Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn ma sát giáp mí tấm hợp kim nhôm 5083

Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn ma sát giáp mí tấm hợp kim nhôm 5083 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn ma sát giáp mí tấm hợp kim nhôm 5083 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn ma sát giáp mí tấm hợp kim nhôm 5083 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn ma sát giáp mí tấm hợp kim nhôm 5083 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn ma sát giáp mí tấm hợp kim nhôm 5083 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn ma sát giáp mí tấm hợp kim nhôm 5083

TỔNG QUAN

Giới thiệu công nghệ hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding)

Hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) được phát minh bởi Viện Hàn của Vương Quốc Anh (TWI) vào tháng 12 năm 1991 và đã được cấp bằng sáng chế tại châu Âu, Mỹ, Nhật Bản và Úc Để tiếp tục nghiên cứu kỹ thuật này, TWI đã thành lập TWI Group và nhận tài trợ từ dự án 5651 vào năm 1992, nhằm phát triển kỹ thuật hàn ma sát khuấy cho hàn nhôm.

Hàn ma sát khuấy (FSW) là kỹ thuật hàn liên kết ở trạng thái rắn, ban đầu được áp dụng chủ yếu cho hợp kim nhôm Phương pháp này sử dụng một dụng cụ xoay đặc biệt có nhiệt độ nóng chảy cao hơn vật liệu hàn, với hai phần chính là chốt hàn và vai Khi hoạt động, chốt hàn xuyên vào mối ghép giữa hai tấm vật liệu, tạo ra nhiệt độ do ma sát, khiến vật liệu biến dạng dẻo xung quanh chốt hàn Vai dụng cụ cũng tạo ra ma sát, cung cấp nhiệt độ cần thiết để giữ cho vật liệu không bị tách rời khỏi mối hàn Quá trình này cho phép dòng vật liệu dẻo di chuyển từ phía trước ra phía sau chốt hàn, tạo ra mối hàn liên tục Hiện nay, FSW đã có nhiều ứng dụng quan trọng, không chỉ giới hạn ở hợp kim nhôm mà còn có thể hàn nhiều loại vật liệu khác như thép, đồng, kẽm, titan, và composite kim loại, với độ dày từ 0,5 - 75 mm.

Hình 1.1: Sơ đồ mô tả quá trình hàn ma sát khuấy [2]

Ưu nhược điểm của công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW)

So với các phương pháp hàn truyền thống như hàn TIG, hàn MIG thì hàn ma sát khuấy có những ưu điểm nổi bật sau:

Không cần bổ sung kim loại phụ (que hàn), không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóng chảy

Không phát xạ độc hại: khói độc, bắn tóe, không phát sinh hồ quang, năng lượng bức xạ…, do đó tạo môi trường trong sạch

Có tính tự động hóa nên việc kiểm soát và điều khiển thông số dễ dàng, độ chính xác của chi tiết hàn được đảm bảo

Cơ tính mối hàn tốt, ít biến dạng, ít khuyết tật

Thời gian hàn nhanh, năng suất cao, không đòi hỏi tay nghề cao của người công nhân

Chi phí cao trong việc đầu tư trang thiết bị, máy móc

Tính cơ động kém, khó thực hiện cho các mối hàn trong không gian chật hẹp, những kết cấu phức tạp

Tạo ra vết lõm sâu cuối đường hàn.

Ứng dụng của hàn ma sát khuấy (FSW)

Với những ưu điểm nổi bật nên hàn ma sát khuấy được ứng dụng khá rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo cụ thể như:

Trong ngành công nghiệp đóng tàu, công nghệ hàn ma sát khuấy được sử dụng rộng rãi để hàn các tấm nhôm panel cho vỏ tàu Một ví dụ điển hình là tàu du lịch “The World” của Fosen Mek – Mỹ, nơi công nghệ này được áp dụng cho phần sàn Bên cạnh đó, tàu Supper Liner Ogsaware, thiết kế bởi Mitsui Engineering và đóng tại Nhật Bản, được ghi nhận là tàu lớn nhất sử dụng công nghệ hàn ma sát khuấy, với khả năng đạt tốc độ 42,8 hải lý/giờ và chở được 740 hành khách cùng 210 tấn hàng hóa.

Hình 1.2: Tàu The World ứng dụng công nghệ FSW [6]

Hình 1.3: Tàu Supper Liner Ogsaware ứng dụng công nghệ FSW

Trong ngành công nghiệp hàng không và vũ trụ, việc lựa chọn vật liệu chế tạo phải tuân thủ những tiêu chí nghiêm ngặt, bao gồm tính nhẹ và độ bền cao Hợp kim nhôm trở thành lựa chọn hàng đầu nhờ những đặc tính vượt trội này.

Hợp kim nhôm, mặc dù là lựa chọn hàng đầu trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, có nhược điểm là tính chịu hàn kém Tuy nhiên, công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW) đã khắc phục được những khó khăn mà các phương pháp truyền thống gặp phải Tàu vũ trụ Orion của NASA đã ứng dụng FSW để hàn nối hai mô-đun phi hành đoàn với 425 inch đường hàn Trong lĩnh vực chế tạo máy bay, TWI đã cấp giấy phép FSW và hỗ trợ Eclipse Aviation sản xuất máy bay kinh doanh Eclipse 500, sử dụng công nghệ hàn ma sát với 128 m đường hàn cho mỗi khung máy bay, thay thế khoảng 7.000 đinh tán Ngoài ra, TWI cũng hỗ trợ Embraer trong việc áp dụng FSW vào sản xuất tấm thân máy bay Legacy 450 và 500.

Hình 1.4: Tàu vũ trụ Orion ứng dụng công nghệ FSW [7]

Trong ngành giao thông vận tải, công nghệ hàn trượt trục (FSW) được ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo các chi tiết cho ô tô và tàu lửa Cụ thể, hãng Ford của Mỹ đã sử dụng FSW để sản xuất một bộ phận ô tô bằng hợp kim nhôm Tương tự, hãng Hitachi từ Nhật Bản cũng đã áp dụng công nghệ này để hàn các tấm sàn cho tàu lửa Shinkansen.

Hình 1.5: Ứng dụng FSW trong chế tạo chi tiết xe hơi [9]

Hình 1.6: Tàu lửa Shinkansen ứng dụng FSW [9]

Công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW) đã có những bước phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Hiện nay, FSW không chỉ giới hạn ở hợp kim nhôm mà còn có thể hàn các vật liệu khác như thép, thép hợp kim, titan, đồng, và nhiều loại kim loại khác nhau.

Những nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Những nghiên cứu trên thế giới

A Razal Rose, K Manisekar, V Balasubramanian [10] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ hàn ma sát khuấy đến độ bền kéo tấm hợp kim Magiê AZ61A,

2012 Trong nghiên cứu này tác giả đã khảo sát năm tốc độ hàn khác nhau từ 30 đến

Tại tốc độ hàn 90 mm/phút và tốc độ quay dụng cụ 1200 vòng/phút trên tấm hợp kim AZ61A dày 6 mm, lực dọc trục 5 kN, độ bền kéo cao nhất đạt 224 MPa, tương đương 83% so với vật liệu nền Kết quả thí nghiệm cho thấy cấu trúc tế vi của mối hàn ở tốc độ này có hạt nhỏ và mịn hơn so với các tốc độ hàn khác, chứng tỏ tốc độ hàn ảnh hưởng đến cấu trúc tế vi và quyết định độ cứng của mối hàn.

Deepati Anil Kumar, Pankaj Biswas, Sujoy Tikader, M M Mahapatra và N R Mandal [11] đã nghiên cứu hàn ma sát trên tấm hợp kim nhôm có độ dày 12 mm,

Năm 2013, tác giả đã tiến hành nghiên cứu về hai thông số hàn quan trọng, bao gồm tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn, áp dụng trên hai loại chốt hàn khác nhau: chốt hàn dạng côn và chốt hàn dạng phẳng.

Kết quả thí nghiệm về độ bền kéo và độ dẻo dai của mối hàn cho thấy rằng, với tốc độ quay dụng cụ 2000 vòng/phút và tốc độ hàn 28 mm/phút, chốt hàn hình thang đạt chất lượng cơ tính tốt nhất Nghiên cứu của RajKumar và các cộng sự cũng chỉ ra rằng, trong hàn ma sát khuấy giữa hai hợp kim nhôm AA5052 và AA6061, khi tốc độ quay dụng cụ được cố định ở 710 vòng/phút, tốc độ hàn 20 mm/phút và 28 mm/phút cho thấy cấu trúc tế vi của mối hàn tốt hơn ở tốc độ hàn nhỏ hơn Mặc dù độ bền của mối hàn ở cả hai tốc độ là tương đương, độ dẻo dai lại cao hơn ở tốc độ hàn nhỏ hơn.

R MuthuVaidyanathan, MahaboobPatel, N SivaRaman, D Tedwors [13], đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số trong quá trình hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm 6063, 2015 Trong nghiên cứu này mục đích chính là tìm ra thông số tối ưu gồm ba thông số chính là tốc độ quay của dụng cụ, tốc độ hàn và lực dọc trục khi hàn ma sát giáp mí để liên kết hai tấm hợp kim nhôm 6063 có độ dày 5 mm Việc đánh giá chất lượng mối hàn được tác giả thực hiện thông qua kiểm tra cơ tính gồm kiểm tra độ bền, độ cứng Kết quả thí nghiệm cơ tính của mối hàn cho thấy mối hàn đạt độ bền kéo lớn nhất là 101 Mpa với tốc độ quay của dụng cụ là 1000 vòng/phút, tốc độ hàn là 1 mm/giây và lực dọc trục là 6000 N

S Sree Sabari, S Malarvizhi, V Balasubramanian [14] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ hàn đến độ bền kéo của mối hàn với vật liệu là tấm hợp kim nhôm AA2519-T87 bằng phương pháp hàn ma sát khuấy trong hai trường hợp là làm nguội mối hàn bằng không khí và làm nguội bằng nước, 2016 Trong nghiên cứu này đối tượng nghiên cứu chính của tác giả là tốc độ hàn ma sát khuấy và vật liệu là tấm hợp kim nhôm AA2591-T87 có độ dày 6 mm và khảo sát chất lượng mối hàn (độ bền kéo) trong hai trường hợp là làm nguội mối hàn trong không khí và làm nguội mối hàn trong nước Kết quả thu được là khi tốc độ hàn 25 - 40 mm/phút với điều kiện làm mát trong không khí và tốc độ hàn 25 - 30 mm/phút với điều kiện làm mát trong nước

7 thì chất lượng mối hàn tốt nhất (không có khuyết tật), về độ bền kéo khi tốc độ hàn

Tại tốc độ hàn 30 mm/phút với chế độ làm mát trong nước, độ bền kéo cực đại đạt 345 MPa, vượt trội hơn so với tốc độ hàn 40 mm/phút và chế độ làm mát bằng không khí, chỉ đạt 278 MPa.

1.4.2 Những nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam trong nhiều năm gần đây cũng đã có nhiều đề tài, công trình nghiên cứu về hàn ma sát khuấy Cụ thể như:

Trần Hưng Trà từ Đại học Nha Trang đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của thông số hàn đến tính chất cơ học khi hàn ma sát khuấy trên tấm hợp kim nhôm AA6063-T5 Nghiên cứu tập trung vào tỉ số giữa tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến của chốt hàn, ảnh hưởng đến chu trình nhiệt độ hàn, độ cứng và độ bền kéo của mối hàn trên tấm nhôm dày 5 mm Kết quả cho thấy nhiệt độ hàn tỉ lệ thuận với tỉ số giữa tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến; khi tỉ số này nhỏ, mối hàn có độ bền kéo cao hơn Đáng chú ý, các vết nứt do kéo luôn nằm ngoài vùng khuấy, ở hai bên dụng cụ với độ cứng thấp nhất.

Luận văn thạc sĩ của Dương Đình Hảo (2015) nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến độ bền kéo của mối hàn ma sát khuấy trên tấm hợp kim nhôm AA7075 dày 4 mm Nghiên cứu khảo sát nhiều chế độ hàn, tập trung vào sự kết hợp giữa tốc độ quay của chốt hàn và tốc độ hàn Kết quả cho thấy, khi tỉ số giữa tốc độ quay và tốc độ hàn nằm trong khoảng 4,0 - 10,0 vòng/mm, mối hàn đạt chất lượng tối ưu với độ bền kéo và độ biến dạng lần lượt là 76% và 68% so với vật liệu nền Tuy nhiên, khi tỉ số này tăng lên, độ bền kéo mặc dù tăng nhưng độ biến dạng lại giảm.

Luận văn thạc sĩ của Thân Trọng Khánh Đạt (2015) nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng đầu dụng cụ đến chất lượng mối hàn trên tấm nhôm phẳng Mục tiêu chính của tác giả là xác định bộ ba thông số tối ưu, bao gồm tốc độ, nhằm cải thiện hiệu suất hàn.

Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của ba yếu tố chính: 8 quay của dụng cụ, vận tốc hàn và góc nghiêng đầu dao, đối với quá trình hàn tấm hợp kim nhôm 5052 Mục tiêu là xác định bộ thông số tối ưu nhằm tạo ra mối hàn có chất lượng tốt nhất trong nhiều chế độ khác nhau.

Bùi Xuân Vương cùng các cộng sự từ Đại học Tôn Đức Thắng đã tiến hành nghiên cứu tác động của tốc độ hàn ma sát khuấy đến tính chất ăn mòn của hợp kim Mg-5Al Nghiên cứu này nhằm hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa tốc độ hàn và khả năng chống ăn mòn của hợp kim, từ đó góp phần cải thiện chất lượng vật liệu trong ứng dụng thực tiễn.

Năm 2017, tác giả đã tiến hành nghiên cứu về tấm hợp kim Mg-5Al bằng công nghệ hàn ma sát khuấy với tốc độ hàn từ 0 đến 80 mm/phút Kỹ thuật điện hoá và phân tích bề mặt được áp dụng để kiểm tra kết quả thực nghiệm Kết quả cho thấy rằng, tốc độ hàn cao hơn sẽ cải thiện đáng kể tính chống ăn mòn của hợp kim Mg-5Al.

Tính cấp thiết và ý nghĩa nghiên cứu của đề tài

1.5.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hợp kim nhôm 5083 nổi bật với khả năng chống ăn mòn tuyệt vời nhờ vào thành phần hóa học giàu nhôm và magiê, cùng với độ bền cao, nên được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như biển, đóng tàu, bình áp lực và bồn hóa chất Trong quá trình chế tạo, mối hàn giáp mí là phương pháp hàn phổ biến, mặc dù hiện nay đã có nhiều phương pháp hàn khác nhau Một trong những phương pháp mới và hiệu quả trong việc hàn các hợp kim nhôm là phương pháp hàn ma sát khuấy.

Hàn ma sát khuấy cho hợp kim nhôm 5083 đã được nghiên cứu rộng rãi, nhưng phần lớn tập trung vào các độ dày từ 4 mm trở lên Để tạo ra mối hàn chất lượng, việc lựa chọn thông số hàn phù hợp là rất quan trọng Nghiên cứu này sẽ phân tích và xác định thông số hàn thích hợp nhằm tạo ra mối hàn giáp mí chất lượng cho hợp kim nhôm 5083 với độ dày 3 mm, và kết quả sẽ được ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu cao tốc.

1.5.2 Ý nghĩa của nghiên cứu đề tài

Nghiên cứu này sẽ cung cấp bộ thông số hàn tối ưu cho việc tạo ra mối hàn chất lượng cao trên hợp kim nhôm 5083 với độ dày 3 mm Đồng thời, kết quả nghiên cứu cũng sẽ bổ sung thêm thông số hàn mới để tham khảo trong ứng dụng hàn ma sát.

9 khuấy cho hợp kim nhôm 5083, cho các hợp kim nhôm thuộc nhóm 5xxx hoặc các hợp kim nhôm có tính chất tương tự

Hàn ma sát khuấy là một công nghệ hàn tiên tiến, chưa phổ biến ở Việt Nam nhưng hứa hẹn mang lại nhiều tiềm năng trong tương lai Kết quả nghiên cứu cho thấy công nghệ này có thể được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo, giúp tối ưu hóa hiệu quả sản xuất.

Đối tượng nghiên cứu

1.6.1 Chế độ hàn ma sát khuấy Đối với chế độ hàn, đề tài nghiên cứu tập trung vào sự ảnh hưởng của hai thông số đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy, gồm:

Tốc độ quay của dụng cụ, ký hiệu là ω (vòng/phút)

Tốc độ tịnh tiến của chốt hàn, ký hiệu là v (mm/phút)

Nghiên cứu này sử dụng tấm hợp kim nhôm phẳng 5083 với kích thước 80×250×3 mm Thành phần hóa học và các đặc tính cơ học của vật liệu được trình bày trong bảng 1.1 và bảng 1.2.

Hình 1.7: Tấm hợp kim nhôm 5083 Bảng 1.1: Thành phần hóa học của hợp kim nhôm 5083 [19]

Nguyên tố Al Zn Mg Cu Si Fe Mn Ti Cr

Bảng 1.2: Đặc tính cơ học của hợp kim nhôm 5083 Đặc tính cơ học

Giới hạn chảy (MPa) Độ bền kéo (MPa) Độ bền mỏi (MPa) Độ giãn dài (%)

Nội dung nghiên cứu và giới hạn đề tài

Đề tài nghiên cứu sẽ tập trung vào ảnh hưởng của hai thông số hàn, bao gồm tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến của chốt hàn, đến chất lượng mối hàn ma sát giáp mí trên tấm hợp kim nhôm 5083 Với thời gian và điều kiện nghiên cứu hạn chế, nội dung chính sẽ được chú trọng vào các yếu tố này để đánh giá hiệu quả hàn.

Khảo sát cấu trúc tế vi của mối hàn

Sự phân bố nhiệt độ trong mối hàn Độ cứng của mối hàn Độ bền kéo của mối hàn Độ bền uốn của mối hàn

Khả năng chịu va đập của mối hàn.

Phương pháp nghiên cứu

Mối hàn ma sát giáp mí giữa hai tấm hợp kim nhôm 5083 dày 3 mm được chế tạo tại Trường Đại học Nha Trang, sử dụng máy móc hiện đại Nghiên cứu này sẽ khảo sát ảnh hưởng của nhiều chế độ hàn, tập trung vào hai thông số quan trọng là tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn.

Hình 1.8: Máy móc hỗ trợ và chế tạo mối hàn

1.8.2 Thí nghiệm cơ học, đánh giá ứng xử cơ học của mối hàn

Sau khi hoàn tất quá trình chế tạo mối hàn, cần tiến hành nghiên cứu các đặc tính và ứng xử cơ học của nó Việc này bao gồm phân tích cấu trúc tế vi, độ cứng, độ bền kéo, độ bền uốn và khả năng chịu va đập của mối hàn Các thí nghiệm sẽ được thực hiện trên các thiết bị và máy móc chuyên dụng để đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hợp kim nhôm

2.1.1 Định nghĩa và phân loại

Hợp kim nhôm là sự kết hợp giữa nhôm và các nguyên tố khác như đồng, kẽm, thiếc, mangan, silic và magiê Chúng được chia thành hai nhóm chính: hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc Phân loại hợp kim nhôm được thực hiện theo tiêu chuẩn của Mỹ và dựa trên thành phần hóa học chính, như được thể hiện trong bảng 2.1.

Bảng 2.1: Phân loại nhôm theo tiêu chuẩn của Mỹ [20]

Loại biến dạng Loại đúc

1xxx Al sạch (99%) 1xx.x Al thỏi

2xxx Al-Cu hoặc Al-Cu-Mg 2xx.x Al-Cu

3xxx Al-Mn 3xx.x Al-Si-Mg hoặc Al-Si-Cu

4xxx Al-Si 4xx.x Al-Si

5xxx Al-Mg 5xx.x Al-Mg

6xxx Al-Mg-Si 6xx.x Không có

7xxx Al-Zn-Mg hoặc Al-Zn-Mg-Cu 7xx.x Al-Zn

8xxx Al- các nguyên tố khác 8xx.x Al-Sn

2.1.2 Sự ảnh hưởng của các nguyên tố thành phần đến tính chất của hợp kim nhôm [21] Đồng (Cu): tăng độ bền kéo và độ cứng giảm độ dãn dài Hàm lượng tối đa của nguyên tố đồng trong hợp kim nhôm là 4 - 6 %

Magiê (Mg) đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ bền và độ dẻo dai của hợp kim, đồng thời cải thiện khả năng hàn và chống ăn mòn, với hàm lượng không vượt quá 5,5% trong hợp kim nhôm Kẽm (Zn) giúp tăng độ cứng cho hợp kim, nhưng hợp kim Al-Zn có nhược điểm dễ bị nứt nóng và ăn mòn; để khắc phục vấn đề này, thường kết hợp với các nguyên tố khác như magiê (Mg) và đồng (Cu).

Mangan (Mn) là nguyên tố quan trọng giúp tăng cường độ cứng, độ bền nhiệt và khả năng chống ăn mòn cho hợp kim nhôm Nguyên tố này thường được bổ sung vào các hợp kim nhóm 3xxx, thường kết hợp với magiê (Mg) để cải thiện các tính chất cơ học và hóa học của hợp kim.

Silic (Si) đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ cứng cho hợp kim nhôm, đặc biệt là trong hợp kim nhôm-magiê-đồng (Al-Mg-Cu), giúp giảm thiểu nguy cơ nứt gãy Đối với hợp kim nhôm đúc, việc bổ sung silic có thể nâng cao khả năng chống mài mòn, với hàm lượng Si có thể đạt tới 23% Trong các hợp kim nhôm nhóm 5xxx, đặc biệt là hợp kim nhôm 5083, magiê (Mg) là nguyên tố chiếm hàm lượng cao nhất bên cạnh nhôm, cùng với các nguyên tố khác như đồng (Cu), kẽm (Zn), mangan (Mn), sắt (Fe), silic (Si), titan (Ti) và crôm (Cr) Điều này mang lại cho hợp kim nhôm 5083 độ bền và độ cứng tốt, cũng như khả năng chống ăn mòn cao.

2.1.3 Các phương pháp hàn đối với hợp kim nhôm

Việc lựa chọn phương pháp hàn cho hợp kim nhôm phụ thuộc vào đặc tính riêng của từng loại hợp kim Các phương pháp hàn phổ biến cho hợp kim nhôm bao gồm hàn nóng chảy và hàn ma sát khuấy Đặc biệt, hợp kim nhôm 5083 có thể sử dụng cả hai phương pháp này Tuy nhiên, khi áp dụng hàn nóng chảy, cần đạt nhiệt độ cao để loại bỏ lớp nhôm ôxit bảo vệ.

Hàn ma sát khuấy giúp giảm thiểu tính chống ăn mòn của mối hàn mà không cần đạt đến nhiệt độ nóng chảy để loại bỏ lớp nhôm ôxit, nhờ vào chuyển động cơ học của dụng cụ hàn Sau khi hoàn thành, mối hàn có thành phần cấu tạo tương tự như vật liệu nền, do đó, các đặc tính cơ học của mối hàn gần như tương đương với vật liệu nền.

Hình 2.1: Các phương pháp hàn đối với hợp kim nhôm [23]

2.1.4 Các đặc tính của hợp kim nhôm

Các đặc tính cơ học của các hợp kim nhôm khác nhau, bao gồm độ bền kéo, độ cứng, độ dai va đập và độ dãn dài, được minh họa rõ ràng trong hình 2.2.

Hình 2.2: Độ bền kéo, độ cứng, độ dai va đập và độ dãn dài của hợp kim nhôm [24]

Hợp kim nhôm 5xxx, đặc biệt là hợp kim 5083, có độ bền kéo trung bình với giá trị đạt 290 MPa, thấp hơn so với nhóm 7xxx (700 MPa) nhưng cao hơn nhóm 1xxx (70 MPa) Độ dãn dài của hợp kim 5083 lên đến 25%, cho thấy tính dẻo dai tốt Mặc dù độ bền mỏi của nhóm hợp kim này cũng ở mức trung bình, nhưng chúng vẫn kém hơn so với các hợp kim nhóm 7xxx Đặc biệt, khả năng chống ăn mòn của hợp kim nhôm 5xxx khá tốt, chỉ đứng sau nhóm 1xxx và 3xxx Các thông số về độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn được minh họa rõ ràng trong hình 2.3.

Hình 2.3: Độ bền, khả năng chống ăn mòn của hợp kim nhôm [24]

Nhóm hợp kim nhôm 5xxx nổi bật với khả năng chịu hàn và hóa bền tốt hơn so với các nhóm hợp kim khác Đặc biệt, khả năng chịu hàn cao của nhóm này cho phép áp dụng nhiều phương pháp hàn, trong đó hàn ma sát khuấy là một phương pháp quan trọng không thể thiếu.

Khả năng hóa bền, hay anode hóa cứng, là một phương pháp điện hóa tạo ra lớp ôxit dày trên bề mặt hợp kim nhôm Phương pháp này không chỉ tăng cường độ cứng của hợp kim nhôm, mà còn cho phép nó thay thế vật liệu thép nặng nề và đắt đỏ Đặc biệt, lớp ôxit dày này cung cấp khả năng chống ăn mòn vượt trội cho hợp kim nhôm, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng trong nhiều ứng dụng.

[25] Khả năng chịu hàn và hóa bền của các nhóm hợp kim nhôm được thể hiện cụ thể trong hình 2.4

Hình 2.4: Khả năng chịu hàn và hóa bền của hợp kim nhôm [24]

2.1.5 Ứng dụng của hợp kim nhôm [24]

Các ứng dụng phổ biến của các hợp kim nhôm được thể hiện trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Ứng dụng của hợp kim nhôm

Các hợp kim nhôm thường được sử dụng Ứng dụng

1xxx 1050, 1200 Công nghiệp thực phẩm, hóa chất

3xxx 3103, 3003 Vỏ xe hơi, đóng tàu

Vỏ xe hơi, kết cấu vỏ tàu biển, bồn áp lực, trong ngành dầu khí, hóa chất

6xxx 6061, 6063, 6005A, 6082 Khung cửa sổ, ống dẫn thủy lợi, các kết cấu của cầu, cần cẩu

7xxx 7020, 7075 Khung máy bay, khung môtô, khung xe đạp

Dụng cụ hàn ma sát khuấy

Dụng cụ hàn ma sát khuấy bao gồm hai phần chính: phần vai và phần chốt hàn Chức năng chủ yếu của dụng cụ này là tạo ra nhiệt thông qua ma sát với vật liệu nền, giúp biến dạng dẻo và liên kết các vật liệu trong vùng khuấy để hình thành mối hàn Cụ thể, chốt hàn có nhiệm vụ sinh nhiệt ma sát, biến dạng dẻo vật liệu và khuấy trộn dòng vật liệu ở trạng thái dẻo, trong khi vai dụng cụ cung cấp nhiệt bổ sung cho bề mặt kim loại và hạn chế biến dạng của mối hàn.

Vai dụng cụ Chốt hàn

Hình 2.5: Dụng cụ hàn ma sát khuấy [26]

Dụng cụ hàn được phân loại thành ba loại chính: loại cố định không cho phép điều chỉnh chiều dài chốt hàn, loại có thể điều chỉnh cho phép thay đổi chiều dài chốt hàn, và loại có một chốt hàn với hai vai có thể điều chỉnh khoảng cách giữa hai vai (self-reacting) Cấu tạo chi tiết của các loại dụng cụ hàn này được minh họa trong hình 2.6.

Hình 2.6: Cấu tạo của các loại dụng cụ hàn ma sát khuấy [27]

Dụng cụ hàn với chốt hàn và vai cố định chỉ phù hợp cho tấm vật liệu có độ dày nhất định; khi chốt hàn bị mòn hoặc hỏng, cần thay thế bằng dụng cụ mới Ngược lại, dụng cụ hàn có thể điều chỉnh chiều dài chốt hàn cho phép hàn với nhiều độ dày vật liệu khác nhau và dễ dàng thay thế khi hư hỏng Dụng cụ hàn kiểu hai vai (bobbin type tool) có khả năng hàn các vật liệu dày hơn nhờ vào khả năng điều chỉnh chiều dài chốt hàn và khoảng cách giữa hai vai, nhưng chỉ có thể hàn vuông góc với bề mặt phôi, không linh hoạt như dụng cụ có chốt hàn cố định.

2.2.2 Hình dáng của dụng cụ

Mỗi dụng cụ hàn ma sát khuấy bao gồm hai phần chính: vai dụng cụ và chốt hàn Vật liệu chế tạo hai phần này có thể giống hoặc khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng Hình dáng của chốt hàn và vai dụng cụ rất đa dạng và việc lựa chọn chúng phải dựa vào đặc tính của vật liệu hàn cũng như kinh nghiệm của người sử dụng Sự lựa chọn hình dáng phù hợp cho vai dụng cụ và chốt hàn đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra mối hàn ma sát khuấy chất lượng cao.

Vai dụng cụ được thiết kế để tạo ra nhiệt ma sát trên bề mặt phôi, đồng thời tạo lực ép giúp ổn định vật liệu bị biến dạng dẻo dưới bề mặt Các hình dạng của vai dụng cụ, bao gồm bề mặt ngoài và mặt đầu, được sử dụng trong hàn ma sát khuấy, được minh họa trong hình 2.7 và hình 2.8.

Hình 2.7: Các dạng bề mặt ngoài và mặt đầu của vai dụng cụ [27]

Hình 2.8: Một số dạng mặt đầu khác của vai dụng cụ [27]

Vai dụng cụ có bề mặt ngoài hình trụ và mặt đầu phẳng là loại phổ biến do dễ chế tạo Tuy nhiên, nghiên cứu của Y Tozaki và cộng sự cho thấy vai dụng cụ có mặt đầu xoắn mang lại hiệu quả cao hơn khi hàn ma sát khuấy trên tấm hợp kim nhôm 6061-T4, với cấu trúc mối hàn và độ bền tĩnh tốt hơn so với vai thông thường Vai có mặt đầu lõm với góc nghiêng từ 6 - 10 độ giúp khắc phục hiện tượng vật liệu dẻo bị đùn ra hai bên, tạo mối hàn tốt nhờ vật liệu biến dạng dẻo có thể thoát vào khoảng trống giữa vai và tấm phôi Ngược lại, vai có mặt đầu lồi không hiệu quả bằng vai lõm, vì thường đẩy vật liệu ra khỏi chốt hàn, làm yếu liên kết của dòng vật liệu biến dạng dẻo; vai lồi chỉ thích hợp cho hàn vật liệu dày.

Chốt hàn đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh nhiệt ma sát, giúp biến dạng dẻo vật liệu và khuấy trộn dòng vật liệu để tạo thành mối hàn Chiều sâu của lớp vật liệu biến dạng và tốc độ di chuyển của dụng cụ phụ thuộc chủ yếu vào chốt hàn Việc lựa chọn hình dáng chốt hàn cũng ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn Trong hàn ma sát khuấy, chốt hàn có thể có nhiều hình dạng khác nhau như trụ tròn, trụ, côn, và mặt đầu của chốt cũng đa dạng về hình dạng.

20 dạng cụ thể của các loại chốt hàn được thể hiện trong hình 2.9

Hình 2.9: Một số hình dạng của chốt hàn [27]

Chốt hàn có bề mặt ngoài hình trụ phổ biến vì dễ chế tạo và có thể hàn với tấm vật liệu dày đến 12 mm Đối với các tấm vật liệu dày hơn, chốt hàn dạng côn thường được ưa chuộng Chốt hàn có ren mang lại hiệu quả cao trong việc sinh nhiệt ma sát trong quá trình biến dạng dẻo của vật liệu, đồng thời tăng khả năng khuấy trộn dòng vật liệu, từ đó cải thiện chất lượng mối hàn.

Để đảm bảo chất lượng mối hàn cho các vật liệu có độ dày lớn, chốt hàn cần được điều chỉnh phù hợp Hình 2.10 minh họa các loại chốt hàn với hình dáng đa dạng, có khả năng hàn cho các vật liệu dày từ 50 - 60 mm và cho phép thực hiện hàn với tốc độ cao.

Hình 2.10: Các loại chốt hàn dạng cánh [27]

Việc sử dụng chốt hàn có ren trong mối hàn chồng không đảm bảo chất lượng do làm mỏng đáng kể chiều dày của tấm trên cùng, dẫn đến giảm khả năng chịu uốn của mối hàn Để khắc phục vấn đề này, hai loại chốt hàn hiệu quả đã được áp dụng: chốt hàn dạng loe có ba rãnh và chốt hàn chéo với góc nghiêng so với trục vuông góc với bề mặt phôi hàn Cả hai loại chốt này đều giúp tăng diện tích vùng khuấy và cải thiện chất lượng mối hàn.

Hình 2.11: Chốt hàn dạng loe có ba rãnh [27]

Hình 2.12: Chốt hàn dạng chéo [27]

2.2.3 Kích thước dụng cụ hàn ma sát khuấy

Kích thước của chốt hàn ma sát khuấy bao gồm các yếu tố quan trọng như đường kính cán dụng cụ (A), đường kính vai dụng cụ (B) và chiều dài chốt hàn (C) Những kích thước này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chất lượng của quá trình hàn.

Kính chốt hàn (D), bán kính lồi hoặc lõm của vai dụng cụ (E) và góc côn của chốt hàn (F) là những kích thước quan trọng trong thiết kế dụng cụ hàn ma sát khuấy, được minh họa rõ ràng trong hình 2.13.

Hình 2.13: Các kích thước của dụng cụ hàn [30]

Khi chọn kích thước dụng cụ hàn, cần xem xét loại mối hàn và đặc tính vật liệu hàn Hình 2.14 minh họa mối quan hệ giữa đường kính vai dụng cụ, chốt hàn và độ dày vật liệu trong quá trình hàn ma sát khuấy các tấm kim loại như nhôm (Al), magiê (Mg), đồng (Cu), titan (Ti), niken (Ni) và thép.

Hình 2.14: Mối quan hệ giữa đường kính vai, chốt hàn và độ dày vật liệu [27]

2.2.4 Vật liệu chế tạo dụng cụ hàn Để tạo ra mối hàn ma sát có chất lượng tốt ngoài việc lựa chọn hình dáng dụng cụ hàn thích hợp thì một yếu cũng rất quan trọng đó là đặc tính vật liệu của dụng cụ vì dụng cụ hàn phải đủ cứng để xuyên vào phôi hàn và không bị ảnh hưởng trong điều kiện nhiệt độ chảy dẻo của vật liệu hàn Vì vậy việc chọn vật liệu chế tạo cho dụng

Khi lựa chọn vật liệu chế tạo dụng cụ hàn, cần xem xét các tính chất của vật liệu hàn để đảm bảo chất lượng mối hàn và tăng tuổi thọ cho dụng cụ Một trong những đặc tính quan trọng là khả năng ổn định ở nhiệt độ cao.

Khả năng chịu mài mòn Độ dẻo dai

Hệ số giãn nở nhiệt

Một số vật liệu thường được sử dụng để chế tạo dụng cụ tương ứng với vật liệu hàn được thể hiện trong bảng 2.3

Bảng 2.3: Vật liệu dùng chế tạo dụng hàn và kim loại hàn thích hợp [32]

Vật liệu dụng cụ Kim loại hàn thích hợp

Thép dụng cụ Nhôm hợp kim, Nhôm composite kim loại (AMCs), hợp kim đồng WC-Co Nhôm hợp kim, thép thấm cacbon

Hợp kim niken Hợp kim đồng

WC composite Nhôm hợp kim, thép hợp kim thấp, hợp kim magiê, hợp kim titan Hợp kim Vonfram Hợp kim titan, thép không gỉ và hợp kim đồng

PCBN Hợp kim đồng, thép không gỉ và hợp kim niken.

Các thông số chủ yếu trong quá trình hàn ma sát khuấy

Trong hàn ma sát khuấy, hai thông số quan trọng nhất là tốc độ quay của dụng cụ (ω, vòng/phút) và tốc độ tịnh tiến của chốt hàn (v, mm/phút) Bên cạnh đó, một yếu tố quan trọng khác cũng cần được xem xét để đảm bảo hiệu quả của quá trình hàn.

24 là góc nghiêng của đầu máy hoặc góc nghiêng của dụng cụ so với bề mặt phôi [33],

[34], và trong nhiều nghiên cứu đã chỉ ra thêm một thông số ảnh hưởng đến quá trình hàn ma sát khuấy đó là lực dọc trục

2.3.1 Tốc độ quay của dụng cụ (ω)

Chuyển động xoay của dụng cụ hàn tạo ra sự khuấy trộn vật liệu xung quanh chốt hàn, di chuyển dòng vật liệu từ phía trước ra phía sau cho đến khi hoàn thành quá trình Tốc độ quay cao của dụng cụ dẫn đến nhiệt độ cao do ma sát, giúp vật liệu được khuấy trộn đều hơn, từ đó cải thiện các đặc tính cơ học của mối hàn.

2.3.2 Tốc độ tịnh tiến của chốt hàn ( v )

Tốc độ hàn, hay tốc độ tịnh tiến của chốt hàn, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vật liệu hàn, tốc độ quay của dụng cụ, chiều dày vật liệu và loại đường hàn Tốc độ hàn có ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt ma sát; nếu tốc độ hàn quá cao, thời gian tiếp xúc giữa dụng cụ và bề mặt vật liệu sẽ giảm, dẫn đến nhiệt ma sát thấp và khả năng khuấy trộn kém, làm giảm chất lượng mối hàn Khi chỉ xem xét hai yếu tố chính là tốc độ quay của dụng cụ (ω) và tốc độ hàn (v), ta thấy rằng nhiệt ma sát và độ bền kéo của mối hàn sẽ tăng khi tỉ số ω/v tăng.

Hình 2.15: Ảnh hưởng của tỉ số tốc độ quay của dụng và tốc độ hàn đến nhiệt độ ma sát [40]

Hình 2.16: Sự ảnh hưởng của tỉ số giữa tốc độ dụng cụ và tốc độ hàn đến độ bền kéo của mối hàn [40]

Tỉ số giữa tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ma sát và độ bền kéo của mối hàn Khi tỉ số này tăng, cả nhiệt độ ma sát và độ bền kéo đều tăng theo Tuy nhiên, để đạt được tỉ số này, khi tốc độ quay của dụng cụ tăng lên, tốc độ hàn cần phải giảm xuống.

2.3.3 Góc nghiêng của dụng cụ

Góc nghiêng của dụng cụ trong hàn ma sát khuấy là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến hiệu quả di chuyển dòng vật liệu từ phía trước ra phía sau của chốt hàn Một góc nghiêng hợp lý giúp vai dụng cụ tiếp xúc tốt với bề mặt phôi hàn, trong khi chiều sâu của chốt hàn cũng cần được cân nhắc kỹ lưỡng Nếu chiều sâu quá cạn, vai dụng cụ không thể tiếp xúc hiệu quả, dẫn đến việc di chuyển vật liệu không đạt yêu cầu Ngược lại, nếu chiều sâu quá lớn, vai dụng cụ sẽ tiếp xúc quá sâu vào phôi, gây ra mối hàn bị lõm và ảnh hưởng đến độ dày của tấm phôi Nhiều nghiên cứu cho thấy góc nghiêng tối ưu của dụng cụ nằm trong khoảng từ 1 - 2 độ, với 2 độ là phổ biến nhất.

Hình 2.17: Góc nghiêng của dụng cụ trong hàn ma sát khuấy [42]

Lực dọc trục đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì vị trí của dụng cụ trong quá trình hàn ma sát khuấy, giúp vai dụng cụ ma sát với bề mặt phôi để tạo nhiệt độ làm biến dạng dẻo vật liệu, giữ cho vật liệu không bị tách rời khỏi mối hàn Ngoài ra, lực dọc trục cũng ảnh hưởng đến độ sâu của chốt hàn, nhiệt độ, độ bền kéo và sự hình thành các khuyết tật trong mối hàn.

Hình 2.18: Lực dọc trục trong hàn ma sát khuấy [45]

Trong hàn ma sát khuấy, lực dọc trục bị ảnh hưởng bởi các thông số như tốc độ quay của dụng cụ, tốc độ hàn và kích thước của dụng cụ hàn Tăng tốc độ quay của dụng cụ sẽ làm tăng nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc, khiến vật liệu mềm hơn và giảm lực dọc trục Ngược lại, khi tốc độ hàn thấp, thời gian tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi hàn kéo dài, dẫn đến nhiệt ma sát cao hơn, ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu.

Khi hàn ở tốc độ thấp, lực dọc trục sẽ nhỏ hơn so với hàn ở tốc độ cao do nhiệt ma sát giảm, dẫn đến vật liệu bị biến dạng dẻo ít hơn Ngoài ra, sự ảnh hưởng của dụng cụ hàn đến lực dọc trục cho thấy rằng khi đường kính của vai dụng cụ tăng, lực dọc trục cũng tăng theo Mối quan hệ này được thể hiện rõ trong hình 2.19.

Hình 2.19: Quan hệ giữa đường kính vai dụng cụ và lực dọc trục [51]

Sự phân bố nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát khuấy

Trong quá trình hàn ma sát khuấy, vật liệu bị biến dạng dẻo do nhiệt sinh ra từ chuyển động xoay của dụng cụ và ma sát giữa dụng cụ với bề mặt vật liệu Hai yếu tố này làm tăng nhiệt độ trong và xung quanh khu vực khuấy, ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tế vi và đặc tính cơ học của mối hàn Việc xác định nhiệt độ trong khu vực khuấy là thách thức lớn, do sự biến dạng dẻo của vật liệu dưới tác động của chuyển động xoay và tịnh tiến của dụng cụ Do đó, nhiệt độ cao nhất trong khu vực khuấy có thể được ước lượng thông qua cấu trúc tế vi của mối hàn.

[52], hoặc có thể sử dụng cặp nhiệt độ (thermocouples) đính vào vị trí gần kề với khu vực nơi có sự tiếp xúc giữa chốt khuấy và vật liệu [33]

Qua nhiều nghiên cứu và thí nghiệm về sự phân bố nhiệt độ trong hàn ma sát, hầu hết các kết quả cho thấy sự phân bố nhiệt độ giữa hai bên mối hàn là không đối xứng Cụ thể, nhiệt độ thường cao hơn một chút ở bên tiến (AS - Advancing).

28 side) của dụng cụ so với nhiệt độ ở bên lùi (RS - Retreting side) của dụng cụ [52 -

Sự phân bố nhiệt độ không đều giữa hai bên của mối hàn chủ yếu do lực cản của vật liệu ở bên tiến của dụng cụ chưa được hàn, dẫn đến nhiệt độ thấp hơn Đồng thời, chiều xoay của dụng cụ ở bên tiến di chuyển cùng hướng với hướng hàn, tạo ra ma sát lớn giữa dụng cụ và vật liệu hàn, làm tăng nhiệt sinh ra Nhiệt độ cao nhất trong khu vực mối hàn thường nằm dưới điểm nóng chảy của nhôm, trong khi bề mặt trên của mối hàn, nơi tiếp xúc giữa vai dụng cụ và bề mặt vật liệu, có nhiệt độ cao nhất Nhiệt độ tăng từ tâm của vai dụng cụ đến cạnh và giảm dần khi khoảng cách từ tâm tăng lên.

Hình 2.20: Phân bố nhiệt độ trong hàn ma sát khuấy [54]

Sự phân bố nhiệt độ trong hàn ma sát khuấy chịu ảnh hưởng chủ yếu từ tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn Nhiệt độ tối đa sẽ tăng khi tốc độ quay của dụng cụ gia tăng, trong khi tốc độ hàn được cố định hoặc giảm Ngoài ra, tỉ số giữa tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn cũng có thể làm tăng nhiệt độ Vai dụng cụ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra nhiệt, với việc tăng đường kính vai dụng cụ dẫn đến tăng diện tích tiếp xúc và mở rộng sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt mối hàn Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc tế vi và các đặc tính cơ học của mối hàn, do đó cần tối ưu hóa các thông số để cải thiện sự phân bố nhiệt độ.

29 sẽ góp phần nâng cao chất lượng của mối hàn.

Sự hình thành cấu trúc tế vi trong mối hàn ma sát khuấy

Sự biến dạng dẻo của vật liệu kết hợp với nhiệt độ cao đã dẫn đến sự kết tinh và phát triển cấu trúc tinh thể trong và xung quanh vùng khuấy Dựa vào đặc tính cấu trúc vi mô của hạt và các chất lắng động, cấu trúc vi mô của mối hàn ma sát khuấy được phân chia thành ba vùng: vùng khuấy (Stirred/Nugget zone) và vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo-mechanically affected zone).

Khu vực mối hàn bao gồm vùng mối hàn (TMAZ) và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), trong đó sự thay đổi cấu trúc tế vi ở các vùng này ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính cơ học của mối hàn Các vùng cấu trúc tế vi khác nhau trong mối hàn ma sát khuấy được minh họa rõ ràng trong hình 2.21.

Hình 2.21: Các vùng cấu trúc tế vi [33]

2.5.1 Vùng khuấy (Stirred zone hoặc Nugget zone, được ký hiệu là SZ hoặc NZ)

Vùng khuấy là khu vực có sự biến dạng dẻo mạnh mẽ của vật liệu dưới tác động của nhiệt độ cao, dẫn đến quá trình kết tinh lại Kết quả là cấu trúc vi mô của vùng khuấy có hạt mịn hơn so với các vùng khác, trong khi các hạt trong vùng kết tinh lại thường có mật độ xáo trộn thấp.

Hình dạng của vùng khuấy trong quá trình hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thông số hàn, dụng cụ hàn, nhiệt độ của phôi và tính dẫn nhiệt của vật liệu Vùng khuấy chủ yếu có hai hình dạng chính: dạng lòng chảo mở rộng gần bề mặt trên và dạng elip Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi tốc độ quay của dụng cụ giảm xuống khoảng 300, nó có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc tế vi của nhôm đúc A536.

500 vòng/phút thì vùng khuấy có dạng lòng chảo, và vùng khuấy có dạng elip khi tốc

30 độ quay của dụng cụ cao hơn 700 vòng/phút [33]

Hình 2.22: Hình dạng của vùng khuấy trong hàn ma sát khuấy [33]

Kích thước hạt trong quá trình kết tinh của hàn ma sát khuấy bị ảnh hưởng bởi các thông số hàn, tính chất vật liệu, nhiệt độ phôi và chế độ làm nguội Nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát khuấy, chủ yếu do tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn quyết định, làm tăng kích thước hạt khi nhiệt độ tăng Cụ thể, khi tốc độ quay của dụng cụ gia tăng, kích thước hạt cũng sẽ tăng theo.

Khi tăng tốc độ hàn và giữ cố định tốc độ quay của dụng cụ, kích thước hạt sẽ giảm Hơn nữa, kích thước hạt cũng bị ảnh hưởng bởi dụng cụ hàn; nếu đường kính của vai dụng cụ nhỏ, nhiệt độ tạo ra sẽ thấp hơn, dẫn đến kích thước hạt nhỏ hơn.

2.5.2 Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo-mechanically affected zone, được ký hiệu là TMAZ)

Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (TMAZ) nằm giữa vật liệu cơ bản và vùng khuấy (SZ) trong quá trình hàn ma sát khuấy TMAZ chịu tác động của nhiệt độ và biến dạng, dẫn đến cấu trúc bị biến dạng cao Mặc dù trải qua biến dạng dẻo, quá trình kết tinh không diễn ra trong vùng này, và các hạt trong TMAZ có mật độ ranh giới hạt rất cao.

2.5.3 Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat-affected zone, được ký hiệu là HAZ)

Ngoài vùng ảnh hưởng cơ nhiệt, còn tồn tại vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ), nơi chịu tác động của nhiệt độ mà không trải qua quá trình biến dạng dẻo Đối với các hợp kim có khả năng xử lý nhiệt, vùng này có thể chịu nhiệt độ lên đến 250 oC mà vẫn giữ được cấu trúc hạt ổn định.

31 tương tự như vật liệu cơ bản Tuy nhiên khi nhiệt độ vượt quá 250 o C thì sẽ ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc hạt [33].

Các lỗi thường xuất hiện trong mối hàn ma sát khuấy

2.6.1 Mối hàn xuất hiện lỗ rỗng bên trong và xuyên suốt đường hàn (Tunnel defects)

Lỗi mối hàn với lỗ rỗng bên trong và xuyên suốt là một vấn đề phổ biến trong hàn ma sát khuấy Nguyên nhân chính của lỗi này là do thiết lập không đúng các thông số hàn như tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến của dụng cụ hàn, dẫn đến việc không tạo ra đủ nhiệt độ để vật liệu có thể biến dạng dẻo Hệ quả là quá trình khuấy trộn của chốt hàn không đạt hiệu quả, làm giảm chất lượng liên kết của dòng vật liệu.

Để khắc phục lỗi lỗ rỗng bên trong mối hàn, có thể giảm tốc độ tịnh tiến của dụng cụ hàn nhằm tăng thời gian ma sát giữa dụng cụ và vật liệu, từ đó tạo ra nhiệt độ cao hơn Việc duy trì nhiệt độ trong quá trình biến dạng dẻo của vật liệu hàn cũng giúp cải thiện quá trình khuấy trộn của chốt hàn Một phương pháp khác là tăng đường kính của vai dụng cụ hàn, điều này sẽ mở rộng diện tích tiếp xúc giữa vai dụng cụ và bề mặt vật liệu hàn, dẫn đến nhiệt độ ma sát sinh ra cao hơn.

2.6.2 Mối hàn bị quá nhiệt (Flash defects)

Hiện tượng quá nhiệt trong quá trình hàn xảy ra khi tốc độ quay của chốt hàn quá cao, dẫn đến nhiệt độ ma sát tăng cao, làm cho vật liệu hàn bị biến dạng dẻo quá mức và chảy ra mép vai dụng cụ Ngoài ra, chiều dài chốt hàn quá dài hoặc thiết lập chiều sâu chốt hàn quá lớn cũng có thể gây ra lỗi quá nhiệt.

[61] Để khắc phục lỗi quá nhiệt thì cần tạo một góc nghiêng hợp lý giữa dụng cụ và bề

Mặt phôi 32 giúp giảm ma sát giữa dụng cụ và bề mặt vật liệu hàn, đồng thời cho phép vật liệu chảy dẻo có góc thoát được lấp đầy trong vùng khuấy của mối hàn Phần vật liệu chảy dẻo còn lại sẽ được đẩy về phía bên lùi của mối hàn.

Hình 2.24: Lỗi quá nhiệt trong hàn ma sát khuấy [62]

2.6.3 Mối hàn bị lẫn ôxit (Kissing bond defects or zigzag defects)

Khi tốc độ hàn quá cao hoặc tốc độ quay của dụng cụ quá thấp, hiệu quả khuấy trộn dòng vật liệu giảm do nhiệt độ ma sát thấp, dẫn đến việc không thể khuếch tán lớp ôxit nhôm tự nhiên Điều này làm cho các hạt vỡ ra, tạo thành các đường ngoằn ngoèo giống như cung elip hoặc đường zigzag, từ đó hạn chế khả năng liên kết của mối hàn Khuyết tật này ảnh hưởng lớn đến độ bền của mối hàn, và trong các thí nghiệm kiểm tra độ bền kéo, vết nứt phá hủy thường theo hình dạng của khuyết tật.

Để hạn chế khuyết tật xuất hiện các đường ôxit nhôm ngoằng ngoèo trong mối hàn, cần tăng tốc độ hàn hoặc giảm tốc độ quay Khi tốc độ quay đủ lớn, nhiệt độ ma sát cao sẽ cải thiện khả năng khuấy trộn, tăng cường khuếch tán các hạt ôxit nhôm, từ đó giảm thiểu khuyết tật Việc kiểm soát và điều chỉnh các thông số hàn là rất quan trọng để loại bỏ các đường ngoằng ngoèo và nâng cao cơ tính của mối hàn.

2.6.4 Mối hàn xuất hiện lỗi giống như vết nứt (rack-like root defects)

Lỗi hàn thường xuất hiện do nhiệt ma sát không đủ hoặc lớp ôxit trên bề mặt chưa được phá vỡ hoàn toàn Chiều dài chốt hàn ngắn cũng góp phần gây ra khuyết tật, thường thấy ở bên tiến của chốt hàn Một góc nghiêng quá lớn có thể khiến vai dụng cụ không nén được dòng vật liệu bị biến dạng dẻo, dẫn đến khuyết tật Để khắc phục, cần lựa chọn thông số hàn phù hợp nhằm đảm bảo nhiệt độ đủ, điều chỉnh chiều dài chốt hàn tương ứng với độ dày vật liệu và điều chỉnh góc nghiêng của chốt hàn một cách hợp lý.

Hình 2.26: Khuyết tật giống như vết nứt trong mối hàn do chiều dài chốt hàn quá ngắn [61]

CHẾ TẠO MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY VÀ QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM

Chuẩn bị

Vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu mối hàn là tấm hợp kim nhôm 5083, với thành phần hóa học và đặc tính cơ học được trình bày trong bảng 1.1 và bảng 1.2 Kích thước mẫu thí nghiệm là 80×250×3 mm Để đảm bảo chất lượng mối hàn tốt, cần phải đảm bảo rằng phần cạnh của hai tấm vật liệu tại vị trí mối ghép có độ phẳng, nhằm tạo ra sự tiếp xúc tối ưu giữa chúng.

Hình 3.1: Vật liệu và kích thước mẫu thí nghiệm 3.1.2 Máy hỗ trợ chế tạo mối hàn ma sát khuấy

Trong nghiên cứu này, mối hàn ma sát khuấy sẽ được chế tạo với sự hỗ trợ của máy phay đứng CNC Mazak V550, được sử dụng tại Đại học Nha Trang Hình ảnh của máy phay đứng CNC Mazak V550 được trình bày trong hình 3.2.

35 các thông số cơ bản của máy được thể hiện trong bảng 3.1

Hình 3.2: Máy phay đứng CNC Mazak V550 Bảng 3.1: Các thông số cơ bản của máy phay đứng CNC Mazak V550

Thông số kỹ thuật Giá trị

Kích thước bàn máy (mm) 550x1400

Hành trình theo trục X (mm) 1050

Hành trình theo trục Y (mm) 560

Hành trình theo trục Z (mm) 550

Tốc độ hành trình theo trục X và Y (m/phút) 24

Tốc độ hành trình theo trục Z (m/phút) 15

Tốc độ cắt (mm/phút) 1÷5000 Đầu BT 50

Tốc độ trục chính (vòng/phút) 25÷3500

Motor trục chính 35/30 HP AC

3.1.3.1 Hình dáng và kích thước dụng cụ

Nghiên cứu này tiến hành thử nghiệm hai loại dụng cụ hàn khác nhau để xác định dụng cụ hàn phù hợp nhất Hình dáng và kích thước của từng dụng cụ hàn được mô tả một cách chi tiết.

Hình 3.3: Hình ảnh và các kích thước cơ bản của dụng cụ hàn

Bảng 3.2: Các thông số cơ bản của dụng cụ hàn

Thông số Chốt D20 - a Chốt D16 - b Đường kính vai (mm) 20±0,2 16±0,2 Đường kính chốt (mm) 5±0,2 4±0,2

Dụng cụ hàn được chế tạo từ thép dụng cụ H13, với thành phần hóa học được nêu trong bảng 3.3 Trước khi tiến hành hàn, dụng cụ này trải qua quá trình xử lý nhiệt và kiểm tra để đảm bảo đạt độ cứng cần thiết.

Bảng 3.3: Thành phần hóa học của thép dụng cụ H13 (AISI) [64]

Nguyên tố C Cr Ni Si Mn Mo V S P

Quá trình chế tạo mối hàn

Trong thí nghiệm, bàn gá phẳng được điều chỉnh nghiêng khoảng 2 độ so với bàn máy, nhằm tạo ra góc nghiêng cho dụng cụ hàn so với bề mặt phôi Hình ảnh chi tiết về bàn gá trong quá trình chế tạo mối hàn được trình bày trong hình 3.4.

Hình 3.4: Sơ đồ bàn gá 3.2.1.2 Gá phôi

Phôi hàn được đặt cố định bằng đồ gá chuyên dụng, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì độ ổn định trong quá trình hàn Sự ổn định này góp phần tạo ra mối hàn chất lượng cao Hình 3.5 minh họa quá trình gá đặt phôi trong thí nghiệm.

Hình 3.5: Gá đặt phôi hàn

Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của hai thông số chính: tốc độ quay của dụng cụ ω (vòng/phút) và tốc độ tịnh tiến của chốt hàn v (mm/phút) Dựa vào tài liệu tham khảo và kinh nghiệm trong chế tạo mối hàn, thí nghiệm sẽ khảo sát sự kết hợp của hai thông số này ở nhiều chế độ khác nhau Tốc độ quay của dụng cụ được chọn là ω = 400 và 700 vòng/phút, trong khi tốc độ tịnh tiến của chốt hàn sẽ được khảo sát trong khoảng v = 100 ÷ 600 mm/phút Các chế độ hàn trong quá trình thí nghiệm được trình bày trong bảng 3.4.

Bảng 3.4: Các chế độ hàn được thí nghiệm

Sau khi hoàn tất các bước chuẩn bị và gá đặt, quá trình chế tạo mối hàn sẽ được tự động hóa với sự hỗ trợ của máy phay đứng CNC Các bước chế tạo mối hàn bao gồm: (1) điều chỉnh chốt hàn tại vị trí tâm của mối nối, (2) di chuyển chốt hàn xuống phôi hàn với độ sâu xác định, (3) di chuyển chốt hàn dọc theo mối nối để tạo mối hàn với tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến đã được lập trình, và (4) kết thúc quá trình bằng cách di chuyển chốt hàn lên, tạo ra mối hàn hoàn chỉnh.

39 ra mối hàn liên tục liên kết hai tấm vật liệu với nhau

Các mối hàn được chế tạo ở các chế độ khác nhau được thể hiện cụ thể trong hình 3.7

Hình 3.6: Quy trình chế tạo mối hàn ma sát khuấy

D16 - ω/ v = 700/500 (vòng/mm) Hình 3.7: Một số mối hàn sau khi chế tạo ở nhiều chế độ khác nhau

Quá trình thí nghiệm kiểm tra chất lượng mối hàn

3.3.1 Các thiết bị sử dụng trong quá trình thí nghiệm

3.3.1.1 Máy đánh bóng bề mặt MA-PP-200M

Máy được sử dụng để đánh bóng bề mặt, nhằm kiểm tra chất lượng mối hàn và tạo ra bề mặt mẫu tốt cho việc quan sát cấu trúc tế vi qua kính hiển vi kim loại sau khi tẩm thực Hình ảnh và thông số kỹ thuật của máy được trình bày trong bảng 3.5.

Hình 3.8: Máy đánh bóng bề mặt MA-PP-200M Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật máy đánh bóng bề mặt MA-PP-200M

Hãng sản xuất Moatech – Hàn Quốc

Năm sản xuất 2004 Đường kính đĩa 200, 250 mm

Tốc độ quay của trục 100÷1500 vòng/phút

Tốc độ quay của đĩa 30÷600 vòng/phút (có thể điều chỉnh)

3.3.1.2 Camera quan sát khuyết tật của mối hàn Để kiểm tra các khuyết tật xuất hiện trong mối hàn sau khi mối hàn được đánh bóng và tẩm thực, ngoài việc quan sát bằng mắt thường đối với các khuyết tật có kích thước lớn thì các khuyết tật nhỏ có thể quan sát trực tiếp qua camera có độ phóng đại 1000x và được kết nối với máy tính thông qua cổng USB, với độ phóng đại lớn các khuyết tật có thể được phát hiện và xác định vị trí dễ dàng Hình ảnh cụ thể camera

41 được thể hiện trong hình 3.9

Hình 3.9: Camera quan sát bề mặt mối hàn

3.3.1.3 Máy ăn mòn điện hóa ElectroMet 4 Để có thể quan sát được rõ cấu trúc tế vi của mối hàn, phương pháp ăn mòn điện hóa được sử dụng với sự hỗ trợ của máy điện hóa ElectroMet 4 Phương pháp ăn mòn điện hóa giúp rút ngắn thời gian thí nghiệm và hình ảnh cấu trúc rõ nét hơn Hình ảnh máy điện hóa ElectroMet 4 được thể hiện trong hình 3.10 và các thông số kỹ thuật của máy được thể hiện trong bảng 3.6

Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật máy điện hóa ElectroMet 4

Gồm 2 chế độ đánh bóng và tẩm thực

Thời gian hoạt động 1÷60 phút Điện áp 220-240V,

3.3.1.4 Kính hiển vi kim loại Olympus-CK40M Để qua sát cấu trúc tế vi của mối hàn sau khi tẩm thực bằng phương pháp ăn mòn điện hóa, kính hiển vi Olympus-CK40M có camera được sử dụng và được kết nối với máy tính qua USB Hình ảnh kính hiển vi Olympus-CK40M được thể hiện trong hình 3.11 và các thông số kỹ thuật được thể hiện trong bảng 3.7

Hình 3.11: Kính hiển vi Olympus-CK40M Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của kính hiển vi kim loại Olympus-CK40M

Hãng sản xuất Olympus – Nhật Độ phóng đại 100÷2400 lần

Hành trình bàn di chuyển 160×250 mm Độ phóng đại của thị kính 10x, 20x, 30x Độ phóng đại của vật kính 10x, 20x, 50x, 80x

3.3.1.5 Các hóa chất tẩm thực bề mặt Để có thể quan sát các khuyết tật xuất hiện trong mối hàn và quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn tại mặt cắt ngang sau khi được đánh bóng thì các hóa chất được sử dụng tẩm thực bao gồm: axit hydrochloric (HCl), axit nitric (HNO3), axit phosphoric (H3PO4), axit hydrofuoric (HF) Hình ảnh các hóa chất sử dụng trong quá trình thí nghiệm được thể hiện trong hình 3.12

Hình 3.12: Các loại hóa chất được dùng để tẩm thực

3.3.1.6 Máy đo độ cứng Rockwell AR 10

Máy đo độ cứng Rockwell AR 10 được sử dụng để xác định độ cứng ở nhiều vùng khác nhau tại mặt cắt ngang của mối hàn Thông số kỹ thuật của máy được trình bày trong bảng 3.8.

Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật máy đo độ cứng Rockwell AR 10

Lực thử ban đầu 10 kg

Hình 3.13: Máy đo độ cứng

3.3.1.7 Máy kiểm tra độ bền kéo, độ bền uốn INSTRON-3366 Để kiểm tra độ bền kéo, uốn của mối hàn, thiết bị được sử dụng là máy kéo, nén Instron-3366 Thiết bị cho phép xuất kết quả thông qua việc kết nối với máy tính

Hình ảnh máy kéo, nén Instron-3366 (hình 3.14) và các thông số kỹ thuật được thể hiện trong bảng 3.9

Hình 3.14: Máy kéo, nén Instron-3366 Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật máy kéo, nén Instron-3366

Hãng sản suất Instron – Mỹ

Thang đo lực 100:1 Độ chính xác 0.5%

Lực kéo tối đa 10 kN

Tốc độ kéo tối đa 500 mm/phút

Phần mềm điều khiển Bluehill Lite (version 2.22)

3.3.1.8 Máy kiểm tra thí nghiệm độ bền va đập Tinius Olsen IT-406E Để thử độ bền va đập của mối hàn ở các vị trí khác nhau, thiết bị được sử dụng là máy va đập Tinius Olsen IT-406E Thông số máy va đập Tinius Olsen IT-406E được thể hiện trong bảng 3.10 và hình ảnh máy va đập Tinius Olsen IT-406E được thể hiện trong hình 3.15

Bảng 3.10: Thông số kỹ thuật máy va đập Tinius Olsen IT-406E

Hãng sản xuất Tinius Olsen – Mỹ

Chiều cao thả con lắc 1.5 m

Khối lượng con lắc 27 kg

Khối lượng máy 736 kg Hình 3.15: Máy va đập

3.3.2.1 Chọn số lượng mẫu và chế tạo mẫu thí nghiệm Để đạt được kết quả thí nghiệm chính xác thì việc bố trí, chọn số lượng mẫu và thiết kế, chế tạo mẫu là khâu rất quan trọng Dựa vào các thông số kỹ thuật của các thiết bị thí nghiệm thì mẫu thí nghiệm được thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM Số lượng mẫu thí nghiệm được thể hiện trong bảng 3.11 và bố trí mẫu thí nghiệm thể hiện cụ thể trong hình 3.16

Bảng 3.11: Số lượng mẫu thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm Số lượng Tiêu chuẩn

1 - Mẫu thử kéo 3 mẫu/chế độ hàn ASTM-E08

2 - Mẫu thử va đập 10 mẫu/chế độ hàn ASTM-E23

3 - Mẫu cấu trúc tế vi và độ cứng 1 mẫu/chế độ hàn

4 - Mẫu thử uốn 3 mẫu/chế độ hàn ASTM-E290

Hình 3.16: Bố trí các mẫu thí nghiệm trên mẫu hàn

Phương pháp chế tạo mẫu thí nghiệm được lựa chọn là cắt dây trên máy CNC nhằm đảm bảo độ chính xác tối đa và kết quả thí nghiệm chính xác nhất.

Hình 3.17: Chế tạo mẫu thí nghiệm bằng máy cắt dây CNC

3.3.2.2 Kiểm tra lỗi và quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn

Mẫu kiểm tra lỗi và cấu trúc tế vi của mối hàn được chế tạo theo kích thước và hình dạng cụ thể Để phát hiện lỗi trong mối hàn, mẫu sẽ được đánh bóng bằng máy đánh bóng bề mặt MA-PP-200M, sử dụng các loại giấy phù hợp.

Sau khi sử dụng giấy nhám với các kích thước 120, 600, 1000, 1500, 2000 và 3000, bề mặt được làm sạch và tẩm với dung dịch gồm 2 ml HF, 3 ml HCl, 20 ml HNO3 và 175 ml H2O Quá trình này sau đó được quan sát bằng camera với độ phóng đại 1000x.

Hình 3.18: Mẫu quan sát cấu trúc tế vi

Hình 3.19: Quan sát lỗi với camera phóng đại 1000x Để quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn mẫu tiếp tục được đánh bóng với giấy nhám

Để đạt được bề mặt sáng và không còn vết xước, mẫu được xử lý bằng 4000 và dung dịch Alumina (Al2O3) trên giấy nhám vải mịn Sau đó, mẫu được tiến hành ăn mòn điện hóa trên máy ElectroMet 4 với dung dịch gồm 105 ml H3PO4, 22,5 ml cồn (C2H5OH) và 32,5 ml thành phần khác.

H2O, cathode là thép không gỉ, dòng điện là 0,9 amp và thời gian điện hóa là 2,5 phút

Mẫu sau khi được điện hóa sẽ được trình bày trong hình 3.20 Sau quá trình ăn mòn điện hóa bề mặt, cấu trúc vi mô của mối hàn sẽ được quan sát bằng kính hiển vi kim loại Olympus CK40M.

Hình 3.20: Mẫu sau khi ăn mòn điện hóa bề mặt

3.3.2.3 Phân tích sự phân bố nhiệt độ trong mối hàn

Do hạn chế về thiết bị đo nhiệt độ, việc phân bố nhiệt độ trong mối hàn sẽ được mô phỏng bằng phần mềm Hyperworks Kết quả mô phỏng kết hợp với thí nghiệm thực tế sẽ giúp dự đoán ảnh hưởng của thông số hàn đến sự phân bố nhiệt độ, từ đó tối ưu hóa nhiệt độ phù hợp để tạo ra mối hàn chất lượng tốt.

 Thiết lập thông số tạo mô hình mô phỏng

Hình 3.21: Thiết lập các thông số cho mô hình mô phỏng

 Thiết lập các điều kiện và thông số hàn

Hình 3.22: Thiết lập các điều kiện và thông số hàn

 Gán vật liệu cho dụng cụ hàn và phôi hàn

Hình 3.23: Gán vật liệu cho dụng cụ hàn và phôi hàn

 Mô hình mô phỏng sau khi thiết lập thông số

Hình 3.24: Mô hình mô phỏng

Hình 3.25: Tiến hành mô phỏng

3.3.2.4 Đo độ cứng của mối hàn

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN