Tạo lớp phủ thép hợp kim trên bề mặt chi tiết dạng trụ bằng công nghệ hàn nổ

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (844.77 KB, 7 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(48) Tp 2/Năm 2008

T

O L

P PH

THÉP H

Ợ

P KIM TRÊN B

Ề

M

Ặ

T CHI TI

Ế

T D

Ạ

NG TR

Ụ

B

Ằ

NG CÔNG NGH

Ệ

HÀN N

Ổ

Hà Minh Hùng - Phạm Văn Quế (Viện Nghiên cứu Cơ khí)

1. Đặt vấn đề:

Sử dụng năng lượng nổ trong gia công kim loại bằng áp lực là một trong các phương
pháp biến dạng tạo hình tiên tiến để tạo phơi, hoặc phục hồi các chi tiết máy có hình thù từ đơn
giản đến phức tạp mà không cần phải đầu tư thiết bị tạo áp lực lớn nhờ có nhiều ưu điểm và tính
chất đặc biệt của quá trình nổ, và do vậy đã được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi tại các nước
công nghiệp tiên tiến như Mỹ, Liên Xô trước đây, Nhật Bản và nhiều nước khác, trong đó đã có
một vài nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam.

Ở Mỹ, người ta đã sử dụng năng lượng nổ để hàn các tấm kim loại kích thước lớn có diện
tích đến 34 m2 với nhau bằng một lần nổ mà khơng cần thiết bị tạo áp lực nào có thể thay thế được.
Năng lượng nổ cũng được ứng dụng trong việc tạo phôi hợp kim nhiều lớp đồng thời kết hợp với
nhiều phương pháp công nghệ truyền thống như: phun nổ tạo lớp phủ kim loại lên bề mặt kim loại
nền, ép nổ tạo hình vật liệu bột kim loại, dập nổ biến dạng tạo hình các hợp kim khó biến dạng dẻo,
gia cơng biến cứng chi tiết bằng thép hợp kim tại những vùng cục bộ chịu tải trọng lớn...

Hàn bằng năng lượng nổ đã được các nhà khoa học trên thế giới, trong đó có Liên Xơ
trước đây, đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực phục hồi các chi tiết
máy có kích thước và khối lượng lớn ngay tại hiện trường sử dụng, ví dụ như: hàn phục hồi các
chỗ hư hỏng trên đường ống dẫn dầu khí, tạo phơi để làm các bể chứa chịu ăn mịn hố học, chế
tạo vật liệu hợp kim nhiều lớp từ những kim loại và hợp kim khó biến dạng dẻo ở điều kiện
thông thường dùng trong công nghiệp hàng không và vũ trụ. Một lĩnh vực ứng dụng năng lượng

nổ khác trên thế giới là phục hồi các chi tiết từ vật liệu bằng thép và hợp kim mầu khác có dạng
ống như xy lanh thuỷ lực, dạng cánh tuốc bin thuỷ khí, các gối tựa chịu lực dạng cầu... cũng rất
có hiệu quả kinh tế [1].

3. Cách tiếp cận

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hàn nổ để biến dạng dẻo tóp ống chi tiết dạng hình trụ để từ
đó tính tốn lượng thuốc nổ sử dụng cần thiết để thí nghiệm phục hồi một số xy lanh thuỷ lực
bằng thép trong bộ giảm xóc xe ơ tơ vận tải mỏ tại Quảng Ninh;

- Nghiên cứu thực nghiệm phát triển công nghệ hàn nổ tóp ống để tạo phơi bimetal dạng
trụ từ vật liệu lõi thép bên trong là thép chế tạo máy thông thường (thép 45), và lớp phủ bề mặt
làm việc của một số chi tiết máy bằng thép hợp kim chịu mòn cao (thép ШХ15);

- Nghiên cứu tính chất biên giới hai lớp bimetal thép 45 + thép ШХ15 sau hàn nổ theo một
số phương pháp ở các cơng trình [1÷5].

3. Nội dung báo cáo

3.1. Bài tốn biến dạng tóp ống kim loại bằng năng lượng nổ

Chúng ta quan sát một ống kim loại hình trụ có bán kính ngồi R1 và bán kính trong R2,

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

Hội thảo Khoa học toàn quốc Công nghệ vật liệu và bề mặt - Thái Nguyªn 2008

bắt đầu biến dạng dẻo và các phân tố của ống bị dịch chuyển vào phía tâm một cách đối xứng.
Để đơn giản hóa quá trình tính tốn, chúng tơi giới hạn ống kim loại có chiều dầy nhỏ so với
bán kính của ống. Từ đó cho phép có thể bỏ qua ảnh hưởng của chiều dài ống trong phép tính,

và ta có thể coi như bài tốn phẳng. Khi đó, phương trình cân bằng ứng suất tại một phần tử nhỏ
của ống khi chưa chuyển động trong tọa độ cực có dạng:

0 =

−

+

r

dr

d

σ

r

σ

r

σ

(1)

Theo điều kiện dẻo Misses:

T

r

σ

3

2 =

−

(2)

trong đó: σr, σϕ - ứng suất hướng tâm và ứng suất tiếp tuyến tương ứng;

σT - ứng suất chảy của vật liệu.

Đặt biểu thức (2) vào (1) và lấy tích phân phương trình (1) ta có:

c
r

T

r +

−

= ln

3
2σ

σ

(3)

Khi ống bắt đầu biến dạng dẻo, hằng số tích phân được xác định bởi điều kiện sau:
σr (r = R2) = 0; ln 2

3
2

R

c = σ T (4)

Đặt biểu thức (4) vào (3) ta có:

R
r

T

r ln

3
2σ

σ = − (5)

Giới hạn áp suất p1 đủ để xy lanh biến dạng dẻo dưới tác dụng của tải trọng tĩnh được xác định

theo biểu thức:

(

)

2
1
1

1 ln

3
2

R
R
R

r

p T

r

σ = = −

= (6)

ở đây: dấu “−” biểu thị áp suất nén.

Trong trường hợp ống thép biến dạng dưới tác dụng của tải trọng động xung cao tốc khi nổ
thì σT khơng thể là ứng suất chảy tĩnh của vật liệu, mà khi đó ta phải lấy giới hạn chảy động σtd:

2
1

ln
3

R
R

ptd = −

σ

td (7)

Sau đây ta hãy xét trường hợp ống bị tóp co lại theo hướng kính (vật liệu thành
ống chuyển động hướng vào tâm) dưới tác dụng của áp lực xung nổ. Nhà khoa học
người Nga nghiên cứu trong lĩnh vực hàn nổ Đeribas A. A. giả thiết coi hình trụ bị biến
dạng rất nhanh như một chất lỏng lý tưởng. Khi đó, nếu gọi ro là khoảng cách của một

phần tử nhỏ của ống đối với tâm trước lúc biến dạng: r(ro, t) là khoảng cách của chính

điểm đó ở thời điểm t (sau khi nổ) trong quá trình dịch chuyển. Phương trình liên tục
của phần tử trên thành ống có dạng:

)

,

(

)

,

(

0
0
0

t

r

t

r

=

∂

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

T¹p chÝ Khoa häc & Công nghệ - Số 4(48) Tp 2/Năm 2008

47
Phương trình chuyển động của phần tử có dạng:

0
0
1
0
0
2
0
2

)

,

(

1 )

,

(

)

,

(

r

t

r

P

r

t

r

t

r

∂

−

=

∂

ρ

(9)

trong đó: p - áp suất của chất lỏng;

ρ

1 - khối lượng riêng của vật liệu được coi như chất lỏng.

Lấy tích phân phương trình (8) theo r0:

(

)

C

t

r

=

+

(10)
ở đây: C (t) - hằng số tích phân phụ thuộc vào biến số (t).

Lấy đạo hàm biểu thức (10) theo (t) và đặt vào phương trình (9) ta có:

[

( ) ( )

1 2

]

1
20
2
10
2
10
2
2
'
20
2
10
2

1

8 ln

4 R

c

R

c

R

c

p

R

p

R

c

R

c

R

C

=

−









+

−

+

−

+

ρ

(11)

trong đó: p (R2) = 0; p(R1) = t; R12 = R210 + C ; R22 = R220 + C

Ta có:

dc

R

d

C

(

)

2
1
'

=

; 2

2
1
2
" ( )

dt
R
d

C = (12)

Thay C' và C" vào phương trình (11) ta nhận được:

[ ]







−
−
=
−





− 1 ( ) ln ( )

)
(
)
(
8
)
(
)
(
)
(

ln
)
(
4
1
2
2
2
2
1
1
2
2
2
1
2
20
2
10
2
2
1
2
2
2
1
2
1
2
2

t
p
R
R
K
t
p
t
R
t
R
R
R
t
R
dt
d
t
R
t
R
t
R
dt
d

ρ

σ

−

=

r

K

(13)

Vì nếu coi vật liệu trong trường hợp biến dạng ở tốc độ và áp suất cao khi nổ như một
chất lỏng lý tưởng không nén được, nên ta có thể viết:

2
20
2
10
2
2
2

R

−

=

−

;

R

22

=

R

12

+

R

202

−

R

102

Áp lực sinh ra do quá trình nổ tác dụng lên ống hình trụ được xác định như sau:

3
1
1

0 ( )

)
(
27
16
)
(  + 
+
−
+
=
dt
t
dR
D
H
t
t
R
R
H
D
t

p ρ (14)

trong đó: ρo, D - khối lượng riêng và tốc độ nổ của thuốc nổ tương ứng;

H - chiều dày lớp thuốc nổ.

Trong thực tế ống kim loại bằng thép bị biến dạng khơng hồn tồn như một chất lỏng lý

tưởng. Do đó, trong q trình dịch chuyển vào phía trong, tại các phần tử của ống thép sẽ phát
sinh phản lực chống lại hiện tượng biến dạng dẻo (trở kháng biến dạng). Vì thế, ống thép chỉ
duy trì sự biến dạng của nó sau một thời gian nhất định và đạt một giá trị nào đó. Vì ống kim
loại bị biến dạng với tốc độ rất nhanh dưới tác dụng của áp suất nổ cực cao, nên trong trường
hợp này ta phải lấy K = K0 là ứng suất tiếp động. Giải phương trình vi phân (13) với hai điều

kiện:

R

2

=

0

; 2(0) =0

dt
dR

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

Héi th¶o Khoa häc toàn quốc Công nghệ vật liệu và bề mặt - Thái Nguyên 2008

ã

Kt qu tớnh toỏn v thử nghiệm ứng dụng phục hồi xy lanh thuỷ lực:

Dưới đây chúng tôi giới thiệu kết quả tính tốn áp dụng cho bài tốn như sau: Vật liệu ống
biến dạng dẻo dưới tác dụng của năng lượng nổ là ống xy lanh thuỷ lực bằng thép tương đương
mác thép 45 trong bộ phận giảm xóc của xe ơ tơ vạn tải mỏ KOMASHU –320 (Nhật Bản).Vật
liệu này có cơ tính như sau: mật độ ρ1 = 7,85g/cm3; trở kháng chống biến dạng Kd = 610,7

MPa; ống có kích thước ban đầu R10 = 56 mm; R20 = 50 mm (trước khi biến dạng tóp). Thuốc

nổ được dùng là loại Amơnít 6ЖB của Nga có mật độ rải bằng ρ0 = 0,9 g/cm3 và chiều dầy lớp

thuốc nổ tối thiểu bằng H = 9 mm. Trên hình 3 thể hiện sơ đồ khối để lập chương trình máy tính
cho việc tính tốn bài tốn nổ tóp ống xy lanh thuỷ lực nói trên. Kết quả tính tốn được cho
trong bảng 1.

Trong trường hợp chiều dày lớp thuốc nổ khơng lớn, tốc độ nổ được tính tốn theo biểu
thức sau [2]: 








−
= 4,5 1 2,044,79

H

D (15)

trong đó: D – tốc độ nổ của thuốc nổ, được biểu thị bằng mm/µs; H – chiều dày lớp thuốc nổ,
được tính theo mm.

P
P

R1

1
2
3

4
5
6
7

Hình 1. Sơ đồ phân bố áp suất tác dụng 
lên mặt trụ ống thép khi biến dạng dẻo 
bằng năng lượng nổ.

Hình 2. Sơđồ nổ tóp ống kim loại:

1) - Kíp nổ; 2) - Chóp nón bằng gỗ; 3) – Ống kim loại 
cần tóp; 4) - Lõi thép cố định kích thước đường kính 
trong; 5) - Thuốc nổ; 6) - Ống bọc thuốc nổ bằng bìa 
giấy; 7) -Đế nổ.

Bảng 1. Kết quả tính tốn nổ tóp ống kim loại bằng thép

r , µs R2, mm dR2/dt, mm/µs r , µs R2, mm dR2/dt, mm/µs

0 50 0 8 49,40 0,126

1 49,99 0,019 9 49,28 0,123

2 49,96 0,037 10 49,16 0,120

3 49,91 0,056 20 48,12 0,089

.... ... ... 30 47,39 0,056

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(48) Tp 2/Năm 2008

49
th ch nh cỏc giá trị biên của miền khảo sát khi lập quy hoạch thực nghiệm nổ tóp các loại
ống kim loại từ các vật liệu khác nhau để thực hiện thí nghiệm thăm dị cơng nghệ. Sau khi xác
định được giá trị thực nghiệm ở các chế độ đó, cần thực hiện các thí nghiệm hiệu chỉnh để tìm
các thông số công nghệ nổ tối ưu đảm bảo kích thước cuối cùng của ống thép sau khi nổ tóp.

Hình 3. Sơđồ khối lập trình tính tốn bài tốn nổ tóp ống kim loại.

Tính cực trị Kd, VH

Chu kỳ biến đổi R2

Chu kỳ biến đổi lớn H2

Thay đổi kích thước ống khác nhau

Tính tốn các thơng số của phương trình (13)

Chu kỳ biến đổi nhỏ dR2 Để giải PT vi phân

Giải phương trình vi phân (13)
Xác định dR2/dt; ∆R2

In kết quả R2, H, V, ∆R

Kết thúc chu kỳ R2
Không

Không

Nhập số liệu vào máy

NÕu dR2/dt

Nếu dR2/dt -VH

K

ế

t thúc gi

ả

i

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

Héi th¶o Khoa học toàn quốc Công nghệ vật liệu và bề mặt - Thái Nguyên 2008

3.2. Bi toỏn n túp ống để hàn với lõi thép ở giữa

Giả thiết cho rằng ống kim loại phía ngồi có khối lượng riêng ρ1 và có bán kính ban

đầu là R10 và R20. Ống được bao quanh bằng thuốc nổ dạng ống có chiều dầy H. Thỏi hoặc ống

thép bên trong có đường kính ngồi R30. Khe hở giữa ống thép ngoài và thỏi kim loại trong ∆R

= R20 - R30. Dưới tác dụng của áp suất nổ, ống ngồi bị tóp lại với tốc độ v, tốc độ này sẽ đạt

được giá trị cực đại sau một thời gian rất ngắn. Sau đó do trở lực chống biến dạng của kim loại
tốc độ dịch chuyển giảm dần (bảng 1). Chúng ta sẽ xác định khoảng cách tối ưu ∆R của ống
thép bên ngoài và thỏi kim loại bên trong nhằm mục đích đạt được giá trị cực đại của v tương

ứng với dịch chuyển ∆R. Ống thép bên ngoài va đập vào thỏi thép bên trong với tốc độ v phát
sinh ra một áp suất xung pv xác định theo biểu thức sau:

2
2
1
1

2
1
2
1

C
C

C
C
v

pv

ρ
ρ ρ ρ+

= (16)

trong đó: C1; ρ1; C2; ρ2 - tốc độ truyền sóng và khối lượng riêng của ống thép ngoài và lõi thép

trong tương ứng.

Giả sử ống thép ngoài sẽ hàn được với lõi thép bên trong nếu áp lực xung khi nổ đủ lớn
để tạo ra ứng suất tiếp va đập lớn hơn ứng suất chảy động của vật liệu có độ bền cao cao
hơn.Theo lý thuyết đường trượt của một tấm kim loại bị biến dạng chảy dẻo do va đập thì giới
hạn của áp suất va đập phải đạt được là:

d

v

K

p

=

(

2 +

π

)

(17)

ở đây: Kd - giới hạn ứng suất tiếp chảy dẻo ở trạng thái nóng của vật liệu có độ bền cao hơn

(ống hoặc thỏi kim loại hàn).

Trị số Kd được xác định theo biểu thức:

d
d

K = σ và

σ

d

≅

(

3 ÷

4 )

σ

T

Từ đó suy ra: pv = (9 ÷12)

σ

T (18)

Từ biểu thức (17) và (16) xác định tốc độ va đập cần thiết để quá trình hàn được xNy ra:

d

H K

C
C

v (2 )

2
1
2
1

2
2
1

π

ρ

+ +

= (19)

Sau khi xác định được vH ta giải phương trình (13) với các thơng số chiều dày thuốc nổ

thay đổi. Ứng với mỗi chiều dày thuốc nổ và kích thước cụ thể của ống kim loại bên ngồi mà
xác định giá trị cực đại của tốc độ nổ và xác định trị số ∆R của dịch chuyển mặt trong của ống
kim loại hàn nổ. So sánh giá trị cực đại này của tốc độ dịch chuyển sẽ nhận được với vH. Bài

toán sẽ được hoán thánh khi đảm bảo được điều kiện sau:

0
)

(

max

2 ≥

H

v
dt

t
dR

(20)

Nếu dR2/dtmax ≤ vH thì cần phải tăng thêm chiều dầy lớp thuốc nổ và lặp lại các thí

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(48) Tp 2/Năm 2008

51
3.3. Kt qu thc nghim hn nổ tạo phơi bimetal tại Viện Nghiên cứu Cơ khí

Mẫu thí nghiệm sử dụng là lõi thép 45 và ống thépШX15 lồng vào nhau để hàn nổ trước
khi bọc thuốc nổ cho trên hình 4 a, nhóm nghiên cứu và NCS chuNn bị mẫu thí nghiệm tại
trường nổ ngồi trời của Cơng ty Hố chất 13 - Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng sau khi khi
bọc lớp thuốc nổ - hình 4 b. Chế độ nổ chọn sơ bộ trong khoảng: r = 1,4 ÷ 1,8 ; h = 0,1 ÷ 0,5 và
C = 0,75 ÷ 1,0. Kết quả hàn nổ theo một số chế độ quy hoạch thực nghiệm tạo phôi bimetal
dạng thanh thép 45 + thép ШX15 cho trên hình 5a.

Từ các phôi bimetal sau hàn nổ nhận được, cắt lấy mẫu có dấu hiệu bám dính của ống
thép ШХ15 và lõi thép 45 tương đối tốt. Để có đánh giá tổng quát về chất lượng phôi bimetal
dạng trụ sau hàn nổ, quy định chia mỗi một phôi sau hàn nổ thành 03 vùng cục bộ theo hướng
nổ như sau: phần đầu được tính từ mặt tiếp giáp trực tiếp của phần thuốc nổ phụ để kích nổ với
phần thuốc nổ ống hình trụ bọc ngoài ống thép hợp kim (ký hiệu là vùng 1), tiếp đến là phần
giữa (ký hiệu là vùng 2) và phần cuối tiếp giáp trực tiếp với đế nổ (ký hiệu là vùng 3). Mỗi một
phôi bimetal nhận được sau hàn nổ được cắt thành 03 đoạn khác nhau 1 – 2; 2 – 3 (mỗi đoạn có
chiều dài trung bình 60 mm) và 02 đoạn trung gian có chiều dài 10 mm tại nơi tiếp giáp giữa các
đoạn nói trên để gia công thành các mẫu thử phá huỷ xác định độ bền bám dính 2 lớp (hình 5b)
và mẫu nghiên cứu cấu trúc tế vi theo chiều ngang và dọc theo hướng nổ tương ứng (hình 6a,b).

Kết quả thử và tớnh toỏn mụ phỏng số độ bền bỏm dớnh 2 lớp bimetal thộp 45 + thộp
ШX15 ngay sau khi hàn nổ cho trờn hỡnh 7. Từ các ảnh đồ tính tốn mơ phỏng trên hình 7 có thể
nhận xét: độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 45 + thép ШX15 chịu ảnh h−ởng của các thông số
ban đầu khi hàn nổ theo quy luật phi tuyến. Đ−ờng cong thực nghiệm cho thấy, trong phạm vi
miền các giá trị lựa chọn của các thông số D, h, r khi hàn nổ chất l−ợng bám dính 2 lớp bimetal 
nói trên nhìn chung đạt yêu cầu sử dụng và tiếp tục ộp chảy để biến dạng tạo hình đến kớch
thướcsản phẩm cuối cùng.

a) b)

Hình 4. ChuJn bị mẫu thí nghiệm hàn nổ bimetal dạng thanh thép 45+ thép шх15:

</div>

Tạo lớp phủ thép hợp kim trên bề mặt chi tiết dạng trụ bằng công nghệ hàn nổ

<b>T</b>

<b></b>

<b>O L</b>

<b></b>

<b>P PH</b>

<b></b>

<b> THÉP H</b>

<b>Ợ</b>

<b>P KIM TRÊN B</b>

<b>Ề</b>

<b> M</b>

<b>Ặ</b>

<b>T CHI TI</b>

<b>Ế</b>

<b>T D</b>

<b>Ạ</b>

<b>NG TR</b>

<b>Ụ</b>

<b> </b>

<b>B</b>

<b>Ằ</b>

<b>NG CÔNG NGH</b>

<b>Ệ</b>

<b> HÀN N</b>

<b>Ổ</b>

0

=

−

+

<i>r</i>

<i>dr</i>

<i>d</i>

σ

σ

σ

σ

σ

σ

3

2

=

−

σ

(

)

σ

)

,

(

)

,

(

<i>t</i>

<i>r</i>

<i>r</i>

<i>r</i>

<i>r</i>

<i>t</i>

<i>r</i>

<i>r</i>

=

∂

∂

)

,

(

1

)

,

(

)

,

(

<i>r</i>

<i>t</i>

<i>r</i>

<i>P</i>

<i>r</i>

<i>t</i>