2. CƠ SỞ KHOA HỌC HÀN NHÔM VỚI THÉP 1 Mục đích
2.2.1. Ứng xử của nhôm AA1100 khi hàn TIG
2.2.1.1. Tính hàn của nhôm AA1100:
Do nhôm có một số tính chất quan trọng như nhẹ (khối lượng riêng của nhôm chỉ bằng khoảng một phần ba của thép), khả năng chống ăn mòn trong các môi trường như không khí, nước, dầu và nhiều hóa chất do có lớp ôxit nhôm bền vững trên bề mặt, mà nhôm được dùng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng (đặc biệt là xu hướng chế tạo các kết cấu kim loại nhẹ). Tính dẫn nhiệt và dẫn điện của nhôm khá cao, nhẹ và rẻ hơn đồng, do đó nhôm ngày càng được dùng nhiều trong các thiết bị điện để thay thế dần cho đồng. Nhôm và hợp kim nhôm không có từ tính, hệ số dãn nở nhiệt của nó cao gấp 2 lần của thép, có độ bền không cao nhưng có tính dẻo tuyệt vời, đặc biệt là ở nhiệt độ dưới 0oC. Tuy nhiên chúng ta có thể tăng được độ bền cho nhôm thông qua hợp kim hóa, biến dạng ở trạng thái nguội, nhiệt luyện hoặc kết hợp đồng thời các biện pháp đó [1].
Tùy theo chủng loại và hàm lượng của các nguyên tố hợp kim chủ yếu mà nhôm và hợp kim nhôm được chia thành các nhóm như thể hiện trong hình 2.1. Ở đầu ký hiệu người ta sử dụng 2 chữ cái AA (viết tắt của từ Aluminum Association, tiếp đến là dãy 4 chữ số (xxxx). Ngoài ký hiệu chính như vậy, nhôm và hợp kim nhôm còn có thể được ký hiệu bổ sung bằng các chữ cái như sau:
F: ở trạng thái sau khi chế tạo (cán, rèn) O: ở trạng thái ủ
H: ở trạng thái biến cứng (bền hóa) bằng biến dạng W: ở trạng thái bền hóa bằng nhiệt luyện dung dịch đặc T: ở trạng thái nhiệt luyện hoặc bền hóa bằng biến dạng
Ví dụ: hợp kim nhôm AA2014 T6 là hợp kim nhôm với đồng (loạt 2xxx) dưới dạng
Hình 2.1 Phân loại nhôm và hợp kim nhôm theo các nguyên tố hợp kim chủ yếu (nguồn: [43])
Vật liệu nhôm nghiên cứu trong luận án này là loại AA1100, tương đương với mác Al99 theo TCVN 1659 : 1975, cũng được ghép vào nhóm hợp kim nhôm không thể nhiệt luyện được [5]. Thành phần hóa học của nhôm AA1100 được cho trong bảng 2.1 dưới đây.
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của nhôm AA1100 (nguồn: [44])
Cơ tính của nhôm AA1100 được cho trong bảng 2.2 dưới đây:
Bảng 2.2 Cơ tính của nhôm AA1100 (nguồn: [44])
Trên hình 2.2 mô tả ứng xử của kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn nhôm 1xxx và hợp kim nhôm 5xxx (hệ hợp kim Al-Mg). Chúng ta thấy rằng tại vùng ảnh hưởng nhiệt của liên kết hàn xảy ra hiện tượng kết tinh lại, trong đó vùng sát mối hàn sẽ có hạt thô còn vùng sát KLCB hạt tương đương với cỡ hạt trong KLCB nhờ quá trình hồi phục.
Hình 2.2 Đặc điểm khi hàn nhôm 1xxx và hợp kim nhôm không thể nhiệt luyện (nguồn: [45])
Theo tài liệu [1], mọi loại nhôm và hợp kim nhôm biến dạng không hóa già đều được sử dụng ở trạng thái ủ, vì vậy chu trình nhiệt hàn không làm giảm độ bền của vùng ảnh hưởng nhiệt. Nhìn chung, nhôm và hợp kim nhôm là một trong những vật liệu khó hàn hơn so với thép. Khi hàn nhôm, chúng ta sẽ gặp phải những vấn đề sau đây [1]:
19
Trạng thái
Độ bền kéo [MPa] Vật liệu cơ bản
1. Khi hàn, dễ xuất hiện ôxit Al2O3 (có nhiệt độ nóng chảy 2050oC so với 660oC của nhôm, có khối lượng riêng lớn hơn nhôm – 3,6 g/cm3 so với 2,7 g/cm3). Do đó có thể xảy ra các hiện tượng như cạnh mối hàn khó nóng chảy, lẫn xỉ trong khi hàn. Vì vậy yêu cầu bắt buộc là trước khi hàn phải khử lớp màng oxit nhôm (bằng cơ học, hóa học hoặc hồ quang điện). Các biện pháp cơ học thường được sử dụng gồm giũa, cạo, chải bằng bàn chải có sợi thép không gỉ. Các biện pháp hóa học gồm: sử dụng dung dịch axit hoặc kiềm. Trong khi hàn còn có thể sử dụng hiệu ứng catot bắn phá lớp màng oxit hoặc thông qua thuốc hàn để hòa tan oxit nhôm tạo thành các chất dễ bay hơi. Thuốc hàn với thành phần 50% KCl + 15% NaCl + 35% Na3AlF2 sẽ tạo phản ứng Al2O3 + 6KCl → 2AlCl3↑+ 3K2O. Sau khi hàn, phải tiến hành khử thuốc hàn dư để tránh hiện tượng ăn mòn kim loại mối hàn.
2. Tại nhiệt độ cao, do độ bền giảm nhanh, tấm nhôm đang hàn có thể bị sụt. Độ chảy loãng cao làm nhôm dễ chảy ra khỏi chân mối hàn. Trong khi đó nhôm không đổi màu khi hàn nên rất khó khống chế kích thước vũng hàn (thường phải dùng các tấm đệm graphit hoặc xông khí bảo vệ).
3. Nhôm và hợp kim nhôm có hệ số dãn nở nhiệt cao, mô đun đàn hồi thấp, nhôm dễ bị biến dạng khi hàn, vì thế phải kẹp chặt bằng đồ gá có hệ số dẫn nhiệt thấp.
4. Nhôm dẫn nhiệt tốt nên khi hàn phải dùng nguồn nhiệt có công suất đủ lớn, tập trung hoặc nguồn nhiệt xung.
5. Kim loại mối hàn dễ bị nứt do cấu trúc hạt hình cột thô và cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp ở tinh giới, cũng như do co ngót lớn (7%) khi kết tinh.
6. Phải làm sạch triệt để mép hàn và dây hàn, không chỉ vì cần khử oxit nhôm, mà dầu mỡ cũng còn là nguyên nhân gây ra rỗ khí (hydro làm giảm độ bền và tính dẻo vì hydro có hệ số khuếch tán thấp trong nhôm, trong khi lại có hệ số hòa tan rất lớn vào nhôm ở trạng thái nóng chảy (hình 2.3) nên sẽ hình thành các bọt rỗ khí). Các bọt rỗ khí chủ yếu xuất hiện tại kim loại mối hàn và vùng viền chảy. Một chú ý rất quan trọng trong quá trình hàn nhôm là phải khử các chất chứa hydro trên bề mặt vật hàn như: dầu, mỡ, sơn, hơi ẩm. Có thể khử bằng hơi nước hoặc dung môi thích hợp và nên tiến hành trước khi lắp ghép hàn.
Hình 2.3 Khả năng hòa tan của Hydro trong nhôm nguyên chất (nguồn: [46])
Mặc dù nung nóng sơ bộ và nung đồng thời trong khi hàn có tác dụng giảm được rỗ khí, nhưng khi hàn nhôm và hợp kim nhôm lại cần tránh nung nóng sơ bộ nếu có thể được, vì nó làm tăng chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt và giảm cơ tính liên kết hàn. Thường các chi tiết dày mới đòi hỏi nung nóng sơ bộ. Thậm chí khi đó thời gian nung nóng sơ bộ cần được
2.2.1.2. Vấn đề nứt liên quan đến việc chọn vật liệu hàn nhôm
Khi hàn nhôm, nếu chọn vật liệu hàn không thích hợp, có thể xảy ra nứt tại kim loại mối hàn do kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt có tính dẻo và độ bền thấp tại nhiệt độ cao (hiện tượng này có thể là nguyên nhân gây ra sụt mối hàn). Để giảm xu hướng nứt giữa các tinh thể trong vùng ảnh hưởng nhiệt, nên dùng vật liệu hàn có nhiệt độ nóng chảy bằng hoặc thấp hơn so với kim loại cơ bản, tức là vật liệu hàn cần phải có thành phần hợp kim cao hơn so với kim loại cơ bản sử dụng.
Trên hình 2.4 là quan hệ giữa khả năng xảy ra nứt nóng và hàm lượng các nguyên tố hợp kim trong kim loại mối hàn. Chúng ta thấy rằng, nếu vật liệu cơ bản có chứa 0,6% Si thì kim loại mối hàn dễ bị nứt khi hàn bằng dây hàn có cùng thành phần hóa học. Khi đó nên chọn vật liệu hàn có chứa 5% Si (có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, do đó dẻo hơn kim loại cơ bản và sẽ biến dạng khi nguội để bù lại ứng suất kéo do co ngót mà lẽ ra có thể gây nứt). Trong nhiều trường hợp, dây hàn Al-5%Si (loại ER4043 theo tiêu chuẩn AWS
A5.10) cho mối hàn có tính dẻo và độ bền cao. Tuy nhiên không nên dùng loại dây hàn Al- Si để hàn nhôm Al-Mg vì sẽ xuất hiện cùng tinh của Mg và Si làm giảm tính dẻo và gây nứt.
Hình 2.4 Độ nhạy cảm nứt của kim loại mối hàn theo loại và hàm lượng của các nguyên tố hợp kim (nguồn: [46])
Tương tự như vậy, Mg và Cu không được đồng thời tồn tại trong mối hàn nhôm, có nghĩa là dây hàn hệ Al-Mg (ví dụ AWS A5.10 ER5356) không nên dùng để hàn hợp kim Al-Cu và dây hàn Al-Cu không được dùng để hàn hợp kim Al-Mg. Khi hàn hợp kim Al-Si bằng dây hàn Al-Si, thành phần hóa học của kim loại mối hàn (có xét tới phần kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn) cần được tính sao cho có giá trị nằm ngoài dải 0,5-2% Si (vùng dễ gây nứt). Tương tự như vậy, thành phần của kim loại mối hàn hệ Al-Mg không được nằm trong khoảng 0,5-4% Mg.
2.2.1.3. Công nghệ hàn nhôm AA1100 bằng quá trình hàn TIG
Chất lượng bề mặt mép hàn và dây hàn ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn, do đó việc chuẩn bị trước khi hàn có một ý nghĩa quan trọng trong quá trình hàn nhôm và hợp kim nhôm. Trước khi hàn nhôm và hợp kim nhôm, cần phải làm sạch lớp dầu mỡ bảo quản trên bề mặt chi tiết hàn. Dầu mỡ có thể được tẩy bằng axeton hoặc chất dung môi khác
trong khoảng rộng từ 100-150 mm tính từ mép chi tiết hàn. Lớp oxit bên dưới lớp dầu mỡ phải được tẩy trong khoảng rộng tối thiểu 25-30 mm bằng phương pháp cơ học (giấy ráp hoặc bàn chải sợi thép không gỉ có đường kính sợi nhỏ hơn 0,15 mm) [1].
Cũng có thể dùng hóa chất để khử oxit nhôm bằng cách tẩm thực (0,5 – 1 phút) trong dung dịch 1 lít nước + 50g NaOH + 45g NaF. Sau đó xối nước (1-2 phút) và trung hòa bằng dung dịch axit nitric 30-35% hoặc dung dịch axit khác. Sau đó xối lại bằng nước và sấy khô bằng không khí nóng 80-90 oC. Sau khi làm sạch bề mặt mép hàn, chi tiết phải được hàn trong vòng 3-4 tiếng đồng hồ. Với dây hàn, ta làm sạch bằng cách rửa bằng dung dịch khử dầu mỡ; tẩm thực trong dung dịch 15% NaOH ở 60-70 oC; rửa trong nước, sấy khô, khử khí ở 350 oC trong 5-10 tiếng đồng hồ trong chân không 10-3 mmHg (0,13 Pa). Cũng có thể thay chân không bằng việc nung trong không khí ở 300 oC trong khoảng thời gian 10-30 phút [1].
Hàn trong môi trường khí bảo vệ là cách thức hàn phổ biến nhất trong chế tạo các kết cấu từ nhôm và hợp kim nhôm. Các phương pháp hàn bao gồm hàn tay hoặc hàn cơ giới bằng điện cực không nóng chảy (TIG), hàn tự động hoặc bán tự động bằng điện cực nóng chảy (MIG). Khí bảo vệ được sử dụng là khí argon loại 1 (99,98%) hoặc helium có độ tinh khiết cao (99,985%); khi hàn bằng điện cực không nóng chảy, có thể dùng hỗn hợp của 2 loại khí đó [46].
Khi hàn TIG, điện cực vonfram có đường kính 2-6 mm được sử dụng cho hàn nhôm loạt 1xxx và hợp kim nhôm có chiều dày đến 12 mm. Khi chiều dày nhỏ hơn 3 mm, có thể hàn một lượt có sử dụng đệm lót. Với chiều dày từ 4-6 mm, nên hàn từ 2 phía và với chiều dày từ 6-7 mm trở lên, cần tiến hành vát mép dạng chữ V hoặc chữ X. Loại dòng điện hàn được sử dụng là dòng điện xoay chiều (AC) hoặc dòng điện 1 chiều đấu cực nghịch (DC+) nhằm mục đích sử dụng hiệu ứng catot để bắn phá lớp màng oxit nhôm trên bề mặt của chi tiết hàn [1].
Khi hàn tay, với chiều dày tấm tối đa 5-6 mm, điện cực có đường kính từ 1,5-5 mm. Dòng điện hàn tối đa được chọn theo công thức I = (60÷65).d, với d là đường kính điện cực vonfram sử dụng. Tốc độ hàn dao động trong khoảng 8÷12 m/h (2,22÷3,33 mm/s). Dây hàn phụ sử dụng cho hàn giáp mối có đường kính từ 1-5 mm. Để bảo đảm bảo vệ hữu hiệu vùng hàn cần có một lượng khí bảo vệ tối ưu [1]. Độ tin cậy của quá trình hàn còn phụ thuộc vào đường kính và dạng chụp khí trên mỏ hàn, khoảng cách từ miệng chụp khí đến bề mặt vật hàn,... Ta có thể chọn cỡ đường kính miệng chụp khí D theo đường kính của điện cực vonfram (d) như sau:
Bảng 2.3 Chọn cỡ chụp khí theo đường kính điện cực vonfram (nguồn: [1])
Nếu chiều dày tấm nhỏ (0,8-2 mm), cần hàn gấp mép. Khi hàn bằng tay, góc nghiêng giữa điện cực và dây hàn phụ là 90o. Điện cực vonfram không được dao động ngang. Chiều dài hồ quang tối đa nằm trong khoảng 1,5-2,5 mm. Khoảng nhô ra của điện cực khỏi miệng vòi phun của chụp khí là 1-1,5 mm cho trường hợp hàn giáp mối và 4-8 mm cho trường hợp hàn mối hàn góc (liên kết góc và liên kết chữ T).
Để giảm nguy cơ oxi hóa, kích thước vũng hàn phải được giữ ở mức tối thiểu. Với chiều dày tấm dưới 10 mm, hàn thường được tiến hành từ phải sang trái (đối với người thuận tay phải) cho phép giảm mức độ nung nóng kim loại cơ bản. Tốc độ hàn phải tương ứng với chế độ hàn và mức độ tiêu thụ khí bảo vệ. Nếu lưu lượng khí quá lớn, sẽ xuất hiện dòng khí xoáy, làm cho không khí bị hút vào vùng cần được bảo vệ gây ra rỗ trong mối hàn. Lưu lượng khí quá ít hoặc tốc độ hàn quá lớn cũng sẽ làm giảm hiệu quả bảo vệ vùng hàn. Tùy theo mức độ tiêu thụ, áp lực khí argon được điều chỉnh trong khoảng 0,1-0,5 at (0,01-0,05
MPa). Khí argon được đưa vào vùng hàn 3-5 s trước và 5-7 s sau khi có hồ quang (thông qua mạch điều khiển và van điện từ của thiết bị hàn) nhằm mục đích bảo vệ điện cực vonfram và vũng hàn [1].
Với hàn cơ giới hóa hay tự động hóa, dây hàn có kích thước lớn hơn so với hàn bằng tay và có thể hàn 1 lượt hoặc hàn từ hai phía. Hàn thường được thực hiện với điện cực ở vị trí thẳng đứng, dây hàn phụ được cơ cấu cấp dây đưa vào sao cho đầu của nó tựa vào mép của vũng hàn. Với các tấm mỏng hay các tư thế khó hàn, nên sử dụng kỹ thuật hàn xung.