Hình 5.3 Các dạng khuyết tật khác có thể xuất hiện trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T
Trên hình 5.3b là kết quả của việc không làm sạch triệt để bề mặt tấm thép khi hàn phía mặt sau. Chúng ta thấy rằng nếu trên bề mặt tấm thép CCT38 còn tồn tại lớp ôxit thì khả năng thấm ướt của KLMH lên tấm thép đó sẽ rất kém, dẫn đến mối hàn bị vón cục và không tạo được liên kết. Điều này cũng phản ánh đúng với lý thuyết đã nghiên cứu kỹ ở chương 2 (lớp ôxit làm tăng mức năng lượng hoạt hóa và cản trở tính thấm ướt). Do vậy mà khi hàn, bắt buộc phải làm sạch thật triệt để các lớp oxit, bụi bẩn,... ở trên bề mặt của tấm thép.
Hình 5.3c biểu diễn kết quả của quá trình hàn thiếu khí bảo vệ (lưu lượng khí bảo vệ chỉ là 6 lít/phút so với mức đủ khí là 10 lít/phút). Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, nếu khi hàn mà sử dụng thiếu khí bảo vệ thì mối hàn cũng không hình thành được do bị ôxi hóa bề mặt làm cản trở quá trình thấm ướt kim loại và mối hàn có nhiều ôxit.
Cũng xuất phát từ kết quả mô phỏng chu trình nhiệt hàn tại các nút trên bề mặt tấm thép như đã trình bày trong mục 3.4.2.3 (đã cho thấy trước rằng: tại vị trí góc sẽ có nhiệt độ lớn hơn), tác giả đã tiến hành hàn thử nghiệm trên tấm thép được mài với góc nhọn và lượn cong. Kết quả nhận được sau khi hàn được thể hiện trong hình 5.3d và cũng cho thấy rằng tại vị trí góc nhọn thì lớp IMC dày hơn do các nguyên tử Fe tại đây khuếch tán sang KLMH nhiều hơn (bởi vì tại đây có nhiệt độ cao hơn và thời gian khuếch tán cũng lâu
hơn). Như vậy kết quả thực tế đã chứng minh các kết luận từ mô phỏng là đúng, hay nói cách khác là mô phỏng phản ánh đúng thực tế. Kết quả trên hình 5.3d cũng cho thấy rằng tại vị trí vát mép lượn cong thì lớp IMC mỏng và đều do dòng chảy của kim loại lỏng trên bề mặt tấm thép được tốt hơn. Kết quả này là một phát hiện mới, quan trọng và thú vị giúp chúng ta có cách chuẩn bị mép hàn hợp lý hơn trong quá trình sản xuất sau này.
5.4. Kết quả kiểm tra bền liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T
Ở phần này trình bày các kết quả thử kéo và bẻ liên kết hàn nghiên cứu theo sơ đồ và thiết bị đã mô tả trong mục 4.5.1. Trong đó, hình 5.4 là biên bản thử kéo liên kết hàn hybrid giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 dạng chữ T (mẫu K03).
Hình 5.4 Biên bản thử kéo mẫu K03 liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm khi hàn với năng lượng đường 680 J/mm
Biên bản thử kéo mẫu K03 cho thấy rằng, độ bền cắt (kéo trượt) trong trường hợp này đạt được 89 MPa, lớn hơn độ bền trượt của nhôm AA1100 ở trạng thái ủ là 62,1 MPa theo
tài liệu [63]. Kết quả thử kéovà giá trị trung bình của 5 mẫu kéo được mô tả trong bảng 5.1 dưới đây.
Bảng 5.1 Kết quả thử kéo 5 mẫu hàn hybrid nhôm – thép chữ T
Hình 5.5 dưới đây là biên bản thử bẻ mẫu U02 của liên kết hàn hybrid nhôm AA1100 với thép CCT38 dạng chữ T dày 5mm khi hàn với năng lượng đường 680 J/mm.
Hình 5.5 Biên bản thử bẻ mẫu U02 liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm khi hàn với năng lượng đường 680 J/mm
91Mẫu kéo Mẫu kéo Giới hạn bền cắt [MPa] K01 76 K02 81
Biên bản thử bẻ mẫu U02 ở trên cho thấy rằng, độ bền đạt được trong trường hợp này là 38 MPa, nhỏ hơn nhiều so với độ bền cắt. Kết quả thử bẻ và giá trị trung bình của 5 mẫu bẻ được mô tả trong bảng 5.2 dưới đây.
Bảng 5.2 Kết quả thử bẻ 5 mẫu hàn hybrid nhôm – thép chữ T
5.5. Cấu trúc thô đại của liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T
Tiến hành cắt mẫu bằng máy cắt Plasma CNC và máy cắt dây CNC ở kích thước phù hợp với gá mẫu của hệ thống hiển vi quang học, sau đó mài phẳng và đánh bóng rồi chụp ảnh bằng Smartphone hiện có sẽ nhận được các kết quả về cấu trúc thô đại (Macro) của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T như thể hiện trên hình 5.6 dưới đây.
a) Vát góc, khe hở hàn 1,5mm, q=680J/mm b) Vát cong, khe hở hàn 2mm, q=700,4 và 680J/mm
Hình 5.6 Cấu trúc thô đại của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm
Khi tấm thép được vát một góc nhỏ và để khe hở hàn lớn hơn 1,5 mm thì liên kết nhận được có chất lượng tốt. Trong trường hợp này, muốn mối hàn ở 2 phía có kích thước giống nhau thì phải hàn chúng ở cùng một chế độ (680 J/mm). Khi vát cong về một bên thì cần phải tăng năng lượng đường khi hàn phía thứ nhất (700,4 J/mm), còn ở phía thứ 2 thực hiện với năng lượng đường nhỏ hơn (680 J/mm) thì sẽ cho mối hàn ở hai phía có kích thước bằng nhau. Điều này có thể được lý giải vì khi hàn phía thứ nhất, do rãnh hàn rộng hơn nên phải đắp nhiều hơn nên phải sử dụng năng lượng đường lớn hơn. So sánh hai trường hợp này thấy rằng, trường hợp vát cong thì nguy cơ lẫn xỉ ở phía mặt đáy bị loại bỏ và khả năng làm sạch bề mặt tấm thép CCT38 khi hàn phía thứ 2 sẽ thuận lợi hơn.
5.6. Cấu trúc tế vi của liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T5.6.1. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100 5.6.1. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100
Liên kết hàn hybrid nhôm – thép như đã giới thiệu là sự lai ghép giữa hàn nóng chảy bên phía tấm nhôm AA1100 và hàn vảy bên phía tấm thép CCT38. Trên hình 5.7 mô tả cấu trúc tế vi của vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100. Chúng ta thấy rằng cấu trúc của mối hàn tại đây giống với các mối hàn nóng chảy thông thường khi hàn nhôm AA1100
92Mẫu bẻ Mẫu bẻ Giới hạn bền [MPa] U01 34 U02
(tấm biên) và hợp kim nhôm Silic (KLMH là hợp kim Al-5%Si). Sự hình thành liên kết hàn theo cơ chế hòa tan – kết tinh từ trạng thái lỏng. Do KLMH và tấm nhôm AA1100 là những vật liệu cùng chủng loại có các tính chất khác nhau không nhiều, nên khi hàn chúng sẽ dễ dàng hòa trộn vào nhau ở mức không hạn chế. Kết quả là hình thành một đường viền chảy (nếu xét theo tiết diện ngang) mà tại đây kim loại hòa tan hoàn toàn vào nhau ở trạng thái lỏng rồi kết tinh tạo thành mối hàn sau khi nguội.
Hình 5.7 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100 (x500)
Trong trường hợp này, chúng ta thấy rằng có sự phân biệt rõ ràng về tổ chức giữa KLMH và tấm nhôm AA1100 bởi vì trong KLMH có tồn tại nhiều tinh thể Si (vùng màu nâu, phân bố rải rác) do chúng ta sử dụng vật liệu dây hàn là hợp kim nhôm loại ER4043 với 5%Si. Còn trong tấm nhôm, do sử dụng nhôm AA1100 nên cấu trúc chỉ đơn thuần là dung dịch đặc đồng nhất.
5.6.2. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38
Như đã tìm hiểu ở các phần trên, nếu để tấm thép bị nóng chảy khi hàn thì sẽ không nhận được liên kết hàn mà chúng sẽ bị tách rời ngay sau khi hàn (hình 5.1a). Để nhận được liên kết hàn nhôm – thép thì phải sử dụng chế độ nhiệt thật phù hợp để sao cho tại bề mặt tiếp giáp giữa KLMH và tấm thép CCT38 chỉ hình thành liên kết hàn vảy theo cơ chế khuếch tán – tiết pha.
Trên hình 5.8 mô tả cấu trúc tế vi của vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38 khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép chữ T dày 5 mm bằng quá trình hàn TIG với năng lượng đường q = 680 J/mm. Các hình 5.8a và hình 5.8c là kết quả khi hàn phía thứ nhất, còn các hình 5.8b và hình 5.8d là kết quả sau khi hàn phía thứ hai. Kết quả phân tích kim tương học cho thấy rằng, khi hàn với năng lượng đường bằng với cận dưới của dải năng lượng đường tối ưu (680 J/mm) thì sẽ nhận được lớp IMC có chiều dày rất nhỏ (dưới 5 µm) và kim loại có cấu trúc liên tục – nghĩa là đã thực hiện được sự liên kết kim loại (hàn) giữa hai vật liệu nhôm và thép. Mặt khác mối hàn không bị nứt nên sẽ có cơ tính cao.