Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vật liệu chế tạo dao xén giấy bằng công nghệ hàn nổ

Việc ứng dụng công nghệ hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal ñể chế tạo dao xén giấy xét còn tạo ñiều kiện thuận lợi cho việc gia công cơ các bề mặt ñịnh vị ñược dễ dàng vì tại các vị trí cầ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-
-

NGUYỄN MINH HẢI

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO DAO XÉN

GIẤY BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN NỔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2009

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-
-

NGUYỄN MINH HẢI

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO DAO XÉN

GIẤY BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN NỔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa nông lâm nghiệp

Mã số: 60.52.14

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS HÀ MINH HÙNG Viện Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công Thương

HÀ NỘI - 2009

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin sự chỉ giáo của người hướng dẫn Những số liệu và kết quả nghiên cứu ñược trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực

và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ học vị nào Các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc

Hà n ội, ngày 18 tháng 11 năm 2009

Học viên

Nguyễn Minh Hải

LỜI CẢM ƠN Với tình cảm chân thành của mình tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới Lãnh ựạo nhà trường, Viện ựào tạo sau ựại học, Khoa cơ ựiện Trường ựại học nông nghiệp Hà nội, Viện nghiên cứu cơ khắ - Bộ công thương, Trường Cao ựẳng nghề kỹ thuật công nghiệp Việt nam - Hàn quốc ựã tạo mọi ựiều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu ựể cho tôi ựược nâng cao trình ựộ và ựạt ựược kết quả như hôm nay, nhằm ựáp ứng ngày càng tốt hơn yêu cầu nhiệm vụ

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS-TS Hà Minh Hùng, ựã tận tình hướng dẫn, giúp ựỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện ựề tài, ựặc biệt là PGS-TS đào Quang kế cùng với các Thầy giáo, Cô giáo Khoa Cơ ựiện Trường đại học nông nghiệp Hà Nội ựã hết lòng không quản thời gian giúp ựỡ ựể tôi thực hiện hoàn thành ựề tài ựúng tiến ựộ

Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, bản thân tôi ựã thực sự

nỗ lực trong thực nghiệm, tìm hiểu nhiều tài liệu tham khảo, kết hợp với những kiến thức ựã ựược học ứng dụng vào ựề tài ựược giao ựể hoàn thành nội dung ựặt ra Tuy nhiên, do năng lực và kinh nghiệm còn hạn chế nên nội dung của bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong ựược sự quan tâm, góp ý của quý Thầy, Cô giáo và các bạn ựồng nghiệp ựể bản luận văn ựược hoàn chỉnh hơn và có hướng khắc phục trong nghiên cứu tiếp theo

Xin chân thành cảm ơn!

Hà n ội, ngày 18 tháng 11 năm 2009

Học viên

Nguyễn Minh Hải

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

MỞ ðẦU 1

1 Tính cấp thiết của ñề tài 1

2 Mục ñích của ñề tài 1

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Cấu trúc luận văn 2

Chương 1 3

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 3

1.1 Sơ lược về dao xén giấy trong công nghiệp 3

1.2 Tổng quan về vật liệu bimetal hàn nổ 4

1.2.1 Nguyên lý hàn n ổ tạo phôi vật liệu bimetal 7

1.2.2 Các thông s ố chủ yếu của công nghệ hàn nổ 17

Chương 2 34

VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 34

2.1 Vật liệu, thiết bị thí nghiệm 34

2.2 Các phương pháp thí nghiệm 37

2.2.1 Ph ương pháp tiến hành thí nghiệm hàn nổ 37

2.2.2 Ph ương pháp ñánh giá chất lượng vật liệu bimetal thép CT3 - thép CD 100 sau hàn nổ 41

Chương 3 48

ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ðỘ HÀN NỔ ðẾN TÍNH CHẤT VẬT LIỆU BIMETAL THÉP CT3 - THÉP CD 100 48

3.1 Phân tích ảnh hưởng của chế ñộ hàn nổ ñến tính chất bề mặt vật liệu bimetal thép

CT3 - thép CD 100 48

3.2 Phân tích tính chất vật liệu bimetal thép CT3 – thép CD 100 sau hàn nổ thông qua cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp 55

Chương 4 62

ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG DẺO TỚI TÍNH CHẤT VẬT LIỆU BIMETAL THÉP CT3 - THÉP CD 100 62

4.1 Tính chất vật liệu bimetal thép CT3 - thép CD 100 sau ép nóng 62

4.2 Kết quả khảo sát cấu trúc tế vi vùng biên giới hai lớp Bimetal 66

KẾT LUẬN CHUNG LUẬN VĂN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 79

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Các thông số kích thước của dao xén giấy 3 1.2 Mô phỏng phôi vật liệu hai lớp kim loại (bimetal) 5 1.3

Sơ ñồ nổ dưới góc nghiêng giữa 2 tấm kim loại (a) và tại một thời

ñiểm nổ (b); và sơ ñồ nổ song song giữa 2 tấm kim loại (c) và tại

1.4 Hình dạng liên kết kim loại giữa hai lớp hàn nổ ……… 9 1.5 Hình ảnh liên kết hai lớp kim loại tại một thời ñiểm hàn nổ…… 12 1.6 Sơ ñồ hàn nổ treo………… ……… 13 1.7 Sơ ñồ hình thành bề mặt sóng liên kết hàn nổ các kim loại khác

1.8 Sơ ñồ hình học tấm kim loại hàn khi bay tại một thời ñiểm của

quá trình hàn nổ……… 19 2.1 Phôi bimetal thép CT3 - thép CD 100 bị cong vênh……… 37 2.2 Máy ép thuỷ lực ET- 400 (a) và hệ thống ñiện ñiều khiển PLC (b)

dùngñể nắn phẳng phôi bimetal hàn nổ thép CT3 - thép CD 100 37 2.3 Một số mẫu thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm hàn nổ tạo phôi

bimetal thép CT3 - thép CD 100 ……… 39 2.4 Pakét nổ sau khi ñược rải thuốc nổ dạng bột trong khung chắn ñặt

trên tấm kim loại hàn: ñế nổ là nền ñất ñá cứng + gỗ tấm……… 40 2.5 Sơ ñồ cắt lấy mẫu thử phá huỷ và mẫu nghiên cứu cấu trúc tế vi

trên băng bimetal thép CT3 - thép CD 100 sau hàn nổ 42 2.6 Mẫu thử phá hủy xác ñịnh ñộ bền bám dính 2 lớp bimetal thép

CT3 - thép CD 100 theo phương pháp kéo dứt……….… 43 2.7 Sơ ñồ nguyên lý ñặt tải khi thử kéo dứt mẫu bimetal ñể xác ñịnh

ñộ bền bám dính 2 lớp……… 44

2.8 Thí nghiệm ép phá huỷ mẫu bimetal có kết nối máy tính ñể xác

4.2 Hiện trạng mẫu thử sau khi ñã thử phá hủy ñể xác ñịnh ñộ bền

bám dính hai lớp vật liệu thép CT3 - thép CD 100 ……… 64 4.3 Kiểm tra các kích thước hình học và hiện trạng bề mặt mẫu thử

phá hủy xác ñịnh ñộ bền bám dính 2 lớp bimetal thép CT3 - thép

CD 100 67 4.4 Ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp thép nền thép CT3 - thép CD 100 … 67 4.5 Ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ thép CD 100 , x 100……… 67 4.6 Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp bimetal thép CT3 - thép

CD 100 (mẫu cắt dọc hướng biến dạng, x 100 )……… 68 4.7 Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp thép CT3 - thép CD 100

(cắt ngang theo hướng cán, mẫu 04 N, x100 )……… 68 4.8 Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp bimetal thép CT3 – thép

CD 100 (mẫu cắt dọc hướng biến dạng, x 100)……… 69 4.9 Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp bimetal thép CT3 – thép

CD 100 (mẫu cắt ngang hướng biến dạng, x 100)……… 69 4.10 Ảnh chụp cấu trúc tế vi 2 lớp bimetal thép CT3 – thép CD 100

(cắt ở phần giữa phôi, dọc theo hướng nổ & 1 lần biến dạng dẻo,

x 100) 70 4.11 Ảnh chụp cấu trúc tế vi 2 lớp bimetal thép CT3 – thép CD 100

(cắt ở phần giữa phôi, dọc theo hướng nổ & 2 lần biến dạng dẻo, x 100) 70 4.12 Ảnh chụp cấu trúc tế vi 2 lớp bimetal thép CT3 – thép CD 100

(cắt tại vùng mép biên cuối phôi, ngang theo hướng nổ & biến dạng dẻo, x 100 ) 71 4.13 Ảnh chụp cấu trúc tế vi 2 lớp bimetal thép CT3 – thép CD 100

(cắt tại vùng mép biên cuối phôi, dọc theo hướng nổ & biến dạng dẻo, x 100) 71

MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Trong những năm gần ñây Việt Nam là một trong những nước ñang phát triển mạnh mẽ trên tất cả các lĩnh vực kinh tế, văn hóa, xã hội và từ ñó ñời sống tinh thần, vật chất của nhân dân ñược nâng cao Một trong những ñóng góp chủ yếu là ngành công nghiệp chế tạo máy Nhiều máy móc thiết bị

ñã ñược chế tạo ra phục vụ trong nhiều ngành sản xuất khác nhau nhằm nâng cao năng suất, và giảm sức lao ñộng của công nhân Với thực tế như vậy thì nhu cầu về vật liệu ngày càng lớn dẫn ñến việc giá thép hợp kim ngày càng tăng cao do khan hiếm vật liệu Do vậy, việc ứng dụng các công nghệ tạo ra vật liệu mới ñể giảm tiêu hao vật liệu ñắt tiền là hết sức cấp thiết và có tính hiệu quả kinh tế và kỹ thuật

Việc ứng dụng công nghệ hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal ñể chế tạo dao xén giấy xét còn tạo ñiều kiện thuận lợi cho việc gia công cơ các bề mặt ñịnh vị ñược dễ dàng vì tại các vị trí cần gia công này nằm trên miền thép CT3 có ñộ cứng không cao

Ngoài ra, dao xén giấy thường dùng có hệ số sử dụng vật liệu thấp, vì khi dao bị mòn phần lưỡi cắt chỉ chiếm khoảng 10 %, khối lượng còn lại 90 % kim loại phần cốt bằng thép hợp kim ñắt tiền trở thành phế liệu vì hết hạn ñộ

Sử dụng vật liệu bimetal thép CT3 - thép CD 100 như ñề tài ñề xuất có thể cho phép tiết kiệm tới 70 ÷ 85 % thép hợp kim làm dụng cụ cắt rất ñắt tiền hiện nay ñể chế tạo Vì vậy, ñề tài nghiên cứu vật liệu chế tạo dao xén giấy bằng công nghệ hàn nổ là cần thiết và có tính ứng dụng thực tiễn cao

2 Mục ñích của ñề tài

ðề tài “ Nghiên cứu vật liệu chế tạo dao xén giấy bằng công nghệ hàn nổ” nhằm tìm ra một chế ñộ hàn nổ thích hợp ñể tạo ñược phôi vật liệu bimetal

thép CT3 – CD 100 có ñộ bền dính kết giữa hai tấm vật liệu kim loại hàn cao

và có ñầy ñủ các tính chất cơ lý ñảm bảo, ñủ ñiều kiện ñể chế tạo dao xén giấy trong ñiều kiện tại Việt Nam, giải quyết vấn ñề tiết kiệm vật liệu có giá thành cao, cải thiện ñược tính công nghệ trong gia công cơ khí và ñáp ứng kịp thời nhu cầu thay thế trong nước, tăng tính chủ ñộng trong sản xuất

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Thí nghiệm kiểm tra ñộ bền bám dính hai lớp vật liệu bimetal thép thép CT3 – CD 100 và kiểm tra cơ tính vật liệu sau hàn nổ

- Nghiên cứu khảo sát cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết 2 lớp thép CT3 – CD 100 trong mẫu vật liệu bimetal sau hàn nổ và biến dạng dẻo ở một

số chế ñộ hàn và xác ñịnh các thông số hợp lý của quá trình hàn nổ tạo cho tạo phôi bimetal vật liệu dùng chế tạo dao xén giấy

4 Cấu trúc luận văn

Trong luận văn này tác giả xin ñược trình bày những nội dung sau :

Chương 1: Tổng quan về dao xén giấy và vật liệu bimetal hàn nổ Chương 2: Vật liệu, thiết bị và phương pháp thí nghiệm

Chương 3: Ảnh hưởng của chế ñộ hàn nổ ñến tính chất vật liệu bimetal thép CT3 – thép CD 100

Chương 4: Ảnh hưởng của biến dạng dẻo tới tính chất vật liệu bimetal thép thép CT3 – thép CD 100

Kết luận

Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Sơ lược về dao xén giấy trong công nghiệp

Nước ta là một nước có diện tích rừng lớn, có nhiều tiềm năng phát triển kinh tế rừng, trong ñó có lĩnh vực trồng và chế biến nguyên liệu giấy Trên thực tế hiện nay, nước ta có nền công nghiệp sản xuất giấy phát triển và ñã

có nhiều công ty hoạt ñộng, kinh doanh sản xuất tốt trong lĩnh vực này, ñể chế thành sản phẩm giấy và ña dạng hóa chúng nhằm phục vụ nhu cầu tiêu dùng thiết yếu trên thị trường và hiện nay người ta sử dụng các loại máy xén giấy có lưỡi xén với các kích cỡ khác nhau tùy thuộc vào từng ñơn vị sử dụng Qua khảo sát tại một số cơ sở thì phần lớn các loại dao xén giấy hiện nay trên thị trường ñều có xuất xứ nhập khẩu từ nước ngoài ñược chế tạo từ vật liệu một loại thép hợp kim cho toàn bộ dao hoặc vật liệu tổ hợp hai lớp thép các bon + thép dụng cụ cắt nhưng số lượng chủng loại này còn ít trên thị trường

qua sử dụng một thời gian không dài dễ bị mòn nhanh, hư hỏng dẫn ñến chúng ta phải mài lại nhiều lần từ ñó tuổi thọ của dao rất thấp Như vây, với sản lượng giấy ñược sản xuất thành sản phẩm tiêu dùng ở nước ta cũng như xuất khẩu ra ngoài nước, hàng năm các công ty có liên quan cần phải nhập ñể cung ứng nhu cầu thay thế với số lượng rất lớn dao xén giấy Ứng dụng công nghệ hàn nổ ñể chế tạo dao xén giấy vấn ñề ñặt ra là chọn vật liệu phù hợp với chức năng và ñiều kiện làm việc ñã nêu trên, giới hạn ñược chế

ñộ hàn ñể nhận ñược mối hàn tốt, tạo ra vật liệu bimetal sau hàn nổ có ñầy ñủ các tính chất tương ñương, không thua kém dao nhập khẩu hiện nay ñang sử dụng trên thị trường

1.2 Tổng quan về vật liệu bimetal hàn nổ

Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp chế tạo máy dẫn tới các nhu cầu to lớn về các loại vật liệu, song song nhu cầu ñó là cần phải phát triển mạnh mẽ ở lĩnh vực khoa học công nghệ vật liệu nhằm tạo ra các loại vật liệu mới có ñầy ñủ các yêu cầu về cơ lý tính cần thiết nhằm chế tạo thay thế các thành phẩm nhập khẩu, chủ ñộng trong sản xuất Hiện nay, ðảng và Nhà nước ta ñang chủ trương ñẩy mạnh thực hiện các chương trình nghiên cứu và phát triển khoa học công nghệ vật liệu mới, trong ñó có công nghệ chế tạo phôi với các loại vật liệu có tính năng ñặc biệt ứng dụng vào sản xuất mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao Những vật liệu mới trong ñó có vật liệu kim loại hai lớp (bimetal) có thể ñược chế tạo bằng nhiều phương pháp, tuy nhiên sử dụng phương pháp nào và công nghệ nào là phù hợp ñáp ứng ñược yêu cầu ñặt ra là ñiều cần nghiên cứu thực hiện

Hiện nay, tại các nước công nghiệp phát triển trên thế giới, công nghệ ñúc và cán tạo phôi bimetal ñược sử dụng khá phổ biến, họ ñã có ñầu tư những thiết bị máy cán luyện kim công suất lớn, ñảm bảo ñáp ứng ñược ñiều

kiện hình thành liên kết kim loại làm dính 2 lớp vật liệu khác nhau với nhau

ñủ ñộ bền theo yêu cầu làm việc của chi tiết máy ðối với các nước có nền công nghiệp luyện kim yếu hơn và không có ñầu tư các máy cán luyện kim với công suất lớn, người ta thiên theo xu hướng nghiên cứu tìm kiếm và ứng dụng các công nghệ chế tạo vật liệu bimetal không truyền thống khác, ví dụ như: hàn nổ (tạo liên kết 2 lớp kim loại bằng năng lượng nổ); Luyện kim bột (tạo liên kết 2 lớp kim loại bằng thiêu kết ở nhiệt ñộ cao và môi trường thiêu kết thích hợp ñối với kim loại và hợp kim phủ trên kim loại nền), Hàn ñắp

Hình 1.2 Mô phỏng phôi vật liệu hai lớp kim loại (bimetal)

ðể giảm giá thành sản xuất, nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường nhưng vẫn ñảm bảo ñược ñộ tin cậy và ñộ bền, ñáp ứng ñược chức năng làm việc của các chi tiết, cần phải ứng dụng nhiều chi tiết máy bằng vật liệu hợp kim nhiều lớp, vì chúng cho chúng ta ñược những tính chất có lợi ñảm bảo nhận ñược ñộ bền tương ứng với vật liệu khác, tính chống mài mòn và ñộ dẻo dai phù hợp có thể thay thế ñược các vật liệu một loại hợp kim có giá thành cao

Ở hầu hết các nước công nghiệp phát triển trên thế giới người ta ñã thực hiện hàng loạt các nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới ñưa vào sản xuất vật liệu tấm hoặc băng hợp kim nhiều lớp (bimetal, trimetal) dùng

ñể chế tạo các chi tiết trong ngành chế tạo máy có tính chịu mòn, chịu nhiệt, chống ma sát, làm vật liệu kỹ thuật ñiện và ñồ dùng dân dụng bằng các phương pháp khác nhau Một trong những công nghệ tiên tiến mới ñược tập trung nghiên cứu và ứng dụng khá rộng rãi trên thế giới là công nghệ hàn nổ Ưu ñiểm của công nghệ hàn nổ là nó có thể hàn ñược các tấm vật liệu có diện tích lớn, ñặc biệt là hàn ñược các loại vật liệu khó liên kết với nhau mà không thể sử dụng công nghệ truyền thống khác hoặc rất khó tạo ra liên kết kim loại giữa hai vật liệu khác xa nhau về cơ lý tính, ví dụ như : thép + chì, thép + bạc, thép + titan, phương pháp hàn nổ có năng suất cao và ñảm bảo chất lượng liên kết hai lớp kim loại Hàn bằng năng lượng

nổ là một công nghệ mới rất tiên tiến, khi sử dụng nó cho phép nhận ñược các tấm và băng vật liệu hợp kim nhiều lớp, các chi tiết hình trụ, các chi tiết kết nối có hình thù yêu cầu nhất ñịnh Hàn nổ còn ñược sử dụng ñể tạo

vỏ bọc các chi tiết máy và kết cấu, tạo lớp phủ trên bề mặt kim loại khác nhau

Tuy nhiên, nhược ñiểm của công nghệ này là phải làm việc trực tiếp với chất nổ, do ñó cần phải có ñào tạo chuyên môn nghiệp vụ nổ cho công nhân vận hành quá trình nổ trong dây chuyền sản xuất vật liệu tổ hợp nhiều lớp có sử dụng năng lượng nổ [5, 8]

Với sự phát triển của công nghệ chế tạo máy hiện ñại, ngày càng ñược ứng dụng nhiều tổ hợp vật liệu ñặc biệt, vật liệu hợp kim hai lớp Những vật liệu mới này ñều có thể ñược chế tạo bằng công nghệ hàn nổ và hiện nay, năng lượng nổ ñã ñược sử dụng trong sản xuất các loại vật liệu hợp kim nhiều lớp, trong ñó có vật liệu tổ hợp hai lớp (bimetal) Công nghệ

hàn nổ ñã ñược nghiên cứu và thực hiện trên thế giới cho phép chúng ta có thể ứng dụng nó ñể sản xuất vật liệu tổ hợp hai lớp (bimetal) chế tạo các chi tiết máy trong các thiết bị công nghiệp ở nước ta

1.2.1 Nguyên lý hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal

Hàn nổ là quá trình nhận ñược liên kết kim loại và hợp kim dưới tác ñộng của năng lượng sinh ra khi kích nổ các chất nổ Xét theo kiểu năng lượng ñưa vào, có liên quan ñến nhóm quá trình cơ học liên kết các kim loại Khi ñó năng lượng hóa học chuyển hóa của lượng thuốc nổ ở dạng sản phẩm khí nổ ñược chuyển thành năng lượng cơ, làm cho một phần của vùng hàn trong các tấm kim loại dịch chuyển với vận tốc rất lớn ðộng năng va ñập của phần chuyển ñộng với bề mặt của phần cố ñịnh, ñược dùng làm công biến dạng mềm hỗn hợp của các lớp tiếp xúc của các kim loại (2 kim loại cần hàn), dẫn ñến việc hình thành liên kết hàn hay mối hàn

Công biến dạng mềm chuyển thành nhiệt, nhiệt này do hậu quả tính ñoạn nhiệt của quá trình, do vận tốc lớn có thể ñốt nóng kim loại ở vùng liên kết cho ñến khi ñạt nhiệt ñộ khá cao (cho ñến khi tạo những vùng nóng chảy cục bộ)[32]

Sơ ñồ hàn nổ tạo phôi bimetal ñược thể hiện trên hình 1.1 Tấm kim loại cố ñịnh (4) và tấm kim loại hàn (3) ñược ñặt dưới một góc nghiêng (α)

ở khoảng cách cố ñịnh (hO) Trên tấm kim loại hàn (3) là lớp thuốc nổ (2) Bên trên là kíp nổ (1) Tất cả phôi ñược ñặt trên ñế 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 ñộ (D) ñạt 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 ñạt ñược tốc ñộ (vO) khoảng vài trăm mét trong một giây và va ñập vào với tấm kim loại cố ñịnh

dưới một góc xác ñịnh γ = β + α (γ - góc va ñập; β - góc uốn ñộng; α - góc nghiêng ban ñầu)

Hình 1.3 Sơ ñồ hàn nổ nghiêng (a), song song (c) và tại một thời ñiểm nổ (b và d)

theo [6] 1 – Kíp nổ ñiện, 2 – Thuốc nổ, 3 – Tấm kim loại hàn,

4 – Ch ốt nhọn, 5 – Tấm kim loại nền 6 - ðế nổ

Với trường hợp hàn nổ nghiêng với sự phân bố ñối xứng các tấm kim loại hàn có chiều dày bằng nhau, trên chúng ñặt các thuốc nổ cũng giống nhau, các tấm kim loại hàn nhận ñược tốc ñộ va ñập bằng nhau Tuy nhiên, sơ

ñồ này khó thực hiện trên thực tế do không thể áp dụng ñược ñối với các tấm kim loại hàn có kích thước lớn, vì trong quá trình nổ không thể tăng góc nghiêng ở phần cuối tấm hàn vô hạn ñược cho nên người ta ñã ñề xuất sơ ñồ hàn nổ song song, dễ thực hiện và chấp nhận ñược ñối với các tấm kim loại hàn có kích thước lớn

V k

Kết quả của quá trình kích nổ các chất nổ tạo ra áp suất và nhiệt ñộ rất cao, trong vùng tiếp xúc hai tấm kim loại, tạo ra tia kim loại cục bộ là ñiều kiện cho chúng liên kết kim loại với nhau Tốc ñộ cao và áp suất cao ở vùng tiếp xúc xảy ra sự ñánh 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 ñó thường có dạng sóng ñặc trưng của hàn nổ (hình 1.2) [32]

Hình 1.4 Hình dạng liên kết kim loại giữa hai lớp hàn nổ [32]

Thông báo ñầu tiên về hàn nổ hai ñĩa mỏng hợp kim ñồng latông với nhau do nhà nghiên cứu Karl [28] công bố năm 1944 Trong năm 1944 ÷1946 hiệu ứng liên kết kim loại ñược nhóm các nhà nghiên cứu dưới sự lãnh ñạo của M A Lavrentiev và các cộng sự quan sát thấy khi thí nghiệm với tia kim loại cục bộ [18] Tuy nhiên, các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tế của hiện tượng này chỉ bắt ñầu sau năm 1961 tại Viện Thuỷ khí ñộng học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô khi thực nghiệm một trong các sơ ñồ làm biến cứng hai tấm kim loại bằng năng lượng nổ [8] Giả thiết cho rằng: cơ

sở của quá trình hàn nổ là sự hình thành tia kim loại cục bộ, xuất hiện trong

các ñiều kiện va ñập với tốc ñộ cao giữa hai tấm kim loại nằm nghiêng một góc hoặc song song với nhau Khi kích nổ thuốc nổ, theo nó di chuyển mặt phân cách nổ với tốc ñộ lên ñến hàng nghìn mét trong một giây [27] Tốc

ñộ va ñập của tấm kim loại trên với tấm kim loại dưới ñạt ñến 1.500 m/s Tại ñiểm va ñập các hạt kim loại chuyển ñộng với tốc ñộ cao trong khe hở giữa hai tấm kim loại hàn và tạo ra bề mặt liên kết dạng sóng âm [8, 11] Tia kim loại cục bộ làm sạch lớp màng ôxit trên các bề mặt tiếp xúc hai tấm kim loại Dưới tác ñộng của áp suất và nhiệt ñộ rất cao, hai tấm kim loại ñi vào tiếp xúc trực tiếp một cách chặt chẽ và nhờ ñó tạo ra liên kết kim loại trên toàn bộ diện tích các bề mặt tiếp xúc Trong công trình [29]

ñã ñược ñề xuất các ñiều kiện hình thành tia kim loại cục bộ như sau:

1) Trong mọi trường hợp, không phụ thuộc vào tốc ñộ di chuyển của ñiểm va ñập, áp suất ñược tạo ra trực tiếp trước ñiểm va ñập cần phải ñủ lớn ñể thắng giới hạn ñàn hồi ñộng của vật liệu và ñảm bảo nén ép các bề mặt kim loại hàn vào tia kim loại cục bộ;

2) Nếu tốc ñộ di chuyển của ñiểm va ñập (Vk) nhỏ hơn tốc ñộ truyền âm thanh C0 trong vật liệu kim loại hàn thì về mặt lý thuyết tia kim loại cục bộ

có thể ñược hình thành ở mọi góc nghiêng α giữa hai tấm kim loại hàn Tuy nhiên, trên thực tế mức áp suất cần thiết ñược cho bởi một góc nghiêng tối thiểu nào ñó

3) Nếu ñiểm va ñập di chuyển với tốc ñộ lớn hơn tốc ñộ sóng âm trong vật liệu kim loại hàn thì tia kim loại cục bộ có thể ñược hình thành chỉ ở góc nghiêng lớn hơn một góc tới hạn nào ñó

Một trong những thông số công nghệ hàn nổ chính xác ñịnh chất lượng liên kết hai lớp kim loại là giữ ñược ñộ ổn ñịnh của khe hở ban ñầu giữa chúng Hiện ñã có rất nhiều sáng chế giải quyết vấn ñề này bằng nhiều cách khác

nhau [21÷24] ví dụ như: dùng bi cầu, chốt nhọn, tấm cách từ băng gấp chữ

V, dây kim loại quấn thành hình lò xo hoặc các mảnh cắt từ tấm kim loại hàn (tấm trên) có chiều dày khoảng 1 ÷ 3 mm [30]

Sóng nổ lan truyền với vận tốc D phụ thuộc vào việc chọn thuốc nổ, tính chất, khối lượng, trạng thái…, sẽ trong khoảng 2000-8000 m/s Ở mặt sau tạo thành những sản phẩm nổ dạng khí trong khoảng thời gian rất ngắn theo quán tính chúng sẽ bảo toàn thể tích trước kia của thuốc nổ nằm trên ñó dưới áp suất hàng nghìn át mốt phe, sau ñó với vận tốc 0,5- 0,7D chúng sẽ mở rộng ra theo hướng vuông góc với những mặt phẳng tự do của khối thuốc nổ Việc này tạo

ra vùng kim loại ở dưới xung lượng nào ñó, xung lượng này sẽ cuốn lần lượt từng khoảng thể tích kim loại thứ nhất vào sự chuyển ñộng hướng tới bề mặt của tấm kim loại cố ñịnh và va ñập với nó với vận tốc VP (vận tốc va ñập)

Hình 1.5 Hình ảnh liên kết hai lớp kim loại tại một thời ñiểm hàn nổ [31]

Trong quá trình này, tấm kim loại hàn sẽ bị bẻ cong Phần nghiêng của nó chuyển ñộng với vận tốc Vk - (vận tốc tiếp ñiểm), chuyển ñộng ngay sau mặt

phân cách nổ của sóng dẫn nổ, còn phần phía trước nữa của sóng dẫn nổ chưa kịp nổ thì dưới quán tính sẽ tiếp tục chiếm trạng thái của trạng thái ban ñầu [31] Khi hàn nổ có hiện tượng không hàn tại vùng ñặt kíp kích nổ, vấn ñề là làm sao tại ñây phải hạn chế tối ña ñược hiện tượng không có liên kết hàn giữa hai tấm kim loại Có ñề xuất tại ñiểm kích nổ ñặt một tấm kim loại hình tam giác hoặc hình thoi giữa hai tấm kim loại hàn [25], nhưng bằng cách này rất khó ñịnh vị ñược tấm lót ñó Việc loại trừ vùng không hàn tại ñiểm kích nổ ñược thực hiện bằng cách kích nổ một phần thuốc nổ phụ trợ [26] từ loại thuốc nổ tốc ñộ cao Khi ñó, thuốc nổ có tốc ñộ nổ lớn hơn nằm

ở bên ngoài thuốc nổ sử dụng cho hàn nổ trên bề mặt cơ bản của tấm kim loại trên Tuy vậy, ñến nay vẫn chưa có phương án nào ñể loại bỏ hoàn toàn vùng không hàn tại ñiểm kích nổ một cách hoàn hảo Ngoài ra, ñể bảo

vệ bề mặt tấm kim loại hàn khỏi tác ñộng trực tiếp của thuốc nổ phân huỷ khi nổ ta sử dụng một lớp vật liệu trung tính như polietilen, cao su mỏng làm lớp cách giữa thuốc nổ và tấm kim loại trên ðể giảm thiểu hiện tượng không hàn theo chu vi tấm bimetal, người ta sử dụng phương án nổ “treo” của thuốc nổ [9]

Có rất nhiều các ñề xuất trong giải quyết các bài toán công nghệ hàn nổ ñể nhận ñược các liên kết kim loại các vật liệu khác nhau có chất lượng cao Tuy nhiên, việc giải bài toán tối ưu công nghệ hàn nổ ñối với từng cặp vật liệu hàn cụ thể mang tính chất cá biệt

Sự va ñập với vận tốc lớn của kim loại hàn và kim loại cố ñịnh phát triển ra trong phạm vi của ñỉnh chuyển ñộng với góc γ, các mặt phẳng kim loại gặp nhau với áp lực lớn Sự nén của nổ khắp các hướng tạo thuận lợi cho

xu hướng mềm hóa ở khu vực tiếp xúc theo hướng hàn nhờ có sự hiện diện của mặt phẳng tự do phía trước góc γ và thành phần vận tốc VP, ñiều này bắt buộc những lớp bề mặt của cả 2 kim loại ñồng thời biến dạng theo cùng hướng vận tốc Vk Kết quả dẫn ñến sự kết dính hai bề mặt các kim loại và nhận ñược mối hàn Cũng dưới cơ chế này thì các màng oxi hóa và những tạp chất bẩn trên bề mặt kim loại cũng bị ñập vỡ, phân tán và rơi ra khỏi ñỉnh góc

γ dưới sự tác ñộng của hiệu ứng dồn (hiệu ứng chồng chất)

Các tấm kim loại hàn khi thực hiện theo một trong các sơ ñồ nổ nói trên

có ñi kèm lượng biến dạng dẻo rất lớn, làm xuất hiện sự nung nóng ñẳng nhiệt cục bộ các bề mặt tiếp xúc khi hàn nổ, kết quả quá trình ñó là hình thành ñược liên kết kim loại [1] Khi ñó, ñể nhận ñược liên kết bền vững, cần thiết phải ñảm bảo sao cho thời gian tác dụng trong mối hàn áp lực dương lớn hơn thời gian kết tinh lại của hỗn hợp các kim loại hàn và kim loại nền nóng chảy [6] Mối hàn nổ kim loại thường có biên dạng sóng, thỉnh thoảng có các tạp chất kim loại nóng chảy và kết tinh phân bố trên ñỉnh sóng Các phía của ñỉnh và chân sóng liên kết theo hướng lan truyền sóng va ñập, hình thành bởi tia kim loại cục bộ, ñược hấp thụ bởi vật liệu tấm kim loại hàn (tấm trên), còn ở phía sau sóng va ñập là vật liệu tấm kim loại nền (tấm dưới) Toàn bộ khối lượng kim loại bị ñẩy ra khi hàn nổ bị cuốn vào tia kim loại cục bộ, vì phần lớn của

nó cuốn vào các vòng xoáy từ phía sau ñỉnh sóng liên kết, nơi có hỗn hợp cơ học của các hạt rất mịn từ bề mặt hai tấm kim loại hàn

Thông thường sự nóng chảy nhờ chuyển biến ñộng năng của tia kim loại cục bộ thành nhiệt năng các vùng có kim loại nóng chảy tại ñiểm va ñập khi hàn nổ ñược làm nguội nhanh bởi sự tản nhiệt của nó, ñiều này dẫn ñến sự hình thành các vùng kết tinh trên ñỉnh sóng liên kết Nếu như các ñoạn kết tinh ñó không lớn và phân bố cách biệt so với nhau thì chúng ít gây ảnh hưởng tới chất lượng liên kết kim loại hai lớp bimetal Nếu khi hàn nổ có tia kim loại cục bộ có cường ñộ cực cao thì toàn bộ bề mặt liên kết hai lớp kim loại bimetal bị phủ bởi một lớp vật liệu nóng chảy Trên hình 1.5 cho thấy các phía của ñỉnh và chân sóng liên kết theo hướng lan truyền sóng va ñập, hình thành bởi tia kim loại cục bộ, ñược hấp thụ bởi vật liệu tấm kim loại hàn (tấm trên), còn ở phía sau sóng va ñập là vật liệu tấm kim loại nền (tấm dưới) Toàn bộ khối lượng kim loại bị ñẩy ra khi hàn nổ bị cuốn vào tia kim loại cục

bộ, vì phần lớn của nó cuốn vào các vòng xoáy từ phía sau ñỉnh sóng liên kết, nơi có hỗn hợp cơ học của các hạt rất mịn từ bề mặt hai tấm kim loại hàn

S S

S

S

S

V/sin β V/tg β

Dựa trên cơ sở hàng loạt các nghiên cứu hàn nổ, trong công trình [15] ñưa ra kết luận rằng: ñể hình thành ñược sóng liên kết cần phải có sự kích hoạt ñủ mạnh ban ñầu khi hàn nổ và việc tạo thành sóng liên kết không phải là sự xuất hiện của trạng thái không bền vững nào ñó, mà xẩy ra do quá trình tự dao ñộng cùng với kích hoạt cứng sóng kiên kết và tại vùng lân cận xung quanh ñiểm va ñập là ảnh ñồ của nó

Bằng thực nghiệm, người ta ñã chứng minh rằng: ñiểm bắt ñầu kích hoạt sóng liên kết là sóng phản xung va ñập theo bề mặt tự do của tấm kim loại hàn và ñuổi theo sau ñiểm tiếp xúc va ñập khi hàn nổ Việc làm sạch bề mặt tiếp xúc hai tấm kim loại hàn nổ ñược gắn kết với hiện tượng dòng khối lượng kim loại trước ñiểm tiếp xúc va ñập, có thể ñược quan sát thấy ở dạng dòng chảy ngược khi hàn nổ với góc va ñập lớn, cũng như ở dạng ñám mây của các hạt mịn kim loại khi góc va ñập nhỏ [6] Trong công trình [13] bằng thực nghiệm ñã nhận ñược quan hệ giữa bước sóng (λ) và các thông số va ñập trong trường hợp tấm kim loại hàn có chiều dày nhỏ hơn nhiều so với chiều dày tấm kim loại nền:

λ = 26.δ1 [sin (γ / 2)]2 (1.1) trong ñó: δ1 – chiều dày tấm kim loại hàn (tấm trên)

Mối tương quan này cũng ñược các nhà nghiên cứu Gordopolov Yu A

và Dremin A N [33] Trên cơ sở lý thuyết sóng mao dẫn trên biên giới phân cách hai lớp chất lỏng có chiều sâu vô hạn, các nhà nghiên cứu trên ñẫ ñề xuất

sự phụ thuộc của bước sóng vào tốc ñộ nhóm tương tự như biểu thức (1.1):

λ / δ1 = A [sin (r / 2)]2 (1.2)

và ñưa ra kết luận về ảnh hưởng có thể của sức căng bề mặt kim loại ở trạng thái không bình thường các lớp bề mặt của chúng trong ñiều kiện va ñập tốc

ñộ cao ñến quá trình hình thành liên kết dạng sóng Bước sóng có thể thay ñổi tuỳ thuộc vào ñường ñi qua ñiểm tiếp xúc va ñập, tốc ñộ nổ của thuốc nổ sử dụng và khe hở ban ñầu giữa hai tấm kim loại hàn [16, 17] Các thông số sóng liên kết hai lớp kim loại có thể thay ñổi ñáng kể tuỳ thuộc vào cấu hình tế vi của các bề mặt hàn với nhau khi hàn nổ: bề mặt gia công thô sẽ tạo ra hình thành sóng liên kết trong vùng mối hàn rất ñáng kể, còn gia công bề mặt tinh dẫn ñến giảm các thông số sóng liên kết và giảm số lượng các chất nóng chảy trong mối hàn nổ [18] Nguyên nhân của các hiện tượng này chưa ñược nghiên cứu kỹ, nhưng ñã có ñề xuất quan hệ sau ñây trong hệ các thông số không thứ nguyên [19]:

λ / δ1 = A.lg (RZ / c + B lg (RZ / δC) + C (1.3) trong ñó: A, B, C – các hệ số thực nghiệm;

RZ - ðộ nhấp nhô bề mặt các tấm kim loại hàn, µm;

δC – Chiều dày dòng tia kim loại cục bộ

Các nhà nghiên cứu theo hướng vật lý kim loại học cho rằng: sự dịch chuyển tương ñối giữa hai tấm kim loại hàn là ñóng vai trò nhất ñịnh trong việc làm sạch các bề mặt tiếp xúc và hình thành liên kết kim loại giữa chúng khi hàn

nổ V C Señưkh [14] cho rằng: trị số của dịch chuyển tối ña trên biên giới phân cách các tấm kim loại hàn cần phải lớn hơn giá trị tới hạn nào ñó ñể năng lượng chi phí cho biến dạng dẻo ñảm bảo ñược tương tác của các kim loại ở trạng thái pha rắn với mức ñộ cần thiết cho liên kết cân bằng ðồng thời, giá trị lớn nhất của dịch chuyển ñó cần phải nhỏ hơn một giá trị tới hạn nào ñó mà tại ñó sự gia tăng biên ñộ sóng liên kết và mức ñộ không ổn ñịnh của biến dạng dẻo theo toàn bộ chiều dài các tấm kim loại hàn dẫn ñến hiện tượng rối hoặc nóng chảy của kim loại trên các ñỉnh sóng liên kết Tiên ñề

này của V C Señưkh cho phép ñánh giá ảnh hưởng của các thông số năng lượng, nhưng không chỉ ra ñược bức tranh ñầy ñủ về cơ chế hình thành sóng liên kết và không giải thích ñược ñặc tính hình thành các tạp chất dạng liên kim loại nóng chảy trong vùng mối hàn nổ hai tấm kim loại

1.2.2 Các thông số chủ yếu của công nghệ hàn nổ

Phân biệt các thông số chủ yếu ñặc trưng cho quá trình hàn nổ kim loại sau ñây [1, 11]: ñộng học, vật lý, công nghệ và năng lượng

+ Nhóm các thông số ñộng học

- Tốc ñộ bay của tấm kim loại hàn khi va ñập vào tấm kim loại nền (vP)

- Tốc ñộ ñiểm tiếp xúc giữa hai tấm kim loại (vk)

- Tốc ñộ nổ (D) - ñặc trưng bởi mỗi loại thuốc nổ

- Thông số không ñơn vị (r) – tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nổ và khối lượng tấm kim loại hàn

- Khe hở hàn (h0) – khoảng cách ban ñầu giữa các tấm kim loại hàn

- ðộ nhám bề mặt tiếp xúc khi hàn (RZ)

- Nhiệt ñộ các tấm kim loại hàn (T , T )

- Kích thước và ñặc tính của các kim loại hàn (ñộ bền, ñộ cứng, ñộ dai…)

+ Nhóm các thông số năng lượng

- ðộng năng riêng của tấm kim loại hàn (W1)

- ðộng năng riêng của tấm kim loại nền (W2)

Người ta thường xác ñịnh mối tương quan giữa các thông số công nghệ với thống số ñộng học - γ, vP, vK ðiều kiện ban ñầu ñể tính toán các thông số hàn nổ chủ yếu là quan ñiểm mô hình về sự va ñập của hai dòng chất lỏng không nén ñược, ở ñó tạo thành dòng phản chiều dạng tia cục bộ Tính chất ñàn hồi của chất lỏng (mô ñun ñàn hồi của nó bằng không) ñược xác ñịnh chỉ bởi ñộ nén của nó hoặc mô ñun nén theo mọi hướng Nhưng nếu vật thể cứng chịu ứng suất lớn theo sơ ñồ khác với sơ ñồ nén toàn phần thì nó thay ñổi tính chất và trở nên chảy dẻo, về mặt này vật thể cứng ñược coi như chất lỏng Trạng thái chảy dẻo của vật thể cứng ñặc trưng bởi không phải ở chỗ hoàn toàn không có ứng suất tiếp, mà là bởi một giá trị xác ñịnh nhỏ tuỳ ý, nếu vượt qua giá trị ñó ứng suất không tăng mặc dù biến dạng trượt tăng, tức là sau một giá trị nhất ñịnh của biến dạng và ứng suất vật thể cứng dùng chống trả lại biến dạng trượt, và vì thế nó ñược coi như một chất lỏng [11]

βγα

Khi nổ các tấm kim loại ñược ñặt dưới một góc (α) với nhau (hình 1.6) Nếu như mặt phân cách sóng nổ trong một khoảng thời gian (t) di chuyển từ ñiểm B vào ñiểm B′ thì ñiểm va ñập (hay còn gọi là ñiểm tiếp xúc) các tấm kim loại hàn C di chuyển ñến ñiểm C′ ðể hình thành ñược liên kết kim loại phải ñảm bảo ñiều kiện sau:

trong ñó: CO – tốc ñộ sóng âm trong vật liệu các kim loại hàn

Ngoài ra, cần phải làm sạch các bề mặt tiếp xúc hai tấm kim loại hàn ñể tạo

ra tia kim loại cục bộ [8, 11] Không phụ thuộc vào vị trí ban ñầu giữa hai tấm kim loại hàn, vẫn có thể tạo ra liên kết kim loại dưới một góc nhất ñịnh (γ) ðối với sơ ñồ nổ nghiêng góc nghiêng ñó ñược xác ñịnh theo công thức sau:

Còn theo sơ ñồ nổ song song: γ = β (1.6) ðối với sơ ñồ nổ nghiêng, tốc ñộ di chuyển của ñiểm tiếp xúc ñược xác ñịnh theo công thức:

vK = D sin (γ − α) / sin γ = D sinβ / sin γ (1.7) ðiều này có liên quan tới việc ñể xác ñịnh tốc ñộ dịch chuyển của ñiểm tiếp xúc khi va ñập (vK) cần chú ý ñến tấm kim loại hàn trên thực tế trong quá trình hàn nổ ñã không còn là một tấm phẳng nữa, còn ñường tiếp xúc là một ñường cong lồi [13] Nếu ta khảo sát bức tranh va ñập hai chiều, có thể giả thiết cho rằng tốc ñộ của ñiểm tiếp xúc vK = CC′; vP = BC′

Góc va ñập (γ) là thông số ñộng học thứ hai ðể xác ñịnh góc va ñập (γ) cần xác ñịnh ñược tốc ñộ hàn ñịnh hướng theo ñường phân giác của góc ∠CBB′ Trên hình 1.9 thấy rõ: BB′ = B′C′ = D, từ ñó:

D = vP cos (γ − α) / sin(γ − α) (1.8)

γ = α + β = α + 2 arcsin [vP / (2D)] (1.9) Khi α = 0 và β = γ thì: γ = 2 arcsin [vP / (2D)] (1.10) Tốc ñộ hàn chủ yếu ñược xác ñịnh theo công thức cho trong công trình [21],

nó nhận ñược khi giải bài toán khí ñộng học một chiều sử dụng mô hình hàn

nổ của Garny ñối với trường hợp nổ tức thời và hệ số phân hủy chất nổ

K = 3:

(32 / 27)r 11

1 -r27 / 321D

vP

++

+

ðối với thuốc nổ hỗn hợp người ta ñưa vào công thức (1.11) hệ số ñiều chỉnh bằng 1,2, khi ñó nhận ñược sự trùng khớp tốt của các số liệu thực nghiệm và tính toán tốc ñộ hàn với ñộ chính xác dưới 20 %

vP

(32 / 27)r 11

1 -r27 / 3211,2D

++

+

ðối với tính toán tốc ñộ hàn trên thực tế, tác giả công trình [10] ñã ñề xuất sử dụng một số mối quan hệ nhận ñược khi dùng mô hình của Garni và các ñịnh luật bảo toàn ñộng năng và bảo toàn năng lượng:

1 -k

3D2

++

Các biểu thức (1.13) và (1.14) khá giống nhau và một trong hai biểu thức trên

có thể ñược sử dụng trong từng trường hợp cụ thể ðối với các chế ñộ hàn nổ thực tế trên các tấm thép có chiều dày 5 mm ñã có các kết quả tính toán tốc ñộ

hàn cần thiết khi không kể ñến khe hở hàn và có so sánh với tốc ñộ hàn tối ña theo biểu thức (1.13), (1.14): với D = 2.000 ÷ 2.400 m/s, r = 0,8 ÷ 3,0, hO = 1÷20 mm, thì tốc ñộ hàn cần nằm trong pham vi vP = 427 ÷1.140 m/s Khi hàn nổ với D =3.500 ÷ 4.500 m/s, r = 1, hO = 1 ÷ 20 mm, thì tốc ñộ hàn cần nằm trong pham vi vP = 712 ÷1.038 m/s (hệ số nở khí K = 2,2 khi D dưới 3.500 m/s; K = 2,5 khi D = 4.000 m/s) [19] ðối với hỗn hợp thuốc nổ 6ЖB

và NH4NO3 có tỷ lệ 1 : 1 có ñề xuất nên dùng công thức xác ñịnh góc va ñập khi hàn hai chiều như sau [13]:

β = 0,99r (r + 2,71 + 0,184 / hO) (1.15)

Ta nhận ñược sự phụ thuộc của tốc ñộ hàn (vP) vào tốc ñộ nổ (D), thông số không thứ nguyên (r) và khe hở ban ñầu (hO) trong trường hợp các tấm kim loại hàn ñược ñặt song song với nhau:

vP = 2D.sin [0,49.r / (r + 2,71 + 0,184/ h)] (1.16) Phân tích các số liệu trong công trình [10] cho phép rút ra kết luận sau:

- Công thức (1.13) và (1.14) gần giống nhau và chúng ñều ñược sử dụng trong tính toán thực tế các thông số hàn nổ các kim loại cụ thể;

- Công thức (1.12) và (1.16) cũng gần giống nhau, nhưng công thức (1.16) nhận ñược ñối với trường hợp cụ thể của hỗn hợp thuốc nổ 6ЖB và NH4NO3

có tỷ lệ 1 : 1, còn công thức (1.13) nhận ñược khi tính toán lý thuyết theo mô hình hàn nổ Garny và có hệ số ñiều chỉnh thực nghiệm;

- Giá trị của tốc ñộ hàn tính theo công thức (1.13) và (1.14) thường cao hơn

so với tính theo công thức (1.12) và (1.16) vào khoảng 150 ÷ 250 m/s khi hệ

số giãn nở khí K = 2,2 và K = 2,5, hệ số không ñơn vị r = 0,8 ÷ 3,0 và khe hở ban ñầu giữa 2 tấm kim loại hàn hO = 1 ÷20 mm Khi khe hở hàn bằng 1 ñến 2 lần chiều dày tấm kim loại hàn (tấm trên) thì các giá trị tốc ñộ hàn tính theo

biểu thức (1.12) và (1.16) chỉ khác nhau trong giới hạn sai số ño ñạc tốc ñộ trong thực nghiệm

Vitman [17, 26] ñã ñưa ra công thức tính tốc ñộ hàn tối ña cho phép:

vP max = (1/N) [(TNC CO)0,5 / vK].{[K.C.CO]0,5 / [ρ1.δ1]0,25} (1.17) trong ñó: TNC – Nhiệt ñộ nóng chảy;

C – Nhiệt dung riêng

CO – Tốc ñộ truyền âm thanh trong vật liệu hàn (tấm trên)

γmin = 1,2 [HV/ρ1v2K]0,5 (1.18) trong ñó: HV - ðộ cứng Vicker của kim loại cứng hơn trong hai tấm vật liệu hàn;

ρ1 – Mật ñộ tấm kim loại hàn;

vK – Tốc ñộ chuyển ñộng của ñiểm tiếp xúc khi va ñập

Belaev V I cùng các ñồng nghiệp [2] cũng ñề xuất phương trình tương tự ñể xác ñịnh góc va ñập tối thiểu:

γmin = {σT / [ρ vK (1 – a)]}0,5 (1.19) Trong ñó: σT - Giới hạn chảy của vật liệu cứng hơn;

và hợp kim ñồng rộng hơn so với cặp vật liệu thép và hợp kim nhôm Trên thực tế có thể sử dụng các biểu thức có tính ñến chiều dày của lớp thuốc

nổ (H) [12]:

- Trong vùng 1,2 ≤ R ≤ 4; 0,05 ≤ h ≤ 0,5; h = hO / H:

γ = 0,191.R0,55 (2h)1,9 (1,14)R (1.20)

- Trong vùng 0,025 ≤ h ≤ 0,25: γ = 0,33.R0,5.h0,33 (1.21) Giá trị của góc va ñập tới hạn: γmax = 0,18 + lg(R1/3) (1.22) trong ñó: R = ρO.H / ρ1δ1

Các giá trị tối ña của góc va ñập tính theo công thức (1.10) nằm trong khoảng

12O40′ ÷ 22O50′ ñối với bimetal thép + thép không gỉ, titan + hợp kim ñồng, titan + titan Nếu tính ñến tổn hao thuốc nổ thì các giá trị ñó giảm xuống còn

11O ÷ 21O [8] Một trong những ñiều kiện cho các thông số hàn nổ tối ưu là tốc ñộ di chuyển ñiểm tiếp xúc tới hạn vKmin :

vKmin = [2.(HV1 + HV2)0,5] / (ρ1 + ρ2) (1.23) trong ñó: HV1, HV2 - ðộ cứng hai tấm kim loại hàn;

ρ1, ρ2 - Mật ñộ các tấm kim loại va ñập khi hàn nổ

Công thức (1.23) là khá chính xác và thuận tiện ñể sử dụng vì rất dễ xác ñịnh

ñộ cứng và mật ñộ của các tấm kim loại hàn nổ Vì thế, ñể tính toán xác ñịnh các thông số ñộng học quá trình hàn nổ trong công trình [6] ñã sử dụng các công thức (1.7), (1.10), (1.12) hoặc (1.16) do hàn nổ theo sơ ñồ nổ song song Tuy nhiên, khi ñó cần chú ý ñến lượng tiêu hao thuốc nổ khi hàn nổ các tấm hợp kim nhôm và ñồng có chiều dày nhỏ (4 ÷ 6 mm), do ñó chiều dày lớp thuốc nổ trong các trường hợp này gần bằng giá trị tới hạn Trong các công thức (1.12) và (1.16) ñưa thông số (re) thay cho thông số (r), ñường kính cho phép tới hạn của thuốc nổ dạng ống ñược xác ñịnh như sau:

re = ρO [H – (dK / 2)] / ρ1δ1 = r – ρO.dK / 2ρ1δ1 (1.24) trong ñó: dK = 0,028 ÷ 0,03 m

Tác giả công trình [9], [10] ñã chỉ ra rằng ñối với mỗi một loại cặp kim loại có một giá trị áp suất xác ñịnh ñảm bảo tạo ra ñược liên kết kim loại giữa chúng Khi tăng chiều dày tấm kim loại ñược hàn thì thông số (r) giảm Tác giả công trình [14] ñã ñề xuất biện pháp tính toán lượng tiêu hao chất nổ bằng cách ñưa vào một lớp thuốc tương ñương, không tham gia vào phản ứng hoá học khi nổ ñồng 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 ðối với các chất nổ dạng hình ống kéo dài thì chiều dày tương ñương ñó ñược tính bằng một nửa ñường kính tới hạn, ñiều ñó ñược giải thích bởi tốc ñộ của sự xuyên thấu của

sóng sườn dỡ bỏ tải Bằng thực nghiệm kiểm tra sự truyền dẫn quá trình cháy

nổ ñã chỉ ra rằng: ở trường hợp kích nổ chất nổ tập trung, chiều dày lớp thuốc

nổ tương ñương có thể ñược lựa chọn xấp xỉ ñường kính tới hạn của nó Khi kích nổ thuốc nổ có thể thấy dấu vết còn sót lại của một lượng thuốc nổ không tham gia cháy nổ

Trong các công trình [8, 13, 14] cho các biểu thức tính toán sự phụ thuộc của của các thông số vật lý quá trình hàn nổ vào các thông số ñộng học và ñặc tính cơ lý của các tấm kim loại hàn nổ Tính toán lý thuyết và thực nghiệm áp suất khi va ñập các tấm kim loại cứng khi hàn nổ là bài toán rất phức tạp, vì

nó phụ thuộc ñáng kể vào góc nghiêng giữa hai tấm kim loại trước khi hàn nổ ngay cả khi giá trị của tốc ñộ va ñập (hàn) vP không ñổi Áp suất ñược tạo ra trong vùng va ñập cần phải lớn hơn giá trị tới hạn nào ñó PK ñể ñảm bảo biến dạng chảy dẻo trong các lớp bề mặt hai tấm kim loại khi va ñập Áp suất nổ

có thể ñược tính theo công thức trong công trình [8]

Trong công trình [13] trên cơ sở mô hình thuỷ khí ñộng học tác giả ñã trình bày một cách rất cơ bản về phương pháp tính toán áp suất tác dụng trong vòng

va ñập của các tia chất lỏng kim loại không nén ñược ở khoảng tốc ñộ nhỏ và

ñã xây dựng ñược các ñường cong ñẳng sâu (izobat) trong hệ toạ ñộ x – y:

π

e /

1 1

2 0

2

K

δ

δ δ

σ

2

2 1 2

 +

1

2 1

tgarc -

tgarc

π

δσ

δδ

δσ

C / v - 1 v

P C

1

2 1

2 1 2

0 K K

δ δ ρ

+

trong ñó: δ1, δ2 – chiều dày tấm kim loại hàn và tấm nền;

CO – tốc ñộ truyền âm trong kim loại hàn;

K1, K2 – các số nguyên, ñược chọn sao cho hệ toạ ñộ Izobat thì y là ñường liên tục; p – áp suất tại ñiểm ñang xét;

C – hằng số thực nghiệm

Các phương trình ñẳng sâu (1.25) ÷ (1.27) theo dõi các tốc ñộ chuyển ñộng của ñiểm tiếp xúc (vK) ñã biết ñể tính toán áp suất tối thiểu tại vùng áp suất cao và xác ñịnh thời gian tác ñộng của nó ðể xác ñịnh áp suất tối ña thì các phương trình ñó không sử dụng ñược vì các giá trị tương ứng tại ñiểm tiếp xúc sẽ trở thành các ñại lượng vô cùng lớn [14]

PK = ρ2 v2P / {[1 – ρ2/ρ′2]0,5 + [(1 – ρ1/ρ′1).( ρ2/ρ′2) 0,5} (1.28) trong ñó: vP – tốc ñộ va ñập;

ρ1, ρ2 – Mật ñộ của hai tấm kim loại trước khi hàn nổ ;

ρ′1, ρ′2 – Mật ñộ ở áp suất PK

Theo công thức (1.28) có thể tính áp suất ở vùng va ñập nếu như cho trước tốc ñộ va ñập vP và phương trình trạng thái của các tấm kim loại hàn Các ñường cong thực nghiệm ñã ñược chứng minh bởi rất nhiều phương pháp thí nghiệm ñã biết ñối với ña số kim loại ở trong khoảng áp suất ñến 400 MPa Phương trình trạng thái kim loại ñối với tấm kim loại hàn có dạng sau:

- ðối với tấm trên: p = A1 [(ρ / ρ1)n1 − 1] (1.29)

- ðối với tấm kim loại cố ñịnh: p = A2 [(ρ / ρ2)n2 − 1] (1.30)

Ở ñây có sự thay ñổi ñột biến tại một ñiểm p’nào ñó tương ứng với sự chuyển tiếp của môi trường vật liệu từ trạng thái ñàn hồi sang trạng thái chảy dẻo

(trong các công thức này: A1, A2 – các hằng số ñơn vị áp suất; n1, n2 – các hằng số không có thứ nguyên)

Khi hàn nổ, ñiều 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 ðiều ñó làm giảm nguy cơ phá huỷ mối liên kết hàn ñược tạo ra bởi sự kéo do sự tác dụng của sóng phản xạ Giá trị lớn nhất của áp suất va ñập cho phép khi hai tấm kim loại va ñập vào nhau ñược xác ñịnh bởi công thức (1.28), nếu như biết ñược tốc ñộ va ñập của tấm kim loại hàn với tấm kim loại nền vP,cũng như các phương trình trạng thái kim loại (1.29) và (1.30) Trên thực tế, sử dụng cách tiếp cận này gặp nhiều khó khăn, vì thế, tốt nhất nên sử dụng công thức ñược

ñề xuất trong công trình [7]:

PK = ρ1.CO1 ρ2.CO2 U / (ρ1.CO1+ ρ2.CO2) ;

U = vP cos [(β − α) / 2] / tgβ + vP sin [(β − α) / 2] (1.31) trong ñó: CO1, CO2 – tốc ñộ sóng âm trong tấm kim loại hàn và tấm nền (cố ñịnh);

vP – Tốc ñộ va ñập của tấm kim loại hàn, tính theo công thức (1.12), (1.16);

Trong công trình [11] ñã chỉ ra rằng: một mặt áp suất va ñập xác ñịnh sự ñạt ñược tiếp xúc vật lý và sự lan truyền tác dụng của các tâm cường hoá, còn mặt khác là cấu trúc và tính chất vùng tiếp xúc, vùng trung gian, các biến ñổi

pha có thể có Thời gian tác dụng xung áp suất cao dưới tác dụng của sóng va ñập ñạt giá trị cực ñại trong một vài phần nghìn giây, vì thế xuất hiện việc cần thiết phải tính ñến yếu tố thời gian mà chiều dày lớp khuếch tán và kích thước

cá hạt ñược hình thành, kích thước hạt cấu trúc sau kết tinh, mức ñộ hoàn thiện của giai ñoạn 3 liên kết hai lớp kim loại phụ thuộc vào nó Thời gian tổng tác dụng của xung áp suất cao lên tấm kim loại nền (t) ñược xác ñịnh như tổng của thời gian tương tác của xung từ thuốc nổ (t1) và thời gian ñi qua của sóng va ñập (t2) theo tấm kim loại hàn (tấm trên):

t = t1 + t2; t1 = H / D; t2 = δ1 / CO1; t = H / D + δ1 / CO1 (1.32) Trong vùng liên kết kim loại khi hàn nổ quan sát thấy các tạp chất kim loại ñúc, số lượng và kích thước của chúng ñược xác ñịnh bởi các chế ñộ hàn

Sự có mặt của các ñoạn liên kết như vậy nói lên rằng trong quá trình hàn nổ kim loại trong vùng liên kết ñược nung nóng ñến nhiệt ñộ rất cao Phương pháp ño nhiệt ñộ trong quá trình hàn nổ ñã ñược mô tả trong công trình [20]

và tác giả ñã nhận ñược mối quan hệ thực nghiệm giữa sự thay ñổi nhiệt ñộ ở vùng liên kết hai lớp kim loại hàn Do sự ảnh hưởng rất mạnh của sóng va ñập

mà người ta không ño ñược nhiệt ñộ trên ñường biên liên kết kim loại Trên

cơ sở phân tích ñường cong thực nghiệm ở công trình [13] theo phương trình truyền nhiệt và ñã ñưa ra mối tương quan giữa phân bố nhiệt ñộ (T) phụ thuộc vào thời gian (t):

t a

y - exp t a 2C

Q

2 2

π

trong ñó: T1 – nhiệt ñộ tương ñối của mối hàn nhận ñược sau hàn nổ;

Q – nhiệt lượng tức thời phát sinh ra trong vùng va ñập;

y – khoảng cách ñến mối hàn;

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

Vai trò của nhiệt trong quá trình hàn nổ còn chưa ñược nghiên cứu một cách ñầy ñủ Trong các công trình [28] ñã ñề xuất các phương pháp ñánh giá tổng nhiệt năng ñược ñưa vào các tấm kim loại hàn nhờ trợ giúp của việc ño nhiệt lượng của các mẫu sau khi hàn nổ

Thông số công nghệ thứ nhất là tốc ñộ nổ (D) ñặc trưng cho thuốc nổ

sử dụng Nghiên cứu sự thay ñổi tốc ñộ nổ vào ñặc tính vật lý của thuốc nổ: ñường kính hoặc chiều dày, mật ñộ, thành phần hỗn hợp, kích thước hạt, ñộ

ẩm, vỏ bọc ñã ñược trình bày trong công trình [9, 12, 13] Khi chiều dày thuốc nổ tính theo ñường kính quy ước (d) tăng thì tốc ñộ nổ tăng, ñạt giá trị cao nhất của nó ở một ñường kính thuốc nổ tới hạn (dTH) khác nhau nào ñó ñối với các loại thuốc nổ khác nhau Sự lan truyền ổn ñịnh quá trình nổ chỉ có thể với ñiều kiện d ≥ dTH Khi tăng mật ñộ của một hỗn hợp thuốc nổ lên ñến giá trị tới hạn nhất ñịnh tốc ñộ nổ của nó tăng, còn nếu tiếp tục tăng mật ñộ thì tốc ñộ nổ giàm rõ rệt Tốc ñộ nổ cần phải nằm trong khoảng từ 1.500 m/s ñến

CO (tốc ñộ truyền âm thanh trong vật liệu kim loại hàn) Trong công trình [8] cho các ñường cong phụ thuộc của tốc ñộ nổ vào chiều dày thuốc nổ (H), hàm lượng amônit (6ЖB) trong hỗn hợp với NH4NO3 (tỷ lệ 25 %, 30 %, 33 %, 40

%, 50 %), ñộ ẩm (ω) của NH4NO3 Trong công trình [19] cho mối quan hệ thực nghiệm giữa tốc ñộ nổ và hàm lượng chất pha trộn bằng NaCl trong amônit (từ 0 % ñến 50 % NaCl) với chiều dày lớp thuốc nổ hỗn hợp là 6 ÷ 60

mm, mật ñộ 0,85 ÷ 0,9 g/cm3:

D = 4500 1,012− x {1 − [2,44.(1 − 0,0272)0,776) ] / H0,79.1,005 − x} (1.34) trong ñó: H – chiều dày thuốc nổ, mm;

x – Nồng ñộ chất pha trộn (NaCl), 5 % khối lượng

Công thức (1.34) ñủ chính xác mô tả quy luật thay ñổi tốc ñộ nổ của thuốc nổ với chiều dày nhỏ ñược sử dụng khi hàn nổ bimetal dạng tấm, nhưng không sử dụng ñược cho trường hợp thuốc nổ hỗn hợp amônít +

NH4NO3

Trong công trình [12] ñưa ra công thức P A Bogdanov ñối với thuộc nổ bột dạng phẳng ñể tính tốc ñộ nổ phụ thuộc vào chiều dày, chiều rộng và mật ñộ không ñổi của nó:

D = DO + (Dmax – DO) {1 – [(Hmax – H) /(Hmax – HO) K + 1} (1.35)

trong ñó: DO – Tốc ñộ nổ của thuốc nổ có chiều dày nhỏ nhất

D = 1.300 + 37.H – 10,62.C – 8,04.H2 + 0,6008.C2 – 0,002933.C3.+ 6,145.H.C – 0,04628.H.C2

(1.36)

trong ñó: H – chiều dà lớp thuốc nổ hỗn hợp, cm;