Đang tải... (xem toàn văn)
Hàn bằng năng lượng nổ đã được các nhà khoa học trên thế giới, trong đó có Liên Xô trước đây, đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực phục hồi các chi tiết [r]
(1)Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(48) Tp 2/Năm 2008
45 TO LP PHỦ THÉP HỢP KIM TRÊN BỀ MẶT CHI TIẾT DẠNG TRỤ
BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN NỔ
Hà Minh Hùng - Phạm Văn Quế (Viện Nghiên cứu Cơ khí)
1 Đặt vấn đề:
Sử dụng lượng nổ gia công kim loại áp lực phương pháp biến dạng tạo hình tiên tiến để tạo phơi, phục hồi chi tiết máy có hình thù từ đơn giản đến phức tạp mà không cần phải đầu tư thiết bị tạo áp lực lớn nhờ có nhiều ưu điểm tính chất đặc biệt q trình nổ, nghiên cứu ứng dụng rộng rãi nước công nghiệp tiên tiến Mỹ, Liên Xô trước đây, Nhật Bản nhiều nước khác, có vài nghiên cứu ứng dụng Việt Nam
Ở Mỹ, người ta sử dụng lượng nổ để hàn kim loại kích thước lớn có diện tích đến 34 m2 với lần nổ mà không cần thiết bị tạo áp lực thay Năng lượng nổ ứng dụng việc tạo phôi hợp kim nhiều lớp đồng thời kết hợp với nhiều phương pháp công nghệ truyền thống như: phun nổ tạo lớp phủ kim loại lên bề mặt kim loại nền, ép nổ tạo hình vật liệu bột kim loại, dập nổ biến dạng tạo hình hợp kim khó biến dạng dẻo, gia công biến cứng chi tiết thép hợp kim vùng cục chịu tải trọng lớn
Hàn lượng nổ nhà khoa học giới, có Liên Xô trước đây, đặc biệt quan tâm đầu tư nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực phục hồi chi tiết máy có kích thước khối lượng lớn trường sử dụng, ví dụ như: hàn phục hồi chỗ hư hỏng đường ống dẫn dầu khí, tạo phơi để làm bể chứa chịu ăn mịn hố học, chế tạo vật liệu hợp kim nhiều lớp từ kim loại hợp kim khó biến dạng dẻo điều kiện thông thường dùng công nghiệp hàng không vũ trụ Một lĩnh vực ứng dụng lượng nổ khác giới phục hồi chi tiết từ vật liệu thép hợp kim mầu khác có dạng ống xy lanh thuỷ lực, dạng cánh tuốc bin thuỷ khí, gối tựa chịu lực dạng cầu có hiệu kinh tế [1]
3 Cách tiếp cận
- Nghiên cứu sở lý thuyết hàn nổ để biến dạng dẻo tóp ống chi tiết dạng hình trụ để từ tính tốn lượng thuốc nổ sử dụng cần thiết để thí nghiệm phục hồi số xy lanh thuỷ lực thép giảm xóc xe tơ vận tải mỏ Quảng Ninh;
- Nghiên cứu thực nghiệm phát triển công nghệ hàn nổ tóp ống để tạo phơi bimetal dạng trụ từ vật liệu lõi thép bên thép chế tạo máy thông thường (thép 45), lớp phủ bề mặt làm việc số chi tiết máy thép hợp kim chịu mòn cao (thép ШХ15);
- Nghiên cứu tính chất biên giới hai lớp bimetal thép 45 + thép ШХ15 sau hàn nổ theo số phương pháp cơng trình [1÷5]
3 Nội dung báo cáo
3.1 Bài toán biến dạng tóp ống kim loại lượng nổ
Chúng ta quan sát ống kim loại hình trụ có bán kính ngồi R1 bán kính R2,
(2)Héi th¶o Khoa học toàn quốc Công nghệ vật liệu bề mặt - Thái Nguyên 2008
46
bt u biến dạng dẻo phân tố ống bị dịch chuyển vào phía tâm cách đối xứng Để đơn giản hóa q trình tính tốn, chúng tơi giới hạn ống kim loại có chiều dầy nhỏ so với bán kính ống Từ cho phép bỏ qua ảnh hưởng chiều dài ống phép tính, ta coi tốn phẳng Khi đó, phương trình cân ứng suất phần tử nhỏ ống chưa chuyển động tọa độ cực có dạng:
0 = − +
r dr
dσr σr σϕ
(1)
Theo điều kiện dẻo Misses:
T
r σ σ
σ ϕ
3 2 =
− (2)
trong đó: σr, σϕ - ứng suất hướng tâm ứng suất tiếp tuyến tương ứng;
σT - ứng suất chảy vật liệu
Đặt biểu thức (2) vào (1) lấy tích phân phương trình (1) ta có:
c r
T
r +
−
= ln
3 2σ
σ (3)
Khi ống bắt đầu biến dạng dẻo, số tích phân xác định điều kiện sau: σr (r = R2) = 0; ln
3
R
c = σ T (4)
Đặt biểu thức (4) vào (3) ta có:
R r
T
r ln
3 2σ
σ = − (5)
Giới hạn áp suất p1 đủ để xy lanh biến dạng dẻo tác dụng tải trọng tĩnh xác định
theo biểu thức:
( )
2 1
1 ln
3
R R R
r
p T
r
σ
σ = = −
+
= (6)
ở đây: dấu “−” biểu thị áp suất nén
Trong trường hợp ống thép biến dạng tác dụng tải trọng động xung cao tốc nổ σT khơng thể ứng suất chảy tĩnh vật liệu, mà ta phải lấy giới hạn chảy động σtd:
2
ln
2
R R
ptd = − σ td (7)
Sau ta xét trường hợp ống bị tóp co lại theo hướng kính (vật liệu thành ống chuyển động hướng vào tâm) tác dụng áp lực xung nổ Nhà khoa học người Nga nghiên cứu lĩnh vực hàn nổ Đeribas A A giả thiết coi hình trụ bị biến dạng nhanh chất lỏng lý tưởng Khi đó, gọi ro khoảng cách
phần tử nhỏ ống tâm trước lúc biến dạng: r(ro, t) khoảng cách
điểm thời điểm t (sau nổ) trình dịch chuyển Phương trình liên tục phần tử thành ống có dạng:
) , ( )
, (
0 0
0
t r r
r r
t r r
= ∂
∂
(3)Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(48) Tp 2/Năm 2008
47 Phương trình chuyển động phần tử có dạng:
0 0 2 ) , ( 1 ) , ( ) , ( r t r P r t r r t t r r ∂ ∂ − = ∂ ∂
ρ (9)
trong đó: p - áp suất chất lỏng; ρ1 - khối lượng riêng vật liệu coi chất lỏng
Lấy tích phân phương trình (8) theo r0: ( )
2
0 C t
r
r= + (10) đây: C (t) - số tích phân phụ thuộc vào biến số (t)
Lấy đạo hàm biểu thức (10) theo (t) đặt vào phương trình (9) ta có:
[ ( ) ( )1 ]
1 20 10 10 2 ' 20 10 " 1 1 1 1 8 ln
4 R c R c R c p R p R
c c R
c R
C =− −
+ − + − + + + +
ρ (11)
trong đó: p (R2) = 0; p(R1) = t; R12 = R210 + C ; R22 = R220 + C
Ta có:
dc R d
C ( )
2 ' =
; 2
2 " ( )
dt R d
C = (12) Thay C' C" vào phương trình (11) ta nhận được:
[ ] − − = −
− ( ) ln ( )
) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ln ) ( 2 2 1 2 2 20 10 2 2 2 2 t p R R K t p t R t R R R t R dt d t R t R t R dt d ρ ϕ σ σ − = r
K (13)
Vì coi vật liệu trường hợp biến dạng tốc độ áp suất cao nổ chất lỏng lý tưởng khơng nén được, nên ta viết:
2 20 10 2
1 R R R
R − = − ; R22 = R12 +R202 −R102
Áp lực sinh trình nổ tác dụng lên ống hình trụ xác định sau:
3 1
10
0 ( )
/ ) ( 27 16 ) ( + + − + = dt t dR D H t t R R H D t
p ρ (14)
trong đó: ρo, D - khối lượng riêng tốc độ nổ thuốc nổ tương ứng;
H - chiều dày lớp thuốc nổ
Trong thực tế ống kim loại thép bị biến dạng khơng hồn tồn chất lỏng lý tưởng Do đó, q trình dịch chuyển vào phía trong, phần tử ống thép phát sinh phản lực chống lại tượng biến dạng dẻo (trở kháng biến dạng) Vì thế, ống thép trì biến dạng sau thời gian định đạt giá trị Vì ống kim loại bị biến dạng với tốc độ nhanh tác dụng áp suất nổ cực cao, nên trường hợp ta phải lấy K = K0 ứng suất tiếp động Giải phương trình vi phân (13) với hai điều
kiện:R2=0; 2(0) =0
dt dR
(4)Héi th¶o Khoa häc toàn quốc Công nghệ vật liệu bề mặt - Thái Nguyên 2008
48
ã Kt qu tính tốn thử nghiệm ứng dụng phục hồi xy lanh thuỷ lực:
Dưới giới thiệu kết tính tốn áp dụng cho toán sau: Vật liệu ống biến dạng dẻo tác dụng lượng nổ ống xy lanh thuỷ lực thép tương đương mác thép 45 phận giảm xóc xe tơ vạn tải mỏ KOMASHU –320 (Nhật Bản).Vật liệu có tính sau: mật độ ρ1 = 7,85g/cm3; trở kháng chống biến dạng Kd = 610,7
MPa; ống có kích thước ban đầu R10 = 56 mm; R20 = 50 mm (trước biến dạng tóp) Thuốc
nổ dùng loại Amơnít 6ЖB Nga có mật độ rải ρ0 = 0,9 g/cm3 chiều dầy lớp
thuốc nổ tối thiểu H = mm Trên hình thể sơ đồ khối để lập chương trình máy tính cho việc tính tốn tốn nổ tóp ống xy lanh thuỷ lực nói Kết tính tốn cho bảng
Trong trường hợp chiều dày lớp thuốc nổ khơng lớn, tốc độ nổ tính tốn theo biểu thức sau [2]:
− = 4,5 2,044,79
H
D (15)
trong đó: D – tốc độ nổ thuốc nổ, biểu thị mm/µs; H – chiều dày lớp thuốc nổ, tính theo mm
P P
R2
R1
1
Hình Sơ đồ phân bố áp suất tác dụng lên mặt trụ ống thép biến dạng dẻo bằng lượng nổ
Hình Sơđồ nổ tóp ống kim loại:
1) - Kíp nổ; 2) - Chóp nón gỗ; 3) – Ống kim loại cần tóp; 4) - Lõi thép cố định kích thước đường kính trong; 5) - Thuốc nổ; 6) - Ống bọc thuốc nổ bìa giấy; 7) -Đế nổ
Bảng Kết tính tốn nổ tóp ống kim loại thép
r , µs R2, mm dR2/dt, mm/µs r , µs R2, mm dR2/dt, mm/µs
0 50 49,40 0,126
1 49,99 0,019 49,28 0,123
2 49,96 0,037 10 49,16 0,120
3 49,91 0,056 20 48,12 0,089
30 47,39 0,056
(5)Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(48) Tp 2/Năm 2008
49 th định giá trị biên miền khảo sát lập quy hoạch thực nghiệm nổ tóp loại ống kim loại từ vật liệu khác để thực thí nghiệm thăm dị cơng nghệ Sau xác định giá trị thực nghiệm chế độ đó, cần thực thí nghiệm hiệu chỉnh để tìm thơng số cơng nghệ nổ tối ưu đảm bảo kích thước cuối ống thép sau nổ tóp
Hình Sơđồ khối lập trình tính tốn tốn nổ tóp ống kim loại
Tính cực trị Kd, VH
Chu kỳ biến đổi R2
Chu kỳ biến đổi lớn H2
Thay đổi kích thước ống khác
Tính tốn thơng số phương trình (13)
Chu kỳ biến đổi nhỏ dR2 Để giải PT vi phân
Giải phương trình vi phân (13) Xác định dR2/dt; ∆R2
In kết R2, H, V, ∆R
Kết thúc chu kỳ R2 Không
Không
Nhập số liệu vào máy
NÕu dR2/dt
Nếu dR2/dt -VH
Kết thúc giải
(6)Héi th¶o Khoa häc toàn quốc Công nghệ vật liệu bề mặt - Thái Nguyên 2008
50
3.2 Bi toỏn nổ tóp ống để hàn với lõi thép
Giả thiết cho ống kim loại phía ngồi có khối lượng riêng ρ1 có bán kính ban
đầu R10 R20 Ống bao quanh thuốc nổ dạng ống có chiều dầy H Thỏi ống
thép bên có đường kính ngồi R30 Khe hở ống thép ngồi thỏi kim loại ∆R
= R20 - R30 Dưới tác dụng áp suất nổ, ống bị tóp lại với tốc độ v, tốc độ đạt
được giá trị cực đại sau thời gian ngắn Sau trở lực chống biến dạng kim loại tốc độ dịch chuyển giảm dần (bảng 1) Chúng ta xác định khoảng cách tối ưu ∆R ống thép bên thỏi kim loại bên nhằm mục đích đạt giá trị cực đại v tương ứng với dịch chuyển ∆R Ống thép bên va đập vào thỏi thép bên với tốc độ v phát sinh áp suất xung pv xác định theo biểu thức sau:
2 1
2
C C
C C v
pv
ρ ρ ρ ρ+
= (16)
trong đó: C1; ρ1; C2; ρ2 - tốc độ truyền sóng khối lượng riêng ống thép lõi thép
trong tương ứng
Giả sử ống thép hàn với lõi thép bên áp lực xung nổ đủ lớn để tạo ứng suất tiếp va đập lớn ứng suất chảy động vật liệu có độ bền cao cao hơn.Theo lý thuyết đường trượt kim loại bị biến dạng chảy dẻo va đập giới hạn áp suất va đập phải đạt là:
d
v K
p = (2 + π ) (17)
đây: Kd - giới hạn ứng suất tiếp chảy dẻo trạng thái nóng vật liệu có độ bền cao
(ống thỏi kim loại hàn)
Trị số Kd xác định theo biểu thức:
3
d d
K = σ σd ≅(3÷4)σT
Từ suy ra: pv = (9 ÷12)σT (18)
Từ biểu thức (17) (16) xác định tốc độ va đập cần thiết để trình hàn xNy ra:
d
H K
C C
C C
v (2 )
2
2
1 π
ρ ρ
ρ
ρ + +
= (19)
Sau xác định vH ta giải phương trình (13) với thơng số chiều dày thuốc nổ
thay đổi Ứng với chiều dày thuốc nổ kích thước cụ thể ống kim loại bên mà xác định giá trị cực đại tốc độ nổ xác định trị số ∆R dịch chuyển mặt ống kim loại hàn nổ So sánh giá trị cực đại tốc độ dịch chuyển nhận với vH Bài
toán hoán thánh đảm bảo điều kiện sau:
0 )
(
max
2 ≥
H
v dt
t dR
(20)
Nếu dR2/dtmax ≤ vH cần phải tăng thêm chiều dầy lớp thuốc nổ lặp lại thí
(7)Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(48) Tp 2/Năm 2008
51 3.3 Kt qu thc nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal Viện Nghiên cứu Cơ khí
Mẫu thí nghiệm sử dụng lõi thép 45 ống thépШX15 lồng vào để hàn nổ trước bọc thuốc nổ cho hình a, nhóm nghiên cứu NCS chuNn bị mẫu thí nghiệm trường nổ ngồi trời Cơng ty Hố chất 13 - Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng sau khi bọc lớp thuốc nổ - hình b Chế độ nổ chọn sơ khoảng: r = 1,4 ÷ 1,8 ; h = 0,1 ÷ 0,5 C = 0,75 ÷ 1,0 Kết hàn nổ theo số chế độ quy hoạch thực nghiệm tạo phôi bimetal dạng thép 45 + thép ШX15 cho hình 5a
Từ phơi bimetal sau hàn nổ nhận được, cắt lấy mẫu có dấu hiệu bám dính ống thép ШХ15 lõi thép 45 tương đối tốt Để có đánh giá tổng quát chất lượng phôi bimetal dạng trụ sau hàn nổ, quy định chia phôi sau hàn nổ thành 03 vùng cục theo hướng nổ sau: phần đầu tính từ mặt tiếp giáp trực tiếp phần thuốc nổ phụ để kích nổ với phần thuốc nổ ống hình trụ bọc ngồi ống thép hợp kim (ký hiệu vùng 1), tiếp đến phần (ký hiệu vùng 2) phần cuối tiếp giáp trực tiếp với đế nổ (ký hiệu vùng 3) Mỗi phôi bimetal nhận sau hàn nổ cắt thành 03 đoạn khác – 2; – (mỗi đoạn có chiều dài trung bình 60 mm) 02 đoạn trung gian có chiều dài 10 mm nơi tiếp giáp đoạn nói để gia công thành mẫu thử phá huỷ xác định độ bền bám dính lớp (hình 5b) mẫu nghiên cứu cấu trúc tế vi theo chiều ngang dọc theo hướng nổ tương ứng (hình 6a,b)
Kết thử tớnh toỏn mụ số độ bền bỏm dớnh lớp bimetal thộp 45 + thộp ШX15 sau hàn nổ cho trờn hỡnh Từ ảnh đồ tính tốn mơ hình nhận xét: độ bền bám dính lớp bimetal thép 45 + thép ШX15 chịu ảnh h−ởng thông số ban đầu hàn nổ theo quy luật phi tuyến Đ−ờng cong thực nghiệm cho thấy, phạm vi miền giá trị lựa chọn thông số D, h, r hàn nổ chất l−ợng bám dính lớp bimetal nói nhìn chung đạt yêu cầu sử dụng tiếp tục ộp chảy để biến dạng tạo hình đến kớch thướcsản phẩm cuối
a) b)
Hình ChuJn bị mẫu thí nghiệm hàn nổ bimetal dạng thép 45+ thép шх15: