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
CƠNG 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
CƠNG NGHỆ ĐẾN CƠ TÍNH VÀ TỔ CHỨC MỐI HÀN
MA SÁT KHUẤY CHO CÁC KẾT CẤU PHẲNG
BẰNG HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG
CHUN NGÀNH: CƠNG 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 mơi trường, tiêu thụ ít năng lượng một cách đáng kể, khơng tiêu thụ khí
hàn, khơng có q trình nóng chảy, khơng có khí độc khi hàn, khơng 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 khơng 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 cơng nghệ này. Những cơng 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 q trình hàn.
Chương 3: Phân tích và xác lập mơ hình truyền nhiệt của q trình hàn.
Chương 4: Sử dụng mơ hình đã có vào mơ phỏng số, đưa ra miền thơng số của q
trình hàn.
Chương 5: Thực nghiệm theo kết quả mơ 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
tơi thưc hiện luận án này.
Đồng thời xin chân thành cảm ơn TS. Lưu Phương Minh, PGS. TS. Hồng Trọng Bá
đã tận tình hướng dẫn tơi về chun mơn để tơi có thể thực hiện và hồn thành luận án.
Tơi xin tỏ lịng 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 q báu để tơi hồn thiện bản luận án của
mình, cũng như giúp tơi 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 tơi hồn thành thực nghiệm cũng như đóng góp
nhiều ý kiến rất thiết thực.
Các Thầy cơ phịng 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.
Tơi xin gửi lời chân thành cảm ơn đến tồn thể gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những
người đã giúp đỡ, động viên tơi thực hiện cơng 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 q trình .............................................................. 4
Ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ đến chất lượng mối hàn: ..............7
Q trình sinh nhiệt trong FSW: ..................................................................8
Mơ hình truyền nhiệt và dịng 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

MƠ HÌNH NHIỆT..............................................................................34

3.1.

Mơ hình truyền nhiệt ..................................................................................34

3.2.

Mơ hình dịng vật liệu ................................................................................36

v


3.3.

Q trình sinh nhiệt ....................................................................................42

3.3.1.

Mơ 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 n (khơng xét ảnh hưởng của vận tốc hàn) ............44

3.3.4.

Nguồn nhiệt chuyển động ......................................................................48

CHƯƠNG 4
4.1.

MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ....................................................................50

Phương trình phần tử hữu hạn....................................................................50

4.1.1.

Mơ hình truyền nhiệt .............................................................................50

4.1.2.

Mơ hình dịng vật liệu ............................................................................52

4.1.3.

Mơ hình tương tác cơ – nhiệt .................................................................57

4.2.

Mơ phỏng q trình hàn .............................................................................59

4.2.1.

Sơ lược về các phần mềm phần tử hữu hạn ...........................................59

4.2.2.

Mơ phỏng q trình hàn ma sát khuấy trên phần mềm Hyper Works ...61

4.3.

Thực nghiệm kiểm chứng mô hình nhiệt và mơ 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 thơng 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 CƠNG 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 thơng thường ..........................................................................15
Hình 1.8 Khuyết tật vết đường hàn ...............................................................................16
Hình 1.9 Các loại khuyết tật bề mặt thơng dụng ........................................................... 16
Hình 2.1 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến q 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 vịng dạng xoắn ốc ............................................................ 29
Hình 3.1 Miền tính tốn 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 q trình tính tốn sinh nhiệt .........................................................................43
Hình 3.4 Các thơng số hình học dụng cụ điển hình. .....................................................46

viii

Hình 3.5 Phân bố thơng lượng nhiệt trên dụng cụ.........................................................48
Hình 4.1 Lựa chọn đơn vị cho q trình tính tốn. .......................................................61
Hình 4.2 Dụng cụ và phơi hàn. ......................................................................................62
Hình 4.3 Chia lưới cho mơ hình. ...................................................................................62
Hình 4.4 Gán vật liệu cho dụng cụ và phơi hàn. ........................................................... 63
Hình 4.5 Cài đặt điều kiện biên cho quá trình. .............................................................. 63
Hình 4.6 Giải mơ 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 phơi. ............................... 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 vng 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 mơ 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 phơi khi hàn. .......................................................................................83
Hình 5.3 Một số mối hàn (3 mm, 4 mm, 5 mm) đã hàn. ...............................................84
Hình 5.4 Bài tốn hộp đen cho q trình hàn FSW. ......................................................86
Hình 5.5 Kiểm tra phương trình hồi qui trong Minitab. ................................................99
Hình 5.6 Mức ảnh hưởng của các thơng số hàn. .........................................................106
Hình 5.7 Tối ưu các thơng số hàn................................................................................106
Hình 5.8 Mức ảnh hưởng của các thông số hàn 4 mm. ...............................................107
Hình 5.9 Tối ưu các thơng số hàn 4 mm. ....................................................................107
Hình 5.10 Mức ảnh hưởng của các thơng số hàn 5 mm. .............................................108
Hình 5.11 Tối ưu các thơng 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 nhơm 5 mm. ............110
Hình 5.17 Mối liên hệ giữa hệ số WP đến độ bền kéo, nhiệt độ mối hàn nhơm 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 thơng số thực so với miền thơng số mơ 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 nhơm 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 hố thơng 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 hố thơng 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 hố thơng 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 Thơng 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 tốn 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 (khơng nóng chảy), công nghệ
hàn ma sát khuấy được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành như đóng tàu, ơ tơ, hàng
khơng vũ trụ,… loại hình cơng 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, khơng tiêu thụ khí hàn, khơng có q trình nóng chảy, khơng

có khí độc khi hàn, khơng 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 khơng 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 khơng bị
khuyết tật cơ học hình thành trong q trình hàn thì cần phải có các thơng 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 phơi, di chuyển và ép vật liệu để tạo mối hàn, ngăn chặn vật liệu phía dưới
vai khơng 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 thơng số hình học
của dụng cụ hàn tác động đồng thời đến quá trình sinh nhiệt theo thời gian. Để giải quyết
bài tốn địi hỏi sự kết hợp giữa các phương pháp: Mơ hình hóa- Mơ phỏng- Thực
nghiệm.
Mơ hình hóa cho phép nghiên cứu các bài tốn vật lý bằng một phương trình tốn học
tổng qt các biến số tác động vào quá trình. Khi giá trị của các biến số thay đổi, mơ

hình cũng sẽ mơ tả đầy đủ ứng xử của vật liệu đến quá trình sinh nhiệt. Nhờ vậy việc
phân tích q 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 mơ hình
hóa thơng 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 nhơm 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 cơng 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 q trình hàn, tối ưu hóa các
thơng 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
nhơm AA6061 T6 có chiều dày là 3 mm, 4 mm và 5 mm.
Nhơm 6061 là hợp kim nhơm 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


Hợp kim này được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng khơng, cơ khí, tự động hố, bán
dẫn, gia cơng thực phẩm, khn gia cơng chế tạo, có độ bền cao, chống ăn mịn tốt và
có tính hàn tốt được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất.
4. Phương pháp nghiên cứu
• Tổng quan tài liệu: kế thừa và vận dụng kiến thức.
• Phân tích các dữ liệu, xây dựng mơ hình tốn.

• Sử dụng phần mềm HyperWords để mơ phỏng.
• Xây dựng mơ hình thực nghiệm và tiến hành thực nghiệm.
Nghiên cứu lý thuyết công nghệ hàn ma sát khuấy, lý thuyết mơ hình hóa q trình sinh
nhiệt, ứng xử cơ- nhiệt của vật liệu, lý thuyết biến dạng dẻo. Từ đó kết hợp các phương
pháp nghiên cứu: Lý thuyết - Mô phỏng - Thực nghiệm.
5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, đã xác định miền thông số cơng nghệ, từ đó các nhà sản
xuất có thể lựa chọn, ứng dụng sao cho phù hợp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm
và hiệu quả kinh tế. Ngoài ra, luận án còn là tài liệu tham khảo trong lĩnh vực hàn, tạo
hình vật liệu.
6. Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án
Luận án đã phân tích các mơ hình vật liệu, mơ hình đàn hồi dẻo vật liệu, mơ hình hóa
và mơ phỏng quá trình, so sánh với kết quả thực nghiệm cho thấy sự phù hợp và tương
thích cao.
Mơ phỏng số q trình hàn đã được thưc hiện, kết quả mơ phỏng xác định được các
thơng số q trình cơng nghệ. Dựa vào miền thông số vừa xác lập, tiến hành thực nghiệm
hàn trên nhôm tấm 6061 dày 3, 4, 5 mm, các mối hàn này được kiểm tra bằng phương
pháp kiểm tra không phá hủy (chụp X-Ray), phương pháp kiểm tra phá hủy (soi tổ chức
tế vi) và kiểm tra cơ tính (độ bền kéo) để kiểm tra chất lượng mối hàn. Từ đó tìm miền
thơng số cơng nghệ thích hợp của công nghệ hàn.
Kết quả nghiên cứu cho thấy việc lựa chọn mơ hình cơ nhiệt được xây dựng trên cơ sở
giải quyết bài tốn truyền nhiệt trong phơi hàn sau đó sử dụng kết quả trường nhiệt độ
xix


để tính tốn ứng suất và biến dạng theo mơ hình vật liệu rắn dẻo nhớt Zener- Holoman,
việc lựa chọn phần mềm mơ phỏng và mơ hình thực nghiệm đã thực hiện là hồn tồn
chính xác, mang lại hiệu quả cao.
Nội dung của luận án
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình sinh nhiệt, truyền nhiệt khi hàn, xác định rõ các

thơng số cơ bản trong q trình hàn, mối liên hệ của sự sinh nhiệt của đầu khuấy và vai
dụng cụ hàn, phân tích các mơ hình của dòng chảy vật liệu ảnh hưởng đến chất lượng
của mối hàn, một số đặc điểm của chúng cũng như các yếu tố ảnh hướng đến sự hình
thành mối hàn.
- Phân tích, lựa chọn, xác lập mơ hình nhiệt của q trình hàn.
- Mơ phỏng số q trình hàn, tiến hành thực nghiệm kiểm chứng mơ hình.
- Áp dụng mơ hình nhiệt và mơ hình số xác định miền thơng số hàn, thực nghiệm và tối
ưu các thông số hàn, xây dựng miền thơng số thích hợp của q trình hàn.
Luận án gồm 5 chương và phần kết luận chung:
Chương 1: Giới thiệu công nghệ hàn ma sát khuấy, các thông số cơ bản, các dạng
khuyết tật của công nghệ hàn này. Những cơng trình nghiên cứu đã được cơng bố trong
nước và trên thế giới. Trên cơ sở đó, luận án tập trung nghiên cứu về tối ưu thông số
công nghệ và ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng của 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 ma sát khuấy.
Chương 3: Phân tích và xác lập mơ hình truyền nhiệt của q trinh hàn ma sát khuấy.
Chương 4: Sử dụng mơ hình đã có vào mơ phỏng số, đưa ra miền thơng số của q
trình hàn.
Chương 5: Thực nghiệm theo kết quả mô phỏng, kiểm tra, phân tích để xác định miền
thơng số tối ưu của công nghệ hàn.
Kết luận: Nêu những kết quả đạt được và định hướng nghiên cứu trong tương lai.

xx


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Giới thiệu quá hình hàn ma sát khuấy:

Hàn ma sát khuấy là phương pháp hàn khơng nóng chảy tạo ra những liên kết hàn ưu
việt nhất, có thể hàn được các loại hợp kim nhôm mà các phương pháp hàn truyền thống
không hàn được.
Công nghệ hàn này cho mối hàn chịu lực cao, tăng giới hạn bền mỏi, giảm biến dạng,
không bị khuyết tật.
1.1.1 Nguyên lý hàn ma sát khuấy:
Nguyên lý cơ bản của phương pháp hàn ma sát khuấy tương đối đơn giản: Dùng một
dụng cụ xoay khơng nóng chảy được thiết kế đặc biệt có một đầu khuấy (có ren hoặc
khơng có ren) và phần vai để tiếp xúc với bề mặt của phôi hàn.
Trước tiên dụng cụ hàn này đi xuống, phần có ren xuyên vào phôi hàn (tương ứng với
chiều sâu ngấu cần thiết), sau đó di chuyển dọc theo hướng hàn để tạo thành mối hàn.
Dụng cụ hàn vừa xoay vừa tịnh tiến xuống tiếp xúc với bề mặt vật hàn nhằm tạo nguồn
nhiệt cần thiết ban đầu, kế tiếp là đi xuyên vào vật hàn (chiều sâu bằng với chiều sâu
ngấu) tạo những thay đổi về tổ chức vật liệu; làm cho quá trình biến dạng dẻo mãnh liệt
ở vùng khuấy, sau đó di chuyển dọc theo hướng hàn tạo thành mối hàn (để lại phía sau
dụng cụ hàn phần kim lọai vừa kết tinh lại, đẳng hướng, cấu trúc dạng hạt mịn).

Hình 1.1 Dụng cụ đi xuống và bắt đầu hàn [1].
A. Đầu khuấy đi vào vật hàn, B. Di chuyển dọc đường hàn

1


Hình 1.2 Các giai đoạn của quá trình hàn.

Hình 1.3 Dụng cụ đi dọc hướng hàn tạo thành mối hàn.
Có hai khái niệm cần có sự hiểu biết, đó là cạnh tiến và cạnh lùi của mối hàn. Để xác
định đúng cần phải biết chiều quay của dụng cụ và hướng hàn. Trong hình 1.1 dụng cụ
hàn quay ngược chiều kim đồng hồ và hướng hàn đi vào trong trang giấy. Cũng trong
hình 1.1 thì cạnh tiến nằm bên phải, ở đó hướng xoay của dụng cụ cùng hướng với

hướng hàn (ngược với chiều của dòng chảy vật liệu) và cạnh lùi nằm bên trái mối hàn,
ở đó hướng xoay của dụng cụ ngược hướng với hướng hàn (song song với chiều của
dòng chảy vật liệu).
Dụng cụ hàn ma sát khuấy gồm 2 phần là vai và đầu khuấy (Hình 1.5), đầu khuấy sẽ
thâm nhập vào phôi và vai sẽ ép lên bề mặt phôi. Tiếp xúc giữa vai và vật liệu sẽ sinh
nhiệt do ma sát, trong khi đầu khuấy sẽ khuấy vật liệu và tạo ra mối hàn. Các hình dạng
điển hình của đầu khuấy gồm dạng tam giác, trụ, vng, cơn,… ngồi ra đầu khuấy cịn
được tạo ren để ngăn ngừa sự hình thành khuyết tật hàn và tạo điều kiện thuận lợi cho
dòng vật liệu di chuyển tốt hơn.

2


Hình 1.4 Các loại mối hàn ma sát khuấy.
(a) Hàn giáp mí, (b) Hàn chồng, (c) Hàn chữ T, (d) Hàn góc
Dụng cụ hàn ma sát khuấy được làm bằng vật liệu có độ cứng cao như Molipden (Mo),
Vonfram (W), Carbide Vonfram (WC). Những loại vật liệu này chống được sự mài mòn
và biến dạng khi chịu lực lớn và tốc độ quay cao. Thép là vật liệu được ưu tiên làm dụng
cụ để hàn nhơm có thể tạo ra được mối hàn có chất lượng và độ bền tốt với tốc độ mịn
dụng cụ thấp tại các thơng số phù hợp [1].

Hình 1.5 Các thành phần cơ bản của dụng cụ hàn ma sát khuấy.
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 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 khi nó đi tới phía trước. Vai dụng cụ hàn khống chế kim loại

3