suốt FSW của các mối hàn Al-Cu. Các mối nối lưỡng kim loại FSW chất lượng tốt hiện khả thi cho Al với thép [ 5 , 6 , 7] và Al và Cu [ 8 ].
Tránh các vấn đề phổ biến liên quan đến hàn nung chảy các kim loại khác nhau, chẳng hạn như nhiệt độ nung chảy không phù hợp, hình thành các hợp chất liên kim loại giòn rộng (IMC), khả năng hòa tan khí và độ méo cao, và ứng suất dư [ 2 ], FSW đã mở ra những khả năng mới trong tối ưu hóa thiết kế và sản LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Trang 4 xuất các sản phẩm khác nhau. Đặc biệt, các ứng dụng điện như cốt nối song song Cu/Al từ tấm BIMETAL Cu/Al có thể nhận được những lợi ích đáng kể từ việc kết hợp vật liệu rẻ hơn và nhẹ hơn, chẳng hạn như cốt nối song song Cu/Al từ tấm BIMETAL Cu/Al có điện trở thấp hơn, có tính chất cơ học ổn định hơn và chống ăn mòn trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn.2 Các ứng dụng của Tấm bimetal Cu/Al. Thiết bị đầu nối điện Cu/Al.1: Ứng dụng ngành điện [ 17] 1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Mehta KP, Badheka VJ (2016) [ 8 ] đánh giá về hàn khuấy ma sát khác nhau của đồng với nhôm: quy trình, đặc tính và các cấu trúc.
Các thông số FSW như thiết kế dụng cụ, độ lệch chân dao, tốc độ quay, tốc độ hàn, góc nghiêng dụng cụ, và vị trí của vật liệu phôi Cu-Al khác nhau được tóm tắt trong bài báo này. Ngoài ra, các khuyết tật hàn, cấu LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Trang 5 trúc tế vi và sự tạo hợp chất đối với vật liệu Cu-Al bằng kỹ thuật FSW cũng đã được thảo luận trong bài báo này. Napieralska-Juszczak E, Komeza K, Morganti F, Sykulski JK, Vega G, Zeroukhi Y (2017) [ 9 ] đo điện trở tiếp xúc cho dây dẫn đồng và nhôm. Điện trở suất được thiết lập bằng cách so sánh các phép đo của điện trở suất với các mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Tính không đồng nhất của tiếp xúc đã được và các kết quả được trình bày cho thấy sự phụ thuộc của điện trở tiếp xúc vào một số thông số. Soegijono [11] đã nghiên cứu tính chất cơ học của hỗn hợp vật liệu 96,2% nhôm và 3,8% đồng được tạo bằng quá trình nóng chảy ở nhiệt độ 1200oC và thêm vào dung dịch khoảng 12,5% đến 20% SiC trên bề mặt khảo sát và sau đó phân tích cấu trúc được kiểm tra bằng tia X-Ray máy đo nhiễu xạ (XRD), soi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử (SEM), độ cứng HRB đo bằng máy Vickers. Kết quả cho thấy chính SiC là chất xúc tác làm cho bề mặt được khảo sát có độ cứng lớn hơn mặt còn lại khoảng 15%. Eka Febryansyah [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các loại chốt hàn hàn ma sát khuấy đến cơ tính mối hàn nhôm 5052 và đồng nguyên chất.
Các thông số hàn được thực hiện với ba loại vai và chốt hàn khác nhau: hình trụ , hình côn và ren. Trước khi hàn, tấm đồng được gia nhiệt với nhiệt độ từ 25°C đến 200°C. Các mối hàn được thực hiện ở tốc độ quay chốt 2800 vòng/phút, tốc độ di chuyển 2 mm/giây. Tất cả các mối hàn sau đó được thử nghiệm độ bền cơ học và quan sát cấu trúc hạt dưới kính hiển vi.
Kết quả cho thấy tại vùng đồng được gia nhiệt cấu trúc tế vi thay đổi, tạo ra các pha Al/Cu làm tăng cơ tính của vật liệu. Khi sử dụng chốt hàn hình trụ dạng ren xoắn sẽ làm tăng độ bền kéo của mối hàn, thí nghiệm cho thấy, thông thường vị trí gãy xuất hiện tại vùng nhôm A5052. Neto DM, Neto P (2013) [12] đã mô hình hóa của quá trình hàn khuấy ma sát. Khảo sát này trình bày một tổng quan các số liệu về mô hình hàn khuấy ma sát (FSW) với sự tập trung đặc biệt vào tự sinh nhiệt do điều kiện tiếp xúc giữa dụng cụ FSW và LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Trang 6 phôi.
Quá trình vật lý được mô tả và các thông số quá trình chính có liên quan đến mô hình của nó được quan tâm. Các điều kiện tiếp xúc (trượt / dính) được trình bày cũng như một mô hình phân tích cho phép dự đoán sự sinh nhiệt liên quan. Việc mô hình hóa quy trình FSW đòi hỏi kiến thức về các cơ chế thất thoát nhiệt, được thảo luận chủ yếu xem xét các công thức được áp dụng phổ biến hơn. Hiện nay trong nước nghiên cứu về tấm Bimetal Cu/Al rất ít.
Vì còn hạn chế công nghệ và thiết bị để tiến hành nghiên cứu. Vật liệu này được nước ta sử dụng rất nhiều trong ngành năng lượng điện nhưng đa số là chúng ta mua từ nước ngoài về. Ở Việt Nam trong nhiều năm gần đây cũng đã có nhiều đề tài, công trình nghiên cứu về hàn ma sát khuấy bằng vật liệu nhôm. - “ Ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy cho các kết cấu dạng tấm bằng hợp kim nhôm biến dạng ” của TS.
Lưu Phương Minh - Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã nghiên cứu 1 quy trình hàn ghép nối hợp kim nhôm AA5083 dạng tấm dày từ 2-6 (mm). Thiết kế 5 bộ dụng cụ hàn ma sát với hình dáng vai dụng cụ : vai lõm, hình dáng chốt hàn : biên dạng trụ tròn có ren và biên dạng tạm giác không ren, đáp ứng đúng và đủ với sản phẩm đã đăng ký. Có 3 bài báo đăng Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí lần III, 4/2013. [15] - Có một số đề tài ở trường Đại học Bách Khoa đã đi vào nghiên cứu về hàn ma sát khuấy nhưng chỉ dừng lại ở dạng nghiên cứu đặc tính kéo, uốn của mối hàn giáp mí.
Hơn nữa việc chế tạo và ứng dụng mối hàn chữ T với hợp kim nhôm 5083 vẫn chưa có đề tài nào thực hiện. Đó là những vấn đề mà các nhà nghiên cứu trong nước đã và chưa thực hiện được. [16] - “ Nghiên cứu chế tạo và khảo sát độ bền của mối hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm AA5083 ” của TS. Trần Hưng Trà, Dương Đình Hảo, Nguyễn Bích Ngọc, Phí Công Thuyên đã chế tạo thành công mối hàn hợp kim nhôm AA5083.
Ảnh hưởng của tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến v của chốt hàn đến độ bền mối hàn đã được khảo sát và LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Trang 7 phân tích cụ thể. Độ bền của mối hàn đạt 86% so với vật liệu nền.5 vòng/mm có độ bền cao nhất. [13] - “ Ảnh hưởng của thông số hàn đến độ bền uốn của mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075-T6 ” của ThS. Dương Đình Hảo, TS.
Trần Hưng Trà, TS. Vũ Công Hòa năm 2015 cho thấy mối hàn đạt độ bền uốn cao khi tỉ số giữa tốc độ quay chốt hàn và tốc độ tịnh tiến nằm trong khoảng từ 4. Trong đó có mối hàn chịu được uốn với góc uốn khá lớn đạt đến 900 và không bị phá hủy cũng như khả năng chịu uốn của mối hàn còn tốt hơn cả vật liệu nền.4 Đối tượng nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu chủ yếu ở đây là nghiên cứu chế tạo cốt nối từ tấm bimetal Cu/Al và ảnh hưởng của quá trình chế tạo đến độ bền kéo, độ uốn, độ cứng, cấu trúc tế vi của cốt nối từ tấm bimetal Cu/Al.2 Tấm bimetal Cu/Al được chế tạo từ Nhôm A1050 và Đồng đỏ C1100 Hình 1.3 Cốt nối song song JBTL [ 17].5 Nội dung nghiên cứu và giới giạn đề tài.
- Lựa chọn kết cấu đầu nối JBTL (JB-TL Cu-Al parallel-groove clamp). - Nghiên cứu chế tạo bộ khuôn và đồ gá phục vụ chế tạo cốt nối. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Trang 8 - Khảo sát đặc điểm cấu trúc của tấm bimetal nhôm/đồng (được chế tạo bằng công nghệ hàn ma sát). - Khảo sát ảnh hưởng của quá trình chế tạo cốt nối đến cấu trúc của cốt nối.
- Khảo sát ảnh hưởng của quá trình chế tạo cốt nối đến cơ tính của cốt nối.6 Phương pháp nghiên cứu 1. Lựa chọn kết cấu cốt nối JBTL (JB-TL Cu-Al parallel-groove clamp). Việc lựa chọn hình dáng, kết cấu cốt nối phải đáp ứng được các tiêu chí sau đây: - Lựa chọn kết cấu cốt nối làm sao cho đơn giản trong quá trình dập sản phẩm từ tấm Cu-Al mà vẫn đảm bảo cho hiệu quả kẹp cáp điện và truyền dẫn điện. - Hình dạng cốt nối quá phức tạp thì khó dập ra sản phẩm, còn quá đơn giản thì hiệu quả kẹp cáp và truyền dẫn điện không đạt.
Tham khảo các cốt nối có trên thị trường, có thể phác thảo hình dáng và kết cấu cốt nối như sau: Hình 1.4 Kết cấu đầu nối JB-TL 1.