Nghiên cứu kim loại phụ và công nghệ hàn vẩy nhôm với đồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HOÀI NAM NGHIÊN CỨU KIM LOẠI PHỤ VÀ CÔNG NGHỆ HÀN VẨY NHÔM VỚI ĐỒNG NGÀNH: KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HOÀI NAM

NGHIÊN CỨU KIM LOẠI PHỤ VÀ CÔNG NGHỆ

HÀN VẨY NHÔM VỚI ĐỒNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204

Tp Hồ Chí Minh, năm 2014

S K C0 0 4 4 3 8

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HOÀI NAM

HÀN VẨY NHÔM VỚI ĐỒNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HOÀI NAM

NGHIÊN CỨUKIM LOẠI PHỤ VÀ CÔNG NGHỆ

HÀN VẨY NHÔM VỚI ĐỒNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204

Hướng dẫn khoa học: PGS TS HOÀNG TRỌNG BÁ

Tp Hồ Chí Minh, năm 2014

iii

LÝ LỊCH KHOA HỌC

Họ và tên: NGUYỄN HOÀI NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 01-7-1984 Nơi sinh: Thành phố Hồ Chí Minh

Mobile: 0937662628

E_mail: namckm121@yahoo.com.vn

Địa chỉ liên lạc: 24/53/14, đường Hòa Huy Giáp, phường Quyết Thắng, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai

Quá trình đào tạo

2000-2002 Học tại Trường Trung học phổ thông Tân An, thị xã Tân An, tỉnh Long An2003-2009 Học Đại học tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

2011-2014 Học Cao học ngành Kỹ thuật cơ khí tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Quá trình công tác

8/2010 - nay Công tác tại Chi cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng - Sở Khoa học và Công

nghệ tỉnh Đồng Nai

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Hoàng Trọng Bá

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kì công trình nào khác

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 10 năm 2014 Học viên

Nguyễn Hoài Nam

v

LỜI CẢM ƠN

Trong hai năm theo học chương trình đào tạo Thạc sỹ tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM, cuối cùng tôi cũng vượt qua chặng đường sau cùng là hoàn tất luận văn tốt nghiệp

Có được kết quả như vậy, trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo và Bộ môn Vật liệu kim loại - Khoa Cơ khí trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM, Ban Lãnh đạo Sở Khoa học và Công nghệ và Lãnh đạo Chi cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng tỉnh Đồng Nai cùng toàn thể cán bộ công chức Chi cục đã tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành chương trình đào tạo bậc cao học Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn quý báu đến thầy PGS.TS Hoàng Trọng Bá đã tận tình hướng dẫn, động viên tôi trong thời gian thực hiện luận văn này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô phụ trách chương trình đào tạo Thạc sỹ đã truyền đạt những kiến thức quý báu, cung cấp nguồn tài liệu cần thiết một cách đầy đủ và kịp thời

Xin chân thành cảm ơn!

vi

TÓM TẮT

Ngày nay, việc nối ghép hai chi tiết cùng loại vật liệu với nhau được thực hiện khá dễ dàng kể cả kim loại và hợp kim màu Việc nối ghép có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp hàn khác nhau như hàn nóng chảy, hàn áp lực, hàn vẩy, … được

ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chế tạo kết cấu mới Tuy nhiên, trong lĩnh vực sửa

chữa, thay thế đòi hỏi phải liên kết được các vật liệu có tính chất khác nhau với nhau nhưng vẫn đảm bảo cơ tính và một số tính chất khác cần thiết cho mục đích sử dụng Bài luận văn đã trình bày phương pháp nghiên cứu để tìm ra công nghệ hàn và kim loại phụ thích hợp nhất để thực hiện mối ghép thanh nhôm và thanh đồng với nhau để làm thanh dẫn điện Đồng thời, trong bài luận văn tác giả cũng đưa ra các phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn như điện trở truyền qua mối hàn, độ bền kéo và độ ngấu mối hàn Qua đó đánh giá chất lượng mối hàn làm việc trong môi trường dẫn điện

vii

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài i

Xác nhận của Giảng viên hướng dẫn ii

Lý lịch cá nhân iii

Lời cam đoan iv

Lời cảm ơn v

Tóm tắt vi

Mục lục vii

Danh sách kí hiệu, các chữ viết tắt ix

Danh mục các hình ảnh trong luận văn x

Danh mục các bảng trong luận văn xii

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 3

1.3 Tính mới của đề tài 4

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

1.5 Mục đích và đối tượng nghiên cứu 4

1.6 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 5

1.7 Phương pháp nghiên cứu và kế hoạch thực tiễn 5

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Khái quát về đồng và hợp kim đồng 7

2.2 Khái quát về nhôm và hợp kim nhôm 13

2.3 Khả năng hòa tan của nhôm và đồng 18

2.4 Các dạng mối ghép 19

2.5 Khảo sát phương án ghép nối 39

2.6 Lựa chọn phương án 40

2.7 Công nghệ hàn vẩy 41

2.8 Các phương pháp kiểm tra 51

Chương 3: CÁC PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN 61

3.1 Dữ liệu ban đầu 61

3.2 Các thong số kỹ thuật công nghệ hàn vẩy 63

viii

3.3 Các phương án thực hiện 64

3.4 Thí nghiệm kiểm tra mẫu hàn……… 69

3.5 Nhận xét – Đánh giá……….76

Chương 4: KẾT LUẬN - HƯỚNG PHÁT TRIỂN 79

4.1 Kết luận 79

4.2 Hướng phát triển 80

x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH TRONG LUẬN VĂN

Hình 2.1 Giản đồ trạng thái của Al và nguyên tố hợp kim 14

Hình 2.2 Giản đồ trạng thái của nhôm – đồng 18

Hình 2.4 Mối ghép ren lắp có khe hở 20

Hình 2.5 Mối ghép ren lắp không có khe hở 20 Hình 2.6 Kết cấu của mối ghép đinh tán 21

Hình 2.8 Mối ghép độ dôi được lắp bằng phương pháp lắp ép 23 Hình 2.9 Mối ghép độ dôi được lắp bằng phương pháp nung nóng 23 Hình 2.10 Sơ đồ mối ghép hàn (a) và tác dụng của nguồn nhiệt khi hàn hồ

Hình 2.11 Sơ đồ đường hàn và vị trí vũng hàn 26 Hình 2.12 Quá trình gây hồ quang khi hàn 27 Hình 2.13 Mối hàn dưới lớp thuốc 29 Hình 2.14 Sơ đồ máy hàn điện tiếp xúc giáp mối 32

Hình 2.17 Mối ghép hàn vẩy có vát mép 42 Hình 2.18 Cấu taọ ngọn lửa và sự phân bố nhiệt độ theo chiều dài ngọn lửa 43

Giản đồ trạng thái của Al-Cu-Pb 49 Hình 2.26 Giản đồ trạng thái Al-Cu-Zn 50 Hình 2.27 Mẫu thử kéo theo chiều ngang 51 Hình 2.28 Mẫu thử kéo theo chiều dọc 52

xi

Hình 3.3 Tổ chức tế vi của mẫu nhôm 62 Hình 3.4 Kích thước mẫu đồng cần kiểm tra 62 Hình 3.5 Tổ chức tế vi của mẫu đồng 63 Hình 3.6 Vị trí mẫu hàn nhôm – đồng 64 Hình 3.7 Vật hàn nhôm bị biến dạng 66 Hình 3.8 Vật hàn nhôm đã được mạ một lớp đồng mỏng 67 Hình 3.9 Vật hàn nhôm mạ đồng bị biến dạng sau khi tiếp xúc nhiệt 67

Hình 3.11 Hình ảnh các mẫu thử điện trở 71 Hình 3.12 Máy chụp X-ray công nghiệp RF-250OFMG 2 73 Hình 3.13 Hình ảnh mẫu hàn được chụp bằng tia X 73 Hình 3.14 Máy thử bền kéo Instron 3367 74 Hình 3.15 Hình ảnh thử kéo mẫu hàn 75 Hình 3.16 Biểu đồ thể hiện độ bền kéo của mẫu hàn 76

xii

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN

Bảng 2.1 Giới hạn các tạp chất cho phép của các loại đồng tinh thể 8

Bảng 2.2 Các đặc điểm của dây dẫn và cáp dẫn điện không có vỏ bọc 8 Bảng 2.3 Các ký hiệu và thành phần hợp kim đồng 10

Bảng 2.4 Công dụng của một số maac1 Brông thiếc 11

Bảng 2.5 Công dụng của một số mác Brông nhôm 11

Bảng 2.6 Thành phần của một số hợp kim Đura 15 Bảng 2.7 Thành phần hóa học của que hàn nhôm theo tiêu chuẩn AWS

Bảng 2.8 Thành phần hóa học của dây hàn theo tiêu chuẩn AWS A5.10 17 Bảng 2.9 Thành phần một số hợp kim hàn vẩy 38 Bảng 2.10 Thành phần và ký hiệu các loại vẩy hàn 41 Bảng 2.11 Sự điều chỉnh ngọn lửa hàn ở các loại vật liệu khác nhau 44 Bảng 2.12 Dung dịch đánh bong thong dụng 54 Bảng 2.13 Dung dịch tẩm thực thong dụng 55 Bảng 3.1 Kết quả kiểm tra thành phần hóa học của mẫu nhôm 61 Bảng 3.2 Kết quả kiểm tra thành phần hóa học của mẫu đồng 63 Bảng 3.3 Thành phần và tỷ lệ dung dịch xianua để mạ đồng 67

Bảng 3.5 Kết quả kiểm tra điện trở, tính toán nhiệt lượng và tuổi thọ Al,

Bảng 3.6 Kết quả kiểm tra thời gian làm việc của mẫu hàn khi cho dòng

điện có cường độ I = 3000 A chạy qua ở nhiệt độ t2 = 500oC 70 Bảng 3.7 Kết quả kiểm tra cường độ dòng điện qua mẫu hàn khi làm việc

trong 30 phút ở nhiệt độ t2 = 500oC 71 Bảng 3.8 Kết quả kiểm tra độ bền kéo của mẫu hàn A-Cu 74

1

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Khoảng đầu thời đại đồ đồng, đồ sắt, loài người đã biết đến hàn kim loại Từ cuối thế kỷ 19, vật lý, hóa học và các môn khoa học khác phát triển rất mạnh Năm

1082, Pê-tơ-rốp, nhà bác học người Nga, đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện và chỉ

rõ khả năng sử dụng nhiệt năng của nó để làm nóng chảy kim loại Năm 1882, kỹ sư Bê-na-dơt đã dùng hồ quang cực than để hàn kim loại Năm 1888, Sla-vi-a-nôp đã

áp dụng cực điện nóng chảy - cực điện kim loại vào hồ quang điện

Năm 1900 - 1902, trong công nghiệp đã sản xuất được cacbua canxi và sau

đó, 1906, hàn khí ra đời

Hàn tiếp xúc xuất hiện và phát triển chậm hơn Năm 1886, Tôm-sơn tìm ra phương pháp hàn tiếp xúc giáp mối Năm 1887, Bê-na-dớt tìm ra phương pháp hàn điểm, nhưng mãi đến năm 1903, hàn giáp mối mới dùng trong công nghiệp Và đặc biệt, kể từ sau chiến tranh thế giới thứ hai, hàn tiếp xúc mới phát triển mạnh mẽ và xuất hiện nhiều phương pháp hàn mới

Một đóng góp rất quan trọng cho sự phát triển hàn hồ quang là thành quả của

kỹ sư Thụy Điển Ken-be Năm 1907, phương pháp ổn định quá trình phóng hồ quang và bảo vệ vùng hàn khỏi tác dụng của không khí chung quanh bằng cách đắp lên cực kim loại một lớp vỏ thuốc Việc ứng dụng que hàn bọc thuốc bảo đảm chất lượng cao của mối hàn

Thời kỳ phát triển cao của công nghệ hàn đã được mở ra vào những năm cuối ba mươi và đầu bốn mươi của thế kỷ trước, với những công trình nổi tiếng của viện sĩ E O Pa-tôn về hàn dưới thuốc Phương pháp hàn tự động và sau đó hàn bán

tự động dưới lớp thuốc ra đời, nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Đó là thành tựu to lớn của kỹ thuật hàn hiện đại Từ khi ra đời cho đến nay, hàn dưới lớp thuốc vẫn là phương pháp cơ khí hóa cơ bản trong kỹ thuật hàn

2

Từ năm bốn mươi của thế kỷ trước, các phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ cũng được nghiên cứu và đưa vào sản xuất Việc khai thác rộng rãi các khí tự nhiên (hê-li, ac-gông ở Mỹ, khí cacbonic ở Liên Xô …) lúc đó đã làm cho các phương pháp hàn này phát triển mạnh mẽ Hàn trong môi trường khí bảo vệ nâng cao chất lượng mối hàn và được ứng dụng mỗi ngày một nhiều hơn

Một phát minh nổi tiếng nữa của tập thể Viện Hàn điện mang tên B O tôn (Ki-ep Liên Xô) là hàn điện xỉ Quá trình hàn điện xỉ được các nhà bác học Xô Viết phát hiện năm 1949, nghiên cứu và đưa vào sản xuất trong những năm năm mươi Phương pháp hàn điện xỉ ra đời và phát triển là một cuộc cách mạng kỹ thuật trong ngành chế tạo máy móc hạng nặng như lò hơi, tuabin, máy ép cỡ lớn

Pa-Những năm gần đây hàng loạt phương pháp hàn mới ra đời như hàn bằng tia điện tử, hàn ma sát, hàn nổ, hàn siêu âm, hàn plasma v.v… Hiện nay có hơn 120 phương pháp hàn khác nhau

Nói chung, các phương pháp hàn ngày càng được hoàn thiện hơn và được sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong kỹ thuật quốc phòng và đặc biệt là trong ngành du hành vũ trụ Có thể nói hàn là một phương pháp gia công kim loại tiên tiến và hiện đại

Hàn ở Việt Nam cũng đã xuất hiện từ thời thượng cổ, hồi đó cha ông ta đã biết sử dụng hàn để làm ra những dụng cụ cần thiết phục vụ cho đời sống và cải tiến điều kiện lao động

Trước Cách mạng tháng tám và trong thời kỳ kháng chiến, công nghệ hàn được phát triển, nó đã đóng góp vào nền công nghiệp quốc phòng mới mẻ của chúng ta Sau hòa bình, chúng ta đã sử dụng hàn rất nhiều trong cuộc cách mạng kỹ thuật và xây dựng nền kinh tế xã hội chủ nghĩa Nhiều công trình đồ sộ đã mọc lên

sử dụng nhiều đến hàn như lò cao khu gang thép Thái Nguyên, nhà công nghiệp, tàu

bè, nồi hơi v.v… Tuy vậy, việc nghiên cứu áp dụng các phương pháp hàn tiên tiến còn gặp nhiều khó khăn và chưa đủ điều kiện để phát triển mạnh mẽ

Ngày nay, khi khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đời sống xã hội, … đòi hỏi vật liệu sử dụng cần phải có

3

nhiều tính chất khác nhau Ví dụ: khi cần sử dụng các loại vật liệu có tính dẫn điện rất cao để dùng trong ngành điện lực, lúc lại yêu cầu có độ cứng lớn để làm các cấu kiện xây dựng, hoặc phải có tính dẻo cao để cán, dập, kéo nguội, hay cần độ bền cao nhưng khối lượng riêng nhỏ để dùng trong công nghiệp hàng không, … Và khi muốn liên kết các vật liệu khác nhau với nhau trong nhiều trường hợp cần thiết người ta sử dụng rất nhiều phương pháp như rèn, đúc, hàn…

Đối với công nghệ hàn hiện nay, việc nối ghép hai chi tiết cùng loại vật liệu với nhau được thực hiện khá dễ dàng kể cả kim loại và hợp kim màu Việc nối ghép

có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp hàn khác nhau như hàn nóng chảy, hàn áp lực, hàn vẩy, … được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chế tạo kết cấu mới Tuy

nhiên, trong lĩnh vực sửa chữa, thay thế đòi hỏi phải liên kết được các vật liệu có

tính chất khác nhau với nhau nhưng vẫn đảm bảo cơ tính và một số tính chất khác

cần thiết cho mục đích sử dụng

Trong phạm vi của đề tài sẽ chọn phương pháp hàn vẩy để hàn các vật liệu

có tính chất khác nhau với nhau, cụ thể là vật liệu đồng và vật liệu nhôm Sau đó, tiến hành kiểm tra độ dẫn điện của mối hàn so với vật liệu cơ bản, trong đó sẽ chú trọng đến kim loại cơ bản có độ dẫn điện cao hơn Thành công của đề tài sẽ góp phần vào sự phát triển của nghành khoa học hàn trong nước cũng như việc ứng

dụng công nghệ hàn mới này trong sản xuất công nghiệp

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Qua tìm hiểu hiện nay trên thị trường do vật liệu nhôm có giá bán trên thị trường thấp hơn nhiều so với vật liệu đồng, chi phí sản xuất và gia công vì thế cũng

rẻ hơn Đồng thời, giữa vật liệu đồng và vật liệu nhôm cũng có những tính chất tương đối giống nhau như độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ chống ăn mòn; đồng thời vật liệu nhôm có khối lượng riêng chỉ khoảng 1/3 so với vật liệu đồng nên trong quá trình sản xuất sẽ làm giảm khối lượng kết cấu, chi tiết,…Vì vậy, trong việc sản xuất máy biến thế của một số công ty trước đây sử dụng các thanh đồng có nhu cầu thay thế các thanh đồng bằng thanh nhôm mà ở những chỗ tiếp điểm vẫn sử dụng thanh đồng

4

Như đã đề cập ở mục 1.1, hiện nay, trên thế giới và Việt Nam đều có xu hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn mới vào trong sản xuất Tuy nhiên, tình hình triển khai và ứng dụng công nghệ hàn ở Việt Nam còn rất hạn chế Một trong những nguyên nhân khiến kỹ thuật công nghệ hàn mới chưa được ứng dụng rộng rãi

ở Việt Nam là vì các công ty của Việt Nam chưa làm chủ được công nghệ này, chưa nắm được quy trình vận hành, chưa có đội ngũ các kỹ thuật viên được đào tạo bài bản về công nghệ Và trên hết, hệ thống thiết bị, vật liệu hàn chưa được trang bị đầy

đủ, đáp ứng được yêu cầu của thực tiễn sản xuất

Đón đầu và hòa nhập với xu hướng nghiên cứu trên thế giới, đề tài “Nghiên

cứu kim loại phụ và công nghệ hàn để hàn vẩy nhôm với đồng ” sẽ góp một phần

nhỏ vào sự phát triển của lĩnh vực khoa học hàn trong nước và quan trọng hơn hết là việc ứng dụng kết quả của đề tài trong sản xuất công nghiệp, giúp các công ty thiết

bị điện hiểu rõ hơn về lợi ích của công nghệ hàn vẩy nhôm và đồng, từ đó sẽ có định hướng đúng trong việc thay thế, sửa chữa các thiết bị điện nhằm giảm chi phí

sản xuất, hạ giá thành sản phẩm, góp phần ổn định nền kinh tế hiện nay

1.3 Tính mới của đề tài

- Nghiên cứu kim loại phụ (kim loại hàn) và tìm hiểu công nghệ hàn vẩy để hàn nhôm với đồng, một trong những công nghệ mới hiện nay chưa có học viện, trung tâm nào ở Việt Nam nghiên cứu

- Đề suất thay đổi vật liệu chế tạo thiết bị điện từ đồng sang nhôm nhằm giảm trọng lượng và giá thành mà chất lượng thiết bị và độ dẫn điện tại các tiếp điểm và mối hàn vẫn được đảm bảo

- Đề xuất thay thế các thanh đồng bằng thanh nhôm trong việc sửa chữa các thiết bị điện nhằm tinh giảm chi phí sản xuất

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.4.1 Ý nghĩa khoa học

Đề tài nghiên cứu về công nghệ hàn vẩy (hàn vẩy cứng) nhằm mục đích mở rộng khả năng công nghệ trong lĩnh vực hàn các kim loại và hợp kim có tính chất khác nhau