CHƯƠNG 1 Trên cơ sở tìm hiểu tổng quan về nghiên cứu công nghệ hàn ma sát khuấy trong và ngoài nước tác giả nhận thấy các nghiên cứu đó tập trung chủ yếu vào các thông số của quy trình hàn nhôm và hợp kim nhôm, đồng thời cũng tìm ra và nghiên cứu ban đầu về một số loại đầu khuấy sử dụng thép C45 sau tôi. Từ đó, tác giả đã xác định được hướng nghiên cứu và mục tiêu của đề tài của luận văn, tập trung nghiên cứu chế tạo đầu khuấy và hàn giáp mối hợp kim nhôm để tìm ra các thông số phù hợp của đầu hàn và chế độ hàn đối với vật liệu nhôm hợp kim A5052. CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ CÔNG NGHỆ HÀN MA SÁT KHUẤY 2. Tổng quan về công nghệ hàn ma sát khuấy 2.
Khái niệm Hàn ma sát khuấy là quá trình sử dụng đầu khuấy quay ở tốc độ nhất định, tạo ra nhiệt ma sát trong phôi. Bằng cách tác động của đầu khuấy trên một đường định trước trên phôi hàn, kim loại cơ bản nóng lên làm chúng chảy dẻo, khuếch tán vào nhau tao ra đường hàn sau khi đầu khuấy đi qua. Nguyên lý Hệ thống hàn ma sát khuấy được thể hiện trên hình 1. Nguyên lý hàn ma sát khuấy Bằng cách giữ cho đầu hàn xoay và di chuyển dọc theo đường hàn để thực hiện quá trình hàn, vật liệu mềm ra khuấy trộn với nhau tạo thành một mối hàn mà không nóng chảy.
Những mối hàn này yêu cầu năng lượng đầu vào thấp, không cần sử dụng vật liệu phụ và hầu như không biến dạng. Phương pháp này ban đầu được ứng dụng cho vật liệu kim loại màu như nhôm, bằng cách sử dụng vật liệu đầu hàn thích hợp, sau đó đã được mở rộng đến các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao hơn như thép, hợp kim titan và đồng. Từ 8 quan niệm của mình vào năm 1991, TWI đã có đáng kể những tiến bộ trong công nghệ hàn như việc tìm ra vật liệu chế tạo đầu khuấy và chế tạo các loại đầu khuấy có hình dánh phức tạp, hiệu qua hơn phù hợp vói các kim loại được hàn, đồng thời quá trình hàn cũng được dần tự động hóa và kiểm soát tốt hơn nhờ công nghệ số phát triển. Khả năng ứng dụng Lĩnh vực hàng hải: Người ta tin rằng việc áp dụng thương mại đầu tiên của FSW là sự kết hợp của ép đùn hợp kim 6xxx để sử dụng trong các nhà máy chế tạo khoang đóng băng cá cho tàu cá.
Đã có rất nhiều ứng dụng của quá trình gia công nhôm đúc 6xxx để kết hợp trong vách ngăn và sàn tàu trong các loại tàu nhôm tốc độ cao khác nhau và trong các tàu du lịch bằng thép lớn hiện nay thường có cấu trúc siêu nhẹ. Trong các ứng dụng như vậy, các tấm dùng hàn FSW rất phẳng do sự biến dạng thấp, chúng được cắt và hàn thành các tấm lớn hơn, mà trước đây thường là do hàn MIG. Máy khuấy bằng ma sát đã được sử dụng rộng rãi trong các thân nhôm của các tàu du lịch như 'Seven Seas Navigator' có chứa nhiều mối hàn ma sát khuấy, chủ yếu là các lớp ép đùn 6xxx. Tàu nhôm lớn nhất thế giới, phà 'Ogasawara' của Nhật đã ra mắt vào năm 2004, sử dụng rộng rãi FSW trong cấu trúc thượng tầng.
Tàu nhôm lớn nhất thế giới của Nhật bản Lĩnh vực hàng không, vũ trụ: Boeing ở Mỹ là một trong số những công ty đầu tiên chế tạo thùng nhiên liệu tên lửa được sử dụng trong không gian của mình 9 bằng FSW (hình 2. Bằng cách thay đổi từ phương pháp hàn TIG thông thường sang hàn FSW, công ty này đã giảm được 99% chi phí hàn – một điều đáng kinh ngạc. Rõ ràng, quá trình này có khả năng tuyệt vời và do đó nó được phát triển nhanh chóng, cải thiện các công cụ và tìm kiếm các vật liệu mới trong các ứng dụng của nó. Thùng nhiên liệu tên lửa chế tạo bằng FSW Các nhà sản xuất (Boeing) cũng đã báo cáo hầu như không có khuyết tật hàn và hầu như tất cả các nhà sản xuất khung máy bay lớn đều đang điều tra việc sử dụng FSW (cùng với các quy trình hàn khác như hàn laser) để thay thế cho nhiều đinh tán trong cấu trúc hiện tại.
Máy bay đầu tiên sử dụng rộng rãi FSW trong khung máy bay, máy bay phản lực kinh doanh Eclipse 500, hơn 7300 ốc vít (khoảng 60% tổng số) được thay thế bởi 263 mối hàn ma sát khuấy. Lĩnh vực đường sắt: Các loại xe lửa bằng nhôm tốc độ cao như Shinkansen Nhật Bản thường được chế tạo từ sự ép đùn hai lớp phức hợp trong các hợp kim 6xxx. Vì mối hàn này dài có thể lên đến 25m và thẳng, FSW là một quá trình lý tưởng, và biến dạng rất thấp được coi là một lợi ích lớn (hình 2. Các loại tàu tại Nhật bản được chế tạo bằng FSW 1 Lĩnh vực sản xuất ô tô: Có rất ít các mối hàn thẳng - dài trong xe ô tô, do đó việc áp dụng FSW chủ yếu dành cho các bộ phận như bộ phận treo, bánh xe, linh kiện chỗ ngồi, hộp giảm xóc.
ở đó một số công ty hàng đầu đã sử dụng quá trình sản xuất. Nhu cầu của ngành ô tô đã thúc đẩy sự phát triển của robot tự hành, để đối phó với những hình dạng phức, ví dụ trên chiếc xe thể thao Mazda Rx-8, nơi nó được sử dụng trên nắp đậy bằng nhôm và cửa sau. Hàn ma sát khuấy cũng đang được phát triển cho các xe bọc thép nhẹ với vật liệu có độ dày khoảng 25-40mm. Công nghệ hàn ma sát khuấy nhôm và hợp kim nhôm 2.
Đặc điểm công nghệ hàn ma sát khuấy nhôm Lớp oxit ban đầu trên các bề mặt tấm trong quá trình hàn ma sát (FSW) chỉ như một mô hình dây chằng yếu trên mặt cắt ngang trong khi với các phương pháp hàn nóng chảy, nó là vật cản rất lớn. Khi các lớp oxit còn sót lại thường ảnh hưởng bất lợi đến các tính chất cơ học trong mối hàn. Mối Hàn FSW thường bao gồm bốn vùng, khác với mối hàn "thông thường" chỉ gồm ba vùng (hình 2. Các vùng mối hàn ma sát khuấy Các vùng khác nhau như trong hình 2.
a) Kim loại cơ bản không bị ảnh hưởng nhiệt; b) Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ); c) Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (TMAZ) và (d) vùng khuấy bằng ma sát (FSP). Sự hình thành các vùng này bị ảnh hưởng bởi sự chuyển động của dòng chảy vật liệu dưới tác động của công cụ không 1 tiêu hao. Các chuyển động dòng chảy chịu ảnh hưởng lớn bởi các thông số hình học của công cụ FSW và các thông số quá trình hàn [8,10]. Vùng trung tâm mối hàn (nugget - SZ): Vùng này kim loại kết tinh lại hoàn toàn, đôi khi còn gọi là vùng khuấy để chỉ vùng mà trước đó dụng cụ đã chiếm lĩnh, có cấu trúc dạng hạt mịn, đẳng hướng do sự biến dạng dẻo mãnh liệt và nhiệt sinh ra do quá trình ma sát giữa vai dụng cụ và bề mặt phôi [2] Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (TMAZ): Vùng này đã có sự biến dạng dẻo vật liệu mà chưa có sự kết tinh lại, nhiệt độ trong quá trình hàn cũng có ảnh hưởng đến vật liệu, ở đây có ranh giới rõ rệt giữa vùng kết tinh lại và vùng biến dạng [2] Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ): Nằm gần trung tâm mối hàn, vật liệu đã trải qua chu trình nhiệt nên bị thay đổi cấu trúc mạng tinh thể và đặc tính cơ học đặc biệt là độ cứng, tuy nhiên trong vùng này chưa có sự biến dạng dẻo xảy ra [2] Vùng kim loại cơ bản (Base metal): Là vùng nằm xa tâm mối hàn nhất, tại vùng này có nhiệt độ thấp nên kim loại chưa có sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể và cũng không có biến dạng dẻo xảy ra.
* Ưu nhược, điểm khi hàn FSW nhôm [3] - Ưu điểm: + Là một quá trình hàn ở trạng thái rắn nên nó được áp dụng cho tất cả các hợp kim nhôm mà lại tránh được các vấn đề nứt nóng, rỗ khí, mất mát phần tử, vv phổ biến cho quá trình hàn nhiệt nhôm; + Quá trình hàn như một quá trình cơ học, ít có sự can thiệp thủ công nên nó ít phụ thuộc vào tay nghề của người thợ hàn; + Không cần sử dụng khí bảo vệ và kim loại phụ; + Giảm thiểu sự co ngót kim loại so với hàn nóng chảy khi đông đặc và làm nguội, do đó giảm đáng kể biến dạng khi hàn; + Linh hoạt trong việc có thể hàn nối cùng lúc với một, hai, ba chi tiết và có thể hàn ở mọi vị trí khác nhau; + Đặc tính cơ học tuyệt vời khi so sánh với các phương pháp hàn khác; + Thân thiện với môi trường: không có tia UV hoặc các mối nguy hại về bức xạ điện từ khi không có hồ quang; quy trình này không gây tiếng ồn hơn máy phay 1 có công suất tương tự, và không tạo ra khói và các chất ô nhiễm khác; + Năng lượng yêu cầu tại mối hàn cho FSW nằm trong khoảng hàn laser (đòi hỏi ít năng lượng hơn) và hàn kim loại trong môi trường khí trơ (MIG); + Tốc độ hàn cao: Trong các mối hàn đơn lẻ với vật liệu mỏng hơn (độ dày 0 đến ≤ 5 mm), FSW có tốc độ hàn lớn hơn các phương pháp hàn nhiệt khác; Trong vật liệu dày hơn, FSW có thể được thực hiện trong một lần hàn (ví dụ đầu khuấy 50 mm), trong khi các quy trình khác cần nhiều lần mới có thể hàn xong. Điều này dẫn đến FSW có tỷ lệ hoàn thành mối ghép cao hơn, mặc dù tốc độ hàn có thể thấp hơn. - Nhược điểm: Ngoài những ưu điểm vượt trội kể trên, FSW cũng có một số tồn tại sau: + Do quá trình hàn được cơ giới hóa nên hạn chế ứng dụng trong những trường hợp mối hàn nhỏ lẻ khác; + Tồn lại một vết lõm cuối đường hàn; + Khó ngăn chặn một phần vật liệu theo dòng xoáy thoát lên trên bề mặt. Các khuyết tật thường gặp khi hàn FSW nhôm [3] Kiểu khuyết tật Vị trí Nguyên nhân Phía cạnh tiến Lực dọc trục yếu.
Tốc độ hàn quá cao. Khoảng trống Tấm không được kẹp đủ chặt hoặc khe hở quá rộng Dưới bề mặt đầu mối hàn Tốc độ hàn quá cao dẫn đến oxit trên 2. Vết dài trong bề mặt bị phá vỡ bởi đầu khuấy bị trộn mối hàn lẫn vào theo dòng chảy vật liệu Dọc đáy mối hàn Đầu khuấy quá ngắn hoặc tính toán 3. Lỗ hổng ở đáy phần đầu khuấy ăn sâu vào vật liệu mối hàn chưa đúng, giữ đầu khuấy yếu 4.