ảnh hưởng của chế độ hàn nổ đến tính chất liên kết hai lớp bimetal thép 35 + thép шх15

Bảng ký hiệu chữ viết tắt Ký hiệu viết tắt ý nghĩa đầy đủ CO Tốc độ truyền sóng âm trong vật liệu kim loại D, H Tốc độ nổ và chiều dày lớp thuốc nổ tương ứng k Hệ số gi3n nở nhiệt của kh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NễNG NGHIỆP I

-

PHẠM THÀNH ðễNG

” ảnh hưởng của chế độ hàn nổ đến tính chất liên kết hai lớp bimetal thép 35 + thép ШХ 15”

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyờn ngành: Cơ khớ

Mó số: 60.62.01

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.HÀ MINH HÙNG

HÀ NỘI, 2007

lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chưa có sử dụng để bảo vệ một

đề tài học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đ3 được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đ3 chỉ rõ nguồn gốc

Người thực hiện

Phạm Thành Đông

Lời cảm ơn Với các kết quả thu nhận được trong luận văn này tôi xin trân trọng cảm ơn các đồng chí l3nh đạo và quản lý Trường Đại học Nông nghiệp I; Trung tâm Đào tạo và ứng dụng công nghệ Cơ khí – Tự động hoá, Viện Nghiên cứu Cơ khí; Tổng cục Công nghiệp quốc phòng và Công ty Hoá chất 13- Tổng cục Công nhgiệp quốc phòng; Bộ môn Vật liệu học & Xử lý

bề mặt – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đ3 tạo mọi điều kiện thuận lợi cho việc học tập và làm luận văn tốt nghiệp này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS Hà Minh Hùng, đồng thời là Chủ nhiệm đề tài cấp Nhà nước m3

số KC 06.13.CN đặc biệt là PGS TS Đào Quang Kế, cùng các thầy giáo tham gia thực hiện thí nghiệm hàn nổ tại Công ty Hoá chất 13 (Tổng cục Công nghiệp quốc phòng), đ3 đạt kết quả tốt và có giá trị cho các nghiên cứu tiếp theo của luận văn

Cho phép tôi gửi lời chúc sức khoẻ của các thầy giáo đ3 giảng dạy tôi trong quá trình học tập tại Trường Đại học Nông nghiệp I

Tác giả Luận văn

Phạm Thành Đông

Cộng hịa xã hội chủ nghĩa việt nam ðộc lập –Tự do – Hạnh phúc

Hà Nội ngày tháng năm 2007

Kính gửi : - ðồng chí Bộ trưởng Bộ cơng thương

- ðồng chí Tổng cục trưởng Tổng cục cảnh sát điều tra

- ðồng chí Tổng Thanh tra Chính phủ

Kính thưa các ðồng chí

Tên tơi là : Phan Soạn, ðảng viên ,nguyên Phĩ giám đốc , Phĩ bí thư ðảng

ủy Cơng ty cơ khí Hà Nội hiện đã nghỉ hưu ở khu tập thể Cơng ty cơ khí Hà nội xin viết lá thư này trân trọng gửi đến các đồng chí ý kiến tâm huyết của một cán

bộ đã 40 năm làm việc tại Cơng ty cơ khí Hà Nội:

Tháng 3 năm 2007 tơi cĩ viết thư gửi đồng chí Bộ trưởng Bộ Cơng nghiệp Hồng Trung Hải báo cáo tình hình sản xuất – kinh doanh , năng lực yếu kém của lãnh đạo Cơng ty Cơ khí Hà Nội Tơi được biết Bộ cơng nghiệp (nay là Bộ Cơng thương) sau khi nhận được thư của tơi đã cử đồn thanh tra kiểm tra tại Cơng ty Cơ khí Hà Nội ðồn đã kết thúc thanh tra và đã cĩ báo cáo thanh tra Mặc dù tơi khơng được Bộ gửi báo cáo nhưng qua tìm hiểu tơi được biết, kết luận thanh tra né tránh những vấn đề chính , những vấn đề khơng thể thì thanh tra mới chỉ ra khơng nĩi rõ trách nhiệm cá nhân Mặc dù vậy theo báo cáo của thanh tra Bộ Cơng nghiệp tơi cũng xin các đồng chí làm rõ :

1 Tại sao trước khi đầu tư, vào những năm 80-90 Cơng ty cơ khí Hà Nội đã sản xuất hàng năm trên 1000 máy cơng cụ phức tạp, theo thời giá năm 2007 tới 70-100 tỷ đồng, sau khi đầu tư chỉ sản xuất được 50-100 máy.Riêng máy cưa vịng, cũng gọi là máy cơng cụ, như giá trị rất thấp (400USD/máy) nhất là hàm lượng cơ khí khơng đáng kể.Kết luận của thanh tra do khơng cĩ thị trường ðây

là kết luận hoàn toàn không có cơ sở , trong khi công nghiệp hóa hiện ñại hóa, ñất nước ñang cần nhiều máy công cụ hơn, và thực tế chúng ta ñang phải nhập khẩu rất nhiều máy công cụ Ở trong nước một số công ty trước ñây là những ñơn vị không thể so sánh năng lực với Cơ khí Hà Nội , ñầu tư không ñáng kể như Cơ khí chế tạo Hải phòng, Cơ khí A74 nhưng hiện nay họ ñang sản xuất và xuất khẩu hàng ngàn máy công cụ /năm Ở ñây có phải do năng lực yếu kém của người sử dụng vốn ñầu tư ,

2 Trước khi ñầu tư, Công ty Cơ khí Hà Nội ñã từng ñúc mỗi năm ñược 2500-3000 tấn thép ñúc , 1000-1500 tấn gang ñúc Sau khi ñầu tư, dây chuyền ñúc ñã hoạt ñông ñược 4 năm mà sản lương ñúc chỉ ñạt 1/10 công suất ñầu tư khoảng 1000 tấn cho cả gang và thép (sản lượng ñầu tư là 12000 tấn gang , thép /năm).Như vậy rõ rang ñầu tư dây chuyền công nghệ ñúc ở ñây ñang có vấn ñề lớn , không thể có khả năng thu hồi vốn nhà nước Ai là người chịu trách nhiệm với hàng trăm tỷ ñồng ñầu tư Kết luận thanh tra mặc dù phải xác nhận sản lượng thực tế nhưng cũng cho rằng do thị trường là hoàn toàn cố tình né tránh

3 Việc chi tiền ngân sách Nhà nước tùy tiện(tiền ngân sách chứ không phải tiền trong hoạt ñộng sản xuất -kinh doanh cuả Công ty) thất thoát trên cả tỷ ñồng(như báo cáo của thanh tra Bộ Công nghiệp), chủ yếu chi cho cá nhân hoặc công ty ngoài Quốc doanh tại sao thanh tra lại chỉ kiến nghị thu hồi Nếu không

có thanh tra thì thực chất số tiền ñó ñã vào túi cá nhân Ở ñây ñã có bằng chứng của tham nhũng và vi phạm luật hình sự rõ rang

4 Việc ký hợp ñồng với một công ty trước khi công tynayf thành lập hơn 1 năm với giá trị trên 125 triệu ñồng tại sao thanh tra lại kết luận là “hợp lý hóa chứng từ” Thực chất ở ñây là cố ý làm trái , ñể rút tiền ngân sách và tham nhũng

5 Việc sử dụng ñất ñai có ñúng mục ñích không, cho thuê ñất khi ñã hết hạn hợp ñồng thuê ñất của Thành phố, Tiền cho thuê sân bóng lập quỹ riêng,

tiền lớn là vi phạm luật pháp, tại sao chỉ là do Ộquy chế quản lý tài chắnh của công ty lộn xộn ựề nghị xây dựng hoàn thiện lạiỢ

6 Công ty Vinashiroki giải thể, công nghệ khuôn mẫu không phát triển ở

Cơ khắ Hà Nội là sự thật, tôi muốn ựề cập ựến tầm của những con người ựang xin ựầu tư nhưng hướng sản phẩm, ngành nghề có khả năng phát triển cao cho

cơ khắ chế tạo thì không quan tâm.Trong khi thực tế hiện nay công nghiệp chế tạo khuôn mẫu ựang phát triển mạnh với hàm lượng cơ khắ và hiệu quả kinh tế cao nhất Tại sao lại Ộ không có cơ sở và không thuộc phạm vi Cơ khắ Hà Nội

Ộ.Như vậy thì bao giờ mới có thị trường ựể phát huy ựầu tư? đó có phải là do năng lực yếu kém của giám ựốc công ty Cơ khắ Hà Nội?

7 đoàn thanh tra hoàn toàn chưa kiểm tra việc hoạt ựộng sản xuất kinh doanh mà theo dư luận còn rất nhiều sai phạm nghiêm trọng về tài chắnh , thực

tế ựây mới là lĩnh vực cần phải thanh tra nhất Bộ công thương còn tiếp tục kiểm tra không ?

Thưa các ựồng chắ

Công ty Cơ khắ Hà Nội từng là con chim ựầu ựàn, là niềm tự hào của ngành cơ khắ chế tạo Việt Nam Nơi ựây ựã từng sản xuất hàng vạn máy công cụ,hàng ngàn tấn sản phẩm thép ựúc hợp kim cho các ngành kinh tế , quốc phòng đây cũng là nơi ựào tạo rất nhiều cán bộ cao cấp cho đảng và Nhà nước, tại sao khi nền kinh tế ựất nước phát triển, ựược đảng và Nhà nước quan tâm tạo ựiều kiện,

ưu ựãi song thực tế năng lực ,trình ựộ cơ khắ chế tạo ngày càng giảm sút Tôi cho rằng do năng lực của giám ựốc công ty,sự núp bóng dựa thế của người bao che ựể vi phạm pháp luật Tại sao cấp trên của công ty lại ựể một giám ựốc quá yếu năng lực chuyên môm, năng lực lãnh ựạo và thiếu ựạo ựức ựể dẫn ựến tình trạng này Kắnh mong các ựồng chắ của lãnh ựạo có thẩm quyền làm rõ ựáp ứng mong mỏi của người lao ựộng Công ty

1.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hàn nổ đến chất lượng mối hàn 24

2.4 Phương pháp đánh gia tính chất vật liệu Bimetal hàn nổ và xử lý số liệu thực nghiệm

59

3 Chương 3 Vật liệu, thiết bị, phương pháp thí nghiệm 63

4.3 Kết quả khảo sát cấu trúc tế vi biên giới hai lớp Bimetal thép 08Kп -

đồng M1 sau hàn nổ và biến dạng dẻo

79

4.5 Mô phỏng số hàm mục tiêu độ bền bám dính hai lớp bằng phần mềm STATISTICA

88

Bảng ký hiệu chữ viết tắt

Ký hiệu

viết tắt

ý nghĩa đầy đủ

CO Tốc độ truyền sóng âm trong vật liệu kim loại

D, H Tốc độ nổ và chiều dày lớp thuốc nổ tương ứng

k Hệ số gi3n nở nhiệt của khí nổ do thuốc nổ bị kích nổ tạo ra

VK Tốc độ di chuyển của điểm tiếp xúc (va đập) hai tấm kim loại khi hàn

nổ

VO Tốc độ quét của mặt phân cách nổ khi hàn nổ

VP Tốc độ va đập tấm kim loại hàn với kim loại nền

hO Thông số khe hở ban đầu giữa 2 tấm (lớp) kim loại hàn nổ

r Thông số tỷ lệ khối lượng thuốc nổ trên khối lượng tấm (ống) kim loại

hàn

rЭ Bán kính tới hạn của chất nổ

dkp Đường kính tới hạn của chất nổ

δO, ρO Chiều dày và mật độ của chất nổ

δ1, ρ1 Chiều dày và mật độ của tấm kim loại hàn (tấm trên hoặc lớp phủ)

δ2, ρ2 Chiều dày và mật độ của tấm kim loại nền (tấm dưới)

β Góc uốn động tại điểm va đập tấm kim loại hàn với tấm kim loại nền

α Góc nghiêng ban đầu giữa hai tấm kim loại trước khi hàn nổ

pK áp suất tại điểm va đập khi hàn nổ hai tấm kim loại

λ, a Thông số bước sóng và biên độ sóng âm liên kết kim loại hàn nổ

∆2 Chiều dày trung bình tạp chất trong biên giới liên kết 2 lớp kim loại hàn

nổ

σKD Độ bền bám dính 2 lớp kim loại hàn nổ khi kéo dứt

σb Trở kháng biến dạng tức thời của kim loại hàn

àm Micrômét - đơn vị đo độ lớn, chiều dài hạt kim loại

MPa Megapascal - Đơn vị đo áp lực

Hà Đơn vị đo độ cứng tế vi kim loại

HV Đơn vị đo độ cứng kim loại theo Vícker

HB Đơn vị đo độ cứng kim loại theo Brinen

QHTN Quy hoạch thực nghiệm

Danh mục hình vẽ

Trang

1.3 Sơ đồ hình học tấm kim loại hàn khi bay tại một thời điểm khi hàn nổ 08 1.4 Các điều kiện biên đảm bảo có liên kết kim loại khi hàn nổ 26 1.5 ảnh đồ ảnh hưởng của góc va đập γ, tốc độ dịch chuyển tương đối của

điểm tiếp xúc VK/CO và giá trị khối lượng đơn vị trung bình của các tấm

hàn m trên biên giới vùng hàn nổ

28

1.6 Sự phụ thuộc của chiều dày trung bình tạp chất ∆2, các thông số biên

dạng sóng liên kết λ, a và độ bền bám dính khi kéo đứt σKDvào khe hở

hàn hO

31

1.7 Sự phụ thuộc của chiều dày trung bình tạp chất ∆2, các thông số biên

dạng sóng liên kết λ, a và độ bền bám dính khi kéo đứt σKDvào thông số r

32

1.8 Sự phụ thuộc của chiều dày trung bình tạp chất ∆2, các thông số biên dạng

sóng liên kết λ, a và độ bền bám dính khi kéo đứt σKDvào tốc độ nổ D

34

1.9 Sơ đồ tính toán phương án hàn ốp bề mặt hình cầu từ phía trong 42

2.3 Đường cong phân bố hàm vi phân của đại lượng ngẫu nhiên liên tục 48

2.5 Các đường cong phân bố một Môda (a) và hai Moda (b) 50

2.8 Đường cong phân bố một môđa đối xứng của đại lượng

ngẫu nhiên liên tục

50

3.1 Sơ đồ nguyên lý hàn nổ tóp ống vào lõi tạo phôi Bimetal thanh đặc 64

3,2 ống đồng M1 trước khi làm thí nghiệm hàn nổ tạo

3.5 Các cộng tác viên Đề tài KC06.13.CN và nhóm nghiên cứu

Luận văn đang chuẩn bị thí nghiệm hàn nổ tại Cty Hoá chất 13 – TCCNQP

67

3.6 Kính hiển vi dùng để soi kim tương mẫu Bimetal hàn nổ và cán 68

3.7 Dụng cụ để đo và tính toán độ bền bám dính hai lớp Bimetal bằng

phương pháp keo dán

68

3.8 Mẫu thử và sơ đồ thử độ bền liên kết bằng phương pháp kéo chốt 70

3.9 Mẫu thử đánh giá độ bền bám dính hai lớp kim loại Bimetal thép 08Kп -

đồng M1khi kéo trượt và kéo dứt

4.4 Mẫu khảo sát cấu trúc biên giới 2 lớp cắt từ phôi Bimetal thép 08Kп- đồng M1 sau

hàn nổ (QHTN 1) và biến dạng cán tạo prophin dây truyền tải điện lực

80

4.5 Mẫu khảo sát cấu trúc biên giới 2 lớp cắt từ các phôi Bimetal thép

08Kп-đồng M1 sau hàn nổ (QHTN 2- có hiệu chỉnh công nghệ) và biến dạng

cán tạo prophin dây truyền tải điện lực

Danh mục bảng biểu

Trang

1.2 ảnh hưởng của phương pháp kích nổ không hoàn toàn đến tốc độ hàn và

góc va đập

15

1.5 ảnh hưởng của lớp dầu trên bề mặt tiếp xúc đến chất lượng mối hàn sau

2.2 Ví dụ kết quả xác định kiểm tra tính đồng nhất của các thí nghiệm 55

2.6 Ví dụ về quy hoạch thực nghiệm tối ưu công nghệ kiểu N = 33 và 23 61

4.2 QHTN hiệu chỉnh công nghệ hàn nổ Bimetal thép 08Kп - đồng M1 75

mở đầu Trong lĩnh vực công nghệ chế tạo vật liệu mới, bên cạnh những công nghệ truyền thống, công nghệ hàn bằng năng lượng nổ (gọi tắt là hàn nổ)

đ3 và đang ngày càng phát triển rất mạnh mẽ, nó cho phép chế tạo nhiều loại vật liệu tổ hợp mới có những tính chất đặc biệt làm việc trong điều kiện khắc nghiệt Hàn nổ là một hướng công nghệ mới đ3 được nghiên cứu

và ứng dụng rộng r3i trên thế giới trong những năm cuối thế kỷ XX và đ3 tạo ra được rất nhiều chủng loại vật liệu tổ hợp nhiều thành phần, có cơ lý tính rất cao, trong đó có các loại bimetal sử dụng trong Kỹ thuật thuật điện, Công nghiệp Chế tạo máy, Hoá chất, Khai thác và chế biến dầu khí, Kỹ thuật quân sự, Kỹ thuật Hàng không vũ trụ Sản phẩm bimetal mặc dù có thành phần cấu thành có thể rất đa dạng, nhưng khă năng nâng cao cơ - lý tính, chịu môi trường ăn mòn hoá học, chịu được sự xói mòn ở nhiệt độ và

áp suất cao lại rất tốt Công nghệ hàn nổ khá đơn giản về mặt đầu tư thiết bị: Chỉ cần thuốc nổ, đế nổ và một vài dụng cụ cầm tay để làm sạch bề mặt các tấm, thanh kim loại cần hàn là có thể thực hiện việc tạo ra các bimetal cần thiết ở ngoài trời Tại một số Phòng thí nghiệm hàn nổ trong các buồng

nổ kín trên thế giới người ta cũng tạo ra các loại bimetal đặc biệt [5, 12] Công nghệ hàn nổ đ3 được ứng dụng rộng r3i trong công nghiệp quốc phòng, hoá chất của Mỹ Người ta đ3 hàn nổ các tấm kim loại với nhau có diện tích đến 40 m2 bằng một lần nổ và sản phẩm bimetal được dùng trong công nghiệp hoá chất ở Mỹ

Công nghệ hàn nổ cũng đ3 được đồng thời nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước thuộc Liên Xô trước đây, ví dụ như: Viện Thuỷ khí Động học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô; Viện hàn mang tên E O Patôn thuộc Viện Hàn lâm Ucraina; Trường Đại học Bách khoa Volgagrad, Tập đoàn Khoa học - Sản xuất Luyện kim Belaruxia, Viện Nghiên cứu Máy- Việt Nam đ3 nhận được sự công nhận rộng r3i trong giới khoa

học, nó cho phép nhận được các phôi bimetal từ những kim loại và hợp kim

có cơ lý tính khác xa nhau mà bằng phương pháp thông thường khó nhận

được: bimetal thép các bon + thép dụng cụ, thép các bon + thép hợp kim thép các bon + thép chịu nhiệt, thép các bon + thép không gỉ, thép + Titan, thép + đồng và hợp kim đồng sử dụng trong các ngành công nghiệp chế tạo máy Trong số các ứng dụng tại Liên Xô cũ, nhóm hàn nổ do PGS.TS Solovjev V Ja chỉ đạo và TS Hà Minh Hùng cùng các đồng nghiệp Nga

đ3 chế tạo thành công bimetal thép 08Kп + hợp kim đồng БрОФ 6,5-0,15 dùng để chế tạo các loại bạc trượt trong động cơ ô tô ZIL và động cơ FORD xuất khẩu sang Mỹ, động cơ KAMAZ và một số động cơ Diezen khác Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng vật liệu này đ3 được công bố trên Tạp chí chuyên ngành “Luyện kim đen” ở Matxcơva, có thể cập nhật

Với dạng năng lượng sử dụng không truyền thống, tốc độ xảy ra quá trình hàn rất cao, việc quan sát trực tiếp quá trình hình thành liên kết hàn lớp kim loại được hàn là rất khó khăn, nên đối với các cặp vật liệu dùng để hàn nổ khác nhau cần phải có nghiên cứu thực nghiệm

Dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Hà Minh Hùng, tác giả Luận văn này đ3 trực tiếp tham gia nhóm nghiên cứu công nghệ hàn bằng năng lượng nổ để tạo phôi bimetal thép 35 + thép ШХ15 làm phôi chế tạo chi tiết chịu mòn cao bước đầu đ3 có kết quả rất khả quan

Tuy nhiên các nghiên cứu trên cho đến nay vẫn chưa được hệ thống hoá đầy đủ, hơn nữa chưa có nghiên cứu nào đi theo hướng hàn nổ để tóp ống thép hợp kim cao hình trụ vào thanh đặc kim loại (lõi trong bằng thép các bon thường), nhằm tiết kiệm kim loại quý hiếm Vì thế, tác giả Luận văn chọn đề tài nghiên cứu theo hướng ứng dụng công nghệ hàn nổ là có cơ

sở khoa học và thực tiễn hiện nay ở Việt Nam

Trong Luận văn Cao học này tác giả đặt mục tiêu dựa trên cơ sở tổng quan các kết quả nghiên cứu ứng dụng đ3 đăng tải trên tài liệu ngoài nước, kết hợp với kết quả nghiên cứu ứng dụng trong nước để nêu

ra hướng nghiên cứu tạo phôi bimetal thép 35 + thép ШХ15 Chúng tôi chấp nhận các cơ sở lý thuyết tạo ra sự liên kết các lớp kim loại khi hàn

nổ đ3 được công bố trong các công trình [1] ữ [12] Các nghiên cứu thực nghiệm tạo phôi bằng phương pháp hàn nổ được thực hiện trên trường nổ ngoài trời, còn xử lý kết quả thí nghiệm - tại “Trung tâm Đào tạo và ứng dụng Công nghệ Cơ khí-Tự động hoá, Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ CôngThương) và Bộ môn “Vật liệu học và Xử lý bề mặt”, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Mục tiêu, nhiệm vụ của Luận văn:

Đề tài Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật ”ảnh hưởng của chế độ hàn nổ

đến tính chất liên kết hai lớp bimetal thép 35 + thép ШХ15” giải quyết bài toán mới về nghiên cứu sự thay đổi tính chất và cấu trúc kim loại vật liệu hai lớp phụ thuộc chế độ hàn nổ, đề cập đến các vấn đề sau:

1) Tổng quan về công nghệ hàn nổ và khái quát về QHTN;

2) Vật liệu, thiết bị sử dụng để thí nghiệm, phương pháp nghiên cứu; 3) Kết quả thực nghiệm tạo phôi bimetal thép 35 + thép ШХ15; 4) Nghiên cứu khảo sát cấu trúc kim loại tại biên giới hai lớp và xác

định độ bền bám dính hai lớp của bimetal thép 35 + thép ШХ15;

5) Tổng kết các kết quả khoa học mới thu nhận được của Luận văn

Chương 1 Tổng quan

1 1 Các thông số công nghệ chính khi hàn nổ

Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn nổ được thể hiện trên Hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ nổ dưới góc nghiêng a) & b) và nổ song song c) & d)

Tấm kim loại cố định (4) và tấm kim loại hàn (3) được đặt dưới một góc nghiêng (α) ở khoảng cách cố định (h) Trên tấm kim loại hàn (3) là lớp thuốc nổ (2) Tại vị trí đỉnh góc nghiêng là kíp nổ (1) Tất cả phôi được đặt trên đế nổ (5) bằng kim loại, bê tông, cát Khi bị kích

nổ, theo toàn bộ lớp thuốc nổ sẽ lan truyền sóng nổ với tốc độ (D) đạt tới vài nghìn mét trong một giây

Dưới sự tác dụng của áp suất cao do sự nở của khí nổ, tấm kim loại hàn đạt được tốc độ (vO) khoảng vài trăm mét trong một giây và va

đập vào với tấm kim loại cố định dưới một góc xác định là (γ = β ư α) Kết quả của quá trình hàn nổ tạo ra áp suất và nhiệt độ rất cao, làm cho hai tấm kim loại liên kết với nhau

Tốc độ cao và áp suất cao ở vùng tiếp xúc xảy ra sự đánh 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 đó thường có dạng sóng âm đặc trưng (Hình 1.2 a), tuy nhiên cũng có những trường hợp mối liên kết không có dạng sóng âm (Hình 1.2 b)

Hình 1.2 Hình dạng liên kết kim loại giữa hai lớp hàn nổ

Các hiện tượng vật lý xảy ra khi hàn nổ, cấu trúc và tính chất liên kết kim loại phụ thuộc rất lớn vào các thông số công nghệ chính [5] và được phân loại theo:

1) Nhóm động học (tốc độ điểm tiếp xúc giữa hai tấm kim loại vK, góc

va đập γ, tốc độ quét tấm trên khi hàn vO;

2) Nhóm vật lý (áp suất, thời gian va đập, nhiệt độ tại điểm va đập) Các thông số chính được xác định bởi các điều kiện công nghệ ban

đầu của quá trình nổ như:

- Tốc độ nổ D, xác định bởi tính chất của chất nổ sử dụng;

- Thông số không thứ nguyên: r là tỷ lệ giữa khối lượng chất nổ sử dụng và khối lượng tấm kim loại hàn, nếu diện tích bề mặt chất nổ và tấm

kim loại hàn bằng nhau thì: r = mTN/m1 = δOρO/δ1ρ1 (ở đây: δO, ρO - chiều dày và mật độ của chất nổ; δ1, ρ1 - chiều dày và mật độ của tấm kim loại);

- Thông số không thứ nguyên: tỷ lệ giữa khe hở hàn hO (khoảng cách ban đầu giữa hai tấm kim loại hàn 3 và tấm kim loại cố định 4) so với chiều dày tấm kim loại hàn δO;

- Chất lượng bề mặt các tấm kim loại hàn 3 và 4 xác định thông qua

độ nhám bề mặt Rz;

- Nhiệt độ của các tấm kim loại hàn 3 và 4;

- Tính chất cơ lý của các tấm kim loại hàn 3 và 4 như: độ bền, độ cứng, độ dẻo

1.2 các thông số động học quá trình hàn nổ

Tốc độ dịch chuyển của điểm tiếp xúc vK là thông số động học đầu tiên xác định tốc độ lan truyền vùng có áp suất cao theo bề mặt được hàn của hai tấm kim loại

Trong trường hợp nổ song song (hai tấm kim loại được đặt song song với nhau), tốc độ lan truyền của điểm tiếp xúc vK sẽ bằng tốc độ nổ D:

Để toàn bộ hai tấm kim loại được liên kết khi hàn nổ cần thoả m3n

điều kiện sau: vK < CO (1.2) trong đó: CO – tốc độ truyền âm trong vật liệu kim loại hàn

Trong trường hợp nổ nghiêng như Hình 1.1 thì tốc độ dịch chuyển của điểm tiếp xúc phụ thuộc vào góc nghiêng ban đầu α và có thể xác định

từ sơ đồ bay của tấm kim loại hàn tại thời điểm va đập Hình 1.1 b

Khi xác định tốc độ di chuyển của điểm tiếp xúc vK cần phải chú ý rằng trên thực tế thì tấm kim loại hàn trở thành một tấm không phẳng trong quá trình bay và va đập vào tấm kim loại dưới, còn đường tiếp xúc trở thành một đường cong lồi Nếu xem xét trong không gian 2 chiều của sự va

đập hai tấm kim loại khi hàn nổ, có thể đưa ra khái niệm về một điểm tiếp

xúc dịch chuyển với tốc độ vK = CF (Hình 1.3) dọc theo bề mặt tấm kim loại Tốc độ đó được xác định theo biểu thức:

vK = D sin (γ ư α) sin γ (1.3) Với tốc độ nổ D vào điểm B (tỷ lệ trên được chọn sao cho OB = D)

Do vậy, tại điểm O xảy ra sự uốn cong tấm kim loại, góc va đập γ sẽ lớn hơn góc nghiêng ban đầu α Nếu coi hệ toạ độ di chuyển theo sóng nổ thì

sự tiếp cận của tấm kim loại tại điểm O sẽ xảy ra với tốc độ nổ D

Vì các sản phẩm khi nổ gây ra lực tác động luôn vuông góc với bề mặt tấm kim loại nên có thể coi như tại điểm O chỉ thay đổi hướng của tốc độ chuyển động, còn giá trị của nó vẫn không thay đổi [5]

Hình 1 3 Sơ đồ hình học tấm kim loại hàn khi bay tại một thời điểm khi hàn nổ

Các lập luận trên đây chỉ đúng khi bỏ qua các lực tác dụng dọc tấm kim loại Để đạt được điều đó chỉ cần đảm bảo điều kiện tạo cho áp lực của chất khí nổ lớn hơn nhiều so với độ bền động của tấm kim loại

Tốc độ chuyển động của tấm kim loại trong hệ toạ độ cố định được biểu thị bởi đoạn thẳng OB = D trước khi bị uốn tại điểm O và đoạn thẳng

BF song song OC sau điểm uốn (Hình 1.3, OB = D) Tốc độ chuyển động

vO của các tấm kim loại trong hệ toạ độ cố định bằng tổng hình học của tốc

độ tấm kim loại trong hệ toạ độ di chuyển BF và tốc độ của bản thân hệ

OB Trong trường hợp này tốc độ vO được xác định bởi vectơ OF = BF + OB, hướng theo đường phân giác góc COB = 1800ư β Từ đó ta có:

D = vO cos (γ ư α) / sin (γ ư α); (1.4)

γ = α + β = α + 2 arc sin [vO / (2D)] (1.5) Khi α = 0 và γ = β, tức là trong trường hợp các tấm kim loại hàn được đặt song song với nhau thì góc va đập:

γ = 2 arc sin [vO / (2D)] (1.6) Tốc độ hàn tấm kim loại về cơ bản được xác định theo công thức ở công trình [2], nhận được khi giải bài toán khí động đơn trị khi sử dụng mô hình

nổ của Garni đối với trường hợp nổ tức thời và hệ số gi3n nở khí nổ k = 3:

(32 / 27)r 11

1-r27 / 3211,2D

vO

++

+

Đối với các tính toán tốc độ hàn trên thực tế, tác giả công trình [12] đ3

đề xuất sử dụng một số mối quan hệ nhận được khi dùng mô hình của Garni và các định luật bảo toàn động năng và năng lượng:

1-k

3D2

++

= (1.9) Các biểu thức (1.8) và (1.9) khá giống nhau và một trong hai biểu thức trên có thể được sử dụng trong từng trường hợp cụ thể

Trong bảng 1.1, đối với các chế độ hàn nổ thực tế trên các tấm thép

có chiều dày 5 mm trình bày các kết quả tính toán không tính đến khe hở hàn và có so sánh với tốc độ hàn tối đa theo ba biểu thức (1.8), (1.9) Kết quả tính toán cho thấy các giá trị của tốc độ hàn có sự khác biệt tương đối lớn: biểu thức (1.9) cho giá trị cao hơn so với giá trị theo biểu thức (1.8)

Trong công trình [12], đối với hỗn hợp chất nổ 6ЖB và NH4NO3 trên

tỷ lệ 1:1 tác giả đề xuất sử dụng biểu thức sau đây để xác định góc va đập khi hàn nổ:

β = 0,99r (r + 2,71 + 0,184 / h) (1.10) Thay biểu thức (1.10) vào (1.6) sẽ nhận được sự phụ thuộc của tốc độ hàn vào tốc độ nổ D, thông số không thứ nguyên r và khe hở h trong trường hợp các tấm kim loại hàn được đặt song song với nhau:

h / 0,1842,71

r

r49,0sin

2D

vO

++

Bảng 1.1 Kết quả tính toán tốc độ hàn theo công trình [12]

Các thông số ban đầu Tốc độ hàn, m/s, tính theo công thức

hàn tính theo biểu thức (1.11) luôn luôn cao hơn các giá trị nhận được khi tính theo biểu thức (1.7) Cần nhấn mạnh rằng, khi khe hở hàn bằng 1 đến

2 lần chiều dày tấm kim loại hàn (tấm trên) thì các giá trị tốc độ hàn tính theo biểu thức (1.7) và (1.11) chỉ khác nhau trong giới hạn sai số đo đạc tốc

• Phương pháp quang học vị trí các đoạn của tấm kim loại được hàn

được ghi trên phim ảnh nhờ hệ thống thấu kính tại các thời điểm khác nhau, tần số của chúng được xác định bởi các thông số tốc độ của thiết bị

Tác giả công trình [5], [12] đ3 chỉ ra rằng đối với mỗi một loại cặp kim loại có một giá trị áp suất xác định đảm bảo tạo ra được liên kết kim loại giữa chúng Khi tăng chiều dày tấm kim loại được hàn thì thông số r giảm

Tác giả công trình [12] đ3 đề xuất biện pháp tính toán lượng tiêu hao chất nổ bằng cách đưa vào một lớp thuốc tương đương, không tham gia vào phản ứng hoá học khi nổ đồng thời không làm ảnh hưởng tới hiệu quả của lớp thuốc nổ Phần còn lại của chất nổ thì hoàn toàn phân huỷ khi nổ

Đối với các chất nổ dạng hình ống kéo dài thì chiều dày tương đương

đó được tính bằng một nửa đường kính tới hạn, điều đó được giải thích bởi tốc độ của sự xuyên thấu của sóng sườn dỡ bỏ tải

Bằng thực nghiệm kiểm tra sự truyền dẫn quá trình cháy nổ đ3 chỉ ra rằng: ở trường hợp kích nổ chất nổ tập trung, chiều dày lớp thuốc nổ tương

đương có thể được lựa chọn xấp xỉ đường kính tới hạn của nó Khi kích nổ thuốc nổ từ hỗn hợp amônít (AT-1, AT-2, AT-3) và NH4NO3 có thể thấy còn sót lại một lượng thuốc nổ không tham gia phản ứng hoá học Đường kính cho phép (tới hạn) của thuốc nổ dạng ống được xác định như sau:

r 2

/ d-

M M

0 kp M

M

0 kp

ρ

ρ ρ

ρ δ

∂

=

∂

ở đây: dkp - đường kính tới hạn của chất nổ

Khi hàn titan với titan bằng hỗn hợp thuốc nổ amônit + NH4NO3 (Bảng 1.2) thì giá trị r∋ nhỏ hơn 2 lần giá trị r

1.3 Các thông số vật lý quá trình hàn nổ

áp suất khi va đập của các vật thể rắn khi hàn nổ phụ thuộc rất đáng

kể vào góc nghiêng giữa chúng ngay cả khi giá trị tốc độ va đập không đổi Việc xác định bằng lý thuyết và thực nghiệm áp suất trong trường hợp này

là bài toán rất khó

Trong công trình [12] trên cơ sở mô hình thuỷ khí động học tác giả

đ3 trình bày một cách rất cơ bản về phương pháp tính toán áp suất tác dụng trong vòng va đập của các tia chất lỏng kim loại không nén được ở khoảng tốc độ nhỏ và đ3 xây dựng được các đường cong đẳng sâu (izobat) trong hệ toạ độ X-Y:

π

e /

1 1

2 0 2

K

δ

δδ

+

σ

(1.13)

2 1

tgarc-

tgarc

π

δ σ

δ δ

δ σ

C / v-1 v

PC

1

2 1

2 1 2

0 K K

δ

δρ

+

trong đó: δ1, δ2 – chiều dày tấm kim loại hàn và tấm đế;

CO – tốc độ truyền âm trong kim loại hàn;

K1, K2 – các số nguyên, được chọn sao cho hệ toạ độ Izobat thì

y là đường liên tục; p – áp suất tại điểm đang xét;

Việc thực nghiệm đo đạc áp suất bằng các bộ phận nhận tín hiệu bằng amiăng được bọc trong tấm kim loại cố định đ3 làm rõ được sự phù hợp cho phép của các kết quả thực nghiệm so với tính toán đối với chiều sâu 5

mm [5;12] Để đánh giá mức trên của áp suất tốt hơn hết là sử dụng trường hợp va đập bình thường, khi đó tại thời điểm va đập các tấm kim loại tiếp xúc theo toàn bộ diện tích của chúng cùng một lúc và từ bề mặt tiếp xúc lan truyền các sóng va đập phẳng

Trong công trình [12] tác giả đề xuất công thức tính áp suất pK ở vùng

va đập theo công thức sau:

pK = [ 1- / (1- / ) / ]

v

2 2 1 1 2

2

2 0 2

ρ ρ ρ ρ ρ

ρ

ρ

′

′+

trong đó: vO – tốc độ va đập;

ρ1, ρ2 – tỉ trọng ban đầu của hai tấm kim loại hàn ở áp suất pK

Theo công thức (1.16) có thể tính áp suất ở vùng va đập nếu như cho trước tốc độ va đập vO và phương trình trạng thái của các tấm kim loại hàn Các đường cong thực nghiệm đ3 được chứng minh bởi rất nhiều phương pháp thí nghiệm đ3 biết đối với đa số kim loại ở trong khoảng áp suất đến

400 MPa Phương trình trạng thái kim loại có thể viết như sau:

Đối với tấm trên: p = A1 [(ρ / ρ1)n1 ư 1] (1.17)

Đối với tấm kim loại cố định: p = A2 [(ρ / ρ2)n2 ư 1] (1.18)

ở đây có sự g3y khúc tại một điểm p’ nào đó tương ứng với sự chuyển tiếp của môi trường vật liệu từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo (trong các công thức này: A1, A2 – các hằng số đơn vị áp suất; n1, n2 – các hằng số không có thứ nguyên)

Khi hàn nổ, điều quan trọng không chỉ là giá trị áp suất mà còn là giá trị thời gian áp suất của các chất khí nổ tác dụng lên tấm kim loại hàn Điều

đó làm giảm nguy cơ phá huỷ mối liên kết hàn được tạo ra bởi sự kéo do sự tác dụng của sóng phản xạ

Trong công trình [12] trên cơ sở giải đồng thời các phương trình trạng thái các chất khí nổ ở phía sau phân cách sóng va đập đối với các giá trị cho trước h, D, vO tác giả đ3 chỉ ra rằng áp suất trong các chất khí nổ đủ lớn

để có thể làm giảm đến mức tối thiểu tác động của ứng suất kéo đàn hồi ở trường hợp khoảng cách giữa hai tấm kim loại hàn tương đối nhỏ, trong khoảng 0,1 δO ữ 0,2 δO (δOư chiều dày lớp thuốc nổ)

Trong vùng liên kết kim loại khi hàn nổ quan sát thấy các tạp chất kim loại đúc, số lượng và kích thước của chúng được xác định bởi các chế độ hàn Sự có mặt của các đoạn liên kết như vậy nói lên rằng trong quá trình hàn nổ kim loại trong vùng liên kết được nung nóng đến nhiệt độ rất cao Phương pháp đo nhiệt độ trong quá trình hàn nổ đ3 được mô tả trong công trình [12] và tác giả đ3 nhận được mối quan hệ thực nghiệm giữa sự thay đổi nhiệt độ ở vùng liên kết hai lớp kim loại hàn

Bảng 1.2 ảnh hưởng của phương pháp kích nổ không hoàn toàn đến

tốc độ hàn và góc va đập Vật liệu

Do sự ảnh hưởng rất mạnh của sóng va đập mà người ta không đo

được nhiệt độ trên đường biên liên kết kim loại Trên cơ sở phân tích đường

cong thực nghiệm ở công trình [5; 12] theo phương trình truyền nhiệt và đ3

đưa ra mối tương quan giữa phân bố nhiệt độ phụ thuộc vào thời gian T( t ):

ta

y-expta2C

Q

2 2

π

trong đó: T1 – nhiệt độ tương đối của mối hàn nhận được sau hàn nổ;

Q – nhiệt lượng tức thời phát sinh ra trong vùng va đập; y – khoảng cách

đến mối hàn; C – nhiệt dung của vật liệu kim loại; a – hệ số dẫn nhiệt

Trong công trình [12] tác giả đ3 sử dụng những kết quả nhận được khi

xác định nhiệt năng của các mẫu sau khi hàn nổ và có thể đánh giá nhiệt

lượng chung được đưa vào vật liệu hàn, nhưng không thể tính được các vi

phân các tiêu hao nhiệt lượng đó thành các hiệu quả xảy ra khi hàn nổ

1.4 các định luật cơ bản của sự kích nổ thuốc nổ

Nguồn cung cấp năng lượng khi hàn nổ là các loại thuốc nổ, khi đó năng lượng của các phản ứng hoá học của thuốc nổ chuyển sang năng lượng cơ học của quá trình hàn tiêu tốn cho việc nung nóng môi trường xung quanh và tạo ra trong đó các sóng va đập

Thuốc nổ là các hợp chất hoá học tương đối không bền vững mà được

sự tác động của các yếu tố bên ngoài như áp suất, nhiệt độ sẽ có khả năng

tự xảy ra các phản ứng nhiệt cực nhanh làm biến thể chúng thành dạng khí nóng đậm đặc liên tục

Sự kích hoạt phản ứng hoá học trong chất nổ được thực hiện bằng sóng va đập, còn cường độ và tính ổn định của toàn bộ quá trình kích nổ

được hỗ trợ bởi năng lượng phản ứng hoá học phía sau làn sóng va đập Chế độ nổ bền vững chỉ có thể đạt được nếu đảm bảo các điều kiện Chempen-Dzug, khi đó sau vùng phản ứng hoá học tạo thành một trạng thái của chất khí nổ có tốc độ bằng tốc độ âm thanh

Các thông số của sóng nổ đối với các điều kiện Chempen-Dzug có thể

được tính toán từ các phương trình cơ bản của khí động học sau đây:

p = ρ D2 / (k + 1) (1.20)

u = D / (k + 1) (1.21)

ρ = ρO (k + 1) / k (1.22) trong đó: p - áp suất; D - tốc độ nổ; u - tốc độ khối lượng; ρ0 - mật độ chất nổ; ρ - mật độ khí; k - chỉ số đường đoạn nhiệt của khí nổ

Sự phân huỷ thuốc nổ xảy ra không tức thời, mà ở trong một vùng phản ứng mà thời gian của nó phụ thuộc vào các tính chất của thuốc nổ Đối với các loại chất nổ hỗn hợp amônít + NH4NO3 tốc độ nổ thấp thường được dùng để hàn nổ thì vùng phản ứng đạt 12 - 20 mm [12] Các thông số của

áp suất nổ được tính theo biểu thức:

p = ρ.Ak (1.23)

trong đó: A - hệ số tỷ lệ, đối với thuốc nổ có tốc độ nổ tương đối nhỏ thường dùng trong hàn nổ thì k < 3

Thông số của thuốc nổ xác định tính chất của nó và được sử dụng để tính toán chế độ hàn nổ chính là tốc độ nổ và nó phụ thuộc vào nhiệt lượng của sự chuyển biến nổ Q:

D = 2(k2 ư1).Q (1.24)

Các đặc tính vật lý của thuốc nổ gây ảnh hưởng đến tốc độ nổ như: chiều dày của chất nổ, mật độ, trạng thái kết tụ, kích thước hạt, độ ẩm, vỏ bọc Cùng với sự tăng lên của chiều dày thuốc nổ, tốc độ nổ cũng tăng lên

và đạt giá trị tới hạn của nó ở một giá trị tối đa d nào đó Giá trị d rất khác nhau đối với từng loại chất nổ cụ thể

Sự lan truyền nổ ổn định chỉ có thể đối với các loại chất nổ có chiều dày tới hạn d ≥ dK Trong các loại thuốc nổ với d < dK sự lan truyền quá trình

nổ ổn định không thể đạt được ngay cả bất kỳ sự kích nổ mạnh đến mức nào Khi d = dK thì tốc độ nổ đạt được giá trị cực tiểu Do vậy, chiều dày lớp thuốc nổ dùng khi hàn nổ cần phải lớn hơn đáng kể so với giá trị tới hạn của nó để cho quá trình nổ được ổn định (kể cả khi bị kích nổ và trong cả quá trình nổ) với tốc độ nổ không đổi

Thông số quan trọng khác ảnh hưởng tới tốc độ nổ của thuốc nổ là tỷ trọng của nó Trong các loại thuốc nổ đồng nhất khi d > dK thì tốc độ nổ tăng tuyến tính theo sự tăng mật độ của chúng, nhưng các loại thuốc nổ không đồng nhất thường được sử dụng trong công nghệ hàn nổ không phải lúc nào cũng tuân theo quy luật tuyến tính đó

Tốc độ nổ cần phải nhỏ hơn tốc độ truyền âm CO trong các tấm kim loại hàn và nằm trong khoảng từ 1.500 m/s đến CO Trong các loại thuốc nổ phẳng có diện tích bề mặt lớn và chiều dày nhỏ (Bảng 1.3) cần phải đảm bảo được sự ổn định nổ cần thiết

2.022 7.080

2.000ữ3.600 2.000ữ2.700

Sự kích nổ thuốc nổ được thực hiện bằng 3 cách sau:

1 Dùng kíp nổ (kíp nổ dùng dây cháy chậm hoặc kíp nổ điện);

2 Kích nổ thông qua dây nổ hoặc hệ thống dây nổ;

3 Kích nổ thông qua đầu nổ hoặc đầu nổ kết hợp dây nổ

Bộ phận kích nổ được chế tạo trên cơ sở các loại thuốc nổ rất nhạy cảm đối với các tác động cơ và nhiệt như hợp chất Hg(ONC)3 hoặc PbN2 với chiều dày tới hạn dK = 0,01 ữ 0,02 mm Nhược điểm của các hợp chất này là khi nổ chúng toả ra các chất độc hại của thuỷ ngân và chì Điều này cần chú ý khi làm việc trong các buồng nổ Những năm gần đây người ta đ3 chế tạo được các kíp nổ ở điện áp cao rất dễ sử dụng mà không chứa các chất kích nổ Để kích nổ các kíp nổ đó cần điện áp khoảng 10.000 V Điện áp này được tạo ra bằng máy phát điện kích nổ dạng BM- 4 (Liên Xô)

Dây nổ có chứa khoảng (12 ữ 13).10ư3 kg/m thuốc nổ có tốc độ

nổ đạt 6.500 ữ 7.000 m/s Khi nối các dây nổ với nhau hoặc bó thành

bó cần lưu ý rằng mỗi một mối nối trong đó sẽ làm chậm sự truyền nổ khoảng một micrô giây (1 às) Điều này rất quan trọng đối với các hệ thống hàn nổ phức tạp khi đòi hỏi phải có sự kích nổ đồng thời quá trình hàn nổ ngay tại một thời điểm phát nổ trên nhiều điểm kích nổ Khi làm các đầu nổ để kích nổ người ta thường sử dụng amonit hoặc trotil

1.5 Sự hình thành mối liên kết kim loại khi hàn nổ

Tổng quan đầy đủ nhất về cách nhìn lý thuyết của sự tạo ra biên giới liên kết dạng sóng giữa các lớp kim loại hàn đ3 được A A Deribas trình bày trong công trình [12] Chúng tôi muốn nhấn mạnh đến kết quả nghiên cứu cơ chế đặc biệt của sự tự làm sạch bề mặt tiếp xúc các tấm kim loại trong quá trình hàn nổ theo [5]

Theo cơ sở lý thuyết của phương pháp hàn áp lực, các màng ôxit do không bị tách khỏi tấm kim loại hàn khi làm sạch sơ bộ các bề mặt tiếp xúc giữa chúng hoặc do chúng xuất hiện ngay cả trong quá trình hàn nổ, đều

có thể làm cản trở sự hình thành liên kết kim loại Khi tiến hành hàn nổ

ở điều kiện va đập theo sơ đồ hàn nghiêng thì sự tự làm sạch bề mặt tiếp xúc các tấm kim loại hàn xảy ra đầu tiên là do kết quả của việc tạo

ra tia kim loại cục bộ tại điểm va đập

Thí nghiệm hàn cục bộ một phần mẫu thép 22K với lớp hợp kim niken (78%Ni + 15,3%Cr + 1,86%Mn + 1,88Nb) ở chế độ hàn “cứng” với tốc độ nổ D = 3600 m/s, tỷ lệ khối lượng r = 1,3 người ta đ3 tách rời

được các dấu vết của tia kim loại cục bộ ở dạng màng mỏng trên phần chưa được hàn còn lại của tấm kim loại cố định [5] Thành phần của tia kim loại cục bộ gồm 48%Ni + 8,5%Cr + 43%Fe hoàn toàn không thay

đổi theo toàn bộ mặt cắt ngang của mẫu hàn nổ

Để chuẩn hoá bằng thực nghiệm cơ chế làm sạch bề mặt ngay trong quá trình hàn nổ, người ta đ3 đo được mức tiêu hao khối lượng mẫu sau hàn

có đánh giá số lượng các tạp chất đúc ở dạng hợp chất [12] bằng phương pháp cân, mức độ liên tục của nó và nghiên cứu cấu trúc của liên kết kim loại với các tạp chất kim loại đúc ∆2 có chiều dày trung bình được đánh giá như tỷ lệ diện tích tạp chất đo được trên mẫu tế vi phóng đại lên 100 lần với chiều dài của liên kết đang khảo sát (kết quả cho trong Bảng 1.4)

Trong loạt thí nghiệm thứ nhất mẫu được hàn ở chế độ: D = 2.300 m/s; r = 1,3; hO = 8 mm Sự kích nổ thuốc nổ được thực hiện từ trung tâm hoặc từ biên phía ngoài của mặt phẳng nổ Trong trường hợp sau khi tính chu vi P người ta đ3 chú ý đến hai mặt bên và một mặt đầu của mẫu Kết quả xử lý các số liệu thống kế thực nghiệm cho thấy mức tiêu hao khối lượng ∆G tỷ lệ thuận với diện tích mẫu hàn (Bảng 1.4) Khi kích nổ từ trung tâm mẫu thì ∆G có giá trị khoảng 25 ữ 30 % nhỏ hơn so với phương

án kích nổ từ phía ngoài Điều đó có liên quan đến sự có mặt của vùng không hàn ở giữa mẫu thí nghiệm

Người ta đ3 nghiên cứu được sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính D, r, h đến mức tiêu hao khối lượng trong các mẫu có kích thước 200 x 300 mm Tốc độ nổ được thay đổi trong phạm vi 188 ữ 4.000 m/s, r = 0,5 ữ 30 và h = 2 ữ 20 mm Điều đó cho phép nghiên cứu toàn bộ khoảng thay đổi của các thông số thường được sử dụng trên thực tế để hàn nổ thép và đ3 xác định được rằng nếu không có sự tiêu hao khối lượng (∆G = 0), thì không xảy ra sự hàn các tấm kim loại với nhau được

Bảng 1.4 Tiêu hao khối lượng khi hàn nổ mẫu khác nhau

2,5 3,3 1,25

ư

1,0 1,3 0,45

trên một đơn vị diện tích mẫu

Từ thực nghiệm đ3 xác định được 3 vùng đặc trưng sau:

Vùng A: tại đó chiều dày tổng cộng của lớp kim loại bị bóc khỏi bề mặt hàn ∆2 + ∆1 chỉ thay đổi trong phạm vi từ 0 ữ 5 àm Tại đó hiệu suất của việc hình thành tia kim loại cục bộ là rất yếu, vì về nguyên tắc thì chiều

dày của nó phải lớn hơn rất nhiều Như vậy, giả thiết cho rằng sự làm sạch

bề mặt tiếp xúc đ3 xảy ra nhờ sự trợ giúp của lớp màng các hạt siêu mịn Vùng B: đặc trưng bởi quy luật tăng của cả ∆1 và ∆2, và ∆2 + ∆1 ≈ 20 ữ

25 àm ở đây, ngoài sự tạo thành lớp màng gồm các hạt siêu mịn, đ3 có hiệu quả của việc hình thành tia kim loại cục bộ

Vùng C: có quan sát thấy sự gia tăng đột ngột của ∆2 trong khi ∆1tăng theo quy luật tuyến tính

Trong chế độ hàn nổ với D = 2.300 m/s; r = 1,3; h = 8 mm và D = 2.300 m/s; r = 2; h = 8 mm thì chiều dày tổng cộng của lớp kim loại bị bóc

ra khỏi bề mặt tiếp xúc đ3 đạt giá trị tương ứng gần bằng 100 àm và 60

àm, tức là gần với giá trị lý thuyết ∆k, điều đó chỉ rõ sự tác dụng của tia kim loại cục bộ Phần lớn kim loại bị bóc ra khỏi bề mặt tiếp xúc khi hàn

nổ, khi có tia kim loại cục bộ, đều nằm lại trong vùng liên kết hai lớp kim loại dưới dạng các tạp chất đúc do có sự hình thành các sóng liên kết.ý nghĩa thực tiễn của giá trị ∆2 là yếu tố xác định cấu trúc mối liên kết 2 lớp kim loại Khi ∆2 tăng, không thể xảy ra mối liên kết lỗ xốp và các loại khuyết tật đúc khác Khi ∆2 đặc biệt tăng mạnh khi tốc độ nổ D tăng (nếu tốc độ nổ tăng từ 200 m/s lên 4.000 m/s thì ∆2 tăng lên 25 lần)

Như vậy, trong các điều kiện của các chế độ hàn nổ thường dùng đối với thép (D ≤ 3.000 m/s) sự hình thành tia kim loại cục bộ ổn định không xảy ra Sự xuất hiện của nó xảy ra khi chuyển sang chế độ hàn nổ ở tốc độ

nổ cao hơn Điều đó gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng mối hàn do ở chế

độ đó có sự tăng rõ rệt các tạp chất đúc làm cho cấu trúc kim loại mối hàn trở nên xấu hơn Trong khi đó, nếu không có các tạp chất và tiêu hao kim loại (∆1= 0) thì chế độ hàn nổ khi đó là kết quả của sự tự làm sạch không tốt các bề mặt tiếp xúc và vì thế chất lượng mối hàn xấu đi

Kết luận cho rằng: từ các bề mặt tiếp xúc ở các chế độ hàn nổ thông thường lớp kim loại bị bóc đi có chiều dày khoảng 7 ữ 8 àm, thấp hơn đáng

kể so với chiều cao nhấp nhô trên bề mặt kim loại sau gia công cơ Nói cách khác, chiều dày tia kim loại cục bộ có thể so sánh được với chiều cao các nhấp nhô trên các bề mặt hàn và từ đó chúng gây ảnh hưởng quyết định

đến sự hình thành liên kết hai lớp kim loại hàn nổ

ở các trường hợp góc va đập nhỏ thì chiều dày tia kim loại cục bộ tạo

ra tương đồng với chiều cao nhấp nhô bề mặt của các tấm kim loại được sử dụng để thí nghiệm, vì vậy không nên chờ đợi sự chuyển động bền vững của tia kim loại cục bộ trên các khoảng cách tương đối lớn

Các tính toán cơ bản về khối lượng tia kim loại cục bộ của một số tác giả [12] và theo công thức mc = 0,5mO.[ 1 ư cos (γ/2)] cho thấy rằng: chiều dày tia kim loại thuận theo hướng nổ tương ứng với biên độ sóng liên kết

và có cùng một cấp số với chiều dài vùng biến dạng dẻo trong mối hàn

được khảo sát Từ đó suy ra chiều dày tia kim loại cục bộ thuận với hướng

nổ chỉ chiếm một phần của tấm kim loại hàn thuộc vùng nằm trong trạng thái dẻo và nó có thể được coi như là chất lỏng lý tưởng của mô hình thuỷ

động học gần đúng Trong các điều kiện xảy ra trên thực tế, sự chuyển tiếp

từ trạng thái đàn nhớt đến trạng thái đàn hồi có lẽ được thực hiện một cách

kế tiếp nhau

So sánh năng lượng tia kim loại cục bộ đồng hướng và ngược hướng

nổ cho thấy rằng: kể cả khi khối lượng kim loại mc khá nhỏ, năng lượng tia kim loại cục bộ ngược hướng trong trường hợp hàn nổ theo sơ đồ nổ nghiêng tương tự như năng lượng tia kim loại cục bộ đồng hướng nổ và cũng giống như trong trường hợp tia đó hoàn toàn hướng theo một chiều

Từ đó suy ra sự rối loạn tốc độ tia kim loại cục bộ ngược hướng nổ do ảnh hưởng của các nhấp nhô bề mặt trên tấm kim loại hàn có thể làm thay đổi

đột biến sự cân bằng năng lượng trong tia kim loại cục bộ đồng hướng nổ

và tạo ra građien Các tốc độ gây cộng hưởng và dao động được ghi nhận ở dạng sóng liên kết ảnh hưởng của rối loạn tia kim loại cục bộ ngược hướng nổ có thể bị hạn chế bởi bán kính đường đẳng nhiệt của áp suất cao,

và bán kính đó bằng một nửa chiều dài bước sóng áp suất ở vùng này đ3

được các tác giả công trình [5; 12] xác định ở mức lớn hơn 1.000 MPa, tức

là trở kháng biến dạng kim loại khi trượt có thể bỏ qua

Từ việc phân tích trên về sự hình thành sóng liên kết trong mối hàn

nổ, có thể đưa ra các tiên đề sau:

1) Hàn bằng năng lượng nổ về bản chất là một quá trình xảy ra không hình thành biên dạng sóng liên kết trong mối hàn

2) Chỉ khi hàn nổ toàn bộ bề mặt kim loại trên thực tế mới có thể xuất hiện biên dạng sóng liên kết giữa hai lớp kim loại hàn Sự có mặt của các nhấp nhô bề mặt trên tấm kim loại hàn sinh ra dao động của tia kim loại cục bộ ngược hướng hàn nổ, tiếp đó nó kích hoạt quá trình dao động trong các dòng chảy chính tại điểm tiếp xúc và điều đó dẫn đến sự hình thành biên dạng sóng liên kết trong mối hàn nổ nhận được

1.6 nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hàn nổ đến chất lượng mối hàn

1.6.1 Biên giới tới hạn của vùng hàn nổ:

Trong công trình [5; 12] các tác giả đ3 phân tích các kết quả thực nghiệm về việc xác định biên giới tới hạn của các vùng hàn nổ trong mặt phẳng hệ toạ độ γ - vK đối với nhiều cặp kim loại khác nhau Tác giả đ3 chỉ

ra vùng hàn rộng nhất là đối với cặp kim loại đồng + đồng, khi đó độ bền bám dính hai lớp nhận được khá tốt ở chế độ hàn nổ với khoảng thay đổi các thông số γ, vK khá rộng Vùng hàn hẹp nhất được đặc trưng cho cặp kim loại thép + nhôm Để nhận được độ bền bám dính tốt đối với cặp kim loại này, cần phải chọn các thông số γ và vK thay đổi trong khoảng rất hẹp

Đ3 xác lập được khoảng thay đổi của các thông số công nghệ chính như:

2.000 m/s ≤ vK ≤ 2.300 m/s; 9O ≤ γ ≤ 12O, đảm bảo nhận được mối hàn bền vững đối với bất kỳ cặp kim loại nghiên cứu khảo sát nào

Việc phân tích các kết quả thực nghiệm và tìm một chế độ hàn nổ tổng hợp khi không tính đến mức chất lượng chuẩn bị sơ bộ các bề mặt hàn

là cần thiết Trong một số trường hợp cá biệt, tác giả [12] đ3 chỉ ra rằng: độ bền bám dính tốt nhất của bimetal thép + thép đạt được khi chuẩn bị hàn nổ theo sơ đồ nổ nghiêng với γ = 3O Góc hàn tối thiểu đối với cặp thép + thép

là khoảng gần 6O (tác giả đ3 hạn chế đặc tính bề mặt đặc trưng ở mức đánh bóng)

Bằng thực nghiệm hàn nổ các tấm kim loại có độ nhám bề mặt Rz= 4,2 ữ 72 àm, đ3 xác định được: trong hệ toạ độ γ ư vK có thể xây dựng một

họ các đường cong giới hạn dưới của vùng hàn nổ đối với độ nhám tương ứng trên bề mặt tấm kim loại hàn Khi đó, nếu chiều cao nhấp nhô bề mặt

Rz càng nhỏ thì đường cong giới hạn dưới vùng hàn nổ nằm càng gần trục

vK Các kết quả tương tự cũng nhận được ở Liên hợp Khoa học ư Sản xuất

“AHИTИM” (Liên Xô) Như vậy, vị trí đường biên giới hạn dưới của vùng hàn trong hệ toạ độ γ ư vK là không xác định và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố và để xác định gần đúng giới hạn dưới của vùng hàn trong thực tế sản xuất có thể dùng biểu thức sau:

γ = 1,14.(HV/ρvK2)0,5 (1.25) trong đó: HV ư độ cứng Vicke; ρ ư mật độ; vK – tốc độ điểm tiếp xúc Khi đó, độ nhám bề mặt hàn cần phải nằm trong giới hạn Rz = 6 ữ 30

àm, còn chiều dày tấm kim loại hàn phải lớn hơn hoặc bằng tấm kim loại

cố định Biểu diễn bằng đồ thị các đường giới hạn dưới của vùng hàn trong trường hợp sử dụng mô hình thuỷ động học va đập trong mặt phẳng toạ độ

γ ư vK có thể đưa ra như Hình 1.4 Đường cong I giới hạn vùng hàn bởi các chế độ cao hàn tốc độ truyền âm trong vật liệu hàn (ở vùng này vK ≥ CO và

γ ≤ γKP); B ư giới hạn trên của vùng hàn mà ở các chế độ cao hơn nó liên kết tạo ra sẽ bị phá huỷ do tác dụng của các quá trình truyền nhiệt trong mối hàn đạt đến cường độ đặc biệt cao

Vùng thực hiện các chế độ hàn đảm bảo tạo ra biên dạng liên kết hình sóng được giới hạn phía bên trái đường thẳng II song song với trục γ

Vị trí của đường thẳng II xác định giá trị tới hạn củac tốc độ di chuyển

điểm tiếp xúc và tương ứng với các chế độ hàn nổ, mà ở đó áp suất tới hạn trong vùng va đập pKP = 0,5.ρ.(v.π/K)2 tương ứng với độ bền trượt lý thuyết của kim loại hàn [3] Nếu tiếp tục giảm tốc độ di chuyển điểm tiếp xúc đến giá trị (v.π/K) như đường III trên Hình 1.4 vùng biến dạng dẻo giảm xuống và biến mất khi p ≥ pKp tức là: 0,5.ρ.(v.π/K)2 ≥ pKP Trong vùng nằm giữa đường thẳng II và III các chế độ hàn không đủ ổn định Sự trùng khớp đạt yêu cầu của công thức thực nghiệm so với kết quả thí nghiệm để xác định giới hạn dưới vùng hàn nổ đ3 được tác giả [12] đưa ra

trong đó: σb– trở kháng biến dạng tức thời của kim loại hàn

Hình 1.4 Các điều kiện biên đảm bảo có liên kết kim loại khi hàn nổ:

A, B – giới hạn dưới và trên

Bằng các thực nghiệm của tác giả công trình [12] đ3 xác định được rằng có sự phụ thuộc của trở kháng biến dạng tức thời (giới hạn bền) vật liệu hàn vào biến dạng trượt tối đa ở đường liên kết mối hàn Mối hàn trở nên bền đều (độ bền bám dính không nhỏ hơn độ bền kim loại hàn) khi

gmax≈ 35 %

Để đảm bảo được biến dạng dẻo kim loại xảy ra cần phải có năng lượng xác định mà giá trị tối thiểu của nó đ3 được đưa ra ở công trình nghiên cứu sự cân bằng năng lượng [5], nó có thể biểu diễn ở dạng:

ω = ω1 + ω2 + ω3 (1.27) trong đó: ω1 – động năng của hệ các tấm kim loại hàn;

ω2 – năng lượng tiêu hao để biến dạng dẻo khi hàn nổ;

ω3 – năng lượng tiêu tán ra khỏi khe hở hàn do tác dụng của tia

kim loại cục bộ ngược hướng hàn

Động năng của hệ tấm kim loại hàn được xác định từ các phương trình bảo toàn số lượng của chuyển động trước khi hàn và sau khi hàn:

ω=(m1 v20) / 2 (1.28)

1

2 1

ω = + (1.29)

Từ lời giải đồng thời các phương trình (27), (28), (29) ta có:

ω2 + ω3 = 0,5 m1m2.v12/ (m1+ m2) (1.30) Tuy nhiên, việc xác định theo thứ tự các số hạng ω1 và ω2 là tương đối khó khăn Một số nhà nghiên cứu khác [12] đ3 cho rằng 90 ữ 95 % năng lượng tiêu hao cho sự biến dạng dẻo kim loại chuyển sang nhiệt năng và đ3 xác định giá trị ω2 bằng thực nghiệm theo phương trình sau:

ω2 = m.vC2 (1ư vK / CO) (1.31) trong đó: m – khối lượng trung bình của hai tấm kim loại hàn

m = 0,5.m1m2 / (m1 + m2) (1.32)

Các giá trị đó đ3 chỉ ra rằng khi hàn nổ cặp kim loại đồng tính chất thì

việc tạo ra mối hàn có độ bền đồng đều được thực hiện ở năng lượng biến

dạng dẻo không đổi ω2, khá đặc trưng đối với từng cặp kim loại cụ thể Khi

hàn các kim loại chi phí năng lượng tới hạn càng nhỏ thì đặc tính biến dạng

công nghệ càng tốt Đặc tính biến dạng công nghệ thường được biểu thị

qua tiêu chí HB/δ (tỷ lệ giữa độ cứng và độ gi3n dài) Để xác định năng

lượng tới hạn biến dạng dẻo nên sử dụng biểu thức gần đúng sau:

ω2 KP = 0,606 + 0,184 ln(HB/δ) (1.33)

Trong trường hợp cá biệt, để hàn nổ thép với thép ω2 K P =

0,8ữ0,9MJ/m2 Khi hàn các kim loại khác nhau ω2 KP gần bằng giá trị

của kim loại mềm hơn trong cặp đôi cần hàn

Trên cơ sở các kết quả đó tác giả [5] đ3 đề xuất giới hạn vùng hàn

được xác định theo hệ toạ độ 3 chiều, mà ở đó ngoài hệ toạ độ trục γ ư vK

còn có thêm trục m (trục khối lượng) Vùng hàn được thể hiện trên Hình 1.5 được giới hạn bởi các bề mặt acd, bfc và abc

Phía trái bề mặt abc khi vK đủ nhỏ thì ứng suất xuất hiện trong vùng

lân cận điểm tiếp xúc sẽ lớn hơn không nhiều so với giới hạn đàn hồi của

các kim loại va đập và biến dạng xảy ra không thể hiện rõ sự tập trung cục

bộ của chảy dẻo Hiện tượng hàn ở trong vùng này sẽ không xảy ra Sự xuất

hiện các sóng va đập ở vùng bên phải của bề mặt fd’lK trên Hình 1.5 làm

cản trở sự hình thành liên kết kim loại, nó không có khả năng xảy ra các

quá trình biến dạng theo cơ chế lệch mạng

Trong vùng dưới bề mặt acd ứng suất xuất hiện lân cận điểm tiếp

xúc có thể cao hơn đáng kể giới hạn bền Lân cận bề mặt đó xảy ra sự

liên kết hai lớp kim loại có sự xuất hiện biên giới dạng sóng và sự tăng

lên của dòng các hạt kim loại mịn ngược hướng nổ.Dọc theo trục khối

lượng vùng hàn ở các giá trị lớn của m được thể hiện không khép kín,

điều đó chỉ đúng đối với trường hợp hàn hai kim loại đồng chất, còn đối