Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn ma sát giáp mí tấm hợp kim nhôm 5083

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH HOÀNG TÚ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN MA SÁT GIÁP MÍ TẤM HỢP KIM NHƠM 5083 NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 8520103 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH HOÀNG TÚ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN MA SÁT GIÁP MÍ TẤM HỢP KIM NHƠM 5083 NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hướng dẫn khoa học: TS Phan Thanh Nhàn TS Trần Hưng Trà Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2019 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Huỳnh Hồng Tú Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06/05/1994 Nơi sinh: Tân Thạnh – Long An Quê quán: Tân Thạnh – Long An Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: E405 lô E chung cư EHOME 2, D3, Phước Long B, Quận 9, Tp.HCM Điện thoại quan: Điện thoại: 0357 125 648 Fax: E-mail: tuhh0605@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ tháng 10/2012 đến tháng 10/2016 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Cơng nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Ứng dụng phần mềm ArtCam gia công điêu khắc máy CNC Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 28/07/2016 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Người hướng dẫn: ThS Huỳnh Đỗ Song Tồn i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 03 năm 2019 (Ký tên ghi rõ họ tên) Huỳnh Hoàng Tú ii LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn chân thành đến Tiến sĩ Phan Thành Nhàn (Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM) tận tình hỗ trợ giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu hoàn thành đề tài luận văn Lời cảm ơn chân thành đến Tiến sĩ Trần Hưng Trà Thạc sĩ Phí Cơng Thun (Đại học Nha Trang) nhiệt tình hỗ trợ cho góp ý vơ q giá q trình chế tạo thí nghiệm để tơi hồn thành đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy, giảng dạy tồn khóa học cho kiến thức vô quý giá, giúp tơi nghiên cứu vận dụng để hồn thành tốt đề tài nghiên cứu Cuối lời cảm ơn, lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, gia đình bạn bè chăm sóc động viên tơi suốt q trình nghiên cứu iii TÓM TẮT Hàn ma sát khuấy công nghệ hàn tiên tiến, từ đời công nghệ nghiên cứu, ứng dụng đem lại hiệu to lớn nhiều ngành công nghiệp chế tạo, đặc biệt áp dụng hàn cho hợp kim nhôm Với độ bền cao khả chống ăn mịn tốt, hợp kim nhơm 5083 xem vật liệu chủ lực chế tạo phương tiện cao tốc đường thủy Hàn hợp kim nhôm 5083 phương pháp hàn chảy thường làm giảm lớn tuổi thọ kết cấu Hàn ma sát khuấy xem giải pháp công nghệ hữu hiệu Trong nghiên cứu này, mối hàn giáp mí hai hợp kim nhôm 5083 với chiều dày 3.0 mm nghiên cứu chế tạo thử nghiệm kỹ thuật hàn ma sát máy NTU-FSW Ảnh hưởng thông số hàn đến chất lượng mối hàn gồm cấu trúc tính mối hàn khảo sát Mối hàn đạt với chất lượng tốt, khuyết tật không đáng kể ngoại trừ “kissing bonds” Cấu trúc hạt vùng hàn thay đổi đáng kể Tại vùng tâm mối hàn, cấu trúc hạt mịn nhiều so với vật liệu Độ cứng vùng hàn bị giảm đáng kể so với vật liệu Kết thí nghiệm cho thấy độ bền kéo độ bền uốn mối hàn tăng tăng tốc độ hàn Mối hàn đạt độ bền kéo 85% độ bền uốn 84% (so với vật liệu nền) Tại tâm mối hàn (SZ) có độ bền va đập thấp so với vị trí cịn lại mối hàn iv ABSTRACT Friction stir welding is an advanced welding technology, Since its inception, this technology has been studied, applied and brought great efficiency in many manufacturing industries, especially the welding of aluminum alloys Possess an excellent corrosive resistance and high strength, aluminum alloy 5083 is used predominantly in the marine transportation facilities with high speed One of the challenges in using this aluminum alloys associates with welding, the fact leads to low life of the facilities Friction stir welding has been emerging as a key technology In this work, two plates of aluminum alloy 5083 with 3.0 mm thickness was joined by friction stir welding technique using NTU-FSW machine The attention was put on the effect of the welding parameters on the microstructure and mechanical properties of the joint The experimental results showed that the welded joint of aluminum alloy 5083 could be obtained at 80% (in comparison with the base alloys 5083) Increasing the welding rate leaded to an improvement of the tensile strength and bending strength of the joint The joint could be obtained with free defects excluded the “kissing bonds” The grain size in the stirred zone refined dramatically The hardness in the stirred zone is significantly reduced compared to the base material At the center of the weld (stirred zone) has a lower impact strength than the rest of the weld position v MỤC LỤC Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt xi Danh sách hình xii Danh sách bảng xvi Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu công nghệ hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding) .1 1.2 Ưu nhược điểm công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW) 1.2.1 Ưu điểm .2 1.2.2 Nhược điểm 1.3 Ứng dụng hàn ma sát khuấy (FSW) 1.4 Những nghiên cứu nước 1.4.1 Những nghiên cứu giới 1.4.2 Những nghiên cứu nước 1.5 Tính cấp thiết ý nghĩa nghiên cứu đề tài 1.5.1 Tính cấp thiết đề tài 1.5.2 Ý nghĩa nghiên cứu đề tài .8 1.6 Đối tượng nghiên cứu 1.6.1 Chế độ hàn ma sát khuấy 1.6.2 Vật liệu 1.7 Nội dung nghiên cứu giới hạn đề tài 10 1.8 Phương pháp nghiên cứu 10 1.8.1 Chế tạo mối hàn 10 1.8.2 Thí nghiệm học, đánh giá ứng xử học mối hàn 11 vi Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Hợp kim nhôm 12 2.1.1 Định nghĩa phân loại 12 2.1.2 Sự ảnh hưởng nguyên tố thành phần đến tính chất hợp kim nhơm 13 2.1.3 Các phương pháp hàn hợp kim nhôm 13 2.1.4 Các đặc tính hợp kim nhơm 14 2.1.5 Ứng dụng hợp kim nhôm 16 2.2 Dụng cụ hàn ma sát khuấy .17 2.2.1 Cấu tạo, chức 17 2.2.2 Hình dáng dụng cụ 18 2.2.2.1 Vai dụng cụ 18 2.2.2.2 Chốt hàn 19 2.2.3 Kích thước dụng cụ hàn ma sát khuấy 21 2.2.4 Vật liệu chế tạo dụng cụ hàn .22 2.3 Các thông số chủ yếu trình hàn ma sát khuấy 23 2.3.1 Tốc độ quay dụng cụ (ω) 24 2.3.2 Tốc độ tịnh tiến chốt hàn (v) .24 2.3.3 Góc nghiêng dụng cụ 25 2.3.4 Lực dọc trục .26 2.4 Sự phân bố nhiệt độ trình hàn ma sát khuấy 27 2.5 Sự hình thành cấu trúc tế vi mối hàn ma sát khuấy .29 2.5.1 Vùng khuấy (Stirred zone Nugget zone, ký hiệu SZ NZ) 29 2.5.2 Vùng ảnh hưởng nhiệt (Thermo-mechanically affected zone, ký hiệu TMAZ) 30 2.5.3 Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat-affected zone, ký hiệu HAZ) 30 2.6 Các lỗi thường xuất mối hàn ma sát khuấy 31 2.6.1 Mối hàn xuất lỗ rỗng bên xuyên suốt đường hàn (Tunnel defects) .31 2.6.2 Mối hàn bị nhiệt (Flash defects) 31 2.6.3 Mối hàn bị lẫn ôxit (Kissing bond defects or zigzag defects) 32 vii 2.6.4 Mối hàn xuất lỗi giống vết nứt (rack-like root defects) .33 Chương CHẾ TẠO MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY VÀ Q TRÌNH THÍ NGHIỆM 34 3.1 Chuẩn bị 34 3.1.1 Vật liệu thí nghiệm 34 3.1.2 Máy hỗ trợ chế tạo mối hàn ma sát khuấy 34 3.1.3 Dụng cụ hàn .35 3.1.3.1 Hình dáng kích thước dụng cụ .35 3.1.3.2 Vật liệu chế tạo 36 3.2 Quá trình chế tạo mối hàn 37 3.2.1 Gá đặt 37 3.2.1.1 Bàn gá 37 3.2.1.2 Gá phôi 37 3.2.2 Chọn thông số hàn .38 3.2.3 Chế tạo mối hàn 38 3.3 Quá trình thí nghiệm kiểm tra chất lượng mối hàn 39 3.3.1 Các thiết bị sử dụng q trình thí nghiệm 40 3.3.1.1 Máy đánh bóng bề mặt MA-PP-200M .40 3.3.1.2 Camera quan sát khuyết tật mối hàn 40 3.3.1.3 Máy ăn mịn điện hóa ElectroMet 41 3.3.1.4 Kính hiển vi kim loại Olympus-CK40M 42 3.3.1.5 Các hóa chất tẩm thực bề mặt .42 3.3.1.6 Máy đo độ cứng Rockwell AR 10 43 3.3.1.7 Máy kiểm tra độ bền kéo, độ bền uốn INSTRON-3366 .43 3.3.1.8 Máy kiểm tra thí nghiệm độ bền va đập Tinius Olsen IT-406E 44 3.3.2 Quá trình thí nghiệm 45 3.3.2.1 Chọn số lượng mẫu chế tạo mẫu thí nghiệm 45 3.3.2.2 Kiểm tra lỗi quan sát cấu trúc tế vi mối hàn 46 3.3.2.3 Phân tích phân bố nhiệt độ mối hàn .48 3.3.2.4 Đo độ cứng mối hàn .50 3.3.2.5 Kiểm tra độ bền uốn mối hàn .50 viii B20: BENDING - 2.33 - M1 Lap joint 5083 Friction stir welding_Tu_5083 Huynh Hoang Tu 02 Nguyen Dinh Chieu, Nha Trang University 22/10/2018 Specimen to 1600 Flexure load (N) 1400 1200 1000 Specimen # 800 600 400 200 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Flexure extension (mm) -134.14083 Flexure load at Maximum Load (N) 134.14 Flexure stress at Maximum Load (MPa) 56.82354 Flexure strain at Maximum Load (mm/mm) 0.00000 Maximum Load (N) Page of Extension at Maximum Load (mm) 0.00 Flexure extension at Maximum Load (mm) 0.00 B21: BENDING - 2.33 - M2 Lap joint 5083 Friction stir welding_Tu_5083 Huynh Hoang Tu 02 Nguyen Dinh Chieu, Nha Trang University 22/10/2018 Specimen to 1600 Flexure load (N) 1400 1200 1000 Specimen # 800 600 400 200 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Flexure extension (mm) -133.87718 Flexure load at Maximum Load (N) 133.88 Flexure stress at Maximum Load (MPa) 56.71186 Flexure strain at Maximum Load (mm/mm) 0.00000 Maximum Load (N) Page of Extension at Maximum Load (mm) 0.00 Flexure extension at Maximum Load (mm) 0.00 B22: BENDING - 2.33 - M3 Butt-joint_5083 Friction stir welding_5083 HUYNH HOANG TU 02 Nguyen Dinh Chieu, Nha Trang University 29/11/2018 Specimen to 1000 Flexure load (N) 800 600 Specimen # 400 200 0 10 11 12 13 14 15 Flexure extension (mm) -58.65982 Flexure load at Maximum Load (N) 58.66 Flexure stress at Maximum Load (MPa) 24.84895 Flexure strain at Maximum Load (mm/mm) 0.00000 Maximum Load (N) Page of Extension at Maximum Load (mm) 0.00 Flexure extension at Maximum Load (mm) 0.00 B23: BENDING - 1.75 - M1 Lap joint 5083 Friction stir welding_Tu_5083 Huynh Hoang Tu 02 Nguyen Dinh Chieu, Nha Trang University 22/10/2018 Specimen to 1600 Flexure load (N) 1400 1200 1000 Specimen # 800 600 400 200 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Flexure extension (mm) -133.84431 Flexure load at Maximum Load (N) 133.84 Flexure stress at Maximum Load (MPa) 56.69793 Flexure strain at Maximum Load (mm/mm) 0.00000 Maximum Load (N) Page of Extension at Maximum Load (mm) 0.00 Flexure extension at Maximum Load (mm) 0.00 B24: BENDING - 1.75 - M2 Lap joint 5083 Friction stir welding_Tu_5083 Huynh Hoang Tu 02 Nguyen Dinh Chieu, Nha Trang University 22/10/2018 Specimen to 1600 Flexure load (N) 1400 1200 1000 Specimen # 800 600 400 200 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Flexure extension (mm) -133.77791 Flexure load at Maximum Load (N) 133.78 Flexure stress at Maximum Load (MPa) 56.66981 Flexure strain at Maximum Load (mm/mm) 0.00000 Maximum Load (N) Page of Extension at Maximum Load (mm) 0.00 Flexure extension at Maximum Load (mm) 0.00 B25: BENDING - 1.75 - M3 Butt-joint_5083 Friction stir welding_5083 HUYNH HOANG TU 02 Nguyen Dinh Chieu, Nha Trang University 29/11/2018 Specimen to 1400 Flexure load (N) 1200 1000 800 Specimen # 600 400 200 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Flexure extension (mm) -56.26779 Flexure load at Maximum Load (N) 56.27 Flexure stress at Maximum Load (MPa) 23.83566 Flexure strain at Maximum Load (mm/mm) 0.00000 Maximum Load (N) Page of Extension at Maximum Load (mm) 0.00 Flexure extension at Maximum Load (mm) 0.00 B26: BENDING - 1.40 - M1 Lap joint 5083 Friction stir welding_Tu_5083 Huynh Hoang Tu 02 Nguyen Dinh Chieu, Nha Trang University 22/10/2018 Specimen to 1600 Flexure load (N) 1400 1200 1000 Specimen # 800 600 400 200 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Flexure extension (mm) -133.77083 Flexure load at Maximum Load (N) 133.77 Flexure stress at Maximum Load (MPa) 56.66681 Flexure strain at Maximum Load (mm/mm) 0.00029 Maximum Load (N) Page of Extension at Maximum Load (mm) -0.01 Flexure extension at Maximum Load (mm) 0.01 B27: BENDING - 1.40 - M2 Lap joint 5083 Friction stir welding_Tu_5083 Huynh Hoang Tu 02 Nguyen Dinh Chieu, Nha Trang University 22/10/2018 Specimen to 1600 Flexure load (N) 1400 1200 1000 Specimen # 800 600 400 200 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Flexure extension (mm) -133.73165 Flexure load at Maximum Load (N) 133.73 Flexure stress at Maximum Load (MPa) 56.65022 Flexure strain at Maximum Load (mm/mm) 0.00000 Maximum Load (N) Page of Extension at Maximum Load (mm) 0.00 Flexure extension at Maximum Load (mm) 0.00 B28: BENDING - 1.40 - M3 Butt-joint_5083 Friction stir welding_5083 HUYNH HOANG TU 02 Nguyen Dinh Chieu, Nha Trang University 29/11/2018 Specimen to 1400 Flexure load (N) 1200 1000 800 Specimen # 600 400 200 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Flexure extension (mm) -56.34252 Flexure load at Maximum Load (N) 56.34 Flexure stress at Maximum Load (MPa) 23.86732 Flexure strain at Maximum Load (mm/mm) 0.00000 Maximum Load (N) Page of Extension at Maximum Load (mm) 0.00 Flexure extension at Maximum Load (mm) 0.00 %Ӝ*,È2'Ө&9¬ĈҤ27Ҥ2 75ѬӠ1*ĈҤ,+Ӑ&6Ѭ3+Ҥ0.Ӻ7+8Ұ7 7+¬1+3+Ӕ+Ӗ&+Ë0,1+ 3+,ӂ81+Ұ1;e7/8Ұ19Ă17+Ҥ&6Ӻ 'jQKFKRJLҧQJYLrQSKҧQELӋQ 7rQÿӅWjLOXұQYăQWKҥFVӻ 1JKLrQFӭXҧQKKѭӣQJFӫDFKӃÿӝKjQÿӃQFKҩWOѭӧQJPӕLKjQPDViWJLiSPt WҩPKӧSNLPQK{P 7rQWiFJLҧ +8ǣ1++2¬1*7Ị MSHV: 1720410 Ngành: ӻWKXұWFѫNKt Khóa: 2017-2019 Ĉӏnh Kѭӟng: ӬQJGөQJ +ӑYjWrQQJѭӡLSKҧQELӋQ 760DLĈӭFĈmL &ѫTXDQF{QJWiF KRD&ѫNKtFKӃWҥRPi\ ĈLӋQWKRҥLOLrQKӋ 0981152149 ,é.,ӂ11+Ұ1;e7 9ӅKuQKWKӭF NӃWFҩXOXұQYăQ ӃWFҩXOXұQYăQEDRJӗPFKѭѫQJWUuQKEj\WUDQJWUӑQJU}UjQJÿҥWWLrXFKXҭQFӫDPӝWOXұQYăQWKҥFVƭ 9ӅQӝLGXQJ 2.1 Nh̵n xét v͉ÀбǡÙǡЛЛǡïЪOX̵QYăQ 7iFJLҧVӱGөQJFiFKWLӃSFұQWKӵFQJKLӋPÿӇNKҧRViWҧQKKѭӣQJFӫDFKӃÿӝKjQÿӃQFKҩWOѭӧQJPӕLKjQ JLiSPtWҩPKӧSNLPQK{P5083 &KӃÿӝKjQWӕLѭXYұQWӕFTXD\WӏQKWLӃQFKӕWKjQ ÿmÿѭӧF[iFÿӏQKFKRWUѭӡQJKӧSKjQJLiSPtWҩPKӧS kim nhôm 5083 &iFNӃWTXҧWKӵFQJKLӋPWUuQKEj\WURQJOXұQYăQFyêQJKƭDNKRDKӑFFDR 2.2 Nh̵±¯ЮуоЦÀРЪМпрк×¯ï¯а ЮпСлфÀЮ 7jLOLӋXWKDPNKҧRSKRQJSK~WUtFKGүQÿ~QJTXLÿӏQK 2.3 Nh̵±Ыͭc tiêu nghiên cͱu, ph˱˯ng pháp nghiên cͱu s͵ dͭng LVTN 0өFWLrXQJKLrQFӭXU}UjQJ 3KѭѫQJSKiSQJKLrQFӭXSKKӧS 2.4 Nh̵n xét T͝ng quan cͯ¯͉ tài ĈҥW\rXFҫX 2.5 С±¯͉ n͡ƬНрнп 7URQJNKX{QNKәNLQKSKtKҥQKҽSWiFJLҧFKӑQFiFKWLӃSFұQQJKLrQFӭXWKӵFQJKLӋPOjÿLӅXÿiQJNKtFKOӋ 1ӝLGXQJNӃWTXҧQJKLrQFӭXWѭѫQJ[ӭQJYӟL\rXFҫXFӫDPӝWOXұQYăQWKҥFVƭ 2.6 С±¯͉ kh̫£ͱng dͭǡахЭͯ¯͉ tài ĈӅWjLFyNKҧQăQJӭQJGөQJFDR 2.7 Lu̵£ОЯуǡефз¿ȋ͇t sót t͛n t̩i): Không II CÁC VҨ0ӄ CҪN LÀM RÕ &iFFkXK͗LFͯDJL̫QJYLrQSK̫QEL͏Q 1ĈӝEӅQPӓLWKѭӡQJFyJLiWUӏQKӓKѫQKD\OӟQKѫQJLӟLKҥQFKҧ\"WiFJLҧFyQKұQ[pWJuYӅVӕOLӋXÿm WUuQKEj\WURQJEҧQJ1.2 trang 10 ? 2ĈӅQJKӏWiFJLҧJLҧLWKtFKU}FѫVӣFKRYLӋFOӵDFKӑQFiFWK{QJVӕKjQEҧQJ3 4) ? 3&iFNӃWTXҧP{SKӓQJKuQK4.8, 4.9, 4.10, 4.11WiFJLҧVӱGөQJVӱGөQJORҥLSKkQWtFKJu"ÿLӅXNLӋQELrQ ? ... nhiều nghiên cứu chế độ hàn, yếu tố ảnh hưởng trình chế tạo nhằm tăng chất lượng mối hàn nhiều loại hợp kim nhôm khác nhau, nhiên nghiên cứu áp dụng nhằm nâng cao chất lượng mối hàn loại hợp kim nhôm. .. hợp kim, Nhôm composite kim loại (AMCs), hợp kim đồng Nhôm hợp kim, thép thấm cacbon Hợp kim niken Hợp kim đồng WC composite Nhôm hợp kim, thép hợp kim thấp, hợp kim magiê, hợp kim titan Hợp kim. .. trung nghiên cứu ảnh hưởng hai thông số hàn (tốc độ quay tốc độ tịnh tiến chốt hàn) đến chất lượng mối hàn ma sát giáp mí hợp kim nhơm 5083 Do thời gian có hạn, điều kiện khả nghiên cứu hạn chế