Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, tự động hóa trong sản xuất cơ khí ngày càng trở nên thiết yếu nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí. Công nghệ hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) đã nổi lên như một giải pháp tiên tiến, khắc phục nhiều hạn chế của các phương pháp hàn truyền thống như hàn hồ quang hay hàn nóng chảy. Theo ước tính, FSW giúp giảm tới 90% khuyết tật so với các phương pháp hàn truyền thống, đồng thời tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường.

Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc ứng dụng FSW còn hạn chế, chủ yếu thực hiện trên máy phay vạn năng với khả năng hàn đường thẳng, chưa có thiết bị chuyên dụng cho hàn đường cong phẳng. Đề tài nghiên cứu phát triển thiết bị hàn ma sát khuấy có khả năng hàn đường cong phẳng nhằm phục vụ nhu cầu gia công các mối hàn phức tạp, đặc biệt với vật liệu nhôm tấm dày dưới 10 mm, là một bước tiến quan trọng trong công nghiệp cơ khí Việt Nam.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị hàn ma sát khuấy 2D, ứng dụng phần mềm điều khiển Mach3 USB, động cơ Servo và biến tần Mitsubishi để đảm bảo độ chính xác và tự động hóa quá trình hàn. Nghiên cứu cũng đánh giá chất lượng mối hàn qua các phương pháp kiểm tra trực quan và kiểm tra độ bền kéo, từ đó đề xuất hướng phát triển thiết bị phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu nhôm hợp kim A6061 – T651 với độ dày tối đa 10 mm, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2019-2021. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao năng lực thiết kế, chế tạo thiết bị hàn ma sát khuấy chuyên dụng, thúc đẩy ứng dụng công nghệ CNC trong gia công hàn, đồng thời giảm chi phí đầu tư cho các doanh nghiệp cơ khí trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý hàn ma sát khuấy, trong đó dụng cụ hàn quay và di chuyển dọc theo đường hàn, tạo nhiệt từ ma sát và lực ép để làm mềm vật liệu mà không làm nóng chảy, giúp mối hàn có cơ tính tốt và ít khuyết tật. Các vùng chịu nhiệt trong mối hàn gồm: vùng kim loại nền (PM), vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ), và vùng khuấy (NZ) với đặc điểm biến dạng dẻo mạnh nhất.

Hai mô hình lý thuyết chính được áp dụng là:

  • Mô hình sinh nhiệt trong FSW, phân tích cơ chế tạo nhiệt do ma sát và biến dạng dẻo, ảnh hưởng của điều kiện tiếp xúc trượt – dính giữa chốt hàn và phôi.
  • Mô hình lực tác dụng trong quá trình hàn, gồm lực dọc trục (Fz), lực hướng di chuyển (Fx) và lực ngang (Fy), ảnh hưởng đến thiết kế cơ khí và điều khiển thiết bị.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: chốt hàn (pin tool), vai chốt hàn (shoulder), lực kẹp, tốc độ quay (RS), tốc độ hàn (WS), vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ), và vùng khuấy (NZ).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm tài liệu khoa học trong và ngoài nước, số liệu thực nghiệm từ quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị hàn ma sát khuấy 2D. Cỡ mẫu thử nghiệm gồm các tấm nhôm hợp kim A6061 – T651 dày dưới 10 mm, được hàn theo các quỹ đạo thẳng và đường cong phẳng.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm CAD/CAM/CNC để thiết kế chi tiết cơ khí, mô phỏng ứng suất và chuyển vị trên phần mềm Inventor, đồng thời áp dụng phần mềm Mach3 USB để điều khiển động cơ Servo và biến tần Mitsubishi. Phân tích lực và nhiệt được thực hiện dựa trên mô hình toán học và mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA).

Timeline nghiên cứu kéo dài từ 2019 đến 2021, bao gồm các giai đoạn: tổng quan tài liệu, thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển, chế tạo thiết bị, thử nghiệm hàn mẫu và đánh giá kết quả. Phương pháp thử nghiệm bao gồm đánh giá trực quan, kiểm tra độ bền kéo và đo rung động trong quá trình hàn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế cơ khí và hệ truyền động: Qua so sánh các phương án chế tạo thân máy, khung chính và hệ truyền động đai, phương án sử dụng thép hộp 50x50x6 mm cho khung đỡ đầu máy và truyền động bằng đai hình thang được lựa chọn do đảm bảo độ cứng vững và ổn định khi vận hành. Động cơ Servo Mitsubishi J2S – 40A – 400W kết hợp biến tần Mitsubishi FR-F740-7 đáp ứng yêu cầu điều khiển chính xác tốc độ trục chính lên đến 12000 vòng/phút.

  2. Hiệu quả điều khiển tự động: Ứng dụng phần mềm Mach3 USB giúp điều khiển chính xác vị trí tọa độ các trục X, Y, đảm bảo khả năng hàn đường cong phẳng với sai số chuyển động dưới 0.1 mm. Thời gian hàn mẫu đường cong dài khoảng 300 mm được rút ngắn 15% so với phương pháp hàn trên máy phay vạn năng.

  3. Chất lượng mối hàn: Kết quả kiểm tra trực quan và kiểm tra độ bền kéo cho thấy mối hàn đạt độ bền kéo trung bình 76% so với vật liệu nền, tương đương với các nghiên cứu trong nước. Mối hàn đường cong không xuất hiện khuyết tật lỗ trống hay độ ngấu không đủ, chứng tỏ thiết bị đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật.

  4. Đo rung động và ổn định máy: Đo rung động trong quá trình hàn cho thấy mức độ rung động ở các trạng thái vận hành không vượt quá 5 mm/s, đảm bảo độ ổn định và tuổi thọ thiết bị. So sánh với máy phay vạn năng, thiết bị chuyên dụng giảm rung động khoảng 30%, góp phần nâng cao chất lượng mối hàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp thiết bị đạt hiệu quả cao là do thiết kế cơ khí tối ưu, sử dụng vật liệu thép hợp kim có độ cứng cao và hệ truyền động đai hình thang giúp truyền mômen hiệu quả. Việc ứng dụng động cơ Servo và biến tần Mitsubishi kết hợp phần mềm Mach3 USB tạo điều kiện điều khiển tự động hóa chính xác, giảm sai số vận hành.

So với các nghiên cứu trước đây chủ yếu sử dụng máy phay vạn năng, thiết bị chuyên dụng này khắc phục được hạn chế về khả năng hàn đường cong phẳng, đồng thời nâng cao độ ổn định và chất lượng mối hàn. Kết quả thực nghiệm phù hợp với các báo cáo quốc tế về FSW trên hợp kim nhôm, đồng thời đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất cơ khí hiện đại.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ lực kéo – biến dạng, biểu đồ rung động theo thời gian và bảng so sánh các thông số kỹ thuật của thiết bị, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và ưu điểm của thiết bị phát triển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu và phát triển thiết bị hàn ma sát khuấy đa trục: Đề xuất mở rộng thiết kế để hàn các quỹ đạo 3D phức tạp, nâng cao tính linh hoạt và ứng dụng trong các sản phẩm cơ khí đa dạng. Thời gian thực hiện dự kiến 2-3 năm, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp cơ khí chủ trì.

  2. Ứng dụng công nghệ điều khiển tiên tiến: Khuyến nghị tích hợp hệ thống điều khiển PLC và cảm biến lực để tự động điều chỉnh lực ép và tốc độ hàn theo điều kiện vật liệu, nâng cao chất lượng mối hàn và giảm lỗi sản xuất. Thời gian triển khai 1-2 năm, phối hợp giữa các trung tâm nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực nhân lực: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ FSW và vận hành thiết bị cho kỹ sư, công nhân trong ngành cơ khí, nhằm nâng cao tay nghề và khả năng ứng dụng công nghệ mới. Thời gian liên tục, do các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật đảm nhiệm.

  4. Khuyến khích đầu tư và ứng dụng trong công nghiệp: Đề xuất các chính sách hỗ trợ doanh nghiệp đầu tư thiết bị hàn ma sát khuấy chuyên dụng, đặc biệt trong các ngành đóng tàu, ô tô và hàng không, nhằm nâng cao năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện theo kế hoạch phát triển công nghiệp quốc gia.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và giảng viên ngành cơ khí: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về thiết kế, chế tạo thiết bị hàn ma sát khuấy, hỗ trợ phát triển nghiên cứu và giảng dạy chuyên sâu về công nghệ hàn tiên tiến.

  2. Kỹ sư thiết kế và chế tạo máy: Tham khảo các phương án thiết kế cơ khí, hệ truyền động và điều khiển tự động, giúp cải tiến thiết bị và nâng cao hiệu quả sản xuất trong các doanh nghiệp cơ khí.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và gia công cơ khí: Áp dụng kết quả nghiên cứu để đầu tư và vận hành thiết bị hàn ma sát khuấy chuyên dụng, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và thời gian gia công.

  4. Sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu, luận văn tốt nghiệp liên quan đến công nghệ hàn, thiết kế máy và tự động hóa trong sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hàn ma sát khuấy có ưu điểm gì so với các phương pháp hàn truyền thống?
    FSW tạo mối hàn ở trạng thái dẻo, không làm nóng chảy vật liệu, giảm biến dạng, khuyết tật, không phát sinh khói độc hay tia hồ quang, tiết kiệm vật liệu và năng lượng, đồng thời dễ dàng tự động hóa.

  2. Thiết bị hàn ma sát khuấy có thể hàn được những loại vật liệu nào?
    Ngoài hợp kim nhôm, FSW còn áp dụng được cho thép, thép không gỉ, đồng, titan và các vật liệu kim loại khác với độ dày dưới 10 mm, tùy thuộc vào thiết kế dụng cụ và thông số hàn.

  3. Tại sao cần phát triển thiết bị hàn ma sát khuấy có khả năng hàn đường cong?
    Hàn đường cong giúp mở rộng ứng dụng trong gia công các chi tiết phức tạp, nâng cao tính linh hoạt và chất lượng mối hàn, khắc phục hạn chế của máy phay vạn năng chỉ hàn được đường thẳng.

  4. Phần mềm Mach3 USB đóng vai trò gì trong thiết bị?
    Mach3 USB điều khiển chính xác chuyển động các trục và tốc độ động cơ Servo, giúp tự động hóa quá trình hàn, đảm bảo độ chính xác cao và khả năng lập trình linh hoạt cho các quỹ đạo hàn.

  5. Làm thế nào để đánh giá chất lượng mối hàn ma sát khuấy?
    Chất lượng được đánh giá qua kiểm tra trực quan, kiểm tra độ bền kéo, đo rung động trong quá trình hàn và phân tích cấu trúc vi mô vùng hàn, nhằm phát hiện khuyết tật như lỗ trống, độ ngấu không đủ và vết đường hàn.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị hàn ma sát khuấy chuyên dụng có khả năng hàn đường cong phẳng với vật liệu nhôm dày dưới 10 mm.
  • Ứng dụng phần mềm Mach3 USB, động cơ Servo và biến tần Mitsubishi giúp điều khiển chính xác, tự động hóa quá trình hàn.
  • Kết quả thử nghiệm cho thấy mối hàn đạt độ bền kéo trung bình 76% so với vật liệu nền, không xuất hiện khuyết tật nghiêm trọng.
  • Thiết bị giảm rung động khoảng 30% so với máy phay vạn năng, nâng cao độ ổn định và tuổi thọ thiết bị.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu phát triển thiết bị đa trục, ứng dụng công nghệ điều khiển tiên tiến và đào tạo nhân lực để thúc đẩy ứng dụng FSW trong công nghiệp cơ khí Việt Nam.

Tiếp theo, cần triển khai các dự án phát triển thiết bị hàn đa trục, đồng thời phối hợp với doanh nghiệp để ứng dụng thực tế, góp phần nâng cao năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển công nghệ hàn ma sát khuấy tại Việt Nam.