Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 45

CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MỐI HÀN MA SÁT HỢP KIM NHÔM 6061 TRÊN MÁY PHAY TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

EXPERIMENTAL FABRICATION OF AA6061 FRICTION STIR WELDING BY THE MILLING MACHINE AT NHA TRANG UNIVERSITY

Trần Hưng Trà1, Phí Công Thuyên2

Ngày nhận bài: 17/3/2013; Ngày phản biện thông qua: 27/5/2013; Ngày duyệt đăng: 10/12/2013

TÓM TẮTMối hàn ma sát giữa hai tấm hợp kim nhôm 6061 được chế tạo thử nghiệm ở nhiều chế độ hàn khác nhau dưới sự

kết hợp giữa tốc độ hàn, tốc độ quay chốt hàn, và hình dạng chốt hàn. Ảnh hưởng của các thông số hàn này đến độ bền kéo mối hàn được khảo sát sau khi chế tạo thành công. Kết quả nghiên cứu cho thấy mức độ thành công trong chế tạo mối hàn hợp kim nhôm 6061 bị giới hạn rất lớn bởi hình dạng chốt hàn, tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến chốt hàn, công suất và độ ổn định của máy. Trong số các mối hàn được chế tạo thành công, độ bền mối hàn tăng khi giảm tỉ lệ giữa tốc độ quay chốt hàn và tốc độ hàn tăng lên. Mối hàn bị khuyết tật nghiêm trọng do thiếu khuếch tán vật liệu khi chế tạo ở tỉ lệ giữa tốc độ quay chốt hàn và tốc độ hàn quá thấp.

Từ khóa: hàn ma sát, hợp kim nhôm 6061, cơ tính

ABSTRACTThe stir friction welded-joint of aluminum alloy 6061 is fabricated at various conditions under the combination

among weld speed, pin rotation speed, and pin geometry. The affect of these welding parameters on the tensile strength of the joint is investigated. The experimental result shows that the fabricability of the friction joints is affected signifi cantly by the pin geometry, pin rotation, weld speed, machine power, and machine stability. In the joints successfully fabricated, the tensile strength of the joint is increased with the reduction of the ratio of pin rotation speed and welding speed. At quite low value of the ratio of pin rotation speed and weld speed, the joint is incomplete concerning to the lack of metal diffusion.

Keywords: Friction stir welding, aluminum alloy 6061, tensile properties

1 TS. Trần Hưng Trà: Khoa Xây dựng - Trường Đại học Nha Trang2 CN. Phí Công Thuyên: Trung tâm Thí nghiệm thực hành - Trường Đại học Nha Trang

THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC

I. ĐẶT VẤN ĐỀHàn ma sát là phương pháp hàn khá mới, mối

hàn được tạo ra do dòng vật liệu khuếch tán giữa hai tấm hàn nhờ vào quá trình cơ nhiệt sinh ra bởi ma sát [1]. Bản chất của quá trình hình thành là quá trình cơ nhiệt tương tác và mối hàn được hình thành ở nhiệt độ dưới nhiệt độ chảy vật liệu. Đây là phương pháp hàn được xem là ưu việt nhờ khả năng hàn hầu hết các hợp kim kể cả các hợp kim

khó tính nhất không thể hàn bằng kỹ thuật hàn chảy truyền thống [2]. Do mối hàn được hình thành trong quá trình biến dạng cơ nhiệt tương tác nên cấu trúc và cơ tính tại khu vực hàn rất phức tạp, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố trong quá trình hàn như hình dạng chốt hàn, hệ thống đồ gá, tốc độ quay của chốt hàn, tốc độ hàn, độ ổn định của máy hàn... Hiện tại, hàn ma sát đang được nghiên cứu và ứng dụng rất mạnh ở nhiều nước, tuy nhiên công nghệ

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013

46 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

này còn khá xa lại ở trong nước do thiếu thốn trang thiết bị. Với những ưu điểm vượt trội của công nghệ hàn ma sát, việc chậm trễ ứng dụng công nghệ này là một sự phung phí vô cùng to lớn. Nhằm bước đầu nghiên cứu chế tạo mối hàn ma sát trên cơ sở tận dụng những thiết bị hiện có tại trường, nhóm chúng tôi mạnh dạn thực hiện nghiên cứu chế tạo thử nghiệm mối hàn ma sát cho hợp kim nhôm 6061 trên cơ sở sử dụng máy phay đứng tại Xưởng Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang. Những kết quả nghiên cứu thành công bước đầu sẽ được công bố trong bài báo này. Sự ảnh hưởng của tốc độ hàn và tốc độ quay chốt hàn đến cơ tính của các mối hàn được chế tạo thành công được đề cập.

II. ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hợp kim nhôm tấm 6061 dày 5mm được tiến hành hàn giáp mí bằng công nghệ ma sát trên máy phay đứng tại xưởng Cơ khí Trường Đại học Nha Trang. Thành phần hóa học của tấm hợp kim nhôm 6061 trình bày trong bảng 1. Mối hàn được chế tạo trên máy phay đứng UF222, công suất 10kW, cùng

với cụm đồ gá như trong hình 1. Thiết bị đồ giá có nhiệm vụ giữ có hai tấm hàn nằm phẳng, không bị dịch chuyển trong mặt phẳng vuông góc với chốt hàn. Phương pháp nghiên cứu được tiếp cận theo con đường thực nghiệm trong đó dựa vào công suất máy và cơ tính của vật liệu hàn để chọn lựa chế độ hàn. Mối hàn được chế tạo trong điều kiện môi trường thường, không gia nhiệt, trong đó thực hiện nhiều chế độ hàn bằng sự kết hợp của hình dạng chốt hàn, tốc độ quay chốt hàn, và tốc độ tịnh tiến chốt hàn. Quá trình chế tạo thử nghiệm tiệm cận dần đến kết quả dựa trên chất lượng khuếch tán vật liệu tại vùng hàn. Mối hàn được xem là chế tạo thành công khi quan sát trên kính hiển vi không phát hiện khuyết tật trên mặt cắt ngang mối hàn. Trong bài báo này sẽ đề cập đến những số liệu đã chế tạo mối hàn thành công. Hình dạng chốt hàn dùng chế tạo mối hàn được thể hiện trong hình 2. Các mối hàn được chế tạo thành công ở các chế độ hàn dưới sự kết hợp giữa tốc độ hàn (ký hiệu ν) và tốc độ quay chốt hàn (ký hiệu ω). Cơ tính mối hàn được đo bằng máy đo cơ tính INSTRON 3300.

Bảng 1. Thành phần hóa học của hợp kim nhôm 6061 [3]

Hợp kim nhôm Al Mg Si Fe Mn Zn Cu Cr Ti Tạp chất

6061 98,8 0,8-1,2 0,40-0,80 0,30 0,10 0,25 0,50-

0,300,50-0,30 0,15 Còn lại

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬNNhiều mối hàn được chế tạo với các loại chốt

hàn khác nhau kết hợp với thay đổi tốc độ quay chốt hàn và tốc độ tịnh tiến chốt hàn, phần lớn mối hàn được chế tạo với chất lượng thấp do thiếu khuếch tán vật liệu giữa hai tấm hàn. Một số mẫu được chế tạo thành công, điển hình xem hình 3.

Trong nghiên cứu này mối hàn hợp kim nhôm 6061 được chế tạo thành công ở ba chế độ kết hợp sau: tỉ lệ giữa tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến chốt hàn là 12 vòng/mm, 19,2 vòng/mm, và 45,4 vòng/mm.Độ bền kéo của mối hàn được đo bởi máy kéo vạn năng INSTRON 3300 với tốc độ biến dạng 10-3/s với mẫu được mô tả trong hình 4 theo tiêu chuẩn ASTM E647. Kết quả đo cơ tính gồm độ bền kéo và độ giãn dài được thể hiện trong hình 5 và 6. Mỗi giá trị là

giá trị trung bình của hai mẫu thí nghiệm ở cùng chế độ hàn. Kết quả thí nghiệm cho thấy, ở tất cả chế độ hàn, độ bền mối hàn đều thấp hơn độ bền vật liệu nền. Nhìn chung, độ bền kéo mối hàn nằm trong khoảng 60% đến 80% độ bền kéo vật liệu nền và độ giãn dài mối hàn nằm trong khoảng 45% đến 60% so với vật liệu nền. Ảnh hưởng của tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến chốt hàn đến độ bền kéo được thể hiện trong hình 5. Độ bền kéo bị giảm khi tăng tỉ lệ ω/ν, điều này liên quan đến việc tăng nhiệt độ tại vùng hàn khi tăng tỉ lệ ω/ν [3-6]. Do hợp kim nhôm 6061 là hợp kim được tăng bền bằng phương pháp điều trị nhiệt tạo pha kết tinh (precipitates hardening),vì vậy khi nhiệt độ hàn tăng cao sẽ làm tăng khả năng tan các hạt tăng bền (precipitates) và làm giảm độ bền tại vùng hàn.

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 47

Trên phương diện lý thuyết phân tích nhiệt trong mối hàn [4-7] thì mô men quay chốt hàn sẽ cân bằng với mô men do lực ma sát sinh ra trên bề mặt tiếp xúc giữa chốt hàn và tấm hàn

, trong đó M là mô

men quay chốt hàn, μ là hệ số ma sát giữa chốt hàn với tấm hàn, p(r) là áp lực phân bố trên bề mặt tiếp xúc, R là bán kính vai chốt hàn. Nếu toàn bộ công ma sát trên bề mặt tiếp xúc chuyển thành nhiệt ma sát

thì ta có thể viết ,

trong đó là tốc độ quay chốt hàn. Nhiệt độ tại vùng hàn sẽ tỉ lệ nghịch với tốc độ hàn, nếu tốc độ hàn di chuyển càng nhanh thì nhiệt tập trung càng thấp và ngược lại. Từ cơ sở lý thuyết này chúng ta có thể lý giải cho việc tăng nhiệt độ hàn khi tăng tỉ lệ /ν.

Ngoài ưu điểm tăng độ bền mối nối bằng cách giảm tỉ lệ /ν thì việc giảm tỉ lệ /ν còn có ý nghĩa giảm năng lượng hàn trên một đơn vị chiều dài đường hàn. Đây là một trong những điểm ưu việt của hàn ma sát cho hợp kim 6061. Trên cơ sở dữ liệu trong hình 5 cho phép ta chọn chế độ hàn hợp lý để đạt độ bền mối hàn cao nhất. Cũng cần chú ý rằng, khi giảm giá trị tỉ lệ /ν xuống quá thấp sẽ làm

Hình 5. Quan hệ giữa độ bền kéo với tỉ lệ giữa tốc độ quay chốt hàn và tốc độ hàn (ω/ν)

Đường nét đứt là giá trị của vật liệu nền

Hình 1. Thiết bị chế tạo mối hàn ma sát Hình 2. Hình dạng hình học chốt hàn

Hình 3. Mối hàn ma sát được chế tạo Hình 4. Mẫu đo độ bền kéo

Hình 6. Quan hệ giữa độ giãn dài với tỉ lệ giữa tốc độ quay chốt hàn và tốc độ hàn (ω/ν)

Đường nét đứt là giá trị của vật liệu nền

mối hàn bị khuyết tật do thiếu khả năng khuếch tán bởi nhiệt độ hàn quá thấp.

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013

48 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊKết quả nghiên cứu cho thấy mối hàn ma sát

hợp kim AA6061 được chế tạo thành công ở các chế độ hàn khác nhau và độ bền kéo của nó bị ảnh hưởng khá đáng kể bởi cả tốc độ hàn và tốc độ quay chốt hàn. Độ bền kéo mối hàn thay đổi tuyến tính với tỉ lệ giữa tốc độ quay chốt hàn và tốc độ hàn ω/ν. Độ bền mối hàn tăng lên khi giảm tỉ lệ ω/ν, tuy nhiên việc giảm tỉ lệ ω/ν đến một giới hạn quá thấp làm giảm sự ổn định của máy hàn và mối hàn không thể hình thành. Nghiên cứu đã đạt được những kết quả rất khả quan khi tận dụng

máy phay hiện có để chế tạo mối hàn ma sát. Mặc dù đã chế tạo thành công mối hàn ma sát song kết quả từ nghiên cứu này chưa thể đề xuất thông số hàn tối ưu cho hợp kim nhôm 6061 do sự hạn chế của công suất và tính ổn định của thiết bị. Tác giả bài báo này kiến nghị tiếp tục phát triển nghiên cứu hàn ma sát cho hợp kim nhôm trên thiết bị hàn có công suất lớn hơn, phạm vi thay đổi tốc độ rộng hơn, máy cứng vững và ổn định hơn để có thể xác định chính xác mức độ ảnh hưởng của các thông số hàn đến chất lượng mối hàn cũng như xác định chế độ hàn tối ưu.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Frigaard Ø., Grong Ø., Midling O.T., 2001. A process model for friction stir welding of age hardening aluminum alloys. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 32(5): 1189-1200.

2. Fu Z.-H., He D.-Q., Wang. H., 2004. Friction stir welding of aluminum alloys. Journal Wuhan University of Technology, Materials Science Edition, 19(1): 61-64.

3. Midling O.T., Grong Ø., 1994. A process model for friction welding of AlMgSi alloys and AlSiC metal matrix composites-I. Haz temperature and strain rate distribution. Acta Metallurgica Et Materialia, 42(5): 1595-1609.

4. Midling O.T., Grong Ø., 1994. A process model for friction welding of AlMgSi alloys and AlSiC metal matrix composites-II. Haz microstructure and strength evolution. Acta Metallurgica Et Materialia, 42(5): 1611-1622.

5. Mishra R.S., Mahoney M.W., 2007. Friction Stir Welding and Processing. Ohio 44073-0002: ASM International® Materials Park.

6. Mishra R.S., Ma Z.Y., 2005. Friction stir welding and processing. Materials Science and Engineering R, 50: 1–78.7. http://www.shalumi.com.vn/index.php/dnews/238/Thanh-phan-hoa-hoc-cua-hop-kim-nhom.html.