Sự phát triển trong thiết kế công cụ hàn

Phát triển thiết kế công cụ

Vai công cụ FSW thường ít phức tạp hơn trong thiết kế so với đầu dò. Vai dụng cụ không nhất thiết phải chạy song song với bề mặt phôi, trong các mối hàn tuyến tính đơn giản, dụng cụ thường bị nghiêng sao cho cạnh sau của vai xuyên qua phôi và tạo thêm áp lực rèn. Dawes và cộng sự (1995) đã phát triển một thiết kế vai lõm hoạt động đáng tin cậy ở góc vận hành (độ nghiêng của dụng cụ) là 2-3˚ (Hình 3a). Mong muốn tăng tốc độ hàn trong các hợp kim nhôm sê-ri 5xxx đã dẫn đến sự phát triển của vai cuộn (Hình 3a-b), trong đó tính năng cuộn được gia công vào mặt của vai để kéo vật liệu vào từ mép ngoài của vai đến gốc rễ của cuộc thăm dò (Dawes và Thomas, 1999). Ý tưởng này đã được phát triển để thúc đẩy dòng vật chất theo phương thẳng đứng, nhưng các thử nghiệm ban đầu cho thấy rằng việc sửa đổi thiết kế như vậy cũng cho phép sử dụng công cụ thẳng đứng (không nghiêng). Thiết kế vai này hiện được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng yêu cầu đường hàn 2 và 3 chiều.

Biên dạng vai dụng cụ ảnh hưởng đáng kể đến sự sinh nhiệt do ma sát trong quá trình FSW. Các cấu hình vai công cụ hạn chế dòng vật liệu, chẳng hạn như cuộn, cung cấp lượng nhiệt đầu vào lớn nhất do diện tích bề mặt tăng lên. Do đó, có thể sử dụng đường kính vai cuộn giảm. Điều này tỏ ra đặc biệt có lợi khi các thiết kế mối nối và đường hàn ngày càng trở nên phức tạp, vì thiết kế dụng cụ thường có thể được điều khiển bởi các ràng buộc hình học của mối nối.

Hình 3Thiết kế vai dụng cụ (được hiển thị bằng đầu dò trơn): a) Lõm; b) Cuộn.

Vật liệu dụng cụ hàn khuấy ma sát (đối với hợp kim Al)

Các vật liệu như hợp kim liên kim, silicua, hợp kim pha Laves (hợp kim Nb-Ti-Cr hai pha), hợp kim bạch kim, hợp kim iridi và gốm đều được xác định là có tiềm năng (về độ bền ở nhiệt độ cao) được sử dụng làm công cụ FSW đầu dò để hàn hợp kim nhôm. Tuy nhiên, nghiên cứu trước đây tại TWI đã chỉ ra rằng hầu hết các vật liệu này có độ bền gãy rất kém và nhanh chóng bị hỏng do gãy giòn khi được sử dụng làm công cụ khuấy ma sát. Ngoài ra, nhóm vật liệu này rất khó tìm nguồn và khó gia công theo hình học của đầu dò FSW hiện được coi là cần thiết để tạo ra các mối hàn chất lượng tốt.

Sự phát triển của TWI trong 25 năm qua đã dẫn đến một nhóm nhỏ vật liệu, có thể dễ dàng mua và gia công một cách hợp lý. Nghiên cứu hợp kim Al trước đây đã bao gồm các vật liệu thăm dò sau:

Thép công cụ gia công nóng (AISI H13 HWTS đã được sử dụng rộng rãi)
Thép tốc độ cao
Siêu hợp kim (dựa trên Ni và Co)
Cacbua xi măng (WC-Co – hạn chế sử dụng)

Một bản tóm tắt so sánh của các tài liệu này được thể hiện trong Bảng 1.

vật liệu dụng cụ	Sự phù hợp	khả năng gia công tương đối	chi phí tương đối	tính khả dụng tương đối
nhà vệ sinh	Sức mạnh tốt, độ dẻo dai kém ở nhiệt độ thấp	Nghèo	Thấp	Hợp lý
Mật độ D176	Sức mạnh và độ dẻo dai hợp lý	Tốt	Trung bình	Tốt
TZM	Sức mạnh và độ dẻo dai hợp lý nhưng tạo ra khói oxit nguy hiểm ở nhiệt độ cao	Tốt	Trung bình	Tốt
hợp kim nimonic	Sức mạnh tốt nhưng độ dẻo dai tương đối thấp	Hợp lý	Cao	Nghèo
MP159	sức mạnh tốt và độ dẻo dai	Hợp lý	Cao	Hợp lý

Bảng 1Tính chất tương đối của các vật liệu dụng cụ FSW khác nhau có thể hàn hợp kim Al cường độ cao

Đối với hợp kim Al, hợp kim MP159 có độ bền cao dựa trên coban đã chứng tỏ là sự lựa chọn tốt nhất hiện có. MP159 lần đầu tiên được sử dụng tại TWI làm vật liệu thăm dò FSW vào năm 2001. Hợp kim này được phát triển bởi SPS Technologies Inc. để trở thành một hợp kim dây buộc có khả năng hoạt động ở nhiệt độ lên đến 590°C. Tại thời điểm viết bài, hợp kim này được sản xuất bởi Công ty Thép Đặc biệt Latrobe ở Hoa Kỳ. Thành phần hóa học danh nghĩa của hợp kim MP159 được thể hiện trong Bảng 2.

Yếu tố	đồng	Ni	Cr	Fe	mo	ti	Ni	Al
Wt. %	35,7	25,5	19	9	7	3	0,6	0,2

Các đặc tính hấp dẫn đã dẫn đến việc sử dụng MP159 cho đầu dò FSW như sau:

Độ bền cao (1445 N/mm2 ở 540°C) kết hợp với độ dẻo và độ dai tốt
Nhiệt độ hoạt động cao (lên đến 590°C)
Độ bền rão cao lên tới 590°C
Có thể được rèn thành các hình dạng phức tạp
Chống mỏi tốt
Có thể được mua với giá khả thi về mặt thương mại
Có thể gia công thành các hình dạng phức tạp

Chất lượng mối hàn và khả năng chấp nhận

Mặc dù thường được yêu cầu, nhưng thường rất khó để cung cấp hình dạng và kích thước đầu dò FSW cho một ứng dụng cụ thể, bởi vì kích thước của bộ phận được hàn và hiệu ứng tản nhiệt của các thiết bị kẹp được yêu cầu cần phải được cung cấp. Do đó, loại đầu dò công cụ FSW cụ thể ban đầu được chọn từ kinh nghiệm trước đó và thiết kế, hình học và kích thước cho đầu dò điểm bắt đầu. Nghiên cứu ma trận kiểm tra tham số mối hàn ngắn thường được thực hiện nhất để xác định xem đầu dò này có thể tạo ra chất lượng mối hàn tốt hay không hoặc vị trí của ranh giới của đường bao dung sai tham số mối hàn. Trong nhiều trường hợp, thiết kế đầu dò FSW ban đầu được chọn tạo ra các mối hàn chất lượng tốt nhưng đôi khi cần phải thiết kế lại công cụ để phù hợp với bất kỳ nhược điểm nào đã được xác định hoặc sự không nhất quán trong vật liệu được hàn – ví dụ:

Trong trường hợp không có bất kỳ thông tin mô hình thực sự đáng tin cậy nào có thể xác định chính xác hình dạng đầu dò FSW chính xác cho một ứng dụng cụ thể, loại hợp kim và độ dày tấm/tấm, TWI nhận thấy rằng phương pháp thực nghiệm và lặp đi lặp lại vẫn có xu hướng là cách tốt nhất để phát triển FSW công nghệ cho các công ty Thành viên TWI của chúng tôi (xem Hình 4). Cách tiếp cận của chúng tôi cho đến nay đã được chứng minh là thành công và mang lại niềm tin cho người dùng cuối trong ngành. Một khía cạnh thường bị bỏ qua khi khám phá các thiết kế công cụ ‘được tối ưu hóa’ phức tạp bằng mô hình máy tính là ‘khả năng sản xuất’ cuối cùng của công cụ.