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 thành công 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: “Sự phát triển của kỹ thuật hàn ma sát khuấy cho hàn nhôm” vào năm 1992.

Hàn ma sát khuấy (FSW) là kỹ thuật hàn liên kết ở trạng thái rắn, ban đầu chủ yếu được áp dụng cho hợp kim nhôm Phương pháp này sử dụng một dụng cụ xoay đặc biệt với nhiệt độ nóng chảy cao hơn vật liệu hàn, gồm hai phần chính: phần chốt hàn và phần 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 xung quanh chốt hàn biến dạng dẻo Phần vai cũng tạo ra ma sát, cung cấp nhiệt độ và giữ cho vật liệu không bị tách rời Quá trình này cho phép di chuyển dòng vật liệu dẻo từ phía trước ra phía sau chốt hàn, tạo ra mối hàn liên tục Hiện nay, FSW đã tiến xa, không chỉ áp dụng cho hợp kim nhôm mà còn cho nhiều loại vật liệu khác như thép, đồng, kẽm, titan và composite kim loại, với khả năng hàn các vật liệu có 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 ứng dụng rộng rãi trong việc hàn các tấm nhôm panel cho tàu cao tốc và tàu thương mại Điển hình là tàu du lịch “The World” của Fosen Mek – Mỹ, đã sử dụng công nghệ này cho phần sàn của tàu Một ví dụ khác là tàu Supper Liner Ogsaware, thiết kế bởi Mitsui Engineering và đóng tại Nhật Bản, được công nhận là tàu lớn nhất ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy, với khả năng đạt tốc độ 42,8 hải lý/giờ và vận chuyển tới 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 được thực hiện một cách nghiêm ngặt Các yêu cầu đặc biệt bao gồm tính nhẹ và độ bền cao, khiến hợp kim nhôm trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng này.

Hợp kim nhôm, mặc dù là sự lựa chọn hàng đầu trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, nhưng có nhược điểm là tính chịu hàn kém Công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW) đã khắc phục những khó khăn mà các phương pháp hàn truyền thống gặp phải Tàu vũ trụ Orion của NASA đã ứng dụng FSW để hàn nối hai mô-đun của 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 này với 128 m đường hàn cho mỗi khung máy bay, thay thế khoảng 7.000 đinh tán TWI cũng đã hỗ trợ Embraer trong việc giới thiệu 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 (FSW) được áp dụng rộng rãi để chế tạo các chi tiết cho ô tô và tàu lửa Cụ thể, hãng Ford của Mỹ đã sử dụng công nghệ FSW để sản xuất một bộ phận cho xe hơi bằng hợp kim nhôm Tương tự, hãng Hitachi của Nhật Bản đã áp dụng FSW 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 vượt bậc và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Hiện nay, FSW không chỉ giới hạn ở hợp kim nhôm mà còn có thể hàn các vật liệu như thép, thép hợp kim, titan, đồng, và nhiều kim loại khác.

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

Khi hàn tấm hợp kim AZ61A dày 6 mm với tốc độ 150 mm/phút, nghiên cứu cho thấy rằng tại tốc độ hàn 90 mm/phút và tốc độ quay dụng cụ 1200 vòng/phút, lực dọc trục 5 kN cho độ bền kéo cao nhất đạt 224 MPa (tương đương 83% so với vật liệu nền) Cấu trúc tế vi của mối hàn ở tốc độ này có hạt nhỏ và mịn hơn so với các mối hàn ở tốc độ khác Điều này cho thấy tốc độ hàn ảnh hưởng đáng kể đến việc hình thành 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 hai thông số hàn quan trọng là tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn, áp dụng cho hai loại chốt hàn khác nhau: chốt hàn dạng côn và chốt hàn dạng trụ Nghiên cứu này nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số này đến chất lượng mối hàn.

Nghiên cứu cho thấy rằng ở tốc độ quay của dụng cụ 2000 vòng/phút và tốc độ hàn 28 mm/phút, mối hàn hình thang đạt chất lượng cơ tính tốt nhất RajKumar và các cộng sự đã khảo sát ảnh hưởng của dụng cụ hàn và thông số hàn trong quá trình hàn ma sát khuấy hai hợp kim nhôm AA5052 và AA6061 Trong nghiên cứu, tốc độ quay được cố định ở 710 vòng/phút, với tốc độ hàn là 20 mm/phút và 28 mm/phút Kết quả cho thấy cấu trúc tế vi của mối hàn tốt nhất ở tốc độ hàn thấp hơn, trong khi độ bền của mối hàn tương đương ở cả hai tốc độ, nhưng độ dẻo dai cao hơn ở tốc độ hàn thấp 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, cao hơn đáng kể 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 ảnh hưởng của thông số hàn đến tính chất cơ học khi hàn ma sát khuấy trên tấm hợp kim nhôm AA6063-T5, với độ dày 5 mm Nghiên cứu cho thấy 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 Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng nhiệt độ hàn tỉ lệ thuận với tỉ số này; khi tỉ số nhỏ, mối hàn có độ bền kéo cao hơn Đặc biệt, các vết nứt do kéo đều nằm ngoài vùng khuấy, ở hai bên tiến hoặc lùi của dụng cụ, nơi có 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 mối hàn ma sát khuấy trên tấm hợp kim nhôm AA7075 dày 4 mm Tác giả đã khảo sát nhiều chế độ hàn, tập trung vào hai thông số chính: tốc độ quay của chốt hàn và tốc độ hàn Kết quả cho thấy, khi tỉ số giữa tốc độ quay của chốt hàn và tốc độ hàn nằm trong khoảng 4,0 - 10,0 vòng/mm, mối hàn đạt chất lượng cao nhất 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 tiếp tục 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 hàn, góc nghiêng và lực ép, nhằm cải thiện hiệu suất hàn Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết quan trọng về quy trình hàn nhôm, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm.

Tác giả đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của ba thông số quan trọng: 8 quay của dụng cụ, vận tốc hàn và góc nghiêng đầu dao trên tấm hợp kim nhôm 5052 Mục tiêu là tìm ra bộ thông số tối ưu để tạo ra mối hàn có chất lượng tốt nhất trong nhiều chế độ khác nhau.

Bùi Xuân Vương và các cộng sự tại Đại học Tôn Đức Thắng đã nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ hàn ma sát khuấy đến tính chất ăn mòn của hợp kim Mg-5Al Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết quan trọng về cách tối ưu hóa quá trình hàn để cải thiện độ bền và khả năng chống ăn mòn của hợp kim này.

Năm 2017, tác giả đã tiến hành nghiên cứu về tấm hợp kim Mg-5Al thông qua công nghệ hàn ma sát khuấy với tốc độ hàn từ 0 đến 80 mm/phút Bằng cách sử dụng kỹ thuật điện hoá và phân tích bề mặt, kết quả thực nghiệm cho thấy rằng tốc độ hàn cao mang lại sự cải thiện đáng kể về 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 xuất sắc nhờ vào thành phần chứa nhiều 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 một trong những phương pháp hàn phổ biến Mặc dù hiện nay có nhiều phương pháp hàn khác nhau, hàn ma sát khuấy là một phương pháp mới, đã chứng minh hiệu quả trong việc hàn các hợp kim nhôm.

Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định thông số hàn thích hợp cho hợp kim nhôm 5083 có độ dày 3 mm, nhằm tạo ra mối hàn giáp mí chất lượng cao Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu trước đây về hợp kim nhôm 5083 với độ dày từ 4 mm trở lên, nhưng việc lựa chọn thông số hàn phù hợp vẫn là yếu tố quyết định đến chất lượng mối hàn Kết quả của nghiên cứu sẽ được ứng dụng trong việc chế tạo vỏ tàu cao tốc.

1.5.2 Ý nghĩa của nghiên cứu đề tài

Nghiên cứu này nhằm xác định bộ thông số hàn tối ưu để tạo ra mối hàn chất lượng cao cho hợp kim nhôm 5083 với độ dày 3 mm Kết quả sẽ cung cấp thêm thông số hàn mới, phục vụ như tài liệu 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, mặc dù chưa phổ biến tại Việt Nam Tuy nhiên, những kết quả nghiên cứu hứa hẹn sẽ thu hút sự quan tâm hơn trong tương lai Công nghệ này có tiềm năng lớn để được ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo, giúp khai thác tối đa hiệu quả mà nó mang lại.

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 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 phân tích 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 Do hạn chế về thời gian và điều kiện nghiên cứu, nội dung chính sẽ được tập trung vào các yếu tố này.

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 và thiết bị hiện đại Nghiên cứu này sẽ khảo sát các chế độ hàn khác nhau, tập trung vào hai thông số chính: 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 thiện mối hàn, việc nghiên cứu các đặc tính và ứng xử cơ học của nó là rất quan trọng Các nghiên cứu này bao gồm phân tích cấu trúc tế vi, kiểm tra độ cứng, độ bền kéo, độ bền uốn và khả năng chịu va đập của mối hàn Các thí nghiệm này thường 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 của nhôm với các nguyên tố 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 dựa trên tiêu chuẩn của Mỹ và thành phần hóa học chính được trình bày 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 khả năng chống ăn mòn, với hàm lượng tối đa không vượt quá 5,5% trong hợp kim nhôm Trong khi đó, Kẽm (Zn) giúp tăng độ cứng cho hợp kim, nhưng hợp kim Al-Zn lại dễ bị nứt nóng và ăn mòn Để khắc phục những nhược điểm này, thường có sự kết hợp với các nguyên tố khác như magiê (Mg) và đồng (Cu).

Mangan (Mn) không chỉ tăng độ cứng và độ bền nhiệt cho hợp kim nhôm mà còn cải thiện khả năng chống ăn mòn Nguyên tố mangan thường được bổ sung cho hợp kim nhóm 3xxx, kết hợp với magiê (Mg) để nâng cao tính chất cơ học của vật liệu.

Silic (Si) là một nguyên tố quan trọng trong hợp kim nhôm, giúp tăng độ cứng và giảm khả năng nứt, gãy, đặc biệt trong hợp kim nhôm-magiê-đồng (Al-Mg-Cu) Việc bổ sung silic vào hợp kim nhôm đúc không chỉ nâng cao khả năng chống mài mòn mà còn có thể đạt hàm lượng lên đến 23% Đối với các hợp kim nhôm nhóm 5xxx, trong đó có hợp kim nhôm 5083, magiê (Mg) là nguyên tố chiếm hàm lượng cao nhất bên cạnh các nguyên tố khác như đồng (Cu), kẽm (Zn), mangan (Mn), sắt (Fe), silic (Si), titan (Ti) và crôm (Cr) Sự kết hợp này mang lại cho hợp kim nhôm 5083 độ bền, độ cứng tốt và 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 Hình 2.1 minh họa các phương pháp hàn phổ biến cho hợp kim nhôm Đối với hợp kim nhôm 5083, có thể sử dụng cả hàn nóng chảy và hàn ma sát khuấy Tuy nhiên, khi áp dụng hàn nóng chảy, cần đạt nhiệt độ cao để loại bỏ lớp nhôm ôxit bảo vệ.

Phương pháp 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 Thay vào đó, lớp ôxit có thể được tách ra nhờ chuyển động cơ học của dụng cụ hàn Kết quả là, mối hàn có thành phần cấu tạo gần như tương đương với vật liệu nền, dẫn đến các đặc tính cơ học của mối hàn gần như giống hệt 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, đạt 290 MPa, với độ bền kéo tối thiểu là 70 MPa (nhóm 1xxx) và tối đa là 700 MPa (nhóm 7xxx) Độ dãn dài của nhóm hợp kim này khá cao, với hợp kim 5083 đạt 25% Độ bền mỏi của hợp kim nhôm 5xxx cũng ở mức trung bình, trong khi nhóm 7xxx có độ bền mỏi cao nhất Tuy nhiên, khả năng chống ăn mòn của nhóm hợp kim nhôm 5xxx khá tốt, chỉ đứng sau nhóm 1xxx và 3xxx Thông tin chi tiết về độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn của các hợp kim nhôm được minh họa 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 chúng 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 phương pháp điện hóa tạo ra lớp ôxit dày trên bề mặt hợp kim nhôm, giúp tăng cường độ cứng cho vật liệu Điều này cho phép hợp kim nhôm thay thế thép nặng nề và đắt đỏ, đồng thời lớp ôxit dày còn mang lại khả năng chống ăn mòn vượt trội cho hợp kim nhôm.

[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 gồm hai phần chính: phần vai và phần chốt hàn Chức năng chính của dụng cụ là tạo nhiệt từ ma sát với vật liệu nền, giúp biến dạng dẻo và liên kết vật liệu trong vùng khuấy để hình thành mối hàn Chốt hàn có vai trò tạo ra nhiệt ma sát, biến dạng dẻo vật liệu và khuấy trộn dòng vật liệu ở trạng thái dẻo, trong khi vai dụng cụ bổ sung nhiệt 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 chủ yếu được chia thành ba loại: loại cố định không cho phép điều chỉnh chiều dài chốt hàn, loại có thể điều chỉnh chiều dài chốt hàn, và loại tự phản ứng với một chốt hàn và hai vai có thể điều chỉnh khoảng cách giữa hai vai 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 vật liệu có độ dày nhất định, và khi chốt hàn bị mòn hay 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 khác nhau, và chốt hàn cùng vai dụng cụ có thể được thay thế dễ dàng khi hư hỏng Đối với dụng cụ hai vai (bobbin type tool), có khả năng hàn vật liệu dày nhờ điều chỉnh chiều dài chốt hàn và khoảng cách giữa hai vai, nhưng chỉ hàn vuông góc với bề mặt phôi, không như các loại 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: phần vai dụng cụ và phần chốt hàn Chất liệu chế tạo hai phần này có thể giống hoặc khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng, và hình dáng của chúng cũng rất đa dạng Việc lựa chọn hình dạng cho chốt hàn và vai dụng cụ phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu hàn cũng như kinh nghiệm của người sử dụng Hình dáng phù hợp cho vai dụng cụ và chốt hàn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng của mối hàn ma sát khuấy.

Vai dụng cụ được thiết kế để cung cấp nhiệt ma sát trên bề mặt phôi, tạo ra lực ép nhằm ổn định vật liệu biến dạng dẻo bên dưới Một số hình dạng của vai dụng cụ bao gồm bề mặt ngoài và mặt đầu, thường được sử dụng trong hàn ma sát khuấy, như thể hiện 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 rất phổ biến nhờ vào tính dễ chế tạo Tuy nhiên, nghiên cứu của Y Tozaki và các cộng sự cho thấy vai dụng cụ với mặt đầu dạng xoắn mang lại hiệu quả cao hơn khi thực hiện hàn ma sát khuấy trên tấm hợp kim nhôm 6061-T4, cả về cấu trúc mối hàn lẫn độ bền tĩnh Đặc biệt, vai có mặt đầu lõm với góc nghiêng từ 6 - 10 độ giúp giảm hiện tượng đùn vật liệu dẻo ra hai bên, tạo ra mối hàn chất lượng tốt nhờ vào việc vật liệu biến dạng dẻo có thể thoát vào khoảng trống giữa bề mặt lõm và tấm phôi, đồng thời được khuấy trộn nhờ chuyển động xoay của chốt hàn Ngược lại, vai có mặt đầu lồi không hiệu quả bằng vai lõm, vì nó thường đẩy vật liệu ra khỏi chốt hàn, làm yếu liên kết của dòng vật liệu biến dạng dẻo; vai lồi chỉ phù hợp với 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 chủ yếu phụ thuộc vào chốt hàn Việc lựa chọn hình dáng chốt hàn cũng ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng mối hàn Trong hàn ma sát khuấy, chốt hàn có thể có nhiều hình dạng khác nhau như dạng trụ tròn, dạng trụ, dạng côn, và mặt đầu của chốt hàn cũng đa dạng về hình thức.

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 được sử dụng phổ biến vì dễ chế tạo và có khả năng hàn với tấm vật liệu dày đến 12 mm Đối với tấm vật liệu dày hơn, chốt hàn có bề mặt côn thường được ưa chuộng Ngoài ra, chốt hàn có ren cũng được đánh giá cao vì khả năng sinh nhiệt ma sát hiệu quả trong quá trình biến dạng dẻo, giúp tăng cường khả năng khuấy trộn dòng vật liệu và cải thiện chất lượng mối hàn.

Đối với các vật liệu dày, việc thay đổi chốt hàn là cần thiết để đảm bảo chất lượng mối hàn Các chốt hàn đa dạng hình dáng, như được thể hiện trong hình 2.10, có khả năng hàn cho vật liệu có độ dày từ 50 đến 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, từ đó giảm khả năng chịu uốn của mối hàn Để khắc phục vấn đề này, hai loại chốt hàn hiệu quả đã được áp dụng, bao gồm chốt hàn dạng loe có ba rãnh và chốt hàn chéo với góc nghiêng so với trục vuông góc của bề mặt phôi hàn Hai loại chốt này không chỉ tăng diện tích vùng khuấy mà còn cải thiện chất lượng mối hàn một cách đáng kể.

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 chính như đường kính cán dụng cụ (A), đường kính vai dụng cụ (B) và chiều dài chốt hàn (C) Những kích thước này đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất và chất lượng của quá trình hàn.

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

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

Khi lựa chọn kích thước dụng cụ hàn, cần xem xét loại mối hàn và các đặc tính của vật liệu hàn Hình 2.14 minh họa mối quan hệ giữa đường kính vai dụng cụ, chốt hàn và độ dày của 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 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 hai thông số này, còn có một yếu tố quan trọng khác cần được xem xét.

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 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 hàn Tốc độ quay cao của dụng cụ không chỉ tạo ra nhiệt độ cao do ma sát, mà còn giúp vật liệu được khuấy trộn đều hơn, từ đó cải thiện đáng kể 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 ảnh hưởng đến nhiệt ma sát; nếu tốc độ quá cao, thời gian tiếp xúc giữa dụng cụ và bề mặt vật liệu giảm, dẫn đến nhiệt không đủ để vật liệu biến dạng dẻo, làm giảm khả năng khuấy trộn và chất lượng mối hàn Khi xem xét hai thông số chính là tốc độ quay của dụng cụ (ω) và tốc độ hàn (v), 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]

Trong hình 2.15 và 2.16, tỉ số giữa tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn có ảnh hưởng rõ rệt 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 gia tăng Tuy nhiên, việc tăng tỉ số đồng nghĩa với việc khi tốc độ quay của dụng cụ tăng lên, tốc độ hàn phải giảm xuống.

2.3.3 Góc nghiêng của dụng cụ

Góc nghiêng của dụng cụ trong hàn ma sát khuấy là một thông số 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 Đặc biệt, chiều sâu của chốt hàn cũng rất quan trọng; nếu quá cạn, vai dụng cụ không tiếp xúc hiệu quả, còn nếu quá sâu sẽ tạo ra mối hàn bị lõm và ảnh hưởng đến độ dày của tấm phôi Nhiều nghiên cứu cho thấy góc nghiêng phù hợp của dụng cụ nằm trong khoảng từ 1 đến 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 tạo ra nhiệt độ cần thiết để làm biến dạng dẻo vật liệu và ngăn chặn sự tách rời của vật liệu khỏi mối hàn Nó không chỉ ảnh hưởng đến độ sâu của chốt hàn mà còn tác động đến nhiệt độ, độ bền kéo và sự hình thành 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 hàn như tốc độ quay của dụng cụ, tốc độ hàn và kích thước dụng cụ hàn Tăng tốc độ quay của dụng cụ 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 do nhiệt ma sát ít hơn, dẫn đến vật liệu bị biến dạng dẻo ít hơn Ngược lại, khi đường kính của vai dụng cụ hàn tăng lên, lực dọc trục cũng tăng theo Mối quan hệ giữa đường kính vai dụng cụ và lực dọc trục 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 với bề mặt vật liệu, dẫn đến tăng nhiệt độ trong và xung quanh khu vực khuấy Nhiệt độ này ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tế vi và các đặc tính cơ học của mối hàn Việc xác định nhiệt độ trong khu vực khuấy rất khó khăn do sự biến dạng dẻo của vật liệu, tuy nhiên, nhiệt độ lớn nhất 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]

Nhiều nghiên cứu và thí nghiệm về phân bố nhiệt độ trong hàn ma sát cho thấy sự phân bố nhiệt độ giữa hai bên mối hàn là không đối xứng, với 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 Bên cạnh đó, 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, với 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 bị ảnh hưởng bởi tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn Nhiệt độ tối đa sẽ tăng khi tăng tốc độ quay của dụng cụ và giảm tốc độ hàn, hoặc bằng cách tăng tỉ số giữa hai tốc độ này Vai trò của dụng cụ cũng quan trọng, vì nó tạo ra nhiệt độ chính trong quá trình hàn; khi đường kính vai dụng cụ tăng, diện tích tiếp xúc với bề mặt mối hàn cũng mở rộng, dẫn đến sự phân bố nhiệt độ tốt hơn Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc tế vi và ảnh hưởng đến đặc tính cơ học của mối hàn, do đó cần tối ưu hóa các thông số liên quan đến 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 và tiếp xúc với nhiệt độ cao đã dẫn đến kết tinh và phát triển cấu trúc tinh thể trong và xung quanh vùng khuấy Dựa vào đặc tính cấu trúc tế vi của hạt và các chất lắng động, cấu trúc tế vi của mối hàn ma sát khuấy được 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 TMAZ (Thermal Mechanical Affected Zone) và HAZ (Heat-affected Zone), có sự thay đổi về cấu trúc tế vi, ảnh hưởng lớn 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, chịu ảnh hưởng từ nhiệt độ cao, dẫn đến quá trình kết tinh Kết quả là cấu trúc vi mô của vùng khuấy có hạt mịn hơn so với các vùng khác, với mật độ xáo trộn thấp trong các hạt kết tinh.

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 hàn giảm trong khoảng 300, nó ảnh hưởng 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 Cụ thể, khi nhiệt độ tăng, kích thước hạt cũng sẽ tăng, và nhiệt độ trong quá trình hàn phụ thuộc vào tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn Do đó, kích thước hạt có mối liên hệ chặt chẽ với các thông số hàn; khi tốc độ quay của dụng cụ tăng, kích thước hạt cũng sẽ gia tăng.

Khi tăng tốc độ hàn và giữ cố định tốc độ quay của dụng cụ, kích thước hạt sẽ giảm Ngoài ra, kích thước hạt cũng bị ảnh hưởng bởi dụng cụ hàn; cụ thể, 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), chịu tác động của nhiệt độ và biến dạng trong quá trình hàn ma sát khuấy Đặc trưng của TMAZ là cấu trúc bị biến dạng cao, mặc dù trải qua biến dạng dẻo, nhưng quá trình kết tinh không xảy ra trong vùng này Hơn nữa, 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 bị tác động bởi nhiệt độ nhưng không trải qua biến dạng dẻo Đối với các hợp kim có khả năng xử lý nhiệt, vùng ảnh hưởng nhiệt có thể đạt nhiệt độ lên đến 250°C mà vẫn giữ được cấu trúc hạt ổn định trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

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 xuất hiện lỗ rỗng bên trong và xuyên suốt trong đường hàn 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 biến dạng dẻo Điều này làm giảm hiệu quả khuấy trộn của chốt hàn, gây ảnh hưởng đến sự liên kết của dòng vật liệu.

Để khắc phục lỗi xuất hiện 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 lớn hơn Việc này cũng giúp duy trì nhiệt độ trong quá trình biến dạng dẻo của vật liệu hàn, cải thiện quá trình khuấy trộn của chốt hàn Ngoài ra, tăng đường kính của vai dụng cụ hàn cũng có thể giúp tăng 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 hàn xảy ra khi tốc độ quay của chốt hàn quá cao, dẫn đến nhiệt độ ma sát vượt mức cho phép Điều này khiến vật liệu hàn bị biến dạng dẻo quá mức và chảy loang ra mép vai dụng cụ Ngoài ra, chiều dài chốt hàn quá dài hoặc chiều sâu chốt hàn được thiết lập quá lớn cũng có thể góp phần 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 hàn và bề mặt vật liệu, đồng thời cho phép vật liệu chảy dẻo lấp đầy 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, nhiệt độ ma sát sẽ giảm, dẫn đến hiệu quả khuấy trộn vật liệu kém Điều này không chỉ khiến lớp ôxit nhôm tự nhiên không được khuếch tán mà còn làm cho các hạt bị vỡ ra, tạo thành các đường ngoằn ngoèo giống như cung elip hoặc đường zigzag Hệ quả là khả năng liên kết của mối hàn bị hạn chế, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bền của nó Các thí nghiệm thử độ bền kéo cho thấy vết nứt phá hủy thường theo hình dạng của khuyết tật, chứng tỏ sự liên quan giữa quy trình hàn và chất lượng mối hàn.

Để giảm thiểu khuyết tật xuất hiện các đường ôxit nhôm ngoằng ngoèo trong mối hàn, cần điều chỉnh tốc độ hàn và tốc độ quay Tăng tốc độ hàn hoặc giảm tốc độ quay giúp hạn chế sự xuất hiện của khuyết tật tại tâm đường hàn (vùng khuấy) Việc kiểm soát và điều chỉnh các thông số hàn là rất quan trọng để loại bỏ các khuyết tật này, từ đó 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 xuất hiện do nhiệt ma sát không đủ hoặc lớp ôxit trên bề mặt chưa được phá vỡ hoàn toàn Chiều dài chốt hàn quá ngắn và góc nghiêng lớn cũng là nguyên nhân gây ra khuyết tật, thường xuất hiện ở bên tiến của chốt hàn Để khắc phục, cần chọn thông số hàn phù hợp để đảm bảo nhiệt độ đủ, chọn chiều dài chốt hàn tương ứng với độ dày vật liệu và điều chỉnh góc nghiêng 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

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

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 tại Đại học Nha Trang Hình ảnh của máy phay này được thể hiện 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

Trong nghiên cứu này, hai loại dụng cụ hàn khác nhau đã được thử nghiệm để xác định dụng cụ hàn phù hợp nhất Hình dáng và kích thước của mỗi dụng cụ hàn được mô tả chi tiết để hỗ trợ quá trình lựa chọn.

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 Sau quá trình chế tạo, dụng cụ hàn sẽ trải qua xử lý nhiệt và được kiểm tra độ cứng để đảm bảo chất lượng trước khi sử dụng trong hàn.

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 nghiêng khoảng 2 độ so với bàn máy, tạo ra góc nghiêng cho dụng cụ hàn so với phương vuông góc của bề mặt phôi Hình 3.4 minh họa cụ thể bàn gá trong quá trình chế tạo mối hàn.

Hình 3.4: Sơ đồ bàn gá 3.2.1.2 Gá phôi

Phôi hàn được gắn chặt với đồ gá chuyên dụng, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì độ ổn định trong quá trình hàn Đồ gá phôi không chỉ giúp đảm bảo chất lượng mối hàn mà còn góp phần nâng cao hiệu quả của quy trình hàn Hình 3.5 minh họa cách gá đặt phôi trong quá trình 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) và tốc độ tịnh tiến của chốt hàn (v) Dựa trên tài liệu tham khảo và kinh nghiệm thực tiễn, thí nghiệm sẽ khảo sát sự kết hợp của hai thông số này ở nhiều chế độ khác nhau, trong đó tốc độ quay được chọn là 400 và 700 vòng/phút, còn tốc độ tịnh tiến sẽ được khảo sát trong khoảng 100 đến 600 mm/phút Các chế độ hàn được trình bày chi tiết 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 thực hiện tự động 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 trung tâm của mối nối, (2) di chuyển chốt hàn xuống xuyên vào phôi hàn với độ sâu xác định, (3) di chuyển chốt hàn dọc theo mối nối để hình thành 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 đánh bóng bề mặt được sử dụng để kiểm tra chất lượng mối hàn và tạo ra bề mặt mẫu tốt cho việc quan sát cấu trúc tế vi trên kính hiển vi kim loại sau khi tẩm thực Thông tin chi tiết về máy và các thông số kỹ thuật được trình bày trong hình 3.8 và 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 khu vực trên mặt cắt ngang của mối hàn Các 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 vi của mối hàn được chế tạo theo kích thước và hình dạng như hình 3.18 Để phát hiện lỗi trong mối hàn, mẫu được đánh bóng bằng máy đánh bóng bề mặt MA-PP-200M, sử dụng các loại giấy phù hợp.

Bề mặt được xử lý bằng cách sử dụng giấy nhám với các kích thước 120, 600, 1000, 1500, 2000 và 3000, sau đó 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 được quan sát với camera có 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 bóng và không còn vết xước, mẫu được xử lý bằng giấy nhám vải mịn với hạt mài 4000 và dung dịch Alumina (Al2O3) Sau đó, mẫu sẽ được tiến hành ăn mòn điện hóa trên máy ElectroMet 4, sử dụng 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 điện hóa được thể hiện 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 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