Chương 1 TỎNG QUAN 1.1 LICH SỨ PHÁT TRIEN CUA CÔNG NGHỆ HAN Khoảng dau thời dai đồ đồng, đồ sắt loài người đã biết han kim loại. Từ cuối thế ky 19, vật ly, hóa hoc và các ngành khoa học khác phat trién rất mạnh. Năm 1802 nhà bác học Nga Petorop đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện và chỉ rõ khả năng sử dụng nhiệt năng của nó để làm nóng chảy kim loại. Năm 1882 kỹ sư người Nga Bernardos đã dùng hồ quang cực than dé han kim loại.
Năm 1888 một kỹ su người Nga khác là Slavianov đã áp dụng cực điện nóng chảy - cực điện kim loại vào hồ quang điện!'. Hàn tiếp xúc xuất hiện và phát triển chậm hơn, năm 1886 Tomson tìm ra phương pháp hàn tiếp xúc giáp mỗi. Năm 1887 Bernardos tìm ra phương pháp hàn điểm, nhưng mãi đến năm 1903 thì hàn giáp mối mới dùng trong công nghiệp và đặc biệt kế từ sau chiến tranh thế giới thứ hai hàn tiếp xúc mới phát triển mạnh mẽ và xuất hiện nhiều phương pháp hàn mới. Một đóng góp rất quan trọng cho sự phát triển hàn hồ quang là thành công của kỹ sư Thụy Điển O.Kjellberg năm 1907 về phương pháp 6n định quá trình phóng hỗ quang và bảo vệ vùng hàn khỏi tác dụng của không khí chung quanh băng cách đắp lên cực kim loại một lớp vỏ thuốc.
Việc ứng dụng que hàn bọc thuốc bảo đảm chất lượng cao của mối hàn!”. Thời kỳ phát triển mới của môn hàn đã được mở ra vào những năm giữa thế ký 20 với những công trình nồi tiếng của Viện sĩ E.O Paton về hàn dưới thuốc. Phuong pháp hàn tự động và sau đó hàn nửa tự động dưới thuốc ra đời và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Đó là thành tựu vô cùng to lớn của kỹ thuật hàn hiện đại.
Từ khi ra đời cho đến nay hàn dưới thuốc vẫn là phương pháp cơ khí hóa cơ bản trong kỹ thuật hàn!”. Năm 1991, phương pháp han ma sát khuấy ra đời bởi viện hàn TWI. Được sử dụng phô biến đối với nhôm, hợp kim nhôm và một số kim loại màu. Ngày nay, công nghệ hàn nảy được phát triển mạnh ở những nước phát triển.
Những năm gần đây một loạt phương pháp han mới ra đời như han bằng tia điện tử, hàn lạnh, hàn ma sát, han no, hàn siêu âm, v. Hiện nay có hơn 120 phương pháp hàn khác nhau. Nói chung, các phương pháp hàn ngày càng được hoàn thiện hơn và được sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong kỹ thuật quốc phòng và đặc biệt là trong ngành du hành vũ trụ. Có thể nói hàn là một phương pháp gia công kim loại tiên tiễn và hiện đại.
Hàn ở Việt Nam cũng đã xuất hiện từ thời thượng cố, hồi đó ông cha ta đã biết sử dụng han dé làm ra những dụng cụ can thiết phục vụ cho đời sống và cải tiễn điều kiện lao động. Tuy nhiên, một số công nghệ hàn tiên tiễn trên thế giới mang lại hiệu quả kinh tế cao chúng ta vẫn chưa thể ứng dụng được. Một phần vì chúng ta chưa đủ trình độ kỹ thuật, thiết bi và một phan vi sự không tin tưởng tuyệt đối vào công nghệ hàn này! Í, 1.2 SỰ PHAT TRIEN CUA CÔNG NGHE HAN MA SÁT KHUAY Han ma sát khuấy được phát minh bởi Viện han TWI (U. Day là một trong những công nghệ hàn mới đã được sử dung cho sản xuất từ năm 1996.
Một ưu điểm khá lớn trong công nghệ nảy là nhiệt độ hàn thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của vật liệu. Do đó làm giảm đáng kế biến dang so với các phương pháp han nóng chảy truyền thống khác như TIG, MIG”! TWI đã nộp bang sáng chế thành công ở châu Âu, Mỹ, Nhật Ban va Australia đồng thời thành lập TWI Group thực hiện dự án 5651: “Sự phát triển của kỹ thuật ma sát khuấy cho han nhôm” vào năm 1992 dé tiếp tục nghiên cứu công nghệ nay. Các dự án phát triển được thực hiện theo ba giai đoạn. Giai đoạn I: chứng minh FSW là một kỹ thuật hàn có tính khả thi và thiết thực, đồng thời áp dụng hàng loạt cho hợp kim nhôm 6xxx.
Giai đoạn II: kiểm tra mức độ thành công của mỗi han áp dụng cho hang không vũ trụ và tàu biển với hợp kim nhôm 2xxx và 5xxx, tương ứng. Quá trình dung sai thông số, đặc điểm luyện kim, và tính chất cơ học cho các tài liệu đã được thành lập. Giai đoạn III: phát triển dữ liệu thích hợp cho FSWF?. Từ khi phát minh này ra đời, nó đã nhận được sự chú ý trên toàn thế gidi va được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, sản xuât trong nhiêu lĩnh vực, bao gôm ca hàng không vũ tru, ô tô, đường sắt, đóng tàu, vỏ điện tử, buồng lạnh và các thùng chứa chất thải hạt nhân.
FSW đã được chứng minh là một quá trình hiệu quả cho hàn nhôm, đồng và các hợp kim của nó cũng như các vật liệu nóng chảy ở nhiệt độ thấp khác. Hiện nay FSW cũng đã được mở rộng trong các vật liệu nóng chảy ở nhiệt độ cao, chang han như thép không gi và hop kim Niken, Titan bang cách phát triển các công cụ có thé chịu được nhiệt độ cao và áp lực cần thiết để có hiệu quả thích hợp. Viện Thông tin Khoa học 120 = thông kê răng trong một thập kỷ 100 | \ i 3 qua kê từ năm 1996, các tài liệu 80 L 4 AR 2 L4 wn RK on < tk xuât bản có liên quan đên việc 8 | on Lá ^ A <3 60 " nghiên cứu FSW (không baogôm s# | on các ky yêu trong các hội thao S TM h Ï z Lạ on s ` <O quôc tê) liên tục tăng (Hình “2 20} ___"— : 1. Hiện nay, việc ứng dụng Po kA.
¬ we el 1996 1998 2000 2002 2004 2006 công nghệ nay vào môi loại vật Năm xuất bản liệu và chọn thông số hàn hợp lý — Hừn; 1.7: Tài liệu xuất bản trong 10 năm quai] là một trong những vấn đề nghiên cứu mà các nhà khoa học đang đầu tư để tạo ra chất lượng mối han tốt nhất.3 UU NHƯỢC DIEM CUA PHƯƠNG PHÁP HAN MA SÁT KHUAY 1.1 Uu diém Hàn ma sát có những ưu điểm nổi bat so với những phương pháp han truyền thống khác qua các tiêu chí saul!”: a. Về luyện kim: - Đây là quá trình hàn ở trạng thái rắn. sếa TS - Độ biến dạng nhỏ (Hình 1. : - Không cần bồ sung kim loại.
- Co tính mối han tốt. - Không bị nứt khi đông rắn. - Hàn được tất cả các hợp kim nhôm.2: So sánh độ biến dang - Hàn được các loại vật liệu khác nhau như: đồng và nhôm. - Không yêu cau cao về tay nghề của công nhân, khuyết tật mối han ít.
VỀ môi trường: - Không can kính chan bảo vệ cho mắt. - Bề mặt mối hàn sạch. - Không có khí thải độc hại. Về năng lượng: - Giảm trọng lượng.
- Giảm tiêu thụ nhiên liệu bởi trọng lượng nhẹ.2 Nhược điểm - Yêu cầu gá đặt chính xác bởi lực chạy khá lớn. - Ít linh hoạt, gặp khó khăn khi hàn những chỉ tiết phức tạp. - Xuất hiện lỗ khuyết tật khi thoát dụng cụ!”!.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Hiện nay, han ma sát là một trong những vấn dé nóng mà nhiều nha nghiên cứu khoa học trên thé giới đã và đang nghiên cứu va ứng dụng nó vao thực tế. Mishra và Mahoney!'°! đã tổng hợp rất nhiều các nghiên cứu để xuất bản một tài liệu nghiên cứu FSW trong đó nói về phương pháp, thông số, dụng cụ hản.
Ở một số nước tiên tiến, phương pháp hàn nay được sử dụng phổ biến trong các nganh công nghiệp có độ chính xác cao như tàu cao tốc, hàng không vũ trụ, công nghệ ô tô, tàu thủy cao tốc. Do đó, họ có những thiết bị dé tạo ra những mối han này. Tất cả những van dé nóng từ phương pháp han này đã được nghiên cứu từ dụng cu, chất lượng mối hàn đến các thông số của quá trình han.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Hàn ma sát khuấy ở Việt Nam là một phương pháp hàn rất mới. Mặc dù ưu điểm của nó là thấy rõ nhưng việc ứng dụng nó trong thực tế là hầu như không có vì nhiều nguyên nhân khác nhau.
Có một số đề tài ở trường Đại học bách khoa TP. HCM đã đi vào nghiên cứu về han ma sát khuấy nhưng cũng chỉ dừng lại ở dạng nghiên cứu ứng dụng cũng như khảo sát đặc tính kéo, uốn của nó bằng phương pháp thực nghiệm, chưa thé đi sâu phân tích và giải thích cơ tính của mối hàn này!””, Chưa đánh giá được ảnh hưởng của thông số hàn đến chất lượng hay cơ tính của mối hàn. Hơn nữa việc thực hiện trên hợp kim nhôm có độ bền cao và khó han bằng phương pháp hàn nóng chảy như hợp kim nhôm nhóm 7: AA7xxx vẫn chưa có đề tài nào thực hiện. Trên đây là những van dé mà các nhà nghiên cứu trong nước đã và chưa thực hiện được.5 MỤC TIỂU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐÈ TÀI Với những nội dung được phân tích ở trên, dé tai nghiên cứu sẽ tập trung chế tạo mối hàn và từ đó phân tích đặc tính ứng xử cơ học của nó.
Tuy nhiên do thời gian, thiết bị và khả năng nghiên cứu còn hạn chế nên đề tài chỉ tập trung vào một số nội dung như: - Sự phân bố nhiệt độ mối hàn - Cau trúc té vi của mối hàn - Độ cứng mối hàn - Độ bên kéo mỗi hàn - Độ bền uốn mối hàn - Khả năng chịu va đập của mối hàn - Độ bền mỏi mỗi hàn - Ngoài ra, một vài thông số ảnh hưởng đến các đặc tính này cũng được khảo sát và phân tích cụ thé. Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYET 2.1 ĐẶC DIEM CUA QUA TRINH HAN MA SÁT KHUAY 2.1 Khái niệm va nguyên ly han ma sát khuấy Hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding) là quá trình hàn ở trạng thái rắn được phát triển và cấp bằng sáng chế bởi Viện han TWI (UK) vào năm 1991, ứng dụng cho vật liệu kim loại đen và kim loại màu! Ì, Quá trình hàn này thường lặp đi lặp lại với một thông số ban đầu cô định, có thể quan sát được và không tạo ra mối nguy hại lớn chang hạn như khói hoặc bức xạ nhiệt. Chúng ta có thể sử dụng máy phay Lực dọc đứng kết hợp với một dụng cụ để thực én tién ` ae ` ` ` (Advancing side) hiện quá trình han nay (Hình 2.