Đặt vấn đề Ngày nay, các ngành công nghiệp có vai trò quan trọng trong sự phát triển của mỗi đất nước, cùng với đó sự hình thành các công nghệ mới góp phần nâng cao chất lượng, năng suất và giảm thiểu tác động đến môi trường để tạo sự phát triển bền vững. Nhiều phương pháp gia công đã được nghiên cứu và ứng dụng, trong đó hàn là phương pháp phổ biến trong sản xuất. Hàn có tầm quan trọng trong nền kinh tế và đã phát triển rất nhanh từ kỹ thuật công nghệ đến trang thiết bị nhằm đáp ứng nhu cầu và chất lượng ngày càng cao. Trong những năm gần đây, công nghệ hàn ngày càng phát triển nhiều thiết bị hiện đại làm tăng năng suất gấp nhiều lần song bên cạnh đó tồn tại một số hạn chế như: việc tính toán chế độ hàn khó khăn, tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, kim loại bị biến tính do nóng chảy, cần khí bảo vệ mối hàn, phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ gây ô nhiễm môi trường.
Ngoài ra, cần sử dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, dễ xuất hiện vết nứt tế vi, vật hàn biến dạng và đặc biệt cần quan tâm tính chất đồng bộ của vật liệu hàn. Phương pháp hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) là phương pháp hiệu quả và khắc phục tốt một số nhược điểm của các phương pháp hàn trước đây. Hàn ma sát khuấy có bước tiến quan trọng trong những năm gần đây, được xem như một công nghệ xanh sử dụng năng lượng hiệu quả và ít tác động đến môi trường. Vì là phương pháp hàn còn khá mới mẻ nên các trang thiết bị về hàn ma sát khuấy vẫn chưa phổ biến.
Trên thế giới, hiện chỉ có hơn 200 doanh nghiệp chế tạo các sản phẩm ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy. Còn tại Việt Nam thì chưa có doanh nghiệp nào đi sâu vào lĩnh vực này. Các thực nghiệm về hàn ma sát khuấy công bố trên các bái báo, công trình nghiên cứu chủ yếu được tiến hành trên máy phay đứng vạn năng. Ít có các công bố liên quan đến nghiên cứu tiến hành trên máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng.
Một số doanh nghiệp cung ứng máy hàn ma sát khuấy, nhưng chủ yếu các máy này được thiết kế và chế tạo để sản xuất ra một sản phẩm cụ thể ứng dụng công nghệ kỹ thuật ma sát khuấy. Việc trang bị các máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng là rất tốn kém, đòi hỏi chi phí đầu tư lớn nhưng lại không phù hợp cho các nghiên cứu với các loại sản phẩm khác nhau. Với tình hình trên, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và phát triển máy hàn ma sát khuấy” là rất cần thiết, góp phần phục vụ công tác nghiên cứu và phổ biến công nghệ hàn ma sát khuấy trong chế tạo cơ khí của Việt Nam hiện nay. Ngoài ra, từng bước làm chủ các công nghệ thiết kế hiện đại, ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến cũng như giá thành 3 Luan van chế tạo phù hợp với năng lực đầu tư của các đơn vị chế tạo cơ khí trong nước.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Trong thời đại hiện nay, việc luôn luôn phát minh, cải tiến, ứng dụng các phương pháp sản xuất mới vào trong thực tiễn sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm bớt thời gian và chi phí tạo ra là một phần trong chiến lược phát triển của các doanh nghiệp, công ty. Công tác nghiên cứu tạo ra các thiết bị, máy móc hiện đại, luôn được ưu tiên hàng đầu, việc nghiên cứu, tính toán thiết kế chế tạo thiết bị hàn ma sát khuấy không nằm ngoài quy luật đó, mục tiêu của đề tài là rất rõ ràng trong việc giảm bớt sức lao động, đáp ứng các nhu cầu cần thiết. Đề tài được thực hiện đầy đủ các bước theo một quy trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo một sản phẩm mới và có ưu thế về các mặt sau: - Ít hao phí vật liệu, tiết kiệm kim loại; - Không phát xạ độc hại (khói độc, bắn tóe, bức xạ tử ngoại,.); - Độ chính xác của các chi tiết hàn cao (kể cả khi hàn tiết diện đặc biệt); - Hàn được các kim loại khác nhau với nhau; - Cơ tính mối hàn rất tốt; 1. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đề xuất kết cấu, thiết kế chi tiết và chế tạo thử nghiệm mô hình thiết bị hàn ma sát khuấy có thể hàn giáp mí tấm nhôm (6061) dày đến 6 mm.
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Nội dung của đề tài được giới hạn trong phạm vi nghiên cứu lý thuyết và chế tạo thử nghiệm dựa trên điều kiện hiện có: - Vật liệu chi tiết hàn: Al và Al có độ dày 6 mm. - Vật liệu dao khuấy hiện có ở Việt Nam: thép SKD 11. Phương pháp nghiên cứu Sưu tầm và nghiên cứu sách báo, tài liệu, công trình có liên quan đến phương pháp hàn ma sát khuấy.
Dựa vào các bài báo khoa học uy tín cho những thông tin xác thực và mới nhất trên thế giới cũng như trong nước, góp phần làm cơ sở để phát triển đề tài. Sau khi đã tham khảo các tài liệu và có được các số liệu cần thiết thì việc phân tích các số liệu, các tài liệu có liên quan là việc hết sức cần thiết. Từ các phân tích, đánh giá này, tiến hành đề xuất phương án kết cấu, thiết kế và chế tạo các cụm chính của thiết bị hàn ma sát khuấy. 4 Luan van CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.
Giới thiệu về ma sát khuấy 2. Lịch sử phát triển Hàn khuấy ma sát là một quá trình tự sinh được phát minh bởi W. Thomas của Viện hàn (TWI) vào tháng 12 năm 1991 và ban đầu được sử dụng để tham gia các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp như nhôm, đồng, magiê, v., độ dày vật liệu có thể áp dụng từ 0,5 đến 65 mm. Quá trình này sử dụng một thiết kế có khả năng quay và được chèn vào giữa 2 tấm kim loại sau đó tịnh tiến dọc theo phần tiếp xúc của 2 tấm kim loại ấy.
Điều này là điều hoàn toàn mới trong lĩnh vực hoàn toàn mới trong công nghệ hàn. Nhiệt ma sát giữa dụng cụ hàn chống mài mòn và phôi làm cho phôi mềm ra mà không đạt đến điểm nóng chảy, cho phép công cụ đi qua dọc theo đường hàn. Và sau khi làm mát, pha rắn liên kết sẽ được tạo ra giữa các phôi với nhau [2].1: Đường hàn ma sát khuấy Sử dụng FSW giúp có được mối hàn nhanh hơn, chất lượng cao hơn trên hợp kim nhôm seri 2xxx, 6xxx, 7xxx đã từng xem là không thể và đặc biệt không gây ô nhiễm môi trường (không sinh ra khói hay xỉ kim loại). Hàn ma sát khuấy là một phương pháp hàn phi truyền thống, chi tiết dạng tấm là các chi tiết chủ yếu được sử dụng trong quá trình hàn ma sát khuấy.
Việc tạo ra mối hàn cần một năng lượng chủ yếu và năng lượng này được tạo ra do sự tiếp xúc ma sát giữa đầu hàn chuyên dụng (chốt hàn) và vật liệu cần hàn. Có rất nhiều yếu tố như góc xoay của dụng cụ hàn, tốc độ và bước tiến cũng như hình dáng hình học của đầu hàn sẽ ảnh hưởng lớn đến nhiệt lượng sinh ra trong quá trình 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 hiệu quả cao về mặt thẩm mỹ cho mối hàn. Những nghiên cứu này được ứng dụng rất thực tế trong ngành công nghiệp hàng không, vũ trụ, hàng hải hay đường sắt,… 5 Luan van Các ưu điểm của hàn ma sát khuấy (FSW) có được nhờ mối hàn được thực hiện ở trạng thái dẻo tại nhiệt độ dưới điểm nóng chảy của vật liệu.
xác định là vượt trội hơn so với phương pháp hàn truyền thống: - Chất lượng mối hàn cao, cơ tính tốt. Giảm chi phí gia công bề mặt sau khi hàn. - An toàn cho người thợ hàn vì không có khói độc, hồ quang 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; - Co ngót thấp; - Không cần tay nghề của người thợ hàn quá cao; - Hàn được trong tất cả các vị trí trong không gian; - Dễ dàng tự động hóa và khả năng tương thích cho việc sử dụng robot. Chi phí lắp đặt và đào tạo nhân công thấp; Tuy nhiên hàn ma sát khuấy (FSW) cũng có các khuyết điểm sau: - Thiết bị hàn đắt tiền; - Lỗ thoát còn lại do dụng cụ hàn khi rút lên gây mất thẩm mỹ và ảnh hưởng đến đặc tính của sản phẩm; - Yêu cầu lực kẹp lớn để giữ các tấm hàn với nhau; - Ít linh hoạt so với phương pháp hàn hồ quang ( khó khăn khi các tấm có chiều dày thay đổi và các đường hàn không thẳng); - Không thể tạo mối hàn ma yêu cầu lắng kim loại.
( Ví dụ: hàn góc); - Tốc độ di chuyển theo đường hàn chậm so với các kỹ thuật hàn chảy. Nguyên lý hàn ma sát khuấy Trong hàn ma sát khuấy dùng một dụng cụ khuấy hình trụ khó nóng chảy được thiết kế có một đầu khuấy hình dạng đặc biệt (có ren hoặc không có ren) và phần vai để tiếp xúc với bề mặt phôi hàn. Trước tiên dụng cụ này vừa quay vừa đi xuống, đầu khuấy xuyên vào phôi hàn (tương ứng với chiều sâu ngấu cần thiết), quay tại chỗ làm mềm vật liệu xung quanh đầu khuấy, sau đó dụng cụ di chuyển dọc theo hướng hàn để tạo thành mối hàn hình 2. Vật liệu bị mềm ra bởi nhiệt từ ma sát và lực ép từ vai dụng cụ sẽ liên kết vật liệu ở hai bên 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. 6 Luan van Hình 2.2: Nguyên lý hàn ma sát khuấy [2] 2. Phân loại Các công nghệ được ứng dụng từ hàn ma sát khuấy: - Hàn điểm ma sát khuấy (Friction Stir Spot Welding). - Quá trình ma sát khuấy xử lý vật liệu (Friction Stir Process).
- Quá trình tạo phản ứng bằng ma sát khuấy (Friction Stir Reaction Process). - Hàn ma sát khuấy vật liệu dẻo nhiệt.