Xác định chế độ hàn nổ thích hợp để chế tạo vật liệu trimetal thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083

Hàn nổ là một trong các công nghệ tiên tiến, có ưu điểm nổi - 2-trội là không đòi hỏi phải đầu tư thiết bị tạo áp lực cao để hàn dính các lớp kim loại với nhau, phù hợp với điều kiện th

-

1-1 Cơ sở lựa chọn đề tài luận án

Vật liệu tổ hợp 2 lớp kim loại (bimetal), hoặc 3 lớp (trimetal) ở

dạng tấm, ống, thanh hình prophin với lớp bề mặt làm bằng nhôm,

hợp kim nhôm độ bền cao có tính năng chống gỉ, chịu mài mòn, chịu

nhiệt cao, còn lớp kim loại nền thì chịu tải trọng nén (kéo) phù hợp

với điều kiện làm việc của chi tiết và kết cấu Trong ngành công

nghiệp hàng không, đóng mới và sửa chữa tầu thủy hiện nay, vật liệu

trimetal thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083, tương

đương vật liệu thép CT.3 – nhôm AД1 – hợp kim nhôm AMг5 của

Nga, có chiều dày các lớp nhôm + hợp kim nhôm đến (5 + 5) mm,

còn nền thép có chiều dày đến 30  40 mm được sử dụng phổ biến

Vật liệu này có tính năng đặc biệt rất cần thiết cho việc hàn các kết

cấu giữa thép với hợp kim nhôm biến dạng, đảm bảo độ bền mối hàn

cao và hạn chế sự hình thành lớp màng liên kim loại giữa thép – hợp

kim nhôm ở mức thấp nhất, nên được sử dụng rộng rãi ở các nước

công nghiệp G8 Những vật liệu đó tùy theo chiều dày lớp phủ, được

chế tạo bằng công nghệ đúc và cán luyện kim truyền thống, hàn

khuếch tán, hàn đắp hoặc công nghệ hàn hàn nổ

Mặc dù nó có giá thành chế tạo cao hơn so với thép đóng tầu,

nhưng sử dụng vật liệu kết cấu hợp kim nhôm trên tầu thuỷ nhanh

chóng được hoàn vốn nhờ có nhiều ưu điểm hơn thép như: mật độ

thấp nên vật liệu hợp kim nhôm rất nhẹ, không bị nhiễm từ tính, khả

năng chống gỉ cao và độ bền đủ cứng vững Hợp kim nhôm đóng tầu

dùng phổ biến nhất là để chế tạo các bồn chức nước, các hộp cácter,

tầu chở khách cánh ngầm, tầu tốc độ cao cỡ nhỏ Kết cấu tầu thuỷ

bằng hợp kim nhôm hàn với vỏ thép thường là các cụm thiết bị trên

boong tầu, ống khói, hệ thống quạt thông gió, cabin buồng lái, phòng

ngủ thuỷ cho thủ, cấu kiện trang trí nội thất

Ở Việt Nam nhu cầu sử dụng vật liệu trimetal nói trên trong

ngành sửa chữa và đóng mới tầu thủy, trong đó có tầu quân sự ở một

số nhà máy quân đội hàng năm cần một lượng vật liệu rất đáng kể,

hiện nay còn hoàn toàn phải nhập ngoại 1, 3 Một số nghiên cứu

chế tạo vật liệu hợp kim nhiều lớp 3, 5, 711 mới được công bố

gần đây ở Việt Nam gần đây, còn chưa đề cập sâu do những thông tin

kỹ thuật công nghệ truy cập được trên mạng Internet cũng chỉ mang

tính chất chào bán công nghệ, chưa đủ cơ sở khoa học để có thể lựa

chọn vật liệu bimetal hoặc trimetal đúng đắn và có hiệu quả

Hàn nổ là một trong các công nghệ tiên tiến, có ưu điểm nổi

-

2-trội là không đòi hỏi phải đầu tư thiết bị tạo áp lực cao để hàn dính các lớp kim loại với nhau, phù hợp với điều kiện thực tiễn ở nước ta, nên đã được nghiên cứu sinh lựa chọn để chế tạo vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm độ bền cao Vì thế, việc nghiên cứu hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và kết quả thực nghiệm theo hướng ứng dụng công nghệ hàn nổ ở nước ta hiện nay để sản xuất vật liệu trimetal thép - nhôm - hợp kim nhôm độ bền cao, sử dụng cho hàn kết cấu trong công nghiệp đóng tầu thủy là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

2 Mục đích nghiên cứu

Xác định chế độ hàn nổ thích hợp để chế tạo vật liệu trimetal thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083, sử dụng nguyên vật liệu đầu vào sẵn có trên thị trường và vật liệu nổ do Việt Nam tự sản xuất nhằm làm chủ công nghệ, đồng thời xác lập cơ sở khoa học để tiến tới việc nghiên cứu phát triển để tạo phôi vật liệu trimetal có kích thước lớn

3 Đối tượng nghiên cứu

Vật liệu trimetal thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083, sử dụng làm chi tiết trung gian để hàn kết cấu trong các ngành công nghiệp đóng tầu thủy và xây dựng công trình công nghiệp

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Chứng minh tính khả thi về mặt công nghệ bằng cơ sở lý thuyết và kết quả thực nghiệm hàn nổ tạo phôi vật liệu trimetal thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083 ở quy mô mẫu thí nghiệm trong điều kiện Việt Nam, đảm bảo mức chất lượng tương đương sản phẩm nhập ngoại

5 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm:

- Trên cơ sở nghiên cứu tài liệu tham khảo cập nhật được về một số công nghệ hàn nhôm, hợp kim nhôm với thép khác nhau (hàn

ma sát, hàn đắp, cán dính, hàn nổ,…) để xác lập cơ sở khoa học cho việc lựa chọn công nghệ, giới hạn phạm vi nghiên cứu của đề tài luận

án phù hợp với điều kiện trang thiết bị thí nghiệm hiện có trong nước

- Xác định điều kiện thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm kiểu 3 mức N = 33, sử dụng các trang thiết bị đo tốc độ nổ và các chỉ tiêu cơ tính trên mẫu thí nghiệm hiện đại;

- Sử dụng phương pháp tiên tiến để tính toán xây dựng mô hình toán học phỏng đoán độ bền bám dính 2 lớp vật liệu thép với nhôm

và hợp kim nhôm độ bền cao dùng trong ngành đóng tầu thủy, đồng

-

3-thời với nghiên cứu khảo sát tổ chức tế vi tại biên giới liên kết giữa

các lớp kim loại hàn nổ để có đánh giá tổng hợp về chất lượng vật

liệu trimetal hàn nổ

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận án

Ý nghĩa khoa học:

- Nghiên cứu thành công công nghệ chế tạo vật liệu trimetal

thép – nhôm – hợp kim nhôm bằng phương pháp hàn nổ, xác định

được các thông số công nghệ cơ bản r, h, C ảnh hưởng đến độ bền

bám dính bd giữa các lớp vật liệu nhôm AA1050 – thép CT.3, nhôm

AA1050 – hợp kim nhôm AA5083, giải thích bằng phương pháp kim

tương học (hiển vi quang học, hiển vi điện tử quét SEM) và phương

pháp phân tích thành phần hóa học (EDX);

- Nghiên cứu khảo sát cấu trúc kim loại giữa các lớp thép

CT.3, nhôm AA1050 và hợp kim nhôm AA5083 làm rõ cơ chế và

khả năng hình thành liên kết kim loại giữa các vật liệu có cơ lý tính

khác nhau và định hướng lựa chọn miền biến thiên của thông số công

nghệ hàn nổ chính (r, h, C), hạn chế đến mức tối thiểu các lớp màng

liên kim loại hệ Fe – Al, xác định thành phần lớp màng mỏng và liên

kim loại trong mối hàn;

- Xây dựng được mô hình toán học phản ánh mối quan hệ

của các thông số công nghệ ảnh hưởng tới chất lượng độ bền bám

dính (bd) giữa hai lớp kim loại hàn nổ: thép CT.3 – (nhôm + hợp

kim nhôm) thông qua các thông số công nghệ hàn nổ ban đầu (r, h,

C) và từ đó lựa chọn miền điều chỉnh phù hợp, đảm bảo chất

lượng tổng hợp của vật liệu trimetal sau hàn nổ tốt nhất

Ý nghĩa thực tiễn:

- Lần đầu tiên triển khai ứng dụng công nghệ hàn nổ trong

điều kiện Việt Nam ở quy mô phòng thí nghiệm có kết quả khả

quan, không phụ thuộc vào bí quyết công nghệ của nước ngoài,

trong lĩnh vực chế tạo vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim

nhôm độ bền cao;

- Lập tiền đề cho việc nghiên cứu sử dụng vật liệu trimetal thép

– nhôm – hợp kim nhôm làm chi tiết trung gian trong công nghệ hàn

kết cấu thép với hợp kim nhôm độ bền cao, trong công nghiệp đóng

mới và sửa chữa tầu thủy của Việt Nam;

- Góp phần nâng cao năng lực Khoa học công nghệ nội sinh,

tiếp cận với công nghệ tiên tiến của thế giới để chế tạo các loại vật

liệu nhiều lớp mới (bimetal, trimetal), vật liệu composite có tính năng

đặc biệt phục vụ nhiều ngành kinh tế như: trong công nghiệp chế tạo

-

4-máy, khai thác và chế biến dầu khí, công nghiệp khai thác mỏ và luyện kim, công nghiệp hoá học, xây dựng các công trình biển làm việc trong điều kiện ăn mòn hoá học cao, công nghiệp sản xuất điện, công nghiệp vật liệu hàng không vũ trụ và kỹ thuật quân sự

7 Kết cấu của Luận án

Bao gồm phần Mở đầu, Kết luận và 5 chương:

- Chương 1: Tổng quan vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim

nhôm dùng trong công nghiệp đóng tầu thủy;

- Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hàn nổ kim loại dạng tấm;

- Chương 3: Vật liệu, thiết bị thí nghiệm, phương pháp nghiên cứu;

- Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm hàn nổ tạo phôi vật liệu trimetal

thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083;

- Chương 5: Nghiên cứu tổ chức tế vi, cấu trúc màng mỏng, liên kim

loại vật liệu trimetal sau hàn nổ trên biên giới thép – nhôm và nhôm – hợp kim nhôm

- Kết luận chung luận án;

- Danh mục tài liệu tham khảo;

- Phụ lục luận án

Chương 1

TỔNG QUAN VẬT LIỆU TRIMETAL THÉP – NHÔM – HỢP KIM NHÔM DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP ĐÓNG TẦU THỦY 1.1 Khái quát về một số công nghệ chế tạo vật liệu bimetal trong Kỹ thuật cơ khí

Phân tích các đặc điểm công nghệ chế tạo vật liệu bimetal, trimetal nói chung và lưu ý đến điều kiện thực tiễn ở Việt Nam không thể có đầu tư lớn cho việc trang bị mới các máy cán chuyên dụng công suất lớn đủ điều kiện kỹ thuật - công nghệ cho sản xuất tấm vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm độ bền cao với chiều dày

2 lớp phủ lớn, sử dụng làm chi tiết trung gian trong công nghiệp đóng tầu thủy và hàn kết cấu công trình công nghiệp Phạm vi nghiên cứu

ở đề tài luận án này chỉ giới hạn ở việc tìm hiểu một số đặc điểm hàn thép với nhôm và hợp kim nhôm cập nhật qua tài liệu tham khảo đã công bố trong và ngoài nước, đồng thời với phát triển thêm một bước mới dựa trên các kết quả thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm hàn

nổ tạo phôi bimetal thép – hợp kim nhôm và kiểm định mẫu vật liệu thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083

1.2 Tổng quan công nghệ chế tạo vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm độ bền cao

-

5 Hàn ma sát dưới áp lực

- Hàn kết cấu thép với hợp kim nhôm độ bền cao thông qua chi

tiết trung gian trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm

- Hàn bằng năng lượng nổ

1.3 Nghiên cứu phạm vi sử dụng vật liệu trimetal thép –

nhôm – hợp kim nhôm trong hàn kết cấu tầu thuỷ

- Sơ lược về lịch sử ứng dụng hợp kim nhôm trên thế giới

- Ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng hợp kim nhôm trong công

nghiệp đóng tầu thủy

- Tổng hợp một số mác vật liệu hợp kim nhôm dùng trong công

nghiệp đóng tầu thủy của Nga

- Hợp kim nhôm trong công nghiệp đóng tầu của các nước khác

trên thế giới

- Cơ tính của hợp kim nhôm đóng tầu thủy của Nga

1.4 Nghiên cứu hàn ghép nối vật liệu kết cấu thép với hợp

kim nhôm

Khi hàn các chi tiết kết cấu bằng thép với các cấu kiện bằng hợp

kim nhôm thường gặp trong công nghiệp đóng toa xe lửa, tầu thuỷ

Phương pháp hàn qua chi tiết trung giam làm bằng vật liệu bimetal

thép – hợp kim nhôm được sử dụng để hàn ghép các tấm phẳng hoặc

chi tiết ống thép với ống hợp kim nhôm

1.5 Nghiên cứu tương tác giữa nhôm và hợp kim nhôm với

thép khi hàn

Vấn đề cấp thiết nhất hiện nay trong kỹ thuật công nghệ hiện đại là

phải giảm thiểu khối lượng kết cấu kim loại của máy móc thiết bị,

đồng thời với tăng các đặc tính kỹ thuật và độ bền lâu trong điều kiện

làm việc thực tế của chúng Điều đó dẫn tới sự cần thiết phải sử dụng

nhiều loại vật liệu tổ hợp thép – hợp kim mầu khác nhau không phải

trên toàn bộ chi tiết hoặc kết cấu mà chỉ một phần của chúng trực tiếp

chịu tác động của tải trọng, nhiệt độ, môi trường làm việc nhất định

Vì thế, các loại vật liệu kết cấu bimetal thép – nhôm (thép – hợp kim

nhôm) đang ngày càng được ứng dụng rông rãi và thúc đẩy sự phát

triển trong các ngành chế tạo tên lửa, máy bay, ô tô, đóng tầu biển và

một số ngành công nghiệp trọng điểm của nền kinh tế trên thế giới

1.6 Ứng dụng hàn nổ tạo vật liệu bimetal thép – hợp kim

nhôm ở Việt Nam

Nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam về vật liệu bimetal thép 08Kп –

hợp kim nhôm ACM; thép 08Kп – hợp kim nhôm AO9-1 chịu mòn

-

6-đã được nhóm nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu máy (nay là Viện Nghiên cứu Cơ khí - Bộ Công Thương) thực hiện bằng phương pháp cán dính và kết hợp với công nghệ hàn nổ Vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn nói trên đã được dùng để chế tạo thử bạc trượt động cơ ô tô DESOTO-P354 (Mỹ); IFA-W50 (Đức); bạc trượt động cơ diesel D9 & D12 YANMAR (Nhật Bản); D22 (Việt Nam)

có thể tham khảo để chọn các cận trên và cận dưới của vùng hàn nổ

Kết luận chương 1

1) Đưa ra được cơ sở khoa học để lựa chọn chế độ hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal hoặc trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm có rất nhiều ưu điểm dùng làm vật liệu trong ngành công nghiệp đóng tàu mà các vật liệu khác không có được; Sử dụng vật liệu nhôm AA1050 và hợp kim nhôm AA5083 để thí nghiệm hàn nổ với lớp nền thép các bon CT.3 có đầy đủ thành phần hóa học, cơ lý tính tương đương với các mác vật liệu nhập ngoại trong điều kiện Việt Nam là phù hợp; 2) Qua nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng công nghệ hàn nổ ở Việt Nam, nghiên cứu sinh đã giới hạn được những thông số hàn nổ quan trọng ban đầu: tỷ lệ khối lượng thuốc nổ trên khối lượng tấm kim loại hàn (r); tỷ lệ khe hở hàn với chiều dày tấm kim loại hàn (h) và thông số đặc trưng cho tốc độ nổ của thuốc nổ sử dụng (C)

Chương 2

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÀN NỔ KIM LOẠI DẠNG TẤM 2.1 Đặc điểm của quá trình hàn nổ

Hàn nổ là quá trình nhận được liên kết kim loại và hợp kim dưới tác động của năng lượng sinh ra khi kích nổ các chất nổ Năng lượng hóa năng của thuốc nổ đã chuyển thành cơ năng (động năng), nhiệt năng Trong quá trình hàn nổ, tốc độ va đập của tấm kim loại trên với tấm kim loại dưới đạt đến 1.500 m/s Tốc độ di chuyển của vùng hàn theo hướng nổ cũng đạt giá trị trên dưới 1.000 m/s, phụ thuộc vào góc

va đập trong từng trượng hợp hàn cụ thể Tại điểm va đập, nhiệt độ lên tới hàng nghìn độ C, xuất hiện tia kim loại cục bộ có định hướng các hạt kim loại, làm sạch lớp màng ôxit trên các bề mặt tiếp xúc hai tấm kim loại và chuyển động với tốc độ cao trong khe hở hàn và tạo ra bề mặt liên kết dạng sóng âm giữa hai tấm kim loại hàn Dưới tác động của áp suất và nhiệt độ rất cao, tại điểm va đập hai tấm kim loại đã bị

-

7-biến dạng dẻo, xâm nhập vào nhau một cách chặt chẽ, tạo ra liên kết

kim loại trên tồn bộ diện tích bề mặt mối hàn

2.2 Nguyên lý hình thành liên kết 2 lớp kim loại khi hàn nổ

Sự va đập của các tấm kim loại khi hàn nổ tạo ra liên kết bền

vững tại điểm va đập, nhưng cần phải đảm bảo sao cho trong thời

gian tồn tại áp lực va đập lớn hơn thời gian kết tinh lại của hỗn hợp

các kim loại hàn và kim loại nền nĩng chảy Cơ chế hình thành mối

hàn nổ giữa 2 tấm kim loại thường cĩ biên dạng sĩng âm (hình 2.1)

a) b) c)

d) e) f)

g) h) i)

Hình 2.1 Sơ đồ hình thành bề mặt sĩng liên kết khi hàn nổ

các kim loại khác nhau

2.3 Các thơng số chủ yếu của quá trình hàn nổ

Phân biệt các thơng số chủ yếu đặc trưng cho quá trình hàn nổ

hai tấm kim loại sau đây: động học, vật lý, cơng nghệ và năng lượng

1) Nhĩm thơng số động học gồm cĩ: tốc độ bay của tấm kim

loại hàn khi va đập vào tấm kim loại nền (vP), tốc độ điểm tiếp xúc

giữa hai tấm kim loại (vK), gĩc va đập (), gĩc uốn động ();

2) Nhĩm thơng số vật lý gồm cĩ: áp suất tại điểm tiếp xúc khi

va đập (pK), thời gian va đập (t), nhiệt độ tại điểm va đập (T);

3) Nhĩm các thơng số cơng nghệ: tốc độ nổ (D) - đặc trưng bởi

mỗi loại thuốc nổ; thơng số khồn đơn vị (r) – tỷ lệ giữa khối lượng

thuốc nổ và khối lượng tấm kim loại hàn; khe hở hàn (hO) – khoảng

cách ban đầu giữa các tấm kim loại hàn; độ nhám bề mặt tiếp xúc khi

-

8-hàn (RZ); nhiệt độ các tấm kim loại hàn (T1, T2); kích thước và đặc tính của các kim loại hàn (độ bền, độ cứng, độ dai…)

4) Nhĩm các thơng số năng lượng gồm cĩ: động năng riêng của tấm kim loại hàn (W1); động năng riêng của tấm kim loại nền (W2)

2.4 Ảnh hưởng của liên kim loại hệ Fe – Al đến chất lượng vật liệu bimetal

Cặp vật liệu thép - nhơm và thép - hợp kim nhơm là những vật liệu khĩ hàn với nhau nhất Chất lượng mối hàn đạt được tương đối ở chế độ hàn nổ (hoặc các phương pháp hàn khác) là khá hẹp Sự cản trở nhận được độ bền bám dính hai lớp cao của cặp vật liệu thép - nhơm chính là do nhơm (Al) cĩ khả năng tạo thành với sắt (Fe) các liên kim cứng giịn dạng FeAl, FeAl3, Fe2Al5 Độ cứng của các liên kim này đạt đến 740  900 HV, chiều rộng vùng các liên kim, tuỳ thuộc vào chế độ hàn nổ, thay đổi trong khoảng một vài micrơng đếnảng dưới 240 m Sự phá huỷ liên kết kim loại hai lớp bimetal thường xẩy ra trên biên giới phân cách giữa 2 kim loại thành phần, trong vùng các liên kim loại khi đĩ quan sát thấy cĩ các vết nứt Liên kim dạng FeAl xuất hiện khi nhiệt luyện bimetal ở nhiệt

độ 450  600 OC mà tại đĩ ngay sau khi hàn nổ khơng quan sát thấy các liên kim hình thành Nung nĩng bimetal ở nhiệt độ 300  400 OC trong thời gian đến 250 giờ làm giảm độ bền bám dính hai lớp từ 100 MPa xuống cịn 32 MPa Ở nhiệt độ 450  600 OC vì do xuất hiện các liên kim loại dạng FeAl - độ bền bám dính hai lớp bimetal giảm xuống đến 10 - 20 MPa Khi sử dụng lớp lĩt cơng nghệ trung gian bằng hợp kim Ậ-1, Al + 5,6 % Si, Al + 4 % Fe, Al + 4,5 % Cu, Al + 4,6 % Ni độ bền bám dính hai lớp thép  hợp kim nhơm cơng nghiệp tăng lên đến mức hợp kim nhơm ở trạng thái biến cứng

Kết luận Chương 2

1) Phân tích được bản chất của quá trình hình thành liên kết hai lớp kim loại khi hàn nổ, đặc điểm cơng nghệ của quá trình hàn

nổ, cơ chế hình thành liên kết, các thơng số động học, vật lý, cơng nghệ ảnh hưởng đến quá trình hàn nổ;

2) Lưa chọn được các các thơng số chế độ cơng nghệ chính ảnh hưởng tới độ bền tới độ bền bám dính hai lớp kim loại trong vật liệu trimetal thép – nhơm - hợp kim nhơm khi hàn nổ Đề xuất các thơng số chế độ hàn nổ tạo vật liệu bimetal thép CT.3  hợp kim nhơm AA5083 (tương đương hợp kim AMг6) dự kiến cho thí nghiệm của đề tài luận án là (r, h, C) cho quy hoạch thực nghiệm

- 9-Chương 3

VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM, PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 3.1 Điều kiện thí nghiệm

- Vật liệu thí nghiệm: sử dụng các tấm thép CT.3, nhôm

AA1050 và hợp kim nhôm dễ mua trên thị trường Việt Nam Thuốc

nổ AD1 và phụ gia tự chế tạo trong nước

- Đế nổ sử dụng kết cấu thép – bê tông; máy kich nổ và thiết bị

đo tốc độ nổ kỹ thuật số chuyên dụng; phần mềm chuyên dụng xử lý

số liệu đo tốc độ nổ; các trang bị, vật tư thí nghiệm phụ trợ khác

3.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm

- Chọn kích thước hình học mẫu thí nghiệm hàn nổ theo quy

hoạch thực nghiệm N = 33 = 27 để tạo phôi vật liệu trimetal thép CT.3 –

nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083:

1) Lớp thép CT.3 có chiều dày 20  35 mm, chiều rộng 100 mm,

chiều dài 300  400 mm, trên bề mặt lớp thép CT.3 có chiều dày 20 mm

có phủ một lớp niken (Ni) với chiều dày khoảng 10 m, còn lớp thép

CT.3 có chiều dày 35 mm thì không có lớp phủ Ni mà thực hiện phương

án hàn trực tiếp lớp nhôm AA1050;

2) Lớp nhôm trực tiếp hàn với lớp thép CT.3 có chiều dày 5 mm,

chiều rộng 110 mm, chiều dài 320 mm;

3) Lớp hợp kim nhôm AA5083 có kích thước hình học giống như

lớp nhôm AA105

- Phương pháp hàn nổ: làm sạch bề mặt tiếp xúc hàn; xếp pakét

kim loại; rải thuốc nổ; kích nổ

- Phương pháp đo tốc độ nổ của hỗn hợp thuốc nổ sử dụng để

xác định tỷ lệ phụ gia hợp lý

- Thiết bị để nắn phẳng và nhiệt luyện phôi bimetal sau hàn nổ

- Chọn đồ gá, thiết bị, vị trí lấy mẫu thử độ bền bám dính hai

lớp bimetal thép – nhôm;

- Chọn phương pháp đánh giá chất lượng tổng hợp mối hàn nổ

3.3 Phương pháp xác định độ bền bám dính hai lớp vật liệu bimetal

1) Đánh giá chất lượng bằng định tính và định lượng chất

lượng liên kết các lớp kim loại hàn nổ: phương pháp tin cậy và có độ

chính xác hơn cả là đánh giá bằng định tính nhờ trợ giúp của thiết bị

phân tích kiểm tra siêu âm Tuy nhiên, do bề mặt lớp hợp kim nhôm

-

10-sau hàn nổ thường bị biến dạng dẻo khá mạnh, có độ nhấp nho lớn, nên trong trường hợp này không sử dụng;

2) Phương pháp xác định tính chất định lượng: được dựa trên

cơ sở thử phá huỷ mẫu chuyên dụng để xác định độ bền bám dính hai lớp kim loại trong vật liệu bimetal, kết hợp thực hiện đồng thời các nghiên cứu khảo sát cấu trúc tế vi vật liệu tại những vị trí lấy mẫu tương ứng quy định để xác định tính chất đặc trưng của cấu trúc tế vi

ở cấp độ hạt tại các vùng khác nhau trong thể tích các lớp khuếch tán

và liên kim loại (intermetalid);

3) Phương pháp xác định độ cứng tải trọng nhỏ (tế vi) bằng cách đo vết ấn lõm, để nhận biết tính chất của vật liệu bimetal tại biên giới và trong các lớp kim loại hàn nổ

3.4 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc kim loại tại biên giới hai lớp bimetal

Để nghiên cứu cấu trúc kim loại tại vùng biên giới liên kết giữa các lớp vật liệu trimetal thép CT.3 – nhôm AA 1050 – hợp kim nhôm

AA 5083 sau hàn nổ, sử dụng kính hiển vi quang học hiện có tại Viện Nghiên cứu Cơ khí; Viện Khoa học vật liệu (Viện KH&CN Việt Nam) và Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Việc nghiên cứu cấu trúc màng mỏng và liên kim loại tại biên giới 2 lớp CT.3 – nhôm AA

1050 (ở các chế độ nổ khác nhau) được thực hiện bằng phương pháp hiển vi điện tử và phân tích quang phổ phát xạ (EDX) trên các mẫu thí nghiệm khảo sát cấu trúc thô đại và cấu trúc tế vi vùng biên giới 2 lớp sau hàn nổ tương ứng với mẫu thử phá hủy Từ đó xác định ảnh hưởng của chế độ nổ đến đặc tính sóng âm liên kết, cấu trúc tế vi giữa hai lớp kim loại hàn nổ (màng mỏng, liên kim loại cục bộ), đồng thời có so sánh với ứng xử của độ bền bám dính hai lớp tại các điểm nút quy hoạch thực nghiệm khảo sát

3.5 Phương pháp xử lý số liệu thống kê thực nghiệm

Xuất phát từ mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài luận

án, phương pháp tính toán kết quả thí nghiệm gồm: xử lý các số liệu thí nghiệm bằng phương pháp thống kê toán học thực nghiệm Điều

đó cho phép nghiên cứu sự ảnh hưởng của thông số hàn nổ ban đầu (r, h, C) khác nhau đến độ bền bám dính hai lớp vật liệu trimetal thép – (nhôm + hợp kim nhôm) bằng cách thử phá huỷ kéo dứt các mẫu thử dạng tròn được lấy từ các tại trí khác nhau trên tấm bimetal sau hàn nổ Kết quả tính toán cho phép làm rõ hơn ảnh hưởng riêng biệt cũng như đồng thời cặp đôi của các thông số r, h, C tới chất lượng bám dính giữa các lớp kim loại hàn nổ

- 11-3.6 Phương pháp tính toán mô hình toán học thực nghiệm hàn nổ

Chọn điều kiện quy hoạch thực nghiệm hàn nổ với mức thay

đổi ba thông số công nghệ chính ở đây là: r, h, C ở dạng mã số hóa để

điều chỉnh theo từng lô thí nghiệm (bảng 3.4)

Bảng 3.4 Mã hoá các thông số công nghệ theo quy hoạch thực nghiệm 33

Các yếu tố khảo sát X2(Mức 0) X2(Mức 1) X2(Mức 2)

X3(Mức 0)

X3(Mức 1)

X3(Mức 2)

Kết luận Chương 3

1) Chọn vật liệu, trang thiết bị sử dụng và phương pháp thí

nghiệm hàn nổ tạo phôi trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm Đã xác

định các mức biến thiên trong miền lựa chọn chế độ quy hoạch thực

nghiệm hàn nổ N = 33 = 27 và kích thước hình học, thành phần hoá học

và cơ tính vật liệu mẫu thí nghiệm hàn nổ phù hợp để tìm chế độ công

nghệ thích hợp;

2) Việc đánh giá chất lượng tổng hợp của vật liệu trimetal sau hàn

nổ được thực hiện bằng cách: xác định độ bền bám dính 2 lớp theo

phương pháp kéo dứt; khảo sát cấu trúc biên giới liên kết 2 lớp kim loại

thành phần bằng phương pháp kim tương học và phân tích EDX; đo độ

cứng tế vi các lớp trimetal;

3) Chọn phương pháp xử lý số liệu thống kê toán học thực

nghiệm để tính toán xây dựng mô hình toán học phỏng đoán chất

lượng vật liệu trimetal sau hàn nổ thông qua hàm mục tiêu độ bền

bám dính 2 lớp phụ thuộc vào các thông số hàn nổ chủ yếu trong

miền khảo sát (r, h, C) là một trong các cách tiếp cận hiện đại;

4) Việc phân tích đánh giá ảnh hưởng riêng biệt của từng thông

số công nghệ, ảnh hưởng cặp đôi đồng thời với các thông số khác và

xác lập được thứ tự mức ảnh hưởng của chúng tới hàm mục tiêu chất

lượng trong mô hình toán học nhằm giới hạn được vùng điều chỉnh

thích hợp các thông số r, h, C để đảm bảo tính chất tổng hợp (cơ lý

-

12-tính, cấu trúc, độ bền bám dính 2 lớp) cao nhất Đây cũng chính là một điểm mới về mặt khoa học của công trình nghiên cứu này

Chương 4

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HÀN NỔ TẠO PHÔI VẬT LIỆU TRIMETAL THÉP CT.3 – NHÔM AA1050 – HỢP KIM

NHÔM AA5083 4.1 Xác định tốc độ nổ trong miền điều chỉnh phù hợp

- Điều chỉnh giảm tốc độ nổ của thuốc nổ AD1 Kết quả đo tốc

độ nổ khi điều chỉnh mật độ rải và tỷ lệ pha trộn hợp lý bằng thiết bị

đo kỹ thuật số cho trên hình 4.4 và hình 4.4

2904.7 m/s

0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90

0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.175

MicroTrap VOD Data

Time (ms)

3869.1 m/s

0.0 0.5 1.0 2.0 2.5 3.5 4.5 5.0

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 -0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

MicroTrap VOD Data

Ti me (ms)

Hình 4.1 Kết quả đo tốc độ nổ của thuốc

nổ hỗn hợp AD1 + NH4NO3 trong trường hợp C = 0,7; H = mức 01:

max (D01 = 2904,7 m/s)

Hình 4.3 Kết quả đo tốc độ nổ của thuốc

nổ hỗn hợp AD1 + NH4NO3 trong trường hợp C = 0,7; H = mức 03: (D03 = 3869,1 m/s)

4.2 Thực nghiệm hàn nổ nhôm và hợp kim nhôm với lớp nền thép

1) Hàn nổ trực tiếp lớp nhôm AA1050 với lớp nền thép CT.3 Sau đó tiến hành hàn nổ lớp hợp kim nhôm AA5083 với bề mặt lớp nhôm AA1050 Mẫu vật liệu trimetal sau hàn nổ cho trên hình 4.5; 2) Hàn nổ lớp nhôm AA1050 với lớp thép CT.3 thông qua lớp phủ Ni có chiều dày trong khoảng 10 m trên bề mặt lớp thép CT.3 Sau đó tiến hành hàn nổ lớp hợp kim nhôm AA5083 với bề mặt lớp nhôm AA1050 (hình 4.6)

4.3 Xác định độ bền bám dính 2 lớp thép CT.3 – (nhôm AA1050 + hợp kim nhôm AA5083) trên mẫu vật liệu trimetal sau hàn nổ

Độ bền bám dính 2 lớp thép CT.3 không có lớp phủ Ni – (nhôm AA1050 + hợp kim nhôm AA5083) cho trong bảng 4.1 (xem bản luận án).Từ các số liệu thực nghiệm cho trong bảng 4.1 xây dựng được các

đồ thị cho trên các hình 4.10, 4.11, 4.12 Từ đó ta nhận thấy độ bền bám dính 2 lớp thép CT.3 – nhôm (AA1050 + AA5083) b.d. (MPa) có xu

-

13-hướng tăng tỷ lệ thuận cùng với chiều tăng của Wp, pk, vp đến giá trị cự

đại ở các chế độ hàn nổ tối ưu, sau đó giảm dần Điều đó được minh

chứng rõ hơn bằng kết quả khảo sát chụp ảnh tổ chức tế vi trên các mẫu

điển hình tương ứng được cho trên hình 5.4 (Chương 5)

Mặt nhôm AA1050

Mặt bên thép CT.3 – nhôm AA1050

Mặt nhôm AA1050

Mặt thép CT.3 + Ni

Hình 4.5 Mẫu vật liệu thép CT.3 –

nhôm AA1050 có kích thước hình

học (5 + 35) x 100 x 200 mm

(không có lớp lót trung gian Ni )

Hình 4.6 Mẫu vật liệu trimetal thép (CT.3 + Ni) – nhôm (AA1050 + AA5083) sau hàn nổ có kích thước hình học (5 + 25) x 100 x 400 mm (thép CT.3 phủ lớp lót Ni )

Hình 4.10 Sự ảnh hưởng của năng

lượng va đập đến độ bền bám dính 2 lớp

Hình 4.11 Sự ảnh hưởng của áp suất

va đập đến độ bền bám dính 2 lớp

v p , m/s

Hình 4.12 Sự ảnh hưởng của tốc độ

va đập đến độ bền bám dính 2 lớp

Hình 4.13 Mẫu thí nghiệm hàn nổ vật liệu tổ hợp 3 lớp thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083

ở các chế độ khác nhau

-

14-Kết quả thí nghiệm hàn nổ lớp thép CT.3 có lớp phủ Ni với lớp (nhôm AA1050 + hợp kim nhôm AA5083) được thể hiện trên ảnh chụp mẫu vật liệu trimetal sau hàn nổ cho trên hình 4.13 Kết quả thử phá hủy một số mẫu điển hình để xác định độ bền bám dính giữa hai lớp thép (CT.3 + Ni) – nhôm (AA1050 + 5083) được cho trong bảng 4.2 dưới đây:

Bảng 4.2 Độ bền bám dính 2 lớp thép (CT.3+Ni) – hợp kim nhôm (AA1050

+ AA5083) 5

Mẫu

số

Mã số

QH-TN

Độ bền bám dính 2 lớp khi kéo dứt, MPa Sai lệch

BPTB, S2

Phương sai, S Lần 1, 1 Lần 2, 2 Lần 3, 3 TB: b.d.

4.4 Mô hình hóa toán học độ bền bám dính 2 lớp thép CT.3 – (nhôm AA1050 + hợp kim nhôm AA5083) sau hàn nổ

Mô hình toán học cần tính toán xây dựng cho ở dạng đa thức với ba thông số chủ yếu cần khảo sát là r, h và C Thông số đặc trưng cho chất lượng làm sạch bề mặt hàn nổ được giới hạn ở mức tốt nhất (Rz = +1) Các hệ số ẩn trong mô hình toán học phải xác định bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất và thuật toán tính toán theo ma trận trực giao có thể tham khảo trong công trình 20 Kết quả tính toán cho ở biểu thức (4.1)

Đồ thị mô phỏng ảnh hưởng của cặp thông số đầu vào r, h; C

và r; h và C tới độ bền bám dính 2 lớp thép – (nhôm + hợp kim nhôm) bd được cho trên các hình 4.15, 4.16 và 4.17 tương ứng

-

15-Hàm hồi quy tìm được như sau:

 b.d (r, h, C) = 5,538 + 8,1 r –14,5 C – 26,02 r.h + 20,26 r.C +

15,42 h.C – 67,4.r.h.C + 15,2 r 2 C + 16,12 r.h 2 – 61,82 h.C 2 + 31,5

r 2 h + 14,0.h 2 C + 73,52 r.C 2 – 65,11 r 3 – 12,09 h 3 – 36,01.C 3 (4.1)

Hình 4.15 Đồ thị mô phỏng sự phụ thuộc độ bám dính 2 lớp thép – nhôm vào

các thông số nổ ban đầu r; h và khi: a, b) C = 0,8; c, d) C = 0,9; e, f) C = 1,0

-

Hình 4.16 Đồ thị mô phỏng sự phụ thuộc độ bám dính 2 lớp thép – nhôm vào các thông số nổ ban đầu C, r và khi: a, b) h = 0,7; c, d) h = 0,85; e, f) h = 1,0

Hình 4.17 Đồ thị mô phỏng sự phụ thuộc độ bám dính 2 lớp thép – nhôm vào các thông số nổ ban đầu h, C và khi: a, b) r = 1,5; c, d) r = 1,6; e, f) r = 1,7

- 17-Kết luận Chương 4

1) Sau khi tiến hành thực nghiệm hàn nổ vật liệu tổ hợp 3 lớp

thép CT3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083 đã xác định

được các yếu đầu vào trong miền điều chỉnh thích hợp là:

- Tỷ lệ khối lượng thuốc nổ/khối lượngvật liệu hàn r = 1.5 ÷ 1,7;

- Tỷ lệ giữa khe hở hàn trước khi nổ với chiều dày tấm kim loại hàn

h = 0,7 ÷ 1,0;

- Tốc độ nổ của thuốc nổ D = 2900  3.900 m/s, với sai số 0,18 

0,2 %, hàm lượng amônít C = 08 ÷ 1,0

2) Qua việc thực hiện 02 loạt thí nghiệm song song:

- Hàn nổ trực tiếp lớp nhôm AA1050 với nền thép CT.3 không

qua lớp màng mỏng công nghệ chống khuyếch tán;

- Hàn nổ lớp nhôm AA1050 với lớp thép CT.3 có lớp phủ Ni

với chiều dày khoảng 10 m trên bề mặt lớp thép CT.3

Kết quả cho thấy loạt sản phẩm hàn nổ có lớp phủ Ni trên bề mặt

lớp thép CT.3 đã cho độ bền bám dính được tốt hơn Điều này hoàn toàn

phù hợp với kết quả của các nhà nghiên cứu Nga đã dẫn trong phần cơ

sở lý thuyết Tuy nhiên giá thành chế tạo vật liệu trimetal sẽ đắt hơn;

3) Đã xây dựng được mô hình toán học thực nghiệm (4.1) bậc

ba và các đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng cặp đôi của các yếu tố

đầu vào (r & h; C & r; h & C) đến độ bền bám dính 2 lớp thép CT.3

– nhôm (AA1050 + 5083) (b.d,) xác định được vùng biến thiên của

nó khi các yếu tố đầu vào thay đổi;

4) Từ mô hình toán học (4.1) đánh giá được sự ảnh hưởng của

các cặp đôi giữa chúng đến độ bền bám dính thông qua mô hình hình

học 3D cho trên các hình 4.15, 4.16 và 4.17 một cách rõ nét.

Chương 5

NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI, CẤU TRÚC MÀNG MỎNG,

LIÊN KIM LOẠI VẬT LIỆU TRIMETAL SAU HÀN NỔ TRÊN

BIÊN GIỚI THÉP – NHÔM VÀ NHÔM – HỢP KIM NHÔM

5.1 Tổ chức tế vi biên giới 2 lớp thép CT.3 – (nhôm AA1050 +

hợp kim nhôm AA5083) có lớp phủ Ni

Trên hình 5.4 a,b,c là ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 2 lớp

nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083, còn hình 5.4 c,d,e – biên

giới 2 lớp thép CT.3 – nhôm AA1050

-

Hình 5.2  5.4.Tổ chức tế vi biên giới 2 lớp: nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083 (a, b,c); thép (CT.3 + Ni) – nhôm AA1050 (d, e, f)

Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083 trên một số mẫu thí nghiệm hàn nổ điển hình (lớp thép CT.3 không có lớp phủ lót Ni) được cho trên các hình 5.5  5.9

Ta thấy rằng: biên độ sóng âm liên kết giữa các lớp nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083 và thép CT.3 – nhôm (AA1050 + 5083) có xu hướng tăng theo chiều tăng của các thông số nổ r, h, C

-

19-a) Biên giới Al1 – Al2, x50 c) Biên giới Fe – (Al1+Al2), x200

Hình 5.5 Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp AA1050 – AA5083 (a); CT.3 –

AA1050 (c) trên mẫu vật liệu trimetal sau hàn nổ (Mẫu số 01; r = 1,5;

h = 0,7; C = 0,8; v k = 2900 m/s; v p = 870 m/s)

a) Biên giới Al1 – Al2, x50 c) Biên giới Fe – (Al1+Al2), x200

Hình 5.6 Tổ chức tế vi tại biên giới các lớp AA1050 – AA5083 (a); CT.3 –

AA1050 (c): Mẫu số 05 sau hàn nổ (r = 1,6; h = 0,85; C = 0,8;

v k = 2900 m/s; v p = 1059,848 m/s)

a) Biên giới Al1 – Al2, x50 b) Biên giới Fe – (Al1+Al2), x200

Hình 5.7 Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp AA1050 – AA5083 (a); CT.3 – AA1050

(b): Mẫu số 15 sau hàn nổ (r = 1,7; h = 0,85;C = 0,9; v k = 3400 m/s;

v p = 1097,8945 m/s)

a)- Biên giới Al1 – Al2, x50 c)- Biên giới Fe – (Al1+Al2), x200

Hình 5.8 Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp AA1050 – AA5083 (a); CT.3 –

AA1050 (c) : Mẫu số 17 sau hàn nổ (r = 1,7; h = 1,0; C = 0,9;

v = 3400 m/s; v = 1097,8945 m/s)

-

20-a)- Biên giới Al1 – Al2, x50 c)- Biên giới Fe – (Al1+Al2), x200 Hình 5.9 Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp AA1050 – AA5083 (a); CT.3 –

AA1050 (c): Mẫu số 27 sau hàn nổ (r = 1,7; h = 1,0; C = 1,0;

v k = 3900 m/s; v p = 1259,35 m/s)

5.2 Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc lớp màng mỏng và liên kim loại trên biên giới hai lớp thép CCT.3 – nhôm AA1050 bằng phương pháp EDX

Kết quả phân tích EDX trên thiết bị JSSM 6400-JED 2300 (JEOL, Nhật Bản) đối với các vùng cục bộ trên lớp nhôm AA1050, hợp kim nhôm AA5083 và lớp thép CT.3 gần biên giới liên kết kim loại giữa chúng được cho trong bảng 5.1 ở bản luận án Ở đây có sự khuếch tán vào nhau giữa các nguyên tố Al và Fe, làm giảm hàm lượng của chúng

Đối với các lớp màng mỏng cấu trúc và vùng liên kim loại cục bộ trên biên giới 2 lớp thép (CT.3 + Ni) – nhôm AA1050 được khảo sát ở một số chế độ hàn nổ điển hình có ảnh chụp tổ chức tế vi trên kính hiển

vi điện tử (SEM) và kết quả phân tích thành phần hợp chất khác nhau

Kết quả cụ thể cho trên các hình 5 14  5.20

Để làm sáng tỏ hơn về sự ảnh hưởng của lớp cấu trúc màng mỏng hợp chất và liên kim loại cục bộ trên bề mặt liên kết kim loại giữa lớp thép CT.3 và lớp nhôm AA1050 + hợp kim nhôm AA5083 sau hàn nổ (bề mặt thử phá hủy mẫu xác định độ bền bám dính 2 lớp vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm) đã tiến hành thí nghiệm đo kích thước hình học của chúng trên mẫu kim tương tại các vùng có đặc điểm nổi trội nhất: có lớp màng mỏng khá liên tục và các đoạn liên kim loại lớn Các mẫu vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm khảo sát được chọn ở một số chế độ hàn nổ theo QHTN 1

và QHTN 2 với độ bền bám dính 2 lớp tương ứng như đã trình bày trong Chương 4 Kết quả thí nghiệm cho trên các hình 5.21  5.26