Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn TIG xung đến chất lượng của liên kết hàn từ hợp kim nhôm A6061
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả là Bùi Trọng Nghĩa, học viên lớp Cao học chuyên ngành Kỹ thuật cơ
khí – Khóa ….., Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, đã tiến hành thực hiện
đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn TIG xung đến chất lượng của liên
kết hàn từ hợp kim nhôm A6061”, dưới sự giúp đỡ, hướng dẫn khoa học của TS.
Nguyễn Hồng Thanh.
Tác giả cam đoan rằng: ngoại trừ các số liệu, các bảng biểu, đồ thị, … đã được
trích dẫn trong các tài liệu tham khảo thì nội dung công bố còn lại trong luận văn này
là của chính tác giả đưa ra. Nếu sai, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Nam Định, ngày ….. tháng ….. năm 2021
i
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
MỤC LỤC ......................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................................v
MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1
1.1. Giới thiệu về nhôm và hợp kim nhôm .................................................................3
1.1.1 Đặc điểm..........................................................................................................3
1.1.2 Phân loại nhôm và hợp kim nhôm...................................................................6
1.2 Hợp kim nhôm A6061........................................................................................10
1.2.1 Đặc tính..........................................................................................................10
1.2.3 Ứng dụng.......................................................................................................12
1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài...............................................................14
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước..................................................................15
Kết luận chương 1:....................................................................................................18
2.1.1 Hàn ma sát .....................................................................................................19
2.1.2 Hàn điện trở...................................................................................................20
2.1.3 Hàn hồ quang tay (SMAW)...........................................................................21
2.1.4 Hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW)............................................................21
(GMAW) .......................................................................................................................21
(GTAW).........................................................................................................................23
2.2 Quá trình hàn TIG ...............................................................................................23
2.2.2 Thiết bị hàn TIG ............................................................................................26
2.2.3 Vật liệu hàn nhôm và hợp kim nhôm ............................................................28
ii
2.3 Công nghệ hàn TIG.............................................................................................30
2.3.1 Dòng điện hàn................................................................................................30
2.3.2 Chế độ hàn TIG .............................................................................................32
2.4.3 Chế độ hàn nhôm A6061...............................................................................41
Kết luận chương 2:....................................................................................................43
3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm.....................................................................44
3.2.1. Kim loại cơ bản ............................................................................................44
3.2.2. Vật liệu hàn...................................................................................................44
3.2.4. Chuẩn bị phôi hàn.........................................................................................46
3.2.5 Tiến hàn hàn ..................................................................................................46
3.2.6 Kết quả...........................................................................................................53
3.3 Mô phỏng số quá trình hàn TIG nhôm................................................................54
3.3.1 Mô hình nguồn nhiệt .....................................................................................54
3.3.2 Thông số quá trình hàn và mô phỏng............................................................55
3.2.9 Kết quả thử kéo mối hàn................................................................................57
Kết luận chương 3:....................................................................................................61
3.4 Đánh giá kết quả và bàn luận .............................................................................62
3.4.1 Các kết quả thu được.......................................................................................62
3.4.2 Kết luận và kiến nghị ......................................................................................62
3.4.2.1 Kết luận.........................................................................................................62
3.4.2.2 Kiến nghị ......................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................63
iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu/
TT
Ý nghĩa
chữ viết tắt
1
2
3
4
5
6
KLCB
KLMH
HAZ
Ih
Kim loại cơ bản
Kim loại mối hàn
Vùng ảnh hưởng nhiệt
Cường độ dòng điện hàn
Uh
Điện áp hàn
Vh
Vận tốc hàn
Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ với
điện cực nóng chảy (Metal Inert Gas)
Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ với
điện cực không nóng chảy (Tungsten Inert Gas)
Hàn hồ quang que hàn thuốc bọc (Submerged
Metal Arc Welding)
7
8
9
MIG (GMAW)
TIG (GTAW)
SMAW(MMA)
10
11
12
13
B
H
b
Bề rộng mặt lồi mối hàn
Chiều cao mặt lồi mối hàn
Bề rộng mặt đáy của mối hàn
Chiều cao mặt đáy của mối hàn
h
iv
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1 Kí hiệu nhôm và hợp kim nhôm ................................................................................6
Bảng 1. 2 Kí hiệu hợp kim nhôm theo TCVN............................................................................6
Bảng 1. 3 Kí hiệu và trạng thái gia công hợp kim nhôm theo các nước ....................................7
Bảng 1. 5 Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A6061 ......................................................11
Bảng 1. 6 Tính chất vật lý của hợp kim nhôm A6061..............................................................11
Bảng 1. 7 Cơ tinh của hợp kim nhôm A6061...........................................................................12
Bảng 2. 1 Phân loại que hàn cho nhôm và hợp kim nhôm.......................................................29
Bảng 2. 2 Mối quan hệ giữa đường kính điện cực và dòng hàn...............................................32
Bảng 2. 3 Mối quan hệ giữa chiều dày và lưu lượng khí bảo vệ..............................................32
Bảng 2. 4 So sánh cách sử dụng dòng điện một chiều và xoay chiều ......................................37
Bảng 2. 5 Loại que hàn và tính chất của chúng........................................................................41
Bảng 2. 6 Thành phần hóa học của dây hàn.............................................................................41
Bảng 2. 7 Một số khuyết tật thường gặp, [22]..........................................................................42
Bảng 3. 1 Thông số kĩ thuật của máy TIG MATRIX 400 AC/DC ..........................................27
Bảng 3. 2 Cơ tính hợp kim nhôm A6061 .................................................................................44
Bảng 3. 3 Thành phần hóa học hợp kim nhôm A6061.............................................................44
Bảng 3. 4 Thành phần hóa học của dây hàn.............................................................................44
Bảng 3. 5 Kết quả kiểm tra ngoại dạng mối hàn hợp kim nhôm A6061..................................54
Bảng 3. 6 Mô hình nguồn nhiệt theo Goldak ...........................................................................55
Bảng 3. 7 Chế độ hàn ...............................................................................................................55
Bảng 3. 8 Thông số mô phỏng..................................................................................................55
Bảng 3. 9 Chiều rộng bể hàn mô phỏng và thực nghiệm .........................................................56
Bảng 3. 10 Ảnh hưởng của vận tốc hàn đến độ lồi của mối hàn..............................................56
Bảng 3. 12 Vị trí đứt của mối hàn hợp kim nhôm A6061........................................................57
Bảng 3. 13 Kết quả thử kéo mối hàn ........................................................................................58
v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Hàm lượng hòa tan các nguyên tố hợp kim trong nhôm ............................................4
Hình 1. 2 Chế tạo tàu vỏ nhôm.................................................................................................13
Hình 1. 3 Xe ôtô làm bằng chất liệu nhôm...............................................................................14
Hình 1. 4 Hợp kim nhôm trong sản xuất máy bay ...................................................................14
Hình 1. 5 Hàn ma sát ngoáy và sự phát triển của nó ................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 1 Hàn ma sát khuấy .....................................................................................................19
Hình 2. 2 Hàn ma sát xoay .......................................................................................................20
Hình 2. 3 Nguyên lý hàn hồ quang tay.....................................................................................21
Hình 2. 4 Hàn tự động dưới lớp thuốc......................................................................................21
Hình 2. 5 Hàn điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ .............................................22
Hình 2. 6 Hàn điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ .............................................23
Hình 2. 7 Sơ đồ nguyên lý hàn TIG .........................................................................................24
Hình 2. 8 Một số hình ảnh về mối hàn bằng phương pháp hàn TIG........................................25
Hình 2. 9 Máy hàn TIG xoay chiều (AC), Master TIG 1500 [5] .............................................26
Hình 2. 10 Máy hàn TIG một chiều (DC), TOP HF 166..........................................................26
Hình 2.11 Máy hàn TIG MATRIX 400 AC/DC
Hình 2. 12 Cụm mỏ hàn TIG....................................................................................................27
Hình 2. 13 Van giảm áp............................................................................................................28
Hình 2. 14 Độ nhạy cảm nứt của mối hàn................................................................................29
Hình 2. 15 Sơ đồ hàn dòng điện xung ......................................................................................31
Hình 2. 16 Mối quan hệ giữa dòng điện hàn và chiều dày vật hàn ..........................................33
Hình 2. 18 Ảnh hưởng của tần số xung đến chiều sâu ngấu ....................................................37
Hình 2. 29 Hàn TIG xung.........................................................................................................38
Hình 2. 20 Ảnh hưởng của chủng loại khí bảo vệ đến độ ngấu mối hàn .................................38
Hình 2. 21 Một số điện cực dùng trong hàn TIG .....................................................................39
Hình 2. 22 Ảnh hưởng điện cực trong quá trình hàn................................................................40
Hình 3. 1 Mối ghép hàn............................................................................................................46
Hình 3. 2 Chuẩn bị mép vát......................................................................................................46
Hình 3. 3 Mô hình nguồn nhiệt hàn GMAW............................................................................55
Hình 3. 4 Nhiệt lượng cấp vào mô hình ...................................................................................55
Hình 3. 5 Mối quan hệ giữa tốc độ hàn và chiều rộng bể hàn..................................................56
Hình 3. 7 Chiều sâu ngấu của mối hàn (H) ..............................................................................57
vi
MỞ ĐẦU
Trong quá trình thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, việc tiếp thu
và ứng dụng các tiến bộ khoa học của các nước có ngành công nghiệp phát triển trên
thế giới là một việc làm hết sức quan trọng đi đôi với phát huy nội lực nghiên cứu
khoa học trong nước. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành kỹ thuật trên thế
giới và trong nước, tầm quan trọng của việc ứng dụng công nghệ hàn trong sự phát
triển của nền công nghiệp ngày càng tăng. Đặc biệt trong lĩnh vực dầu khí, đóng tàu,
hàng không vũ trụ và công nghiệp ô tô. Các quá trình hàn đã và đang dần được nghiên
cứu, ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng, tuổi thọ làm việc của các liên kết hàn, nâng
cao năng suất. Nhiều phương pháp hàn tiên tiến được phát triển mạnh mẽ trên thế giới
và ứng dụng vào sản xuất mang lại chất lượng và hiệu quả kinh tế cao. Việc nghiên
cứu ứng dụng để làm chủ các công nghệ mới này kết hợp với những nghiên cứu trong
nước là hết sức cần thiết, làm cho nền khoa học nước nhà ngày càng phát triển.
Bên cạnh việc ứng dụng các công nghệ hàn vào sản xuất các nhà khoa học luôn
nghiên cứu phát minh ra các loại vật liệu đảm bảo các yêu cầu phục vụ mục đích nào
đó. Việc nghiên cứu ra vật liệu nhôm và hợp kim nhôm là một bước đột phá trong
ngành khoa học vật liệu. Như chúng ta đã biết nhôm (Al) được tìm ra từ năm 1825 bởi
Hans Christian Oested và mãi tới năm 1910 người ta mới có thể tạo ra hợp kim nhôm
đồng. Nhôm và hợp kim nhôm được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo các kết cấu trong
máy bay. Vào thời điểm đó, trên thế giới đã ứng dụng công nghệ hàn MIG và TIG để
nối liền các tấm nhôm và hợp kim nhôm lại với nhau.
Tuy ở Việt Nam, ngành công nghệ hàn mới phát triển vài chục năm trở lại đây
nhưng nhiều nhà máy, xí nghiệp đã và đang sử dụng loại vật liệu nhôm và hợp kim
nhôm vào các mục đích an ninh, quốc phòng. Công ty 189 trực thuộc Bộ Quốc phòng
hiện nay đang đóng mới và sửa chữa các loại tàu, xuồng chế tạo bằng hợp kim nhôm.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng dụng các loại vật liệu hợp kim nhôm và công
nghệ hàn nhằm nâng cao năng suất lao động cũng còn đang trong giai đoạn nghiên
cứu. Chính vì điều này tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn
TIG xung đến chất lượng của liên kết hàn từ hợp kim nhôm A6061” với mong
muốn góp phần mở ra một hướng mới cho công nghệ hàn hợp kim nhôm bằng công
nghệ hàn TIG nhằm đảm bảo các yêu cầu về độ bền đối với các sản phẩm hàn đặc biệt
phục vụ cho ngành công nghiệp an ninh, quốc phòng.
Luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1: Nhôm và hợp kim nhôm
Chương 2: Công nghệ hàn TIG nhôm và hợp kim nhôm
1
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của chế độ hàn TIG xung đến
chất lượng của liên kết hàn từ hợp kim nhôm A6061
Chương 4: Đánh giá kết quả và luận bàn
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn khoa học và giúp đỡ tận tình của TS.
Nguyễn Hồng Thanh và các thầy, cô thuộc Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Nhân đây em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các bạn bè
đồng nghiệp cơ quan công tác đã tạo điều kiện cơ sở vật chất, tinh thần để tác giả thực
hiện các thí nghiệm hoàn thành luận văn này!
2
CHƯƠNG I
NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM
1.1. Giới thiệu về nhôm và hợp kim nhôm
1.1.1 Đặc điểm
Sir Humphrey Davy phát hiện của nhôm (Al) đã được đưa ra trong thập kỷ đầu
tiên của thế kỷ XIX và đã được Hans Christian Oersted phân tách vào năm 1825. Tuy
nhiên nó vẫn là một bí ẩn ở trong phòng thí nghiệm trong suốt 30 năm tiếp theo trước
khi thương mại hóa, nhưng mãi cho đến năm 1886 việc khai thác nhôm từ quặng
bauxite trở thành một ngành công nghiệp thực sự hữu hiệu. Phương pháp khai thác
được đồng thời phát minh bởi Paul Heroult ở Pháp và Charles M. Hall ở Mỹ và quá
nhôm, nhôm không được tìm thấy ở trạng thái kim loại trong tự nhiên nhưng lại có
trong lớp vỏ trái đất dưới dạng các hợp chất khác nhau. Điều quan trọng nhất và đa
dạng là bô xít. Quá trình chiết xuất bao gồm hai giai đoạn riêng biệt, đầu tiên là tách
oxit nhôm, Al2O3 (alumina) từ quặng, thứ hai là sự giảm điện phân của alumina ở nhiệt
độ từ 950 °C đến 1000°C trong cryolite (Na3AlF6). Phương pháp này cho ra một loại
nhôm, chứa khoảng 5-10% tạp chất như: silic (Si) và sắt (Fe), sau đó được tinh chế
bằng quy trình điện phân hoặc bằng kỹ thuật nóng chảy cục bộ để tạo ra một kim loại
với độ tinh khiết đến 99,9%. Vào cuối thế kỷ XX, một lượng lớn nhôm thu được từ rác
thải và phế thải thu hồi và tái chế, nguồn này chỉ cung cấp gần 2 triệu tấn hợp kim
nhôm mỗi năm ở châu Âu (kể cả Anh). Nhôm nguyên chất thu được là tương đối yếu
và do đó hiếm khi được sử dụng, đặc biệt là trong các kết cấu. Để tăng độ bền cơ học,
nhôm nguyên chất thường được hợp kim hóa với các kim loại như đồng (Cu), mangan
(Mn), magiê (Mg), silic (Si) và kẽm (Zn).
Tuy nhiên, với việc ứng dụng rộng rãi các hợp kim nhôm đồng nghĩa với việc
các kỹ sư hàn phải đối mặt với nhiều khó khăn thách thức khi hàn chúng. Để đảm bảo
mối hàn có chất lượng cao đòi hỏi đội ngũ kỹ sư hàn có trình độ cao.
Nhôm có số thứ tự 13 thuộc nhóm III của bảng tuần hoàn Mendeleev. Cấu hình
điện tử của nhôm có dạng sau: 1s2 2s2 2p6 3s2 3s1.
Điện thế ion hóa của lớp 3p bằng 5,98 eV, của điện tử lớp 3s bằng 18,82 và
28,44 eV. Tương ứng với các điện thế ion ấy, có thể xuất hiện các ion Al+1 và Al+3. Do
vậy bên cạnh việc tồn tại oxit Al2O3 rất bền, có thể xuất hiện các hợp chất Al2O3 AlF,
AlCl rất kém ổn định.
Với nhiệt độ bể điện phân khoảng 950 - 9800C. Nhôm có cấu trúc mạng tinh thể
ở dạng lập phương diện tâm (Al).
Nhôm là nguyên tố kim loại tồn tại phổ biến thứ hai trên trái đất sau silic. Năm
3
1886, nhôm được điều chế từ oxit và đã trở thành vật liệu kỹ thuật quan trọng. Do nhẹ,
chống ăn mòn trong các môi trường như không khí, nước, dầu và nhiều hóa chất,
nhôm được dùng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng.
Khối lượng riêng của nhôm chỉ bằng khoảng một phần ba của thép. Tính dẫn
điện và dẫn nhiệt của nhôm cao gấp bốn lần của thép. Do đó nhôm được dùng nhiều
trong các thiết bị điện thay cho đồng. Nhôm không có từ tính. Hệ số dãn nở nhiệt của
nó gấp 2 lần của thép. Nhôm có độ bền không cao nhôm có tính dẻo tuyệt vời, đặc biệt
là ở nhiệt độ dưới 0oC. Có thể tăng độ bền của nhôm thông qua hợp kim hóa, biến
dạng ở trạng thái nguội, nhiệt luyện hoặc kết hợp các biện pháp đó. Nhôm có khả năng
chống ăn mòn cao do có lớp oxit nhôm bền vững trên bề mặt.
Theo tính công nghệ, hàm lượng hòa tan các nguyên tố hợp kim trong nhôm, có
thể chia thành hợp kim đúc (2) và hợp kim biến dạng (1), hình 1.1.
t°C
L
L+
β
L+
α
HK AL bieán daïng
HK Al ñuùc
α
α+β
HK nhieät luyeän hoùa beàn
Al
a
b
% nguyeân toá HK
HK AL khoâng hoùa beàn baèng nhieät luyeän
Hình 1. 1 Hàm lượng hòa tan các nguyên tố hợp kim trong nhôm
Hợp kim biến dạng (1), dưới dạng vật cán, vật rèn được chia thành nhóm có thể
nhiệt luyện được (4) và nhóm không thể nhiệt luyện được (3) thuộc hệ Al-Mg-Cu, Al-
Zn-Mg, Al-Si-Mg. Hợp kim đúc thuộc hệ Al-Si (hàn được sử dụng chủ yếu để sửa
chữa khuyết tật vật đúc hoặc phục hồi sửa chữa chi tiết hỏng hóc trong vận hành).
Hợp kim nhôm không thể nhiệt luyện được chứa các nguyên tố hợp kim như Si,
Mn, Mg. Các nguyên tố này làm tăng độ bền thông qua sự hình thành các dung dịch
đặc hoặc các pha phân tán. Trong các nguyên tố kể trên Mg là nguyên tố có hiệu quả
nhất, do đó hợp kim Al- Mg có độ bền cao cả trong trạng thái ủ. Mọi hợp kim nhôm
thuộc nhóm không thể nhiệt luyện được đều biến cứng (kèm theo suy giảm tính dẻo)
khi bị biến dạng ở trạng thái nguội. Hợp kim thuộc các hệ Al- Mg, Al- Mn đều dễ hàn.
Sau khi ủ, chúng có thể trở lại cơ tính ban đầu hợp kim nhôm loại này nếu được hàn
sau khi đã qua biến cứng nguội, có thể có độ bền vùng ảnh hưởng nhiệt thấp như của
4
kim loại cơ bản sau khi ủ. Nhôm, hợp kim Al- Mg và hợp kim Al- Mn đều dễ hàn
trong môi trường khí bảo vệ bằng cả điện cực nóng chảy lẫn điện cực không nóng
chảy (riêng với hợp kim đúc Al- Si thì còn cần phải sử dụng các quy trình đặc biệt).
Mọi hợp kim nhôm loại biến dạng không hóa già đều được sử dụng ở trạng thái
ủ, vì vậy chu trình nhiệt hàn không làm giảm độ bền vùng ảnh hưởng nhiệt. Với hợp
kim hóa già, chu trình nhiệt hàn làm xuất hiện các hợp chất giữa các kim loại (mang
tính không liền mạng) tại vùng ảnh hưởng nhiệt, làm giảm độ bền tại đó (còn 60÷70%
so với kim loại cơ bản). Vì vậy hợp kim nhôm loại này không nên hàn. Chỉ nên hàn
nếu sau khi hàn có thể nhiệt luyện (tôi + hóa già nhân tạo) để phục hồi cơ tính vùng
ảnh hưởng nhiệt.
- Nhôm là một kim loại nhẹ khối lượng riêng 2,7 g/cm3 nhiệt độ nóng chảylà
6570 C, độ dẫn điện cao hơn thép 3 lần.
- Nhôm hoạt động hoá học mạnh rất dễ bị Oxi hoá tạo thành Oxit nhôm nhất là
ở nhiệt độ cao.
- Oxit nhôm tạo ra có cơ tính cao hơn nhôm nhiều chính vì thế các đồ dùng hàng
ngày mới có khả năng chịu được nhiệt độ ...
- Lớp màng Al2O3 có độ nóng chảy rất cao (20000C).
- Khi nóng chảy nhôm không bị biến màu đây là một đặc điểm rất quan trọng.
- Trong thực tế người ta dùng hợp kim của nhôm, chúng có độ bền cao hơn
nhôm nhiều chính vì thế chúng được ứng dụng rộng rãi.
- Trong hợp kim nhôm: AlMn có chứa 1(1,6% Mn; AlMg có chứa 6% Mg còn
lại là nhôm).
- Hợp kim của nhôm được dùng rộng rãi nhất là AlMg và AlMn.
- Hợp kim duyara có cơ tính cao, nhẹ do đó được dùng rộng rãi trong ngành
hàng không, thành phần gồm: Al, Cu, Mg, Mn.
- Những loại hợp kim này sau khi tôi luyện có độ bền lớn = 42 (46 kG/mm3)
- Nhôm nguyên chất và hợp kim nhôm Mg, Mn đều có tính hàn tốt nhưng hợp
kim Duyara có tính hàn xấu độ bền kim loại mối hàn nhỏ hơn độ bền của kim loại cơ
bản tới 2 lần, rất dễ xuất hiện vết nứt.
- Các hợp kim nhôm hầu như được hàn bằng các quá trình có khí trơ bảo vệ, tức
là hàn TIG và MIG, do chúng không cần chất trợ dung vẫn đảm bảo chất lượng mối
hàn tối ưu ở mọi vị trí vì không có xỉ
- Khi hàn nhôm phải sử dụng dòng điện AC, do có thể kết hợp khả năng dẫn
điện, tính điều khiển hồ quang, tác dụng làm sạch mép hàn. Nguồn điện thường là biến
áp hàn một pha, ba pha với điện áp hở mạch 80 ÷100V.
- Khi áp dụng hàn TIG cho hợp kim nhôm, có thể xuất hiện vết trắng dọc theo
đường hàn. Nếu vệt trắng có chiều rộng không quá 0,1 mm thì lớp khí bảo vệ là đủ,
5
nếu rộng hơn thì lượng khí quá nhiều và lãng phí vì argon là loại khí đắt.
- Nhôm có tính dẫn điện tốt, do đó cần phải nung nóng trước cho kim loại nền
có chiều dầy lớn hơn 6,3 mm. Khi hàn phẳng cho chi tiết có chiều dầy 9,5mm nhiệt độ
nung nóng là 2000C.
1.1.2 Phân loại nhôm và hợp kim nhôm
nhôm như sau: bắt đầu bằng ký hiệu Al tiếp sau là ký hiệu các nguyên tố hợp kim
chính sau đó là phụ, các con số sau các ký hiệu chỉ hàm lượng theo phân trăm tương
ứng nếu là hợp kim đúc ở mỗi ký hiệu đặt thêm chữ Đ ví dụ: AlMg5 là Hợp kim nhôm
biến dạng có hàm lượng trung bình 5% Mg; AlSi12Mg1Cu2Mn0, 6Đ là hợp kim
nhôm đúc chứa trung bình 12% Si; 1% Mg; 2% Cu; 0,6% Mn.
Bảng 1. 1 Kí hiệu nhôm và hợp kim nhôm
Hợp kim nhôm biến dạng
Hợp kim nhôm đúc
Hệ thống hợp kim Kí hiệu
100,0
Hệ thống hợp kim
Kí hiệu
Al ≥ 99%
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Al sạch công nghiệp
Al-Cu và Al-Cu-Mg
Al-Mn
Al-Cu
200,0
300,0
400,0
500,0
700,0
800,0
Al-Si-Mgvà Al-Si-Cu
Al-Si
Al-Si
Al-Mg
Al-Mg
Al-Zn
Al-Sn
AL-Mg-Si
Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu
Al các nguyên tố khác
Các nước Mỹ, Canađa cả Liên Bang nga ngày nay sử dụng hệ thống ký hiệu
gồm các con số (thường gồm 4 chữ số) để ký hiệu nhôm
Bảng 1. 2 Kí hiệu hợp kim nhôm theo TCVN
Hệ hợp kim
Kí hiệu
TCVN
Thành phần
AA
6
Hợp kim biến dạng
Al 99,60
Al sạch
1060
1100
2014
2024
3004
5050
6061
7005
99,6Al
Công nghiệp
Al-Cu
Al 99,00
99,0Al
AlCu4,4Mg0,5Mn0,8
AlCu4,4Mg1,5Mn0,6
AlMn1,2
4,4Cu-0,5Mg-0,8Mn
4,4Cu-1,5Mg-0,6Mn
1,2Mn-0,12Cu
Al-Cu-Mg
Al-Mn
Al-Mg
AlMn1,4
Al-Mg-Si
Al-Zn-Mg
AlMn1Si0,6
1Mg5,5Si-0,2Cr-0,3Cu
Al Zn4,5 Mg 1,4
4,5Zn-1,4Mg-0,12Cr
0,4 Mn-0,15Zr
Al-Zn-Mg-Cu
Al Zn 5,6 Mg 2,5 Cu 1,6 7075
Hợp kim nhôm đúc
5,6 Zn-2,5Mg-1,6Cu
Al-Cu
Al Cu 4,5Đ
295,0
308,0
356,0
4,5 Cu-1Si
5,5Si -4,5 Cu
7 Si-0,3Mg
Al-Si-Cu
Al-Si-Mg
Al-Si-Mg-Cu
Al-Si 5,5 Cu4,5Đ
Al Si 5,5Cu 4,5 Đ
Al Si 12 Mg 1,3 Cu 4 M 356,0
0,6Đ
12Si-1,3 Mg-2Cu 0,6
Mn-1Ni-0,2Ti
+ Tiêu chuẩn của hiệp hội nhôm AA(Aluminum Association) qui định kí hiệu
hợp kim nhôm bằng các con số theo bảng 1.1:
Hệ thống số thống nhất của Mỹ UNS (United Numbering Sestem) ký hiệu các
hợp kim nhôm bằng cách sử dụng ký hiệu số của hiệp hội nhôm với tiếp đấu là A9 đối
với nhôm biến dạng và A0 đối với nhôm đúc
Bảng 1.2 thành phần – kí hiệu một số nhôm và hợp kim nhôm theo TCVN và
theo AA
Ngoài ký hiệu 4 chữ số như trên, hợp kim nhôm có thể được ký hiệu bổ sung
bằng chữ như sau:
Bảng 1.3 Ký hiệu chữ và trạng thái gia công bổ sung của nhôm và hợp kim
nhôm một số nước
Bảng 1. 3 Kí hiệu và trạng thái gia công hợp kim nhôm theo các nước
7
Nga
Mỹ, Canađa
Ký
hiệu
Ký
hiệu
Ý nghĩa
Ý nghĩa
Hợp kim nhôm biến dạng
Ủ mềm
Tôi và hóa già tự nhiên
Tôi và hóa già nhân tạo
Biến cứng
Hợp kim nhôm biến dạng và đúc
Trạng thái phôi thô
Ủ và kết tinh lại
M
T
T1
H
F
O
H
Trạng thái biến dạng
H11 Biến dạng với mức biến cứng nhỏ
Biến cứng không hoàn toàn
H1
TH
H12 Biến dạng với mức biến 1/4 cứng nhỏ
Tôi, hóa già tự nhiên, biến H14 Biến dạng với mức biến 1/2 cứng nhỏ
cứng
Biến cứng mạnh (≥20%)
T1H Tôi, biến cứng, hóa già H16 Biến dạng với mức biến 3/4 cứng nhỏ
nhân tạo
T1H Tôi, biến cứng 20%, hóa H18 Biến dạng với mức biến 4/4 cứng nhỏ
1
già nhân tạo
Hợp kim nhôm đúc
Hóa già nhân tạo sau đúc
H19 Biến dạng với mức biến cứng rất lớn
T1
T2
T4
H2
X
Biến dạng tiếp theo ủ phục hồi (X biến
đổi từ 2 đến 9)
Ẹ
H3
X
Biến dạng tiếp theo ổn định hóa( X
biến đổi từ 2 đến 9)
Tôi
T1
Tôi, sau biến dạng nóng, hóa già tự
nhiên
T5
T6
T7
Tôi, hóa già một phần
Tôi, hóa bền cực đại
Tôi, hóa già ổ định
T3
T4
T5
Tôi, biến dạng nguội, hóa già tự nhiên
Tôi, hóa già tự nhiên
Tôi, sau biến dạng nóng, hóa già nhân
tạo
T8
Tôi, hóa già biến mềm (quá T6
Tôi, hóa già nhân tạo
hóa già)
T7
Giống T6
T8
T9
Tôi, biến dạng nguội, hóa già nhân tạo
Tôi, hóa già nhân tạo, biến dạng nguội
Thí dụ, hợp kim 2014 T6 là hợp kim nhôm với đồng (loạt 2XXX) dưới dạng
dung dịch đặc đã được nhiệt luyện và hóa già nhân tạo.
Ngày nay, do nhẹ, bền, dai, chịu được nhiệt độ thấp, dễ ép chảy, có khả năng
chống ăn mòn và dễ tái chế, nhôm và hợp kim nhôm được sử dụng trong mọi ngành
kinh tế và trong nhiều sản phẩm hàn. Nhôm và hợp kim được sử dụng rộng rãi trong
các kết cấu hàn công nghiệp và dân dụng. Ba ứng dụng quan trọng đang thúc đẩy việc
gia tăng sử dụng nhôm và hợp kim nhôm là các chi tiết cho ô tô trong ngành vận tải ô
tô, các vật liệu dẫn điện nhẹ trong ngành kỹ thuật điện và các vật liệu bền, nhẹ trong
ngành hàng không. Trên bảng 1.4 là một số hợp kim nhôm và thành phần tiêu biểu của
chúng.
8
Bảng 1. 4 Một số hợp kim nhôm thông dụng và thành phần hóa học tiêu biểu
Ký hiệu Tính chất
Thành phần [%]
1060
1100
2219
3004
5050
5456
6061
Không thể nhiệt luyện
Không thể nhiệt luyện
Có thể nhiệt luyện
≥99,6 Al
0,12 Cu; ≥99 Al
6,3Cu; 0,3Mn; 0,18 Zr; 0,1 V; Al còn lại
1,2 Mn; 1,0 Mg; Al còn lại
1,4 Mg; ; Al còn lại
Không thể nhiệt luyện
Không thể nhiệt luyện
Không thể nhiệt luyện
Có thể nhiệt luyện
0,6 Mn; 5,1 Mg; 0,12 Cr; Al còn lại
0,6 Si; 0,27Cu; 1,0Mg; 0,2Cr; Al còn lại
0,45Mn; 1,4Mg; 0,13Cr; 4,5Zn; Al còn
lại
7005
Có thể nhiệt luyện độ bền cao
7039
2014
4032
2024
7075
Có thể nhiệt luyện độ bền cao 0,27Mn; 2,8Mg; 0,2Cr; 4,0Zr; Al còn lại
Có thể nhiệt luyện độ bền cao 0,8Si; 4,4Cu; 0,8 Mn; 0,5Mg; Al còn lại
Có thể nhiệt luyện
12,2Si; 0,9Cu, 1,1Mg; 0,9Ni; Al còn lại
Có thể nhiệt luyện độ bền cao 4,4 Cu; 0,6 Mn; 1,5 Mg; Al còn lại
Có thể nhiệt luyện độ bền cao 1,6Cu; 2,5 Mg; 0,3 Cr; 5,6 Zr; Al còn lại
Hàn nhôm đặc biệt phát triển mạnh trong ngành chế tạo ôtô. Các chi tiết quan
trọng bằng hợp kim nhôm như giá đỡ động cơ; khung cầu trước, cầu sau; trục truyền
động, vành bánh xe, bộ trao đổi nhiệt bộ điều hòa nhiệt độ, v.v. đang dần dần thay thế
vật liệu truyền thống là thép bằng nhôm. Hầu hết các bộ phận kết cấu hàn đó là các
hợp kim nhôm với manhê và silic (loạt 6xxx) được ép chảy và sau đó hàn trong môi
trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy.
Sự phát triển của ngành đóng tàu với các sản phẩm tiên tiến như phà cao tốc đã
thúc đẩy công nghệ hàn nhôm lên một bước mới. Đó là các loại tàu cánh ngầm có một
hoặc nhiều thân, chở nặng, chịu được sóng to, chạy nhanh, với chiều dài 35 ÷ 45 m,
tốc độ 40 ÷ 74 km/h. Phà cỡ lớn có thể dài 90 m, chở tới 700 hành khách và 150 xe
hơi, có tốc độ thông thường 128 km/h. Chúng được chế tạo từ hợp kim nhôm manhê
có độ bền cao, sử dụng công nghệ hàn trong môi trường khí bảo vệ. So với tàu thép,
chúng có thể tiết kiệm từ 40 ÷ 50% khối lượng.
Hợp kim nhôm độ bền cao có thể nhiệt luyện được (loạt 7xxx) được sử dụng
làm kết cấu thành mỏng cho khung xe đạp, gậy đánh golf, gậy đánh bóng chày, xe
9
trượt tuyết...
Hợp kim nhôm độ bền cao, chịu được nhiệt độ âm có thể dùng làm thùng chứa
chở hàng và các bộ phận khác của thân xe tải. Ngoài ra, trong ngành chế tạo hàng
không và vũ trụ, hợp kim nhôm manhê không nhiệt luyện được và một số hợp kim
nhiệt luyện được đều là những vật liệu truyền thống.
Như chúng ta đã biết hàn là quá trình ghép nối các kim loại, hợp kim, các kim
loại khác nhau về thành phần thậm chí ngày này người ta có thể hàn vật liệu phi kim
lại với nhau. Trong quá trình hàn, vật hàn – chỗ mối ghép được làm nóng chảy bởi
nguồn nhiệt và sau khi đông đặc tạo thành mối hàn. Người ta có thể sử dụng kim loại
bổ sung hoặc không. Tính hàn của KLCB phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác
nhau như quá trình luyện kim trong hàn của kim loại và hợp kim.
1.2 Hợp kim nhôm A6061
1.2.1 Đặc tính
Hàm lượng Ma giê lên đến 5% và có thể được hòa tan trong nhôm làm tăng độ
bền của hợp kim này: cao hơn so với ma giê nguyên chất. Lượng magiê có thể bị giải
phóng trong điều kiện cân bằng ở nhiệt độ môi trường xung quanh chỉ khoảng 1,4%.
Điều này có nghĩa rằng magiê luôn có xu hướng thoát ra khỏi dung dịch khi các hợp
kim có hàm lượng magiê lớn được nung nóng và làm nguội chậm. Phản ứng này xảy
ra rất chậm và quá trình hàn không gây ra bất kỳ sự thay đổi đáng kể nào, ngoại trừ
việc làm lạnh nhanh sẽ làm cơ tính sẽ giảm xuống.
Các hợp kim nhôm-magiê tiêu chuẩn gồm có sắt và silic như các tạp chất và
thường bổ sung khoảng 0,4-0,7% mangan để tăng độ bền. Chromium có thể được thêm
vào cùng với mangan để đạt được độ bền theo yêu cầu. Với hàm lượng 0,2% Cr, 0,4%
mangan, kết hợp với sắt tạo thành hợp chất FeMnAl6; silicon kết hợp với magiê để tạo
thành hợp chất magnesium silicide, Mg2Si. Hầu hết trong số đó là không hòa tan.
Các hợp kim magiê có thể tổ chức tế vi của chúng bị thay đổi do các quá trình
hàn gây ra. Tổ chức tế vi của mối hàn giáp mối hợp kim nhôm 5083 (AlMg4.5Mn0.7)
trong điều kiện ủ, sử dụng dây hàn phụ 5356 cho thấy một số đặc tính sau. Kim loại
nền có một cấu trúc hạt mịn, vững chắc của magiê trong nhôm, có độ bền cao hơn hợp
chất Mg2Al3 với các hạt thô của Al-Fe-Si-Mn. Trong vùng HAZ, nơi nhiệt độ đạt
khoảng 250°C, thêm vào đó Mg2Al3 được tạo ra làm cấu trúc hạt vùng này thô hơn.
Tại nơi có nhiệt độ gần 400 °C một số Mg2Al3 sẽ không được hòa tan. Gần mối hàn
nơi nhiệt độ lên đến trên 560 °C, sự nóng chảy kim loại xảy ra một phần, đây chính là
nguyên nhân gây ra hiện tượng co ngót kim loại và rỗ khí. Kim loại mối hàn có tổ
chức gần giống với tổ chức đúc có magiê trong nhôm với tổ chức hạt không hòa tan
như Mg2Si. Tốc độ làm nguội của kim loại mối hàn nói chung cần đủ nhanh để ngăn
10
chặn sự kết tủa của Mg2Al3.
Độ bền kéo của kim loại mối hàn hợp kim nhôm-magiê nói chung là gần giống
với kim loại cơ bản đã qua ủ. Đối với liên kết hàn giáp mối mà kim loại cơ bản có
chứa trên 4% magiê sau khi hàn thì giới hạn bền kéo có thể lớn hơn kim loại có bản.
Khi hàn MIG lượng magiê có thể bị mất do vậy người ta thường sử dụng dây hàn bổ
sung ma giê như: 5556 (AlMg5.2Cr).
Hợp kim 5083 thường được sử dụng dây hàn bổ sung với thành phần tương tự
KLCB vì hàm lượng magiê cao sẽ làm tăng nguy cơ bị nứt do ứng suất dư.
Trong môi trường ăn mòn nhẹ hàm lượng magiê nên được hạn chế tối đa là 3%.
Trong điều kiện thường hợp kim 5251 hoặc 5454, có thể sử dụng dây hàn phụ 5554
(AlMg3). Khi hàn nhiều lớp, hàn 2 phía hàm lượng ma giê trong dây hàn phụ có thể
lên đến 5% khi hàn lớp lót nhằm giảm nguy cơ nứt nóng, các lớp tiếp theo và lớp phủ
có thể sử dụng dây hàn phụ 5554.
Hợp kim đầu 5xxx chứa 1% và 2,5% magiê có thể dễ bị nứt nóng nếu hàn tự
động hoặc với dây hàn phụ có thành phần tương đương với kim loại cơ bản. Giải pháp
là sử dụng dây hàn phụ có thành phần có chứa trên 3,5% magiê.
Nhôm hợp kim A6061 là loại vật liệu có độ bền cao. Trong thành phần của nó có chứa
lượng lớn nguyên tố Mg cùng với một lượng nhỏ Cr, Si, Fe, Cu, Mn và Zn. Khi ủ, hợp
kim nhôm A6061 có giới hạn bề kéo lớn hơn 1050 và 3003 nói chung và các hầu hết
các loại nhôm hợp kim 5xxx khác. Hợp kim nhôm A6061 là hợp kim nhôm biến dạng
không hóa bền, dễ hàn. Nó được làm cứng bằng quá trình làm lạnh. Tính hàn tốt, dễ
định hình và chống ăn mòn. Bao gồm cả khả năng chống nước muối. Điều này, rất
thích hợp trong lĩnh vực đóng tàu biển, bồn bể chứa,…
Hợp kim nhôm A6061 đang là loại vật liệu được ưa chuộng và sử dụng nhiều
hiện nay, do những đặc tính nổi bật như: nhẹ, bền bỉ, không bị oxi hóa, khả năng chịu
tải trọng tốt, dễ gia công. Do đó nhôm A6061 được dùng thể thay thế cho các vật liệu
như sắt, gang vốn có độ cứng cao khó gia công nhưng lại dễ bị oxi hóa gây nên tình
trạng gỉ sét.
1.2.2 Thông số kỹ thuật của hợp kim nhôm A6061
Bảng 1. 5 Thành phần hóa học của hợp kim nhôm A6061
Thành phần, %
Mg
Si
Fe
Cu
Cr
Zn
Mn
Khác
Al
2,20-2,80
0,25 0,40 0,10 0,15-0,35 0,10 0,10
0,15
Còn lại
Bảng 1. 6 Tính chất vật lý của hợp kim nhôm A6061
11
Cơ tính
Đàn hồi
70 GPa
Nhiệt độ sôi Sự dãn nở nhiệt
650 °C 23,7 ×10-6 /K
Hệ số dẫn nhiệt
Điện trở
138 W/m.K
0.0495×10-6 Ω.m
Bảng 1. 7 Cơ tinh của hợp kim nhôm A6061
Giới hạn chảy, MPa Độ gián dài, %
Giới hạn bền kéo, MPa
231
196
12
1.2.3 Ứng dụng
Những ứng dụng thương mại đầu tiên của nhôm là khung gương, khay ăn, dụng
cụ làm bếp. Ngày nay, do nhẹ, bền, dai, chịu được nhiệt độ thấp, dễ ép chảy, có khả
năng chống ăn mòn và đễ tái chế, nhôm và hợp kim nhôm được sử dụng trong mọi
ngành kinh tế và trong nhiều sản.phẩm hàn. Nhôm và hợp kim được sử dụng rộng rãi
trong các kết cấu hàn công nghiệp và dân dụng. Ba ứng dụng quan trọng đang thúc đẩy
việc gia tăng sử dụng nhôm và hợp kim nhôm là các chi tiết cho ôtô trong ngành vận
tải ôtô, các vật liệu dẫn điện nhẹ trong ngành kỹ thuật điện và các vật liệu bền, nhẹ
trong ngành hàng không…
Hợp kim nhôm A6061 có trọng lượng nhẹ, độ bền cao, dễ gia công nên với
chiều dày mỏng thì nhôm hợp kim A6061 được sử dụng làm vở ngoài của các chi tiết
trong các thiết bị điện tử tiêu dùng như máy tính xách tay, thiết bị di động và TV.
Ngoài ra với những đặc tính như đã nêu ở trên, hợp kim nhôm A6061 còn được sử
dụng làm thùng chứa nhiên liệu trên máy bay, hệ thống trao đổi nhiệt, bình áp lực, một
số bộ phận trong tủ lạnh,…
Nó thường được sử dụng trong thân xe ôtô, các cấu trúc tiếp xúc với môi trường
biển, các ứng dụng công nghiệp, tủ bếp, những chiếc thuyền nhỏ, máy làm đá gia đình,
thùng sữa, ống máy bay, hàng rào, và các thiết bị khác.
12
Hình 1. 3 Xe ôtô làm bằng chất liệu nhôm
Hình 1. 4 Hợp kim nhôm trong sản xuất máy bay
1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài
1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Sanjeev kumar và công sự đã ứng dụng công nghệ hàn TIG khi hàn nhôm tấm
có chiều dày lớn và áp dụng công nghệ hàn TIG xung khi hàn tấm có chiều dày (3 ÷
5mm) với dòng điện hàn trong khoảng từ 48 ÷ 112A, lưu lượng khí bảo vệ từ 7÷15 lít/
phút. Ứng suất cắt của KLMH (73 Mpa) nhỏ hơn KLCB (85 Mpa). Từ việc phân tích
các mẫu hàn dưới kính hiển vi, người ta nhận thấy rằng kim loại đắp (KLĐ) có cấu
trúc dạng nhánh cây đồng trục dọc theo đường viền chảy và sự phá hủy mẫu thử nằm ở
khu vực này.
Indira Rani và cộng sự đã nghiên cứu cơ tính của hợp kim nhôm AA khi hàn
TIG không xung và có xung (thay đổi tần số xung). Tác giả chỉ nghiên cứu dòng hàn
trong khoảng 70 ÷ 74 A và vận tốc hàn 700 ÷ 760 mm/ phút, tần số xung 3 và 7 Hz.
Từ kết quả thực nghiệm nhóm tác giả đã công bố rằng giới hạn chảy và giới hạn bền
kéo của KLMH và KLCB gần giống nhau. Mẫu thử kéo cho kết quả đứt tại vùng HAZ.
Ahmed Khalid Hussain và cộng sự cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc
hàn đến giới hạn bền kéo của liên kết hàn khi hàn TIG từ hợp kim nhôm AA6351 với
chiều dày 4 mm. Mối ghép vát kiểu chữ V, vận tốc hàn 1800 ÷ 7200 mm/ phút. Kết
quả thử kéo cho thấy rằng khu vực mối hàn và lân cận mối hàn cho giá trị nhỏ hơn
vùng KLCB và giới hạn bền kéo tăng lên khi vận tốc hàn giảm xuống.
Norman và cộng sự đã nghiên cứu tổ chức tế vi của hợp kim Al-Mg-Cu- Mn
trong phạm vi chế độ hàn rộng (dòng điện hàn từ 100 ÷ 190 A), tốc độ hàn thay đổi từ
420 ÷ 1500 mm/ phút. Tổ chức tế vi quan sát được ở vùng trung tâm mối hàn khi làm
14
Tải về để xem bản đầy đủ
69 trang
27080
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn TIG xung đến chất lượng của liên kết hàn từ hợp kim nhôm A6061", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_anh_huong_cua_che_do_han_tig_xung_den_ch.pdf
