TR
B GIÁO D C VÀ ÀO T O
NG
I H C BÁCH KHOA HÀ N I
V
ÌNH TO I
NGHIÊN C U CƠNG NGH HÀN
LIÊN K T NHÔM - THÉP B NG QUÁ TRÌNH HÀN TIG
LU N ÁN TI N S K THU T C
HÀ N I - 2014
KHÍ
TR
B GIÁO D C VÀ ÀO T O
NG
I H C BÁCH KHOA HÀ N I
V
ÌNH TO I
NGHIÊN C U CƠNG NGH HÀN
LIÊN K T NHÔM - THÉP B NG QUÁ TRÌNH HÀN TIG
Chun ngành: K thu t C khí
Mã s : 62520103
LU N ÁN TI N S K THU T C
NG
KHÍ
IH
NG D N KHOA H C:
1. PGS. TS. Hồng Tùng
2. PGS. TS. Nguy n Thúc Hà
HÀ N I - 2014
L I CAM
OAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên c u c a riêng tôi. Các s li u, k t qu trình
bày trong Lu n án này là trung th c và ch a t ng đ c ai cơng b trong b t c cơng trình
nào khác!
Hà N i, ngày 01 tháng 06 n m 2014
Ng i cam đoan
V
T P TH H
PGS. TS. Hồng Tùng
ình To i
NG D N KHOA H C
PGS. TS. Nguy n Thúc Hà
i
L I CÁM
N
Tác gi chân thành cám n PGS. TS. Hoàng Tùng và PGS. TS. Nguy n Thúc Hà, đã t n
tình h ng d n, t o đi u ki n v tài li u và đ ng viên tác gi trong su t quá trình nghiên
c u và hoàn thành b n lu n án này.
Tác gi trân tr ng cám n B mơn C khí hàn - Khoa C khí và Trung tâm Th c hành Tr ng i h c S ph m K thu t Nam nh (trong đó đ c bi t là ThS. V V n Ba và KS.
V V n t – ng i tr c ti p thí nghi m) đã t o đi u ki n thu n l i v c s v t ch t ph c
v thí nghi m, nhi t tình giúp đ tác gi trong su t quá trình nghiên c u th c nghi m và
ki m tra c tính liên k t hàn hybrid nhôm – thép t i đây.
Tác gi trân tr ng cám n ThS. Tr n Th Xuân - B môn V t li u h c, X lý nhi t và
B m t - Vi n Khoa h c & K thu t V t li u i h c Bách khoa Hà N i đã nhi t tình
giúp đ tác gi trong quá trình đo đ c ng và ch p nh c u trúc t vi liên k t hàn nhôm –
thép mà tác gi nghiên c u ra.
Tác gi trân tr ng cám n Phịng thí nghi m Hi n vi đi n t & Vi phân tích - Vi n Tiên
ti n Khoa h c & Công ngh i h c Bách khoa Hà N i đã nhi t tình giúp đ tác gi
trong quá trình ch p nh c u trúc siêu t vi và phân tích thành ph n nguyên t trong liên
k t hàn hybrid nhôm – thép b ng các k thu t hi n vi đi n t quét (SEM) và ph tán s c
n ng l ng tia X (EDS/EDX).
Tác gi trân tr ng cám n các b n thân h u và các đ ng nghi p trong B môn Hàn &
Công ngh Kim lo i - Vi n C khí - i h c Bách khoa Hà N i đã t o đi u ki n thu n l i
và đ ng viên tác gi trong quá trình nghiên c u th c hi n lu n án này.
Cu i cùng, tác gi bày t lòng bi t n sâu s c đ n b , m tác gi cùng tồn th các thành
viên trong gia đình đã đ ng viên, t o đi u ki n v tài chính và chia s nh ng khó kh n
trong su t quá trình tác gi nghiên c u và hoàn thành b n lu n án này.
Tác gi lu n án
V
ình To i
ii
M CL C
DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ CH VI T T T
DANH M C CÁC B NG
DANH M C CÁC HÌNH NH,
TH
M
U
1. T NG QUAN V HÀN NHƠM V I THÉP
1.1. Tình hình nghiên c u trong n c
1.2. Tình hình nghiên c u n c ngồi
1.3. K t lu n 1
2. C S KHOA H C HÀN NHƠM V I THÉP
2.1. M c đích
2.2. ng x c a kim lo i c b n khi hàn TIG
2.2.1. ng x c a nhôm AA1100 khi hàn TIG
2.2.1.1. Tính hàn c a nhơm AA1100
2.2.1.2. V n đ n t liên quan đ n vi c ch n v t li u hàn nhôm
2.2.1.3. Công ngh hàn nhôm AA1100 b ng quá trình hàn TIG
2.2.2. ng x c a thép CCT38 khi hàn TIG
2.2.2.1. Tính hàn c a thép CCT38
2.2.2.2. Cơng ngh hàn thép CCT38 b ng q trình hàn TIG
2.3. Công ngh hàn các v t li u khác ch ng lo i
2.3.1. c đi m khi hàn các v t li u khác ch ng lo i
2.3.2. Các quá trình khu ch tán kim lo i và ti t pha m i khi hàn
2.3.3. B n ch t và c ch hình thành liên k t hàn hybrid nhôm - thép
2.3.4. nh h ng c a các y u t cơng ngh đ n vi c hình thành liên k t
hàn hybrid nhôm - thép
2.3.4.1. nh h ng c a nhi t đ và th i gian khu ch tán kim lo i
2.3.4.2. nh h ng c a đ s ch và đ nh n b m t chi ti t hàn
2.3.4.3. nh h ng c a các nguyên t h p kim trong m i hàn
2.3.5. Ch n v t li u đ hàn liên k t hybrid nhơm - thép b ng q trình
hàn TIG
2.4. K t lu n 2
3. MÔ PH NG S XÁC NH CH
CÔNG NGH HÀN TIG LIÊN
K T HYBRID NHÔM - THÉP D NG CH T
3.1. M c đích
3.2. C s lý thuy t và ph ng pháp nghiên c u
3.2.1. S hóa ph ng trình truy n nhi t khi hàn
3.2.2. Xây d ng ma tr n dòng nhi t
3.2.3. Xây d ng ma tr n k t c u
3.2.4. Thi t l p bài toán đa tr ng nhi t - k t c u
3.3. Xác đ nh kích th c c a liên k t hàn hybrid nhôm - thép d ng ch T
b ng ph ng pháp s
3.3.1. Thi t k liên k t hàn hybrid nhôm - thép b ng k thu t tính tốn
t i u
3.3.1.1. Bài toán t i u trong thi t k k t c u
3.3.1.2. Mơ hình liên k t hàn hybrid nhôm - thép d ng ch T
3.3.2. Xác đ nh kích th c c a liên k t hàn hybrid nhôm - thép ch T
3.3.2.1. K t qu ki m tra b n liên k t hàn hybrid nhôm - thép ch 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
ph ng án thi t k s b
3.3.2.2. K t qu tính tốn t i u kích th c c a liên k t hàn hybrid
nhôm - thép d ng ch T
3.4. Xác đ nh ch đ công ngh hàn TIG liên k t hàn hybrid nhôm - thép
d ng ch T b ng mơ ph ng s
3.4.1. Mơ hình hóa q trình hàn TIG liên k t hàn hybrid nhơm - thép
d ng ch T
3.4.1.1. Mơ hình hóa ngu n nhi t hàn TIG
3.4.1.2. Mơ hình các thu c tính c a v t li u
3.4.1.3. Xây d ng mơ hình mơ ph ng
3.4.2. K t qu tính tốn tr ng nhi t đ trong liên k t hàn hybrid nhôm thép d ng ch T
3.4.2.1. nh h ng c a góc nghiêng m hàn đ n phân b nhi t đ
trong ti t di n ngang c a liên k t hàn
3.4.2.2. Tr ng nhi t đ phân b trong liên k t hàn hybrid nhôm thép ch T
3.4.2.3. Chu trình nhi t và th i gian khu ch tán kim lo i t i m t s
v trí kh o sát quan tr ng
3.4.3. K t qu tính tốn nh h ng c a n ng l ng đ ng đ n kh n ng
hình thành liên k t hàn
3.4.3.1. nh h ng c a n ng l ng đ ng đ n nhi t đ c c đ i
trong ti t di n ngang liên k t hàn hybrid nhôm - thép
3.4.3.2. nh h ng c a n ng l ng đ ng đ n th i gian khu ch tán
hi u qu
3.4.3.3. nh h ng c a n ng l ng đ ng đ n th i gian đông đ c
c a m i hàn
3.4.4. Phân b ng su t và bi n d ng trong liên k t hàn hybrid nhôm thép ch T
3.5. K t lu n 3
4. NGHIÊN C U TH C NGHI M HÀN TIG LIÊN K T HYBRID
NHÔM - THÉP D NG CH T
4.1. M c đích
4.2. Trang thi t b thí nghi m
4.2.1. Thi t b hàn
4.2.2.
gá hàn
4.2.3. Các trang thi t b ph tr
4.3. M u thí nghi m
4.3.1. V t li u m u hàn và dây hàn
4.3.2. Chu n b m u thí nghi m
4.4. Xây d ng thí nghi m
4.4.1. S đ gá k p m u thí nghi m
4.4.2. Các ch đ và quy trình thí nghi m
4.5. Các trang thi t b ki m tra ch t l ng hàn
4.5.1. Th kéo và b liên k t hàn
4.5.2. Các trang thi t b dùng trong quá trình ki m tra ch t l ng hàn
4.6. K t lu n 4
5. K T QU NGHIÊN C U VÀ BÀN LU N
5.1. nh h ng c a n ng l ng đ ng đ n ch t l ng liên k t
5.2. Hi n t ng n t trong liên k t hàn hybrid nhôm - thép
5.3. Các d ng khuy t t t khác có th xu t hi n trong liên k t 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 d ng ch T
5.4. K t qu ki m tra b n liên k t hàn hybrid nhôm - thép ch T
5.5. C u trúc thô đ i c a liên k t hàn hybrid nhôm - thép ch T
5.6. C u trúc t vi c a liên k t hàn hybrid nhôm - thép ch T
5.6.1. C u trúc t vi t i vùng liên k t gi a KLMH và t m nhôm AA1100
5.6.2. C u trúc t vi t i vùng liên k t gi a KLMH và t m thép CCT38
5.7.
c ng trong liên k t hàn hybrid nhôm - thép
5.7.1.
c ng t i vùng liên k t khơng có l p IMC
5.7.2.
c ng t i vùng liên k t có l p IMC
5.8. Nghiên c u c u trúc siêu t vi, thành ph n h p kim c a l p IMC & vùng
liên k t gi a KLMH v i t m thép CCT38 b ng các k thu t SEM và
EDS
5.8.1. C u trúc siêu t vi d i kính hi n vi đi n t quét (SEM)
5.8.2. Phân tích thành ph n nguyên t b ng k thu t EDS
5.9. Nghiên c u quá trình khu ch tán kim lo i trong liên k t hàn nhôm - thép
b ng ph tán s c n ng l
ng tia X
5.9.1. Khu ch tán kim lo i t i vùng không ch a l p IMC
5.9.2. Khu ch tán kim lo i t i vùng có l p IMC
5.10. K t lu n 5
K T LU N CHUNG C A LU N ÁN & KI N NGH
TÀI LI U THAM KH O
DANH M C CÁC CƠNG TRÌNH Ã CƠNG B C A LU N ÁN
88
90
92
92
92
93
94
94
95
95
95
97
98
98
101
104
105
106
110
v
DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ CH
Ký hi u /
Vi t t t
nv
VI T T T
Ý ngh a
q
[J]
L
ng nhi t sinh ra c a m t đ n v th tích
q
[J]
Dịng nhi t truy n qua b m t đang xét
Ma tr n nhi t dung riêng c a ph n t
Ma tr n h s d n nhi t c a ph n t
Ma tr n h s khu ch tán nhi t c a ph n t
Ma tr n h s truy n nhi t đ i l u qua b m t c a ph n t
Véc t l u l
ng nhi t c a ph n t
Véc t dòng nhi t đ i l u qua b m t c a ph n t
Véc t t i tr ng sinh nhi t c a ph n t
Ma tr n kh i l
ng c a ph n t
Ma tr n đ c ng c a ph n t
Ma tr n đ c ng c s c a ph n t
Véc t t i tr ng nhi t c a ph n t
Véc t t i áp l c (pressure) lên ph n t
Véc t t i tr ng l c (nodal force) đ t lên nút c a ph n t
Véc t gia t c nút ph n t
γ
[kg/m3]
[ m/(m.°C)] H s dãn n nhi t
H s poisson
ν
η
ng riêng c a v t ch t
Ký hi u vi phân
δ
α
Kh i l
[%]
Hi u su t c a quá trình hàn
φ(j)
Tr ng s liên quan đ n ph
δT
Vi phân nhi t đ
[σ]
[MPa]
ng su t cho phép
[∆l]
[mm]
võng cho phép
ng án thi t k th j
[B]
Ma tr n bi n d ng - chuy n v trên c s c a hàm hình dáng
[K]
Ma tr n h s d n nhi t
vi
[N]
Ma tr n hàm hình dáng c a ph n t h u h n
[Nn]
Ma tr n hàm hình dáng c a pháp tuy n đ ng t i b m t ch u
t i
{η}
Véc t pháp tuy n đ n v c a b m t
{ε}
Véc t bi n d ng t ng th
{σ}
Véc t
{εel}
Véc t bi n d ng đàn h i
{εth}
Véc t bi n d ng nhi t
{δu}T
Véc t vi phân chuy n v
{Fa}
Véc t t i tr ng
{L}
Véc t c t (gradient)
{p}
Véc t t i áp l c
{q}
Véc t dòng nhi t
{Te}
Véc t nhi t đ nút ph n t
{u}
Véc t chuy n v nút ph n t
{w}
Véc t chuy n v c a c a đi m đang xét
{ }
Véc t t c đ truy n nhi t
AC
Dòng đi n xoay chi u
B m t có tr kháng phân b
ac
Các thơng s c a mơ hình ngu n nhi t hàn
af, ar, b, c
B m t mà trên đó t i áp l c đ t vào
ap
c
ng su t
[J/(kg.K)]
Nhi t dung riêng
Các h ng s đ
c1, c2, c3, c4
c tính tốn n i b trong thu t toán t i u
Cao1
[mm]
Chi u cao t i đ u ngàm
Cao2
[mm]
Chi u cao t i đ u t do
D ch chuy n kim lo i ngu i (Cold Metal Transfer)
CMT
i u khi n s nh máy tính
CNC
d
[mm]
ng kính đi n c c vonfram
D
[mm]
ng kính mi ng ch p khí
Các h ng s đ
d1, d2, d3, d4
db
[mm]
c tính tốn n i b trong thu t toán t i u
Chi u dày t m biên
Dòng đi n 1 chi u c c ngh ch
DC+
dv
[mm]
e
[C]
Chi u dày t m vách
i n tích c a đi n t (Culong)
vii
E
[MPa]
Mơ đun đàn h i
E0
[Kcal]
N ng l
Sai s bình ph
E2
EB
ng c n cho nguyên t d ch chuy n bên trong v t
[Kcal]
N ng l
ng bé nh t c a hàm m c tiêu
ng gi a các pha
Ph tán s c n ng l ng tia X
(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy)
EDS / EDX
ER và EL
[Kcal]
N ng l
ng kích thích khu ch tán trong pha r n và pha l ng
ES
[Kcal]
N ng l
ng l p b m t
Hàm s c a các bi n thi t k
F(x,pk)
FEM
Ph
Gi(x)
Hàm đi u ki n gi i h n trên
Vùng nh h
HAZ /
VAHN
ng nhi t
H s đ i l u nhi t
hf
Hàm đi u ki n gi i h n d
Hj(x)
Hybrid
Ih
ng pháp ph n t h u h n (Finite Element Method)
Lai ghép
[A]
Dòng đi n hàn
H p ch t liên kim (Intermetallic Compound)
IMC
H ng s Boltzmann
k
KLCB
Kim lo i c b n
KLMH
Kim lo i m i hàn
Kmh
[mm]
Kxx, Kyy, Kzz
[W/(m.K)]
L
[mm]
m
i
Kích th
c c nh m i hàn
H s d n nhi t l n l
t theo các h
ng x, y và z
Chi u dài d m
T ng s các hàm ràng bu c
MIG
Hàn h quang đi n c c nóng ch y trong môi tr
b ov
MMA
Hàn h quang tay
n
S l
N
T ng s các bi n đ c l p c a mơ hình
nd
S l
ns
S l n tính l p đi l p l i
Ns
S l
nsi
S ph
Nsi
S l
ng khí tr
ng bi n thi t k đ c l p c n ph i t i u
ng các ph
ng án thi t k hi n th i
ng t i đa c a l n tính l p đi l p l i
ng án thi t k không kh thi liên ti p
ng t i đa c a ph
ng án thi t k không kh thi liên
viii
ti p
P
Công su t nhi t hi u d ng
[W]
S l
pk
ng c a tham s
PTHH
Ph n t h u h n
PWHT
X lý nhi t sau khi hàn (Post Weld Heat Treatment)
q
[J/mm]
Qf
[W/mm3]
Qr
N ng l
ng đ
ng
M t đ ngu n nhi t hàn phía tr
3
M t đ ngu n nhi t hàn phía sau
3
Hàm m t đ ngu n nhi t
[W/mm ]
QR
[W/mm ]
Rong
[mm]
c
Chi u r ng biên d m
SAW
Hàn h quang d
SEM
Hi n vi đi n t quét (Scanning Electron Microscope)
ng su t t
Seqv
i l p thu c
ng đ
ng (Equivalent Stress)
Nhi t đ
T
[oC]
t
[s]
Bi n th i gian
TB
[oC]
Nhi t đ c a môi tr
ng
Tiêu chu n Vi t Nam
TCVN
Hàn h quang đi n c c khơng nóng ch y trong mơi tr
khí tr b o v
TIG
U
[J]
Cơng kh d
Uh
[V]
i n áp hàn
Umax
[mm]
V
[J]
Ve
[mm3]
Th tích c a ph n t h u h n
Vh
[mm/s]
V n t c hàn
Công do ngo i l c tác đ ng
wn
Pháp tuy n đ ng c a b m t ph n t
x
Véc t bi n thi t k
X
Hàm ph t
H ng s ph
(b)
x
YS
i,
võng c c đ i
Hàm đi u ki n gi i h n c c n trên và c n d
Wk(x)
βj, γk
[MPa]
i
ng án thi t k t t nh t
Gi i h n ch y
Các sai s cho phép c a các hàm đi u ki n
S d
i
ng
ng r t nh
Bi n thi t k
ix
Dung sai c a hàm m c tiêu
0
[s]
Th i gian
c a q trình khơng ho t hóa (ER + EL = 0)
R
[s]
Th i gian tr (th i gian nguyên t t n t i tr
n ng)
c rào c n th
x
DANH M C CÁC B NG
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
ng 2.1 Thành ph n hóa h c c a nhơm AA1100
ng 2.2 C tính c a nhôm AA1100
ng 2.3 Ch n c ch p khí theo đ ng kính đi n c c vonfram
ng 2.4 Thành ph n hóa h c c a thép CCT38
ng 2.5 C tính c a thép CCT38
ng 2.6
c ng t vi c a các pha liên kim gi a Fe và Al
ng 2.7 Ký hi u c a các h p ch t liên kim 3 nguyên h Al-Fe-Si
ng 2.8 Dây hàn TIG nhôm phù h p t ng ng v i KLCB
ng 2.9 Thành ph n hóa h c c a m t s dây hàn cho nhôm theo tiêu chu n
AWS A5.10-1980
ng 2.10 C tính đ t đ c khi hàn nhôm AA1100 b ng các dây hàn khác nhau
ng 2.11 T ng h p các y u t và gi i pháp k thu t khi hàn nhơm v i thép
ng 3.1 C tính c a các v t trong liên k t hàn hybrid gi a nhơm AA1100 v i
thép CCT38
ng 3.2 Các kích th c c a liên k t hàn ch T trong ph ng án thi t k s b
và t i tr ng
ng 3.3 So sánh các kích th c c a k t c u gi a ph ng án s b và ph ng
án t i u
ng 3.4 So sánh kích th c c a k t c u ban đ u và c a ph ng án đ c ch n
ng 3.5 Ký hi u quy c c a các t ch c kim lo i khi hàn
ng 3.6 Mô t các nút c n kh o sát
ng 4.1 Thông s k thu t c b n c a máy hàn MasterTIG 2500 xung AC/DC
ng 4.2 Các trang thi t b ph tr và m c đích s d ng
ng 4.3 Các ch đ thí nghi m hàn TIG liên k t hybrid nhôm – thép d ng
ch T dày 5 mm
ng 4.4 Các trang thi t b ki m tra ch t l ng liên k t hàn
ng 5.1 K t qu th kéo 5 m u hàn hybrid nhôm – thép ch T
ng 5.2 K t qu th b 5 m u hàn hybrid nhôm – thép ch T
ng 5.3
c ng t i vùng liên k t khơng có l p IMC
ng 5.4
c ng t i vùng liên k t có l p 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 M C CÁC HÌNH NH VÀ
TH
Trang
Hình 0.1 D án SuperLightCar v i nhi u lo i v t li u
Hình 0.2 S đ k t c u c a tàu tu n tra cao t c v nhôm khung thép
Hình 0.3 Liên k t hàn hybrid nhơm – thép d ng ch T
Hình 1.1 Liên k t hàn nhơm-thép d ng ch T có s d ng d i v t li u trung gian 3 l p
Hình 1.2 Hàn liên k t ch ng nhôm-thép b ng n ng l ng n
Hình 1.3 Hàn liên k t giáp m i nhơm-thép b ng ma sát ngốy
Hình 1.4 Hàn liên k t giáp m i d ng thanh, ng nhơm-thép b ng ma sát quay
Hình 1.5 Hàn liên k t ch ng nhơm-thép b ng Xung t
Hình 1.6 Hàn đi m liên k t ch ng nhơm-thép có s d ng v t li u trung gian
Hình 1.7 Hàn liên k t ch ng nhơm-thép b ng Laser
Hình 1.8 Hàn liên k t giáp m i nhôm-thép b ng hàn t h p Laser+MIG
Hình 1.9 Nguyên lý hàn MIG và liên k t ch ng nhôm-thép th c hi n b ng hàn MIG
Hình 1.10 Nguyên lý hàn TIG & liên k t nhôm-thép th c hi n b ng hàn TIG
Hình 2.1 Phân lo i nhơm và h p kim nhôm theo các nguyên t h p kim ch y u
Hình 2.2 c đi m khi hàn nhơm 1xxx và h p kim nhôm không th nhi t luy n
Hình 2.3 Kh n ng hịa tan c a Hydro trong nhơm ngun ch t
Hình 2.4
nh y c m n t c a kim lo i m i hàn theo lo i và hàm l ng c a các
nguyên t h p kim
Hình 2.5 Các d ng c ch khu ch tán kim lo i tr ng thái r n
Hình 2.6 Các giai đo n c a quá trình k t t a (ti t pha) m i trong kim lo i
Hình 2.7 Các d ng k t qu sau quá trình khu ch tán trong kim lo i
Hình 2.8 S đ khu ch tán nguyên t và ti t pha m i t i vùng biên gi i thép
CCT38 - KLMH
Hình 2.9 H s khu ch tán vào nhơm c a m t s kim lo i
Hình 2.10 Kh n ng hịa tan vào nhơm c a m t s kim lo i
Hình 2.11 C u trúc m ng tinh th c a liên kim AlFe3 và ôxit nhơm
Hình 2.12 Gi n đ tr ng thái c a h h p kim 2 nguyên Fe-Al
Hình 2.13 nh h ng c a các nguyên t h p kim trong v t li u hàn đ n chi u dày
c a l p IMC và đ b n c a liên k t hàn nhơm – thép khi hàn TIG
Hình 2.14 Gi n đ tr ng thái c a h h p kim 2 nguyên Al-Si
Hình 2.15 Gi n đ tr ng thái c a h h p kim 2 nguyên Fe-Si
Hình 2.16 Gi n đ tr ng thái c a h Al-Fe-Si t i nhi t đ 600oC
Hình 3.1 L u đ thu t tốn tính t i u liên k t hàn hybrid nhơm – thép
Hình 3.2 S đ tính tốn liên k t hàn nhơm – thép d ng ch T
Hình 3.3 Mơ hình PTHH c a liên k t hàn hybrid nhôm – thép d ng ch T
ph ng án s b
ng su t t ng đ ng σe trong liên k t hàn hybrid nhôm – thép ch T
ph ng án s b
Hình 3.5
võng Uy c a liên k t hybrid nhôm – thép ch T ph ng án s b
Hình 3.6 Các ph ng án thi t k và xác đ nh ph ng án t i u
1
2
2
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
Hình 3.4
51
52
53
xii
Hình 3.7 So sánh ph ng án s b ban đ u a) và ph ng án t i u b)
Hình 3.8 K t qu tính c nh m i hàn (Kmh)
Hình 3.9 Ki m tra đi u ki n b n c a ph ng án l a ch n cu i cùng
Hình 3.10 Ki m tra đ võng Uy c a ph ng án l a ch n cu i cùng
Hình 3.11 Mơ hình ngu n nhi t hàn MMA/TIG/MIG/MAG
Hình 3.12 Mơ hình ngu n nhi t rút g n hàn MMA/TIG/MIG/MAG theo Goldak
Hình 3.13 Kh i l ng riêng c a thép CCT38 (trái) và c a nhơm AA1100 (ph i)
Hình 3.14 Mơ đun đàn h i c a thép CCT38 (trái) và c a nhôm AA1100 (ph i)
Hình 3.15 Nhi t dung riêng c a thép CCT38 (trái) và c a nhơm AA1100 (ph i)
Hình 3.16 H s d n nhi t c a thép CCT38 (trái) và c a nhơm AA1100 (ph i)
Hình 3.17 Mơ hình kh i c a liên k t hàn hybrid nhơm – thép d ng ch T
Hình 3.18 Mơ hình PTHH c a liên k t hàn hybrid nhôm – thép d ng ch T
Hình 3.19 Qu đ o đ ng hàn và đ ng d n trên liên k t hàn hybrid nhơm-thép ch T
Hình 3.20 S d ng các k thu t "kh i đ ng nóng" và "gi m dịng hàn"
Hình 3.21 Các b m t và hàm trao đ i nhi t v i môi tr ng xung quanh
Hình 3.22 Các v trí k p ch t khi hàn liên k t hybrid nhôm – thép ch T
Hình 3.23 Quy c góc nghiêng c a m hàn Ay trong Sysweld
Hình 3.24 nh h ng c a góc nghiêng m hàn đ n phân b nhi t đ trên ti t di n
ngang c a liên k t hàn khi hàn cùng ch đ P=2100W, Vh=3mm/s
Hình 3.25 Tr ng nhi t đ phân b t c th i trong liên k t hàn hybrid nhôm – thép
ch T khi ngu n nhi t di chuy n đ n gi a mơ hình (P=2400W, Vh=3,5mm/s)
Hình 3.26 Tr ng nhi t đ phân b trên ti t di n ngang liên k t hybrid nhôm – thép
ch T khi hàn v i công suât nhi t hi u d ng P=2400W, v n t c hàn Vh=3,5mm/s
Hình 3.27 Tr ng nhi t đ phân b trên ti t di n ngang c a liên k t hàn hybrid
nhôm – thép ch T các ch đ cơng ngh khác nhau
Hình 3.28 V trí c a các nút c n ph i ki m sốt ch t ch chu trình nhi t hàn
Hình 3.29 Chu trình nhi t hàn t i các nút trên hình 3.28 trong ch đ hàn
P=2400W, Vh=3mm/s
Hình 3.30 Chu trình nhi t hàn t i các nút trên hình 3.28 trong ch đ hàn
P=2400W, Vh=3,5mm/s
Hình 3.31 Chu trình nhi t hàn t i các nút trên hình 3.28 trong ch đ hàn
P=2400W, Vh=4mm/s
Hình 3.32 nh h ng c a n ng l ng đ ng đ n nhi t đ c c đ i t i các nút kh o sát
trên ti t di n ngang c a liên k t hàn hybrid nhôm-thép d ng ch T dày 5mm
Hình 3.33 nh h ng c a n ng l ng đ ng đ n th i gian khu ch tán t i các nút trên
b m t t m thép CCT38 trong ti t di n ngang c a m i hàn hybrid nhôm
– thép ch T dày 5 mm
Hình 3.34 nh h ng c a n ng l ng đ ng đ n th i gian đông đ c c a m i hàn
(t i nút 2124 n m trong m i hàn)
Hình 3.35 Phân b ng su t trong liên k t hàn hybrid nhôm – thép ch T sau khi hàn
1 phía v i n ng l ng đ ng q = 680 J/mm
Hình 3.36 Bi n d ng sau khi hàn 1 phía liên k t hybrid nhôm – thép ch T v i n ng
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
xiii
l ng đ ng q = 680 J/mm
Hình 4.1 Thi t b hàn MasterTIG 2500 xung AC/DC c a hãng Kemppi – Ph n Lan
Hình 4.2
gá hàn đa n ng và xe hàn t hành
Hình 4.3 Các m u phơi thí nghi m
Hình 4.4 S đ gá k p m u hàn khi thí nghi m
Hình 4.5 Bi u đ tín hi u dịng hàn xung AC khi hàn liên k t nhơm – thép
b ng q trình hàn TIG
Hình 4.6 Các s đ th kéo và th b liên k t hàn hybrid nhơm – thép ch T
Hình 4.7 Chu n b các m u đ th kéo và b liên k t hàn hybrid nhôm – thép
d ng ch T
Hình 4.8
gá m u th kéo liên k t hàn ch T và l p ráp trên máy kéo – nén
v n n ng CNC
Hình 4.9 B liên k t hàn hybrid nhơm – thép d ng ch T
Hình 5.1 nh h ng c a n ng l ng đ ng đ n ch t l ng liên k t
Hình 5.2 Hi n t ng n t trên gianh gi i KLMH và t m thép khi hàn ch đ hàn 2
Hình 5.3 Các d ng khuy t t t khác có th xu t hi n trong liên k t hàn hybrid nhơm
– thép d ng ch T
Hình 5.4 Biên b n th kéo m u K03 liên k t hàn hybrid nhôm – thép d ng ch T
dày 5 mm khi hàn v i n ng l ng đ ng 680 J/mm
Hình 5.5 Biên b n th b m u U02 liên k t hàn hybrid nhôm – thép d ng ch T
dày 5 mm khi hàn v i n ng l ng đ ng 680 J/mm
Hình 5.6 C u trúc thô đ i c a liên k t hàn hybrid nhôm – thép ch T dày 5 mm
Hình 5.7 C u trúc t vi t i vùng liên k t gi a KLMH và t m nhơm AA1100
Hình 5.8 C u trúc t vi t i vùng liên k t gi a KLMH và t m thép CCT38
Hình 5.9
c ng t vi t i vùng liên k t khơng có l p IMC (x500)
Hình 5.10
c ng t vi t i vùng liên k t có l p IMC (x500)
Hình 5.11 C u trúc siêu t vi c a vùng liên k t gi a KLMH và t m thép CCT38
d i kính hi n vi đi n t qt (SEM)
Hình 5.12 Phân tích thành ph n kim lo i trong l p IMC
Hình 5.13 Phân tích thành ph n nguyên t trong l p ôxit s t
Hình 5.14 Ph phân b các nguyên t trong vùng liên k t khơng ch a l p IMC
Hình 5.15 Ph phân b c a t ng nguyên t trong vùng liên k t khơng ch a l p IMC
Hình 5.16 Thành ph n nguyên t t i các v trí kh o sát trong vùng liên k t khơng
ch a l p IMC
Hình 5.17 Ph phân b các nguyên t trong vùng liên k t có ch a l p IMC
Hình 5.18 Ph phân b c a t ng nguyên t trong vùng liên k t có ch a l p IMC
Hình 5.19 Thành ph n nguyên t t i các v trí kh o sát trong vùng liên k t có ch a
l p 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
M
U
Hi n nay, xu h ng gi m tr ng l ng c a các thi t b , ph ng ti n giao thông v n t i đã
tr nên r t c p bách nh m các m c đích: t ng t c đ và hi u qu v n hành, gi m m c tiêu
hao nhiên li u s d ng, gi m ô nhi m mơi tr ng,… Trong đó, vi c nghiên c u ch t o các
k t c u khung, v c a các ph ng ti n v n t i b ng h p kim nh (nhôm, magiê, titan và
h p kim c a chúng) ho c b ng các v t li u composite, ch t d o,… đã đ c tri n khai m nh
m trong các ngành ch t o ôtô, tàu h a, máy bay, tàu th y và c tàu ng m. i n hình là
quá trình ch t o các lo i tàu cao t c có 1 ho c nhi u thân, ch n ng, ch u đ c sóng to,
chi u dài 35 – 45 m, đ c bi t là ch y nhanh v i t c đ 40 – 75 km/h. Chúng th ng đ c
ch t o t h p kim Al-Mg có đ b n cao, s d ng cơng ngh hàn h quang trong mơi
tr ng khí b o v (MIG ho c TIG). So v i tàu thép, chúng có th ti t ki m t 40 – 50 %
kh i l ng [1].
ng hành v i nh ng thay đ i v nhu c u s d ng các v t li u nh k trên, các cơng
ngh ch t o c ng địi h i ph i có nh ng nghiên c u phát tri n th a đáng đ đáp ng đ c
các yêu c u m i c a quá trình s n xu t. Trong s đó, cơng ngh hàn c ng c n ph i đ c
đ u t nghiên c u phát tri n đ có th ch t o đ c các k t c u nh t các v t li u k trên
nh m đáp ng các nhu c u c a công nghi p và đ i s ng.
Tuy nhiên, theo m t s tài li u đã công b [1, 11, 56, 12], vi c thay th k t c u hoàn
toàn b ng v t li u nh đôi khi l i không đáp ng đ c các yêu c u s d ng khác c a
ph ng ti n (do đ b n ch u t i c a kim lo i nh th ng không cao). Do v y mà ng i ta
ch t p trung vào thay th v t li u nh cho nh ng k t c u/b ph n không ch u l c ho c ch u
l c nh , còn v i các k t c u ch u l c l n, ch u l c ch y u thì v n ph i s d ng thép ho c
h p kim có đ b n cao (hình 0.1).
Ngồi khai thác các u đi m v tr ng l ng, ng i ta còn có th k t h p khai thác các
đ c tính đ c bi t khác c a v t li u nh nh kh n ng ch u n mịn trong m t s mơi tr ng,
tính d n nhi t và d n đi n t t, không b nhi m t ,… đ ch t o thi t b trong các ngành
nhi t - l nh, hóa ch t, th c ph m, d c ph m,...
Hình 0.1 D án SuperLightCar v i nhi u lo i v t li u (ngu n: [13])
T đây, m t yêu c u m i đ c đ t ra là ph i nghiên c u các gi i pháp k thu t đ có th
hàn hai lo i v t li u khác nhau v i nhau. C th đ i v i tàu cao t c tr ng t i t ng đ i l n
thì khung v n ph i s d ng thép, còn v tàu có th đ c thay th b ng h p kim nhôm và
vi c hàn nhôm (v tàu) v i dàn khung thép d ng liên k t ch T (hình 0.2) là m t v n đ
m i đ c đ t ra, c n ph i đ c nghiên c u gi i quy t.
C ng xu t phát t đó mà ý t ng nghiên c u các gi i pháp k thu t và công ngh thích
h p đ th c hi n hàn nhơm v i thép d ng liên k t ch T đ c hình thành và tri n khai
trong đ tài “Nghiên c u công ngh hàn liên k t nhôm – thép b ng quá trình hàn TIG”.
ây là m t đ tài m i và r t khó c a ngành c khí ch t o, do hàn hai v t li u r t khác bi t
v c u trúc, ch ng lo i và tính ch t nên s đ i m t v i r t nhi u th thách v k thu t &
1
công ngh , nh ng nghiên c u thành công s có r t nhi u ý ngh a v m t khoa h c và th c
ti n.
Hình 0.2 S đ k t c u c a tàu tu n tra cao t c v nhôm khung thép (ngu n: [12])
• M c đích c a lu n án:
- Nghiên c u tìm ra các gi i pháp k thu t & ch đ cơng ngh hàn thích h p đ có th
hàn đ c hai t m nhơm AA1100 và thép CCT38 d ng liên k t ch T, hàn kín c hai
phía b ng q trình hàn h quang đi n c c khơng nóng ch y trong mơi tr ng khí b o
v (TIG).
- Ch ng minh tính kh thi c a vi c ng d ng q trình hàn TIG đ hàn nhơm v i thép
d ng t m dày, không s d ng thu c hàn hay v t li u trung gian, qua đó nh m m r ng
ph m vi ng d ng c a quá trình hàn TIG trong th c t s n xu t.
•
i t ng và ph m vi nghiên c u c a lu n án:
i t ng nghiên c u: lu n án này nghiên c u th c hi n hàn liên k t nhôm – thép trên
hình 0.3 b ng quá trình hàn TIG. ây là liên k t hàn d ng ch T, đ c làm t 2 lo i v t
li u khác nhau hoàn toàn v c u trúc, ch ng lo i và tính ch t. T m đ ng (vách) đ c làm
t thép cacbon th p CCT38, còn t m n m ngang phía d i (biên) đ c làm t nhôm
AA1100. M i hàn đ c th c hi n s là m i hàn lai ghép (hybrid), theo cách: liên k t gi a
kim lo i m i hàn (KLMH) v i t m biên (nhôm AA1100) d ng hàn nóng ch y (theo c
ch hịa tan - k t tinh), còn liên k t gi a KLMH v i t m vách (thép CCT38) d ng hàn
v y (v t li u t m vách khơng b nóng ch y, liên k t hồn tồn theo c ch khu ch tán - k t
t a).
cho d hi u, t đây v sau ta g i liên k t hàn trên hình 0.3 là liên k t hàn hybrid
nhơm - thép d ng ch T.
Hình 0.3 Liên k t hàn hybrid nhôm – thép d ng ch T
Yêu c u đ t ra là: hai c nh c a m i hàn (v m t phía) cùng lúc th c hi n hai c ch hàn
là “hàn nóng ch y” và “hàn v y” b ng m t quá trình hàn duy nh t.
th c hi n đ c đi u
này, đòi h i chúng ta ph i kh ng ch ch t ch , chính xác và tinh t ch đ nhi t hàn, nh m
2
đ m b o sao cho phía ti p giáp v i t m biên nhi t đ ph i đ t t i nhi t đ nóng ch y c a
nhơm AA1100 (kho ng 660oC), cịn phía ti p giáp v i t m vách nhi t đ không đ c
v t quá nhi t đ nóng ch y c a thép CCT38 (kho ng 1450oC).
- Ph m vi nghiên c u: qua nghiên c u tìm hi u các q trình hàn h quang thơng d ng, ta
th y r ng vi c ki m soát ch đ nhi t c a quá trình hàn TIG (đ c bi t TIG xung) là thu n
l i h n c , trong khi thi t b l i s n có Vi t Nam, do v y tác gi s h ng đ n vi c s
d ng quá trình hàn TIG đ nghiên c u trong ph m vi c a b n lu n án này. M t khác, do s
đa d ng c a v t li u và tính ph c t p c a v n đ nghiên c u, b n lu n án này đ c gi i h n
nghiên c u trên c p v t li u nhôm AA1100 v i thép CCT38. Quy mô nghiên c u c a lu n
án đ c xác đ nh trong ph m vi phịng thí nghi m.
• Nhi m v nghiên c u:
- Xây d ng gi i pháp tính tốn thi t k liên k t hàn hybrid nhôm – thép d ng ch T (liên
k t m i, phi tiêu chu n).
- Nghiên c u nh h ng c a góc nghiêng m hàn đ n phân b nhi t đ trong liên k t hàn.
- Xác đ nh tr ng nhi t đ & chu trình nhi t hàn TIG liên k t hàn hybrid nhôm – thép
d ng ch T.
- Nghiên c u nh h ng c a n ng l ng đ ng hàn TIG đ n các y u t quy t đ nh t i
kh n ng hình thành liên k t hàn gi a nhôm AA1100 v i thép CCT38.
- Th c hi n thành cơng m i ghép.
• Ph ng pháp nghiên c u:
Vì đây là v n đ r t m i và phi tiêu chu n, do v y n u ch nghiên c u lý thuy t + th c
nghi m đ n thu n thì s m t r t nhi u th i gian và đ c bi t là r t t n kém v m t chi phí
th c nghi m. Trong khi đó, hi n t i l i có s n các cơng c tính tốn hi n đ i (máy tính đi n
t và ph n m m Sysweld (b n quy n) chun d ng cho mơ ph ng s q trình hàn), vì v y
đ nhanh đ t đ n đích do tránh đ c vi c th c nghi m các vùng thông s công ngh
không phù h p và đ c bi t là ti t ki m các chi phí th c nghi m, tác gi l a ch n ph ng
pháp nghiên c u ph i h p gi a: nghiên c u lý thuy t + tính tốn mơ ph ng s + th c
nghi m.
C th nh sau:
- Nghiên c u tài li u đ tìm hi u các cơng trình đã cơng b liên quan đ n đ tài trong và
ngoài n c. T đó xác đ nh rõ nh ng gì đã đ c cơng b và tìm ra nh ng n i dung m i
mà lu n án c n ph i gi i quy t. ng th i ti n hành kh o sát, tìm hi u v c s v t ch t
và các trang thi t b s n có trong n c đ l a ch n th c hi n lu n án.
- Nghiên c u k các lý thuy t v ng x c a kim lo i c b n trong quá trình hàn và công
ngh hàn các v t li u khác ch ng lo i ( đây t p trung ch y u vào vi c hàn nhơm v i
thép) đ qua đó đ ra các gi i pháp k thu t & cơng ngh thích h p nh m th c hi n hàn
thành công liên k t hàn đã ch đ nh.
- S d ng ph ng pháp mô ph ng s đ khoanh vùng và đ nh l ng (tr c) các thơng s
cơng ngh thích h p. Các k t qu mơ ph ng sau đó làm c s cho vi c thi t l p các
thông s khi th c nghi m đ đánh giá nh h ng c a các thông s công ngh đ n kh
n ng hình thành liên k t hàn c ng nh ch t l ng c a m i ghép.
- S d ng các trang thi t b có s n phù h p v i đi u ki n th c nghi m đ ti n hành thí
nghi m nh m đ t đ c các k t qu k v ng.
- S d ng các thi t b đo, phân tích và ph n m m hi n đ i hi n có Vi t Nam đ đo đ c
và đánh giá k t qu b o đ m đ tin c y.
• Ý ngh a khoa h c và th c ti n c a lu n án:
a) Ý ngh a khoa h c c a lu n án:
- Xây d ng ph ng pháp lu n nghiên c u công ngh hàn các v t li u khác ch ng lo i,
c u trúc và tính ch t.
3
- H th ng hóa và b sung c s lý thuy t v công ngh hàn các v t li u khác ch ng lo i,
đ ng th i thông qua nghiên c u kh o sát c u trúc kim lo i gi a t m thép CCT38 và kim
lo i m i hàn (KLMH) đ xác đ nh và làm rõ v c ch , đi u ki n và kh n ng hình
thành liên k t kim lo i gi a các v t li u khác ch ng lo i, làm c s khoa h c cho vi c
ch t o liên k t hàn hybrid nhơm – thép b ng q trình hàn nóng ch y (TIG).
- Xác đ nh đ c nh h ng c a góc nghiêng m hàn đ n kh n ng hình thành liên k t
hàn gi a nhơm AA1100 v i thép CCT38 d ng ch T, làm c s cho q trình th c
nghi m thành cơng m i ghép.
- Xây d ng đ c m i quan h gi a các thơng s cơng ngh chính v i các y u t quy t
đ nh t i kh n ng hình thành liên k t hàn gi a nhơm AA1100 và thép CCT38, t đó l a
ch n đ c vùng thông s công ngh phù h p, đ m b o t o ra đ c liên k t hàn gi a
nhôm AA1100 v i thép CCT38.
b) Ý ngh a th c ti n c a lu n án:
- L n đ u tiên nghiên c u ng d ng thành cơng q trình hàn TIG đ hàn nhôm AA1100
v i thép CCT38 d ng liên k t ch T t m dày, hàn c hai phía, khơng s d ng thu c
hàn hay v t li u trung gian, góp ph n t ch khoa h c công ngh n i sinh mà không ph
thu c vào bí quy t cơng ngh c a n c ngoài.
- Lu n án m ra m t h ng m i trong đào t o, nghiên c u phát tri n công ngh hàn các
v t li u khác ch ng lo i Vi t Nam, đ ch t o các chi ti t, các s n ph m mà trong đó
ph i h p s d ng nhi u lo i v t li u – m t l nh v c đang có nhu c u ng d ng r t l n và
đa d ng trong công nghi p và đ i s ng.
- K t qu nghiên c u c a lu n án có th ng d ng vào vi c ch t o các tàu v nhôm
khung thép, ch t o thi t b trao đ i nhi t và có th ng d ng trong m t s ngành công
nghi p khác nh : ch t o máy, ch bi n d u khí, hóa ch t và d c ph m, xây d ng các
cơng trình bi n làm vi c trong đi u ki n n mịn hố h c cao, công nghi p s n xu t
đi n, công nghi p hàng không v tr và k thu t qn s .
• Các đóng góp m i c a lu n án:
1) Xây d ng đ c ch ng trình tính tốn thi t k t i u liên k t hàn hybrid nhôm – thép
d ng ch T (m t d ng k t c u m i, phi tiêu chu n).
2) Mô ph ng đ c quá trình hàn TIG cho liên k t lai ghép gi a 2 lo i v t li u r t khác
bi t v ch ng lo i và tính ch t đó là nhơm v i thép d ng ch T, đ t đó đánh giá
đ c kh n ng hình thành liên k t hàn và d báo các khuy t t t ngo i d ng.
3) Xây d ng đ c m i quan h gi a n ng l ng đ ng v i các y u t quy t đ nh đ n kh
n ng hình thành liên k t hàn gi a nhơm AA1100 và thép CCT38, t đó l a ch n đ c
d i n ng l ng đ ng phù h p đ m b o t o ra đ c liên k t hàn gi a nhôm AA1100
v i thép CCT38 b ng quá trình hàn TIG.
4) Tìm ra đ c các gi i pháp k thu t và công ngh phù h p đ th c hi n đ c liên k t
hàn hybrid nhôm – thép d ng ch T t m dày, hàn c 2 phía, không s d ng thu c hàn,
không m hay s d ng v t li u trung gian b ng q trình hàn TIG.
• K t c u c a lu n án
Ngoài ph n m đ u và các m c theo quy đ nh, n i dung nghiên c u c a lu n án đ c
trình bày trong 05 ch ng, c th nh sau:
1. T ng quan v hàn nhôm v i thép.
2. C s khoa h c hàn nhôm v i thép.
3. Mô ph ng s xác đ nh ch đ công ngh hàn TIG liên k t hybrid nhôm - thép ch T.
4. Nghiên c u th c nghi m hàn TIG liên k t hybrid nhôm - thép d ng ch T.
5. K t qu nghiên c u và bàn lu n.
K t lu n chung c a lu n án và ki n ngh v nh ng nghiên c u ti p theo.
Danh m c các tài li u tham kh o.
4
1. T NG QUAN V HÀN NHÔM V I THÉP
Ch đ hàn nhôm v i thép đã đ c đ c p t khá lâu, đã có khá nhi u tác gi nghiên
c u, song cho đ n nay nó v n còn là m t v n đ mang tính th i s do các k t qu nghiên
c u v n ch a đ t đ c s m mãn so v i các yêu c u ngày càng cao và đa d ng c a công
nghi p và đ i s ng.
tránh vi c nghiên c u b trùng l p nh m b o đ m tính m i m , ph n t ng quan d i
đây s đi sâu vào vi c phân tích, đánh giá các cơng trình nghiên c u trong và ngồi n c
đã có cho đ n nay v v n đ hàn nhơm v i thép, qua đó s cho th y nh ng thành t u khoa
h c đã đ t đ c c ng nh nh ng v n đ còn h n ch , t n t i c n t p trung nghiên c u, gi i
quy t.
1.1. Tình hình nghiên c u
trong n
c:
Trong l nh v c ch t o: Vi c nghiên c u ch t o xu ng nhôm và tàu nhôm c nh đã
đ c tri n khai cách đây m t s n m t i m t s Công ty đóng tàu thu c B Qu c phịng,
tuy nhiên do là v t li u hoàn toàn b ng nhơm nên ch đóng đ c tàu/xu ng c nh có t i
tr ng th p và t c đ v n hành th p, ch a đáp ng đ c h t các yêu c u c a tàu cao t c
ph c v công tác tu n tra, c u h trên bi n kho ng cách xa b (ch u l c l n, t c đ cao,
có th đ c trang b c v khí, khí tài quân s ).
Vài n m g n đây, c ng t i m t s Cơng ty đóng tàu c a Qn đ i (Cơng ty đóng tàu
189, Cơng ty đóng tàu H ng Hà,...) đã ti n hành ch t o các lo i tàu cao t c v nhôm v i
t i tr ng l n h n, tuy nhiên vi c hàn tr c ti p nhôm v i thép v n ch a đ c tri n khai.
ch t o các liên k t nhôm – thép d ng ch T, ng i ta ph i nh p t n c ngoài các d i v t
li u trung gian 2 l p: nhôm - thép (Bimetal) ho c 3 l p: h p kim nhôm - nhôm - thép
(Trimetal) – đ c ch t o b ng q trình hàn n , sau đó ti n hành hàn nhôm v i nhôm và
thép v i thép nh cách làm thơng th ng (hình 1.1).
Hình 1.1 Liên k t hàn nhôm – thép d ng ch T có s d ng d i v t li u trung gian 3 l p.
Cách làm này tuy có b o đ m đ c ch t l ng và đ tin c y yêu c u, nh ng làm ph c
t p cho k t c u, t n nhi u chi phí và th i gian ch t o do s m i hàn t ng g p đôi, ph i gia
công nhi u và đ c bi t là m t chi phí và th i gian nh p kh u các d i v t li u trung gian.
Trong l nh v c nghiên c u: Vi c nghiên c u công ngh hàn các v t li u khác ch ng
lo i và khác nhóm c u trúc ch a đ c quan tâm và th c hi n nhi u Vi t Nam, trong khi
kh n ng ng d ng c a chúng là r t l n và đa d ng. Tác gi Hà Minh Hùng (Vi n Nghiên
c u C khí – B Cơng th ng) và các c ng s [2] đã ti n hành nghiên c u hàn nhôm v i
thép b ng n ng l ng thu c n
quy mơ phịng thí nghi m và đã đ t đ c nhi u ti n b v
ch t l ng m i ghép [2, 3], tuy nhiên ph ng pháp hàn n mà các tác gi th c hi n ch là
đ t o ra các ng, thanh và t m v t li u bimetal ho c trimetal (liên k t ch ng) ch không
thu c ph m vi tr c ti p ch t o k t c u hàn nh đ tài lu n án này đ c p.
5
G n đây nh t (n m 2012), hãng Honda (th c hi n t i Tokyo – Nh t B n) c ng đã
nghiên c u thành công công ngh hàn nhôm v i thép [61] ng d ng trong ngành ch t o xe
h i (d ki n s ng d ng trong xe Accord phiên b n 2013) b ng m t bi n th c a hàn ma
sát ngốy ch khơng ph i b ng n ng l ng c a h quang đi n nh đ tài lu n án này.
Cho đ n nay, t i Vi t Nam ch a có tác gi nào nghiên c u công ngh hàn h quang đ
t o k t c u hàn nhôm v i thép, do đó vi c đ u t nghiên c u các gi i pháp k thu t đ hàn
k t c u nhơm v i thép b ng q trình hàn h quang là r t m i, r t c n thi t và có ý ngh a
th c ti n cao trong đi u ki n th c t hi n nay Vi t Nam.
1.2. Tình hình nghiên c u
n
c ngoài:
Vi c nghiên c u ch t o các k t c u t v t li u nh đã đ c tri n khai t kho ng h n
ch c n m tr l i đây và đã đ t đ c nh ng thành t u r t kh quan. C th là các hãng ch
t o ôtô (Mercedes Benz, BMW, Audi), tàu h a (ICE, TGV),… đã r t thành công trong vi c
ch t o các m u ph ng ti n có v b ng h p kim nhơm v i nhi u tính n ng k thu t n i
tr i h n nhi u so v i các m u v thép tr c đó. Trong đó đ hàn nhơm v i thép, ng i ta
đã áp d ng r t nhi u quá trình hàn đ c bi t khác nhau cùng v i r t nhi u nghiên c u có giá
tr c a nhi u tác gi .
có b c tranh t ng quát v kh n ng hàn nhôm v i thép, d i đây s th ng kê t t c
các q trình hàn có th th c hi n đ c vi c hàn nhôm v i thép cùng v i nh ng nghiên
c u tiêu bi u, t đó có th rút ra các u và nh c đi m c a chúng. Trong s đó, nhóm các
q trình hàn h quang – liên quan tr c ti p đ n đ tài c a lu n án – s đ c phân tích,
đánh giá m t cách t m nh m tìm ra nh ng v n đ còn t n t i, h n ch c n nghiên c u, gi i
quy t ti p.
• Hàn nhơm v i thép b ng q trình Hàn N :
Hi n nay đã có r t nhi u tác gi và cơng trình nghiên c u ng d ng q trình hàn n đ
hàn nhơm v i thép, trong đó đi n hình là các tác gi trong các tài li u [4, 14, 15]. Quá trình
hàn n (explosive welding process) s d ng n ng l ng n c a thu c đ t o ra đ ng n ng
r t l n cho t m v t li u phía trên n m cách t m d i m t kho ng cách phù h p (hình 1.2).
V i đ ng n ng r t l n này, t m v t li u phía trên s va đ p xu ng t m d i v i nh ng
xung l c c c l n, làm cho b m t ti p giáp gi a hai t m v t li u chuy n sang tr ng thái d o
(có th có ch nóng ch y c c b
m c t vi) qua đó giúp chúng hịa tr n, khu ch tán sang
nhau đ t o ra liên k t hàn. nh ng v trí quá nhi t, do l ng nguyên t khu ch tán sang
nhau v t quá gi i h n hòa tan bão hòa s x y ra hi n t ng k t t a t o ra các pha m i
(th ng là các t ch c liên kim - Intermetallic Compound - IMC).
Yêu c u c a quá trình hàn này là m t v t li u ph i có đ d o cao (nh nhôm, đ ng,…
ch ng h n). Các k t qu nghiên c u ch ra r ng quá trình hàn n r t thích h p đ hàn nhơm
v i thép, liên k t hàn nh n đ c có đ b n ch c cao, trong đó các h p ch t liên kim lo i
(IMC) xu t hi n trên gianh gi i gi a nhôm và thép d ng màng m ng và không liên t c
t o ra liên k t hàn có c tính t t. c đi m t ng quát c a quá trình hàn n có th đ c tóm
t t nh sau:
* u đi m c a hàn n :
- Thích h p đ hàn liên k t ch ng cho các chi ti t d ng t m, thanh và ng đ ch t o v t
li u nhi u l p kim lo i khác nhau nh Bimetal, Trimetal.
- Hàn đ c các kim lo i khác ch ng lo i v i nhau, đ c bi t thích h p cho hàn nhơm v i
thép. Ngồi ra hàn n còn đ c ng d ng đ hàn các h p kim đ c bi t ng d ng trong
đóng tàu, hóa ch t, d u khí, d c ph m…
- Ch t l ng liên k t hàn r t t t và n ng su t r t cao do th i gian hàn c c nhanh.
6
Hình 1.2 Hàn liên k t ch ng nhơm-thép b ng n ng l
ng n (ngu n: [14])
* Nh c đi m c a hàn n :
- Bi n d ng c – nhi t r t l n nên ph i tr i qua công đo n cán ph ng ho c là ph ng s n
ph m sau khi hàn. B m t c a t m trên, n i ti p xúc v i thu c n hay có hi n t ng
r n, n t ho c th m chí b xé rách n u nh ch đ hàn không phù h p (tr ng h p s
d ng l ng thu c n quá l n).
- Ph ng pháp hàn này phát x đ c h i (khói đ c, ti ng n r t l n,...). Môi tr ng s n
xu t r t khơng an tồn và th ng đ c th c hi n trong h m n chuyên d ng đ t trong
lòng núi ho c t i n i thao tr ng v ng ng i.
- Không hàn đ c các liên k t giáp m i đ i đ u c ng nh các liên k t góc và ch T cho
các chi ti t d ng t m nh đ tài lu n án đ c p.
th c hi n hàn liên k t nhôm – thép
d ng ch T thì ph i th c hi n theo cách nh đã mơ t trong m c 1.1 (hình 1.1).
- Ph ng pháp này có yêu c u cao v ki n th c và k n ng phòng ch ng cháy n c a
ng i thao tác.
- R t t n kém khi xây d ng phòng n chuyên d ng (th ng làm h m n trong lịng núi
đá). Thi t b tuy khơng ph c t p nh ng yêu c u r t cao v vi c s d ng và b o qu n
thu c n .
• Hàn nhơm v i thép b ng quá trình Hàn Ma sát:
Quá trình hàn ma sát c ng là m t l a ch n t t đ ti n hành hàn nhơm v i thép. Q
trình hàn này s d ng l c ma sát l n đ sinh nhi t t i b m t ti p giáp gi a hai chi ti t hàn,
đ a v t li u t i mép hàn đ n tr ng thái d o và s d ng l c ép l n đ ép vùng kim lo i đã
d o này l i v i nhau, qua đó t o đi u ki n hịa tr n, khu ch tán và g n k t kim lo i t o ra
liên k t hàn (các hình 1.3 và 1.4). Yêu c u c a quá trình hàn này là thi t b ph i t o ra đ c
mô men và t c đ quay r t l n đ đ m b o sinh đ nhi t, trong khi h th ng th y l c ph i
t o ra đ c m t l c ép l n.
ã có r t nhi u cơng trình nghiên c u hàn nhôm v i thép b ng ma sát, trong đó ch y u
t p trung vào bi n th hàn ma sát ngoáy (friction stir welding process, hình 1.3), mà đi n
hình là các nghiên c u trong các tài li u [4, 16, 17, 18, 19].
hàn hai t m nhôm và thép
d ng giáp m i, đ u ngoáy đ c đ t l ch v phía t m nhơm t i v trí sao cho chúng v a đ
ch m vào mép c a t m thép khi n xu ng. V i t c đ quay c c l n cùng v i l c ép xu ng
đ m nh c a đ u ngoáy, làm cho vùng kim lo i c b n (KLCB) ti p xúc v i đ u ngoáy
sinh ra m t l ng nhi t đ đ làm cho chúng chuy n sang tr ng thái d o, nh đó mà đ u
ngốy có th c m sâu h t chi u dày c a chi ti t hàn và sau khi đ u ngoáy di chuy n h t
chi u dài c a đ ng hàn thì s t o ra liên k t hàn giáp m i gi a nhơm v i thép. G vai
phía trên c a đ u ngoáy s làm nhi m v ép vùng kim lo i d o này l i v i nhau đ t o nên
liên k t hàn.
7
Hình 1.3 Hàn liên k t giáp m i nhơm-thép b ng ma sát ngoáy (ngu n: [4])
Các nghiên c u nêu trên c ng ch ra r ng ch t l ng c a liên k t hàn nhôm – thép b ng
ma sát ngoáy là r t t t, l p IMC tuy có xu t hi n nhi u h n và dày h n so v i hàn n
nh ng do chúng không liên t c nên liên k t nh n đ c có c tính cao. Các đ c đi m c b n
c a q trình hàn ma sát ngốy đ c t ng h p d i đây:
* u đi m c a hàn ma sát ngốy:
- Thích h p đ hàn giáp m i ho c hàn ch ng cho các chi ti t d ng t m (ph ng ho c đ nh
hình), chi u dày lên đ n 25mm (tùy thu c vào công su t máy).
- Ch t l ng hàn cao, c tính m i hàn r t t t, bi n d ng nhi t và khuy t t t phía trong
m i hàn g n nh khơng có.
- D c khí hóa và t đ ng hóa (dùng Robot d ng tr m – Robotic Station). D dàng tích
h p q trình hàn vào dây chuy n s n xu t t đ ng. Th i gian hàn khá nhanh, n ng
su t cao.
- Hàn đ c các kim lo i khác ch ng lo i v i nhau, đ c bi t là hàn nhôm v i thép. Hàn
đ c các h p kim đ c bi t trong hàng không, v tr (nhôm, magiê, titan,…).
- Ph ng pháp hàn này không phát x đ c h i (khói đ c, b n tóe, b c x t ngo i,...).
Môi tr ng s n xu t r t s ch.
- Không c n b xung kim lo i ph và không yêu c u cao v tay ngh c a công nhân.
* Nh c đi m c a hàn ma sát ngoáy:
- B m t m i hàn b lõm so v i KLCB, có h lõm r t sâu cu i đ ng hàn nên c n ph i
làm tai công ngh khi hàn. Kích th c và chi u dày c a chi ti t hàn b h n ch b i
công su t máy (máy có cơng su t l n nh t hi n nay m i hàn đ c chi u dày 25 mm
đ i v i thép).
- Chi ti t hàn c n ph i đ c k p r t ch t và c n ph i có giá đ
m t đ i di n đ đ m
b o đ c ng v ng cho chi ti t hàn khi hàn. Không hàn đ c k t c u quá ph c t p. Ch
hàn đ c liên k t giáp m i ho c ch ng cho t m, không hàn đ c các liên k t d ng góc
và ch T nh đ tài lu n án này đ c p.
- Thi t b r t đ t ti n – ch y u đ c thi t k d i d ng tr m Robot nên khơng thích h p
v i cơng vi c hàn ngồi cơng tr ng.
M t bi n th khác c a hàn ma sát là hàn ma sát quay (inertia friction welding process,
hình 1.4). Trong tr ng h p này, m t chi ti t đ c k p ch t vào mâm c p và quay v i v n
t c r t l n, chi ti t còn l i đ c k p ch t trên 1 giá có th di chuy n theo chi u d c và đ c
n i v i 1 piston th y l c đ t o l c ép. Khi hàn, hai chi ti t chuy n đ ng t ng đ i v i
nhau m t t c đ r t cao cùng v i l c ép l n s làm cho b m t ti p xúc gi a chúng sinh
ra m t l ng nhi t đ đ làm cho ph n KLCB ch ti p xúc chuy n sang tr ng thái d o,
8
sau đó h th ng đ c phanh l i t c th i và đ c ép vào nhau v i m t l c gia c
h n làm cho 2 v t li u b ép ch t, khu ch tán sang nhau t o ra liên k t hàn [4].
ng l n
Hình 1.4 Hàn liên k t giáp m i d ng thanh, ng nhôm-thép b ng ma sát quay (ngu n: [4])
Bi n th này có nh ng đ c đi m riêng nh sau:
* u đi m c a hàn ma sát quay:
- Thích h p đ hàn liên k t giáp m i đ i đ u cho các chi ti t d ng ch t, thanh, ng trịn
xoay ho c khơng trịn xoay. Có th hàn thanh v i thanh, thanh v i t m, ng v i thanh
ho c ng v i t m.
chính xác c a các chi ti t hàn cao (k c khi hàn chi ti t có ti t
di n khơng trịn xoay ho c ti t di n đ c bi t).
- Hàn đ c các kim lo i khác ch ng lo i v i nhau, đ c bi t là hàn nhôm v i thép. Hàn
đ c các h p kim đ c bi t khác, ng d ng trong công nghi p ch t o ôtô, hàng
không,…
- Ch t l ng liên k t hàn r t t t, bi n d ng nhi t và khuy t t t phía trong m i hàn g n
nh khơng có.
- D c khí hóa, t đ ng hóa (th ng thi t k máy d ng tr m CNC) và n ng su t r t
cao. D dàng tích h p q trình hàn vào dây chuy n s n xu t t đ ng.
- Khơng phát x đ c h i (khói đ c, b c x t ngo i,...). Môi tr ng s n xu t r t s ch.
- Không c n b xung kim lo i ph và không yêu c u cao v tay ngh c a công nhân.
* Nh c đi m c a hàn ma sát quay:
- M i hàn l i ra ba via l n nên ph i m t công c t b (gia công c : c t, ti n, mài).
- Chi u dài c a chi ti t hàn b gi m đi nhi u nên khi thi t k c n ph i có l ng d l n.
Ch hàn đ c liên k t giáp m i đ i đ u cho các chi ti t d ng thanh, ng ho c ch t.
Không hàn đ c liên k t ch T cho các chi ti t d ng t m nh lu n án đ c p.
- Thi t b r t đ t ti n – ch y u đ c thi t k d i d ng tr m CNC nên khơng thích h p
v i cơng vi c hàn ngồi cơng tr ng.
• Hàn nhơm v i thép b ng q trình Hàn Xung t :
Nhóm tác gi trong các tài li u [20, 21, 22, 23, 24] đã nghiên c u hàn nhôm v i thép
b ng quá trình hàn xung t (Magnetic pulse welding process). Quá trình hàn này di n ra
nh sau: khi m t dịng đi n có c ng đ cao đ c c p vào cu n dây (coil), m t t thông
c c m nh t c th i đ c t o ra phía t m nhơm và thâm nh p vào b m t ti p giáp
nhôm/thép, m t dịng đi n xốy (eddy curent) đi qua chúng s c n tr s thâm nh p sâu
h n n a c a nó (hình 1.5). K t qu là m t l c đi n t c c l n tác đ ng vào t m nhôm và
t m nhôm đ c gia t c r t l n, v ng kh i cu n dây r i bay đ n va đ p r t m nh vào t m
thép. T i th i đi m va đ p, b m t chi ti t đ c làm s ch b i m t đ ng n ng l n tr c khi
va ch m. Sau th i đi m va ch m, các b m t đã làm s ch đó đ c ép l i v i nhau b i l c
đi n t và giá đ , b m t t m nhôm t i ch ti p giáp v i t m thép lúc đó chuy n sang tr ng
thái d o trong khi b m t c a t m thép đ c nung nóng b i nhi t n ng sinh ra do va đ p
(c n ng bi n thành nhi t n ng), qua đó giúp chúng hịa tr n, khu ch tán sang nhau t o ra
liên k t hàn.
9