2. CƠ SỞ KHOA HỌC HÀN NHÔM VỚI THÉP 1 Mục đích
2.3. Công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại 1 Đặc điểm khi hàn các vật liệu khác chủng loạ
2.3.1. Đặc điểm khi hàn các vật liệu khác chủng loại
Mặc dù có rất nhiều khó khăn khi hàn, các kết cấu hàn từ vật liệu kim loại khác nhau về chủng loại có ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp do những ưu điểm về mặt kinh tế và kỹ thuật, đặc biệt là trong các ngành kỹ thuật nhiệt - lạnh, năng lượng, đóng tàu, kỹ thuật điện, kỹ thuật hàng không và kỹ thuật tên lửa. Trường hợp điển hình là xu hướng giảm khối lượng gần đây trong chế tạo ôtô và tàu thủy cao tốc,... dẫn đến việc sử dụng kết hợp nhiều loại vật liệu khác nhau như thép (đặc biệt là thép có độ bền cao) với các vật liệu nhẹ như nhôm, hợp kim nhôm, hợp kim magiê, vật liệu composite,... trong một kết cấu thân xe (hình 0.1). Điều này dẫn đến những đòi hỏi mới đối với công nghệ hàn nói riêng và kỹ thuật nối ghép các loại vật liệu đó với nhau nói chung.
Các kết cấu kim loại khi đó có thể chứa các liên kết hàn từ các thép khác chủng loại với nhau; các liên kết hàn giữa thép với nhôm hoặc hợp kim nhôm, với magiê hoặc hợp kim magiê, với titan hoặc hợp kim titan;... Các cặp kim loại khác chủng loại thường được hàn với nhau bằng các quá trình hàn ở trạng thái rắn (solid state) như đã nghiên cứu kỹ trong chương tổng quan do chúng đạt được chất lượng rất tốt và ổn định. Tuy nhiên trong một số trường hợp với dạng kết cấu đặc thù (về các mặt vật liệu, hình thái kết cấu, yêu cầu của mối ghép,...), các quá trình hàn ở trạng thái rắn lại không đáp ứng được khả năng chế tạo như các quá trình hàn ở trạng thái nóng chảy (fusion state). Do vậy mà các quá trình hàn ở trạng thái nóng chảy khi đó lại được ưu tiên sử dụng để chế tạo sản phẩm. Trong thực tế, các quá trình hàn ở trạng thái nóng chảy hay được sử dụng để hàn các cặp kim loại khác chủng loại gồm các quá trình hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực vonfram (TIG) và điện cực nóng chảy (MIG), hàn bằng hồ quang Plasma hoặc hàn bằng các nguồn tia năng lượng cao như chùm tia Laser và chùm tia điện tử.
Xét về tính hàn, hầu hết các cặp kim loại khác chủng loại có sự khác biệt khá nhiều về
nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng, lý - hóa tính,... và đặc biệt là hệ số dãn nở nhiệt. Chúng cũng có thể còn khác nhau cả về mặt cấu tạo mạng tinh thể và thông số mạng. Với
những kim loại có hoạt tính mạnh như titan, niobi, tantan, molybden, do mức độ hòa tan
lẫn nhau để tạo thành dung dịch rắn của các kim loại cơ bản không cao, khi hàn còn có thể hình thành các hợp chất hóa học giữa các kim loại (tổ chức liên kim – IMC) với đặc điểm là rất giòn và cứng [1, 56, 13, 27, 28, 29, 30, 31, 57].
Theo tài liệu [1], quá trình hình thành liên kết hàn vững chắc khi hàn các cặp vật liệu khác chủng loại có thể được tóm tắt trong hai giai đoạn như sau:
• Giai đoạn chuẩn bị: các kim loại được đưa tới gần nhau đến khoảng cách đủ để hình thành liên kết giữa các nguyên tử, bằng các cơ chế: quá trình thấm ướt pha lỏng vào bề mặt rắn của kim loại (khi hàn nóng chảy, hàn vảy) hoặc cùng xảy ra biến dạng dẻo hai kim loại ở trạng thái rắn (khi hàn áp lực, cán dính) hoặc thông qua quá trình khuếch
tán (khi hàn khuếch tán).
• Giai đoạn kết thúc: hình thành liên kết vững chắc, trong đó các quá trình lượng tử của
sự tương tác giữa các điện tử đóng vai trò nhất định, dẫn tới hình thành hoặc liên kết
kim loại (kim loại nguyên chất) hoặc liên kết hóa trị (kim loại, hợp chất hóa học, liên
kim, oxit,...).
Công trình nghiên cứu này sử dụng quá trình hàn TIG để hàn cặp nhôm AA1100 với thép CCT38 ở trạng thái nóng chảy, nên trong khuôn khổ của bản luận án này tác giả chỉ trình bày các đặc điểm và cơ chế hình thành liên kết hàn nhôm – thép ở trạng thái nóng chảy thông qua quá trình thấm ướt kim loại và hoạt hóa bề mặt kim loại bằng nguồn nhiệt của hồ quang điện.
Theo các tài liệu [1, 56, 13, 27, 28, 29, 30, 31, 57], đối với các giai đoạn tương tác vật lý và hóa học, yếu tố thời gian và các điều kiện xảy ra các quá trình này mang tính quyết định đến độ bền của liên kết hàn và khả năng hình thành các hợp chất hóa học. Sự tiếp diễn của các quá trình tương tác giữa các điện tử tại bề mặt tiếp xúc đòi hỏi phải có một năng lượng kích thích để gây hoạt hóa trên bề mặt. Năng lượng này có thể ở dưới dạng nhiệt năng (hoạt hóa bằng nhiệt), cơ năng (hoạt hóa bằng biện pháp cơ học) hoặc dưới dạng bức xạ (hoạt hóa bằng bức xạ).
Khi hàn các cặp kim loại khác chủng loại ở trạng thái nóng chảy, các nguyên tử được đưa gần tới nhau thông qua sự thấm ướt của kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn lên bề mặt đã được hoạt hóa của kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn bằng chính nguồn nhiệt hàn [1].
Trong trường hợp liên kết kim loại khác chủng loại, do sự phục hồi nhiệt nên quá trình khuếch tán bị cản trở và sự tương tác hóa học bị trễ. Nguyên nhân của sự trễ này là tại bề mặt tự do của kim loại rắn hoặc lỏng, các nguyên tử không ở trạng thái cân bằng vì thiếu liên kết hoặc do liên kết yếu dưới tác động của môi trường xung quanh. Điều này làm tăng năng lượng lớp bề mặt (ES) so với năng lượng (E0) cần cho nguyên tử dịch chuyển bên trong vật.
Khi hàn các kim loại khác chủng loại ở trạng thái nóng chảy, do sự hình thành nhanh
chóng sự tiếp xúc vật lý giữa kim loại lỏng và kim loại rắn có nhiệt độ nóng chảy cao hơn, trên gianh giới các pha sẽ hình thành đỉnh của năng lượng giữa các pha (EB) vì sự chuyển tiếp của hệ nguyên tử sang trạng thái mới không xảy ra lập tức mà kèm theo sự trễ nhất định. Chính hiện tượng này xác định giai đoạn trễ [1].
Nếu thời gian tiếp xúc của kim loại lỏng và kim loại rắn trong liên kết hàn ngắn hơn giai đoạn trễ, hoàn toàn có thể hình thành liên kết có độ hòa tan hạn chế mà không chứa các lớp hợp chất giòn trung gian (lớp hợp chất liên kim – IMC). Thời gian trễ có thể xác định theo công thức dưới đây:
(2.1)
Trong đó:
R – thời gian trễ (thời gian nguyên tử tồn tại trước rào cản thế năng) [s]. 0 – giai đoạn ủ của quá trình không hoạt hóa (ER + EL = 0) [s].
e – điện tích của điện tử [eV].
ER và EL – năng lượng kích thích khuếch tán trong pha rắn và pha lỏng [J]. k – hằng số Boltzmann.
T – nhiệt độ [oK] hoặc [oC].
Ví dụ: trong trường hợp hàn cặp kim loại nhôm + titan, khi Al lỏng tương tác với Ti được nung nóng (ở trạng thái rắn), giai đoạn trễ (khi trong liên kết chưa tồn tại các pha giòn) kéo dài 170s nếu nhôm lỏng ở nhiệt độ 700oC; 9s ở 800oC và 1s ở 900oC. Với cặp liên kết nhôm + sắt, thời gian trễ này chỉ kéo dài 4s ở 700oC theo tài liệu [1].
Trong nhiều trường hợp khi hàn, khó có thể tránh được sự xuất hiện các pha giòn do diện tích các bề mặt tiếp xúc lớn và sự tiếp xúc không xảy ra cùng một lúc trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc. Để bảo đảm tạo liên kết đủ tin cậy trên toàn bộ các bề mặt tiếp xúc, nhất là đối với các kết cấu lớn thì lớp hợp chất giữa các kim loại (IMC) cần phải đạt được sự đồng đều, nhưng có độ bền không cao.
Để bảo đảm tạo liên kết nhanh và đồng đều của kim loại nóng chảy và kim loại rắn, bề mặt của kim loại rắn cần được nung đến nhiệt độ đảm bảo khả năng khuếch tán, bảo đảm
độ sạch bề mặt. Trong trường hợp như vậy, việc tránh sự oxi hóa bề mặt kim loại rắn có
tác dụng làm giảm mức năng lượng hoạt hóa, cải thiện tính thấm ướt và tạo độ ổn định cho sự tiếp xúc giữa hai kim loại lỏng và rắn (có thể tăng tính thấm ướt và tiếp xúc của kim loại lỏng lên kim loại rắn bằng cách tạo trên bề mặt của kim loại rắn một lớp phủ sơ bộ có hoạt tính).
Khi hàn thép với nhôm, công nghệ truyền thống là sử dụng trên bề mặt thép các lớp phủ bằng kẽm dày 30-50 ∝m (bằng cách mạ hoặc nhúng nóng kẽm) hoặc lớp phủ bằng nhôm dày 0,1-0,2 mm hoặc các lớp phủ kết hợp đồng – kẽm, niken – kẽm [1].
Ngoài ra còn có thể sử dụng biện pháp hợp kim hóa kim loại mối hàn bằng một số nguyên tố nhằm làm giảm chiều dày của lớp hợp chất giữa các kim loại có độ cứng cao. Ví dụ, khi dùng dây hàn có chứa 1% Si thì chiều dày lớp hợp chất liên kim (giòn, dễ nứt) là 18-20 ∝m, khi sử dụng dây hàn có chứa 4-5% Si thì chiều dày của lớp IMC có thể đạt được ở mức 3-5 ∝m [36].
Từ khía cạnh độ tin cậy của biện pháp bảo vệ kim loại ở nhiệt độ cao, quá trình hàn hồ quang trong môi trường khí trơ được coi là có tính vạn năng nhất, sau biện pháp hàn trong chân không.