Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ trong gia công hàn ma sát khuấy chi tiết dạng ống trụ hợp kim nhôm a5052

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
…………….....................

NGUYỄN TẤN LỰC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CÁC THƠNG SỐ CÔNG NGHỆ
TRONG GIA CÔNG HÀN MA SÁT KHUẤY CHI TIẾT DẠNG
ỐNG TRỤ HỢP KIM NHÔM A5052

Chuyên ngành

: Kỹ Thuật Cơ Khí

MN

: 60 52 01 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 12-2016


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC
BÁCH KHOA - ĐHQG TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thiên Phúc
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: .......................................................................................
..............................................................................................................................

..............................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: .......................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM
ngày……tháng……năm……
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ........................................................................................................................
2. ........................................................................................................................
3. ........................................................................................................................
4. ........................................................................................................................
5. ........................................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ


Luận văn thạc sĩ

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

Trang 3/ 96

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

NGUYỄN TẤN LỰC

Ngày, tháng, năm sinh: .
Chuyên ngành: .

MSHV:

7140909

Nơi sinh: TP.HCM

15/05/1987

Kỹ Thuật Cơ Khí

Mã ngành: 60 52 01 03

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
TRONG GIA CÔNG HÀN MA SÁT KHUẤY CHI TIẾT DẠNG ỐNG TRỤ HỢP
KIM NHÔM A5052
.
..................................................................................................................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: .............................................................................
- Thực nghiệm trên ống nhôm A5052 .........................................................................
- Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số vận tốc hàn, tốc độ quay trục chính, và khoảng

lệch tâm dụng cụ.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài 04/07/2016

.

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)
04/12/2016
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): ................................
.

PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC

.

Tp. HCM, ngày 12 tháng 12 năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)

Ghi chú:Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tập thuyết minh LV

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909

Luận văn thạc sĩ

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

Trang 4/ 96

LỜI CẢM ƠN
Lời đâu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Trần Thiên Phúc đã giúp đỡ,
hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này. Thầy đã cho tôi
những lởi động viên và những lời khuyên kịp thời khi có những vướng mắc và khó
khăn xảy ra.
Sau thời gian học tập, tơi đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức quý báu từ các
thầy cơ để có thể hồn thành đề tài này và vững bước trên con đường mình đã chọn.
Một lần nữa tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Trần Thiên Phúc và quý
Thầy/Cô trong xưởng C1, trong phịng thí nghiệm sức bền vật liệu, bộ mơn Kỹ thuật
nhiệt, phịng thí nghiệm đo lường đã ln giúp đỡ và tạo điều kiện cho tơi thực hiện
các thí nghiệm. Nếu khơng có những lời hướng dẫn, dạy bảo của các thầy cơ thì tơi
nghĩ bài luận văn này rất khó có thể hồn thiện được.
Tơi xin cám ơn đến những anh chị, bạn bè và đặc biệt là các thành viên lớp cao
học ngành Kỹ Thuật Cơ Khí – Khóa 2/2014 đã cùng chia sẽ giúp đỡ tơi hồn thành
luận văn này.
Và lời cảm ơn cuối cùng, tơi sẽ luôn biết ơn sâu sắc đến bố mẹ, tất cả những
người thân trong gia đình tơi đã ln giúp đỡ, động viên và hổ trợ tơi trong q trình
học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc Gia TP.HCM.
Chân thành cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Tấn Lực

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 5/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

TĨM TẮT
Nghiên cứu này thực hiện thí nghiệm hàn ma sát khuấy (FSW) trên mơ hình ống
hình trụ bằng hợp kim nhôm A 5052 (được thực hiện trên máy phay vạn năng ENSHU
RA2 tại xưởng C3, Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM.
Hai đoạn ống có cùng đường kính ngồi 100mm, chiều dày 5mm, chiều dài
40mm được gá chặt trên một hệ thống được thiết kế riêng biệt có khả năng tự quay hàn
ở các mốc tốc độ khác nhau, dễ dàng lắp đặt và điều chỉnh. Mơ hình này được sử dụng
để dự đốn độ tin cậy các thơng số tốc độ quay của dụng cụ, tốc độ hàn và khoảng
lệch tâm dụng cụ trong các điều kiện hàn ma sát khuấy dạng ống trụ. Nghiên cứu này
sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số trên đến độ bền kéo và lực dọc trục của mối
hàn FSW. Quá trình phân tích ảnh hưởng của các thơng số trên được tiến hành bởi q
trình xây dựng mơ hình tốn học và thiết kế mơ hình thực nghiệm.
Từ khóa: Hàn ma sát khuấy, ống nhơm A5052, số vịng quay trục chính, khoảng
lệch tâm dụng cụ, ứng suất kéo.

ABSTRACT
This study aimed to experimentally explore the friction stir welding (FSW) on the
aluminum alloy A5052 pipe (made on milling machine ENSHU RA2 C3, the

University of Technology in HCM City, Vietnam). Two pipe sections have the same
outer diameter of 100mm, thickness 5mm, length 40mm is tightly hinged on a system
specifically designed to be capable of rotation in the mold welding different speed,
easy installation and adjustment. This model is used to predict the reliability
parameters of the tool rotational speed, welding speed and Side-view of offset tool.
This study will investigate the effect of welding parameters on the tensile strength and

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 6/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

the axial force of joint produced by the FSW process. The process of analyzing the
impact of the above parameters was carried out by the process of mathematical
modeling and experimental design model.
Keywords: Friction Stir Welding, A5052- Pipe, tool rotational velocity, sideview of offset tool , tensile strength.

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

Trang 7/ 96

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên : Nguyễn Tấn Lực
MSHV: 7140909
Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào tạo Sau đại hoc, Đại học
Bách Khoa Tp.HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “ Nghiên Cứu Ảnh
Hƣởng Các Thông Số Công Nghệ Trong Gia Công Hàn Ma Sát Khuấy Chi Tiết
Dạng Ống Trụ Hợp Kim Nhôm A5052 ” dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Trần
Thiên Phúc.
Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học của riêng tôi, số liệu trong
luận văn là thực, thực hiên luận văn đúng theo quy định của phòng Đào tạo sau đại học
và theo hướng dẫn của Thầy PGS.TS Trần Thiên Phúc.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu luận văn của mình.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016
Học viên

Nguyễn Tấn Lực

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 8/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. 4
TÓM TẮT .................................................................................................................... 5
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 7
DANH SÁCH HÌNH VẼ ........................................................................................... 11
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ...................................................................................... 14
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .................................................. 15
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU............................................................ 16
1.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 16
1.2 Phạm vi ứng dụng .......................................................................................... 18
1.3 Tình hình các nghiên cứu trên thế giới ........................................................... 20
1.3.1 Các nghiên cưu tiêu biểu.......................................................................... 20
1.3.2 Một số Patent liên quan ........................................................................... 21
1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................... 23
1.5 Nhận xét và lý do chọn đề tài .......................................................................... 25
1.6 Ý nghĩa và mục tiêu của nghiên cứu ............................................................... 26
1.6.1 Mục tiêu của nghiên cứu .......................................................................... 26
1.6.2 Ý nghĩa của nghiên cứu ........................................................................... 26
CHƢƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ HÀN MA SÁT KHUẤY (FSW) ........................... 28
2.1 Quá trình sinh nhiệt khi hàn ............................................................................ 28
2.1.1 Đặc điểm chung ....................................................................................... 28
2.1.2 Quá trình nhiệt sinh ra trong quá trình hàn .............................................. 30

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909

Luận văn thạc sĩ

Trang 9/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

2.1.3 Quá trình truyền nhiệt vào vật hàn ........................................................... 32
2.2 Hai mơ hình động học ..................................................................................... 34
2.2.1 Mơ hình thứ I ........................................................................................... 34
2.2.2 Mơ hình thứ II.......................................................................................... 35
2.3 Lực trong quá trình hàn ma sát khuấy ............................................................. 37
CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................... 39
3.1 Mơ hình bài tốn sinh nhiệt............................................................................. 39
3.1.1 Mơ hình bài tốn nhiệt của đầu dụng cụ khuấy hình trụ .......................... 39
3.1.2 Mơ hình bài tốn nhiệt của đầu dụng cụ khuấy trên ống trụ .................... 43
3.1.3 Kết luận ................................................................................................... 45
3.2 Xây dựng mơ hình mẫu vật liệu và đồ gá chi tiết ............................................ 45
3.3 Phân tích và chọn thơng số thực nghiệm ......................................................... 52
3.3.1 Phân tích .................................................................................................. 52
3.3.2 Chọn thơng số đầu vào thực nghiệm ........................................................ 53
3.4 Phương pháp hàn ............................................................................................ 56
3.5 Phương pháp kiểm tra độ bền kéo chi tiết ....................................................... 60
3.6 Phương pháp kiểm tra lực dọc trục Fz ............................................................ 62
CHƢƠNG 4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ..................................................................... 64
4.1 Thực nghiệm khảo sát miền giá trị thô hệ thống ............................................. 64
4.2 Thực nghiệm đơn yếu tố ................................................................................. 68
4.3 Thực nghiệm yếu tố toàn phần ........................................................................ 71
4.3.1 Xác định phương trình hồi quy ................................................................ 71
4.3.2 Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số các phương trình hồi quy ................ 73

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 10/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

4.3.3 Kiểm tra sự tương thích của phương trình hồi quy: ................................. 76
4.4 Đồ thị thể hiện mối tương quan của hàm mục tiêu với từng cặp yếu tố ảnh
hưởng .................................................................................................................... 78
4.4.1 Đối với lực dọc trục Fz (N) ...................................................................... 78
4.4.2 Đối với ứng suất kéo  k (Mpa) ............................................................... 83
4.5 Kết quả tối ưu hóa các thơng số ...................................................................... 87
CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN .......................................................................................... 88
5.1 Nhận xét và đánh giá nghiên cứu ................................................................... 88
5.2 Hướng phát triển trong tương lai.................................................................... 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 90
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 92
A BẢN VẼ DỤNG CỤ HÀN ................................................................................... 93
B THÔNG SỐ CÁC CHI TIẾT ĐỒ GÁ HỆ THỐNG.......................................... 94
C LÝ LỊCH TRÍCH NGANG................................................................................. 96

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909

Luận văn thạc sĩ

Trang 11/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hàn ma sát khuấy trên ống ............................................................................ 16
Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo hàn ma sát khuấy ..................................................................... 17
Hình 1.3 Hàn FSW trong đóng tàu ............................................................................... 18
Hình 1.4 Hàn FSW trong lĩnh vực hàn khơng .............................................................. 19
Hình 1.5 Hàn FSW trên ơ tơ. ........................................................................................ 20
Hình 1.6 Hệ thống hàn tự động trên ống ...................................................................... 22
Hình 1.7 Hệ thống chịu lực bên trong chi tiết............................................................... 23
Hình 2.1 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến quá trình sinh nhiệt [12] .............. 29
Hình 2.2 Các biên dạng của đầu dụng cụ hàn ............................................................... 30
Hình 2.3 Khoảng cách giữa các bước tiến của dụng cụ hàn ......................................... 30
Hình 2.4 Tổ chức vùng sinh nhiệt trong mối hàn ma sát khuấy.................................... 34
Hình 2.5 Mơ hình các vùng trong hàn ma sát khuấy trong tấm phẳng.......................... 36
Hình 2.6 Mơ hình các vùng trong hàn ma sát khuấy trong ống trụ [3] ......................... 36
Hình 2.7 Các lực trong quá trình hàn............................................................................ 38
Hình 3.1 Phân bố nhiệt tại bề mặt dụng cụ hàn ............................................................ 39
Hình 3.2 Mặt cắt thể hiện phân bố nhiệt vi phân trên chốt và vai ................................. 40
Hình 3.3 Mơ hình mối hàn trên ống trụ ........................................................................ 43
Hình 3.4 Mơ hình hàn mẫu ống trụ hợp kim nhơm ...................................................... 46
Hình 3.5 Kích thước mặt cắt ngang vùng hàn .............................................................. 47
Hình 3.6 Mẫu vật liệu gá đặt ........................................................................................ 47
Hình 3.7 Gia công đồ gá và phôi ống nhôm ................................................................. 48
Hình 3.8 Trục, đe đỡ và ổ đỡ trục  50 ........................................................................ 49

Hình 3.9 Hộp giảm tốc 1:60 ......................................................................................... 49
Hình 3.10 Động cơ SPG Korea 180w 220v cùng hộp giảm tốc 1:60 có gắn biến tần
200w ............................................................................................................................. 50

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 12/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

Hình 3.11 Thơng số và mẫu dụng cụ khuấy ................................................................. 51
Hình 3.12 Gá đặt hệ thống chi tiết lên máy phay.......................................................... 52
Hình 3.13 Thơng số cơ sở thiết bị và máy phay ........................................................... 54
Hình 3.14 Sử dụng thiết bị đo tốc độ SKF TMOT6 calip lại các thông số đầu vào ...... 54
Hình 3.15 Mẫu hàn do khơng đủ nhiệt gây hiện tượng dính mũi khuấy ....................... 55
Hình 3.16 Khoảng lệch tâm dụng cụ khi hàn................................................................ 56
Hình 3.17 Trình tự hình thành mối hàn ........................................................................ 57
Hình 3.18 Tháo lắp chi tiết ........................................................................................... 58
Hình 3.19 Các mẫu hàn ống nhơm thực nghiệm thơ miền giá trị ................................. 58
Hình 3.20 Các mẫu hàn ống nhơm thực nghiệm tồn phần .......................................... 59
Hình 3.21 Mẫu hàn ống nhơm do thiếu nhiệt ............................................................... 59
Hình 3.22 Mẫu hàn ống nhơm do thiếu nhiệt ............................................................... 60
Hình 3.23 Kích thước mẫu thử kéo .............................................................................. 61
Hình 3.24 Tính diện tích mẫu thử kéo .......................................................................... 61
Hình 3.25 Thiết kế đồ gá kẹp thử ứng suất kéo mối hàn trên ống ................................ 62

Hình 3.26 Quá trình kiểm tra ứng suất được thực hiện trên máy MALICET ET BLIN62
Hình 3.27 Hệ thống đo lực ........................................................................................... 63
Hình 4.1 Đồ thị ảnh hưởng tốc độ hàn đến ứng suất kéo .............................................. 64
Hình 4.2 Đồ thị ảnh hưởng tốc độ hàn đến lực dọc trục Fz .......................................... 65
Hình 4.3 Bề mặt mối hàn ở các mức tốc độ hàn ........................................................... 65
Hình 4.4 Đồ thị ảnh hưởng khoảng lệch tâm đến ứng suất kéo .................................... 66
Hình 4.5 Đồ thị ảnh hưởng khoảng lệch tâm đến lực dọc trục ..................................... 67
Hình 4.6 Bề mặt mối hàn ở các khoảng lệch tâm dụng cụ ............................................ 67
Hình 4.7 Ảnh hưởng khoảng lệch tâm đến ứng suất kéo .............................................. 69
Hình 4.8 Ảnh hưởng tốc độ quay dụng cụ đến ứng suất kéo ........................................ 70
Hình 4.9 Ảnh hưởng tốc độ hàn đến ứng suất kéo........................................................ 71
Hình 4.10 Ảnh hưởng của vận tốc hàn và tốc độ quay dụng cụ đến lực dọc trục Fz. ... 79

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 13/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

Hình 4.11 Ảnh hưởng của vận tốc hàn và khoảng lệch tâm dụng cụ đến lực dọc trục Fz.
..................................................................................................................................... 80
Hình 4.12 Ảnh hưởng của khoảng lệch tâm và tốc độ quay dụng cụ đến lực dọc trục Fz.
..................................................................................................................................... 80
Hình 4.13 Mô phỏng Matlab ảnh hưởng của vận tốc hàn và tốc độ quay dụng cụ đến
lực dọc trục Fz. ............................................................................................................. 81

Hình 4.14 Mơ phỏng Matlab ảnh hưởng của vận tốc hàn và khoảng lệch tâm dụng cụ
đến lực dọc trục Fz. ...................................................................................................... 82
Hình 4.15 Mơ phỏng Matlab ảnh hưởng của tốc độ quay trục chính và khoảng lệch tâm
dụng cụ đến lực dọc trục Fz.......................................................................................... 82
Hình 4.16 Ảnh hưởng của vận tốc hàn và tốc độ quay dụng cụ đến ứng suất kéo. ....... 83
Hình 4.17 Ảnh hưởng của vận tốc hàn và khoảng lệch tâm đến ứng suất kéo. ............. 84
Hình 4.18 Ảnh hưởng của tốc độ quay trục chính và khoảng lệch tâm đến ứng suất kéo.
..................................................................................................................................... 84
Hình 4.19 Mô phỏng Matlab ảnh hưởng của vận tốc hàn và tốc độ quay dụng cụ đến
ứng suất kéo. ................................................................................................................ 85
Hình 4.20 Mơ phỏng Matlab ảnh hưởng của khoảng lệch tâm và tốc độ quay dụng cụ
đến ứng suất kéo. .......................................................................................................... 86
Hình 4.21 Mơ phỏng Matlab ảnh hưởng của khoảng lệch tâm và tốc độ quay dụng cụ
đến ứng suất kéo. .......................................................................................................... 86
Hình B.1 Động cơ hộp giảm tốc và thiết bị biến tầng 200W ........................................ 94
Hình B.2 Hộp giảm tốc REYON LW 60 ...................................................................... 95
Hình B.3 Thiết bị đo tốc độ SKF TMOT6 .................................................................... 95

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 14/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Khảo sát miền giá trị tương ứng với thơng số hiện có của hệ thống hàn trên
ống trụ .......................................................................................................................... 56
Bảng 4.1 Kết quả thực nghiệm miền giá trị tốc độ hàn (mm/ph) .................................. 64
Bảng 4.2 Kết quả thực nghiệm miền giá trị khoảng lệch tâm (mm) ............................. 66
Bảng 4.3 Miền giá trị giới hạn ...................................................................................... 68
Bảng 4.4 Khảo nghiệm đơn yếu tố khi khoảng lệch tâm dụng cụ thay đổi ................... 68
Bảng 4.5 Khảo nghiệm đơn yếu tố khi số vòng quay dụng cụ thay đổi ........................ 69
Bảng 4.6 Khảo nghiệm đơn yếu tố khi tốc độ hàn thay đổi .......................................... 70
Bảng 4.7 Bảng quy hoạch toàn phần ............................................................................ 72
Bảng 4.8 Kết quả thực nghiệm ở tâm ........................................................................... 74
Bảng 4.9 Các giá trị của phương trình hồi quy y1 ........................................................ 74
Bảng 4.10 Xác định các thông số ................................................................................. 75
Bảng 4.11 Các thông số xác đinh tiêu chuẩn Fisher ..................................................... 77

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 15/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Fz : Lực dọc trục (Lực hướng xuống của đầu khuấy) (N)

 k Ứng suất kéo ( Mpa)
Q1 là nhiệt lượng được sinh ra tại bề mặt phía dưới của vai.

Q2 là nhiệt lượng sinh ra tại mặt bên của chốt khuấy.
Q3 là nhiệt lượng sinh ra tại mặt đầu của chốt.
R1 là bán kính chốt dụng cụ khuấy
R2 là bán kính vai dụng cụ khuấy
 : Vận tốc gốc

dF : Lực tác dụng lên bề mặt tại khoảng cách r từ tâm của dụng cụ hàn

 contact : là ứng suất trượt của vật liệu phôi hàn
 yield ứng suất trượt chảy

σyield Ứng suất chảy của vật liệu tại nhiệt độ làm việc
P: Áp lực tiếp xúc (W)
t: Thời gian (s)
HAZ : Vùng chịu nhiệt.
TMAZ : Vùng chịu nhiệt của dụng cụ hàn
FSW : Hàn ma sát khuấy

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

CHƢƠNG 1
1.1

Trang 16/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

GIỚI THIỆU
Hàn ma sát khuấy được phát minh vào năm 1991 bởi Wayne Thomas [1] của

Viện hàn của Vương Quốc Anh (TWI), là kỹ thuật hàn được liên kết ở trạng thái rắn
(khơng nóng chảy) ban đầu được áp dụng cho hàn hợp kim nhôm.
Hàn ma sát khuấy (FSW) nổi tiếng nhất trong ngành hàng không và ngành hóa
dầu. FSW được coi như một q trình xanh mà khơng tạo hồ quang và khói, và khơng
u cầu các loại phụ khí che chắn. Hàn ma sát khuấy là một trong những cơng nghệ
hàn khơng nóng chảy tạo ra những liên kết hàn có tính chất ưu việt, đặc biệt là các kim
loại hay hợp kim có tính chịu hàn kém như hợp kim nhơm, hợp kim đồng… 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 mảnh liệt ở
vùng khuấy, sau đó di chuyển dọc theo hướng hàn tạo thành mối hàn.

Hình 1.1 Hàn ma sát khuấy trên ống

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 17/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

Đến nay, vật liệu đạt được ứng dụng và đạt được nhiều thành công nhất trong
hàn ma sát khuấy là hợp kim nhơm. Ngun nhân là vì việc hàn nhơm dễ và nó được
sử dụng nhiều trong ngành cơng nghiệp. Và một nguyên nhân đặc biệt là do việc hàn
hợp kim nhơm bằng các phương pháp hàn nóng chảy là rất khó khăn, ví dụ như trong
ngành cơng nghiệp máy báy, trong khi hàn plasma với tỉ lệ hư hỏng tới 90%, còn hàn
ma sát khuấy đã giảm tỉ lệ này xuống gần như bằng không [2]. Nhiệt độ tối đa trong
tồn bộ q trình hàn là dưới nhiệt độ nóng chảy, đối với hầu hết hợp kim nhơm là thấp
hơn 6600C.
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. Vấn đề năng lượng, môi
trường, vật liệu chế tạo đang được thế giới quan tâm và ln hướng đến sự hồn thiện
về mọi mặt, do đó tất cả các ngành cơng nghiệp cũng cần nghiên cứu đổi mới công
nghệ nhằm hạn chế tối đa năng lượng tiêu thụ và lượng khí thải khi sản xuất. Trong
lĩnh vực hàn các phương pháp hàn tiên tiến như hàn hồ quang dưới lớp thuốc hay trong
môi trường khí bảo vệ, hàn bằng tia laser,...phần nào đáp ứng được các yêu cầu trên.
Ðặc biệt phương pháp hàn ma sát khuấy (FSW) được xem là phương pháp rất hữu hiệu
và đang được quan tâm nhất hiện nay.

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo hàn ma sát khuấy

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

1.2

P ạ

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

Trang 18/ 96

v ứ

c

dụ

ệ đ

ả:

Đây là hai ngành đầu tiên ứng dụng kỹ thuật hàn ma sát khuấy. Quy trình hàn
được ứng dụng vào các mảng như :Các tấm bano của boong, các vách ngăn và sàng ,vỏ
tàu và các cấu trúc thượng tầng, bãi đáp cho trực thăng trên tàu.

Hình 1.3 Hàn FSW trong đóng tàu
c

ệ

ụ

Nhiều ứng dụng tiềm năng trong ngành công nghiệp hàng không như sửa chữa

những máy bay cũ, những cấu trúc đúc s n, và dụng cụ cho việc ghép nối các cấu trúc
của máy bay lại với nhau thì hàn ma sát khuấy đang dần đáp ứng được các yêu cầu đó.
Ngày nay, các ngành công nghiệp về hàn không đã ứng dụng hàn ma sát khuấy vào chế
tạo một số mẫu. Các mối hàn dọc giáp mối và hàn các chi tiết trụ của hợp kim nhơm
cho các bình chúa nhiên liệu của máy bay thì hàn ma sát khuấy đạt được nhiều thành
cơng.

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 19/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

`
Hình 1.4 Hàn FSW trong lĩnh vực hàn khơng
Phương pháp hàn ma sát khuấy được sử dụng cho việc hàn các bồn nhiên liệu
của tàu con thoi, các chi tiết lớn nhất của tàu. Hàn ma sát khuấy có thể ứng dụng vào
hàn các chi tiết như:
- Cánh máy bay, thân máy bay, các bộ phân thăng bằng.
- Bình chứa nhiên liệu….
c

ệ ô-tô

Hàn ma sát khuấy được ứng dụng trong hàn các tấm hợp kim nhôm của thân xe,

mâm xe, khung xe.

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 20/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

Hình 1.5 Hàn FSW trên ơ tơ.
1.3

TÌNH HÌNH CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI

1.3.1 Các
T á

ê cƣu t êu b ểu
2 ă

2011, DH Lammlein , BT Gibson, DR DeLapp [3] hàn ma sát

khuấy trên ống trụ hợp kim nhôm 6061-T6 có có đường kính 106 mm và dày 5 mm. Sử
dụng các phương pháp thử nghiệm và số, nghiên cứu chứng minh rằng hàn ma sát
khuấy có thể được thực hiện trên mơ hình ống có đường kính nhỏ tại một loạt các
thông số. Kết quả thử nghiệm mối hàn có độ bền kéo cao và tin cây. Các tác giả

khuyến cáo sử dụng điều khiển lực và dùng các phương pháp thí nghiệm đảm bảo sự
tiếp xúc cần thiết giữa bề mặt phôi và dụng cụ khuấy để đảm bảo chất lượng mối hàn
tốt.
Nă

2013, Mok tar Awa

, Hasa Fawad [4] sử dụng và cố định trên máy

phay CNC Bridgeport 2216 để hàn ống nhôm hợp kim 6063. Ống nhôm có đường kính
89 mm, chiều dày danh nghĩa 5mm. dụng cụ khuấy được làm bằng thép carbon cao. Họ
đã sử dụng ở các mốc số vòng quay 900, 1200, 1500 rpm và tốc độ hàn 1,2; 1,8; 2,4
mm/s cho ra ứng suất thấp nhất 104 Mpa và cao nhất là 132 Mpa.

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 21/ 96

A M K ours d và I Sabry ( ă

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

2013) [5] thử nghiệm hàn ma sát khấy dạng

ống hợp kim nhôm 6063 được thực hiện bằng cách sử dụng trên máy khoan. Các công

cụ quay với tốc độ 485, 710, 910, 1120 và 1400 rpm với một tốc độ hàn 4 mm / phút.
Các tính chất cơ học của mối hàn đã được nghiên cứu bằng các xét nghiệm cơ học khác
nhau bao gồm kiểm tra độ bền kéo, độ cứng và cấu trúc vi mơ. Qua đó họ đã trình bày
việc tối ưu hóa và cũng nhấn mạnh ảnh hưởng của vi cấu trúc và cơ thuộc tính của hàn
ma sát khuấy trên ống hợp kim nhôm 6063.
Tháng 1 2016 Mokhtar Awang và Mohd Afendi Rojan [6] đã nghiên cứu phân
tích đường cong nhiệt độ đặc trưng trong các giai đoạn của tốc độ quay dụng cụ hàn
ma sát khuấy trên ống hợp kim nhơm AA6063-T6 có đường kính nhỏ. Bốn điểm vị trí
được lựa chọn trên cả cạnh tiến và cạnh lùi được đo bằng 4 cặp nhiệt điện loại K và ghi
lại bằng cách sử dụng NI Signal Express trên máy tính xách tay. Nghiên cứu cho thấy
nhiệt độ tăng lên với sự tăng của tốc độ quay, có sự khác biệt về nhiệt độ giữa cạnh tiến
cao hơn cạnh lùi tại trung tâm mối hàn và thay đổi từ 5% đến 25%. Nhiệt độ cao nhất
từ cạnh tiến trong 24 giây được ghi nhận tại 1700 rpm cho 378oC.
1.3.2 Một số Patent liên quan
Patents số US9242308 B2 Out of position friction stir welding of casing and
small diameter tubing or pipe [14]
Số hiệu xin cấp bằng: US 14/254,734
Ngày xuất bản: 26/01/2016
Ngày nộp: 16/04/2014
Nhà sáng chế: Jeremy Peterson, John Hall, Russell J Steel, Jonathan Babb, Matt
Collier, Scott M. Packer
Tóm tắt: Hệ thống với phương pháp hàn ma sát khuấy được xoay quanh một chi
tiết dạng ống có đường kính giới hạn. Trong đó cơ cấu gá đặt chịu lực được thiết kế

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 22/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

phù hợp với kích thước bên trong ống và có thể mở rộng chịu lực để ngăn chặn sự biến
dạng trong quá trình hàn.

Hình 1.6 Hệ thống hàn tự động trên ống
Patents số US8550326 B2 Expandable mandrel for use in friction stir
welding [15]
Số hiệu xin cấp bằng: US 13/296,601
Ngày xuất bản: 08/10/2013
Ngày nộp: 15/11/2011
Nhà sáng chế: Scott M. Packer, Jonathan A. Babb, Russell J Steel, Steve W.
Larsen, Paul T. Higgins

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 23/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

Hình 1.7 Hệ thống chịu lực bên trong chi tiết
Tóm tắt: Trục gá được cung cấp lực để chịu áp lực từ bên ngồi trong q trình

hàn. Các trục gá được mở rộng thông qua việc sử dụng một nêm và được vận hành
bằng thủy lực. Hệ thống thủy lực được điều khiển phù hợp với áp lực dụng cụ khuấy
bên ngoài.
Patents số US20070175967 A1 High integrity welding and repair of metal
components [16]
Số hiệu xin cấp bằng: US 11/639,533
Ngày xuất bản: 02/08/2007
Ngày nộp: 15/12/2006
Nhà sáng chế: Narasimha-Rao Venkata Bangaru, Jayoung Koo, Glen A. Vaughn
Tóm tắt: Nghiên cứu trình bày phương pháp hàn và sửa chữa các vết nứt kim loại
của chi tiết.
1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

Trang 24/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

Trong thời gian gần đây,chúng ta bắt đầu có những nghiên cứu về công nghệ hàn
ma sát khuấy, nhưng hiện tại chưa có nghiên cứu nào đi sâu về vấn đề hàn ma sát
khuấy dạng ống trụ đường kính nhỏ. Một số nghiên cứu về hàn ma sát khuấy trên tấm
nhơm phẳng của một số tác giả sau:
Nhóm tác giả Dƣơ

Đì

Hảo, Trầ Hƣ

Trà và Vũ Cơ

Hịa (2015) [7]

Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến độ bền uốn của mối hàn ma sát khuấy tấm
hợp kim nhôm AA7075-T6. Kết quả khảo sát thực nghiệm cho thấy mối hàn đạt chất
lượng với độ bền uốn khá cao khi tỉ số giữa tốc độ quay chốt hàn và tốc độ hàn (ω/v)
nằm trong khoảng từ 4.0-10.0 vịng/mm. Trong đó có mối hàn chịu được uốn với góc
uốn khá lớn đạt đến 90o và không bị phá hủy cũng như khả năng chịu uốn của mối hàn
còn tốt hơn cả vật liệu nền.
Ma Đă

Tuấn [8], luận văn Thạc sĩ, nghiên cứu về một số thông số ảnh hưởng

đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trên tấm nhơm phẳng. Trong đó tác giả đã quy
hoạch thực nghiệm tồn phần 3 thơng số: số vịng quay đầu khuấy, tốc độ hàn và
đường kính vai đầu khuấy, từ đó rút ra được bộ thơng số tối ưu để đạt độ bền kéo lớn
nhất.
Võ Vă P o, Thân Trọ

K á

Đạt [9], tác giả đã trình bày sự ảnh hưởng

đồng thời của 4 thông số (số vòng quay đầu khuấy, vận tốc hàn, chiều dài đầu khuấy và
đường kính đầu khuấy) đến độ bền kéo, lực dọc trục theo phương ngang và phương

đứng.
Trần Trọng Thuyết [10] nghiên cứu trình bày phương pháp gia nhiệt trước cho
đường hàn để từ đó nghiên cứu sự ảnh hưởng tới các thơng số lực trong suốt q trình
hàn tấm nhơm phẳng. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp các thông số cơng nghệ cho q
trình hàn ma sát khuấy có gia nhiệt trên tấm nhôm đạt độ tin cậy và hiệu quả hơn.

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909


Luận văn thạc sĩ

1.5

Trang 25/ 96

GVHD : PGS.TS Trần Thiên Phúc

NHẬN XÉT VÀ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Sau khi nghiên cứu các tài liệu hiện có, một số hạn chế đã được quan sát thấy

trong phương pháp hàn ma sát khuấy với hợp kim nhơm:
• Đa số các nghiên cứu được thực hiện trên tấm nhơm phẳng nhưng rất ít nghiên
cứu được tìm thấy cho ống nhơm và các dạng hình ống của nó. Đặc biệt ở Việt Nam
vẫn chưa có nghiên cứu nào về hàn ma sát khuấy trên ống trụ.
• Nhìn chung các nghiên cứu trên đã chứng minh và đánh giá được các yếu tố ảnh
hưởng đến chất lượng mối hàn. Khó khăn ở hàn ma sát khuấy trên ống trụ là biên dạng
bề mặt tiếp xúc cong so với vai của dụng cụ khuấy và độ cứng vững hệ thống đồ gá.
Qua các nghiên cứu trên vẫn chưa thấy thực nghiệm chứng minh rõ nét sự ảnh hưởng

bề mặt tiếp xúc của biên dạng ống trụ với dụng cụ khuấy.
• Việc so sánh hàn ma sát khuấy với hàn TIG và hàn MIG trên hợp kim nhôm chỉ
dừng lại ở kết quả ứng suất mà chưa so sánh tổng quan hết các yếu tố khác.
Hàn ma sát khuấy là bước tiến quan trọng nhất về lĩnh vực hàn trong thập niên qua,
và là một công nghệ xanh do hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường. So sánh với
những cơng 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,...
Qua các tài liệu trên, c ú

đã ến hành nghiên cứu sự ả

ưởng của các

thông số cơng nghệ trong q trình ứng dụng hàn ma sát khuấy trên ống hợp kim
nhơm A5052 c đường kính nhỏ.

Học viên: Nguyễn Tấn Lực

MSHV :7140909