Phân biệt các thông số chủ yếu ñặc trưng cho quá trình hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ kim loại sau ñây [10, 17]: ñộng học, vật lý, công nghệ và năng lượng.
1) Nhóm thông sốñộng học gồm có: tốc ñộ bay của tấm kim loại hàn khi va ñập vào tấm kim loại nền (vP), tốc ñộ ñiểm tiếp xúc giữa hai tấm kim loại (vK), góc va ñập (γ), góc uốn ñộng (β);
2) Nhóm thông số vật lý gồm có: áp suất tại ñiểm tiếp xúc khi va ñập (PK), thời gian va ñập (t), nhiệt ñộ tại ñiểm va ñập (T);
3) Nhóm các thông số công nghệ: tốc ñộ nổ (D) - ñặc trưng bởi mỗi loại thuốc nổ; thông số không ñơn vị (r) – tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nổ và khối lượng tấm kim loại hàn; khe hở hàn (hO) – khoảng cách ban ñầu giữa các tấm kim loại hàn; ñộ nhám bề mặt tiếp xúc khi hàn (RZ); nhiệt ñộ các tấm kim loại hàn (T1, T2); kích thước và ñặc tính của các kim loại hàn (ñộ bền, ñộ cứng, ñộ dai…).
4) Nhóm các thông số năng lượng gồm có: ñộng năng riêng của tấm kim loại hàn (W1); ñộng năng riêng của tấm kim loại nền (W2).
Do việc xác ñịnh các thông số vật lý rất phức tạp, nên người ta thường xác ñịnh mối tương quan giữa các thông số công nghệ với thống số ñộng học - γ, vP, vK. ðiều kiện ban ñầu ñể tính toán các thông số hàn nổ chủ yếu là quan ñiểm mô hình về sự va ñập của hai dòng chất lỏng không nén ñược, ở ñó tạo thành dòng phản chiều dạng tia cục bộ. Tính chất ñàn hồi của chất
lỏng (mô ñun ñàn hồi của nó bằng không) ñược xác ñịnh chỉ bởi ñộ nén của nó hoặc mô ñun nén theo mọi hướng. Nhưng nếu vật thể cứng chịu ứng suất lớn theo sơ ñồ khác với sơ ñồ nén toàn phần thì nó thay ñổi tính chất và trở nên chảy dẻo, về mặt này vật thể cứng ñược coi như chất lỏng. Trạng thái chảy dẻo của vật thể cứng ñặc trưng bởi không phải ở chỗ hoàn toàn không có ứng suất tiếp, mà là bởi một giá trị xác ñịnh nhỏ tuỳ ý, nếu vượt qua giá trị ñó ứng suất không tăng mặc dù biến dạng trượt tăng, tức là sau một giá trị nhất ñịnh của biến dạng và ứng suất vật thể cứng dừng chống trả lại biến dạng trượt, và vì thế nó ñược coi như một chất lỏng [16].
2.3.1.Các thông sốñộng học
Hình 2.4. Sơñồ hình học tấm kim loại hàn khi va ñập tại một thời ñiểm quá trình hàn nổ
Từ hình 2.4 thấy rõ trước khi nổ các tấm kim loại ñược ñặt dưới một góc (α) với nhau. Nếu như mặt phân cách sóng nổ trong một khoảng thời gian (t) di chuyển từñiểm B vào ñiểm B′ thì ñiểm va ñập (tiếp xúc) các tấm kim loại hàn C di chuyển ñến ñiểm C′. ðể hình thành ñược liên kết kim loại phải ñảm bảo ñiều kiện sau:
vK < CO (2.8)
Ngoài ra, cần phải làm sạch các bề mặt tiếp xúc hai tấm kim loại hàn ñể tạo ra tia kim loại cục bộ [11, 16]. Không phụ thuộc vào vị trí ban ñầu giữa hai tấm kim loại hàn, vẫn có thể tạo ra liên kết kim loại dưới một góc nhất ñịnh (γ). ðối với sơ ñồ nổ nghiêng góc nghiêng ñó ñược xác ñịnh theo công thức sau:
γ = α + β (2.9) Còn theo sơñồ nổ song song: γ = β (2.10) ðối với sơ ñồ nổ nghiêng, tốc ñộ di chuyển của ñiểm tiếp xúc ñược xác ñịnh theo công thức:
vK = D. sin (γ−α) / sin γ = D. sinβ / sin γ (2.11) ðiều này có liên quan tới việc ñể xác ñịnh tốc ñộ dịch chuyển của ñiểm tiếp xúc khi va ñập (vK) cần chú ý ñến tấm kim loại hàn trên thực tế trong quá trình hàn nổ ñã không còn là một tấm phẳng nữa, còn ñường tiếp xúc là một ñường cong lồi [16]. Nếu ta khảo sát bức tranh va ñập hai chiều, có thể giả thiết cho rằng tốc ñộ của ñiểm tiếp xúc vK = CC′; vP = BC′.
Góc va ñập (γ) là thông sốñộng học thứ hai. ðể xác ñịnh góc va ñập (γ) cần xác ñịnh ñược tốc ñộ hàn ñịnh hướng theo ñường phân giác của góc
∠CBB′. Trên hình 2.4 thấy rõ: BB′ = B′C′ = D, từñó:
D = vP. cos (γ−α) / sin(γ−α) (2.13)
γ = α + β = α + 2 arcsin [vP / (2D)] (2.14) Khi α = 0 và β = γ thì: γ = 2 arcsin [vP / (2D)] (2.15)
Tốc ñộ hàn chủ yếu ñược xác ñịnh theo công thức cho trong công trình
[18], nó nhận ñược khi giải bài toán khí ñộng học một chiều sử dụng mô hình hàn nổ của Garny ñối với trường hợp nổ tức thời và hệ số phân hủy chất nổ K = 3:
( ) (32 / 27)r 1 1 1 - r 27 / 32 1 D vP + + + = (2.16)
ðối với thuốc nổ hỗn hợp người ta ñưa vào công thức (2.16) hệ số ñiều chỉnh bằng 1, 2, khi ñó nhận ñược sự trùng khớp tốt của các số liệu thực nghiệm và tính toán tốc ñộ hàn với ñộ chính xác dưới 20 %.
vP ( ) (32 / 27)r 1 1 1 - r 27 / 32 1 1,2D + + + = (2.17)
ðối với tính toán tốc ñộ hàn trên thực tế, tác giả công trình [17] ñã ñề xuất sử dụng một số mối quan hệ nhận ñược khi dùng mô hình của Garni và các ñịnh luật bảo toàn ñộng năng và bảo toàn năng lượng:
1 - k 3 D 2 r r vP 2 + = (2.18) (k -1)(r 5r 4) 3 Dr vP 2 2 + + = (2.19)
Vitman [11, 17]ñã ñưa ra công thức tính tốc ñộ hàn tối ña cho phép: vP max = (1/N). [(TNC.CO)0,5 / vK].{[K.C.CO]0,5/ [ρ1.δ1]0,25} (2.22) trong ñó: TNC – Nhiệt ñộ nóng chảy;
C – Nhiệt dung riêng;
CO – Tốc ñộ truyền âm thanh trong vật liệu hàn (tấm trên); K – Hệ số dẫn nhiệt;
ρ1, δ1 – Mật ñộ và chiều dầy tấm kim loại hàn; N – Hằng số.
Trong công thức (2.22) có tính ñến tính chất nhiệt vật lý và nhiệt ñộ nóng chảy của các kim loại hàn, ñiều ñó cho phép xác ñịnh ñược giới hạn trên của vùng hàn nổ có liên quan tới sự nóng chảy kim loại hàn và tránh bị phá huỷ (một phần hoặc hoàn toàn) của liên kết hai lớp dưới tác dụng của sóng phản hồi xuất hiện khi hàn nổ. So sánh các giá trị tốc ñộ hàn theo công thức (2.18), (2.19) và (2.22) có thể cho rằng chúng gần bằng nhau và là giới hạn
trên của vùng hàn nổñảm bảo chất lượng liên kết của hai tấm kim loại va ñập vào nhau.
Trong công trình [17]ñã ñược ñề xuất công thức xác ñịnh góc va ñập tối thiểu phụ thuộc vào ñộ cứng vật liệu:
γmin = 1,2. [HV/ρ1v2
K]0,5 (2.23)
trong ñó: HV - ðộ cứng Vicker của kim loại cứng hơn trong hai tấm vật liệu hàn; ρ1 – Mật ñộ tấm kim loại hàn;
vK – Tốc ñộ chuyển ñộng của ñiểm tiếp xúc khi va ñập.
Belaev V. I. cùng các ñồng nghiệp [16] cũng ñề xuất phương trình tương tựñể xác ñịnh góc va ñập tối thiểu:
γmin = {σT / [ρ. vK (1 – a)]}0,5 (2.24) Trong ñó: σT - Giới hạn chảy của vật liệu cứng hơn;
A = 0,6 – Hệ số.
Trên thực tế có thể sử dụng các biểu thức có tính ñến chiều dày của lớp thuốc nổ (H) [27]: - Trong vùng 1,2 ≤ R ≤ 4; 0,05 ≤ h ≤ 0,5; h = hO / H: γ = 0,191.R0,55.(2h)1,9. (1,14)R (2.25) - Trong vùng 0,025 ≤ h ≤ 0,25: γ = 0,33.R0,5.h0,33 (2.26) Giá trị của góc va ñập tới hạn: γmax = 0,18 + lg(R1/3) (2.27) trong ñó: R = ρO.H / ρ1δ1
Các giá trị tối ña của góc va ñập tính theo công thức (2.15) nằm trong khoảng 12O40′ ÷ 22O50′ñối với bimetal thép + thép không gỉ, titan + hợp kim ñồng, titan + titan. Nếu tính ñến tổn hao thuốc nổ thì các giá trị ñó giảm xuống còn 11O ÷ 21O [11]. Một trong những ñiều kiện cho các thông số hàn nổ tối ưu là tốc ñộ di chuyển ñiểm tiếp xúc tới hạn vKmin :
trong ñó: HV1, HV2 - ðộ cứng hai tấm kim loại hàn;
ρ1, ρ2 – Mật ñộ các tấm kim loại va ñập khi hàn nổ.