(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn ma sát giáp mí tấm hợp kim nhôm 5083

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hợp kim nhôm

2.1.1 Định nghĩa và phân loại

Hợp kim nhôm là hợp kim của nhôm và các nguyên tố khác như đồng (Cu), kẽm

Hợp kim nhôm được chia thành hai nhóm chính: hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc Việc phân loại hợp kim nhôm dựa trên tiêu chuẩn của Mỹ và thành phần hóa học chính được trình bày trong bảng 2.1 [20] Các nguyên tố quan trọng trong hợp kim nhôm bao gồm kẽm (Zn), thiếc (Sn), mangan (Mn), silic (Si) và magiê (Mg).

Bảng 2.1: Phân loại nhôm theo tiêu chuẩn của Mỹ [20]

2xxx Al-Cu hoặc Al-Cu-Mg

7xxx Al-Zn-Mg hoặc Al-Zn-Mg-Cu

8xxx Al- các nguyên tố khác

2.1.2 Sự ảnh hưởng của các nguyên tố thành phần đến tính chất của hợp kim nhôm [21] Đồng (Cu): tăng độ bền kéo và độ cứng giảm độ dãn dài Hàm lượng tối đa của nguyên tố đồng trong hợp kim nhôm là 4 - 6 %.

Magiê (Mg) góp phần tăng cường độ bền và độ dẻo dai cho hợp kim, đồng thời cải thiện khả năng hàn và chống ăn mòn, với hàm lượng không vượt quá 5,5% trong hợp kim nhôm Kẽm (Zn) giúp tăng độ cứng cho hợp kim, nhưng hợp kim Al-Zn dễ gặp vấn đề nứt nóng và ăn mòn Để khắc phục nhược điểm này, thường kết hợp với các nguyên tố khác như magiê (Mg) và đồng (Cu).

Mangan (Mn) là nguyên tố quan trọng giúp tăng cường độ cứng, độ bền nhiệt và khả năng chống ăn mòn cho hợp kim nhôm Nó thường được bổ sung vào các hợp kim nhóm 3xxx, phối hợp với nguyên tố magiê (Mg) để cải thiện tính chất cơ học và hóa học của sản phẩm.

Silic (Si) không chỉ tăng độ cứng cho hợp kim nhôm mà còn giảm khả năng nứt, gãy, đặc biệt trong hợp kim nhôm-magiê-đồng (Al-Mg-Cu) Trong hợp kim nhôm đúc, việc bổ sung silic giúp cải thiện khả năng chống mài mòn, với hàm lượng silic có thể lên đến 23% Đối với hợp kim nhôm nhóm 5xxx, đặc biệt là hợp kim 5083, magiê (Mg) là nguyên tố chiếm hàm lượng cao nhất sau nhôm, cùng với các nguyên tố khác như đồng (Cu), kẽm (Zn), mangan (Mn), sắt (Fe), silic (Si), titan (Ti) và crôm (Cr) Điều này mang lại cho hợp kim nhôm 5083 độ bền, độ cứng tốt và khả năng chống ăn mòn vượt trội.

2.1.3 Các phương pháp hàn đối với hợp kim nhôm

Việc lựa chọn phương pháp hàn cho hợp kim nhôm phụ thuộc vào đặc tính của từng loại hợp kim Hợp kim nhôm 5083 có thể sử dụng cả hàn nóng chảy và hàn ma sát khuấy Tuy nhiên, hàn nóng chảy yêu cầu nhiệt độ cao để loại bỏ lớp nhôm ôxit bảo vệ, điều này có thể làm giảm tính chống ăn mòn của mối hàn Ngược lại, hàn ma sát khuấy không cần đạt nhiệt độ nóng chảy để tách lớp nhôm ôxit nhờ chuyển động cơ học của dụng cụ hàn Sau khi hàn, thành phần mối hàn gần như không khác biệt so với vật liệu nền, do đó, các đặc tính cơ học của mối hàn cũng tương đương với vật liệu nền.

Hình 2.1: Các phương pháp hàn đối với hợp kim nhôm

[23] 2.1.4 Các đặc tính của hợp kim nhôm

Các đặc tính cơ học của các hợp kim nhôm, bao gồm độ bền kéo, độ cứng, độ dai va đập và độ dãn dài, được trình bày rõ ràng trong hình 2.2.

Hợp kim nhôm 5xxx, đặc biệt là hợp kim 5083, có độ bền kéo trung bình với giá trị 290 MPa, thấp hơn so với nhóm 1xxx (70 MPa) và nhóm 7xxx (700 MPa) Độ dãn dài của hợp kim 5083 đạt 25%, cho thấy tính dẻo dai tốt Độ bền mỏi của nhóm 5xxx cũng ở mức trung bình, trong khi nhóm 7xxx sở hữu độ bền mỏi cao nhất Về khả năng chống ăn mòn, hợp kim 5xxx có hiệu suất tốt, chỉ đứng sau nhóm 1xxx và 3xxx Thông tin chi tiết về độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn của các hợp kim nhôm được thể hiện trong hình 2.3.

Hình 2.3: Độ bền, khả năng chống ăn mòn của hợp kim nhôm [24]

Nhóm hợp kim nhôm 5xxx nổi bật với khả năng chịu hàn và hóa bền tốt hơn so với các nhóm hợp kim khác Đặc biệt, khả năng chịu hàn cao giúp nhóm hợp kim này dễ dàng áp dụng nhiều phương pháp hàn khác nhau, trong đó hàn ma sát khuấy là một phương pháp quan trọng không thể thiếu.

Khả năng hóa bền, hay còn gọi là anode hóa cứng, là một phương pháp điện hóa giúp tạo ra lớp ôxit dày trên bề mặt hợp kim nhôm Phương pháp này không chỉ tăng cường độ cứng của hợp kim nhôm, mà còn cho phép nó thay thế vật liệu thép nặng nề và đắt đỏ Đặc biệt, lớp ôxit dày này mang lại khả năng chống ăn mòn vượt trội cho hợp kim nhôm.

[25] Khả năng chịu hàn và hóa bền của các nhóm hợp kim nhôm được thể hiện cụ thể trong hình 2.4.

Hình 2.4: Khả năng chịu hàn và hóa bền của hợp kim nhôm [24] 2.1.5 Ứng dụng của hợp kim nhôm [24]

Các ứng dụng phổ biến của các hợp kim nhôm được thể hiện trong bảng 2.2.

Bảng 2.2: Ứng dụng của hợp kim nhôm

Dụng cụ hàn ma sát khuấy

Dụng cụ hàn ma sát khuấy bao gồm hai phần chính là vai và chốt hàn, với chức năng chính là sinh nhiệt từ ma sát với vật liệu nền để biến dạng dẻo và liên kết vật liệu trong vùng khuấy, tạo thành mối hàn Chốt hàn có nhiệm vụ sinh nhiệt ma sát, biến dạng dẻo vật liệu và khuấy trộn dòng vật liệu ở trạng thái dẻo, trong khi vai dụng cụ bổ sung nhiệt cho bề mặt kim loại và hạn chế biến dạng của mối hàn.

Chốt hàn Vai dụng cụ

Hình 2.5: Dụng cụ hàn ma sát khuấy [26]

Dụng cụ hàn được chia thành ba loại chính: loại cố định không cho phép điều chỉnh chiều dài của chốt hàn, loại có thể điều chỉnh cho phép thay đổi chiều dài chốt hàn, và loại có một chốt hàn với hai vai có thể điều chỉnh khoảng cách giữa hai vai (self-reacting).

[27] Cấu tạo cụ thể của các loại dụng cụ hàn được thể hiện trong hình 2.6.

Dụng cụ hàn ma sát khuấy có nhiều cấu tạo khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng hàn các loại vật liệu Dụng cụ với chốt hàn và vai cố định chỉ hàn được với tấm vật liệu có độ dày nhất định, và khi chốt hàn bị mòn, cần thay thế bằng dụng cụ mới Ngược lại, dụng cụ có thể điều chỉnh chiều dài chốt hàn cho phép hàn với vật liệu có độ dày đa dạng, và dễ dàng thay thế khi hư hỏng Đối với dụng cụ loại hai vai (bobbin type tool), khả năng hàn các vật liệu dày hơn được cải thiện nhờ vào việc điều chỉnh chiều dài chốt hàn và khoảng cách giữa hai vai, tuy nhiên, loại dụng cụ này chỉ hàn vuông góc với bề mặt phôi và không thể thay đổi góc hàn như các dụng cụ khác.

2.2.2 Hình dáng của dụng cụ

Dụng cụ hàn ma sát khuấy bao gồm hai phần chính: vai dụng cụ và chốt hàn, với chất liệu chế tạo có thể giống hoặc khác nhau tùy vào mục đích sử dụng Hình dáng của hai phần này rất đa dạng, và việc lựa chọn hình dạng phù hợp cho vai dụng cụ và chốt hàn phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu hàn cũng như kinh nghiệm của người sử dụng Lựa chọn đúng hình dáng cho vai dụng cụ và chốt hàn là yếu tố quan trọng để tạo ra mối hàn ma sát khuấy chất lượng cao.

Dụng cụ được thiết kế để cung cấp nhiệt ma sát trên bề mặt phôi và tạo lực ép, giúp ổn định vật liệu biến dạng dẻo dưới bề mặt của dụng cụ Một số hình dạng của dụng cụ bao gồm bề mặt ngoài và mặt đầu, thường thấy trong hàn ma sát khuấy, như được minh họa trong hình 2.7 và hình 2.8.

Hình 2.7: Các dạng bề mặt ngoài và mặt đầu của vai dụng cụ [27]

Hình 2.8: Một số dạng mặt đầu khác của vai dụng cụ [27]

Vai dụng cụ có bề mặt hình trụ và mặt đầu phẳng được sử dụng phổ biến do dễ chế tạo Tuy nhiên, nghiên cứu của Y Tozaki và các cộng sự cho thấy vai dụng cụ với mặt đầu xoắn mang lại hiệu quả cao hơn trong hàn ma sát khuấy trên tấm hợp kim nhôm 6061-T4 Vai có mặt đầu lõm với góc nghiêng từ 6 - 10 độ giúp khắc phục hiện tượng vật liệu dẻo bị đùn ra hai bên, tạo ra mối hàn tốt hơn nhờ sự thoát của vật liệu vào khoảng trống giữa bề mặt lõm và tấm phôi, được khuấy trộn nhờ chuyển động xoay của chốt hàn Ngược lại, vai có mặt đầu lồi không hiệu quả bằng vai lõm, vì nó thường đẩy vật liệu ra ngoài chốt hàn, làm yếu liên kết của dòng vật liệu dẻo, và chỉ phù hợp cho hàn vật liệu dày.

Chốt hàn đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh nhiệt ma sát, giúp biến dạng dẻo vật liệu và khuấy trộn dòng vật liệu để tạo thành mối hàn Chiều sâu của lớp vật liệu biến dạng và tốc độ di chuyển của dụng cụ chủ yếu phụ thuộc vào chốt hàn Việc lựa chọn hình dáng chốt hàn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn, với các hình dạng như trụ tròn, trụ, côn và nhiều hình dạng mặt đầu khác nhau Hình dạng cụ thể của các loại chốt hàn được thể hiện trong hình 2.9.

Hình 2.9: Một số hình dạng của chốt hàn [27]

Chốt hàn có bề mặt ngoài hình trụ thường được sử dụng phổ biến vì dễ chế tạo và có khả năng hàn với tấm vật liệu dày tới 12 mm Tuy nhiên, đối với những tấm vật liệu có độ dày lớn hơn, chốt hàn có bề mặt ngoài dạng côn là lựa chọn thường thấy Bên cạnh đó, chốt hàn có ren được đánh giá cao trong việc sinh nhiệt ma sát trong quá trình biến dạng dẻo của vật liệu, đồng thời tăng khả năng khuấy trộn dòng vật liệu, từ đó cải thiện chất lượng của mối hàn.

Đối với các vật liệu có độ dày lớn, chốt hàn cần được điều chỉnh để đảm bảo chất lượng mối hàn Các chốt hàn với hình dáng khác nhau, như được thể hiện trong Hình 2.10, có khả năng hàn các vật liệu dày từ 50 - 60 mm và cho phép thực hiện hàn ở tốc độ cao.

Đối với mối hàn chồng, việc sử dụng chốt hàn có ren không đảm bảo chất lượng do làm mỏng chiều dày của tấm trên cùng, dẫn đến giảm khả năng chịu uốn Để khắc phục, hai loại chốt hàn hiệu quả được áp dụng là chốt hàn dạng loe có ba rãnh và chốt hàn chéo với góc nghiêng so với trục vuông góc với bề mặt phôi hàn Cả hai loại chốt này đều giúp tăng diện tích vùng khuấy và cải thiện chất lượng mối hàn.

Hình 2.11: Chốt hàn dạng loe có ba rãnh [27]

Hình 2.12: Chốt hàn dạng chéo [27]

2.2.3 Kích thước dụng cụ hàn ma sát khuấy

Chốt hàn ma sát khuấy có các kích thước chính bao gồm: đường kính cán dụng cụ (A), đường kính vai dụng cụ (B), chiều dài chốt hàn (C), đường kính chốt hàn (D), bán kính lồi hoặc lõm của vai dụng cụ (E), và góc côn của chốt hàn (F) Những kích thước này được minh họa rõ ràng trong hình 2.13.

Hình 2.13: Các kích thước của dụng cụ hàn [30]

Khi chọn kích thước dụng cụ hàn, cần xem xét loại mối hàn và đặc tính của vật liệu hàn Hình 2.14 minh họa mối quan hệ giữa đường kính vai dụng cụ, chốt hàn và chiều dày vật liệu trong hàn ma sát khuấy các tấm kim loại như nhôm (Al), magiê (Mg), đồng (Cu), titan (Ti), niken (Ni) và thép.

Để tạo ra mối hàn ma sát chất lượng cao, việc lựa chọn hình dáng và đặc tính vật liệu của dụng cụ hàn là rất quan trọng Dụng cụ hàn cần có độ cứng đủ để xuyên vào phôi mà không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ chảy dẻo của vật liệu hàn Do đó, việc chọn vật liệu chế tạo dụng cụ hàn phải dựa trên các tính chất của vật liệu hàn, nhằm tăng tuổi thọ cho dụng cụ và đảm bảo chất lượng mối hàn Một trong những đặc tính quan trọng cần xem xét là khả năng ổn định ở nhiệt độ cao.

Khả năng chịu mài mòn. Độ dẻo dai.

Hệ số giãn nở nhiệt.

Một số vật liệu thường được sử dụng để chế tạo dụng cụ tương ứng với vật liệu hàn được thể hiện trong bảng 2.3.

Bảng 2.3: Vật liệu dùng chế tạo dụng hàn và kim loại hàn thích hợp [32]

WC-Co Hợp kim niken

Các thông số chủ yếu trong quá trình hàn ma sát khuấy

Trong hàn ma sát khuấy, hai thông số quan trọng nhất là tốc độ quay của dụng cụ (ω, vòng/phút) và tốc độ tịnh tiến của chốt hàn (v, mm/phút) Ngoài ra, góc nghiêng của đầu máy hoặc góc nghiêng của dụng cụ so với bề mặt phôi cũng là yếu tố quan trọng cần được xem xét.

[34], và trong nhiều nghiên cứu đã chỉ ra thêm một thông số ảnh hưởng đến quá trình hàn ma sát khuấy đó là lực dọc trục.

2.3.1 Tốc độ quay của dụng cụ (ω)

Chuyển động xoay của dụng cụ tạo ra sự khuấy trộn vật liệu dẻo xung quanh chốt hàn, di chuyển dòng vật liệu từ trước ra sau cho đến khi hoàn tất quá trình Tốc độ quay cao của dụng cụ dẫn đến nhiệt độ tăng do ma sát lớn, giúp vật liệu được khuấy trộn đều hơn, từ đó cải thiện đáng kể các đặc tính cơ học của mối hàn.

2.3.2 Tốc độ tịnh tiến của chốt hàn ( v )

Tốc độ hàn, hay tốc độ tịnh tiến của chốt hàn, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như vật liệu hàn, tốc độ quay của dụng cụ, chiều dày vật liệu và loại đường hàn Tốc độ hàn có tác động trực tiếp đến nhiệt ma sát; nếu tốc độ quá cao, thời gian tiếp xúc giữa dụng cụ và bề mặt vật liệu giảm, dẫn đến nhiệt độ không đủ để vật liệu biến dạng dẻo, làm giảm khả năng khuấy trộn và chất lượng mối hàn Khi chỉ xem xét hai yếu tố chính là tốc độ quay (ω) và tốc độ hàn (v), thì nhiệt ma sát và độ bền kéo của mối hàn sẽ tăng khi tỉ số ω/v tăng.

Hình 2.15: Ảnh hưởng của tỉ số tốc độ quay của dụng và tốc độ hàn đến nhiệt độ ma sát [40]

Hình 2.16: Sự ảnh hưởng của tỉ số giữa tốc độ dụng cụ và tốc độ hàn đến độ bền kéo của mối hàn [40]

Tỉ số giữa tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ma sát và độ bền kéo của mối hàn Khi tỉ số này tăng, cả nhiệt độ ma sát và độ bền kéo đều gia tăng Điều này có nghĩa là khi tăng tốc độ quay của dụng cụ, tốc độ hàn cần phải giảm để duy trì hiệu quả hàn.

2.3.3 Góc nghiêng của dụng cụ

Góc nghiêng của dụng cụ trong hàn ma sát khuấy là một thông số quan trọng, giúp vai dụng cụ giữ vật liệu hiệu quả và di chuyển dòng vật liệu từ phía trước ra phía sau chốt hàn Khi có góc nghiêng giữa dụng cụ và bề mặt phôi, chiều sâu của chốt hàn cũng đóng vai trò then chốt, đặc biệt khi sử dụng vai phẳng Nếu chiều sâu quá cạn, vai dụng cụ sẽ không tiếp xúc tốt với bề mặt phôi, dẫn đến việc di chuyển dòng vật liệu không hiệu quả Ngược lại, nếu chiều sâu quá lớn, vai dụng cụ sẽ tiếp xúc quá sâu vào phôi, tạo ra mối hàn bị lõm và ảnh hưởng đến độ dày của tấm phôi hàn Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng góc nghiêng phù hợp của dụng cụ nên từ 1 độ.

Hình 2.17: Góc nghiêng của dụng cụ trong hàn ma sát khuấy [42]

Lực dọc trục đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì vị trí của dụng cụ trong quá trình hàn ma sát khuấy, giúp vai dụng cụ ma sát với bề mặt phôi để tạo ra nhiệt độ làm biến dạng dẻo vật liệu và ngăn chặn sự tách rời của vật liệu khỏi mối hàn Ngoài ra, lực dọc trục cũng ảnh hưởng đến độ sâu của chốt hàn, nhiệt độ, độ bền kéo và sự hình thành khuyết tật trong mối hàn.

Hình 2.18: Lực dọc trục trong hàn ma sát khuấy [45]

Trong quá trình hàn ma sát khuấy, lực dọc trục bị ảnh hưởng bởi các thông số hàn như tốc độ quay của dụng cụ, tốc độ hàn và kích thước của dụng cụ hàn Tăng tốc độ quay của dụng cụ sẽ làm tăng nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc, khiến vật liệu bị mềm và giảm lực dọc trục Ngược lại, khi tốc độ hàn thấp, thời gian tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi hàn kéo dài, dẫn đến nhiệt ma sát cao, làm mềm vật liệu và giảm lực dọc trục so với hàn ở tốc độ cao Đối với kích thước dụng cụ hàn, khi đường kính của vai dụng cụ tăng lên, lực dọc trục cũng tăng theo Mối quan hệ này được thể hiện rõ qua hình 2.19.

Hình 2.19: Quan hệ giữa đường kính vai dụng cụ và lực dọc trục [51]

Sự phân bố nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát khuấy

Trong quá trình hàn ma sát khuấy, vật liệu bị biến dạng dẻo do nhiệt sinh ra từ chuyển động xoay của dụng cụ và ma sát với bề mặt vật liệu, làm tăng nhiệt độ trong khu vực khuấy Nhiệt độ này ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tế vi và đặc tính cơ học của mối hàn Việc xác định nhiệt độ trong khu vực khuấy gặp nhiều khó khăn do biến dạng dẻo của vật liệu, do đó, nhiệt độ lớn nhất có thể được ước lượng thông qua cấu trúc tế vi của mối hàn.

[33], [52], hoặc có thể sử dụng cặp nhiệt độ (thermocouples) đính vào vị trí gần kề với khu vực nơi có sự tiếp xúc giữa chốt khuấy và vật liệu [33].

Nhiều nghiên cứu và thí nghiệm về phân bố nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát cho thấy sự phân bố nhiệt độ giữa hai bên của mối hàn không đối xứng Cụ thể, nhiệt độ ở bên tiến (AS - Advancing side) của dụng cụ thường cao hơn một chút so với bên lùi (RS - Retreating side) của dụng cụ.

Nguyên nhân gây ra sự phân bố nhiệt độ không đều giữa hai bên của mối hàn là do lực cản của vật liệu ở bên tiến của dụng cụ chưa được hàn, dẫn đến nhiệt độ thấp hơn Đồng thời, chiều xoay của dụng cụ bên tiến di chuyển cùng hướng với quá trình hàn, tạo ra ma sát lớn giữa dụng cụ và vật liệu hàn, từ đó sinh ra nhiệt cao hơn Kết quả phân tích cho thấy nhiệt độ cao nhất trong khu vực mối hàn nằm dưới điểm nóng chảy của nhôm, và bề mặt trên của mối hàn, nơi tiếp xúc giữa vai dụng cụ và vật liệu, có nhiệt độ cao nhất Nhiệt độ tăng từ tâm vai dụng cụ đến cạnh và giảm dần khi khoảng cách từ tâm vai dụng cụ tăng lên.

Hình 2.20: Phân bố nhiệt độ trong hàn ma sát khuấy [54]

Sự phân bố nhiệt độ trong hàn ma sát khuấy bị ảnh hưởng bởi tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn Nhiệt độ tối đa sẽ tăng khi tốc độ quay của dụng cụ tăng và tốc độ hàn giảm, hoặc bằng cách tăng tỷ số giữa hai tốc độ này Vai dụng cụ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra nhiệt, với đường kính lớn hơn giúp tăng diện tích tiếp xúc và mở rộng sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt mối hàn Nhiệt độ ảnh hưởng đến cấu trúc tế vi và đặc tính cơ học của mối hàn, vì vậy tối ưu hóa các thông số này là cần thiết để nâng cao chất lượng mối hàn.

Sự hình thành cấu trúc tế vi trong mối hàn ma sát khuấy

Sự biến dạng dẻo của vật liệu kết hợp với nhiệt độ cao đã dẫn đến sự kết tinh và phát triển cấu trúc tinh thể trong và xung quanh vùng khuấy Dựa trên đặc tính cấu trúc vi mô của hạt và các chất lắng động, cấu trúc vi mô của mối hàn ma sát khuấy được phân chia thành ba vùng: vùng khuấy (Stirred/Nugget zone) và vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo-mechanically affected zone).

TMAZ (Thermomechanically Affected Zone) và HAZ (Heat-Affected Zone) có ảnh hưởng lớn đến đặc tính cơ học của mối hàn Sự thay đổi cấu trúc tế vi ở các vùng khác nhau trong mối hàn ma sát khuấy sẽ tác động đáng kể đến tính chất này Các vùng cấu trúc tế vi trong mối hàn được minh họa trong hình 2.21.

Hình 2.21: Các vùng cấu trúc tế vi [33]

2.5.1 Vùng khuấy (Stirred zone hoặc Nugget zone, được ký hiệu là SZ hoặc NZ)

Vùng khuấy là khu vực có sự biến dạng dẻo mạnh mẽ của vật liệu dưới tác động của nhiệt độ cao, dẫn đến quá trình kết tinh lại Kết quả là cấu trúc tế vi của vùng khuấy có hạt mịn hơn so với các vùng khác, với mật độ xáo trộn thấp trong các hạt kết tinh.

Hình dạng của vùng khuấy trong quá trình hàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thông số hàn, dụng cụ hàn, nhiệt độ của phôi và tính dẫn nhiệt của vật liệu Vùng khuấy chủ yếu có hai hình dạng chính: dạng lòng chảo mở rộng ở bề mặt trên và dạng elip Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự thay đổi tốc độ quay của dụng cụ hàn có ảnh hưởng đến cấu trúc tế vi của nhôm đúc A536 khi tốc độ quay giảm trong khoảng 300.

500vòng/phút thì vùng khuấy có dạng lòng chảo, và vùng khuấy có dạng elip khi tốc độ quay của dụng cụ cao hơn 700 vòng/phút [33].

Hình 2.22: Hình dạng của vùng khuấy trong hàn ma sát khuấy [33]

Kích thước hạt trong quá trình kết tinh tại vùng khuấy bị ảnh hưởng bởi các thông số hàn, tính chất vật liệu, nhiệt độ phôi và chế độ làm nguội trong hàn ma sát khuấy Khi nhiệt độ tăng, kích thước hạt cũng tăng, điều này phụ thuộc vào tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ hàn Cụ thể, khi tốc độ quay tăng, kích thước hạt sẽ tăng, trong khi kích thước hạt giảm khi tốc độ hàn tăng và tốc độ quay giữ cố định Hơn nữa, kích thước hạt còn bị ảnh hưởng bởi đường kính của vai dụng cụ; nếu đường kính nhỏ, nhiệt độ sẽ thấp hơn và kích thước hạt sẽ nhỏ hơn.

2.5.2 Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo-mechanically affected zone, được ký hiệu là TMAZ)

Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (TMAZ) là khu vực nằm giữa vật liệu cơ bản và vùng khuấy (SZ) trong quá trình hàn ma sát khuấy TMAZ chịu tác động của nhiệt độ và biến dạng, dẫn đến cấu trúc bị biến dạng cao Mặc dù trải qua biến dạng dẻo, nhưng quá trình kết tinh không diễn ra trong TMAZ, khiến cho mật độ ranh giới hạt trong vùng này rất cao.

2.5.3 Vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat-affected zone, được ký hiệu là HAZ)

Ngoài vùng ảnh hưởng cơ nhiệt, còn tồn tại vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ), nơi chịu tác động của nhiệt độ mà không trải qua quá trình biến dạng dẻo Đối với các hợp kim có khả năng xử lý nhiệt, vùng này có thể đạt nhiệt độ lên đến 250 o C mà vẫn giữ được cấu trúc hạt tương tự như vật liệu cơ bản Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt quá 250 o C, cấu trúc hạt sẽ bị ảnh hưởng đáng kể.

CHẾ TẠO MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY VÀ QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM

Chuẩn bị

Mối hàn được nghiên cứu sử dụng tấm hợp kim nhôm 5083 với kích thước mẫu thí nghiệm 80×250×3 mm Để đảm bảo chất lượng mối hàn tốt, các cạnh của hai tấm vật liệu tại vị trí mối ghép cần được đảm bảo độ phẳng, nhằm tạo ra sự tiếp xúc tối ưu giữa chúng.

Hình 3.1: Vật liệu và kích thước mẫu thí nghiệm 3.1.2 Máy hỗ trợ chế tạo mối hàn ma sát khuấy

Trong nghiên cứu này, mối hàn ma sát khuấy sẽ được chế tạo với sự hỗ trợ của máy phay đứng CNC Mazak V550 tại Đại học Nha Trang Hình ảnh máy phay đứng CNC Mazak V550 được trình bày trong hình 3.2, cùng với các thông số cơ bản của máy được liệt kê trong bảng 3.1.

Hình 3.2: Máy phay đứng CNC Mazak V550 Bảng 3.1: Các thông số cơ bản của máy phay đứng CNC Mazak V550 Thông số kỹ thuật

Kích thước bàn máy (mm)

Hành trình theo trục X (mm)

Hành trình theo trục Y (mm)

Hành trình theo trục Z (mm)

Tốc độ hành trình theo trục X và Y (m/phút)

Tốc độ hành trình theo trục Z (m/phút)

Tốc độ cắt (mm/phút) Đầu BT

Tốc độ trục chính (vòng/phút)

3.1.3.1 Hình dáng và kích thước dụng cụ

Nghiên cứu này tiến hành thử nghiệm hai dụng cụ hàn khác nhau để xác định dụng cụ hàn phù hợp nhất Hình dáng và kích thước của các dụng cụ hàn được trình bày chi tiết trong hình 3.3 và bảng 3.2, bao gồm dụng cụ D20 và D16.

Hình 3.3: Hình ảnh và các kích thước cơ bản của dụng cụ hàn

Bảng 3.2: Các thông số cơ bản của dụng cụ hàn

Dụng cụ hàn được chế tạo từ thép dụng cụ H13, với thành phần hóa học được chỉ rõ trong bảng 3.3 Sau quá trình chế tạo, dụng cụ hàn trải qua xử lý nhiệt và được kiểm tra độ cứng để đảm bảo chất lượng trước khi sử dụng trong hàn.

Bảng 3.3: Thành phần hóa học của thép dụng cụ H13 (AISI) [64]

Quá trình chế tạo mối hàn

Trong thí nghiệm, bàn gá phẳng được đặt nghiêng khoảng 2 độ so với bàn máy để tạo góc nghiêng cho dụng cụ hàn, giúp cải thiện chất lượng mối hàn Hình ảnh minh họa bàn gá trong quá trình chế tạo mối hàn được trình bày trong hình 3.4.

Hình 3.4: Sơ đồ bàn gá 3.2.1.2 Gá phôi

Phôi hàn được cố định bằng đồ gá chuyên dụng, giúp đảm bảo độ ổn định trong quá trình hàn và nâng cao chất lượng mối hàn Hình 3.5 minh họa quá trình gá đặt phôi trong thí nghiệm.

Hình 3.5: Gá đặt phôi hàn

Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của hai thông số chính: tốc độ quay của dụng cụ (ω) và tốc độ tịnh tiến của chốt hàn (v) Dựa trên tài liệu tham khảo và kinh nghiệm thực tiễn, thí nghiệm sẽ khảo sát sự kết hợp của hai thông số này ở nhiều chế độ khác nhau, với tốc độ quay được chọn là 400 và 700 vòng/phút, và tốc độ tịnh tiến từ 100 đến 600 mm/phút Các chế độ hàn trong quá trình thí nghiệm được trình bày trong bảng 3.4.

Bảng 3.4: Các chế độ hàn được thí nghiệm ω (vòng/phút)

Sau khi hoàn tất các bước chuẩn bị và gá đặt, quá trình chế tạo mối hàn sẽ được tự động lập trình thông qua máy phay đứng CNC Các bước thực hiện bao gồm: (1) điều chỉnh chốt hàn tại vị trí trung tâm của mối nối, (2) di chuyển chốt hàn xuống để xuyên vào phôi hàn với độ sâu xác định, và (3) tiến hành di chuyển chốt hàn dọc theo mối nối để hình thành mối hàn, kết hợp với tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ tịnh tiến đã được thiết lập.

38 ra mối hàn liên tục liên kết hai tấm vật liệu với nhau.

Các mối hàn được chế tạo ở các chế độ khác nhau được thể hiện cụ thể trong hình 3.7.

Hình 3.6: Quy trình chế tạo mối hàn ma sát khuấy

Quá trình thí nghiệm kiểm tra chất lượng mối hàn

3.3.1 Các thiết bị sử dụng trong quá trình thí nghiệm

3.3.1.1 Máy đánh bóng bề mặt MA-PP-200M

Máy đánh bóng bề mặt là thiết bị quan trọng để kiểm tra chất lượng mối hàn, đồng thời tạo ra bề mặt mẫu lý tưởng cho việc quan sát cấu trúc tế vi qua kính hiển vi kim loại sau khi tẩm thực Hình ảnh và thông số kỹ thuật của máy được trình bày trong bảng 3.5.

Hình 3.8: Máy đánh bóng bề mặt MA-PP-200M Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật máy đánh bóng bề mặt MA-PP-200M

3.3.1.2 Camera quan sát khuyết tật của mối hàn Để kiểm tra các khuyết tật xuất hiện trong mối hàn sau khi mối hàn được đánh bóng và tẩm thực, ngoài việc quan sát bằng mắt thường đối với các khuyết tật có kích thước lớn thì các khuyết tật nhỏ có thể quan sát trực tiếp qua camera có độ phóng đại1000x và được kết nối với máy tính thông qua cổng USB, với độ phóng đại lớn các khuyết tật có thể được phát hiện và xác định vị trí dễ dàng Hình ảnh cụ thể camera được thể hiện trong hình 3.9.

Để quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn một cách rõ ràng, phương pháp ăn mòn điện hóa với máy điện hóa ElectroMet 4 được áp dụng Phương pháp này không chỉ giúp rút ngắn thời gian thí nghiệm mà còn mang lại hình ảnh cấu trúc sắc nét hơn Hình ảnh của máy ElectroMet 4 được trình bày trong hình 3.10, cùng với các thông số kỹ thuật được liệt kê trong bảng 3.6.

Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật máy điện hóa ElectroMet 4

Thời gian hoạt động Điện áp

3.3.1.4 Kính hiển vi kim loại Olympus-CK40M Để qua sát cấu trúc tế vi của mối hàn sau khi tẩm thực bằng phương pháp ăn mòn điện hóa, kính hiển vi Olympus-CK40M có camera được sử dụng và được kết nối với máy tính qua USB Hình ảnh kính hiển vi Olympus-CK40M được thể hiện trong hình 3.11 và các thông số kỹ thuật được thể hiện trong bảng 3.7.

Hình 3.11: Kính hiển vi Olympus-CK40M Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật của kính hiển vi kim loại Olympus-CK40M

3.3.1.5 Các hóa chất tẩm thực bề mặt Để có thể quan sát các khuyết tật xuất hiện trong mối hàn và quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn tại mặt cắt ngang sau khi được đánh bóng thì các hóa chất được sử dụng tẩm thực bao gồm: axit hydrochloric (HCl), axit nitric (HNO 3 ), axit phosphoric (H 3 PO 4 ), axit hydrofuoric (HF) Hình ảnh các hóa chất sử dụng trong quá trình thí nghiệm được thể hiện trong hình 3.12.

Hình 3.12: Các loại hóa chất được dùng để tẩm thực

3.3.1.6 Máy đo độ cứng Rockwell AR 10

Máy đo độ cứng Rockwell AR 10 được sử dụng để xác định độ cứng ở nhiều vùng khác nhau tại mặt cắt ngang của mối hàn Thông số kỹ thuật của máy được trình bày trong bảng 3.8.

Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật máy đo độ cứng Rockwell AR 10

Hãng Mitutoyo - Nhật sản xuất

Hình 3.13: Máy đo độ cứng

3.3.1.7 Máy kiểm tra độ bền kéo, độ bền uốn INSTRON-3366 Để kiểm tra độ bền kéo, uốn của mối hàn, thiết bị được sử dụng là máy kéo, nénInstron-3366 Thiết bị cho phép xuất kết quả thông qua việc kết nối với máy tính.

Hình ảnh máy kéo, nén Instron-3366 (hình 3.14) và các thông số kỹ thuật được thể hiện trong bảng 3.9.

Hình 3.14: Máy kéo, nén Instron-3366 Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật máy kéo, nén Instron-3366

3.3.1.8 Máy kiểm tra thí nghiệm độ bền va đập Tinius Olsen IT-406E Để thử độ bền va đập của mối hàn ở các vị trí khác nhau, thiết bị được sử dụng là máy va đập Tinius Olsen IT-406E Thông số máy va đập Tinius Olsen IT-406E được thể hiện trong bảng 3.10 và hình ảnh máy va đập Tinius Olsen IT-406E được thể hiện trong hình 3.15.

Bảng 3.10: Thông số kỹ thuật máy va đập Tinius Olsen IT-406E

Hãng sản xuất Công suất con lắc Chiều cao thả con lắc

Tốc độ va đập Khối lượng con lắc Kích thước máy (mm) Khối lượng máy

3.3.2.1 Chọn số lượng mẫu và chế tạo mẫu thí nghiệm Để đạt được kết quả thí nghiệm chính xác thì việc bố trí, chọn số lượng mẫu và thiết kế, chế tạo mẫu là khâu rất quan trọng Dựa vào các thông số kỹ thuật của các thiết bị thí nghiệm thì mẫu thí nghiệm được thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM Số lượng mẫu thí nghiệm được thể hiện trong bảng 3.11 và bố trí mẫu thí nghiệm thể hiện cụ thể trong hình 3.16.

Bảng 3.11: Số lượng mẫu thí nghiệm

3 - Mẫu cấu trúc tế vi và

Hình 3.16: Bố trí các mẫu thí nghiệm trên mẫu hàn

Phương pháp chế tạo mẫu thí nghiệm được lựa chọn là cắt dây trên máy CNC, nhằm đảm bảo độ chính xác cao nhất và đạt được kết quả thí nghiệm tối ưu.

Hình 3.17: Chế tạo mẫu thí nghiệm bằng máy cắt dây CNC

3.3.2.2 Kiểm tra lỗi và quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn

Mẫu kiểm tra lỗi và cấu trúc tế vi của mối hàn được chế tạo theo kích thước và hình dạng cụ thể Để phát hiện lỗi trong mối hàn, mẫu được đánh bóng bằng máy MA-PP-200M với các loại giấy nhám từ 120 đến 3000 Sau khi đánh bóng, bề mặt mẫu được làm sạch và tẩm với dung dịch gồm 2 ml HF, 3 ml HCl, 20 ml HNO3 và 175 ml H2O.

[69], sau đó được quan sát với camera có độ phóng đại 1000x (hình 3.19).

Hình 3.18: Mẫu quan sát cấu trúc tế vi

Để quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn, mẫu được đánh bóng bằng giấy nhám 4000 và dung dịch Alumina (Al2O3) nhằm tạo ra bề mặt sáng và không có vết xước Sau đó, mẫu được xử lý bằng phương pháp ăn mòn điện hóa trên máy ElectroMet 4 với dung dịch gồm 105 ml H3PO4, 22,5 ml cồn (C2H5OH), 32,5 ml H2O, sử dụng cathode là thép không gỉ, dòng điện 0,9 amp và thời gian điện hóa là 2,5 phút Kết quả sau khi ăn mòn điện hóa sẽ được quan sát trên kính hiển vi kim loại Olympus CK40M.

Hình 3.20: Mẫu sau khi ăn mòn điện hóa bề mặt

3.3.2.3 Phân tích sự phân bố nhiệt độ trong mối hàn

Do hạn chế về thiết bị đo nhiệt độ, việc phân bố nhiệt độ trong mối hàn sẽ được mô phỏng bằng phần mềm Hyperworks Kết quả mô phỏng kết hợp với thí nghiệm thực tế giúp dự đoán ảnh hưởng của thông số hàn đến phân bố nhiệt độ, từ đó tối ưu nhiệt độ phù hợp nhằm tạo ra mối hàn chất lượng tốt.

 Thiết lập thông số tạo mô hình mô phỏng

Hình 3.21: Thiết lập các thông số cho mô hình mô phỏng

 Thiết lập các điều kiện và thông số hàn

Hình 3.22: Thiết lập các điều kiện và thông số hàn

 Gán vật liệu cho dụng cụ hàn và phôi hàn

Hình 3.23: Gán vật liệu cho dụng cụ hàn và phôi hàn

 Mô hình mô phỏng sau khi thiết lập thông số

Hình 3.24: Mô hình mô phỏng

Hình 3.25: Tiến hành mô phỏng

3.3.2.4 Đo độ cứng của mối hàn

Quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn giúp xác định ranh giới giữa các vùng khác nhau, từ đó làm cơ sở kiểm tra độ cứng từng vùng trong mối hàn Vị trí đo độ cứng được thể hiện trong hình 3.26, sử dụng máy đo độ cứng Rockwell AR 10 với thang đo HRB để thực hiện thí nghiệm.

Hình 3.26: Vị trí đo độ cứng các vùng trong mối hàn

Đo độ cứng của mối hàn được thực hiện tại mặt cắt ngang cách bề mặt 1,5 mm, bao gồm bốn vùng chính: vùng khuấy (Nugget), vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (TMAZ), vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và vùng vật liệu nền (Base).

3.3.2.5 Kiểm tra độ bền uốn của mối hàn