Tổng quan nghiên cứu

Hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) là một công nghệ hàn trạng thái rắn được phát minh năm 1991 bởi Viện hàn TWI (The Welding Institute). Từ khi ra đời, FSW đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, đường sắt cao tốc, đóng tàu, ô tô nhờ ưu điểm vượt trội về độ bền, hiệu quả kinh tế và thân thiện môi trường so với các phương pháp hàn truyền thống như TIG, MIG. Đặc biệt, hợp kim nhôm nhóm 7xxx (AA7xxx) là loại vật liệu có độ bền cao nhưng rất khó hàn bằng phương pháp nóng chảy truyền thống, cũng như gặp nhiều thách thức khi hàn bằng FSW.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng xử cơ học của mối hàn ma sát khuấy trên tam hợp kim nhôm nhóm 7, cụ thể là hợp kim AA7075. Mục tiêu chính là khảo sát ảnh hưởng của các thông số hàn như tốc độ quay (600–1200 vòng/phút) và tốc độ tịnh tiến (80–200 mm/phút) đến chất lượng mối hàn, cấu trúc tế vi, phân bố nhiệt độ, cũng như các đặc tính cơ học như độ bền kéo, độ dai va đập và độ bền mỏi. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian từ tháng 1 đến tháng 11 năm 2014 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM và Đại học Nha Trang.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ hàn FSW cho các hợp kim nhôm có độ bền cao, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm trong các ngành công nghiệp chế tạo, giảm chi phí sản xuất và tăng tuổi thọ kết cấu kim loại.

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:

  • Nguyên lý hàn ma sát khuấy (FSW): Quá trình hàn ở trạng thái rắn, không làm nóng chảy vật liệu mà tạo nhiệt bằng ma sát và biến dạng dẻo do dụng cụ hàn quay và tịnh tiến, làm mềm và khuấy trộn vật liệu tại vùng hàn.

  • Cấu trúc vùng hàn: Mối hàn FSW gồm bốn vùng chính: Vật liệu nền (BM), vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (TMAZ) và vùng khuấy (SZ). Mỗi vùng có đặc điểm cấu trúc và tính chất cơ học khác nhau.

  • Cơ tính vật liệu: Các chỉ tiêu cơ bản gồm độ bền kéo, giới hạn chảy, độ cứng (Rockwell, Vickers, Brinell), độ dai va đập và độ bền mỏi. Mối quan hệ giữa kích thước hạt và độ bền được mô tả qua biểu thức Hall-Petch.

  • Ảnh hưởng thông số hàn: Tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến của dụng cụ hàn ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ sinh ra, cấu trúc tế vi, kích thước hạt và từ đó ảnh hưởng đến cơ tính mối hàn.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng hợp kim nhôm AA7075-T651 với độ dày khoảng 6.35 mm. Mối hàn được chế tạo bằng máy phay đứng CNC kết hợp dụng cụ hàn ma sát khuấy có chốt và vai được thiết kế phù hợp.

  • Phương pháp chọn mẫu: Mẫu thử được cắt từ các tấm hàn theo tiêu chuẩn ASTM, đảm bảo kích thước và hình dạng phù hợp cho các phép thử kéo, uốn, va đập, đo độ cứng và độ bền mỏi.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng kính hiển vi quang học để quan sát cấu trúc tế vi, máy đo độ cứng Rockwell, Vickers và Brinell để xác định độ cứng, máy thử kéo và uốn để đo cơ tính, máy đo năng lượng va đập Charpy để đánh giá độ dai, và thiết bị đo độ bền mỏi. Nhiệt độ tại các vùng hàn được đo bằng cặp nhiệt điện loại K.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng 11 tháng, từ tháng 1 đến tháng 11 năm 2014, bao gồm các giai đoạn chế tạo mối hàn, thí nghiệm cơ tính, quan sát cấu trúc và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ số tốc độ quay và tịnh tiến (@/v): Khi tỷ số này nằm trong khoảng 4–10 vòng/mm, mối hàn đạt chất lượng tốt nhất. Độ bền kéo đạt khoảng 68% và độ dai va đập đạt 76% so với vật liệu nền. Tỷ lệ này tỷ lệ thuận với tỷ số @/v.

  2. Phân bố nhiệt độ: Nhiệt độ cao nhất được ghi nhận tại tâm mối hàn (vùng khuấy - SZ), với giá trị đo được lên đến khoảng 475°C. Nhiệt độ giảm dần khi ra xa vùng hàn, đặc biệt tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

  3. Cấu trúc tế vi: Kích thước hạt nhỏ nhất và cấu trúc hạt mịn nhất xuất hiện tại vùng khuấy (SZ) do quá trình kết tinh lại diễn ra mạnh mẽ. Vùng HAZ có cấu trúc hạt thô hơn và độ cứng thấp nhất, là vị trí thường xảy ra phá hủy khi thử kéo.

  4. Vị trí phá hủy: Mẫu kéo thường bị phá hủy ngoài vùng hàn, tại vùng HAZ, nơi có độ cứng thấp nhất. Năng lượng va đập thấp nhất cũng nằm tại tâm mối hàn và tăng dần khi ra xa.

  5. Độ bền mỏi: Mối hàn FSW có độ bền mỏi thấp hơn vật liệu nền nhưng vẫn đảm bảo tính ổn định trong điều kiện làm việc thông thường.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc điều chỉnh thông số hàn đặc biệt là tỷ số tốc độ quay và tịnh tiến là yếu tố quyết định đến chất lượng mối hàn. Nhiệt độ sinh ra trong quá trình hàn ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tế vi và kích thước hạt, từ đó tác động đến cơ tính mối hàn. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với xu hướng chung về ảnh hưởng của thông số hàn đến chất lượng mối hàn trên hợp kim nhôm nhóm 7xxx.

Việc phá hủy tại vùng HAZ do độ cứng thấp và cấu trúc hạt thô là hiện tượng phổ biến trong các mối hàn FSW, phản ánh sự ảnh hưởng của nhiệt độ và biến dạng cơ học trong quá trình hàn. Các biểu đồ phân bố nhiệt độ, độ cứng và kết quả cơ tính có thể được trình bày qua bảng và đồ thị để minh họa rõ ràng hơn.

Nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế ảnh hưởng của thông số hàn đến ứng xử cơ học của mối hàn FSW trên hợp kim nhôm AA7075, từ đó hỗ trợ việc tối ưu hóa quy trình hàn trong thực tế sản xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thông số hàn: Khuyến nghị sử dụng tỷ số tốc độ quay và tịnh tiến trong khoảng 4–10 vòng/mm để đạt chất lượng mối hàn tối ưu, nâng cao độ bền kéo và độ dai va đập. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án sản xuất tiếp theo. Chủ thể thực hiện: kỹ sư công nghệ hàn và nhà máy sản xuất.

  2. Kiểm soát nhiệt độ vùng hàn: Áp dụng hệ thống đo nhiệt độ trực tiếp trong quá trình hàn để kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ sinh ra, tránh quá nhiệt gây kết cấu hạt thô và giảm độ cứng vùng HAZ. Thời gian: triển khai trong vòng 6 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm và bộ phận kỹ thuật.

  3. Nâng cao chất lượng dụng cụ hàn: Sử dụng vật liệu chịu mài mòn và nhiệt độ cao cho chốt và vai hàn, đồng thời thiết kế hình dạng dụng cụ phù hợp để đảm bảo dòng chảy vật liệu ổn định, giảm khuyết tật. Thời gian: nghiên cứu và cải tiến trong 1 năm. Chủ thể: bộ phận thiết kế dụng cụ và nhà cung cấp.

  4. Đào tạo kỹ thuật viên: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ FSW, đặc biệt về ảnh hưởng của thông số hàn đến cơ tính mối hàn, nhằm nâng cao tay nghề và hiệu quả sản xuất. Thời gian: liên tục hàng năm. Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ hàn: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về FSW trên hợp kim nhôm nhóm 7xxx, áp dụng tối ưu thông số hàn để nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Nhà nghiên cứu vật liệu: Tham khảo cơ sở lý thuyết và kết quả thực nghiệm về cấu trúc tế vi và cơ tính mối hàn, phục vụ cho các nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

  3. Doanh nghiệp sản xuất công nghiệp: Áp dụng công nghệ FSW trong sản xuất các chi tiết hợp kim nhôm có độ bền cao, giảm chi phí và tăng tuổi thọ sản phẩm.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Cơ học kỹ thuật: Học tập phương pháp nghiên cứu, phân tích dữ liệu và ứng dụng công nghệ hàn tiên tiến trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hàn ma sát khuấy có ưu điểm gì so với hàn truyền thống?
    FSW tạo mối hàn ở trạng thái rắn, giảm biến dạng, không gây khuyết tật do nóng chảy, tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường. Ví dụ, mối hàn FSW trên hợp kim nhôm AA7075 đạt độ bền kéo khoảng 68% so với vật liệu nền.

  2. Tại sao hợp kim nhôm nhóm 7xxx khó hàn bằng phương pháp truyền thống?
    Nhóm 7xxx có độ bền cao và dễ bị nứt khi hàn nóng chảy do cấu trúc pha và tính chất vật liệu. FSW giúp khắc phục nhược điểm này bằng cách hàn ở trạng thái rắn.

  3. Thông số hàn nào ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng mối hàn?
    Tỷ số tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến (@/v) là yếu tố quan trọng nhất, ảnh hưởng đến nhiệt độ sinh ra, cấu trúc tế vi và cơ tính mối hàn.

  4. Vị trí phá hủy thường xảy ra ở đâu trong mối hàn FSW?
    Phá hủy thường xảy ra tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), nơi có độ cứng thấp nhất và cấu trúc hạt thô hơn so với vùng khuấy (SZ).

  5. Làm thế nào để nâng cao độ bền mối hàn FSW trên hợp kim nhôm?
    Có thể điều chỉnh thông số hàn để kiểm soát kích thước hạt, sử dụng dụng cụ hàn chất lượng cao và áp dụng các biện pháp nhiệt luyện sau hàn để cải thiện cơ tính.

Kết luận

  • Hàn ma sát khuấy là công nghệ hiệu quả để hàn hợp kim nhôm nhóm 7xxx, đặc biệt là AA7075, với chất lượng mối hàn đạt khoảng 68% độ bền kéo và 76% độ dai va đập so với vật liệu nền.
  • Tỷ số tốc độ quay và tịnh tiến (@/v) trong khoảng 4–10 vòng/mm là điều kiện tối ưu để đạt chất lượng mối hàn tốt nhất.
  • Cấu trúc tế vi và nhiệt độ phân bố không đồng đều trong mối hàn, với vùng khuấy (SZ) có hạt nhỏ nhất và nhiệt độ cao nhất, vùng HAZ có độ cứng thấp nhất và là vị trí phá hủy chủ yếu.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa quy trình hàn FSW, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất trong các ngành công nghiệp sử dụng hợp kim nhôm.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và đào tạo nhằm ứng dụng rộng rãi công nghệ FSW trong thực tế sản xuất, hướng tới phát triển bền vững ngành cơ khí và vật liệu.

Hãy áp dụng những kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm trong lĩnh vực hàn hợp kim nhôm!