intTypePromotion=1

Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

0
43
lượt xem
3
download

Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hàn đến độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ảnh hưởng của thông số hàn đến độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075 được khảo sát qua 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 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 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 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 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 và thảo luận cụ thể.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: 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 />
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2