nghiên cứu hàn tốc độ cao tạo vật liệu bimetal thép hợp kim nhôm dùng trong ngành đóng tàu thủy

luận văn thạc sĩ, tiến sĩ, cao học, luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ---------  --------- PHAN SỸ DŨNG NGHIÊN CỨU HÀN TỐC ðỘ CAO TẠO VẬT LIỆU BIMETAL THÉP – H ỢP KIM NHÔM DÙNG TRONG NGHÀNH ðÓNG TÀU THỦ Y LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2009 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………… ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ---------  --------- PHAN SỸ DŨNG NGHIÊN CỨU HÀN TỐC ðỘ CAO TẠO VẬT LIỆU BIMETAL THÉP – H ỢP KIM NHÔM DÙNG TRONG NGHÀNH ðÓNG TÀU THỦ Y LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa nông lâm nghiệp Mã số: 60.52.14 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. HÀ MINH HÙNG Viện Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công Thương HÀ NỘI - 2009 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………… i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan rằng những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng ñược công bố. Nội dung trong Luận văn này là công trình của tôi nghiên cứu do thầy giáo PSG.TS Hà Minh Hùng hướng dẫn với sự giúp ñỡ của các thầy giáo, cô giáo giảng dạy tôi ở trường ðHNN Hà Nội và các chuyên gia, các nhóm nghiên cứu ở Viện NCCK Bộ Công Thương. Tác giả Phan Sỹ Dũng Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………… ii LỜI CẢM ƠN ðể hoàn thành ñược luận văn cao học này tôi xin ñược cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo và giúp ñỡ tận tình của PGS.TS Hà Minh Hùng, cùng với sự giúp ñỡ của nhiều chuyên gia cơ khí trong nhóm nghiên cứu tại Viện Nghiên Cứu Cơ Khí. Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc ñến thầy giáo PGS.TS ðào Quang Kế cùng với các thầy, cô giáo trong Khoa Cơ - ðiện, các thầy cô giáo ở Viện ðào Tạo Sau ðại học - Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo ở Trường ðại học Bách Khoa Hà Nội, Trường Cao ñẳng Công nghiệp và Xây dựng - Quảng Ninh, Trường Cao ñẳng KTCN Việt Nam – Hàn Quốc ñã giúp ñỡ ñể tôi thực hiện hoàn thành ñề tài ñược giao. Một lần nữa tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình tới tất cả những tập thể và cá nhân ñã dành cho tôi mọi sự giúp ñỡ quý báu và cộng tác với tôi trong quá trình hoàn thành luận văn. Xin chân thành cảm ơn ! Hà nội, ngày 26 tháng 11 năm 2009 Học viên Phan Sỹ Dũng Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………… iii MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN i LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG .vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ðẦU . 1 1. Tính cấp thiết của ñề tài 1 2. Mục ñích nghiên cứu 4 3. Nội dung nghiên cứu .4 4. Cấu trúc luận văn 5 Chương 1 6 TỔNG QUAN VẬT LIỆU TỔ HỢP DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP ðÓNG TÀU THỦY . 6 1.1. Khái quát một số phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp nhiều lớp 6 1.2. Khái quát về vật liệu tổ hợp thép – hợp kim nhôm dùng trong công nghiệp ñóng tàu thủy .9 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước .10 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước .12 1.2.3. Kinh nghiệm hàn ghép nối các vật liệu kết cấu thép với hợp kim nhôm 14 1.3. Phạm vi sử dụng vật liệu tổ hợp thép - hợp kim nhôm trong hàn kết cấu tàu thuỷ .17 1.4. Phân tích tổ chức cấu 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 17 Kết luận chương 1: 20 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………… iv Chương 2 22 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT HÀN TỐC ðỘ CAO GIỮA HAI TẤM KIM LOẠI BẰNG NĂNG LƯỢNG NỔ 22 2.1. ðặc ñiểm của quá trình hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ .22 2.2. Nguyên lý hình thành liên kết 2 lớp kim loại khi hàn bằng năng lượng nổ 27 2.3. Các thông số chủ yếu của quá trình hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ .31 2.3.1.Các thông số ñộng học 32 2.3.2. Các thông số vật lý 36 2.3.3. Các thông số công nghệ hàn nổ chính: 38 2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hàn nổ ñến ñộ bền mối hàn .40 2.5. Cấu trúc tế vi tại biên giới hai lớp bimetal thép – hợp kim nhôm: .42 Kết luận Chương 2: .43 Chương 3 45 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM HÀN TỐC ðỘ CAO TẠO PHÔI BIMETAL THÉP – HỢP KIM NHÔM 45 3.1. Vật liệu và Thiết bị thí nghiệm: .45 3.1.1. Vật liệu thí nghiệm 45 3.1.2. Thiết bị thí nghiệm: .50 3.2. Phương pháp tiến hành thí nghiệm 52 3.2.1. Phương pháp xác ñịnh ñộ bền bám dính hai lớp bimetal .52 3.2.2. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc kim loại hai lớp bimetal: 53 3.2.3. Phương pháp xử lý số liệu thống kê thực nghiệm: 54 3.2.4. Phương pháp tính toán mô hình toán học chế ñộ hàn nổ tạo phôi bimetal 57 Kết luận Chương 3 61 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………… v Chương 4 63 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .63 4.1. Hàn nổ tạo phôi vật liệu tổ hợp thép – hợp kim nhôm .63 4.1.1. Chuẩn bị bề mặt tiếp xúc 2 tấm kim loại hàn 63 4.1.2. Chuẩn bị các pakét hàn nổ: 64 4.1.3. Tiến hành hàn nổ tại hiện trường 66 4.1.4. Kiểm tra sơ bộ chất lượng bám dính 2 lớp, vận chuyển phôi sau hàn nổ về xưởng chế tạo 67 4.1.5. Nắn phẳng phôi vật liệu bimetal sau hàn nổ và cắt lấy mẫu thử cơ tính, nghiên cứu cấu trúc tế vi mối hàn 67 4.1.6. Thí nghiệm giám ñịnh chất lượng vật liệu bimetal sau hàn nổ 68 4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế ñộ hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ tới chất lượng liên kết 2 lớp 68 4.2.1. Kết quả thí nghiệm thử phá hủy xác ñịnh ñộ bền liên kết 2 lớp: 68 4.2.2. Kết quả nghiên cứu ñặc tính liên kết tế vi mối hàn tại biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm sau hàn nổ: . 70 4.3.Thảo luận khoa học về kết quả thí nghiệm: .73 Kết luận Chương 4: .81 KẾT LUẬN CHUNG LUẬN VĂN 82 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………… vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang Bảng 1.1 Một số dạng ñiển hình khi hàn kết cấu thép với cấu kiện nhôm hợp kim 14 Bảng 1.2 Thành phần hoá học lớp thép trong vật liệu TRICLAD Aluminium Steel Transitionjoints dùng cho tàu TT-200, % khối lượng 19 Bảng 2.1 Ví dụ ký hiệu các thông số công nghệ theo quy hoạch thực nghiệm N = 3 3 41 Bảng 3.1 Thành phần hoá học và cơ tính lớp thép nền CT3 làm tấm kim loại nền (theo tiêu chuẩn Nga ГOCT 380-88 và TCVN tương ñương) 45 Bảng 3.2 Thành phần hoá học của hợp kim nhôm ñóng tàu thủy 45 Bảng 3.3 ðiều kiện thí nghiệm hàn tạo phôi tấm bimetal thép CT3 – hợp kim nhôm bằng năng lượng nổ 46 Bảng 3.4 Kích thước hình học mẫu thí nghiệm hàn nổ theo số liệu công trình này 47 Bảng 3.5 Mã hoá các tổ hợp thông số công nghệ theo quy hoạch thực nghiệm 3 3 58 Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm phá hủy vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm 70 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………… vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang 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 ñóng tầu thủy Việt Nam 9 Hình 1.2 Bạc trượt bimetal thép 08Kп + ACM ñộng cơ xe IFA- W50 (a); bạc trượt bimetal thép 08Kп + A09-1 ñộng cơ xe DESOTO-P354 (b) theo [2]. 13 Hình 1.3 Cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép và hợp kim nhôm trong vật liệu nhiều lớp 19 Hình 2.1 Sơ ñồ hàn nổ song song (a) và tại một thời ñiểm nổ (b) 23 Hình 2.2 Hình dạng liên kết kim loại giữa hai lớp hàn nổ 28 Hình 2.3 Sơ ñồ hình thành bề mặt sóng liên kết khi hàn nổ các kim loại khác nhau [17] 28 Hình 2.4 Sơ ñồ hình học tấm kim loại hàn khi va ñập tại một thời ñiểm quá trình hàn nổ 32 Hình 2.5 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết hai lớp bimetal thép 08 Kп – hợp kim nhôm AO9-1 sau hàn nổ và biến dạng dẻo nguội với chế ñộ hàn nổ và nhiệt luyện 43 Hình 3.1 Một số mẫu thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal thép CT3 – hợp kim nhôm 1050 47 Hình 3.2 Pakét nổ ñược rải thuốc nổ dạng bột trong khung chắn ñế nổ là nền ñất ñá cứng 49 Hình 3.3 Bản vẽ kích thước mẫu thử 51 Hình 3.4 Thí nghiệm thử kéo xác ñịnh ñộ bền bám dính vật liệu tại trường Cao ñẳng Công nghiệp và XD QuảngNinh) 51 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội - Luận văn Thạc sỹ khoa học Nông nghiệp……………… viii Hình 3.5 Kính hiển vi quang học ñể khảo sát cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp bimetal thép – hợp kim nhôm 53 Hình 4.1 Sơ ñồ nguyên lý tẩy rửa bề mặt tiếp xúc phôi hàn nổ 66 Hình 4.2 Pakét nổ sau khi ñược rải thuốc nổ dạng bột trong khung chắn ñặt trên tấm kim loại hàn 66 Hình 4.3 Một số mẫu thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ tạo phôi Bimetal 66 Hình 4.4 Thử phá hủy mẫu bimetal thép – hợp kim nhôm xác ñộ bền bám dính 2 lớp vật liệu sau hàn nổ 68 Hình 4.5 Mẫu thử phá hủy dạng tròn ñể xác ñịnh ñộ bến bám dính 2 lớp vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm sau hàn nổ bằng phương pháp kéo dứt 69 Hình 4.6 Mẫu thử phá hủy dạng tấm dẹt ñể xác ñịnh ñộ bến bám dính 2 lớp vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm sau hàn nổ bằng phương pháp kéo trượt 69 Hình 4.7 nguyên lý cắt lấy mẫu nghiên cứu khảo sát cấu trúc biên giới 2 lớp bimetal thép – hợp kim nhôm sau hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ 71 Hình 4.8 Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép - hợp kim nhôm trong vật liệu sau hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ (Mã số QHTN: 002) 71 Hình 4.9 Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép - hợp kim nhôm trong vật liệu sau hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ (Mã số QHTN: 100) 71 Hình 4.10 Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép - hợp kim nhôm trong vật liệu sau hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ (Mã số QHTN: 101) 71