Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cơ tính và tổ chức mối hàn ma sát khuấy cho các kết cấu phẳng bằng hợp kim nhôm biến dạng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA MAI ĐĂNG TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CƠ TÍNH VÀ TỔ CHỨC MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY CHO CÁC KẾT CẤU PHẲNG BẰNG HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH, 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA MAI ĐĂNG TUẤN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CƠ TÍNH VÀ TỔ CHỨC MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY CHO CÁC KẾT CẤU PHẲNG BẰNG HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH VẬT LIỆU MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 62520405 Phản biện độc lập 1: PGS. TS. LÊ CHÍ CƯƠNG Phản biện độc lập 2: PGS. TS. BÙI VĂN HẠNH Phản biện 1: PGS. TS. ĐÀO MINH NGỪNG Phản biện 2: PGS. TS. NGUYỄN HỮU LỘC Phản biện 3: TS. NGUYỄN ĐẠI ĐOÀN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. LƯU PHƯƠNG MINH 2. PGS.TS. HOÀNG TRỌNG BÁ LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Mai Đăng Tuấn i TÓM TẮT LUẬN ÁN Hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) là một bước tiến quan trọng nhất về lĩnh vực hàn trong những thập niên qua, và là một “công nghệ xanh” do hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường, tiêu thụ ít năng lượng một cách đáng kể, không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóng chảy, không có khí độc khi hàn, không phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ,... Ngoài ra ma sát khuấy không cần sử dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, mối hàn chịu lực cao, tăng giới hạn bền mỏi, ít biến dạng, ít khuyết tật và không nứt kết tinh. Hàn ma sát khuấy là phương pháp hàn không nóng chảy có thể hàn được các loại hợp kim nhôm mà các phương pháp hàn truyền thống không hàn được. Từ những ưu điểm vượt trội vừa nêu, việc nghiên cứu ứng dụng của phương pháp hàn ma sát khuấy có ý nghĩa rất thiết thực trong việc cải thiện chất lượng mối hàn và tăng thêm tính đa dạng về mặt công nghệ hàn trong giai đoạn hiện nay. Nội dung luận án gồm 5 chương và phần kết luận chung, cụ thể như sau: Chương 1: Giới thiệu công nghệ hàn ma sát khuấy, các thông số hàn cơ bản, các dạng khuyết tật của công nghệ này. Những công trình nghiên cứu đã được công bố trong nước và trên thế giới. Trên cơ sở đó, luận án tập trung nghiên cứu về tối ưu thông số công nghệ, ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn. Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết về sự hình thành nhiệt do ma sát và biến dạng dẻo vật liệu kim loại của quá trình hàn. Chương 3: Phân tích và xác lập mô hình truyền nhiệt của quá trình hàn. Chương 4: Sử dụng mô hình đã có vào mô phỏng số, đưa ra miền thông số của quá trình hàn. Chương 5: Thực nghiệm theo kết quả mô phỏng, kiểm tra, phân tích để xác định miền thông số tối ưu của công nghệ hàn. Kết luận: Nêu những kết quả đạt được và định hướng nghiên cứu phương pháp hàn ma sát khuấy trong tương lai. ii ABSTRACT Friction Stir Welding (FSW) is an important invention in the welding field over the past decades, and is an "eco-friendly technology" because of its energy efficiency and environmental protection, low energy consumption, no gas shielding, peak temperatures below the melting point, no toxic gas when welding, no arc formation and radiation, etc. In addition, the FSW method does not require the filler wire but provides the excellent mechanical properties in fatigue, tensile and bend tests. FSW is a solid-state welding process which can afford a high quality of welds even for aluminum alloys that are unmanageable with conventional welding. From these outstanding advantages, the research and application of FSW method have practical significance in improving weld quality and increasing the diversity of welding technology in the current period. The thesis consists of 5 chapters and the conclusion section, specifically as follows: Chapter 1: Introduction to FSW method, the basic parameters, the defects types of this technology. The literature review with these studies published domestically and internationally. Based on these researches, the thesis focuses on optimizing process parameters, the impact of technological parameters on weld quality. Chapter 2: Presentation of theoretical basis of heat formation due to friction and plastic deformation of material during welding process. Chapter 3: Analysis and construction of heat transfer model of the welding process. Chapter 4: Using the existing model in numerical simulation to export the parameter area of the welding process. Chapter 5: Conducting experiments from the results of simulation, testing and analyzing to determine the optimal parameter area of welding technology. Conclusion: Presenting the achieved results and research orientation of FSW method in the future. iii LỜI CÁM ƠN Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Thiết bị và Công nghệ Vật liệu Cơ khí, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp tôi thưc hiện luận án này. Đồng thời xin chân thành cảm ơn TS. Lưu Phương Minh, PGS. TS. Hoàng Trọng Bá đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng luận án đã dành thời gian đọc và góp những ý kiến quý báu để tôi hoàn thiện bản luận án của mình, cũng như giúp tôi định hướng nghiên cứu. Ban Giám Hiệu và quý Thầy trong Khoa Cơ khí Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi hoàn thành thực nghiệm cũng như đóng góp nhiều ý kiến rất thiết thực. Các Thầy cô phòng Thư viện - Trường Đại Học Bách khoa TP. HCM. Giám đốc Công ty cung cấp thiết bị hàn Hân Anh.Co,ltd. đã cung cấp tài liệu và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng, có giá trị. Tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn đến toàn thể gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người đã giúp đỡ, động viên tôi thực hiện công trình này. iv MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN .................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.................................................................................. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...............................................................................xv MỞ ĐẦU .................................................................................................................... xvii 1. Lý do chọn đề tài: ................................................................................................... xvii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ......................................................................................1 Giới thiệu quá hình hàn ma sát khuấy:.........................................................1 1.1.1 Nguyên lý hàn ma sát khuấy: ......................................................................1 1.1.2 Các thông số cơ bản của quá trình .............................................................. 4 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn: ..............7 Quá trình sinh nhiệt trong FSW: ..................................................................8 Mô hình truyền nhiệt và dòng vật liệu .......................................................11 Tổ chức tế vi mối hàn.................................................................................14 Khuyết tật hàn ............................................................................................ 15 Kết luận: .....................................................................................................17 CHƯƠNG 2 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................19 Quá trình sinh nhiệt khi hàn: ......................................................................19 2.1.1. Đặc điểm chung: ....................................................................................19 2.1.2. Lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hàn: ...............................................20 2.1.3. Lực tác dụng trong quá trình hàn: .......................................................... 21 2.1.4. Nhiệt sinh ra khi hàn: .............................................................................24 2.1.5. Sự truyền nhiệt vào vật hàn: ..................................................................27 2.2. Dòng chảy vật liệu: ....................................................................................28 2.3. Sự thay đổi tổ chức của hợp kim nhôm sau khi hàn: .................................30 2.3.1. 2.4. Sự luyện kim của hợp kim nhôm: .......................................................... 30 Kết luận: .....................................................................................................33 CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH NHIỆT..............................................................................34 3.1. Mô hình truyền nhiệt ..................................................................................34 3.2. Mô hình dòng vật liệu ................................................................................36 v 3.3. Quá trình sinh nhiệt ....................................................................................42 3.3.1. Mô hình phân tích ước lượng nhiệt sinh ra............................................42 3.3.2. Xác định lượng nhiệt sinh ra trong quá trình hàn ma sát khuấy ............43 3.3.3. Nguồn nhiệt đứng yên (không xét ảnh hưởng của vận tốc hàn) ............44 3.3.4. Nguồn nhiệt chuyển động ......................................................................48 CHƯƠNG 4 4.1. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ....................................................................50 Phương trình phần tử hữu hạn....................................................................50 4.1.1. Mô hình truyền nhiệt .............................................................................50 4.1.2. Mô hình dòng vật liệu ............................................................................52 4.1.3. Mô hình tương tác cơ – nhiệt .................................................................57 4.2. Mô phỏng quá trình hàn .............................................................................59 4.2.1. Sơ lược về các phần mềm phần tử hữu hạn ...........................................59 4.2.2. Mô phỏng quá trình hàn ma sát khuấy trên phần mềm Hyper Works ...61 4.3. Thực nghiệm kiểm chứng mô hình nhiệt và mô hình cơ nhiệt ..................64 4.3.1. Quy hoạch thực nghiệm .........................................................................64 4.3.2. Máy và các thông số hàn ma sát khuấy .................................................65 4.4. Kết quả mô phỏng ......................................................................................70 4.5. Kết quả đo nhiệt độ bề mặt bằng máy đo hồng ngoại ................................ 77 4.6. Kết luận ......................................................................................................79 CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM ................................................................................82 5.1. Máy và các thông số hàn: ...........................................................................83 5.2. Phương pháp hàn và chế độ hàn: ............................................................... 83 5.3. Giới hạn các thông số nghiên cứu thực nghiệm:........................................84 5.4. Phôi và dụng cụ hàn: ..................................................................................84 5.5. Quy hoạch thực nghiệm .............................................................................85 5.6. Hàm mục tiêu của hệ thống: ......................................................................85 5.7. Phương pháp phân tích kết quả ..................................................................85 5.7.1 Đối với mối hàn 3 mm..................................................................................88 5.8. Thực nghiệm xác định miền thông số thực ..............................................108 5.9. Kết quả .....................................................................................................108 5.9.1. Ảnh hưởng của thông số hàn đến cơ tính mối hàn ..............................108 vi 5.9.2. Tổ chức kim loại mối hàn: ...................................................................112 5.9.3. Sự hình thành khuyết tật: .....................................................................131 5.10. Nhận dạng và khắc phục các khuyết tật thường gặp ...............................137 5.11. Miền thông số thực nghiệm.....................................................................142 5.12 Kết luận ....................................................................................................143 KẾT LUẬN .................................................................................................................144 Những đóng góp mới của luận án ...........................................................................144 Hướng phát triển ......................................................................................................145 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC.......................................................146 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................148 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Dụng cụ đi xuống và bắt đầu hàn .....................................................................1 Hình 1.2 Các giai đoạn của quá trình hàn. ......................................................................2 Hình 1.3 Dụng cụ đi dọc hướng hàn tạo thành mối hàn..................................................2 Hình 1.4 Các loại mối hàn ma sát khuấy. ........................................................................3 Hình 1.5 Các thành phần cơ bản của dụng cụ hàn ma sát khuấy. ...................................3 Hình 1.6 Các vùng tổ chức tế vi trong mối hàn ma sát khuấy ......................................14 Hình 1.7 Các khuyết tật thông thường ..........................................................................15 Hình 1.8 Khuyết tật vết đường hàn ...............................................................................16 Hình 1.9 Các loại khuyết tật bề mặt thông dụng ........................................................... 16 Hình 2.1 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến quá trình sinh nhiệt .....................20 Hình 2.2 Sơ đồ lực hàn. .................................................................................................21 Hình 2.3 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình hàn ............................................................ 23 Hình 2.4 Đường kính vai được chia ra nhiều phân đoạn...............................................25 Hình 2.5 Khoảng cách giữa các bước hàn .....................................................................28 Hình 2.6 Tổ chức kim loại mối hàn ...............................................................................29 Hình 2.7 Sự hình thành các vòng dạng xoắn ốc ............................................................ 29 Hình 3.1 Miền tính toán và các biên tương tác ............................................................. 34 Hình 3.2 Điều kiện biên vận tốc trong hàn ma sát khuấy .............................................38 Hình 3.3 a) Sơ đồ thể hiện mối liên hệ giữa nhiệt sinh ra và các thông số, b) Sơ đồ giải thuật cho quá trình tính toán sinh nhiệt .........................................................................43 Hình 3.4 Các thông số hình học dụng cụ điển hình. .....................................................46 viii Hình 3.5 Phân bố thông lượng nhiệt trên dụng cụ.........................................................48 Hình 4.1 Lựa chọn đơn vị cho quá trình tính toán. .......................................................61 Hình 4.2 Dụng cụ và phôi hàn. ......................................................................................62 Hình 4.3 Chia lưới cho mô hình. ...................................................................................62 Hình 4.4 Gán vật liệu cho dụng cụ và phôi hàn. ........................................................... 63 Hình 4.5 Cài đặt điều kiện biên cho quá trình. .............................................................. 63 Hình 4.6 Giải mô hình trên HyperXtrude Solver. .........................................................63 Hình 4.7 Máy phay CNC. .............................................................................................. 65 Hình 4.8 Máy đo nhiệt độ EXTECH VIR50. ................................................................ 66 Hình 4.9 Khuyết tật bavia do lực ép quá lớn, tốc độ quay cao gây quá nhiệt. ..............66 Hình 4.10 Vết nứt bề mặt do quá nhiệt và thiếu độ sâu xâm nhập của vai. ..................67 Hình 4.11 Sần sùi bề mặt do thiếu độ thâm nhập của vai và vết đường hàn do thiếu nhiệt và thiếu lực ép................................................................................................................67 Hình 4.12 Kích thước mẫu hàn dùng trong thí nghiệm. ................................................69 Hình 4.13 Bản vẽ điển hình và các dụng cụ hàn đã dùng. ............................................69 Hình 4.14 Bố trí máy đo nhiệt dọc theo đường hàn. .....................................................70 Hình 4.15 Sơ đồ bố trí cặp nhiệt điện đo nhiệt độ bên trong phôi. ............................... 70 Hình 4.16 Bố trí cặp nhiệt điện tại 3 vị trí ( đầu, giữa, cuối) dọc theo đường hàn. ......71 Hình 4.17 Bố trí cặp nhiệt điện tại 3 vị trí vuông góc với đường hàn........................... 71 Hình 4.18 Trường nhiệt độ với mối hàn 700 v/ph, 50 mm/ph. .....................................71 Hình 4.19 Trường nhiệt độ với mối hàn 700 v/ph, 100 mm/ph. ...................................72 Hình 4.20 Trường nhiệt độ với mối hàn 700 v/ph, 150 mm/ph. ...................................72 ix Hình 4.21 Trường nhiệt độ với mối hàn 900 v/ph, 50 mm/ph. .....................................73 Hình 4.22 Trường nhiệt độ với mối hàn 900 v/ph, 100 mm/ph. ...................................73 Hình 4.23 Trường nhiệt độ với mối hàn 900 v/ph, 150 mm/ph. ...................................74 Hình 4.24 Trường nhiệt độ với mối hàn 1100 v/ph, 50 mm/ph. ...................................74 Hình 4.25 Trường nhiệt độ với mối hàn 1100 v/ph, 100 mm/ph. .................................75 Hình 4.26 Trường nhiệt độ với mối hàn 1100 v/ph, 150 mm/ph. .................................75 Hình 4.27 Mối liên hệ giữa n, v và nhiệt hàn. ............................................................... 77 Hình 4.28 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đo bề mặt. .............................................78 Hình 4.29 Kết quả đo nhiệt độ tại 3 điểm song song với đường hàn theo thời gian .....78 Hình 4.30 Kết quả đo nhiệt độ theo khoảng cách so với tâm hàn .................................78 Hình 4.31 Miền thông số mô phỏng nhôm tấm 6061 dày 4 mm. ..................................80 Hình 5.1 Các bước quá trình thực nghiệm. ...................................................................82 Hình 5.2 Gá kẹp phôi khi hàn. .......................................................................................83 Hình 5.3 Một số mối hàn (3 mm, 4 mm, 5 mm) đã hàn. ...............................................84 Hình 5.4 Bài toán hộp đen cho quá trình hàn FSW. ......................................................86 Hình 5.5 Kiểm tra phương trình hồi qui trong Minitab. ................................................99 Hình 5.6 Mức ảnh hưởng của các thông số hàn. .........................................................106 Hình 5.7 Tối ưu các thông số hàn................................................................................106 Hình 5.8 Mức ảnh hưởng của các thông số hàn 4 mm. ...............................................107 Hình 5.9 Tối ưu các thông số hàn 4 mm. ....................................................................107 Hình 5.10 Mức ảnh hưởng của các thông số hàn 5 mm. .............................................108 Hình 5.11 Tối ưu các thông số hàn 5 mm. ..................................................................108 x Hình 5.12 Kích thước mẫu thử kéo. ............................................................................109 Hình 5.13 Một số mẫu thử kéo. ...................................................................................109 Hình 5.14 Mối liên hệ giữa hệ số WP đến độ bền kéo mối hàn nhôm 3 mm. ............110 Hình 5.15 Mối liên hệ giữa hệ số WP đến độ bền kéo mối hàn nhôm 4 mm. ............110 Hình 5.16 Mối liên hệ giữa hệ số WP đến độ bền kéo mối hàn nhôm 5 mm. ............110 Hình 5.17 Mối liên hệ giữa hệ số WP đến độ bền kéo, nhiệt độ mối hàn nhôm 4 mm. .....................................................................................................................................111 Hình 5.18 Mối liên hệ giữa lực kéo và biến dạng của kim loại cơ bản và mối hàn. ...111 Hình 5.19 Mối liên hệ giữa hệ số WP đến độ cứng mối hàn. .....................................111 Hình 5.20 Mặt cắt mối hàn ở các điều kiện hàn khác nhau.........................................113 Hình 5.21 Các vị trí soi kim tương. .............................................................................113 Hình 5.22 Tổ chức tế vi ở các vị trí của mối hàn, chế độ hàn hợp lý, 3 mm ..............114 Hình 5.23 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn nhiệt cao, 3 mm ...................................115 Hình 5.24 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn nhiệt thấp, 3 mm .................................116 Hình 5.25 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn hợp lý, 4 mm .......................................117 Hình 5.26 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn nhiệt cao, 4 mm ...................................118 Hình 5.27 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn nhiệt thấp, 4 mm .................................119 Hình 5.28 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn hợp lý, 5 mm .......................................120 Hình 5.29 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn nhiệt cao, 5 mm ...................................121 Hình 5.30 Tổ chức tế vi mối hàn, chế độ hàn nhiệt thấp, 5 mm .................................122 Hình 5.31 Tổ chức tế vi tại các vị trí tâm hàn, mối hàn 3 mm ....................................123 Hình 5.32 Tổ chức tế vi tại các vị trí tâm hàn, mối hàn 4 mm ....................................124 xi Hình 5.33 Tổ chức tế vi tại các vị trí tâm hàn, mối hàn 5 mm ....................................125 Hình 5.34 Tổ chức tế vi ở các vùng của mối hàn, mối hàn 3 mm...............................126 Hình 5.35 Tổ chức tế vi ở các vùng của mối hàn, mối hàn 4 mm...............................127 Hình 5.36 Tổ chức tế vi ở các vùng của mối hàn, mối hàn 5 mm...............................128 Hình 5.37 Hiện tượng thiếu nhiệt khi hàn ...................................................................131 Hình 5.38 Ảnh chụp X-Ray mối hàn với n=700 v/ph và Vh=150 mm/ph. .................131 Hình 5.39 Ảnh chụp mối hàn bị khuyết tật do thiếu nhiệt. .........................................133 Hình 5.40 Mối hàn hình thành trong điều kiện thiếu nhiệt. ........................................134 Hình 5.41 Hiện tượng kim loại trồi khỏi vai hình thành ba-via. .................................134 Hình 5.42 Ảnh tế vi mối hàn bị dư nhiệt. ....................................................................136 Hình 5.43 Ảnh tế vi mối hàn thiếu độ xâm nhập của đầu khuấy. ...............................137 Hình 5.44 Khuyết tật bavia và co rút tâm hàn. ............................................................138 Hình 5.45 Miền thông số thực so với miền thông số mô phỏng tấm 4 mm. ...............142 Hình 5.46 Miền thông số thực hợp kim nhôm 6061. ..................................................143 xii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các loại khuyết tật, nguyên nhân sinh ra khuyết tật trong hàn ma sát khuấy 17 Bảng 4.1 Khả năng mô phỏng của một số phần mềm cho hàn ma sát khuấy. ..............60 Bảng 4.2 Các thông số và mức thực nghiệm. ................................................................ 67 Bảng 4.3 Các thông số và các giá trị thực nghiệm. .......................................................68 Bảng 4.4 Thành phần vật liệu hợp kim nhôm 6061. .....................................................68 Bảng 4.5 Tính chất vật liệu hợp kim nhôm 6061. .........................................................68 Bảng 4.6 Thành phần hóa học thép dụng cụ (H13). ......................................................69 Bảng 4.7 Số liệu mô phỏng. .......................................................................................... 76 Bảng 4.8 Kết quả đo nhiệt bằng máy đo hồng ngoại. ...................................................77 Bảng 5.1 Các thông số và mức thực nghiệm. ................................................................ 83 Bảng 5.2 Các thông số và các giá trị thực nghiệm. .......................................................86 Bảng 5.3 Bảng thông số hàn và kết quả kiểm tra các mối hàn nhôm dày 3 mm. .........87 Bảng 5.4 Bảng thông số hàn và kết quả kiểm tra các mối hàn nhôm dày 4 mm. .........88 Bảng 5.5 Bảng thông số hàn và kết quả kiểm tra các mối hàn nhôm dày 5 mm. .........89 Bảng 5.6 Mã hoá thông số hàn. .....................................................................................89 Bảng 5.7 Ma trận qui hoạch thực nghiệm X. ................................................................ 90 Bảng 5.8 Kiểm tra tính thích hợp. .................................................................................94 Bảng 5.9 Mã hoá thông số hàn. .....................................................................................95 Bảng 5.10 Ma trận qui hoạch thực nghiệm X. .............................................................. 96 Bảng 5.11 Kiểm tra tính thích hợp ................................................................................99 xiii Bảng 5.12 Mã hoá thông số hàn. .................................................................................101 Bảng 5.13 Ma trận qui hoạch thực nghiệm X. ............................................................102 Bảng 5.14 Kiểm tra tính thích hợp. .............................................................................105 Bảng 5.15 Thông số hàn xác định miền thông số thực. ..............................................109 xiv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ Ý nghĩa FSW Friction Stir Welding Hàn ma sát khuấy FSP Friction Stir Processing Quá trình ma sát khuấy TWI The Welding Institude Viện hàn châu Âu SZ Stir Zone Vùng khuấy HAZ Heat Affected Zone Vùng ảnh hưởng nhiệt TMAZ Thermo Mechanically Affected Zone Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt SAZ Shoulder Affected Zone Vùng ảnh hưởng vai dụng cụ hàn BM Base Metal Vật liệu nền WP Welding Pitch Bước hàn UST Ultimate Tensile Strength Giới hạn độ bền kéo SD Shoulder Diameter Đường kính vai dụng cụ hàn SS Shoulder Shape Biên dạng vai dụng cụ hàn PL Pin Length Chiều dài đầu khuấy PD Pin Diameter Đường kính đầu khuấy PP Pin Profile Biên dạng đầu khuấy TA Tilt Angle Góc nghiêng dụng cụ hàn TRS Tool Rotary Speed Tốc độ quay dụng cụ hàn WS Welding Speed Vận tốc hàn FEM Finite-Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FVM Finite-Volume Method Phương pháp thể tích hữu hạn FDM Finite-Difference Method Phương pháp sai phân hữu hạn CFD Computational Fluid Dynamics Tính toán động học lưu chất xv ALE Arbitrary Lagrangian-Eulerian Tùy biến Lagrangian Eulerian FEA Finite-Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn NSRM Node Substitution and Replacement Phương pháp nút thay thế Method TEM Transmission Electron Microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét LOP Lack of Penetraion Thiếu độ xâm nhập LOF Lack of Fusion Thiếu độ hòa hợp DOE Design Of Experiments Quy hoạch thực nghiệm xvi MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Công nghệ hàn ma sát khuấy được phát triển để chế tạo các chi tiết và các kết cấu dạng tấm, mối hàn hình thành được liên kết ở trạng thái rắn (không nóng chảy), công nghệ hàn ma sát khuấy được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành như đóng tàu, ô tô, hàng không vũ trụ,… loại hình công nghệ này có ứng dụng thực tế cao. Đây là phương pháp hàn tiên tiến cho năng suất cao, tiết kiệm vật liệu, có thể tự động hóa dễ dàng. Khi so sánh với những công nghệ hàn trước đây thì FSW tiêu thụ ít năng lượng một cách đáng kể, không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóng chảy, không có khí độc khi hàn, không phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ,... Ngoài ra hàn ma sát khuấy không cần sử dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, ít biến dạng và không nứt kết tinh. Bất kỳ hợp kim nhôm nào cũng có thể hàn được mà không cần quan tâm đến sự đồng bộ của kim loại vật hàn và gần như không bị biến dạng, cho mối hàn chịu lực cao, tăng giới hạn bền mỏi. Để đảm bảo yêu cầu của mối hàn ma sát khuấy về cơ tính, tổ chức và mối hàn không bị khuyết tật cơ học hình thành trong quá trình hàn thì cần phải có các thông số chế độ hàn cho phù hợp. Trên cơ sở đó, việc nghiên cứu nhằm tối ưu các thông số chế độ hàn, nghiên cứu nguyên nhân hình thành dạng khuyết tật có ý nghĩa rất thiết thực nhằm nâng cao chất lượng, loại bỏ các sai hỏng mối hàn sẽ mở ra khả năng ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy vào thực tế sản xuất công nghiệp tại Việt Nam. Trong quá trình hàn dụng cụ hàn phải đáp ứng ba chức năng cần thiết, đó là tạo nhiệt cho vật liệu phôi, di chuyển và ép vật liệu để tạo mối hàn, ngăn chặn vật liệu phía dưới vai không bị trồi ra. Nhiệt được tạo ra trong phôi là do sự ma sát của cả đầu khuấy và vai dụng cụ hàn với phôi cùng với sự biến dạng dẻo mãnh liệt của vật liệu trong vùng khuấy. Phần vật liệu được nhiệt làm mềm cục bộ xung quanh đầu khuấy chuyển động theo chiều quay của đầu khuấy làm cho vật liệu di chuyển từ phía trước ra phía sau đầu khuấy và điền đầy vào khoảng trống của dụng cụ hàn khi nó đi tới phía trước. Vai dụng xvii cụ hàn khống chế kim loại không bị trồi ra khỏi mối hàn nhằm giữ cho chiều cao mối hàn tương đương với bề mặt phôi ban đầu. Nghiên cứu quá trình hàn là nghiên cứu các biến số: ma sát, biến dạng, tốc độ biến dạng, sự thay đổi ứng suất, các thông số hình học của dụng cụ hàn tác động đồng thời đến quá trình sinh nhiệt theo thời gian. Để giải quyết bài toán đòi hỏi sự kết hợp giữa các phương pháp: Mô hình hóa- Mô phỏng- Thực nghiệm. Mô hình hóa cho phép nghiên cứu các bài toán vật lý bằng một phương trình toán học tổng quát các biến số tác động vào quá trình. Khi giá trị của các biến số thay đổi, mô hình cũng sẽ mô tả đầy đủ ứng xử của vật liệu đến quá trình sinh nhiệt. Nhờ vậy việc phân tích quá trình sẽ đơn giản hơn rất nhiều. Sử dụng phần mềm mô phỏng số sẽ tiết kiệm thời gian và giảm chi phí nguyên vật liệu,...Thực nghiệm để kiểm chứng mô hình hóa thông qua kết quả mô phỏng. Như vậy, việc kết hợp các phương pháp nghiên cứu trên sẽ đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy mang lại hiệu quả kinh tế cao. Luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến cơ tính và tổ chức mối hàn ma sát khuấy cho các kết cấu dạng tấm bằng hợp kim nhôm biến dạng” có tính cấp thiết và thiết thực cho việc ứng dụng các phương pháp sản xuất tiên tiến, cho năng suất cao, thân thiện môi trường vào sản xuất công nghiệp tại nước ta. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu sự ảnh hưởng của từng thông số công nghệ (tốc độ quay dụng cụ hàn n, vận tốc hàn Vh, chiều sâu xâm nhập của vai vào vật hàn h) đến quá trình hàn, tối ưu hóa các thông số nhằm nâng cao chất lượng mối hàn, loại bỏ các khuyết tật mối hàn, tăng năng suất và khả năng ứng dụng của công nghệ hàn ma sát khuấy. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Xác định miền thông số để loại bỏ sai hỏng cho các chi tiết dạng tấm bằng hợp kim nhôm AA6061 T6 có chiều dày là 3 mm, 4 mm và 5 mm. Nhôm 6061 là hợp kim nhôm có thành phần chủ yếu là magie và silic có tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn cao, dễ hàn và định hình trong điều kiện ủ và điều kiện độ cứng T4. Đặc tính của T6 có thể thu được bằng cách hóa già nhân tạo. xviii