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 Số 3/2015 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ HÀN ĐẾN ĐỘ 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 TẮT 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. Từ khóa: Hàn ma sát khuấy, chế độ hàn, cấu trúc, độ cứng, độ bền kéo ABSTRACT Effect 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 I. ĐẶT VẤN ĐỀ nhóm AA7xxx và AA2xxx [2]. Đây là hai hợp kim Nhôm và hợp kim nhôm là một trong những kim nhôm được sử dụng khá phổ biến trong ngành hàng loại phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong tất cả không vũ trụ. Do đó, cần phát triển một công nghệ các ngành công nghiệp chế tạo như ô tô, tàu thủy, hàn tiên tiến để khắc phục những nhược điểm này đường sắt, hàng không vũ trụ Việc sử dụng hợp và nâng cao độ bền tại mối hàn là điều rất cần thiết. kim nhôm sẽ giúp làm giảm đáng kể trọng lượng mà Do đó, vào năm 1991, Viện hàn TWI (UK) phát vẫn đảm bảo độ bền cao. Chính điều này sẽ giúp minh ra một công nghệ hàn mới được gọi là hàn tiết kiệm nhiên liệu khá nhiều khi vận hành [3]. Một ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW). Đây là trong những nhược điểm khi sử dụng hợp kim nhôm quá trình hàn ở trạng thái rắn nhờ nhiệt ma sát và đó là rất khó khăn khi sử dụng phương pháp hàn ứng dụng chủ yếu cho vật liệu kim loại màu đặc biệt nóng chảy truyền thống đặc biệt là hợp kim nhôm là nhôm và hợp kim nhôm [1] (hình 1a). Kể từ khi 1 ThS. Dương Đình Hảo, 2 TS. Trần Hưng Trà: Khoa Xây dựng – Trường Đại học Nha Trang 3 TS. Vũ Công Hòa: Khoa Khoa học ứng dụng – Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 21 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 mới ra đời cho đến nay, việc nghiên cứu quá trình nghệ hàn này đó là độ biến dạng nhỏ, cơ tính tốt, hàn này không ngừng tăng lên nhằm mục đích cải hàn được tất cả các hợp kim nhôm, không có khí thiện cũng như ứng dụng hiệu quả vào trong thực thải độc hại, giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu tiễn [5] (hình 1b). Một số ưu điểm lớn nhất của công 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 Việt Nam là một công nghệ trước đây trong việc chế tạo máy bay, tàu cao tốc còn khá mới. Mặc dù ưu điểm của nó là thấy rõ khi sử dụng các hợp kim nhôm. nhưng việc ứng dụng vào trong thực tế là hầu như không có vì những nguyên nhân khác nhau. Nghiên II. ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP cứu này sẽ đi chế tạo mối hàn ma sát khuấy và phân NGHIÊN CỨU tích sự ảnh hưởng của các thông số hàn đến độ 1. Đối tượng nghiên cứu bền kéo đối với hợp kim nhôm AA7075, để từ đó Đối tượng được nghiên cứu chủ yếu ở đây là lựa chọn thông số hàn hợp lý nhằm nâng cao độ bền của mối hàn. Đây là một trong những hợp kim ảnh hưởng của tốc độ quay ω và tốc độ tịnh tiến v rất khó hàn bằng phương pháp nóng chảy truyền của chốt hàn đến độ bền kéo mối hàn. Dựa vào kinh thống. Với những kết quả đạt được trong bài báo nghiệm thực tế, các chế độ hàn được thiết lập nhờ này, hy vọng rằng mối hàn này có thể thay thế cho sự kết hợp giữa ω và v với năm chế độ khác nhau các mối ghép đinh tán, vốn rất thường hay sử dụng được cho ở bảng 1. Bảng 1. Các chế độ hàn được thử nghiệm Tốc độ quay w Tốc độ tịnh tiến v Tỉ số w/v TT (vòng/phút) (mm/phút) (vòng/mm) 1 200 3 2 600 150 4 3 80 7.5 4 800 10 80 5 1200 15 2. Vật liệu nghiên cứu Vật liệu 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 Giới hạn chảy Độ bền kéo Độ giãn dài Độ cứng Độ bền mỏi Modul đàn hồi Hệ số poisson cơ học (MPa) (MPa) (%) (HRB) (MPa) (GPa) Giá trị 503 572 3÷11 87 159 71.7 0.33 22 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 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 hiện xong đường hàn, tiến hành quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn sau khi tẩm thực bằng dung dịch 150 ml H O, 3 ml HNO , 6 ml HCL Hình 2. Vật liệu nền hợp kim nhôm AA7075 2 3 và 6 ml HF [7]. Cơ tính chịu kéo của mối hàn được 3. Phương pháp nghiên cứu thực hiện trên máy Instron 3366 với lực kéo tối đa là Mối hàn giáp mối của hai tấm hợp kim nhôm 10 kN. Mẫu thử được chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM AA7075 dày 5.0 mm được chế tạo từ máy hàn ma E08 [6]. Thí nghiệm kéo được thực hiện với tốc độ sát khuấy được nghiên cứu chế tạo tại Trường Đại 5.0 mm/phút. Độ cứng mối hàn được đo trên máy học Nha Trang. Trong đó sử dụng chốt hàn có dạng Rockwell với thang đo HRB sử dụng mũi bi cầu với hình côn có ren với đường kính 5.0 mm ở giữa chốt, 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) Hình 6. Kích thước mẫu kéo (a), máy kéo nén Instron 3366 (b) và máy đo độ cứng Rockwell (c) TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 23 Đường hàn (b) Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN khá to và không đều khoảng 10÷35 µm. Vùng (I) là vùng bị ảnh hưởng nhiệt (Heat Affected Zone - 1. Cấu trúc tế vi mối hàn HAZ), nơi mà vật liệu đã trải qua một chu kỳ nhiệt Sau khi đánh bóng mẫu, các khuyết tật của mối mà không bị biến dạng dẻo. Kích thước hạt khá hàn được quan sát bằng mắt thường hay sử dụng lớn, gần tương đương với vật liệu nền khoảng từ kính hiển vi để quan sát. Với chế độ hàn ω/v = 3.0 và 10÷40 µm. Vùng bị ảnh hưởng cơ nhiệt (II) (Thermo 15.0 vòng/mm thì mối hàn có khuyết tật rất rõ (hình Mechanically Affected Zone - TMAZ), nơi mà vật 7a,b) với kích thước khá lớn khoảng 500 µm. Các liệu đã bị biến dạng dẻo bởi sự ma sát do vai chốt chế độ còn lại đều không có khuyết tật (hình 7c). hàn tạo nên. Vì thế kích thước hạt nhỏ hơn vùng Quan sát mặt cắt ngang của mối hàn ở chế độ ảnh hưởng nhiệt trung bình khoảng 15÷20 µm. Cuối ω/v = 800/80 vòng/mm sau khi tẩm thực các vùng cùng là vùng khuấy (III) (Stir Zone - SZ), vùng mà hàn hiện lên rất rõ. Vùng (IV) phía ngoài cùng là vật liệu bị biến dạng nặng nề nhất trong quá trình vùng vật liệu nền (Base Metal - BM), đó là khu vực hàn. Đây cũng là vùng chịu nhiệt lớn nhất, do đó mà vật liệu đủ xa tính từ tâm mối hàn nên không bị kích thước hạt cũng nhỏ mịn nhất so với các vùng ảnh hưởng bởi quá trình này. Kích thước hạt vì thế 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 hàn Sự phân bố độ cứng đo ở giữa mặt cắt ngang được thể hiện trong hình 9 ứng với các chế độ hàn khác nhau. Nhìn chung, các chế độ hàn có độ cứng thấp nhất đều nằm tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) ở cả hai bên retreating và advancing. Khi tỉ số ω/v tăng thì vùng HAZ mở rộng hơn, đặc biệt với chế độ ω/v = 15.0 vòng/mm. Khi ω/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. Ở vùng khuấy (SZ), độ cứng khá cao so với vùng HAZ. Hình 9. Sự phân bố độ cứng của mối hàn ở các chế độ khác nhau 24 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 3. Độ bền kéo của mối hàn Kết quả cho thấy rằng, các mẫu thử ở chế độ 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 độ còn lại đều đứt ở ngoài vùng hàn (vùng ảnh hưởng nhiệt - HAZ). Ở đây cần lưu ý 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 độ Hình 10. Vị trí phá hủy của một số mẫu cứng thấp nhất. Theo hình 8 thì tại tâm của mối hàn, Hình 11 so sánh đường phá hủy và độ co thắt tại kích thước hạt nhỏ nhất ngược lại tại vùng ảnh vị trí đứt gãy. Những mẫu phá hủy ở trong và ngoài hưởng nhiệt kích thước hạt khá lớn. Do đó, theo vùng hàn có đường phá hủy hoàn toàn khác nhau. Hall Petch thì độ bền tại tâm mối hàn luôn lớn Tại vùng hàn, mặt phá hủy đều vuông góc với lực kéo hơn tại vùng ảnh hưởng nhiệt [8], dẫn đến xác còn ngoài khu vực hàn thì không vuông góc và có độ suất phá hủy tại vùng HAZ luôn cao hơn vùng co thắt ngay tại vị trí phá hủy. Độ co thắt giảm dần từ SZ. Với chế độ hàn ω/v = 3.0 và 15.0 vòng/mm chế độ ω/v = 4.0 đến 10.0 vòng/mm. Điều đó có nghĩa thì do bị khuyết tật tại vùng mối hàn (đã được rằng, độ biến dạng dài của chúng giảm khi ω/v tăng. trình bày ở hình 7a,b) nên độ bền rất kém và bị Với mặt phá hủy vuông góc với lực kéo là do ứng suất phá hủy ngay tại vị trí này. Với những chế độ này pháp gây ra làm cho mẫu tách tại biên giới hạt. Với có thể thấy rằng chất lượng mối hàn không đạt mặt phá hủy không vuông góc với lực kéo, lúc đó sẽ yêu cầu. 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 hệ giữa ứng suất và sẽ giảm. Điều này có thể liên quan đến mật độ lệch, biến dạng. Nhìn chung, độ bền kéo và độ biến dạng kích thước hạt hoặc xô lệch mạng được hình thành của tất cả các chế độ đều nhỏ hơn so với vật liệu do quá trình cơ nhiệt ở các chế độ hàn khác nhau. nền. Với chế độ ω/v = 3.0 vòng/mm có đồ thị ít dốc Ứng suất và biến dạng cao nhất lần lượt đạt 76% và nhất, chứng tỏ xu hướng có độ biến dạng lớn (gần 68% so với vật liệu nền tương ứng với các chế độ tiệm cận với vật liệu nền). Tuy nhiên, bị phá hủy đột ω/v = 10.0 vòng/mm và 4.0 vòng/mm. ngột do mối hàn bị khuyết tật nên dẫn đến có độ Tốc độ tịnh tiến v và tốc độ quay ω của chốt biến dạng khá thấp. Tương tự như vậy nhưng với hàn ảnh hưởng đến ứng suất và độ biến dạng của chế độ ω/v = 15.0 vòng/mm thì đồ thị có xu hướng mối hàn được khảo sát và thể hiện ở đồ thị hình 13. dốc nhất, điều này chứng tỏ độ biến dạng không cao Cố định tốc độ quay ω = 600 vòng/phút và thay nhưng có độ bền có thể cao. Khi tỉ số ω/v tăng thì đồ đổi tốc độ tịnh tiến v tăng dần từ 80÷200 mm/phút, thị có xu hướng càng dốc, nó cho thấy độ bền tăng kết quả cho thấy rằng: khi tốc độ tịnh tiến v tăng nhưng độ biến dạng lại giảm. Quan hệ giữa tỉ số thì ứng suất kéo giảm nhưng độ biến dạng tăng tốc độ quay/tịnh tiến ω/v đến ứng suất và biến dạng (hình 13a). Ngược lại, khi cố định tốc độ tịnh tiến của mối hàn được thể hiện ở hình 12b. Hai chế độ v = 80 mm/phút và cho tốc độ quay ω tăng dần từ hàn ω/v = 3.0 và 15.0 vòng/mm có ứng suất và biến 600÷1200 vòng/phút, kết quả lại cho thấy rằng: dạng rất nhỏ. Điều này cho thấy rằng, chất lượng khi tốc độ quay ω tăng thì ứng suất kéo sẽ tăng mối hàn tốt nhất khi tỉ số ω/v nằm trong khoảng từ nhưng độ biến dạng giảm (hình 13b). Ở đây, khi 4.0÷10.0 vòng/mm. Với các chế độ hàn nằm trong v tăng hay ω giảm thì nhiệt độ hàn sẽ giảm, điều khoảng này, một điều rất dễ nhận ra đó là độ bền này sẽ ảnh hưởng đến sự kết tinh lại của vật liệu kéo tăng khi tỉ số ω/v tăng, ngược lại độ biến dạng sau khi hàn. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 25 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 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 LUẬN Mối hàn ma sát khuấy của hợp kim nhôm AA7075 được chế tạo thành công và đã xác định được chế độ hàn hợp lý trên tiêu chí cấu trúc không khuyết tật và độ bền kéo cao nhất. Ảnh hưởng của tốc độ quay ω và tốc độ 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 độ 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 độ cứng thấp nhất (HAZ). Độ bền kéo và độ biến dạng cao nhất lần lượt đạt khoảng 76% và 68% so với vật liệu nền. Khi tỉ số ω/v tăng thì độ bền kéo tăng nhưng độ biến dạng giảm. Độ 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. 26 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG