T ch c liên kim Theo gi n đ tr ng tháiHàm l ng Al [%]Phân tích hóa h c c ng t vi [HV]
Fe3Al 13,9 14,04 250 - 350 FeAl 32,6 33,64 400 - 520 FeAl2 49,1 49,32 1000 - 1050 Fe2Al5 55,0 54,92 1000 - 1100 FeAl3 59,0 59,40 820 - 980 Fe2Al7 63,0 62,89 650 - 680 2.3.4. nh h ng c a các y u t công ngh đ n vi c hình thành liên k t hàn hybrid nhôm – thép
2.3.4.1. nh h ng c a nhi t đ và th i gian khu ch tánkim lo i:
Qua các nghiên c u và phân tích trên có th th y r ng, trong quá trình n i b ng nhi t (hàn) các v t li u khác ch ng lo i thì s hình thành các pha liên kim IMC đóng vai trò r t quan tr ng, nh h ng đ n đ b n c a m i ghép. Tùy thu c vào quá trình hàn c th , nhi t
đ và th i gianlà hai thông s quan tr ng nh t quy t đ nh đ n kh n ng khu ch tán c a các nguyên t kim lo i vào nhau và qua đó hình thành k t t a ra các pha liên kim b t l i làm cho liên k t hàn b giòn. Vì v y, n u các m i n i t các v t li u khác ch ng lo i yêu c u có đ c đ b n và đ dai va đ p cao thì vi c hình thành các pha liên kim ph i đ c kh ng ch m t kích th c t i thi u ho c t t nh t là không đ hình thành các pha liên kim b t l i đó, b ng cách gi m nhi t đ và th i gian khu ch tán kim lo i thông qua vi c gi m n ng l ng
đ ng và kích th c v ng nóng ch y. Theo nh ng nh n xét này, các ngu n hàn xung v i n ng l ng đ ng nh và t p trung là nh ng công c t t nh t đáp ng đ c các yêu c u k thu t. Nhi t đ và th i gian khu ch tán kim lo i thích h p khi hàn liên k t hybrid nhôm – thép b ng quá trình hàn TIG đ i v i liên k t d ng ch T đ c đ c p nghiên c u trong lu n án này s đ c xác đ nh thông qua quá trình tính toán mô ph ng ch ng 3.
2.3.4.2. nh h ng c a đ s ch b m t chi ti t hàn:
Nh đã nghiên c u trong m c 2.3.1, khi hàn thép v i nhôm tr ng thái nóng ch y thì
đ s ch b m tc a kim lo i có nhi t đ nóng ch y cao h n trong hai kim lo i đó (b m t c a t m thép CCT38) có ý ngh a r t quan tr ng. Trong tr ng h p này, vi c tránh s oxi hóa b m t có tác d ng làm gi m m c n ng l ng ho t hóa, c i thi n tính th m t và t o đ n đ nh cho vi c ti p xúc gi a hai kim lo i l ng và r n [1]. Vì v y trong quá trình th c nghi m ph i s d ng các bi n pháp làm s ch tri t đ b m t mép hàn, đ c bi t là khi hàn phía đ i di n c a liên k t hàn ch T. B i l khi hàn phía th nh t thì t m thép đã đ c nung t i nhi t đ cao, n u không phun khí b o v phía đ i di n thì b m t t m thép s b ôxi hóa. Trong th c t hàn h quang, cách th c đ n gi n nh t, có hi u qu kinh t và tính công ngh là s d ng bàn ch i s t (trong tr ng h p này c n s d ng bàn ch i s i thép không g ) ho c gi y ráp k t h p v i máy nén khí có áp su t cao đ th i s ch m t s t và oxit s t bong ra sau khi ch i.
33
Không ch yêu c u cao v đ s ch b m t t i n i có s ti p xúc gi a kim lo i l ng c a m i hàn và t m thép CCT38, đ tránh hi n t ng quá nhi t ho c nóng ch y c c b trên b m t c a t m thép nh m làm gi m kh n ng khu ch tán c a các nguyên t Fe vào trong KLMH thì đ nh p nhô t vi c a b m t t m thép c ng yêu c u ph i nh (càng nh càng t t). B i vì khi hàn, các đ nh c a nh p nhô t vi s có nguy c b quá nhi t hay th m chí b nóng ch y c c b , đi u này s làm cho Fe hòa tr n nhi u vào KLMH và s t o ra l p IMC b t l i có chi u dày l n, s gây giòn và n t liên k t hàn.
2.3.4.3. nh h ng c a các nguyên t h p kimtrong m i hàn:
Tác gi Simaizumi trong tài li u [36] và tác gi B. P. trong tài li u [60] đã ti n hành nghiên c u hàn nhôm h Al-Mg (lo t 5xxx) v i thép cacbon đã đ c m k m b ng quá trình hàn TIG và đã đ a ra đ c đ th nh h ng c a các nguyên t h p kim c ng nh hàm l ng c a chúng đ n chi u dày c a l p IMC và đ b n kéo c a liên k t hàn nh mô t trên hình 2.13 d i đây:
Hình 2.13 nh h ng c a các nguyên t h p kim trong v t li u hàn đ n chi u dày c a l p IMC và đ b n c a liên k t hàn nhôm – thép khi hàn TIG (ngu n: [36])
K t qu nghiên c u này cho th y r ng, khi hàn nhôm v i thép tr ng thái nóng ch y n u s d ng dây hàn thu c h Al-Si s cho chi u dày c a l p IMC nh h n so v i các h Al-Cu và h Al-Zn, qua đó cho đ b n c a m i ghép cao h n. Trong đó, dây hàn có hàm l ng 5%Si là t i u nh t vì cho chi u dày l p IMC nh nh t khi s d ng cùng m t ch đ công ngh hàn (n ng l ng đ ngnh nhau). K th a thành qu c a các nghiên c u này, tác gi s h ng đ n vi c ch n v t li u hàn đ hàn nhôm AA1100 v i thép CCT38 thu c h Al-5%Si (lo i ER4043).
Trong tr ng h p ch n v t li u hàn thu c h Al-Si có ch a 5%Si, trong m i hàn và vùng nh h ng nhi t phía KLMH và t m nhôm AA1100 s có s t ng tác gi a Al và Si, vì v y c n ph i nghiên c u gi n đ tr ng thái c a h h p kim Al-Si. Trên hình 2.14 là gi n đ tr ng thái c a h h p kim hai nguyên Al-Si, chúng ta th y r ng gi a nhôm và silic không hình thành các pha liên kim, đi u này là t ng đ i thu n l i cho quá trình hàn. T n t i duy nh t m t đi m cùng tinh khi hàm l ng Si đ t đ c 12,6% 577oC, ngh a là n u hàm l ng Si l n h n 12,6% thì t ch c s là h n h p c h c ([Al+Si]+Si) gi a cùng tinh [Al+Si] và Si t n t i d i d ng tinh th , còn khi hàm l ng Si nh h n 12,6% thì t ch c nh n đ c s là h p kim tr c cùng tinh (Al + [Al+Si]). Nh v y đ tránh s k t t a ra Si d ng tinh th trong m i hàn thì không nên s d ng v t li u hàn có hàm l ng Si quá cao.
34
Hình 2.14 Gi n đ tr ng thái c a h h p kim 2 nguyên Al-Si (ngu n: [47])
Trong tr ng h p ch n v t li u hàn thu c h Al-5%Si nh v y, ngoài s t ng tác gi a Al và Si, còn có s t ng tác gi a Fe và Si. S t ng tác gi a Fe và Siđ c th hi n trên gi n đ tr ng thái c a h h p kim hai nguyên Fe-Si nh hình 2.15. Chúng ta th y r ng gi a Fe và Si có th hình thành r t nhi u t ch c khác nhau, t ng ng v i hàm l ng Si và nhi t đ thích h p. Trong đó, n u hàm l ng hòa tan c a Si trong Fe t 0-10,9% thì t ch c nh n đ c làdung d ch r n Fe. Khi l ng Si hòa tan vào Fe ch t 0-1,9% và nhi t đ 912-1394oC thì h h p kim có c u trúc γFe (dung d ch r n). Khi hàm l ng Si đ t ∼5- 12% thì t ch c nh n đ c là dung d ch r n 2, còn Si đ t đ c ∼5-18% thì t ch c nh n đ c là dung d ch r n 1.
Khi l ng hòa tan c a Si l n, đ t kho ng 20,1% thì chúng ta nh n đ c t ch c cùng tinh Fe2Si n m biên gi i h t, tuy nhiên t ch c này ch t n t i nhi t đ trên 1050o
C, d i nhi t đ này thì Fe2Si b phân hu thành các t ch c khác. Khi hàm l ng Si đ t 23,2% và nhi t đ t 825-1060oC chúng ta s nh n đ c t ch c cùng tích Fe5Si3. Khi hàm l ng hòa tan c a Si trong Fe đ t x p x 34%, s hình thành m t t ch c cùng tinh FeSi ngay c nhi t đ th ng. Ngoài ra chúng ta còn có th nh n đ c t ch c FeSi2 d i d ng ho c β.
Qua phân tích gi n đ tr ng thái gi a Fe và Si ta th y r ng, khi hàn nhôm v i thép b ng dây hàn ER4043 thì kh n ng hình thành các t ch c cùng tinh ho c liên kim FexSiylà r t th p vì n ng đ Si trong KLMH r t th p (t i đa 5%), trong khi th i gian khu ch tán l i r t ng n và môi tr ng khu ch tán là Fe tr ng thái r n.
35
Hình 2.15 Gi n đ tr ng thái c a h h p kim 2 nguyên Fe-Si (ngu n: [47])
Khi s d ng v t li u hàn thu c h Al-Si, ngoài s t ng tác đ n l c a 2 nguyên t k trên, còn có t ng tác t ng h l n nhau c a 3 nguyên t Al, Fe và Si th hi n qua gi n đ tr ng thái h 3 nguyên Al-Fe-Si. Theo tài li u [48], gi n đ tr ng thái c a h h p kim 3 nguyên Al-Fe-Si t i 600oC nh th hi n trên hình 2.16.
Chúng ta th y r ng ngoài vi c ti t ra các pha liên kim 2 nguyên FexAly, khi có thêm Si thì trong kim lo i còn có th xu t hi n các pha liên kim 3 nguyên AlxFeySiz, ký hi u b ng các ký t t τ1 đ n τ10 (b ng 2.7). Chúng xu t hi n và t n t i tùy thu c vào nhi t đ và hàm l ng t ng ng c a các nguyên t .