5.1. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến chất lượng liên kết
Thực hiện hàn thí nghiệm theo các chế độ hàn đã nêu cụ thể trong bảng 4.3 tương ứng với các giá trị năng lượng đường khác nhau, ta thu được các kết quả thể hiện trong hình 5.1 dưới đây. a) Chế độ hàn 1 (q=1197 J/mm) c) Chế độ hàn 3 (q=719,95 J/mm) e) Chế độ hàn 5 (q=680 J/mm) g) Chế độ hàn 7 (q=600,95 J/mm) b) Chế độ hàn 2 (q=739,2 J/mm) d) Chế độ hàn 4 (q=700,4 J/mm) f) Chế độ hàn 6 (q=658,44 J/mm) h) Chế độ hàn 8 (q=480,76 J/mm)
Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, khi hàn ở chế độ hàn 1 với việc sử dụng góc nghiêng mỏ hàn 45o để hồ quang tác động trực tiếp vào bề mặt tấm thép làm cho tấm thép bị nóng chảy bề mặt, dẫn đến hiện tượng mối hàn bị nứt mạnh và tách rời nhau hoàn toàn ngay sau khi hàn. Tiến hành thí nghiệm trên 10 mẫu vẫn nhận được kết cục này. Như vậy có thể khẳng định rằng góc nghiêng của mỏ hàn có vai trò rất quan trọng trong quá trình hàn liên kết hybrid nhôm – thép đề cập trong luận án. Để có thể thực hiện thành công liên kết dạng này thì tuyệt đối không được để cho hồ quang tác động trực tiếp vào bề mặt của tấm thép bằng cách để nghiêng mỏ hàn đi một góc 20o so với tấm thép, nhiệt nung cho tấm thép chủ yếu do quá trình truyền nhiệt từ vũng hàn vào và bức xạ nhiệt từ vùng hồ quang. Các chế độ thí nghiệm từ 2 đến 8 sẽ chỉ thực hiện với góc nghiêng mỏ hàn 20o.
Khi hàn ở chế độ hàn số 2 với năng lượng đường 739,20 J/mm, kết quả nhận được có khả dĩ hơn. Đã có nhiều chỗ tạo được liên kết giữa KLMH và tấm thép, nhưng chân mối hàn bị sụt rất nhiều, làm cho mối hàn bị lõm và diện tích tiếp xúc giữa KLMH với bề mặt tấm thép bị giảm đi rất nhiều. Trong trường hợp này vết nứt cũng xuất hiện rất nhiều trên biên giới giữa KLMH và tấm thép CCT38, do đó chế độ hàn này cũng không phù hợp đối với liên kết nghiên cứu.
Khi hàn ở chế độ hàn số 3 với năng lượng đường 719,95 J/mm gần bằng với cận trên của dải năng lượng đường tối ưu, kết quả nhận được có tốt hơn so với hai trường hợp trước, tuy nhiên vết nứt vẫn còn khá nhiều và chân mối hàn vẫn bị sụt nhiều làm cho bề mặt mối hàn và diện tích tiếp xúc giữa KLMH và tấm thép vẫn nhỏ. Chế độ hàn này cũng không thỏa mãn các yêu cầu đặt ra.
Ở chế độ hàn số 4 (hình 5.1d), khi hàn với năng lượng đường 700,4 J/mm thuộc dải năng lượng đường tối ưu, kết quả nhận được là khá tốt. Tấm nhôm AA1100 phía dưới không bị sụt, chân mối hàn lồi ra không đáng kể và có thể loại bỏ khi hàn phía đối diện. Trường hợp này có bề mặt mối hàn tương đối đều và đẹp, diện tích tiếp xúc giữa KLMH và tấm thép tương đối lớn giúp cho liên kết bền chắc hơn. Kết quả phân tích cấu trúc tế vi cho thấy rằng, tuy không có vết nứt nhưng ở trường hợp này lớp IMC xuất hiện liên tục và khá dày (chiều dày trung bình khoảng 10 – 17 µm trên toàn bộ bề mặt gianh giới giữa KLMH và tấm thép CCT38 dẫn đến độ bền của mối ghép không cao.
Khi hàn ở chế độ hàn số 5 với năng lượng đường 680 J/mm bằng cận dưới của dải năng lượng đường tối ưu, kết quả nhận được liên kết hàn trên hình 5.1e. Trong trường hợp này tấm nhôm AA1100 không bị sụt, chân mối hàn có độ lồi nhỏ, bề mặt mối hàn đều và đẹp do độ chảy loang của KLMH lên trên bề mặt tấm thép ở mức độ vừa phải. Kết quả phân tích cấu trúc tế vi ở mục 5.6 cho thấy rằng liên kết hàn không bị nứt, lớp IMC xuất hiện không liên tục với chiều dày trung bình từ 3 đến 9 µm. Đặc biệt là trên bề mặt gianh giới giữa KLMH và tấm thép CCT38 có nhiều vùng không xuất hiện lớp IMC, có nghĩa là lượng kim loại khuếch tán tại vùng như vậy là rất ít, chưa đủ để tiết ra tổ chức IMC bất lợi. Như vậy có thể thấy rằng chế độ hàn số 5 cho chất lượng tốt.
Khi hàn ở chế độ hàn số 6 với năng lượng đường 658,44 J/mm thấp hơn cận dưới của dải năng lượng đường tối ưu, ta nhận được kết quả trên hình 5.1f. Ở trường hợp này do hàn ở tốc độ cao (4 mm/s) nên vũng hàn nhỏ, kết quả là chân mối hàn không lồi và tấm nhôm AA1100 không bị sụt, nhưng bề rộng mối hàn bé và diện tích tiếp xúc giữa KLMH và tấm thép CCT38 cũng bị giảm đi dẫn đến bề mặt mối hàn không đều và đẹp. Ưu điểm của trường hợp này là lớp IMC mỏng và không liên tục, nhưng do có khuyết tật hình dáng nên nó cũng không phải là chế độ hàn phù hợp.
Ở chế độ hàn số 7 khi hàn với năng lượng đường 600,95 J/mm, kết quả nhận được trên hình 5.1g. Do năng lượng đường thấp nên không đủ nhiệt để tạo ra sự tiếp xúc tốt giữa KLMH và tấm thép, dẫn đến bề mặt mối hàn không hoàn thiện và chân mối hàn không ngấu.
Khi hàn ở chế độ hàn số 8 với năng lượng đường quá nhỏ (480,76 J/mm), khi đó nhiệt trên bề mặt tấm thép chưa cao nên quá trình thấm ướt và khuếch tán kim loại chưa đủ để hình thành liên kết trên toàn bộ bề mặt gianh giới giữa KLMH và tấm thép (chỉ tạo được liên kết tại một số vị trí). Kết quả là liên kết hàn dễ bị bẽ gãy, nhưng không bị rời ra ngay sau khi hàn như ở chế độ hàn số 1.
Kết luận: trong 8 chế độ công nghệ hàn thí nghiệm ở trên, chỉ có 2 chế độ hàn số 4 và 5
là đạt được yêu cầu (đủ ngấu chân, không nứt, không sụt). Trong đó chế độ hàn số 5 là tốt nhất do có lớp IMC nhỏ nhất và tồn tại nhiều vùng không có lớp IMC. So sánh với kết quả tính toán mô phỏng ở mục 3.4.3, ta thấy rằng kết quả mô phỏng phản ánh khá đúng với thực nghiệm – nghĩa là kết quả mô phỏng ở mục 3.4.3 là chính xác nên rất có ý nghĩa về mặt thực tiễn. Kết quả thực nghiệm còn chỉ ra rằng dải năng lượng đường tối ưu trong thực tế còn kẹp hơn so với kết quả tính toán bằng mô phỏng (thu hẹp theo hướng về phía cận dưới – vùng năng lượng đường thấp).
5.2. Hiện tượng nứt trong liên kết hàn nhôm - thép
Khi hàn với năng lượng đường vừa phải thì lớp IMC xuất hiện không liên tục với chiều dày nhỏ (như ở các chế độ hàn 5, 6, 7 ở trên), còn khi hàn với năng lượng đường lớn như chế độ hàn số 3 và đặc biệt là ở chế độ hàn số 2 thì lớp IMC xuất hiện liên tục trên toàn bộ bề mặt tiếp giáp giữa KLMH và tấm thép CCT38 với chiều dày rất lớn (có chỗ trên 20µm) dẫn đến hiện tượng nứt ngay tại gianh giới này (hình 5.2).
Hình 5.2 Hiện tượng nứt trên gianh giới KLMH và tấm thép CCT38 khi hàn ở chế độ hàn số 2 (x1000)
Như vậy để tránh nứt trong liên kết hàn nhôm – thép dạng này, ngoài việc không được để hồ quang tác động trực tiếp vào bề mặt tấm thép, còn cần phải thực hiện ở chế độ hàn có năng lượng đường nhỏ vừa phải.
5.3. Các dạng khuyết tật khác có thể xuất hiện trong liên kết hànhybrid nhôm – thép dạng chữ T hybrid nhôm – thép dạng chữ T
Trong quá trình thực nghiệm, tác giả đã tiến hành hàn thí nghiệm với nhiều trường hợp khác nhau và nhận được các kết quả dưới đây. Trong trường hợp hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T của luận án này, nếu như không vát mép tấm thép hoặc vát mép nhưng để mặt đáy quá dày trong khi khe hở hàn quá hẹp (0 - 0,8 mm) thì kết quả nhận được liên kết hàn tại vùng mặt đáy sau khi hàn cả 2 phía như thể hiện trên hình 5.3a. Trường hợp này không tạo ra được liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38 do tồn tại một lớp màng ôxit sắt ngăn cách giữa KLMH và mặt đáy của tấm thép.
Điều này có thể lý giải như sau: do khe hở hàn quá hẹp trong khi mặt đáy lại dày nên khi hàn phía thứ nhất, KLMH không tràn được vào khe đáy (vì tính thấm ướt của nhôm lỏng lên bề mặt tấm thép quá thấp). Mặt khác, do khi hàn phía thứ nhất trong khi lại không
mặt sau do nó được nung đến nhiệt độ cao. Trước khi hàn phía thứ 2 đã tiến hành đánh lớp ôxit trên bề mặt mép hàn bằng bài chải có sợi thép không gỉ, nhưng do khe đáy quá hẹp nên không làm sạch được triệt để, dẫn đến ôxit sắt còn kẹt lại trong khe đáy và sau khi hàn phía thứ 2 sẽ không tạo được liên kết tại vùng mặt đáy này. Kết quả phân tích cấu trúc siêu tế vi bằng hiển vi điện tử quét (SEM) và kết quả phân tích thành phần nguyên tố bằng kỹ thuật phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) ở mục 5.8 sẽ cho ta biết rõ về lớp ôxit sắt này.