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 <br /> <br /> Số 3/2015<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ HÀN<br /> ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY<br /> TẤM HỢP KIM NHÔM AA7075<br /> STUDY ON THE EFFECT OF WELDING PARAMETERS ON TENSILE PROPERTIES<br /> OF FRICTION STIR WELDING AA7075 ALUMINIUM ALLOYS PLATE<br /> Dương Đình Hảo1, Trần Hưng Trà2, Vũ Công Hòa3<br /> Ngày nhận bài: 24/12/2014; Ngày phản biện thông qua: 26/5/2015; Ngày duyệt đăng: 15/9/2015<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Ảnh hưởng của thông số hàn đến độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075 được khảo sát qua<br /> nhiều chế độ hàn khác nhau với sự kết hợp của tốc độ quay chốt hàn w và tốc độ hàn v. Kết quả khảo sát thực nghiệm cho<br /> thấy, khi tỉ số w/v nằm trong khoảng từ 4.0÷10.0 vòng/mm thì mối hàn đạt chất lượng với độ bền kéo và độ biến dạng cao<br /> nhất lần lượt là 76% và 68% so với vật liệu nền. Trong tất cả các chế độ, vị trí phá hủy của mẫu thử khi kéo đều nằm ngoài<br /> vùng hàn nơi có độ cứng thấp nhất. Kết quả khảo sát cũng cho thấy rằng, khi tỉ số w/v tăng thì độ bền kéo cũng tăng theo<br /> tuy nhiên độ biến dạng giảm xuống. Cấu trúc tại vùng hàn, phân bố độ cứng, vị trí phá hủy và độ bền kéo được phân tích<br /> và thảo luận cụ thể.<br /> Từ khóa: Hàn ma sát khuấy, chế độ hàn, cấu trúc, độ cứng, độ bền kéo<br /> <br /> ABSTRACT<br /> Effect of welding parameters on the tensile strength of friction stir welding of aluminum alloy AA7075 plate was<br /> investigated through many different welding regimes with combination between rotation speed w and weld speed v. The<br /> 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<br /> tensile and strain 76% and 68%, respectively, compared with base metal. In all regimes, the tensile fracture located<br /> outside the stirred zone, in the retreating side or advancing side, where the hardness was the lowest. The survey results also<br /> shown that, when the ratio w/v increased, the tensile strength was also increase but strain was reduction. Microstructure in<br /> welding zone, hardness distribution, tensile fracture location and tensile strength were analysed and discussed.<br /> Keywords: Friction stir welding, welding modes, microstructure, hardness, tensile strength<br /> <br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Nhôm và hợp kim nhôm là một trong những kim<br /> loại phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong tất cả<br /> các ngành công nghiệp chế tạo như ô tô, tàu thủy,<br /> đường sắt, hàng không vũ trụ… Việc sử dụng hợp<br /> kim nhôm sẽ giúp làm giảm đáng kể trọng lượng mà<br /> vẫn đảm bảo độ bền cao. Chính điều này sẽ giúp<br /> tiết kiệm nhiên liệu khá nhiều khi vận hành [3]. Một<br /> trong những nhược điểm khi sử dụng hợp kim nhôm<br /> đó là rất khó khăn khi sử dụng phương pháp hàn<br /> nóng chảy truyền thống đặc biệt là hợp kim nhôm<br /> <br /> 1<br /> <br /> 3<br /> <br /> nhóm AA7xxx và AA2xxx [2]. Đây là hai hợp kim<br /> nhôm được sử dụng khá phổ biến trong ngành hàng<br /> không vũ trụ. Do đó, cần phát triển một công nghệ<br /> hàn tiên tiến để khắc phục những nhược điểm này<br /> và nâng cao độ bền tại mối hàn là điều rất cần thiết.<br /> Do đó, vào năm 1991, Viện hàn TWI (UK) phát<br /> minh ra một công nghệ hàn mới được gọi là hàn<br /> ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW). Đây là<br /> quá trình hàn ở trạng thái rắn nhờ nhiệt ma sát và<br /> ứng dụng chủ yếu cho vật liệu kim loại màu đặc biệt<br /> là nhôm và hợp kim nhôm [1] (hình 1a). Kể từ khi<br /> <br /> ThS. Dương Đình Hảo, 2 TS. Trần Hưng Trà: Khoa Xây dựng – Trường Đại học Nha Trang<br /> TS. Vũ Công Hòa: Khoa Khoa học ứng dụng – Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 21<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản <br /> <br /> Số 3/2015<br /> <br /> mới ra đời cho đến nay, việc nghiên cứu quá trình<br /> hàn này không ngừng tăng lên nhằm mục đích cải<br /> thiện cũng như ứng dụng hiệu quả vào trong thực<br /> tiễn [5] (hình 1b). Một số ưu điểm lớn nhất của công<br /> <br /> <br /> <br /> nghệ hàn này đó là độ biến dạng nhỏ, cơ tính tốt,<br /> hàn được tất cả các hợp kim nhôm, không có khí<br /> thải độc hại, giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu<br /> sử dụng…<br /> <br /> Hình 1. Quá trình hàn ma sát khuấy (a) và sự phát triển trong việc nghiên cứu (b)<br /> <br /> Hàn ma sát khuấy ở Việt Nam là một công nghệ<br /> trước đây trong việc chế tạo máy bay, tàu cao tốc<br /> còn khá mới. Mặc dù ưu điểm của nó là thấy rõ<br /> khi sử dụng các hợp kim nhôm.<br /> nhưng việc ứng dụng vào trong thực tế là hầu như<br /> II. ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP<br /> không có vì những nguyên nhân khác nhau. Nghiên<br /> NGHIÊN CỨU<br /> cứu này sẽ đi chế tạo mối hàn ma sát khuấy và phân<br /> tích sự ảnh hưởng của các thông số hàn đến độ<br /> 1. Đối tượng nghiên cứu<br /> bền kéo đối với hợp kim nhôm AA7075, để từ đó<br /> Đối tượng được nghiên cứu chủ yếu ở đây là<br /> lựa chọn thông số hàn hợp lý nhằm nâng cao độ<br /> ảnh<br /> hưởng của tốc độ quay ω và tốc độ tịnh tiến v<br /> bền của mối hàn. Đây là một trong những hợp kim<br /> của chốt hàn đến độ bền kéo mối hàn. Dựa vào kinh<br /> rất khó hàn bằng phương pháp nóng chảy truyền<br /> nghiệm thực tế, các chế độ hàn được thiết lập nhờ<br /> thống. Với những kết quả đạt được trong bài báo<br /> sự kết hợp giữa ω và v với năm chế độ khác nhau<br /> này, hy vọng rằng mối hàn này có thể thay thế cho<br /> các mối ghép đinh tán, vốn rất thường hay sử dụng<br /> được cho ở bảng 1.<br /> Bảng 1. Các chế độ hàn được thử nghiệm<br /> TT<br /> <br /> Tốc độ quay w<br /> (vòng/phút)<br /> <br /> Tốc độ tịnh tiến v<br /> (mm/phút)<br /> <br /> Tỉ số w/v<br /> (vòng/mm)<br /> <br /> 600<br /> <br /> 200<br /> 150<br /> 80<br /> <br /> 800<br /> 1200<br /> <br /> 80<br /> <br /> 3<br /> 4<br /> 7.5<br /> 10<br /> 15<br /> <br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> 4<br /> 5<br /> <br /> 2. Vật liệu nghiên cứu<br /> Vật liệu được nghiên cứu là tấm hợp kim nhôm AA7075 với kích thước 150×300×5 mm được sử dụng (hình<br /> 2). Đây là chiều dày thường được sử dụng trong thực tế để chế tạo các sản phẩm. Thành phần hóa học và đặc<br /> tính cơ học của AA7075 được cho ở bảng 2 và 3 [4].<br /> Bảng 2. Thành phần hóa học của hợp kim nhôm AA7075 [4]<br /> Nguyên tố<br /> <br /> Al<br /> <br /> Zn<br /> <br /> Thành phần (%)<br /> <br /> 87.1÷91.4<br /> <br /> Mg<br /> <br /> Cu<br /> <br /> Si<br /> <br /> Fe<br /> <br /> Mn<br /> <br /> Ti<br /> <br /> Cr<br /> <br /> 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<br /> <br /> Bảng 3. Đặc tính cơ học của hợp kim nhôm AA7075 [4]<br /> Đặc tính<br /> cơ học<br /> <br /> Giới hạn chảy<br /> (MPa)<br /> <br /> Độ bền kéo<br /> (MPa)<br /> <br /> Độ giãn dài<br /> (%)<br /> <br /> Độ cứng<br /> (HRB)<br /> <br /> Độ bền mỏi<br /> (MPa)<br /> <br /> Modul đàn hồi<br /> (GPa)<br /> <br /> Hệ số poisson<br /> <br /> Giá trị<br /> <br /> 503<br /> <br /> 572<br /> <br /> 3÷11<br /> <br /> 87<br /> <br /> 159<br /> <br /> 71.7<br /> <br /> 0.33<br /> <br /> 22 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản <br /> <br /> Hình 2. Vật liệu nền hợp kim nhôm AA7075<br /> <br /> 3. Phương pháp nghiên cứu<br /> Mối hàn giáp mối của hai tấm hợp kim nhôm<br /> AA7075 dày 5.0 mm được chế tạo từ máy hàn ma<br /> sát khuấy được nghiên cứu chế tạo tại Trường Đại<br /> học Nha Trang. Trong đó sử dụng chốt hàn có dạng<br /> hình côn có ren với đường kính 5.0 mm ở giữa chốt,<br /> <br /> <br /> <br /> Số 3/2015<br /> chiều cao 4.8 mm và bước ren là 1.0 mm (hình 3).<br /> Hai tấm nhôm AA7075 được kẹp chặt trên bàn gá<br /> nhờ các dụng cụ hỗ trợ nhằm hạn chế lực dọc và<br /> lực ngang do quá trình hàn tạo ra (hình 5a). Quá<br /> trình hàn được biểu diễn ở hình 5b.<br /> Sau khi thực hiện xong đường hàn, tiến hành<br /> quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn sau khi tẩm thực<br /> bằng dung dịch 150 ml H2O, 3 ml HNO3, 6 ml HCL<br /> và 6 ml HF [7]. Cơ tính chịu kéo của mối hàn được<br /> thực hiện trên máy Instron 3366 với lực kéo tối đa là<br /> 10 kN. Mẫu thử được chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM<br /> E08 [6]. Thí nghiệm kéo được thực hiện với tốc độ<br /> 5.0 mm/phút. Độ cứng mối hàn được đo trên máy<br /> Rockwell với thang đo HRB sử dụng mũi bi cầu với<br /> tải 100 kg (hình 6).<br /> <br /> Hình 3. Kích thước và hình dạng của dụng cụ hàn<br /> <br /> Hình 4. Sơ đồ lắp đặt bàn gá và dụng cụ hàn<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Gá đặt phôi hàn (a) và thực hiện đường hàn (b)<br /> <br /> Hình 6. Kích thước mẫu kéo (a), máy kéo nén Instron 3366 (b) và máy đo độ cứng Rockwell (c)<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 23<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản <br /> <br /> Số 3/2015<br /> <br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> <br /> khá to và không đều khoảng 10÷35 µm. Vùng (I)<br /> là vùng bị ảnh hưởng nhiệt (Heat Affected Zone HAZ), nơi mà vật liệu đã trải qua một chu kỳ nhiệt<br /> mà không bị biến dạng dẻo. Kích thước hạt khá<br /> lớn, gần tương đương với vật liệu nền khoảng từ<br /> 10÷40 µm. Vùng bị ảnh hưởng cơ nhiệt (II) (Thermo<br /> Mechanically Affected Zone - TMAZ), nơi mà vật<br /> liệu đã bị biến dạng dẻo bởi sự ma sát do vai chốt<br /> hàn tạo nên. Vì thế kích thước hạt nhỏ hơn vùng<br /> ảnh hưởng nhiệt trung bình khoảng 15÷20 µm. Cuối<br /> cùng là vùng khuấy (III) (Stir Zone - SZ), vùng mà<br /> vật liệu bị biến dạng nặng nề nhất trong quá trình<br /> hàn. Đây cũng là vùng chịu nhiệt lớn nhất, do đó<br /> kích thước hạt cũng nhỏ mịn nhất so với các vùng<br /> khác khoảng từ 5÷8 µm (hình 8).<br /> <br /> 1. Cấu trúc tế vi mối hàn<br /> Sau khi đánh bóng mẫu, các khuyết tật của mối<br /> hàn được quan sát bằng mắt thường hay sử dụng<br /> kính hiển vi để quan sát. Với chế độ hàn ω/v = 3.0 và<br /> 15.0 vòng/mm thì mối hàn có khuyết tật rất rõ (hình<br /> 7a,b) với kích thước khá lớn khoảng 500 µm. Các<br /> chế độ còn lại đều không có khuyết tật (hình 7c).<br /> Quan sát mặt cắt ngang của mối hàn ở chế độ<br /> ω/v = 800/80 vòng/mm sau khi tẩm thực các vùng<br /> hàn hiện lên rất rõ. Vùng (IV) phía ngoài cùng là<br /> vùng vật liệu nền (Base Metal - BM), đó là khu vực<br /> mà vật liệu đủ xa tính từ tâm mối hàn nên không bị<br /> ảnh hưởng bởi quá trình này. Kích thước hạt vì thế<br /> <br /> Hình 7. Hình dạng mặt cắt ngang của mối hàn<br /> <br /> Hình 8. Cấu trúc hạt tại các vùng hàn ở chế độ ω/v = 800/80 vòng/mm<br /> <br /> 2. Sự phân bố độ cứng của mối hàn<br /> Sự phân bố độ cứng đo ở giữa mặt cắt ngang<br /> được thể hiện trong hình 9 ứng với các chế độ hàn<br /> khác nhau. Nhìn chung, các chế độ hàn có độ cứng<br /> thấp nhất đều nằm tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)<br /> ở cả hai bên retreating và advancing. Khi tỉ số ω/v<br /> tăng thì vùng HAZ mở rộng hơn, đặc biệt với chế độ<br /> ω/v = 15.0 vòng/mm. Khi ω/v tăng, độ cứng của mối<br /> hàn cũng tăng theo, điều này có liên quan đến nhiệt<br /> độ, sự sinh trưởng và phát triển hạt của vật liệu. Ở<br /> vùng khuấy (SZ), độ cứng khá cao so với vùng HAZ.<br /> <br /> 24 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Hình 9. Sự phân bố độ cứng của mối hàn ở các chế độ khác nhau<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản <br /> 3. Độ bền kéo của mối hàn<br /> Kết quả cho thấy rằng, các mẫu thử ở chế<br /> độ ω/v = 3.0 vòng/mm và ω/v = 15.0 vòng/mm<br /> đều có vị trí phá hủy là tại tâm mối hàn (vùng<br /> khuấy - SZ). Các mẫu ở các chế độ còn lại<br /> đều đứt ở ngoài vùng hàn (vùng ảnh hưởng<br /> nhiệt - HAZ). Ở đây cần lưu ý rằng các mẫu<br /> bị phá hủy tại vùng HAZ có xác suất nằm<br /> bên phía advancing (AV) lớn hơn bên phía<br /> retreating (RE) (hình 10). Đây cũng là vị trí có độ<br /> cứng thấp nhất. Theo hình 8 thì tại tâm của mối hàn,<br /> kích thước hạt nhỏ nhất ngược lại tại vùng ảnh<br /> hưởng nhiệt kích thước hạt khá lớn. Do đó, theo<br /> Hall Petch thì độ bền tại tâm mối hàn luôn lớn<br /> hơn tại vùng ảnh hưởng nhiệt [8], dẫn đến xác<br /> suất phá hủy tại vùng HAZ luôn cao hơn vùng<br /> SZ. Với chế độ hàn ω/v = 3.0 và 15.0 vòng/mm<br /> thì do bị khuyết tật tại vùng mối hàn (đã được<br /> trình bày ở hình 7a,b) nên độ bền rất kém và bị<br /> phá hủy ngay tại vị trí này. Với những chế độ này<br /> có thể thấy rằng chất lượng mối hàn không đạt<br /> yêu cầu.<br /> <br /> Số 3/2015<br /> <br /> Hình 10. Vị trí phá hủy của một số mẫu<br /> <br /> Hình 11 so sánh đường phá hủy và độ co thắt tại<br /> vị trí đứt gãy. Những mẫu phá hủy ở trong và ngoài<br /> vùng hàn có đường phá hủy hoàn toàn khác nhau.<br /> Tại vùng hàn, mặt phá hủy đều vuông góc với lực kéo<br /> còn ngoài khu vực hàn thì không vuông góc và có độ<br /> co thắt ngay tại vị trí phá hủy. Độ co thắt giảm dần từ<br /> chế độ ω/v = 4.0 đến 10.0 vòng/mm. Điều đó có nghĩa<br /> rằng, độ biến dạng dài của chúng giảm khi ω/v tăng.<br /> Với mặt phá hủy vuông góc với lực kéo là do ứng suất<br /> pháp gây ra làm cho mẫu tách tại biên giới hạt. Với<br /> mặt phá hủy không vuông góc với lực kéo, lúc đó sẽ<br /> có ứng suất tiếp làm cho hạt bị cắt khi phá hủy [8].<br /> <br /> Hình 11. Sự khác nhau về độ co thắt và mặt phá hủy ở các chế độ hàn<br /> <br /> Hình 12a trình bày quan hệ giữa ứng suất và<br /> biến dạng. Nhìn chung, độ bền kéo và độ biến dạng<br /> của tất cả các chế độ đều nhỏ hơn so với vật liệu<br /> nền. Với chế độ ω/v = 3.0 vòng/mm có đồ thị ít dốc<br /> nhất, chứng tỏ xu hướng có độ biến dạng lớn (gần<br /> tiệm cận với vật liệu nền). Tuy nhiên, bị phá hủy đột<br /> ngột do mối hàn bị khuyết tật nên dẫn đến có độ<br /> biến dạng khá thấp. Tương tự như vậy nhưng với<br /> chế độ ω/v = 15.0 vòng/mm thì đồ thị có xu hướng<br /> dốc nhất, điều này chứng tỏ độ biến dạng không cao<br /> nhưng có độ bền có thể cao. Khi tỉ số ω/v tăng thì đồ<br /> thị có xu hướng càng dốc, nó cho thấy độ bền tăng<br /> nhưng độ biến dạng lại giảm. Quan hệ giữa tỉ số<br /> tốc độ quay/tịnh tiến ω/v đến ứng suất và biến dạng<br /> của mối hàn được thể hiện ở hình 12b. Hai chế độ<br /> hàn ω/v = 3.0 và 15.0 vòng/mm có ứng suất và biến<br /> dạng rất nhỏ. Điều này cho thấy rằng, chất lượng<br /> mối hàn tốt nhất khi tỉ số ω/v nằm trong khoảng từ<br /> 4.0÷10.0 vòng/mm. Với các chế độ hàn nằm trong<br /> khoảng này, một điều rất dễ nhận ra đó là độ bền<br /> kéo tăng khi tỉ số ω/v tăng, ngược lại độ biến dạng<br /> <br /> sẽ giảm. Điều này có thể liên quan đến mật độ lệch,<br /> kích thước hạt hoặc xô lệch mạng được hình thành<br /> do quá trình cơ nhiệt ở các chế độ hàn khác nhau.<br /> Ứng suất và biến dạng cao nhất lần lượt đạt 76% và<br /> 68% so với vật liệu nền tương ứng với các chế độ<br /> ω/v = 10.0 vòng/mm và 4.0 vòng/mm.<br /> Tốc độ tịnh tiến v và tốc độ quay ω của chốt<br /> hàn ảnh hưởng đến ứng suất và độ biến dạng của<br /> mối hàn được khảo sát và thể hiện ở đồ thị hình 13.<br /> Cố định tốc độ quay ω = 600 vòng/phút và thay<br /> đổi tốc độ tịnh tiến v tăng dần từ 80÷200 mm/phút,<br /> kết quả cho thấy rằng: khi tốc độ tịnh tiến v tăng<br /> thì ứng suất kéo giảm nhưng độ biến dạng tăng<br /> (hình 13a). Ngược lại, khi cố định tốc độ tịnh tiến<br /> v = 80 mm/phút và cho tốc độ quay ω tăng dần từ<br /> 600÷1200 vòng/phút, kết quả lại cho thấy rằng:<br /> khi tốc độ quay ω tăng thì ứng suất kéo sẽ tăng<br /> nhưng độ biến dạng giảm (hình 13b). Ở đây, khi<br /> v tăng hay ω giảm thì nhiệt độ hàn sẽ giảm, điều<br /> này sẽ ảnh hưởng đến sự kết tinh lại của vật liệu<br /> sau khi hàn.<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 25<br /> <br />