Hàn ma sát khuấy: hàn các vật liệu có điểm nóng chảy cao như thép tấm với chi phí thấp

Thời gian đăng:

2025-06-11

Honda đã phát triển công nghệ hàn thép và hợp kim nhôm bằng phương pháp hàn ma sát khuấy, phù hợp cho sản phẩm sản xuất hàng loạt; Đại học Tohoku (Nhật Bản) và Hitachi đã phát triển đầu khuấy hợp kim coban có thể hàn các kim loại có điểm nóng chảy cao như thép và titan. Hàn ma sát khuấy (FSW: Friction Stir Welding), trước đây ở cấp sản xuất hàng loạt chỉ giới hạn cho các kim loại có điểm nóng chảy thấp như hợp kim nhôm, hợp kim đồng, hợp kim magie, nay đã bắt đầu mở rộng sang các kim loại có điểm nóng chảy cao hơn như thép*1.

*1 Ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn, nhiệt độ nóng chảy của nhôm là 660℃, đồng là 1083℃, magie là 651℃. Trong khi đó sắt lên tới 1539℃, titan lên tới 1727℃.

Nhiệt ma sát làm kim loại mềm ra thành trạng thái sệt

Hàn ma sát khuấy là kỹ thuật dùng đầu khuấy có phần nhô ra (chốt khuấy) ở đầu trụ tròn, từ phía trên vị trí cần hàn của hai tấm đối đầu (vật liệu nền) hoặc hai tấm chồng lên nhau, vừa quay vừa ép đầu khuấy xuống để hàn hai tấm lại với nhau.

Nhiệt ma sát sinh ra giữa đầu khuấy đang quay và tấm vật liệu làm kim loại xung quanh đầu khuấy mềm ra thành trạng thái sệt, nhờ đó đầu khuấy đang quay được cắm vào tấm. Như vậy, kim loại đã mềm xung quanh đầu khuấy sẽ trộn lẫn với nhau (xảy ra chảy dẻo), khiến hai tấm kim loại hợp thành một khối, hoặc hình thành liên kết kim loại tại bề mặt tiếp giáp của hai tấm kim loại, khiến cả hai hợp thành một khối.

Trước đây thiếu đầu khuấy chịu nhiệt độ cao

Hàn ma sát khuấy có bốn ưu điểm sau: (1) vì có thể hàn mà không cần làm nóng chảy vật liệu nền (hàn pha rắn), nên biến dạng sau hàn và khuyết tật hàn rất ít, do đó có thể nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí; (2) tiết kiệm năng lượng hơn so với hàn nóng chảy; (3) không cần khí bảo vệ; (4) tiếng ồn nhỏ và không sinh bụi. Hơn nữa, kỹ thuật này cũng rất hiệu quả đối với việc hàn các vật liệu khác loại nên được ngành quan tâm, và được kỳ vọng đạt được hiệu quả như giảm trọng lượng bằng cách chọn vật liệu phù hợp cho từng bộ phận*2. Tuy nhiên, như đã giới thiệu ở đầu bài, trước đây vật liệu có thể dùng hàn ma sát khuấy ở mức sản xuất hàng loạt chỉ giới hạn ở kim loại có điểm nóng chảy thấp.

*2 So với hàn pha lỏng làm nóng chảy kim loại cơ bản — tức hàn nóng chảy, hàn ma sát khuấy có nhiệt độ hàn thấp, dễ kiểm soát nhiệt lượng đầu vào khi hàn thông qua việc thiết lập điều kiện hàn. Do đó có thể dễ dàng giảm sự hình thành hợp chất liên kim loại — thủ phạm chính khiến độ bền mối hàn giảm. Bằng cách giảm độ dày của lớp hợp chất liên kim loại, có thể nâng cao độ bền của vị trí hàn. Khi tiến hành hàn ma sát khuấy, nếu khuấy quá mức thì cũng sẽ sinh ra một lượng lớn hợp chất liên kim loại.

Lý do ứng dụng của hàn ma sát khuấy trước đây chỉ giới hạn ở kim loại có điểm nóng chảy thấp là thiếu đầu khuấy chịu nhiệt độ cao, giá rẻ và phù hợp sản xuất hàng loạt. Khi thực hiện hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm, thường dùng đầu khuấy làm từ vật liệu thép như thép dụng cụ. Khi dùng loại đầu khuấy này để hàn các kim loại có điểm nóng chảy cao như thép và hợp kim titan, ở vùng nhiệt độ cao đủ làm mềm các kim loại đó thì đầu khuấy cũng bị mềm, dẫn đến đầu khuấy mòn nghiêm trọng và không thể sử dụng. Mặc dù đã phát triển được đầu khuấy bằng vật liệu phi thép như gốm và hợp kim vonfram-reni, nhưng giá của các đầu khuấy này rất cao, không phù hợp sản xuất hàng loạt.

Làm lộ bề mặt mới của thép mà không cần khuấy

Công nghệ hàn thép và hợp kim nhôm bằng phương pháp ma sát khuấy do Honda phát triển được dùng để nối các vật liệu nền thép và hợp kim nhôm xếp chồng lên nhau. Đặc điểm lớn nhất của nó là chỉ khuấy hợp kim nhôm mà không khuấy thép (hình dưới trong Hình 1). Nhờ vậy có thể ngăn nhiệt độ của đầu khuấy quá cao.

Có thể hàn thép và hợp kim nhôm với nhau mà không cần khuấy thép là vì giữa thép và hợp kim nhôm đã hình thành liên kết kim loại. Nói cách khác, công nghệ này không khuấy thép mà loại bỏ lớp màng phủ và lớp oxit trên bề mặt thép. Bằng cách này, bề mặt mới của thép được làm lộ ra, và hình thành liên kết kim loại với hợp kim nhôm đã được khuấy để tăng hoạt tính. Sự tồn tại của liên kết kim loại này khiến thép và hợp kim nhôm hợp thành một khối*3.

*3 Khi nước v.v. xâm nhập vào giữa thép và hợp kim nhôm sẽ xảy ra ăn mòn lưỡng kim (ăn mòn điện hóa); công nghệ này ngăn chặn hiện tượng đó bằng cách chèn một lớp màng silicon vào giữa thép và hợp kim nhôm.

Honda đã áp dụng công nghệ này vào khung phụ phía trước của mẫu “Accord” mới dành cho thị trường Bắc Mỹ và đạt được nhiều hiệu quả (Hình 2). Cụ thể, không chỉ trọng lượng nhẹ hơn 25% so với khung phụ bằng thép trước đây, mà lượng điện tiêu thụ khi hàn cũng giảm khoảng 50%. Ngoài ra, còn dùng công nghệ này thay đổi cấu tạo vị trí lắp khung phụ với hệ thống treo, giúp độ cứng vững của vị trí lắp tăng 20%, qua đó góp phần nâng cao tính năng vận hành của xe.

Mở rộng lĩnh vực ứng dụng thông qua vật liệu mới

Mặt khác, Đại học Tohoku, Hitachi, Ltd. và Hitachi Metals Precision Instruments đã phát triển đầu khuấy giá thấp hơn, chịu được nhiệt độ cao, qua đó mở rộng phạm vi ứng dụng của hàn ma sát khuấy (Hình 3). Vật liệu dùng cho đầu khuấy này do Đại học Tohoku và Hitachi, Ltd. cùng phát triển, còn công nghệ sản xuất hàng loạt loại vật liệu này và đầu khuấy (vật đúc) do Hitachi, Ltd. và Hitachi Metals Precision cùng phát triển thành công. Đầu khuấy này có thể dùng để hàn ma sát khuấy các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như thép, hợp kim titan và hợp kim zirconi, dự kiến bắt đầu bán vào mùa thu năm 2013. Tuy Hitachi Metals Precision Instruments cho biết “giá sẽ được bàn sau”, nhưng ước tính sẽ được đặt ở mức giá có thể dùng cho sản xuất hàng loạt.

Vật liệu do Đại học Đông Bắc và các đơn vị khác phát triển cho đầu khuấy của hàn ma sát khuấy là hợp kim coban, bên trong phân bố các hợp chất liên kim loại vẫn duy trì được độ bền cao ở nhiệt độ cao. Cụ thể, Co3(Al, W) được phân bố trong hợp kim nền coban. Mấu chốt là làm sao để Co3(Al, W) phân bố đều và mịn, đồng thời làm cho lượng phân bố và hình dạng biên hạt gần với trạng thái mong muốn. Vì vậy đã áp dụng thành phần và phương pháp xử lý nhiệt hợp lý hơn.

Hiện dự kiến vật liệu áp dụng của đầu khuấy này gồm thép carbon, thép cường độ cao, hợp kim titan (Ti-6Al-4V, v.v.), titan nguyên chất và hợp kim đồng. Mặc dù một số vật liệu khó sử dụng đầu khuấy này do độ bền và độ dày, nhưng nói chung, đối tượng hàn là các vật liệu mà khi hàn ma sát khuấy, nhiệt độ đầu khuấy (nhiệt độ liên kết) cao nhất khoảng 1000℃.

Trang trước

Kéo dài tuổi thọ thân máy kim loại, chất chống ăn mòn tự phục hồi Jufudun nghiên cứu thành công

FCSE | Nghiên cứu tiên phong: Lớp phủ chống ăn mòn "tự phục hồi" được điều khiển bằng ánh sáng mặt trời

Trang sau

Trang trước:

Kéo dài tuổi thọ thân máy kim loại, chất chống ăn mòn tự phục hồi Jufudun nghiên cứu thành công

Trang sau:

FCSE | Nghiên cứu tiên phong: Lớp phủ chống ăn mòn "tự phục hồi" được điều khiển bằng ánh sáng mặt trời

Tin tức liên quan

Giới thiệu sản phẩm gia công cơ khí năm 2026 – Giải pháp phục hồi bề mặt kim loại thiết bị cơ khí chuyên nghiệp của Vũ Hán Khai Minh Cao Tân

2026-08-15

Giải thích chi tiết nguyên lý làm việc của gia công cơ khí 2026 – Kiến thức chuyên sâu về phục hồi bề mặt kim loại thiết bị cơ khí chuyên nghiệp

2026-07-31

Phân tích toàn diện các vấn đề thường gặp trong gia công cơ khí năm 2026 – Hướng dẫn thực tiễn xử lý sự cố công nghệ và tối ưu hiệu quả

2026-07-16

Những lưu ý trong toàn bộ quy trình gia công cơ khí năm 2026 – Hướng dẫn thực tiễn giảm chi phí, nâng chất lượng, tránh sự cố

2026-07-01

Tổng hợp các kịch bản ứng dụng gia công cơ khí toàn ngành năm 2026 – Hướng dẫn giảm chi phí, tăng hiệu quả kèm phục hồi bề mặt kim loại

2026-06-16

Tin tức mới nhất của ngành gia công cơ khí năm 2026 – Phân tích toàn diện về nâng cấp công nghệ và giảm chi phí, tăng hiệu quả cho doanh nghiệp sản xuất

2026-06-01

Chia sẻ đến

Quay lại danh sách