Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu ứng xử cơ học và tính năng điện của tấm bimetal Al-Cu

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu ứng xử cơ học và tính năng truyền dẫn điện của tấm bimetal Al-Cu, cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu.

• Tác giả: Nguyễn Công Trung
• Người hướng dẫn: TS. Phan Thanh Nhàn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Năng Cơ Học Và Điện Của Tấm Bimetal Al-Cu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về đề tài nghiên cứu
• 1.2. Ứng dụng vật liệu bimetal Al/Cu
• 1.3. Giới thiệu phương pháp hàn ma sát khuấy
• 1.4. Các nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước
• 1.4.1. Các nghiên cứu nước ngoài
• 1.4.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.5. Tính cấp thiết và ý nghĩa nghiên cứu của đề tài
• 1.5.1. Tính cấp thiết
• 1.5.2. Ý nghĩa của nghiên cứu
• 1.6. Đối tượng, nội dung, giới hạn đề tài, và phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hợp kim nhôm A1050. Khả năng gia công
• 2.2. Thành phần cấu tạo
• 2.3. Khả năng gia công
• 2.4. Quá trình ăn mòn điện hóa
• 2.5. Công thức tính tốc độ ăn mòn điện hóa
• 2.6. Đơn vị đo độ dẫn điện
• 2.7. Công thức tính hệ số dẫn điện
• 2.8. Sự hình thành cấu trúc tế vi trong mối hàn ma sát khuấy
• 2.9. Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo-mechanically affected zone, được ký hiệu là TMAZ)
• 2.10. Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat-affected zone, được ký hiệu là HAZ)
• 3. CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN NỘI DUNG THÍ NGHIỆM
• 3.1. Quá trình tạo mẫu thí nghiệm. Vật liệu thí nghiệm
• 3.2. Máy móc thiết bị chế tạo mẫu
• 3.3. Thiết kế và cắt mẫu thí nghiệm. Khảo sát cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp
• 3.4. Khảo sát độ cứng của mối liên kết
• 3.5. Khảo sát độ bền uốn mối liên kết
• 3.6. Khảo sát độ bền va đập trên máy Tinius Olsen IT-406E
• 3.7. Khảo sát khả năng ăn mòn của mối liên kết Al/Cu
• 3.8. Khảo sát tính năng truyền dẫn điện của tấm Bimetal Al/Cu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả khảo sát Cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp Al/Cu
• 4.2. Kết quả cơ tính tổng thể và cơ tính cục bộ mối liên kết
• 4.3. Kết quả độ cứng mối liên kết
• 4.4. Kết quả độ bền kéo mối liên kết
• 4.5. Kết quả khảo sát độ bền uốn ASTM E290-14
• 4.6. Kết quả khảo sát độ dai va đập
• 4.7. Kết quả khảo sát ăn mòn điện hóa
• 4.8. Kết quả khảo sát độ dẫn điện
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Hướng nghiên cứu mới
• 5.2. Nghiên cứu ứng dụng
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tấm bimetal Al Cu

Tấm bimetal Al-Cu là một loại vật liệu composite được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất linh kiện điện. Tính năng cơ học và tính năng điện của tấm bimetal này rất quan trọng, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của sản phẩm. Việc nghiên cứu vật liệu bimetal Al-Cu không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới trong công nghiệp. Các ứng dụng điển hình bao gồm bộ phận ngắt mạch, dây dẫn điện và các linh kiện trong ngành công nghiệp ô tô. Đặc biệt, tính chất điện của tấm bimetal Al-Cu cho phép nó dẫn điện tốt, giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình truyền tải điện. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc khảo sát tính năng cơ học và tính năng điện của tấm bimetal Al-Cu, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của nó trong thực tiễn.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp hàn ma sát khuấy (FSW) để tạo ra mối liên kết giữa nhôm A1050 và đồng C1100. Phương pháp này được lựa chọn vì nó không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn đảm bảo chất lượng mối hàn cao. Cơ tính của mối hàn sẽ được đánh giá thông qua các thí nghiệm như độ bền kéo, độ bền uốn và độ dai va đập. Bên cạnh đó, khả năng truyền dẫn điện của tấm bimetal cũng sẽ được khảo sát để xác định hiệu suất điện của nó. Các thí nghiệm sẽ được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Kết quả thu được sẽ cung cấp thông tin quý giá về tính năng cơ học và tính năng điện của tấm bimetal Al-Cu, từ đó giúp các nhà sản xuất có thể tối ưu hóa quy trình sản xuất và ứng dụng sản phẩm.

III. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tấm bimetal Al-Cu có tính năng cơ học vượt trội so với các vật liệu truyền thống. Đặc biệt, độ bền kéo và độ bền uốn của mối hàn đạt được giá trị cao, cho thấy khả năng chịu lực tốt. Ngoài ra, khả năng truyền dẫn điện của tấm bimetal cũng được cải thiện đáng kể, với hiệu suất dẫn điện đạt gần 97% so với các vật liệu lý tưởng. Điều này chứng tỏ rằng tấm bimetal Al-Cu có thể được ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực yêu cầu tính dẫn điện cao. Kết quả khảo sát cũng chỉ ra rằng cấu trúc tế vi của mối hàn có sự thay đổi tích cực, giúp tăng cường tính chất cơ học và tính chất điện của vật liệu. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có thể áp dụng thực tiễn trong sản xuất các linh kiện điện và cơ khí.

IV. Ứng dụng thực tiễn

Tấm bimetal Al-Cu có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp điện và cơ khí. Với tính năng cơ học và tính năng điện vượt trội, nó có thể được sử dụng trong sản xuất các linh kiện như bộ phận ngắt mạch, dây dẫn điện và các thiết bị điện tử. Việc sử dụng tấm bimetal này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí sản xuất mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của các thiết bị. Hơn nữa, khả năng chống ăn mòn và độ bền cao của tấm bimetal Al-Cu cũng làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các sản phẩm bimetal, từ đó góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả trong sản xuất công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hiện đại, việc liên kết các vật liệu kim loại khác nhau như nhôm và đồng ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt trong ngành công nghiệp điện và ô tô. Tấm bimetal Al/Cu với khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, cùng tính chống ăn mòn cao, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất linh kiện điện tử, thiết bị truyền dẫn điện và các chi tiết cơ khí. Tuy nhiên, việc tạo ra mối liên kết bền vững giữa hai kim loại này vẫn là thách thức lớn do sự khác biệt về tính chất vật liệu.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng xử cơ học và tính năng truyền dẫn điện của tấm bimetal Al/Cu được liên kết bằng phương pháp hàn ma sát khuấy (FSW) – một công nghệ hàn tiên tiến, không cần vật liệu phụ, ít biến dạng và khuyết tật. Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp, đánh giá cơ tính tổng thể và cục bộ, khả năng ăn mòn điện hóa và tính năng truyền dẫn điện của mối liên kết. Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu tấm bimetal Al A1050 và đồng C1100, với các thí nghiệm được tiến hành tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và Đại học Nha Trang trong giai đoạn 2018-2020.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu composite kim loại mới, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu trong công nghiệp, đồng thời mở rộng ứng dụng của công nghệ hàn ma sát khuấy trong liên kết các vật liệu khác nhau. Các chỉ số như độ bền kéo, độ cứng, độ dai va đập và độ dẫn điện được đánh giá chi tiết nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng thực tiễn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết về hợp kim nhôm A1050 và đồng C1100: Nhôm A1050 có độ dẻo cao, khả năng chống ăn mòn mạnh mẽ, mật độ 2,71 kg/m³, nhiệt độ nóng chảy 650°C, độ bền kéo khoảng 60 MPa. Đồng C1100 có độ dẫn điện và nhiệt cao, độ bền kéo từ 195 đến 315 MPa, mật độ 8,94 g/cm³, điện trở suất 1,7241 Ω.cm ở 200°C.

• Mô hình cấu trúc tế vi mối hàn ma sát khuấy (FSW): Mối hàn được chia thành ba vùng chính gồm vùng khuấy (Stir Zone - SZ), vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo-Mechanically Affected Zone - TMAZ) và vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat-Affected Zone - HAZ). Mỗi vùng có đặc điểm cấu trúc và tính chất cơ học khác nhau ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn.

• Khái niệm ăn mòn điện hóa và tính năng truyền dẫn điện: Ăn mòn điện hóa là quá trình oxi hóa-khử xảy ra khi kim loại tiếp xúc với dung dịch điện giải, ảnh hưởng đến tuổi thọ vật liệu. Độ dẫn điện được xác định qua điện trở suất và hệ số dẫn điện, với đơn vị chuẩn là Siemens trên mét (S/m) hoặc % IACS.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng mẫu tấm bimetal Al/Cu được chế tạo bằng phương pháp hàn ma sát khuấy tại phòng thí nghiệm. Các mẫu thí nghiệm được thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM, gồm mẫu thử kéo, uốn, va đập, ăn mòn điện hóa và đo độ dẫn điện.

• Phương pháp phân tích: Cấu trúc tế vi được khảo sát bằng kính hiển vi quang học Olympus CK40M với độ phóng đại từ 100 đến 2400 lần, mẫu được tẩm thực bằng dung dịch axit HF, HCl, HNO3 để làm rõ cấu trúc hạt. Độ cứng được đo bằng máy đo độ cứng Wilson theo chuẩn Hv. Thí nghiệm cơ tính gồm kéo (ASTM E8), uốn (ASTM E290-14), va đập (ASTM E23). Khả năng ăn mòn được đánh giá qua tốc độ ăn mòn điện hóa trong môi trường NaCl 3,5%, nước cất và nước tự nhiên. Độ dẫn điện được đo bằng thiết bị chuyên dụng, tính toán dựa trên điện trở suất.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình thực hiện từ năm 2018 đến 2020, bao gồm giai đoạn chế tạo mẫu, thí nghiệm, phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Tổng cộng 8 mẫu ăn mòn, 3 mẫu đo độ dẫn điện, 3 mẫu kéo, 4 mẫu va đập, 56 mẫu cơ tính cục bộ được cắt từ tấm bimetal. Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp Al/Cu: Quan sát bằng kính hiển vi cho thấy vùng tiếp giáp có sự khuếch tán kim loại nhôm và đồng tạo thành các vân đặc trưng, không xuất hiện khuyết tật lớn. Vùng khuấy (SZ) có cấu trúc hạt mịn, mật độ ranh giới hạt cao, vùng TMAZ có biến dạng dẻo rõ rệt, vùng HAZ giữ cấu trúc tương tự vật liệu nền.

2. Cơ tính tổng thể và cục bộ: Độ cứng trung bình của mối hàn đạt khoảng 85 Hv, cao hơn so với nhôm nền (60 Hv) và thấp hơn đồng nền (100 Hv). Độ bền kéo của mối hàn đạt 76% so với vật liệu nền nhôm, với tải trọng lớn nhất khi đứt mẫu đạt khoảng 2200 N. Độ bền uốn đạt 68% so với vật liệu nền, độ dai va đập tăng 15% so với nhôm nguyên chất.

3. Khả năng ăn mòn điện hóa: Tốc độ ăn mòn trong môi trường NaCl 3,5% được xác định khoảng 0,12 mm/năm, thấp hơn so với nhôm nguyên chất (0,18 mm/năm), cho thấy mối hàn có khả năng chống ăn mòn tốt. Môi trường nước cất và nước tự nhiên cũng cho kết quả tương tự với tốc độ ăn mòn thấp.

4. Tính năng truyền dẫn điện: Độ dẫn điện của tấm bimetal Al/Cu đạt khoảng 92% so với đồng nguyên chất, cao hơn nhiều so với nhôm nguyên chất (36,59 × 10^6 S/m). Điều này chứng tỏ mối hàn không làm giảm đáng kể khả năng dẫn điện, phù hợp cho ứng dụng trong ngành điện.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy phương pháp hàn ma sát khuấy tạo ra mối liên kết bền vững giữa nhôm A1050 và đồng C1100 với cấu trúc tế vi đồng nhất, hạn chế khuyết tật. Độ cứng và độ bền cơ học của mối hàn được cải thiện nhờ sự hình thành các pha liên kim Al/Cu tại vùng tiếp giáp, tương tự các nghiên cứu quốc tế đã công bố. Khả năng chống ăn mòn điện hóa được nâng cao do lớp oxit bảo vệ và cấu trúc hạt mịn vùng hàn.

Độ dẫn điện gần đạt mức đồng nguyên chất cho thấy mối hàn không ảnh hưởng tiêu cực đến tính năng truyền dẫn, điều này rất quan trọng trong ứng dụng thực tế như dây dẫn điện, cốt nối. Biểu đồ độ cứng và độ bền kéo có thể được trình bày để minh họa sự phân bố cơ tính theo vùng hàn, giúp trực quan hóa hiệu quả của phương pháp FSW.

So với các phương pháp hàn truyền thống, FSW cho phép liên kết hai kim loại khác nhau với ít biến dạng và khuyết tật hơn, đồng thời thân thiện với môi trường do không phát sinh khí độc hay bắn tóe. Kết quả nghiên cứu góp phần khẳng định tính khả thi và ưu việt của công nghệ này trong sản xuất vật liệu composite kim loại.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa thông số hàn FSW: Đề xuất điều chỉnh tốc độ quay chốt hàn và tốc độ di chuyển để đạt độ bền kéo và độ cứng tối ưu trong vòng 6 tháng tới, do phòng thí nghiệm cơ khí thực hiện.

2. Nâng cao khả năng chống ăn mòn: Áp dụng xử lý bề mặt hoặc phủ lớp bảo vệ oxit nhằm giảm tốc độ ăn mòn điện hóa thêm 20% trong 1 năm, do bộ phận nghiên cứu vật liệu đảm nhiệm.

3. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Thử nghiệm liên kết các vật liệu bimetal khác như Al/Fe hoặc Cu/Fe để đa dạng hóa sản phẩm trong 2 năm, phối hợp giữa các trường đại học và doanh nghiệp.

4. Phát triển quy trình sản xuất công nghiệp: Xây dựng quy trình chuẩn cho sản xuất tấm bimetal Al/Cu bằng FSW với năng suất cao, chi phí thấp trong 1 năm, do các nhà sản xuất và kỹ sư công nghệ thực hiện.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật hàn ma sát khuấy cho kỹ thuật viên và kỹ sư trong ngành cơ khí điện trong 6 tháng, nhằm nâng cao tay nghề và ứng dụng rộng rãi công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và giảng viên ngành kỹ thuật cơ khí: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về cơ tính và tính năng truyền dẫn điện của vật liệu bimetal, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

2. Kỹ sư và chuyên gia trong ngành công nghiệp điện: Thông tin về khả năng dẫn điện và chống ăn mòn của tấm bimetal Al/Cu giúp thiết kế linh kiện điện tử, dây dẫn hiệu quả hơn.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu composite và linh kiện điện: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để áp dụng công nghệ hàn ma sát khuấy trong sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí, vật liệu: Tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, phân tích cơ tính và tính năng vật liệu, hỗ trợ học tập và nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp hàn ma sát khuấy có ưu điểm gì so với các phương pháp hàn truyền thống?
   Phương pháp FSW không cần vật liệu phụ, không phát sinh khí độc, ít biến dạng và khuyết tật, tạo mối hàn có cơ tính tốt và thân thiện môi trường. Ví dụ, mối hàn Al/Cu đạt độ bền kéo 76% so với vật liệu nền.

2. Tại sao lại chọn hợp kim nhôm A1050 và đồng C1100 để nghiên cứu?
   Nhôm A1050 có độ dẻo cao, chống ăn mòn tốt; đồng C1100 có độ dẫn điện và nhiệt cao. Sự kết hợp này phù hợp cho ứng dụng trong ngành điện và cơ khí, tận dụng ưu điểm của cả hai kim loại.

3. Cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp ảnh hưởng thế nào đến tính chất cơ học?
   Vùng tiếp giáp có cấu trúc hạt mịn và pha liên kim Al/Cu giúp tăng độ cứng và độ bền, giảm khuyết tật. Vùng TMAZ có biến dạng dẻo cao, ảnh hưởng đến độ dai va đập của mối hàn.

4. Khả năng chống ăn mòn của tấm bimetal Al/Cu như thế nào?
   Tốc độ ăn mòn điện hóa trong môi trường NaCl 3,5% khoảng 0,12 mm/năm, thấp hơn nhôm nguyên chất, cho thấy mối hàn có khả năng chống ăn mòn tốt, phù hợp sử dụng trong môi trường ẩm ướt.

5. Độ dẫn điện của mối hàn có bị ảnh hưởng không?
   Độ dẫn điện đạt khoảng 92% so với đồng nguyên chất, cho thấy mối hàn không làm giảm đáng kể khả năng truyền dẫn điện, đảm bảo hiệu quả sử dụng trong các ứng dụng điện.

Kết luận

• Nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra mối liên kết bimetal Al/Cu bằng phương pháp hàn ma sát khuấy với cấu trúc tế vi đồng nhất và ít khuyết tật.
• Độ cứng, độ bền kéo, độ dai va đập của mối hàn đạt từ 68% đến 85% so với vật liệu nền, đảm bảo tính cơ học cần thiết cho ứng dụng thực tế.
• Khả năng chống ăn mòn điện hóa được cải thiện, tốc độ ăn mòn thấp hơn nhôm nguyên chất, tăng độ bền sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.
• Tính năng truyền dẫn điện của tấm bimetal gần đạt mức đồng nguyên chất, phù hợp cho các linh kiện điện và dây dẫn.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa thông số hàn, mở rộng nghiên cứu các vật liệu bimetal khác và phát triển quy trình sản xuất công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Triển khai các giải pháp đề xuất, tổ chức đào tạo chuyển giao công nghệ, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghiệp liên quan. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm mới và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về đề tài nghiên cứu Đồng và nhôm đã và đang được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp, với những tính năng như dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, khả năng chống ăn mòn, độ dẻo, và tính thẩm mỹ cao. Chúng rất phù hợp để gia công chi tiết máy, làm trang trí công nghiệp, thiết bị truyền dẫn điện, dẫn nhiệt. Để khai thác tối đa những ưu thế đó, thì tấm bimetal Al/Cu được sản xuất cũng đem lại hiệu quả kinh tế rất tốt.

Việc liên kết các kim loại có thành phần, cơ tính khác nhau cũng đang là hướng đi đang được các tập đoàn cũng như các cơ sở sản xuất quan tâm và chú trọng đầu tư. Với công nghệ kỹ thuật hiện nay, tấm bimetal Al/Cu được chế tạo phần lớn là phương pháp cán, dập, hàn nổ, hàn ma sát…cả hai kim loại được khuếch tán vào nhau tạo nên một khối không thể thách rời. Để góp phần đa dạng hóa các loại lưỡng kim này, rất nhiều nghiên cứu được đưa ra để tìm và giải quyết các vấn đề liên quan đến khả năng liên kết của các vật liệu khác nhau. Tuy nhiên để hiểu rõ cơ tính cũng như bản chất vật liệu tại vùng liên kết thì vẫn chưa có kết quả nghiên cứu cụ thể nào được nêu ra.

Đề tài nghiên cứu “ứng xử cơ học và tính năng truyền dẫn điện của tấm bimetal Al/Cu” cũng xuất phát từ mục đích này. Nó là một vấn đề khá mới, cho tới thời điểm hiện tại chưa có công trình nào công bố cụ thể, chi tiết về lĩnh vực mà tác giả đang nghiên cứu. Chỉ có một số công trình nghiên cứu về thông số của dụng cụ hàn có ảnh hưởng tới cơ tính mối hàn giữa nhôm và đồng [1] hoặc nghiên cứu về chế độ hàn và các chất liên kim (IMC) ảnh hưởng như thế nào đến tính chất liên kết của nhôm và đồng [2]. Ứng dụng vật liệu bimetal Al/Cu [3] Phần lớn vật liệu bimetal Al/Cu được ứng dụng phục vụ cho các ngành điện, nghành công nghiệp ô tô, các vật dụng dân dụng.

Cụ thể có một số chi tiết ứng dụng sau đây: Trang 2 Luan van Hình 1.1: Cốt nối, dây dẫn bimetal Al/Cu [19] Các loại cốt nối và dây dẫn bimetal Al/Cu được sử dụng rất hiệu quả trong nghành công nghiệp điện.2: Các loại ống lót, vòng bi bôi trơn [25] Ống lót dầu, vòng bi tráng bôi trơn. Nó được sử dụng rộng rãi trong các chi tiết như: Máy nén khí, thiết bị lái, tay lái trợ lực, vòng bi đạp, ống lót chân đế, pít-tông đuôi, thiết bị xử lý và nâng cơ, động cơ thủy lực, máy móc nông nghiệp, v. Giới thiệu phương pháp hàn ma sát khuấy Hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) được phát minh bởi học Viện hàn của Vương Quốc Anh (TWI) vào tháng 12 năm 1991. TWI đã được cấp bằng sáng chế thành công ở châu Âu, Mỹ, Nhật Bản và Úc.

Sau đó TWI đã thành lập TWI Group và được tài trợ bởi dự án 5651: “Sự phát triển của kỹ thuật hàn ma sát khuấy cho hàn nhôm” vào năm 1992 để tiếp tục nghiên cứu kỹ thuật này [4]. Về nguyên lý cơ bản của hàn ma sát khuấy được thể hiện thu gọn dựa vào sơ đồ sau: Trang 3 Luan van Hình 1.3: Sơ đồ mô tả quá trình hàn ma sát khuấy [4] Ưu nhược điểm của công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW)[4] + Ưu điểm So với các phương pháp hàn truyền thống như hàn TIG, hàn MIG thì hàn ma sát khuấy có những ưu điểm nổi bật sau: Không cần bổ sung kim loại phụ (que hàn), không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóng chảy. Không phát xạ độc hại: khói độc, bắn tóe, không phát sinh hồ quang, năng lượng bức xạ…, do đó tạo môi trường trong sạch. Có tính tự động hóa nên việc kiểm soát và điều khiển thông số dễ dàng, độ chính xác của chi tiết hàn được đảm bảo.

Cơ tính mối hàn tốt, ít biến dạng, ít khuyết tật. Thời gian hàn nhanh, năng suất cao, không đòi hỏi tay nghề cao của người công nhân. + Nhược điểm Khi hàn các vật liệu có độ nóng chảy cao (thép. Titanium…) cần sử dụng dụng cụ hàn phức tạp dẫn đến tốn chi phí.

Tính cơ động kém do không thể hàn trong không gian chật hẹp, những kết cấu phức tạp. Cần lực ấn xuống khá lớn (theo trục Z) do vậy cần đồ gá hàn và ngàm lót đáy khi hàn. Trang 4 Luan van 1. Các nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước 1.

Các nghiên cứu nước ngoài Dagur Ingi Ólafsson [1], Tác giả đã nghiên cứu trên hai vật liệu nhôm AA1050-H14 / 24 - CU-OF-04 có độ dày 6mm, sau các thử nghiệm sơ bộ, tác giả đã lựa chọn dụng cụ hàn có vai lõm ØD3 và đầu côn ren ØB N /A, đưa ra được 3 thông số: tốc độ di chuyển, vị trí mối hàn và vị trí bù của dụng cụ liên quan đến đường nối giữa các vật liệu cơ bản. Các đặc tính của mối hàn được tối ưu hóa đến 84,8% Hiệu suất đối với độ bền kéo (GETS) và 40,8% độ bền uốn (GEB) so với AA1050-H14 / 24 và hiệu suất dẫn điện 97,2% so với một thành phần lưỡng kim lý tưởng được làm bằng cùng vật liệu không có điện trở tiếp xúc. Eka Febryansyah [5] Đã nghiên cứu ảnh hưởng của các loại chốt hàn hàn ma sát khuấy đến cơ tính mối hàn nhôm 5052 và đồng nguyên chất. Các thông số hàn được thực hiện với ba loại vai và chốt hàn khác nhau: hình trụ, hình côn và ren.

Trước khi hàn, tấm đồng được gia nhiệt với nhiệt độ từ 25°C đến 200°C. Các mối hàn được thực hiện ở tốc độ quay chốt 2800 vòng/phút, tốc độ di chuyển 2 mm/giây. Tất cả các mối hàn sau đó được thử nghiệm độ bền cơ học và quan sát cấu trúc hạt dưới kính hiển vi. Kết quả cho thấy tại vùng đồng được gia nhiệt cấu trúc tế vi thay đổi, tạo ra các pha Al/Cu làm tăng cơ tính của vật liệu.

Khi sử dụng chốt hàn hình trụ dạng ren xoắn sẽ làm tăng độ bền kéo của mối hàn, thí nghiệm cho thấy, thông thường vị trí gãy xuất hiện tại vùng nhôm A5052. Đã nghiên cứu tính chất cơ học của hỗn hợp vật liệu nhôm 96,2% và đồng 3,8%. Được điều chế bằng quá trình nóng chảy ở nhiệt độ 12000c và thêm vào dung dịch khoảng 12,5% đến 20% SiC trên bề mặt khảo sát. Và sau đó phân tích cấu trúc được kiểm tra bằng tia X-Ray máy đo nhiễu xạ (XRD), soi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử (SEM), độ cứng HRB đo bằng máy Vickers Kết quả cho thấy chính SiC là chất xúc tác làm cho bề mặt được khảo sát có độ cứng lớn hơn mặt còn lại khoảng 15%.

Trang 5 Luan van R. Tedwors [7], đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số trong quá trình hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm 6063, 2015. Trong nghiên cứu này mục đích chính là tìm ra thông số tối ưu gồm ba thông số chính là tốc độ quay của dụng cụ, tốc độ hàn và lực dọc trục khi hàn ma sát giáp mí để liên kết hai tấm hợp kim nhôm 6063 có độ dày 5 mm. Việc đánh giá chất lượng mối hàn được tác giả thực hiện thông qua kiểm tra cơ tính gồm kiểm tra độ bền, độ cứng.

Kết quả thí nghiệm cơ tính của mối hàn cho thấy mối hàn đạt độ bền kéo lớn nhất là 101 Mpa với tốc độ quay của dụng cụ là 1000 vòng/phút, tốc độ hàn là 1 mm/giây và lực dọc trục là 6000 N. Bhatwadekar * Department of Production Engg, [8], đã nghiên cứu hàn ma sát khuấy các tấm nhôm AA6101 và đồng nguyên chất có độ dày 5mm được thực hiện ở tốc độ 700 vòng / phút và ở tốc độ di chuyển dao 11mm / phút với dụng cụ hàn H13. Kiểm tra khuyết tật mối hàn và độ bền của mối nối được thực hiện bằng máy tính UTM. Họ nhận thấy rằng có một số các hợp chất liên kim như CuAl2, CuAl,Cu9Al4 cùng với một lượng nhỏ α-Al và dung dịch rắn bão hòa của Al trong Cu.

Đỉnh nhiệt độ đo được trong vùng hàn lên đến 580 0C. Họ thực hiện các thí nghiệm với tốc độ quay của dụng cụ hàn trong khoảng 151- 1400 vòng/phút và tốc độ di chuyển trong khoảng 57-330 mm /phút. FSW của hợp kim nhôm 6061 với đồng đã chứng minh khó khăn do tính chất giòn của kim loại các hợp chất hình thành trong mối hàn, Đồng và Nhôm tính chất vật liệu khác nhau nên khi liên kết chúng tạo ra độ giòn trên tiết diện vùng ảnh hưởng nhiệt. Các nghiên cứu trong nước Cho tới thời điểm bây giờ ở Việt Nam chưa tìm thấy tài liệu nào được chính thức công bố về đề tài nghiên cứu ứng xử cơ học và tính năng truyền dẫn điện của tấm bimetal Al/Cu.

Chỉ có một số đề tài đã công bố về phương pháp hàn ma sát trên nền vật liệu hợp kim nhôm. Trần Hưng Trà, Dương Đình Hào, Vũ Công Hòa, Phí Công Thuyên [9]. Nhóm tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến sự phân bố nhiệt độ và cấu trúc mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075-T6. Trang 6 Luan van Thí nghiệm được thực hiện trên máy phay NC.

Thông số đầu khuấy với đường kính mũi khuấy là 5.0mm, chiều dài mũi khuấy 4.5mm, mũi khuấy có bước xoắn 1. mũi khuấy được nghiêng một góc 20 so với mặt phôi. Mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075-T6 được nghiên cứu tại trường Đại hoc Nha Trang. Kết quả khảo sát thực nghiệm cho thấy nhiệt độ cao nhất nằm ở vùng khuấy trong tất cả các trường hợp và có xu hướng tăng khi tỷ số tốc độ quay (ω) của đầu khuấy và tốc độ hàn tăng (v).

Mối hàn đạt chất lượng khi tỷ số này (ω /v) nằm trong khoảng 4. Nghiên cứu chỉ ra rằng, khi tỷ số ω /v tăng thì kích thước hạt tại các vùng hàn cũng tăng. Cấu trúc hạt thay đổi làm cơ tính thay đổi được thể hiện qua sự thay đổi độ cứng. Trần Hưng Trà, nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến cơ tính của mối hàn ma sát khuấy của hợp kim nhôm AA6063-T5 [10].

Ảnh hưởng của tốc độ quay của đầu khuấy và tốc độ hàn đến chu trình nhiệt, sự phân bố độ cứng, và ứng suất kéo của mối hàn được làm sáng tỏ trong thí nghiệm này. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng tỉ số giữa tốc độ quay và tốc độ hàn càng thấp thì nhiệt sinh ra cũng càng thấp, vùng biến dạng dẻo của chi tiết cũng hẹp lại và ứng suất kéo tăng lên.