Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, các thiết bị hàn nóng chảy đã có những bước phát triển nhảy vọt về kết cấu máy, vật liệu hàn giúp tăng năng suất chế tạo hàn cũng như cung cấp khả năng tự động hoá cao. Bên cạnh đó, những tồn tại của công nghệ hàn nóng chảy như: kim loại bị biến tính do nhiệt độ, dễ xuất hiện vết nứt tế vi, vật hàn biến dạng,… vẫn chưa được khắc phục triệt để. Đặc biệt là khả năng áp dụng phương pháp hàn nóng chảy để hàn hai vật liệu khác nhau là vô cùng khó khăn, cơ tính mối hàn sau hàn kém. Một trong các giải pháp để khắc phục các tồn tại trên và giải quyết được công việc hàn hai vật liệu kim loại khác nhau đó là phương pháp hàn ma sát khuấy.
Hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) là phương pháp kết nối vật liệu ở trạng thái rắn có khả năng khắc phục một số nhược điểm của phương pháp hàn nóng chảy với nhiều ưu điểm nổi bật như thân thiện với mối trường, độ bền cơ học mối hàn tốt, tiết kiệm nhiên liệu, hàn được các vật liệu có độ nóng chảy thấp, hàn được những vật liệu khác nhau…v. Bên cạnh những ưu điểm vượt trội về mặt công nghệ, hàn ma sát đưa ra nhiều thách thức lớn về mặt chi phí thiết bị như máy hàn ma sát khuấy, dụng cụ hàn ma sát khuấy. Trong đó dụng cụ hàn ma sát là không lớn nhưng giá thành rất cao bởi vì đây là lĩnh vực công nghệ cao mang tính cạnh tranh cao ở các nước Châu Âu. Vì lẽ đó nên những bí quyết về công nghệ thiết kế chế tạo là một bí mật ở các nước Châu Âu, Châu Mĩ và đặc biệt là ở Việt Nam dường như chưa tìm thấy công trình nghiên cứu nào về thiết kế chế tạo chốt hàn ma sát khuấy.
Từ các nguyên nhân trên đề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, PHÁT TRIỂN DỤNG CỤ HÀN (CHỐT HÀN) MA SÁT KHUẤY ỨNG DỤNG HÀN GIÁP MỐI TẤM NHÔM” được thực hiện nhằm xây dựng cơ sở tài liệu cho các nhóm nghiên cứu tiếp theo phát triển một hệ thống chốt hàn ma sát khuấy cho nhiều loại ứng dụng khác nhau, tạo tài liệu giảng dạy và hơn nữa áp dụng trong sản xuất thực tế tăng tính cạnh tranh sản phẩm. Tính cấp thiết Hiện nay kỹ thuật hàn truyền thống của Việt Nam đang từng bước chinh phục các thị trường khó tính và có tính cạnh tranh khốc liệt như Mỹ, Đức, Nhật.thì vấn đề chất lượng và giá thành phải được đặt lên hàng đầu. Do đó chúng ta không thể sử dụng các công nghệ, thiết bị lỗi thời để áp dụng trong quá trình sản xuất hiện đại. Nói như vậy không có nghĩa là chúng ta đầu tư thiết trang thiết bị hiện đại để phục vụ cho quá trình sản xuất với lí do chi phí đầu tư và chế độ bảo trì bảo dưỡng khá cao.
2 Luan van Chúng ta biết rằng các phương pháp hàn truyền thống hiện nay rất phổ biến và được áp dụng trong nhiều lĩnh vực đem lại hiệu quả đáng kể.Bên cạnh những lợi ích có được từ các phương pháp hàn truyền thống thì phương pháp còn tồn tại một số hạn chế về mặt kỹ thuật. Vì vậy sự xuất hiện của phương pháp hàn ma sát nói chung và ma sát khuấy nói riêng đã giải quyết một số hạn chế của phương pháp hàn truyền thống.Tuy nhiên thiết bị phục vụ cho qui trình hàn ma sát khuấy khá đắt.Ví dụ như chốt hàn (dụng cụ hàn ma sát khuấy) hiện nay đều phải nhập từ nước ngoài với giá thành rất cao mặc dù khả năng công nghệ gia công và chế tạo trong nước có thể thực hiện được. Hơn thế nữa việc đề xuất công nghệ chế tạo dựa trên khả năng công nghệ trong nước để tự chủ việc chế tạo chốt hàn có ý nghĩa lớn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3.1 Ý nghĩa khoa học Đề xuất quy trình công nghệ chế tạo chốt hàn khi hàn ma sát khuấy giáp mối tấm nhôm dựa trên khả năng và điều kiện công nghệ trong nước.
Xây dựng phương pháp luận tính toán, thiết kế chốt hàn có xét đến độ ngấu, tuổi bến của chốt hàn. Thực nghiệm xác định được chế độ hàn phù hợp khi hàn giáp mối hai tấm nhôm A6061-T651 với độ dày 10 mm.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu giúp nâng cao tính tự chủ, làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo chốt hàn với khả năng công nghệ trong nước. Giúp phát triển, ứng dụng hàn ma sát khuấy trong công việc chế tạo cơ khí hàn do chốt hàn có giá thành hợp lý (rẻ), chủ động được thời gian cung cấp không phụ thuộc vào nguồn cung nước ngoài. Giới thiệu cho thị trường một sản phẩm cơ khí công nghệ cao.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài 4.1 Mục tiêu chung Nghiên cứu thiết kế, đề xuất công nghệ chế tạo chốt hàn ma sát khuấy cho mối hàn giáp mối hai tấm nhôm A6061-T651 với khả năng công nghệ và thiết bị có sẵn trong nước.2 Mục tiêu cụ thể Để triển khai thực hiện mục tiêu chung trên, mục tiêu cụ thể được xác lập như sau: Thiết kế, chế tạo chốt hàn ma sát khuấy Đề xuất kết cấu, thiết kế chốt hàn phục vụ cho hàn ma sát khuấy giáp mối hai tấm nhôm A6061-T651. Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo chốt hàn phục vụ cho hàn ma sát khuấy giáp mối hài tấm nhôm A6061-T651 trên cơ sở các thiết bị phổ biến tại các công ty chế tạo cơ khí ở Việt Nam. Chế tạo, thực nghiệm hàn ma sát khuấy nhằm đánh giá khả năng hàn từng loại dụng cụ. Trên cơ sở đó đề xuất chế độ hàn hợp lí cho độ bền kéo cao nhất ứng với mỗi dụng cụ.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5.1 Đối tượng - Công nghệ hàn ma sát khuấy. - Chốt hàn, quy trình công nghệ chế tạo chốt hàn ma sát khuấy. - Thiết bị hàn ma sát khuấy. - Đồ gá hàn ma sát khuấy.2 Phạm vi nghiên cứu Do phạm vi nghiên cứu rộng nên đề tài tập trung giải quyết vài vấn đề sau: - Thiết kế, chế tạo 3 kết cấu vai - 4 kết cấu chốt phục vụ kiểm nghiệm khả năng của chốt hàn khi hàn ma sát khuấy giáp mối hài tấm nhôm A6061- T651.
- Chiều dày phôi nhôm tấm A6061-T651 là 10 mm. - Công việc thực nghiệm kiểm nghiệm được thực hiện tại xưởng trường. Kết cấu luận văn Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, thuyết minh nghiên cứu của đề tài có kết cấu gồm các chương, mục với các nội dung cụ thể như sau: - Chương mở đầu Giới thiệu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. - Chương 1: Tổng quan Giới thiệu định nghĩa, nguyên lý, thiết bị,dụng cụ hàn, ứng dụng hàn ma sát khuấy cùng các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan.
Trên cơ sở đó, phân tích tổng hợp để đi đến định hướng nghiên cứu. - Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu Đề cập đến các nội dung nghiên cứu và thực hiện của đề tài, cùng với phương pháp nghiên cúu được sử dụng trong đề tài. - Chương 3: Cơ sở lý thuyết thiết kế chốt hàn Trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến tính toán thiết kế chốt hàn. Một hệ thống các công thức cần sử dụng đã được tổng hợp và trình bày phục vụ cho yêu cầu tính toán của thiết kế, kiểm nghiệm chốt hàn.
- Chương 4: Kết quả nghiên cứu Trình bày, phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu đã được triển khai thực hiện của đề tài. - Kết luận và kiến nghị - Tài liệu tham khảo - Phụ lục. 5 Luan van 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 Luan van 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.