Luận án nghiên cứu đặc tính mối hàn nhôm với thép bằng TIG và FSW của NCS Nguyễn Văn Nhất

Nghiên cứu đặc tính mối hàn giữa hợp kim nhôm với thép không gỉ và thép hai pha bằng phương pháp hàn TIG kết hợp hàn ma sát khuấy chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Văn Nhất
• Người hướng dẫn: GS. Shyh-Chour Huang
• Trường học: Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia Cao Hùng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Ứng dụng phương pháp hàn TIG và hàn ma sát khuấy khảo sát đặc tính mối hàn giữa hợp kim nhôm với thép không gỉ và hợp kim nhôm với thép hai pha
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Cao Hùng

Tóm tắt

I. Tổng quan về hàn nhôm với thép bằng hàn TIG và FSW

Liên kết giữa hợp kim nhôm và thép đóng vai trò then chốt trong công nghiệp chế tạo hiện đại. Cấu trúc lai nhôm thép giúp giảm trọng lượng thân xe và tiết kiệm nhiên liệu đáng kể. Nhôm sở hữu khả năng chống ăn mòn xuất sắc và mật độ khối lượng thấp. Thép cung cấp độ cứng vững cơ học cùng khả năng chịu lực vượt trội. Tuy nhiên, việc ghép nối hai vật liệu này gặp rào cản lớn do tính chất nhiệt và cơ lý tính bất đồng. Nhiệt độ nóng chảy của thép đạt khoảng 1500 độ C. Trong khi đó, nhôm nóng chảy ở mức nhiệt xấp xỉ 660 độ C. Sự chênh lệch nhiệt độ lớn dẫn tới nguy cơ bay hơi nhôm trước khi thép kịp nóng chảy hoàn toàn. Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Nhất tại Đại học KHKT Quốc gia Cao Hùng đã tiến hành đề tài thực nghiệm chuyên sâu. Luận án tập trung đánh giá mối hàn giữa nhôm AA6351 với thép hai pha DP800, cùng nhôm A6061-T6 với thép không gỉ SUS304L. Hai công nghệ hàn hồ quang vonfram khí trơ (TIG) và hàn khuấy ma sát (FSW) được ứng dụng nhằm giải quyết triệt để sự mất cân bằng nhiệt luyện. Các kết quả mở ra triển vọng to lớn cho ngành sản xuất thiết bị giao thông vận tải.

1.1. Nhu cầu liên kết kết cấu lai giữa nhôm và thép

Ngành sản xuất ô tô, tàu hỏa và hàng không luôn tìm kiếm giải pháp tối ưu khối lượng cấu trúc. Hợp kim nhôm mang lại ưu thế giảm tải trọng và chống ăn mòn môi trường. Ngược lại, thép sở hữu độ bền kéo và giới hạn chảy vượt trội so với hợp kim nhẹ. Kết hợp hai loại vật liệu này tạo nên các chi tiết vừa nhẹ vừa bảo đảm an toàn va chạm. Xu hướng này thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu kỹ thuật cơ khí chính xác. Sự kết hợp thông minh giúp tiết kiệm nhiên liệu tiêu thụ và cắt giảm lượng khí thải carbon độc hại. Tuy vậy, yêu cầu kỹ thuật đối với mối nối kim loại hỗn hợp vô cùng khắt khe trong kiểm định thực tế.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu từ Đại học KHKT Cao Hùng

Đề tài tiến sĩ của tác giả Nguyễn Văn Nhất tại Đại học KHKT Quốc gia Cao Hùng giải quyết bài toán cốt lõi trong kỹ thuật hàn dị chủng. Mục tiêu chính là làm rõ cơ chế hình thành liên kết giữa nhôm và thép bằng hai phương pháp hàn tiên tiến. Phương pháp hàn khuấy ma sát FSW được áp dụng cho cặp nhôm AA6351 và thép DP800 theo cấu hình hàn chồng. Phương pháp hàn hồ quang TIG được sử dụng để hàn giáp mối nhôm A6061-T6 với thép SUS304L sử dụng dây hàn phụ ER4047. Nghiên cứu tập trung phân tích cấu trúc tế vi, chu trình nhiệt và độ bền cơ tính của mối hàn. Từ đó, tác giả đưa ra các thông số hàn chuẩn xác phục vụ chuyển giao công nghệ.

II. Phân tích thách thức tạo pha liên kim khi hàn nhôm thép

Quá trình hàn nóng chảy giữa nhôm và thép luôn tiềm ẩn rủi ro nứt gãy cơ học nghiêm trọng. Nguyên nhân hàng đầu bắt nguồn từ sự hình thành hợp chất liên kim (IMC) giòn tại bề mặt tiếp xúc. Các nguyên tố Fe và Al dễ dàng phản ứng khuếch tán với nhau dưới tác động của nhiệt độ cao. Khi bề dày lớp hợp chất liên kim vượt ngưỡng 10 micromet, mối hàn sẽ suy giảm độ bền nghiêm trọng. Vết nứt vi mô hình thành nhanh chóng dọc theo ranh giới phân cách giữa kim loại cơ bản và vũng hàn. Ngoài ra, hệ số giãn nở nhiệt của nhôm lớn hơn thép gần gấp đôi. Khi nguội đi sau hàn, ứng suất dư co ngót cục bộ tập trung với cường độ rất lớn. Sự chênh lệch độ dẫn nhiệt cũng khiến nhiệt lượng truyền không đồng đều, làm biến dạng phôi hàn. Khi dùng phương pháp hàn nóng chảy truyền thống, nhôm nóng chảy hoàn toàn trong khi thép vẫn ở trạng thái rắn. Hiện tượng này dẫn đến tình trạng ướt bề mặt kém và không thể tạo độ bám dính ngấu chắc. Kiểm soát quá trình trao đổi nhiệt là điều kiện tiên quyết để ngăn chặn sự phát triển quá mức của pha giòn. Nếu không kiểm soát chính xác năng lượng hàn, mối nối sẽ bị phá hủy giòn ngay dưới tải trọng nhỏ.

2.1. Bản chất cơ học của lớp hợp chất liên kim IMC

Sự tương tác khuếch tán giữa pha sắt và nhôm tạo ra các hợp chất giòn như FeAl, Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5 và Fe4Al13. Trong đó, các pha giàu nhôm như Fe2Al5 và Fe4Al13 sở hữu độ cứng tế vi rất cao nhưng độ dẻo dai cực kỳ thấp. Kết quả đo độ cứng cho thấy vùng pha liên kim có thể đạt trên 400 HV, cao gấp đôi thép nền. Mức độ chênh lệch cơ tính này khiến bề mặt ranh giới trở nên rất nhạy cảm với tập trung ứng suất. Khi chi tiết chịu tải trọng kéo hoặc uốn, các vết nứt tế vi sẽ khởi sinh trực tiếp tại lớp IMC. Sự lan truyền vết nứt diễn ra chớp nhoáng dẫn đến phá vỡ kết cấu đột ngột mà không có biến dạng dẻo cảnh báo trước.

2.2. Sự chênh lệch nhiệt vật lý và ứng suất dư mối hàn

Hệ số giãn nở nhiệt của nhôm đạt khoảng 23 x 10^-6 /K, trong khi thép chỉ ở mức 12 x 10^-6 /K. Khi tiếp xúc với nguồn nhiệt hàn, mức độ giãn nở thể tích giữa hai kim loại chênh lệch đáng kể. Trong giai đoạn làm nguội nhanh, nhôm co rút mạnh hơn thép, sinh ra trường ứng suất kéo dư cực lớn tại mặt phân cách. Thêm vào đó, nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt của nhôm cao hơn nhiều so với thép. Dòng nhiệt tiêu tán nhanh qua phía nhôm khiến trường nhiệt độ mất đối xứng nghiêm trọng. Hiện tượng này dễ gây cong vênh kết cấu và tạo khuyết tật rỗ khí trong vùng nóng chảy. Việc kiểm soát chu trình nhiệt đòi hỏi phải điều chỉnh chính xác lượng nhiệt cấp vào mối nối.

III. Giải pháp công nghệ hàn TIG và FSW nhôm thép từ ĐH Cao Hùng

Nhóm nghiên cứu tại Đại học KHKT Cao Hùng đã triển khai hai giải pháp kỹ thuật mang tính đột phá nhằm hạn chế lớp IMC. Phương pháp đầu tiên áp dụng kỹ thuật hàn TIG giáp mối kết hợp dây bù ER4047 chứa hàm lượng Silic cao. Hồ quang vonfram được bố trí lệch chủ động về phía tấm nhôm A6061-T6. Cách làm này giúp nhôm nóng chảy hoàn toàn rồi chảy tràn làm ướt mép thép SUS304L. Quá trình diễn ra theo cơ chế hàn vảy, ngăn thép không bị nóng chảy sâu. Độ dày lớp pha liên kim tại mặt phân cách được khống chế ở mức chỉ 2 micromet. Phương pháp thứ hai ứng dụng công nghệ hàn khuấy ma sát FSW ở trạng thái rắn cho cặp nhôm AA6351 và thép DP800. Đầu khuấy quay tốc độ cao sinh nhiệt ma sát dẻo hóa kim loại. Vật liệu được nhào trộn cơ học dưới áp lực dọc trục mà không cần nóng chảy lỏng. Nhờ nhiệt độ làm việc thấp hơn điểm nóng chảy của cả hai vật liệu, lớp IMC được giới hạn nghiêm ngặt dưới 7 micromet. Chu trình nhiệt hàn được tối ưu hóa qua việc kiểm soát tốc độ xoay và tốc độ tịnh tiến. Giải pháp này triệt tiêu hoàn toàn rỗ xốp khí và nứt nóng trong mối hàn.

3.1. Quy trình hàn TIG và vai trò của dây bù ER4047

Hàn TIG liên kết nhôm A6061-T6 với thép không gỉ SUS304L đòi hỏi thiết lập dòng điện và vị trí điện cực vonfram cực kỳ chuẩn xác. Điện cực wolfram chịu nhiệt độ cao tạo hồ quang ổn định, hướng trực tiếp vào cạnh phôi nhôm. Kim loại phụ ER4047 chứa khoảng 12% Silic đóng vai trò quyết định trong việc cải thiện tính chảy loãng. Nguyên tố Silic phản ứng ngăn cản quá trình khuếch tán Fe-Al, làm chậm tốc độ phát triển của pha giòn Fe2Al5. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) được thu hẹp tối đa nhờ tốc độ hàn nhanh và khí Argon bảo vệ tinh khiết. Kết quả kiểm tra hiển vi quang học cho thấy đường hàn đồng đều, không tồn tại vết nứt bề mặt hay rỗ khí nguy hiểm.

3.2. Hàn khuấy ma sát FSW kiểm soát chu trình nhiệt

Công nghệ FSW kết nối tấm nhôm AA6351 đặt chồng lên phôi thép hai pha DP800 mang lại hiệu quả vượt trội. Chày hàn chuyên dụng quay với vận tốc xác định, tạo ma sát làm mềm vật liệu nhưng không làm nóng chảy. Quá trình biến dạng dẻo mãnh liệt giúp các phần tử kim loại đan xen bền chặt ở cấp độ nguyên tử. Thiết bị ghi nhận chu trình nhiệt cho thấy nhiệt độ đỉnh luôn nằm trong vùng an toàn, không kích thích phản ứng tạo pha giòn Al3Fe dày đặc. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) xác nhận bề dày lớp liên kết kim loại thấp hơn mức giới hạn 7 micromet. Mối ghép FSW duy trì độ bền dẻo cao và tránh được các khuyết tật co ngót điển hình của hàn hồ quang.

IV. Kết luận đặc tính mối hàn nhôm thép và tiềm năng ứng dụng

Kết quả thực nghiệm tại Đại học KHKT Cao Hùng chứng minh tính khả thi vượt bậc của cả hai phương pháp hàn. Mối hàn TIG giữa nhôm A6061-T6 và thép không gỉ SUS304L đạt độ bền kéo tối đa lên đến 226.5 MPa. Vị trí phá hủy đứt gãy diễn ra ngay tại bề mặt liên kết hàn vảy. Thử nghiệm vi độ cứng Vickers ghi nhận các giá trị đặc trưng: thép SUS304L đạt 218 HV, đường hàn nhôm đạt 79 HV và lớp pha liên kim đạt đỉnh 411 HV. Lớp IMC cực mỏng chỉ 2 micromet bao gồm các pha Fe4Al13, Fe2Al5 và FeAl3 được kiểm soát chặt chẽ. Đối với liên kết hàn FSW giữa nhôm AA6351 và thép DP800, lớp hợp chất liên kim mỏng dưới 7 micromet chứa các pha Al3Fe, Fe3Al và Al2Fe. Các phân tích vi cấu trúc qua kính hiển vi điện tử quét SEM và phổ tán sắc năng lượng EDS khẳng định mối nối hoàn toàn đặc chắc. Công nghệ này cung cấp giải pháp liên kết kim loại dị chủng hoàn hảo cho công nghiệp đóng tàu, đường sắt cao tốc và sản xuất linh kiện ô tô trọng lượng nhẹ. Việc áp dụng đúng quy chuẩn thông số kỹ thuật mở đường cho sự tối ưu hóa khối lượng kết cấu cơ khí, giảm tiêu hao năng lượng và bảo vệ môi trường bền vững.

4.1. Thông số cơ tính vượt trội của mối hàn thực nghiệm

Thử nghiệm kéo mối hàn giáp mối TIG ghi nhận khả năng chịu tải ấn tượng với độ bền kéo đạt 226.5 MPa. Bề mặt gãy xảy ra ở khu vực liên kết hàn vảy thay vì nứt tách giòn bất ngờ trong lớp pha liên kim. Giá trị đo vi độ cứng Vickers phân tầng rõ nét giữa ba vùng: kim loại cơ bản SUS304L đạt 218 HV, mối hàn đạt 79 HV và lớp IMC đạt đỉnh 411 HV. Sự phân bố độ cứng này phản ánh độ cứng vững cao xen kẽ vùng đệm dẻo. Đối với mẫu hàn FSW, độ bền chịu cắt và liên kết cơ học đạt độ ổn định rất cao. Quá trình kiểm nghiệm chứng thực liên kết nhôm thép đủ tiêu chuẩn làm việc trong môi trường chịu rung động mạnh.

4.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp giao thông

Công nghệ hàn nhôm thép mở đường cho cuộc cách mạng giảm tải trọng trong sản xuất giao thông vận tải. Ngành công nghiệp ô tô có thể tích hợp khung vỏ nhôm nhẹ với sàn gầm thép chịu lực cao để vừa đảm bảo an toàn va chạm, vừa tiết kiệm nhiên liệu. Ngành đóng tàu cao tốc và công nghiệp hàng không vũ trụ hưởng lợi lớn từ khả năng chống ăn mòn và độ bền riêng của kết cấu lai. Các quy trình TIG và FSW chuẩn hóa từ nghiên cứu giúp hạ giá thành sản xuất và rút ngắn chu kỳ gia công hàng loạt. Sự thành công của đề tài khẳng định giá trị chuyển giao công nghệ từ phòng thí nghiệm vào các dây chuyền sản xuất công nghiệp thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

國立高雄科技大學 機械工程系博士班 博士論文 應用 TIG 與摩擦攪拌焊接法探討鋁合金與不銹鋼及鋁合 金與雙相鋼間銲接接頭之銲接特性 Study on the Welding Features of the Weld Joint between Aluminum Alloy to Stainless Steel and Aluminum Alloy to Dual Phase Steel by Using TIG and Friction Stir Welding 研究生：阮文一 指導教授 ：黃世疇 教授 中華民國 107 年 12 月 I 應用 TIG 與摩擦攪拌焊接法探討鋁合金與不銹鋼及鋁合 金與雙相鋼間焊接接頭之焊接特性 Study on the Welding Features of the Weld Joint between Aluminum Alloy to Stainless Steel and Aluminum Alloy to Dual Phase Steel by Using TIG and Friction Stir Welding 學生: 阮文一 Van Nhat Nguyen 指導教授 ：黃世疇 教授 Shyh-Chour Huang 國立高雄科技大學 機械工程系博士班 博士論文 Department of Mechanical Engineering National Kaohsiung University of Science and Technology In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering December 2018 Kaohsiung, Taiwan, Republic of China 中華民國 107 年 12 月 II III 應用 TIG 與摩擦攪拌焊接法探討鋁合金與不銹鋼及鋁合 金與雙相鋼間焊接接頭之焊接特性 研究生：阮文一 指導教授：黃世疇 教授 國立高雄科技大學 機械工程系博士班 摘要 由於重量輕，耐腐蝕性和高抗氧化等優點，鋁合金與不銹鋼，鋁合金和雙相鋼 之間的焊接在工業上有廣泛的應用。然而，要將金屬焊接在一起，仍然存在許多挑 戰。 例如，鋼的熔點遠大於鋁的熔點，機械性能和化學成分的差異。 特別是在不銹 鋼與焊縫之間的界面處，容易形成金屬間化合物（IMC）層的脆性和裂縫。 這些問 題將對接頭的強度和焊接質量產生負面影響。 為了防止 IMC 層的形成和焊接接頭質 量缺陷的產生，必須發展合宜的焊接方法與焊接參數。 在本研究中，摩擦攪拌焊接（FSW）和鎢極惰性氣體（TIG）焊接分別用於焊接鋁 AA6351 / DP800 鋼和鋁 A6061-T6 / SUS304L 鋼。 鋁合金和不銹鋼，鋁合金和雙相鋼之間的銲件有許多優點，如重量輕，耐腐蝕 性和耐氧化性高，因而得到了更廣泛的工業應用. 然而，要將金屬焊接在一起，仍 然存在許多挑戰. 例如，鋼的熔點遠大於鋁的熔點，機械性能和化學成分的差異. 特 別是在不銹鋼與焊縫之間的界面處，容易形成金屬間化合物（IMC）層的脆性和裂縫.

這些問題將對接頭的強度和焊接質量產生負面影響. 因此有必要有一個適當的焊接 IV 方法和設定的焊接參數來防止 IMC 層的形成和發展並形成缺陷，從而提高焊接接頭 的質量. 在這項研究中，摩擦攪拌焊（FSW）和鎢惰性氣體（TIG）焊接分別用於焊 接鋁 AA6351 / DP800 鋼和鋁 A6061-T6 / SUS304L 鋼. 通過攪拌摩擦焊方法成功地進行了 AA6351 與 DP800 鋼之間的搭接。利用掃描電 子顯微鏡（SEM）和 X 射線衍射（XRD）技術研究焊縫的顯微組織特徵。調查結果表 明，在鋼和鋁合金之間的界面出現的金屬間化合物層的厚度小於 7 微米，並進行相 存在於 IMC 層包括 Al3Fe 系，Fe3Al 金屬，和 Al2Fe 相.

還檢查了熱循環以顯示溫度 分佈與金屬間化合物層的形成之間的關係 分析了採用 TI G 焊和 ER4047 填充金屬對鋁與鋼對接的特點. 並使用光學顯微 鏡（OM），掃描電子顯微鏡（SEM），能量色散 X 射線衍射（EDS）來顯示微觀結構. 試驗結果表明，焊縫外觀良好，無缺陷，且熱影響區非常小. 此外，在鋼與焊縫之 間的界面處還發現了金屬間化合物層和裂縫，其厚度為 2μm。在包含 Fe4Al13，Fe2Al5 和 FeAl3 相的金屬間層中形成新相。通過維氏硬度試驗和拉伸試驗方法研究了焊接接 頭的機械性能。結果，不銹鋼，焊縫和金屬間層中的硬度的平均值分別為 218HV， 79HV 和 411HV。最大抗拉強度達到 226.5 Mpa，斷裂位置發生在焊接釬焊表面。 關鍵字：鎢極惰性氣體工藝，攪拌摩擦焊工藝，填充金屬，DP800 鋼金屬間化合物層， 微觀結構，機械性能，熱循環。 V Study on the Welding Features of the Weld Joint between Aluminum Alloy to Stainless Steel and Aluminum Alloy to Dual Phase Steel by Using TIG and Friction Stir Welding Student: Van Nhat Nguyen Advisor: Shyh-Chour Huang Department of Mechanical Engineering National Kaohsiung University of Science and Technology Abstract Due to the advantages such as light weight, corrosion resistance and high oxidation resistance, the connection between aluminum alloys and stainless steel, aluminum alloys and dual phase steel has used more widely in industrial applications.

However, to weld the metal together, there are still many challenges. Such as, the melting point of steel is much larger than that of aluminum, the difference in mechanical properties and chemical composition. Especially at the interface between the stainless steel and weld seam easily form an intermetallic compound (IMC) layer brittle and cracks. These problems will have a negative impact on the strength of the joint and the quality of the weld.

To prevent the formation and development of the IMC layer and the formation of defects improving the quality of the welding joint, it is necessary to have a proper welding method and set of welding parameters. In this study, Friction Stir Welding (FSW) and Tungsten Inert Gas (TIG) welding were used VI to weld Aluminum AA6351/DP800 steel and aluminum A6061-T6/SUS304L steel, respectively. Lap joint between AA6351 to DP800 steel was carried out successfully by a friction stir welding method. The scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) technique was utilized to investigate the microstructural characteristics of the weld.

The survey results showed that at the interface between steel and aluminum alloy have appeared intermetallic compound layer with a thickness less than of 7μm, and the phases exist in IMC layer includes Al3Fe, Fe3Al, and Al2Fe phases. Thermal cycles were also examined to show the relationship between the distributions of temperature with the formation of the intermetallic layer. The characteristics of Butt joint between aluminum and steel by using TIG welding with ER4047 filler metal were analyzed. The optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-Ray diffraction (EDS) have been done to demonstrate the microstructure of the weld.

Test results illustrated that the appearance of the weld good, no defects, and the heat-affected zone is very small. Further, an intermetallic compound layer and cracks was also found at the interface between the steel and the welding seam, its thickness of 2 µm. The new phases formed in an intermetallic layer comprising Fe4Al13, Fe2Al5, and FeAl3 phases. The mechanical properties of the welded joint have been explored by means of a Vickers hardness test and tensile test method.