Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ HÀN ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ CẤU TRÚC MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY TẤM HỢP KIM NHÔM AA7075-T6 STUDY OF EFFECT OF WELDING PARAMETERS ON TEMPERATURE DISTRIBUTION AND MICROSTRUCTURE OF FRICTION STIR WELDING AA7075-T6 Dương Đình Hảo1a, Trần Hưng Trà1b, Vũ Công Hòa2c, Phí Công Thuyên3 Bộ môn Cơ kỹ thuật, Trường Đại học Nha Trang Bộ môn Cơ kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM Trung tâm thí nghiệm thực hành, Trường Đại học Nha Trang a dinhhaontu@gmail.com; bthtdhts@gmail.com; cvuconghoa@gmail.com TÓM TẮT Mối hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm AA7075-T6 nghiên cứu chế tạo thử nghiệm Trường Đại học Nha Trang Ảnh hưởng thông số hàn đến phân bố nhiệt độ, chất lượng bề mặt cấu trúc tế vi mối hàn khảo sát qua nhiều chế độ hàn khác Kết khảo sát thực nghiệm cho thấy nhiệt độ cao nằm vùng khuấy (SZ) tất trường hợp có xu hướng tăng tỷ số tốc độ quay chốt hàn  tốc độ hàn v (/v) tăng Mối hàn đạt chất lượng tỷ số /v nằm khoảng từ 4.0÷10.0 vòng/mm Nghiên cứu rằng, tỷ số /v tăng kích thước hạt vùng hàn tăng lên Cấu trúc hạt thay đổi làm tính thay đổi thể qua thay đổi độ cứng (Hardness) Từ khóa: hàn ma sát khuấy, cấu trúc tế vi mối hàn, thông số hàn, độ cứng, phân bố nhiệt độ ABSTRACT The Friction stir welding AA7075-T6 aluminum alloys were studied and produced at Nha Trang University The effect of the welding parameters on temperature distributions, quality of joint as well as microstructures of the friction stir welded joints were investigated in various regimes The experimental results shown that, in all case, the highest temperature is in stirred zone (SZ) and increases when the ratio of rotational speed to weld speed ( /v) rises The joints are fabricated successfully when the ratio of rotational speed to weld speed is in range from 4.0 to 10.0 rev/mm The experiment also indicated that, the grain size rose when the ratio (/v) is increased The change of grain sizes effect on mechanical properties that are presented by hardness distribution Keywords: friction stir welding, microstructures, welding parameter, hardness, temperature distribution ĐẶT VẤN ĐỀ Hàn ma sát khuấy FSW (Friction Stir Welding) phát minh năm 1991 TWI (The Welding Institute) (Hình 1) [1] Do vượt trội độ bền, hiệu kinh tế thân thiện với môi trường (so với phương pháp hàn truyền thống TIG, MIG, TAW, v.v.) nên từ đời công nghệ hàn ma sát khuấy không ngừng hút nhà nghiên cứu với số lượng công trình tăng vọt theo năm Công nghệ phát triển ứng dụng mạnh hợp kim xem khó hàn với phương pháp hàn chảy truyền thống Đặc biệt hợp kim nhôm, hiệu mà mang lại lớn [2] 252 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trong ngành công nghiệp chế tạo, hợp kim nhôm thuộc nhóm AA5xxx AA6xxx thường ứng dụng hợp kim hàn phương pháp hàn truyền thống TIG hay MIG, nhiên độ bền mối hàn không cao (Hình 2) [4] Hiện nay, việc ứng dụng hàn ma sát FSW cho phép hàn tốt hợp kim nhôm có độ bền cao thuộc nhóm AA2xxx AA7xxx Đây hai hợp kim khó hàn phương pháp hàn nóng chảy truyền thống Việc nâng cao độ bền mối hàn phụ thuộc nhiều vào thông số hàn mà yếu tố cần khảo sát nhiệt độ cấu trúc tế vi mối hàn Bài báo tập trung khảo sát ảnh hưởng thông số hàn đến nhiệt độ cấu trúc mối hàn Đây nguyên nhân ảnh hưởng trực tiếp đến tính mối hàn Hình Quá trình hàn ma sát khuấy [3] Hình Đặc tính gia công nhiệt hợp kim nhôm VẬT LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM 2.1 Vật liệu thí nghiệm Vật liệu sử dụng để thí nghiệm hợp kim nhôm AA7075-T6 với kích thước 150×300×5 mm (Hình 3) [5] Thành phần hóa học đặc tính học AA7075-T6 cho Bảng [6] Hình Vật liệu hợp kim nhôm AA7075-T6 Nguyên tố Thành phần (%) Đặc tính học Giá trị Bảng Thành phần hóa học hợp kim nhôm AA7075-T6 Al Zn Mg Cu Si Fe Mn Ti 87.1÷91.4 5.1÷6.1 2.11÷2.9 1.2÷2 Cr Max Max Max Max 0.18÷0.28 0.4 0.5 0.3 0.2 Bảng Đặc tính học hợp kim nhôm AA7075-T6 Giới hạn Độ Độ bền Độ bền Độ cứng Modul đàn Hệ số chảy giãn mỏi kéo (MPa) (HRB) hồi (GPa) poisson (MPa) dài (%) (MPa) 503 572 3÷11 87 253 159 71.7 0.33 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Mối hàn giáp mối hai hợp kim nhôm AA7075-T6 dày 5.0 mm chế tạo từ máy hàn ma sát khuấy Trong sử dụng chốt hàn dạng hình côn có ren với đường kính 5.0 mm chốt, chiều cao 4.8 mm bước ren 1.0 mm Sau thiết kế chế tạo, để chốt hàn đạt độ cứng mong muốn, tiến hành nhiệt độ 1030oC ram 600oC Độ cứng chốt hàn sau nhiệt luyện đạt 47 HRC Để giúp cho máy giảm lực cản tránh trường hợp bị gãy chốt hàn xảy ra, bàn gá đặt nghiêng góc 2o so với phương ngang Hai nhôm AA7075-T6 kẹp chặt bàn gá nhờ dụng cụ hỗ trợ nhằm hạn chế lực dọc lực ngang trình hàn tạo (Hình 4a) Quá trình hàn biểu diễn Hình 4b [7] Hạn chế lực dọc Đường hàn Hạn chế lực ngang (b) (a) Hình Gá đặt phôi hàn (a) thực đường hàn (b) Sự phân bố nhiệt độ mối hàn khảo sát hai vị trí cảm ứng nhiệt hai đầu Vị trí tâm mối hàn (vùng khuấy-SZ) vị trí cách tâm 10 mm (vùng ảnh hưởng nhiệt-HAZ) (Hình 5b) Hình Quá trình khảo sát nhiệt độ (a) vị trí khảo sát (b) Sau thực xong đường hàn, tiến hành chuẩn bị mẫu để quan sát cấu trúc tế vi mối hàn (Hình 6a-b) Bề mặt mẫu tẩm thực dung dịch 150 ml H2O, ml HNO3, ml HCL ml HF [8] Cấu trúc tế vi quan sát kính hiển vi kim tương Olympus – CK40M với độ phóng đại 2400x (Hình 6c) Độ cứng mối hàn đo máy Rockwell với thang đo HRB sử dụng mũi bi cầu với tải 100 kg (Hình 6d) [9-10] (a) Cắt mẫu (b) Đánh bóng mẫu (c) Quan sát cấu trúc tế vi (d) Đo độ cứng Rockwell Hình Quá trình quan sát cấu trúc đo độ cứng 254 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Sự phân bố nhiệt độ vùng hàn Sự phân bố nhiệt độ xung quanh vùng hàn quan trọng việc giải thích đặc tính học mối hàn Nó ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tế vi mối hàn kích thước hạt, biên giới hạt cấu trúc mạng,… [11-14] Sau tiến hành đo nhiệt độ thu thập số liệu ta có kết thể Hình Có thể thấy, chế độ, nhiệt độ lớn nằm tâm mối hàn (vùng khuấy – SZ) (Hình 7a) nhiệt độ thấp vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) (Hình 7b) Nhiệt độ cao chế độ hàn /v = 15.0 vòng/mm thấp /v = 3.0 vòng/mm Hình Sự phân bố nhiệt độ vùng khuấy (a) vùng ảnh hưởng nhiệt (b) Sự phụ thuộc nhiệt độ vào thông số hàn thể Hình Tỷ lệ tốc độ quay tốc độ tịnh tiến /v tăng làm tăng nhiệt độ vùng hàn Điều có liên quan đến ma sát sinh dụng cụ hàn vật liệu Khi /v tăng nhiệt độ tâm vùng hàn tiệm cận với nhiệt độ nóng chảy vật liệu Đây điều không mong muốn, mối hàn trở nên nhiệt giòn Tuy nhiên không nên thấp lúc vật liệu không đủ dẻo để khuấy nên dễ bị khuyết tật đường hàn Do đó, ta cần lựa chọn tỷ lệ tham số / cho hợp lý Hình Ảnh hưởng tỷ số /v đến nhiệt độ hàn 3.2 Đánh giá chất lượng bề mặt mối hàn Bề mặt mối hàn trình bày Hình Với chế độ hàn /v = 2.0 vòng/mm cho thấy mối hàn không ngấu, điều chế độ chất lượng chắn không đạt Quan sát mối hàn qua lỗ thoát dụng cụ, thấy với chế độ /v = 4.0 vòng/mm độ ngấu có trội chế độ lại chế độ /v = 10.0 vòng/mm có bề mặt xấu Độ ngấu mối hàn khảo sát rõ phần thông qua cấu trúc tế vi 255 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình So sánh bề mặt mối hàn chế độ khác 3.3 Cấu trúc tế vi mối hàn Sau đánh bóng mẫu, khuyết tật mối hàn quan sát mắt thường hay sử dụng kính hiển vi để quan sát Với chế độ hàn /v = 3.0 15.0 vòng/mm mối hàn có khuyết tật rõ (Hình 10a-b) Kích thước khuyết tật lớn khoảng 500 µm Các chế độ lại khuyết tật (Hình 10c) Quan sát mặt cắt ngang mối hàn chế độ /v = 10.0 vòng/mm sau tẩm thực vùng hàn lên rõ Vùng (IV) phía vùng vật liệu (Base metal – BM), khu vực mà vật liệu đủ xa tính từ tâm mối hàn nên không bị ảnh hưởng trình Kích thước hạt to không đều, khoảng 10÷35 µm Vùng (I) vùng bị ảnh hưởng nhiệt (Heat Affected Zone - HAZ), nơi mà vật liệu trải qua chu kỳ nhiệt mà không bị biến dạng dẻo Kích thước hạt lớn, gần tương đương với vật liệu khoảng từ 10÷40 µm Vùng bị ảnh hưởng nhiệt (II) (Thermo Mechanically Affected Zone - TMAZ), nơi mà vật liệu bị biến dạng dẻo ma sát vai chốt hàn tạo nên Vì kích thước hạt nhỏ vùng ảnh hưởng nhiệt trung bình khoảng 15÷20 µm Cuối vùng khuấy (III) (Stir Zone – SZ), vùng mà vật liệu bị biến dạng nặng nề trình hàn Đây vùng chịu nhiệt lớn nhất, kích thước hạt nhỏ mịn so với vùng khác khoảng từ 5÷8 µm (Hình 11) (a) Khuyết tật /v = 3.0 vòng/mm (b) /v = 15.0 vòng/mm (c) Khuyết tật Không khuyết tật Các chế độ lại Hình 10 Hình dạng mặt cắt ngang mối hàn 256 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV a) Vùng I b) Vùng II c) Vùng III d) Vùng IV Hình 11 Cấu trúc hạt vùng hàn chế độ /v = 10.0 vòng/mm Hình 12 trình bày khác kích thước hạt vùng SZ chế độ hàn Kết quan sát cho thấy rằng, kích thước hạt tăng dần theo chiều tăng tỷ số /v Hay, tốc độ quay  tăng (v = const) tốc độ v giảm ( = const) kích thước hạt tăng Điều hoàn toàn có sở nhiệt độ khảo sát tăng theo /v Khi nhiệt độ tăng tốc độ làm nguội chậm, điều tạo điều kiện cho việc phát triển mầm làm cho hạt thô [10] Hình 13 cho thấy rõ kích thước hạt phụ thuộc vào tỷ số /v nhiệt độ mối hàn Điều ảnh hưởng nhiều đến tính mối hàn độ bền kéo, độ cứng, độ bền uốn, lượng va đập,… a) /v = 4.0 vòng/mm b) /v = 7.5 vòng/mm c) /v = 10.0 vòng/mm d) /v = 15.0 vòng/mm Hình 12 So sánh kích thước hạt vùng SZ chế độ hàn Hình 13 Sự phụ thuộc kích thước hạt vào tỷ số /v (a) nhiệt độ (b) 3.4 Sự phân bố độ cứng mối hàn Kết khảo sát cho thấy rằng, vị trí có độ cứng nhỏ chế độ hàn vùng ảnh hưởng nhiệt Tại vùng hàn, độ cứng cao vùng ảnh hưởng nhiệt thấp vật liệu (vị trí cách xa vùng hàn) Điều liên quan đến kích thước hạt vùng hàn Tại vùng khuấy SZ, kích thước hạt nhỏ nên có độ bền độ cứng cao vùng HAZ [10] Độ cứng vị trí thường cao vị trí không đáng kể (Hình 14) 257 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 14 Sự phân bố độ cứng mối hàn chế độ Sự phân bố độ cứng đo mặt cắt ngang (vị trí 2) thể Hình 15 ứng với chế độ hàn khác Khi tỷ số /v tăng vùng HAZ mở rộng hơn, đặc biệt với chế độ /v = 15.0 vòng/mm Khi /v tăng, độ cứng mối hàn tăng theo, điều có liên quan đến nhiệt độ, sinh trưởng phát triển hạt vật liệu Hình 15 So sánh độ cứng mối hàn chế độ khác KẾT LUẬN Mối hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm AA7075-T6 chế tạo thành công xác định chế độ hàn hợp lý tiêu chí cấu trúc không khuyết tật Ảnh hưởng tốc độ quay  chốt hàn tốc độ hàn v đến phân bố nhiệt độ, cấu trúc tế vi độ cứng mối hàn khảo sát phân tích cụ thể 258 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Nhiệt độ cao nằm vùng khuấy SZ tất trường hợp có xu hướng tăng tỷ số /v tăng - Mối hàn không bị khuyết tật tỷ số /v nằm khoảng 4.0÷10.0 vòng/mm - Tại vùng khuấy SZ, kích thước hạt nhỏ tất chế độ có xu hướng tăng tăng tỷ số /v tăng - Vùng HAZ có độ cứng nhỏ có xu hướng mở rộng tỷ số /v tăng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rowe C E D and Thomas W M., Advances in tooling materials for friction stir welding (Cedar Metals Ltd, TWI Cambridge) Materials Congress – Disruptive Technologies for Light Metals, 2006, pp [2] Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Công Hòa, Nghiên cứu khả ứng dụng máy phay đứng UF222 việc chế tạo mối hàn ma sát khuấy Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, 2014, pp 181-186 [3] Thomas W M., Norris I M., Staines D G and Watts E R., Friction Stir Welding: Process Developments and Variant Techniques Paper presented at SME Summit, Oconomowoc Milwaukee USA, 2005, pp [4] Friction Stir Welding - the ESAB Way [5] Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Công Hòa, Ảnh hưởng thông số hàn đến độ bền uốn mối hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm AA7075-T6 Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ XII, Đà Nẵng, 6-7, 2015 [6] ASM Handbook, Volume 2: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and SpecialPurpose Materials ASM International Handbook Committee, 1990, pp 450-462 [7] Duong Dinh Hao, Tran Hung Tra, Vu Cong Hoa, Study of effect of friction stir welding parameters on impact energy of AA7075-T6 Journal of Science and Technology, 2015 [8] Metals Handbook 8th Edition, Metallography, Structures and Phase Diagrams, Vol American Society for Metals, 1973, pp 124 [9] Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Công Hòa, Nghiên cứu ảnh hưởng thông số hàn đến độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm AA7075, Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy sản, 2015 [10] William D C and David G R Materials Science and Engineering 8th, John Wiley & Sons Inc, 2010, pp 175 [11] Field D P., Nelson T W., Hovanski Y., and Jata K V., Heterogeneity of crystallographic texture in friction stir welds of aluminum Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 2001, Vol 32, pp 2869-2877 [12] Ponda R W and Bingert J F., Precipitation and grain refinement in a 2195 Al friction stir weld Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 2006, Vol 37, pp 3593-3604 [13] Oosterkamp A., Oosterkamp L.D., and Nordeide A., Kissing bond' phenomena in solidstate welds of aluminum alloys Welding Journal (Miami Fla), 2004, Vol 83, pp.225 [14] Sato Y S., Kokawa H., Enomoto M., Jogan S., and Hashimoto T., Precipitation sequence in friction stir weld of 6063 aluminum during aging Metallurgical and materials transactions, 1999, Vol 30, pp 3125-3130 259 ... khảo sát nhiệt độ cấu trúc tế vi mối hàn Bài báo tập trung khảo sát ảnh hưởng thông số hàn đến nhiệt độ cấu trúc mối hàn Đây nguyên nhân ảnh hưởng trực tiếp đến tính mối hàn Hình Quá trình hàn ma. .. So sánh độ cứng mối hàn chế độ khác KẾT LUẬN Mối hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm AA7075-T6 chế tạo thành công xác định chế độ hàn hợp lý tiêu chí cấu trúc không khuyết tật Ảnh hưởng tốc độ quay... hưởng nhiệt (HAZ) (Hình 7b) Nhiệt độ cao chế độ hàn /v = 15.0 vòng/mm thấp /v = 3.0 vòng/mm Hình Sự phân bố nhiệt độ vùng khuấy (a) vùng ảnh hưởng nhiệt (b) Sự phụ thuộc nhiệt độ vào thông số hàn