Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tổ chức mối hàn theo phương pháp fsw nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng của kết cấu hàn

Chương 1 Tổng quan

Trang. 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------------------

PHẠM MINH THUẬN

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN TỔ
CHỨC MỐI HÀN THEO PHƯƠNG PHÁP FSW. NGHIÊN CỨU
CÁC GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA KẾT
CẤU HÀN

Chuyên ngành : Công Nghệ Chế Tạo Máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, Tháng 6 – 2011
HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 2

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA T.P HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS LƢU PHƢƠNG MINH
(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Cán bộ nhận xét 1 :
(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Cán bộ nhận xét 2 :
(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 3
Ngày……tháng……năm 2011

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

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : Phạm Minh Thuận

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 11 - 05 - 1984

Nơi sinh : Bến Tre

Chuyên ngành : Cơng Nghệ Chế Tạo Máy
Khố (Năm trúng tuyển) : 2008
1- TÊN ĐỀ TÀI : ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐỀN TỔ
CHỨC MỐI HÀN THEO PHƯƠNG PHÁP FSW.NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NHẰM
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA KẾT CẤU HÀN.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN :
-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tổ chức tế vi mối hàn ma sát khuấy

-

Nghiên cứu các hỏng hóc xảy ra khi hàn ma sát khuấy, cách khắc phục

-

Nghiên cứu thông số công nghệ ảnh hưởng đến cơ tính mối hàn

-

Thực nghiệm hàn với các thông số tối ưu, kiểm tra cơ sở lý thuyết rút ra kết luận
thực tế trong điều kiện công nghệ có sẵn.

-

Tiến hành các phương pháp kiểm tra đánh giá chất lượng mối hàn

-

Đề xuất giải pháp nâng cao cơ tính mối hàn và hướng phát triển.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN :TS Lƣu Phƣơng Minh.

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN

1.1
HƢỚNG DẪN

BỘ

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Họ tên và chữ ký)

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 4

TS Lƣu Phƣơng Minh

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trên cơ sở chọn lọc những thành quả từ những đề tài trước về hàn ma sát khuấy,
Tiến hành các nghiên cứu liên quan đến thông số công nghệ trong q trình hàn FSW
nhằm tìm ra các thơng số tối ưu để có được mối hàn tốt nhât
Đề tài nghiên cứu sâu vào tổ chức mối hàn, các khuyết tật của mối hàn, các hỏng
hóc có thể xảy ra trong q trình hàn. Từ đo suy luận ngược lên thơng số công nghệ
và nghiên cứu cách tối ưu các thông số đó.
Tiến hành các thực nghiệm với loại vật liệu nhơm máy bay A2024 vốn rất khó hàn
bằng các phương pháp hàn truyền thống, kết hợp các phương pháp kiểm tra nghiêm
ngặt đã và đang được sử dụng kiểm tra cấu trúc máy bay. Từ đó đưa ra giải pháp cho
mối hàn tốt nhất trong điều kiện cơng nghệ có thể.
Nội dung luận văn có kết cấu gồm 6 chương sau:
Chương 1: Tổng quan về hàn ma sát khuấy.
Chương 2: Nghiên cứu tổ chức tế vi mối hàn ma sát khuấy với vật liệu nhôm
A2024 T6 và A2024 T351
Chương 3: Thông số công nghệ ảnh hưởng đến cấu trúc mối hàn
Chương 4: Sự hình thành khuyết tật trong mối hàn, các phương pháp nhằm

nâng cao cơ tính mối hàn
Chương 5: Thực nghiêm.
HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 5

Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu mở rộng cho đề tài.

LỜI NĨI ĐẦU

Cơng nghệ là bước tiến không ngừng trong tất cả các lĩnh vực nói chung, lĩnh
vực cơ khí nói riêng. Việc cải tiến cơng nghệ hoặc tìm ra cơng nghệ mới đều có chung
mục đích là làm cho những sản phẩm ngày càng tối ưu và giảm những chi phí cũng
như tác hại từ các cơng nghệ trước đó. Nhằm phục vụ cho đời sống con người cũng
như sự phát triển tri thức của nhân loại.
Đơn cử một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực công nghệ_Công nghệ hàn_Hàn ma
sát khuấy, với rất nhiều sự phát triển không ngừng để đáp ứng nhu cầu sản xuất sản
phẩm là mục tiêu của đề tài này góp phần làm tiền đề cho các nghiên cứu FSW trong
tương lai
Tại Việt Nam, hàn ma sát khuấy đã được nghiên cứu trong thời gian gần đây
nhưng khả năng ứng dụng, tự ứng dụng vẫn chưa được phát triển mạnh mẽ với
nhiều l{ do khách quan liên quan đến công nghệ. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trên
Luận văn thạc sĩ” ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐỀN TỔ CHỨC MỐI HÀN THEO
PHƯƠNG PHÁP FSW. NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA KẾT CẤU
HÀN” mong muốn được góp phần nào nhằm giải bài tốn cơng nghệ khó khăn trên.

Xin chân thành cảm ơn thầy TS Lưu Phương Minh đã hướng dẫn tận tình, chu
đáo và cung cấp các tài liệu quý giá trong quá trình thực hiện luận văn. Khi thực hiện
đề tài có rất nhiều vấn đề vướng mắc, khó khăn đôi lúc rơi vào bế tắt. Tuy một số vấn

HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 6

đề đã được giải quyết nhưng đâu đó vẫn cịn một ít tồn động do ngun nhân khách
quan cũng như chủ quan mắc phải.
Để thực hiện đề tài cần tham khảo rất nhiều tài liệu khác nhau nhằm tìm hiểu,
rút ra những nội dung thích hợp và cũng như học hỏi lĩnh vực nghiên cứu thực
nghiệm khác. Tuy nhiên do điều kiện về máy móc thiết bị không chuyên dùng cho
hàn ma sát khuấy. Trong quá trình sử dụng máy có nhiều dè dặt nhằm tránh làm
hỏng thiết bị. Do đó khơng đem đến được kết quả như mong đợi. Tuy nhiên trong
quá trình thực hiện đề tài có sự kết hợp với các phương pháp kiểm tra mối hàn như:
kiểm tra cấu trúc, kiểm tra không phá hủy đã phần nào làm sáng tỏ vấn đề cần tìm
hiểu…Mặc dù rất cố gắng nhưng nội dung đề tài chắc chắn sẽ khơng tránh khỏi nhiều
thiếu sót, trong cách trình bày sắp xếp, cũng như truyền tải ý tưởng, nội dung một
cách thiếu rõ ràng, chính xác. Rất mong được sự nhận xét đánh giá của quí Thầy Cô,
các ý kiến quý báu không những giúp hiểu biết tốt hơn về vấn đề nghiên cứu mà còn
là những lời chỉ dẫn rất có ích trong cơng việc nghiên cứu khoa học, cũng như trong
công việc thực tế sau này.
Xin chân thành cảm ơn và xin được chúc sức khỏe đến quý Thầy Cô.

HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 7

BẢNG CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT

Ký tự

Diễn giải

FSW

Hàn ma sát khuấy

PFSW

Qui trình hàn ma sát khuấy.

FSP

Qui trình xử l{ vật liệu ma sát

HAZ

Vùng ảnh hưởng nhiệt

TMAZ

Ghi chú

Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt

SZ

Vùng tâm mối hàn.

BM

Vật liệu cơ bản.

2XXX

Dịng hợp kim nhơm đồng

7XXX

Dịng hợp kim nhơm kẽm

SPD

Biến đổi cơ tính vật liệu bằng
phương pháp biến dạng

GPB

HVTH : Phạm Minh Thuận

Vùng tan chảy.

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 8

TEM

Kính hiển vi điện tử

WP

Hệ số năng lượng đầu vào

Vq

Vận tốc quay

Vt

Vận tốc tiến dao

HI

Mức năng lượng đàu vào

Tỷ số Vq/Vt

Cao,

thấp

hoặc trung bình
PFZ

Vùng kết tủa tự do

FCG

Nứt do mỏi

Kmin,
Kmax
NDT

Biên độ tải trọng
Kiểm tra không phá hủy
Công ty kỹ thuật máy bay

VAECO

HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh

Chương 1 Tổng quan

Trang. 9

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN
Tổng quan về hàn ma sát khuấy và cấu trúc mối hàn
1.2

Giới thiệu về hàn ma sát khuấy
Hàn ma sát khuấy (xoáy,v.v… ) FSW: là quá trình hàn trạng thái rắn được sử

dụng đối với các ứng dụng yêu cầu đặc tính của kim loại gốc phải được duy trì. Quá
trình này được ứng dụng chính cho hàn Nhơm, và thường cho các q trình hàn mẫu
lớn mà khó có thể xử lý nhiệt sau hàn để khôi phục đặc trưng tôi. Quá trình hàn FSW
được phát minh và kiểm chứng thực nghiệm bởi Wayne Thomas và một nhóm đồng
nghiệp tại viện Hàn Châu Âu tháng 12 năm 1991
Năm 2005, TWI đã cấp giấy phép FSW cho các nước Bắc Mỹ, Châu Âu và
Châu Á. Ở Châu Âu 68% dùng trong lĩnh vực công nghiệp, ở Bắc Mỹ 36% là công
nghiệp, 64% được cấp cho các phịng thí nghiệm của chính phủ; các nhà sản xuất thiết
bị và các học viện. Thống kê chung thì Châu Âu chiếm 33%, Châu Á chiếm 41%, còn
lại 36% là Nam Mỹ.
Bản chất trạng thái rắn của quá trình FSW là vùng khuấy (cũng gọi là vùng tái
kết tinh động) là vùng vật liệu bị biến dạng rất mạnh tương ứng với từng vị trí của đầu
khuấy trong quá trình hàn. Biên hạt bên trong vùng khuấy là đẳng trục và thường có
cấp hạt nhỏ hơn biên dạng hạt trong vật liệu chủ. Tính chất độc đáo của vùng khuấy
thường xuất hiện của nhiều đường tròn đồng tâm mà có liên quan đến cấu trúc vịng
củ hành. Nguồn gốc chính xác của các vịng này vẫn chưa có khẳng định chắc chắn,
mặc dù có sự biến động về mật độ số hạt, kích thước biên hạt.

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
HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 10

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 phần kim loại vừa kết tinh lại, đẳng hướng, cấu trúc dạng hạt
mịn).

Hình 1.1 Hàn Ma sát khuấy
1.3

Tính kinh tế
Theo khảo sát vào năm 2005 của hiệp hội hàn Hoa Kỳ, ước tính rằng cơng

nghệ chế tạo của Mỹ phải tiêu tốn 34.4 tỉ USD hàng năm cho việc hàn hồ quang, công
việc sửa chữa và bảo trì các kết cấu hàn mất 4.4 tỉ USD hàng năm, do đó phải tiêu tốn
lớn về năng lượng, đồng thời thải ra lượng khí có hại đáng kể và một khối lượng chất
thải rắn khổng lồ. Phương pháp hàn ma sát khuấy sẽ khắc phục được những nhược
điểm nói trên một cách có hiệu quả.[1]
Hàn ma sát khuấy là một trong những cơng nghệ hàn khơng nóng chảy tạo ra
những liên kết hàn ưu việt nhất, nó hàn được: hợp kim nhôm, thép không rỉ, hợp kim
đồng, Ni, Mg và hợp kim Titan,... FSW cho mối hàn chịu lực cao, tăng giới hạn bền

mỏi, giảm biến dạng, không bị khuyết tật.
Nhiều cơng trình nghiên cứu cho thấy rằng nếu chỉ 10% thị trường hàn của Mỹ
được thay bằng FSW thì tiết kiệm được 12800 tỉ Btu năng lượng hàng năm và 500
triệu lb hàng năm về lượng khí thải, tạo ra lợi nhuận hàng năm là trên 4.9 tỉ USD

HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan
1.4

Trang. 11

Tính thân thiện mơi trƣờng
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,...Do đó tạo mơi trường trong
sạch. Ngồi ra FSW khơng cần sử dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, ít biến
dạng và khơng nứt. Bất kỳ hợp kim nhơm nào cũng có thể hàn được mà không cần
quan tâm đến sự đồng bộ của kim loại vật hàn, hơn nữa vật liệu composite có thể hàn
với nhau một cách dễ dàng.
Tương phản với phương pháp hàn ma sát truyền thống (hàn ma sát trực tiếp-đó
là tiến trình hàn những phần tử đối xứng nhỏ được xoay hoặc ma sát bề mặt để sinh
nhiệt, sau đó dùng lực ép vào nhau để tạo thành liên kết hàn) FSW được ứng dụng cho
hầu hết các liên kết hàn khác nhau như: Hàn giáp mí, hàn chồng mí, hàn góc, hàn chữ

Hình 1.2 Một số dạng mối hàn [1]
1.5

Những ứng dụng liên quan FSW
Dựa trên nguyên lý cơ bản của việc tạo ma sát và phân tán dẻo, có các cơng

nghệ sau
a) Hàn điểm ma sát khuấy (Friction Stir spot Welding):[1]
Tương tự như hàn ma sát khuấy đường thông thường nhưng ở đây chỉ hàn những
mối hàn chồng mí và hàn tại từng điểm riêng biệt, trong năm năm gần đây FSSW đã
phát triển mạnh và được dùng thay thế cho mối ghép đỉnh tán rất hữu hiệu. Có hai
phương pháp FSSW được dùng đó là phương pháp hàn điểm ma sát khuấy đâm xuyên

HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 12

(plunge FSSW) được phát minh bởi công ty Mazda (2003) và phương pháp hàn điểm
ma sát khuấy điền đầy được sáng chế bởi GKSS-GmbH (Đức) (2002).
Trong quá trình PFSW thì một dụng cụ cố định xoay và dụng cụ hàn đường
thông thường) đâm xuyên vào tấm trên và tấm dưới của mối ghép chồng mí làm biến
dạng dẻo cục bộ vật liệu và khuấy trộn vật liệu của cả 2 tấm lại. Hạn chế phương pháp
này để lại lổ thoát sau khi dụng cụ thoát ra khỏi mối hàn nhưng vẫn đảm bảo độ bền
cần thiết.

Hình 1.3. Q trình hàn điểm ma sát khuấy có để lại lổ hàn (PFSW)
Ứng dụng hàn điểm ma sát khuấy được ứng dụng rất rộng rãi trong hàng không
Đối với quá trình RFSW thì dụng cụ hàn với vai và đầu khuấy riêng biệt nhau,
phần vật liệu bị đầu khuấy làm biến dạng ban đầu sẽ được giữ lại dưới vai trong nửa
chu kỳ đầu và sau đó vai sẽ ép xuống tạo thành mối hàn trong khi đó đầu khuấy rút lên
bằng với bề mặt vật hàn giúp cho mối hàn được điền đầy khơng bị lổ khuyết.

Hình 1.5. Quá trình hàn điểm ma sát khuấy điền đầy lổ hàn [1]
b) Hàn ma sát khuấy vật liệu dẻo nhiệt
Được phát minh bởi Trường Đại học Brigham Young. Nguyên lý hàn hoàn
toàn giống với hàn khuấy kim loại nhưng ở đây chỉ hàn được vật liệu có chiều dày
6mm của Polypropylene (PP), Polycarbonate (PC) và vật liệu mật độ cao Polyethylene
HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 13

(HDPE). Chất lượng mối hàn từ 83% (đối với PC) đến 95% (đối với HDPE) và 98%
(đối với PP) khi so với phương pháp kết nối Polymer bằng sóng siêu âm, bằng lị điện,
bằng phương pháp dán, ... Gần đây, trung tâm AMP đã cộng tác với cơ quan nghiên
cứu không lực Kirtland đã dùng phương pháp này để kết nối những sợi quang, những
hạt phân tán, và vật liệu dẻo nhiệt hạt nano hóa bền.

c) Quá trình ma sát khuấy xử lý vật liệu (FSP)
Mục đích của q trình này là nhằm làm thay đổi tính chất một phần chọn lọc

hay tồn bộ của vật liệu chi tiết theo một mục tiêu đã đề ra bởi sự thay đổi và phục hồi
tổ chức vật liệu, và loại bỏ ứng suất dư, ... nhằm tăng cơ tính và tăng độ bền của chi
tiết. So với hàn FSW thì q trình FSP có những đặc điểm sau:
- Tăng sự siêu dẻo trên bề mặt chi tiết.
- Khắc phục những lổ hỏng và khuyết tật đúc của kim loại đúc và của những
mối hàn hồ quang.
- Lượng gia nhiệt thấp.
- kích thước hạt rất mịn trong vùng khuấy.
- Khơng có sự định hướng ngẫu nhiên của ranh giới hạt trong vùng khuấy.
- Khuấy trộn cơ học lớp bề mặt và lớp dưới.
Siêu dẻo là khả năng của vật liệu kim loại được thể hiện ở độ giãn dài trên
200%. Những đặc điểm tinh thể quan trọng mà quyết định đến tồn bộ ứng xử của
siêu dẻo là:
+kích thước hạt mịn (< 5m).
+ Hình dạng hạt đẳng hướng.
+ Có sự hiện diện của những phân tử pha thứ 2 làm giảm sự phát triển của hạt.
+ Thành phần của ranh giới hạt góc cao

HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan
1.6

Trang. 14

Nhƣợc điểm của hàn ma sát khuấy

Bên cạnh những ưu điểm có được của phương pháp hàn FSW vẫn còn tồn tại một số
nhược điểm như sau:


Mối hàn mỏng hơn so với vật liệu nền



Để lại một lổ sau mối hàn



Chưa có nghiên cứu nào hồn chỉnh về đặc điểm cấu trúc của mối hàn sau thời
gian dài



Khó hàn 2 loại vật liệu khác nhau



Q trình xử lý nhiệt , lực khá phức tạp

1.7

Các vùng kim loại mối hàn

.
Hình 1.6 Tổ chức kim loại mối hàn.
Nhiệt do sự ma sát và sự biến dạng dẻo của phôi do tác dụng của dụng cụ đến

vật liệu sẽ làm mềm hóa vùng vật liệu giới hạn bởi vai dụng cụ và vùng xung quanh
đầu khuấy. Thông số hàn cùng với cấu hình của dụng cụ và thành phần của vật liệu
hàn sẽ quyết định đến khối lượng vật liệu được gia nhiệt và đến sự di chuyển của
chúng trong quá trình hình thành mối hàn.
Cấu trúc mối hàn trong mặt cắt ngang dưới đây thể hiện mối hàn được chia bốn
vùng: vùng trung tâm mối hàn được bao bởi vùng ảnh hưởng nhiệt và vùng ảnh hưởng
cơ nhiệt. Dựa vào hình dáng hình học và cấu trúc mối hàn cho thấy q trình dịng
chảy vật liệu là khơng đối xứng. Thể tích kim loại được quét phụ thuộc vào lượng

HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 15

nhiệt nung nóng để làm mềm vật liệu xung quanh dụng cụ. Và qua đó nhận thấy rằng
nhiệt độ vùng lùi cao hơn nhiệt độ vùng tiến của mối hàn
Phần bề mặt rộng hơn phần đáy là do vai dụng cụ tạo nhiệt nhiều hơn đầu
khuấy dụng cụ. Trong vùng trung tâm mối hàn có những mẫu xếp liên tục nhau là do
cấu hình ren của đầu khuấy và bị biến mất là do sự trượt giữa bề mặt dụng cụ và phôi,
ở nhiệt độ cao hơn khi lượng kim loại bị trồi ra trong quá trình hàn, vùng trung tâm
kéo dài ra về phía vùng tiến là do dịng chảy khơng liên tục trước khi đơng đặc.

Hình 1.7. Sự hình thành các vịng dạng củ hành.
Cấu trúc tế vi của mối hàn ma sát khuấy
Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng mối hàn
Sự thay đổi hướng ren sẽ làm thay đổi hướng dịng chảy vật liệu trong vùng

xốy từ sự di chuyển lên hoặc di chuyển xuống dọc đầu khuấy. Hai dòng chảy trên sẽ
quyết định lượng kim loại trải qua q trình cơ nhiệt trong mỗi dịng chảy và sẽ quyết
định đến chất lượng mối hàn.

Hình 1.8. Sự kết hợp giữa các dòng chảy.[1]
HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 16

Một số đặc điểm chủ yếu của dòng chảy:
1.7.1 Ảnh hƣởng của lực ép
- Dòng chảy bị phân chia trên cạnh tiến của mối hàn, vật liệu ở phía trước đầu
khuấy được quét quanh cạnh lùi ra sau dụng cụ. Quá trình này được quyết định bởi
ứng suất cắt ở bề mặt dụng cụ và phôi. Cũng chính dịng vật liệu này, đơi khi lại tạo
nên sự kết nối giữa những dòng chảy riêng biệt quanh vùng tiến và vùng lùi dẫn đến
việc hình thành mối hàn trên vùng tiến.

Hình 1.9.. Ảnh hưởng của lực ép đến chất lượng mối hàn.[3]
Như vậy điều khiển lực và moment xoắn của dụng cụ là cần thiết để duy trì
mức nhiệt độ thích hợp và dịng chảy kim loại thích hợp để hạn chế sự hình thành
khuyết tật.

HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh

Chương 1 Tổng quan

Trang. 17

1.7.2 Ảnh hƣởng của vận tốc và số vịng quay của dụng cụ

Hình 1.12. Sự liên hệ giữa vận tốc hàn và số vòng quay dụng cụ. [5]
Trong điều kiện hàn nóng (vịng quay lớn, Vh nhỏ) sự khơng cân bằng dịng vật
liệu sẽ có thể tồn tại và làm cho vùng tâm hàn bị đổ sụp, nguyên nhân là do dòng vật
liệu vượt quá từ vùng 3 điền vào cạnh tiến (vùng 1).
Trong điều kiện hàn nguội (tốc độ quay thấp, Vh cao) lổ hỏng dễ xảy ra,
nguyên nhân là do vật liệu vùng tiến (vùng 1) không được đáp ứng đầy đủ, như đã
miêu tả thì khuyết tật này sẽ giảm khi lực ép tăng
Bảng 1.1 Ảnh hưởng của một số thông số hàn đến cỡ hạt sau khi hàn [2]
Vật liệu phôi

Chiều dày(mm)

HVTH : Phạm Minh Thuận

Số vịng quay(v/p)

Vận tốc hàn(mm/s)

Cỡ hạt(µm)

GVHD: TS Lưu Phương Minh

Chương 1 Tổng quan

Trang. 18

7075Al-T6

6.35

300-1000

127

2-4

6061Al-T6

6.3

90-150

10

Al-Li-Cu

7.6

90-150

16

7075Al-T651

6.35

102-152

3.8

6063Al-T4,T5

4

6013Al-T4,T6

4

350-400
360

400

800

5.9

1400 400

10

60

4

1100Al

6

5064Al

6

60

6

1080Al-O

4

60

20

5083Al-O

6

60

4

2017Al-T6

3

1250

2095Al

1.6

1000

Al-Cu-Mg-Ag-T6

4

2024Al-T351

6

7010Al-T7651

6.35

850

60
126-152

9-10
1.6

75

5

80

2-3

180-450

95

1.7

7050Al-T651

6.35

350

15

1-4

Al-4Mg-1Zr

10

350

102

1.5

2024Al
7475Al

6.35

200-300

6.35

5083Al

6.35

2519Al-T87

25.4

400
275

25.4

2

15.4

2.2

25.4

6

102

2-12

1.7.3 Ảnh hƣởng của điều kiện làm sạch đến dòng chảy vật liệu
Màng oxyt trên bề mặt phôi và ở giữa bề mặt tiếp xúc của mối hàn sẽ ảnh
hưởng đến dòng vật liệu và ảnh hưởng xấu đến chất lượng mối hàn. Do đó làm sạch
bề mặt phôi trước khi hàn là rất cần thiết. Phương pháp đơn giản nhất là mài (bào, cắt,
...), sau đó làm sạch các phoi vụn. Nếu khơng làm sạch cẩn thận, các phoi vụn sẽ đi
vào chu kỳ tuần hồn dịng vật liệu và ngăn cản sự kết dính trong lúc các dịng chảy
hội tụ lại. Sự hiện diện của lớp oxyt và những mảnh vụn sẽ làm phát sinh những hạt
lớn khơng bình thường, tuy nhiên đầu khuấy đã phá hủy hoàn toàn vùng này. Những
hạt lớn trong vùng trồi sẽ giảm độ dẻo dai, đặc biệt là vùng HAZ. Trong khi hàn
những cỡ hạt lớn không bình thường nói trên sẽ cản trở dịng vật liệu và ngăn cản sự

HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh

Chương 1 Tổng quan

Trang. 19

kết tinh lại trong vùng xoáy phía dưới đầu khuấy và dọc theo bề mặt trên của đường
hàn trong vùng 3.
1.8

Khuyết điểm trong cấu trúc mối hàn

Sự quá nhiệt ở vật liệu và làm mất độ bền của kim loại cơ bản trong vùng TMAZ hoặc
HAZ. Điều kiện hàn này chỉ áp dụng cho những mối hàn chịu lực thấp. khi hàn quá
nhiệt thì sẽ hình thành khuyết tật “chảy sệ”. Nguyên nhân là do quá nhiều dòng vật
liệu đến vùng 4 và sự ngấu vượt quá của dòng vật liệu đến cạnh sau ở dưới đỉnh đầu
khuấy. Khuyết tật này liên quan đến độ bền liên kết hàn, giới hạn bền mỏi và độ dẻo
dai khi uốn.

Hình 1.13 Khuyết tật chảy sệ của mối hàn tạo nên vết nứt tế vi [3]
Một yếu tố nữa là khi hàn trong điều kiện hàn nóng, vật liệu ở vùng giữa vai và bề mặt
vật hàn (vùng 3) có thể bám vào vai dụng cụ hàn cản trở q trình hàn, mặt khác phần
vật liệu này có thể bị đẩy ra khỏi vai và hình thành khuyết tật ở bề mặt vật hàn (hình
thành Bavia bề mặt) dẫn đến sự hao hụt vật liệu vùng hàn làm ảnh hưởng đến sự
cân bằng của các dòng vật liệu ở những vùng khác, làm thiếu lực ép bề mặt và sinh
ra các khuyết tật khác

Hình 1.14. Sự thiếu hụt vật liệu bên ngoài và bên trong mối hàn [3]
HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh

Chương 1 Tổng quan

Trang. 20

Trong điều kiện hàn nguội (tốc độ quay thấp, Vh cao) hỏng hóc dễ xảy ra,
nguyên nhân là do vật liệu vùng tiến (vùng 1) Khi lực ép q thấp thì bề mặt (vùng 3)
khơng được điền đầy. Mặc dù khi lực ép tăng đến giá trị cần thiết thì vẫn có tình trạng
thiếu sự đơng đặc ở bề mặt giữa vùng 1 và vùng 4. Những khuyết tật này biểu hiện ở
sự hình thành vết nứt dọc theo dịng tuần hồn của vật liệu

Hình 1.15. Sự tạo thành vết nứt dọc theo dịng tuần hồn của vật liệu [3]
Những hạt lớn và sự thiếu của dịng kim loại hình thành dưới đầu khuấy sẽ gây
ra hiện tượng thiếu chiều sâu ngấu. Với số lượng lớn những hạt lớn này thì sẽ phân
tán rộng khắp theo diện tích đầu khuấy quét sẽ tạo điều kiện cho những hạt lớn đó
sẽ cịn lại trong vùng TMAZ và vùng trung tâm mối hàn dẫn đến giảm độ bền mối
hàn.

HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 21

Hình 1.16 Sự tách lớp trong mối hàn tạo nên liên kết yếu thiếu bền vững [3]
1.9

Tình hình phát triển hàn ma sát khuấy ở nƣớc ngoài thời gian gần đây
Năm 1998 hãng Izumi được ủy thác chế tạo toàn bộ từ kỹ thuật bàn giao của

Toyota đã chế tạo thành công máy hàn ma sát NC , hiện tại máy hàn ma sát có khả
năng hàn giữa 2 loại vật liệu khác nhau cụ thể là Drill sensor shaft với đường kính nhỏ
nhất là 1.6mm.
Hiện tại các hãng chế tạo máy Hàn ma sát xoay nổi tiếng là IZUMI Công Nghiệp,
SAKAE Công nghiệp, TOYO, NITTO, SEIMITSU, TANAKA Seiki Sangyou
(TANAKA Tinh Công Sản Nghiệp)
Các trường Đại học có phịng nghiên cứu về Hàn ma sát xoay nổi tiếng ở Japan
là : Đại học OSAKA, Đại học KEIO, Đại học Công nghiệp HIMEJI, Trung tâm
nghiên cứu kỹ thuật HYOGO, Sở Nghiên cứu kỹ thuật Tổng hợp trực thuộc Bộ Giáo
Dục Nhật.
Năm 1998, Russell và Shercliff cũng đã dùng mơ hình phân tích dựa trên
phương trình tạo nhiệt của mình để dự đốn và xấp xỉ nhiệt độ tính tốn. Dịng nhiệt
qua dụng cụ được xác định là khoảng 17% tổng năng lượng hàn.[25]
Năm 2003, khi nghiên cứu mơ hình số, Schmidt và Hayyel đã tính tốn năng lượng
sinh công vào dụng cụ bởi việc giảm lượng nhiệt vào dụng cụ bởi việc giảm lượng
nhiệt vào phôi và khẳng định rằng 25% năng lượng cơ học cần thiết bởi tốc độ quay
của trục chính sẽ đi vào dụng cụ, cịn lại 75% tập trung vào phơi tại mối hàn.
Một nghiên cứu khác của Langerman và Kvalvik đã dùng nguồn nhiệt hai chiều
để xác định dòng vật liệu xung quanh đầu khuấy và dự đoán sự phân bố ứng suất dư
trong phôi sau khi hàn. Nguồn nhiệt sinh ra trong khi hàn có quan hệ tuyến tính với
đường kính vai của dụng cụ.
Từ khi phát minh 1991 đến 1995 có trên 50 phát minh cải tiến. Về thiết kế dụng cụ đã
có sự phát triển bởi TWI, dụng cụ hàn được chiều dày lớn, hàn chồng, hàn được vật
liệu có nhiệt độ nóng chảy cao, và tăng tốc độ hàn, trong năm 2005 công ty GKSS
(Đức) đã thành công trong việc hàn siêu tốc 1980 cm/phút mối ghép đâu mí hợp kim
nhơm mỏng. Năm 1999 cơ quan hàng khơng vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) cùng với trung
tâm Marshall space và cơng ty Boeing đã phát triển dụng cụ có đầu khuấy rút được

HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 22

vào vai khi cần thiết (thường ở cuối đường hàn) [1]. Dụng cụ này đến nay có thể quay
với số vịng quay lên đến hơn 50.000 v/p. Ngồi ra cịn sử dụng phương pháp hàn
khuấy nhiệt và tích hợp với năng lượng siêu âm để hàn. Trường Đại học Missouri –
Columbia hàn FSW có sử dụng nguồn điện bởi có sự thêm nguồn điện trở. Trường
Đại học Wisconsin (Mỹ) thì kết hợp hàn FSW với nguồn laser đi trước dụng cụ hàn để
nung nóng dự nhiệt vật liệu hợp kim nhôm.
Viện khoa học Rocwell cùng với trung tâm Warfare đã liên kết với 13 Trường
Đại học ở Mỹ đã từng bước cải tiến quá trình khuấy ma sát trên Al, Cu, Mg và hợp
kim nền Ferít. Công ty kỹ thuật đồng thời (Concurrent Technologies Corporation –
CTC) đã cải tiến chất lượng mối hàn cho hợp kim nhôm dày 5083, 2195 và 2519 với
việc dùng dụng cụ vật liệu là Polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) (Hảng
Megastir).
Trong một số báo cáo gần đây về cấp độ hạn siêu mịn có ảnh hưởng đến tính chất vât
liệu (SPD), việc nghiên cứu cấp độ hạt của mối hàn là thật sự cần thiết nhằm xác định
cụ thể ứng dụng của từng loại mối hàn trong từng điều kiện cụ thể.
Gần đây nhất một số nghiên cứu trên thế giới vế hàn ma sát khuấy đang tập
trung nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc vật liệu của mối hàn của kim loại đồng nhất và
của những hợp kim không đồng nhất về thành phần.
Tháng 10 năm 2007 đại hoc quốc gia Sun Yat_Sen có bài nghiên cứu về mối
hàn ma sát khuấy ở cấp độ hạt nano.
Tháng 8 năm 2008 Tiến sĩ Jeffery D. Horschel thuộc đại học

Brigham Young University đã thực hiện một số nghiên cứu về sự mỏi và tính phá hủy
trong cấu trúc mối hàn ma sát khuấy.
Tháng 10 năm 2008 hàng loạt các báo cáo về cấu trúc hạt của mối hàn ma sát
khuấy đã được báo cáo.trong đó có báo cáo vế sự chống ăn mịn và bảo vệ mối hàn ma
sát khuấy
Tháng 8 năm 2009 . P. L. Threadgill cùng đồng sự bắt đầu nghiên cưu FSW
với các loại vật liệu khó hàn
Năm 2010 hàng loạt các cuộc hội thảo diễn ra tại Đức, Đài Loan về vấn đề
công nghệ hàn trong tương lai _hàn FSW
HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 23

Năm 2011 Các hãng hàng không hàng đầu thế giới đầu tư cho nghiên cứu và
ứng dụng hàn ma sát khuấy cho các dòng máy bay hiện đại
1.9.1 Tình hình phát triển hàn ma sát khuấy ở Việt Nam
Ở nước ta, hàn ma sát khuấy là một lĩnh vực khá mới. Ðặc biệt trong các
trường học và các trung tâm nghiên cứu, phương pháp hàn này chỉ dừng lại ở mức độ
giới thiệu khái niệm mà thơi. Theo khảo sát, hiện nay hầu như khơng có doanh nghiệp
nào trong nước ứng dụng phương pháp hàn này vào sản xuất.

Hình 1.17 bàn ăn trên máy bay dùng công nghệ hàn FSW
Tuy nhiên trên một số tàu bay mà Vietnam airlines đang sử dụng và khai thác
như Boeing 777, Airbus A330.A320 một số các thiết bị bên trong cũng như bên ngoài
như ghế ăn, các bộ phận trong động cơ, khung sườn, thùng nhiên liệu có sử dụng hàn

FSW. Các cơng ty có thể ứng dụng cơng nghệ hàn này một cách có hiệu quả như: sản
xuất nồi hơi, các nhà máy đóng tàu vỏ hợp kim nhơm (Sơng Cam Vinashin, 198 Bộ
Quốc Phịng, Bourbon Long An, Strategic Marine Vũng Tàu...),...nhưng các cơng ty
nói trên vẫn chưa dám mạnh dạn đầu tư vì chưa hiểu rõ về cơng nghệ hàn này.
Trong năm 2009 Học viên Mai Đăng Tuấn đã nghiên cứu tổng quan về ma sát
khuấy, nghiên cứu một số mơ hình thực nghiệm và tiến hành thí nghiêm trong điều
kiện phù hợp với điều kiện của Việt Nam và đã đạt một số kết quả khả quan. Tuy
nhiên việc nghiên cứu sâu hơn vào cấu trúc mối hàn, những tính năng cơ bản mà một
mối hàn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy cần có vẫn chưa được nghiên cứu sâu
HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 24

rộng. Và chưa thống kê hết những hư hại và độ bền thật sự của mối hàn trong từng
điều kiện làm việc hay môi trường cụ thể.
Mục tiêu của đề tài


Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến tổ chức mối hàn như:

-

Ảnh hưởng của thơng số lực ép

-

Ảnh hưởng của số vịng quay

-

Ảnh hưởng của vận tốc hàn

-

Ảnh hưởng của chiều sâu vật hàn

-

Ảnh hưởng của điều kiện nhiệt.

Từ những ảnh hưởng trên gây ra những hư hỏng trong cấu trúc của mối hàn :
-

Sự mỏi xảy ra trong cấu trúc bị quyết định bởi dòng chảy vật liệu,

-

Vết nứt tế vi phát sinh trong sự hình thành các thể dịng chảy khơng đều

-

Sự phá hủy cấu trúc mối hàn

-

Sự già hóa kim loại

-

Cấu trúc hạt to và kém bền



Đề ra giải pháp nhằm cải thiện cơ tính mối hàn
Trong năm 2010 Trần Trung Hồng và Trần Hải Triều đã có nghiên cứu về tối

hóa thơng số cơng nghệ và mơ phỏng nhiệt, lực q trình hàn.

Tính cấp thiết của đề tài
Việc ứng dụng hàn ma sát ở Việt Nam có được áp dụng và phát triển hay
khơng phụ thuộc vào tính khả thi của công nghệ hàn ma sát khuấy, chất lượng mối
hàn trong những điều kiện công nghệ khác nhau phù hợp với khả năng và trình độ
phát triển .
Bên cạnh đó ngày càng nhiều thiết bị, máy móc ở Việt Nam sử dụng vật liệu
mới đặc biệt khó hàn như nhôm 2XXX ứng dụng trong xe otô., máy bay, nhôm 7XXX
ứng dụng trong một số ngành xây dựng cao. Về cơ bản một số chi tiết khi bị nứt hoặc
hư hỏng phần lớn là thay thế, tuy nhiên giá cả rất cao, và thời gian đặt hàng rất lâu,
HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh


Chương 1 Tổng quan

Trang. 25

ảnh hưởng đến sản xuất. Và cơng nghệ hàn FSW có khả năng giải quyết được khó
khăn trên.
Để đạt được mục tiêu đó thì vấn đề mấu chốt là khả năng thực hiện nhằm tạo ra
mối hàn tốt đạt chất lượng cao với loại vật liệu “tương lai” là yếu tố tiên quyết tạo nên
tính đột phá của công nghệ Do vậy đề tài
“ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐỀN TỔ CHỨC MỐI HÀN
THEO PHƯƠNG PHÁP FSW.NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG
CAO CHẤT LƯỢNG CỦA KẾT CẤU HÀN. ” thật sự cần thiết và cần được nghiên
cứu nhằm chứng minh cụ thể hơn tính khả thi trong việc áp dụng hàn ma sát khuấy tại
Việt Nam.
CHƯƠNG 2: TỔ CHỨC TẾ VI MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY ĐỐI VỚI HỢP KIM NHÔM
2024 T6_T351
2.1 Tổ chức tế vi của từng vùng mối hàn
Tổ chức tế vi của mối hàn được phân chia theo nhiều vùng khác nhau. Có rất
nhiều cách phân chia nhưng chủ yếu phân chia theo vùng ảnh hưởng nhiệt là chính.
Khi xem xét phân tích các vùng mối hàn, cách phân chia vùng mối hàn theo tính tốn
nhiệt sẽ được phân thành bốn vùng ảnh hưởng nhiệt khác nhau. Nhưng sự phân
chia vùng mối hàn theo phân tích lực thơng thường các nhà nghiên cứu phân thành 3
vùng chịu tải chính và một phân vùng chịu tải phụ

Hình 2.1 cắt lớp các vùng mối hàn
HVTH : Phạm Minh Thuận

GVHD: TS Lưu Phương Minh