Luận văn Nghiên cứu một số thông số ảnh huởng đến nhiệt độ mối hàn ma sát khuấy (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu một số thông số ảnh huởng đến nhiệt độ mối hàn ma sát khuấy (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ ĐỨC PHƯƠNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ ẢNH HUỞNG ÐẾN NHIỆT ÐỘ MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 0 5 0 1 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TH ẠC SĨ LÊ ĐỨC PHƯƠNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NHIỆT ĐỘ MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2016 1
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TH ẠC SĨ LÊ ĐỨC PHƯƠNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NHIỆT ĐỘ MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS-TS. LÊ CHÍ CƯƠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2016 2
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Lê Đức Phương Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 30/08/1989 Nơi sinh: Đăk Lăk Quê quán: Nghĩa Dõng, TP Quảng Ngãi, Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Cc HQ3, Nguyễn Văn Linh, xã An Phú Tây, Huyện Bình Chánh Điện thoại cơ quan: Điện thoại di động: 0972 520 527 Fax: E-mail: phuongle.spkt@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2008 đến 09/2013 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM Ngành học: cơ khí máy III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2013 – 2014 Công ty TNHH TMDV T.S.T Kỹ sư lắp máy 2014 – đến nay Trường CĐ Kỹ Thuật Cao Thắng Giảng viên 3
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 09 năm 2016 Lê Đức Phương 4
6. LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và làm hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu rất nhiều từ nhà trường, thầy cô, gia đình và bạn bè. Để hoàn thành luận văn này, trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học PGS. TS. Lê Chí Cương. Thầy đã dành nhiều thời gian, tâm huyết, nhiệt tình hướng dẫn, góp ý và động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức nền tảng và chuyên môn cho tôi trong thời gian qua. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm bài đến khi hoàn thành luận văn. Tôi xin cảm ơn Ban Giám Hiệu và quý thầy cô Khoa Cơ Khí Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng đã tạo điều kiện để tôi thực hiện hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn – Khoa Cơ Khí Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ và có những đóng góp quý báu cho luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến BGĐ Công ty TNHH UNITEK đã hỗ trợ tôi trong quá trình xác định nhiệt độ mối hàn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến BGĐ và toàn thể kỹ thuật viên – Công ty giải pháp kiểm định việt nam SGS đã hỗ trợ tôi trong quá trình tiến hành kiểm tra độ bền mối hàn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến BGĐ và toàn thể kỹ thuật viên – Công ty giải pháp kiểm định việt nam APAVE đã hỗ trợ tôi trong quá trình NDT mối hàn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ và khích lệ tinh thần tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn! 5
7. TÓM TẮT Hàn ma sát khuấy là một phương pháp phi truyền thống, quá trình hàn ma sát chủ yếu được sử dụng trên các chi tiết có dạng tấm. Năng lượng nhiệt chủ yeu, cần thiết cho việc tạo ra mối hàn, được tạo ra qua sự tiếp xúc ma sát giữa đầu hàn chuyên dụng và vật liệu cần hàn. Lượng nhiệt sinh ra phụ thuộc vào nhiều thông số (công nghệ, các yếu tố ma sát vv) mà thông số công nghệ chủ yếu là góc xoay của dụng cụ hàn, tốc độ hàn, buoc tien và hình dáng hình học của đầu hàn. Bên cạnh hình dáng hình học đặc biệt của các đầu hàn, hàn ma sát khuấy có nhiều lợi thế hơn các quy trình hàn khác: về mặt năng lượng rất hiệu quả, là công nghệ thân thiện với môi trường, mối hàn có chất lượng rất tốt, vv. Những nghiên cứu chuyên sâu vào các ứng dụng vào công nghiệp hàng không, không gian, hàng hải và các hệ thống đường sắt làm cho công nghệ hàn ma sát khuấy cạnh tranh với các kỹ thuật hàn khác. Nghien cuu này đưa ra các phân tích lý thuyết của các thông số ảnh hưởng đến năng suất công nghệ hàn ma sát khuấy và ảnh hưởng trực tiếp của hình dáng hình học của đầu hàn của đến năng suất. Thực nghiệm xác nhận các phân tích được thực hiện bằng việc hàn hợp kim nhôm 6061_T5. SUBTRACT Friction Stir Welding is a non conventional, frictional welding process dominantly applied on plate-shaped parts. Activation energy-heat, necessary for the weld creation, is generated on the frictional contact between the specialized welding tool and base material. The amount of the generated heat depends from numerous parameters (technological, tribological etc.) where dominant technological parameters are angular rotation of the welding tool, welding speed and geometry of the welding tool. Beside special geometry of the welding tool, Friction Stir Welding has numerous advantages over other welding procedures: energetically is very efficient, it is eco-friendly process, welds are of great quality etc. Intensive researches and industrial application in aero, space naval and railway systems made Friction Stir Welding competitive with other welding techniques. This paper is giving theoretical analysis of parameters that influence productivity of the Friction Stir Welding and direct influence of the welding tool’s geometry on productivity. Experimental confirmation of the analysis has been presented on welding of aluminium alloy 6061_T5. 6
8. MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 18 1.1 Lịch sử hàn ma sát khuấy và phạm vi ứng dụng 18 1.1.1 Lịch sử hàn ma sát khuấy 18 1.1.2 Phạm vi ứng dụng 20 1.1.2.1 Trong công nghiệp đóng tàu và hàng hải 20 1.1.2.2 Trong ngành vũ trụ 20 1.1.2.3 Trong ngành công nghiệp hàng không 21 1.1.2.4 Trong ngành công nghiệp ô-tô 22 1.1.2.5 Trong ngành đường sắt 22 1.2 Nguyên lý hàn ma sát khuấy, ưu – khuyết điểm 23 1.2.1 Nguyên lý hàn ma sát khuấy 23 1.2.2 Ưu nhược điểm của hàn ma sát khuấy 24 1.2.2.1 Ưu điểm của hàn ma sát khuấy 25 1.2.2.2 Khuyết điểm 26 1.3 Nghiên cứu trong và ngoài nước 26 1.3.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 26 1.3.1.1 Một số nghiên cứu về hàn ma sát khuấy 26 1.3.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 27 1.4 Lý do chọn đề tài 27 1.5 Mục đích nghiên cứu và nội dung của đề tài 28 1.5.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài 28 1.5.2 Nội dung của đề tài 28 1.6 Giới hạn của đề tài 29 1.7 Điểm mới của đề tài 29 1.8 Phương pháp nghiên cứu 29 1.8.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 29 1.8.2 Phương pháp thực nghiệm 29 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 30 2.1 Nhiệt trong hàn ma sát khuấy 30 2.1.1 Vùng chịu tác dụng nhiệt trong khi hàn 30 7
9. 2.1.3 Nhiệt sản sinh trong suốt quá trình hàn ma sát khuấy 31 2.1.3.1 Nhiệt sinh ra từ nhiệt do ma sát 33 2.1.3.2 Nhiệt sinh ra từ biến dạng dẻo 33 2.1.3.3 Nhiệt chuyển đổi trong suốt quá trình hàn ma sát khuấy 33 2.2 Dòng chảy của vật liệu [3] 34 2.3 Đặc điểm của dòng chảy vật liệu 37 2.6 Đầu hàn ma sát khuấy 40 2.6.1 Đặc điểm chung 40 2.6.2. Vật liệu làm đầu hàn ma sát khuấy 41 2.6.2.1 Đặc điểm của vật liệu làm đầu hàn ma sát khuấy 42 2.6.2.2 Một số vật liệu phổ biến 44 2.6.3 Một số kiểu vai khuấy phổ biến 45 2.6.3.1 Vai lõm 45 2.6.3.2 Vai lồi 45 2.6.3.3 Vai có thêm tính năng 46 2.6.4 Một số kiểu đầu khuấy phổ biến 47 2.6.4.1 Đầu khuấy trụ ren đáy bo tròn (Round-Bottom Cylindrical Pin) 47 2.6.4.2 Đầu khuấy trụ có ren đáy phẳng (Flat-Bottom Cylindrical Pin) 47 2.6.4.3 Đầu khuấy nón cụt (Truncated Cone Pins) 49 Chương 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 51 3.1 phân tích nhiệt lượng trong mối hàn ma sát khuấy 51 3.1.1 Nhiệt lượng được tạo ra 51 3.1.1.1 Nhiệt lượng được tạo ra từ bề mặt xung quanh của đầu khuấy 52 3.1.1.2 Nhiệt lượng từ bề mặt đáy của đầu khuấy 52 3.1.1.3 Nhiệt lượng từ bề mặt côn của vai khuấy 53 3.1.2 Nhiệt lượng bị thất thoát 53 3.1.2.1 Nhiệt tổn thất vào thân dụng cụ có thể được tính như sau: 54 3.1.2.2 Nhiệt tổn thất vào bề mặt trên của phôi: 54 3.1.2.3 Nhiệt tổn thất ở bề mặt dưới của phôi 54 3.2 Ảnh hưởng của thông số hàn đến nhiệt độ mối hàn ma sát khuấy 54 3.3 Xác định tính tin cậy của phần mềm 57 8
10. 3.4 Phân tích, chọn yếu tố, thông số đầu vào. 58 3.4.1 Phân tích các khuyết tật thường xảy ra đối với mối hàn ma sát khuấy. 58 3.4.1.1 Lỗ trống 58 3.4.1.2 Phần đường Remnant (lỗi dòng chảy) 59 3.4.1.3 Không đủ độ ngấu 59 3.4.2 Ảnh hưởng của các đơn yếu tố 60 3.4.2.1 Yếu tố tốc độ hàn 60 3.4.2.2 Tốc độ quay 61 3.4.2.3 Hình dáng hình học của đầu khuấy 62 3.4.2.4 Hình dáng hình học của vai khuấy 63 3.4.3 Ảnh hưởng đa yếu tố 64 3.4.3.1 Chế độ hàn ma sát khuấy (tốc độ quay và bước tiến) 64 3.4.3.2 Hình dáng công cụ (đầu khuấy và vai khuấy) 65 3.5 Mô hình mô phỏng 66 3.5.1 Giới thiệu phần mềm COMSOL 5.2 66 3.5.1.1 Mô đun “heat tranffer module” 66 3.5.2 Các bước thực hiện mô phỏng 67 3.6 Mô hình thực nghiệm 75 3.6.1 Máy 75 3.6.2 Chuẩn bị phôi 78 3.6.3 Chuẩn bị dao khuấy 79 3.6.4 Gá đặt 81 3.6.5 Quy trình hàn 82 3.6.6 Đo nhiệt độ mối hàn ma sát khuấy trong quá trình hàn. 83 3.6.6.1 Camera nhiệt độ Fluke Ti400 83 3.6.6.2 Cách sử dụng Ti400 đo nhiệt độ trên mối hàn ma sát khuấy 86 3.6.6.3 Xử lý Video và xuất dữ liệu đường hàn. 87 3.7 Phương pháp phân tích kết quả 89 3.8 Kiểm tra bền mối hàn 90 3.8.1 Chuẩn bị mẫu 90 Chương 4: XỬ LÝ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM 91 9
11. 4.1 Xử lý kết quả mô phỏng, thực nghiệm 91 4.1.1 Xác định độ tin cậy của phần mềm COMSOL 5.2 91 4.1.2 ảnh hưởng của yếu tố bước tiến 93 4.1.3 ảnh hưởng của yếu tố tốc độ quay 95 4.1.4 ảnh hưởng của thông số hàn 96 4.1.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ mối hàn đến độ bền mối hàn 99 4.1.6 Ảnh hưởng biên dạng chốt khuấy 100 4.1.7 Ảnh hưởng biên dạng vai khuấy 101 4.2 Ảnh hưởng của cả bốn yếu tố đến nhiệt độ và độ bền kéo mối hàn 102 4.2.1 Tìm phương trình hồi quy. 103 4.2.2 kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số 2 phương trình hồi quy 105 4.2.2.1 Phương trình hồi quy độ bền kéo 106 4.2.2.2 Phương trình hồi quy nhiệt độ 107 4.2.3 kiểm tra sự tương thích của phương trình hồi quy 108 4.2.3.1 kiểm tra sự tương thích của phương trình hồi quy độ bền kéo 108 4.2.3.2 kiểm tra sự tương thích của phương trình hồi quy độ bền kéo 109 4.3 Chọn yếu tố thực nghiệm tối ưu 111 4.3.2 kết quả NDT 111 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116 5.1 kết luận 117 5.2 Kiến nghị 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 10
12. VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU τf: ứng suất ma sát cắt, Pa τc: ứng suất cắt tiếp xúc, Pa p: áp lực tiếp xúc, Pa σ: áp lực tiếp xúc, Pa µ: hệ số ma sát ω: vận tốc góc của dụng cụ khuấy, rad/s δ: biến trạng thái r: bán kính của dụng cụ khuấy, m vt: vận tốc dài của dụng cụ khuấy, m/s vm: vận tốc dịch chuyển bàn máy, m/s 훾̇: tốc độ trượt trên mặt phôi m/s Q1: nhiệt lượng từ vai khuấy, W Q2: nhiệt lượng từ bề mặt xung quanh của đầu khuấy, W Q3: nhiệt lượng từ mặt đáy của của đầu khuấy, W Qt: tổng nhiệt lượng, W Qt, st: tổng nhiệt lượng trong điều kiện bám dính Qt, sl: tổng nhiệt lượng trong điều kiện trượt Rs: bán kính vai khuấy, m Rp: bán kính đầu khuấy, m Hp: chiều dài đầu khuấy, m Q: nhiệt lượng, W M: mômen, N/m A: diện tích, m2 θ: góc, 0 (độ) z: chiều dài trục quay, m α: góc côn vai khuấy, 0 (độ) τy: ứng suất cắt tới hạn, Pa τf: ứng suất ma sát cắt σy: ứng suất tới hạn, Pa σk: ứng suất kéo MPa σu: ứng suất uốn MPa Fk: lực kéo kN Fu: lực uốn kN n: tốc độ quay trục chính (vòng/phút) ω: tốc độ quay (rpm) s: bước tiến bàn máy (mm/phút) v: vận tốc di chuyển (mm/phút) 11
13. BM: vùng kim loại nền (Base metal) HAZ: vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone) TMAZ: vùng chịu ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo mechanically affected zone) NZ: vùng khuấy (Nugget zone) FSM: hàn ma sát khuấy (Friction stir welding) TWI: hiệp hội hàn (The welding institute) 12
14. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1 Phương pháp hàn hồ quang [6] 18 Hình 1.2 Phương pháp hàn gas [6] 18 Hình 1.3 Máy hàn Plasma [6] 18 Hình 1.4 Phương pháp hàn ma sát [6] 19 Hình 1.6 Ứng dụng trong đóng tàu [6] 20 Hình 1.7 Tàu con thoi NASA [6] 21 Hình 1.8 Các bộ phận máy bay được hàn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy[6] 22 Hình 1.9 Phần khung của một bộ phân trên ô tô [6] 22 Hình 1.10 Tàu Hitachi’s A-Train của ngành đường sắt Anh [6] 23 Hình 1.12 Quá trình hàn ma sát khuấy [5] 24 Hình 1.13 Các biên dạng của đầu hàn [9] 24 Hình 1.14 Quá trình hàn hồ quang phát ra tia lửa và khói hàn [3] 25 Hình 1.15 Các hốc hình thành do thiếu nhiệt bên trong vật liệu hàn 25 Hình 1.16 Lỗ thoát do chốt hàn để lại tại cuối đường hàn 26 Hình 2.1 Sơ đồ phân tán nhiệt bên trong vật liệu hàn [3] 30 Hình 2.3 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến quá trình sinh nhiệt 33 Hình 2.4 Nhiệt chuyển đổi trong quá trình hàn [29] 33 Hình 2.5 Khoảng cách giữa các bước tiến của dụng cụ hàn 34 Hình 2.6 Mặt cắt ngang của đường hàn [19] 34 Hình 2.7 Biên dạng hình củ hành [19] 35 Hình 2.8 Sự kết hợp của các dòng chảy [24] 36 Hình 2.9 a Mặt cắt của hai dòng chảy, b Sự san xen của các dòng chảy [13] 36 Hình 2.10 Vùng nóng chảy của vật liệu trong suốt quá trình hàn[13] 37 Hình 2.11 Sự bố trí lực trong hệ trục tọa độ [29] 38 Hình 2.12 Ảnh hưởng của lực ép ếđ n chất lượng mối hàn [19] 39 Hình 2.12 Các dòng chảy kim loại [30] 40 Hình 3.1: Đầu hàn ma sát khuấy khuấy tích hợp [7]. 43 Hình 3.2: Vai lồi dạng cong (a) hoặc hình nón (b) [19]. 46 Hình 3.3: Một số tính năng của vai [19]. 46 Hình 3.4: Vai cuộn xoắn ốc [19]. 46 13
15. Hình 3.5: Đầu khuấy trụ ren đáy bo [18]. 47 Hình 3.6: Đầu khuấy có trụ ren đáy phẳng [18]. 47 Hình 3.7: So sánh vận tốc bề mặt tại điểm tiếp xúc (a) phẳng đáy và đáy bo tròn (b) [19]. 48 Hình 3.8: Đầu khuấy nón cụt có ren vai lõm [19]. 49 Hình 3.9: Đầu khuấy ren có bước xoắn ốc bậc [19] 49 Hình 3.10: Đầu khuấy được vát thêm các mặt [19]. 49 Hình 3.1 Phân bố nhiệt tại bề mặt dụng cụ hàn 51 Hình 3.2: Mặt cắt thể hiện sự phân bố nhiệt trên bề mặt vai và chốt khuấy [19] 52 Hình 3.3: Sơ đồ thể hiện mối quan hệ của các thông số tới nhiệt trong quá trình hàn ma sát khuấy 55 Hình 3.4: Mối quan hệ của nhiệt trong quá trình hàn 56 Bảng 3.5: Quy trình thực hiện nghiên cứu 57 Hình 3.11: Lỗ trống trong đường hàn [19]. 58 Hình 3.12: Lỗi đường hàn [19]. 59 Hình 3.13: Lỗ trống [19]. 60 Hình 3.42: Ứng dụng mô phỏng nhiệt độ của phần mềm COMSOL 5.2 [31] 66 Hình 3.43: Nội suy (Interpolation) giá trị ứng suất cắt theo nhiệt độ 67 Hình 3.44: Mô hình mô phỏng mối hàn ma sát khuấy trên phần mềm COMSOL 5.2 68 Hình 3.46: bản vẽ thiết kế dao khuấy trụ vai bằng 68 Hình 3.47: bề mặt sinh nhiệt của vai khuấy (mặt màu xanh) 70 Hình 3.48: bề mặt xung quanh của đầu khuấy ma sát với vật liệu hàn để sinh nhiệt 71 Hình 3.49: Bề mặt sinh nhiệt tại mặt đáy của đầu khuấy 72 Hình 3.50: Nhiệt tản ra ở bề mặt trên của phôi 72 Hình 3.51: Nhiệt tản ra ở bề mặt dưới của phôi với tấm đế 73 Hình 3.50: Kết quả thực hiện công việc chia lưới với phần tử nhỏ đến 0.04 mm 73 Hình 3.51: Kết quả của vùng nhiệt khi dao khuấy đang ở vị trí tức thời (0; 0; -6) 74 Hình 3.52: Vùng nhiệt và nhiệt độ lớn nhất đạt được. 74 Hình 3.53: xuất dữ liệu nhiệt độ theo toa độ điểm 75 Hình 3.44: Máy phay đứng MAKINO 76 14
16. Hình 3.45: Bảng bước tiến của máy phay MAKINO 77 Hình 3.46: Bảng tốc độ quay của máy phay đứng MAKINO 77 Hình 3.52: Những dao khuấy được chế tạo để sử dụng trong thực nghiệm hàn ma sát khuấy 79 Hình 3.54: Bích kẹp, bu lông và con trượt rãnh T dùng để kẹp chặt chi tiết 81 Hình: mối hàn ma sát khuấy 83 Hình 3.57: định vị vị trí cần đo nhiệt độ bằng tia hồng ngoại 86 Hình 3.58: Di chuyển đều theo bước tiến của bàn máy. 87 Hình 3.59: Chọn điểm, hoặc vùng cần xuất dữ liệu nhiệt độ, kết quả ta thu được giá trị lớn nhất, nhỏ nhất và giá trị trùng bình tại điểm hoặc vùng đã chọn. 88 Hình 3.60 : kết quả nhiệt độ tại vị trí tiếp giáp vai khuấy và đường hàn 91 Hình 3.61: Biểu đồ nhiệt dạng 3D từ thiết bị đo Ti 450 91 Hình 4.1: mối quan hệ tốc độ quay và nhiệt độ mối hàn 95 Hình 4.2: mối quan hệ tỷ lệ w/n và độ bền kéo 97 Hình 4.3: mối quan hệ tỷ lệ w/v và độ bền kéo mối hàn 98 Hình4.4: mối hàn chưa ngấu 99 Hình 4.5: mói quan hệ nhiệt độ và độ bền kéo 100 Hình 4.6: ảnh hưởng của vai khuấy đến độ bền kéo 101 Hình 4.7: ảnh hưởng của vai khuấy đến độ bền kéo 102 Hình 4.9: kết quả PT mối hàn ma sát khuấy_M1 112 Hình 4.10: kết quả PT mối hàn ma sát khuấy_M2 113 15
17. DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Nhiệt độ hàn của một số kim loại [7]. 40 Bảng 3.2: Chế độ hàn hợp kim Magie [17]. 41 Bảng 3.3: Tóm tắt các vật liệu làm dụng cụ hàn [19]. 44 Bảng 3.4: Vận tốc bề mặt tính toán của vị trí đầu khuấy thấp nhất [19]. 48 Bảng 3.6: Thông số thí nghiệm xác định độ tin cậy phần mềm 58 Bảng 3.7: thông số thí nghiệm sự ảnh hưởng của bước tiến đến nhiệt độ mối hàn ma sát khuấy 61 Bảng 3.8: thông số thí nghiệm sự ảnh hưởng của tốc độ quay đến nhiệt độ mối hàn ma sát khuấy 62 Bảng 3.9: thông số thí nghiệm sự ảnh hưởng của đầu khuấy đến nhiệt độ mối hàn ma sát khuấy 63 Bảng 3.10: Tỷ lệ % thể tích chiếm chỗ của đầu khuấy 63 Bảng 3.10: thông số thí nghiệm sự ảnh hưởng của vai khuấy đến nhiệt độ mối hàn ma sát khuấy 64 Bảng 3.11: thông số thí nghiệm sự ảnh hưởng của chế độ hàn đến nhiệt độ mối hàn ma sát khuấy 65 Bảng 3.12: thông số thí nghiệm sự ảnh hưởng của biên dạng công cụ đến nhiệt độ mối hàn ma sát khuấy 66 Bảng 3.13 : Đặc tính của vật liệu hàn 67 Bảng 3.14 : Đặc tính của vật liệu làm dụng cụ 67 Bảng 3.15: Thông số chung của mô phỏng 69 Bảng 3.16: Công thức chung tính nhiệt lượng sinh ra từ vai khuấy 70 Bảng 3.17: Công thức chung tính nhiệt lượng sinh ra từ bề mặt bên của đầu khuấy 70 Bảng 3.18: Công thức tính nhiệt sinh ra từ mặt đáy của đầu khuấy 71 Hình 3.48: Chuẩn bị phôi 78 Bảng 3.16:Thành phần hợp kim nhốm tấm 6061_T6 78 Hình 3.49: Đặc tính vật lý của vật liệu nhôm tấm 6061_T6 78 Bảng 3.17 : Cơ tính của hợp kim nhôm 6061_T6 79 Hình 3.50: Bản vẽ thiết kế dao khuấy 79 16
18. Bảng 3.18 : Thành phần hóa học của thép dụng cụ làm khuôn (SKD61) 79 Bảng 3.19 : Phương pháp xử lý nhiệt dao khuấy để đạt được độ cứng đạt được độ cứng yêu cầu. 79 Bảng 3.4 Số thí nghiệm và số hệ số với dạng 4k 89 Bảng 4.1 : Kết quả mô phỏng 92 Bảng 4.2: giá trị đo nhiệt độ từng thí nghiệm đo bằng Ti 450 92 Bảng 4.2 : Kết quả thí nghiệm 92 Bảng 4.2: Xác định độ tin cậy của phần mềm mô phỏng 93 Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng 93 Bảng : Kết quả thực nghiệm 94 Bảng 4.4: kết quả mô phỏng ω 95 Bảng 4.5: thông số nghiên cứu sự ảnh hưởng w/n đến độ bền kéo mối hàn 98 Bảng 4.6: Thông số thực nghiệm ảnh hưởng nhiệt độ mối hàn đến độ bền mối hàn 99 Bảng 4.7 : Thông số thực nghiệm ảnh hưởng biên dạng chốt khuấy 100 Bảng 4.8 Thông số hàn khảo sát sự ảnh hưởng từ vai khuấy 101 Bảng 4.9: giá trị thực nghiệm 104 Bảng 4.10: kết quả thí nghiệm ở tâm 105 Bảng 4.11: kiểm định sự phù hợp_student 106 Bảng 4.12: kiểm định sự phù hợp_student 107 Bảng 4.13: Kiểm tra sự tương thích theo tiêu chuẩn Fisher 109 Bảng 4.14: Kiểm tra sự tương thích theo tiêu chuẩn Fisher 111 17
19. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lịch sử hàn ma sát khuấy và phạm vi ứng dụng 1.1.1 Lịch sử hàn ma sát khuấy Từ rất lâu, có nhiều phương pháp để nối các chi tiết lại với nhau, phương pháp hàn là một thành công trong ngành công nghiệp sản xuất từ những năm 1800. Sự phát triển này nhờ vào khám phá và cải tiến quan trọng như: ống thổi axetilen và oxiaxetilen đã đưa ra sự ra đời của hàn gas, hồ quang giữa hai điện cực carbon dẫn tới sự ra đời của hàn hồ quang, và nhiệt do điện trở là nền tảng cho sự ra đời của hàn điện. Trong khi hàn gió đá (Hình 1.1) được đưa vào ứng dụng trong thực tế một cách rộng rãi từ những năm 1900, hàn hồ quang (Hình 1.2) sau đó cũng từ từ trở nên phổ biến. Hàn bằng gió đá và hồ quang là hai phương pháp hàn nóng chảy, nghĩa là tại một vị trí cục bộ của vật hàn sẽ bị nóng chảy vào nhau và sau đó sẽ đông đặc lại. Hình 1.1 Phương pháp hàn hồ quang [6] Hình1.2 Phương pháp hàn gas [6] Vào những năm 1950, dựa trên nền tảng của hàn hồ quanG thì phương pháp hàn plasma (Hình 1.3) được ra đời, phương pháp hàn này tạo ra được nguồn nhiệt lớn hơn so với hai phương pháp được đề cập ở trên. Hình 1.3 Máy hàn Plasma [6] 18
20. Và cũng trong những năm 1950, với việc phát minh ra tia laser, một phương pháp hàn mới ra đời, đó là hàn bằng tia laser, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp với khả năng hàn các loại vật liệu dày với vùng chảy rất nhỏ, và chất lượng mối hàn cao. Ngoài ra còn nhiều phương pháp hàn nóng chảy đã được phát minh ra. Bên cạnh đó còn có phương pháp hàn không nóng chảy, đại diện đó là hàn ma sát (Hình 1.4). Trong quá trình hàn, hai chi tiết được ép sát lại với nhau và giữa hai bề mặt hàn có sự chuyển động tương đối, từ đó một nguồn nhiệt được tạo ra do ma sát và vật liệu tại hai bề mặt bị mềm ra và trộn lẫn lại với nhau, từ đó mối ghép được hình thành. Hình 1.4 Phương pháp hàn ma sát [6] Vận dụng nguyên lý sinh nhiệt từ ma sát của phương pháp hàn ma sát, một phương pháp hàn mới đã được phát triển đó là hàn ma sát khuấy, tên tiếng Anh là: Friction Stir Welding (FSW) (Hình 1.5). Viện hàn (TWI) tại Anh đã có nhiều năm thực hiện nhiều loại nghiên cứu, phát triển với các hoạt động của công nghệ của hàn ma sát. Wayne Thomas và cộng sự của ông tại TWI đã trải qua thời gian nghiên cứu và phát triển rất nhiều loại thí nghiệm về hàn ma sát. Năm 1991, Wayne Thomas thấy được công dụng của việc sử dụng một dụng cụ được làm từ vật liệu có độ cứng cao xoay được trên bề mặt của vật liệu cần hàn khiến chúng chuyển sang trạng thái dẻo từ đó có thể ứng dụng nguyên lý này làm cho vật liệu hai chi tiết trộn lẫn lại với nhau đây là nền tảng cho sự phát triển của hàn ma sát khuấy sau này. Hình 1.5 Quá trình hàn ma sát khuấy [6] Hàn ma sát khuấy không làm chảy vật liệu nó có ý nghĩa hết sức quan trọng vì nó có thể loại bỏ một số khuyết điểm của quá trình hàn nóng chảy vật liệu như rỗ xốp, có vết 19
21. nứt, và bị biến dạng chi tiết hàn. Hơn thế nữa, phương pháp này không cần sử dụng khí bảo vệ, không phát ra ánh sáng hồ quang, không có khói. Đặc biệt không cần vật liệu điền đầy. Đến nay, hàn ma sát khuấy được ứng dụng và đạt được nhiều thành tựu là hàn hợp kim nhôm. Việc hàn nhôm dễ dàng và được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp. Hơn thế việc hàn hợp kim nhôm bằng các phương pháp hàn nóng chảy gặp rất nhiều khó khăn, điển hình trong ngành công nghiệp máy bay, phương pháp hàn plasma có tỉ lệ hư hỏng lên tới 90%, trong khi đó hàn ma sát khuấy đã giảm tỉ lệ này xuống gần như bằng không [1]. Nhiệt độ lớn nhất trong toàn bộ quá trình hàn dưới nhiệt độ nóng chảy đối với hầu hết hợp kim nhôm là thấp hơn 6600C. Về nguyên lý, hàn ma sát khuấy có thể ứng dụng cho hầu hết các vật liệu kim loại. Tuy nhiên, đối với các kim loại có độ cứng cao thì giới hạn của hàn ma sát khuấy là bảo đảm được tính toàn vẹn của dụng cụ khuấy. Ví dụ, trong suốt quá trình hàn ma sát khuấy với vật liệu là thép, nhiệt độ tại vùng hàn lên đến 1100-12000C [1] để vật liệu hàn chuyển sang trạng thái dẻo. Hàn ma sát khuấy không chỉ là một công nghệ hàn mà nó còn là một công nghệ mở. Với những bước đầu phát triển của ngành công nghiệp hàn ma sát khuấy, nó được ứng dụng cho ngành công nghiệp đóng tàu. Với ứu điểm là loại bỏ biến dạng do xoắn, vào năm 2000, công ty Hitachi ứng dụng hàn ma sát vào dây chuyền sản xuất thân xe ô-tô [1]. Tuy nhiên, điều đáng chú ý lớn nhất là trong ngành công nghiệp hàn không, khởi đầu của phát triển hàn ma sát khuấy là vào những năm đầu của thập niên 90. Mà trong đó công ty Boeing sử dụng trong hàn bình nhiên liệu của tên lửa Delta, hàn cấu trúc thân máy của Airbus, thùng chứa nhiên liệu của các con tàu thám hiểm vũ trụ của NASA. 1.1.2 Phạm vi ứng dụng 1.1.2.1 Trong công nghiệp đóng tàu và hàng hải Đây là hai ngành đầu tiên ứng dụng kỹ thuật hàn ma sát khuấy. Quy trình hàn được ứng dụng vào: - Các tấm bano của boong, các vách ngăn và sàn. - Vỏ tàu và các kiến trúc thượng tầng. - Bãi đáp cho trực thăng trên tàu. Hình 1.6 Ứng dụng trong đóng tàu [6] 1.1.2.2 Trong ngành vũ trụ 20
22. S K L 0 0 2 1 5 4