Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Lịch sử hàn ma sát khuấy và phạm vi ứng dụng 1. Lịch sử hàn ma sát khuấy Các phương pháp để kết dính các chi tiết lại với nhau đã có từ rất lâu, trong đó hàn nổi lên như là một thành tựu trong ngành công nghiệp sản xuất từ những năm 1800.
Sự xuất hiện này dựa trên các thành cựu của các khám phá và cải tiến quan trọng như : ống thổi axetilen và oxiaxetilen đã đưa ra sự ra đời của hàn gas, hồ quan giữa hai điện cực carbon dẫn tới sự ra đời của hàn hồ quan, và nhiệt do điện trở là nền tảng cho sự ra đời của hàn điện. Trong khi hàn bằng gas (Hình 1.1) được đưa vào ứng dụng trong thực tế một cách rộng rãi từ những năm 1900, hàn hồ quan (Hình 1.2) sau đó cũng từ từ trở nên phổ biến. Hàn bằng gas và hồ quan là hai phương pháp hàn nóng chảy, nghĩa là tại một vị trí cục bộ của vật hàn sẽ bị nóng chảy vào nhau và sau đó sẽ đông đặc lại.1 Phương pháp hàn hồ quan HVTH: Trần Trọng Thuyết Trang 14 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc Hình 1.2 Phương pháp hàn gas Vào những năm 1950, dựa trên nền tảng của hàn hồ quan thì phương pháp hàn plasma (Hình 1.3) được ra đời, phương pháp hàn này tạo ra được nguồn nhiệt lớn hơn so với hai phương pháp vửa đề cập ở trên.3 Máy hàn Plasma Và cũng trong những năm 1950, với việc phát minh ra tia laser, một phương pháp hàn mới ra đời, đó là hàn bằng tia laser, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp với khả năng hàn các loại vật liệu dày với vùng chảy rất nhỏ, và chất lượng mối hàn cao. Ngoài ra còn nhiều phương pháp hàn nóng chảy đã được phát minh ra.
Bên cạnh đó còn có phương pháp hàn không nóng chảy, đại diện đó là hàn ma sát (Hình 1. Trong quá trình hàn, hai chi tiết được ép sát lại với nhau và giữa hai bề mặt HVTH: Trần Trọng Thuyết Trang 15 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc hàn có sự chuyển động tương đối, từ đó một nguồn nhiệt được tạo ra do ma sát và vật liệu tại hai bề mặt bị mềm ra và trộn lẫn lại với nhau, từ đó mối ghép được hình thành.4 Phương pháp hàn ma sát Từ nguyên lý sinh nhiệt từ ma sát của phương pháp hàn ma sát, người ta đã phát triển lên một loại phương pháp hàn không nóng chảy khác đó là hàn ma sát khuấy, tên tiếng Anh là: Friction Stir Welding (FSW) (Hình 1. Viện hàn (TWI) tại Anh đã có nhiều năm thực hiện nhiều loại nghiên cứu và phát triển và các hoạt động trong công nghiệp của hàn ma sát. Wayne Thomas và đồng nghiệp của ông tại TWI đã trải qua thời gian làm việc và phát triển rất nhiều loại thí nghiệm về hàn ma sát.
Một ngày năm 1991, Wayne Thomas thấy được công dụng của việc sử dụng một dụng cụ được làm từ vật liệu cứng, và có thể xoay được trên bề mặt của vật liệu cần hàn và làm cho nó chuyển sang trạng thái dẻo, và từ đây có thể ứng dụng nguyên lý này làm cho hai chi tiết đạt tới trạng thái dẻo và chúng trộn lẫn lại với nhau. Và đây là nền tảng cho sự phát triển của hàn ma sát khuấy sau này. HVTH: Trần Trọng Thuyết Trang 16 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc Hình 1.5 Quá trình hàn ma sát khuấy Hàn ma sát khuấy không cần làm chảy vật liệu có ý nghĩa hết sức quan trọng, bởi vì nó có thể loại bỏ một số nhược điểm của quá trình hàn nóng chảy vật liệu như vị trí hàn bị rổ xốp, có vết nứt, và bị biến dạng xoắn. Và hơn thế nữa, phương pháp này không vần khí bảo vệ, không phát ra ánh sáng hồ quang, không có khói.
Đặc biệt, nó không cần vật liệu điền đầy. Đến nay, vật liệu đạt được ứng dụng và đạt được nhiều thành công nhất trong hàn ma sát khuấy là hợp kim nhôm. Nguyên nhân là vì việc hàn nhôm dễ và nó được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp. Và một nguyên nhân đặc biệt là do việc hàn hợp kim nhôm bằng các phương pháp hàn nóng chảy là rất khó khăn, ví dụ như trong ngành công nghiệp máy báy, trong khi hàn plasma với tỉ lệ hư hỏng tới 90%, còn hàn ma sát khuấy đã giảm tỉ lệ này xuống gần như bằng không [1].
Nhiệt độ tối đa trong toàn bộ quá trình hàn là dưới nhiệt độ nóng chảy, đối với hầu hết hợp kim nhôm là thấp hơn 6600C. Về nguyên lý, hàn ma sát khuấy có thể ứng dụng cho hầu hết các vật liệu kim loại. Tuy nhiên, đối với các kim loại có độ cứng cao thì giới hạn của hàn ma sát khuấy là bảo đảm được tính toàn vẹn của dụng cụ khuấy. Ví dụ, trong suốt quá trình hàn ma sát khuấy với vật liệu là thép, nhiệt độ tại vùng hàn lên đến 1100-12000C [1] để vật liệu hàn chuyển sang trạng thái dẻo.
Hàn ma sát khuấy không chỉ là một công nghệ hàn mà nó còn là một công nghệ mở. Với những bước đầu phát triển của ngành công nghiệp hàn ma sát khuấy, nó được ứng dụng cho ngành công nghiệp đóng tàu. Với ứu điểm là loại bỏ biến HVTH: Trần Trọng Thuyết Trang 17 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc dạng do xoắn, vào năm 2000, công ty Hitachi ứng dụng hàn ma sát vào dây chuyền sản xuất thân xe ô-tô [1]. Tuy nhiên, điều đáng chú ý lớn nhất là trong ngành công nghiệp hàn không, khởi đầu của phát triển hàn ma sát khuấy là vào những năm đầu của thập niên 90.
Mà trong đó công ty Boeing sử dụng trong hàn bình nhiên liệu của tên lửa Delta, hàn cấu trúc thân máy của Airbus, thùng chứa nhiên liệu của các con tàu thám hiểm vũ trụ của NASA. Phạm vi ứng dụng 1. Trong công nghiệp đóng tàu và hàn hải: Đây là hai ngành đầu tiên ứng dụng kỹ thuật hàn ma sát khuấy. Quy trình hàn được ứng dụng vào: - Các tấm bano của boong, các vách ngăn và sàng.
- Vỏ tàu và các cấu trúc thượng tầng. - Bãi đáp cho trực thăng trên tàu.6 Ứng dụng trong đóng tàu 1. Trong ngành vũ trụ. Phương pháp hàn ma sát khuấy được sử dụng cho việc hàn các bồn nhiên liệu của tàu con thoi, các chi tiết lớn nhất của tàu.
Vào năm 1993, NASA đã đề suất công ty Lockheed Martin phát triển một loại vật liệu có độ bền cào, nhẹ để thay thế cho hợp kim nhôm 2219, mà được sử dụng cho chó bình chứa của tàu con thoi. Và một loại hợp kim nhôm mới được tạp ra đó là Al-Li 2195, nhưng với các phương HVTH: Trần Trọng Thuyết Trang 18 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc pháp hàn hiện tại lúc bấy giờ thi đòi hỏi chi phí cao hơn, và mối hàn có nhiều khuyết tât. Và phương pháp hàn ma sát khuấy được đưa vào để thay thế và cho kết quả rất tốt, mối hàn bền hơn và dễ hàn hơn.7 Tàu con thoi NASA 1. Trong ngành công nghiệp hàn không Hàn ma sát khuấy có nhiều ứng dụng tiềm năng trong ngành công nghiệp hàn không.
Nghiên cứu về việc thay thế đinh tán, sửa chữa những máy bay già nua, những cấu trúc đúc sẵn, và dụng cụ cho việc ghép nối các cấu trúc của máy bay lại với nhau thì hàn ma sát khuấy đang dần đáp ứng được các yêu cầu đó. Ngày nay, các ngành công nghiệp về hàn không đã ứng dụng hàn ma sát khuấy vào chế tạo một số mẫu. Các mối hàn dọc giáp mối và hàn các chi tiết trụ của hợp kim nhôm cho các bình chúa nhiên liệu của máy bay thì hàn ma sát khuấy đạt được nhiều thành công. Hàn ma sát khuấy có thể ứng dụng vào hàn các chi tiết như: - Cánh máy bay, thân máy bay, các bộ phân thăng bằng.
- Bình chứa nhiên liệu. HVTH: Trần Trọng Thuyết Trang 19 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc Hình 1.8 Các bộ phận máy bay được hàn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy. Trong ngành công nghiệp ô-tô Hàn ma sát khuấy được ứng dụng trong hàn các tấm hợp kim nhôm của thân xe, mâm xe, khung xe.9 Phần khung của một bộ phân trên ô tô. HVTH: Trần Trọng Thuyết Trang 20 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc 1.
Trong ngành đường sắt Từ năm 1997 các phần vỏ cùa tàu điện ngậm được làm từ hợp kim nhôm vá được hàn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy. Các tàu điện của Bombardier’s Electrostar tại Sapa Group sử dụng các tấm panel được hàn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy của Hitachi Hình 1.10 Tàu Hitachi’s A-Train của ngành đường sắt anh với phần vỏ được hàn bằng ma sát khuấy. Nguyên lý hàn ma sát khuấy và ưu - nhược điểm 1. Nguyên lý hàn ma sát khuấy Hàn ma sát khuấy (FSW) thực hiện quá trình hàn ghép hai chi tiết lại với nhau bằng phương pháp chuyển động quay tròn và tịnh tiến của dụng cụ hàn.
Dụng cụ hàn làm mềm chi tiết hàn bằng nhiệt độ được sản sinh bởi ma sát giữa bề mặt dụng cụ hàn với bề mặt chi tiết và quá trình chuyển sang trạng thái dẻo của vật liệu, và tại trạng thái dẻo này vật liệu tại mối ghép được trộn lại với nhau để hình thành mối hàn. HVTH: Trần Trọng Thuyết Trang 21 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc Quá trình hàn ma sát có thể chia làm ba giai đoạn [4]: - Giai đoạn 1: Đi xuống của đầu khuấy, - Giai đoạn 2: Đầu khuấy quay tại chổ, - Giai đoạn 3: Đầu khuấy di chuyển dọc đường hàn.11 Các giai đoạn trong quá trình hàn ma sát khuấy Ở giai đoạn đầu, đầu khuấy quay tại chổ (hình 1.11 a), tiếp theo sau đó đầu khuấy sẽ đi xuống từ từ đến khi mặt đầu của chốt khuấy sẽ chạm bề mặt của vật hàn (hình 1.11b), đi sầu vào trong vật liệu hàn, một khi đầu khuấy đi xuống đạt được chiều sâu mong muốn thì sẽ ngừng lại (hình 1.11 c), việc dừng lại này để giúp tăng nhiệt độ do ma sát, nhiệt độ này đạt tới giá trị dẻo chứ không tới nhiệt đổ nóng chảy. Sau khi đạt tới trạng thái dẻo như mong muốn thì chuyển sang giai đoạn ba là đầu khuấy di chuyển dọc đường hàn (hình 1.12 Quá trình hàn ma sát khuấy HVTH: Trần Trọng Thuyết Trang 22 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Trần Thiên Phúc Trọng tâm của quá trình hàn ma sát khuấy là hình dạng dụng cụ hàn.