NGHIÊN CỨU HÀN THÉP CÁC BON VỚI HỢP KIM NHÔM BẰNG QUÁ TRÌNH HÀN MIG
Nguyễn Quốc Mạnh Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên
* Tác giả liên hệ: [email protected] Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 12/12/2020
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 15/02/2021 Ngày bài báo được duyệt đăng: 05/03/2021 Tóm tắt:
Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu về hàn giáp mối hợp kim nhôm A5052 với thép SS400 với kiểu vát mép phi truyền thống bằng phương pháp hàn bán tự động trong môi trường khí trơ bảo vệ, sử dụng dây hàn phụ ER4043. Các đặc điểm về cấu trúc tế vi được quan sát bằng kính hiển vi quang học (OM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), độ cứng tế vi được đo bằng máy đo độ cứng tế vi. Các kết quả trong nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tại khu vực liên kết giữa kim loại mối hàn và bề mặt tấm thép các bon thấp xuất hiện một lớp liên kim giòn với chiều dầy nhỏ hơn 10 µm. Do lớp liên kim này có đặc tính giòn nên sẽ có ảnh hưởng tiêu cực đến tính chịu lực của liên kết hàn giữa hai vật liệu, hạn chế được lớp liên kim này có thể giúp một số đặc tính cơ học của liên kết hàn tăng lên đáng kể.
Từ khóa: Hợp kim nhôm A5052, Dây hàn phụ ER4043, Quá trình hàn MIG, Độ bền kéo, Cấu trúc tế vi, Độ cứng tế vi.
1. Đặt vấn đề
Với nhiều ưu điểm nổi bật của mình, hợp kim nhôm ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: hàng không vũ trụ, đóng tàu, và lắp ráp – chế tạo ô tô. Thép các bon chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp đóng tàu, sản xuất kết cấu thép và thân vỏ ô tô – xe máy [1-3]. Kết hợp hai loại vật liệu khác nhau rất lớn về đặc tính lý – hoá – cơ – nhiệt đã và đang được nghiên cứu để ứng dụng vào các ngành công nghiệp như sản xuất xe hơi, công nghiệp đóng tàu, đường sắt, cấu trúc thân vỏ của ngành hàng không – vũ trụ nhằm giảm trọng lượng của các kết cấu cần chế tạo và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu của các kết cấu đó. Tuy nhiên, đây lại là một thách thức rất lớn đối với các nhà sản xuất và nhà nghiên cứu. Một trong những thách thức khi hàn hai vật liệu khác nhau là sự hình thành cấu trúc lớp liên kim cứng và giòn tại khu vực giao diện của hai loại vật liệu. Lớp liên kim này làm giảm đáng kể mức độ chịu tải của liên kết hàn. Đã có nhiều tác giả hàn thành công hợp kim nhôm với thép các bon thấp bằng các phương pháp hàn như: hàn ma sát khuấy, hàn laser, hàn TIG, hàn siêu âm… [1,4-6]. Mục đích chính của nghiên cứu
này là nghiên cứu các đặc điểm hàn giữa hợp kim nhôm A5052 và thép các bon thấp SS400 sử dụng dây hàn bù ER-4043 bằng quá trình hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ (MIG). Các kết quả của nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc đánh giá sự hình thành và chiều dày của lớp liên kim, cũng như ảnh hưởng của nó tới cơ tính của liên kết hàn giữa hai vật liệu này.
2. Vật liệu và trình tự thực nghiệm 2.1. Vật liệu hàn
Bảng 1. Thành phần hoá học của hợp kim nhôm A5052 (wt%)
Mác vật liệu A5052
Hàm lượng của các nguyên tố (%)
Mg 4 ÷ 4.9
Mn 0.4 ÷ 1
Cu # 0.01
Si # 0.04
Cr 0.05 ÷ 0.25
Fe # 0.04
Zn # 0.25
Ti # 0.15
Al Còn lại
Toàn bộ vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu này là các tấm hợp kim nhôm A5052 và thép
các bon thấp SS400 với chiều dày cố định là 5mm.
Dây hàn phụ được sử dụng trong quá trình hàn là dây hàn ER-4043 với đường kính 1.0mm. Thành phần hoá học của kim loại cơ bản và kim loại phụ được giới thiệu trong các Bảng 1, Bảng 2 và Bảng 3 [7-9].
2.2. Trình tự thực nghiệm
Các mẫu được cắt theo một kích thước cố định (dài x rộng) 200mm x 70mm.
Bảng 2. Thành phần hoá học của thép SS400 (wt%)
Mác vật liệu SS400
Hàm lượng của các nguyên tố (%)
C 4 ÷ 4.9
Si 0.4 ÷ 1
Mn # 0.01
P # 0.04
S 0.05 ÷ 0.25
Fe Còn lại
Bảng 3. Thành phần hoá học của dây hàn ER-4043 (wt%)
Mác vật liệu ER-4043
Hàm lượng của các nguyên tố (%)
Si 4.5 ÷ 6
Cu 0.3
Mg 0.05
Mn 0.05
Fe 0.8
Ti 0.02
Zn 0.01
Al Còn lại
Sau khi cắt xong, các tấm kim loại cơ bản được mài sạch bavia, tấm thép được vát cạnh không theo tiêu chuẩn mà vát theo cách tạo ra một bề mặt cong đều. Theo báo cáo [10], khi tạo bề mặt mép vát theo kiểu cong đều sẽ giúp cho dòng chảy của kim loại trong quá trình hàn trên bề mặt tấm thép tốt hơn, chuyển tiếp này giúp cho lớp liên kim mỏng và đều hơn so với vát cạnh theo kiểu truyền thống.
Bề mặt các tấm sau khi gá đính xong được làm sạch lại bằng máy mài tay sử dụng đá giấy nhám trước khi hàn. Máy hàn xung Millermatic® 255 MIG/
Pulsed được sử dụng để thực hiện toàn bộ các mối hàn của thí nghiệm. Các thông số chế độ hàn được sử dụng trong thí nghiệm được lựa chọn trên cơ sở tính toán chế độ hàn cho hợp kim nhôm A5052 và theo khuyến nghị của nhà sản xuất dây hàn hợp kim
nhôm ER-4043, bao gồm: Cường độ dòng điện hàn 90A, tốc độ hàn 5mm/giây, điện áp hàn 17V, tầm với điện cực khi hàn 10mm, lưu lượng khí argon bảo vệ là 10 lít/phút. Sau khi hàn thành công, một mẫu hàn giữa hợp kim nhôm A5052 và thép các bon SS400 được lựa chọn và cắt theo kích thước theo quy định và được đổ cố định trong khuôn nhựa epoxy. Mẫu này sau khi được cố định sẽ được mài nhẵn và đánh bóng bề mặt đảm bảo các yêu cầu đối với việc phân tích cấu trúc tế vi của vật liệu trên các thiết bị hiển vi quang học và hiển vi điện tử quét.
3. Kết quả và thảo luận
Hình 1 mô tả cấu trúc thô đại liên kết hàn giáp mối giữa hợp kim nhôm A5052 và thép SS400.
Quan sát hình ảnh liên kết hàn ta có thể nhận thấy, mối hàn được hình thành dưới sự nóng chảy của kim loại phụ ER-4043 và tấm hợp kim nhôm A5052.
Nguồn nhiệt của hồ quang sau khi được hình thành giữa kim loại phụ và kim loại cơ bản (tấm hợp kim nhôm A5052) sẽ đi qua các khu vực của liên kết hàn sẽ tạo thành vũng hàn nóng chảy và tạo nên một bể hàn thống nhất.
Hình 1. Cấu trúc thô đại liên kết hàn giáp mối giữa hợp kim nhôm A5052 và thép SS400 Lượng kim loại hình thành nên mối hàn phần lớn từ kim loại phụ, kết hợp với một lượng kim loại cơ bản bên tấm hợp kim nhôm A5052. Tại khu vực tấm thép SS400, nhiệt lượng của hồ quang tại khu vực này có tác động lên bề mặt cong của tấm thép, tuy nhiên mức nhiệt lượng này không đủ để làm nóng chảy bề mặt tấm thép nên lượng kim loại hình thành nên mối hàn tại khu vực này cũng chỉ là hợp kim nhôm từ kim loại phụ. Theo nguyên lý của quá trình hàn, một lượng nhỏ hợp kim nhôm của mối hàn tại khu vực này sẽ tiếp xúc, sau đó sẽ khuếch tán vào bề mặt tấm thép tại những khu vực chảy dẻo để hình thành liên kết hàn. Mức độ vững chắc của liên kết hàn tại khu vực này cũng phụ thuộc vào mức độ khuếch tán nhiều hay ít của hợp kim nhôm
vào trong bề mặt tấm thép. Khu vực khuếch tán giữa các tinh thể nhôm và thép kim loại mối hàn và bề mặt tấm thép được định danh bằng đường viền màu đỏ như mô tả trong Hình 1. Theo tác giả Song, J. L và các cộng sự báo cáo trong nghiên cứu [11], tại khu vực này, trong quá trình khuếch tán giữa các tinh thể kim loại, khi nhiệt độ quá lớn có thể sẽ sinh ra một lớp liên kim giòn trung gian giữa hai kim loại cơ bản và kim loại phụ. Lớp liên kim này rất bất lợi đối với tính chịu lực của liên kết hàn khác vật liệu.
Hình 2 mô tả cấu trúc tế vi liên kết hàn giáp mối giữa hợp kim nhôm A5052 và thép SS400 được quan sát bằng kính hiển vi quang học điện tử. Quan sát hình 2a có thể nhận thấy tại khu vực này liên kết giữa kim loại mối hàn và bề mặt mối hàn xuất hiện một lớp liên kim mỏng, lớp liên kim này có chiều dày khoảng 3 ÷ 5 µm tại khác khu vực khác nhau.
Có thể nhận thấy rằng, ngoài lượng lớn hợp kim nhôm có trong mối hàn ta cũng có thể quan sát thấy trên bề mặt mối hàn tại phía hợp kim nhôm A5052 có sự xuất hiện khá nhiều của các tinh thể silic. Việc các tinh thể này nằm rải rác tại các khu vực có thể giải thích rằng, trong quá trình hàn, các tinh thể silic có trong kim loại phụ ER-4043 và hợp kim nhôm A5052 đã tích cực tham gia vào quá trình khuếch tán để hình thành mối hàn. Quan sát Hình 2b ta có thể nhận thấy tại khu vực này có những vị trí không thấy sự xuất hiện của lớp liên kim, các khu vực còn lại xuất hiện một lớp màng ô xít mỏng với chiều dày khoảng 1 ÷ 2 µm. Theo báo cáo [11], khi hàn giữa hai vật liệu, những khu vực không có sự xuất hiện lớp liên kim này sẽ cho cơ tính tốt nhất. Tuy nhiên, phần lớn chiều dài của khu vực này lại xuất hiện lớp màng ô xít nên tại những vị trí này không có sự liên kết mạnh mẽ giữa các vật liệu với nhau, nói cách khác, khi lớp màng ô xít này xuất hiện sẽ ngăn cản quá trình ngấu giữa các lớp của liên kết hàn (khi hàn nhiều lớp) và ngăn cản quá trình ngấu giữa kim loại mối hàn và kim loại cơ bản.
Hình 3 mô tả cấu trúc tế vi tại khu vực liên kết giữa kim loại mối hàn và bề mặt tấm thép của liên kết hàn giáp mối giữa hợp kim nhôm A5052 và thép SS400 bằng kính hiển vi điện tử quét. Quan sát hình ảnh này ta có thể nhận thấy sự xuất hiện của các tinh thể silic tại khu vực kim loại mối hàn và một lượng các tinh thể này kết hợp với các tinh thể Fe xuất hiện tại khu vực liên kết giữa hai loại vật liệu.
Điều này cho thấy rằng, trong quá trình hàn, cả hai tinh thể này có sự chuyển động qua lại và liên kết với nhau dưới tác động của nguồn nhiệt hàn và dòng xoáy của dòng chảy vật liệu trong quá trình hàn như trong báo cáo [12] đã đề cập.
Hình 2. Cấu trúc tế vi liên kết hàn giáp mối giữa hợp kim nhôm A5052 và thép SS400 (a) khu vực có
lớp liên kim, (b) khu vực không có lớp liên kim
Hình 3. Cấu trúc tế vi khu vực liên kết khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Hình 4. Vị trí đo độ cứng tế vi liên kết hàn giáp mối giữa hợp kim nhôm A5052 và thép SS400 bằng quá
trình hàn MIG
Hình 4 mô tả các vị trí đo độ cứng tế vi liên kết hàn giáp mối giữa hợp kim nhôm A5052 và thép các bon SS400 bằng quá trình hàn MIG. Quan sát các điểm đo trong hình vẽ ta có thể nhận thấy quá trình đo được thực hiện theo một khoảng cách nhất định và xuyên từ kim loại mối hàn tới bề mặt tấm thép SS400. Quan sát độ lớn của các vết đâm trên bề mặt vật liệu ta có thể nhận thấy: các vết đâm tại khu vực mối hàn có kích thước lớn hơn khá nhiều so với kích thước các vết đâm bên phía tấm thép SS400 và lớp liên kim, các vết đâm này có độ lớn khá đồng đều với nhau. Điều này cũng có thể hiểu đơn giản là do kim loại của mối hàn chủ yếu được hình thành từ kim loại phụ (hợp kim ER4043) và một phần từ tấm hợp kim nhôm A5052 nên các vết đâm tại vùng này có kích thước lớn hơn do nhôm luôn là vật liệu mềm hơn thép. Các vết đâm tại khu vực bề mặt tấm thép SS400 có kích thước khá đồng đều nhau và có kích thước nhỏ hơn so với khu vực kim loại mối hàn. Điều này cũng khá dễ hiểu vì thép có độ cứng cao hơn nhiều so với độ cứng của kim loại bù ER4043 và hợp kim nhôm A5052 đã trình bày ở trên và kết quả này cũng hoàn toàn phù hợp so với các kết quả nghiên cứu trong các báo cáo [13- 16]. Các kết quả đo độ cứng tế vi của liên kết hàn giữa hợp kim nhôm A5052 và thép SS400 được thể hiện tương ứng trong bảng 4 với độ cứng lớn nhất là điểm 6 (nằm giữa lớp liên kim) với độ cứng là 852HV và độ cứng thấp nhất tại điểm 1 (nằm trong mối hàn và cách xa trung tâm lớp liên kim) với độ cứng là 86.9 HV.
Bảng 4. Độ cứng tế vi liên kết hàn giáp mối giữa hợp kim nhôm A5052 và thép SS400
Vị trí đo Độ cứng (HV)
1 86.9
2 99.5
3 95.2
4 182
5 210
6 852
7 471
8 241
9 237
10 246
11 227
12 246
4. Kết luận
Liên kết hàn giáp mối giữa hợp kim nhôm A5052 với thép các bon SS400 sử dụng dây hàn bù ER-4043 với dạng vát mép phi truyền thống trên tấm thép được thực hiện thành công bằng quá trình hàn MIG. Có thể tóm tắt một vài kết luận như sau:
- Tại một vài điểm của khu vực khu vực liên kết, một lớp liên kim cứng được tìm thấy với chiều dày không đồng đều và dao động trong khoảng nhỏ hơn 10 µm.
- Độ cứng tế vi của liên kết hàn được khảo sát.
Độ cứng tại các khu vực có sự khác biệt khá lớn, đặc biệt là tại khu vực lớp liên kim. Độ cứng cực đại được tìm thấy tại điểm đo giữa lớp liên kim với giá trị lên tới 852 HV, độ cứng này sẽ gây ra nhiều bất lợi cho liên kết hàn giáp mối giữa hợp kim nhôm A5052 và thép SS400 về tính chịu lực của liên kết hàn trong quá trình sử dụng.
- Vì lớp liên kim giòn không có lợi đối với liên kết hàn giữa nhôm và thép, vì vậy cần tìm các biện pháp để hạn chế chiều dày lớp liên kim xuống nhỏ nhất có thể và nên sử dụng các biện pháp công nghệ nhằm thúc đẩy nhiều hơn nữa sự khuếch tán giữa các tinh thể Al, Fe và Si thật tốt. Khi các tinh thể này khuếch tán vào nhau nhiều nhất sẽ giúp liên kết hàn giữa hai vật liệu tốt hơn, điều này sẽ giúp nâng cao các đặc tính cơ học của liên kết hàn giữa hợp kim nhôm A5052 và thép các bon SS400.
Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyen, Van Nhat, et al. “Investigation on lap-joint friction stir welding between AA6351 alloys and DP800 steel sheets.” Sādhanā 43.10, pp. 1-7, 2018.
[2]. Nguyen, Van Nhat, Quoc Manh Nguyen, and Shyh-Chour Huang. “Microstructure and mechanical properties of butt joints between stainless steel SUS304L and aluminum alloy A6061-T6 by TIG welding.” Materials 11.7, 1136, 2018.
[3]. Nguyen, Quoc Manh, et al. “Investigation of A5052 Aluminum Alloy to SS400 Steel by MIG Welding Process.” International Conference on Advances in Computational Mechanics. Springer, Singapore, 2017.
[4]. Yan, Shi, et al. “CW/PW dual-beam YAG laser welding of steel/aluminum alloy sheets.” Optics and Lasers in Engineering 48.7-8, pp. 732-736, 2010.
[5]. Song, J. L., et al. “Effects of Si additions on intermetallic compound layer of aluminum–steel TIG welding–brazing joint.” Journal of Alloys and Compounds 488.1, 217-222, 2009.
[6]. Watanabe, Takehiko, Hideo Sakuyama, and Atsushi Yanagisawa. “Ultrasonic welding between mild steel sheet and Al–Mg alloy sheet.” Journal of Materials Processing Technology 209.15-16, pp.
5475-5480, 2009.
[7]. Yong, Y.; Tong, Z.D.; Cheng, Q.; Wen, Z. Dissimilar friction stir welding between 5052 aluminum alloy and AZ31 magnesium alloy. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 20, s619–s623, 2010.
[8]. Joo, SungMin. “Joining of dissimilar AZ31B magnesium alloy and SS400 mild steel by hybrid gas tungsten arc friction stir welding.” Metals and Materials International 19.6, pp. 1251-1257, 2013.
[9]. Nguyen, Quoc Manh, and Shyh-Chour Huang. “An investigation of the microstructure of an intermetallic layer in welding aluminum alloys to steel by MIG process.” Materials 8.12, pp. 8246- 8254, 2015.
[10]. Vũ Đình Toại. “Nghiên cứu công nghệ hàn liên kết nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG.”
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, pp. 87-89, 2015.
[11]. Song, J. L., et al. “Effects of Si additions on intermetallic compound layer of aluminum–steel TIG welding–brazing joint.” Journal of Alloys and Compounds 488.1, pp. 217-222, 2009.
[12]. Nguyen, Quoc Manh, et al. “Investigation of A5052 Aluminum Alloy to SS400 Steel by MIG Welding Process.” International Conference on Advances in Computational Mechanics. Springer, Singapore, 2017.
[13]. Tiryakioǧlu, Murat, Mark Jolly, and Glenn Byczynski, eds. Shape Casting: 6th International Symposium 2016. John Wiley & Sons, 2016.
[14]. Nguyen, Van Nhat, et al. “An Investigation of Dissimilar Welding Aluminum Alloys to Stainless Steel by the Tungsten Inert Gas (TIG) Welding Process.” Materials Science Forum, Vol. 904, Trans Tech Publications Ltd, 2017.
[15]. Torkamany, M. J., S. Tahamtan, and J. Sabbaghzadeh. “Dissimilar welding of carbon steel to 5754 aluminum alloy by Nd: YAG pulsed laser.” Materials & Design 31.1, pp. 458-465, 2010.
[16]. Nguyen, Van Nhat, et al. “An investigated of butt joint between aluminum alloy A5052 and stainless steel SS400 by using MIG welding method.” 2017 International Conference on Applied System Innovation (ICASI). IEEE, 2017.
STUDY DISSIMILAR WELDING BETWEEN CARBON STEEL TO ALUMINUM ALLOYS BY MIG PROCESS
Abstract:
This paper presents the results of dissimilar welding between A5052 aluminum alloy and SS400 steel with new types of chamfer and using ER-4043 welding wire by Gas metal arc welding (GMAW).
The microstructure properties, micro-hardness of welding-seam were observed by Optical Microscope (OM), and the Scanning Electron Microscopy (SEM), micro-hardness machine. The results show that an intermetallic layer was found between welding-seam and SS400 steel surface with a thickness less than 10µm. Because the intermetallic layer is brittle, the strength capacity of the welds is reduced. Reducing the intermetallic layer can improve mechanical properties.
Keywords: A5052 alloys, SS400 steel, ER-4043 welding wire, MIG welding process, Microstructure, Micro- hardness.
