Nghiên cứu công nghệ hàn liên kết nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG (tóm tắt)

B GIÁO DC VÀ ÀO TO
TRNG I HC BÁCH KHOA HÀ NI





V ÌNH TOI





NGHIÊN CU CÔNG NGH HÀN LIÊN KT
NHÔM – THÉP BNG QUÁ TRÌNH HÀN TIG



Chuyên ngành: K thut C khí
Mã s: 62520103





TÓM TT LUN ÁN TIN S K THUT C KHÍ

HÀ NI - 2014



Công trình đc hoàn thành ti:
Trng i hc Bách khoa Hà Ni



Ngi hng dn khoa hc:
1. PGS. TS. Hoàng Tùng
2. PGS. TS. Nguyn Thúc Hà



Phn bin 1: PGS. TS. inh Minh Dim
Phn bin 2: TS. Hoàng Vn Châu
Phn bin 3: PGS. TS. Lê Th Chiu





Lun án s đc bo v trc Hi đng chm lun án tin s

cp Trng hp ti Trng i hc Bách khoa Hà Ni


Vào hi …… gi, ngày … tháng … nm ………







Có th tìm hiu lun án ti th vin:
1. Th vin T Quang Bu - Trng HBK Hà Ni
2. Th vin Quc gia



~ 1 ~

A. GII THIU CHUNG V LUN ÁN
• Lý do chn đ tài:
Xu hng gim trng lng ca các thit b, phng tin giao thông vn ti bng
vic s dng vt liu nh đã tr nên rt cp bách nhm các mc đích: tng tc đ và
hiu qu vn hành, gim tiêu hao nhiên liu, gim ô nhim môi trng,…
Ngoài khai thác u đim v trng lng, ngi ta còn có th kt hp khai thác các
đc tính đc bit khác ca vt liu nh nh kh nng chu n mòn trong mt s môi
trng, tính dn nhit và dn đin tt,… đ ch to thit b trong các ngành nhit -
lnh, hóa cht, thc phm, dc phm,
Tuy nhiên, vic thay th kt cu hoàn toàn bng vt liu nh đôi khi li không đáp
ng đc các yêu cu s dng khác, do vy mà ngi ta ch tp trung vào thay th

vt liu nh cho nhng chi tit chu lc nh, còn các chi tit chu lc ln thì vn phi
s dng thép hoc hp kim có đ bn cao.
T đây, mt yêu cu mi đc đt ra là phi nghiên cu các gii pháp k thut đ có
th hàn các vt liu khác chng loi vi nhau. Do đó mà ý tng nghiên cu các gii
pháp k thut và công ngh thích hp đ hàn nhôm AA1100 vi thép CCT38  dng
liên kt ch T đc hình thành và trin khai trong đ tài “Nghiên cu công ngh hàn
liên kt nhôm – thép bng quá trình hàn TIG”. ây là mt đ tài mi và rt khó ca
ngành c khí ch to, do hàn hai vt liu rt khác bit v cu trúc, chng loi và tính
cht nên s đi mt vi rt nhiu th thách v k thut & công ngh, nhng nghiên
cu thành công s có rt nhiu ý ngha v mt khoa hc và thc tin.
• Mc đích ca lun án:
- Mc đích chính ca lun án là nghiên cu tìm ra các gii pháp k thut & công
ngh hàn thích hp đ có th hàn đc hai tm nhôm AA1100 và thép CCT38 
dng liên kt ch T, hàn kín c hai phía bng quá trình hàn TIG.
- Mc đích th hai là chng minh tính kh thi ca vic ng dng quá trình hàn TIG đ
hàn nhôm vi thép  dng tm dày, không dùng thuc hàn hay vt liu trung gian.
• i tng và phm vi nghiên cu ca lun án:
-
i tng nghiên cu: i tng nghiên cu là liên kt hàn dng ch T, đc làm
t 2 loi vt liu khác nhau hoàn toàn v cu trúc, chng loi và tính cht. Tm đng
(vách) đc làm t thép CCT38, còn tm phía di (biên) đc làm t nhôm
AA1100.  cho d hiu, t đây v sau ta gi liên kt hàn trên hình 0.3 là liên kt hàn
hybrid nhôm – thép dng ch T.

Hình 0.3 Liên kt hàn hybrid nhôm – thép dng ch T
- Phm vi nghiên cu: Do s đa dng ca vt liu và tính phc tp ca vn đ nghiên
cu, lun án này đc gii hn nghiên cu trên cp vt liu nhôm AA1100 vi thép

~ 2 ~

CCT38. Quy mô nghiên cu ca lun án đc xác đnh trong phm vi phòng thí
nghim.
• Phng pháp nghiên cu:
Tác gi la chn phng pháp nghiên cu phi hp gia: nghiên cu lý thuyt +
tính toán mô phng s + thc nghim. C th nh sau:
- Nghiên cu tài liu đ tìm hiu các công trình đã công b liên quan đn đ tài, t đó
xác đnh rõ nhng gì đã đc công b và tìm ra nhng ni dung mi mà lun án cn
phi gii quyt.
- Nghiên cu k v các ng x ca kim loi c bn trong quá trình hàn và công ngh
hàn các vt liu khác chng loi, qua đó đ ra các gii pháp k thut & công ngh
thích hp nhm thc hin hàn thành công liên kt đã ch đnh.
- S dng phng pháp mô phng s đ khoanh vùng và đnh lng trc các thông
s công ngh thích hp. Các kt qu mô phng sau đó làm c s cho vic thit lp
các thông s khi thc nghim.
- S dng các trang thit b có sn phù hp vi điu kin thc nghim đ tin hành thí
nghim nhm đt đc các kt qu k vng.
- S dng các thit b đo, phân tích và phn mm hin đi hin có  Vit Nam đ đo
đc và đánh giá kt qu bo đm đ tin cy.
• Ý ngha khoa hc và thc tin ca lun án:
a) Ý ngha khoa hc ca lun án:
- H thng hóa và b sung c s lý thuyt v công ngh hàn các vt liu khác chng
loi đ xác đnh và làm rõ v c ch, điu kin và kh nng hình thành liên kt hàn
gia các vt liu khác chng loi, làm c s khoa hc cho vic ch to liên kt hàn
hybrid nhôm – thép bng quá trình hàn TIG.
- Xác đnh đc nh hng ca góc nghiêng m hàn đn kh nng hình thành liên kt
hàn nhôm – thép đ làm c s cho quá trình thc nghim thành công mi ghép.
- Xây dng đc mi quan h gia các thông s công ngh chính vi các yu t quyt
đnh ti kh nng hình thành liên kt hàn nhôm - thép, t đó la chn đc vùng
thông s công ngh phù hp, đm bo to ra đc liên kt hàn gia nhôm AA1100
vi thép CCT38.

- Kt hp phng pháp nghiên cu mô phng s vi thc nghim nhm nâng cao
hiu qu nghiên cu và đc bit là tit kim các chi phí thc nghim.
b) Ý ngha thc tin ca lun án:
- Ln đu tiên nghiên cu ng dng thành công quá trình hàn TIG đ hàn nhôm
AA1100 vi thép CCT38  dng liên kt ch T tm dày, hàn kín c hai phía, không
s dng vt liu trung gian, góp phn t ch khoa hc công ngh mà không ph
thuc vào bí quyt ca nc ngoài.
- M ra mt hng mi trong đào to, nghiên cu công ngh hàn các vt liu khác
chng loi  Vit Nam, đ ch to các chi tit, các sn phm mà trong đó phi hp
s dng nhiu loi vt liu – lnh vc đang có nhu cu ng dng rt ln và đa dng
trong công nghip và đi sng.
- Kt qu nghiên cu ca lun án có th ng dng vào vic ch to các tàu, xung v
nhôm c nh và/hoc ch to thit b trao đi nhit. Cng có th ng dng trong mt
s ngành công nghip khác nh: ch to máy, ch bin du khí, hóa cht và dc

~ 3 ~

phm, công nghip sn xut đin, công nghip hàng không v tr và k thut quân
s.
• Các đóng góp mi ca lun án:
1) Xây dng đc chng trình tính toán thit k ti u liên kt hàn hybrid nhôm –
thép dng ch T (mt dng kt cu mi, phi tiêu chun).
2) Mô phng đc quá trình hàn TIG cho liên kt lai ghép gia 2 loi vt liu rt khác
bit v chng loi đ t đó đánh giá đc kh nng hình thành liên kt hàn và d
báo các khuyt tt.
3) Xây dng đc mi quan h gia nng lng đng vi các yu t quyt đnh đn
kh nng hình thành liên kt hàn nhôm - thép, t đó la chn đc di nng lng
đng phù hp đm bo to ra đc liên kt hàn gia nhôm AA1100 vi thép
CCT38 bng quá trình hàn TIG.
4) Tìm ra đc các gii pháp k thut và công ngh phù hp đ thc hin đc liên

kt hàn hybrid nhôm – thép dng ch T tm dày, hàn c 2 phía, không s dng
thuc hàn, không m hay s dng vt liu trung gian bng quá trình hàn TIG.
• Kt cu ca lun án:
Ngoài phn m đu và các mc theo quy đnh, ni dung ca lun án đc trình bày
trong 05 chng, c th nh sau:
Chng 1: Tng quan v hàn nhôm vi thép.
Chng 2: C s khoa hc hàn nhôm vi thép.
Chng 3: Mô phng s xác đnh ch đ công ngh hàn TIG liên kt hybrid nhôm -
thép dng ch T.
Chng 4: Nghiên cu thc nghim hàn TIG liên kt hybrid nhôm - thép ch T.
Chng 5: Kt qu nghiên cu và bàn lun.
Kt lun chung ca lun án và kin ngh v nhng nghiên cu tip theo.
Danh mc các tài liu tham kho.
Danh mc các công trình đã công b ca lun án.
B. NI DUNG CHÍNH CA LUN ÁN
1. TNG QUAN V HÀN NHÔM VI THÉP
1.1. Tình hình nghiên cu  trong nc:
Trong lnh vc ch to: Ti các Công ty đóng tàu thuc B Quc phòng, đ ch to
các liên kt nhôm – thép dng ch T, ngi ta phi nhp t nc ngoài các di vt
liu trung gian 3 lp: hp kim nhôm - nhôm - thép (Trimetal) sau đó tin hành hàn
nhôm vi nhôm và thép vi thép nh cách làm thông thng (hình 1.1 trong lun án).
Trong lnh vc nghiên cu: Cho đn nay,  Vit Nam cha có tác gi nào nghiên cu
công ngh hàn h quang (TIG) đ hàn nhôm vi thép.
1.2. Tình hình nghiên cu  nc ngoài:
 có bc tranh tng quát v kh nng hàn nhôm vi thép, tác gi đã tìm hiu tt c
các quá trình hàn có th thc hin đc vic hàn nhôm vi thép cùng vi nhng
nghiên cu tiêu biu; đã rút ra các đc đim ca chúng và tìm ra nhng vn đ còn
tn ti, hn ch cn nghiên cu, gii quyt tip.
• Hàn nhôm vi thép bng quá trình Hàn N:

~ 4 ~

Các kt qu nghiên cu trong các tài liu [2, 3, 4, 14, 15] ch ra rng quá trình hàn
n rt thích hp đ hàn nhôm vi thép, liên kt hàn nhn đc có đ bn chc cao.
Trong lun án đã trình bày đy đ các u, nhc đim ca hàn n nhôm – thép và
thy rng quá trình hàn này không thích hp đ ch to trc tip liên kt hàn nhôm –
thép dng ch T nh lun án đ cp.
• Hàn nhôm vi thép bng quá trình Hàn Ma sát:
ã có rt nhiu công trình nghiên cu hàn nhôm vi thép bng ma sát, trong đó ch
yu tp trung vào bin th hàn ma sát ngoáy, mà đin hình là các nghiên cu trong
các tài liu [4, 16, 17, 18, 19]. Các u, nhc đim c bn ca quá trình hàn ma sát
đã đc phân tích k trong bn lun án và thy rng quá trình hàn này không thích
hp cho ch to trc tip liên kt nhôm – thép dng ch T nh lun án đ cp.
• Hàn nhôm vi thép bng quá trình Hàn Xung t:
Nhóm tác gi trong các tài liu [20, 21, 22, 23, 24]đã nghiên cu hàn nhôm vi thép
bng quá trình hàn xung t. Bn lun án đã trình bày đy đ các u, nhc đim ca
hàn xung t khi hàn nhôm vi thép và thy rng quá trình hàn này không thích hp
cho ch to liên kt nhôm – thép dng ch T nh lun án đ cp.
• Hàn nhôm vi thép bng quá trình Hàn đin tip xúc đim đin tr:
Theo các tài liu [25, 26, 27], quá trình hàn đim đin tr cng có th đc điu
chnh đ hàn nhôm vi thép. Các u, nhc đim c bn ca quá trình hàn đim đin
tr đã đc phân tích k trong bn lun án và thy rng quá trình hàn này không thích
hp cho vic ch to liên kt nhôm – thép dng ch T nh lun án đ cp.
• Hàn nhôm vi thép bng quá trình Hàn Laser:
Các u, nhc đim ca hàn Laser khi hàn nhôm vi thép đã đc trình bày đy đ
trong lun án (theo các tài liu [4, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 57]) và thy rng quá trình
hàn này thích hp đ ch to liên kt nhôm – thép dng ch T nh lun án đ cp,
nhng do điu kin nghiên cu không có thit b nên quá trình hàn này cng không
đc la chn đ nghiên cu trong phm vi ca lun án này.
• Hàn nhôm vi thép bng quá trình Hàn H quang:

Trong lun án đã đi sâu phân tích và đánh giá các công trình nghiên cu tiêu biu v
hàn nhôm vi thép bng h quang đin, qua đó đã tìm ra nhng vn đ còn tn ti,
cn tp trung gii quyt.
Ngoài ra còn có 2 phng pháp khác có th to ra liên kt gia nhôm và thép 
trng thái rn đó là các quá trình hàn khuch tán (diffusion welding) và quá trình cán
dính vt liu (cladding). Tuy nhiên chúng ch to ra đc các liên kt giáp mi hoc
liên kt chng nên không thích hp vi đi tng nghiên cu ca lun án này.
1.3. Kt lun chng 1:
Nhu cu s dng các chi tit máy và các sn phm đa chng loi vt liu (multi-
materials) ngày càng nhiu và đa dng, do chúng có nhiu u đim ni bt, đáp ng
tt các yêu cu làm vic ti tng v trí c th trong chi tit. i vi các thit b nhit
– lnh, tàu thy cao tc, thit b đin, hóa cht,… thì nhu cu s dng các chi tit/b
phn ni ghép t các vt liu nhôm vi thép ngày càng gia tng và phong phú. Do
vy vic đu t nghiên cu công ngh hàn nhôm vi thép nh đ tài lun án đ cp là
rt cn thit và có ý ngha thc tin cao.

~ 5 ~

Qua phn nghiên cu tng quan chúng ta thy rng, cho đn ngày nay đã có mt s
quá trình hàn có th hàn nhôm vi thép cho cht lng tt, tuy nhiên ch yu đó là
các quá trình hàn đc bit (đt tin và phc tp). Mi quá trình hàn ch có hiu qu
và phù hp vi mt dng kt cu và di chiu dày vt liu nht đnh. Vi kt cu là
liên kt dng ch T, yêu cu hàn c hai phía và hàn kín nh đ tài lun án đ cp thì
ch có các quá trình hàn Laser và hàn h quang (TIG, MIG) là có th thc hin đc.
Tuy nhiên, do điu kin nghiên cu không có thit b hàn Laser, nên vic hng đn
nghiên cu s dng quá trình hàn h quang (c th là hàn TIG) đ hàn nhôm vi
thép, mc dù gp rt nhiu khó khn, nhng li là thc t nht trong điu kin Vit
Nam hin nay.
Qua phân tích, đánh giá các công trình nghiên cu trong chng tng quan, kt hp
vi phn gii thiu m đu có th khng đnh rng đ tài nghiên cu mà lun án đ

cp là rt mi. Cha có tác gi nào nghiên cu v liên kt hàn hybrid nhôm – thép
dng ch T  dng tm dày, hàn kín c hai phía bng quá trình hàn TIG nh bn
lun án này. Vic nghiên cu hàn trc tip nhôm vi thép không m, không dùng
thuc hàn và không s dng lp vt liu trung gian cng cha có tác gi nào tin
hành cho nên đây s là ni dung mi, cn phi đc tp trung nghiên cu, gii quyt.
2. C S KHOA HC HÀN NHÔM VI THÉP
2.1. Mc đích
Chng này tin hành tóm tt các lý thuyt mt cách cô đng nht v hàn nhôm vi
thép, t đó rút ra các c s khoa hc quan trng áp dng trong quá trình thc nghim
hàn liên kt hybrid nhôm – thép đt đc cht lng.
2.2. ng x ca kim loi c bn khi hàn TIG
2.2.1. ng x ca nhôm AA1100 khi hàn TIG
Nhìn chung, nhôm và hp kim nhôm là mt trong nhng vt liu khó hàn hn so vi
thép. Khi hàn nhôm, chúng ta s gp phi 6 vn đ c hu (nh đã trình bày k trong
lun án) và vn đ nt do không chn đúng vt liu hàn. Trong bn lun án này, tác
gi đã trình bày khá chi tit v tính hàn và công ngh hàn nhôm AA1100 bng quá
trình hàn TIG.
2.2.2. ng x ca thép CCT38 khi hàn TIG
Tính hàn và công ngh hàn TIG thép CCT38 đc trình bày k trong lun án, trong
đó khng đnh rng thép CCT38 có tính hàn rt tt đi vi các quá trình hàn h
quang. Tuy nhiên, điu đó ch đúng trong trng hp hàn các vt liu cùng chng
loi. Khi hàn thép vi nhôm thì li khác hn. Có rt nhiu vn đ phc tp phát sinh
và các vn đ này đc nghiên cu k trong mc 2.3 ca lun án.
2.3. Công ngh hàn các vt liu khác chng loi
2.3.1. c đim khi hàn các vt liu khác chng loi
Xét v tính hàn, hu ht các cp kim loi khác chng loi có s khác bit khá nhiu
v nhit đ nóng chy, khi lng riêng, lý - hóa tính, và đc bit là h s dãn n
nhit. Chúng cng có th còn khác nhau c v mt cu to mng tinh th và thông s
mng. Vi nhng kim loi có hot tính mnh nh titan, niobi, tantan, molybden, do
mc đ hòa tan ln nhau đ to thành dung dch rn ca các kim loi c bn không

cao, khi hàn còn có th hình thành các hp cht hóa hc gia các kim loi (t chc
liên kim – IMC) vi đc đim là rt giòn và cng [1, 13, 27, 28, 29, 30, 31, 56, 57].

~ 6 ~

Trong lun án đã nghiên cu đy đ các đc đim và các giai đon hình thành liên kt
khi hàn các vt liu khác chng loi.
2.3.2. Các quá trình khuch tán kim loi và tit pha mi khi hàn
Hai quá trình khuch tán kim loi và tit pha mi là hai quá trình rt quan trng khi
hàn, quyt đnh đn vic hình thành các t chc ca KLMH cng nh ca vùng
AHN, đc bit là khi hàn các vt liu khác chng loi. Hình 2.5 trong lun án mô t 5
c ch khuch tán trong kim loi  trng thái rn. Quá trình khuch tán là ngu nhiên,
tuy nhiên các nguyên t có “ái lc hóa hc“ vi nhau ln s có xu hng tích t li
gn nhau đ hình thành mt dng liên kt hóa hc bn vng và quá trình này gi là
quá trình kt ta hay tit pha (các hình 2.6 và 2.7 trong lun án). Chi tit ca các quá
trình này đc trình bày k trong lun án.
2.3.3. Bn cht và c ch hình thành liên kt hàn hybrid nhôm – thép
Ti vùng biên gii gia tm thép CCT38 và KLMH: Gi thuyt rng các nguyên t
Fe s khuch tán t tm thép CCT38 vào trong vng hàn (khi còn  trng thái lng)
và KLMH (khi đã kt tinh và nhit đ còn  mc cao), trong khi đó, các nguyên t Al
s khuch tán theo chiu ngc li t vng hàn và KLMH vào trong tm thép
CCT38.  phía vng hàn, do kim loi  trng thái lng nên kh nng khuch tán ca
các nguyên t Fe t tm thép CCT38 vào trong vng hàn s d dàng hn và chiu sâu
khuch tán ca các nguyên t Fe trong KLMH s ln. Trong khi tm thép CCT38
luôn  trng thái rn nên kh nng khuch tán ca các nguyên t Al t vng hàn và
KLMH vào trong tm thép CCT38 s khó khn hn rt nhiu so vi các nguyên t Fe
k trên, do vy mà chiu sâu khuch tán ca các nguyên t Al trong tm thép CCT38
s nh (hình 2.8).
Nu gi thuyt nêu trên là đúng thì khi hàn nhôm vi thép  trng thái nóng chy
nh đ tài lun án này, vùng khuch tán s lch v phía KLMH và t chc liên kim

(IMC) nhn đc s phát trin trong vùng KLMH, hng t tm thép CCT38 v phía
KLMH (Kt lun này cng đc chng minh trong các mc 5.6.2 và 5.9 ca lun án).

Hình 2.8 S đ khuch tán nguyên t và tit pha mi ti vùng biên gii thép CCT38 – KLMH
Các quá trình thm t ca KLMH lên b mt tm thép CCT38, khuch tán kim loi
và tit pha liên kim IMC nh th hin trên hình 2.8  trên đã din t đy đ bn cht
và c ch ca quá trình hình thành liên kt kim loi gia tm thép và KLMH.
Trong quá trình hàn nhôm vi thép, nu nh lng nguyên t Fe (t tm thép
CCT38) khuch tán vào Al (KLMH) ln hn gii hn hòa tan bão hòa (0,05%) k

~ 7 ~

trên thì s xy ra quá trình tích t Fe và kt ta to ra các pha mi (đin hình là các
hp cht liên kim Fe
x
Al
y
rt cng và giòn).
 nghiên cu k v kh nng hình thành các t chc kim loi và các pha liên kim
khi hàn nhôm vi thép, tác gi đã nghiên cu gin đ pha ca h hp kim Al-Fe nh
đã trình bày k trong lun án.
2.3.4. nh hng ca các yu t công ngh đn vic hình thành liên kt hàn hybrid
nhôm – thép
2.3.4.1. nh hng ca nhit đ và thi gian khuch tán kim loi:
Tùy thuc vào quá trình hàn c th, nhit đ và thi gian là hai thông s quan trng
nht quyt đnh đn kh nng khuch tán ca các nguyên t kim loi vào nhau và qua
đó hình thành kt ta ra các pha liên kim bt li làm cho liên kt hàn b giòn. Vì vy,
nu các mi ni t các vt liu khác chng loi yêu cu có đc đ bn và đ dai va
đp cao thì vic hình thành các pha liên kim phi đc khng ch  mt kích thc
ti thiu hoc tt nht là không đ hình thành các pha liên kim bt li đó, bng cách

gim nhit đ và thi gian khuch tán kim loi thông qua vic gim nng lng
đng và kích thc vng nóng chy. Nhit đ và thi gian khuch tán kim loi thích
hp khi hàn liên kt hybrid nhôm – thép bng quá trình hàn TIG đi vi liên kt dng
ch T đc đ cp nghiên cu trong lun án này đc xác đnh thông qua quá trình
tính toán mô phng  chng 3.
2.3.4.2. nh hng ca đ sch b mt chi tit hàn:
Khi hàn thép vi nhôm  trng thái nóng chy thì đ sch b mt ca tm thép
CCT38 có ý ngha rt quan trng. Trong trng hp này, vic tránh s oxi hóa b mt
có tác dng làm gim mc nng lng hot hóa, ci thin tính thm t và to đ n
đnh cho vic tip xúc gia hai kim loi lng và rn [1]. Không ch yêu cu cao v đ
sch b mt, đ tránh hin tng quá nhit hoc nóng chy cc b trên b mt ca
tm thép nhm làm gim kh nng khuch tán ca các nguyên t Fe vào trong KLMH
thì đ nhp nhô t vi ca b mt tm thép cng yêu cu phi nh (càng nh càng tt).
2.3.4.3. nh hng ca các nguyên t hp kim trong mi hàn:
Tác gi Simaizumi trong tài liu [36] và tác gi B. P.  trong tài liu [60] đã
đa ra đc đ th nh hng ca các nguyên t hp kim cng nh hàm lng ca
chúng đn chiu dày ca lp IMC và đ bn kéo ca liên kt hàn nh mô t trên hình
2.13 trong lun án. Khi s dng dây hàn h Al-Si s cho chiu dày ca lp IMC nh
hn so vi h Al-Cu và h Al-Zn, qua đó cho đ bn ca mi ghép cao hn. Trong
đó, dây hàn có hàm lng 5%Si là ti u nht vì cho chiu dày lp IMC nh nht khi
s dng cùng mt nng lng đng nh nhau.
Trong trng hp chn vt liu hàn thuc h Al-Si có cha 5%Si, trong mi hàn và
vùng biên gii nhôm – thép s có s tng tác gia Al vi Si và Fe vi Si, vì vy cn
phi nghiên cu gin đ trng thái ca các h hp kim Al-Si, Fe-Si và Al-Fe-Si. Chi
tit ca các nghiên cu này đã đc trình bày k trong lun án.
2.3.5. Chn vt liu đ hàn liên kt hybrid nhôm – thép bng quá trình hàn TIG
Vt liu hàn đ hàn nhôm vi thép trong trng hp này phi đm bo đng thi 2
nhim v đó là: to ra liên kt tt vi tm nhôm AA1100 đng thi cng phi to ra
đc liên kt tt vi tm thép CCT38. Theo các tài liu [1, 46], các dây hàn TIG phù
hp đ hàn nhôm AA1100 là ER1100 hoc ER4043 đng thi k tha các thành qu

~ 8 ~

nghiên cu trong các tài liu [36, 60], tác gi quyt đnh chn dây hàn TIG đ thc
hin trong lun án này là loi ER4043 vi 5%Si.
2.4. Kt lun chng 2
 chng này, tác gi đã đi sâu vào tìm hiu đy đ các đc đim, tính cht và tính
hàn ca các loi vt liu c bn; nghiên cu đy đ các đc đim ca hàn các vt
liu khác chng loi nói chung và gia nhôm AA1100 vi thép CCT38 nói riêng; đã
đa ra 1 gi thuyt khoa hc nhm phân tích và lý gii đc bn cht và c ch hình
thành liên kt hàn hybrid nhôm – thép cng nh nh hng ca các yu t công ngh
đn vic hình thành liên kt hàn hybrid nhôm – thép, thông qua đó đã đ ra đc các
bin pháp k thut thích hp s dng trong quá trình hàn th nghim  chng 4.
T nhng nghiên cu  trên, có th thy rn đ hàn thành công nhôm vi thép nh
đ tài lun án đ cp, cn phi hp và thc hin trit đ 3 nhóm gii pháp k thut
sau đây:
Gii pháp v vt liu: Chn vt liu hàn có thành phn hp kim cao, vt ra ngoài
vùng nhy cm vi nt (chn dây hàn ER4043 thuc h hp kim Al-Si có cha 5%Si).
Gii pháp v kt cu: Vát mép tm thép  góc đ phù hp đ to kh nng chy
loang tt ca KLMH lên trên b mt ca tm thép. To đ nhn và sch trit đ b
mt tm thép, trong quá trình hàn cn tránh hin tng ôxi hoá đ nhm mc đích
gim mc nng lng hot hóa, ci thin tính thm t và to đ n đnh cho quá
trình tip xúc gia hai kim loi lng và rn. Kp cht chi tit hàn bng đ gá và bo
đm đúng kích thc khe h hàn.
Gii pháp v công ngh: S dng quá trình hàn ít hydro (TIG). S dng hiu ng bn
phá catot bng dòng hàn AC hoc DC+. Làm sch du m bo qun trên phôi, đc
bit là làm sch trit đ mép hàn khi các lp g, bi bn,… bng phng pháp c
hc (bàn chi có si thép không g, giy ráp). S dng nng lng đng thp,
khng ch vng hàn nh và hàn  tc đ cao.
Ba nhóm gii pháp này s là c s khoa hc quan trng áp dng trong quá trình

nghiên cu thc nghim  chng 4 nhm to ra đc liên kt hàn hybrid nhôm –
thép nh đi tng nghiên cu đã nêu trong phn m đu.
3. MÔ PHNG S XÁC NH CH  CÔNG NGH HÀN TIG LIÊN KT
HYBRID NHÔM - THÉP DNG CH T
3.1. Mc đích
Các kt qu nghiên cu trong chng 2 đã ch ra rng nhit đ và thi gian khuch
tán kim loi là hai thông s ct lõi quyt đnh đn quá trình hình thành liên kt hàn
hybrid nhôm – thép, do vy chng này s tin hành tính toán, mô phng quá trình
hàn TIG liên kt hàn hybrid nhôm – thép đã nêu đ đa ra các d báo trc v trng
nhit, chu trình nhit và thi gian khuch tán kim loi,… đng thi kt hp vi các
kt qu nghiên cu  chng 2 s tìm ra đc di ch đ công ngh hàn phù hp cho
quá trình thc nghim  chng 4.
3.2. C s lý thuyt và phng pháp nghiên cu
Trong phn này, tác gi đã tng hp đy đ các c s lý thuyt ca phng pháp
PTHH, đã khai trin các phng trình vi tích phân thành dng tích phân s đ ng
dng trong mô phng s quá trình hàn và tính toán thit k ti u liên kt hàn (chi tit
xem trong bn lun án).

~ 9 ~

3.3. Xác đnh kích thc ca liên kt hàn hybrid nhôm – thép dng ch T bng
phng pháp s
3.3.1. Thit k liên kt hàn hybrid nhôm – thép bng k thut tính toán ti u
Thut toán và chng trình máy tính thit k ti u kt cu hàn cng nh mô hình
ca liên kt hàn hybrid nhôm - thép dng ch T đc trình bày chi tit trong lun án.
3.3.2. Xác đnh kích thc ca liên kt hàn hybrid nhôm – thép ch T
T mt phng án thit k s b thiu bn, trong khi li s dng nhiu vt liu trên
hình 3.4, chng trình tính toán thit k ti u do tác gi xây dng s t đng tính
toán đa ra các phng án thit k khác nhau nh mô t trên hình 3.6. Trong đó t
đng đa ra phng án thit k va đ đ bn và tn ít vt liu nht - phng án ti

u (hình 3.9). Trong trng hp này đã tit kim đc 39,49% th tích vt liu mà đ
bn và đ võng vn bo đm nh hn giá tr cho phép (xem hình 3.6).

Hình 3.4 ng sut tng đng
σ
e
trong liên kt hàn hybrid nhôm – thép ch T  phng án s b

Hình 3.6 Các phng án thit k và xác đnh phng án ti u

~ 10 ~


Hình 3.9 Kim tra điu kin bn ca phng án la chn cui cùng
3.4. Xác đnh ch đ công ngh hàn TIG liên kt hybrid nhôm – thép dng ch T
bng mô phng s
3.4.1. Mô hình hóa quá trình hàn TIG liên kt hybrid nhôm – thép dng ch T
Ln đu tiên  Vit Nam đã s dng phn mm Sysweld bn quyn vào vic mô
hình hóa quá trình hàn TIG cho liên kt lai ghép gia hai vt liu rt khác bit v
chng loi là nhôm và thép. Vic xây dng mô hình mô phng trên phn mm
Sysweld vi đy đ các điu kin biên, điu kin đu và điu kin ti nhit đc mô
t chi tit trong lun án.
3.4.2. Kt qu tính toán trng nhit đ trong liên kt hàn hybrid nhôm – thép ch T
3.4.2.1. nh hng ca góc nghiêng m hàn đn phân b nhit đ trong tit din
ngang ca liên kt hàn:
Kt qu tính toán vi ngun nhit hiu dng P = 2100 W, vn tc hàn V
h
= 3 mm/s
cho các trng hp góc nghiêng m hàn A
y

khác nhau đc th hin trên hình 3.24.
Kt qu mô phng cho bit rng: góc nghiêng m hàn A
y
càng ln thì nhit có xu
hng truyn vào tm vách (thép CCT38) nhiu hn, nh vy tm thép s có nguy c
b quá nhit và kh nng khuch tán ca các nguyên t Fe vào trong KLMH cng s
ln hn. iu này là không có li vì s hình thành lp IMC vi chiu dày ln, làm
cho mi hàn b nt.
Vì vy, mun lp IMC mng hoc thm chí không kp xut hin thì chúng ta nên s
dng góc nghiêng m hàn nh (hình 3.24c). Theo xu hng này thì góc nghiêng m
hàn bng 0
o
là tt nht, tuy nhiên li b vng bi kích thc chp khí ca m hàn
TIG, vì vy trong thc t thc nghim ta s s dng góc nghiêng m hàn nh nht có
th đi vi đng kính c th ca tng chp khí. Vi trng hp s dng chp khí có
đng kính 10 mm nh đã trình bày  chng 2 thì góc nghiêng m hàn thích hp
nht là 20
o
. T đây v sau ta s ch tính toán và thc nghim vi góc nghiêng m hàn
A
y
= 20
o
cho tt c các trng hp.

~ 11 ~



a) A

y
=70
o

b) A
y
=45
o


Hình 3.24 nh hng ca góc nghiêng m
hàn đn phân b nhit đ trên tit din
ngang ca liên kt hàn khi hàn  cùng ch
đ P=2100W, V
h
=3mm/s

c) Ay=20
o


3.4.2.2. Trng nhit đ phân b trong liên kt hàn hybrid nhôm – thép ch T:
Áp dng góc nghiêng m hàn 20
o
nh đã nêu, tin hành tính toán mô phng cho
trng hp ngun nhit hiu dng P = 2400 W, vn tc hàn V
h
= 3,5 mm/s (nng
lng đng q = 686 J/mm) ta đc trng nhit đ phân b tc thi khi ngun nhit
hàn di chuyn đu đn gia mô hình ( thang đo hp) nh mô t trên hình 3.25.

Hình 3.25 Trng nhit đ phân b tc thi trong liên kt hàn hybrid nhôm – thép ch T khi
ngun nhit di chuyn đn gia mô hình (P=2400W, V
h
=3,5mm/s)
Kt qu cho thy rng các đng đng nhit tha trên tm nhôm và rt mau trên tm
thép. Vùng nh hng nhit trong tm nhôm cng s ln hn trong tm thép.

~ 12 ~

3.4.2.3. Chu trình nhit và thi gian khuch tán kim loi ti mt s v trí kho sát
quan trng:
 th chu trình nhit hàn ti các nút kho sát ng vi ch đ hàn P = 2400W, V
h
=
3,5 mm/s (q = 686 J/mm) đc th hin trên hình 3.30. Trong trng hp này, thi
gian khuch tán ti đa khong 7,5 giây đt đc cng ti nút 2026. Nhit đ ti các
nút 2527 và 1594 không vt quá đim nóng chy ca nhôm nên mi hàn không b
st chân. Nút 2620 va đt ti nhit đ nóng chy ca nhôm nên bo đm kh nng
ngu mt mi hàn. Ti v trí chân mi hàn nhit đ cng không quá ln nên kh nng
st chân không xy ra. Toàn b b mt tm thép bo đm không b nóng chy (nhit
đ ti đa đt khong 970
o
C). Nh vy ch đ hàn này đáp ng đc các yêu cu.

Hình 3.30 Chu trình nhit hàn ti các nút trên hình 3.28 trong ch đ hàn P=2400W, V
h
=3,5mm/s
3.4.3. Kt qu tính toán nh hng ca nng lng đng đn kh nng hình thành liên
kt hàn

3.4.3.1. nh hng ca nng lng đng đn nhit đ cc đi trong tit din ngang
liên kt hàn hybrid nhôm – thép:
Kt qu tính toán mô phng cho 13 trng hp nng lng đng khác nhau khi
hàn liên kt hybrid nhôm – thép dng ch T nghiên cu trong lun án đc th hin
trên hình 3.32 cho thy rng: khi hàn vi nng lng đng nm trong di 680 – 720
J/mm thì nhn đc liên kt hàn không b st, ngu c chân ln mt mi hàn và nhit
đ trên b mt ca tm thép ln nht cng ch là 820
o
, thp hn nhit đ nóng chy
ca thép CCT38 rt nhiu.
Ngha là vùng nng lng đng phù hp đ hàn liên kt hybrid nhôm – thép dng
ch T chiu dày 5 mm là 680 – 720 J/mm. Vùng nng lng đng này có th coi là
di nng lng đng ti u đi vi liên kt hàn hybrid nhôm – thép dng ch T dày
5 mm và s đc s dng trong quá trình thc nghim  chng 4.

~ 13 ~


Hình 3.32 nh hng ca nng lng đng đn nhit đ cc đi ti các nút kho sát trên tit din
ngang ca liên kt hàn hybrid nhôm – thép dng ch T dày 5 mm
3.4.3.2. nh hng ca nng lng đng đn thi gian khuch tán hiu qu:
Kt qu tính toán thi gian khuch tán hiu qu (ti các nút trên b mt tm thép khi
hàn liên kt hybrid nhôm – thép dng ch T vi vt liu và chiu dày đã đ cp) ng
vi 13 trng hp nng lng đng khác nhau đc trình bày trong hình 3.33.

Hình 3.33 nh hng ca nng lng đng đn thi gian khuch tán ti các nút trên b mt tm
thép CCT38 trong tit din ngang ca mi hàn hybrid nhôm – thép ch T dày 5 mm
Kt qu tính toán cho thy: khi hàn vi nng lng đng nm trong di nng lng
đng ti u (680 – 720 J/mm) thì thi gian khuch tán hiu qu ti các nút trên b
mt ca tm thép dao đng trong phm vi t 5,2 đn 6,7 giây – ngha là vn ln hn

giai đon tr (4 giây ca cp nhôm – thép [1]) do vy kh nng hình thành lp hp
cht IMC là không tránh khi.

~ 14 ~

3.4.3.3. nh hng ca nng lng đng đn thi gian đông đc ca mi hàn:
Thông qua kt qu tính toán mô phng chu trình nhit ti nút 2124 nm trong tit
din ngang ca liên kt hàn, ti đim gia ca mi hàn (ni s đông đc sau cùng),
chúng ta có th xác đnh đc thi gian đông đc ca mi hàn. Kt qu tính thi gian
đông đc ca mi hàn ng vi 13 trng hp s dng nng lng đng khác nhau
đc th hin trong hình 3.34 trong lun án.
3.4.4. Phân b ng sut & bin dng trong liên kt hàn hybrid nhôm – thép dng ch T
Phn mm Sysweld không ch tính toán đc trng nhit đ và chu trình nhit ti
các nút trên mô hình nghiên cu, mà còn tính toán đc c trng phân b ng sut
(do tác đng đng thi ca nhit và thay đi th tích khi chuyn bin pha trong kim
loi) cng nh bin dng & quá trình bin đi t chc kim loi trong mô hình nghiên
cu. Chi tit v phân b ng sut và bin dng hàn đc trình bày trong lun án.
3.5. Kt lun chng 3
 chng này, tác gi đã ng dng thành công các lý thuyt v mô phng kt hp
vi tính toán ti u thit k kt cu hàn; s dng thành tho các phn mm tính toán
mô phng chuyên nghip là ANSYS và Sysweld áp dng đ gii quyt các bài toán c
th và đc trng do yêu cu ca lun án đ ra. Tác gi đã xây dng đc chng
trình thit k ti u liên kt hàn có th s dng đ tính toán cho các dng liên kt bt
k và có th m rng đ tính toán cho các kt cu ln và phc tp vi nhiu loi vt
liu s dng. T mt la chn s b bt k, chng trình máy tính do tác gi xây
dng s t đng tìm ra đc kích thc hp lý nht (có th tích bé nht) ng vi
dng cu trúc và điu kin chu ti c th ca kt cu, trong khi đm bo đc kh
nng làm vic.
Thành tu c bn và ni bt ca chng này là ln đu tiên đã ng dng phn mm
Sysweld đ tính toán mô phng bài toán phi truyn thng – đó là quá trình hàn TIG

liên kt lai ghép gia hai loi vt liu rt khác bit v chng loi là nhôm AA1100 và
thép CCT38  dng ch T. Tác gi đã tìm ra đc góc nghiêng thích hp (20
o
) ca
m hàn đm bo cho tm thép không b quá nhit khi hàn hybrid nh đã đ cp.
ã xác đnh đc chu trình nhit và thi gian khuch tán kim loi trên b mt tm
thép khi hàn liên kt hybrid nhôm – thép vi các ch đ công ngh hàn khác nhau.
c bit là đã đ ra đc gii pháp khoanh vùng và xác đnh ch đ công ngh hàn
mt cách ít tn kém nht thông qua phng pháp tính toán mô phng s; trong đó,
ln đu tiên đã xác đnh đc di nng lng đng ti u (680 – 720 J/mm) khi hàn
liên kt hybrid gia nhôm AA1100 vi thép CCT38  dng liên kt ch T dày 5 mm.
D liu này s làm c s đ cài đt các thông s thí nghim trong quá trình thc
nghim  chng 4.
4. NGHIÊN CU THC NGHIM HÀN TIG LIÊN KT HYBRID NHÔM –
THÉP DNG CH T
4.1. Mc đích
Mc đích ca nghiên cu thc nghim là nhm to ra liên kt hàn hybrid nhôm –
thép dng ch T thc t, trên c s ca nhng nghiên cu lý thuyt  chng 2 và
các tính toán mô phng  chng 3.
4.2. Trang thit b thí nghim

~ 15 ~

Phn này đã đa ra các yêu cu cn thit v thit b nhm bo đm thc hin tt liên
kt hàn nhôm – thép. Chi tit v thit b hàn, đ gá hàn và các trang thit b ph tr s
dng trong quá trình thí nghim đc mô t đy đ trong lun án.
4.3. Mu thí nghim
Phn này đã đa ra các yêu cu cn thit đi vi phôi và cách chun b phôi thí
nghim (hình 4.3), trong đó kích thc ca các tm phôi thí nghim phi bo đm
đúng vi kích thc ca mô hình đã mô phng  chng 3 (250 x 180 x 5 mm). Chi

tit v phôi hàn đc mô t đy đ trong lun án.

Hình 4.3 Các mu phôi thí nghim
4.4. Xây dng thí nghim
Áp dng các c s khoa hc đã phân tích  chng 2 cùng vi các kt lun rút ra
đc t các kt qu tính toán mô phng  chng 3, tác gi đã đa ra s đ thí
nghim cng nh các ch đ công ngh thí nghim và quy trình thí nghim phù hp.
Chi tit đc trình bày trong luân án.
4.5. Các trang thit b kim tra cht lng hàn
 đánh giá kt qu thí nghim thu đc, tác gi đã phân tích và la chn đy đ
các trang thit b đ kim tra cht lng liên kt hàn hybrid nhôm – thép ch T (kim
tra bn, đ cng, cu trúc thô đi, cu trúc t vi và siêu t vi, ). Chi tit v các trang
thit b kim tra cht lng hàn đc nêu trong bng 4.4 ca lun án.
4.6. Kt lun chng 4
Trong chng này, tác gi đã đi sâu phân tích đ đa ra đc các yêu cu cn thit
ca thit b hàn và đã la chn đc thit b hàn c th, phù hp vi đ tài nghiên
cu.  đm bo tc đ hàn đu và chính xác, tác gi đã la chn và s dng xe hàn
t hành phi hp vi đ gá hàn phù hp vi dng liên kt hàn nghiên cu. ng thi
đã đa ra đc các yêu cu v mt công ngh và k thut vn hành h thng xe hàn
và đ gá.
Tác gi cng đã phân tích và la chn đy đ các trang thit b ph tr cng nh
các thit b phc v quá trình kim tra cht lng liên kt hàn hybrid nhôm – thép
dng ch T. ã đa ra đc s đ b trí thí nghim cng nh các ch đ và xây
dng quy trình thí nghim rt c th. ã đ xut đc cách thc tin hành các loi
kim tra c tính ca liên kt hàn nghiên cu.
5. KT QU NGHIÊN CU VÀ BÀN LUN
5.1. nh hng ca nng lng đng đn cht lng liên kt
Thc hin hàn thí nghim theo các ch đ hàn đã nêu c th  bng 4.3 trong lun
án tng ng vi các giá tr nng lng đng khác nhau, ta thu đc các kt qu th
hin trong hình 5.1 di đây.

~ 16 ~



a) Ch đ hàn 1 (q=1197 J/mm)
b) Ch đ hàn 2 (q=739,2 J/mm)


c) Ch đ hàn 3 (q=719,95 J/mm)
d) Ch đ hàn 4 (q=700,4 J/mm)


e) Ch đ hàn 5 (q=680 J/mm)
f) Ch đ hàn 6 (q=658,44 J/mm)


g) Ch đ hàn 7 (q=600,95 J/mm)
h) Ch đ hàn 8 (q=480,76 J/mm)
Hình 5.1 nh hng ca nng lng đng đn cht lng liên kt
Kt qu thc nghim cho thy rng: trong 8 ch đ công ngh hàn thí nghim  trên,
ch có 2 ch đ hàn s 4 và 5 là đt đc yêu cu (đ ngu chân, không nt, không
st). Trong đó ch đ hàn s 5 là tt nht do có lp IMC nh nht và tn ti nhiu
vùng không có lp IMC. So sánh vi kt qu tính toán mô phng  mc 3.4.3, ta thy
rng kt qu mô phng phn ánh khá đúng vi thc nghim – ngha là kt qu mô
phng  mc 3.4.3 là chính xác nên rt có ý ngha v mt thc tin. Kt qu thc

~ 17 ~

nghim còn ch ra rng di nng lng đng ti u trong thc t còn kp hn so vi

kt qu tính toán bng mô phng (thu hp theo hng v phía cn di – vùng nng
lng đng thp).
5.2. Hin tng nt trong liên kt hàn nhôm - thép
Khi hàn vi nng lng đng ln nh ch đ hàn s 3 và đc bit là  ch đ hàn
s 2 thì lp IMC xut hin liên tc trên toàn b b mt tip giáp gia KLMH và tm
thép CCT38 vi chiu dày rt ln dn đn hin tng nt ngay ti gianh gii này
(hình 5.2).

Hình 5.2 Hin tng nt trên gianh gii KLMH và tm thép CT38 khi hàn  ch đ hàn s 2
5.3. Các dng khuyt tt khác có th xut hin trong liên kt hàn hybrid nhôm –
thép dng ch T
Trong quá trình thc nghim, tác gi đã tin hành hàn thí nghim vi nhiu trng
hp khác nhau và nhn đc các kt qu nh mô t trên hình 5.3 trong lun án.
5.4. Kt qu kim tra bn liên kt hàn hybrid nhôm – thép ch T
Tin hành th kéo và un liên kt hàn thí nghim theo s đ đã mô t trong mc
4.5.1, kt qu th kéo trên 5 mu cho thy rng đ bn trt trung bình đt đc
khong 80,2 MPa, ln hn đ bn trt ca nhôm AA1100  trng thái  là 62,1 MPa
[63]. Kt qu th un trên 5 mu cho thy rng đ bn un trung bình đt đc
khong 33,6 MPa, nh hn gii hn chy ca KLMH là 41 MPa [46].
5.5. Cu trúc thô đi ca liên kt hàn hybrid nhôm – thép ch T
Cu trúc thô đi ca liên kt hàn hybrid nhôm – thép dng ch T khi hàn vi nng
lng đng 680 J/mm đc th hin trên hình 5.6 di đây.


a) Vát góc, khe h hàn 1,5mm, q=680J/mm b) Vát cong, khe h hàn 2mm, q=700,4 và 680J/mm
Hình 5.6 Cu trúc thô đi ca liên kt hàn hybrid nhôm – thép dng ch T dày 5 mm

~ 18 ~

5.6. Cu trúc t vi ca liên kt hàn hybrid nhôm – thép ch T

Liên kt hàn hybrid nhôm – thép nh đã gii thiu là s lai ghép gia hàn nóng chy
bên phía tm nhôm AA1100 và hàn vy bên phía tm thép CCT38.
5.6.1. Cu trúc t vi ti vùng liên kt gia KLMH và tm nhôm AA1100
Trên hình 5.7 mô t cu trúc t vi ca vùng liên kt gia KLMH và tm nhôm
AA1100. Cu trúc ca mi hàn ti đây ging vi các mi hàn nóng chy thông
thng khi hàn nhôm AA1100 và hp kim nhôm silic. Liên kt hàn hình thành theo
c ch hòa tan – kt tinh t trng thái lng.

Hình 5.7 Cu trúc t vi ti vùng liên kt gia KLMH và tm nhôm AA1100 (x500)
5.6.2. Cu trúc t vi ti vùng liên kt gia KLMH và tm thép CCT38
Trên hình 5.8 mô t cu trúc t vi ca vùng liên kt gia KLMH và tm thép CCT38
khi hàn liên kt hybrid nhôm – thép ch T dày 5 mm bng quá trình hàn TIG vi
nng lng đng q = 680 J/mm. Các hình 5.8a và hình 5.8c là kt qu khi hàn phía
th nht, còn các hình 5.8b và hình 5.8d là kt qu sau khi hàn phía th hai.


a) Vùng liên kim đu (phía 1, x500)
b) Vùng liên kim phân tán (phía 2, x500)


c) Vùng không có liên kim (phía 1, x500)
d) Liên kt sau khi tm thc (phía 2, x1000)

~ 19 ~

Hình 5.8 Cu trúc t vi ti vùng liên kt gia KLMH và tm thép CCT38
Kt qu phân tích kim tng hc cho thy rng khi hàn vi nng lng đng bng
vi cn di ca di nng lng đng ti u (680 J/mm) thì s nhn đc lp IMC
có chiu dày nh (di 5 µm) và kim loi có cu trúc liên tc, không b nt - ngha là
đã to ra đc s liên kt kim loi gia KLMH vi tm thép CCT38 nh mc tiêu k

vng ca đ tài nghiên cu.
Mt khác kt qu trên các hình 5.8a, 5.8b và 5.8d cng thy rng lp IMC lch v
phía KLMH, phát trin trong vùng KLMH là chính và theo hng t phía tm thép
CCT38 v phía KLMH. Nh vy, gi thuyt mà tác gi đa ra trong mc 2.3.3 đã
đc chng minh là đúng.
5.7.  cng trong liên kt hàn hybrid nhôm – thép
Kt qu đo đ cng t vi ca liên kt ti vùng có lp IMC (hình 5.10) đc trình bày
 bng 5.4 trong lun án. Chúng ta thy rng lp IMC có đ cng rt ln (883 HV),
do vy mà liên kt nào có lp IMC chiu dày ln thì kh nng chu ti s kém, đc
bit là ti trng đng hay ti va đp.

Hình 5.10  cng t vi ti vùng liên kt có lp IMC (x500)
5.8. Nghiên cu cu trúc siêu t vi, thành phn hp kim ca lp IMC & vùng
liên kt gia KLMH vi tm thép CCT38 bng các k thut SEM và EDS
5.8.1. Cu trúc siêu t vi di kính hin vi đin t quét (SEM):
Tin hành mài và đánh bóng mu  mc đ siêu sch, phng và bóng, ri đem soi
di kính hin vi đin t dng quét (SEM) trên 4 vùng đc trng ca liên kt hàn đt
yêu cu, ta nhn đc các kt qu trên hình 5.11 trong lun án.
5.8.2. Phân tích thành phn nguyên t bng k thut EDS:
 xác đnh thành phn kim loi c th trong t chc IMC và trong vùng nghi là
ôxit st, tác gi s dng k thut vi phân tích bng ph tán sc nng lng tia X
(EDS). Kt qu phân tích thành phn hóa hc ca lp IMC đc th hin rõ  hình
5.12 t b) đn d) trong lun án.
Kt qu cho thy rng lp IMC có cha 3 nguyên t là Al, Fe và Si, ngha là lp
IMC này là hp cht hóa hc 3 nguyên Al
x
Fe
y
Si
z

ch không phi là hp cht 2
nguyên Fe
x
Al
y
. Ti v trí 1 có hàm lng Al=57,2%; Fe=41,1%; Si=1,7%. V trí kho
sát s 2 có hàm lng Al=48,7%; Fe=47,6%; Si=3,7%. V trí kho sát s 3 có hàm
lng Al=59,9%; Fe=33,4% và Si=6,7%. Ngha là càng sát vi tm thép thì hàm
lng Fe càng cao, trong khi chiu gim nng đ ca Al theo chiu ngc li.

~ 20 ~

5.9. Nghiên cu quá trình khuch tán kim loi trong liên kt hàn nhôm – thép
bng ph tán sc nng lng tia X
5.9.1. Khuch tán kim loi ti vùng không cha lp IMC:
EDS là k thut vi phân tích tiên tin, hin đi và có đ chính xác rt cao dùng đ
nghiên cu s phân b ca các nguyên t trong vùng b mt vt cht kho sát. Thit
b phân tích EDS có th hin th lên mt hình nh di dng Mapping mô t s phân
b (v trí và mt đ phân b) ca các nguyên t trong toàn b din tích kho sát, nh
đó giúp chúng ta có th đánh giá đc quá trình khuch tán ca các nguyên t trong
vùng din tích vt cht kho sát đó.


a) Ph phân b các nguyên t trong vùng liên kt
b) Cu trúc siêu t vi vùng liên kt không có IMC


c) Thành phn hp kim ti v trí 1
d) Thành phn hp kim ti v trí 2
Hình 5.16 Thành phn nguyên t ti các v trí kho sát trong vùng liên kt không có IMC

Kt qu phân tích EDS trong vùng liên kt gia KLMH và tm thép CCT38, ti ni
không xut hin pha liên kim IMC đc th hin bng hình nh Mapping nh mô t
trong hình 5.16a. Trong trng hp này, kt qu đa ra cho thy rng trong toàn b
vùng din tích kho sát ch có mt ca 4 nguyên t đó là Al, Fe, Si và C. iu này
cng phn ánh đúng vi thc t s dng vt liu (gm thép CCT38 và nhôm
AA1100).
Phân tích hình nh trên hình 5.16a cho chúng ta thy rng có s di chuyn (khuch
tán) ca các nguyên t Fe, Al, Si và C trong vùng kho sát này. Trong đó, các nguyên
t Fe (màu xanh lá cây) và các nguyên t C (màu xanh l) di chuyn t tm thép
CCT38 sang KLMH, còn các nguyên t Al (màu đ) cùng vi các nguyên t Si (màu
xanh nc bin) di chuyn t KLMH sang tm thép CCT38.
Quan sát ti biên gii gia KLMH và tm thép CCT38 trên hình 5.16a, chúng ta
thy rt rõ rng các nguyên t Fe tràn sang vùng KLMH nhiu hn so vi các nguyên

~ 21 ~

t Al di chuyn sang tm thép CCT38. iu này là minh chng rõ nét cho gi thuyt
v quá trình khuch tán ca các nguyên t Fe và Al nh đã nêu trong mc 2.3.3
 nhn bit rõ hn v s khuch tán ca tng nguyên t trong vùng din tích kho
sát, thit b phân tích ph EDS còn đa ra các hình nh ph phân b riêng bit ca
tng nguyên t có mt trong đó (bng cách n đi các nguyên t ca các nguyên t
khác di dng nn màu đen). Kt qu phân tích trong trng hp này đc th hin
trong hình 5.15 trong lun án.
Kt qu đa ra trên hình 5.15a cho thy rt rõ rng trong trng hp này các nguyên
t Al khuch tán t KLMH sang tm thép vi mt lng rt nh. iu này có th
đc lý gii vì môi trng khuch tán (tm thép CCT38)  trng thái rn nên điu
kin khuch tán khó khn hn, trong khi thi gian khuch tán hiu qu li nh
(khong 6 giây). Cng trong khong thi gian đó, kt qu trên hình 5.15b cho thy
rng các nguyên t Fe khuch tán t tm thép CCT38 vào trong KLMH nhiu hn so
vi các nguyên t Al khuch tán sang tm thép. iu này có th đc lý gii vì môi

trng khuch tán (KLMH)  trng thái lng nên điu kin khuch tán d dàng hn.
Ngha là gi thuyt trong mc 2.3.3 đã đc cng c.
Nh vy, điu kin và môi trng khuch tán kim loi khi hàn nhôm vi thép bng
quá trình hàn TIG nói riêng và bng h quang nói chung là rt bt li, bi l Al có
kh nng hòa tan vào Fe nhiu (khong 12%, hình 2.12) thì li khuch tán ít, còn Fe
có kh nng hòa tan vào Al rt ít (ti đa 0,05%, hình 2.10) thì li khuch tán nhiu.
Do đó mà kh nng hình thành các pha liên kim IMC là rt khó tránh khi. iu này
cng gii thích lý do hàn nhôm vi thép  trng thái rn (solid state) nh các quá
trình hàn n, hàn ma sát, hàn xung t hay hàn khuch tán s cho cht lng tt hn so
vi các quá trình hàn  trng thái nóng chy nh hàn Laser và hàn h quang.
Do hàm lng ca Si và C trong kim loi rt nh nên lng nguyên t khuch tán
ca Si và C trong các hình 5.15 c) và d) là không ln, nên phân b ca các nguyên t
Si và C gia các vùng KLMH và tm thép có chênh lch nhau không nhiu. Riêng
đi vi nguyên t Si, do  trong KLMH có tn ti các ht Si di dng tinh th cho
nên chúng ta nhìn thy các cm nguyên t Si ti mt s v trí trên hình 5.15c.
Các hình nh trên hình 5.14 và 5.15 trong lun án ch yu có tính cht đnh tính, cho
phép chúng ta có cái nhìn tng quát và s b v quá trình khuch tán. Mun bit đc
chính xác mc đ khuch tán kim loi, chúng ta cn phi đo đc v mt đnh lng.
Kt qu phân tích thành phn kim loi ti các v trí cn kho sát trên hình 5.16b đc
th hin trên hình 5.16c và 5.16d.  đây hai v trí kho sát đu nm cách biên gii
gia KLMH và tm thép mt khong cách bng nhau (4 µm).
Kt qu phân tích ti v trí kho sát s 1 thuc vùng KLMH cho thy hàm lng Fe
là 2,4%, còn ti v trí kho sát s 2 thuc tm thép CCT38 cho bit hàm lng Al ch
là 0,3%. Ngha là gi thuyt  mc 2.3.3 cng đc cng c thêm chng c.
5.9.2. Khuch tán kim loi ti vùng có lp IMC:
Kt qu phân tích EDS trong vùng liên kt gia tm thép CCT38 và KLMH ti ni
có pha liên kim IMC đc th hin trong hình 5.19 di đây. Trong đó, hình nh
Mapping  hình 5.19a cng cho thy rng trong toàn b vùng din tích kho sát ch
có mt ca 4 nguyên t Al, Fe, Si và C, điu này cng phn ánh đúng vi thc t s
dng vt liu (gm thép CCT38, nhôm AA1100 và dây hàn ER4043 có 5%Si).

~ 22 ~

Kt qu phân tích ti các vùng nm  phía trong ca tm thép CCT38 và phía trong
ca KLMH ging vi trng hp không có pha liên kim nh đã trình bày trong mc
5.9.1  trên. Tuy nhiên, ti vùng biên gii gia tm thép CCT38 và KLMH  trng
hp này (vùng t chc liên kim IMC) có nh ph rt khác bit so vi nh ph trên
biên gii ca hình 5.16a. Ti đây có s có mt ca nhiu loi nguyên t gm Al, Fe,
Si và có th còn có c nguyên t C.
Kt qu phân tích EDS dc theo đng ct ngang qua lp IMC trên hình 5.17d trong
lun án cho bit rõ quy lut phân b ca các nguyên t đi t tm thép qua lp IMC
đn vùng KLMH. Chúng ta thy rng trong tm thép CCT38, các nguyên t Fe phân
b đu. Nng đ ca Fe bt đu gim khi đi đn vùng IMC và gim đt ngt v 0 khi
tin vào vùng KLMH. iu này mô t đúng nng đ hòa tan rt thp ca Fe trong Al.
Còn đi vi Al, các nguyên t Al s phân b tng đi đu trong vùng KLMH và bt
đu gim đi ti vùng IMC. Vt qua vùng IMC, nng đ ca Al không gim đt ngt
v 0 mà gim t t. iu này có th hiu đc vì kh nng hòa tan ti đa ca Al trong
Fe là khong 12% [47].


a) Ph phân b các nguyên t trong vùng liên kt
b) Cu trúc siêu t vi vùng liên kt có lp IMC


c) Thành phn hp kim ti v trí 3
d) Thành phn hp kim ti v trí 4
Hình 5.19 Thành phn nguyên t ti các v trí kho sát trong vùng liên kt có lp IMC
Kt qu trên hình 5.17d cng cho bit rng, trong vùng IMC có mt c 3 nguyên t
Al, Fe và Si, ngha là lp IMC này là hp cht hóa hc 3 nguyên Al
x

Fe
y
Si
z
. c bit
là ti vùng IMC này, chúng ta thy hàm lng ca Si cao hn các vùng còn li (tr
nhng ni có ht tinh th Si riêng bit trong KLMH). iu này có th hiu rng các
nguyên t Si có xu hng tích t v ni có hp cht liên kim IMC đ to nên liên kim
3 nguyên h Al
x
Fe
y
Si
z
. Theo kt qu phân tích đ cng trong mc 5.7.2 thì liên kim
dng này có đ cng nh hn mt s liên kim h hai nguyên Fe
x
Al
y
và theo nghiên

~ 23 ~

cu lý thuyt  mc 2.3.4.3 thì nguyên t Si có tác dng làm gim chiu dày ca lp
IMC. Nh vy vic s dng dây hàn h Al-5%Si là rt phù hp đi vi liên kt hàn
hybrid gia nhôm và thép bng quá trình hàn h quang nói chung và hàn TIG nói
riêng. Kt qu nghiên cu này cng đã làm sáng t thêm cho các nghiên cu trong
các tài liu [36, 60].
Các hình nh ph phân b ca tng nguyên t riêng bit trong trng hp này đc
th hin trong hình 5.18 trong lun án. Cng ging nh ti vùng không có lp IMC,

khuch tán ca Al sang tm thép là không đáng k trong khi đó khuch tán ca Fe
sang KLMH là rt nhiu, dn đn vic hình thành lp hp cht liên kim cng và giòn.
Kt qu phân tích thành phn kim loi ti các v trí cn kho sát trên hình 5.19b
đc th hin trên hình 5.19c và 5.19d. Kt qu phân tích EDS ti v trí kho sát s 3
thuc vùng tm thép CCT38 cho thy hàm lng Al ch là 0,5%, còn ti v trí kho
sát s 4 thuc KLMH cho bit hàm lng Fe là 2,0%, kt qu này khá ging vi
trng hp không có lp IMC  trên.
5.10. Kt lun chng 5
Qua phân tích các kt qu nghiên cu thc nghim  chng này, chúng ta thy
rng vic hàn liên kt hybrid nhôm – thép bng quá trình hàn h quang nói chung và
hàn TIG nói riêng gp rt nhiu khó khn so vi trng hp hàn các cp kim loi
cùng chng loi thông thng do hình thành lp liên kim IMC cng và giòn. Quá
trình hàn ch thành công nu nh chúng ta s dng nng lng đng phù hp (nh
nht có th) kt hp vi vic vát mép hp lý, loi b các nhp nhô t vi và đ khe h
hàn đ ln, cùng vi vic la chn vt liu hàn thích hp cng nh phi áp dng các
k thut đc bit.
 chng này, tác gi đã đa ra đc tt c các kt qu đc trng ca quá trình
hàn TIG liên kt hybrid nhôm – thép ch T, hàn c 2 phía mà không dùng thuc hàn
hay vt liu trung gian. ã tin hành phân tích và đánh giá đy đ v các kt qu
nhn đc, thông qua đó đã đa ra đc các gii pháp k thut thích hp nhm hn
ch các khuyt tt gp phi và nâng cao cht lng ca liên kt hàn.
Tác gi cng đã áp dng các k thut tiên tin đ phân tích và đánh giá cht lng
hàn mt cách trit đ nht bo đm đ tin cy. ã chng minh đc gi thuyt đa
ra và lý gii đc đy đ v c ch, bn cht và điu kin hình thành liên kt kim loi
gia nhôm và thép khi hàn bng quá trình hàn h quang nói chung và quá trình hàn
TIG nói riêng. Qua đánh giá các kt qu nghiên cu, có th khng đnh rng ch đ
hàn s 5 vi nng lng đng q = 680 J/mm là thích hp nht đi vi bài toán đt
ra trong lun án này.
KT LUN CHUNG CA LUN ÁN & KIN NGH
Ln đu tiên đã thc hin đc liên kt hàn gia nhôm AA1100 vi thép CCT38

(hai vt liu rt khác bit v chng loi)  dng liên kt ch T tm dày, hàn c hai
phía, không m, không s dng thuc hàn hay vt liu trung gian bng quá trình hàn
TIG  phm vi phòng thí nghim. Lun án này đã đt đc mc tiêu và các kt qu
k vng đã đ ra. Các kt qu nghiên cu mi mà lun án đã đt đc bao gm:
1. ã nêu ra và chng minh đc gi thuyt v các hin tng khuch tán kim loi và
tit pha liên kim (IMC) ti vùng biên gii gia KLMH và tm thép khi hàn nhôm