Nghiên cứu công nghệ hàn liên kết nhôm thép bằng quá trình hàn TIG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VŨ ĐÌNH TOẠI
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN
LIÊN KẾT NHÔM - THÉP BẰNG QUÁ TRÌNH HÀN TIG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
HÀ NỘI - 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VŨ ĐÌNH TOẠI
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN
LIÊN KẾT NHÔM - THÉP BẰNG QUÁ TRÌNH HÀN TIG
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 62520103
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Hoàng Tùng
2. PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà
HÀ NỘI - 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình
bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình
nào khác!
Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2014
Người cam đoan
Vũ Đình Toại
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. Hoàng Tùng
PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà
i
LỜI CÁM ƠN

Tác giả chân thành cám ơn PGS. TS. Hoàng Tùng và PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà, đã tận
tình hướng dẫn, tạo điều kiện về tài liệu và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên
cứu và hoàn thành bản luận án này.
Tác giả trân trọng cám ơn Bộ môn Cơ khí hàn - Khoa Cơ khí và Trung tâm Thực hành -
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định (trong đó đặc biệt là ThS. Vũ Văn Ba và KS.
Vũ Văn Đạt – người trực tiếp thí nghiệm) đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất phục
vụ thí nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm và
kiểm tra cơ tính liên kết hàn nhôm – thép tại đây.
Tác giả trân trọng cám ơn ThS. Trần Thị Xuân - Bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt và
Bề mặt - Viện Khoa học & Kỹ thuật Vật liệu - Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình
giúp đỡ tác giả trong quá trình đo độ cứng và chụp ảnh cấu trúc tế vi liên kết hàn nhôm –
thép mà tác giả nghiên cứu ra.
Tác giả trân trọng cám ơn Phòng thí nghiệm Hiển vi điện tử & Vi phân tích - Viện Tiên
tiến Khoa học & Công nghệ - Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả
trong quá trình chụp ảnh cấu trúc siêu tế vi và phân tích thành phần nguyên tố trong liên
kết hàn nhôm – thép bằng các kỹ thuật hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng
lượng tia X (EDS/EDX).
Tác giả trân trọng cám ơn các bạn thân hữu và các đồng nghiệp trong Bộ môn Hàn &
Công nghệ Kim loại - Viện Cơ khí - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi
và động viên tác giả trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận án này.
Cuối cùng, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố, mẹ tác giả cùng toàn thể các thành
viên trong gia đình đã động viên, tạo điều kiện về tài chính và chia sẻ những khó khăn
trong suốt quá trình tác giả nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này.
Tác giả luận án
Vũ Đình Toại
ii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU
1. TỔNG QUAN VỀ HÀN NHÔM VỚI THÉP
1.1. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
1.3. Kết luận chương 1
2. CƠ SỞ KHOA HỌC HÀN NHÔM VỚI THÉP
2.1. Mục đích
2.2. Ứng xử của kim loại cơ bản khi hàn TIG
2.2.1. Ứng xử của nhôm AA1100 khi hàn TIG
2.2.1.1. Tính hàn của nhôm AA1100
2.2.1.2. Vấn đề nứt liên quan đến việc chọn vật liệu hàn nhôm
2.2.1.3. Công nghệ hàn nhôm AA1100 bằng quá trình hàn TIG
2.2.2. Ứng xử của thép CCT38 khi hàn TIG
2.2.2.1. Tính hàn của thép CCT38
2.2.2.2. Công nghệ hàn thép CCT38 bằng quá trình hàn TIG
2.3. Công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại
2.3.1. Đặc điểm khi hàn các vật liệu khác chủng loại
2.3.2. Các quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới khi hàn
2.3.3. Bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn hybrid nhôm - thép
2.3.4. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến việc hình thành liên kết
hàn hybrid nhôm - thép
2.3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại
2.3.4.2. Ảnh hưởng của độ sạch bề mặt chi tiết hàn
2.3.4.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong mối hàn
2.3.5. Chọn vật liệu để hàn liên kết hybrid nhôm - thép bằng quá trình
hàn TIG
2.4. Kết luận chương 2
3. MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ HÀN TIG LIÊN
KẾT HYBRID NHÔM - THÉP DẠNG CHỮ T
3.1. Mục đích

3.2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
3.2.1. Số hóa phương trình truyền nhiệt khi hàn
3.2.2. Xây dựng ma trận dòng nhiệt
3.2.3. Xây dựng ma trận kết cấu
3.2.4. Thiết lập bài toán đa trường nhiệt - kết cấu
3.3. Xác định kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T
bằng phương pháp số
3.3.1. Thiết kế liên kết hàn hybrid nhôm - thép bằng kỹ thuật tính toán
tối ưu
3.3.1.1. Bài toán tối ưu trong thiết kế kết cấu
3.3.1.2. Mô hình liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T
3.3.2. Xác định kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T
3.3.2.1. Kết quả kiểm tra bền liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T
Trang
vi
xi
xii
1
5
5
6
17
18
18
18
18
18
21
21
23

23
23
24
24
26
28
32
32
32
33
36
38
40
40
40
40
41
42
44
45
45
45
49
51
iii
ở phương án thiết kế sơ bộ
3.3.2.2. Kết quả tính toán tối ưu kích thước của liên kết hàn hybrid
nhôm - thép dạng chữ T
3.4. Xác định chế độ công nghệ hàn TIG liên kết hybrid nhôm - thép dạng
chữ T bằng mô phỏng số

3.4.1. Mô hình hóa quá trình hàn TIG liên kết hybrid nhôm - thép dạng
chữ T
3.4.1.1. Mô hình hóa nguồn nhiệt hàn TIG
3.4.1.2. Mô hình các thuộc tính của vật liệu
3.4.1.3. Xây dựng mô hình mô phỏng
3.4.2. Kết quả tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn hybrid nhôm -
thép dạng chữ T
3.4.2.1. Ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến phân bố nhiệt độ
trong tiết diện ngang của liên kết hàn
3.4.2.2. Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn hybrid nhôm -
thép chữ T
3.4.2.3. Chu trình nhiệt và thời gian khuếch tán kim loại tại một số
vị trí khảo sát quan trọng
3.4.3. Kết quả tính toán ảnh hưởng của năng lượng đường đến khả năng
hình thành liên kết hàn
3.4.3.1. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến nhiệt độ cực đại
trong tiết diện ngang liên kết hàn hybrid nhôm - thép
3.4.3.2. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian khuếch tán
hiệu quả
3.4.3.3. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian đông đặc
của mối hàn
3.4.4. Phân bố ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn hybrid nhôm -
thép chữ T
3.5. Kết luận chương 3
4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HÀN TIG LIÊN KẾT HYBRID
NHÔM - THÉP DẠNG CHỮ T
4.1. Mục đích
4.2. Trang thiết bị thí nghiệm
4.2.1. Thiết bị hàn
4.2.2. Đồ gá hàn

4.2.3. Các trang thiết bị phụ trợ
4.3. Mẫu thí nghiệm
4.3.1. Vật liệu mẫu hàn và dây hàn
4.3.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
4.4. Xây dựng thí nghiệm
4.4.1. Sơ đồ gá kẹp mẫu thí nghiệm
4.4.2. Các chế độ và quy trình thí nghiệm
4.5. Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng hàn
4.5.1. Thử kéo và bẻ liên kết hàn
4.5.2. Các trang thiết bị dùng trong quá trình kiểm tra chất lượng hàn
4.6. Kết luận chương 4
5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
5.1. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến chất lượng liên kết
5.2. Hiện tượng nứt trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép
5.3. Các dạng khuyết tật khác có thể xuất hiện trong liên kết hàn hybrid
51
52
56
56
56
57
59
62
62
63
66
69
69
70
72

72
74
75
75
75
75
76
77
78
78
78
79
79
79
81
81
83
85
86
86
88
iv
nhôm - thép dạng chữ T
5.4. Kết quả kiểm tra bền liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T
5.5. Cấu trúc thô đại của liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T
5.6. Cấu trúc tế vi của liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T
5.6.1. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100
5.6.2. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38
5.7. Độ cứng trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép
5.7.1. Độ cứng tại vùng liên kết không có lớp IMC

5.7.2. Độ cứng tại vùng liên kết có lớp IMC
5.8. Nghiên cứu cấu trúc siêu tế vi, thành phần hợp kim của lớp IMC & vùng
liên kết giữa KLMH với tấm thép CCT38 bằng các kỹ thuật SEM và
EDS
5.8.1. Cấu trúc siêu tế vi dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM)
5.8.2. Phân tích thành phần nguyên tố bằng kỹ thuật EDS
5.9. Nghiên cứu quá trình khuếch tán kim loại trong liên kết hàn nhôm - thép
bằng phổ tán sắc năng lượng tia X
5.9.1. Khuếch tán kim loại tại vùng không chứa lớp IMC
5.9.2. Khuếch tán kim loại tại vùng có lớp IMC
5.10. Kết luận chương 5
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN & KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
88
90
92
92
92
93
94
94
95
95
95
97
98
98
101
104

105
106
110
v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
vi
Ký hiệu /
Viết tắt
Đơn vị
Ý nghĩa
q
[J]
Lượng nhiệt sinh ra của một đơn vị thể tích
q
[J]
Dòng nhiệt truyền qua bề mặt đang xét
Ma trận nhiệt dung riêng của phần tử
Ma trận hệ số dẫn nhiệt của phần tử
Ma trận hệ số khuếch tán nhiệt của phần tử
Ma trận hệ số truyền nhiệt đối lưu qua bề mặt của phần tử
Véc tơ lưu lượng nhiệt của phần tử
Véc tơ dòng nhiệt đối lưu qua bề mặt của phần tử
Véc tơ tải trọng sinh nhiệt của phần tử
Ma trận khối lượng của phần tử
Ma trận độ cứng của phần tử
vii
[N]
Ma trận hàm hình dáng của phần tử hữu hạn
[Nn]
Ma trận hàm hình dáng của pháp tuyến động tại bề mặt chịu

tải
{}
Véc tơ pháp tuyến đơn vị của bề mặt
{∑}
Véc tơ biến dạng tổng thể
{⌠}
Véc tơ ứng suất
{∑el}
Véc tơ biến dạng đàn hồi
{∑th}
Véc tơ biến dạng nhiệt
T
{u}
Véc tơ vi phân chuyển vị
{Fa}
Véc tơ tải trọng
{L}
Véc tơ cột (gradient)
{p}
Véc tơ tải áp lực
{q}
Véc tơ dòng nhiệt
{Te}
Véc tơ nhiệt độ nút phần tử
{u}
viii
E
[MPa]
Mô đun đàn hồi
E0

[Kcal]
Năng lượng cần cho nguyên tử dịch chuyển bên trong vật
2
E
Sai số bình phương bé nhất của hàm mục tiêu
EB
[Kcal]
Năng lượng giữa các pha
EDS / EDX
Phổ tán sắc năng lượng tia X
(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy)
ER và EL
[Kcal]
Năng lượng kích thích khuếch tán trong pha rắn và pha lỏng
ES
[Kcal]
Năng lượng lớp bề mặt
F(x,pk)
Hàm số của các biến thiết kế
FEM
Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)
Gi(x)
Hàm điều kiện giới hạn trên
HAZ /
VAHN
Vùng ảnh hưởng nhiệt
hf
Hệ số đối lưu nhiệt
Hj(x)
Hàm điều kiện giới hạn dưới

Hybrid
ix
tiếp
P
[W]
Công suất nhiệt hiệu dụng
pk
Số lượng của tham số
PTHH
Phần tử hữu hạn
PWHT
Xử lý nhiệt sau khi hàn (Post Weld Heat Treatment)
q
[J/mm]
Năng lượng đường
Qf
3
[W/mm ]
Mật độ nguồn nhiệt hàn phía trước
Qr
3
[W/mm ]
Mật độ nguồn nhiệt hàn phía sau
QR
3
[W/mm ]
Hàm mật độ nguồn nhiệt
Rong
[mm]
Chiều rộng biên dầm

SAW
Hàn hồ quang dưới lớp thuốc
SEM
Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
Seqv
Ứng suất tương đương (Equivalent Stress)
T
x
τ
Dung sai của hàm mục tiêu
τ0
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của nhôm AA1100
Bảng 2.2 Cơ tính của nhôm AA1100
Bảng 2.3 Chọn cỡ chụp khí theo đường kính điện cực vonfram
Bảng 2.4 Thành phần hóa học của thép CCT38
Bảng 2.5 Cơ tính của thép CCT38
Bảng 2.6 Độ cứng tế vi của các pha liên kim giữa Fe và Al
Bảng 2.7 Ký hiệu của các hợp chất liên kim 3 nguyên hệ Al-Fe-Si
Bảng 2.8 Dây hàn TIG nhôm phù hợp tương ứng với KLCB
Bảng 2.9 Thành phần hóa học của một số dây hàn cho nhôm theo tiêu chuẩn
AWS A5.10-1980
Bảng 2.10 Cơ tính đạt được khi hàn nhôm AA1100 bằng các dây hàn khác nhau
Bảng 2.11 Tổng hợp các yếu tố và giải pháp kỹ thuật khi hàn nhôm với thép
Bảng 3.1 Cơ tính của các vật trong liên kết hàn hybrid giữa nhôm AA1100 với
thép CCT38
Bảng 3.2 Các kích thước của liên kết hàn chữ T trong phương án thiết kế sơ bộ
và tải trọng
Bảng 3.3 So sánh các kích thước của kết cấu giữa phương án sơ bộ và phương
án tối ưu

Bảng 3.4 So sánh kích thước của kết cấu ban đầu và của phương án được chọn
Bảng 3.5 Ký hiệu quy ước của các tổ chức kim loại khi hàn
Bảng 3.6 Mô tả các nút cần khảo sát
Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của máy hàn MasterTIG 2500 xung AC/DC
Bảng 4.2 Các trang thiết bị phụ trợ và mục đích sử dụng
Bảng 4.3 Các chế độ thí nghiệm hàn TIG liên kết hybrid nhôm – thép dạng
chữ T dày 5 mm
Bảng 4.4 Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng liên kết hàn
Bảng 5.1 Kết quả thử kéo 5 mẫu hàn hybrid nhôm – thép chữ T
Bảng 5.2 Kết quả thử bẻ 5 mẫu hàn hybrid nhôm – thép chữ T
Bảng 5.3 Độ cứng tại vùng liên kết không có lớp IMC
Bảng 5.4 Độ cứng tại vùng liên kết có lớp IMC
Trang
19
19
22
23
23
32
35
37
37
37
37
49
49
54
55
57
67

75
77
80
83
91
92
95
95
xi
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 0.1 Dự án SuperLightCar với nhiều loại vật liệu
Hình 0.2 Sơ đồ kết cấu của tàu tuần tra cao tốc vỏ nhôm
Hình 0.3 Liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T
Trang
1
2
2
H
ì
n
h

1
.
1

L
i
ê
n

k
ế
t

h
à
n

n
h
ô
m
-
t
h
é
p

d
ạ
n
g

c
h
ữ

T có sử dụng
dải vật liệu

trung gian 3
lớp
Hình 1.2
liên kết chồng
nhôm-thép
bằng năng
lượng nổ
Hình 1.3
liên kết giáp
mối nhôm-
thép bằng ma
sát ngoáy
Hình 1.4
liên kết giáp
mối dạng
thanh, ống
nhôm-thép
bằng ma sát
quay
Hình 1.5
liên kết chồng
nhôm-thép
bằng Xung từ
Hình 1.6
điểm liên kết
chồng nhôm-
thép có sử
dụng vật liệu
trung gian
Hình 1.7

liên kết chồng
nhôm-thép
bằng Laser
Hình 1.8
liên kết giáp
mối nhôm-
thép bằng hàn
tổ hợp
Laser+MIG
Hình 1.9 Nguyên lý hàn MIG và liên kết chồng nhôm-thép thực hiện
bằng hàn MIG
Hình 1.10 Nguyên lý hàn TIG & liên kết nhôm-thép thực hiện bằng
hàn TIG
Hình 2.1 Phân loại nhôm và hợp kim nhôm theo các nguyên tố hợp
kim chủ yếu
Hình 2.2 Đặc điểm khi hàn nhôm 1xxx và hợp kim nhôm không thể
nhiệt luyện
Hình 2.3 Khả năng hòa tan của Hydro trong nhôm nguyên chất
Hình 2.4 Độ nhạy cảm nứt của kim loại mối hàn theo loại và hàm
lượng của các
nguyên tố hợp kim
Hình 2.5 Các dạng cơ chế khuếch tán kim loại ở trạng thái rắn
Hình 2.6 Các giai đoạn của quá trình kết tủa (tiết pha) mới trong kim
loại
Hình 2.7 Các dạng kết quả sau quá trình khuếch tán trong kim loại
Hình 2.8 Sơ đồ khuếch tán nguyên tử và tiết pha mới tại vùng biên
giới thép
CCT38 - KLMH
Hình 2.9 Hệ số khuếch tán vào nhôm của một số kim loại
Hình 2.10 Khả năng hòa tan vào nhôm của một số kim loại

Hình 2.11 Cấu trúc mạng tinh thể của liên kim AlFe3 và ôxit nhôm
Hình 2.12 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên Fe-Al
Hình 2.13 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong vật liệu hàn
đến chiều dày
của lớp IMC và độ bền của liên kết hàn nhôm – thép khi
hàn TIG
Hình 2.14 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên Al-Si
Hình 2.15 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên Fe-Si
Hình 2.16 Giản đồ trạng thái của hệ Al-Fe-Si tại nhiệt độ 600oC
Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán tính tối ưu liên kết hàn hybrid nhôm –
thép
Hình 3.2 Sơ đồ tính toán liên kết hàn nhôm – thép dạng chữ T
Hình 3.3 Mô hình PTHH của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng
chữ T
ở phương án sơ bộ
Hình 3.4 Ứng suất tương đương ⌠e trong liên kết hàn hybrid nhôm –
thép chữ T
ở phương án sơ bộ
Hình 3.5 Độ võng Uy của liên kết hybrid nhôm – thép chữ T ở
phương án sơ bộ
Hình 3.6 Các phương án thiết kế và xác định phương án tối ưu
5
7
8
9
10
11
12
13
14

15
19
19
20
21
27
27
27
29
29
30
30
31
33
34
35
36
48
49
50
51
52
53
xii
Hình 3.7 So sánh phương án sơ bộ ban đầu a) và phương án tối ưu b)
Hình 3.8 Kết quả tính cạnh mối hàn (Kmh)
Hình 3.9 Kiểm tra điều kiện bền của phương án lựa chọn cuối cùng
Hình 3.10 Kiểm tra độ võng Uy của phương án lựa chọn cuối cùng
Hình 3.11 Mô hình nguồn nhiệt hàn MMA/TIG/MIG/MAG
Hình 3.12 Mô hình nguồn nhiệt rút gọn hàn MMA/TIG/MIG/MAG theo Goldak

Hình 3.13 Khối lượng riêng của thép CCT38 (trái) và của nhôm AA1100 (phải)
Hình 3.14 Mô đun đàn hồi của thép CCT38 (trái) và của nhôm AA1100 (phải)
Hình 3.15 Nhiệt dung riêng của thép CCT38 (trái) và của nhôm AA1100 (phải)
Hình 3.16 Hệ số dẫn nhiệt của thép CCT38 (trái) và của nhôm AA1100 (phải)
Hình 3.17 Mô hình khối của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T
Hình 3.18 Mô hình PTHH của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T
Hình 3.19 Quỹ đạo đường hàn và đường dẫn trên liên kết hàn hybrid nhôm-thép chữ T
Hình 3.20 Sử dụng các kỹ thuật "khởi động nóng" và "giảm dòng hàn"
Hình 3.21 Các bề mặt và hàm trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh
Hình 3.22 Các vị trí kẹp chặt khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép chữ T
Hình 3.23 Quy ước góc nghiêng của mỏ hàn Ay trong Sysweld
Hình 3.24 Ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến phân bố nhiệt độ trên tiết diện
ngang của liên kết hàn khi hàn ở cùng chế độ P=2100W, Vh=3mm/s
Hình 3.25 Trường nhiệt độ phân bố tức thời trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép
chữ T khi nguồn nhiệt di chuyển đến giữa mô hình (P=2400W, Vh=3,5mm/s)
Hình 3.26 Trường nhiệt độ phân bố trên tiết diện ngang liên kết hybrid nhôm – thép
chữ T khi hàn với công suât nhiệt hiệu dụng P=2400W, vận tốc hàn Vh=3,5mm/s
Hình 3.27 Trường nhiệt độ phân bố trên tiết diện ngang của liên kết hàn hybrid
nhôm – thép chữ T ở các chế độ công nghệ khác nhau
Hình 3.28 Vị trí của các nút cần phải kiểm soát chặt chẽ chu trình nhiệt hàn
Hình 3.29 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn
P=2400W, Vh=3mm/s
Hình 3.30 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn
P=2400W, Vh=3,5mm/s
Hình 3.31 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn
P=2400W, Vh=4mm/s
Hình 3.32 Ảnh hưởng của năng lượng đường đến nhiệt độ cực đại tại các nút khảo sát
trên tiết diện ngang của liên kết hàn hybrid nhôm-thép dạng chữ T dày 5mm
Hình 3.33 Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian khuếch tán tại các nút trên
bề mặt tấm thép CCT38 trong tiết diện ngang của mối hàn hybrid nhôm

– thép chữ T dày 5 mm
Hình 3.34 Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian đông đặc của mối hàn
(tại nút 2124 nằm trong mối hàn)
Hình 3.35 Phân bố ứng suất trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T sau khi hàn
1 phía với năng lượng đường q = 680 J/mm
54
55
55
56
57
57
58
58
58
59
59
59
60
60
61
61
62
63
64
64
65
66
67
68
69

70
71
72
73
H
ì
n
h

3
.36 Biến dạng sau khi hàn 1 phía liên kết hybrid nhôm – thép chữ T với năng
x
i
i
i
lượng đường q = 680 J/mm
Hình 4.1 Thiết bị hàn MasterTIG 2500 xung AC/DC của hãng Kemppi – Phần Lan
Hình 4.2 Đồ gá hàn đa năng và xe hàn tự hành
Hình 4.3 Các mẫu phôi thí nghiệm
Hình 4.4 Sơ đồ gá kẹp mẫu hàn khi thí nghiệm
Hình 4.5 Biểu đồ tín hiệu dòng hàn xung AC khi hàn liên kết nhôm – thép
bằng quá trình hàn TIG
Hình 4.6 Các sơ đồ thử kéo và thử bẻ liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T
Hình 4.7 Chuẩn bị các mẫu để thử kéo và bẻ liên kết hàn hybrid nhôm – thép
dạng chữ T
Hình 4.8 Đồ gá mẫu thử kéo liên kết hàn chữ T và lắp ráp trên máy kéo – nén
vạn năng CNC
Hình 4.9 Bẻ liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T
Hình 5.1 Ảnh hưởng của năng lượng đường đến chất lượng liên kết
Hình 5.2 Hiện tượng nứt trên gianh giới KLMH và tấm thép khi hàn ở chế độ hàn 2

Hình 5.3 Các dạng khuyết tật khác có thể xuất hiện trong liên kết hàn hybrid nhôm
– thép dạng chữ T
Hình 5.4 Biên bản thử kéo mẫu K03 liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T
dày 5 mm khi hàn với năng lượng đường 680 J/mm
Hình 5.5 Biên bản thử bẻ mẫu U02 liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T
dày 5 mm khi hàn với năng lượng đường 680 J/mm
Hình 5.6 Cấu trúc thô đại của liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T dày 5 mm
Hình 5.7 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100
Hình 5.8 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38
Hình 5.9 Độ cứng tế vi tại vùng liên kết không có lớp IMC (x500)
Hình 5.10 Độ cứng tế vi tại vùng liên kết có lớp IMC (x500)
Hình 5.11 Cấu trúc siêu tế vi của vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38
dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Hình 5.12 Phân tích thành phần kim loại trong lớp IMC
Hình 5.13 Phân tích thành phần nguyên tố trong lớp ôxit sắt
Hình 5.14 Phổ phân bố các nguyên tố trong vùng liên kết không chứa lớp IMC
Hình 5.15 Phổ phân bố của từng nguyên tố trong vùng liên kết không chứa lớp IMC
Hình 5.16 Thành phần nguyên tố tại các vị trí khảo sát trong vùng liên kết không
chứa lớp IMC
Hình 5.17 Phổ phân bố các nguyên tố trong vùng liên kết có chứa lớp IMC
Hình 5.18 Phổ phân bố của từng nguyên tố trong vùng liên kết có chứa lớp IMC
Hình 5.19 Thành phần nguyên tố tại các vị trí khảo sát trong vùng liên kết có chứa
lớp IMC
73
75
76
78
79
80
81

82
82
83
86
88
89
90
91
92
93
94
95
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
xiv
MỞ ĐẦU
Hiện nay, xu hướng giảm trọng lượng của các thiết bị, phương tiện giao thông vận tải đã
trở nên rất cấp bách nhằm các mục đích: tăng tốc độ và hiệu quả vận hành, giảm mức tiêu
hao nhiên liệu sử dụng, giảm ô nhiễm môi trường,… Trong đó, việc nghiên cứu chế tạo các
kết cấu khung, vỏ của các phương tiện vận tải bằng hợp kim nhẹ (nhôm, magiê, titan và
hợp kim của chúng) hoặc bằng các vật liệu composite, chất dẻo,… đã được triển khai mạnh
mẽ trong các ngành chế tạo ôtô, tàu hỏa, máy bay, tàu thủy và cả tàu ngầm. Điển hình là

quá trình chế tạo các loại tàu cao tốc có 1 hoặc nhiều thân, chở nặng, chịu được sóng to,
chiều dài 35 – 45 m, đặc biệt là chạy nhanh với tốc độ 40 – 75 km/h. Chúng thường được
chế tạo từ hợp kim Al-Mg có độ bền cao, sử dụng công nghệ hàn hồ quang trong môi
trường khí bảo vệ (MIG hoặc TIG). So với tàu thép, chúng có thể tiết kiệm từ 40 – 50 %
khối lượng [1].
Đồng hành với những thay đổi về nhu cầu sử dụng các vật liệu nhẹ kể trên, các công
nghệ chế tạo cũng đòi hỏi phải có những nghiên cứu phát triển thỏa đáng để đáp ứng được
các yêu cầu mới của quá trình sản xuất. Trong số đó, công nghệ hàn cũng cần phải được
đầu tư nghiên cứu phát triển để có thể chế tạo được các kết cấu nhẹ từ các vật liệu kể trên
nhằm đáp ứng các nhu cầu của công nghiệp và đời sống.
Tuy nhiên, theo một số tài liệu đã công bố [1, 11, 56, 12], việc thay thế kết cấu hoàn
toàn bằng vật liệu nhẹ đôi khi lại không đáp ứng được các yêu cầu sử dụng khác của
phương tiện (do độ bền chịu tải của kim loại nhẹ thường không cao). Do vậy mà người ta
chỉ tập trung vào thay thế vật liệu nhẹ cho những kết cấu/bộ phận không chịu lực hoặc chịu
lực nhỏ, còn với các kết cấu chịu lực lớn, chịu lực chủ yếu thì vẫn phải sử dụng thép hoặc
hợp kim có độ bền cao (hình 0.1).
Ngoài khai thác các ưu điểm về trọng lượng, người ta còn có thể kết hợp khai thác các
đặc tính đặc biệt khác của vật liệu nhẹ như khả năng chịu ăn mòn trong một số môi trường,
tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, không bị nhiễm từ,… để chế tạo thiết bị trong các ngành
nhiệt - lạnh, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm,
Hình 0.1 Dự án SuperLightCar với nhiều loại vật liệu (nguồn: [13])
Từ đây, một yêu cầu mới được đặt ra là phải nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật để có thể
hàn hai loại vật liệu khác nhau với nhau. Cụ thể đối với tàu cao tốc trọng tải tương đối lớn
thì khung vẫn phải sử dụng thép, còn vỏ tàu có thể được thay thế bằng hợp kim nhôm và
việc hàn nhôm (vỏ tàu) với dàn khung thép ở dạng liên kết chữ T (hình 0.2) là một vấn đề
mới được đặt ra, cần phải được nghiên cứu giải quyết.
Cũng xuất phát từ đó mà ý tưởng nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật và công nghệ thích
hợp để thực hiện hàn nhôm với thép ở dạng liên kết chữ T được hình thành và triển khai
trong đề tài “Nghiên cứu công nghệ hàn liên kết nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG”.
Đây là một đề tài mới và rất khó của ngành cơ khí chế tạo, do hàn hai vật liệu rất khác biệt

về cấu trúc, chủng loại và tính chất nên sẽ đối mặt với rất nhiều thử thách về kỹ thuật &
1
công nghệ, nhưng nghiên cứu thành công sẽ có rất nhiều ý nghĩa về mặt khoa học và thực
tiễn.
Hình 0.2 Sơ đồ kết cấu của tàu tuần tra cao tốc vỏ nhôm (nguồn: [12])
• Mục đích của luận án:
- Mục đích chính của luận án này là nghiên cứu tìm ra các giải pháp kỹ thuật & chế độ
công nghệ hàn thích hợp để có thể hàn được hai tấm nhôm AA1100 và thép CCT38 ở
dạng liên kết chữ T, hàn kín cả hai phía bằng quá trình hàn hồ quang điện cực không
nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (TIG).
- Mục đích thứ hai của luận án là chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng quá trình
hàn TIG để hàn nhôm với thép ở dạng tấm dày, không sử dụng thuốc hàn hay vật liệu
trung gian, qua đó nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng của quá trình hàn TIG trong thực
tế sản xuất.
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:
- Đối tượng nghiên cứu: luận án này nghiên cứu thực hiện hàn liên kết nhôm – thép trên
hình 0.3 bằng quá trình hàn TIG. Đây là liên kết hàn dạng chữ T, được làm từ 2 loại vật
liệu khác nhau hoàn toàn về cấu trúc, chủng loại và tính chất. Tấm đứng (vách) được làm
từ thép cacbon thấp CCT38, còn tấm nằm ngang phía dưới (biên) được làm từ nhôm
AA1100. Mối hàn được thực hiện sẽ là mối hàn lai ghép (hybrid), theo cách: liên kết giữa
kim loại mối hàn (KLMH) với tấm biên (nhôm AA1100) ở dạng hàn nóng chảy (theo cơ
chế hòa tan - kết tinh), còn liên kết giữa KLMH với tấm vách (thép CCT38) ở dạng hàn
vảy (vật liệu tấm vách không bị nóng chảy, liên kết hoàn toàn theo cơ chế khuếch tán - kết
tủa). Để cho dễ hiểu, từ đây về sau ta gọi liên kết hàn trên hình 0.3 là liên kết hàn hybrid
nhôm - thép dạng chữ T.
Hình 0.3 Liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T
Yêu cầu đặt ra là cả hai phía “hàn nóng chảy” và “hàn vảy” nêu trên phải được thực
hiện đồng thời trong cùng một quá trình hàn, tại cùng một thời điểm. Để thực hiện được
điều này, đòi hỏi chúng ta phải khống chế chặt chẽ, chính xác và tinh tế chế độ nhiệt hàn,
nhằm đảm bảo sao cho ở phía tiếp giáp với tấm biên nhiệt độ phải đạt tới nhiệt độ nóng

2
chảy của nhôm AA1100 (khoảng 660oC), còn ở phía tiếp giáp với tấm vách nhiệt độ không
được vượt quá nhiệt độ nóng chảy của thép CCT38 (khoảng 1450oC).
- Phạm vi nghiên cứu: qua nghiên cứu tìm hiểu các quá trình hàn hồ quang thông dụng, ta
thấy rằng việc kiểm soát chế độ nhiệt của quá trình hàn TIG (đặc biệt TIG xung) là thuận
lợi hơn cả, trong khi thiết bị lại sẵn có ở Việt Nam, do vậy tác giả sẽ hướng đến việc sử
dụng quá trình hàn TIG để nghiên cứu trong phạm vi của bản luận án này. Mặt khác, do sự
đa dạng của vật liệu và tính phức tạp của vấn đề nghiên cứu, bản luận án này được giới hạn
nghiên cứu trên cặp vật liệu nhôm AA1100 với thép CCT38. Quy mô nghiên cứu của luận
án được xác định trong phạm vi phòng thí nghiệm.
• Phương pháp nghiên cứu:
Vì đây là vấn đề rất mới và phi tiêu chuẩn, do vậy nếu chỉ nghiên cứu lý thuyết + thực
nghiệm đơn thuần thì sẽ mất rất nhiều thời gian và đặc biệt là rất tốn kém về mặt chi phí
thực nghiệm. Trong khi đó, hiện tại lại có sẵn các công cụ tính toán hiện đại (máy tính điện
tử và phần mềm Sysweld (bản quyền) chuyên dụng cho mô phỏng số quá trình hàn), vì vậy
để nhanh đạt đến đích do tránh được việc thực nghiệm ở các vùng thông số công nghệ
không phù hợp và đặc biệt là tiết kiệm các chi phí thực nghiệm, tác giả lựa chọn phương
pháp nghiên cứu phối hợp giữa: nghiên cứu lý thuyết + tính toán mô phỏng số + thực
nghiệm.
Cụ thể như sau:
- Nghiên cứu tài liệu để tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề tài ở trong và
ngoài nước. Từ đó xác định rõ những gì đã được công bố và tìm ra những nội dung mới
mà luận án cần phải giải quyết. Đồng thời tiến hành khảo sát, tìm hiểu về cơ sở vật chất
và các trang thiết bị sẵn có trong nước để lựa chọn thực hiện luận án.
- Nghiên cứu kỹ các lý thuyết về ứng xử của kim loại cơ bản trong quá trình hàn và công
nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại (ở đây tập trung chủ yếu vào việc hàn nhôm với
thép) để qua đó đề ra các giải pháp kỹ thuật & công nghệ thích hợp nhằm thực hiện hàn
thành công liên kết hàn đã chỉ định.
- Sử dụng phương pháp mô phỏng số để khoanh vùng và định lượng (trước) các thông số
công nghệ thích hợp. Các kết quả mô phỏng sau đó làm cơ sở cho việc thiết lập các

thông số khi thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả
năng hình thành liên kết hàn cũng như chất lượng của mối ghép.
- Sử dụng các trang thiết bị có sẵn phù hợp với điều kiện thực nghiệm để tiến hành thí
nghiệm nhằm đạt được các kết quả kỳ vọng.
- Sử dụng các thiết bị đo, phân tích và phần mềm hiện đại hiện có ở Việt Nam để đo đạc
và đánh giá kết quả bảo đảm độ tin cậy.
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
a) Ý nghĩa khoa học của luận án:
- Nghiên cứu hệ thống hóa và bổ sung cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn các vật liệu khác
chủng loại, đồng thời thông qua nghiên cứu khảo sát cấu trúc kim loại giữa tấm thép
CCT38 và kim loại mối hàn (KLMH) để xác định và làm rõ về cơ chế, điều kiện và khả
năng hình thành liên kết kim loại giữa các vật liệu khác chủng loại, làm cơ sở khoa học
cho việc chế tạo liên kết hàn hybrid nhôm – thép bằng quá trình hàn nóng chảy (TIG).
- Xác định được ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến khả năng hình thành liên kết
hàn giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 ở dạng chữ T, làm cơ sở cho quá trình thực
nghiệm thành công mối ghép.
- Xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ chính với các yếu tố quyết
định tới khả năng hình thành liên kết hàn giữa nhôm AA1100 và thép CCT38, từ đó lựa
chọn được vùng thông số công nghệ phù hợp, đảm bảo tạo ra được liên kết hàn giữa
nhôm AA1100 với thép CCT38.
3
- Kết hợp phương pháp nghiên cứu mô phỏng số với thực nghiệm nhằm nâng cao hiệu
quả nghiên cứu và đặc biệt là tiết kiệm các chi phí thực nghiệm.
b) Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
- Lần đầu tiên nghiên cứu ứng dụng thành công quá trình hàn TIG để hàn nhôm AA1100
với thép CCT38 ở dạng liên kết chữ T tấm dày, hàn cả hai phía, không sử dụng thuốc
hàn hay vật liệu trung gian, góp phần tự chủ khoa học công nghệ nội sinh mà không phụ
thuộc vào bí quyết công nghệ của nước ngoài.
- Luận án mở ra một hướng mới trong đào tạo, nghiên cứu phát triển công nghệ hàn các
vật liệu khác chủng loại ở Việt Nam, để chế tạo các chi tiết, các sản phẩm mà trong đó

phối hợp sử dụng nhiều loại vật liệu – một lĩnh vực đang có nhu cầu ứng dụng rất lớn và
đa dạng trong công nghiệp và đời sống.
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể ứng dụng vào việc chế tạo các tàu, xuồng vỏ
nhôm cỡ nhỏ và/hoặc ứng dụng để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt.
- Kết quả nghiên cứu cũng có thể ứng dụng trong một số ngành công nghiệp khác như:
chế tạo máy, chế biến dầu khí, hóa chất và dược phẩm, xây dựng các công trình biển
làm việc trong điều kiện ăn mòn hoá học cao, công nghiệp sản xuất điện, công nghiệp
hàng không vũ trụ và kỹ thuật quân sự.
• Các đóng góp mới của luận án:
1) Xây dựng được chương trình tính toán thiết kế tối ưu liên kết hàn hybrid nhôm – thép
dạng chữ T (một dạng kết cấu mới, phi tiêu chuẩn).
2) Mô phỏng được quá trình hàn TIG cho liên kết lai ghép giữa 2 loại vật liệu rất khác
biệt về chủng loại và tính chất đó là nhôm với thép ở dạng chữ T, để từ đó đánh giá
được khả năng hình thành liên kết hàn và dự báo các khuyết tật ngoại dạng.
3) Xây dựng được mối quan hệ giữa năng lượng đường với các yếu tố quyết định đến khả
năng hình thành liên kết hàn giữa nhôm AA1100 và thép CCT38, từ đó lựa chọn được
dải năng lượng đường phù hợp đảm bảo tạo ra được liên kết hàn giữa nhôm AA1100
với thép CCT38 bằng quá trình hàn TIG.
4) Tìm ra được các giải pháp kỹ thuật và công nghệ phù hợp để thực hiện được liên kết
hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T tấm dày, hàn cả 2 phía, không sử dụng thuốc hàn,
không mạ hay sử dụng vật liệu trung gian bằng quá trình hàn TIG.
• Kết cấu của luận án
Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được
trình bày trong 05 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về hàn nhôm với thép.
Chương 2: Cơ sở khoa học hàn nhôm với thép.
Chương 3: Mô phỏng số xác định chế độ công nghệ hàn TIG liên kết hybrid nhôm -
thép dạng chữ T.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm hàn TIG liên kết hybrid nhôm - thép dạng chữ T.
Chương 5: Kết quả nghiên cứu và bàn luận.

Kết luận chung của luận án và kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo.
Danh mục các tài liệu tham khảo.
Danh mục các công trình đã công bố của luận án.
4
1. TỔNG QUAN VỀ HÀN NHÔM VỚI THÉP
Chủ đề hàn nhôm với thép đã được đề cập từ khá lâu, đã có khá nhiều tác giả nghiên
cứu, song cho đến nay nó vẫn còn là một vấn đề mang tính thời sự do các kết quả nghiên
cứu vẫn chưa đạt được sự mỹ mãn so với các yêu cầu ngày càng cao và đa dạng của công
nghiệp và đời sống.
Để tránh việc nghiên cứu bị trùng lặp nhằm bảo đảm tính mới mẻ, phần tổng quan dưới
đây sẽ đi sâu vào việc phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài nước
đã có cho đến nay về vấn đề hàn nhôm với thép, qua đó sẽ cho thấy những thành tựu khoa
học đã đạt được cũng như những vấn đề còn hạn chế, tồn tại cần tập trung nghiên cứu, giải
quyết.
1.1. Tình hình nghiên cứu ở trong nước:
Trong lĩnh vực chế tạo: Việc nghiên cứu chế tạo xuồng nhôm và tàu nhôm cỡ nhỏ đã
được triển khai cách đây một số năm tại một số Công ty đóng tàu thuộc Bộ Quốc phòng,
tuy nhiên do là vật liệu hoàn toàn bằng nhôm nên chỉ đóng được tàu/xuồng cỡ nhỏ có tải
trọng thấp và tốc độ vận hành thấp, chưa đáp ứng được hết các yêu cầu của tàu cao tốc
phục vụ công tác tuần tra, cứu hộ trên biển ở khoảng cách xa bờ (chịu lực lớn, tốc độ cao,
có thể được trang bị cả vũ khí, khí tài quân sự).
Vài năm gần đây, cũng tại một số Công ty đóng tàu của Quân đội (Công ty đóng tàu
189, Công ty đóng tàu Hồng Hà, ) đã tiến hành chế tạo các loại tàu cao tốc vỏ nhôm với
tải trọng lớn hơn, tuy nhiên việc hàn trực tiếp nhôm với thép vẫn chưa được triển khai. Để
chế tạo các liên kết nhôm – thép dạng chữ T, người ta phải nhập từ nước ngoài các dải vật
liệu trung gian 2 lớp: nhôm - thép (Bimetal) hoặc 3 lớp: hợp kim nhôm - nhôm - thép
(Trimetal) – được chế tạo bằng quá trình hàn nổ, sau đó tiến hành hàn nhôm với nhôm và
thép với thép như cách làm thông thường (hình 1.1).
Hình 1.1 Liên kết hàn nhôm – thép dạng chữ T có sử dụng dải vật liệu trung gian 3 lớp.
Cách làm này tuy có bảo đảm được chất lượng và độ tin cậy yêu cầu, nhưng làm phức

tạp cho kết cấu, tốn nhiều chi phí và thời gian chế tạo do số mối hàn tăng gấp đôi, phải gia
công nhiều và đặc biệt là mất chi phí và thời gian nhập khẩu các dải vật liệu trung gian.
Trong lĩnh vực nghiên cứu: Việc nghiên cứu công nghệ hàn các vật liệu khác chủng
loại và khác nhóm cấu trúc chưa được quan tâm và thực hiện nhiều ở Việt Nam, trong khi
khả năng ứng dụng của chúng là rất lớn và đa dạng. Tác giả Hà Minh Hùng (Viện Nghiên
cứu Cơ khí – Bộ Công thương) và các cộng sự [2] đã tiến hành nghiên cứu hàn nhôm với
thép bằng năng lượng thuốc nổ ở quy mô phòng thí nghiệm và đã đạt được nhiều tiến bộ về
chất lượng mối ghép [2, 3], tuy nhiên phương pháp hàn nổ mà các tác giả thực hiện chỉ là
để tạo ra các ống, thanh và tấm vật liệu bimetal hoặc trimetal (liên kết chồng) chứ không
thuộc phạm vi trực tiếp chế tạo kết cấu hàn như đề tài luận án này đề cập.
5
Gần đây nhất (năm 2012), hãng Honda (thực hiện tại Tokyo – Nhật Bản) cũng đã
nghiên cứu thành công công nghệ hàn nhôm với thép [61] ứng dụng trong ngành chế tạo xe
hơi (dự kiến sẽ ứng dụng trong xe Accord phiên bản 2013) bằng một biến thể của hàn ma
sát ngoáy chứ không phải bằng năng lượng của hồ quang điện như đề tài luận án này.
Cho đến nay, tại Việt Nam chưa có tác giả nào nghiên cứu công nghệ hàn hồ quang để
tạo kết cấu hàn nhôm với thép, do đó việc đầu tư nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật để hàn
kết cấu nhôm với thép bằng quá trình hàn hồ quang là rất mới, rất cần thiết và có ý nghĩa
thực tiễn cao trong điều kiện thực tế hiện nay ở Việt Nam.
1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:
Việc nghiên cứu chế tạo các kết cấu từ vật liệu nhẹ đã được triển khai từ khoảng hơn
chục năm trở lại đây và đã đạt được những thành tựu rất khả quan. Cụ thể là các hãng chế
tạo ôtô (Mercedes Benz, BMW, Audi), tàu hỏa (ICE, TGV),… đã rất thành công trong việc
chế tạo các mẫu phương tiện có vỏ bằng hợp kim nhôm với nhiều tính năng kỹ thuật nổi
trội hơn nhiều so với các mẫu vỏ thép trước đó. Trong đó để hàn nhôm với thép, người ta
đã áp dụng rất nhiều quá trình hàn đặc biệt khác nhau cùng với rất nhiều nghiên cứu có giá
trị của nhiều tác giả.
Để có bức tranh tổng quát về khả năng hàn nhôm với thép, dưới đây sẽ thống kê tất cả
các quá trình hàn có thể thực hiện được việc hàn nhôm với thép cùng với những nghiên
cứu tiêu biểu, từ đó có thể rút ra các ưu và nhược điểm của chúng. Trong số đó, nhóm các

quá trình hàn hồ quang – liên quan trực tiếp đến đề tài của luận án – sẽ được phân tích,
đánh giá một cách tỉ mỉ nhằm tìm ra những vấn đề còn tồn tại, hạn chế cần nghiên cứu, giải
quyết tiếp.
• Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn Nổ:
Hiện nay đã có rất nhiều tác giả và công trình nghiên cứu ứng dụng quá trình hàn nổ để
hàn nhôm với thép, trong đó điển hình là các tác giả trong các tài liệu [4, 14, 15]. Quá trình
hàn nổ (explosive welding process) sử dụng năng lượng nổ của thuốc để tạo ra động năng
rất lớn cho tấm vật liệu phía trên nằm cách tấm dưới một khoảng cách phù hợp (hình 1.2).
Với động năng rất lớn này, tấm vật liệu phía trên sẽ va đập xuống tấm dưới với những
xung lực cực lớn, làm cho bề mặt tiếp giáp giữa hai tấm vật liệu chuyển sang trạng thái dẻo
(có thể có chỗ nóng chảy cục bộ ở mức tế vi) qua đó giúp chúng hòa trộn, khuếch tán sang
nhau để tạo ra liên kết hàn. Ở những vị trí quá nhiệt, do lượng nguyên tố khuếch tán sang
nhau vượt quá giới hạn hòa tan bão hòa sẽ xảy ra hiện tượng kết tủa tạo ra các pha mới
(thường là các tổ chức liên kim - Intermetallic Compound - IMC).
Yêu cầu của quá trình hàn này là một vật liệu phải có độ dẻo cao (như nhôm, đồng,…
chẳng hạn). Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng quá trình hàn nổ rất thích hợp để hàn nhôm
với thép, liên kết hàn nhận được có độ bền chắc cao, trong đó các hợp chất liên kim loại
(IMC) xuất hiện trên gianh giới giữa nhôm và thép ở dạng màng mỏng và không liên tục
tạo ra liên kết hàn có cơ tính tốt. Đặc điểm tổng quát của quá trình hàn nổ có thể được tóm
tắt như sau:
* Ưu điểm của hàn nổ:
- Thích hợp để hàn liên kết chồng cho các chi tiết dạng tấm, thanh và ống để chế tạo vật
liệu nhiều lớp kim loại khác nhau như Bimetal, Trimetal.
- Hàn được các kim loại khác chủng loại với nhau, đặc biệt thích hợp cho hàn nhôm với
thép. Ngoài ra hàn nổ còn được ứng dụng để hàn các hợp kim đặc biệt ứng dụng trong
đóng tàu, hóa chất, dầu khí, dược phẩm…
- Chất lượng liên kết hàn rất tốt và năng suất rất cao do thời gian hàn cực nhanh.
6