Trong bài này, tiến hành thực nghiệm mối hàn giáp mí tấm phẳng trên hợp kim nhôm AA 6061. Bằng phép qui hoạch thực nghiệm thiết lập quan hệ giữa các thông số hàn (số vòng quay, vận tốc hàn, chiều sâu xâm nhập vai), từ đó tối ưu các thông số hàn nhằm đạt được chất lượng mối hàn tốt nhất.
Effect of process parameters on microstructure and mechanical prop- erties of friction-stir-welded AA1100 plate aluminium alloy
MAI ĐĂNG TUẤN3, HOÀNG TRỌNG BÁ2, ĐÀO DUY QUÍ1, TRƯƠNG MINH NHẬT1, LƯU PHƯƠNG MINH1
1 Trường Đại học Bách khoa Tp.Hồ Chí Minh
2 Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh
3 Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long
Ngày nhận bài: 16/1/2019, Ngày duyệt đăng: 12/2/2019
Liên hệ: tuanmd@vlute.edu.vn (0917557539)
TÓM TẮT
Hàn ma sát khuấy (FSW) là bước tiến quan trọng nhất về lĩnh vực hàn trong thập niên qua, và là một công nghệ xanh do hiệu quả năng lượng và bảo vệ môi trường. So sánh với những công nghệ hàn trước đây thì FSW tiêu thụ ít năng lượng một cách đáng kể, không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóng chảy, không có khí độc khi hàn, không phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ. Mối hàn chịu lực cao, tăng giới hạn bền mỏi, ít biến dạng, giảm ứng suất dư, không bị khuyết tật. Trong bài này, tiến hành thực nghiệm mối hàn giáp mí tấm phẳng trên hợp kim nhôm AA 6061. Bằng phép qui hoạch thực nghiệm thiết lập quan hệ giữa các thông số hàn (số vòng quay, vận tốc hàn, chiều sâu xâm nhập vai), từ đó tối ưu các thông số hàn nhằm đạt được chất lượng mối hàn tốt nhất.
Từ khóa: Hàn ma sát khuấy, độ bền mối hàn; tổ chức tế vi mối hàn.
ABSTRACT
Friction stir welding is considered to be the most significant development in metal joining in decades and, in addition, is a “green” technology due to its energy efficiency, environmental friendliness, and versatility. Friction stir welding produces higher strength, increased fatigue life, lower distortion, less residual stress and essentially defect- free joints compared to arc welding. This paper reports the results of statistical analysis conducted on the weld data obtained from friction stir welding of square butt-welded AA 6061 plate. The output factors are weld in microstruc- ture and mechanical properties. Experimental data illustrates strong relation and robust comparison between the weld strength and process parameters.
Keywords: Fiction stir welding, weld strength, weld microstructure
1. MỞ ĐẦU
Hàn ma sát khuấy được phát minh vào năm 1991 bởi Viện Hàn của Vương Quốc Anh (TWI)[1], là kỹ thuật hàn được liên kết ở trạng thái rắn (kim loại mối hàn không nóng chảy), hàn được tất cả các loại hợp kim, đặc biệt là hơp kim nhôm (có chiều dày lớn) mà các phương pháp hàn khác chưa hàn được (hợp kim nhôm 2xxx và 7xxx trong môi trường khí bảo vệ MIG không hàn được). Ngoài ra còn hàn được composit và hàn hai kim loại có tính hàn khác nhau. Chất lượng mối hàn đạt được là rất cao, không nứt kết tinh, giới hạn bền cao gấp nhiều lần so với hàn hồ quang. Nguyên lý hàn nêu ở hình 1.
Có nhiều thông số chính ảnh hưởng đến quá trình hàn như là số vòng quay dụng cụ (n), tốc độ tiến của dụng cụ hàn hay còn gọi là vận tốc hàn (Vh), bán kính vai dụng cụ (RS), bán kính và chiều dài đầu khuấy (Rp, Lp), hình dáng hình học của vai và đầu khuấy, lực dọc trục Pz, hệ số ma sát,… Trong báo cáo này 3 thông số cơ bản được lựa chọn (đường kính vai D, biên dạng đầu khuấy, số vòng quay dụng cụ n, vận tốc hàn (Vh) để tiến hành thực nghiệm.
2. THỰC NGHIỆM
a) Thiết bị
Thiết bị dùng để thực nghiệm là máy phay CNC VP3000 của Áo (hình 2), công suất 7.5 kW, số vòng quay và lượng chạy dao tối đa lần lượt là 4000 v/ph và 400 mm/ph.
b) Dụng cụ hàn và phôi hàn
Trong quá trình hàn FSW, dụng cụ hàn phải chịu các lực: lực dọc trục, lực hướng kính, lực tiếp tuyến do ảnh hưởng của độ nhớt vật liệu và quán tính dòng chảy. Từ các cơ sở lý thuyết và qua các đề tài nghiên cứu trước đây, nên ở đây dụng cụ chọn để hàn là có vai lõm, biên dạng đầu khuấy là hình trụ có ren, đường kính vai là 12 mm, đường kính đầu khuấy là 4 mm, chiều dài đầu khuấy là 3.6 mm. Hình 3 và 4 là các dụng cụ được dùng khi hàn:
Thép chế tạo dụng cụ hàn là SKD61 (tiêu chuẩn JIS G4404).
Phôi là nhôm tấm AA 5083-H116 có kích thước 150 mm × 100 mm × 5 mm, có thành phần như sau: 92.4 – 95.6 % Al, 0.05 – 0.25 % Cr, 0.1% Cumax, 0.4 % Femax, 4 – 4,9% Mg, 0,4 – 1 % Mn, 0,4 % Simax, 0,15 % Ti, 0,25 % Zn.
Phôi được kẹp chặt trên một mặt đế thép trên bàn dao của máy phay.
c) Phương pháp hàn và chế độ hàn
Mối hàn thực hiện là liên kết giáp mí. Chế độ hàn ở mức cơ sở là: số vòng quay dụng cụ (n) là 1000 v/ph, bước tiến (vận tốc hàn Vh) là 100 mm/ph và chiều sâu vai xâm nhập vào vật hàn (h) là 0,15 mm. Biên dạng đầu khuấy là hình trụ có ren.
d) Phương pháp thực nghiệm
Giới hạn bền kéo và giới hạn bền uốn sẽ được chọn là hàm mục tiêu của hệ thống. Nhưng giới hạn bền uốn thì không cần xét, bởi vì sau thử uốn thì các giá trị đều đạt và gần như nhau (góc uốn đều lớn hơn 900), vì vậy chỉ có giới hạn bền kéo σk được xem là hàm mục tiêu của mô hình toán.
Các mẫu thử kéo được cắt ra từ các mối hàn, gia công theo kích thước như hình 5 và thử kéo đứt theo tiêu chuẩn TCVN 197: 2002 (có lệch so với tiêu chuẩn ASM) tại Khoa Công nghệ vật liệu Trường Đại học Bách khoa Tp HCM (bảng 1).
Bảng 1. Kết quả kiểm tra độ bền kéo khi D, n, Vh thay đổi
| STT | Tốc độ quay (v/ph) | Vận tốc hàn (mm/ph) | Lượng dịch chuyển (mm) | Kết quả thí nghiệm 1 | Kết quả thí nghiệm 2 | Kết quả thí nghiệm 3 | Giá trị trung bình | Phương sai |
| n | v | h | Y1 | Y2 | Y3 | Ȳ | S2j | |
| 1 | 800 | 50 | 0,15 | 184,3 | 184,2 | 185,666 | 184,722 | 1,34 |
| 2 | 1200 | 50 | 0,15 | 210,1 | 208,6 | 208,717 | 209,139 | 1,39 |
| 3 | 800 | 150 | 0,15 | 203,6 | 202,3 | 207,996 | 204,632 | 17,82 |
| 4 | 1200 | 150 | 0,15 | 222,3 | 220,9 | 230,738 | 224,646 | 56,65 |
| 5 | 800 | 100 | 0,1 | 198,5 | 198,5 | 207,437 | 201,479 | 53,25 |
| 6 | 1200 | 100 | 0,1 | 202,4 | 201,4 | 196,263 | 200,021 | 21,68 |
| 7 | 800 | 100 | 0,2 | 199,8 | 204,2 | 206,833 | 203,611 | 25,25 |
| 8 | 1200 | 100 | 0,2 | 208,5 | 212,4 | 209,475 | 210,125 | 8,24 |
| 9 | 1000 | 50 | 0,1 | 190,7 | 191,5 | 196,551 | 192,917 | 20,13 |
| 10 | 1000 | 150 | 0,1 | 220,3 | 224,1 | 228,308 | 224,236 | 32,09 |
| 11 | 1000 | 50 | 0,2 | 215,4 | 216,4 | 222,617 | 218,139 | 30,58 |
| 12 | 1000 | 150 | 0,2 | 211,1 | 211,4 | 206,873 | 209,791 | 12,82 |
| 13 | 1000 | 100 | 0,15 | 216,8 | 217,2 | 220,873 | 218,291 | 10,08 |
| 14 | 1000 | 100 | 0,15 | 218,5 | 218,7 | 222,593 | 219,931 | 10,65 |
| 15 | 1000 | 100 | 0,15 | 216,7 | 214,4 | 224,526 | 218,542 | 56,36 |
Miền quy hoạch của các thông số đầu vào được giới hạn như sau: số vòng quay dụng cụ n là 800; 1000; 1200 v/ph; vận tốc hàn Vh là 50; 100; 150 mm/ph; chiều sâu xâm nhập h là 0,1; 0,15; 0,2 mm.
Với số liệu σk đo được thấy rằng các thông số chế độ hàn ảnh hưởng phi tuyến đến hàm mục tiêu do đó phải tiến hành quy hoạch thực nghiệm toàn phần Box- Behnken. Số thí nghiệm cần thực hiện là n = 15 (bảng 1).
Các phép biến đổi và tính toán được giải quyết bằng phần mềm Matlab và phần mềm Minitab. Phương trình hồi quy liên hệ giữa 3 thông số hàn n, v, h và chất lượng mối hàn thể hiện trong công thức (1).
Y = -188 + 0.527 n + 1.078 v – 0.000257 n*n – 3.97 v*h (1)
Phương trình hồi qui đã đươc kiểm tra tính thích hợp, cho thấy phù hợp để mô tả hiện tượng.
Tối ưu phương trình (1) tìm được miền tối ưu của chế độ hàn như sau: sk = 226 MPa tại điểm có các yếu tố thành phần: n = 1035 v/ph, Vh = 150 mm/ph, h = 0,115 mm.
Đồ thị biểu diễn từng yếu tố của thông số hàn với hàm mục tiêu nêu trên hình 7:
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Về độ bền kéo: đạt giá trị cao nhất ứng với mối hàn có số vòng quay 1200 v/ph, vận tốc hàn 150. Hình 11 thể hiện ảnh hưởng của n và v đến hàm mục tiêu khi h = 0,2 mm/ph và chiều sâu xâm nhập 0,15 mm (bảng 1) là 231 MPa.
Tìm được mối liên hệ giữa các thông số hàn với hàm mục tiêu bằng công thức (1) và biểu diễn các cặp biến số đến hàm mục tiêu bằng đồ thị (hình 8 đến hình 11).
Về tổ chức tế vi: tổ chức tế vi của các mối hàn chất lượng tốt được trình bày ở hình 12. Hình 12a là tổ chức kim loại cơ bản, hình 12b thể hiện vùng tâm mối hàn có cấu trúc hạt mịn, hình 12c là vùng ảnh hưởng cơ-nhiệt và ảnh hưởng nhiệt, hình 12d là ranh giới giữa vùng tâm hàn và vùng ảnh hưởng cơ-nhiệt. Vùng tâm mối hàn có cấu trúc hạt mịn là do tác dụng của đầu khuấy, cỡ hạt nhỏ là do nhiệt sinh ra ở vùng này lớn.
4. KẾT LUẬN
Vận tốc hàn, số vòng quay và chiều sâu xâm nhập vai quyết định lượng vật liệu bị biến dạng dẻo và nhiệt sinh ra trong quá trình hàn, do đó cũng sẽ quyết định đến chất lượng mối hàn.
Với điều kiện hàn nóng (vòng quay lớn, Vh nhỏ) vật liệu ở vùng giữa vai và bề mặt vật hàn có thể bám vào vai dụng cụ làm cản trở quá trình hàn.
Với điều kiện hàn nguội (tốc độ quay thấp, Vh cao) khuyết tật dễ xảy ra, nguyên nhân là do vật liệu vùng tiến không được đáp ứng đầy đủ, khuyết tật này sẽ giảm khi lực ép tăng.
Phương trình đã xác lập là cơ sở tính toán có thể áp dụng vào thực tiễn sản xuất.
Các kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm cho phép xác định các thông số công nghệ phù hợp và có thể làm cơ sở để thiết kế công nghệ hàn cho các kết cấu dạng tấm bằng hợp nhôm biến dạng ở nước ta.
TÀI LIỆU TRÍCH DẪN
[1]. W. M. Thomas et al. (1991), “Friction Stir Butt Welding”, GB Patent Application 9125978.8.
[2]. R. S. Mishra và M. W. Mahoney; Friction Stir Welding and Processing, AMS International, 2007.
[3]. W. Tang, X. Guo và Nunes; Heat input and Temperature Distribution in FSW, J. mater, process, Manuf. Sci, Vol 7, 1998.
[4]. H. Schmidt J. Hattel; An Analytical Model for the Heat Generation in FSW; Mater. Sci. Eng, 2004.
[5]. R. Rai, A.De, H.K.D.H Bhandeshia and T. DebRoy; Review: friction stir welding tools, Institue of Materials Minerals and Mining, 2011.
