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

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

Nha Trang University. The effect of the welding parameters on temperature distributions,
quality of joint as well as microstructures of the friction stir welded joints were investigated in
various regimes. The experimental results shown that, in all case, the highest temperature is in
stirred zone (SZ) and increases when the ratio of rotational speed to weld speed ( /v) rises.
The joints are fabricated successfully when the ratio of rotational speed to weld speed is in
range from 4.0 to 10.0 rev/mm. The experiment also indicated that, the grain size rose when
the ratio (/v) is increased. The change of grain sizes effect on mechanical properties that are
presented by hardness distribution.
Keywords: friction stir welding, microstructures, welding parameter, hardness,
temperature distribution.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hàn ma sát khuấy FSW (Friction Stir Welding) được phát minh ra năm 1991 bởi TWI
(The Welding Institute) (Hình 1) [1]. Do vượt trội về độ bền, hiệu quả kinh tế và thân thiện
với môi trường (so với các phương pháp hàn truyền thống như TIG, MIG, TAW, v.v.) nên từ
khi ra đời cho đến nay công nghệ hàn ma sát khuấy đã không ngừng cuốn hút các nhà nghiên
cứu cùng với đó là số lượng các công trình tăng vọt theo từng năm. Công nghệ này đã và đang
được phát triển và ứng dụng rất mạnh trong các hợp kim được xem là khó hàn với các phương
pháp hàn chảy truyền thống. Đặc biệt đối với hợp kim nhôm, sự hiệu quả mà nó mang lại là
rất lớn [2].
252


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trong các ngành công nghiệp chế tạo, các hợp kim nhôm thuộc nhóm AA5xxx hoặc
AA6xxx thường được ứng dụng vì các hợp kim này có thể hàn được bằng phương pháp hàn
truyền thống như TIG hay MIG, tuy nhiên độ bền mối hàn không cao (Hình 2) [4]. Hiện nay,
việc ứng dụng hàn ma sát FSW còn cho phép hàn rất tốt các hợp kim nhôm có độ bền cao hơn
thuộc nhóm AA2xxx và AA7xxx. Đây là hai hợp kim rất khó hàn bằng phương pháp hàn
nóng chảy truyền thống. Việc nâng cao độ bền mối hàn phụ thuộc khá nhiều vào các thông số
hàn mà yếu tố cần được khảo sát đó là nhiệt độ và cấu trúc tế vi của mối hàn. Bài báo này sẽ

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

Cr

Max Max Max Max
0.18÷0.28
0.4
0.5
0.3 0.2

Bảng 2. Đặc tính cơ học của hợp kim nhôm AA7075-T6.
Giới hạn
Độ
Độ bền
Độ bền
Độ cứng
Modul đàn Hệ số
chảy
giãn
mỏi
kéo (MPa)
(HRB)
hồi (GPa) poisson
(MPa)
dài (%)
(MPa)
503

572

3÷11

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

(b)

(a)

Hình 4. Gá đặt phôi hàn (a) và thực hiện đường hàn (b).
Sự phân bố nhiệt độ mối hàn được khảo sát tại hai vị trí bằng bộ cảm ứng nhiệt hai đầu
ra. Vị trí 1 là tại tâm mối hàn (vùng khuấy-SZ) và vị trí 2 cách tâm 10 mm (vùng ảnh hưởng
nhiệt-HAZ) (Hình 5b).

Hình 5. Quá trình khảo sát nhiệt độ (a) và các vị trí khảo sát (b).
Sau khi thực hiện xong đường hàn, tiến hành chuẩn bị mẫu để quan sát cấu trúc tế vi của
mối hàn (Hình 6a-b). Bề mặt mẫu được tẩm thực bằng dung dịch 150 ml H2O, 3 ml HNO3, 6
ml HCL và 6 ml HF [8]. Cấu trúc tế vi được quan sát trên kính hiển vi kim tương Olympus –
CK40M với độ phóng đại 2400x (Hình 6c). Độ cứng mối hàn được đo trên máy Rockwell với
thang đo HRB sử dụng mũi bi cầu với tải 100 kg (Hình 6d) [9-10].

(a) Cắt mẫu

(b) Đánh bóng mẫu

(c) Quan sát cấu trúc tế vi

(d) Đo độ cứng Rockwell

Hình 6. Quá trình quan sát cấu trúc và đo độ cứng.
254


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

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.

3.2 Đánh giá chất lượng bề mặt mối hàn
Bề mặt mối hàn được trình bày ở Hình 9. Với chế độ hàn /v = 2.0 vòng/mm cho thấy
mối hàn không ngấu, điều này chỉ ra rằng ở chế độ này thì chất lượng chắc chắn sẽ không đạt.
Quan sát mối hàn qua lỗ thoát dụng cụ, có thể thấy rằng với chế độ /v = 4.0 vòng/mm thì độ
ngấu có trội hơn các chế độ còn lại trong khi chế độ /v = 10.0 vòng/mm có bề mặt xấu nhất.
Độ ngấu của mối hàn được khảo sát rõ hơn ở phần tiếp theo thông qua cấu trúc tế vi.

255


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

Hình 9. So sánh bề mặt mối hàn ở các chế độ khác nhau.
3.3 Cấu trúc tế vi của mối hàn
Sau khi đánh bóng mẫu, các khuyết tật của mối hàn được quan sát bằng mắt thường hay
sử dụng kính hiển vi để quan sát. Với chế độ hàn /v = 3.0 và 15.0 vòng/mm thì mối hàn có
khuyết tật rất rõ (Hình 10a-b). Kích thước khuyết tật khá lớn khoảng 500 µm. Các chế độ còn
lại đều không có khuyết tật (Hình 10c).
Quan sát mặt cắt ngang của mối hàn ở chế độ /v = 10.0 vòng/mm sau khi tẩm thực các
vùng hàn hiện lên rất rõ. Vùng (IV) phía ngoài cùng là vùng vật liệu nền (Base metal – BM),
đó là khu vực mà vật liệu đủ xa tính từ tâm mối hàn nên không bị ảnh hưởng bởi quá trình
này. Kích thước hạt vì thế khá to và không đều, khoảng 10÷35 µm. Vùng (I) là vùng bị ảnh
hưởng nhiệt (Heat Affected Zone - HAZ), nơi mà vật liệu đã trải qua một chu kỳ nhiệt mà
không bị biến dạng dẻo. Kích thước hạt khá lớn, gần tương đương với vật liệu nền khoảng từ
10÷40 µm. Vùng bị ảnh hưởng cơ nhiệt (II) (Thermo Mechanically Affected Zone - TMAZ),
nơi mà vật liệu đã bị biến dạng dẻo bởi sự ma sát do vai chốt hàn tạo nên. Vì thế kích thước
hạt nhỏ hơn vùng ảnh hưởng nhiệt trung bình khoảng 15÷20 µm. Cuối cùng là vùng khuấy
(III) (Stir Zone – SZ), vùng mà vật liệu bị biến dạng nặng nề nhất trong quá trình hàn. Đây
cũng là vùng chịu nhiệt lớn nhất, do đó kích thước hạt cũng nhỏ mịn nhất so với các vùng
khác khoảng từ 5÷8 µm (Hình 11).

(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

d) Vùng IV

Hình 11. Cấu trúc hạt tại các vùng hàn ở chế độ /v = 10.0 vòng/mm.
Hình 12 trình bày sự khác nhau về kích thước hạt tại vùng SZ của các chế độ hàn. Kết
quả quan sát cho thấy rằng, kích thước hạt tăng dần theo chiều tăng của tỷ số /v. Hay, khi
tốc độ quay  tăng (v = const) hoặc tốc độ v giảm ( = const) thì kích thước hạt sẽ tăng. Điều
này hoàn toàn có cơ sở khi nhiệt độ khảo sát cũng tăng theo /v. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ
làm nguội chậm, điều này tạo điều kiện cho việc phát triển mầm và làm cho hạt thô hơn [10].
Hình 13 cho thấy rõ hơn về kích thước hạt sự phụ thuộc vào tỷ số /v và nhiệt độ của mối
hàn. Điều này sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến cơ tính của mối hàn như độ bền kéo, độ cứng, độ
bền uốn, năng lượng va đập,…

a) /v = 4.0 vòng/mm

b) /v = 7.5 vòng/mm c) /v = 10.0 vòng/mm d) /v = 15.0 vòng/mm

Hình 12. So sánh kích thước hạt tại vùng SZ ở các chế độ hàn.

Hình 13. Sự phụ thuộc kích thước hạt vào tỷ số /v (a) và nhiệt độ (b).
3.4 Sự phân bố độ cứng của mối hàn
Kết quả khảo sát cho thấy rằng, vị trí có độ cứng nhỏ nhất ở các chế độ hàn chính là
vùng ảnh hưởng nhiệt. Tại vùng hàn, độ cứng cao hơn vùng ảnh hưởng nhiệt nhưng vẫn thấp
hơn vật liệu cơ bản (vị trí cách xa vùng hàn). Điều này có thể liên quan đến kích thước hạt ở
các vùng hàn. Tại vùng khuấy SZ, kích thước của hạt nhỏ nhất nên có độ bền cũng như độ
cứng cao hơn vùng HAZ [10]. Độ cứng tại vị trí 1 thường cao hơn tại vị trí 2 nhưng không
đáng kể (Hình 14).

257

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

nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, 2014, pp. 181-186.
[3] Thomas W. M., Norris I. M., Staines D. G. and Watts E. R., Friction Stir Welding:
Process Developments and Variant Techniques. Paper presented at SME Summit,
Oconomowoc Milwaukee USA, 2005, pp. 1.
[4] Friction Stir Welding - the ESAB Way.
[5] Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Công Hòa, Ảnh hưởng của thông số hàn đến độ
bền uốn của mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075-T6. Hội nghị Khoa học
toàn quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ XII, Đà Nẵng, 6-7, 2015.
[6] ASM Handbook, Volume 2: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and SpecialPurpose Materials. ASM International Handbook Committee, 1990, pp. 450-462.
[7] Duong Dinh Hao, Tran Hung Tra, Vu Cong Hoa, Study of effect of friction stir welding
parameters on impact energy of AA7075-T6. Journal of Science and Technology, 2015.
[8] Metals Handbook 8th Edition, Metallography, Structures and Phase Diagrams, Vol. 8.
American Society for Metals, 1973, pp. 124.
[9] Dương Đình Hảo, Trần Hưng Trà, Vũ Công Hòa, Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số
hàn đến độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075, Tạp chí Khoa học
Công nghệ Thủy sản, 2015.
[10] William D. C. and David G. R.. Materials Science and Engineering 8th, John Wiley &
Sons Inc, 2010, pp. 175.
[11] Field D. P., Nelson T. W., Hovanski Y., and Jata K. V., Heterogeneity of crystallographic
texture in friction stir welds of aluminum. Metallurgical and Materials Transactions A:
Physical Metallurgy and Materials Science, 2001, Vol. 32, pp. 2869-2877.
[12] Ponda R. W. and Bingert J. F., Precipitation and grain refinement in a 2195 Al friction
stir weld. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and
Materials Science, 2006, Vol. 37, pp. 3593-3604.
[13] Oosterkamp A., Oosterkamp L.D., and Nordeide A., Kissing bond' phenomena in solidstate welds of aluminum alloys. Welding Journal (Miami Fla), 2004, Vol. 83, pp.225.
[14] Sato Y. S., Kokawa H., Enomoto M., Jogan S., and Hashimoto T., Precipitation sequence
in friction stir weld of 6063 aluminum during aging. Metallurgical and materials
transactions, 1999, Vol. 30, pp. 3125-3130.

259