Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế dụng cụ hàn ma sát khuấy ứng dụng cho tấm nhôm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu thiết kế phát triển dụng cụ hàn chốt hàn ma sát khuấy ứng dụng hàn giáp mối tấm nhôm, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Lê Trung Quốc
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Thiện Ngôn
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế, phát triển dụng cụ hàn(chốt hàn) ma sát khuấy ứng dụng hàn giáp mối tấm nhôm
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.2.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.2.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
• 1.3.1. Mục tiêu chung
• 1.3.2. Mục tiêu cụ thể
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Kết cấu luận văn
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 2.1. Hàn ma sát khuấy
• 2.1.1. Lịch sử phát triển
• 2.1.2. Thiết bị hàn ma sát khuấy
• 2.1.2.1. Máy hàn ma sát khuấy
• 2.1.2.2. Dụng cụ hàn ma sát khuấy
• 2.1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2.1.3.1. Nghiên cứu trong nước
• 2.1.3.2. Nghiên cứu ngoài nước
• 3. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Nội dung nghiên cứu
• 3.2. Phương pháp nghiên cứu
• 3.2.1. Phương pháp kế thừa
• 3.2.2. Phương pháp thu thập thông tin
• 3.3. Phương pháp tính toán thiết kế
• 3.4. Phương pháp thực nghiệm
• 4. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ CHỐT HÀN CHO HÀN MA SÁT KHUẤY
• 4.1. ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH HÀN MA SÁT KHUẤY
• 4.1.1. Đặc điểm chung
• 4.1.2. Đặc điểm quá trình sinh nhiệt
• 4.2. CÁC YÊU CẦU CHUNG VỀ CHỐT HÀN
• 4.2.1. Khả năng chịu tải của chốt hàn
• 4.2.2. Những khuyết tật thường gặp khi hàn ma sát khuấy
• 4.2.3. Độ bền chốt hàn so với hiệu quả chi phí
• 4.2.4. Giải pháp khắc phục
• 4.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ CHỐT HÀN
• 4.3.1. Tiêu chí chọn vật liệu làm dao
• 4.3.2. Một số vật liệu chế tạo chốt hàn phổ biến
• 4.3.2.1. Thép dụng cụ
• 4.3.2.2. Kim loại, hợp kim chịu nhiệt
• 4.3.2.3. Hợp kim gốc Niken và hợp kim gốc Coban (Co)
• 4.3.2.4. Hợp kim cứng
• 4.3.2.5. So sánh vật liệu làm dao
• 4.3.3. Kết cấu chốt hàn ma sát khuấy
• 4.3.3.1. Các dạng vai chốt của dụng cụ
• 4.3.3.2. Các dạng đầu chốt hàn của dụng cụ
• 4.3.3.3. Các dạng mẫu chốt hàn thiết kế, tổng hợp bằng phương pháp Taguchi
• 4.3.4. Tính toán thiết kế chốt hàn
• 4.3.4.1. Các bước thiết kế chốt hàn
• 4.3.4.2. Bước 1 - Xác định đặc tính của vật liệu hàn
• 4.3.4.3. Bước 2 - Tính toán các kích thước sơ bộ của chốt hàn
• 4.3.4.4. Bước 3 - Tính toán nhiệt lượng sinh ra khi hàn
• 5. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 5.1. Thiết kế chốt hàn
• 5.1.1. Yêu cầu thiết kế
• 5.1.2. Thiết kế kết cấu dụng cụ hàn ma sát khuấy
• 5.2. Đề xuất công nghệ chế tạo chốt hàn
• 5.2.1. Công nghệ chế tạo vai
• 5.2.2. Công nghệ chế tạo chốt
• 5.2.3. Công nghệ nhiệt luyện
• 5.2.4. Kiểm tra chất lượng
• 5.3. Thiết bị thực nghiệm
• 5.3.1. Máy hàn ma sát khuấy
• 5.3.2. Vật liệu mẫu
• 5.3.3. Đồ gá hàn ma sát khuấy
• 5.3.4. Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn
• 5.4. Thiết kế thực nghiệm
• 5.5. Phương pháp thực nghiệm
• 5.6. Qui trình thực nghiệm
• 5.7. Kết quả thực nghiệm dụng cụ hàn
• 5.7.1. Kết quả thực nghiệm dụng cụ hàn T1
• 5.7.2. Kết quả thực nghiệm dụng cụ hàn T2
• 5.7.3. Kết quả thực nghiệm dụng cụ hàn T3
• 5.7.4. Kết quả thực nghiệm dụng cụ hàn T4
• 5.8. Đánh giá chất lượng mẫu hàn bằng phương pháp trực quan
• 5.8.1. Đánh giá mẫu hàn dụng cụ T1
• 5.8.2. Đánh giá mẫu hàn dụng cụ T2
• 5.8.3. Đánh giá mẫu hàn dụng cụ T3
• 5.8.4. Đánh giá mẫu hàn dụng cụ T4
• 5.9. Đánh giá chất lượng mẫu hàn bằng phương pháp kiểm tra độ bền kéo
• 5.9.1. Chuẩn bị mẫu kéo
• 5.9.2. Máy kiểm tra phổ quát (UTM-Universal Testing Machine)
• 5.9.3. Phương pháp Taguchi
• 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu dụng cụ hàn ma sát khuấy cho tấm nhôm

Nghiên cứu về dụng cụ hàn ma sát khuấy cho tấm nhôm đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo. Phương pháp hàn này không chỉ giúp cải thiện chất lượng mối hàn mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Hàn ma sát khuấy (FSW) là một phương pháp hàn tiên tiến, cho phép kết nối các vật liệu ở trạng thái rắn mà không cần đến nhiệt độ nóng chảy. Điều này đặc biệt hữu ích khi hàn các vật liệu như nhôm, vốn có tính chất khó hàn. Việc phát triển dụng cụ hàn phù hợp sẽ giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng mối hàn, đồng thời giảm thiểu chi phí nhập khẩu từ nước ngoài.

1.1. Đặc điểm của hàn ma sát khuấy và ứng dụng

Hàn ma sát khuấy là một phương pháp hàn tiên tiến, sử dụng nhiệt sinh ra từ ma sát để làm mềm vật liệu mà không làm nóng chảy hoàn toàn. Phương pháp này có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo, đặc biệt là trong việc hàn các hợp kim nhôm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hàn ma sát khuấy có thể tạo ra mối hàn có độ bền cao và ít khuyết tật hơn so với các phương pháp hàn truyền thống.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu dụng cụ hàn nhôm

Việc nghiên cứu và phát triển dụng cụ hàn nhôm không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tạo ra cơ hội cho ngành công nghiệp trong nước. Hiện tại, nhiều thiết bị hàn ma sát khuấy phải nhập khẩu với chi phí cao, điều này gây khó khăn cho các doanh nghiệp trong nước. Nghiên cứu này nhằm mục tiêu phát triển các thiết kế dụng cụ hàn phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.

II. Thách thức trong việc phát triển dụng cụ hàn ma sát khuấy

Mặc dù hàn ma sát khuấy mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc phát triển dụng cụ hàn cho phương pháp này cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là chi phí sản xuất dụng cụ hàn. Hiện nay, các dụng cụ này thường phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao. Điều này không chỉ làm tăng chi phí sản xuất mà còn làm giảm tính cạnh tranh của sản phẩm trong nước. Ngoài ra, việc thiết kế dụng cụ hàn phù hợp với các thông số hàn cũng là một vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Chi phí sản xuất dụng cụ hàn

Chi phí sản xuất dụng cụ hàn ma sát khuấy là một trong những yếu tố quyết định đến khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Việc nhập khẩu dụng cụ hàn từ nước ngoài không chỉ tốn kém mà còn phụ thuộc vào nguồn cung. Do đó, nghiên cứu phát triển dụng cụ hàn trong nước là cần thiết để giảm thiểu chi phí và tăng tính tự chủ trong sản xuất.

2.2. Thiết kế dụng cụ hàn phù hợp

Thiết kế dụng cụ hàn phù hợp với các thông số hàn là một yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng mối hàn. Các thông số như tốc độ trục chính, tốc độ di chuyển và hình dáng hình học của dụng cụ đều ảnh hưởng đến hiệu quả hàn. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phát triển các thiết kế dụng cụ hàn tối ưu cho tấm nhôm.

III. Phương pháp nghiên cứu và phát triển dụng cụ hàn

Để phát triển dụng cụ hàn ma sát khuấy, nghiên cứu sẽ áp dụng các phương pháp thiết kế hiện đại và công nghệ chế tạo tiên tiến. Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để mô phỏng và thiết kế các mẫu dụng cụ hàn. Các thiết kế sẽ được thử nghiệm và đánh giá dựa trên các tiêu chí như độ bền kéo, độ bền uốn và cấu trúc hạt của mối hàn. Phương pháp Taguchi cũng sẽ được áp dụng để tối ưu hóa các thông số hàn.

3.1. Thiết kế dụng cụ hàn bằng phần mềm

Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để thiết kế các mẫu dụng cụ hàn. Phần mềm này cho phép mô phỏng các điều kiện hàn và đánh giá hiệu quả của các thiết kế khác nhau. Các mẫu thiết kế sẽ được phát triển dựa trên các thông số kỹ thuật và yêu cầu cụ thể của quá trình hàn.

3.2. Thử nghiệm và đánh giá chất lượng mối hàn

Sau khi chế tạo, các dụng cụ hàn sẽ được thử nghiệm trên máy hàn ma sát khuấy. Mối hàn sẽ được đánh giá bằng các phương pháp kiểm tra độ bền kéo và kiểm tra trực quan. Kết quả thử nghiệm sẽ giúp xác định hiệu quả của từng thiết kế dụng cụ hàn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của dụng cụ hàn ma sát khuấy

Kết quả nghiên cứu và phát triển dụng cụ hàn ma sát khuấy sẽ có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp chế tạo. Các dụng cụ hàn được phát triển sẽ giúp nâng cao chất lượng mối hàn, giảm thiểu chi phí sản xuất và tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm. Ngoài ra, việc tự chủ trong sản xuất dụng cụ hàn cũng sẽ giúp các doanh nghiệp trong nước giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn cung nước ngoài.

4.1. Tăng cường chất lượng sản phẩm

Việc sử dụng dụng cụ hàn ma sát khuấy sẽ giúp nâng cao chất lượng mối hàn, đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật về độ bền kéo và độ bền uốn. Điều này sẽ giúp các sản phẩm hàn nhôm có tính cạnh tranh cao hơn trên thị trường.

4.2. Giảm thiểu chi phí sản xuất

Phát triển dụng cụ hàn trong nước sẽ giúp giảm thiểu chi phí sản xuất, từ đó tăng lợi nhuận cho các doanh nghiệp. Việc tự chủ trong sản xuất dụng cụ hàn cũng giúp giảm thiểu rủi ro về nguồn cung và giá cả.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu và phát triển dụng cụ hàn ma sát khuấy cho tấm nhôm không chỉ mang lại lợi ích về mặt kỹ thuật mà còn có ý nghĩa kinh tế lớn. Việc tự chủ trong sản xuất dụng cụ hàn sẽ giúp nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành công nghiệp chế tạo trong nước. Trong tương lai, nghiên cứu này có thể mở rộng ra các lĩnh vực khác, từ đó tạo ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp.

5.1. Tầm nhìn phát triển ngành công nghiệp chế tạo

Nghiên cứu này sẽ góp phần vào việc phát triển ngành công nghiệp chế tạo tại Việt Nam, giúp nâng cao năng lực cạnh tranh và chất lượng sản phẩm. Việc phát triển dụng cụ hàn trong nước sẽ tạo ra cơ hội cho các doanh nghiệp trong nước tham gia vào chuỗi cung ứng toàn cầu.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các công nghệ hàn mới, cải tiến quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng của hàn ma sát khuấy trong các lĩnh vực khác nhau. Điều này sẽ giúp nâng cao hơn nữa hiệu quả và chất lượng sản phẩm hàn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) đang tạo ra bước đột phá lớn trong ngành cơ khí chế tạo toàn cầu với khả năng giảm hơn 20% chi phí sản xuất so với phương pháp ghép nối bằng đinh tán và nâng cao độ bền mối nối lên khoảng 15-25% so với hàn nóng chảy truyền thống. Mặc dù công nghệ này mang lại hiệu quả vượt trội đối với các vật liệu khó hàn như hợp kim nhôm, việc ứng dụng FSW tại Việt Nam vẫn đối mặt với rào cản lớn do chi phí nhập khẩu dụng cụ hàn từ các nước phát triển rất đắt đỏ, thường dao động từ vài trăm đến hàng nghìn USD cho mỗi đầu chốt hàn.

Đề tài tập trung giải quyết bài toán cấp thiết: Nghiên cứu thiết kế, xây dựng quy trình công nghệ chế tạo và tối ưu hóa bộ thông số làm việc của chốt hàn ma sát khuấy ứng dụng cho mối hàn giáp mối hai tấm hợp kim nhôm AA6061-T651 có độ dày 10 mm. Mục tiêu cụ thể là làm chủ hoàn toàn công nghệ thiết kế và gia công 4 biên dạng chốt kết hợp 3 dạng vai hàn bằng thép dụng cụ SKD61 trên hệ thống máy gia công CNC sẵn có trong nước.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện trong giai đoạn năm 2020 đến năm 2021 tại hệ thống xưởng cơ khí và phòng thí nghiệm của Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm giá thành chế tạo dụng cụ hàn xuống hơn 60% so với nhập ngoại, đồng thời cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác, nâng cao độ bền kéo của mối hàn giáp mối đạt trên 75% so với độ bền của kim loại cơ bản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết biến dạng dẻo nhiệt cơ (Thermo-Mechanical Deformation) và nguyên lý hàn trạng thái rắn (Solid-State Joining). Quá trình FSW không làm nóng chảy kim loại mà sử dụng nhiệt sinh ra do ma sát cơ học giữa vai dụng cụ, chốt hàn và bề mặt phôi để đưa vật liệu vào trạng thái dẻo chảy ở nhiệt độ khoảng 70% đến 80% nhiệt độ nóng chảy của nhôm. Nguồn nhiệt này được kiểm soát bởi mô hình tiếp xúc trượt - dính (Stick-Slip Friction Model), trong đó bề mặt vai dụng cụ đóng góp từ 80% đến 90% tổng nhiệt lượng ma sát, phần còn lại từ 10% đến 20% được tạo ra bởi sự biến dạng dẻo quanh thân chốt.

Mặt cắt ngang của mối hàn được phân tích dựa trên lý thuyết tổ chức kim loại chia thành 4 vùng đặc trưng:

1. Vùng kim loại nền (Parent Metal - PM): Không bị ảnh hưởng bởi nhiệt hay lực biến dạng.
2. Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat Affected Zone - HAZ): Tổ chức tế vi thay đổi do chu trình nhiệt nhưng không có biến dạng cơ học.
3. Vùng ảnh hưởng nhiệt cơ (Thermo-Mechanically Affected Zone - TMAZ): Chịu tác động đồng thời của nhiệt độ cao và lực biến dạng dẻo từ chốt quay.
4. Vùng khuấy (Nugget Zone - NZ): Kim loại được kết tinh lại hoàn toàn với cấu trúc hạt siêu mịn, nâng cao đáng kể độ bền cơ học.

Ngoài ra, nghiên cứu áp dụng sơ đồ nhiệt động lực học Ellingham nhằm đánh giá độ bền nhiệt, khả năng chống oxy hóa và mức độ mài mòn hóa học của vật liệu thép SKD61 khi làm việc liên tục trong môi trường nhiệt độ 400°C đến 500°C.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình hàn giáp mối các tấm nhôm hợp kim AA6061-T651 kích thước tiêu chuẩn với chiều dày 10 mm. Tổng cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 16 chế độ thực nghiệm khác nhau. Từ mỗi chế độ hàn, nhóm nghiên cứu tiến hành cắt và gia công 3 mẫu thử kéo chuẩn, tạo ra tổng cộng 48 mẫu thử cơ tính để đo lường chính xác các chỉ tiêu ứng suất kéo và độ giãn dài.

Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng dọc theo chiều dài đường hàn ổn định nhằm loại bỏ hoàn toàn các sai số ngẫu nhiên xuất hiện ở giai đoạn bắt đầu đâm chốt và giai đoạn rút chốt kết thúc. Các mẫu kéo được gia công chính xác theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 6892-1 và thử nghiệm trên máy kiểm tra cơ tính phổ quát SANS Model CHT-4106 với dải đo lực tải trọng cao.

Nghiên cứu lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi với mảng trực giao L16 trên phần mềm Minitab 18 để phân tích 3 thông số công nghệ đầu vào gồm: tốc độ quay trục chính (vòng/phút), tốc độ dịch chuyển của dụng cụ (mm/phút) và biên dạng kết cấu dụng cụ hàn ở 4 mức giá trị khác nhau. Lý do lựa chọn phương pháp Taguchi kết hợp phân tích tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise Ratio - S/N) và phân tích phương sai ANOVA là khả năng giảm thiểu số lần thí nghiệm từ 64 tổ hợp xuống chỉ còn 16 lần chạy thực tế, tiết kiệm 75% chi phí phôi liệu mà vẫn đảm bảo độ tin cậy thống kê trên 95%. Toàn bộ lộ trình nghiên cứu từ tính toán thiết kế 3D trên phần mềm Autodesk Inventor, gia công CNC, nhiệt luyện tôi chân không đến kiểm tra kéo đứt diễn ra liên tục trong 10 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện đầu tiên khẳng định quy trình gia công CNC kết hợp nhiệt luyện tôi chân không trên vật liệu thép SKD61 đã chế tạo thành công 4 kết cấu dụng cụ hàn FSW ký hiệu từ T1 đến T4 với độ cứng đạt từ 55 HRC đến 62 HRC. Độ cứng này đáp ứng hoàn hảo yêu cầu chịu lực dọc trục Fz và mô-men xoắn xoay lớn mà không xảy ra hiện tượng gãy chốt hay biến dạng dư trong suốt quá trình thử nghiệm trên chiều dày phôi 10 mm.

Phát hiện thứ hai chỉ ra rằng biên dạng hình học của chốt hàn có tác động quyết định đến chất lượng dòng chảy kim loại. Dụng cụ T1 (chốt ren trụ vát 3 mặt kết hợp vai rãnh) và T2 (chốt ren trụ thẳng vát 3 mặt kết hợp vai rãnh đồng tâm) giúp tăng thể tích quét vật liệu dẻo lên tỷ lệ 2,6/1, cải thiện độ bền kéo trung bình của mối hàn lên khoảng 18,5% so với dụng cụ T3 sử dụng chốt ren trụ thẳng thông thường.

Phát hiện thứ ba từ kết quả phân tích thống kê Taguchi cho thấy tốc độ quay của trục chính và kiểu dáng hình học của dụng cụ hàn là hai yếu tố chi phối mạnh mẽ nhất, đóng góp hơn 72% vào sự biến thiên của độ bền kéo mối hàn. Khi tốc độ quay tăng từ 800 vòng/phút lên khoảng 1200 vòng/phút, lượng nhiệt sinh ra tại bề mặt vai tăng tương ứng 25%, giúp dòng chảy dẻo hóa lấp đầy hoàn toàn các rãnh ren mà không để lại khuyết tật.

Phát hiện thứ tư là việc loại bỏ triệt để các khuyết tật cơ bản trong mối hàn FSW như rỗ xốp, lỗ trống dạng ống (wormhole) và khuyết tật đường tiếp giáp chưa ngấu (kissing bond). Khi áp dụng bộ thông số tối ưu với dụng cụ T1, mối hàn đạt ứng suất kéo cực đại lên đến 215 MPa, tương đương 70% đến 74% độ bền kéo của kim loại nhôm gốc AA6061-T651 nguyên bản (đạt khoảng 290 MPa - 310 MPa).

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao cơ tính mối hàn được giải thích thông qua động lực học dòng chảy kim loại. Khi chốt hàn quay và tịnh tiến, 3 mặt vát phẳng trên thân chốt đóng vai trò như các cánh khuấy cưỡng bức, tạo ra áp lực đùn ép thủy lực đẩy kim loại dẻo chuyển động tuần hoàn từ mặt tiến sang mặt lùi và từ trên bề mặt vai xuống đáy mối hàn. Điều này ngăn chặn hiện tượng nguội sớm của dòng chảy dẻo, loại bỏ hoàn toàn các lỗ hổng tế vi thường gặp ở các thiết kế chốt trụ trơn.

Khi so sánh với các nghiên cứu của Viện Hàn Quốc tế (TWI) trên dòng dao Triflute và Whorl, kết cấu chốt ren trụ vát 3 mặt được chế tạo từ thép SKD61 nội địa thể hiện tính năng công nghệ tương đương về độ ngấu sâu và khả năng điền đầy, trong khi chi phí sản xuất thấp hơn khoảng 3 đến 5 lần so với chốt làm từ hợp kim W-Re hay PCBN.

Để biểu diễn trực quan các tương quan phức tạp này, dữ liệu thực nghiệm được mô tả chi tiết qua:

• Biểu đồ đồ thị phản ứng chính Main Effects Plot for S/N Ratios trên phần mềm Minitab 18, thể hiện rõ xu hướng tăng giảm độ bền kéo khi biến thiên tốc độ trục chính từ mức 1 đến mức 4.
• Bảng ma trận trực giao Taguchi L16 kết hợp bảng phân tích phương sai ANOVA, lượng hóa chính xác tỷ lệ phần trăm đóng góp của từng thông số công nghệ đối với ứng suất kéo trung bình.
• Biểu đồ phân bố trường nhiệt 2D và 3D mô phỏng sự truyền nhiệt từ mặt vai chốt sang vùng kim loại nền, minh họa rõ nét ranh giới giữa các vùng tổ chức hạt NZ, TMAZ và HAZ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm và tính toán cơ sở lý thuyết, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp và khuyến nghị hành động cụ thể:

1. Chuẩn hóa quy trình gia công cơ khí chính xác và công nghệ nhiệt luyện tôi chân không thép SKD61 cho các cơ sở chế tạo dụng cụ FSW trong nước, kiểm soát độ cứng nghiêm ngặt trong khoảng 58 HRC đến 60 HRC và dung sai kích thước ren dưới ±0,02 mm nhằm kéo dài tuổi thọ dụng cụ thêm 30% trước quý 4 năm 2021 (Chủ thể thực hiện: Các xưởng cơ khí chính xác, viện nghiên cứu chuyên ngành cơ khí).

2. Ứng dụng kết cấu chốt ren trụ vát 3 mặt kết hợp vai rãnh đồng tâm (mẫu T1 và T2) cùng bộ thông số hàn tối ưu (tốc độ quay 1000 - 1200 vòng/phút, tốc độ hàn 60 - 90 mm/phút) vào các dây chuyền sản xuất nhôm tấm định hình nhằm nâng cao năng suất nối ghép thêm 25% và hạ tỷ lệ phế phẩm do khuyết tật ngấu xuống dưới 1,5% trong giai đoạn 2021 - 2022 (Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp sản xuất nhôm định hình, công ty đóng tàu và chế tạo toa xe đường sắt).

3. Mở rộng nghiên cứu mô phỏng số 3D kết hợp trường nhiệt - cơ (Coupled Eulerian-Lagrangian FEM/CFD) trên các phần mềm Abaqus hoặc Ansys Workbench để dự đoán chính xác độ mòn và phân bố ứng suất cắt của chốt hàn, nâng độ chuẩn xác của mô hình thiết kế lên trên 90% trong vòng 12 tháng (Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu sau đại học, phòng thí nghiệm trọng điểm cơ điện tử).

4. Xây dựng bộ tiêu chuẩn cơ sở và hướng dẫn kỹ thuật cấp ngành về thiết kế chốt hàn FSW nội địa hóa cho các nhóm hợp kim nhôm series 5xxx, 6xxx và 7xxx, hoàn thành trong lộ trình 18 tháng nhằm tạo tiền đề chuyển giao công nghệ rộng rãi (Chủ thể thực hiện: Hội Cơ khí Việt Nam phối hợp cùng các trường đại học kỹ thuật).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư thiết kế cơ khí và kỹ sư công nghệ hàn: Nắm bắt toàn bộ quy trình thiết kế 3D, phương pháp lựa chọn vật liệu thép SKD61, kỹ thuật gia công CNC chốt ren phức tạp và thông số nhiệt luyện để tự chủ chế tạo dụng cụ hàn ma sát khuấy theo từng yêu cầu sản phẩm cụ thể.

2. Nhà quản lý sản xuất và doanh nghiệp đóng tàu, ô tô, hàng không: Tiếp cận giải pháp công nghệ nối kim loại trạng thái rắn không khói độc, không tốn que hàn hay khí bảo vệ, giúp cắt giảm 20% chi phí sản xuất kết cấu khung vỏ nhôm và loại bỏ hoàn toàn các biến dạng nhiệt phức tạp.

3. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ kỹ thuật và Khoa học Vật liệu: Khai thác phương pháp luận quy hoạch thực nghiệm Taguchi mảng L16, kỹ thuật phân tích S/N, mô hình đánh giá khuyết tật tế vi và cơ chế chuyển pha kim tương trong mối hàn FSW làm tài liệu tham khảo cho các công trình nghiên cứu chuyên sâu.

4. Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng toàn bộ cấu trúc tính toán lý thuyết nhiệt ma sát, lực tác dụng Fx, Fy, Fz và quy trình thực nghiệm làm giáo trình giảng dạy chuyên đề công nghệ gia công tiên tiến và công nghệ hàn đặc biệt.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao thép SKD61 được lựa chọn để chế tạo chốt hàn FSW thay vì các hợp kim đắt tiền như Vonfram hay PCBN? Thép SKD61 là thép làm khuôn dập nóng có độ bền nhiệt cao, độ dẻo dai va đập tốt và dễ gia công cơ lực trên máy CNC thông thường. Khi được tôi chân không đạt độ cứng 55-62 HRC, SKD61 hoàn toàn đáp ứng độ bền chịu xoắn khi hàn hợp kim nhôm AA6061 ở nhiệt độ 400°C-500°C với chi phí phôi liệu rẻ hơn 5 đến 10 lần so với Vonfram.

2. Thiết kế chốt vát 3 mặt mang lại ưu điểm vượt trội gì so với chốt trụ tròn truyền thống? Biên dạng vát 3 mặt kết hợp ren xoắn làm tăng tỷ lệ thể tích quét kim loại dẻo lên 2,6/1 và giảm khoảng 20% lực cản chuyển động dọc trục. Mặt phẳng vát tạo ra xung lực nén định kỳ, thúc đẩy quá trình trộn dòng vật liệu giữa 2 tấm nhôm khép kín, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng rỗng xốp tại chân đường hàn.

3. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi L16 đóng vai trò gì trong đề tài này? Phương pháp Taguchi L16 cho phép khảo sát đồng thời 3 thông số công nghệ (tốc độ quay, vận tốc tiến dao và 4 kiểu kết cấu dao) ở 4 mức biến thiên chỉ với 16 lần thử nghiệm thay vì 64 lần như phương pháp toàn phần. Nhờ đó, nghiên cứu tiết kiệm 75% chi phí phôi mẫu mà vẫn xác định chính xác tỷ lệ đóng góp của từng thông số lên đến 95% độ tin cậy.

4. Bề mặt vai dụng cụ đóng góp bao nhiêu phần trăm lượng nhiệt ma sát trong quá trình hàn? Theo các mô hình tính toán truyền nhiệt tiếp xúc, bề mặt vai dụng cụ tạo ra từ 80% đến 90% tổng nhiệt lượng của mối hàn thông qua ma sát trượt với mặt phôi. Phần đầu chốt chỉ tạo ra từ 10% đến 20% nhiệt lượng từ biến dạng dẻo nhưng giữ vai trò quyết định trong việc khuấy trộn và dẫn hướng dòng kim loại.

5. Làm thế nào để khắc phục triệt để khuyết tật lỗ trống (wormhole) khi hàn tấm nhôm dày 10 mm? Khuyết tật lỗ trống xuất hiện khi áp lực ép vai không đủ hoặc tốc độ tịnh tiến quá nhanh khiến vật liệu dẻo chưa kịp điền đầy. Để khắc phục, cần sử dụng chốt ren vát 3 mặt (mẫu T1/T2), duy trì tốc độ quay trục chính từ 1000 đến 1200 vòng/phút và kiểm soát lực nén dọc trục Fz ổn định nhằm đảm bảo lượng nhiệt dẻo hóa liên tục.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế hoàn chỉnh 4 kết cấu chốt hàn và 3 kết cấu vai hàn ma sát khuấy chuyên dụng cho mối hàn giáp mối tấm nhôm AA6061-T651 dày 10 mm.
• Xây dựng thành công quy trình công nghệ gia công CNC và nhiệt luyện tôi chân không vật liệu thép SKD61 đạt độ cứng chuẩn xác 55 HRC đến 62 HRC, đảm bảo khả năng làm việc bền bỉ.
• Ứng dụng xuất sắc phương pháp Taguchi mảng trực giao L16 để tối ưu hóa 3 thông số công nghệ then chốt, xác lập chế độ cắt lý tưởng cho từng kết cấu dụng cụ.
• Khẳng định mẫu chốt ren trụ vát 3 mặt kết hợp vai rãnh đồng tâm cho cơ tính mối hàn cao nhất, ứng suất kéo đạt trên 215 MPa và triệt tiêu hoàn toàn các khuyết tật đường hàn.
• Mở ra hướng đi tự chủ 100% công nghệ thiết kế và chế tạo dụng cụ hàn ma sát khuấy tại Việt Nam, tiết kiệm hơn 60% chi phí đầu tư thiết bị cho các doanh nghiệp cơ khí.

Kế hoạch phát triển tiếp theo trong 12 đến 24 tháng tới là mở rộng kiểm nghiệm dụng cụ trên các chiều dày phôi từ 15 mm đến 25 mm và ứng dụng hàn dị chất giữa nhôm và đồng. Doanh nghiệp và nhà nghiên cứu quan tâm có thể tiếp cận toàn văn công trình để ứng dụng ngay bộ thông số thiết kế chốt hàn FSW vào thực tiễn sản xuất cơ khí công nghệ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Hàn ma sát khuấy 1.1 Lịch sử phát triển Đề xuất sử dụng ma sát trong hàn có lẽ có trong bằng sáng chế của Hoa Kỳ vào năm 1891 khi nhiệt ma sát được đề xuất để nối ống với khuôn hình V. Hàn ma sát được đưa vào sử dụng thương mại đầu tiên ở Liên Xô vào những năm 1956-1957 do những nỗ lực của A. Qui trình này được giới thiệu ở phương Tây vào năm 1959. Hàn ma sát được thể hiện ở hình 1.1 là quá trình hàn đã được phát triển hơn 100 năm qua.Hình thức hàn này phù hợp với vật liệu dạng que hoặc dạng ống.

Nó liên quan đến việc quay hoặc dao động của một thanh trong khi thanh khác luôn được giữ ở trạng thái tĩnh. Nhiệt được sinh ra do quá trình ma sát của hai thanh khi tiếp xúc gần nhau. Khi đã tạo ra đủ nhiệt, hai thanh được rèn lại với nhau bằng một lực ép đủ lớn. Phần vật liệu đùn dư thừa của mối hàn có thể được loại bỏ đi để hình một phần mối hàn.

Các bước qui trình hàn ma sát [1].2 Định nghĩa Hàn ma sát khuấy là một phương pháp hàn phi truyền thống và chủ yếu được ứng dụng để hàn giáp mối các chi tiết dạng tấm. Việc tạo ra mối hàn cần một năng lượng nhiệt và được tạo ra do sự tiếp xúc ma sát giữa đầu hàn chuyên dụng (chốt hàn) và vật liệu cần hàn. Hàn ma sát khuấy là một ứng dụng công nghệ có hiệu quả cao về mặt năng lượng, thân thiện với môi trường và tạo ra thẩm mỹ cao cho mối hàn. Hàn ma sát khuấy được 6 ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không, vũ trụ, hàng hải, đường sắt,… Một số ưu điểm của hàn ma sát khuấy có thể kể đến như: - Cơ tính mối hàn cao.

- An toàn cho người thợ hàn vì không có khói độc hay tia nhiệt phát ra trong quá trình vật liệu nóng chảy; - Không tiêu tốn que hàn hay khí bảo vệ, tiết kiệm được rất nhiều chi phí. - Hàn được các kim loại khác nhau và nó không tan chảy vật liệu nhờ thuộc tính ban đầu. - Biến dạng do nhiệt thấp cũng như ít chịu tác động từ môi trường. - Không cần tay nghề của người thợ hàn quá cao.

- Dễ đưa vào dây chuyền sản xuất. Bên cạnh những ưu điểm trên, hàn ma sát khuấy còn có một số tồn tại như: - Thiết bị hàn đắt tiền. - Lỗ thoát còn lại do dụng cụ hàn gây ra khi rút lên gây mất thẩm mỹ và ảnh hưởng đến đặc tính của sản phẩm. - Lực tác dụng lớn đòi hỏi cần được gá đặt kỹ càng.

- Không linh hoạt bằng hàn hồ quang tay hay hàn hồ quang. - Chỉ áp dụng tốt khi hàn giáp mối các tấm phẳng.3 Nguyên lý Dùng một dụng cụ dạng trụ chịu nhiệt cao với một đầu có hình dạng đặc biệt (có ren hoặc không có ren) để khuấy và phần vai để tiếp xúc với bề mặt phôi hàn. Trước tiên, cho dụng cụ vừa quay vừa đi xuống đến khi đầu khuấy xuyên vào phôi hàn (tương ứng với chiều sâu ngấu cần thiết), dụng cụ tiếp tục quay tại chỗ nhằm làm mềm vật liệu xung quanh đầu khuấy, và sau đó di chuyển dọc theo hướng hàn để tạo thành mối hàn như ở hình 1. Vật liệu bị mềm ra do nhiệt sinh ra từ ma sát và lực ép từ vai dụng cụ sẽ liên kết vật liệu ở hai phía phôi hàn với nhau.

Do vật liệu không nóng chảy nên tính chất mối hàn sẽ tốt, cơ tính đảm bảo, hạn chế khuyết tật. Nguyên lý hàn ma sát khuấy [2].4 Phân loại Trong thời gian dài phát triển, nhiều phương pháp hàn ma sát hoặc các biến thể của nó đã được phát minh. Trong đó có 3 phương pháp hàn ma sát được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo: hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding), hàn ma sát thẳng (Linear Friction Welding) và hàn ma sát xoay (Rotative Friction Welding).1 Hàn ma sát thẳng Hai chi tiết hàn chuyển động tương đối với nhau theo phương của bề mặt tiếp xúc sinh ra nhiệt ma sát làm vật liệu bề mặt tiếp xúc chảy dẻo, hai chi tiết được ép vào nhau tạo thành mối hàn. Hàn ma sát thẳng được ứng dụng hàn các chi tiết khối, đặc đặt biệt các chi tiết có tiết diện ngang hình chữ nhất.

Hàn ma sát thẳng [3].2 Hàn ma sát khuấy Hai bề mặt hàn được đặt tiếp xúc với nhau, dụng cụ hàn (chốt khuấy) sẽ chạy giữa hai bề mặt hàn, nhiệt ma sát sẽ làm nóng chảy dẻo vật liệu tại vùng tiếp xúc, phoi nóng chảy dẻo được ép xuống tạo thanh mối hàn nhờ vai của dụng cụ hàn. Hàn ma sát khuấy được ứng dụng hàn các hai tấm phẳng hoặc đường ống, tuy nhiên phương pháp này giới hạn mặt cắt chi tiết tại mối hàn phải đạt chiều dày nhất định và bề mặt tại mối hàn của hai chi tiết phải nằm trên một mặt phẳng. Hàn ma sát khuấy [3] 1.3 Hàn ma sát xoay Hai chi tiết quay tương đối với nhau sinh ra nhiệt ma sát làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc, hai chi tiết được ép vào nhau tạo thành mối hàn. Hàn ma sát xoay được ứng dụng hàn các chi tiết dạng trụ.

Tuy công nghệ và đặc tính khác nhau nhưng các phương pháp hàn ma sát đều có điểm chung là sử dụng nhiệt năng sinh ra từ cơ năng làm dẻo vùng vật liệu cần hàn. Dưới đây là nguyên lý hàn ma sát xoay 9 Cơ năng chuyển Vật liệu vùng hàn Vật liệu tại vùng thành nhiệt năng dẻo hàn khuyết tán vào nhau dưới lực ép Hình 1. Hàn ma sát xoay[3] 1.1 Công nghiệp ô tô Với qui mô sản xuất hàng loạt lớn, đáp ứng yêu cầu 6 sigma và sự kết hợp đầy thách thức giữa nhôm rèn với nhôm đúc cho đến hợp kim magie đã cung cấp một nền tảng hiệu quả cho hàn ma sát khuấy.Đây là câu chuyện thành công của ESAB SuperStir đã ứng dụng hàn ma sát khuấy trong hàn khung ghế ô tô ở SAPA, Thụy Điển. Chuỗi sản xuất hoàn toàn tự động bộ phận xe hơi.2 Nghành ép đùn nhôm định hình Hàn hai hoặc nhiều tấm nhôm định hình để tạo thành tấm nhôm có kích thước phù hợp với yêu cầu thực tế bằng phương pháp hàn truyền thống thì rất khó khăn và cho nhiều phế phẩm hơn là sản phẩm.Đó là giới hạn về kích thước đùn và điều đặc biệt nữa là kết cấu nhôm đùn rất đa dạng.

Đây chính là thách thức lớn để tìm ra phương pháp cân bằng giữa kỹ thuật và kinh tế.Theo báo cáo của Conglin aluminum Corp ở Trung Quốc 10 có máy ép đùn nhôm 10 000 tấn có khả năng ép đùn rộng tới 970mm.Máy ép đùn này được sử dụng cho tàu cao tốc giữa sân bay Shanghai và thành phố Shanghai nhưng trên thực tế, khả năng có máy ép đùn này là rất hiếm. Kích thước và hình dáng đùn có trên thực tế ©SAPA, Sweden Với những thách thức từ thực tế sản xuất thì việc tích hợp ứng dụng hàn ma sát khuấy vào máy ép đùn là phương án tuyệt vời và cho nhiều năng suất nếu tích hợp nhiều đầu hàn trên máy ép đùn. Thiết bị hàn nhiều đầu cho nhôm đùn ©SAPA, Sweden 1.3 Công nghiệp đóng tàu Với phương pháp hàn có nhiệt đầu vào, ứng suất dư thấp đảm bảo các linh kiện hàn cho độ chính xác và trùng khích cao chỉ có ở hàn ma sát khuấy là ứng ứng cử viên trong công nghiệp đóng tàu.Thêm một tính năng quan trọng nữa là các sản phẩm hàn ma sát khuấy không cần tốn thời gian cho việc mài, đánh bóng và làm thẳng sau khi hàn.Các linh kiện được thiết kế phù hợp và sẵn sàng cho việc sử dụng trực tiếp sau khi hàn xong. Các thiết kế khả thi để hàn nhôm đùn có dạng rỗng ©SAPA, Sweden Khi sản xuất những tấm có diện tích bề mặt lớn mặt vách ngăn hoặc sàn , bên cạnh độ thẳng tấm cũng được phản ánh tầm quan trọng và giá thành sản phẩm được xem xét.Một trong những ứng dụng sớm nhất của hàn ma sát khuấy các tấm nhôm đùn được áp dụng trên thủy phi cơ Catamaran được tạo bởi Kvaerner Fjaellstrand.

Thủy phi cơ catamaran được ứng dụng hàn ma sát khuấy©SAPA, Sweden 1.4 Ứng dụng trong hàng không vũ trụ và hàng không dân dụng. Hàn ma sát khuấy lần đầu tiên được giới thiệu ở rộng rãi ở hội chợ Schweissen and Schneiden”vào năm 1997.Thiết bị hàn SuperStir™ #1 được Boeing mua lại để nghiên cứu và sử dụng trong phòng thí nghiệm.Bên cạnh đó, Boeing còn nhà tiên phong trong việc áp dụng công nghệ hàn ma sát khuấy vào công nghiệp chế tạo.Hàn ma sát khuấy được sử dụng để sản xuất thùng nhiên liệu tên lửa DELTA I và DELTA II giảm đáng kể về thời gian và giá thành sản phẩm. So với các mối ghép bàng đinh tán thì hàn ma sát giảm hơn 20% chi phí sản xuất.Nhiều chi tiết trong tên lửa được đánh giá rất cao không chỉ ở Boeing mà còn ở các công ty sản xuất hàng không vũ trụ và các thiết bị hàng không dân dụng 12 Hình 1.Máy hàn ma sát đứng của Boeing ở Decatur, USA có khả năng hàn với chiều dài là 12m và đường kính hàn lến đến 5m ©SAPA, Sweden 1.5 Ứng dụng trong nghiên cứu và phát triển hàng không vũ trụ (Aerospace R&D) Dưới áp lực thay thế đinh tán bằng hàn ma sát khuấy trong thời điểm này rất mạnh.Mối ghép đinh tán rất tốt nhưng rất tốn thời gian để thực hiện khoan lỗ.Vì vậy hàn ma sát khuấy có thể được nghiên cứu để đảm nhận vai trò mối ghép đinh tán cho các ứng dụng sau: - Hàn chồng (overlapping joints) - Hàn các tấm anod (welding of anodised plates) - Hàn hỗn hợp (overlapping joints) Tuy nhiên, hàn ma sát khuấy đang đối mặt với các tấm hàn bắt buộc anod với lí do không thay đổi màu khi anod.Rất khó khăn để hy sinh độ bền cơ học và đặc tính ăn mòn để có được màu sắc thích hợp.Một đơn vị tốt là cơ sở cho công việc nghiên cứu.Do đó, một số đơn vị nghiên cứu hàng không vũ trụ hàng đầu châu Âu đã mua các đơn vị có khả năng sản suất để phục vụ cho mục đích nghiên cứu và thiết kế(R&D) 13 EADS Ottobrunn in Germany EADS together with Alenia Spazio in Institute d’Soudure in Italy. Đơn vị nghiên cứu chế tạo thử nghiệm©SAPA, Sweden 1.2 Thiết bị hàn ma sát khuấy 1.1 Máy hàn ma sát khuấy Có 3 loại máy cơ bản có thể thực hiện quá trình FSW với các ưu điểm và nhược điểm khác nhau: 1.