HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến tính chất lý liên kết hàn vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm + nhôm + thép chế tạo hàn nổ Influences of annealing temperature on the mechanical properties of the welded joints in a aluminum alloy + aluminum + steel layered composite after explosive welding Nguyễn Ngọc Hưng*, Nguyễn Tuấn Hiếu, Nguyễn Việt Anh, Nguyễn Hồng Tùng Viện Cơng nghệ, Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng *Email: bambitvol@gmail.com Mobile: 0985358464 Tóm tắt Từ khóa: Composite dạng lớp; Hàn nổ; Liên kết hàn nổ; Nhiệt độ ủ Trong báo tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến tính chất học liên kết nhơm với thép nhôm với hợp kim nhôm vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm + nhôm + thép sau hàn nổ Đã xác định nhiệt độ ủ đảm bảo tính chất học tổng hợp cao liên kết hàn vật liệu composite dạng lớp Kết nghiên cứu công nghệ hàn nổ cho phép thu liên kết nhôm với thép với tính chất học theo yêu cầu Abstract Keywords: Layered composite; Explosive welding; Explosive-welded joint; Annealing temperature In this article are investigated the influences of annealing temperature on the mechanical properties of aluminum alloy-steel joint and aluminum-aluminum alloy joint in a aluminum alloy + aluminum + steel layered composite after explosive welding The annealing temperature are determined to ensure the high mechanical properties of the welded joints in the layered composite material The research results are showed that the explosive welding allows for obtaining the good bonding between aluminum and steel with the required mechanical properties Ngày nhận bài: 12/06/2018 Ngày nhận sửa: 14/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Các loại vật liệu bimetal composite kim loại đa lớp ứng dụng để chế tạo sản phẩm cho nhiều ngành kinh tế chế tạo máy, đóng tàu, lượng điện, khai thác chế biến dầu khí, cơng nghiệp khai thác mỏ luyện kim, cơng nghiệp hoá chất làm việc điều kiện ăn mịn hố học cao, có sản phẩm quốc phịng Cơng nghệ hàn nổ cho phép chế tạo loại vật liệu mà địi hỏi đầu tư lớn, lại có hiệu cao, chế tạo bimetal composite có kích thước lớn tới 30 - 40m2 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nhôm thép thuộc loại cặp vật liệu khó hàn nhất, chí cơng nghệ hàn nổ Việc tạo liên kết bền cặp vật liệu khó nhơm sắt hình liên kim loại giòn làm giảm độ bền liên kết hàn [1-4] Ngồi ra, nhơm thép có tính chất học tính chất nhiệt khác nên hàn nổ cần vận tốc va đập tiếp xúc lớn, mặt khác giá trị vận tốc lớn, đặc biệt vận tốc tiếp xúc, dẫn đến khả hình thành số lượng lớn liên kim loại giòn biên giới liên kết [1-3] Trong báo đưa số kết nghiên cứu vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhơm - nhơm - thép ứng dụng cho đóng tàu chế tạo phương pháp hàn nổ ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong nghiên cứu sử dụng thép đóng tàu mác 09Г2С dày 20mm, nhôm dẻo AA1050 dày 5mm hợp kim nhôm-magiê AA5083 dày 8mm để chế tạo vật liệu composite ba lớp hợp kim nhôm + nhôm + thép hàn nổ Sử dụng sơ đồ hàn nổ song song (Hình 1) Tấm kim loại cố định đặt đế nổ cát ẩm, đầm chặt Sử dụng sơ đồ hàn nổ đồng thời lớp với trường hợp mà tính chất lớp vật liệu không khác nhiều chúng có vùng hàn nổ rộng để đạt độ bền liên kết cao Hàn nổ để chế tạo composite ba lớp hợp kim nhôm+nhôm+thép với chiều dày lớp nhôm (hợp kim nhôm) lớn (>10mm) tiến hành theo hai lần nổ Đầu tiên tiến hành hàn nổ lớp nhơm với thép, sau tiến hành hàn nổ lớp hợp kim nhôm lên nhôm (ở composite hai lớp nhôm+thép sau lần nổ thứ nhất) Hàn nổ lớp cho phép tính tốn xác giá trị lượng biến dạng dẻo cần thiết để hình thành liên kết hàn độ bền cao lớp kim loại dị thể với tính chất cơ-lý khác (nhơm thép) có vùng hàn hẹp [1] Tại lần nổ thứ nhất, thép gia công máy phay đạt độ bóng Rz = - 6μm, cịn nhơm gia công máy mài cầm tay sử dụng giấy ráp đạt độ bóng Rz = 50 - 60μm Tại lần nổ thứ hai bề mặt nhôm (tấm composite hai lớp nhôm+thép sau hàn nổ) gia công máy phay đạt độ bóng Rz = - 6μm, cịn hợp kim nhơm mài bóng máy cầm tay đạt Rz = 70 - 75μm Trong hai lần nổ sử dụng hỗn hợp thuốc nổ amôni nitrat NH4NO3+TNT với hàm lượng 6% TNT khối lượng Thử nổ trường thử nổ Nhà máy Z115/TCCNQP Tính tốn chế độ hàn nổ nhơm với thép hợp kim nhôm với nhôm (composite hai lớp nhôm + thép) tiến hành chương trình tính tốn hàn nổ chun dụng Kết tính tốn đưa Bảng 1 – kíp nổ điện; – khối thuốc nổ; – kim loại bay; – miếng kim loại cố định khe hàn hai kim loại; – kim loại cố định; 6– đế nổ Hình Sơ đồ hàn nổ song song hai lớp HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Các tham số công nghệ hàn nổ tính tốn Cặp vật liệu Nhơm AA1050+ Thép 09Г2С Nhôm AA 5083+ (Nhôm AA1050+ Thép 09Г2С) Chiều cao khối thuốc nổ H, mm 20 30 Tốc độ nổ D, m/s Khe hàn h, mm 1900-1950 2050-2100 Tấm vật liệu composite sau hàn nổ nhiệt luyện (ủ) thiết bị Nabertherm B150 với thời gian giữ nhiệt 60 phút, sau để nguội lị Sau ủ, tiến hành cắt mẫu để thử nghiệm tính Kích thước mẫu đồ gá thử kéo đứt lớp Hình Kiểm tra độ bền kéo đứt lớp tiến hành thiết bị thử kéo TORONTEK (TT-HW-1000) Độ bền liên kết lớp tính công thức: Rm 4P D2 d (1) Trong đó: P - lực tác dụng, N; d - đường kính mẫu thử, mm; D - đường kính ngồi mẫu thử, mm – Chày; – Mẫu thử; – Đồ gá Hình Kiểm tra độ bền kéo đứt lớp mẫu vật liệu composite kim loại đa lớp KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trên Hình đưa mặt cắt vật liệu composite hai lớp nhôm+thép composite ba lớp hợp kim nhôm + nhôm + thép (b) sau hàn nổ, không nhận thấy tách lớp vật liệu Hình Vật liệu composite hai lớp nhơm + thép (a) ba lớp hợp kim nhôm + nhôm + thép (b) sau hàn nổ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Các kim loại tác động sóng xung kích bị hóa bền (hóa bền nổ) Sau hàn nổ kim loại cần ủ để tăng tính dẻo liên kết hàn Vật liệu composite dạng lớp nhơm-thép thuộc nhóm liên kết hình thành liên kim loại kim loại sắt (Fe) nhơm (Al) tham gia vào phản ứng hóa học hình thành lên liên kim loại [3] Khi ủ vật liệu xuất trình khuếch tán, ảnh hưởng ứng suất dạng I II khác hệ số dãn nở nhiệt kim loại hiệu ứng khối hình thành liên kim loại Chính vậy, chế độ ủ vật liệu composite dạng lớp nhôm-thép lựa chọn dựa chế độ ủ nhôm hợp kim nhôm Nhiệt độ kết tinh lại nhôm phụ thuộc vào độ tạp chất dao động từ 100 - 350oC [5] Đối với hợp kim nhôm- magiê hệ 5xxx 5083, АМг6 (АМг5) nhiệt độ ủ ổn định hóa 310 - 350°С, thời gian giữ đẳng nhiệt từ - mơi trường khơng khí Khi nhiệt độ ủ cao làm giảm tính ăn mịn hợp kim khả hình thành pha liên kim loại biên giới nhôm thép làm giảm độ bền liên kết hàn [3,5] Bảng Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến độ bền liên kết hàn nhôm thép Nhiệt độ ủ, oC Thời gian ủ, phút Độ bền kéo đứt lớp, MPa Độ giãn dài, % Đặc điểm phá hủy liên kết hàn - - 105 3,70 Xảy đường liên kết hàn 100 60 85 3,55 Xảy đường liên kết hàn 200 60 86 2,20 320 60 103 3,65 Xảy đường liên kết hàn Xảy đồng thời liên kết hàn lớp nhôm Bảng Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến độ bền liên kết hàn hợp kim nhôm nhôm Nhiệt độ ủ, o C Thời gian ủ, phút Độ bền kéo đứt lớp, MPa Độ giãn dài, % Đặc điểm phá hủy liên kết hàn - - 120 3,55 Xảy lớp nhôm 100 60 118 3,10 Xảy lớp nhôm 320 60 103 3,75 Xảy lớp nhôm Kết nghiên cứu độ bền liên kết nhôm - thép tăng nhiệt độ độ bền liên kết giảm thải bền lớp vật liệu nhôm Khi ủ nhiệt độ 100 - 200oC làm giảm độ giãn dài liên kết hàn nổ, tăng nhiệt độ lên 320oC lại làm tăng tính dẻo độ bền liên kết hàn tương tự liên kết hàn chưa ủ (sau hàn nổ) 103 MPa, gần độ bền lớp nhôm (Bảng 2) Tuy nhiên, nghiên cứu đặc điểm phá hủy liên kết hàn thấy vật liệu chưa ủ phá hủy (đứt lớp) xảy đường liên kết hàn nhơm + thép cịn vật liệu sau ủ 320oC phá hủy xảy đồng thời liên kết hàn nổ lớp nhôm Khi nghiên cứu độ bền liên kết hàn nhôm hợp kim nhôm thấy phá hủy xảy lớp nhôm tất khoảng nhiệt độ ủ vật liệu sau hàn nổ, nghĩa độ bền liên kết hàn nổ nhôm hợp kim nhôm lớn so với độ bền kim loại thấp nhất, lớp nhơm Cịn độ bền thử nghiệm giảm xuống thải bền lớp vật liệu nhôm sau ủ (Bảng 3) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Kết chụp ảnh cấu trúc kim tương đường liên kết hàn nổ nhôm thép chưa ủ (sau hàn nổ) sau ủ 320oC thời gian 60 phút thấy sau ủ khơng nhận thấy có mặt pha liên kim loại đường liên kết hàn nhôm thép (Hình 4) Hình Hình ảnh cấu trúc kim tương đường liên kết hàn nổ nhôm thép: a - chưa ủ ; b- sau ủ 320 oC, 60 phút Tăng nhiệt độ ủ lớn tăng khả hình thành lớp liên kim loại giịn biên giới nhôm thép làm giảm độ bền liên kết hàn [3] Như vậy, ủ kết tinh lại vật liệu composite ba lớp nhiệt độ 320oC thời gian 60 phút loại bỏ hóa bền nổ vật liệu nhơm dẻo AA1050, tăng tính dẻo cho liên kết hàn KẾT LUẬN Đã nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến tính chất học vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm + nhơm + thép Trên sở lựa chọn chế độ ủ hợp lý làm tăng độ bền tính dẻo liên kết hàn nổ vật liệu composite TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Лысак В.И Сварка взрывом - М.: Изд "Машиностроение-1", 2005, 500 c [2] Crossland B Explosive welding of metals and its application, Claredonpress, Oxford, 1982 215 p [3] Трыков Ю.П Диффузия в слоистых композитах/ Трыков Ю.П., Гуревич Л.М., Арисова В.Н - 2006; 402 с [4] Nguyễn Ngọc Hưng, (2012), ‘‘Nghiên cứu công nghệ chế tạo loại vật liệu bimetal compozit kim loại đa lớp phương pháp hàn nổ’’, Báo cáo tổng kết nhiệm vụ cấp Bộ Quốc phịng/ Viện Cơng nghệ-2012 [5] Колачев, Б А Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: учебник для вузов / Б.А Колачев, В.И Елагин, В.А.Ливанов - 4-е изд., перераб и доп - М : МИСИС, 2005 - 428 с ... nghiên cứu độ bền liên kết hàn nhôm hợp kim nhôm thấy phá hủy xảy lớp nhôm tất khoảng nhiệt độ ủ vật liệu sau hàn nổ, nghĩa độ bền liên kết hàn nổ nhôm hợp kim nhôm lớn so với độ bền kim loại... nhiệt độ ủ đến tính chất học vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm + nhôm + thép Trên sở lựa chọn chế độ ủ hợp lý làm tăng độ bền tính dẻo liên kết hàn nổ vật liệu composite TÀI LIỆU THAM KHẢO... liên kết hàn lớp nhôm Bảng Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến độ bền liên kết hàn hợp kim nhôm nhôm Nhiệt độ ủ, o C Thời gian ủ, phút Độ bền kéo đứt lớp, MPa Độ giãn dài, % Đặc điểm phá hủy liên kết hàn