Hàn bằng năng lượng nổ đã được các nhà khoa học trên thế giới, trong đó có Liên Xô trước đây, đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực phục hồi các chi tiết [r]
Trang 1TẠO LỚP PHỦ THÉP HỢP KIM TRÊN BỀ MẶT CHI TIẾT DẠNG TRỤ
BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN NỔ
Hà Minh Hùng - Phạm Văn Quế (Viện Nghiên cứu Cơ khí)
1 Đặt vấn đề:
Sử dụng năng lượng nổ trong gia công kim loại bằng áp lực là một trong các phương pháp biến dạng tạo hình tiên tiến để tạo phôi, hoặc phục hồi các chi tiết máy có hình thù từ đơn giản đến phức tạp mà không cần phải đầu tư thiết bị tạo áp lực lớn nhờ có nhiều ưu điểm và tính chất đặc biệt của quá trình nổ, và do vậy đã được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi tại các nước công nghiệp tiên tiến như Mỹ, Liên Xô trước đây, Nhật Bản và nhiều nước khác, trong đó đã có một vài nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam
Ở Mỹ, người ta đã sử dụng năng lượng nổ để hàn các tấm kim loại kích thước lớn có diện tích đến 34 m2 với nhau bằng một lần nổ mà không cần thiết bị tạo áp lực nào có thể thay thế được Năng lượng nổ cũng được ứng dụng trong việc tạo phôi hợp kim nhiều lớp đồng thời kết hợp với nhiều phương pháp công nghệ truyền thống như: phun nổ tạo lớp phủ kim loại lên bề mặt kim loại nền, ép nổ tạo hình vật liệu bột kim loại, dập nổ biến dạng tạo hình các hợp kim khó biến dạng dẻo, gia công biến cứng chi tiết bằng thép hợp kim tại những vùng cục bộ chịu tải trọng lớn
Hàn bằng năng lượng nổ đã được các nhà khoa học trên thế giới, trong đó có Liên Xô trước đây, đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực phục hồi các chi tiết máy có kích thước và khối lượng lớn ngay tại hiện trường sử dụng, ví dụ như: hàn phục hồi các chỗ hư hỏng trên đường ống dẫn dầu khí, tạo phôi để làm các bể chứa chịu ăn mòn hoá học, chế tạo vật liệu hợp kim nhiều lớp từ những kim loại và hợp kim khó biến dạng dẻo ở điều kiện thông thường dùng trong công nghiệp hàng không và vũ trụ Một lĩnh vực ứng dụng năng lượng
nổ khác trên thế giới là phục hồi các chi tiết từ vật liệu bằng thép và hợp kim mầu khác có dạng ống như xy lanh thuỷ lực, dạng cánh tuốc bin thuỷ khí, các gối tựa chịu lực dạng cầu cũng rất
có hiệu quả kinh tế [1]
3 Cách tiếp cận
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hàn nổ để biến dạng dẻo tóp ống chi tiết dạng hình trụ để từ
đó tính toán lượng thuốc nổ sử dụng cần thiết để thí nghiệm phục hồi một số xy lanh thuỷ lực bằng thép trong bộ giảm xóc xe ô tô vận tải mỏ tại Quảng Ninh;
- Nghiên cứu thực nghiệm phát triển công nghệ hàn nổ tóp ống để tạo phôi bimetal dạng trụ từ vật liệu lõi thép bên trong là thép chế tạo máy thông thường (thép 45), và lớp phủ bề mặt làm việc của một số chi tiết máy bằng thép hợp kim chịu mòn cao (thép ШХ15);
- Nghiên cứu tính chất biên giới hai lớp bimetal thép 45 + thép ШХ15 sau hàn nổ theo một
số phương pháp ở các công trình [1÷5]
3 Nội dung báo cáo
3.1 Bài toán biến dạng tóp ống kim loại bằng năng lượng nổ
Chúng ta quan sát một ống kim loại hình trụ có bán kính ngoài R1 và bán kính trong R2, chịu áp lực p phân bố đều ở mặt ngoài (hình 1) Khi p đạt một giá trị p1 nào đó thì ống kim loại
Trang 246
bắt đầu biến dạng dẻo và các phân tố của ống bị dịch chuyển vào phía tâm một cách đối xứng
Để đơn giản hóa quá trình tính toán, chúng tôi giới hạn ống kim loại có chiều dầy nhỏ so với bán kính của ống Từ đó cho phép có thể bỏ qua ảnh hưởng của chiều dài ống trong phép tính,
và ta có thể coi như bài toán phẳng Khi đó, phương trình cân bằng ứng suất tại một phần tử nhỏ của ống khi chưa chuyển động trong tọa độ cực có dạng:
0
=
− +
r dr
d σr σr σϕ
Theo điều kiện dẻo Misses:
T
3
2
=
trong đó: σr, σϕ - ứng suất hướng tâm và ứng suất tiếp tuyến tương ứng;
σT - ứng suất chảy của vật liệu
Đặt biểu thức (2) vào (1) và lấy tích phân phương trình (1) ta có:
c r T
3
2σ
Khi ống bắt đầu biến dạng dẻo, hằng số tích phân được xác định bởi điều kiện sau:
σr (r = R2) = 0; ln 2
3
2
R
c = σ T
Đặt biểu thức (4) vào (3) ta có:
R
r
T
3
2σ
Giới hạn áp suất p1 đủ để xy lanh biến dạng dẻo dưới tác dụng của tải trọng tĩnh được xác định theo biểu thức:
2
1 1
3
2
R
R R
r
r
σ
σ = = − +
ở đây: dấu “−” biểu thị áp suất nén
Trong trường hợp ống thép biến dạng dưới tác dụng của tải trọng động xung cao tốc khi nổ thì σT không thể là ứng suất chảy tĩnh của vật liệu, mà khi đó ta phải lấy giới hạn chảy động σtd:
2
1
ln 3
2
R
R
Sau đây ta hãy xét trường hợp ống bị tóp co lại theo hướng kính (vật liệu thành ống chuyển động hướng vào tâm) dưới tác dụng của áp lực xung nổ Nhà khoa học
người Nga nghiên cứu trong lĩnh vực hàn nổ Đ eribas A A giả thiết coi hình trụ bị biến
dạng rất nhanh như một chất lỏng lý tưởng Khi đó, nếu gọi ro là khoảng cách của một phần tử nhỏ của ống đối với tâm trước lúc biến dạng: r(ro, t) là khoảng cách của chính
điểm đó ở thời điểm t (sau khi nổ) trong quá trình dịch chuyển Phương trình liên tục
của phần tử trên thành ống có dạng:
) , (
) , (
0 0
0
0
t r r
r r
t r r
=
∂
∂
Trang 3Phương trình chuyển động của phần tử có dạng:
0 0
1 0
0 2
0 2
) , ( 1 )
, ( ) , (
r
t r P r
t r r t
t r r
∂
∂
−
=
∂
∂
trong đó: p - áp suất của chất lỏng; ρ1 - khối lượng riêng của vật liệu được coi như chất lỏng
Lấy tích phân phương trình (8) theo r0: r = r02 + C ( t ) (10)
ở đây: C (t) - hằng số tích phân phụ thuộc vào biến số (t)
Lấy đạo hàm biểu thức (10) theo (t) và đặt vào phương trình (9) ta có:
1 20
2 10
2 10
2
2 '
20 2 10 2
"
1 1
1 1
8
ln
c c R
c R
trong đó: p (R2) = 0; p(R1) = t; R12 = R210 + C ; R22 = R220 + C
Ta có:
dc
R d
2 1
2 1 2
" ( )
dt
R d
C = (12) Thay C' và C" vào phương trình (11) ta nhận được:
−
−
=
−
) ( ) ( 8 ) ( )
(
) ( ln ) ( 4
1
2 2 2
2 1 1
2 2 2 1
2 20 2 10
2 2 1 2
2
2 1 2
1 2
2
t p R
R K t p t
R t R
R R t R dt
d t R
t R t R
dt
d
ϕ
σ
Vì nếu coi vật liệu trong trường hợp biến dạng ở tốc độ và áp suất cao khi nổ như một chất lỏng lý tưởng không nén được, nên ta có thể viết:
2 20
2 10
2 2
2
R − = − ; R22 = R12 + R202 − R102
Áp lực sinh ra do quá trình nổ tác dụng lên ống hình trụ được xác định như sau:
3 1 1
10
/
) ( 27
16 )
− +
=
dt
t dR D
H t
t R R
H D t
(14) trong đó: ρo, D - khối lượng riêng và tốc độ nổ của thuốc nổ tương ứng;
H - chiều dày lớp thuốc nổ
Trong thực tế ống kim loại bằng thép bị biến dạng không hoàn toàn như một chất lỏng lý tưởng Do đó, trong quá trình dịch chuyển vào phía trong, tại các phần tử của ống thép sẽ phát sinh phản lực chống lại hiện tượng biến dạng dẻo (trở kháng biến dạng) Vì thế, ống thép chỉ duy trì sự biến dạng của nó sau một thời gian nhất định và đạt một giá trị nào đó Vì ống kim loại bị biến dạng với tốc độ rất nhanh dưới tác dụng của áp suất nổ cực cao, nên trong trường hợp này ta phải lấy K = K0 là ứng suất tiếp động Giải phương trình vi phân (13) với hai điều kiện:R2= 0; 2(0) =0
dt
dR
và chúng ta sẽ xác định được quy luật chuyển động của ống kim loại dưới tác dụng của áp lực xung nổ
Trang 448
• Kết quả tính toán và thử nghiệm ứng dụng phục hồi xy lanh thuỷ lực:
Dưới đây chúng tôi giới thiệu kết quả tính toán áp dụng cho bài toán như sau: Vật liệu ống biến dạng dẻo dưới tác dụng của năng lượng nổ là ống xy lanh thuỷ lực bằng thép tương đương mác thép 45 trong bộ phận giảm xóc của xe ô tô vạn tải mỏ KOMASHU –320 (Nhật Bản).Vật liệu này có cơ tính như sau: mật độ ρ1 = 7,85g/cm3; trở kháng chống biến dạng Kd = 610,7 MPa; ống có kích thước ban đầu R10 = 56 mm; R20 = 50 mm (trước khi biến dạng tóp) Thuốc
nổ được dùng là loại Amônít 6ЖB của Nga có mật độ rải bằng ρ0 = 0,9 g/cm3 và chiều dầy lớp thuốc nổ tối thiểu bằng H = 9 mm Trên hình 3 thể hiện sơ đồ khối để lập chương trình máy tính cho việc tính toán bài toán nổ tóp ống xy lanh thuỷ lực nói trên Kết quả tính toán được cho trong bảng 1
Trong trường hợp chiều dày lớp thuốc nổ không lớn, tốc độ nổ được tính toán theo biểu thức sau [2]:
−
= 4,5 1 2,044,79
H
trong đó: D – tốc độ nổ của thuốc nổ, được biểu thị bằng mm/µs; H – chiều dày lớp thuốc nổ, được tính theo mm
P P
R2
R1
1 2 3 4 5 6 7
Hình 1 Sơ đồ phân bố áp suất tác dụng
lên mặt trụ ống thép khi biến dạng dẻo
bằng năng lượng nổ
Hình 2 Sơ đồ nổ tóp ống kim loại:
1) - Kíp nổ; 2) - Chóp nón bằng gỗ; 3) – Ống kim loại cần tóp; 4) - Lõi thép cố định kích thước đường kính trong; 5) - Thuốc nổ; 6) - Ống bọc thuốc nổ bằng bìa giấy; 7) -Đế nổ
Bảng 1 Kết quả tính toán nổ tóp ống kim loại bằng thép
r , µ s R2, mm dR2/dt, mm/ µ s r , µ s R2, mm dR2/dt, mm/ µ s
Kết quả tính toán trên đây cho thấy: dưới tác dụng của áp lực xung nổ các phần tử của ống dịch chuyển tăng dần đến một thời điểm nào đó và tốc độ dịch chuyển đạt giá trị cực đại Tiếp sau đó, tốc độ dịch chuyển giảm dần và tiến tới bằng không và khi đó ống thép sẽ nhận giá trị thực sau khi bị biến dạng bằng năng lượng nổ Với số liệu tính toán trong bảng 1 trên đây có
Trang 5thể chỉ định cỏc giỏ trị biờn của miền khảo sỏt khi lập quy hoạch thực nghiệm nổ túp cỏc loại ống kim loại từ cỏc vật liệu khỏc nhau để thực hiện thớ nghiệm thăm dũ cụng nghệ Sau khi xỏc định được giỏ trị thực nghiệm ở cỏc chế độ đú, cần thực hiện cỏc thớ nghiệm hiệu chỉnh để tỡm cỏc thụng số cụng nghệ nổ tối ưu đảm bảo kớch thước cuối cựng của ống thộp sau khi nổ túp
Hỡnh 3 Sơ đồ khối lập trỡnh tớnh toỏn bài toỏn nổ túp ống kim loại
Tớnh cực trị Kd, VH
Chu kỳ biến đổi R2
Chu kỳ biến đổi lớn H2
Thay đổi kớch thước ống khỏc nhau
Tớnh toỏn cỏc thụng số của phương trỡnh (13)
Chu kỳ biến đổi nhỏ dR2 Để giải PT vi phõn
Giải phương trỡnh vi phõn (13)
Xỏc định dR2/dt; ∆R2
In kết quả R2, H, V, ∆R
Kết thỳc chu kỳ R2
Khụng
Khụng
Nhập số liệu vào mỏy
Nếu dR2/dt
Nếu dR2/dt -VH
Kết thỳc giải Nếu dR2/dt cực đại
Trang 650
3.2 Bài toán nổ tóp ống để hàn với lõi thép ở giữa
Giả thiết cho rằng ống kim loại phía ngoài có khối lượng riêng ρ1 và có bán kính ban đầu là R10 và R20 Ống được bao quanh bằng thuốc nổ dạng ống có chiều dầy H Thỏi hoặc ống thép bên trong có đường kính ngoài R30 Khe hở giữa ống thép ngoài và thỏi kim loại trong ∆R
= R20 - R30 Dưới tác dụng của áp suất nổ, ống ngoài bị tóp lại với tốc độ v, tốc độ này sẽ đạt được giá trị cực đại sau một thời gian rất ngắn Sau đó do trở lực chống biến dạng của kim loại tốc độ dịch chuyển giảm dần (bảng 1) Chúng ta sẽ xác định khoảng cách tối ưu ∆R của ống
thép bên ngoài và thỏi kim loại bên trong nhằm mục đích đạt được giá trị cực đại của v tương
ứng với dịch chuyển ∆R Ống thép bên ngoài va đập vào thỏi thép bên trong với tốc độ v phát
sinh ra một áp suất xung p v xác định theo biểu thức sau:
2 2 1 1
2 1 2 1
C C
C C v
p v
ρ
ρ ρ ρ+
trong đó: C1; ρ1; C2; ρ2 - tốc độ truyền sóng và khối lượng riêng của ống thép ngoài và lõi thép trong tương ứng
Giả sử ống thép ngoài sẽ hàn được với lõi thép bên trong nếu áp lực xung khi nổ đủ lớn
để tạo ra ứng suất tiếp va đập lớn hơn ứng suất chảy động của vật liệu có độ bền cao cao hơn.Theo lý thuyết đường trượt của một tấm kim loại bị biến dạng chảy dẻo do va đập thì giới hạn của áp suất va đập phải đạt được là:
d
ở đây: Kd - giới hạn ứng suất tiếp chảy dẻo ở trạng thái nóng của vật liệu có độ bền cao hơn (ống hoặc thỏi kim loại hàn)
Trị số Kd được xác định theo biểu thức:
3
d d
K = σ và
T
σ ≅ ( 3 ÷ 4 )
Từ đó suy ra: p v = (9 ÷12)σT (18)
Từ biểu thức (17) và (16) xác định tốc độ va đập cần thiết để quá trình hàn được xNy ra:
d
C C
C C
2 1 2 1
2 2 1
ρ ρ
ρ
Sau khi xác định được v H ta giải phương trình (13) với các thông số chiều dày thuốc nổ thay đổi Ứng với mỗi chiều dày thuốc nổ và kích thước cụ thể của ống kim loại bên ngoài mà xác định giá trị cực đại của tốc độ nổ và xác định trị số ∆R của dịch chuyển mặt trong của ống
kim loại hàn nổ So sánh giá trị cực đại này của tốc độ dịch chuyển sẽ nhận được với v H Bài toán sẽ được hoán thánh khi đảm bảo được điều kiện sau:
0 )
(
max
2 v H ≥
dt
t dR
(20)
Nếu dR 2 /dt max ≤ vH thì cần phải tăng thêm chiều dầy lớp thuốc nổ và lặp lại các thí
nghiệm Cuối cùng, khi đã xác định được H, đồng thời ta sẽ xác định được ∆R tối ưu
Trang 73.3 Kết quả thực nghiệm hàn nổ tạo phụi bimetal tại Viện Nghiờn cứu Cơ khớ
Mẫu thớ nghiệm sử dụng là lừi thộp 45 và ống thộp ШX15 lồng vào nhau để hàn nổ trước khi bọc thuốc nổ cho trờn hỡnh 4 a, nhúm nghiờn cứu và NCS chuNn bị mẫu thớ nghiệm tại trường nổ ngoài trời của Cụng ty Hoỏ chất 13 - Tổng cục Cụng nghiệp Quốc phũng sau khi khi bọc lớp thuốc nổ - hỡnh 4 b Chế độ nổ chọn sơ bộ trong khoảng: r = 1,4 ữ 1,8 ; h = 0,1 ữ 0,5 và
C = 0,75 ữ 1,0 Kết quả hàn nổ theo một số chế độ quy hoạch thực nghiệm tạo phụi bimetal dạng thanh thộp 45 + thộp ШX15 cho trờn hỡnh 5a
Từ cỏc phụi bimetal sau hàn nổ nhận được, cắt lấy mẫu cú dấu hiệu bỏm dớnh của ống thộp ШХ15 và lừi thộp 45 tương đối tốt Để cú đỏnh giỏ tổng quỏt về chất lượng phụi bimetal dạng trụ sau hàn nổ, quy định chia mỗi một phụi sau hàn nổ thành 03 vựng cục bộ theo hướng
nổ như sau: phần đầu được tớnh từ mặt tiếp giỏp trực tiếp của phần thuốc nổ phụ để kớch nổ với phần thuốc nổ ống hỡnh trụ bọc ngoài ống thộp hợp kim (ký hiệu là vựng 1), tiếp đến là phần giữa (ký hiệu là vựng 2) và phần cuối tiếp giỏp trực tiếp với đế nổ (ký hiệu là vựng 3) Mỗi một phụi bimetal nhận được sau hàn nổ được cắt thành 03 đoạn khỏc nhau 1 – 2; 2 – 3 (mỗi đoạn cú chiều dài trung bỡnh 60 mm) và 02 đoạn trung gian cú chiều dài 10 mm tại nơi tiếp giỏp giữa cỏc đoạn núi trờn để gia cụng thành cỏc mẫu thử phỏ huỷ xỏc định độ bền bỏm dớnh 2 lớp (hỡnh 5b)
và mẫu nghiờn cứu cấu trỳc tế vi theo chiều ngang và dọc theo hướng nổ tương ứng (hỡnh 6a,b)
Kết quả thử và tớnh toỏn mụ phỏng số độ bền bỏm dớnh 2 lớp bimetal thộp 45 + thộp
ШX15 ngay sau khi hàn nổ cho trờn hỡnh 7 Từ các ảnh đồ tính toán mô phỏng trên hình 7 có thể nhận xét: độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 45 + thép ШX15 chịu ảnh hưởng của các thông số ban đầu khi hàn nổ theo quy luật phi tuyến Đường cong thực nghiệm cho thấy, trong phạm vi miền các giá trị lựa chọn của các thông số D, h, r khi hàn nổ chất lượng bám dính 2 lớp bimetal nói trên nhìn chung đạt yêu cầu sử dụng và tiếp tục ộp chảy để biến dạng tạo hình đến kớch thướcsản phẩm cuối cùng
Hỡnh 4 ChuJn bị mẫu thớ nghiệm hàn nổ bimetal dạng thanh thộp 45+ thộp шх15:
a) – Pakột ống thộp hợp kim bọc phớa ngoài lừi thộp 45; b) NCS.Phạm Văn Quế và nhúm nghiờn cứu tại hiện trường nổ (Cụng ty hoỏ chất 13- TCCN Quốc phũng)