Science and Technology of Welding and Joining

An investigation has been carried out of the effects of tool probe shape and size on the formation of surface composite by uniformly distributing SiC particles into a surface layer of an A1050-H24 aluminium plate through friction stir processing (FSP). Tool probes of three different diameters (3, 5 and 7 mm) and four different shapes (circular with threads, circular without threads, square and triangular) have been used to fabricate the surface layers at rotation speeds of 1500–2250 rev min⁻¹ and a travelling speed of 1·66 mm s⁻¹. The SiC particles were packed into a groove of 3 mm width and 1·5 mm depth cut on the aluminium plate and covered by an aluminium sheet of 2 mm thickness. A rotating tool was plunged into the plate through the cover sheet so that the tip of the probe reached beyond the bottom of the groove. As a result, it was found that the square probe dispersed the SiC particles homogeneously in the nugget zone compared with other probe shapes regardless of the rotation speeds. Furthermore, the distributed particles and also the aluminium matrix grain size became finer by the use of square probe than those of the other shapes. On the other hand, the wear rates of the square and triangular probes were higher than that of circular shape. The worn iron debris from the tool reacted with aluminium matrix and form fine iron aluminides compound dispersed in the nugget zone. The probe size had limited effects on the homogeneity of the SiC particles distribution in the nugget zone; the distribution of SiC particles obtained by triple FSP passes was less homogeneous when the probe size was smaller. Microhardness of the nugget zone was homogeneously increased to a level as high as 60 HV with tool of square probe shape after three passes to be compared with 23 HV of the aluminium matrix beside the nugget zone.

Trong nghiên cứu hiện tại, một nỗ lực đã được thực hiện để nối hai hợp kim kim loại nhẹ khác nhau, đang trở nên quen thuộc trong ngành công nghiệp ô tô, tức là hợp kim nhôm AA5083 và hợp kim magiê AZ31, bằng quy trình hàn chấm khuấy. Các mối hàn chồng đã được thực hiện với các thông số hàn khác nhau, và các cấu trúc vi mô tại giao diện và khả năng cắt chéo của các mối hàn này đã được kiểm tra. Hàn chấm khuấy đã tạo ra các mối hàn không có khuyết tật, mặc dù có một lớp giao diện dày chủ yếu được tạo thành từ các hợp chất bimetallic. Độ dày của lớp giao diện dường như không ảnh hưởng đến khả năng cắt chéo của mối hàn, trong khi sự phân bố của các hợp chất bimetallic trong lớp giao diện có ảnh hưởng đến điều này. Các yếu tố cấu trúc vi mô của giao diện chi phối khả năng cắt chéo của mối hàn đã được xem xét.

Lớp hợp kim giữa trong mối hàn-brazing TIG không giống nhau giữa hợp kim nhôm và thép không gỉ đã được nghiên cứu. Một lớp hợp kim giữa với độ dày không đồng nhất đã hình thành tại giao diện mối hàn/thép, và tổng độ dày của toàn bộ lớp này nhỏ hơn 10 μm. Giao diện với kim loại hàn Al–12Si bao gồm lớp τ ₅-Al₈Fe₂Si ở phía mối hàn và lớp θ-(Al,Si)₁₃Fe₄ ở phía thép với giá trị độ cứng tương ứng là 1025 và 835 HV. Trong khi đó, giao diện với mối hàn Al–6Cu bao gồm lớp θ-Al₁₃(Fe,Cu)₄ có độ cứng 645 HV. Độ bền kéo trung bình của mối nối với kim loại hàn Al–12Si là 100–120 MPa, và sự gãy mẻ xảy ra tại lớp θ-(Al,Si)₁₃Fe₄, trong khi mối nối với kim loại hàn Al–6%Cu thể hiện độ chống nứt cao với độ bền kéo từ 155–175 MPa, đạt hơn 50% sức mạnh của kim loại cơ bản nhôm.

Trong bài báo hiện tại, một nỗ lực đã được thực hiện để liên kết giữa điều khiển quá trình hàn trục khuỷu bằng ma sát (FSW) và các biến phản hồi. Nhiều điểm tương đồng đáng kể giữa các mối quan hệ giữa mô-men xoắn, kích thước hạt hàn, lực trên trục x và tốc độ quay của dụng cụ đã được làm rõ cho ba loại hợp kim nhôm khác nhau. Việc so sánh công việc thực nghiệm với các kết quả từ mô phỏng quá trình cho thấy rằng trong mỗi trường hợp, một giới hạn nhiệt độ đã đạt được vượt qua giá trị tới hạn nào đó của tốc độ quay dụng cụ. Một phương pháp đơn giản để ước tính biến dạng và tốc độ biến dạng trong các mối hàn trục khuỷu bằng ma sát đã được trình bày. Độ căng chảy trong quá trình FSW được tính toán từ các giá trị mô-men xoắn đo được và được phân tích liên quan đến độ căng chảy của hợp kim nhôm đo được qua các thử nghiệm xoắn và kéo tiêu chuẩn ở nhiệt độ cao. Kết quả cho thấy có thể rằng điều kiện ma sát bám không phải lúc nào cũng áp dụng trong quá trình FSW (trên toàn bộ hoặc một phần của dụng cụ) hoặc rằng, trên một tốc độ quay dụng cụ tới hạn, tiếp xúc được bôi trơn không liên tục xảy ra do sự nóng chảy cục bộ trong vùng quá trình hàn.

Hàn chấm, đặc biệt là hàn chấm điện trở (RSW), là một quy trình nối quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô. Sự phát triển của các loại thép siêu cường độ cao cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô đi kèm với thách thức là hiểu rõ hơn về kim loại học vật lý và cơ học của các vật liệu này trong quá trình RSW. Bài báo này xem xét một cách phê phán hiểu biết cơ bản về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất trong các mối hàn chấm thép ô tô. Điểm chú ý là các đặc tính kim loại học, sự tương quan giữa độ cứng và vi cấu trúc, sự chuyển đổi giữa các chế độ hỏng liên kết và kéo ra, cũng như hiệu suất cơ học của các mối hàn chấm thép dưới các điều kiện tải trọng tĩnh gần, mệt mỏi và va đập. Một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về hàn chấm bằng quay ma sát, như một sự thay thế cho RSW, cũng được bao gồm.

Bài báo đề cập đến mối quan hệ giữa quá trình, cấu trúc vi mô và hiệu suất trong hàn điểm điện trở của thép martensitic có độ bền cao tiên tiến. Hiện tượng làm mềm đáng kể đã được quan sát thấy trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) do sự hình thành ferrite dị biến trong HAZ giữa các giai đoạn nhiệt, và sự tôi của martensite trong HAZ dưới ngưỡng nhiệt (SCHAZ), với yếu tố sau đóng vai trò quan trọng hơn trong các tính chất cơ học của mối hàn điểm. Sự tập trung biến dạng liên quan đến hiện tượng làm mềm HAZ thúc đẩy quá trình khởi phát sự cố pullout từ SCHAZ mềm. Trong khi đó, tải trọng cực đại trong chế độ hỏng interface chịu ảnh hưởng bởi kích thước vùng fusion, thì chế độ pullout lại bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự làm mềm HAZ. Để cải thiện khả năng hàn của các thép martensitic, cần phải giảm thiểu hiện tượng làm mềm HAZ thông qua các thay đổi trong quy trình hàn hoặc hóa học của thép.

Công trình hiện tại tập trung vào vi cấu trúc và tính chất cơ học của mối hàn chóp điện trở tương tự và không tương tự của thép cacbon thấp (LCS) và thép pha đôi (DP600). Các mối tương quan giữa kích thước vùng hóa lỏng quan trọng cần thiết để đảm bảo chế độ hỏng kéo ra, vi cấu trúc mối hàn và đặc điểm độ cứng của mối hàn đã được phát triển. Các mối hàn chóp không tương tự DP600/LCS cho thấy xu hướng thấp nhất để xảy ra chế độ hỏng giao diện. Các ảnh hưởng của các thuộc tính vật lý của mối hàn và vi cấu trúc mối hàn đối với tải trọng tối đa và khả năng hấp thụ năng lượng của các mối hàn chóp điện trở tương tự và không tương tự DP600/LCS được phân tích.

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm phát triển các kim loại hàn bậc thang dựa trên bạc không chứa cadmium, đáp ứng các yêu cầu sau: Thứ nhất, chúng phải có điểm nóng chảy thấp hơn so với kim loại hàn BAg-1. Thứ hai, chúng không chỉ cần có đặc tính ướt tốt và khả năng tạo ra mối hàn vững chắc với tính chất cơ học xuất sắc mà còn cần có khả năng định hình dẻo. Bằng cách sử dụng các sơ đồ pha tính toán trên hợp kim hệ Ag–Cu–Zn–Sn, các tác giả đã chọn lựa một số hợp kim với khả năng đáp ứng các yêu cầu nêu trên. Điểm nóng chảy và các thuộc tính khác, chẳng hạn như độ cứng và khả năng hàn của các hợp kim đã chọn, đã được đánh giá. Kết quả cho thấy, các tác giả đã phát triển thành công các kim loại hàn bậc thang dựa trên bạc có điểm nóng chảy thấp dưới 600°C và đáp ứng các yêu cầu nêu trên bằng cách thêm một lượng nhỏ indium như một nguyên tố hợp kim vào hợp kim hệ Ag–Cu–Zn–Sn. Các kim loại hàn bậc thang mới phát triển có đặc tính ướt hơi kém hơn so với BAg-1; tuy nhiên, kim loại hàn bậc thang chứa khoảng 3% khối lượng nguyên tố indium cho thấy đặc tính ướt tương đương với BAg-1. Hơn nữa, các kim loại hàn bậc thang mới có thể tạo ra các mối hàn có độ bền kéo cao tương đương khoảng 83% so với mối hàn sử dụng BAg-1.

Nứt nóng trong hàn là một hiện tượng phức tạp do sự tác động qua lại giữa quá trình hàn, kim loại học và tải trọng cơ học. Một phương pháp tiếp cận dựa trên mô phỏng quá trình, dự đoán cấu trúc vi mô đơn giản và mô hình áp suất dọc theo các hạt cột được phát triển nhằm tích hợp tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến nứt nóng. Mô hình dựa trên một số phát triển của Rappaz, Drezet và Gremaud và xem xét ảnh hưởng của hình thái hạt, tải trọng cơ học và nhiệt trong hàn đối với nứt nóng. Mô hình dựa trên hành vi cấu trúc vi mô có khả năng dự đoán vị trí xuất hiện nứt trong các hạt cột của hợp kim nhôm 6061.

Sự mòn nhanh chóng của điện cực là mối quan tâm chính trong quá trình hàn điểm điện trở của các loại thép được mạ kẽm. Tuổi thọ của điện cực trong những trường hợp như vậy chịu ảnh hưởng lớn từ các phản ứng hợp kim liên tục xảy ra giữa kẽm lỏng tự do và các điện cực đồng. Nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc sử dụng điện cực hợp chất có thể nâng cao đáng kể tuổi thọ hiệu quả của điện cực. Các điện cực hợp chất được chế tạo bằng cách giới thiệu một chèn tungsten ở đầu của các điện cực mặt phẳng tròn thông thường. Hiệu suất của các điện cực mới này đã được nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm trong quá trình hàn đa điểm. Quan sát cho thấy rằng các điện cực có đầu chèn hợp chất chỉ có thể cung cấp tuổi thọ điện cực vượt trội cho một kích thước chèn nhỏ. Một mô phỏng số dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn cũng được thực hiện đồng thời. Kết quả của phép tính số cũng chỉ ra rằng thiết kế tối ưu của điện cực có đầu chèn hợp chất phụ thuộc vào kích thước của chèn.