so 3 2015 04 duong dinh hao 162

Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 3/2015 THÔNG BÁO KHOA HỌC 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 Cơng Hịa3 Ngày nhận bài: 24/12/2014; Ngày phản biện thơng qua: 26/5/2015; Ngày duyệt đăng: 15/9/2015 TĨM TẮT Ảnh hưởng thông số hàn đến độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm AA7075 khảo sát qua nhiều chế độ hàn khác với kết hợp tốc độ quay chốt hàn w tốc độ hàn v Kết khảo sát thực nghiệm cho thấy, tỉ số w/v nằm khoảng từ 4.0÷10.0 vịng/mm mối hàn đạt chất lượng với độ bền kéo độ biến dạng cao 76% 68% so với vật liệu Trong tất chế độ, vị trí phá hủy mẫu thử kéo nằm vùng hàn nơi có độ cứng thấp Kết khảo sát cho thấy rằng, tỉ số w/v tăng độ bền kéo tăng theo nhiên độ biến dạng giảm xuống Cấu trúc vùng hàn, phân bố độ cứng, vị trí phá hủy độ bền kéo phân tích 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 Nhôm hợp kim nhôm kim loại phổ biến sử dụng rộng rãi tất ngành công nghiệp chế tạo ô tô, tàu thủy, đường sắt, hàng không vũ trụ… Việc sử dụng hợp kim nhôm giúp làm giảm đáng kể trọng lượng mà đảm bảo độ bền cao Chính điều giúp tiết kiệm nhiên liệu nhiều vận hành [3] Một nhược điểm sử dụng hợp kim nhơm khó khăn sử dụng phương pháp hàn nóng chảy truyền thống đặc biệt hợp kim nhơm nhóm AA7xxx AA2xxx [2] Đây hai hợp kim nhôm sử dụng phổ biến ngành hàng không vũ trụ Do đó, cần phát triển cơng nghệ hàn tiên tiến để khắc phục nhược điểm nâng cao độ bền mối hàn điều cần thiết Do đó, vào năm 1991, Viện hàn TWI (UK) phát minh công nghệ hàn gọi hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) Đây trình hàn trạng thái rắn nhờ nhiệt ma sát ứng dụng chủ yếu cho vật liệu kim loại màu đặc biệt nhôm hợp kim nhơm [1] (hình 1a) Kể từ ThS Dương Đình Hảo, TS Trần Hưng Trà: Khoa Xây dựng – Trường Đại học Nha Trang TS Vũ Cơng Hịa: Khoa Khoa học ứng dụng – Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 21 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 3/2015 đời nay, việc nghiên cứu q trình hàn khơng ngừng tăng lên nhằm mục đích cải thiện ứng dụng hiệu vào thực tiễn [5] (hình 1b) Một số ưu điểm lớn công nghệ hàn độ biến dạng nhỏ, tính tốt, hàn tất hợp kim nhơm, khơng có khí thải độc hại, giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu sử dụng… Hình Quá trình hàn ma sát khuấy (a) phát triển việc nghiên cứu (b) Hàn ma sát khuấy Việt Nam công nghệ trước việc chế tạo máy bay, tàu cao tốc Mặc dù ưu điểm thấy rõ sử dụng hợp kim nhôm việc ứng dụng vào thực tế II ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP khơng có ngun nhân khác Nghiên NGHIÊN CỨU cứu chế tạo mối hàn ma sát khuấy phân tích ảnh hưởng thông số hàn đến độ Đối tượng nghiên cứu bền kéo hợp kim nhôm AA7075, để từ Đối tượng nghiên cứu chủ yếu lựa chọn thông số hàn hợp lý nhằm nâng cao độ ảnh hưởng tốc độ quay ω tốc độ tịnh tiến v bền mối hàn Đây hợp kim chốt hàn đến độ bền kéo mối hàn Dựa vào kinh khó hàn phương pháp nóng chảy truyền nghiệm thực tế, chế độ hàn thiết lập nhờ thống Với kết đạt báo kết hợp ω v với năm chế độ khác này, hy vọng mối hàn thay cho mối ghép đinh tán, vốn thường hay sử dụng cho bảng Bảng Các chế độ hàn thử nghiệm TT Tốc độ quay w (vòng/phút) Tốc độ tịnh tiến v (mm/phút) Tỉ số w/v (vòng/mm) 600 200 150 80 800 1200 80 7.5 10 15 Vật liệu nghiên cứu Vật liệu nghiên cứu hợp kim nhơm AA7075 với kích thước 150×300×5 mm sử dụng (hình 2) Đây chiều dày thường sử dụng thực tế để chế tạo sản phẩm Thành phần hóa học đặc tính học AA7075 cho bảng [4] Bảng Thành phần hóa học hợp kim nhôm AA7075 [4] Nguyên tố Al Zn Thành phần (%) 87.1÷91.4 Mg Cu Si Fe Mn Ti Cr 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 Đặc tính học hợp kim nhơm AA7075 [4] Đặc tính học Giới hạn chảy (MPa) Độ bền kéo (MPa) Độ giãn dài (%) Độ cứng (HRB) Độ bền mỏi (MPa) Modul đàn hồi (GPa) Hệ số poisson Giá trị 503 572 3÷11 87 159 71.7 0.33 22 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Hình Vật liệu hợp kim nhôm AA7075 Phương pháp nghiên cứu Mối hàn giáp mối hai hợp kim nhôm AA7075 dày 5.0 mm chế tạo từ máy hàn ma sát khuấy nghiên cứu chế tạo Trường Đại học Nha Trang Trong sử dụng chốt hàn có dạng hình có ren với đường kính 5.0 mm chốt, Số 3/2015 chiều cao 4.8 mm bước ren 1.0 mm (hình 3) Hai nhơm AA7075 kẹp chặt bàn gá nhờ dụng cụ hỗ trợ nhằm hạn chế lực dọc lực ngang trình hàn tạo (hình 5a) Quá trình hàn biểu diễn hình 5b Sau thực xong đường hàn, tiến hành quan sát cấu trúc tế vi mối hàn sau tẩm thực dung dịch 150 ml H2O, ml HNO3, ml HCL ml HF [7] Cơ tính chịu kéo mối hàn thực máy Instron 3366 với lực kéo tối đa 10 kN Mẫu thử chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM E08 [6] Thí nghiệm kéo thực với tốc độ 5.0 mm/phút Độ cứng mối hàn đo máy Rockwell với thang đo HRB sử dụng mũi bi cầu với tải 100 kg (hình 6) Hình Kích thước hình dạng dụng cụ hàn Hình Sơ đồ lắp đặt bàn gá dụng cụ hàn Hình Gá đặt phơi hàn (a) thực đường hàn (b) Hình Kích thước mẫu kéo (a), máy kéo nén Instron 3366 (b) máy đo độ cứng Rockwell (c) TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 23 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 3/2015 III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN to khơng 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 liu nn khong t 10ữ40 àm Vựng b nh hng 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 bỡnh khong 15ữ20 àm Cui cựng l vựng khuy (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 khong t 5ữ8 àm (hỡnh 8) Cu trỳc t 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 ω/v = 3.0 15.0 vịng/mm mối hàn có khuyết tật rõ (hình 7a,b) với kích thước lớn khoảng 500 µm Các chế độ cịn lại khơng có khuyết tật (hình 7c) Quan sát mặt cắt ngang mối hàn chế độ ω/v = 800/80 vòng/mm sau tẩm thực vùng hàn lên rõ Vùng (IV) phía ngồi 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 Hình Hình dạng mặt cắt ngang mối hàn Hình Cấu trúc hạt vùng hàn chế độ ω/v = 800/80 vòng/mm Sự phân bố độ cứng mối hàn Sự phân bố độ cứng đo mặt cắt ngang thể hình ứng với chế độ hàn khác Nhìn chung, chế độ hàn có độ cứng thấp nằm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) hai bên retreating advancing Khi tỉ số ω/v tăng vùng HAZ mở rộng hơn, đặc biệt với chế độ ω/v = 15.0 vòng/mm Khi ω/v tăng, độ cứng mối hàn tăng theo, điều có liên quan đến nhiệt độ, sinh trưởng phát triển hạt vật liệu Ở vùng khuấy (SZ), độ cứng cao so với vùng HAZ 24 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Hình Sự phân bố độ cứng mối hàn chế độ khác Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Độ bền kéo mối hàn Kết cho thấy rằng, mẫu thử chế độ ω/v = 3.0 vòng/mm ω/v = 15.0 vịng/mm có vị trí phá hủy tâm mối hàn (vùng khuấy - SZ) Các mẫu chế độ cịn lại đứt ngồi vùng hàn (vùng ảnh hưởng nhiệt - HAZ) Ở cần lưu ý mẫu bị phá hủy vùng HAZ có xác suất nằm bên phía advancing (AV) lớn bên phía retreating (RE) (hình 10) Đây vị trí có độ cứng thấp Theo hình tâm mối hàn, kích thước hạt nhỏ ngược lại vùng ảnh hưởng nhiệt kích thước hạt lớn Do đó, theo Hall Petch độ bền tâm mối hàn lớn vùng ảnh hưởng nhiệt [8], dẫn đến xác suất phá hủy vùng HAZ cao vùng SZ Với chế độ hàn ω/v = 3.0 15.0 vịng/mm bị khuyết tật vùng mối hàn (đã trình bày hình 7a,b) nên độ bền bị phá hủy vị trí Với chế độ thấy chất lượng mối hàn khơng đạt u cầu Số 3/2015 Hình 10 Vị trí phá hủy số mẫu Hình 11 so sánh đường phá hủy độ co thắt vị trí đứt gãy Những mẫu phá hủy ngồi vùng hàn có đường phá hủy hồn tồn khác Tại vùng hàn, mặt phá hủy vuông góc với lực kéo cịn ngồi khu vực hàn khơng vng góc có độ co thắt vị trí phá hủy Độ co thắt giảm dần từ chế độ ω/v = 4.0 đến 10.0 vịng/mm Điều có nghĩa rằng, độ biến dạng dài chúng giảm ω/v tăng Với mặt phá hủy vng góc với lực kéo ứng suất pháp gây làm cho mẫu tách biên giới hạt Với mặt phá hủy khơng vng góc với lực kéo, lúc có ứng suất tiếp làm cho hạt bị cắt phá hủy [8] Hình 11 Sự khác độ co thắt mặt phá hủy chế độ hàn Hình 12a trình bày quan hệ ứng suất biến dạng Nhìn chung, độ bền kéo độ biến dạng tất chế độ nhỏ so với vật liệu Với chế độ ω/v = 3.0 vịng/mm có đồ thị dốc nhất, chứng tỏ xu hướng có độ biến dạng lớn (gần tiệm cận với vật liệu nền) Tuy nhiên, bị phá hủy đột ngột mối hàn bị khuyết tật nên dẫn đến có độ biến dạng thấp Tương tự với chế độ ω/v = 15.0 vịng/mm đồ thị có xu hướng dốc nhất, điều chứng tỏ độ biến dạng khơng cao có độ bền cao Khi tỉ số ω/v tăng đồ thị có xu hướng dốc, cho thấy độ bền tăng độ biến dạng lại giảm Quan hệ tỉ số tốc độ quay/tịnh tiến ω/v đến ứng suất biến dạng mối hàn thể hình 12b Hai chế độ hàn ω/v = 3.0 15.0 vịng/mm có ứng suất biến dạng nhỏ Điều cho thấy rằng, chất lượng mối hàn tốt tỉ số ω/v nằm khoảng từ 4.0÷10.0 vịng/mm Với chế độ hàn nằm khoảng này, điều dễ nhận độ bền kéo tăng tỉ số ω/v tăng, ngược lại độ biến dạng giảm Điều liên quan đến mật độ lệch, kích thước hạt xơ lệch mạng hình thành trình nhiệt chế độ hàn khác Ứng suất biến dạng cao đạt 76% 68% so với vật liệu tương ứng với chế độ ω/v = 10.0 vòng/mm 4.0 vòng/mm Tốc độ tịnh tiến v tốc độ quay ω chốt hàn ảnh hưởng đến ứng suất độ biến dạng mối hàn khảo sát thể đồ thị hình 13 Cố định tốc độ quay ω = 600 vòng/phút thay đổi tốc độ tịnh tiến v tăng dần từ 80÷200 mm/phút, kết cho thấy rằng: tốc độ tịnh tiến v tăng ứng suất kéo giảm độ biến dạng tăng (hình 13a) Ngược lại, cố định tốc độ tịnh tiến v = 80 mm/phút cho tốc độ quay ω tăng dần từ 600÷1200 vịng/phút, kết lại cho thấy rằng: tốc độ quay ω tăng ứng suất kéo tăng độ biến dạng giảm (hình 13b) Ở đây, v tăng hay ω giảm nhiệt độ hàn giảm, điều ảnh hưởng đến kết tinh lại vật liệu sau hàn TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 25 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 3/2015 Hình 12 Đồ thị ứng suất - biến dạng (a) ảnh hưởng ω/v đến tính mối hàn (b) Hình 13 Ảnh hưởng tốc độ tịnh tiến v (a) tốc độ quay ω (b) đến ứng suất biến dạng IV KẾT LUẬN Mối hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm AA7075 chế tạo thành công xác định chế độ hàn hợp lý tiêu chí cấu trúc khơng khuyết tật độ bền kéo cao Ảnh hưởng tốc độ quay ω tốc độ tịnh tiến v chốt hàn đến tính mối hàn khảo sát phân tích cụ thể Mối hàn đạt chất lượng tỉ số tốc độ quay tịnh tiến ω/v chốt hàn nằm khoảng giới hạn từ 4.0÷10.0 vịng/mm Vị trí phá hủy mẫu thường nằm ngồi vùng hàn, vị trí mà có độ cứng thấp (HAZ) Độ bền kéo độ biến dạng cao đạt khoảng 76% 68% so với vật liệu Khi tỉ số ω/v tăng độ bền kéo tăng độ biến dạng giảm Độ cứng thấp mối hàn nằm vùng HAZ TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 Friction Stir Welding, 2012 The ESAB Way 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 Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials ASM Handbook - Volume 2, ASM International Handbook Committee, 1990, pp 450-462 Rajiv S Mishra, Murray W Mahoney, 2007 Friction Stir Welding and Processing, ASM International, pp Standards ASTM, E08: Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, 2004 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 William D Callister, Jr., 2007 Materials Science and Engineering 7th John Wiley & Sons, Inc 26 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ... Instron 33 66 (b) máy đo độ cứng Rockwell (c) TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 23 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 3/ 2015 III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUN khỏ to v khụng u khong 10? ?35 àm Vựng... dài (%) Độ cứng (HRB) Độ bền mỏi (MPa) Modul đàn hồi (GPa) Hệ số poisson Giá trị 5 03 572 3? ?11 87 159 71.7 0 .33 22 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Hình Vật liệu... cấu trúc tế vi mối hàn sau tẩm thực dung dịch 150 ml H2O, ml HNO3, ml HCL ml HF [7] Cơ tính chịu kéo mối hàn thực máy Instron 33 66 với lực kéo tối đa 10 kN Mẫu thử chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM