Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp thép o8s+hợp kim nhôm amr6 dùng trong hàn kết cấu

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG






BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI


Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP THÉP 08s +
HỢP KIM NHÔM AMг6 DÙNG TRONG HÀN KẾT CẤU”


Mã số: 015.09RDBS
Người chủ trì thực hiện:
Th.S. Lương Văn Tiến





7734
01/3/2010

Uông Bí – 2009
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI


Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP THÉP 08s +
HỢP KIM NHÔM AMг6 DÙNG TRONG HÀN KẾT CẤU”


(Thực hiện theo Hợp đồng số 015.09 RDBS/HĐ-KHCN ngày 23 tháng 3 năm
2009 giữa Bộ Công Thương và Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng)

Người chủ trì thực hiện:
Th.S. Lương Văn Tiến
Danh sách các thành viên tham gia:

Stt Họ và tên Học hàm,
học vị
Cơ quan
1 Hà Minh Hùng PGS, TS
Trung tâm Đào tạo và Ứng dụng Công
nghệ Cơ khí – Tự động hóa, Viện Nghiên
cứu Cơ khí
2 Hoàng Minh Thuận Thạc sỹ
Trường CĐ Công nghiệp và Xây Dựng
3 Tô Văn Hưởng Thạc sỹ
Trường CĐ Công nghiệp và Xây Dựng

4 Nguyễn Minh Hải Kỹ sư
Trung tâm Đào tạo và Ứng dụng công nghệ
cơ khí – Tự động hóa, Viện Nghiên cứu Cơ
khí
5 Phan Sỹ Dũng Kỹ sư
Trung tâm Đào tạo và Ứng dụng công nghệ
cơ khí – Tự động hóa, Viện Nghiên cứu Cơ
khí
6 Nguyễn Văn Đức Thạc sỹ
Bộ môn Vật liệu học và Xử lý bề mặt,
Trường Đại học Bác khoa Hà Nội

Uông Bí – 2009

-1-
ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình Công nghiệp hoá, Hiện đại hoá cần đẩy mạnh thực
hiện các chương trình nghiên cứu và phát triển khoa học công nghệ trọng
điểm thuộc lĩnh vực Công nghiệp, trong đó có công nghệ chế tạo máy trong
lĩnh vực tạo phôi bằng vật liệu có tính năng đặc biệt bimetal thép – thép
không gỉ, thép – hợp kim nhôm, thép – hợp kim đồng… Những vật liệu tổ
hợp có tính năng kỹ thuật mới có thể được ch
ế tạo bằng công nghệ luyện
kim đúc và cán truyền thống, công nghệ hàn khuếch tán, hàn đắp hoặc công
nghệ hàn tốc độ cao bằng sử dụng năng lượng nổ.
Tại các nước công nghiệp phát triển trên thế giới, công nghệ đúc và
cán tạo phôi bimetal được sử dụng phổ biến là do họ đã có đầu tư những
thiết bị máy cán luyện kim công suất lớn tới hàng nghìn KW, đảm bảo
đáp

ứng được điều kiện hình thành liên kết kim loại làm dính 2 lớp vật liệu
khác nhau với nhau đủ độ bền theo yêu cầu làm việc của chi tiết máy được
chế tạo từ phôi bimetal. Tại các nước có nền công nghiệp luyện kim yếu
hơn và không có đầu 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 th
ống 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 độ cao và môi trường thiêu kết thích hợp đối
với kim loại và hợp kim phủ trên kim loại nền), Hàn đắp
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài Khoa học và Công nghệ cấp
Bộ, áp dụng kỹ thuật HÀN NỔ (hàn ở tốc
độ cao sử dụng năng lượng nổ)
là rất cần thiết do ở Việt Nam, trong công nghiệp đóng và sửa chữa tàu biển
hàng năm ở nước ta cần phải nhập một lượng khá lớn vật liệu tổ hợp nhiều
lớp (thép – hợp kim nhôm, thép – nhôm – hợp kim nhôm…) để hàn nối các
kết cấu nhôm trên boong tàu với vỏ tàu.
Phương pháp hàn khuếch tán tạo vật liệu bimetal thép – nhôm đòi
hỏi phải có đầ
u tư một số thiết bị chuyên dụng khá đắt tiền và công nghệ
rất phức tạp do yêu cầu làm sạch bề mặt tiếp xúc hàn, cũng như yêu cầu
cao về điều kiện tạo môi trường chân không để hàn các kim loại ở trạng
thái rắn – lỏng với nhau có chất lượng tốt, do vậy khó có tiềm năng ứng
dụng tại Việt Nam. Phương pháp hàn đắp hợp kim nhôm lên nền thép sử
dụng trong ngành đóng tàu là rất phức tạp, năng suất thấp, ít có tiềm năng
ứng dụng ở nước ta. Chính vì vậy, trong nhiều trường hợp do bản chất về
cơ lý tính khác xa nhau của hai lớp kim loại dùng làm nguyên liệu chế tạo
vật liệu bimetal mà các công nghệ truyền thống không thể thực hiện hoặc
rất khó thực hiện được thì người ta phải sử dụng công nghệ không truyền
thống nh

ư hàn nổ là có hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt là đối với Việt Nam
không có những tổ hợp luyện kim và gia công áp lực với công suất lớn.
Trên thế giới, hầu như tại các nước công nghiệp phát triển đều tiến
hành các nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến bằng cách sử dụng năng

-2-
lượng nổ để biến dạng dẻo kim loại và hợp kim. Chất nổ được dùng trong
các quy trình công nghệ gia công kim loại bằng áp lực như : Biến cứng;
hàn; dập; cắt; tạo hình kim loại bột Hàn bằng năng lượng nổ (gọi tắt là
hàn nổ) là một công nghệ mới rất tiên tiến, khi sử dụng nó cho phép nhận
được 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 định. Hàn nổ còn được sử dụng để
tạo vỏ bọc các chi tiết máy và kết cấu, tạo lớp phủ trên bề mặt kim loại
khác nhau. Hàn nổ cho phép chế tạo các phôi hợp kim nhiều lớp hầu như
không bị hạn chế về kích thước hình học từ các kim loại và hợp kim khác
nhau, trong đó có các kim loại và hợp kim không thể hàn với nhau bằng
công nghệ khác
được, hoặc là rất khó hàn chúng với nhau. Độ bền của mối
hàn nổ thường cao hơn độ bền của các kim loại và hợp kim cấu thành [10].
Công nghệ hàn nổ ứng dụng cho việc tạo phôi bimetal thép + thép
hợp kim, thép + thép không gỉ, thép + titan, thép + đồng (hợp kim đồng)
được nghiên cứu có hệ thống tại một số nước thuộc khối Liên Xô trước
đây, cũng như tại Anh, Mỹ, Đức, Pháp, Nhật Bản, Áo.
Đây là một hướng
công nghệ ít đòi hỏi đầu tư lớn, lại có hiệu quả cao, tạo ra được những tấm
binmetal có kích thước lớn tới 30m
2
trong một lần hàn nổ. Đối với Việt
Nam hiện nay, nhóm nghiên cứu chúng tôi cho rằng đây là một hướng công

nghệ tiên tiến của thế giới có nhiều triển vọng ứng dụng để chế tạo các vật
liệu tổ hợp có tính năng đặc biệt phục vụ nhiều ngành kinh tế như: Công
nghiệp chế tạo máy, khai thác và chế biến dầu khí, công nghiệp khai thác
mỏ và luyện kim, công nghiệp hoá họ
c, 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
Công nghệ hàn nổ để chế tạo vật liệu bimetal ở Việt Nam đã được
khởi đầu từ những năm 1981 tại Viện Nghiên cứu Máy (nay là Viện
Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công Thương) áp dụng cho việc tạo băng bimetal
thép 08Kп + hợp kim đồng – nhôm ch
ịu mòn có kết quả khả quan, nhưng
chưa đủ sức thuyết phục các nhà sản xuất ứng dụng. Trong các tài liệu đã
công bố [5 ÷ 8] có khá nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm xác định tốc độ hàn nổ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố công nghệ
khác nhau của quá trình hàn nổ (chiều dày lớp thuốc nổ H, tốc độ nổ của
thuốc nổ D, thành ph
ần hỗn hợp thuốc nổ C, góc va đập khi nổ γ ). Các
nhà nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã có nhiều cố gắng xác lập mối
tương quan giữa các phương trình thực nghiệm đối với tốc độ va đập với
các điều kiện công nghệ hàn nổ để nhận được mối hàn bền vững và có chất
lượng cao và giải thích chúng trên cơ sở cơ chế hình thành liên kết kim loạ
i
của các cặp vật liệu hàn nổ từ nhiều quan điểm khác nhau. Tuy nhiên, chưa
có khuyến cáo cụ thể nào cho việc chọn các thông số công nghệ hàn nổ tối
ưu hoặc tốc độ va đập tấm kim loại hàn với tấm kim loại nền sao cho đảm
bảo độ bền liên kết của vật liệu bimetal và trong tài liệu đã công bố còn
chưa đủ làm rõ, cũng như các thông số đã xác định đánh giá tính hàn của

-3-

các kim loại khác nhau phụ thuộc vào thành phần hoá học và cơ lý tính của
chúng trong đa số các trường hợp đã biết đều không sử dụng được để đánh
giá độ bền liên kết kim loại có những tính chất khác với vật liệu đã chọn để
thí nghiệm trong công trình nghiên cứu này.
Vì vậy, đối với Việt Nam đề tài được tác giả lựa chọn là hướng
nghiên cứu ứng dụng công nghệ
hàn tốc độ cao nhờ sử dụng năng lượng nổ
(tốc độ di chuyển của vùng hàn đạt đến hàng nghìn mét/giây), để sản xuất
vật liệu bimetal thép 08s (đóng tàu) + hợp kim nhôm AMг6 độ bền cao (vật
liệu tổ hợp 2 lớp: nhôm trung gian + hợp kim nhôm độ bền cao) dùng làm
phôi hàn các kết cấu trên boong tàu thủy và trong tàu là hết sức cấp thiết và
có tính ứng dụng thực tiễn cao.
Trong báo cáo này tác giả xin được trình bày những vấn
đề sau :
Chương 1: Tổng quan vật liệu tổ hợp dùng trong công nghiệp đóng tàu
thủy
Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết hàn tốc độ cao giữa 2 tấm kim loại
bằng năng lượng nổ
Chương 3: Phương pháp thực nghiệm hàn tốc độ cao tạo phôi Bimetal
thép 08s + hợp kim nhôm AMг6
Chương 4: Kết quả thực nghiệm và thảo luận.

-4-
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
- Nắm vững bí quyết chế tạo vật liệu tổ hợp 08s + hợp kim nhôm AMг6
bằng công nghệ mới;
- Chế tạo thử sản phẩm băng vật liệu tổ hợp thép 08s + hợp kim
nhôm AMг6 và thử nghiệm hàn thử kết cấu thép và nhôm hợp kim trong
quy mô phòng thí nghiệm.

Nội dung nghiên cứu:
- Tông quan về vật liệu hàn và phương pháp hàn, đặc biệt là v
ật liệu
hàn tổ hợp nền thép và hợp kim nhôm Magie;
- Nghiên cứu xác lập các thông số công nghệ và quy trình hợp lý để
chế tạo vật liệu hàn là thép 08s và hợp kim nhôm magie AMг6 dùng trong
hàn kết cấu với quy mô phòng thí nghiệm;
- Chế tạo thử sản phẩm, dùng (hàn) thử đối với kết cấu trong phòng
thí nghiệm; Phân tích, đánh giá chất lượng sản phẩm.

-5-
Chương 1.
TỔNG QUAN VẬT LIỆU TỔ HỢP DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP
ĐÓNG TÀU THỦY

1.1. Khái quát một số phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp nhiều lớp
Để phát triển sản xuất các máy móc hạng nặng nhằm nâng cao độ tin
cậy và độ bền của chúng, cũng như giảm giá thành chế tạo cần phải ứng
dụng nhiều chi tiết máy bằng vật liệ
u hợp kim nhiều lớp, vì chúng cho phép
tổ hợp được những tính chất có lợi của các thành phần cấu tử trong đó, đảm
bảo nhận được độ bền nâng cao hoàn toàn mới, các tính chất chịu mòn và
độ dẻo cao hơn so với các tính chất vật liệu đơn kim ban đầu.
Ví dụ khi sử dụng bạc trượt bimetal làm giảm đáng kể chi phí tiêu hao
các kim loại màu quý hiếm, điều đó đồng thời làm giảm giá thành các máy
móc thiết bị nói chung [1; 5; 9].
Từ trước những năm 1950 tại các nước công nghiệp phát triển như:
Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Liên Xô người ta sử dụng phương pháp đúc - phủ
hợp kim đồng chì trong lòng ống thép để chế tạo bạc trượt compozit dùng
trong các động cơ đốt trong. Phương pháp đúc- phủ hợp kim đồng chịu

mòn trong lòng ống thép hoặc lên nền tấm thép (tạo liên kết ở trạng thái rắn
- l
ỏng) là rất phức tạp, đặc biệt ở khâu chuẩn bị bề mặt tiếp xúc lớp thép
với lớp hợp kim chịu mòn, có năng suất thấp, tiêu hao các kim loại mầu
quý hiếm cao [8]. Vì thế, sau năm 1950 ở hầu hết các nước công nghiệp
phát triển trên thế giới người ta đã thực hiện hàng loạt các nghiên cứu ứng
dụng các công nghệ sản xuất vật liệu tấ
m hoặc băng hợp kim nhiều lớp
(bimetal, trimetal…) dùng để chế tạo bạc trượt và các chi tiết máy chịu
mòn khác bằng phương pháp cán dính pakét thép + hợp kim nhôm chịu
mòn, thép + thép hợp kim (sau đúc rót trong khuôn kim loại chuyên dụng).
Ở Liên Xô, như nhà nghiên cứu Ju.Ja. Zilberg [8], hợp kim nhôm có mác
vật liệu ACM, AO6-1, AO20-1 cán dính trên nền thép 08Kп được sử dụng
để thay thế hoàn toàn bạc trượt hợp kim đồng trong các động cơ máy kéo
và ô tô vận tải, động cơ diesel [8]. Ở
Anh người ta sử dụng các băng
bimetal cán dính thép + hợp kim AS-11; thép + hợp kim AS-15. Ở Mỹ
người ta sử dụng bimetal cán dính thép + hợp kim XB-803, thép + hợp kim
Akôla 750; thép + hợp kim XA-750 [1, 15]. Ở Đức người ta sử dụng
bimetal thép + hợp kim nhôm cán dính KS-411B; thép + hợp kim nhôm
KS-630 Đó là những cặp đôi vật liệu kim loại nền và hợp kim chịu mòn
chịu biến dạng dẻo trong điều kiện biến dạng bình thường.
Công nghệ cán dính có hạn chế theo chiề
u cao tối đa của pakét (chiều
dày tổng cộng lớp nền thép và lớp hợp kim chịu mòn), chiều rộng tấm cán
vì có liên quan tới công suất và kết cấu của máy cán đã có trong sản xuất
luyện kim. Ngoài ra, do yêu cầu rất cao về việc làm sạch các bề mặt tiếp
xúc trước khi xếp thành pakét để cán dính hai lớp kim loại với nhau là cản
trở chính trong việc thực hiện các công đoạn trong quá trình công nghệ cán

-6-
dính. Khi cán dính ở trạng thái nguội các pakét mức độ biến dạng dẻo
tương đối lần cán đầu tiên cần phải lớn hơn 55 ÷ 60 % mới đảm bảo đủ
điều kiện để phá vỡ lớp ôxit bề mặt hợp kim nhôm, tạo điều kiện hình
thành sơ bộ tiếp xúc vật lý giữa hai tấm kim loại nền và hợp kim chịu mòn.
Tiếp theo sau đó phôi qua cán dính lần 1 cầ
n phải được ủ ở nhiệt độ tương
ứng với mỗi hợp kim chịu mòn và cán đến kích thước yêu cầu của băng
bimetal qua nhiều lượt cán [8].
Một hướng công nghệ tiên tiến mới được tập trung nghiên cứu ứng
dụng khá rộng rãi trên thế giới từ sau năm 1960 là công nghệ hàn (tốc độ di
chuyển của vũng hàn tại điểm va đập đạt đến hàng nghìn m/s) nh
ờ sử dụng
năng lượng nổ của thuốc nổ để thay thế công nghệ đúc - cán truyền thống
nói trên. Công nghệ này được gọi tắt là công nghệ hàn nổ.
Ở Liên Xô trước đây, công nghệ hàn nổ được bắt đầu thực hiện nghiên
cứu có hệ thống quá trình hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal sử dụng trong
các ngành kinh tế tại Viện nghiên cứu Thuỷ khí động học thuộc Việ
n hàn
lâm Khoa học Liên Xô, trường Đại học Thép và Hợp kim Matxcơva,
trường Đại học Bách khoa Volgagrad, Liên hợp khoa học sản xuất luyện
kim bột nước Cộng hoà Belarus, Viện Hàn mang tên E. O. Patôn thuộc
Viện Hàn lâm Khoa học Ucraina, Viện Nghiên cứu hàn nổ của
A.A.Deribas tại thành phố Novoxibiếc và nhiều cơ sở nghiên cứu khác.
Bằng công nghệ hàn tốc độ cao sử dụng thuốc nổ có tốc độ nổ khác nhau
có thể hàn các kim loại khác nhau, đặc biệ
t là khi 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. Công nghệ hàn nổ có năng suất cao và đảm bảo chất lượng liên kết

hai lớp kim loại cao. Tuy nhiên, cần phải có đào tạo chuyên môn nghiệp vụ
nổ cho công nhân vận hành quá trình nổ trong dây chuyền sản xuất bimetal
có sử dụng năng lượng nổ
[1, 18].
Chính vì những nhược điểm cúa các công nghệ truyền thống và ưu
điểm của công nghệ hàn nổ nói trên, ở Việt Nam hiện nay tại Viện Nghiên
cứu Cơ khí (Bộ Công thương) đã có các nghiên cứu ứng dụng công nghệ
hàn nổ tạo phôi bimetal với nhiều mục đích sử dụng khác nhau và trên thực
tế rất có triển vọng để sản xuất vật liệu bimetal ở Việ
t Nam [1, 2, 6]. Tính
đến thời điểm này ở Việt Nam không có các máy cán dính các tấm kim loại
khổ rộng công suất lớn, cũng như chưa có các thiết bị tạo năng lượng xung
từ trường công suất cao để sản xuất vật liệu tổ hợp nhiều lớp nói chung,
trong đó có bimetal thép – hợp kim nhôm, nên việc lựa chọn công nghệ hàn
tốc độ cao bằng cách sử dụng năng lượng nổ hi
ện nay là phù hợp hơn cả,
do không phải đầu tư thiết bị gia công áp lực cao rất tốn kém.


1.2. Khái quát về vật liệu tổ hợp thép – hợp kim nhôm dùng trong
công nghiệp đóng tàu thủy

-7-
Vật liệu tổ hợp nhiều lớp thép – hợp kim nhôm sử dụng trong ngành
công nghiệp đóng tầu thủy yêu cầu phải có chiều dầy lớp hợp kim nhôm
khá lớn (10 ÷16 mm) mới đảm bảo khi hàn với kết cấu nhôm sẽ không bị
bong tróc do quá nhiệt đối với lớp hợp kim nhôm có chiều dầy mỏng nhận
được theo công nghệ cán dính. Trên hình 1.1 là ảnh chụp một số phôi vật
liệu tổ h
ợp thép ASTM A516-55 – nhôm 1050 – hợp kim nhôm 5083 (đã

được pha chế thành các dải băng làm chi tiết trung gian chuẩn bị để hàn
vỏ tầu thủy với các kết cấu nội thất) do một hãng chế tạo của châu Âu
cung cấp cho nhà máy đóng tầu Ba Son Việt Nam. Chiều dầy lớp hợp kim
nhôm xác định được trên mẫu nhập ngoại nói trên là (6 + 6) mm, còn
chiều dầy lớp thép ASTM A516-55 là 20 ÷ 22 mm. Với yêu cầu kỹ thuật
về chiều dầy các lớ
p như vậy, công nghệ cán dính rất khó áp dụng được
ngay cả đối với các nước công nghiệp phát triển có nhiều máy cán tấm
công suất lớn và không riêng gì đối với Việt Nam. Xuất phát từ yêu cầu
chế tạo các tấm hoặc băng rộng vật liệu tổ hợp thép – hợp kim nhôm đóng
tầu thủy đã trích dẫn trong công trình [2], công nghệ phù hợp để tạo phôi
là công nghệ hàn tốc độ cao nhờ
sử dụng năng lượng nổ của thuốc nổ
chuyên dụng (tức là công nghệ hàn nổ).

Hình 1.1. Phôi vật liệu bimetal hàn nổ thép + hợp kim nhôm do một hãng sản
xuất của nước Áo cung cấp cho ngành đóng tầu thủy Việt Nam

Trong công trình [8] đã trình bày rất khái quát về vật liệu tổ hợp
nhiều lớp thép các bon, thép không gỉ + nhôm và hợp kim nhôm được sử
dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp đóng tầu thuỷ, toa xe lửa, các
công trình kết cấu và nhiều ngành công nghiệp khác.Tuỳ theo lĩnh vực sử
dụng mà người ta ứng dụng công nghệ cán dính hoặc hàn bằng năng
lượng nổ để chế tạo vật liệu tổ hợ
p hai lớp hoặc ba lớp: thép – nhôm ;
thép - nhôm - hợp kim nhôm. Đó là các kim loại và hợp kim có cơ lý tính
khác xa nhau, rất khó được hàn với nhau, đồng thời trong quá trình hình
thành liên kết kim loại giữa chúng có rất nhiều yếu tố gây ảnh hưởng tới
chất lượng bám dính giữa các lớp. Do vậy, đối với các tổ hợp giữa các lớp
nhôm và hợp kim nhôm với lớp thép yêu cầu trên vật liệu tổ hợp thành

phẩm cần thực hiện nghiên cứu c
ơ bản sâu để xác lập cơ sở khoa học về
những yếu tố công nghệ chủ yếu nhằm mục tiêu hạn chế sự ảnh hưởng

-8-
tiêu cực và nâng cao các tính chất sử dụng của những thành phần cấu tử
trong vật liệu. Trong bài báo cáo khoa học nói trên, tác giả giới thiệu một
vài kết quả nghiên cứu khảo sát về vật liệu tổ hợp ba lớp thép 08s - nhôm
1050 - hợp kim nhôm 5083 (hợp kim nhôm AMг6) được nhập từ các nước
châu Âu để sử dụng trong công nghiệp đóng mới và sửa chữa tầu biển và
tầu quân sự ở Việ
t Nam hiện nay.
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước
Trong những năm gần đây ở nước ngoài người ta đã ứng dụng công
nghệ tạo lớp phủ bằng vật liệu nhôm và hợp kim nhôm trên nền thép các
bon và thép không gỉ thành công. Vật liệu tổ hợp nhiều lớp nhôm (hoặc
hợp kim nhôm) - thép các bon (hoặc thép không gỉ) có tính chất đặc biệt
như: mật độ thấp, độ bền cao và có thể sử dụng nhi
ều trong các ngành kỹ
thuật công nghiệp trong nền kinh tế của mỗi nước cho phép giảm đáng
kể chi phí nguyên liệu quý hiếm đắt tiền, mở rộng khả năng thiết kế chế
tạo các trang thiết bị máy móc hiện đại khác nhau, tạo điều kiện để nâng
cao tuổi thọ các chi tiết máy quan trọng, giảm khối lượng và giá thành
kết cấu máy. Vấn đề tạo các tấm vật liệu thép ph
ủ nhôm (hợp kim
nhôm), các tính chất và đặc tính công nghệ dập của chúng đã có nhiều
công trình công bố ngoài nước. Do có khả năng chống gỉ cao của lớp phủ
bằng nhôm trên nền sắt và thép nên vật liệu này có ý nghĩa rất lớn trong
việc thay thế các kim loại quý hiếm như thiếc và chì. Vật liệu thép bọc
nhôm được sử dụng trong sản xuất các bóng đèn điện tử thay thế cho

niken. Tại Mỹ nhu cầ
u sử dụng vật liệu thép có lớp phủ bằng nhôm trong
công nghiệp là rất lớn và ngày càng gia tăng. Đặc biệt là trong ngành
công nghiệp đóng tàu trên thế giới hiện nay có nhu cầu sử dụng các chi
tiết trung gian để hàn các hợp kim nhôm với thép rất lớn [1].
Để chế tạo các chi tiết từ vật liệu tổ hợp thép - hợp kim nhôm dùng
trong ngành công nghiệp đóng tàu thuỷ do có yêu cầu về chiều dầy tấm
vậ
t liệu cần thiết khá cao, nên việc sử dụng công nghệ cán dính trên thực
tế ngay cả tại các nước công nghiệp phát triển cũng không phù hợp. Do
vậy, các nhà nghiên cứu ngoài nước đã có đề xuất phương pháp công
nghệ mới như sử dụng năng lượng nổ để chế tạo vật liệu tổ hợp thép -
hợp kim nhôm.
Tấm vật liệu tổ hợp thép 08s – nhôm và hợp kim nhôm; thép không gỉ
18XH10T - hợp kim nhôm
được chế tạo với tỷ lệ khác nhau giữa các lớp
thép và lớp nhôm hoặc hợp kim nhôm trong khoảng 3,5 ÷ 11 mm, chiều
rộng không lớn hơn 800 mm, chiều dài không lớn hơn 1.600 mm.
Lấy ví dụ: cơ tính của vật liệu tổ hợp 2 lớp (bimetal) nhận được như
sau: σ
B
= 550 ÷ 640 MPa; σ
0,2
= 400 ÷ 500 MPa; δ = 15 ÷ 20 %. Độ bền
bám dính 2 lớp σ
b.d.
> 98 MPa; độ bền cắt τ
c
≥ 49 MPa. Độ giãn dài tương
đối tấm bimetal thép 18XH10T - hợp kim nhôm AMг6 (δ > 20 %) đảm

bảo khả năng uốn, dập và biến dạng tạo hình của vật liệu tổ hợp [1].

-9-
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước
Theo công bố của các tác giả công trình [2], ở Việt Nam trong
những năm 80 của thế kỷ trước, như đã điểm qua ở trên, các loại vật liệu
bimetal thép 08Kп - hợp kim nhôm ACM; thép 08Kп - hợp kim nhôm
AO9-1 đã được nghiên cứu thực nghiệm chế tạo bằng phương pháp cán
dính tạo lớp trung gian đồng thời với công nghệ hàn bằng năng lượ
ng nổ
của nhóm nghiên cứu do PGS.TS. Hà Minh Hùng chủ trì tại Viện Nghiên
cứu Máy - Bộ Cơ khí và Luyện kim Việt Nam (nay là Viện Nghiên cứu
Cơ khí - Bộ Công thương) đạt kết quả rất khả quan. Kết quả nghiên cứu
đối với các loại vật liệu bimetal thép - hợp kim nhôm chịu mòn nói trên đã
có ứng dựng thử trong các động cơ ô tô vận tải như DESOTO-P354 (Mỹ)
- hình 1.2a; IFA-W50 (Đức) - hình 1.2b; PERKING (Trung Quốc) và các
động cơ diezen D6, D9, D12, D22T (Việt Nam); D9 & D12- YANMAR,
KUBOTA (Nhật B
ản) có kết cấu tổ hợp các lớp vật liệu nền thép và hợp
kim chịu mòn tương ứng. Đây cũng là những kinh nghiệm thực tiễn đáng
lưu ý của nhóm nghiên cứu, tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện nay, đối
với cặp vật liệu thép 08s - hợp kim nhôm AMг6, thép không gỉ - hợp kim
nhôm AMг6 sử dụng trong ngành công nghiệp đóng tầu thuỷ là chưa
được nghiên cứu ở nướ
c ta, vì vậy cần phải chú ý về vấn đề này do có
nhu cầu thay thế nguồn hàng nhập khẩu, chủ động trong sản xuất và tiết
kiệm ngoại tệ.
Hiện nay, tại Trung tâm Đào tạo và ứng dụng công nghệ Cơ khí –
Tự động hóa, Viện Nghiên cứu Cơ khí đang có phối hợp với Trường Cao
đẳng Công nghiệp và Xây dựng (Bộ Công thương) tại Uông Bí – Quảng

Ninh, nhóm các chuyên gia hàn bằng năng lượng nổ
dưới sự chủ trì của
PGS.TS. Hà Minh Hùng, Th.S. Lương Văn Tiến và các cộng sự, đang
thực hiện các nghiên cứu cơ bản về công nghệ hàn tốc độ cao để chế tạo
vật liệu tổ hợp ba lớp thép đóng tầu - nhôm - hợp kim nhôm và công
nghệ hàn kết nối chúng để hàn giữa vỏ tàu và các kết cấu nội thất trong
tàu thuỷ

a)

b)
Hình 1.2. Bạc trượt bimetal thép 08Kп + ACM động cơ xe IFA-W50 (a);
bạc trượt bimetal thép 08Kп + A09-1 động cơ xe DESOTO-P354 (b) theo [2].

-10-
Trước tiên nhóm nghiên cứu chúng tôi khảo sát đánh giá vật liệu
được nhập ngoại từ nguồn các nước công nghiệp phát triển như Áo (nhà
cung cấp chính vật liệu này cho Việt Nam hiện nay) để có bộ tài liệu về
các Tiêu chí giám định dựa trên các chỉ tiêu quốc tế. Bước tiếp theo đó,
chúng tôi thực nghiệm hàn các cặp vật liệu thép đóng tầu thủy (08s) –
nhôm (hợp kim nhôm AMг6), thép không gỉ - hợp kim nhôm AMг6
(tương đươ
ng mác hợp kim nhôm 5083) và nghiên cứu đánh giá tính
hàn, chất lượng mối hàn, tổ chức tế vi tại biên giới liên kết các lớp kim
loại hàn.
Một phần kết quả nghiên cứu hàn tốc độ cao bằng sử dụng thuộc nổ
có các thành phần thay đổi để tạo ra tốc độ hàn ở nhiều mức khác nhau
(từ 400m/s đến gần 3000m/s) bằng phương pháp thực nghiệm của nhóm
nghiên cứu sẽ được trình bày trong Chương 4 c
ủa công trình này (phần

kết quả thực nghiệm).

1.2.3. Kinh nghiệm hàn ghép nối các vật liệu kết cấu thép với hợp kim nhôm
Khi đã tạo ra được các thanh, tấm vật liệu trung gian thép các bon
thấp độ bền cao – hợp kim nhôm để dùng trong hàn tàu thủy, người ta tiến
hành hàn thử nghiệm để xác định vùng tối ưu các thông số công nghệ hàn ở
khâu này.
Một số dạng kết cấu hàn thông qua chi tiết vật liệu tổ hợ
p trung gian
cho trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Một số dạng điển hình khi hàn kết cấu thép
với cấu kiện nhôm hợp kim:
Loại kết nối Sơ đồ chuẩn bị phôi hàn Mối hàn kết nối
1. Hàn nối đầu vật liệu bimetal:
- Xuyên thấu khí

- Không xuyên thấu
khí

- Hàn lắp ghép công
trình


-11-
2. Hàn nối kiểu dầm
chữ T trên tấm thép
phẳng:

3. Hàn nối kiểu góc:

Phương pháp hàn qua chi tiết trung gian 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. Thông thường từ phía lớp thép của chi tiết trung gian
làm bằng vật liệu bimetal thép các bon thấp độ bền cao - hợp kim nhôm sử
dụng hàn bán tự động trong khí bảo vệ CO
2
, còn từ phía hợp kim nhôm thì hàn
khí cháy trong môi trường bảo vệ là khí ácgông, dùng điện cực volphram
không chảy.
Từ một số dạng điển hình khi hàn các chi tiết kết cấu bằng thép với
các cấu kiện bằng hợp kim nhôm [1] thường gặp trong công nghiệp đóng toa
xe lửa, tàu thuỷ (bảng 1.1) có thể chọn một vài dạng kết cấu điển hình đơn
gian để thí nghiệm. Đối với mỗi d
ạng kết cấu hàn nói trên khuyến cáo nên
chọn chế độ hàn trong phạm vi [1]: cường độ dòng hàn trong khoảng 120 ÷
220 A, lưu lượng cấp khí acgông trong khoảng 8 ÷ 12 lít/phút (từ phía vật
liệu hợp kim nhôm) và cường độ dòng hàn trong khoảng 80 ÷ 180 A, hiệu
điện thế trên cung lửa hàn trong khoảng 18 ÷ 23 V, tốc độ hàn trong khoảng
4 ÷ 26 m/h, dây điện cực hàn sử dụng: Cв.08Г2C, Cв.08X19H9Ф2C2 (từ
phía v
ật liệu thép).
Công nghệ hàn vật liệu tổ hợp trung gian có thể tóm tắt như sau: hàn trục
tiếp các tấm thép đóng tàu tương đương mác thép các bon thấp độ bền cao
như (09Г2C) và hợp kim nhôm (AMг6) với lớp nền thép và lớp hợp kim
nhôm tương ứng bằng dòng điện một chiều và điện cực chảy volphram đường
kính 3 mm và dây hàn bằng thép không gỉ X18H10T đường kính 2 mm.
Có hai phương án hàn được lựa chọn để
thí nghiệm như sau [1]:
- Phương án hàn thứ nhất: đầu tiên hàn các tấm thép của kết cấu
công trình (vỏ tàu) với lớp nền thép vật liệu tổ hợp trung gian, sau khi kết

cấu đã nguội hoàn toàn mới hàn các tấm hợp kim nhôm AMг6 trong cấu
kiện trên tàu với lớp nhôm hợp kim vật liệu tổ hợp trung gian. Việc hàn
lớp nền thép với các tấm thép không gỉ có thể dẫn tới nung nóng
đáng kể
lớp hợp kim nhôm và làm nóng chảy cục bộ nó dẫn tới bong tróc lớp phủ
hợp kim nhôm, điều này được minh chứng bởi các nghiên cứu cấu trúc
biên giới 2 lớp bimetal và thử phá huỷ mẫu xác định độ bền bám dính
giữa chúng.

-12-
- Phương án hàn thứ 2: đầu tiên hàn lớp hợp kim nhôm vật liệu tổ
hợp trung gian với các tấm hợp kim nhôm kết cấu AMг6, sau đó mới hàn
lớp nền thép vật liệu tổ hợp trung gian với các tấm thép vỏ tàu. Trong trường
hợp này quá trình hàn từ phía lớp nền thép không gặp khó khăn gì và sự hình
thành các pha liên kim loại xẩy ra ở giá trị của năng lượng q
p
khá lớn
(khoảng 2 lần so với trường hợp hàn lớp thép đầu tiên); sự truyền nhiệt rất
đáng kể vào tấm ghép hợp kim nhôm dẫn đến giảm mức độ nung nóng và hư
hỏng tối thiểu của lớp nhôm hợp kim vật liệu tổ hợp trung gian. Thử phá huỷ
mẫu trong trường hợp phương án hàn thứ hai này cho thấy độ bền bám dính
2 lớp vật liệu tổ hợp lớn hơn so với trường hợp thứ nhất. Phá huỷ mẫu xẩy ra
theo lớp hợp kim nhôm hoặc theo đường biên giới của nó với lớp nền thép
vật liệu tổ hợp trung gian.
Trong một công trình nghiên cứu khác ở khối Liên Xô trước đây về
khả năng làm việc của chi tiết trung gian làm bằng vật liệu tổ hợp thép -
hợp kim nhôm nhận được bằng công nghệ hàn nổ [3], lớp n
ền thép 08s và
X18H10T có chiều dày 8 mm, còn lớp hợp kim nhôm AMг6 có chiều dày 5
÷ 6 mm, trong đó lớp lót trung gian là nhôm AД1 có chiều dày 1,5 mm đã

làm tăng tính dẻo của vật liệu tổ hợp. Vật liệu tổ hợp ba lớp hàn nổ thép
X18H10T - nhôm AД1 - hợp kim nhôm AMг6 đã được giám định theo chỉ
tiêu độ bền bám dính 2 lớp thép và hợp kim nhôm. Kết quả cho thấy
bimetal thép 08s - hợp kim AMг6 có độ bền bám dính 2 lớp trung bình đạt
99 MPa khi thử kéo dứt (phươ
ng tác dụng của lực phá hủy mẫu vuông góc
với bề mặt tiếp xúc 2 lớp vật liệu hàn) và 76 MPa khi thử kéo trượt (phương
tác dụng của lực phá hủy mẫu song song với bề mặt tiếp xúc 2 lớp vật liệu
hàn). Đối với vật liệu tổ hợp 2 lớp thép X18H10T - hợp kim AMг6 có độ
bền bám dính 2 lớp trung bình với hai trường hợp phá hủy mẫu kể trên đạt
70 MPa và 68 MPa tương ứ
ng.

1.3. Phạm vi sử dụng vật liệu tổ hợp thép - hợp kim nhôm trong hàn
kết cấu tàu thuỷ
Gần đây trong công nghiệp đóng tàu thuỷ trên thế giới ngày càng sử
dụng phổ biến hợp kim nhôm. Tuy hợp kim nhôm có giá thành chế tạo cao
hơn so với thép, nhưng các cấu kiện trên tàu thuỷ từ hợp kim nhôm nhanh
chóng được hoàn vốn nhờ có nhiều ưu điểm hơn thép, đó là: mật độ thấp
nên v
ật 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 được sử dụng trên tàu thuỷ
phổ biến nhất là chế tạo các bồn chức nước, các hộp cácter, tàu chở khách
cánh ngầm, tàu tốc độ cao cỡ nhỏ
Các kết cấu tầu thuỷ được chế tạo từ hợp kim nhôm mà vỏ của chúng
làm bằng thép: các cụm trang thiết bị trên boong tàu, dầm cầu trục, ống
khói, hệ thống quạt thông gió, cabin, phòng ngủ cho thủy thủ, các cấu
kiện trang trí nội thất Các kết cấu nguyên kiện bằng hợp kim nhôm về
nguyên lý được chế tạo bằng phương pháp hàn, còn ghép nối giữa các chi

-13-
tiết kết cấu bằng hợp kim nhôm với các cấu kiện bằng thép trước đây
thường được thực hiện bằng phương pháp đinh tán. Để giảm tự trọng của
tầu thuỷ và tăng khả năng chở hàng (tăng tải trọng vận chuyển) có thể
được thực hiện bằng cách thay thế các cụm linh kiện, kết cấu trên tầu thuỷ
từ vậ
t liệu thép trước đây bằng vật liệu mới là hợp kim nhôm, do vậy cần
sử dụng các chi tiết trung gian bằng vật liệu bimetal thép + hợp kim nhôm
để hàn ghép các cấu kiện đó với nhau, phương pháp này làm cho quá trình
chế tạo tầu thuỷ đỡ phức tạp hơn trước và đảm bảo kết cấu làm việc có độ
tin cậy cao.

1.4. Phân tích tổ trúc tế vi biên giới 2 lớp vật liệu tổ hợp thép - hợ
p kim
nhôm sử dụng trong hàn kết cấu tàu thuỷ dân dụng và tàu quân sự
Trên hình 1.1 là ảnh chụp một chi tiết trung gian làm từ vật liệu tổ hợp
3 lớp thép - nhôm - hợp kim nhôm dùng để hàn các kết cấu thép với hợp kim
nhôm trên tầu thuỷ tại một nhà máy đóng tàu ở Việt Nam cấp cho nhóm
nghiên cứu chúng tôi giám định chất lượng. Vật liệu tổ hợp 3 lớp thép -
nhôm - hợp kim nhôm loại này đang được ứng dụng trong một vài c
ơ sở
đóng tầu thuỷ ở Việt Nam được nhập từ hãng cung cấp châu Âu: “Merrem &
la Porte BV” (Veilingweg 2 - 5301 KM Zaltbommel - HOLAND) có tên gọi
mang thương hiệu là TRICLAD® Aluminium Steel Transitionjoints. Kích
thước hình học của vật liệu tổ hợp 3 lớp thép - nhôm - hợp kim nhôm là các
thanh 30 x 34 x 3.700 mm được cắt ra từ tấm vật liệu cỡ lớn có khích thước
rộng đến 1.400 mm và chiều dài đến 3.800 mm.
Theo tài liệu về xuất xứ hàng nhập khẩu tại văn bản Certificate for
Rolled Steel Plates, Strip, Sections or Bars c
ủa cơ quan giám định chất

lượng châu Âu Lloyd′s Register thì vật liệu này có ba lớp: nền thép mác
ASTM A516-55 có chiều dầy đến 19 mm; lớp lót trung gian giữa nền thép
với lớp hợp kim nhôm là EN AW-1050A có chiều dày 9,5 mm; lớp hợp
kim nhôm trên bề mặt lớp phủ là EN AW-5086 có chiều dày là 6 mm.
Như vậy tổng chiều dày của thanh vật liệu tổ hợp 3 lớp này là 34,5 mm.
Với kích thước chiều dày như vậy người ta đã ứng dụng công nghệ hàn nổ

để tạo ra các tấm vật liệu tổ hợp 3 lớp thép - nhôm - hợp kim nhôm là tốt
nhất, vì phương pháp cán bị hạn chế bởi chiều dày tấm vật liệu thành
phẩm ở mức độ không lớn. Cũng theo Chứng chỉ kiểm định vật liệu đầu
vào dùng để chế tạo các thanh vật liệu tổ hợp 3 lớp “TRICLAD®
Aluminium Steel Transitionjoints” do hãng DMC Nitro Metall (châu Âu)
cung cấp thì các tấm phôi hàn nổ (để minh chứ
ng cho quan điểm nói trên
[6]) có kích thước hình học như sau: 4.000 x 1500 x (19 + 9,5 + 6) mm,
ứng với 3 lớp vật liệu: thép ASTM A516-55; nhôm EN AW-1050A và
hợp kim nhôm EN AW-5086.
Thành phần hoá học lớp nền thép theo phiếu báo kết quả phân tích của
nhóm RUUKKI PRODUCTION được cho trong bảng 1.2. Độ bền kéo dứt
vật liệu đạt 98 MPa, giới hạn chảy đạt 88 MPa, độ giãn dài tương đối 28%.

-14-
Bảng 1.2. Thành phần hoá học lớp thép trong vật liệu TRICLAD® Aluminium
Steel Transitionjoints dùng cho tàu TT-200, % khối lượng
Hàm lượng các nguyên tố
C Si Mn P S Al Nb
0,13 0,20 0,75 0,007 0,007 0,31 0,003
V Ti Cu Cr Ni Mo Khác
0,005 0,002 0,041 0,04 0,04 0,05 Còn lại

Ngoài ra số lượng vật liệu tổ hợp 3 lớp do Nga sản xuất để làm chi
tiết trung gian khi hàn vỏ tàu bằng thép với kết cấu bằng hợp kim nhôm
trân một số tàu quân sự (tàu 12418) được sử dụng lớn hơn nhiều so với vật
liệu TRICLAD® Aluminium Steel Transitionjoints nói trên là hệ thép
X18H10T - nhôm 1050 - hợp kim nhôm AMг6. Kích thước chiều dày
tương ứng các lớp là (10 + 5 + 5) mm. Với tổ hợp kích thước này đã được
nhóm nghiên cứu chúng tôi chọn
để thí nghiệm, vì nguyên vật liệu đầu vào
dẽ mua trên thị trường Việt Nam.
Chúng tôi đã cắt lấy mẫu nghiên cứu khảo sát cấu trúc tế vi vùng liên
kết giữa hai lớp nhôm và hợp kim nhôm với nền thép dọc theo chi tiết trung
gian để hàn trên tàu thuỷ từ vật liệu TRICLAD® Aluminium Steel
Transitionjoints, kết quả thu nhận được cho trên hình 1.3a, b.



a)

b)
Hình 1.3. Cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép và hợp kim nhôm
trong vật liệu nhiều lớp TRICLAD® Aluminium Steel Transitionjoints: a) giữa
lớp thép với lớp nhôm 1050; b) giữa lớp nhôm 1050 với lớp hợp kim nhôm 5083.


Kết luận chương 1:
Trong phần này, tác giả đã đạt được các kết quả sau:
1) Nêu được khái quát về tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương
pháp công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nhiều lớp, trong đó có vật liệu 2 lớp
(bimetal) trên thế giới và Việt Nam. Tác giả đã phát hiện rằng: công nghệ
hàn tốc độ cao nhờ sử dụng năng lượng nổ là rất thích hợp (trong đ

iều kiện
Việt Nam hiện nay không có các nhà máy luyện kim và gia công áp lực
lớn) để sản xuất được nhóm vật liệu tổ hợp thép - hợp kim nhôm, thép -

-15-
nhôm - hợp kim nhôm phục vụ cho ngành công nghiệp đóng và sửa chữa
tầu thuỷ thay thế cho công nghệ dùng đinh tán rivê để lắp ghép các kết cấu
nội thất với vỏ tàu, vừa phức tạp trong công nghệ ghép nối (năng suất
thấp), độ bền chịu lực kém (gắn kết điểm), chi phí nhân công cao, làm tăng
trọng lượng tàu đáng kể ;
2) Tổng hợp những kết quả nghiên cứ
u ứng dụng vật liệu tổ hợp thép
– nhôm – hợp kim nhôm dùng trong công nghiệp đóng tầu thủy trên thế
giới. Đồng thời đã trình bày phạm vi sử dụng vật liệu bimetal thép + hợp
kim nhôm trong hàn kết cấu tầu thuỷ. Đặc biệt là hiện nay Việt Nam đến
nay chưa tự chủ động sản xuất trong nước được. Do đó, để từng bước nắm
vững công nghệ, tiến tớ
i chủ động đảm bảo đầy đủ vật tư cho sản xuất, thay
thế nhập khẩu, giảm chi tiêu ngoại tệ và đặc biệt là giữ được tính bảo mật
quốc gia cao về lĩnh vực an ninh quốc phòng (đóng tàu quân sự). Ngoài ra,
sản phẩm đề tài có thể phục vụ cho các nhà máy đóng tàu dân sự khác
trong cả nước;
3) Kết quả khảo sát mẫu chụp ảnh cấu trúc biên giới 2 lớ
p vật liệu tổ
hợp 3 lớp thép – nhôm – hợp kim nhôm được dùng trong hàn kết cấu tầu
thuỷ dân dụng và tầu quân sự, từ đó xác định rõ được quan điểm sử dụng
công nghệ phù hợp hiện nay ở nước ta của nhóm nghiên cứu là công nghệ
hàn tốc độ cao bằng sử dụng năng lượng xung nổ (hàn nổ);
4) Trong quá trình tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tạo
vật liệu t

ổ hợp nhiều lớp kim loại của nhóm nghiên cứu, tác giả đề tài này đã
tích cực tham gia thực hiện nhiều nội dung công việc liên quan đến các
nghiên cứu cơ bản vật liệu mới. Những phần kết quả công bố trong công
trình này đều được người chủ trì nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Đào tạo và
Ứng dụng công nghệ Cơ khí – Tự động hóa (Trung tâm CTA-NARIME) là
PGS.TS. Hà Minh Hùng cùng với các cộng sự khác cho phép.








-16-
Chương 2.
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT HÀN TỐC ĐỘ CAO
GIỮA HAI TẤM KIM LOẠI BẰNG NĂNG LƯỢNG NỔ

2.1. Đặc điểm của quá trình hàn tốc độ cao bằng năng lượng 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. Lịch sử hình thành
quá trình công nghệ hàn nổ đã được đề cập trong các công trình [1, 3]. S
ơ
đồ nguyên lý quá trình hàn nổ song song để tạo phôi bimetal được thể hiện
trên hình 2.1a, b. Tấm kim loại cố định (4) và tấm kim loại hàn (3) được
đặt dưới một góc nghiêng (α) ở khoảng cách cố định (h
O
). Trên tấm kim
loại hàn (3) là lớp thuốc nổ (2). Tại vị trí đỉnh góc nghiêng là kíp nổ (1).

Tất cả phôi được đặt trên đế nổ (5) bằng kim loại, bê tông, cát Khi bị kích
nổ, theo toàn bộ lớp thuốc nổ sẽ lan truyền sóng nổ với tốc độ (D) đạt tới
vài nghìn mét trong một giây. Dưới sự tác dụng của áp suất cao do sự nở
của khí nổ, tấm kim loại hàn đạt được tốc độ (v
O
) khoảng vài trăm mét
trong một giây và va đập vào với tấm kim loại cố định dưới một góc xác
định γ = β + α (γ - góc va đập; β - góc uốn động; α - góc nghiêng ban đầu).
Kết quả của quá trình kích nổ các chất nổ tạo ra áp suất và nhiệt độ rất cao,
trong vùng tiếp xúc hai tấm kim loại, tạo ra tia kim loại cục bộ tạo điều
kiện cho chúng liên kết kim loại với nhau. Tốc
độ cao và áp suất cao ở
vùng tiếp xúc xảy ra sự đánh sạch màng ôxit trên các bề mặt tiếp xúc, làm
linh hoạt hoá chúng và tạo ra mối liên kết kim loại giữa các lớp với nhau.
Mối liên kết kim loại đó thường có dạng sóng âm đặc trưng, tuy nhiên cũng
có những trường hợp mối liên kết không có dạng sóng âm (hình 2.1 b) [1, ].

(a) (b)
Hình 2.1. Sơ đồ hàn nổ song song (a) và tại một thời điểm nổ (b) theo [6] :
1 – Kíp nổ điện, 2 – Thuốc nổ, 3 – Tấm kim loại hàn,
4 – Tấm kim loại nền, 5 - Đế nổ

Thông báo đầu tiên về hàn nổ hai đĩa mỏng hợp kim đồng latông với
nhau do nhà nghiên cứu Karl [15] công bố năm 1944. Trong năm 1944
÷1946 hiệu ứng liên kết kim loại được nhóm các nhà nghiên cứu dưới sự
lãnh đạo của M. A. Lavrentiev và các cộng sự quan sát thấy khi thí

-17-
nghiệm với tia kim loại cục bộ [17]. Tuy nhiên, các nghiên cứu cơ bản
và ứng dụng thực tế của hiện tượng này chỉ bắt đầu sau năm 1961 tại

Viện Thuỷ khí động học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô khi thực
nghiệm một trong các sơ đồ làm biến cứng hai tấm kim loại bằng năng
lượng nổ [10].
Các nhà khoa học đã đề
xuất sơ đồ hàn nổ song song, giả thiết cho
rằng: cơ sở của quá trình hàn nổ là sự hình thành tia kim loại cục bộ,
xuất hiện trong các điều kiện va đập với tốc độ 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 độ lên đến hàng nghìn mét
trong một giây [15]. Tốc độ va đập củ
a tấm kim loại trên với tấm kim
loại dưới đạt đến 1.500 m/s. Tốc độ di chuyển của vũng 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 xuất hiện một dòng có định
hướng các hạt kim loại, chuyển động với tốc độ cao trong khe hở giữa
hai tấm kim loại hàn và tạ
o ra bề mặt liên kết dạng sóng âm [10, 11, 12].
Tia kim loại cục bộ làm sạch lớp màng ôxit trên các bề mặt tiếp xúc
hai tấm kim loại. Tại điểm va đập dưới tác động của áp suất và nhiệt độ
rất cao, hai tấm kim loại đi vào tiếp xúc trực tiếp một cách chặt chẽ và
nhờ đó tạo ra liên kết kim loại trên toàn bộ diện tích các bề mặt tiếp xúc.
Trong công trình [15]
đã được đề xuất các điều kiện hình thành tia
kim loại cục bộ khi hàn tốc độ cao bằng năng lượng nổ như sau:
1) Trong mọi trường hợp, không phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của
điểm va đập, áp suất được tạo ra trực tiếp trước điểm va đập cần phải đủ
lớn để thắng giới hạn đàn hồi độ
ng của vật liệu và đảm bảo nén ép các bề
mặt kim loại hàn vào tia kim loại cục bộ;
2) Nếu tốc độ di chuyển của điểm va đập v

K
nhỏ hơn tốc độ truyền
âm thanh C
O
trong vật liệu kim loại hàn thì về mặt lý thuyết tia kim loại cục
bộ có thể được hình thành ở mọi góc nghiêng α giữa hai tấm kim loại hàn.
Tuy nhiên, trên thực tế mức áp suất cần thiết được cho bởi một góc nghiêng
tối thiểu nào đó;
3) Nếu điểm va đập di chuyển với tốc độ lớn hơn tốc độ sóng âm
trong vật liệu kim loại hàn thì tia kim loại cục bộ có thể
được hình thành
chỉ ở góc nghiêng lớn hơn một góc tới hạn nào đó.
Pirson Dz. [18] đề xuất sơ đồ hàn hai tấm kim loại nghiêng một góc
nào đó với nhau với sự phân bố đối xứng các tấm kim loại hàn có chiều dày
bằng nhau, trên chúng đặt các thuốc nổ cũng giống nhau. Trong trường hợp
này, các tấm kim loại hàn nhận được tốc độ va đập bằng nhau. Tuy nhiên,
sơ đồ hàn kiểu này khó th
ực hiện trên thực tế do không thể áp dụng được
đối 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 được. Vì thế, người ta đã
đề xuất sơ đồ hàn hai tấm kim loại đặt song song, dễ thực hiện và chấp
nhận được đối với các tấm kim loại hàn có kích thước lớn. Việc đó thực

-18-
hiện được nhờ sử dụng thuốc nổ tốc độ thấp (nhờ pha trộn thêm các chất
phụ gia để giảm tốc độ nổ), đảm bảo được điều kiện v
K
< C
O
khi ở điều kiện

tốc độ di chuyển của điểm va đập bằng tốc độ nổ v
K
= D.
Một trong những sơ đồ nổ song song như vậy đã được trích dẫn trong
công trình [10, 17] là sơ đồ do A. A. Deribas và V. C. Seđưkh đề xuất, trong
đó các tấm kim loại hàn được đặt cách nhau với khe hở xác định, còn chỗ đặt
kíp nổ được bẻ cong một đoạn để tạo góc nghiêng ban đầu giữa chúng.
Nhưng trong công trình [31] đã chỉ ra rằng việc uốn cong phần đầu tấ
m kim
loại hàn nổ để đặt kíp nổ chỉ có ý nghĩa khi sử dụng thuốc nổ tốc độ cao
hoặc khi chiều dày tấm kim loại hàn lớn hơn 10 mm. Đối với sơ đồ hàn nổ
kiểu này, tốc độ di chuyển của điểm va đập (vùng hàn) dọc theo hướng nổ sẽ
bằng tốc độ nổ.
Hiện nay, ở một số nước thuộc Liên Xô trước đ
ây và các nước khác đã
có nhiều đăng ký bản quyền sáng chế về những phương pháp hàn nổ, đặc
trưng bởi vị trí đặt các tấm kim loại hàn so với nhau trước khi nổ (nghiêng,
song song, đối xứng); hình dạng bề mặt của các tấm kim loại hàn (phẳng,
trụ, cong không gian); tỷ lệ các kích thước hình học của các tấm kim loại
hàn; thứ tự các bước công nghệ hàn nổ; sơ đồ kích nổ Một trong số
những
bằng sáng chế chung nhất là bản quyền số 3137937 USA, MuK B 23K29/00
bao trùm hầu như đa số các trường hợp ứng dụng trong hàn nổ có sử dụng
thuốc nổ có tốc độ nổ thấp hơn 120% so với tốc độ truyền âm trong vật liệu
kim loại hàn và sơ đồ nổ song song [1]. Có thể hàn nổ khi tốc độ nổ cao hơn
trong vật liệu kim loại hàn [2]
, tuy nhiên khi đó cần thực hiện sơ đồ nổ
nghiêng dưới một góc α đảm bảo tốc độ di chuyển của điểm va đập v
K
nhỏ

hơn tốc độ truyền âm trong các tấm kim hoại hàn, điều này rất khó thực hiện
khi kích thước lớn và các chi tiết có biên dạng cong. Người ta đã chế tạo ra
thuốc nổ trên nền hỗn hợp amônit 6ЖB + NH
4
NO
3
với tỷ lệ các thành phần
khác nhau, ưu điểm của các loại thuốc nổ này là có thể điều chỉnh được tốc độ nổ
trong phạm vi rộng (1.200 ÷ 4.000 m/s).
Một trong những thông số công nghệ hàn tốc độ cao bằng năng lượng
nổ chính xác định chất lượng liên kết hai lớp kim loại là giữ được độ ổn
định của khe hở ban đầu giữa chúng. Hiện
đã có rất nhiều sáng chế giải
quyết vấn đề này bằng nhiều cách khác nhau [12÷27] 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, hoặc tạo khe hở ban đầu giữa hai tấm kim loại hàn bằng
khí nén (argôn, hêly) dưới áp suất 4 ÷10 KPa, tuy nhiên phương pháp này
có liên quan tớ
i chi phí lớn.
Một vấn đề khác là làm sao loại bỏ được hiện tượng không hàn tại vùng
đặt kíp để kích nổ thuốc nổ. Có đề xuất tại điểm kích nổ đặt một tấm kim
loại hình tam giác hoặc hình thoi giữa hai tấm kim loại hàn [16], nhưng bằng
cách này rất khó định vị được tấm lót đó. Việc loại trừ vùng không hàn tại

-19-
điểm kích nổ được thực hiện bằng cách kích nổ một phần thuốc nổ phụ trợ
[17] từ loại thuốc nổ tốc độ cao. Khi đó, thuốc nổ có tốc độ 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, đến nay vẫn chưa có phương án nào

để loại bỏ hoàn toàn
vùng không hàn tại điểm kích nổ một cách hoàn hảo. Ngoài ra, để bảo vệ bề
mặt tấm kim loại hàn khỏi tác động trực tiếp của thuốc nổ phân huỷ khi nổ
khuyến cáo nên sử dụng một lớp vật liệu trung tính như polietilen, cao su
mỏng làm lớp cách giữa thuốc nổ và tấm kim loại trên. Để giảm thiểu hiện
tượng không hàn theo chu vi tấm bimetal, người ta sử d
ụng phương án nổ
“treo” của thuốc nổ [18].
Khi hàn nổ một số cặp kim loại như: thép + titan, thép + nhôm, titan +
đồng quá trình gia công nhiệt tiếp theo sau hàn nổ có thể làm cho sự
khuếch tán của các phần tử trong liên kết hàn nổ xẩy ra với cường độ cao
trong mối hàn, điều đó dẫn đến sự hình thành của các liên kim loại. Các liên
kim loại này có độ cứng rất cao và chúng làm giảm độ bền bám dính hai lớp
bimetal, đặ
c biệt là đối với cặp vật liệu hàn là thép và nhôm. Để hạn chế hình
thành các liên kim loại trong mối hàn bằng năng lượng nổ đã có đề xuất hàn
qua lớp kim loại trung gian, với điều kiện kim loại trung gian đó không có
phản ứng hoá học tác dụng với các kim loại hàn để tạo thành các liên kim
loại [12÷17]. Có đề xuất sử dụng lớp trung gian bằng niken để chống khuếch
tán đượ
c hàn nổ với thép các bon, rồi sau đó cán xuống kích thước yêu cầu
và sử dụng bimetal sau cán để hàn nổ với thép không gỉ. Khi đó, quá trình
hàn bằng năng lượng nổ sẽ trở nên phức tạp hơn, nhưng đảm bảo được chất
lượng mối hàn nổ cao.
Như vậy, đã có hàng loạt các đề xuất trong giải quyết các bài toán công
nghệ hàn nổ để nhận được các liên kết kim loại các vật liệ
u khác nhau có
chất lượng cao. Tuy nhiên, việc giải bài toán tối ưu công nghệ hàn nổ đối với
từng cặp vật liệu hàn cụ thể mang tính chất cá biệt, vì vậy để đạt được mục
tiêu đề ra trong đề tài nghiên cứu này cần thiết phải thực hiện các nghiên cứu

thực nghiệm sâu.

2.2. Nguyên lý hình thành liên kết 2 lớp kim loại khi hàn bằng năng lượng nổ
Sự va đập của các tấm kim loại hàn khi th
ực hiện theo một trong các sơ
đồ nổ nói trên có đi kèm lượng biến dạng dẻo rất lớn, làm xuất hiện sự nung
nóng đẳng nhiệt cục bộ các bề mặt tiếp xúc khi hàn nổ, kết quả quá trình đó là
hình thành được liên kết kim loại [10]. Khi đó, để nhận được liên kết bền
vững, cần thiết phải đảm bảo sao cho thời gian tác dụng trong mối hàn áp lực
dươ
ng lớn hơn thời gian kết tinh lại của hỗn hợp các kim loại hàn và kim loại
nền nóng chảy [17]. 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 đỉnh sóng,
mà theo cách gọi của các nhà nghiên cứu khác nhau: “vùng trộn” (A. A.
Deribas) [13], “vùng rối” (Crosland) [18], “vùng nóng chảy” (I. D.
Zakharenko) hoặc “vùng chảy” (V. V. Seđưckh) [16].

-20-

Hình 2.2. Hình dạng liên kết kim loại giữa hai lớp hàn nổ

Trong công trình [17] đề xuất sơ đồ hình thành bề mặt sóng khi hàn
tốc độ cao bằng năng lượng nổ (hình 2.3).

a) b) c)

d) e) f)

g) h) i)
Hình 2.3. Sơ đồ hình thành bề mặt sóng liên kết khi hàn nổ các kim loại khác nhau [17].

Rõ ràng là các phía của đỉnh và chân sóng liên kết theo hướng lan
truyền sóng va đập, hình thành bởi tia kim loại cục bộ, được hấp thụ bởi vật
liệu tấm kim loại hàn (tấm trên), còn ở phía sau sóng va đập là vật liệu tấm
kim loại nền (tấm dưới). Toàn bộ khối lượng kim loại bị đẩy 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 đỉnh sóng liên kết, nơ
i 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 động
năng của tia kim loại cục bộ thành nhiệt năng các vùng có kim loại nóng chảy

-21-
tại điểm va đập khi hàn nổ được làm nguội nhanh bởi sự tản nhiệt của nó, điều
này dẫn đến sự hình thành các vùng kết tinh trên đỉnh sóng liên kết. Nếu như
các đoạn kết tinh đó 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 độ cực cao thì toàn bộ b
ề mặt liên kết hai
lớp kim loại bimetal bị phủ bởi một lớp vật liệu nóng chảy.
Lý thuyết về sự hình thành sóng liên kết và làm sạch bề mặt hai tấm
kim loại hàn nổ đầy đủ hơn cả đã được các nhà nghiên cứu như Crosland
và Wiliam đề xuất [14]. Dự trên cơ sở hàng loạt các nghiên cứu hàn nổ,
trong công trình [12] đưa ra kết luận rằng: Để hình thành
được sóng liên
kết cần phải có sự kích hoạt đủ mạnh ban đầu khi hàn nổ và việc tạo thành
sóng liên kết không phải là sự xuất hiện của trạng thái không bền vững nào
đó, mà xẩy ra do quá trình tự dao động cùng với kích hoạt cứng sóng kiên
kết và tại vùng lân cận xung quanh điểm va đập là ảnh đồ của nó.
Bằng thực nghiệm, người ta đã chứng minh rằng: điểm bắt đầu kích
ho

ạt sóng liên kết là sóng phản xung va đập theo bề mặt tự do của tấm kim
loại hàn và đuổi theo sau điểm tiếp xúc va đập khi hàn nổ. Việc làm sạch
bề mặt tiếp xúc hai tấm kim loại hàn nổ được gắn kết với hiện tượng dòng
khối lượng kim loại trước điểm tiếp xúc va đập, có thể được quan sát thấy ở
dạng dòng chảy ngược khi hàn nổ với góc va đậ
p lớn, cũng như ở dạng
đám mây của các hạt mịn kim loại khi góc va đập nhỏ [17]. Trong trường
hợp này, sự có mặt của dòng chảy kim loại dẫn đến liên kết hai lớp không
có biên dạng sóng, còn sự có mặt của đám mây các hạt kim loại – dẫn đến
liên kết có biên dạng sóng. Cũng trong công trình này, tác giả đã nhấn
mạnh rằng ở các góc va đập nhỏ chiều dày của dòng tia kim loại c
ục bộ so
sánh được với chiều cao của độ nhấp nhô bề mặt, do vậy, không nên chờ
đợi có chuyển động ổn định trên khoảng cách lớn của dòng tia kim loại cục
bộ bởi vì các nhấp nhô bề mặt làm phá huỷ nhanh chóng dòng kim loại đó.
Trong công trình [18] bằng thực nghiệm đã nhận được quan hệ giữa bước
sóng (λ) và các thông số va đập trong trường hợp tấm kim loại hàn có chiề
u
dày nhỏ hơn nhiều so với chiều dày tấm kim loại nền:
λ = 26.δ
1
. [sin (γ / 2)]
2
(2.1)
trong đó: δ
1
– chiều dày tấm kim loại hàn (tấm trên).
Mối tương quan này cũng được các nhà nghiên cứu Gordopolov Yu.
A. và Dremin A. N. [13]. 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 đẫ

đề xuất sự phụ thuộc của bước sóng vào tốc độ nhóm tương tự như biểu
thức (2.1):
λ / δ
1
= A. [sin (r / 2)]
2
(2.2)
và đưa 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 điều kiện va
đập tốc độ cao đến quá trình hình thành liên kết dạng sóng.

-22-
Ta đã biết rằng: Bước sóng có thể thay đổi tuỳ thuộc vào đường đi
qua điểm tiếp xúc va đập, tốc độ nổ của thuốc nổ sử dụng và khe hở ban
đầu giữa hai tấm kim loại hàn [10, 11]. Các thông số sóng liên kết hai lớp
kim loại có thể thay đổi đáng kể tuỳ thuộc vào cấu hình tế vi của các bề
mặt hàn với nhau khi hàn nổ: Bề mặ
t gia công thô sẽ tạo ra hình thành sóng
liên kết trong vùng mối hàn rất đáng kể, còn gia công bề mặt tinh – dẫn đến
giảm các thông số sóng liên kết và giảm số lượng các chất nóng chảy trong
mối hàn nổ [16]. Nguyên nhân của các hiện tượng này chưa được nghiên
cứu kỹ, nhưng đã có đề xuất quan hệ sau đây trong hệ các thông số không
thứ nguyên [17]:
λ / δ
1
= A.lg (R
Z
/ c + B. lg (R
Z
/ δ

C
) + C (2.3)
trong đó: A, B, C – các hệ số thực nghiệm;
R
Z
- Độ nhấp nhô bề mặt các tấm kim loại hàn, µm;
δ
C
– Chiều dày dòng tia kim loại cục bộ.

2.3. Các thông số chủ yếu của quá trình hàn tốc độ cao bằng năng lượng nổ
Phân biệt các thông số chủ yếu đặc trưng cho quá trình hàn tốc độ cao
bằng năng lượng nổ kim loại sau đây [10, 17]: động học, vật lý, công nghệ
và năng lượng.
1) Nhóm thông số động học gồm có: tốc độ bay của tấm kim loại hàn
khi va đập vào tấ
m kim loại nền (v
P
), tốc độ điểm tiếp xúc giữa hai tấm kim
loại (v
K
), góc va đập (γ), góc uốn động (β);
2) Nhóm thông số vật lý gồm có: áp suất tại điểm tiếp xúc khi va đập
(P
K
), thời gian va đập (t), nhiệt độ tại điểm va đập (T);
3) Nhóm các thông số công nghệ: tốc độ nổ (D) - đặc trưng bởi mỗi loại
thuốc nổ; thông số không đơn vị (r) – tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nổ và khối
lượng tấm kim loại hàn; khe hở hàn (h
O

) – khoảng cách ban đầu giữa các tấm
kim loại hàn; độ nhám bề mặt tiếp xúc khi hàn (R
Z
); nhiệt độ các tấm kim loại
hàn (T
1
, T
2
); kích thước và đặc tính của các kim loại hàn (độ bền, độ cứng, độ
dai…).
4) Nhóm các thông số năng lượng gồm có: động năng riêng của tấm
kim loại hàn (W
1
); động năng riêng của tấm kim loại nền (W
2
).
Do việc xác định các thông số vật lý rất phức tạp, nên người ta
thường xác định mối tương quan giữa các thông số công nghệ với thống
số động học - γ, v
P
, v
K
. Điều kiện ban đầu để tính toán các thông số hàn
nổ chủ yếu là quan điểm mô hình về sự va đập của hai dòng chất lỏng
không nén được, ở đó tạo thành dòng phản chiều dạng tia cục bộ. Tính
chất đàn hồi của chất lỏng (mô đun đàn hồi của nó bằng không) được xác
định chỉ bởi độ nén của nó hoặc mô đun nén theo mọi hướng. Nhưng nế
u
vật thể cứng chịu ứng suất lớn theo sơ đồ khác với sơ đồ nén toàn phần
thì nó thay đổi tính chất và trở nên chảy dẻo, về mặt này vật thể cứng

được coi như chất lỏng. Trạng thái chảy dẻo của vật thể cứng đặc trưng

-23-
bởi không phải ở chỗ hoàn toàn không có ứng suất tiếp, mà là bởi một
giá trị xác định nhỏ tuỳ ý, nếu vượt qua giá trị đó ứng suất không tăng
mặc dù biến dạng trượt tăng, tức là sau một giá trị nhất định của biến
dạng và ứng suất vật thể cứng dừng chống trả lại biến dạng trượt, và vì
thế nó được coi nh
ư một chất lỏng [16].
2.3.1.Các thông số động học

Hình 2.4. Sơ đồ hình học tấm kim loại hàn khi va đập tại một thời điểm quá trình hàn nổ

Từ hình 2.4 thấy rõ trước khi nổ các tấm kim loại được đặt dưới một
góc (α) với nhau. Nếu như mặt phân cách sóng nổ trong một khoảng thời
gian (t) di chuyển từ điểm B vào điểm B′ thì điểm va đập (tiếp xúc) các tấm
kim loại hàn C di chuyển đến điểm C′. Để hình thành được liên kết kim
loại phải đảm bảo điều kiện sau:
v
K
< C
O
(2.8)
trong đó: C
O
– tốc độ 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
để tạo ra tia kim loại cục bộ [11, 16]. Không phụ thuộc vào vị trí ban đầu
giữa hai tấm kim loại hàn, vẫn có thể tạo ra liên kết kim loại dưới một góc
nhất định (γ). Đối với sơ đồ nổ nghiêng góc nghiêng đó được xác định theo

công thức sau:
γ = α
+ β (2.9)
Còn theo sơ đồ nổ song song: γ = β (2.10)
Đối với sơ đồ nổ nghiêng, tốc độ di chuyển của điểm tiếp xúc được
xác định theo công thức:
v
K
= D. sin (γ − α) / sin γ = D. sinβ / sin γ (2.11)
Điều này có liên quan tới việc để xác định tốc độ dịch chuyển của
điểm tiếp xúc khi va đập (v
K
) cần chú ý đến tấm kim loại hàn trên thực tế
trong quá trình hàn nổ đã không còn là một tấm phẳng nữa, còn đường tiếp
xúc là một đường cong lồi [21]. Nếu ta khảo sát bức tranh va đập hai chiều,
có thể giả thiết cho rằng tốc độ của điểm tiếp xúc v
K
= CC′; v
P
= BC′.
Góc va đập (γ) là thông số động học thứ hai. Để xác định góc va đập
(γ) cần xác định được tốc độ hàn định hướng theo đường phân giác của góc