hợp kim nhôm sử dụng trong hàn kết cấu tàu thuỷ dân dụng và tàu quân sự
kim nhôm dùng ựể hàn các kết cấu thép với hợp kim nhôm trên tàu thuỷ tại một nhà máy ựóng tàu ở Việt Nam cấp cho nhóm nghiên cứu chúng tôi giám ựịnh chất lượng. Vật liệu tổ hợp 3 lớp thép - nhôm - hợp kim nhôm loại này ựang ựược ứng dụng trong một vài cơ sở ựóng tàu thuỷ ở Việt Nam ựược nhập từ hãng cung cấo châu Âu: ỘMerrem & la Porte BVỢ (Veilingweg 2 - 5301 KM Zaltbommel - HOLAND) có tên gọi mang thương hiệu là TRICLAD
Aluminium Steel Transitionjoints. Kắch thước hình học của vật liệu tổ hợp 3 lớp thép - nhôm - hợp kim nhôm là các thanh 30 x 34 x 3.700 mm ựược cắt ra từ tấm vật liệu cỡ lớn có khắch thước rộng ựến 1.400 mm và chiều dài ựến 3.800 mm.
Theo tài liệu về xuất xứ hàng nhập khẩu tại văn bản Certificate for Rolled Steel Plates, Strip, Sections or Bars của cơ quan giám ựịnh chất lượng châu Âu Lloyd′s Register thì vật liệu này có ba lớp: nền thép mác ASTM A516-55 có chiều dày ựến 19 mm; lớp lót trung gian giữa nền thép với lớp hợp kim nhôm là EN AW-1050A có chiều dày 9,5 mm; lớp hợp kim nhôm trên bề mặt lớp phủ là EN AW-5086 có chiều dày là 6 mm. Như vậy tổng chiều dày của thanh vật liệu tổ hợp 3 lớp này là 34,5 mm. Với kắch thước chiều dày như vậy người ta ựã ứng dụng công nghệ hàn nổ ựể tạo ra các tấm vật liệu tổ hợp 3 lớp thép - nhôm - hợp kim nhôm là tốt nhất, vì phương pháp cán bị hạn chế bởi chiều dày tấm vật liệu thành phẩm ở mức ựộ không lớn. Cũng theo Chứng chỉ kiểm ựịnh vật liệu ựầu vào dùng ựể chế tạo các thanh vật liệu tổ hợp 3 lớp ỘTRICLAD Aluminium Steel TransitionjointsỢ do hãng DMC Nitro Metall (châu Âu) cung cấp thì các tấm phôi hàn nổ (ựể minh chứng cho quan ựiểm nói trên [6]) có kắch thước hình học như sau: 4.000 x 1500 x (19 + 9,5 + 6) mm, ứng với 3 lớp vật liệu: thép ASTM A516-55; nhôm EN AW-1050A và hợp kim nhôm EN AW-5086.
nhóm RUUKKI PRODUCTION ựược cho trong bảng 1.2. độ bền kéo dứt vật liệu ựạt 98 MPa, giới hạn chảy ựạt 88 MPa, ựộ giãn dài tương ựối 28%.
Bảng 1.2. Thành phần hoá học lớp thép trong vật liệu TRICLAD Aluminium Steel Transitionjoints dùng cho tàu TT-200, % khối lượng
Hàm lượng các nguyên tố
C Si Mn P S Al Nb 0,13 0,20 0,75 0,007 0,007 0,31 0,003
V Ti Cu Cr Ni Mo Khác 0,005 0,002 0,041 0,04 0,04 0,05 Còn lại
Ngoài ra số lượng vật liệu tổ hợp 3 lớp do Nga sản xuất ựể làm chi tiết trung gian khi hàn vỏ tàu bằng thép với kết cấu bằng hợp kim nhôm trên một số tàu quân sự (tàu 12418) ựược sử dụng lớn hơn nhiều so với vật liệu TRICLAD Aluminium Steel Transitionjoints nói trên là hệ thép X18H10T - - hợp kim nhôm AMг6. Kắch thước chiều dày tương ứng các lớp là (10 + 5 + 5) mm. Với tổ hợp kắch thước này ựã ựược nhóm nghiên cứu chúng tôi chọn ựể thắ nghiệm, vì nguyên vật liệu ựầu vào dễ mua trên thị trường Việt Nam.
Hình 1.3.Cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép và hợp kim nhôm trong vật liệu nhiều lớp TRICLAD Aluminium Steel Transitionjoints:
Chúng tôi ựã cắt lấy mẫu nghiên cứu khảo sát cấu trúc tế vi vùng liên kết giữa hai lớp nhôm và hợp kim nhôm với nền thép dọc theo chi tiết trung gian ựể hàn trên tàu thuỷ từ vật liệu TRICLAD Aluminium Steel
Transitionjoints, kết quả thu nhận ựược cho trên hình 1.3a, b.
Kết luận chương 1:
Trong phần này, tác giảựã ựạt ựược các kết quả sau:
1) Nêu ựược khái quát về tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương pháp công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nhiều lớp, trong ựó có vật liệu 2 lớp (bimetal) trên thế giới và Việt Nam. Tác giảựã phát hiện rằng: công nghệ hàn tốc ựộ cao nhờ sử dụng năng lượng nổ là rất thắch hợp (trong ựiều kiện Việt Nam hiện nay không có các nhà máy luyện kim và gia công áp lực lớn) ựể sản xuất ựược nhóm vật liệu tổ hợp thép - hợp kim nhôm, thép - nhôm - hợp kim nhôm phục vụ cho ngành công nghiệp ựóng và sửa chữa tàu thuỷ thay thế cho công nghệ dùng ựinh tán rivê ựể lắp ghép các kết cấu nội thất với vỏ tàu, vừa phức tạp trong công nghệ ghép nối (năng suất thấp), ựộ bền chịu lực kém (gắn kết ựiểm), chi phắ nhân công cao, làm tăng trọng lượng tàu ựáng kể...;
2) Tổng hợp những kết quả nghiên cứu ứng dụng vật liệu tổ hợp thép Ờ nhôm Ờ hợp kim nhôm dùng trong công nghiệp ựóng tàu thủy trên thế giới. đồng thời ựã trình bày phạm vi sử dụng vật liệu bimetal thép + hợp kim nhôm trong hàn kết cấu tầu thuỷ. đặc biệt là hiện nay Việt Nam ựến nay chưa tự chủ ựộng sản xuất trong nước ựược. Do ựó, ựể từng bước nắm vững công nghệ, tiến tới chủ ựộng ựảm bảo ựầy ựủ vật tư cho sản xuất, thay thế nhập khẩu, giảm chi tiêu ngoại tệ và ựặc biệt là giữựược tắnh bảo mật quốc gia cao về lĩnh vực an ninh quốc phòng (ựóng tàu quân sự). Ngoài ra, sản phẩm ựề tài có thể phục vụ cho các nhà máy ựóng tàu dân sự khác trong cả nước;
2 lớp thép Ờ hợp kim nhôm ựược dùng trong hàn kết cấu tầu thuỷ dân dụng và tàu quân sự, từựó xác ựịnh rõ ựược quan ựiểm sử dụng công nghệ phù hợp hiện nay ở nước ta của nhóm nghiên cứu là công nghệ hàn tốc ựộ cao bằng sử dụng năng lượng nổ (hàn nổ);
4) Trong quá trình tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tạo vật liệu tổ hợp nhiều lớp kim loại của nhóm nghiên cứu, tác giả Luận văn cao học ựã tắch cực tham gia thực hiện nhiều nội dung công việc liên quan ựến các nghiên cứu cơ bản vật liệu mới. Những phần kết quả công bố trong công trình này ựều ựược người chủ trì nhóm nghiên cứu tại Trung tâm đào tạo và Ứng dụng công nghệ Cơ khắ Ờ Tự ựộng hóa (Trung tâm CTA-NARIME) là PGS.TS. Hà Minh Hùng cùng với các cộng sự khác cho phép.
Chương 2.
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT HÀN TỐC đỘ CAO GIỮA HAI TẤM KIM LOẠI BẰNG NĂNG LƯỢNG NỔ
2.1. đặc ựiểm của quá trình hàn tốc ựộ cao bằng năng lượng nổ
Hàn nổ là quá trình nhận ựược liên kết kim loại và hợp kim dưới tác ựộng của năng lượng sinh ra khi kắch nổ các chất nổ. Lịch sử hình thành quá trình công nghệ hàn nổ ựã ựược ựề cập trong các công trình [1, 3]. Sơ ựồ nguyên lý quá trình hàn nổ song song ựể tạo phôi bimetal ựược thể hiện trên hình 2.1a, b. Tấm kim loại cốựịnh (4) và tấm kim loại hàn (3) ựược ựặt dưới một góc nghiêng (α) ở khoảng cách cốựịnh (hO). Trên tấm kim loại hàn (3) là lớp thuốc nổ (2). Tại vị trắ ựỉnh góc nghiêng là kắp nổ (1). Tất cả phôi ựược ựặt trên ựế nổ (5) bằng kim loại, bê tông, cát... Khi bị kắch nổ, theo toàn bộ lớp thuốc nổ sẽ lan truyền sóng nổ với tốc ựộ (D) ựạt tới vài nghìn mét trong một giây. Dưới sự tác dụng của áp suất cao do sự nở của khắ nổ, tấm kim loại hàn ựạt ựược tốc ựộ (vO) khoảng vài trăm mét trong một giây và va ựập vào với tấm kim loại cốựịnh dưới một góc xác ựịnh γ = β + α (γ - góc va ựập; β - góc uốn ựộng; α - góc nghiêng ban ựầu). Kết quả của quá trình kắch nổ các chất nổ tạo ra áp suất và nhiệt ựộ rất cao, trong vùng tiếp xúc hai tấm kim loại, tạo ra tia kim loại cục bộ tạo ựiều kiện cho chúng liên kết kim loại với nhau. Tốc ựộ cao và áp suất cao ở vùng tiếp xúc xảy ra sự ựánh sạch màng ôxit trên các bề mặt tiếp xúc, làm linh hoạt hoá chúng và tạo ra mối liên kết kim loại giữa các lớp với nhau. Mối liên kết kim loại ựó thường có dạng sóng âm ựặc trưng (hình 2.2 a), tuy nhiên cũng có những trường hợp mối liên kết không có dạng sóng âm (hình 2.2 b) [1,3 ].
Thông báo ựầu tiên về hàn nổ hai ựĩa mỏng hợp kim ựồng latông với nhau do nhà nghiên cứu Karl [15] công bố năm 1944. Trong năm 1944 ọ1946
hiệu ứng liên kết kim loại ựược nhóm các nhà nghiên cứu dưới sự lãnh ựạo của M. A. Lavrentiev và các cộng sự quan sát thấy khi thắ nghiệm với tia kim loại cục bộ [17]. Tuy nhiên, các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tế của hiện tượng này chỉ bắt ựầu sau năm 1961 tại Viện Thuỷ khắ ựộng học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô khi thực nghiệm một trong các sơ ựồ làm biến cứng hai tấm kim loại bằng năng lượng nổ.
(a) (b)
Hình 2.1. Sơựồ hàn nổ song song (a) và tại một thời ựiểm nổ (b) theo [6] :
1 Ờ Kắp nổựiện, 2 Ờ Thuốc nổ, 3 Ờ Tấm kim loại hàn, 4 Ờ Tấm kim loại nền, 5 - đế nổ
Các nhà khoa học ựã ựề xuất sơ ựồ hàn nổ song song, giả thiết cho rằng: cơ sở của quá trình hàn nổ là sự hình thành tia kim loại cục bộ, xuất hiện trong các ựiều kiện va ựập với tốc ựộ cao giữa hai tấm kim loại nằm nghiêng một góc hoặc song song với nhau. Khi kắch nổ thuốc nổ, theo nó di chuyển mặt phân cách nổ với tốc ựộ lên ựến hàng nghìn mét trong một giây
[15]. Tốc ựộ va ựập của tấm kim loại trên với tấm kim loại dưới ựạt ựến 1.500 m/s. Tốc ựộ di chuyển của vũng hàn theo hướng nổ cũng ựạt giá trị trên dưới 1.000 m/s, phụ thuộc vào góc va ựập trong từng trượng hợp hàn cụ thể. Tại ựiểm va ựập xuất hiện một dòng có ựịnh hướng các hạt kim loại, chuyển ựộng với tốc ựộ cao trong khe hở giữa hai tấm kim loại hàn và tạo ra bề mặt liên kết dạng sóng âm [8].
Tia kim loại cục bộ làm sạch lớp màng ôxit trên các bề mặt tiếp xúc hai tấm kim loại. Tại ựiểm va ựập dưới tác ựộng của áp suất và nhiệt ựộ rất cao, hai tấm kim loại ựi vào tiếp xúc trực tiếp một cách chặt chẽ và nhờ ựó tạo ra liên kết kim loại trên toàn bộ diện tắch các bề mặt tiếp xúc. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong công trình [8] ựã ựược ựề xuất các ựiều kiện hình thành tia kim loại cục bộ khi hàn tốc ựộ cao bằng năng lượng nổ như sau:
1) Trong mọi trường hợp, không phụ thuộc vào tốc ựộ di chuyển của ựiểm va ựập, áp suất ựược tạo ra trực tiếp trước ựiểm va ựập cần phải ựủ lớn ựể thắng giới hạn ựàn hồi ựộng của vật liệu và ựảm bảo nén ép các bề mặt kim loại hàn vào tia kim loại cục bộ;
2) Nếu tốc ựộ di chuyển của ựiểm va ựập vK nhỏ hơn tốc ựộ truyền âm thanh CO trong vật liệu kim loại hàn thì về mặt lý thuyết tia kim loại cục bộ có thể ựược hình thành ở mọi góc nghiêng α giữa hai tấm kim loại hàn. Tuy nhiên, trên thực tế mức áp suất cần thiết ựược cho bởi một góc nghiêng tối thiểu nào ựó;
3) Nếu ựiểm va ựập di chuyển với tốc ựộ lớn hơn tốc ựộ sóng âm trong vật liệu kim loại hàn thì tia kim loại cục bộ có thể ựược hình thành chỉở góc nghiêng lớn hơn một góc tới hạn nào ựó.
Cross Land.B [18]ựề xuất sơựồ hàn hai tấm kim loại nghiêng một góc nào ựó với nhau với sự phân bố ựối xứng các tấm kim loại hàn có chiều dày bằng nhau, trên chúng ựặt các thuốc nổ cũng giống nhau. Trong trường hợp này, các tấm kim loại hàn nhận ựược tốc ựộ va ựập bằng nhau. Tuy nhiên, sơ ựồ hàn kiểu này khó thực hiện trên thực tế do không thể áp dụng ựược ựối với các tấm kim loại hàn có kắch thước lớn, vì trong quá trình nổ không thể tăng góc nghiêng ở phần cuối tấm hàn vô hạn ựược. Vì thế, người ta ựã ựề xuất sơ ựồ hàn hai tấm kim loại ựặt song song, dễ thực hiện và chấp nhận ựược ựối với các tấm kim loại hàn có kắch thước lớn. Việc ựó thực hiện ựược nhờ sử
dụng thuốc nổ tốc ựộ thấp (nhờ pha trộn thêm các chất phụ gia ựể giảm tốc ựộ nổ), ựảm bảo ựược ựiều kiện vK< CO khi ởựiều kiện tốc ựộ di chuyển của ựiểm va ựập bằng tốc ựộ nổ vK = D.
Một trong những sơ ựồ nổ song song như vậy ựã ựược trắch dẫn trong công trình [10, 17] là sơựồ do A. A. Deribas và V. C. Seựưkh ựề xuất, trong ựó các tấm kim loại hàn ựược ựặt cách nhau với khe hở xác ựịnh, còn chỗ ựặt kắp nổ ựược bẻ cong một ựoạn ựể tạo góc nghiêng ban ựầu giữa chúng. Nhưng trong công trình [16] ựã chỉ ra rằng việc uốn cong phần ựầu tấm kim loại hàn nổựể ựặt kắp nổ chỉ có ý nghĩa khi sử dụng thuốc nổ tốc ựộ cao hoặc khi chiều dày tấm kim loại hàn lớn hơn 10 mm. đối với sơựồ hàn nổ kiểu này, tốc ựộ di chuyển của ựiểm va ựập (vùng hàn) dọc theo hướng nổ sẽ bằng tốc ựộ nổ.
Hiện nay, ở một số nước thuộc Liên Xô trước ựây và các nước khác ựã có nhiều ựăng ký bản quyền sáng chế về những phương pháp hàn nổ, ựặc trưng bởi vị trắ ựặt các tấm kim loại hàn so với nhau trước khi nổ (nghiêng, song song, ựối xứng); hình dạng bề mặt của các tấm kim loại hàn (phẳng, trụ, cong không gian); tỷ lệ các kắch thước hình học của các tấm kim loại hàn; thứ tự các bước công nghệ hàn nổ; sơ ựồ kắch nổ... Một trong số những bằng sáng chế chung nhất là bản quyền số 3137937 USA, MuK B 23K29/00 bao trùm hầu nhưựa số các trường hợp ứng dụng trong hàn nổ có sử dụng thuốc nổ có tốc ựộ nổ thấp hơn 120% so với tốc ựộ truyền âm trong vật liệu kim loại hàn và sơựồ nổ song song [1]. Có thể hàn nổ khi tốc ựộ nổ cao hơn trong vật liệu kim loại hàn [3], tuy nhiên khi ựó cần thực hiện sơ ựồ nổ nghiêng dưới một góc αựảm bảo tốc ựộ di chuyển của ựiểm va ựập vK nhỏ hơn tốc ựộ truyền âm trong các tấm kim hoại hàn, ựiều này rất khó thực hiện khi kắch thước lớn và các chi tiết có biên dạng cong. Người ta ựã chế tạo ra thuốc nổ trên nền hỗn hợp amônit 6ЖB + NH4NO3 với tỷ lệ các thành phần khác nhau, ưu ựiểm của các loại thuốc nổ này là có thểựiều chỉnh ựược tốc ựộ nổ trong phạm vi rộng (1.200 ọ 4.000 m/s).
Một trong những thông số công nghệ hàn tốc ựộ cao bằng năng lượng nổ chắnh xác ựịnh chất lượng liên kết hai lớp kim loại là giữựược ựộổn ựịnh của