BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN HÀO

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG
MÁY HÀN MA SÁT KHUẤY
Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ HÀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

Hà Nội – 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan ngoại trừ các số liệu được trích dẫn từ tài liệu tham khảo
thì nội dung cịn lại là cơng trình nghiên cứu và tính tốn của riêng tơi. Các số liệu
tính tốn là trung thực. Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 20 tháng 08 năm 2019
Người cam đoan

Nguyễn Văn Hào

1


LỜI CẢM ƠN

Tác giả chân thành cám ơn Thầy PGS.TS Bùi Văn Hạnh và Thầy PGS.TS
Nguyễn Thúc Hà đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện về tài liệu và động viên tác
giả trong q trình nghiên cứu và hồn thành bản luận văn này.
Tác giả xin trân trọng cám ơn các Thầy, Cô trong Bộ môn Hàn và Công nghệ
Kim loại – Viện Cơ Khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và
động viên tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận văn.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học Giao thông vận tải, Khoa Cơ
khí, Bộ mơn Cơng nghệ giao thơng và các Thầy Cơ đồng nghiệp đã tạo điều kiện và
nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài của luận
văn.
Tác giả

Nguyễn Văn Hào

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

1

LỜI CẢM ƠN

2

MỤC LỤC

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

8

PHẦN MỞ ĐẦU

12

1. Lý do chọn đề tài

13

2. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

13

3. Mục tiêu của đề tài

15

4. Phạm vi nghiên cứu


15

5. Phương pháp nghiên cứu

15

6. Đóng góp mới của đề tài

15

7. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

16

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ HÀN MA SÁT
KHUẤY
17
1.1 Công nghệ hàn ma sát khuấy

17

1.1.1 Khái niệm của phương pháp hàn ma sát khuấy

17

1.1.2 Đặc điểm công nghệ

18

1.1.3 Phạm vi ứng dụng


19

1.2 Công nghệ hàn ma sát khuấy nhôm

25

1.2.1 Đặc điểm công nghệ hàn ma sát khuấy nhôm
1.3 Thiết bị và dụng cụ hàn ma sát khuấy

25
27

1.3.1 Tình hình thiết bị hàn ma sát khuấy trong nước và ngoài nước

27

1.3.2 Dụng cụ hàn ma sát khuấy

30

1.4 Các giai đoạn của q trình hàn ma sát khuấy

32

1.5 Các thơng số công nghệ hàn ma sát khuấy

33

1.5.1 Các thông số công nghệ trong quá trình hàn


33

1.5.2 Lực và momen trong quá trình hàn

34

3


1.6 Một số khuyết tật hàn ma sát khuấy

35

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG DIỀU KHIỂN MÁY VÀ MÔ PHỎNG
MÁY
43
2.1 Máy hàn ma sát khuấy FSW BK-01

43

2.1.1 Bản vẽ thiết kế máy (đính kèm phụ lục)

43

2.1.2 Sơ đồ động của máy

43

2.1.3 Yêu cầu về điều khiển cho máy


43

2.2 Nghiên cứu chọn giải pháp điều khiển

44

2.2.1 Điều khiển dùng vi xử lý

45

2.2.2 Hệ thống điều khiển dùng PLC

45

2.3 Nguyên lý hoạt động và thiết kế bảng điều khiển cho máy

47

2.3.1 Nguyên lý hoạt động

47

2.3.2 Thiết kế bảng hộp điều khiển

47

2.4 Lựa chọn thiết bị của hệ thống điều khiển

49


2.4.1 Lựa chọn cơng tắc hành trình và cảm biến hiệu chỉnh

49

2.4.2 Lựa chọn thiết bị trong tủ điều khiển

51

2.5 Thiết kế hệ thống điều khiển

52

2.5.1 Thiết kế mạch điều khiển

52

2.5.2 Xây dựng thuật toán điều khiển các trục quay và nâng hạ đầu hàn, dịch
chuyển phơi hàn
53
2.5.3 Xây dựng thuật tốn kết nối với máy tính

55

2.5.4 Xây dựng thuật tốn điều khiển bằng tay

56

2.6 Viết module phần mềm điều khiển các trục quay và tịnh tiến


58

2.7 Viết module chính của phần mềm điều khiển

61

2.8 Viết phần mềm mô phỏng hoạt động của thiết bị bằng MFC phục vụ đào tạo
và nghiên cứu khoa học
65
2.9 Hướng dẫn sử dụng máy

66

2.9.1 Giao diện chính trên màn hình điều khiển

66

2.9.3 Giao diện cài đặt mũi khuấy trên màn hình điều khiển

68

2.9.4 Hộp thao tác

69

4


2.9.5 Các bước thao tác


70

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM HÀN MA SÁT KHUẤY LIÊN KẾT HÀN GIÁP
MỐI HỢP KIM NHÔM AA5052 VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÀN HỢP LÝ
71
3.1 Mục đích

71

3.2 Thiết bị thí nghiệm

71

3.2.1 Thiết bị hàn

71

3.2.2 Thiết bị phụ trợ

71

3.3 Mẫu thí nghiệm

76

3.3.1 Vật liệu cơ bản

76

3.4 Xây dựng thí nghiệm


76

3.4.1 Các chế độ hàn và quy trình thí nghiệm

76

3.5 Các liên kết hàn đạt được

79

3.6 Gia công mẫu thí nghiệm

81

3.7 Tiến hành thử kéo các mẫu thí nghiệm

82

3.8 Tiến hành quan sát cấu trúc tế vi kim loại mối hàn cho các mẫu thí nghiệm 86
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN

89

4.1 Ảnh hưởng của chế độ hàn đến cấu trúc tế vi của hợp kim nhôm AA5052 89
4.2 Ảnh hưởng của chế độ hàn đến độ bền kéo liên kết hàn hợp kim nhôm
AA5052
90
KẾT LUẬN


94

TÀI LIỆU THAM KHẢO

96

PHỤ LỤC

98

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu /
Viết tắt

Đơn vị

Ý nghĩa

FSW

-

Friction Stir Welding - Hàn ma sát khuấy.

PLC

-


Programmable Logic Controller.

TĐ

-

Tự Động.

BT

-

Bình thường.

Fx

[N]

Lực tác dụng theo phương ngang.

Fy

[N]

Lực tác dụng theo phương dọc trục mối hàn.

Fz

[N]


Lực ép của đầu hàn.

CNC

-

MIG

-

TIG

-

TMAZ

-

HAZ

-

n
Vh

Computer Numerical Control - điều khiển số bằng
máy tính.
Metal Inert Gas - Hàn hồ quang điện cực nóng
chảy trong mơi trường khí trơ bảo vệ.

Tungsteng Inert Gas - Hàn hồ quang điện cực
khơng nóng chảy trong mơi trường khí trơ bảo vệ.
Thermal - Mechanic Affect Zone – Vùng ảnh hưởng
cơ nhiệt.
Heat Affect Zone – Vùng ảnh hưởng nhiệt.

[Vòng/phút] Tốc độ quay của đầu khuấy.
[mm/phút] Vận tốc hàn.

FSW BK-01

-

Mã số máy hàn ma sát khuấy.

HOME

-

Điểm gốc cho các trục của máy.

START

-

STOP

-

Ký hiệu bắt đầu quá trình hàn khi điều khiển máy

theo chế độ tự động.
Dừng máy khi điều khiển.

6


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Các chức năng của hộp điều khiển. ........................................................... 49
Bảng 2.2. Các thiết bị điều khiển. ............................................................................. 51
Bảng 3.1 Thành phần hóa học và cơ tính của thép SKD11. ..................................... 73
Bảng 3.2 Cơ tính của thép SKD11. ........................................................................... 74
Bảng 3.3 Thành phần hóa học của hợp kim nhơm AA5052. ..................................... 76
Bảng 3.4 Tính chất vật lý và cơ tính của hợp kim nhơm AA5052 ............................. 76
Bảng 3.5 Các khoảng giá trị khảo sát của n và Vh. .................................................. 77
Bảng 3.6 Mơ hình khảo sát ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn. ..................... 77
Bảng 3.7 Các chế độ hàn thí nghiệm. ....................................................................... 77
Bảng 3.8 Các thông số công nghệ chung. ................................................................. 78
Bảng 3.9. Một số giá trị đo khi thử kéo mối hàn....................................................... 86
Bảng 4.1 Kết quả cấu trúc tế vi các vùng của mối hàn............................................. 89

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cơng nghệ hàn ma sát khuấy. .................................................................... 17
Hình 1.2 Cơ chế của phương pháp hàn ma sát khuấy. ............................................. 17
Hình 1.3 - a. Trước khi hàn, b. Liên kết hàn giáp mối sau khi hàn. ......................... 18
Hình 1.4 Mối hàn ma sát khuấy. ............................................................................... 19
Hình 1.5 Mối hàn ma sát khuấy. ............................................................................... 19
Hình 1.6 Hàn giáp mối FSW. .................................................................................... 19

Hình 1.7 Một số dạng liên kết hàn có thể hàn được bằng phương pháp hàn ma sát
khuấy. ........................................................................................................................ 20
Hình 1.8 Ứng dụng của hàn ma sát khuấy trong hàn liên kết hàn chữ T. ............... 20
Hình 1.9 Ứng dụng hàn ma sát khuấy cho tấm phẳng. ............................................. 20
Hình 1.10 Ứng dụng hàn ma sát khuấy cho vật hàn dạng ống. ................................ 20
Hình 1.11 Tàu nhôm sử dụng phương pháp FSW trong kết cấu vỏ tàu.................... 21
Hình 1.12 Ứng dụng phương pháp hàn FSW trong chế tạo nắp capo xe ơ tơ. ......... 22
Hình 1.13 Ứng dụng phương pháp hàn FSW trong chế tạo vành bánh xe ơ tơ. ....... 22
Hình 1.14 Ứng dụng phương pháp hàn ma sát khuấy cho thiết bị hàng .................. 23
Hình 1.15 Các loại tàu ở Nhật Bản được chế tạo bằng phương pháp FSW............. 24
Hình 1.16 Hàn kết cấu ống, cánh tản nhiệt sử dụng phương pháp FSW. ................ 24
Hình 1.17 Hàn một số mối ghép cơ khí. .................................................................... 24
Hình 1.18 Hàn kết cấu dạng tấm. ............................................................................. 25
Hình 1.19 A – Các vùng mối hàn ma sát khuấy, B – Dải vân giữa các lớp vật liệu
khuấy, C – Dấu hiệu ảnh hưởng cơ nhiệt của dòng vật liệu bị khuấy. ..................... 25
Hình 1.20 Cấu trúc tế vi, sự phân bố nhiệt của liên kết hàn hợp kim nhôm 7075T651. .......................................................................................................................... 26
Hình 1.21 Máy hàn ma sát khuấy dạng giường. ....................................................... 27
Hình 1.22 Máy hàn ma sát khuấy dạng CNC. .......................................................... 28
Hình 1.23 Một số hình ảnh chung về máy hàn ma sát khuấy FSW BK-01. .............. 29
Hình 1.24 Cấu tạo chung của dụng cụ hàn ma sát khuấy. ....................................... 30
Hình 1.25 Một số hình dạng cơ bản của đầu khuấy. ................................................ 31
Hình 1.26 Hình dạng đầu khuấy Skew Stir. .............................................................. 31
Hình 1.27 Một số đầu hàn chế tạo. ........................................................................... 31
Hình 1.28 Sơ đồ phân tích lực khi hàn...................................................................... 32
Hình 1.29 Các giai đoạn chính của một q trình hàn ma sát khuấy ...................... 33
Hình 1.30 Các lực và momen trong quá trình hàn FSW........................................... 34
Hình 1.31 Khuyết tật lỗ hổng bên trong mối hàn...................................................... 36
Hình 1.32 Khuyết tật lỗ hổng trong mối hàn. ........................................................... 36
Hình 1.33 Khuyết tật mối hàn lệch tâm (khơng đúng vị trí). .................................... 36


8


Hình 1.34 Ba via xuất hiện quá nhiều trên bề mặt mối hàn. .................................... 37
Hình 1.35 Khuyết tật ba via của mối hàn ................................................................. 37
Hình 1.36 Hiện tượng mối hàn khơng đầy ................................................................ 38
Hình 1.37 Liên kết hàn khơng phẳng sau hàn........................................................... 38
Hình 1.38 Vật hàn bị biến dạng ở vị trí đầu mối hàn. .............................................. 39
Hình 1.39 Khuyết tật vết điện cực của mối hàn. ....................................................... 39
Hình 1.40 Đáy mối hàn bị thủng và có hiện tượng bong. ......................................... 40
Hình 1.41 Khuyết tật vết nứt của mối hàn. ............................................................... 40
Hình 1.42 Mối hàn khơng điền đầy. .......................................................................... 41
Hình 1.43 Khuyết tật khơng ngấu đáy mối hàn......................................................... 42
Hình 2.1 Sơ đồ động của máy hàn FSW BK 01. ....................................................... 43
Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển. ........................................................................................ 44
Hình 2.3 Hộp điều khiển và màn hình điều khiển. .................................................... 48
Hình 2.4 Bố trí các núm trên hộp điều khiển. ........................................................... 48
Hình 2.5 Cơng tắc hành trình và cảm biến quang hang Hanyoung PU-30S............ 50
Hình 2.6 Hệ thống cảm biến hành trình điều khiển máy. ......................................... 50
Hình 2.7 Hệ thống cảm biến điểm gốc home điều khiển máy. .................................. 50
Hình 2.8 Sơ đồ bố trí thiết bị trong tủ điều khiển. .................................................... 52
Hình 2.9 Bố trí thiết bị trong tủ điện điều khiển. ...................................................... 52
Hình 2.10 Thuật tốn điều khiển các trục quay và nâng hạ đầu hàn, dịch chuyển
phơi hàn. .................................................................................................................... 53
Hình 2.11 Sơ đồ thuật toán dừng chế độ hàn tự động. ............................................. 54
Hình 2.13 Sơ đồ thuật tốn kết nối với máy tính...................................................... 55
Hình 2.14 Sơ đồ thuật tốn điều khiển bằng tay động cơ lên xuống. ....................... 56
Hình 2.15 Sơ đồ thuật toán điều khiển bằng tay động cơ sang trái, sang phải. ...... 57
Hình 2.16 Sơ đồ thuật toán điều khiển bằng tay động cơ quay đầu hàn .................. 58
Hình 2.17 Mơ phỏng hoạt động của máy trên phần mềm MFC. .............................. 65

Hình 2.18 Giao diện chính trên màn hình điều khiển. .............................................. 66
Hình 2.19 Giao diện cài đặt thơng số chế độ hàn..................................................... 67
Hình 2.20 Giao diện cài đặt thông số chế độ quay đầu hàn. .................................... 68
Hình 2.21 Hộp thao tác. ............................................................................................ 69
Hình 3.1 Phơi hợp kim nhơm AA5052. ..................................................................... 71
Hình 3.2 Đầu khuấy theo thiết kế. ............................................................................. 72
Hình 3.3 Quy trình nhiệt luyện đầu khuấy vật liệu SKD11. ..................................... 73
Hình 3.4 Hình ảnh đầu khuấy sau khi chế tạo và thử nghiệm 3 mm và 5 mm. ......... 73
Hình 3.5 Sơ đồ gá đặt vật hàn trước khi hàn. ........................................................... 75
Hình 3.6 Đồ gá hàn ma sát khuấy. ............................................................................ 75
Hình 3.7 Kích thước mẫu thí nghiệm. ....................................................................... 76
9


Hình 3.9 Hàn trên máy hàn ma sát khuấy................................................................. 78
Hình 3.8 Cài đặt các thông số kỹ thuật trước khi hàn. ............................................. 78
Hình 3.10 Sơ đồ các giai đoạn của quá trình hàn. ................................................... 78
Hình 3.11 Hình ảnh mặt trên và mặt đáy của mối hàn M1. ..................................... 79
Hình 3.12 Hình ảnh mặt trên và mặt đáy của mối hàn M2. ..................................... 79
Hình 3.13 Hình ảnh mặt trên và mặt đáy của mối hàn M3. ..................................... 79
Hình 3.14 Hình ảnh mặt trên và mặt đáy của mối hàn M4. ..................................... 80
Hình 3.15 Hình ảnh mặt trên và mặt đáy của mối hàn M5. ..................................... 80
Hình 3.16 Hình ảnh mặt trên và mặt đáy của mối hàn M6. ..................................... 80
Hình 3.17 Hình ảnh mặt trên và mặt đáy của mối hàn M7. ..................................... 80
Hình 3.18 Hình ảnh mặt trên và mặt đáy của mối hàn M8. ..................................... 81
Hình 3.19 Hình ảnh mặt trên và mặt đáy của mối hàn M9. ..................................... 81
Hình 3.20 Các mẫu thí nghiệm được gia cơng trên máy cắt dây Bao ma DK 7732
theo kích thước như hình 3.6. .................................................................................... 82
Hình 3.21 Các mẫu thí nghiệm sau khi gia cơng trên máy cắt dây. ......................... 82
Hình 3.22 Máy thử kéo HFM 500KN. ....................................................................... 83

Hình 3.23 Mẫu thí nghiệm sau khi thử kéo. .............................................................. 83
Hình 3.24 Hình ảnh mẫu 1 sau khi thử kéo. ............................................................. 84
Hình 3.25 Hình ảnh mẫu 2 sau khi thử kéo. ............................................................. 84
Hình 3.26 Hình ảnh mẫu 3 sau khi thử kéo. ............................................................. 84
Hình 3.27 Hình ảnh mẫu 4 sau khi thử kéo. ............................................................. 84
Hình 3.28 Hình ảnh mẫu 5 sau khi thử kéo. ............................................................. 85
Hình 3.29 Hình ảnh mẫu 6 sau khi thử kéo. ............................................................. 85
Hình 3.30 Hình ảnh mẫu 7 sau khi thử kéo. ............................................................. 85
Hình 3.31 Hình ảnh mẫu 8 sau khi thử kéo. ............................................................. 85
Hình 3.32 Hình ảnh mẫu 9 sau khi thử kéo. ............................................................. 85
Hình 3.33 Mẫu được gia cơng trên máy cắt dây....................................................... 87
Hình 3.34 Mẫu được mài bằng giấy giáp thơ và tinh. .............................................. 87
Hình 3.35 Mẫu được đánh bóng trên máy đánh bóng bằng bột Al2O3 và tẩm thực
bằng dung dịch 150ml H2O, 6ml HCl, 3 ml HNO3 và 6 ml HF. ............................... 87
Hình 3.36 Quan sát cấu trúc tế vi trên kính hiển vi. ................................................. 88
Hình 4.1 Các điểm chụp đặc trưng cho các vùng của mối hàn. ............................... 89
Hình 4.2 Vùng số 1. ................................................................................................... 89
Hình 4.3 Vùng số 2. ................................................................................................... 90
Hình 4.4 Vùng số 3. ................................................................................................... 90
Hình 4.5 Vùng số 4. ................................................................................................... 90
Hình 4.6 Mẫu M5 sau khi thử kéo. ............................................................................ 91

10


Hình 4.7 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ theo nhóm giữa tốc độ quay, vận tốc hàn với
độ bền kéo của liên kết hàn. ...................................................................................... 91
Hình 4.8 Vết đứt so với đường tâm của các mẫu hàn. .............................................. 92

11



PHẦN MỞ ĐẦU
Hiện nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vì vậy việc ứng dụng
các kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất nhằm tạo ra những sản phẩm có năng suất, chất
lượng cao, giá thành giảm ngày càng trở nên cần thiết, đặc biệt đối với lĩnh vực cơ
khí, điện – điện tử. Đóng góp vào sự phát triển nhanh chóng của khoa học cơng
nghệ trong thời gian gần đây, tự động hố sản xuất có vai trị rất quan trọng. Tự
động hố q trình hàn đã được nghiên cứu và phát triển từ nhiều năm trở lại đây.
Một trong những vấn đề quyết định của tự động hố là kỹ thuật điều khiển và cơng
nghệ trên các máy điều khiển số.
Hàn ma sát khuấy là phương pháp hàn khá mới ở Việt Nam, hiện đã có một
số cơng trình cơng bố tuy nhiên mới chỉ dừng lại ở phạm vi nghiên cứu chế độ hàn
ở một số loại vật liệu. Trên thế giới đã có một số nước nghiên cứu và đưa phương
pháp hàn ma sát khuấy vào ứng dụng thực tế trong rất nhiều lĩnh vực chế tạo như
chế tạo vỏ tàu, vỏ ô tô, chế các thiết bị hàng không, vũ trụ…Đề tài này tập trung
vào việc tìm hiểu, chế tạo và thiết kế hệ thống điều khiển và mô phỏng máy hàn ma
sát khuấy ứng dụng vào học tập, giảng dạy và nghiên cứu.
Nội dung đề tài gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ và thiết bị hàn ma sát khuấy
Chương 2: Thiết kế hệ thống diều khiển máy và mô phỏng máy
Chương 3: Thực nghiệm hàn ma sát khuấy liên kết hàn giáp mối hợp kim
nhôm AA5052 và xác định chế độ hàn hợp lý
Chương 4 : Kết quả nghiên cứu và bình luận
Đặc biệt em xin cảm ơn thầy Thầy PGS.TS Bùi Văn Hạnh và Thầy PGS.TS
Nguyễn Thúc Hà bộ mơn Hàn và Cơng nghệ kim loại đã tận tình tham gia hướng
dẫn, đánh giá, nhận xét cho em hoàn thiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn!

12



1. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ Hàn đã và đang
được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của sản xuất và đời sống, khẳng
định được vai trò quan trọng trong lĩnh vực khoa học công nghệ và nền công
nghiệp của quốc gia.
Với nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp chế tạo khác, các công
nghệ hàn luôn được nghiên cứu, cải tiến và ứng dụng nhiều hơn trong sản xuất và
đời sống. Các công nghệ hàn mới được nghiên cứu và ra đời giải quyết hiệu quả
các vấn đề trước đó khó hoặc chưa giải quyết được.
Trên thế giới đã có rất nhiều phương pháp hàn được sinh ra và đưa vào ứng
dụng rất hiệu quả trong thực tế. Một trong những phương pháp hàn gần đây và khá
mới mẻ ở Việt Nam đó là phương pháp hàn ma sát khuấy. Hiện phương pháp hàn
ma sát khuấy ở Việt Nam đã có một số cơng trình nghiên cứu như Nghiên cứu sự
ảnh hưởng của góc nghiêng đầu dụng cụ đến chất lượng mối hàn ma sát khuấy trên
tấm nhôm phẳng [3], Nghiên cứu chế tạo đầu hàn ma sát khuấy đối với hợp kim
nhôm [7], Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng mối hàn ma sát
khuấy trên tấm nhôm phẳng [6] và Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến sự
phân bố nhiệt độ và cấu trúc mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA-7075T6. Tuy nhiên, việc chế tạo thiết bị và ứng dụng vào thực tế ở Việt Nam là chưa có,
chủ yếu các tác giả tiến hành thí nghiệm cho các nghiên cứu trên máy phay do
chuyển động trong quá trình hàn ma sát khuấy tương tự chuyển động trong quá
trình cắt của máy phay. Ngồi ra, trong q trình hàn lực và momen sinh ra và tác
dụng lên hệ thống công nghệ khác với q trình gia cơng trên máy phay và các yếu
tố này ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình hàn. Từ đó, đặt ra yêu cầu cần thiết
kế, chế tạo máy hàn ma sát khuấy chuyên dụng. Nối tiếp quá trình nghiên cứu và
chế tạo thiết bị hàn ma sát khuấy tác giả được giao đề tài đề tài “Nghiên cứu thiết
kế hệ thống điều khiển và mô phỏng hoạt động máy hàn ma sát khuấy’’.

2. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

- Cơ sở khoa học:

13


Hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) là công nghệ hàn ở trạng thái
rắn được phát minh tại Anh bởi Viện Hàn vào năm 1991. Có thể mơ tả quá trình hàn
FSW một cách đơn giản như sau (hình 1): Đầu hàn gắn trên trục chính của máy
mang dụng cụ khuấy (đầu khuấy) được thiết kế đặc biệt cho từng ứng dụng cụ thể
vừa quay tròn, vừa chuyển động tĩnh tiến đi sâu vào khu vực cần hàn để đạt được
chiều sâu ngấu cần thiết cho mối hàn. Nhiệt lượng được sinh ra do ma sát giữa đầu
khuấy và mặt dưới (vai) của đầu hàn với phôi hàn có giá trị rất lớn sẽ làm cho vật
liệu bao bọc xung quanh đầu khuấy chuyển sang trạng thái chảy dẻo. Cùng với
chuyển động quay tròn, đầu hàn sẽ thực hiện chuyển động tiến dọc theo trục đường
hàn. Điều này có tác động làm cho kim loại đang chảy dẻo bị đẩy dồn từ phía trước
đầu khuấy ra phía sau nó và điền đầy khơng gian (lỗ) do đầu khuấy để lại sau khi nó
chuyển dịch về phía trước theo hướng hàn. Vai của đầu hàn cịn có chức năng ngăn
kim loại chảy dẻo lên phía trên và tạo ra bề mặt cần thiết cho mối hàn.
Một số ưu điểm quan trọng của FSW có thể ghi nhận là: Hàn được tiến hành ở
trạng thái rắn, thân thiện với môi trường, mức độ biến dạng do quá trình hàn tạo ra
thấp, mối hàn ổn định về kích thước và khả năng lặp lại, khơng bị thất thốt các
ngun tố hợp kim, cơ tính của liên kết hàn tuyệt vời, tổ chức kim loại mịn và
không bị nứt kết tinh, áp dụng rất tốt với những vật liệu như hợp kim màu và những
vật liệu có tính hàn xấu, khó hàn bằng hàn nóng chảy.
Với những đặc điểm đó, hàn ma sát khuấy hiện nay được nghiên cứu ứng dụng
để chế tạo nhiều loại kết cấu từ các loại vật liệu như hợp kim nhôm, hợp kim titan
và nhiều loại vật liệu khác phổ biến trong các lĩnh vực như chế tạo máy bay, toa xe,
tên lửa, tàu xuồng và nhiều sản phẩm trong cơng nghiệp hóa chất, thực phẩm, hàng
khơng vũ trụ,…
Nhìn chung, thiết bị hàn FSW ở các nước khá đa dạng và có mức độ cơ khí

hóa và tự động hóa cao. Hiện nay đã xuất hiện nhiều loại robot hàn ma sát khuấy
cũng như nhiều thiết bị chuyên dùng đưa lại năng suất và hiệu quả kinh tế cao cho
công nghiệp chế tạo. Tuy nhiên, giá thành các loại thiết bị này khá cao, từ vài trăm
ngàn cho đến hàng triệu USD. Do dó việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn

14


ma sát khuấy tại Việt Nam, tiến tới thay thế nhập khẩu là hướng đi đúng và cần
thiết.
- Ý nghĩa thực tiễn: Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống điều khiển và xây dựng được
phần mềm điều khiển tích hợp trong thiết bị hàn ma sát khuấy lần đầu được chế tạo
tại Việt Nam.

3. Mục tiêu của đề tài
- Làm chủ công nghệ hàn ma sát khuấy, chế tạo máy và thiết kế hệ thống điều
khiển cho máy hàn ma sát khuấy (FSW machine) hoạt động tốt và đáp ứng được các
yêu cầu đề ra của đề tài.

4. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu công nghệ hàn ma sát khuấy.
- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy và hệ thống điều khiển.
- Xây dựng thuật toán và phần mềm điều khiển.
- Các thiết bị và hệ thống điều khiển máy hàn ma sát khuấy.
- Nghiên cứu xác định chế độ hàn hợp lý đối với vật liệu cơ bản là hợp kim
nhôm AA5052 chều dày 3 mm.

5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu các cơng trình khoa học đã được cơng bố,
tổng hợp, phân tích các tài liệu đã có trên thế giới về hướng nghiên cứu của đề tài.

- Tham gia chế tạo, lắp ráp máy.
- Mô phỏng hoạt động của máy.
- Nghiên cứu thiết kế, xây dựng các thuật toán điều khiển cho máy.
- Nghiên cứu thử nghiệm trên thiết bị được chế tạo để xác định chế độ hàn hợp
lý.

6. Đóng góp mới của đề tài
- Đã tham gia chế tạo được 01 máy hàn ma sát khuấy và thiết kế hệ thống điều
khiển máy đáp ứng được các yêu cầu, xác định được chế độ hàn hợp lý trên vật liệu
cơ bản là hợp kim nhôm tấm AA5052 với chiều dày 3 mm.

15


7. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Các luận điểm chính và nội dung đóng góp trong bản luận văn:
- Tham gia chế tạo được 01 máy hàn ma sát khuấy.
- Nghiên cứu xây dựng thuật toán, thiết kế được hệ thống điều khiển máy gồm
thuật toán điều khiển máy hàn bằng chế độ tự động và bằng tay, thiết kế giao
diện của phần mềm với người sử dụng, viết phần mềm mô phỏng hoạt động
của thiết bị bằng OpenGL phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học.
- Thử nghiệm và đưa ra được một số chế độ hàn hợp lý đảm bảo chất lượng
mối hàn khi hàn trên máy hàn ma sát khuấy FSW BK-01.
+ Đóng góp mới của đề tài: Đã tham gia chế tạo được 01 máy hàn ma sát
khuấy và thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phục vụ đào tạo và nghiên cứu
khoa học.

16



CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ HÀN MA
SÁT KHUẤY
1.1 Công nghệ hàn ma sát khuấy
1.1.1 Khái niệm của phương pháp hàn ma sát khuấy
a. Khái niệm
Hàn ma sát khuấy là một trong những công nghệ hàn ma sát, sử dụng nhiệt
lượng sinh ra do ma sát giữa đầu khuấy, vai đầu khuấy và vật hàn làm vật liệu cơ
bản đạt đến trạng thái chảy, kim loại của hai vật hàn khuếch tán vào nhau tạo ra liên
kết hàn.

Hình 1.1 Cơng nghệ hàn ma sát khuấy.
1. Đầu khuấy 2. Vật hàn

b. Cơ chế hàn ma sát khuấy
Cơ năng chuyển
thành nhiệt năng

Vật liệu vùng
hàn chảy dẻo.

Vật liệu tại vùng hàn
khuếch tán vào nhau dưới
tác dụng của lực ép.

Hình 1.2 Cơ chế của phương pháp hàn ma sát khuấy.
Cơ chế hàn ma sát khuấy được thể hiện ngắn gọn qua sơ đồ hình 1.2: Tham
gia trực tiếp vào quá trình hàn gồm có vật liệu cơ bản và đầu khuấy. Nhờ quay ở tốc
độ cao cơ năng của đầu khuấy chuyển thành nhiệt năng nung nóng và làm vật liêu
cơ bản đạt đến trạng thái chảy dẻo. Dưới tác dụng của chuyển động quay đầu
khuấy, vật liệu của hai vật hàn khuếch tán vào nhau, vật liệu cơ bản sẽ được dồn về


17


phía sau đầu khấy đã đi qua và được tạo hình mối hàn bằng bộ phận vai của đầu
khuấy.

b

a

Hình 1.3 - a. Trước khi hàn, b. Liên kết hàn giáp mối sau khi hàn.
1.1.2 Đặc điểm công nghệ
+ Nguồn nhiệt sinh ra hoàn toàn do ma sát giữa đầu hàn và vật hàn.
+ Không cần kim loại bổ sung trong q trình hàn, khơng cần sử dụng khí bảo
vệ.
+ Khơng có q trình nóng chảy, khơng phát sinh khí độc, tia hồ quang và
năng lượng bức xạ trong quá trình hàn.
-

Ưu điểm:
+ Là quá trình hàn ở trạng thái rắn nên nó được áp dụng cho tất cả các hợp

kim nhôm mà lại tránh được các vấn đề về nứt, nóng, rỗ khí, … phổ biến cho q
trình hàn nhiệt nhơm. Mối hàn ít có khuyết tật như các cơng nghệ hàn khác nên có
khả năng chịu lực cao, tăng giới hạn bền mỏi, ứng suất dư xuất hiện và tồn tại trong
kết cấu sau khi hàn nhỏ.
+ Quá trình hàn như một q trình cơ học, ít có sự can thiệp bằng tay nên ít
phụ thuộc vào tay nghề của người thợ hàn.
+ Giảm thiểu sự co ngót kim loại so với hàn nóng chảy khi đơng đặc và làm

nguội, do đó giảm được biến dạng và một số khuyết tật sau khi hàn.
+ Có thể hàn cùng một lúc hai, ba chi tiết và có thể hàn ở mọi vị trí khác nhau
nếu sử dụng cơng nghệ CNC hoặc robot hàn.

18


+ Tốc độ hàn cao: Trong các mối hàn đơn lẻ với vật liệu mỏng hơn (độ dày từ
0 đến ≤ 5mm) FSW có tốc độ hàn có thể lớn hơn các phương pháp hàn nhiệt khác.
Trong vật liệu dày hơn, FSW có thể thực hiện trong một lần hàn, trong khi các quy
trình khác thì phải cần nhiều lần hàn mới thực hiện được. Điều này dẫn đến việc
FSW có tỉ lệ hồn thành mối ghép nối cao hơn mặc dù tốc độ hàn chậm hơn.
- Nhược điểm, hạn chế: Nhược điểm về công nghệ của phương pháp này là
khi kết thúc quá trình hàn để lại một hố lõm để lại ở cuối đường hàn.
Khó ngăn chặn một phần vật liệu trồi lên bề mặt trong quá trình hàn (ba via).
- Biện pháp công nghệ:
Để loại bỏ hố lõm đầu và cuối đường hàn, có thể sử dụng hai tấm kim loại
phụ đặt tại hai đầu đường hàn. Phần thừa của mối hàn sẽ được cắt đi sau quá trình
hàn (hình 1.4 và hình 1.5).

Tấm
chặn
Tấm
chặn

Hình 1.4 Mối hàn ma sát khuấy.

Hình 1.5 Mối hàn ma sát khuấy.

1.1.3 Phạm vi ứng dụng

a. Khả năng công nghệ của hàn ma sát khuấy
Hàn ma sát khuấy có thể hàn được hầu hết
các dạng liên kết hàn cơ bản: Liên kết hàn giáp
mối (a), liên kết hàn góc (b, g), liên kết hàn chữ
T (c, f), liên kết hàn chồng (d, e).

19

Hình 1.6 Hàn giáp mối FSW.


Hàn ma sát khuấy được ứng dụng hàn các hai tấm phẳng hoặc đường ống,
tuy nhiên phương pháp này giới hạn mặt cắt chi tiết tại mối hàn phải đạt chiều dày
nhất định và bề mặt tại mối hàn của hai chi tiết phải nằm trên một mặt phẳng.
Hàn ma sát khuấy có thể hàn được các vật liệu cùng và khác chủng loại như:
nhôm, đồng, titan và hợp kim của chúng, thép cacbon, thép khơng rỉ,…

Hình 1.7 Một số dạng liên kết hàn có thể hàn được bằng phương pháp hàn
ma sát khuấy.

Hình 1.8 Ứng dụng của hàn ma sát khuấy trong hàn liên kết hàn chữ T.

Hình 1.9 Ứng dụng hàn ma sát khuấy

Hình 1.10 Ứng dụng hàn ma sát

cho tấm phẳng.

khuấy cho vật hàn dạng ống.


20


b. Một số lĩnh vực đã và đang ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy trong chế tạo
- Ứng dụng trong lĩnh vực biển: Phương pháp hàn ma sát khuấy đã và đang
được ứng dụng trong sản xuất kết cấu vỏ tàu nhôm lớn nhất thế giới, tàu “ Ogasawa
“ của Nhật ra mắt vào năm 2004, sử dụng rộng rãi FSW trong kết cấu của vỏ tàu.

Hình 1.11 Tàu nhôm sử dụng phương pháp FSW trong kết cấu vỏ tàu.
- Ứng dụng trong sản xuất ô tô:
Thân xe ô tô gồm hai bộ phận chính là khung xe và vỏ xe. Vỏ xe thường
được chế tạo từ vật liệu thép dạng tấm sau khi dập tạo hình và hàn lại với nhau.
Phương pháp hàn được sử dụng chủ yếu là phương pháp hàn điểm. Có rất ít mối
hàn thẳng, dài trong sản xuất ơ tơ, do đó việc áp dụng FSW chủ yếu dành cho các
bộ phận như bộ phận treo, bánh xe, linh kiện chỗ ngồi, hộp giảm xóc, … ở đó một
số cơng ty sản xuất hàng đầu đã bắt đầu sử dụng FSW.

21


Hình 1.12 Ứng dụng phương pháp hàn FSW trong chế tạo nắp capo xe ơ tơ.

Hình 1.13 Ứng dụng phương pháp hàn FSW trong chế tạo vành bánh xe ô tô.
- Ứng dụng trong lĩnh vực hàng không, vũ trụ:
Mỹ là một trong những quốc gia đầu tiên chế tạo thùng nhiên liệu tên lửa sử
dụng trong không gian bằng FSW. Bằng cách thay đổi từ phương pháp hàn thông
thường hàn TIG sang hàn FSW, đã giảm được đáng kể chi phí hàn. Rõ ràng q
trình này mang lại khả năng tuyệt vời và vì thế nên nó được phát triển nhanh chóng,
cải thiện các cơng cụ và tìm kiếm các vật liệu mới trong các ứng dụng của nó.


22


Hình 1.14 Ứng dụng phương pháp hàn ma sát khuấy cho thiết bị hàng không, vũ
trụ.
- Ứng dụng trong ngành đường sắt:
Các tấm bên và mái cong cho các đoàn tàu của Luân Đôn, các bảng phụ cho
các chuyến tàu tại Sapa, xe lửa đi lại và tàu tốc hành của Nhật Bản. Các tấm sàn
FSW sáng cho các toa xe lửa hai tầng đã được ứng dụng phương pháp hàn ma sát
khuấy trong chế tạo.

23


Hình 1.15 Các loại tàu ở Nhật Bản được chế tạo bằng phương pháp FSW.
- Ứng dụng khác: Ngoài những ứng dụng phổ biến ở trên, phương pháp
FSW đã được ứng dụng trong sản xuất các kết cấu dạng ống trong cơ khí thay cho
phương pháp hàn hồ quang tự động hoặc bán tự động dưới lớp thuốc.

Hình 1.16 Hàn kết cấu ống, cánh tản nhiệt sử dụng phương pháp FSW.

Hình 1.17 Hàn một số mối ghép cơ khí.

24