Mô phỏng số quá trình hàn ma sát quay của hợp kim Titan

Tạp chí Khoa học công nghệ và Thực phẩm 15 (1) (2018) 140-151

MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH HÀN MA SÁT QUAY

CỦA HỢP KIM TITAN

Hồ Thị Mỹ Nữ*, Phꢀm Văn Toꢁn,

Lý Thanh Hùng, Phan Hoàng Phụng

Trưꢀng Đꢁi hꢂc Công nghiꢃp Thꢄc phꢅm TP.HCM

*Email: [email protected]u.vn

Ngꢀy nhꢁn bꢀi: 01/02/2018; Ngꢀy chꢂp nhꢁn đăng: 18/5/2018

TÓM TẮT

Hợp kim titan (Ti-6Al-4V) là vꢁt liệu nhẹ, có độ bền cao được ứng dụng rộng rãi trong

công nghệ hꢀng không vꢀ vũ trụ. Mặt khác, hợp kim titan cũng là loại vꢁt liệu rꢂt quan trọng

trong các lĩnh vực công nghệ chế tạo khác như công nghiệp ô tô và thiết bị dùng trong lĩnh

vực y khoa. Nhằm mục đích mở rộng phạm vi ứng dụng của hợp kim titan trong các ngành

kỹ thuꢁt, các phương pháp hàn hợp kim titan được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm, đặc biệt

là hàn hợp kim titan với các kim loại khác. Trong số đó, hꢀn ma sát quay có sức hꢂp dẫn lớn

vì tốn ít năng lượng và cho năng suꢂt cao. 2 chi tiết hợp kim titan hình trụ có thể hàn với

nhau nhờ sự sinh nhiệt do ma sát khi một chi tiết được giữ cố định trong khi chi tiết còn lại

quay quanh trục đồng thời ép chặt vào chi tiết kia. Quá trình này được xem là hàn ở trạng

thái rắn, vì nhiệt độ trong quá trình hàn thꢂp hơn điểm nóng chảy của vꢁt liệu. Trong quá

trình hàn ma sát quay, nhiệt độ, ứng suꢂt, biến dạng thay đổi phụ thuộc các thông số của quá

trình, sự hiểu biết mối liên hệ đó sẽ giúp xác định các thông số tối ưu của quá trình và là con

đường để nâng cao chꢂt lượng thiết kế và chế tạo các sản phẩm từ hàn ma sát quay. Bài báo

này phân tích sự phân bố nhiệt, phân bố ứng suꢂt, biến dạng và ảnh hưởng của các thông số

quá trình hàn ma sát quay hợp kim titan bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Mô hình phần

tử hữu hạn được xây dựng dựa trên phần mềm thương mại Abaqus/Standard. Mô phỏng số

được xác lꢁp để phân tích quá trình truyền nhiệt trong các chi tiết hàn, sự phân bố ứng suꢂt

và biến dạng lꢀm cơ sở xác định thông số tối ưu của quá trình hàn.

Từ khóa: Hàn ma sát quay, hợp kim titan, mô phỏng số, Abaqus/standard, truyền nhiệt.

1. GIỚI THIỆU

Titan là vꢁt liệu được sử dụng phổ biến trong nền công nghiệp hꢀng không, vũ trụ, công

nghệ ô tô, công nghiệp hạt nhân và thiết bị dùng trong lĩnh vực y khoa vì có khối lượng riêng

thꢂp vꢀ độ bền cao [1]. Tuy nhiên, titan là loại vꢁt liệu có giá thành cao nên khả năng ứng

dụng của nó trong các thiết bị công nghiệp khác bị hạn chế. Để mở rộng phạm vi ứng dụng

của loại vꢁt liệu này, nhiều phương pháp hꢀn được nghiên cứu và phát triển để giảm lượng

tiêu hao vꢁt liệu do quá trình nóng chảy, hoặc giải pháp khác là hàn vꢁt liệu titan với một vꢁt

liệu khác có giá thành thꢂp hơn để giảm giá thành sản phẩm.

Một phương pháp hꢀn được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm trong lĩnh vực này lꢀ phương

pháp hàn ma sát quay. 2 chi tiết hình trụ có thể hꢀn được với nhau nhờ sự sinh nhiệt do ma sát

quay tạo ra bởi lực ép vào bề mặt tiếp xúc của 2 chi tiết như Hình 1. Quá trình hàn ma sát quay

có 2 giai đoạn: gia nhiệt và ép rèn. Nhiệt sinh ra trong giai đoạn gia nhiệt làm mềm vꢁt liệu tại

mặt tiếp xúc 2 chi tiết. Sau đó, áp suꢂt tăng lên ở giai đoạn ép rèn để hàn 2 chi tiết với nhau.

140

Mô phꢀng sꢁ quꢂ trꢃnh hꢄn ma sꢂt quay cꢅa hꢆp kim titan

Như thế, 2 chi tiết được hàn với nhau ở trạng thái rắn mà không xảy ra quá trình nóng chảy

vꢀt liệu. Kèm theo hiện tượng ma sát là phần vꢀt liệu bị ép lại và tạo thành hình hạt đặc trưng

mà kích thước của nó tăng dần trong giai đoạn ép rèn. Bên trong 2 chi tiết hàn xuꢁt hiện

vùng liên kim giữa 2 chi tiết và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone) [2].

Dòng nhiệt

Chi tiết 1

Chi tiết 2

Dòng nhiệt

Quay

Giai đoạn ép rèn

Giai đoạn gia nhiệt

Số vòng quay

c

ố

t

a

i

Áp suất

G

i

ả

m

t

ố

c

Hình 1. Nguyên lý hàn ma sát quay

So với khác phương pháp hꢂn khác thì phương pháp hàn ma sát quay có nhiều ưu điểm,

như: không xuꢁt hiện khói và bụi hàn, không cần vꢀt liệu đắp, không cần nguồn nhiệt từ bên

ngoài, đặc biệt là tính chꢁt cơ học và tính kim loại tốt làm cho mối hàn có độ bền cao nhưng

thời gian hàn ngắn, khoảng vài giây [2, 3]. Nhiệt trong quá trình hàn ma sát quay diễn ra theo

các giai đoạn như được trình bꢂy như trong Hình 2.

Gia nhiệt

Ổn định

Nguội

T_max

z = 0

z > 0

t_h

t_s

Thời gian

Hình 2. Các giai đoạn nhiệt trong quá trình hàn ma sát quay

Trong giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ tại mặt tiếp xúc (z = 0) tăng rꢁt nhanh từ nhiệt độ

ban đầu T₀đến nhiệt độ T_max. Trong giai đoạn ổn định, nhiệt độ tại mặt tiếp xúc đạt đến giá

trị T_maxvꢂ không đổi do sự cân bằng nhiệt động giữa sự sinh nhiệt và sự truyền nhiệt tại mặt

tiếp xúc. Giai đoạn làm nguội bắt đầu khi chuyển động quay của chi tiết hàn dừng lại, nhiệt

độ giảm dần do không còn nguồn nhiệt cung cꢁp tại mặt tiếp xúc của 2 chi tiết. Các điểm

nằm ngoài mặt tiếp xúc (z > 0) thì có nhiệt độ thꢁp hơn. Tuy nhiên, phương pháp hꢂn nꢂy

cũng có những hạn chế nhꢁt định, như: phải đảm bảo tính đồng trục cao giữa 2 chi tiết hàn

cũng như khó khăn trong việc tách phần kim loại dẻo bị đẩy ra trong quá trình hàn [3].

141

Hꢀ Thꢁ Mꢂ Nꢃ, Phạm Văn Toꢄn, Lꢅ Thanh Hꢆng, Phan Hoꢄng Phꢇng

Nhiều công trình về hàn ma sát quay cho các dạng vꢀt liệu khác nhau như: thép ANSI 304,

các hợp kim nhôm, các dạng thép các bon, đồng và các vꢀt liệu khác đã được công bố trong

nhiều năm qua [2-4]. Nhưng còn khá ít nghiên cứu công bố về quá trình hàn ma sát quay của

hợp kim titan đặc biệt về phương pháp hꢁn ma sát quay [1]. Các nghiên cứu trước đây cho

thꢂy, hợp kim titan có thể hàn theo phương pháp ma sát khuꢂy, phương pháp ma sát trượt với

cꢂu trúc tinh thể của mối hàn rꢂt tốt [1]. Tuy nhiên, đặc tính phá hủy rꢂt khó dự đoán vì cꢂu

trúc tinh thể trong vùng liên kim lꢁ không đồng nhꢂt. Hơn nữa, quá trình gia tăng nhiệt độ

trong giai đoạn ma sát và quá trình giảm nhiệt độ trong giai đoạn làm nguội diễn ra phức tạp

và có liên quan chặt chẽ đến vꢂn đề hình thành mối hꢁn. Điều này rꢂt khó khảo sát từ thực

nghiệm vì tính chꢂt cơ nhiệt khá phức tạp, ví dụ như: sự thay đổi tính nhiệt của vꢀt liệu khi

nhiệt độ thay đổi cũng như cơ tính của vꢀt liệu bị thay đổi khi biến dạng tăng lên. Tꢂt cả các

điều này gây khó khăn trong việc lắp đặt thiết bị đo nhiệt độ trực tiếp trên các chi tiết hàn.

Mặt khác, các vꢀt liệu có giá thành cao như titan nên được hạn chế thử nghiệm để giảm chi

phí. Như vꢀy, mô phỏng số bằng các công cụ tính toán hiện đại sẽ giải quyết được những

thách thức trong hàn ma sát quay đối với hợp kim titan.

Bài báo này trình bày một phương pháp mô phỏng số cho quá trình hàn ma sát quay

bằng mô hình 2D dùng phần mềm thương mại Abaqus/Standard. Mô hình cơ nhiệt được sử

dụng trên cơ sở mô hình vꢀt liệu Johnson-Cook. Tính chꢂt nhiệt của vꢀt liệu thay đổi theo

nhiệt độ cũng được xem xét trong quá trình mô phỏng. Sự ảnh hưởng của các thông số quá

trình hàn lên biến thiên nhiệt độ, độ biến dạng, ứng suꢂt theo phương trục vꢁ hướng kính của

chi tiết được phân tích, đánh giá.

2. PHƯƠNG PHÁP SỐ

2.1. Mô hình 2D

Phần mềm mô phỏng số Abaqus/Standard được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền

nhiệt và biến dạng của các phần tử hàn trong quá trình hàn ma sát quay. Một số kỹ thuꢀt tính

toán hiện đại được sử dụng trong mô hình sẽ trình bày trong các phần tiếp theo. Mô hình 2D

được sử dụng để tính toán và dự đoán kết quả của quá trình hàn ma sát quay. Mẫu chi tiết

hàn có chiều rộng 18 mm và chiều dài 40 mm như được trình bày trong Hình 3. Phần bên trái

được cố định trong khi phần bên phải quay quanh trục và ép vào chi tiết bên trái. Mô hình

này sử dụng phần tử lưới cơ-nhiệt 4 nút bꢀc nhꢂt. Số phần tử sử dụng trong mô hình là

104288 phần tử.

40 mm

Hình 3. Mô hình phần tử hữu hạn

2.2. Mô hình ma sát và nhiệt

Vꢂn đề thách thức trong việc mô hình hóa quá trình hàn ma sát quay là sự phân tích và

xác định giá trị của hệ số ma sát µ. Một số tác giả cho rằng hệ số ma sát là hằng số hoặc hàm

số theo bán kính của chi tiết hàn [2, 3]. Nghiên cứu của Ylbas B.S. et al. cho rằng hệ số ma

sát tỷ lệ thuꢀn với áp suꢂt tác động lên bề mặt hàn và vꢀn tốc góc [5]. Mặc dù hệ số ma sát

thay đổi liên tục trong chu kỳ hàn, từ giá trị µ > 1 khi bắt đầu quá trình hàn do hiện tượng

142

Mô phꢀng sꢁ quꢂ trꢃnh hꢄn ma sꢂt quay cꢅa hꢆp kim titan

trượt khô giữa 2 bề mặt tiếp xúc của 2 chi tiết hꢀn, sau đó tiến về 0 khi nhiệt độ đạt đến điểm

nóng chảy tại bề mặt, nhưng để đơn giản và hoàn toàn phù hợp khi giả định rằng hệ số ma

sát trong quá trình hàn ma sát quay là hằng số [4].

Mô hình hóa dòng nhiệt trong quá trình hàn ma sát quay là việc mô tả chính xác nhiệt

lượng cung cꢁp tại các mặt tiếp xúc của các chi tiết hàn. Tổng quan, mô men cần thiết để tạo

chuyển động quay cho các chi tiết hꢀn dưới tác động của áp suꢁt ép dọc trục lên các chi tiết

được xác định như sau [3]:

ꢇ

0

ꢆ

0

2

ꢀ = ^ꢈꢁꢀ =

∫

(1)

2

( )

ꢂꢃ ꢄ 2ꢅꢄ ꢁꢄ = ₃ꢂꢅꢃ(ꢄ)ꢉ [N.m]

∫

Trong đó: M là mô-men xoắn, ꢂ là hệ số ma sát, R là bán kính mặt tiếp xúc, và P(r) là

áp suꢁt phân bố trên mặt tiếp xúc. Nếu toàn bộ công sinh ra tại mặt tiếp xúc chuyển toàn bộ

sang nhiệt năng ma sát thì công suꢁt nhiệt trên một đơn vị diện tích là [3]:

=

^ꢒꢂꢃꢌꢁꢍ = _ꢋ^ꢆꢂꢃꢌ_ꢎꢏꢐ^ꢑ2ꢅꢄꢁꢄ = ²ꢂ ꢃꢌ_ꢎꢏꢐ

(2)

ꢊ

1

ꢇ

0

1

0

∫

0

ꢋ

ꢆ

3

Trong đó: q₀là công suꢁt nhiệt (W), P là áp suꢁt (N/mm²), A là diện tích mặt cắt (mm²),

v_maxlà vꢂn tốc dài lớn nhꢁt tại điểm ngoài cùng (m/s) và ꢂ là hệ số ma sát.

Như vꢂy, nhiệt lượng sinh ra tại mặt tiếp xúc 2 chi tiết hàn là hàm số theo vꢂn tốc dài và

áp lực. Trong bài báo này, hệ số ma sát được chọn là hằng số trong suốt thời gian mô phỏng.

2.3. Điều kiện biên

Điều kiện biên của dòng nhiệt có thể được xác định theo công thức (2) vꢀ được sử dụng

làm nguồn nhiệt cho quá trình hàn ma sát quay.

Đối với điều kiện biên đối lưu, tồn tại một phần nhiệt lượng chuyển từ các chi tiết hàn

đến môi trường không khí xung quanh, qua hiện tượng bức xạ và qua các bộ phꢂn tiếp xúc

với các chi tiết hàn. 2 thông số đầu tiên là hệ số đối lưu vꢀ hệ số bức xạ có thể tìm trong các

sổ tay kỹ thuꢂt. Phần mꢁt nhiệt từ các chi tiết hàn sang các bộ phꢂn tiếp xúc với các chi tiết

hꢀn không đáng kể được bỏ qua trong mô phỏng do thời gian hàn ma sát rꢁt ngắn.

Sự tương tác giữa 2 chi tiết được mô hình hóa thông qua kỹ thuꢂt tiếp xúc giữa mặt

phẳng và mặt phẳng trong Abaqus/Standard.

Nhiệt độ ban đầu của các chi tiết được lꢁy theo nhiệt độ môi trường là 25 ºC. Hệ số

truyền nhiệt đối lưu giữa các mặt của chi tiết hàn với môi trường xung quanh được chọn

100 W/(m²K) [2, 5].

2.4. Kỹ thuật lưới thích nghi ALE (Arbitrary Lagragian Eulerian)

Kỹ thuꢂt lưới thích nghi ALE được Abaqus/Standard hỗ trợ vꢀ thường được sử dụng

trong những bꢀi toán có độ biến dạng do nhiệt lớn. Kỹ thuꢂt nꢀy được dùng với mục đích

duy trì trạng thái của lưới để nó không bị phá hủy do biến dạng lớn trong quá trình tính toán.

Sau số bước tính toán nhꢁt định, các phần tử được chia lưới lại để thích nghi với các thông số

mới của mô hình để không bị phá hủy. Quá trình này lặp lại liên tục trong suốt quá trình tính

toán cho đến khi mô phỏng kết thúc.

2.5. Mô hình vật liệu

Hợp kim titan TC4 (Ti-6Al-4V) được sử dụng để mô phỏng quá trình hàn ma sát quay.

Khó khăn trong việc mô phỏng quá trình hàn ma sát quay là tính phi tuyến cao của mô hình

vꢂt liệu. Do hiệu ứng ma sát nên nhiệt độ các phần tử tăng cao lꢀm mềm hóa vꢂt liệu cộng

với lực ép lớn nên ứng suꢁt và tốc độ biến dạng thay đổi lớn. Việc lựa chọn đúng mô hình số

143

Hꢀ Thꢁ Mꢂ Nꢃ, Phạm Văn Toꢄn, Lꢅ Thanh Hꢆng, Phan Hoꢄng Phꢇng

của vꢀt liệu có tầm quan trọng đến độ chính xác của kết quả mô phỏng. Nghiên cứu này sử

dụng mô hình vꢀt liệu Johnson-Cook để mô phỏng quá trình hàn ma sát quay của hợp kim

titan TC4. Trong mô hình này, ứng suꢁt dẻo von Mises thay đổi theo nhiệt độ và tốc độ biến

dạng như được trình bày trong công thức sau [2]:

^∗)(

(

^∗)^ꢊ)

ꢅ

(

ꢀ = (ꢁ + ꢂꢃ_ꢄ) 1 + ꢆꢇꢈꢃ̇ 1 + ꢉ

(3)

∗

Trong đó: A, B, C, m, n là các hằng số vꢀt liệu. ꢃ_ꢄlà mức độ biến dạng dẻo, ꢃ̇ là tỷ lệ

biến dạng dẻo và T^*là thông số nhiệt độ được xác định như sau:

0

ꢋℎꢌ

ꢉ < ꢉ_ꢊ

ꢍ

ꢉ = {₍⁽

(4)

)

ꢎ−ꢎ

ꢏ

ꢋℎꢌ ꢉ ≤ ꢉ ≤ ꢉ_ꢊ

ꢍ

)

ꢏ

ꢎ

ꢐ

−ꢎ

1

ꢋℎꢌ

ꢉ > ꢉ_ꢊ

Với T_mlà nhiệt độ nóng chảy của vꢀt liệu, T_rlà nhiệt độ môi trường. Trong mô phỏng

này, nhiệt độ nóng chảy của vꢀt liệu hợp kim titan TC4 được chọn để mô phỏng là 1680 ºC [1].

Các thông số của mô hình được trình bày trong Bảng 1.

Bꢀng 1. Mô hình vꢀt liệu hợp kim titan TC4

Bꢀng 2. Hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ

Khối lượng riêng (kg/m³)

4430

114

Hệ số dẫn nhiệt W/(m.K) Nhiệt độ (ºC)

Mô đung đꢂn hồi (GPa)

7

7,5

9

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Hệ số Poison

0,34

Johnson-Cook model

A (MPa)

414,8

394

0,47

0,035

1

10

B (MPa)

10,5

12

n

C

13,5

14

m

Tr (ºC)

Tm (ºC)

ꢃ̇

25

15

1680

1

16

17

Khi nhiệt độ tăng cao, các đặc tính về nhiệt của vꢀt liệu như: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung

riêng cũng thay đổi theo nhiệt độ. Đối với hợp kim titan TC4, các mối liên hệ nꢂy được trình

bày trong Bảng 2 và 3.

Bꢀng 3. Nhiệt dung riêng theo nhiệt độ

Hệ số dẫn nhiệt W/(m.K)

Nhiệt độ (ºC)

610

625

655

690

700

710

100

200

300

400

500

600

144

Mô phꢀng sꢁ quꢂ trꢃnh hꢄn ma sꢂt quay cꢅa hꢆp kim titan

2.6. Kết quả mô phỏng

2.6.1. Xu hướng biến thiên nhiꢀt trong quá trình hàn ma sát quay của hợp kim titan TC4

a) Trường biến thiên nhiệt độ khi kết thúc giai đoạn gia nhiệt

b) Trường biến thiên nhiệt độ sau 0,085 s khi bắt đầu giai đoạn ép rèn

c) Trường biến thiên nhiệt độ sau 0,105 s khi bắt đầu giai đoạn ép rèn

d) Trường biến thiên nhiệt độ sau 1,056 s khi bắt đầu giai đoạn ép rèn

e) Trường biến thiên nhiệt độ sau 3 s khi bắt đầu giai đoạn ép rèn

Hình 4. Xu hướng biến thiên nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát quay.

145

Hꢀ Thꢁ Mꢂ Nꢃ, Phạm Văn Toꢄn, Lꢅ Thanh Hꢆng, Phan Hoꢄng Phꢇng

Để mô phỏng xu hướng biến thiên nhiệt độ, số vòng quay được chọn là 1450 vòng/phút

và áp suꢀt ép trong giai đoạn gia nhiệt là 350 MPa, còn trong giai đoạn ép rèn là 385 MPa.

Thời gian giai đoạn gia nhiệt là 5 s và thời gian ép rèn là 3 s. Nhiệt độ nóng chảy của hợp

kim titan TC4 là 1680 ºC và quá trình hàn có thể xảy ra ở nhiệt độ thꢀp hơn nhiệt độ nóng

chảy. Theo kết quả mô phỏng ở Hình 4a, sau khoảng thời gian ma sát 5 s thì nhiệt độ tại mặt

tiếp xúc giữa 2 chi tiết hꢁn tăng nhanh đến 919,4 ºC. Trong giai đoạn ép rèn để hàn 2 chi tiết

lại với nhau, biến dạng thay đổi theo thời gian như các Hình 4b, 4c, 4d vꢁ 4e. Tại mặt tiếp

xúc, sau khi nhiệt độ tăng đến giá trị cực đại thì nhiệt độ giảm dần trong giai đoạn ép rèn, vì

lúc này nguồn nhiệt đã mꢀt do không còn ma sát giữa 2 chi tiết. Nhiệt độ giảm do nhiệt

lượng truyền từ mặt tiếp xúc đến các vị trí có nhiệt độ thꢀp hơn vꢁ một phần đối lưu với môi

trường xunh quanh. Lực ép ở giai đoạn ép rèn tăng lên lꢁm phần vꢂt liệu đã mềm hóa tại mặt

tiếp xúc của 2 chi tiết bị biến dạng vꢁ có xu hướng bị đẩy ra tạo thành hình hạt đặc trưng của

quá trình hàn ma sát.

Sau khi quá trình gia nhiệt kết thúc, 2 chi tiết được chuyển sang giai đoạn ép rèn để hàn

2 chi tiết lại với nhau. Sau khoảng thời gian 0,085 s, 0,105 s, 1,056 s và 3 s thì nhiệt độ tại

mặt tiếp xúc 2 chi tiết giảm tương ứng là 919,3 ºC, 828,5 ºC, 664 ºC và 544,8 ºC.

Hình 5. Sự thay đổi nhiệt độ tại mặt tiếp xúc của 2 chi tiết hàn.

Hình 6. Sự thay đổi chiều dài của 2 chi tiết (m) Thời gian (s)

Hình 5 trình bày sự thay đổi nhiệt độ tại mặt tiếp xúc theo thời gian tương ứng với các

giai đoạn trong quá trình hàn ma sát quay của hợp kim titan TC4. Kết quả mô phỏng cho

thꢀy, khi mꢀt nguồn nhiệt do ma sát sinh ra sau khi giai đoạn ma sát kết thúc thì nhiệt độ tại

mặt tiếp xúc giảm dần. Trường nhiệt độ trong Hình 4 cho thꢀy, theo phương hướng kính,

nhiệt độ tại các vùng gần tâm chi tiết giảm nhanh hơn so với các vùng xa tâm của chi tiết.

Theo phương dọc trục, các điểm nằm ngoài mặt tiếp xúc sẽ đạt đến nhiệt độ cực đại trong

146

Mô phꢀng sꢁ quꢂ trꢃnh hꢄn ma sꢂt quay cꢅa hꢆp kim titan

giai đoạn ép rèn của quá trình hàn ma sát quay. Kết quả mô phỏng trong Hình 6 chứng minh

rằng trong giai đoạn ép rèn phần kim loại tại bề mặt tiếp xúc bị biến dạng lớn. Chiều dài của

chi tiết bị ngắn lại theo thời gian trong giai đoạn ép rèn. Tại thời điểm kết thúc giai đoạn gia

nhiệt, chiều dài của các chi tiết hàn giảm đi một lượng rꢀt bé, khoảng 0,72 mm. Nhưng bắt

đầu vào giai đoạn ép rèn, lực ép tăng lên lꢁm chiều dài giảm đi nhanh. Tại thời điểm 0,109 s

thì chiều dài giảm đến 5,25 mm. Sự thay đổi này rꢀt ít cho đến khi kết thúc quá trình hàn, tại

thời điểm 3 s thì chiều dài giảm đi một lượng 5,4 mm.

Hình 7. Sự thay đổi nhiệt độ tại các vị trí nằm ngoài mặt tiếp xúc

Hình 7 trình bày sự thay đổi nhiệt độ của các vị trí khác nhau trong chi tiết nằm trên

đường tâm cách mặt tiếp xúc lần lượt là 1 mm, 1,2 mm, 2 mm, 3 mm và 4 mm. Các vị trí càng

cách xa mặt tiếp xúc thì nhiệt độ càng giảm. Tuy nhiên, tại các vị trí này nhiệt độ cao nhꢀt đạt

được sau khi giai đoạn gia nhiệt kết thúc. Tại vị trí 1 mm cách mặt tiếp xúc, nhiệt độ cao nhꢀt

đạt đến 821 ºC sau thời gian 5,1 s. Tại ví trí 4 mm, nhiệt độ cao nhꢀt đạt đến 510 ºC sau thời

gian 5,5 s. Nhiệt độ cao nhꢀt tại các vị trí nꢁy đạt được trong giai đoạn ép rèn của quá trình hàn

ma sát quay. Đối với vꢂt liệu hợp kim titan TC4, ngưỡng nhiệt độ mà tại đó cꢀu trúc vꢂt liệu

thay đổi là 635 ºC [7]. Như vꢂy, vùng bị ảnh hưởng nhiệt (HAZ) là khoảng chiều dài 2 mm

tính từ mặt tiếp xúc hàn. Dựa vào bản đồ nhiệt như Hình 7, vùng bị ảnh hưởng nhiệt hoàn toàn

xác định được. Điều nꢁy có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định các thông số tối ưu của quá

trình hàn ma sát quay. Trong giai đoạn ép rèn, nhiệt độ tại mặt tiếp xúc cũng như các vị trí

khác giảm rꢀt nhanh do sự chênh lệch nhiệt độ khá cao tại ví trí mặt tiếp xúc so với vị trí cuối

của các chi tiết. Trong khoảng thời gian 3 s, nhiệt độ tại mặt tiếp xúc giảm từ 919,4 ºC xuống

544,8 ºC, tốc độ giảm khoảng 125 ºC/s. Nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trong chi tiết có xu

hướng giảm đến cùng một giá trị. Hình 7 cho thꢀy, sau 3 s từ thời điểm kết thúc quá trình gia

nhiệt, nhiệt độ tại các vị trí khác nhau giảm về giá trị 380 ºC.

Tốc độ biến thiên nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến cꢀu trúc tế vi của mối hàn [8]. Xu

hướng thay đổi này phụ thuộc vào vꢂn tốc góc và áp lực ép trong giai đoạn gia nhiệt.

2.6.2. Ảnh hưởng của áp suất trong giai đoꢀn ép rèn

Để khảo sát ảnh hưởng của áp suꢀt trong giai đoạn ép rèn đến kết quả của quá trình hàn

ma sát quay, 3 áp suꢀt khác nhau trong giai đoạn ép rèn lần lượt là 360 MPa, 370 MPa và

380 MPa được mô phỏng. Khi áp suꢀt ở giai đoạn gia nhiệt và vꢂn tốc quay lꢁ như nhau

trong cả ba mô phỏng, tương ứng là 350 MPa và 1450 vòng/phút. Kết quả mô phỏng được

trình bꢁy như trong Hình 8.

147

Hꢀ Thꢁ Mꢂ Nꢃ, Phạm Văn Toꢄn, Lꢅ Thanh Hꢆng, Phan Hoꢄng Phꢇng

Hình 8. Biến thiên theo chiều dài theo áp suꢀt ép rèn

Kết quả mô phỏng cho thꢀy, chiều dài của chi tiết hꢁn thay đổi tỷ lệ thuꢂn với áp suꢀt.

Áp suꢀt ép càng lớn thì chiều dꢁi thay đổi càng nhiều vꢁ cũng có nghĩa là phần vꢂt liệu nhô

ra so với kích thước ban đầu cao hơn. Với áp suꢀt ép là 370 MPa và 360 MPa thì sự thay đổi

theo chiều dài của chi tiết tương ứng là 4,5 mm và 4,0 mm. Kết quả mô phỏng nꢁy lꢁ cơ sở

để dự đoán sự thay đổi kích thước của các chi tiết trong quá trình hàn ma sát quay. Sự thay

đổi chiều dài nếu quá lớn thì sẽ gây ra hiện tượng lệch trục giữa 2 chi tiết hàn. Chiều dài thay

đổi tối ưu khoảng 4 mm hoặc nhỏ hơn [6, 7].

2.6.3. Ảnh hưởng của nguồn nhiꢀt

Nguồn nhiệt ảnh hưởng đến thời gian để đạt đến nhiệt độ hàn trong quá trình hàn ma

sát. Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình hàn ma sát quay là do quá trình ma sát giữa 2 chi tiết

hàn. Nó phụ thuộc vào vꢂn tốc quay hoặc áp suꢀt ép trong giai đoạn gia nhiệt. Để mô phỏng

ảnh hưởng của nguồn nhiệt lên thời gian đạt đến nhiệt độ hàn, bài báo này trình bày 3 kết

quả mô phỏng với 3 giá trị vꢂn tốc quay khác nhau là 1350 vòng/phút, 1400 vòng/phút và

1450 vòng/phút. Kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình 9.

Hình 9. Số vòng quay ảnh hưởng lên tốc độ tăng nhiệt

Kết quả mô phỏng cho thꢀy tốc độ tăng nhiệt độ tỷ lệ thuꢂn với nguồn nhiệt. Trong các

mô phỏng này, áp suꢀt ép được giữ cố định là 350 MPa, số vòng quay lần lượt thay đổi là

1350 vòng/phút, 1400 vòng/phút và 1450 vòng/phút. Sau khoảng thời gian 5 s, nhiệt độ tại

mặt tiếp xúc của 2 chi tiết đạt được là 819,2 ºC, 839,4 ºC và 919,4 ºC tương ứng. Đối với

148

Mô phꢀng sꢁ quꢂ trꢃnh hꢄn ma sꢂt quay cꢅa hꢆp kim titan

hợp kim titan TC4, nhiệt độ có thể thực hiện quá trình ép rèn của 2 chi tiết là từ 780 ºC. Vꢀy,

với áp suꢁt ép là 350 MPa thì số vòng quay cần có là từ 1350 vòng/phút.

2.6.4. Sꢀ phân bố ứng suất

Mô phỏng số có thể được xem là công cụ phù hợp để phân tích sự phân bố ứng suꢁt

trong quá trình hàn mà sát vốn rꢁt khó thực hiện bằng thực nghiệm. Mục đích chính của sự

phân tích ứng suꢁt lꢂ xác định các thông số quá trình sao cho giảm tối đa sự xuꢁt hiện ứng

suꢁt. Hình 10 trình bày kết quả mô phỏng của sự phân bố ứng suꢁt theo chiều dài của chi tiết.

Các vị trí xa mặt tiếp xúc 2 chi tiết, sự thay đổi nhiệt độ không đủ cao và có thể bỏ qua, do

vꢀy ứng suꢁt xuꢁt hiện gần với ứng suꢁt ở trạng thái nhiệt độ phòng của vꢀt liệu. Các vị trị

nằm gần mặt tiếp xúc, do nhiệt độ tăng cao trong quá trình hꢂn nên mô-đun đꢂn hồi của vꢀt

liệu giảm. Điều đó lꢂm cho ứng suꢁt giảm. Tuy nhiên, các vị trí xa mặt tiếp xúc thì biến dạng

đꢂn hồi dưới tác động của nhiệt bị cản trở do vùng vꢀt liệu nguội xung quanh có nhiệt độ

thꢁp hơn lꢂm cho ứng suꢁt tăng cao.

Hình 10. Phân bố ứng suꢁt theo chiều dài của chi tiết

Hình 11. Phân bố ứng suꢁt theo phương hướng kính của chi tiết

Hình 11 trình bày sự phân bố ứng suꢁt theo phương hướng kính của các chi tiết. Kết

quả mô phỏng cho thꢁy, ứng suꢁt giảm khá nhiều theo phương hướng kính từ tâm cho đến

các vị trí xung quanh. Điều này có thể được giải thích là do nhiệt tỷ lệ thuꢀn theo khoảng các

so với đường tâm của chi tiết. Do vꢀy, nhiệt độ cꢂng tăng cao tại các vị trí cꢂng xa đường

tâm. Kết quả là ứng suꢁt sinh ra trong quá trình hàn ma sát quay tại các vị trí cách xa đường

tâm càng giảm.

149

Hꢀ Thꢁ Mꢂ Nꢃ, Phạm Văn Toꢄn, Lꢅ Thanh Hꢆng, Phan Hoꢄng Phꢇng

3. KẾT LUẬN

Phương pháp số phần tử hữu hạn mô phỏng quá trình hàn ma sát quay cho hợp kim

titan TC4 sử dụng phần mềm Abaqus/Standard đã được nghiên cứu. Các thông số của quá

trình hàn ảnh hưởng đến quá trình thay đổi nhiệt độ và chiều dài của chi tiết sau khi hàn cũng

được phân tích, đánh giá. Kết quả mô phỏng cho thꢀy, nhiệt độ tại mặt tiếp xúc của 2 chi tiết

hꢁn đạt đến 919,4 ºC nếu áp suꢀt ép là 350 MPa và vꢂn tốc quay là 1450 vòng/phút trong

khoảng thời gian 5 s. Tại nhiệt độ này, 2 chi tiết hợp kim titan có thể hꢁn được với nhau nhờ

lực ép trong giai đoạn ép rèn. Thời gian để đạt được đến nhiệt độ hꢁn thay đổi phụ thuộc vào

các thông số của quá trình như vꢂn tốc quay và lực ép. Các thông số nꢁy cũng ảnh hưởng đến

giá trị nhiệt độ tại các điểm nằm ngoài mặt tiếp xúc, biết rằng các điểm nằm ngoài mặt tiếp

xúc có nhiệt độ thꢀp hơn. Điều nꢁy có ý nghĩa đến sự xác định vùng bị ảnh hưởng nhiệt của

chi tiết hꢁn (HAZ). Đối với hợp kim titan, vùng ảnh hưởng nhiệt tối ưu lꢁ khoảng 2 mm. Bản

đồ nhiệt bên trong chi tiết trong quá trình hꢁn ma sát quay hoꢁn toꢁn xác định được nhờ

phương pháp số.

Nếu lực ép trong giai đoạn ép rèn tăng lên thì chiều dài của các chi tiết sau khi hàn càng

ngắn đi. Với hợp kim titan TC4 thì áp suꢀt có thể chọn là 360 MPa để chiều dꢁi thay đổi

khoảng 2 mm là chꢀp nhꢂn được. Mô phỏng số có thể được dùng là công cụ dự đoán sự xuꢀt

hiện ứng suꢀt trong các chi tiết hàn ma sát quay để lꢁm cơ sở chọn thông số quá trình tối ưu.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Varis A., Frost M. - High frequency linear friction welding of a titanium alloy, Wear

217 (1) (1998) 117-131.

2. Daridon L., Oussouaddi O., Ahzi S. - Influence of the material constitutive models on

the adiabatic shear band spacing: MTS, power law and Johnson-Cook models,

International Journal of Solids and Structures 41 (11-12) (2004) 3109-3124.

3. Kotkunde N., Aditya D. Deole, Amit Kumar G., Swadesh Kumar S. - Comparative

study of constitutive modeling for Ti–6Al–4V alloy at low strain rates and elevated

temperatures, Materials & Design 55 (2014) 999-1005.

4. Kimura M. et al. - Observation of joining phenomena in friction stage and improving

friction welding method, JSME International Journal, Series A, 46 (3) (2003) 384-390.

5. Ylbas B.S. et al. - Friction welding of St-Al and Al-Cu materials, Journal of Materials

Processing Technology 49 (3-4) (1995) 431-443.

6. Nessler C. G., Rutz D. A., Eng R. D., Vozzella P. A. - Friction welding of titanium

alloys, Welding Research supplement (1971) 287-395.

7. Avinash M., Chaitanya G. V. K., Dhananjay Kumar Giri, Sarala Upadhya, and

Muralidhara B. K. - Microstructure and mechanical behaviuor ofrotary friction welded

titanium alloys, International Journal of Materials and Metallurgical Engineering

1 (11) (2007) 641-643.

8. Sketchley P. D. - Friction welding titanium alloy tubes, TWI Report No. 221190/1/98,

Mar. 1998.

150

Mô phꢀng sꢁ quꢂ trꢃnh hꢄn ma sꢂt quay cꢅa hꢆp kim titan

ABSTRACT

NUMERICAL SIMULATION ON ROTARY FRICTION WELDING

OF TITANIUM ALLOY

Ho Thi My Nu*, Pham Van Toan

Ly Thanh Hung, Phan Hoang Phung

Ho Chi Minh City University of Food Industry

*Email: [email protected]u.vn

Titanium alloy (Ti-6Al-4V) is a light and high strength material that is widely used in

aerospace and space technologies. On the other hand, titanium alloys place a vital role in

other manufacturing technologies, such as automotive and medical devices. To expand the

scope of titanium alloys in engineering, methods of welding a titanium alloy are of interest to

many, especially titanium alloys with other metals. Rotary friction welding (RFW) is one of

the most attractive methods due to low energy consumption and high productivity. RFW is a

solid state welding process which produces welds due to the compressive force contact of

workpieces which are either rotating or moving relative to one another. The temperature

during welding is lower than the melting point of the material. In the process of friction

welding, the temperature, stress and strain vary depending on the processing parameters.

Understanding the relationship helps to determine the optimum process parameters and is a

way to improve the design and manufacture of friction products. In this paper, the heat

distribution, stress distribution, deformation, and the effect of the friction welding

parameters of a titanium alloy using the finite element are analyzed. The simulation process

are carried out with the commercial software Abaqus/Standard to analyze the heat transfer

process in welding parts, stress distribution and deformation as a basis for determining the

optimum parameters of the welding process.

Keywords: Friction welding, titanium alloys, numerical simulations, abaqus/standard, heat transfer.

151