Phân Tích Ảnh Hưởng Của Hình Dạng Chốt Ren Trong Hàn Xuyên Bằng Mô Phỏng Số

• Tác giả: Đỗ Huỳnh Như
• Người hướng dẫn: PTS. Vũ Công Hòa
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Engineering Mechanics
• Đề tài: Phân Tích Ảnh Hưởng Của Hình Dạng Chốt Ren Trong Hàn Xuyên Bằng Mô Phỏng Số
• Loại tài liệu: master thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• GUARANTEE
• CONTENT
• List of Figures
• List of Tables
• Glossary of Terms
• List of Symbols
• 1. CHAPTER 1: The Friction Stir Welding (FSW) Process and Reasons for Study
• 1. . Historical Development of Friction Stir Welding
• 1. . Reasons for Study
• 1. . Object and Scope of Study
• 1. . Objectives

I. Hình Dạng Chốt Ren Trong Hàn Xuyên

Hàn xuyên là một phương pháp hàn hiện đại, trong đó nhiệt được sinh ra do ma sát giữa dụng cụ quay và vật liệu hàn, dẫn đến bề mặt tiếp xúc được làm nóng đến trạng thái dẻo. Một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn là hình dạng chốt ren. Hình dạng chốt ren không chỉ ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt mà còn quyết định sự chuyển động của vật liệu trong quá trình hàn. Nghiên cứu này sẽ phân tích các hình dạng chốt ren khác nhau, bao gồm các cấu hình như TF0, TF30, TF60 và TF90, để xác định cấu hình nào mang lại hiệu suất hàn tốt nhất. Theo nghiên cứu, hình dạng chốt TF60 đã cho thấy những ưu điểm vượt trội với kích thước lỗ hổng nhỏ hơn và chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên vật liệu không đáng kể.

1.1. Tác Động Của Hình Dạng Chốt Ren

Hình dạng của chốt ren ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn trong quá trình hàn xuyên. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng chốt ren có thể tạo ra các vùng khuấy trộn khác nhau, từ đó tác động đến sự hình thành lỗ hổng và phân bố nhiệt độ trong mối hàn. Việc thiết kế chốt ren với các đặc tính hình học khác nhau có thể tối ưu hóa quá trình này, giúp cải thiện độ bền và độ bền kéo của mối hàn. Đặc biệt, việc sử dụng mô phỏng số để phân tích hiệu suất của các hình dạng chốt ren khác nhau đã chứng minh sự cần thiết của việc tối ưu hóa thiết kế trong kỹ thuật hàn.

II. Phân Tích Ảnh Hưởng Của Hình Dạng Chốt Ren

Phân tích ảnh hưởng của hình dạng chốt ren đến quá trình hàn xuyên được thực hiện thông qua mô phỏng số bằng phần mềm ABAQUS. Mô hình Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) được sử dụng để mô phỏng quá trình hàn với các thông số như tốc độ quay và tốc độ di chuyển của dụng cụ. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố nhiệt độ và hình thành lỗ hổng trong mối hàn có sự khác biệt rõ rệt giữa các hình dạng chốt. Đặc biệt, hình dạng TF60 không chỉ giảm thiểu lỗ hổng mà còn tạo ra vùng khuấy trộn lớn hơn, từ đó cải thiện chất lượng mối hàn.

2.1. Đánh Giá Hiệu Suất Hàn

Đánh giá hiệu suất hàn dựa trên các tiêu chí như độ bền, độ dẻo và sự hình thành lỗ hổng. Mô phỏng cho thấy rằng chốt ren TF60 mang lại độ bền cao hơn so với các hình dạng khác. Sự phân bố nhiệt độ ổn định trong mối hàn cũng giúp giảm thiểu các khuyết tật, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng. Việc phân tích này không chỉ có giá trị trong lĩnh vực nghiên cứu mà còn có ứng dụng thực tiễn trong sản xuất, khi mà việc tối ưu hóa hình dạng chốt ren có thể dẫn đến những cải tiến đáng kể trong quy trình hàn.

III. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu này không chỉ dừng lại ở việc phân tích lý thuyết mà còn có những ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp. Hàn xuyên được sử dụng phổ biến trong ngành hàng không, ô tô và chế tạo tàu, nơi mà việc đảm bảo chất lượng mối hàn là cực kỳ quan trọng. Kết quả từ nghiên cứu này có thể được áp dụng để cải thiện quy trình hàn, từ đó giảm thiểu chi phí sản xuất và nâng cao hiệu suất. Việc lựa chọn đúng hình dạng chốt ren có thể giúp các kỹ sư và nhà sản xuất tối ưu hóa quy trình hàn, đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm.

3.1. Tương Lai Của Kỹ Thuật Hàn

Với sự phát triển của công nghệ mô phỏng số, việc nghiên cứu và tối ưu hóa các hình dạng chốt ren trong hàn xuyên sẽ tiếp tục được mở rộng. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các hình dạng chốt ren mới, phù hợp với các loại vật liệu khác nhau và điều kiện hàn khác nhau. Điều này sẽ không chỉ cải thiện chất lượng mối hàn mà còn mở ra những cơ hội mới trong việc ứng dụng công nghệ hàn trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Tổng quan nghiên cứu

Friction Stir Welding (FSW) là một công nghệ hàn rắn trạng thái, trong đó nhiệt được sinh ra do ma sát giữa dụng cụ quay và vật liệu hàn, làm cho bề mặt tiếp xúc trở nên dẻo. Theo báo cáo của ngành, FSW được ứng dụng rộng rãi trong hàn hợp kim nhôm nhóm 5xxx, 6xxx và 7xxx, đặc biệt là trong các lĩnh vực hàng không, đường sắt và hàng hải. Vật liệu nhôm hợp kim 7075-T6 được sử dụng phổ biến nhờ tính chất cơ học vượt trội như độ bền cao, độ dai và khả năng chống ăn mòn ứng suất. Tuy nhiên, chất lượng mối hàn phụ thuộc lớn vào các tham số quá trình, đặc biệt là hình dạng chốt ren của dụng cụ hàn.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích ảnh hưởng của các cấu hình chốt ren khác nhau trong quá trình FSW trên hợp kim nhôm 7075-T6 bằng mô phỏng số sử dụng phương pháp Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) trên phần mềm ABAQUS. Nghiên cứu tập trung vào việc dự đoán sự hình thành khuyết tật và phân bố trường nhiệt, từ đó đề xuất cấu hình chốt ren tối ưu nhằm nâng cao chất lượng mối hàn. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng quá trình hàn trên tấm nhôm kích thước 65 mm x 60 mm, độ dày 5 mm, với bốn cấu hình chốt ren: TF0, TF30, TF60 và TF90.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế dụng cụ hàn FSW, góp phần giảm thiểu khuyết tật, nâng cao độ bền mối hàn và hiệu quả sản xuất trong các ngành công nghiệp sử dụng hợp kim nhôm cao cấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Quy trình hàn ma sát khuấy (FSW): Nguyên lý hoạt động dựa trên ma sát và áp lực của dụng cụ quay làm nóng chảy vật liệu ở trạng thái rắn, tạo liên kết cơ học giữa hai tấm kim loại mà không làm nóng chảy vật liệu.

• Mô hình Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL): Kết hợp ưu điểm của phương pháp Eulerian (theo dõi vật liệu chảy qua lưới cố định) và Lagrangian (lưới biến dạng theo vật liệu), giúp mô phỏng chính xác biến dạng lớn và sự hình thành khuyết tật trong quá trình hàn.

• Mô hình vật liệu Johnson-Cook: Mô hình mô tả ứng xử vật liệu chịu biến dạng lớn, phụ thuộc vào biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ, phù hợp để mô phỏng quá trình hàn với biến dạng nhiệt phức tạp.

Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt độ hàn, lực tác dụng lên dụng cụ (lực dọc, lực ngang, lực dọc trục), vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), vùng khuấy (SZ), và sự hình thành khuyết tật (void).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mô phỏng số trên phần mềm ABAQUS/Explicit sử dụng phương pháp CEL, kết hợp với dữ liệu thực nghiệm từ các nghiên cứu trước để đối chiếu và xác thực mô hình. Cỡ mẫu mô phỏng là tấm nhôm 7075-T6 kích thước 65 mm x 60 mm, độ dày 5 mm, với bốn cấu hình chốt ren khác nhau (TF0, TF30, TF60, TF90). Mô hình sử dụng phần tử EC3D8RT cho vùng Eulerian và phần tử tứ diện cho dụng cụ.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Thiết lập mô hình cơ học và nhiệt động học theo phương trình chuyển động và truyền nhiệt.

• Áp dụng mô hình Johnson-Cook để mô phỏng ứng xử vật liệu.

• Thiết lập điều kiện tiếp xúc ma sát với hệ số ma sát 0.3.

• So sánh kết quả phân bố nhiệt độ và sự hình thành khuyết tật với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá độ tin cậy mô hình.

Thời gian nghiên cứu tập trung vào ba giai đoạn chính của quá trình hàn: giai đoạn khoan (plunging), giai đoạn giữ nhiệt (dweller), và giai đoạn hàn khuấy (welding stir).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ chính xác mô hình mô phỏng: Sai số trung bình giữa nhiệt độ mô phỏng và thực nghiệm khoảng 14%, cho thấy mô hình CEL có khả năng mô phỏng tương đối chính xác quá trình truyền nhiệt trong FSW.

2. Ảnh hưởng của cấu hình chốt ren: Trong bốn cấu hình TF0, TF30, TF60 và TF90, cấu hình TF60 cho kết quả tốt nhất với:

   • Vùng khuyết tật (void) nhỏ nhất.

   • Chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên mối hàn thấp nhất, giúp giảm ứng suất nhiệt.

   • Vùng khuấy (stirring zone) rộng hơn, tăng cường liên kết vật liệu.

3. Phân bố nhiệt độ: Nhiệt độ cao nhất tập trung dưới vai dụng cụ, nhiệt độ bên phía retreating side cao hơn khoảng 10-20°C so với advancing side, phù hợp với các nghiên cứu trước.

4. Sự hình thành khuyết tật: Các cấu hình chốt ren có ảnh hưởng rõ rệt đến sự hình thành khuyết tật; cấu hình TF60 giảm thiểu khoảng trống khí và khuyết tật cơ học trong mối hàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sai số nhiệt độ giữa mô phỏng và thực nghiệm có thể do các giả định về hệ số ma sát, truyền nhiệt và tính chất vật liệu chưa hoàn toàn chính xác. Mô hình CEL vượt trội hơn các phương pháp CFD và ALE trong việc mô phỏng biến dạng lớn và sự hình thành khuyết tật nhờ khả năng theo dõi vật liệu chảy qua lưới cố định.

So sánh với các nghiên cứu khác, kết quả phù hợp với báo cáo của Safari et al. và Fadi Al-Badour về ảnh hưởng của cấu hình chốt ren và hệ số ma sát đến chất lượng mối hàn. Việc lựa chọn cấu hình TF60 tương ứng với góc mở 60° của ba mặt phẳng ren giúp tối ưu hóa dòng chảy vật liệu và phân bố nhiệt, từ đó nâng cao chất lượng mối hàn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố nhiệt độ dọc theo mặt cắt ngang mối hàn và bảng so sánh kích thước vùng khuyết tật giữa các cấu hình chốt ren.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng cấu hình chốt ren TF60 trong sản xuất: Động từ hành động "triển khai" cấu hình TF60 nhằm giảm khuyết tật và tăng độ bền mối hàn, ưu tiên trong các ngành hàng không và ô tô, trong vòng 6 tháng tới.

2. Tối ưu hóa tham số quá trình: Điều chỉnh tỷ lệ tốc độ quay và tốc độ dịch chuyển (Z/v) ở mức khoảng 2000/180 vg/mm để đạt hiệu quả hàn tối ưu, do các tham số này ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ và biến dạng vật liệu.

3. Nâng cao độ chính xác mô phỏng: Cập nhật các thông số vật liệu và hệ số ma sát thực tế thông qua thử nghiệm bổ sung để giảm sai số mô phỏng xuống dưới 10%, thực hiện trong 12 tháng.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo về mô phỏng CEL và thiết kế dụng cụ FSW cho kỹ sư và nhà nghiên cứu trong ngành cơ khí chế tạo, nhằm nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ mới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư công nghệ hàn: Nắm bắt kiến thức về ảnh hưởng của cấu hình chốt ren đến chất lượng mối hàn, áp dụng trong thiết kế và vận hành dây chuyền sản xuất.

2. Nhà nghiên cứu cơ khí và vật liệu: Sử dụng mô hình CEL và Johnson-Cook để phát triển các nghiên cứu sâu hơn về quá trình hàn và biến dạng vật liệu.

3. Doanh nghiệp sản xuất hợp kim nhôm: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm khuyết tật và nâng cao hiệu quả kinh tế.

4. Giảng viên và sinh viên kỹ thuật: Là tài liệu tham khảo quý giá cho các khóa học về công nghệ hàn, mô phỏng số và cơ học vật liệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp mô phỏng CEL có ưu điểm gì so với CFD và ALE?
   Phương pháp CEL kết hợp ưu điểm của Eulerian và Lagrangian, giúp mô phỏng biến dạng lớn và sự hình thành khuyết tật chính xác hơn, trong khi CFD thường giả định điều kiện tiếp xúc dính hoàn toàn và ALE gặp khó khăn với biến dạng lớn gây méo lưới.

2. Tại sao cấu hình chốt ren TF60 được đánh giá tốt nhất?
   TF60 có góc mở 60° giúp dòng chảy vật liệu đồng đều, giảm khuyết tật và chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên mối hàn, từ đó nâng cao chất lượng mối hàn.

3. Sai số 14% trong mô phỏng nhiệt độ có ảnh hưởng thế nào đến kết quả?
   Mặc dù sai số này khá cao, nhưng mô hình vẫn phản ánh đúng xu hướng phân bố nhiệt và sự hình thành khuyết tật, đủ để đưa ra các đánh giá và đề xuất cải tiến.

4. Các tham số chính ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn là gì?
   Bao gồm tốc độ quay, tốc độ dịch chuyển, hình dạng chốt ren, vật liệu dụng cụ và vật liệu hàn, cũng như hệ số ma sát và điều kiện truyền nhiệt.

5. Làm thế nào để giảm khuyết tật trong FSW?
   Bằng cách lựa chọn cấu hình chốt ren phù hợp (như TF60), điều chỉnh tham số quá trình hợp lý và kiểm soát tốt điều kiện hàn như áp lực và nhiệt độ.

Kết luận

• Mô hình mô phỏng CEL trên ABAQUS có khả năng dự đoán phân bố nhiệt và khuyết tật trong FSW với sai số nhiệt độ trung bình khoảng 14%.
• Cấu hình chốt ren TF60 được đề xuất là tối ưu nhất trong bốn cấu hình nghiên cứu, nhờ giảm thiểu khuyết tật và cân bằng nhiệt độ mối hàn.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế dụng cụ và tối ưu hóa quy trình FSW trên hợp kim nhôm 7075-T6.
• Các kết quả mô phỏng và phân tích có thể hỗ trợ doanh nghiệp và nhà nghiên cứu trong việc nâng cao chất lượng mối hàn và hiệu quả sản xuất.
• Bước tiếp theo là hoàn thiện mô hình bằng cách cập nhật thông số vật liệu thực tế và mở rộng nghiên cứu sang các vật liệu và cấu hình dụng cụ khác.

Hành động khuyến nghị: Triển khai áp dụng cấu hình chốt ren TF60 trong sản xuất thực tế và tiếp tục nghiên cứu nâng cao độ chính xác mô phỏng để phát triển công nghệ hàn ma sát khuấy hiệu quả hơn.