Khảo sát mối hàn “khuấy - ma sát” (Friction stir welding) của hợp kim nhôm AA6063 - T5

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> KHẢO SÁT MỐI HÀN “KHUẤY - MA SÁT” (FRICTION STIR<br /> WELDING) CỦA HỢP KIM NHÔM AA6063-T5<br /> Trần Hưng Trà<br /> Bộ môn Cơ học và Vật liệu, Trường Đại học Nha Trang<br /> TÓM TẮT<br /> Ảnh hưởng của các thông số hàn đến sự hình thành của mối hàn “khuấy - ma sát” của hợp kim nhôm<br /> 6063-T5 được nghiên cứu. Kết quả thí nghiệm cho thấy mối hàn được hình thành trong phạm vi tỉ lệ giữa tốc<br /> độ quay và tốc độ tiến của pin (R/W) từ 3,1 vòng/mm đến 37,5 vòng/mm. Càng tăng cao tỉ số R/W, cường độ<br /> biến dạng tại mối hàn càng lớn và ngược lại. Dòng vật liệu không thể khếch tán đầy đủ vào nhau khi tiến hành<br /> hàn ở R/W thấp hơn 3,1 vòng/mm. Khi hàn ở tỉ lệ R/W lớn, R/W = 37,5 vòng/mm, bề mặt mối hàn bị biến dạng<br /> rối. Cấu trúc vật liệu tại khu vực hàn khá phức tạp, không đồng nhất. Kích thước hạt trong khu vực hàn nhỏ<br /> hơn rất nhiều so với vật liệu nền.<br /> Từ khóa: Hàn “khuấy-ma sát”, AA6063-T5, vận tốc hàn, tốc độ quay của pin.<br /> ABSTRACT<br /> The effect of the weld parameters on the joint formation in the friction stir welding AA6063-T5 is<br /> addressed. The experimental results showed that the joints were completely established with the ratios of<br /> pin rotation speed and weld speed (R/W) in the range from 3.1 revolving/mm to 37.5 revolving/mm. The<br /> deformation intensity in the welded zone was proportional to the ratio R/W. It was also found that the joint was<br /> incomplete at the ratio R/W lower than 3.1 revolving/mm. The weld surface was turbulently deformed when the<br /> joint was fabricated at 37.5 revolving/mm. The microstructure in the welded zone showed an inhomogeneous<br /> feature. In all cases, the grain size in the welded zone was remarkable finer than that of base metal.<br /> Key works: Friction stir welding; AA6063-T5; Weld speed; Pin rotation speed.<br /> <br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> <br /> được minh hoạ như ở hình 1 [2]. Khi chốt hàn<br /> <br /> Trong các phương pháp hàn ma sát truyền<br /> <br /> quay làm cho vật liệu (của các tấm hàn) ở xung<br /> <br /> thống (friction welding), mối hàn được hình<br /> <br /> quanh đầu chốt hàn (probe) và bên dưới vai chốt<br /> <br /> thành nhờ biến dạng dẻo do nhiệt sinh ra bởi<br /> <br /> hàn (shoulder) bị nóng lên và biến dạng dẻo cục<br /> <br /> ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc trực tiếp với<br /> <br /> bộ, dòng vật liệu chuyển động xung quanh chốt<br /> <br /> nhau [1]. Đối với phương pháp hàn “khuấy - ma<br /> <br /> hàn từ trước ra sau và khuếch tán vào nhau<br /> <br /> sát” (friction stir welding, được ký hiệu là FSW),<br /> <br /> tạo nên mối hàn. Dựa trên nguyên lý khuấy vật<br /> <br /> mối hàn được hình thành nhờ vào sự làm việc<br /> <br /> liệu bằng ma sát, rất nhiều ứng dụng trong hiệu<br /> <br /> của chốt hàn (pin) không bị biến dạng trong<br /> <br /> chỉnh cấu trúc vật liệu đã được phát triển. Đáng<br /> <br /> quá trình hàn. Quá trình hàn “khuấy-ma sát”<br /> <br /> kể nhất là ứng dụng trong hiệu chỉnh cấu trúc<br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 89<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> bề mặt vật liệu [3-7]. Phương pháp này cũng<br /> <br /> của các thông số hàn như tốc độ hàn (welding<br /> <br /> đang cung cấp nhiều khả năng để sửa chữa<br /> <br /> speed) và tốc độ quay (rotation speed) của<br /> <br /> các vết nứt trong các chi tiết kim loại. Ưu điểm<br /> <br /> chốt hàn đến việc hình thành mối hàn của hợp<br /> <br /> nổi bật của phương pháp hàn này là mối hàn<br /> <br /> kim nhôm AA6063-T5 được khảo sát. Cấu<br /> <br /> hình thành ở nhiệt độ dưới nhiệt độ tan chảy<br /> <br /> trúc của vật liệu tại khu vực mối hàn được<br /> <br /> của vật liệu, vì vậy có thể hàn được rất nhiều<br /> <br /> quan sát bằng máy SEM (Scanning Electron<br /> <br /> loại vật liệu mà được xem là rất khó hàn so<br /> <br /> Microscope).<br /> <br /> với các phương pháp hàn truyền thống (hợp<br /> kim nhôm là một trường hợp điển hình). Hơn<br /> nữa đây là phương pháp hàn cho mối hàn có<br /> độ bền cao và ít bị biến dạng (do nhiệt độ hàn<br /> thấp). Ngoài ra, công nghệ hàn này thân thiện<br /> với môi trường.<br /> <br /> II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Vật liệu được dùng để hàn trong nghiên<br /> cứu này là hợp kim nhôm AA 6063-T5. Đây<br /> là loại hợp kim có độ bền tương đối cao và<br /> được dùng phổ biến trong các phương tiện<br /> <br /> Mặc dù sở hữu rất nhiều ưu điểm nhưng<br /> <br /> giao thông, đặc biệt dùng trong tàu cao tốc<br /> <br /> quá trình hình thành mối hàn rất phức tạp và<br /> <br /> (Shinkansen). Các tấm hợp kim nhôm dùng<br /> <br /> chưa được hiểu một cách đầy đủ. Dòng vật<br /> <br /> để hàn có chiều dày 5mm. Mối hàn được chế<br /> <br /> liệu xung quanh chốt hàn bị ảnh hưởng bởi<br /> <br /> tạo dùng máy phay NC công suất 1.5kW (xem<br /> <br /> rất nhiều yếu tố: hình dạng chốt hàn, tốc độ<br /> <br /> hình 2). Có 9 mối hàn được chế tạo tương ứng<br /> <br /> di chuyển của chốt hàn, tốc độ quay của chốt<br /> <br /> với 9 cặp thông số hàn R/W (R là tốc độ quay<br /> <br /> hàn, áp lực của chốt hàn, vật liệu hàn …v.v. [8].<br /> <br /> của chốt hàn, W là tốc độ tịnh tiến của chốt<br /> <br /> Trong nghiên cứu này của tác giả, ảnh hưởng<br /> <br /> hàn), xem bảng 1.<br /> <br /> Hình 1. Minh họa quá trình hàn ma sát [2].<br /> <br /> 90 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Hình 2. Máy phay NC được dùng để hàn.<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> Hình 3. Tiết diện ngang của mối hàn số 5<br /> (đường nét đứt chỉ biên của vùng hàn).<br /> <br /> Hình 4. Tiết diện ngang của mối hàn số 6<br /> (đường nét đứt chỉ biên của vùng hàn).<br /> <br /> Hình 5. Mối hàn không hoàn tất ở tỉ số<br /> R/W = 2.5 rev/mm.<br /> <br /> Hình 7. Cấu trúc vi mô tại khu vực hàn (a) vùng (1), (b) vùng (ii),<br /> (c) vùng (iii), và (d) vật liệu nền.<br /> Hình 6. Bề mặt mối hàn bị biến dạng rối<br /> nghiêm trọng ở mối hàn số 6.<br /> <br /> Bảng 1. Số mối hàn và thông số hàn tương ứng<br /> Mối hàn<br /> <br /> #1<br /> <br /> #2<br /> <br /> #3<br /> <br /> #4<br /> <br /> #5<br /> <br /> #6<br /> <br /> #7<br /> <br /> #8<br /> <br /> #9<br /> <br /> R/W, vòng/mm<br /> <br /> 21.6<br /> <br /> 10.8<br /> <br /> 7.2<br /> <br /> 5.4<br /> <br /> 3.1<br /> <br /> 37.5<br /> <br /> 18.7<br /> <br /> 9.4<br /> <br /> 5.3<br /> <br /> III. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN<br /> <br /> lý thuyết [6-7], nhiệt độ hàn tỉ lệ thuận với tỉ số<br /> <br /> Kết quả thí nghiệm được thể hiện từ hình<br /> <br /> R/W (quan hệ giữa nhiệt sinh ra trong mối hàn<br /> <br /> 3 đến hình 7. Trong phạm vi của tỉ lệ giữa tốc<br /> <br /> và công mất đi để quay và di chuyển chốt hàn).<br /> <br /> độ quay và tiến của chốt hàn từ 3.1 vòng/mm<br /> <br /> Từ đây có thể thấy rằng nhiệt sinh ra trong mối<br /> <br /> đến 37,5 vòng/mm hầu hết mối hàn được hình<br /> <br /> hàn số 6 lớn hơn trong mối hàn số 5. Điều này<br /> <br /> thành. Tiết diện ngang của mối hàn được tạo ở<br /> <br /> đồng nghĩa rằng cường độ biến dạng dẻo trong<br /> <br /> R/W = 3,1 vòng/mm (mối hàn số 5) và ở R/W =<br /> <br /> mối hàn số 6 cũng lớn hơn trong mối hàn số 5.<br /> <br /> 37,5 vòng/mm (mối hàn số 6) được trình bày ở<br /> <br /> Kết quả làm cho diện tích vùng hàn trong mối<br /> <br /> hình 3&4. Quan sát bằng thiết bị SEM thấy rằng<br /> <br /> hàn số 6 (hình 4) rộng hơn so với mối hàn số 5<br /> <br /> vật liệu nền giữa hai tấm hàn khuyếch tán vào<br /> <br /> (hình 3).<br /> <br /> nhau rất tốt. Hình dạng của vùng hàn ở hai mẫu<br /> <br /> Cần chú ý rằng, ở tỉ số R/W thấp, 2,5 vòng/<br /> <br /> này khác nhau đáng kể (xem hình 3&4), sự khác<br /> <br /> mm, mối hàn không được hoàn thiện như ở<br /> <br /> nhau này liên quan đến cường độ biến dạng dẻo<br /> <br /> hình 5. Mối hàn không được hình thành trong<br /> <br /> khác nhau trong hai mối hàn. Trên phương diện<br /> <br /> điều kiện này có thể liên quan đến nhiệt độ hàn<br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 91<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> quá thấp, không đủ để làm cho vật liệu khuyếch<br /> <br /> tốc độ tịnh tiến của chốt hàn ảnh hưởng không<br /> <br /> tán đầy đủ. Một trường hợp đặc biệt khác, khi<br /> <br /> đáng kể đến kích thước hạt tại khu vực trung<br /> <br /> tăng tỉ số R/W lên quá cao, mối hàn hình thành<br /> <br /> tâm của mối hàn.<br /> <br /> tốt nhưng bề mặt mối hàn bị biến dạng nghiêm<br /> trọng. Rất có khả năng khi tăng cao R/W, nhiệt<br /> độ trong mối hàn cũng tăng theo, làm tăng<br /> cường độ biến dạng dẻo và dẫn đến bề mặt bị<br /> biến dạng rối như được thấy trong hình 6.<br /> Cấu trúc vật liệu trong khu vực mối hàn<br /> nhìn chung rất phức tạp. Dưới tác dụng cơ nhiệt<br /> trong quá trình hàn, quá trình phát triển hạt cấu<br /> trúc xảy ra. Đặc điểm chung của tất cả mối hàn<br /> là kích thước hạt trong vùng hàn tương đối mịn<br /> (khoảng 15mm, xem hình 7(c)) so với vật liệu<br /> nền (khoảng 70mm, xem hình 7(d)). Tại vùng<br /> tiếp giáp giữa vùng hàn với vùng vật liệu nền,<br /> kích thước hạt phân bố phức tạp như được thấy<br /> ở hình 7(b). Bên ngoài vùng hàn (vùng chỉ chịu<br /> ảnh hưởng nhiệt), kích thước hạt không khác<br /> <br /> IV. KẾT LUẬN<br /> Mối hàn “khuấy - ma sát”của hợp kim nhôm<br /> AA6063-T5 được chế tạo thành công. Ảnh<br /> hưởng của các thông số hàn lên sự hình thành<br /> mối hàn được khảo sát. Càng tăng cao tỉ số<br /> giữa tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến của chốt hàn<br /> (R/W), biến dạng dẻo trong mối hàn càng lớn.<br /> Khi tăng R/W đến 37,5 vòng/mm, bề mặt mối<br /> hàn bị biến dạng rối nghiêm trọng. Mối hàn có<br /> thể hình thành tốt ở năng lượng đầu vào thấp<br /> (R/W = 3,1 vòng/mm), tuy nhiên mối hàn sẽ bị<br /> không hoàn tất nếu giảm tỉ số R/W thấp hơn giá<br /> trị này (2,5 vòng/mm). Kích thước hạt trong khu<br /> vực hàn rất mịn so với vật liệu nền. Tốc độ quay<br /> của chốt hàn và tốc độ tịnh tiến của chốt hàn<br /> ảnh hưởng không đáng kể đến kích thước hạt<br /> <br /> nhiều so với kích thước hạt của vật liệu nền. Việc<br /> <br /> tại vùng trung tâm mối hàn. Mặc dù còn nhiều<br /> <br /> giảm kích thước hạt được trông đợi sẽ cãi thiện<br /> <br /> vấn đề cần nghiên tiếp tục nghiên cứu như kiểm<br /> <br /> được cơ tính của vùng hàn (giảm kích thước hạt<br /> <br /> soát khuyết tật, chất lượng bề mặt mối hàn, độ<br /> <br /> cấu trúc là một trong các giải pháp phổ biến để<br /> <br /> bền v.v…, kết quả nghiên cứu này đang mở ra<br /> <br /> tăng cao cơ tính của vật liệu [11]). Ở đây cũng<br /> <br /> triển vọng phát triển ứng dụng công nghệ hàn<br /> <br /> cần nhận ra rằng tốc độ quay của chốt hàn và<br /> <br /> ma sát trong ngành công nghiệp vật liệu nhẹ.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1. Tran Hung Tra, M. Okazaki, M. Skaguchu, M. Sekihara, (2008) Strength of MAR247/IN718 dissimilar<br /> metals joint under creep-fatigue and thermo-mechanical fatigue loadings, Sixth international conference<br /> on low cycle fatigue, 221-228 pages<br /> 2. G. Mathers, the welding of aluminium and its alloys, Cambridge England: Woodhead publishing limited,<br /> 2002.<br /> 3. Y. Morisada, H. Fujii, T. Nagaoka, M. Fukusumi, MWCNTs/AZ31 surface composites fabricated by<br /> friction stir processing, Materials Science and Engineering A 2006, 419(1-2), pp.344-348.<br /> 4. Z.Y. Ma, R.S. Mishra, Friction stir surface composite fabrication, TMS Annual Meeting 2003, pp.243-250.<br /> 5. M.W. Mahoney, W.H. Bingel, S.R. Sharma, R.S. Mishra, Microstructural modification and resultant<br /> properties of friction stir processed cast NiAl bronze, Materials Science Forum 2003, 426-432(4),<br /> pp.2843-2848.<br /> 6. Z.Y. Ma, R.S. Mishra, M.W. Mahoney, Friction stir processing for microstructural modification of an<br /> aluminum casting, TMS Annual Meeting 2003, pp.221-230.<br /> <br /> 92 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 1/2011<br /> <br /> 7. Z.Y. Ma, S.R. Sharma, R.S. Mishra, M.W. Mahoney, Microstructural modification of cast aluminum alloys<br /> via friction stir processing, Materials Science Forum 2003, 426-432(4), pp.2891-2896.<br /> 8. R.S. Mishra, Z.Y. Ma, Friction stir welding and processing, Materials Science and Engineering R 2005,<br /> 50 pp.1–78.<br /> 9. Midling, Ø. Grong, A process model for friction welding of AlMgSi alloys and AlSiC metal matrix<br /> composites-I. Haz temperature and strain rate distribution, Acta Metallurgica Et Materialia 1994, 42(5),<br /> pp.1595-1609.<br /> 10. O.T. Midling, Ø. Grong, A process model for friction welding of AlMgSi alloys and AlSiC metal matrix<br /> composites-II. Haz microstructure and strength evolution, Acta Metallurgica Et Materialia 1994, 42(5),<br /> pp.1611-1622.<br /> 11. J. W. Martin, Materials for Engineering, third edition, Woodhead Publishing Limited, Cambridge England,<br /> 1996, pp. 71-83.<br /> <br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 93<br /> <br />