3.1. Vật liệu thí nghiệm
Với mục tiêu nghiên cứu cụ thể là:
- Tạo lớp vỏ bọc bằng ống thép ШХ15 trên lõi thanh thép các bon 35 làm phôi các loại bi đũa,trục… bằng ph−ơng pháp hàn nổ;
- Đánh giá tính chất của các loại bimetal hàn nổ thông qua nghiên cứu khảo sát cấu trúc tế vi vùng liên biên giới kết hai lớp kim loại trong quy mô Phòng thí nghiệm.
Chúng tôi chọn vật liệu thí nghiệm nh− sau:
+ Mẫu kim loại nền từ loại thép 35 đ−ợc tiện đúng kích th−ớc ∅
∅ ∅
∅ 50 x L200 mm. Thành phần hoá học thép 35 cho trong Bảng 3.1; + Thành phần hoá học thép ШХ15 cho trong Bảng 3.2.
Bảng 3.1. Thành phần vật liệu của thép 35 (theo Sổ tay sử dụng thép thế giới)
Nguyên tố C Si Mn P S Cr Ni Cu Fe Thành phần, % khối l−ợng 0,32- 0,4 0,17- 0,37 0,5- 0,8 ≤ 0,035 ≤ 0,04 ≤ 0,25 ≤ 0,25 ≤ 0,25 Còn lại Bảng 3.2. Thành phần vật liệu của thép ШХ15 Nguyên tố C Si Mn P S Cr Ni Cu Fe Thành phần, % khối l−ợng 0,95- 1,05 0,17- 0,37 0,2 - 0,4 ≤ 0,027 ≤ 0,02 1,3 - 1,65 ≤ 0,3 ≤ 0,2 Còn lại
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….66
3.2. Thiết bị thí nghiệm
Trên Hình 3.1 là sơ đồ nguyên lý hàn nổ tạo thanh bimetal dạng thanh do đề tài thực hiện [4].
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hàn nổ tóp ống vào lõi tạo phôi bimetal thanh đặc: 1) Kíp nổ điện; 2) Chóp gỗ; 3) ống thép cần hàn tóp 4) Lõi thép
trong cần hàn ốp; 5) Thuốc nổ; 6) Vỏ định hình thuốc nổ; 7) Đế nổ.
- Sử dụng hỗn hợp thuốc nổ chế tạo trong n−ớc (t−ơng đ−ơng mác thuốc nổ Amônit 6жв của Nga và có tốc độ nổ D = 5.000 m/s);
- Đế nổ đ−ợc làm bằng nền cát đặt trên nền đá tại tr−ờng nổ thử ngoài trời trong khu nổ thử nghiệm của Công ty Hoá chất 13, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng.
-Trên Hình 3.2 và Hình 3.3 là ảnh chụp các mẫu ống thép ШХ15và lõi thép 35 tr−ớc khi tạo mẫu hàn nổ theo Sơ đồ ở Hình 3.1, còn các Hình 3.4 và Hình 3.5 là ảnh chụp quá trình chuẩn bị mẫu tr−ớc khi hàn nổ và mẫu sau hàn nổ;
- Thiết bị thí nghiệm gồm: máy đánh bóng bằng chổi sắt thông th−ờng dùng để để làm sạch bề mặt hàn nổ; cân tiểu ly để xác định khối l−ợng phôi và thuốc nổ quy định theo các chế độ Quy hoạch thực nghiệm;
- Máy cắt phôi cầm tay, máy tiện phôi sau hàn nổ để gia công mẫu và làm sạch bề mặt phôi tr−ớc khi nổ;
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….67 - Để nghiên cứu phân tích cấu trúc lớp kim loại hàn (thép ШХ15) và lớp kim loại nền (thép 35) tại các điểm khảo sát lân cận biên giới liên kết hai lớp chúng tôi sử dụng kính hiển vi nghiên cứu cấu trúc (Hình 3.6);
-Sơ đồ đo và tính toán độ bền bám dính hai lớp bimêtal nhận đ−ợc sau hàn nổ cho trên Hình 3.7.
Hình 3.2.ống thép ШХ15 đ−ợc lồng ngoài lõi thép 35 tr−ớc khi làm thí nghiệm hàn nổ tạo bimetal dạng thanh
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….68
Hình 3.3. Phôi trụ bằng thép 35 tr−ớc khi làm thí nghiệm hàn nổ tạo bimetal dạng thanh
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….69 Hình 3.5. Các mẫu thí nghiệm Bimetal hàn nổ thép 35 + thép ШХ15
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….70
3.3. Ph−ơng pháp nghiên cứu:
3.3.1. Nguyên tắc chung:
- Kết hợp nghiên cứu phân tích cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn nổ với thí nghiệm theo Quy hoạch thực nghiệm N = 23.
- Các b−ớc thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal và lấy mẫu khảo sát tuân thủ theo các chế độ Quy hoạch thực nghiệm nh− đ3 trình bày trong Ch−ơng 2.
- Cấu trúc tế vi kim loại vùng lân cận hai lớp thép 35 và lớp vỏ bọc thép ШХ15 đ−ợc thực hiện trên kính hiển vi (Hình 3.6).
- Độ bám dính của lớp kim loại hàn (thép ШХ15) với kim loại nền: nếu độ dày lớp thép ШХ15 hàn phủ đủ dầy thì áp dụng ph−ơng pháp kéo dứt, sử dụng trang thiết bị nh− nêu trên các Hình 3.7.
3.3.2. Thử bám dính bằng ph−ơng pháp keo dán:
Xác định độ bền liên kết lớp kim loại hàn với kim loại nền nhận đ−ợc bằng công nghệ phun phủ là ph−ơng pháp kéo tr−ợt mẫu dạng phẳng (Hình 3.7 a) hoặc kéo dứt mẫu dạng tròn (Hình 3.7 b).
Ph−ơng pháp kéo tr−ợt hoặc kéo dứt khá đơn giản và dễ thực hiện, nên đ−ợc sử dụng phổ biến khi nghiên cứu các loại vật liệu bimetal có chiều dày lớp hàn trên 2 mm. Các mẫu thí nghiệm của đề tài Luận văn thực hiện với chiều dày trung bình của lớp kim loại hàn (thép ШХ15) trong phạm vi 2 ữ 5 mm, nên chúng tôi sử dụng ph−ơng pháp kéo dứt để khảo sát độ bền bám dính hai lớp bimetal.
Mẫu thử dạng tròn đ−ợc gia công trên máy tiện và sơ đồ thử cho trên Hình 3.7 b. Ph−ơng pháp thử kéo dứt (Hình 3.7.b) vừa đảm bảo giảm lực ma sát, vừa triệt tiêu khe hở và tăng độ chính xác trong đo l−ờng hơn so với ph−ơng pháp thử kéo tr−ợt mẫu dạng phẳng.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….71 Lực nén (hoặc lực kéo cắt) phá huỷ khi thử mẫu trong các đồ gá thử chuyên dùng cần phải nằm trong khoảng PH = 1250 – 2500 kN, còn tốc độ biến dạng khi ép (hoặc kéo cắt) là u = (1,2 – 1,7) mm/ph. Giá trị phá huỷ đ−ợc xác định bằng biểu đồ ghi lực của máy thông th−ờng hoặc giá trị số của máy thử Digital. Độ bền bám dính hai lớp kim loại σbd đ−ợc xác định theo biểu thức (2.1) với hệ số chiều dày K = 1,58 – 1,0 đối với chiều dày tổng cộng của sản phẩm δ = 4,5 – 11,75 mm. 3 5 3 6 PKC PKC 10 Lớp hợp kim chịu mòn Lớp thép nền a) 1 2 3 4 5 b)
Hình 3.7 Mẫu thử theo sơ đồ kéo cắt tr−ợt lớp kim loại hàn khỏi lớp nền (a); Sơ đồ thử nén dứt mẫu tròng từ vật liệu bimetal (b) để tính toán độ bền bám dính
hai lớp kim loại: 1) Chày ép ; 2) Mẫu thử bám dính; 3) Đệm mặt đầu mẫu;
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….72 Độ bền bám dính hai lớp bimetal đ−ợc đ−ợc tính theo công thức:
2d d 4P = π σ (3.1)
trong đó: P - Lực kéo phá hủy tối đa;
d – Diện tích tiết diện tiếp xúc của 2 lớp kim loại hàn.
3.3.3. Nghiên cứu khảo sát cấu trúc tế vi tại vùng lân cận biên giới liên kết hai lớp:
Để tìm ra nguyên nhân xác định độ bền liên kết thì phải dựa trên những nghiên cứu hệ thống và sâu sắc tại lớp phân cách “lớp kim loại hàn nổ - kim loại nền” bằng các ph−ơng pháp nghiên cứu cấu trúc hiện đại. Độ bền liên kết lớp kim loại hàn với kim loại nền không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm của mối liên kết. Sự phá huỷ liên kết hai lớp chỉ xảy ra cục bộ, độ bền liên kết tại vùng hàn, thấp hơn độ bền của vật liệu kim loại nền (có cơ tính thấp hơn kim loại hàn bằng thép hợp kim) do có các khuyết tật vĩ mô và vi mô trong liên kết. Tuỳ theo đặc tính bề mặt phá huỷ mà ng−ời ta đánh giá chất l−ợng bám dính các lớp với nhau.
Để đánh giá tính năng sử dụng của các loại bimetal, có thể nghiên cứu ảnh h−ởng của ứng suất d− trong các lớp kim loại hàn và nền, thử phá huỷ mẫu đề xác định độ bền cục bộ, độ bền tổng hợp có kết hợp với nghiên cứu cấu trúc vùng lân cận biên giới hai lớp bimetal [7]. Các thí nghiệm nghiên cứu cấu trúc tế vi vùng lân cận biên giới hai lớp bimetal đ−ợc thực hiện theo các ph−ơng pháp mài và tẩm thực mẫu quy định cụ thể đối với từng cặp kim loại hàn đảm bảo quan sát rõ đ−ợc mối liên kết kim loại và khuyết tật.
Ngoài ph−ơng pháp khảo sát cấu trúc, hiện nay sử dụng ph−ơng pháp kiểm tra không phá huỷ chất l−ợng bimetal bằng ph−ơng pháp siêu âm là rất phổ biến và có hiệu quả cao. Chỉ ở những vùng có những thay đổi đột biến mức độ sóng âm ng−ời ta mới tiến hành chụp X - quang hoặc cắt mẫu để kiểm tra
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….73 hoặc thử phá huỷ ở những vùng lân cận các khuyết tật phát hiện bằng ph−ơng pháp siêu âm.
Kết luận ch−ơng 3
1) Đề tài đ3 chọn vật liệu và thiết bị, trang bị công nghệ để thực hiện các thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal thép 35 + thép ШХ15, cũng nh− các ph−ơng pháp nghiên cứu đánh giá tính chất vật liệu sau hàn nổ;
2) Đề tài đ3 sử dụng các trang thiết bị kiểm tra giám định mẫu khảo sát theo các điểm nút Quy hoạch thực nghiệm đáp ứng đ−ợc mục tiêu đánh giá chất l−ợng mối hàn phụ thuộc vào chế độ hàn nổ.
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….74 Ch−ơng 4. Kết quả thực nghiệm
4.1. hàn nổ theo Quy hoạch thực nghiệm
Theo trình tự Quy hoạch thực nghiệm ở b−ớc 1 (thăm dò công nghệ), chúng tôi đ3 thử nghiệm ở các điều kiện hàn nổ nh− sau:
1) Tốc độ nổ của thuốc nổ công nghiệp sẵn có tại Công ty Hoá chất 13 (Bộ QP) đạt trung bình là D = 5.000 m/s. Nh− vậy, thông số công nghệ này đ−ợc coi nh− không đổi, chỉ còn cơ hội khảo sát hai thông số còn lại trong Quy hoạch thực nghiệm 1 (QHTN 1);
2) Thông số quan trọng thứ nhất cần khảo sát là tỷ lệ khối l−ợng thuốc nổ sử dụng so với khối l−ợng của ống kim loại hàn, đ−ợc m3 hoá với ký hiệu: X1 = r = MTN / MKLH. Trong QHTN chúng tôi thử hàn nổ với điều kiện sau: X1O = r1O = 1,3 (cận d−ới); X11 = r11 = 1,5 (trung bình); X12 = r12 = 1,7 (cận trên); b−ớc điều chỉnh thông số X1: λ1 = 0,2.
3) Thông số chính thứ hai cần khảo sát là tỷ lệ giữa khe hở ban đầu giữa ống thép ШХ15 bọc bên ngoài lõi thép 35 so với chiều dày thành ống thép ШХ15 (5 mm), ký hiệu m3 hoá theo là X2: X2O = h20/δo = 0,05 (cận d−ới); X21 = h21/δo = 0,08 (trung bình); X22 = h22/δo = 0,11 (cận trên); b−ớc điều chỉnh thông số X2: λ2 = 0,03. Điều kiện TN lần 1 cho Bảng 4.1ữ 4.2. Bảng 4.1. TN lần 1: Thăm dò công nghệ hàn nổ bimetal thép 35+ thép ШХ15
TT Thông số CN chủ yếu Ký hiệu B−ớc biến thiên Mức (−) Mức (0)* Mức (+)
1 Tỷ lệ khối l−ợng thuốc nổ so với khối l−ợng tấm kim loại hàn, r
X1 λ1 = 0,2 1,3 1,5 1,7 2 Tỷ lệ khe hở hàn giữa hai lớp
kim loại so với chiều dầy thành ống ngoài, ho/δO
X2 λ2 = 0,03 0,05 0,08 0,11
3 Tốc độ nổ thuốc nổ, D, m/s (không đổi)
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….75 Nh− vậy, theo phần lý thuyết đ3 trình bày trong Ch−ơng 2, QHTN 1 trong tr−ờng hợp này có 3 yếu tố công nghệ nổ tham gia, trong đó có một yếu tố là tốc độ nổ của thuốc nổ sử dụng không thay đổi đ−ợc, nên nó trở về quy hoạch thực nghiệm kiểu N = 23. Điều kiện tiến hành các thí nghiệm theo Quy hoạch thực nghiệm cho ở Bảng 4.1. đ−ợc áp dụng cho loạt thử nghiệm thăm dò công nghệ. Các mẫu nhận đ−ợc trong loạt thí nghiệm này nhìn chung đ−ợc nghiên cứu khảo sát cả về hiện trạng ban đầu sau hàn nổ, cấu trúc tế vi vùng liên kết kim loại hai lớp để rút ra các nguyên nhân chủ yếu và quan trọng dẫn đến sự hình thành các khuyết tật không hàn.
Kết quả khảo sát bằng mắt th−ờng tổng số 09 mẫu sau hàn nổ ở các chế độ trong thí nghiệm lần 1 cho thấy (Hình 4.2):
- Số mẫu không hàn dính: 03 mẫu;
- Số mẫu có hàn dính nh−ng ống thép bọc ngoài bị nứt, vỡ: 02 mẫu;
- Số mẫu có hiện t−ợng hàn dính, nh−ng không đều theo toàn bộ bề mặt tiếp xúc: 02 mẫu;
- Số mẫu có sự hàn dính t−ơng đối tốt: 02 mẫu.
B−ớc thứ hai tiếp theo là sau khi đ3 có kết quả giám định mẫu loạt thí nghiệm thăm dò công nghệ, chúng tôi tiến hành điều chỉnh hai thông số hàn nổ là r và hOvà lặp lại thí nghiệm với điều kiện TN lần 2 (Bảng 4.2). Bảng 4.2. TN lần 2: hiệu chỉnh công nghệ hàn nổ bimetal thép 35+ thép ШХ15
TT Thông số CN chủ yếu Ký hiệu B−ớc biến thiên Mức (−) Mức (0)* Mức (+)
1 Tỷ lệ khối l−ợng thuốc nổ so với khối l−ợng tấm kim loại hàn, r
X1 λ1 = 0,1 1,4 1,5 1,6 2 Tỷ lệ giữa khe hở 2 lớp kim loại
với chiều dày ống ngoài, hO/δO
X2 λ2 = 0,02 0,04 0,06 0,08 3 Tốc độ nổ thuốc nổ, D, m/s
(không đổi)
Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật……….76 Kết quả khảo sát bằng mắt th−ờng tổng số 09 mẫu sau hàn nổ ở các chế độ trong thí nghiệm lần 2 sau khi đ3 có hiệu chỉnh 2 thông số công nghệ chính là thông số r và h, cho thấy: số mẫu có hiện t−ợng hàn dính, nh−ng không đều theo toàn bộ bề mặt tiếp xúc: 02 mẫu; số mẫu có sự hàn dính t−ơng đối tốt: 07 mẫu.
Nh− vậy, kết quả nhận đ−ợc cho thấy miền thay đổi các thông số lựa chọn để khảo sát là t−ơng đối phù hợp, bề mặt các mẫu sau hàn nổ thu nhận đ−ợc khá tốt (Hình 4.3).
4.2. Phân tích kết quả hàn nổ tạo phôi Bimetal thép 35 + thép ШХШХШХШХ15
4.2.1. Thí nghiệm thăm dò công nghệ (QHTN 1):
Kết quả thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal thép 35 + thép ШХ15 (lô mẫu số 1 theo QHTN 1) cho trên Hình 4.1 ữ 4.2. Phân tích kết quả quan sát ban đầu các phôi bimetal hàn nổ thu nhận đ−ợc cho thấy:
1) Mẫu hàn nổ với các chế độ gần chế độ “hàn mềm”: tức là một trong các thông số QHTN cho ở mức cận d−ới “−1” cùng tác động với