Corrosionbox 400e Cofomegra công cụ nghiên cứu thử nghiệm ăn mòn

Mục lục bài viết

1 Tóm tắt
2 Tại Việt Nam:

Corrosionbox 400e Cofomegra công cụ nghiên cứu thử nghiệm ăn mòn

Corrosionbox 400e Cofomegra công cụ mới cho nghiên cứu thử nghiệm ăn mòn

“Nghiên cứu về tính chất ăn mòn, cấu trúc và cơ học của các mối hàn hợp kim EN AW-6082 và EN AW-7075.”

Tóm tắt

Mục đích của nghiên cứu là kiểm tra các mối hàn của hợp kim nhôm EN AW-7075 và EN AW-6082, được sử dụng để nối các cấu kiện kết cấu riêng lẻ của thân xe, ví dụ như trụ B với thân xe. Các mối hàn được thực hiện bằng phương pháp hàn hồ quang chuyển kim loại nguội năng lượng thấp (CMT). Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu cấu trúc của các mối hàn chồng và mối hàn giáp mí, cũng như các thử nghiệm về tính chất cơ học. Ảnh hưởng của năng lượng tuyến tính và cách bố trí vật liệu trong các mối hàn chồng đến khả năng xuất hiện các vết nứt nóng đã được chứng minh. Độ bền cắt của các mối hàn chồng bằng 150 MPa, trong khi độ bền kéo của các mối hàn giáp mí bằng 375 MPa. Độ giảm độ cứng cao nhất được quan sát thấy ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) từ phía hợp kim EN AW-7075 trong khoảng từ 98 đến 138 HV 0,05. Ngoài ra, kết quả cho thấy sự suy giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn ở vùng chuyển tiếp giữa vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và vật liệu nền (hợp kim EN AW-7075) trong môi trường có độ mặn trung bình, tương ứng với điều kiện biển theo tiêu chuẩn ASTM G85.

Giới thiệu

Việc ứng dụng các tấm hợp kim nhôm trong cấu tạo thân xe ngày càng trở nên phổ biến. Đây không chỉ là xu hướng ở châu Âu mà còn là xu hướng toàn cầu do các chỉ thị và quy định thân thiện với môi trường mới được ban hành, bao gồm, ví dụ, việc giảm phát thải CO2 [ 1 ] và các chất gây ô nhiễm khác (HC, NOx, PM và các hạt vật chất) phát sinh từ quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ xăng và diesel [ 2 ]. Việc giảm tổng trọng lượng của xe bằng cách sử dụng hợp kim kim loại nhẹ trong cấu tạo là một trong những yếu tố chính có tác động trực tiếp đến việc giảm phát thải khí thải. Hiện nay, các công ty ô tô hàng đầu cung cấp các loại xe, chủ yếu là xe hạng sang, có thân và vỏ xe được làm gần như hoàn toàn bằng hợp kim nhôm. Việc thay thế một số bộ phận được làm bằng các loại thép cường độ cao, ví dụ như thép boron-mangan, được thiết kế để cung cấp độ cứng và độ bền cao cho các bộ phận cấu tạo, bằng hợp kim kim loại nhẹ là một thách thức công nghệ lớn. Ví dụ, trụ B, thay vì thép, cũng có thể được làm bằng hợp kim nhôm cường độ cao EN AW-7075 [ 3 ]. Tuy nhiên, việc áp dụng giải pháp như vậy gây ra những khó khăn đáng kể trong công nghệ lắp ráp, đặc biệt là trong các phương pháp hàn. Hợp kim này có khả năng hàn rất hạn chế, điều này loại trừ khả năng sử dụng các phương pháp hàn thông thường [ 4 ].

Khả năng hàn của hợp kim nhôm dòng 7xxx bị hạn chế bởi chất phụ gia hợp kim Cu với lượng vượt quá 1 wt%. Nó gây ra các vết nứt nóng trong mối hàn hoặc vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) do kim loại nóng chảy và trộn lẫn với kim loại phụ trong quá trình hàn, sử dụng các phương pháp thông thường như hàn khí trơ kim loại (MIG) hoặc hàn khí trơ vonfram (TIG) [ 5 , 6 , 7 ]. Các phương pháp này được thực hiện với năng lượng tuyến tính cao, ảnh hưởng đến mức độ trộn lẫn kim loại tương đối cao, do đó làm tăng nguy cơ nứt nóng. Hơn nữa, quá trình năng lượng cao gây ra sự hình thành cấu trúc dendrit trong HAZ, dẫn đến giảm đáng kể các tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn của các hợp kim này [ 8 ]. Các phương pháp hiện đại như hàn chùm tia laser hoặc hàn laser/hồ quang kim loại khí (GMA) lai cũng có những hạn chế đáng kể trong trường hợp này. Lý do là mật độ công suất cao của chùm tia laser tích hợp, so với các phương pháp hàn hồ quang, làm tăng nguy cơ nứt nóng và gây ra hiện tượng bay hơi kim loại mạnh, từ đó tạo ra nhiều lỗ khí [ 9 ]. Các mối nối có tính chất cơ học tốt và chất lượng cao của hợp kim nhôm 7xxx có thể được tạo ra bằng quy trình hàn ma sát, đặc biệt là hàn ma sát khuấy (FSW) [ 10 , 11 , 12 ]. Hơn nữa, Umar et al. [ 13 ] mô tả rằng quy trình FSW cho phép tạo ra các mối nối chất lượng tốt không chỉ đối với các tấm hợp kim nhôm EN AW 6082 mà còn đối với các vật liệu composite AA6082/ZrO/BC đúc. Cũng có những nỗ lực kết nối bằng cách sử dụng các phương pháp hàn năng lượng thấp, chẳng hạn như chuyển kim loại nguội (CMT) [ 14 , 15 ].

Trong nghiên cứu này, phương pháp CMT năng lượng thấp được sử dụng để tạo ra các mối hàn. Đây là một sửa đổi của quy trình hàn GMA, giúp giảm đáng kể lượng nhiệt đưa vào vùng hàn. Điều này đạt được nhờ quá trình chuyển kim loại trong hồ quang ngắn bằng cách sử dụng công nghệ cấp dây chuyển động tịnh tiến (RWF) [ 16 , 17 ]. Lượng nhiệt đưa vào được kiểm soát bằng cách chọn các thông số hàn thích hợp giúp có thể thu được các mối hàn hợp kim nhôm EN AW-7075 mà không bị nứt nóng [ 14 ].

Vật liệu và Phương pháp Thử nghiệm

Trong nghiên cứu này, các tấm thân xe làm bằng hợp kim nhôm EN AW-6082 và EN AW-7075 được hàn bằng kim loại phụ S Al 5183 (AlMg4.5Mn0.7). Quá trình hàn được thực hiện trên thiết lập robot sử dụng phương pháp CMT. Nguồn điện hàn của Fronius, model TransPuls Synergic 3200 CMT (Fronius GmbH, Thượng Áo, Wels, Áo) đã được sử dụng. Các thử nghiệm được thực hiện theo cách tương tự như mô tả trong [ 14 ], với sự khác biệt là sử dụng kim loại phụ có tính chất cơ học tốt hơn để tạo ra các mối nối. Thử nghiệm đầu tiên được thực hiện với cấu hình sau: EN AW-7075 ở trên và EN AW-6082 ở dưới. Thứ hai, thứ tự được đảo ngược. Wojdat et al. [ 14 ] chỉ ra rằng cấu hình vật liệu khác nhau đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự xuất hiện của các vết nứt nóng trong các mối nối chồng. Với các thông số được lựa chọn phù hợp của quy trình CMT cung cấp năng lượng tuyến tính thấp, các vết nứt nóng không xảy ra khi hợp kim EN AW-7075 được nấu chảy từ bề mặt phía trước, tức là trong các mối nối giáp mí và chồng lên nhau ở vị trí “lên”. Trong cấu hình ngược lại, các vết nứt chỉ không xảy ra đối với các thông số tối thiểu đảm bảo tính ổn định của quy trình [ 14 ]. Thành phần hóa học của vật liệu cơ bản, được đo bằng máy phân tích huỳnh quang tia X Fischerscope X-ray XDL-B (Fischer GmbH, Achern, Badenia-Wirtembergia, Đức), được trình bày trong Bảng 1 so với phạm vi nồng độ nguyên tố theo tiêu chuẩn [ 18 , 19 ].

Bảng 1. Thành phần hóa học của vật liệu nền và kim loại phụ.

Các mối nối được tạo ra trên một thiết lập tự động hóa để có được các điều kiện hàn lặp lại và tạo ra các mối nối với các thông số quy trình rất giống với những thông số được mô tả trong [ 14 ]. Tốc độ hàn không đổi và bằng 100 cm/phút. Các thông số khác thay đổi tùy thuộc vào tốc độ cấp dây, được thay đổi trong khoảng từ 6,5 đến 7,5 m/phút. Do đó, dòng điện nằm trong khoảng 140–165 A và điện áp hồ quang là 15,1–16,3 V. Năng lượng tuyến tính hàn (lượng nhiệt đầu vào) bằng 1,0–1,3 kJ/mm. Các thông số hàn được thực hiện theo đường cong hiệp đồng của nguồn điện CMT. Khí argon tinh khiết 4,5 (99,995% Ar) được sử dụng làm khí bảo vệ.

Các mối nối cho các thử nghiệm được tạo ra bằng cách hàn các tấm nhôm có độ dày 3 mm và kích thước 100 × 250 mm với nhau, được bố trí chồng lên nhau 10 mm dọc theo cạnh dài hơn. Mỏ hàn được đặt ở góc 45° ( Hình 1a ) đối với các mối nối chồng và 90° đối với các mối nối giáp mí ( Hình 1b ). Sau đó, các mẫu được cắt ra từ chúng để nghiên cứu các đặc tính vi mô và cơ học ( Hình 1a ). Cùng một bộ mẫu được tạo ra cho các thử nghiệm khả năng chống ăn mòn. Như đã được chỉ ra trong [ 14 ], trong trường hợp các mối nối giáp mí, vết nứt xảy ra trong vật liệu nền có độ bền thấp hơn (hợp kim EN AW-6082) ở độ bền kéo trung bình bằng 258 MPa. Vì lý do này, các mối nối giáp mí được tạo ra bằng cách nối hai tấm hợp kim EN AW-7075 với nhau. Mục đích là để xác định cơ chế gãy và độ bền kéo của các mối nối được tạo ra bằng kim loại phụ có độ bền cơ học cao hơn.

Hình 1. Phương pháp hàn các mối nối chồng ( a ) và mối nối giáp mí ( b ) cùng với phương pháp lấy mẫu để thử nghiệm ( a ): 1. Thử nghiệm cấu trúc kim loại, 2. Thử nghiệm các tính chất cơ học (thử nghiệm cắt tĩnh), 3. Mẫu bổ sung, 4. Phế liệu (25 mm).

Cấu trúc của các mối hàn được đánh giá bằng kính hiển vi quang học (LM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các mẫu cắt ra từ các mối nối chồng được thử nghiệm cắt tĩnh, trong khi các mẫu từ các mối nối giáp được thử nghiệm kéo tĩnh, và sau đó các vết nứt thu được được đánh giá. Ngoài ra, các phép đo độ cứng được thực hiện bằng phương pháp Vickers ở các vùng riêng biệt của mối hàn, bao gồm: Vật liệu cơ bản (BS), vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), vùng nhiệt (HZ) và mối hàn. Tất cả các nghiên cứu được thực hiện theo các tiêu chuẩn hiện hành [ 20 , 21 , 22 , 23 ].

Ảnh hưởng của quá trình hàn đến khả năng chống ăn mòn của các mối hàn tấm nhôm EN AW-6082 và EN AW-7075 đã được thử nghiệm trong phụ lục A3-SWAAT của ASTM G85 (SWAAT – Sea Water Acetic Acid Test / thử nghiệm axit axetic trong nước biển). Thử nghiệm SWAAT là một thử nghiệm ăn mòn sử dụng muối biển tổng hợp thay vì natri clorua truyền thống. Dung dịch sau đó được axit hóa bằng axit axetic băng. Thử nghiệm được thực hiện trong điều kiện gọi là đáy ướt. Độ pH của dung dịch muối phải nằm trong khoảng 2,8–3,0. Nhiệt độ của tháp bão hòa (tháp sủi bọt) phải được duy trì ở mức 47 ± 1 °C nếu nhiệt độ trong buồng muối là 35 °C và 57 ± 1 °C nếu nhiệt độ trong buồng muối là 49 °C. Chu kỳ thử nghiệm SWAAT là 30 phút phun nước tiếp theo là 90 phút ngâm ở độ ẩm tương đối 98% (RH). Thời gian thử nghiệm SWAAT là 20 ngày. Các mẫu được chuẩn bị theo cách tương tự như thể hiện trong Hình 1. Thử nghiệm SWAAT được thực hiện bằng cách sử dụng Corrosionbox 400e (Cofomegra, Milano, Ý).

Kết quả và thảo luận

3.1. Các thử nghiệm luyện kim

Việc quan sát mẫu ở độ phóng đại thấp được thực hiện bằng kính hiển vi quét ánh sáng Keyence VHX1000 (Keyence, Osaka, Nhật Bản). Các thử nghiệm trực quan được thực hiện sau quá trình hàn cho thấy một lượng đáng kể các hạt bắn tóe nhỏ trong vùng hàn rất gần mối hàn ( Hình 2a ). Những khuyết điểm như vậy không xảy ra trong quá trình hàn khi sử dụng kim loại phụ S Al 4047 ( Hình 2b ). Nghiên cứu về cấu trúc của các mối nối tương tự, nhưng được hàn bằng các kim loại phụ khác nhau (S Al 4047), đã được mô tả trong [ 14 ] bởi Wojdat et al.

Hình 2. Các mối hàn chồng bằng các kim loại phụ khác nhau: S Al 5183 ( a ) và S Al 4047 ( b ): 1. Hợp kim EN AW-7075, 2. Hợp kim EN AW-6082, 3. Mối hàn S Al 5183, 4. Mối hàn S Al 4047, 5. Các hạt bắn tóe.

Các nghiên cứu về cấu trúc vi mô bằng kính hiển vi điện tử quét được thực hiện trên máy Tescan Vega3 (Tescan, Brno-Kohoutovice, Cộng hòa Séc). Quan sát được thực hiện dưới các electron tán xạ ngược (BSE). Trong cấu trúc vi mô của các mối nối giáp mí và mối nối chồng, trong đó hợp kim EN AW-7075 nằm ở vị trí trên và được nung chảy từ bề mặt phía trước ( Hình 3a ), những thay đổi trong cấu trúc (sự phát triển hạt đáng kể) trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể nhìn thấy ( Hình 3b ).

Hình 3. Đường nóng chảy giữa mối hàn và hợp kim EN AW-7075 nóng chảy từ bề mặt phía trước trong mối nối chồng ( a ) và sự phát triển hạt đáng kể trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của hợp kim EN AW-7075 ( b ): 1. mối hàn, 2. HAZ từ phía hợp kim EN AW-7075.

Tuy nhiên, có thể nhận thấy sự khác biệt đáng kể trong cấu trúc của các mối nối chồng được thực hiện theo cấu hình ngược. Bất kể các thông số hàn, các mối nối đều xuất hiện các vết nứt nóng lan rộng từ mép tấm kim loại (hợp kim EN AW-7075) dọc theo đường nóng chảy ( Hình 4 ). Kết quả là, việc hàn hợp kim EN AW-7075 bằng que hàn S Al 5183 chỉ có thể thực hiện được khi nó được nung chảy từ bề mặt phía trước.

Hình 4. Các vết nứt nóng trong mối hàn chồng – các vết nứt nóng lan rộng từ mép tấm kim loại dọc theo đường nóng chảy: Kính hiển vi quang học ( a , b ) và SEM ( c ): 1. mối hàn, 2. hợp kim nhôm EN AW-7075, 3. các vết nứt nóng.

Từ phía hợp kim EN AW-6082, bất kể nó được nung chảy từ bề mặt phía trước (mối hàn giáp mí và mối hàn chồng trong đó nó nằm ở vị trí trên của mối hàn ( Hình 5a )) hay trong cấu hình ngược lại trong đó nó nằm ở đáy của mối hàn chồng ( Hình 5b ), không có sự thay đổi rõ rệt nào về cấu trúc được quan sát thấy trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Mối hàn cho thấy một đường nóng chảy rõ ràng trong vùng chuyển tiếp giữa mối hàn và hợp kim EN AW-6082.

Hình 5. Cấu trúc vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong mối nối chồng từ phía hợp kim EN AW-6082 bị nóng chảy từ bề mặt trước ( a ) và mối nối cấu hình ngược lại ( b ): 1. mối hàn, 2. hợp kim EN AW-6082.

Cấu trúc mối hàn (trong phạm vi nồng độ lên đến khoảng 35 wt% Mg [ 24 ]) là hỗn hợp eutectic của dung dịch α với dung dịch rắn thứ cấp β ( Hình 6 ). Do đó, cấu trúc vi mô của mối hàn bao gồm dung dịch rắn α (nền sáng) và kết tủa pha β (các điểm tối). Trên ảnh điện tử tán xạ ngược (BSE), có thể quan sát thấy các kết tủa pha β xuất hiện ở ranh giới hạt của dung dịch rắn α .

Hình 6. Ảnh điện tử tán xạ ngược (BSE) của dung dịch rắn hàn α (nền sáng) và kết tủa pha β (các chấm tối).

3.2. Thử nghiệm các tính chất cơ học

Thử nghiệm cắt tĩnh của các mối nối chồng và thử nghiệm kéo tĩnh của các mối nối đối đầu được thực hiện trên máy thử nghiệm Zwick/Roell Zmart-PRO (Zwick-Roell GmbH, Baden-Württemberg, Ulm, Đức). Các mẫu thử nghiệm được chuẩn bị theo hướng dẫn của tiêu chuẩn [ 21 ]. Chúng có chiều rộng 25 mm ở phần đo và 37 mm ở phần kẹp ( Hình 7 ). Hơn nữa, các mối nối chồng được đặt trong kẹp máy bằng cách sử dụng các miếng chèn khoảng cách thích hợp, do trạng thái ứng suất không theo trục. Tốc độ kéo bằng 2 mm/phút.

Hình 7. Hình dạng và kích thước của các mẫu dùng cho: ( a ) Thử nghiệm cắt tĩnh (mối nối chồng) và ( b ) thử nghiệm kéo (mối nối đối đầu).

Bảng 2 trình bày kết quả thử nghiệm cắt tĩnh của các mối nối chồng không đồng nhất giữa hợp kim EN AW-6082 và EN AW-7075 với hai cấu hình khác nhau, cũng như kết quả thử nghiệm kéo tĩnh của các mối nối giáp mí được tạo ra bằng cách ghép hai tấm hợp kim EN AW-7075 lại với nhau . Đối với mỗi loại mối nối, sáu bộ mẫu đã được chuẩn bị.

Bảng 2. Kết quả thử nghiệm cắt tĩnh (mối nối chồng) và kéo (mối nối giáp mí) của các mối hàn.

Cơ chế phá hủy mối nối chồng trong thử nghiệm cắt tĩnh đối với các mối nối, trong đó hợp kim EN AW-7075 ở vị trí hướng lên, xảy ra ở mối nối ngay cạnh đường nóng chảy vào vật liệu nền ( Hình 8a ). Độ bền cắt trung bình của các mối nối như vậy cao hơn 150 MPa. Như được mô tả trong [ 14 ], độ bền cắt của các mối nối tương tự được tạo ra bằng cách sử dụng kim loại phụ khác (S Al 4047) thấp hơn khoảng 40% và đạt mức trung bình là 110 MPa.

Hình 8. Ví dụ về sự gãy vỡ của các mối hàn: Hợp kim nhôm EN AW-7075 ở vị trí trên của mối hàn chồng ( a ), cấu hình ngược của mối hàn chồng ( b ), mối hàn giáp mí ( c ); 1. Hợp kim EN AW-6082, 2. Hợp kim EN AW-7075, 3. mối hàn, 4. sự gãy vỡ.

Đối với cấu hình vật liệu ngược lại, sự phá hủy các mối nối xảy ra do việc tách mối hàn dọc theo đường nóng chảy từ phía hợp kim EN AW-7075 – mối hàn bị xé ra khỏi kim loại nền ( Hình 8b ). Cơ chế phá hủy mối nối này được bắt đầu bằng một vết nứt lan rộng từ mép tấm kim loại dọc theo đường nóng chảy trong hợp kim EN AW-7075. Do đó, độ bền của các mối nối thấp hơn và trung bình bằng 105 MPa.

Như được thể hiện trong [ 14 ], sự phá hủy các mối nối giáp mí xảy ra ở vật liệu nền có tính chất cơ học thấp hơn (hợp kim EN AW-6082), và độ bền kéo trung bình bằng 258 MPa. Do đó, có thể dự đoán kết quả tương tự nếu các mối nối được thực hiện bằng kim loại phụ có độ bền cao hơn (S Al 5183). Vì lý do này, các mối nối giáp mí chỉ được thực hiện cho hợp kim EN AW-7075. Trong trường hợp này, vết nứt nằm ở mối hàn ngay cạnh đường nóng chảy vào vật liệu nền ( Hình 8c ), và độ bền kéo trung bình bằng 375 MPa. Độ bền thấp hơn nhiều của các mối nối chồng là do trạng thái ứng suất phức tạp xảy ra trên mối nối trong quá trình chịu lực cắt kéo, trong đó ngoài lực cắt còn có mômen uốn.

Bolewski et al. [ 7 ] trình bày kết quả kéo giãn các mối hàn được thực hiện bằng phương pháp MIG-Puls và kim loại phụ S Al 4043. Độ bền của các mối hàn như vậy trung bình là 250 MPa, và cơ chế gãy nằm ở mối hàn. Pfeifer et al. [ 15 ] mô tả rằng độ bền kéo của các mối hàn nối EN AW-7075 được thực hiện bằng phương pháp CMT và kim loại phụ S Al 2319 (AlCu6MnZrTi) nằm trong khoảng 285–305 MPa. Cơ chế gãy cũng nằm ở mối hàn.

Các phép đo độ cứng vi mô của các mối hàn được thực hiện bằng phương pháp Vickers, theo tiêu chuẩn EN ISO 6507-1 [ 22 ], sử dụng Máy đo độ cứng vi mô Vickers HVS-1000 của Sinwon (Sinowon, thành phố Đông Quan, tỉnh Quảng Đông, Trung Quốc). Độ cứng vi mô Vickers cũng được đo ở các vùng riêng lẻ của mối hàn (vật liệu nền (BS), vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), vùng nhiệt (HZ) và mối hàn), năm phép đo được thực hiện ở mỗi vùng. Do chiều rộng nhỏ của HAZ và HZ, tải trọng của đầu đo bằng 0,49 N. Kết quả đo độ cứng vi mô Vickers được thể hiện trong Bảng 3 .

Bảng 3. Kết quả đo độ cứng vi mô Vickers tại từng vùng của mối hàn.

Độ cứng cao nhất, bất kể loại mối hàn nào, được tìm thấy ở hợp kim nhôm EN AW-7075 và đạt trung bình 138,3 HV 0,05. Trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), ở phía hợp kim EN AW-7075, độ cứng giảm đáng kể, nằm trong khoảng 98–128 HV 0,05, giảm dần về phía vùng ảnh hưởng nhiệt (HZ). Nguyên nhân của sự giảm độ cứng đáng kể trong HAZ là do sự thay đổi cấu trúc (tăng trưởng hạt đáng kể), điều này đã được chứng minh trong các thử nghiệm luyện kim. Độ cứng trong mối hàn đạt trung bình 105,7 HV 0,05. Trong vùng chuyển tiếp từ phía hợp kim EN AW-6082, độ cứng tương tự như độ cứng của hợp kim EN AW-6082, đạt trung bình 80,6 HV 0,05. Các giá trị trình bày ở trên là giá trị trung bình thu được từ các phép đo trên tất cả các mối hàn.

Như được trình bày trong [ 14 ], trong các mối nối được tạo ra bằng cách sử dụng kim loại phụ S Al 4047, sự phân bố độ cứng trong các vùng riêng lẻ của mối nối rất giống nhau. Sự khác biệt nằm ở độ cứng của mối hàn, độ cứng trung bình là 94 HV 0,05. Kết quả được trình bày trong [ 8 ], trong đó độ cứng HAZ trong hợp kim EN AW-7075 nằm trong khoảng 110–120 HV. Một sự khác biệt đáng kể xảy ra ở vật liệu nền, trong đó nó nằm trong khoảng 180–190 HV và là kết quả của mức độ tôi cứng khác nhau của hợp kim EN AW-7075. Trong các thử nghiệm này, hợp kim EN AW-7075 được hàn ở trạng thái tôi cứng T4, và trong [ 8 ] ở trạng thái tôi cứng T6.

3.3. Thử nghiệm ăn mòn

Các thử nghiệm ăn mòn được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM G85, sử dụng thiết bị Corrosionbox 400e (Cofomegra, Milano, Ý). Các nghiên cứu đã xác nhận sự suy giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim EN AW-7075 so với hợp kim EN AW-6082. Hơn nữa, sự xuống cấp đáng kể của hợp kim EN AW-7075 trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) đã được phát hiện ở khu vực xảy ra những thay đổi cấu trúc do chu kỳ nhiệt hàn. Tuy nhiên, điều này không xảy ra ở khu vực có sự thay đổi cấu trúc lớn nhất ngay cạnh mối hàn—ở đường nóng chảy (HZ), mà bắt đầu ở khoảng cách khoảng 1,0 mm từ mối hàn, trong vùng chuyển tiếp giữa HAZ và vật liệu nền (hợp kim EN AW-7075). Hình dưới đây ( Hình 9a ,b) cho thấy một phần của mối hàn được quét trên kính hiển vi quang học, nhưng toàn bộ mối hàn trông tương tự. Trong trường hợp mối nối chồng mà hợp kim EN AW-7075 nằm ở đáy mối nối, hiện tượng ăn mòn rỗ tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) từ phía hợp kim EN AW-7075 có thể nhìn thấy từ phía mối hàn (xem Hình 9a ). Chiều rộng vết rỗ dọc theo toàn bộ chiều dài mối nối dao động từ 2,5–3,8 mm, và độ sâu là 0,7–1,4 mm. Ở phía đối diện của mối nối chồng, trên tấm EN AW-7075, có thể nhìn thấy hai đường ăn mòn rỗ ( Hình 10b ). Hiện tượng này xuyên vào vùng HAZ ở cả hai phía của mối nối, và chiều rộng và độ sâu của các vết rỗ rất giống với những gì có thể nhìn thấy từ phía mối nối. Ở phía chịu tác động của nguồn nhiệt, hiện tượng ăn mòn rỗ xảy ra ở cả hai phía của tấm EN AW-7075, gây ra sự xuống cấp trên gần như toàn bộ tiết diện ( Hình 10c ). Về phía phần chồng lấp, hiện tượng này chỉ xảy ra ở một mặt của tấm EN AW-7075 (từ phía dưới), tiếp xúc trực tiếp với dung dịch SWAAT. Các phép đo được thực hiện bằng các công cụ phần mềm có sẵn trong kính hiển vi quét ánh sáng Keyence VHX1000 (Keyence, Osaka, Nhật Bản). Chúng cho phép thực hiện các phép đo tiêu chuẩn về các đại lượng hình học trên ảnh 2D và 3D.

Hình 9. Mối hàn chồng sau thử nghiệm ăn mòn SWAAT, trong đó hợp kim EN AW-7075 được xếp chồng lên nhau, thể hiện hình chiếu đáy của mặt hàn ( a ), mặt sau ( b ) và mặt cắt ngang ( c ): 1. Hợp kim EN AW-6082, 2. Hợp kim EN AW-7075, 3. Mối hàn, 4. Ăn mòn rỗ.

Hình 10. Mối hàn chồng sau thử nghiệm ăn mòn SWAAT, trong đó hợp kim EN AW-7075 được xếp chồng lên nhau, thể hiện hình chiếu từ trên xuống của mặt hàn ( a ), mặt sau ( b ) và mặt cắt ngang ( c ): 1. Hợp kim EN AW-6082, 2. Hợp kim EN AW-7075, 3. Mối hàn, 4. Ăn mòn rỗ.

Trong mối nối chồng thứ hai được tạo ra cho cấu hình ngược của các tấm nhôm, nơi hợp kim EN AW-7075 được nung chảy từ bề mặt phía trước, cơ chế ăn mòn hơi khác. Từ phía EN AW-7075, hiện tượng ăn mòn rỗ cũng có thể nhìn thấy chạy dọc theo mối hàn ( Hình 10a ). Kích thước của các vết rỗ hình thành tương tự như đã mô tả ở trên. Ở phía bên kia của mối nối, không có vết rỗ nào có thể nhìn thấy dọc theo vùng ảnh hưởng nhiệt ( Hình 10b ). Không có hiện tượng ăn mòn rỗ dạng đường thẳng nào có thể nhìn thấy ở phía bên kia của tấm EN AW-7075 là do sự tiếp xúc của kim loại với dung dịch SWAAT bị giới hạn bởi sự chồng chéo. Trong mối nối giáp mí, tình hình tương tự như hiện tượng ăn mòn rỗ có thể nhìn thấy chạy dọc theo mối nối ở cả hai phía của mối hàn, cả từ mặt và chân mối hàn.

Ngoài các vết rỗ sâu xuất hiện trên tất cả các mẫu hàn, chạy dọc theo mối hàn, trên phía hợp kim nhôm EN AW-7075, bề mặt của toàn bộ tấm kim loại cho thấy các vết rỗ điểm (xem Hình 10 b). Đường kính của các vết rỗ từ 2 đến 6 mm và độ sâu của chúng không vượt quá 0,1 mm. Như đã chỉ ra trong [ 25 ], hiện tượng rỗ điểm tương tự xảy ra trên bề mặt hợp kim EN AW-7075 và các mối hàn đã được quan sát thấy trong các mối nối hàn ma sát khuấy (FSW). Tuy nhiên, không tìm thấy vết rỗ sâu nào trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Các mẫu được ngâm trong dung dịch NaCl 3,5% trong 60 ngày. Hơn nữa, trong [ 26 ], người ta cũng chỉ ra rằng trong trường hợp các mối nối hàn lai laser-MIG của hợp kim EN AW-6061/EN AW-7075, HAZ là vùng dễ bị ăn mòn nhất.

Cơ chế tiến triển ăn mòn tương tự xảy ra trong các mối nối được tạo ra bằng cách sử dụng kim loại phụ S Al 4047 ( Hình 11 ) — các mối nối bổ sung, được tạo ra như mô tả trong [ 14 ]. Mối nối được tạo ra bằng cách sử dụng kim loại phụ S Al 4047 có độ xốp cao hơn nhiều so với mối nối được tạo ra bằng cách sử dụng kim loại phụ S Al 5183. Tuy nhiên, điều này không làm giảm khả năng chống ăn mòn của nó. Do đó, vùng dễ bị ăn mòn nhất trong các mối hàn của tấm nhôm EN AW-7075 là vùng chuyển tiếp giữa vật liệu nền và HAZ.

Hình 11. Mối hàn chồng sau thử nghiệm ăn mòn SWAAT được thực hiện bằng cách sử dụng que hàn S Al 4047. Mối hàn trong đó hợp kim EN AW-7075 được xếp chồng lên phía dưới ( a ) và cấu hình ngược lại của mối hàn ( b ): 1. Hợp kim EN AW-6082, 2. Hợp kim EN AW-7075, 3. Mối hàn, 4. Ăn mòn rỗ.

Dựa trên phân tích SEM, có thể xác định cơ chế lan truyền ăn mòn trong vùng chuyển tiếp giữa vật liệu nền hợp kim EN AW-7075 và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Tại những vùng ăn mòn mạnh nhất, các vết nứt dọc theo ranh giới hạt có thể nhìn thấy ( Hình 12 ). Ăn mòn rỗ lan rộng từ mép tấm và ăn sâu vào vật liệu. Nó chạy dọc theo ranh giới hạt khiến các hạt kim loại lớn bị tách ra khỏi hợp kim EN AW-7075 ( Hình 12a ). Các vết nứt lớn hơn cho phép dung dịch SWAAT dễ dàng thấm vào vật liệu hơn, tạo ra các vết nứt nhỏ hơn mới, cũng lan rộng qua ranh giới hạt về phía cả vật liệu nền ( Hình 12b ) và vùng HAZ ( Hình 12c ,d).

Hình 12. Một phần mối nối chồng sau thử nghiệm ăn mòn SWAAT được thực hiện bằng cách sử dụng kim loại phụ S Al 5183 từ phía hợp kim EN AW-7075 ( a ) với các độ phóng đại khác nhau ( b – d ): 1. Hợp kim EN AW-7075, 2. vùng chuyển tiếp giữa vật liệu nền hợp kim EN AW-7075 và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), 3. HAZ, 4. các vết nứt lớn, 5. các vết nứt nhỏ, 6. các hạt kim loại bị bong ra.

Dựa trên phân tích điểm bằng phương pháp quang phổ tán xạ năng lượng (EDS) được thực hiện tại các vùng riêng lẻ xung quanh vùng ăn mòn rỗ, có thể nhận thấy một số thay đổi trong thành phần hóa học của các nguyên tố hợp kim chính ( Bảng 4 ). Trong vùng chuyển tiếp giữa hợp kim EN AW-7075 và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), nơi bắt đầu xảy ra ăn mòn rỗ trên diện rộng, hàm lượng Zn và Mg bị giảm. Hàm lượng Zn giảm xuống giá trị trung bình là 3,1% từ 7,1% và Mg giảm xuống 1,6% từ 2,9% so với vật liệu nền (hợp kim EN AW-7075). Trong vùng HAZ, những thay đổi này không đáng kể và gần với các giá trị đo được trong hợp kim EN AW-7075. Hatamleha et al. [ 25 ] đã chỉ ra rằng các vết rỗ có thể bắt đầu gần các hạt Al-Cu-Fe-Zn, hoạt động như catốt trên ma trận hợp kim 7075 hoặc trên các hạt Al-Mg-Zn, hoạt động như anot so với ma trận, do đó bị ăn mòn ưu tiên trong dung dịch muối. Do đó, sự giảm hàm lượng các nguyên tố Zn và Mg có thể làm thay đổi thành phần cấu trúc của các hợp chất này trong vùng chuyển tiếp, do đó làm giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn của nó.

Bảng 4. Kết quả phân tích phổ tán xạ năng lượng (EDS) trên vùng chuyển tiếp giữa EN AW-7075 và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong mối hàn chồng sau các thử nghiệm ăn mòn.

Phân tích tuyến tính bằng phương pháp đo phổ tán xạ năng lượng (EDS) được thực hiện trong vùng chuyển tiếp giữa hợp kim EN AW-7075 và HAZ ( Hình 12 ) cho thấy quá trình oxy hóa kim loại cao phía trên đường nứt lan rộng dọc theo ranh giới hạt (được thể hiện bằng màu đỏ trong Hình 13 ). Phần kim loại còn lại, rộng 0,4 mm (từ 3,0 mm), sẽ bị phân hủy hoàn toàn nhanh chóng do tương tác kéo dài với dung dịch SWAAT (20 ngày).

Hình 13. Phân tích phổ tán xạ năng lượng được thực hiện trong vùng chuyển tiếp giữa hợp kim EN AW-7075 và HAZ sau các thử nghiệm ăn mòn.

Kết luận

Việc hàn hồ quang CMT các mối nối chồng tấm nhôm EN AW-7075 và EN AW-6082 bằng que hàn S Al 5183 chỉ được chứng minh là hiệu quả khi hợp kim EN AW-7075 được nung chảy từ mặt trước. Trong trường hợp hàn góc, khi không có mối hàn nào được nung chảy từ mặt trước, các vết nứt nóng sẽ xuất hiện trong mối nối do mức độ trộn lẫn kim loại tăng lên. Các mối nối chồng, trong đó hợp kim này được nung chảy từ mặt trước, có độ bền cắt cao hơn 38% (từ 110 đến hơn 150 MPa) so với các mối nối được thực hiện bằng que hàn S Al 4047. Độ bền kéo của các mối nối giáp mối không đồng nhất giữa các hợp kim EN AW-7075 và EN AW-6082 cao hơn độ bền của vật liệu cơ bản là hợp kim EN AW-6082 và trung bình là 258 MPa. Đối với các mối nối đồng nhất của hợp kim EN AW-7075, có thể đạt được độ bền kéo trên 375 MPa bằng cách sử dụng kim loại phụ S Al 5183.

Sự thay đổi độ cứng lớn nhất xảy ra ở phía hợp kim EN AW-7075, từ trung bình 138 xuống còn 112 HV 0.05 ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và 98 HV 0.05 ở vùng không bị ảnh hưởng (HZ), và nguyên nhân là do sự thay đổi cấu trúc trong các vùng này.

Những thay đổi cấu trúc xảy ra trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của hợp kim EN AW-7075, do chu kỳ nhiệt hàn gây ra, cũng làm giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn trong vùng này. Hiện tượng rỗ bề mặt xảy ra trên toàn bộ bề mặt tấm EN AW-7075, nhưng vùng dễ bị ăn mòn nhất là vùng HAZ ở khoảng cách khoảng 1,0 mm từ mối hàn. Trong vùng này, sự ăn mòn lan rộng dọc theo ranh giới hạt, gây ra các vết nứt và làm bong tróc các phần lớn kim loại khỏi hợp kim EN AW-7075. Các vết nứt tạo điều kiện cho dung dịch SWAAT xâm nhập, khởi phát các vết nứt nhỏ hơn, cũng lan rộng dọc theo ranh giới hạt sâu vào các phần của vật liệu.

Tại Việt Nam:

*Để nhận được sự hỗ trợ tốt nhất về sản phẩm và dịch vụ của hãng Cofomegra như: Solarbox RH xenon test chamber, hay các sản phẩm khác UV Box,CORROSIONBOX, Damp Heat Chambers, DTP 642 TRANSMISSION DENSITOMETER, Colorimeter Colorstriker…

Vui lòng liên hệ: Công ty TNHH Thiết bị Ngày Nay (TECO., LTD) | Phòng Dịch vụ Phân phối – Bảo hành – Chăm sóc khách hàng của Hãng Co.Fo.Me.Gra. Srl tại Việt Nam. |Tel: 0973 568 613