nghiÊn cỨu Ảnh hƯỞng cỦa thÔng sỐ hÀn ĐẾn ĐỘ …ntu.edu.vn/portals/66/tap chi...

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 21

THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ HÀNĐẾN ĐÔ BỀN KÉO MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY

TẤM HỢP KIM NHÔM AA7075

STUDY ON THE EFFECT OF WELDING PARAMETERS ON TENSILE PROPERTIES OF FRICTION STIR WELDING AA7075 ALUMINIUM ALLOYS PLATE

Dương Đình Hảo1, Trần Hưng Trà2, Vũ Công Hòa3

Ngày nhận bài: 24/12/2014; Ngày phản biện thông qua: 26/5/2015; Ngày duyệt đăng: 15/9/2015

TÓM TẮTẢnh hương của thông số hàn đến đô bền kéo mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075 được khảo sát qua

nhiều chế đô hàn khác nhau với sự kết hợp của tốc đô quay chốt hàn w và tốc đô hàn v. Kết quả khảo sát thực nghiệm cho thấy, khi tỉ số w/v nằm trong khoảng từ 4.0÷10.0 vòng/mm thì mối hàn đạt chất lượng với đô bền kéo và đô biến dạng cao nhất lần lượt là 76% và 68% so với vật liệu nền. Trong tất cả các chế đô, vị trí phá hủy của mẫu thử khi kéo đều nằm ngoài vùng hàn nơi có đô cứng thấp nhất. Kết quả khảo sát cũng cho thấy rằng, khi tỉ số w/v tăng thì đô bền kéo cũng tăng theo tuy nhiên đô biến dạng giảm xuống. Cấu trúc tại vùng hàn, phân bố đô cứng, vị trí phá hủy và đô bền kéo được phân tích và thảo luận cụ thể.

Từ khóa: Hàn ma sát khuấy, chế đô hàn, cấu trúc, đô cứng, đô bền kéo

ABSTRACTEffect of welding parameters on the tensile strength of friction stir welding of aluminum alloy AA7075 plate was

investigated through many different welding regimes with combination between rotation speed w and weld speed v. The experimental results shown, when the ratio w/v in the range of 4.0÷10.0 rev/mm, the weld joint was quality with the highest tensile and strain 76% and 68%, respectively, compared with base metal. In all regimes, the tensile fracture located outside the stirred zone, in the retreating side or advancing side, where the hardness was the lowest. The survey results also shown that, when the ratio w/v increased, the tensile strength was also increase but strain was reduction. Microstructure in welding zone, hardness distribution, tensile fracture location and tensile strength were analysed and discussed.

Keywords: Friction stir welding, welding modes, microstructure, hardness, tensile strength

1 ThS. Dương Đình Hảo, 2 TS. Trần Hưng Trà: Khoa Xây dựng – Trường Đại học Nha Trang3 TS. Vũ Công Hòa: Khoa Khoa học ứng dụng – Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh

I. ĐẶT VẤN ĐỀNhôm và hợp kim nhôm là môt trong những kim

loại phổ biến và được sử dụng rông rãi trong tất cả các ngành công nghiêp chế tạo như ô tô, tàu thủy, đường sắt, hàng không vũ trụ… Viêc sử dụng hợp kim nhôm sẽ giúp làm giảm đáng kể trọng lượng mà vẫn đảm bảo đô bền cao. Chính điều này sẽ giúp tiết kiêm nhiên liêu khá nhiều khi vận hành [3]. Môt trong những nhược điểm khi sử dụng hợp kim nhôm đó là rất khó khăn khi sử dụng phương pháp hàn nóng chảy truyền thống đặc biêt là hợp kim nhôm

nhóm AA7xxx và AA2xxx [2]. Đây là hai hợp kim nhôm được sử dụng khá phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ. Do đó, cần phát triển môt công nghê hàn tiên tiến để khắc phục những nhược điểm này và nâng cao đô bền tại mối hàn là điều rất cần thiết.

Do đó, vào năm 1991, Viên hàn TWI (UK) phát minh ra môt công nghê hàn mới được gọi là hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW). Đây là quá trình hàn ở trạng thái rắn nhờ nhiêt ma sát và ứng dụng chủ yếu cho vật liêu kim loại màu đặc biêt là nhôm và hợp kim nhôm [1] (hình 1a). Kể từ khi


22 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

mới ra đời cho đến nay, viêc nghiên cứu quá trình hàn này không ngừng tăng lên nhằm mục đích cải thiên cũng như ứng dụng hiêu quả vào trong thực tiễn [5] (hình 1b). Môt số ưu điểm lớn nhất của công

nghê hàn này đó là đô biến dạng nhỏ, cơ tính tốt, hàn được tất cả các hợp kim nhôm, không có khí thải đôc hại, giảm trọng lượng, tiết kiêm nhiên liêu sử dụng…

Hình 1. Quá trình hàn ma sát khuấy (a) và sự phát triển trong việc nghiên cứu (b)

Hàn ma sát khuấy ở Viêt Nam là môt công nghê còn khá mới. Mặc dù ưu điểm của nó là thấy rõ nhưng viêc ứng dụng vào trong thực tế là hầu như không có vì những nguyên nhân khác nhau. Nghiên cứu này sẽ đi chế tạo mối hàn ma sát khuấy và phân tích sự ảnh hưởng của các thông số hàn đến đô bền kéo đối với hợp kim nhôm AA7075, để từ đó lựa chọn thông số hàn hợp ly nhằm nâng cao đô bền của mối hàn. Đây là môt trong những hợp kim rất khó hàn bằng phương pháp nóng chảy truyền thống. Với những kết quả đạt được trong bài báo này, hy vọng rằng mối hàn này có thể thay thế cho các mối ghép đinh tán, vốn rất thường hay sử dụng

trước đây trong viêc chế tạo máy bay, tàu cao tốc khi sử dụng các hợp kim nhôm.

II. ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1. Đối tượng nghiên cứuĐối tượng được nghiên cứu chủ yếu ở đây là

ảnh hưởng của tốc đô quay ω và tốc đô tịnh tiến v của chốt hàn đến đô bền kéo mối hàn. Dựa vào kinh nghiêm thực tế, các chế đô hàn được thiết lập nhờ sự kết hợp giữa ω và v với năm chế đô khác nhau được cho ở bảng 1.

Bảng 1. Các chế độ hàn được thử nghiệm

TT Tốc độ quay w(vòng/phút)

Tốc độ tịnh tiến v(mm/phút)

Tỉ số w/v(vòng/mm)

1600

200 32 150 43 80 7.54 800

8010

5 1200 15

2. Vật liệu nghiên cứuVật liêu được nghiên cứu là tấm hợp kim nhôm AA7075 với kích thước 150×300×5 mm được sử dụng (hình

2). Đây là chiều dày thường được sử dụng trong thực tế để chế tạo các sản phẩm. Thành phần hóa học và đặc tính cơ học của AA7075 được cho ở bảng 2 và 3 [4].

Bảng 2. Thành phần hóa học của hợp kim nhôm AA7075 [4]

Nguyên tố Al Zn Mg Cu Si Fe Mn Ti Cr

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 3. Đặc tính cơ học của hợp kim nhôm AA7075 [4]

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

Giá trị 503 572 3÷11 87 159 71.7 0.33



Hình 2. Vật liệu nền hợp kim nhôm AA7075

3. Phương pháp nghiên cứuMối hàn giáp mối của hai tấm hợp kim nhôm

AA7075 dày 5.0 mm được chế tạo từ máy hàn ma sát khuấy được nghiên cứu chế tạo tại Trường Đại học Nha Trang. Trong đó sử dụng chốt hàn có 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 (hình 3). Hai tấm nhôm AA7075 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 5a). Quá trình hàn được biểu diễn ở hình 5b.

Sau khi thực hiên xong đường hàn, tiến hành quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn sau khi tẩm thực bằng dung dịch 150 ml H2O, 3 ml HNO3, 6 ml HCL và 6 ml HF [7]. Cơ tính chịu kéo của mối hàn được thực hiên trên máy Instron 3366 với lực kéo tối đa là 10 kN. Mẫu thử được chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM E08 [6]. Thí nghiêm kéo được thực hiên với tốc đô 5.0 mm/phút. Đô cứng mối hàn được đo trên máy Rockwell với thang đo HRB sử dụng mũi bi cầu với tải 100 kg (hình 6).

Hình 3. Kích thước và hình dạng của dụng cụ hàn

Hình 4. Sơ đồ lắp đặt bàn gá và dụng cụ hàn

Hình 5. Gá đặt phôi hàn (a) và thực hiện đường hàn (b)

(b)Đường hàn

Hình 6. Kích thước mẫu kéo (a), máy kéo nén Instron 3366 (b) và máy đo độ cứng Rockwell (c)



III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

1. Cấu trúc tế vi mối hànSau 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 đô hàn ω/v = 3.0 và 15.0 vòng/mm thì mối hàn có khuyết tật rất rõ (hình 7a,b) với kích thước khá lớn khoảng 500 µm. Các chế đô còn lại đều không có khuyết tật (hình 7c).

Quan sát mặt cắt ngang của mối hàn ở chế đô ω/v = 800/80 vòng/mm sau khi tẩm thực các vùng hàn hiên lên rất rõ. Vùng (IV) phía ngoài cùng là vùng vật liêu nền (Base Metal - BM), đó là khu vực mà vật liêu 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 nhiêt (Heat Affected Zone - HAZ), nơi mà vật liêu đã trải qua môt chu kỳ nhiêt mà không bị biến dạng dẻo. Kích thước hạt khá lớn, gần tương đương với vật liêu nền khoảng từ 10÷40 µm. Vùng bị ảnh hưởng cơ nhiêt (II) (Thermo Mechanically Affected Zone - TMAZ), nơi mà vật liêu 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 nhiêt trung bình khoảng 15÷20 µm. Cuối cùng là vùng khuấy (III) (Stir Zone - SZ), vùng mà vật liêu bị biến dạng nặng nề nhất trong quá trình hàn. Đây cũng là vùng chịu nhiêt lớn nhất, do đó kích thước hạt cũng nhỏ mịn nhất so với các vùng khác khoảng từ 5÷8 µm (hình 8).

Hình 7. Hình dạng mặt cắt ngang của mối hàn

Hình 8. Cấu trúc hạt tại các vùng hàn ở chế độ ω/v = 800/80 vòng/mm

2. Sự phân bố độ cứng của mối hànSự phân bố đô cứng đo ở giữa mặt cắt ngang

được thể hiên trong hình 9 ứng với các chế đô hàn khác nhau. Nhìn chung, các chế đô hàn có đô cứng thấp nhất đều nằm tại vùng ảnh hưởng nhiêt (HAZ) ở cả hai bên retreating và advancing. Khi tỉ số ω/v tăng thì vùng HAZ mở rông hơn, đặc biêt với chế đô ω/v = 15.0 vòng/mm. Khi ω/v tăng, đô cứng của mối hàn cũng tăng theo, điều này có liên quan đến nhiêt đô, sự sinh trưởng và phát triển hạt của vật liêu. Ở vùng khuấy (SZ), đô cứng khá cao so với vùng HAZ. Hình 9. Sự phân bố độ cứng của mối hàn ở các chế độ khác nhau



3. Độ bền kéo của mối hànKết quả cho thấy rằng, các mẫu thử ở chế

đô ω/v = 3.0 vòng/mm và ω/v = 15.0 vòng/mm đều có vị trí phá hủy là tại tâm mối hàn (vùng khuấy - SZ). Các mẫu ở các chế đô còn lại đều đứt ở ngoài vùng hàn (vùng ảnh hưởng nhiêt - HAZ). Ở đây cần lưu y rằng các mẫu bị phá hủy tại vùng HAZ có xác suất nằm bên phía advancing (AV) lớn hơn bên phía retreating (RE) (hình 10). Đây cũng là vị trí có đô cứng thấp nhất. Theo hình 8 thì tại tâm của mối hàn, kích thước hạt nhỏ nhất ngược lại tại vùng ảnh hưởng nhiêt kích thước hạt khá lớn. Do đó, theo Hall Petch thì đô bền tại tâm mối hàn luôn lớn hơn tại vùng ảnh hưởng nhiêt [8], dẫn đến xác suất phá hủy tại vùng HAZ luôn cao hơn vùng SZ. Với chế đô hàn ω/v = 3.0 và 15.0 vòng/mm thì do bị khuyết tật tại vùng mối hàn (đã được trình bày ở hình 7a,b) nên đô bền rất kém và bị phá hủy ngay tại vị trí này. Với những chế đô này có thể thấy rằng chất lượng mối hàn không đạt yêu cầu.

Hình 10. Vị trí phá hủy của một số mẫu

Hình 11 so sánh đường phá hủy và đô co thắt tại vị trí đứt gãy. Những mẫu phá hủy ở trong và ngoài vùng hàn có đường phá hủy hoàn toàn khác nhau. Tại vùng hàn, mặt phá hủy đều vuông góc với lực kéo còn ngoài khu vực hàn thì không vuông góc và có đô co thắt ngay tại vị trí phá hủy. Đô co thắt giảm dần từ chế đô ω/v = 4.0 đến 10.0 vòng/mm. Điều đó có nghĩa rằng, đô biến dạng dài của chúng giảm khi ω/v tăng. Với mặt phá hủy vuông góc với lực kéo là do ứng suất pháp gây ra làm cho mẫu tách tại biên giới hạt. Với mặt phá hủy không vuông góc với lực kéo, lúc đó sẽ có ứng suất tiếp làm cho hạt bị cắt khi phá hủy [8].

Hình 11. Sự khác nhau về độ co thắt và mặt phá hủy ở các chế độ hàn

Hình 12a trình bày quan hê giữa ứng suất và biến dạng. Nhìn chung, đô bền kéo và đô biến dạng của tất cả các chế đô đều nhỏ hơn so với vật liêu nền. Với chế đô ω/v = 3.0 vòng/mm có đồ thị ít dốc nhất, chứng tỏ xu hướng có đô biến dạng lớn (gần tiêm cận với vật liêu nền). Tuy nhiên, bị phá hủy đôt ngôt do mối hàn bị khuyết tật nên dẫn đến có đô biến dạng khá thấp. Tương tự như vậy nhưng với chế đô ω/v = 15.0 vòng/mm thì đồ thị có xu hướng dốc nhất, điều này chứng tỏ đô biến dạng không cao nhưng có đô bền có thể cao. Khi tỉ số ω/v tăng thì đồ thị có xu hướng càng dốc, nó cho thấy đô bền tăng nhưng đô biến dạng lại giảm. Quan hê giữa tỉ số tốc đô quay/tịnh tiến ω/v đến ứng suất và biến dạng của mối hàn được thể hiên ở hình 12b. Hai chế đô hàn ω/v = 3.0 và 15.0 vòng/mm có ứng suất và biến dạng rất nhỏ. Điều này cho thấy rằng, chất lượng mối hàn tốt nhất khi tỉ số ω/v nằm trong khoảng từ 4.0÷10.0 vòng/mm. Với các chế đô hàn nằm trong khoảng này, môt điều rất dễ nhận ra đó là đô bền kéo tăng khi tỉ số ω/v tăng, ngược lại đô biến dạng

sẽ giảm. Điều này có thể liên quan đến mật đô lêch, kích thước hạt hoặc xô lêch mạng được hình thành do quá trình cơ nhiêt ở các chế đô hàn khác nhau. Ứng suất và biến dạng cao nhất lần lượt đạt 76% và 68% so với vật liêu nền tương ứng với các chế đô ω/v = 10.0 vòng/mm và 4.0 vòng/mm.

Tốc đô tịnh tiến v và tốc đô quay ω của chốt hàn ảnh hưởng đến ứng suất và đô biến dạng của mối hàn được khảo sát và thể hiên ở đồ thị hình 13. Cố định tốc đô quay ω = 600 vòng/phút và thay đổi tốc đô tịnh tiến v tăng dần từ 80÷200 mm/phút, kết quả cho thấy rằng: khi tốc đô tịnh tiến v tăng thì ứng suất kéo giảm nhưng đô biến dạng tăng (hình 13a). Ngược lại, khi cố định tốc đô tịnh tiến v = 80 mm/phút và cho tốc đô quay ω tăng dần từ 600÷1200 vòng/phút, kết quả lại cho thấy rằng: khi tốc đô quay ω tăng thì ứng suất kéo sẽ tăng nhưng đô biến dạng giảm (hình 13b). Ở đây, khi v tăng hay ω giảm thì nhiêt đô hàn sẽ giảm, điều này sẽ ảnh hưởng đến sự kết tinh lại của vật liêu sau khi hàn.



Hình 12. Đồ thị ứng suất - biến dạng (a) và ảnh hưởng của ω/v đến cơ tính mối hàn (b)

Hình 13. Ảnh hưởng của tốc độ tịnh tiến v (a) và tốc độ quay ω (b) đến ứng suất và biến dạng

IV. KẾT LUẬNMối hàn ma sát khuấy của hợp kim nhôm AA7075 được chế tạo thành công và đã xác định được chế đô

hàn hợp ly trên tiêu chí cấu trúc không khuyết tật và đô bền kéo cao nhất. Ảnh hưởng của tốc đô quay ω và tốc đô tịnh tiến v của chốt hàn đến cơ tính mối hàn đã được khảo sát và phân tích cụ thể.

Mối hàn đạt được chất lượng khi tỉ số tốc đô quay và tịnh tiến ω/v của chốt hàn nằm trong khoảng giới hạn từ 4.0÷10.0 vòng/mm.

Vị trí phá hủy của mẫu thường nằm ở ngoài vùng hàn, vị trí mà có đô cứng thấp nhất (HAZ). Đô bền kéo và đô biến dạng cao nhất lần lượt đạt khoảng 76% và 68% so với vật liêu nền. Khi tỉ số ω/v tăng thì đô bền kéo tăng nhưng đô biến dạng giảm. Đô cứng thấp nhất của mối hàn luôn nằm tại vùng HAZ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Eur.Ing. C.E.D.Rowe and Eur.Ing. Wayne Thomas, 2007. Advances in tooling materials for friction stir welding, TWI and Cedar Metals Ltd, Materials Congress – Disruptive Technologies for Light Metals.

2. Friction Stir Welding, 2012. The ESAB Way.3. Han, L., Thornton, M., and Shergold, M. 2010. A comparison of the mechanical behavior of self-piercing riveted and

resistance spot welded aluminum sheets for the automotive industry. Mater. Design 31(3): 1457-1467.4. Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. ASM Handbook - Volume 2, ASM International

Handbook Committee, 1990, pp. 450-462.5. Rajiv S. Mishra, Murray W. Mahoney, 2007. Friction Stir Welding and Processing, ASM International, pp. 4.6. Standards ASTM, E08: Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, 2004.7. T. Azimzadegan, Gh.Khalaj, M.M. Kaykha, A.R.Heidari, 2011. Ageing Behavior of Friction Stir Welding AA7075-T6

Aluminum Alloy. Computational Engineering in Systems Applications (Volume II), pp. 183-187.8. William D. Callister, Jr., 2007. Materials Science and Engineering 7th. John Wiley & Sons, Inc.

nghiÊn cỨu Ảnh hƯỞng cỦa thÔng sỐ hÀn ĐẾn ĐỘ …ntu.edu.vn/portals/66/tap chi...

Documents