CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3. Sự thay đổi tổ chức của hợp kim nhôm sau khi hàn
Cấu trúc tinh thể và sự thay đổi tính chất vật lý sau khi hàn FSW của hợp kim nhôm phụ thuộc vào các yếu tố: thành phần hợp kim, tính chất hợp kim, thông số hàn, chiều dày vật hàn và những yếu tố hình học khác, hay đúng hơn là phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ sinh ra trong lúc hàn. Thành phần hợp kim quyết định cơ chế hóa bền hữu ích và ứng xử của vật liệu dưới tác dụng của nhiệt độ và quá trình biến dạng trong khi hàn. Đặc tính của hợp kim có ảnh hưởng rất lớn đến sự thay đổi tổ chức, đặc biệt là trong vùng ảnh hưởng nhiệt. Thông số hàn (tốc độ quay dụng cụ, vận tốc hàn, chiều sâu xâm nhập, góc nghiêng dụng cụ, tốc độ hàn,…) nói lên đặc tính hình học của dụng cụ hàn và điều kiện biên của sự tạo nhiệt, nhiệt độ và quá trình biến dạng của vật hàn. Chiều dày vật hàn và các yếu tố khác (đường kính vai dụng cụ, chế độ làm nguội, sự gá kẹp trong khi hàn, ...) có thể ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt trong vùng hàn và đặc biệt là trong suốt chiều dày của phôi hàn [1].
2.3.1. Sự luyện kim của hợp kim nhôm:
2.3.1.1. Quá trình cơ nhiệt kết hợp với FSW:
Sự khác nhau cơ bản giữa hàn ma sát khuấy và hàn hồ quang là trong hàn hồ quang nhiệt độ cao nhất cho kim loại kết tinh là nhiệt độ nóng chảy, do đó vùng ranh giới vùng hàn không được xác định rõ ràng rằng nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ nóng chảy của hợp kim.
Trong hàn ma sát khu nhiệt độ cao nhất mà mối hàn nhận được có thể thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy. Sự thay đổi nhiệt độ đỉnh trong hàn ma sát khuấy có thể giúp tạo ra nhiều loại cấu trúc và đặc tính mà trong hàn hồ quang không đạt được. Tiến trình xảy ra trong những vùng hàn của FSW sẽ tùy thuộc vào nhiệt độ tối đa đạt được trong mối hàn.
31
2.3.1.2. Quá trình cơ nhiệt xảy ra ở vùng trung tâm mối hàn:
Vùng trung tâm mối hàn được xem là vùng ảnh hưởng cơ nhiệt, ở đó trải qua sự biến dạng đáng kể ở nhiệt độ cao làm phát sinh quá trình kết tinh lại. Vùng này sẽ hẹp hơn trong những hợp kim chưa kết tinh lại (RX-Resistant) so với những hợp kim đã kết tinh lại (2195 và 6061). Hai sự thay đổi chủ yếu quyết định đến tính chất vật liệu vùng này là: nhiệt độ tối đa và mức độ đông đặc từ nhiệt độ đó.
Thông số hạt được kết tinh lại trong vùng tâm hàn được xác định chủ yếu là tùy thuộc vào nhiệt độ đỉnh của mối hàn, nhiệt độ đỉnh càng cao thì cỡ hạt càng lớn. Vận tốc hàn cũng có liên quan nhưng vì cỡ hạt (sự phát triển hạt tĩnh) là phi tuyến với nhiệt độ và tuyến tính với thời gian, trong đó nhiệt độ đỉnh là yếu tố tác động nhiều nhất. Mối quan hệ giữa thời gian, nhiệt độ, cỡ hạt cũng được dự tính cho quá trình kết tinh lại năng động liên tục. Độ lớn của cỡ hạt trong vùng tâm hàn có thể đạt được theo mong muốn bằng cách điều khiển thông số hàn. Theo thứ tự cỡ hạt: 1 m đến 10 m.
Những quá trình quan trọng xảy ra trong vùng tâm hàn (khác với kết tinh lại) sẽ có khác biệt tùy thuộc vào từng loại hợp kim. Những hợp kim không xử lý nhiệt, chỉ có quá trình nhiệt duy nhất trong vùng tâm hàn là quá trình ủ kim loại mối hàn.
Nếu đặc tính ban đầu của kim loại là “0” thì tính chất của vùng kim loại mối hàn sẽ tương tự như kim loại cơ bản. Tùy thuộc vào kích thước hạt trong tâm hàn có thể có từng mức độ hóa bền khác nhau. Nếu kim loại hàn ở điều kiện hóa bền cơ học thì vùng tâm kết tinh lại sẽ thường biểu hiện sự giảm đáng kể về độ cứng so với kim loại cơ bản.
Trong hợp kim xử lý nhiệt thì những quá trình diễn ra trong tâm hàn có thể phức tạp hơn nhiều. Tùy thuộc vào sự kết tinh đặc biệt của hợp kim và thông số hàn, vùng tâm hàn có thể để lại một đặc tính hoá già, một phần trong điều kiện xử lý nhiệt hòa tan hoặc pha đơn dung dịch rắn. Cấu trúc tinh thể vùng tâm hàn có thể được đánh giá trực tiếp hoặc gián tiếp do sự thể hiện của việc xử lý hóa già sau khi hàn.
Nếu vùng tâm hàn quá già thì chắc rằng việc xử lý hóa già sẽ có: một là không ảnh hưởng, hai là ảnh hưởng đến sự giảm độ cứng tâm hàn.
32
Nếu vùng tâm hàn được xử lý nhiệt hòa tan từng phần thì việc hóa cứng cho kết quả hóa già sau khi hàn. Nếu tâm hàn đã được để lại trong điều kiện dung dịch rắn thì việc hóa già sau khi hàn có thể phục hồi tính chất của nó tương tự như kim loại cơ bản.
Có thể có những vùng nóng chảy thấp phân bố bên trong khối nóng chảy cao hơn. Trong vài trường hợp, biến dạng nhiệt trong toàn khối có thể cho kết quả nhiệt độ vượt quá nhiệt độ nóng chảy của một vài pha nóng chảy thấp. Điều này dẫn đến sự nóng chảy ranh giới hạt và hình thành cấu trúc không đồng nhất bên trong mối hàn. Hiện tượng nóng chảy cục bộ này được xem như hiện tượng quá nhiệt khi hàn [1].
2.3.1.3. Quá trình nhiệt trong HAZ:
Vùng HAZ là vùng không biến dạng cơ học. Vì thế quá trình xảy ra ở vùng này chỉ là kết quả của sự hấp thu nhiệt. Dĩ nhiên, sự hấp thu nhiệt sẽ mãnh liệt hơn ở vùng gần tâm hàn và kém hơn khi ra xa tâm hàn. Ở khoảng cách từ tâm hàn thì lại tùy thuộc vào nhiệt độ tối đa và thời gian tạm thời của sự hấp thu nhiệt, ảnh hưởng của sự hấp thu nhiệt sẽ được bỏ qua và vì thế vùng HAZ sẽ dần đến với kim loại cơ bản. Quá trình nhiệt trong HAZ sẽ tùy thuộc vào từng loại hợp kim cụ thể.
Hợp kim không xử lý nhiệt trong đặc tính “0” thường sẽ không ảnh hưởng của sự hấp thu nhiệt. Vật liệu đã được làm mềm mà thêm nhiệt thì sẽ không làm giảm độ cứng, tuy nhiên có thể do việc hấp thu nhiệt sẽ dẫn đến sự tăng cỡ hạt.
Nếu đặc tính của hợp kim là hóa bền cơ học, thì thông thường sẽ có một sự thay đổi lớn về cấu trúc mạng tinh thể, với sự phụ thuộc căn cứ vào khoảng cách từ tâm hàn. Gần tâm hàn, vật liệu hóa bền cơ học sẽ có khả năng kết tinh lại hoàn toàn. Lượng vật liệu kết tinh lại sẽ giảm dần về không khi khoảng cách từ tâm đường hàn càng tăng, tại điểm đó thường sẽ có một vùng phục hồi chuyển tiếp đến kim loại cơ bản.
Đối với hợp kim xử lý nhiệt, quá trình này cũng sẽ tùy thuộc vào đặc tính ban đầu.
Những hợp kim trong điều kiện nhiệt độ tối đa hoặc điều kiện quá già (T6, T7 hoặc T8) thường sẽ có một vùng giảm độ cứng (liên quan đến kim loại cơ bản) nằm trong HAZ.
Trong vùng này, sự hấp thu nhiệt như là một sự phân bố phân tán đã làm thô cỡ hạt rất nhiều, việc quá già hợp kim cũng diễn ra.
33
Tùy thuộc vào thông số hàn, vùng có độ cứng thấp nhất sẽ là những vùng ở những khoảng cách khác nhau tính từ tâm hàn sẽ có độ sâu thay đổi. Độ cứng tối thiểu trong HAZ có thể có cùng độ cứng với vùng tâm hàn (và vùng kế cận) hoặc có thể thấp hơn nhiều tùy thuộc vào quá trình cơ nhiệt diễn ra tại tâm hàn.
Nếu hợp kim được hàn ở điều kiện hóa già tự nhiên thì tình huống sẽ phức tạp hơn.
Những vật liệu hóa già tự nhiên sẽ có thể có hai vùng độ cứng tối thiểu xung quanh vùng độ cứng lớn hơn. Trong vùng tối thiểu (sát với vùng hàn) việc quá già là một quá trình được thực hiện (T6, T7 và T8). Vùng có độ cứng lớn nhất xảy ra là do kết quả của sự phân tán của pha hóa bền do quá trình hóa già nhân tạo (với thời gian hóa già rất ngắn).
Cơ chế hình thành vùng có độ cứng tối thiểu bên ngoài HAZ có thể là do vùng hòa tan lại (Re-Solution) của những vùng Guinier - Preston hoặc do sự phục hồi từ công việc làm nguội (trong những vật liệu T3) [1].