Hcmute nghiên cứu, thiết kế và phát triển máy hàn ma sát khuấy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN
MÁY HÀN MA SÁT KHUẤY
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: SV2020-62

S KC 0 0 7 3 9 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN MÁY
HÀN MA SÁT KHUẤY

Chủ nhiệm đề tài : NGUYỄN HOÀNG KIỆT
SV2020-62

TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN MÁY
HÀN MA SÁT KHUẤY

SV2020-62

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật
SV thực hiện: Nguyễn Hoàng Kiệt

Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: 16144CL5

Khoa ĐT CLC

Năm thứ: 4

Ngành học: Công nghệ kỹ thuật cơ khí
Người hướng dẫn: PGS.TS Đặng Thiện Ngơn

TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020

Luan van

/Số năm đào tạo: 4


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH ........................................................................... vii
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ...................................... 1
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................ 3

1.1.

Đặt vấn đề........................................................................................................ 3

1.2.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..................................................... 4

1.3.

Mục tiêu của đề tài ......................................................................................... 4

1.4.

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ........................................................ 4

1.4.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 4
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 4
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN .................................................................................... 5
2.1.

Giới thiệu về ma sát khuấy ............................................................................ 5

2.1.1. Lịch sử phát triển .......................................................................................... 5
2.1.2. Nguyên lý hàn ma sát khuấy ......................................................................... 6
2.1.3. Phân loại ......................................................................................................... 7
2.1.4. Ứng dụng của hàn ma sát khuấy .................................................................. 7
2.2.

Thiết bị hàn ma sát khuấy ............................................................................. 8

2.2.1. Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương ngang...................................... 8
2.2.2. Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương đứng: ...................................... 9
2.2.3. Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng .............................................. 9
2.2.4. Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng tấm .................... 10
2.2.5. Máy hàn ma sát khuấy hàn ống dày .......................................................... 11
2.2.6. Robot công nghiệp ....................................................................................... 12
2.3.

Dụng cụ hàn ma sát khuấy .......................................................................... 13

2.3.1. Dụng cụ Skew-Stir ....................................................................................... 14
2.3.2. Dụng cụ Whorl ............................................................................................. 15
i

Luan van


2.3.3. Dụng cụ Triflute ........................................................................................... 16
2.4.

Các lực trong hàn ma sát khuấy ................................................................. 17

2.4.1. Lực dọc Fx ..................................................................................................... 17
2.4.2. Lực Fy ............................................................................................................ 18
2.4.3. Lực Fz ............................................................................................................ 18
2.5. Các nghiên cứu trong và ngoài nước.............................................................. 18
2.5.1. Trong nước ................................................................................................... 18
2.5.2. Ngoài nước .................................................................................................... 19
2.6.

Định lượng các công việc nghiên cứu ......................................................... 20

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY HÀN MA SÁT KHUẤY ....... 21
3.1.

Xác định nguyên lý ....................................................................................... 21

3.2.

Phương án kết cấu ........................................................................................ 21

3.2.1. Yêu cầu ......................................................................................................... 21
3.2.2. Phương án 1.................................................................................................. 22
3.2.3. Phương án 2.................................................................................................. 22
3.2.4. Lực chọn phương án .................................................................................... 24
3.3.

Phương án thiết kế thân đỡ đầu máy ......................................................... 24

3.3.1. Phương án 1 – Thép tấm ............................................................................. 24
3.3.2. Phương án 2.................................................................................................. 25
3.3.3. Lực chọn phương án .................................................................................... 26
3.4.

Phương án thiết kế lắp đặt cụm động cơ servo của vitme dọc:................ 27

3.4.1. Phương án 1.................................................................................................. 27
3.4.2. Phương án 2.................................................................................................. 27
3.4.3. Lựa chọn phương án ................................................................................... 28

3.5.

Phương án thiết kế lắp đặt cụm động cơ servo của vitme ngang ............ 29

3.5.1. Phương án 1.................................................................................................. 29
3.5.2. Phương án 2.................................................................................................. 29
3.5.3. Lựa chọn phương án ................................................................................... 30
ii

Luan van


3.6.

Phương án thiết kế truyền động từ động cơ sang đầu máy ...................... 31

3.6.1. Phương án 1.................................................................................................. 31
3.6.2. Phương án 2.................................................................................................. 31
3.6.3. Lựa chọn phương án ................................................................................... 32
3.7.

Phương án điều khiển tốc độ động cơ ........................................................ 33

3.7.1. Phương án 1.................................................................................................. 33
3.7.2. Phương án 2.................................................................................................. 33
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ .................................................... 35
4.1.

Xác định lực hàn ........................................................................................... 35

4.2.

Truyền động trục Y ...................................................................................... 36

4.2.1. Tính tốn bộ truyền vít me - đai ốc bi theo độ bền kéo (hoặc nén) ......... 36
4.2.2. Chọn động cơ trục Y ................................................................................... 39
4.3. Truyền động trục X ......................................................................................... 41
4.3.1. Tính tốn bộ truyền vít me - đai ốc bi theo độ bền kéo/nén ..................... 41
4.3.2. Chọn động cơ trục X .................................................................................... 44
4.4.

Tính tốn chọn động cơ cho trục chính ...................................................... 44

4.5. Tính tốn thiết kế bộ truyền động đai ........................................................... 45
4.5.1. Thông số đầu vào .......................................................................................... 45
4.5.2. Tính tốn thiết kế bộ truyền đai .................................................................. 46
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ....................................................... 50
CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM ................................................... 54
6.1. Chế tạo chi tiết cơ khí ..................................................................................... 54
6.1.1. Cụm khung đầu máy .................................................................................... 54
6.1.1.4. Tấm T che mặt trên ................................................................................... 65
6.1.2. Cụm vitme dọc ............................................................................................. 70

iii

Luan van


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Bảng so sánh các phương án chế tạo thân máy..................................... 23

Bảng 3.2. Bảng so sánh các phương án chế tạo khung chính ............................... 25
Bảng 3.3: Bảng so sánh các phương án chế tạo khung chính ............................... 27
Bảng 3.4: Bảng so sánh các phương án chế tạo khung chính ............................... 29
Bảng 3.5: Bảng so sánh các phương án lắp đặt đai ............................................... 31
Bảng 3.6: Bảng so sánh hệ thống thay đổi tốc độ trục chính ................................ 34
Bảng 5.1: Bảng kê các thiết bị điện trong bộ điều khiển....................................... 52
Bảng 6.1: Thông số của thép .................................................................................. 58

iv

Luan van


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
FSW: Friction Stir Welding
TWI: Training Within Industry
HAZ: Heat Affected Zone
MIG: Metal Inert Gas

v

Luan van


DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Đường hàn ma sát khuấy .......................................................................... 4
Hình 2.2: Nguyên lý hàn ma sát khuấy [2] ............................................................... 6
Hình 2.3: Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương ngang .................................... 8
Hình 2.4: Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương đứng [3] ................................ 9
Hình 2.5 Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng [3] ........................................ 9

Hình 2.6: Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng tấm [3] ............... 10
Hình 2.7: Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng ống [3] ............... 11
Hình 2.8: Hàn ma sát khuấy sử dụng robot cơng nghiệp tại ĐH Coimbra [3] ....... 12
Hình 2.9: Cấu tạo của dụng cụ hàn ma sát khuấy .................................................. 12
Hình 2.10: Hình dạng dụng cụ Skew-StirTM [4] ..................................................... 13
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý làm việc của dụng cụ Skew-StirTM [4] .................... 14
Hình 2.13: Hình dạng dụng cụ WhorlTM [5]........................................................... 14
Hình 2.14 Các biến thể khác nhau của cơng cụ WhorlTM [7] ................................. 15
Hình 2.15 Hình dạng dụng cụ TrifluteTM [9] .......................................................... 16
Hình 2.16 Thiết kể của dụng cụ TrifluteTM [8] ....................................................... 16
Hình 2.17 Các lực tác dụng lên chốt hàn, hệ trục tọa độ [10] ................................ 16
Hình 3.1: Mơ tả ngun lý hàn ma sát khuấy ......................................................... 20
Hình 3.2: Thân máy tiện CNC Hitachi Serki 3NE300 ........................................... 21
Hình 3.3: Khung bệ máy được hàn từ thép hộp ..................................................... 22
Hình 3.4: Khung đỡ đầu máy bằng thép tấm.......................................................... 24
Hình 3.5: Khung đỡ đầu máy hàn bằng thép hộp 50x50x6mm.............................. 25
Hình 3.6. Cụm động cơ servo dọc được lắp bên trong thân máy ........................... 26
Hình 3.7: Cụm động cơ servo dọc được lắp bên ngồi thân máy .......................... 27
Hình 3.8: Cụm động cơ servo ngang được lắp dùng hộp số thẳng ........................ 28
Hình 3.9. Cụm động cơ servo ngang được lắp dùng hộp số vng góc................. 29
Hình 3.10: Đầu máy và động cơ được truyền động bằng đai lắp theo chiều dọc .. 30
Hình 3.11: Đầu máy và động cơ được truyền động bằng đai lắp theo chiều ngang31
Hình 3.12: Biến tần Mitsubishi FR-F740-7.5K ...................................................... 34
Hình 4.1: Sơ đồ truyền ddoognj trục Y .................................................................. 36
Hình 4.2. Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất σmax ................................................... 39
vi

Luan van

Hình 4.3: Động cơ AC servo Mitsubishi và Driver................................................ 40
Hình 4.4: Sơ đồ truyền động trục X ....................................................................... 41
Hình 4.5 Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất σmax .................................................... 44
Hình 4.6 Chọn loại tiết diện đai hình thang[1] ....................................................... 46
Hình 4.7 Thơng số của đai hình thang[1] ............................................................... 47
Hình 5.1: Sơ đồ kết nói các khí cụ điện................................................................. 52
Hình 6.1 Cụm khung đầu máy sau khi chế tạo hoàn chỉnh .................................... 55
Hình 6.2 Thiết kế cụm khung đỡ đầu máy ............................................................. 56
Hình 6.3 Khung đỡ đầu máy sau khi gia cơng hàn. ............................................... 57
Hình 6.4: Khug máy và đầu máy mơ phỏng trên phần mềm Inventor ................... 58
Hình 6.5: Chọn mặt phẳng cố định ......................................................................... 59
Hình 6.6: Mật độ lưới thể hiện trên phần mềm. ..................................................... 59
Hình 6.7 : Mô tả trọng lực của đầu phay gây ra chuyển vị đối với khung máy ..... 60
Hình 6.8: Chuyển vị theo phương X khi khơng tải ................................................ 61
Hình 6.9: Chuyển vị theo Phương Y khi khơng tải ................................................ 61
Hình 6.10: Chuyển vị theo phương Z khi khơng tải............................................... 62
Hình 6.11: Các lực gây ra chuyển vị khung máy ................................................... 63
Hình 6.12: Chuyển vị theo phương X khi có tải .................................................... 63
Hình 6.13: Chuyển vị theo phương Y khi có tải. ................................................... 64
Hình 6.14: Chuyển vị theo phương Z khi có tải ..................................................... 64
Hình 6.15: Thiết kế puly gắn động cơ .................................................................... 65
Hình 6.16: Puly được lắp hồn chỉnh với động cơ ................................................. 65
Hình 6.17: Thiết kế puly gắn đầu phay .................................................................. 66
Hình 6.18: Puly đầu phay được lắp ráp hồn chỉnh ............................................... 67
Hình 6.19: Bản vẽ thiết kế tấm T che mặt trên....................................................... 68
Hình 6.20: Tấm T sau khi gia cơng và lắp ráp vào khung máy.............................. 68
Hình 6.21: Bản vẽ thiết kế tấm mặt bích gắn với khung ........................................ 69
Hình 6.22: Bản vẽ thiết kế bạc đỡ đầu máy phay ................................................... 70
Hình 6.23: Bạc đỡ sau khi gia cơng hồn thiện ...................................................... 70
Hình 6.24: Bản vẽ thiết kế tấm căng đai ................................................................ 71

Hình 6.25: Tấm căng đai sau khi lắp khép hồn chỉnh với khung máy ................. 71
Hình 6.26: Bản vẽ tấm định vị vitme với thân máy ............................................... 72
vii

Luan van


Hình 6.27: Tấm định vị mitme với thân máy sau khi gia cơng .............................. 73
Hình 6.28: Bản vẽ các chi tiết của gối đỡ vitme .................................................... 74
Hình 6.29: Cụm gối đỡ sau khi gia cơng và lắp gắp hồn chỉnh vào vỉme ............ 74
Hình 6.30: Khớp nối 3D ......................................................................................... 75
Hình 6.31: Khớp nối sau khi gia cơng hồn chỉnh ................................................. 75
Hình 6.32: Bản vẽ thiết kế lồng giữ khớp nối ........................................................ 76
Hình 6.33: Lồng giữ khớp nối sau khi chế tạo hồn thiện ..................................... 77
Hình 6.34: Bản vẽ thiết kế tấm chặn ổ bi ............................................................... 78
Hình 6.35: Tấm chặn ổ bi sau khi hồn thiện ......................................................... 78
Hình 6.36: Bản vẽ tấm định vị vitme với thân máy ............................................... 79
Hình 6.37: Tấm định vị vitme với thân máy hoàn thiện ........................................ 80
Hình 6.38: Bản thiết kế gối đỡ ............................................................................... 81
Hình 6.39: Gối đỡ vitme sau khi gia cơng hồn thiện ............................................ 81
Hình 6.40: Mơ hình thiết kế 3D của khớp nối ........................................................ 82
Hình 6.41: Khớp nối sau khi chế gia cơng hồn thiện ........................................... 82
Hình 6.42: Bản vẽ thiết kế lồng giữ khớp nối ........................................................ 83
Hình 6.43: Lồng giữ khớp nối sau khi gia cơng hồn thiện ................................... 83

viii

Luan van

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy hàn ma sát khuấy
- Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Hoàng Kiệt Mã số SV: 16144088
- Lớp:16144CL5
Khoa: Đào tạo chất lượng cao
- Thành viên đề tài:
Stt

Họ và tên

MSSV

Lớp

Khoa

1

Nguyễn Tiến Quyền

16144139

16144CL5

ĐT CLC

2

Nguyễn Khánh Dương

16144025

16144CL5

ĐT CLC

- Người hướng dẫn: PGS. TS. Đặng Thiện Ngôn
2. Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu đề xuất kết cấu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm mơ
hình thiết bị hàn ma sát khuấy có thể hàn giáp mí tấm nhơm (6061) dày đến 10 mm.
3. Tính mới và sáng tạo: Là phương pháp hàn còn khá mới mẻ ở nước ta. Đặc biệt
trong các trường học và các trung tâm nghiên cứu. Các công trình nghiên cứu chủ yếu
được tiến hành trên máy phay đứng vạn năng, chưa có máy chuyên dùng để hàn má sát
khuấy.
4. Kết quả nghiên cứu: Xác định được nguyên lý của máy hàn ma sát khuấy và chế
tạo được các cụm của máy hàn.
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài: Đề tài góp phần phục vụ cơng tác nghiên cứu và phổ
biến công nghệ hàn ma sát khuấy trong chế tạo cơ khí của Việt Nam hiện nay.
6. Cơng bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu
có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):
Ngày 12 tháng 07 năm 2020
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)

Nguyễn Hoàng Kiệt
1

Luan van


Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề
tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

Ngày 25 tháng 07 năm 2020
Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)

2

Luan van


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề

Ngày nay, các ngành công nghiệp có vai trị quan trọng trong sự phát triển của
mỗi đất nước, cùng với đó sự hình thành các cơng nghệ mới góp phần nâng cao chất
lượng, năng suất và giảm thiểu tác động đến môi trường để tạo sự phát triển bền vững.
Nhiều phương pháp gia công đã được nghiên cứu và ứng dụng, trong đó hàn là phương
pháp phổ biến trong sản xuất. Hàn có tầm quan trọng trong nền kinh tế và đã phát triển
rất nhanh từ kỹ thuật công nghệ đến trang thiết bị nhằm đáp ứng nhu cầu và chất lượng
ngày càng cao.
Trong những năm gần đây, công nghệ hàn ngày càng phát triển nhiều thiết bị
hiện đại làm tăng năng suất gấp nhiều lần song bên cạnh đó tồn tại một số hạn chế như:

việc tính tốn chế độ hàn khó khăn, tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, kim loại bị biến tính
do nóng chảy, cần khí bảo vệ mối hàn, phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ gây
ô nhiễm mơi trường. Ngồi ra, cần sử dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, dễ
xuất hiện vết nứt tế vi, vật hàn biến dạng và đặc biệt cần quan tâm tính chất đồng bộ của
vật liệu hàn.
Phương pháp hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) là phương pháp
hiệu quả và khắc phục tốt một số nhược điểm của các phương pháp hàn trước đây. Hàn
ma sát khuấy có bước tiến quan trọng trong những năm gần đây, được xem như một
công nghệ xanh sử dụng năng lượng hiệu quả và ít tác động đến mơi trường.
Vì là phương pháp hàn còn khá mới mẻ nên các trang thiết bị về hàn ma sát khuấy
vẫn chưa phổ biến. Trên thế giới, hiện chỉ có hơn 200 doanh nghiệp chế tạo các sản
phẩm ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy. Cịn tại Việt Nam thì chưa có doanh nghiệp
nào đi sâu vào lĩnh vực này.
Các thực nghiệm về hàn ma sát khuấy công bố trên các bái báo, cơng trình nghiên
cứu chủ yếu được tiến hành trên máy phay đứng vạn năng. Ít có các cơng bố liên quan
đến nghiên cứu tiến hành trên máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng.
Một số doanh nghiệp cung ứng máy hàn ma sát khuấy, nhưng chủ yếu các máy này
được thiết kế và chế tạo để sản xuất ra một sản phẩm cụ thể ứng dụng công nghệ kỹ
thuật ma sát khuấy.
Việc trang bị các máy hàn ma sát khuấy chun dụng là rất tốn kém, địi hỏi chi phí
đầu tư lớn nhưng lại không phù hợp cho các nghiên cứu với các loại sản phẩm khác
nhau. Với tình hình trên, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và phát triển máy hàn ma sát
khuấy” là rất cần thiết, góp phần phục vụ công tác nghiên cứu và phổ biến công nghệ
hàn ma sát khuấy trong chế tạo cơ khí của Việt Nam hiện nay. Ngoài ra, từng bước làm
chủ các công nghệ thiết kế hiện đại, ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến cũng như giá thành
3

Luan van

chế tạo phù hợp với năng lực đầu tư của các đơn vị chế tạo cơ khí trong nước.
1.2.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Trong thời đại hiện nay, việc luôn luôn phát minh, cải tiến, ứng dụng các phương
pháp sản xuất mới vào trong thực tiễn sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm,
giảm bớt thời gian và chi phí tạo ra là một phần trong chiến lược phát triển của các doanh
nghiệp, công ty. Công tác nghiên cứu tạo ra các thiết bị, máy móc hiện đại, ln được
ưu tiên hàng đầu, việc nghiên cứu, tính tốn thiết kế chế tạo thiết bị hàn ma sát khuấy
khơng nằm ngồi quy luật đó, mục tiêu của đề tài là rất rõ ràng trong việc giảm bớt sức
lao động, đáp ứng các nhu cầu cần thiết. Đề tài được thực hiện đầy đủ các bước theo
một quy trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo một sản phẩm mới và có ưu thế về các mặt
sau:
1.3.

Ít hao phí vật liệu, tiết kiệm kim loại;
Khơng phát xạ độc hại (khói độc, bắn tóe, bức xạ tử ngoại,...);
Độ chính xác của các chi tiết hàn cao (kể cả khi hàn tiết diện đặc biệt);
Hàn được các kim loại khác nhau với nhau;
Cơ tính mối hàn rất tốt;

Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đề xuất kết cấu, thiết kế chi tiết và chế tạo thử
nghiệm mơ hình thiết bị hàn ma sát khuấy có thể hàn giáp mí tấm nhơm (6061) dày đến
6 mm.
1.4.

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

1.4.1. Đối tượng nghiên cứu

Nội dung của đề tài được giới hạn trong phạm vi nghiên cứu lý thuyết và chế tạo
thử nghiệm dựa trên điều kiện hiện có:
-

Vật liệu chi tiết hàn: Al và Al có độ dày 6 mm.
Vật liệu dao khuấy hiện có ở Việt Nam: thép SKD 11.

1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
Sưu tầm và nghiên cứu sách báo, tài liệu, công trình có liên quan đến phương
pháp hàn ma sát khuấy. Dựa vào các bài báo khoa học uy tín cho những thông tin xác
thực và mới nhất trên thế giới cũng như trong nước, góp phần làm cơ sở để phát triển đề
tài. Sau khi đã tham khảo các tài liệu và có được các số liệu cần thiết thì việc phân tích
các số liệu, các tài liệu có liên quan là việc hết sức cần thiết. Từ các phân tích, đánh giá
này, tiến hành đề xuất phương án kết cấu, thiết kế và chế tạo các cụm chính của thiết bị
hàn ma sát khuấy.
4

Luan van


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1.

Giới thiệu về ma sát khuấy
2.1.1. Lịch sử phát triển

Hàn khuấy ma sát là một quá trình tự sinh được phát minh bởi W. Thomas của
Viện hàn (TWI) vào tháng 12 năm 1991 và ban đầu được sử dụng để tham gia các hợp

kim có nhiệt độ nóng chảy thấp như nhơm, đồng, magiê, v.v., độ dày vật liệu có thể áp
dụng từ 0,5 đến 65 mm. Q trình này sử dụng một thiết kế có khả năng quay và được
chèn vào giữa 2 tấm kim loại sau đó tịnh tiến dọc theo phần tiếp xúc của 2 tấm kim loại
ấy. Điều này là điều hoàn toàn mới trong lĩnh vực hồn tồn mới trong cơng nghệ hàn.
Nhiệt ma sát giữa dụng cụ hàn chống mài mòn và phôi làm cho phôi mềm ra mà không
đạt đến điểm nóng chảy, cho phép cơng cụ đi qua dọc theo đường hàn. Và sau khi làm
mát, pha rắn liên kết sẽ được tạo ra giữa các phôi với nhau [2].

Hình 2.1: Đường hàn ma sát khuấy
Sử dụng FSW giúp có được mối hàn nhanh hơn, chất lượng cao hơn trên hợp kim
nhôm seri 2xxx, 6xxx, 7xxx đã từng xem là không thể và đặc biệt không gây ô nhiễm
môi trường (khơng sinh ra khói hay xỉ kim loại).
Hàn ma sát khuấy là một phương pháp hàn phi truyền thống, chi tiết dạng tấm là
các chi tiết chủ yếu được sử dụng trong quá trình hàn ma sát khuấy. Việc tạo ra mối hàn
cần một năng lượng chủ yếu và năng lượng này được tạo ra do sự tiếp xúc ma sát giữa
đầu hàn chuyên dụng (chốt hàn) và vật liệu cần hàn. Có rất nhiều yếu tố như góc xoay
của dụng cụ hàn, tốc độ và bước tiến cũng như hình dáng hình học của đầu hàn sẽ ảnh
hưởng lớn đến nhiệt lượng sinh ra trong quá trình hàn. Hàn ma sát khuấy là một ứng
dụng cơng nghệ có hiệu quả cao về mặt năng lượng, thân thiện với môi trường và tạo ra
hiệu quả cao về mặt thẩm mỹ cho mối hàn. Những nghiên cứu này được ứng dụng rất
thực tế trong ngành công nghiệp hàng không, vũ trụ, hàng hải hay đường sắt,…

5

Luan van


Các ưu điểm của hàn ma sát khuấy (FSW) có được nhờ mối hàn được thực hiện
ở trạng thái dẻo tại nhiệt độ dưới điểm nóng chảy của vật liệu. xác định là vượt trội hơn
so với phương pháp hàn truyền thống:

- Chất lượng mối hàn cao, cơ tính tốt. Giảm chi phí gia cơng bề mặt sau khi hàn.
- An tồn cho người thợ hàn vì khơng có khói độc, hồ quang hay tia nhiệt phát
ra trong quá trình vật liệu nóng chảy;
- Khơng tiêu tốn que hàn hay khí bảo vệ, tiết kiệm được rất nhiều chi phí;
- Hàn được các kim loại khác nhau và nó khơng tan chảy vật liệu nhờ thuộc tính
ban đầu;
- Biến dạng do nhiệt thấp cũng như ít chịu tác động từ mơi trường;
- Co ngót thấp;
- Khơng cần tay nghề của người thợ hàn quá cao;
- Hàn được trong tất cả các vị trí trong khơng gian;
- Dễ dàng tự động hóa và khả năng tương thích cho việc sử dụng robot. Chi phí
lắp đặt và đào tạo nhân cơng thấp;
Tuy nhiên hàn ma sát khuấy (FSW) cũng có các khuyết điểm sau:
- Thiết bị hàn đắt tiền;
- Lỗ thốt cịn lại do dụng cụ hàn khi rút lên gây mất thẩm mỹ và ảnh hưởng
đến đặc tính của sản phẩm;
- Yêu cầu lực kẹp lớn để giữ các tấm hàn với nhau;
- Ít linh hoạt so với phương pháp hàn hồ quang ( khó khăn khi các tấm có chiều
dày thay đổi và các đường hàn không thẳng);
- Không thể tạo mối hàn ma yêu cầu lắng kim loại. ( Ví dụ: hàn góc);
- Tốc độ di chuyển theo đường hàn chậm so với các kỹ thuật hàn chảy.
2.1.2. Nguyên lý hàn ma sát khuấy
Trong hàn ma sát khuấy dùng một dụng cụ khuấy hình trụ khó nóng chảy được
thiết kế có một đầu khuấy hình dạng đặc biệt (có ren hoặc khơng có ren) và phần vai để
tiếp xúc với bề mặt phôi hàn. Trước tiên dụng cụ này vừa quay vừa đi xuống, đầu khuấy
xuyên vào phôi hàn (tương ứng với chiều sâu ngấu cần thiết), quay tại chỗ làm mềm vật
liệu xung quanh đầu khuấy, sau đó dụng cụ di chuyển dọc theo hướng hàn để tạo thành
mối hàn hình 2.2. Vật liệu bị mềm ra bởi nhiệt từ ma sát và lực ép từ vai dụng cụ sẽ liên
kết vật liệu ở hai bên phôi hàn với nhau. Do vật liệu khơng nóng chảy nên tính chất mối
hàn sẽ tốt, cơ tính đảm bảo, hạn chế khuyết tật.

6

Luan van


Hình 2.2: Nguyên lý hàn ma sát khuấy [2]
2.1.3. Phân loại
Các công nghệ được ứng dụng từ hàn ma sát khuấy:
-

Hàn điểm ma sát khuấy (Friction Stir Spot Welding).
Quá trình ma sát khuấy xử lý vật liệu (Friction Stir Process).
Quá trình tạo phản ứng bằng ma sát khuấy (Friction Stir Reaction Process).
Hàn ma sát khuấy vật liệu dẻo nhiệt.

Theo khảo sát hiện nay, thiết bị hàn được chia làm hai nhóm chính như sau:
- Thiết bị đựợc điều khiển bằng vi xử lý: các tính năng hỗ trợ tương đối đơn
giản như phương pháp bán tự động thông thường.
- Thiết bị đựợc điều khiển bằng máy tính: các tính tăng được hỗ trợ bằng phần
mềm máy tính với các phương pháp hàn khác nhau. Các thông số hàn được ghi nhận và
hiện thị trên màn hình máy tính.
Các cơng ty sản xuất máy móc thiết bị hàn ma sát khuấy hiện nay như: CTC, NovaTech Engineering (Mỹ); TWI (Anh); Hitachi, Mazda (Nhật), …
2.1.4. Ứng dụng của hàn ma sát khuấy
2.1.4.1. Thế giới
Hiện nay Viện hàn Vương quốc Anh đã cấp giấy phép cho hơn 200 công ty hoạt
động trong lãnh vực công nghệ và thiết bị hàn ma sát khuấy. Do chất lượng mối hàn
cao, nên hàn ma sát khuấy được ứng dụng trong các ngành công nghiệp đặc biệt quan
7

Luan van


trọng như thùng nhiên liệu tàu con thoi, tên lửa đẩy Boeing Deltra II và Delta IV (Boeing
Delta II and Delta IV Expendable Launch Vehicles), tên lửa Falcon 1…
Năm 2004, hãng ôtô Ford đã sản xuất hơn vài ngàn chiếc Ford GT với việc lắp
khung sườn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy và đã cải thiện được sự biến dạng, tăng
độ chính xác về kích thước, vị trí và tăng bền khoảng 30% so với hàn MIG.
Ngoài vật liệu nhôm, phương pháp hàn ma sát khuấy cũng đã hàn thành công
những vật liệu như thép, thép không gỉ, đồng, titan…
2.1.4.2. Trong nước
Ở nước ta, hàn ma sát khuấy là một lĩnh vực còn khá mới mẻ. Đặc biệt trong các
trường học và các trung tâm nghiên cứu, phương pháp này chỉ dừng lại ở mức độ giới
thiệu khái niệm.
Theo khảo sát, hiện nay hầu như khơng có doanh nghiệp nào trong nước ứng
dụng phương pháp này vào trong sản xuất.
Các cơng ty có thể ứng dụng cơng nghệ này một cách có hiệu quả như: sản xuất
nồi hơi, các nhà máy đóng tàu vỏ hợp kim nhơm (Bourbon Long An, Strategic Marine
Vũng Tàu…),… nhưng các công ty trên vẫn chưa mạnh dạn đầu tư vì chưa hiểu rõ về
thiết bị công nghệ hàn.
2.2.

Thiết bị hàn ma sát khuấy

Hàn ma sát khuấy có thể được thực hiện trên các máy có các chuyển động tương
tự q trình hàn ma sát khuấy hoặc trên các máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng như:
2.2.1. Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương ngang
Máy hàn ma sát khuấy được sử dụng để hàn các sản phẩm hàn có dạng tấm phẳng
hoặc hàn trịn các sản phẩm hình trụ. Đây là máy đơn với đầu hàn được lắp vào trục
chính nằm ngang. Đầu hàn được thiết kế để đâm vào vật liệu của vật hàn gắn cố định

với một cơ cấu bên ngồi ví dụ như nạnh chống trên máy phay, hoặc gá tùy chọn để hàn
các sản phẩm hình trụ. Hành trình di chuyển độc lập với máy, do đó cho phép sự linh
hoạt tối đa về kích thước hoặc dạng hình học của vật hàn. Cơ cấu đỉnh đầu khuấy có thể
lùi có thể được đưa vào cho phép chuyển động độc lập tương đối với vai dụng cụ.

8

Luan van


Hình 2.3: Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương ngang [Nguồn Internet]
2.2.2. Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương đứng:
Máy có đầu hàn được bố trí theo phương thẳng đứng và bàn máy có một trục
chuyển động. Máy có hành trình hàn chuẩn dài khoảng 600mm, và đầu hàn có thể được
nghiêng thủ cơng 30 so với bàn gia cơng. Cơ cấu đỉnh đầu khuấy có thể lùi có thể được
đưa vào cho phép chuyển động độc lập tương đối với vai dụng cụ.

Hình 2.4: Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương đứng [3]
2.2.3. Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng
Máy có khả năng hàn các biên dạng trong khơng gian. Máy có ba trục vng góc
nhau và hai trục xoay động lực. Đầu hàn được lắp theo phương thẳng đứng và gồm có:
trục đâm xuống (Z), trục điều chỉnh bước (A), trục lắc ngang (B). Bàn máy hàn cho phép
chuyển động theo hai phương X và Y. Cơ cấu đỉnh đầu khuấy có thể lùi có thể được đưa
vào cho phép chuyển động độc lập tương đối với vai dụng cụ.

9

Luan van

Hình 2.5 Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng [3]
2.2.4. Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng tấm
Loại máy này được thiết kế dành cho các sản phẩm hàn dạng tấm rộng, yêu cầu
được hàn mí để tạo tấm lớn hớn. Đây là máy hàn một trục với đầu hàn di chuyển theo
phương thẳng đứng. Nó có một giường máy cố định. Cấu hình tùy chọn bao gồm cả
giường di động. Máy cơ sở có kích thước tiêu chuẩn: hành trình hàn theo phương X là
3600mm, hành trình theo phương Z là 200mm và một giường cố định. Hành trình theo
phương Y là tùy chọn.

10

Luan van


Hình 2.6: Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng tấm [3]
2.2.5. Máy hàn ma sát khuấy hàn ống dày
Máy có khả năng hàn ống có đường kính từ 300mm đến 600mm. Đầu hàn được
lắp theo phương ngang và gồm trục dò đường hàn (X), trục thẳng đứng (Y), và trục đâm
xuống (Z). Máy có khả năng tạo lực đâm xuống 13700kg và moment xoắn là
34600Nmm. Hàn chu vi đường trịn có thể thực hiện với một tab run-off hoặc cơ cấu
đỉnh đầu khuấy có thể lùi cho phép hàn toàn bộ quanh ống.

11

Luan van


Hình 2.7: Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng ống [3]
2.2.6. Robot công nghiệp
Trong vài năm trước khi mà công nghệ hàn ma sát khuấy vừa ra đời, việc sử dụng

robot trong FSW không mang lại hiệu quả cao do sự hạn chế của nó. Tuy nhiên trong
những năm gần đây, sự phát triển của robot đã khiến nó lại xuất hiện trong thị trường
của FSW. Nhờ khả năng tự động hóa và tính linh hoạt, robot công nghiệp đã cải thiện
đáng kể năng suất hàn của công nghệ FSW. Khả năng hàn trên nhiều mặt trong một
ngun cơng có khả năng cao trong việc cải thiện năng suất.

12

Luan van


Hình 2.8: Hàn ma sát khuấy sử dụng robot cơng nghiệp tại ĐH Coimbra [3]
2.3.

Dụng cụ hàn ma sát khuấy

Dụng cụ hàn ma sát khuấy hay còn gọi là chốt hàn là thành phần vơ cùng quan
trọng cho q trình hàn ma sát khuấy.

Hình 2.9: Cấu tạo của dụng cụ hàn ma sát khuấy
Dụng cụ hàn cấu tạo gồm bốn phần sau:

13

Luan van


- Chuôi: Phần dùng để lắp vào trục quay của máy và cũng góp phần tạo moment
xoắn, tạo lực quán tính giúp dụng cụ đi tới dễ dàng hơn.
- Vai dụng cụ: Tiếp xúc với bề mặt phôi khi hàn, sinh nhiệt do ma sát giữa hai

bề mặt tiếp xúc, khống chế vật liệu,… ép vật liệu.
- Đầu khuấy: làm nhiệm vụ đâm xuyên vào vật liệu hàn, cắt nguồn kim loại tại
mối hàn và di chuyển vật liệu đó từ trước ra sau dụng cụ khi dụng cụ đi tới, khuấy vật
liệu từ đỉnh đầu cắt lên phần vai dụng cụ.
- Đỉnh đầu khuấy: Tạo nhiệt do ma sát với phần gần với mép dưới của vật hàn.
Lượng nhiệt này và lượng nhiệt do ma sát giữ vai dụng cụ với bề mặt vật liệu cộng với
lượng nhiệt do quá trình biến dạng dẻo sẽ làm mềm vật liệu xung quanh đầu khuấy.
Hiện nay, dụng cụ này đã và đang được phát triển rất nhiều trên thế giới tại các
nước đang phát triển – nơi mà công nghệ hàn ma sát khuấy được xem là phổ biến:
- Dụng cụ Skew-Stir
- Dụng cụ Whorl
- Dụng cụ Triflute
2.3.1. Dụng cụ Skew-Stir
Được phát triển tại Viện Hàn quốc tế. Theo đó, mặt vai của công cụ nằm xiên với
trục đầu chốt, nhưng lại vng góc với trục máy (hình 2.10, 2.11a).

Hình 2.10: Hình dạng dụng cụ Skew-StirTM [4]
Các đầu dị được cắt 1 phần để nó khơng đối xứng (hình 2.11b) giúp dịng ngun
liệu lưu thơng dễ dàng hơn, làm tăng tỉ lệ khối lượng động so với tĩnh khối lượng mối
hàn. Tỉ lệ này có nghĩa trong việc giảm sự hình thành khoảng trống trong mối hàn. Chính
vì điều đó, cơng cụ này thực sự quá phù hợp để xử lý trong hàn ma sát khuấy. Hình
2.11c thể hiện quá trình khuấy kim loại của công cụ. Sơ đồ nguyên lý hoạt động được
mơ tả ở hình 2.11.
Ưu điểm của đầu khuấy xoắn ốc so với đầu khuấy hình trụ là tỷ lệ thể tích quét so
với thể tích đầu khuẫy xoắn ốc là 1,8/1 trong khi đầu khuấy hình trụ có tỷ lệ 1,1/1 (khi
hàn tấm dày 25 mm).

14

Luan van