Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ HÀN ĐẾN SỰ PHÂN BỐ
NHIỆT ĐỘ VÀ CẤU TRÚC MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY
TẤM HỢP KIM NHÔM AA7075-T6
STUDY OF EFFECT OF WELDING PARAMETERS ON TEMPERATURE
DISTRIBUTION AND MICROSTRUCTURE OF FRICTION STIR WELDING
AA7075-T6
Dương Đình Hảo1a, Trần Hưng Trà1b, Vũ Công Hòa2c, Phí Công Thuyên3
1
Bộ môn Cơ kỹ thuật, Trường Đại học Nha Trang
2
Bộ môn Cơ kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM
3
Trung tâm thí nghiệm thực hành, Trường Đại học Nha Trang
a
; ;
TÓM TẮT
Mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075-T6 được nghiên cứu chế tạo thử
nghiệm tại Trường Đại học Nha Trang. Ảnh hưởng của các thông số hàn đến sự phân bố nhiệt
độ, chất lượng bề mặt cũng như cấu trúc tế vi mối hàn được khảo sát qua nhiều chế độ hàn
khác nhau. Kết quả khảo sát thực nghiệm cho thấy nhiệt độ cao nhất nằm ở vùng khuấy (SZ)
trong tất cả các trường hợp và có xu hướng tăng khi tỷ số giữa tốc độ quay chốt hàn  và tốc
độ hàn v (/v) tăng. Mối hàn đạt chất lượng khi tỷ số /v nằm trong khoảng từ 4.0÷10.0
vòng/mm. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, khi tỷ số /v tăng thì kích thước hạt tại các vùng hàn
cũng tăng lên. Cấu trúc hạt thay đổi làm cơ tính thay đổi được thể hiện qua sự thay đổi độ
cứng (Hardness).
Từ khóa: hàn ma sát khuấy, cấu trúc tế vi mối hàn, thông số hàn, độ cứng, sự phân bố
nhiệt độ.
ABSTRACT
The Friction stir welding AA7075-T6 aluminum alloys were studied and produced at

tập trung khảo sát sự ảnh hưởng của thông số hàn đến nhiệt độ và cấu trúc mối hàn. Đây là
những nguyên nhân ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính mối hàn.

Hình 1. Quá trình hàn ma sát khuấy [3]. Hình 2. Đặc tính gia công nhiệt của hợp kim nhôm.
2. VẬT LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM
2.1 Vật liệu thí nghiệm
Vật liệu được sử dụng để thí nghiệm là tấm hợp kim nhôm AA7075-T6 với kích thước
150×300×5 mm (Hình 3) [5]. Thành phần hóa học và đặc tính cơ học của AA7075-T6 được
cho ở Bảng 1 và 2 [6].

Hình 3. Vật liệu nền hợp kim nhôm AA7075-T6.

Nguyên tố
Thành
phần (%)
Đặc
tính cơ
học
Giá trị

Bảng 1. Thành phần hóa học của hợp kim nhôm AA7075-T6.
Al
Zn
Mg
Cu
Si
Fe
Mn
Ti
87.1÷91.4 5.1÷6.1 2.11÷2.9 1.2÷2


87
253

159

71.7

0.33


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Mối hàn giáp mối của hai tấm hợp kim nhôm AA7075-T6 dày 5.0 mm được chế tạo từ
máy hàn ma sát khuấy. Trong đó sử dụng chốt hàn dạng hình côn có ren với đường kính 5.0
mm ở giữa chốt, chiều cao 4.8 mm và bước ren là 1.0 mm. Sau khi thiết kế và chế tạo, để chốt
hàn đạt được độ cứng như mong muốn, tiến hành tôi ở nhiệt độ 1030oC và ram ở 600oC. Độ
cứng của chốt hàn sau khi nhiệt luyện đạt được 47 HRC. Để giúp cho máy giảm được lực cản
và tránh được trường hợp bị gãy chốt hàn có thể xảy ra, bàn gá được đặt nghiêng một góc 2o
so với phương ngang. Hai tấm nhôm AA7075-T6 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 4a). Quá trình hàn
được biểu diễn ở Hình 4b [7].

Hạn chế
lực dọc

Đường hàn

Hạn chế
lực ngang


3.1 Sự phân bố nhiệt độ tại các vùng hàn
Sự phân bố nhiệt độ trong và xung quanh vùng hàn rất quan trọng trong việc giải thích
đặc tính cơ học của mối hàn. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tế vi mối hàn cũng như kích
thước hạt, biên giới hạt và cấu trúc mạng,… [11-14]. Sau khi tiến hành đo nhiệt độ và thu
thập số liệu ta có kết quả được thể hiện ở Hình 7. Có thể thấy, ở mọi chế độ, nhiệt độ lớn nhất
nằm tại tâm mối hàn (vùng khuấy – SZ) (Hình 7a) và nhiệt độ thấp nhất tại vùng ảnh hưởng
nhiệt (HAZ) (Hình 7b). Nhiệt độ cao nhất là ở chế độ hàn /v = 15.0 vòng/mm và thấp nhất là
/v = 3.0 vòng/mm.

Hình 7. Sự phân bố nhiệt độ tại vùng khuấy (a) và vùng ảnh hưởng nhiệt (b).
Sự phụ thuộc của nhiệt độ vào các
thông số hàn được thể hiện trong Hình 8.
Tỷ lệ giữa tốc độ quay tốc độ tịnh tiến
/v tăng sẽ làm tăng nhiệt độ tại các
vùng hàn. Điều này có liên quan đến ma
sát sinh ra giữa dụng cụ hàn và vật liệu.
Khi /v càng tăng thì nhiệt độ tại tâm
vùng hàn sẽ tiệm cận với nhiệt độ nóng
chảy của vật liệu nền. Đây là điều chúng
ta không mong muốn, vì khi đó mối hàn
sẽ trở nên quá nhiệt và rất giòn. Tuy
nhiên cũng không nên quá thấp vì lúc đó
vật liệu sẽ không đủ dẻo để khuấy nên rất
dễ bị khuyết tật đường hàn. Do đó, ta cần
lựa chọn tỷ lệ tham số / sao cho hợp
lý nhất.

Hình 8. Ảnh hưởng của tỷ số /v đến nhiệt
độ hàn.


(a)

Khuyết tật

/v = 3.0 vòng/mm

(b)
/v = 15.0 vòng/mm

(c)

Khuyết tật

Không khuyết
tật
Các chế độ còn lại

Hình 10. Hình dạng mặt cắt ngang của mối hàn.

256


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

a) Vùng I

b) Vùng II

c) Vùng III


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 14. Sự phân bố độ cứng của mối hàn ở các chế độ.
Sự phân bố độ cứng đo ở giữa mặt cắt ngang (vị trí 2) được thể hiện trong Hình 15 ứng
với các chế độ hàn khác nhau. Khi tỷ số /v tăng thì vùng HAZ mở rộng hơn, đặc biệt với chế
độ /v = 15.0 vòng/mm. Khi /v tăng, độ cứng của mối hàn cũng tăng theo, điều này có liên
quan đến nhiệt độ, sự sinh trưởng và phát triển hạt của vật liệu.

Hình 15. So sánh độ cứng mối hàn ở các chế độ khác nhau.
4. KẾT LUẬN
Mối hàn ma sát khuấy của hợp kim nhôm AA7075-T6 được chế tạo thành công và đã
xác định được chế độ hàn hợp lý trên tiêu chí cấu trúc không khuyết tật. Ảnh hưởng của tốc
độ quay  của chốt hàn và tốc độ hàn v đến sự phân bố nhiệt độ, cấu trúc tế vi và độ cứng của
mối hàn đã được khảo sát và phân tích cụ thể.
258


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
- Nhiệt độ cao nhất luôn nằm tại vùng khuấy SZ trong tất cả các trường hợp và có xu
hướng tăng khi tỷ số /v tăng.
- Mối hàn không bị khuyết tật khi tỷ số /v nằm trong khoảng 4.0÷10.0 vòng/mm.
- Tại vùng khuấy SZ, kích thước hạt luôn nhỏ nhất trong tất cả các chế độ và cũng có xu
hướng tăng khi tăng tỷ số /v tăng.
- Vùng HAZ có độ cứng nhỏ nhất và có xu hướng mở rộng khi tỷ số /v tăng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Rowe C. E. D. and Thomas W. M., Advances in tooling materials for friction stir welding
(Cedar Metals Ltd, TWI Cambridge). Materials Congress – Disruptive Technologies for
Light Metals, 2006, pp. 2.
[2] Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Công Hòa, Nghiên cứu khả năng ứng dụng máy
phay đứng UF222 trong việc chế tạo mối hàn ma sát khuấy. Tuyển tập công trình Hội