Chương 1 TONG QUAN 1.1 Giới thiệu Hàn ma sát khuấy là một trong những công nghệ hàn không nóng chảy tạo ra những liên kết hàn có tính chất ưu việt, đặc biệt là các kim loại hay hợp kim có tính chịu hàn kém: hợp kim nhôm, hợp kim đồng, Ni, Mg và hợp kim Titan. FSW cho mối hàn chịu lực cao, tăng giới hạn bền mỏi, giảm biến dạng, không bị khuyết tật. Dụng cụ hàn vừa xoay vừa tịnh tiến xuống tiếp xúc với bề mặt vật hàn nhằm tạo nguồn nhiệt cần thiết ban đầu, kế tiếp là đi xuyên vào vật hàn (chiều sâu bằng với chiều sâu ngấu) tạo những thay đổi về tổ chức vật liệu; làm cho quá trình biến dạng dẻo mảnh liệt ở vùng khuấy, sau đó di chuyển dọc theo hướng hàn tạo thành mối hàn (để lại phía sau dụng cụ phần kim lọai vừa kết tinh lại, dang hướng, cấu trúc dạng hạt mịn). Có hai khái niệm cần có sự hiểu biết, đó là cạnh tiến và cạnh lùi của mối hàn.
Để xác định đúng cần phải biết chiều quay của dụng cụ và hướng hàn.1, dụng cụ hàn quay ngược chiều kim đồng hồ và hướng hàn đi vào trong trang giấy, cạnh tiến nằm bên phải, ở đó hướng xoay của dụng cụ cùng hướng với hướng hàn (ngược với chiều của dòng chảy vật liệu) và cạnh lui năm bên trái mối hàn, ở đó hướng xoay của dụng cụ ngược hướng với hướng hàn (song song với chiều của dong chảy vật liệu). Dụng cụ hàn phải đáp ứng ba chức năng cần thiết, đó là tạo nhiệt cho vật liệu phôi, di chuyển và ép vật liệu để tạo mối hàn, ngăn chặn vật liệu phía dưới vai không bị trồi ra. Nhiệt được tạo ra trong phôi là do sự ma sắt của cả đầu khuấy và vai dụng cụ với phôi cùng với sự biến dạng dẻo mãnh liệt của vật liệu trong vùng khuấy. Phần vật liệu được nhiệt làm mềm cục bộ xung quanh đầu khuấy chuyển động theo chiều quay của đầu khuấy làm cho vật liệu di chuyển từ phía trước ra phía sau đầu khuấy và điền đầy vào khoảng trống của dụng cụ khi nó đi tới phía 1 1.
TONG QUAN trước. Vai dung cu khống chế kim loại không bi trồi ra khỏi mối han nham giữ cho chiều cao mối han tương đương với bề mặt phôi ban đầu. Các vùng của mối hàn (hình 1.2): Ba via Cạnh tiến ⁄ Cạnh lùi Vùng chịu ảnh hưởng || Vung vat liéu co’ ban. nhiét (HAZ) L] Vùng chịu ảnh hưởng cơ nhiệt (TMAZ) LÌ Vùng tâm môi hàn Hình 1.2: Tổ chức mối hàn Vùng ảnh hưởng nhiệt: Nam gần trung tâm mối hàn, vật liệu đã trai qua chu kỳ nhiệt nên bị thay đổi cấu trúc mang tinh thể và đặc tính cơ học, tuy nhiên trong vùng này chưa có sự biến dạng dẻo xảy ra.
Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt: Vùng này đã có sự biến dạng dẻo vật liệu mà chưa có sự kết tinh lại, nhiệt độ trong quá trình hàn cũng có ảnh hưởng đến vật liệu, ở đây có ranh giới rõ rệt giữa vùng kết tinh lại và vùng biến dạng. TONG QUAN Vùng trung tâm mối hàn: Vùng này kim loại kết tinh lại hoàn toàn, đôi khi còn được gọi là vùng khuấy để chỉ vùng trước đó dụng cụ đã chiếm lỉnh, có cấu trúc dạng hạt mịn, đẳng hướng do sự biến dạng dẻo mãnh liệt và nhiệt sinh ra do quá trình ma sát giữa vai dụng cụ và bề mặt phôi (kim loat chưa nóng chay).2 Tinh hình nghiên cứu 1.1 Trong nước Ở nước ta, hàn ma sát khuấy là một lĩnh vực khá mới mẽ. ặc biệt trong các trường hoc và các trung tâm nghiên cứu, phương pháp hàn này chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu khái niệm, nghiên cứu các thông số ảnh hưởng mà chưa được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Theo khảo sát, hiện nay hầu như không có doanh nghiệp nào trong nước ứng dụng phương pháp han này vào sản xuất.
Các công ty có thể ứng dụng công nghệ hàn này một cách có hiệu quả như: sản xuất nồi hơi, các nhà máy đóng tàu vỏ hợp kim nhôm (Sông Cam Vinashin, 198 Bộ Quốc Phòng, Bourbon Long An, Strategic Marine Vũng Tầu.nhưng các công ty nói trên vẫn chưa dám mạnh dạn đầu tư vì chưa hiểu rõ về công nghệ hàn này. Luận văn Thạc sĩ của Mai Dăng Tuấn, nghiên cứu về một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trên tấm nhôm phẳng. Trong đó tác giả đã quy hoạch thực nghiệm toàn phần 3 thông số: số vòng quay đầu khuấy, tốc độ hàn và đường kính vai đầu khuấy, từ đó rút ra được bộ thông số tối ưu để đạt độ bền kéo lớn nhất [12]. Luận văn Tốt nghiệp Đại học của Trần Ngọc Phước Thạnh, mô phỏng quá trình nhiệt trong quá trình hàn ma sát khuấy bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm Ansys [16].
Luận văn Tốt nghiệp Dai học của Võ Van Pho, tác gia đã trình bày sự ảnh hưởng đồng thời của 4 thông số (số vòng quay đầu khuấy, vận tốc hàn, chiều dài đầu khuấy và đường kính đầu khuấy) đến độ bền kéo, lực dọc trục theo phương ngang và phương đứng.2 Trên thế giới Nguồn nhiệt vào khi hàn là một hàm gồm các thông số và được mô phỏng như một vòng tròn có đường kính bằng đường kính vai dụng cụ trên bề mặt vật hàn. Mặc dù kết quả mô phỏng không so sánh với thực tế nhưng mô hình nhiệt nay của MeClure đã được ứng dụng nhiều cho việc tính toán nhiệt độ phôi hàn. TONG QUAN Chao va Qi đã nghiên cứu mô hình số sự tạo nhiệt dựa trên nhiệt độ của phôi, kết quả cho thay dòng nhiệt trên bề mặt là rất lớn. Heurtier và Desrayaud cũng đã dùng mô hình phân tích để dự đoán nhiệt vào phôi nhưng sau đó đã chuyển sang dùng mô hình số để tăng khả năng chính xác của quá trình dự đoán nhiệt hàn.
Năm 1998, Russell và Shercliff [1| cũng đã dùng mô hình phân tích dựa trên phương trình tạo nhiệt của mình để dự đoán và xấp xỉ nhiệt độ tính toán. Dòng nhiệt qua dụng cụ được xác định là khoảng 17% tổng năng lượng hàn. Năm 2003, khi nghiên cứu mô hình số, Schmidt và Hattel [13] đã tính toán năng lượng sinh công vào dụng cụ bởi việc giảm lượng nhiệt vào dụng cụ, phôi và khẳng định rằng 25% năng lượng cơ học cần thiết bởi tốc độ quay của trục chính sẽ di vào dụng cụ, còn lại 75% tập trung vào phôi tại mối hàn. Cùng với nghiên cứu trên hai ông cũng đã sử dụng mô hình số từ nguồn nhiệt do ma sát và nguồn nhiệt do biến dạng dẻo để tính nguồn nhiệt vao, trong đó 10% năng lượng sé đi vào dung cụ, phần lớn lượng nhiệt vào vai dụng cụ sẽ tương ứng với kích thước đường kính vai.
Ngoài ta, Shi cũng đã tính toán nguồn nhiệt vào dụng cụ là khoảng 8% tổng năng lượng cơ học trong mô hình số của mình nhưng sau đó ông đã điều chỉnh cho đến khi tương đương với kết quả thực nghiệm. Một nghiên cứu khác của Langerman và Kvalvik đã dùng nguồn nhiệt hai chiều để xác định dòng vật liệu xung quanh đầu khuấy và dự đoán sự phân bố ứng suất dư trong phôi sau khi hàn. Nguồn nhiệt sinh ra trong khi han có quan hệ tuyến tính với đường kính vai của dụng cụ. Song và Kovacevic [14] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ dụng cụ đến moment xoắn khi hàn bằng cách thực nghiệm thay đổi với nhiều tốc độ quay và tốc độ quay và tốc độ ăn dao của dụng cụ.
Tang [15] đã thay đổi tốc độ dụng cụ và chiều sâu dụng cụ khi tăng tốc độ xoay dụng cụ thì tăng nhiệt vào. Tất cả nghiên cứu trên nhằm nêu lên sự thay đổi nhiệt độ vùng hàn và thông số hàn nhưng không dự đoán chất lượng đường hàn. Rorvik ([11] đã tính toán lượng nhiệt và dựa vào chiều rộng HAZ. Họ đã thay đổi số vòng quay dụng cụ, tốc độ ăn dao, lực tác dụng vào dụng cụ và chứng minh lượng nhiệt vào (Heat input) giảm khi chiều sâu và số vòng quay của dụng cụ giảm, lượng gia nhiệt tăng khi giảm tốc độ hàn (Vh).
Một số tác giả đã kết hợp việc đo nhiệt độ (bằng Thermocouples — TC) vùng han và vùng HAZ. Gould va Feng [8] quan sát khi thay đổi hai thông số hàn. Frigaard [6] quan sát ở ba tốc độ đi xuống của dụng cu. Song [2] nghiên cứu với ba tốc độ quay dụng cụ.
Cả ba tác giả trên đã cho thấy một mối liên hệ mật thiết giữa nhiệt độ lớn nhất và chiều rộng vùng HAZ. Linder đã chứng minh những hạn chế của phương pháp đo nhiệt bằng Thermo- couples. Trước hết là độ chênh lệch nhiệt độ trong FSW là thường rất phức tạp 4 1. TONG QUAN nên việc bố tri TC rất khó khăn, ngoài ra do quá trình FSW vật liệu biến dạng déo rất lớn nên kết quả đo khó chính xác và việc xác định vùng HAZ cần rất nhiều thời gian và công sức (Mẫu thử nghiệm phải đánh bóng và đánh dấu kỹ lưỡng để tiện cho việc đo đạc).
Zahedul và KhandKar đã tính toán moment xoắn của quá trình hàn, kết quả là nó không đổi với mọi thông số [6],[10]. Ngoài ra Schmidt và Leinart đã đo moment xoắn từ thực nghiệm và so sánh với kết quả tính toán, họ cũng khang định rằng moment xoắn không thay đổi với mọi thông số hàn. Một số tác giả đã chứng minh rằng năng lượng hàn là một hàm của các thông số hàn. Colegrove ENA đã trình bày năng lượng hàn của mình có liên quan đến tốc độ hàn nhưng bỏ qua tốc độ quay dụng cụ.
Ngược lại, tốc độ dụng cụ đã được chứng minh là có ảnh hưởng đáng kể đến lượng nhiệt vào bởi một số thực nghiệm có giá trị. Một phương pháp xác định lượng nhiệt vào nữa là bằng cách giảm số lượng những thông số và đã kết hợp tốc độ dụng cụ với tốc độ đi xuống với một tên gọi là bước hàn(xác định bước tiến trên mỗi vòng quay dụng cụ). Họ chỉ nghiên cứu sơ bộ mối liên hệ giữa năng lượng hàn với bước hàn. Reynolds và Tang [15] đã kiểm tra sự ảnh hưởng của bước hàn đến năng lượng hàn một cách rõ ràng hơn và cho thấy rằng bước hàn không thể là một thông số để xác định năng lượng hàn một cách chính xác.
Họ đã giữ tốc độ ăn dao và chiều sâu đầu khuấy không đổi trong khi đó thay đổi tốc độ quay dụng cụ để xác định lực hàn va ca lượng nhiệt vào.