Thí nghiệm nghiên cứu khảo sát và chụp ảnh cấu trúc tế vi tại biên giới liên kết 2 lớp kim loại hàn nổñược thực hiện theo Thỏa thuận hợp tác nghiên cứu khoa học giữa Trung tâm CTA-NARIME và bộ môn Vật liệu học và Xử lý bề mặt - Trường ðại học Bách khoa Hà Nội. Kết quả thí nghiệm ñược giám ñốc Trung tâm CTA-NARIME phê duyệt. Tác giả Luận văn cao học có tham gia trực tiếp trong quá trình thí nghiệm khảo sát 09 mẫu hàn nổ ở các chếñộ ñiển hình trong các lô quy hoạch thực nghiệm.
Mẫu sử dụng ñể nghiên cứu cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp vật liệu sau hàn nổ ñược sử dụng là các ñoạn mẫu dẹt sau khi ñã thử phá hủy (hình 4.6). Mặt
khảo sát chọn cắt dọc theo hướng nổ và mặt vuông góc (ngang) với hướng nổ (hình 4.7). Kết quả thí nghiệm cho trên các hình 4.8 ÷ 4.16.
Phân tích các kết quả nhận ñược cho thấy:
Dọc hướng nổ Ngang hướng nổ Hình 4.7. nguyên lý cắt lấy mẫu nghiên cứu khảo sát cấu trúc biên giới 2 lớp bimetal thép – hợp kim nhôm sau hàn
tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ
Hình 4.8. Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép - hợp kim
nhôm trong vật liệu sau hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ (Mã số QHTN: 002)
Hình 4.9. Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép - hợp kim
nhôm trong vật liệu sau hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ (Mã số QHTN: 100)
Hình 4.10. Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép - hợp kim
nhôm trong vật liệu sau hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ (Mã số QHTN: 101) 10 µm 10 µm 10 µm
Hình 4.11. Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép – hợp kim nhôm trong vật liệu sau hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ (Mã số QHTN: 111)
Hình 4.12. Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép – hợp kim
nhôm trong vật liệu sau hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ (Mã số QHTN: 121)
Hình 4.13. Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép – hợp kim
nhôm trong vật liệu sau hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ (Mã số QHTN: 221)
Hình 4.14. Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép – hợp kim
nhôm trong vật liệu sau hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ (Mã số QHTN: 202) 10 µm 10 µm 10 µm 10 µm
Hình 4.15. Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép - hợp kim
nhôm trong vật liệu sau hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ (Mã số QHTN: 212)
Hình 4.16. Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép - hợp kim
nhôm trong vật liệu sau hàn tốc ñộ cao bằng năng lượng nổ (Mã số QHTN: 222)
4.3.Thảo luận khoa học về kết quả thí nghiệm:
Phân tích các số liệu cho trong bảng 4.1 ta nhận thấy: giá trị trung bình của ñộ bền bám dính hai lớp ñối với vật liệu bimetal thép CT3 – HKN 1050 sau hàn nổ ñược xác ñịnh qua 3 lần thí nghiệm song song tại mỗi một nút quy hoạch thực nghiệm ñiển hình (ứng với 9 thí nghiệm có mã số ký hiệu cho trong bảng 4.1) ñạt trong phạm vi σbd = 68,46 ÷ 117,43 MPa. Giải thích sự chênh lệch của ñộ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal sau hàn nổ trong các chếñộ này trên cơ sở lập luận khoa học như sau:
1) Giá trị nhỏ nhất của ñộ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal nói trên (σbd = 68,46 MPa) nhận ñược ở chếñộ có mã số 002 (thí nghiệm số 1): tốc ñộ hàn tính toán theo các công thức ñã cho trong Chương 2 ñối với trường hợp sử dụng thuốc nổ ở ñây là 100 % amônit 6ЖВ ñúng bằng tốc ñộ di chuyển của ñiểm va ñập và nóng chảy cục bộ và ñạt ở mức cao nhất (vh = vk = 1.334
10 µm
10 µm
÷ 1.344 m/s), tức ở mức có thể gần bằng tốc ñộ truyền âm trong hợp kim nhôm ( Al
O
C ), ñiều ñó có thể ñã gây ảnh hưởng theo chiều tiêu cực ñến quá trình hình thành liên kết 2 lớp kim loại trong quá trình hàn nổ như ñã nêu ở phần nghiên cứu lý thuyết (Chương 2) và làm cho chất lượng bám dính không ñạt yêu cầu. Hiện tượng này có liên quan tới kết quả nghiên cứu khảo sát cấu trúc biên giới 2 lớp bimetal thép – hợp kim nhôm sẽñề cập ở mục 4.3: tại ñây biên giới có lớp màng mỏng màu ñen tương ñối rõ rệt (hình 4.9), ñó là nguyên nhân chính làm cho ñộ bền bám dính 2 lớp giảm so với các chế ñộ hàn nổ khác theo quy hoạch thực nghiệm;
2) Giá trị lớn nhất của ñộ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal nói trên (σbd = 117,43 MPa) nhận ñược ở chế ñộ có mã số 111 (thí nghiệm số 4), tức cao hơn 1,715 lần so với kết quả nhận ñược ñối với mẫu hàn nổ tại ñiểm nút 002 (thí nghiệm số 1). Trong trường hợp thí nghiệm số 4 sử dụng thuốc nổở ñây là 87,5 % amônit 6ЖВ: tốc ñộ hàn tính toán (tức là tốc ñộ di chuyển của ñiểm tiếp xúc 2 lớp kim loại hàn và nóng chảy cục bộ tại ñiểm va ñập) ñạt trong phạm vi khoảng vh = 1.332÷ 1.343 m/s, tức ở mức nhỏ hơn ñáng kể so với tốc ñộ truyền âm trong hợp kim nhôm ( Al
O
C ), ñiều ñó ñã có ảnh hưởng tích cực ñến quá trình hình thành liên kết 2 lớp kim loại trong quá trình hàn nổ nhưñã nêu ở phần nghiên cứu lý thuyết (Chương 2). Chất lượng liên kết 2 lớp kim loại hàn trong trường hợp này là tốt nhất, thể hiện ở giá trị cực ñại của ñộ bền bám dính khi thử phá hủy mẫu (mã số QHTN 111) ñạt giá trịσbd = 117,43 MPa, ñồng thời có cấu trúc tại vùng biên giới giữa chúng rất sạch, không ngậm các khuyết tật hàn nổ như liên kim cứng giòn, màng mỏng tạp chất, ñộ bền bám dính ñạt ở mức giá trị cao nhất. Hiện tượng này có liên quan tới kết quả nghiên cứu khảo sát cấu tạp chất bẩn hoạc liên kim cứng giòn trong mối hàn (hình 4.12). Ở chế ñộ “hàn trung bình” (tức với các mức chọn trung bình trong miền quy hoạch các thông số khảo sát r, h, C) và tính chất làm sạch các
tấm kim loại hàn chọn ở mức RZqu = + 1 thì chất lượng nói chung của mối hàn ñạt ñược so với các chế ñộ hàn nổ khác theo quy hoạch thực nghiệm là tốt nhất. Chếñộ nổở mức QHTN này khuyến dùng ñối với cặp vật liệu thép CT3 – hợp kim nhôm 1050 ñã chọn;
3) Trong trường hợp hàn nổ theo chế ñộ có mã số QHTN 100 (thí nghiệm số 2), ñộ bền bám dính 2 lớp ñạt σbd = 88,33 MPa, cao hơn 1,29 lần so với thí nghiệm số 1 (mã số QHTN 002). Tốc ñộ hàn trong trường hợp này ñạt (vh = 1.330 ÷ 1.343 m/s). Ởñây, khi nghiên cứu khảo sát cấu trúc tại biên giới liên kết 2 lớp thép và hợp kim nhôm cho trên hình 4.10, ta nhận thấy:
- Bề mặt tiếp xúc 2 lớp thép và hợp kim nhôm tương ñối sạch, không có tạp chất bẩn, nhưng biên ñộ sóng liên kết rất yếu. ðiều này có thể giải thích bởi do chọn mức quy hoạch thông số r có cao hơn so với thí nghiệm số 1, nhưng cả 2 thông số r và C ñồng thời chọn ở mức thấp, ñặc biệt là thông số C = 1,0 ñảm bảo tốc ñộ hàn vẫn ở mức cao so với tốc ñộ truyền âm trong vật liệu hợp kim nhôm ( Al
O
C ), nên chưa ñảm bảo ñiều kiện hình thành các biên dạng song liên kết 2 lớp lớn. Từñó dẫn tới ñộ bền bám dính còn ở mức tương ñối thấp;
- Biên giới liên kết 2 lớp thép và hợp kim nhôm khá sạch (hình 4.10) ñảm bảo cho chất lượng bám dính giữa chúng tốt, mặc dù tổ hợp 3 thông số khảo sát chưa phải ở mức nổ trung bình nhưñối với mẫu có mã số QHTN 111 (thí nghiệm số 4), do vậy ñộ bền bám dính ở thí nghiệm số 2 ñạt ñược còn thấp hơn so với thí nghiệm số 4 ñã xét trên ñây;
4) Trong trường hợp thí nghiệm số 3 (mã số QHTN 101), tức với chế ñộ hàn nổ có 2 thông số r và C chọn ở mức trung bình, còn thông số h chọn ở mức cận dưới. Tốc ñộ hàn ởñây ñạt (vh = 1.332÷ 1.343 m/s), thấp hơn so với thí nghiệm số 1 (mã số QHTN 002), nhưng lại cao hơn so với thí nghiệm số 2 (mã số QHTN 100). ðộ bền bám dính 2 lớp bimetal thép – hợp kim nhôm
nhận ñược ở thí nghiệm số 3 ñạt σbd = 96,067 MPa, tức cao hơn 1,08 lần so với thí nghiệm số 2 (mã số QHTN 100) và bằng 0,82 lần thấp hơn ñộ bền bám dính 2 lớp trong trường hợp thí nghiệm số 4. ðối chiếu với kết quả nghiên cứu chụp ảnh cấu trúc tế vi tại biên giới 2 lớp thép – hợp kim nhôm trên mẫu thí nghiệm số 3 cho trên hình 4.11 cũng có ñặc tính tương tự như mẫu thí nghiệm số 2: không có tạp chất bẩn dạng màng mỏng, biên ñộ sóng liên kết nhỏ. ðiều này giải thích cho hiện tượng ñộ bền bám dính 2 lớp chưa ñạt ñược giá trị cao nhất bởi diện tích tiếp xúc bề mặt trên mẫu thử phá hủy tính trên 1 ñơn vị hình chiếu vuông góc với nó nhỏ hơn so với trường hợp mẫu gia công từ vật liệu nhận ñược ở thí nghiệm số 4 cho trên hình 4.12 (có biên ñộ sóng lớn hơn);
5) Phân tích kết quả thí nghiệm trên mẫu số 5 (mã số QHTN 121) ta thấy ñộ bền bám dính 2 lớp bimetal thép – hợp kim nhôm ñạt σbd = 114,63 MPa, tức thấp hơn 0,97 lần so với trường hợp hàn nổở chế ñộ thí nghiệm số 4 (mã số QHTN 111) và cao hơn 1,29 lần so với khi hàn nổở chếñộ thí nghiệm số 2 (mã số QHTN 100). Tốc ñộ hàn ởñây ñạt (vh = 1.332÷ 1.343 m/s). Rõ ràng khi tăng các thông số nổ như r, h và C, ñộ bền bám dính 2 lớp thép và hợp kim nhôm trên các mẫu thí nghiệm nhận ñược theo QHTN có xu hướng tăng. Kết quả chụp ảnh cấu trúc tế vi tại biên giới 2 lớp kim loại hàn trong thí nghiệm số 5 cho trên hình 4.13 có ñặc tính tương tự như mẫu thí nghiệm số 3: không có tạp chất bẩn dạng màng mỏng, biên ñộ sóng liên kết khá lớn. ðiều này giải thích cho hiện tượng ñộ bền bám dính 2 lớp ñạt ở mức khá cao (σbd = 114,63 MPa). ðây là một trong những tổ hợp 3 thông số công nghệ hàn nổ khuyến dùng ñối với cặp vật liệu hàn ñã chọn. Tuy nhiên, nếu sử dụng chế ñộ hàn nổ với tốc ñộ hàn ở mức cận trên QHTN (trong trường hợp hàn nổ theo sơñồ song song nó chính là tốc ñộ di chuyển của ñiểm tiếp xúc khi va ñập) có thể sẽ dẫn ñến sự xuất hiện các khuyết tật ñặc trưng của công nghệ hàn nổ
như màng tạp chất bẩn, các liên kim có mầu ñen lân cận các ñỉnh sóng liên kết 2 lớp kim loại hàn trong mối hàn, ví dụ như trên các hình 4.9, hình 4.15; 16 & 17 (mục 4.3 dưới ñây);
6) Xét trường hợp thí nghiệm số 6 (mã số QHTN 221) ta nhận thấy ñộ bền bám dính 2 lớp thép và hợp kim nhôm có xu hướng giảm hơn so với thí nghiệm số 4 &5. Tốc ñộ hàn ở ñây ñạt (vh = 1.332÷ 1.343 m/s). Giá trị trung bình của nó ñạt σbd = 99,533 MPa, tức giảm xuống còn 0,868 lần so với giá trị ñộ bền bám dính trong thí nghiệm số 5 (114,63 MPa) và bằng 0,847 lần so với giá trị ñộ bền bám dính trong thí nghiệm số 4 (117,43 MPa). Phân tích ảnh chụp cấu trúc tế vi tại biên giới 2 lớp trong thí nghiệm số 6 (mã số QHTN 221) ñược cho trên hình 4.14, ta thấy chất lượng mối hàn rất tốt: không ngậm tạp chất bẩn, biên ñộ sóng liên kết lớn. ðiều ñó ñảm bảo cho chất lượng mối hàn cao. Giải thích ñiều này có thể là khi chọn chế ñộ hàn với thông số r, h ở mức cận trên, còn thông số C ñảm bảo tốc ñộ hàn ở mức trung bình theo QHTN, ñã tạo ra ñược áp suất va ñập và năng lượng va ñập của tấm hợp kim nhôm vào tấm nền thép ở mức cao, ñồng thời tốc ñộ di chuyển của ñiểm va ñập trong trường hợp này ở mức trung bình ñã tạo ñiều kiện thuận lợi cho hình thành biên giới liên kết kim loại giữa chúng rất tốt. ðây cũng là một trong những tổ hợp 3 thông số công nghệ hàn nổ khuyến dùng ñối với cặp vật liệu hàn ñã chọn;
7) Xét trường hợp thí nghiệm số 6 (mã số QHTN 202) ta nhận thấy ñộ bền bám dính 2 lớp thép và hợp kim nhôm có xu hướng giảm hơn nữa so với các thí nghiệm số 4, 5 & 6. Tốc ñộ hàn ở ñây ñạt (vh = 1.334 ÷ 1.344 m/s). Giá trị trung bình của nó ñạt σbd = 87,3 MPa, tức giảm xuống còn 0,74 so với giá trịñộ bền bám dính trong thí nghiệm số 4 (117,43 MPa), giảm xuống còn 0,76 so với giá trị của nó trong thí nghiệm số 5 (114,63 MPa) và bằng 0, lần so với giá trịñộ bền bám dính trong thí nghiệm số 6 (99,533 MPa). Phân tích
ảnh chụp cấu trúc tế vi tại biên giới 2 lớp trong thí nghiệm số 6 (mã số QHTN 202) ñược cho trên hình 4.15, ta thấy chất lượng mối hàn không tốt: có nhiều tạp chất bẩn trong các vùng gần ñỉnh sóng liên kết 2 lớp kim loại hàn, ñiều này là nguyên nhân chính dẫn tới giảm ñộ bền bám dính giữa chúng. Tuy nhiên, với biên ñộ sóng liên kết tương ñối lớn trong bề mặt tiếp xúc 2 lớp trong thí nghiệm số 7 vẫn có thể ñảm bảo ñược ñộ bền bám dính ñạt ở mức trung bình (σbd = 87,3 MPa). ðiều ñó ñảm bảo cho chất lượng mối hàn chỉ mới ở mức thấp, có thể chấp nhận ñược trong trường hợp hàn các kết cấu không quan trọng. Giải thích ñiều này có thể là khi chọn chếñộ hàn với thông số r, C ở mức cận trên, còn thông số h ñảm bảo tốc ñộ hàn ở mức cận dưới theo QHTN, tuy ñã tạo ra ñược áp suất va ñập và năng lượng va ñập của tấm hợp kim nhôm vào tấm nền thép ở mức cao, nhưng với khe hở ban ñầu giữa 2 tấm kim loại trước khi hàn nổ chọn ở mức thấp ñã không tạo ñiều kiện thuận lợi cho việc tia kim loại cục bộ ñẩy hết các tạp chất bẩn trên hai bề mặt tiếp xúc hàn ở mức tối ña. ðiều ñó dẫn tới việc khi hình thành các sóng liên kết giữa 2 lớp những tạp chất bẩn này bị giữ lại ở những vùng lân cận các ñỉnh sóng và cuối cùng ñã hình thành biên giới liên kết kim loại giữa chúng không ñược tốt nhưảnh chụp cho trên hình 4.15. ðây là một trong những tổ hợp 3 thông số công nghệ hàn nổ khuyến cáo không nên dùng ñối với cặp vật liệu hàn ñã chọn;
8) Nghiên cứu trường hợp thí nghiệm số 8 (mã số QHTN 212) ta nhận thấy ñộ bền bám dính 2 lớp thép và hợp kim nhôm có xu hướng giảm hơn ñáng kể so với các thí nghiệm số 6 & 7 ñã xét trên ñây. Tốc ñộ hàn trong trường hợp này ñạt vh = 1.334 ÷ 1.344 m/s. Ta có các nhận xét sau:
+ Giá trị trung bình của ñộ bền bám dính 2 lớp trong thí nghiệm số 8 ñạt