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 Số 3/2015
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 21
THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ HÀN
ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO MỐI HÀN MA SÁT KHUẤY 
TẤM HỢP KIM NHÔM AA7075
STUDY ON THE EFFECT OF WELDING PARAMETERS ON TENSILE PROPERTIES 
OF FRICTION STIR WELDING AA7075 ALUMINIUM ALLOYS PLATE
Dương Đình Hảo1, Trần Hưng Trà2, Vũ Công Hòa3
Ngày nhận bài: 24/12/2014; Ngày phản biện thông qua: 26/5/2015; Ngày duyệt đăng: 15/9/2015
TÓM TẮT
Ảnh hưởng của thông số hàn đến độ bền kéo mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075 được khảo sát qua 
nhiều chế độ hàn khác nhau với sự kết hợp của tốc độ quay chốt hàn w và tốc độ hàn v. Kết quả khảo sát thực nghiệm cho 
thấy, khi tỉ số w/v nằm trong khoảng từ 4.0÷10.0 vòng/mm thì mối hàn đạt chất lượng với độ bền kéo và độ biến dạng cao 
nhất lần lượt là 76% và 68% so với vật liệu nền. Trong tất cả các chế độ, vị trí phá hủy của mẫu thử khi kéo đều nằm ngoài 
vùng hàn nơi có độ cứng thấp nhất. Kết quả khảo sát cũng cho thấy rằng, khi tỉ số w/v tăng thì độ bền kéo cũng tăng theo 
tuy nhiên độ biến dạng giảm xuống. Cấu trúc tại vùng hàn, phân bố độ cứng, vị trí phá hủy và độ bền kéo được phân tích 
và thảo luận cụ thể.
Từ khóa: Hàn ma sát khuấy, chế độ hàn, cấu trúc, độ cứng, độ bền kéo
ABSTRACT
Effect of welding parameters on the tensile strength of friction stir welding of aluminum alloy AA7075 plate was 
investigated through many different welding regimes with combination between rotation speed w and weld speed v. The 
experimental results shown, when the ratio w/v in the range of 4.0÷10.0 rev/mm, the weld joint was quality with the highest 
tensile and strain 76% and 68%, respectively, compared with base metal. In all regimes, the tensile fracture located 
outside the stirred zone, in the retreating side or advancing side, where the hardness was the lowest. The survey results also 
shown that, when the ratio w/v increased, the tensile strength was also increase but strain was reduction. Microstructure in 
welding zone, hardness distribution, tensile fracture location and tensile strength were analysed and discussed.
Keywords: Friction stir welding, welding modes, microstructure, hardness, tensile strength
1 ThS. Dương Đình Hảo, 2 TS. Trần Hưng Trà: Khoa Xây dựng – Trường Đại học Nha Trang
3 TS. Vũ Công Hòa: Khoa Khoa học ứng dụng – Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nhôm và hợp kim nhôm là một trong những kim 
loại phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong tất cả 
các ngành công nghiệp chế tạo như ô tô, tàu thủy, 
đường sắt, hàng không vũ trụ Việc sử dụng hợp 
kim nhôm sẽ giúp làm giảm đáng kể trọng lượng mà 
vẫn đảm bảo độ bền cao. Chính điều này sẽ giúp 
tiết kiệm nhiên liệu khá nhiều khi vận hành [3]. Một 
trong những nhược điểm khi sử dụng hợp kim nhôm 
đó là rất khó khăn khi sử dụng phương pháp hàn 
nóng chảy truyền thống đặc biệt là hợp kim nhôm 
nhóm AA7xxx và AA2xxx [2]. Đây là hai hợp kim 
nhôm được sử dụng khá phổ biến trong ngành hàng 
không vũ trụ. Do đó, cần phát triển một công nghệ 
hàn tiên tiến để khắc phục những nhược điểm này 
và nâng cao độ bền tại mối hàn là điều rất cần thiết.
Do đó, vào năm 1991, Viện hàn TWI (UK) phát 
minh ra một công nghệ hàn mới được gọi là hàn 
ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW). Đây là 
quá trình hàn ở trạng thái rắn nhờ nhiệt ma sát và 
ứng dụng chủ yếu cho vật liệu kim loại màu đặc biệt 
là nhôm và hợp kim nhôm [1] (hình 1a). Kể từ khi 
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015
22 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
mới ra đời cho đến nay, việc nghiên cứu quá trình 
hàn này không ngừng tăng lên nhằm mục đích cải 
thiện cũng như ứng dụng hiệu quả vào trong thực 
tiễn [5] (hình 1b). Một số ưu điểm lớn nhất của công 
nghệ hàn này đó là độ biến dạng nhỏ, cơ tính tốt, 
hàn được tất cả các hợp kim nhôm, không có khí 
thải độc hại, giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu 
sử dụng
Hình 1. Quá trình hàn ma sát khuấy (a) và sự phát triển trong việc nghiên cứu (b)
Hàn ma sát khuấy ở Việt Nam là một công nghệ 
còn khá mới. Mặc dù ưu điểm của nó là thấy rõ 
nhưng việc ứng dụng vào trong thực tế là hầu như 
không có vì những nguyên nhân khác nhau. Nghiên 
cứu này sẽ đi chế tạo mối hàn ma sát khuấy và phân 
tích sự ảnh hưởng của các thông số hàn đến độ 
bền kéo đối với hợp kim nhôm AA7075, để từ đó 
lựa chọn thông số hàn hợp lý nhằm nâng cao độ 
bền của mối hàn. Đây là một trong những hợp kim 
rất khó hàn bằng phương pháp nóng chảy truyền 
thống. Với những kết quả đạt được trong bài báo 
này, hy vọng rằng mối hàn này có thể thay thế cho 
các mối ghép đinh tán, vốn rất thường hay sử dụng 
trước đây trong việc chế tạo máy bay, tàu cao tốc 
khi sử dụng các hợp kim nhôm.
II. ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 
NGHIÊN CỨU
1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng được nghiên cứu chủ yếu ở đây là 
ảnh hưởng của tốc độ quay ω và tốc độ tịnh tiến v 
của chốt hàn đến độ bền kéo mối hàn. Dựa vào kinh 
nghiệm thực tế, các chế độ hàn được thiết lập nhờ 
sự kết hợp giữa ω và v với năm chế độ khác nhau 
được cho ở bảng 1.
Bảng 1. Các chế độ hàn được thử nghiệm
TT Tốc độ quay w(vòng/phút)
Tốc độ tịnh tiến v
(mm/phút)
Tỉ số w/v
(vòng/mm)
1
600
200 3
2 150 4
3 80 7.5
4 800
80
10
5 1200 15
2. Vật liệu nghiên cứu
Vật liệu được nghiên cứu là tấm hợp kim nhôm AA7075 với kích thước 150×300×5 mm được sử dụng (hình 
2). Đây là chiều dày thường được sử dụng trong thực tế để chế tạo các sản phẩm. Thành phần hóa học và đặc 
tính cơ học của AA7075 được cho ở bảng 2 và 3 [4].
Bảng 2. Thành phần hóa học của hợp kim nhôm AA7075 [4]
Nguyên tố Al Zn Mg Cu Si Fe Mn Ti Cr
Thành phần (%) 87.1÷91.4 5.1÷6.1 2.11÷2.9 1.2÷2 Max 0.4 Max 0.5 Max 0.3 Max 0.2 0.18÷0.28
Bảng 3. Đặc tính cơ học của hợp kim nhôm AA7075 [4]
Đặc tính 
cơ học
Giới hạn chảy 
(MPa)
Độ bền kéo 
(MPa)
Độ giãn dài 
(%)
Độ cứng 
(HRB)
Độ bền mỏi 
(MPa)
Modul đàn hồi 
(GPa) Hệ số poisson
Giá trị 503 572 3÷11 87 159 71.7 0.33
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 23
Hình 2. Vật liệu nền hợp kim nhôm AA7075
3. Phương pháp nghiên cứu
Mối hàn giáp mối của hai tấm hợp kim nhôm 
AA7075 dày 5.0 mm được chế tạo từ máy hàn ma 
sát khuấy được nghiên cứu chế tạo tại Trường Đại 
học Nha Trang. Trong đó sử dụng chốt hàn có 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 (hình 3). 
Hai tấm nhôm AA7075 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 5a). Quá 
trình hàn được biểu diễn ở hình 5b.
Sau khi thực hiện xong đường hàn, tiến hành 
quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn sau khi tẩm thực 
bằng dung dịch 150 ml H2O, 3 ml HNO3, 6 ml HCL 
và 6 ml HF [7]. Cơ tính chịu kéo của mối hàn được 
thực hiện trên máy Instron 3366 với lực kéo tối đa là 
10 kN. Mẫu thử được chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM 
E08 [6]. Thí nghiệm kéo được thực hiện với tốc độ 
5.0 mm/phút. Độ cứng mối hàn được đo trên máy 
Rockwell với thang đo HRB sử dụng mũi bi cầu với 
tải 100 kg (hình 6).
Hình 3. Kích thước và hình dạng của dụng cụ hàn
Hình 4. Sơ đồ lắp đặt bàn gá và dụng cụ hàn
Hình 5. Gá đặt phôi hàn (a) và thực hiện đường hàn (b)
(b)Đường hàn
Hình 6. Kích thước mẫu kéo (a), máy kéo nén Instron 3366 (b) và máy đo độ cứng Rockwell (c)
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015
24 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
1. Cấu trúc tế vi 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 ω/v = 3.0 và 
15.0 vòng/mm thì mối hàn có khuyết tật rất rõ (hình 
7a,b) với kích thước khá lớn khoảng 500 µm. Các 
chế độ còn lại đều không có khuyết tật (hình 7c). 
Quan sát mặt cắt ngang của mối hàn ở chế độ 
ω/v = 800/80 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 8).
Hình 7. Hình dạng mặt cắt ngang của mối hàn
Hình 8. Cấu trúc hạt tại các vùng hàn ở chế độ ω/v = 800/80 vòng/mm
2. Sự phân bố độ cứng của mối hàn
Sự phân bố độ cứng đo ở giữa mặt cắt ngang 
được thể hiện trong hình 9 ứng với các chế độ hàn 
khác nhau. Nhìn chung, các chế độ hàn có độ cứng 
thấp nhất đều nằm tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) 
ở cả hai bên retreating và advancing. Khi tỉ số ω/v 
tăng thì vùng HAZ mở rộng hơn, đặc biệt với chế độ 
ω/v = 15.0 vòng/mm. Khi ω/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. Ở 
vùng khuấy (SZ), độ cứng khá cao so với vùng HAZ. Hình 9. Sự phân bố độ cứng của mối hàn ở các chế độ khác nhau
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 25
3. Độ bền kéo của mối hàn
Kết quả cho thấy rằng, các mẫu thử ở chế 
độ ω/v = 3.0 vòng/mm và ω/v = 15.0 vòng/mm 
đều có vị trí phá hủy là tại tâm mối hàn (vùng 
khuấy - SZ). Các mẫu ở các chế độ còn lại 
đều đứt ở ngoài vùng hàn (vùng ảnh hưởng 
nhiệt - HAZ). Ở đây cần lưu ý rằng các mẫu 
bị phá hủy tại vùng HAZ có xác suất nằm 
bên phía advancing (AV) lớn hơn bên phía 
retreating (RE) (hình 10). Đây cũng là vị trí có độ 
cứng thấp nhất. Theo hình 8 thì tại tâm của mối hàn, 
kích thước hạt nhỏ nhất ngược lại tại vùng ảnh 
hưởng nhiệt kích thước hạt khá lớn. Do đó, theo 
Hall Petch thì độ bền tại tâm mối hàn luôn lớn 
hơn tại vùng ảnh hưởng nhiệt [8], dẫn đến xác 
suất phá hủy tại vùng HAZ luôn cao hơn vùng 
SZ. Với chế độ hàn ω/v = 3.0 và 15.0 vòng/mm 
thì do bị khuyết tật tại vùng mối hàn (đã được 
trình bày ở hình 7a,b) nên độ bền rất kém và bị 
phá hủy ngay tại vị trí này. Với những chế độ này 
có thể thấy rằng chất lượng mối hàn không đạt 
yêu cầu.
Hình 10. Vị trí phá hủy của một số mẫu
Hình 11 so sánh đường phá hủy và độ co thắt tại 
vị trí đứt gãy. Những mẫu phá hủy ở trong và ngoài 
vùng hàn có đường phá hủy hoàn toàn khác nhau. 
Tại vùng hàn, mặt phá hủy đều vuông góc với lực kéo 
còn ngoài khu vực hàn thì không vuông góc và có độ 
co thắt ngay tại vị trí phá hủy. Độ co thắt giảm dần từ 
chế độ ω/v = 4.0 đến 10.0 vòng/mm. Điều đó có nghĩa 
rằng, độ biến dạng dài của chúng giảm khi ω/v tăng. 
Với mặt phá hủy vuông góc với lực kéo là do ứng suất 
pháp gây ra làm cho mẫu tách tại biên giới hạt. Với 
mặt phá hủy không vuông góc với lực kéo, lúc đó sẽ 
có ứng suất tiếp làm cho hạt bị cắt khi phá hủy [8].
Hình 11. Sự khác nhau về độ co thắt và mặt phá hủy ở các chế độ hàn
Hình 12a trình bày quan hệ giữa ứng suất và 
biến dạng. Nhìn chung, độ bền kéo và độ biến dạng 
của tất cả các chế độ đều nhỏ hơn so với vật liệu 
nền. Với chế độ ω/v = 3.0 vòng/mm có đồ thị ít dốc 
nhất, chứng tỏ xu hướng có độ biến dạng lớn (gần 
tiệm cận với vật liệu nền). Tuy nhiên, bị phá hủy đột 
ngột do mối hàn bị khuyết tật nên dẫn đến có độ 
biến dạng khá thấp. Tương tự như vậy nhưng với 
chế độ ω/v = 15.0 vòng/mm thì đồ thị có xu hướng 
dốc nhất, điều này chứng tỏ độ biến dạng không cao 
nhưng có độ bền có thể cao. Khi tỉ số ω/v tăng thì đồ 
thị có xu hướng càng dốc, nó cho thấy độ bền tăng 
nhưng độ biến dạng lại giảm. Quan hệ giữa tỉ số 
tốc độ quay/tịnh tiến ω/v đến ứng suất và biến dạng 
của mối hàn được thể hiện ở hình 12b. Hai chế độ 
hàn ω/v = 3.0 và 15.0 vòng/mm có ứng suất và biến 
dạng rất nhỏ. Điều này cho thấy rằng, chất lượng 
mối hàn tốt nhất khi tỉ số ω/v nằm trong khoảng từ 
4.0÷10.0 vòng/mm. Với các chế độ hàn nằm trong 
khoảng này, một điều rất dễ nhận ra đó là độ bền 
kéo tăng khi tỉ số ω/v tăng, ngược lại độ biến dạng 
sẽ giảm. Điều này có thể liên quan đến mật độ lệch, 
kích thước hạt hoặc xô lệch mạng được hình thành 
do quá trình cơ nhiệt ở các chế độ hàn khác nhau. 
Ứng suất và biến dạng cao nhất lần lượt đạt 76% và 
68% so với vật liệu nền tương ứng với các chế độ 
ω/v = 10.0 vòng/mm và 4.0 vòng/mm.
Tốc độ tịnh tiến v và tốc độ quay ω của chốt 
hàn ảnh hưởng đến ứng suất và độ biến dạng của 
mối hàn được khảo sát và thể hiện ở đồ thị hình 13. 
Cố định tốc độ quay ω = 600 vòng/phút và thay 
đổi tốc độ tịnh tiến v tăng dần từ 80÷200 mm/phút, 
kết quả cho thấy rằng: khi tốc độ tịnh tiến v tăng 
thì ứng suất kéo giảm nhưng độ biến dạng tăng 
(hình 13a). Ngược lại, khi cố định tốc độ tịnh tiến 
v = 80 mm/phút và cho tốc độ quay ω tăng dần từ 
600÷1200 vòng/phút, kết quả lại cho thấy rằng: 
khi tốc độ quay ω tăng thì ứng suất kéo sẽ tăng 
nhưng độ biến dạng giảm (hình 13b). Ở đây, khi 
v tăng hay ω giảm thì nhiệt độ hàn sẽ giảm, điều 
này sẽ ảnh hưởng đến sự kết tinh lại của vật liệu 
sau khi hàn.
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015
26 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Hình 12. Đồ thị ứng suất - biến dạng (a) và ảnh hưởng của ω/v đến cơ tính mối hàn (b)
Hình 13. Ảnh hưởng của tốc độ tịnh tiến v (a) và tốc độ quay ω (b) đến ứng suất và biến dạng
IV. KẾT LUẬN
Mối hàn ma sát khuấy của hợp kim nhôm AA7075 được chế tạo thành công và đã xác định được chế độ 
hàn hợp lý trên tiêu chí cấu trúc không khuyết tật và độ bền kéo cao nhất. Ảnh hưởng của tốc độ quay ω và tốc 
độ tịnh tiến v của chốt hàn đến cơ tính mối hàn đã được khảo sát và phân tích cụ thể. 
Mối hàn đạt được chất lượng khi tỉ số tốc độ quay và tịnh tiến ω/v của chốt hàn nằm trong khoảng giới hạn 
từ 4.0÷10.0 vòng/mm. 
Vị trí phá hủy của mẫu thường nằm ở ngoài vùng hàn, vị trí mà có độ cứng thấp nhất (HAZ). 
Độ bền kéo và độ biến dạng cao nhất lần lượt đạt khoảng 76% và 68% so với vật liệu nền. 
Khi tỉ số ω/v tăng thì độ bền kéo tăng nhưng độ biến dạng giảm. 
Độ cứng thấp nhất của mối hàn luôn nằm tại vùng HAZ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Eur.Ing. C.E.D.Rowe and Eur.Ing. Wayne Thomas, 2007. Advances in tooling materials for friction stir welding, TWI and 
Cedar Metals Ltd, Materials Congress – Disruptive Technologies for Light Metals.
2. Friction Stir Welding, 2012. The ESAB Way.
3. Han, L., Thornton, M., and Shergold, M. 2010. A comparison of the mechanical behavior of self-piercing riveted and 
resistance spot welded aluminum sheets for the automotive industry. Mater. Design 31(3): 1457-1467.
4. Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. ASM Handbook - Volume 2, ASM International 
Handbook Committee, 1990, pp. 450-462.
5. Rajiv S. Mishra, Murray W. Mahoney, 2007. Friction Stir Welding and Processing, ASM International, pp. 4.
6. Standards ASTM, E08: Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, 2004.
7. T. Azimzadegan, Gh.Khalaj, M.M. Kaykha, A.R.Heidari, 2011. Ageing Behavior of Friction Stir Welding AA7075-T6 
Aluminum Alloy. Computational Engineering in Systems Applications (Volume II), pp. 183-187.
8. William D. Callister, Jr., 2007. Materials Science and Engineering 7th. John Wiley & Sons, Inc.