1. TỔNG QUAN VỀ HÀN NHÔM VỚI THÉP
1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:
Việc nghiên cứu chế tạo các kết cấu từ vật liệu nhẹ đã được triển khai từ khoảng hơn chục năm trở lại đây và đã đạt được những thành tựu rất khả quan. Cụ thể là các hãng chế tạo ôtô (Mercedes Benz, BMW, Audi), tàu hỏa (ICE, TGV),… đã rất thành công trong việc chế tạo các mẫu phương tiện có vỏ bằng hợp kim nhôm với nhiều tính năng kỹ thuật nổi trội hơn nhiều so với các mẫu vỏ thép trước đó. Trong đó để hàn nhôm với thép, người ta đã áp dụng rất nhiều quá trình hàn đặc biệt khác nhau cùng với rất nhiều nghiên cứu có giá trị của nhiều tác giả.
Để có bức tranh tổng quát về khả năng hàn nhôm với thép, dưới đây sẽ thống kê tất cả các quá trình hàn có thể thực hiện được việc hàn nhôm với thép cùng với những nghiên cứu tiêu biểu, từ đó có thể rút ra các ưu và nhược điểm của chúng. Trong số đó, nhóm các quá trình hàn hồ quang – liên quan trực tiếp đến đề tài của luận án – sẽ được phân tích, đánh giá một cách tỉ mỉ nhằm tìm ra những vấn đề còn tồn tại, hạn chế cần nghiên cứu, giải quyết tiếp.
• Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn Nổ:
Hiện nay đã có rất nhiều tác giả và công trình nghiên cứu ứng dụng quá trình hàn nổ để hàn nhôm với thép, trong đó điển hình là các tác giả trong các tài liệu [4, 14, 15]. Quá trình hàn nổ (explosive welding process) sử dụng năng lượng nổ của thuốc để tạo ra động năng rất lớn cho tấm vật liệu phía trên nằm cách tấm dưới một khoảng cách phù hợp (hình 1.2). Với động năng rất lớn này, tấm vật liệu phía trên sẽ va đập xuống tấm dưới với những xung lực cực lớn, làm cho bề mặt tiếp giáp giữa hai tấm vật liệu chuyển sang trạng thái dẻo (có thể có chỗ nóng chảy cục bộ ở mức tế vi) qua đó giúp chúng hòa trộn, khuếch tán sang nhau để tạo ra liên kết hàn. Ở những vị trí quá nhiệt, do lượng nguyên tố khuếch tán sang nhau vượt quá giới hạn hòa tan bão hòa sẽ xảy ra hiện tượng kết tủa tạo ra các pha mới (thường là các tổ chức liên kim - Intermetallic Compound - IMC).
Yêu cầu của quá trình hàn này là một vật liệu phải có độ dẻo cao (như nhôm, đồng,… chẳng hạn). Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng quá trình hàn nổ rất thích hợp để hàn nhôm với thép, liên kết hàn nhận được có độ bền chắc cao, trong đó các hợp chất liên kim loại (IMC) xuất hiện trên gianh giới giữa nhôm và thép ở dạng màng mỏng và không liên tục tạo ra liên kết hàn có cơ tính tốt. Đặc điểm tổng quát của quá trình hàn nổ có thể được tóm tắt như sau:
* Ưu điểm của hàn nổ:
- Thích hợp để hàn liên kết chồng cho các chi tiết dạng tấm, thanh và ống để chế tạo vật liệu nhiều lớp kim loại khác nhau như Bimetal, Trimetal.
- Hàn được các kim loại khác chủng loại với nhau, đặc biệt thích hợp cho hàn nhôm với thép. Ngoài ra hàn nổ còn được ứng dụng để hàn các hợp kim đặc biệt ứng dụng trong đóng tàu, hóa chất, dầu khí, dược phẩm…
Hình 1.2 Hàn liên kết chồng nhôm-thép bằng năng lượng nổ (nguồn: [14])
* Nhược điểm của hàn nổ:
- Biến dạng cơ – nhiệt rất lớn nên phải trải qua công đoạn cán phẳng hoặc là phẳng sản phẩm sau khi hàn. Bề mặt của tấm trên, nơi tiếp xúc với thuốc nổ hay có hiện tượng rạn, nứt hoặc thậm chí bị xé rách nếu như chế độ hàn không phù hợp (trường hợp sử dụng lượng thuốc nổ quá lớn).
- Phương pháp hàn này phát xạ độc hại (khói độc, tiếng ồn rất lớn,...). Môi trường sản xuất rất không an toàn và thường được thực hiện trong hầm nổ chuyên dụng đặt trong lòng núi hoặc tại nơi thao trường vắng người.
- Không hàn được các liên kết giáp mối đối đầu cũng như các liên kết góc và chữ T cho các chi tiết dạng tấm như đề tài luận án đề cập. Để thực hiện hàn liên kết nhôm – thép dạng chữ T thì phải thực hiện theo cách như đã mô tả trong mục 1.1 (hình 1.1). - Phương pháp này có yêu cầu cao về kiến thức và kỹ năng phòng chống cháy nổ của
người thao tác.
- Rất tốn kém khi xây dựng phòng nổ chuyên dụng (thường làm hầm nổ trong lòng núi đá). Thiết bị tuy không phức tạp nhưng yêu cầu rất cao về việc sử dụng và bảo quản thuốc nổ.
• Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn Ma sát:
Quá trình hàn ma sát cũng là một lựa chọn tốt để tiến hành hàn nhôm với thép. Quá trình hàn này sử dụng lực ma sát lớn để sinh nhiệt tại bề mặt tiếp giáp giữa hai chi tiết hàn, đưa vật liệu tại mép hàn đến trạng thái dẻo và sử dụng lực ép lớn để ép vùng kim loại đã dẻo này lại với nhau, qua đó tạo điều kiện hòa trộn, khuếch tán và gắn kết kim loại tạo ra liên kết hàn (các hình 1.3 và 1.4). Yêu cầu của quá trình hàn này là thiết bị phải tạo ra được mô men và tốc độ quay rất lớn để đảm bảo sinh đủ nhiệt, trong khi hệ thống thủy lực phải tạo ra được một lực ép lớn.
Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu hàn nhôm với thép bằng ma sát, trong đó chủ yếu tập trung vào biến thể hàn ma sát ngoáy (friction stir welding process, hình 1.3), mà điển hình là các nghiên cứu trong các tài liệu [4, 16, 17, 18, 19]. Để hàn hai tấm nhôm và thép ở dạng giáp mối, đầu ngoáy được đặt lệch về phía tấm nhôm tại vị trí sao cho chúng vừa đủ chạm vào mép của tấm thép khi ấn xuống. Với tốc độ quay cực lớn cùng với lực ép xuống đủ mạnh của đầu ngoáy, làm cho vùng kim loại cơ bản (KLCB) tiếp xúc với đầu ngoáy sinh ra một lượng nhiệt đủ để làm cho chúng chuyển sang trạng thái dẻo, nhờ đó mà đầu ngoáy có thể cắm sâu hết chiều dày của chi tiết hàn và sau khi đầu ngoáy di chuyển hết chiều dài của đường hàn thì sẽ tạo ra liên kết hàn giáp mối giữa nhôm với thép. Gờ vai ở phía trên của đầu ngoáy sẽ làm nhiệm vụ ép vùng kim loại dẻo này lại với nhau để tạo nên liên kết hàn.
Hình 1.3 Hàn liên kết giáp mối nhôm-thép bằng ma sát ngoáy (nguồn: [4])
Các nghiên cứu nêu trên cũng chỉ ra rằng chất lượng của liên kết hàn nhôm – thép bằng ma sát ngoáy là rất tốt, lớp IMC tuy có xuất hiện nhiều hơn và dày hơn so với hàn nổ nhưng do chúng không liên tục nên liên kết nhận được có cơ tính cao. Các đặc điểm cơ bản của quá trình hàn ma sát ngoáy được tổng hợp dưới đây:
* Ưu điểm của hàn ma sát ngoáy:
- Thích hợp để hàn giáp mối hoặc hàn chồng cho các chi tiết dạng tấm (phẳng hoặc định hình), chiều dày lên đến 25mm (tùy thuộc vào công suất máy).
- Chất lượng hàn cao, cơ tính mối hàn rất tốt, biến dạng nhiệt và khuyết tật phía trong mối hàn gần như không có.
- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa (dùng Robot dạng trạm – Robotic Station). Dễ dàng tích hợp quá trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động. Thời gian hàn khá nhanh, năng suất cao.
- Hàn được các kim loại khác chủng loại với nhau, đặc biệt là hàn nhôm với thép. Hàn được các hợp kim đặc biệt trong hàng không, vũ trụ (nhôm, magiê, titan,…).
- Phương pháp hàn này không phát xạ độc hại (khói độc, bắn tóe, bức xạ tử ngoại,...). Môi trường sản xuất rất sạch.
- Không cần bổ xung kim loại phụ và không yêu cầu cao về tay nghề của công nhân.
* Nhược điểm của hàn ma sát ngoáy:
- Bề mặt mối hàn bị lõm so với KLCB, có hố lõm rất sâu ở cuối đường hàn nên cần phải làm tai công nghệ khi hàn. Kích thước và chiều dày của chi tiết hàn bị hạn chế bởi công suất máy (máy có công suất lớn nhất hiện nay mới hàn được chiều dày 25 mm đối với thép).
- Chi tiết hàn cần phải được kẹp rất chặt và cần phải có giá đỡ ở mặt đối diện để đảm bảo độ cứng vững cho chi tiết hàn khi hàn. Không hàn được kết cấu quá phức tạp. Chỉ hàn được liên kết giáp mối hoặc chồng cho tấm, không hàn được các liên kết dạng góc và chữ T như đề tài luận án này đề cập.
- Thiết bị rất đắt tiền – chủ yếu được thiết kế dưới dạng trạm Robot nên không thích hợp với công việc hàn ở ngoài công trường.
Một biến thể khác của hàn ma sát là hàn ma sát quay (inertia friction welding process,
hình 1.4). Trong trường hợp này, một chi tiết được kẹp chặt vào mâm cặp và quay với vận tốc rất lớn, chi tiết còn lại được kẹp chặt trên 1 giá có thể di chuyển theo chiều dọc và được nối với 1 piston thủy lực để tạo lực ép. Khi hàn, hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau ở một tốc độ rất cao cùng với lực ép lớn sẽ làm cho bề mặt tiếp xúc giữa chúng sinh ra một lượng nhiệt đủ để làm cho phần KLCB ở chỗ tiếp xúc chuyển sang trạng thái dẻo,
sau đó hệ thống được phanh lại tức thời và được ép vào nhau với một lực gia cường lớn hơn làm cho 2 vật liệu bị ép chặt, khuếch tán sang nhau tạo ra liên kết hàn [4].
Hình 1.4 Hàn liên kết giáp mối dạng thanh, ống nhôm-thép bằng ma sát quay (nguồn: [4])
Biến thể này có những đặc điểm riêng như sau:
* Ưu điểm của hàn ma sát quay:
- Thích hợp để hàn liên kết giáp mối đối đầu cho các chi tiết dạng chốt, thanh, ống tròn xoay hoặc không tròn xoay. Có thể hàn thanh với thanh, thanh với tấm, ống với thanh hoặc ống với tấm. Độ chính xác của các chi tiết hàn cao (kể cả khi hàn chi tiết có tiết diện không tròn xoay hoặc tiết diện đặc biệt).
- Hàn được các kim loại khác chủng loại với nhau, đặc biệt là hàn nhôm với thép. Hàn được các hợp kim đặc biệt khác, ứng dụng trong công nghiệp chế tạo ôtô, hàng không,…
- Chất lượng liên kết hàn rất tốt, biến dạng nhiệt và khuyết tật phía trong mối hàn gần như không có.
- Dễ cơ khí hóa, tự động hóa (thường thiết kế máy dạng trạm CNC) và năng suất rất cao. Dễ dàng tích hợp quá trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động.
- Không phát xạ độc hại (khói độc, bức xạ tử ngoại,...). Môi trường sản xuất rất sạch. - Không cần bổ xung kim loại phụ và không yêu cầu cao về tay nghề của công nhân.
* Nhược điểm của hàn ma sát quay:
- Mối hàn lồi ra ba via lớn nên phải mất công cắt bỏ (gia công cơ: cắt, tiện, mài). - Chiều dài của chi tiết hàn bị giảm đi nhiều nên khi thiết kế cần phải có lượng dư lớn.
Chỉ hàn được liên kết giáp mối đối đầu cho các chi tiết dạng thanh, ống hoặc chốt. Không hàn được liên kết chữ T cho các chi tiết dạng tấm như luận án đề cập.
- Thiết bị rất đắt tiền – chủ yếu được thiết kế dưới dạng trạm CNC nên không thích hợp với công việc hàn ở ngoài công trường.
• Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn Xung từ:
Nhóm tác giả trong các tài liệu [20, 21, 22, 23, 24] đã nghiên cứu hàn nhôm với thép bằng quá trình hàn xung từ (Magnetic pulse welding process). Quá trình hàn này diễn ra như sau: khi một dòng điện có cường độ cao được cấp vào cuộn dây (coil), một từ thông cực mạnh tức thời được tạo ra ở phía tấm nhôm và thâm nhập vào bề mặt tiếp giáp nhôm/thép, một dòng điện xoáy (eddy curent) đi qua chúng sẽ cản trở sự thâm nhập sâu hơn nữa của nó (hình 1.5). Kết quả là một lực điện từ cực lớn tác động vào tấm nhôm và tấm nhôm được gia tốc rất lớn, văng khỏi cuộn dây rồi bay đến va đập rất mạnh vào tấm thép. Tại thời điểm va đập, bề mặt chi tiết được làm sạch bởi một động năng lớn trước khi va chạm. Sau thời điểm va chạm, các bề mặt đã làm sạch đó được ép lại với nhau bởi lực điện từ và giá đỡ, bề mặt tấm nhôm tại chỗ tiếp giáp với tấm thép lúc đó chuyển sang trạng thái dẻo trong khi bề mặt của tấm thép được nung nóng bởi nhiệt năng sinh ra do va đập (cơ năng biến thành nhiệt năng), qua đó giúp chúng hòa trộn, khuếch tán sang nhau tạo ra liên kết hàn.
Có thể thấy rằng cơ chế hình thành liên kết hàn của quá trình này giống với quá trình hàn nổ, chỉ khác nhau ở nguồn năng lượng và diện tích bề mặt liên kết. Cũng giống như quá trình hàn nổ, quá trình hàn xung từ yêu cầu ít nhất một trong hai tấm vật liệu phải có độ dẻo cao.
Hình 1.5 Hàn liên kết chồng nhôm-thép bằng Xung từ (nguồn: [20])
Quá trình hàn xung từ có những đặc điểm chủ yếu như sau:
* Ưu điểm của hàn xung từ:
- Thích hợp để hàn liên kết chồng với đường hàn thẳng, cong, hở hay khép kín cho các chi tiết dạng tấm với chiều dày rất hạn chế.
- Hàn được các kim loại khác chủng loại với nhau, đặc biệt là hàn nhôm với thép. Chất lượng liên kết hàn tương đối tốt và môi trường sản xuất sạch.
- Dễ kiểm soát và điều khiển quá trình một cách linh hoạt do điều khiển quá trình hoàn toàn bằng điện.
* Nhược điểm của hàn xung từ:
- Không hàn được chi tiết có chiều dày lớn, cũng không hàn được liên kết góc và chữ T cho các chi tiết dạng tấm như đề tài luận án đề cập.
- Thiết bị tương đối phức tạp và đắt tiền. Hơn thế nữa, ở Việt Nam hiện nay chưa có bất kỳ một thiết bị hàn xung từ nào nên quá trình hàn này cũng không được lựa chọn trong điều kiên nghiên cứu thực tế ở Việt Nam.
• Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn điện tiếp xúc điểm điện trở:
Theo các tài liệu [25, 26, 27], quá trình hàn điện tiếp xúc điểm điện trở (Resistance spot welding process) cũng có thể được điều chỉnh để hàn nhôm với thép. Trong trường hợp này, sử dụng dòng điện lớn vừa phải từ nguồn hàn đi qua điện cực đến chi tiết hàn và xuyên qua bề mặt tiếp giáp giữa hai chi tiết hàn (hình 1.6). Do điện trở tiếp xúc giữa hai chi tiết hàn khá lớn nên tại đây một lượng nhiệt điện trở được sinh ra đủ để làm cho vật liệu chuyển sang trạng thái dẻo, sau đó nhờ lực ép giữa hai điện cực sẽ ép hai tấm vật liệu này lại với nhau, giúp cho các kim loại khuếch tán sang nhau tạo ra liên kết hàn. Khi lượng nguyên tử sắt khuếch tán sang nhôm và ngược lại vượt quá giới hạn hòa tan bão hòa thành dung dịch đặc thì sẽ xảy ra hiện tượng kết tủa tạo ra các tổ chức IMC tại bề mặt liên kết.
Hình 1.6 Hàn điểm liên kết chồng nhôm-thép có sử dụng vật liệu trung gian (nguồn: [25])
Quá trình hàn điện tiếp xúc điểm điện trở có những đặc điểm chủ yếu như tóm lược dưới đây:
* Ưu điểm của hàn tiếp xúc điểm điện trở:
- Có thể hàn được các kim loại khác chủng loại với nhau như nhôm với thép, nhưng phải sử dụng thêm vật liệu trung gian (ví dụ mạ kẽm hoặc nhôm lên trên tấm thép trước khi hàn nhôm với thép).
- Biến dạng nhiệt tương đối nhỏ. Năng suất cao, dễ cơ khí hóa, tự động hóa. Dễ dàng tích hợp quá trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động.
- Không phát xạ độc hại (khói độc, bức xạ tử ngoại,...) và môi trường sản xuất rất sạch. - Không cần bổ xung kim loại phụ và không yêu cầu cao về tay nghề của công nhân.
* Nhược điểm của hàn tiếp xúc điểm điện trở:
- Chỉ hàn từng điểm một cho liên kết chồng các chi tiết dạng tấm. Không hàn được liên kết góc và liên kết chữ T với yêu cầu mối hàn kín như đề tài của luận án đề cập. - Kích thước và chiều dày của chi tiết hàn bị hạn chế bởi công suất và tầm với của máy.
Không hàn được kết cấu quá phức tạp.