Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu các hình thái khuyết tật trong mối hàn ma sát chữ T tấm hợp kim nhôm 5083

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:154

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu các hình thái khuyết tật trong mối hàn ma sát chữ T tấm hợp kim nhôm 5083" nhằm nghiên cứu sẽ tập trung chế tạo mối hàn và từ đó phân tích cơ chế hình thành và ảnh hưởng của các khuyết tật đến cơ tính của mối hàn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu các hình thái khuyết tật trong mối hàn ma sát chữ T tấm hợp kim nhôm 5083

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN MINH KHANG NGHIÊN CỨU CÁC HÌNH THÁI KHUYẾT TẬT TRONG MỐI HÀN MA SÁT CHỮ T TẤM HỢP KIM NHÔM 5083 NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 5 9 0 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: TRẦN MINH KHANG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CÁC HÌNH THÁI KHUYẾT TẬT TRONG MỐI HÀN MA SÁT CHỮ T TẤM HỢP KIM NHÔM 5083 NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: TRẦN MINH KHANG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CÁC HÌNH THÁI KHUYẾT TẬT TRONG MỐI HÀN MA SÁT CHỮ T TẤM HỢP KIM NHÔM 5083 NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: TS. PHAN THANH NHÀN TS. TRẦN HƯNG TRÀ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2018
LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên : Trần Minh Khang Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 13/9/1994 Nơi sinh : Bến Tre Quê quán : Bình Thới - Bình Đại - Bến Tre Dân tộc : Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc : Điện thoại cơ quan : Điện thoại nhà riêng : Fax : E-mail : khang.tranminh1994@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo : Đại học Thời gian đào tạo từ 9/ 2012 đến 9/ 2016 Nơi học (trường, thành phố) : Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngành học : Kỹ thuật công nghiệp Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp : Tính toán ,thiết kế và chế tạo mô hình máy tách hạt cacao từ trái tươi năng suất 200 kg hạt/ca (8 giờ ) Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp : Người hướng dẫn : ThS. Nguyễn Nhựt Phi Long III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: i
LỜI CAM ĐOAN Tên đề tài : Nghiên cứu các hình thái khuyết tật trong mối hàn ma sát chữ T tấm hợp kim nhôm 5083 GVHD : T.S Phan Thanh Nhàn T.S Trần Hưng Trà Tôi cam đoan chuyên đề này là công trình do chính tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong chuyên đề là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 9 năm 2018 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu chương trình đào tạo sau đại học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, em đã đúc kết được nhiều kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình. Trong đề tài thạc sĩ của mình, em đã vận dụng những kiến thức mà mình đã được trang bị để tiến hành giải quyết một bài toán thực tiễn. Cho đến nay, đề tài của em đã đạt được những kết quả như mong muốn. Đến đây, cho phép em gửi lời cảm ơn chân thành đến : • Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh. • Thầy TS. Phan Thanh Nhàn – Khoa Cơ Khí Máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn em trong thời gian vừa qua. • Thầy TS. Trần Hưng Trà – Khoa Xây Dựng - Trường Đại học Nha Trang đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều về vấn đề mẫu thí nghiệm. • Quý thầy cô khoa Cơ Khí Máy – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh. • Gia đình bạn bè. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ, động viên quý báu của tất cả mọi người. Xin trân trọng cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, 30 tháng 9 năm 2018 Học viên thực hiện luận văn iii
TÓM TẮT Hàn khuấy ma sát (FSW) là một quá trình kết nối trạng thái rắn đang được nhiều ngành công nghiệp biết đến do khả năng giảm thiểu khuyết tật, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường so với các kỹ thuật thông thường. Trong nghiên cứu này, mối hàn ma sát khuấy chữ T hợp kim nhôm 5083 được chế tạo thành công với các thông số hàn khác nhau. Hình thái khuyết tật trong mối hàn chữ T đã được quan sát và phân tích thực nghiệm bằng kính hiển vi với độ phóng đại cao. Ảnh hưởng của các thông số hàn ảnh hưởng đến tính chất cơ học của mối hàn đã được giải quyết . Vai trò của cấu trúc hạt và hình thái khuyết tật đến tính chất cơ học của mối hàn chữ T được làm rõ. Ảnh hưởng của các khuyết tật và các thông số hàn của mối hàn T đến cấu trúc tế vi và cơ tính của mối hàn đã được nghiên cứu. Ngoài ra, các vị trí đứt gãy và bề mặt đứt gãy của các mẫu phá hủy cũng đã được quan sát và thảo luận. Tất cả các mẫu hàn hàn gần như bị gãy ở các vị trí của các vùng HAZ và các bề mặt liên kết. Sự đứt gãy của các mối hàn dọc theo gân là do các bonding defects, kissing bond defects và tunnel defects. Các khuyết tật có thể được khắc phục bằng cách tối ưu hóa các thông số quá trình và chọn hình dạng công cụ phù hợp. iv
ABSTRACT Friction stir welding (FSW) as a solid state joining process is being known recently by many industries due to its capability to reduce defects, energy efficient, and environment friendly compared with conventional techniques. In this study, 5083 T-lap-joints were successfully fabricated by friction stir welding with various welding regimes . The defects morphology in the T-joints was experimentally observed and analyzed by a high magnification microscope. The influence of the weld parameters on the mechanical properties of the joint was addressed. The roles of the grain microstructure and the defects morphology in the mechanical behavior of the T-joint were clarified. In addition, the fracture locations and the fracture surface of the failure samples were observed and discussed as well. All the as-welded samples almost were fractured in the locations of HAZ and bonding surfaces. The fracture of T-joints along the stringer is attributed to the bonding line defects, kissing bond defects and the tunnel defects. The defects can be overcome by optimizing the process parameters and chossing suitable tool geometry. v
MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân ............................................................................................................ i Lời cam đoan .............................................................................................................. ii Lời cảm ơn ................................................................................................................ iii Tóm tắt ...................................................................................................................... iv Abstract .......................................................................................................................v Mục lục ...................................................................................................................... vi Danh sách các chữ viết tắt ......................................................................................... xi Danh sách các hình.................................................................................................. xiii Danh sách các bảng ................................................................................................ xvii Chương 1 : TỔNG QUAN ........................................................................................1 1.1 Tổng quan chung về hướng nghiên cứu ................................................................1 1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước ....................................................................2 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ......................................................................2 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................................4 1.3. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ....................6 1.4 Mục tiêu và giới hạn của đề tài .............................................................................6 1.5 Đối tượng nghiên cứu............................................................................................7 1.6 Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................7 Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................8 2.1 Đặc điểm của quá trình hàn ma sát .......................................................................8 vi
2.1.1 Khái niệm và nguyên lý hàn ma sát khuấy ........................................................8 2.1.2 Nguyên lý hình thành liên kết khi hàn .............................................................10 2.1.3 Các thông số chủ yếu của quá trình hàn ma sát khuấy ....................................11 2.1.3.1 Lực dọc trục khi hàn (F)................................................................................12 2.1.3.2 Tốc độ quay của dụng cụ hàn () .................................................................13 2.1.3.3 Tốc độ tịnh tiến của dụng cụ hàn (v) .............................................................13 2.1.3.4 Góc nghiêng của dụng cụ hàn ( ) ................................................................14 2.1.4 Ưu nhược điểm của phương pháp hàn ma sát khuấy .......................................14 2.2 Nhiệt lượng hàn ma sát khuấy.............................................................................15 2.2.1 Đặc điểm chung................................................................................................15 2.2.2 Quá trình sinh nhiệt khi hàn ma sát khuấy .......................................................16 2.2.3 Sự truyền nhiệt vào vật hàn ..............................................................................17 2.2.4 Sự phân bố nhiệt độ trong mối hàn ..................................................................17 2.3 Dòng chảy vật liệu ..............................................................................................18 2.3.1 Giới thiệu về dòng chảy vật liệu ......................................................................18 2.3.2 Mô hình động học thứ nhất ..............................................................................20 2.3.3 Mô hình động học thứ hai ................................................................................22 2.3.4 Đặc điểm của dòng chảy vật liệu .....................................................................23 2.4 Sự hình thành cấu trúc tế vi của mối hàn ma sát khuấy ......................................23 2.4.1 Quá trình cơ nhiệt ở vùng khuấy ( SZ ) ...........................................................23 2.4.2 Quá trình nhiệt động ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) .....................................24 2.4.3 Kết luận ............................................................................................................25 2.5 Vật liệu và hình dạng dụng cụ hàn ......................................................................25 2.5.1 Chức năng ........................................................................................................25 vii
2.5.2 Vật liệu chế tạo dụng cụ hàn ............................................................................26 2.5.3 Hình dạng của dụng cụ hàn ..............................................................................27 2.5.3.1 Vai dụng cụ ...................................................................................................27 2.5.3.2 Chốt hàn ........................................................................................................29 2.5.3.3 Kích thước dụng cụ hàn ................................................................................31 2.6 Các hình thái khuyết tật của mối hàn ma sát khuấy ............................................32 2.6.1 Tunnel defects ..................................................................................................32 2.6.2 Kissing bond defects ........................................................................................33 2.6.3 Bonding line .....................................................................................................34 2.6.4 Surface lack of fill ............................................................................................35 2.6.5 Nugget collapse ................................................................................................36 2.6.6 Ribbon flash .....................................................................................................36 2.6.7 Surface galling .................................................................................................37 2.6.8 Root flaws ........................................................................................................37 2.6.9 Oxide entrapment .............................................................................................37 2.7 Một số đặc tính của hợp kim nhôm 5083 ............................................................38 2.8 Một số ứng dụng trong công nghệ hàn ma sát khuấy .........................................39 2.8.1 Công nghiệp sản xuất ô tô ................................................................................39 2.8.2 Công nghiệp đóng tàu ......................................................................................39 2.8.3 Công nghiệp hàng không vũ trụ .......................................................................40 2.8.4 Ngành đường sắt ..............................................................................................40 2.9 Một số đặc trưng và xác định cơ tính của vật liệu ..............................................41 2.9.1 Độ bền kéo .......................................................................................................41 2.9.2 Độ bền uốn .......................................................................................................41 viii
2.9.3 Độ cứng ............................................................................................................42 Chương 3 : CHẾ TẠO MỐI HÀN- QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM .....................43 3.1 Quá trình chế tạo mối hàn ...................................................................................43 3.1.1 Chuẩn bị vật liệu ..............................................................................................43 3.1.2 Chế tạo dụng cụ hàn .........................................................................................43 3.1.3 Chế tạo đồ gá ....................................................................................................45 3.1.4 Chế tạo mối hàn ma sát khuấy .........................................................................46 3.2 Quá trình thí nghiệm ...........................................................................................47 3.2.1 Chế tạo mẫu thí nghiệm ...................................................................................47 3.2.2 Quan sát cấu trúc tế vi mối hàn ........................................................................48 3.2.3 Đo độ bền kéo cánh và gân ..............................................................................51 3.2.4 Xác định độ bền uốn ........................................................................................54 3.2.5 Đo độ cứng .......................................................................................................55 Chương 4 : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................56 4.1 Đánh giá cảm quan mối hàn ................................................................................56 4.2 Quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn ....................................................................56 4.3 Khảo sát các loại khuyết tật hình thành trong mối hàn ma sát khuấy.................59 4.4 Khảo sát ảnh hưởng của chế độ hàn đến sự hình thành các loại khuyết tật ........62 4.5 Khảo sát mối tương quan giữa các loại khuyết tật với độ bền kéo .....................64 4.5.1 Khảo sát độ bền kéo cánh và kéo gân ..............................................................64 4.5.2 Vị trí phá hủy ...................................................................................................68 4.5.3 Đặc trưng của vết nứt .......................................................................................70 4.6 Khảo sát mối tương quan giữa các loại khuyết tật với độ bền uốn .....................75 4.6.1 Khảo sát độ bền uốn .........................................................................................75 ix
4.6.2 Mối tương quan giữa các loại khuyết tật với độ bền uốn ................................75 4.7 Độ cứng tế vi của mối hàn ..................................................................................79 Chương 5 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ................................................................81 5.1 Kết luận ...............................................................................................................81 5.2 Kiến nghị .............................................................................................................82 5.2.1 Nghiên cứu cơ bản ...........................................................................................82 5.2.2 Nghiên cứu ứng dụng .......................................................................................82 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................83 PHỤ LỤC .................................................................................................................89 x
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT FSW : Friction stir welding TWI : The Welding Institute BM : base metal HAZ : heat affected zone TMAZ : thermo mechanically affected zone SZ : stir zone AS : Advancing Side RS : Retreating Side PCBN : Polycrystalline cubic boron nitride F : Lực dọc trục (N)  : tốc độ quay của dụng cụ hàn (vòng/phút) v : tốc độ tịnh tiến (mm/phút)  : gốc nghiêng của dụng cụ hàn ( độ ) R1 : bán kính chốt hàn (mm) R 2 : bán kính vai (mm)  : góc nghiêng của vai (độ) H1 : chiều cao của chốt hàn (mm) Q1 : nhiệt lượng tạo ra từ vai (J) Q 2 : nhiệt lượng mặt xung quanh chốt hàn (J) Q 3 : Nhiệt lượng phía dưới chốt hàn (J)  : hệ số ma sát trượt P : ứng suất bề mặt (Pa) Ί : hệ số ma sát bám PSZ : pin stirred zone SSZ : shoulder stirred zone CFZ :cavity fulfillment zone xi
DRFZ : die radii fulfillment zone SZwPD : stringer zone with plastic deformation OJLwSPD : original joint line with severe plastic deformation σ ch : giới hạn chảy (MPa) b : độ bền (MN/𝑚2 ). Fb : tải trọng lớn nhất khi đứt mẫu (N) S 0 : tiết diện ngang của mẫu (mm2 ) δ : độ giãn dài tương đối khi đứt lo , l1 : chiều dài mẫu ban đầu và sau khi đứt (mm) ψ : độ co thắt tương đối khi đứt S1 : tiết diện ngang của mẫu khi đứt (mm2 ) k = 0,9. L : khoảng cách nhịp P : tải trọng c : nửa độ dày mẫu (mm) t : chiều rộng mẫu (mm) v là độ võng khi uốn. 𝑃0 = 10 kG. P = 100 kG. P = 150 kG. xii
DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Quá trình hàn ma sát khuấy........................................................................8 Hình 2.2: Nguyên lý hàn ma sát khuấy ......................................................................8 Hình 2.3: Cấu tạo mặt cắt ngang mối hàn ................................................................10 Hình 2.4: Minh họa các liên kết khi hàn FSW .........................................................10 Hình 2.5: Minh họa các thông số của quá trình FSW ..............................................11 Hình 2.6: Ảnh hưởng của lực ép dọc trục đến chất lượng mối hàn .........................12 Hình 2.7 : Sự ảnh hưởng của tốc độ quay của dụng cụ hàn .....................................13 Hình 2.8: Sự ảnh hưởng của tốc độ tịnh tiến............................................................13 Hình 2.9: Ảnh hưởng của góc nghiêng đến độ bền kéo và độ cứng ........................14 Hình 2.10: Mối quan hệ giữa thông số hàn với nhiệt độ ..........................................15 Hình 2.11: Nhiệt lượng phân bố trên đầu dụng cụ ...................................................16 Hình 2.12: Nhiệt độ trong mối hàn được đo bằng phương pháp TWT ....................18 Hình 2.13: Ảnh hưởng của điều kiện trượt – bám đến dòng chảy vật liệu ..............18 Hình 2.14: Khoảng cách giữa các bước hàn ............................................................19 Hình 2.15: Các dòng chảy kim loại ..........................................................................19 Hình 2.16: Sự kết hợp giữa các dòng chảy ..............................................................20 Hình 2.17: Sự xen kẽ của hai dòng chảy ..................................................................21 Hình 2.18: Các dòng chảy kim loại trong mô hình ..................................................22 Hình 2.19: Dụng cụ hàn ma sát khuấy .....................................................................25 Hình 2.20: Vai phẳng ...............................................................................................28 Hình 2.21: Vai lõm ...................................................................................................28 xiii
Hình 2.22: Vai lồi .....................................................................................................28 Hình 2.23: Một số hình dạng khác của vai...............................................................29 Hình 2.24: Một số hình dạng chốt hàn .....................................................................30 Hình 2.25: Một số hình ảnh của chốt hàn dạng cánh ...............................................30 Hình 2.26: Một số hình dạng của chốt hàn dạng loe ................................................30 Hình 2.27: Một số hình dạng của chốt hàn dạng chéo .............................................31 Hình 2.28: Cơ chế hình thành tunnel defects ...........................................................32 Hình 2.29: Cơ chế hình thành kissing bond defects .................................................33 Hình 2.30: Bonding line defects (OJLwSPD) ..........................................................34 Hình 2.31: Surface lack of fill defects .....................................................................35 Hình 2.32: Nugget collapse defects..........................................................................36 Hình 2.33: Ribbon flash defects ...............................................................................36 Hình 2.34: Surface galling defects ...........................................................................37 Hình 2.35: Ứng dụng cho ô tô ..................................................................................39 Hình 2.36: Tàu quân sự Littoral Combat Ship USS Freedom (LCS-1) ..................39 Hình 2.37: Máy bay phản lực Eclipse 500 ...............................................................40 Hình 2.38: Tàu vận tải cao tốc của Trung Quốc ......................................................40 Hình 3.1: Mối hàn theo kiểu T-lap. ..........................................................................43 Hình 3.2: Kích thước dụng cụ hàn ...........................................................................44 Hình 3.3: Lò nung Nabertherm B170 ......................................................................45 Hình 3.4: Đồ thị quá trình nhiệt luyện .....................................................................45 Hình 3.5: Các lực trong quá trình FSW và đồ gá .....................................................45 Hình 3.6: Máy phay đứng CNC hiệu Mazak V550 .................................................46 Hình 3.7: Quá trình gá đặt hàn ma sát khuấy ...........................................................47 xiv
Hình 3.8: Máy cắt dây ..............................................................................................48 Hình 3.9: Phân bố vị trí mẫu thí nghiệm ..................................................................48 Hình 3.10: Đánh bóng bề mặt ..................................................................................49 Hình 3.11: Thiết bị quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn...........................................50 Hình 3.12: Hóa chất tẩm thực ..................................................................................51 Hình 3.13: Mẫu trước và sau khi tẩm thực...............................................................51 Hình 3.14: Máy kéo, uốn Instron 3366 ....................................................................52 Hình 3.15 : Mẫu khảo sát cơ tính chịu kéo của cánh và gân ....................................53 Hình 3.16: Kiểm tra cơ tính chịu kéo của cánh và gân trên máy Instron.................53 Hình 3.17: Mẫu khảo sát độ bền uốn .......................................................................54 Hình 3.18: Thử uốn mối hàn trên máy Instron .........................................................54 Hình 3.19: Máy đo độ cứng Rockwell .....................................................................55 Hình 3.20: Xác định độ cứng mối hàn trên máy đo độ cứng Rockwell ...................55 Hình 4.1: Mối hàn được chế tạo ...............................................................................56 Hình 4.2: Các mặt cắt của mối hàn của các chế độ khác nhau ................................57 Hình 4.3: Cấu trúc hạt tại các vùng hàn ở chế độ hàn 600/100 (vòng/mm) ............58 Hình 4.4: Các hình thái khuyết tật của các chế độ hàn ............................................61 Hình 4.5: Ảnh hưởng của tốc độ tịnh tiến v đến diện tích của tunnel defect ...........62 Hình 4.6: Ảnh hưởng của tốc độ tịnh tiến v đến chiều dài bonding line .................63 Hình 4.7: Tỷ lệ phần trăm ứng suất của mối hàn so với vật liệu nền.......................66 Hình 4.8: Ảnh hưởng của tốc độ tịnh tiến v đến ứng suất kéo cánh ........................66 Hình 4.9: Ứng suất và biến dạng của mối hàn ở các chế độ hàn khác nhau khi kéo cánh so với vật liệu nền .............................................................................................67 Hình 4.10: Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến ứng suất kéo gân ..................................67 xv