1) Tốc ñộ nổ của thuốc nổ
Thông số công nghệ thứ nhất là tốc ñộ nổ (D) ñặc trưng cho thuộc nổ sử dụng, ñó cũng chính là tốc ñộ hàn khi hàn tốc ñộ cao theo sơ ñồ nổ song song. Nghiên cứu sự thay ñổi tốc ñộ nổ vào ñặc tính vật lý của thuốc nổ: ñường kính hoặc chiều dày, mật ñộ, thành phần hỗn hợp, kích thước hạt, ñộ ẩm, vỏ bọc ñã ñược trình bày khá rõ trong công trình [13, 17, 18]. Khi chiều dày thuốc nổ tính theo ñường kính quy ước (d) tăng thì tốc ñộ nổ tăng, ñạt giá trị cao nhất của nó ở một ñường kính thuốc nổ tới hạn (dTH) khác nhau nào ñó ñối với các loại thuốc nổ khác nhau. Sự lan truyền ổn ñịnh quá trình nổ chỉ có thể với ñiều kiện d ≥ dTH. Khi tăng mật ñộ của một hỗn hợp thuốc nổ lên ñến giá trị tới hạn nhất ñịnh tốc ñộ nổ của nó tăng, còn nếu tiếp tục tăng mật ñộ thì tốc ñộ nổ giàm rõ rệt.
Tốc ñộ hàn bằng năng lượng nổ cần phải nằm trong khoảng từ 1.500 m/s ñến CO (tốc ñộ truyền âm thanh trong vật liệu kim loại hàn). Trong công trình
[11] cho các ñường cong phụ thuộc của tốc ñộ nổ vào chiều dày thuốc nổ (H), hàm lượng amônit (6ЖB) trong hỗn hợp với NH4NO3 (tỷ lệ 25%, 30%, 33%, 40%, 50%), ñộ ẩm (ω) của NH4NO3. Trong công trình [17] cho mối quan hệ thực nghiệm giữa tốc ñộ nổ và hàm lượng chất pha trộn bằng NaCl trong amônit
(từ 0% ñến 50% NaCl) với chiều dày lớp thuốc nổ hỗn hợp là 6 ÷ 60 mm, mật ñộ 0,85 ÷ 0,9 g/cm3:
D = 4500. 1,012− x {1 −[2,44.(1 − 0,0272)0,776) ] / H0,79.1,005 − x} (2.29) trong ñó: H – chiều dày thuốc nổ, mm; x – Nồng ñộ chất pha trộn (NaCl), 5% khối lượng.
Trong công trình [13] bằng phương pháp xử lý số liệu thống kê toán học [18] ñã ñề xuất biểu thức tính toán lý thuyết của tốc ñộ nổ hỗn hợp thuốc nổ từ amônit + NH4NO3 có chiều dày 30 ÷ 100 mm (với ñộ chính xác ñến 8% so với số liệu thực nghiệm) phụ thuộc vào hàm lượng amônít trong thuốc nổ: D = 1.300 + 37.H – 10,62.C – 8,04.H2 + 0,6008.C2 – 0,002933.C3.+ 6,145.H.C – 0,04628.H.C2 (2.30) trong ñó: H – chiều dày lớp thuốc nổ hỗn hợp, cm; C – Hàm lượng amônit trong hỗn hợp, %.
2) Tỷ số giữa khối lượng thuốc nổ và khối lượng kim loại hàn:
Thông số công nghệ quan trọng thứ hai khi hàn nổ kim loại là thông số không ñơn vị (r), ñó là tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nổ sử dụng và khối lượng tấm kim loại hàn. Nếu diện tích thuốc nổ ñược ñặt trên bề mặt tấm kim loại hàn bằng diện tích của nó thì thông số này ñược xác ñịnh theo công thức:
r = mTN / m1 = ρO. H / ρ1δ1 (2.31)
3) Khe hở ban ñầu giữa 2 tấm kim loại hàn nổ:
Thông số công nghệ quan trọng thứ 3 là khe hở ban ñầu giữa hai tấm kim loại hàn nổ (hO). Người ta ñã xác ñịnh rằng: thông số này gây ảnh hưởng tới chất lượng liên kết kim loại giữa hai lớp bimetal và cùng với sự gia tăng của mỗi một trong các thông số D, r, hO thì số lượng các tạp chất nóng chảy, bước sóng và biên ñộ sóng liên kết ñều tăng lên một cách ñơn ñiệu. Còn ñộ bền bám dính hai lớp bimetal ở một vài giá trị nhất ñịnh của các thông số D, r, h ñạt ñược khá ổn ñịnh. Khi tăng quá cao các thông số D, r, h ñộ bền bám
dính hai lớp và hiệu ứng hình thành sóng liên kết giảm. Trên thực tế thường cho trước khe hở ban ñầu giữa hai tấm kim loại hàn nổ trong phạm vi một – hai chiều dày tấm kim loại hàn [1÷4, 17]. ðể tính ñến ñộ cứng vật liệu hàn nổ trong công trình [18]ñề xuất tiêu chí (Re):
Re = (ρ1 + ρ2) .v2K / [2.(HRC1 + HRC2)]≥ 10 (2.32) trong ñó: HRC1, HRC2 - ðộ cứng các tấm kim loại hàn và tấm kim loại nền theo Rocwel.
2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hàn nổ ñến ñộ bền mối hàn
Trong công trình [6] ñã rút ra kết luận rằng: cặp vật liệu khó hàn với nhau nhất bằng các phương pháp khác nhau là thép - nhôm và thép - hợp kim nhôm. Mối hàn ñạt chất lượng tương ñối ñạt ñược ở chế ñộ hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ là khá hẹp. Trong trường hợp này, sự cản trở việc nhận ñược ñộ bền bám dính hai lớp cao của cặp vật liệu thép - nhôm chính là do nhôm (Al) có khả năng tạo thành với sắt (Fe) các liên kim cứng giòn dạng FeAl, FeAl3, Fe2Al5. ðộ cứng của các liên kim này ñạt ñến 740 ÷ 900 HV, chiều rộng vùng các liên kim, tuỳ thuộc vào chế ñộ hàn nổ, thay ñổi trong khỏng một vài micrông ñến giá trị không lớp hơn 240 µm [18]. Sự phá huỷ liên kết kim loại hai lớp bimetal thường xẩy ra trên biên giới phân cách 2 kim loại thành phần, trong vùng các liên kim loại khi ñó quan sát thấy có các vết nứt. Liên kim dạng FeAl xuất hiện khi nhiệt luyện bimetalở nhiệt ñộ 450 ÷
6000C mà tại ñó ngay sau khi hàn ở tốc ñộ hàn cao ñến hàng nghìn mét/giây khi nổ thì không có các liên kim hình thành [17].
Nung nóng bimetal ở nhiệt ñộ 300 ÷ 4000C trong thời gian ñến 250 giờ làm giảm ñộ bền bám dính hai lớp từ 100 MPa xuống 32 MPa, còn ở nhiệt ñộ 450 ÷ 6000C vì do xuất hiện các liên kim loại dạng FeAl - ñộ bền bám dính
hai lớp bimetal giảm xuống ñến 10 ÷ 20 MPa. Khi sử dụng lớp lót công nghệ trung gian bằng hợp kim Al +5,6% Si ; Al + 4% Fe ; Al + 4,5% Cu ; Al + 4,6% Ni ñộ bền bám dính hai lớp thép - hợp kim nhôm tăng lên ñến mức ñộ bền của hợp kim nhôm ở trạng thái biến cứng [18].
Như vậy, khi hàn nổ ñể tạo phôi vật liệu tổ hợp nhiều lớp thép – hợp kim nhôm cần chú ý ñến việc hạn chế sự hình thành các liên kim loại gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng liên kết hai lớp kim loại trong mối hàn. Vì thế, việc xác ñịnh ảnh hưởng của các thông số công nghệ quá trình hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổñến tính chất mối hàn nhưñã ñề ra trong mục tiêu nghiên cứu của Luận văn này là rất quan trọng. ðể ñạt ñược mục tiêu ñó, có thể lựa chọn phương án quy hoạch thực nghiệm kiểu N = qk = 33, trong ñó: N – Số lượng thí nghiệm cơ bản, q – Số thí nghiệm song song tại mỗi ñiểm nút quy hoạch, k – Số thông sốñộc lập chủ yếu cần khảo sát [6, 17].
Bảng 2.1. Ví dụ ký hiệu các thông số công nghệ theo quy hoạch thực nghiệm N = 33 Mức thay ñổi theo quy hoạch
Các yếu tố công nghệ cần khảo sát Ký hiệu 0 1 2 Bước biến thiên Thông số không ñơn vịñặc trưng
cho khối lượng tấm kim loại hàn và thuốc nổ, (X1)
r 1,1 1,4 1,7 0,3 Thông số không ñơn vịñặc trưng
cho khe hở hàn ban ñầu, (X2) h 0,1 0,2 0,3 0,1 Thông số không ñơn vịñặc trưng
cho hàm lượng 6ЖB trong hỗn hợp thuốc nổ, %, (X3)
C 0,5 0,75 1,0 0,25
Ví dụ vềñiều kiện quy hoạch và kết quả thí nghiệm [17] khi hàn nổ tạo phôi băng bimetal thép - hợp kim nhôm chịu mòn ñược cho trong bảng 2.1. ðểñảm bảo tính trực giao của các ña thức theo quy hoạch thực nghiệm, thông số ñánh giá mức ñộ làm sạch bề mặt các tấm kim loại hàn quy ước trạng thái trước khi hàn của chúng thông qua RZ q.u. như sau:
+ RZ q.u. = − 1: mức ñộ làm sạch các bề mặt liên kết hai tấm kim loại ñạt ở mức yêu cầu thấp nhất, tức là làm sạch bằng tẩy rửa, sấy khô và không sử dụng nguyên công ñánh bóng bằng cơ học trước khi xếp thành phôi pakét hàn;
+RZ q.u. = 0: mức ñộ làm sạch các bề mặt liên kết hai tấm kim loại ñạt ở mức trung bình, tức là làm sạch bằng tẩy rửa, sấy khô và có sử dụng nguyên công ñánh bóng cơ học ñạt ñộ sáng kim loại ñạt yêu cầu trước khi xếp thành pakét hàn;
+ RZ q.u. = + 1: mức ñộ làm sạch các bề mặt liên kết hai tấm kim loại ñạt ở mức rất sạch, tức là làm sạch bằng tẩy rửa, sấy khô và có sử dụng nguyên công ñánh bóng cơ học ñạt ñộ sáng kim loại ở mức cao nhất trước khi xếp thành phôi pakét hàn.
Kết quả thực nghiệm trong công trình [17] cho thấy: ñộ bền bám dính hai lớp có giá trị cao nhất ở chếñộ hàn các bề mặt tiếp xúc trên 2 tấm kim loại tốt nhất (tức là: RZ q.u. = + 1): σBD = 85,33 ÷ 117,43 MPa. Khi các bề mặt tiếp xúc ñó chỉñạt yêu cầu tối thiểu (tức là: RZ q.u. = − 1) ñộ bền bám dính hai lớp ñạt 68,46 ÷ 88,33 MPa. Khi bề mặt tiếp xúc 2 tấm kim loại hàn nổ có ñộ sạch tốt (RZ q.u.= 0) ñộ bền bám dính hai lớp nằm trung gian giữa những số liệu ñối với hai trường hợp ñã nêu trên ñây. Nguyên nhân là ñối với các tấm vật liệu thép và hợp kim nhôm – thiếc có khoảng hẹp các chế ñộ hàn nổ, thì trong số các yếu tố có ảnh hưởng tích cực tới việc nâng cao chất lượng mối hàn, vai trò quan trọng khi ñó là mức ñộ làm sạch bề mặt tiếp xúc giữa chúng. ðộ sạch của chúng càng cao thì càng ít hình thành những tạp chất có hại và các liên kim loại trong vùng biên giới liên kết hai tấm kim loại hàn nổ, vì thế, ñảm bảo ñược ñộ bền bám dính của chúng cao hơn.
2.5. Cấu trúc tế vi tại biên giới hai lớp bimetal thép – hợp kim nhôm:
Bằng phương pháp nghiên cứu cấu trúc trên kính hiển vi quang học [17]ñã xác ñịnh ñược rằng các phôi vật liệu tổ hợp 2 lớp thép - hợp kim nhôm nhận ñược
khi hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổở chếñộ r = 1,6 ; hO = 1,2 ÷ 2,4 mm có chất lượng liên kết hai lớp khá tốt, có ít tạp chất ñúc nóng chảy [17] (hình 2.5).
a) b)
c) d)
Hình 2.5. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết hai lớp bimetal thép 08 Kп – hợp kim nhôm AO9-1 sau hàn nổ và biến dạng dẻo nguội với chếñộ hàn nổ và nhiệt luyện:
r = 1,6; H = 12 mm; vK = 3.530 m/s; T = 320OC; t = 1 giờ; làm nguội trong không khí:
a) εΣ = 30%, h0= 1,2 mm; b) εΣ =20%, h0=2,4 mm; c) εΣ =30%, h0= 3,6 mm; d) εΣ =20%, h0=1,2 mm;
Kết luận Chương 2:
Trong Chương 2 tác giả ñã ñạt ñược kết quả khoa học sau:
1)Trình bày có hệ thống hoá kết quả chính của một số công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm vềứng dụng năng lượng nổ trong công nghệ hàn tốc ñộ cao ñể chế tạo vật liệu tổ hợp nhiều lớp trên thế giới có thể cập nhật ñược ở Việt Nam, gồm các vấn ñề chủ yếu như: ðặc ñiểm của quá trình hàn nổ; Nguyên lý cơ bản hình thành liên kết kim loại khi hàn nổ; Các thông số chủ yếu công nghệ hàn nổ (ñộng học, vật lý, năng lượng và chếñộ nổ);
2)Trích dẫn một số kết luận khoa học ñã ñược rút ra từ thực nghiệm của tác giả công trình [17], xác ñịnh mức ñộảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn nổ tới ñộ bền bám dính hai lớp kim loại trong vật liệu tổ hợp thép - HK nhôm chịu mòn làm bạc trượt (thép 08Kп - ACM, thép 08Kп - AO9-1). Từñó lựa chọn các chế ñộ hàn nổ (r, h, C) ñể tạo phôi vật liệu bimetal thép - hợp kim nhôm dự kiến ñể thí nghiệm theo ñề tài Luận văn Cao học của mình với mức quy hoạch thực nghiệm gần với ñề xuất trong các tài liệu ñã công bố mà tác giả cập nhật ñược là có cơ sở khoa học;
3)Mặc dù ñã có nhiều nghiên cứu lý thuyết và công thức thực nghiệm tính toán các thông số ñộng học, vật lý và công nghệ quá trình hàn nổ ñể lựa chọn các chếñộ tối ưu, ñảm bảo nhận ñược liên kết kim loại giữa hai lớp trong vật liệu bimetal có chất lượng cao. Tuy nhiên, các công thức ñó mang tính chất cá biệt, chỉ áp dụng cho những trường hợp ñã ñược nghiên cứu khi hàn nổ các cặp vật liệu kim loại, hợp kim và loại thuốc nổ cụ thểñã ñược sử dụng. Vì thế, ñối với cặp vật liệu mới cần nghiên cứu là thép CT3 - hợp kim nhôm, sử dụng ñể hàn kết cấu trên tầu thủy, mà tác giả Luận văn lựa chọn tính ñến thời ñiểm hiện nay là rất cần thiết. ðiều ñó xác ñịnh yêu cầu phải thực hiện các thực nghiệm chuyên sâu ñể xác lập cơ sở khoa học rõ ràng hơn cho việc lựa chọn chếñộ công nghệ hàn nổ phù hợp với ñiều kiện thực tế khi triển khai ứng dụng vào sản xuất tấm vật liệu tổ hợp kích thước lớn ở nước ta.
Chương 3.
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM HÀN TỐC ðỘ CAO TẠO PHÔI BIMETAL THÉP – HỢP KIM NHÔM
3.1. Vật liệu và Thiết bị thí nghiệm:
3.1.1. Vật liệu thí nghiệm
Theo tác giả các công trình [A.M.Veisten] và [A.I. Pavlov], trong công nghiệp sản xuất vật liệu tổ hợp nhiều lớp thép – hợp kim nhôm dùng cho ngành ñóng tàu thủy, trong ñó có các tấm bimetal thép các bon - HK nhôm ñộ bền cao, lớp kim loại nền thường ñược sử dụng là thép các bon (như các mác thép CT3, 35, 09Г2...; còn lớp HK nhôm thường là, AMг, AMг3, AMг5B.
Trên cơ sở tổng kết kinh nghiệm sử dụng các mác vật liệu dùng cho chế tạo tấm bimetal thép – hợp kim nhôm dùng trong ngành ñóng tàu thủy của các nước trên thế giới, ñề tài chọn vật liệu theo hệ thép CT3 – hợp kim nhôm 1050 có thành phần hoá học như trên các bảng 3.1 và 3.2
Bảng 3.1. Thành phần hoá học và cơ tính lớp thép nền CT3 làm tấm kim loại nền (theo tiêu chuẩn Nga ГOCT 380-88 và TCVN tương ñương)
Thành phần hoá học % (theo khối lượng) Mác thép C Si Mn P ≤ S ≤ Fe Giới hạn bền, MPa Giới hạn chảy, MPa ðộ giãn dài tương ñối,% CT3 0,18 0,1 ÷ 0,2 0,60 0,03 0,04 98,95 ÷ 99,05 373 ÷ 481 186 - 190 24 ÷27
Bảng 3.2. Thành phần hoá học của hợp kim nhôm ñóng tàu thủy [4].
σb (MPa) σ0.2 (MPa) ðộ giãn dài (%) ðộ bền trượt (MPa) Cơ tính 76÷159 28÷145 7÷39 62÷83 1050 Thành phần ≤0.25% Si ≤0.4% Fe ≤0.05% Cu ≤0.05% Mn ≤0.05% Mg ≤0.05% V + Al
* Phương pháp tiến hành thí nghiệm: Trong các thí nghiệm hàn nổ của công trình nghiên cứu này ñã sử dụng thép CT3 làm lớp nền và hợp kim nhôm ñóng tàu thủy có thành phần hóa học tương ñương các hợp kim cho trong bảng 3.2. Những vật liệu này dễ mua trên thị trường và giá không quá cao như ñối với thép hợp kim ñóng tầu của các nước châu Âu khác, phù hợp cho việc thí nghiệm ở Việt Nam. ðể tối ưu hoá chế ñộ hàn nổ, ñầu tiên phải tiến hành thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm với 3 thông số hàn nổ chính: r, h, RZ q.u. trong ñó C = 1 (bảng 3.3).
Bảng 3.3. ðiều kiện thí nghiệm hàn tạo phôi tấm bimetal thép CT3 – hợp kim nhôm bằng năng lượng nổ. Mức ñiều chỉnh Thứ tự Thông số công nghệ ñược khảo sát Ký hiệu 0 1 2 Bước ñiều chỉnh 1 Thông số không ñơn vị thứ 1:
r = ρO .H /ρ1δ1
X1 1,1 1,3 1,5 0,2 2 Thông số không ñơn vị thứ 2:
h = hO / H X2 0,1 0,2 0,3 0,1 3 Thông số không ñơn vị thứ 3:
RZ q.u.(ñặc tính làm sạch bề