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 AA7075 t6

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 AA7075-T6 STUDY OF EFFECT OF WELDING PARAMETERS ON TEMPERATURE DISTRIBUT

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 AA7075-T6

STUDY OF EFFECT OF WELDING PARAMETERS ON TEMPERATURE DISTRIBUTION AND MICROSTRUCTURE OF FRICTION STIR WELDING

AA7075-T6

Dương Đình Hảo1a, Trần Hưng Trà1b, Vũ Công Hòa2c, Phí Công Thuyên3

1Bộ môn Cơ kỹ thuật, Trường Đại học Nha Trang

2Bộ môn Cơ kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM

3Trung tâm thí nghiệm thực hành, Trường Đại học Nha Trang

adinhhaontu@gmail.com; bthtdhts@gmail.com; cvuconghoa@gmail.com

TÓM TẮT

Mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075-T6 được nghiên cứu chế tạo thử nghiệm tại Trường Đại học Nha Trang Ảnh hưởng của các thông số hàn đến sự phân bố nhiệt

độ, chất lượng bề mặt cũng như cấu trúc tế vi mối hàn được khảo sát qua nhiều chế độ hàn khác nhau Kết quả khảo sát thực nghiệm cho thấy nhiệt độ cao nhất nằm ở vùng khuấy (SZ) trong tất cả các trường hợp và có xu hướng tăng khi tỷ số giữa tốc độ quay chốt hàn  và tốc

độ hàn v ( /v) tăng Mối hàn đạt chất lượng khi tỷ số /v nằm trong khoảng từ 4.0÷10.0 vòng/mm Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, khi tỷ số /v tăng thì kích thước hạt tại các vùng hàn cũng tăng lên Cấu trúc hạt thay đổi làm cơ tính thay đổi được thể hiện qua sự thay đổi độ cứng (Hardness)

Từ khóa: hàn ma sát khuấy, cấu trúc tế vi mối hàn, thông số hàn, độ cứng, sự phân bố

nhiệt độ

ABSTRACT

The Friction stir welding AA7075-T6 aluminum alloys were studied and produced at Nha Trang University The effect of the welding parameters on temperature distributions, quality of joint as well as microstructures of the friction stir welded joints were investigated in various regimes The experimental results shown that, in all case, the highest temperature is in stirred zone (SZ) and increases when the ratio of rotational speed to weld speed ( /v) rises The joints are fabricated successfully when the ratio of rotational speed to weld speed is in range from 4.0 to 10.0 rev/mm The experiment also indicated that, the grain size rose when the ratio ( /v) is increased The change of grain sizes effect on mechanical properties that are presented by hardness distribution

Keywords: friction stir welding, microstructures, welding parameter, hardness,

temperature distribution

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hàn ma sát khuấy FSW (Friction Stir Welding) được phát minh ra năm 1991 bởi TWI (The Welding Institute) (Hình 1) [1] Do vượt trội về độ bền, hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường (so với các phương pháp hàn truyền thống như TIG, MIG, TAW, v.v.) nên từ khi ra đời cho đến nay công nghệ hàn ma sát khuấy đã không ngừng cuốn hút các nhà nghiên cứu cùng với đó là số lượng các công trình tăng vọt theo từng năm Công nghệ này đã và đang được phát triển và ứng dụng rất mạnh trong các hợp kim được xem là khó hàn với các phương pháp hàn chảy truyền thống Đặc biệt đối với hợp kim nhôm, sự hiệu quả mà nó mang lại là rất lớn [2]

Trong các ngành công nghiệp chế tạo, các hợp kim nhôm thuộc nhóm AA5xxx hoặc AA6xxx thường được ứng dụng vì các hợp kim này có thể hàn được bằng phương pháp hàn truyền thống như TIG hay MIG, tuy nhiên độ bền mối hàn không cao (Hình 2) [4] Hiện nay, việc ứng dụng hàn ma sát FSW còn cho phép hàn rất tốt các hợp kim nhôm có độ bền cao hơn thuộc nhóm AA2xxx và AA7xxx Đây là hai hợp kim rất khó hàn bằng phương pháp hàn nóng chảy truyền thống Việc nâng cao độ bền mối hàn phụ thuộc khá nhiều vào các thông số hàn mà yếu tố cần được khảo sát đó là nhiệt độ và cấu trúc tế vi của mối hàn Bài báo này sẽ tập trung khảo sát sự ảnh hưởng của thông số hàn đến nhiệt độ và cấu trúc mối hàn Đây là những nguyên nhân ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính mối hàn

Hình 1 Quá trình hàn ma sát khuấy [3] Hình 2 Đặc tính gia công nhiệt của hợp kim nhôm

2 VẬT LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM

2.1 Vật liệu thí nghiệm

Vật liệu được sử dụng để thí nghiệm là tấm hợp kim nhôm AA7075-T6 với kích thước 150×300×5 mm (Hình 3) [5] Thành phần hóa học và đặc tính cơ học của AA7075-T6 được cho ở Bảng 1 và 2 [6]

Hình 3 Vật liệu nền hợp kim nhôm AA7075-T6

Bảng 1 Thành phần hóa học của hợp kim nhôm AA7075-T6

Thành

phần (%) 87.1÷91.4 5.1÷6.1 2.11÷2.9 1.2÷2

Max 0.4

Max 0.5

Max 0.3

Max 0.2 0.18÷0.28

Bảng 2 Đặc tính cơ học của hợp kim nhôm AA7075-T6

Đặc

tính cơ

học

Giới hạn

chảy (MPa)

Độ bền kéo (MPa)

Độ giãn dài (%)

Độ cứng (HRB)

Độ bền mỏi (MPa)

Modul đàn hồi (GPa)

Hệ số poisson

Mối hàn giáp mối của hai tấm hợp kim nhôm AA7075-T6 dày 5.0 mm được chế tạo từ máy hàn ma sát khuấy Trong đó sử dụng chốt hàn dạng hình côn có ren với đường kính 5.0

mm ở giữa chốt, chiều cao 4.8 mm và bước ren là 1.0 mm Sau khi thiết kế và chế tạo, để chốt hàn đạt được độ cứng như mong muốn, tiến hành tôi ở nhiệt độ 1030oC và ram ở 600oC Độ cứng của chốt hàn sau khi nhiệt luyện đạt được 47 HRC Để giúp cho máy giảm được lực cản

và tránh được trường hợp bị gãy chốt hàn có thể xảy ra, bàn gá được đặt nghiêng một góc 2o

so với phương ngang Hai tấm nhôm AA7075-T6 được kẹp chặt trên bàn gá nhờ các dụng cụ

hỗ trợ nhằm hạn chế lực dọc và lực ngang do quá trình hàn tạo ra (Hình 4a) Quá trình hàn được biểu diễn ở Hình 4b [7]

Hình 4 Gá đặt phôi hàn (a) và thực hiện đường hàn (b)

Sự phân bố nhiệt độ mối hàn được khảo sát tại hai vị trí bằng bộ cảm ứng nhiệt hai đầu

ra Vị trí 1 là tại tâm mối hàn (vùng khuấy-SZ) và vị trí 2 cách tâm 10 mm (vùng ảnh hưởng nhiệt-HAZ) (Hình 5b)

Hình 5 Quá trình khảo sát nhiệt độ (a) và các vị trí khảo sát (b)

Sau khi thực hiện xong đường hàn, tiến hành chuẩn bị mẫu để quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn (Hình 6a-b) Bề mặt mẫu được tẩm thực bằng dung dịch 150 ml H2O, 3 ml HNO3, 6

ml HCL và 6 ml HF [8] Cấu trúc tế vi được quan sát trên kính hiển vi kim tương Olympus – CK40M với độ phóng đại 2400x (Hình 6c) Độ cứng mối hàn được đo trên máy Rockwell với thang đo HRB sử dụng mũi bi cầu với tải 100 kg (Hình 6d) [9-10]

(c) Quan sát cấu trúc tế vi (d) Đo độ cứng Rockwell

Hình 6 Quá trình quan sát cấu trúc và đo độ cứng

Hạn chế lực ngang

Hạn chế

lực dọc

Đường hàn

3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Sự phân bố nhiệt độ tại các vùng hàn

Sự phân bố nhiệt độ trong và xung quanh vùng hàn rất quan trọng trong việc giải thích đặc tính cơ học của mối hàn Nó ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tế vi mối hàn cũng như kích thước hạt, biên giới hạt và cấu trúc mạng,… [11-14] Sau khi tiến hành đo nhiệt độ và thu thập số liệu ta có kết quả được thể hiện ở Hình 7 Có thể thấy, ở mọi chế độ, nhiệt độ lớn nhất nằm tại tâm mối hàn (vùng khuấy – SZ) (Hình 7a) và nhiệt độ thấp nhất tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) (Hình 7b) Nhiệt độ cao nhất là ở chế độ hàn /v = 15.0 vòng/mm và thấp nhất là

/v = 3.0 vòng/mm

Hình 7 Sự phân bố nhiệt độ tại vùng khuấy (a) và vùng ảnh hưởng nhiệt (b)

Sự phụ thuộc của nhiệt độ vào các

thông số hàn được thể hiện trong Hình 8

Tỷ lệ giữa tốc độ quay tốc độ tịnh tiến

/v tăng sẽ làm tăng nhiệt độ tại các

vùng hàn Điều này có liên quan đến ma

sát sinh ra giữa dụng cụ hàn và vật liệu

Khi /v càng tăng thì nhiệt độ tại tâm

vùng hàn sẽ tiệm cận với nhiệt độ nóng

chảy của vật liệu nền Đây là điều chúng

ta không mong muốn, vì khi đó mối hàn

sẽ trở nên quá nhiệt và rất giòn Tuy

nhiên cũng không nên quá thấp vì lúc đó

vật liệu sẽ không đủ dẻo để khuấy nên rất

dễ bị khuyết tật đường hàn Do đó, ta cần

lựa chọn tỷ lệ tham số / sao cho hợp

lý nhất

Hình 8 Ảnh hưởng của tỷ số /v đến nhiệt

độ hàn

3.2 Đánh giá chất lượng bề mặt mối hàn

Bề mặt mối hàn được trình bày ở Hình 9 Với chế độ hàn /v = 2.0 vòng/mm cho thấy mối hàn không ngấu, điều này chỉ ra rằng ở chế độ này thì chất lượng chắc chắn sẽ không đạt Quan sát mối hàn qua lỗ thoát dụng cụ, có thể thấy rằng với chế độ /v = 4.0 vòng/mm thì độ ngấu có trội hơn các chế độ còn lại trong khi chế độ /v = 10.0 vòng/mm có bề mặt xấu nhất

Độ ngấu của mối hàn được khảo sát rõ hơn ở phần tiếp theo thông qua cấu trúc tế vi

Hình 9 So sánh bề mặt mối hàn ở các chế độ khác nhau

3.3 Cấu trúc tế vi của mối hàn

Sau khi đánh bóng mẫu, các khuyết tật của mối hàn được quan sát bằng mắt thường hay

sử dụng kính hiển vi để quan sát Với chế độ hàn /v = 3.0 và 15.0 vòng/mm thì mối hàn có khuyết tật rất rõ (Hình 10a-b) Kích thước khuyết tật khá lớn khoảng 500 µm Các chế độ còn lại đều không có khuyết tật (Hình 10c)

Quan sát mặt cắt ngang của mối hàn ở chế độ /v = 10.0 vòng/mm sau khi tẩm thực các vùng hàn hiện lên rất rõ Vùng (IV) phía ngoài cùng là vùng vật liệu nền (Base metal – BM),

đó là khu vực mà vật liệu đủ xa tính từ tâm mối hàn nên không bị ảnh hưởng bởi quá trình này Kích thước hạt vì thế khá to và không đều, khoảng 10÷35 µm Vùng (I) là vùng bị ảnh hưởng nhiệt (Heat Affected Zone - HAZ), nơi mà vật liệu đã trải qua một chu kỳ nhiệt mà không bị biến dạng dẻo Kích thước hạt khá lớn, gần tương đương với vật liệu nền khoảng từ 10÷40 µm Vùng bị ảnh hưởng cơ nhiệt (II) (Thermo Mechanically Affected Zone - TMAZ), nơi mà vật liệu đã bị biến dạng dẻo bởi sự ma sát do vai chốt hàn tạo nên Vì thế kích thước hạt nhỏ hơn vùng ảnh hưởng nhiệt trung bình khoảng 15÷20 µm Cuối cùng là vùng khuấy (III) (Stir Zone – SZ), vùng mà vật liệu bị biến dạng nặng nề nhất trong quá trình hàn Đây cũng là vùng chịu nhiệt lớn nhất, do đó kích thước hạt cũng nhỏ mịn nhất so với các vùng khác khoảng từ 5÷8 µm (Hình 11)

Hình 10 Hình dạng mặt cắt ngang của mối hàn

Không khuyết tật

Các chế độ còn lại (c)

Khuyết tật

/v = 3.0 vòng/mm

(a)

/v = 15.0 vòng/mm

Khuyết tật (b)

a) Vùng I b) Vùng II c) Vùng III d) Vùng IV

Hình 11 Cấu trúc hạt tại các vùng hàn ở chế độ /v = 10.0 vòng/mm

Hình 12 trình bày sự khác nhau về kích thước hạt tại vùng SZ của các chế độ hàn Kết quả quan sát cho thấy rằng, kích thước hạt tăng dần theo chiều tăng của tỷ số /v Hay, khi tốc độ quay  tăng (v = const) hoặc tốc độ v giảm (  = const) thì kích thước hạt sẽ tăng Điều này hoàn toàn có cơ sở khi nhiệt độ khảo sát cũng tăng theo /v Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ làm nguội chậm, điều này tạo điều kiện cho việc phát triển mầm và làm cho hạt thô hơn [10] Hình 13 cho thấy rõ hơn về kích thước hạt sự phụ thuộc vào tỷ số /v và nhiệt độ của mối hàn Điều này sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến cơ tính của mối hàn như độ bền kéo, độ cứng, độ bền uốn, năng lượng va đập,…

a) /v = 4.0 vòng/mm b) /v = 7.5 vòng/mm c) /v = 10.0 vòng/mm d) /v = 15.0 vòng/mm

Hình 12 So sánh kích thước hạt tại vùng SZ ở các chế độ hàn

Hình 13 Sự phụ thuộc kích thước hạt vào tỷ số /v (a) và nhiệt độ (b)

3.4 Sự phân bố độ cứng của mối hàn

Kết quả khảo sát cho thấy rằng, vị trí có độ cứng nhỏ nhất ở các chế độ hàn chính là vùng ảnh hưởng nhiệt Tại vùng hàn, độ cứng cao hơn vùng ảnh hưởng nhiệt nhưng vẫn thấp hơn vật liệu cơ bản (vị trí cách xa vùng hàn) Điều này có thể liên quan đến kích thước hạt ở các vùng hàn Tại vùng khuấy SZ, kích thước của hạt nhỏ nhất nên có độ bền cũng như độ cứng cao hơn vùng HAZ [10] Độ cứng tại vị trí 1 thường cao hơn tại vị trí 2 nhưng không đáng kể (Hình 14)

Hình 14 Sự phân bố độ cứng của mối hàn ở các chế độ

Sự phân bố độ cứng đo ở giữa mặt cắt ngang (vị trí 2) được thể hiện trong Hình 15 ứng với các chế độ hàn khác nhau Khi tỷ số /v tăng thì vùng HAZ mở rộng hơn, đặc biệt với chế

độ /v = 15.0 vòng/mm Khi /v tăng, độ cứng của mối hàn cũng tăng theo, điều này có liên quan đến nhiệt độ, sự sinh trưởng và phát triển hạt của vật liệu

Hình 15 So sánh độ cứng mối hàn ở các chế độ khác nhau

4 KẾT LUẬN

Mối hàn ma sát khuấy của hợp kim nhôm AA7075-T6 được chế tạo thành công và đã xác định được chế độ hàn hợp lý trên tiêu chí cấu trúc không khuyết tật Ảnh hưởng của tốc

độ quay  của chốt hàn và tốc độ hàn v đến sự phân bố nhiệt độ, cấu trúc tế vi và độ cứng của mối hàn đã được khảo sát và phân tích cụ thể

- Nhiệt độ cao nhất luôn nằm tại vùng khuấy SZ trong tất cả các trường hợp và có xu hướng tăng khi tỷ số /v tăng

- Mối hàn không bị khuyết tật khi tỷ số /v nằm trong khoảng 4.0÷10.0 vòng/mm

- Tại vùng khuấy SZ, kích thước hạt luôn nhỏ nhất trong tất cả các chế độ và cũng có xu hướng tăng khi tăng tỷ số /v tăng

- Vùng HAZ có độ cứng nhỏ nhất và có xu hướng mở rộng khi tỷ số /v tăng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Rowe C E D and Thomas W M., Advances in tooling materials for friction stir welding

(Cedar Metals Ltd, TWI Cambridge) Materials Congress – Disruptive Technologies for Light Metals, 2006, pp 2

[2] Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Công Hòa, Nghiên cứu khả năng ứng dụng máy

phay đứng UF222 trong việc chế tạo mối hàn ma sát khuấy Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, 2014, pp 181-186

[3] Thomas W M., Norris I M., Staines D G and Watts E R., Friction Stir Welding:

Process Developments and Variant Techniques Paper presented at SME Summit, Oconomowoc Milwaukee USA, 2005, pp 1

[4] Friction Stir Welding - the ESAB Way

[5] Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Công Hòa, Ảnh hưởng của thông số hàn đến độ

bền uốn của mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075-T6 Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ XII, Đà Nẵng, 6-7, 2015

[6] ASM Handbook, Volume 2: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials ASM International Handbook Committee, 1990, pp 450-462

[7] Duong Dinh Hao, Tran Hung Tra, Vu Cong Hoa, Study of effect of friction stir welding

parameters on impact energy of AA7075-T6 Journal of Science and Technology, 2015

[8] Metals Handbook 8th Edition, Metallography, Structures and Phase Diagrams, Vol 8

American Society for Metals, 1973, pp 124

[9] Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Công Hòa, Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số

hàn đến độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075, Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy sản, 2015

[10] William D C and David G R Materials Science and Engineering 8th, John Wiley & Sons Inc, 2010, pp 175.

[11] Field D P., Nelson T W., Hovanski Y., and Jata K V., Heterogeneity of crystallographic

texture in friction stir welds of aluminum Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 2001, Vol 32, pp 2869-2877

[12] Ponda R W and Bingert J F., Precipitation and grain refinement in a 2195 Al friction

stir weld Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 2006, Vol 37, pp 3593-3604

[13] Oosterkamp A., Oosterkamp L.D., and Nordeide A., Kissing bond' phenomena in

solid-state welds of aluminum alloys Welding Journal (Miami Fla), 2004, Vol 83, pp.225

[14] Sato Y S., Kokawa H., Enomoto M., Jogan S., and Hashimoto T., Precipitation sequence

in friction stir weld of 6063 aluminum during aging Metallurgical and materials transactions, 1999, Vol 30, pp 3125-3130