Nghiên cứu các hình thái khuyết tật trong mối hàn ma sát chữ T tấm hợp kim nhôm 5083

Tạp chí khoa học giáo dục kỹ thuật

Nghiên cứu các hình thái khuyết tật trong mối hàn ma sát chữ T tấm hợp kim

nhôm 5083

Research of defect morphologies in friction stir welded AA5083 T-joints

Trần Minh Khang¹, Trần Hưng Trà², Phan Thanh Nhàn³

¹Học viên cao học, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

²Khoa xây dựng, Trường ĐH Nha Trang

³Khoa cơ khí chế tạo máy, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

TÓM TẮT

Trong nghiên cứu này, mối hàn ma sát khuấy chữ T hợp kim nhôm 5083 được chế tạo thành

công với các thông số hàn khác nhau. Hình thái khuyết tật trong mối hàn chữ T đã được quan sát

và phân tích thực nghiệm bằng kính hiển vi với độ phóng đại cao. Vai trò của cấu trúc tế vi và

ảnh hưởng của các hình thái khuyết tật đến tính chất cơ học của mối hàn chữ T đã được nghiên

cứu. Ngoài ra, các vị trí đứt gãy và bề mặt đứt gãy của các mẫu phá hủy cũng đã được quan sát

và thảo luận. Sự đứt gãy của các mối hàn dọc theo gân là do các bonding defects, kissing bond

defects và tunnel defects. Kết quả cho thấy mối hàn không có tunnel defects chỉ có thể đạt được

với tốc độ di chuyển 100 mm / phút trong thí nghiệm này, các thông số hàn ảnh hưởng đến các

tính năng và kích cỡ của bonding line defects.

Từ khóa: Hàn ma sát khuấy (FSW); hình thái khuyết tật; mối hàn chữ T; cấu trúc tế vi.

ABSTRACT

In this study, 5083 T-lap-joints were successfully fabricated by friction stir welding with

various welding regimes . The defects morphologies in the T-joints was experimentally observed

and analyzed by a high magnification microscope. The roles of the grain microstructure and the

effects of defect morphologies on the mechanical behavior of the T-joint were investigated. In

addition, the fracture locations and the fracture surface of the failure samples were observed and

discussed as well. The fracture of T-joints along the stringer is attributed to the bonding line

defects, kissing bond defects and the tunnel defects. The result shows that the T-joints without

tunnel defects can only be obtained with the translation speed of 100 mm/min in this experiment,

and the welding parameters influence the features and sizes of bonding line defects.

Keywords: friction stir welding, defect morphologies, T-joint, microstructures.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

T tấm hợp kim nhôm 5083, để từ đó đưa ra

thông số hàn, công cụ hàn thích hợp giúp loại

bỏ các khuyết tật, cải thiện chất lượng mối

hàn.

Hợp kim nhôm là một trong những kim

loại phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong

tất cả các ngành công nghiệp. Vì hợp kim

nhôm được xếp vào nhóm những vật liệu khó

hàn hoặc hàn được với độ bền khá thấp bằng

phương pháp truyền thống nên đây là một

trong những khó khăn lớn trong chế tạo các

kết cấu hợp kim nhôm. Chính vì thế vào năm

1991, hàn ma sát khuấy (FSW) được phát

minh bởi học Viện hàn của Vương Quốc Anh

(TWI), là kỹ thuật hàn được liên kết ở trạng

thái rắn (không nóng chảy) ban đầu được áp

dụng cho hàn hợp kim nhôm. Các kết quả

nghiên cứu cho thấy chất lượng mối hàn ma

sát khuấy vượt trội về độ bền, hiệu quả kinh

tế và thân thiện với môi trường so với các

phương pháp hàn truyền thống như TIG,

MIG, TAA…

Hình 1 : Quá trình hàn ma sát khuấy [1]

2. VẬT LIỆU -QUÁ TRÌNH THÍ

NGHIỆM

2.1 Vật liệu thí nghiệm

Vật liệu được sử dụng để thí nghiệm là tấm

hợp kim nhôm A5083 với kích thước của cánh

250x160x3 (mm) và gân 250x50x3 (mm).

Thành phần hóa học và đặc tính cơ học của

A5083 được cho ở bảng 1 và 2. [2]

Ở Việt Nam, hàn ma sát khuấy là một

phương pháp hàn mới, có nhiều ưu điểm

nhưng chưa được áp dụng nhiều, chỉ có một

vài nơi đang trong quá trình nghiên cứu và

thử nghiệm.

Nghiên cứu này không chỉ dừng lại ở

việc tính toán một cách thuần túy lý thuyết

mà còn chế tạo, phân tích các hình thái

khuyết tật trong mối hàn ma sát khuấy.

Nghiên cứu các hình thái khuyết tật và ảnh

hưởng của nó đến chất lượng mối hàn ma sát

là vấn đề được các nhà khoa học trên thế giới

quan tâm. Cùng trong xu hướng đó, bài báo

này tập trung phân tích, làm rõ các hình thái

khuyết tật phát sinh trong mối hàn ma sát chữ

Hình 2 : Mối hàn theo kiểu T-lap

Bảng 1. Thành phần hóa học của hợp kim nhôm AA5083.

Nguyên

tố

Al

Mg

Mn

Cu

Si

Zn

Mn Ti

Cr

Thành

phần (%)

Max Max Max Max Max

92.4÷95.6 4.0÷4.9 0.4÷1.0

0.05÷0.25

0.1

0.4

0.25 0.3 0.15

Bảng 2. Đặc tính cơ học của hợp kim nhôm AA5083.

Đặc tính Giới

hạn Độ bền kéo Độ giãn Độ cứng Modul đàn Hệ

số

poisson

0.33

cơ học

Giá trị

chảy (MPa) (MPa)

190 300

dài (%)

16

(HRB)

50

hồi (GPa)

70.3

mối hàn được đo trên máy Rockwell với thang

đo HRB sử dụng mũi bi cầu với tải 100kg.

2.2 Quá trình thí nghiệm

Mối hàn chữ T của hai tấm hợp kim nhôm

A5083 dày 3mm được chế tạo từ máy hàn ma

sát khuấy. Sau khi thiết kế và chế tạo chốt hàn,

tiến hành tôi ở nhiệt độ 1030⁰và ram ở

600⁰. Độ cứng của chốt hàn sau khi nhiệt

luyện đạt được 47 HRC. Hai tấm nhôm

A5083 được kẹp chặt trên bàn gá nhờ các

dụng cụ hỗ trợ nhằm hạn chế lực dọc và lực

ngang do quá trình hàn tạo ra ( Hình 3 ). Quá

trình chốt hàn được đặt ở vị trí nghiêng 2⁰

trong mặt phẳng chứa trục chốt và tâm đường

hàn.

Bảng 3. Thông số quá trình hàn và kích thước

dụng cụ. [5]

Quá trình hàn

Giá trị

600

Tốc độ quay (vòng/phút)

Tốc

độ

tịnh

tiến

100  450

(mm/phút)

Chiều cao chốt hàn (m)

Đường kính gờ vai (mm)

5

16

Đường kính chốt hàn 5

(mm)

Hình dạng chốt

Vật liệu

Hình nón

H13

Sau khi thực hiện xong đường hàn, tiến hành

quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn sau khi tẩm

thực bằng dung dịch 150 ml H₂0, 3ml HNO₃,

6 ml HF và 6 ml HCL [3]. Cơ tính chịu kéo

của mối hàn được thực hiện trên máy Instron

3366 với tốc độ 5 mm/phút. Mẫu thử được chế

tạo theo tiêu chuẩn ASTM E08 [4]. Độ cứng

Hình 3 : Gá đặt phôi hàn

➢ Quan sát cấu trúc hạt của mối hàn

a) BM

b) HAZ

Hình 4 : Kích thước, hình dạng mẫu kéo cánh

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn

c) TMAZ

d) SZ

Hình 6: Cấu trúc ở chế độ 600/100

(vòng/mm)

➢ Quan sát bề mặt cắt ngang

Quan sát cấu trúc tế vi ở vùng khuấy (SZ)

ta thấy kích thước hạt khoảng từ 4÷8 µm và

đều hơn rất nhiều so với vật liệu nền. Vùng

ảnh cơ hưởng nhiệt (TMAZ) có kích thước

hạt trung bình khoảng 15÷20 µm. Vùng ảnh

hưởng nhiệt (HAZ) có kích thước hạt lớn hơn

vật liệu nền, kích thước hạt khoảng từ 15÷45

µm. Vật liệu nền (BM) có kích thước hạt

không đều khoảng từ 10÷35 µm.

3.2 Khảo sát các loại khuyết tật

Hình 5 : Mặt cắt ngang ở các chế độ hàn

Dễ dàng nhìn thấy mẫu ở chế độ hàn

600/100 (vòng/mm), bề mặt cắt ngang của

mối hàn rất tốt, không có lỗ hổng.

Hình 7 : Các hình thái khuyết tật của mối hàn

Hình 9 : Ảnh hưởng của tốc độ tịnh tiến v đến

chiều dài bonding line

Tunnel defects luôn xuất hiện ở góc AS của

mối hàn, làm giảm đáng kể diện tích bề mặt

cắt ngang của mối hàn.

Từ 2 hình trên, ta thấy rằng khi tốc độ tịnh

tiến v tăng lên thì diện tích tunnel defects và

chiều dài bonding line tăng lên đáng kể.

Bonding line có xu hướng trôi về vùng SZ,

thể hiện bằng đường cong nối liền những oxit

nhôm tồn tại bên trong mối hàn.

3.4 Khảo sát mối tương quan giữa các loại

khuyết tật với độ bền kéo

Kết quả cho thấy không có kissing bond

defects nào tồn tại ở 2 bên phần cánh mà

hình thành ở góc AS của mối hàn chữ T. .

Chế độ hàn 600/150 (vòng/mm) bề mặt

xuất hiện quá nhiều flash. Đó là ribbon flash

defects sẽ làm giảm lượng vật liệu trong

vùng hàn. .

Chế độ hàn 600/400 (vòng/mm) xuất hiện

vết nứt trên bề mặt của mối hàn. Đây là

surface lack of fill defects.

Hình 10 : Tỷ lệ phần trăm ứng suất của mối

hàn so với vật liệu nền

Với 3 tốc độ tịnh tiến v = 125, 175, 200

(mm/phút) đều đạt 86% so với ứng suất kéo

của vật liệu nền.

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của chế độ hàn

đến sự hình thành các loại khuyết tật

Hình 8 : Ảnh hưởng của tốc độ tịnh tiến v

đến diện tích của tunnel defects

Hình 11 : Ảnh hưởng của tốc độ tịnh tiến đến

ứng suất kéo gân

Chiều dài bonding line tỉ lệ nghịch với ứng

suất kéo gân. Chính vì điều đó, muốn tăng cơ

tính của độ bền kéo gân cần loại bỏ bonding

line defects bằng cách giảm tốc độ tịnh tiến.

tính kéo cánh không phải do tunnel defects

và bonding line defects mà do kích thước hạt

ở vùng HAZ thô và to hơn các vùng khác.

➢ Phân tích mẫu kéo gân

3.5 Vị trí phá hủy

➢ Thí nghiệm kéo cánh :

Các mẫu đều bị phá hủy tại vùng HAZ.

Chế độ hàn 600/150 (vòng/mm) bị phá hủy

tại vùng TMAZ. Nó chỉ ra rằng ribbon flash

defects làm cho mối hàn giòn đi, dễ kéo đứt.

Kết quả cho thấy các đặc tính kéo cánh

không bị ảnh hưởng bởi bonding line defects,

kissing bond defects và tunnel defects.

➢ Thí nghiệm kéo gân :

Hình 13 : Ảnh SEM của bề mặt phá hủy ở

chế độ hàn 600/125 (vòng/mm)

Trong AS nó chứa lúm đồng tiền (dimples)

nhỏ và cạn, chứng tỏ ở vị trí này dòng vật

liệu không được trộn đều vào nhau vì xuất

hiện kissing bond defects.

Ta thấy rằng các vị trí nứt đều dọc theo sự

hình thành của bonding line defect. Cho nên

bonding line defects đóng vai trò là nguồn

nứt trong quá trình thử độ bền kéo gân.

Mẫu hàn ở chế độ hàn 600/100

(vòng/mm), phần cánh bị biến dạng khá

nhiều và bề mặt phá hủy nằm xiên so với

phương đứng. (bảng 4)

Quan sát khu vực trung tâm ta thấy lúm

đồng tiền (dimples) to và sâu, thể hiện đặc

tính biến dạng dẻo khá rõ ở vùng này.

Trong RS do đã xảy ra quá trình sự liên kết

kim loại mạnh mẽ, nhưng bị trộn lẫn các oxit

nhôm và nhiệt độ chưa đủ để làm dẻo kim

loại nên bề mặt bị sần sùi trầy xước nên vật

liệu ở đây khá giòn.

3.6 Độ cứng tế vi của mối hàn

Ở tất cả 5 chế độ hàn, kết quả cho thấy

rằng, vị trí có độ cứng nhỏ nhất chính là vùng

HAZ (cách tâm mối hàn khoảng từ 5÷15

mm). (hình 14)

Hình 12: Ảnh SEM bề mặt đứt gãy phần

cánh ở các chế độ hàn khác nhau

Từ vị trí 0 - 2mm, giá trị độ cứng tăng

đáng kể. Kết quả cho thấy giá trị độ cứng

thấp nhất được tìm thấy trong HAZ cách bề

mặt của cánh khoảng 3.9mm (hình 15)

Các lúm đồng tiền (dimples) to và sâu

(hình 12), cho thấy rằng sự tạo mầm và sự

kết tinh không có sự khác biệt. Điều này chỉ

ra rằng yếu tố chính ảnh hưởng đến các cơ

Bảng 4 : So sánh các vị trí đứt gãy của cánh và gân khi thí nghiệm kéo

Chế độ (vòng/mm)

Thí nghiệm kéo cánh

Thí ngiệm kéo gân

600/100

600/125

600/150

600/175

600/200

Hình 15: Sự phân bố độ cứng của các chế độ

hàn khi đo ở gân

Hình 14: Sự phân bố độ cứng của các chế độ

hàn khi đo ở cánh

4. KẾT LUẬN

Mối hàn không xuất hiện tunnel defects ở

chế độ hàn 600/100 (vòng/mm), đạt độ bền

kéo cánh 82%, độ bền kéo gân 83% so với vật

liệu nền.

Trong nghiên cứu này, mối hàn ma sát

khuấy chữ T tấm hợp kim A5083 được chế tạo

thành công. Kissing bond defects, tunnel

defects và bonding line defects là các nhân tố

chính ảnh hưởng đến các đặc tính kéo gân của

mối hàn. Sự đứt gãy xiên theo phương đứng

của mẫu khi kéo cánh là do sự hình thành cấu

trúc hạt, biên giới hạt trong quá trình kết tinh

lại. Kết quả của nghiên cứu chỉ ra rằng để loại

bỏ bonding line defects và tunnel defects cần

giảm tốc độ tịnh tiến để cung cấp đủ nhiệt độ

và lưu lượng dòng chảy.

Trong các thí nghiệm thực hiện, vùng HAZ

có độ cứng thấp nhất khi đo dọc theo đường

tâm phần cánh.

Cần tập trung nghiên cứu và khảo sát vết

nứt, dự báo tuổi thọ cho mối hàn. Từ đó chế

tạo mối hàn có thể loại bỏ vết nứt ở 2 bên góc

chữ T, điển hình là bonding line defects và

kissing bond defects. Đồng thời chế tạo nhiều

kiểu mối hàn khác nhau, hai vật liệu hàn khác

nhau.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lei Cui, Xinqi Yang, Guang Zhou, Xiaodong Xu, Zhikang Shen. Characteristics of defects

and tensile behaviors on friction stir welded AA6061-T4 T-joints. Materials Science and

Engineering A 543, pp.58–68, 14 February 2012.

[2] ASM Handbook, Volume 2: “Properties and Selection: Nonferrous Alloys and

SpecialPurpose Materials”, ASM International Handbook Committee, 1992.

[3] M.T.S.M. Said, D.A. Hamid, A. Ismail, S.N.N. Zainal, M. Awang, M.A. Rojan, I.M. Ikram

and M.F. Makhtar. Experimental study on effect of welding parameters of friction stir welding

(FSW) on aluminium AA5083 T-joint. Inform. Technol.J, pp.99-107, September 15, 2016.

[4] Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, E8/E8M- 2013.

[5] Justin Michael Evans. Friction stir welding of 5083-H131 aluminum alloy using A2 and H13

tool steels or 420 stainless steel tooling, Auburn University, December 13, 2014.

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:

Họ tên : Trần Minh Khang

GVHD : TS. Phan Thanh Nhàn – TS. Trần Hưng Trà

Điện thoại : 01642132466

Email : [email protected]m

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý

của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.