Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT
TRANG 1

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC NGHIÊNG ĐẦU DỤNG
CỤ ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY TRÊN TẤM
NHÔM PHẲNG Học viên thực hiện: Thân Trọng Khánh Đạt
MSHV:
Giáo viên hướng dẫn đề nghị: PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
Khoa Cơ Khí, trường ĐH Bách Khoa TP HCM.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT
TRANG II

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Sơ đồ mô tả quá trình hàn ma sát khuấy. 1

Hình 2. 1 Ảnh hưởng của điều kiện trượt - dính đến quá trình sinh nhiệt 6
Hình 2. 2 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình hàn. 7
Hình 2. 3 Khoảng cách giữa các bước hàn 9
Hình 2. 4 Tổ chức kim loại mối hàn. [15] (HAZ: heat affected zone; TMAZ: thermo-mechanically
affected zone). 9
Hình 2. 5 Sự hình thành các vòng dạng củ hành 10
Hình 2. 6 Sự kết hợp giữa các dòng chảy [15] 11
Hình 2. 7 Sự xen kẻ của hai dòng chảy [15] 11
Hình 2. 8 Các vùng kim loại trong mô hình [15] 12
Hình 2. 9 Sự bố trí lực trong hệ trục tọa độ 13
Hình 2. 10 Ảnh hưởng của lực ép đến chất lượng mối hàn [15]. 13
Hình 2. 11 Các dòng chảy kim loại 14

Hình 3. 1 Kích thước mặt cắt ngang vùng hàn 17
Hình 3. 2 Nhiệt lượng phân bố trên đầu dụng cụ 18
Hình 3. 3 Vi phân các bề mặt theo phương ngang, đứng, côn. 18
Hình 3. 4 Góc nghiêng đầu dao so với phôi 20

văn này. Quá trình phân tích ảnh hưởng của góc nghiêng đầu dụng cụ được tiến hành bởi quá trình
xây dựng mô hình toán học và thiết kế mô hình thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp các
chế độ công nghệ cho quá trình hàn ma sát khuấy trên tấm hợp kim nhôm đạt được độ tin cậy và
hiệu quả cao.
Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT
TRANG 1

1. GIỚI THIỆU
Ngày nay vấn đề năng lượng, môi trường, vật liệu chế tạo đang được thế giới quan tâm và
luôn hướng đến sự hoàn thiện về mọi mặt, do đó tất cả các ngành công 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.
Ngòai ra lựa chọn vật liệu phải bền, nhẹ, đảm bảo tính công nghệ. 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.
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 công nghệ
hàn trước đây thì FSW tiêu thụ ít năng lượng một cách đáng kể, không tiêu thụ khí hàn, không có
quá trình nóng chảy, không có khí độc khi hàn, không phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức
xạ, Do đó tạo môi trường trong sạch. Ngoài ra FSW không cần sử dụng kim loại que hàn để điền
đầy mối hàn, ít biến dạng và không nứt kêt tinh. Bất kỳ hợp kim nhôm 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.
1.1.Lịch sử phát triển.
Hàn ma sát khuấy được phát minh vào năm 1991 bởi học Viện hàn của Vương Quốc Anh
(TWI), là kỹ thuật hàn được liên kết ở trạng thái rắn (không nóng chảy) ban đầu được áp dụng cho

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, còn lại 75% tập trung vào phôi tại mối hàn. Cùng với nghiên cứu trên hai ông cũng đã sử dụng
mô hình số từ nguồn nhiệt do ma sát và nguồn nhiệt do biến dạng dẻo để tính nguồn nhiệt vao,
trong đó 10% năng lượng sẽ đi vào dụng cụ, phần lớn lượng nhiệt vào vai dụng cụ sẽ tương ứng
với kích thước đường kính vai. Ngoài ta, Shi cũng đã tính toán nguồn nhiệt vào dụng cụ là khoảng
8% tổng năng lượng cơ học trong mô hình số của mình nhưng sau đó ông đã điều chỉnh cho đến
khi tương đương với kết quả thực nghiệm.
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.
Song và Kovacevic [2] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ dụng cụ đến moment xoắn
khi hàn bằng cách thực nghiệm thay đổi với nhiều tốc độ quay và tốc độ quay và tốc độ ăn dao của
dụng cụ. Tang [3] đã thay đổi tốc độ dụng cụ và chiều sâu dụng cụ khi tăng tốc độ xoay dụng cụ
thì tăng nhiệt vào. Tất cả nghiên cứu trên nhằm nêu lên sự thay đổi nhiệt độ vùng hàn và thông số
hàn nhưng không dự đoán chất lượng đường hàn.
Midling và Rorvik [4] đã tính toán lượng nhiệt và dựa vào chiều rộng HAZ. Họ đã thay đổi
số vòng quay dụng cụ, tốc độ ăn dao, lực tác dụng vào dụng cụ và chứng minh lượng nhiệt vào
(Heat input) giảm khi chiều sâu và số vòng quay của dụng cụ giảm, lượng gia nhiệt tăng khi giảm
tốc độ hàn (V
h
). Một số tác giả đã kết hợp việc đo nhiệt độ (bằng Thermocouples – TC) vùng hàn
và trùng HAZ. Gould và Feng [5] quan sát khi thay đổi hai thông số hàn. Frigaard [6] quan sát ở
ba tốc độ đi xuống của dụng cụ. Song [7] nghiên cứu với ba tốc độ quay dụng cụ. Cả ba tác giả
trên đã cho thấy một mối liên hệ mật thiết giữa nhiệt độ lớn nhất và chiều rộng vùng HAZ.
Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT

Luận văn Tốt nghiệp Đại học của Nguyễn Văn Thạnh, mô phỏng quá trình nhiệt trong quá
trình hàn ma sát khuấy bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm Ansys.
Luận văn Tốt nghiệp Đại học của Võ Văn Pho, 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.
1.2.Nội dung và mục tiêu của nghiên cứu.
Quá trình hàn ma sát khuấy chịu ảnh hưởng của nhiều thông số, việc phân tích để xác định
đúng các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy là cực kỳ quan trọng. Do đó vấn
đề cần tiến hành:
Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT
TRANG 4

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình hàn ma sát khuấy.
 Dựa trên các nghiên cứu trong và ngoài nước, các đánh giá của chuyên gia để hạn chế
số thí nghiệm.
 Quá trình làm dẻo kim loại là do ma sát giữa đầu hàn với phôi và lực ép giữa vai dụng
cụ với phôi, do vậy cần phải xây dựng phương trình cân bằng nhiệt để xác định các
thông số ảnh hướng đến quá trình hàn. Đồng thời tiến hành mô phỏng trên máy tính để
đánh giá các thông số một cách dễ dàng.
 Tiến hành thực nghiệm, sử dụng phương pháp thống kê và tối ưu hóa để phân tích dữ
liệu, từ đó rút ra bộ thông số công nghệ tốt nhất trong điều kiện thí nghiệm.
1.3.Lợi ích và ý nghĩa của đề tài.
Về tính khoa học, phương pháp hàn này là một trong những công nghệ hàn mới hiện nay,
được nhiều nước và các hãng sản xuất lớn trên thế giới nghiên cứu ứng dụng, là một trong những
yếu tố quan trọng cải thiện hiệu quả cơ tính, độ bền của sản phẩm.
Sử dụng nguồn năng lượng hàn chủ yếu là từ nguồn nhiệt do ma sát giữa bề mặt phôi và

lại, hàn với tốc độ hàn cao và rpm thấp thì được gọi là hàn lạnh. Trường nhiệt độ xung quanh đầu
khuấy là không đối xứng, trong vùng lùi của mối hàn có nhiệt độ hơi cao hơn nhiệt độ vùng tiến.
Điều này thể hiện khi thử phá hỏng do kéo vết nứt trên cạnh lùi trong vùng HAZ là xảy ra nhiều
hơn. Để tránh hiện tượng quá nhiệt trong vùng tâm hàn thì hạn chế số vòng quay của dụng cụ dưới
15000v/p.
Những nghiên cứu thực nghiệm gần đây đã cho thấy rằng nguồn nhiệt sinh ra chủ yếu ở bề
mặt vai và phôi [11]. Điều khiển cơ chế tạo nhiệt là do ma sát và sự phân tán dẻo phụ thuộc vào
điều kiện tiếp xúc giữa hai bề mặt. Đặc trưng hình học của dụng cụ (đầu khuấy, vai) sẽ ảnh hưởng
đến hai bề mặt trượt, dính hoặc giữa hai dạng trên, nhiệt độ tạo ra giữa đầu khuấy và phôi là không
phải nhỏ và cũng nên đưa vào để xác định trường nhiệt. Cơ chế tạo nhiệt giữa đầu khuấy và phôi
cũng do ma sát và phụ thuộc vào điều kiện trượt hoặc dính ở bề mặt tiếp xúc, lượng nhiệt từ sự
biến dạng nhiệt quanh dụng cụ khoảng từ 2  20%, nhiệt độ tối đa khi hàn các hợp kim nhôm là
từ 450
o
C đến 480
o
C [12].
Vùng gần sát với đầu khuấy là gần như đẵng nhiệt và nhiệt độ tối đa có thể ở tại ranh giới
cắt [13] của kim loại xung quanh đầy khuấy. Đối với các vật hàn dày thì nhiệt độ bị ảnh hưởng bởi
chiều sâu của đầu khuấy, nhiệt độ cao nhất là tại bề mặt tiếp xúc giữa vai và bề mặt vật hàn
Khi nhiệt độ vật liệu mối hàn tăng lên thì sẽ tiếp tục làm mềm kim loại, moment xoắn giảm
và một lượng nhiệt được truyền đi bởi công việc cơ học. Điều này tạo thành một cơ chế nhiệt tương
đối ổn định và tránh tối đa hiện tượng nóng chảy của kim loại mối hàn. Điều khiển nhiệt độ có thể
thực hiện bằng cách thay đổi điều kiện ở bề mặt chung giữa dính và trượt. Khi kim loại nguội dưới
nhiệt độ tới hạn, khi đó ứng xuất dòng biến dạng tăng lên trên giá trị ứng suất trượt. Sự tác động
giữa dụng cụ và phôi có thể chuyển từ biến dạng đến ma sát. Nếu trượt xảy ra giữa dụng cụ và
phôi, lượng nhiệt vào sẽ giảm và dẫn đến giảm nhiệt độ mối hàn. Thay đổi điều kiện biên ở bề mặt
tiếp xúc có thể dẫn đến sự mất ổn định về nhiệt độ và có thể dao động qua lại giữa hai hiện tượng
dính và trượt. Hình 2.1 minh họa điều kiện biên ở vai dụng cụ sẽ ảnh hưởng đến dòng vật liệu tâm
hàn.

quay và lực tác dụng.
Giai đoạn quay tại chổ (Dwell): Khi vai vừa tiếp xúc vào phôi, giai đoạn dừng bắt đầu. Lực
đi xuống giảm dần xuống dưới giá trị lực đi xuống chuyển tiếp. Ban đầu lượng nhiệt tạo ra trong
giai đoạn này là khá cao so với nhiệt độ tạo ra trong lúc dụng cụ di chuyển, khi vật liệu phôi được
làm mềm, hệ số ma sát giảm đến 0,35. Vật liệu dưới vai được nung nóng và cùng với biến dạng
dẻo trước khi hàn.
Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT
TRANG 7

Giai đoạn nhiệt không ổn định (Transient Heating): Lực đi xuống tăng khi vai đến tiếp xúc
với vật liệu mới. Hệ số ma sát giảm đến 0,3. Nhiệt bắt đầu hình thành xung quanh vai cho đến khi
trạng thái bảo hòa xảy ra.
Giai đoạn chuẩn ổn định (Pseudo Steady State): Lực đi xuống và moment xoắn ổn định, 
duy trì ở 0,3, không có thêm nhiệt hình thành xung quanh vai. Nhiệt độ gần như duy trì không đổi.
Giai đoạn sau ổn định (Post Steady State): Gần cuối đường hàn nhiệt độ có thể phản hồi từ
cuối tấm dẫn đến tăng thêm nhiệt xung quanh vai dụng cụ.
Để đạt được quá trình xử lý tốt, vật liệu trước dụng cụ phải được nung nóng trước cùng với
quá trình biến dạng dẻo trong khi thực hiện. Điều này có thể đạt được bằng cách tăng số vòng quay
n hoặc tăng bán kính vai R
S
. Khi V
h
tăng, nhiệt độ trước dụng cụ giảm, điều này xảy ra là do không
đủ thời gian để phân phối nhiệt.

Hình 2. 2 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình hàn.

.
.
2
3
pS
RR
rQ
q



[W/m
2
] (2.1)
Ở đây q
1
là một hàm của bán kính vai, cường độ nhiệt tăng khi bán kính r tăng vì R
p
 r 
R
S
. Tuy nhiên, để đơn giản xem như sự phân bố nhiệt trên cả bề mặt vai là đồng đều.

2
pS
RR
r


(2.2)

2.2. Dòng chảy vật liệu
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.
Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT
TRANG 9

Kim loại được mềm hóa sẽ di chuyển quay đầu khuấy theo chiều quay của dụng cụ và tụ lại
phía sau đầu khuấy khi được vai ép xuống trước khi dụng cụ di chuyển tới dọc theo hướng hàn.
Vùng gần đầu khuấy chủ yếu là quay, tất cả vật liệu trải qua biến dạng. Vùng xoay tạo ta đủ
lớn chứa tất cả vật liệu bị biến dạng do đó vận tốc xoay - trồi phải bằng vận tốc di chuyển tới của
dụng cụ.
Mỗi bước trong dãy kim loại xếp khít nhau trong đường hàn thì tương đương với khoảng
cách dịch chuyển của dụng cụ trong mỗi vòng quay khi đi tới.

Hình 2. 3 Khoảng cách giữa các bước 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 quá trình dòng chảy vật liệu là không đối xứng. Thể
tích kim loại được quét phụ thuộc vào lượng 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 dòng chảy không

xuống dưới vùng hàn. Phần vật liệu không bị cuốn vào vòng xoáy sẽ quay quanh dụng cụ theo
dòng chảy xuyên thẳng, còn những phần vật liệu bị cuốn theo vòng xoáy sẽ trải qua sự biến dạng
cơ nhiệt rất cao bởi vì chúng có thể quay nhiều vòng quanh đầu khuấy. Sự thay đổi hướng ren
(hoặc cấu hình đầu khuấy) sẽ dẫn đến sự thay đổi hướng lên hoặc hướng xuống của vật liệu.
Vật liệu trong cạnh lùi của mối hàn di chuyển từ phía trước đầu khuấy ra phía sau đầu khuấy
rồi dừng lại là do tác dụng của dòng chảy xuyên thẳng của vật liệu. Phần vật liệu trong cạnh tiến
của mối hàn sau một thời gian quay quanh đầu khuấy bị kẹt lại bởi dòng chảy ly tâm của phần vật
liệu ở dưới vai dụng cụ. Dòng chảy ly tâm của vật liệu là một phần của dòng xoáy vật liệu lưu
thông gây ra bởi ren của đầu khuấy. Sự lưu thông của dòng xoáy sẽ chuyển vật liệu bị kẹt lại xuống
Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT
TRANG 11

dưới đầu khuấy. Sự xoáy của dòng vật liệu quay quanh đầu khuấy và dòng vật liệu hướng xuống
đầu khuấy càng thể hiện rõ hơn khi đầu khuấy di chuyển đi tới (ra khỏi vùng khuấy).
Sự thay đổi hướng ren sẽ làm thay đổi hướng dòng chảy vật liệu trong vùng xoáy từ sự di
chuyển lên hoặc di chuyển xuống dọc đầu khuấy. Hai dòng chảy trên sẽ quyết định lượng kim loại
trải qua quá trình cơ nhiệt trong mỗi dòng chảy và sẽ quyết định đến chất lượng mối hàn.
Sự xen kẻ của hai dòng chảy được thể hiện trong hình 2.7, sự xảy ra của các hiện tượng
trượt, dính hoặc cả trượt và dính giữa bề mặt dụng cụ và phôi là nguồn gốc sự xen kẻ trên. Dòng
chảy xuyên thẳng sẽ chiếm lĩnh vùng lùi của mối hàn (vùng phía trên đầu khuấy) và dòng chảy
xoáy nằm ở vùng tiến (dưới đầu khuấy). Hình 2. 6 Sự kết hợp giữa các dòng chảy [15]

Hình 2. 7 Sự xen kẻ của hai dòng chảy [15]

bề mặt dụng cụ và phôi. Cũng chính dòng vật liệu này, đôi 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.
 Vận tốc của điểm ngoài cùng trên bề mặt của dụng cụ (cả vai và đầu khuấy) cao hơn tốc
độ dịch chuyển tới của dụng cụ.
 Do điều kiện bề mặt giữa dụng cụ và phôi nên luôn có hai dòng chảy luân phiên nhau
trong vùng hàn xung quanh đầu khuấy: dòng chảy hỗn hợp với sự biến dạng phân bố
khắp vùng trung tâm, vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn và dòng chảy trượt ở bề mặt
khi vận tốc của vật liệu ở bề mặt có thể bằng tốc độ của dụng cụ thì hiện tượng dính xảy
ra nhưng với hiện tượng trượt thì tốc độ của vật liệu thấp hơn tốc độ của dụng cụ.
 Quá trình tạo nhiệt và tính dẫn nhiệt sẽ ảnh hưởng đến lượng vật liệu được làm mềm sự
chênh lệch nhiệt độ dẫn đến sự xuất hiện vùng biến dạng gần bề mặt mối hàn.
Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT
TRANG 13

 Cấu hình của dụng cụ và những yếu tố động học của dòng chảy xung quanh dụng cụ sẽ
sinh ra một số dòng chảy riêng biệt trong suốt chiều dày vật hàn.
Mối hàn được hình thành từ những dòng kim loại hội tụ lại ở phía sau dụng cụ, mức dòng
chảy và hướng các đường trượt dọc của dọc chảy sẽ quyết định kiểu vùng biến dạng, ứng suất thủy
tĩnh và vectơ vận tốc tại vùng biến dạng. Colegrove đã chứng minh rằng các lực tỉ số biến dạng
của quá trình hàn là hàm của đặc tính hình học của dụng cụ, điều kiện trượt dính, ứng suất chảy
dẻo vật liệu, thông số hàn, chiều rộng vùng trồi, thể tích dụng cụ quét. Dòng kim loại là một chu
kỳ tuần hoàn tự nhiên và là kết quả của sự hội tụ của từng dòng vật liệu riêng biệt.
Dòng vật liệu xuyên qua mỗi vùng và hội tụ một lần nữa ở bề mặt từng vùng, sự rối loạn của
dòng kim loại cùng với sự hình thành các khuyết tật mối hàn là sự biểu hiện của sự dao động về
độ lớn, hướng của các lực và moment xoắn của dụng cụ.

khác, làm thiếu lực ép bề mặt và sinh ra các khuyết tật khác.
Trong điều kiện hàn nguội (tốc độ quay thấp, V
h
cao) lỗ 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. Khi lực ép quá thấp thì bề mặt (vùng 3) không được điền đầy. Mặc dù khi lực ép
tăng đến giá trị cần thiết thì vẫn có tình trạng thiếu sự đông đặc ở bề mặt giữa vùng 1 và vùng 4.
Những khuyết tật này biểu hiện ở sự hình thành vết nứt dọc theo dòng tuần hoàn của vật liệu.

Hình 2. 11 Các dòng chảy kim loại
2.3. Tổ chức hợp kim nhôm sau khi hàn
Cấu trúc tinh thể và sự thay đổi tính chất vật lý sau khi hàn FSW của hợp kim nhôm phụ
thuộc vào các yếu tố: thành phần hợp kim, tính chất hợp kim, thông số hàn, chiều dày vật hàn và
những yếu hình học khác, hay đúng hơn là phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ sinh ra trong lúc hàn.
Thành phần hợp kim quyết định cơ chế hóa bền hữu ích và ứng xử của vật liệu dưới tác dụng của
nhiệt độ và quá trình biến dạng trong khi hàn. Đặc tính của hợp kim có ảnh hưởng rất lớn đến sự
thay đổi tổ chức, đặc biệt là trong vùng ảnh hưởng nhiệt. Thông số hàn (số vòng quay dụng cụ, tốc
độ hàn, góc nghiêng dụng cụ, tốc độ hàn, tỉ số ăn dao,…) nói lên đặc tính hình học của dụng cụ
hàn và điều kiện biên của sự tạo nhiệt, nhiệt độ và quá trình biến dạng của vật hàn. Chiều dày vật
hàn và các yếu tố hóa học khác (đường kính vai dụng cụ, chế độ làm nguội, sự gá kẹp trong khi
Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT
TRANG 15

hàn, ) có thể ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt trong vùng hàn và đặc biệt là trong suốt chiều dày
của phôi hàn.
2.3.1. Quá trình cơ nhiệt kết hợp với FWS

Cấu trúc tinh thể vùng tâm hàn có thể được đánh giá trực tiếp hoặc gián tiếp do sự thể hiện của
việc xử lý hóa già sau khi hàn. Nếu vùng tâm hàn quá già thì chắc rằng việc xử lý hóa già sẽ có:
một là không ảnh hưởng, một là ảnh hưởng đến sự giảm độ cứng tâm hàn. Nếu vùng tâm hàn được
xử lý nhiệt hòa tan từng phần thì việc hóa cứng cho kết quả hóa già sau khi hàn. Nếu tâm hàn đã
được để lại trong điều kiện dung dịch rắn thì việc hóa già sau khi hàn có thể phục hồi tính chất của
nó tương tự như kim loại cơ bản.
Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT
TRANG 16

Có thể có những vùng nóng chảy thấp phần bố bên trong khối nóng chảy cao hơn. Trong vài
trường hợp, biến dạng nhiệt trong toàn khối có thể cho kết quả nhiệt độ vượt quá nhiệt độ nóng
chảy của một vài pha nóng chảy thấp. Điều này dẫn đến sự nóng chảy ranh giới hạt và hình thành
cấu trúc giòn bên trong mối hàn. Hiện tượng nóng chảy cục bộ này được xem như hiện tượng quá
nhiệt khi hàn.
2.3.3. Quá trình nhiệt trong vùng ảnh hưởng nhiệt
Vùng HAZ là vùng không biến dạng cơ học. Vì thế quá trình xảy ra ở vùng này chỉ là kết
quả của sự hấp thu nhiệt. Dĩ nhiên, sự hấp thu nhiệt sẽ mãnh liệt hơn ở vùng gần tâm hàn và kém
hơn khi ra xa tâm hàn. Ở khoảng cách từ tâm hàn thì lại tùy thuộc vào nhiệt độ tối đa và thời gian
tạm thời của sự hấp thu nhiệt, ảnh hưởng của sự hấp thu nhiệt sẽ được bỏ qua và vì thế vùng HAZ
sẽ dần đến với kim loại cơ bản. Quá trình nhiệt trong HAZ sẽ tùy thuộc vào từng loại hợp kim cụ
thể.
Hợp kim không xử lý nhiệt trong đặc tính “0” thường sẽ không ảnh hưởng của sự hấp thu
nhiệt. Vật liệu đã được làm mềm mà thêm nhiệt thì sẽ không làm giảm độ cứng, tuy nhiên có thể
do việc hấp thu nhiệt sẽ dẫn đến sự tăng cở hạt. Nếu đặc tính của hợp kim là hóa bền cơ học, thì
thông thường sẽ có một sự thay đổi lớn về cấu trúc mạng tinh thể, với sự phụ thuộc căn cứ vào
khoảng cách từ tâm hàn. Gần tâm hàn, vật liệu hóa bền cơ học sẽ có khả năng kết tinh lại hoàn

hình thực nghiệm. Do quá trình hàn chịu sự ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố không kiểm soát được,
dp vậy cần phải thực nghiệm trên mô hình thực tế, từ đó phân tích và đánh giá dữ liệu có được.
3.1. Mô hình tính toán, phân tích và chọn thông số thí nghiệm.
Mẫu thí nghiệm được làm bằng hợp kim nhôm 5052, các thông số ban đầu:
 Chiều rộng chi tiết: w = 100 mm.
 Chiều dài: l = 250 mm.
 Nhiệt độ dẻo của nhôm 482
0
C.
 Nhiệt độ phòng t
0
= 27
0
C.
 Nhiệt dung riêng của nhôm: c = 880 J/Kg.độ

Hình 3. 1 Kích thước mặt cắt ngang vùng hàn
Nhiệt được tạo ra là do ma sát giữa các bề mặt của dụng cụ, bao gồm : mặt dưới của vai, bề
mặt đầu khuấy, mặt dưới của đầu khuấy, tương ứng với các bề mặt, nhiệt lượng sinh ra là Q
1
, Q
2
,
Q
3
.
Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC

(3.3)
Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT
TRANG 19

 Trên mặt của đầu khuấy:
Phần bề mặt này chịu tác dụng lực/moment theo phương ngang, cho nên vi phân nhiệt lượng
tạo ra có dạng, hình 2.4b:

2 2 2 2contact contact
dQ dM rdF r dA r rd dz
      
   
(3.4)
 Trên bề mặt phía dưới đầu khuấy hình côn:
Ta có thể phân ra 2 thành phần lực tác dụng lên phần mặt côn này theo phương ngang và
phương đứng, hình 2.4c.

1 ngang dung
dF dF dF
(3.5)
Ta lại có:

tan
tan
dung
ngang

(đầu khuấy) đến R
2
(vai) ta được:

2
1
2
2
1
0
33
21
(1 tan )
2
( )(1 tan )
3
R
contact
R
contact
Q r d dr
RR

   
  

  

(3.9)
 Nhiệt lượng tao ra do đầu khuấy:



(3.11)
Nhiệt lượng tổng cộng tạo ra:
Đề cương luận văn Thạc Sĩ – GVHD:PGS.TS TRẦN THIÊN PHÚC
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT
TRANG 20 3 3 3 2
1 2 3 2 1 1 1
2
( )(1 tan ) 3
3
tong contact probe
Q Q Q Q R R R R H
  

       

(3.12)
 Ảnh hưởng của thông số góc nghiêng đầu dao:
Với đầu dao có góc nghiêng là (độ) , hình 2.8, thì nhiệt lượng tạo ra theo tài liệu [16]:

3 3 3 2
1 2 3 2 1 1 1
3
THÂN TRỌNG KHÁNH ĐẠT
TRANG 21

Như vậy, đề xác định sự ảnh hưởng một cách rõ ràng của thông số góc nghiêng đầu dao,
chúng ta sẽ chọn thông số này để thực nghiệm.
Nghiên cứu của H B. Chen và cộng sự [16], đã đưa ra biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của
góc nghiêng đầu dao đến ứng suất kéo và độ giãn dài của mối hàn:
Sức bền kéo, MPa
Góc nghiêng dụng cụ (độ)

Góc nghiêng dụng cụ (độ)
Độ giãn dài (%)

Hình 3. 6 Ứng suất kéo và % kéo giãn với các góc nghiêng đầu dao thay đổi. (a) ứng suất
kéo, (b) độ giãn dài của mối hàn tối đa khi kéo.
 Kết luận:
 Các thông số hình học: Kích thước và biên dạng đầu tạo ma sát, kích thước đường hàn,
quan hệ hình học giữa đường kính, chiều dài đầu tạo ma sát và đường kính vai.