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

- 1-

- 2-

1. Cơ sở lựa chọn đề tài luận án
Vật liệu tổ hợp 2 lớp kim loại (bimetal), hoặc 3 lớp (trimetal) ở
dạng tấm, ống, thanh hình prophin với lớp bề mặt làm bằng nhôm,
hợp kim nhôm độ bền cao có tính năng chống gỉ, chịu mài mòn, chịu
nhiệt cao, còn lớp kim loại nền thì chịu tải trọng nén (kéo) phù hợp
với điều kiện làm việc của chi tiết và kết cấu. Trong ngành công
nghiệp hàng không, đóng mới và sửa chữa tầu thủy hiện nay, vật liệu
trimetal thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083, tương
đương vật liệu thép CT.3 – nhôm AД1 – hợp kim nhôm AMг5 của
Nga, có chiều dày các lớp nhôm + hợp kim nhôm đến (5 + 5) mm,
còn nền thép có chiều dày đến 30  40 mm được sử dụng phổ biến.
Vật liệu này có tính năng đặc biệt rất cần thiết cho việc hàn các kết
cấu giữa thép với hợp kim nhôm biến dạng, đảm bảo độ bền mối hàn
cao và hạn chế sự hình thành lớp màng liên kim loại giữa thép – hợp
kim nhôm ở mức thấp nhất, nên được sử dụng rộng rãi ở các nước
công nghiệp G8. Những vật liệu đó tùy theo chiều dày lớp phủ, được
chế tạo bằng công nghệ đúc và cán luyện kim truyền thống, hàn
khuếch tán, hàn đắp hoặc công nghệ hàn hàn nổ.
Mặc dù nó có giá thành chế tạo cao hơn so với thép đóng tầu,
nhưng sử dụng vật liệu kết cấu hợp kim nhôm trên tầu thuỷ nhanh
chóng được hoàn vốn nhờ có nhiều ưu điểm hơn thép như: mật độ
thấp nên vật liệu hợp kim nhôm rất nhẹ, không bị nhiễm từ tính, khả
năng chống gỉ cao và độ bền đủ cứng vững. Hợp kim nhôm đóng tầu
dùng phổ biến nhất là để chế tạo các bồn chức nước, các hộp cácter,
tầu chở khách cánh ngầm, tầu tốc độ cao cỡ nhỏ... Kết cấu tầu thuỷ
bằng hợp kim nhôm hàn với vỏ thép thường là các cụm thiết bị trên
boong tầu, ống khói, hệ thống quạt thông gió, cabin buồng lái, phòng

ngủ thuỷ cho thủ, cấu kiện trang trí nội thất.
Ở Việt Nam nhu cầu sử dụng vật liệu trimetal nói trên trong
ngành sửa chữa và đóng mới tầu thủy, trong đó có tầu quân sự ở một
số nhà máy quân đội hàng năm cần một lượng vật liệu rất đáng kể,
hiện nay còn hoàn toàn phải nhập ngoại 1, 3. Một số nghiên cứu
chế tạo vật liệu hợp kim nhiều lớp 3, 5, 711 mới được công bố
gần đây ở Việt Nam gần đây, còn chưa đề cập sâu do những thông tin
kỹ thuật công nghệ truy cập được trên mạng Internet cũng chỉ mang
tính chất chào bán công nghệ, chưa đủ cơ sở khoa học để có thể lựa
chọn vật liệu bimetal hoặc trimetal đúng đắn và có hiệu quả.
Hàn nổ là một trong các công nghệ tiên tiến, có ưu điểm nổi

trội là không đòi hỏi phải đầu tư thiết bị tạo áp lực cao để hàn dính
các lớp kim loại với nhau, phù hợp với điều kiện thực tiễn ở nước ta,
nên đã được nghiên cứu sinh lựa chọn để chế tạo vật liệu trimetal
thép – nhôm – hợp kim nhôm độ bền cao. Vì thế, việc nghiên cứu hệ
thống hóa cơ sở lý thuyết và kết quả thực nghiệm theo hướng ứng
dụng công nghệ hàn nổ ở nước ta hiện nay để sản xuất vật liệu
trimetal thép - nhôm - hợp kim nhôm độ bền cao, sử dụng cho hàn
kết cấu trong công nghiệp đóng tầu thủy là cần thiết, có ý nghĩa khoa
học và thực tiễn cao.
2. Mục đích nghiên cứu
Xác định chế độ hàn nổ thích hợp để chế tạo vật liệu trimetal
thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083, sử dụng
nguyên vật liệu đầu vào sẵn có trên thị trường và vật liệu nổ do Việt
Nam tự sản xuất nhằm làm chủ công nghệ, đồng thời xác lập cơ sở
khoa học để tiến tới việc nghiên cứu phát triển để tạo phôi vật liệu
trimetal có kích thước lớn.
3. Đối tượng nghiên cứu
Vật liệu trimetal thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm

AA5083, sử dụng làm chi tiết trung gian để hàn kết cấu trong các
ngành công nghiệp đóng tầu thủy và xây dựng công trình công nghiệp.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Chứng minh tính khả thi về mặt công nghệ bằng cơ sở lý
thuyết và kết quả thực nghiệm hàn nổ tạo phôi vật liệu trimetal thép
CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083 ở quy mô mẫu thí
nghiệm trong điều kiện Việt Nam, đảm bảo mức chất lượng tương
đương sản phẩm nhập ngoại.
5. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm:
- Trên cơ sở nghiên cứu tài liệu tham khảo cập nhật được về
một số công nghệ hàn nhôm, hợp kim nhôm với thép khác nhau (hàn
ma sát, hàn đắp, cán dính, hàn nổ,…) để xác lập cơ sở khoa học cho
việc lựa chọn công nghệ, giới hạn phạm vi nghiên cứu của đề tài luận
án phù hợp với điều kiện trang thiết bị thí nghiệm hiện có trong nước.
- Xác định điều kiện thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm
kiểu 3 mức N = 33, sử dụng các trang thiết bị đo tốc độ nổ và các chỉ
tiêu cơ tính trên mẫu thí nghiệm hiện đại;
- Sử dụng phương pháp tiên tiến để tính toán xây dựng mô hình
toán học phỏng đoán độ bền bám dính 2 lớp vật liệu thép với nhôm
và hợp kim nhôm độ bền cao dùng trong ngành đóng tầu thủy, đồng


- 3-

- 4-

thời với nghiên cứu khảo sát tổ chức tế vi tại biên giới liên kết giữa
các lớp kim loại hàn nổ để có đánh giá tổng hợp về chất lượng vật
liệu trimetal hàn nổ.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận án
Ý nghĩa khoa học:
- Nghiên cứu thành công công nghệ chế tạo vật liệu trimetal
thép – nhôm – hợp kim nhôm bằng phương pháp hàn nổ, xác định
được các thông số công nghệ cơ bản r, h, C ảnh hưởng đến độ bền
bám dính bd giữa các lớp vật liệu nhôm AA1050 – thép CT.3, nhôm
AA1050 – hợp kim nhôm AA5083, giải thích bằng phương pháp kim
tương học (hiển vi quang học, hiển vi điện tử quét SEM) và phương
pháp phân tích thành phần hóa học (EDX);
- Nghiên cứu khảo sát cấu trúc kim loại giữa các lớp thép
CT.3, nhôm AA1050 và hợp kim nhôm AA5083 làm rõ cơ chế và
khả năng hình thành liên kết kim loại giữa các vật liệu có cơ lý tính
khác nhau và định hướng lựa chọn miền biến thiên của thông số công
nghệ hàn nổ chính (r, h, C), hạn chế đến mức tối thiểu các lớp màng
liên kim loại hệ Fe – Al, xác định thành phần lớp màng mỏng và liên
kim loại trong mối hàn;
- Xây dựng được mô hình toán học phản ánh mối quan hệ
của các thông số công nghệ ảnh hưởng tới chất lượng độ bền bám
dính (bd) giữa hai lớp kim loại hàn nổ: thép CT.3 – (nhôm + hợp
kim nhôm) thông qua các thông số công nghệ hàn nổ ban đầu (r, h,
C) và từ đó lựa chọn miền điều chỉnh phù hợp, đảm bảo chất
lượng tổng hợp của vật liệu trimetal sau hàn nổ tốt nhất.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Lần đầu tiên triển khai ứng dụng công nghệ hàn nổ trong
điều kiện Việt Nam ở quy mô phòng thí nghiệm có kết quả khả
quan, không phụ thuộc vào bí quyết công nghệ của nước ngoài,
trong lĩnh vực chế tạo vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim
nhôm độ bền cao;
- Lập tiền đề cho việc nghiên cứu sử dụng vật liệu trimetal thép
– nhôm – hợp kim nhôm làm chi tiết trung gian trong công nghệ hàn

kết cấu thép với hợp kim nhôm độ bền cao, trong công nghiệp đóng
mới và sửa chữa tầu thủy của Việt Nam;
- Góp phần nâng cao năng lực Khoa học công nghệ nội sinh,
tiếp cận với công nghệ tiên tiến của thế giới để chế tạo các loại vật
liệu nhiều lớp mới (bimetal, trimetal), vật liệu composite có tính năng
đặc biệt phục vụ nhiều ngành kinh tế như: trong công nghiệp chế tạo

máy, khai thác và chế biến dầu khí, công nghiệp khai thác mỏ và
luyện kim, công nghiệp hoá học, xây dựng các công trình biển làm
việc trong điều kiện ăn mòn hoá học cao, công nghiệp sản xuất điện,
công nghiệp vật liệu hàng không vũ trụ và kỹ thuật quân sự.
7. Kết cấu của Luận án
Bao gồm phần Mở đầu, Kết luận và 5 chương:
- Chương 1: Tổng quan vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim
nhôm dùng trong công nghiệp đóng tầu thủy;
- Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hàn nổ kim loại dạng tấm;
- Chương 3: Vật liệu, thiết bị thí nghiệm, phương pháp nghiên cứu;
- Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm hàn nổ tạo phôi vật liệu trimetal
thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083;
- Chương 5: Nghiên cứu tổ chức tế vi, cấu trúc màng mỏng, liên kim
loại vật liệu trimetal sau hàn nổ trên biên giới thép –
nhôm và nhôm – hợp kim nhôm
- Kết luận chung luận án;
- Danh mục tài liệu tham khảo;
- Phụ lục luận án.
Chương 1.
TỔNG QUAN VẬT LIỆU TRIMETAL THÉP – NHÔM – HỢP
KIM NHÔM DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP ĐÓNG TẦU THỦY
1.1. Khái quát về một số công nghệ chế tạo vật liệu bimetal
trong Kỹ thuật cơ khí

Phân tích các đặc điểm công nghệ chế tạo vật liệu bimetal,
trimetal nói chung và lưu ý đến điều kiện thực tiễn ở Việt Nam không
thể có đầu tư lớn cho việc trang bị mới các máy cán chuyên dụng
công suất lớn đủ điều kiện kỹ thuật - công nghệ cho sản xuất tấm vật
liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm độ bền cao với chiều dày
2 lớp phủ lớn, sử dụng làm chi tiết trung gian trong công nghiệp đóng
tầu thủy và hàn kết cấu công trình công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu
ở đề tài luận án này chỉ giới hạn ở việc tìm hiểu một số đặc điểm hàn
thép với nhôm và hợp kim nhôm cập nhật qua tài liệu tham khảo đã
công bố trong và ngoài nước, đồng thời với phát triển thêm một bước
mới dựa trên các kết quả thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm hàn
nổ tạo phôi bimetal thép – hợp kim nhôm và kiểm định mẫu vật liệu
thép CT.3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083.
1.2. Tổng quan công nghệ chế tạo vật liệu trimetal thép –
nhôm – hợp kim nhôm độ bền cao


- 5-

- 6-

- Hàn ma sát dưới áp lực.
- Hàn kết cấu thép với hợp kim nhôm độ bền cao thông qua chi
tiết trung gian trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm.
- Hàn bằng năng lượng nổ.
1.3. Nghiên cứu phạm vi sử dụng vật liệu trimetal thép –
nhôm – hợp kim nhôm trong hàn kết cấu tầu thuỷ
- Sơ lược về lịch sử ứng dụng hợp kim nhôm trên thế giới.
- Ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng hợp kim nhôm trong công
nghiệp đóng tầu thủy.

- Tổng hợp một số mác vật liệu hợp kim nhôm dùng trong công
nghiệp đóng tầu thủy của Nga.
- Hợp kim nhôm trong công nghiệp đóng tầu của các nước khác
trên thế giới.
- Cơ tính của hợp kim nhôm đóng tầu thủy của Nga.
1.4. Nghiên cứu hàn ghép nối vật liệu kết cấu thép với hợp
kim nhôm
Khi hàn các chi tiết kết cấu bằng thép với các cấu kiện bằng hợp
kim nhôm thường gặp trong công nghiệp đóng toa xe lửa, tầu thuỷ.
Phương pháp hàn qua chi tiết trung giam làm bằng vật liệu bimetal
thép – hợp kim nhôm được sử dụng để hàn ghép các tấm phẳng hoặc
chi tiết ống thép với ống hợp kim nhôm.
1.5. Nghiên cứu tương tác giữa nhôm và hợp kim nhôm với
thép khi hàn
Vấn đề cấp thiết nhất hiện nay trong kỹ thuật công nghệ hiện đại là
phải giảm thiểu khối lượng kết cấu kim loại của máy móc thiết bị,
đồng thời với tăng các đặc tính kỹ thuật và độ bền lâu trong điều kiện
làm việc thực tế của chúng. Điều đó dẫn tới sự cần thiết phải sử dụng
nhiều loại vật liệu tổ hợp thép – hợp kim mầu khác nhau không phải
trên toàn bộ chi tiết hoặc kết cấu mà chỉ một phần của chúng trực tiếp
chịu tác động của tải trọng, nhiệt độ, môi trường làm việc nhất định.
Vì thế, các loại vật liệu kết cấu bimetal thép – nhôm (thép – hợp kim
nhôm) đang ngày càng được ứng dụng rông rãi và thúc đẩy sự phát
triển trong các ngành chế tạo tên lửa, máy bay, ô tô, đóng tầu biển và
một số ngành công nghiệp trọng điểm của nền kinh tế trên thế giới.
1.6. Ứng dụng hàn nổ tạo vật liệu bimetal thép – hợp kim
nhôm ở Việt Nam
Nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam về vật liệu bimetal thép 08Kп –
hợp kim nhôm ACM; thép 08Kп – hợp kim nhôm AO9-1 chịu mòn

đã được nhóm nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu máy (nay là Viện
Nghiên cứu Cơ khí - Bộ Công Thương) thực hiện bằng phương pháp
cán dính và kết hợp với công nghệ hàn nổ. Vật liệu bimetal thép –
hợp kim nhôm chịu mòn nói trên đã được dùng để chế tạo thử bạc
trượt động cơ ô tô DESOTO-P354 (Mỹ); IFA-W50 (Đức); bạc trượt
động cơ diesel D9 & D12 YANMAR (Nhật Bản); D22 (Việt Nam)
có thể tham khảo để chọn các cận trên và cận dưới của vùng hàn nổ.
Kết luận chương 1
1) Đưa ra được cơ sở khoa học để lựa chọn chế độ hàn nổ tạo
phôi vật liệu bimetal hoặc trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm có
rất nhiều ưu điểm dùng làm vật liệu trong ngành công nghiệp đóng
tàu mà các vật liệu khác không có được; Sử dụng vật liệu nhôm
AA1050 và hợp kim nhôm AA5083 để thí nghiệm hàn nổ với lớp nền
thép các bon CT.3 có đầy đủ thành phần hóa học, cơ lý tính tương đương
với các mác vật liệu nhập ngoại trong điều kiện Việt Nam là phù hợp;
2) Qua nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng công nghệ hàn nổ ở
Việt Nam, nghiên cứu sinh đã giới hạn được những thông số hàn nổ
quan trọng ban đầu: tỷ lệ khối lượng thuốc nổ trên khối lượng tấm kim
loại hàn (r); tỷ lệ khe hở hàn với chiều dày tấm kim loại hàn (h) và
thông số đặc trưng cho tốc độ nổ của thuốc nổ sử dụng (C).
Chương 2.
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÀN NỔ KIM LOẠI DẠNG TẤM
2.1. Đặc điểm của quá trình hàn nổ
Hàn nổ là quá trình nhận được liên kết kim loại và hợp kim dưới
tác động của năng lượng sinh ra khi kích nổ các chất nổ. Năng lượng
hóa năng của thuốc nổ đã chuyển thành cơ năng (động năng), nhiệt
năng. Trong quá trình hàn nổ, tốc độ va đập của tấm kim loại trên với
tấm kim loại dưới đạt đến 1.500 m/s. Tốc độ di chuyển của vùng hàn
theo hướng nổ cũng đạt giá trị trên dưới 1.000 m/s, phụ thuộc vào góc
va đập trong từng trượng hợp hàn cụ thể. Tại điểm va đập, nhiệt độ lên

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


- 7-

- 8-

biến dạng dẻo, xâm nhập vào nhau một cách chặt chẽ, tạo ra liên kết
kim loại trên toàn bộ diện tích bề mặt mối hàn.
2.2. Nguyên lý hình thành liên kết 2 lớp kim loại khi hàn nổ
Sự va đập của các tấm kim loại khi hàn nổ tạo ra liên kết bền
vững tại điểm va đập, nhưng cần phải đảm bảo sao cho trong thời
gian tồn tại áp lực va đập lớn hơn thời gian kết tinh lại của hỗn hợp
các kim loại hàn và kim loại nền nóng chảy. Cơ chế hình thành mối
hàn nổ giữa 2 tấm kim loại thường có biên dạng sóng âm (hình 2.1).

hàn (RZ); nhiệt độ các tấm kim loại hàn (T1, T2); kích thước và đặc
tính của các kim loại hàn (độ bền, độ cứng, độ dai…).
4) Nhóm các thông số năng lượng gồm có: động năng riêng của tấm
kim loại hàn (W1); động năng riêng của tấm kim loại nền (W2).
2.4. Ảnh hưởng của liên kim loại hệ Fe – Al đến chất lượng vật
liệu bimetal
Cặp vật liệu thép - nhôm và thép - hợp kim nhôm là những vật
liệu khó hàn với nhau nhất. Chất lượng mối hàn đạt được tương đối ở
chế độ hàn nổ (hoặc các phương pháp hàn khác) là khá hẹp. Sự cản
trở nhận được độ bền bám dính hai lớp cao của cặp vật liệu thép nhôm chính là do nhôm (Al) có khả năng tạo thành với sắt (Fe) các

liên kim cứng giòn dạng FeAl, FeAl3, Fe2Al5. Độ cứng của các liên
kim này đạt đến 740  900 HV, chiều rộng vùng các liên kim, tuỳ
thuộc vào chế độ hàn nổ, thay đổi trong khoảng một vài micrông
đếnảng dưới 240 m. Sự phá huỷ liên kết kim loại hai lớp bimetal
thường xẩy ra trên biên giới phân cách giữa 2 kim loại thành phần,
trong vùng các liên kim loại khi đó quan sát thấy có các vết nứt.
Liên kim dạng FeAl xuất hiện khi nhiệt luyện bimetal ở nhiệt
độ 450  600 OC mà tại đó ngay sau khi hàn nổ không quan sát thấy
các liên kim hình thành. Nung nóng bimetal ở nhiệt độ 300  400 OC
trong thời gian đến 250 giờ làm giảm độ bền bám dính hai lớp từ 100
MPa xuống còn 32 MPa. Ở nhiệt độ 450  600 OC vì do xuất hiện các
liên kim loại dạng FeAl - độ bền bám dính hai lớp bimetal giảm
xuống đến 10 - 20 MPa. Khi sử dụng lớp lót công nghệ trung gian
bằng hợp kim AÄ-1, Al + 5,6 % Si, Al + 4 % Fe, Al + 4,5 % Cu, Al
+ 4,6 % Ni độ bền bám dính hai lớp thép  hợp kim nhôm công
nghiệp tăng lên đến mức hợp kim nhôm ở trạng thái biến cứng.
Kết luận Chương 2
1) Phân tích được bản chất của quá trình hình thành liên kết
hai lớp kim loại khi hàn nổ, đặc điểm công nghệ của quá trình hàn
nổ, cơ chế hình thành liên kết, các thông số động học, vật lý, công
nghệ ảnh hưởng đến quá trình hàn nổ;
2) Lưa chọn được các các thông số chế độ công nghệ chính
ảnh hưởng tới độ bền tới độ bền bám dính hai lớp kim loại trong vật
liệu trimetal thép – nhôm - hợp kim nhôm khi hàn nổ. Đề xuất các
thông số chế độ hàn nổ tạo vật liệu bimetal thép CT.3  hợp kim
nhôm AA5083 (tương đương hợp kim AMг6) dự kiến cho thí nghiệm
của đề tài luận án là (r, h, C) cho quy hoạch thực nghiệm.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)
h)
i)
Hình 2.1 Sơ đồ hình thành bề mặt sóng liên kết khi hàn nổ
các kim loại khác nhau.
2.3. Các thông số chủ yếu của quá trình hàn nổ
Phân biệt các thông số chủ yếu đặc trưng cho quá trình hàn nổ
hai tấm kim loại sau đây: 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 tấm kim loại nền (vP), tốc độ điểm tiếp xúc
giữa hai tấm kim loại (vK), góc va đập (), góc uốn động ();
2) Nhóm thông số vật lý gồm có: áp suất tại điểm tiếp xúc khi
va đập (pK), 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 khồn đơn vị (r) – tỷ lệ giữa khối lượng
thuốc nổ và khối lượng tấm kim loại hàn; khe hở hàn (hO) – khoảng
cách ban đầu giữa các tấm kim loại hàn; độ nhám bề mặt tiếp xúc khi


- 9-

- 10-

VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM, PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
3.1. Điều kiện thí nghiệm
- Vật liệu thí nghiệm: sử dụng các tấm thép CT.3, nhôm
AA1050 và hợp kim nhôm dễ mua trên thị trường Việt Nam. Thuốc
nổ AD1 và phụ gia tự chế tạo trong nước.
- Đế nổ sử dụng kết cấu thép – bê tông; máy kich nổ và thiết bị
đo tốc độ nổ kỹ thuật số chuyên dụng; phần mềm chuyên dụng xử lý
số liệu đo tốc độ nổ; các trang bị, vật tư thí nghiệm phụ trợ khác.
3.2. Phương pháp tiến hành thí nghiệm
- Chọn kích thước hình học mẫu thí nghiệm hàn nổ theo quy
hoạch thực nghiệm N = 33 = 27 để tạo phôi vật liệu trimetal thép CT.3 –
nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083:
1) Lớp thép CT.3 có chiều dày 20  35 mm, chiều rộng 100 mm,
chiều dài 300  400 mm, trên bề mặt lớp thép CT.3 có chiều dày 20 mm
có phủ một lớp niken (Ni) với chiều dày khoảng 10 m, còn lớp thép
CT.3 có chiều dày 35 mm thì không có lớp phủ Ni mà thực hiện phương
án hàn trực tiếp lớp nhôm AA1050;
2) Lớp nhôm trực tiếp hàn với lớp thép CT.3 có chiều dày 5 mm,
chiều rộng 110 mm, chiều dài 320 mm;
3) Lớp hợp kim nhôm AA5083 có kích thước hình học giống như
lớp nhôm AA105.
- Phương pháp hàn nổ: làm sạch bề mặt tiếp xúc hàn; xếp pakét
kim loại; rải thuốc nổ; kích nổ.
- Phương pháp đo tốc độ nổ của hỗn hợp thuốc nổ sử dụng để
xác định tỷ lệ phụ gia hợp lý.
- Thiết bị để nắn phẳng và nhiệt luyện phôi bimetal sau hàn nổ.

- Chọn đồ gá, thiết bị, vị trí lấy mẫu thử độ bền bám dính hai
lớp bimetal thép – nhôm;
- Chọn phương pháp đánh giá chất lượng tổng hợp mối hàn nổ.
3.3. Phương pháp xác định độ bền bám dính hai lớp vật liệu bimetal
1) Đánh giá chất lượng bằng định tính và định lượng chất
lượng liên kết các lớp kim loại hàn nổ: phương pháp tin cậy và có độ
chính xác hơn cả là đánh giá bằng định tính nhờ trợ giúp của thiết bị
phân tích kiểm tra siêu âm. Tuy nhiên, do bề mặt lớp hợp kim nhôm

sau hàn nổ thường bị biến dạng dẻo khá mạnh, có độ nhấp nho lớn,
nên trong trường hợp này không sử dụng;
2) Phương pháp xác định tính chất định lượng: được dựa trên
cơ sở thử phá huỷ mẫu chuyên dụng để xác định độ bền bám dính hai
lớp kim loại trong vật liệu bimetal, kết hợp thực hiện đồng thời các
nghiên cứu khảo sát cấu trúc tế vi vật liệu tại những vị trí lấy mẫu
tương ứng quy định để xác định tính chất đặc trưng của cấu trúc tế vi
ở cấp độ hạt tại các vùng khác nhau trong thể tích các lớp khuếch tán
và liên kim loại (intermetalid);
3) Phương pháp xác định độ cứng tải trọng nhỏ (tế vi) bằng
cách đo vết ấn lõm, để nhận biết tính chất của vật liệu bimetal tại
biên giới và trong các lớp kim loại hàn nổ.
3.4. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc kim loại tại biên giới hai
lớp bimetal
Để nghiên cứu cấu trúc kim loại tại vùng biên giới liên kết giữa
các lớp vật liệu trimetal thép CT.3 – nhôm AA 1050 – hợp kim nhôm
AA 5083 sau hàn nổ, sử dụng kính hiển vi quang học hiện có tại Viện
Nghiên cứu Cơ khí; Viện Khoa học vật liệu (Viện KH&CN Việt
Nam) và Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Việc nghiên cứu cấu
trúc màng mỏng và liên kim loại tại biên giới 2 lớp CT.3 – nhôm AA
1050 (ở các chế độ nổ khác nhau) được thực hiện bằng phương pháp

hiển vi điện tử và phân tích quang phổ phát xạ (EDX) trên các mẫu
thí nghiệm khảo sát cấu trúc thô đại và cấu trúc tế vi vùng biên giới 2
lớp sau hàn nổ tương ứng với mẫu thử phá hủy. Từ đó xác định ảnh
hưởng của chế độ nổ đến đặc tính sóng âm liên kết, cấu trúc tế vi
giữa hai lớp kim loại hàn nổ (màng mỏng, liên kim loại cục bộ), đồng
thời có so sánh với ứng xử của độ bền bám dính hai lớp tại các điểm
nút quy hoạch thực nghiệm khảo sát.
3.5. Phương pháp xử lý số liệu thống kê thực nghiệm
Xuất phát từ mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài luận
án, phương pháp tính toán kết quả thí nghiệm gồm: xử lý các số liệu
thí nghiệm bằng phương pháp thống kê toán học thực nghiệm. Điều
đó cho phép nghiên cứu sự ảnh hưởng của thông số hàn nổ ban đầu
(r, h, C) khác nhau đến độ bền bám dính hai lớp vật liệu trimetal thép
– (nhôm + hợp kim nhôm) bằng cách thử phá huỷ kéo dứt các mẫu
thử dạng tròn được lấy từ các tại trí khác nhau trên tấm bimetal sau
hàn nổ. Kết quả tính toán cho phép làm rõ hơn ảnh hưởng riêng biệt
cũng như đồng thời cặp đôi của các thông số r, h, C tới chất lượng
bám dính giữa các lớp kim loại hàn nổ.

Chương 3.


- 11-

- 12-

3.6. Phương pháp tính toán mô hình toán học thực nghiệm hàn nổ
Chọn điều kiện quy hoạch thực nghiệm hàn nổ với mức thay
đổi ba thông số công nghệ chính ở đây là: r, h, C ở dạng mã số hóa để
điều chỉnh theo từng lô thí nghiệm (bảng 3.4).

Bảng 3.4. Mã hoá các thông số công nghệ theo quy hoạch thực nghiệm 33
Các yếu tố khảo sát
X2(Mức 0) X2(Mức 1) X2(Mức 2)
X1(Mức 0)
000
010
020
X3(Mức 0) X1(Mức 1)
100
110
120
X1(Mức 2)
200
210
220
X1(Mức 0)
001
011
021
X3(Mức 1) X1(Mức 1)
101
111
121
X1(Mức 2)
201
211
221
X1(Mức 0)
002
012

022
X3(Mức 2) X1(Mức 1)
102
112
122
X1(Mức 2)
202
212
222

tính, cấu trúc, độ bền bám dính 2 lớp) cao nhất. Đây cũng chính là
một điểm mới về mặt khoa học của công trình nghiên cứu này.
Chương 4.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HÀN NỔ TẠO PHÔI VẬT
LIỆU TRIMETAL THÉP CT.3 – NHÔM AA1050 – HỢP KIM
NHÔM AA5083
4.1. Xác định tốc độ nổ trong miền điều chỉnh phù hợp
- Điều chỉnh giảm tốc độ nổ của thuốc nổ AD1. Kết quả đo tốc
độ nổ khi điều chỉnh mật độ rải và tỷ lệ pha trộn hợp lý bằng thiết bị
đo kỹ thuật số cho trên hình 4.4 và hình 4.4.
MicroTrap VOD Data

MicroTrap VOD Data

0.95

5.0

0.90
4.5

0.85

2904.7 m/s

4.0

0.80
3.5

D
ista
n
c
e(m
)

D
ista
n
c
e(m
)

0.75
0.70
0.65
0.60
0.55

Kết luận Chương 3

1) Chọn vật liệu, trang thiết bị sử dụng và phương pháp thí
nghiệm hàn nổ tạo phôi trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm. Đã xác
định các mức biến thiên trong miền lựa chọn chế độ quy hoạch thực
nghiệm hàn nổ N = 33 = 27 và kích thước hình học, thành phần hoá học
và cơ tính vật liệu mẫu thí nghiệm hàn nổ phù hợp để tìm chế độ công
nghệ thích hợp;
2) Việc đánh giá chất lượng tổng hợp của vật liệu trimetal sau hàn
nổ được thực hiện bằng cách: xác định độ bền bám dính 2 lớp theo
phương pháp kéo dứt; khảo sát cấu trúc biên giới liên kết 2 lớp kim loại
thành phần bằng phương pháp kim tương học và phân tích EDX; đo độ
cứng tế vi các lớp trimetal;
3) Chọn phương pháp xử lý số liệu thống kê toán học thực
nghiệm để tính toán xây dựng mô hình toán học phỏng đoán chất
lượng vật liệu trimetal sau hàn nổ thông qua hàm mục tiêu độ bền
bám dính 2 lớp phụ thuộc vào các thông số hàn nổ chủ yếu trong
miền khảo sát (r, h, C) là một trong các cách tiếp cận hiện đại;
4) Việc phân tích đánh giá ảnh hưởng riêng biệt của từng thông
số công nghệ, ảnh hưởng cặp đôi đồng thời với các thông số khác và
xác lập được thứ tự mức ảnh hưởng của chúng tới hàm mục tiêu chất
lượng trong mô hình toán học nhằm giới hạn được vùng điều chỉnh
thích hợp các thông số r, h, C để đảm bảo tính chất tổng hợp (cơ lý

3.0

3869.1 m/s

2.5
2.0
1.5

0.50

1.0

0.45

0.5

0.40
0.0
0.050

0.075

0.100
0.125
Time (ms)

0.150

0.175

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

-0.0
Ti me (ms)

0.1

0.2

0.3

0.4

Hình 4.1. Kết quả đo tốc độ nổ của thuốc Hình 4.3. Kết quả đo tốc độ nổ của thuốc
nổ hỗn hợp AD1 + NH4NO3 trong trường nổ hỗn hợp AD1 + NH4NO3 trong trường
hợp C = 0,7; H = mức 01:
hợp C = 0,7; H = mức 03:
max (D01 = 2904,7 m/s)
(D03 = 3869,1 m/s)

4.2. Thực nghiệm hàn nổ nhôm và hợp kim nhôm với lớp nền thép
1) Hàn nổ trực tiếp lớp nhôm AA1050 với lớp nền thép CT.3.
Sau đó tiến hành hàn nổ lớp hợp kim nhôm AA5083 với bề mặt lớp
nhôm AA1050. Mẫu vật liệu trimetal sau hàn nổ cho trên hình 4.5;
2) Hàn nổ lớp nhôm AA1050 với lớp thép CT.3 thông qua lớp
phủ Ni có chiều dày trong khoảng 10 m trên bề mặt lớp thép CT.3.
Sau đó tiến hành hàn nổ lớp hợp kim nhôm AA5083 với bề mặt lớp
nhôm AA1050 (hình 4.6).
4.3. Xác định độ bền bám dính 2 lớp thép CT.3 – (nhôm AA1050 +
hợp kim nhôm AA5083) trên mẫu vật liệu trimetal sau hàn nổ
Độ bền bám dính 2 lớp thép CT.3 không có lớp phủ Ni – (nhôm
AA1050 + hợp kim nhôm AA5083) cho trong bảng 4.1 (xem bản luận

án).Từ các số liệu thực nghiệm cho trong bảng 4.1 xây dựng được các
đồ thị cho trên các hình 4.10, 4.11, 4.12. Từ đó ta nhận thấy độ bền bám
dính 2 lớp thép CT.3 – nhôm (AA1050 + AA5083) b.d. (MPa) có xu


- 13-

- 14-

hướng tăng tỷ lệ thuận cùng với chiều tăng của Wp, pk, vp đến giá trị cự
đại ở các chế độ hàn nổ tối ưu, sau đó giảm dần. Điều đó được minh
chứng rõ hơn bằng kết quả khảo sát chụp ảnh tổ chức tế vi trên các mẫu
điển hình tương ứng được cho trên hình 5.4 (Chương 5).

Kết quả thí nghiệm hàn nổ lớp thép CT.3 có lớp phủ Ni với lớp (nhôm
AA1050 + hợp kim nhôm AA5083) được thể hiện trên ảnh chụp mẫu vật liệu
trimetal sau hàn nổ cho trên hình 4.13. Kết quả thử phá hủy một số mẫu điển
hình để xác định độ bền bám dính giữa hai lớp thép (CT.3 + Ni) – nhôm
(AA1050 + 5083) được cho trong bảng 4.2 dưới đây:
Bảng 4.2. Độ bền bám dính 2 lớp thép (CT.3+Ni) – hợp kim nhôm (AA1050
+ AA5083) 5

Mặt nhôm AA1050

Mặt bên thép CT.3 – nhôm AA1050
Hình 4.5. Mẫu vật liệu thép CT.3 –
nhôm AA1050 có kích thước hình
học (5 + 35) x 100 x 200 mm
(không có lớp lót trung gian Ni )

Wp, MJ/m2
Hình 4.10. Sự ảnh hưởng của năng
lượng va đập đến độ bền bám dính 2 lớp

Mặt nhôm AA1050

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

pk, MPa
Hình 4.11. Sự ảnh hưởng của áp suất
va đập đến độ bền bám dính 2 lớp

vp, m/s
Hình 4.12. Sự ảnh hưởng của tốc độ
va đập đến độ bền bám dính 2 lớp

Hình 4.13. Mẫu thí nghiệm hàn nổ vật
liệu tổ hợp 3 lớp thép CT.3 – nhôm
AA1050 – hợp kim nhôm AA5083
ở các chế độ khác nhau.

Mã số Độ bền bám dính 2 lớp khi kéo dứt, MPa
Mẫu
Sai lệch
Phương

QH2
số
BPTB,
S
sai, S
Lần
1,

Lần
2,

Lần
3,

TB:


1
2
3
b.d.
TN
1
2
3
4
5
6
7
8

1
002
62,5
63,0
63,5
62,8333 0,56333 0,75055
2
012
67,8
66,8
67,5
67,3666 0,26333 0,51315
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

022
100
101
102
112

122
202
212
222
210
211
212

68,8
71,7
77,5
79,0
80,5
84,0
86,0
88,5
87,5
93,0
96,6
94,5

70,6
72,4
79,5
81,0
81,5
85,5
87,5
89,5
85,5

93,0
98,5
95,5

69,8
73,8
78,4
79,5
82,0
85,0
87,5
89,5
86,5
94,5
97,0
95,5

69,7333
72,6333
78,4666
79,8333
81,3333
84,8333
87,0000
89,1666
86,3333
93,5000
97,3666
95,1666

0,81331
1,14332
1,00333
1,08332
0,62499
0,58333
0,75000
0,33333
1,04166
0,75000
1,00333
0,33333

0,90183
1,06926
1,00166
1,04083
0,79056
0,76376
0,86602
0,57734
1,02061
0,86602
1,00166
0,57734

4.4. Mô hình hóa toán học độ bền bám dính 2 lớp thép CT.3 –
(nhôm AA1050 + hợp kim nhôm AA5083) sau hàn nổ
Mô hình toán học cần tính toán xây dựng cho ở dạng đa thức
với ba thông số chủ yếu cần khảo sát là r, h và C. Thông số đặc trưng

cho chất lượng làm sạch bề mặt hàn nổ được giới hạn ở mức tốt nhất
(Rz = +1). Các hệ số ẩn trong mô hình toán học phải xác định bằng
phương pháp bình phương nhỏ nhất và thuật toán tính toán theo ma
trận trực giao có thể tham khảo trong công trình 20. Kết quả tính
toán cho ở biểu thức (4.1).
Đồ thị mô phỏng ảnh hưởng của cặp thông số đầu vào r, h; C
và r; h và C tới độ bền bám dính 2 lớp thép – (nhôm + hợp kim
nhôm) bd được cho trên các hình 4.15, 4.16 và 4.17 tương ứng.


- 15-

- 16-

Hàm hồi quy tìm được như sau:
b.d (r, h, C) = 5,538 + 8,1 r –14,5 C – 26,02 r.h + 20,26 r.C +
15,42 h.C – 67,4.r.h.C + 15,2 r2.C + 16,12 r.h2 – 61,82 h.C2 + 31,5
r2.h + 14,0.h2.C + 73,52 r.C2 – 65,11 r3 – 12,09 h3 – 36,01.C3 (4.1)
c)

a)

b)

c)

d)

e)
f)

Hình 4.15. Đồ thị mô phỏng sự phụ thuộc độ bám dính 2 lớp thép – nhôm vào
các thông số nổ ban đầu r; h và khi: a, b) C = 0,8; c, d) C = 0,9; e, f) C = 1,0

a)

b)

d)

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

a)

b)

c)

d)

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


- 17-

Kết luận Chương 4
1) Sau khi tiến hành thực nghiệm hàn nổ vật liệu tổ hợp 3 lớp
thép CT3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083 đã xác định
được các yếu đầu vào trong miền điều chỉnh thích hợp là:
- Tỷ lệ khối lượng thuốc nổ/khối lượng vật liệu hàn r = 1.5 ÷ 1,7;
- Tỷ lệ giữa khe hở hàn trước khi nổ với chiều dày tấm kim loại hàn
h = 0,7 ÷ 1,0;
- Tốc độ nổ của thuốc nổ D = 2900  3.900 m/s, với sai số 0,18 
0,2 %, hàm lượng amônít C = 08 ÷ 1,0.
2) Qua việc thực hiện 02 loạt thí nghiệm song song:
- Hàn nổ trực tiếp lớp nhôm AA1050 với nền thép CT.3 không
qua lớp màng mỏng công nghệ chống khuyếch tán;
- Hàn nổ lớp nhôm AA1050 với lớp thép CT.3 có lớp phủ Ni
với chiều dày khoảng 10 m trên bề mặt lớp thép CT.3.
Kết quả cho thấy loạt sản phẩm hàn nổ có lớp phủ Ni trên bề mặt
lớp thép CT.3 đã cho độ bền bám dính được tốt hơn. Điều này hoàn toàn
phù hợp với kết quả của các nhà nghiên cứu Nga đã dẫn trong phần cơ
sở lý thuyết. Tuy nhiên giá thành chế tạo vật liệu trimetal sẽ đắt hơn;
3) Đã xây dựng được mô hình toán học thực nghiệm (4.1) bậc
ba và các đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng cặp đôi của các yếu tố
đầu vào (r & h; C & r; h & C) đến độ bền bám dính 2 lớp thép CT.3
– nhôm (AA1050 + 5083) (b.d,) xác định được vùng biến thiên của
nó khi các yếu tố đầu vào thay đổi;
4) Từ mô hình toán học (4.1) đánh giá được sự ảnh hưởng của
các cặp đôi giữa chúng đến độ bền bám dính thông qua mô hình hình
học 3D cho trên các hình 4.15, 4.16 và 4.17 một cách rõ nét.
Chương 5.
NGHIÊN CỨU TỔ CHỨC TẾ VI, CẤU TRÚC MÀNG MỎNG,
LIÊN KIM LOẠI VẬT LIỆU TRIMETAL SAU HÀN NỔ TRÊN
BIÊN GIỚI THÉP – NHÔM VÀ NHÔM – HỢP KIM NHÔM

5.1 Tổ chức tế vi biên giới 2 lớp thép CT.3 – (nhôm AA1050 +
hợp kim nhôm AA5083) có lớp phủ Ni
Trên hình 5.4 a,b,c là ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 2 lớp
nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083, còn hình 5.4 c,d,e – biên
giới 2 lớp thép CT.3 – nhôm AA1050.

- 18-

a) Al – H.K.Al, x200 (Mẫu 06)

b) Al – H.K.Al, x200 (Mẫu 09)

c) Al – H.K.Al, x200 (Mẫu 14)

d) Fe - Al, x100 (Mẫu 06)

e) Fe – Al, x200 (Mẫu 09)

f) Fe - Al, x200 (Mẫu 14)

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

Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp nhôm AA1050 – hợp kim
nhôm AA5083 trên một số mẫu thí nghiệm hàn nổ điển hình (lớp
thép CT.3 không có lớp phủ lót Ni) được cho trên các hình 5.5  5.9.
Ta thấy rằng: biên độ sóng âm liên kết giữa các lớp nhôm
AA1050 – hợp kim nhôm AA5083 và thép CT.3 – nhôm (AA1050 +
5083) có xu hướng tăng theo chiều tăng của các thông số nổ r, h, C.

- 19-

a) Biên giới Al1 – Al2, x50
c) Biên giới Fe – (Al1+Al2), x200
Hình 5.5. Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp AA1050 – AA5083 (a); CT.3 –
AA1050 (c) trên mẫu vật liệu trimetal sau hàn nổ (Mẫu số 01; r = 1,5;
h = 0,7; C = 0,8; vk = 2900 m/s; vp = 870 m/s)

- 20-

a)- Biên giới Al1 – Al2, x50

c)- Biên giới Fe – (Al1+Al2), x200

Hình 5.9. Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp AA1050 – AA5083 (a); CT.3 –
AA1050 (c): Mẫu số 27 sau hàn nổ (r = 1,7; h = 1,0; C = 1,0;
vk = 3900 m/s; vp = 1259,35 m/s)

5.2. Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc lớp màng mỏng và liên kim
loại trên biên giới hai lớp thép CCT.3 – nhôm AA1050 bằng
phương pháp EDX
a) Biên giới Al1 – Al2, x50
c) Biên giới Fe – (Al1+Al2), x200
Hình 5.6. Tổ chức tế vi tại biên giới các lớp AA1050 – AA5083 (a); CT.3 –
AA1050 (c): Mẫu số 05 sau hàn nổ (r = 1,6; h = 0,85; C = 0,8;
vk = 2900 m/s; vp = 1059,848 m/s)

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

Hình 5.7. Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp AA1050 – AA5083 (a); CT.3 – AA1050
(b): Mẫu số 15 sau hàn nổ (r = 1,7; h = 0,85;C = 0,9; vk = 3400 m/s;
vp = 1097,8945 m/s)

a)- Biên giới Al1 – Al2, x50
c)- Biên giới Fe – (Al1+Al2), x200
Hình 5.8. Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp AA1050 – AA5083 (a); CT.3 –
AA1050 (c) : Mẫu số 17 sau hàn nổ (r = 1,7; h = 1,0; C = 0,9;
vk = 3400 m/s; vp = 1097,8945 m/s)

Kết quả phân tích EDX trên thiết bị JSSM 6400-JED 2300 (JEOL,
Nhật Bản) đối với các vùng cục bộ trên lớp nhôm AA1050, hợp kim
nhôm AA5083 và lớp thép CT.3 gần biên giới liên kết kim loại giữa
chúng được cho trong bảng 5.1 ở bản luận án. Ở đây có sự khuếch tán
vào nhau giữa các nguyên tố Al và Fe, làm giảm hàm lượng của chúng.
Đối với các lớp màng mỏng cấu trúc và vùng liên kim loại cục bộ
trên biên giới 2 lớp thép (CT.3 + Ni) – nhôm AA1050 được khảo sát ở
một số chế độ hàn nổ điển hình có ảnh chụp tổ chức tế vi trên kính hiển
vi điện tử (SEM) và kết quả phân tích thành phần hợp chất khác nhau.
Kết quả cụ thể cho trên các hình 5. 14  5.20.
Để làm sáng tỏ hơn về sự ảnh hưởng của lớp cấu trúc màng
mỏng hợp chất và liên kim loại cục bộ trên bề mặt liên kết kim loại
giữa lớp thép CT.3 và lớp nhôm AA1050 + hợp kim nhôm AA5083
sau hàn nổ (bề mặt thử phá hủy mẫu xác định độ bền bám dính 2 lớp
vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm) đã tiến hành thí
nghiệm đo kích thước hình học của chúng trên mẫu kim tương tại các
vùng có đặc điểm nổi trội nhất: có lớp màng mỏng khá liên tục và các
đoạn liên kim loại lớn. Các mẫu vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp
kim nhôm khảo sát được chọn ở một số chế độ hàn nổ theo QHTN 1
và QHTN 2 với độ bền bám dính 2 lớp tương ứng như đã trình bày

trong Chương 4. Kết quả thí nghiệm cho trên các hình 5.21  5.26.


- 21-

Hình 5.15. Ảnh hiển vi điện tử chụp lớp màng mỏng trên biên giới 2 lớp thép
(CT.3 + Ni) và nhôm AA1050 (a); Kết qủa phân tích EDX tại vùng 002 (b)

- 22-

Hình 5.25. Mẫu số 12, MS:201, QHTN 2

Hình 5.27. Mẫu số 14, MS: 111, QHTN 2

Hình 5.28. Mẫu số 15, MS: 211, QHTN 2

Hình 5.30. Mẫu số 23, MS: 112, QHTN 2

Hình 5.16. Ảnh hiển vi điện tử chụp lớp màng mỏng trên biên giới 2 lớp thép
(CT.3 + Ni) và nhôm AA1050 (a); Kết qủa phân tích EDX tại vùng 003 (b)

Hình 5.17. Ảnh hiển vi điện tử chụp lớp màng mỏng trên biên giới 2 lớp thép
CT.3 (có phủ Ni) và nhôm AA1050 (a); Kết qủa phân tích EDX tại vùng 004 (b)

Hình 5.31. Mẫu số 24, MS: 212, QHTN 2
Hình 5.19. Ảnh hiển vi điện tử chụp lớp màng mỏng trên biên giới 2 lớp thép
CT.3 (có phủ Ni) và nhôm AA1050 (a); Kết qủa phân tích EDX tại vùng 006 (b)

Hình 5.20. Ảnh hiển vi điện tử chụp lớp màng mỏng trên biên giới 2 lớp thép
(CT.3 + Ni) và nhôm AA1050 (a); Kết qủa phân tích EDX tại vùng 007 (b)

Hình 5.33. Mẫu số 26, MS: 122, QHTN 2

- Kết quả thí nghiệm cho thấy: chiều dày lớp màng mỏng ở các
mẫu có liên kết 2 lớp tốt chỉ trong khoảng mg= 0  5,1724 m, còn các
mẫu không tốt - mg= 4,8275  26,8965m, không ảnh hưởng lớn tới b.d.;
- Chiều dày các đoạn liên kim loại cục bộ trên biên giới 2 lớp thép
(CT.3 + Ni) – nhôm AA1050 có giá trị trong khoảng:  l.k.= 3,5165
52,9206 m và cũng không gây ảnh hưởng đáng kể tới chất lượng và độ
bền bám dính 2 lớp đối với các mẫu vật liệu trimetal được khảo sát.
Độ cứng lớp thép: 149  270HV; lớp nhôm AA1050: 45  126HV
đo ở khoảng cách đến 200m cách biên giới. Tại biên giới đạt: 156  276
HV (thép CT.3); 47 126 (nhôm AA1050).


- 23-

Hình 5.34. Ảnh chụp vết đo độ cứng tế
vi trên mẫu vật liệu trimetal thép CT.3 –
nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083
sau hàn nổ, x 200: Mẫu số 24, MS:212,
QHTN 2 .

Kết luận Chương 5
1) Đặc điểm tổ chức tế vi kim loại tại vùng biên giới hàn nổ
giữa các lớp nhôm AA1050 – thép CT.3, AA1050 – AA5083 là một
tiêu chí đánh giá chất lượng vật liệu qua việc xác định hình thái và
hiện trạng cấu trúc các lớp vật liệu sau hàn nổ ở dạng “liên kết kim
loại sạch” chiếm phần lớn, đảm bảo độ bền bám dính cao nhất. Do
đặc thù của công nghệ hàn nổ mà trong sản xuất công nghiệp người

ta cho phép sử dụng các tấm vật liệu trimetal, bimetal có số lượng
các khuyết tật cục bộ đó ở một mức độ tới hạn nào đó tùy thuộc vào
mục đích sử dụng và điều kiện tải trọng làm việc của chúng;
2) Kích thước hình học lớp màng mỏng cấu trúc, cũng như các
đoạn liên kim loại cục bộ tại vùng biên giới liên kết hai lớp vật liệu
AA1050 – thép CT.3, nhôm AA1050 – hợp kim nhôm AA5083 trên các
mẫu thí nghiệm điển hình nhận được trong công trình này đã chứng tỏ
đảm bảo yêu cầu về tính chất mối hànở mức khá cao. Mặc dù trên biên
giới liên kết giữa lớp thép CT.3 với lớp nhôm AA1050 có một số đoạn
màng mỏng hợp chất hoặc liên kim loại hệ Fe – Al cục bộ với kích
thước hình học rất nhỏ, nên không làm suy giảm độ bền bám dính 2 lớp;
3) Đối chiếu kết quả nghiên cứu khảo sát tổ chức tế vi tại vùng
biên giới liên kết hai lớp AA1050 – thép CT.3, nhôm AA1050 – hợp
kim nhôm AA5083 trên các mẫu thí nghiệm điển hình ở đây so với
ảnh chụp tổ chức tế vi kim loại tại biên giới liên kết giữa các lớp trên
mẫu của hãng Merrem & la Porte BV“TRICLAD Aluminium Steel
Transitionjoints” tại biên giới các lớp vật liệu tương ứng: nhôm EN
AW1050A – hợp kim nhôm EN AW5086 và nhôm EN AW1050A –
thép ASTM A516-55, cho thấy chất lượng các mẫu thí nghiệm nhận
được ở Việt Nam là khá tốt, đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật để sử dụng
làm vật liệu trung gian hàn kết cấu trong công nghiệp đóng tầu thủy.

- 24-

KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN
1) Lần đầu tiên ứng dụng công nghệ hàn nổ trong điều kiện
Việt Nam ở quy mô phòng thí nghiệm đã cho kết quả khả quan trong
việc chế tạo vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm làm chi
tiết trung gian trong công nghệ hàn kết cấu thép với hợp kim nhôm
độ bền cao, có thể triển khai ứng dụng vào sản suất vật liệu trimetal

thép – nhôm – hợp kim nhôm trong công nghiệp đóng mới và sửa
chữa tầu thủy của Việt Nam;
2) Xác định được các thông số: (r) tỉ lệ khối lượng thuốc
nổ/khối lượng vật hàn r = O .H /11, (h) tỉ lệ khoảng cách giữa khe
hở/chiều dày vật liệu hàn h = hO / 1, (C) thông số đặc trưng cho tốc độ
nổ của thuốc nổ (D); ngoài ra còn có các thông số động học, vật lý:
tốc độ va đập (vP), năng lượng va đập (Wp), áp suất va đập (pk) quyết
định tới công nghệ hàn nổ. Trong đó, đã sử dụng các thiết bị đo kỹ
thuật số để đo trực tiếp tốc độ nổ với độ chính xác cao thay thế cho
phương pháp sử dụng tài liệu tính toán kết quả bằng công thức;
3) Trên cơ sở qui hoạch thực nghiệm kiểu N = 33 xây dựng
phương trình hồi qui phản ánh mối quan hệ tổng hợp giữa các thông
số công nghệ ảnh hưởng tới chất lượng độ bền bám dính giữa các lớp
hàn nổ CT.3 - nhôm, CT.3 - (nhôm và hợp kim nhôm), từ đó tìm ra
miền tối ưu thể hiện 3 vùng có giá trị cực đại ở gần các điểm sau:
Với r = 1,5; h = 1,0; C = 0,9 thì bd = 84,55 MPa;
Với r = 1,6; h = 0,85; C = 0,9 thì bd = 93,12 MPa;
Với r = 1,7; h = 0,7; C = 1,0 thì bd = 87,87 MPa.
Tùy theo mục đích sử dụng vật liệu mà chọn các miền cho phù hợp;
4) Qua việc phân tích, xác định cấu trúc lớp hàn, sự phân bố và
số lượng tạp chất tại các mối hàn đã phản ánh chất lượng độ bền bám
dính của vật liệu hàn. Sự hình thành lớp liên kết bề mặt tiếp xúc có
dạng sóng và sạch tạp chất là yếu tố cơ bản quyết định đến chất
lượng mối hàn;
5) Từ các kết quả thực nghiệm và qua việc phân tích các yếu tố
điều chỉnh thông số đầu vào ta có thể thực hiện ở các mẫu thí nghiệm có
kích thước lớn hơn, đảm bảo có thể ứng dụng tốt vào điều kiện thực tế.