Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp thép o8s+hợp kim nhôm amr6 dùng trong hàn kết cấu

ĐẶT VẤN ĐỀ Trong quá trình Công nghiệp hoá, Hiện đại hoá cần đẩy mạnh thực hiện các chương trình nghiên cứu và phát triển khoa học công nghệ trọng điểm thuộc lĩnh vực Công nghiệp, trong

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

Tên đề tài:

“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP THÉP 08s + HỢP KIM NHÔM AMг6 DÙNG TRONG HÀN KẾT CẤU”

(Thực hiện theo Hợp đồng số 015.09 RDBS/HĐ-KHCN ngày 23 tháng 3 năm

2009 giữa Bộ Công Thương và Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng)

Danh sách các thành viên tham gia:

Stt Họ và tên Học hàm,

1 Hà Minh Hùng PGS, TS Trung tâm Đào tạo và Ứng dụng Công

nghệ Cơ khí – Tự động hóa, Viện Nghiên cứu Cơ khí

2 Hoàng Minh Thuận Thạc sỹ Trường CĐ Công nghiệp và Xây Dựng

3 Tô Văn Hưởng Thạc sỹ Trường CĐ Công nghiệp và Xây Dựng

4 Nguyễn Minh Hải Kỹ sư Trung tâm Đào tạo và Ứng dụng công nghệ

cơ khí – Tự động hóa, Viện Nghiên cứu Cơ khí

5 Phan Sỹ Dũng Kỹ sư Trung tâm Đào tạo và Ứng dụng công nghệ

cơ khí – Tự động hóa, Viện Nghiên cứu Cơ khí

6 Nguyễn Văn Đức Thạc sỹ Bộ môn Vật liệu học và Xử lý bề mặt,

Trường Đại học Bác khoa Hà Nội

Uông Bí – 2009

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình Công nghiệp hoá, Hiện đại hoá cần đẩy mạnh thực hiện các chương trình nghiên cứu và phát triển khoa học công nghệ trọng điểm thuộc lĩnh vực Công nghiệp, trong đó có công nghệ chế tạo máy trong lĩnh vực tạo phôi bằng vật liệu có tính năng đặc biệt bimetal thép – thép không gỉ, thép – hợp kim nhôm, thép – hợp kim đồng… Những vật liệu tổ hợp có tính năng kỹ thuật mới có thể được chế tạo bằng công nghệ luyện kim đúc và cán truyền thống, công nghệ hàn khuếch tán, hàn đắp hoặc công nghệ hàn tốc độ cao bằng sử dụng năng lượng nổ

Tại các nước công nghiệp phát triển trên thế giới, công nghệ đúc và cán tạo phôi bimetal được sử dụng phổ biến là do họ đã có đầu tư những thiết bị máy cán luyện kim công suất lớn tới hàng nghìn KW, đảm bảo đáp ứng được điều kiện hình thành liên kết kim loại làm dính 2 lớp vật liệu khác nhau với nhau đủ độ bền theo yêu cầu làm việc của chi tiết máy được chế tạo từ phôi bimetal Tại các nước có nền công nghiệp luyện kim yếu hơn và không có đầu tư các máy cán luyện kim với công suất lớn, người ta thiên theo xu hướng nghiên cứu tìm kiếm và ứng dụng các công nghệ chế tạo vật liệu bimetal không truyền thống khác, ví dụ như: hàn nổ (tạo liên kết 2 lớp kim loại bằng năng lượng nổ); Luyện kim bột (tạo liên kết 2 lớp kim loại bằng thiêu kết ở nhiệt độ cao và môi trường thiêu kết thích hợp đối với kim loại và hợp kim phủ trên kim loại nền), Hàn đắp

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài Khoa học và Công nghệ cấp

Bộ, áp dụng kỹ thuật HÀN NỔ (hàn ở tốc độ cao sử dụng năng lượng nổ)

là rất cần thiết do ở Việt Nam, trong công nghiệp đóng và sửa chữa tàu biển hàng năm ở nước ta cần phải nhập một lượng khá lớn vật liệu tổ hợp nhiều lớp (thép – hợp kim nhôm, thép – nhôm – hợp kim nhôm…) để hàn nối các kết cấu nhôm trên boong tàu với vỏ tàu

Phương pháp hàn khuếch tán tạo vật liệu bimetal thép – nhôm đòi hỏi phải có đầu tư một số thiết bị chuyên dụng khá đắt tiền và công nghệ rất phức tạp do yêu cầu làm sạch bề mặt tiếp xúc hàn, cũng như yêu cầu cao về điều kiện tạo môi trường chân không để hàn các kim loại ở trạng thái rắn – lỏng với nhau có chất lượng tốt, do vậy khó có tiềm năng ứng dụng tại Việt Nam Phương pháp hàn đắp hợp kim nhôm lên nền thép sử dụng trong ngành đóng tàu là rất phức tạp, năng suất thấp, ít có tiềm năng ứng dụng ở nước ta Chính vì vậy, trong nhiều trường hợp do bản chất về

cơ lý tính khác xa nhau của hai lớp kim loại dùng làm nguyên liệu chế tạo vật liệu bimetal mà các công nghệ truyền thống không thể thực hiện hoặc rất khó thực hiện được thì người ta phải sử dụng công nghệ không truyền thống như hàn nổ là có hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt là đối với Việt Nam không có những tổ hợp luyện kim và gia công áp lực với công suất lớn

Trên thế giới, hầu như tại các nước công nghiệp phát triển đều tiến hành các nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến bằng cách sử dụng năng

lượng nổ để biến dạng dẻo kim loại và hợp kim Chất nổ được dùng trong các quy trình công nghệ gia công kim loại bằng áp lực như : Biến cứng; hàn; dập; cắt; tạo hình kim loại bột Hàn bằng năng lượng nổ (gọi tắt là hàn nổ) là một công nghệ mới rất tiên tiến, khi sử dụng nó cho phép nhận được các tấm và băng vật liệu hợp kim nhiều lớp, các chi tiết hình trụ, các chi tiết kết nối có hình thù yêu cầu nhất định Hàn nổ còn được sử dụng để tạo vỏ bọc các chi tiết máy và kết cấu, tạo lớp phủ trên bề mặt kim loại khác nhau Hàn nổ cho phép chế tạo các phôi hợp kim nhiều lớp hầu như không bị hạn chế về kích thước hình học từ các kim loại và hợp kim khác nhau, trong đó có các kim loại và hợp kim không thể hàn với nhau bằng công nghệ khác được, hoặc là rất khó hàn chúng với nhau Độ bền của mối hàn nổ thường cao hơn độ bền của các kim loại và hợp kim cấu thành [10]

Công nghệ hàn nổ ứng dụng cho việc tạo phôi bimetal thép + thép hợp kim, thép + thép không gỉ, thép + titan, thép + đồng (hợp kim đồng) được nghiên cứu có hệ thống tại một số nước thuộc khối Liên Xô trước đây, cũng như tại Anh, Mỹ, Đức, Pháp, Nhật Bản, Áo Đây là một hướng công nghệ ít đòi hỏi đầu tư lớn, lại có hiệu quả cao, tạo ra được những tấm binmetal có kích thước lớn tới 30m2 trong một lần hàn nổ Đối với Việt Nam hiện nay, nhóm nghiên cứu chúng tôi cho rằng đây là một hướng công nghệ tiên tiến của thế giới có nhiều triển vọng ứng dụng để chế tạo các vật liệu tổ hợp có tính năng đặc biệt phục vụ nhiều ngành kinh tế như: Công nghiệp chế tạo máy, khai thác và chế biến dầu khí, công nghiệp khai thác

mỏ và luyện kim, công nghiệp hoá học, xây dựng các công trình biển làm việc trong điều kiện ăn mòn hoá học cao, công nghiệp sản xuất điện, công nghiệp vật liệu hàng không

Công nghệ hàn nổ để chế tạo vật liệu bimetal ở Việt Nam đã được khởi đầu từ những năm 1981 tại Viện Nghiên cứu Máy (nay là Viện Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công Thương) áp dụng cho việc tạo băng bimetal thép 08Kп + hợp kim đồng – nhôm chịu mòn có kết quả khả quan, nhưng chưa đủ sức thuyết phục các nhà sản xuất ứng dụng Trong các tài liệu đã công bố [5 ÷ 8] có khá nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định tốc độ hàn nổ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố công nghệ khác nhau của quá trình hàn nổ (chiều dày lớp thuốc nổ H, tốc độ nổ của thuốc nổ D, thành phần hỗn hợp thuốc nổ C, góc va đập khi nổ γ ) Các nhà nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã có nhiều cố gắng xác lập mối tương quan giữa các phương trình thực nghiệm đối với tốc độ va đập với các điều kiện công nghệ hàn nổ để nhận được mối hàn bền vững và có chất lượng cao và giải thích chúng trên cơ sở cơ chế hình thành liên kết kim loại của các cặp vật liệu hàn nổ từ nhiều quan điểm khác nhau Tuy nhiên, chưa

có khuyến cáo cụ thể nào cho việc chọn các thông số công nghệ hàn nổ tối

ưu hoặc tốc độ va đập tấm kim loại hàn với tấm kim loại nền sao cho đảm bảo độ bền liên kết của vật liệu bimetal và trong tài liệu đã công bố còn chưa đủ làm rõ, cũng như các thông số đã xác định đánh giá tính hàn của

các kim loại khác nhau phụ thuộc vào thành phần hoá học và cơ lý tính của chúng trong đa số các trường hợp đã biết đều không sử dụng được để đánh giá độ bền liên kết kim loại có những tính chất khác với vật liệu đã chọn để thí nghiệm trong công trình nghiên cứu này

Vì vậy, đối với Việt Nam đề tài được tác giả lựa chọn là hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn tốc độ cao nhờ sử dụng năng lượng nổ (tốc độ di chuyển của vùng hàn đạt đến hàng nghìn mét/giây), để sản xuất vật liệu bimetal thép 08s (đóng tàu) + hợp kim nhôm AMг6 độ bền cao (vật liệu tổ hợp 2 lớp: nhôm trung gian + hợp kim nhôm độ bền cao) dùng làm phôi hàn các kết cấu trên boong tàu thủy và trong tàu là hết sức cấp thiết và

có tính ứng dụng thực tiễn cao

Trong báo cáo này tác giả xin được trình bày những vấn đề sau :

Chương 1: Tổng quan vật liệu tổ hợp dùng trong công nghiệp đóng tàu

thủy Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết hàn tốc độ cao giữa 2 tấm kim loại

bằng năng lượng nổ Chương 3: Phương pháp thực nghiệm hàn tốc độ cao tạo phôi Bimetal

thép 08s + hợp kim nhôm AMг6 Chương 4: Kết quả thực nghiệm và thảo luận

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

- Nắm vững bí quyết chế tạo vật liệu tổ hợp 08s + hợp kim nhôm AMг6 bằng công nghệ mới;

- Chế tạo thử sản phẩm băng vật liệu tổ hợp thép 08s + hợp kim nhôm AMг6 và thử nghiệm hàn thử kết cấu thép và nhôm hợp kim trong quy mô phòng thí nghiệm

Nội dung nghiên cứu:

- Tông quan về vật liệu hàn và phương pháp hàn, đặc biệt là vật liệu hàn tổ hợp nền thép và hợp kim nhôm Magie;

- Nghiên cứu xác lập các thông số công nghệ và quy trình hợp lý để chế tạo vật liệu hàn là thép 08s và hợp kim nhôm magie AMг6 dùng trong hàn kết cấu với quy mô phòng thí nghiệm;

- Chế tạo thử sản phẩm, dùng (hàn) thử đối với kết cấu trong phòng thí nghiệm; Phân tích, đánh giá chất lượng sản phẩm

Chương 1

TỔNG QUAN VẬT LIỆU TỔ HỢP DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP

ĐÓNG TÀU THỦY

1.1 Khái quát một số phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp nhiều lớp

Để phát triển sản xuất các máy móc hạng nặng nhằm nâng cao độ tin

cậy và độ bền của chúng, cũng như giảm giá thành chế tạo cần phải ứng

dụng nhiều chi tiết máy bằng vật liệu hợp kim nhiều lớp, vì chúng cho phép

tổ hợp được những tính chất có lợi của các thành phần cấu tử trong đó, đảm

bảo nhận được độ bền nâng cao hoàn toàn mới, các tính chất chịu mòn và

độ dẻo cao hơn so với các tính chất vật liệu đơn kim ban đầu

Ví dụ khi sử dụng bạc trượt bimetal làm giảm đáng kể chi phí tiêu hao

các kim loại màu quý hiếm, điều đó đồng thời làm giảm giá thành các máy

móc thiết bị nói chung [1; 5; 9]

Từ trước những năm 1950 tại các nước công nghiệp phát triển như:

Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Liên Xô người ta sử dụng phương pháp đúc - phủ

hợp kim đồng chì trong lòng ống thép để chế tạo bạc trượt compozit dùng

trong các động cơ đốt trong Phương pháp đúc- phủ hợp kim đồng chịu

mòn trong lòng ống thép hoặc lên nền tấm thép (tạo liên kết ở trạng thái rắn

- lỏng) là rất phức tạp, đặc biệt ở khâu chuẩn bị bề mặt tiếp xúc lớp thép

với lớp hợp kim chịu mòn, có năng suất thấp, tiêu hao các kim loại mầu

quý hiếm cao [8] Vì thế, sau năm 1950 ở hầu hết các nước công nghiệp

phát triển trên thế giới người ta đã thực hiện hàng loạt các nghiên cứu ứng

dụng các công nghệ sản xuất vật liệu tấm hoặc băng hợp kim nhiều lớp

(bimetal, trimetal…) dùng để chế tạo bạc trượt và các chi tiết máy chịu

mòn khác bằng phương pháp cán dính pakét thép + hợp kim nhôm chịu

mòn, thép + thép hợp kim (sau đúc rót trong khuôn kim loại chuyên dụng)

Ở Liên Xô, như nhà nghiên cứu Ju.Ja Zilberg [8], hợp kim nhôm có mác

vật liệu ACM, AO6-1, AO20-1 cán dính trên nền thép 08Kп được sử dụng

để thay thế hoàn toàn bạc trượt hợp kim đồng trong các động cơ máy kéo

và ô tô vận tải, động cơ diesel [8] Ở Anh người ta sử dụng các băng

bimetal cán dính thép + hợp kim AS-11; thép + hợp kim AS-15 Ở Mỹ

người ta sử dụng bimetal cán dính thép + hợp kim XB-803, thép + hợp kim

Akôla 750; thép + hợp kim XA-750 [1, 15] Ở Đức người ta sử dụng

bimetal thép + hợp kim nhôm cán dính KS-411B; thép + hợp kim nhôm

KS-630 Đó là những cặp đôi vật liệu kim loại nền và hợp kim chịu mòn

chịu biến dạng dẻo trong điều kiện biến dạng bình thường

Công nghệ cán dính có hạn chế theo chiều cao tối đa của pakét (chiều

dày tổng cộng lớp nền thép và lớp hợp kim chịu mòn), chiều rộng tấm cán

vì có liên quan tới công suất và kết cấu của máy cán đã có trong sản xuất

luyện kim Ngoài ra, do yêu cầu rất cao về việc làm sạch các bề mặt tiếp

xúc trước khi xếp thành pakét để cán dính hai lớp kim loại với nhau là cản

trở chính trong việc thực hiện các công đoạn trong quá trình công nghệ cán

dính Khi cán dính ở trạng thái nguội các pakét mức độ biến dạng dẻo tương đối lần cán đầu tiên cần phải lớn hơn 55 ÷ 60 % mới đảm bảo đủ điều kiện để phá vỡ lớp ôxit bề mặt hợp kim nhôm, tạo điều kiện hình thành sơ bộ tiếp xúc vật lý giữa hai tấm kim loại nền và hợp kim chịu mòn Tiếp theo sau đó phôi qua cán dính lần 1 cần phải được ủ ở nhiệt độ tương ứng với mỗi hợp kim chịu mòn và cán đến kích thước yêu cầu của băng bimetal qua nhiều lượt cán [8]

Một hướng công nghệ tiên tiến mới được tập trung nghiên cứu ứng dụng khá rộng rãi trên thế giới từ sau năm 1960 là công nghệ hàn (tốc độ di chuyển của vũng hàn tại điểm va đập đạt đến hàng nghìn m/s) nhờ sử dụng năng lượng nổ của thuốc nổ để thay thế công nghệ đúc - cán truyền thống nói trên Công nghệ này được gọi tắt là công nghệ hàn nổ

Ở Liên Xô trước đây, công nghệ hàn nổ được bắt đầu thực hiện nghiên cứu có hệ thống quá trình hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal sử dụng trong các ngành kinh tế tại Viện nghiên cứu Thuỷ khí động học thuộc Viện hàn lâm Khoa học Liên Xô, trường Đại học Thép và Hợp kim Matxcơva, trường Đại học Bách khoa Volgagrad, Liên hợp khoa học sản xuất luyện kim bột nước Cộng hoà Belarus, Viện Hàn mang tên E O Patôn thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Ucraina, Viện Nghiên cứu hàn nổ của A.A.Deribas tại thành phố Novoxibiếc và nhiều cơ sở nghiên cứu khác Bằng công nghệ hàn tốc độ cao sử dụng thuốc nổ có tốc độ nổ khác nhau

có thể hàn các kim loại khác nhau, đặc biệt là khi không thể sử dụng công nghệ truyền thống khác hoặc rất khó tạo ra liên kết kim loại giữa hai vật liệu khác xa nhau về cơ lý tính, ví dụ như: thép + chì, thép + bạc, thép + titan Công nghệ hàn nổ có năng suất cao và đảm bảo chất lượng liên kết hai lớp kim loại cao Tuy nhiên, cần phải có đào tạo chuyên môn nghiệp vụ

nổ cho công nhân vận hành quá trình nổ trong dây chuyền sản xuất bimetal

có sử dụng năng lượng nổ [1, 18]

Chính vì những nhược điểm cúa các công nghệ truyền thống và ưu điểm của công nghệ hàn nổ nói trên, ở Việt Nam hiện nay tại Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ Công thương) đã có các nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ tạo phôi bimetal với nhiều mục đích sử dụng khác nhau và trên thực

tế rất có triển vọng để sản xuất vật liệu bimetal ở Việt Nam [1, 2, 6] Tính đến thời điểm này ở Việt Nam không có các máy cán dính các tấm kim loại khổ rộng công suất lớn, cũng như chưa có các thiết bị tạo năng lượng xung

từ trường công suất cao để sản xuất vật liệu tổ hợp nhiều lớp nói chung, trong đó có bimetal thép – hợp kim nhôm, nên việc lựa chọn công nghệ hàn tốc độ cao bằng cách sử dụng năng lượng nổ hiện nay là phù hợp hơn cả,

do không phải đầu tư thiết bị gia công áp lực cao rất tốn kém

1.2 Khái quát về vật liệu tổ hợp thép – hợp kim nhôm dùng trong công nghiệp đóng tàu thủy

Vật liệu tổ hợp nhiều lớp thép – hợp kim nhôm sử dụng trong ngành công nghiệp đóng tầu thủy yêu cầu phải có chiều dầy lớp hợp kim nhôm khá lớn (10 ÷16 mm) mới đảm bảo khi hàn với kết cấu nhôm sẽ không bị bong tróc do quá nhiệt đối với lớp hợp kim nhôm có chiều dầy mỏng nhận được theo công nghệ cán dính Trên hình 1.1 là ảnh chụp một số phôi vật liệu tổ hợp thép ASTM A516-55 – nhôm 1050 – hợp kim nhôm 5083 (đã được pha chế thành các dải băng làm chi tiết trung gian chuẩn bị để hàn

vỏ tầu thủy với các kết cấu nội thất) do một hãng chế tạo của châu Âu cung cấp cho nhà máy đóng tầu Ba Son Việt Nam Chiều dầy lớp hợp kim nhôm xác định được trên mẫu nhập ngoại nói trên là (6 + 6) mm, còn chiều dầy lớp thép ASTM A516-55 là 20 ÷ 22 mm Với yêu cầu kỹ thuật

về chiều dầy các lớp như vậy, công nghệ cán dính rất khó áp dụng được ngay cả đối với các nước công nghiệp phát triển có nhiều máy cán tấm công suất lớn và không riêng gì đối với Việt Nam Xuất phát từ yêu cầu chế tạo các tấm hoặc băng rộng vật liệu tổ hợp thép – hợp kim nhôm đóng tầu thủy đã trích dẫn trong công trình [2], công nghệ phù hợp để tạo phôi

là công nghệ hàn tốc độ cao nhờ sử dụng năng lượng nổ của thuốc nổ chuyên dụng (tức là công nghệ hàn nổ)

Hình 1.1 Phôi vật liệu bimetal hàn nổ thép + hợp kim nhôm do một hãng sản

xuất của nước Áo cung cấp cho ngành đóng tầu thủy Việt Nam

Trong công trình [8] đã trình bày rất khái quát về vật liệu tổ hợp nhiều lớp thép các bon, thép không gỉ + nhôm và hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp đóng tầu thuỷ, toa xe lửa, các công trình kết cấu và nhiều ngành công nghiệp khác.Tuỳ theo lĩnh vực sử dụng mà người ta ứng dụng công nghệ cán dính hoặc hàn bằng năng lượng nổ để chế tạo vật liệu tổ hợp hai lớp hoặc ba lớp: thép – nhôm ; thép - nhôm - hợp kim nhôm Đó là các kim loại và hợp kim có cơ lý tính khác xa nhau, rất khó được hàn với nhau, đồng thời trong quá trình hình thành liên kết kim loại giữa chúng có rất nhiều yếu tố gây ảnh hưởng tới chất lượng bám dính giữa các lớp Do vậy, đối với các tổ hợp giữa các lớp nhôm và hợp kim nhôm với lớp thép yêu cầu trên vật liệu tổ hợp thành phẩm cần thực hiện nghiên cứu cơ bản sâu để xác lập cơ sở khoa học về những yếu tố công nghệ chủ yếu nhằm mục tiêu hạn chế sự ảnh hưởng

tiêu cực và nâng cao các tính chất sử dụng của những thành phần cấu tử trong vật liệu Trong bài báo cáo khoa học nói trên, tác giả giới thiệu một vài kết quả nghiên cứu khảo sát về vật liệu tổ hợp ba lớp thép 08s - nhôm

1050 - hợp kim nhôm 5083 (hợp kim nhôm AMг6) được nhập từ các nước châu Âu để sử dụng trong công nghiệp đóng mới và sửa chữa tầu biển và tầu quân sự ở Việt Nam hiện nay

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước

Trong những năm gần đây ở nước ngoài người ta đã ứng dụng công nghệ tạo lớp phủ bằng vật liệu nhôm và hợp kim nhôm trên nền thép các bon và thép không gỉ thành công Vật liệu tổ hợp nhiều lớp nhôm (hoặc hợp kim nhôm) - thép các bon (hoặc thép không gỉ) có tính chất đặc biệt như: mật độ thấp, độ bền cao và có thể sử dụng nhiều trong các ngành kỹ thuật công nghiệp trong nền kinh tế của mỗi nước cho phép giảm đáng

kể chi phí nguyên liệu quý hiếm đắt tiền, mở rộng khả năng thiết kế chế tạo các trang thiết bị máy móc hiện đại khác nhau, tạo điều kiện để nâng cao tuổi thọ các chi tiết máy quan trọng, giảm khối lượng và giá thành kết cấu máy Vấn đề tạo các tấm vật liệu thép phủ nhôm (hợp kim nhôm), các tính chất và đặc tính công nghệ dập của chúng đã có nhiều công trình công bố ngoài nước Do có khả năng chống gỉ cao của lớp phủ bằng nhôm trên nền sắt và thép nên vật liệu này có ý nghĩa rất lớn trong việc thay thế các kim loại quý hiếm như thiếc và chì Vật liệu thép bọc nhôm được sử dụng trong sản xuất các bóng đèn điện tử thay thế cho niken Tại Mỹ nhu cầu sử dụng vật liệu thép có lớp phủ bằng nhôm trong công nghiệp là rất lớn và ngày càng gia tăng Đặc biệt là trong ngành công nghiệp đóng tàu trên thế giới hiện nay có nhu cầu sử dụng các chi tiết trung gian để hàn các hợp kim nhôm với thép rất lớn [1]

Để chế tạo các chi tiết từ vật liệu tổ hợp thép - hợp kim nhôm dùng trong ngành công nghiệp đóng tàu thuỷ do có yêu cầu về chiều dầy tấm vật liệu cần thiết khá cao, nên việc sử dụng công nghệ cán dính trên thực

tế ngay cả tại các nước công nghiệp phát triển cũng không phù hợp Do vậy, các nhà nghiên cứu ngoài nước đã có đề xuất phương pháp công nghệ mới như sử dụng năng lượng nổ để chế tạo vật liệu tổ hợp thép - hợp kim nhôm

Tấm vật liệu tổ hợp thép 08s – nhôm và hợp kim nhôm; thép không gỉ 18XH10T - hợp kim nhôm được chế tạo với tỷ lệ khác nhau giữa các lớp thép và lớp nhôm hoặc hợp kim nhôm trong khoảng 3,5 ÷ 11 mm, chiều rộng không lớn hơn 800 mm, chiều dài không lớn hơn 1.600 mm

Lấy ví dụ: cơ tính của vật liệu tổ hợp 2 lớp (bimetal) nhận được như sau: σB = 550 ÷ 640 MPa; σ0,2 = 400 ÷ 500 MPa; δ = 15 ÷ 20 % Độ bền bám dính 2 lớp σb.d. > 98 MPa; độ bền cắt τc ≥ 49 MPa Độ giãn dài tương đối tấm bimetal thép 18XH10T - hợp kim nhôm AMг6 (δ > 20 %) đảm bảo khả năng uốn, dập và biến dạng tạo hình của vật liệu tổ hợp [1]

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước

Theo công bố của các tác giả công trình [2], ở Việt Nam trong những năm 80 của thế kỷ trước, như đã điểm qua ở trên, các loại vật liệu bimetal thép 08Kп - hợp kim nhôm ACM; thép 08Kп - hợp kim nhôm AO9-1 đã được nghiên cứu thực nghiệm chế tạo bằng phương pháp cán dính tạo lớp trung gian đồng thời với công nghệ hàn bằng năng lượng nổ của nhóm nghiên cứu do PGS.TS Hà Minh Hùng chủ trì tại Viện Nghiên cứu Máy - Bộ Cơ khí và Luyện kim Việt Nam (nay là Viện Nghiên cứu

Cơ khí - Bộ Công thương) đạt kết quả rất khả quan Kết quả nghiên cứu đối với các loại vật liệu bimetal thép - hợp kim nhôm chịu mòn nói trên đã

có ứng dựng thử trong các động cơ ô tô vận tải như DESOTO-P354 (Mỹ)

- hình 1.2a; IFA-W50 (Đức) - hình 1.2b; PERKING (Trung Quốc) và các động cơ diezen D6, D9, D12, D22T (Việt Nam); D9 & D12- YANMAR, KUBOTA (Nhật Bản) có kết cấu tổ hợp các lớp vật liệu nền thép và hợp kim chịu mòn tương ứng Đây cũng là những kinh nghiệm thực tiễn đáng lưu ý của nhóm nghiên cứu, tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện nay, đối với cặp vật liệu thép 08s - hợp kim nhôm AMг6, thép không gỉ - hợp kim nhôm AMг6 sử dụng trong ngành công nghiệp đóng tầu thuỷ là chưa được nghiên cứu ở nước ta, vì vậy cần phải chú ý về vấn đề này do có nhu cầu thay thế nguồn hàng nhập khẩu, chủ động trong sản xuất và tiết kiệm ngoại tệ

Hiện nay, tại Trung tâm Đào tạo và ứng dụng công nghệ Cơ khí –

Tự động hóa, Viện Nghiên cứu Cơ khí đang có phối hợp với Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng (Bộ Công thương) tại Uông Bí – Quảng Ninh, nhóm các chuyên gia hàn bằng năng lượng nổ dưới sự chủ trì của PGS.TS Hà Minh Hùng, Th.S Lương Văn Tiến và các cộng sự, đang thực hiện các nghiên cứu cơ bản về công nghệ hàn tốc độ cao để chế tạo vật liệu tổ hợp ba lớp thép đóng tầu - nhôm - hợp kim nhôm và công nghệ hàn kết nối chúng để hàn giữa vỏ tàu và các kết cấu nội thất trong tàu thuỷ

Hình 1.2 Bạc trượt bimetal thép 08Kп + ACM động cơ xe IFA-W50 (a); bạc trượt bimetal thép 08Kп + A09-1 động cơ xe DESOTO-P354 (b) theo [2]

Trước tiên nhóm nghiên cứu chúng tôi khảo sát đánh giá vật liệu được nhập ngoại từ nguồn các nước công nghiệp phát triển như Áo (nhà cung cấp chính vật liệu này cho Việt Nam hiện nay) để có bộ tài liệu về các Tiêu chí giám định dựa trên các chỉ tiêu quốc tế Bước tiếp theo đó, chúng tôi thực nghiệm hàn các cặp vật liệu thép đóng tầu thủy (08s) – nhôm (hợp kim nhôm AMг6), thép không gỉ - hợp kim nhôm AMг6 (tương đương mác hợp kim nhôm 5083) và nghiên cứu đánh giá tính hàn, chất lượng mối hàn, tổ chức tế vi tại biên giới liên kết các lớp kim loại hàn

Một phần kết quả nghiên cứu hàn tốc độ cao bằng sử dụng thuộc nổ

có các thành phần thay đổi để tạo ra tốc độ hàn ở nhiều mức khác nhau (từ 400m/s đến gần 3000m/s) bằng phương pháp thực nghiệm của nhóm nghiên cứu sẽ được trình bày trong Chương 4 của công trình này (phần kết quả thực nghiệm)

1.2.3 Kinh nghiệm hàn ghép nối các vật liệu kết cấu thép với hợp kim nhôm

Khi đã tạo ra được các thanh, tấm vật liệu trung gian thép các bon thấp độ bền cao – hợp kim nhôm để dùng trong hàn tàu thủy, người ta tiến hành hàn thử nghiệm để xác định vùng tối ưu các thông số công nghệ hàn ở khâu này

Một số dạng kết cấu hàn thông qua chi tiết vật liệu tổ hợp trung gian cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Một số dạng điển hình khi hàn kết cấu thép

với cấu kiện nhôm hợp kim:

Loại kết nối Sơ đồ chuẩn bị phôi hàn Mối hàn kết nối

1 Hàn nối đầu vật liệu bimetal:

Từ một số dạng điển hình khi hàn các chi tiết kết cấu bằng thép với các cấu kiện bằng hợp kim nhôm [1] thường gặp trong công nghiệp đóng toa

xe lửa, tàu thuỷ (bảng 1.1) có thể chọn một vài dạng kết cấu điển hình đơn gian để thí nghiệm Đối với mỗi dạng kết cấu hàn nói trên khuyến cáo nên chọn chế độ hàn trong phạm vi [1]: cường độ dòng hàn trong khoảng 120 ÷

220 A, lưu lượng cấp khí acgông trong khoảng 8 ÷ 12 lít/phút (từ phía vật liệu hợp kim nhôm) và cường độ dòng hàn trong khoảng 80 ÷ 180 A, hiệu điện thế trên cung lửa hàn trong khoảng 18 ÷ 23 V, tốc độ hàn trong khoảng

4 ÷ 26 m/h, dây điện cực hàn sử dụng: Cв.08Г2C, Cв.08X19H9Ф2C2 (từ phía vật liệu thép)

Công nghệ hàn vật liệu tổ hợp trung gian có thể tóm tắt như sau: hàn trục tiếp các tấm thép đóng tàu tương đương mác thép các bon thấp độ bền cao như (09Г2C) và hợp kim nhôm (AMг6) với lớp nền thép và lớp hợp kim nhôm tương ứng bằng dòng điện một chiều và điện cực chảy volphram đường kính 3 mm và dây hàn bằng thép không gỉ X18H10T đường kính 2 mm

Có hai phương án hàn được lựa chọn để thí nghiệm như sau [1]:

- Phương án hàn thứ nhất: đầu tiên hàn các tấm thép của kết cấu

công trình (vỏ tàu) với lớp nền thép vật liệu tổ hợp trung gian, sau khi kết cấu đã nguội hoàn toàn mới hàn các tấm hợp kim nhôm AMг6 trong cấu kiện trên tàu với lớp nhôm hợp kim vật liệu tổ hợp trung gian Việc hàn lớp nền thép với các tấm thép không gỉ có thể dẫn tới nung nóng đáng kể lớp hợp kim nhôm và làm nóng chảy cục bộ nó dẫn tới bong tróc lớp phủ hợp kim nhôm, điều này được minh chứng bởi các nghiên cứu cấu trúc biên giới 2 lớp bimetal và thử phá huỷ mẫu xác định độ bền bám dính giữa chúng

- Phương án hàn thứ 2: đầu tiên hàn lớp hợp kim nhôm vật liệu tổ

hợp trung gian với các tấm hợp kim nhôm kết cấu AMг6, sau đó mới hàn lớp nền thép vật liệu tổ hợp trung gian với các tấm thép vỏ tàu Trong trường hợp này quá trình hàn từ phía lớp nền thép không gặp khó khăn gì và sự hình thành các pha liên kim loại xẩy ra ở giá trị của năng lượng qp khá lớn (khoảng 2 lần so với trường hợp hàn lớp thép đầu tiên); sự truyền nhiệt rất đáng kể vào tấm ghép hợp kim nhôm dẫn đến giảm mức độ nung nóng và hư hỏng tối thiểu của lớp nhôm hợp kim vật liệu tổ hợp trung gian Thử phá huỷ mẫu trong trường hợp phương án hàn thứ hai này cho thấy độ bền bám dính

2 lớp vật liệu tổ hợp lớn hơn so với trường hợp thứ nhất Phá huỷ mẫu xẩy ra theo lớp hợp kim nhôm hoặc theo đường biên giới của nó với lớp nền thép vật liệu tổ hợp trung gian

Trong một công trình nghiên cứu khác ở khối Liên Xô trước đây về khả năng làm việc của chi tiết trung gian làm bằng vật liệu tổ hợp thép - hợp kim nhôm nhận được bằng công nghệ hàn nổ [3], lớp nền thép 08s và X18H10T có chiều dày 8 mm, còn lớp hợp kim nhôm AMг6 có chiều dày 5

÷ 6 mm, trong đó lớp lót trung gian là nhôm AД1 có chiều dày 1,5 mm đã làm tăng tính dẻo của vật liệu tổ hợp Vật liệu tổ hợp ba lớp hàn nổ thép X18H10T - nhôm AД1 - hợp kim nhôm AMг6 đã được giám định theo chỉ tiêu độ bền bám dính 2 lớp thép và hợp kim nhôm Kết quả cho thấy bimetal thép 08s - hợp kim AMг6 có độ bền bám dính 2 lớp trung bình đạt

99 MPa khi thử kéo dứt (phương tác dụng của lực phá hủy mẫu vuông góc với bề mặt tiếp xúc 2 lớp vật liệu hàn) và 76 MPa khi thử kéo trượt (phương tác dụng của lực phá hủy mẫu song song với bề mặt tiếp xúc 2 lớp vật liệu hàn) Đối với vật liệu tổ hợp 2 lớp thép X18H10T - hợp kim AMг6 có độ bền bám dính 2 lớp trung bình với hai trường hợp phá hủy mẫu kể trên đạt

70 MPa và 68 MPa tương ứng

1.3 Phạm vi sử dụng vật liệu tổ hợp thép - hợp kim nhôm trong hàn kết cấu tàu thuỷ

Gần đây trong công nghiệp đóng tàu thuỷ trên thế giới ngày càng sử dụng phổ biến hợp kim nhôm Tuy hợp kim nhôm có giá thành chế tạo cao hơn so với thép, nhưng các cấu kiện trên tàu thuỷ từ hợp kim nhôm nhanh chóng được hoàn vốn nhờ có nhiều ưu điểm hơn thép, đó là: mật độ thấp nên vật liệu hợp kim nhôm rất nhẹ, không bị nhiễm từ tính, khả năng chống

gỉ cao và độ bền đủ cứng vững Hợp kim nhôm được sử dụng trên tàu thuỷ phổ biến nhất là chế tạo các bồn chức nước, các hộp cácter, tàu chở khách cánh ngầm, tàu tốc độ cao cỡ nhỏ

Các kết cấu tầu thuỷ được chế tạo từ hợp kim nhôm mà vỏ của chúng làm bằng thép: các cụm trang thiết bị trên boong tàu, dầm cầu trục, ống khói, hệ thống quạt thông gió, cabin, phòng ngủ cho thủy thủ, các cấu kiện trang trí nội thất Các kết cấu nguyên kiện bằng hợp kim nhôm về nguyên lý được chế tạo bằng phương pháp hàn, còn ghép nối giữa các chi

tiết kết cấu bằng hợp kim nhôm với các cấu kiện bằng thép trước đây thường được thực hiện bằng phương pháp đinh tán Để giảm tự trọng của tầu thuỷ và tăng khả năng chở hàng (tăng tải trọng vận chuyển) có thể được thực hiện bằng cách thay thế các cụm linh kiện, kết cấu trên tầu thuỷ

từ vật liệu thép trước đây bằng vật liệu mới là hợp kim nhôm, do vậy cần

sử dụng các chi tiết trung gian bằng vật liệu bimetal thép + hợp kim nhôm

để hàn ghép các cấu kiện đó với nhau, phương pháp này làm cho quá trình chế tạo tầu thuỷ đỡ phức tạp hơn trước và đảm bảo kết cấu làm việc có độ tin cậy cao

1.4 Phân tích tổ trúc tế vi biên giới 2 lớp vật liệu tổ hợp thép - hợp kim nhôm sử dụng trong hàn kết cấu tàu thuỷ dân dụng và tàu quân sự

Trên hình 1.1 là ảnh chụp một chi tiết trung gian làm từ vật liệu tổ hợp

3 lớp thép - nhôm - hợp kim nhôm dùng để hàn các kết cấu thép với hợp kim nhôm trên tầu thuỷ tại một nhà máy đóng tàu ở Việt Nam cấp cho nhóm nghiên cứu chúng tôi giám định chất lượng Vật liệu tổ hợp 3 lớp thép - nhôm - hợp kim nhôm loại này đang được ứng dụng trong một vài cơ sở đóng tầu thuỷ ở Việt Nam được nhập từ hãng cung cấp châu Âu: “Merrem &

la Porte BV” (Veilingweg 2 - 5301 KM Zaltbommel - HOLAND) có tên gọi mang thương hiệu là TRICLAD® Aluminium Steel Transitionjoints Kích thước hình học của vật liệu tổ hợp 3 lớp thép - nhôm - hợp kim nhôm là các thanh 30 x 34 x 3.700 mm được cắt ra từ tấm vật liệu cỡ lớn có khích thước rộng đến 1.400 mm và chiều dài đến 3.800 mm

Theo tài liệu về xuất xứ hàng nhập khẩu tại văn bản Certificate for Rolled Steel Plates, Strip, Sections or Bars của cơ quan giám định chất lượng châu Âu Lloyd′s Register thì vật liệu này có ba lớp: nền thép mác ASTM A516-55 có chiều dầy đến 19 mm; lớp lót trung gian giữa nền thép với lớp hợp kim nhôm là EN AW-1050A có chiều dày 9,5 mm; lớp hợp kim nhôm trên bề mặt lớp phủ là EN AW-5086 có chiều dày là 6 mm Như vậy tổng chiều dày của thanh vật liệu tổ hợp 3 lớp này là 34,5 mm Với kích thước chiều dày như vậy người ta đã ứng dụng công nghệ hàn nổ

để tạo ra các tấm vật liệu tổ hợp 3 lớp thép - nhôm - hợp kim nhôm là tốt nhất, vì phương pháp cán bị hạn chế bởi chiều dày tấm vật liệu thành phẩm ở mức độ không lớn Cũng theo Chứng chỉ kiểm định vật liệu đầu vào dùng để chế tạo các thanh vật liệu tổ hợp 3 lớp “TRICLAD® Aluminium Steel Transitionjoints” do hãng DMC Nitro Metall (châu Âu) cung cấp thì các tấm phôi hàn nổ (để minh chứng cho quan điểm nói trên [6]) có kích thước hình học như sau: 4.000 x 1500 x (19 + 9,5 + 6) mm, ứng với 3 lớp vật liệu: thép ASTM A516-55; nhôm EN AW-1050A và hợp kim nhôm EN AW-5086

Thành phần hoá học lớp nền thép theo phiếu báo kết quả phân tích của nhóm RUUKKI PRODUCTION được cho trong bảng 1.2 Độ bền kéo dứt vật liệu đạt 98 MPa, giới hạn chảy đạt 88 MPa, độ giãn dài tương đối 28%

Bảng 1.2 Thành phần hoá học lớp thép trong vật liệu TRICLAD® Aluminium

Steel Transitionjoints dùng cho tàu TT-200, % khối lượng

Hàm lượng các nguyên tố

C Si Mn P S Al Nb 0,13 0,20 0,75 0,007 0,007 0,31 0,003

Ngoài ra số lượng vật liệu tổ hợp 3 lớp do Nga sản xuất để làm chi

tiết trung gian khi hàn vỏ tàu bằng thép với kết cấu bằng hợp kim nhôm

trân một số tàu quân sự (tàu 12418) được sử dụng lớn hơn nhiều so với vật

liệu TRICLAD® Aluminium Steel Transitionjoints nói trên là hệ thép X18H10T - nhôm 1050 - hợp kim nhôm AMг6 Kích thước chiều dày tương ứng các lớp là (10 + 5 + 5) mm Với tổ hợp kích thước này đã được

nhóm nghiên cứu chúng tôi chọn để thí nghiệm, vì nguyên vật liệu đầu vào

dẽ mua trên thị trường Việt Nam

Chúng tôi đã cắt lấy mẫu nghiên cứu khảo sát cấu trúc tế vi vùng liên

kết giữa hai lớp nhôm và hợp kim nhôm với nền thép dọc theo chi tiết trung

gian để hàn trên tàu thuỷ từ vật liệu TRICLAD® Aluminium Steel

Transitionjoints, kết quả thu nhận được cho trên hình 1.3a, b

Hình 1.3 Cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép và hợp kim nhôm

trong vật liệu nhiều lớp TRICLAD® Aluminium Steel Transitionjoints: a) giữa

lớp thép với lớp nhôm 1050; b) giữa lớp nhôm 1050 với lớp hợp kim nhôm 5083

Kết luận chương 1:

Trong phần này, tác giả đã đạt được các kết quả sau:

1) Nêu được khái quát về tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương

pháp công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nhiều lớp, trong đó có vật liệu 2 lớp

(bimetal) trên thế giới và Việt Nam Tác giả đã phát hiện rằng: công nghệ

hàn tốc độ cao nhờ sử dụng năng lượng nổ là rất thích hợp (trong điều kiện

Việt Nam hiện nay không có các nhà máy luyện kim và gia công áp lực

lớn) để sản xuất được nhóm vật liệu tổ hợp thép - hợp kim nhôm, thép -

nhôm - hợp kim nhôm phục vụ cho ngành công nghiệp đóng và sửa chữa tầu thuỷ thay thế cho công nghệ dùng đinh tán rivê để lắp ghép các kết cấu nội thất với vỏ tàu, vừa phức tạp trong công nghệ ghép nối (năng suất thấp), độ bền chịu lực kém (gắn kết điểm), chi phí nhân công cao, làm tăng trọng lượng tàu đáng kể ;

2) Tổng hợp những kết quả nghiên cứu ứng dụng vật liệu tổ hợp thép – nhôm – hợp kim nhôm dùng trong công nghiệp đóng tầu thủy trên thế giới Đồng thời đã trình bày phạm vi sử dụng vật liệu bimetal thép + hợp kim nhôm trong hàn kết cấu tầu thuỷ Đặc biệt là hiện nay Việt Nam đến nay chưa tự chủ động sản xuất trong nước được Do đó, để từng bước nắm vững công nghệ, tiến tới chủ động đảm bảo đầy đủ vật tư cho sản xuất, thay thế nhập khẩu, giảm chi tiêu ngoại tệ và đặc biệt là giữ được tính bảo mật quốc gia cao về lĩnh vực an ninh quốc phòng (đóng tàu quân sự) Ngoài ra, sản phẩm đề tài có thể phục vụ cho các nhà máy đóng tàu dân sự khác trong cả nước;

3) Kết quả khảo sát mẫu chụp ảnh cấu trúc biên giới 2 lớp vật liệu tổ hợp 3 lớp thép – nhôm – hợp kim nhôm được dùng trong hàn kết cấu tầu thuỷ dân dụng và tầu quân sự, từ đó xác định rõ được quan điểm sử dụng công nghệ phù hợp hiện nay ở nước ta của nhóm nghiên cứu là công nghệ hàn tốc độ cao bằng sử dụng năng lượng xung nổ (hàn nổ);

4) Trong quá trình tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tạo vật liệu tổ hợp nhiều lớp kim loại của nhóm nghiên cứu, tác giả đề tài này đã tích cực tham gia thực hiện nhiều nội dung công việc liên quan đến các nghiên cứu cơ bản vật liệu mới Những phần kết quả công bố trong công trình này đều được người chủ trì nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Đào tạo và Ứng dụng công nghệ Cơ khí – Tự động hóa (Trung tâm CTA-NARIME) là PGS.TS Hà Minh Hùng cùng với các cộng sự khác cho phép

Chương 2

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT HÀN TỐC ĐỘ CAO

GIỮA HAI TẤM KIM LOẠI BẰNG NĂNG LƯỢNG NỔ

2.1 Đặc điểm của quá trình hàn tốc độ cao bằng năng lượng nổ

Hàn nổ là quá trình nhận được liên kết kim loại và hợp kim dưới tác động của năng lượng sinh ra khi kích nổ các chất nổ Lịch sử hình thành quá trình công nghệ hàn nổ đã được đề cập trong các công trình [1, 3] Sơ

đồ nguyên lý quá trình hàn nổ song song để tạo phôi bimetal được thể hiện trên hình 2.1a, b Tấm kim loại cố định (4) và tấm kim loại hàn (3) được đặt dưới một góc nghiêng (α) ở khoảng cách cố định (hO) Trên tấm kim loại hàn (3) là lớp thuốc nổ (2) Tại vị trí đỉnh góc nghiêng là kíp nổ (1) Tất cả phôi được đặt trên đế nổ (5) bằng kim loại, bê tông, cát Khi bị kích

nổ, theo toàn bộ lớp thuốc nổ sẽ lan truyền sóng nổ với tốc độ (D) đạt tới vài nghìn mét trong một giây Dưới sự tác dụng của áp suất cao do sự nở của khí nổ, tấm kim loại hàn đạt được tốc độ (vO) khoảng vài trăm mét trong một giây và va đập vào với tấm kim loại cố định dưới một góc xác định γ = β + α (γ - góc va đập; β - góc uốn động; α - góc nghiêng ban đầu) Kết quả của quá trình kích nổ các chất nổ tạo ra áp suất và nhiệt độ rất cao, trong vùng tiếp xúc hai tấm kim loại, tạo ra tia kim loại cục bộ tạo điều kiện cho chúng liên kết kim loại với nhau Tốc độ cao và áp suất cao ở vùng tiếp xúc xảy ra sự đánh sạch màng ôxit trên các bề mặt tiếp xúc, làm linh hoạt hoá chúng và tạo ra mối liên kết kim loại giữa các lớp với nhau Mối liên kết kim loại đó thường có dạng sóng âm đặc trưng, tuy nhiên cũng

có những trường hợp mối liên kết không có dạng sóng âm (hình 2.1 b) [1, ]

(a) (b)

Hình 2.1 Sơ đồ hàn nổ song song (a) và tại một thời điểm nổ (b) theo [6] :

1 – Kíp nổ điện, 2 – Thuốc nổ, 3 – Tấm kim loại hàn,

nghiệm với tia kim loại cục bộ [17] Tuy nhiên, các nghiên cứu cơ bản

và ứng dụng thực tế của hiện tượng này chỉ bắt đầu sau năm 1961 tại Viện Thuỷ khí động học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô khi thực nghiệm một trong các sơ đồ làm biến cứng hai tấm kim loại bằng năng lượng nổ [10]

Các nhà khoa học đã đề xuất sơ đồ hàn nổ song song, giả thiết cho rằng: cơ sở của quá trình hàn nổ là sự hình thành tia kim loại cục bộ, xuất hiện trong các điều kiện va đập với tốc độ cao giữa hai tấm kim loại nằm nghiêng một góc hoặc song song với nhau Khi kích nổ thuốc nổ, theo nó di chuyển mặt phân cách nổ với tốc độ lên đến hàng nghìn mét trong một giây [15] Tốc độ va đập của tấm kim loại trên với tấm kim loại dưới đạt đến 1.500 m/s Tốc độ di chuyển của vũng hàn theo hướng

nổ cũng đạt giá trị trên dưới 1.000 m/s, phụ thuộc vào góc va đập trong từng trượng hợp hàn cụ thể Tại điểm va đập xuất hiện một dòng có định hướng các hạt kim loại, chuyển động với tốc độ cao trong khe hở giữa hai tấm kim loại hàn và tạo ra bề mặt liên kết dạng sóng âm [10, 11, 12] Tia kim loại cục bộ làm sạch lớp màng ôxit trên các bề mặt tiếp xúc hai tấm kim loại Tại điểm va đập dưới tác động của áp suất và nhiệt độ rất cao, hai tấm kim loại đi vào tiếp xúc trực tiếp một cách chặt chẽ và nhờ đó tạo ra liên kết kim loại trên toàn bộ diện tích các bề mặt tiếp xúc

Trong công trình [15] đã được đề xuất các điều kiện hình thành tia kim loại cục bộ khi hàn tốc độ cao bằng năng lượng nổ như sau:

1) Trong mọi trường hợp, không phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của điểm va đập, áp suất được tạo ra trực tiếp trước điểm va đập cần phải đủ lớn để thắng giới hạn đàn hồi động của vật liệu và đảm bảo nén ép các bề mặt kim loại hàn vào tia kim loại cục bộ;

2) Nếu tốc độ di chuyển của điểm va đập vK nhỏ hơn tốc độ truyền

âm thanh CO trong vật liệu kim loại hàn thì về mặt lý thuyết tia kim loại cục

bộ có thể được hình thành ở mọi góc nghiêng α giữa hai tấm kim loại hàn Tuy nhiên, trên thực tế mức áp suất cần thiết được cho bởi một góc nghiêng tối thiểu nào đó;

3) Nếu điểm va đập di chuyển với tốc độ lớn hơn tốc độ sóng âm trong vật liệu kim loại hàn thì tia kim loại cục bộ có thể được hình thành chỉ ở góc nghiêng lớn hơn một góc tới hạn nào đó

Pirson Dz [18] đề xuất sơ đồ hàn hai tấm kim loại nghiêng một góc nào đó với nhau với sự phân bố đối xứng các tấm kim loại hàn có chiều dày bằng nhau, trên chúng đặt các thuốc nổ cũng giống nhau Trong trường hợp này, các tấm kim loại hàn nhận được tốc độ va đập bằng nhau Tuy nhiên,

sơ đồ hàn kiểu này khó thực hiện trên thực tế do không thể áp dụng được đối với các tấm kim loại hàn có kích thước lớn, vì trong quá trình nổ không thể tăng góc nghiêng ở phần cuối tấm hàn vô hạn được Vì thế, người ta đã

đề xuất sơ đồ hàn hai tấm kim loại đặt song song, dễ thực hiện và chấp nhận được đối với các tấm kim loại hàn có kích thước lớn Việc đó thực

hiện được nhờ sử dụng thuốc nổ tốc độ thấp (nhờ pha trộn thêm các chất phụ gia để giảm tốc độ nổ), đảm bảo được điều kiện vK < CO khi ở điều kiện tốc độ di chuyển của điểm va đập bằng tốc độ nổ vK = D

Một trong những sơ đồ nổ song song như vậy đã được trích dẫn trong công trình [10, 17] là sơ đồ do A A Deribas và V C Seđưkh đề xuất, trong

đó các tấm kim loại hàn được đặt cách nhau với khe hở xác định, còn chỗ đặt kíp nổ được bẻ cong một đoạn để tạo góc nghiêng ban đầu giữa chúng Nhưng trong công trình [31] đã chỉ ra rằng việc uốn cong phần đầu tấm kim loại hàn nổ để đặt kíp nổ chỉ có ý nghĩa khi sử dụng thuốc nổ tốc độ cao hoặc khi chiều dày tấm kim loại hàn lớn hơn 10 mm Đối với sơ đồ hàn nổ kiểu này, tốc độ di chuyển của điểm va đập (vùng hàn) dọc theo hướng nổ sẽ bằng tốc độ nổ

Hiện nay, ở một số nước thuộc Liên Xô trước đây và các nước khác đã

có nhiều đăng ký bản quyền sáng chế về những phương pháp hàn nổ, đặc trưng bởi vị trí đặt các tấm kim loại hàn so với nhau trước khi nổ (nghiêng, song song, đối xứng); hình dạng bề mặt của các tấm kim loại hàn (phẳng, trụ, cong không gian); tỷ lệ các kích thước hình học của các tấm kim loại hàn; thứ tự các bước công nghệ hàn nổ; sơ đồ kích nổ Một trong số những bằng sáng chế chung nhất là bản quyền số 3137937 USA, MuK B 23K29/00 bao trùm hầu như đa số các trường hợp ứng dụng trong hàn nổ có sử dụng thuốc nổ có tốc độ nổ thấp hơn 120% so với tốc độ truyền âm trong vật liệu kim loại hàn và sơ đồ nổ song song [1] Có thể hàn nổ khi tốc độ nổ cao hơn trong vật liệu kim loại hàn [2], tuy nhiên khi đó cần thực hiện sơ đồ nổ nghiêng dưới một góc α đảm bảo tốc độ di chuyển của điểm va đập vK nhỏ hơn tốc độ truyền âm trong các tấm kim hoại hàn, điều này rất khó thực hiện khi kích thước lớn và các chi tiết có biên dạng cong Người ta đã chế tạo ra thuốc nổ trên nền hỗn hợp amônit 6ЖB + NH4NO3 với tỷ lệ các thành phần khác nhau, ưu điểm của các loại thuốc nổ này là có thể điều chỉnh được tốc độ nổ trong phạm vi rộng (1.200 ÷ 4.000 m/s)

Một trong những thông số công nghệ hàn tốc độ cao bằng năng lượng

nổ chính xác định chất lượng liên kết hai lớp kim loại là giữ được độ ổn định của khe hở ban đầu giữa chúng Hiện đã có rất nhiều sáng chế giải quyết vấn đề này bằng nhiều cách khác nhau [12÷27] ví dụ như: dùng bi cầu, chốt nhọn, tấm cách từ băng gấp chữ V, dây kim loại quấn thành hình

lò xo hoặc các mảnh cắt từ tấm kim loại hàn (tấm trên) có chiều dày khoảng 1 ÷ 3 mm, hoặc tạo khe hở ban đầu giữa hai tấm kim loại hàn bằng khí nén (argôn, hêly) dưới áp suất 4 ÷10 KPa, tuy nhiên phương pháp này

có liên quan tới chi phí lớn

Một vấn đề khác là làm sao loại bỏ được hiện tượng không hàn tại vùng đặt kíp để kích nổ thuốc nổ Có đề xuất tại điểm kích nổ đặt một tấm kim loại hình tam giác hoặc hình thoi giữa hai tấm kim loại hàn [16], nhưng bằng cách này rất khó định vị được tấm lót đó Việc loại trừ vùng không hàn tại

điểm kích nổ được thực hiện bằng cách kích nổ một phần thuốc nổ phụ trợ [17] từ loại thuốc nổ tốc độ cao Khi đó, thuốc nổ có tốc độ nổ lớn hơn nằm

ở bên ngoài thuốc nổ sử dụng cho hàn nổ trên bề mặt cơ bản của tấm kim loại trên Tuy vậy, đến nay vẫn chưa có phương án nào để loại bỏ hoàn toàn vùng không hàn tại điểm kích nổ một cách hoàn hảo Ngoài ra, để bảo vệ bề mặt tấm kim loại hàn khỏi tác động trực tiếp của thuốc nổ phân huỷ khi nổ khuyến cáo nên sử dụng một lớp vật liệu trung tính như polietilen, cao su mỏng làm lớp cách giữa thuốc nổ và tấm kim loại trên Để giảm thiểu hiện tượng không hàn theo chu vi tấm bimetal, người ta sử dụng phương án nổ

“treo” của thuốc nổ [18]

Khi hàn nổ một số cặp kim loại như: thép + titan, thép + nhôm, titan + đồng quá trình gia công nhiệt tiếp theo sau hàn nổ có thể làm cho sự khuếch tán của các phần tử trong liên kết hàn nổ xẩy ra với cường độ cao trong mối hàn, điều đó dẫn đến sự hình thành của các liên kim loại Các liên kim loại này có độ cứng rất cao và chúng làm giảm độ bền bám dính hai lớp bimetal, đặc biệt là đối với cặp vật liệu hàn là thép và nhôm Để hạn chế hình thành các liên kim loại trong mối hàn bằng năng lượng nổ đã có đề xuất hàn qua lớp kim loại trung gian, với điều kiện kim loại trung gian đó không có phản ứng hoá học tác dụng với các kim loại hàn để tạo thành các liên kim loại [12÷17] Có đề xuất sử dụng lớp trung gian bằng niken để chống khuếch tán được hàn nổ với thép các bon, rồi sau đó cán xuống kích thước yêu cầu

và sử dụng bimetal sau cán để hàn nổ với thép không gỉ Khi đó, quá trình hàn bằng năng lượng nổ sẽ trở nên phức tạp hơn, nhưng đảm bảo được chất lượng mối hàn nổ cao

Như vậy, đã có hàng loạt các đề xuất trong giải quyết các bài toán công nghệ hàn nổ để nhận được các liên kết kim loại các vật liệu khác nhau có chất lượng cao Tuy nhiên, việc giải bài toán tối ưu công nghệ hàn nổ đối với từng cặp vật liệu hàn cụ thể mang tính chất cá biệt, vì vậy để đạt được mục tiêu đề ra trong đề tài nghiên cứu này cần thiết phải thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm sâu

2.2 Nguyên lý hình thành liên kết 2 lớp kim loại khi hàn bằng năng lượng nổ

Sự va đập của các tấm kim loại hàn khi thực hiện theo một trong các sơ

đồ nổ nói trên có đi kèm lượng biến dạng dẻo rất lớn, làm xuất hiện sự nung nóng đẳng nhiệt cục bộ các bề mặt tiếp xúc khi hàn nổ, kết quả quá trình đó là hình thành được liên kết kim loại [10] Khi đó, để nhận được liên kết bền vững, cần thiết phải đảm bảo sao cho thời gian tác dụng trong mối hàn áp lực dương lớn hơn thời gian kết tinh lại của hỗn hợp các kim loại hàn và kim loại nền nóng chảy [17] Mối hàn nổ kim loại thường có biên dạng sóng, thỉnh thoảng có các tạp chất kim loại nóng chảy và kết tinh phân bố trên đỉnh sóng,

mà theo cách gọi của các nhà nghiên cứu khác nhau: “vùng trộn” (A A Deribas) [13], “vùng rối” (Crosland) [18], “vùng nóng chảy” (I D Zakharenko) hoặc “vùng chảy” (V V Seđưckh) [16]

Hình 2.2 Hình dạng liên kết kim loại giữa hai lớp hàn nổ

Trong công trình [17] đề xuất sơ đồ hình thành bề mặt sóng khi hàn tốc độ cao bằng năng lượng nổ (hình 2.3)

a) b) c)

d) e) f)

g) h) i)

Hình 2.3 Sơ đồ hình thành bề mặt sóng liên kết khi hàn nổ các kim loại khác nhau [17]

Rõ ràng là các phía của đỉnh và chân sóng liên kết theo hướng lan truyền sóng va đập, hình thành bởi tia kim loại cục bộ, được hấp thụ bởi vật liệu tấm kim loại hàn (tấm trên), còn ở phía sau sóng va đập là vật liệu tấm kim loại nền (tấm dưới) Toàn bộ khối lượng kim loại bị đẩy ra khi hàn nổ bị cuốn vào tia kim loại cục bộ, vì phần lớn của nó cuốn vào các vòng xoáy từ phía sau đỉnh sóng liên kết, nơi có hỗn hợp cơ học của các hạt rất mịn từ bề mặt hai tấm kim loại hàn Thông thường sự nóng chảy nhờ chuyển biến động năng của tia kim loại cục bộ thành nhiệt năng các vùng có kim loại nóng chảy

tại điểm va đập khi hàn nổ được làm nguội nhanh bởi sự tản nhiệt của nó, điều này dẫn đến sự hình thành các vùng kết tinh trên đỉnh sóng liên kết Nếu như các đoạn kết tinh đó không lớn và phân bố cách biệt so với nhau thì chúng ít gây ảnh hưởng tới chất lượng liên kết kim loại hai lớp bimetal Nếu khi hàn

nổ có tia kim loại cục bộ có cường độ cực cao thì toàn bộ bề mặt liên kết hai lớp kim loại bimetal bị phủ bởi một lớp vật liệu nóng chảy

Lý thuyết về sự hình thành sóng liên kết và làm sạch bề mặt hai tấm kim loại hàn nổ đầy đủ hơn cả đã được các nhà nghiên cứu như Crosland

và Wiliam đề xuất [14] Dự trên cơ sở hàng loạt các nghiên cứu hàn nổ, trong công trình [12] đưa ra kết luận rằng: Để hình thành được sóng liên kết cần phải có sự kích hoạt đủ mạnh ban đầu khi hàn nổ và việc tạo thành sóng liên kết không phải là sự xuất hiện của trạng thái không bền vững nào

đó, mà xẩy ra do quá trình tự dao động cùng với kích hoạt cứng sóng kiên kết và tại vùng lân cận xung quanh điểm va đập là ảnh đồ của nó

Bằng thực nghiệm, người ta đã chứng minh rằng: điểm bắt đầu kích hoạt sóng liên kết là sóng phản xung va đập theo bề mặt tự do của tấm kim loại hàn và đuổi theo sau điểm tiếp xúc va đập khi hàn nổ Việc làm sạch

bề mặt tiếp xúc hai tấm kim loại hàn nổ được gắn kết với hiện tượng dòng khối lượng kim loại trước điểm tiếp xúc va đập, có thể được quan sát thấy ở dạng dòng chảy ngược khi hàn nổ với góc va đập lớn, cũng như ở dạng đám mây của các hạt mịn kim loại khi góc va đập nhỏ [17] Trong trường hợp này, sự có mặt của dòng chảy kim loại dẫn đến liên kết hai lớp không

có biên dạng sóng, còn sự có mặt của đám mây các hạt kim loại – dẫn đến liên kết có biên dạng sóng Cũng trong công trình này, tác giả đã nhấn mạnh rằng ở các góc va đập nhỏ chiều dày của dòng tia kim loại cục bộ so sánh được với chiều cao của độ nhấp nhô bề mặt, do vậy, không nên chờ đợi có chuyển động ổn định trên khoảng cách lớn của dòng tia kim loại cục

bộ bởi vì các nhấp nhô bề mặt làm phá huỷ nhanh chóng dòng kim loại đó Trong công trình [18] bằng thực nghiệm đã nhận được quan hệ giữa bước sóng (λ) và các thông số va đập trong trường hợp tấm kim loại hàn có chiều dày nhỏ hơn nhiều so với chiều dày tấm kim loại nền:

λ = 26.δ1 [sin (γ / 2)]2 (2.1) trong đó: δ1 – chiều dày tấm kim loại hàn (tấm trên)

Mối tương quan này cũng được các nhà nghiên cứu Gordopolov Yu

A và Dremin A N [13] Trên cơ sở lý thuyết sóng mao dẫn trên biên giới phân cách hai lớp chất lỏng có chiều sâu vô hạn, các nhà nghiên cứu trên đẫ

đề xuất sự phụ thuộc của bước sóng vào tốc độ nhóm tương tự như biểu thức (2.1):

λ / δ1 = A [sin (r / 2)]2 (2.2)

và đưa ra kết luận về ảnh hưởng có thể của sức căng bề mặt kim loại ở trạng thái không bình thường các lớp bề mặt của chúng trong điều kiện va đập tốc độ cao đến quá trình hình thành liên kết dạng sóng

Ta đã biết rằng: Bước sóng có thể thay đổi tuỳ thuộc vào đường đi qua điểm tiếp xúc va đập, tốc độ nổ của thuốc nổ sử dụng và khe hở ban đầu giữa hai tấm kim loại hàn [10, 11] Các thông số sóng liên kết hai lớp kim loại có thể thay đổi đáng kể tuỳ thuộc vào cấu hình tế vi của các bề mặt hàn với nhau khi hàn nổ: Bề mặt gia công thô sẽ tạo ra hình thành sóng liên kết trong vùng mối hàn rất đáng kể, còn gia công bề mặt tinh – dẫn đến giảm các thông số sóng liên kết và giảm số lượng các chất nóng chảy trong mối hàn nổ [16] Nguyên nhân của các hiện tượng này chưa được nghiên cứu kỹ, nhưng đã có đề xuất quan hệ sau đây trong hệ các thông số không thứ nguyên [17]:

λ / δ1 = A.lg (RZ / c + B lg (RZ / δC) + C (2.3) trong đó: A, B, C – các hệ số thực nghiệm;

RZ - Độ nhấp nhô bề mặt các tấm kim loại hàn, µm;

δC – Chiều dày dòng tia kim loại cục bộ

2.3 Các thông số chủ yếu của quá trình hàn tốc độ cao bằng năng lượng nổ

Phân biệt các thông số chủ yếu đặc trưng cho quá trình hàn tốc độ cao bằng năng lượng nổ kim loại sau đây [10, 17]: động học, vật lý, công nghệ

và năng lượng

1) Nhóm thông số động học gồm có: tốc độ bay của tấm kim loại hàn khi va đập vào tấm kim loại nền (vP), tốc độ điểm tiếp xúc giữa hai tấm kim loại (vK), góc va đập (γ), góc uốn động (β);

2) Nhóm thông số vật lý gồm có: áp suất tại điểm tiếp xúc khi va đập (PK), thời gian va đập (t), nhiệt độ tại điểm va đập (T);

3) Nhóm các thông số công nghệ: tốc độ nổ (D) - đặc trưng bởi mỗi loại thuốc nổ; thông số không đơn vị (r) – tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nổ và khối lượng tấm kim loại hàn; khe hở hàn (hO) – khoảng cách ban đầu giữa các tấm kim loại hàn; độ nhám bề mặt tiếp xúc khi hàn (RZ); nhiệt độ các tấm kim loại hàn (T1, T2); kích thước và đặc tính của các kim loại hàn (độ bền, độ cứng, độ dai…)

4) Nhóm các thông số năng lượng gồm có: động năng riêng của tấm kim loại hàn (W1); động năng riêng của tấm kim loại nền (W2)

Do việc xác định các thông số vật lý rất phức tạp, nên người ta thường xác định mối tương quan giữa các thông số công nghệ với thống

số động học - γ, vP, vK Điều kiện ban đầu để tính toán các thông số hàn

nổ chủ yếu là quan điểm mô hình về sự va đập của hai dòng chất lỏng không nén được, ở đó tạo thành dòng phản chiều dạng tia cục bộ Tính chất đàn hồi của chất lỏng (mô đun đàn hồi của nó bằng không) được xác định chỉ bởi độ nén của nó hoặc mô đun nén theo mọi hướng Nhưng nếu vật thể cứng chịu ứng suất lớn theo sơ đồ khác với sơ đồ nén toàn phần thì nó thay đổi tính chất và trở nên chảy dẻo, về mặt này vật thể cứng được coi như chất lỏng Trạng thái chảy dẻo của vật thể cứng đặc trưng

bởi không phải ở chỗ hoàn toàn không có ứng suất tiếp, mà là bởi một giá trị xác định nhỏ tuỳ ý, nếu vượt qua giá trị đó ứng suất không tăng mặc dù biến dạng trượt tăng, tức là sau một giá trị nhất định của biến dạng và ứng suất vật thể cứng dừng chống trả lại biến dạng trượt, và vì thế nó được coi như một chất lỏng [16]

2.3.1.Các thông số động học

Hình 2.4 Sơ đồ hình học tấm kim loại hàn khi va đập tại một thời điểm quá trình hàn nổ

Từ hình 2.4 thấy rõ trước khi nổ các tấm kim loại được đặt dưới một góc (α) với nhau Nếu như mặt phân cách sóng nổ trong một khoảng thời gian (t) di chuyển từ điểm B vào điểm B′ thì điểm va đập (tiếp xúc) các tấm kim loại hàn C di chuyển đến điểm C′ Để hình thành được liên kết kim loại phải đảm bảo điều kiện sau:

trong đó: CO – tốc độ sóng âm trong vật liệu các kim loại hàn

Ngoài ra, cần phải làm sạch các bề mặt tiếp xúc hai tấm kim loại hàn

để tạo ra tia kim loại cục bộ [11, 16] Không phụ thuộc vào vị trí ban đầu giữa hai tấm kim loại hàn, vẫn có thể tạo ra liên kết kim loại dưới một góc nhất định (γ) Đối với sơ đồ nổ nghiêng góc nghiêng đó được xác định theo công thức sau:

Còn theo sơ đồ nổ song song: γ = β (2.10) Đối với sơ đồ nổ nghiêng, tốc độ di chuyển của điểm tiếp xúc được xác định theo công thức:

vK = D sin (γ − α) / sin γ = D sinβ / sin γ (2.11) Điều này có liên quan tới việc để xác định tốc độ dịch chuyển của điểm tiếp xúc khi va đập (vK) cần chú ý đến tấm kim loại hàn trên thực tế trong quá trình hàn nổ đã không còn là một tấm phẳng nữa, còn đường tiếp xúc là một đường cong lồi [21] Nếu ta khảo sát bức tranh va đập hai chiều,

có thể giả thiết cho rằng tốc độ của điểm tiếp xúc vK = CC′; vP = BC′

Góc va đập (γ) là thông số động học thứ hai Để xác định góc va đập (γ) cần xác định được tốc độ hàn định hướng theo đường phân giác của góc

∠CBB′ Trên hình 2.4 thấy rõ: BB′ = B′C′ = D, từ đó:

D = vP cos (γ − α) / sin(γ − α) (2.13)

γ = α + β = α + 2 arcsin [vP / (2D)] (2.14) Khi α = 0 và β = γ thì: γ = 2 arcsin [vP / (2D)] (2.15)

Tốc độ hàn chủ yếu được xác định theo công thức cho trong công trình [18], nó nhận được khi giải bài toán khí động học một chiều sử dụng

mô hình hàn nổ của Garny đối với trường hợp nổ tức thời và hệ số phân hủy chất nổ K = 3:

(32 / 27)r 11

1 -r27 / 321D

vP

++

+

Đối với thuốc nổ hỗn hợp người ta đưa vào công thức (2.16) hệ số điều chỉnh bằng 1, 2, khi đó nhận được sự trùng khớp tốt của các số liệu thực nghiệm và tính toán tốc độ hàn với độ chính xác dưới 20 %

vP

(32 / 27)r 11

1 -r27 / 3211,2D

++

3D2

++

Vitman [11, 17] đã đưa ra công thức tính tốc độ hàn tối đa cho phép:

vP max = (1/N) [(TNC.CO)0,5 / vK].{[K.C.CO]0,5/ [ρ1.δ1]0,25} (2.20) trong đó: TNC – Nhiệt độ nóng chảy;

C – Nhiệt dung riêng;

CO – Tốc độ truyền âm thanh trong vật liệu hàn (tấm trên);

là giới hạn trên của vùng hàn nổ đảm bảo chất lượng liên kết của hai tấm kim loại va đập vào nhau

Trong công trình [28] đã được đề xuất công thức xác định góc va đập tối thiểu phụ thuộc vào độ cứng vật liệu:

γmin = 1,2 [HV/ρ1v2K]0,5 (2.21) trong đó: HV - Độ cứng Vicker của kim loại cứng hơn trong hai tấm vật liệu hàn;

ρ1 – Mật độ tấm kim loại hàn;

vK – Tốc độ chuyển động của điểm tiếp xúc khi va đập

Belaev V I cùng các đồng nghiệp [16] cũng đề xuất phương trình tương tự để xác định góc va đập tối thiểu:

γmin = {σT / [ρ vK (1 – a)]}0,5 (2.22) Trong đó: σT - Giới hạn chảy của vật liệu cứng hơn;

Các giá trị tối đa của góc va đập tính theo công thức (2.15) nằm trong khoảng 12O40′ ÷ 22O50′ đối với bimetal thép + thép không gỉ, titan + hợp kim đồng, titan + titan Nếu tính đến tổn hao thuốc nổ thì các giá trị đó giảm xuống còn 11O ÷ 21O [11] Một trong những điều kiện cho các thông

số hàn nổ tối ưu là tốc độ di chuyển điểm tiếp xúc tới hạn vKmin :

vKmin = [2.(HV1 + HV2)0,5] / (ρ1 + ρ2) (2.26) trong đó: HV1, HV2 - Độ cứng hai tấm kim loại hàn;

ρ1, ρ2 – Mật độ các tấm kim loại va đập khi hàn nổ

2.3.2 Các thông số vật lý

Trong các công trình [11, 17, 18] cho các biểu thức tính toán sự phụ thuộc của của các thông số vật lý quá trình hàn nổ vào các thông số động học và đặc tính cơ lý của các tấm kim loại hàn nổ Tính toán lý thuyết và thực nghiệm áp suất khi va đập các tấm kim loại cứng khi hàn nổ là bài toán rất phức tạp, vì nó phụ thuộc đáng kể vào góc nghiêng giữa hai tấm kim loại trước khi hàn nổ ngay cả khi giá trị của tốc độ va đập (hàn) vPkhông đổi Áp suất được tạo ra trong vùng va đập cần phải lớn hơn giá trị tới hạn nào đó PK để đảm bảo biến dạng chảy dẻo trong các lớp bề mặt hai tấm kim loại khi va đập Áp suất nổ có thể được tính theo công thức trong công trình [11]

Trong công trình [18] trên cơ sở mô hình thuỷ khí động học tác giả

đã trình bày một cách rất cơ bản về phương pháp tính toán áp suất tác dụng trong vòng va đập của các tia chất lỏng kim loại không nén được ở khoảng tốc độ nhỏ và đã xây dựng được các đường cong đẳng sâu (izobat) trong hệ

toạ độ x – y:

= ln 1

π

e /

2 0

2

K

δ

δ δ

σ

2

2 1 2

⎤ +

1

2 1

tgarc -

tgarcπ

δσ

δδ

δσ

C / v - 1 v

P C

1

2 1

2 1 2

0 K K

δ δ ρ

+

trong đó: δ1, δ2 – chiều dày tấm kim loại hàn và tấm nền;

CO – tốc độ truyền âm trong kim loại hàn;

K1, K2 – các số nguyên, được chọn sao cho hệ toạ độ Izobat thì

y là đường liên tục; p – áp suất tại điểm đang xét;

C – hằng số thực nghiệm

Các phương trình đẳng sâu (2.27) ÷ (2.29) theo dõi các tốc độ chuyển động của điểm tiếp xúc (vK) đã biết để tính toán áp suất tối thiểu tại vùng

áp suất cao và xác định thời gian tác động của nó Để xác định áp suất tối

đa thì các phương trình đó không sử dụng được vì các giá trị tương ứng tại điểm tiếp xúc sẽ trở thành các đại lượng vô cùng lớn [30]

PK = ρ2 v2P / {[1 – ρ2/ρ′2]0,5 + [(1 – ρ1/ρ′1).( ρ2/ρ′2)]0,5} (2.30) trong đó: vP – tốc độ va đập;

ρ1, ρ2 – Mật độ của hai tấm kim loại trước khi hàn nổ ;

ρ′1, ρ′2 – Mật độ ở áp suất PK

Theo công thức (2.30) có thể tính áp suất ở vùng va đập nếu như cho trước tốc độ va đập vP và phương trình trạng thái của các tấm kim loại hàn Các đường cong thực nghiệm đã được chứng minh bởi rất nhiều phương pháp thí nghiệm đã biết đối với đa số kim loại ở trong khoảng áp suất đến

400 MPa Phương trình trạng thái kim loại đối với tấm kim loại hàn có dạng sau:

- Đối với tấm trên: p = A1 [(ρ / ρ1)n1 − 1] (2.31)

- Đối với tấm kim loại cố định: p = A2 [(ρ / ρ2)n2 − 1] (2.32)

Ở đây có sự thay đổi đột biến tại một điểm p’nào đó tương ứng với

sự chuyển tiếp của môi trường vật liệu từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái chảy dẻo (trong các công thức này: A1, A2 – các hằng số đơn vị áp suất; n1,

n2 – các hằng số không có thứ nguyên)

Khi hàn nổ, điều quan trọng không chỉ là giá trị áp suất mà còn là giá trị thời gian áp suất của các chất khí nổ tác dụng lên tấm kim loại hàn Điều đó làm giảm nguy cơ phá huỷ mối liên kết hàn được tạo ra bởi sự kéo do sự tác dụng của sóng phản xạ Giá trị lớn nhất của áp suất va đập cho phép khi hai tấm kim loại va đập vào nhau được xác định bởi công thức (2.30), nếu như biết được tốc độ va đập của tấm kim loại hàn với tấm kim loại nền vP,cũng như các phương trình trạng thái kim loại (2.32) và (2.33) Trên thực tế, sử

dụng cách tiếp cận này gặp nhiều khó khăn, vì thế, tốt nhất nên sử dụng công thức được đề xuất trong công trình [17]:

PK = ρ1.CO1 ρ2.CO2 U / (ρ1.CO1+ ρ2.CO2) ;

U = vP cos [(β − α) / 2] / tgβ + vP sin [(β − α) / 2] (2.34) trong đó: CO1, CO2 – tốc độ sóng âm trong tấm kim loại hàn và tấm nền (cố định);

vP – Tốc độ bay của tấm kim loại hàn, tính theo công thức (2.17), (2.19);

W – năng lượng va đập

2.3.3 Các thông số công nghệ hàn nổ chính

1) Tốc độ nổ của thuốc nổ

Thông số công nghệ thứ nhất là tốc độ nổ (D) đặc trưng cho thuộc nổ

sử dụng, đó cũng chính là tốc độ hàn khi hàn tốc độ cao theo sơ đồ nổ song song Nghiên cứu sự thay đổi tốc độ nổ vào đặc tính vật lý của thuốc nổ: đường kính hoặc chiều dày, mật độ, thành phần hỗn hợp, kích thước hạt, độ

ẩm, vỏ bọc đã được trình bày khá rõ trong công trình [13, 17, 18] Khi chiều dày thuốc nổ tính theo đường kính quy ước (d) tăng thì tốc độ nổ tăng, đạt giá trị cao nhất của nó ở một đường kính thuốc nổ tới hạn (dTH) khác nhau nào đó đối với các loại thuốc nổ khác nhau Sự lan truyền ổn định quá trình nổ chỉ có thể với điều kiện d ≥ dTH Khi tăng mật độ của một hỗn hợp thuốc nổ lên đến giá trị tới hạn nhất định tốc độ nổ của nó tăng, còn nếu tiếp tục tăng mật độ thì tốc độ nổ giàm rõ rệt

Tốc độ hàn bằng năng lượng nổ cần phải nằm trong khoảng từ 1.500 m/s đến CO (tốc độ truyền âm thanh trong vật liệu kim loại hàn) Trong công trình [11] cho các đường cong phụ thuộc của tốc độ nổ vào chiều dày thuốc nổ (H), hàm lượng amônit (6ЖB) trong hỗn hợp với NH4NO3 (tỷ lệ 25%, 30%, 33%, 40%, 50%), độ ẩm (ω) của NH4NO3 Trong công trình [17] cho mối quan hệ thực nghiệm giữa tốc độ nổ và hàm lượng chất pha trộn bằng NaCl trong amônit (từ 0% đến 50% NaCl) với chiều dày lớp thuốc nổ hỗn hợp là 6

÷ 60 mm, mật độ 0,85 ÷ 0,9 g/cm3:

D = 4500 1,012− x {1 − [2,44.(1 − 0,0272)0,776) ] / H0,79.1,005 − x} (2.35) trong đó: H – chiều dày thuốc nổ, mm; x – Nồng độ chất pha trộn (NaCl), 5% khối lượng

Trong công trình [13] bằng phương pháp xử lý số liệu thống kê toán học [18] đã đề xuất biểu thức tính toán lý thuyết của tốc độ nổ hỗn hợp thuốc nổ từ amônit + NH4NO3 có chiều dày 30 ÷ 100 mm (với độ chính xác đến 8% so với số liệu thực nghiệm) phụ thuộc vào hàm lượng amônít trong thuốc nổ:

D = 1.300 + 37.H – 10,62.C – 8,04.H2 + 0,6008.C2 – 0,002933.C3.+ 6,145.H.C – 0,04628.H.C2 (2.36) trong đó: H – chiều dày lớp thuốc nổ hỗn hợp, cm; C – Hàm lượng amônit trong hỗn hợp, %

2) Tỷ số giữa khối lượng thuốc nổ và khối lượng kim loại hàn:

Thông số công nghệ quan trọng thứ hai khi hàn nổ kim loại là thông

số không đơn vị (r), đó là tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nổ sử dụng và khối lượng tấm kim loại hàn Nếu diện tích thuốc nổ được đặt trên bề mặt tấm kim loại hàn bằng diện tích của nó thì thông số này được xác định theo công thức:

r = mTN / m1 = ρO H / ρ1δ1 (2.37)

3) Khe hở ban đầu giữa 2 tấm kim loại hàn nổ:

Thông số công nghệ quan trọng thứ 3 là khe hở ban đầu giữa hai tấm kim loại hàn nổ (hO) Người ta đã xác định rằng: thông số này gây ảnh hưởng tới chất lượng liên kết kim loại giữa hai lớp bimetal và cùng với sự gia tăng của mỗi một trong các thông số D, r, hO thì số lượng các tạp chất nóng chảy, bước sóng và biên độ sóng liên kết đều tăng lên một cách đơn điệu Còn độ bền bám dính hai lớp bimetal ở một vài giá trị nhất định của các thông số D, r, hO đạt được khá ổn định Khi tăng quá cao các thông số

D, r, hO độ bền bám dính hai lớp và hiệu ứng hình thành sóng liên kết giảm Trên thực tế thường cho trước khe hở ban đầu giữa hai tấm kim loại hàn nổ trong phạm vi một – hai chiều dày tấm kim loại hàn [1÷4, 17] Để tính đến

độ cứng vật liệu hàn nổ trong công trình [18] đề xuất tiêu chí (Re):

Re = (ρ1 + ρ2) v2K / [2.(HRC1 + HRC2)] ≥ 10 (2.38) trong đó: HRC1, HRC2 - Độ cứng các tấm kim loại hàn và tấm kim

loại nền theo Rocwel

2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hàn nổ đến độ bền mối hàn

Trong công trình [6] đã rút ra kết luận rằng: cặp vật liệu khó hàn với nhau nhất bằng các phương pháp khác nhau là thép - nhôm và thép - hợp kim nhôm Mối hàn đạt chất lượng tương đối đạt được ở chế độ hàn tốc độ cao bằng năng lượng nổ là khá hẹp Trong trường hợp này, sự cản trở việc nhận được độ bền bám dính hai lớp cao của cặp vật liệu thép - nhôm chính

là do nhôm (Al) có khả năng tạo thành với sắt (Fe) các liên kim cứng giòn dạng FeAl, FeAl3, Fe2Al5 Độ cứng của các liên kim này đạt đến 740 ÷ 900

HV, chiều rộng vùng các liên kim, tuỳ thuộc vào chế độ hàn nổ, thay đổi trong khỏng một vài micrông đến giá trị không lớp hơn 240 µm [18] Sự phá huỷ liên kết kim loại hai lớp bimetal thường xẩy ra trên biên giới phân cách 2 kim loại thành phần, trong vùng các liên kim loại khi đó quan sát thấy có các vết nứt Liên kim dạng FeAl xuất hiện khi nhiệt luyện bimetalở nhiệt độ 450 ÷ 6000C mà tại đó ngay sau khi hàn ở tốc độ hàn cao đến hàng nghìn mét/giây khi nổ thì không có các liên kim hình thành [17]

Nung nóng bimetal ở nhiệt độ 300 ÷ 4000C trong thời gian đến 250 giờ làm giảm độ bền bám dính hai lớp từ 100 MPa xuống 32 MPa, còn ở nhiệt độ 450 ÷ 6000C vì do xuất hiện các liên kim loại dạng FeAl - độ bền bám dính hai lớp bimetal giảm xuống đến 10 ÷ 20 MPa Khi sử dụng lớp lót công nghệ trung gian bằng hợp kim Al +5,6% Si ; Al + 4% Fe ; Al + 4,5% Cu ; Al + 4,6% Ni độ bền bám dính hai lớp thép - hợp kim nhôm tăng

lên đến mức độ bền của hợp kim nhôm ở trạng thái biến cứng [18]

Như vậy, khi hàn nổ để tạo phôi vật liệu tổ hợp nhiều lớp thép – nhôm – hợp kim nhôm cần chú ý đến việc hạn chế sự hình thành các liên kim loại gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng liên kết hai lớp kim loại trong mối hàn

Vì thế, việc xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ quá trình hàn tốc độ cao bằng năng lượng nổ đến tính chất mối hàn như đã đề ra trong mục tiêu nghiên cứu của đề tài này là rất quan trọng Để đạt được mục tiêu

đó, có thể lựa chọn phương án quy hoạch thực nghiệm kiểu N = qk = 33, trong đó: N – Số lượng thí nghiệm cơ bản, q – Số thí nghiệm song song tại mỗi điểm nút quy hoạch, k – Số thông số độc lập chủ yếu cần khảo sát [6, 17]

Bảng 2.1 Ví dụ ký hiệu các thông số công nghệ theo quy hoạch thực nghiệm N = 33

Mức thay đổi theo quy hoạch Các yếu tố công nghệ

cần khảo sát

Ký

Bước biến thiên Thông số không đơn vị đặc

trưng cho khối lượng tấm kim

loại hàn và thuốc nổ, (X1)

r 1,1 1,4 1,7 0,3

Thông số không đơn vị đặc trưng

Thông số không đơn vị đặc trưng

cho hàm lượng 6ЖB trong hỗn

hợp thuốc nổ, %, (X3)

C 0,5 0,75 1,0 0,25

Ví dụ về điều kiện quy hoạch và kết quả thí nghiệm [17] khi hàn nổ tạo phôi băng bimetal thép - hợp kim nhôm chịu mòn được cho trong bảng 2.1 Để đảm bảo tính trực giao của các đa thức theo quy hoạch thực nghiệm, thông số đánh giá mức độ làm sạch bề mặt các tấm kim loại hàn quy ước trạng thái trước khi hàn của chúng thông qua RZ q.u. như sau:

+ RZ q.u. = − 1: mức độ làm sạch các bề mặt liên kết hai tấm kim loại đạt ở mức yêu cầu thấp nhất, tức là làm sạch bằng tẩy rửa, sấy khô và không sử dụng nguyên công đánh bóng bằng cơ học trước khi xếp thành phôi pakét hàn;

+RZ q.u. = 0: mức độ làm sạch các bề mặt liên kết hai tấm kim loại đạt ở mức trung bình, tức là làm sạch bằng tẩy rửa, sấy khô và có sử dụng nguyên công đánh bóng cơ học đạt độ sáng kim loại đạt yêu cầu trước khi xếp thành pakét hàn;

+ RZ q.u. = + 1: mức độ làm sạch các bề mặt liên kết hai tấm kim loại đạt ở mức rất sạch, tức là làm sạch bằng tẩy rửa, sấy khô và có sử dụng nguyên công đánh bóng cơ học đạt độ sáng kim loại ở mức cao nhất trước khi xếp thành phôi pakét hàn

Kết quả thực nghiệm trong công trình [17] cho thấy: độ bền bám dính hai lớp có giá trị cao nhất ở chế độ hàn các bề mặt tiếp xúc trên 2 tấm kim loại tốt nhất (tức là: RZ q.u. = + 1): σBD = 85,33 ÷ 117,43 MPa Khi các

bề mặt tiếp xúc đó chỉ đạt yêu cầu tối thiểu (tức là: RZ q.u. = − 1) độ bền bám

dính hai lớp đạt 68,46 ÷ 88,33 MPa Khi bề mặt tiếp xúc 2 tấm kim loại hàn

nổ có độ sạch tốt (RZ q.u.= 0) độ bền bám dính hai lớp nằm trung gian giữa những số liệu đối với hai trường hợp đã nêu trên đây Nguyên nhân là đối với các tấm vật liệu thép và hợp kim nhôm – thiếc có khoảng hẹp các chế

độ hàn nổ, thì trong số các yếu tố có ảnh hưởng tích cực tới việc nâng cao chất lượng mối hàn, vai trò quan trọng khi đó là mức độ làm sạch bề mặt tiếp xúc giữa chúng Độ sạch của chúng càng cao thì càng ít hình thành những tạp chất có hại và các liên kim loại trong vùng biên giới liên kết hai tấm kim loại hàn nổ, vì thế, đảm bảo được độ bền bám dính của chúng cao hơn

2.5 Cấu chức tế vi tại biên giới hai lớp bimetal thép – hợp kim nhôm

Bằng phương pháp nghiên cứu cấu trúc trên kính hiển vi quang học [17]

đã xác định được rằng các phôi vật liệu tổ hợp 2 lớp thép - hợp kim nhôm nhận được khi hàn tốc độ cao bằng năng lượng nổ ở chế độ r = 1,6 ; hO = 1,2 ÷ 2,4

mm có chất lượng liên kết hai lớp khá tốt, có ít tạp chất đúc nóng chảy [17] (hình 2.5)

1) Trình bày có hệ thống hoá kết quả chính của một số công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về ứng dụng năng lượng nổ trong công nghệ hàn tốc độ cao để chế tạo vật liệu tổ hợp nhiều lớp trên thế giới

có thể cập nhật được ở Việt Nam, gồm các vấn đề chủ yếu như: Đặc điểm của quá trình hàn nổ; Nguyên lý cơ bản hình thành liên kết kim loại khi hàn nổ; Các thông số chủ yếu công nghệ hàn nổ (động học, vật lý, năng lượng

và chế độ nổ);

2) Trích dẫn một số kết luận khoa học đã được rút ra từ thực nghiệm của tác giả công trình [17], xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn nổ tới độ bền bám dính hai lớp kim loại trong vật liệu tổ hợp thép - hợp kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt (thép 08Kп - ACM, thép 08Kп - AO9-1) Từ đó lựa chọn các chế độ hàn nổ (r, h, RZq.u.) để tạo phôi vật liệu bimetal thép 08Kп - hợp kim nhôm AMг6 dự kiến để thí nghiệm theo đề tài nghiên cứu của mình với mức quy hoạch thực nghiệm gần với

đề xuất trong các tài liệu đã công bố mà tác giả cập nhật được là có cơ sở

khoa học;

3) Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu lý thuyết và công thức thực nghiệm tính toán các thông số động học, vật lý và công nghệ quá trình hàn nổ để lựa chọn các chế độ tối ưu, đảm bảo nhận được liên kết kim loại giữa hai lớp trong vật liệu bimetal có chất lượng cao Tuy nhiên, các công thức đó mang tính chất cá biệt, chỉ áp dụng cho những trường hợp đã được nghiên cứu khi hàn nổ các cặp vật liệu kim loại, hợp kim và loại thuốc nổ cụ thể đã được sử dụng Vì thế, đối với cặp vật liệu mới cần nghiên cứu là thép 08s - hợp kim nhôm AMг6, sử dụng để hàn kết cấu trên tầu thủy, mà nhóm nghiên cứu lựa chọn tính đến thời điểm hiện nay là rất cần thiết Điều đó xác định yêu cầu phải thực hiện các thực nghiệm chuyên sâu để xác lập cơ sở khoa học rõ ràng hơn cho việc lựa chọn chế độ công nghệ hàn nổ phù hợp với điều kiện thực tế khi triển khai ứng dụng vào sản xuất tấm vật liệu tổ hợp kích thước lớn ở nước ta