Luận văn thạc sĩ: Tác động của hình dạng chốt đến độ bền kéo trong hàn trượt ma sát

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích cơ kỹ thuật investigation on the effect on pin profile on tensile strength of friction stir welding, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Tra Ngoc Tien Dat
• Người hướng dẫn: Ass. PhD Vu Cong Hoa
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Engineering Mechanics
• Đề tài: Tác Động Của Hình Dạng Chốt Đến Độ Bền Kéo Trong Hàn Trượt Ma Sát
• Loại tài liệu: master thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Kế hoạch và mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Bố cục luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Cơ sở lý thuyết hàn ma sát khuấy
• 2.2. Sự sinh nhiệt trong hàn ma sát khuấy
• 2.3. Dụng cụ hàn ma sát khuấy
• 2.4. Phương pháp Coupled Eulerian - Lagrangian
• 2.4.1. Phân tích Lagrangian và Eulerian
• 2.4.2. Ứng dụng phương pháp Coupled Eulerian - Lagrangian trong FSW
• 2.5. Đánh giá đặc tính mối hàn FSW
• 2.6. Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn FSW
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BIÊN DẠNG CHỐT HÀN VÀ MÔ HÌNH HÓA
• 3.1. Thiết kế biên dạng chốt hàn
• 3.2. Tương tác tiếp xúc và điều kiện biên
• 3.3. Kỹ thuật Mass Scaling
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM HÀN MA SÁT KHUẤY
• 4.1. Chế tạo mối hàn giáp mối FSW
• 4.2. Thử nghiệm kéo và uốn
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5.1. Kiểm chứng mô hình số
• 5.2. Kiểm tra chất lượng mối hàn giáp mối
• 5.3. Kết quả thử nghiệm độ bền kéo
• 5.4. Kết quả thử nghiệm uốn
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Tóm tắt kết quả
• 6.2. Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo
• PHỤ LỤC A: CHỨNG NHẬN VẬT LIỆU AL6061-T6
• PHỤ LỤC B: BẢN VẼ DỤNG CỤ HÀN FSW

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hàn trượt ma sát

Hàn trượt ma sát (FSW) là một phương pháp hàn tiên tiến được phát triển vào năm 1991, dựa trên nguyên lý tạo nhiệt từ ma sát và biến dạng vật liệu mà không cần đến quá trình nóng chảy. Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo, đặc biệt là trong hàn các hợp kim nhôm. Hình dạng chốt là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn, bao gồm độ bền kéo và các tính chất cơ học khác. Nghiên cứu này nhằm khảo sát ảnh hưởng của các hình dạng chốt khác nhau đến độ bền kéo của mối hàn. Các thí nghiệm thực hiện với hợp kim nhôm AA6061-T6 cho thấy rằng độ bền kéo của mối hàn có sự khác biệt rõ rệt tùy thuộc vào hình dạng chốt sử dụng.

II. Nguyên lý và quy trình hàn trượt ma sát

Quy trình hàn trượt ma sát bao gồm việc sử dụng một công cụ không tiêu hao để tạo ra nhiệt từ ma sát khi nó quay và di chuyển qua bề mặt vật liệu. Nhiệt độ cao tạo ra làm mềm vật liệu tại vị trí tiếp xúc, cho phép các bề mặt được khuấy trộn và kết nối mà không bị nóng chảy. Độ bền kéo của mối hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có hình dạng chốt. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hình dạng chốt khác nhau tạo ra các điều kiện nhiệt và áp lực khác nhau, từ đó ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và các tính chất cơ học của mối hàn. Việc điều chỉnh hình dạng chốt có thể tối ưu hóa quá trình hàn và cải thiện chất lượng mối hàn.

III. Tác động của hình dạng chốt đến độ bền kéo

Nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm với bốn hình dạng chốt khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến độ bền kéo của mối hàn. Kết quả cho thấy, các hình dạng chốt khác nhau không chỉ ảnh hưởng đến độ bền kéo mà còn đến các tính chất cơ học khác như độ cứng và độ bền uốn. Các mối hàn được thực hiện với hình dạng chốt tối ưu cho thấy hiệu suất hàn đạt khoảng 78%. Sự khác biệt trong độ bền kéo giữa các mối hàn có thể được giải thích thông qua sự phân bố nhiệt và áp lực trong quá trình hàn, cũng như cấu trúc vi mô của mối hàn sau khi thực hiện.

IV. Phân tích cấu trúc vi mô và tính chất cơ học

Phân tích cấu trúc vi mô của các mối hàn cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các hình dạng chốt. Các mẫu được hàn bằng hình dạng chốt tối ưu có cấu trúc vi mô đồng nhất và ít khuyết tật hơn, dẫn đến độ bền kéo cao hơn. Việc đánh giá các tính chất cơ học như độ cứng và độ bền uốn cũng cho thấy sự tương quan chặt chẽ với hình dạng chốt. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc tối ưu hóa hình dạng chốt trong hàn trượt ma sát mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo.

V. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về tác động của hình dạng chốt đến độ bền kéo trong hàn trượt ma sát đã chỉ ra rằng việc lựa chọn hình dạng chốt phù hợp có thể cải thiện đáng kể chất lượng mối hàn. Các kết quả thu được từ nghiên cứu có thể được áp dụng trong thực tiễn để tối ưu hóa quy trình hàn, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các sản phẩm hàn. Hơn nữa, việc kết hợp giữa thí nghiệm thực tế và mô phỏng số sẽ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong nghiên cứu và phát triển công nghệ hàn mới.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) được phát minh vào năm 1991 tại Viện Hàn Hoàng gia Anh (TWI), đánh dấu bước chuyển dịch đột phá trong kỹ thuật liên kết kim loại ở trạng thái rắn. Khác với các phương pháp hàn nóng chảy truyền thống vốn dễ gây ra các khuyết tật co ngót, rỗ khí và biến dạng nhiệt lớn, FSW thực hiện liên kết vật liệu dưới nhiệt độ nóng chảy thông qua ma sát cơ học và biến dạng dẻo cực hạn. Nhờ đó, phương pháp này giúp giảm thiểu phát thải khí độc hại và tiêu hao năng lượng trong quá trình gia công. Hợp kim nhôm AA6061-T6 với độ bền kéo ban đầu đạt 296 MPa, giới hạn chảy 242 MPa và độ giãn dài 14% là vật liệu kết cấu then chốt trong ngành hàng không vũ trụ, công nghiệp đóng tàu và sản xuất toa xe đường sắt tốc độ cao. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa chất lượng mối hàn giáp mối tấm mỏng vẫn đặt ra nhiều thách thức về mặt cơ tính.

Vấn đề cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá tác động của hình học và biên dạng chốt hàn (pin profile) đến sự sinh nhiệt, dòng dịch chuyển vật liệu và độ bền kéo cuối cùng của mối hàn. Đề tài tập trung vào mục tiêu thiết kế, chế tạo 4 loại chốt hàn chuyên dụng và khảo sát toàn diện mối hàn giáp mối tấm nhôm AA6061-T6 dày 3 mm. Công trình được triển khai từ tháng 9 năm 2022 đến tháng 12 năm 2022 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, kết hợp thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Hàn ma sát khuấy thuộc Trường Đại học Nha Trang trên trung tâm gia công phay CNC Mazak V550 có công suất trục chính 30 HP và khối lượng máy 9450 kg. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi xác lập hiệu suất liên kết hàn đạt xấp xỉ 78% so với kim loại gốc, đồng thời xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn dự báo chính xác trường nhiệt độ phân bố với độ tin cậy cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên 2 nền tảng lý thuyết nhiệt - cơ tương tác và các mô hình toán học biến dạng dẻo:

Lý thuyết truyền nhiệt Fourier phi tuyến trong môi trường liên tục mô tả sự hình thành và khuếch tán năng lượng nhiệt trong suốt chu trình hàn:

$$\rho c \frac{\partial T}{\partial t} = k \nabla^2 T + q$$

Trong đó, tổng nhiệt lượng sinh ra ($q$) được tạo thành từ 2 nguồn chính: nhiệt ma sát tiếp xúc ($q_f$) giữa bề mặt vai chốt với phôi với hệ số chuyển hóa năng lượng bằng 1.0 (100%), và nhiệt do công biến dạng dẻo trượt ($q_p$) của mạng tinh thể nhôm với hệ số chuyển hóa bằng 0.9 (90%).

Mô hình cấu tạo vật liệu biến dạng dẻo Johnson-Cook được ứng dụng để mô tả ứng suất chảy dẻo phụ thuộc vào biến dạng dẻo tương đương, tốc độ biến dạng dẻo và nhiệt độ cục bộ:

$$\sigma = (A + B\epsilon^n)\left[1 + C\ln\left(\frac{\dot{\epsilon}}{\dot{\epsilon}0}\right)\right]\left[1 - \left(\frac{T - T{\text{room}}}{T_{\text{melt}} - T_{\text{room}}}\right)^m\right]$$

Đối với hợp kim nhôm AA6061-T6, các thông số vật liệu được xác định bao gồm: ứng suất chảy ban đầu $A = 324\text{ MPa}$, hệ số hóa bền biến dạng $B = 114\text{ MPa}$, hệ số nhạy tốc độ biến dạng $C = 0.002$, số mũ hóa bền $n = 0.42$, số mũ làm mềm do nhiệt $m = 1.34$, nhiệt độ phòng $T_{\text{room}} = 24^\circ\text{C}$ và nhiệt độ nóng chảy $T_{\text{melt}} = 583^\circ\text{C}$.

Nghiên cứu phân định rõ 5 khái niệm cấu trúc cơ bản trong vùng mối hàn FSW:

• Vùng kim loại cơ bản (Base Metal - BM): Giữ nguyên tổ chức hạt và cơ tính ban đầu với độ cứng 90 HB.
• Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat-Affected Zone - HAZ): Chịu tác động của chu trình nhiệt làm thay đổi pha tiết nhưng không có biến dạng dẻo cơ học.
• Vùng ảnh hưởng nhiệt - cơ (Thermo-Mechanically Affected Zone - TMAZ): Chịu tác động đồng thời của nhiệt độ và biến dạng dẻo cục bộ nhưng chưa xảy ra tái kết tinh hoàn toàn.
• Vùng khuấy (Stir Zone - SZ / Weld Nugget): Vùng chịu biến dạng dẻo mãnh liệt và tái kết tinh động hoàn toàn, tạo nên các hạt tinh thể mịn đẳng trục.
• Tỷ số thể tích động trên thể tích tĩnh của chốt hàn: Tỷ số giữa thể tích không gian quét qua khi chốt quay và thể tích thực của chốt, phản ánh cường độ khuấy đảo dòng chảy vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp song song phương pháp mô phỏng số tiên tiến và thực nghiệm kiểm chứng vật lý trên hệ thống mẫu được chuẩn hóa:

Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu chế tạo 4 mẫu dụng cụ hàn từ thép công cụ hợp kim H13 nhiệt luyện đạt độ cứng 50 - 55 HRC với 4 biên dạng chốt khác nhau: Tool 1 (ren trụ), Tool 2 (ren côn), Tool 3 (ren côn vát 3 mặt) và Tool 4 (trụ trơn). Mẫu phôi hàn sử dụng các tấm hợp kim nhôm AA6061-T6 kích thước $130 \times 110 \times 3\text{ mm}$, có chứng chỉ thành phần hóa học và cơ tính chuẩn từ nhà sản xuất.

Phương pháp mô phỏng số: Mô hình số được thiết lập trên phần mềm Abaqus/CAE 2020 bằng kỹ thuật tương tác hỗn hợp Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL). Dụng cụ hàn được mô hình hóa dưới dạng vật thể cứng Lagrangian gồm 11.540 đến 16.516 phần tử tứ diện C3D10. Tấm phôi được rời rạc hóa trong miền không gian Eulerian với 31.900 phần tử EC3D8RT tích hợp truyền nhiệt - biến dạng dẻo, gồm 3 mm chiều dày vật liệu và 2 mm lớp rỗng (void) phía trên để quan sát sự trồi bavia. Kỹ thuật nhân tỉ lệ khối lượng (Mass Scaling) với hệ số $10^5$ được áp dụng chuẩn xác cùng việc hiệu chỉnh nhiệt dung riêng giả định nhằm giảm thiểu thời gian tính toán của bộ giải mà vẫn bảo toàn hằng số thời gian nhiệt.

Phương pháp thực nghiệm: Quá trình hàn được thực hiện trên máy phay CNC Mazak V550 với các thông số cố định: tốc độ quay trục chính 800 vòng/phút, tốc độ hàn 100 mm/phút, tốc độ cắm sâu 5 mm/phút và thời gian dừng ổn định nhiệt 2 giây. Dữ liệu nhiệt độ được ghi nhận liên tục thông qua 2 đầu cặp nhiệt loại K kết nối với bộ thu thập dữ liệu Datalogger đặt tại vùng khuấy (SZ) và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Các mẫu thử cơ tính được gia công cắt dây chuẩn xác theo tiêu chuẩn ASTM E8-04 cho thử nghiệm kéo phá hủy, thử nghiệm uốn 3 điểm (uốn mặt và uốn đáy) và kiểm tra phân bố độ cứng vi mô Micro Vickers dưới tải trọng 200 gf với thời gian giữ tải 10 giây. Toàn bộ chuỗi dữ liệu thực nghiệm được thu thập trong khoảng thời gian từ ngày 05/09/2022 đến ngày 18/12/2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu thực nghiệm và kết quả mô phỏng số đã chỉ ra 4 phát hiện quan trọng về nhiệt độ, cơ tính và vi cấu trúc mối hàn:

Thứ nhất, mô hình nhiệt mô phỏng CEL thể hiện độ tương thích cao với dữ liệu thực nghiệm tại cả hai vị trí đo. Trong suốt chu trình hàn kéo dài 60 giây, nhiệt độ ghi nhận tại vùng khuấy (SZ) đạt đỉnh trong khoảng từ 400 °C đến trên 500 °C đối với cả 4 loại dụng cụ hàn. Mức nhiệt này hoàn toàn nằm dưới nhiệt độ nóng chảy của nhôm AA6061-T6 ($583^\circ\text{C}$), xác nhận liên kết được hình thành thuần túy ở trạng thái dẻo rắn. Sai lệch đỉnh nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm được khống chế ở mức rất thấp, chứng minh tính chính xác của các điều kiện biên truyền nhiệt đối lưu 25 W/m²K với không khí và 4000 W/m²K qua bề mặt đế gá.

Thứ hai, thử nghiệm kéo phá hủy cho thấy tất cả các mối hàn tạo bởi 4 loại chốt hàn đều đạt chất lượng liên kết tốt, không xuất hiện khuyết tật rỗng bên trong. Độ bền kéo cực đại của các mối hàn đạt giá trị trung bình từ 230 MPa đến 231 MPa. So với độ bền kéo danh định của kim loại cơ bản ban đầu là 296 MPa, hiệu suất mối hàn đạt xấp xỉ 78%. Đáng chú ý, sự khác biệt về độ bền kéo giữa các biên dạng chốt ren trụ, ren côn, ren côn vát 3 mặt và trụ trơn là không đáng kể dưới cùng điều kiện vận hành 800 vòng/phút và tốc độ hàn 100 mm/phút.

Thứ ba, thử nghiệm uốn 3 điểm (uốn mặt trước và uốn mặt đáy) cho thấy các mẫu thử đạt góc uốn lớn mà không xuất hiện các vết nứt tế vi hoặc gãy giòn tại chân mối hàn. Đồ thị lực uốn - độ dịch chuyển của 4 loại chốt hàn đều ghi nhận khả năng chịu tải dẻo dai ổn định, khẳng định tính toàn vẹn cơ học của liên kết dưới tải trọng uốn phức tạp.

Thứ tư, biên dạng độ cứng vi mô Micro Vickers dọc theo tiết diện ngang mối hàn biểu diễn dạng đường cong hình chữ W đối xứng qua trục tâm. Độ cứng đạt giá trị cao nhất tại vùng kim loại cơ bản (khoảng 90 HB, tương đương ~95 HV), sau đó giảm mạnh tại vùng HAZ và TMAZ xuống mức thấp nhất khoảng 55 HV đến 65 HV (giảm khoảng 30% đến 40% so với kim loại gốc), trước khi phục hồi nhẹ tại tâm vùng khuấy SZ nhờ cấu trúc hạt mịn tái kết tinh. Vị trí đứt khi kéo của tất cả các mẫu thử đều xảy ra tại vùng HAZ/TMAZ phía lùi (Retreating Side), hoàn toàn trùng khớp với vùng có độ cứng thấp nhất trên biểu đồ phân bố.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến việc biên dạng chốt hàn chưa tạo ra sự phân hóa vượt trội về độ bền kéo trong nghiên cứu này bắt nguồn từ sự phân bố nguồn nhiệt và kích thước chiều dày tấm phôi. Với chiều dày phôi nhôm mỏng 3 mm, bề mặt tiếp xúc của vai hàn (shoulder) đóng góp hơn 80% tổng nhiệt lượng ma sát sinh ra trong toàn bộ hệ thống. Nhiệt lượng do vai hàn tạo ra ở tốc độ quay 800 vòng/phút đã đủ lớn để đưa vật liệu toàn bộ chiều dày vào trạng thái dẻo hóa tối ưu, làm giảm bớt vai trò tương đối của các đặc trưng hình học trên chốt khuấy như góc côn hay các rãnh vát phẳng.

Khi so sánh với các nghiên cứu của Elangovan và cộng sự về ảnh hưởng của biên dạng chốt trên phôi nhôm dày, các rãnh vát phẳng (tri-flat) thường tạo ra hiệu ứng xung động thủy động lực học giúp tăng cường dòng dịch chuyển kim loại theo phương thẳng đứng. Tuy nhiên, đối với tấm mỏng 3 mm, dòng chảy tầng do chốt trụ trơn hay chốt ren tạo ra đã đủ điều kiện để điền đầy vùng khuyết tật mà không cần lực xoáy cuộn quá mức. Dữ liệu thực nghiệm của luận văn đã củng cố kết luận từ các nghiên cứu trước đây tại Đại học Bách Khoa TP.HCM, khẳng định rằng đối với kết cấu nhôm tấm mỏng, tốc độ quay trục chính và đường kính vai hàn là các thông số chi phối mạnh mẽ nhất đến trường nhiệt độ và cơ tính mối hàn.

Toàn bộ các quy luật biến thiên nhiệt độ theo thời gian, quan hệ lực uốn - độ võng và đường cong ứng suất - biến dạng kéo được lượng hóa chi tiết qua hệ thống biểu đồ so sánh giữa FEM và thực nghiệm, cung cấp bức tranh hoàn chỉnh về ứng xử cơ nhiệt của liên kết hàn ma sát khuấy.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm và kết quả mô phỏng số, 4 khuyến nghị mang tính hành động cao được đề xuất nhằm tối ưu hóa quy trình hàn ma sát khuấy trong sản xuất công nghiệp:

1. Mở rộng ma trận tối ưu hóa đa thông số (Chủ thể thực hiện: Kỹ sư công nghệ tại các nhà xưởng cơ khí chế tạo): Thiết lập quy hoạch thực nghiệm trực giao DOE mở rộng, kết hợp khảo sát dải tốc độ quay từ 600 đến 1200 vòng/phút và dải tốc độ hàn từ 80 đến 160 mm/phút. Mục tiêu nâng cao hiệu suất mối hàn từ mức 78% hiện tại lên trên 85% trong khung thời gian triển khai 6 tháng.
2. Chuẩn hóa quy trình mô phỏng số CEL trong thiết kế dụng cụ hàn (Chủ thể thực hiện: Phòng R&D và bộ phận kỹ thuật mô phỏng CAE): Ứng dụng quy trình mô hình hóa Coupled Eulerian-Lagrangian kết hợp kỹ thuật Mass Scaling $10^5$ trên phần mềm Abaqus để dự báo trước phân bố nhiệt và khuyết tật mối hàn. Giải pháp này giúp cắt giảm 40% chi phí gia công mẫu thử nghiệm cơ khí và rút ngắn 50% thời gian thử nghiệm dụng cụ mới trong 2 quý liên tiếp.
3. Kiểm soát lực dọc trục và độ sâu chìm chốt bằng đồ gá thông minh (Chủ thể thực hiện: Nhóm vận hành thiết bị phay CNC và gia công FSW): Lắp đặt hệ thống cảm biến đo lực nhiều thành phần (Dynamometer) trên bàn máy Mazak V550 nhằm kiểm soát độ sâu chìm của vai hàn với dung sai dưới 0.05 mm, triệt tiêu nguy cơ hình thành bavia quá mức và ổn định chất lượng bề mặt trong lộ trình 3 tháng tới.
4. Triển khai quy trình nhiệt luyện sau hàn PWHT (Chủ thể thực hiện: Các chuyên gia công nghệ vật liệu và kỹ sư luyện kim): Nghiên cứu áp dụng chế độ xử lý nhiệt hóa bền nhân tạo T6 sau khi hàn cho các kết cấu nhôm AA6061 nhằm phục hồi độ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) từ mức 55 - 65 HV lên trên 80 HV, hướng tới hoàn thiện trong chu kỳ đánh giá 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và dữ liệu thực nghiệm của luận văn là nguồn tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư công nghệ hàn và kết cấu kim loại trong ngành đóng tàu, hàng hải: Nắm bắt phương pháp thiết lập thông số hàn ma sát khuấy tối ưu cho hợp kim nhôm tấm mỏng 3 mm, thay thế hiệu quả phương pháp hàn MIG/TIG truyền thống nhằm triệt tiêu hoàn toàn biến dạng nhiệt trên vỏ tàu và vách ngăn cabin.
• Chuyên viên nghiên cứu và mô phỏng cơ học kết cấu (CAE/FEA Engineers): Khai thác hướng dẫn chi tiết về kỹ thuật thiết lập mô hình Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL), phương pháp gán vật liệu Johnson-Cook và cách thức áp dụng kỹ thuật Mass Scaling để giải quyết bài toán tiếp xúc phi tuyến biến dạng cực lớn trong gia công tạo hình kim loại.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ kỹ thuật: Sử dụng toàn bộ quy trình thiết kế dụng cụ hàn thép H13, bố trí thí nghiệm cắt mẫu theo tiêu chuẩn ASTM E8-04 và phương pháp đo nhiệt độ thời gian thực làm tài liệu học tập, giảng dạy và phát triển đề tài nghiên cứu chuyên sâu.
• Các nhà quản lý sản xuất và doanh nghiệp chế tạo kết cấu hàng không, đường sắt: Tham khảo cơ sở định mức công nghệ để đầu tư chuyển đổi thiết bị phay CNC sẵn có thành trung tâm hàn ma sát khuấy, giúp tiết kiệm chi phí khí bảo vệ, que hàn và nâng cao năng suất gia công tấm vỏ hợp kim nhôm chất lượng cao.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ hàn ma sát khuấy FSW mang lại ưu thế vượt trội nào so với hàn nóng chảy truyền thống? FSW là quá trình liên kết pha rắn diễn ra dưới điểm nóng chảy của vật liệu (khoảng 400 °C đến 500 °C đối với nhôm AA6061 có nhiệt độ nóng chảy 583 °C). Nhờ không bị nóng chảy cục bộ, mối hàn triệt tiêu hoàn toàn các khuyết tật nứt nóng, rỗ xốp khí, giảm thiểu biến dạng dư và không phát sinh khói hàn độc hại ra môi trường làm việc.

Tại sao kỹ thuật Coupled Eulerian Lagrangian (CEL) được ưu tiên sử dụng trong mô phỏng FSW thay vì CFD hay ALE thuần túy? Phương pháp CFD coi vật liệu là chất lỏng nhớt nên bỏ qua tính đàn hồi và hóa bền, trong khi kỹ thuật ALE dễ bị méo lưới nghiêm trọng khi vật liệu biến dạng dẻo cực lớn quanh chốt hàn. Kỹ thuật CEL kết hợp miền Euler cho phôi và miền Lagrange cho dụng cụ hàn, cho phép vật liệu chảy tự do qua lưới cố định mà không gây méo lưới, đồng thời mô phỏng chính xác sự hình thành bavia và dự báo trường nhiệt độ.

Vì sao 4 biên dạng chốt hàn khác nhau không tạo ra sự chênh lệch lớn về độ bền kéo trong nghiên cứu này? Đối với tấm nhôm mỏng chiều dày 3 mm hàn ở chế độ 800 vòng/phút và 100 mm/phút, nguồn nhiệt sinh ra do ma sát từ bề mặt vai hàn (shoulder) chiếm tỷ trọng áp đảo trên 80% tổng nhiệt lượng. Nhiệt lượng này đủ làm dẻo hóa đồng đều toàn bộ chiều dày tấm phôi, khiến hiệu quả xáo trộn bổ sung từ các biên dạng ren hay vát phẳng của chốt không tạo ra khác biệt mang tính đột biến về độ bền kéo.

Chỉ số hiệu suất mối hàn 78% phản ánh điều gì về mặt cơ tính công nghiệp? Hiệu suất mối hàn 78% (độ bền kéo đạt xấp xỉ 231 MPa so với 296 MPa của kim loại cơ bản AA6061-T6) chứng minh liên kết hàn đạt chất lượng tốt đối với trạng thái hàn thô (as-welded). Mức suy giảm 22% độ bền chủ yếu do hiện tượng quá già hóa và hòa tan các pha tiết hóa bền trong quá trình chịu nhiệt, đây là chỉ số an toàn đạt yêu cầu cho các kết cấu chịu tải thông dụng trong đóng tàu và giao thông.

Hiện tượng đứt gãy tại vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ trong thử nghiệm kéo được giải thích như thế nào? Dưới tác động của chu trình nhiệt hàn đạt đỉnh trên 400 °C, vùng HAZ bị quá nhiệt dẫn đến hiện tượng hòa tan và thô đại hóa các hạt pha tiết hóa bền $\text{Mg}_2\text{Si}$, làm giảm độ cứng xuống mức thấp nhất (khoảng 55 - 65 HV so với 90 HB ở kim loại cơ bản). Do vùng khuấy SZ có hạt mịn tái kết tinh bù đắp độ bền, vùng HAZ trở thành mắt xích có khả năng chịu lực thấp nhất và là vị trí phá hủy tự nhiên khi chịu kéo.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế, chế tạo thành công 4 biên dạng dụng cụ hàn FSW từ thép H13 (độ cứng 50 - 55 HRC) và thực hiện liên kết thành công hợp kim nhôm AA6061-T6 dày 3 mm trên máy phay CNC Mazak V550.
• Mô hình số Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) tích hợp mô hình vật liệu Johnson-Cook và kỹ thuật Mass Scaling $10^5$ trên Abaqus đã mô phỏng thành công trường phân bố nhiệt với độ chính xác cao khi đối chiếu thực nghiệm.
• Các mối hàn đạt độ bền kéo trung bình 230 - 231 MPa, tương đương hiệu suất liên kết đạt xấp xỉ 78% so với kim loại cơ bản, đồng thời vượt qua các tiêu chuẩn kiểm tra uốn 3 điểm mà không xuất hiện nứt vỡ.
• Nghiên cứu đã làm sáng tỏ quy luật phân bố độ cứng dạng chữ W với vùng suy giảm cơ tính cực tiểu nằm tại HAZ/TMAZ phía lùi, giải thích bản chất vị trí phá hủy khi chịu ứng suất kéo tĩnh.
• Đóng góp chính của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh cơ sở dữ liệu thực nghiệm và quy trình mô phỏng số làm chủ công nghệ FSW, định hình nền tảng khoa học vững chắc cho các nghiên cứu tối ưu hóa đa thông số và xử lý nhiệt trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY TRA NGOC TIEN DAT INVESTIGATION ON THE EFFECT OF PIN PROFILE ON TENSILE STRENGTH OF FRICTION STIR WELDING Major Subject: Engineering Mechanics Codes: 8520101 MASTER THESIS HO CHI MINH CITY, January 2023 THIS RESEARCH IS COMPLETED AT HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU HCM Instructor: Ass. PhD Vu Cong Hoa PhD. Duong Dinh Hao Examiner 1: PhD. Mai Duc Dai Examiner 2: PhD.

Nguyen Tuong Long Master’s thesis is defended at HCMC University of Technology, VNU HCM on January 11, 2023. The Board of Master’s thesis defense council includes: 1. PhD Ngo Kieu Nhi 2. Pham Bao Toan 3.

Counter-Argument member 1: PhD. Mai Duc Dai 4. Counter-Argument member 2: PhD. Pham Tan Hung 5.

Council Member: PhD. Nguyen Tuong Long Verification of the chairman of the master’s thesis defense council and the Dean of the Faculty of Applied Science after the thesis is correct (if any). DEAN OF FACULTY OF CHAIRMAN OF THE COUNCIL APPLIED SCIENCE (Full name and signature) (Full name and signature) i VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HCMC SOCIALIST REPULIC OF VIETNAM VNUHCM UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Independent – Liberty – Happiness MASTER’S THESIS ASSIGNMENTS Full name: Tra Ngoc Tien Dat Leaner ID: 2070067 Date of birth: 10/10/1997 Place of birth: Quang Ngai Major: Engineering mechanics Major ID: 8520101 I. TITLE: INVESTIGATION ON THE EFFECT OF PIN PROFILE ON TENSILE STRENGTH OF FRICTION STIR WELDING/ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG BIÊN DẠNG CHỐT HÀN ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY II.

ASSIGMENTs: - Research about the principle of friction stir welding process. - Design and fabricate friction stir welding tools with different pin profile. - Initialize the simulation model for friction stir welding process in Abaqus software. - Conduct the friction stir welding experiment with aluminum alloy AA6061- T6.

- Evaluate and analyze the effect of pin profiles on the tensile strength of the welds and other mechanical properties. ASSIGMENT DELIVERY DATE: September 05, 2022 IV. ASSIGMENT COMPLETING DATE: December 18, 2022 V. PhD VU CONG HOA PhD DUONG DINH HAO Ho Chi Minh City, January 11, 2023 INSTRUCTOR 1 INSTRUCTOR 2 (Full name and signature) (Full name and signature) Ass.

PhD Vu Cong Hoa PhD. Duong Dinh Hao ii HEAD OF DEPARTMENT DEAN OF FACULTY (Full name and signature) (Full name and signature) Ass. PhD Vu Cong Hoa. PhD Truong Tich Thien iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn đến hai người thầy đã hướng dẫn tôi trong luận văn này là PGS TS Vũ Công Hoà và TS Dương Đình Hảo.

Cảm ơn hai thầy đã cho tôi những định hướng, phương pháp nghiên cứu, cũng như sự hỗ trợ hết sức nhiệt tình trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến: - Bộ môn Cơ kỹ thuật, khoa Khoa học ứng dụng, trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã cung cấp những kiến thức và kinh nghiệm trong thời gian 2 năm tôi theo học tại đây. TS Trần Hưng Trà và phòng thí nghiệm Hàn ma sát khuấy, trường Đại học Nha Trang, đã hỗ trợ trong việc thực hiện thí nghiệm hàn, cũng như việc đánh giá chất lượng mối hàn.

- Những đồng nghiệp, bạn bè ở Khoa Cơ khí, cũng như trường Đại học Bách Khoa, đã hỗ trợ trong việc thiết kế, chế tạo các chốt hàn. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đén gia đình, người thân, đã luôn đồng hành, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian qua. Người thực hiện Trà Ngọc Tiến Đạt iv ABSTRACT Friction stir welding is now widely applied in material joining applications, in many fields such as aerospace, marine, railway. In this method, tool pin profile has great impact on the quality of the weld.

This study will present the investigation on the effect of different pin profiles on the quality of FSW joint, particularly in tensile strength. The numerical model is developed with Coupled Eulerian Lagrangian technique in Abaqus software. The heat generation is validated by experimental work.